JP5822448B2 - 温度制御装置、及び温度素子 - Google Patents

Description

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、及び温度素子に関する。

一般に、ＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ、デオキシリボ核酸）を増幅する手法として、ＰＣＲ法（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ、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との間に放熱板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２３Ｎを基準として、電極板２３Ｎが高電位になり、電極板２３Ｐ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２３Ｎが低電位になり、電極板２３Ｐ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にプラ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に印加されたプラス電圧によって、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にマイナ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に印加されたマイナ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。

特開２００６−２２３２９２号公報 特開２００７−１９８７１８号公報

しかしながら、特許文献１や２を含む従来のＤＮＡ増幅装置を利用した場合、ＰＣＲ法における温度目標値の時間推移の所定パターンに対して、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度が十分に追従して推移しない。即ち、特許文献１や２を含む従来のＤＮＡ増幅装置では、ＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体（反応溶液）に対する温度制御の応答性が十分に得られない。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、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することを目的とする。
なお、本明細書において、「高応答性」という用語は、応答速度が高速になるという意味で用いるものとする。

本発明の温度制御装置（例えば実施形態におけるＤＮＡ増幅装置５１）は、
対象物（例えば実施形態におけるプラスチックチューブ８２）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、複数の温度素子（例えば実施形態における温度素子６１−１，６１−２）と、
前記温度素子に対する通電制御を行う制御部（例えば実施形態における温度制御部６２）と
を備え、
前記複数の温度素子の各々は、
相互に離間して配置される第１ｐ型半導体（例えば実施形態におけるｐ型半導体７２Ｐ）及び第１ｎ型半導体（例えば実施形態におけるｎ型半導体７２Ｎ）の組と、
前記対象物を装着する装着部（例えば実施形態における装着部８１）を有し、前記第１ｐ型半導体とは第１の面で、前記第２ｎ型半導体とは前記第１の面に対向する第２の面で各々に接合する接合部位（例えば実施形態における金属製ウェル７１）と、
前記第１ｐ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１ｐ側電極部位（例えば実施形態における電極兼放熱板７３Ｐ）と、
前記第１ｎ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１ｎ側電極部位（例えば実施形態における電極兼放熱板７３Ｎ）と、
を有し、
前記複数の温度素子の各々の前記第１ｐ側電極部位と前記第１ｎ側電極部位の少なくとも一方が、別の温度素子の前記第１ｎ側電極部位又は前記第１ｐ側電極部位と接続されることによって、前記複数の温度素子の直列接続が構成されており、
前記制御部は、前記直列接続の両端に異なる電圧を印加する第１制御（例えば実施形態におけるメイン温度制御）を実行し、その結果、前記複数の温度素子の各々において、前記第１ｐ型半導体と前記第１ｎ型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記第１ｐ型半導体と前記第１ｎ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、
前記複数の温度素子の少なくとも一部（例えば実施形態における温度素子６１−２）は、さらに、
第２ｐ型半導体（例えば実施形態におけるｐ型半導体１７２Ｐ）及び第２ｎ型半導体（例えば実施形態におけるｎ型半導体１７２Ｎ）の組と、
前記第２ｐ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２ｐ側電極部位（例えば実施形態における電極兼放熱板１７３Ｐ）と、
前記第２ｎ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２ｎ側電極部位（例えば実施形態における電極兼放熱板１７３Ｎ）と、
を有し、
前記接合部位は、前記第２ｐ型半導体とは、前記第及び第２の面とは異なる第３の面で、前記第２ｎ型半導体とは、前記第３の面に対向する第４の面で各々に接合し、
前記制御部は、前記第１制御とは独立して、さらに、前記複数の温度素子の少なくとも一部の各々に対して、前記第２ｐ側電極部位と前記第２ｎ側電極部位とに異なる電圧を印加する第２制御（例えば実施形態におけるサブ温度制御）を実行し、
その結果、前記第２ｐ型半導体と前記第２ｎ型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記第２ｐ型半導体と前記第２ｎ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、
温度制御装置であることを特徴とする。

この発明によれば、温度素子に設けられた接合部位は、ｐ型半導体とｎ型半導体と直接接合し、ｐ型半導体とｎ型半導体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機能を有している。この接合部位には装着部が設けられており、ＤＮＡ検体を収容した所定の容器を当該装着部に直接装着することができる。したがって、ＤＮＡ検体は、温度制御系にとって遅れ要素となるもの（例えば図１の従来のペルチェ素子１の放熱板２１Ａ）を介在せずに、接合部位により直接加熱又は冷却される。その結果、従来のペルチェ素子１を採用した場合と比較して、温度制御の高応答性が実現する。

さらに、直列接続された複数の温度素子に対して一斉に温度を制御する第１制御とは独立して、複数の温度素子の少なくとも一部の各々に対して個別に温度を制御する第２制御が実行される。
これにより、複数の温度素子間のバラつきの影響を吸収して、複数の温度素子の各々の温度変化を略同一にすることが可能になる。

この場合、前記対象物は、ＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ）検体収容に用いられる所定の容器であり、前記装着部には、前記容器が装着されることになる。

この発明をＰＣＲ法に適用することで、その温度目標値の時間推移の所定パターンに対して、ＤＮＡ検体の温度を追従させて推移させることが可能になる。即ち、ＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体に対する温度制御の高応答性が実現可能になる。

また、この場合、前記温度素子の前記第１ｐ側電極部位及び前記第１ｎ側電極部位並びに前記第２ｐ側電極部位及び前記第２ｎ側電極部位のうち少なくとも一方を冷却する冷却部（例えば実施形態における水冷部６３）をさらに備えるようにしてもよい。

さらにまた、この場合、前記温度制御装置は、携帯型の装置であるようにしてもよい。携帯型の装置とは、人間が自在に持ち運び可能に構成された装置をいう。

本発明の温度素子（例えば実施形態における温度素子６１）は、
ペルチェ効果により対象物（例えば実施形態におけるプラスチックチューブ８２）を加熱又は冷却する温度素子において、
相互に離間して配置される第１ｐ型半導体（例えば実施形態におけるｐ型半導体７２Ｐ）及び第１ｎ型半導体（例えば実施形態におけるｎ型半導体７２Ｎ）の組と、
相互に離間して配置される第２ｐ型半導体（例えば実施形態におけるｐ型半導体１７２Ｐ）及び第２ｎ型半導体（例えば実施形態におけるｎ型半導体１７２Ｎ）の組と、
前記対象物を装着する装着部（例えば実施形態における装着部８１）を有し、第１の面で前記第１ｐ型半導体と、前記第１の面と対向する第２の面で前記第１ｎ型半導体と、前記第１の面及び前記第２の面と異なる第３の面で前記第２ｐ型半導体と、前記第３の面と対向する第４の面で第２ｎ型半導体と、それぞれ接合する接合部位（例えば実施形態における金属製ウェル７１）と、
前記第１ｐ型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第１ｐ側電極部位（例えば実施形態における電極兼放熱板７３Ｐ）と、
前記第１ｎ型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第１ｎ側電極部位（例えば実施形態における電極兼放熱板７３Ｎ）と、
前記第２ｐ型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第２ｐ側電極部位（例えば実施形態における電極兼放熱板１７３Ｐ）と、
前記第２ｎ型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第２ｎ側電極部位（例えば実施形態における電極兼放熱板１７３Ｎ）と、
を備え、
前記第１ｐ側電極部位と前記第２ｎ側電極部位との間に異なる電圧が外部から印加される第１制御（例えば実施形態におけるメイン温度制御）が実行されて、前記第１ｐ型半導体と前記第１ｎ型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記第１ｐ型半導体と前記第１ｎ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と共に、
前記第２ｐ側電極部位と前記第２ｎ側電極部位との間に異なる電圧が外部から印加される第２制御（例えば実施形態におけるサブ温度制御）が、前記第１制御とは独立して実行されて、前記第２ｐ型半導体と前記第２ｎ型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記第２ｐ型半導体と前記第２ｎ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
温度素子であることを特徴とする。

この発明によれば、温度素子に設けられた接合部位は、ｐ型半導体とｎ型半導体と直接接合し、ｐ型半導体とｎ型半導体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機能を有している。この接合部位には装着部が設けられており、冷却又は加熱の対象物を当該装着部に直接装着することができる。したがって、当該対象物は、温度制御系にとって遅れ要素となるもの（例えば図１の従来のペルチェ素子１の放熱板２１Ａ）を介在せずに、接合部位により直接加熱又は冷却される。その結果、従来のペルチェ素子１を採用した場合と比較して、温度制御の高応答性が実現する。したがって、本発明に係る温度素子をＰＣＲ法に適用することで、即ち、当該対象物としてＤＮＡ検体を収容可能な所定の容器を採用することで、ＰＣＲ法における温度目標値の時間推移の所定パターンに対して、ＤＮＡ検体の温度を追従させて推移させることが可能になる。即ち、ＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体に対する温度制御の高応答性が実現可能になる。

さらに、このような温度素子を直列接続して用いた場合には、直列接続された複数の温度素子に対して一斉に温度を制御する第１制御と、複数の温度素子の少なくとも一部の各々に対して個別に温度を制御する第２制御との相互に独立した実行が可能になる。これにより、複数の温度素子間のバラつきの影響を吸収して、複数の温度素子の各々の温度変化を略同一にすることが可能になる。

本発明によれば、ＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体に対する温度制御の高応答性が実現可能になる。

従来のペルチェ素子の概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るＤＮＡ増幅装置の概略構成を示す上面図である。 図２のＤＮＡ増幅装置の温度素子の金属製ウェルの概略構成を示す斜視図である。 図２のＤＮＡ増幅装置の温度素子であって、ｐ型半導体及びｎ型半導体の２組が並列に配置される場合の温度素子の概略構成を示す上面図である。 図４の温度素子の概略構成の斜視図である。 図４の温度素子の概略構成であって、図５とは異なる構成の斜視図である。 図２のＤＮＡ増幅装置の温度素子であって、ｐ型半導体及びｎ型半導体の２組が直列に配置される場合の温度素子の概略構成を示す上面図である。 図７の温度素子の概略構成の斜視図である。 本発明の一実施形態に係るＤＮＡ増幅装置の概略構成であって、図２とは異なる概略構成を示す上面図である。 同一条件によるＰＣＲ法の試験を行うに際し、図９に示す直列接続された２つの温度素子の各々に対して温度制御を行った結果を示す図である。 同一条件のＰＣＲ法の試験を、図１の従来のペルチェ素子を備える従来のＤＮＡ増幅装置を用いて実現した場合と、図２のＤＮＡ増幅装置を用いて実現した場合との比較を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係るＤＮＡ増幅装置５１の概略構成を示す上面図である。

ＤＮＡ増幅装置５１は、温度素子６１と、温度制御部６２と、水冷部６３とを備える。温度素子６１は、ペルチェ効果により対象物を冷却又は加熱すべく、金属製ウェル７１と、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎの組と、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎと、水管７４Ｐ，７４Ｎとを備える。

図２に示すように、電極兼放熱板７３Ｐには水管７４Ｐが、電極兼放熱板７３Ｎには水管７４Ｎが、それぞれ接続されている。水冷部６３は、水管７４Ｐ，７４Ｎの各々に水を流すことで、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎの各々を冷却して一定温度に保つ。即ち、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎは、図１の従来のペルチェ素子１の放熱板２１Ｂと同様の機能（以下、「放熱板機能」と称する）を有している。

さらに、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎの各々は、温度制御部６２と電気的に接続されており、温度制御部６２により電圧が印加される。即ち、電極兼放熱板７３Ｐは、図１の従来のペルチェ素子１の電極板２３Ｐと同様の機能を有し、電極兼放熱板７３Ｎは、図１の従来のペルチェ素子１の電極板２３Ｎと同様の機能を有している。なお、以下、これらの機能を「電圧被印加機能」と称する。詳細については後述するが、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎに印加される電圧の極性（電流の極性）及び電流値が温度制御部６２により制御されることによって、温度素子６１を用いた温度制御が実現される。

電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎは、放熱板機能及び電圧被印加機能を有していれば、その素材や構造等は任意でよい。ただし、放熱板機能及び電圧被印加機能をより発揮すべく、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎの素材としては、熱伝導率が高く、かつ、電気抵抗が小さい素材が好適である。本実施形態では、このような素材として銅（Ｃｕ）が採用されている。

電極兼放熱板７３Ｐにはｐ型半導体７２Ｐの一端が接合されている一方で、電極兼放熱板７３Ｎにはｎ型半導体７２Ｎの一端が接合されている。即ち、ｐ型半導体７２Ｐは、図１の従来のペルチェ素子１のｐ型半導体２４Ｐと同様の機能を有し、ｎ型半導体７２Ｎは、図１の従来のペルチェ素子１のｎ型半導体２４Ｎと同様の機能を有している。

ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎの組は、ペルチェ効果を奏すれば、その素材や構造等は任意でよい。ただし、本実施形態では、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎの組の素材として、より大きなペルチェ効果が得られるビスマステルが採用されている。

ｐ型半導体７２Ｐの他端は、金属製ウェル７１の側面７１ａに直接接合されている一方で、ｎ型半導体７２Ｎの他端は、金属製ウェル７１の側面７１ａに対向する側面７１ｂに直接接合されている。

ここで、本明細書において「直接接合」又は「直接装着」という用語は、温度制御系にとって遅れ要素となるもの（例えば図１の従来のペルチェ素子１の放熱板２１Ａ）を介在しない接合又は装着を意味する。したがって、当然ながら、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎの組と、金属製ウェル７１との間には、両者を接合する目的の素材が介在する場合があり得る。具体的には例えば、本実施形態では、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎの組は、その表面がニッケルでメッキされ、さらに、ＧａＩｎ等の低融点合金によって、金属製ウェル７１と接合される。即ち、本実施形態では、両者を接合する目的の素材として、メッキ用のニッケルと、低融点合金とが採用されている。なお、本実施形態の接合手法は例示に過ぎず、その他例えば、ニッケル以外の金属でメッキする接合手法、二重にメッキする接合手法、低融点合金として他の材料を採用する接合手法、低融点合金の代わりに半田付けにより接合する接合手法等、各種各様の接合手法を採用することが可能である。

換言すると、金属製ウェル７１は、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎの組を直接接合する機能、即ち、図１の従来のペルチェ素子１の電極板２２Ａと同様の機能を有している。即ち、当該機能とは、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機能である。なお、以下、当該効果を、「ブリッジ兼電極機能」と称する。

金属製ウェル７１は、ブリッジ兼電極機能を有していれば、その素材や構造等は任意でよい。ただし、金属製ウェル７１は、ブリッジ兼電極機能をより発揮するために、電気抵抗が小さい素材が採用されると好適であり、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）が採用されると好適である。なお、ここでいうアルミニウムとは、純アルミニウムのみならず、アルミニウム合金も含んでいる。本実施形態では、所定のアルミニウム合金が採用されている。

ここで注目すべき点は、金属製ウェル７１の上面７１ｕには、加熱又は冷却の対象物を直接装着する装着部８１が設けられている点である。

図３は、このような装着部８１を有する金属製ウェル７１の概略構成を示す図である。具体的には、図３Ａは、装着部８１に直接装着される対象物の一例であるプラスチックチューブ８２の概略構成を示す側面図である。図３Ｂは、このようなプラスチックチューブ８２を直接装着可能な装着部８１を有する金属製ウェル７１の概略構成を示す斜視図である。なお、図３に示す各種寸法（ｍｍが記載されている箇所）は、本実施形態で採用されている寸法であって例示にしか過ぎない。

本実施形態では、温度素子６１はＤＮＡ増幅装置５１に備えられているため、温度素子６１により加熱又は冷却される対象物は、正確にいうと、ＤＮＡ検体（反応溶液）である。しかしながら、ＤＮＡ検体（反応溶液）は、直接的な加熱又は冷却が困難であるので、図３Ａに示すようなプラスチックチューブ８２に収容されて加熱又は冷却される。したがって、以下の説明では、加熱又は冷却の対象物は、ＤＮＡ検体（反応溶液）収容に用いられるプラスチックチューブ８２であるとする。

図３Ｂに示すように、このようなプラスチックチューブ８２の下側部分（図３Ａ中１２ｍｍという寸法が記載されている部分）の形状に合わせた凹部が、装着部８１として、金属製ウェル７１の上面７１ｕの中央から内部下方に形成されている。換言すると、装着部８１は、プラスチックチューブ８２を装着すべく加工が施されている。

このように、本実施形態では、ＤＮＡ検体（反応溶液）収容に用いられるプラスチックチューブ８２は、装着部８１に直接装着される。このことは、図１の従来のペルチェ素子１を例えとして用いているならば、容器３１がプラスチックチューブ８２に相当し、電極板２２Ａがブリッジ兼電極機能を有していることを考慮すると、容器３１が放熱板２１Ａを介在せずに電極板２２Ａの内部に直接装着されるのと等価であることを意味する。

即ち、図１の従来のペルチェ素子１を用いて容器３１を加熱又は冷却する場合、容器３１は、放熱板２１Ａを介在して、ブリッジ兼電極機能を有する電極板２２Ａと熱の授受を行うことになる。したがって、従来のペルチェ素子１を用いて容器３１を加熱又は冷却するための温度制御系では、セラミック等で形成される放熱板２１Ａは遅れ要素となる。この遅れ要素の分だけ、図１の従来のペルチェ素子１を用いた温度制御の応答性は悪化することになる。

これに対して、本実施形態の温度制御系、即ち、温度素子６１を用いてプラスチックチューブ８２を加熱又は冷却する温度制御系では、プラスチックチューブ８２は、従来の放熱板２１Ａのような遅れ要素となるものを介在せずに、ブリッジ兼電極機能を有する金属製ウェル７１と直接熱を授受することができる。したがって、遅れ要素が無い分だけ、本実施形態の温度制御の応答性は、図１の従来のペルチェ素子１を用いた場合と比較して高いものになる。なお、このような効果の詳細については、図１１を参照して後述する。

次に、以上のＤＮＡ増幅装置５１の動作について説明する。

上述のごとく、機能的な視点では、本実施形態の電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎは、放熱板機能及び電圧被印加機能を有するので、図１の従来のペルチェ素子１の放熱板２１Ｂ及び電極板２３Ｐ，２３Ｎに相当する。したがって、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎは、従来のペルチェ素子１のＢ面部位と同じ振る舞いをする。そこで、以下、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎを、本実施形態の温度素子６１における「Ｂ面部位」と適宜称する。

一方、機能的な視点では、金属製ウェル７１は、ブリッジ兼電極機能を有するので、上述のごとく、図１の従来のペルチェ素子１の電極板２２Ａに相当する。したがって、金属製ウェル７１は、従来のペルチェ素子１のＡ面部位と同じ振る舞いをする。そこで以下、金属製ウェル７１を、本実施形態の温度素子６１における「Ａ面部位」と適宜称する。ここで、注意すべき点は、本実施形態の温度素子６１におけるＡ面部位には、従来のペルチェ素子１におけるＡ面部位の放熱板２１Ａのような、温度制御系にとって遅れ要素となるものは存在しない点である。

また、本実施形態では、電極兼放熱板７３Ｎの側を基準として、電極兼放熱板７３Ｎが高電位になり、電極兼放熱板７３Ｐが低電位になるように、温度制御部６２により電圧が印加されることを、以下、「温度素子６１にプラス電圧が印加される」と表現する。逆に、電極兼放熱板７３Ｎが低電位になり、電極兼放熱板７３Ｐが高電位になるように、温度制御部６２により電圧が印加されることを、以下、「温度素子６１にマイナス電圧が印加される」と表現する。

この場合、温度制御部６２により、温度素子６１にプラス電圧が印加されると、電流が、図２中右方から左方に流れる。具体的には、電流が、電極兼放熱板７３Ｎ、ｎ型半導体７２Ｎ、金属製ウェル７１、ｐ型半導体７２Ｐ、及び電極兼放熱板７３Ｐの順に流れる。その結果、Ａ面部位である金属製ウェル７１が吸熱部となる。即ち、Ａ面部位である金属製ウェル７１に直接装着されたプラスチックチューブ８２（図３）から発せられた熱は、金属製ウェル７１に直接吸熱され、これにより、プラスチックチューブ８２が冷却される。

詳細には、温度素子６１に印加されたプラス電圧により流れる電流の値（絶対値）に応じて、Ａ面部位である金属製ウェル７１が低温となり、Ｂ面部位である電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎが高温となるような温度差△Ｔが生ずる。

ここで、Ａ面部位が低温とは、絶対的な意味で低温というのではなく、Ｂ面部位の温度に対して相対的に低温という意味である。即ち、上述したように、Ｂ面部位である電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎは、水冷部６３により水冷されて一定温度を保っている。以下、このようなＢ面部位である電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎ側の一定温度を、「基準温度」と称する。したがって、Ａ面部位である金属製ウェル７１は、基準温度よりも温度差△Ｔだけ低い温度になるように冷却される。

この温度差△Ｔは、一定のリミットは存在するものの、温度素子６１に印加されるプラス電圧により流れる電流の値（絶対値）が高くなるほど大きくなる。したがって、温度制御部６２は、このような電流の値（絶対値）を徐々に大きくすることによって、温度差△Ｔを徐々に大きくしていくこと、即ち、Ａ面部位である金属製ウェル７１の温度を徐々に降下させることができる。この場合、プラスチックチューブ８２は金属製ウェル７１により直接冷却されるので、従来の図１の放熱板２１Ａのような遅れ要素を介して冷却される場合と比較して、温度制御の応答性は高いものになる。即ち、本実施形態では温度制御の目標値は電流値として温度制御部６２により与えられるので、温度制御の目標値に対する対象物（プラスチックチューブ８２）の温度降下の追従性は高いものになる。

その後、温度制御部６２により出力電圧の極性が反転された場合、即ち、温度素子６１にマイナス電圧が印加された場合、電流が、プラス電圧が印加された場合とは逆方向の図２中左方から右方に流れる。具体的には、電流が、電極兼放熱板７３Ｐ、ｐ型半導体７２Ｐ、金属製ウェル７１、ｎ型半導体７２Ｎ、及び電極兼放熱板７３Ｎの順に流れる。その結果、Ａ面部位である金属製ウェル７１は、今度は発熱部となる。即ち、Ａ面部位である金属製ウェル７１から発せられた熱は、プラスチックチューブ８２に対して直接伝播され、これにより、プラスチックチューブ８２が加熱される。

詳細には、温度素子６１にマイナス電圧が印加されると、Ａ面部位である金属製ウェル７１は、基準温度よりも温度差△Ｔだけ高い温度になるように加熱される。この温度差△Ｔは、一定のリミットは存在するものの、温度素子６１に印加されるマイナス電圧によって流れる電流の値（絶対値）が高くなるほど大きくなる。したがって、温度制御部６２は、このような電流の値（絶対値）を徐々に大きくすることによって、温度差△Ｔを徐々に大きくしていくこと、即ち、Ａ面部位である金属製ウェル７１の温度を徐々に上昇させることができる。この場合、プラスチックチューブ８２は金属製ウェル７１により直接加熱されるので、従来の図１の放熱板２１Ａのような遅れ要素を介して加熱される場合と比較して、温度制御の応答性は高いものになる。即ち、ここでは温度制御の目標値が電流値として温度制御部６２により与えられるので、温度制御の目標値に対する対象物（プラスチックチューブ８２）の温度上昇の追従性は高いものになる。

このように、温度制御部６２は、出力電圧の極性（電流の極性）及び電流値を変化させることで、温度素子６１を用いたプラスチックチューブ８２に対する温度制御を実行することが可能になる。したがって、温度目標値の時間推移の所定パターンとして、出力電流の時間推移の所定パターンが温度制御部６２に与えられることにより、ＰＣＲ法が容易に実現可能になる。即ち、プラスチックチューブ８２に収納されたＤＮＡ検体（反応溶液）が、当該所定パターンにしたがって変化する温度素子６１の熱サイクルにより加熱又は冷却され、その結果、ＤＮＡが増幅する。

なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

例えば、ｐ型半導体及びｎ型半導体の組の個数は、図２の実施形態ではｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２ｎの組といった１組だけとされていたが、これに限定されず、複数組とすることができる。

例えば、図４乃至図８に示すように、ｐ型半導体７２Ｐ１及びｎ型半導体７２Ｎ１の第１組と、ｐ型半導体７２Ｐ２及びｎ型半導体７２Ｎ２の第２組といった２組を採用することもできる。

図４は、このような第１組及び第２組が並列に配置される場合の温度素子６１の概略構成を示す上面図である。図５は、当該温度素子６１の概略構成の斜視図である。図６は、当該温度素子６１の概略構成であって、図５とは異なる構成の斜視図である。ただし、図５及び図６においては、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎの図示は省略されている。なお、図５と図６との構成を個々に区別する必要がある場合、図５の構成の温度素子６１を特に「温度素子６１ａ」と称し、図６の構成の温度素子６１を特に「温度素子６１ｂ」と称する。

図４に示すように、第１組のｐ型半導体７２Ｐ１及び第２組のｐ型半導体７２Ｐ２は、一端が電極兼放熱板７３Ｐに接合され、他端が金属製ウェル７１の側面７１ａに接合される。一方、第１組のｎ型半導体７２Ｎ１及び第２組のｎ型半導体７２Ｎ２は、一端が電極兼放熱板７３Ｎに接合され、他端が金属製ウェル７１の側面７１ｂに接合される。

このような第１組と第２組との配置の関係は、並列であれば特に限定されず、例えば図５の温度素子６１ａにおいては垂直方向に第１組と第２組とがそれぞれ配置され、例えば図６の温度素子６１ｂにおいては水平方向に第１組と第２組とがそれぞれ配置される。また、組の並列数は、図４乃至図６に示す第１組及び第２組の２組に特に限定されず、３組以上であってもよい。

図７は、このような第１組及び第２組が直列に配置される場合の温度素子６１の概略構成を示す上面図である。図８は、当該温度素子６１の概略構成を示す斜視図である。ただし、図８においては、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎ，７３ＰＮの図示は省略されている。

これらの第１組と第２組とを直列に接合する場合、第１組と第２組との各々の電流が、他組の電流と混在せずに、相互に独立して流れる必要がある。このため、図７や図８に示すように、金属製ウェル７１の側面７１ａから側面７１ｂに至って、金属製ウェル７１を分断するように絶縁物９１が挿入される。これにより、金属製ウェル７１は、２つの領域１０１，１０２に区分される。

図７や図８の実施形態では、第１組は領域１０１に接合され、第２組は領域１０２に接合される。具体的には、第１組については、ｎ型半導体７２Ｎ１が、金属製ウェル７１の側面７１ａの領域１０１側に接合され、ｐ型半導体７２Ｐ１が、金属製ウェル７１の側面７１ｂの領域１０１側に接合される。これとは逆に、第２組については、ｐ型半導体７２Ｐ２が、金属製ウェル７１の側面７１ａの領域１０２側に接合され、ｎ型半導体７２Ｎ２が、金属製ウェル７１の側面７１ｂの領域１０２側に接合される。

この場合、第１組のｎ型半導体７２Ｎ１及び第２組のｐ型半導体７２Ｐ２に対して電圧が印加されるので、第１組のｎ型半導体７２Ｎ１に対して電極兼放熱板７３Ｎが接合され、第２組のｐ型半導体７２Ｐ２に対して電極兼放熱板７３Ｐが接合される。また、第１組と第２組とを直列に接合すべく、即ち、第１組のｐ型半導体７２Ｐ１と第２組のｎ型半導体７２Ｎ２の一方から他方へ電流を流すべく、第１組のｐ型半導体７２Ｐ１及び第２組のｎ型半導体７２Ｎ２に対して、電極兼放熱板７３ＰＮが接合される。

これらの第１組と第２組との配置の関係は、電気的に絶縁されている領域１０１，１０２の金属製ウェル７１内の形成位置に依存する。例えば図８の例では、左右方向に領域１０１，１０２がそれぞれ形成されているので、水平方向に第１組と第２組とがそれぞれ配置される。例えば図示はしないが、上下方向に領域１０１，１０２がそれぞれ形成されている場合には、垂直方向に第１組と第２組とがそれぞれ配置される。換言すると、領域１０１，１０２の金属製ウェル７１内での形成位置を任意に変更することで、それに応じて、第１組と第２組との配置の関係も任意に変更することができる。

また、組の直列数は、図７や図８に示す第１組及び第２組の２組に特に限定されず、３組以上であってもよい。ただし、この場合、金属製ウェル７１には、電気的に絶縁されている領域が組数分だけ形成される。そして、複数の領域毎に、側面７１ａにｐ型半導体７２Ｐを接合して側面７１ｂにｎ型半導体７２Ｎを接合する組と、側面７１ａにｎ型半導体７２Ｎを接合して側面７１ｂにｐ型半導体７２Ｐを接合する組とが交互に配置される。そして、側面７１ａに接合された所定の組のｎ型半導体７２Ｎに対して電極兼放熱板７３Ｎが接合され、側面７１ａに接合された別の組のｐ型半導体７２Ｐに対して電極兼放熱板７３Ｐが接合される。また、電極兼放熱板７３ＰＮのような複数の組を直列に接合するための電極兼放熱板も１つ以上設けられる。

以上、本発明の実施形態として、ｐ型半導体及びｎ型半導体の組の視点で幾つかの実施形態について説明した。当然ながら、その他の視点でも、本発明は様々な実施形態を取ることが可能である。

例えば、温度素子６１の基準温度を維持するための電極兼放熱板の冷却手法は、図２の実施形態では水冷部６３による水冷式の手法が採用されていたが、これに限定されず、その他例えば、水以外の液体を使用した冷却手法を採用してもよいし、空冷式の手法を採用してもよい。

また例えば、温度素子６１により冷却又は加熱される対象物は、図２の実施形態ではプラスチックチューブ８２、より正確にはそれに収納されたＤＮＡ検体（反応溶液）とされていたが、金属製ウェル７１の装着部８１に直接装着可能な物体であれば特に限定されない。換言すると、金属製ウェル７１の装着部８１の形状や個数は、図３の例に特に限定されず、冷却又は加熱の対象物体に応じて任意に変更することが可能である。ただし、この場合、装着部８１は、対象物の形状に対応した加工が施されて、金属製ウェル７１内に形成されていると、対象物に対する加熱又は冷却の応答性がさらに一段と高まるので好適である。

また例えば、複数のプラスチックチューブ８２を加熱又は冷却すべく、複数の金属製ウェル７１を接続してもよいし、或いはまた、金属製ウェル７１に形成させる装着部８１の数を複数にしてもよい。即ち、図２の実施形態では温度素子６１の個数は１つとされていたが、これに限定されず、その他例えば、各金属製ウェル７１を１以上含む温度素子６１を複数用意し、複数の温度素子６１を連結して用いることもできる。

具体的には例えば、図９に示すように、温度素子６１−１と温度素子６１−２とを直列に接続することもできる。

図９は、２つの温度素子６１−１，６１−２が直列に接続される場合の本発明の一実施形態に係るＤＮＡ増幅装置５１の概略構成を示す上面図である。

ＤＮＡ増幅装置５１は、２つの温度素子６１−１，６１−２と、温度制御部６２と、水冷部６３とを備える。

２つの温度素子６１−１，６１−２の各々は、ペルチェ効果により対象物を冷却又は加熱すべく、金属製ウェル７１と、ｐ型半導体７２Ｐ及びｎ型半導体７２Ｎの組と、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎと、水管７４Ｐ，７４Ｎと備える。
ここまでの２つの温度素子６１−１，６１−２の各構成は、図２の実施形態の温度素子６１と基本的に同様である。よって、これらの構成については、その説明は省略する。

温度素子６１−２はさらに、ｐ型半導体１７２Ｐ及びｎ型半導体１７２Ｎの組と、電極兼放熱板１７３Ｐ，１７３Ｎと、水管１７４Ｐ，１７４Ｎとを備える。

電極兼放熱板１７３Ｐには水管１７４Ｐが、電極兼放熱板７３Ｎには水管１７４Ｎが、それぞれ接続されている。
水冷部６３は、水管１７４Ｐ，１７４Ｎの各々に水を流すことで、電極兼放熱板１７３Ｐ，１７３Ｎの各々を冷却して一定温度に保つ。
即ち、電極兼放熱板１７３Ｐ，１７３Ｎは、図１の従来のペルチェ素子１の放熱板２１Ｂと同様の機能を有している。

温度制御部６２は、メイン制御部６２ａと、サブ制御部６２ｂとを備える。

メイン制御部６２ａは、直列接続された温度素子６１−１，６１−２の各々を用いた温度制御を行う。
詳細には、温度素子６１−１の電極兼放熱板７３Ｎと温度素子６１−２の電極兼放熱板７３Ｐとは電気的に直接接続されている。そして、温度素子６１−１の電極兼放熱板７３Ｐと、温度素子６１−２の電極兼放熱板７３Ｎの各々の間には、温度制御部６２が電気的に接続されている。
したがって、温度制御部６２は、電極兼放熱板７３Ｐ，７３Ｎに印加する電圧の極性（電流の極性）及び電流値を制御することによって、温度素子６１−１，６１−２の各々を用いた温度制御を行うことができる。このようなメイン制御部６２ａにより行われる温度制御を、以下、「メイン温度制御」と呼ぶ。
このように、温度制御部６２は、メイン温度制御を行うことにより、温度素子６１−１と温度素子６１−２の各々の加熱又は冷却を同時に行うことができる。

ここで、温度素子６１−２において、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２Ｎとの組は、メイン温度制御が行われる場合の電流が流れる経路になる。そこで、以下、ｐ型半導体７２Ｐとｐ型半導体７２Ｎとの組を、「メイン半導体組」と呼ぶ。即ち、メイン制御部６２ａは、複数のメイン半導体組の直列接続に流れる電流を制御することによって、メイン温度制御を実行する。

これに対して、サブ制御部６２ｂは、ｐ型半導体１７２Ｐとｎ型半導体１７２Ｎとの組に流れる電流を制御することによって、温度素子６１−２を用いた温度制御を、メイン温度制御とは独立かつ並行して行うことができる。
このようなサブ制御部６２ｂにより行われる温度制御を、以下、「サブ温度制御」と呼ぶ。
また、温度素子６１−２において、ｐ型半導体１７２Ｐとｎ型半導体１７２Ｎとの組は、サブ制御部６２ｂによってサブ温度制御が行われる場合の電流が流れる経路になる。そこで、以下、ｐ型半導体１７２Ｐとｐ型半導体１７２Ｎとの組を、「サブ半導体組」と呼ぶ。

詳細には、温度素子６１−２において、ｐ型半導体１７２Ｐの一端は、金属製ウェル７１の側面７１ａ及び側面７１ｂに直交する側面７１ｃに直接接合されている一方で、ｎ型半導体１７２Ｎの一端は、金属製ウェル７１の側面７１ｃに対向する側面７１ｄに直接接合されている。
また、ｐ型半導体１７２Ｐの他端は電極兼放熱板１７３Ｐに直接接合されている一方で、ｎ型半導体１７２Ｎの他端は電極兼放熱板１７３Ｎに直接接合されている。
そして、温度素子６１−２の電極兼放熱板１７３Ｐ，１７３Ｎの各々の間には、サブ制御部６２ｂが電気的に接続されている。
したがって、サブ制御部６２ｂが、電極兼放熱板１７３Ｐ，１７３Ｎに印加する電圧の極性（電流の極性）及び電流値を制御することによって、サブ温度制御として、温度素子６１−２を用いた温度制御を、メイン温度制御とは独立かつ並行に行うことができる。即ち、サブ制御部６２ａは、サブ温度制御を行うことにより、メイン温度制御とは独立かつ並行に、温度素子６１−２の加熱又は冷却を行うことができる。

ここで、メイン制御部６２ａによるメイン制御のみが行われ、サブ制御部６２ｂによるサブ制御が禁止されている状態を想定する。
この状態では、温度素子６１−１と温度素子６１−２との目標温度が同一であった場合であっても、温度素子６１−１と温度素子６１−２とが異なる温度となる場合がある。
メイン制御部６２ａの入出力電流だけに着目すると、複数のメイン半導体組の直列接続に流れる電流は同一極性の同一電流値となっているようにみえるが、実際には、各温度素子６１−１，６１−２間の個体差や臨界抵抗値等の相違により、各温度素子６１−１，６１−２の各々に流れている電流の電流値が異なっているからである。
そこで、本実施形態では、サブ制御部６２ｂが、サブ温度制御を行うことで、即ち、メイン温度制御により流れる電流とは独立かつ並行に温度素子６１−２に流れる電流を制御し、その結果として、温度素子６１−１，６１−２の各々に流れている電流の電流値を略一致させる。
このように、メイン制御部６２ａによるメイン制御のみならず、サブ制御部６２ｂによるサブ制御によって温度素子６１−２に流れる電流を微調整することで、各温度素子６１−１，６１−２の各々に流れている電流の電流値を略一致させ、その結果、温度素子６１−１と温度素子６１−２との温度を略一致させることが可能になる。なお、このような効果の詳細について、図１０を参照して説明する。

図１０は、同一条件によるＰＣＲ法の試験を行うに際し、図９に示す直列接続された２つの温度素子６１−１，６１−２の各々に対して温度制御を行った結果を示す図である。

図１０Ａは、サブ制御部６２ｂによるサブ制御が禁止されている状態で、メイン制御部６２ａによるメイン制御のみが行われた場合における、温度素子６１−１，６１−２の各々におけるＤＮＡ検体（反応溶液）の温度の時系列変化を示す図である。
図１０Ｂは、メイン制御部６２ａによるメイン制御と、サブ制御部６２ｂによるサブ制御とが組み合わされて行われた場合における、温度素子６１−１，６１−２の各々におけるＤＮＡ検体（反応溶液）の温度の時系列変化を示す図である。
図１０において、縦軸は温度（度）を示し、横軸は時間（秒）を示している。

この図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）の各々の両試験について、ＰＣＲ法における温度目標値の温度推移のパターンは、次の（Ａ）乃至（Ｂ）のとおりである。
（Ａ）最初に、温度目標値を１２３度として、１２３度まで加熱させて、１２３度で保持させる。
この期間が、図１０（Ａ）においては期間２０１ａであり、図１０（Ｂ）においては期間２０２ａである。
（Ｂ）次に、温度目標値を３７度に切り替えて、３７度まで冷却させて、３７度で保持させる。
この期間が、図１０（Ａ）においては期間２０１ｂであり、図１０（Ｂ）においては期間２０２ｂである。

また、この試験条件は次の（ａ）乃至（ｃ）のとおりである。
（ａ）両試験とも、０．２ｍｌの標準品のプラスチックチューブ８２、及び、穴径が９．６ｍｍの装着部８１を２つ有する金属製ウェル７１が用いられた。
（ｂ）ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度は、両試験とも、同一の熱電対をプラスチックチューブ８２内に挿入することで測定された。
（ｃ）メイン制御部６２ａの定格電流は±３０Ａであり、サブ制御部６２ｂの定格電流は±１０Ａである。

サブ制御部６２ｂによるサブ制御が禁止されている状態で、メイン制御部６２ａによるメイン制御のみが行われた場合には、図１０（Ａ）の期間２０１ａ及び２０１ｂの何れにおいても、温度素子６１−１，６１−２の各温度は一致していない。
具体的には、温度素子６１−１については、温度目標値の温度推移のパターンに対して、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度がほぼ追従して変化できているのに対して、温度素子６１−２については、追従して変化できていない。
即ち、温度目標値のパターンの（Ａ）における「１２３度で保持させる」という目標に対して、図１０（Ａ）の期間２０１ａでは、温度素子６１−２は９８度であり、当該温度目標値である１２３度に到達していない。以下同様に、温度目標値のパターンの（Ｂ）における「３７度で保持させる」という目標に対して、図１０（Ａ）の期間２０１ｂでは、温度素子６１−２は２２度であり、当該温度目標値である３７度に到達していない。

これに対して、メイン制御部６２ａによるメイン制御と、サブ制御部６２ｂによるサブ制御とが組み合わされて行われた場合には、図１０（Ｂ）に示すとおり、図１０Ｂの期間２０２ａ及び２０２ｂの何れにおいても、温度素子６１−１，６１−２の各温度は略一致している。
具体的には、温度素子６１−１，６１−２の両者とも、温度目標値の温度推移のパターンに対して、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度がほぼ追従して変化できている。

以上、図２を参照して１つの温度素子６１を含む場合の、図９及び図１０を参照して２つの温度素子６１−１，６１−２を含む場合の、それぞれのＤＮＡ増幅装置５１について説明したが、ＤＮＡ増幅装置５１に含まれる温度素子６１の個数は、これらの例に特に限定されない。
例えば、直線状にＭ個の温度素子６１を直列接続することができる。
この場合には、メイン温度制御として、直列接続された方向に電流を流す温度制御を採用することによって、Ｍ個の温度素子６１全体の温度制御（粗調整の温度制御）を実現できる。
一方、サブ温度制御として、直列接続された方向と略垂直方向に、Ｍ個の温度素子６１の個々に電流をそれぞれ独立して流す温度制御を採用することによって、Ｍ個の温度素子６１の各々に対する個別の温度制御（微調整の温度制御）を、メイン制御とは独立かつ並行に実現できる。
なお、Ｍ個の温度素子６１のうち所定の１つを基準素子とすれば、基準素子に対するサブ温度制御は省略可能である。即ち、図９の例とは、Ｍ＝２として、温度素子６１−１を基準素子とした例であることを意味している。
また、サブ温度制御の単位は、１つの温度素子６１である必要はなく、２以上の温度素子６１であってもよい。
このように、Ｍ個の温度素子６１を直列接続し、メイン温度制御とサブ温度制御とを適切に組み合わせることによって、Ｍ個の温度素子間のバラつきの影響を吸収して、複数の温度素子の各々の温度変化を略同一にすることが可能になる。
なお、メイン温度制御とサブ温度制御とを適切に組み合わせることによって、逆に、複数の温度素子６１の各々に対して、相異なる温度目標値を設定して、個別に温度制御することも容易に可能になる。

さらに、Ｍ個の温度素子６１の直列接続は、Ｎ個存在してもよい。
この場合、制御部６２は、Ｎ個の直列接続の各々を単位として、他の単位とは独立して、メイン温度制御及びサブ温度制御を実行することができる。
換言すると、温度素子６１は、Ｎ行Ｍ列の行列状に配置することができる。この場合、電流を流す方向を、行方向と列方向とに区分することができる。この場合、制御部６２は、例えば行方向に流れる電流の制御としてメイン温度制御を行い、列方向に流れる電流の制御としてサブ温度制御を行うこともできる。このようにして、行方向と列方向との各々に対する個別の温度制御が相互に独立して実行可能になる。
この場合も、メイン温度制御とサブ温度制御とを適切に組み合わせることによって、Ｍ個の温度素子間のバラつきの影響を吸収して、複数の温度素子の各々の温度変化を略同一にすることが可能になる。
なお、メイン温度制御とサブ温度制御とを適切に組み合わせることによって、逆に、複数の温度素子６１の各々に対して、相異なる温度目標値を設定して、個別に温度制御することも容易に可能になる。

また、Ｎ行Ｍ列の行列状に配置され、メイン温度制御及びサブ温度制御が施される対象は、温度素子６１である必要は特になく、ペルチェ効果を奏することが可能な任意の温度素子を採用することができる。

本発明は、このような各種各様の実施形態によらず、例えば次の（１）乃至（４）のような効果を奏することが可能である。この（１）乃至（４）に開示する構成が本願発明に係る温度制御装置を実現させることになる。

（１）本発明に係る温度素子６１に設けられた金属製ウェル７１は、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎとを直接接合し、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２ｎ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機能を有している。この金属製ウェル７１には、冷却又は加熱の対象物を直接装着可能な装着部８１が設けられている。したがって、当該対象物は、温度制御系にとって遅れ要素となるもの（例えば図１の従来のペルチェ素子１の放熱板２１Ａ）を介在せずに金属製ウェル７１により直接加熱又は冷却される。即ち、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流れる電流と共に伝搬される熱の経路になっている。したがって、当該経路を伝搬する熱が対象物に直接供給されることによって、当該対象物が加熱され、また、当該対象物から発生られた熱が当該経路に直接供給されることによって、当該対象物が冷却される。その結果、従来のペルチェ素子１を採用した場合と比較して、温度制御の高応答性が実現する。

（２）本発明に係る温度素子６１は、その構造から、従来と比較して一桁近く温度精度を向上させることが可能になる。即ち、図１の従来のペルチェ素子１は、説明の簡略上、ｐ型半導体２４Ｐ及びｎ型半導体２４Ｎの組を１組だけ有する構造とされたが、ＰＣＲ法に適用する従来のペルチェ素子は、このような組を複数組有し、その複数組を直列に繋げる構造を有している。このため、従来のペルチェ素子では、ｐ型半導体又はｎ型半導体と放熱板との各界面（接触面）の電気抵抗及び熱抵抗が揃っておらず、このことが、位相がズレて熱応答性を鈍らせる要因となっていた。これに対して、本発明に係る温度素子６１は、図４乃至図８を用いて上述したように、その構造から、ｐ型半導体７２Ｐ又はｎ型半導体７２Ｎと金属製ウェル７１との界面の数が極めて少ないため、熱応答性を鈍らせる影響度合が従来と比較して遥かに低くなる。その結果、従来と比較して一桁近い温度精度の向上が可能になる。

（３）ペルチェ効果による熱応答性は、電流が大きいほど高くなることが原理的に知られている。ここで、本発明に係る温度素子６１は、図１の従来のペルチェ素子１を含む従来のペルチェ素子と比較して、ｐ型半導体７２Ｐとｎ型半導体７２Ｎとの組数を減少させ、１組当たりの金属製ウェル７１との界面の面積（接触面積）を増大させたため、より一段と大きな電流を取り扱うことが可能である。このため、本発明に係る温度素子６１に対して大きな電流を流すことによって、さらに一段と熱応答性が高くなる。

（４）さらに、本発明に係る温度素子６１を複数個用意して、これら複数の温度素子６１を直列接続することができる。この場合、本発明に係る制御部６２は、直列接続された複数の温度素子６１に対して一斉に温度を制御するメイン温度制御と、複数の温度素子６１の少なくとも一部の各々に対して個別に温度を制御するサブ温度制御との相互に独立した実行が可能になる。
これにより、複数の温度素子６１間のバラつきの影響を吸収して、複数の温度素子６１の各々の温度変化を略同一にすることが可能になる。
逆に、複数の温度素子６１の各々に対して、相異なる温度目標値を設定して、個別に温度制御することも容易に可能になる。

このような各種各様の効果を奏する温度素子６１をＰＣＲ法に適用することで、即ち、当該対象物としてＤＮＡ検体収容に用いられるプラスチックチューブ８２を採用することで、ＰＣＲ法における温度目標値の時間推移の所定パターンに対して、ＤＮＡ検体の温度を追従して変化させることが可能になる。即ち、図１１に示すように、ＰＣＲ法におけるＤＮＡ検体の温度制御の高応答性が実現可能になる。その結果、１工程に要する時間が短縮され、処理効率の向上や省電力性の向上が達成可能になる。

図１１は、同一条件によるＰＣＲ法の試験を、従来のペルチェ素子１を備える従来のＤＮＡ増幅装置を用いて行った場合と、本発明に係る温度素子６１を備えるＤＮＡ増幅装置５１を用いて行った場合との比較を示す図である。

図１１Ａは、従来のペルチェ素子１を備える従来のＤＮＡ増幅装置を用いてＰＣＲ法の試験を行った場合における、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度の時系列変化を示す図である。図１１Ｂは、本発明に係る温度素子６１を備えるＤＮＡ増幅装置５１を用いてＰＣＲ法の試験を行った場合における、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度の時系列変化を示す図である。図１１において、縦軸は温度（度）を示し、横軸は時間（秒）を示している。

この両試験におけるＰＣＲ法における温度目標値の時間推移のパターンは、次の（Ａ）乃至（Ｃ）のとおりである。
（Ａ）最初に、温度目標値を９４度として、９４度まで加熱させて、９４度で３０秒間保持させる。
この期間が、図１１Ａにおいては期間３０１ａであり、図１１Ｂにおいては期間３０１ｂである。
（Ｂ）次に、温度目標値を５５度に切り替えて、５５度まで冷却させて、５５度で３０秒間保持させる。
この期間が、図１１Ａにおいては期間３０２ａであり、図１１Ｂにおいては期間３０２ｂである。
（Ｃ）次に、温度目標値を７２度に切り替えて、７２度まで加熱させて、７２度で６０秒間保持させる。
この期間が、図１１Ａにおいては期間３０３ａであり、図１１Ｂにおいては期間３０３ｂである。

また、この試験条件は次の（ａ）乃至（ｃ）のとおりである。
（ａ）両試験とも、０．２ｍｌの標準品のプラスチックチューブ８２、及び、穴径が９．６ｍｍの装着部８１を２つ有する金属製ウェル７１が用いられた。ただし、従来のペルチェ素子１を採用した試験では、金属製ウェル７１は、放熱板２１Ａの表面上の所定位置、即ち図１に示す容器３１の描画位置に配置された。即ち、従来のペルチェ素子１を採用した試験では、金属製ウェル７１は、ブリッジ兼電極機能を発揮せずに、単にプラスチックチューブ８２を装着する装着部としての機能のみを発揮する。
（ｂ）ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度は、両試験とも、同一の熱電対をプラスチックチューブ８２内に挿入することで測定された。
（ｃ）なお、本発明に係る温度素子６１を備えるＤＮＡ増幅装置５１を用いたＰＣＲ法の試験において、温度制御部６２の出力電流は次のとおりとなった。即ち、図１１Ｂの期間３０１ｂのうち、加熱期間（９４度まで温度を上昇させている期間）は１９．６Ａであり、温度保持期間（９４度で保持させている期間）は１０．４Ａであった。図１１Ｂの期間３０２ｂのうち、冷却期間（５５度まで温度を下降させている期間）は１８．１Ａであり、温度保持期間（５５度で保持させている期間）は５．４Ａであった。図１１Ｂの期間３０３ｂのうち、加熱期間（７２度まで温度を上昇させている期間）は１８．５Ａであり、温度保持期間（７２度で保持させている期間）は７．３Ａであった。

従来のペルチェ素子１を備える従来のＤＮＡ増幅装置を用いてＰＣＲ法の試験を行った場合には、図１１Ａの期間３０１ａ乃至３０３ａの何れにおいても波形が鈍っていることから明らかなように、温度目標値の時間推移のパターンに対して、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度が追従して変化していない。即ち、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度が、温度目標値（期間３０１ａにおいては９４度、期間３０２ａおいては５５度、期間３０３ａにおいては７２度）に到達するまでに遅れが生じている。その結果、温度目標値の時間推移のパターンの（Ａ）における「９４度で３０秒間保持させる」という目標に対して、図１１Ａの期間３０１ａでは、９４度±０．５度以内の時間が２６秒と当該目標が達成できていない。以下同様に、温度目標値の時間推移のパターンの（Ｂ）における「５５度で３０秒間保持させる」という目標に対して、図１１Ａの期間３０２ａでは、５５度±０．５度以内の時間が２０秒と当該目標が達成できていない。温度目標値の時間推移のパターンの（Ｃ）における「７２度で６０秒間保持させる」という目標に対して、図１１Ａの期間３０２ａでは、７２度±０．５度以内の時間が５６秒と当該目標が達成できていない。

このように、従来のペルチェ素子１を備える従来のＤＮＡ増幅装置では、温度目標値の時間推移のパターンに対してＤＮＡ検体（反応溶液）の温度が追従できない理由は次のとおりである。即ち、上述したように、従来のペルチェ素子１のＡ面部位での温度変化、即ち、ブリッジ兼電極機能を有する電極板２２Ａでの温度変化は、遅れ要素となる放熱板２１Ａ（図１参照）を介在して、金属製ウェル７１に装着されたプラスチックチューブ８２に伝達されるからである。

これに対して、本発明に係る温度素子６１を備えるＤＮＡ増幅装置５１を用いてＰＣＲ法の試験を行った場合には、図１１Ｂの期間３０１ｂ乃至３０３ｂの何れにおいても波形が急峻になっていることから明らかなように、温度目標値の時間推移のパターンに対して、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度がほぼ追従して変化している。即ち、ＤＮＡ検体（反応溶液）の温度が、温度目標値（期間３０１ｂにおいては９４度、期間３０２ｂにおいては５５度、期間３０３ｂｃにおいては７２度）に到達するまでに遅れがほぼ生じていない。その結果、温度目標値の時間推移のパターンの（Ａ）における「９４度で３０秒間保持させる」という目標に対して、図１１Ｂの期間３０１ｂでは、９４度±０．５度以内の時間が３０秒と当該目標が達成できている。以下同様に、温度目標値の時間推移のパターンの（Ｂ）における「５５度で３０秒間保持させる」という目標に対して、図１１Ｂの期間３０２ｂでは、５５度±０．５度以内の時間が３０秒と当該目標が達成できている。温度目標値の時間推移のパターンの（Ｃ）における「７２度で６０秒間保持させる」という目標に対して、図１１Ａの期間３０３ｂでは、７２度±０．５度以内の時間が６０秒と当該目標が達成できている。
さらに言えば、±０．５度という目標が達成されただけではなく、それよりも遥かに高精度の±０．０１度が達成できている点にも注目すべきである。さらにまた、図１１Ｂの期間３０４ｂの分だけ、ＰＣＲ法の試験のトータル時間が短縮されている。

なお、図１１Ｂにおいて、温度上昇又は下降時においてプロット点の間隔が空いているのは、温度勾配が急峻になったため、即ち、温度制御の応答性が向上して短時間で温度上昇又は下降ができるようになったためである。また、一定温度の時のプロット線幅が細く見えるのは、温度制御の精度が向上し、ブレが小さくなったためである。なお、金属製ウェル７１として、図３Ｂに示す寸法のサイズよりも肉薄にしたサイズ、即ち容積を小さくしたものを採用したことも、温度精度の向上の一因になっていると推測される。

このようにして本発明に係る温度素子６１を備えるＤＮＡ増幅装置５１では、温度目標値の時間推移のパターンに対してＤＮＡ検体（反応溶液）の温度が追従できるようになる理由は次のとおりである。即ち、上述したように、金属製ウェル７１自体がブリッジ兼電極機能を有していてＡ面部位として動作するため、Ａ面部位での温度変化が、放熱板２１Ａのような遅れ要素となるものを一切介在せずに、プラスチックチューブ８２に直接伝達されるからである。

５１ ＤＮＡ増幅装置
６１，６１ａ，６１ｂ 温度素子
６２ 温度制御部
６２ａ メイン制御部
６２ｂ サブ制御部
６３ 水冷部
７１ 金属製ウェル
７２Ｐ，７２Ｐ１，７２Ｐ２ ｐ型半導体
７２Ｎ，７２Ｎ１，７２Ｎ２ ｎ型半導体
７３Ｐ，７３Ｎ，７３ＰＮ 電極兼放熱板
７４Ｐ，７４Ｎ 水管
８１ 装着部
９１ 絶縁体
１０１，１０２ 領域
１７２Ｐ ｐ型半導体
１７２Ｎ ｎ型半導体
１７３Ｐ，１７３Ｎ 電極兼放熱板
１７４Ｐ，１７４Ｎ 水管

Claims (6)

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、複数の温度素子と、
   前記温度素子に対する通電制御を行う制御部と
   を備え、
   前記複数の温度素子の各々は、
   相互に離間して配置される第１ｐ型半導体及び第１ｎ型半導体の組と、
   前記対象物を装着する装着部を有し、前記第１ｐ型半導体とは第１の面で、前記第１ｎ型半導体とは前記第１の面に対向する第２の面で各々に接合する接合部位と、
   前記第１ｐ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１ｐ側電極部位と、
   前記第１ｎ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１ｎ側電極部位と、
   を有し、
   前記複数の温度素子の各々の前記第１ｐ側電極部位と前記第１ｎ側電極部位の少なくとも一方が、別の温度素子の前記第１ｎ側電極部位又は前記第１ｐ側電極部位と接続されることによって、前記複数の温度素子の直列接続が構成されており、
   前記制御部は、前記直列接続の両端に異なる電圧を印加する第１制御を実行し、その結果、前記複数の温度素子の各々において、前記第１ｐ型半導体と前記第１ｎ型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記第１ｐ型半導体と前記第１ｎ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、
   前記複数の温度素子の少なくとも一部は、さらに、
   第２ｐ型半導体及び第２ｎ型半導体の組と、
   前記第２ｐ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２ｐ側電極部位と、
   前記第２ｎ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２ｎ側電極部位と、
   を有し、
   前記接合部位は、前記第２ｐ型半導体とは、前記第１の面及び第２の面とは異なる第３の面で、前記第２ｎ型半導体とは、前記第３の面に対向する第４の面で各々に接合し、
   前記制御部は、前記第１制御とは独立して、さらに、前記複数の温度素子の少なくとも一部の各々に対して、前記第２ｐ側電極部位と前記第２ｎ側電極部位とに異なる電圧を印加する第２制御を実行し、
   その結果、前記第２ｐ型半導体と前記第２ｎ型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記第２ｐ型半導体と前記第２ｎ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、
   温度制御装置。
2. 前記温度素子の直列接続は、複数存在し、
   前記制御部は、複数の前記直列接続の各々を単位として、他の単位とは独立して、前記第１制御及び前記第２制御を実行する、
   請求項１に記載の温度制御装置。
3. 前記対象物は、ＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ）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又は２に記載の温度制御装置。
4. 前記温度素子の前記第１ｐ側電極部位及び前記第１ｎ側電極部位並びに前記第２ｐ側電極部位及び前記第２ｎ側電極部位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３の何れか１項に記載の温度制御装置。
5. 前記温度制御装置は、携帯型の装置である
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の温度制御装置。
6. 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において、
   相互に離間して配置される第１ｐ型半導体及び第１ｎ型半導体の組と、
   相互に離間して配置される第２ｐ型半導体及び第２ｎ型半導体の組と、
   前記対象物を装着する装着部を有し、第１の面で前記第１ｐ型半導体と、前記第１の面と対向する第２の面で前記第１ｎ型半導体と、前記第１の面及び前記第２の面と異なる第３の面で前記第２ｐ型半導体と、前記第３の面と対向する第４の面で第２ｎ型半導体と、それぞれ接合する接合部位と、
   前記第１ｐ型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第１ｐ側電極部位と、
   前記第１ｎ型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第１ｎ側電極部位と、
   前記第２ｐ型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第２ｐ側電極部位と、
   前記第２ｎ型半導体に接合され、外部から電圧が印加される第２ｎ側電極部位と、
   を備え、
   前記第１ｐ側電極部位と前記第１ｎ側電極部位との間に異なる電圧が外部から印加される第１制御が実行されて、前記第１ｐ型半導体と前記第１ｎ型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記第１ｐ型半導体と前記第１ｎ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と共に、
   前記第２ｐ側電極部位と前記第２ｎ側電極部位との間に異なる電圧が外部から印加される第２制御が、前記第１制御とは独立して実行されて、前記第２ｐ型半導体と前記第２ｎ型半導体との間に電位差が生じた場合、前記接合部位は、前記第２ｐ型半導体と前記第２ｎ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。
   

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