JP5504508B2 - 吐出ヘッドおよび吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体、液体および粒子を含む物質などを吐出する装置に好適な吐出ヘッドに関するものである。

特開２００７−２９６８１７号公報（文献１）には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等を用いた圧電素子と金属板、セラミックスとの積層で構成される圧力発生器に電圧を印加し、圧力を発生させて液体を吐出させる方式が記載されている。さらに、文献１には、この方式を用い、タンクから吐出口までの途中に直径０.１〜１ｍｍ程度の細長い円筒形の圧電体を設け、この部分を加圧ポンプとして機能させることで液滴を吐出させる方式が記載されている。これは、グールド型インクジェットヘッドと呼ばれるものであり、円筒形状の圧電体の内面と外面に電極が形成され、駆動電圧を印加するリード線が接続されている。円筒形状の圧電体の内面電極は、この圧電素子を貫通する中空パイプと接着により固着されている。中空パイプは、円筒形状の圧電体との電気的接触を避けるため、ガラス等絶縁材料で構成され、中空パイプの一端にはインクタンク等からインクを供給するためのインクチューブが接続され、他端にはインク滴を吐出するための吐出口が形成されている。

印刷装置として開発されたインクジェット技術を用い、印刷用紙およびそれに代わるものにインクおよびそれ以外のものを吐出することが検討されている。ピエゾ素子などのアクチュエータを採用した方式では、液体を加熱しないで吐出することができるので、応用範囲が広いと予想されている。吐出の対象となる物質は、液体に限らず、液体と微粒子との混合物（液状物質）、水溶液、溶剤、試薬、細胞や遺伝子などの生物（生体）材料を含む物質など、多種多様なものが検討されている。したがって、吐出ヘッドも、低粘度から高粘度の液体に対応できるもの、純水でも吐出できる高表面張力に対応したもの、酸性液や、溶剤に対して耐性のあるものなどが要求される。

ガラス管、樹脂管、セラミックス管および金属管を含む管状の部材、特に、ガラス管は、ピペットなどとして試薬を用いた実験などに多く採用されており、多種多様な溶液をハンドリングするのに適したものである。したがって、ガラス管と円筒形の圧電体とを組み合わせたグールドタイプのインクジェットヘッドは、上記の要求に沿ったものの１つである。ガラス管に沿って円筒状の圧電素子を形成するためにはスパッタ法、スクリーン印刷法、ガスデポジション法などによりガラス管に直接圧電層を形成する方法、圧電セラミックスを焼結後、中を切削加工して除去する方法、または円筒形の形状で焼結する方法がある。しかしながら、いずれの方法を採用してもグールドタイプのインクジェットヘッドにより効率よくガラス管を加圧することはそれほど容易なことではなく、また、経済的でもない。特に、管の直径に対し圧電素子の内径をほんのわずかに大きくする必要があるため、管の外径のばらつきに対し圧電素子の内径を数μｍから数百μｍの範囲で合わせる必要があり、コストアップや歩留まり低下の原因となっていた。

本発明の態様の１つは、管路の断面が第１の方向に延びた扁円状の扁平部を含む管状部材であって、扁平部が、外側にアクチュエータを取り付けられる平坦な第１の壁を含み、第１の壁の変位により内容積が変動するキャビティとなるように成形された管状部材と、管状部材の一方の端に設けられたノズル開口であって、キャビティの内容積の変動により液状物質を吐出するノズル開口とを有する吐出ヘッドである。

この管状部材を備えた吐出ヘッドは、平坦な第１の壁に平板状のアクチュエータを取り付けることによりキャビティの内容積を変動させ、ノズル開口から液状物質を吐出できる。したがって、ガラス管などの管状部材によりキャビティを含めた部分を構成した吐出ヘッドであって、円筒状のアクチュエータに代わり、平板状のアクチュエータで駆動できる吐出ヘッドを提供できる。このため、平板状の圧電素子を貼りつけるなどの方法により、簡単に、低コストで管状部材を備えた吐出ヘッドを提供できる。

ノズル開口から液状物質を吐出させるために圧力が変動するキャビティは、気泡が発生し易い場所である。この吐出ヘッドは、管状部材の管路の断面が第１の方向に延びた扁円状の扁平部を含むため、キャビティの流路の断面を、角の少ないまたは角のない（角張っていない）扁円形（長円形）またはそれに近い形に形成できる。したがって、気泡や液状物質に含まれる物質などが付着して液状物質の流れが滞ったり、液状物質が詰まったりするのを未然に防止でき、多種多様な液状物質を吐出するのに適した吐出ヘッドを提供できる。

この吐出ヘッドのノズル開口は、管状部材の一方の端が絞られて成形されていることが望ましい。キャビティからノズル開口に至るまで１つの管状部材、たとえばガラス管により形成でき、耐酸性などの耐薬品性があり、気泡などによる滞りや詰まりが発生しにくく、多種多様な液状物質を吐出するのに適した吐出ヘッドを提供できる。

さらに、この吐出ヘッドは、管状部材のキャビティに対してノズル開口の反対側の一部が絞られていることが望ましい。キャビティの内容積の変動による圧力変化をいっそう効率よくノズル開口に伝達でき、絞り部を含めてキャビティまで、さらにはノズル開口まで１つの管状部材により形成できる。このため、気泡などによる滞りや詰まりがさらに発生しにくく、多種多様な液状物質を吐出するのに適した吐出ヘッドを提供できる。

この吐出ヘッドの管状部材の典型的なものは、ガラス管、樹脂管、セラミックス管または金属管であり、これらの管状部材にアクチュエータの形状を合わせる代わりに、管状部材の一部を平板状の第１のアクチュエータに合わせることにより、低コストで管状部材のメリットを備えた吐出ヘッドを提供できる。

管状部材は、第１の壁に対向した平坦な第２の壁を含むように成形できる。この第２の壁の外側は、平板状の第２のアクチュエータであって、第１の壁の外側に取り付けられた第１のアクチュエータと独立して駆動される第２のアクチュエータを取り付けてもよい。さらに多様な条件でキャビティを介してノズル内（吐出ヘッド内）の圧力を制御できる。

高粘度の液状物質をさらに容易に吐出するためには吐出ヘッド内の液状物質を加熱することが有効である。そのためには、第２の壁の外側に面状のヒーターを取り付けることが望ましい。また、管状部材の外面の少なくとも一部にコイル状に巻かれたヒーターを設けてもよい。

平坦な第２の壁は、接続用の電極の設置場所としても利用できる。さらに、接続用の電極と繋がりノズル開口の近傍まで延びた電圧印加用の電極を設けることにより、ピエゾ素子などのアクチュエータによる吐出方式に加え、静電吸引方式および／または静電アシスト方式による液状物質を吐出できる吐出ヘッドを提供できる。

また、この吐出ヘッドは、管状部材のキャビティからノズル開口に至る第１の管部を湾曲させることにより、ノズル開口の向きを調整でき、逆に、ノズル開口の向きに対してアクチュエータの取り付け位置を変えられる。したがって、複数の吐出ヘッドを組み合わせてヘッドブロックを構成するのに適している。

本発明の異なる態様の１つは、上述した吐出ヘッドと、第１の壁の外側に取り付けられた平板状の第１のアクチュエータと、第１のアクチュエータを駆動させる駆動装置とを有する吐出装置である。この吐出装置において、管状部材は、第１の壁に対向した平坦な第２の壁を含み、さらに、第２の壁の外側に取り付けられた平板状の第２のアクチュエータを有し、駆動装置は、第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータを独立して駆動させてもよい。

この吐出装置は、さらに、ノズル開口の近傍まで延びた電圧印加用の電極と、電圧印加用の電極に電圧を印加する静電駆動装置とをさらに有していてもよい。この吐出装置において、管状部材は、第１の壁に対向した平坦な第２の壁を含み、さらに、第２の壁の外側に取り付けられた接続用の電極を有し、電圧印加用の電極は接続用の電極と繋がり、静電駆動装置は接続用の電極に電圧を印加することが望ましい。

この吐出装置は、さらに、液状物質を貯蔵する容器を装着可能な装着部と、装着部に装着された容器から液状物質を管状部材に供給する供給路とをさらに有してもよい。この吐出装置によれば、吐出ヘッドを管状部材により構成できるので、気泡や液状物質が滞りにくく、種々の液状物質、たとえば、水系や生物系の液状物質などを吐出するのに、好適な吐出装置を提供できる。

本発明のさらに異なる態様の１つは、管路の断面が第１の方向に延びた扁円状の扁平部と、扁平部の外側にアクチュエータを取り付けられる平坦な第１の壁とを含み、扁平部が、第１の壁の変位により内容積が変動するキャビティとなるように成形された管状部材であって、当該管状部材の一方の端に、キャビティの内容積の変動により液状物質を吐出するためのノズル開口が設けられている管状部材である。ノズル開口は、管状部材の一方の端が絞られて成形されていることが望ましい。さらに、この管状部材は、キャビティに対してノズル開口の反対側の一部が絞られていることが望ましい。

本発明の一例の吐出装置の概略構成を示す図。 吐出ヘッドの構成を拡大して示す斜視図。 吐出ヘッドの長手方向の断面を示す断面図。 吐出ヘッドの長手方向の異なる断面を示す断面図。 吐出ヘッドの先端を拡大して示す断面図。 吐出ヘッドの円筒状の部分を示す断面図。 吐出ヘッドの扁平状の部分を示す断面図。 吐出ヘッドの絞部を示す断面図。 吐出ヘッドの異なる例を示す図であり、吐出ヘッドの扁平状の部分の異なる形状を示すために吐出ヘッドの一部を抜き出して示した断面図。 吐出ヘッドのさらに異なる例を示す断面図。 吐出ヘッドのさらに異なる例を示す断面図。 吐出ヘッドのさらに異なる例を示す図。 吐出ヘッドのさらに異なる例を示す断面図。 吐出ヘッドのさらに異なる例を示す断面図。 吐出ヘッドのさらに異なる例を示す断面図。 吐出ヘッドのさらに異なる例を示す断面図。 ヘッドブロックを示す断面図。

図１に、本発明の第１の実施形態にかかる吐出装置の概略構成を示している。吐出装置１は、管状部材であるガラス管２０を備えた吐出ヘッド（ヘッド、ノズルヘッド、インクジェット方式により駆動されるノズルヘッド）１０と、吐出ヘッド１０から吐出する液状物質９を格納した容器５と、吐出ヘッド１０から液状物質９を吐出させる第１のアクチュエータ６を駆動する駆動装置（駆動ユニット、ドライバ、コントローラ）２とを含む。

吐出ヘッド１０は、ほぼ直線的に延びたガラス管（管状部材）２０を有する。ガラス管２０は、先端部分２１がノズル開口１１となり、先端部分２１から後退した部分（扁平部）２３が、扁平状（平たい形状）のキャビティ（圧力室）１３となり、さらに、末端（後端）２９が供給管４を介して容器５に接続されている。この扁平部２３を備えた管状部材２０は、一本のガラス管から適当な方法、たとえば、型を用いて成形でき、内部には、キャビティ１３からノズル開口１１に至るシームレスな流路が形成されている。したがって、ガラス管２０のキャビティ１３の部分は、外側が平坦な第１の壁２３ａを含む。供給管４は、ガラス管であってもよく、フレキシブルなシリコン管、ゴム管などの樹脂管、金属管などであってもよい。

吐出ヘッド１０は、ガラス管２０のキャビティ１３の平坦な第１の壁２３ａの外側の面（外面）２３ｂに取り付けられた平板状の圧電素子（ピエゾ素子、アクチュエータ）６とを含み、アクチュエータ（第１のアクチュエータ）６によりキャビティ１３の内圧を変動させ、キャビティ１３に連通したノズル開口１１から液状物質９を吐出する。圧電素子６は、ＩＴＯ、金属などの薄膜の電極６ｅとともにガラス管２０に取り付けられ、電極６ｅを介して駆動パルス（電圧駆動パルス）を受けて伸縮し、キャビティ１３の内容積を変動させる。なお、圧電素子６の典型的なものはピエゾ素子であり、ピエゾ素子６は、電極などを含めた公知の構成を備えている。

この吐出装置１は、パーソナルコンピュータなどのホスト装置からの指示（信号）をドライバ２が受けて、ドライバ２が駆動パルスによりアクチュエータ６を駆動する。アクチュエータ６により、ガラス管２０に設けられたキャビティ１３の平坦な外面２３ｂを備えた第１の壁２３ａが変位し、キャビティ１３の内容積が変動するのでキャビティ１３の内圧が変化する。内圧の変化により、容器５から供給される液状物質９が、ガラス管２０の先端２１に設けられたノズル開口１１から吐出される。

本例の吐出装置１は、吐出ヘッド１０の装着部３に取り付けられた容器５を含み、インクジェット方式の吐出ヘッド１０により、種々の液状物質９を吐出したり分注したりするのに適している。液状物質９は、たとえば、試薬、細胞などの生物試料を含む水溶液である。キャビティ１３を含めた吐出ヘッド１０の主要な部分が一本のガラス管２０により形成されているので、種々の条件により気泡が発生しやすい液体や、細胞などの閉塞し易い液状物質９であっても、そのような不具合を発生させずに吐出することができる。すなわち、この吐出装置１は、低粘度から高粘度の液体に対応でき、純水のような高表面張力の液体でも吐出できる。さらに、ガラス管２０は溶けにくいので、この吐出装置１は、酸性液や、溶剤を容易に吐出できる。

図２に、吐出ヘッド１０のガラス管２０の構成（形状）を拡大して示している。図３および図４に、ガラス管２０の概略構成を、長手方向（中心軸）１００ｚ（以降ではＺ方向）に直交する第１の方向１００ｘ（以降ではＸ方向）と、Ｚ方向およびＸ方向に直交する第２の方向１００ｙ（以降ではＹ方向）とをそれぞれ含む断面により示している。このガラス管２０の典型的なサイズは、外径１〜４ｍｍ、厚み０．０５〜１ｍｍであり、硬質ガラス管、耐熱ガラス管、精密ガラス細管などであってよい。また、ガラス管２０の外径は１〜３ｍｍであることがさらに望ましい。

ガラス管２０は、先端のノズル開口１１から後端２９に向かって、先端のノズル開口１１に向かって徐々に絞られた先端部分２１と、その後方で断面がほぼ円筒状の第１の円筒部２２と、その後方で第１の円筒部２２を断面がＸ方向に広くＹ方向に狭く扁平に成形された扁平部２３に変形するための第１の接続部２７と、その後方で断面がほぼ扁円形（長円形）またはそれに近い形に扁平した扁平部２３と、その後方で扁平部２３を断面が円筒状の第２の円筒部２４に接続するための第２の接続部２８と、その後方で断面積を小さくするために円筒を絞った形状の絞部２５と、その後方でガラス管２０を供給管４に接続するための断面がほぼ円筒状の第３の円筒部２６とを含む。

扁平部２３は、異なる方向、たとえばＹ方向に広くＸ方向に狭く扁平に成形されていてもよい。なお、本明細書において扁円形（長円形）とは、長方形や正方形などの角張った（角のある）形状を除き、さらに、正円形（円形）を除く長尺状の円形であって、楕円形のほか、長方形または正方形の対辺の各々に対辺間の距離（対辺同士の間隔）を直径とする半円形が付加された形状など種々の形状を含む概念である。

各部分をさらに詳しく説明すると、まず、ガラス管２０の先端部分２１は、図５に拡大して示すように、ガラス管２０の先端をノズル開口１１として適当なサイズまで絞った形状に成形されている。ノズル開口１１の典型的な内径は１５〜２００μｍであり、先端に向けてテーパー状になった先端部分２１の長さは、たとえば、０．５〜１０ｍｍである。すなわち、先端部分２１の長さは、ガラス管２０の直管部分の内径（０．５〜２．８ｍｍ）の１〜２０倍程度である。先端部分２１の成形方法の１つは、加熱したガラス管２０を引っ張ることであるが、公知のガラス加工の様々な手法を用いることができ、加工方法を限定するものではない。先端部分２１には、ノズル開口１１に至る１０〜５００μｍ程度の直線部分（直管部分）を設けることが望ましい。また、ノズル開口１１の内径は２０〜２００μｍであることがさらに望ましい。

先端部分２１の後方の第１の円筒部２２は、キャビティ１３とノズル開口１１とを連通するための連絡路１２を構成する部分であり、図６にその断面を拡大して示している。連絡路１２を構成する第１の円筒部２２の長さは、たとえば、１〜５０ｍｍであり、さらに好ましくは、１〜２０ｍｍである。すなわち、第１の円筒部２２の長さは、内径の２〜１００倍程度であり、さらに好ましくは、２〜５０倍程度である。この第１の円筒部２２は、直管であってもよく、適当な角度に曲げられていてもよい。たとえば、第１の円筒部２２を９０度曲げることにより、ガラス管２０の長手方向に対して９０度曲げた方向にノズル開口１１を向け、９０度曲げた方向に液状物質９を吐出できる。

第１の円筒部２２の後方の扁平部２３は、内部に、扁平した扁円筒状または長円筒状の空間を形成し、圧力室であるキャビティ１３を構成する部分であり、図７にその断面を拡大して示している。

キャビティ１３は、ノズル開口１１から液状物質９を吐出させるために圧力が変動するため、気泡が発生し易い場所である。扁平部２３は、ガラス管２０の流路の断面が第１の方向（Ｘ方向）に延びた扁円状（長円状）で、断面に角の少ないまたは角のない（角張っていない）扁円形（長円形）に形成されている。このため、キャビティ１３の流路の断面を、段差、突起あるいは凹みなどがなくまたは少なく、滑らかな形に形成できる。したがって、気泡や液状物質９に含まれる物質などが付着して液状物質９の流れが滞ったり、液状物質９が詰まったりするのを未然に防止でき、多種多様な液状物質９を吐出するのに適した吐出ヘッド１０および吐出装置１を提供できる。

キャビティ１３の典型的なサイズは、内部のＹ方向の最大高さ（最大内径）ｈが０．０５〜１．０ｍｍ、内部のＸ方向の最大幅Ｗｉが０．５〜５ｍｍ程度で、内部の長手方向（Ｚ方向）の長さが２〜２０ｍｍである。この扁平部２３の成形方法の１つは、ガラス管２０を加熱した後、上下方向（長手方向に直交する方向、Ｙ方向）からプレスすることである。ガラス管２０を１次元方向（前後方向、長手方向、Ｚ方向）だけでなく、２次元方向（上下方向、長手方向に直交する方向、Ｙ方向）に押し広げた状態にプレス成形することにより、内部に扁平な空間１３が形成される。それとともに、ガラス管２０の扁平部２３の壁２３ａの外側に平坦な面２３ｂが形成される。この成形方法は１例であり、射出成形のように、金型（型）にガラス、樹脂などの管状部材を吹き出して所定の形状のガラス管２０を成形することも可能であり、金属を圧延して所定の形状の管状部材を得てもよい。また、キャビティ１３の内部のＹ方向の最大高さ（最大内径）ｈは０．０５〜０．５ｍｍであることがさらに望ましく、内部の長手方向（Ｚ方向）の長さは２〜１５ｍｍであることがさらに望ましい。

扁平部２３の壁２３ａ、特に、アクチュエータ６を装着する壁（第１の壁）２３ａは板状であり、その壁厚ｔは、１０〜５００μｍ程度が望ましく、１０〜３００μｍ程度がさらに好ましい。また、壁厚ｔは５０〜５００μｍ程度がさらに望ましく、５０〜３００μｍ程度がさらに好ましい。扁平部２３は、外部の最大幅Ｗｏを０．５５〜７ｍｍ程度になるように成形し、壁２３ａの外面２３ｂに幅Ｗｓが０．５〜５ｍｍ程度、さらに好ましくは１．０〜３．５ｍｍ程度のほぼ平らな面が得られるようにすることが望ましい。また、壁２３ａの外面２３ｂの幅Ｗｓは、１．０〜２．５ｍｍ程度がさらに望ましい。扁平部２３の壁２３ａの平坦な外面２３ｂに平板状のアクチュエータ（ピエゾ素子）６を取り付けることにより、壁２３ａをアクチュエータ６により振動または変形（変位）できる。さらに、ガラス管２０を扁平させることにより、アクチュエータ６が取り付けられる壁２３ａを、上記の厚みｔ程度に薄くすることができ、アクチュエータ６により振動あるいは変位する振動板として機能させることができる。圧電アクチュエータ６を駆動させ、薄い壁２３ａを振動させることにより、連絡路１２内の液体を液滴としてノズル開口１１から吐出させることができる。

扁平部２３の後方の第２の円筒部２４は、キャビティ１３と、その後方の開口面積を絞ったオリフィスとして機能する狭い流路１５とを連絡（連通）するための第２の連絡路１４を構成する部分である。連絡路１４は、キャビティ１３に液状物質９を供給するためのバッファとしても機能し、連絡路１４を構成する第２の円筒部２４の長さは、たとえば、１〜５０ｍｍであり、さらに好ましくは、１〜２０ｍｍである。すなわち、第２の円筒部２４の長さは、内径の２〜１００倍程度であり、さらに好ましくは、２〜５０倍程度である。この第２の円筒部２４は、直管であってもよく、適当な角度に曲げられていてもよい。

第２の円筒部２４の後方の絞部２５は、開口面積の狭い流路１５を構成するための部分であり、図８に、その断面を示している。流路１５の内径は、たとえば、１５〜２００μｍであり、キャビティ１３の圧力変動がノズル開口１１の側へ効率良く伝達され、キャビティ１３の圧力変動が供給管４および容器５に伝播し難いようになっている。絞部２５の成形方法の１つは、加熱したガラス管２０を前後方向（長手方向）に引っ張ることであり、開口面積が最も狭い部分に向けてテーパー状になった部分の長さは、前後にそれぞれ、たとえば、０．５〜１０ｍｍであり、絞部２５の全体の長さは１〜２０ｍｍ程度である。すなわち、テーパー状になった部分の長さは、それぞれガラス管２０の直管部分の内径（０．５〜２．８ｍｍ）の１〜２０倍程度である。また、流路１５の内径は２０〜２００μｍであることがさらに望ましい。

絞部２５の後方の第３の円筒部２６は、供給管４に連通するための第３の連絡路１６を構成する部分である。供給管４を接続するために、少なくとも０．５ｍｍの長さを備えていることが望ましい。

たとえば、微量または比較的少ない量の液状物質９を吐出する場合には、ノズル開口１１を吐出の対象となる液状物質９の中に入れた状態で、供給管４の先端などに接続されたポンプ（不図示）により液状物質９を吸い上げ、その後、ピエゾ素子６を駆動させることにより、液状物質９を基板などのターゲット（不図示）に向けて吐出することができる。この場合、液状物質９を吸い上げて蓄えるための円筒部２６の長さは５〜１００ｍｍ程度であることが望ましい。液状物質９を供給管４の内部にまで吸い込むことなく、所望の量の液状物質９を吸い上げ、吐出することが可能となる。

第１の円筒部２２、扁平部２３および第２の円筒部２４は、１つのガラス管２０を加工（成形）することにより形成されたものである。扁平部２３は、第１の円筒部２２と第１の接続部２７を介して滑らかな形に成形され、扁平部２３はさらに、第２の円筒部２４と第２の接続部２８を介して滑らかな形に成形される。このため、図３および図４に示すように、扁平部２３の内部の扁平な断面のキャビティ１３は、前後の円筒状の断面の連絡路１２および１４に対し、第１の接続部２７および第２の接続部２８の内部に形成された流路１３ａおよび１３ｂによりそれぞれ滑らかに繋がり、異なる部品を接続する際に発生し易い微小な段差、突起あるいは凹みなどが流路内に現れるのを防止できる。

したがって、ガラス管２０の内部のキャビティ１３および前後の連絡路１２および１４に気泡や液状物質９に含まれる物質、たとえば、細胞などが付着して液状物質９の流れが滞ったり、液状物質９が詰まったりするのを未然に防止できる。このため、このガラス管２０を用いた吐出ヘッド１０は、低粘度から高粘度の液体を吐出でき、純水のような高表面張力の液体でも吐出できる。

さらに、この吐出ヘッド１０においては、１つのガラス管２０の端および途中を絞ることにより、ノズル開口１１および後方のオリフィスとなる流路１５を形成している。したがって、オリフィス１５からノズル開口１１に至る流路をガラス管２０の１つで構成でき、断面形状が異なる流路の内面全体を滑らかに接続できる。このため、後方のオリフィス１５から先端のノズル開口１１に至る流路に、異なる部品を接続する際に発生し易い微小な段差、突起あるいは凹みなどが現れるのを防止できる。したがって、流路全体にわたり、気泡や液状物質９に含まれる物質などが付着して液状物質９の流れが滞ったり、液状物質９が詰まったりするのを未然に防止できる。このため、多種多様な液状物質９を吐出し易い吐出ヘッド１０およびそれを備えた吐出装置１を提供できる。

また、この吐出ヘッド１０においては、キャビティ１３を構成する扁平部２３の容量を、ガラス管２０のうちの扁平される部分２３の長さを変えることで調整が容易である。したがって、ノズル開口１１に対して十分に大きな容量を備えたキャビティ１３を形成することが可能であり、さらに、キャビティ１３を扁平な空間とすることにより、キャビティ１３に沿った壁２３ａの外面２３ｂに、キャビティ１３の内部の最大幅Ｗｉおよび長さに対して十分に大きなアクチュエータ６を取り付け（貼り付け）できる。このため、アクチュエータ６により薄い壁２３ａを伸び縮みあるいは上下などに変位させることにより、キャビティ１３の容量を大きく変動でき、キャビティ１３の内圧を大きく変化させることが可能となる。したがって、ノズル開口１１から様々な液状物質９を吐出し易い吐出ヘッド１０および吐出装置１を提供できる。

さらに、この吐出ヘッド１０においては、シームレスなガラス管２０を用いて液状物質９を吐出するので、ガラス容器でハンドリングできる範囲の腐食性の液体や、溶解性の高い液状物質９であれば、安全に、また、安定して吐出できる。このため、吐出できる液状物質９の範囲はさらに広範囲におよび、様々な実験、検査、あるいはその他の工業用途に要望される様々な液状物質９を吐出する吐出ヘッド１０および吐出装置１を提供できる。

また、この吐出ヘッド１０においては、ガラス管２０の一部に扁平部２３を形成して内部にキャビティ１３を構成しているので、平板状の圧電アクチュエータ６によりキャビティ１３の内圧を変動できる。したがって、円筒状のガラス管２０に合わせて円筒状のアクチュエータを用いずに、汎用品で、より入手の容易な平板状のピエゾ素子などの圧電アクチュエータ６によりガラス管２０を用いたシームレスな吐出ヘッド１０を駆動できる。すなわち、グールドタイプの吐出ヘッドは、たとえばガラス管に合わせて特別な構成あるいは形状の圧電アクチュエータが必要であるのに対し、この吐出ヘッド１０においては、ガラス管２０の一部を汎用的な平板状のアクチュエータに合わせた形状に成形することにより、低コストの圧電アクチュエータ６を使用できる。このため、低コストで、多種多様な液状物質９を安定して吐出できる吐出装置１を提供できる。

なお、本発明に含まれる吐出ヘッドおよび吐出装置は上記に限定されない。図９に、吐出ヘッド１０の異なる例を示している。上記のガラス管２０を用いた吐出ヘッド１０では、扁平部２３がガラス管２０を両側からプレスした形状に成形している。図９に示すように、ガラス管２０を一方の側からプレスした形状の扁平部２３を成形することが可能である。

ノズル開口１１から液状物質９を吐出するための圧力変動を得るためのキャビティ１３は、液状物質９に加わる圧力が変動するので気泡が最も発生し易い場所であり、キャビティ１３を含めた前後の連絡路１２および１４をガラス管２０で構成することにより気泡に起因する不具合は大幅に低減できる。したがって、吐出ヘッド全体をガラス管２０により構成する代わりに、ノズル開口などを別部材により構成したり、ガラス管２０の先端を絞ってノズル開口を形成する代わりに開口面積を減らす部材をガラス管２０の先端に装着してもよい。

さらに、ガラス管２０の途中を扁平した形状に成形して液状物質９を加圧する構成は、吐出ヘッドに限らず、液状物質９を輸送する経路の途中のポンプを用いることも可能である。

さらに、上記ではガラス管２０を用いているが、ガラス管２０の代わりに樹脂管、セラミックス管および金属管を用いて同様の形態に成形することによりシームレスで、平板状の圧電アクチュエータにより駆動できる吐出ヘッド１０を提供できる。

また、上記では、１つのガラス管２０を用い、１つのノズル開口１１から液状物質９を吐出する吐出ヘッド１０を示しているが、ノズル開口１１は複数であってもよい。さらに、ガラス管２０も１本に限定されることはなく、複数のガラス管を備えた吐出ヘッドおよび吐出装置であってもよい。

図１０に吐出ヘッド１０のさらに異なる例を断面図により示している。吐出ヘッド１０のキャビティ１３は、両側の壁が狭められた状態に成形されており、ピエゾ素子６が取り付けられた平坦な外面２３ｂの第１の壁２３ａに対向した（反対側の）位置に、反対側の平坦な外面２３ｄを備えた第２の壁２３ｃを備えている。この吐出ヘッド１０においては、第２の壁２３ｃの外側の面２３ｄに第１の壁２３ａに取り付けられたピエゾ素子（第１のピエゾ素子、第１のアクチュエータ）６とは独立して駆動される第２のピエゾ素子（第２のアクチュエータ）７が取り付けられている。第１のピエゾ素子６と、第２のピエゾ素子７とには、駆動装置２からタイミング、パルス幅、パルス高さなどが異なる駆動パルス２ｐ１および２ｐ２をそれぞれ供給することが可能である。たとえば、タイミングの異なる駆動パルス２ｐ１および２ｐ２を供給することにより、キャビティ１３を、駆動パルス２ｐ１および２ｐ２により変形（変位）するピエゾ素子６および７の変位を合成したように変形させることができる。ピエゾ素子６によりキャビティ１３を膨張させ、異なるタイミングでピエゾ素子７によりキャビティ１３を圧縮させたりすることも可能であり、様々な条件で吐出ヘッド１０の内部の圧力を変動させて液状物質９を吐出させることができる。

たとえば、２つのピエゾ素子６および７を同時に駆動すれば大きな液滴を吐出できる。同様の方法で、高粘度の液を吐出できる。低粘度の液を吐出する際には１つのピエゾ素子を用いて引き打ち法により吐出すると、ピエゾ素子による圧力変動でメニスカスから液を引き込んだ後に、ピエゾ素子を、メニスカスを押し出すように変位させる。その後に、内部で発生した圧力波がノズル内で反射して、吐出後にメニスカスに到達し、その圧力波が十分に減衰していないと、再吐出をしてしまう可能性がある。このような場合、一方のピエゾ素子６または７を用いて引き打ちを行い、他方のピエゾ素子７または６を、この再吐出のタイミングに合わせて、メニスカスを引き込むように変位させることが可能であり、再吐出を防ぐことが可能となる。さらに、一方のピエゾ素子６または７の変位により発生した圧力波で液を吐出している最中に、他方のピエゾ素子７または６を、液滴をノズル内部に引き戻すように変位させれば、より小さな液滴を形成できる。

図１１に、吐出ヘッドのさらに異なる例を断面図により示している。この吐出ヘッド１０のキャビティ１３も、両側の壁が狭められた状態に成形されており、ピエゾ素子６が取り付けられた平坦な外面２３ｂの第１の壁２３ａに対向した（反対側）の位置に、反対側の平坦な外面２３ｄを備えた第２の壁２３ｃを備えている。この吐出ヘッド１０においては、第２の壁２３ｃの外側の面２３ｄに第１の壁２３ａに取り付けられたピエゾ素子（第１のピエゾ素子）６とは独立して駆動される第２のピエゾ素子７が、第１のピエゾ素子６とＹ方向に対峙しないように位置をずらして取り付けられている。第１のピエゾ素子６と、第２のピエゾ素子７とには、駆動装置２からタイミング、パルス幅、パルス高さなどが異なる駆動パルス２ｐ１および２ｐ２をそれぞれ供給することが可能である。

たとえば、タイミングの異なる駆動パルス２ｐ１および２ｐ２を供給したり、駆動パルス２ｐ１および２ｐ２によりピエゾ素子６および７が変形（変位）する時間を変更したりすることにより、吐出ヘッド１０の内部に保持される液状物質９を媒体（媒質）としてキャビティ１３からノズル開口１１に向かって伝播する進行波を作ることができる。したがって、この進行波により、ガラス管２０の内部で閉塞しやすい細胞などの生物試料を含む液状物質９であっても、ノズル開口１１に向けて移動させやすい。このため、この吐出ヘッド１０においては、細胞などが付着して液状物質９の流れが滞ったり、液状物質９が詰まったりするのをいっそう防止できる。なお、第１のピエゾ素子６と第２のピエゾ素子７とは、第１の壁２３ａまたは第２の壁２３ｃのいずれか一方に長手方向（Ｚ方向）の位置をずらして取り付けても良い。

図１２に、吐出ヘッドのさらに異なる例を示している。この吐出ヘッド１０においては、ガラス管２０の外面に電気ヒーター６０がコイル状に巻かれ、ガラス管２０の内部の液状物質９を加温できるようになっている。たとえば、液状物質９が高粘度であれば、温度を上げることにより粘度を下げて吐出し易くすることができる。また、この吐出ヘッド１０であれば、所定の温度に加熱したり、加温して分注することが望ましい液状物質９を吐出することができる。

図１３に、吐出ヘッドのさらに異なる例を示している。この吐出ヘッド１０においては、ガラス管２０の扁平部２３の第２の壁２３ｃの外面２３ｄに電気ヒーター６１を取り付けている。第２の壁２３ｃの外面２３ｄは平坦なので面状ヒーター６１を取り付けることができ、安価にガラス管２０の内部の液状物質９を加熱できる。

図１４に、吐出ヘッドのさらに異なる例を示している。この吐出ヘッド１０においては、ガラス管２０の扁平部２３の第２の壁２３ｃの外面２３ｄに接続用の電極７１を設けている。さらに、ガラス管２０の外側に、扁平部２３の接続用電極７１から先端２１の開口１１に向かって電圧印加用の電極７２を設けている。接続用電極７１は、静電駆動コントローラ（装置）７５に接続されており、静電吸引用または静電アシスト用のパルス状の電位をノズル開口１１の付近に印加できるようになっている。基板などのターゲット（不図示）と液状物質９との間に電位差を設けることにより、静電力を用いて液状物質９をノズル開口１１から吐出できる。静電駆動コントローラ７５は、ピエゾ駆動用のコントローラ２と協働して動作することができる。たとえば、ピエゾ素子６により液状物質９のメニスカスをノズル開口１１まで移動させたのちに静電駆動コントローラ７５により電位を印加することにより静電吸引方式により液状物質９を吐出できる。

図１５に、吐出ヘッドのさらに異なる例を示している。この吐出ヘッド１０においては、ノズル先端２１と、狭い流路１５を形成する絞部２５とをガラス管２０を肉厚にすることにより形成している。したがって、この吐出ヘッド１０においては、ガラス管２０にくびれ等の応力が集中し易い部分を減らすことができ、破損を抑制できる。さらに、後端２９は、内側がテーパー状に面取りされており、供給管４を接続した際に段差が発生しにくい形状になっている。したがって、供給管４の接続部分も含めて、この吐出ヘッド１０においては、気泡の発生を抑制でき、液状物質９の詰まりを抑制できる。

図１６に、吐出ヘッドのさらに異なる例を示している。この吐出ヘッド１０においては、ノズル先端２１と扁平部２３とを接続する円筒部２２を４５度方向に曲げてノズル開口１１をガラス管２０の中心軸の方向からほぼ４５度異なる方向に向くようにしている。したがって、液状物質９を吐出ヘッド１０の中心軸から異なる方向に吐出できる。円筒部２２は、ガラス管２０の強度、連絡路１２を曲げることによる圧力損失などに問題がなければ任意の角度に曲げることができ、任意の方向にノズル開口１１を向けることができる。

図１７は、複数の吐出ヘッド１０を備えたヘッドブロック８０の一例を示している。このヘッドブロック８０は、複数の吐出ヘッド１０の先端２１を所定の位置またはアレンジで固定するためのノズル管固定具８１を備えている。複数の吐出ヘッド１０は、それぞれの円筒部２２が適当な角度に曲げられており、複数のノズル開口１１が狭い面積に集積して配置できるようになっている。一方、それぞれの吐出ヘッド１０のピエゾ素子６は分散してアレンジされるので配線などは容易であり、ガラス管２０を用いた吐出ヘッド１０によりマルチノズルタイプの吐出ヘッドが構成できることを示している。複数のノズル開口１１は、板状の固定具に限らず、ガラス管２０の先端部分２１を接合部材で接合したり、接着剤で固定したりしてもよい。

さらに、上記では、吐出ヘッド１０により液状物質９が吐出される対象物、たとえば、ペレット、試験管、試験用の記録紙、および吐出ヘッド１０または対象物を移動するための機構は示していないが、それら当業者が公知の機構を含む吐出装置も本発明の範囲に含まれる。

Claims (20)

1. 管路の断面が前記管路に対して直交する第１の方向に延びた扁円状の扁平部を含む管状部材であって、前記扁平部が、外側にアクチュエータを取り付けられる平坦な第１の壁を含み、前記第１の壁の変位により内容積が変動するキャビティとなるように成形された管状部材と、
   前記管状部材の一方の端に設けられたノズル開口であって、前記キャビティの内容積の変動により液状物質を吐出するノズル開口とを有し、
   前記管状部材は、前記扁平部の前後に位置する第１の円筒部および第２の円筒部を含み、前記扁平部は前記第１の方向に前記第１の円筒部および前記第２の円筒部より外側に広がり、前記第１の方向に直交する第２の方向に前記第１の円筒部および前記第２の円筒部より内側に狭まっている、吐出ヘッド。
2. 請求項１において、
   前記ノズル開口は、前記管状部材の前記一方の端が絞られて成形されている、吐出ヘッド。
3. 請求項１において、
   前記管状部材の前記キャビティに対して前記ノズル開口の反対側の一部が絞られている、吐出ヘッド。
4. 請求項１において、
   前記管状部材は、ガラス管、樹脂管、セラミックス管または金属管である、吐出ヘッド。
5. 請求項１において、
   前記第１の壁の外側に取り付けられた平板状の第１のアクチュエータをさらに有する、吐出ヘッド。
6. 請求項５において、
   前記管状部材は、前記第１の壁に対向した平坦な第２の壁を含み、
   前記第２の壁の外側に取り付けられた平板状の第２のアクチュエータであって、前記第１のアクチュエータと独立して駆動される第２のアクチュエータをさらに有する、吐出ヘッド。
7. 請求項５において、
   前記管状部材は、前記第１の壁に対向した平坦な第２の壁を含み、
   前記第２の壁の外側に取り付けられた面状のヒーターをさらに有する、吐出ヘッド。
8. 請求項５において、
   前記管状部材の外面の少なくとも一部にコイル状に巻かれたヒーターをさらに有する、吐出ヘッド。
9. 請求項５において、
   前記管状部材は、前記第１の壁に対向した平坦な第２の壁を含み、
   前記第２の壁の外側に取り付けられた接続用の電極と、
   前記接続用の電極と繋がり前記ノズル開口の近傍まで延びた電圧印加用の電極とをさらに有する、吐出ヘッド。
10. 請求項５において、
    前記管状部材の前記キャビティから前記ノズル開口に至る第１の管部が湾曲している、吐出ヘッド。
11. 請求項５に記載の吐出ヘッドを複数有するヘッドブロック。
12. 請求項１１において、
    当該ヘッドブロックに含まれる複数の吐出ヘッドの少なくともいずれかの吐出ヘッドの前記管状部材の前記キャビティから前記ノズル開口に至る第１の管部が湾曲している、ヘッドブロック。
13. 請求項１に記載の吐出ヘッドと、
    前記第１の壁の外側に取り付けられた平板状の第１のアクチュエータと、
    前記第１のアクチュエータを駆動させる駆動装置とを有する、吐出装置。
14. 請求項１３において、
    前記管状部材は、前記第１の壁に対向した平坦な第２の壁を含み、
    さらに、前記第２の壁の外側に取り付けられた平板状の第２のアクチュエータを有し、
    前記駆動装置は、前記第１のアクチュエータおよび前記第２のアクチュエータを独立して駆動させる、吐出装置。
15. 請求項１３において、
    前記ノズル開口の近傍まで延びた電圧印加用の電極と、
    前記電圧印加用の電極に電圧を印加する静電駆動装置とをさらに有する、吐出装置。
16. 請求項１５において、
    前記管状部材は、前記第１の壁に対向した平坦な第２の壁を含み、
    さらに、前記第２の壁の外側に取り付けられた接続用の電極を有し、
    前記電圧印加用の電極は、前記接続用の電極と繁がり、
    前記静電駆動装置は、前記接続用の電極に電圧を印加する、吐出装置。
17. 請求項１３において、
    液状物質を貯蔵する容器を装着可能な装着部と、
    前記装着部に装着された前記容器から液状物質を前記管状部材に供給する供給路とをさらに有する、吐出装置。
18. 管路の断面が前記管路に対して直交する第１の方向に延びた扁円状の扁平部と、前記扁平部の外側にアクチュエータを取り付けられる平坦な第１の壁とを含み、前記扁平部が、前記第１の壁の変位により内容積が変動するキャビティとなるように成形された管状部材であって、
    当該管状部材の一方の端に、前記キャビティの内容積の変動により液状物質を吐出するノズル開口が設けられ、
    当該管状部材は、前記扁平部の前後に位置する第１の円筒部および第２の円筒部を含み、前記扁平部は前記第１の方向に前記第１の円筒部および前記第２の円筒部より外側に広がり、前記第１の方向に直交する第２の方向に前記第１の円筒部および前記第２の円筒部より内側に狭まっている、管状部材。
19. 請求項１８において、
    前記ノズル開口は、当該管状部材の前記一方の端が絞られて成形されている、管状部材。
20. 請求項１８において、
    前記キャビティに対して前記ノズル開口の反対側の一部が絞られている、管状部材。

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