JP2005283297A - 液体分注装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ構造を大型化することなく、吸引・吐出液量を精度よく検出し、液量のばらつきを小さくできるようにする。
【解決手段】吸引・吐出する液体を溜めるシリンジ１００と、このシリンジ１００内に挿通されたプランジャ１０３と、シリンジ１００先端に取り付けられたノズル１０１とを有する液体分注装置において、シリンジ１００と同シリンジ１００を支持するフランジ１０６間に、ひずみゲージ１０４付きの、管状の圧電素子１０２を設けた。圧電素子１０２に微小振幅の交流電圧を印加したときに、ひずみゲージ１０４により検出される振動周波数は、シリンジ１００内の液体の質量により決まるので、その振動周波数を検出することで液体の量を精度よく検出し、検出することができる。また、圧電素子１０２に交流電圧を印加することで、ノズル１０１先端の液だまりを落下させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、生化学的分析、免疫学的分析などに用いる試薬分注その他の液体容器内の液体を所定量吸引・分注する際に、容器内の液体を少量かつ正確に吸引し、効率よく分注できるようにした液体分注装置に関する。

従来の液体分注装置としては、ポンプ体が、容器の外側壁へ回動自在に取り付けられその回動により給排孔を開閉するシリンダと、該シリンダ内へ嵌挿したプランジャからなり、シリンダの先端部に設けられた給排孔はシリンダの回動により、前記容器から液体を吸引する通路となり、またはプランジャによりシリンダ内へ吸引した液体を外界へ排出する通路となっている構成のものがある（例えば、特許文献１参照）。

図４は、その従来の液体分注装置の構成を示すものである。この液体分注装置では、合成樹脂製の容器１の一側にホルダ２を具備している。このホルダ２内へポンプ体３をセットし、ポンプ体３はセット状態で所定角度回転できるようにしてある。ポンプ体３はシリンダ４とプランジャ５とよりなり、シリンダ４の先端には液体の給排孔６が偏心して穿設されている。容器１の側壁には給排孔６の分岐孔６ａとの連通孔７が設けられ、ホルダ４の底板８には、給排孔６の下端と連通するノズル９が突設されている。またシリンダ４の先端には、連通孔７を遮蔽または開口するキャップ１０が嵌着され、給排孔６とノズル９とが連通する時にはホルダ２の下部側壁によって分岐孔６ａを遮断できるようにしてある。シリンダ４にはプランジャ５が嵌挿され、プランジャ５のストロークによって液体の分注量が検出される。図中１１はシリンダ４の上部に突設した摘み片である。

このような構成の従来の液体分注装置において、図４におけるプランジャ５の上端をＡ位置（鎖線）からＢ位置（実線）に矢印１２のように引き上げると、容器１内の液体は矢印１３、１４のように吸引されてシリンダ４内へ入る。そこで摘み片１１を摘み、図６の矢印１５の方向へシリンダ４を９０度回動すると、給排孔６は、図４から図５の位置に移動し、連通孔７はキャップ１０に遮断され、給排孔６がノズル９と連通する。そこでプランジャ５の上端をＢ位置から矢印１６の方向へ加圧すると、シリンダ４内の液体はプランジャ５に押されて矢印１７、１８のようにノズル９から排出される。

特開平９−６１２１６号公報（第５頁、図１〜図３）

しかしながら、従来の液体分注装置の構造は、給排孔６が偏芯した位置に配置されており、壁面部分に気泡が残存する構造となっている。このように気泡が容器１内に残存すると、微量の液体や、高精度な液量を吸引・吐出する場合、気泡部分の体積が圧縮されるために、正確に液量が検出されず、液量にばらつきが生じるなどの問題があった。
また、液量はプランジャ５の移動位置により設定されており、機械的な誤差を生じるためにプランジャ５の位置は数μｍ単位で位置ずれを生じる。すなわち、この位置決めの誤差により、吸引・吐出する液量にばらつきが生じるなどの問題があった。
さらに、液体はノズル９を通して容器１へ吐出されるが、表面張力などが影響する液切れの問題が生じ、吐出後にノズル９先端に液だまりが生じていた。すなわち、液だまりの大きさが吐出液量のばらつきとなっていた。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ポンプ構造を大型化することなく、吸引・吐出液量を精度よく検出し、液量のばらつきを小さくした液体分注装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の構成は、吸引・吐出する液体を溜めるシリンジと、このシリンジ内に挿通されたプランジャと、前記シリンジ先端に取り付けられたノズルとを有する液体分注装置において、前記シリンジと同シリンジを支持するフランジ間に、ひずみゲージ付きの、管状の圧電素子を設けたものである。
この第１の構成においては、シリンジとフランジ間に圧電素子を設け、圧電素子の振動の変化をひずみゲージにより検出することにより、吸引・吐出液量を精度よく検出することができる。

本発明の第２の構成は、前記圧電素子を駆動する交流電源と、前記ひずみゲージにより検出された信号周波数を電圧変換する信号回路を備えたものである。
この第２の構成においては、圧電素子を交流電源で駆動して振動させ、信号回路により、ひずみゲージの周波数を検出することで、シリンジ内の液体の質量を検出することができる。

本発明の第３の構成は、前記プランジャを駆動する直動アクチュエータを設け、この直動アクチュエータの駆動パターンを、前記シリンジ内に溜めた液体を吐出する際に前記プランジャを所定位置に位置決めするとともに、前記圧電素子へ交流電圧を供給する駆動パターンとしたものである。
この第３の構成においては、シリンジ内に溜めた液体を吐出する際に、プランジャを所定位置に位置決めして圧電素子に交流電圧を供給することにより、ノズル先端についていた液だまりを落下させることができる。

本発明の第４の構成は、前記圧電素子に常時、微小交流電圧を印加しておき、前記ひずみゲージの振動周波数の変化により前記シリンジ内の液体の液量を検出する機能を前記ひずみゲージに持たせたものである。
この第４の構成においては、圧電素子に常時、微小交流電圧を印加しておき、圧電素子に具備したひずみゲージの振動周波数が、シリンジ質量が、液体を吸引または吐出することで変化する原理を用いて、ひずみゲージを、液量を検出する液量センサを兼ね備えたものとすることができる。

本発明の第５の構成は、前記プランジャの一部または、全てを圧電素子により構成したものである。
この第５の構成においては、プランジャの一部もしくは全てを圧電素子にし、交流励起することでノズル先端の液だまりが加振され、微小な液だまりを落下させることができる。

本発明によれば、シリンジ内に溜められている液量の変化を、圧電素子を励起した状態を検出するひずみゲージの出力信号の周波数変化を検出することで検出することができる。すなわち、液量はプランジャの移動位置決めの誤差に左右されることなく、実測することができる。
また、この圧電素子を交流によって駆動することにより、吐出時にノズル先端についた液だまりを落下させることができる。すなわち、ノズル先端の表面張力により残留した液だまりは、圧電素子を交流励起することで加振され、落下させることができる。これにより、これまで生じていたノズル先端の液だまりの量の誤差を除去でき、精度よい液量検出が可能となる。
また、プランジャの一部もしくは全てを圧電素子にし、交流励起することで、ノズル先端の液だまりが加振され、微小な液だまりを落下させることができる。これにより、精度よい液量検出が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る液体分注装置の断面図である。図において、１００はシリンジ、１０１はノズル、１０２は圧電素子、１０３はプランジャ、１０４はひずみゲージ、１０５は直動アクチュエータ、１０６はフランジである。本実施の形態が特許文献１と異なる部分は、シリンジ１００とフランジ１０６間に管状の圧電素子１０２を埋め込んだ構造とした部分である。

すなわち、シリンジ１００とフランジ１０６間には、ひずみゲージ１０４が貼り付けられた圧電素子１０２が接着などの方法により結合されており、また、シリンジ１００は、液体を吸引・吐出するノズル１０１と結合されている。また、シリンジ１００の内面はプランジャ１０３の外周面と隙間なく接しており、プランジャ１０３は直動アクチュエータ１０５と連結され、紙面上下方向に移動する。この動作によりシリンジ１００内の圧力は変動し、液体の吸引・吐出が可能である。
圧電素子１０２には、図示しない交流電源が接続されており、所定の周波数で加振される。また、ひずみゲージ１０４には図示しないＦ／Ｖ回路が接続されており、ひずみゲージ１０４で検出された固有振動を電圧に変換する。
圧電素子１０２に微小振幅の交流電圧を印加したときに、ひずみゲージ１０４により検出される固有振動周波数ｆは、次式で表される。

ｆ ＝ １／２π √（Ｋ／Ｍ） （式１）
ここで、Ｋ：圧電素子１０２のばね定数
Ｍ：シリンジ１００の質量
このように、ひずみゲージ１０４の固有振動（共振）周波数ｆはシリンジ１００内の質量により決まる。Ｆ／Ｖ回路では、この固有振動周波数を直流電圧に変換する。

次に、本実施の形態の動作を、図２に基づいて説明する。
図２（Ａ）は、直動アクチュエータ１０５を駆動してプランジャ１０３をノズル１０１側に移動させた状態を示すものであり、同図（Ｅ）に示す（Ａ）のレベルは、圧電素子１０２に微小交流電圧を印加した状態でひずみゲージ１０４の振動周波数ｆを電圧に変換するＦ／Ｖ回路（図示せず）の信号である。これにより、シリンジ１００の質量が求められる。
図２（Ｂ）は、直動アクチュエータ１０５を駆動することによりプランジャ１０３が移動し、シリンジ１００内を陰圧にすることで液体を吸引する状態を示すものである。この際の液量によるシリンジ１００の質量の変化で、ひずみゲージ１０４の信号は、式１に示すようにシリンジ１００の質量が変化することで、振動周波数ｆが変化する。図２（Ｅ）における（Ｂ）のレベルは、この時の振動周波数ｆを電圧値で示したものである。
図２（Ｃ）は、直動アクチュエータ１０５を駆動することによりプランジャ１０３が移動し、シリンジ１００内が加圧され、液体がノズル１０１から吐出される状態を示すものである。図２（Ｅ）の（Ｃ）のレベルは、このときのひずみゲージ１０４からの信号を示したものである。
図２（Ｄ）は、圧電素子１０２に印加されている電圧により、ノズル１０１先端も加振され、ノズル１０１先端の液だまりが落下する状態を示すものである。図２（Ｅ）の（Ｄ）のレベルは、このときのひずみゲージ１０４の信号を示したものである。

本実施の形態では、常時圧電素子１０２に交流電圧を印加した場合について示したが、プランジャ１０３を移動させる直動アクチュエータ１０５の位置決め完了時、圧電素子１０２へ交流電圧を印加しても、同様に、ひずみゲージ１０４から電圧値を検出できる。
このように、液体の吸引量および吐出量をひずみゲージ１０４の周波数変化で検出することで、液量計測が可能となる。また、圧電素子１０２による加振を、液量計測に用いるだけでなく、ノズル１０１先端を加振することでノズル１０１先端の液だまりを落下させることができる。
ここで、圧電素子１０２に常時、微小交流電圧を印加しておき、ひずみゲージ１０４の検出振動周波数の変化により、シリンジ１００内の液体の液量を検出することもできる。
なお、本実施の形態では、加振するのに圧電素子を、信号検出にひずみゲージを用いたが、加振可能で、微小な変位量を検出できるものであれば他の手段を用いてもよい。

（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態の構成を示す図である。本実施の形態では、プランジャ１０３の一部または、全てを圧電素子１０２で構成したものである。
本実施の形態の動作については、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
この第２実施の形態では、圧電素子１０２をプランジャ１０３と兼用する構成をしているので、圧電素子１０２を交流励起することで、ノズル先端の液だまりが加振され、微小な液だまりを落下させることができる。これにより、簡便な構造で、ノズル１０１先端の液だまりを除去することができる。

本発明は、使用する液体を生化学的分析、免疫学的分析などに用いる試薬から、半導体製造に関するレジスト、化学溶剤や接着剤にすることによって微少量の液量を検出する必要がある塗布作業という用途にも適用できる。

本発明の第１実施例を示す液体分注装置の側断面図である。 本発明の液体分注装置の動作とセンサ信号の関係を示す図である。 本発明の第２実施例を示す液体分注装置の断面図である。 従来の分注時の断面図である。 従来の液体吸引時の断面図である。 従来の一部を切断した平面図である。

符号の説明

１００ シリンジ
１０１ ノズル
１０２ 圧電素子
１０３ プランジャ
１０４ ひずみゲージ
１０５ 直動アクチュエータ
１０６ フランジ

Claims (5)

1. 吸引・吐出する液体を溜めるシリンジと、このシリンジ内に挿通されたプランジャと、前記シリンジ先端に取り付けられたノズルとを有する液体分注装置において、前記シリンジと同シリンジを支持するフランジ間に、ひずみゲージ付きの、管状の圧電素子を設けたことを特徴とする液体分注装置。
2. 前記圧電素子を駆動する交流電源と、前記ひずみゲージにより検出された信号周波数を電圧変換する信号回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の液体分注装置。
3. 前記プランジャを駆動する直動アクチュエータを設け、この直動アクチュエータの駆動パターンを、前記シリンジ内に溜めた液体を吐出する際に前記プランジャを所定位置に位置決めするとともに、前記圧電素子へ交流電圧を供給する駆動パターンとしたことを特徴とする請求項２記載の液体分注装置。
4. 前記圧電素子に常時、微小交流電圧を印加しておき、前記ひずみゲージの振動周波数の変化により前記シリンジ内の液体の液量を検出する機能を前記ひずみゲージに持たせたことを特徴とする請求項１記載の液体分注装置。
5. 前記プランジャの一部または、全てを圧電素子により構成したことを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載の液体分注装置。

Images