JP4435414B2 - 液体試薬吐出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は化学試薬や他の液体を、診断用試験片や臨床テストアレイを形成するための基板上に吐出するための方法と装置に関し、特に、受容膜、高密度マイクロウェル基板または他の適した容器上に高密度の“ドット”アレイおよび他のパターンを高速で正確に吐出できるように構成された方法と装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
医療従事者によって行なわれる様々な体液の臨床試験は、医療診断および様々な病気や健康状態の治療用として確立された手段である。このような試験は、医学的進歩により新たな病気の診断や治療方法が数多く開発されてゆくにつれ、ますます高度になってきている。
【０００３】
病気や健康状態の早期スクリーニングおよび診断を行なうための臨床試験が日常的に行なわれるようになったため、高度な技術を必要とせず、生理学関連の状態に関する情報を得る目的で、自身で行なうことができるよう、臨床試験方法の簡素化に対する興味が高まってきた。こうした試験は、健康管理専門家との相談を行なっても、あるいは行なわなくても実施することができる。現代行なわれているこの種の手順には、血液ブドウ糖試験、排卵試験、血中コレステロール試験、および尿中の絨毛膜性腺刺激ホルモンの有無を調べる現代の妊娠試験の基本となっている試験などが含まれる。研究や健康診断などのような一般的なスクリーニングや一般的な試験に対しては、他の試験または臨床方法が開発されてきている。例えば、こうした研究やスクリーニングは、高密度マイクロウェル基板上に流体サンプルの液滴を多数載置することによる平行試験(parallel testing)によって行なうことができる。
【０００４】
臨床化学において最も頻繁に使用される装置のうちの１つに試験片またはディップスティックがある。これらの装置は、コストが低く、使用法が簡単であるのが特徴である。試験片に含まれている様々な試薬がサンプル内に存在する１つ以上の被検体と反応して検出可能な信号を提供するのである。
【０００５】
ほとんどの試験片は、発色性であるため、サンプルの所定の可溶性成分が特定の試薬と反応して成分の有無の定性的な表示として特定の着色化合物を形成するか、あるいは、存在する成分の量の定量的表示として色彩強度が変わる着色化合物を形成する。これらの信号は、目視または特別に較正した機械によって測定または検出することができる。
【０００６】
例えば、尿のサンプル内における白血球細胞、エステラーゼまたはプロテアーゼの有無または濃度を判定するための試験片には、エステラーゼまたはプロテアーゼによる加水分解の結果としてアルコール生成物を生成する発色性エステル類を使用する。発色性エステルは、もともとアルコール加水分解生成物とは色が異なる。よって、発色性エステルの加水分解による色の変化を利用して、白血球細胞の存在または濃度と関連するエステラーゼまたはプロテアーゼの存在または濃度を検出する方法が開発されたのである。色の変化の程度や強度は、尿中で検出された白血球エステルまたはＨＬＥの量に比例する。米国特許第５，４６４，７３９号を参照のこと。
【０００７】
このような診断試験片や他の臨床スクリーニング法が臨床試験や一般的な健康管理の方法として出現し、受け入れられてきたため、数多くの質診断試験片や臨床スクリーニング製品が開発されてきた。さらに、これらの製品の利用可能範囲は、将来も確実に増加すると思われる。
【０００８】
試験片を使って定量的および定性的測定を行なうため、試験片基板上に試薬を正確に、かつ均一に載置および分配することが重要である。化学的現象は、非常に敏感であり、医療を首尾よく実践するにあたり、試験システムが可能な限り正確であり、精密である必要がある。自動化システムを使用する場合には、試験片の信頼性が高く、測定結果が定量的に正確であるということが特に重要である。
【０００９】
場合によっては、試薬の正確なパターンまたはドットアレイ（連続的または非連続的）を、異なる試薬を含む、および／または試薬の濃度が異なる試験片上に生成するのが必要、あるいは望ましい場合がある。例えば、試験片によっては、１列に配置された複数の試験領域を有し、単一の試験片を使って複数の試験を行なうことができるものもある。例えば、米国特許第５，１８３，７４２号では、１種類の体液のサンプルに対して様々な試験を同時に実行するための、横に並んだ複数の検出領域または帯域を有する試験片を開示している。このような試験片は、例えば、単一の血液サンプルのブドウ糖、たんぱく質、およびｐＨのレベルを判定する場合に使用する。
【００１０】
このようなパターン（特に重複している場合および／または複雑なパターン）を使用する場合、そのパターンが各基板上に正確に、反復的に載置され、被試験サンプルおよび／または同じあるいは別の片割れの基板または覆い上に載置される他の試薬パターンと正確に位置合わせすることが重要である。正確な位置決めは、自動ピック・アンド・プレイス(pick-and-place)（吸引および吐出）流体処理システムを使用する際にも必要である。しかし、このように正確に反復して基板上に試薬または他の流体を吐出するのは、非常に困難な作業である。試薬の粘性や他の流動特性、基板や他の試薬との反応性などは、試薬によって異なり、同じ試薬でもロットによって異なる。試薬濃度や他の所望の特性を均一に維持しながら鮮やかな線や他の幾何学的形状を形成させるように吐出装置を制御するのは、困難であることが多い。特に、同じ、または異なる基板上に試薬パターンを載置する際に正確性、精密性を実現するのは特に困難である。この場合も、主に試薬や基板の性質によって変わる。
【００１１】
現在利用可能な吐出方法および設備は、特に高速製造の規模を、要求される正確性または精密性のレベルまで上げるには限度がある。例えば、従来の試薬吐出装置には、プログラム可能なＸ，Ｘ−Ｙ，またはＸ−Ｙ―Ｚテーブルまたはキャリッジに取り付けた、あるいは付随する電磁バルブ吐出ヘッドが備え付けてある。テーブルの動作は、ディスペンサの操作と調和するように電子で制御し、ディスペンサがＸ−ＹテーブルのＸおよびＹ軸の位置によって決められた基板上の多くの位置のうち、どの位置にでも試薬または他の流体の液滴を１滴以上吐出できるように構成することができる。操作中は、Ｘ−Ｙテーブルは、基板または吐出ヘッドを所望の位置まで移動させ、停止して、ディスペンサに所望の量の試薬を基板上の所望の位置に吐出させる。吐出操作が完了すると、Ｘ−Ｙテーブルは、次の位置に移動し、パターンを完了するのに必要な数の位置に対して同じステップを繰り返す。
【００１２】
このような、それぞれの吐出操作の後にＸ−Ｙテーブルを停止および始動するステップは、それぞれのサイクルが完了するたびにシステムの整定時間が必要なため、時間がかかる。テーブルが所望の位置で停止するように指示を受けるたびに、テーブルまたは搬送プラットフォームを停止させ、システム内の調和エネルギーを分散させるのにある程度の時間がかかる。この整定時間は、搬送プラットフォームの質量や他のシステム特性により、場合によっては、数百ミリ秒以上もかかる。このような遅延は、数滴または数箇所の吐出位置しかない吐出パターンの場合には重要ではないが、数千またはそれ以上の個別のドットや吐出位置からなる複雑または高密度な試薬パターンを使用する場合には、この遅延は非常に大きい。そのため、生産速度やこのような設備の生産量を大きく、そして、不本意に制限することとなる。
【００１３】
従来の“停止／前進”吐出装置および方法は、正確性および精密性の観点からいっても望ましくない。各吐出操作の前に割り当てる適当な整定時間を決定するため、統計的研究を行なうこともできるが、システムには容易に予測または制御できない多様性がある。例えば、Ｘ−Ｙテーブルは、不均一な磨耗や注油により、ある位置、あるいはある範囲において異なる制動係数を有する場合がある。その場合、割り当てられた整定時間が一部の吐出位置において短すぎて、システムを完全に停止させることができず、正確性および精密性が損なわれる。しかし、整定時間を長く割り当てると、さらに生産速度が下がり、その場合でも、システムにおける他の多様性または統計的な多様性でさえも、同じような劣化作用を引き起こさないという保証はできない。
【００１４】
また、Ｘ−Ｙテーブルまたは搬送プラットフォームにおけるある一定の量のヒステリシス作用または“遊び”（過分な磨耗によるものなど）がある場合もあり、これによって従来の停止／前進吐出法を使った場合に、吐出プラットフォームがさらに不正確となる場合もある。これは、搬送プラットフォームが特定のＸ−Ｙ位置で停止するように指示された場合に行過ぎて、例えば、テーブルが停止前にどの方向に、どの速度で走行していたかにより、僅かに異なる位置に停止する傾向にあるからである。この状態は、このような反復した停止／前進吐出操作によって引き起こされる過分な磨耗や裂けなどにより、さらに悪化する。こうした欠点は、Ｘ−Ｙテーブルに対する適当な保守と制御で緩和させることもできるが、仕事がますます困難になる。
【００１５】
このような重大な問題や制限以外にも、現在の吐出装置および方法は、複雑な試薬パターンが望まれる場合に使用するのは困難な場合が多い。それは、所望のパターンを達成するには、Ｘ−Ｙテーブルと吐出ヘッドを一般的に手動でプログラム化し、使用者が調整して所定の一連のステップおよび／または吐出操作を行なわなければならないからである。これは、時間がかかる反復的な作業である。
【発明の要約】
【００１６】
従って、これら制限の一部もしくはすべてを克服し、改良された吐出装置と、基板、マイクロウェル板もしくは他の受容面や容器上に様々な所望のパターンの試薬を正確にかつ精密に吐出するための方法を提供することにある。正確および精密とは、結果として得られたパターンが被試験サンプルまたは自動化“吸引および吐出”流体処理システム、および／または同じまたは別の基板または覆いの上に載置された他の試薬パターンと正確に位置合わせすることができるということである。また、本発明は、吐出装置の磨耗や裂けを最低限に抑えながら高速吐出操作中に高レベルの正確性および精密性を実現する機会を提供する。また、本発明は、使用者が手動でディスペンサまたはそれに付随するＸ−ＹまたはＸ−Ｙ−Ｚテーブルのプログラムを組む必要がなく、多数の使用者が決定したパターンの何れかを基板上に吐出できる吐出装置および方法を提供する。
【００１７】
【発明の開示】
本発明の１実施形態は、一般的に吐出ヘッドがＸ，Ｘ−ＹまたはＸ−Ｙ−Ｚテーブル上に固定された、またはそれに付随する吐出装置を提供している。この吐出ヘッドは、入口側端部と出口側端部を有し、第１の信号に呼応して液体試薬の液滴を基板上に吐出する。テーブルは、第２の信号に呼応して基板と吐出ヘッドに相対的Ｘ，Ｘ−ＹまたはＸ−Ｙ−Ｚ動作を起こす。コントローラは、所望の試薬パターンを表すデータを受取り、第１と第２の信号を出力および調整して基板と吐出ヘッドを相対的に移動させると同時に、吐出ヘッドに液体試薬の液滴を基板上の１箇所以上の所望の位置に吐出させ所望の試薬パターンを形成するように構成されている。容積式ポンプまたは他の直流流体源を吐出ヘッドと直列に並べ、吐出ヘッドに供給される液体試薬の量または流量を正確に調整させるように構成することができる。任意で、コントローラは第１と第２の信号の間の位相遅れまたは進みを調整して基板と吐出ヘッドの間の相対的動作の大きさ、すなわち吐出ヘッドと各液滴の予想軌道との間の距離を補償する。
【００１８】
本発明のもう１つの実施形態では、受容基板上に液体試薬を吐出するための高速精密吐出装置を提供している。この装置は、一般的にディスペンサと、可動テーブルもしくはキャリッジと、コントローラを備えている。ディスペンサは、第１の信号に呼応して、液体試薬の液滴を受容基板上に吐出する。テーブルまたはキャリッジは、第２の信号に呼応して、基板とディスペンサとに相対的なＸ、Ｘ−Ｙ、またはＸ−Ｙ−Ｚ動作を行なわせる。コントローラは、所望の試薬パターンを表すデータを受取り、第１と第２の信号を送信して基板とディスペンサとの間で相対動作を行なわせ、同時にディスペンサに基板上の１箇所以上の場所に液体試薬の液滴を吐出させて所望の試薬パターンを形成する。また、コントローラは、第１と第２の信号の間の位相遅れまたは進みを調整して基板と吐出ヘッドとの間の相対動作の大きさ、すなわち各液滴の予想軌道と所望する吐出位置を補償する。任意に、容積式ポンプまたは他の直流流体源を吐出ヘッドと直列に並べ、吐出ヘッドに供給される液体試薬の量または流量を正確に調整する。シリンジは、好ましくは第１と第２の信号と同期をとる第３の信号に呼応する。
【００１９】
本発明のもう１つの実施形態では、液体試薬を受容基板上に高速で正確に吐出する方法を提供している。この方法は：
（１）所望の試薬パターンを表すデータを受取るステップと；
（２）第１の信号をテーブルまたはキャリッジに送信して基板とディスペンサの間で相対的Ｘ、Ｘ−Ｙ、またはＸ−Ｙ−Ｚ動作を行なわせるステップと；
（３）第２の信号をディスペンサに送信してディスペンサに液体試薬の液滴を受容基板の所定の箇所に吐出させ、所望の試薬パターンを形成するステップと；
（４）第１と第２の信号の間の位相遅れまたは進みを調整して所望するように滴下をオフセットし、また／あるいは基板と吐出ヘッドの間の相対的動作の大きさ、すなわち各液滴の予測軌跡を補償するステップとを含む。
【００２０】
この方法は、任意で、さらに第３の信号をポンプ装置に送り、一定量の液体試薬をディスペンサに供給するステップを含み、ポンプ装置は、ディスペンサと直列に液圧式に配置されており、ディスペンサに供給された液体試薬の量または流量を独立して調整する。
【００２１】
本発明と従来の技術に対して達成した利点を要約する目的で、本発明のある目的と利点についてこれまで説明してきた。もちろん、これらの目的または利点のすべてが本発明のいずれか特定の実施形態によって必ず達成できるとは限らないことは理解できよう。しかし、例えば、当業者にとっては、本発明をここで教示または提案できる他の目的や利点を必ずしも達成できなくとも、ここで教示したある利点または利点の群を達成または最適化できるように実施または実行できることは理解できよう。これらの実施形態はすべてここで開示した本発明の範囲内に含まれるよう意図したものである。本発明のこれら、そして他の実施形態については、当業者にとっては、後に図面を参照しながら詳しく説明する好ましい実施形態から明らかであろう。なお、本発明は、ここで開示している特定の好ましい実施形態に限られるものではない。
【００２２】
（発明を実施するための最良の形態）
ここで引用している米国特許第５，７３８，７２８号、第５，７４３，９６０号、および第５，７４１，５５４号では、まず、試薬吐出装置の概念と容積式シリンジポンプを電磁バルブディスペンサや圧電ディスペンサのような液体ディスペンサと組合せて使用する、改良された吐出操作の実行方法を開示している。シリンジポンプは、所定のディスペンサへの試薬の量または流量を計測して、吐出される液体試薬の量または流量を調整する。同時に、備え付けのＸ、Ｘ−Ｙ、またはＸ−Ｙ−Ｚテーブルを制御して、基板をディスペンサの操作と調和させて移動させ、例えば、実質的に液体試薬の特定の流動特性またはディスペンサの特定の操作パラメータ（所定の範囲内）とは関係なく、基板の単位長さ毎に塗布する試薬の量の面から、試薬の濃度を制御できるように構成されている。
【００２３】
本発明以前は、温度、湿度の変化または試薬の粘性や他の特性により、生産流量が吐出操作中にしばしば変動した。これにより、ロット間の試薬の被覆濃度や被覆パターンのばらつきが発生するという好ましくない結果が起きた。よって、従来の試薬吐出装置は、常に監視を続け、試薬圧力、バルブのデューティサイクルおよび周波数のような様々な入力パラメータを頻繁に調整して所望の出力を維持しなければならなかった。しかし、例えば特定の所望の流量を維持するためにこれらの入力パラメータのいずれかを調整することによって、液滴の寸法、液滴の速度または周波数のような他の関連する出力パラメータにも影響を及ぼす。その結果、仮にそのような操作点に到達することができたとしたら、その所望の操作点に到達するまでには、多くの試行錯誤の調整が必要となる。
【００２４】
ディスペンサと直列に容積式ポンプを設けることにより、吐出される液体の特定の流動特性および／または特定のディスペンサの操作パラメータとは関係なく試薬の量や流量を制御することができるため、これらの問題の多くが解決できる。例えば、ディスペンサが形成する液滴の寸法は、操作周波数を変更することによって（電磁バルブまたは圧電ディスペンサの場合）、また、気圧や出口の穴の寸法を調整することによって（エアブラシディスペンサの場合）、試薬の流量に影響することなく、調整することができる。また、試薬の流量は、通常ならば、安定した吐出操作を達成するのに必要なシステムの操作パラメータとは実質的に関係なく制御することができる。吐出される試薬の量または流量は、容積式ポンプによって独立して制御または調整することができる。このように、本発明によると、液体の計量と吐出の改良された方法のみならず、以前は不可能であった新しい寸法のディスペンサ操作および制御も可能となっている。
【００２５】
これらの初期の発明が、他のそれに付随する開発と共に販売され、受け入れられると、高処理ドラッグ(high-throughput drag)および／または一般スクリーニング、医学研究および他の顧客による適用方法などのようなさらに複雑な適用方法にも試験片やディップスティックを使用してみようという新しい関心が湧き上がった。このような試験片を生産レベルで製造しても商業的に成り立つであろうという見込みによりさらに試験片自体や、さらに、それに付随する臨床化学やその基礎となる診断の技術的進歩に拍車をかけた。このような進歩により、さらに、商業的および臨床的受け入れが高まり、様々な分野において、このような試験片が家庭用および臨床用として経済的に成り立つ可能性をさらに高める結果となった。
【００２６】
本発明は、高速吐出装置と、試薬を基板または他の受容面または容器にさらに正確に反復的に吐出する方法を提供することにより、これらの初期の製品をさらに改良し、拡大した。開示されている装置および方法は、正確で迅速な――すなわちＸ−Ｙキャリア・プラットフォームを交互に停止および始動する必要がない吐出法を可能にしているため、試薬の複雑および／または高密度パターンを吐出できるという特別な商業的利点を有している。その結果、試験片１個当たりの生産時間や操作コストを大して上げることなく、より密度の高い“ドット”や、さらに複雑なパターンでさえも、吐出可能となった。これらの特徴と利点は、ディスペンサ装置と、吐出操作をＸ−Ｙテーブルや他の類似したプラットフォームの動作とうまく調和させた特別な構成の制御システムと組合せることにより、可能となった。
【００２７】
（システムの概要）
図１は、本発明による特徴と利点を有する吐出装置１０８の１実施形態を表した外観略図である。吐出装置１０８は、一般的にソレノイドのようなアクチュエータによって作動するバルブまたは他の吐出手段２０４を有する吐出ヘッド１２８を備えている。吐出ヘッド１２８は、Ｘ−Ｙテーブルもしくはガントリー１１０上にあるいは付随して取り付けられている。Ｘ−Ｙテーブル１１０には、吐出ヘッド１２８および／またはキャリア・プラットフォームまたはテーブル１１２を、図示の如く、互いに相対的にＸ、Ｘ−Ｙ、またはＸ−Ｙ−Ｚ方向に移動させることができる１つ以上の位置ステッパモータ１２３，１２４などが備えられていることは、当業者によって明らかであろう。図には単一の吐出ヘッド１２８のみ示しているが、直線状もしくは二次元アレイに並んだ、同等またはより効果的な複数の吐出ヘッドを使用することが可能であることは想像できよう。これらは、図２（すなわち多組操作）に示したように並列に、あるいは他の同等の方法に設け、操作することができる。
【００２８】
容積式ポンプまたはシリンジポンプ１２０のような他の直流流体源が第１の１方向逆流止めバルブ１４５を介して液圧式に流体タンク１１６に連結されている。図１に示すように、シリンジポンプ１２０は、流体１３０を流体タンク１１６から吸込み、それを第２の逆流止めバルブ１４５を介して吐出ヘッド１２８まで供給する。シリンジポンプ１２０は、例えば、ステッパモータとそれに付随する親ねじを備えたシリンジポンプ駆動装置１４２によって作動し、ピストン１１８をシリンジバレル３６２の中で伸張、収縮する。当業者は、ピストン１１８が収縮した時に試薬１３０がタンクからシリンジポンプ１２０の中に吸込まれるということは容易に理解できよう。ピストン１１８が再び伸張すると、試薬１３０は、シリンジバレル３６２から供給管１５０を介して吐出ヘッド１２８の中に流れ、吐出ヘッド１２８によって基板１１１上に液滴１３１の形状で吐出される。
【００２９】
コントローラ１１４は、ポンプ１２０、Ｘ−Ｙテーブル１１０（またはＸ、あるいはＸ−Ｙ−Ｚテーブル）、吐出ヘッド１２８の操作を監視する。特にコントローラ１１４は、ステッパモータ１２３および１２４の各々、およびシリンジポンプ駆動装置１４２の動作を調整および制御すると同時に吐出バルブ２０４の開閉を制御して一定の量の試薬を基板１１１上の所定の箇所に正確に吐出させる。上記の様に、この吐出操作は、迅速に、すなわちＸ−Ｙテーブルの動作を止めることなく、行なわれる。正確性、精密性、または反復性において妥協することなくこの迅速な吐出を実現するため、１１４は、各吐出サイクルに対する位相調整を計算する。位相調整は、バルブの開閉のタイミングを進ませる（あるいは遅らせる）もので、その予測軌道を考慮して、吐出された試薬１３１の液滴が基板１１１上の所望の箇所（あるいは所望のずらした箇所）に落ちるようにする。
【００３０】
当業者は、必要なあるいは所望する位相調整の大きさは、とりわけ、（あれば）所望の滴下オフセット、吐出ヘッドノズル２０５と基板１１１の表面との間の距離、吐出ヘッド１２８および／または基板１１１の相対的速度および／または加速、吐出液滴の速度、大気温度および湿度、および他の制御された、そして／あるいはされていない要素等を含む、数多くのシステム入力および出力パラメータと動作特性に依存することが理解できよう。パラメータまたは特性の一部を切り離し、あるいは研究することによりその必要な位相調整に対する効果がかなり予測可能であるが、他のパラメータまたは特性を、切り離すことも予測することもできない。しかしながら、本発明は、長い製造期間中、ずっと高度の正確性、精密性および反復性が得られるように、正確な位相調整を製造前または製造中に実験的に決定し、所定の製造セットアップを行なうことができるように意図したものである。コントローラ１１４の構造と操作については、図７〜図１０に基づいて後にさらに詳しく説明する。
【００３１】
［電磁バルブディスペンサ］
本発明は、エアブラシディスペンサ、圧電ディスペンサ、電磁バルブディスペンサなど、数多くの市販されている試薬ディスペンサのうちいずれを使用しても実行できる。しかし、一般的な適用方法では、電磁バルブディスペンサが好ましい。図３は、図１または図２の実施形態のいずれかで使用できる電磁バルブ吐出ヘッド１２８の断面図である。特定の吐出ヘッドを選択するのは、本発明の実施に大して重要ではないが、ここで教示する内容に従って使用した場合、電磁操作バルブディスペンサ１２８がよい結果をもたらすことが判明している。ここにおいても、他のタイプのディスペンサおよびバルブ操作装置があり、効果的に使用できるということは当業者にとって明らかであろう。これらには、例えば、ブラシディスペンサ、圧電ディスペンサ、流体インパルスディスペンサ、熱操作ディスペンサなどが含まれるが、これらに限られたものではない。
【００３２】
図３に示したタイプの電磁バルブディスペンサは、一般的にインクジェット印刷に使用されており、コネチカット州、ウェストブルックのリー・カンパニーなどから入手可能である。このディスペンサ１２８は、一般的に電磁部２０２と、バルブ部２０４とノズル部２０５とからなる。電磁部２０２は、電磁コイルまたは巻線２０６、静止コア２３８、および可動プランジャ２４０を備えている。静止コア２３８および可動プランジャは、中空の円筒形スリーブ２４１内に配設されており、好ましくは、少なくともスリーブ２４１の内壁からわずかな隙間を形成し、その間を吐出される試薬１３０もしくは他の液体が流れることができるような環状の通路２４２を形成している。静止コア２３８および可動プランジャ２４０は、鉄または鉄合金などのような磁性材料から形成されており、小さい間隙２４４によって分離されているのが好ましい。電磁コイル２０６が付勢されると、磁界が生まれ、プランジャ２４０が上方向の静止コア２３８に向かって引き上げ、間隙２４４を閉じて、バルブ２３４を開くことは、当業者によって理解できよう。
【００３３】
バルブ部２０４は、開口穴２５４を有するバルブシート２５２と、バルブシート２５２に対して密閉するように構成されているバルブフェース２５８を有するストッパ２５６を備えている。ストッパ２５６は、プランジャ２４０と電子機械的に連通しており、コイルばね２６０を介してバルブシート２５２に向かってばね偏向されている。プランジャ２４０が上下に移動すると、バルブ２３４がそれに従って開閉するということは当業者にとって容易に理解できよう。さらに、バルブ２３４が開閉するたびに、一定の量の液体がバルブの開口穴２５４を通って逃げる。これにより、エネルギーパルスまたは圧力波が生成され、液体の滴をノズル先端２５９の出口穴２６１から吐出させるのである。
【００３４】
従来は、所定の一定圧力を有する加圧タンク（図示せず）を使用して、バルブ２３４が開いている時間（あるいは“デューティサイクル”）、試薬または他の液体を、バルブ開口穴２５４を介して押出していた。このような構成で、制御された状態では、このようなディスペンサは、最小滴寸法が約３０〜３５ナノリットルでその反復性が±２％と低かった。液滴寸法は、タンクの圧力、バルブの開放時間またはデューティサイクル、および吐出される特定の試薬または液体の粘性や他の流動特性などのようなシステム操作パラメータによって決定する。もちろん、ノズル２５９やノズル開口２６１の寸法などのような固定パラメータも液滴寸法や反復性に関してバルブの操作特性に重要な役割を果たす。しかし、一般的には、液滴寸法は、タンク圧とバルブ開放時間を増加することによって大きくなる。
【００３５】
本発明の特に好ましい実施形態によると、容積式ポンプ１２０（図１参照）を電磁バルブディスペンサ１２８と直列に設けている。吐出システムをこの様に構成することにより、電磁バルブディスペンサ１２８が、単に液圧式に直列に配置された容積式ポンプ１２０によって決定した一定の量および／または流量の試薬を受け入れて吐出するようになる。例えば、シリンジポンプに、一定の率で電磁バルブディスペンサ１２８に毎秒１マイクロリトルの流量の試薬を分配するように指示することができる。バルブストッパ２５６が所定の周波数およびデューティサイクルで開閉するので、所望の流量にぴったり適合した１連の液滴が形成されるのである。シリンジポンプは、システム全体に対して強制機能を有しており、吐出バルブのデューティサイクルまたは周波数とは関係なく、所望の流量を維持できる。
【００３６】
有利なことに、ある一定の操作範囲内においては、単に電磁バルブディスペンサに設けられた付勢パルス１８２（図１）の周波数および／またはデューティサイクルを変えることにより、液滴の周波数および／または速度を試薬の流量に影響せずに調節することができる。もちろん、安定した液滴形成を達成するにはバルブの開放時間やデューティサイクルにも物理的な限度はある。開放時間が流量に対して短すぎる場合には、圧力が上がり、バルブディスペンサ１２８の適切な機能を阻止する可能性がある。開放時間が流量に対して長すぎると、液滴形成が阻まれるか、もしくはそれぞれの開閉周期ごとの均一性を保てなくなる可能性がある。やはり、シリンジポンプ１２０によって提供される試薬１３０の所定の流量に対しては、安定した吐出操作が所望の流量および液滴寸法で達成できる、ある一定の範囲の適した周波数および／またはバルブ開放時間、あるいはデューティサイクルがある。この範囲は、所定の生産セットアップに対し、実験的に決定することができる。
【００３７】
［シリンジポンプ］
図４に示すように、適したシリンジポンプ１２０は、一般的に所定の容量のシリンジ枠３６２と、シリンジ枠に対してＯリングなど（図示せず）で密閉したプランジャ１１８とを備えている。プランジャ１１８は、基礎支持部（図示せず）に取り外し自在にねじ込むように構成された親ねじ部３６８を有するプランジャシャフト３６６に機械的に係合している。プランジャシャフト３６６の親ねじ部３６８が回転すると、プランジャ１１８が軸方向に変位し、試薬１３０をシリンジ枠３６２から出口管３７０へ強制的に送り込むということは、当業者によって容易に理解できよう。親ねじ３６８を駆動するため、適したモータまたは機械的アクチュエータを何台でも使用することができる。好ましくは、ステッパモータ（図１）または他の増分または連続アクチュエータ装置を含むポンプ駆動装置１４２を使用して試薬１３０の量および／または流量を正確に調整できるように構成する。
【００３８】
数種類の適したシリンジポンプが市販されている。このようなシリンジポンプには、例えば、カリフォルニア州、アービンのバイオドット社から入手可能なバイオドットＣＶ１０００シリンジポンプディスペンサがある。このシリンジポンプには、電子制御のステッパモータが組込まれており、様々な寸法のシリンジを使用して正確な液体処理を行なう。ＣＶ１０００は、ＤＣ２４ボルトの電源から電力供給を受け、工業規格ＲＳ２３２またはＲＳ４８５バスインターフェースを介して制御される。シリンジポンプは、３，０００から２４，０００ステップのいずれでもよいが、４８，０００ステップ以上の分解能を有するポンプを使用すれば、ここで開示している本発明の利益を得ることができる。所望があれば、圧電モータ駆動ポンプなどのようなより分解能が高いポンプを使用し、より繊細な分解能を提供することもできる。任意で親ねじ３６８を光エンコーダまたはそれに類似した装置に取り付けて損失ステップを検出することもできる。あるいは、計測ポンプの親ねじを圧電スライドと取り替えて容積増分を下げ、加速／減速特性をより速くすることもできる。多重シリンジポンプを例えば並列に使用して、濃度の異なる試薬１３０および／または他の液体をディスペンサに送給するか、もしくは、２種類以上の試薬の間で吐出操作を代わる代わる行なうことも可能である。これは、例えば、１つもしくはそれ以上の色のインキまたは液体トナーを使用するインクジェット印刷に適用できる。
【００３９】
プランジャ１１８の移動距離は、約２６０ｍｍが好ましい。プランジャの速度は、低分解能汲み上げ操作の最低１０ステップで１ストローク０．８秒から高速分解能汲み上げ操作の最低２０ステップで１ストローク１．５秒までの範囲が可能である。ストローク速度は、シリンジの寸法や使用する管によって変化させることができる。シリンジは、５０マイクロリットルより小さいものから２５ミリリットルまで、もしくはそれ以上まで可能である。ほとんどの試薬吐出法では、約５０マイクロリットルから約２５ミリリットルの範囲の容積を有するシリンジを設けるのが適している。ポンプの最低増分変位容積は、ポンプの分解能とシリンジの容積によって異なる。例えば、容積が５０ｍｌで分解能が１２，０００ステップのシリンジ枠では、最低増分変位容積は、約４２ナノリットルである。本発明の利得を得るためには、約０．５ナノリットルから２．１ミリリットルまでの最低増分変位容積が好ましいが、それ以上、またはそれ以下の増分変位容積でも可能である。
【００４０】
シリンジ枠３６２の材料は、適したガラス、Ｔｅｆｌｏｎ（商標）またはＫｅｌ−ｆのような数多くの生物親和性材料のいずれでもよい。図１を参照すると、シリンジ１２０は、タンク１１６と吐出ヘッド１２８に、シリンジおよびディスペンサに接続するためのルアー形取り付け具を設けた外径１／４インチ（０．６４ｃｍ）の配管のような、テフロン管１５０を使って接続されている。様々な逆流止めバルブ１４５も所望または必要に応じて使用し、試薬１３０の流れをタンク１１８、シリンジポンプ１２０、およびディスペンサへ、またはそれらから方向付けることができる。もちろん、様々な他の容積式または“直流”流体源を使ってここで開示している利得や利点を達成することもできる。これらには、例えば、回転ポンプ、ぜん動性ポンプ、スカッシュプレートポンプ(squash-plate pump)、液圧または電子フィードバック制御などを含むが、これらに限られたものではない。
【００４１】
［コントローラ］
図７は、本発明の特性を有する電子コントローラ１１４の１実施形態である。ここで説明する本実施形態のコントローラ１１４は、一般的にホストＣＰＵ４０２またはある形式のデータメモリとインターフェースをとるコンピュータを備えている。特に、コントローラは、大きく分けて五つの基本的なサブシステム：ホストＣＰＵ４０２、座標制御回路４０４、メモリおよび論理回路４０６、シリンジ停止カウント回路４０８、およびバルブ操作起動４１２に分けられる。各サブシステムは、他のサブシステムと協働して同時に座標ステッパモータ１２３、１２４、シリンジポンプモータ１４２、および電磁バルブディスペンサ１２８（図１）を同時に制御して所望の吐出を達成するということは当業者にとって明らかであろう。
【００４２】
［ホストＣＰＵ］
ホストＣＰＵ４０２は、中央コントローラとして機能し、コントローラ１１４と使用者との間のインターフェースでもある。これにより、オペレータは、吐出データを入力して独立して、あるいは同時に吐出装置１０８の各局面を制御する（図１）。
【００４３】
ここに示した実施形態では、ホストＣＰＵ４０２は、一般的に、プラグイン回路板を受容するための互換性を有するスロットまたはバス備えた８０ｘ８６またはペンティアムベースのコンピュータを備えている。回路板または“コントローラカード”は、図７に示す四つのサブシステムを含む。コントローラカードは、データ転送およびインストラクションの通信を行なうコンピュータバスの中に取り付けまたは差し込む。ホストＣＰＵ４０２がコントローラカードに電力を供給することにより、オペレータがさらにコントローラカードの機能にアクセスし、プログラム化し、制御することが可能となる。ホストＣＰＵ４０２には、ホストＣＰＵと互換性を有する、適したコンピュータソフトウェアと、ここで説明するようにシステムの操作を容易にするためのコントローラカードが含まれている。
【００４４】
好ましくは、表示装置とデータ入力手段は、ＣＰＵ４０２に内蔵されており、メモリまたはコントローラカード上に位置するスタティックＲＡＭアレイ４１４にデータを入力し、それを表示装置で評価する手段を形成している。当業者には知られていようが、キーボード、マウス、トラックボール、ライトペン、静電容量タッチスクリーン、コンピュータ記憶媒体、などは、すべてデータ入力手段として使用できる。同様に、カラービデオモニタまたはスクリーンは、適した表示手段である。キーボードなどのようなデータ入力装置を使って、オペレータはデータをデータアレイまたはグラフィカルビットマップの形式のホストＣＰＵ４０２にデータを入力し、所望の試薬パターンおよび特性を電子コントローラまたは吐出装置に指示する。従来のコンピュータソフトウェアを使用すれば、データアレイやビットマップを、ホストＣＰＵ４０２を介してコントローラカードのメモリ４１４へ入力しやすくなる。
【００４５】
ここで説明する特定の好ましい実施形態においては、コントローラカードは、ＰＣ−ＡＴクローン、すなわち８０ｘ８６ペンティアムベースのアーキテクチャと互換性を有する。コントローラカード形式の要素とバス形状がＰＣ１０４フォーマットと適合するので、回路の設計が迅速に、安価に回路版フォーマットに製造できる。上記の特定の好ましい実施形態では、ホストＣＰＵ４０２は、メインプロセッサとしてモトローラ６８３３２プロセッサを使用している。しかし、当業者には理解できようが、他のコンピュータシステムやホストＣＰＵを利用しても、同様の利点を得ることができる。
【００４６】
本適用方法の目的として、バスは、アドレス情報、データ情報、および／またはインストラクションなどのような情報の交換がしやすいように電気接続を備えている。本発明は、アドレス情報を搬送するアドレスバス４１６と、データ情報を搬送するデータバス４１８を備えている。データバス４１８およびアドレスバス４１６は、メモリ及び論理回路４０６に接続している。有利なことに、データバス４１８とアドレスバス４１６は、双方向方式であり、よって、コントローラカードとメモリおよび論理回路４０６の間でデータを転送できる。よって、コントローラ１１４は、コントローラカードからの状態情報をホストＣＰＵ４０２のビデオ表示装置上に表示することもでき、あるいは、情報を永久記憶媒体上のデータファイルに書き込むこともできる。当業者には理解できようが、電子情報を搬送し、本発明とともに使用するように意図した他のタイプの電気接続も存在する。
【００４７】
［メモリおよび論理回路］
ＣＰＵ４０２に接続されているのは、ここではメモリおよび論理回路４０６と呼んでいる回路のネットワークである。一般的に、メモリ及び論理回路４０６は、所望の吐出パターンおよび特性を定義するデータを保存する。所望によってはカウンタ４２４およびマルチプレクサ４２６などのような他のハード配線の論理回路を使用して、コントローラ１１４の他のサブシステムヘの吐出データを構文解析したり、あるいは情報および制御データの処理速度を上げたりすることもできる。
【００４８】
特に、メモリ及び論理回路４０６は、一般的に、試薬１３０吐出パラメータに関するデータを保存するための電子メモリ４１４、トリステートバッファ４２０、除数器４２２、アドレスカウンタ４２４、マルチプレクサ４２６および様々な論理回路を備えており、電子コントローラ１１４を正しく作動させる。トリステートバッファ４２０は、データバス４１８を介してホストＣＰＵ４０２に接続されており、ＣＰＵをコントローラカードから隔離する役目を果たす。バッファは、データを素早く受取り、保存して、さらにデータ転送速度を上げ、ホストＣＰＵ４０２のデータ転送操作を解放する。また、トリステートバッファ４２０は、メモリモジュール４１４、好ましくはスタティックＲＡＭアレイに接続されている。トリステートバッファ４２０は、スタティックＲＡＭアレイ４１４の出力ラインにも接続されており、シリンジモータ１４２と電磁バルブディスペンサ１２８（図１）を直接制御する。
【００４９】
スタティックＲＡＭアレイ４１４は、ホストＣＰＵ４０２からのデータアレイの形式のデータを、トリステートバッファ４２０を介して記憶する電子メモリ装置を備えている。データアレイ４１４は、試薬１３０吐出パターンを形成する。有利なことに、データアレイ４１４のそれぞれの値にアクセスすることは、データアレイにアクセスすることと等しく、よって、データアレイの中の特定のデータにアクセスが可能となる。
【００５０】
２：１のマルチプレクサ４２６は、アドレスバス４１６を介してホストＣＰＵ４０２に接続されている。２：１マルチプレクサ４２６により、オペレータが、二つの入力パスのうちのいずれか一つを出力端子につなげるように選択することができる。マルチプレクサ４２６は、二つの入力端子を有する。一つはカウンタ４２４の出力端子に接続されており、第２の入力端子は、アドレスバス４１６と接続されている。好ましい実施形態では、マルチプレクサ４２６は、ホストＣＰＵ４０２からの、あるいは、操作が安定した状態にある間は、メモリおよび論理回路カウンタ４２４の出力からのデータアレイアドレスを提供する。当業者は理解できようが、マルチプレクサ４２６がカウンタの出力をスタティックＲＡＭアレイ４１４に渡すと、アドレスはステッパ制御チップの出力により自動的に増分する。ステッパ制御チップ４３０の出力は、有利に、コントローラ用のメインクロックとして機能し、それによってシステム１０８の操作を同期化する。ステッパ制御チップ４３０については、後にさらに詳しく説明する。
【００５１】
カウンタ出力４２４は、マルチプレクサ４２６への二つの入力のうちの一つである。当業者には知られていることであるが、カウンタ４２４は、入力パルスを記録してそれぞれの入力パルスごとに予め決められた数ずつ（好ましくは１）値を増加または減少させる２進ワードを生成するディジタル論理回路を備えている。この２進ワードは、データアレイからのデータを検索するための次のアドレスを提供する。よって、カウンタ４２４が作動して、データアレイ４１４のアドレスを増分する。カウンタ４２４は、好ましくはリセット可能な回路であり、カウンタ４２４をリセットするためのリセットライン４２５が雑レジスタおよび論理４２８から接続されているのが好ましい。カウンタ４２４は、ホストＣＰＵ４０２からの割り込み（図示せず）によって自動または手動でリセットすることもできる。
【００５２】
除数回路４２２の出力は、カウンタ４２４の入力端子に入る。除数器は、Ｎ個の入力パルスを受取った後に出力する。ここでＮは、出力パルスを出すのに必要な入力パルスの数である。所望があれば、除数器４２２は、ユーザが調整可能なものとし、Ｎの値をオペレータが設定できるようにしてもよい。よって、吐出装置の分解能は、ステッパ制御チップ４３０による出力パルスの数と、Ｎに割り当てられた数によって制御することができる。当業者にとっては明らかであろうが、除数器４２２は、カウンタ回路が一定の数の入力パルスを受取ると一つのパルスを出力するカウンタ回路の形式を使えば容易に実行することができる。除数器４２２への入力は、ステッパ制御チップ４３０によって発信されるメインクロック信号である。また、除数回路４２２は、後に説明するシリンジ停止カウント回路４０８とバルブ起動回路４１２にも出力する。
【００５３】
スタティックＲＡＭアレイ４１４からの二本の出力ラインは、シリンジ停止カウント回路４０８とバルブシングルショット回路４１２それぞれに接続されておりそれらについては後にさらに詳しく説明する。当業者にとっては明白であろうが、スタティックＲＡＭ４１４の出力は、所望するシリンジモータの増分とバルブパルス継続時間を決定し、アドレスカウンタ入力によって順次増分される。
【００５４】
操作を簡単にするため、ステップ４２８で示した雑レジスタおよび論理は、上記の構成要素に組込まれている。当業者は理解できようが、様々な論理回路および記憶レジスタ４２８がここで述べる構成要素と共に適宜点在している。あるいは、所望により、適宜、ここで説明している電子ハードウェアの多くを、適したソフトウェアの使用により容易に組み入れることもできる。
【００５５】
[座標制御回路]
座標制御回路４０４は、吐出ヘッド１２８（図１）を各所望の位置へ移動させる。図７では、Ｘ軸動作制御用の回路のみを表しているが、当業者には、本発明では、Ｘ−Ｙテーブルの操作を容易にするため、Ｙ軸制御も意図しているということを理解できよう。もう一つの実施形態では、コントローラ１１４は、Ｚ軸動作も組み入れて、Ｘ−Ｙ−Ｚテーブルとの互換性を実現することもできる。これにより、吐出ヘッド１２８と基板１１１（図１）との間の距離を変化させるための手段を設けることによって、システムの制御をさらに高めることができる。
【００５６】
座標制御回路４０４は、一般的にステッパ制御チップ４３０と、制御論理４４６と、軸モータ駆動装置４４８を備えている。後に詳しく説明するように、座標制御回路４０４は、メモリ及び論理回路４０６の除数器４２２に入力を供給する。また、座標制御回路４０４は、軸ステッパモータ１２３（図１）の制御と、シリンジ停止カウント回路４０８とバルブ起動回路４１２への入力を行なう。
【００５７】
ステッパ制御チップ４３０は、一定のステップパルス出力を生成する。このステップパルス出力は、二つの目的を果たす。まず、ステップパルスは、ステッパモータ１２３に電力を供給する軸モータ駆動装置４４３へ制御信号を送る。ステッパモータは、Ｘ軸に沿って吐出ヘッドの位置を制御する。第２に、ステップパルスまたはその除算した形式は、システム全体を通してメインクロックパルスとして伝わる。ステッパ制御チップ４３０は、ステッパモータを操作する際に使用するタイプのものである。ここで説明する好ましい実施形態では、ニッポンパルスモータ株式会社から入手可能なニッポンパルスＰＣＬ−２４０ＡＫを使用しているが、現在、その他のステッパモータ制御チップが入手可能であり、ここで開示している本発明でも機能する。
【００５８】
ここで、座標制御回路の詳細について説明する。ステッパ制御チップ４３０は、二つの出力端子を有する。ステップパルス出力端子４５０と方向信号出力端子である。第１の出力端子、すなわちステップパルス出力端子４５０は、少なくとも一つの論理装置に接続されており、ステッパモータ１２３の操作を調整する。この実施形態では、論理装置は、複数入力ＡＮＤゲート４４６を備えている。ＡＮＤゲート４４６の一方の入力端子は、ステッパ制御チップ４３０からのステップパルス出力端子４５０に接続されている。軸イネーブルライン４５３は、ＡＮＤゲート４４６のもう一つの入力端子に接続してある。軸イネーブル信号は、”ｈｉｇｈ”である時には、ステップパルス出力をＡＮＤゲート４４６の出力端子に伝搬する。前述のメモリおよび論理回路４０６により、軸イネーブル信号をＡＮＤゲート４４６に送り、データアレイによって自動的に、あるいはホストＣＰＵ４０２を介して手動で吐出ヘッド１２８の動作を終了させることができる。
【００５９】
ステッパ制御チップ４３０の第２の出力であるモータ方向制御信号は、方向制御ライン４５２上に供給され、Ｘ軸ステッパモータ１２３の方向を制御する。モータ方向信号を搬送するモータ方向ライン４５２は、直接軸モータ駆動装置４４８に接続されている。また、ステッパモータ方向信号は、後にさらに詳しく説明するが、シリンジ停止カウント回路４０８に供給される。方向ラインの状態または論理レベルを変更することにより、Ｘ軸ステッパモータ１２３の方向が変わる。これにより、前述の様に、吐出操作の速度を上げる双方向印刷が可能となる。
【００６０】
軸モータ駆動装置４４８は、ＡＮＤゲート４４６とステッパ制御チップ４３０からの出力を受取る。軸モータ駆動装置４４０は、論理レベル入力信号を、ステッパモータを駆動するための高電流発生能力を有する特別の出力と関連付ける通常の論理レベル信号によって制御される電子装置である。当業者によって知られているように、本発明の必要性を満足させることのできる多くの異なる軸モータ駆動装置が入手可能である。
【００６１】
軸モータ駆動装置４４８の出力は、Ｘ軸ステッパモータ１２３に供給される。ステッパモータ１２３は、吐出ヘッド１２８の動作を基板１１１（図１）に関連付けて制御する。ステッパ制御チップ４３０、軸モータ駆動装置４４８、およびステッパモータ１２３は、１直線インチにつき約１００ステップ（４０ステップ／ｃｍ）以上の分解能を有するのが好ましく、１直線インチにつき約５００ステップ（２００ステップ／ｃｍ）以上がさらに好ましく、１直線インチにつき約７００ステップ（３００ステップ／ｃｍ）以上が最も好ましい。
【００６２】
[シリンジ停止カウント回路]
シリンジ停止カウント回路４０８は、ステッパ制御チップ４３０とメモリおよび論理回路４０６から受取った信号に基づいてシリンジ１２０を制御する。シリンジ停止カウント回路４０８は制御論理、シリンジ回路除数器４５５、シリンジ回路カウンタ４５６およびシリンジモータ駆動装置４５８を備えている。有利なことに、シリンジ停止カウント回路４０８は、コントローラ１１４の他のサブシステムと同期をとり、シリンジモータ駆動装置４５８に対して確実に正確で同期された制御を行なう。
【００６３】
制御論理は、シリンジに対し手動制御を行なうための手段を提供し、二つの入力端子を有する方向制御ＮＯＲゲート４６０を有しており、その二つの入力端子のうち第１の入力端子は、ステッパ制御チップ４３０の方向ライン４５２に接続されており、第２の入力端子は、シリンジ方向反転ライン４６２に接続されている。シリンジ方向反転ライン４６２は、図示していないが、メモリおよび論理回路４０６に接続されている。これに関しては後にさらに詳しく説明する。方向制御ＮＯＲゲート４６０の出力は、後に説明するシリンジモータ駆動装置４５８に接続されている。ＮＯＲゲート４６０に入力される信号に基づき、シリンジモータ駆動装置は、シリンジステッパモータ１４２の方向を変更するように構成することもできる。有利なことに、シリンジモータ１４２は、二方向であり、液体をシリンジの中に吸込む、もしくは液体をシリンジ１２０の中から排出することができる。シリンジ方向反転信号は、例えば、スタティックＲＡＭアレイ４１４に含まれるデータに従って送信することができ、よって、初期プログラミングに基づいて操作することができる。
【００６４】
ステッパチップ４３０の方向が逆になると、シリンジプランジャ１１８（図１）の動作も逆方向となる。しかし、スタティックＲＡＭアレイ４１４の中に値が存在し、二方向印刷が確実に行なえる場合もある。すなわち方向反転ライン４６２上の信号レベルは、ステッパモータ１２３の方向が変わったときに変化する。あるいは、オペレータは、ホストＣＰＵ４０２で、方向反転ライン４６２を介してシリンジ１２０（図１）の方向を手動で制御することができる。シリンジ１２０（図１）を手動操作とすることにより、オペレータは、シリンジ１２０を吸引、吐出、および充填し、非自動ベースで独自の吐出操作を行なうことができる。
【００６５】
シリンジ停止カウント回路４０８は、シリンジ回路カウンタ４５６も含む。シリンジ回路カウンタ４５６は、慎重な吐出操作中にシリンジモータに送るパルスの数を決定する。本実施形態では、シリンジ回路カウンタ４５６は、三つの入力４６５、４６６、および４６７と、一つの出力４６４を有する。第１の入力４６５は、スタティックＲＡＭアレイ４１４からシリンジ増分値を受け入れる。シリンジ増分値は、シリンジモータ１４２（図１）が特定の目的の位置で動くステップ数である。第２の入力４６６は、メモリおよび論理回路除数器４２２から除数器４２２の出力を受取る。除数器の出力は、シリンジ回路カウンタ４５６用のメインクロックとして機能し、よって、カウンタの出力を除数器出力の上昇パルスと同期させる。カウンタの第３の入力４６７は、シリンジモータ駆動装置４５８に届くパルスを監視し、カウンタでカウントダウンするためのタップである。よって、シリンジ回路カウンタ４５６は、データアレイから値、この場合は、シリンジ１２０が増分するステップの数を獲得し、メインクロック信号の各上側最大値に呼応して同じ数のパルスを出力端子４５４に供給する。
【００６６】
カウンタ４５６の出力４５４は、シリンジ停止カウント回路４０８の三つの部分の論理通信網に送られる。一般的に、論理通信網は、シリンジ１２０（図１）の操作を位置ステッパモータ１２３と同期させ、使用者に手動制御を与えてシリンジの操作を禁止する。論理通信網は、シリンジオーバーライドＯＲゲート４７０、ＡＮＤゲート４７１、およびシリンジ抑止ＡＮＤゲート４７２を備えている。シリンジオーバーライドＯＲ４７０ゲートは、前述のカウンタ出力４５４に接続された第１の入力を有する。シリンジオーバーライドＯＲゲート４７０は、シリンジオーバーライド信号ライン４７４に接続された第２の入力を有しており、これにより、シリンジモータ１４２を手動で操作することができる。スタティックＲＡＭアレイ４１４のデータアレイは、シリンジオーバーライド信号を発信することができ、あるいは、マニュアル制御モードでは、ホストＣＰＵ４０２は、メモリおよび論理回路４０６を介してシリンジオーバーライド信号を発信することができる。
【００６７】
シリンジオーバーライドＯＲゲート４７０の出力は、ＡＮＤゲート４７１の第１の入力に接続されている。ＡＮＤゲートの第２の入力は、直接ステッパ制御チップ４３０の出力に接続されている。ＡＮＤゲート４７１により、シリンジモータ信号がシリンジオーバーライド信号から、もしくは自動操作中はスタティックＲＡＭアレイ４１４からの値に基づいて伝搬される。ＡＮＤゲート４７１の出力は、シリンジ抑止ＡＮＤゲート４７２の第１の入力に接続されている。シリンジ抑止ＡＮＤゲート４７２の第２の入力は、シリンジ抑止信号ラインを備えており、これにより、シリンジモータ１４２の操作を終了することができる。スタティックＲＡＭアレイ４１４のデータアレイは、シリンジ抑止信号を供給し、また、ディスペンサが手動制御下にあるときには、ホストＣＰＵ４０２がシリンジ抑止信号を発信する。
【００６８】
シリンジ抑止ＡＮＤゲート４７２の出力は、シリンジ回路除数器４５５に入力される。除数器４５５は、メモリおよび論理回路４０６内にある上記除数器と同一であり、よって、詳しくは説明しない。除数器４５５は、入力パルスがＮ個入力されるごとに出力パルスを出す。Ｎは、システムの分解能を決定する。除数器４５５は、その出力をシリンジ回路カウンタ４６７とシリンジモータ駆動装置４５８の入力側に送る。
【００６９】
シリンジモータ駆動装置４５８は、実質的に座標制御回路４０４の前述の軸モータ駆動装置４４８の原理に基づいて作動するため、ここでは、繰り返して説明しない。
【００７０】
容積式ポンプ１２０を電磁バルブディスペンサ１２８（図１参照）と直列に配置してあることにより、電磁バルブディスペンサ１２８に、容積式ポンプ１２０によってのみ決定した一定の量および／または流量の試薬を受け入れて排出させることができるという利点がある。本質的には、シリンジポンプは、システム全体に対する強制機能を有し、吐出バルブのデューティサイクル、周波数、または他の操作パラメータに関わらず確実に維持することができる。
【００７１】
しかしながら、例えば、初期のスタートアップまたは間欠吐出操作中のような非安定状態の操作中は、液圧“静電容量効果”、漏れ、または小さい気体の泡が液圧系統内に沈殿するため、供給ライン１５０に過渡的な圧力変化が起きる。このような圧力の変化により、吐出される流体の率に過渡的または間欠的な変化が起きる可能性がある。例えば、図５の線９１０は、吐出装置の初期のスタートアップ操作による過渡的吐出作用を表したものである。これらの変化を補償し、初期スアートアップ中または間欠吐出操作中に均一な吐出操作を確実にするには、本発明のコントローラにおいて、吐出操作を開始する前に供給ライン１５０の予備加圧を行なうのが好ましい。
【００７１】
予備加圧は、例えば、ライン１５０内でその予め決められた安定状態のレベルに圧力を構築するためにバルブ２０４（図３）が閉じている間に、シリンジ１２０を進ませることによって達成できる。よって、バルブ２０４が開くと、試薬１３０が所望の目標または安定状態の率または速度でバルブを出る。安定状態の操作を達成するために必要な予備加圧量は、所定の生産セットアップで経験的に決定することができる。例えば、図５は、スタートアップの過渡的吐出操作における予備加圧量の変化の効果を表している。また、当業者には知られていることであるが、圧力センサ、時間領域補償、シリンジ変位補償などのような、他の圧力補償技術を有効に利用することもできる。
【００７３】
[バルブ起動回路]
バルブ起動回路４１２は、吐出装置１０８（図１）の残りのサブシステムと調和して吐出ヘッド１２８の操作を制御し、同期化する。この実施形態では、バルブ起動回路４１２は、バルブパルスカウンタ４８０、基準クロック４８２、およびバルブ駆動装置４８４を備えている。バルブ起動回路４１２は、二つの入力信号を得る。第１の入力信号は、メモリおよび論理回路４０６からのもので、スタティックＲＡＭアレイ４１４からのバルブパルス値を含む。バルブパルス値は、バルブを開放状態にしておく時間またはクリック周期の数である。第２の入力信号には、メモリおよび論理回路除数器４２２の出力からの主クロックパルスが含まれる。主クロックパルスは、バルブの操作を吐出装置の残りの部分と同期をとる働きをする。パルスカウンタ４８０は、バルブ駆動装置４８４に適したパルス幅を定める働きをする。
【００７４】
有利なことに、バルブ起動回路は基準クロックを備えている。基準クロックは、一定の幅のパルスを生成する。これらの一定幅のパルスは、カウンタがその操作の基準とする既知の時間基準を決定する。バルブパルスの幅が時間の単位であるため、基準クロック４８２により吐出ヘッド１２８の操作を正確に行なうことができる（図１、図３）。
【００７５】
パルスカウンタ４８０の出力は、バルブ駆動装置４８４に接続されている。バルブ駆動装置４８４は、パルスカウンタ４８０から論理レベルの入力を受取り、電磁または他の装置を駆動するための駆動電圧を供給して電磁バルブディスペンサ１２８（図３）のバルブ２０４を開閉する。よって、バルブ駆動装置４８４は、電磁弁ディスペンサ２０２と電気接続されている。
【００７６】
[ソフトウェア／フローチャート]
図８は、ここで説明しているディスペンサ装置と制御システムの基本的な操作を示したフローチャートである。第１のステップ６０４は、試薬パターンと吐出条件／パラメータをコントローラに送るステップである。前述の様に、データは、テーブルまたは図形形式でデータファイルまたはビットマップグラフィックファイルに入力するのが好ましい。試薬の吐出条件は、吐出工程の位置、量、および吐出工程の塗布特性を決定する。これは、オペレータがキーボードまたはグラフィックインターフェースで入力するか、あるいは、磁気ディスクやテープのような記憶媒体から直接ロードしてもよい。次のステップ６０８では、システムは、塗布条件をシリンジの変位とバルブパルス幅値に変換し、算出した値をデータアレイに配列する。
【００７７】
データアレイに含まれるデータのタイプの例を下の表１に示している。例えば、データアレイは、試薬が特定の目標位置でどのように吐出するかを制御するデータ値を含んでいる。よって、各データアドレスは目標位置に対応しており、結果、各目標位置はその位置における吐出特性を決定する複数の対応値を有している。
【００７８】
【表１】

【００７９】
各吐出位置に対するシリンジ変位値およびバルブパルス値は、データアレイの中のアドレスに対応している。よって、コントローラ１１４（図１）が吐出ヘッド１２８を、基板１１１を横切る方向に移動させると、データアレイのアドレスは、順次増分し、データアレイ内の値を通って進む。これにより、試薬の量と、試薬が基板１１１上の各位置にどのように吐出するかを正確に制御することができる。これは、すべて吐出ヘッドが基板を横切って進む連続動作と同時に行なわれる。
【００８０】
次のデータ処理は、ステップ６１２で行なわれ、特定の吐出要求基準、パラメータまたは試薬吐出ステップを助けるための調整を組込む。調整には、流体粘度、流体温度、吐出装置の形状、基板の構成および他のパラメータの予測調整が含まれていてもよい。また、調整には、Ｘ軸および／またはＹ軸走行の吐出ヘッドの速度に対する補償が含まれていてもよい。例えば、吐出ヘッドが高速で移動している場合、バルブとシリンジのパルスの位相を所望の吐出位置より僅かに先にあわせ、所望の目標領域、すなわち予測される軌道に的中するようにしなければならない。同様に、液体粘度が高くなると、次の位相調整と、バルブのパルス時間やシリンジ増分距離の増加を行なって、適した量の試薬がバルブから出るようにしなければならない。
【００８１】
これらの調整の多くは、所定の試薬または生産セットアップに対し、経験的研究を通して、そして／または実験的に決定することができる。例えば、吐出データに対し、おおまかな調整は、温度、粘度、吐出ヘッドの高さまたは速度などを調整するために既知の、あるいは決められたパラメータの等式またはルックアップテーブルに基づいて行なうことができる。これにより、所定の生産セットアップに対してさらに細かい調整を実験的におこなうことができる。これは、例えば、周知のパターンの交差または平行ライン、目的のパターンおよび／またはそれに類似するものを基板上の特定の位置に吐出するように吐出装置をプログラム化することによって行なうことができる。結果のパターンを検査することによって、吐出データに対して位相を進めたり遅らせたりといった一定の調整を行なって見つけたエラーを補償することができる。実験は必要な回数だけ繰り返すことができる。オプションで、温度検出器、粘度検出装置、または他のセンサ装置のようなセンサを設けて実時間自動フィードバックを行なってディスペンサを調整することができる。
【００８２】
最後に、ステップ６１６では、コントローラは、試薬吐出ヘッドをその始動位置に合わせる。吐出装置が操作を開始すると、吐出ヘッド１２８は、基板を横切る。同時に、コントローラ１１４（図１）は、シリンジ１２０（図１）を増分し、電磁バルブディスペンサ１２８（図１、図３）にパルスを送り、データアレイアドレスを増分させて正確で迅速な試薬吐出を行なう。
【００８３】
図９Ａは、本発明によるディスペンサ装置の操作のある好ましい形態をさらに詳しく示したフローチャートである。ステップ８０４では、ホストＣＰＵ４０２（図７）は、特定の試薬の吐出と吐出操作を管理するデータを受取る。この情報は、キーボード、ハードドライブ、ディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、または他のデータ入力装置によって、ホストＣＰＵ４０２に提供される。ホストＣＰＵ４０２またはコントローラ１１４は、ステップ８１２で、この値を受取り、それによって主なクロック信号が分割される（上記Ｎで表したもの）。これにより、一般的に直線距離“ｄ”毎にアドレス可能な目標領域の数に関する吐出操作の分解能が決定する。
【００８４】
ステップ８１６では、ホストＣＰＵ４０２が吐出データを電子コントローラのスタティックＲＡＭアレイ４１４（図７）に伝送する。ホストＣＰＵ４０２は、スタティックＲＡＭアレイ４１４と共にデータをデータアレイに並べる。データアレイには、各目標位置７０６（図３）に対する吐出データを含んでおり、データアドレスの位置を介してアクセスする。また、データアレイには、シリンジ抑止、シリンジオーバーライド、バルブ抑止、バルブオーバーライドおよびステッパモータ方向のような特定の制御情報（適用可能であれば）、および／または様々な調整を含んでいてもよい。
【００８５】
ステップ８２４では、システムコントローラ１１４が外部センサおよび／またはオペレータ入力を監視する。外部センサを監視することにより、流体の粘度および／または温度のような次の情報が明らかになる。外部センサからのデータおよびオペレータによる最終的な変更などに基づいて、コントローラ１１４は、データアレイをステップ８２０で調整する。例えば、試薬が通常の温度より高いと判断されると、バルブのデューティサイクルを下げ、適切な量の試薬が確実に吐出されるように調整する。
【００８６】
ステップ８３２では、ステッパ制御チップ４３０（図７）は、一連のパルスを出力することによって操作を開始する。ステッパ制御チップ４３０または他の同等の出力装置は、パルスをＸ軸駆動装置４４８（図７）に送り、それによって、Ｘ軸ステッパモータ１２３（図１）を起動し、吐出ヘッド１２８（図１）を、基板１１１を横切る方向に連続的に移動させる。本実施形態では、吐出ヘッド１２８（図１）は、ステップの定義が高いため、連続的に安定した状態の動作を行なう場所を取っている。この特定の実施形態では、分割されたステッパ制御チップ出力パルスは、図７のコントローラ１１４用のメインクロックとして機能する。しかし、当業者によって知られている他のタイプのシステムシンクロナイザもある。例えば、ここで請求している発明が、コンピュータソフトウェアを使って具体化している場合は、メインコンピュータクロックまたはその分割したタイプでも同期化信号として機能する。
【００８７】
コントローラ１１４の次の操作は、８３４の部分に点線で囲まれて表されたブランチ・アンド・ループである。ループ内では、システムは、いくつかの機能、すなわち吐出ヘッド１２８の移動、シリンジ１２０の増分、およびバルブ２０４の開閉（図１、図３）を同時に実行する。このタスクを達成するには、ステッパチップ４３０（図７）の出力は、データが記録されるデータアレイのアドレスを増分する（ステップ８３６）。これにより、データアレイの中のデータ値へ自動的に順次アクセスできるようになる。データアレイの中のデータは、システム１０８に試薬１３０を順次、非順次、連続、非連続など、所望のパターンで吐出させるように配置することができる。よって、吐出ヘッド１２８は、データアレイの中に含まれている吐出データが示す、基板１１１上の特定の目標位置にのみ試薬を吐出するようになる。
【００８８】
マルチプレクサ４２６（図７）と雑レジスタおよび論理（図７）は、シリンジ増分値８４０とバルブパルス値８４４にアクセスする。これらの値は、スタティックＲＡＭアレイ４１４（図７）に記憶されており、シリンジ１２０がどのように移動し、バルブ２０４（図３）が特定の目標位置７０６（図６）でどれだけ長く解放状態を保つかなどを決定する。次に、シリンジ増分値は、ステップ８４８で、シリンジ停止カウント回路に送られる。同時に、ステップ８５２で、バルブパルス値がバルブ操作起動へ伝送される。これらの回路制御によって実行されたサブルーチンは、シリンジ１２０とバルブ１２８（共に図１に示す）の操作をそれぞれ制御する。シリンジ停止カウント回路８４８とバルブ起動回路８５２の操作については、後にさらに詳しく説明する。
【００８９】
シリンジ停止カウント回路８４８とバルブ起動回路８５２の操作後、コントローラ１１４は、ステップ８５４で次のＸ軸データを照会する。次のＸ軸データがある場合は、システムはステップ８３６に戻り、データアレイのアドレスを増分し、上記の処理を繰り返す。逆に、特定の列に次のデータがない場合、コントローラ１１４は、ステップ８５６でステッパ制御チップ出力を停止させ、ステップ８６０で次の列の試薬１３０を吐出する必要があるかどうかを照会する。次の列に対応するデータがデータアレイに存在する場合、システムは、Ｙ軸モータを増分し、ステップ８６２で吐出ヘッド１２８（図１）を１行分進ませて、ステップ８２８に戻って別の列の試薬１３０を吐出する。
【００９０】
次のデータ項目がない場合、すなわち最後の行の最後のＸ位置に吐出したら、コントローラ１１４は操作を停止する。そして、オペレータは、ステップ８６４で別の基板１１１を搭載し、吐出処理を繰り返すか、もしくはホストＣＰＵ４０２を介して別の吐出パターンを入力することもできる。あるいは、吐出装置１０８（図１）が自動基板供給装置（図示せず）を備えている場合には、処理が完了した時点で自動的に別の基板１１１を搭載することができる。
【００９１】
図９Ｂは、シリンジ停止カウント回路４０８（図７）の好ましい操作をさらに詳しく示している。シリンジ停止カウント回路４０８は、図７のハードウェアに示すように、データアレイの値に基づくシリンジ１２０の操作とコントローラ１１４の残りの部分の操作を制御する。操作中、ステップ８７０で、データアレイから得たシリンジ増分値をシリンジカウンタ４５６（図７）にロードする。シリンジ増分値がゼロ以外の値であれば、ステップ８７２で、カウンタ４５６の出力は”ｈｉｇｈ”になり、シリンジ駆動装置の操作が可能となる。分割されたステッパチップ出力４５０（図７）のクロックパルスはそれぞれ、ステップ８７４でシリンジ１２０を増分すると同時にカウンタ４５６をカウントダウンする。このように繰り返している間、シリンジプランジャ１１８（図１）は、移動もしくは前進し、ライン１５０（図１）の圧力を上げる。
【００９２】
ステップ８７６では、コントローラまたはホストＣＰＵがカウンタ４５６の状態を照会する。カウンタの値がゼロまで下がっていなければ、ステップ８７４で、シリンジ停止カウント回路４０８（図７）はカウンタ出力の状態を、この実施形態では”ｈｉｇｈ”の状態即ち使用可能な状態に保つ。あるいは、照会ステップでカウンタがゼロであると判断したら、ステップ８７８で、カウンタ４５６の出力を使用不可能にし、シリンジ１２０の前進を停止する。これにより、特定の目標位置に対するシリンジの操作が完了する。コントローラ１１４の操作は図９Ａに戻る。上記の処理は、基板１１１上の各目標位置７０６（図３）に対して反復される。
【００９３】
図９Ｃは、バルブ起動回路４１２の好ましい操作をさらに詳しく説明している。図７のハードウェアに示した点線４１２、バルブ起動回路４１２は、点線で囲まれたハードウェアを備えている。操作中、伝送されたバルブパルス値は、ステップ８８４でバルブカウンタ４８０（図７）にロードされる。バルブパルス幅がゼロ値でない場合、ステップ８８６で示すように、カウンタ４８０の出力は上がり、バルブ駆動装置４８４（図７）の操作が可能となる。
【００９４】
バルブパルスカウンタ４８０（図７）が基準クロック４８２（図７）と連動して作動し、バルブ操作の基準期間をステッパ制御チップ４３０（図７）のパルス数の代わりに、時間単位で確立する。よって、データアレイは、どれだけの基準クロックパルスの間、バルブ２０４（図３）が開いた状態であるかに関する情報を提供するが、これは、時間の長さであって、Ｘ軸ステッパモータ１２３（図１）が移動した距離ではない。例えば、各クロックパルスが０．００１秒の幅を有する場合、バルブが１００基準クロックパルスの間開いているようにプログラムを組むと、バルブは、０．１秒即ち１／１０秒開いた状態を保つようになる。
【００９５】
ステップ８８８では、基準クロックの次の上昇最高位置に達すると、バルブ起動回路がカウンタ４８０をカウントダウンする。これにより、１クロックサイクルが完了する、次にステップ８９０で、カウンタの状態に関する照会が行なわれる。カウンタ４８０の値がゼロでない場合、バルブ起動回路４１２は、カウンタの出力を”ｈｉｇｈ”の状態、あるいはバルブが開いた状態に保つ。その結果、ステップ８８８で、バルブ２０４（図１、図３）は、開いた状態を保ち、カウンタ４８０は、次の上昇最高位置からカウントダウンを始める。
【００９６】
あるいは、照会ステップ８９０で、カウンタ値がゼロであると判断されると、ステップ８９２で、カウンタ４８０（図７）の出力は使用不可能となり、さらに、駆動装置４８４（図７）も使用不可能となって、バルブ２０４が閉じる。これにより、特定の目標位置７０６に対するバルブ操作は完了する。システムの操作は、図９Ａのステップ８９４で述べたように進行する。上記の処理は、図１１１の各目標位置７０６（図６）に対して繰り返される。
【００９７】
もう一つの実施形態では、本発明の装置は、選択的に試薬の吐出操作を行なうように構成することができる。例えば、システム１０８を、吐出ヘッド１２８が連続する直線動作を行なうように構成する変わりに、基板の目標領域にランダムアクセスアドレス指定するように構成することもできる。このように、吐出装置１０８は、例えば、試薬を基板１１１の右上角に吐出し、その後どの位置にも吐出せずに左下角に移動して試薬を吐出するように構成することもできるのである。吐出の順番とパターンは、データアレイによって自動で、またはホストＣＰＵ４０２（図７）によって手動で制御できる。オペレータは、所望のパターンの吐出試薬１３０を形成するようにデータアレイ値を構成する。このパターンは、例えば、テスト結果を表す記号またはテキストを提供したり、あるいは、基板１１１上に目に見えるブランドや商標名を形成したりすることもできる。
【００９８】
[代替構成]
本発明について、これまで特定の好ましい実施形態に基づいて説明してきたが、ソフトウェアベースのシステムなどのような多くの代替構成のいずれを使ってでも実施できるということは、当業者にとっては明白であろう。例えば、ソフトウェアベースのシステムでは、一つもしくはそれ以上のＥＰＲＯＭがコンピュータコードを記憶できる。各ＥＰＲＯＭを、一台以上のマイクロプロセッサと接続し、そのそれぞれを一台以上の駆動装置と接続して各電気機械装置に適当な信号を送ることができる。
【００９９】
あるいは、複数のディスペンサ５０２を図２に示すように並列に使用しても、あるいは互いに独立して使用してもよい。ディスペンサヘッドのアレイは、共に構成され、例えば、中心から中心まで４．５ｍｍまたは９ｍｍの間隔を開けて、同時にそして／あるいは同期座標で８、１６、もしくは６４滴の配列で吐出するようにすることもできる。図２は、一種類以上の試薬を処理できる複数のディスペンサ５１２で構成された単一の連続供給プラットフォームを表している。この吐出装置の構成は、一機以上のシリンジポンプ５１２を交互に続けて操作し、吐出していないシリンジポンプがタンクから次の試薬を吸い上げるように構成することも、同じまたは異なる試薬を同時または連続して互いに独立して吐出するように構成することもできるため、連続するウェブの製造にかなり有利である。
【０１００】
本発明によって構成された吐出装置は、他のさまざまなタイプの膜載置および処理モジュールのいずれにも取り付けることもできる。このような吐出プラットフォームはマイクロプロセッサベースであり、好ましくはＲＳ２３２インターフェースのような、工業規格の入力出力Ｉ−Ｏコントローラ（図示せず）を介して制御するのが好ましい。本発明は、個々の膜片処理モジュールおよび連続オープンリール式処理モジュールに使用するのに適している。例えば、ここの膜片モジュールは、吐出用にＸ軸テーブル動作のみを組込んでもよい。オープンリール式プラットフォームは、一つ以上のディスペンサの動作用に取り付けた任意の取り付け具の付いた一定速度の膜駆動装置を組込むこともできる。所望があれば、乾燥オーブン（図示せず）を前述の実施形態のいずれかと使用して、生産量を上げることもできる。
【０１０１】
[使用および運転]
図６は、基板１１１の略図であり、個々の“ドット”または液滴７０２が基板１１１上に好ましく配置されている様子を拡大して表している。概念的には、基板１１１は、直線距離“ｄ”毎にアドレス可能な目標領域７０６の数に関して予め決められた解像度を有する行（Ｘ軸）７１４と列（Ｙ軸）７１６とに分割されている。よって、一方の軸に沿って走行する基板１１１の１インチ（２．５４ｃｍ）と等しい直線距離ｄは、例えば、１００から５００またはそれ以上の個々にアドレス可能な目標位置を含んでいてもよい。それぞれの目標位置は、予め決められたゼロ位置に対するＸ軸ステッパモータの増分数とＹ軸ステッパモータの増分数に相当する。
【０１０２】
各目標位置７０６が独自のアドレスを有しているため、コントローラは、予め決められた量または液滴の試薬を吐出する特定の目標位置を正確に選択することができる。図６は、基板１１１に対するある好ましい吐出動作のパターンを表している。このパターンは、有利なことに、特定の吐出操作を完了するまでの時間を短縮できる。第１の行に沿った第１の直線移動動作を実行すると、吐出ヘッドが方向を反転し、隣接する第２の行に沿った第２の直線移動動作７３４を実行する。このような二方向吐出は、一方向吐出操作に比較して、吐出操作を完了するまでに必要とされる時間を有利に短縮できる。また、非連続的、または間欠的吐出では、コントローラが、後に続く移動動作やそれぞれの間に位置する行に沿った移動を行なうことなしに吐出ヘッドを直接または隣接した次の所望の目標位置まで移動させることにより作業速度を上げることができる。
【０１０３】
本発明によって達成されたもう一つの大きい利点は、単一のビットマップまたはコンピュータ・グラフィック・ファイルのような、ユーザにとってより使いやすい、また理解しやすいフォーマットで所望の出力データまたは試薬パターンを形成できるという点である。コンピュータ・グラフィックス・アートにおける当業者にとっては明白であるが、ビットマップ・グラフィックス・ファイルは、例えばＰＣ−ペイント（商標）のような、いかなる市販のソフトウェア編集プログラムによっても容易に生成し、保存することができる。本発明の実施のために変更した専用のグラフィックスソフトウェアを使って、それぞれのドットアドレスに対する所望の試薬濃度、液滴寸法、液滴速度などのような他の関連データを入力および記録することができる。ビットマップを備えたデータファイルは、適したソフトウェアや制御技術を使って容易にコントローラに直接ダウンロードし、吐出装置へ送って指定した特性を有する所望の試薬パターンを生成することができる。
【０１０４】
前述の発明の使用および操作は、本発明の使用および操作方法の好ましい一例に過ぎない。当業者には明白であろうが、商業的にも科学的にも利点の多い他の多くの操作方法も可能である。こうした別の好ましい操作方法のうちのいくつかを例と図面に基づいて説明する。
【０１０５】
[例１−プログラム化されたラインモード]
図１０Ａは、本発明の一実施形態による吐出操作のプログラム化されたラインモードを示す略図である。このモードでは、同じ、または異なる量の流体の個々のドットを直線形または非直線形の径路に沿った、異なる場所に吐出することができる。個々のドットは、所望により同一直線上に配列しても、均等間隔でもよく、そうでなくてもよい。所望の量だけ互いに間隔を空けても、オフセットがあってもよい。この操作モードは例えば、膜またはガラスのスライド上の特定用途向きのドットアレイに有効である。
【０１０６】
[例２−同期化ラインモード]
図１０Ｂは、本発明の一実施形態による膜やガラススライドに高密度ドットアレイを形成する場合のような線形吐出操作の同期化モードを表す略図である。この吐出操作モードは、試薬または他の流体を従来のウェルプレートアレイに吐出する際に特に適している。例えば、標準の９６ウェル（８×１２）のウェルプレートは、１×８吐出ヘッドアレイを有するマルチヘッド・ディスペンサを使って充填することができる。このディスペンサは、長さ９９ｍｍの８列の平行な線上に、９ｍｍ間隔で１２滴ずつ吐出する。１５３６ウェル（３２×４８）ウェルプレートアレイでは、同じディスペンサを使用して長さ１０５．７５ｍｍの８列の平行線上に、２．２５ｍｍ間隔で４８滴ずつ吐出することができる。ラインパターンは、そのウェルプレートを充填するために４回繰り返す。
【０１０７】
同じ吐出モードを使って電子バイオセンサアレイ上に液滴のパターンを吐出することもできる。これらは、通常センサまたは電極が基板上に印刷されたアレイを使って製造される。この場合、試薬はセンサのパターンに合わせて吐出する。この場合も、前述のように従来のマイクロウェルプレートの場合に類似したラインモードを使うことができる。
【０１０８】
[例−３ 非同期ラインモード]
図１０Ｄは、本発明の一実施形態による、平坦な基板に連続的な、均一の線を形成するか、あるいはビジョン・マイクロウェルプレートのウェルを充填する場合のような、非同期化モードの線形吐出操作を表した略図である。ビジョン・マイクロウェルプレートは、それぞれのウェルを分離する角のついた頂端を有するウェルを使用する。均一で連続的な試薬の線を吐出すると、個々の滴が頂端から隣接するウェルに転がり落ちて統計的に正確で平均的なウェル充填が実現する。
【０１０９】
本発明は、通信と加速／減速の問題を除去することによって均一な線に吐出する機能を改良している。従来の吐出システムは、線の形成操作の開始部分と終了部分の液滴の間隔において均一性に欠けることが問題となっていた。均一性は、特に短い線を吐出するときにはそれぞれの線の開始部分と終了部分がアレイ全体の品質を大きく占めるため、非常に重要である。これにより、例えば、ビジョン・マイクロウェルプレートを使用しているときなどは、許容できない統計的ばらつきを生じる場合がある。
【０１１０】
線形吐出モードでは、バルブ吐出ヘッドとシリンジポンプは一連の滴を生成するため、ある一定の高周波でモーションステッパを作動する。モーションステッパがＮステップ進むごとに１滴吐出される。例えば、モーションステッパが、約２ミクロンの解像度を有し、シリンジポンプが、一全ストロークにつき１９２，０００ステップの分解能を有する場合、１００ｕＬのシリンジを使って０．５ｍｍ毎に２０．８ｎＬ滴を吐出するには、Ｎ＝２５０およびＭ＝４０である。よって、線形動作の単位毎に吐出される液滴の量は、正確に制御することができる。例えば対角線を形成する場合のような、同時のＸおよびＹ動作の場合、直線距離の単位ごとに所望の滴数を確保するには、吐出周波数に対し、非常に単純な調整を行なえばよい。
【０１１１】
[例４−ドットアレイ・マッピング]
図１０Ｅは、本発明の一実施形態によるドットアレイ・マッピングの好ましい態様を示した略図である。例えば、一つ以上のマイクロプレートのアレイを、膜またはガラスのスライド上で高密度のアレイにマップ（複製または変形）するのが望ましいことがしばしばある。例えば、ウェルの中心と中心の間が９ｍｍである１６枚の９６−ウェルのウェルプレートを中心から中心までの間隔が１００〜１０００ミクロンの範囲内である単一の１５３６ドットアレイにマップすることができる。
【０１１２】
このタスクは、ここで開示している本発明により、いくつかの方法で達成することができる。例をあげると、滴間の間隔が大きい同期ライン吐出モードを使ってヘッドの中心から中心までの間隔が９ｍｍである８ヘッドディスペンサの一つのヘッドを連続して操作する方法がある。例えば、通常の基板は、標準の２５ｘ７６ｍｍマイクロスコープスライドである。５０枚のガラススライドをＸ−Ｙテーブルの上に配列し、８つのヘッドそれぞれを連続的に操作して同じ位置で各スライド上に２５ｍｍの範囲の間隔を開けて液滴を生成することができる。他の７つのヘッドは、小さいオフセットで線形に連続的に操作してガラススライド上に８ドットの列を１００〜１０００ミクロンと小さいドット間隔で生成することができる。この操作は、一度に一つのヘッドを使用することによって、あるいは、より好ましくは、８つすべてのヘッドに時間的遅延が小さい高速連続動作で吐出させることによって、所望の線形間隔を得ることができるのである。この機能を１６枚のプレートすべてに対して適当なオフセットを使って繰り返すことによって、１６枚のウェルプレートを各ガラススライドに単一の１５２６アレイにマップすることができる。この場合、マップは、４ｘ４アレイに位置する９６枚のウェルプレートそれぞれの小型複製である。
【０１１３】
ディスペンサは、一枚またはそれ以上のウェルプレートの配列を新しいまたは異なる、密度たより高い、あるいは低い配列に変換できるようにプログラム化することもできる。例えば、一連の二次元アレイをより高密度のアレイの行と列に変形することも、あるいは、アレイを移動させたり、逆にしたりすることもできる。吐出ヘッドを平行同期ラインモードで操作し、各スライド上に９ｍｍ間隔で８滴生成することによって、直接１：１マッピングも可能である。本発明の使用および操作に関する他のモードおよび変形については、当業者にとって明白であろう。
【０１１４】
本発明は、ある好ましい実施形態と例を挙げて開示しているが、本発明は、ここで特に開示した実施形態以外にも、本発明の他の代替実施形態および／または使用法に拡張でき、さらに明らかな変形等も可能であることは当業者にとって明白であろう。よって、ここで開示した本発明の範囲は、これまで特に開示された実施形態に限られるものではなく、添付の請求の範囲によって判断されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る特性と利点を有する吐出装置の一実施形態の略図である。
【図２】 本発明に係る特性と利点を有し、複数ヘッドディスペンサを組込んだ吐出装置の代替実施形態の正面図である。
【図３】 図１もしくは図２の実施形態のいずれかによって使用される電磁バルブ吐出ヘッドの断面図である。
【図４】 図１または２の実施形態のいずれかによって使用される容積式シリンジポンプの断面図である。
【図５】 本発明の好ましい実施形態による試薬吐出方法および装置の、目標吐出量に対する初期（非安定状態）吐出量を示すグラフであり、試薬の予備加圧の効果を示している。
【図６】 本発明の一実施形態による特性と利点を有する、基板上にアレイまたはパターンの試薬を吐出する好ましい方法を示した略図である。
【図７】 本発明による特性と利点を有する試薬吐出装置の制御システムの部分略回路詳細図である。
【図８】 本発明の一実施形態による特性と利点を有する吐出装置の好ましい操作モードを表した略フローチャートである。
【図９Ａ】 本発明の一実施例による特性と利点を有する吐出装置の好ましい操作モードをさらに詳しく示す詳細フローチャートである。
【図９Ｂ】 本発明の一実施例による特性と利点を有する吐出装置の好ましい操作モードをさらに詳しく示す詳細フローチャートである。
【図９Ｃ】 本発明の一実施例による特性と利点を有する吐出装置の好ましい操作モードをさらに詳しく示す詳細フローチャートである。
【図１０Ａ】 本発明の一実施形態による、例えば、膜またはガラスのスライド上に特定用途向けのドットアレイパターンを作成する場合に行なわれるプログラム化されたモードライン吐出の例を表した略図である。
【図１０Ｂ】 本発明の一実施形態による、例えば、膜またはガラスのスライド上に高密度のドットアレイを作成する場合に行なわれる同期化ライン吐出の例を表した略図である。
【図１０Ｃ】 本発明の一実施形態による、例えば、従来のマイクロウェルプレートを充填する場合に行なわれる、同期化ライン吐出の例を表した略図である。
【図１０Ｄ】 本発明の一実施形態による、例えば、ビジョン・マイクロウェルプレートを充填する場合に行なわれる非同期化ライン吐出の例を表した略図である。
【図１０Ｅ】 本発明の一実施形態による、例えば一枚またはそれ以上のマイクロウェルプレートをスライドまたは他の基板上にマッピングする場合に行なわれるドットアレイ・マッピングの例を表した略図である。

Claims (14)

1. 液体試薬を受容基板上に吐出するための装置であって、
   入口側端部と出口側端部を有し、周波数および幅を有する電気パルスを含む第１の信号に応答して前記液体試薬の液滴を前記受容基板上に吐出する吐出ヘッドであって、前記受容基板および／または前記吐出ヘッドはテーブルまたはキャリッジに関連して固定されており、前記受容基板と前記吐出ヘッドとの間の相対的なＸ、Ｘ−Ｙ、またはＸ−Ｙ−Ｚ動作を与える、前記テーブルまたはキャリッジは周波数および幅を有する電気パルスを含む第２の信号に応答する、該吐出ヘッドと、
   周波数および幅を有する電気パルスを含む第３の信号に応答し、一定の量の前記液体試薬を前記吐出ヘッドの入口側端部に供給するポンプ装置であって前記吐出ヘッドと液圧式に直列に配置されて前記吐出ヘッドに供給された前記液体試薬の量または流量を独立して調整する該ポンプ装置と、
   所望の試薬パターンを表すデータを受取り、前記第１と第２と第３の信号を出力し整合させるように構成されたコントローラであって、前記受容基板と前記吐出ヘッドとの間の相対的動作を生じさせ、同時に前記ポンプ装置と前記吐出ヘッドに前記液体試薬の前記液滴を前記受容基板上の１箇所またはそれ以上の所望の箇所に吐出させて所望の試薬パターンを形成するように構成されたコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、前記液体試薬の液滴が予測される軌道に的中するように前記受容基板と前記吐出ヘッドとの間の相対的動作の大きさを補償するために、前記第２の信号の位相に対して前記第１の信号の位相および前記第３の信号の位相を調整する、
   液体試薬吐出装置。
2. 前記液体試薬の液滴を吐出するように前記吐出ヘッドが前記第１の信号に応答して所定の周波数およびデューティサイクルで開閉するように構成されたバルブを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の液体試薬吐出装置。
3. 前記バルブが電気ソレノイドまたは圧電コンストリクタ装置によって作動されることを特徴とする、請求項２に記載の液体試薬吐出装置。
4. 前記バルブの周波数およびデューティサイクルが、それぞれ前記液体試薬の所定の量または流量に実質的に独立に調整することができ、所望のサイズ、吐出周波数および／または出口速度を有する前記液滴を生成できることを特徴とする、請求項２に記載の液体試薬吐出装置。
5. 前記ポンプ装置は直流流体源を含む、請求項１に記載の液体試薬吐出装置。
6. 前記流体源は、容積式シリンジポンプと、前記ポンプに所定増分量または流量の前記液体試薬を前記吐出ヘッドに吐出させるように構成されたステッパモータを備えていることを特徴とする、請求項５に記載の液体試薬吐出装置。
7. 連続的な流動能力を与えるために前記第１の容積式シリンジポンプに液圧式に連結された第２の容積式シリンジポンプをさらに備えることを特徴とする、請求項６に記載の液体試薬吐出装置。
8. 前記コントローラが、吐出動作を始める前に、前記第１と第２の信号を出力し、調和させて所定のもしくは安定した状態の吐出圧を達成するようにさらに構成された請求項１に記載の液体試薬吐出装置。
9. 前記コントローラが、所望の試薬パターンを表すグラフィクビットマップの形式のデータを受取るように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の液体試薬吐出装置。
10. 前記第１と第２と第３の信号が、周波数と持続時間とを有する電気パルスを含むことを特徴とする、請求項１に記載の液体試薬吐出装置。
11. 前記基板と前記吐出ヘッドとの間の前記相対動作の大きさを補償するために前記コントローラが、前記第１と第３の信号の位相を前記第２の信号に対して進めるように構成された請求項１０に記載の液体試薬吐出装置。
12. 前記液体試薬の粘性、粘着係数、温度、圧力または密度を補償するように前記コントローラが前記第１と第３の信号の位相を前記第２の信号に対して進めるかもしくは遅らせるように構成された請求項１０に記載の液体試薬吐出装置。
13. 前記コントローラが、所定の試薬および／またはセットアップに対する吐出の不正確さ又は誤差を減少させるかまたは最低限に抑えるように決められた所定の量だけ前記第１と第３の信号の位相を前記第２の信号に対して進めるか、もしくは遅延させるように構成されたことを特徴とする、請求項１０に記載の液体試薬吐出装置。
14. 前記コントローラが、前記第１の信号の位相を前記第３の信号に対して、液滴間所望の間隔を生ずることおよび／または吐出動作を最適化するように決められた所定の量だけ進めるか、あるいは遅らせるように構成されたことを特徴とする、請求項１０に記載の液体試薬吐出装置。

Images