Analytical liquid supply system

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体(fluid) がノズル放出口を通してノズルから少量、パルス方式でターゲットへ放出される、分析液体のターゲットへの調整供給(p
roportionedfeeding)装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】臨床化学においては、しばしば分析液体をターゲットに正確な量適用することが要求される。 液体は、たとえば試薬液体、較正用液体(calibration flu
id) 、あるいは特に血液や血清のようなサンプル液体でありうる。

【０００３】液体が供給されるターゲットは、たとえば自動分析ユニットにおける反応容器である。 その他の例は、微生物学の分野でしばしば使用されるマイクロタイタプレートや現在非常に広く使われる固体相分析素子(s
olid phase analysis element)であり、それらはまた、
“テストキャリア”およびアングロサクソンの文献では“固体状態分析素子(solid state analysis element)”
として記載されている。 本発明の目的に関して、“分析素子”という用語は、不連続なテストキャリア（たとえばテストストリップや分析スライドのような）のほかに、分析液体が適用される調整位置(proportioning sta
tion) を通過して導かれる、連続した分析素子のテープ、ストリップ、その他の形態をも意味する。

【０００４】分析液体の供給のためには、たとえばピペットやディスペンサー、希釈器のような種々の形状のピストン−シリンダー器具が伝統的に用いられている。 試薬は通常、試薬−キャリアマトリックス（たとえば紙）
に含浸させて分析素子に適用されるか、あるいはフィルム形成ポリマーを含有する液体から層形成工程において試薬フィルムが作成されてきた。 印刷技術もまた提案された。

【０００５】ヨーロッパ特許出願公開第119573号および同第268237号（米国特許第4877745号）明細書において前記のような様式の装置が記載されている。 それらの技術は、コンピュータープリンタ（インクジェットプリンタ）のために独自に開発されたインクジェット技術にもとづくものである。 両文献はその技術の既知の状況についてのさらに詳細な説明を含んでおり、ここに参照される。

【０００６】分析液体の微調整(microproportioning)
（少量の分析液体を高精度にターゲットに適用すること）のためのこれら既知の装置は、いずれも分析液体の特定量を放出するためにその容積が短時間圧縮されるノズル区画(compartment) を有する。 ヨーロッパ特許出願公開第119573号明細書では、ノズル区画は弾性チューブ部分によって形成されており、１滴が放出されるべきときにチューブに対して動かされる電磁気作動の円柱形ロッドがその側面に向けられている。 ヨーロッパ特許出願公開第268237号明細書では、ノズル区画は、同じく管状形に形成された同軸の圧電作動素子で囲まれた管状部分からなる。

【０００７】“ドロップ オン デマンド(drop on dem
and)”印刷技術は、ごく少量の分析液体を非接触で、正確にそして迅速にターゲットへ適用することを可能にする。しかしながら、きわめて少量の各々の量は、それは通常約0.2nl で約１nlをこえない量であるが、多数の適用にとって不都合である。もしより大きい容量が要求されるならば、数百あるいは数千のジェット量が順次放出されなければならない。要求される時間は高い放出速度にもかかわらず相当である。容易に揮発する試薬液体のばあい、少量の小滴の大部分が蒸発するというリスクがある。さらに、もし微細な気泡がノズル放出口付近のノズル区画に形成されると、液の放出が遮断される。プリンタのばあい、そのような気泡の形成は特別のインクを使用することにより避けられる。しかしながら、分析液体のばあいは、この溶液は選択できない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記の不都合を避け、分析液体のために現在まで通常に使用される“ドロップ オン デマンド”法のばあいよりも実質的に多い、しかし一方では、希釈器やディスペンサーで現在まで成し遂げられる最少量よりも少ない、厳密に決められた量の、分析液体の特定量を生じ(generate)
させうるような、分析液体のターゲットへの供給装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】その目的は前記のような様式の装置のばあい、その中で分析液体が加圧下に保持される圧力チャンバーからなり、圧力チャンバーからノズル放出口までの液体の流路にバルブ口と、バルブ口の開閉のための位置決め素子(positioning member)によって動く閉鎖素子とを有するバルブユニットが備えられ、
およびバルブ口閉鎖の際の閉鎖素子の動きによって液体の放出が維持(support) されるようにバルブユニットが組み立てられるということによって達成される。

【００１０】すなわち本発明は、液体がノズル放出口３
を通してノズル２から少量、パルス方式でターゲット５
へ放出される分析液体７のターゲットへの供給装置であって、分析液体が加圧下に保持される圧力チャンバー１
からなり、圧力チャンバー１からノズル放出口３までの液体の流路にバルブ口23と、バルブ口23の開閉のための位置決め素子12によって動く閉鎖素子13とを有するバルブユニット11が備えられ、および、バルブ口が閉鎖するあいだ、閉鎖素子13の動きによって液体の放出が維持されるようにバルブユニット11が組み立てられていることを特徴とする装置に関する。

【００１１】ここにおいては、バルブユニット11の閉鎖素子13が、ノズル２に面していてシーリングリム15によって限定された閉鎖領域19からなり、バルブユニット11
が閉鎖位置にある状態ではシーリングリム15はノズル側の環状のシーリングシート17上にぴったりと合い、ノズル放出口３の方向においてシーリングシート17の下方に、ノズル放出口３とバルブ口23を除いて閉鎖しているノズルプレ−チャンバー４が配置されており、および、
閉鎖領域19はノズル放出口３の横断面の面積より大きいもの、シーリングシート17からノズル放出口３までのノズルプレ−チャンバー４の壁４ａが、少なくとも部分的に円錐形であるもの、バルブ口23の開口横断面が閉鎖領域19よりも小さいもの、バルブ口23の開口横断面がノズル放出口３の横断面より大きいもの、バルブユニット11
が、液体封じ(hydraulic seal)を確実にする位置より先まで（のちに示す図４における距離ｄｈの分だけ）ノズル放出口方向に閉鎖素子13が動くことができるような弾性を有する弾性シーリング素子25からなるもの、バルブユニット11の閉鎖素子13が圧電位置決め素子30によって動かされるもの、バルブユニット11の閉鎖素子13が電磁気位置決め素子34によって動かされるもの、圧力チャンバー１が摩擦のないシールによって位置決め素子30、34
から密閉隔離されているもの、ならびに摩擦のないシールが隔壁32からなるものが好ましい。

【００１２】

【作用】本発明のばあい、前記の“ドロップ オン デマンド”微調整のための装置とは対照的に、ノズル区画（これはノズル放出口のすぐうしろに位置する）が特定量の液体が放出されるべきときに圧縮されるわけではない。 そのかわり、ノズル放出口は、中の分析液体が（たとえば0.1 から５bar の）永続的な圧力を受けている圧力チャンバーと、流体的に連結している(hydraulically
connected) 。 特定量の分析液体の放出は、圧力チャンバーとノズル放出口の間の液圧連結(hydraulic connect
ion)を短時間開口し再び閉鎖するバルブユニットの閉鎖素子によって、制御される。

【００１３】前記技術は、パッケージへのマーキングやその他の比較的大ざっぱで容易な印刷作業への適用に関して公知である。 とくに、“マクロジェット２(Makroje
t2)”という名称の、約1.7 μｌの液体量を放出する装置(device)が、ドミノプリンティングサイエンス(Domin
o Printing Sciences)社によって供給されている。 バルブユニットの閉鎖素子はノズル放出口に向かってバネによって押され、開口するにはワイヤ牽引によって電磁気的タイロッド（ソレノイド）で引き戻される。 前記技術の詳細は、ドイツ特許出願公開第3302617 号明細書、ヨーロッパ特許出願公開第0260929 号明細書および（別の具体例では）ヨーロッパ特許出願公開第0276053 号明細書に記載されている。

【００１４】しかしながら、本分野では、（比較的大ざっぱで容易なマーキングの印刷とは対照的に）既知の装置では達成しえないきわめて高精度の調整(proportioni
ng)を要求するので、既知の装置は分析液体の微調整にはまったく不適当である。 マクロジェット２の液滴の大きさの変動係数（ＶＣ）は10％より大きいのに対し、分析の目的のためには最大でも約１％のＶＣが目指される。 さらに、既知の装置のばあい、達成しうる液量の容積の下限が比較的大きい。

【００１５】本発明において、閉鎖操作の間、すなわちバルブユニットの閉鎖状態（閉鎖位置）の方向へと閉鎖素子が動くことによって、液体の放出が阻止されず維持され促進されるように考慮してバルブユニットが組み立てられるならば、分析液体の調整に要求される高精度な調整にとって、本発明が非常に有利であることが見出された。

【００１６】

【実施例】本発明は、以下に、図に示される具体例を参照して詳細に説明される。 ここで、図１は本発明による装置の全体のレイアウトを示す断面図、図２は圧電位置決め素子を備えた本発明の具体例を示す断面図、図３は磁気的位置決め素子を備えた本発明の具体例を示す断面図、図４は好ましいバルブユニットの詳細図である。

【００１７】図１に示される分析液体の微調整のための装置は、分析液体のための圧力チャンバー１および、ノズル放出口３とノズルプレ−チャンバー４を有しそれを通って分析液体が少量、ターゲット５（簡単に図で示される）へ放出されうるノズル２からなる。 分析液体７は圧力チャンバー１中で加圧下に保持される。 分析液体は、圧力発生デバイス９により、接続しているブランチ６ａを経由して貯蔵容器６から供給される。 たとえば、
ポンプが圧力発生デバイス９として役立ちうる。 しかしながら、外部の圧力源（たとえば圧縮空気）の圧力を隔膜(diaphragm) を経由して、圧力チャンバー１中の分析液体７へと伝達することも可能である。

【００１８】圧力チャンバー１とノズル放出口３の間の液圧連結はバルブユニット11により開口および閉鎖されうる。 バルブユニット11（図１ではバルブが開口位置にある状態を示し、また以下、単にバルブともいう）は、
位置決め素子12によって動かされる閉鎖素子13からなり、バルブユニット11が閉鎖位置にある状態では、前記閉鎖素子13の環状のシーリングリム(sealing rim)15
は、同じく環状のシーリングシート(sealing seat)17に板封じ方式で押しつけられている。 シーリングリム15に囲まれた領域は閉鎖領域19を意味する。

【００１９】ノズル放出口３の方向においてシーリングシート17の前に、ノズルプレ−チャンバー４が配されている。 これは、バルブ放出口とバルブ口23（バルブ開口時）を除いてふさがっている。

【００２０】本発明にしたがって機能させるために、バルブ11とノズル２の範囲の流体的な条件(hydraulic con
ditions)は特に重要である。 この点で以下の特徴が好ましい。

【００２１】閉鎖領域19はノズル放出口３より広い。 これは閉鎖素子13が閉鎖する間“液圧加速(hydraulic gea
ring up)”あるいは“液圧伝動(hydraulic transmissio
n)”を引きおこす、言い換えれば、閉鎖素子13が閉鎖する間、閉鎖素子13がノズル放出口３の方向へ動くよりもかなり速く、液体がノズル放出口３を通って移動する。
それによって、閉鎖素子13の比較的ゆっくりした動きによってバルブ11が閉鎖する間、液体の放出がとくによく維持され促進される。

【００２２】本発明においてとくに重要な点は、液圧加速にある。 インクジェット技術（いわゆる“ジェッティング(jetting) ”）において、要求される液体の放出を確実にするためには、ノズル内での流速が少なくとも１
ｍ／ｓでなければならない。 本発明において、液体の流れの正確な中断を達成するためにはバルブの閉鎖する間も同様に高速度が要求されることが見出された。 したがって、液圧加速がなければ、閉鎖素子が開口位置から閉鎖位置まで１ｍ／ｓのオーダーの速度で移動することが必須である。 前記高速度にともなう困難な点（バルブのシーリングシートに対するダメージ、位置決め素子に対するダメージ、閉鎖位置からの閉鎖素子のはね返り）
は、液圧加速により回避される。 最適の流体動力学的条件は、理にかなった構造の経費で達成されうる。

【００２３】ノズルプレ−チャンバー４の壁４ａはシーリングシート17からノズル放出口３まで、少なくともある断面において好ましくは円錐形である。 液圧加速を確実にするために、閉鎖素子は合致した円錐をさらに備える必要はなく、かわりに、閉鎖領域19は、おおむね（示したように）水平であるか、わずかに内にわん曲しているか、もしくはノズル放出口３の方へわん曲しているならば少なくともノズルプレ−チャンバー４の円錐形の壁４ａよりは有意に平らであることが望ましい。 相互にかみ合い合致したシーリング面を有する円錐形のシールは、多くの場合シーリングに有利であるとみなされるが、それにもかかわらず、本発明においては目的とする液圧加速のために不都合である。

【００２４】液圧加速が有効であるためには、バルブ11
のバルブ口23、これはシーリングリム15とシーリングシート17との間の環状のすきまによって形成されるが、その開口横断面(opening cross-section) が閉鎖領域19よりも小さい方が有利である。 他方、バルブ口23の開口横断面はノズル放出口３の横断面より大きくなければならない。 それによって、バルブ開口時の分析液体の流速がバルブの流体抵抗ではなくおもに放出口３の流体抵抗によって決定されるということが保証される。

【００２５】放出される液体の特定量の容積限界(volum
e terms)における精度は、これらすべての寸法(measure
s)によって向上される。

【００２６】図２に示される具体例のばあい、閉鎖素子
13は圧電位置決め素子30によって動かされる。 それはバルブ11が閉鎖位置にある状態で示されている。 要求された位置決め通路をもたらすために、たとえばスタッキングピエゾ(stacking piezo)が用いられうる。

【００２７】圧電位置決め素子30は、隔壁32によって圧力チャンバー１から分離された位置決め素子区画31中に位置する。 隔壁32は圧力チャンバー１を位置決め素子区画31から完全にふさぐ(block off) 。 閉鎖素子13は位置決め素子30に固定して連結され、連結素子は隔壁32を貫通している。 隔壁は貫通点にシーリング用のふちどり(b
order)が備えられている。

【００２８】本発明において、そのような隔壁シールは、正確な位置決めを確実にするためにとくに有利であることが見出された。 一般に、位置決め素子30による閉鎖素子13の動きが摩擦力によって阻まれないように、圧力チャンバー１と隣接した位置決め素子区画31との間のシールは摩擦がないようにすべきである。

【００２９】圧電バルブの動きは強い力で迅速な連続運動を可能にする。 さらにそれは、閉鎖素子13が計画的にそして比較的正確に、閉鎖位置と開口位置との間の要求された位置へと導かれることを可能にする。 これは、図４で説明された具体例に関してとくに有利である。

【００３０】図３は、閉鎖素子13が磁気的位置決め素子
34によって動かされるばあいの具体例を示す。 それは、
電流の極性(polarity)の機能としての磁気コイル36によって矢印37の方向に上下に動きうる揺動電動子35からなる。 磁気的作動は、充分に高い作動頻度、そして同時に比較的長い作動路（１mmの大きさのオーダーの）を可能にする。 本発明において、位置決め運動が位置決め路の末端に近づいても速度が落ちず、加速さえされることがとくに有利である。 したがって、閉鎖素子の直接的な磁気的作動は、閉鎖運動が本発明のためにとくに好都合なコース(course)を採用することを可能にする。 そうして、閉鎖素子13は、バルブ11が閉鎖する間、シーリングリム（図３には示されていない）がシーリングシートに突き当たるまでノズル放出口３の方向に減速されずにあるいは加速さえして動く。 この具体例においてもまた、
圧力チャンバー１を位置決め素子区画31と分離するために隔壁32が備えられている。

【００３１】図４はさらに好ましい具体例を図示しており、ここでバルブ11のシーリング素子は、ノズル放出口３の方向への液体封じを確実にする位置の先まで閉鎖素子13が動くことができるような弾性を示す。 具体例ではこの目的のために、閉鎖素子13のシーリングリム15が押すような、たとえば形成されたパッキンリング型の弾性シール25からなるシーリングシート17が示される。 そして、液体封じはシーリングリム15が弾性シール25に接触する瞬間、すでに確実にされている。 閉鎖素子13の前記位置は連続線で示される。 それが、ノズル放出口３の方向（矢印27）への閉鎖素子13の圧力のために、さらに位置決め路の差幅ｄｈ（該位置は図では点線で示される）
の分だけ圧縮されるならば、ノズルプレ−チャンバー４
の中に封入された液体の完全なシーリング（“チャンバー効果”）により、バルブ11が閉鎖される瞬間、液体がとくに迅速に放出されることになる。

【００３２】バルブ11の開口の際、“チャンバー効果”
の結果として、ノズル放出口３を通して少量の空気が吸い込まれる。 これは、吸い込まれる容量が比較的少量ならば、容量調整の精度にとって不都合ではない。

【００３３】位置決め素子がそのような動きを許すならば、シール25の弾性ゆえに閉鎖素子は最初の位置に到達したのち、ノズル区画の方にわずかに押し返されるであろう。 その結果として、特定量の液体の放出後にノズル放出口３に残っている液滴は引き戻されるであろう。 放出された液体の特定量の容積限界における精度もまた、
結果として向上するであろう。 内にわん曲した凹面のメニスカス(meniscus)がノズル放出口３の区域でえられる。

【００３４】

【発明の効果】本発明の装置により、“ドロップ オン デマンド”法よりも多くかつ希釈器やディスペンサーでえられる最少量よりも少ない、厳密に決められた量の分析液体を、きわめて高精度にターゲットへ調整供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置の全体のレイアウトを示す断面図である。

【図２】圧電位置決め素子を備えた本発明の具体例を示す断面図である。

【図３】磁気的位置決め素子を備えた本発明の具体例を示す断面図である。

【図４】好ましいバルブユニットの詳細図である。

【符号の説明】

１ 圧力チャンバー ２ ノズル ３ ノズル放出口 ４ ノズルプレ−チャンバー ５ ターゲット ７ 分析液体 11 バルブユニット 12 位置決め素子 13 閉鎖素子 15 シーリングリム 17 シーリングシート 19 閉鎖領域 23 バルブ口

【手続補正書】

【提出日】平成５年２月１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】