JP2002372546A

JP2002372546A - 分注装置

Info

Publication number: JP2002372546A
Application number: JP2001180213A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kawanabe; 純一川那辺; Tomoyuki Yoshimura; 共之吉村; Chiyuuyou Shiyuu; 中陽周; Hiroki Saito; 博樹齋藤
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-06-14
Filing date: 2001-06-14
Publication date: 2002-12-26
Anticipated expiration: 2021-06-14
Also published as: JP3669943B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の分注装置よりも少ない量の液体を吐出す
ることができる分注装置を提供すること。【解決手段】本発明の分注装置１は、ポンプ空間２３の
容積を増減して気体を吸入／吐出するポンプ２と、ポン
プ空間２３と連通する内腔３１を有するノズル３とを備
え、ポンプ２の作動により、ノズル３の内腔３１に液体
２０を吸入し、吸入した液体２０を吐出し、分注するも
のであり、下記式（Ｉ）により定められるＭが５×１０
^-9ｍ³未満であることを特徴とする。Ｍ＝５Ｖ₀・σ_W／（Ｐ₀・ｄ）・・・（Ｉ）（式中、Ｖ₀は、液体２０を吸入する前の状態における
ポンプ空間２３およびノズル３の内腔３１を含む連続し
た内部空間の容積、ｄは、ノズル３の先端開口３２の内
径、Ｐ₀は、標準大気圧、σ_Wは、水の表面張力を表
す。）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、分注装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば検体（試料）や試薬（薬液）等の
少量の液体を分注する分注装置が知られており、例えば
血液分析検査やバイオ工学における分析を行う際等に使
用されている。

【０００３】このような分注装置は、ポンプ空間（例え
ばピストンポンプでは、シリンダとピストンとで画成さ
れる空間）の容積を増減して気体（空気）を吸入／吐出
するポンプと、前記ポンプ空間に連通する内腔を有する
ノズルとを備えている。なお、このノズルは、通常、デ
ィスポーザブルのチップになっている。

【０００４】そして、この分注装置は、前記ポンプを作
動させポンプ空間の容積を増大させることにより、ポン
プ空間やノズルの内腔等にある気体を介して、ノズルの
内腔に液体を吸入する。次いで、ポンプ空間の容積を減
少させることにより、吸入した液体をノズルの先端開口
から吐出し、１箇所または複数箇所に分注する。

【０００５】近年、前述したような検査・分析等におい
ては、使用する検体や試薬の量の微量化が進行してい
る。これに伴なって、分注装置は、１回の液体吐出量の
微量化が要望されている。

【０００６】しかしながら、従来の分注装置は、液体吐
出量を十分に少なくすることができなかった。例えば、
分注する液体が水である場合には、液体吐出量を１０μ
Ｌ程度以下にすることができなかった。

【０００７】すなわち、従来の分注装置では、例えば、
水を５μＬだけ吐出しようとして、ポンプの作動により
ポンプ空間の容積を５μＬだけ減少させた場合、ノズル
の内腔やポンプ空間等にある気体が圧縮されるのみで、
ノズル内の水を先端開口から吐出することができなかっ
た。

【０００８】そして、この状態からさらにポンプ空間の
容積を減少させて、無理に吐出した場合には、目標とし
た吐出量（５μＬ）よりも多量に吐出されてしまう。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
の分注装置よりも少ない量の液体を吐出することができ
る分注装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（７）の本発明により達成される。

【００１１】（１）内部に画成されたポンプ空間の容
積を増減して気体を吸入／吐出するポンプと、前記ポン
プ空間と連通する内腔を有するノズルとを備え、前記ポ
ンプの作動により、前記気体を介して前記ノズルの内腔
に液体を吸入し、吸入した液体を吐出し、分注する分注
装置であって、下記式（Ｉ）により定められるＭが５×
１０^-9ｍ³未満であることを特徴とする分注装置。Ｍ＝５Ｖ₀・σ_W／（Ｐ₀・ｄ）・・・（Ｉ）（式中、Ｖ₀［ｍ³］は、液体を吸入する前の状態におけ
る前記ポンプ空間および前記ノズルの内腔を含む連続し
た内部空間の容積、ｄ［ｍ］は、前記ノズルの先端開口
の内径、Ｐ₀［Ｐａ］は、標準大気圧、σ_W［Ｎ／ｍ］
は、水の表面張力を表す。）

【００１２】（２）内部に画成されたポンプ空間の容
積を増減して気体を吸入／吐出するポンプと、前記ポン
プ空間と連通する内腔を有するノズルとを備え、前記ポ
ンプの作動により、前記気体を介して前記ノズルの内腔
に液体を吸入し、吸入した液体を吐出し、分注する分注
装置であって、下記式（Ｉ）により定められるＭが３×
１０^-9ｍ³未満であることを特徴とする分注装置。Ｍ＝５Ｖ₀・σ_W／（Ｐ₀・ｄ）・・・（Ｉ）（式中、Ｖ₀［ｍ³］は、液体を吸入する前の状態におけ
る前記ポンプ空間および前記ノズルの内腔を含む連続し
た内部空間の容積、ｄ［ｍ］は、前記ノズルの先端開口
の内径、Ｐ₀［Ｐａ］は、標準大気圧、σ_W［Ｎ／ｍ］
は、水の表面張力を表す。）

【００１３】（３）内部に画成されたポンプ空間の容
積を増減して気体を吸入／吐出するポンプと、前記ポン
プ空間と連通する内腔を有するノズルとを備え、前記ポ
ンプの作動により、前記気体を介して前記ノズルの内腔
に液体を吸入し、吸入した液体を吐出し、分注する分注
装置であって、下記式（Ｉ）により定められるＭが１×
１０^-9ｍ³未満であることを特徴とする分注装置。Ｍ＝５Ｖ₀・σ_W／（Ｐ₀・ｄ）・・・（Ｉ）（式中、Ｖ₀［ｍ³］は、液体を吸入する前の状態におけ
る前記ポンプ空間および前記ノズルの内腔を含む連続し
た内部空間の容積、ｄ［ｍ］は、前記ノズルの先端開口
の内径、Ｐ₀［Ｐａ］は、標準大気圧、σ_W［Ｎ／ｍ］
は、水の表面張力を表す。）

【００１４】（４）前記ノズルの先端開口の内径が、
０．１〜２ｍｍである上記（１）ないし（３）のいずれ
かに記載の分注装置。

【００１５】（５）前記ノズルは、少なくともその先
端部に、内径が先端方向に向かって漸減するテーパ部分
を有する上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の分
注装置。

【００１６】（６）前記ノズルの中心軸に対する前記
テーパ部分の傾斜角度は、０．５〜５°である上記
（５）に記載の分注装置。

【００１７】（７）前記ノズルは、装置本体に対し着
脱自在に設置されている上記（１）ないし（６）のいず
れかに記載の分注装置。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の分注装置を添付図
面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

【００１９】図１は、本発明の分注装置の実施形態（液
体を吸入する前の状態）を示す縦断面図、図２は、図１
に示す分注装置（吐出動作前の状態）の縦断面図、図３
は、図１に示す分注装置（吐出動作後の状態）の縦断面
図、図４は、ノズルの先端部を拡大して示す縦断面図で
ある。なお、以下の説明では、図１ないし図４中の上側
を「基端」、下側を「先端」と言う。

【００２０】図１に示す分注装置１は、ポンプ２と、ノ
ズル（ノズルチップ）３と、ノズル取付部４と、気体流
路５とを有しており、例えば、血液分析検査やバイオ工
学における分析等において、血清等の検体や試薬（薬
液）等の液体を分注するものである。以下、各部の構成
について説明する。

【００２１】図１に示すように、ポンプ２は、ピストン
ポンプ（シリンジポンプ）であり、シリンダ２１と、該
シリンダ２１の内部に設置されたピストン２２とを有し
ている。

【００２２】ピストン２２は、シリンダ２１の内部をシ
リンダ２１の軸方向に沿って移動可能になっている。こ
のピストン２２の移動により、シリンダ２１とピストン
２２とで囲まれて形成された（画成された）ポンプ空間
２３の容積が増減する。ポンプ２は、このポンプ空間２
３の容積（以下、「ポンプ空間容積」と言う。）の増減
により、気体（空気）を吸入／吐出する。

【００２３】ピストン２２は、例えば、送りネジ（ボー
ルネジ）とこれを回転するサーボモータ（ステッピング
モータ）とを有する駆動機構（図示せず）により、ピス
トンロッド２４を介して駆動（移動）されるようになっ
ている。

【００２４】ポンプ空間２３からは、これに連通する気
体流路５が延びている。この気体流路５は、ノズル取付
部４にまで続いて形成されている。

【００２５】ノズル取付部４には、後述するノズル３を
着脱自在に取り付け可能になっている。

【００２６】ノズル３は、ほぼ筒状（円筒状）をなし、
内腔３１と、先端開口（先端開口部）３２と、基端開口
（基端開口部）３３とを有しており、好ましくは、その
軸方向が上下方向となるように設置されている。

【００２７】ノズル３は、例えば、基端開口３３にノズ
ル取付部４が挿入、嵌合することにより、ノズル取付部
４に取り付けられており、基端開口３３とノズル取付部
４との間では、気密性が保たれている。このような構成
により、ノズル３の内腔３１は、気体流路５を介して、
ポンプ空間２３に連通している。また、ポンプ空間２
３、内腔３１および気体流路５を含む内部空間は、先端
開口３２以外では閉じた空間（閉空間）になっている。

【００２８】ノズル３は、ノズル取付部４に対し、着脱
自在になっており、異なる液体を分注する際には、ノズ
ル３を交換することによりコンタミネーションを防止す
ることができる。また、ノズル３は、好ましくは、例え
ば各種樹脂材料等で構成されており、ディスポーザブル
となっている。

【００２９】ノズル３の先端開口３２の内径ｄは、特に
限定されないが、０．１〜２ｍｍであることが好まし
く、０．２〜０．８ｍｍであることがより好ましく、例
えば０．４ｍｍとすることができる。

【００３０】先端開口３２の内径ｄが前記下限値未満で
あると、液体２０が先端開口３２を通過する抵抗が大き
くなって、液体２０の種類等によっては、液体２０を吐
出しにくくなる場合がある。

【００３１】また、先端開口３２の内径ｄが前記上限値
を超えると、液体２０の種類等によっては、液体２０を
精度良く（正確な量で）吐出することができない場合が
ある。

【００３２】また、ノズル３は、少なくともその先端部
に内径（および外径）が先端方向に向かって漸減するテ
ーパ部を有している。本実施形態では、このテーパ部
は、ノズル３のほぼ全長にわたって形成されている。

【００３３】ノズル３の中心軸３４に対する前記テーパ
部のテーパ角度θ（図１参照）としては、特に限定され
ないが、０．５〜５°であるのが好ましく、１〜３°で
あるのがより好ましい。

【００３４】前記テーパ角度θが前記下限値未満である
と、先端開口３２の内径ｄの大きさ等によっては、ノズ
ル３の内腔３１の容積を十分に確保できなくなる場合が
ある。

【００３５】また、前記テーパ角度θが前記上限値を超
えると、先端開口３２の内径ｄの大きさ等によっては、
吐出量の精度が低下する場合がある。

【００３６】なお、テーパ部分のテーパ角度θは、ノズ
ル３の長手方向に沿って変化していてもよい。

【００３７】このような分注装置１は、ポンプ２および
ノズル３を含む分注ヘッドを３次元方向に移動する分注
ヘッド移動機構（図示せず）を有しており、該分注ヘッ
ド移動機構により、ポンプ２およびノズル３を分注する
液体２０の吸入箇所（貯留部１０）と吐出箇所（図示せ
ず）とに移動する。

【００３８】液体２０を吸入する前の状態では、図１に
示すように、ピストン２２がシリンダ２１の先端部付近
に位置し、ポンプ空間容積が小さい状態になっている。

【００３９】液体２０を吸入する際には、図１に示す状
態から、前記分注ヘッド移動機構の作動により、ポンプ
２およびノズル３を下降させて、ノズル３の先端開口３
２を貯留部１０に貯留された液体２０に浸す。次いで、
ピストン２２をシリンダ２１に対し基端方向に移動して
ポンプ空間容積を増大させ、ポンプ空間２３に気体を吸
入する。これにより、ポンプ空間２３、気体流路５およ
び内腔３１内にある気体が負圧となり、この負圧によっ
て、図２に示すように、液体２０は、ノズル３の内腔３
１に吸入され、蓄えられる。

【００４０】このように、分注装置１は、ポンプ空間２
３、気体流路５および内腔３１内にある気体を介して、
液体２０をノズル３の内腔３１に吸入する。液体２０を
吸入した状態で、ポンプ空間２３、気体流路５および内
腔３１内にある気体を、以下、「介在気体」と言う。

【００４１】ノズル３の内腔３１に蓄えられた液体２０
を先端開口３２から吐出（排出）する際には、図２に示
す状態から、ピストン２２をシリンダ２１に対し先端方
向に移動する。これにより、図３に示すように、ピスト
ン２２の先端面は、吐出動作前（図２に示す状態）の位
置２５から、吐出動作後の位置２６に移動する。この動
作は、ノズル３の先端部（先端開口３２）が空中にある
状態で行う。

【００４２】このピストン２２の移動により、ポンプ空
間容積が減少し、ポンプ空間２３から気体が吐出され、
介在気体の圧力が高まる。これにより、内腔３１にある
液体２０の上側の液面２０２が介在気体に押圧されるよ
うにして、液体２０が先端開口３２から吐出される。

【００４３】このようにして先端開口３２から吐出され
た液体２０は、ノズル３の先端部に付着した状態とな
る。この状態で、前記分注ヘッド移動機構を作動してノ
ズル３の先端部を吐出先の容器に接触させ、これによ
り、吐出された液体２０を吐出先の容器に付与する。ま
たは、吐出した液体２０を吐出先の容器に滴下（落下）
させることとしてもよい。

【００４４】このような吐出動作において、先端開口３
２から吐出される液体２０の量（以下、この量を「液体
吐出量」と言う。）は、ポンプ空間容積の減少量ΔＶ
（図３参照）にほぼ等しい。逆に言えば、液体吐出量を
例えばＶ₁とするには、吐出動作におけるポンプ空間容
積の減少量ΔＶが目標とする液体吐出量Ｖ₁とほぼ等し
くなる（ΔＶ≒Ｖ₁となる）ように、ピストン２２を移
動する。

【００４５】ところが、このような吐出動作において
は、液体吐出量をある程度以下にすることはできず、従
来の分注装置では、例えば液体２０が水である場合に
は、液体吐出量を１０μＬ程度以下にすることはできな
かった。すなわち、従来の分注装置では、例えば５μＬ
の液体２０（水）を吐出しようとして、吐出動作におい
てポンプ空間容積を５μＬだけ減少させたような場合、
介在気体が圧縮されるのみで、ノズルの先端開口から液
体２０（水）を吐出することができなかった。

【００４６】これに対し、本発明では、以下に述べるよ
うな構成により、従来の分注装置よりも少ない量の液体
２０を吐出することができる。

【００４７】本発明の分注装置１は、液体２０を吸入す
る前の状態（図１に示す状態）におけるポンプ空間２３
およびノズル３の内腔３１を含む連続した内部空間の容
積をＶ₀［ｍ³］、ノズル３の先端開口３２の内径をｄ
［ｍ］、標準大気圧をＰ₀［Ｐａ］、水の表面張力をσ_W
［Ｎ／ｍ］としたとき、下記式（Ｉ）により定められる
Ｍが５×１０^-9ｍ³未満（Ｍ＜５μＬ）となるように構
成されている。Ｍ＝５Ｖ₀・σ_W／（Ｐ₀・ｄ）・・・（Ｉ）

【００４８】前記Ｖ₀は、ポンプ空間２３および内腔３
１に加えて、これらに連通するすべての部分（気体流路
５等）を含んだものの容積である。よって、例えば、ポ
ンプ空間２３と内腔３１との間に凹部、分岐路等がある
場合には、これらの容積もすべて含まれる。すなわち、
このＶ₀は、分注系のデッドボリュウムを意味するもの
である。

【００４９】また、本明細書中では、標準大気圧Ｐ
₀は、１０１．３×１０³Ｐａとし、水の表面張力σ
_Wは、７３×１０^-3Ｎ／ｍとする。

【００５０】このような構成により、分注装置１は、液
体２０が水である場合、液体吐出量を最少でほぼ５μＬ
とすることができる。

【００５１】分注装置１は、前記Ｍをさらに小さくする
ことにより、さらに少ない量の液体２０を吐出すること
ができる。すなわち、分注装置１は、前記Ｍを３×１０
^-9ｍ ³未満（Ｍ＜３μＬ）とすることにより、液体２０
が水である場合、液体吐出量を最少でほぼ３μＬとする
ことができる。また、前記Ｍを１×１０^-9ｍ³未満（Ｍ
＜１μＬ）とすることにより、液体２０が水である場
合、液体吐出量を最少でほぼ１μＬとすることができ
る。

【００５２】次に、本発明者らが以上説明したような本
発明を完成するに到った経緯について説明する。

【００５３】本発明者らは、前述したように液体吐出量
をある程度以下にすることができない原因は、先端開口
３２付近における液体２０の液面２０１、および、ノズ
ル３内における液体２０の液面（メニスカス）２０２に
それぞれ作用する表面張力にあることを見出した。

【００５４】まず、液面２０１について説明する。図４
に示すように、液体２０が先端開口３２から吐出される
直前の状態では、液体２０は、その表面張力により先端
開口３２においてほぼ球面状の液面２０１を形成する。

【００５５】この液面２０１は、図２に示す状態からピ
ストン２２が徐々に先端方向に移動してポンプ空間容積
が減少していくと、上側の液面２０２が介在気体に押圧
されることにより、図４中の一点鎖線Ａで示すような状
態や図４中の実線で示す状態を経て、図４中の一点鎖線
Ｂで示すような状態へと膨らんでいく。

【００５６】このような液面２０１が形成されている状
態では、液面２０１に作用する表面張力により、液体２
０の圧力は、液面２０１より外側の圧力、すなわち、大
気圧Ｐ₀よりも大きくなる。よって、液面２０１の表面
張力による圧力の増分をΔＰ_Lとすると、内腔３１にあ
る液体２０の圧力は、（Ｐ₀＋ΔＰ_L）となる。

【００５７】この圧力の増分ΔＰ_Lは、液体２０の表面
張力をσ［Ｎ／ｍ］、液面２０１の曲率半径をｒ
₁［ｍ］としたとき、２σ／ｒ₁となる。よって、ΔＰ_L
は、液面２０１の曲率半径ｒ₁が小さいほど大きくな
る。

【００５８】液体２０が先端開口３２から吐出される過
程において、液面２０１の曲率半径が最も小さくなるの
は、図４中の一点鎖線Ａで示す状態や一点鎖線Ｂで示す
状態と比較して分かるように、図４中の実線で示す状
態、すなわち、先端開口３２から液面２０１が半球状に
突出する状態である。このときの液面２０１の曲率半径
ｒ₁は、ｄ／２になる。

【００５９】よって、液面２０１に作用する表面張力に
よる圧力の増分ΔＰ_Lは、ｒ₁＝ｄ／２のときに、最大と
なり、その最大値は、４σ／ｄとなる。すなわち、液体
２０が先端開口３２から吐出される過程において、内腔
３１にある液体２０の圧力は、最大で（Ｐ₀＋４σ／
ｄ）となる。

【００６０】次に、液面２０２について説明する。ノズ
ル３内には、毛細管現象により、ほぼ球面状をなす液面
２０２が形成される。液面２０２の曲率半径をｒ
₂［ｍ］とすると、液面２０２に作用する表面張力によ
り、液面２０２の内側の圧力、すなわち介在気体の圧力
は、液面２０２の外側の圧力、すなわち液体２０の圧力
より２σ／ｒ₂大きくなる。

【００６１】液面２０２の曲率半径ｒ₂は、液面２０２
の位置におけるノズル３の内径をＤとすると、ほぼＤ／
２となる。よって、液面２０２による介在気体の圧力の
増分は、２σ／ｒ₂にｒ₂＝Ｄ／２を代入して、４σ／Ｄ
となる。

【００６２】液体２０の圧力は、前述したように、図４
に示す状態で最大（Ｐ₀＋４σ／ｄ）となるから、介在
気体の圧力もこのときに最大となり、その最大値は、
（Ｐ₀＋４σ／ｄ＋４σ／Ｄ）となる。

【００６３】液体２０を先端開口３２から吐出するに
は、図４に示す状態からさらに介在気体の圧力が増加す
る必要がある。すなわち、介在気体の圧力が（Ｐ₀＋４
σ／ｄ＋４σ／Ｄ）を超える必要がある。

【００６４】以上述べたようなことから、本発明者ら
は、例えばＶ₁の量の液体２０を先端開口３２から吐出
するには、図２に示す状態からポンプ空間容積をΔＶ≒
Ｖ₁であるようなΔＶだけ減少させた場合に、介在気体
の圧力が（Ｐ₀＋４σ／ｄ＋４σ／Ｄ）を超える必要が
あり、これを超えることができないと、液面２０２に作
用する介在気体の圧力よりも、液面２０１に作用する大
気圧および液面２０１と液面２０２とに作用する表面張
力の方が勝ってしまい、液体２０を先端開口３２から吐
出することができない、ということを見出した。

【００６５】そこで、本発明者らは、図２に示す吐出動
作前の状態と、図３に示す吐出動作後の状態とを比較し
て、ポンプ空間容積をΔＶだけ減少させたときの介在気
体の圧力を算出し、この圧力が（Ｐ₀＋４σ／ｄ＋４σ
／Ｄ）を超えるための条件、すなわち、液体２０を吐出
するための条件を以下のように求めた。

【００６６】ノズル３が前記テーパ部を有していること
から、ノズル３の内腔３１に吸入した液量が少ないほ
ど、液面２０２が先端側に位置するので、液面２０２の
位置におけるノズル３の内径Ｄは、小さくなる。液面２
０２の位置におけるノズル３の内径Ｄが小さいほど、液
体２０を吐出するために必要な介在気体の圧力（Ｐ₀＋
４σ／ｄ＋４σ／Ｄ）は、大きくなる。よって、吐出動
作前のノズル３内の液量が少ないほど、液体２０を吐出
するための条件は、厳しくなる。

【００６７】分注装置１の使用においては、前記テーパ
角度θを考慮すると、通常、液面２０２は、ノズル３の
内径が先端開口３２の内径ｄのほぼ２倍になるような位
置から上側の範囲に位置する状態とされる。すなわち、
通常の使用状態において、液体２０を吐出するための条
件が最も厳しくなるのは、Ｄ＝２ｄのときであるので、
以下では、Ｄ＝２ｄであるとして、液体２０を吐出する
ための条件を求めた。

【００６８】よって、液体２０を吐出するために必要な
介在気体の圧力は、（Ｐ₀＋４σ／ｄ＋４σ／Ｄ）にＤ
＝２ｄを代入して、（Ｐ₀＋６σ／Ｄ）となる。

【００６９】内腔３１に吸入した液体２０が少量である
場合には、吐出動作前における介在気体の体積および圧
力は、それぞれ、前記Ｖ₀（分注系のデッドボリュー
ム）および大気圧Ｐ₀で近似することができる。よっ
て、図２に示す吐出動作前の状態における介在気体の圧
力、体積をそれぞれＰ₀、Ｖ₀とした。

【００７０】図３に示す吐出動作後の状態では、介在気
体の体積は、ポンプ空間容積がΔＶ減少することによ
り、（Ｖ₀−ΔＶ）となる。また、吐出動作前に対する
吐出動作後の介在気体の圧力の増分をΔＰ_Gとする。よ
って、吐出動作後の介在気体の圧力は、（Ｐ₀＋ΔＰ_G）
となる。

【００７１】このとき、これらの間に下記式（II）が成
り立つ。Ｐ₀・Ｖ₀ ⁿ＝（Ｐ₀＋ΔＰ_G）・（Ｖ₀−ΔＶ）ⁿ ・・・（II）

【００７２】前記式（II）において、ｎは、介在気体の
比熱比をγとしたとき、１≦ｎ≦γなる自然数である。
介在気体が吐出動作前後で等温変化する場合には、ｎ＝
１で前記式（II）が成り立ち、断熱変化する場合には、
ｎ＝γで前記式（II）が成り立つ。

【００７３】ここでは、介在気体を空気であるとして、
比熱比γを１．４とする。また、実際上は、介在気体の
状態変化は、等温変化と断熱変化との中間の変化となる
ため、ｎ＝１．２で前記式（II）が成り立つものとし
た。よって、ｎ＝１．２として、式（II）を変形すると
下記式（III）が得られる。 ΔＰ_G＝Ｐ₀（１−ΔＶ／Ｖ₀）^-1.2−Ｐ₀ ・・・（III）

【００７４】液面２０１の表面張力が問題となるのは、
ポンプ空間容積の減少量ΔＶ（≒液体吐出量）が微量の
ときであるため、ここでは、ΔＶは、Ｖ₀よりも十分に
小さいとしてよい。よって、式（III）においてΔＶ／
Ｖ₀≪１であるとすると、近似的に下記式（IV）が得ら
れる。 ΔＰ_G≒１．２Ｐ₀・ΔＶ／Ｖ₀ ・・・（IV）

【００７５】前記式（IV）より、吐出動作後の介在気体
の圧力は、（Ｐ₀＋１．２Ｐ₀・ΔＶ／Ｖ₀）となる。よ
って、液体２０が吐出されるための条件は、この吐出動
作後の介在気体の圧力（Ｐ₀＋１．２Ｐ₀・ΔＶ／Ｖ₀）
が（Ｐ₀＋６σ／ｄ）を超えること、すなわち、下記式
（Ｖ）となる。Ｐ₀＋１．２Ｐ₀・ΔＶ／Ｖ₀＞Ｐ₀＋６σ／ｄ・・・（Ｖ）

【００７６】この式（Ｖ）を変形すると、下記式（VI）
が得られる。 ΔＶ＞５Ｖ₀・σ／（Ｐ₀・ｄ）・・・（VI）

【００７７】前記式（VI）が本発明者らの見出した、液
体２０を吐出するための条件式である。前記式（VI）に
よれば、吐出動作におけるポンプ空間容積の減少量ΔＶ
が５Ｖ₀・σ／（Ｐ₀・ｄ）より大きい場合には、液体２
０を先端開口３２から吐出することができ、ΔＶにほぼ
等しい液体吐出量が得られることが分かる。すなわち、
吐出可能な最少の液体吐出量は、ほぼ５Ｖ₀・σ／（Ｐ₀
・ｄ）であることが分かる。

【００７８】液体２０が水である場合には、前記式（V
I）においてσ＝σ_Wとすることにより、下記式（VII）
が得られる。 ΔＶ＞５Ｖ₀・σ_W／（Ｐ₀・ｄ）・・・（VII）

【００７９】前記式（VII）によれば、液体２０が水で
ある場合には、吐出動作におけるポンプ空間容積の減少
量ΔＶが５Ｖ₀・σ_W／（Ｐ₀・ｄ）より大きい場合に
は、液体２０（水）を先端開口３２から吐出することが
でき、ΔＶにほぼ等しい液体吐出量が得られることが分
かる。すなわち、液体２０が水である場合には、吐出可
能な最少の液体吐出量は、ほぼ５Ｖ₀・σ_W／（Ｐ₀・
ｄ）であることが分かる。

【００８０】ここで、前記式（VII）の右辺は、前記Ｍ
に等しい。よって、Ｍ＜５μＬであると、ΔＶ≧５μＬ
となり、前述したように、液体２０が水である場合に
は、液体吐出量を最少でほぼ５μＬとすることができる
ことが導かれる。同様に、Ｍ＜３μＬであると、ΔＶ≧
３μＬとなって、液体吐出量を最少でほぼ３μＬとする
ことができ、Ｍ＜１μＬであると、ΔＶ≧１μＬとなっ
て、液体吐出量を最少でほぼ１μＬとすることができ
る。

【００８１】以上、本発明の分注装置を図示の実施形態
について説明したが、本発明は、これに限定されるもの
ではなく、分注装置を構成する各部は、同様の機能を発
揮し得る任意の構成のものと置換することができる。

【００８２】例えば、ポンプ２は、図示のようなピスト
ンポンプに限らず、ポンプ空間の容積を増減して気体を
吸入／吐出するものであればいかなるものであってもよ
い。

【００８３】また、以上では、分注する液体が水である
場合を中心に説明したが、本発明では、水以外の液体を
分注する場合であっても、従来の分注装置よりも少ない
量の液体を吐出することができる。

【００８４】なお、吐出可能な液体吐出量は、液体の表
面張力によって異なり、表面張力の大きいものほど吐出
可能な液体吐出量が少なく、逆に、表面張力の小さいも
のほど吐出可能な液体吐出量が多い。よって、水以外の
液体を分注する場合、吐出可能な液体吐出量は、通常、
前述した値とは異なるものとなる。

【００８５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、従
来の分注装置よりも少ない量の液体を吐出することがで
きる。また、より精確な（精度の良い）分注をすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の分注装置の実施形態（液体を吸入する
前の状態）を示す縦断面図である。

【図２】図１に示す分注装置（吐出動作前の状態）の縦
断面図である。

【図３】図１に示す分注装置（吐出動作後の状態）の縦
断面図である。

【図４】ノズルの先端部を拡大して示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１分注装置２ポンプ２１シリンダ２２ピストン２３ポンプ空間２４ピストンロッド２５、２６位置３ノズル３１内腔３２先端開口３３基端開口３４中心軸４ノズル取付部５気体流路１０貯留部２０液体２０１、２０２液面

フロントページの続き (72)発明者周中陽東京都三鷹市牟礼６丁目22番１号アロカ株式会社内 (72)発明者齋藤博樹東京都三鷹市牟礼６丁目22番１号アロカ株式会社内Ｆターム(参考） 2G052 AA28 AB16 AD06 AD26 AD46 BA14 CA02 CA13 CA18 CA22 CA28 CA31 CA33 CA40 HA01 HC02 HC07 HC25 JA09 2G058 EA02 EA04 EA07 EA11 EB01 EB05 EB09 EB15 ED01 ED12 ED25 ED35 GB06 4G068 AA03 AB15 AD24 AD47

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に画成されたポンプ空間の容積を増
減して気体を吸入／吐出するポンプと、前記ポンプ空間と連通する内腔を有するノズルとを備
え、前記ポンプの作動により、前記気体を介して前記ノズル
の内腔に液体を吸入し、吸入した液体を吐出し、分注す
る分注装置であって、下記式（Ｉ）により定められるＭが５×１０^-9ｍ³未満
であることを特徴とする分注装置。Ｍ＝５Ｖ₀・σ_W／（Ｐ₀・ｄ）・・・（Ｉ）（式中、Ｖ₀［ｍ³］は、液体を吸入する前の状態におけ
る前記ポンプ空間および前記ノズルの内腔を含む連続し
た内部空間の容積、ｄ［ｍ］は、前記ノズルの先端開口
の内径、Ｐ₀［Ｐａ］は、標準大気圧、σ_W［Ｎ／ｍ］
は、水の表面張力を表す。）
【請求項２】内部に画成されたポンプ空間の容積を増
減して気体を吸入／吐出するポンプと、前記ポンプ空間と連通する内腔を有するノズルとを備
え、前記ポンプの作動により、前記気体を介して前記ノズル
の内腔に液体を吸入し、吸入した液体を吐出し、分注す
る分注装置であって、下記式（Ｉ）により定められるＭが３×１０^-9ｍ³未満
であることを特徴とする分注装置。Ｍ＝５Ｖ₀・σ_W／（Ｐ₀・ｄ）・・・（Ｉ）（式中、Ｖ₀［ｍ³］は、液体を吸入する前の状態におけ
る前記ポンプ空間および前記ノズルの内腔を含む連続し
た内部空間の容積、ｄ［ｍ］は、前記ノズルの先端開口
の内径、Ｐ₀［Ｐａ］は、標準大気圧、σ_W［Ｎ／ｍ］
は、水の表面張力を表す。）
【請求項３】内部に画成されたポンプ空間の容積を増
減して気体を吸入／吐出するポンプと、前記ポンプ空間と連通する内腔を有するノズルとを備
え、前記ポンプの作動により、前記気体を介して前記ノズル
の内腔に液体を吸入し、吸入した液体を吐出し、分注す
る分注装置であって、下記式（Ｉ）により定められるＭが１×１０^-9ｍ³未満
であることを特徴とする分注装置。Ｍ＝５Ｖ₀・σ_W／（Ｐ₀・ｄ）・・・（Ｉ）（式中、Ｖ₀［ｍ³］は、液体を吸入する前の状態におけ
る前記ポンプ空間および前記ノズルの内腔を含む連続し
た内部空間の容積、ｄ［ｍ］は、前記ノズルの先端開口
の内径、Ｐ₀［Ｐａ］は、標準大気圧、σ_W［Ｎ／ｍ］
は、水の表面張力を表す。）
【請求項４】前記ノズルの先端開口の内径が、０．１
〜２ｍｍである請求項１ないし３のいずれかに記載の分
注装置。
【請求項５】前記ノズルは、少なくともその先端部
に、内径が先端方向に向かって漸減するテーパ部分を有
する請求項１ないし４のいずれかに記載の分注装置。
【請求項６】前記ノズルの中心軸に対する前記テーパ
部分の傾斜角度は、０．５〜５°である請求項５に記載
の分注装置。
【請求項７】前記ノズルは、装置本体に対し着脱自在
に設置されている請求項１ないし６のいずれかに記載の
分注装置。