JP4050040B2 - 生体液滴吐出装置に用いる生体液レベル制御機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体液滴吐出装置に用いるレベル検出機構とその制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体液滴吐出装置は、生物学的検体（生物学的アッセイ）の形で、基板に生体液滴を沈積するのに特に用いられる。例えば、遺伝子欠陥や他の生化学的異常に対する現行の生物学的試験では、何千という生体液の個体を、ガラスの基板上の明確に規定され、それぞれ異なった個所に配置する。その後、別の沈積液を上記ガラスの基板の同じ個所に更に沈積することもできる。この点々とプリントされた生物学的検体は、蛍光のような光学特性の変化を観察するためレーザで走査される。
【０００３】
これらの状況下では生体液滴吐出装置が汚染源とならず、異なる生体液間の意図しない交差汚染を許さないものであることが重要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの生体液は高価であるので、試験の際には液を少量だけ使用することが望ましく、吐出される生体液滴は、汚染されていないものであることに加えて、十分な形状を有しているものとすることが望ましい。この要求から、最も効率的に有用な生体液滴を出力するために、適切な生体液のレベル制御と、吐出装置の初期化操作という課題が生じる。
【０００５】
前述の状況に鑑みて、吐出装置に、生体液をタイムリーで有用な方法で適切に確実に供給する機構を提供することが望ましいと考えられる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、生体液滴を少量吐出する生体液滴吐出装置に用いるレベル制御機構が提供される。生体液滴吐出装置は生体液滴吐出機構を備え、生体液滴吐出機構は生体液滴の吐出するエネルギーを発生するトランスデューサを備える。生体液カートリッジ、すなわち生体液保持領域は、生体液を保持し、生体液滴吐出機構と生体液カートリッジとの間の汚染を回避するため、生体液滴吐出機構とは分離して設けられる。生体液カートリッジは生体液滴吐出機構に作動的に接続され、生体液滴吐出機構が作動すると、生体液が液滴状に制御されて吐出される。生体液カートリッジ内の生体液のレベル高さを検出するレベルセンサを備える。前記レベルセンサが、生体液のレベル高さが所定のレベル以下であることを検出すると、少なくとも、前記生体液または前記生体液カートリッジまたは前記トランスデューサのいずれか一つに対し調整が行われる。前記レベルセンサが、予め定められたレベル以下の生体液高さレベルを検出すると、前記生体液カートリッジ内の前記生体液高さレベルまたは生体液カートリッジの高さレベルを、前記生体液滴吐出機構との関係で変更する生体液調整機構を、更に備える。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は音響波方式液滴吐出装置１０の断面図で、音響波方式液滴吐出装置１０は、音響波方式液滴吐出機構１４とトランスデューサ１６を備え、音響波方式液滴吐出機構１４は、その内部に挿入された生体液カートリッジ１２を含む。トランスデューサ１６には電源１８からエネルギーが供給される。トランスデューサ１６は、基板２０の表面に設けられ、基板２０は例えばガラスである。トランスデューサ１６が設けられたガラスの基板２０の反対側表面に、フォーカスレンズ構造がパターン化されまたは配置される。フォーカスレンズ構造は例えばフレネルレンズ２２である。フレネルレンズ２２の代わりに、他のタイプのフォーカスレンズ構造も用いることができる。
【０００８】
音響結合流体等の結合層２４がフレネルレンズ２２と生体液カートリッジ１２との間に配置される。結合層２４は、音響波の減衰が少ないものが選択される。有利な音響波特性を有する音響結合流体の一例に水が含まれる。別の実施の形態では、結合層２４としてグリースの薄い層を用いることもできる。グリースによる結合層は、トラップされた気泡の可能性を最小限とするため結合表面を比較的平坦フラットにする場合に有利である。
【０００９】
ガラスの基板２０の上方に壁があり、これらの壁によって内部のチャンバ３０が規定され、その内部に生体液カートリッジ１２が収められる。生体液カートリッジ１２の側壁３１は、その外表面に、突起するシール３２を備える。シール３２の役目は、生体液カートリッジ１２をチャンバ３０内に固定し、音響結合流体の結合層２４をシール３２の下側に維持することである。正確な寸法の深さ止め部材３４により、生体液カートリッジ１２は所望の挿入位置に保持される。薄いメンブレン３６が、生体液カートリッジ１２の下部３７に形成され、この薄いメンブレン３６はフレネルレンズ２２の実質的直ぐ上に配置される。メンブレン３６は音響波に対して薄いメンブレンとして機能する。音響波に対して薄いということは、入射する音響波エネルギーの５０％以上が生体液カートリッジ１２内の生体液３８まで達するのにメンブレンの厚さが十分に薄いこと、を意味するとこの文脈では定義される。
【００１０】
作動に当たって、トランスデューサ１６にエネルギーが与えられて、音響波が放射され、音響波はガラスの基板２０を通ってフレネルレンズ２２に達する。フレネルレンズ２２は音響結合流体の結合層２４とメンブレン３６とを通過した音響波エネルギーを焦点に集め、集められた音響波エネルギー３９は生体液３８のメニスカス４０の先端に達する。焦点に集められた音響波エネルギーがメニスカス４０に当たると、表面に乱れが生じ、生体液滴４２が、生体液カートリッジ１２から対象基板４３に対し吐出される。対象基板４３は、例えば、紙、ガラス、プラスチックまたは他の適当な材料である。吐出された生体液滴４２は、直径約１５μmと小さくすることができる。しかし、この寸法制約は使用する物理的構成要素に基づいており、音響波方式液滴吐出装置で吐出される液滴の寸法は、物理的構成要素の設計を変更することにより大きくも小さくもすることが可能である。
【００１１】
生体液滴４２が吐出される表面は、全体が外に向いて開かれていても、あるいはアパーチャ付き板の蓋４４で覆われていてもよい。蓋４４は適切な寸法のアパーチャ４５を備えるが、液滴吐出の際の干渉を防ぐため、その寸法は吐出される液滴よりも大きい。アパーチャ４５の寸法は、アパーチャ４５を横断するメニスカス４０の表面張力が、生体液３８にかかる重力より十分に大きくなるようにしなければならない。この設計により、生体液カートリッジ１２を回転してアパーチャ４５を下向きにしても、生体液３８が生体液カートリッジ１２から落下することを防止できる。このアパーチャ下向き構造の利点は、対象基板４３より落ちる恐れのある物質から、生体液３８の状態をクリーンに保てることである。
【００１２】
トランスデューサ１６、電源１８、ガラスの基板２０，フレネルレンズ２２の作動機能は、音響波方式インク吐出印刷法の分野で既に用いられる液滴吐出装置と同様なものである。また、このような動作もその技術にとり周知である。
【００１３】
前述の設計では、生体液３８が生体液カートリッジ１２内に分離されているので、生体液３８が、音響波方式液滴吐出機構１４や他の汚染可能源、例えば、空気からくる汚染源または音響波方式液滴吐出機構１４に以前に使った生体液による汚染源と、接触することが防止される。生体液カートリッジ１２は、音響結合流体の結合層２４とメンブレン３６で分離されている。生体液カートリッジ１２全体は、生物学的に不活性な材料、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンから、射出成形法で製造することができる。生体液カートリッジ１２は、メンブレン３６や音響結合流体の結合層２４を含む結合インターフェイスを介して、音響波方式液滴吐出機構１４と作動的につながっている。
【００１４】
本発明の具体的な設計の一例では、生体液カートリッジ１２の幅は約３００μｍで、メンブレン３６の厚さは３μｍ程度である。この特定の実施の形態では、焦点に集められる音響波の波長が３００μｍで、作動周波数が既知の音響波方式液滴吐出機構のものという設計条件下において、メニスカスの位置は理想表面のレベルから±５μｍ以内に維持しなければならない。
【００１５】
電源１８は制御良く可変できる。電源１８の出力を変化することによってトランスデューサ１６が発生するエネルギーが調節され、それにより生体液滴４２の容積を変えることができる。
【００１６】
前述のように、音響波方式液滴吐出装置１０を適切に作動するには、メニスカス４０の位置を装置構造で規定される許容差内に維持しなければならない。前述の実施の形態の、特有の音響波方式液滴吐出機構では、許容差は±５μｍである。異なる構造の装置に対しては他の範囲の許容差も存在する。
【００１７】
生体液カートリッジ１２の生体液レベルをある設定水準のパラメータに維持するという概念は、図２（ａ），２（ｂ）に示される。例えば、図２（ａ）は、生体液３８が「満杯」になっている生体液カートリッジ１２を示す。図２（ｂ）では同じ生体液カートリッジ１２が「空」の状態になっているのが示されている。ここで、この実施の形態の「空」というのは、生体液３８の量の高さが、予め定められたパラメータの高さ４６、例えば１０μｍ、より低いということをいう。したがって、生体液自体は生体液カートリッジ１２内にまだ残っている。しかし、音響波方式液滴吐出装置１０の作動特性の面からは、一旦、生体液３８が既定レベルの高さ４６の外になると、信頼性をもって生体液滴を吐出することが不可能になる。この状況が起こるのは、音響波エネルギー３９の先端が生体液３８のメニスカスにフォーカスが合わず、液滴を吐出する程度に表面を乱すに十分なエネルギーがそのメニスカスに伝達されないからである。
【００１８】
したがって、生体液滴吐出装置を有用に作動させるため、生体液レベルを検出する構造を提供することが望ましい。が一方では、その対象となる生体液カートリッジが音響波方式液滴吐出機構内にあるのである。
【００１９】
図３は、生体液レベル検出機構５０の第一の実施の形態を示す。これにより、生体液カートリッジ１２が音響波方式液滴吐出機構１４内にあるにもかかわらず、生体液カートリッジ１２内の生体液３８のレベルを測定することができる。
【００２０】
生体液の液滴が生体液カートリッジ１２から吐出されるに応じて、生体液３８のレベルが変化する。生体液レベル検出機構５０はレーザ５２を備える。レーザ５２は、放射されたレーザビーム５４が生体液３８の上表面５６の所で反射されるように配置される。レーザ検出部５８は、第一レーザビーム検出器６０と第二レーザビーム検出器６２とを備える。第一レーザビーム検出器６０は、生体液カートリッジ１２が所定のレベル範囲内に生体液を保持している時に反射レーザビーム６４が第一レーザビーム検出器６０に当たるように、音響波方式液滴吐出装置に対して相対的な傾き角を持って位置決めされる。第二レーザビーム検出器６２は、生体液が適切な作動に許容されるレベル範囲外にある時に反射レーザビーム６６を検出する角度で、音響波方式液滴吐出装置に対して相対的な傾き角を持って位置決めされる。
【００２１】
第一レーザビーム検出器６０と第二レーザビーム検出器６２の出力はコントローラ６８に送られる。この情報は、レーザ５２と第一レーザビーム検出器６０、第二レーザビーム検出器６２の位置に関して予めプログラムされた情報に従って、生体液レベルを計算するのに用いられる。コントローラ６８が得た情報は、さらに生体液レベルを制御するのにも用いることができる。このことについては後に更に詳細に述べる。
【００２２】
図４（ａ），４（ｂ）は、レベル検出の第二の実施の形態を示す。特に、コントローラ７０は、電源７２の出力を制御し、フレネルレンズ２２を通して生体液３８の上表面８０に伝達される短いパルスの音響波７６を発生させる。コントローラ７０は、電源７２からの出力を制御し、短いパルスの音響波７６の強さが生体液滴の吐出をきたすには不十分なようにする。正確にいうと、短いパルスの音響波７６は放射された後、フレネルレンズ２２で検出される。この外向きの音響波７６は、図４（ａ）に示されるように、上表面８０に達し、次いでフレネルレンズ２２の方に反射波８４となって戻り、音響波７６の放射と反射を示すものとして、コントローラ７０に供給されるＲＦ信号を発生する。
【００２３】
音響波７６が上表面８０に達し更にフレネルレンズ２２に戻ってくるに要する時間が、生体液が適切なレベルにあるかどうかを決定するのに用いられる。この情報は、後に更に詳細に述べる、生体液レベルの調節にも用いられる。別の実施の形態として、供給される周波数を変化させて焦点距離を変え、音響波をメニスカス表面に保っておくことも可能である。
【００２４】
コントローラ７０には、音響波の速度、「満杯」のときの生体液カートリッジ１２内の生体液の深さ、生体液の粘度に関するパラメータ、およびその他の必要なパラメータが予めプログラムされており、音響波７６が音源から外向けに放射されてから反射波８４を受け取るまでの時間を決定するように設計されている。この情報を用いてコントローラ７０は生体液カートリッジ１２内の生体液レベルを計算する。この情報は以下で更に詳細に述べるレベル制御設計に用いられる。
【００２５】
別の実施の形態では、コントローラ７０は、戻ってくる音響波の振幅を検出する設計にすることもできる。検出された振幅は生体液のレベルに関連付けられる。特に、音響波の戻り信号である反射波８４は、振幅情報をも備えている。液の高さが適切なレベルになく、高すぎたり低すぎたりすれば、得られる振幅は期待値より低くなる。戻ってくる音響波の振幅は、液が液滴吐出作動に正しいレベルにある時にピークとなる。したがって、適切なレベルを決定するには、生体液の容積を変えて測定を行って戻ってくる音響波の振幅が最大の振幅に近いか、あるいはこれから離れているかどうかを測定する。液の追加または取り出しが行われたか、あるいは振幅の応答がどうであったかに従って生体液の増減の必要性を決定することができる。
【００２６】
図５は、生体液のレベル検出の更に別の実施の形態を示す。フレネルレンズ２２から放射する音響波のパルスがコントローラ８８に送られる。コントローラ８８は、受け取ったパルスを積算して数え、その値を、吐出される生体液各液滴の既知の平均容積と相互に関連付ける構成を持つ。コントローラ８８は次いで生体液カートリッジ１２内の生体液３８のレベルを推論して計算する。この生体液レベル情報は次いで生体液レベルを制御するのに用いられる。
【００２７】
生体液カートリッジ１２内の生体液レベル検出の実施の形態は、図３，４（ａ），４（ｂ），５以外に、他の構成も用いることができる。
【００２８】
前述したように、作動周波数を変えることによって、フレネルレンズ設計を用いて、放射された音響波の振幅を変えることが可能である。この能力を用いて、放射された音響波の振幅値を制御可能である。したがって、生体液を吐出しながら、新しい表面レベルを適切に検出するように音響波の振幅を許容範囲で調節することが可能である。この設計を行えば、新規の生体液の補給は、表面レベルがより低いということが検出されるまでする必要がない。
【００２９】
図６は、音響波方式液滴吐出機構１４内に挿入された生体液カートリッジ１２の位置を変える第一の実施の形態を示す。この位置の変化は、例えば、図３，４（ａ），４（ｂ），５に関連して示される技術による生体液レベル検出に対応して行われる。
【００３０】
生体液のレベルが望ましい範囲の外にあることが決定されると、生体液カートリッジ１２のレベルに調整が行われる。特に、チャンバ接続路９２経由でチャンバ３０に作動的に連通して配置されている補助液チャンバ９０が備えられる。生体液のレベルが許容範囲の外にあることが決定されると、プランジャ９６が駆動され、追加の音響波結合液９４がチャンバ３０に供給される。プランジャ９６は、コンピュータ駆動アクチュエータ９８で制御される高精度のプランジャを用いることができる。コンピュータ駆動アクチュエータ９８には、図３，４（ａ），４（ｂ），５に述べられたコントローラ６８，７０，８８のいずれか一つを経由して信号が送られる。プランジャ９６は内側に移動し、追加の音響波結合液９４をチャンバ３０内に強制注入し、生体液カートリッジ１２を上表面８０が許容できる高さ範囲内に確実に入るように、十分な量持ち上げる。
【００３１】
図７は、別の構造の生体液カートリッジ１２を用いる、生体液滴吐出装置１００の断面図である。生体液を保持する吐出液容器部１０４に加えて、主液容器部１０６を備え、ここから吐出液容器部１０４に液を供給する。吐出液容器部１０４と主液容器部１０６との間の接続は、液容器部間接続路１０８経由で行われる。この設計では、生体液が吐出液容器部１０４から吐出されるに従い、追加の生体液が主液容器部１０６から液容器部間接続路１０８経由で供給される。
【００３２】
生体液カートリッジ１０２は音響波方式液滴吐出機構１１０と一緒に作動する配置になっている。吐出液容器部１０４は、フレネルレンズ２２、ガラスの基板２０，トランスデューサ１６の上に配置され、作り出された音響波エネルギーが焦点に集められ、生体液滴が吐出されるに十分なエネルギーをもって、吐出液容器部１０４に伝達される。この設計を行う場合、音響結合流体のような結合層２４が設けられ、生体液カートリッジ１０２の底部には、十分な音響波エネルギーを吐出液容器部１０４に伝達することができるメンブレン１１２が形成される。
【００３３】
主液容器部１０６には補充孔１１４を通じて液が供給される。主液容器部１０６と液容器部間接続路１０８は、吐出液容器部１０４が空の時に、最初にこれに液を補充するのを助けるため、毛細管作用を用いる。その後、液滴が吐出液容器部１０４から吐出されるにつれて、表面張力が生体液を主液容器部１０６から吐出液容器部１０４へと引き込む。特に、吐出液容器部１０４のアパーチャ４５の寸法を、主液容器部１０６の補充孔１１４より十分に小さくするとともに、容器部の高さに起因する重力に打ち勝つように十分に小さくすることで、主液容器部１０６の生体液が吐出液容器部１０４に引き込まれる。
【００３４】
図８は、ワンピース型音響波方式液滴吐出装置１２０を示す。既に図１で示した音響波方式液滴吐出装置１０は、これと対比するとツーピース型音響波方式液滴吐出装置である。ツーピース型音響波液滴吐出装置と、ワンピース型音響波方式液滴吐出装置１２０との間の明確な違いは、生体液カートリッジ１２のシール３２を最早用いないことを含む。ツーピース型生体液滴吐出装置と違って、生体液カートリッジ１２２は、音響波方式液滴吐出機構１４の壁２６，２８と直接に接する外表平面１２６を備える側壁１２４を有する。したがって、壁２６，２８と生体液カートリッジ１２２との間の接続は永久的になる。このような接続の形成は、装置製造時に、少なくともリソグラフィー技法または既知の接着技術のいずれか一つを用いることで得ることができる。
【００３５】
更に別の実施の形態では、下部１２８をメンブレン１３０とともに取り除き、生体液３８がフレネルレンズ２２と直接に接することもできる。更にもう一つ別の実施の形態は、生体液カートリッジ１２２自体を取り除き、生体液３８を直接チャンバ３０に供給することである。この際はチャンバ３０が非汚染生体液保持領域として機能する。この設計では、汚染物フリー環境下でチャンバ３０へ生体液が満たされる。
【００３６】
図９は、生体液３８を望ましいレベルに維持するために、生体液カートリッジ１４０に追加の生体液を供給する実施の形態を示す。この実施の形態では、補助生体液保持チャンバ１４２がベローズ状構造をしており、内部１４４に生体液３８が満たされている。
【００３７】
レベル検出装置（例えば、図３，４（ａ），４（ｂ），５）から、吐出液容器部１４６内の生体液が望ましいレベルより低いことを指示する信号を受けて、高精度のプランジャ１４８が、コンピュータ駆動アクチュエータ１５０の制御の下で、内側に動き、補助生体液保持チャンバ１４２を圧縮する。この作用により、予め定められた量の生体液３８が吐出液容器部１４６に強制注入され、生体液メニスカス面１５２が許容範囲の有用なレベルに移動する。
【００３８】
図１０に、生体液チャンバ１６０に追加の生体液を供給する第二の実施の形態を示す。この例では、圧縮復元自在の補助液保持領域またはチャンバ１６２が、吐出液容器部１６４と流体的に連通している。生体液のレベルが液補充を必要とすることを指示するレベル信号を受けると、圧縮機構１６６が、コンピュータ制御のアクチュエータ１６８で起動され、圧縮復元自在のチャンバ１６２に内向きの力を加える。圧力は、吐出液容器部１６４に生体液を再供給し許容範囲の有用なレベルに達するよう、十分に加えられる。
【００３９】
図１１は、ワンピース型音響波方式液滴吐出装置１７０の別の実施の形態を示す。この図では、吐出液容器部１７２と主液容器部１７４とが、液容器部間接続路を介して流体的に連通している。生体液３８は、主液容器部１７４から吐出液容器部１７２に、図７に関連して述べたメニスカスにおける表面張力により供給される。トランスデューサ１６は、基板１７８の第一の表面部１８０に作動的に接続され、フレネルレンズ２２は基板１７８の第二の表面部１８２上に配置され、これらの構成要素は単一のワンピース型音響波方式液滴吐出装置１７０の一部として形成される。この実施の形態は、使い捨て的性格の単一構成要素なので、図７の結合層２４は要求されない。吐出液容器部１７２の内部では、生体液はフレネルレンズ２２と直接に接する。したがって、図７で用いられた音響結合流体は必要としない。主液容器部１７４は、補充孔１８３を通じて液が満たされる。
【００４０】
図１２は、ワンピース型ピエゾ電気式液滴吐出装置１９０の断面図である。吐出液容器部１９２は、液容器部間接続路１９６経由で主液容器部１９４に接続される。生体液は、補充孔１９８を通じて主液容器部１９４に供給される。ピエゾ式アクチュエータ２００は、吐出液容器部１９２の下部２０２に作動的に取り付けられる。吐出液容器部１９２を規定する上表面には吐出ノズル２０４が形成される。作動時において、ピエゾ式アクチュエータ２００は、電源２１０により駆動され、下部２０２と結合しユニモルフ構造板として、印加された電圧に応答し屈曲する。この例では、ユニモルフ構造板が吐出液容器部１９２の方に動く力が加えられて、吐出液容器部１９２の容積を変え、吐出液容器部１９２から吐出ノズル２０４を通して、生体液を生体液滴として吐出する。吐出ノズル２０４の寸法は、吐出される液滴の寸法に関する一つの制御因子である。
【００４１】
生体液滴が吐出液容器部１９２から吐出されるとき、吐出液容器部１９２に働いている表面張力によって、主液容器部１９４にある生体液が液容器部間接続路１９６経由で吐出液容器部１９２に引き込まれ、生体液レベルを再び元へ戻す。この実施の形態では、主液容器部１９４の内部の大きさは、長さが１ｃｍで、高さが２．５ｍｍである。ピエゾ電気式液滴吐出装置全体の幅は５ｍｍである。実施の形態の一つでは、主液容器部１９４に満杯の生体液の容積は５０〜１５０マイクロリットルにすることができ、吐出液容器部１９２中の生体液は５〜２５マイクロリットルにすることができる。両液容器部に入っている生体液の比は、２／１から最大１０／１の範囲にすることができる。他の状況ではこの比はもっと大きくすることもできる。生体液滴の体積はピコリットルの範囲にすることができる。
【００４２】
図１２で分かるように、ピエゾ式アクチュエータ２００に接続された下部２０２は、ワンピース型ピエゾ電気式液滴吐出装置１９０全体と一体構造となっている。この構造の場合、ワンピース型ピエゾ電気式液滴吐出装置１９０の生体液が空乏したとき、ワンピース型ピエゾ電気式液滴吐出装置１９０全体を廃棄することもできる。
【００４３】
図１３は、廃棄部分と再使用部分とを有する二体型のピエゾ電気式液滴吐出装置２２０の断面図である。廃棄部分は主液容器部２２２と吐出液容器部２２４とを備え、吐出液容器部２２４には、吐出ノズル２２６が結合されている。吐出液容器部２２４は、液容器部間接続路２３０経由で主液容器部２２２に接続されている。液容器部間接続路２３０を経由する主液容器部２２２から吐出液容器部２２４への生体液の送達は、吐出液容器部２２４に働いている表面張力によって行われる。また補充孔２３２が備えられる。
【００４４】
二体型のピエゾ電気式液滴吐出装置２２０の再使用部分は、電源２４２により電力が供給されるピエゾ式アクチュエータ２４０を含む。ピエゾ式アクチュエータ２４０は再使用可能なフレーム２４４の上に装着される。
【００４５】
吐出液容器部２２４の下面部はメンブレンとして形成され、再使用可能なフレーム２４４の上面部またはダイアフラムに接続される。ダイアフラムは、ピエゾ式アクチュエータ２４０に接合法または他の方法で接続される。ダイアフラムは、吐出ノズル２２６から生体液の液滴を吐出させるために、吐出液容器部２２４内に必要な容積変化を作り出すユニモルフ構造の一部分として作用する。吐出液容器部２２４のメンブレンは、再使用可能部分のフレーム２４４の変化を、廃棄部分に伝達する。
【００４６】
更に別の実施の形態では、再使用可能部分にフレキシブルなメンブレンを設け、その一方の側面部にピエゾ式アクチュエータを取り付け、生体液滴を吐出するのに必要な容積変化を起こさせる。トランスデューサ／メンブレンと接触する、結合液を入れる容器を製作することができる。この液は、トランスデューサにより誘起された容積変化を、異なる容器表面部上の第二のメンブレンに伝達するのを助ける。上記容器の端部構造は、再使用可能部分と使い捨て部分との間にハーメチックシールができるような構造とする。上記容器には、結合液から気泡を放出して取り除く手段が設けられる。容器の反対側の表面部は、使い捨て部分と一緒に組み立てる前は開いた状態である。
【００４７】
使い捨て部分と再使用可能部分との間にハーメチックシールが設けられ、再使用可能部分には結合液が満たされ、トランスデューサの容積変化を使い捨て部分に伝える。容積変化のコンプライアンスと吸収とを最小限に抑えるために、この液中のすべての気泡は、再使用可能部分の放出機構から放出することによって操作前に取り除かれる。
【００４８】
当業者なら理解できることであるが、他のピエゾ式アクチュエータ構造、例えば、バルクモードまたはせん断モード設計も本発明に関して用いることができる。
【００４９】
前述のように、必要な生体液レベルがシステム中で確実に維持される機能を有する構造が開示されている。別の実施の形態では、図４（ａ）と図４（ｂ）に関連して述べた概念を、新しく生体液を追加しないシステムに用いることができる。
【００５０】
実施の形態の一つでは、発生した音響波の調節という手段を用いてシステムの作動能力を拡張する。この実施の形態は、フレネルレンズ系、球レンズ系双方に適用可能である。
【００５１】
図４（ａ）と図４（ｂ）に注目する。コントローラ７０をアクチュエータの選択的駆動に用いるのではなく、液高さが所望のレベルにないことが決定されたとき、コントローラ７０は、振幅出力を増加または減少させる指示を電源７２に送る。この動作によって、音響波の焦点が調節され、実際のメニスカスの高さに焦点が合わされる。
【００５２】
更に別の実施の形態では、図４（ａ）と図４（ｂ）の概念を再び用いて液高さが所望のレベルにないことを検出する。その後、フレネルレンズを用いる場合は、特定の時刻の液高さに正確に焦点を合わせるための動作周波数の変更が、装置内で可能である。フレネルレンズの場合の焦点位置は、実質的に周波数の一次関数である。したがって、図４（ａ）と図４（ｂ）において、最初のステップは実際の生体液レベルの測定である。次に、コントローラ７０が動作周波数を調整して、実際にメニスカス表面が存在する箇所に焦点を移動させる。
【００５３】
前述の設計を用いれば、アクチュエータを用いないで済ますシステムを提供することもできる。むしろ、少なくとも周波数制御または振幅制御のいずれか一つを用いて、装置の作動に必要である適切な生体液レベルの範囲を拡大する。例えば、上記の振幅制御または周波数制御がなければ、適切な使用範囲は理想表面レベルの前後±５μｍとなる。しかし、振幅制御を行えば、この範囲は±１０μｍまで可能であり、更に周波数制御を加えれば±３０μｍまで広がる。
【００５４】
周波数制御および振幅制御の概念は、アクチュエータを使用せず単独で用いることもでき、より精密な制御をおこなうため、アクチュエータ概念と組み合わせて用いることもできる。
【００５５】
ピエゾ電気式液滴吐出装置では、初期動作では所望の液滴出力が作り出せないことがあるかもしれない。特に、吐出液容器部内に気泡が存在する場合は非球形の液滴あるいは適切な密度や寸法を有しない液滴が吐出されることがあるかもしれず、また液滴が全く作り出せないこともある。したがって、吐出装置の初期化操作が望ましい。
【００５６】
図１４は、本発明に用いることができる初期化接続または初期化機構２５０を示す。図１４に示されるように、初期化機構２５０は、吐出液容器部（１９２，２２４）から生体液を吐出する形状の吐出ノズル（２０４，２２６）の上方に配置される。操作では、使い捨て可能の初期化機構２５０として、吐出ノズル（２０４，２２６）の上を移動するロボット装置を用いることができる。初期化機構２５０は、真空ユニット２５４に接続された恒久使用の真空ノズル２５２を含む。恒久使用の真空ノズル２５２の周りに配置されるのは、エラストマー材または他の好適な材料で製造された使い捨て可能のチューブ２５６である。吐出ノズル（２０４，２２６）の上に配置された後、真空ノズル２５２は下向きに移動し、使い捨て可能のチューブ２５６を吐出ノズル（２０４，２２６）に軽く接触させる。真空作用により、吐出液容器部（１９２，２２４）から真空脱気する。
【００５７】
ロボット制御の液高さ検出センサ２５８は、生体液がノズルから外れたレベルに達した時を決定し、吐出液容器部内の空気が除かれたことを確実に保証する。初期化操作は、適切な最初の液滴吐出動作を可能にする。
【００５８】
図１５は、図１２のワンピース型ピエゾ電気式液滴吐出装置１９０と同様の設計の修正ワンピース型ピエゾ電気式液滴吐出装置２６０を示す。したがって、共通な構成要素には同一の符号を付し説明を省略する。しかし、ここに示された構成の修正ワンピース型ピエゾ電気式液滴吐出装置２６０は、初期化用開口部２６４を備える初期化用液容器部２６２を含む。初期化操作は、初期化機構２５０を初期化用開口部２６４上に移動することにより行われる。チューブ２５６を初期化用開口部２６４に合わせた後、真空圧力により、初期化目的に生体液を吸引する。この操作中、電源２１０は、吐出液容器部１９２内の生体液を吐出ノズル２０４まで上昇させるための、ピエゾ式アクチュエータ２００を駆動するパルスを発生する。
【００５９】
前述の諸々の実施の形態で述べた生体液カートリッジは、このような装置の単に代表的な設計にすぎず、カートリッジ構造にはその他多くの変形が可能である。
【００６０】
前述の説明は音響波方式液滴吐出装置と、ピエゾ電気式液滴吐出装置との実施の形態についてなされているが、本発明の概念は、他のタイプの液滴吐出機構にも拡張でき、また、生体液以外の、汚染を避けるのが有用である他の流体にも拡張できる。
【００６１】
更に、前記の説明に関する図は、本発明を図示するものではあるが、単に例示目的であるにすぎない。本発明の原理に従って、図示の実施の形態から多くの修正や適用を思考することができる。したがって、本発明の範囲は前記の特許請求の範囲で規定されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る音響波方式液滴吐出装置を示す図である。
【図２】 本発明の実施の形態に係る、生体液カートリッジ中のレベルを維持する概念の説明図である。
【図３】 本発明の実施の形態に係る、生体液のレベル検出機構を示す図である。
【図４】 本発明の別の実施の形態に係る、生体液のレベル検出機構を示す図である。
【図５】 本発明の別の実施の形態に係る、生体液のレベル検出を示す図である。
【図６】 本発明の実施の形態に係る、音響波方式液滴吐出機構内に挿入された生体液カートリッジの位置を変える実施の形態を示す図である。
【図７】 本発明の実施の形態に係る、別の構造の生体液カートリッジを用いる音響波方式液滴吐出装置の断面図である。
【図８】 本発明の実施の形態に係る、ワンピース型音響波方式液滴吐出装置を示す図である。
【図９】 本発明の実施の形態に係る、生体液カートリッジに追加の生体液を供給する実施の形態を示す図である。
【図１０】 本発明の実施の形態に係る、生体液チャンバに追加の生体液を供給する実施の形態を示す図である。
【図１１】 本発明の別の実施の形態に係る、ワンピース型液吐出装置を示す図である。
【図１２】 本発明の実施の形態に係る、ワンピース型ピエゾ電気式液滴吐出装置の断面図である。
【図１３】 本発明の実施の形態に係る、二体型のピエゾ電気式液滴吐出装置の断面図である。
【図１４】 本発明の実施の形態に係る、ピエゾ電気式液滴吐出機構の初期化機構を示す図である。
【図１５】 本発明の実施の形態に係る、初期化用液容器部を備える修正ワンピース型ピエゾ電気式液滴吐出装置を示す図である。
【符号の説明】
１０ 音響波方式液滴吐出装置、１２，１０２，１２２，１４０，１６０ 生体液カートリッジ、１４，１１０ 音響波方式液滴吐出機構、１６ トランスデューサ、１８，７２，２１０，２４２ 電源、２０，１７８ 基板、２２ フレネルレンズ、２４ 結合層、２６，２８ 壁、３０ チャンバ、３１，１２４ 側壁、３２ シール、３４ 深さ止め部材、３６，１１２，１３０，２４６ メンブレン、３７ 生体液カートリッジの下部、３８ 生体液、３９ 音響波エネルギー、４０ メニスカス、４２ 生体液滴、４３ 対象基板、４４ 蓋、４５アパーチャ、４６ 高さ、５０ 生体液レベル検出機構、５２ レーザ、５４レーザビーム、５６，８０ 生体液の上表面、５８ レーザ検出部、６０ 第一レーザビーム検出器、６２ 第二レーザビーム検出器、６４，６６ 反射レーザビーム、６８，７０，８８ コントローラ、７６ 音響波、８４ 反射波、９０ 補助液チャンバ、９２ チャンバ接続路、９４ 音響波結合液、９６，１４８ プランジャ、９８，１５０ コンピュータ駆動アクチュエータ、１００ 生体液滴吐出装置、１０４，１４６，１６４，１７２，１９２，２２４ 吐出液容器部、１０６，１７４，１９４，２２２ 主液容器部、１０８，１９６，２３０液容器部間接続路、１１４，１８３，１９８，２３２ 補充孔、１２０ ワンピース型音響波方式液滴吐出装置、１２６ 外表平面、１２８ 下部、１４２ 補助生体液保持チャンバ、１４４ 内部、１５２ 生体液メニスカス面、１６０生体液チャンバ、１６２ チャンバ、１６６ 圧縮機構、１６８ アクチュエータ、１７０ ワンピース型音響波方式液滴吐出装置、１８０ 第一の表面部、１８２ 第二の表面部、１９０ ワンピース型ピエゾ電気式液滴吐出装置、２００，２４０ ピエゾ式アクチュエータ、２０２ 下部、２０４，２２６ 吐出ノズル、２２０ ピエゾ電気式液滴吐出装置、２４４ フレーム、２５０ 初期化機構、２５２ 真空ノズル、２５４ 真空ユニット、２５６ チューブ、２５８検出センサ、２６０ 修正ワンピース型ピエゾ電気式液滴吐出装置、２６２ 初期化用液容器部、２６４ 初期化用開口部。

Claims (1)

1. 生体液滴を吐出する生体液滴吐出装置に用いる生体液レベル制御機構であって、
   生体液滴を吐出するのに用いられるエネルギーを発生するトランスデューサが設けられた生体液滴吐出機構と、
   生体液を保持し、前記生体液滴吐出機構との間の汚染を回避するために前記生体液滴吐出機構とは分離して設けられ、前記生体液滴吐出機構を作動すると、前記生体液が液滴状に制御されて吐出されるように前記生体液滴吐出機構に作動的に接続される生体液カートリッジと、
   前記生体液カートリッジ内の生体液のレベル高さを検出するレベルセンサと、
   を備え、
   前記レベルセンサが、所定のレベル以下の生体液のレベル高さを検出すると、少なくとも、前記生体液または前記生体液カートリッジまたは前記トランスデューサのいずれか一つに対し調整が行われ、
   前記レベルセンサが、予め定められたレベル以下の生体液高さレベルを検出すると、
   前記生体液カートリッジ内の前記生体液高さレベルまたは生体液カートリッジの高さレベルを、前記生体液滴吐出機構との関係で変更する生体液調整機構を、
   更に備えることを特徴とする生体液レベル制御機構。

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