JP2006320795A - 微少液滴吐出装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
均一な粒径を有する微少液滴を液体中で吐出する。
【解決手段】
生成剤保持管の移動動作に同期して当該生成剤保持管が上方位置から下方位置に移動する際に押出針の先端部が生成剤内に引込んだ状態から生成剤保持管から保持液内に突き出すように動作させるようにしたことにより、簡易な構成によって粒径が均一なピコリットルオーダの微少液滴を当該微少液滴を保持可能な保持液内において生成できる微少液滴吐出装置を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は微少液滴吐出装置及び方法に関し、特にｐｌ（ピコリットル）オーダの微小液滴を液体中で吐出できるようにしたものである。

従来、タンパク質やバイ菌を含む液体を微少量ずつ取り扱う方法として、非接触型インジェクタを用いて貯液容器から吸引した微少液体を液滴容器にアレイ状に吐出するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−８９８４９公報

この従来の方法においては、吐出した微少液滴が乾燥するのを防止するために、液滴容器にナチュラルオイルを充填していた。

しかしながらこの方法によると、液滴量がｐｌ（ピコリットル）オーダ程度にまで微少になると、微少液滴を吐出した後、オイルを充填するまでの間に、瞬間的に微少液滴が乾燥してしまうため、実際上微少化できる液滴量は１０〔ｎｌ〕程度が限界になり、その結果タンパク質などの高価な薬剤を扱うときにはコストがかかるという問題があった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、均一性が優れたｐｌ（ピコリットル）オーダの微小液滴を当該微少液滴を保持可能な保持液内において生成することができるような簡易な構成の微少液滴吐出装置及び方法を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、液滴生成剤２３Ａを保持し、保持液２３Ａ内に先端部を進入及び退出するように上下方向に移動する液滴生成剤保持管２３と、液滴生成剤保持管２３内に進退自在に挿入される押出針２２と、液滴生成剤保持管２３を第１の上方位置及び第１の下方位置間に移動動作させると共に、当該液滴生成剤保持管２３の移動動作に同期して、液滴生成剤保持管２３が第１の上方位置から下方に移動したとき押出針２２を第２の上方位置に移動させかつ第１の下方位置から上方に移動したとき押出針２２を第２の下方位置に移動させる振動機構部とを具え、押出針２２は、第２の上方位置に移動したとき先端部分を液滴生成剤保持管２３の液滴生成剤２３Ａ内に引き込み、その後第２の下方位置に移動したとき先端部を液滴生成剤保持管２３から下方に突き出すことにより液滴生成剤２３Ａを保持液４内に微少液滴３１として放出するようにする。

先端部を保持液に進入及び退出するよう上下方向に移動する液滴生成剤を保持する液滴生成剤保持管内に、進退自在に挿入した押出針を、液滴生成剤保持管の移動動作に同期して当該液滴生成剤保持管が上方位置から下方位置に移動する際に押出針を先端部が液滴生成剤内に引込んだ状態から液滴生成剤保持管から保持液内に突き出すように動作させるようにしたことにより、簡易な構成によって粒径が均一なピコリットルオーダの微少液滴を保持液内で生成できる微少液滴吐出装置及び方法を得ることができる。

以下図面について、本発明を微少液滴吐出装置に適用した一実施の形態を詳述する。

図１において、１は全体として微少液滴吐出装置を示し、固定基台２に取り付けられた振動機構部１Ａによって生じる振動に基づいて、振動機構部１Ａの先端部に構成されている液滴突出部１Ｂによって、振動機構部１Ａが振動するごとに生成液槽３内の保持液４（疎水性の油性液でなる）内に液滴を１つずつ吐出して行く。

振動機構部１Ａは、上下位置において互いに平行に前方延長する一対の板ばね１２Ａ及び１２Ｂを有し、その後方の固定側端が金具１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃでなる固定部材１１によって固定基台２に固定されており、これにより板ばね１２Ａ及び１２Ｂは片持梁として先端部に形成された振動駆動部１３を上下方向に共振振動できるようになされている。

振動駆動部１３は振動モータ１４を収納するモータケース１５を有し、このモータケース１５を上側及び下側取付板部１５Ａ及び１５Ｂによって板ばね１２Ａ及び１２Ｂの先端に挟み込んで取り付けた構成を有する。

振動モータ１４は３０〔Ｈｚ〕の回転速度で回転する偏平モータを有し、その出力軸に偏心荷重を有する偏心荷重ロータが取り付けられ、これにより駆動モータ１４が駆動したとき、その偏心荷重ロータの回転に応じてモータケース１５を繰返し上下方向に移動させるように板ばね１２Ａ及び１２Ｂを振動させる。

モータケース１５の下側取付板１５Ｂには左右方向に突出するように案内突起１５Ｂ１及び１５Ｂ２が形成され、その案内孔（図示せず）を上下方向に摺動自在に貫通するポール１６Ａ及び１６Ｂを介して板状の押出針保持部材２１に結合されている。

押出針保持部材２１の下面中央位置には、タングステン材料で構成された押出針２２が下方に突出するように設けられ、その先端部が液滴生成剤保持管２３内に進退できるように挿入されている。

液滴生成剤保持管２３は図２に示すように、先端内径が４０〜１５０〔μｍ〕程度のガラスピペットで構成され、内部に、毛細管現象を利用して親水性の液滴生成剤２３Ａを保持している。

この液滴生成剤保持管２３には上方から押出針２２が挿通され、その先端部が液滴生成剤２３Ａ内に引込んだ状態において当該押出針２２が液滴生成剤保持管２３の先端から突出するように移動動作したとき、押出針２２の先端面下にある液滴生成剤２３Ａ及び先端部に付着した液滴生成剤２３Ａを液滴生成剤保持管２３から下方に押し出すことができるようになされている。

液滴生成剤保持管２３は、振動駆動部１３の下側取付板部１５Ｂに上端部が固着されているＬ字状の支持部材２４の水平先端部２４Ａに、上下方向に貫通するように固着され、これにより振動駆動部１３が上下方向に振動したとき、当該液滴生成剤保持管２３が上方位置及び下方位置間を移動する。

振動駆動部１３の下側取付板部１３Ｂの下面と押出針保持部材２１の上面との間には、弦巻ばねでなる圧縮ばね３０が設けられ、この圧縮ばね３０の圧縮力によって押出針保持部材２１を下方に押圧偏倚することにより、常時はポール１６Ａ及び１６Ｂがその上端部に設けられているストッパ３１Ａ及び３１Ｂの下端面が案内突起１５Ｂ１及び１５Ｂ２の上端面に当接した伸長位置状態を維持するのに対して、押出針保持部材２１に上方向に慣性力が作用したとき、ポール１６Ａ及び１６Ｂが案内突起１５Ｂ１及び１５Ｂ２の案内孔内を上方に摺動することにより、押出針保持部材２１、従って押出針２２が上方に移動できるようになされている。

このようにして、微少液滴吐出装置１は板ばね１２Ａ及び１２Ｂの共振振動系による液滴生成剤保持管２３の位置の変化と、圧縮ばね３０の圧縮動作振動系に基づく押出針２２の位置の変化とによって、押出針２２が液滴生成剤保持管２３に対して相対的に引込み動作をしたり突出し動作をすると共に、液滴生成剤保持管２３及び押出針２２が生成液槽３の保持液４の液面４Ａに進入したり退出したりすることにより、液滴を吐出する液滴吐出部１Ｂを形成している。

すなわち、図３（Ａ）に示すように、板ばね１２Ａ及び１２Ｂが水平方向に延長する位置にあり、かつ圧縮ばね３０の下方向への偏倚力によってポール１６Ａ及び１６Ｂがストッパ３１Ａ及び３１Ｂを案内突起１５Ｂ１及び１５Ｂ２に当接させた状態（これを圧縮ばね伸長状態と呼ぶ）になっているときには、押出針２２及び液滴生成剤保持管２３の位置関係は、図２に示すように、押出針２２の先端部が液滴生成剤保持管２３の先端から下方に突出した基準位置関係にある。このとき液滴生成剤保持管２３の先端部は保持液４の液面４Ａから僅かに上方の位置に位置決めされた状態になる。

この状態から図３（Ｂ）に示すように、板ばね１２Ａ及び１２Ｂが徐々に上方に折れ曲がってゆくと、ストッパ３１Ａ及び３１Ｂが案内突起１５Ｂ１及び１５Ｂ２に当接した圧縮ばね伸長状態を維持しながら押出針保持部材２１が振動駆動部１３の上方への移動に従って上方へ移動して行き、これにより液滴生成剤保持管２３は、押出針２２との相対位置関係を図２の基準位置関係を維持しながら、保持液４の液面４Ａから上方へ移動して行く。

やがて振動駆動部１３が最も高い上方位置に到達した後下方に下降し始めると、図３（Ｃ）に示すように、板ばね１２Ａ及び１２Ｂが水平状態を通って下方に曲って行くことにより支持部材２４は下方向へ動作し、一方、押出針保持部材２１には上方向の慣性力が与えられるため、圧縮ばね３０は上方に圧縮されてポール１６Ａ及び１６Ｂのストッパ３１Ａ及び３１Ｂが案内突起１５Ｂ１及び１５Ｂ２から上方に離れて行くような状態になる（これを圧縮ばね圧縮状態という）。

このとき、押出針保持板部材２１と支持部材２４の先端部２４Ａとの間隔が大きくなることにより、押出針２２の先端部が液滴生成剤保持管２３の先端より上方に引き込まれるように移動して行くような状態になる。

このときの液滴生成剤保持管２３は下方位置に移動し、これにより液滴生成剤保持管２３の先端は保持液４の液面４Ａに向って下方位置に移動して行く。

この状態から、板ばね１２Ａ及び１２Ｂの曲げが下方への最大値を越えて水平方向に戻って行くと、このときの押出針保持部材２１には下方への慣性力が作用することにより、圧縮ばね３０の圧縮状態を開放するような状態になり、これにより図３（Ｄ）に示すように、ポール１６Ａ及び１６Ｂが下方に摺動してそのストッパ３１Ａ及び３１Ｂが案内突起１５Ｂ１及び１５Ｂ２に当接する圧縮ばね伸長状態になる。

このとき、液滴生成剤保持管２３の先端は保持液４内に進入した状態になると共に、押出針２２の先端部は液滴生成剤保持管２３の中から下方に突き出すような動作をする。

やがて板ばね１２Ａ及び１２Ｂが水平方向の状態に戻って行くと、押出針２２の液滴生成剤保持管２３は図２について上述した基準位置関係を維持したまま、図３（Ａ）について上述した状態に戻って行く。

以上の構成において、微少液滴吐出装置１は、図４及び図５の液滴生成工程によって、生成液槽３の保持液４内に連続的に微小液滴を１つずつ生成する。

まず、図４（Ａ）に示すように、振動機構部１Ａの板ばね１２Ａ及び１２Ｂがほぼ水平な状態になると、液滴生成剤保持管２３と押出針２２との関係が図２について上述した基準位置関係になるので、液滴生成剤保持管２３は保持液４の液面４Ａよりわずか上方位置において、押出針２２を僅かに突出させた状態になる。

これに続いて、図４（Ｂ）に示すように、振動駆動部１３が最も高い上方位置に向かって移動している状態になると、押出針２２を図４（Ａ）のときと同様に僅かに突出した状態を維持しながら、液滴生成剤保持管２３が上昇して行く。

やがて図４（Ｃ）に示すように、振動駆動部１３が最も高い上方位置から下方に降りてくると押出針保持部材２１には上方に向かう慣性力が働くことにより、押出針保持部材２１が振動駆動部１３の下降動作に追従できなくなって圧縮ばね３０を圧縮する状態になる。

このとき液滴生成剤保持管２３はその先端が液面４Ａに突っ込んだ状態になるのに対して押出針２２は液滴生成剤保持管２３内の液滴生成剤２３Ａ中に引込んだ状態になる。

この状態では、液滴生成剤２３Ａは液滴生成剤保持管２３の表面張力により先端面の開口から吐出できないような状態になっている。

この状態から図５（Ａ）に示すように、振動駆動部１３が最も低い下方位置を通って上昇を開始し始めると、エマルション生成剤保持管２３は上方に移動して行こうとするのに対して、押出針保持板部材２１には下方に慣性力が働くために圧縮ばね３０を伸長状態にすることにより押出針２２を急激に当該液滴生成剤保持管２３の下端開口から下方に突出させるような動作をする。

このとき押出針２２の先端面及びその周辺には、液滴生成剤保持管２３内に表面張力によって保持されている液滴生成剤２３Ａが付着しているので、当該付着した液滴生成剤２３Ａを液面４Ａ下の保持液４内に押し出す。

続いて図５（Ｂ）に示すように、駆動振動部１３が基準位置基準位置に向かって上昇して行くと、押出針２２は先端部を液滴生成剤保持管２３から突出させた状態で、当該液滴生成剤保持管２３の上昇に従って上昇して行くので、押出針２２の突出端に付着していた液滴生成剤２３Ａが保持液４内に取り残されて行く。

この実施の形態の場合、液滴生成剤２３Ａが親水性の液体であるのに対して、保持液４は疎水性の液体であるので、保持液４内に押し出された液滴生成剤２３Ａは保持液４によって抵抗が与えられ、これにより液滴生成剤保持管２３及び押出針２２が上方に移動して行ったときこれに付着できなくなって保持液４内に残される。

この状態に続いて図５（Ｃ）に示すように、振動駆動部１３が板ばね１２Ａ及び１２Ｂが水平方向に延長する基準位置を通過する状態になると、これに応じて液滴生成剤保持管２３が上昇して行くことにより、保持液４の液面４Ａより上方の位置に移動する。

このとき押出針２２に対する慣性力は働いていないので、押出針２２は液滴生成剤保持管２３の先端よりわずかに突出した状態のまま一緒に保持液４の液面４Ａから上方に離れる。

このとき保持液４の中に取り残された微小液滴３１は、保持液４が疎水性の油性の流体なので球形に集合した状態になる。

かくして振動駆動部１３は、図４（Ａ）について上述した基準状態に戻ることにより、振動機構部１Ａは次の振動サイクルに入り、これにより上述の図４（Ａ）ないし図５（Ｃ）の液滴生成工程を繰り返す。

このようにして振動駆動部１３が１サイクル分の振動をしたとき、圧縮ばね３０、押出針保持部材２１、押出針２２、液滴生成剤保持管２３が液滴吐出部１Ｂを形成することにより、図５（Ａ）ないし（Ｃ）について上述したように、微小液滴３１が１つずつ保持液４に内に残されて行くことになる。

かかる１サイクル分の液滴生成工程は、各サイクルごとに生成条件がほぼ同じであるので、微小液滴３１の粒径は、常に押出針２２の端面及びその周辺に付着した液滴生成剤２３Ａの量によって決まり、結局微小液滴３１はｐｌ（ピコリットル）オーダの粒量となると共に、その粒径は各振動ごとにほぼ均一になる。

以上の構成によれば、振動機構部として、板ばね１２Ａ及び１２Ｂに基づく駆動振動部１３の振動による液滴生成剤保持管２３の移動動作と、圧縮ばね３０の圧縮伸長動作とに基づいて、押出針保持部材２１が振動駆動部１３の移動動作からタイミングがずれるように移動動作することによって、押出針２２が液滴生成剤保持管２３内の液滴生成剤２３Ａの押出し動作をするようにしたことにより、比較的簡易な構成によって粒径が均一な微小液滴３１を生成できるような微少液滴吐出装置１を実現できる。

かくして保持液４内に生成できる親水性液体でなる微少液滴３１は、その周囲を疎水性液体でなる保持液４によって覆われていることにより、吐出した際の乾燥を防止できる。

なお、上述の実施の形態においては、液滴生成剤２３Ａとして親水性の液体を用いるのに対して、保持液４として疎水性の油性の液体を用いるようにしたが、これとは逆に保持液４を親水性にすると共に液滴生成剤２３Ａを疎水性にするようにしても、上述の場合と同様の作用効果を得ることができる。

また上述の実施の形態においては、振動モータ１４を３０〔Ｈｚ〕で駆動することにより、振動駆動部１３を３０〔Ｈｚ〕の速度で上下動させるようにした場合について述べたが、振動サイクルはこれに限らず、駆動モータ１４の回転駆動速度を変更することにより、単位時間当たりに生成する微小液滴数を制御することができる。

さらに、上述の実施の形態においては、振動駆動部１３が振動動作するごとに１回ずつ液滴生成剤保持管２３及び押出針２２を保持液４内に進入させるようにしたが、進入回数を制御することにより、例えば進入回数を１回に制御すれば、１個の微小液滴を生成するようにし得る。

さらに、上述の実施の形態においては、保持液４、液滴生成剤２３Ａとして親水性液体と疎水性液体とを用いたが、これに代え、保持液４となる第１液中に液滴生成剤２３Ａとなる第２液を微少液滴として吐出した際に、その境界における重合させることにより微少液滴表面に薄膜を形成させ、この微少液滴を取り出して微少カプセルとしてドラッグデリバリーシステムに使用するようにしても良い。

液滴生成剤保持管２３の先端内径を、(a) ４０〔μｍ〕、(b) ９０〔μｍ〕及び(c) １５０〔μｍ〕とした３つの場合について、押出針２２の先端直径を、(a) ３０〔μｍ〕、(b) ７０〔μｍ〕及び(c) １２０〔μｍ〕としたところ、平均粒径は、(a) １４．５〔μｍ〕、(b) ５４．３〔μｍ〕及び(c) ９９．５〔μｍ〕となり、そのばらつきは、(a) １３．１〔％〕、(b) ８．６〔％〕及び(c) ６．４５〔％〕の結果を得た。

これにより、微小液滴３１の粒径を液滴生成剤保持管２３及び押出針２２の先端寸法を変更することによりｐｌ（ピコリットル）オーダの大きさで制御でき、粒径のばらつきも小さいことを確認できた。

本発明は、液滴生成液を得る場合に利用できる。

本発明による微少液滴吐出装置の一実施の形態を示す斜視図である。 液滴生成剤保持管と押出針との基準位置関係を示す部分的拡大断面図である。 板ばねと圧縮ばねの曲げ動作の説明に供する略線図である。 （Ａ）ないし（Ｃ）は液滴生成工程の説明に供する略線図である。 （Ａ）ないし（Ｃ）は液滴生成工程の説明に供する略線図である。

符号の説明

１……微少液滴吐出装置、１Ａ……振動機構部、１Ｂ……液滴吐出部、２……固定基台、３……生成液層、４……保持液、４Ａ……液面、１１……固定部材、１２Ａ、１２Ｂ……板ばね、１３……振動駆動部、１４……振動モータ、１５……モータケース、１５Ａ、１５Ｂ……上側、下側取付板部、１５Ｂ１、１５Ｂ２……案内突起、１６Ａ、１６Ｂ……ポール、２１……押出針保持部材、２２……押出針、２３……液滴生成剤保持管、２３Ａ……液滴生成剤、２４……支持部材、３０……圧縮ばね、３１Ａ、３１Ｂ……ストッパ。

Claims (3)

1. 液滴生成剤を保持し、上記保持液内に先端部を進入及び退出するように上下方向に移動する液滴生成剤保持管と、
   上記液滴生成剤保持管内に進退自在に挿入される押出針と、
   上記液滴生成剤保持管を第１の上方位置及び第１の下方位置間に移動動作させると共に、当該液滴生成剤保持管の移動動作に同期して、上記液滴生成剤保持管が上記第１の上方位置から下方に移動したとき上記押出針を第２の上方位置に移動させかつ上記第１の下方位置から上方に移動したとき上記押出針を第２の下方位置に移動させる振動機構部と
   を具え、上記押出針は、上記第２の上方位置に移動したとき先端部分を上記液滴生成剤保持管の上記液滴生成剤内に引き込み、その後上記第２の下方位置に移動したとき先端部を上記液滴生成剤保持管から下方に突き出すことにより上記液滴生成剤を上記保持液内に上記微少液滴として吐出する
   ことを特徴とする微少液滴吐出装置。
2. 上記振動機構部は、
   片持梁構成の板ばねの先端に設けられ、上下方向に振動する振動モータを有する振動駆動部と、
   上記押出針を保持し、上記振動駆動部に圧縮ばねを介して下方から保持された押出針保持部材と、
   上記液滴生成剤保持管を支持し、上記振動駆動部と一体に移動する支持部材と
   を具えることを特徴とする請求項１に記載の微少液滴吐出装置。
3. 液滴生成剤を保持し、上記保持液内に先端部を進入及び退出するように上下方向に移動する液滴生成剤保持管と、上記液滴生成剤保持管内に進退自在に挿入される押出針とを設け、
   振動機構部によって、上記液滴生成剤保持管を第１の上方位置及び第１の下方位置間に移動動作させると共に、当該液滴生成剤保持管の移動動作に同期して、上記液滴生成剤保持管が上記第１の上方位置から下方に移動したとき上記押出針を第２の上方位置に移動させかつ上記第１の下方位置から上方に移動したとき上記押出針を第２の下方位置に移動させ、
   上記押出針は、上記第２の上方位置に移動したとき先端部分を上記液滴生成剤保持管の上記液滴生成剤内に引き込み、その後上記第２の下方位置に移動したとき先端部を上記液滴生成剤保持管から下方に突き出すことにより上記液滴生成剤を上記保持液内に上記微少液滴として吐出する
   ことを特徴とする微少液滴吐出方法。
   

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