JP4470118B2 - 液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、所望の液体を液滴化して吐出するために液滴吐出ヘッド及び当該液滴吐出ヘッドを含んで構成される液滴吐出装置に関する。

近年、核酸やタンパク質、細胞等の生体由来物質をプローブとして基板上に固定化したいわゆるマイクロアレイを用い、生体分子間の結合の特異性を利用して、サンプル中の標的物質を検出・測定する方法が広く用いられている。このようなマイクロアレイの製造を高効率に行うために、液滴吐出装置を用いる方法が研究、開発されている。

一般に、プローブとして用いられる核酸等の生体由来物質は、少量しか得られない場合も多く、また非常に高価である。このため、液滴吐出装置を用いる場合には、ノズル孔からの液漏れによる生体由来物質の浪費を極力回避したいという技術的課題がある。また、このような課題は、マイクロアレイの製造に使用される液滴吐出装置に限られたものではない。例えば、印刷用途に用いられる液滴吐出装置であっても、高品質な印刷を行うために高価なインクを使用するような場合等においては、上記と同様な課題が生じ得る。

このような課題に対して、特開２００４−１６０３６８号公報（特許文献１）には、生体由来物質を含有する液体を貯留するタンクとして複数の毛細管の束などの手段を用いることにより、毛細管現象を利用してタンク内に負圧を生じさせる技術が開示されている。かかる技術によれば、ノズル孔と連通したタンク内に液体を留めようとする力が生じるので、ノズル孔からの液漏れを抑制することができる。

しかし、多数のノズルとこれに対応する多数のタンクとを有する液滴吐出ヘッドを構成する場合、上記特許文献１に開示される毛細管の束などからなる液体保持手段を導入するのは、製造コスト等の観点から難しいと考えられる。例えば、多数のタンクのそれぞれに毛細管の束を隙間なく装填するには、高い加工精度が必要となるからである。したがって、より簡易な構成によってタンク内に負圧を生じさせ、ノズル孔からの液漏れを抑制し得る技術が望まれていた。

特開２００４−１６０３６８号公報

そこで、本発明は、より簡易な構成によって、ノズル孔からの液漏れを抑制し得る液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することを目的とする。

第１の態様の本発明は、液滴吐出装置等に装着され、吐出対象となる液体を液滴にして吐出するために用いられる液滴吐出ヘッドであって、上記液体を収容するための複数の液体収容室を有する収容体と、上記液体収容室のそれぞれに連通するように設けられる複数のノズル孔を有するノズル体と、上記液体に加圧するために上記液体収容室のそれぞれと一対一に設けられる複数の加圧手段と、上記液体を供給するために上記液体収容室のそれぞれと一対一に設けられる複数の液体貯留室を有する貯留体と、多孔質体を含んで構成され、上記液体貯留室のそれぞれの内部に設けられる複数の液体保持手段と、を含んで構成される、液滴吐出ヘッドである。ここで「多孔質体」とは、内部に多数の孔をもつ固体の総称であって、多孔体、多孔質固体、多孔材料とも呼ばれる。

かかる構成では、多孔質体からなる液体保持手段を各液体貯留室の内部に設けることにより、吐出対象となる液体を保持する作用（すなわち負圧）を生じさせ、当該作用を利用してノズル孔からの液漏れを抑制している。具体的には、多孔質体の多数の孔における表面張力や毛細管現状等の界面作用を利用することにより、液体をその場に留める作用を得ることができる。したがって、より簡易な構成によって、ノズル孔からの液漏れを抑制し得る液滴吐出ヘッドを提供することができる。

好ましくは、上記液体保持手段は、複数の微小球を密集させたものである。

この場合には、例えば、各液体貯留室の中に微小球を適量、装填するという方法や、予め多数の微小球を所定サイズに整形して固着させたものを準備し、各液体貯留室内に装填するという方法など、比較的に簡便な方法によって各液体貯留室内に隙間なく液体保持手段を設けることが可能となる。

好ましくは、上記微小球は、ガラス球である。

これによれば、吐出対象となる液体に生体由来分子が含まれる場合など、外界の影響を極力回避したい場合に都合がよい。

また、上記液体保持手段は、スポンジ体（例えばＰＶＡスポンジ等）であってもよい。

スポンジ体を用いることによっても、好適な液体保持手段が得られる。

また、上記液体保持手段は、上記液体貯留室内に当該液体保持手段が存在しない余剰空間が確保されるように上記液体貯留室の全容積よりも体積を小さくして設けられることが好ましい。

これにより、液体貯留室や液体収容室等の洗浄をより効果的に行うことが可能となる。すなわち、各液体貯留室に余剰空間が確保されることにより、液体貯留室内に洗浄液をより多く供給することができるようになる。従って、洗浄時に液体貯留室に残存する廃棄対象の液体をより低濃度に希釈しながら洗浄処理を行うことが可能となるので、液体の付着を抑制することが可能となる。

好ましくは、上記液体保持手段は、上記液体の付着を抑制する被膜を有する。

これにより、多孔質体の目詰まりを抑制することができる。

上記被膜は、２−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン単位からなる重合体又はこれを含む共重合体からなることも好ましい。

これによれば、吐出対象となる液体に生体由来分子が含まれる場合に特に都合がよい。

第２の態様の本発明は、上記第１の態様の本発明にかかる液滴吐出ヘッドと、この液滴吐出ヘッドを支持し、少なくとも一方向に自在に移動させる駆動手段と、液滴吐出ヘッドから吐出される上記液滴が滴下される対象物を支持するテーブルと、を含む、液滴吐出装置である。

かかる構成によれば、より簡易な構成によって、ノズル孔からの液漏れを抑制し得る液滴吐出装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明では、本発明が適用された一実施形態の液滴吐出ヘッドと、当該液滴吐出ヘッドを備えて構成される液滴吐出装置の一例としてのマイクロアレイ製造装置について説明する。

図１は、本発明を適用した一実施形態のマイクロアレイ製造装置の構成を説明するための概略斜視図である。図１に示すマイクロアレイ製造装置２００は、生体由来物質を含む試料溶液（吐出対象となる液体）を液滴にし、対象物としてのガラス基板等の基板２０２上に吐出することによってマイクロアレイを製造するためのものである。図示のように、マイクロアレイ製造装置２００は、主たる構成要素として、複数の基板２０２を載置可能に構成されたテーブル２０４と、液滴吐出ヘッド１０を固定するための固定手段２１２と、テーブル２０４をＸ方向に自在に移動させるためのＸ方向駆動軸２１４と、液滴吐出ヘッド１０をＹ方向に自在に移動させるためのＹ方向駆動軸２１６と、固定手段２１２をＺ方向に自在に移動させるためのＺ方向駆動軸２１８と、を備える。さらに、本例のマイクロアレイ製造装置２００は、そのベース２２０に、液滴吐出ヘッド１０を格納して密閉し、内部を減圧することが可能な減圧室Ａを備える。このマイクロアレイ製造装置２００においては、Ｘ方向駆動軸２１４、Ｙ方向駆動軸２１６、Ｚ方向駆動軸２１８を適宜作動させることにより液滴吐出ヘッド１０を基板２０２に対して相対的に移動させ、基板２０２上の好適な位置に適量の試料溶液が吐出されることにより、マイクロアレイが作製される。

図２は、液滴吐出ヘッド１０の構造を説明するための断面図である。図３は、液滴吐出ヘッド１０の概略斜視図である。なお、図２の断面図は、図３に示すII−II線方向の断面に対応している。図４は、液滴吐出ヘッド１０の構成要素たる各基板の構造を説明するための平面図である。以下、各図を参照しながら液滴吐出ヘッド１０の詳細構成について説明する。

図２に示すように、液滴吐出ヘッド１０は、基板３０、４０および５０を積層して構成されており、ノズル孔形成面１２の略中央には、ノズル孔２６および加圧室２２等が形成されたヘッドチップ２０が取り付けられている。各リザーバ（液体貯留室）１６は、基板（貯留体）５０に設けられた複数の貫通孔により構成されている。この各リザーバ１６に供給された液体は流路１３を通って各加圧室（液体収容室）２２に到達し、加圧手段（詳細は後述）によって加圧され、ノズル孔２６から吐出される。ノズル孔形成面１２は、基板３０の図中下側の面となる。また、各リザーバ１６の内部には、それぞれ多孔質体からなる液体保持手段１８が設けられている。

図３に示すように、液滴吐出ヘッド１０には８行×１２列で９６個のリザーバ１６が設けられている。面１４に配列された各リザーバ１６の開口部から吐出対象となる液体が供給される。例えば、汎用されるマイクロタイタープレートのウェルの数および配置に従ってリザーバ１６を設けることによって、マイクロタイタープレートから分注機等を使用して各リザーバ１６に液体を供給することができる。また、面１４と対向する面（図中では下面）がノズル孔形成面１２であり、この中央にノズル孔２６が設けられている（図２参照）。

次に、図４を参照しながら各基板３０、４０および５０の構造を説明する。図４（Ａ）に示すように、基板３０には、基板４０の一面とともに流路１３を形成するための複数（本例では９６本）の溝１３’が形成されている。各溝１３’は、基板３０の周縁部から中央に向かって集束し、各溝１３’の基板周縁側の末端はリザーバ１６のピッチ（形成間隔）と一致していている。また、各溝１３’の基板中央側の末端には、各溝１３’と連通する貫通孔が設けられている。図４（Ｂ）に示すように、基板４０には、８行×１２列で９６個の貫通孔４２が形成されている。貫通孔４２のピッチは、リザーバ１６のピッチと一致する。貫通孔４２は、流路１３とリザーバ１６とを連通させる流路となる。図４（Ｃ）に示すように、基板５０には、８行×１２列で９６個の貫通孔５２が形成されている。この基板５０を基板４０上に積層することによって貫通孔５２の一方の開口が基板４０の一面に覆われ、リザーバ１６が構成される。各基板３０、４０、５０は、ガラス、樹脂等の材料で形成することができ、溝や貫通孔は、エッチング、射出成形等、材料に適した方法によって形成することができる。基板３０、４０、５０を積層し、熱溶着、または接着剤等を用いる方法により接着した後、基板３０の中央にヘッドチップ２０を接着することにより、液滴吐出ヘッド１０が完成する。

図５は、ヘッドチップ２０の詳細構造を説明する断面図である。ヘッドチップ２０は、電気的に接続するだけで単独で加圧室の加圧手段を作動させ、ノズル孔から液滴を吐出可能な構成となっている。図５では、ヘッドチップ２０の一例として静電駆動方式のヘッドチップの断面図が示されている。なお説明の便宜上、基板４０および５０は省略し、基板３０のみ示している。

図５に示すように、ヘッドチップ２０は、電極１０８が形成された電極基板１２１、加圧室２２を構成するための加圧室基板（収容体）１２２、ノズル孔２６が形成されたノズル基板（ノズル体）１２３、を積層して構成されている。加圧室２２、ノズル孔２６は、リザーバ１６と同数設けられ、それぞれ一対一で対応している。各加圧室２２は、それぞれと一対一に設けられる複数のリザーバ１６から流路１３を通して供給される吐出対象の液体を収容する。各ノズル孔２６は、各加圧室２２のそれぞれに連通するように設けられる。加圧室２２に流入した液体は、図示しない共通電極と電極１０８との間に電圧を加えると、振動板１０９が弾性変位することによって加圧され、ノズル孔２６から吐出される。なお、電極基板１２１には、図中下側の面から溝が形成され、その天井部に電極１０８が形成されているため、電極１０８と振動板１０９との間にはわずかな空隙（エアギャップ）が形成されている。本実施形態では、電極１０８と振動板１０９とが加圧手段に相当し、当該各加圧手段は各加圧室２２のそれぞれと一対一に設けられている。電極基板１２１、加圧室基板１２２、ノズル基板１２３のそれぞれを構成する材料は特に限定されないが、吐出する液体に生体試料が含まれる場合には、ガラス、シリコン等が適している。ヘッドチップ２０を、基板３０に接着することにより、電極基板１２１および加圧室基板１２２に設けられた貫通孔が、基板３０の貫通孔と連通し、図示しないリザーバと加圧室２２が連通し、液滴吐出ヘッド１０が完成する。なお、本実施形態では、ヘッドチップのノズルが形成された面と基板３０の下側の面とにわずかな段差が存在する構成となっているが、双方を併せてノズル孔形成面１２と呼ぶ。

ここで、液体保持手段１８について更に詳細に説明する。液体保持手段１８としては、例えば、粒径０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の多数の微小球を密集させたものを用いることができる。この場合、各微小球の相互間には多数の孔が形成され、全体として多孔質体とみなせる状態となる。これら多数の孔により、吐出対象液体を保持する（留める）効果が得られる。各微小球の構成材料は適宜選択することができる。例えば、本実施形態のように吐出対象の液体が生体由来分子を含む場合には、各微小球は、ガラス球（ガラスビーズ）であることが好ましい。このような液体保持手段１８の形成方法としては、例えば、各リザーバ１６の中に微小球を適量、装填する方法が考えられる。この方法によれば、リザーバ１６内に隙間なく液体保持手段１８を設けることが容易である。また、無数の微細孔を有するガラスろ過器を液体保持手段１８として用いてもよい。この場合には、リザーバ１６の内径に合わせてガラスろ過器の形状を加工した後に、当該加工後のガラスろ過器を各リザーバ１６内に装填すればよい。なお、液体保持手段１８として、ＰＶＡスポンジ等のスポンジ体を用いてもよい。

また、図２に示すように、各液体保持手段１８は、各リザーバ１６内に液体保持手段１８が存在しない余剰空間が確保されるように、各リザーバ１６の全容積よりも体積を小さくして設けられることが好ましい。本実施形態では、各液体保持手段１８は、各リザーバ１６の全容積の半分を占める程度の体積となるようにして、各リザーバ１６の底側（図中、下側）に配置されている。このように、各リザーバ１６内に余剰空間を確保しておくことにより、液滴吐出ヘッド１０の各リザーバ１６の洗浄が容易となる。なお、洗浄方法については後ほど更に詳述する。

また、各液体保持手段１８には、吐出対象となる液体の吸着を抑制する被膜が設けられていることも好ましい。このような被膜の構成材料は、吐出対象となる液体の性質に合わせて適宜選択することができる。例えば、本実施形態のように吐出対象の液体が生体由来分子を含む場合には、被膜は、２−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン（ＭＰＣ）単位からなる重合体又はこれを含む共重合体を用いて形成するとよい。このような被膜は、例えば以下のようにして形成することができる。ＭＰＣとｎ−ブチルメタクリレート（ＢＭＡ）の比率が７：３の共重合体をエタノールに溶解し、０．１％のエタノール溶液を調製する。次に、この０．１％ＭＰＣ−ＢＭＡエタノール溶液を各リザーバ１６に注入し、プライミングした後、１分間程度放置する。その後、ノズル孔２６の側から上記のエタノール溶液を吸引除去し、６０℃で１時間程度乾燥させる。この方法によれば、各液体保持手段１８に被膜が形成されると同時に、リザーバ１６や、流路１３、加圧室２２にも被膜が形成されるので、液滴吐出ヘッド１０の全体として液体の付着や目詰まりを抑制することができる。なお、予めＭＰＣコーティングを施した液体保持手段１８を各リザーバ１６に装填してもよい。

図６は、液滴吐出ヘッド１０の各リザーバ１６の洗浄方法について説明する断面図である。なお、上述した図２に示した液滴吐出ヘッド１０と共通する構成要素については同符号を付し、詳細な説明を省略する。各リザーバ１６に吐出対象となる液体を注入し、液滴吐出動作を行った後には、残った液体を取り除くとともに、液滴吐出ヘッド１０の内部を洗浄する必要がある。具体的には、まず各リザーバ１６に洗浄液６０を供給する。そして、この供給された洗浄液６０をノズル孔２６の側から吸引することにより、各リザーバ１６、各流路１３、各加圧室２２などが洗浄される。この一連の処理は必要に応じて複数回行われる。本実施形態では、各リザーバ１６に余剰空間が確保されるので、各リザーバ１６内に洗浄液６０をより多く供給することができる。一般に、タンパク質などの生体由来分子を含んだ試料溶液はその濃度が高いほどリザーバ１６等に付着しやすくなるが、本実施形態の液滴吐出ヘッド１０では、試料溶液をより低濃度に希釈しながら洗浄処理を行うことが可能となるので、試料溶液の付着を抑制することが可能となる。

以上のように本実施形態では、多孔質体からなる液体保持手段を各リザーバの内部に設けることにより、吐出対象となる液体を保持する（留める）作用、すなわち負圧を生じさせ、当該作用を利用してノズル孔からの液漏れを抑制している。したがって、より簡易な構成によって、ノズル孔からの液漏れを抑制し得る液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置（マイクロアレイ製造）が得られる。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において、種々に変更して実施することが可能である。

例えば、液滴吐出ヘッドの構成は、液滴を吐出するノズル孔と、液体に加圧するための加圧手段を備えた加圧室と、加圧室と流路により連通されたリザーバ（液体貯留室）とを備えている限り、特に限定されず、基板３０、４０、５０を積層するのではなく、射出成型等によって、一体的に形成されたものであってもよい。また、液体貯留部の数や配置も限定されず、目的に応じて変更できる。加圧手段は、静電駆動方式、圧電駆動方式などのいかなる方式であってもよい。

また、上述した実施形態では、本発明にかかる液滴吐出ヘッドを備える液滴吐出装置の一例としてマイクロアレイ製造装置を挙げていたが、本発明は、印刷用途に用いられる液滴吐出装置（いわゆるインクジェットプリンタ）などに対しても広く適用することが可能である。

マイクロアレイ製造装置の構成を説明するための概略斜視図である。 液滴吐出ヘッドの構造を説明するための断面図である。 液滴吐出ヘッドの概略斜視図である。 液滴吐出ヘッドの構成要素たる各基板の構造を説明するための平面図である。 ヘッドチップの詳細構造を説明する断面図である。 液滴吐出ヘッドの各リザーバの洗浄方法について説明する断面図である。

符号の説明

１０…液滴吐出ヘッド、１２…ノズル孔形成面、１３…流路、１６…リザーバ、１８…液体保持手段、２０…ヘッドチップ、２２…加圧室、２６…ノズル孔、３０、４０、５０…基板、４２、５２…貫通孔、１０８…電極、１０９…振動板、１２１、１２２、１２３…基板、２００…マイクロアレイ製造装置

Claims (2)

1. 吐出対象となる液体を液滴にして吐出するために用いられる液滴吐出ヘッドであって、
   前記液体を収容するための複数の液体収容室を有する収容体と、
   前記液体収容室のそれぞれに連通するように設けられる複数のノズル孔を有するノズル体と、
   前記液体に加圧するために前記液体収容室のそれぞれと一対一に設けられる複数の加圧手段と、
   前記液体を供給するために前記液体収容室のそれぞれと一対一に設けられる複数の液体貯留室を有する貯留体と、
   多孔質体を含んで構成され、前記液体貯留室のそれぞれの内部に設けられる複数の液体保持手段と、
   を含んで構成され、
   前記液体保持手段は、
   複数のガラス球を密集させたものであり、
   前記複数のガラス球は、前記液体貯留室内の全容積の半分を占める程度、その底側に密集して配置され、その上部には、前記ガラス球が存在しない余剰空間が確保され、
   前記ガラス球は、２−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン単位からなる重合体又はこれを含む共重合体からなる被膜を有する、
   液滴吐出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドと、
   前記液滴吐出ヘッドを支持し、少なくとも一方向に自在に移動させる駆動手段と、
   前記液滴吐出ヘッドから吐出される前記液滴が滴下される対象物を支持するテーブルと、
   を含む、液滴吐出装置。

Images