JPWO2018070264A1 - 液体吐出装置と液体吐出装置を有する検査装置、液体吐出装置を有する細胞培養装置 - Google Patents

Abstract

第１把持部と第２把持部とを有し、液滴を吐出するノズルと、上記ノズルが取り付けられる基体と、上記ノズルを上記基体に固定する固定部と、上記ノズルに変位を発生させる駆動部と、を含み、上記第１把持部と上記第２把持部の少なくとも一方は上記駆動部に把持される液体吐出装置を用いる。また、上記第１把持部と上記第２把持部のうち他方は上記固定部に把持される上記液体吐出装置を用いる。

Description

本発明は、液体吐出用の液体吐出装置と、その液体吐出装置を有する検査装置と、その液体吐出装置を有する細胞培養装置に関する。特に、創薬・医療・バイオテクノロジーなどの分野において、薬液・試薬などの供給や分注に用いるのに適した液体吐出装置と、その液体吐出装置を有する検査装置と、その液体吐出装置を有する細胞培養装置に関する。

近年、様々な記録媒体に文字や画像記録するための装置として、インクジェット方式による印刷装置が普及し、広く知られている。このインクジェットは、紙やフィルムへの印刷に留まらず、創薬・医療・バイオテクノロジー分野に応用が進められる。インクジェットの適用範囲は大きく拡大している。

特に、インクジェットの高精度な吐出性能を活かして、薬液・試薬などを微少量かつ正確に検体などに供給する試みが、近年進められている。

しかしながら、創薬・医療・バイオテクノロジー分野では、金属イオンの影響を受けやすく、接液部は金属フリーである必然がある。さらに、薬液・試薬の交換時に、それまで使用していた薬液・試薬と、新しい薬液・試薬とが混ざりあうことは、性能の低下のみならず、相互作用により、予期しない作用を招くため必ず避けなければならない。

ところが、通常の液体吐出ヘッド内部は、金属材料で構成されており、また狭い流体の流路や空間で構成される。このため、液体吐出ヘッド内部を完全に洗浄を行うことができず、従って、接液部を容易に交換することのできる液体吐出ヘッドが考案されている（特許文献１）。

特許文献１では、取り外し可能な容器を備え、これに駆動機構により外部からこの容器を加圧する。このことにより、駆動機構の変位量の増加に対応して、容器内部の圧力が上昇して、内部の液体を開放端のノズルより吐出させることができる。

特開２００８−１１４５６９号公報

しかしながら、加圧時は直接的に容器を加圧することができるが、減圧時すなわち駆動機構の変位量の減少に対しては、追随できない。これは、容器の弾性復元性に支配されるために、高速に初期位置にまで回復させることができない。よって高速な繰り返し周波数によって吐出をすることができない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、使い捨て可能な圧力室を用いながらも、高繰返し可能で、高速に動作できる液体吐出装置と、その液体吐出装置を有する検査装置と、その液体吐出装置を有する細胞培養装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、第１把持部と第２把持部とを有し、液滴を吐出するノズルと、上記ノズルが取り付けられる基体と、上記ノズルを上記基体に固定する固定部と、上記ノズルに変位を発生させる駆動部と、を含み、上記第１把持部と上記第２把持部の少なくとも一方は上記駆動部に把持される液体吐出装置を用いる。

また、その液体吐出装置を有する検査装置を用いる。さらに、その液体吐出装置を有する細胞培養装置を用いる。

以上のように、本発明によれば、駆動部により生成した変位を確実にノズルに伝達することで、ノズルの圧縮方向のみならず膨張方向にも能動的に作用することができる。

そのため、駆動部に対する変位追従性を高めて、高速な繰り返し周波数で吐出を行うことができる。

さらに、駆動部とノズルの把持部は接触を保った状態を繰り返し周波数に依らず維持できるため、離合による衝撃で、駆動部とのノズルの接触面を損耗することなく、ノズルの長寿命化できる。そのためノズル廃棄ロスの低減も図ることができる。

図１Ａは、実施の形態１の液体吐出装置の構造を示す斜視図である。 図１Ｂは、実施の形態１の液体吐出装置の構造を示す断面図である。 図１Ｃは、実施の形態１の液体吐出装置の吐出部分を示す斜視図である。 図２は、実施の形態１の液体吐出装置における単位時間あたりの液滴吐出量と吐出周波数との関係を示すグラフである。 図３は、実施の形態１の液体吐出装置における吐出液適量と吐出回数との関係を示すグラフである。 図４Ａは、実施の形態１のノズルの変形例を示す正面図および上面図である。 図４Ｂは、実施の形態１のノズルの変形例を示す正面図である。 図５は、実施の形態２の液体吐出装置の構造を示す図である。 図６Ａは、実施の形態３の液体吐出装置の側面図である。 図６Ｂは、実施の形態３の検査ユニットの正面図である。 図７Ａは、実施の形態３の細胞培養装置の側面図である。 図７Ｂは、実施の形態３の容器の平面図である。

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。

（実施の形態１）
＜構成＞
図１Ａは、本発明の実施の形態１における液体吐出装置を斜方から見た内部構造を示す模式図である。液体吐出装置１００は、基体１０１の内部に駆動部１１０と固定部１２０が装着されている。駆動部１１０には変位を発生させる圧電素子１１１が装備されており、外部の波形発生器１３０により生成した駆動パルス信号に同期して圧電素子１１１を伸縮し変位を発生させる。

また、図１Ｂは、本発明の実施の形態１における液体吐出装置１００を側方から見た内部構造を示す模式図である。駆動部１１０は、基体１０１の後方で固定されている。また、駆動部１１０の位置を保持する様に、固定棒１０２で駆動部１１０が保持されている。この固定棒１０２が挿入される駆動部１１０には、圧電素子１１１の変位方向を長径とする長円加工がなされており、圧電素子１１１の変位は前方へと伝達される。

ここで駆動部１１０の端部には駆動ピン１１３が設けられている。駆動ピン１１３は、駆動部１１０とともに移動する。

また、駆動ピン１１３と同一形状の固定ピン１２３が、固定部１２０の端部に設けられている。固定ピン１２３は、固定部１２０で保持され移動しない。

これら駆動ピン１１３と固定ピン１２３の間には、挿入孔１０３が設けられており、ここにノズル１５０が挿入される。図１Ｃは本発明の実施の形態１におけるノズル１５０を示す斜視図である。ノズル１５０の半径方向には１８０度の位置に１対の把持部１５１（第１把持部、第２把持部）が設けられている。この把持部１５１は、駆動ピン１１３および固定ピン１２３の直径に対して、少し小さく形成された嵌入孔が設けられており、それぞれ、駆動ピン１１３および固定ピン１２３が嵌入することで、ノズル１５０の水平方向および垂直方向の位置を再現性良く規定することができる。

また、駆動ピン１１３および固定ピン１２３は先端ほど直径が大きくなる様に加工されている。これは圧電素子１１１による駆動部１１０の駆動ピン１１３の変位により、ノズル１５０の把持部１５１が、駆動ピン１１３および固定ピン１２３から抜け、ノズル１５０が脱落してしまうことを防止するためである。

さらにノズル１５０上方の開口部１５２にはスロットル１６０が挿入される。スロットル１６０の内部は、中空となっている。、さらに、スロットル１６０のノズル１５０への挿入側は細くオリフィスが形成されている。また、スロットル１６０の反対側は、竹の子状継手に加工されており、チューブ１７０を挿入固定することができる。さらに、チューブ１７０はタンク１８０へと繋がっている。

＜薬液供給＞
このタンク１８０を加圧することでタンク１８０から薬液１９０をチューブ１７０へ圧送することができる。チューブ１７０を介して、スロットル１６０およびノズル１５０の内部に薬液１９０を満たすことができる。これにより、液体吐出装置１００全域に薬液を充填して吐出するための準備が整う。

＜吐出動作＞
ここで、波形発生器１３０から圧電素子１１１を駆動するために吐出信号を送出すると、圧電素子１１１は、この吐出信号の波形に応じた変位をする。この時、吐出信号に正電圧を与えると、圧電素子１１１は伸張する方向へと変位する。この変位は駆動部１１０を通じて駆動ピン１１３へと伝達され、ノズル１５０を側方から圧縮する作用を与える。ノズル１５０の先端部およびスロットル１６０のオリフィス１６１により、流路抵抗の大きい、擬似的な閉空間が形成され、内圧を高めるための圧力室として作用する。

従って、ノズル１５０に与えられた側方からの圧縮の変位は、圧力室内部の圧力上昇に伴い、ノズル１５０の先端部より薬液１９０を吐出するに至る。

次いで、所定の時間が経過すると、波形発生器１３０の出力は低下していく。このとき圧電素子１１１は印加される電圧の低下に従い、その伸張状態から、元の状態へと復帰、即ち伸張から収縮へと、動作が転じる。尚、ノズル１５０においては、この動作は圧縮から、拡張へと動作が転じることに相当する。

通常、圧縮から開放されたとき、その圧縮状態から拡張していく時間は、弾性率に従う。本実施の形態のノズル１５０に用いた樹脂材料であるポリプロピレンにおいては、その弾性率は１．１２〜１．５８ＧＰａであり、実験的には自発的な拡張時間は５０ミリ秒程度を要する。一方、圧電素子１１１は、電圧に従った反応を示す。形状による制約を受けるが、それでも５０マイクロ秒程度であり、ポリプロピレンの自発的な回復時間と比較し、充分に高速に応答する。

ここで、駆動ピン１１３と固定ピン１２３によりノズル１５０の把持部１５１を拘束していることで、より能動的にノズル１５０拡張時間を制御することができる。即ち、圧電素子１１１の収縮時間へ、ノズル１５０の拡張時間を近づけることができる。

このことは、ノズル１５０の圧縮、拡張を高い繰り返し周波数で行うことができることを意味する。すわなち、高周波数で以って、吐出動作を行うことが可能となる。

なお、駆動ピン１１３と固定ピン１２３とは、ノズル１５０に中心に対向していることが好ましい。ノズル１５０中心に点対称に配置されるのが好ましい。

図２は、単位時間あたりの吐出液適量と、吐出の繰り返し周波数との関係を示したものである。把持部１５１を設けない場合、繰り返し周波数が２００Ｈｚを越えたあたりから、徐々に繰り返し周波数、即ち吐出の繰り返し周波数に対する。１秒あたりの吐出液滴量の直線性が低下し、２５０Ｈｚ付近をピークとして、以降急激に低下し、やがて吐出自体が不全となってしまう。

これは、駆動部１１０に対してノズル１５０が追従できず、ノズル１５０の圧縮後に駆動部１１０が退避し、ノズル１５０の拡張が起こる前に、次の圧縮動作が行われてしまう。そのため、ノズル１５０は拡張することができず、圧縮状態を保ったままで、吐出のためのノズル１５０の内部の圧力上昇が得られなくなることによるものである。

しかしながら、本実施の形態の把持部１５１を設けたノズル１５０および液体吐出装置１００においては、吐出液適量の変化は見られるものの、１０００Ｈｚにおいても、吐出を維持することができる。

さらに、駆動ピン１１３と固定ピン１２３によりノズル１５０の把持部１５１を固定していることは、高い繰り返し周波数においても、永続的な接触を確保することになる。このことは、ノズル１５０の長寿命化に繋がる。

これは接触を確保できていない場合には、圧電素子１１１の収縮による駆動ピン１１３の退避に対して、ノズル１５０の膨張が追いつかず、接触を維持することができない。

この場合、再び圧電素子１１１が伸張した際、駆動ピン１１３がノズル１５０と衝突することを意味する。この衝突は、ノズル１５０の損耗を引き起こし、結果的に圧縮距離を低下させてしまうことから、圧力低下を引き起こして、吐出安定化の大きな妨げとなり、ノズル１５０の寿命を低下させることになる。

図３は吐出液適量と吐出回数の関係を示したグラフである。把持部１５１を設けない場合、即ち駆動部１１０とノズル１５０が離合を繰り返した場合には、初期から徐々にその吐出液適量が減少し、５０万回の吐出で、初期値より１０％程度も低下してしまう。

この吐出液適量の減少は、駆動部１１０とノズル１５０が離合を繰り返すことにより、僅かではあるが、ノズル１５０が損耗し、駆動部１１０の変位がノズル１５０の内部へと確実に伝達できなくなってくることにより、生じるものである。しかしながら、実施の形態の把持部１５１を設けたノズルおよび液体吐出装置１００に依れば、１０００万回の吐出でもその吐出液適量の低下は見られない。

＜ノズル１５０の変形例＞
把持部１５１は、駆動ピン１１３と固定ピン１２３とに対して、その動きを確実にノズル１５０へと伝達する役割を担っている。しかしながら、種々の用途では、薬液の頻繁な交換も発生しうるために、ノズル１５０を容易に抜去できることも重要な要素である。

図４Ａ〜図４Ｃは、実施の形態１で説明したノズル１５０の変形例を示す正面図、または、上面図である。

図４Ａに示したノズル３０１においては、把持部１５１の一部に切り欠き３０２が設けられている。この切り欠き３０２により、ノズル３０１の挿抜、特に抜去を、より小さな力でできるようにしている。

図４Ｂは、ノズル３１１の側面図を示す。ノズル３１１の挿入方向と並行な向きに駆動部１１０および固定部１２０と連結するためのフック３１２を形成している。このフック３１２の変形部３１３が撓むことによって、挿抜、特に抜去を容易にしている。この場合、駆動部１１０および固定部１２０には、このフック３１２を受ける凹部が必要である。

また、ノズル３１１の場合と同様に、フック３２２の変形部３２３がたわむことによって、挿抜、特に抜去を容易にしている。さらに、構造が簡単になることにより、ノズルを安価に製造することができる。

また、ノズルは変形性を得るために低弾性率化することが望ましい。ここではノズルを単一材料で形成した状態を示したが、一方で、ノズルを長寿命化するためには高弾性率化が好ましく、異材の二段階成型または、それぞれを別個に形成した後に接着して一体化することも有効である。

（実施の形態２）
＜構成＞
図５は、実施の形態２における液体吐出装置２００を側面から見た断面構造を示す模式図である。説明しない事項は実施の形態１と同様である。実施の形態１との違いは、ノズルを両側から加圧、圧縮することである。

液体吐出装置２００は、基体２０１の内部に一対の駆動部２１０が装着されている。

駆動部２１０には変位を発生させる圧電素子２１１が装備されている。これらは外部の波形発生器２３０により生成した駆動パルス信号に同期して伸縮し変位を発生させる。

また、駆動部２１０は基体２０１の端方で固定されている。また、駆動部２１０の位置を保持する様に固定棒２０２により保持されている。この固定棒２０２が挿入される駆動部２１０には、圧電素子２１１の変位方向を長径とする長円加工がなされており、圧電素子２１１の変位は基体２０１の中心方向へと伝達される。

ここで駆動部２１０の端部には駆動ピン２１３が設けられている。これら一対の駆動ピン２１３の間には、挿入孔２０３が設けられており、ここにノズル１５０が挿入される。

さらにノズル１５０にはスロットル１６０が挿入される。スロットル１６０からは、チューブ１７０を経てタンク１８０へと接続される。

＜薬液供給＞
このタンク１８０を加圧し、チューブ１７０を介して、スロットル１６０およびノズル１５０の内部に薬液１９０を満たすことができる。これにより、液体吐出装置２００全域に薬液を充填して吐出するための準備が整う。

＜吐出動作＞
ここで、波形発生器１３０から圧電素子２１１を駆動するために吐出信号を送出すると、圧電素子２１１は、この吐出信号の波形に応じた変位をする。このとき、吐出信号に正電圧を与えると、圧電素子２１１は伸張する方向へと変位する。この変位は駆動部２１０を通じて駆動ピン２１３へと伝達され、ノズル１５０を両側から圧縮する作用を与える。ノズル１５０の先端部およびスロットル１６０のオリフィス１６１により、流路抵抗の大きい、擬似的な閉空間が形成され、内圧を高めるための圧力室として作用する。従って、ノズル１５０に与えられた側方からの圧縮の変位は、圧力室内部の圧力上昇に伴い、ノズル１５０の先端部より薬液１９０を吐出するに至る。

本実施の形態によれば、一対の駆動部が両側からノズルを圧縮するため、見かけ上２倍の変位で駆動することができる。従って、実施の形態１に示した液体吐出装置１００よりも、大型化するものの、より大きな液滴を吐出することが可能となる。

さらに上記液体吐出装置を用いて各種液体を塗布する装置を実現できる。被塗布物を移動させてもよいし、液体吐出装置自体を移動させてもよい。駆動部、制御部を有する塗布装置として構成できる。

＜効果＞
実施の形態１，２の液体吐出装置では、液体を吐出するノズルに把持部１５１を設け、駆動部とノズルとの接触を常に確保し、駆動部の動作を確実にノズルへと伝達することが可能となる。そのため、接液部を交換可能な液体吐出装置として、高い繰り返し周波数で吐出を行うことができ、さらに、ノズルを長寿命化することも可能となる。

（実施の形態３）
上記液体吐出装置１００、２００は、微少量の液体を精度よく一定量、長時間塗布することができる。

このため、バイオセンサやバイオチップなどへ血液の塗布に利用できる。たとえば、血糖センサへ血液を塗布する場合、血糖センサに液滴を液体吐出装置１００、２００で行い、検出器でその血糖センサを読みとることで血糖値がわかる。この方法では、血液の液量の精度よく、結果が正確となる。

血糖値センサでなく、腫瘍マーカ、心疾患マーカなどの免疫センサへ塗布してもよい。さらに、センサは、エピジェネティクス、感染症などのＤＮＡセンサでもよい。センサとして、広く生体センサが利用できる。

図６Ａと図６Ｂとで、実施の形態３の装置を説明する。説明しない事項は上記実施の形態１，２と同様である。

図６Ａは、液体吐出装置１００の側面図である。液体吐出装置１００で、液体６０１である血液を、センサ６０２へ吐出する。

その後、図６Ｂで示す検査ユニットでセンサ６０２を分析する。図６Ｂは、検査ユニットの正面図である。センサ６０２を図６Ｂで示す検出器６０４へ挿入する。検出器６０４は、制御器６０３で制御され、センサ６０２を検査し、結果を表示する。

図６Ａと図６Ｂとで、検査装置となる。

ここで、センサ６０２の変わりに、図７Ｂの容器６０５を用いることもできる。図７Ａと図７Ｂとで細胞培養装置の例を示す。図７Ｂは、容器６０５の平面図である。図７Ａは細胞培養装置の側面図である。容器６０５は、複数の凹部６０６を有する。その複数の凹部６０６のそれぞれに、細胞を保持し、培養液を吐出装置１００で、複数の凹部６０６のそれぞれへ塗布すれば、細胞培養装置として利用できる。この場合、複数の凹部６０６へ液滴を塗布する必要があり、容器６０５の下部にはステージ６０７があり、平面内で移動できる。

なお、容器６０５に凹部６０６が１つの場合でもある。１つの凹部６０６に複数回、液滴を吐出する場合もある。凹部６０６に、細胞シートを入れて、細胞シートに液６０１を塗布することもできる。

なお、同様に、上記装置で、センサーを製造するために、各種溶液をセンサーへ塗布することもできる。

（全体として）
実施の形態１から３は組み合わせできる。

把持部１５１と、駆動ピン１１３、固定ピン１２３との関係は逆の機構でもよい。把持部１５１がピンで、駆動ピン１１３、固定ピン１２３に貫通孔があってもよい。嵌め合い機構ならよい。

２つの把持部（第１把持部、第２把持部）の少なくとも一方が、駆動部に保持されていればよい。さらに、他方が固定部、または、駆動部に把持されるのが好ましい。

創薬・医療・バイオテクノロジーなどの分野において、薬液・試薬などの供給や分注に用いる液体吐出装置として好ましく用いることができる。実験用、量産用、試験用の供給や分注に利用できる。

１００ 液体吐出装置
１０１ 基体
１０２ 固定棒
１０３ 挿入孔
１１０ 駆動部
１１１ 圧電素子
１１３ 駆動ピン
１２０ 固定部
１２３ 固定ピン
１３０ 波形発生器
１５０ ノズル
１５１ 把持部
１５２ 開口部
１６０ スロットル
１６１ オリフィス
１７０ チューブ
１８０ タンク
１９０ 薬液
２００ 液体吐出装置
２０１ 基体
２０２ 固定棒
２０３ 挿入孔
２１０ 駆動部
２１１ 圧電素子
２１３ 駆動ピン
２３０ 波形発生器
３０１ ノズル
３１１ ノズル
３１２ フック
３１３ 変形部
３２１ ノズル
３２２ フック
３２３ 変形部
６０１ 液体
６０２ 血液
６０３ 制御器
６０４ 検出器
６０５ 容器
６０６ 凹部
６０７ ステージ

Claims (13)

1. 第１把持部と第２把持部とを有し、液滴を吐出するノズルと、
   前記ノズルが取り付けられる基体と、
   前記ノズルを前記基体に固定する固定部と、
   前記ノズルに変位を発生させる駆動部と、を含み、
   前記第１把持部と前記第２把持部の少なくとも一方は前記駆動部に把持される液体吐出装置。
2. 前記第１把持部と前記第２把持部のうち他方は前記固定部に把持される請求項１記載の液体吐出装置。
3. 前記第１把持部と前記第２把持部の双方が異なる前記駆動部に把持される請求項１記載の液体吐出装置。
4. 前記駆動部は２つあり、
   前記第１把持部と前記第２把持部とは、それぞれ、前記２つの駆動部に把持される請求項１または３記載の液体吐出装置。
5. 前記ノズルは、脱着可能に前記基体に取り付けられる請求項１に記載の液体吐出装置。
6. 前記第１把持部と前記駆動部との把持機構は、嵌め合い形式である請求項１に記載の液体吐出装置。
7. 前記駆動部として積層形の圧電素子を用いる請求項１に記載の液体吐出装置。
8. 前記第１把持部と前記第２把持部とは、前記ノズルの中心に対して、対向して配置される請求項１に記載の液体吐出装置。
9. 前記ノズルは円筒形状であり、
   前記第１把持部と前記第２把持部とは、前記円筒形状の側面に配置されている請求項１に記載の液体吐出装置。
10. 前記第１把持部と前記第２把持部とは、長方体形状である請求項１記載の液体吐出装置。
11. 前記ノズルは、前記第１把持部と前記第２把持部とで加圧され、変形する請求項１に記載の液体吐出装置。
12. 請求項１記載の液体吐出装置と、
    前記液体吐出装置から液体が塗布されるセンサと、
    前記センサを検出する検査器と、
    前記検査器を制御する制御器と、を有する検査装置。
13. 請求項１記載の液体吐出装置と、
    前記液体吐出装置から液体が塗布される容器と、
    前記容器を移動させるステージと、を有する細胞培養装置。

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