JP2003121452A

JP2003121452A - 液体分注装置

Info

Publication number: JP2003121452A
Application number: JP2001315604A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Imabayashi; 浩之今林; Junichi Nakano; 淳一中野
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2003-04-23
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: JP3809086B2

Abstract

(57)【要約】【課題】液体試料の吐出状態を正確に検出し得るよう
にした液体分注装置を提供する。【解決手段】ノズル１２０の内部に保持した液体試料
１１５を微小液滴１１１として吐出口１２９より吐出す
る吐出ヘッド１０８と、吐出ヘッド１０８から吐出され
た微小液滴１１１が通過する位置に平行光束１１２を照
射するように設けられた平行光束発生部材１０９と、平
行光束発生部材１０９に対向して設けられ平行光束１１
２を受光する光検出部材１１０とを具備して成る液体分
注装置１００は、受光した平行光束１１２に基づき液体
試料１１５の吐出状態（正常に吐出したか否か、液滴の
大きさおよび飛翔速度）を検出するように構成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微小量の液体を分
注する医療用途の液体分注装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】微小量の液体を分注する液体分注装置の
従来例としては、例えば、特開平１０−１１４３９４号
公報に記載されている、圧電変換器を適用したマイクロ
ディスペンサを搭載した微量流体処理装置がある。以
下、その概略構成を図１６を用いて説明する。

【０００３】図１６に示す微量流体処理装置２１０は、
ガラス毛細管に取り付けられた圧電変換器を使用するマ
イクロディスペンサ２１６と、マイクロディスペンサ２
１６に移送流体２２４を充填し、マイクロディスペンサ
２１６から移送流体２２４を吸引し、システム流体２２
０の圧力を制御するとともに移送と移送との間にマイク
ロディスペンサ２１６を洗浄する容積式ポンプ２１２
と、システム流体２２０の圧力を測定するとともに対応
する電気信号を発するピエゾ抵抗圧力センサ２１４とを
具備している。ピエゾ抵抗圧力センサ２１４により測定
された圧力信号は、分配される移送流体２２４の体積を
点検および測定するため、ならびにマイクロディスペン
サ２１６の自動化された調整および診断を行うために使
用される。

【０００４】この従来例には、少量の流体を移送制御
し、分配し、測定するための装置および方法に関する構
成が開示されており、その構成では、分配される移送流
体の容積と適正な装置の機能とを確保するために、マイ
クロディスペンサ内の圧力の変化を検知する。具体的に
は、マイクロディスペンサ内の圧力低下の程度を、エア
ーギャップ２２２の寸法および分配される液体量の関数
として検出する。上記圧力センサ２１４により検出され
る圧力変化は、エアーギャップ２２２の容積が既知であ
る場合、分配される量に関係するため、制御論理２４２
は、圧力センサ２１４により測定された圧力変化を基に
して、分配された移送流体２２４の量を判断（確認）す
る。

【０００５】また、上記従来例では、分配された移送流
体２２４の量を下記方法によっても判断（確認）する。
すなわち、図示しない注射器のプランジャを上方に進め
るべくポンプ２１２に命令する間、制御論理２４２は、
システム流体２２０のライン圧を監視しており、システ
ム流体２２０のライン圧が（分配前の）初期値に戻るま
で上記注射器のプランジャを前進させる制御を行う。こ
の間、ステッピンジモータを１ステップ作動させる毎に
２０．８３ナノリットルが排出されることを考慮して、
プランジャが押し出す排出容積を追跡する制御論理２４
２が、分配された移送流体２２４の量を判断（確認）す
る。

【０００６】以上のような分配された移送流体２２４の
量の２通りの判断（確認）によってシステムの信頼性が
高まるので、多数回の分配手順を指示することにより、
システム流体２２０のライン圧がマイクロディスペンサ
２１６の所望の分配量に適合することになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例は、システ
ム系管内の圧力を監視することにより液滴吐出量を検出
し、リアルタイム動作中に分配された液体の微少量を確
実に検査することを意図している。

【０００８】ここで、医療用途（生化学・バイオ遺伝子
分野）での液体分注について考察すると、分注する液体
は多種に亘っており、各種液体の液体物理定数（粘度、
表面張力、比重、接触角）が異なる値となる毎に、飛翔
する液滴の量や飛翔速度は異なるものとなる。一般に、
微小量の液体を取り扱う場合には通常の液体流れの関係
が成立せず、液体流れの関係に粘性や表面張力等が大き
く影響することになり、極微小量領域に進むにつれてそ
の影響が激しくなり、さらに、液滴の飛翔する空気抵抗
さえも無視できなくなる。したがって、上記従来例のよ
うにシステム管内での圧力を制御して一定値に管圧を維
持したとしても、各種液体の液体物理定数の相違に応じ
て吐出口での液体のメニスカス形状が異なってしまうた
め、飛翔する液滴の量や飛翔速度が異なるものとなり、
さらには、サテライト（メインドロップ以外の飛翔ドロ
ップ）の発生頻度も異なってくる。特に、サテライトは
一般的にメインドロップに比べてサイズが微小となるた
め、サテライトの吐出の有無をシステム管内圧力により
判断することは極めて困難である。さらに、血清等の人
血または異種のＤＮＡ含有溶液を扱う場合には、個人差
または含有ＤＮＡ塩基長に応じて僅かに液体物理定数が
異なるものとなるため、飛翔する液滴の量や飛翔速度を
システム管内の圧力のみによって制御しようとしても、
所望の液滴吐出状態を実現するのは極めて困難である。

【０００９】さらに、複数の吐出ヘッドを使用する構成
とした場合には、吐出ヘッドの製造上の組立誤差や吐出
ヘッド自体の吐出特性の個体差（例えば圧電素子の特性
差）により吐出ヘッド毎に吐出口位置や液滴の飛行角度
がばらつくため、液滴の大きさや着弾位置にずれが生じ
ることがある。この場合、上記従来例では、吐出ヘッド
の加工精度および組立精度を支障のないレベル（例えば
μｍレベル）まで向上させる対策を講じないと上記不具
合に解消することができず、上記対策を講じた場合には
装置の高価格化等の問題を招いてしまう。

【００１０】本発明は、液体試料の吐出状態を正確に検
出し得るようにした液体分注装置を提供することを第１
の目的とする。本発明は、液体試料の吐出状態を正確に
検出し得るようにした安価な液体分注装置を提供するこ
とを第２の目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るため、請求項１に記載の第１発明は、ノズル内部に保
持した液体試料を微小液滴としてノズル吐出口より吐出
する吐出ヘッドと、前記吐出ヘッドから吐出された微小
液滴が通過する位置に平行光束を照射するように設けら
れた平行光束発生手段と、前記平行光束発生手段に対向
して設けられ前記平行光束を受光する光検出手段とを具
備して成り、受光した平行光束に基づき液体試料の吐出
状態を検出するようにしたことを特徴とする。

【００１２】請求項２に記載の第２発明は、前記平行光
束の照射方向と前記微小液滴の吐出方向とがほぼ直交す
るようにしたことを特徴とする。

【００１３】請求項３に記載の第３発明は、前記平行光
束発生手段は、平行光束を絞るための光束制限部材を備
えることを特徴とする。

【００１４】請求項４に記載の第４発明は、前記光束制
限部材はピンホールであることを特徴とする。

【００１５】請求項５に記載の第５発明は、前記ピンホ
ールの直径がメイン微小液滴の最大径よりも小さくなる
ようにしたことを特徴とする。

【００１６】請求項６に記載の第６発明は、前記光束制
限部材は、前記微小液滴の吐出方向および前記平行光束
の光軸方向とほぼ直交する方向が長軸となるように設け
られたスリットであることを特徴とする。

【００１７】請求項７に記載の第７発明は、前記吐出ヘ
ッドから吐出された微小液滴が通過する位置で、照射さ
れた平行光束が互いに直交するように前記平行光束発生
手段を２組設けるとともに、各平行光束発生手段に対向
してそれぞれからの平行光束を受光する光検出手段を設
け、該光検出手段はポジションセンサであることを特徴
とする。

【００１８】請求項８に記載の第８発明は、前記光検出
手段は、前記微小液滴の吐出方向に２分割された受光部
と、この２分割された受光部からの出力の差信号を生成
する差信号演算回路とを備えることを特徴とする。

【００１９】請求項９に記載の第９発明は、前記光検出
手段は、前記２分割された受光部からの出力の和信号を
生成する和信号演算回路と、前記差信号を前記和信号で
除算する除算回路とをさらに備えることを特徴とする。

【００２０】請求項１０に記載の第１０発明は、前記受
光した平行光束の光量変化量を検出する光量変化量検出
回路を備え、検出した光量変化量に基づき吐出した微小
液滴の最大径を検出するようにしたことを特徴とする。

【００２１】請求項１１に記載の第１１発明は、前記受
光した平行光束の光量が変化している光量変化時間を検
出する光量変化時間検出回路を備え、検出した光量変化
時間に基づき吐出した微小液滴の速度を検出するように
したことを特徴とする。

【００２２】上記第２の目的を達成するため、請求項１
２に記載の第１２発明は、前記吐出ヘッドを複数本備
え、各吐出ヘッドから吐出された微小液滴が前記平行光
束発生手段から照射される平行光束と交差するように全
吐出ヘッドを整列配置したことを特徴とする。

【００２３】

【発明の効果】第１発明によれば、平行光束発生手段か
ら照射された平行光束が該平行光束発生手段に対向して
設けられた光検出手段により受光される際には、吐出ヘ
ッドのノズル吐出口より吐出された液体試料の微小液滴
が前記平行光束中を通過するので、前記微小液滴が正常
に吐出された場合には前記光検出手段が検出する平行光
束の光量が前記微小液滴の通過に応じて変化し、前記微
小液滴が吐出されなかった場合には前記光検出手段が検
出する平行光束の光量が変化しないので、光量変化の有
無によって吐出ヘッドから液体試料の微小液滴が正常に
吐出されたか否かを判定できるようになる。したがっ
て、液体試料の吐出状態を正確に検出し得るようにした
液体分注装置を提供することができる。

【００２４】第２発明によれば、前記平行光束の照射方
向と前記微小液滴の吐出方向とがほぼ直交するようにし
たから、液体分注装置内において前記平行光束発生手段
および光検出手段が占有するスペースが最小限になるの
で、液体分注装置内に効率良く前記平行光束発生手段お
よび光検出手段を収容することができる。

【００２５】第３発明によれば、前記平行光束発生手段
は、平行光束を絞るための光束制限部材を備えるから、
前記微小液滴が前記平行光束を通過するのに要する時間
が短縮されることになるので、前記液体試料の微小液滴
が正常に吐出されたか否かの判定を高速化することがで
きる。

【００２６】第４発明によれば、前記光束制限部材はピ
ンホールであるから、入射した平行光束を所望の断面円
形状の平行光束に絞ることができる。

【００２７】第５発明によれば、前記ピンホールの直径
がメイン微小液滴の最大径よりも小さくなるようにした
から、メイン微小液滴全体とサテライト液滴全体とが同
時に前記ピンホールで絞った平行光束内に入り込む状態
が生じることが防止され、メイン微小液滴の場合とサテ
ライト液滴の場合とを確実に識別することができるとと
もに、光検出手段の検出信号のＳ／Ｎ比を向上させるこ
とができる。なお、メイン微小液滴とは、吐出ヘッドに
吐出指令（例えば所定の吐出ヘッド駆動電圧波形）を与
えた直後に当該吐出ヘッドから吐出される微小液滴のこ
とを表わすものとし、サテライト液滴とは、吐出ヘッド
からメイン微小液滴が吐出された後に吐出される液滴
（一般的に、メイン液滴よりも小さくなる）のことを表
わすものとする。

【００２８】第６発明によれば、前記光束制限部材は、
前記微小液滴の吐出方向および前記平行光束の光軸方向
とほぼ直交する方向が長軸となるように設けられたスリ
ットであるから、入射した平行光束を所望の断面矩形形
状の平行光束に絞ることができるとともに、前記スリッ
トの長軸方向において前記吐出ヘッドをラフに配置する
ことができるようになる。

【００２９】第７発明によれば、前記吐出ヘッドから吐
出された微小液滴が通過する位置には、２組の平行光束
発生手段からの平行光束が互いに直交するように照射さ
れ、各平行光束は各平行光束発生手段に対向して設けら
れた光検出手段によってそれぞれ受光され、該光検出手
段はポジションセンサであるので、各ポジションセンサ
の検出信号に基づいて、吐出ヘッドから液体試料の微小
液滴が正常に吐出されたか否かを判定できるばかりでな
く、吐出ヘッドから吐出された微小液滴の吐出位置（微
小液滴が着弾した部材における着弾位置）を検出できる
ようになる。

【００３０】第８発明によれば、前記光検出手段は、前
記微小液滴の吐出方向に２分割された受光部と、この２
分割された受光部からの出力の差信号を生成する差信号
演算回路とを備えるから、この２分割された受光部から
の出力の差信号を用いることにより、前記光量変化の検
出感度を向上させることができる。

【００３１】第９発明によれば、前記光検出手段は、前
記２分割された受光部からの出力の和信号を生成する和
信号演算回路と、前記差信号を前記和信号で除算する除
算回路とをさらに備えるから、前記光量変化の検出信号
の僅かな変化を捉えることができるようになり、検出信
号のＳ／Ｎ比を大幅に向上させることができる。

【００３２】第１０発明によれば、前記受光した平行光
束の光量変化量を検出する光量変化量検出回路を備え、
検出した光量変化量に基づき吐出した微小液滴の最大径
を検出するようにしたから、吐出ヘッドから液体試料の
微小液滴が正常に吐出されたか否かを判定できるばかり
でなく、吐出ヘッドから吐出された微小液滴の大きさを
検出できるようになる。

【００３３】第１１発明によれば、前記受光した平行光
束の光量が変化している光量変化時間を検出する光量変
化時間検出回路を備え、検出した光量変化時間に基づき
吐出した微小液滴の速度を検出するようにしたから、吐
出ヘッドから液体試料の微小液滴が正常に吐出されたか
否かを判定できるばかりでなく、吐出ヘッドから吐出さ
れた微小液滴の速度を検出できるようになる。

【００３４】第１２発明によれば、前記吐出ヘッドを複
数本備え、各吐出ヘッドから吐出された微小液滴が前記
平行光束発生手段から照射される平行光束と交差するよ
うに全吐出ヘッドを整列配置したから、複数の吐出ヘッ
ドに対して１組の平行光束発生手段および光検出手段を
設けるだけで全吐出ヘッドの吐出状態を検出することが
できるようになる。したがって、液体試料の吐出状態を
正確に検出し得るようにした安価な液体分注装置を提供
することができる。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態
の液体分注装置の概略構成を示す図であり、図２
（ａ），（ｂ）は第１実施形態の吐出ヘッドの吐出原理
を説明するための図であり、図３は第１実施形態におい
て吐出ヘッドと平行光束発生部材と光検出部材とを含む
部分を示す側面図であり、図４は第１実施形態において
吐出ヘッドから吐出された液滴と平行光束発生部材から
出射された平行光束との位置関係を示す図であり、図５
は図４の状態のときの光検出部材の検出電圧波形例を示
す図であり、図６は第１実施形態において吐出ヘッドか
ら吐出された液滴と平行光束発生部材から出射された平
行光束との図４とは異なる位置関係を示す図であり、図
７は図６の状態のときの光検出部材の検出電圧波形例を
示す図である。

【００３６】本実施形態の液体分注装置１００は、図１
に示すように、各種ポンプ１０１，１０２、電磁弁１０
３、洗浄槽１０４、ウェルプレート１０５、検査プレー
ト１０６、洗浄水供給タンク１０７、吐出ヘッド１０８
等を具備して成る。吐出ヘッド１０８は、搬送部材１１
４に支持されており、この搬送部材１１４によるＸ，
Ｙ，Ｚの３軸方向（Ｘ方向；図示左右方向、Ｙ方向；図
示前後方向、Ｚ方向；図示上下方向）の走査により、液
体試料１１５が多穴に収納されたウェルプレート１０
５、洗浄槽１０４および検査プレート１０６の各位置に
移動できるようになっている。

【００３７】吐出ヘッド１０８は、テフロン（登録商
標）製の柔軟性のある配管１１６により、洗浄水供給タ
ンク１０７と、洗浄水供給ポンプ１０２と、電磁弁１０
３と、シリンジピストンポンプ１０１とに接続されてお
り、洗浄槽１０４には図示しないポンプにより同様の洗
浄水が流れるように配管が接続されている。なお、上記
テフロン（登録商標）製の配管１１６の途中に、メンブ
レンフィルタ等のゴミ取り用のフィルタをそれぞれ設置
してもよい。

【００３８】ウェルプレート１０５は、樹脂製の９６穴
または３８４穴の規格化された多穴の液体試料貯蔵部を
有しており、９６穴ウェルプレート１０５の場合は９ｍ
ｍ間隔の穴が形成され、３８４穴ウェルプレート１０５
の場合は４．５ｍｍ間隔の穴が形成され、同一の液体試
料１１５または異なる液体試料１１５が貯蔵されてい
る。液体試料１１５としては、血清、ＤＮＡ含有溶液、
試薬等の、多種類の生化学液体が貯蔵されている。一般
的に、試料温度による反応の影響を除去するために、ウ
ェルプレート１０５は一定温度に管理された筺体内に収
納されているため、必要に応じて、吐出ヘッドユニット
１０８の吸引位置に移動されるようにしてもよい。

【００３９】検査プレート１０６は、液体試料１１５を
微小液滴として着弾付着されるものであり、スライドガ
ラスを始めとして、化学反応処理膜が形成されたスライ
ドガラスやセラミック等のメンブレンフィルタ等のプレ
ート形状のものや、吐出された液体試料１１５を捕獲す
るための側壁を有する反応容器のようなものまで多種類
のものが使用可能であり、検査手段、測定手段および検
査方法に応じて前記多種類の中から選択した所望のもの
を用いることができる。

【００４０】シリンジピストンポンプ１０１は、金属製
のピストン１１７と樹脂製またはガラス製のシリンジ１
１８とから成り、図示しないラックピニオン等の変換手
段により図示しないモータの回転運動を直線運動に変換
することにより、シリンジ１１８内でピストン１１７を
往復動作させるように構成されている。上記モータとし
て例えばステッピングモータを用いた場合、マイクロス
テップ駆動方式を用いることによりマイクロステップ駆
動方式の回転角に応じて０．０１度／１ステップ以下の
分解能で駆動することができるので、ピストン１１７を
μｍオーダーで正確に往復動作制御することが可能であ
る。なお、シリンジピストンポンプ１０１には、吐出ヘ
ッド１０８に接続するための配管１１６および電磁弁１
０３に接続するための配管１１６が接続されている。

【００４１】吐出ヘッド１０８は、円筒形状の圧電素子
１１９と、ノズル１２０と、搬送部材１１４に固定され
た支持部材１２１と、配管１１６に接続するための配管
継手（オス１２２およびメス１２３）と、水密を形成す
るＯリング１２４と、ノズル１２０を滑動支持するスラ
イドガイド１２５とにより構成されている。

【００４２】圧電素子１１９は、チタン酸ジルコン酸鉛
（ＰＺＴ）の材料より成り、例えば外径２．６ｍｍ、内
径２ｍｍ、長さ２０ｍｍの形状をなしている。圧電素子
１１９の一方の端面（図示下端面）には、支持部材１２
１がエポキシ接着剤で接合されており、圧電素子１１９
の振動節位置（完全固定位置）をなしている。圧電素子
１１９の他方の端面（図示上端面）には、Ｏリング１２
４によりノズル１２０の水密を確保した配管継手のオス
１２２がエポキシ接着剤で接合されている。ノズル１２
０は、このＯリング１２４の内径および外径の弾性変形
力により配管継手オス１２２に固定されることになり、
圧電素子１１９の振動腹位置にてノズル１２０が支持さ
れることになる。

【００４３】圧電素子１１９の内周面にはニッケル等の
材質のＧＮＤ電極１２６がメッキ処理により形成されて
おり、このＧＮＤ電極１２６は両端面にて折り返されて
外周面に引き出されている。上記圧電素子１１９の外周
面にはＧＮＤ電極１２６から一定間隔を隔てて電圧印加
電極１２７が形成され、肉厚方向に分極処理されてい
る。なお、安全性を確保するために、圧電素子１１９の
外周面にポリイミド系やフッ素系の電気絶縁皮膜を形成
してもよい。

【００４４】支持部材１２１の内部には、複数の硬球が
リテーナに滑動支持されて成る円柱形状のスライドガイ
ド１２５が設置されている。このスライドガイド１２５
は、ノズル１２０の外表面と硬球が点接触することによ
り、ノズル１２０を径方向に規制して軸方向に滑動支持
し得るようになっている。

【００４５】ノズル１２０としては、円管形状のガラス
製、金属製またはセラミックス製のものを用いることが
できるが、本実施形態ではガラス製のものを用いるもの
とする。ノズル１２０の図示下端はテーパー形状１２８
となっており、このテーパー形状１２８の先端には吐出
口１２９が形成されている。吐出口１２９の内径はφ２
０〜１５０μｍ程度とすることができるが、液体試料１
１５を液滴として吐出するときの液滴サイズに応じて上
記範囲内の適当な内径を設定するものとする。

【００４６】ノズル１２０をガラス製とする場合には、
円柱形状のガラス管を熱成形により絞って先端をテーパ
ー形状１２８とした後、内径が所望の大きさになる部分
で切断して製作する。また、金属製とする場合には、耐
食性に優れたＳＵＳ材やチタン材の金属細管の先端に絞
り加工を行ってテーパー形状１２８とし、内径が所望の
大きさになる部分で切断して製作する。さらに、セラミ
ックス製とする場合には、テーパー形状１２８の先端部
分だけをジルコニアやアルミナやルビー材を型成形する
ことにより容易に所望の形状のものに製作することがで
き、この先端部分をガラス製または金属製の細管と途中
で接着接合または圧入接合して製作する。この場合、接
着剤としてセラミックス製の耐溶剤性のあるものを用い
るのが好ましい。

【００４７】上記ノズル１２０は圧電素子１１９の内部
に配置されており、ノズル１２０の図示上端部はＯリン
グ１２４が設置された配管継手のオス１２２に挿通さ
れ、図示下端近傍部分の外周はスライドガイド１２５に
滑動支持されている。

【００４８】Ｏリング１２４を内蔵した配管継手のオス
１２２は配管継手のメス１２３に螺合締結されており、
この螺合締結時には断面Ｔ形に整形された端面１３０を
有するテフロン（登録商標）製の配管１１６が配管継手
のメス１２３に挿通されるので、配管継手のメス１２３
を螺合することによりＯリング１２４が弾性変形して水
密が確保される構成となっている。また、ノズル１２０
の上端面は、テーパーが形成されていないため、テフロ
ン（登録商標）配管１１６の断面Ｔ形に成形された端面
１３０に隙間無く当接しており、それによりシリンジピ
ストンポンプ１０１からの洗浄水がノズル１２０の外部
に漏れないように水密が確保されている。

【００４９】上記のように構成された吐出ヘッド１０８
に液体試料１１５を吸引した後に、圧電素子１１９の外
周に形成されたＧＮＤ電極１２６および電圧印加電極１
２７間に図示しない駆動回路からリード線やフレキシブ
ル線材を介して図２（ｂ）に例示した所定波形の電圧を
印加すると、圧電素子１１９が急速に変形するので、振
動腹位置で内部に固定されていたノズル１２０が、図２
（ａ）の左側の状態から中央の状態を経て右側の状態に
至るように急激に軸方向に移動する。この移動に伴う加
速度により、ノズル１２０の内部の液体試料１１５に慣
性力が作用し、吐出口１２９より液体試料１１５が液滴
１１１として吐出される。

【００５０】図１に示す洗浄水供給タンク１０７内には
洗浄水となる水または脱気されたイオン交換水が収容さ
れており、洗浄水供給ポンプ１０２を作動させると、配
管１１６、洗浄水供給ポンプ１０２、配管１１６、電磁
弁１０３、配管１１６、シリンジピストンポンプ１０
１、配管１１６、吐出ヘッド１０８の経路でそれぞれに
洗浄水が流れるので、それぞれの内部を洗浄することが
できる。また、洗浄水供給タンク１０７内の洗浄水は、
図示しない別の配管経路にて洗浄槽１０４にも流れるよ
うになっている。洗浄槽１０４の底面には洗浄水供給管
１３１が配置されており、洗浄水供給管１３１上に供給
された洗浄水がその隔壁１３２をオーバーフローする
と、洗浄槽１０４の側壁に設置された排水管１３３より
外部に排出されることになり、このときにノズル１２０
の先端の外表面が洗浄される。

【００５１】図３には検査プレート１０６の近傍の各種
構成要素が示されており、吐出ヘッド１０８のノズル１
２０の先端より下方の位置には、断面円形状の平行光束
１１２を通過させる平行光束発生部材１０９と、この平
行光束発生部材１０９に対向する光検出部材１１０とが
配置されている。この配置では、吐出ヘッド１０８のノ
ズル１２０の先端よりも下方の位置に、常に平行光束発
生部材１０９からの平行光束１１２が通過するようにな
っており、その平行光束１１２が光検出部材１１０に照
射されるように、搬送部材１１４上において吐出ヘッド
１０８と平行光束発生部材１０９と光検出部材１１０と
が所定の位置関係を維持しながら動作するように構成さ
れている。この構成では、検査プレート１０６上に液滴
１１１を吐出する際に液滴１１１が平行光束１１２を通
過すると、光検出部材１１０上に液滴１１１の影が投影
されるので平行光束１１２の光量が変化する。この光量
の変化を演算回路１１０ａにより算出した後、電気出力
信号として出力することになる。その際、演算回路１１
０ａは、光量変化量検出回路および光量変化時間検出回
路として機能することになる。

【００５２】平行光束発生部材１０９は、半導体レーザ
やＬＥＤ等の光源１３４と、光源１３４からの拡散光を
平行光に整形するコリメータレンズ１３５とを備えてお
り、平行光束発生部材１０９の出射側には平行光束１１
２の径を所定の大きさに調整するピンホール１３６が設
けられている。光検出部材１１０は、フォトダイオード
等を搭載したシリコン基板がモールド樹脂整形されたパ
ッケージに収納された構成となっている。

【００５３】なお、平行光束発生部材１０９は、上記構
成に限定されるものではなく、平行光束を発生し得るも
のであればどのようなものでもよく、例えば、平行光束
発生部材１０９の光源１３４として半導体レーザ、ＬＥ
Ｄ、ハロゲンランプ、水銀ランプ等を用いるとともに、
これら光源からの拡散光を平行光に整形するコリメータ
レンズ１３５や整形プリズムを備えていればよい。ま
た、光検出部材１１０は、光を電気に変換し得るもので
あればどのようなものでもよく、一般的にはフォトダイ
オードやフォトマルや光電管等を用いるが、焦電素子等
を用いても検出は可能である。

【００５４】次に、本実施形態の液体分注装置の各種動
作について説明する。まず、洗浄動作のため、吐出ヘッ
ド１０８を洗浄槽１０４の上方に移動させてから、ノズ
ル１２０の先端を所定長さだけ洗浄槽１０４中に浸漬さ
せる。次に、電磁弁１０３を解放してから洗浄水供給ポ
ンプ１０２を駆動し、洗浄水供給タンク１０７内の洗浄
水をノズル１２０の内部に導入して、吐出口１２９から
放出し、これと同時に、洗浄槽１０４の洗浄水供給管１
３１からも洗浄水を放出する。これにより、浸漬された
ノズル１２０の外周面および内周面が洗浄水により洗浄
される。

【００５５】このようにして洗浄水を送液している間
に、ピストン１１７が配管１１６を設置した側（図示左
側）まで移動し、その後、電磁弁１０３が閉じてから洗
浄水供給ポンプ１０２を停止させる。以上により、液体
分注装置１００内の流路が洗浄水にて完全に満たされる
ことになる。

【００５６】次に、吐出ヘッド１０８を洗浄槽１０４か
ら上方に移動させてから水平移動させ、液体試料１１５
が入ったウェルプレート１０５の上方に搬送する。その
後、ウェルプレート１０５内の液体試料１１５にノズル
１２０を下降させて所定長さの部分を浸積させる。そし
て、ピストン１１７を洗浄水供給タンク１０７側（図示
右側）に所定量だけ移動させて、ノズル１２０内に０．
５μＬ程度の液体試料１１５を吸引する。

【００５７】上記吸引時には液体試料１１５と洗浄水と
は接触するが、液体試料１１５の吸引量を１μＬ以下に
設定することができる。この場合、洗浄水と液体試料１
１５との間に空気層が介在しないため、圧電素子１１９
からの圧力波動の減衰は起こりにくくなり、特にノズル
１２０内の流路全体に洗浄水が充填されることによりノ
ズル１２０内の液体の質量が増加するため、強力な慣性
力（圧力波動）が形成されることになる。その際、液体
試料１１５が薄まる現象は洗浄水との接触境界面から進
行してくるが、ノズル１２０の吐出口１２９付近の僅か
な液体試料１１５のみを吐出すればよいので、ノズル１
２０内部へ液体試料１１５を長時間放置する場合を除
き、液体試料１２０が洗浄水で薄まることは問題となら
ない。

【００５８】その後、ウェルプレート１０５から吐出ヘ
ッド１０８を上昇させてから水平移動させ、検査プレー
ト１０６上に搬送する。そして、ノズル１２０先端と検
査プレート１０６との間隔が数ｍｍとなるまで、吐出ヘ
ッド１０８を下降させる。この吐出ヘッド１０８の下降
の完了後に、圧電素子１１９に所定波形、例えば図２
（ｂ）に示すような電圧波形（ＧＮＤレベルから緩やか
にマイナス電圧に下降した後、急激にプラス電圧に上昇
し、その後、緩やかにＧＮＤレベルに戻る電圧波形）を
印加すると、吐出口１２９より所定量の液滴１１１が飛
翔吐出される。

【００５９】この吐出動作の間の圧電素子１１９の変形
状態を説明すると、圧電素子１１９にマイナス電圧を緩
やかに印加する間は圧電素子１１９は径方向に縮むの
で、長さ方向に伸びる変形が起きる。その後、プラス電
圧を印加する間は圧電素子１１９は径方向に膨らむの
で、長さ方向に縮む変形が起きる（ただし、実際には、
圧電素子１１９は径方向にサブμｍしか変形せず、長さ
方向に数μｍ程度しか変形しない）。

【００６０】その際、吐出ヘッド１０８の圧電素子１１
９は支持部材１２１の位置にて装置側に完全に固定され
ているので、振動腹位置に配置される配管継手のオス１
２２の内部に装着されるＯリング１２４により締め付け
固定されるノズル１２０は、マイナス電圧印加時には上
方に持ち上げられ、プラス電圧印加時には下降する変位
を作用されることになる。

【００６１】よって、電圧波形が急激に変化するマイナ
ス電圧からプラス電圧への移行時には、ノズル１２０の
内部の液体試料１１５に急激な慣性力が作用するので、
吐出口１２９より下方に向かって液体試料１１５が液滴
１１１として吐出されることになる。その結果、格子状
に整列配置された液体試料１１５によるドットが形成さ
れた検査プレート１０６（例えばスライドガラス）を製
作することができる。

【００６２】なお、上記とは逆に、ＧＮＤレベルから緩
やかにプラス電圧に下降した後、急激にマイナス電圧に
上昇し、その後、緩やかにＧＮＤレベルに戻る電圧波形
を印加してもよく、その場合にも、ノズル１２０の内部
の液体試料１１５に慣性力が作用するので、液滴を吐出
することができる（このときのノズルの移動は、下方か
ら急激に上昇移動する動きとなる）。また、圧電素子１
１９の変位をノズル１２０に効率よく伝達するために、
ノズル１２０と配管継手のオス１２２とを接着固定した
り、機械的なネジ締結等を用いて結合することにより、
液滴１１１の吐出効率を向上させることができる。な
お、このＯリング１２４による締め付け固定の方法にお
いては、ノズル１２０の吐出口１２９の詰まりによる問
題発生時には、吐出ヘッド１０８の構成部材の内、ノズ
ル１２０のみを交換すればよい。

【００６３】次に、本実施形態の液体分注装置における
液滴の吐出状態の検出動作について説明する。本実施形
態の液体分注装置において、吐出ヘッド１０８のノズル
１２０の吐出口１２９から吐出された液滴１１１が平行
光束発生部材１０９から出射された平行光束１１２を通
過しようとする際には、図４に示す状態となる。通常、
吐出口１２９からは、圧電素子１１９に印加する電圧波
形における電圧変化量（例えば図５の電圧低下分１３
８）に応じた液量および電圧波形変化時間（例えば図５
の時間１３９）に応じた吐出速度を有する液体試料１１
５が液滴１１１として吐出されるが、希に、メイン液滴
１１１に後続してサテライト液滴１３７が発生する場合
がある。

【００６４】なお、メイン液滴１１１とは、吐出ヘッド
１０８に吐出指令（例えば後述する図２（ｂ）のような
電圧波形）を与えた直後に吐出ヘッド１０８から吐出さ
れる微小液滴のことを表わすものとし、サテライト液滴
１３７とは、吐出ヘッド１０８からメイン液滴１１１が
吐出された後に吐出される液滴（一般的に、メイン液滴
よりも小さくなる）のことを表わすものとする。また、
メイン液滴１１１およびサテライト液滴１３７は、液量
や吐出速度等の吐出状態および飛翔位置に応じて形状が
変化するため、円形となるとは限らず、楕円形になるこ
ともあるが、以下の説明では、円形の場合の直径および
楕円形の場合の長径を含む最大径のことを総称して「直
径」と呼ぶことにする。この場合、サテライト液滴１３
７は、メイン液滴１１１に対して１／２程度以下の直径
のものとなることが多い。

【００６５】メイン液滴１１１の直径が例えば１００μ
ｍである場合に、平行光束１１２の直径がほぼ同一（約
１００μｍ）であれば、光検出部材１１０からは図５に
示すような信号が得られる（光検出部材１１０としてフ
ォトダイオードを用いた場合には、受光光量の変化が電
流として検出されるので、オペアンプ等によりＩ／Ｖ変
換を行うように上記演算回路１１０ａを構成して、光量
変化を電圧として検出する）。

【００６６】図５に示す信号は、液滴１１１が通過する
までは光検出部材１１０に平行光束１１２の全光量分が
入射するので一定電圧値１１３となるが、液滴１１１の
通過に伴い光検出部材１１０上に液滴１１１の影が投影
される結果、光量が低下して電圧値が急低下し、その
後、上昇に転じる。液滴１１１の通過が完了したとき、
再び全光量に相当する一定電圧値１１３に復帰する。さ
らに、メイン液滴１１１よりも遅れて飛翔して来て平行
光束１１２を通過するサテライト液滴１３７が発生した
場合には、電圧値が全光量に相当する一定電圧値１１３
から僅かに低下した後、再び、一定電圧値１１３に復帰
する電圧波形となる。

【００６７】図５に示すメイン液滴１１１の検出波形に
ついて説明すると、電圧低下分１３８の大きさは液滴１
１１の直径に比例し、電圧降下を開始して再び一定電圧
値１１３に復帰するまでの時間（電圧変化時間）１３９
は液滴１１１の飛行速度に比例する。よって、予め電圧
低下分１３８および電圧変化時間１３９に対する比例定
数をそれぞれ測定しておくことにより、光検出部材１１
０からの検出信号により、液滴１１１の大きさ（吐出量
に相当する）および液滴１１１の飛翔速度を算出するこ
とができる。この場合、光検出部材１１０からの信号が
図５のような波形となっていれば、当該吐出指令時に液
滴１１１の吐出に成功したと判定することができるとと
もに、光検出部材１１０からの信号が図５のような波形
を全く示していなければ、当該吐出指令時に液滴１１１
の吐出に失敗したと判定することができる。

【００６８】したがって、検査プレート１０６上に液体
試料の液滴１１１を吐出する際に、検査プレート１０６
とノズル１２０の先端との間隙に平行光束１１２を通過
させ、この平行光束１１２を液滴１１１が通過する際の
光量変化を光検出部材１１０が検出することにより、検
査プレート１０６上の液滴１１１の吐出状態（正常に吐
出したか否かや、液滴の大きさや飛翔速度）をリアルタ
イム（オンライン）で検出できるので、検査プレート１
０６の品質を保証しながら液体試料１１５の吐出を行う
ことができる。

【００６９】また、今まで検出が難しいとされていたサ
テライト液滴１３７の有無およびそのサテライト液滴１
３７の大きさ（吐出量）を検出できるので、検査プレー
ト１０６上に着弾されたメイン液滴１１１およびサテラ
イト液滴１３７の合計吐出量を正確に検出することがで
きる。

【００７０】また、異なる液体試料１１５を吐出する場
合、それぞれの液体物理定数の違いから、圧電素子１１
９に同じ電圧を印加しても吐出される液滴１１１の大き
さが異なるものになったり、サテライト液滴１３７が発
生したりしなかったりするため、今まで吐出の安定性を
確保することは非常に困難であるとされてきたが、本実
施形態の吐出状態検出方法により、検査プレート１０６
に吐出する前に別のプレート上や洗浄槽１０４内でダミ
ー吐出を行ってそのときの液滴１１１の大きさやサテラ
イト液滴１３７の有無を検出しておき、検出結果に応じ
て圧電素子１１９へ印加する電圧波形の形状（電圧変化
量および電圧印加時間）を変更し、所望の液滴１１１が
得られるように補正してから、検査プレート１０６に正
式に吐出することにより、検査プレー１０６上に着弾付
着させる液滴１１１の品質を安定化することができる。

【００７１】また、検査プレート１０６上に多数回連続
して液滴１１１を吐出する際に、乾燥等により目詰まり
が発生したことに起因して液滴１１１の大きさが徐々に
小さくなったり、液滴１１１が吐出できなくなった場合
であっても吐出状態を検出できるので、目詰まり発生時
には洗浄および吸引を再度行った後に、吐出不良の個所
から再吐出を実行するということが、人手を煩わすこと
無く自動的に実施できるようになる。

【００７２】また、上記吐出状態検出方法においては、
吐出ヘッド１０８は圧電素子１１９を駆動源として用い
ているため、数十ＫＨｚの動作間隔でも液滴を吐出する
ことができるが、この動作間隔で吐出される高速な液滴
１１１も、確実に光検出部材１１０にて検出することが
できる。

【００７３】また、液滴１１１が平行光束１１２を通過
する際の光量変化を検出することにより、液滴１１１の
大きさおよび飛翔速度ならびにサテライト液滴１３７の
吐出状態（サテライト液滴１３７の有無、大きさ、飛翔
速度、発生数）を検出できるので、検査プレート１０６
の作製状態をリアルタイムで検出して管理できるように
なる。

【００７４】上記において、ピンホール１３６は、メイ
ン液滴１１１に対してほぼ同一直径となるように平行光
束１１２を円形に絞るために設けたものであるので、平
行光束発生部材１０９と光検出部材１１０との間であれ
ばどのような位置にピンホール１３６を設置してもよ
い。このピンホール１３６は、光検出部材１１０の検出
電圧信号のＳ／Ｎ比を向上させる作用を有しているた
め、以下のような問題を回避することが可能になる。

【００７５】例えば、図６に示すようにメイン液滴１１
１とサテライト液滴１３７とが接近して吐出された場合
には、これらの液滴が平行光束１１２を通過する際の光
検出部材１１０の出力信号は例えば図７に示すようにな
り、メイン液滴１１１の電圧波形とサテライト液滴１３
７の電圧波形とが合成された電圧波形となる。この波形
変化は、通過中のメイン液滴１１１が平行光束１１２か
ら完全に出る前にサテライト液滴１３７が平行光束１１
２内に進入したために起きたものであり、これにより検
出精度が悪化する不具合を招く。

【００７６】この不具合を回避するためには、メイン液
滴１１１とサテライト液滴１３７とが同時に平行光束１
１２内に進入できなくなる径になるまで、ピンホール１
３６により平行光束１１２の径を絞ればよい。具体的に
は、ピンホールの直径がメイン液滴１１１の直径よりも
若干小さくなるようにすればよい。また、光検出部材１
１０において光を検出する受光部の面積を小さくする
（具体的には、液滴１１１が通過する方向であるＺ方向
の受光部幅を小さくする）ことによっても、上記問題を
回避することが可能である。

【００７７】なお、上記においては平行光束１１２を絞
った後の形状を断面円形状としているが、平行光束１１
２を絞った後の形状を断面矩形形状（ただし、短辺側が
Ｚ方向に位置し、長辺側がＹ方向に位置するようにす
る）に変更してもよい。その場合、平行光束１１２およ
び液滴１１１の通過位置関係を容易に調整できるように
なる。

【００７８】また、上記においては、液体試料１１５に
慣性力を作用させて液滴１１１を吐出する原理の吐出ヘ
ッド１０８を用いたが、一般的に知られているインクジ
ェットプリンタのように、液体を保持している流路を圧
電素子により変形させることによって吐出口より液滴を
吐出する原理の吐出ヘッドや、熱による液体の蒸発力に
より液滴を吐出する原理の吐出ヘッドを用いた場合であ
っても、上記と同様な作用が得られることは言うまでも
ない。

【００７９】本実施形態の液体分注装置によれば、検査
プレート１０６に対して液体試料の液滴１１１が正常に
吐出されたか否かは勿論、検査プレート１０６上に吐出
される液体試料の液滴１１１の絶対的な液量を検出でき
るので、検査プレート１０６上に所望の液滴１１１を高
精度に吐出することができる。また、その際、検査プレ
ート１０６上の液滴１１１の吐出状態をリアルタイムで
検出できるので、吐出不良の際には再吐出を自動的に行
うことができ、検査プレート１０６の品質保証が自動作
業により実現可能になる。

【００８０】また、液性等の異なる複数種類の液体試料
１１５を吐出する場合であっても各液滴１１１の吐出量
を高精度に一致させることができる。そのため、メイン
液滴１１１の発生状態に加えてサテライト液滴１３７の
発生状態も把握できるので、メイン液滴１１１およびサ
テライト液滴１３７の発生状態に関する情報を、作製さ
れた検査プレート１０６毎の管理情報とすることができ
る。この管理情報を利用することにより、例えばＤＮＡ
マイクロアレイ等を作製するために数千枚のアレイを吐
出作製する場合であっても、完全無人化作業とすること
ができ、作製されたアレイの品質状態が一元管理できる
ことになる。このため、ＤＮＡマイクロアレイを構成す
る液滴１１１の着弾径は均一なものとなり、ＤＮＡの蛍
光検査時にクロストークの少ない正確な測定値を得るこ
とができる。また、連続して、液体試料１１５の液滴１
１１を正確に吐出し続けられるので、アレイの大量生産
および量産効率の向上が実現可能になり、分注に関わる
ランニングコストを低減することができる。

【００８１】なお、上述した本実施形態の液体分注装置
の構成は、様々な液滴吐出方式に適用できるものである
ので、正確な量を分注する必要がある血液検査等の生化
学血液分析装置等にも適用可能であり、その場合には検
査精度を向上させることができる。

【００８２】図８は本発明の第２実施形態の液体分注装
置の主要部の構成を示す斜視図であり、図９は第２実施
形態における２分割光検出部材の受光部と平行光束との
位置関係を示す図であり、図１０は第２実施形態の変形
例における図９とは異なる２分割光検出部材の受光部と
平行光束との位置関係を示す図であり、図１１は図８の
状態のときの光検出部材の検出波形例を示す図であり、
図１２は第２実施形態の別の変形例において４連の吐出
ヘッドと平行光束発生部材と光検出部材とを含む部分を
示す側面図であり、図１３は図１２の状態のときの光検
出部材の検出波形例を示す図である。なお、本実施形態
の液体分注装置の全体構成は上記第１実施形態と同一で
あるので、説明を省略する。

【００８３】本実施形態では、図８に示すように、光検
出部材１４３として２分割された受光部１４０，１４１
を有するフォトダイオードを用いるとともに、ここでは
図示しない第１実施形態と同様な平行光束発生部材から
発せられる平行光束を断面矩形形状の平行光束１４２に
絞るための微細スリット１４７を用いている。この場
合、微細スリット１４７の短辺側がＺ方向に位置し、長
辺側がＹ方向に位置するように配置するものとする。

【００８４】受光部１４０，１４１は例えば５０μｍ×
１ｍｍの面積を有しており、これら２つの受光部１４
０，１４１は、幅２０μｍ間隔で上下２領域に分割設置
されている。これら受光部１４０，１４１に対して、平
行光束１４２は約０．５ｍｍ×２ｍｍの断面矩形形状と
なっているため、図示しない平行光束発生部材の設置位
置を適宜調整することにより、光検出部材１４３の２分
割された受光部１４０，１４１の全領域を照射すること
ができる。その場合、光検出部材１４３を正面の受光部
１４０，１４１側から見た図である図９において、点線
で示す平行光束１４２の略中央部に光検出部材１４３の
２分割された受光部１４０，１４１が位置するようにす
ればよい。この２分割された受光部１４０，１４１の分
割ライン１４８（幅２０μｍの光不感帯領域）は、液滴
１１１，１３７の通過方向（Ｚ方向）と空間的に直交す
るように配置されているので、吐出ヘッド１０８から吐
出された液滴１１１，１３７は、断面矩形形状の平行光
束１４２の長辺側より進入して、下方に通過する。

【００８５】次に、本実施形態における作用を、上記第
１実施形態と異なる作用のみについて説明する。２分割
された受光部１４０，１４１のそれぞれから出力される
電圧をＡ，Ｂとしたとき、Ａ，Ｂの差信号をＡ，Ｂの和
信号である全光量電圧信号で除算する演算を次式（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）により行い、得られた演算値を吐出した液滴の大きさお
よび飛翔速度の検出に用いる。このような演算を行った
場合、僅かな検出信号の変化を捉えることができるの
で、検出信号のＳ／Ｎ比を大幅に向上させることができ
る。

【００８６】図８の状態の液滴１１１，１３７が平行光
束１４２を通過する際の受光部１４０，１４１の状態を
説明すると、まず、受光部１４０に当該液滴の影が投影
され、続いて、投影されている影が受光部１４０および
受光部１４１を覆うように移動し、その後、投影されて
いる影が受光部１４１だけを覆うようになり、最後に、
受光部１４１に投影されていた影が受光部１４１を完全
に通過していくことになる。

【００８７】上記のようにして液滴１１１，１３７が通
過する際には、電圧Ａ，Ｂの差信号（Ａ−Ｂ）は例えば
図１１に示すような波形になる。すなわち、平行光束１
４２が液滴により遮られない照射状態では、受光部１４
０および受光部１４１の受光面積は同一であるため、差
信号（Ａ−Ｂ）の電圧値は０Ｖである。液滴１１１，１
３７の影が受光部１４０を通過する際には受光部１４０
の電圧値が減少するため差信号（Ａ−Ｂ）はマイナス電
圧となり、液滴１１１，１３７の影が受光部１４１を通
過する際には受光部１４１の電圧値が減少するためプラ
ス電圧となり、液滴１１１，１３７の影が受光部１４
０，１４１にまたがって通過する際には差信号（Ａ−
Ｂ）は受光部１４０，１４１の受光面積の大小関係に応
じた電圧値となる。

【００８８】この差信号（Ａ−Ｂ）を全光量信号電圧
（Ａ＋Ｂ）により除算するので、検出信号の検出感度が
高くなり、非常に極微細なサテライト液滴１３７であっ
ても確実に検出できるようになり、液適１１１，１３７
の大きさを算出する際の分解能を向上させることができ
る。図１１において、液滴１１１，１３７の大きさはマ
イナス電圧値とプラス電圧値との差分値１５１として検
出され、液滴１１１，１３７の飛翔速度は電圧波形がＧ
ＮＤレベルから変化を開始してＧＮＤレベルを横切った
後に再びＧＮＤレベルに復帰するまでの時間１５２とし
て検出されることになる。その際、光検出部材１４３か
らの出力信号の演算を行う演算回路（図示せず）は、差
信号演算回路、和信号演算回路および除算回路として機
能することになる。

【００８９】なお、上述したように光検出部材１４３側
において受光部１４０，１４１を２分割することにより
検出感度を高めることができるので、平行光束１４２の
Ｚ方向の大きさは必要最小限（ノズル１２０の先端と検
査プレート１０６との間隔未満の大きさ）とすればよ
く、微細スリット１４７やピンホール等により平行光束
１４２の断面形状を無理に絞る必要はない。

【００９０】次に、本実施形態の変形例の構成を図１０
に基づいて説明する。この変形例は、平行光束および光
検出部材の受光部のサイズを図９の構成に対し変更した
ものである。すなわち、図１０において、光検出部材１
４６の受光部１４４，１４５の面積はそれぞれ５００μ
ｍ×１ｍｍとなっており、受光部の分割ライン１４９
（光不感帯領域幅）は２０μｍとなっている。この場合
の平行光束１５０は１００μｍ×１．５ｍｍの断面矩形
形状となっており、平行光束１５０の中央部と受光部分
割ライン１４９とを一致させるようになっている。受光
部１４４，１４５の有効部分は実質的に４０μｍ×１ｍ
ｍとなっているので、図９の場合と同様に２分割受光部
１４４，１４５により検出される電圧Ａ，Ｂの差信号
（Ａ−Ｂ）を全光量信号電圧（Ａ＋Ｂ）によって除算す
る演算を行うことにより、検出信号のＳ／Ｎ比を大幅に
向上させることができる。

【００９１】次に、本実施形態の別の変形例の構成を図
１２に基づいて説明する。この変形例では複数個（図示
例では４個）の吐出ヘッド１０８を用いており、４個の
吐出ヘッド１０８は１つの支持部材１５３の４個所に一
列に整列配置されている。各吐出ヘッド１０８から吐出
される液滴１１１の全てが平行光束１４２を通過するよ
うに、吐出ヘッド１０８の整列方向（Ｚ方向）に、平行
光束発生部材１０９と微細スリット１４７と光検出部材
１４３とを配置する。

【００９２】この変形例は、各吐出ヘッド１０８から吐
出される液滴１１１を検出するために吐出ヘッド１０８
からの液滴１１１の吐出間隔に制限を設けており、最小
でも数ｍｓｅｃの吐出間隔をおくようにして、液滴１１
１を同時に吐出させないようにしている。一般に、液滴
１１１の飛行速度は数〜十数ｍ／ｓｅｃ程度であるの
で、サテライト液滴１３７の平行光束１４２を通過する
時間を考慮しても数ｍｓｅｃ程度の吐出間隔を維持して
おけば、各吐出ヘッド１０８から吐出される液滴１１
１，１３７を互いに分離して検出することが可能にな
る。

【００９３】この変形例では、液滴の吐出間隔をほぼ一
定とした場合、２分割された受光部１４０，１４１によ
り検出される電圧Ａ，Ｂの差信号（Ａ−Ｂ）が図１３に
示すようになるので、１組の平行光束発生部材１０９お
よび光検出部材１４３のみを用いることにより４個の吐
出ヘッド１０８からの液滴１１１を検出することが可能
になり、非常に簡単な構成であるため安価に構成可能な
液体分注装置となって検査プレート１０６へ吐出される
液滴１１１の品質を向上させることができる。なお、吐
出ヘッド１０８の数は４個に限定されるものではないこ
とは言うまでもない。

【００９４】本実施形態の液体分注装置によれば、２分
割された受光部を有するフォトダイオードを光検出部材
１４３，１４６として用いることにより検出感度を高め
られるので、より高精度に液滴１１１の大きさや飛翔速
度を検出することができる上に、極微細なサテライト液
滴１３７の有無も判別できるようになる。よって、検査
プレート１０６に対して液体試料の液滴１１１が正常に
吐出されたか否かは勿論、検査プレート１０６上に吐出
される液体試料の液滴１１１の絶対的な液量をさらに正
確にリアルタイムで検出できるので、検査プレート１０
６上に所望の液滴１１１を高精度に吐出することがで
き、検査プレート１０６の品質を確実に保証することが
できる。

【００９５】図１４は本発明の第３実施形態の液体分注
装置の主要部の構成を示す斜視図であり、図１５は第３
実施形態における２つの一次元ポジションセンサからの
電圧値の光重心位置からのずれを例示する図である。な
お、図１４では、各一次元ポジションセンサに対向して
配置される平行光束発生部材の記入を省略している。ま
た、本実施形態の液体分注装置の上記以外の部分の構成
は第１実施形態と同一であるので、説明を省略する。

【００９６】本実施形態においては、吐出ヘッド１０８
のノズル１２０の下端と検査プレート１０６との間を通
過する断面矩形形状の平行光束１５４を２本とし、各平
行光束１５４がノズル１２０の下方で互いに直交するよ
うに、図示しない平行光束発生部材が互いに９０度をな
す位置に配置されている。また、図示しない平行光束発
生部材に対向する位置には、光検出部材１５５，１５７
が配置されている。なお、吐出ヘッド１０８と、光検出
部材１５５，１５７およびそれぞれに対向する平行光束
発生部材とは、所定の位置関係を維持しながら動作する
ように構成されている。

【００９７】光検出部材１５５，１５７は光重心位置を
電圧値として変換するものであり、例えば浜松ホトニク
ス製の一次元ポジションセンサ（ＰＳＤ）を用いるもの
とする。一次元ポジションセンサ１５５，１５７は、そ
れぞれの受光部１５６内に各平行光束１５４が照射され
るように位置調整されており、一次元ポジションセンサ
１５５，１５７からは、全光量に対応する電圧値と水平
方向の光重心位置に対応する電圧値とがそれぞれ、演算
回路１５５ａ，１５７ａを介して出力されるようになっ
ている。

【００９８】本実施形態の液体分注装置では、上記各実
施形態のような液滴の吐出状態（正常に吐出したか否か
や、液滴の大きさや飛翔速度）の検出に加えて、液適１
１１の吐出位置も求めることができる。以下に液適１１
１の吐出位置の求め方を説明する。

【００９９】平行光束１５４中を液滴１１１が通過する
際に、一次元ポジションセンサ１５５，１５７内の光量
分布に変化が生じる。一次元ポジションセンサ１５５，
１５７は受光部１５６の中央が０Ｖとなり、中央から水
平方向の両側に向かって離れるにつれて、プラスの電圧
およびマイナスの電圧が演算回路１５５ａ，１５７ａよ
り出力される。このことを利用して、平行光束１５４の
長辺における液適１１１の通過位置を検出することによ
り、液滴１１１の着弾位置を演算により求めることがで
きる。

【０１００】図１５において、Ｘ軸を一次元ポジション
センサ１５５の光量重心位置電圧とし、Ｙ軸を一次元ポ
ジションセンサ１５７の光量重心位置電圧としたとき、
一次元ポジションセンサ１５５，１５７の受光部１５６
の中央を各平行光束１５４が通過する場合には、光重心
位置からのずれにより変化する各一次元ポジションセン
サ１５５，１５７からの電圧値をプロットした点は図１
５の中心（ＸＹ軸の交点）に位置することになるが、平
行光束１５４の中心からずれるに従い、ずれの方向およ
びずれ量に応じた位置（例えば図１５に黒丸で示す位
置）にプロットされることになる。

【０１０１】このことから、液滴１１１の検査プレート
１０６上における着弾位置を算出してリアルタイムで検
出（計測）することができる。例えば、事前に別の場所
で吐出した液滴１１１の着弾位置を測定しておき、その
ときに得られた位置情報に基づき吐出ヘッド１０８を走
査する図示しない搬送部材の位置制御を行って、本来目
標とする着弾位置からのずれを補正するように動作させ
ることにより、正確な位置に液滴１１１を吐出させるこ
とができる。

【０１０２】また、同様にして、サテライト液滴１３７
の着弾位置を検出することができるので、許容できない
レベルで吐出されたサテライト液滴１３７があるか否か
をリアルタイムで検出して、製作された検査プレート１
０６の品質の良否を判別することができる。なお、一次
元ポジションセンサ１５５，１５７からは上記とは別に
全光量の電圧値も検出できるので、第１実施形態と同様
な検出波形が得られ、この検出波形に基づいて液適１１
１の大きさ、飛翔速度、サテライト液滴１３７の有無等
を求めることができる。

【０１０３】本実施形態の液体分注装置によれば、検査
プレート１０６上での着弾位置精度が確保できないとい
う問題を解決して、検査プレート１０６上に様々なパタ
ーンにて異種の液体試料を所望の位置に正確に形成する
ことができる。これにより、検査プレート１０６のバリ
エーションを増やすことができるとともに、液滴の吐出
位置精度の向上に伴い、より高密度に液滴を整列吐出す
ることができる。

【０１０４】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れるものではなく、例えば以下の付記項のように構成し
てもよい。ノズル内部に保持した液体試料を微小液滴と
してノズル吐出口より吐出する吐出ヘッドと、前記吐出
ヘッドから吐出された微小液滴が通過する位置に平行光
束を照射するように設けられた平行光束発生手段と、前
記平行光束発生手段に対向して設けられ前記平行光束を
受光する光検出手段とを具備して成り、受光した平行光
束に基づき液体試料の吐出状態を検出するようにしたこ
とを特徴とする液体分注装置（付記項１）。前記平行光
束発生手段は、光源とこの光源からの拡散光を平行光に
整形する光学部材とを備えることを特徴とする付記項１
記載の液体分注装置（付記項２）。前記吐出ヘッドは、
ノズルを軸方向に急速に変位させる駆動部材を備え、該
駆動部材による微小変位によりノズル内部に保持した液
体試料に加速度を付与して微小液滴として吐出させるよ
うにしたことを特徴とする付記項１記載の液体分注装置
（付記項２）。この付記項２の構成によれば、ノズル内
部の液体試料に加速度を付与したときに生じる慣性力に
より微小液滴を吐出させることができるとともに、目詰
まり時にはノズルのみを交換するだけでよいので、ラン
ニングコストを削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の液体分注装置の概略
構成を示す図である。

【図２】（ａ），（ｂ）は第１実施形態の吐出ヘッド
の吐出原理を説明するための図である。

【図３】第１実施形態において吐出ヘッドと平行光束
発生部材と光検出部材とを含む部分を示す側面図であ
る。

【図４】第１実施形態において吐出ヘッドから吐出さ
れた液滴と平行光束発生部材から出射された平行光束と
の位置関係を示す図である。

【図５】図４の状態のときの光検出部材の検出電圧波
形例を示す図である。

【図６】第１実施形態において吐出ヘッドから吐出さ
れた液滴と平行光束発生部材から出射された平行光束と
の図４とは異なる位置関係を示す図である。

【図７】図６の状態のときの光検出部材電圧波形例を
示す図である。

【図８】本発明の第２実施形態の液体分注装置の主要
部の構成を示す斜視図である。

【図９】第２実施形態における２分割光検出部材の受
光部と平行光束との位置関係を示す図である。

【図１０】第２実施形態の変形例における図９とは異
なる２分割光検出部材の受光部と平行光束との位置関係
を示す図である。

【図１１】図８の状態のときの光検出部材の検出波形
例を示す図である。

【図１２】第２実施形態の別の変形例において４連の
吐出ヘッドと平行光束発生部材と光検出部材とを含む部
分を示す側面図である。

【図１３】図１２の状態のときの光検出部材の検出波
形例を示す図である。

【図１４】本発明の第３実施形態の液体分注装置の主
要部の構成を示す斜視図である。

【図１５】第３実施形態における２つの一次元ポジシ
ョンセンサからの電圧値の光重心位置からのずれを例示
する図である。

【図１６】従来の液体分注装置の構成を例示する図で
ある。

【符号の説明】

１００液体分注装置１０１シリンジピストンポンプ１０２液体供給ポンプ１０３電磁弁１０４洗浄槽１０５ウェルプレート１０６検査プレート１０７洗浄水供給タンク１０８吐出ヘッド１０９平行光束発生部材１１０光検出部材１１０ａ演算回路１１１液滴１１２平行光束１１３検出電圧波形１１４搬送部材１１５液体試料１１６配管１１７ピストン１１８シリンジ１１９圧電素子１２０ノズル１２１支持部材１２２配管継手オス１２３配管継手メス１２４Ｏリング１２５スライドガイド１２６ＧＮＤ電極１２７電圧印加電極１２８テーパー１２９吐出口１３０Ｔ形１３１洗浄水供給管１３２隔壁１３３排水管１３４光源１３５コリメータレンズ１３６ピンホール１３７サテライト１３８電圧低下分１３９時間１４０，１４１受光部１４２平行光束１４３光検出部材１４３ａ演算回路１４４，１４５受光部１４６光検出部材１４７微細スリット１４８分割ライン１４９分割ライン１５０平行光束１５１電圧差分値１５２時間１５３支持部材１５４平行光束１５５，１５７光検出部材１５５ａ，１５７ａ演算回路１５６受光部

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ノズル内部に保持した液体試料を微小液
滴としてノズル吐出口より吐出する吐出ヘッドと、前記吐出ヘッドから吐出された微小液滴が通過する位置
に平行光束を照射するように設けられた平行光束発生手
段と、前記平行光束発生手段に対向して設けられ前記平行光束
を受光する光検出手段とを具備して成り、受光した平行光束に基づき液体試料の吐出状態を検出す
るようにしたことを特徴とする液体分注装置。
【請求項２】前記平行光束の照射方向と前記微小液滴
の吐出方向とがほぼ直交するようにしたことを特徴とす
る請求項１記載の液体分注装置。
【請求項３】前記平行光束発生手段は、平行光束を絞
るための光束制限部材を備えることを特徴とする請求項
１または２記載の液体分注装置。
【請求項４】前記光束制限部材はピンホールであるこ
とを特徴とする請求項３記載の液体分注装置。
【請求項５】前記ピンホールの直径がメイン微小液滴
の最大径よりも小さくなるようにしたことを特徴とする
請求項４記載の液体分注装置。
【請求項６】前記光束制限部材は、前記微小液滴の吐
出方向および前記平行光束の光軸方向とほぼ直交する方
向が長軸となるように設けられたスリットであることを
特徴とする請求項３記載の液体分注装置。
【請求項７】前記吐出ヘッドから吐出された微小液滴
が通過する位置で、照射された平行光束が互いに直交す
るように前記平行光束発生手段を２組設けるとともに、
各平行光束発生手段に対向してそれぞれからの平行光束
を受光する光検出手段を設け、該光検出手段はポジショ
ンセンサであることを特徴とする請求項６記載の液体分
注装置。
【請求項８】前記光検出手段は、前記微小液滴の吐出
方向に２分割された受光部と、この２分割された受光部
からの出力の差信号を生成する差信号演算回路とを備え
ることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の液
体分注装置。
【請求項９】前記光検出手段は、前記２分割された受
光部からの出力の和信号を生成する和信号演算回路と、
前記差信号を前記和信号で除算する除算回路とをさらに
備えることを特徴とする請求項８記載の液体分注装置。
【請求項１０】前記受光した平行光束の光量変化量を
検出する光量変化量検出回路を備え、検出した光量変化
量に基づき吐出した微小液滴の最大径を検出するように
したことを特徴とする請求項１〜６，８，９の何れか１
項記載の液体分注装置。
【請求項１１】前記受光した平行光束の光量が変化し
ている光量変化時間を検出する光量変化時間検出回路を
備え、検出した光量変化時間に基づき吐出した微小液滴
の速度を検出するようにしたことを特徴とする請求項１
〜６，８〜１０の何れか１項記載の液体分注装置。
【請求項１２】前記吐出ヘッドを複数本備え、各吐出
ヘッドから吐出された微小液滴が前記平行光束発生手段
から照射される平行光束と交差するように全吐出ヘッド
を整列配置したことを特徴とする請求項１〜６，８〜１
１の何れか１項記載の液体分注装置。