JP2005265689A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの駆動方法並びに液体分注装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 駆動手段の駆動電圧波形を制御することによって液体の吐出量を精密に制御できる液体吐出ヘッド液体吐出ヘッドの駆動方法並びに液体分注装置を提供すること。
【解決手段】 内部に流路６Ａを有し流路６Ａ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８を有する液体保持部材５と、この液体保持部材５を進退移動させる圧電素子７とを有し、液体保持部材５を圧電素子７によって吐出方向に沿って進退移動させることで液体保持部材５に保持された液体Ｆを吐出する液体吐出ヘッド２であって、進退移動の振動周波数が、液体Ｆの固有振動数と略同一に設定可能とされていることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】 内部に流路６Ａを有し流路６Ａ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８を有する液体保持部材５と、この液体保持部材５を進退移動させる圧電素子７とを有し、液体保持部材５を圧電素子７によって吐出方向に沿って進退移動させることで液体保持部材５に保持された液体Ｆを吐出する液体吐出ヘッド２であって、進退移動の振動周波数が、液体Ｆの固有振動数と略同一に設定可能とされていることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの駆動方法並びに液体分注装置に関する。
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として、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の流路部材に液体を吸引し、その後圧電素子等からなる駆動手段を駆動して液体を吐出させるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この液体吐出ヘッドによれば、パルス電圧を駆動手段に通電すると、圧電素子の駆動によって液体を保持する流路部材が軸方向に往復動作するので、流路部材内の液体に慣性力が作用して所定量の液体を吐出させることができる。
特開２００１−２３５４００号公報
このような液体分注装置として、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の流路部材に液体を吸引し、その後圧電素子等からなる駆動手段を駆動して液体を吐出させるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この液体吐出ヘッドによれば、パルス電圧を駆動手段に通電すると、圧電素子の駆動によって液体を保持する流路部材が軸方向に往復動作するので、流路部材内の液体に慣性力が作用して所定量の液体を吐出させることができる。
しかしながら、上記従来の液体吐出ヘッドでは、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の吸引量が変動する場合がある。すなわち、慣性力を用いた従来の液体吐出ヘッドでは、吸引量が変動すると液体に作用する慣性力も変化するので、結果として吐出される流体の吐出量にも変動が生じてしまう問題がある。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、駆動手段の駆動電圧波形を制御することによって液体の吐出量を精密に制御できる液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの駆動方法並びに液体分注装置を提供することを目的とする。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、駆動手段の駆動電圧波形を制御することによって液体の吐出量を精密に制御できる液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの駆動方法並びに液体分注装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る液体吐出ヘッドは、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、前記液体保持部材を進退移動させる駆動手段とを有し、前記液体保持部材を前記駆動手段によって吐出方向に沿って進退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、前記進退移動の振動周波数が、前記液体の固有振動数と略同一に設定可能とされていることを特徴とする。
本発明に係る液体吐出ヘッドは、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、前記液体保持部材を進退移動させる駆動手段とを有し、前記液体保持部材を前記駆動手段によって吐出方向に沿って進退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、前記進退移動の振動周波数が、前記液体の固有振動数と略同一に設定可能とされていることを特徴とする。
また、本発明に係る液体吐出ヘッドの駆動方法は、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、前記液体保持部材を進退移動させる駆動手段とを有し、前記液体保持部材を前記駆動手段によって吐出方向に沿って進退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の駆動方法であって、前記進退移動の振動周波数が、前記液体の固有振動数と略同一とされていることを特徴とする。
この発明は、液体保持部材の進退移動の振動周波数を、液体の固有振動数と略同一に設定することによって、液体に発生する振動を一つの周波数に限定することができ、必要なときに所望の量の液体を吐出させることができる。
また、本発明に係る液体吐出ヘッドは、前記液体吐出ヘッドであって、前記駆動手段が、前記液体保持部材から前記液体が吐出される方向に、前記液体保持部材を進退移動させるように伸縮振動する固有振動モードを備えていることを特徴とする。
また、本発明に係る液体吐出ヘッドの駆動方法は、前記液体吐出ヘッドの駆動方法であって、前記進退移動が、前記駆動手段の長手方向に伸縮振動する固有振動モードによって行われることを特徴とする。
この発明は、駆動手段を固有振動モードで伸縮振動させることによって液体保持部材を進退移動して液体を吐出させることができる。
また、本発明に係る液体吐出ヘッドの駆動方法は、前記液体吐出ヘッドの駆動方法であって、前記進退移動が、前記駆動手段の長手方向に伸縮振動する固有振動モードによって行われることを特徴とする。
この発明は、駆動手段を固有振動モードで伸縮振動させることによって液体保持部材を進退移動して液体を吐出させることができる。
また、本発明に係る液体吐出ヘッドは、前記液体吐出ヘッドであって、前記駆動手段が、前記固有振動モードの一周期の振動で前記進退移動を行うことを特徴とする。
また、本発明に係る液体吐出ヘッドの駆動方法は、前記液体吐出ヘッドの駆動方法であって、前記進退移動が、前記固有振動モードの一周期の振動によって行われることを特徴とする。
この発明は、駆動手段における固有振動モードの二周期目の振動によって液体保持部材を進退移動させて液体を吐出させてしまうのを抑えることができる。
また、本発明に係る液体吐出ヘッドの駆動方法は、前記液体吐出ヘッドの駆動方法であって、前記進退移動が、前記固有振動モードの一周期の振動によって行われることを特徴とする。
この発明は、駆動手段における固有振動モードの二周期目の振動によって液体保持部材を進退移動させて液体を吐出させてしまうのを抑えることができる。
本発明に係る液体分注装置は、本発明に係る吐出ヘッドを備えていることを特徴とする。
この液体分注装置は、本発明に係る吐出ヘッドによって、吐出量を精密に制御することができる。
この液体分注装置は、本発明に係る吐出ヘッドによって、吐出量を精密に制御することができる。
また、本発明に係る液体分注装置は、前記液体分注装置であって、前記進退移動の二周期目以降を打ち消すパルス電圧を前記駆動手段に印加するパルス電圧供給部を備えていることを特徴とする。
さらに、本発明に係る液体分注装置は、前記液体分注装置であって、前記パルス電圧の幅が、前記進退移動の振動周波数と略同一であることが好ましい。
また、本発明に係る液体分注装置は、前記液体分注装置であって、前記パルス電圧供給部が、前記液体保持部材の前記進退移動が一周期行われた後に前記パルス電圧の供給を停止することが好ましい。
また、本発明に係る液体分注装置は、前記液体分注装置であって、前記パルス電圧が矩形波とされていることが好ましい。
この液体分注装置は、駆動手段における固有振動モードの二周期目以降の振動を確実に抑えることができ、液体保持部材の進退移動を停止させることができる。
さらに、本発明に係る液体分注装置は、前記液体分注装置であって、前記パルス電圧の幅が、前記進退移動の振動周波数と略同一であることが好ましい。
また、本発明に係る液体分注装置は、前記液体分注装置であって、前記パルス電圧供給部が、前記液体保持部材の前記進退移動が一周期行われた後に前記パルス電圧の供給を停止することが好ましい。
また、本発明に係る液体分注装置は、前記液体分注装置であって、前記パルス電圧が矩形波とされていることが好ましい。
この液体分注装置は、駆動手段における固有振動モードの二周期目以降の振動を確実に抑えることができ、液体保持部材の進退移動を停止させることができる。
本発明によれば、液体保持部材からの液体の吐出量の精度を向上させることができる。
本発明に係る第１の実施形態について、図１を参照して説明する。
本実施形態に係る液体分注装置１は、生体試料、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２と、この液体吐出ヘッド２に液体を吸引するシリンジポンプ３とを備えている。
液体吐出ヘッド２は、円筒状に形成された液体保持部材５に配された液体通路６と、この液体通路６を移動させる駆動手段として液体通路６の長手方向に沿って液体通路６の周囲に設けられた圧電素子７とを備えている。
液体通路６は、内部に円筒状の流路６Ａを有し、この流路６Ａに液体Ｆを保持するように、下端面には底部６Ｂが設けられている。また、底部６Ｂには、流路６Ａの一端から液体Ｆを吐出可能とする吐出口８が穿設されている。
本実施形態に係る液体分注装置１は、生体試料、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２と、この液体吐出ヘッド２に液体を吸引するシリンジポンプ３とを備えている。
液体吐出ヘッド２は、円筒状に形成された液体保持部材５に配された液体通路６と、この液体通路６を移動させる駆動手段として液体通路６の長手方向に沿って液体通路６の周囲に設けられた圧電素子７とを備えている。
液体通路６は、内部に円筒状の流路６Ａを有し、この流路６Ａに液体Ｆを保持するように、下端面には底部６Ｂが設けられている。また、底部６Ｂには、流路６Ａの一端から液体Ｆを吐出可能とする吐出口８が穿設されている。
液体通路６は、外周面に固着したネジ部材１０を備えており、このネジ部材１０を圧電素子７の下端フランジ部７Ａと螺合させることにより、圧電素子７が固有振動モードを有して液体通路６の長手方向に伸縮振動する方向と液体保持部材５からの液体の吐出方向とが略同一方向とされて、液体通路６と圧電素子７とが一体化した液体吐出ヘッド２とされる。
圧電素子７は、二分割された電極７ａ、７ｂがそれぞれパルス電圧供給部１１と電気的に接続されており、液体保持部材５の進退移動の際の振動周波数Ｆ１が、液体Ｆの固有振動数Ｆ２と略同一に設定可能とされている。
圧電素子７は、二分割された電極７ａ、７ｂがそれぞれパルス電圧供給部１１と電気的に接続されており、液体保持部材５の進退移動の際の振動周波数Ｆ１が、液体Ｆの固有振動数Ｆ２と略同一に設定可能とされている。
次に本実施形態に係る液体吐出ヘッド２の駆動方法、及び、液体分注装置１及び液体吐出ヘッド２の作用・効果について説明する。
まず、液体保持部材５を進退移動させる際の振動周波数Ｆ１と液体Ｆの固有振動数Ｆ２とを、例えば、１０ｋＨｚと同一値に設定した状態で、シリンジポンプ３にて液体Ｆを液体吐出ヘッド２の液体通路６に吸引する。そして、パルス電圧供給部１１からパルス電圧を圧電素子７に印加すると、圧電素子７が液体通路６の長手方向に伸縮し、これに伴いネジ部材１０を介して液体通路６が長手方向に往復移動する。
まず、液体保持部材５を進退移動させる際の振動周波数Ｆ１と液体Ｆの固有振動数Ｆ２とを、例えば、１０ｋＨｚと同一値に設定した状態で、シリンジポンプ３にて液体Ｆを液体吐出ヘッド２の液体通路６に吸引する。そして、パルス電圧供給部１１からパルス電圧を圧電素子７に印加すると、圧電素子７が液体通路６の長手方向に伸縮し、これに伴いネジ部材１０を介して液体通路６が長手方向に往復移動する。
このとき、液体Ｆは液体保持部材５の急速な移動に追従できないため、液体Ｆに液体保持部材５の移動方向とは逆向きの慣性力が作用して液体Ｆに吐出圧力を生じるとともに、液体Ｆが液体通路６内を往復移動する。この際、液体保持部材５の振動周波数Ｆ１を液体Ｆの固有振動数Ｆ２と同一としているので、液体Ｆに発生する振動の周波数は固有振動数Ｆ２に限定される。そのため、固有振動数Ｆ２で液体Ｆが往復移動し、この際の吐出圧力に応じた流量の液体Ｆが吐出口８から吐出される。
なお、吐出圧力は、液体通路６内に保持されている液体Ｆの量に応じて変動する。
なお、吐出圧力は、液体通路６内に保持されている液体Ｆの量に応じて変動する。
この液体分注装置１及び液体吐出ヘッド２並びに液体吐出ヘッドの駆動方法によれば、液体保持部材５内の液体Ｆに発生する振動を進退移動の振動と略同一の一つの周波数に限定することができ、液体Ｆの吐出タイミング及び吐出量を振動周波数で制御することができ、必要なときに所望の量の液体Ｆを吐出口８から吐出させることができる。
次に、第２の実施形態について図２を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る液体分注装置１において、圧電素子７を固有振動モードの一周期の振動で進退移動させるとした点である。
この際、パルス電圧供給部１１から圧電素子７に、圧電素子７の固有振動周期Ｔ１と略同一のパルス幅の矩形波Ｅを印加して液体Ｆに慣性力を作用させる。
なお、液体吐出ヘッド２の構成は、第１の実施形態と同様の構成とされている。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る液体分注装置１において、圧電素子７を固有振動モードの一周期の振動で進退移動させるとした点である。
この際、パルス電圧供給部１１から圧電素子７に、圧電素子７の固有振動周期Ｔ１と略同一のパルス幅の矩形波Ｅを印加して液体Ｆに慣性力を作用させる。
なお、液体吐出ヘッド２の構成は、第１の実施形態と同様の構成とされている。
この液体分注装置１に係る液体吐出ヘッド２の駆動方法によって液体Ｆを吐出させる場合について説明する。
パルス電圧を矩形波電圧として圧電素子７に印加して、上記第１の実施形態と同様に液体保持部材を振動させて液体Ｆを吐出口８から吐出させる。
ここで、圧電素子７の固有振動モードで液体保持部材５を進退移動させた場合、流体保持部材５の移動を止めても慣性力の作用によって通常残留振動が内部の液体Ｆに発生する。したがって、流体保持部材５が停止していても、液体Ｆが進退移動するため、発生した固有振動の２周期目、３周期目において液体Ｆが吐出することがある。
パルス電圧を矩形波電圧として圧電素子７に印加して、上記第１の実施形態と同様に液体保持部材を振動させて液体Ｆを吐出口８から吐出させる。
ここで、圧電素子７の固有振動モードで液体保持部材５を進退移動させた場合、流体保持部材５の移動を止めても慣性力の作用によって通常残留振動が内部の液体Ｆに発生する。したがって、流体保持部材５が停止していても、液体Ｆが進退移動するため、発生した固有振動の２周期目、３周期目において液体Ｆが吐出することがある。
しかし、本実施形態においては、矩形波Ｅの電圧を流体保持部材５の変位の一周期後に供給停止することによって、流体保持部材５の振動周期Ｔ２を、流体保持部材５を停止しない場合の流体Ｆの振動周期Ｔ３に対して半波長分ずらすことができる。
したがって、液体Ｆの振動を流体保持部材５の振動で打ち消すことができ、流体保持部材５の固有振動モードの二周期目以降の振動によって液体保持部材５を進退移動させて液体Ｆを吐出させてしまうのを抑えることができる。
したがって、液体Ｆの振動を流体保持部材５の振動で打ち消すことができ、流体保持部材５の固有振動モードの二周期目以降の振動によって液体保持部材５を進退移動させて液体Ｆを吐出させてしまうのを抑えることができる。
次に、第３の実施形態について図３及び図４を参照しながら説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第３の実施形態と第２の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る液体分注装置１において、吐出圧力が発生する電圧に対して逆電圧を圧電素子７に一旦印加してから吐出圧力が発生する電圧を印加するとした点である。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第３の実施形態と第２の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る液体分注装置１において、吐出圧力が発生する電圧に対して逆電圧を圧電素子７に一旦印加してから吐出圧力が発生する電圧を印加するとした点である。
この液体分注装置１に係る液体吐出ヘッド２の駆動方法によって液体Ｆを吐出させる場合について説明する。
まず、図４（ａ）に示す初期状態に対し、図３に示すように、時間ｔ１後に、吐出圧力が発生する電圧とは逆方向の逆電圧Ｖ１を一旦印加する。このとき、圧電素子７が、上記実施形態の場合と逆方向に移動するため、液体Ｆの慣性力が液体Ｆを吐出させない方向に作用して、図４（ｂ）に示すように、吐出口８に発生したメニスカス１５を流路６Ａ内に引き込ませる。
まず、図４（ａ）に示す初期状態に対し、図３に示すように、時間ｔ１後に、吐出圧力が発生する電圧とは逆方向の逆電圧Ｖ１を一旦印加する。このとき、圧電素子７が、上記実施形態の場合と逆方向に移動するため、液体Ｆの慣性力が液体Ｆを吐出させない方向に作用して、図４（ｂ）に示すように、吐出口８に発生したメニスカス１５を流路６Ａ内に引き込ませる。
続いて時間ｔ２後に、第２の実施形態と同様の方向の矩形電圧を供給する。このときの電圧をＶ２とすると、第２の実施形態にて要した電圧よりも小さい電圧であっても、Ｖ１からＶ２までの電位差を第２の実施形態にて要した電圧と同等とすることができ、液体Ｆに上述と同様の慣性力を作用させて液体Ｆを吐出させることができる。
したがって、主液滴の後方に発生するサテライトを低減させることができ、液体Ｆの吐出精度を向上することができる。
したがって、主液滴の後方に発生するサテライトを低減させることができ、液体Ｆの吐出精度を向上することができる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、流体流路６Ａ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。
例えば、上記実施形態では、流体流路６Ａ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。
１ 液体分注装置
２ 液体吐出ヘッド
５ 液体保持部材
６Ａ 流路
７ 圧電素子（駆動手段）
８ 吐出口
１１ パルス電圧供給部
２ 液体吐出ヘッド
５ 液体保持部材
６Ａ 流路
７ 圧電素子（駆動手段）
８ 吐出口
１１ パルス電圧供給部
Claims (11)
- 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、前記液体保持部材を進退移動させる駆動手段とを有し、前記液体保持部材を前記駆動手段によって吐出方向に沿って進退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、
前記進退移動の振動周波数が、前記液体の固有振動数と略同一に設定可能とされていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記駆動手段が、前記液体保持部材から前記液体が吐出される方向に、前記液体保持部材を進退移動させるように伸縮振動する固有振動モードを備えていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記駆動手段が、前記固有振動モードの一周期の振動で前記進退移動を行うことを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
- 請求項１から請求項３の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドを備えていることを特徴とする液体分注装置。
- 前記進退移動の二周期目以降を打ち消すパルス電圧を前記駆動手段に印加するパルス電圧供給部を備えていることを特徴とする請求項４に記載の液体分注装置。
- 前記パルス電圧の幅が、前記進退移動の振動周波数と略同一であることを特徴とする請求項５に記載の液体分注装置。
- 前記パルス電圧供給部が、前記液体保持部材の前記進退移動が一周期行われた後に前記パルス電圧の供給を停止することを特徴とする請求項６に記載の液体分注装置。
- 前記パルス電圧が矩形波とされていることを特徴とする請求項６に記載の液体分注装置。
- 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、前記液体保持部材を進退移動させる駆動手段とを有し、前記液体保持部材を前記駆動手段によって吐出方向に沿って進退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の駆動方法であって、
前記進退移動の振動周波数が、前記液体の固有振動数と略同一とされていることを特徴とする液体吐出ヘッドの駆動方法。 - 前記進退移動が、前記駆動手段の長手方向に伸縮振動する固有振動モードによって行われることを特徴とする請求項９に記載の液体吐出ヘッドの駆動方法。
- 前記進退移動が、前記固有振動モードの一周期の振動によって行われることを特徴とする請求項９又は１０に記載の液体吐出ヘッドの駆動方法。
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