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温度制御装置及び温度素子用の電源装置

国内特許コード	P120007407
掲載日	2012年4月24日
出願番号	特願2010-055031
公開番号	特開2011-188749
登録番号	特許第5470655号
出願日	平成22年3月11日(2010.3.11)
公開日	平成23年9月29日(2011.9.29)
登録日	平成26年2月14日(2014.2.14)
発明者	山口栄雄浅井宏俊
出願人	学校法人神奈川大学
発明の名称	温度制御装置及び温度素子用の電源装置
発明の概要	【課題】ＰＣＲ法における所定の温度パターンに対して、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度変化を追従させること。【解決手段】温度素子６１は、相互に離間して配置されるｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２Ｎとの組と、ＤＮＡ検体の容器を直接装着する装着部８１を有し、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２Ｎとの各々に接合する金属製ウェル７１と、ｐ型半導体７２Ｐに接合され、温度制御部６２により電圧が印加される電極兼放熱板７３Ｐと、ｎ型半導体７２Ｎに接合され、温度制御部６２により電圧が印加される電極兼放熱板７３Ｎとを備えている。温度制御部６２により電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎの各々に異なる電圧が印加されて、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２Ｎとの間に電位差が生じた場合、金属製ウェル７１は、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２Ｎとの一方から他方へ電流を流すと共に熱を伝搬することで、ペルチェ効果を生じさせる。【選択図】図２
従来技術、競合技術の概要	一般に、ＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃａｃｉｄ、デオキシリボ核酸）を増幅する手法として、ＰＣＲ法（ＰｏｌｙｍｅｒａｓｅｃｈａｉｎＲｅａｃｔｉｏｎ、ポリメラーゼ連鎖反応法）が知られている。ＰＣＲ法は、ＤＮＡ検体に対して、当該ＤＮＡ検体と反応させるプライマ、酵素、及びデオキシリボヌクレオシド三リン酸を加えた反応溶液を、温度目標値の時間推移の所定パターンにしたがって加熱又は冷却する処理を繰り返すことによって、ＤＮＡを増幅する手法である。このようなＰＣＲ法によりＤＮＡを増幅する従来のＤＮＡ増幅装置においては、ＤＮＡ検体（反応溶液）を加熱又は冷却するために、ペルチェ効果を有する素子（以下、「ペルチェ素子」と称する）が利用されている（特許文献１，２参照）。ペルチェ効果とは、異なる導体、例えばｐ型半導体とｎ型半導体との接合に対して電流を流した場合に、その接合部で熱の吸収が発生する現象をいう。図１は、従来のペルチェ素子１の概略構成を示す断面図である。従来のペルチェ素子１は、図１中下方から順に、放熱板２１Ｂと、電圧が印加される電極板２３Ｐ，２３Ｎと、電極板２３Ｐに接合されるｐ型半導体２４Ｐ及び電極板２３Ｎに接合されるｎ型半導体２４Ｎの組と、この組に接合される電極板２２Ａと、放熱板２１Ａとが積層されて構成される。なお、特許文献２においては、電極板２３Ｐ，２３Ｎに相当する金属板ａ１１，ａ１２と、ｐ型半導体２４Ｐ及びｎ型半導体２４Ｎの組に相当するｐ型半導体ａ４及びｎ型半導体ａ３の組と、電極板２２Ａに相当する金属板ａ２とからなるものを、ペルチェ素子と称している（特許文献２の図６参照）。しかしながら、特許文献２でいうペルチェ素子により加熱又は冷却される被温度制御対象は、熱伝導板１２，２２等を介在して配設されている（特許文献２の図１参照）。即ち、図１において、被温度制御対象は容器３１であり、この容器３１と電極板２２Ａとの間に放射板２１Ａが介在していることと、特許文献２において、被温度制御対象（容器３１に相当）と金属板ａ２との間に熱伝導板１２，２２等を介在していることとは等価である。換言すると、特許文献２における熱伝導板１２，２２等は、図１の放熱板２１Ａに相当する。同様に、特許文献２における放熱フィン５１，５２の下面部は、図１の放熱板２１Ｂに相当する。以上まとめると、特許文献２には、図１の従来のペルチェ素子１をそのまま用いて、被温度制御対象に対する温度制御が実行されることが単に開示されているに過ぎない。以下、説明の簡略上、従来のペルチェ素子１の図１中上方の面側の部位、即ち、放熱板２１Ａ及び電極板２２Ａをまとめて、「Ａ面部位」と称する。一方、ペルチェ素子１の図１中下方の面側の部位、即ち、放熱板２１Ｂ及び電極板２３Ｐ，２３Ｎをまとめて、「Ｂ面部位」と称する。また、電極板２３Ｐを基準として、電極板２３Ｐが高電位になり、電極板２３Ｎが低電位になるように電圧が印加されることを、以下、「従来のペルチェ素子１にプラス電圧が印加される」と表現する。逆に、電極板２３Ｐが低電位になり、電極板２３Ｎが高電位になるように電圧が印加されることを、以下、「従来のペルチェ素子１にマイナス電圧が印加される」と表現する。例えば図１に示すように、ＤＮＡ検体（反応溶液）が収容された容器３１が、従来のペルチェ素子１のＡ面部位側に、より具体的には、放熱板２１Ａの表面上に配置されているとする。この場合、従来のペルチェ素子１にマイナス電圧が印加されると、電流が、電極板２３Ｎから電極板２３Ｐに向けて流れる。具体的には、電流が、電極板２３Ｎ、ｎ型半導体２４Ｎ、電極板２２Ａ、ｐ型半導体２４Ｐ、及び電極板２３Ｐの順に流れる。その結果、Ａ面部位が吸熱部となり、Ｂ面部位が発熱部となる。具体的には、従来のペルチェ素子１に印加されたマイナス電圧によって、電極板２３Ｎから電極板２３Ｐに向けて流れる電流の値に応じて、Ａ面部位が低温となりＢ面部位が高温となるような温度差△Ｔが生ずる。これにより、容器３１の熱がＡ面部位に吸熱され、容器３１が冷却される。これに対して、従来のペルチェ素子１にプラス電圧が印加されると、電流が、プラス電圧が印加された場合とは逆方向に流れる。具体的には、電流が、電極板２３Ｐ、ｐ型半導体２４Ｐ、電極板２２Ａ、ｎ型半導体２４Ｎ、及び電極板２３Ｎの順に流れる。その結果、プラス電圧が印加された場合とは逆に、Ａ面部位が発熱部となり、Ｂ面部位が吸熱部となる。具体的には、従来のペルチェ素子１に印加されたプラス電圧の電圧値によって、電極板２３Ｐから電極板２３Ｎに向けて流れる電流の値に応じて、Ａ面部位が高温となりＢ面部位が低温となるような温度差△Ｔが生ずる。これにより、Ａ面部位から発せられた熱が容器３１に伝搬され、容器３１が加熱される。したがって、電極板２３Ｎと電極板２３Ｐとの間に流れる電流の値を、温度目標値の時間推移の所定パターンに対応するように可変制御することによって、ＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体に対する温度制御が実現可能になる。
産業上の利用分野	本発明は、ＤＮＡ検体を増幅するＰＣＲ法に適用可能な温度制御装置及び温度素子用の電源装置に関する。特に、ＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体に対する温度制御の高応答性を実現可能な温度制御装置及び温度素子用の電源装置に関する。
特許請求の範囲	【請求項1】対象物を加熱又は冷却する温度制御装置において、ペルチェ効果により前記対象物を加熱又は冷却する温度素子と、前記温度素子に対する通電制御を行う制御部とを備え、前記温度素子は、相互に離間して配置されるｐ型半導体及びｎ型半導体の組と、前記対象物を装着する装着部を有し、前記ｐ型半導体とは第１又は第２の面で、前記ｎ型半導体とは前記第１又は第２の面に対向する第２又は第１の面で各々に接合する接合部位と、前記ｐ型半導体に接合され、前記制御部により電圧が印加される第１の電極部位と、前記ｎ型半導体に接合され、前記制御部により電圧が印加される第２の電極部位とを有し、前記制御部により前記第１の電極部位と前記第２の電極部位との各々に異なる電圧が印加されて、前記ｐ型半導体と前記ｎ型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記ｐ型半導体と前記ｎ型半導体との一方から他方へ電流を流すと共に熱を伝搬することで、前記ペルチェ効果を生じさせ、前記制御部は、スイッチングレギュレータとリニアレギュレータとを併せ持つ定電流源を有し、前記定電流源は、前記スイッチングレギュレータの出力電圧の絶対値が閾値以上の場合には、定電流の出力可変制御を前記スイッチングレギュレータに担当させ、前記スイッチングレギュレータの出力電圧の絶対値が前記閾値未満の場合には、定電流の出力可変制御を前記リニアレギュレータに担当させる、温度制御装置。【請求項2】前記対象物は、ＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃａｃｉｄ）検体収容に用いられる所定の容器であり、前記装着部は、前記容器を装着すべく加工が施された請求項１に記載の温度制御装置。【請求項3】前記温度素子は、前記ｐ型半導体及び前記ｎ型半導体の複数の組を有し、前記接合部位の前記第１の面には、前記複数の組の各々の前記ｐ型半導体が接合され、前記接合部位の前記第２の面には、前記複数の組の各々の前記ｎ型半導体が接合されており、前記第１の電極部位には、前記複数の組の各々の前記ｐ型半導体が接合され、前記第２の電極部位には、前記複数の組の各々の前記ｎ型半導体が接合されている請求項１又は２に記載の温度制御装置。【請求項4】前記温度素子は、前記ｐ型半導体及び前記ｎ型半導体の複数の組を有し、前記接合部位の前記第１の面から前記第２の面に至って絶縁物が挿入されることで、前記接合部位は複数の領域に区分されており、前記複数の領域毎に、前記第１の面側に前記ｐ型半導体を接合して前記第２の面側に前記ｎ型半導体を接合する組と、前記第１の面側に前記ｎ型半導体を接合して前記第２の面側に前記ｐ型半導体を接合する組とが交互に配置されており、前記第１の電極部位には、前記第１の面に接続された所定の前記ｐ型半導体が接合され、前記第２の電極部位には、前記第１の面に接続された所定の前記ｎ型半導体が接合されており、前記複数の組を直列に接合する第３の電極部位をさらに有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の温度制御装置。【請求項5】前記温度素子の前記第１の電極部位と前記第２の電極部位とのうち少なくとも一方を冷却する冷却部をさらに備える請求項１乃至４の何れか１項に記載の温度制御装置。【請求項6】前記温度制御装置は、携帯型の装置である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の温度制御装置。【請求項7】ペルチェ効果により対象物を加熱又は冷却する温度素子用の電源装置において、前記温度素子は、相互に離間して配置されるｐ型半導体及びｎ型半導体の組と、前記対象物を装着する装着部を有し、前記ｐ型半導体と前記ｎ型半導体との各々に接合する接合部位と、前記ｐ型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第１の電極部位と、前記ｎ型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第２の電極部位とを有し、前記第１の電極部位と前記第２の電極部位との各々に異なる電圧が外部から印加されて、前記ｐ型半導体と前記ｎ型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記ｐ型半導体と前記ｎ型半導体との一方から他方へ電流を流すと共に熱を伝搬することで、前記ペルチェ効果を生じさせる温度素子であって、前記電源装置は、スイッチングレギュレータとリニアレギュレータとを併せ持つ定電流源装置であって、前記スイッチングレギュレータの出力電圧の絶対値が閾値以上の場合には、定電流の出力可変制御を前記スイッチングレギュレータに担当させ、前記スイッチングレギュレータの出力電圧の絶対値が前記閾値未満の場合には、定電流の出力可変制御を前記リニアレギュレータに担当させる、温度素子用の電源装置。【請求項8】前記装着部は、前記対象物の形状に対応した加工が施されて、前記接合部位内に形成されている請求項７に記載の温度素子用の電源装置。
国際特許分類(IPC)	C12M 1/00 酵素学または微生物学のための装置
Fターム	4B029AA23 遺伝子工学的処理を行うための装置 4B029BB20 その他
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出願権利状態	登録

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発明の名称	TEMPERATURE CONTROLLER AND ELECTRIC POWER UNIT FOR TEMPERATURE ELEMENT
発明の概要	PROBLEM TO BE SOLVED: To make the change in temperature of a DNA specimen (reaction solution) follow the predetermined temperature pattern in the PCR method. SOLUTION: A temperature element 61 has a set of a p-type semiconductor 72P and an n-type semiconductor 72N arranged apart each other and a mounting part 81 to which a container of a DNA specimen is directly mounted, and is equipped with the followings: a metal well 71 joined to each of the p-type semiconductor 72P and the n-type semiconductor 72N; an electrode/heat radiation plate 73P, joined to the p-type semiconductor 72P, to which a voltage is impressed by a temperature control part 62; and an electrode/heat radiation plate 73N, joined to the n-type semiconductor 72N, to which a voltage is impressed by a temperature control part 62. When different voltages are impressed to the respective electrode/heat radiation plates 73P and 73N by the temperature control part 62 causing a potential difference between the p-type semiconductor 72P and the n-type semiconductor 72N, the metal well 71 spreads heat, while passing an electric current, from one side to another of the p-type semiconductor 72P and the n-type semiconductor 72N creating the Peltier effect.

発明の名称

TEMPERATURE CONTROLLER AND ELECTRIC POWER UNIT FOR TEMPERATURE ELEMENT

発明の概要

PROBLEM TO BE SOLVED: To make the change in temperature of a DNA specimen (reaction solution) follow the predetermined temperature pattern in the PCR method.
SOLUTION: A temperature element 61 has a set of a p-type semiconductor 72P and an n-type semiconductor 72N arranged apart each other and a mounting part 81 to which a container of a DNA specimen is directly mounted, and is equipped with the followings: a metal well 71 joined to each of the p-type semiconductor 72P and the n-type semiconductor 72N; an electrode/heat radiation plate 73P, joined to the p-type semiconductor 72P, to which a voltage is impressed by a temperature control part 62; and an electrode/heat radiation plate 73N, joined to the n-type semiconductor 72N, to which a voltage is impressed by a temperature control part 62. When different voltages are impressed to the respective electrode/heat radiation plates 73P and 73N by the temperature control part 62 causing a potential difference between the p-type semiconductor 72P and the n-type semiconductor 72N, the metal well 71 spreads heat, while passing an electric current, from one side to another of the p-type semiconductor 72P and the n-type semiconductor 72N creating the Peltier effect.

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