JP3621041B2

JP3621041B2 - 液滴吐出装置

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Publication number: JP3621041B2
Application number: JP2000337977A
Authority: JP
Inventors: 幸久武内; 浩二木村; 一博山本
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2020-11-06
Also published as: GB0125766D0; JP2002139370A; US20020096577A1; GB2372738B; US6719211B2; GB2372738A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小な液滴を安定して正確に吐出する液滴吐出装置に関する。更に詳細には、実際に吐出された液滴を定量し、その情報に基づく吐出制御を、稼働中任意に即時に行うことが出来る液滴吐出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
バイオテクノロジー分野や薬品分野、あるいは食品製造分野等において使用される微小な液滴の吐出手段においては、吐出される液滴量の安定性や、吐出される位置に正確さを確保することは、液滴吐出手段によって作り出される製品の品質や生産性に直接結びつくために、非常に重要である。
【０００３】
しかしながら、一般的に、液滴量の設定は、液滴吐出手段によってのみ行われ、又、実際に吐出された液滴の到達位置については確認する手段が無く、試験的に吐出した液滴が生み出した製品を調べたり、液滴が吐出された結果生み出された副産物等を何らかの手段で調査して、その結果を基に液滴吐出手段を制御しているのが現状である。即ち、定期的に吐出物を検査するにあたり、比較的長時間の検査時間を要し、このことにより生産性が低下するという問題があった。又、１滴毎の吐出量を実際に直ぐに把握出来れば、生産性を落とすことなくチェックを頻繁に行うことが出来、不良の早期発見や品質バラツキの修正を即座に行うことが出来、より高品質が確保され好ましいため、そういった要望が生まれていた。
【０００４】
例えば、特開平１１−２６２６４４号公報によれば、物質の均一混合方法及び混合装置が提案されている。この提案では、バイオテクノロジー分野の研究等において、微量な物質の混合−反応操作が必要とされるとし、圧電制御型液滴吐出手段を２基以上配置し、各液滴吐出手段から吐出される微小液滴同士を衝突させることによって各微小液滴を均一に混合し、このように均一混合させることで、両物質を均一に反応させ、均一な反応物を得られるとしている。
【０００５】
そして、この物質の均一混合方法及び混合装置では、未衝突液滴の回収により衝突失敗率を知り、その結果をフィードバックして、吐出方向のアライメント補正を行うことによって衝突発生率を高めている。
又、気流による液滴の飛行曲がりや、混合物の純度や反応性の変動、あるいは、温度変化による反応速度変動、更には、流路の液体の粘度や比重の変動等、予め吐出が不安定となり得る原因を想定し、それらが生じないように対応することが好ましいとしている。
しかし、何れの場合も吐出の結果得られた間接的な現象を測定することにより、装置の状態を判断するという方法が取られていた。
【０００６】
又、例えば、特開平８−２０１２６５号公報によれば、粘度測定装置及び流体の特性測定装置が提案されている。この提案では、化学薬品、食品、潤滑油及びカーワックス等のように流体の形態で製造、使用又は販売される製品において、これら製品の製造工程を管理したり、性能を保証する上で流体の粘度測定を行うことが重要であるとし、流体中で圧電体振動子を振動させ、その際、この振動子が流体の粘性に基づいて機械的抵抗を受けることにより、振動子を構成する圧電体の電気的定数が変化するのを検出し、流体の粘度を測定し得るとしている。
【０００７】
そして、その圧電体の電気的定数が異常に変化した場合には吐出を停止し回復措置をとっている。
この方法では、吐出の駆動に用いられる圧電体を共用できるメリットはあるが、吐出する前の充填された流体の粘度等の特性を監視することに主眼がおかれ、実際に吐出された液滴を監視対象としているわけではなかった。
【０００８】
更には、例えば、一滴当たりの吐出量を決定するために、これまでは電子天秤等による測定が可能な質量になるまで吐出を重ねて、その結果得られた質量を、測定に要した液滴数で割ることで求める方法で行ってきたが、この方法も実際の吐出一滴毎の吐出量の安定性を図るには適したものではなかった。
【０００９】
この他に、例えば、本出願人は、先に特願平１１−３０１６２６号として、マイクロピペット及び分注装置を提案した。この提案では、遺伝子構造の解析に用いられるＤＮＡチップの製造における微小スポットの形成において、各微小スポットの容量と形状のばらつきを低く抑えて、各微小スポット間の距離を一定に保つことが重要であることを唱えた。そして、基体に、試料の注入口と、試料が充填されるキャビティと、試料の吐出口とを備え、この基体のキャビティを形成する少なくとも一壁面に圧電素子を備えたマイクロピペットを用いて、圧電素子の駆動によりキャビティ内の体積を変化させ、キャビティ内の一定量の試料を吐出口から吐出させることにより、ＤＮＡチップのような微小スポットを高精度で且つ高速に形成することができるとした。
【００１０】
この提案においては、キャビティ内に予め緩衝液や生理食塩水などの置換液を充填し、次いで試料を注入口からキャビティ内に層流置換させながら注入した後に、圧電素子を駆動させるが、この時、キャビティ内における試料の層流置換完了を、試料の体積と移動速度から予想するのではなく、圧電素子に振動を励起する電圧を印加し、その振動に伴う電気的定数の変化を検出することによりキャビティ内の流体特性の変化を検知して把握することが好ましいとした。
この場合に、可能ならば、キャビティ内の液ではなく、実際に吐出した液の特性の変化を検知することが、層流置換完了の把握がより確実となり、より好ましいため、本出願人は、更なる改善に努めてきた。そして、研究を進めるなかで本発明を考案するに至った。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、バイオテクノロジー分野における微量液体の混合・反応操作や、遺伝子構造の解析に必要なＤＮＡチップ、又、遺伝子情報に基づくタンパク質発現解析やこれらタンパク質の相互作用等の機能解析に用いられるプロテインチップの製造における微小スポットの形成、あるいは化学薬品、食品、油性製品等の製造工程における液体の合成等においては、微小液滴吐出手段から吐出される液滴量の安定性や、液滴の到達位置の正確性を確保することが必要であり、吐出した結果得られる間接的な情報を解析する手法よりは、吐出される液滴自体をリアルタイムに、且つ、直接的に測定する方法で、より確実な、微小の液滴吐出を実現することが求められていた。
【００１２】
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは従来技術の問題を解決するところにある。より特定すれば、微小液滴吐出手段より実際に吐出された液滴量を精度良く且つリアルタイムに測定して、一滴毎の吐出量のバラツキや吐出の有無、及び、位置のズレを把握し、この液滴量の情報を液滴吐出手段へリアルタイムにフィードバックして液滴吐出手段より出される液滴量を制御したり、液滴の吐出位置を制御出来るようにして、こうすることにより、液滴の均質化が図られることに加えて、液滴吐出手段の問題発生を早期に把握出来たり、より正確な位置により安定した量の液滴を吐出することを実際に可能とし、上記した、バイオテクノロジー分野や、化学薬品、食品、油性製品等の製造分野等、幅広い分野において、より生産性に優れ品質が高く信頼性が向上した製品の提供の実現に対応することにある。
【００１３】
本出願人らは、液滴の吐出不良の検出方法や、吐出された液滴の定量方法につき種々検討した結果、粘性変化等の液滴の特性変化に対して、吐出液滴の体積量が変わることがあっても、又、意図的に組成を変えた液滴であっても、それらに左右されることなく測定することが可能な質量測定を定量方法として選択した。その上で、電気信号が入力可能な液滴吐出手段、及び微小質量が測定出来て且つ電気的に出力が可能な液滴定量手段を用いて、装置稼働中に、一時的に実際に吐出された液の質量を測定し、この測定を任意の時に繰り返し行うことによって液滴吐出状態を把握し、その状態に基づく情報を液滴吐出手段へフィードバックし、その情報に基づき液滴吐出を制御することによって、より確実に所定の量の液滴を所定の位置へ吐出出来るようになり、上記の目的を達成できることを見出した。換言すれば、吐出する液滴量やその液滴の到達する位置を自己観測するとともに、その吐出にかかる不具合、例えば液滴量の変化等を自己修正することに特徴がある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明によれば、微小な液滴を吐出する液滴吐出装置であって、被吐出体へ吐出された液滴の到達位置に基づいて測定信号を発生する、少なくとも１基の液滴定量手段と、前記測定信号と可変な基準値を示す信号とを比較し、比較結果に基づいて制御信号を発生するフィードバック制御手段と、前記制御信号に基づいて液滴の吐出方向を制御する、少なくとも１基の液滴吐出手段とを備え、前記液滴定量手段が、液滴を受けることによって生じる共振周波数変化を計測し電気信号として出力する測定部と、前記電気信号に基づき所定の演算を行って液滴の到達位置を算出して、それに基づく測定信号を出力する演算部とを備え、前記測定部は、少なくとも、測定部が受けた前記液滴の到達位置により共振周波数変化を生じる共振部と、前記共振周波数変化を計測する計測部とを備え、前記共振部は、基板と、吐出された前記液滴を受ける振動板と、前記共振部の共振周波数をセンシングするための圧電素子を配設した検出板と、前記振動板と前記基板とを連結する連結板とから構成され、前記振動板面内の感度差を利用して、前記液滴吐出手段にかかる液滴の吐出方向を制御することを特徴とする液滴吐出装置が提供される。
【００１５】
本発明においては、液滴吐出手段は、液が充填されるキャビティと、キャビティの体積を変化させる圧電素子を備えて成るマイクロピペットであることが好ましい。
【００１６】
本発明の液滴吐出装置においては、振動板の片面のみに、若しくは、両面に液滴を受けて、吐出された液滴の到達位置を測定し得ることが好ましい。又、液滴定量手段が液滴を受けるように、一時的に液滴定量手段が移動し、及び／又は、液滴吐出手段が移動して、液滴の到達位置を測定することが好ましい。
【００１７】
更に、本発明において、液滴定量手段は、振動板が液滴を受ける前の状態、及び、液滴を受けた後の状態のそれぞれにおける共振部の共振周波数を計測部で計測し、計測された共振周波数の変化に基づいて、液滴吐出手段から吐出された液滴の到達位置を測定し得ることが好ましい。
【００２１】
本発明においては、液滴定量手段は、液滴吐出装置稼働中における任意の時に即時に作動することが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の液滴吐出装置について、実施の形態を具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
【００２３】
本発明は、電気信号が入力可能な１基又は複数基の液滴吐出手段と、微小質量が測定出来て、且つ、電気的に信号出力が可能な１基又は複数基の液滴定量手段と、電気的に信号入出力が可能で、測定した液滴の質量変化を基に種々の演算を行うフィードバック制御手段とから構成される液滴吐出装置である。
液滴吐出手段を移動することによって液滴定量手段が液滴を受けるか、若しくは、液滴吐出手段から吐出される液滴の飛行軌道上に液滴定量手段を移動することによって液滴定量手段に液滴を受け、一時的に実際に吐出された液の質量を測定し、又、この測定を任意の時に繰り返し行うことによって液滴吐出状態を把握し、液滴吐出手段へフィードバックすることによって、確実に所定の量の液滴を所定の位置へ吐出可能としている。
【００２４】
本発明においては、従来の液滴吐出手段のように、吐出する前の液滴特性の監視や、液滴を吐出した結果得られた現象を測定することによる判断で吐出手段を制御する等を行うのではなく、この液滴吐出装置を適用する生産活動の実稼働中の任意の時に、且つ即時に、実際に吐出された液滴の質量を測定し、測定結果から得た情報を基に吐出の制御をリアルタイムに行うところに大きな特徴がある。こうすることで、液滴一滴毎の状態を、より正確に把握することが可能となり、吐出不良を防止し、液滴吐出手段によって作り出される製品の品質を高めるとともに、生産性を向上することが出来る。当然ながら上記生産活動の実稼働前後において校正システム等としても適用可能であるが、リアルタイムで実際の液滴を測定する方が、より吐出不良の防止が確実で好ましい。
【００２５】
又、液滴吐出装置を構成する液滴定量手段の質量測定範囲を、被測定物である液滴一滴の質量に比べて充分に広くとることにも特徴がある。こうすることにより、繰り返し連続して吐出された液滴を受け、液滴定量手段に液滴若しくは液滴乾燥物を堆積することが出来、液滴の質量を測定する毎に前回測定値との差をとって液滴一滴毎の質量が測定可能となり、同一の液滴定量手段を用いた質量測定を継続できる。
【００２６】
次に、図１により、本発明に係る液滴吐出装置の構成を説明する。図１は、本発明に係る液滴吐出装置の装置構成の一例を示すブロック図で、液滴吐出手段が３基、液滴定量手段が３基備わった例を示している。
液滴吐出装置１は、液滴吐出手段２と、液滴定量手段５と、フィードバック制御手段８とから構成される。互いが電気信号を送り、又受けられる送受信手段を備えていて、情報を授受できる。ここで電気信号とは、電圧信号、電流信号、パルス信号等のアナログ信号でも、デジタル信号でもよく、送受信手段もその信号にあった方法であればよく、例えばＲＳ２３２ＣやＧＰ−ＩＢ等の規格でもよい。各手段間の送受信経路も、有線、無線等を問わない。各手段は、入力ユニット、出力ユニットに加え、入出力信号と、構成する各手段内で使用する信号との信号変換ユニットを持つことで対応可能である。
又、情報とは主に質量等の液滴の特性値であり、更には、それらから加工された制御データ等を示す。
【００２７】
液滴吐出装置１の概略動作を、液滴の質量を測定し吐出する液滴の安定化を図る場合を例に、以下に示す。
予め調整された液滴吐出手段２より液滴が吐出される。この調整は本発明の液滴吐出装置１そのものの試行によるものでもよく、他の単独で調節する手段でも構わない。吐出された液滴を任意の時に液滴定量手段５に受けて液滴の質量を測定して、測定結果に基づく測定信号を発生しフィードバック制御手段８へ出力する。
【００２８】
フィードバック制御手段８は、入力した測定信号と、予め決められた液滴質量を示す基準信号とを比較し、比較結果に基づいて制御信号を発生し、液滴吐出手段２へ出力する。制御信号とは、例えば、測定信号と基準信号の比較の結果、液滴量が少ないのでもっと多く吐出するように指令する信号等である。
液滴吐出手段２は、制御信号に基づいて吐出する液滴の量を制御し、例えば電圧を上げて吐出量を増やす等の調節を行う。
【００２９】
このような動作によって、液滴吐出手段２における初期の設定に何らかの理由で狂いが生じたり、何らかの理由で粘性の変化等の意図しない液滴の特性変化が起きたりして、液滴量が変わることがあっても、補正し吐出量のバラツキを抑えることが出来る。又、意図的に液滴の組成を変えて、同じ液滴吐出手段２を用いて吐出しても、より安定した吐出量を維持することも可能である。
【００３０】
この液滴吐出装置１において、液滴定量手段５を作動させる方法、より詳細には、被吐出体へ液滴を吐出している最中に液滴の質量を測定する方法は、液滴吐出手段２から吐出された液滴の飛行軌道上に液滴定量手段５を移動して、一時的に液滴定量手段５に液滴を受けるようにするか、若しくは、一時的に液滴定量手段５に液滴を受けるように、液滴吐出手段２を移動するか、の何れか若しくは両方の手段を用いればよい。
【００３１】
上記した液滴定量手段５において液滴を測定し定量するタイミング、間隔、回数等は任意に決定出来るが、予め設定しておくことが好ましい。
液滴吐出装置１の動作については、後述する物質の均一混合装置への適例において、更に詳細に説明する。
【００３２】
次いで、液滴吐出装置１を構成する各手段について、個々に説明する。
液滴吐出手段２は、電気信号を入力して吐出を制御し得るものであれば、何れの手段であっても適用できるが、特には先に提案したマイクロピペットを採用することが、サイズ的、コスト的に有利で、且つ、充填・置換量も少なく、吐出動作が高速であるために好ましい。
【００３３】
マイクロピペットの基本構成は、図２のように、例えばジルコニアセラミックス製で少なくとも１個以上の基体に、液の注入口４３と、液が充填されるキャビティ４２と、液の吐出口４１とを備え、この基体のキャビティを形成する少なくとも一壁面に圧電素子４４を備えたものである。そして、好ましくは、キャビティ４２内において液が層流で移動するように構成されている。このようなマイクロピペットは、圧電素子４４の駆動によりキャビティ４２内の体積を変化させ、キャビティ４２内の一定量の試料を吐出口４１から吐出させることにより、微小な液滴を高精度で且つ高速に、効率良く作製することができる。
【００３４】
フィードバック制御手段８の最も簡素な構成は、入力ユニット、出力ユニット、信号変換ユニット、及び比較演算ユニットである。これらにより上記したように、液滴定量手段５から入力した測定信号に基づき制御信号を発生し、液滴吐出手段２へ出力する。しかしながら、より厳密な制御や外部への情報発信を行うためには、入力された測定信号を蓄積する記憶ユニットを備え、蓄積された測定信号のデータから、より詳細な制御信号をつくる比例制御機能、積分制御機能、微分制御機能等を、例えば比較演算ユニットに設けることが好ましく、更には警報発報、データ出力等の機能も備えることが好ましい。
【００３５】
フィードバック制御手段８内を構成する各ユニット及び各機能は、例えば、ＣＰＵとメモリー等により実行、記憶されるコンピュータープログラム、即ち、ソフトウエアによって実現されてもよく、又、ハードウエア回路によって実現されていてもよく、更には、ソフトウエア、ハードウエア回路の混合で成りたっていても構わない。
【００３６】
液滴定量手段５も、液滴の質量を測定し電気信号として出力可能ならば、何れの手段であっても適用できる。例えば、水晶振動子を用いて、その対向する両面に電極を形成し、電極に何らかの物質が外部から付着したときに生じる、電極面の面方向における水晶振動子の厚みすべり振動の共振周波数の変化から付着物質の質量を判定する質量センサを用いて組み込んだものでもよい。
【００３７】
しかし、そのような質量センサを用いると、外部からの物質の付着部と共振周波数の検出部とが同じ電極であるため、例えば、付着物の温度によって水晶振動子に温度変化が生じやすく、そのため圧電特性が変化し、その影響により共振周波数が安定せず、質量の判定精度が低下し易いという不具合を内在している。
従って、例えば外部からの物質の付着部と、共振周波数の検出部が異なる構成の液滴定量手段等であることがより好ましく、次に示す液滴定量手段５が、その一例である。
図３は、本発明に係る液滴吐出装置を構成する液滴定量手段の一実施例を示す図で、液滴定量手段の共振部の平面図である。液滴定量手段５は、液滴を受けることにより生じる共振周波数変化を計測し電気信号として出力する測定部と、フィードバック制御手段と同様にコンピュータプログラム等の、先の電気信号に基づき所定の演算を行って液滴の質量を算出して、測定信号を出力する演算部とからなる。そしてその測定部は詳細には、測定部が受けた液滴の質量に応じた共振周波数変化を生じる共振部１１と、その共振周波数を計測するインピータンスアナライザ、ネットワークアナライザ、周波数カウンタなどの計測機器により構成される計測部とからなり、共振部１１は更に詳細には、基板１６と吐出された液滴を受ける振動板１２と、共振部１１の共振周波数をセンシングする圧電素子１５を配設した検出板１４と、振動板１２と基板１６とを連結する連結板１３とから構成される。
【００３８】
この構造に従う液滴定量手段の動作原理は次の通りである。
計測部から計測用の電気信号を圧電素子１５に印加すると、その電気信号に応じた機械振動が圧電素子１５に惹起され、この振動が、検出板１４、連結板１３を介して振動板１２に伝播する。そして、電気信号の周波数がある値の時に共振現象が生じ、共振部１１が共振する。この周波数は、圧電素子１５から計測部に戻される電気信号から計測される。本発明では後述するように、測定の目的、対象に応じて共振時の振動板１２の振動モード（振動形態）を適宜選択するが、本構造に従う液滴定量手段５は所定の振動モードを得る上で、設計的に自由度が高いという特徴がある。
尚、図３の実施例では、長方形をした振動板１２が示されているが、その他用途に応じて、円形、多角形など任意な形状とすることが可能である。
又、共振部１１を構成する振動板１２、連結板１３、検出板１４、基板１６の材料としては、特に限定されないが、好ましくはアルミナ、ジルコニア等のセラミックスが望ましく、更に好ましくは、それらセラミックスを一体的に焼結した一体化物として構成したものが望ましい。
【００３９】
この液滴定量手段５は、振動板１２に受けた負荷質量に対して、共振部１１の共振周波数の変化が一定の関係にあるため、その共振周波数の変化量を測定することで質量を知ることが出来る。換言すれば、振動板１２が液滴を受ける前の状態、及び、液滴を受けた後の状態のそれぞれにおける共振部１１の共振周波数を計測部で計測し、計測された共振周波数の変化から吐出された液滴の質量を測定することが出来る。
【００４０】
液滴定量手段５においては、上記したように、吐出された一滴の液滴の質量に比べて、その質量測定範囲を、測定精度が低下しない程度に、充分に広くとることが好ましい。こうすることで、同一の液滴定量手段５で繰り返し連続して液滴の質量を測定することが可能となり、液滴一滴毎の質量から吐出のバラツキを知ることが出来る。又、用途に応じて複数滴の質量を測定することも、勿論可能である。そして、例えば、液の粘度、比重の変化、異物の混入、一部の乾燥固形化等で生じた液滴吐出手段２内の流路中での固形物堆積や、吐出口の詰まり等に起因する吐出不良を検出することが可能となる。
又、吐出された一滴の液滴を受けて、継続してその質量の変化を追っていけば、液滴の乾燥時間、液滴の固形分量、水分量、濃度等を知ること等の応用も可能である。
【００４１】
このような振動板に受けた質量変化と、その際の共振部１１の共振周波数変化との相関関係より質量を求める液滴定量手段５においては、振動板１２が、連結板１３と基板１６との接合面を垂直に貫通する垂直軸（Ｙ軸と記す）を中心として、振動板１２の平板面に平行、且つ、垂直軸に垂直な方向（この方向の軸をＸ軸と記す）に直線的に往復振動するνモード振動を主とした振動モードの共振周波数を、圧電素子１５によりセンシングすることが好ましい。
【００４２】
図４（ａ）は、νモード振動の説明図であり、例えば、図３に示すような液滴定量手段５の共振部１１を、Ｘ軸上のＹ軸方向から見た振動板１２の動きを示している。ここで、振動板１２の上部側面は、振動していない状態では静止しているが、νモード振動では、振動板１２は振動板１２の平板面を含む面内においてＸ軸方向に揺れ、Ｙ軸方向の揺れの成分をほとんど含まない。従って、振動板１２の上部側面の動きは、Ｘ軸上を往復移動する振動として表すことができる。この振動運動をνモード振動という。
【００４３】
又、振動板１２の寸法は、上記したＹ軸方向の最大寸法をｂとし、上記したＸ軸方向の最大寸法をａとして、その寸法比が、
０．７＜ａ／ｂ＜５ … （１）
を満たすことが上記したνモード振動を主とした振動モードを得る上で好ましい。より好ましくは、寸法比が０．９＜ａ／ｂ＜２．５である。
【００４４】
νモード振動を主とした振動モードでは、振動板１２面内の感度差を、即ち、単位質量当たりの周波数変化量の位置による差が、小さくなるので、液滴を振動板１２面内の何れの位置に吐出してもほぼ同等の精度で測定が可能であり、精密な位置合わせが不要で、測定精度の高い質量測定が可能となる特徴がある。ここでいうνモード振動を主とした振動モードとは、νモード振動の振動モードを含む振動モードであり、少なくとも振動板１２のＸ軸方向への最大振幅がＹ軸方向への最大振幅よりも大きいことを特徴とする振動モードのことである。
更には、νモード振動を主とした振動モードを用いた場合には、感度差が小さい中にもＹ軸方向よりもＸ軸方向の方が位置による感度差が特に小さいという特徴があり、液滴を振動板に受けるために移動する際には、液滴定量手段５、及び／又は、液滴吐出手段２は、振動板の主振動方向、即ち、Ｘ軸に平行の方向に移動することが好ましい。
【００４５】
尚、振動板の面積Ｓ（ｃｍ^２）は、振動板の板厚をｔ（ｃｍ）、振動板の密度をｄ_ｃ（ｇ／ｃｍ^３）、液滴の一滴当たりの体積をＶ（ｃｍ^３）、液滴の密度をｄ_ｒ（ｇ／ｃｍ^３）としたときに、
２．５×１０^−５＋（１．５×Ｖ）^２／３×π^１／３＜Ｓ＜Ｖ×ｄ_ｒ×１０^６／（ｔ×ｄ_ｃ） … （２）
を満たす範囲であることが好ましい。なぜならば、νモード振動を主とした振動モードにおける振動板１２の感度をリニアに保つ、即ち、液滴質量と共振周波数の変化量とが直線関係を維持した上で、振動板１２の面積が、吐出された液滴を受けるに十分な大きさとなるからである。
更に、（１）式と同時に（２）式を満足するように構成すれば、前記νモード振動を主とした振動モードが効果的に発現し、かつ液滴定量手段の感度を線形にすることが可能であり、極めて好ましい。
【００４６】
上記の通り、νモード振動を主とした振動モードを使用する液滴定量手段を適用する事により、実際の吐出液滴一滴毎の吐出量が安定する等、吐出液滴量をより正確に制御する事が可能となるが、吐出液滴量の制御に加えて、以下に説明する軸回転モードや面内回転モード等の液滴定量手段を併用すれば、液滴の到達位置をも制御することが可能となる。
図４（ｂ）に示す軸回転モード振動とは、連結板１３と基板１６との接合面を垂直に貫通する垂直軸（Ｙ軸）を基軸として、振動板１２がその軸周りに回転するように往復振動する振動モードであって、少なくとも振動板１２面内のＸ軸方向の左右両端における変位の位相が逆位相になる（即ちＺ軸方向の変位において互いに反対方向に変位する）振動モードを指し、この振動の共振周波数を、圧電素子１５によりセンシングする。
【００４７】
この軸回転モード振動を用いると、液滴定量手段５の振動板１２面内において、Ｘ軸方向に、回転の中心軸からの距離に応じた検出感度差が生じるので、その検出感度差を利用したＸ軸方向の一軸の位置制御が行える。
【００４８】
又、図５に示すような面内回転モード振動とは、振動板１２を含む面内で、振動板１２が回転するように往復振動する振動モードであって、少なくとも振動板１２面内にその回転中心を有する振動モードを指し、この振動の共振周波数を、圧電素子１５によりセンシングする。
【００４９】
この面内回転モード振動を用いることで、例として図５に示す振動板１２面内に有する回転中心Ｏからの距離に応じた検出感度差が生じるので、その検出感度差を利用したＸ軸及びＹ軸の二軸の位置制御が行える。
上記のように、これらの回転モードを使用することで液滴が到達した位置の測定が行えるので、この情報を液滴吐出手段２へフィードバックし液滴の吐出方向を制御して、液滴の到達位置を振動板１２面内の回転中心に導くことが可能となる。複数の液滴吐出手段２を備えた液滴吐出装置１において、全ての到達位置を合わせることが出来るので、例えば、吐出した液滴を衝突させることによって物質を均一に混合する用途等において、複数の液滴吐出手段から放たれた液滴同士を、より正確に、より確実に衝突させることが出来、混合体の組成の均一性等、品質を向上させることが出来る。
【００５０】
本発明における振動板１２においては、その片面のみに液滴を受けて測定する他、その両面に液滴を受けても測定することが可能である。両面を使用することにより、測定面積が拡大され、結果液滴定量手段の定量範囲を広くすることが可能となる。又、複数の液滴吐出装置に対しても、その液滴定量に当たり、１基の定量装置で済む等の利点が得られる。更に、例えば、２基以上の液滴吐出手段を備え、それらが限りなく向かい合って設置されるような、振動板１２の片面で液滴を受けることが困難な場合にも、両面を使用した定量法が採用できるので種々の用途への適用が可能である。
【００５１】
【実施例】
以下に、本発明に係わる液滴吐出装置を、図面に示す実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
図６は、本発明に係る液滴吐出装置の一実施例を示す図で、上記したような物質の均一混合装置への適用を示す模式図である。図６において、圧電制御型の液滴吐出手段２が２基配置されており、２基の液滴吐出手段２はそれぞれ吐出される微小液滴同士の衝突角がθとなるように吐出方向が設定されている。
【００５２】
混合すると反応する液滴３２と液滴３３を、それぞれの液滴吐出手段２から微小液滴として吐出し、空中で衝突させる。衝突して均一混合された混合物３５は、衝突した液滴３２と液滴３３の慣性力により定まる所定方向に飛行し、混合物回収容器にて回収される。
このような物質の均一混合装置において、吐出した液滴の飛行軌道上に液滴定量手段５を配置して、飛来した液滴３２と液滴３３を測定する。
【００５３】
（実施例１）
２基の液滴吐出手段２から吐出される液滴の飛行軌道上、Ａ点、及びＢ点にνモード振動を主とした振動モードを用いた質量測定用（以下、νモードと記載）の液滴定量手段５を２基用意して配置した。各々の液滴吐出手段２、及びνモードの液滴定量手段５は、図６中に矢印で示す様に、振動板の主振動方向に限定した方向に、任意の時に必要に応じて移動し、νモードの液滴定量手段５は液滴吐出手段２から液滴を受ける。液滴を受けたνモードの液滴定量手段５では、液滴の質量を測定し、その結果をフィードバック制御手段８へ渡す。フィードバック制御手段８は、測定結果に基づき液滴吐出手段２へ制御信号を発生し、吐出する液滴の量を制御し目的とする液滴量に調節する。
次に、Ｃ点は衝突位置であるため、即ち、液滴３２と液滴３３が到達すべき位置であるため、Ｃ点に面内回転モードを用いた２軸の位置制御用（以下、面内回転モードと記載）の液滴定量手段５を配置した。面内回転モードの液滴定量手段５は、任意の時に任意の方向へ移動する事が可能で、必要に応じて移動し、位置制御を行う。面内回転モードの液滴定量手段５に対し、液滴吐出手段２は任意の異なる位置より複数回に渡って、前記νモードの液滴定量手段によって一定の質量に調節された液滴を吐出する。液滴を受けた面内回転モードの液滴定量手段５は、振動板の回転中心からの距離に応じた感度差により、到達した液滴の位置に従う周波数変化を生じ、その測定結果をフィードバック制御手段８へ渡す。回転の中心からの距離が遠いほど周波数変化が大きい事から、変化が少なくなる方向へ吐出方向を調節し、液滴の到達位置を振動板の回転中心に導くように制御を行う。これを全ての液滴吐出手段２に対して行い、複数の液滴吐出手段２から吐出される液滴の到達位置を精密に合わせる。その際、液滴吐出手段２から吐出される液滴３２と液滴３３の吐出タイミングをずらし、個々の液滴到達位置を個別に制御する。これにより、吐出される液滴量、及び液滴の到達する位置を正確に制御する。以上の制御を終えた後、実際に液滴を衝突させ、目的とする混合物を得る。
【００５４】
（実施例２）
２基の液滴吐出手段２から吐出される液滴の飛行軌道上で、且つ液滴の衝突する点であるＣ点に、νモードの液滴定量手段５と面内回転モードの液滴定量手段５をそれぞれ１基ずつ配置する。
この場合は双方の液滴定量手段５に対して共に、各々の液滴吐出手段２から吐出される液滴３２と液滴３３の吐出タイミングをずらし、それぞれの液滴吐出手段２に対して液滴量並びに到達位置のフィードバック制御を行う。これにより、吐出される液滴量、及び液滴の到達する位置を正確に制御する。以上の制御を終えた後、実際に液滴を衝突させ、目的とする混合物を得る。
【００５５】
このように、本発明の液滴吐出装置を適用することにより、物質の均一混合装置において、未衝突物の回収等によらず、より確実な液滴同士の衝突が実現され、その結果、微量な物質の均一混合を効率よく行うことが出来る。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、微小液滴吐出手段より実際に吐出された一滴毎の液滴量をリアルタイムで精度良く且つ直接的に測定すると共に、リアルタイムな液滴吐出手段へのフィードバックによる液滴吐出手段の制御が実現できる。しかも、一滴毎の吐出量のバラツキや吐出の有無という液滴の量を対象にした制御に加えて位置のズレが把握出来ることから、液滴の吐出位置を制御出来る。即ち本発明に従う液滴吐出装置は、吐出する液滴やその液滴の到達する位置を自己観察すると共に、吐出にかかるエラーを自己修正できる物である。従って、液滴吐出手段の問題発生を早期に把握することが可能であり液滴を均質に保持することが可能である事に加え、より正確な位置に安定した量の液滴を吐出することが実際に可能となり、バイオテクノロジー分野や、化学薬品、食品、油性製品等の製造分野等、幅広い分野において、より生産性に優れ、品質が高く、信頼性の向上した製品を提供することが出来るといった優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る液滴吐出装置の装置構成の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る液滴吐出装置システムを構成する液滴吐出手段の一実施例であるマイクロピペットを示す図で、その平面図及び断面図である。
【図３】本発明に係る液滴吐出装置を構成する液滴定量手段の一実施例を示す図で、共振部の平面図である。
【図４】本発明に係る液滴吐出装置の一実施例を示す図で、図４（ａ）はνモード振動の説明図であり、図４（ｂ）は軸回転モード振動の説明図である。
【図５】本発明に係る液滴吐出装置の一実施例を示す図で、面内回転モード振動の説明図である。
【図６】本発明に係る液滴吐出装置の一実施例を示す図で、物質の均一混合装置への適用を示す模式図である。
【符号の説明】
１…液滴吐出装置、２…液滴吐出手段、５…液滴定量手段、８…フィードバック制御手段、１１…共振部（液滴定量手段）、１２…振動板、１３…連結板、１４…検出板、１５…圧電素子、１６…基板、２１…共振部（液滴定量手段）、３２…液滴、３３…液滴、３５…混合物、４１…吐出口、４２…キャビティ、４３…注入口、４４…圧電素子、４５…電極。

Claims

微小な液滴を吐出する液滴吐出装置であって、
被吐出体へ吐出された液滴の到達位置に基づいて測定信号を発生する、少なくとも１基の液滴定量手段と、
前記測定信号と可変な基準値を示す信号とを比較し、比較結果に基づいて制御信号を発生するフィードバック制御手段と、
前記制御信号に基づいて液滴の吐出方向を制御する、少なくとも１基の液滴吐出手段とを備え、
前記液滴定量手段が、液滴を受けることによって生じる共振周波数変化を計測し電気信号として出力する測定部と、前記電気信号に基づき所定の演算を行って液滴の到達位置を算出して、それに基づく測定信号を出力する演算部とを備え、
前記測定部は、少なくとも、測定部が受けた前記液滴の到達位置により共振周波数変化を生じる共振部と、前記共振周波数変化を計測する計測部とを備え、
前記共振部は、基板と、吐出された前記液滴を受ける振動板と、前記共振部の共振周波数をセンシングするための圧電素子を配設した検出板と、前記振動板と前記基板とを連結する連結板とから構成され、
前記振動板面内の感度差を利用して、前記液滴吐出手段にかかる液滴の吐出方向を制御することを特徴とする液滴吐出装置。
前記液滴吐出手段が、液が充填されるキャビティと、前記キャビティの体積を変化させる圧電素子を備えて成るマイクロピペットである請求項１に記載の液滴吐出装置。
前記振動板の片面のみに、若しくは、両面に液滴を受けて、吐出された前記液滴の到達位置に基づく測定信号を発生し得る請求項１又は２に記載の液滴吐出装置。
一時的に前記液滴定量手段、及び／又は、前記液滴吐出手段を、前記液滴定量手段が液滴を受けるように移動して、前記液滴の到達位置に基づく測定信号を発生する請求項１〜３の何れか一項に記載の液滴吐出装置。
前記液滴定量手段が、前記振動板に液滴を受ける前の状態、及び、前記液滴を受けた後の状態のそれぞれにおける前記共振部の共振周波数を前記計測部で計測し、計測された共振周波数の変化に基づいて前記液滴吐出手段から吐出された前記液滴の到達位置を測定し得る請求項１〜４の何れか一項に記載の液滴吐出装置。
前記共振周波数が、前記連結板と前記基板との接合面を垂直に貫通する垂直軸を基軸として、前記振動板が前記軸周りに回転するように往復振動する軸回転モードの振動モードに基づく共振周波数である請求項１〜５の何れか一項に記載の液滴吐出装置。
前記共振周波数が、前記振動板を含む面内を少なくとも前記振動板内にその回転中心を有するように、前記振動板が回転するように往復振動する面内回転モードの振動モードに基づく共振周波数である請求項１〜５の何れか一項に記載の液滴吐出装置。
前記液滴定量手段が、前記液滴吐出装置稼働中における任意の時に即時に作動する請求項１〜７の何れか一項に記載の液滴吐出装置。