分注部品

【課題】メニスカス曲率が相違しても分注体積のばらつきを抑えることが可能な分注部品を提供すること。
【解決手段】保持した液体の全量を加圧気体を利用して一度に吐出する分注部品１。上部に形成される開口部と、開口部に連なる一定容量の空間とを有すると共に、開口部に形成される気液界面Ｍと空間とによって規定される容積を利用して、空間に充填される液体を計量および保持する計量部１ａと、開口部と対向して計量部に連設されると共に、加圧気体の圧力が液体に印加された際に計量部に保持された液体を吐出する吐出流路１ｂとを具備し、気液界面の相違によって発生する計量部で計量および保持される液体の体積のばらつきを抑えるように、計量部１ａの中心軸Ａcに沿った断面における液体の吐出方向の長さＬmが吐出方向に直交する方向の長さＤmよりも大きく設定されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノリットル（ｎＬ）からマイクロリットル（μＬ）オーダーの液体の分注に使用する分注部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ｎＬ〜μＬオーダーの微量液体を加圧気体によって吐出して分注する分注装置として、リザーバから流路を通って運ばれる液体の出口が相互に対向する一対の開口を有し、液体が表面張力によって前記一対の開口の間に保持される分注装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特表２００２−５０９０２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に開示された分注装置は、図１７に示すように、上下の開口Ｏの間に液体Ｌqが表面張力によって保持される。このとき、上下の開口Ｏの間に保持される液体Ｌqは、上下の開口部分に規定される幾何学的形状に比べると、メニスカス（気液界面）に起因した凹部によって上下部分が欠落してしまう。また、液体Ｌqのメニスカスは、一般に、溶質の種類と濃度に関係する液体Ｌqの表面張力の違いによって曲率が変化する。
【０００５】
そこで、液体Ｌqの上側部分を拡大した図１８において、メニスカスＭの半径をｒｍｍ、開口Ｏにおける液体Ｌqの壁面との接触角をθ°とし、メニスカスＭの凹部によって欠落する液体Ｌqの欠落体積ΔＶ（ｎＬ）と開口Ｏの直径（ｍｍ）との関係を、開口Ｏの直径０．０５〜１ｍｍの範囲で、接触角θ＝７５°，８０°，８５°毎に算出したところ、図１９に示す結果が得られた。この結果から明らかなように、例えば、接触角θ＝８０°を基準として接触角が±５°変化すると、液体Ｌqの欠落体積ΔＶは最大で±４９％変化する。従って、特許文献１の分注装置は、上下に存在するメニスカスによって上下部分に液体の欠落体積ΔＶが生ずることから、吐出される液体の体積が液体の密度や粘度等の相違に基づく表面張力の差異によって起こるメニスカス曲率の違いによって大きくばらつくという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、メニスカス曲率が相違しても分注体積のばらつきを抑えることが可能な分注部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に係る分注部品は、保持した液体の全量を加圧気体を利用して一度に吐出する分注部品であって、上部に形成される開口部と、この開口部に連なる一定容量の空間とを有すると共に、前記開口部に形成される気液界面と当該空間とによって規定される容積を利用して、当該空間に充填される前記液体を計量および保持する計量部と、前記開口部と対向して前記計量部に連設されると共に、前記加圧気体の圧力が前記液体に印加された際に前記計量部に保持された前記液体を吐出する吐出流路と、を具備し、前記気液界面の相違によって発生する前記計量部で計量および保持される前記液体の体積のばらつきを抑えるように、前記計量部の中心軸に沿った断面における前記液体の吐出方向の長さがこの吐出方向に直交する方向の長さよりも大きく設定されていることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る分注部品は、上記の発明において、前記計量部は、前記断面における前記液体の吐出方向の長さＬmが吐出方向に直交する方向の長さＤmに対して２Ｄm＜Ｌm＜１０Ｄmの範囲に設定されることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に係る分注部品は、上記の発明において、前記吐出流路は、前記液体の吐出方向に直交する方向の長さｄが前記計量部の長さＤmよりも小さく設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にかかる分注部品は、液体を導く吐出流路が計量部に連設され、計量部の液体の吐出方向の長さが吐出方向に直交する方向の長さよりも大きく設定されるので、計量部に保持される液体の体積に比べて欠落体積が微量となり、メニスカス曲率の相違による分注体積のばらつきを抑えることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（実施の形態１）
以下、本発明の分注部品にかかる実施の形態１について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、分注部品の１構成単位を示す断面斜視図である。図２は、分注部品の断面正面図である。
【００１２】
分注部品１は、図１に示すように、計量部１ａと吐出流路１ｂとを液体吐出の１構成単位として備えており、目的に応じて１構成単位を使用するか、１構成単位を複数直線状或いはマトリクス状に配列して使用する。分注部品１は、計量部１ａに保持したｎＬ〜μＬオーダーの液体全体を計量部１ａの上方から作用させる加圧気体によって吐出流路１ｂから一括して吐出することによって液体を分注する。計量部１ａは、上部に形成される開口部と、この開口部に連なる一定容量の空間とを有し、ｎＬ〜μＬオーダーの液体を計量する円筒形の部分である。計量部１ａは、上方から液体を滴下、或いはマイクロピペッターの先端を接触させる等の方法で分注対象の液体が充填される。このとき、計量部１ａは、上面の開口部まで液体を満たすことにより、予め設定された量の液体が保持される。吐出流路１ｂは、計量部１ａに連設され、計量部１ａに保持された液体を下端から吐出する。分注部品１は、図２に示すように、計量部１ａの中心軸Ａcに沿った断面における液体Ｌqの吐出方向の長さＬmを吐出方向に直交する方向の長さ、即ち、直径Ｄmよりも大きく設定する。
【００１３】
ここで、分注部品１は、計量部１ａに液体を充填すると、毛細管力によって計量部１ａ内の液体が浸入し、図２に示すように、計量部１ａの上部と吐出流路１ｂの下部に液体Ｌqのメニスカスがそれぞれ形成される。この場合、計量部１ａは、上部に液体ＬqのメニスカスＭが形成されるのみである。このため、計量部１ａは、メニスカスによる欠落体積が、上下の開口Ｏの間に液体Ｌqが保持される特許文献１の分注装置に比べて半分になる。しかも、計量部１ａは、液体Ｌqの吐出方向の長さＬmが吐出方向に直交する方向の長さである直径Ｄmよりも大きく設定されている（Ｌm＞Ｄm）。従って、計量部１ａは、保持する液体の体積に比べてメニスカスに起因した欠落体積が微量となり、メニスカス曲率の相違に起因した分注体積のばらつきを抑えることができる。
【００１４】
このとき、計量部１ａは、より好ましくは、液体Ｌqの吐出方向の長さＬmを２Ｄm＜Ｌm＜１０Ｄmの範囲に設定する。計量部１ａは、長さＬmが直径Ｄmの２倍よりも小さくなると、メニスカス曲率の相違に起因した液体の欠落体積が大きくなり、保持する液量のばらつきが大きくなるという問題がある。一方、計量部１ａは、長さＬmが直径Ｄmの１０倍を超えると、射出成形等によって成形する場合に計量部１ａを成形する金型の成形ピンが長くなり、成形時に成形ピンが折れ易くなるという不具合がある。最も好ましくは、液体Ｌqの吐出方向の長さＬmをＬm≒２Ｄm〜３Ｄmの範囲に設定する。
【００１５】
一方、吐出流路１ｂは、計量部１ａに保持した液体を吐出するための流路であり、液体を保持する部分ではない。このため、分注部品１は、図２に示すように、吐出流路１ｂ内に液体Ｌqが浸入しても、予め設計した所定量の液体が常に安定して吐出されるように、吐出流路１ｂ内の液体Ｌqの体積ｖが計量部１ａに保持される液体Ｌqの体積Ｖに比べて微量（Ｖ≫ｖ）となるように設定することが望ましい。従って、分注部品１は、図２および図３に示すように、吐出流路１ｂの内直径ｄfを計量部１ａの内直径Ｄmよりも小さく（ｄf＜Ｄm）設定すると共に、長手方向に沿った長さＬmを吐出流路１ｂの長さＬfよりも長く（Ｌm＞Ｌf）設定する。このように、ｎＬ〜μＬオーダーの液体を吐出する分注部品１は、例えば、シリコン基板をエッチング加工するか、射出成形等によってポリカーボネート，ポリプロピレン，アクリル，シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ），シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）等の合成樹脂を成形することによって製造することができる。
【００１６】
ここで、図１〜図３に示す分注部品１は、計量部１ａと吐出流路１ｂとの連設部分で断面積が大きく変化し（急縮）、吐出される液体に大きなエネルギー損失が生ずる。このため、分注部品１は、図４に示すように、吐出流路１ｂと接続される計量部１ａ下部の内径が吐出流路１ｂに向かって漸減するように、計量部１ａ下部を曲面１ｅに成形することが好ましい。このとき、分注部品１は、図５に示すように、吐出流路１ｂと接続される計量部１ａ下部の内径が吐出流路１ｂに向かって漸減するように、計量部１ａ下部を円錐状或いは角錐状のテーパ面１ｆに成形してもよい。また、吐出流路１ｂは、疎水加工を施すことによって抵抗を小さくすると、液体が吐出され易くなる。
【００１７】
一方、分注部品１は、図６に示すように、計量部１ａ全体の直径が吐出流路１ｂに向かって減少する円錐状或いは角錐状のテーパ面１ｇとし、吐出流路１ｂも内側よりも外側の直径が僅かに大きく形成されていてもよい。この場合、分注部品１は、図７に示すように、上金型１１と、吐出流路１ｂに対応する凸部１２ａを有する下金型１２とを用いて樹脂成形する。また、分注部品１は、図８に示すように、吐出流路１ｂに対応する凸部１１ａを有する上金型１１と、下金型１２とを用いて樹脂成形してもよく、この場合には外側よりも内側の直径が僅かに大きい吐出流路１ｂが形成される。更に、分注部品１は、図９に示すように、上金型１１と下金型１２とを用いて樹脂成形してもよく、吐出流路１ｂは、成形後、機械加工或いはレーザ加工によって形成する。
【００１８】
上述のように、分注部品１は、液体を吐出する吐出流路を計量部に連設し、計量部１ａの液体Ｌqの吐出方向の長さＬmを吐出方向に直交する方向の長さである直径Ｄmよりも大きく設定した（Ｌm＞Ｄm）。従って、分注部品１は、計量部１ａに保持される液体の体積に比べて欠落体積が微量となり、メニスカス曲率が相違しても吐出される液量のばらつきが抑えられるので、常に略一定量の液体を吐出することができる。
【００１９】
（実施の形態２）
次に、本発明の分注部品にかかる実施の形態２について説明する。実施の形態１の分注部品は、計量部１ａと吐出流路１ｂが同じ中心軸Ａc上に存在していたが、実施の形態２の分注部品は、計量部の中心軸と吐出流路の中心軸がオフセットされている。図１０は、分注部品の１構成単位を示す断面斜視図である。図１１は、分注部品の断面正面図である。
【００２０】
分注部品３は、図１０に示すように、計量部３ａの中心軸Ａcmと吐出流路３ｂの中心軸Ａcfがオフセットされている。また、分注部品３は、実施の形態１と同様に、計量部３ａの長さＬmが直径Ｄmよりも大きく設定され（Ｌm＞Ｄm）、吐出流路３ｂの内直径ｄfが計量部３ａの内直径Ｄmよりも小さく（ｄf＜Ｄm）設定されると共に、長さＬmが吐出流路３ｂの長さＬfよりも長く（Ｌm＞Ｌf）設定されている。
【００２１】
分注部品３は、計量部３ａの中心軸Ａcmと吐出流路３ｂの中心軸Ａcfとをオフセットしても、計量部３ａの長さＬmが直径Ｄmよりも大きく設定されている（Ｌm＞Ｄm）。このため、分注部品３は、計量部３ａに保持される液体のメニスカス曲率が違っても、計量部３ａに保持する液量のばらつきが抑えられ、常に略一定量の液体を吐出することができる。
【００２２】
ここで、分注部品３は、図１２および図１３に示すように、吐出流路３ｂと接続される計量部３ａ下部の内径が吐出流路３ｂに向かって漸減するように、計量部３ａ下部を円錐状或いは角錐状のテーパ面３ｆに成形してもよい。このとき、分注部品３は、図１４および図１５に示すように、テーパ面３ｆと吐出流路３ｂとの接続部分に段部３ｇを形成してもよい。
【００２３】
尚、本発明の分注部品は、図１６に示す分注部品５のように、吐出流路５ｂの吐出端に液体の吐出方向に突出し、先端に端面５ｄを有する突出部５ｃを形成すると共に、突出部５ｃの外面を計量部５ａ下部の円錐状或いは角錐状のテーパ面５ｆに並行なテーパ面５ｇに成形してもよい。
【００２４】
また、実施の形態１，２の分注部品は、計量部および吐出流路が断面円形のものについて説明したが、断面形状は円形以外の多角形であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施の形態１の分注部品の１構成単位を示す断面斜視図である。
【図２】液体を保持した分注部品のメニスカスを示す断面正面図である。
【図３】図１に示す分注部品の断面正面図である。
【図４】図１に示す分注部品の第１の変形例を示す断面正面図である。
【図５】図１に示す分注部品の第２の変形例を示す断面正面図である。
【図６】図１に示す分注部品の第３の変形例を示す断面正面図である。
【図７】図１に示す分注部品の第３の変形例を金型と共に示した断面正面図である。
【図８】図１に示す分注部品の第４の変形例を金型と共に示した断面正面図である。
【図９】図１に示す分注部品の第５の変形例を金型と共に示した断面正面図である。
【図１０】実施の形態２の分注部品の１構成単位を示す断面斜視図である。
【図１１】図１０に示す分注部品の断面正面図である。
【図１２】図１０に示す分注部品の第１の変形例を示す断面斜視図である。
【図１３】図１２に示す分注部品の断面正面図である。
【図１４】図１０に示す分注部品の第２の変形例を示す断面斜視図である。
【図１５】図１４に示す分注部品の断面正面図である。
【図１６】本発明の分注部品の変形例を示す断面正面図である。
【図１７】従来の分注装置によって保持される液体の形状を示す断面図である。
【図１８】図１７に示す分注装置に保持された液体の上側部分を拡大した断面図である。
【図１９】メニスカスによる液体の欠落体積と開口の直径との関係を接触角毎に算出した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１，３分注部品
１ａ，３ａ計量部
１ｂ，３ｂ吐出流路
１ｅ，３ｅ曲面
１ｆ、３ｆテーパ面
１ｇテーパ面
３ｇ段部
５分注部品
５ａ計量部
５ｂ吐出流路
５ｃ突出部
５ｆテーパ面
５ｇテーパ面
Ａc 中心軸
Ａcm 計量部の中心軸
Ａcf 吐出流路の中心軸
ｄf 吐出流路の内直径
Ｄm 計量部の内直径
Ｌf 吐出流路の長さ
Ｌm 計量部の長さ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
保持した液体の全量を加圧気体を利用して一度に吐出する分注部品であって、
上部に形成される開口部と、この開口部に連なる一定容量の空間とを有すると共に、前記開口部に形成される気液界面と当該空間とによって規定される容積を利用して、当該空間に充填される前記液体を計量および保持する計量部と、
前記開口部と対向して前記計量部に連設されると共に、前記加圧気体の圧力が前記液体に印加された際に前記計量部に保持された前記液体を吐出する吐出流路と、
を具備し、
前記気液界面の相違によって発生する前記計量部で計量および保持される前記液体の体積のばらつきを抑えるように、前記計量部の中心軸に沿った断面における前記液体の吐出方向の長さがこの吐出方向に直交する方向の長さよりも大きく設定されていることを特徴とする分注部品。
【請求項２】
前記計量部は、前記断面における前記液体の吐出方向の長さＬmが吐出方向に直交する方向の長さＤmに対して２Ｄm＜Ｌm＜１０Ｄmの範囲に設定されることを特徴とする請求項１に記載の分注部品。
【請求項３】
前記吐出流路は、前記液体の吐出方向に直交する方向の長さｄが前記計量部の長さＤmよりも小さく設定されることを特徴とする請求項１に記載の分注部品。

【図１】