(57)【要約】    【課題】  過度の圧力により変性等し易い試料を含む液体を吐出する場合にも、安定した吐出が可能な液滴吐出ヘッドの駆動方法、それを利用したマイクロアレイの製造方法及び液滴吐出装置の提供。    【解決手段】  吐出口に連通する加圧室の一部に設けられた振動板をアクチュエータにより変位させ、当該加圧室の容積を変化させることにより前記吐出口から液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、前記アクチュエータに駆動電圧を付与することにより、前記振動板を前記加圧室の容積が増加する方向に変位させて前記吐出口の液体のメニスカスを一旦前記液滴吐出ヘッド内に引き込み、前記駆動電圧を少なくとも当該加圧室内の圧力が最大となる時点を越えて保持し、前記加圧室内の圧力が最大となる時点を所定時間経過した後に前記駆動電圧を解除して液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの駆動方法により上記課題を解決する。【選択図】    図３
2006023259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吐出口に連通する加圧室の一部に設けられた振動板をアクチュエータにより変位させ、当該加圧室の容積を変化させることにより前記吐出口から液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、
前記アクチュエータに駆動電圧を付与することにより、前記振動板を前記加圧室の容積が増加する方向に変位させて前記吐出口の液体のメニスカスを一旦前記液滴吐出ヘッド内に引き込み、前記駆動電圧を少なくとも当該加圧室内の液体の圧力が最大となる時点を越えて保持し、前記加圧室内の圧力が最大となる時点を所定時間経過した後に前記駆動電圧を解除して液滴を吐出することを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項２】
前記アクチュエータが、前記振動板と当該振動板に対向する位置に設けられた対向電極とから構成される静電アクチュエータであり、前記振動板が、当該振動板と当該対向電極との間に駆動電圧を付与することにより変位する、請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項３】
前記アクチュエータが、前記振動板と圧電素子とから構成される圧電アクチュエータである、請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項４】
前記駆動電圧を解除するタイミングが、吐出液についての駆動電圧付与時の前記加圧室内における圧力波形に基づいて決定される、請求項１乃至３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項５】
前記圧力波形が、時間経過に伴い減衰する複数のピークから構成されており、前記駆動電圧を解除するタイミングを、正の最大ピークの後に生じる複数の正のピークのうちいずれか一つが生じる時点とする、請求項４に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項６】
前記駆動電圧を解除するタイミングが、吐出液についての駆動電圧付与時の前記吐出口における前記メニスカスの振動波形に基づいて決定される、請求項１乃至３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項７】
前記メニスカスの振動波形が、時間経過に伴い減衰する複数のピークから構成されており、前記駆動電圧を解除するタイミングを、負の最大ピークの後に生じる複数の負のピークのうちいずれか一つが生じる時点とする、請求項６に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項８】
前記液滴吐出ヘッドにより吐出される液体が、生体試料含有溶液である、請求項１乃至７のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法を利用して、固相支持体上に生体試料含有溶液を吐出することを特徴とするマイクロアレイの製造方法。
【請求項１０】
液体を吐出する吐出口と、当該吐出口に連通する加圧室と、前記加圧室の一部に設けられた振動板を変位させるアクチュエータとを備える液滴吐出ヘッドと、
前記アクチュエータに駆動電圧を付与する駆動電圧発生手段と、
前記駆動電圧を解除するタイミングを前記駆動電圧発生手段に指示する制御部と、
を備え、
前記駆動電圧を解除するタイミングが、予め記憶された吐出液についての駆動電圧付与時の前記加圧室内の圧力波形又は前記吐出口における前記メニスカスの振動波形に基づいて決定されるよう構成されていることを特徴とする液滴吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴吐出ヘッドの駆動方法に関し、詳しくは、過度の圧力が付与されると変性し易い試料を含む液体を用いても安定吐出が可能な液滴吐出ヘッドの駆動方法、それを利用したマイクロアレイの製造方法及び液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バイオテクノロジー技術の発展の中、タンパク質の定性的及び定量的解析技術が重要となりつつある。このような解析技術の一つとして、プロテインチップの開発が進められている。プロテインチップは、多数のタンパク質又はペプチドを、スライドガラス等の基板上に高密度で固定して、基板上のタンパク質又はペプチドと結合する分子等をスクリーニングする技術である。
【０００３】
プロテインチップの作製手法としては、例えば、特許文献１に開示されているように、インクジェットヘッドから各種のタンパク質含有溶液を吐出し、固相上へスポッティングする手法が知られている。
【０００４】
また、一方で、インクを吐出する技術として、特許文献２に開示されているように、超音波振動子を利用した技術が知られている。
【特許文献１】特開平１１−１８７９００号公報
【特許文献２】特開平７−１３７２５０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、前者の方法では、インクジェットヘッドの駆動に、熱エネルギーを付与して液体を吐出するバブルジェット（登録商標）方式を採用している。したがって、タンパク質含有溶液のように熱により変性し易い試料溶液を用いた場合、液滴吐出時に付与される熱によりタンパク質が変性してしまう虞があった。
【０００６】
また、後者の方法を利用した場合には、超音波によりタンパク質の分子構造自体が破壊されてしまう虞があった。
したがって、生体試料等の熱・圧力・振動等により影響を受け易い試料を安定して吐出し得る技術の開発が望まれている。
【０００７】
よって、上記課題を解決するために、過度の圧力により変性等し易い試料を含む液体を吐出する場合にも、安定した吐出が可能な液滴吐出ヘッドの駆動方法、それを利用したマイクロアレイの製造方法及び液滴吐出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、吐出口に連通する加圧室の一部に設けられた振動板をアクチュエータにより変位させ、当該加圧室の容積を変化させることにより前記吐出口から液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、前記アクチュエータに駆動電圧を付与することにより、前記振動板を前記加圧室の容積が増加する方向に変位させて前記吐出口の液体のメニスカスを一旦前記液滴吐出ヘッド内に引き込み、前記駆動電圧を少なくとも当該加圧室内の液体の圧力が最大となる時点を越えて保持し、前記加圧室内の圧力が最大となる時点を所定時間経過した後に前記駆動電圧を解除して液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの駆動方法を提供するものである。
【０００９】
これによれば、加圧室内の圧力が最大となるタイミングを外して液滴を吐出することになるので、液滴の吐出時に吐出する液体（吐出液）に過剰の圧力がかかることなく、過度の圧力が付与されると変性し易い生体試料等の吐出液を安定して吐出することが可能となる。
【００１０】
前記アクチュエータが、前記振動板と当該振動板に対向する位置に設けられた対向電極とから構成される静電アクチュエータであり、前記振動板が、当該振動板と当該対向電極との間に駆動電圧を付与することにより変位するものであることが好ましい。これによれば、振動板と対向電極との間に生じる静電力を利用して液滴吐出ヘッドを駆動するので、駆動時に吐出液が加熱されることがない。したがって、生体試料等の熱による影響を受け易い試料を含む吐出液にも好適に利用し得る。
【００１１】
前記アクチュエータが、前記振動板と圧電素子とから構成される圧電アクチュエータであることが好ましい。これによれば、圧電素子の作用により液滴吐出ヘッドを駆動するので、吐出時に吐出液が加熱されることがない。したがって、生体試料等の熱による影響を受け易い試料を含む吐出液にも好適に利用し得る。
【００１２】
前記駆動電圧を解除するタイミングが、吐出液についての駆動電圧付与時の前記加圧室内における圧力波形に基づいて決定されることが好ましい。これによれば、予め吐出液についての圧力波形を計測し、記憶させておくことで、容易に適切なタイミングで吐出させることが可能となる。
【００１３】
前記圧力波形が、時間経過に伴い減衰する複数のピークから構成されており、前記駆動電圧を解除するタイミングを、正の最大ピークの後に生じる複数の正のピークのうちいずれか一つが生じる時点とすることが好ましい。圧力波形において、正のピークはメニスカスが加圧室側、すなわち吐出液を押圧する方向に変位した場合に生じるので、正のピークが生じる時点で電圧を解除することにより、吐出液のメニスカスの振動の力を液滴の吐出に利用することが可能となる。
【００１４】
前記駆動電圧を解除するタイミングが、吐出液についての駆動電圧付与時の前記吐出口における前記メニスカスの振動波形に基づいて決定されることが好ましい。これによれば、予め吐出液についてのメニスカスの振動波形を計測し、記憶させておくことで、容易に適切なタイミングで吐出させることが可能となる。
【００１５】
前記メニスカスの振動波形が、時間経過に伴い減衰する複数のピークから構成されており、前記駆動電圧を解除するタイミングを、最初の負のピークの後に生じる複数の負のピークのうちいずれか一つが生じる時点とすることが好ましい。負のピークは、メニスカスが加圧室側、すなわち吐出液を圧縮する方向に変位した場合に生じるので、負のピークが生じる時点で電圧を解除することにより、吐出液のメニスカスの振動の力を液滴の吐出に利用することが可能となる。
【００１６】
前記液滴吐出ヘッドにより吐出される液体が、生体試料含有溶液である場合に特に好適である。本発明の駆動方法によれば、加圧室内の液体の圧力が最大となるタイミングを外して液滴を吐出することになるので、液滴の吐出時に吐出液に過剰の圧力がかかることなく、過度の圧力が付与されると変性し易い生体試料含有溶液であっても安定して吐出することが可能となる。
【００１７】
本発明の他の態様は、上記液滴吐出ヘッドの駆動方法を利用して、固相支持体上に生体試料含有溶液を吐出するマイクロアレイの製造方法である。これによれば、圧力等により変性し易い生体試料含有溶液を安定して吐出し得るので、より確度の高いマイクロアレイを容易に製造することが可能となる。このようなマイクロアレイとしては、例えば医療診断用のプロテインチップが挙げられる。
【００１８】
本発明のさらなる他の態様は、液体を吐出する吐出口と、当該吐出口に連通する加圧室と、前記加圧室の一部に設けられた振動板を変位させるアクチュエータとを備える液滴吐出ヘッドと、前記アクチュエータに駆動電圧を付与する駆動電圧発生手段と、前記駆動電圧を解除するタイミングを前記駆動電圧発生手段に指示する制御部と、を備え、前記駆動電圧を解除するタイミングが、予め記憶された吐出液についての駆動電圧付与時の前記加圧室内の圧力波形又は前記吐出口における前記メニスカスの振動波形に基づいて決定されるよう構成されている液滴吐出装置である。
【００１９】
このような構成によれば、過度の圧力等により変性し易い生体試料含有溶液であっても安定して吐出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】
【００２０】
以下、本発明の液滴吐出ヘッドの駆動方法について図面を参照しながら具体的に説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に用いられる液滴吐出ヘッドの一例を説明するための分解斜視図である。また、図１（ｂ）は、液滴吐出ヘッドの断面構造を説明するための図である。
【００２１】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、液滴吐出ヘッド２２０は、表面に電極が設けられた第一の基板（電極基板）２２１と、第一の基板２２１と接合される加圧室２２４を有する第二の基板（加圧室基板）２２２と、第二の基板２２２の他面側に接合される第三の基板２２３とから主に構成される。本実施形態に用いられる液滴吐出ヘッド２２０は、液体の供給口２２７、加圧室２２４及び吐出口２２６を含む流路を備えている。
【００２２】
液滴吐出ヘッド２２０は、第一の基板２２１と第二の基板２２２に設けられた電極間に印加される電位差に対応する静電力によって、加圧室２２４底部に位置する振動板２２５を変位させ、加圧室２２４内の液体に圧力を付与することで、液滴吐出ヘッド２２０の側面に設けられた吐出口２２６より液体を吐出する。より具体的に説明すると、まず、第二の基板２２２に形成された共通電極２３０と第一の基板２２１に形成された対向電極２２８との間に図示しない外部電源からの駆動電圧を印加することにより、振動板２２５が第一の基板２２１側に引き寄せられる。その後、所定時間後に印加電圧が解除されると振動板２２５が元の位置に復元するため、加圧室２２４内の圧力が急激に高まり、吐出口２２６から吐出液が微小液滴として吐出されることになる。なお、本実施形態では、第一の基板２２１、第二の基板２２２及び第三の基板２２３が例えばシリコン基板又はガラス基板等の無機材料で構成されるので、吐出液として生体試料を含む溶液（生体試料含有溶液）等を用いた場合にも生体試料に与える影響が少なく好適である。
【００２３】
次に、本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの駆動方法について一例を挙げて説明する。
【００２４】
図２（ａ）は、本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの断面図を模式的に示したものである。
本実施形態の駆動方法では、まず、予め、液滴吐出ヘッド２２０を用いて吐出液を吐出した際に液滴吐出ヘッド２２０内に生じる吐出口２２６のメニスカスの変位又は加圧室２２４の圧力の挙動をシミュレーションして、メニスカスの変位波形又は圧力波形情報を入手しておく。
【００２５】
次に、この波形情報に基づいて、加圧室２２４内の液体の圧力が最大となる時点を経過した後に液滴が吐出されるように、液滴吐出ヘッド２２０に駆動電圧Ｖａを付与する期間Ｐｗを決定する。液滴を吐出するタイミング（駆動電圧Ｖａを解除するタイミング）は、上記波形情報に基づいて、例えば、加圧室２２４内の液体の圧力が所定値（例：１．０ＭＰａ）より低くなる時間になるよう定めてもよい。メニスカスの変位波形及び加圧室２２４の圧力波形のシミュレーション方法、並びに、期間Ｐｗの決定方法については、後に詳述する。
【００２６】
種々の液体について予め決定した駆動電圧Ｖａを付与する期間Ｐｗに関する情報を、ＣＰＵから構成される制御部２５０に蓄積しておく。
【００２７】
吐出開始の指示があると、制御部２５０は、駆動電圧発生手段（駆動電圧発生回路）２５２に、液滴吐出ヘッド２２０のアクチュエータ、具体的には、共通電極２３０と対向電極２２８との間に、各吐出液に応じて予め定められた期間Ｐｗ、駆動電圧Ｖａを印加するように指示する。これにより、吐出時に過剰な圧力が付与されることなく、適切なタイミングで液滴が吐出されることになる。液滴が吐出されると、その後、比較的周期の長い（約１０ｋＨｚ）固有振動が発生して徐々に減衰していく（例：図３（ｂ）における１４０μｓｅｃ以降）。次の液滴を吐出させる場合には、この振動がほぼ収まってから、上記と同様の駆動電圧パルスを再度印加して液滴吐出ヘッド２２０を駆動する。
【００２８】
次に、本実施形態における液滴吐出ヘッド２２０のメニスカスの変位波形及び加圧室２２４の圧力波形のシミュレーション方法、並びに、期間Ｐｗの決定方法の一例について説明する。
【００２９】
まず、液滴吐出ヘッド２２０の機械振動系を電気振動回路にモデル化する。図２（ｂ）は、図２（ａ）の液滴吐出ヘッドにおいて、駆動電圧印加後、振動板が対向電極と当接するまで（非当接時）の液滴吐出ヘッドの電気回路モデルを示す。また、図２（ｃ）は、図２（ａ）の液滴吐出ヘッドにおいて、振動板を対向電極と当接した際（当接時）の液滴吐出ヘッドの電気回路モデルを示す。
【００３０】
図２（ａ）に示すように、液滴吐出ヘッド２２０の駆動電圧をＶａ、振動板２２５と対向電極２２８との間の距離（ギャップ）をｄ、液体の体積変位量をｕ、振動板２２５のコンプライアンスをＣａ、振動板のイナータンスをＭａ、吐出口２２６のメニスカスのコンプライアンスをＣｎ、隔壁２２９と加圧室２２４内の液体の圧縮率によって決定されるコンプライアンスをＣｉとする。また、Ｍｎ，Ｍｃ，Ｍｓは、各々吐出口２２６、加圧室２２４、及び吐出液の供給口２２７のイナータンスを示し、Ｒｎ，Ｒｃ，Ｒｓは、各々吐出口２２６、加圧室２２４、及び吐出液の供給口２２７の流路抵抗を示す。なお、図２（ｃ）に示すように、振動板２２５が対向電極２２８に当接した際には、振動板２２５は固定されるため、振動板２２５のコンプライアンスＣａは消失した系として扱える。また、吐出液は連続した流体であり、液滴吐出ヘッド２２０は吐出液を介した振動系となるため、本来分布定数系に置き換えるべきところ、計算の簡略化等の観点からこの振動系を各部位ごとに区切って定義することにより、集中定数系としてモデル化を行った。
【００３１】
まず、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、集中定数系に置き換えた際、加圧室２２４内のどの位置が振動の節となって回路構成されるのかが不明確となる虞がある。このため、液滴吐出ヘッド全体（流路全体）のパラメータが丁度２分される位置を振動の節とみなし、以下の通り定義した。
【００３２】
【数１】
2006023259.tif 000003
【００３３】
【数２】
2006023259.tif 000004
【００３４】
【数３】
2006023259.tif 000005
【００３５】
【数４】
2006023259.tif 000006
【００３６】
次に、上記電気振動回路の電流ｉの関係について説明する。
振動板２２５と対向電極２２８が当接するまでにおいては、電流ｉについて図２（ｂ）より以下の関係が成り立つ。
【００３７】
【数５】
2006023259.tif 000007
【００３８】
【数６】
2006023259.tif 000008
【００３９】
【数７】
2006023259.tif 000009
【００４０】
また、キルヒホッフの法則から、下記関係が成立する。
【００４１】
【数８】
2006023259.tif 000010
【００４２】
更に、初期状態ｔ＝０では、駆動電圧パルス印加前であり、当該電気回路モデルには、電流も電荷も存在していないことから、初期条件として、以下の関係が得られる。
【００４３】
【数９】
2006023259.tif 000011
【００４４】
【数１０】
2006023259.tif 000012
【００４５】
一方、振動板２２５の対向電極２２８への当接後から振動板２２５が離脱されるまでの当接期間では、図２（ｃ）から以下の関係が成り立つ。
【００４６】
【数１１】
2006023259.tif 000013
【００４７】
【数１２】
2006023259.tif 000014
【００４８】
また、キルヒホッフの法則から、下記関係が成立する。
【００４９】
【数１３】
2006023259.tif 000015
【００５０】
振動板２２５が対向電極２２８に当接した直後の時刻ｔ＝ｔhitでは、振動板２２５が最大変位を取った状態で静止しているとみなせることから、振動板の最大変位に相当する最大電荷量ｑmaxを、
【００５１】
【数１４】
2006023259.tif 000016
となる。当接直後の時刻ｔ＝ｔhitにおける電荷は、この最大変位による電荷でつりあって連続性を確保していると考えられることから、下記式が成り立つ。
【００５２】
【数１５】
2006023259.tif 000017
【００５３】
さらに、当接直前のモデルにおける各電流値を当接期間中のモデルにおける初期条件としてこれらの連立方程式を解くことにより、メニスカスの挙動及び加圧室内の圧力の挙動のシミュレーションが可能となる。
【００５４】
例えば、上記連立方程式から、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示す液滴吐出ヘッドの振動系の固有振動数ｆ0、ｆ0tは、各々下記式のように求められる。
【００５５】
【数１６】
2006023259.tif 000018
【００５６】
【数１７】
2006023259.tif 000019
【００５７】
なお、ここで、平方根内の１／２という係数は、式（１）の定義より示されるものである。
【００５８】
また、式（３）及び式（４）より
【数１８】
2006023259.tif 000020
であるから、ｆ0及びｆ0tの関係は、
【００５９】
【数１９】
2006023259.tif 000021
となる。すなわち、振動板２２５が対向電極２２８に当接している期間の加圧室２２４の固有振動数は高く、振動板２２５のコンプライアンスＣａがそれ以外のコンプライアンスに対して大きな値で有るほど、当接時の固有振動数の高まりは大きくなる。このように振動板２２５が対向電極２２８に当接している期間は固有振動数が高いので、駆動周波数を高く設定することが可能となる。これにより、吐出間隔を短くすることが可能となり、高速吐出が可能となる。
【００６０】
また、ここで、液滴吐出ヘッドの流路のイナータンス、流路抵抗及びコンプライアンス等の各種流路パラメータは、使用する液滴吐出ヘッドの流路寸法等から求めることが可能である。
【００６１】
図１（ａ）に示す液滴吐出ヘッド２２０を用いた場合を例に採り説明する。液滴吐出ヘッド２２０の振動板幅ｂは、吐出口２２６のピッチ（ノズルピッチ）との関係からｂ＝３６７[μm]とし、液滴吐出ヘッドの大きさが大きくならないように振動板長さＬはＬ＝８．２[mm]とする。また、振動板の厚みＴは、Ｔ＝１３[μm]とする。また、吐出口２２６及び供給口２２７は寸法精度を確保するために、その壁面を（１１１）面を用いて構成することとし、断面形状は三角形とする。各部位の長さと三角形断面の高さは各々吐出口２２６では長さ１０[μm]、高さ４３[μm]とし、供給口２２７では長さ３００[μm]、高さ３９[μm]とする。なお、本例では供給口２２７は５本とした。
【００６２】
例えば、流路のイナータンスＭ及び流路抵抗Ｒは、吐出口２２６、吐出液の供給口２２７及び加圧室２２４の寸法等から求められる。また、コンプライアンスは、振動板の厚みＴ＝１３[μm]及び幅ｂ＝３６７[μm]等から求めることができる。
【００６３】
下記表１に、上記流路寸法値より求めた流路パラメータの値を示す。
【００６４】
【表１】
2006023259.tif 000022
【００６５】
表１に示す流路パラメータの値を用いて上述に示した計算式より液滴吐出ヘッドの振動系をシミュレーションした結果を図３に示す。ここで、図３（ａ）は、駆動方法のタイミングチャートであり、図３（ｂ）は、メニスカスの変位波形の計算結果であり、図３（ｃ）は、振動板変位波形の計算結果であり、図３（ｄ）は、加圧室内の圧力波形の計算結果である。
【００６６】
次に、液滴吐出ヘッド２２０の駆動電圧の解除のタイミング、すなわち駆動電圧Ｖａを付与する期間Ｐｗの決定方法について説明する。期間Ｐｗは、図３（ｂ）又は図３（ｄ）に示すようなメニスカスの変位波形又は加圧室２２４内の圧力波形に基づき決定される。
【００６７】
図３（ｂ）に示すように、メニスカスの変位波形は、振動板２２５の当接時において、複数の負のピークから構成される減衰波形を示す。これは、駆動電圧Ｖａが印加されると、振動板２２５が対向電極２２８に向かって移動するため、流路（加圧室２２４）の容積が増加し、その動きに伴い吐出口２２６における液体のメニスカスが一旦液滴吐出ヘッド２２０内に引き込まれ、振動を開始するが、その後、流路内の液体の抵抗により減衰するためである。したがって、メニスカスの変位波形において、最初の負のピーク（下側に凸となるピーク、極小値）が、メニスカスの負の変位の最大ピークとなる。よって、この最初の負のピークが生じる時点を経過した後に、駆動電圧Ｖａを解除するよう期間Ｐｗが定められる。これにより、吐出時に吐出液に過度の圧力が付与されることを回避することが可能となる。
【００６８】
最初の負のピークが生じる時点を経過した後に、駆動電圧Ｖａを解除するタイミングとしては、最初の負のピークに後続する複数の負のピークのいずれかが生じる時点で解除することが好ましい。後続する負のピークが生じる時点で駆動電圧Ｖａを解除することにより、吐出液のメニスカスの振動の力を液滴吐出に利用することが可能となる。すなわち、駆動電圧Ｖａが解除されると振動板２２５は元の位置に戻るが、このときの振動板２２５の復元力と、流路内の振動の力を利用することにより、適量（例：約１５０ｎｇ＝１５０ｐｌ）の液滴を好適に吐出することが可能となる。振動板２２５の復元力のみを利用して液滴を吐出することも可能であるが、振動力を合わせて利用することで、液滴の吐出時の勢いが増すので、スポット形状、スポット相互の位置精度等が良好となる。本例では、メニスカスの変位波形において、３つ目の負のピークｃ（下側に凸となるピーク、極小値）が生じる時点で駆動電圧Ｖａが解除されるように期間Ｐｗを決定している。なお、後続する負のピークとなる時点以外の時点で駆動電圧Ｖａを解除してもよい。
【００６９】
本実施形態によれば、このように液滴吐出ヘッド２２０を、メニスカス吸引後に最初に生じる負の最大ピークａを避けて、後続する負のピークのいずれか（例：ピークｃ）が生じる時点に合わせて駆動電圧Ｖａを解除するので、吐出時に吐出液に過度の圧力が付与されることを回避することが可能となる。よって、吐出液に過度の圧力の付与等により変性し易い試料が含まれている場合であっても、当該試料を安定に吐出することが可能となる。したがって、例えば、吐出液にタンパク質や細胞等の生体試料が含まれるような場合であっても、流路内で生じる超音波振動や圧力等により生体試料が破壊されたり、失活したりすることなく、安定に吐出することが可能となる。また、本実施形態の駆動方法では、発熱方式によらず、加圧室の容積変化を利用することにより液滴を吐出するため、吐出時の加熱により吐出液が変性する虞もない。またさらに、メニスカスの振動の最大ピークａ時に生じる圧力と振動板２２５の復元力との重ね合わせにより、効率よく液滴を吐出させることが可能となる。
【００７０】
また、吐出時に吐出液にかかる圧力を低減させる方法として、液滴吐出ヘッド２２０の構造を設計変更することも考えられるが、例えば振動板２２５の長さを長くすると、応答性が落ち、次回以降の吐出との間隔が長くなり、高速吐出が困難になるという問題がある。また、振動板２２５の幅を広げるとノズル間隔が広くなり、高密度の吐出が困難となる。さらに、吐出液に応じて、液滴吐出ヘッド２２０の設計を変更することは、煩雑である。しかしながら、本発明によれば、駆動電圧Ｖａを付与する期間Ｐｗを制御するだけで、各種吐出液の性状に応じて、吐出時の圧力を制御することが可能となり、既存の液滴吐出ヘッド２２０を利用することも可能となるので、コスト的にも有利である。
【００７１】
本実施形態の液滴吐出ヘッドの駆動方法は、マイクロアレイ（例：医療診断用プロテインチップ等）の製造方法等のように、過度の圧力に弱い成分が含まれる吐出液を利用して製造する方法に好適に利用し得る。例えばプロテインチップの製造方法に適用した場合には、タンパク質が過度の圧力により変性することがないため、確度の高いマイクロアレイが得られる。
【００７２】
なお、上記例では、駆動圧力解除のタイミングは、メニスカスの変位波形を利用して決定したが、図３（ｄ）に示すような加圧室内の圧力波形を利用することにより決定してもよい。同図に示す圧力波形において、正の最大ピークｅ（上側に凸のピーク）に後続する複数の正のピークのうちいずれか（例：正のピークｆ）に合わせて駆動電圧を解除することにより、メニスカス吸引時の振動と吐出時の圧力の重ね合わせにより加圧室２２４（流路）内の圧力が極端に大きくなることを回避することが可能となり、しかも効率よく液滴を吐出することが可能となる。なお、圧力波形とメニスカスの波形のピークは、各々対応している（例：ａとｅ、ｃとｆ）。本例では、振動板２２５当接時における流路内の圧力波形の３つ目のピークｆとした。この３つ目のピーク値である約１ＭＰａ以下の圧力で液滴を吐出した場合には、タンパク質や細胞が失活しないことが確認されている。このように、圧力波形から、吐出液に応じて、加圧し得る圧力の限界値を定め、当該限界値以下であって、正のピークを生じる時点を抽出し、駆動電圧Ｖａを解除するタイミング（吐出タイミング）を決定してもよい。
【００７３】
また、上記例では、液滴吐出ヘッド２２０の側面に吐出口が設けられたエッジイジェクトタイプについて説明した。但し、これに限定されず、液滴吐出ヘッド２２０の下面に吐出口が設けられたフェイスイジェクトタイプを用いてもよい。フェイスイジェクトタイプによれば、吐出口の周囲を同一材料で構成することが可能となるので、より高密度に吐出口を形成することが可能となる。また、液滴の直進安定性も確保し易いため好ましい。
【００７４】
また、上記例では、液滴吐出ヘッドとして、静電アクチュエータ方式を用いた場合を例に採り説明したが、圧電素子から構成される圧電アクチュエータ方式を用いたものであってもよい。
また、上記例では、マイクロアレイの製造方法としての適用について主に説明をした。但し、本発明の液滴吐出ヘッドの駆動方法においては、吐出液体を生体適合溶液として、細胞を分散させたものを用いれば、細胞を吐出して、細胞をプリントし、組織再生医療を行う細胞吐出装置として適用することが可能となる。この場合においても、過度の圧力や熱を用いないという本発明の作用、効果により、細胞壁を破壊することがなく、皮膚や血管、更には臓器等の組織再生医療やその研究に適した細胞吐出装置を提供可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】図１（ａ）は、本実施形態に用いられる液滴吐出ヘッドの一例を説明するための分解斜視図である。また、図１（ｂ）は、液滴吐出ヘッドの断面構造を説明するための図である。
【図２】図２（ａ）は、本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの断面図を模式的に示した図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の液滴吐出ヘッドにおいて、駆動電圧印加後、振動板が対向電極と当接するまで（非当接時）の液滴吐出ヘッドの電気回路モデルである。図２（ｃ）は、図２（ａ）の液滴吐出ヘッドにおいて、振動板を対向電極と当接した際（当接時）の液滴吐出ヘッドの電気回路モデルである。
【図３】図３（ａ）は、駆動方法のタイミングチャートである。図３（ｂ）は、メニスカスの変位波形の計算結果である。図３（ｃ）は、振動板変位波形の計算結果である。図３（ｄ）は、加圧室内の圧力波形の計算結果である。
【符号の説明】
【００７６】
２２０・・・液滴吐出ヘッド、２２１・・・第一の基板、２２２・・・第二の基板、２２３・・・第三の基板、２２４・・・加圧室、２２５・・・振動板、２２６・・・吐出口、２２７・・・供給口、２２８・・・対向電極、２２９・・・隔壁、２３０・・・共通電極、２５０・・・制御部、Ｖａ・・・駆動電圧、Ｐｗ・・・駆動電圧を付与する期間
【図１】
2006023259.tif 000023
【図２】
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【図３】
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