JP2004116327A - Microdispenser - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、医薬や食品、農薬等の分野において、化学物質の合成や分離抽出、分析等を行う際に、対象物質や試薬等の微量分注等に使用されるマイクロディスペンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
医薬や食品に使用される化学物質や農業等の分野で使用される化学物質の開発においては、ベースとなる化学物質を他の様々な化学物質で修飾して新規化学物質を合成し、その有効性や安全性、副作用等を評価して実用化の可否を判断する。この合成における化学物質の組み合わせは、何十万通りにもなることがあり、その合成と評価及び検査等には膨大な人員及び時間を必要とする。
【0003】
このため、従来のノウハウ等で対象を選別したり、自動合成・評価システムを構築したりして、必要とする人員及び時間を削減する試みがなされている。この自動合成・評価システムでは、合成及び評価を実行する場として、図5に示すような装置等の組み合わせが検討されている。この組み合わせは、シリコンやステンレス鋼等からなる基板に反応容器となるウェル2をマトリックス状に多数形成したマルチウェル板1と、このウェル2に所定の薬品等を分注するための収納容器3、シリンジポンプ4及びディスペンサノズル5と、で構成されている。シリンジポンプ4及びディスペンサノズル5がディスペンサを構成しており、収納容器3とディスペンサとがセットとして使用される。図5にはこのセットを1つだけ示しているが、実際のシステムにおいては、このセットは1つではなく、例えば合成の場合には、ベースとなる化学物質を分注するためのセットと、修飾のために用いる他の化学物質を分注するための複数のセットとが必要である。新規化学物質の評価等の場合も同様で、評価等の対象となる化学物質を分注するためのセットと、評価等のために必要な試薬を分注するための複数のセットとが必要である。
【0004】
参考までに、マルチウェル板1とウェル2の大きさや数の例を示すと、マルチウェル板1は約90mm×130mm 程度の大きさで、ウェルの容積は60〜250 μL程度、ウェル数は 100〜400 程度である。
例えば、ウェル2に分注された新規薬品に、複数の収納容器3に別々に収められている各種の試薬がシリンジポンプ4及びディスペンサノズル5からなるディスペンサを介して分注されると、それぞれのウェル2毎に新規薬品と試薬とが反応し、その反応結果によって、新規薬品の有効性や安全性等の各種の評価項目が評価される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
マルチウェル板1のウェル2は、最近、スループット向上や化学物質の消費量削減を目的として、高密度化及び低容量化される傾向にある。これに対応してウェル2に試薬類等を分注するディスペンサの最小分注量の微量化と分注量の高精度化とが必要となる。例えば、医薬品の開発関連では、ディスペンサの最小分注量は、現状の最小分注量である0.5 μL前後より少ない0.2 μL以下のレベルが望まれている。また、多数のウェル2に分注するにはディスペンサのマルチ化が必要不可欠となるが、現状の市販ディスペンサをマルチ化すると、コストが高くなり且つシステムが大型化してしまうという難点をもっている。
【0006】
この難点を解消するために、医薬や食品に使用される化学物質や、農業等の分野で使用される化学物質の開発においては、ウェルを少容積化して処理能力を増大した、小型で低コストの自動合成・評価システム等の出現が望まれ、これに関連した各種課題の検討が進められている。その検討課題の1つとして、小型軽量で液体を高速で注入でき、且つマルチ化が容易なマイクロディスペンサの開発がある。
【0007】
この発明の課題は、上記の要望に対応するために、分注量を微量化(吐出分解能が0.2 μL以下)でき、安定な吐出流量(50〜100 μL/s)を確保でき、小型でマルチ化し易く、且つ低コストのマイクロディスペンサを提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、液体の微量分注等の用途に供されるマイクロディスペンサであって、順に積層接合された、液体を吐出するノズルを有するノズル板と、前記ノズルの中心位置に対応した位置に中心をもつ通路としての貫通孔を有する通路板と、前記通路の直上に位置し且つ液体を加圧するための空間である加圧室となる貫通部及びこの加圧室へ液体を供給する供給路となる貫通部または溝を有するキャビティ板と、供給路への液体の供給口となる貫通孔を有し且つ前記の加圧室となる貫通部の中央部に相当する位置のキャビティ板側ではない面に加圧用突起物を取り付けられた振動板と、前記加圧用突起物から離れた位置の振動板上に接合され、前記加圧用突起物を押圧変位させる圧電アクチュエータと、で構成される。
【0009】
この発明においては、ノズル板やキャビティ板等、それぞれに異なる機能をもたせた板が、積層接合されて液体の供給口から供給路、加圧室,通路およびノズルに至る流体の移動部を形成し、圧電アクチュエータが、駆動される度に加圧室の体積を減少させて一定量の液体をノズルから吐出させる。
ノズル板やキャビティ板等が積層接合されて流体の移動部を形成するので、それぞれの材料は厚さの薄い板となり、高い加工精度で加工することができるため、小型化が容易である。このため、加圧室と圧電アクチュエータとを組み合わせる方式は、圧電アクチュエータの1回の駆動で吐出される液体の量(吐出分解能に相当する)を微量化し易く、且つ動作回数(圧電アクチュエータの駆動周波数)を多くすることによって吐出流量を多くすることができる。また、大きな面積の材料を用いることによってノズル板等を同じ工程で同時に多数製造できるので、量産性にも優れる。
【0010】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記ノズル板と前記通路板と前記キャビティ板と前記振動板とのそれぞれに、互いに対応する位置関係にある複数の前記ノズルと前記の通路としての貫通孔と前記の加圧室となる貫通部及び前記の供給路となる貫通部または溝の加圧室につながる部分と前記加圧用突起物とを備え、前記キャビティ板に、前記の複数の供給路となる貫通部または溝の加圧室につながる部分を分岐する共通の供給路となる貫通部または溝を備え、前記振動板に共通の前記の液体の供給口となる貫通孔を備え、前記圧電アクチュエータとして、前記の複数の加圧用突起物に対応させて複数の圧電アクチュエータを備えている。
【0011】
この発明においては、流体の移動部の内の、液体の供給口及び供給路の前段を共通の流路として形成し、供給路の後段から加圧室を経てノズルに至る部分を互いに独立した複数の流路として形成し、それぞれの加圧室を対応する圧電アクチュエータによってそれぞれ独立に容積変化させる。
ノズル板やキャビティ板等に複数のノズルや加圧室となる貫通部等を形成することは、ノズル等の数に合わせてノズル板等の面積を変えるだけで請求項1の発明とほぼ同じ加工精度で実施できることであり、積層接合の条件は面積に合わせて設定を調節すればよい。
【0012】
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記の複数の圧電アクチュエータとして、複数の加圧用突起物を備えた振動板の全ての加圧用突起物を変位させることができる大きさを有する圧電アクチュエータであって、その変位端側が個々の加圧用突起物に対応する独立の変位部として形成され、圧電素子が個々の加圧用突起物に対応させて電気的に分離され、振動板上に接合される側が一体となっている一体構造の圧電アクチュエータを備えている。
【0013】
変位端側が個々の加圧用突起物に対応する独立の変位部として形成され、圧電素子が個々の加圧用突起物に対応させて電気的に分離されるので、分離された圧電素子毎に独立の圧電アクチュエータとして動作する。そのため、構造的には一体型であっても機能的には独立した複数の圧電アクチュエータと同じとなり、複数の圧電アクチュエータを1部品として扱うことができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
この発明によるマイクロディスペンサの特徴は、それぞれに液体の流路の異なる部分を構成する加工を施されて積層接合され液体の供給部から加圧室を経てノズルに至る液体の流路を形成する複数の板と、加圧室の容積を変化させて液体をノズルから吐出させる圧電アクチュエータとで構成されることである。板を積層して液体の流路を構成するので、個々の板厚を薄くでき、そのために加工が容易となり且つ加工精度が高くなる。
【0015】
以下において、この発明の実施の形態について実施例を用いて更に詳しく説明する。
なお、従来技術と同じ機能の部分には同じ符号を付ける。
〔第1の実施例〕
図1は、この発明によるマイクロディスペンサの第1の実施例の構成を示す断面図であり、図2は、この実施例を部材毎に分解して示した斜視図である。
【0016】
この実施例によるマイクロディスペンサ6は、液体の流路を形成する4枚の積層接合された板、すなわちノズル板10、通路板20、キャビティ板30及び振動板40と、駆動用の圧電アクチュエータ70及びその支持板60とで構成されている。
ノズル板10、通路板20、キャビティ板30及び振動板40には、ステンレス鋼(SUS316)板を用い、その加工には王水を用いたフォトリソグラフィによる選択エッチングを採用した。ノズル板10等の大きさは、6mm×50mmである。
【0017】
ノズル板10には、液体の吐出口であるノズル11が形成されている。ノズル板10の厚さは 0.2mmであり、ノズル11の直径はφ0.12mmである。通路板20には、液体をノズル11に送るための通路21としての貫通孔が形成されている。通路板20の厚さは 0.5mmであり、通路21の中心位置はノズル11の中心に位置付けされており、通路21の直径はノズル11と後述する加圧室31の大きさの中間のφ1mm程度である。キャビティ板30には、加圧室31になる貫通部(図2では加圧室31と表示)と、加圧室31に液体を導く供給路32になる溝(図2では供給路32と表示)と、供給路32の終端部で加圧室31への入口に形成された絞り流路33になる溝(図2では絞り流路33と表示)と、が形成されている。キャビティ板30の厚さは 0.2mmであり、加圧室31の大きさは3mm×3mm、絞り流路33の幅は0.15mmであり、溝の深さは厚さの半分の 0.1mmである。振動板40には、供給路33に連通する液体の供給口41としての貫通孔が形成されている。振動板40の厚さは0.02mmである。
【0018】
これら4枚の板10、20、30及び40の積層接合は、これらの板を図1及び図2に示した順に積層して、1.33×10−2Pa以下の真空中で 0.1kg/mm2 の荷重をかけて900℃で3時間加熱する拡散接合により実施した。
なお、接合後に、ノズル板10の表面に不図示の弗素を含む撥水材をコーティングした。この目的は、ノズル板10の表面に液体が付着したり溜まったりすることを防止するためである。
【0019】
積層接合後、加圧室31の中央位置に対応する振動板40の外側面に加圧用突起物50を接着した。加圧用突起物50は圧電アクチュエータ70の変位を効率的に加圧室31の容積変化とするための部材である。
最後に、圧電アクチュエータ70を、その一端のやや内側を加圧用突起物50上に位置合わせし、他端を振動板40の端部に揃え、且つ振動板40の供給口41を塞がない位置に位置決めして、振動板40の端部側で支持板60に接着支持し振動板40上に接着した。支持板60は、加圧用突起物50と同じ厚さを有し、圧電アクチュエータ70に電圧が印加されていない状態では、圧電アクチュエータ70が加圧用突起物50に僅かに接触する高さになるように高さを調節する圧電アクチュエータ70の支持部材である。
【0020】
圧電アクチュエータ70は、金属板71の両面に下側圧電素子72及び上側圧電素子73が貼着されたバイモルフ型の構造をもち、下側圧電素子72及び上側圧電素子73にパルス電圧が印加されることによって下側に湾曲し、加圧用突起物50を介して加圧室31の上面の振動板40を変位させて加圧室31の容積を変化させ、加圧室31の内部にある液体を通路21側へ押し出してノズル11から吐出させる。上述の絞り流路33は、この時に液体をノズル11側へ優先的に移動させるために形成される。圧電アクチュエータ70の大きさは、幅が5mm、長さが35mmであり、金属板71の厚さは0.10mm、下側圧電素子72及び上側圧電素子73の厚さは0.15mmである。
【0021】
圧電アクチュエータ70の変位量及び発生力は、圧電素子及び金属の厚さや特性と駆動条件とが一定である場合には、それぞれ圧電アクチュエータ70の長さ及び幅によって決まる。
圧電アクチュエータには、図1に示したバイモルフ型の他にユニモルフ型もあるが、低電圧で駆動する場合にはバイモルフ型が有利である。
【0022】
以上に説明した構成においては、不図示の外部の液体供給源より液体の供給口41を通して、供給路32、絞り流路33、加圧室31、通路21及びノズル11までに液体が充填される。この状態で、圧電アクチュエータ70に所定の電圧が印加されると、圧電アクチュエータ70が、下方に湾曲し、加圧用突起物50を介して加圧室31の上面の振動板40を下方に変位させて加圧室31の容積を減少させ、その減少容積に対応する容積の液体を通路21側へ押し出してノズル11から外部に吐出させる。
【0023】
上記の実施例で、液体として水を用い、圧電アクチュエータ70に60Vの電圧パルスを印加した時の1回の吐出量(吐出分解能)は0.13μLであり、電圧パルスの周波数が900 Hzまでは圧電アクチュエータ70が追随できて同じ吐出量の水をノズルから吐出する。したがって、 100μL/sの吐出流量を確保できることが確認できた。
【0024】
上記の実施例においては、ノズル板10等としてステンレス鋼板を使用しているが、液体の流路を形成するノズル板10等の板は、マイクロディスペンサの所期の目的によって選択されるべきものであり、耐薬品性、耐溶剤性、耐熱性及び微細加工性の観点から判断して決められるべきものであり、シリコン板及びガラス板も使用可能であると判断される。シリコン板及びガラス板の場合には、積層接合に静電接合が適用できる。
【0025】
また、上記の実施例は比較的大きなマイクロディスペンサ6の例を示しているが、例えば加圧室31を1mm×1mm程度の大きさに加工することも十分に可能であり、この場合にはマイクロディスペンサ6の幅を2mm以下にまで小さくすることが可能である。
図3は、この実施例のようなマイクロディスペンサ6の応用例を示す斜視図であり、複数のウェル2を等間隔で形成されたマルチウェル板1のウェル2の列に対応させて複数のマイクロディスペンサ6を一列に配置してマイクロディスペンサ6をマルチ化したものであり、個々のマイクロディスペンサ6毎に収納容器3を備えている。このように複数のマイクロディスペンサ6を並列に並べることは、自動合成・評価システム等の処理能力増大に加えて小型化・低コスト化に有効である。また、図3に示されているマイクロディスペンサ6は、明示していないが、図1及び図2に示したものとは供給口と圧電アクチュエータの位置関係が異なっている。しかし、長さ方向に圧電アクチュエータと供給口とを並べる構成の方が、マイクロディスペンサ6の幅を狭くできるので、複数のマイクロディスペンサ6を並列に並べてマルチ化する場合には有利である。
【0026】
〔第2の実施例〕
この実施例は、複数のマイクロディスペンサを一体化したマルチ型のマイクロディスペンサである。
図4は、マルチ型のマイクロディスペンサ6aである第2の実施例を部材毎に分解して示した斜視図である。
【0027】
この実施例の基本的な構成は、第1の実施例と同じであり、複数の流路を形成する4枚の積層接合されたステンレス鋼板、すなわちノズル板10a 、通路板20a 、キャビティ板30a 及び振動板40a と、駆動用の複数の圧電アクチュエータを一体化した圧電アクチュエータ70a 及びその支持板60a とで構成されている。
ノズル板10a には、液体の吐出口であるノズル11が等間隔に4つ形成されている。通路板20には、液体をノズル11に送るための通路21がノズル11と同様に4つ形成されている。キャビティ板30には、加圧室になる貫通部(図4では加圧室31と表示)と絞り流路になる貫通部(図4では絞り流路33と表示)とがノズル11と同様に4つ形成され、絞り流路33を経て加圧室31に液体を導く共通の供給路になる貫通部(図4では供給路32a と表示)が形成されている。振動板40には、供給路32a に連通する液体の供給口41が両端近くに2つ形成されている。
【0028】
これら4枚の板の積層接合は、これらの板を図3に示した順に積層して、第1の実施例と同様に、1.33×102 Pa以下の真空中で 0.1kg/mm2 の荷重をかけて 900℃で3時間加熱する拡散接合により実施した。
なお、接合後に、ノズル板10a の表面に不図示の弗素を含む撥水材をコーティングした。この目的は、ノズル板10の表面に液体が付着したり溜まったりすることを防止するためである。
【0029】
積層接合後、加圧室31の中央位置に対応する振動板40a の外側面に加圧用突起物50を接着した。加圧用突起物50は圧電アクチュエータ70a の変位を効率的に加圧室31の容積変化とするための部材である。
圧電アクチュエータ70a は、ノズル板10a 等と同じ長さでやや狭い幅のバイモルフ型の圧電アクチュエータを4つの加圧用突起物50のそれぞれに対応させて独立に駆動できる4つの圧電アクチュエータ分岐に加工したものである。すなわち、電圧を印加された時に湾曲する部分には分離用の切り込みが形成され、下側圧電素子72a 及び上側圧電素子73a にはスリット加工が施されてそれぞれを電気的に分離された4つの領域に分離している。それぞれの圧電アクチュエータ分岐は、その一端のやや内側を加圧用突起物50上に位置合わせされ、他端を振動板40a の2つの供給口41a を塞がない位置に位置決めされ、供給口41a 側の端部を支持板60a に接着支持されて振動板40a 上に接着されている。支持板60a は、加圧用突起物50と同じ厚さを有し、圧電アクチュエータ70a に電圧が印加されていない状態では、圧電アクチュエータ70a が加圧用突起物50に僅かに接触する状態になるよう圧電アクチュエータ70a の高さを調節するための支持部材である。
【0030】
この実施例の圧電アクチュエータ70a はバイモルフ型であるが、勿論、ユニモルフ型の圧電アクチュエータを採用することもできる。
このようなマルチ型のマイクロディスペンサ6aのノズル11の間隔とマルチウェル板のウェルの間隔とを対応させて両者を組み合わせると、各種の反応や合成、分析等のスループットを大幅に向上させることができる、小型で低コストの自動合成・評価システム等を実現することができる。
【0031】
この実施例においても、第1の実施例と同様に、ノズル板10a 等の材料としてシリコン板やガラス板を利用することができる。
また、圧電アクチュエータ70a として複数の圧電アクチュエータ分岐をもつ一体型の圧電アクチュエータを用いているが、複数の加圧用突起物50のそれぞれに第1の実施例のような圧電アクチュエータを配置してもよい。しかし、複数のアクチュエータ分岐を備えた一体型の圧電アクチュエータの方が組立工数を少なくすることができる。
【0032】
【発明の効果】
請求項1の発明においては、ノズル板やキャビティ板等、それぞれに異なる機能をもたせた板が、積層接合されて液体の供給口から供給路、加圧室,通路およびノズルに至る流体の移動部を形成し、圧電アクチュエータが、駆動される度に加圧室の体積を減少させて一定量の液体をノズルから吐出させる。
【0033】
ノズル板やキャビティ板等が積層接合されて流体の移動部を形成するので、それぞれの材料は厚さの薄い板となり、高い加工精度で加工することができるため、小型化が容易である。このため、加圧室と圧電アクチュエータとを組み合わせる方式は、圧電アクチュエータの1回の駆動で吐出される液体の量(吐出分解能に相当する)を微量化し易く、且つ動作回数(圧電アクチュエータの駆動周波数)を多くすることによって吐出流量を多くすることができる。また、大きな面積の材料を用いることによってノズル板等を同じ工程で同時に多数製造できるので、量産性にも優れる。
【0034】
したがって、この発明によれば、分注量を微量化(吐出分解能が0.2 μL以下)でき、安定な吐出流量(50〜100 μL/s)を確保でき、小型でマルチ化し易く、且つ低コストのマイクロディスペンサを提供することができる。
請求項2の発明においては、流体の移動部の内の、液体の供給口及び供給路の前段を共通の流路として形成し、供給路の後段から加圧室を経てノズルに至る部分を互いに独立した複数の流路として形成し、それぞれの加圧室を対応する圧電アクチュエータによってそれぞれ独立に容積変化させる。
【0035】
ノズル板やキャビティ板等に複数のノズルや加圧室となる貫通部等を形成することは、ノズル等の数に合わせてノズル板等の面積を変えるだけで請求項1の発明とほぼ同じ加工精度で実施できることであり、積層接合の条件は面積に合わせて設定を調節すればよい。
したがって、この発明によれば、複数のマイクロディスペンサを一体にしたマルチ型のマイクロディスペンサを提供することができる。このマルチ型のマイクロディスペンサは、高密度にディスペンサを配置するのに適しており、自動合成・評価システム等の小型化、低コスト化に最適である。
【0036】
請求項3の発明においては、圧電アクチュエータとして、変位端側が個々の加圧用突起物に対応する独立の変位部として形成され、圧電素子が個々の加圧用突起物に対応させて電気的に分離された一体構造の圧電アクチュエータを備えている。この一体構造の圧電アクチュエータは、構造的には一体型であっても機能的には独立した複数の圧電アクチュエータと同じであるので、この発明によれば、複数の圧電アクチュエータを1部品として扱うことができ、製造工数を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明によるマイクロディスペンサの第1の実施例の構成を示す断面図
【図2】第1の実施例を部材毎に分解して示した斜視図
【図3】マイクロディスペンサの応用例を示す斜視図
【図4】第2の実施例を部材毎に分解して示した斜視図
【図5】従来技術によるディスペンサを用いた化学物質自動合成システム等の主要部を示す斜視図
【符号の説明】
1 マルチウェル板
2 ウェル
3 収納容器
4 シリンダポンプ
5 ディスペンサノズル
6 マイクロディスペンサ
6a マルチ型マイクロディスペンサ
10, 10a ノズル板
11 ノズル
20, 20a 通路板
21 通路
30, 30a キャビティ板
31 加圧室
32, 32a 供給路
33 絞り流路
40, 40a 振動板
41, 41a 供給口
50 加圧用突起物
60, 60a 支持板
70, 70a 圧電アクチュエータ
71, 71a 金属板
72, 72a 下側圧電素子
73, 73a 上側圧電素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a microdispenser used for microdispensing of a target substance, a reagent, or the like when synthesizing, separating, extracting, or analyzing a chemical substance in the fields of medicine, food, agrochemicals, and the like.
[0002]
[Prior art]
In the development of chemicals used in medicines and foods, and chemicals used in fields such as agriculture, the base chemicals are modified with various other chemicals to synthesize new chemicals, Evaluate the properties, safety, side effects, etc. to judge the feasibility of commercialization. There are hundreds of thousands of combinations of chemical substances in this synthesis, and synthesis, evaluation, inspection, and the like require enormous personnel and time.
[0003]
For this reason, an attempt has been made to reduce the required personnel and time by selecting an object using conventional know-how or the like or constructing an automatic synthesis / evaluation system. In this automatic composition / evaluation system, a combination of devices and the like as shown in FIG. 5 is being studied as a place for performing composition and evaluation. This combination includes a multi-well plate 1 in which a large number of wells 2 serving as reaction vessels are formed in a matrix on a substrate made of silicon, stainless steel, or the like, a storage vessel 3 for dispensing a predetermined chemical or the like into the wells 2, It comprises a syringe pump 4 and a
[0004]
For reference, an example of the size and number of the multi-well plate 1 and the well 2 is shown. The multi-well plate 1 has a size of about 90 mm × 130 mm, the volume of the well is about 60 to 250 μL, and the number of wells is 100. About 400.
For example, when various reagents separately stored in the plurality of storage containers 3 are dispensed into the new medicine dispensed into the well 2 via the dispenser including the syringe pump 4 and the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The well 2 of the multi-well plate 1 has recently tended to have a higher density and a lower capacity for the purpose of improving throughput and reducing the consumption of chemical substances. Correspondingly, it is necessary to reduce the minimum dispensing amount of the dispenser for dispensing reagents and the like to the well 2 and to increase the dispensing amount with high precision. For example, in the development of pharmaceuticals, the minimum dispensing volume of the dispenser is desired to be 0.2 μL or less, which is smaller than the current minimum dispensing volume of around 0.5 μL. Further, in order to dispense the liquid into a large number of wells 2, it is necessary to provide a multiplicity of dispensers. However, if a current commercially available dispenser is multiplied, the cost is increased and the system is increased in size.
[0006]
In order to solve this difficulty, in the development of chemicals used in medicines and foods, and chemicals used in fields such as agriculture, small and low-cost wells with reduced volume and increased processing capacity were developed. It is hoped that an automatic synthesis / evaluation system will be developed, and various issues related to this will be studied. One of the issues to be studied is the development of a microdispenser that is small and lightweight, can inject a liquid at a high speed, and can be easily multiplied.
[0007]
An object of the present invention is to reduce the dispensed volume (discharge resolution is 0.2 μL or less), secure a stable discharge flow rate (50 to 100 μL / s), and reduce the size to meet the above demand. It is an object of the present invention to provide a microdispenser which can be easily multiplied at a low cost.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is a microdispenser provided for use such as dispensing a small amount of liquid, the nozzle plate having a nozzle for discharging liquid, which is sequentially laminated and joined, and corresponding to the center position of the nozzle. A passage plate having a through hole as a passage centered at a position, a through portion which is located immediately above the passage and serves as a pressurizing chamber which is a space for pressurizing the liquid, and supplies liquid to the pressurizing chamber; A cavity plate having a through portion or groove serving as a supply path, and a cavity plate side having a through hole serving as a liquid supply port to the supply path and corresponding to the center of the through portion serving as the pressurizing chamber; A vibrating plate having a pressurizing protrusion attached to a non-surface, and a piezoelectric actuator joined to the vibrating plate at a position distant from the pressurizing protrusion and pressing and displacing the pressurizing protrusion. .
[0009]
In the present invention, plates having different functions, such as a nozzle plate and a cavity plate, are laminated and joined to form a fluid moving portion from a liquid supply port to a supply path, a pressurizing chamber, a passage, and a nozzle. Each time the piezoelectric actuator is driven, the volume of the pressurizing chamber is reduced to discharge a fixed amount of liquid from the nozzle.
Since the nozzle plate, the cavity plate and the like are laminated and joined to form a moving portion of the fluid, each material is a thin plate, and can be processed with high processing accuracy, so that miniaturization is easy. For this reason, in the method of combining the pressurizing chamber and the piezoelectric actuator, the amount of liquid (equivalent to the ejection resolution) discharged by one drive of the piezoelectric actuator is easily reduced, and the number of operations (the driving frequency of the piezoelectric actuator) is reduced. ) Can increase the discharge flow rate. In addition, since a large number of nozzle plates and the like can be simultaneously manufactured in the same process by using a material having a large area, mass productivity is excellent.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the nozzle plate, the passage plate, the cavity plate, and the vibration plate each have a plurality of nozzles and the passage in a positional relationship corresponding to each other. A pressurizing projection and a portion that connects to the pressurizing chamber of the through hole and the pressurizing chamber and the penetrating portion or the groove that serves as the supply path. A penetrating part or a groove serving as a common supply path for branching a part connected to the pressurizing chamber of the penetrating part or the groove serving as a supply path, and a through hole serving as a liquid supply port common to the diaphragm is provided. The piezoelectric actuator includes a plurality of piezoelectric actuators corresponding to the plurality of pressing protrusions.
[0011]
In the present invention, in the fluid moving section, the liquid supply port and the front stage of the supply path are formed as a common flow path, and the portion from the rear stage of the supply path to the nozzle through the pressurizing chamber is independent of each other. And the respective pressure chambers are independently volume-changed by the corresponding piezoelectric actuators.
Forming a plurality of nozzles and penetrating portions serving as pressurizing chambers in a nozzle plate or a cavity plate, etc., by changing the area of the nozzle plate or the like according to the number of nozzles or the like, is substantially the same processing as the invention of claim 1 This can be performed with high accuracy, and the conditions for the lamination bonding may be adjusted according to the area.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the plurality of piezoelectric actuators have a size capable of displacing all the pressing projections of the diaphragm having a plurality of pressing projections. A piezoelectric actuator, the displacement end side of which is formed as an independent displacement portion corresponding to each pressurizing protrusion, and the piezoelectric element is electrically separated corresponding to each pressurizing protrusion, and is placed on the diaphragm. The piezoelectric actuator has an integral structure in which the joined sides are integrated.
[0013]
The displacement end side is formed as an independent displacement portion corresponding to each pressurizing projection, and the piezoelectric elements are electrically separated corresponding to the individual pressurizing protrusions. Operates as a piezoelectric actuator. For this reason, the structure is the same as a plurality of piezoelectric actuators that are functionally independent even if they are integrated, and the plurality of piezoelectric actuators can be handled as one component.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The feature of the microdispenser according to the present invention is that a plurality of liquid passages are formed, each of which is processed to form a different part of the liquid flow path, joined and laminated to form a liquid flow path from a liquid supply unit to a nozzle via a pressurizing chamber. And a piezoelectric actuator that changes the volume of the pressurizing chamber to discharge liquid from the nozzle. Since the plates are stacked to form the liquid flow path, the thickness of each plate can be reduced, thereby facilitating processing and increasing processing accuracy.
[0015]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail using examples.
The parts having the same functions as those of the prior art are denoted by the same reference numerals.
[First embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a first embodiment of a microdispenser according to the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing this embodiment disassembled for each member.
[0016]
The
A stainless steel (SUS316) plate was used for the nozzle plate 10, the passage plate 20, the cavity plate 30, and the vibration plate 40, and the selective etching by photolithography using aqua regia was used for the processing. The size of the nozzle plate 10 and the like is 6 mm × 50 mm.
[0017]
The nozzle plate 10 is provided with a
[0018]
These four plates 10, 20, 30, and 40 are laminated by joining these plates in the order shown in FIGS. 1 and 2, and applying 0.1 kg in a vacuum of 1.33 × 10 −2 Pa or less. / Mm 2 under a load of 300 ° C. for 3 hours.
After bonding, the surface of the nozzle plate 10 was coated with a water-repellent material containing fluorine (not shown). The purpose of this is to prevent the liquid from adhering or accumulating on the surface of the nozzle plate 10.
[0019]
After the lamination, the pressing projection 50 was bonded to the outer surface of the vibration plate 40 corresponding to the center position of the
Finally, the piezoelectric actuator 70 is positioned such that one end of the piezoelectric actuator 70 is slightly inside the projection 50 for pressing, the other end is aligned with the end of the diaphragm 40, and the supply port 41 of the diaphragm 40 is not closed. And adhered to the supporting plate 60 on the end side of the vibration plate 40 and adhered to the vibration plate 40. The support plate 60 has the same thickness as the pressing protrusion 50, and has a height at which the piezoelectric actuator 70 slightly contacts the pressing protrusion 50 when no voltage is applied to the piezoelectric actuator 70. This is a support member for the piezoelectric actuator 70 for adjusting the height.
[0020]
The piezoelectric actuator 70 has a bimorph structure in which a lower piezoelectric element 72 and an upper piezoelectric element 73 are attached to both surfaces of a metal plate 71, and a pulse voltage is applied to the lower piezoelectric element 72 and the upper piezoelectric element 73. Accordingly, the diaphragm 40 is bent downward, and the diaphragm 40 on the upper surface of the pressurizing
[0021]
The displacement amount and the generated force of the piezoelectric actuator 70 are determined by the length and width of the piezoelectric actuator 70, respectively, when the thickness and characteristics of the piezoelectric element and the metal and the driving conditions are constant.
The piezoelectric actuator includes a unimorph type in addition to the bimorph type shown in FIG. 1, but the bimorph type is advantageous when driven at a low voltage.
[0022]
In the configuration described above, the liquid is filled up to the
[0023]
In the above embodiment, when water is used as the liquid and a voltage pulse of 60 V is applied to the piezoelectric actuator 70, the discharge amount per discharge (discharge resolution) is 0.13 μL, and the frequency of the voltage pulse is up to 900 Hz. The piezoelectric actuator 70 can follow and discharge the same amount of water from the nozzle. Therefore, it was confirmed that a discharge flow rate of 100 μL / s could be secured.
[0024]
In the above embodiment, a stainless steel plate is used as the nozzle plate 10 or the like, but the plate such as the nozzle plate 10 forming the liquid flow path should be selected according to the intended purpose of the microdispenser. Yes, it should be determined from the viewpoints of chemical resistance, solvent resistance, heat resistance, and fine workability, and it is determined that a silicon plate and a glass plate can also be used. In the case of a silicon plate and a glass plate, electrostatic bonding can be applied to lamination bonding.
[0025]
Although the above embodiment shows an example of a relatively
FIG. 3 is a perspective view showing an application example of the
[0026]
[Second embodiment]
This embodiment is a multi-type micro dispenser in which a plurality of micro dispensers are integrated.
FIG. 4 is an exploded perspective view showing the second embodiment, which is a multi-type microdispenser 6a, for each member.
[0027]
The basic configuration of this embodiment is the same as that of the first embodiment, and four laminated and joined stainless steel plates forming a plurality of flow paths, that is, a nozzle plate 10a, a passage plate 20a, a cavity plate 30a, and It comprises a vibration plate 40a, a piezoelectric actuator 70a in which a plurality of driving piezoelectric actuators are integrated, and a support plate 60a thereof.
On the nozzle plate 10a, four
[0028]
The lamination joining of these four plates is performed by laminating these plates in the order shown in FIG. 3 and, similarly to the first embodiment, 0.1 kg / mm in a vacuum of 1.33 × 10 2 Pa or less. Diffusion bonding was performed by applying a load of 2 and heating at 900 ° C. for 3 hours.
After bonding, the surface of the nozzle plate 10a was coated with a water-repellent material containing fluorine (not shown). The purpose of this is to prevent the liquid from adhering or accumulating on the surface of the nozzle plate 10.
[0029]
After the lamination and joining, the pressing projection 50 was bonded to the outer surface of the vibration plate 40a corresponding to the center position of the
The piezoelectric actuator 70a is obtained by processing a bimorph-type piezoelectric actuator having the same length as the nozzle plate 10a and the like and having a slightly smaller width into four piezoelectric actuator branches that can be independently driven corresponding to the four pressing projections 50, respectively. It is. That is, a notch for separation is formed in a portion which bends when a voltage is applied, and slits are formed in the lower piezoelectric element 72a and the upper piezoelectric element 73a to electrically separate each of the four areas. Are separated. Each piezoelectric actuator branch has its one end positioned slightly inside the pressurizing projection 50 and the other end positioned so as not to block the two supply ports 41a of the diaphragm 40a. The end is adhered and supported by the support plate 60a and adhered to the vibration plate 40a. The support plate 60a has the same thickness as the pressing protrusion 50, and when no voltage is applied to the piezoelectric actuator 70a, the piezoelectric actuator 70a is brought into a state in which the piezoelectric actuator 70a slightly contacts the pressing protrusion 50. It is a support member for adjusting the height of the actuator 70a.
[0030]
Although the piezoelectric actuator 70a of this embodiment is of a bimorph type, it is needless to say that a unimorph type piezoelectric actuator can also be employed.
When the distance between the
[0031]
In this embodiment, as in the first embodiment, a silicon plate or a glass plate can be used as a material for the nozzle plate 10a or the like.
Further, although an integrated piezoelectric actuator having a plurality of piezoelectric actuator branches is used as the piezoelectric actuator 70a, a piezoelectric actuator as in the first embodiment may be arranged on each of the plurality of pressurizing protrusions 50. . However, an integrated piezoelectric actuator having a plurality of actuator branches can reduce the number of assembly steps.
[0032]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, plates having different functions, such as a nozzle plate and a cavity plate, are laminated and joined to each other, and a fluid moving section from a liquid supply port to a supply path, a pressure chamber, a passage, and a nozzle is provided. Is formed, and each time the piezoelectric actuator is driven, the volume of the pressurizing chamber is reduced to discharge a fixed amount of liquid from the nozzle.
[0033]
Since the nozzle plate, the cavity plate and the like are laminated and joined to form a moving portion of the fluid, each material is a thin plate, and can be processed with high processing accuracy, so that miniaturization is easy. For this reason, in the method of combining the pressurizing chamber and the piezoelectric actuator, the amount of liquid (equivalent to the ejection resolution) discharged by one drive of the piezoelectric actuator is easily reduced, and the number of operations (the driving frequency of the piezoelectric actuator) is reduced. ) Can increase the discharge flow rate. In addition, since a large number of nozzle plates and the like can be simultaneously manufactured in the same process by using a material having a large area, mass productivity is excellent.
[0034]
Therefore, according to the present invention, the dispensed amount can be reduced to a small amount (discharge resolution is 0.2 μL or less), a stable discharge flow rate (50 to 100 μL / s) can be ensured, and the size can be easily reduced to multi-size and low. A low cost microdispenser can be provided.
According to the second aspect of the present invention, the liquid supply port and the front stage of the supply path are formed as a common flow path in the fluid moving section, and the parts from the rear stage of the supply path to the nozzle via the pressurizing chamber are mutually connected. The pressure chambers are formed as a plurality of independent channels, and the respective pressure chambers are independently volume-changed by the corresponding piezoelectric actuators.
[0035]
Forming a plurality of nozzles and penetrating portions serving as pressurizing chambers in a nozzle plate or a cavity plate, etc., by changing the area of the nozzle plate or the like according to the number of nozzles or the like, is substantially the same processing as the invention of claim 1 This can be performed with high accuracy, and the conditions for the lamination bonding may be adjusted according to the area.
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a multi-type micro dispenser in which a plurality of micro dispensers are integrated. This multi-type micro dispenser is suitable for disposing the dispensers with high density, and is most suitable for miniaturization and cost reduction of an automatic synthesis / evaluation system and the like.
[0036]
According to the third aspect of the present invention, as the piezoelectric actuator, the displacement end side is formed as an independent displacement portion corresponding to each pressing protrusion, and the piezoelectric element is electrically separated corresponding to each pressing protrusion. And a piezoelectric actuator having an integral structure. Since the integrated piezoelectric actuator is structurally the same as a plurality of functionally independent piezoelectric actuators even though it is an integral type, according to the present invention, a plurality of piezoelectric actuators are treated as one component. And the number of manufacturing steps can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a first embodiment of a microdispenser according to the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing the first embodiment disassembled for each member. FIG. FIG. 4 is an exploded perspective view showing the second embodiment for each member. FIG. 5 is a perspective view showing a main part of an automatic chemical substance synthesizing system using a conventional dispenser. Description]
Reference Signs List 1 Multi-well plate 2 Well 3 Storage container 4
Claims (3)
順に積層接合された、
液体を吐出するノズルを有するノズル板と、
前記ノズルの中心位置に対応した位置に中心をもつ通路としての貫通孔を有する通路板と、
前記通路の直上に位置し且つ液体を加圧するための空間である加圧室となる貫通部及びこの加圧室へ液体を供給する供給路となる貫通部または溝を有するキャビティ板と、
供給路への液体の供給口となる貫通孔を有し且つ前記の加圧室となる貫通部の中央部に相当する位置のキャビティ板側ではない面に加圧用突起物を取り付けられた振動板と、
前記加圧用突起物から離れた位置の振動板上に接合され、前記加圧用突起物を押圧変位させる圧電アクチュエータと、
で構成される、
ことを特徴とするマイクロディスペンサ。A microdispenser for use in applications such as microdispensing of liquid,
Laminated in order,
A nozzle plate having a nozzle for discharging liquid,
A passage plate having a through hole as a passage centered at a position corresponding to the center position of the nozzle,
A cavity plate having a through portion serving as a pressurizing chamber that is located immediately above the passage and being a space for pressurizing the liquid, and a through portion or a groove serving as a supply path for supplying the liquid to the pressurizing chamber;
A diaphragm having a through hole serving as a liquid supply port to the supply path and having a pressing projection attached to a surface corresponding to the center of the through portion serving as the pressurizing chamber and not on the cavity plate side. When,
A piezoelectric actuator that is joined to the diaphragm at a position away from the pressing protrusion and presses and displaces the pressing protrusion;
Consisting of
A microdispenser characterized in that:
前記キャビティ板に、前記の複数の供給路となる貫通部または溝の加圧室につながる部分を分岐する共通の供給路となる貫通部または溝を備え、
前記振動板に共通の前記の液体の供給口となる貫通孔を備え、
前記圧電アクチュエータとして、前記の複数の加圧用突起物に対応させて複数の圧電アクチュエータを備えている、
ことを特徴とする請求項1に記載のマイクロディスペンサ。The nozzle plate, the passage plate, the cavity plate, and the vibration plate, respectively, a plurality of nozzles in a positional relationship corresponding to each other, a through hole as the passage, and a through portion serving as the pressurizing chamber, and A portion connected to the pressurizing chamber of the penetrating portion or groove serving as the supply path and the pressurizing protrusion,
The cavity plate includes a through portion or a groove serving as a common supply path that branches a portion connected to the pressurizing chamber of the through portion or the groove serving as the plurality of supply paths,
A through hole serving as a supply port for the liquid common to the diaphragm,
The piezoelectric actuator includes a plurality of piezoelectric actuators corresponding to the plurality of pressing protrusions,
The microdispenser according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項2に記載のマイクロディスペンサ。The plurality of piezoelectric actuators are piezoelectric actuators having a size capable of displacing all of the pressing projections of the diaphragm having a plurality of pressing projections, and the displacement end side of each of the piezoelectric actuators is an individual piezoelectric actuator. The piezoelectric element is formed as an independent displacement portion corresponding to the pressing protrusion, and the piezoelectric element is electrically separated corresponding to each pressing protrusion, and the side joined to the vibration plate has an integrated structure. Equipped with a piezoelectric actuator,
The microdispenser according to claim 2, wherein:
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