(57)【要約】【課題】吸引量に変動が生じた場合であっても、吐出量の変動を最小限に抑制することができる液体吐出ヘッドを提供すること。【解決手段】内部に流路１３ａを有し、この流路１３ａに液体Ｆを保持するとともに一端より液体Ｆを吐出可能な吐出口１１を有する液体通路１３Ａと、この液体通路１３Ａを移動させる圧電素子１５とを具備し、液体通路１３Ａを圧電素子１５によって移動させることで液体通路１３Ａに保持された液体Ｆを吐出する液体吐出ヘッド１０Ａであって、流路１３ａの吐出口１１より上流側に流路断面積変化部Ｃを設けた。【選択図】図１
2005241263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に流路を有し前記流路に液体を保持するとともに一端より前記液体を吐出可能な吐出口を有する液体保持部材と、この液体保持部材を移動させる駆動手段を有し、前記液体保持部材を前記駆動手段によって移動させることで前記液体保持部材に保持された前記液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、
前記流路は、
前記吐出口より上流側に、前記流路の断面積が変化する流路断面積変化部を備えるとともに、
前記液体の水面が前記流路断面積変化部より更に上流側に存在するように、前記液体を保持することが可能な部分を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記流路断面積変化部が、前記流路より大きな断面積に設定され前記液体の吸引量変動を緩和する変動量吸収空間部と、前記流路との接続部であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記変動量吸収空間部は、その内部に前記液体の水面が位置するように前記液体を保持することが可能であることを特徴とする請求項２記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記流路断面積変化部が、前記流路の途中に設けられた縮径部であることを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記液体保持部材の少なくとも先端部分は、断面積が前記吐出口側へ向けて漸次減少させたテーパ形状をなすことを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微少量の液体、たとえば試料、試薬及び溶融金属などの液体を高精度に吐出して分注する液体分注装置等に使用される液体吐出ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、圧電素子などの加速度印加要素を使用して発生させた慣性力を利用し、微少量の液体を高精度に吐出する吐出ヘッドを用いた液体分注装置が知られている。
このような液体分注装置は、液体吐出ヘッドと、この液体吐出ヘッドに液体を吸引するためのシリンジピストンポンプとを具備して構成され、液体を分注する際には、まず吸引用のシリンジピストンポンプによって液体吐出ヘッドの内部に液体を吸引し、その後吐出ヘッドを駆動して液体を吐出させる。（たとえば、特許文献１参照）
【０００３】
図６は、従来例として上述した液体分注装置の概略構成を示す図である。この液体分注装置１は、所定量の液体を吐出する液体吐出ヘッド１０と、液体を吸引するシリンジピストンポンプ２０とを具備して構成される。
液体吐出ヘッド１０は、ノズル孔１１を穿設した蓋部材１２が下端面に取り付けられている円筒部材の液体通路１３と、この液体通路１３が固定されたネジ部材１４と、このネジ部材１４と下端フランジ部１５ａを螺合させて一体化した圧電素子１５とを具備して構成される。なお、図中の符号１５ｂ，１５ｃは圧電素子１５の電極であり、それぞれがパルス電圧１６と電気的に接続されている。
【０００４】
上述した液体吐出ヘッド１０は、シリンジポンプ２０により液体通路１３内に吸引した液体Ｆをノズル孔１１から所定量だけ吐出させて分注する。
このとき、パルス電圧１６が圧電素子１５の電極１５ｂ，１５ｃに通電されると、圧電素子１５の駆動によって液体通路１３が軸方向に往復動作するので、液体通路１３内の液体Ｆに慣性力が作用して所定量の液体Ｆをノズル孔１１から吐出させることができる。
【特許文献１】特開２００１−２３５４００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した吸引・吐出方式の液体分注装置では、シリンジピストンポンプの吸引力のばらつきなどの理由によって液体Ｆの吸引量が変動する場合がある。慣性力を用いた従来の液体吐出ヘッド１０では、吸引量が変動すると試料液体に作用する慣性力も変化するので、結果としてノズル孔１１から吐出される流体Ｆの吐出量にも変動が生じることとなる。
【０００６】
具体的に説明すると、たとえば図６に示すように、液体Ｆの吸引量がＦ１だけ増加すると、増加した液体Ｆ１分だけ流路に保持される流体量も増加するので、ノズル孔１１から慣性力で吐出される流体Ｆの吐出圧力も増大して吐出量を増すこととなる。このような吐出量の変動は、吸引量が多ければ多いほど増加量も多くなり、反対に、吸引量が小さければ小さいほど減少量が多くなるので、試料液体の吐出量を正確に分注するためには対策が望まれている。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、吸引量に変動が生じた場合であっても、吐出量の変動を最小限に抑制することができる液体吐出ヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の発明は、内部に流路を有し前記流路に液体を保持するとともに一端より前記液体を吐出可能な吐出口を有する液体保持部材と、この液体保持部材を移動させる駆動手段を有し、前記液体保持部材を前記駆動手段によって移動させることで前記液体保持部材に保持された前記液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、前記流路は、前記吐出口より上流側に、前記流路の断面積が変化する流路断面積変化部を備えるとともに、前記液体の水面が前記流路断面積変化部より更に上流側に存在するように、前記液体を保持することが可能な部分を備えていることを特徴とするものである。
【０００８】
このような液体吐出ヘッドとすれば、吐出口より上流側の流路に流路断面積変化部を備えているので、吸引量が変動しても吐出圧力の変動に寄与する流体量を限定することができる。
【０００９】
請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいては、前記流路断面積変化部が、前記流路より大きな断面積に設定され前記液体の吸引量変動を緩和する変動量吸収空間部と前記流路との接続部であることが好ましく、これにより、液体が断面積の大きい変動量吸収空間部から断面積の小さい流路へ流入する際には、主に、流路と同じ断面積の液体が吐出圧力の変動に寄与するので、吐出圧力の変動に寄与する流体量を限定することができる。
【００１０】
請求項２に記載の液体吐出ヘッドにおいては、前記変動量吸収空間部が、その内部に前記液体の水面が位置するように前記液体を保持することが可能であることが好ましく、これにより、水面が変動量吸収空間部に位置することから、吸収量が変動したとしても、それに伴う水面位置の高さ変動を確実に小さく抑えることができ、この結果、吐出量の変動を小さく抑えることができる。
【００１１】
また、請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいては、前記流路断面積変化部が、前記流路の途中に設けられた縮径部であることが好ましく、これにより、液体が流路の縮径部を通過することにより、縮径部により形成された流路以外の領域は主として吐出圧力の変動に寄与しないので、吐出圧力の変動に寄与する流体量を限定することができる。
【００１２】
また、請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいては、前記液体保持部材の少なくとも先端部分が、断面積を前記吐出口側へ向けて漸次減少させたテーパ形状をなすことが好ましく、これにより、狭い部分での吐出も可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
上述した本発明の液体吐出ヘッドによれば、吐出口より上流側の流路に流路断面積変化部を備えているので、吸引量が変動しても吐出圧力の変動に寄与する流体量を限定することができるようになり、この結果、吸引量が変動しても吐出圧力の変動を抑制し、吐出量の変動を最小限に抑えることができる。従って、吸引量の変動に伴う影響を最小限とし、液体吐出ヘッドによる正確な分注を継続できるという顕著な効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る液体吐出ヘッドの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る第１の実施形態の液体吐出ヘッドを備えている液体分注装置を示す概略構成図である。この液体分注装置１Ａは、試薬や溶融金属等の液体を微少量、高精度に吐出して分注するための装置であり、液体を吐出する液体吐出ヘッド１０Ａと、この液体吐出ヘッド１０Ａに液体を吸引するシリンジポンプ２０とを具備して構成される。
【００１５】
液体吐出ヘッド１０Ａは、液体保持部材の液体通路１３Ａと、この液体通路１３Ａを移動させる駆動手段として設けられた圧電素子１５とを具備して構成される。
液体通路１３Ａは、内部に円筒状の流路１３ａを有し、この流路１３ａに液体Ｆを保持するように、下端面には蓋部材１２が取り付けられている。また、蓋部材１２には、流路１３ａの一端から液体Ｆを吐出可能とする吐出口１１が穿設されている。そして、流路１３ａの途中には、流路断面積を拡大した変動流量吸収空間部（以下、「空間部」と呼ぶ）１７が設けられている。
【００１６】
空間部１７は、円筒形状の上下に液体通路１３Ａが接続されることにより、各々ドーナツ形状とされる底面１７ａ及び上面１７ｂを有している。空間部１７の設置位置及び容量は、所定の液体量が想定しうる範囲内で増減した場合であっても、空間部１７の高さＨ内で液面変化が可能となるように設定されている。すなわち、液体通路１３Ａより大きな断面積に設定され液体Ｆの吸引量変動を緩和する空間部１７と、該空間部１７の上下にそれぞれあるうち下側の流路１３ａとの接続部が、流路１３ａの断面積が急激に変化している部分であって、流路１３ａの流路断面積変化部Ｃとなる。
上述した液体通路１３Ａは、外周面に固着したネジ部材１４を備え、このネジ部材１４を圧電素子１５の下端フランジ部１５ａと螺合させることにより、液体通路１３Ａと圧電素子１５とが一体化した液体吐出ヘッド１０Ａとされる。圧電素子１５は、液体通路１３Ａを軸方向に駆動させて往復移動させる駆動手段であり、二分割された電極１５ｂ，１５ｃがそれぞれパルス電圧１６と電気的に接続されている。
なお、シリンジポンプ２０を用いて液体通路１３Ａに液体Ｆを満たす場合、液体Ｆが空間部１７内に満たされるように、液体Ｆの水位が流路断面積変化部Ｃより更に上流側に位置するように、シリンジポンプ２０を駆動する。
【００１７】
このように構成された液体分注装置１Ａは、シリンジポンプ２０で液体Ｆを液体吐出ヘッド１０Ａの液体通路１３Ａに吸引した後、液体通路１３Ａを圧電素子１５によって移動させることで、液体通路１３Ａの内部に保持された液体Ｆを吐出口１１から微少の所定量吐出させることができる。このとき、液体通路１３Ａが軸方向に往復移動するので、液体Ｆに作用する慣性力によって吐出圧力を生じ、この吐出圧力に応じた流量の液体Ｆが吐出口１１から吐出される。この場合の吐出圧力は、液体通路１３Ａ内に保持されている液体Ｆの量に応じて変動する。具体的には、液体Ｆの保持量が多ければ多いほど吐出圧力は増大し、保持量が少なければ少ないほど吐出圧力は減少することになる。換言すれば、液体Ｆの液面高さが高いほど吐出圧力は増加するので、径が一定の吐出口１１から吐出する流量も増加することとなる。
【００１８】
このような液体吐出ヘッド１０Ａに空間部１７を設けることにより、シリンジポンプ２０から吸引した液体量が変動しても、その液面変動は、流路１３ａと空間部１７との断面面積比（流路断面積変化部Ｃの断面積比）に応じて緩和される。すなわち、空間部１７の断面積は底面１７ａのドーナツ形状分だけ流路１３ａより大きくなるので、たとえば液体量がＦ１′だけ増加した場合であっても、図６に示した空間部１７のない従来例と比較した場合、断面積が増加した分だけ空間部１７内の液面上昇は緩和される。
また、吐出圧力に寄与する慣性力が作用する液体Ｆは、底面１７ａに慣性力が作用するドーナツ形状の領域を除いた流路１３ａの円形部分（図中に破線で示す領域）にほぼ限定され、吐出圧力が水面の破線で示す部分で反射するので、吐出圧力に寄与する液体量は、液面上昇が緩和されかつ断面積も限定されて変動幅の小さなものとなる。
【００１９】
このため、慣性力に応じて発生する吐出圧力の変動は、液面高さの変動幅が小さく抑えられたことにより抑制されるので、結果として吐出量の変動量についても、吸引した流体Ｆの変動量により生じる影響を緩和して小さく抑えることができる。従って、気泡等の影響でシリンジポンプ２０の吸引量が変動しても、最終的に吐出口１１から吐出される吐出量の変動は最小限に抑えられて小さなものとなるので、正確な吐出量を維持した分注を行うことができる。
なお、上述した実施形態では、流体流路１３Ａや空間部１７を円形断面としたが、たとえば三角形や正方形のような多角形を採用することも可能であり、円形に限定されることはない。
【００２０】
続いて、本発明に係る第２の実施形態の液体吐出ヘッドを備えている液体分注装置を図２に示して説明する。なお、上述した第１の実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この液体分注装置１Ｂに用いられている液体吐出ヘッド１０Ｂは、流路断面積変化部Ｃとして、流路１３ａの途中に縮径部１８が設けられている。この縮径部１８は、図２に示すような直線状とした絞りの他、曲面による絞りを設けたものでもよい。
【００２１】
このような構成とすれば、縮径部１８の上流側では、主に図中に破線で示す領域の液体Ｆが吐出圧力の変動に寄与する。すなわち、縮径部１８の径より外周側の領域にある液体Ｆが吐出圧力に寄与しない。また、縮径部１８の径より外周側の領域にある液体Ｆにかかる吐出圧力は、縮径部１８付近で反射する。このため、上述した第１の実施形態と同様に、吸引量の変動による吐出量の変動を低減することができる。
【００２２】
最後に、本発明に係る第３の実施形態の液体吐出ヘッドについて、図３に基づいて説明する。
この場合の液体吐出ヘッドは、断面積を吐出口１１側へ向けて漸次減少させたテーパー形状をなすテーパー流路１３ａ′とされる。このようなテーパー流路１３ａ′とすれば、狭い部分での吐出も可能となる。
【００２３】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
例えば、流路１３ａの断面積が変化する流路断面積変化部Ｃの例としては、前述したもの他に、図４に示すように、流路１３ａ途中に、中央に孔を有するリング状の板体３１を介在させたものや、図５に示すように、流路１３ａの途中に、下方に向けて徐々に狭まり最小に狭まった後急峻に広がる緩急型の縮径部４１が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドを備えている液体分注装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドを備えている液体分注装置の概略構成図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係るテーパー形状をなす液体吐出ヘッド先端を示す断面図である。
【図４】本発明に係る液体吐出ヘッドの流路断面積変化部Ｃの変形例を示す断面図である。
【図５】本発明に係る液体吐出ヘッドの流路断面積変化部Ｃの他の変形例を示す断面図である。
【図６】従来の液体吐出ヘッドを備える液体分注装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００２５】
１Ａ，１Ｂ    液体分注装置
１０Ａ，１０Ｂ    液体吐出ヘッド
１１    吐出口
１２    蓋部材
１３Ａ，１３Ｂ    液体通路
１３ａ，１３ａ′    流路
１４    ネジ部材
１５    圧電素子（駆動手段）
１５ａ    下端フランジ部
１５ｂ，１５ｃ    電極
１６    パルス電圧
１７    変動流量吸収空間部（空間部）
１７ａ    底面
１７ｂ    上面
１８    縮径部
２０    シリンジポンプ
Ｆ    液体
Ｃ  流路断面積変化部
【図１】
2005241263.tif 000003
【図２】
2005241263.tif 000004
【図３】
2005241263.tif 000005
【図４】
2005241263.tif 000006
【図５】
2005241263.tif 000007
【図６】
2005241263.tif 000008