JP3809086B2 - 液体分注装置 - Google Patents
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Description
【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２１６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２２０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、ステッピングモータを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２４２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状態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。
【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、ノズルを備え、前記ノズルに保持した液体試料を液滴として吐出する吐出ヘッドと、前記吐出ヘッドから吐出された前記液滴が通過する位置に所定の光量の平行光束を照射する平行光束発生手段と、前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する光検出手段と、前記光検出手段が受光した前記平行光束の光量の変化に基づき、前記吐出ヘッドが前記吐出の動作を行った直後に前記吐出ヘッドから吐出されるメイン液滴に続いて前記吐出ヘッドから吐出されるサテライト液滴の吐出状態を求める演算回路と、を具備したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の第２発明は、前記演算回路は、前記サテライト液滴の有無または発生数を求めることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の第３発明は、前記演算回路は、前記メイン液滴と前記サテライト液滴との合計吐出量を求めることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の第４発明は、前記演算回路は、前記光検出手段が受光した前記平行光束の光量の変化に基づく信号の波形を得るとともに、前記信号の波形における信号の値の変化量と信号の値の変化時間とに基づき、前記メイン液滴の吐出量と前記サテライト液滴の吐出量との合計吐出量を算出することを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の第５発明は、前記液体分注装置は、前記吐出ヘッドを洗浄する洗浄手段をさらに具備し、前記洗浄手段は、前記演算回路が前記各液滴の合計吐出量から前記吐出ヘッドに吐出不良が生じた状態を検出したとき、前記吐出ヘッドの洗浄を行うことを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の第６発明は、前記吐出ヘッドは、前記洗浄手段が前記吐出ヘッドの洗浄を行った後に再度前記液滴の吐出を行うことを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の第７発明は、前記吐出ヘッドにより前記吐出の動作が行われた後、前記吐出ヘッドに与えられる前記吐出ヘッドの吐出指令が変更されることにより、前記吐出ヘッドが吐出する液滴の吐出量の補正が行われ、 続いて吐出量の補正が行われた前記吐出ヘッドにより次の吐出の動作が行われることを特徴とする。
【００１８】
請求項８に記載の第８発明は、前記平行光束発生手段が照射する前記平行光束は、前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が前記メイン液滴の径以下であることを特徴とする。
【００１９】
請求項９に記載の第９発明は、前記平行光束発生手段は、照射する前記平行光束を絞るために設けられる、光束を制限する部材を具備することを特徴とする。
【００２０】
請求項１０に記載の第１０発明は、前記光束を制限する部材はピンホールであることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１に記載の第１１発明は、前記光束を制限する部材は、前記液滴の吐出方向および前記平行光束の光軸方向と略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。
【００２２】
請求項１２に記載の第１２発明は、前記平行光束発生手段は、前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が、前記メイン液滴と前記サテライト液滴とが同時に前記平行光束に進入しない寸法になるように、前記平行光束を照射することを特徴とする。
【００２３】
請求項１３に記載の第１３発明は、前記光検出手段は、前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する受光部における前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が、前記メイン液滴の径以下であることを特徴とする。
【００２４】
請求項１４に記載の第１４発明は、前記光検出手段は、前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する受光部における前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が、前記メイン液滴と前記サテライト液滴とが同時に前記平行光束に進入しない寸法になるように構成されることを特徴とする。
【００２５】
請求項１５に記載の第１５発明は、前記光検出手段は、前記平行光束を受光する受光部が前記液滴の吐出方向に２分割されていることを特徴とする。
【００２６】
請求項１６に記載の第１６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差信号を生成する差信号演算回路をさらに具備することを特徴とする。
【００２７】
請求項１７に記載の第１７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、をさらに具備することを特徴とする。
【００２８】
請求項１８に記載の第１８発明は、ノズルを備え、前記ノズルに保持した液体試料を液滴として吐出する吐出ヘッドと、前記吐出ヘッドから吐出された前記液滴が通過する位置に所定の光量の平行光束を照射する平行光束発生手段と、前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する光検出手段と、前記光検出手段が受光した前記平行光束の光量の変化に基づき、前記吐出ヘッドが前記吐出の動作を行った直後に前記吐出ヘッドから吐出されるメイン液滴に続いて前記吐出ヘッドから吐出されるサテライト液滴の吐出状態を求める演算回路と、を具備し、前記平行光束発生手段からの前記平行光束および前記光検出手段における前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する受光部の少なくとも一方は、前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が、前記メイン液滴と前記サテライト液滴とが同時に進入できない寸法になるように構成されることを特徴とする。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、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。
【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１０３、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１１４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１０５、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１０３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９ｍｍ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１１８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１０３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１２１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１２４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１２０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φ２０〜１５０μｍ程度とすることができるが、液体試料１１５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１２７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１０１、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１２０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１１０ａ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１１２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、ＬＥＤ、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１３１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１１５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１２０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１１９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１２２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１１９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１３８）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１１５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１３７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１００μｍ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１１１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１１０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１０６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１３７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１１９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、検査プレート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１１１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１３７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１１２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１１２内に進入できなくなる径になるまで、ピンホール１３６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１１０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１１２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１１１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１４０，１４１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１４２が液滴により遮られない照射状態では、受光部１４０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１１１，１３７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１４０，１４１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、液滴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ＧＮＤ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１４６の受光部１４４，１４５の面積はそれぞれ５００μｍ×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×１ｍｍ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１１１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１１１，１３７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１０６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、液滴１１１の吐出位置も求めることができる。以下に液滴１１１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の長辺における液滴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１５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１０６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滴１１１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
１２４ Ｏリング
１２５ スライドガイド
１２６ ＧＮＤ電極
１２７ 電圧印加電極
１２８ テーパー
１２９ 吐出口
１３０ Ｔ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
【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２１６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２２０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、ステッピングモータを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２４２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状態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。
【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、ノズルを備え、前記ノズルに保持した液体試料を液滴として吐出する吐出ヘッドと、前記吐出ヘッドから吐出された前記液滴が通過する位置に所定の光量の平行光束を照射する平行光束発生手段と、前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する光検出手段と、前記光検出手段が受光した前記平行光束の光量の変化に基づき、前記吐出ヘッドが前記吐出の動作を行った直後に前記吐出ヘッドから吐出されるメイン液滴に続いて前記吐出ヘッドから吐出されるサテライト液滴の吐出状態を求める演算回路と、を具備したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の第２発明は、前記演算回路は、前記サテライト液滴の有無または発生数を求めることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の第３発明は、前記演算回路は、前記メイン液滴と前記サテライト液滴との合計吐出量を求めることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の第４発明は、前記演算回路は、前記光検出手段が受光した前記平行光束の光量の変化に基づく信号の波形を得るとともに、前記信号の波形における信号の値の変化量と信号の値の変化時間とに基づき、前記メイン液滴の吐出量と前記サテライト液滴の吐出量との合計吐出量を算出することを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の第５発明は、前記液体分注装置は、前記吐出ヘッドを洗浄する洗浄手段をさらに具備し、前記洗浄手段は、前記演算回路が前記各液滴の合計吐出量から前記吐出ヘッドに吐出不良が生じた状態を検出したとき、前記吐出ヘッドの洗浄を行うことを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の第６発明は、前記吐出ヘッドは、前記洗浄手段が前記吐出ヘッドの洗浄を行った後に再度前記液滴の吐出を行うことを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の第７発明は、前記吐出ヘッドにより前記吐出の動作が行われた後、前記吐出ヘッドに与えられる前記吐出ヘッドの吐出指令が変更されることにより、前記吐出ヘッドが吐出する液滴の吐出量の補正が行われ、 続いて吐出量の補正が行われた前記吐出ヘッドにより次の吐出の動作が行われることを特徴とする。
【００１８】
請求項８に記載の第８発明は、前記平行光束発生手段が照射する前記平行光束は、前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が前記メイン液滴の径以下であることを特徴とする。
【００１９】
請求項９に記載の第９発明は、前記平行光束発生手段は、照射する前記平行光束を絞るために設けられる、光束を制限する部材を具備することを特徴とする。
【００２０】
請求項１０に記載の第１０発明は、前記光束を制限する部材はピンホールであることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１に記載の第１１発明は、前記光束を制限する部材は、前記液滴の吐出方向および前記平行光束の光軸方向と略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。
【００２２】
請求項１２に記載の第１２発明は、前記平行光束発生手段は、前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が、前記メイン液滴と前記サテライト液滴とが同時に前記平行光束に進入しない寸法になるように、前記平行光束を照射することを特徴とする。
【００２３】
請求項１３に記載の第１３発明は、前記光検出手段は、前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する受光部における前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が、前記メイン液滴の径以下であることを特徴とする。
【００２４】
請求項１４に記載の第１４発明は、前記光検出手段は、前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する受光部における前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が、前記メイン液滴と前記サテライト液滴とが同時に前記平行光束に進入しない寸法になるように構成されることを特徴とする。
【００２５】
請求項１５に記載の第１５発明は、前記光検出手段は、前記平行光束を受光する受光部が前記液滴の吐出方向に２分割されていることを特徴とする。
【００２６】
請求項１６に記載の第１６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差信号を生成する差信号演算回路をさらに具備することを特徴とする。
【００２７】
請求項１７に記載の第１７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、をさらに具備することを特徴とする。
【００２８】
請求項１８に記載の第１８発明は、ノズルを備え、前記ノズルに保持した液体試料を液滴として吐出する吐出ヘッドと、前記吐出ヘッドから吐出された前記液滴が通過する位置に所定の光量の平行光束を照射する平行光束発生手段と、前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する光検出手段と、前記光検出手段が受光した前記平行光束の光量の変化に基づき、前記吐出ヘッドが前記吐出の動作を行った直後に前記吐出ヘッドから吐出されるメイン液滴に続いて前記吐出ヘッドから吐出されるサテライト液滴の吐出状態を求める演算回路と、を具備し、前記平行光束発生手段からの前記平行光束および前記光検出手段における前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する受光部の少なくとも一方は、前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が、前記メイン液滴と前記サテライト液滴とが同時に進入できない寸法になるように構成されることを特徴とする。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、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。
【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１０３、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１１４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１０５、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１０３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９ｍｍ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１１８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１０３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１２１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１２４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１２０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φ２０〜１５０μｍ程度とすることができるが、液体試料１１５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１２７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１０１、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１２０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１１０ａ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１１２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、ＬＥＤ、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１３１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１１５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１２０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１１９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１２２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１１９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１３８）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１１５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１３７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１００μｍ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１１１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１１０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１０６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１３７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１１９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、検査プレート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１１１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１３７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１１２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１１２内に進入できなくなる径になるまで、ピンホール１３６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１１０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１１２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１１１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１４０，１４１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１４２が液滴により遮られない照射状態では、受光部１４０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１１１，１３７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１４０，１４１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、液滴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ＧＮＤ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１４６の受光部１４４，１４５の面積はそれぞれ５００μｍ×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×１ｍｍ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１１１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１１１，１３７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１０６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、液滴１１１の吐出位置も求めることができる。以下に液滴１１１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の長辺における液滴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１５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１０６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滴１１１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
１２４ Ｏリング
１２５ スライドガイド
１２６ ＧＮＤ電極
１２７ 電圧印加電極
１２８ テーパー
１２９ 吐出口
１３０ Ｔ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
Claims (18)
- ノズルを備え、前記ノズルに保持した液体試料を液滴として吐出する吐出ヘッドと、
前記吐出ヘッドから吐出された前記液滴が通過する位置に所定の光量の平行光束を照射する平行光束発生手段と、
前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する光検出手段と、
前記光検出手段が受光した前記平行光束の光量の変化に基づき、前記吐出ヘッドが前記吐出の動作を行った直後に前記吐出ヘッドから吐出されるメイン液滴に続いて前記吐出ヘッドから吐出されるサテライト液滴の吐出状態を求める演算回路と、
を具備したことを特徴とする液体分注装置。 - 前記演算回路は、前記サテライト液滴の有無または発生数を求めることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置。
- 前記演算回路は、前記メイン液滴と前記サテライト液滴との合計吐出量を求めることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置。
- 前記演算回路は、
前記光検出手段が受光した前記平行光束の光量の変化に基づく信号の波形を得るとともに、前記信号の波形における信号の値の変化量と信号の値の変化時間とに基づき、前記メイン液滴の吐出量と前記サテライト液滴の吐出量との合計吐出量を算出することを特徴とする請求項３記載の液体分注装置。 - 前記液体分注装置は、前記吐出ヘッドを洗浄する洗浄手段をさらに具備し、
前記洗浄手段は、前記演算回路が前記各液滴の合計吐出量から前記吐出ヘッドに吐出不良が生じた状態を検出したとき、前記吐出ヘッドの洗浄を行うことを特徴とする請求項３記載の液体分注装置。 - 前記吐出ヘッドは、前記洗浄手段が前記吐出ヘッドの洗浄を行った後に再度前記液滴の吐出を行うことを特徴とする請求項５記載の液体分注装置。
- 前記吐出ヘッドにより前記吐出の動作が行われた後、前記吐出ヘッドに与えられる前記吐出ヘッドの吐出指令が変更されることにより、前記吐出ヘッドが吐出する液滴の吐出量の補正が行われ、
続いて吐出量の補正が行われた前記吐出ヘッドにより次の吐出の動作が行われることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置。 - 前記平行光束発生手段が照射する前記平行光束は、
前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が前記メイン液滴の径以下であることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置。 - 前記平行光束発生手段は、照射する前記平行光束を絞るために設けられる、光束を制限する部材を具備することを特徴とする請求項８記載の液体分注装置。
- 前記光束を制限する部材はピンホールであることを特徴とする請求項９記載の液体分注装置。
- 前記光束を制限する部材は、前記液滴の吐出方向および前記平行光束の光軸方向と略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９記載の液体分注装置。
- 前記平行光束発生手段は、前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が、前記メイン液滴と前記サテライト液滴とが同時に前記平行光束に進入しない寸法になるように、前記平行光束を照射することを特徴とする請求項１記載の液体分注装置。
- 前記光検出手段は、前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する受光部における前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が、前記メイン液滴の径以下であることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置。
- 前記光検出手段は、前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する受光部における前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が、前記メイン液滴と前記サテライト液滴とが同時に前記平行光束に進入しない寸法になるように構成されることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置。
- 前記光検出手段は、前記平行光束を受光する受光部が前記液滴の吐出方向に２分割されていることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置。
- 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差信号を生成する差信号演算回路をさらに具備することを特徴とする請求項１５記載の液体分注装置。
- 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、
をさらに具備することを特徴とする請求項１６記載の液体分注装置。 - ノズルを備え、前記ノズルに保持した液体試料を液滴として吐出する吐出ヘッドと、
前記吐出ヘッドから吐出された前記液滴が通過する位置に所定の光量の平行光束を照射する平行光束発生手段と、
前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する光検出手段と、
前記光検出手段が受光した前記平行光束の光量の変化に基づき、前記吐出ヘッドが前記吐出の動作を行った直後に前記吐出ヘッドから吐出されるメイン液滴に続いて前記吐出ヘッドから吐出されるサテライト液滴の吐出状態を求める演算回路と、
を具備し、
前記平行光束発生手段からの前記平行光束および前記光検出手段における前記平行光束発生手段からの前記平行光束を受光する受光部の少なくとも一方は、前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴の通過する方向の寸法が、前記メイン液滴と前記サテライト液滴とが同時に進入できない寸法になるように構成されることを特徴とする液体分注装置。
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