JP5919676B2 - 液体噴射ヘッドの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体噴射ヘッドの駆動方法に関する。

被噴射液体に向けて液体を噴射して、ゲルを製造する方法が知られている。そして、このような方法で製造されたゲルに薬剤を含有させ、このゲルを血管に注入することにより、体内の患部に薬剤を到達させるドラッグデリバリーが考えられている。体内に注入することから、より小さなゲルを製造することが望ましい。よって、液体噴射ヘッドからより微小な液体を噴射し、ゲルを製造することができるようにすることが求められている。

なお、本明細書では、説明の都合上「ゲル」と記載するが、「マイクロスフィア」、「マイクロカプセル」、「ゲルビーズ」等の、微小サイズのカプセル化の技術に関するものである。

特許文献１には、小さな液体を吐出するために、駆動波形のうち、圧力発生室の体積を収縮させるための第１電圧変化プロセスと、圧力発生室の体積を膨張させる第２電圧変化プロセスの変化時間を、それぞれ電気機械変換機の固有振動の固有周期以下（アクチュエーターの固有周期）に設定して、微小化を図ることが示されている。

特開２０００−２１８７７８号公報

しかしながら、上述のように、プロセスの変化時間をアクチュエーターの固有周期以下にしても、高分子を含有する液体を微小化して噴射することが困難であるという問題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高分子を含有する液体を噴射するに際し噴射される液体を微小化することを目的とする。

上記目的を達成するための主たる発明は、
電圧を液体噴射ヘッドに印加して、高分子を含有する液体を噴射させる液体噴射ヘッドの駆動方法であって、
前記電圧を第１電圧から第２電圧に上昇させることと、
前記電圧を前記第１電圧から前記第２電圧に上昇させたときよりも大きな傾きで前記第２電圧から第３電圧に上昇させ、該第３電圧に保持することと、
前記電圧を前記第３電圧から第４電圧に降下させ、該第４電圧に保持することと、
前記電圧を前記第４電圧から第５電圧に上昇させ、該第５電圧に保持することと、
前記電圧を前記第５電圧から第６電圧に降下させ、該第６電圧に保持することと、
前記電圧を前記第６電圧から第７電圧に上昇させることと、を含み、
前記第５電圧は前記第３電圧よりも高いことを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法である。

本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。

ゲル製造装置を示す概略側面図である。 ゲル製造装置を示す概略平面図である。 噴射ヘッド１２の構造を説明する図である。 本実施形態における噴射機構１のブロック図である。 駆動信号生成回路７０の構成を説明するブロック図である。 波形生成回路７１の構成を説明するためのブロック図である。 電流増幅回路７２の出力電圧を、電圧Ｅ１から電圧Ｅ４まで降下させる動作を説明するための図である。 電流増幅回路７２の構成を説明する図である。 本実施形態における駆動信号の説明図である。 本実施形態におけるメニスカスの動きを説明する図である。

本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。

電圧を液体n噴射ヘッドに印加して、高分子を含有する液体を噴射させる液体噴射ヘッドの駆動方法であって、
前記電圧を第１電圧から第２電圧に上昇させることと、
前記電圧を前記第１電圧から前記第２電圧に上昇させたときよりも大きな傾きで前記第２電圧から第３電圧に上昇させ、該第３電圧に保持することと、
前記電圧を前記第３電圧から第４電圧に降下させ、該第４電圧に保持することと、
前記電圧を前記第４電圧から第５電圧に上昇させ、該第５電圧に保持することと、
前記電圧を前記第５電圧から第６電圧に降下させ、該第６電圧に保持することと、
前記電圧を前記第６電圧から第７電圧に上昇させることと、を含み、
前記第５電圧は前記第３電圧よりも高い液体噴射ヘッドの駆動方法。
このようにすることで、高分子を含有する液体を噴射するに際し噴射される液体を微小化することができる。また、前記第５電圧は前記第３電圧よりも高いため、前記第３電圧を付加したときに生じたメニスカスの引き込みよりも、さらに内側（非噴射される側）にメニスカスを引き込むことが出来るため、引き込む際の力が増大し、増大した強い力で液滴と液滴の尾を切り離せる。特に噴射させる溶液の粘度が高いほど液滴の尾が切れにくいが、前記第５電圧は前記第３電圧よりも高くすることで、液滴の尾が切ることができる。

かかるヘッドの駆動方法であって、前記第２電圧は前記第３電圧の５０％以上の電圧を有することが望ましい。
このようにすることで、メニスカスに窪み部を形成して、より微小化した液体を噴射することができるようになる。

また、前記第１電圧は前記第７電圧と等しいことが望ましい。
このようにすることで、第１電圧と第７電圧とを中間電圧とすることができる。

また、前記第４電圧は前記第１電圧よりも高いことが望ましい。
このようにすることで、大きな液滴を噴射しない程度にメニスカスを外側（噴射される側）に押し出すことができる。

また、前記第５電圧の保持時間は前記第３電圧の保持時間よりも短いことが望ましい。
このように、第５電圧の保持時間が第３電圧の保持時間より長いと、前記第４電圧から前記第５電圧に引き上げた際に発生させた内側向き（非噴射される方向）のメニスカス変動が、第５電圧の保持時間中に反作用による外側向き（噴射される方向）のメニスカス変動に変わってしまうため、切断された尾だけでなく、変動した液体全体が液滴として噴射されてしまう虞がある。そのため、第５電圧の保持時間を第３電圧の保持時間より短くすることで、外側向き（噴射される方向）のメニスカス変動による液滴噴射が起こる前に、次の駆動信号を印加する。そうすることで反作用によって生じた制御しにくい外側向き（噴射される方向）のメニスカス変動を、制御可能なメニスカス変動に変えることができるため、変動した液体全体が液滴として噴射されてしまうことを防止し、安定した液滴の噴射が可能となる。

また、前記高分子を含有する液体の粘度は５mPa.s以上であることが望ましい。
このようにすることで、粘度の高い高分子の液体を含んだゲルを製造することができる。

また、前記高分子を含有する液体は、アルギン酸ナトリウムを含むことが望ましい。
このようにすることで、アルギン酸ナトリウムを含んだゲルを製造することができる。

電圧を液体噴射ヘッドに印加して高分子を含有する液体を噴射させるための駆動信号を生成する液体噴射ヘッドの駆動信号生成装置であって、
前記ヘッドに印加する電圧を、
第１電圧に保持し、
前記第１電圧から上昇させて第２電圧にし、
前記第１電圧から前記第２電圧に上昇したときよりも大きな傾きで前記第２電圧から上昇させて第３電圧にし、該第３電圧に保持し、
前記第３電圧から降下させて第４電圧にし、該第４電圧に保持し、
前記第４電圧から上昇させて第５電圧にし、該第５電圧に保持し、
前記第５電圧から降下させて第６電圧にし、該第６電圧に保持し、
前記第６電圧から上昇させて第７電圧にし、
前記第５電圧は前記第３電圧よりも高い液体噴射ヘッドの駆動信号生成装置。
このようにすることで、高分子を含有する液体を噴射するに際し噴射される液体を微小化することができる。

＝＝＝実施形態＝＝＝
図１は、ゲル製造装置を示す概略側面図であり、図２は、ゲル製造装置を示す概略平面図である。ゲル製造装置１０は、噴射機構１と、流動機構２と、ゲル回収機構３と、噴射計測機構４と、ゲル計量機構５と、観察機構６とを備えている。

ゲル製造装置１０は、流動機構２を流動する第２溶液Ｌ２に向けて、噴射機構１から第１溶液Ｌ１を噴射させることで、排出部２２において、第１溶液Ｌ１と第２溶液Ｌ２とが化学反応して生成されたゲルＧを得る。本実施形態では、第１溶液Ｌ１としてアルギン酸ナトリウム水溶液を用い、第２溶液Ｌ２として塩化カルシウム水溶液を用いる。アルギン酸ナトリウムと塩化カルシウムとが化学反応し、アルギン酸カルシウムゲルが生成される。

噴射機構１は、第１溶液Ｌ１を収納する第１タンク１１と、噴射ヘッド１２と、第１タンク１１から噴射ヘッド１２へ第１溶液Ｌ１を供給する供給配管１４と、ギャッププレート１６と、補強プレート１９と、固定柱１５と、固定治具１５ａとを備えている。

噴射ヘッド１２には、ノズル１３が形成されたノズルプレート１３ａを備えている。ノズル１３は、例えば直径２０μｍであり、噴射周波数１０Ｈｚ以上で第１溶液Ｌ１はノズル１３から噴射される。ノズル１３は、噴射ヘッド１２に１つ形成されている様子を図示したが、これに限られず、複数形成されていてもよい。また、噴射ヘッド１２は、噴射機構１に１個配置していると図示したが、これに限るものではなく、噴射機構１に複数配置している構成としてもよい。

ギャッププレート１６は、貫通孔１７と溝１８とを備えている。ギャッププレート１６は、たとえば透明なアクリルからなる。透明なギャッププレート１６を用いることにより、顕微鏡などを用いて、目視により確認してノズル１３と貫通孔１７との位置合わせを容易にする。貫通孔１７とノズル１３とは連通されるように配置されている。これにより、ノズル１３から噴射される第１溶液Ｌ１が、貫通孔１７を通り抜ける構成となっている。貫通孔１７には、フッ素系やシリコン系などの撥水コーティングが施されている。同様に、ギャッププレート１６には、フッ素系やシリコン系などの撥水コーティングが施されている。ノズル１３と面する側の貫通孔１７の直径は、ノズル１３の直径と同等またはそれ以上とする。そして、貫通孔１７のもう一方側の直径は、ノズル１３と面する側の貫通孔１７の直径と同等またはそれ以上とする。つまり、貫通孔１７は、同一直径または、ノズル１３と面する側からもう一方側へ大きくなるテーパー形状である。このテーパー形状の角度は、９０度から１８０度の範囲で適宜決定される。そして、貫通孔１７の流動部２１側は、Ｒ形状に加工されている。

ギャッププレート１６は、枠状に形成された補強プレート１９に、接着剤などにより固定されている。補強プレート１９により、ギャッププレート１６の機械的強度を補強させる。ギャッププレート１６及び補強プレート１９の外径は、補強プレート１９からギャッププレート１６にかけて、細く形成されている。

流動機構２は、第２溶液Ｌ２を収納する第２タンク２０と、第２溶液Ｌ２が流動される流動部２１および排出部２２と、溶液循環部２３とを備えている。第２タンク２０は、フィルター２５および流動部２１に連通されている。排出部２２は、流動部２１と連通されている。第２タンク２０に収納された第２溶液Ｌ２は、フィルター２５で濾過され、流動部２１及び排出部２２へ流動される。そして、排出部２２は、流動部２１を流動した第２溶液Ｌ２及び生成されたゲルＧを通過させる。溶液循環部２３は、例えば、ポンプ２４を備えている。排出部２２を通過した第２溶液Ｌ２は、溶液循環部２３により回収され、ポンプ２４により第２タンク２０へ循環される。

第２タンク２０は、例えば透明又は半透明なポリエチレンなどからなる。流動部２１及び排出部２２は、例えば透明なアクリルなどからなり、管状に形成されている。排出部２２は、Ｌ字形に形成されており、流動部２１から流動した第２溶液Ｌ２が、排出部２２から飛散しないようにされている。

流動部２１とギャッププレート１６との間に、第２溶液Ｌ２を流動させることにより、ギャッププレート１６の貫通孔１７内部は負圧になるため、これを生かして、溝１８から貫通孔１７へ空気（気体）の流れを生じさせる。これにより、第２溶液Ｌ２が、流動機構２からギャッププレート１６の貫通孔１７へ流入することを防止することができる。さらには、噴射ヘッド１２のノズル１３から噴射される第１溶液Ｌ１の噴射速度を維持又は補助させることができる。

また、噴射機構１において、貫通孔１７の流動部２１側は、Ｒ形状に加工されているので、第２溶液Ｌ２が、ギャッププレート１６の貫通孔１７から、噴射ヘッド１２のノズル１３へ入り込んでしまうことを抑制し、第２溶液Ｌ２によりノズル１３が塞がれることを防ぐ。

溶液循環部２３は、流動部２１、排出部２２、及び後述するゲル回収機構３を流動した第２溶液Ｌ２を回収し、第２タンク２０へ循環させる。

ゲル回収機構３は、流動された第２溶液Ｌ２に第１溶液Ｌ１を噴射させることにより生成されるゲルＧを回収する。

噴射計測機構４は、噴射機構１の第１タンク１１の重量を計測する。第１溶液Ｌ１を収納する第１タンク１１の重量を計測することにより、噴射される前後の重量差から、ノズル１３から噴射される第１溶液Ｌ１の重さを計測する。

ゲル計量機構５は、レーザー光源５１と光電検出器５２とを備えている。レーザー光源５１から投射された投射光を、第２溶液Ｌ２及びゲルＧが流動される流動部２１に照射する。そして、流動部２１において、投射光が反射された反射光を光電検出器５２により受光することにより、生成されたゲルＧの数量、形状、及び大きさを計量する。

観察機構６は、ゲル回収機構３で回収されたゲルＧの状態、例えば形状及び大きさなどを観察する、又は計測する。観察機構６は、カメラ６１を備えている。カメラ６１を用いて、回収ネット３１でとらえられたゲルＧを撮像することにより、生成されたゲルＧの状態、例えば形状及び大きさなどを観察する、または計測する。

図３は、噴射ヘッド１２の構造を説明する図である。図には、ノズル１３、ピエゾ素子ＰＺＴ、液体供給路４０２、ノズル連通路４０４、及び、弾性板４０６が示されている。

液体供給路４０２には、第１タンクから高粘度の液体が供給される。そして、これらの液体等は、ノズル連通路４０４に供給される。ピエゾ素子ＰＺＴには、後述する駆動信号が印加される。駆動信号が印加されると、駆動信号に従ってピエゾ素子ＰＺＴが伸縮し、弾性板４０６を振動させる。そして、駆動信号の振幅に対応するように液体を移動させる。

上記の液体の移動を具体的に説明する。本願実施形態のピエゾ素子ＰＺＴは、電圧を印加すると図３の上下方向に収縮する特性を有する。駆動信号としてある電圧からより大きい電圧を印加した場合、ピエゾ素子ＰＺＴは図３の上下方向に収縮してノズル連通路４０４の容積を拡大する方向に弾性板４０６を変形させる。このとき、ノズル１３における液体表面（後述のメニスカス）はノズル１３の内側（図３の上側）方向に移動する。逆に、ある電圧からより小さい電圧を印加した場合、ピエゾ素子ＰＺＴは図３の上下方向に伸長し、ノズル連通路４０４の容積を縮小する方向に弾性板４０６を変形させる。このとき、ノズル１３の液体表面はノズル１３の外側（図３の下側）方向に移動する。

図４は、本実施形態における噴射機構１のブロック図である。噴射機構１は、噴射機構１及びゲル製造装置１０を制御するためのコントローラー６０と、駆動信号を生成する駆動信号生成回路７０と、噴射ヘッド１２とを備える。コントローラー６０は、駆動信号生成回路７０に対して、形成するべき駆動信号の波形のデータを送る。駆動信号生成回路７０は、送られた波形のデータに基づいて駆動信号を生成する。生成された駆動信号は、噴射ヘッド１２のピエゾ素子ＰＺＴに印加され、液滴が噴射ヘッド１２から噴射される。

図５は、駆動信号生成回路７０の構成を説明するブロック図である。本実施形態の駆動信号生成回路７０は、波形生成回路７１と電流増幅回路７２を有している。

図６は、波形生成回路７１の構成を説明するためのブロック図である。波形生成回路７１は、Ｄ／Ａ変換器７１１と、電圧増幅回路７１２とを有する。Ｄ／Ａ変換器７１１は、ＤＡＣ値に応じた電圧信号を出力する電気回路である。このＤＡＣ値は、電圧増幅回路７１２から出力させる電圧（以下、出力電圧ともいう。）を指示するための情報であり、記憶された波形データに基づいてコントローラー６０から送られる。

電圧増幅回路７１２は、Ｄ／Ａ変換器７１１からの出力電圧を、ピエゾ素子ＰＺＴの動作に適した電圧まで増幅する。本実施形態の電圧増幅回路７１２では、Ｄ／Ａ変換器７１１からの出力電圧を、最大４０数Ｖまで増幅する。そして、増幅後の出力電圧は、制御信号Ｓ_Ｑ１及び制御信号Ｓ_Ｑ２として電流増幅回路７２に出力される。

図７は、電流増幅回路７２の出力電圧を、電圧Ｅ１から電圧Ｅ４まで降下させる動作を説明するための図である。
駆動信号ＣＯＭを生成する場合には、コントローラー６０は、所定の更新周期τ毎のＤＡＣ値を、Ｄ／Ａ変換器７１１へ順次出力する。図７の例では、クロックＣＬＫで規定されるタイミングｔ（ｎ）で電圧Ｖ１に対応するＤＡＣ値が出力される。これにより、周期τ（ｎ）にて、電圧増幅回路７１２からは電圧Ｅ１が出力される。そして、更新周期τ（ｎ＋４）までは、電圧Ｅ１に対応するＤＡＣ値がコントローラー６０からＤ／Ａ変換器７１１に順次入力され、電圧増幅回路７１２からは電圧Ｅ１が出力され続ける。また、タイミングｔ（ｎ＋５）では、電圧Ｅ２に対応するＤＡＣ値がコントローラー６０からＤ／Ａ変換器７１１に入力される。これにより、周期τ（ｎ＋５）にて、電圧増幅回路７１２の出力は、電圧Ｅ１から電圧Ｅ２へ降下する。同様に、タイミングｔ（ｎ＋６）では、電圧Ｖ３に対応するＤＡＣ値がコントローラー６０からＤ／Ａ変換器７１１に入力され、電圧増幅回路７１２の出力が電圧Ｅ２から電圧Ｅ３へ降下する。以下同様に、ＤＡＣ値がＤ／Ａ変換器７１１に順次入力されるため、電圧増幅回路７１２から出力される電圧は、次第に降下する。そして、周期τ（ｎ＋１０）にて、電圧増幅回路７１２の出力は電圧Ｅ４まで降下する。このようにして、駆動信号が、波形生成回路７１から出力される。

図８は、電流増幅回路７２の構成を説明する図である。電流増幅回路７２は、駆動信号ＣＯＭを電力増幅するトランジスター対７２１を有する。トランジスター対７２１は、互いのエミッター端子同士が接続されたＮＰＮ型のトランジスターＱ１とＰＮＰ型のトランジスターＱ２を有する。ＮＰＮ型のトランジスターＱ１は、駆動信号ＣＯＭの電圧上昇時に動作するトランジスターである。このＮＰＮ型のトランジスターＱ１は、コレクターが電源に、エミッターが駆動信号ＣＯＭの出力信号線に、それぞれ接続されている。ＰＮＰ型のトランジスターＱ２は、電圧降下時に動作するトランジスターである。ＰＮＰ型のトランジスターＱ２は、コレクターが接地（アース）に、エミッターが駆動信号ＣＯＭの出力信号線に、それぞれ接続されている。なお、ＮＰＮ型のトランジスターＱ１とＰＮＰ型のトランジスターＱ２のエミッター同士が接続されている部分の電圧（駆動信号ＣＯＭの電圧）は、符号ＦＢで示すように、電圧増幅回路７１２Ａへフィードバックされている。

電流増幅回路７２は、波形生成回路７１からの出力電圧によって動作が制御される。例えば、出力電圧が上昇状態にあると、制御信号Ｓ_Ｑ１によってＮＰＮ型のトランジスターＱ１がオン状態となる。これに伴い、駆動信号ＣＯＭの電圧も上昇する。一方、出力電圧が降下状態にあると、制御信号Ｓ_Ｑ２によってＰＮＰ型のトランジスターＱ２がオン状態となる。これに伴い、駆動信号ＣＯＭの電圧も降下する。なお、出力電圧が一定である場合、ＮＰＮ型のトランジスターＱ１もＰＮＰ型のトランジスターＱ２もオフ状態となる。その結果、第１駆動信号ＣＯＭは一定電圧となる。
このようにすることによって、所望の形状の駆動信号を生成することができる。

図９は、本実施形態における駆動信号の説明図である。駆動信号の電圧の変化と各駆動信号成分の時間を示している。図１０は、本実施形態におけるメニスカスの動きを説明する図である。ここで、「メニスカス」は、ノズルにおける液体表面である。両図には、円で囲われた成分番号が示されている。そして、図９には、成分番号に対応する電圧と成分番号に対する時間が示され、図１０には、成分番号に対応するノズル部の状態が示されている。図において、黒色で塗りつぶされているのが液体の部分である。尚、図における「Ｎ．Ｐ部」は、ノズルプレートの部分であることを示している。このようにして、電圧変化に応じたメニスカスの様子がわかるようになっている。

成分番号１において、電圧はＶ１（第１電圧に相当）の中間電圧に維持されている。中間電圧とは、メニスカスに特段の変化を与えないときにおいて、ピエゾ素子ＰＺＴに印加する定電圧である。このとき、メニスカスは変化しないので、ノズルプレートとほぼ同じ面で平面を形成する。

成分番号２において、電圧は中間電圧Ｖ１から電圧Ｖ２（第２電圧に相当）に上昇させられる。ピエゾ素子ＰＺＴに印加される電圧が上昇することで、メニスカスは噴射ヘッド内部側に引き込まれる。この電圧変化は比較的緩やかなものであるので、メニスカスは緩やかな弧を描くような形状となる。

成分番号３において、電圧は電圧Ｖ２から電圧Ｖ３（第３電圧に相当）へと上昇させられる。成分番号３において、電圧の上昇は成分番号２のときよりも急峻である。換言すると、成分番号３における電圧の上昇率は成分番号２のときにおける電圧の上昇率よりも大きい。このように、より急峻に電圧上昇させることにより、メニスカスはより急激にヘッド側に引き込まれることから、メニスカスの中央部には図に示されるような小さな窪みが形成させる。尚、電圧Ｖ２は電圧Ｖ３の５０％以上の電圧であることが望ましい。

成分番号４において、電圧は電圧Ｖ３に維持される。このように電圧が電圧Ｖ３で維持される期間が存在することで、成分番号３において形成された小さな窪みは表面張力のバランスが崩され、窪みが元に戻ろうと図の下向きに動く。このように、元に戻ろうとする力により、下向きの方向に液滴が膨らんで、液滴を形成する。

成分番号５において、電圧は電圧Ｖ３から電圧Ｖ４（第４電圧に相当）へ降下させられる。このとき、電圧Ｖ４は電圧Ｖ２よりも低く設定されている。前述の成分番号４の状態でも液滴はノズルから飛び出すと考えられるが、液滴の噴射促進のため、成分番号５において電圧が降下させられている。電圧の降下により、液体全体がノズルから押し出されるようになる。尚、電圧Ｖ４は、前述の電圧Ｖ１よりも高いことが望ましい。
なぜなら、電圧Ｖ４を電圧Ｖ１より低くした場合、液滴を形成し噴射するのに必要な電圧変化（電圧Ｖ１から電圧Ｖ３）よりも大きい電圧変化になってしまい、液滴の噴射促進だけでなく、ノズル内にある液体全体が液滴となって噴射されてしまう虞がある。そのため、電圧Ｖ４を電圧Ｖ１よりも高くすることで、ノズル内にある液体全体を噴射することを防止することができる。

成分番号６において、電圧は電圧Ｖ４に維持される。ここで、電圧の一定電圧Ｖ４での維持は、次の成分において逆方向の電圧変化を与える前における緩衝の役割を果たす。

成分番号７において、電圧は電圧Ｖ４から電圧Ｖ５（第５電圧に相当）へと上昇させられる。なお、電圧Ｖ５は、電圧Ｖ３よりも高い電圧値に設定されている。このように、電圧Ｖ５を電圧Ｖ３以上の電圧値にすることで、メニスカスの引き込みをより内側（非噴射される側）に変動させることが出来るため、そのときに発生した強い力で液滴と液滴の尾を切り離せる。

成分番号８において、電圧は電圧Ｖ５に維持される。これにより、メニスカスの動きが整えられる。
また、成分番号８において、電圧保持時間ｔ８は電圧保持時間ｔ４よりも短く設定されている。第５電圧の保持時間が第３電圧の保持時間より長いと、第４電圧から第５電圧に引き上げた際に発生させた内側向き（非噴射される方向）のメニスカス変動が、第５電圧の保持時間中に反作用による外側向き（噴射される方向）のメニスカス変動に変わってしまうため、切断された尾だけでなく、変動した液体全体が液滴として噴射されてしまう虞がある。
そのため、第５電圧の保持時間を第３電圧の保持時間より短くすることで、外側向き（噴射される方向）のメニスカス変動による液滴噴射が起こる前に、次の波形成分を印加する。そうすることで反作用によって生じた制御不能の外側向き（噴射される方向）のメニスカス変動を、制御できるメニスカス変動に変えることができるため、変動した液体全体が液滴として噴射されることを防止し、安定した液滴噴射が可能になる。尚、ここでは、メニスカスの動きを整えてはいるが、液滴とメニスカスとの間に尾が生じていることが観察できる。

成分番号９において、電圧が電圧Ｖ５から電圧Ｖ６（０Ｖ：第６電圧に相当）に降下させられる。このように、電圧を降下させることで、成分番号８において観察された尾をノズルプレートよりも外側（図３または図１０における下側）へメニスカスを突出させて回収する。尚、電圧Ｖ５から電圧Ｖ６へと降下させたときの傾きは、電圧Ｖ３から電圧Ｖ４へと降下させたときの傾きより緩やかである。換言すると、電圧Ｖ５から電圧Ｖ６への電圧の変化率は、電圧Ｖ３から電圧Ｖ４へと降下させたときの変化率よりも小さい。

成分番号１０において、電圧は電圧Ｖ６に維持される。これにより、メニスカスの動きが整えられる。

成分番号１１において、電圧は電圧Ｖ６から中間電圧Ｖ７（第７電圧に相当）へと上昇させられる。そして、成分番号１２において、中間電圧Ｖ７の状態が維持され、次の液滴の噴射に備えられる。

このようにすることで、メニスカスの揺れを抑制できるとともに、次の微小液滴形成にむけたメニスカス形成が可能になる。特に、本実施形態では、粘度が５mPa.s以上の高粘度の液体を噴射することができる。また、さらに高粘度である２０mPa.s以上の液体は、液滴の尾を切断することが非常に困難であったが、本実施形態により２０mPa.s以上の液体を噴射し、微小なゲルを製造することができる。尚、本実施形態で噴射されるアルギン酸ナトリウムの粘度は、２０〜１００mPa.s程度である。また、アルギン酸ナトリウムの表面張力は、７０ｍＮ／ｍ程度となっている。

尚、本実施形態ではアルギン酸ナトリウムを噴射することとしたが、これに限られず、高分子を含む液体であって高粘度の液体を噴射することができる。ここで、高分子とは、原子が１０００個以上であって分子量が１万以上のものをいう。

また、本実施形態では電圧を印加した場合に図３の上下方向に収縮するピエゾ素子を用いたが、電圧の印加によって図３の上下方向に伸長するピエゾ素子を用いても良い。この場合の駆動信号波形は、本実施例に示した駆動信号における電圧値の大小関係が逆転したものとなる。

本実施形態において製造されるゲルの内部には、所望の物質を封入することができる。ゲルの内部に封入する所望の物質としては、各種細胞及び各種薬剤等を例示することができるがこれらに限定されるおのではない。より具体的には、細胞としては、血管内皮細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞、赤血球、白血球、血小板、がん細胞、さらには、大腸菌、乳酸菌などの細菌（単細胞）等を例示することができ、これらの細胞を封入したゲルは、乳酸菌などの細菌（単細胞）等を例示することができ、これらの細胞を封入したゲルは、乾燥などの細胞の各種障害刺激からの保護、細胞・細菌のキャリアーとして、細胞移植用ゲル等の治療用機材やバイオチップ等の診断用機材等に利用することができる。また、ゲルに封入する薬剤としては、抗生物質、抗真菌剤、血管内皮細胞増殖因子、塩基性線維芽細胞増殖因子、肝細胞増殖因子、各種血管作動性物質、抗アレルギー剤、抗ヒスタミン剤、インスリンなどのホルモン剤、その他、タンパク質、酵素、核酸、糖類、アミノ酸、乳化した脂質、保湿剤、香料、染料等を例示することができ、これらの薬剤を封入したゲルは、これらの薬剤のＤＤＳとして利用することができる。なお、薬剤をゲルに封入することにより、薬剤を直接投与する場合に比べて作用時間を長期に保つ、作用時間を制御する、環境の薬剤に対する影響を緩衝する、多種薬剤を反応させずに混合できるなどという利点が得られる。さらに小さい微粒子としては、金属や無機材料、有機材料によるナノ粒子なども含めることができる。顔料や蛍光性粒子、リポゾーム、ナノミセルなど、それら自身特殊な機能を持つので、それらを含めることにより、ゲルはさらに複雑な除放制御機能を持つＤＤＳとして利用することができる。また、ゲル中に触媒や酵素を封入すれば、ミクロのサイズの酵素・触媒の反応場となる。流路での反応場においてのマイクロカラムに利用できる。

ここでは、第１溶液Ｌ１としてアルギン酸ナトリウム水溶液とし、第２溶液として塩化カルシウム水溶液として説明を行ったが、これには限られない。これらは、アルギン酸塩水溶液とアルカリ土類金属塩水溶液の組み合わせの一例として挙げたものであるが、アルカリ土類金属塩としては、塩化バリウムを例示することもできる。

また、例えば、第１溶液Ｌ１と第２溶液Ｌ２の組み合わせとして、（１）ホウ酸水溶液とポリビニルアルコール水溶液、（２）ペプチドハイドロゲル形成性ペプチド水溶液と塩化ナトリウム水溶液、（３）昇温時ゲル化型熱可逆ハイドロゲル形成性親水性高分子水溶液と温水、の組み合わせを挙げることができる。また、（４）トロンビン水溶液、フィブリノーゲン水溶液、及び、カルシウム塩水溶液のうちいずれか２成分を含む水溶液と、残りの１成分を含む水溶液の組み合わせでもよい。

上記（２）のペプチドハイドロゲル形成性ペプチドとしては、中性アミノ酸、酸性アミノ酸及び／又は塩基性アミノ酸を交互に配置したアミノ酸数１２〜２０、好ましくは１６程度のペプチドである。

上記（３）の昇温時ゲル化型熱可逆ハイドロゲル形成性親水性高分子は、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）やポリプロピレンオキサイドのような温度感受性ポリマーセグメントと、ポリエチレンオキサイドのような親水性ポリマーセグメントからなるブロックコポリマーであり、例えば、メビオール株式会社からメビオールジェルという商品名で市販されているものである。メビオールジェル（商品名）は、低温時にはゾルであり、３７℃以上でゲル化するので、第１溶液Ｌ１として、３６℃以下のメビオールジェル（商品名）水溶液を用い、第２溶液Ｌ２として３７℃以上の温水を用いることにより、第１溶液Ｌ１を第２溶液Ｌ２に噴射すれば第１溶液Ｌ１が第２溶液Ｌ２内でゲル化する。なお、メビオールジェル（商品名）水溶液は、比較的粘度が高いものであるが、本実施形態における駆動信号を用いた場合には適切に当該水溶液を噴射することができる。

＝＝＝その他の実施の形態＝＝＝
上述の実施形態では、液体噴射装置としてゲル製造装置１０が説明されていたが、これに限られるものではなく他の流体（液体や、機能材料の粒子が分散されている液状体、ジェルのような流状体）を噴射したり吐出したりする液体吐出装置に具現化することもできる。例えば、カラーフィルター製造装置、染色装置、微細加工装置、半導体製造装置、表面加工装置、三次元造形機、気体気化装置、有機ＥＬ製造装置（特に高分子ＥＬ製造装置）、ディスプレイ製造装置、成膜装置、ＤＮＡチップ製造装置などのインクジェット技術を応用した各種の装置に、上述の実施形態と同様の技術を適用してもよい。また、これらの方法や製造方法も応用範囲の範疇である。

上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは言うまでもない。

１…噴射機構、２…流動機構、３…ゲル回収機構、４…噴射計測機構、５…ゲル計量機構、６…観察機構、１０…ゲル製造装置、１１…第１タンク、１２…噴射ヘッド、１３…ノズル、１４…供給配管、１６…ギャッププレート、１７…貫通孔、１８…溝、１９…補強プレート、２０…第２タンク、２１…流動部、２２…排出部、２３…溶液循環部、２４…ポンプ、２５…フィルター、３１…回収ネット、６０…コントローラー、６１…カメラ、７０…駆動信号生成回路、７１…波形生成回路、７２…電流増幅回路、４０２…液体供給路、４０４…ノズル連通路、４０６…弾性板、７１１…Ｄ／Ａ変換器、７１２…電圧増幅回路、Ｇ…ゲル、Ｌ１…第１溶液、Ｌ２…第２溶液、ＰＺＴ…ピエゾ素子。

Claims (7)

1. 電圧をピエゾ素子に印加してピエゾ素子を伸長または収縮させることで高分子を含有する液体を噴射させる液体噴射ヘッドの駆動方法であって、
   前記電圧を第１電圧から第２電圧に上昇させることと、
   前記電圧を前記第１電圧から前記第２電圧に上昇させたときよりも大きな傾きで前記第２電圧から第３電圧に上昇させ、該第３電圧に保持することと、
   前記電圧を前記第３電圧から第４電圧に降下させ、該第４電圧に保持することと、
   前記電圧を前記第４電圧から第５電圧に上昇させ、該第５電圧に保持することと、
   前記第３電圧から前記第４電圧に降下させたときよりも小さい傾きで前記第５電圧から第６電圧に降下させ、該第６電圧に保持することと、
   前記電圧を前記第６電圧から第７電圧に上昇させることと、を含み、
   前記第５電圧は前記第３電圧よりも高く、前記第６電圧は前記第１電圧より低いことを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法。
2. 前記第２電圧は前記第３電圧の５０％以上の電圧を有する、請求項１に記載の駆動方法。
3. 前記第１電圧は前記第７電圧と等しい、請求項１または２に記載の駆動方法。
4. 前記第４電圧は前記第１電圧よりも高い、請求項１〜３のいずれか一項に記載の駆動方法。
5. 前記第５電圧の保持時間は前記第３電圧の保持時間よりも短い、請求項１〜４のいずれか一項に記載の駆動方法。
6. 前記高分子を含有する液体の粘度は５mPa.s以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の駆動方法。
7. 前記高分子を含有する液体は、アルギン酸ナトリウムを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の駆動方法。

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