JP4075810B2 - 液滴吐出装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、ＤＮＡプローブ分子の溶液からＤＮＡチップを製造する場合等に用いられる装置であって、各種液体を微小液滴として吐出して所定面上に付着させる液滴吐出装置に関する。

近年、遺伝子構造の解析方法の進歩が目覚しく、ヒトの遺伝子をはじめとして多数の遺伝子構造が明らかにされてきている。このような遺伝子構造の解析には、顕微鏡用スライドガラス等の上に数千から一万種以上の異なるＤＮＡプローブ分子を微小スポットとして整列・固定させたＤＮＡチップが用いられている。
このようなＤＮＡチップの製造における微小スポットの形成方法としては、各種の方法が提案されているが、いずれの方法であっても、ＤＮＡチップ製造の生産性向上すなわちＤＮＡチップ製造の高速化とＤＮＡチップによる判定精度の向上とが望まれている。判定精度向上のためには、ＤＮＡを含む液滴の濃度や量の精度管理が不可欠となる。
従来から、ＤＮＡプローブ分子溶液の微小スポットの形成方法の一つとして、インクジェット法を流用した方法が知られている。この方法によるＤＮＡチップの製造は、インクジェットヘッドの微細なノズルから、例えばＤＮＡプローブ分子溶液をＤＮＡ基体の所定位置に吐出させ、得られたプローブ溶液の付着スポットに乾燥等の処理を施すことで各スポット内のプローブを基体表面に固定する、という方法で行われる。

この種の用途に供される液滴吐出装置すなわちインクジェットヘッドとしては、特許文献１〜３に開示されたものがある。特許文献１および特許文献２では、ＤＮＡプローブ分子溶液の吐出のためにヘッドの流路の一部に熱エネルギー発生体を備えることが記載されている。特許文献３では、複数の部材を積層して液体用の流路を立体的に構成し、微小な液滴を吐出させるために圧電素子または電歪素子からなるアクチュエータを備えた液滴吐出装置が開示されている。
更に、図３に示すような、液体流路用の溝を形成された基板100と振動板２とを接合して液体流路（図では液流路）１を形成し、振動板２に貼着された圧電素子３をアクチュエータとするインクジェットヘッドもある。液体流路１は、液体の供給側から注入口11、液溜室12、絞り流路13、加圧室14、供給路15、ノズル流路16、ノズル17の流路要素で構成されており、加圧室14に対応する振動板２の外側表面に圧電素子３が貼着されている。駆動電源４からの駆動信号を切替手段５で切り換えて圧電素子３に印加し、ノズル17からインク滴を吐出させる。
特開平11−187900号公報 特開2002−238543号公報 特開2003−75305号公報

特許文献１および特許文献２に開示されている液滴吐出装置は、いわゆるバブルジェット（登録商標）ヘッドを用いている。この方式では、基板の液体流路の一部に発熱部が有り、この発熱部の前方に連通して液体を吐出するためのノズルがある。この発熱部に電気信号を加えると、発熱部が急激に発熱して昇温し、これに接している液体に気泡が発生し、その圧力で液体がノズルから吐出される。この方式はノズルを高密度に配置でき、その液体吐出量も4~50ピコリットル程度に制御できるという特徴をもっている。しかし、流路内に発熱部をもつが故に、熱で変化し易い性質をもつ液体には適用し難く、また、吐出可能な液体粘度も高々５cps前後以下であるため、適用範囲が限定されるという欠点をもっている。更に、液体の物性値に合わせてノズル毎に液滴吐出特性を違えるということは一般的には困難である。

特許文献３に開示されている液滴吐出装置は、液体の吐出源すなわちアクチュエータとして圧電素子または電歪素子を搭載したインクジェットヘッドを用いた液滴吐出装置である。このインクジェットヘッドは、ノズル板、キャビティ板、振動板等の少なくとも５~７層の部材を積層して立体的に液体流路を形成し、振動板の加圧室に対応する位置に圧電素子または電歪素子を貼着してアクチュエータとするものである。この方式では、注入口からノズルまでの液体流路をそれぞれに独立した液体流路とすることができるし、それぞれの液体流路を異なる形状（幅、長さ、深さ）にして、液体の物性値に対応させた液滴吐出特性を得ることもできる。しかしながら、何層もの部材を用いるので加工および接合工程が煩雑となり、ヘッドの形状も大型化してしまうという問題点を有している。
図３に示したインクジェットヘッドの場合は、構成が単純であり、液体流路およびそれに対応する圧電素子からなる液滴吐出手段を多数形成することは容易である。しかし、インクジェットヘッドに使用されるものは、形成される複数の液滴吐出手段のそれぞれの液滴吐出特性ができる限り揃うように作成されているので、これを異なる物性値をもつ複数の液体に適用するためには、図４に示すように、物性値の異なる液体の数に相当する別々の駆動電源、図４の場合には第1〜４の駆動電源4a〜4d、で駆動することが必要となり、装置の構成が複雑になり、コストも高くなる。

この発明の課題は、上記のような従来技術の問題点を解消して、簡単な部材構成で異なる物性値をもつ複数の液体に対応でき且つ経済性に富む液滴吐出装置を提供することである。

この発明による液滴吐出装置は、注入口から液溜室、絞り流路、加圧室、供給路、ノズル流路、ノズルまでの液体流路を形成するための流路溝を有する基板と、基板の流路溝側に接合されて基板の流路溝を液体流路とし且つ前記加圧室に対応する外側の表面に圧電素子を貼着された振動板と、が一体化されて、液体流路およびこれに対応した圧電素子で液滴吐出手段を構成し、前記圧電素子の駆動によって前記注入口から液体流路内に注入された液体を微小液滴として前記ノズルから吐出する液滴吐出装置であって、前記液滴吐出手段として、互いに独立であり且つ液滴吐出特性の異なるものを含む複数の液滴吐出手段を備えている。
この発明による液滴吐出装置は、基本的構成として、互いに独立であり且つ液滴吐出特性の異なるものを含む複数の液滴吐出手段を備えているので、組成や物性値の異なる複数の液体を同一ヘッドから容量の揃った液滴として吐出させることができる。

そして、請求項１の発明は、前記の異なる液滴吐出特性を、加圧室の面積および圧電素子の面積のいずれかの違いまたは両方の違いによって実現している。
この発明による液滴吐出装置は、加圧室の面積および圧電素子の面積のいずれかまたは両方を違えることによって加圧室における液滴吐出のための変位量および変位力を違えているので、物性値の異なる液体に対しても、その液滴吐出量をほぼ同等にすることができる。
また、請求項２の発明においては、前記の異なる液滴吐出特性を、絞り流路、供給路、ノズル流路およびノズルの内のいずれかまたはいくつかの形状の違いによって実現している。
絞り流路、供給路、ノズル流路およびノズルの内のいずれかまたはいくつかの形状を違えることによって、液体流路の流体抵抗を違えることができるので、物性値の異なる液体に対しても、その液滴吐出量をほぼ同等にすることができる。

この発明においては、基本的構成として、互いに独立であり且つ液滴吐出特性の異なるものを含む複数の液滴吐出手段を備えているので、組成や物性値の異なる複数の液体を同一ヘッドから容量の揃った液滴として吐出させることができる。しかも、この発明のヘッド部分は、「背景技術」の項で説明した図３と同様の構成であって、基板と振動版と圧電素子とからなる簡単な構成である。したがって、この発明によれば、簡単な部材構成で異なる物性値をもつ複数の液体に対応でき且つ経済性に富む液滴吐出装置を提供することができる。
そして、請求項１の発明においては、加圧室の面積および圧電素子の面積のいずれかまたは両方を違えることによって加圧室における液滴吐出のための変位量および変位力を違えているので、物性値の異なる液体に対しても、その液滴吐出量をほぼ同等にすることができる。
また、請求項２の発明においては、絞り流路、供給路、ノズル流路およびノズルの内のいずれかまたはいくつかの形状を違えることによって、液体流路の流体抵抗を変えているので、物性値の異なる液体に対しても、その液滴吐出量をほぼ同等にすることができる。

この発明の液滴吐出装置の特徴は、「背景技術」の項で図3を用いて説明したような、流路溝を有する基板と振動板と圧電素子との構成で、互いに独立であり且つ液滴吐出特性の異なるものを含む複数の液滴吐出手段を備えた液体吐出ヘッドを形成していることであり、また、圧電素子の駆動には、切換手段で切り換えた共通の駆動電源からの信号を用いることができることである。
以下において、この発明の最良の形態について実施例を用いて説明する。
なお、従来技術と同じ機能の部分には同じ符号を付ける。

この実施例は、個々の加圧室における液滴吐出のための変位量および変位力を違えることによって、個々の液滴吐出手段の液滴吐出特性を違えているものであり、このために、４つの独立な液体流路のそれぞれの加圧室の面積および圧電素子の面積を違えている。
図１は、この実施例の構成を示し、（ａ）は基板100aの平面図、（ｂ）は振動板２および圧電素子3等とその駆動手段の概念図である。なお、図１（ａ）においては、溝の部分にそれに対応する流路要素の名称を付けている。
この実施例は4つの独立した液体流路（図では液流路）１、1a、1bおよび1cを有しており、それぞれの液体流路１、1a、1bおよび1cは、注入口11から液溜室12、絞り流路13、それぞれの加圧室14、14a、14bおよび14c、供給路15、ノズル流路16およびノズル17までの連通した流路要素で構成されている。この実施例は、液体流路１等のための溝を形成された基板100aと、この基板100aの溝形成面側に接合されて溝を液体流路１等としている振動板２と、液体流路の加圧室に相当する位置の振動板２の表面に貼着されている圧電素子３等と、圧電素子３等を駆動する駆動電源４および切換手段５と、で構成されており、圧電素子３等の駆動によって、不図示の外部の液体供給源から各液体流路１等の注入口11へ供給され液体流路1等の内部に充填された液体をノズル17から液滴として吐出する。この液滴の吐出は、圧電素子３等のパルス駆動による振動板２の急激な撓みに伴う加圧室の急激な容積変化によるものである。すなわち、加圧室を形成している部分の振動板と圧電素子とがアクチュエータを構成している。

この実施例においては、個々の液体流路の加圧室がそれぞれ異なる面積を有し、それぞれの加圧室に対応する圧電素子も異なる面積を有しているので、個々の液体流路に対応する液滴吐出手段は、それぞれに異なる液滴吐出特性をもっており、この液滴吐出特性に対応する物性値の液体をそれぞれの液体流路に供給して同じ駆動電源で動作させると、それぞれのノズルから吐出される液滴の容量はほぼ同じとなる。
この実施例では、図1に示したように、それぞれに異なる面積の加圧室を有する4つの独立した液体流路を有し且つ加圧室の面積に対応した異なる面積の圧電素子を有する液滴吐出装置の場合を説明したが、液体流路の数を4つに限定する必要はなく、基板の両面に液体流路を形成して独立した液体流路の数を大幅に増やすこともできる。また、すべての加圧室や圧電素子の面積を違える必要もなく、吐出対象となる液体の中で物性値が同じものが含まれる場合には、同じ面積の加圧室および同じ面積の圧電素子を有する液滴吐出手段を複数箇所に備えればよい。更に、すべての加圧室の面積を同じにして圧電素子の面積だけで物性値の違いに対応させることもできるし、すべての圧電素子の面積を同じにして加圧室の面積だけで物性値の違いに対応させることもできる。

吐出対象となる液体がこの装置に注入される場合に、原液のままでなければならない、という可能性はそれほど高くないと考えられるので、原液のままでなくてもよい吐出対象液体に対しては、その物性値、例えば粘度、を調整可能な範囲で調整して、同一値に揃えることにより、液滴吐出手段に求められる液滴吐出特性のクラス分けを少なくすることが可能となり、規格化することも可能である。したがって、この実施例の加圧室の面積および圧電素子の面積は、このような点を勘案して設定されることになる。
基板100aの材質は特に限定されないが、微細な溝を精度よく加工でき且つ各種液体に優れた耐性を有し且つ液体を汚染しないという観点から判断すると、プラスチック類よりはシリコンやガラス、金属の方が好ましい。振動板２の材質は基板100aに接合（接着を含む）し易い材質であることが不可欠となる。特に、この発明の目的を達成するという観点から判断すると、基板100aにはシリコンを用い、振動板２には硼珪酸ガラスを用いるという組み合わせが最も望ましい。

なお、絞り流路13、加圧室15等、供給路16、ノズル流路16およびノズル17の溝形状と相互の寸法関係等は、吐出させる液体の物性値および目標とする吐出量や吐出速度等を勘案しながら、公知の解析シュミレーション等を援用することで決定することができる。

この実施例は、個々の加圧室の前後の液体流路の流体抵抗を違えることによって、個々の液滴吐出手段の液滴吐出特性を違えているものであり、このために、４つの独立な液体流路の両側の2つと内側の2つとで絞り流路の長さ及びノズル流路の長さを違えている。
図２は、この実施例の基板100bの平面図である。なお、図２においては、図1（ａ）と同様に溝の部分にそれに対応する流路要素の名称を付けている。
この実施例においては、両側の2つの液体流路（図では液流路）１の絞り流路13の長さに対して内側の2つの液体流路1dの絞り流路13aの長さを短くし、且つ両側の2つの液体流路１のノズル流路16の長さに対して内側の2つの液体流路1dのノズル流路16aの長さを短くしている。液体流路の流体抵抗は、加圧室への供給側では主に絞り流路の流体抵抗で決まり、加圧室からの後の部分では主にノズル流路の流体抵抗で決まる。このため、絞り流路の長さとノズル流路の長さとを短くすることによって、加圧室の両側の流体抵抗が低下し、より高粘度の液体を所定量の液滴として吐出させることができるようになる。図２の場合とは逆に、液体流路1dの絞り流路13aの長さを長くし、且つ液体流路1dのノズル流路16aの長さを長くすれば、より低粘度の液体を所定量の液滴として吐出させることができるようになる。

この実施例では、流体抵抗の値を絞り流路等の長さによって調節しているが、絞り流路等の幅や深さ、断面積でも調節できるから、これらによっても粘度等の物性値の異なる液体を所定量の液滴として吐出させることができる。
当然のことながら、供給路やノズルの形状によっても流体抵抗の値は変わるから、これらの形状を変えることで、程度の差はあっても同様の効果を得ることができる。
なお、実施例1と実施例2とを組み合わせることによって、吐出できる液体の物性値の範囲がより広くなる。

この発明による液滴吐出装置の実施例１の構成を示し、（ａ）は基板100aの平面図、（ｂ）は振動板２および圧電素子3等とその駆動手段の概念図 この発明による液滴吐出装置の実施例２の基板100bの平面図 従来技術によるインクジェットヘッドの一例の構成を示し、（ａ）は基板100の平面図、（ｂ）は振動板２および圧電素子3とその駆動手段を示す概念図 従来技術によるインクジェットヘッドの問題点を説明するための図

符号の説明

１、1a、1b、1c、1d 液体流路（図では液流路）
11 注入口 12 液溜室
13、13a 絞り流路 14、14a、14b、14c 加圧室
15、15a 供給路 16、16a ノズル流路
17 ノズル
２ 振動板
３、3a、3b、3c 圧電素子
４ 駆動電源
4a 第1の駆動電源 4b 第2の駆動電源
4c 第3の駆動電源 4d 第4の駆動電源
５ 切替手段

Claims (2)

1. 注入口から液溜室、絞り流路、加圧室、供給路、ノズル流路、ノズルまでの液体流路を形成するための流路溝を有する基板と、基板の流路溝側の面に接合されて基板の流路溝を液体流路とし且つ前記加圧室に対応する外側の表面に圧電素子を貼着された振動板と、が一体化されて、液体流路およびこれに対応した圧電素子で液滴吐出手段を構成し、前記圧電素子の駆動によって前記注入口から液体流路内に注入された液体を微小液滴として前記ノズルから吐出する液滴吐出装置であって、
   前記液滴吐出手段として、互いに独立であり且つ液滴吐出特性の異なるものを含む複数の液滴吐出手段を備えてなり、
   前記の異なる液滴吐出特性を、加圧室の面積および圧電素子の面積のいずれかの違いまたは両方の違いによって実現している、
   ことを特徴とする液滴吐出装置。
2. 注入口から液溜室、絞り流路、加圧室、供給路、ノズル流路、ノズルまでの液体流路を形成するための流路溝を有する基板と、基板の流路溝側の面に接合されて基板の流路溝を液体流路とし且つ前記加圧室に対応する外側の表面に圧電素子を貼着された振動板と、が一体化されて、液体流路およびこれに対応した圧電素子で液滴吐出手段を構成し、前記圧電素子の駆動によって前記注入口から液体流路内に注入された液体を微小液滴として前記ノズルから吐出する液滴吐出装置であって、
   前記液滴吐出手段として、互いに独立であり且つ液滴吐出特性の異なるものを含む複数の液滴吐出手段を備えてなり、
   前記の異なる液滴吐出特性を、絞り流路、供給路、ノズル流路およびノズルの内のいずれかまたはいくつかの形状の違いによって実現している、
   ことを特徴とする液滴吐出装置。

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