液滴吐出ヘッドへの液体充填方法、液滴吐出ヘッド固定ホルダー、および液滴吐出ヘッドの洗浄方法
【課題】 本発明は、簡易かつ迅速な工程で、液体貯留部内の液体をノズル孔先端まで充填する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、第１の主面（１２）に形成されたノズル孔（２６）と、ノズル孔から吐出する液体に加圧するための加圧手段を備えた加圧室（２２）と、第１の主面に対向する第２の主面（１４）に形成され、前記加圧室と流路（１３）により連通された液体貯留部（１６）と、を備える液滴吐出ヘッド（１０）のノズル孔（２６）先端まで液体を充填する方法であって、液体貯留部に液体を供給する第１工程と、液滴吐出ヘッドの第１の主面を外周方向に向けて遠心機に固定し、液体がノズル孔先端に達するまで回転させる第２工程と、を含む液体充填方法を提供するものである。
【解決手段】 本発明は、第１の主面（１２）に形成されたノズル孔（２６）と、ノズル孔から吐出する液体に加圧するための加圧手段を備えた加圧室（２２）と、第１の主面に対向する第２の主面（１４）に形成され、前記加圧室と流路（１３）により連通された液体貯留部（１６）と、を備える液滴吐出ヘッド（１０）のノズル孔（２６）先端まで液体を充填する方法であって、液体貯留部に液体を供給する第１工程と、液滴吐出ヘッドの第１の主面を外周方向に向けて遠心機に固定し、液体がノズル孔先端に達するまで回転させる第２工程と、を含む液体充填方法を提供するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴吐出ヘッドのノズル孔先端まで、吐出する液体を効率よく充填する方法、およびこの充填方法を利用した液滴吐出ヘッドの洗浄方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、核酸やタンパク質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。
【０００３】
特開平１１−１８７９００号公報（特許文献１）には、このようなマイクロアレイの作製方法として、標的物質に対して特異的に結合可能であるプローブを含む液体を、インクジェット法により固相表面に吐出し、該固相表面にプローブを付着させることを特徴とするプローブの固相へのスポッティング方法が開示されている。
【０００４】
また、マイクロアレイには、標的物質をハイスループットに検出するため、微小な領域に多種類のプローブ分子を固定する必要がある。このような必要性に応えるものとして、特開２００４−１６０９０４号公報（特許文献２）には、複数の液体貯留部を有する第１の基板と、前記複数の液体貯留部にそれぞれ独立に連通する複数の流路を有する第２の基板と、前記複数の流路にそれぞれ独立に連通し、液滴を吐出する複数のノズルを有する一または複数のヘッドチップとを備えたインクジェットヘッドが開示されている。このようなインクジェットヘッドによれば、それぞれ異なる試料を搭載した複数の液体貯留部と、マイクロアレイのスポットの配置に対応させた複数のノズル孔とが、それぞれ流路で連通されているので、多数のプローブを微小領域に固定したマイクロアレイを高速に作製することができる。
【特許文献１】特開平１１−１８７９００号公報
【特許文献２】特開２００４−１６０９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、インクジェットヘッドから吐出するのは微小な液滴であり、液体貯留部とノズル孔とを連通させる流路も極めて微細である上に、ノズル孔もその先端で液体がメニスカスを形成する程の細孔である。そのため、液体貯留部に供給された液体は、液体貯留部側から加圧するか、ノズル孔側から吸引しなければ、ノズル孔先端に到達しない。加圧、吸引等を行うためには、液滴吐出装置に、加圧手段や吸引手段等を設ける必要があり、装置の構成が複雑になってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、簡易かつ迅速な工程で、液体貯留部内の液体をノズル孔先端まで充填する方法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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る液体充填方法は、第１の主面に形成されたノズル孔と、前記ノズル孔から吐出する液体に加圧するための加圧手段を備えた加圧室と、前記第１の主面に対向する第２の主面に形成され、前記加圧室と流路により連通された液体貯留部と、を備える液滴吐出ヘッドのノズル孔先端まで前記液体を充填する方法であって、前記液体貯留部に前記液体を供給する第１工程と、前記液滴吐出ヘッドの第１の主面を外周方向に向けて遠心機に固定し、前記液体がノズル孔先端に達するまで回転させる第２工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
このような方法によれば、液体貯留部が回転軸側に、ノズル孔が外周側に向けられた状態で回転されるので、回転によって見かけ上生じる遠心力により、液体貯留部の液体をノズル孔先端まで、簡易かつ迅速に到達させることができる。
【０００９】
本発明に係る液体充填方法では、上記第１工程の後、第２の主面に、気体のみ透過させ液体を通さない密着部材を装着して、第２工程を行うことが好ましい。密着部材を装着することによって、液体貯留部の液体が流出することなく、遠心機に固定し回転させることができるが、液体貯留部を密閉してしまうと、回転を停止させた後、ノズル孔から液体貯留部に液体が逆流するおそれがある。気体を透過させ、液体を通さない密着部材を用いることにより、液体がこぼれるのを防ぐとともに、回転停止後の逆流も抑制することが可能となる。
【００１０】
気体を透過させ、液体を通さない密着部材としては、気液分離フィルターや、孔を設けた密着部材が挙げられる。後者の場合、液体が流出しないように、孔は、第１および第２工程の間中、液体貯留部中の液体表面より上側に来る位置に設けるとよい。あるいは、液体貯留部の液体がメニスカスを形成して流出しない大きさの微細な孔を設けてもよい。このような構成によれば、孔から液体が流出するのを防ぎつつ、回転停止後の逆流も抑制できる。
【００１１】
また、上記第２工程は、第１の主面に形成されたノズル孔に気液分離フィルターを密着させて行うことが好ましい。気液分離フィルターを密着させることによって、第１の主面が汚染されてコンタミネーションが生じたり、液体が浪費されたりするのを防ぐことができる。
【００１２】
本発明は、上述した遠心機を用いる液体充填方法を行うために好適な、液滴吐出ヘッド固定ホルダーをも提供する。この液滴吐出ヘッド固定ホルダーは、液滴吐出ヘッドと前記ノズル孔に密着させる気液分離フィルターとを挟持して、該気液分離フィルターが該ノズル孔に密着した状態で保持することが可能な構成となっている。このホルダーを用いることにより、気液分離フィルターとノズル孔との密着性を高め、かつ遠心機を使用して液滴吐出ヘッドを安定に回転させることができる。また、固定ホルダーは、第２の主面に装着する密着部材を固定できるものであることも好ましい。
【００１３】
また、本発明は、本発明に係る液体充填方法を利用して、液滴吐出ヘッドを洗浄する方法も提供する。この方法によれば、液体貯留部に洗浄液を注入した液滴吐出ヘッドを遠心機で回転させることにより、洗浄液を流路、加圧室、ノズル孔を通過させ、液滴吐出ヘッドの内部を簡易かつ迅速に洗浄することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（液滴吐出ヘッド）
図１は、本発明に係る液体充填方法の各工程を示す説明図であり、図１（Ａ）に断面図が示されたインクジェットヘッド１０は、本発明に係る液体充填方法によって液体が充填される液滴吐出ヘッドの一例である。
【００１５】
ここで、図９に示されるインクジェットヘッド１０の概略斜視図を用いてその構成を説明する。インクジェットヘッド１０は、図示しないノズル孔が設けられた第１の主面１２と、第１の主面１２に対向し、リザーバ（液体貯留部）１６が設けられた第２の主面１４とを備えている。第１の主面１２と第２の主面１４との間に位置する４つの側面のうち、図中右側および左側に示される側面には、後述する固定ホルダーに取り付けるための凸状部５２ａおよび５２ｂが形成されている。
【００１６】
本実施形態では、第２の主面１４には、リザーバ１６が８行×１２列で９６個設けられている。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に同一または異なる液体を供給することができる。
【００１７】
図１に示されるインクジェットヘッド１０の概略断面図は、図９におけるＩＡ−ＩＡ線に沿ってインクジェットヘッド１０を切断したものである。本実施形態においては、図１（Ａ）に示すように、インクジェットヘッド１０は、基板３０、４０および５０を積層して形成されており、第１の主面の中央には、ノズル孔２６および加圧室２２が形成されたヘッドチップ２０が接着されている。基板５０に形成されたリザーバ（液滴貯留部）１６ａ〜１６ｌに供給された液体は、流路１３を通って加圧室２２に到達し、加圧手段によって加圧され、ノズル孔２６から吐出される。
【００１８】
図２（Ａ）に基板３０の平面図を示す。基板３０には、基板４０を積層することによって流路１３を形成する溝１３’が９６本形成されている。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。一方、各溝１３’の基板中央側の末端には、圧力室に接続する貫通孔が設けられている。
【００１９】
図２（Ｂ）に基板３０上に積層される基板４０の平面図を示す。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のピッチに一致する。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。
【００２０】
図２（Ｃ）に、基板５０の平面図を示す。基板５０には、貫通孔５２が９６個形成されており、基板５０を基板４０上に積層することによって、貫通孔５２がリザーバ１６を形成する。
【００２１】
基板３０、４０および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３０〜５０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、さらに、基板３０の中央にヘッドチップ２０を接着して、インクジェットヘッド１０が完成する。
【００２２】
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３に、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拡大断面図を示す。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。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を形成する加圧室基板１２２、およびノズル孔２６が形成されたノズル基板１２３により構成されている。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。本実施形態では、電極１０８と振動板１０９とが加圧手段に該当する。尚、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。加圧室基板１２２、ノズル基板１２３、電極基板１２１の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。
【００２３】
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の貫通孔に接続し、図示しないリザーバと加圧室２２が連通され、インクジェットヘッド１０が完成する。
【００２４】
図１０に、インクジェットヘッド１０が装着された液滴吐出装置の一例として、マイクロアレイ製造装置２００を示す。マイクロアレイ製造装置２００は、ガラス等の基板２０２上に生体分子を含む試料溶液の液滴を複数配置して作製されるマイクロアレイを製造するためのものであり、複数の基板２０２を載置可能に構成されたテーブル２０４と、インクジェットヘッド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、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、を備える。また、インクジェットヘッド１０を固定するための固定手段２１２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、をも備えている。同図には、固定手段２１２にインクジェットヘッド１０を装着した状態が示されている。
（液体充填方法）
次に、本発明に係る液体充填方法を用いて、インクジェットヘッド１０に液体を充填する工程を説明する。図１（Ａ）は、インクジェットヘッド１０の断面図であり、図９のＩＡ−ＩＡ線に沿って切断した断面図である。
【００２５】
本発明に係る液体充填方法では、図１（Ａ）に示すように、まず、液体貯留部であるリザーバ１６に、吐出すべき液体を供給する。液体の供給方法は特に限定されず、分注機等を使用して公知の方法で、各リザーバ１６に同一の、または異なる液体を注入することができる。
【００２６】
このとき、基板３０および４０の貫通孔や溝によって形成される流路は、極めて微細なため、リザーバ１６に液体を供給しても、そのままではノズル先端まで液体が到達しない。また、気泡が流路の内壁に付着するなどの状況によっても、液体が流路を通過しにくくなり、加圧室まで液体が流入せず、そのままでは液体を連続して吐出することができない。
【００２７】
続いて、図１（Ｂ）に示すように、インクジェットヘッド１０に、遠心機に固定するための固定ホルダー８０ａおよび８０ｂを装着する。本実施形態において、固定ホルダーは、気液分離フィルター７０をインクジェットヘッド１０のノズル孔２６に密着固定することが可能な固定ホルダー８０ａと、密着部材６０をインクジェットヘッド１０の第２の主面１４に密着固定することが可能な固定ホルダー８０ｂとの２つの部材からなり、遠心機内にインクジェットヘッド１０を安定に固定することができる。
【００２８】
本実施形態においては、密着部材６０も気液分離フィルターにより構成され、密着部材を第２の主面１４に密着させることにより、遠心機に固定するためにインクジェットヘッド１０の角度を変えても、リザーバ１６内の液体が流出するのを防ぐことができる。また、密着部材６０は、気体は透過させるので、遠心機での回転を停止させた後、リザーバ１６内の圧力が低下して液体がリザーバ１６内に逆流するのを抑制することができる。
【００２９】
密着部材は、図４または図６に示される密着部材６０ｂまたは６０ｃのような構成のものを使用することもできる。図４に示す密着部材６０ｂは気体および液体を透過させない材料で構成されているが、各リザーバ１６に対応して、貫通孔６２が形成されている。貫通孔６２は、各リザーバ１６の開口部の中央に位置させるのではなく、いずれかの方向にずらして配置されるが、貫通孔６２とリザーバ１６の開口部との相対的な位置は、すべてのリザーバ１６について同一とする。図４に示す例では、貫通孔６２は、リザーバ１６の開口部の中心から図中右手方向にずらして形成されている。密着部材６０ｂの平面図を図５に示す。点線で示されたリザーバ１６の位置に対して、図中右側にずれた位置に貫通孔６２が形成されている。このように貫通孔６２を配置することにより、図４（Ｂ）に示すように、インクジェットヘッド１０を所定の方向に倒しても、常に貫通孔６２が液体表面より上側に位置することになって、リザーバ１６内の液体は流出しないので、遠心機内に好適に固定することができる。
【００３０】
また、図６に示す密着部材６０ｃも気体および液体を透過させない材料で構成されているが、貫通孔６４が形成されている。密着部材６０ｃの平面図を図７に示す。点線で示されるリザーバ１６のそれぞれに貫通孔６４が形成されている。密着部材６０ｃでは、貫通孔６４が十分に微細なため、液体は貫通孔６４の出口でメニスカスを形成し、外部に流出しない。図７では、貫通孔６４がリザーバ１６の略中央に配置されているが、貫通孔６４の位置は特に限定されない。
【００３１】
図１（Ｂ）に示すように、固定ホルダー８０ａによって、インクジェットヘッド１０のノズル孔２６に密着するよう固定された、気液分離フィルター７０は、市販のものを利用することができ、例えば、孔径３μｍ、厚さ７５μｍのＰＴＦＥメンブレンフィルター（ＡＤＶＡＮＴＥＣ東洋株式会社製）を用いることができる。気液分離フィルター７０をノズル孔２６に密着させることによって、ノズル孔から流出した液体によって第１の主面１２が汚染されたり、液体が浪費されたりするのを防ぐことができる。
【００３２】
続いて、図１（Ｃ）に示すように、固定ホルダー８０ａおよび８０ｂと共に、インクジェットヘッド１０を図示しない遠心機に固定し、回転軸ｌを中心として、ノズル孔２６を外周方向に向けて図中の矢印の方向にインクジェットヘッド１０を回転させる。このとき、液体貯留部１５に収容された液体の密度をρとし、回転半径をｒ、各速度をωとすると、液体にかかる遠心力ＰはＰ＝ρｒω2と表される。例えば、ｒ＝０．３ｍ、ρ＝１０3ｋｇ／ｍ3、ω＝８００ｒｐｍ＝８３．７ｒａｄ／ｓとすると、Ｐ＝２．１ＭＰａと求められ、大気圧の２０倍を超え、ノズル先端まで液体を充填するのに十分な圧力が得られることになる。
【００３３】
こうして、ノズル先端まで液体が充填されたインクジェットヘッド１０は、遠心機から取り出し、固定ホルダー８０ａおよび８０ｂ、密着部材６０、および気液分離フィルター７０を取り外して、マイクロアレイ製造装置２００等の液滴吐出装置に装着し、直ちにマイクロアレイの製造等に使用することができる。
（洗浄方法）
次に、本発明に係る液体充填方法を利用して、液滴吐出ヘッドを洗浄する方法について説明する。タンパク質や核酸などの生体試料は、インクジェットヘッドの内壁に付着しやすく、残留すると、次に別の試料吐出する際にコンタミネーションが生じ、作製したマイクロアレイを使用した測定結果の信頼性が低下する。そのため、特に生体試料を使用した後は、インクジェットヘッド内部を十分に洗浄する必要がある。
【００３４】
図８は、本発明に係る洗浄方法の工程を示す説明図である。
【００３５】
まず、図８（Ａ）に示すように、リザーバ１６に洗浄液を供給する。洗浄液は、吐出した液体の洗浄に適した洗浄剤を含むものであってもよいし、純水であってもよい。
【００３６】
洗浄液をリザーバに供給した後、インクジェットヘッド１０に、遠心機に固定するための固定ホルダー８０ｃおよび８０ｄを装着する。固定ホルダー８０ｄは、基板５０の凸状部５２ａと密着部材６０とを挟持、固定するのにも利用される。尚、洗浄の際は、ノズル孔に気液分離フィルターは固定しない。密着部材については、上述した液体充填方法と同様のものを使用できるため、ここでは説明を省略する。
【００３７】
続いて、図８（Ｃ）に示すように、固定ホルダー８０ｃおよび８０ｄを装着したインクジェットヘッド１０を、図示しない遠心機に固定し、回転させる。回転によって、見かけ上液体にかかる遠心力は上述の通りであり、この遠心力によって、液体は流路１３を介して加圧室２２に流入し、さらにノズル孔２６から排出される。
【００３８】
尚、洗浄剤を含む洗浄液を使用した場合は、その後、純水をリザーバに供給して、同様に遠心機で回転させ、ノズル孔から排出させて、リンス工程を行うこともできる。
【００３９】
以上のように本発明に係る液体の充填方法を用いれば、既存の遠心機を利用して、吸引手段や加圧手段を用いることなく、短時間かつ簡易にインクジェットヘッドのノズル先端まで液体を充填することが可能となるとともに、インクジェットヘッド内部の洗浄も行うことができる。
【００４０】
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、第１の主面に形成されたノズルと、ノズルから吐出する液体に加圧するための加圧手段と、第１の主面に対向する第２の主面に形成され、加圧室と連通した液体貯留部と、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、圧電駆動方式のいずれであってもよい。
【００４１】
さらに、上述の実施形態では、気液分離フィルター７０は、図１（Ｂ）に示すように、基板５０の凸状部５２ｂ、基板３０および基板４０とともに、固定ホルダー８０ａによって、挟持、固定される態様を用いて説明したが、固定ホルダーや気液分離フィルター形状や固定の様式はこれらに限定されるものではない。また、密着部材６０も、図１（Ｂ）に示すように、基板５０の凸状部５２ａとともに、固定ホルダー８０ｂによって挟持、固定される態様を例示して説明したが、固定ホルダーや密着部材６０の材料や形状、固定の様式はこれらに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明にかかる液体充填方法の工程を示す説明図である。
【図２】積層して液滴吐出ヘッドを構成する基板の平面図である。
【図３】ヘッドチップの構成を示す概略断面図である。
【図４】密着部材の応用例を示す概略断面図である。
【図５】密着部材の応用例を示す平面図である。
【図６】密着部材の応用例を示す概略断面図である。
【図７】密着部材の応用例を示す平面図である。
【図８】本発明に係る液滴吐出ヘッドの洗浄方法の工程を示す説明図である。
【図９】液滴吐出ヘッドを示す概略斜視図である。
【図１０】液滴吐出ヘッドを示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…液滴吐出ヘッド、１２…第１の主面、１３…流路、１４…第２の主面、１６…リザーバ（液体貯留部）、２０…ヘッドチップ、２２…加圧室、２６…ノズル孔、３０、４０、５０…基板、５２ａ、５２ｂ…凸状部、６０…密着部材、６２、６４…貫通孔、７０…気液分離フィルター、８０ａ〜８０ｄ…固定ホルダー、１０８…電極、１０９…振動板、１２１、１２２、１２３…基板、２００…液滴吐出装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴吐出ヘッドのノズル孔先端まで、吐出する液体を効率よく充填する方法、およびこの充填方法を利用した液滴吐出ヘッドの洗浄方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、核酸やタンパク質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。
【０００３】
特開平１１−１８７９００号公報（特許文献１）には、このようなマイクロアレイの作製方法として、標的物質に対して特異的に結合可能であるプローブを含む液体を、インクジェット法により固相表面に吐出し、該固相表面にプローブを付着させることを特徴とするプローブの固相へのスポッティング方法が開示されている。
【０００４】
また、マイクロアレイには、標的物質をハイスループットに検出するため、微小な領域に多種類のプローブ分子を固定する必要がある。このような必要性に応えるものとして、特開２００４−１６０９０４号公報（特許文献２）には、複数の液体貯留部を有する第１の基板と、前記複数の液体貯留部にそれぞれ独立に連通する複数の流路を有する第２の基板と、前記複数の流路にそれぞれ独立に連通し、液滴を吐出する複数のノズルを有する一または複数のヘッドチップとを備えたインクジェットヘッドが開示されている。このようなインクジェットヘッドによれば、それぞれ異なる試料を搭載した複数の液体貯留部と、マイクロアレイのスポットの配置に対応させた複数のノズル孔とが、それぞれ流路で連通されているので、多数のプローブを微小領域に固定したマイクロアレイを高速に作製することができる。
【特許文献１】特開平１１−１８７９００号公報
【特許文献２】特開２００４−１６０９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、インクジェットヘッドから吐出するのは微小な液滴であり、液体貯留部とノズル孔とを連通させる流路も極めて微細である上に、ノズル孔もその先端で液体がメニスカスを形成する程の細孔である。そのため、液体貯留部に供給された液体は、液体貯留部側から加圧するか、ノズル孔側から吸引しなければ、ノズル孔先端に到達しない。加圧、吸引等を行うためには、液滴吐出装置に、加圧手段や吸引手段等を設ける必要があり、装置の構成が複雑になってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、簡易かつ迅速な工程で、液体貯留部内の液体をノズル孔先端まで充填する方法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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る液体充填方法は、第１の主面に形成されたノズル孔と、前記ノズル孔から吐出する液体に加圧するための加圧手段を備えた加圧室と、前記第１の主面に対向する第２の主面に形成され、前記加圧室と流路により連通された液体貯留部と、を備える液滴吐出ヘッドのノズル孔先端まで前記液体を充填する方法であって、前記液体貯留部に前記液体を供給する第１工程と、前記液滴吐出ヘッドの第１の主面を外周方向に向けて遠心機に固定し、前記液体がノズル孔先端に達するまで回転させる第２工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
このような方法によれば、液体貯留部が回転軸側に、ノズル孔が外周側に向けられた状態で回転されるので、回転によって見かけ上生じる遠心力により、液体貯留部の液体をノズル孔先端まで、簡易かつ迅速に到達させることができる。
【０００９】
本発明に係る液体充填方法では、上記第１工程の後、第２の主面に、気体のみ透過させ液体を通さない密着部材を装着して、第２工程を行うことが好ましい。密着部材を装着することによって、液体貯留部の液体が流出することなく、遠心機に固定し回転させることができるが、液体貯留部を密閉してしまうと、回転を停止させた後、ノズル孔から液体貯留部に液体が逆流するおそれがある。気体を透過させ、液体を通さない密着部材を用いることにより、液体がこぼれるのを防ぐとともに、回転停止後の逆流も抑制することが可能となる。
【００１０】
気体を透過させ、液体を通さない密着部材としては、気液分離フィルターや、孔を設けた密着部材が挙げられる。後者の場合、液体が流出しないように、孔は、第１および第２工程の間中、液体貯留部中の液体表面より上側に来る位置に設けるとよい。あるいは、液体貯留部の液体がメニスカスを形成して流出しない大きさの微細な孔を設けてもよい。このような構成によれば、孔から液体が流出するのを防ぎつつ、回転停止後の逆流も抑制できる。
【００１１】
また、上記第２工程は、第１の主面に形成されたノズル孔に気液分離フィルターを密着させて行うことが好ましい。気液分離フィルターを密着させることによって、第１の主面が汚染されてコンタミネーションが生じたり、液体が浪費されたりするのを防ぐことができる。
【００１２】
本発明は、上述した遠心機を用いる液体充填方法を行うために好適な、液滴吐出ヘッド固定ホルダーをも提供する。この液滴吐出ヘッド固定ホルダーは、液滴吐出ヘッドと前記ノズル孔に密着させる気液分離フィルターとを挟持して、該気液分離フィルターが該ノズル孔に密着した状態で保持することが可能な構成となっている。このホルダーを用いることにより、気液分離フィルターとノズル孔との密着性を高め、かつ遠心機を使用して液滴吐出ヘッドを安定に回転させることができる。また、固定ホルダーは、第２の主面に装着する密着部材を固定できるものであることも好ましい。
【００１３】
また、本発明は、本発明に係る液体充填方法を利用して、液滴吐出ヘッドを洗浄する方法も提供する。この方法によれば、液体貯留部に洗浄液を注入した液滴吐出ヘッドを遠心機で回転させることにより、洗浄液を流路、加圧室、ノズル孔を通過させ、液滴吐出ヘッドの内部を簡易かつ迅速に洗浄することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（液滴吐出ヘッド）
図１は、本発明に係る液体充填方法の各工程を示す説明図であり、図１（Ａ）に断面図が示されたインクジェットヘッド１０は、本発明に係る液体充填方法によって液体が充填される液滴吐出ヘッドの一例である。
【００１５】
ここで、図９に示されるインクジェットヘッド１０の概略斜視図を用いてその構成を説明する。インクジェットヘッド１０は、図示しないノズル孔が設けられた第１の主面１２と、第１の主面１２に対向し、リザーバ（液体貯留部）１６が設けられた第２の主面１４とを備えている。第１の主面１２と第２の主面１４との間に位置する４つの側面のうち、図中右側および左側に示される側面には、後述する固定ホルダーに取り付けるための凸状部５２ａおよび５２ｂが形成されている。
【００１６】
本実施形態では、第２の主面１４には、リザーバ１６が８行×１２列で９６個設けられている。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に同一または異なる液体を供給することができる。
【００１７】
図１に示されるインクジェットヘッド１０の概略断面図は、図９におけるＩＡ−ＩＡ線に沿ってインクジェットヘッド１０を切断したものである。本実施形態においては、図１（Ａ）に示すように、インクジェットヘッド１０は、基板３０、４０および５０を積層して形成されており、第１の主面の中央には、ノズル孔２６および加圧室２２が形成されたヘッドチップ２０が接着されている。基板５０に形成されたリザーバ（液滴貯留部）１６ａ〜１６ｌに供給された液体は、流路１３を通って加圧室２２に到達し、加圧手段によって加圧され、ノズル孔２６から吐出される。
【００１８】
図２（Ａ）に基板３０の平面図を示す。基板３０には、基板４０を積層することによって流路１３を形成する溝１３’が９６本形成されている。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。一方、各溝１３’の基板中央側の末端には、圧力室に接続する貫通孔が設けられている。
【００１９】
図２（Ｂ）に基板３０上に積層される基板４０の平面図を示す。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のピッチに一致する。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。
【００２０】
図２（Ｃ）に、基板５０の平面図を示す。基板５０には、貫通孔５２が９６個形成されており、基板５０を基板４０上に積層することによって、貫通孔５２がリザーバ１６を形成する。
【００２１】
基板３０、４０および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３０〜５０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、さらに、基板３０の中央にヘッドチップ２０を接着して、インクジェットヘッド１０が完成する。
【００２２】
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３に、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拡大断面図を示す。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。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を形成する加圧室基板１２２、およびノズル孔２６が形成されたノズル基板１２３により構成されている。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。本実施形態では、電極１０８と振動板１０９とが加圧手段に該当する。尚、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。加圧室基板１２２、ノズル基板１２３、電極基板１２１の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。
【００２３】
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の貫通孔に接続し、図示しないリザーバと加圧室２２が連通され、インクジェットヘッド１０が完成する。
【００２４】
図１０に、インクジェットヘッド１０が装着された液滴吐出装置の一例として、マイクロアレイ製造装置２００を示す。マイクロアレイ製造装置２００は、ガラス等の基板２０２上に生体分子を含む試料溶液の液滴を複数配置して作製されるマイクロアレイを製造するためのものであり、複数の基板２０２を載置可能に構成されたテーブル２０４と、インクジェットヘッド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、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、を備える。また、インクジェットヘッド１０を固定するための固定手段２１２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、をも備えている。同図には、固定手段２１２にインクジェットヘッド１０を装着した状態が示されている。
（液体充填方法）
次に、本発明に係る液体充填方法を用いて、インクジェットヘッド１０に液体を充填する工程を説明する。図１（Ａ）は、インクジェットヘッド１０の断面図であり、図９のＩＡ−ＩＡ線に沿って切断した断面図である。
【００２５】
本発明に係る液体充填方法では、図１（Ａ）に示すように、まず、液体貯留部であるリザーバ１６に、吐出すべき液体を供給する。液体の供給方法は特に限定されず、分注機等を使用して公知の方法で、各リザーバ１６に同一の、または異なる液体を注入することができる。
【００２６】
このとき、基板３０および４０の貫通孔や溝によって形成される流路は、極めて微細なため、リザーバ１６に液体を供給しても、そのままではノズル先端まで液体が到達しない。また、気泡が流路の内壁に付着するなどの状況によっても、液体が流路を通過しにくくなり、加圧室まで液体が流入せず、そのままでは液体を連続して吐出することができない。
【００２７】
続いて、図１（Ｂ）に示すように、インクジェットヘッド１０に、遠心機に固定するための固定ホルダー８０ａおよび８０ｂを装着する。本実施形態において、固定ホルダーは、気液分離フィルター７０をインクジェットヘッド１０のノズル孔２６に密着固定することが可能な固定ホルダー８０ａと、密着部材６０をインクジェットヘッド１０の第２の主面１４に密着固定することが可能な固定ホルダー８０ｂとの２つの部材からなり、遠心機内にインクジェットヘッド１０を安定に固定することができる。
【００２８】
本実施形態においては、密着部材６０も気液分離フィルターにより構成され、密着部材を第２の主面１４に密着させることにより、遠心機に固定するためにインクジェットヘッド１０の角度を変えても、リザーバ１６内の液体が流出するのを防ぐことができる。また、密着部材６０は、気体は透過させるので、遠心機での回転を停止させた後、リザーバ１６内の圧力が低下して液体がリザーバ１６内に逆流するのを抑制することができる。
【００２９】
密着部材は、図４または図６に示される密着部材６０ｂまたは６０ｃのような構成のものを使用することもできる。図４に示す密着部材６０ｂは気体および液体を透過させない材料で構成されているが、各リザーバ１６に対応して、貫通孔６２が形成されている。貫通孔６２は、各リザーバ１６の開口部の中央に位置させるのではなく、いずれかの方向にずらして配置されるが、貫通孔６２とリザーバ１６の開口部との相対的な位置は、すべてのリザーバ１６について同一とする。図４に示す例では、貫通孔６２は、リザーバ１６の開口部の中心から図中右手方向にずらして形成されている。密着部材６０ｂの平面図を図５に示す。点線で示されたリザーバ１６の位置に対して、図中右側にずれた位置に貫通孔６２が形成されている。このように貫通孔６２を配置することにより、図４（Ｂ）に示すように、インクジェットヘッド１０を所定の方向に倒しても、常に貫通孔６２が液体表面より上側に位置することになって、リザーバ１６内の液体は流出しないので、遠心機内に好適に固定することができる。
【００３０】
また、図６に示す密着部材６０ｃも気体および液体を透過させない材料で構成されているが、貫通孔６４が形成されている。密着部材６０ｃの平面図を図７に示す。点線で示されるリザーバ１６のそれぞれに貫通孔６４が形成されている。密着部材６０ｃでは、貫通孔６４が十分に微細なため、液体は貫通孔６４の出口でメニスカスを形成し、外部に流出しない。図７では、貫通孔６４がリザーバ１６の略中央に配置されているが、貫通孔６４の位置は特に限定されない。
【００３１】
図１（Ｂ）に示すように、固定ホルダー８０ａによって、インクジェットヘッド１０のノズル孔２６に密着するよう固定された、気液分離フィルター７０は、市販のものを利用することができ、例えば、孔径３μｍ、厚さ７５μｍのＰＴＦＥメンブレンフィルター（ＡＤＶＡＮＴＥＣ東洋株式会社製）を用いることができる。気液分離フィルター７０をノズル孔２６に密着させることによって、ノズル孔から流出した液体によって第１の主面１２が汚染されたり、液体が浪費されたりするのを防ぐことができる。
【００３２】
続いて、図１（Ｃ）に示すように、固定ホルダー８０ａおよび８０ｂと共に、インクジェットヘッド１０を図示しない遠心機に固定し、回転軸ｌを中心として、ノズル孔２６を外周方向に向けて図中の矢印の方向にインクジェットヘッド１０を回転させる。このとき、液体貯留部１５に収容された液体の密度をρとし、回転半径をｒ、各速度をωとすると、液体にかかる遠心力ＰはＰ＝ρｒω2と表される。例えば、ｒ＝０．３ｍ、ρ＝１０3ｋｇ／ｍ3、ω＝８００ｒｐｍ＝８３．７ｒａｄ／ｓとすると、Ｐ＝２．１ＭＰａと求められ、大気圧の２０倍を超え、ノズル先端まで液体を充填するのに十分な圧力が得られることになる。
【００３３】
こうして、ノズル先端まで液体が充填されたインクジェットヘッド１０は、遠心機から取り出し、固定ホルダー８０ａおよび８０ｂ、密着部材６０、および気液分離フィルター７０を取り外して、マイクロアレイ製造装置２００等の液滴吐出装置に装着し、直ちにマイクロアレイの製造等に使用することができる。
（洗浄方法）
次に、本発明に係る液体充填方法を利用して、液滴吐出ヘッドを洗浄する方法について説明する。タンパク質や核酸などの生体試料は、インクジェットヘッドの内壁に付着しやすく、残留すると、次に別の試料吐出する際にコンタミネーションが生じ、作製したマイクロアレイを使用した測定結果の信頼性が低下する。そのため、特に生体試料を使用した後は、インクジェットヘッド内部を十分に洗浄する必要がある。
【００３４】
図８は、本発明に係る洗浄方法の工程を示す説明図である。
【００３５】
まず、図８（Ａ）に示すように、リザーバ１６に洗浄液を供給する。洗浄液は、吐出した液体の洗浄に適した洗浄剤を含むものであってもよいし、純水であってもよい。
【００３６】
洗浄液をリザーバに供給した後、インクジェットヘッド１０に、遠心機に固定するための固定ホルダー８０ｃおよび８０ｄを装着する。固定ホルダー８０ｄは、基板５０の凸状部５２ａと密着部材６０とを挟持、固定するのにも利用される。尚、洗浄の際は、ノズル孔に気液分離フィルターは固定しない。密着部材については、上述した液体充填方法と同様のものを使用できるため、ここでは説明を省略する。
【００３７】
続いて、図８（Ｃ）に示すように、固定ホルダー８０ｃおよび８０ｄを装着したインクジェットヘッド１０を、図示しない遠心機に固定し、回転させる。回転によって、見かけ上液体にかかる遠心力は上述の通りであり、この遠心力によって、液体は流路１３を介して加圧室２２に流入し、さらにノズル孔２６から排出される。
【００３８】
尚、洗浄剤を含む洗浄液を使用した場合は、その後、純水をリザーバに供給して、同様に遠心機で回転させ、ノズル孔から排出させて、リンス工程を行うこともできる。
【００３９】
以上のように本発明に係る液体の充填方法を用いれば、既存の遠心機を利用して、吸引手段や加圧手段を用いることなく、短時間かつ簡易にインクジェットヘッドのノズル先端まで液体を充填することが可能となるとともに、インクジェットヘッド内部の洗浄も行うことができる。
【００４０】
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、第１の主面に形成されたノズルと、ノズルから吐出する液体に加圧するための加圧手段と、第１の主面に対向する第２の主面に形成され、加圧室と連通した液体貯留部と、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、圧電駆動方式のいずれであってもよい。
【００４１】
さらに、上述の実施形態では、気液分離フィルター７０は、図１（Ｂ）に示すように、基板５０の凸状部５２ｂ、基板３０および基板４０とともに、固定ホルダー８０ａによって、挟持、固定される態様を用いて説明したが、固定ホルダーや気液分離フィルター形状や固定の様式はこれらに限定されるものではない。また、密着部材６０も、図１（Ｂ）に示すように、基板５０の凸状部５２ａとともに、固定ホルダー８０ｂによって挟持、固定される態様を例示して説明したが、固定ホルダーや密着部材６０の材料や形状、固定の様式はこれらに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明にかかる液体充填方法の工程を示す説明図である。
【図２】積層して液滴吐出ヘッドを構成する基板の平面図である。
【図３】ヘッドチップの構成を示す概略断面図である。
【図４】密着部材の応用例を示す概略断面図である。
【図５】密着部材の応用例を示す平面図である。
【図６】密着部材の応用例を示す概略断面図である。
【図７】密着部材の応用例を示す平面図である。
【図８】本発明に係る液滴吐出ヘッドの洗浄方法の工程を示す説明図である。
【図９】液滴吐出ヘッドを示す概略斜視図である。
【図１０】液滴吐出ヘッドを示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…液滴吐出ヘッド、１２…第１の主面、１３…流路、１４…第２の主面、１６…リザーバ（液体貯留部）、２０…ヘッドチップ、２２…加圧室、２６…ノズル孔、３０、４０、５０…基板、５２ａ、５２ｂ…凸状部、６０…密着部材、６２、６４…貫通孔、７０…気液分離フィルター、８０ａ〜８０ｄ…固定ホルダー、１０８…電極、１０９…振動板、１２１、１２２、１２３…基板、２００…液滴吐出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主面に形成されたノズル孔と、
前記ノズル孔から吐出する液体に加圧するための加圧手段を備えた加圧室と、
前記第１の主面に対向する第２の主面に形成され、前記加圧室と流路により連通された液体貯留部と、を備える液滴吐出ヘッドのノズル孔先端まで前記液体を充填する方法であって、
前記液体貯留部に前記液体を供給する第１工程と、
前記液滴吐出ヘッドの第１の主面を外周方向に向けて遠心機に固定し、前記液体がノズル孔先端に達するまで回転させる第２工程と、を含む液体充填方法。
【請求項２】
前記第１工程の後、前記第２の主面に、気体のみ透過させ液体を通さない密着部材を装着して第２工程を行う、請求項１に記載の液体充填方法。
【請求項３】
前記密着部材は、気液分離フィルターである、請求項２に記載の液体充填方法。
【請求項４】
前記密着部材には、前記第２工程を行う際、前記液体の液面より常に上側となる位置に孔が設けられている、請求項２に記載の液体充填方法。
【請求項５】
前記密着部材には、前記液体貯留部の液体がメニスカスを形成して流出しない大きさの
孔が設けられている、請求項２に記載の液体充填方法。
【請求項６】
前記第２工程は、前記第１の主面に形成された前記ノズル孔に、気液分離フィルターを密着させて行う、請求項１から５のいずれか１項に記載の液体充填方法。
【請求項７】
請求項６に記載の液体充填方法に用いられる、液滴吐出ヘッドを遠心機に固定するための固定ホルダーであって、
前記液滴吐出ヘッドと前記ノズル孔に密着させる気液分離フィルターとを挟持して、該気液分離フィルターが該ノズル孔に密着した状態で保持することが可能な、固定ホルダー。
【請求項８】
請求項１から５のいずれか１項に記載の液体充填方法を用いる液滴吐出ヘッドの洗浄方法であって、
前記吐出する液体として洗浄液を用い、
前記第２工程の後、前記洗浄液がすべてノズル孔から排出されるまで回転を継続する、洗浄方法。
【請求項１】
第１の主面に形成されたノズル孔と、
前記ノズル孔から吐出する液体に加圧するための加圧手段を備えた加圧室と、
前記第１の主面に対向する第２の主面に形成され、前記加圧室と流路により連通された液体貯留部と、を備える液滴吐出ヘッドのノズル孔先端まで前記液体を充填する方法であって、
前記液体貯留部に前記液体を供給する第１工程と、
前記液滴吐出ヘッドの第１の主面を外周方向に向けて遠心機に固定し、前記液体がノズル孔先端に達するまで回転させる第２工程と、を含む液体充填方法。
【請求項２】
前記第１工程の後、前記第２の主面に、気体のみ透過させ液体を通さない密着部材を装着して第２工程を行う、請求項１に記載の液体充填方法。
【請求項３】
前記密着部材は、気液分離フィルターである、請求項２に記載の液体充填方法。
【請求項４】
前記密着部材には、前記第２工程を行う際、前記液体の液面より常に上側となる位置に孔が設けられている、請求項２に記載の液体充填方法。
【請求項５】
前記密着部材には、前記液体貯留部の液体がメニスカスを形成して流出しない大きさの
孔が設けられている、請求項２に記載の液体充填方法。
【請求項６】
前記第２工程は、前記第１の主面に形成された前記ノズル孔に、気液分離フィルターを密着させて行う、請求項１から５のいずれか１項に記載の液体充填方法。
【請求項７】
請求項６に記載の液体充填方法に用いられる、液滴吐出ヘッドを遠心機に固定するための固定ホルダーであって、
前記液滴吐出ヘッドと前記ノズル孔に密着させる気液分離フィルターとを挟持して、該気液分離フィルターが該ノズル孔に密着した状態で保持することが可能な、固定ホルダー。
【請求項８】
請求項１から５のいずれか１項に記載の液体充填方法を用いる液滴吐出ヘッドの洗浄方法であって、
前記吐出する液体として洗浄液を用い、
前記第２工程の後、前記洗浄液がすべてノズル孔から排出されるまで回転を継続する、洗浄方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−３３７１４９（Ｐ２００６−３３７１４９Ａ）
【公開日】平成１８年１２月１４日（２００６．１２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１６１５５９（Ｐ２００５−１６１５５９）
【出願日】平成１７年６月１日（２００５．６．１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月１４日（２００６．１２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月１日（２００５．６．１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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