JP2016099200A

JP2016099200A - 液体滴下方法及びセンサ素子の評価方法

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Publication number: JP2016099200A
Application number: JP2014235826A
Authority: JP
Inventors: 隆志日野; Takashi Hino; 晃一増田; Koichi Masuda
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2016-05-30
Anticipated expiration: 2034-11-20
Also published as: JP6457794B2

Abstract

【課題】比較的量の多い液滴を１滴滴下する。【解決手段】本発明の液体滴下方法は、シリンジ１６から内径が３ｍｍ以下のノズル２６へ液体を大気圧に１〜１０ｋＰａ上乗せした圧力で加圧して供給することにより、液だれを利用してノズル２６の先端から３〜７０μＬの範囲で設定された所望の滴下量の液滴を１滴滴下するものである。【選択図】図１

Description

本発明は、液体滴下方法及びセンサ素子の評価方法に関する。

液体滴下装置としては、例えば株式会社メクトのディスペンサが知られている（非特許文献１参照）。このディスペンサは、操作パネルを備えたコントローラと、コントローラに接続されたシリンジと、シリンジに接続されたノズルとを備えている。このディスペンサの使用例は以下のとおりである。すなわち、シリンジに液体を貯留し、コントローラによって圧力が調整されたエア圧をシリンジ内の液体に加えながら操作パネルのスイッチを操作することにより、ごく少量（例えば１０ナノリットル）の液滴をノズルから多数飛ばして必要量の液体を外部へ吐出させる。

ディスペンサーの株式会社メクト、製品情報ＭＩＣＲＯＪＥＴＭＪ−０２０［平成２６年１１月５日検索］、インターネット＜URL:http://www.mect.co.jp/mect-j/products/mj20.html＞

しかしながら、上述のディスペンサは、ごく少量の液滴を多数飛ばすための装置であり、比較的量の多い（例えば数マイクロリットル）の液滴を１つだけ飛ばすことは考えられていなかった。また、このディスペンサの説明書の「飛滴量の調整」の項には、「先端に液が玉状についている時は飛びませんので必ず拭き取って下さい。」と記載されていることから、ノズルの先端に玉状の液を形成したまま使用すること、つまり液だれを起こした状態で使用することは否定されていた。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、比較的量の多い液滴を１滴滴下することを主目的とする。

本発明の液体滴下方法は、
液体貯留部から、内径が３ｍｍ以下のノズルへ前記液体を大気圧に１〜１０ｋＰａ上乗せした圧力で加圧して供給することにより、液だれを利用して前記ノズルの先端から３〜７０μＬの範囲で設定された所望の滴下量の液滴を１滴滴下する滴下工程を含む、
ものである。

この液体滴下方法では、ノズル内径が３ｍｍを超えると、ノズル先端に玉状の液を形成することが難しくなるため好ましくない。また、液体に加える圧力が大気圧に１ｋＰａを上乗せした圧力未満では、液滴を１滴滴下する時間が長くなりすぎるため好ましくなく、大気圧に１０ｋＰａを上乗せした圧力を超えると、ノズル先端に玉状の液を形成することが難しくなるため好ましくない。本発明の液体滴下方法によれば、これまで使用することが否定されていた液だれを意図的に発生させて、ノズル内径が３ｍｍ以下、液体に加える圧力が大気圧プラス１〜１０ｋＰａ（好ましくは３〜７ｋＰａ）という範囲内でノズル内径と液体に加える圧力とを適正に調整することにより、３〜７０μＬという比較的量の多い液滴を１滴滴下することができる。

なお、「液体」は、流動性のあるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、水、水に溶質を溶かした水溶液、有機溶剤、有機溶剤に溶質を溶かした溶液、インク、オイルなどが挙げられる。

本発明の液体滴下方法において、前記滴下工程の前に、前記液体を加圧する圧力を大気圧に１〜１０ｋＰａ上乗せした圧力の範囲で一定にした状態で、前記ノズルの内径と前記液滴の滴下量との対応関係を予め求めておき、前記所望の滴下量の液滴に対応する前記ノズルの内径を前記対応関係から導出するノズル内径導出工程を行い、前記滴下工程では、前記導出された内径を持つノズルを使用して前記液体貯留部から前記ノズルへ前記対応関係を求めたときの圧力で加圧して供給するようにしてもよい。こうすれば、所望の滴下量の液滴を１滴滴下するにあたり、予め求めておいた対応関係からノズルの内径と液体に加える圧力とを容易に設定することができる。

本発明の液体滴下方法において、前記液体貯留部と前記ノズルとの間に電磁弁を配置し、前記液体の１滴滴下を開始するときに前記電磁弁を開き、前記液体の１滴滴下が完了したときに前記電磁弁を閉じるようにしてもよい。こうすれば、液滴１滴を確実に滴下することができる。

本発明のセンサ素子の評価方法は、上述した本発明の液体滴下方法により、ガスセンサのセンサ素子の所定位置に液滴を１滴滴下し、前記センサ素子における前記液滴の影響を評価するものである。この評価方法によれば、センサ素子に滴下する１滴の滴下量がいくつのときにセンサ素子が影響を受けるのかを知ることができる。

ディスペンサ１０の概略説明図。液滴が１滴落下するときの様子を示す説明図。ノズル内径と滴下量との対応関係を示すグラフ。センサ素子１００の耐被水強度の評価試験の説明図。水滴がセンサ素子１００に到達する前後の様子を示す説明図。

次に、本発明の実施形態を図面を用いて以下に説明する。図１は液体滴下装置の一例であるディスペンサ１０の概略説明図、図２は液滴が１滴落下するときの様子を示す説明図である。

ディスペンサ１０は、コントローラ１２と、このコントローラ１２にチューブ１８を介して接続されたシリンジ１６と、シリンジ１６にチューブ２２を介して接続されたヘッド２０と、ヘッド２０に取り付けられたノズル２６とを備えている。こうしたディスペンサ１０としては、例えば、メクト社のＭＩＣＲＯＪＥＴＭＪ−０２０（ＭＩＣＲＯＪＥＴは登録商標）などが挙げられる。

コントローラ１２は、操作パネル１４を備えている。操作パネル１４は、電源のオンオフを切り替える電源スイッチ１４ａと、シリンジ１６へ供給するエアの圧力を調整する圧力調整ノブ１４ｂと、ヘッド２０内の電磁弁２４を開閉する滴下スイッチ１４ｃとを備えている。コントローラ１２は、圧力調整ノブ１４ｂで設定された圧力が正圧（加圧）の場合にはシリンジ１６へ加圧エアを供給し、設定された圧力が負圧（減圧）の場合にはシリンジ１６側からエアを吸引する。

シリンジ１６は、液体を貯留可能な液体貯留部であり、上面にチューブ１８が気密に取り付けられている。このチューブ１８はシリンジ１６から着脱可能となっている。このシリンジ１６の下面にはニードル１６ａが取り付けられ、このニードル１６ａにチューブ２２が気密に接続されている。

ヘッド２０は、上下方向に液体通路２１を有している。液体通路２１は、ヘッド２０の上面に気密に接続されたチューブ２２から供給された液体を、ヘッド２０の下面に気密に取り付けられたノズル２６へ導く通路である。この液体通路２１の途中には、電磁弁２４が設けられている。電磁弁２４は、液体通路２１の開閉を行う弁であり、コントローラ１２の滴下スイッチ１４ｃが押されていない状態では閉じていて、この滴下スイッチ１４ｃが押されたときだけ開くようになっている。

ノズル２６は、ヘッド２０の下面に設けられた取付口に着脱可能に取り付けられている。このノズル２６は、種々の内径を持つものが用意されている。

次に、ディスペンサ１０を用いて３〜７０μＬの液滴を１滴滴下する液体滴下方法について説明する。

まず、電源スイッチ１４ａをオンにする。続いて、シリンジ１６のニードル１６ａからチューブ２２を取り外し、ニードル１６ａの先端を容器に入った液体につける。そして、圧力調整ノブ１４ｂを操作して負圧に設定する。すると、液体はニードル１６ａを介してシリンジ１６へ吸入される。液体がシリンジ１６に貯留された後、チューブ２２をシリンジ１６に取り付ける。続いて、ノズル２６として、内径３ｍｍ以下のノズルを用意し、そのノズルをヘッド２０に装着する。次に、圧力調整ノブ１４ｂを操作してエア圧を正圧に設定する。ここでは、エア圧は、大気圧に１〜１０ｋＰａを上乗せした圧力とする。次に、滴下スイッチ１４ｃを押下して電磁弁２４を開く。すると、シリンジ１６内の液体には所定圧が加わるため、ノズル２６の先端から液体が現れるが、表面張力が働くため、液体は徐々に膨らみ玉状になる。そして、ある大きさになった時点で玉状の液体がノズル２６の先端から落下する。つまり液滴が１滴落下する。液滴は、液滴の重さとエアが液体を押す力との和が表面張力による上向きの力を上回ったときに落下すると考えられる（図２参照）。実際にはこれら以外の力も働くため、落下する原理はもう少し複雑だと思われる。ここでは、内径３ｍｍ以下のノズル２６を使用して大気圧よりも僅かに高い圧力をシリンジ１６の液体に加えるため、液体がノズル２６の先端で玉状となり、比較的大きな液滴すなわち３〜７０μＬの液滴となって落下する。液滴が１滴落下した後、滴下スイッチ１４ｃの押下を解除して電磁弁２４を閉じる。

液滴の滴下量は、ノズル２６の内径及びシリンジ１６内の液体に加える圧力に依存して変化する。例えば、シリンジ１６内の液体に加える圧力を一定にしてノズル２６の内径を種々変化させる場合、ノズル２６の内径に応じて滴下量が決まる。また、ノズル２６の内径を一定にしてシリンジ１６内の液体に加える圧力を種々変化させる場合、その圧力に応じて滴下量が決まる。操作性などを考慮すると、前者のようにして滴下量を決めるのが好ましい。その一例を以下に示す。

最初に、ノズル内径と滴下量との対応関係を求め、その対応関係から所望の滴下量の液滴に対応するノズル内径を導出する。その後、導出された内径を持つノズルを使用してシリンジ１６から前出の対応関係を求めたときの圧力で液体を加圧し、先ほど説明した液体滴下方法を用いて所望の滴下量の液滴を１滴滴下する。

ノズル内径と滴下量との対応関係は、次のようにして求める。まず、ノズル２６として、内径３ｍｍ以下のノズルであって異なる内径を持つものを多数用意し、そのうちの１つのノズルをヘッド２０に装着する。次に、操作パネル１４の圧力調整ノブ１４ｂによりエア圧を所定圧に設定する。所定圧とは、大気圧に１〜１０ｋＰａの範囲で定めた圧力を上乗せした圧力であり、ここでは大気圧に５ｋＰａ上乗せした圧力とする。次に、滴下スイッチ１４ｃを押下して電磁弁２４を開く。すると、液体はノズル２６の先端で徐々に膨らみ玉状になり、最終的に液滴が１滴落下する。落下する直前の玉状の液体を撮影して、得られた画像から液滴の大きさ（体積）を算出し、それを滴下量とする。滴下した水の質量を分析天秤あるいは電子天秤で測り、それを水の密度で割って換算し、算出してもよい。以上の操作を異なる内径のノズルのすべてについて実施する。そして、得られた結果から、ノズル内径と滴下量との対応関係を求める。その対応関係の一例を図３に示す。図３では、ノズル内径の最小値は０．０３ｍｍ、最大値は２．８ｍｍとした。図３から明らかなように、ノズル内径と滴下量とは線形依存している。例えば所望の滴下量が５０μＬだったとすると、それに対応するノズル内径は図３から２．１ｍｍとなる。そのため、内径２．１ｍｍのノズルをヘッド２０に取り付け、エア圧を大気圧に５ｋＰａ上乗せした圧力（大気圧＋５ｋＰａ）に設定し、上述した液体滴下方法を実施すれば、５０μＬの液滴を１滴滴下することができる。

こうした液体滴下方法は、例えばガスセンサのセンサ素子の耐被水強度を評価するのに利用することができる。センサ素子は、エンジンの排ガス中の所定成分（酸素やＮＯｘなど）の濃度を測定するための素子であり、ジルコニアセラミックス層を複数積み重ねた積層構造を有し、ポンプセルやヒータなどを内蔵している。このようなセンサ素子は、例えば特開２０１１−１５８３９０号公報などに開示されている。例えば、ＮＯｘ濃度を検出するセンサ素子の場合、ガス導入口から導入された排ガスは、まず、酸素が汲み出されて酸素分圧が実質ゼロになり、続いて、ＮＯｘが還元されて酸素が発生し、その酸素を汲み出すことによって流れるポンプ電流に基づいてＮＯｘ濃度を検出する。図４は、こうしたＮＯｘ濃度を検出するセンサ素子１００の耐被水強度の評価試験の説明図である。ここでは、センサ素子１００は、平面視が長方形状で厚みが薄い部材であり、上面（ポンプ電極が設けられている面）、下面、両側面及び前面（排ガスの導入口が設けられている面）の５つの面の各々について耐被水強度を評価する場合について説明する。

まず、ノズル２６として、内径３ｍｍ以下のノズルを複数用意する。次に、素子用クランプ３０にセンサ素子１００を、上面が水平になるように保持する。また、ノズル２６として、内径が最小のノズルをディスペンサ１０のヘッド２０に取り付け、そのノズル２６を、センサ素子１００の上面と対向し且つ上面から所定距離離れた位置に固定する。そして、センサ素子１００を内蔵ヒータで８００℃に加熱し、センサ素子１００のポンプ電流が所定の一定値に保たれるようにポンプセルなどを制御する。ポンプ電流が安定するのを待った後、上述した液体滴下方法によりセンサ素子１００の上面に水滴を１滴滴下し、ポンプ電流が異常値を示すか否かを判定する。水滴がセンサ素子１００に到達する前後の様子を図５に示す。図５（ａ）は水滴がセンサ素子１００に到達する前、図５（ｂ）は到達後の様子を示す。水滴を滴下してセンサ素子１００に到達してから所定時間経過してもポンプ電流が異常値を示さなかった場合には、センサ素子１００にクラックが発生しなかったものとみなし、ノズル２６を内径が次に大きいノズルに交換し、同様にして水滴を滴下してポンプ電流が異常値を示すか否かを判定する。この作業をポンプ電流が異常値を示すまで、あるいは用意したすべてのノズルを使い切るまで、繰り返す。センサ素子１００の上面についての評価が終了した後、センサ素子１００の下面、両側面及び前面についても、これと同様にして評価を行う。こうすることにより、センサ素子１００のどの面にどれだけの量の水滴が付着するとクラックが発生するのかを知ることができる。

以上詳述した本実施形態の液体滴下方法によれば、これまで使用することが否定されていた液だれを意図的に発生させて、ノズル内径と液体に加える圧力とを適正に調整することにより、３〜７０μＬという比較的量の多い液滴を１滴滴下することができる。

また、所望の滴下量の液滴を１滴滴下するにあたり、予め求めておいた対応関係からノズル内径と液体に加える圧力とを容易に設定することができる。

更に、液滴の１滴滴下を開始するときに電磁弁２４を開き、液滴の１滴滴下が完了したときに電磁弁２４を閉じるため、液滴１滴を確実に滴下することができる。

更にまた、本実施形態の液体滴下方法を利用したセンサ素子１００の評価方法によれば、センサ素子１００に滴下する１滴の滴下量がいくつのときにセンサ素子１００が影響を受けるのかを知ることができる。また、１滴の滴下量を徐々に増やしていき、滴下量がいくつになったときにクラックが生じるかを知ることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、ノズル内径と滴下量との対応関係を求めたが、ノズル内径と水滴径との対応関係を求めてもよい。液滴が球状だとすると、水滴径が決まれば滴下量が必然的に決まるため、水滴径は実質的に滴下量とみなすことができる。

上述した実施形態の耐被水強度の評価方法では、１つのセンサ素子を評価するにあたり、最小のノズルから徐々に内径の大きなノズルに交換したが、滴下量を一定値に固定して（つまり１つのノズルだけを使用して）、種々のセンサ素子の耐被水強度を評価してもよい。

上述した実施形態では、本発明の液体滴下方法をセンサ素子の耐被水強度の評価に利用したが、そのほかに、１滴の液体を多数の容器に順次注入したり、表面張力を測定したりするのにも利用可能である。

１０ディスペンサ、１２コントローラ、１４操作パネル、１４ａ電源スイッチ、１４ｂ圧力調整ノブ、１４ｃ滴下スイッチ、１６シリンジ、１６ａニードル、１８チューブ、２０ヘッド、２１液体通路、２２チューブ、２４電磁弁、２６ノズル、３０素子用クランプ、１００センサ素子。

Claims

液体貯留部から内径が３ｍｍ以下のノズルへ前記液体を大気圧に１〜１０ｋＰａ上乗せした圧力で加圧して供給することにより、液だれを利用して前記ノズルの先端から３〜７０μＬの範囲で設定された所望の滴下量の液滴を１滴滴下する滴下工程を含む、
液体滴下方法。
前記滴下工程の前に、前記液体を加圧する圧力を大気圧に１〜１０ｋＰａ上乗せした圧力の範囲で一定にした状態で、前記ノズルの内径と前記液滴の滴下量との対応関係を予め求めておき、前記所望の滴下量の液滴に対応する前記ノズルの内径を前記対応関係から導出するノズル内径導出工程を行い、
前記滴下工程では、前記導出された内径を持つノズルを使用して前記液体貯留部から前記ノズルへ前記対応関係を求めたときの圧力で加圧して供給する、
請求項１に記載の液体滴下方法。
前記液体貯留部と前記ノズルとの間に電磁弁を配置し、前記液体の１滴滴下を開始するときに前記電磁弁を開き、前記液体の１滴滴下が完了したときに前記電磁弁を閉じる、
請求項１又は２に記載の液体滴下方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体滴下方法により、ガスセンサのセンサ素子の所定位置に液滴を１滴滴下し、前記センサ素子における前記液滴の影響を評価する、センサ素子の評価方法。