JP2021137792A - 液滴吐出方法、組織体入り容器の製造方法及び液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液滴の配置精度を向上させること。【解決手段】本発明の一態様に係る液滴吐出方法は、膜状部材に形成されたノズル孔から液滴を吐出する液滴吐出装置による液滴吐出方法であって、容器に設けられた凹部の内部に前記ノズル孔を配置する配置工程と、前記凹部の内部に配置された前記ノズル孔から前記液滴を吐出する吐出工程と、を行う。【選択図】図１

Description

本願は、液滴吐出方法、組織体入り容器の製造方法及び液滴吐出装置に関する。

近年、幹細胞技術の進展に伴い、複数の細胞を含む組織体を所望の位置に配置する技術開発が行われている。例えば、創薬や毒性評価等の分野では、井戸型の孔であるウェル（凹部）を複数有するウェルプレート（容器）を使用して細胞の薬剤への応答を確認する試験であるアッセイが行われ、ウェルプレート内に組織体を配置して、人間の体の中で起こっている現象をウェルプレート内で再現する技術が開発されている。

このような組織体を所望の位置に配置する方法として、ノズル孔が形成された膜状部材を振動させて、細胞懸濁液等を含む液滴を吐出する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１の構成では、液滴の配置精度に改善の余地がある。

本発明は、液滴の配置精度を向上させることを課題とする。

本発明の一態様に係る液滴吐出方法は、膜状部材に形成されたノズル孔から液滴を吐出する液滴吐出装置による液滴吐出方法であって、容器に設けられた凹部の内部に前記ノズル孔を配置する配置工程と、前記凹部の内部に配置された前記ノズル孔から前記液滴を吐出する吐出工程と、を行う。

本発明によれば、液滴の配置精度を向上させることができる。

第１実施形態に係る液滴吐出装置の全体構成例を示す図である。 第１実施形態に係るＭＥＭＳチップの構成例を示す図である。 圧電素子の下部電極と配線の接続例の図である。 圧電素子の上部電極と配線の接続例の図である。 第１実施形態に係るＭＥＭＳチップを液滴の吐出方向から視た図である。 第１実施形態に係る吐出ヘッドを液滴の吐出方向から視た図である。 変形例に係るＭＥＭＳチップを液滴の吐出方向から視た図である。 駆動波形例を示す図である。 液滴が形成される過程の一例を示す図である。 圧電素子に印加される駆動波形の第１例を示す図である。 圧電素子に印加される駆動波形の第２例を示す図である。 圧電素子に印加される駆動波形の第３例を示す図である。 第２実施形態に係る液滴吐出装置の全体構成例を示す図である。 圧電素子で発生する電流の一例を示す図である。 第２実施形態に係る制御部の機能構成例を示すブロック図である。 第２実施形態に係る液滴吐出装置の動作例を示すフローチャートである。 第３実施形態に係るＭＥＭＳチップの構成例を示す図である。 第３実施形態に係る制御部の機能構成例を示すブロック図である。 第３実施形態に係る液滴吐出装置の動作例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成の部分には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

実施形態に係る液滴吐出方法は、膜状部材に形成されたノズル孔から液滴を吐出する液滴吐出装置による液滴吐出方法である。実施形態では、容器に設けられた凹部の内部に、膜状部材に形成されたノズル孔を配置し、凹部の内部に配置されたノズル孔から液滴を吐出する。これにより、凹部の外側から液滴を吐出する場合と比較して、凹部の内部への液滴の配置精度を向上させる。

以下に示す図でＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸により方向を示す場合があるが、Ｘ軸に沿うＸ方向は、ウェルプレート（容器）が備える複数のウェル（凹部）が配列する配列平面内での所定方向を示し、Ｙ軸に沿うＹ方向は、配列平面内でＸ方向に直交する方向を示し、Ｚ軸に沿うＺ方向は、配列平面に直交する方向を示すものとする。

またＸ方向で矢印が向いている方向を＋Ｘ方向、＋Ｘ方向の反対方向を−Ｘ方向と表記し、Ｙ方向で矢印が向いている方向を＋Ｙ方向、＋Ｙ方向の反対方向を−Ｙ方向と表記し、Ｚ方向で矢印が向いている方向を＋Ｚ方向、＋Ｚ方向の反対方向を−Ｚ方向と表記する。実施形態では、吐出ヘッドは一例として−Ｚ方向側に液滴を吐出するものとする。

［第１実施形態］
＜液滴吐出装置１００の全体構成例＞
まず、液滴吐出装置１００の全体構成について、図１を参照して説明する。図１は、液滴吐出装置１００の全体構成の一例を説明する図である。

図１に示すように、液滴吐出装置１００は、吐出ヘッド１と、制御部４と、ヘッドアクチュエータ９とを備えている。

液滴吐出装置１００は、吐出ヘッド１の一方の端部を、平板状の部材であるウェルプレート５に多数形成された井戸型の孔であるウェル５１内に挿入している。ウェルプレート５は、容器の一例であり、組織体入り容器の一例である。ウェル５１は凹部の一例である。

ウェルプレート５は、配列平面内で２次元アレイ状に配列するように複数のウェル５１を備えている。ウェル５１の形状は略円筒形でありウェル５１の底部５２が平らなものが好ましいが、略四角柱などの円筒形でないものや、側壁部に傾斜がついたもの、底部５２に傾斜がついたものであってもよい。

実施形態ではウェルプレート５を例示するが、容器はプレートやスライドガラスのような板状であっても、チューブ状であっても良い。また容器が複数のウェル５１を有する構成を例示するが、ウェル５１は１つであってもよい。

吐出ヘッド１は、ウェル５１内に挿入された側の端部に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）チップ６を備えている。また吐出ヘッド１は、ＭＥＭＳチップ６にノズル孔６２１を備えている。ＭＥＭＳチップ６に対し、駆動波形発生源７が配線７１及び７２を介して駆動波形（駆動電圧）を印加することで、吐出ヘッド１はＭＥＭＳチップ６内に保持された液体を、ノズル孔６２１から液滴Ｄとしてウェル５１内に吐出する吐出部の一例である。

制御部４は、液滴吐出装置１００全体の動作を制御する制御装置である。例えば制御部４は、駆動波形発生源７による吐出ヘッド１への駆動波形の印加、及びヘッドアクチュエータ９によるノズル孔６２１の配置動作等を制御することができる。

ヘッドアクチュエータ９は、吐出ヘッド１を保持する保持部と、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向に進退する移動機構部とを有し、保持部により保持した吐出ヘッド１の位置を変化させることで、ウェルプレート５のウェル５１の内部にノズル孔６２１を配置する配置部の一例である。なお、ヘッドアクチュエータ９は、回転機構部をさらに有し、ノズル孔６２１の姿勢を可変に構成されてもよい。

ここで、液滴吐出装置１００は、液滴Ｄのウェル５１内への配置精度の観点から、ウェル５１の底部５２から０．５〜３．０ｍｍの高さの範囲内にノズル孔６２１を配置することが好ましい。また、好適なウェルプレート５である９６ウェルのウェルプレート５における各ウェル５１の高さは１２ｍｍ前後であるため、ウェル５１の深さに対して７０％以上の深さにノズル孔６２１を配置することが好ましい。

例えば、ウェルの外部にノズル孔を配置して液滴を吐出すると、ウェルの底部からの距離が長いため、ウェル内での液滴の配置精度が低くなる場合がある。またウェルの開放部側（Ｚ方向における底部の反対側）から数％程度の深さにノズル孔を配置して液滴を吐出する場合にも、同様にウェルの底部からの距離が長いため、液滴の配置精度が低くなる場合がある。さらにウェルの底部からの距離が長いことにより、吐出した液体の一部が飛散し、所望の液滴の形状を得られない場合がある。

これに対し、液滴吐出装置１００は、ウェル５１の内部にノズル孔６２１を配置して液滴Ｄを吐出するため、ウェル５１の底部５２から短い距離で液滴Ｄを吐出できる。これにより、ウェル５１内での液滴Ｄの配置精度を向上できるようになっている。また底部５２から短い距離で液滴Ｄを吐出することで、吐出した液体の一部の飛散を抑制できるようになっている。

また吐出ヘッド１は、ウェル５１の底部５２に対してノズル孔６２１を近づけるために、ウェル５１の壁面と干渉しない構成であることが好ましい。このために針やチューブ等の細管を含んで吐出ヘッドを構成し、細管に設けられたノズル孔をウェル５１の内部に配置することも考えられる。しかし、細胞懸濁液や粒子等を吐出するためには不利な点が多く採用は困難である。

より具体的には、細管を通してノズル孔から細胞懸濁液や粒子等の流体を吐出すると、一般に、流体にかかる抵抗が増すため、吐出力が大幅に減少して目的の吐出ができなくなる。また、細胞等の粒子が細管に詰まりやすくなるため、細管内で流体が流れる流路の維持も困難である。さらに、細管の内部には圧力や剪断応力が強くかかりやすいため、細胞が死滅するリスクが高くなる。

＜吐出ヘッド１の構成例＞
次に吐出ヘッド１の構成について、図２も併せて参照して説明する。図２は、吐出ヘッド１の構成の一例を説明する図であり、図１に破線で示したＰ部付近の拡大図である。図２に示すように、吐出ヘッド１は、チャンバ６１と、配線７１とを備えている。

チャンバ６１は、液体２００を保持する液室の一例であり、大気開放部６１１と、液室部材６１２と、弾性部材６１３と、ＭＥＭＳチップ６とを備えている。図２では、沈降性粒子２５０を懸濁した（沈降性粒子２５０が分散された）粒子懸濁液である液体２００を、チャンバ６１が保持する状態を例示している。沈降性粒子２５０としては、金属微粒子や無機微粒子、或いは細胞、特にヒト由来の細胞等を想定できる。

チャンバ６１の大きさと、チャンバ６１に収容可能な液体２００の液量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。液体２００の液量は、例えば１μＬ〜１ｍＬにすることができ、液体２００が細胞を分散させた細胞懸濁液等である場合には、１μＬ〜５０μＬにすることもできる。但し、液体２００の液量は、メンブレン６２の振動特性に寄与する因子として、制御部４により制御されて変化する。図２に示した液量Ｅは、チャンバ６１内に充填されている液体２００の液量を表している。

大気開放部６１１は、チャンバ６１内を大気に開放する部位である。チャンバ６１は、チャンバ６１の＋Ｚ方向側に大気開放部６１１を備えている。液体２００中に混入した気泡を大気開放部６１１から排出できるようになっている。

ＭＥＭＳチップ６は、フォトリソグラフィを使用する半導体プロセスによりシリコン基板を微細加工して製作されたデバイスであり、メンブレン６２と、圧電素子６３と、メンブレン支持部６５とを一体化した振動部の一例である。

ＭＥＭＳチップ６は、液滴Ｄが吐出される方向（図２の−Ｚ方向）に沿う液室部材６１２の端部に接合されている。チャンバ６１は、弾性部材６１３を介して液室部材６１２とＭＥＭＳチップ６とを接合して形成される空間内に液体２００を保持する。

ＭＥＭＳチップ６の外形形状は、より大きな組織モデルをウェル５１の底部５２に配置するために底部５２の形状と相似形であることが好ましい。例えば一般的な９６ウェルのウェルプレート５におけるウェル５１の底部５２は円形状であるため、ＭＥＭＳチップ６も円形状であることが好ましい。

但し、半導体プロセスでは、対象を円形状に加工することの難易度が一般に高いため、４角形、６角形、８角形のように多角形を形成することもできる。加工可能な範囲内でできるだけ円形に近い多角形にすることが好ましい。またウェル５１の底部５２の形状は略四角形のものもあるため、底部５２の形状に応じてＭＥＭＳチップ６の外形形状を適宜変更可能である。

ＭＥＭＳチップ６の基板はシリコンに限定されるものではなく、ガラス等の他の部材を用いることもできる。また圧電素子６３の製造方法は半導体プロセスに限定されるものではなく、圧電体の前駆体液をインクジェット方式でパターニングするプロセス等、半導体プロセス以外のものを用いることもできる。

メンブレン６２は、チャンバ６１の−Ｚ方向側の端部に固定され、ＭＥＭＳチップ６のメンブレン支持部６５と一体形成された膜状部材の一例である。メンブレン６２は、メンブレン６２の略中心に、貫通孔であるノズル孔６２１を備えている。メンブレン支持部６５はメンブレン６２を支持する支持部材の一例である。

吐出ヘッド１は、チャンバ６１内に保持された液体２００を、メンブレン６２の振動によりノズル孔６２１から液滴Ｄとして吐出する。メンブレン６２の平面部の形状は、例えば円形であるが、楕円状や四角形等にしてもよい。またメンブレン６２の平面部の形状は、液室部材６１２との接合面と略相似形であることが好ましい。

またノズル孔６２１からメンブレン６２の外側端までのメンブレン寸法Ａが、ノズル孔６２１から液室部材６１２の内側端までの液室部材寸法Ｂより大きいと、液室部材６１２の張り出し部に空気が残留しやすくなる。これにより吐出機能が損なわれる場合があるため、メンブレン寸法Ａは液室部材寸法Ｂより小さい方が好ましい。

ノズル孔６２１は、メンブレン６２の略中心に真円状の貫通孔として形成されていることが好ましいが、多角形状の平面形状を有するものでもよい。円形状の場合、ノズル孔６２１の直径は特に限定されないが、沈降性粒子２５０がノズル孔６２１に詰まることを避け、液滴Ｄを安定して吐出するために、沈降性粒子２５０の大きさの２倍以上とすることが好ましい。具体的には、動物細胞、特にヒトの細胞の大きさは一般的に５μｍ〜５０μｍ程度であるため、ノズル孔６２１の径を使用する細胞に合わせて１０μｍ〜１００μｍ以上とすることが好ましい。

一方で、液滴Ｄが大きくなり過ぎると微小な液滴Ｄを形成するという目的の達成が困難となるため、ノズル孔６２１の径は２００μｍ以下であることが好ましい。従って液滴吐出装置１００では、ノズル孔６２１の径は、典型的には１０μｍ〜２００μｍの範囲となる。

圧電素子６３は、メンブレン６２を振動させる加振部の一例であり、メンブレン６２の下面側にＭＥＭＳチップと一体に形成されている。圧電素子６３の形状は、メンブレン６２の形状に合わせて設計可能である。例えば、メンブレン６２の平面形状が円形である場合には、ノズル孔６２１の周囲に平面形状が円環状（リング状）の圧電素子６３を形成することが好ましい。

また、圧電素子６３は、圧電体６３１と、圧電体６３１の上面側（−Ｚ方向側の面）に設けられた下部電極６３２と、圧電体６３１の下面側（＋Ｚ方向側の面）に設けられた上部電極６３３とを備えている。下部電極６３２及び上部電極６３３は、複数の電極の一例であり、下部電極６３２及び上部電極６３３のそれぞれは電極の一例である。

圧電素子６３の下部電極６３２または上部電極６３３に駆動波形を印加することによってＸ方向に収縮して圧縮応力が加わり、メンブレン６２をＺ方向に沿って振動させることができる。圧電体の材料としては、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛を用いることができる。この他にも、ビスマス鉄酸化物、ニオブ酸金属物、チタン酸バリウム、或いはこれらの材料に金属や異なる酸化物を加えたもの等、様々な材料を用いることができる。

配線７１の一端は、導電性接着剤７１１を介してＭＥＭＳチップ６の配線接続部７１２に接続している。また配線７１は、液室部材６１２の外側面側に引き出され、外側面に沿って配置されて、他端が駆動波形発生源７に接続している。

圧電素子６３は、導電性接着剤７１１を介して接続された配線７１を通して下部電極６３２及び上部電極６３３のそれぞれに印加される電圧に応じてメンブレン６２を加振する。ここで、導電性接着剤７１１は、導電性フィラーを混合したエポキシ樹脂系の材料等により構成される導電性を有する接着剤である。

配線７１とＭＥＭＳチップ６の接続方法には、一般的なワイヤボンディング等を適用可能である。但し、その場合には、液滴Ｄの吐出方向に実装部の出っ張りができてしまい、ウェル５１の底部５２に配置された液滴Ｄに接触することがあるため、導電性接着剤７１１で圧接して最小限の高さになっていることが好ましい。なお、実装方法はワイヤボンディングに限定されるものではなく配線が安定に接続されれば他の方法でもよい。また図２では、配線７１のみを例示するが、図１に示した配線７２も配線７１と同様の構成及び接続を適用できる。

液室部材６１２は、接着剤又は両面テープ等により液室部材６１２の外側面に配線７１を固定する。但し、液室部材６１２の外側面上で配線７１が突出すると、ノズル孔６２１をウェルの内部に配置した際に、吐出ヘッドが１ウェルの内壁にぶつかり、組織体を含む液滴Ｄの配置に制約が生じる場合がある。そのため、液室部材６１２の外側面に配線７１を収容するための溝部を形成し、溝部の内部に配線７１が収容されるようにして、配線７１を液室部材６１２に固定することが好ましい。

配線７１はできるだけ細く、また配線７１の材料は配線作業がしやすいものが好ましい。例えば扁平な導線に絶縁被覆をしたものを用意して、端部だけ被覆を剥がして接続すると好適である。

弾性部材６１３は、ＭＥＭＳチップ６の駆動により発生する振動を液室部材６１２にできるだけ伝達しない弾性体を含んで構成される部材である。また弾性部材６１３は、液室部材６１２とＭＥＭＳチップ６を接合する機能も有している。例えば、ＭＥＭＳチップ６と液室部材６１２とを接着する接着剤によりこのような弾性部材６１３を構成できる。但し、弾性部材６１３が硬い物質であったり、弾性部材６１３がない状態で液室部材６１２とＭＥＭＳチップ６が直接接合されたりしても、吐出ヘッド１としての主要機能を実現できるため、弾性部材６１３を必ずしも設けなくてもよい。

液室部材６１２のウェルへ挿入する部分の外形形状は、ウェル５１の底部５２に液滴Ｄを配置するため、ウェル５１の底部５２の形と略相似形で吐出ヘッド１の可動域を最大限確保できる構成が好ましい。例えば、９６ウェルのウェルプレートの場合、ウェル５１の底部５２が直径６ｍｍ前後のものが一般的であるため、液室部材６１２のウェルへ挿入する部分の外形形状は円形状で直径は３〜５ｍｍ程度とすると好適である。

ウェル５１へ挿入しない液室部材６１２の形状は、液室の保持部の形状と合わせて円筒形状に適宜付加される。

液室部材６１２の材料は、細胞毒性が弱く耐熱性があり加工性の良いものが好ましい。例えば、いわゆるエンジニアリングプラスチックであるポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、又はポリカーボネート（ＰＣ）等である。但し、他のプラスチックや金属、セラミック等の材料を適用することもできる。耐熱性としては、滅菌のためのオートクレーブ（高圧、１２０℃）の処理に耐えられると使用しやすくなるが、エタノールやＵＶ照射といった他の手段もあるため必須ではない。

駆動波形発生源７は、駆動信号として駆動波形を圧電素子６３に出力する信号発生器である。駆動波形発生源７は、駆動波形を圧電素子６３に出力することで、メンブレン６２を変形させ、チャンバ６１に収容された液体２００を液滴Ｄとして吐出させることができる。また所定周期に設定した駆動波形でメンブレン６２を変形させることで、メンブレン６２を共振振動させて吐出することもできる。

ＭＥＭＳチップ６は液室部材６１２に対して、吐出方向の下流（−Ｚ方向側）に設置されていることが好ましい。また組織体配置のプロセスには細胞懸濁液の配置だけではなく、生体を構成する液体やゲル、また生体適合性のある液体やゲルを細胞配置の前後に付加するとよい場合がある。これは細胞のウェルの底への接着性や細胞の生存率、細胞の成熟性などの因子に寄与する。

次に図３Ａは、ＭＥＭＳチップ６における圧電素子６３の下部電極６３２と配線７１との接続の一例を説明する断面図である。また図３ＢはＭＥＭＳチップ６における圧電素子６３の上部電極６３３と配線７１との接続の一例を説明する断面図である。図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ図２に破線で示した領域ＱのＹ方向に直交する断面構造を示している。

図３Ａに示すように、ＭＥＭＳチップ６は、メンブレン支持部６５の−Ｚ方向側に、層間絶縁膜７１５を挟んで下部電極配線７１４ａを備えている。下部電極配線７１４ａは、下部電極接続部７１３ａを介して下部電極６３２に接続している。またＭＥＭＳチップ６は、下部電極配線７１４ａの−Ｚ方向側に絶縁膜７１６を備えている。絶縁膜７１６が除去された箇所が、配線７１と下部電極６３２を接続する下部配線接続部７１２ａに対応する。

また図３Ｂに示すように、ＭＥＭＳチップ６は、メンブレン支持部６５の−Ｚ方向側に、層間絶縁膜７１５を挟んで上部電極配線７１４ｂを備えている。上部電極配線７１４ｂは、上部電極接続部７１３ｂを介して上部電極６３３に接続している。またＭＥＭＳチップ６は、上部電極配線７１４ｂの−Ｚ方向側に絶縁膜７１６を備えている。絶縁膜７１６が除去された箇所が、配線７２と上部電極６３３を接続する上部配線接続部７１２ｂに対応する。

但し、これらの接続は一例であり、下部配線接続部７１２ａ及び上部配線接続部７１２ｂは、他の方法でＭＥＭＳチップ６を構成する何れかの面に設けられてもよい。

次に図４は、ＭＥＭＳチップ６を液滴の吐出方向から視た図である。また図５は吐出ヘッド１を液滴の吐出方向から視た図である。図４及び図５に示すように、メンブレン６２は８角形状の外形形状を備え、液室部材６１２は円形の外形形状を備えている。

図４に示すように、配線７１は、下部電極接続部７１３ａ及び下部配線接続部７１２ａを介して下部電極に接続する。また配線７２は、上部電極接続部７１３ｂ及び上部配線接続部７１２ｂを介して上部電極に接続する。

また、図５に示すように、液室部材６１２は、液室部材６１２の外側面６１０に、下部電極用溝部６１２ａ及び上部電極用溝部６１２ｂを備えている。下部電極用溝部６１２ａは、下部電極に接続された配線７１が収容される収容部の一例であり、上部電極用溝部６１２ｂは、上部電極に接続された配線７２が収容される収容部の一例である。

下部電極用溝部６１２ａは、配線７１が液室部材６１２の外側面から突出しないように、配線７１を収容して固定可能な幅及び深さで液室部材６１２の外側面に形成された断面形状がＵ字状の溝である。同様に上部電極用溝部６１２ｂは、配線７２が液室部材６１２の外側面から突出しないように、配線７２を収容して固定可能な幅及び深さで液室部材６１２の外側面に形成された断面形状がＵ字状の溝である。但し、収容部は、配線７１又は７２を内部に収容できれば、Ｕ字状の溝に限定されるものではなく、任意の断面形状であってもよいし、幅や深さが部分的に異なる構成であってもよい。

また、図６は、ＭＥＭＳチップ６の変形例に係るＭＥＭＳチップ６Ａを液滴の吐出方向から視た図である。図６に示すように、ＭＥＭＳチップ６Ａは、２つの圧電素子６３ａと、圧電素子６３ｂとを有する。例えば、圧電素子６３ａ及び圧電素子６３ｂの何れか一方は、メンブレン６２を加振する加振部として機能し、他方は、加振部が発生する逆起電力を検出する検出部として機能する。

圧電素子６３ａ及び圧電素子６３ｂのうち、加振部として機能する一方は第１の圧電素子の一例であり、検出部として機能する他方は第２の圧電素子の一例である。このようなＭＥＭＳチップ６Ａを用いて吐出ヘッド１を構成することもできる。

＜液滴吐出装置１００による液滴吐出過程例＞
次に、液滴吐出装置１００による液滴吐出過程について、構成を簡略化した図７〜図８を参照して説明する。図７は、駆動波形の一例を説明する図である。また図８は液滴が形成される過程の一例を説明する図であり、液滴吐出装置１００（図１参照）の一部を示す図である。

図７に示す波形要素Ｐ１及び波形要素Ｐ２が圧電素子６３に出力された場合には、図８の状態８１〜状態８３に示すように、チャンバ６１内の液体の状態が変化して液滴Ｄが形成される。なお、波形要素は、駆動波形のうちの電圧変化が傾斜している期間の波形を意味する。

具体的には、波形要素Ｐ１が出力されると、圧電素子６３が図８のＸ方向に収縮することで、状態８１に示すようにメンブレン６２のノズル孔６２１付近が＋Ｚ方向側に凹むように急激に変形し、この変形に応じてチャンバ６１に収容された液体２００がノズル孔６２１から−Ｚ方向側に押し出される。

その後、状態８２に示すように、ノズル孔６２１から−Ｚ方向側に突出した液柱が成長し、状態８３に示すように液滴Ｄが形成されて、−Ｚ方向に沿って液滴Ｄが吐出される。液滴Ｄは、波形要素Ｐ２による残留振動抑制のタイミングに関わらず、所定のタイミングで形成される。

＜各種駆動波形例＞
次に図９〜図１１を参照して各種の駆動波形について説明する。なお、適宜図１及び図２も参照する。

図９は、圧電素子に印加される駆動波形の第１例を説明する図である。図９において、波形要素Ｐ１が圧電素子６３に印加されるとメンブレン６２が上側（図７の＋Ｚ方向側）へ変形する。その後、駆動波形における時間差Ｔ１２のタイミングで波形要素Ｐ２が圧電素子６３に印加される。

ここで、実施形態における用語の「駆動波形における時間差」とは、所定の波形要素の印加の開始タイミングから、波形要素の印加の終了後、一定の電圧値を保持する期間の終了タイミングまでの時間差をいう。従って時間差Ｔ１２は、波形要素Ｐ１の印加の開始タイミングから、波形要素Ｐ１の印加の終了後、一定の電圧値を保持する期間の終了タイミングまでの時間差である。このような時間差Ｔ１２は、駆動波形の設計により決定される特性値であり、「所定の時間差」の一例である。

波形要素Ｐ２が圧電素子６３に印加される際、メンブレン６２の共振周期をＴ０とすると、波形要素Ｐ１によりメンブレン６２が振動を開始してから共振周期Ｔ０の後に波形要素Ｐ２が圧電素子６３に印加される。波形要素Ｐ２によるメンブレン６２の変形により生じる圧力は、波形要素Ｐ１により生じるメンブレン６２の振動を抑制する方向に作用する
。

換言すると、以下の（１）式の条件を満足する場合に、波形要素Ｐ２はメンブレン６２の残留振動を抑制する方向に作用する。
Ｔ１２＝ｍ×Ｔ０ （ｍ：正の整数） ・・・ （１）

この際に波形要素Ｐ１と波形要素Ｐ２のそれぞれに要する時間を同等にすると、吐出と残留振動の抑制との間のバランスがとれやすくなる。またメンブレン６２の共振周期Ｔ０と駆動波形における時間差Ｔ１２が（１）式の条件から外れるほど安定した吐出が困難になるため、（１）式の条件を満たすように、共振周期Ｔ０、又は駆動波形における時間差Ｔ１２を調整することが好ましい。

本実施形態では制御部４によりウェル５１内の液体２００の液量Ｅを制御することで、共振周期Ｔ０を駆動波形における時間差Ｔ１２に合わせる。但し、これに限定されるものではなく、ノズル孔６２１の上方（図７の＋Ｚ方向側）に配置した調整用部材の高さを制御する方法等の他の方法により、共振周期Ｔ０を駆動波形の周期の時間差Ｔ１２に合わせることもできる。

次に図１０は、駆動波形の第２例を説明する図である。

図１０に示すように、圧電素子６３に予め所定の電圧を印加し、メンブレン６２を上側へ変形させた状態から、波形要素Ｐ１によりメンブレン６２を下側へ戻すと、ノズル孔６２１内の液面（メニスカス）は一旦上側へシフトした後、自由振動する。

その後、一定の電圧を保持した後、時間差Ｔ１２のタイミングで波形要素Ｐ２を印加する。この際に、波形要素Ｐ１によりメンブレン６２が振動を開始してから共振周期Ｔ０の１／２の期間後に波形要素Ｐ２を印加することで、波形要素Ｐ１により生じた振動に同期してメンブレン６２が上側へシフトする。これにより、自由振動によりメンブレン６２が上側へシフトする力と波形要素Ｐ２によりメンブレン６２が上側へシフトする力とが合わさって液滴の吐出の勢いが増す。

波形要素Ｐ１が一定の期間を有することを考慮すると、以下の（２）式の条件を満足す
る場合に、波形要素Ｐ２は吐出の勢いを増す方向に作用する。
Ｔ１２＝（ｍ−１／２）×Ｔ０ （ｍ：正の整数） ・・・ （２）
このようにすることで、低い電圧であっても液滴を吐出させることが可能になる。

次に図１１は、駆動波形の第３例を説明する図である。

図１１に示すように、圧電素子６３に予め所定の電圧を印加し、メンブレン６２を上側へ変形させた状態から、波形要素Ｐ１によりメンブレン６２を下側へ戻すと、ノズル孔６２１内の液面は一旦上側へシフトした後、自由振動する。

その後、一定の電圧を保持した後、時間差Ｔ１２のタイミングで波形要素Ｐ２を印加し、その後さらに一定の電圧を保持した後、時間差Ｔ２３のタイミングで波形要素Ｐ３を印加する。時間差Ｔ２３は、波形要素Ｐ２の印加の開始タイミングから、波形要素Ｐ２の印加が終了後、一定の電圧値を保持する期間の終了タイミングまでの時間差である。

この際に、以下の（３），（４）式の条件を満たすようにすると、波形要素Ｐ２及びＰ３はメンブレン６２の残留振動を抑制する方向に作用する。
Ｔ１２＝（ｍ−１／２）×Ｔ０ （ｍ：正の整数） ・・・ （３）
Ｔ２３＝ｎ×Ｔ０ （ｎ：正の整数） ・・・ （４）

このように、メンブレン６２の共振周期Ｔ０と、時間差Ｔ１２又はＴ２３等の駆動波形における時間差を合わせることは、安定した吐出や、低い電圧による高効率での吐出等において重要となる。

＜液滴吐出装置１００の作用効果＞
次に、液滴吐出装置１００の作用効果について説明する。

近年、幹細胞技術の進展に伴い、複数の細胞を含む組織体を任意の位置に配置する技術開発が行われている。特に創薬や毒性評価などの分野ではウェルプレートと呼ばれる井戸型の孔(ウェル)を複数有するプレートを使用して細胞の薬剤への応答を確認する試験（アッセイ）が一般的に行われており、このウェルプレート内に組織体を形成して、人間の体の中で起こっている現象をウェルプレート内で再現したいというニーズが高まっている。

このようなアッセイの構築は、候補薬のスクリーニングの期間や費用を短縮するだけでなく、動物と人体との薬剤応答の差から来る非効率な開発の解消、動物実験の削減等のメリットがある。

ウェルプレートの種類は多様であるが、外形の大きさはほぼ同じであり、ウェルの数が６（６ウェル）、１２（１２ウェル）、２４（２４ウェル）、４８（４８ウェル）、９６（９６ウェル）、３８４（３８４ウェル）である構成がよく知られており、ウェルの数が多いほど各ウェルは小さくなる。アッセイ系としては１つのプレートでウェル数が多い方が好ましく９６ウェル以上のものがよく使用される。またウェルが小さすぎるとウェル内への組織体形成が困難になっていくため９６ウェルのウェルプレートが好適である。

また、ノズル孔が形成された膜状部材を振動させて液滴を吐出する装置で、少量の液体を安定に吐出するために、膜状部材の共振周波数の制御に用いる情報を取得する構成が開示されている。ウェルプレート内に組織体を形成する手段として、押出方式、光造形方式、インクジェット方式（液滴吐出方式）などが挙げられる。

押出方式はディスペンサから細胞を分散させたゲルを押出吐出する方法であるが、配置分解能はディスペンサの針の大きさに依存し、精密な配置を要する組織体の形成には適しておらず、数１００μｍ程度の分解能が限界である。

また光造形方式は細胞を分散させてゲルの前駆体をウェルに用意し、光プローブにより硬化させて造形する方法であるが、多種の細胞を扱う場合、始めに配置した細胞を含むウェル内を洗浄する工程が必須であり細胞へのダメージを避けられない。

これに対して、インクジェット方式は数１０μｍという高い分解能で非接触の吐出を行うため、ウェル内に組織体を構成する方法としては最も適している。

細胞をインクジェット方式で吐出する方法としては、ノズル孔が形成された膜状部材を振動させて液滴を吐出する装置で、細胞懸濁液などを吐出する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また細胞をインクジェット方式で吐出する方法にＭＥＭＳ技術を適用することで精密な液量の液滴分注装置を実現する構成が開示されている（例えば、特許４７８８４０８号公報参照）。さらに、インクジェット方式でウェルプレート内に細胞を粗く配置する技術が開示されている(例えば、ｈｔｔｐ：//ｉｎｖｅｎｔｉａ．ｌｉｆｅ/参照）。

しかしながら従来の技術では、ウェルプレートのウェルの外側から組織体を含む液滴を吐出するため、ノズル孔から着弾地点までの飛行距離が長いことで、液滴を所望の精度で配置できず、組織体の配置精度が低下する場合がある。また液滴速度の高速化による着弾後の飛散やサテライト滴と呼ばれる意図しない微小液滴の発生等により、狙いの配置を妨げられ、液滴の配置精度が低下し、組織体の配置精度が低下する場合がある。

本実施形態では、容器（ウェルプレート５）に設けられた凹部の内部に、膜状部材（メンブレン６２）に形成されたノズル孔を配置し（配置工程）、凹部の内部に配置されたノズル孔から液滴を吐出する（吐出工程）。例えば、凹部の深さに対して７０％以上の深さにノズル孔を配置して、ノズル孔から液滴を吐出する。

凹部の底部に対して短い距離から液滴を吐出し、液滴に含まれる組織体を凹部の底部に配置できるため、凹部の外側から液滴を吐出する場合と比較して、凹部の内部への液滴の配置精度を向上させ、液滴に含まれる組織体の配置精度を向上させることができる。

また本実施形態では、ノズル孔が形成された膜状部材（メンブレン６２）も含めて凹部（ウェル５１）の内部に配置する。これにより、流体抵抗になる部分が少なくなるため、吐出力を損なうことなく吐出することができる。また、生細胞を吐出する場合には、細管等の先端が細い形状では圧力の作用で生細胞の死滅リスクが高くなるが、本実施形態の構成により、このような死滅リスクを低減することができる。

また本実施形態では、配置部（ヘッドアクチュエータ９）による配置工程において、膜状部材（メンブレン６２）と、膜状部材を支持する支持部材（メンブレン支持部６５）と、膜状部材を加振する加振部（圧電素子６３）とを含む振動部（ＭＥＭＳチップ６）を凹部（ウェル５１）の内部に配置する。

これにより、振動部がウェルの内部にまで侵入することで、ノズル孔から吐出する直前まで撹拌動作が可能となり、細胞等の粒子がノズル孔に詰まることを防止できる。

また本実施形態では、液滴は生体を構成する材料、又は生体適合性のある材料を含む。これにより、生体を構成する材料、又は生体適合性のある材料を凹部に精度よく配置することができる。

また本実施形態では、液滴は細胞を含む細胞懸濁液である。これにより、細胞を凹部に精度よく配置することができる。

また本実施形態では、凹部の平面部の外形形状、及び膜状部材の平面部の外形形状がともに円形である場合に、膜状部材の直径は、凹部の平面部の直径よりも小さい。これにより、平面部を有する凹部の底面のより近くまで膜状部材を近づけ、膜状部材に形成されたノズル孔から液滴を吐出することが可能になる。

また本実施形態では、吐出ヘッドは、ノズル孔を含む膜状部材と、膜状部材を支持する支持部材と、膜状部材の一部及び支持部材の一部に配置する加振部と、を一体化した振動部を有し、また振動部と接合して液体を保持する液室部材を有する。

例えば振動部は、半導体プロセスにより一体成型された構成部であり、液滴が吐出される方向に沿う液室部材の端部に接合されている。この構成により吐出ヘッドの端部を小型化でき、吐出ヘッドの端部に設けられたノズル孔を、凹部の内部に挿入した状態で、液滴を吐出することができる。

また本実施形態では、振動部は弾性部材を介して液室部材に接合している。これにより、振動部の駆動により発生する振動を、液室部材及び吐出ヘッドにできるだけ伝達せずに液滴を吐出でき、吐出ヘッドの振動に伴う液滴の配置誤差を抑制できる。

また本実施形態では、膜状部材の平面部の外形形状が円形であり、液室部材が円筒状部材である場合に、液室部材の弾性部材を配置する側の端部の内側直径（図２のメンブレン寸法Ａの２倍）は、膜状部材の平面部の直径（図２の液室部材寸法Ｂの２倍）より小さい。これにより、液室部材の張り出し部への空気の残留を抑制し、安定した吐出を行うことができる。

また本実施形態では、加振部は、複数の電極に導電性接着剤を介して接続された配線を通して印加される電圧に応じて膜状部材を加振する。この構成により、加振部と配線との電気的接続を容易に行うことができる。

また本実施形態では、配線は、液室部材の外側面に形成された収容部（溝部）の内部に収容されている。この構成により、液室部材の外側面上で配線が突出することを防ぎ、ノズル孔６２１をウェルの内部に配置した際に、吐出ヘッドがウェルの内壁にぶつかること抑制できる。その結果、組織体を含む液滴を精度よく配置することができる。

また本実施形態の変形例では、膜状部材を加振する第１の圧電素子と、逆起電力を検出する第２の圧電素子とを含む。この構成により、第１の圧電素子と、第２の圧電素子をよりシンプルな構成で設けることができる。

また本実施形態に係る液滴吐出方法は、液滴に含まれる組織体を容器に配置するため、組織体入りの容器の製造方法ということもできる。

［第２実施形態］
本実施形態では、ノズル孔から液滴を吐出する膜状部材を振動させる加振部が発生する電流又は電圧の少なくとも一方を検出し、検出結果に基づき、膜状部材の振動特性に寄与する因子を制御する。例えば、加振部としての圧電素子が発生する逆起電力を検出して、この逆起電力に基づき膜状部材の共振周期に寄与する液量を制御する。これにより、膜状部材の振動を正確に制御する。

＜液滴吐出装置１００ａの全体構成例＞
まず、液滴吐出装置１００ａの全体構成について、図１２を参照して説明する。図１２は、液滴吐出装置１００ａの全体構成の一例を説明する図である。

図１２に示すように、液滴吐出装置１００ａは、供給部２と、電流計３と、制御部４ａとを備えている。

吐出ヘッド１の一方の端部は、平板状の部材であるウェルプレート５に多数形成された井戸型の孔であるウェル５１内に挿入されている。

供給部２は、送液ポンプと吸引ポンプとを含んで構成され、チューブ２１及び供給針２２を介して吐出ヘッド１内で液体を保持するチャンバに液体を送液し、またチャンバから液体を吸引（吸液）する。供給部２による送液又は吸液によってチャンバ内の液体の量（液量）を変化させることができる。

吐出ヘッド１は、チャンバ内の液体を吐出してウェル５１内に液体を供給する。供給された液体によってウェル５１内で組織体等が形成できるようになっている。

吐出ヘッド１のウェル５１内に挿入された側の端部には、ＭＥＭＳチップ６が設けられている。ＭＥＭＳチップ６に対し、駆動波形発生源７が配線７１及び７２を介して駆動波形（駆動電圧）を印加することで、ＭＥＭＳチップ６内に保持された液体が液滴Ｄとしてウェル５１内に吐出される。

検出部の一例としての電流計３は、ＭＥＭＳチップ６による液体の吐出に応じて、ＭＥＭＳチップ６に含まれる圧電素子で発生する電流を検出する検出器である。

制御部４ａは、液滴吐出装置１００全体の動作を制御する制御装置である。また制御部４ａは、電流計３により検出された電流に基づく圧電素子の逆起電力に応じて、供給部２に送液又は吸液させ、ＭＥＭＳチップ６のチャンバに保持されている液量（図２の液量Ｅ参照）を制御する機能を備えている。

駆動によりメンブレン６２に残留振動が生じると、残留振動によって圧電体６３１が変形することで、下部電極６３２及び上部電極６３３間で逆起電力が発生する。ここで、メンブレン６２の残留振動とは、駆動状態から停止状態に遷移したときにメンブレン６２に残っている振動をいう。

逆起電力検知に使用する圧電素子として、吐出のために駆動する圧電素子を使用してもよいが、図６で説明したように検出用に別の圧電素子を設けてもよい。図６に示した圧電素子６３ａ及び圧電素子６３は上部電極または下部電極の一方が電気的に独立して構成されており、駆動用の圧電素子と電流／電圧検出用の圧電素子とに使い分けることができる。圧電素子６３ａと圧電素子６３ｂのどちらが駆動用でどちらが検出用であってもよい。この構成により、駆動回路と信号の検知回路を切り替える必要がなくなり、より簡単な装置を構成できる。

＜圧電素子６３による電流例＞
ここで、図１３も参照して圧電素子６３で発生する電流を説明する。図１３は、圧電素子６３で発生する電流の一例を説明する図である。図１３において、駆動波形１３１は駆動波形の一例を示すグラフ、振動変位１３２はメンブレン６２の振動変位の一例を示すグラフ、電流波形１３３は電流計３で検出される電流波形の一例を示すグラフである。

図１３において、駆動波形１３１に示すように、時刻ｔ_１から駆動波形の電圧が上昇して圧電素子６３の駆動が開始されると、振動変位１３２に示すように、メンブレン６２の振動変位は上昇する。その後、時刻ｔ_２に駆動波形の電圧上昇が停止したタイミングでメンブレン６２の振動変位は最大になる。電流波形１３３に示すように、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２の電圧が上昇している期間には電流が流れ続け、時刻ｔ_２に到達すると電流は流れなくなる。

その後、圧電素子６３の駆動は停止されるが、メンブレン６２は残留振動によって変位する。時刻ｔ_３で振動変位の速度が極大になるタイミングで電流値は極値になる。その後、時刻ｔ_４でメンブレン６２の振動変位の速度がゼロになると、電流値はゼロに戻る。

このようにメンブレン６２の残留振動の振動変位に同期して電流が発生する。本実施形態では、この電流を電流計３により検出し、電流値に応じた電圧値を逆起電力として検出する。また逆起電力の時間変化における極値間の時間間隔からメンブレン６２の共振周期Ｔ_０を検出する。但し、電流の極値間の時間間隔を共振周期Ｔ_０として検出することもできる。

またチャンバ６１内に保持されている液体２００の液量Ｅに応じて共振周期Ｔ_０は変化する。そのため本実施形態では、メンブレン６２の共振周期Ｔ_０の検出結果に応じて、チャンバ６１が保持する液体２００の液量Ｅを制御部４により制御して、共振周期Ｔ_０を駆動波形における所定の時間差（後述）に一致させるように変化させる。この共振周期Ｔ_０は、振動特性の一例であり、振動周期の一例である。

＜制御部４ａの機能構成例＞
ここで、液滴吐出装置１００における制御部４ａの機能構成について、図１４を参照して説明する。図１４は制御部４ａの機能構成の一例を説明するブロック図である。

図１４に示すように、制御部４ａは、吐出制御部４１と、供給制御部４２と、因子制御部４３と、格納部４４とを備えている。これらのうち、吐出制御部４１、供給制御部４２及び因子制御部４３の機能は電気回路で実現される他、これらの機能の一部をソフトウェア（ＣＰＵ；Central Processing Unit）によって実現することもできる。また複数の回路又は複数のソフトウェアによってこれらの機能が実現されてもよい。格納部４４の機能は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置により実現される。

吐出制御部４１は、駆動波形発生源７によるＭＥＭＳチップ６への駆動波形の印加を制御することで、ＭＥＭＳチップ６による液滴の吐出を制御する。また供給制御部４２は、供給部２によるＭＥＭＳチップ６への液体の供給を制御する。

因子制御部４３は、電流計３により検出された電流に基づき検出される圧電素子６３の逆起電力に応じて供給部２に送液又は吸液させることで、チャンバ６１に保持されている液量Ｅを制御する。

また格納部４４にはメンブレン６２の共振周期Ｔ_０の設定値からのずれ量ΔＴ_０と液量Ｅとの関係が予め定められ、格納されている。因子制御部４３は、圧電素子６３の逆起電力からずれ量ΔＴ_０を検出し、格納部４４を参照して制御目標値となる液量情報を取得する。そして、供給部２に送液又は吸液させ、チャンバ６１に保持されている液量Ｅが制御目標値になるように制御できる。

＜液滴吐出装置１００ａの動作例＞
次に、液滴吐出装置１００ａの動作について、図１５を参照して説明する。図１５は、液滴吐出装置１００ａの動作の一例を説明するフローチャートである。

まず、ステップＳ１０１において、供給制御部４２は、供給部２を駆動させて、チャンバ６１内に液体２００を初期充填する。

続いて、ステップＳ１０２において、吐出制御部４１は、駆動波形発生源７を駆動させて、予め定められた検査用の駆動波形を圧電素子６３に印加し、ＭＥＭＳチップ６に吐出させる。電流計３は、その際の圧電素子６３の逆起電力を検出し、因子制御部４３は電流計３の検出値に基づき、メンブレン６２の共振周期Ｔ_０を検出する。

その後、因子制御部４３は、メンブレン６２の共振周期Ｔ_０が予め定めた設定範囲以下であるか否かを判定する。この設定範囲は、共振周期Ｔ_０の設定値に対してマイナス側とプラス側で予め定められた範囲である。「設定範囲以下」は、共振周期Ｔ_０の設定値に対してマイナス側の設定範囲以下であることを意味し、換言すると、共振周期Ｔ_０の設定より小さすぎることを意味する。また「設定範囲以上」は、共振周期Ｔ_０の設定値に対してプラス側の設定範囲以上であることを意味し、換言すると、共振周期Ｔ_０の設定より大きすぎることを意味する。

ステップＳ１０２で、設定範囲以下であると判定された場合には（ステップＳ１０２、Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３において、因子制御部４３は、共振周期Ｔ_０の設定値からのずれ量ΔＴ_０に基づき、格納部４４を参照して、制御目標値となる液量情報を取得する。そして、供給部２に送液させ、チャンバ６１に保持されている液量Ｅが制御目標値になるように液体を追加する。これにより液量Ｅが増加し、共振周期Ｔ_０が所望の値に変化する。その後、動作はステップＳ１０２に戻り、ステップＳ１０２の動作が再度行われる。

一方、ステップＳ１０２で、設定範囲以下でないと判定された場合には（ステップＳ１０２、Ｎｏ）、ステップＳ１０４において、因子制御部４３は、メンブレン６２の共振周期Ｔ_０が予め定めた設定範囲以上であるか否かを判定する。

ステップＳ１０４で、設定範囲以上であると判定された場合には（ステップＳ１０４、Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５において、因子制御部４３は、共振周期Ｔ_０の設定値からのずれ量ΔＴ_０に基づき、格納部４４を参照して、制御目標値となる液量情報を取得する。そして、供給部２に吸液させ、チャンバ６１に保持されている液量Ｅが制御目標値になるように液体を吸い取る。これにより液量Ｅが減少し、共振周期Ｔ_０が所望の値に変化する。その後、動作はステップＳ１０４に戻り、ステップＳ１０４の動作が再度行われる。

一方、ステップＳ１０４で、設定範囲以上でないと判定された場合には（ステップＳ１０４、Ｎｏ）、ステップＳ１０６において、吐出制御部４１は、駆動波形発生源７を駆動させて、予め定められた吐出用の駆動波形を圧電素子６３に印加し、ＭＥＭＳチップ６に液滴Ｄを吐出させる。

続いて、ステップＳ１０７において、制御部４は、液滴吐出装置１００による吐出を終了するか否かを判定する。この判定は、液滴吐出装置１００のユーザによる操作等に基づき行われる。

ステップＳ１０７で、終了すると判定された場合には（ステップＳ１０７、Ｙｅｓ）、液滴吐出装置１００は動作を終了し、終了しないと判定された場合には（ステップＳ１０７、Ｎｏ）、ステップＳ１０２に戻り、ステップＳ１０２以降の動作が再度行われる。

このようにして、液滴吐出装置１００ａは、液量Ｅを制御しながら液滴Ｄの吐出を行うことができる。ここで、図１５に示した例では、液体２００を吸い取る動作を入れたが、吐出により減少した液体２００を追加することのみが求められる場合には、共振周期Ｔ_０が設定範囲以上であるか否かの判定（ステップＳ１０４）は省略してもよい。

＜液滴吐出装置１００ａの作用効果＞
次に、液滴吐出装置１００ａの作用効果について説明する。

第１実施形態に係る液滴吐出装置では、連続して吐出する量が多い場合に液量の変動によりメンブレンの共振周期が変動し、メンブレン６２の共振周期Ｔ_０と駆動波形の不一致により、安定して吐出できない場合がある。この共振周期Ｔ_０と駆動波形の不一致は、例えば、共振周期Ｔ_０と上述した「駆動波形における時間差」との不一致である。

メンブレンの共振周期を高感度に検出する方法として、レーザドップラー振動計等の計測器を使用する方法も考えられるが、この構成では、メンブレンにプローブ光としてのレーザ光を照射するために、メンブレンに対向して光学系を配置することが求められる。従って、メンブレンをウェルに入れた状態で、メンブレンにレーザ光を照射して計測を行うことは実質的に不可能になる。

また、液面高さを計測してメンブレンの共振周期を推定する方法も考えられるが、この構成では実際のメンブレンの共振周期を計測するのではなく、共振周期を推定することになるため、高精度にメンブレンの共振周期を計測することは困難である。またチャンバ６１内における液体中のチャンバ壁面等に気泡が存在している場合には、気泡による圧縮の影響でメンブレンの共振周期が変動するため、液面高さの計測だけでは、十分な精度でメンブレンの共振周期を計測することができない。

これに対し、本実施形態では、ノズル孔６２１から液滴Ｄを吐出するメンブレン６２を振動させる圧電素子６３が発生する逆起電力を検出し、検出結果に基づき、メンブレン６２の振動特性に寄与するチャンバ６１内の液量Ｅを制御する。これにより液量Ｅに応じて変化する共振周期Ｔ_０が所望の値になるように制御し、メンブレン６２の振動を正確に制御できる。そしてメンブレン６２の共振周期Ｔ_０を「駆動波形における時間差」に合うようにすることで、吐出不良を抑制して安定して液滴Ｄを吐出させることができる。

また、バルク状やシート状の圧電素子でも逆起電力の検出自体は行えるが、検出感度が低くなる場合がある。検出感度を上げるために振動変位を大きくする設計も可能であるが、そうすると好適に吐出ヘッドが吐出できる範囲よりも振動変位が大きいメンブレンを吐出に用いることが求められる。そのため、吐出の安定化と検出感度の確保を両立させることが困難になる場合がある。

これに対し、本実施形態では、ＭＥＭＳチップ６にメンブレン６２を形成するため、メンブレン６２を小型化でき、これにより好適に吐出させるための振動変位を大きくすることができる。例えば一般的なメンブレンでは、好適に吐出させるための振動変位は０．１μｍ程度であるのに対し、本実施形態に係るメンブレン６２では、数μｍ〜数１０μｍの振動変位で好適に吐出させることができる。これにより、安定した吐出を行いつつ、大きな振動変位で大きな逆起電力を得ることができ、逆起電力の高感度の検出が可能になる。その結果、吐出の安定化と検出感度の確保を両立させることができる。

なお、これ以外の効果は、第１実施形態で説明したものと同様である。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る液滴吐出装置について説明する。

本実施形態では、膜状部材に形成されたノズル孔に対向する位置に、液室内の液体に少なくとも一部が接触するように設けられた調整用部材を備える。加振部が発生する電流又は電圧の少なくともに基づいて、膜状部材の振動特性に寄与する因子としてノズル孔と調整用部材との間の距離を制御することで、膜状部材の振動を正確に制御する。

＜ＭＥＭＳチップ６ａの構成例＞
ここで、図１６は、本実施形態に係る液滴吐出装置１００ｂのＭＥＭＳチップ６ａの構成の一例を説明する図である。

図１６に示すように、ＭＥＭＳチップ６ａは、メンブレン６２に形成されたノズル孔６２１に対向する位置に調整用部材６４を備えている。調整用部材６４は、調整用部材６４における少なくともメンブレン６２との対向面（−Ｚ方向側の面）６４ａが、チャンバ６１内に充填された液体２００に接触する位置に配置されるように設けられている。

対向面６４ａが液体２００に接触している範囲内で、調整用部材６４のＺ方向における位置（高さ）を調整すると、ノズル孔６２１と調整用部材６４の対向面６４ａとの間の距離Ｆが変化する。そうすると、調整用部材６４における液体２００内に侵入した部分の体積が変化し、この体積変化に応じて液体２００の液面２００ａの高さが変化することでメンブレン６２の共振周期Ｔ_０が変わる。そのため、調整用部材６４の高さを調整して距離Ｆを制御することで、液量Ｅを変えることなく、メンブレン６２の共振周期Ｔ_０を変化させることが可能になる。

調整用部材６４のサイズは、距離Ｆに応じて液面２００ａの高さを変化させる感度が調整用部材６４のサイズにより異なるため、要求される感度に応じて適宜決定できる。調整用部材６４の材料は、特に制限はなく、例えば金属材料やセラミック材料、高分子材料等を用いることができる。

また、調整用部材６４のＺ方向における位置調整は、調整用部材６４に接続されたアクチュエータ８を制御部４ａが駆動させて行うことができる。アクチュエータ８として、圧電素子により駆動されるものやモータにより駆動されるもの等を適用可能である。

＜制御部４ｂの機能構成例＞
図１７は、制御部４ｂの機能構成の一例を示すブロック図である。図１７に示すように、制御部４ｂは因子制御部４３ａと、格納部４４ａとを備えている。因子制御部４３ａはアクチュエータ８を駆動させ、ノズル孔６２１と調整用部材６４との間の距離Ｆを制御する。

格納部４４ａにはメンブレン６２の共振周期Ｔ_０の設定値からのずれ量ΔＴ_０と距離Ｆとの関係が予め定められ、格納されている。因子制御部４３ａは、圧電素子６３の逆起電力からずれ量ΔＴ_０を検出し、格納部４４ａを参照して制御目標値となる距離情報を取得する。そして、アクチュエータ８を駆動させ、ノズル孔６２１と調整用部材６４との間の距離Ｆが制御目標値になるように制御できる。

＜液滴吐出装置１００ｂの動作例＞
次に、液滴吐出装置１００ｂの動作について、図１８を参照して説明する。図１８は、液滴吐出装置１００ｂの動作の一例を説明するフローチャートである。なお、図１８におけるステップＳ１４１〜Ｓ１４２の動作は、図１５におけるステップＳ１０１〜Ｓ１０２の動作と同様であり、また図１８におけるステップＳ１４６〜Ｓ１４７の動作は、図１５におけるステップＳ１０６〜Ｓ１０７の動作と同様である。そのため、ここではこれらの重複する説明を省略する。

ステップＳ１４２で、設定範囲以下であると判定された場合には（ステップＳ１４２、Ｙｅｓ）、ステップＳ１４３において、因子制御部４３ａは、共振周期Ｔ_０の設定値からのずれ量ΔＴ_０に基づき、格納部４４ａを参照して、制御目標値となる距離情報を取得する。そして、距離Ｆが制御目標値になるようにアクチュエータ８を駆動させて調整用部材６４を下降させる。これにより、液体２００の液面２００ａが上昇し、共振周期Ｔ_０が所望の値に変化する。その後、動作はステップＳ１４２に戻り、ステップＳ１４２の動作が再度行われる。

一方、ステップＳ１４２で、設定範囲以下でないと判定された場合には（ステップＳ１４２、Ｎｏ）、ステップＳ１４４において、因子制御部４３ａは、メンブレン６２の共振周期Ｔ_０が予め定めた設定範囲以上であるか否かを判定する。

ステップＳ１４４で、設定範囲以上であると判定された場合には（ステップＳ１４４、Ｙｅｓ）、ステップＳ１４５において、因子制御部４３ａは、共振周期Ｔ_０の設定値からのずれ量ΔＴ_０に基づき、格納部４４ａを参照して、制御目標値となる距離情報を取得する。そして、アクチュエータ８を駆動させて調整用部材６４を上昇させる。これにより、液体２００の液面２００ａが下降し、共振周期Ｔ_０が所望の値に変化する。その後、動作はステップＳ１４４に戻り、ステップＳ１４４の動作が再度行われる。

このようにして、液滴吐出装置１００ｂは、距離Ｆを制御しながら液滴Ｄの吐出を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態では、メンブレン６２に形成されたノズル孔６２１に対向する位置に、チャンバ６１内の液体２００に少なくとも一部が接触するように設けられた調整用部材６４を備える。圧電素子６３が発生する電流又は電圧の少なくともに基づいて、メンブレン６２の振動特性に寄与する因子としてノズル孔６２１と調整用部材６４との間の距離Ｆを制御することで、液量Ｅを変えることなく、より簡単な構成でメンブレン６２の振動を正確に制御することができる。

なお、これ以外の効果は、第１、第２実施形態で説明したものと同様である。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば液滴吐出装置は、液体を保持する液室と、前記液室内を大気に開放する大気開放部と、ノズル孔が形成され、前記液室に保持された前記液体を振動により前記ノズル孔から液滴として吐出する膜状部材と、前記膜状部材を振動させる加振部と、前記加振部が発生する電流又は電圧の少なくとも一方を検出する検出部と、前記電流又は前記電圧の少なくとも一方に基づき、前記膜状部材の振動特性に寄与する因子を制御する制御部と、を備える。

例えば、前記電圧は、逆起電力である。

また前記加振部は、圧電素子を含む。

また前記膜状部材及び前記加振部は、半導体プロセスによって一体形成されている。また前記振動特性は振動周期である。また前記振動周期は共振周期である。

また前記制御部は、前記電流又は前記電圧の少なくとも一方の時間変化における極値間の時間間隔から前記振動周期を検出し、前記加振部を振動させるための駆動波形における所定の時間差に前記振動周期を一致させるように前記因子を制御する。

また液滴吐出装置は、前記液体を送液、又は吸液することで前記液室内の液量を変化させる供給部を備え、前記制御部は、前記供給部を駆動させて前記液室内の液量を制御する。

また液滴吐出装置は、前記ノズル孔に対向して前記液体に少なくとも一部が接触するように設けられた調整用部材を備え、前記制御部は、前記調整用部材の位置を変化させて前記ノズル孔と前記調整用部材との間の距離を制御する。また前記液体は、細胞を懸濁した細胞懸濁液である。

また液滴吐出装置は、前記液体を送液、又は吸液することで、前記液体を保持する液室内の液量を変化させる供給部を有し、前記制御部は、前記供給部を駆動させて前記液室内の液量を制御する。

また液滴吐出装置は、前記ノズル孔に対向して前記液体に少なくとも一部が接触するように設けられた調整用部材を備え、前記制御部は、前記調整用部材の位置を変化させて前記ノズル孔と前記調整用部材との間の距離を制御する。

上記のような液滴吐出装置により、液量に応じて変化する共振周期が所望の値になるように制御し、膜状部材の振動を正確に制御できる。そして膜状部材の共振周期を「駆動波形における時間差」に合うようにすることで、吐出不良を抑制して安定して液滴を吐出させることができる。

１ 吐出ヘッド
２ 供給部
２１ チューブ
２２ 供給針
３ 電流計（検出部の一例）
４ 制御部
４１ 吐出制御部
４２ 供給制御部
４３ 因子制御部
４４ 格納部
５ ウェルプレート（容器の一例）
５１ ウェル（凹部の一例）
６ ＭＥＭＳチップ（振動部の一例）
６１ チャンバ（液室の一例）
６１１ 大気開放部
６１２ 液室部材
６１２ａ 下部電極用溝部（溝部の一例）
６１２ｂ 上部電極用溝部（溝部の一例）
６１３ 弾性部材
６２ メンブレン（膜状部材の一例）
６２１ ノズル孔
６３ 圧電素子（加振部の一例）
６３ａ 圧電素子（第１の圧電素子の一例）
６３ｂ 圧電素子（第２の圧電素子の一例）
６３１ 圧電体
６３２ 下部電極
６３３ 上部電極
６４ 調整用部材
６４ａ 対向面
６５ メンブレン支持部（支持部材の一例）
７ 駆動波形発生源
８ アクチュエータ
９ ヘッドアクチュエータ（配置部の一例）
７１，７２ 配線
７１１ 導電性接着剤
７１２ 配線接続部
７１２ａ 下部配線接続部
７１２ｂ 上部配線接続部
７１３ａ 下部電極接続部
７１３ｂ 上部電極接続部
７１４ａ 下部電極配線
７１４ｂ 上部電極配線
７１５ 層間絶縁膜
７１６ 絶縁膜
１００ 液滴吐出装置
２００ 液体（細胞懸濁液の一例）
２５０ 沈降性粒子（細胞の一例）
Ｄ 液滴
Ｐ１，Ｐ２、Ｐ３ 波形要素
Ｔ_０ 共振周期（振動特性の一例、振動周期の一例）
Ｔ_１２、Ｔ_２３ 時間差（所定の時間差の一例）
Ｅ 液量（因子の一例）
Ｆ 距離（因子の一例）
Ａ メンブレン寸法
Ｂ 液室部材寸法

特許６５４３９２７号公報

Claims (20)

1. 膜状部材に形成されたノズル孔から液滴を吐出する液滴吐出装置による液滴吐出方法であって、
   容器に設けられた凹部の内部に前記ノズル孔を配置する配置工程と、
   前記凹部の内部に配置された前記ノズル孔から前記液滴を吐出する吐出工程と、を行う
   液滴吐出方法。
2. 前記配置工程では、前記膜状部材と、前記膜状部材を支持する支持部材と、前記膜状部材を加振する加振部と、を含む振動部を前記凹部の内部に配置する
   請求項１に記載の液滴吐出方法。
3. 前記液滴は、生体を構成する材料、又は生体適合性のある材料を含む
   請求項１又は２に記載の液滴吐出方法。
4. 前記配置工程では、前記凹部の深さに対して７０％以上の深さに前記ノズル孔を配置する
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の液滴吐出方法。
5. 前記凹部の平面部の外形形状、及び前記膜状部材の平面部の外形形状がともに円形である場合に、前記膜状部材の直径は、前記凹部の平面部の直径よりも小さい
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の液滴吐出方法。
6. 膜状部材に形成されたノズル孔を、凹部が設けられた容器の内部に配置する配置工程と、
   前記凹部の内部に配置された前記ノズル孔から組織体を吐出する吐出工程と、を行う組織体入り容器の製造方法。
7. 前記配置工程では、前記膜状部材と、前記膜状部材を支持する支持部材と、前記膜状部材を加振する加振部と、を含む振動部を前記凹部の内部に配置する
   請求項６に記載の組織体入り容器の製造方法。
8. 液滴の吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置であって、
   前記吐出ヘッドは、ノズル孔を含む膜状部材と、前記膜状部材を支持する支持部材と、前記膜状部材の一部及び前記支持部材の一部に配置され、前記膜状部材を加振する加振部と、を含む振動部と、
   前記振動部と接合して液体を保持する液室部材と、を有し
   前記振動部は、前記液滴が吐出される方向に沿う前記液室部材の端部に接合されている
   液滴吐出装置。
9. 容器に設けられた凹部の内部に、前記振動部を配置する配置部を有する
   請求項８に記載の液滴吐出装置。
10. 前記振動部は、半導体プロセスにより一体成型されている
    請求項８又は９に記載の液滴吐出装置。
11. 前記振動部は、弾性部材を介して前記液室部材に接合している
    請求項８乃至１０の何れか１項に記載の液滴吐出装置。
12. 前記膜状部材の平面部の外形形状が円形であり、前記液室部材が円筒状部材である場合に、前記液室部材の前記弾性部材を配置する側の端部の内側直径は、前記膜状部材の平面部の直径より小さい
    請求項１１に記載の液滴吐出装置。
13. 前記加振部は、複数の電極に導電性接着剤を介して接続された配線を通して印加される電圧に応じて前記膜状部材を加振する
    請求項８乃至１２の何れか１項に記載の液滴吐出装置。
14. 前記配線は、前記液室部材の外側面に形成された収容部の内部に収容されている
    請求項１３に記載の液滴吐出装置。
15. 前記液体は、細胞を含む細胞懸濁液である
    請求項８乃至１４の何れか１項に記載の液滴吐出装置。
16. 前記加振部は圧電素子を含む
    請求項８乃至１５の何れか１項に記載の液滴吐出装置。
17. 前記加振部が発生する電流又は電圧の少なくとも一方を検出する検出部と、
    前記電流又は前記電圧の少なくとも一方に基づき、前記膜状部材の振動特性に寄与する因子を制御する制御部と、を有する
    請求項８乃至１６の何れか１項に記載の液滴吐出装置。
18. 前記電圧は圧電素子の変形で発生する逆起電力である
    請求項１７に記載の液滴吐出装置。
19. 前記圧電素子は、前記膜状部材を加振する第１の圧電素子と、前記逆起電力を検出する第２の圧電素子と、を含む
    請求項１８に記載の液滴吐出装置。
20. 前記振動特性は振動周期である
    請求項１７乃至１９の何れか１項に記載の液滴吐出装置。

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