JP2016087822A - Ink jet device and ink jet method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インクジェット装置とインクジェット方法に関するものである。特に、粒子を含む液体を吐出し、所望のパターニングを行うインクジェット装置、インクジェット方法に関するものである。 The present invention relates to an inkjet apparatus and an inkjet method. In particular, the present invention relates to an ink jet apparatus and an ink jet method for performing desired patterning by discharging a liquid containing particles.
近年、細胞工学や再生医療工学技術の発展に伴い、1種類または2種類以上の細胞を平面状にパターニングして印刷物を作成する。あるいは、この平面を積層して立体的な構造物を作成する技術が求められている。 In recent years, with the development of cell engineering and regenerative medical engineering technology, one or two or more types of cells are patterned into a planar shape to produce a printed matter. Alternatively, a technique for creating a three-dimensional structure by laminating these planes is required.
このようなパターニングを行うための装置として、粒子、特に、生体粒子である細胞を含んだ、液体あるいは培養液(以降この液体を粒状性インクと呼ぶことにする)を吐出することのできるインクジェット装置がある。 As an apparatus for performing such patterning, an ink jet apparatus capable of discharging a liquid or a culture liquid (hereinafter, this liquid will be referred to as granular ink) containing particles, particularly cells that are biological particles. There is.
このインクジェット装置は、1つないし複数の吐出ノズルを有し、各ノズルは電気信号によって吐出を制御されている。被印刷基板とノズルとの相対的な位置変化に応じて目的のインクを被印刷物上に吐出する。このことで、被印刷物上に目的の粒状性インク(粒子を含むインク)を任意にパターニングした印刷物を作成することができる。 This ink jet apparatus has one or a plurality of discharge nozzles, and each nozzle is controlled to discharge by an electric signal. The target ink is ejected onto the printing material in accordance with the relative position change between the printing substrate and the nozzle. As a result, it is possible to create a printed material in which a desired granular ink (ink containing particles) is arbitrarily patterned on the printing material.
一方、インクジェット装置で吐出するインクが粒子を含んでいる場合、長時間放置しておくと、インクジェット装置内部でインク中の粒子が沈降する。結果、詰まりが発生し、不吐出になる場合がある。不吐出は勿論のこと、粒子濃度の変化が発生すると非印刷物上の液体のパターン中の粒子濃度が所望の濃度と異なってくるため好ましくない。 On the other hand, when the ink ejected by the ink jet apparatus contains particles, the particles in the ink settle inside the ink jet apparatus if left for a long time. As a result, clogging may occur, resulting in non-ejection. Not only non-ejection, but also change in particle concentration is not preferable because the particle concentration in the liquid pattern on the non-printed material differs from the desired concentration.
このようなインクジェット装置内部での液体中での粒子濃度の経時変化を改善する技術として、特許文献1ではインク収容部に配置された、粒状性インクに振動を与えるための圧電素子を備えたプリンタ用インクジェット装置が公開されている。
As a technique for improving the change over time in the concentration of particles in a liquid inside the ink jet apparatus as described above, in
図9(a)と図9(b)で、特許文献1の技術を説明する。図9(a)は、特許文献1のインクジェットヘッド99の断面図である。図9(b)は、図9(a)のA―A’断面図である。
The technique of
なお、図9(a)の紙面奥方向が、図9(b)の右方向である。インクジェットヘッド99は、筐体2、供給口3、共通インク室4、列設された複数のノズル5、ノズルから粒状性インク911(粒子を含むインク)を吐出するための圧力を発生させる圧力室6を上方に有する。さらに、インクジェットヘッド99は、下方に、共通インク室4から分岐し、圧力室6と接続する接続部7、圧力室6に吐出のための圧力を印加する第二の圧電素子8、共通インク室4の中の粒状性インク911を攪拌するための圧電素子910、第二の圧電素子8の振動を圧力室6に伝達する第二の振動板9a、圧電素子910の振動を共通インク室4に伝達する第一の振動板9bを有する。
Note that the depth direction in FIG. 9 (a) is the right direction in FIG. 9 (b). The
粒状性インク911は、長時間吐出していないなどによる経時により、内部の粒子が沈降し、共通インク室4下部に粒子912が沈降し粒子濃度の高い状態の粒状性インク911が生じる。
With the
そこで共通インク室4に備えた圧電素子910に交流電流を印加することで圧電素子910を振動させ、その振動を、第一の振動板9bを通じて粒状性インク911に伝えることにより、経時で粒子が沈降し粒子濃度が高くなったインク収容部内部のインクの粒子912を攪拌し粒状性インク911の粒子濃度を均一化させることができる。
Therefore, by applying an alternating current to the
本願発明者は、図9(a)と図9(b)の構造のインクジェットヘッド99を作製した。供給口3より細胞を懸濁した培養液を粒状性インクとして通液し、基板上への塗布実験を行った。その結果、はじめは全てのノズルからインクの吐出が行われたが、しばらくすると吐出信号を与えているにもかかわらず、いくつかのノズル5について、吐出が行われなくなった。
The inventor of the present application produced an
その原因を調査したところ、吐出動作中に所望のパターンの作成のために吐出信号が与えられていない状態、即ち吐出動作を行っていない状態がしばらく続いた時、ノズル5は、その後吐出信号を与えても吐出が見られなくなっていることが分かった。
As a result of investigating the cause, when the discharge signal is not given for creating a desired pattern during the discharge operation, that is, when the discharge operation is not performed for a while, the
さらに調査を行ったところ、吐出動作中に吐出していないノズル5に連なっている接続部7の入口には吐出動作中であっても既に粒状性インク911が沈降、凝集してしまっていることが分かった。
Further investigation revealed that the
そこで、共通インク室4内部の粒状性インク911を攪拌するための圧電素子910を、吐出動作中に、同時に駆動させて、粒状性インク911を攪拌させながらの塗布動作を試みた。しかし、圧電素子910が共通インク室4内部の粒状性インク911全体を攪拌してしまうため、共通インク室4内部の圧力変動が大きく、圧力室6の圧力変化に対してノイズを与えてしまった。結果、インクの吐出動作が安定しなくなった。
Therefore, the
従来の粒状性インク911は、例えば、顔料分散インクなどであり、その粒子径が10um以下、典型的には1um以下のような非常に小さいサイズのものであった。そのため、上記問題は発生せず、問題にはならなかったものである。
The conventional
しかし、この発明の対象である粒状性インク911は、細胞からなり、その粒子径は10umないし50um程度であるため非常に沈降しやすく、当然ながら顔料粒子のように微細化をすることもできない。
However, the
また、印刷物を作成するための吐出に要する時間程度の短い時間スケールであっても細胞同士が隣接し合っていると細胞間の相互作用で接着、凝集が発生するため、その間に吐出が行われていないノズルの接続部7のような微細流路で特に詰まりが発生しやすい。
In addition, even if the time scale is as short as the time required to produce a printed material, if cells are adjacent to each other, adhesion and aggregation occur due to the interaction between the cells. In particular, clogging is likely to occur in a fine flow path such as the connecting
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、インクジェット装置を用いて細胞などの生体粒子を含有する液体を被印刷物上に塗布する際に、ノズルの不吐出化を防止することである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and is to prevent nozzles from being ejected when a liquid containing biological particles such as cells is applied onto a substrate using an inkjet apparatus.
上記目的を達成するために、インクを供給する共通インク室と、共通インク室に圧力を伝達する第一の振動板と、第一の振動板に圧力を与える第一の圧電素子と、共通インク室と連結され、インクを吐出するノズルを有する複数の圧力室と、複数の圧力室に圧力を伝達する第二の振動板と、第二の振動板に圧力を与える複数の第二の圧電素子と、を設けたインクジェット装置を用いる。 To achieve the above object, a common ink chamber that supplies ink, a first diaphragm that transmits pressure to the common ink chamber, a first piezoelectric element that applies pressure to the first diaphragm, and a common ink A plurality of pressure chambers connected to the chamber and having nozzles for ejecting ink; a second diaphragm for transmitting pressure to the plurality of pressure chambers; and a plurality of second piezoelectric elements for applying pressure to the second diaphragm Are used.
インクを供給する1つの共通インク室に、複数の第一の圧電素子により第一の振動板を介して圧力を印加する工程と、共通インク室と連結され、インクを吐出するノズルを有する複数の圧力室に、第二の圧電素子により、第二の振動板を介して、圧力を印加し、インクを吐出する工程と、を含むインクジェット方法を設ける。 Applying a pressure to a common ink chamber for supplying ink via a first diaphragm by a plurality of first piezoelectric elements; and a plurality of nozzles connected to the common ink chamber and ejecting ink An ink jet method including a step of applying pressure to the pressure chamber via the second diaphragm by the second piezoelectric element and discharging the ink is provided.
本発明のインクジェット装置を用いることにより、細胞などの生体粒子の塗布を行う場合でもノズルの不吐出化を防止することが可能になる。 By using the ink jet apparatus of the present invention, it is possible to prevent the nozzle from being ejected even when biological particles such as cells are applied.
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1(a)〜図4(g)は、実施の形態1を示している。
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1A to FIG. 4G show the first embodiment.
図1(a)は、実施の形態1のインクジェット装置に用いられるインクジェットヘッド1の正面図で、図1(b)はインクジェットヘッド1のA−A’断面図である。なお、図1(a)の紙面奥方向が図1(b)の右方向である。
FIG. 1A is a front view of an
インクジェットヘッド1の上部は、筐体2、供給口3、共通インク室4、列設された複数のノズル5、ノズルからインクを吐出するための圧力を発生させる圧力室6を有する。
The upper portion of the
インクジェットヘッド1の下部は、共通インク室4から分岐し圧力室6と接続する接続部7、圧力室6に吐出のための圧力を印加する第二の圧電素子8、第二の圧電素子8の振動を圧力室6に伝達する第二の振動板9a、共通インク室4の中の粒状性インク11を攪拌するための第一の圧電素子10、を有する。また、第一の圧電素子10の振動を共通インク室4、に伝達する第一の振動板9bを含む。
The lower part of the
なお、第一の圧電素子10は、従来の圧電素子910とは異なる構造である(後述)。また、本実施の形態において、共通インク室4、ノズル5、圧力室6、接続部7をまとめてインク流路と呼ぶことにする。
The first
<筐体2>
実施の形態の筐体2は、インクをインクジェットヘッド内に供給する供給口3、供給されたインクを貯留しておく共通インク室4、被印刷基板上に粒状性インク11を吐出する複数のノズル5、この複数のノズルに接続し、インクを吐出するための圧力を発生させるノズル数に応じた数の圧力室6、共通インク室4から分岐し、複数の圧力室6と接続する接続部7で形成されている。
<
The
筐体2の材質は、吐出するインクに侵されないものであれば、特に制約はなく、ステンレスなどの金属、ガラスやシリコンなどの無機材料、樹脂などの有機材料を用いることができる。しかし、インク流路である共通インク室4や、ノズル5、圧力室6、接続部7などでインク詰まりが発生していないかどうかを確認するために、内部が可視化できることが好ましい。このため、ガラスや透明樹脂などの透光性のある材料を用いることが好ましい。また、加工のしやすさを考慮すると透明な樹脂で構成されることが好ましい。
The material of the
透明な樹脂としては、PMMAなどのアクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィン樹脂などを挙げることができる。 Examples of the transparent resin include acrylic resins such as PMMA, polyethylene terephthalate resin, polycarbonate resin, polyvinyl chloride resin, polystyrene resin, and cycloolefin resin.
さらに、作成したインクジェットヘッド1のインク流路にインクを通液する前には、インクジェットヘッド1を滅菌する必要がある。このため、滅菌のための薬品に耐える、あるいは、オートクレーブ滅菌の熱に耐える必要がある。また、インクジェットヘッド1内部の細胞を顕微鏡などで観察する必要が生じた場合、細胞とレンズの間の物質に蛍光性が少ないことが好ましい。これらの耐熱性、耐薬品性、低自家蛍光性といった要求特性を満たせる材料の例として、シクロオレフィン樹脂を挙げることができるがこれに限定されるものではない。
Furthermore, the
また、筐体2にインク流路を加工する方法としては、切削加工、射出成型加工、インプリント法、注形加工、レーザ加工、ドリル加工、光造形、3Dプリンタによる加工など、任意の加工方法を選ぶことができる。
Further, as a method of processing the ink flow path in the
また、図1(b)では、筐体2は、筐体2a、筐体2bと分割して第二の振動板9a、第一の振動板9bを挟む形で両側に配置されている。このうち、筐体2b、即ち、図1(a)でいうと紙面奥側の部分には、インク流路は形成されておらず、筐体の強度確保などの必要に応じて配置すればよい。また、配置する場合も筐体2aと同じ材料、加工方法でなくとも良い。
Further, in FIG. 1B, the
また、インク流路内部には、例えばMPCポリマーのような細胞の付着を阻害するコーティングを施すこともできる。 In addition, a coating that inhibits the adhesion of cells, such as MPC polymer, can be applied to the inside of the ink flow path.
<供給口3>
供給口3は、外部よりチューブ(図示せず)などを介して共通インク室4に粒状性インク11を注入するときに使用する。インク注入を行っていないときは弁などによって封止し、外界からの圧力を受けない形にしても良いし、あるいは大気開放、圧力ポンプへの接続を行っていても良い。なお、図1(a)では供給口3が1つであるが、供給口3を複数設置しても良い。供給口3を複数設置することで、インクパージ時のインク排出口、エア抜き口、インク循環を行う場合のインクの出入り口とすることができる。
<Supply
The
<第二の振動板9a、第一の振動板9b>
筐体2に貼り合わされることでインク流路の1つの面を形成している第二の振動板9aと第一の振動板9bは、薄い樹脂板あるいはニッケルの電鋳膜などの金属薄板によって形成することができる。
<
The
第二の振動板9a、第一の振動板9bと筐体2とは、熱硬化型接着材、2液混合型接着材、紫外線硬化型接着材などの接着材、あるいは熱圧着、レーザ圧着、超音波圧着などによって貼り合わせることができる。このうち、熱圧着によって貼り合わせる場合、第二の振動板9a、第一の振動板9bと筐体2のガラス転移点が同じ、あるいは近いことが好ましいため、第二の振動板9a、第一の振動板9bの材質と筐体2の材質を同じにすることが好ましい。
The
<第二の圧電素子8>
第二の圧電素子8については、図2(a)、図2(b)で説明する。図2(a)は、図1(b)と同じ方向からみた第二の圧電素子8の断面模式図であり、図2(b)は第二の圧電素子8の斜視図である。図1(a)のA−A’断面は、図2(b)では点線で図示された断面20の面になる。なお、見やすくするために図2(b)では第二の振動板9aの図示を省略している。
<Second
The second
図2(a)において、第二の圧電素子8は、内部電極21a、内部電極21bを形成したチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電体22を積層した後、積層した圧電体22の層の側面のうち、内部電極21a、21bが対向して露出する両面にそれぞれ表面電極23と裏面電極24を形成し、基台29上に固定したものである。
In FIG. 2A, the second
入力信号に応じて第二の圧電素子8が圧力室6と貼り合わされている第二の振動板9aを振動させる。
In response to the input signal, the second
図2(b)において、第二の圧電素子8は、複数のノズルの数に応じた駆動チャンネル25a、駆動チャンネル25bが交互に列設されており、各々のチャンネルの間には溝26が存在している。溝26は第二の圧電素子8を一体で形成した後、上記複数のチャンネルを分割するためにダイシング加工を行う際に形成されるものであり、各々の駆動チャンネル25a、駆動チャンネル25b間はこの溝26により離間絶縁されている。
2B, in the second
また、駆動チャンネル25aは、接続電極27が接続されている。駆動チャンネル25aは、図1(b)の圧力室6と対向している位置の第二の振動板9aと貼り合わされる。駆動チャンネル25bは、接続電極27が接続されておらず、図1(a)に示すように、隣接した2つの圧力室6の間に配置される。この2つの圧力室6を仕切っている筐体2の部分と対向している箇所に位置する第二の振動板9aと貼り合わされ、ダミーチャンネルとなる。
Further, the
即ち、駆動チャンネル25aの数は複数のノズル5の数に等しく、ダミーの駆動チャンネル25bの数は複数のノズル5の数より1つ以上多い。
That is, the number of
また、駆動チャンネル25a、25b、溝26の幅は、圧力室6の幅と設置間隔によって適切に設定されるが、駆動チャンネル25bの幅は駆動チャンネル25aの幅と異なっていても良い。
The widths of the
また、図2(b)の表面電極23の4辺のうち、接続電極27の根元方向(図2(b)の紙面下方)の辺には斜め状や矩形状などの切り欠き部28が研削加工により形成されている。切り欠き部28と溝26によって表面電極23は電気的に分離され、駆動チャンネル25a、ダミーの駆動チャンネル25bを形成し、切り欠き部のない裏面電極24は電気的に接続されて共通電極となっている。
Further, among the four sides of the
<第一の圧電素子10>
第一の圧電素子10については、図3(a)〜図3(c)で説明する。図3(a)は、図1(b)と同じ方向からみた第一の圧電素子10の断面模式図であり、図3(b)は、第一の圧電素子10の斜視図である。図1(a)のA−A’断面は、図3(b)では点線で図示された断面30の面になる。なお、図3(b)では、第一の振動板9bの図示を省略している。
<First
The first
図3(c)は、従来の図9(a)のA−A’断面図であり、従来の構造のインクジェットヘッド99の圧電素子910の斜視図である。
FIG. 3C is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 9A, and is a perspective view of the
図3(a)における第一の圧電素子10の内部電極31a、内部電極31b、圧電体32、表面電極33、裏面電極34、基台39の構成、作製方法は、第二の圧電素子8と同様である。第二の圧電素子8同様、基台39側の振動は固定され、共通インク室4と貼り合わされている第一の振動板9bのみが振動する。
The configuration and manufacturing method of the
第一の圧電素子10の振動面の合計の大きさは共通インク室4のサイズと同等程度であれば特に制限はなく、圧電体32の厚み、積層数、表面電極33、裏面電極34の表裏の向き、同一入力電圧に対する振動の大きさは第二の圧電素子8と同じでも異なっていても良い。
The total size of the vibration surface of the first
図3(b)において、第一の圧電素子10は、複数の駆動チャンネル35が列設されており、各々のチャンネルの間には溝36が存在している。溝36はダイシングにより形成されており、第二の圧電素子8の溝26も同様である。
In FIG. 3B, the first
溝36により、複数の駆動チャンネル35は離間絶縁されている。また、ダミーチャンネルを有する第二の圧電素子8とは異なり、溝36により分離されている駆動チャンネル35の各々には接続電極37が接続されて図1(b)の共通インク室4と対向している位置の第一の振動板9bと貼り合わされて駆動チャンネル35となる。
The plurality of
各々の駆動チャンネル35には接続電極37を介して図示しない信号入力装置より駆動電圧が印加され、各々の駆動チャンネル35は独立に駆動することができる。
A drive voltage is applied to each
また、駆動チャンネル35のうち、あるチャンネルに駆動電圧が印加されている間に、更に別のチャンネルに異なるタイミングで駆動電圧を印加することができる。すなわち、個々のチャンネルの位相を変えて駆動することが可能である。
In addition, while the drive voltage is being applied to a certain channel among the
この駆動チャンネルの数は、複数であれば第二の圧電素子8の駆動チャンネルの数と同じでも良いし、異なっていてもよい。
The number of drive channels may be the same as or different from the number of drive channels of the second
切り欠き部38は図3(b)で示すような斜め形状あるいは矩形状などをしており、第一の圧電素子10をダイシング加工して溝36を形成する前に研削加工などによって形成される。
The
一方、図3(c)に示された従前の構造のインクジェットヘッド99の圧電素子910は、内部電極、圧電体、表面電極、裏面電極、基台の構成、作成方法は図3(a)、図3(b)に示した第一の圧電素子10と同様であるが、溝36が存在しておらず、チャンネル935は一つである。
On the other hand, the
チャンネル935は一つなので、接続電極937も一つでよいが、チャンネル935はインク室全体を振動させるため、チャンネル935のサイズは大きくなり、駆動に必要な電流量が多くなる。そのため、電圧降下対策として接続電極937は同じチャンネル935に対して複数存在しても良い。
Since there is only one
チャンネル935が一つのため、圧電素子910は一つの駆動電圧の入力に対して、全体で振動し、図9(b)の第一の振動板9bを介して共通インク室4全体を一様に振動させ、内部の粒状性インク11全体を攪拌する機能を有している。
Since there is one
以下、図1(a)、図1(b)を用いて、インク流路を形成する共通インク室4、ノズル5、圧力室6、接続部7の構成について説明する。
Hereinafter, the configuration of the
<ノズル5>
インク流路の一部であるノズル5は、直接筐体に形成しても良いし、圧力室6の下流側に接続口を形成し、別途、ノズル5を形成したノズルプレート、筐体2の下部に設置し、この接続口を通じて、圧力室6と接続することで形成することもできる。
<
The
実施の形態のインクジェット装置のノズル5は複数であるが、2以上であればその数は特に制限はないが、隣接するノズル5の間の間隔にもよるが、あまりノズル数が多すぎると筐体2のサイズが増大する。実施の形態のインクジェット装置が印刷して作製する対象物は生体試料であり、そのサイズは1ないし20cm程度である。従って、ノズル数が多すぎると被印刷物のサイズに対して適切でなくなるため好ましくない。ノズル5の数は2ないし200、典型的には2ないし50である。
The number of
また、ノズル5の直径(ノズル断面が円形でない場合は円とみなしたときの直径)は、20ないし150ミクロン、典型的には30ないし100ミクロンである。直径がこれよりも小さいと細胞の詰まりが発生する。これより大きいと、インクが垂れる、あるいは、吐出が安定しなくなるなどの不具合が発生する。ノズル5の直径はインク粘度、粒状性インク中の細胞のサイズ、濃度、塗布量などに応じて適切に設定される。
The diameter of the nozzle 5 (the diameter when the nozzle cross section is not circular is regarded as a circle) is 20 to 150 microns, typically 30 to 100 microns. If the diameter is smaller than this, cell clogging occurs. If it is larger than this, problems such as ink dripping or ejection becoming unstable may occur. The diameter of the
ノズル5の加工方法は、ドリルによる加工、針状の金型を押し込んで形成する方法、レーザによる方法、また、筐体2に溝状の加工を施し、第二の振動板9a貼り合わせることで溝の表面との間で管を形成する方法、などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
The processing method of the
<圧力室6>
インク流路の一部である圧力室6は筐体2の接続部7の下流とノズル5の間に形成され、1つの面(図1(a)では紙面奥側の面)には第二の振動板9aが貼り合わされており、この第二の振動板9aを介した第二の圧電素子8の振動により圧力室6内部の粒状性インク11に圧力を印加することができる。
<
The
<接続部7>
インク流路の一部である接続部7は、共通インク室4から複数の圧力室6にインクを分配する機能を持つと共に圧力室6で発生した吐出のための圧力が共通インク室4側に逃げることを防止する機能も有する。そのため、接続部7の中で最も断面積が小さい箇所は圧力室6の断面積よりも小さく設計されるが、あまり断面積が小さすぎると粒状性インク11中の細胞の詰まりを引き起こすため、インク中の細胞のサイズや濃度に応じて適切に設定される。
<
The
<共通インク室4>
インク流路の一部である共通インク室4は、供給口3より供給された粒状性インク11を貯留しておくと共に、接続された複数の接続部7に粒状性インク11を分配、供給する機能を有している。共通インク室4の1つの面(図1(a)では紙面奥側の面)には、第一の振動板9bが貼り合わされている。この第一の振動板9bを介して配置されている複数の第一の圧電素子10の複数の駆動チャンネル35の振動により、共通インク室4内部の粒状性インク11を揺動させることができる。
<
The
<プロセス>
図4(a)〜図4(g)を用いて、駆動チャンネル35の振動を用いたノズルの不吐出化防止機構について説明する。
<Process>
A nozzle non-ejection prevention mechanism using vibration of the
図4(a)は、図1(a)のノズル5、圧力室6、接続部7、第一の圧電素子10にチャンネル名を与えたものである。紙面左側からノズル51、52、・・・5n、5(n+1)・・・、圧力室61、62、・・・6n、6(n+1)・・・、接続部71、72、・・・7n、7(n+1)・・・がそれぞれ接続された状態で形成されている。また、第一の圧電素子10にも駆動チャンネル351、352、・・・35m、35(m+1)・・・が形成されている。
FIG. 4A shows channel names given to the
ただし、ノズル5、圧力室6、接続部7のピッチと、駆動チャンネル35のピッチは、等しくても異なっていても良い。そのため、紙面左からn番目のノズル5n、圧力室6n、接続部7nの直上に駆動チャンネル35nが配置されているとは限らず、ここでは左からn番目のノズル5n、圧力室6n、接続部7nの直上には駆動チャンネル35mが配置されているものとする。
However, the pitch of the
例えば、第二の圧電素子8と第一の圧電素子10に同一形状の圧電素子を用いた場合、
第二の圧電素子8のダミーチャンネルも、第一の圧電素子10においては、駆動チャンネルとするとことができる。このことで、左からn番目のノズル5n、圧力室6n、接続部7nの直上には駆動チャンネル35(2n−1)、35(2n)が配置される。
For example, when the same piezoelectric element is used for the second
The dummy channel of the second
図4(b)は、図4(a)のB−B’断面図であり、紙面奥方向に図4(a)の供給口3が位置する向きから見た図である。また、第一の圧電素子10の各駆動チャンネル35mには0から最大電圧をかけるに従って伸びる方向に変位し、駆動チャンネル35m直上に位置する部分の第一の振動板9bを押し上げることができる。
FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ of FIG. 4A, as viewed from the direction in which the
また、0から最大電圧の間の電圧を予め与えておいて、その電圧から電圧を大小に変化させることで、駆動チャンネル35m直上に位置する部分の第一の振動板9bを押し上げることも引き下げることもできる。
In addition, by applying a voltage between 0 and the maximum voltage in advance and changing the voltage from that voltage to a larger or smaller voltage, pushing up or lowering the
ここで、例として、このインクジェットヘッド1に細胞を含んだ粒状性インク11を入れ、このインクジェットヘッド1のノズルのうち、ノズル5(n+1)以降のノズル5(n+1)、5(n+2)・・・、つまりヘッドの右側の領域のノズルだけを用いて基板上に塗布動作を行わせる場合を示す。
Here, as an example, the
まず、図4(a)の供給口3よりインクを注入すると、共通インク室4に粒状性インク11が満たされ、図4(a)、図4(b)の粒状性インク11のように共通インク室4内部には粒子が均一に分布する。
First, when ink is injected from the
まず、この状態で第一の圧電素子10を使用せずにインクジェットヘッド1のノズルのうち、ノズル5(n+1)、5(n+2)・・・から吐出を行わせる。すると、共通インク室4の粒状性インク11のうち接続部7(n+1)、7(n+2)・・・直上の粒状性インク11のみが接続部7(n+1)、7(n+2)・・・に流れ込み、共通インク室4内部のうち右側には液の流れが発生、供給口3から新たな粒状性インク11が供給される。しかし、接続部71、72、・・・、7nの直上の粒状性インク11は静止したままである。
First, in this state, ejection is performed from nozzles 5 (n + 1), 5 (n + 2)... Among the nozzles of the
図4(c)は、ノズル5(n+1)、5(n+2)・・・から吐出を行わせているときの図4(b)の状態で、第一の圧電素子10を作用させたものである。
FIG. 4C shows a state in which the first
接続部71、72、・・・、7nの直上の粒状性インク11が静止している状態で、図4(c)の駆動チャンネル351を押し上げる。すると、第一の振動板9bを介して駆動チャンネル351直上の粒状性インク11に正の圧力が加わり、駆動チャンネル352側に押し出され、近傍の細胞41は右側に移動する。
In the state where the
図4(d)は、図4(c)から、さらに、駆動チャンネル352を押し上げたものである。図4(c)同様、第一の振動板9bを介して駆動チャンネル352直上の粒状性インク11に正の圧力が加わり、駆動チャンネル353側に押し出され、近傍の細胞41は右側に移動する。
FIG. 4D is a diagram in which the
同様に、駆動チャンネル354、355・・・と順次押し上げていくと、都度、粒状性インク11の細胞が右側に移動する。
Similarly, when the
このように第一の圧電素子10の駆動チャンネルを順次押し上げ、駆動チャンネル35mまで押し上げた状態が図4(e)である。
FIG. 4E shows a state where the drive channel of the first
駆動チャンネル351から35mまで順次押し上げることで、第一の振動板9bを介して直上の粒状性インク11に正の圧力が加わり、駆動チャンネル35(m+1)側に押し出され、近傍の細胞4mは右側に移動する。つまり、細胞4mは、共通インク室4の右側に移動し、図4(a)の接続部71、72、・・・、7nから圧力室側に流れ込む。
By sequentially pushing up from the
図4(f)は、図4(e)からさらに駆動チャンネル351を引き下げたものである。
駆動チャンネル351を引き下げることで、第一の振動板9bを介して駆動チャンネル351直上の粒状性インク11に負の圧力が加わり、駆動チャンネル352側からインクを引き込み、一部は図4(a)の供給口3側からもインクが引き込む。さらに駆動チャンネル352、353、・・・、35mまで順次引き下げることで、都度、供給口3からインクを引き込み、図4(b)の状態に戻る。
FIG. 4 (f) shows the
By pulling down the
このように、従来とは異なる複数の第一の圧電素子10により、図4(b)から図4(f)の動作を繰り返すことで、静止していた接続部71、72、・・・、7nの直上の粒状性インク11を接続部7(n+1)、7(n+2)・・・直上に移動させ、接続部7(n+1)、7(n+2)・・・を通じてノズル5(n+1)、5(n+2)・・・より吐出させることができる。このため、接続部71、72、・・・、7nの直上の粒状性インク11の細胞が凝集、沈降することが無く、その後図4(a)のノズル51、52・・・5nに吐出信号を送っても不吐出になることがない。
As described above, by repeating the operations of FIG. 4B to FIG. 4F with the plurality of first
また、図4(a)〜図4(f)の第一の圧電素子10は吐出を行っていないノズルに接続される接続部71、72、・・・、7nとその近傍のみに、選択的に圧力を加えることができる。さらに、各駆動チャンネルは時間軸的に分散して駆動しているために共通インク室4内部の圧力変動が小さく、吐出動作への影響が小さい。
In addition, the first
なお、図4(b)から図4(f)の動作では駆動チャンネル351から35mまですべて、押し上げてから駆動チャンネル351を引き下げているが、駆動チャンネル35mを押し上げる前に、ある程度の駆動チャンネルを押し上げた段階で駆動チャンネル351から引き下げ始めても構わない。さらに、その状態で、駆動チャンネル35mまで押し上げきる前に、一旦引き下げた駆動チャンネル351から順次、再度押し上げても構わない。逆に、駆動チャンネル351から35mまですべて押し上げてから一定時間経過させてから駆動チャンネル351を引き下げてもよい。即ち、駆動チャンネル351から35nまで順次押し上げるまでの時間(駆動チャンネル群の振動周期)とある1つのチャンネルが駆動する周期(個別の駆動チャンネルの振動周期)の大小関係に特に制約はない。
4B to FIG. 4F, the
さらに、図4(b)から図4(f)の動作では、駆動チャンネル351から35mまですべて押し上げの駆動を行っている例を示したが、上述のように駆動チャンネルに予め電圧をかけておき、その電圧を下げることで第一の振動板9bを引き下げて共通インク室4に負の圧力を与えることができる。
Further, in the operations shown in FIGS. 4B to 4F, an example in which the
そこで、図4(g)のように駆動チャンネル351を押し上げると同時に、あるいは、実質的に同時に、隣接する駆動チャンネル352を引き下げることもできる。このように駆動すると、駆動チャンネル351の直上には正の圧力が発生し、隣接する駆動チャンネル352の直上には負の圧力が発生するため、粒状性インク11を効率よく駆動チャンネル352側に移動させることができる。さらに、正負の圧力が近傍で同時に発生し、相殺するため、共通インク室4内部全体での圧力変動がさらに小さくなり、より好ましい。
Therefore, as shown in FIG. 4G, the
また、上述の例ではヘッドの右側のノズルだけを吐出させるための第一の圧電素子10の駆動手順を示した。しかし、吐出ノズルのパターンはこれだけではなく、例えば、ヘッド中央部のノズルだけを吐出させるために第一の圧電素子10の両サイドの駆動チャンネルを左右対称に駆動することもできる。よって、駆動チャンネルの駆動手順は上述の例に限定されるものではない。また、第一の圧電素子10に印加する駆動電圧波形には特に制限は無く、正弦波、三角波、矩形波などを印加することができる。
以上により、実施の形態1は本願の課題を解決するものである。
In the above example, the driving procedure of the first
As described above, the first embodiment solves the problem of the present application.
(実施の形態2)
図5(a)ないし図5(b)は、実施の形態2を示している。図5(a)は、実施の形態2のインクジェット装置に用いられるインクジェットヘッド501の正面図である。図5(b)は、インクジェットヘッド501のA−A’断面図である。なお、図5(a)の紙面奥方向が、図5(b)の右方向である。
(Embodiment 2)
5 (a) to 5 (b) show the second embodiment. FIG. 5A is a front view of an
実施の形態1と振動板509が異なる。2つの振動板が、1つの振動板となっている。インクジェットヘッド501は、その上部に、筐体502、供給口503、共通インク室504、列設された複数のノズル505、1つの面が共通インク室504の一つの面と同一平面上にある圧力室506を有する。インクジェットヘッド501は、その下部に、共通インク室504から分岐し、圧力室506と接続する接続部507、圧力室506に吐出のための圧力を印加する第二の圧電素子508、共通インク室4の中の粒状性インク511を攪拌するための複数の第一の圧電素子510、第二の圧電素子508および複数の第一の圧電素子510の振動をそれぞれ圧力室506、共通インク室504に伝達する、振動板509を有する。
The first embodiment is different from the
図5(a)のように、共通インク室504の一つの面と、圧力室506の1つの面とを同一平面上(図5(a)では紙面奥方向の面)に配置する。このことで、図5(b)に示すように、共通インク室504と圧力室506の両方に圧力を伝達することのできる振動板509を配置することが可能になる。
As shown in FIG. 5A, one surface of the
振動板509の共通インク室504に相当する部分に、第一の圧電素子510が位置する。振動板509の圧力室506に相当する部分に、第二の圧電素子508が位置する。
The first
実施の形態2とすることで、インクジェットヘッド501は第二の圧電素子8、第一の圧電素子10の2つの圧電素子を有しながらも振動板509を合一とすることができ、インクジェットヘッド501の製造工程を簡略化しつつも実施の形態1と同等の機能を有することができる。
By adopting the second embodiment, the
(実施の形態3)
図6(a)ないし図6(b)は第三の態様を示している。図6(a)は、第三の態様のインクジェット装置に用いられるインクジェットヘッド601の正面図である。図6(b)は、インクジェットヘッド601のA−A’断面図である。なお、図6(a)の紙面奥方向が図6(b)の右方向である。
(Embodiment 3)
6 (a) to 6 (b) show a third embodiment. FIG. 6A is a front view of an
実施の形態1,2と異なり、窪み607bが特徴である。
Unlike the first and second embodiments, the
インクジェットヘッド601は、その上部に、筐体2、供給口3、共通インク室4、列設された複数のノズル5、1つの面が共通インク室4の一つの面と同一平面上にある圧力室6を有する。インクジェットヘッド601は、その下部に、共通インク室4から分岐し圧力室6と接続される接続部607aと、接続部607aの共通インク室4側に設けられた窪み607bと、圧力室6に吐出のための圧力を印加する第二の圧電素子8と、共通インク室4の中の粒状性インク11を攪拌するための複数の第一の圧電素子10と、を有する。さらに、第二の圧電素子8および複数の第一の圧電素子10の振動を、それぞれ圧力室6と、共通インク室4と、に伝達する振動板509と、有する。
The
実施の形態2の図5(a)の共通インク室4の内部において、粒状性インク11は、第一の圧電素子10によって揺動している。このため、接続部7の近傍の粒状性インク11に含まれる細胞の量は、常に変動している。場合によっては、瞬間的に吐出に必要な濃度を下回ってしまう可能性がある。
The
そこで、第三の実施の態様のように、図6(a)の接続部607aの共通インク室4側の入口に、内部の粒状性インク11が揺動の影響を受けにくくすることができる、窪み607bを設け、一定量の粒状性インク11をバッファとして貯留しておくことで、第一の圧電素子10によって揺動されている共通インク室4から接続部607aに流れ込む細胞の濃度の時間的ばらつきを緩和することができる。
Therefore, as in the third embodiment, the internal
窪み607bのサイズは、幅がノズルピッチより小さいという以外に特に制限はないが、あまり小さすぎると、バッファとしての機能が発揮されない。また、あまり大きすぎると、吐出に用いていないチャンネルに接続されている窪み607b内で細胞の沈降、凝集が起きてしまうため好ましくない。
The size of the
窪み607bの幅方向(ノズル列方向)のサイズは、典型的には0.1ないし2ミリメートルである。窪み607bの深さ方向(接続部方向)のサイズは、幅方向のサイズの0.1ないし10倍程度であるが、これに限定されるものではない。
The size of the
また、窪み607bの形状にも特に制約は無く、共通インク室4側の入口は図6(a)の左右方向、及び図6(b)の左右、即ち、図6(a)の奥行方向に広がりを持つことができ、その形状も四角錐、半円錐、直方体、半円柱、半ラッパ状、半釣鐘状など、任意の形状で構成してよい。
Further, the shape of the
(実施の形態4)
図7(a)ないし図7(b)は、第1ないし第3の実施の形態で示されたインクジェットヘッド1を搭載したインクジェット装置の模式図である。
(Embodiment 4)
FIG. 7A to FIG. 7B are schematic views of an ink jet apparatus equipped with the
図7(a)において、インクジェットヘッド1は、インクタンク703より、配管702を通じてインク供給を受け、ステージ(図示せず)上に配置された被印刷基板704の上の塗布エリア705に粒状性インクを吐出し、ステージのスキャン方向707の相対移動によって、印刷パターン706を形成している。塗布エリア705の幅がインクジェットヘッド1の塗布幅よりも広い場合、図7(a)の段階ではインクジェットヘッド1の塗布幅全体、即ち、インクジェットヘッド1の全ノズルから吐出を行って印刷パターン706を形成する。
In FIG. 7A, the
しかし、塗布エリア705の幅がインクジェットヘッド1の塗布幅よりも広い。このため、図7(b)のように一度に印刷できなかった塗布エリア705の残りの部分を印刷する場合、塗布エリア705の残りの幅が、インクジェットヘッド1の塗布幅よりも狭くなる。この結果、インクジェットヘッド1のうち、領域708の右側のノズルのみで残りの印刷パターン706の塗布を行い、領域708の左側のノズルは吐出動作を行わない。
However, the width of the
印刷パターンで形成する目的物が、例えば、フラットパネルディスプレイや紙上のドキュメント、画像など、印刷サイズがある程度一定のものを印刷し続けるという目的の印刷装置であれば、設計の段階で塗布エリアの幅に応じて塗布幅に無駄が無いようにインクジェットヘッドの塗布幅を設計することができる。 If the target object to be formed with a print pattern is a printing device whose purpose is to continue printing a certain size, such as a flat panel display, a document on paper, or an image, the width of the coating area at the design stage Accordingly, the application width of the inkjet head can be designed so that the application width is not wasted.
しかし、細胞工学や再生医療工学の分野における印刷パターンの目的物、例えば、細胞シートのサイズはその都度変化するため、予め最適なインクジェットヘッドの塗布幅を設計することができない。そのため、印刷動作において一時的に吐出に使用されないノズルが頻繁に発生する。 However, since the object of a printed pattern in the field of cell engineering or regenerative medical engineering, for example, the size of a cell sheet changes each time, it is not possible to design an optimum application width of an inkjet head in advance. For this reason, nozzles that are temporarily not used for ejection frequently occur in the printing operation.
また、第一ないし第三の態様によるインクジェットヘッド1を搭載したインクジェット装置を用いることで、一時的に吐出に使用されないノズルが不吐出化しないため有用である。
In addition, the use of an ink jet apparatus equipped with the
また、図7(a)ないし図7(b)において、被印刷基板の例として一般的な被印刷物の形状である平面の四角形状にしている。しかし、細胞工学や再生医療工学の分野における被印刷基板704は、例えば、シャーレ、ディッシュ、ウェルなど、側壁を有した円形、即ち底面のある浅い円筒状をしている場合が多い。
Further, in FIGS. 7A to 7B, a flat rectangular shape, which is a general shape of a printed material, is used as an example of a printed substrate. However, the printed
例として、図8(a)のように円形のディッシュ804の底面の塗布エリア805に印刷する場合を示す。
As an example, a case where printing is performed on the
ディッシュ804の直径よりも小さいインクジェットヘッド1を、挿入して底面に近接させ、ディッシュ804の中心を軸として図示しないステージで回転方向807のように回転させる。このことで、ディッシュ804の底面の塗布エリア805に同心円状に円形の印刷パターン806を作成することができる。
The
さらに、インクジェットヘッド1の塗布幅が、塗布エリア805より狭い場合、図8(b)のように、インクジェットヘッド1をディッシュ804の中で側壁に触れない範囲で、外側にずらして領域808の外側(図8(b)における紙面左側)の領域のノズルのみを使って塗布エリア805の残りの部分を印刷することができる。
Further, when the application width of the
このように同心円状に塗布を行う場合、ディッシュ804の回転軸中心とノズルの距離によって印刷速度が異なり、ノズルごとにインク吐出量も異なってくる。即ち、ディッシュ804の回転軸中心に近いノズルは周速が遅く、単位時間あたりのインク吐出量が、回転軸中心から離れているノズルと比較して少なくなる。このため、ディッシュ804の回転軸中心に近いノズル直上の共通インク室において粒状性インクの流動が少なくなるため沈降・凝集が発生しやすい。
When application is performed concentrically as described above, the printing speed varies depending on the distance between the center of the rotating shaft of the
従って、実施の形態のインクジェットヘッド1を搭載したインクジェット装置は、共通インク室において、粒状性インクの沈降・凝集を防止できるため、細胞工学や再生医療工学の分野におけるインクジェット装置として有用である。
Therefore, the ink jet apparatus equipped with the
このように、第一ないし第四の態様で示されたインクジェットヘッドを搭載したインクジェット装置は、粒子、特に生体粒子である細胞を含んだ粒状性インクの印刷に好適に用いられるものである。 As described above, the ink jet apparatus equipped with the ink jet head shown in the first to fourth aspects is suitably used for printing granular ink containing particles, particularly cells that are biological particles.
なお、粒状性インクに含まれる粒子の例としては、細胞、菌類などの真核生物、細菌などの原核生物、タンパク質、核やミトコンドリアなどのオルガネラなどを挙げることができる。細胞の例としては、心筋細胞、血管内皮細胞、筋芽細胞、繊維芽細胞、表皮細胞、肝細胞、骨格筋細胞、骨芽細胞、神経細胞、色素細胞、平滑筋細胞、脂肪細胞、骨細胞、軟骨細胞などが挙げられる。また、粒状性インクに含まれる典型的な細胞の濃度は1×105個/mlないし1×107個/mlであるがこれに限定されるものではない。 Examples of the particles contained in the granular ink include eukaryotes such as cells and fungi, prokaryotes such as bacteria, proteins, and organelles such as nuclei and mitochondria. Examples of cells include cardiomyocytes, vascular endothelial cells, myoblasts, fibroblasts, epidermal cells, hepatocytes, skeletal muscle cells, osteoblasts, nerve cells, pigment cells, smooth muscle cells, fat cells, bone cells And chondrocytes. The typical concentration of cells contained in the granular ink is 1 × 10 5 cells / ml to 1 × 10 7 cells / ml, but is not limited thereto.
(なお書き)
実施の形態1〜4は、組み合わせすることができる。
(Note)
実施の形態のインクジェット装置により、細胞などの生体粒子を含有する液体を被印刷物上に塗布する際に、ノズルの不吐出化を防止することが可能になるため、有用である。 The ink jet device according to the embodiment is useful because it is possible to prevent the nozzle from being non-discharged when a liquid containing biological particles such as cells is applied onto the printing material.
1、501 インクジェットヘッド
2、502 筐体
2a 筐体
2b 筐体
3、503 供給口
4、504 共通インク室
5、5n、505 ノズル
6、6n、506 圧力室
7、507、7n 接続部
8、508 第二の圧電素子
9a 第二の振動板
9b 第一の振動板
10、510 第一の圧電素子
11、511 粒状性インク
20 断面
21a 内部電極
21b 内部電極
22 圧電体
23 表面電極
24 裏面電極
25a 駆動チャンネル
25b 駆動チャンネル
26 溝
27 接続電極
28 切り欠き部
29 基台
30 断面
31a 内部電極
31b 内部電極
32 圧電体
33 表面電極
34 裏面電極
35、35n 駆動チャンネル
36 溝
37 接続電極
38 切り欠き部
39 基台
41 細胞
51 ノズル
61 圧力室
71 接続部
351、352、353、354 駆動チャンネル
509 振動板
601 インクジェットヘッド
607a 接続部
607b 窪み
702 配管
703 インクタンク
704 被印刷基板
705 塗布エリア
706 印刷パターン
707 スキャン方向
708 領域
804 ディッシュ
805 塗布エリア
806 印刷パターン
807 回転方向
808 領域
99 インクジェットヘッド
910 圧電素子
911 粒状性インク
912 粒子
935 チャンネル
937 接続電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,501 Inkjet head 2,502
Claims (9)
前記共通インク室に圧力を伝達する第一の振動板と、
前記第一の振動板に前記圧力を与える第一の圧電素子と、
前記共通インク室と連結され、前記インクを吐出するノズルを有する複数の圧力室と、
前記複数の圧力室に圧力を伝達する第二の振動板と、
前記第二の振動板に前記圧力を与える第二の圧電素子と、を含み
前記共通インク室1つに対して、複数の前記第一の圧電素子が設けられたことを特徴とするインクジェット装置。 A common ink chamber for supplying ink;
A first diaphragm for transmitting pressure to the common ink chamber;
A first piezoelectric element that applies the pressure to the first diaphragm;
A plurality of pressure chambers connected to the common ink chamber and having nozzles for discharging the ink;
A second diaphragm for transmitting pressure to the plurality of pressure chambers;
An inkjet apparatus comprising: a second piezoelectric element that applies the pressure to the second diaphragm; and a plurality of the first piezoelectric elements provided for the common ink chamber.
ことを特徴とするインクジェット装置。 The inkjet apparatus according to claim 1, wherein the first diaphragm and the second diaphragm constitute one diaphragm.
An inkjet apparatus characterized by that.
前記共通インク室と連結され、前記インクを吐出するノズルを有する複数の圧力室に、第二の圧電素子により、第二の振動板を介して、圧力を印加し、前記インクを吐出する工程と、を含むことを特徴とするインクジェット方法。 Applying a pressure to a common ink chamber for supplying ink via a first diaphragm by a plurality of first piezoelectric elements;
Applying a pressure to a plurality of pressure chambers connected to the common ink chamber and having nozzles for discharging the ink through a second diaphragm by a second piezoelectric element, and discharging the ink; Ink jet method characterized by including these.
前記共通インク室と連結され、前記インクを吐出するノズルを有する複数の圧力室に、複数の第二の圧電素子により、前記振動板を介して、圧力を印加し、前記インクを吐出する工程と、を含むことを特徴とするインクジェット方法。
Applying a pressure to a single common ink chamber for supplying ink via a diaphragm with a plurality of first piezoelectric elements;
A step of applying pressure to the plurality of pressure chambers connected to the common ink chamber and having nozzles for discharging the ink through the diaphragm by a plurality of second piezoelectric elements, and discharging the ink; Ink jet method characterized by including these.
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