JP2016000392A - Microvolume liquid dripping method and microvolume liquid dispenser - Google Patents

Microvolume liquid dripping method and microvolume liquid dispenser Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microvolume liquid dispensing method that makes it possible to precisely dispense a microvolume liquid of a picoliter order using a microdiameter cylindrical nozzle.SOLUTION: Provided is the microvolume liquid dispensing method in which a variable capacity passage section 10 of a liquid passage 6 is pressurized from the outside and shrunk in a direction that reduces the internal capacity thereof so that a liquid that is within the variable capacity passage section 10 is pushed toward both a downstream passage section 6B and an upstream passage section 6A (Step ST3). A microvolume of the liquid is pushed toward the downstream passage section 6B as a result of the resistance of these liquid passages. It is thus possible to precisely drip a microvolume liquid from a tip opening 4a of a nozzle 4 by simple control.

Description

本発明は、例えば0.5mm以下の微小径のノズルを用いて、ナノリットルオーダー、さらにはピコリットルオーダーの微量液体の吐出、滴下等が可能な微量液体流出方法および微量液体ディスペンサに関する。なお、ノズルからの液体の連続した吐出、断続的な吐出、連続した滴下、断続的な滴下を纏めて「流出」というものとする。   The present invention relates to a trace liquid outflow method and a trace liquid dispenser capable of discharging, dropping, and the like of a trace amount liquid in a nanoliter order and further a picoliter order using, for example, a nozzle having a minute diameter of 0.5 mm or less. Note that continuous discharge, intermittent discharge, continuous dripping, and intermittent dripping of liquid from the nozzle are collectively referred to as “outflow”.

基板表面等に液体を滴下あるいは吐出する機構としては空圧式の液体ディスペンサが知られている。液体ディスペンサでは、ポンプ等の加圧子を用いて液体を加圧して、所定径のノズルから液体を滴下あるいは吐出して、対象の基板表面等に液体を塗布する。特許文献1〜3には、このような液体ディスペンサが記載されている。   A pneumatic liquid dispenser is known as a mechanism for dropping or discharging liquid on the substrate surface or the like. In a liquid dispenser, a liquid is pressurized using a pressurizer such as a pump, and the liquid is dropped or ejected from a nozzle having a predetermined diameter to apply the liquid onto the surface of a target substrate. Patent Documents 1 to 3 describe such a liquid dispenser.

また、半導体製造工程等における微細パターニングは、空圧式の液体ディスペンサでは困難であり、静電吐出方式の液体吐出ヘッド等が用いられている。このような液体吐出ヘッドは、本発明者等によって特許文献4において提案されている。   Further, fine patterning in a semiconductor manufacturing process or the like is difficult with a pneumatic liquid dispenser, and an electrostatic discharge liquid discharge head or the like is used. Such a liquid discharge head has been proposed in Patent Document 4 by the present inventors.

一方、特許文献5には、液体を計量分注する微小計量装置が提案されている。ここに提案されている微小計量装置では、流体容器から液体が供給される一定の内径のフレキシブルチューブを備え、フレキシブルチューブを圧電アクチュエータによって駆動される押出器によって押しつぶして、当該フレキシブルチューブの一端に形成されている出口穴から微量の液体を吐出させるようにしている。   On the other hand, Patent Document 5 proposes a micrometering device for metering and dispensing a liquid. The micrometering device proposed here includes a flexible tube with a constant inner diameter to which liquid is supplied from a fluid container, and the flexible tube is crushed by an extruder driven by a piezoelectric actuator and formed at one end of the flexible tube. A small amount of liquid is discharged from the outlet hole.

押出器の高速移動によって引き起こされる容積変化によって、一方ではフレキシブルチューブの出口穴に向かって流体の流れが起こり、他方では入口路を通して流体容器への逆流が起こる。また、押出器は出口穴の近くに位置決めされ、フレキシブルチューブにおける押出器によって押される部分よりも出口穴側の流体インピーダンスは上流側の入口路の側の流体インビーダンスに比較して低く、押し出される流体の大部分が出口穴から吐出されるようになっている。さらに、押出器によるフレキシブルチューブの押圧面は出口穴の側に向かってセットバックした傾斜面となっており、押圧器でフレキシブルチューブを押圧すると、出口側に向けて多くの流体が押し出される。換言すると、管路抵抗の比で吐出量を決め、勢い良く流体を出口穴から吐出させるために、軸非対称な状態となるようにフレキシブルチューブを変形させている。   The volume change caused by the high speed movement of the extruder causes a fluid flow on the one hand towards the outlet hole of the flexible tube and on the other hand a back flow through the inlet channel to the fluid container. In addition, the extruder is positioned near the outlet hole, and the fluid impedance on the outlet hole side is lower than the fluid impedance on the inlet path side on the upstream side than the portion pushed by the extruder in the flexible tube. Most of the fluid to be discharged is discharged from the outlet hole. Furthermore, the pressing surface of the flexible tube by the extruder is an inclined surface set back toward the outlet hole side, and when the flexible tube is pressed by the pressing device, a lot of fluid is pushed out toward the outlet side. In other words, the flexible tube is deformed so as to be in an axially asymmetric state in order to determine the discharge amount by the ratio of the pipe resistance and to discharge the fluid vigorously from the outlet hole.

特開平10−57866号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-57866 特許第3564361号公報Japanese Patent No. 3564361 特開2005−797号公報JP 2005-797 A 特開2010−64359号公報JP 2010-64359 A 特表2007−502399号公報Special table 2007-502399 gazette

静電吐出方式の液体吐出ヘッドの場合には、ヘッドと対象基板の間に生じる静電気力を利用している。したがって、吐出対象の素材が非導電性素材(誘電性あるいは誘電性の高い素材)に限定されるという制約がある。ピエゾ駆動式等の他の駆動形式の液体吐出ヘッドを用いることも可能であるが、これらは粘性の高い液体を吐出あるいは滴下することが
困難である。例えば、UV硬化樹脂等の高粘度樹脂液材、Agペースト等の高粘度金属ペーストを、ナノリットルオーダーあるいはピコリットルオーダーで吐出、滴下することが困難である。
In the case of an electrostatic discharge type liquid discharge head, an electrostatic force generated between the head and a target substrate is used. Therefore, there is a restriction that the material to be ejected is limited to a non-conductive material (a material having high dielectric properties or dielectric properties). Although it is possible to use a liquid discharge head of another drive type such as a piezo drive type, it is difficult to discharge or drop a highly viscous liquid. For example, it is difficult to discharge and drop a high-viscosity resin liquid material such as a UV curable resin or a high-viscosity metal paste such as an Ag paste in the nanoliter order or picoliter order.

そこで、空圧式等の液体ディスペンサのノズル径を500μm以下、例えば、100μm以下の微小径とし、微細な液滴を吐出可能あるいは滴下可能にすることが考えられる。しかしながら、このような微小径のノズルから液体を、一定の微小流量で吐出させることは困難である。例えば、細いノズルの管路抵抗は大きいので、ノズルに供給される液体の加圧力を大きくしても、ノズルから、液体を吐出、あるいは滴下させることが困難である。   Therefore, it is conceivable to set the nozzle diameter of a pneumatic dispenser or the like to a minute diameter of 500 μm or less, for example, 100 μm or less, so that a fine droplet can be discharged or can be dropped. However, it is difficult to discharge liquid from such a small diameter nozzle at a constant minute flow rate. For example, since the pipe resistance of a thin nozzle is large, it is difficult to discharge or drop liquid from the nozzle even if the pressure of the liquid supplied to the nozzle is increased.

また、液体の加圧力を高めると、一度に多量の液体がノズルから吐出あるいは滴下し、その後はノズル内の液体圧力が一時的に下がるので、液体の吐出あるいは滴下が不安定になる。これが繰り返されてしまい、ナノリットルオーダーあるいはピコリットルオーダーの微量の液体を断続的に吐出あるいは滴下できない。   Further, when the pressure of the liquid is increased, a large amount of liquid is discharged or dripped from the nozzle at a time, and thereafter, the liquid pressure in the nozzle is temporarily lowered, so that the discharge or dripping of the liquid becomes unstable. This is repeated, and a minute amount of liquid in nanoliter order or picoliter order cannot be discharged or dropped intermittently.

一方、特許文献5において提案されている微小計量装置では、微小径のフレキシブルチューブの一部分は、圧電アクチュエータによって駆動される押出器によって、流体が出口穴の側に押し出されるように軸非対称な変形状態に押しつぶされる。軸非対称な状態にフレキシブルチューブを押しつぶすことで、液体の殆どが出口穴に向けて(下流側に向けて)押し出され、当該出口穴から勢いよく吐出される。   On the other hand, in the micrometering device proposed in Patent Document 5, a part of a microdiameter flexible tube is deformed in an axially asymmetric state so that fluid is pushed out to the outlet hole side by an extruder driven by a piezoelectric actuator. Will be crushed. By crushing the flexible tube in an axially asymmetric state, most of the liquid is pushed out toward the outlet hole (toward the downstream side) and is ejected vigorously from the outlet hole.

吐出される液滴をナノリットルオーダー、ピコリットルオーダーの微小量に制御するためには、フレキシブルチューブの押しつぶし量を微小にする必要があり、そのためには、フレキシブルチューブを精度良く製作し、圧電アクチュエータを精度良く駆動制御する必要がある。また、出口側に向けて勢いよく流体が押し出されるように、フレキシブルチューブを軸非対称な状態に押しつぶす必要があるので、押出器の押圧面の形状等も精度良く加工する必要がある。   In order to control the ejected droplets to a minute amount on the order of nanoliters or picoliters, it is necessary to reduce the amount of crushing of the flexible tube. Must be controlled with high accuracy. Moreover, since it is necessary to crush the flexible tube in an axially asymmetric state so that the fluid is pushed out toward the outlet side, the shape of the pressing surface of the extruder must be processed with high accuracy.

しかしながら、微小径のフレキシブルチューブの一部分を正確に微小量だけ押しつぶして、ナノリットルオーダー、ピコリットルオーダーの微小液体を押し出す機構は、静電駆動式、ピエゾ駆動式のインクジェットヘッドの場合のようにフォトリソグラフィ技術等を用いて製造できず、したがって、精度良く微小機構を製作するにはコストが掛かり、実用的ではない。   However, the mechanism that crushes a part of a small diameter flexible tube precisely by a minute amount and pushes out micro liquid of nano liter order or pico liter order is the same as that of electrostatic drive and piezo drive ink jet heads. It cannot be manufactured using a lithography technique or the like. Therefore, it is expensive to manufacture a micro mechanism with high accuracy and is not practical.

また、フレキシブルチューブの先に液滴が吐出する出口穴が形成されている。このため、押出器によって押しつぶされる部分から出口穴までの間のチューブ部分が変形すると、出口穴から吐出される液滴量が変動するおそれがある。例えば、押出器によって押されてフレキシブルチューブの内圧が変動すると、これに伴って出口穴近傍のチューブ部分が変形して、吐出される液滴量が変化し、精度良く微量液滴を吐出できないおそれがある。   In addition, an outlet hole for discharging droplets is formed at the tip of the flexible tube. For this reason, if the tube portion between the portion crushed by the extruder and the outlet hole is deformed, the amount of liquid droplets discharged from the outlet hole may vary. For example, if the internal pressure of the flexible tube fluctuates due to being pushed by the extruder, the tube portion near the outlet hole is deformed accordingly, and the amount of discharged liquid droplets changes, and there is a possibility that a small amount of liquid droplets cannot be discharged accurately. There is.

本発明の課題は、このような点に鑑みて、例えば500μm以下の微小径のノズルを用いて、ナノリットルオーダー、さらにはピコリットルオーダーの微量液体を廉価な構成により精度良く流出可能な微量液体流出方法および微量液体ディスペンサを提供することにある。   In view of these points, the problem of the present invention is to use a nozzle having a minute diameter of, for example, 500 μm or less, and to allow a minute amount of liquid on the order of nanoliters or even picoliters to flow out accurately with an inexpensive configuration. It is an object to provide an outflow method and a trace liquid dispenser.

上記の課題を解決するために、本発明は、筒状のノズルの先端口から、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を流出させる微量液体流出方法であって、
液体供給部から前記ノズルに液体を供給する液体通路を、上流側通路部分、中間通路部
分および下流側通路部分から形成し、前記中間通路部分を、その内容積が増減するように膨張収縮可能な通路部分とし、
前記液体を、前記液体通路から前記ノズルの前記先端口まで充填した液体充填状態で、前記中間通路部分の内容積が減少するように当該中間通路部分を変形させた場合に、当該中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される液体量が、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微小量となるように、当該液体量と前記上流側通路部分に押し戻される液体量との比率を、1:100〜1:500に設定し、
微量液体の流出動作においては、
前記液体充填状態を形成し、
前記中間通路部分をその内容積が減少するように変形させ、
前記中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される微小量の液体によって、前記ノズルの前記先端口から微量液体を流出させ、
前記中間通路部分の変形を解除して当該中間通路部分の内容積を元の容積に戻して、前記下流側通路部分から微小量の液体を当該中間通路部分内に吸い戻し、前記上流側通路部分から液体を前記中間通路部分内に吸い込むことを特徴としている。
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention is a trace liquid outflow method for flowing out a trace liquid of nanoliter order to picoliter order from the tip end of a cylindrical nozzle,
A liquid passage for supplying a liquid from the liquid supply section to the nozzle is formed of an upstream passage portion, an intermediate passage portion, and a downstream passage portion, and the intermediate passage portion can be expanded and contracted so that its internal volume increases or decreases. A passage part,
When the intermediate passage portion is deformed so that the internal volume of the intermediate passage portion decreases in a liquid-filled state in which the liquid is filled from the liquid passage to the tip end of the nozzle, the intermediate passage portion The ratio of the amount of liquid and the amount of liquid pushed back to the upstream-side passage portion is set to 1: 100 to be such that the amount of liquid pushed out to the downstream-side passage portion becomes a minute amount of nanoliter order to picoliter order. Set to 1: 500,
In the outflow operation of trace liquid,
Forming the liquid filling state,
Deforming the intermediate passage portion so that its internal volume decreases;
A minute amount of liquid pushed out from the intermediate passage portion to the downstream passage portion causes a minute amount of liquid to flow out from the tip end of the nozzle,
The deformation of the intermediate passage portion is released, the inner volume of the intermediate passage portion is returned to the original volume, and a minute amount of liquid is sucked back into the intermediate passage portion from the downstream passage portion, and the upstream passage portion The liquid is sucked into the intermediate passage portion.

ナノリットルオーダーあるいはピコリットルオーダーの微量液体を流出させるために、ノズルも微小径ノズルが使用される。液体の供給源からは、所定の加圧状態で液体通路を介してノズルに液体が供給される。ノズル口径が小さい場合には、ノズル内の液体通路抵抗が大きく、液体の供給圧力を高めないと、ノズル口から液体を滴下あるいは吐出することができない。液体の供給圧力を上げると、ノズル口から一度に多量の液体が滴下あるいは吐出してしまい、液体の滴下状態あるいは吐出状態が不安定になる。このため、部材表面等に、微量液体を精度良く流出させることが困難である。特に、高粘度樹脂液、高粘度金属ペーストなどの高粘度液材の場合には、微量液体を精度良く流出させることが極めて困難である。   In order to discharge a minute amount of liquid in the order of nanoliters or picoliters, a nozzle having a minute diameter is also used. From the liquid supply source, the liquid is supplied to the nozzle through the liquid passage in a predetermined pressure state. When the nozzle diameter is small, the liquid passage resistance in the nozzle is large, and the liquid cannot be dropped or discharged from the nozzle opening unless the liquid supply pressure is increased. When the supply pressure of the liquid is increased, a large amount of liquid is dripped or discharged at a time from the nozzle opening, and the liquid dropping state or discharging state becomes unstable. For this reason, it is difficult to allow a minute amount of liquid to flow out to the surface of the member with high accuracy. In particular, in the case of a high-viscosity liquid material such as a high-viscosity resin liquid or a high-viscosity metal paste, it is extremely difficult to cause a minute amount of liquid to flow out with high accuracy.

本発明では、液体通路を介してノズル内の先端口まで液体を供給して充填した後に、液体通路の途中の中間通路部分を外側から加圧するなどして、その内容積が減少する方向に変形、例えば収縮させる。これにより、中間通路部分に保持されている液体が、当該中間通路部分の下流側の下流側通路部分に押し出されると共に、上流側の上流側通路部分に押し戻される。   In the present invention, after supplying and filling the liquid to the tip opening in the nozzle through the liquid passage, the intermediate passage portion in the middle of the liquid passage is pressurized from the outside, and the inner volume is reduced in the direction of decreasing. For example, contract. As a result, the liquid held in the intermediate passage portion is pushed out to the downstream passage portion on the downstream side of the intermediate passage portion and pushed back to the upstream passage portion on the upstream side.

ここで、中間通路部分の上流側を開閉弁等で封鎖し、この状態で、中間通路部分を外側から加圧収縮させて液体をノズル側に押し出すと、ノズル側に大きな圧力が直接に作用する。この場合には、ノズルの先端口から多量の液体が一度に吐出あるいは滴下してしまう。ノズル先端口に作用する液体圧力を適切な値に制御するために、中間通路部分の変形量、例えば収縮量を微調整することは極めて困難である。   Here, if the upstream side of the intermediate passage part is blocked by an on-off valve or the like, and the intermediate passage part is pressurized and contracted from the outside and the liquid is pushed out to the nozzle side in this state, a large pressure directly acts on the nozzle side. . In this case, a large amount of liquid is discharged or dripped from the tip end of the nozzle at once. In order to control the liquid pressure acting on the nozzle tip to an appropriate value, it is extremely difficult to finely adjust the deformation amount, for example, the contraction amount, of the intermediate passage portion.

本発明では、中間通路部分が変形すると、下流側(ノズル側)および上流側の双方に向かう液体流が形成される。下流側と上流側の液体通路抵抗の比を適切に設定しておくことにより、中間通路部分を常に一定量だけ収縮させることによって、適切な液体圧をノズルの先端口に生じさせることができる。これにより、簡単な制御によって、精度良く微量液体を流出(滴下、吐出等)させることができる。   In the present invention, when the intermediate passage portion is deformed, a liquid flow toward both the downstream side (nozzle side) and the upstream side is formed. By appropriately setting the ratio of the downstream and upstream liquid passage resistances, an appropriate liquid pressure can be generated at the tip end of the nozzle by always contracting the intermediate passage portion by a certain amount. Thereby, a trace amount liquid can be flowed out (dropping, discharging, etc.) with high accuracy by simple control.

特に、本発明においては、中間通路部分を変形させた場合に、当該中間通路部分から下流側通路部分に押し出される液体量が、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微小量となるように、当該液体量と上流側通路部分に押し戻される液体量との比率を、1:100〜1:500に設定してある。換言すると、中間通路部分の下流側と上流側の液体通路抵抗の比で、液体の吐出レンジ(1/100にするのか1/500にするのか等)を決めており、液体の吐出量は中間通路部分の容積変化量で決めている。   In particular, in the present invention, when the intermediate passage portion is deformed, the amount of liquid pushed out from the intermediate passage portion to the downstream passage portion becomes a minute amount from the nanoliter order to the picoliter order. The ratio between the amount and the amount of liquid pushed back to the upstream passage portion is set to 1: 100 to 1: 500. In other words, the ratio of the liquid passage resistance on the downstream side and the upstream side of the intermediate passage portion determines the liquid discharge range (whether it is 1/100 or 1/500), and the liquid discharge amount is intermediate. It is determined by the volume change of the passage part.

したがって、中間通路部分の内容積の減少量に対応して中間通路部分から押し出される液体量のうち、極わずかの量の液体が下流側通路部分に押し出され、これに対応する微量液体がノズルの先端口から流出する。内容積の変化に対応する量の液体をノズルの先端口から流出させる場合には、内容積を微小に変化させてナノリットルオーダー、ピコリットルオーダーの微量液体を押し出す必要がある。本発明によれば、マイクロリットルオーダーの液体が押し出されるように中間通路部分を変形させればよい。また、下流側(ノズル側)に押し出される液体は微小な量であるので、ノズル内の圧力が一時的に大幅に高くなり、多量の液体がノズルの先端口から流出するおそれもない。よって、中間通路部分およびこの部分を変形させるための機構を廉価に構成でき、しかも、適切な圧力の下でノズルの先端口から微量液体を精度良く流出させることが可能である。   Accordingly, a very small amount of the liquid pushed out from the intermediate passage portion in response to the amount of decrease in the internal volume of the intermediate passage portion is pushed out to the downstream passage portion, and a trace amount liquid corresponding to this is liquid. It flows out from the tip. When an amount of liquid corresponding to the change in the internal volume is caused to flow out from the tip end of the nozzle, it is necessary to extrude a trace amount liquid in the nanoliter order or picoliter order by minutely changing the internal volume. According to the present invention, the intermediate passage portion may be deformed so that the liquid in the microliter order is pushed out. Further, since the liquid pushed out to the downstream side (nozzle side) is a minute amount, the pressure in the nozzle is temporarily significantly increased, and there is no possibility that a large amount of liquid flows out from the tip end of the nozzle. Therefore, the intermediate passage portion and the mechanism for deforming this portion can be constructed at low cost, and a trace amount of liquid can be accurately discharged from the tip end of the nozzle under an appropriate pressure.

ここで、前記中間通路部分の変形を解除して当該中間通路部分の内容積を元の容積に戻す際に、前記下流側通路部分から当該中間通路部分内に吸い戻される液体量と、上流側通路部分から前記中間通路部分内に吸い込まれる液体量との比率も、1:100〜1:500になる。   Here, when the deformation of the intermediate passage portion is released and the inner volume of the intermediate passage portion is returned to the original volume, the amount of liquid sucked back into the intermediate passage portion from the downstream passage portion and the upstream side The ratio of the amount of liquid sucked into the intermediate passage portion from the passage portion is also 1: 100 to 1: 500.

したがって、中間通路部分の変形を解除して、その内容積を元に戻す際に、ノズル側から中間通路部分の側に逆流する液体量を微小量に抑えることができる。この結果、ノズルの先端口に形成されているメニスカスが破壊されることなく適切な状態に維持される。これにより、次の微量液体の流出動作を適切に行うことが可能になる。   Accordingly, when the deformation of the intermediate passage portion is released and the inner volume is restored, the amount of liquid flowing backward from the nozzle side to the intermediate passage portion side can be suppressed to a minute amount. As a result, the meniscus formed at the tip end of the nozzle is maintained in an appropriate state without being destroyed. As a result, it is possible to appropriately perform the next outflow operation of the trace liquid.

よって、本発明によれば、中間通路部分の変形および変形の解除を、所定の周期で繰り返して、ノズルの先端口からの微小液体の流出を精度良く繰り返し行うことができる。   Therefore, according to the present invention, the deformation of the intermediate passage portion and the release of the deformation can be repeated at a predetermined cycle, so that the outflow of the minute liquid from the tip end of the nozzle can be performed with high accuracy.

本発明において、上流側通路部分に配置した流量調整弁を制御して、当該上流側通路部分の液体流路抵抗を増減させて、中間通路部分から下流側通路部分に押し出される液体量と、中間通路部分から上流側通路部分に押し戻される液体量との比率を調整することができる。また、下流側通路部分から中間通路部分に吸い戻される液体量と、上流側通路部分から中間通路部分に吸い込まれる液体量との比率を調整することができる。   In the present invention, the flow rate adjusting valve arranged in the upstream passage portion is controlled to increase or decrease the liquid flow path resistance of the upstream passage portion, so that the amount of liquid pushed out from the intermediate passage portion to the downstream passage portion, The ratio of the amount of liquid pushed back from the passage portion to the upstream passage portion can be adjusted. Further, the ratio between the amount of liquid sucked back from the downstream passage portion into the intermediate passage portion and the amount of liquid sucked into the intermediate passage portion from the upstream passage portion can be adjusted.

本発明において、ノズルと、下流側通路部分および上流側通路部分のうちの少なくとも下流側通路部分とを、内部を流れる液体の圧力が変化しても内容積が変化しない通路部分とすることが望ましい。これにより、中間通路部分の内圧変動によって下流側通路部分およびノズルの内容積が変化することがないので、中間通路部分から押し出された微小量の液体に対応する微量液体をノズルの先端口から確実に吐出させることができる。   In the present invention, it is desirable that the nozzle and at least the downstream passage portion of the downstream passage portion and the upstream passage portion be a passage portion whose internal volume does not change even when the pressure of the liquid flowing inside changes. . As a result, the internal volume of the downstream passage portion and the nozzle does not change due to the internal pressure fluctuation of the intermediate passage portion. Can be discharged.

本発明において、中間通路部分の外周を取り囲む密閉外周空間を形成しておき、密閉外周空間の内圧を変化させることにより、中間通路部分を、その内容積が減少するように、その中心軸線を中心として軸対称の状態に変形させると共に当該変形を解除することが望ましい。軸非対称の状態に変形させる場合に比べて、軸対称の状態に変形させた方が、当該中間通路部分の膨張収縮制御の管理を簡単に行うことができ、したがって、ノズル側に押し出される液体の量も精度良く管理できる。   In the present invention, a sealed outer peripheral space surrounding the outer periphery of the intermediate passage portion is formed, and by changing the internal pressure of the sealed outer peripheral space, the intermediate passage portion is centered on its central axis so that its inner volume is reduced. As described above, it is desirable to deform into an axially symmetric state and cancel the deformation. Compared with the case of deforming to an axially asymmetric state, the expansion and contraction control of the intermediate passage portion can be easily managed by deforming to the axially symmetric state, and therefore, the liquid pushed out to the nozzle side can be controlled. The amount can be managed accurately.

例えば、密閉外周空間を加圧して中間通路部分を収縮させて液体を押し出し、加圧を解除して中間通路部分を元の形状に戻して液体を吸い込むことができる。また、密閉外周空間を減圧して中間通路部分を膨張させた状態で液体を吸い込み、減圧膨張を解除して液体を押し出すようにしてもよい。液体の押出し、吸い込み量を増加させるためには、密閉外周空間を加圧して中間通路部分を収縮させて液体を押し出し、密閉外周空間を減圧して中間通路部分を膨張させて液体を吸い込むようにすればよい。   For example, the sealed outer peripheral space can be pressurized to contract the intermediate passage portion to push out the liquid, and the pressure can be released to return the intermediate passage portion to its original shape and suck the liquid. Further, the liquid may be sucked in the state where the sealed outer peripheral space is decompressed and the intermediate passage portion is expanded, and the liquid may be released by releasing the decompression and expansion. In order to increase the amount of liquid to be pushed out and sucked, pressurize the sealed outer peripheral space to shrink the intermediate passage portion to push out the liquid, decompress the sealed outer peripheral space to expand the intermediate passage portion and suck in the liquid. do it.

本発明者等によれば、従来においては不可能であった、500μm以下、例えば、100μm以下の微細径のノズルから、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を精度良く滴下、吐出等できることが確認された。   According to the present inventors, it is possible to accurately drop, discharge, etc., a minute amount liquid of nanoliter order to picoliter order from a nozzle having a fine diameter of 500 μm or less, for example, 100 μm or less, which was impossible in the past. confirmed.

また、液体として、粘度が1Pa・s〜100Pa・sの高粘度液材を用いた場合においても、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を精度良く滴下、吐出等できることが確認された。   In addition, even when a high-viscosity liquid material having a viscosity of 1 Pa · s to 100 Pa · s was used as the liquid, it was confirmed that a minute amount of liquid of nanoliter order to picoliter order could be accurately dropped and discharged.

本発明において、中間通路部分の収縮量および収縮速度を次のパラメータに基づき制御することで、精度良く、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を流出させることができる。
前記ノズルの先端口から一度に流出させる微量液体量
前記ノズルの先端口の内径寸法
前記液体の粘度
前記中間通路部分の上流側の液体通路抵抗と下流側の液体通路抵抗との比
In the present invention, by controlling the contraction amount and contraction speed of the intermediate passage portion based on the following parameters, it is possible to flow out a small amount of liquid of nanoliter order to picoliter order with high accuracy.
Amount of trace amount of liquid that flows out from the tip end of the nozzle at once The inner diameter dimension of the tip end of the nozzle Viscosity of liquid The ratio of the liquid passage resistance on the upstream side and the liquid passage resistance on the downstream side of the intermediate passage portion

次に、本発明は、筒状のノズルの先端口から、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を流出させる微量液体ディスペンサであって、
上流側通路部分、中間通路部分および下流側通路部分を備え、前記中間通路部分が内容積が増減するように膨張収縮可能な通路部分となっている液体通路と、
前記液体通路を介して前記ノズルに液体を供給する液体供給部と、
前記中間通路部分の内容積が増減するように当該中間通路部分を変形させる通路変形部と、
制御部と、
を有しており、
前記液体を前記液体通路から前記ノズルの先端口まで充填した液体充填状態で、前記中間通路部分の内容積が減少するように当該中間通路部分を変形させた場合に、当該中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される液体量が、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微小量となるように、当該液体量と前記上流側通路部分に押し戻される液体量との比率が、1:100〜1:500に設定されており、
前記制御部は、
前記液体供給部を制御して前記液体通路を介して前記ノズルに液体を供給して前記液体充填状態を形成する制御動作と、
前記通路変形部を制御して前記中間通路部分を内容積が減少するように変形させて、前記中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される微小量の液体によって、前記ノズルの前記先端口から微量液体を流出させる微量液体流出動作と、
前記通路変形部を制御して前記中間通路部分の変形を解除して当該中間通路部分の内容積を元の容積に戻して、前記下流側通路部分から微小量の液体を当該中間通路部分内に吸い戻し、前記上流側通路部分から液体を前記中間通路部分内に吸い込む復帰動作とを行うことを特徴としている。
Next, the present invention is a minute amount liquid dispenser for discharging a minute amount liquid of nanoliter order to picoliter order from the tip end of a cylindrical nozzle,
A liquid passage comprising an upstream passage portion, an intermediate passage portion, and a downstream passage portion, wherein the intermediate passage portion is a passage portion that can be expanded and contracted so that the internal volume increases and decreases;
A liquid supply section for supplying a liquid to the nozzle through the liquid passage;
A passage deforming portion that deforms the intermediate passage portion so that the internal volume of the intermediate passage portion increases or decreases;
A control unit;
Have
When the intermediate passage portion is deformed so that the internal volume of the intermediate passage portion is reduced in a liquid-filled state in which the liquid is filled from the liquid passage to the tip end of the nozzle, the intermediate passage portion is further downstream than the intermediate passage portion. The ratio between the liquid amount and the liquid amount pushed back to the upstream passage portion is 1: 100 to 1: 1, so that the liquid amount pushed out to the side passage portion becomes a minute amount of nanoliter order to picoliter order. Is set to 500,
The controller is
A control operation for controlling the liquid supply unit to supply liquid to the nozzle via the liquid passage to form the liquid filling state;
By controlling the passage deforming portion to deform the intermediate passage portion so as to reduce the internal volume, the minute amount of liquid pushed out from the intermediate passage portion to the downstream passage portion causes the tip portion of the nozzle to A trace liquid outflow operation that causes a trace liquid to flow out,
By controlling the passage deforming portion, the deformation of the intermediate passage portion is released, the inner volume of the intermediate passage portion is returned to the original volume, and a minute amount of liquid is transferred from the downstream passage portion into the intermediate passage portion. It is characterized by performing a returning operation of sucking back and sucking the liquid from the upstream passage portion into the intermediate passage portion.

本発明を適用した微量液体ディスペンサの全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a trace liquid dispenser to which the present invention is applied. 図1の微量液体ディスペンサの動作を示すフローチャートおよび説明図である。It is a flowchart and explanatory drawing which show operation | movement of the trace liquid dispenser of FIG. 図1の微量液体ディスペンサの変形例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the modification of the trace liquid dispenser of FIG.

以下に、図面を参照して、本発明を適用した微量液体ディスペンサの実施の形態を説明する。   Embodiments of a trace liquid dispenser to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.

図1は、本実施の形態に係る微量液体ディスペンサの全体構成図である。微量液体ディスペンサ1は、ワーク台2と、このワーク台2に載せたワーク3の表面等の所定の部位に微量液体を滴下するノズル4とを備えている。ワーク台2は例えば3軸機構5によって水平な平面上および垂直方向に移動可能である。ワーク台2を固定し、ノズル4の側を3軸方向に移動させることも可能である。   FIG. 1 is an overall configuration diagram of a trace liquid dispenser according to the present embodiment. The trace liquid dispenser 1 includes a work table 2 and a nozzle 4 that drops a trace liquid on a predetermined portion such as the surface of the work 3 placed on the work table 2. The work table 2 can be moved on a horizontal plane and in a vertical direction by, for example, a three-axis mechanism 5. It is also possible to fix the work table 2 and move the nozzle 4 side in the triaxial direction.

ノズル4は本例では垂直に維持された細長い円筒状のノズルであり、このノズル4には、ノズル内径よりも大きな内径の液体通路6が接続されている。液体通路6はポンプ7を介して液体貯留部8に繋がっており、ポンプ7と液体貯留部8によって液体供給部が構成される。ポンプ7としては例えばモーノポンプ等の容積型のものを用いることができる。液体貯留部8には例えば粘性液体9が貯留されている。   The nozzle 4 is an elongated cylindrical nozzle maintained vertically in this example, and a liquid passage 6 having an inner diameter larger than the inner diameter of the nozzle is connected to the nozzle 4. The liquid passage 6 is connected to the liquid storage unit 8 via the pump 7, and the liquid supply unit is configured by the pump 7 and the liquid storage unit 8. As the pump 7, for example, a positive displacement type such as a Mono pump can be used. For example, a viscous liquid 9 is stored in the liquid storage unit 8.

液体通路6は、ポンプ7に繋がる上流側通路部分6Aと、中間通路部分10と、ノズル4に繋がる下流側通路部分6Bから形成されている。ノズル4は金属などの剛体からなる円筒状のものであり、下流側通路部分6Bも同様に金属等の剛体からなる円筒状のものであり、その内径はノズル内径よりも大きく、内部を流れる粘性液体の圧力変動によって内容積が変化しないものである。本例では、上流側通路部分6Aも剛性の管から形成されている。上流側通路部分6Aを可撓性のチューブから形成することも可能である。   The liquid passage 6 is formed of an upstream passage portion 6 </ b> A connected to the pump 7, an intermediate passage portion 10, and a downstream passage portion 6 </ b> B connected to the nozzle 4. The nozzle 4 has a cylindrical shape made of a rigid body such as metal, and the downstream-side passage portion 6B is also a cylindrical shape made of a rigid body such as metal, and the inner diameter thereof is larger than the inner diameter of the nozzle, and the viscosity flows inside. The internal volume is not changed by the pressure fluctuation of the liquid. In this example, the upstream passage portion 6A is also formed of a rigid tube. It is also possible to form the upstream passage portion 6A from a flexible tube.

中間通路部分10は容量可変通路部分となっている。したがって、以下の説明においては、当該中間通路部分10を容量可変通路部分10と呼ぶ。容量可変通路部分10は、円筒通路11を備え、この円筒通路11の両端は剛体の端板11a、11bによって形成されているが、その円筒状胴部11cは半径方向に弾性変形可能な弾性膜から形成されている。円筒状胴部11cの内径は下流側通路部分6Bおよび上流側通路部分6Aよりも大きい。   The intermediate passage portion 10 is a capacity variable passage portion. Therefore, in the following description, the intermediate passage portion 10 is referred to as a capacity variable passage portion 10. The capacity variable passage portion 10 includes a cylindrical passage 11, and both ends of the cylindrical passage 11 are formed by rigid end plates 11a and 11b. The cylindrical body portion 11c has an elastic membrane that is elastically deformable in the radial direction. Formed from. The inner diameter of the cylindrical body portion 11c is larger than that of the downstream passage portion 6B and the upstream passage portion 6A.

円筒通路11の円筒状胴部11cを同心状に取り囲む状態に、円環状断面の密閉外周空間である圧力室12が形成されている。圧力室12は加圧機構13に繋がっており、加圧機構13によって圧力室12の内圧を上げることが可能である。圧力室12が加圧されると、円筒通路11の円筒状胴部11cが半径方向の内側に軸対称の状態で収縮して、円筒通路11の内容積が減少する。加圧機構13による加圧を解除すると、円筒状胴部11cが元の円筒形状に弾性復帰し、内容積を元に戻すことが可能である。このように、圧力室12と加圧機構13とによって、円筒通路11を軸対称の状態に撓めて、その内容積を増減するための通路変形部が構成される。   A pressure chamber 12, which is a sealed outer peripheral space having an annular cross section, is formed in a state of concentrically surrounding the cylindrical body portion 11 c of the cylindrical passage 11. The pressure chamber 12 is connected to the pressurizing mechanism 13, and the internal pressure of the pressure chamber 12 can be increased by the pressurizing mechanism 13. When the pressure chamber 12 is pressurized, the cylindrical body portion 11c of the cylindrical passage 11 contracts in an axially symmetric state in the radial direction, and the internal volume of the cylindrical passage 11 decreases. When the pressurization by the pressurization mechanism 13 is released, the cylindrical body 11c is elastically restored to the original cylindrical shape, and the internal volume can be restored. As described above, the pressure chamber 12 and the pressurizing mechanism 13 constitute a passage deforming portion for flexing the cylindrical passage 11 in an axially symmetric state to increase or decrease its internal volume.

通路変形部としては、加圧機構13の代わりに圧力室12を減圧状態にする減圧機構を用いることもできる。この場合には、減圧状態にして円筒通路11の内容積を増加させた状態で粘性液体9を円筒通路11に取り込み、減圧状態を解除することで、円筒通路11の内容積を減少させて内部の粘性液体9を押し出すことができる。また、加圧機構13の代わりに加圧・減圧機構を用いることもできる。この場合には、減圧状態にして円筒通路11の内容積を増加させた状態で粘性液体9を円筒通路11に取り込み、加圧状態に切り替えて円筒通路11の内容積を減少させて粘性液体9を押し出す。円筒通路11の内容積の増減による粘性液体9の押出し量を増やすことができる。   As the passage deforming portion, a pressure reducing mechanism that makes the pressure chamber 12 in a reduced pressure state can be used instead of the pressure mechanism 13. In this case, the viscous liquid 9 is taken into the cylindrical passage 11 in a state where the internal volume of the cylindrical passage 11 is increased under reduced pressure, and the internal volume of the cylindrical passage 11 is reduced and released by releasing the reduced pressure state. The viscous liquid 9 can be extruded. A pressurizing / depressurizing mechanism may be used instead of the pressurizing mechanism 13. In this case, the viscous liquid 9 is taken into the cylindrical passage 11 in a reduced pressure state and the internal volume of the cylindrical passage 11 is increased, and is switched to a pressurized state to reduce the internal volume of the cylindrical passage 11 to reduce the viscous liquid 9. Extrude The extrusion amount of the viscous liquid 9 by increasing / decreasing the internal volume of the cylindrical passage 11 can be increased.

液体供給用のポンプ7、加圧機構13、3軸機構5等の各部分は、制御部14によって駆動が制御される。制御部14による制御動作は、操作・表示部15からの操作入力に基づき行われ、動作状態等が操作・表示部15に表示可能である。   Driving of each part such as the liquid supply pump 7, the pressurizing mechanism 13, and the triaxial mechanism 5 is controlled by the control unit 14. The control operation by the control unit 14 is performed based on an operation input from the operation / display unit 15, and an operation state or the like can be displayed on the operation / display unit 15.

ここで、ノズル4は微小径のノズルであり、その先端口4aの内径が500μm以下、
例えば100μmの細長い円筒状ノズルである。また、液体通路6における容量可変通路部分10の上流側の上流側通路部分6Aは、ポンプ7の吐出ポート7aから容量可変通路部分10の上流端開口10aまでの通路部分である。液体通路6における容量可変通路部分10の下流側の下流側通路部分6Bは、ノズル4の後端口から容量可変通路部分10の下流端開口10bまでの通路部分である。ノズル4は微小径のノズルであるので、上流側通路部分6Aの液体通路抵抗に比べて、下流側通路部分6Bおよびノズル4を含む下流側の液体通路抵抗が極めて大きい。
Here, the nozzle 4 is a nozzle having a minute diameter, and the inner diameter of the tip end 4a is 500 μm or less,
For example, an elongated cylindrical nozzle of 100 μm. Further, the upstream passage portion 6 </ b> A on the upstream side of the capacity variable passage portion 10 in the liquid passage 6 is a passage portion from the discharge port 7 a of the pump 7 to the upstream end opening 10 a of the capacity variable passage portion 10. A downstream passage portion 6 </ b> B downstream of the variable volume passage portion 10 in the liquid passage 6 is a passage portion from the rear end port of the nozzle 4 to the downstream end opening 10 b of the variable volume passage portion 10. Since the nozzle 4 is a minute diameter nozzle, the downstream side liquid passage resistance including the downstream side passage portion 6B and the nozzle 4 is extremely larger than the liquid passage resistance of the upstream side passage portion 6A.

本例では、粘性液体9を、液体通路6およびノズル4の先端口4aまで充填した液体充填状態で、容量可変通路部分10をその内容積が減少するように収縮させた場合に、当該容量可変通路部分10から下流側通路部分6Bに押し出される液体量が、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微小量となるように、当該液体量と上流側通路部分6Aに押し戻される液体量との比率が、1:100〜1:500の範囲内の値に設定されている。換言すると、このような比率となるように、上流側通路部分6Aの側の液体通路抵抗に比べて、下流側通路部分6Bおよびノズル4を含む下流側の液体通路抵抗が極めて大きくなるように設定されている。   In this example, when the capacity variable passage portion 10 is contracted so that the internal volume decreases in a liquid filling state in which the viscous liquid 9 is filled up to the liquid passage 6 and the tip end 4a of the nozzle 4, the capacity is changed. The ratio of the liquid amount and the liquid amount pushed back to the upstream side passage portion 6A is such that the amount of liquid pushed out from the passage portion 10 to the downstream side passage portion 6B becomes a minute amount of nanoliter order to picoliter order, The value is set within the range of 1: 100 to 1: 500. In other words, the downstream side liquid passage resistance including the downstream side passage portion 6B and the nozzle 4 is set to be extremely large as compared with the liquid passage resistance on the upstream side passage portion 6A side so as to have such a ratio. Has been.

図2(a)は微量液体ディスペンサ1の動作を示す概略フローチャートであり、図2(b)および(c)は、容量可変通路部分10の動きを示す説明図である。   FIG. 2A is a schematic flowchart showing the operation of the trace liquid dispenser 1, and FIGS. 2B and 2C are explanatory views showing the movement of the capacity variable passage portion 10.

図2(a)に従って説明すると、まず、ワーク台2に対象となるワーク3を載せ、ワーク3の微量液体の滴下位置にノズル4の先端口4aを真上から一定のギャップで対峙させるなどの初期設定動作を行う(ステップST1)。また、ポンプ7を駆動して、液体貯留部8から液体通路6を介してノズル4内の先端口4aまで液体が供給された状態を形成する(ステップST2)。   2A, the target work 3 is first placed on the work base 2, and the tip 4a of the nozzle 4 is opposed to the position where the trace liquid is dropped from the work 3 with a certain gap from above. An initial setting operation is performed (step ST1). Further, the pump 7 is driven to form a state in which the liquid is supplied from the liquid reservoir 8 through the liquid passage 6 to the tip opening 4a in the nozzle 4 (step ST2).

ワーク3に対する微量液体の滴下動作においては、液体供給用のポンプ7は例えば停止状態とされ、加圧機構13を駆動して圧力室12の内圧を予め設定した圧力まで上げる。これにより、容量可変通路部分10が外側から加圧され、その円筒状胴部11cが収縮する。この結果、図2(b)に示すように、容量可変通路部分10の内容積が減少する(ステップST3)。   In the dropping operation of the trace amount liquid on the workpiece 3, the liquid supply pump 7 is stopped, for example, and the pressurizing mechanism 13 is driven to increase the internal pressure of the pressure chamber 12 to a preset pressure. Thereby, the capacity variable passage portion 10 is pressurized from the outside, and the cylindrical body portion 11c contracts. As a result, as shown in FIG. 2B, the internal volume of the capacity variable passage portion 10 decreases (step ST3).

容量可変通路部分10が収縮すると、その内部に保持されていた液体が、下流端開口10bおよび上流端開口10aのそれぞれから押し出されて、下流側および上流側に向けて分流する。下流側へ押し出される粘性液体9の分流量は、下流側通路部分6Bおよびノズル4を含む下流側の液体通路抵抗と、上流側通路部分6Aの側の液体通路抵抗との比に応じて定まる。   When the capacity variable passage portion 10 contracts, the liquid held therein is pushed out from each of the downstream end opening 10b and the upstream end opening 10a, and is divided into the downstream side and the upstream side. The partial flow rate of the viscous liquid 9 pushed out downstream is determined according to the ratio between the downstream liquid passage resistance including the downstream passage portion 6B and the nozzle 4 and the liquid passage resistance on the upstream passage portion 6A side.

下流側の液体通路抵抗が大幅に大きいので、下流側には僅量液体が押し出される。下流側に押し出された微量液体によって、下流側通路部分6Bの内圧が一時的に高まり、これによって、ノズル4の先端口4aから所定量の微量液体がワーク3に向けて滴下する。   Since the downstream liquid passage resistance is significantly large, a small amount of liquid is pushed downstream. The internal pressure of the downstream-side passage portion 6B is temporarily increased by the trace liquid pushed out downstream, whereby a predetermined amount of trace liquid drops from the tip end 4a of the nozzle 4 toward the workpiece 3.

この後は、加圧機構13による加圧を解除し、圧力室12を例えば大気圧状態まで戻す(ステップST4)。この結果、図2(c)に示すように、容量可変通路部分10の円筒状胴部11cは半径方向の外方に膨張して元の円筒形状に弾性復帰する。これにより、容量可変通路部分10には、上流側通路部分6Aおよび下流側通路部分6Bの双方から液体が吸引されて流れ込む。   Thereafter, the pressurization by the pressurization mechanism 13 is released, and the pressure chamber 12 is returned to, for example, an atmospheric pressure state (step ST4). As a result, as shown in FIG. 2 (c), the cylindrical body portion 11c of the capacity variable passage portion 10 expands outward in the radial direction and elastically returns to the original cylindrical shape. Thereby, the liquid is sucked into the capacity variable passage portion 10 from both the upstream passage portion 6A and the downstream passage portion 6B.

液体の流入量も、上流側及び下流側の液体通路抵抗の比に対応する。よって、ノズル4の側の下流側通路部分6Bからは極僅かの液体が上流側に引き戻されるだけである。この
ため、ノズル4の先端口4aにおいては、液体のメニスカスが破壊されない程度に、ノズル4の内部に引き上げられる。また、微量液体の滴下後に先端口4aから液だれ等の不具合が生じることも確実に防止できる。
The amount of inflow of the liquid also corresponds to the ratio of the upstream and downstream liquid passage resistances. Therefore, only a slight amount of liquid is drawn back upstream from the downstream passage portion 6B on the nozzle 4 side. Therefore, the tip 4a of the nozzle 4 is pulled up into the nozzle 4 to the extent that the liquid meniscus is not destroyed. In addition, it is possible to reliably prevent problems such as liquid dripping from the tip opening 4a after the trace amount of liquid is dropped.

所定の長さに亘って所定間隔で微量液体を滴下する場合には、必要回数だけ、微量液体の滴下動作を行い、しかる後に動作を終了する(ステップST5)。   When a small amount of liquid is dropped at a predetermined interval over a predetermined length, the liquid is dropped as many times as necessary, and then the operation is terminated (step ST5).

本発明者等の実験によれば、ノズル4として、その先端口4aが25μm〜100μmのものを用いて、50Pa・s〜100Pa・sの高粘度液体を、数十ピコリットル〜数ナノリットルの微量で、精度良く、滴下あるいは吐出動作を行うことが可能なことが確認された。   According to the experiments by the present inventors, a nozzle 4 having a tip 4a of 25 μm to 100 μm is used, and a high viscosity liquid of 50 Pa · s to 100 Pa · s is applied to several tens of picoliters to several nanoliters. It was confirmed that the dropping or discharging operation can be performed with a small amount and with high accuracy.

ここで、容量可変通路部分10の収縮量および収縮速度の一方あるいは双方は、次のパラメータに基づき適切に設定することができる。
ノズル4の先端口4aから一度に吐出あるいは滴下させる液体量
ノズル4の先端口4aの内径寸法
液体の粘度
上流側通路部分6Aの側の液体通路抵抗と、下流側通路部分6Bおよびノズル4を含む下流側の液体通路抵抗との比
Here, one or both of the contraction amount and the contraction speed of the capacity variable passage portion 10 can be appropriately set based on the following parameters.
The amount of liquid to be discharged or dripped from the front end 4a of the nozzle 4 at once The inner diameter dimension of the front end 4a of the nozzle 4 The viscosity of the liquid The liquid passage resistance on the upstream passage portion 6A side, the downstream passage portion 6B and the nozzle 4 are included. Ratio with downstream liquid passage resistance

使用ノズル、使用液体、1回の液体滴下量等は予め設定されているので、これらに応じて制御部14によって各部の駆動制御を行わせるようにすればよい。上流側通路部分6Aと下流側通路部分6Bの比は、可変制御することも可能である。   Since the used nozzle, the used liquid, the amount of liquid dropped once, etc. are set in advance, the control unit 14 may perform drive control of each unit in accordance with these. The ratio of the upstream passage portion 6A and the downstream passage portion 6B can be variably controlled.

例えば、図3に示すように、上流側通路部分6Aに流量調整弁16を取付け、これを制御部14によって制御可能にする。ワーク3への微量液体の滴下動作に先だって、流量調整を行うことで、上流側通路部分6Aの液体通路抵抗と、下流側通路部分6Bおよびノズル4を含む下流側の液体通路抵抗との比を調整することが可能である。   For example, as shown in FIG. 3, a flow rate adjusting valve 16 is attached to the upstream side passage portion 6 </ b> A and can be controlled by the control unit 14. Prior to the dripping operation of the small amount of liquid onto the workpiece 3, the flow rate is adjusted to obtain a ratio between the liquid passage resistance of the upstream passage portion 6A and the downstream liquid passage resistance including the downstream passage portion 6B and the nozzle 4. It is possible to adjust.

なお、本発明の方法およびディスペンサは、様々な液材の流出(滴下、吐出等)に用いることができる。例えば、次のような液材を用いることができる。
金属ペースト(Ag、Cu、ハンダ等)
樹脂液材(シリコーン接着剤、UV硬化樹脂、フォト・レジスト、UV硬化接着剤、その他の各種樹脂液剤)
フィラー入り液材(フィラー:蛍光粒子、シリカ粒子、フリット・ガラス、酸化チタン、各種ナノマイクロ粒子等)
In addition, the method and dispenser of this invention can be used for the outflow (dropping, discharge, etc.) of various liquid materials. For example, the following liquid material can be used.
Metal paste (Ag, Cu, solder, etc.)
Resin liquid material (silicone adhesive, UV curable resin, photo resist, UV curable adhesive, other various resin liquids)
Filled liquid material (filler: fluorescent particles, silica particles, frit / glass, titanium oxide, various nano-micro particles, etc.)

また、本発明の適用技術分野としては次のような分野がある。
光学部品製造への適用(遮光材塗布、アパーチャ形成、レンズ面への各種液材塗布)
電子部品への極微小量の接着剤滴下(LED、水晶発振子、MEMS、パワー・デバイス等)
FPD、撮像センサのガラス貼り合わせ
Agナノペーストによる配線(ITOへの補助配線、微小エリアへの配線形成等)
In addition, there are the following fields as application technical fields of the present invention.
Application to optical component manufacturing (shading material application, aperture formation, application of various liquid materials to the lens surface)
A very small amount of adhesive dripping onto electronic components (LED, crystal oscillator, MEMS, power device, etc.)
FPD, glass bonding of imaging sensors Wiring with Ag nanopaste (auxiliary wiring to ITO, wiring formation to minute areas, etc.)

1 微量液体ディスペンサ
2 ワーク台
3 ワーク
4 ノズル
4a 先端口
5 3軸機構
6 液体通路
6A 上流側通路部分
6B 下流側通路部分
7 ポンプ
7a 吐出ポート
8 液体貯留部
9 粘性液体
10 容量可変通路部分
10a 上流端開口
10b 下流端開口
11 円筒通路
11a、11b 端板
11c 円筒状胴部
12 圧力室
13 加圧機構
14 制御部
15 操作・表示部
16 流量調整弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Trace liquid dispenser 2 Work stand 3 Work 4 Nozzle 4a Tip port 5 Triaxial mechanism 6 Liquid passage 6A Upstream passage part 6B Downstream passage part 7 Pump 7a Discharge port 8 Liquid storage part 9 Viscous liquid 10 Capacity variable passage part 10a Upstream End opening 10b Downstream end opening 11 Cylindrical passages 11a, 11b End plate 11c Cylindrical body 12 Pressure chamber 13 Pressurizing mechanism 14 Control unit 15 Operation / display unit 16 Flow rate adjusting valve

本発明は、例えば0.5mm以下の微小径のノズルを用いて、ナノリットルオーダー、さらにはピコリットルオーダーの微量液体の滴下が可能な微量液体滴下方法および微量液体ディスペンサに関する。 The present invention is, for example 0.5mm using the following small diameter of the nozzle, nanoliter order, more about the micro-liquid dropping method and a trace liquid dispenser capable dripping of microfluidic picoliter order.

基板表面等に液体を滴下あるいは吐出する機構としては空圧式の液体ディスペンサが知られている。液体ディスペンサでは、ポンプ等の加圧子を用いて液体を加圧して、所定径のノズルから液体を滴下あるいは吐出して、対象の基板表面等に液体を塗布する。特許文献1〜3には、このような液体ディスペンサが記載されている。   A pneumatic liquid dispenser is known as a mechanism for dropping or discharging liquid on the substrate surface or the like. In a liquid dispenser, a liquid is pressurized using a pressurizer such as a pump, and the liquid is dropped or ejected from a nozzle having a predetermined diameter to apply the liquid onto the surface of a target substrate. Patent Documents 1 to 3 describe such a liquid dispenser.

また、半導体製造工程等における微細パターニングは、空圧式の液体ディスペンサでは困難であり、静電吐出方式の液体吐出ヘッド等が用いられている。このような液体吐出ヘッドは、本発明者等によって特許文献4において提案されている。   Further, fine patterning in a semiconductor manufacturing process or the like is difficult with a pneumatic liquid dispenser, and an electrostatic discharge liquid discharge head or the like is used. Such a liquid discharge head has been proposed in Patent Document 4 by the present inventors.

一方、特許文献5には、液体を計量分注する微小計量装置が提案されている。ここに提案されている微小計量装置では、流体容器から液体が供給される一定の内径のフレキシブルチューブを備え、フレキシブルチューブを圧電アクチュエータによって駆動される押出器によって押しつぶして、当該フレキシブルチューブの一端に形成されている出口穴から微量の液体を吐出させるようにしている。   On the other hand, Patent Document 5 proposes a micrometering device for metering and dispensing a liquid. The micrometering device proposed here includes a flexible tube with a constant inner diameter to which liquid is supplied from a fluid container, and the flexible tube is crushed by an extruder driven by a piezoelectric actuator and formed at one end of the flexible tube. A small amount of liquid is discharged from the outlet hole.

押出器の高速移動によって引き起こされる容積変化によって、一方ではフレキシブルチューブの出口穴に向かって流体の流れが起こり、他方では入口路を通して流体容器への逆流が起こる。また、押出器は出口穴の近くに位置決めされ、フレキシブルチューブにおける押出器によって押される部分よりも出口穴側の流体インピーダンスは上流側の入口路の側の流体インビーダンスに比較して低く、押し出される流体の大部分が出口穴から吐出されるようになっている。さらに、押出器によるフレキシブルチューブの押圧面は出口穴の側に向かってセットバックした傾斜面となっており、押圧器でフレキシブルチューブを押圧すると、出口側に向けて多くの流体が押し出される。換言すると、管路抵抗の比で吐出
量を決め、勢い良く流体を出口穴から吐出させるために、軸非対称な状態となるようにフレキシブルチューブを変形させている。
The volume change caused by the high speed movement of the extruder causes a fluid flow on the one hand towards the outlet hole of the flexible tube and on the other hand a back flow through the inlet channel to the fluid container. In addition, the extruder is positioned near the outlet hole, and the fluid impedance on the outlet hole side is lower than the fluid impedance on the inlet path side on the upstream side than the portion pushed by the extruder in the flexible tube. Most of the fluid to be discharged is discharged from the outlet hole. Furthermore, the pressing surface of the flexible tube by the extruder is an inclined surface set back toward the outlet hole side, and when the flexible tube is pressed by the pressing device, a lot of fluid is pushed out toward the outlet side. In other words, the flexible tube is deformed so as to be in an axially asymmetric state in order to determine the discharge amount by the ratio of the pipe resistance and to discharge the fluid vigorously from the outlet hole.

特開平10−57866号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-57866 特許第3564361号公報Japanese Patent No. 3564361 特開2005−797号公報JP 2005-797 A 特開2010−64359号公報JP 2010-64359 A 特表2007−502399号公報Special table 2007-502399 gazette

静電吐出方式の液体吐出ヘッドの場合には、ヘッドと対象基板の間に生じる静電気力を利用している。したがって、吐出対象の素材が非導電性素材(誘電性あるいは誘電性の高い素材)に限定されるという制約がある。ピエゾ駆動式等の他の駆動形式の液体吐出ヘッドを用いることも可能であるが、これらは粘性の高い液体を吐出あるいは滴下することが困難である。例えば、UV硬化樹脂等の高粘度樹脂液材、Agペースト等の高粘度金属ペーストを、ナノリットルオーダーあるいはピコリットルオーダーで吐出、滴下することが困難である。   In the case of an electrostatic discharge type liquid discharge head, an electrostatic force generated between the head and a target substrate is used. Therefore, there is a restriction that the material to be ejected is limited to a non-conductive material (a material having high dielectric properties or dielectric properties). Although it is possible to use a liquid discharge head of another drive type such as a piezo drive type, it is difficult to discharge or drop a highly viscous liquid. For example, it is difficult to discharge and drop a high-viscosity resin liquid material such as a UV curable resin or a high-viscosity metal paste such as an Ag paste in the nanoliter order or picoliter order.

そこで、空圧式等の液体ディスペンサのノズル径を500μm以下、例えば、100μm以下の微小径とし、微細な液滴を吐出可能あるいは滴下可能にすることが考えられる。しかしながら、このような微小径のノズルから液体を、一定の微小流量で吐出させることは困難である。例えば、細いノズルの管路抵抗は大きいので、ノズルに供給される液体の加圧力を大きくしても、ノズルから、液体を吐出、あるいは滴下させることが困難である。   Therefore, it is conceivable to set the nozzle diameter of a pneumatic dispenser or the like to a minute diameter of 500 μm or less, for example, 100 μm or less, so that a fine droplet can be discharged or can be dropped. However, it is difficult to discharge liquid from such a small diameter nozzle at a constant minute flow rate. For example, since the pipe resistance of a thin nozzle is large, it is difficult to discharge or drop liquid from the nozzle even if the pressure of the liquid supplied to the nozzle is increased.

また、液体の加圧力を高めると、一度に多量の液体がノズルから吐出あるいは滴下し、その後はノズル内の液体圧力が一時的に下がるので、液体の吐出あるいは滴下が不安定になる。これが繰り返されてしまい、ナノリットルオーダーあるいはピコリットルオーダーの微量の液体を断続的に吐出あるいは滴下できない。   Further, when the pressure of the liquid is increased, a large amount of liquid is discharged or dripped from the nozzle at a time, and thereafter, the liquid pressure in the nozzle is temporarily lowered, so that the discharge or dripping of the liquid becomes unstable. This is repeated, and a minute amount of liquid in nanoliter order or picoliter order cannot be discharged or dropped intermittently.

一方、特許文献5において提案されている微小計量装置では、微小径のフレキシブルチューブの一部分は、圧電アクチュエータによって駆動される押出器によって、流体が出口穴の側に押し出されるように軸非対称な変形状態に押しつぶされる。軸非対称な状態にフレキシブルチューブを押しつぶすことで、液体の殆どが出口穴に向けて(下流側に向けて)押し出され、当該出口穴から勢いよく吐出される。   On the other hand, in the micrometering device proposed in Patent Document 5, a part of a microdiameter flexible tube is deformed in an axially asymmetric state so that fluid is pushed out to the outlet hole side by an extruder driven by a piezoelectric actuator. Will be crushed. By crushing the flexible tube in an axially asymmetric state, most of the liquid is pushed out toward the outlet hole (toward the downstream side) and is ejected vigorously from the outlet hole.

吐出される液滴をナノリットルオーダー、ピコリットルオーダーの微小量に制御するためには、フレキシブルチューブの押しつぶし量を微小にする必要があり、そのためには、フレキシブルチューブを精度良く製作し、圧電アクチュエータを精度良く駆動制御する必要がある。また、出口側に向けて勢いよく流体が押し出されるように、フレキシブルチューブを軸非対称な状態に押しつぶす必要があるので、押出器の押圧面の形状等も精度良く加工する必要がある。   In order to control the ejected droplets to a minute amount on the order of nanoliters or picoliters, it is necessary to reduce the amount of crushing of the flexible tube. Must be controlled with high accuracy. Moreover, since it is necessary to crush the flexible tube in an axially asymmetric state so that the fluid is pushed out toward the outlet side, the shape of the pressing surface of the extruder must be processed with high accuracy.

しかしながら、微小径のフレキシブルチューブの一部分を正確に微小量だけ押しつぶして、ナノリットルオーダー、ピコリットルオーダーの微小液体を押し出す機構は、静電駆動式、ピエゾ駆動式のインクジェットヘッドの場合のようにフォトリソグラフィ技術等を用いて製造できず、したがって、精度良く微小機構を製作するにはコストが掛かり、実用
的ではない。
However, the mechanism that crushes a part of a small diameter flexible tube precisely by a minute amount and pushes out micro liquid of nano liter order or pico liter order is the same as that of electrostatic drive and piezo drive ink jet heads. It cannot be manufactured using a lithography technique or the like. Therefore, it is expensive to manufacture a micro mechanism with high accuracy and is not practical.

また、フレキシブルチューブの先に液滴が吐出する出口穴が形成されている。このため、押出器によって押しつぶされる部分から出口穴までの間のチューブ部分が変形すると、出口穴から吐出される液滴量が変動するおそれがある。例えば、押出器によって押されてフレキシブルチューブの内圧が変動すると、これに伴って出口穴近傍のチューブ部分が変形して、吐出される液滴量が変化し、精度良く微量液滴を吐出できないおそれがある。   In addition, an outlet hole for discharging droplets is formed at the tip of the flexible tube. For this reason, if the tube portion between the portion crushed by the extruder and the outlet hole is deformed, the amount of liquid droplets discharged from the outlet hole may vary. For example, if the internal pressure of the flexible tube fluctuates due to being pushed by the extruder, the tube portion near the outlet hole is deformed accordingly, and the amount of discharged liquid droplets changes, and there is a possibility that a small amount of liquid droplets cannot be discharged accurately. There is.

本発明の課題は、このような点に鑑みて、例えば500μm以下の微小径のノズルを用いて、ナノリットルオーダー、さらにはピコリットルオーダーの微量液体を廉価な構成により精度良く滴下可能な微量液体の滴下方法および微量液体ディスペンサを提供することにある。 In view of these points, the problem of the present invention is that a trace amount of liquid that can be accurately dropped with a low-cost configuration by using a microliter nozzle having a micro diameter of 500 μm or less, such as a nanoliter order or picoliter order. It is in providing the dripping method of this, and a trace liquid dispenser.

上記の課題を解決するために、本発明は、筒状のノズルの先端口から、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を滴下させる微量液体の滴下方法であって、
液体供給部から前記ノズルに液体を供給する液体通路を、上流側通路部分、中間通路部分および下流側通路部分から形成し、前記中間通路部分を、その内容積が増減するように膨張収縮可能な通路部分とし、
前記液体を、前記液体通路から前記ノズルの前記先端口まで充填した液体充填状態で、前記中間通路部分の内容積が減少するように当該中間通路部分を変形させた場合に、当該中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される液体量が、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微小量となるように、当該液体量と前記上流側通路部分に押し戻される液体量との比率を、1:100〜1:500に設定し、
微量液体の滴下動作においては、
前記液体充填状態を形成し、
前記中間通路部分をその内容積が減少するように変形させ、
前記中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される微小量の液体によって、前記ノズルの前記先端口から微量液体を滴下させ、
前記中間通路部分の変形を解除して当該中間通路部分の内容積を元の容積に戻して、前記下流側通路部分から、前記ノズルの先端口に形成されている液体のメニスカスが破壊されない程度に、微小量の液体を当該中間通路部分内に吸い戻し、前記上流側通路部分から液体を前記中間通路部分内に吸い込むことを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention is a method for dropping a trace amount liquid from a tip end of a cylindrical nozzle to drop a trace amount liquid in a nanoliter order to a picoliter order,
A liquid passage for supplying a liquid from the liquid supply section to the nozzle is formed of an upstream passage portion, an intermediate passage portion, and a downstream passage portion, and the intermediate passage portion can be expanded and contracted so that its internal volume increases or decreases. A passage part,
When the intermediate passage portion is deformed so that the internal volume of the intermediate passage portion decreases in a liquid-filled state in which the liquid is filled from the liquid passage to the tip end of the nozzle, the intermediate passage portion The ratio of the amount of liquid and the amount of liquid pushed back to the upstream-side passage portion is set to 1: 100 to be such that the amount of liquid pushed out to the downstream-side passage portion becomes a minute amount of nanoliter order to picoliter order. Set to 1: 500,
In the dripping operation of a small amount of liquid,
Forming the liquid filling state,
Deforming the intermediate passage portion so that its internal volume decreases;
With a minute amount of liquid pushed out from the intermediate passage portion to the downstream passage portion, a minute amount of liquid is dropped from the tip end of the nozzle ,
The deformation of the intermediate passage portion is released and the inner volume of the intermediate passage portion is returned to the original volume so that the liquid meniscus formed at the tip end of the nozzle is not destroyed from the downstream passage portion. A minute amount of liquid is sucked back into the intermediate passage portion, and liquid is sucked into the intermediate passage portion from the upstream passage portion.

ナノリットルオーダーあるいはピコリットルオーダーの微量液体を滴下させるために、ノズルも微小径ノズルが使用される。液体の供給源からは、所定の加圧状態で液体通路を介してノズルに液体が供給される。ノズル口径が小さい場合には、ノズル内の液体通路抵抗が大きく、液体の供給圧力を高めないと、ノズル口から液体を滴下あるいは吐出することができない。液体の供給圧力を上げると、ノズル口から一度に多量の液体が滴下あるいは吐出してしまい、液体の滴下状態あるいは吐出状態が不安定になる。このため、部材表面等に、微量液体を精度良く滴下させることが困難である。特に、高粘度樹脂液、高粘度金属ペーストなどの高粘度液材の場合には、微量液体を精度良く滴下させることが極めて困難である。 In order to drop a small amount of liquid in the order of nanoliters or picoliters , a nozzle having a minute diameter is also used. From the liquid supply source, the liquid is supplied to the nozzle through the liquid passage in a predetermined pressure state. When the nozzle diameter is small, the liquid passage resistance in the nozzle is large, and the liquid cannot be dropped or discharged from the nozzle opening unless the liquid supply pressure is increased. When the supply pressure of the liquid is increased, a large amount of liquid is dripped or discharged at a time from the nozzle opening, and the liquid dropping state or discharging state becomes unstable. For this reason, it is difficult to drop a minute amount of liquid on the surface of the member with high accuracy. In particular, in the case of a high-viscosity liquid material such as a high-viscosity resin liquid or a high-viscosity metal paste, it is extremely difficult to accurately drop a trace amount of liquid.

本発明では、液体通路を介してノズル内の先端口まで液体を供給して充填した後に、液体通路の途中の中間通路部分を外側から加圧するなどして、その内容積が減少する方向に変形、例えば収縮させる。これにより、中間通路部分に保持されている液体が、当該中間通路部分の下流側の下流側通路部分に押し出されると共に、上流側の上流側通路部分に押し戻される。   In the present invention, after supplying and filling the liquid to the tip opening in the nozzle through the liquid passage, the intermediate passage portion in the middle of the liquid passage is pressurized from the outside, and the inner volume is reduced in the direction of decreasing. For example, contract. As a result, the liquid held in the intermediate passage portion is pushed out to the downstream passage portion on the downstream side of the intermediate passage portion and pushed back to the upstream passage portion on the upstream side.

ここで、中間通路部分の上流側を開閉弁等で封鎖し、この状態で、中間通路部分を外側から加圧収縮させて液体をノズル側に押し出すと、ノズル側に大きな圧力が直接に作用する。この場合には、ノズルの先端口から多量の液体が一度に吐出あるいは滴下してしまう。ノズル先端口に作用する液体圧力を適切な値に制御するために、中間通路部分の変形量、例えば収縮量を微調整することは極めて困難である。   Here, if the upstream side of the intermediate passage part is blocked by an on-off valve or the like, and the intermediate passage part is pressurized and contracted from the outside and the liquid is pushed out to the nozzle side in this state, a large pressure directly acts on the nozzle side. . In this case, a large amount of liquid is discharged or dripped from the tip end of the nozzle at once. In order to control the liquid pressure acting on the nozzle tip to an appropriate value, it is extremely difficult to finely adjust the deformation amount, for example, the contraction amount, of the intermediate passage portion.

本発明では、中間通路部分が変形すると、下流側(ノズル側)および上流側の双方に向かう液体流が形成される。下流側と上流側の液体通路抵抗の比を適切に設定しておくことにより、中間通路部分を常に一定量だけ収縮させることによって、適切な液体圧をノズルの先端口に生じさせることができる。これにより、簡単な制御によって、精度良く微量液体を滴下させることができる。   In the present invention, when the intermediate passage portion is deformed, a liquid flow toward both the downstream side (nozzle side) and the upstream side is formed. By appropriately setting the ratio of the downstream and upstream liquid passage resistances, an appropriate liquid pressure can be generated at the tip end of the nozzle by always contracting the intermediate passage portion by a certain amount. Thereby, a trace amount liquid can be dripped with a sufficient precision by simple control.

特に、本発明においては、中間通路部分を変形させた場合に、当該中間通路部分から下流側通路部分に押し出される液体量が、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微小量となるように、当該液体量と上流側通路部分に押し戻される液体量との比率を、1:100〜1:500に設定してある。換言すると、中間通路部分の下流側と上流側の液体通路抵抗の比で、液体の吐出レンジ(1/100にするのか1/500にするのか等)を決めており、液体の吐出量は中間通路部分の容積変化量で決めている。   In particular, in the present invention, when the intermediate passage portion is deformed, the amount of liquid pushed out from the intermediate passage portion to the downstream passage portion becomes a minute amount from the nanoliter order to the picoliter order. The ratio between the amount and the amount of liquid pushed back to the upstream passage portion is set to 1: 100 to 1: 500. In other words, the ratio of the liquid passage resistance on the downstream side and the upstream side of the intermediate passage portion determines the liquid discharge range (whether it is 1/100 or 1/500), and the liquid discharge amount is intermediate. It is determined by the volume change of the passage part.

したがって、中間通路部分の内容積の減少量に対応して中間通路部分から押し出される液体量のうち、極わずかの量の液体が下流側通路部分に押し出され、これに対応する微量液体がノズルの先端口から滴下する。内容積の変化に対応する量の液体をノズルの先端口から滴下させる場合には、内容積を微小に変化させてナノリットルオーダー、ピコリットルオーダーの微量液体を押し出す必要がある。本発明によれば、マイクロリットルオーダーの液体が押し出されるように中間通路部分を変形させればよい。また、下流側(ノズル側)に押し出される液体は微小な量であるので、ノズル内の圧力が一時的に大幅に高くなり、多量の液体がノズルの先端口から滴下するおそれもない。よって、中間通路部分およびこの部分を変形させるための機構を廉価に構成でき、しかも、適切な圧力の下でノズルの先端口から微量液体を精度良く滴下させることが可能である。 Accordingly, a very small amount of the liquid pushed out from the intermediate passage portion in response to the amount of decrease in the internal volume of the intermediate passage portion is pushed out to the downstream passage portion, and a trace amount liquid corresponding to this is liquid. dripping from the tip opening. When dripping an amount of liquid corresponding to the change in the internal volume from the tip end of the nozzle, it is necessary to extrude a minute amount of liquid in the nanoliter order or picoliter order by minutely changing the internal volume. According to the present invention, the intermediate passage portion may be deformed so that the liquid in the microliter order is pushed out. Further, since the liquid pushed out to the downstream side (nozzle side) is a minute amount, the pressure in the nozzle is temporarily greatly increased, and there is no possibility that a large amount of liquid is dripped from the tip end of the nozzle. Therefore, the intermediate passage portion and the mechanism for deforming this portion can be configured at low cost, and a minute amount of liquid can be accurately dropped from the tip end of the nozzle under an appropriate pressure.

ここで、前記中間通路部分の変形を解除して当該中間通路部分の内容積を元の容積に戻す際に、前記下流側通路部分から当該中間通路部分内に吸い戻される液体量と、上流側通路部分から前記中間通路部分内に吸い込まれる液体量との比率も、1:100〜1:500になる。   Here, when the deformation of the intermediate passage portion is released and the inner volume of the intermediate passage portion is returned to the original volume, the amount of liquid sucked back into the intermediate passage portion from the downstream passage portion and the upstream side The ratio of the amount of liquid sucked into the intermediate passage portion from the passage portion is also 1: 100 to 1: 500.

したがって、中間通路部分の変形を解除して、その内容積を元に戻す際に、ノズル側から中間通路部分の側に逆流する液体量を微小量に抑えることができる。この結果、ノズルの先端口に形成されているメニスカスが破壊されることなく適切な状態に維持される。これにより、次の微量液体の滴下動作を適切に行うことが可能になる。 Accordingly, when the deformation of the intermediate passage portion is released and the inner volume is restored, the amount of liquid flowing backward from the nozzle side to the intermediate passage portion side can be suppressed to a minute amount. As a result, the meniscus formed at the tip end of the nozzle is maintained in an appropriate state without being destroyed. Thereby, it becomes possible to appropriately perform the next dropping operation of the trace liquid.

よって、本発明によれば、中間通路部分の変形および変形の解除を、所定の周期で繰り返して、ノズルの先端口からの微小液体の断続的な滴下を精度良く繰り返し行うことができる。 Therefore, according to the present invention, the intermediate passage portion can be repeatedly deformed and released at a predetermined cycle, and the minute liquid can be intermittently dropped from the tip end of the nozzle with high accuracy.

本発明において、上流側通路部分に配置した流量調整弁を制御して、当該上流側通路部分の液体流路抵抗を増減させて、中間通路部分から下流側通路部分に押し出される液体量と、中間通路部分から上流側通路部分に押し戻される液体量との比率を調整することができる。また、下流側通路部分から中間通路部分に吸い戻される液体量と、上流側通路部分から中間通路部分に吸い込まれる液体量との比率を調整することができる。   In the present invention, the flow rate adjusting valve arranged in the upstream passage portion is controlled to increase or decrease the liquid flow path resistance of the upstream passage portion, so that the amount of liquid pushed out from the intermediate passage portion to the downstream passage portion, The ratio of the amount of liquid pushed back from the passage portion to the upstream passage portion can be adjusted. Further, the ratio between the amount of liquid sucked back from the downstream passage portion into the intermediate passage portion and the amount of liquid sucked into the intermediate passage portion from the upstream passage portion can be adjusted.

本発明において、ノズルと、下流側通路部分および上流側通路部分のうちの少なくとも下流側通路部分とを、内部を流れる液体の圧力が変化しても内容積が変化しない通路部分とすることが望ましい。これにより、中間通路部分の内圧変動によって下流側通路部分およびノズルの内容積が変化することがないので、中間通路部分から押し出された微小量の液体に対応する微量液体をノズルの先端口から確実に吐出させることができる。   In the present invention, it is desirable that the nozzle and at least the downstream passage portion of the downstream passage portion and the upstream passage portion be a passage portion whose internal volume does not change even when the pressure of the liquid flowing inside changes. . As a result, the internal volume of the downstream passage portion and the nozzle does not change due to the internal pressure fluctuation of the intermediate passage portion, so that a small amount of liquid corresponding to the minute amount of liquid pushed out from the intermediate passage portion can be surely received from the nozzle tip. Can be discharged.

本発明において、中間通路部分の外周を取り囲む密閉外周空間を形成しておき、密閉外周空間の内圧を変化させることにより、中間通路部分を、その内容積が減少するように、その中心軸線を中心として軸対称の状態に変形させると共に当該変形を解除することが望ましい。軸非対称の状態に変形させる場合に比べて、軸対称の状態に変形させた方が、当該中間通路部分の膨張収縮制御の管理を簡単に行うことができ、したがって、ノズル側に押し出される液体の量も精度良く管理できる。   In the present invention, a sealed outer peripheral space surrounding the outer periphery of the intermediate passage portion is formed, and by changing the internal pressure of the sealed outer peripheral space, the intermediate passage portion is centered on its central axis so that its inner volume is reduced. As described above, it is desirable to deform into an axially symmetric state and cancel the deformation. Compared with the case of deforming to an axially asymmetric state, the expansion and contraction control of the intermediate passage portion can be easily managed by deforming to the axially symmetric state, and therefore, the liquid pushed out to the nozzle side can be controlled. The amount can be managed accurately.

例えば、密閉外周空間を加圧して中間通路部分を収縮させて液体を押し出し、加圧を解除して中間通路部分を元の形状に戻して液体を吸い込むことができる。また、密閉外周空間を減圧して中間通路部分を膨張させた状態で液体を吸い込み、減圧膨張を解除して液体を押し出すようにしてもよい。液体の押出し、吸い込み量を増加させるためには、密閉外周空間を加圧して中間通路部分を収縮させて液体を押し出し、密閉外周空間を減圧して中間通路部分を膨張させて液体を吸い込むようにすればよい。   For example, the sealed outer peripheral space can be pressurized to contract the intermediate passage portion to push out the liquid, and the pressure can be released to return the intermediate passage portion to its original shape and suck the liquid. Further, the liquid may be sucked in the state where the sealed outer peripheral space is decompressed and the intermediate passage portion is expanded, and the liquid may be released by releasing the decompression and expansion. In order to increase the amount of liquid to be pushed out and sucked, pressurize the sealed outer peripheral space to shrink the intermediate passage portion to push out the liquid, decompress the sealed outer peripheral space to expand the intermediate passage portion and suck in the liquid. do it.

本発明者等によれば、従来においては不可能であった、500μm以下、例えば、100μm以下の微細径のノズルから、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を精度良く滴下、吐出等できることが確認された。   According to the present inventors, it is possible to accurately drop, discharge, etc., a minute amount liquid of nanoliter order to picoliter order from a nozzle having a fine diameter of 500 μm or less, for example, 100 μm or less, which was impossible in the past. confirmed.

また、液体として、粘度が1Pa・s〜100Pa・sの高粘度液材を用いた場合においても、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を精度良く滴下、吐出等できることが確認された。   In addition, even when a high-viscosity liquid material having a viscosity of 1 Pa · s to 100 Pa · s was used as the liquid, it was confirmed that a minute amount of liquid of nanoliter order to picoliter order could be accurately dropped and discharged.

本発明において、中間通路部分の収縮量および収縮速度を次のパラメータに基づき制御することで、精度良く、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を滴下させることができる。
前記ノズルの先端口から一度に滴下させる微量液体量
前記ノズルの先端口の内径寸法
前記液体の粘度
前記中間通路部分の上流側の液体通路抵抗と下流側の液体通路抵抗との比
In the present invention, by controlling the contraction amount and contraction speed of the intermediate passage portion based on the following parameters, it is possible to accurately drop a trace amount liquid of nanoliter order to picoliter order.
Trace amount of liquid dripped from the nozzle tip at a time Inner diameter of the nozzle tip Viscosity of the liquid Ratio of the liquid passage resistance on the upstream side and the liquid passage resistance on the downstream side of the intermediate passage portion

次に、本発明は、筒状のノズルの先端口から、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を滴下させる微量液体ディスペンサであって、
上流側通路部分、中間通路部分および下流側通路部分を備え、前記中間通路部分が内容積が増減するように膨張収縮可能な通路部分となっている液体通路と、
前記液体通路を介して前記ノズルに液体を供給する液体供給部と、
前記中間通路部分の内容積が増減するように当該中間通路部分を変形させる通路変形部と、
制御部と、
を有しており、
前記液体を前記液体通路から前記ノズルの先端口まで充填した液体充填状態で、前記中間通路部分の内容積が減少するように当該中間通路部分を変形させた場合に、当該中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される液体量が、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微小量となるように、当該液体量と前記上流側通路部分に押し戻される液体量との比率が、1:100〜1:500に設定されており、
前記制御部は、
前記液体供給部を制御して前記液体通路を介して前記ノズルに液体を供給して前記液体充填状態を形成する制御動作と、
前記通路変形部を制御して前記中間通路部分を内容積が減少するように変形させて、前記中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される微小量の液体によって、前記ノズルの前記先端口から微量液体を滴下させる微量液体滴下動作と、
前記通路変形部を制御して前記中間通路部分の変形を解除して当該中間通路部分の内容積を元の容積に戻して、前記下流側通路部分から、前記ノズルの先端口に形成されている液体のメニスカスが破壊されない程度に、微小量の液体を当該中間通路部分内に吸い戻し、前記上流側通路部分から液体を前記中間通路部分内に吸い込む復帰動作とを行うことを特徴としている。
Next, the present invention is a trace liquid dispenser for dropping a trace amount liquid of nanoliter order to picoliter order from the tip end of a cylindrical nozzle,
A liquid passage comprising an upstream passage portion, an intermediate passage portion, and a downstream passage portion, wherein the intermediate passage portion is a passage portion that can be expanded and contracted so that the internal volume increases and decreases;
A liquid supply section for supplying a liquid to the nozzle through the liquid passage;
A passage deforming portion that deforms the intermediate passage portion so that the internal volume of the intermediate passage portion increases or decreases;
A control unit;
Have
When the intermediate passage portion is deformed so that the internal volume of the intermediate passage portion is reduced in a liquid-filled state in which the liquid is filled from the liquid passage to the tip end of the nozzle, the intermediate passage portion is further downstream than the intermediate passage portion. The ratio between the liquid amount and the liquid amount pushed back to the upstream passage portion is 1: 100 to 1: 1, so that the liquid amount pushed out to the side passage portion becomes a minute amount of nanoliter order to picoliter order. Is set to 500,
The controller is
A control operation for controlling the liquid supply unit to supply liquid to the nozzle via the liquid passage to form the liquid filling state;
By controlling the passage deforming portion to deform the intermediate passage portion so as to reduce the internal volume, the minute amount of liquid pushed out from the intermediate passage portion to the downstream passage portion causes the tip portion of the nozzle to A micro liquid dropping operation for dropping a micro liquid,
The intermediate passage portion is deformed by controlling the passage deforming portion to return the inner volume of the intermediate passage portion to its original volume, and is formed from the downstream passage portion to the tip end of the nozzle. A small amount of liquid is sucked back into the intermediate passage portion to such an extent that the liquid meniscus is not destroyed , and a returning operation is performed in which the liquid is sucked into the intermediate passage portion from the upstream side passage portion.

本発明を適用した微量液体ディスペンサの全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a trace liquid dispenser to which the present invention is applied. 図1の微量液体ディスペンサの動作を示すフローチャートおよび説明図である。It is a flowchart and explanatory drawing which show operation | movement of the trace liquid dispenser of FIG. 図1の微量液体ディスペンサの変形例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the modification of the trace liquid dispenser of FIG.

以下に、図面を参照して、本発明を適用した微量液体ディスペンサの実施の形態を説明する。   Embodiments of a trace liquid dispenser to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.

図1は、本実施の形態に係る微量液体ディスペンサの全体構成図である。微量液体ディスペンサ1は、ワーク台2と、このワーク台2に載せたワーク3の表面等の所定の部位に微量液体を滴下するノズル4とを備えている。ワーク台2は例えば3軸機構5によって水平な平面上および垂直方向に移動可能である。ワーク台2を固定し、ノズル4の側を3軸方向に移動させることも可能である。   FIG. 1 is an overall configuration diagram of a trace liquid dispenser according to the present embodiment. The trace liquid dispenser 1 includes a work table 2 and a nozzle 4 that drops a trace liquid on a predetermined portion such as the surface of the work 3 placed on the work table 2. The work table 2 can be moved on a horizontal plane and in a vertical direction by, for example, a three-axis mechanism 5. It is also possible to fix the work table 2 and move the nozzle 4 side in the triaxial direction.

ノズル4は本例では垂直に維持された細長い円筒状のノズルであり、このノズル4には、ノズル内径よりも大きな内径の液体通路6が接続されている。液体通路6はポンプ7を介して液体貯留部8に繋がっており、ポンプ7と液体貯留部8によって液体供給部が構成される。ポンプ7としては例えばモーノポンプ等の容積型のものを用いることができる。液体貯留部8には例えば粘性液体9が貯留されている。   The nozzle 4 is an elongated cylindrical nozzle maintained vertically in this example, and a liquid passage 6 having an inner diameter larger than the inner diameter of the nozzle is connected to the nozzle 4. The liquid passage 6 is connected to the liquid storage unit 8 via the pump 7, and the liquid supply unit is configured by the pump 7 and the liquid storage unit 8. As the pump 7, for example, a positive displacement type such as a Mono pump can be used. For example, a viscous liquid 9 is stored in the liquid storage unit 8.

液体通路6は、ポンプ7に繋がる上流側通路部分6Aと、中間通路部分10と、ノズル4に繋がる下流側通路部分6Bから形成されている。ノズル4は金属などの剛体からなる円筒状のものであり、下流側通路部分6Bも同様に金属等の剛体からなる円筒状のものであり、その内径はノズル内径よりも大きく、内部を流れる粘性液体の圧力変動によって内容積が変化しないものである。本例では、上流側通路部分6Aも剛性の管から形成されている。上流側通路部分6Aを可撓性のチューブから形成することも可能である。   The liquid passage 6 is formed of an upstream passage portion 6 </ b> A connected to the pump 7, an intermediate passage portion 10, and a downstream passage portion 6 </ b> B connected to the nozzle 4. The nozzle 4 has a cylindrical shape made of a rigid body such as metal, and the downstream-side passage portion 6B is also a cylindrical shape made of a rigid body such as metal, and the inner diameter thereof is larger than the inner diameter of the nozzle, and the viscosity flows inside. The internal volume is not changed by the pressure fluctuation of the liquid. In this example, the upstream passage portion 6A is also formed of a rigid tube. It is also possible to form the upstream passage portion 6A from a flexible tube.

中間通路部分10は容量可変通路部分となっている。したがって、以下の説明においては、当該中間通路部分10を容量可変通路部分10と呼ぶ。容量可変通路部分10は、円筒通路11を備え、この円筒通路11の両端は剛体の端板11a、11bによって形成されているが、その円筒状胴部11cは半径方向に弾性変形可能な弾性膜から形成されている。円筒状胴部11cの内径は下流側通路部分6Bおよび上流側通路部分6Aよりも大きい。   The intermediate passage portion 10 is a capacity variable passage portion. Therefore, in the following description, the intermediate passage portion 10 is referred to as a capacity variable passage portion 10. The capacity variable passage portion 10 includes a cylindrical passage 11, and both ends of the cylindrical passage 11 are formed by rigid end plates 11a and 11b. The cylindrical body portion 11c has an elastic membrane that is elastically deformable in the radial direction. Formed from. The inner diameter of the cylindrical body portion 11c is larger than that of the downstream passage portion 6B and the upstream passage portion 6A.

円筒通路11の円筒状胴部11cを同心状に取り囲む状態に、円環状断面の密閉外周空間である圧力室12が形成されている。圧力室12は加圧機構13に繋がっており、加圧機構13によって圧力室12の内圧を上げることが可能である。圧力室12が加圧される
と、円筒通路11の円筒状胴部11cが半径方向の内側に軸対称の状態で収縮して、円筒通路11の内容積が減少する。加圧機構13による加圧を解除すると、円筒状胴部11cが元の円筒形状に弾性復帰し、内容積を元に戻すことが可能である。このように、圧力室12と加圧機構13とによって、円筒通路11を軸対称の状態に撓めて、その内容積を増減するための通路変形部が構成される。
A pressure chamber 12, which is a sealed outer peripheral space having an annular cross section, is formed in a state of concentrically surrounding the cylindrical body portion 11 c of the cylindrical passage 11. The pressure chamber 12 is connected to the pressurizing mechanism 13, and the internal pressure of the pressure chamber 12 can be increased by the pressurizing mechanism 13. When the pressure chamber 12 is pressurized, the cylindrical body portion 11c of the cylindrical passage 11 contracts in an axially symmetric state in the radial direction, and the internal volume of the cylindrical passage 11 decreases. When the pressurization by the pressurization mechanism 13 is released, the cylindrical body 11c is elastically restored to the original cylindrical shape, and the internal volume can be restored. As described above, the pressure chamber 12 and the pressurizing mechanism 13 constitute a passage deforming portion for flexing the cylindrical passage 11 in an axially symmetric state to increase or decrease its internal volume.

通路変形部としては、加圧機構13の代わりに圧力室12を減圧状態にする減圧機構を用いることもできる。この場合には、減圧状態にして円筒通路11の内容積を増加させた状態で粘性液体9を円筒通路11に取り込み、減圧状態を解除することで、円筒通路11の内容積を減少させて内部の粘性液体9を押し出すことができる。また、加圧機構13の代わりに加圧・減圧機構を用いることもできる。この場合には、減圧状態にして円筒通路11の内容積を増加させた状態で粘性液体9を円筒通路11に取り込み、加圧状態に切り替えて円筒通路11の内容積を減少させて粘性液体9を押し出す。円筒通路11の内容積の増減による粘性液体9の押出し量を増やすことができる。   As the passage deforming portion, a pressure reducing mechanism that makes the pressure chamber 12 in a reduced pressure state can be used instead of the pressure mechanism 13. In this case, the viscous liquid 9 is taken into the cylindrical passage 11 in a state where the internal volume of the cylindrical passage 11 is increased under reduced pressure, and the internal volume of the cylindrical passage 11 is reduced and released by releasing the reduced pressure state. The viscous liquid 9 can be extruded. A pressurizing / depressurizing mechanism may be used instead of the pressurizing mechanism 13. In this case, the viscous liquid 9 is taken into the cylindrical passage 11 in a reduced pressure state and the internal volume of the cylindrical passage 11 is increased, and is switched to a pressurized state to reduce the internal volume of the cylindrical passage 11 to reduce the viscous liquid 9. Extrude The extrusion amount of the viscous liquid 9 by increasing / decreasing the internal volume of the cylindrical passage 11 can be increased.

液体供給用のポンプ7、加圧機構13、3軸機構5等の各部分は、制御部14によって駆動が制御される。制御部14による制御動作は、操作・表示部15からの操作入力に基づき行われ、動作状態等が操作・表示部15に表示可能である。   Driving of each part such as the liquid supply pump 7, the pressurizing mechanism 13, and the triaxial mechanism 5 is controlled by the control unit 14. The control operation by the control unit 14 is performed based on an operation input from the operation / display unit 15, and an operation state or the like can be displayed on the operation / display unit 15.

ここで、ノズル4は微小径のノズルであり、その先端口4aの内径が500μm以下、例えば100μmの細長い円筒状ノズルである。また、液体通路6における容量可変通路部分10の上流側の上流側通路部分6Aは、ポンプ7の吐出ポート7aから容量可変通路部分10の上流端開口10aまでの通路部分である。液体通路6における容量可変通路部分10の下流側の下流側通路部分6Bは、ノズル4の後端口から容量可変通路部分10の下流端開口10bまでの通路部分である。ノズル4は微小径のノズルであるので、上流側通路部分6Aの液体通路抵抗に比べて、下流側通路部分6Bおよびノズル4を含む下流側の液体通路抵抗が極めて大きい。   Here, the nozzle 4 is a nozzle having a very small diameter, and is an elongated cylindrical nozzle having an inner diameter of the tip end 4a of 500 μm or less, for example, 100 μm. Further, the upstream passage portion 6 </ b> A on the upstream side of the capacity variable passage portion 10 in the liquid passage 6 is a passage portion from the discharge port 7 a of the pump 7 to the upstream end opening 10 a of the capacity variable passage portion 10. A downstream passage portion 6 </ b> B downstream of the variable volume passage portion 10 in the liquid passage 6 is a passage portion from the rear end port of the nozzle 4 to the downstream end opening 10 b of the variable volume passage portion 10. Since the nozzle 4 is a minute diameter nozzle, the downstream side liquid passage resistance including the downstream side passage portion 6B and the nozzle 4 is extremely larger than the liquid passage resistance of the upstream side passage portion 6A.

本例では、粘性液体9を、液体通路6およびノズル4の先端口4aまで充填した液体充填状態で、容量可変通路部分10をその内容積が減少するように収縮させた場合に、当該容量可変通路部分10から下流側通路部分6Bに押し出される液体量が、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微小量となるように、当該液体量と上流側通路部分6Aに押し戻される液体量との比率が、1:100〜1:500の範囲内の値に設定されている。換言すると、このような比率となるように、上流側通路部分6Aの側の液体通路抵抗に比べて、下流側通路部分6Bおよびノズル4を含む下流側の液体通路抵抗が極めて大きくなるように設定されている。   In this example, when the capacity variable passage portion 10 is contracted so that the internal volume decreases in a liquid filling state in which the viscous liquid 9 is filled up to the liquid passage 6 and the tip end 4a of the nozzle 4, the capacity is changed. The ratio of the liquid amount and the liquid amount pushed back to the upstream side passage portion 6A is such that the amount of liquid pushed out from the passage portion 10 to the downstream side passage portion 6B becomes a minute amount of nanoliter order to picoliter order, The value is set within the range of 1: 100 to 1: 500. In other words, the downstream side liquid passage resistance including the downstream side passage portion 6B and the nozzle 4 is set to be extremely large as compared with the liquid passage resistance on the upstream side passage portion 6A side so as to have such a ratio. Has been.

図2(a)は微量液体ディスペンサ1の動作を示す概略フローチャートであり、図2(b)および(c)は、容量可変通路部分10の動きを示す説明図である。   FIG. 2A is a schematic flowchart showing the operation of the trace liquid dispenser 1, and FIGS. 2B and 2C are explanatory views showing the movement of the capacity variable passage portion 10.

図2(a)に従って説明すると、まず、ワーク台2に対象となるワーク3を載せ、ワーク3の微量液体の滴下位置にノズル4の先端口4aを真上から一定のギャップで対峙させるなどの初期設定動作を行う(ステップST1)。また、ポンプ7を駆動して、液体貯留部8から液体通路6を介してノズル4内の先端口4aまで液体が供給された状態を形成する(ステップST2)。   2A, the target work 3 is first placed on the work base 2, and the tip 4a of the nozzle 4 is opposed to the position where the trace liquid is dropped from the work 3 with a certain gap from above. An initial setting operation is performed (step ST1). Further, the pump 7 is driven to form a state in which the liquid is supplied from the liquid reservoir 8 through the liquid passage 6 to the tip opening 4a in the nozzle 4 (step ST2).

ワーク3に対する微量液体の滴下動作においては、液体供給用のポンプ7は例えば停止状態とされ、加圧機構13を駆動して圧力室12の内圧を予め設定した圧力まで上げる。これにより、容量可変通路部分10が外側から加圧され、その円筒状胴部11cが収縮する。この結果、図2(b)に示すように、容量可変通路部分10の内容積が減少する(ス
テップST3)。
In the dropping operation of the trace amount liquid on the workpiece 3, the liquid supply pump 7 is stopped, for example, and the pressurizing mechanism 13 is driven to increase the internal pressure of the pressure chamber 12 to a preset pressure. Thereby, the capacity variable passage portion 10 is pressurized from the outside, and the cylindrical body portion 11c contracts. As a result, as shown in FIG. 2B, the internal volume of the capacity variable passage portion 10 decreases (step ST3).

容量可変通路部分10が収縮すると、その内部に保持されていた液体が、下流端開口10bおよび上流端開口10aのそれぞれから押し出されて、下流側および上流側に向けて分流する。下流側へ押し出される粘性液体9の分流量は、下流側通路部分6Bおよびノズル4を含む下流側の液体通路抵抗と、上流側通路部分6Aの側の液体通路抵抗との比に応じて定まる。   When the capacity variable passage portion 10 contracts, the liquid held therein is pushed out from each of the downstream end opening 10b and the upstream end opening 10a, and is divided into the downstream side and the upstream side. The partial flow rate of the viscous liquid 9 pushed out downstream is determined according to the ratio between the downstream liquid passage resistance including the downstream passage portion 6B and the nozzle 4 and the liquid passage resistance on the upstream passage portion 6A side.

下流側の液体通路抵抗が大幅に大きいので、下流側には僅量液体が押し出される。下流側に押し出された微量液体によって、下流側通路部分6Bの内圧が一時的に高まり、これによって、ノズル4の先端口4aから所定量の微量液体がワーク3に向けて滴下する。   Since the downstream liquid passage resistance is significantly large, a small amount of liquid is pushed downstream. The internal pressure of the downstream-side passage portion 6B is temporarily increased by the trace liquid pushed out downstream, whereby a predetermined amount of trace liquid drops from the tip end 4a of the nozzle 4 toward the workpiece 3.

この後は、加圧機構13による加圧を解除し、圧力室12を例えば大気圧状態まで戻す(ステップST4)。この結果、図2(c)に示すように、容量可変通路部分10の円筒状胴部11cは半径方向の外方に膨張して元の円筒形状に弾性復帰する。これにより、容量可変通路部分10には、上流側通路部分6Aおよび下流側通路部分6Bの双方から液体が吸引されて流れ込む。   Thereafter, the pressurization by the pressurization mechanism 13 is released, and the pressure chamber 12 is returned to, for example, an atmospheric pressure state (step ST4). As a result, as shown in FIG. 2 (c), the cylindrical body portion 11c of the capacity variable passage portion 10 expands outward in the radial direction and elastically returns to the original cylindrical shape. Thereby, the liquid is sucked into the capacity variable passage portion 10 from both the upstream passage portion 6A and the downstream passage portion 6B.

液体の流入量も、上流側及び下流側の液体通路抵抗の比に対応する。よって、ノズル4の側の下流側通路部分6Bからは極僅かの液体が上流側に引き戻されるだけである。このため、ノズル4の先端口4aにおいては、液体のメニスカスが破壊されない程度に、ノズル4の内部に引き上げられる。また、微量液体の滴下後に先端口4aから液だれ等の不具合が生じることも確実に防止できる。   The amount of inflow of the liquid also corresponds to the ratio of the upstream and downstream liquid passage resistances. Therefore, only a slight amount of liquid is drawn back upstream from the downstream passage portion 6B on the nozzle 4 side. Therefore, the tip 4a of the nozzle 4 is pulled up into the nozzle 4 to the extent that the liquid meniscus is not destroyed. In addition, it is possible to reliably prevent problems such as liquid dripping from the tip opening 4a after the trace amount of liquid is dropped.

所定の長さに亘って所定間隔で微量液体を滴下する場合には、必要回数だけ、微量液体の滴下動作を行い、しかる後に動作を終了する(ステップST5)。   When a small amount of liquid is dropped at a predetermined interval over a predetermined length, the liquid is dropped as many times as necessary, and then the operation is terminated (step ST5).

本発明者等の実験によれば、ノズル4として、その先端口4aが25μm〜100μmのものを用いて、50Pa・s〜100Pa・sの高粘度液体を、数十ピコリットル〜数ナノリットルの微量で、精度良く、滴下あるいは吐出動作を行うことが可能なことが確認された。   According to the experiments by the present inventors, a nozzle 4 having a tip 4a of 25 μm to 100 μm is used, and a high viscosity liquid of 50 Pa · s to 100 Pa · s is applied to several tens of picoliters to several nanoliters. It was confirmed that the dropping or discharging operation can be performed with a small amount and with high accuracy.

ここで、容量可変通路部分10の収縮量および収縮速度の一方あるいは双方は、次のパラメータに基づき適切に設定することができる。
ノズル4の先端口4aから一度に吐出あるいは滴下させる液体量
ノズル4の先端口4aの内径寸法
液体の粘度
上流側通路部分6Aの側の液体通路抵抗と、下流側通路部分6Bおよびノズル4を含む下流側の液体通路抵抗との比
Here, one or both of the contraction amount and the contraction speed of the capacity variable passage portion 10 can be appropriately set based on the following parameters.
The amount of liquid to be discharged or dripped from the front end 4a of the nozzle 4 at once The inner diameter dimension of the front end 4a of the nozzle 4 The viscosity of the liquid The liquid passage resistance on the upstream passage portion 6A side, the downstream passage portion 6B and the nozzle 4 are included. Ratio with downstream liquid passage resistance

使用ノズル、使用液体、1回の液体滴下量等は予め設定されているので、これらに応じて制御部14によって各部の駆動制御を行わせるようにすればよい。上流側通路部分6Aと下流側通路部分6Bの比は、可変制御することも可能である。   Since the used nozzle, the used liquid, the amount of liquid dropped once, etc. are set in advance, the control unit 14 may perform drive control of each unit in accordance with these. The ratio of the upstream passage portion 6A and the downstream passage portion 6B can be variably controlled.

例えば、図3に示すように、上流側通路部分6Aに流量調整弁16を取付け、これを制御部14によって制御可能にする。ワーク3への微量液体の滴下動作に先だって、流量調整を行うことで、上流側通路部分6Aの液体通路抵抗と、下流側通路部分6Bおよびノズル4を含む下流側の液体通路抵抗との比を調整することが可能である。   For example, as shown in FIG. 3, a flow rate adjusting valve 16 is attached to the upstream side passage portion 6 </ b> A and can be controlled by the control unit 14. Prior to the dripping operation of the small amount of liquid onto the workpiece 3, the flow rate is adjusted to obtain a ratio between the liquid passage resistance of the upstream passage portion 6A and the downstream liquid passage resistance including the downstream passage portion 6B and the nozzle 4. It is possible to adjust.

なお、本発明の方法およびディスペンサは、様々な液材の滴下に用いることができる。
例えば、次のような液材を用いることができる。
金属ペースト(Ag、Cu、ハンダ等)
樹脂液材(シリコーン接着剤、UV硬化樹脂、フォト・レジスト、UV硬化接着剤、その他の各種樹脂液剤)
フィラー入り液材(フィラー:蛍光粒子、シリカ粒子、フリット・ガラス、酸化チタン、各種ナノマイクロ粒子等)
In addition, the method and dispenser of this invention can be used for dripping of various liquid materials.
For example, the following liquid material can be used.
Metal paste (Ag, Cu, solder, etc.)
Resin liquid material (silicone adhesive, UV curable resin, photo resist, UV curable adhesive, other various resin liquids)
Filled liquid material (filler: fluorescent particles, silica particles, frit / glass, titanium oxide, various nano-micro particles, etc.)

また、本発明の適用技術分野としては次のような分野がある。
光学部品製造への適用(遮光材塗布、アパーチャ形成、レンズ面への各種液材塗布)
電子部品への極微小量の接着剤滴下(LED、水晶発振子、MEMS、パワー・デバイス等)
FPD、撮像センサのガラス貼り合わせ
Agナノペーストによる配線(ITOへの補助配線、微小エリアへの配線形成等)
In addition, there are the following fields as application technical fields of the present invention.
Application to optical component manufacturing (shading material application, aperture formation, application of various liquid materials to the lens surface)
A very small amount of adhesive dripping onto electronic components (LED, crystal oscillator, MEMS, power device, etc.)
FPD, glass bonding of imaging sensors Wiring with Ag nanopaste (auxiliary wiring to ITO, wiring formation to minute areas, etc.)

1 微量液体ディスペンサ
2 ワーク台
3 ワーク
4 ノズル
4a 先端口
5 3軸機構
6 液体通路
6A 上流側通路部分
6B 下流側通路部分
7 ポンプ
7a 吐出ポート
8 液体貯留部
9 粘性液体
10 容量可変通路部分
10a 上流端開口
10b 下流端開口
11 円筒通路
11a、11b 端板
11c 円筒状胴部
12 圧力室
13 加圧機構
14 制御部
15 操作・表示部
16 流量調整弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Trace liquid dispenser 2 Work stand 3 Work 4 Nozzle 4a Tip port 5 Triaxial mechanism 6 Liquid passage 6A Upstream passage part 6B Downstream passage part 7 Pump 7a Discharge port 8 Liquid storage part 9 Viscous liquid 10 Capacity variable passage part 10a Upstream End opening 10b Downstream end opening 11 Cylindrical passages 11a, 11b End plate 11c Cylindrical body 12 Pressure chamber 13 Pressurizing mechanism 14 Control unit 15 Operation / display unit 16 Flow rate adjusting valve

Claims (16)

筒状のノズルの先端口から、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を流出させる微量液体流出方法であって、
液体供給部から前記ノズルに液体を供給する液体通路を、上流側通路部分、中間通路部分および下流側通路部分から形成し、前記中間通路部分を、その内容積が増減するように膨張収縮可能な通路部分とし、
前記液体を、前記液体通路から前記ノズルの前記先端口まで充填した液体充填状態で、前記中間通路部分の内容積が減少するように当該中間通路部分を変形させた場合に、当該中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される液体量が、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微小量となるように、当該液体量と前記上流側通路部分に押し戻される液体量との比率を、1:100〜1:500に設定し、
微量液体の流出動作においては、
前記液体充填状態を形成し、
前記中間通路部分をその内容積が減少するように変形させ、
前記中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される微小量の液体によって、前記ノズルの前記先端口から微量液体を流出させ、
前記中間通路部分の変形を解除して当該中間通路部分の内容積を元の容積に戻して、前記下流側通路部分から微小量の液体を当該中間通路部分内に吸い戻し、前記上流側通路部分から液体を前記中間通路部分内に吸い込むことを特徴とする微量液体流出方法。
A trace liquid outflow method for flowing out a trace liquid of nanoliter order to picoliter order from the tip of a cylindrical nozzle,
A liquid passage for supplying a liquid from the liquid supply section to the nozzle is formed of an upstream passage portion, an intermediate passage portion, and a downstream passage portion, and the intermediate passage portion can be expanded and contracted so that its internal volume increases or decreases. A passage part,
When the intermediate passage portion is deformed so that the internal volume of the intermediate passage portion decreases in a liquid-filled state in which the liquid is filled from the liquid passage to the tip end of the nozzle, the intermediate passage portion The ratio of the amount of liquid and the amount of liquid pushed back to the upstream-side passage portion is set to 1: 100 to be such that the amount of liquid pushed out to the downstream-side passage portion becomes a minute amount of nanoliter order to picoliter order. Set to 1: 500,
In the outflow operation of trace liquid,
Forming the liquid filling state,
Deforming the intermediate passage portion so that its internal volume decreases;
A minute amount of liquid pushed out from the intermediate passage portion to the downstream passage portion causes a minute amount of liquid to flow out from the tip end of the nozzle,
The deformation of the intermediate passage portion is released, the inner volume of the intermediate passage portion is returned to the original volume, and a minute amount of liquid is sucked back into the intermediate passage portion from the downstream passage portion, and the upstream passage portion A method for discharging a trace amount of liquid, wherein the liquid is sucked into the intermediate passage portion from the inside.
前記ノズルと、前記下流側通路部分および前記上流側通路部分のうちの少なくとも前記下流側通路部分とを、内部を流れる液体の圧力が変化しても内容積が変化しない通路部分とする請求項1に記載の微量液体流出方法。   2. The nozzle and at least the downstream passage portion of the downstream passage portion and the upstream passage portion are passage portions whose internal volume does not change even when the pressure of the liquid flowing through the nozzle changes. The method for flowing out a trace liquid described in 1. 前記上流側通路部分に配置した流量調整弁を制御して、当該上流側通路部分の液体流路抵抗を増減させて、前記中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される液体量と、前記上流側通路部分に押し戻される液体量との比率を調整する請求項1に記載の微量液体流出方法。   The flow control valve disposed in the upstream passage portion is controlled to increase or decrease the liquid flow path resistance of the upstream passage portion, and the amount of liquid pushed out from the intermediate passage portion to the downstream passage portion, and the upstream The trace liquid outflow method according to claim 1, wherein the ratio of the amount of liquid pushed back to the side passage portion is adjusted. 前記中間通路部分の外周を取り囲む密閉外周空間を形成しておき、
前記密閉外周空間の内圧を変化させることにより、前記中間通路部分を、その内容積が減少するように、その中心軸線を中心として軸対称の状態に変形させると共に当該変形を解除する請求項1に記載の微量液体流出方法。
Forming a sealed outer peripheral space surrounding the outer periphery of the intermediate passage portion;
2. The intermediate passage portion is deformed into an axially symmetric state about its central axis so as to reduce its internal volume by changing an internal pressure of the sealed outer peripheral space, and the deformation is released. The described trace liquid outflow method.
前記ノズルとして、その先端口の内径寸法が500μm以下の微小径ノズルを用いる請求項1に記載の微量液体流出方法。   The trace amount liquid outflow method of Claim 1 which uses the micro diameter nozzle whose inner diameter dimension of the front-end | tip port is 500 micrometers or less as said nozzle. 前記液体として、粘度が1Pa・s〜100Pa・sの高粘度液材を用いる請求項1に記載の微量液体流出方法。   The trace liquid outflow method according to claim 1, wherein a high viscosity liquid material having a viscosity of 1 Pa · s to 100 Pa · s is used as the liquid. 前記ノズルの先端口から一度に流出させる微量液体量、
前記ノズルの先端口の内径寸法、
前記液体の粘度、および、
前記中間通路部分の上流側の液体通路抵抗と下流側の液体通路抵抗との比
のうちの少なくとも一つに基づき、前記中間通路部分の内容積の変化量および内容積の変化速度を制御する請求項1に記載の微量液体流出方法。
A small amount of liquid that flows out from the tip of the nozzle at a time,
The inner diameter of the nozzle tip,
The viscosity of the liquid, and
The amount of change in the internal volume and the rate of change in the internal volume of the intermediate passage portion are controlled based on at least one of the ratio of the upstream side liquid passage resistance and the downstream side liquid passage resistance of the intermediate passage portion. Item 2. A method for flowing out a trace liquid according to Item 1.
前記中間通路部分の変形および変形の解除を、所定の周期で繰り返して、前記ノズルの先端口からの微小液体の流出を繰り返し行う請求項1に記載の微量液体流出方法。   The trace liquid outflow method according to claim 1, wherein the deformation of the intermediate passage portion and the release of the deformation are repeated at a predetermined cycle, and the outflow of the minute liquid from the tip end of the nozzle is repeated. 筒状のノズルの先端口から、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微量液体を流出させる微量液体ディスペンサであって、
上流側通路部分、中間通路部分および下流側通路部分を備え、前記中間通路部分が内容積が増減するように膨張収縮可能な通路部分となっている液体通路と、
前記液体通路を介して前記ノズルに液体を供給する液体供給部と、
前記中間通路部分の内容積が増減するように当該中間通路部分を変形させる通路変形部と、
制御部と、
を有しており、
前記液体を前記液体通路から前記ノズルの先端口まで充填した液体充填状態で、前記中間通路部分の内容積が減少するように当該中間通路部分を変形させた場合に、当該中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される液体量が、ナノリットルオーダーからピコリットルオーダーの微小量となるように、当該液体量と前記上流側通路部分に押し戻される液体量との比率が、1:100〜1:500に設定されており、
前記制御部は、
前記液体供給部を制御して前記液体通路を介して前記ノズルに液体を供給して前記液体充填状態を形成する制御動作と、
前記通路変形部を制御して前記中間通路部分を内容積が減少するように変形させて、前記中間通路部分から前記下流側通路部分に押し出される微小量の液体によって、前記ノズルの前記先端口から微量液体を流出させる微量液体流出動作と、
前記通路変形部を制御して前記中間通路部分の変形を解除して当該中間通路部分の内容積を元の容積に戻して、前記下流側通路部分から微小量の液体を当該中間通路部分内に吸い戻し、前記上流側通路部分から液体を前記中間通路部分内に吸い込む復帰動作とを行うことを特徴とする微量液体ディスペンサ。
A minute amount liquid dispenser for discharging a minute amount liquid of nanoliter order to picoliter order from the tip end of a cylindrical nozzle,
A liquid passage comprising an upstream passage portion, an intermediate passage portion, and a downstream passage portion, wherein the intermediate passage portion is a passage portion that can be expanded and contracted so that the internal volume increases and decreases;
A liquid supply section for supplying a liquid to the nozzle through the liquid passage;
A passage deforming portion that deforms the intermediate passage portion so that the internal volume of the intermediate passage portion increases or decreases;
A control unit;
Have
When the intermediate passage portion is deformed so that the internal volume of the intermediate passage portion decreases in a liquid-filled state in which the liquid is filled from the liquid passage to the tip end of the nozzle, The ratio between the liquid amount and the liquid amount pushed back to the upstream passage portion is 1: 100 to 1: 1, so that the liquid amount pushed out to the side passage portion becomes a minute amount of nanoliter order to picoliter order. Is set to 500,
The controller is
A control operation for controlling the liquid supply unit to supply liquid to the nozzle via the liquid passage to form the liquid filling state;
By controlling the passage deforming portion to deform the intermediate passage portion so as to reduce the internal volume, the minute amount of liquid pushed out from the intermediate passage portion to the downstream passage portion causes the tip portion of the nozzle to A trace liquid outflow operation that causes a trace liquid to flow out,
By controlling the passage deforming portion, the deformation of the intermediate passage portion is released, the inner volume of the intermediate passage portion is returned to the original volume, and a minute amount of liquid is transferred from the downstream passage portion into the intermediate passage portion. A trace liquid dispenser which performs a returning operation of sucking back and sucking liquid into the intermediate passage portion from the upstream passage portion.
前記ノズルと、前記下流側通路部分および前記上流側通路部分のうちの少なくとも前記下流側通路部分とは、内部を流れる液体の圧力が変化しても内容積が変化しない通路部分である請求項9に記載の微量液体ディスペンサ。   10. The nozzle and at least the downstream passage portion of the downstream passage portion and the upstream passage portion are passage portions whose inner volume does not change even when the pressure of the liquid flowing through the nozzle changes. The trace liquid dispenser described in 1. 前記上流側通路部分に配置した流量調整弁を有し、
前記制御部は、前記流量調整弁を制御して、前記上流側通路部分の液体流路抵抗を増減可能である請求項9に記載の微量液体ディスペンサ。
Having a flow rate adjusting valve arranged in the upstream passage portion;
The trace liquid dispenser according to claim 9, wherein the control unit can control the flow rate adjustment valve to increase or decrease the liquid flow path resistance of the upstream side passage portion.
前記通路変形部は、前記中間通路部分の外周を取り囲む密閉外周空間の内圧を変化させることにより、前記中間通路部分を、その内容積が増減するように、その中心軸線を中心として軸対称の状態に変形させる内圧調整機構を備えている請求項9に記載の微量液体ディスペンサ。   The passage deforming portion is in an axially symmetric state about the central axis so that the internal volume of the intermediate passage portion increases or decreases by changing the internal pressure of the sealed outer peripheral space surrounding the outer periphery of the intermediate passage portion. The trace liquid dispenser according to claim 9, further comprising an internal pressure adjusting mechanism that is deformed into a shape. 前記ノズルは、その先端口の内径寸法が500μm以下の微小径ノズルである請求項9に記載の微量液体ディスペンサ。   The trace amount liquid dispenser according to claim 9, wherein the nozzle is a minute diameter nozzle having an inner diameter of a tip end of 500 μm or less. 前記液体供給部から供給される前記液体は、粘度が1Pa・s〜100Pa・sの高粘度液材である請求項9に記載の微量液体ディスペンサ。   The trace liquid dispenser according to claim 9, wherein the liquid supplied from the liquid supply unit is a high-viscosity liquid material having a viscosity of 1 Pa · s to 100 Pa · s. 前記制御部は、
前記ノズルの先端口から一度に流出させる微量液体量、
前記ノズルの先端口の内径寸法、
前記液体の粘度、および、
前記中間通路部分の上流側の液体通路抵抗と下流側の液体通路抵抗との比
のうちの少なくとも一つに基づき、前記中間通路部分の内容積の変化量および内容積の変化速度を制御する請求項9に記載の微量液体ディスペンサ。
The controller is
A small amount of liquid that flows out from the tip of the nozzle at a time,
The inner diameter of the nozzle tip,
The viscosity of the liquid, and
The amount of change in the internal volume and the rate of change in the internal volume of the intermediate passage portion are controlled based on at least one of the ratio of the upstream side liquid passage resistance and the downstream side liquid passage resistance of the intermediate passage portion. Item 10. The micro liquid dispenser according to Item 9.
前記制御部は、前記微量液体流出動作および前記復帰動作を、所定の周期で繰り返し行わせる請求項9に記載の微量液体ディスペンサ。   The trace liquid dispenser according to claim 9, wherein the control unit repeatedly performs the trace liquid outflow operation and the return operation at a predetermined cycle.
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