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液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置
説明

液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置

【課題】 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。
【解決手段】 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(10)であって、上記液体を収容するための複数の液体収容室(22)を有する収容体(20)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(26)を有するノズル体(20)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(16)を有する貯留体(50)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(18)と、を含んで構成される、液滴吐出ヘッドである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
【特許文献1】特開2004−160368号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
好ましくは、上記微小球は、ガラス球である。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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)。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】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2】液滴吐出ヘッドの構造を説明するための断面図である。
【図3】液滴吐出ヘッドの概略斜視図である。
【図4】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。
【図5】ヘッドチップの詳細構造を説明する断面図である。
【図6】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】
【0041】
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


【特許請求の範囲】
【請求項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、
を含んで構成される、液滴吐出ヘッド。
【請求項2】
前記液体保持手段は、複数の微小球を密集させたものである、請求項1に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項3】
前記微小球は、ガラス球である、請求項2に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項4】
前記液体保持手段は、スポンジ体である、請求項1に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項5】
前記液体保持手段は、前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前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、請求項1に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項6】
前記液体保持手段は、前記液体の付着を抑制する被膜を有する、請求項1に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項7】
前記被膜は、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、請求項6に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項8】
請求項1乃至7のいずれか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。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2007−57436(P2007−57436A)
【公開日】平成19年3月8日(2007.3.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−244724(P2005−244724)
【出願日】平成17年8月25日(2005.8.25)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Fターム(参考)】