(57)【要約】【課題】  光ファイバなどのピン（７）を使用して定量の液状物質を排出する技術。【解決手段】  液状物質試料をピンの先端部（７Ａ）に付着させて、マイクロアレイ上の特定の位置などの対象領域に非接触式で排出する。ピンを通って伝えられる光を検出して、ピンの正確な位置を容易に測定する。
2005530615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体排出装置であって、
穴を含むハウジングと、先端部を含むとともに前記穴の中に可動に配設されているピンと、前記穴の側面に接する開口を有するポートを含むとともに前記開口に排出する液状物質を入れるリザーバ部と、前記リザーバ部に結合されて、定量の液状物質を前記リザーバ部から前記開口に定量供給する第１のアクチュエータと、前記ピンに結合されて、前記ピンの前記穴の中の動きをコントロールする第２のアクチュエータとを備え、該装置の作動中は、前記ピンの先端部が前記開口を通過すると定量供給された液状物質が前記ピンの先端部に付着し、前記ピンの振動をコントロールしながら、ある決められた位置で前記ピンの先端部から定量供給された液状物質を離すことを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、
前記第１のアクチュエータが圧電性スタックを備えることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、
前記第２のアクチュエータが圧電性スタックを備えることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、
前記ピンが光ファイバを備えることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、
該装置は前記ピンに結合される光センサをさらに備えており、該装置の作動中に、前記光センサが前記ピンを通って伝えられた光の強度を測定することを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置であって、
前記光センサによって測定された光強度が前記ピンの前記穴の中の位置を示すことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項５に記載の装置であって、
前記光センサによって測定された光強度が定量供給された液状物質のサイズを示すことを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置であって、
該装置は前記ピンに結合される光センサをさらに備えており、前記光センサが、ビーム・スプリッターと、光源と、第１と第２の光検出器とを備えており、該装置の作動中に、前記第１の光検出器が前記光源から伝えられ前記ビーム・スプリッターにおいて反射した光を検出し、前記第２の光検出器が前記ピンから伝えられ前記ビーム・スプリッターにおいて反射した光を検出することを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１に記載の装置であって、
該装置は前記ピンの前記穴の中の位置を示す手段をさらに備えており、前記手段が前記ピンに結合されていることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置であって、
該装置は定量供給された液状物質のサイズを示す手段をさらに備えており、前記手段が前記ピンに結合されていることを特徴とする装置。
【請求項１１】
液体定量供給システムであって、
位置決めステージと、液体排出装置を動かす前記位置決めステージに結合されている前記液体排出装置とを備え、前記液体排出装置が、穴を含むハウジングと、先端部を含むとともに前記穴の中に可動に配設されているピンと、前記穴の側面に接する開口を有するポートを含むとともに前記開口に排出する液状物質を入れるリザーバ部と、前記リザーバ部に結合されて、定量の液状物質を前記リザーバ部から前記開口に定量供給する第１のアクチュエータと、前記ピンに結合されて、前記ピンの前記穴の中の動きをコントロールする第２のアクチュエータとを備え、該システムの作動中は、前記ピンの先端部が前記開口を通過すると定量供給された液状物質が前記ピンの先端部に付着し、前記ピンの振動をコントロールしながら、ある決められた位置で前記ピンの先端部から定量供給された液状物質を離すことを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記位置決めステージが粗位置決めステージと高精度位置決めステージとを備えることを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムであって、
前記粗位置決めステージがロボット式装置を備えることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１２に記載のシステムであって、
前記高精度位置決めステージが水平軸微動ステージと垂直軸微動ステージとを備えることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシステムであって、
前記微動ステージのそれぞれが圧電性のスタックを備えることを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１４に記載のシステムであって、
前記高精度位置決めステージが振動コントロール・ステージをさらに備えることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記第１のアクチュエータが圧電性のスタックを備えることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記第２のアクチュエータが圧電性のスタックを備えることを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記ピンが光ファイバを備えることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
請求項１１に記載のシステムであって、
該システムは前記ピンに結合されている光センサをさらに備えており、該システムの作動中に前記光センサが前記ピンを通って伝えられた光強度を測定することを特徴とするシステム。
【請求項２１】
請求項２０に記載のシステムであって、
前記光センサによって測定された光強度が前記ピンの前記穴の中の位置を示すことを特徴とするシステム。
【請求項２２】
請求項２０に記載のシステムであって、
前記光センサによって測定された光強度が定量供給された液状物質のサイズを示すことを特徴とするシステム。
【請求項２３】
請求項１１に記載のシステムであって、
該システムは前記ピンに結合されている光センサをさらに備えており、前記光センサが、ビーム・スプリッターと、光源と、第１と第２の光検出器とを備えており、該システムの作動中に、前記第１の光検出器が前記光源から伝えられ前記ビーム・スプリッターにおいて反射した光を検出し、前記第２の光検出器が前記ピンから伝えられ前記ビーム・スプリッターにおいて反射した光を検出することを特徴とするシステム。
【請求項２４】
請求項１１に記載のシステムであって、
該システムは前記ピンの前記穴の中の位置を示す手段をさらに備えており、前記手段が前記ピンに結合されていることを特徴とするシステム。
【請求項２５】
請求項１１に記載のシステムであって、
該システムは定量供給された液状物質のサイズを示す手段をさらに備えており、前記手段が前記ピンに結合されていることを特徴とするシステム。
【請求項２６】
液体を排出する方法であって、
対象領域に向けてピンを動かすステップと、前記ピンを前記対象領域に向けて動かす際に定量の液状物質を前記ピンの先端部に付着させるステップと、前記対象領域上方の予め決められた距離近辺に前記ピンの先端部が位置していることを検知するステップと、前記ピンを振動させて液状物質を前記ピンの先端部から離して前記対象領域に落下させるステップとを備えることを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法であって、
前記ピンを通って伝えられた光信号を検知するステップをさらに備えて前記穴の位置を決定することを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２２に記載の方法であって、
前記対象領域上方において前記ピンを水平方向に位置付けするステップをさらに備えることを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２４に記載の方法であって、
前記対象領域上方において前記ピンを垂直方向に位置付けするステップをさらに備えることを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２４に記載の方法であって、
前記ピンを通って伝えられて検出された光の信号と、光強度の期待値とを比較するステップをさらに備え、液体試料が前記ピンの先端部に付着されているかどうかを判断することを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項２４に記載の方法であって、
前記ピンを振動させるステップが高周波振動を含むことを特徴とする方法。
【請求項３２】
コンピュータが実行可能な命令を格納するコンピュータ可読媒体を備える製品であって、前記命令によってコンピュータ・システムが、対象領域に向けてピンを動かし、前記ピンを前記対象領域に向けて動かす際に定量の液状物質を前記ピンの先端部に付着させ、前記対象領域上方の予め決められた距離近辺に前記ピンの先端部が位置していることを検知し、前記ピンを振動させて液状物質を前記ピンの先端部から離して前記対象領域に落下させることを特徴とする製品。
【請求項３３】
請求項３２に記載の製品であって、
前記コンピュータ・システムに前記ピンを通って伝えられた光信号を検知して前記穴の位置を決定させる命令をさらに備えることを特徴とする製品。
【請求項３４】
請求項３２に記載の製品であって、
前記コンピュータ・システムに前記ピンを通って伝えられた光信号を検知して定量の液体試料のサイズを決定させる命令をさらに備えることを特徴とする製品。
【請求項３５】
請求項３２に記載の製品であって、
前記コンピュータ・システムに前記対象領域上方において前記ピンを水平方向に位置付けさせる命令をさらに備えることを特徴とする製品。
【請求項３６】
請求項３２に記載の製品であって、
前記コンピュータ・システムに前記対象領域上方において前記ピンを垂直方向に位置付けさせる命令をさらに備えることを特徴とする製品。
【請求項３７】
請求項３２に記載の製品であって、
前記コンピュータ・システムに、前記ピンを通って伝えられて検出された光信号と光強度の期待値とを比較させ、液体試料が前記ピンの先端部に付着されているかどうかを判断させる命令をさらに備えることを特徴とする製品。
【請求項３８】
液体排出システムであって、
前記液体排出システムは、位置決めステージと、前記位置決めステージに結合されて１次元空間、または複数次元空間で液体排出装置を動かす前記液体排出装置とを備えており、前記液体排出装置は、穴を含むハウジングと、先端部を含むとともに前記穴の中に可動に配設されているピンと、前記穴の側面に接する開口を有するポートを含むとともに前記開口に排出する液状物質を入れるリザーバ部と、前記リザーバ部に結合されて、定量の液状物質を前記リザーバ部から前記開口に定量供給する第１のアクチュエータと、前記ピンに結合されて、前記ピンの前記穴の中の動きをコントロールする第２のアクチュエータとを備えており、該システムの作動中は、前記ピンの先端部が前記開口を通過すると定量供給された液状物質が前記ピンの先端部に付着し、前記ピンの振動をコントロールしながら、ある決められた位置で前記ピンの先端部から定量供給された液状物質を離し、前記命令が実行されると前記命令によって前記コントローラが対象領域に向けて前記ピンを動かし、前記ピンを前記対象領域に向けて動かす際に定量の液状物質を前記ピンの先端部に付着させ、前記対象領域上方の予め決められた距離近辺に前記ピンの先端部が位置していることを検知し、前記ピンを振動させて液状物質を前記ピンの先端部から離して前記対象領域に落下させることを特徴とするシステム。
【請求項３９】
請求項３８に記載のシステムであって、
前記コントローラは命令を含み、前記命令が実行されると、該命令によって前記コントローラが前記ピンを通って伝えられた光信号を検知して前記穴の位置を決定することを特徴とするシステム。
【請求項４０】
請求項３８に記載のシステムであって、
前記コントローラは命令を含み、前記命令が実行されると、該命令によって前記コントローラが前記対象領域上方において前記ピンを水平方向に位置付けすることを特徴とするシステム。
【請求項４１】
請求項３８に記載のシステムであって、
前記コントローラは命令を含み、前記命令が実行されると、該命令によって前記コントローラが前記対象領域上方において前記ピンを垂直方向に位置付けすることを特徴とするシステム。
【請求項４２】
請求項３８に記載のシステムであって、
前記コントローラは命令を含み、前記命令が実行されると、該命令によって前記コントローラが前記ピンを通って伝えられて検出された光信号と光強度の期待値とを比較して液体試料が前記ピンの先端部に付着されているかどうかを判断することを特徴とするシステム。
【請求項４３】
請求項３８に記載のシステムであって、
前記位置決めステージが粗位置決めステージと高精度位置決めステージとを備えることを特徴とするシステム。
【請求項４４】
請求項４３に記載のシステムであって、
前記粗位置決めステージがロボット式装置を備えることを特徴とするシステム。
【請求項４５】
請求項４３に記載のシステムであって、
前記高精度位置決めステージが水平軸微動ステージと垂直軸微動ステージとを備えることを特徴とするシステム。
【請求項４６】
請求項４５に記載のシステムであって、
前記微動ステージのそれぞれが圧電性スタックを備えることを特徴とするシステム。
【請求項４７】
請求項４３に記載のシステムであって、
前記高精度位置決めステージが振動コントロール・ステージをさらに備えることを特徴とするシステム。
【請求項４８】
請求項３８に記載のシステムであって、
前記第１のアクチュエータが圧電性スタックを備えることを特徴とするシステム。
【請求項４９】
請求項３８に記載のシステムであって、
前記第２のアクチュエータが圧電性スタックを備えることを特徴とするシステム。
【請求項５０】
請求項３８に記載のシステムであって、
前記ピンが光ファイバを備えることを特徴とするシステム。
【請求項５１】
請求項３８に記載のシステムであって、
該システムは前記ピンに結合されている光センサをさらに備えており、該システムの作動中に、前記光センサが前記ピンを通って伝えられた光の強度を測定することを特徴とするシステム。
【請求項５２】
請求項３８に記載のシステムであって、
前記光センサによって測定された光強度が前記ピンの前記穴の中の位置を示すことを特徴とするシステム。
【請求項５３】
請求項３８に記載のシステムであって、
該システムは前記ピンに結合されている光センサをさらに備えており、前記光センサが、ビーム・スプリッターと、光源と、第１と第２の光検出器とを備えており、該システムの作動中に、前記第１の光検出器が前記光源から伝えられ前記ビーム・スプリッターにおいて反射した光を検出し、前記第２の光検出器が前記ピンから伝えられ前記ビーム・スプリッターにおいて反射した光を検出することを特徴とするシステム。
【請求項５４】
請求項３８に記載のシステムであって、
該システムは前記ピンの前記穴の中の位置を示す手段をさらに備えており、前記手段が前記ピンに結合されていることを特徴とするシステム。
【請求項５５】
請求項３８に記載のシステムであって、
定量供給された液状物質のサイズを示す手段をさらに備えることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は液状物質の定量排出装置とそのシステム、およびその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＤＮＡおよび他の核酸マイクロアレイ、抗体および他のたん白質マイクロアレイなどを含むマイクロアレイを作製するための精密な排出方法は、２つの異なるアプローチの内のいずれかを利用する。１つのアプローチは、Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ社のジーン・チップ（登録商標）処理によって代表され、半導体技術を応用した光化学処理を利用する。ウエハーマスク技法を使用して表面の予め決められている位置に所望の試薬を連続的に蒸着する。製造プロセスに空間的な特異性があり、光化学処理は高精度であり、また再現性がある。しかしながら、その処理には、柔軟性がなく、かつ費用を要する傾向があり、画期的で、小規模な実験室研究の目的には役立たない。
【０００３】
もう１つのアプローチは、インパクト・プリンティング(衝撃印刷)、またはインクジェット・プリンティングのいずれかの印刷による方法である。柔軟性があって費用がかからない可能性はあるが、印刷による方法には重大な欠点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
インパクト・プリンティングおよびインクジェット・プリンティングの両者とも、スポットの最小サイズと信頼性には限界を有する。標準的な顕微鏡用スライドには、例えば、１５０ミクロンの大きさの約４万個のスポットしか印刷することができない。また、印刷技法は、大部分の物質、通常印刷開始時の７５パーセントを超える物質を浪費する傾向がある。さらに、インパクト・プリンティングでは、液体を汲み上げて、スライド上にその液体を「印刷」するのに使用される中空のピンを度々交換しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
開示された液体排出装置の１つの形態において、その液体排出装置は、穴を含むハウジングと、先端部を含み、穴の中に可動に配設されているピンとを備える。開口を有するポートを含むリザーバ部は、穴の側面に接する。リザーバ部は、ピンの開口に排出する液状物質を入れる。第１のアクチュエータは、リザーバ部に結合されて、定量の液状物質をリザーバ部から開口に定量供給する。第２のアクチュエータは、ピンに結合されて、ピンの穴の中の動きをコントロールして、作動中は、ピンの先端部が開口を通過すると定量供給された液状物質がピンの先端部に付着する。第２のアクチュエータは、ピンの振動をコントロールしてある決められた位置でピンの先端部から定量供給された液状物質を離す。
【０００６】
上記の装置では、第１のアクチュエータおよび／または第２のアクチュエータが圧電性スタックを備えることがある。ピンは光ファイバを備えることがある。作動中は、ピンを通って伝えられる光の強度を測定する光センサをピンに結合することができる。光センサによって測定された光強度は、ピンの穴の中の位置を示すことがある。
【０００７】
光センサをピンに結合することができる。光センサは、ビーム・スプリッターと、光源と、第１の光検出器と、第２の光検出器とを備えることができる。光センサの作動中は、第１の光検出器が光源から伝えられ、ビーム・スプリッターで反射した光を検出することができ、また、第２の光検出器が、ピンから伝えられ、ビーム・スプリッターで反射した光を検出することができる。さらに、液体排出装置は、ピンの穴の中の位置を示す手段を含むことができ、その手段は、ピンに結合される。また、液体排出装置は、定量供給された液状物質のサイズを示す手段を含むことができる。
【発明の効果】
【０００８】
上記の技術によれば、以下に述べるような効果を得ることができる。上記技術は、光透過性のピンなどのピンを使用して、検知技術とコントロール技術とを一体化することによって予め決められた量の液状物質を表面上に排出することができる。光透過性ピンの例では光ファイバを含むことができる。上記技術を、核酸マイクロアレイの準備作業などの目的に、顕微マーカー用に、顕微手術用に、薬品処理操作用に、薬物発見操作用に、または、他の目的に使用することができる。上記プロセスがピンを対象面に接触させることなく実現されるので、インパクト・ピンの交換の際に高い交換費用が必要となるといった問題を回避することができる。
【０００９】
さらに、上記技術によって、スポット・サイズをコントロールしながら正確に計量された液体を表面上に排出することができる。例えば、微動ステージを使用してピンの作動をコントロールすることによって、対象面上方においてピンを正確に位置決めすることが可能となる。また、上記プロセスを低コストかつ容易な操作で実現することができる。さらに、排出された液体を効率的に利用し、リザーバ部から射出される液体の浪費を回避することが可能となる。例えば、定量の液体試料はピンの先端部に付着して、続いて、対象面に排出される。コントロール・システムと位置決めステージを使用して液体排出装置の作動をコントロールすると低コスト・高効率でかつ柔軟に対象面に液体を排出するときの１つの解決策となり得る。
【００１０】
他の特徴と利点は、以下の記述、添付の図面、および特許請求の範囲の各請求項から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、液体排出装置３に結合されている位置決めステージ２を含む液体排出システム１を示す。液体排出装置３は、センサ１０と組み合わせて検知・排出ピン７を使用して、リザーバ部１２から対象面１１上の対象とする領域１１ａに液体試料２３を排出する。ピンの例としては、光ファイバのような光透過性のピンを含むことができる。１つの実施形態では、液体排出装置３は、核酸、たん白質、ポリペプチド、または他の物質を含む液状物質をマイクロアレイ上の対象とするスポットなどの適合する領域に排出することができる。液状物質としては、例えば、純液状化合物、混合液、溶液、エマルジョンまたは分散液が含まれ得る。液体排出装置３は、対象面１１に接触することなく、予め選択された領域上に液状物質を蒸着することができる。
【００１２】
位置決めステージ２は、水平軸微動ステージ ５と垂直軸微動ステージ ６に加えて粗位置決めステージ４を含むことがある。広範囲の動きを行うロボット技術を使用して、粗位置決めを終了することができる。微動ステージ５および６は、液体排出装置３を高精度に位置決めすること、また、振動センサ６ａと連動して、環境要素および構造要素によって引き起こされることがある振動を取り除くのを助ける振動サーボ機構として機能することの両者に役立つ。
【００１３】
水平軸微動ステージ ５によってＸ、Ｙ軸方向の高精度位置決めが実行される一方、垂直軸微動ステージ６は、Ｚ軸方向の高精度位置決めを行う。例えば、電気信号に応答して物理的に精密に変形することができる圧電性物質、磁気ひずみ的性質を有する物質、または形状記憶物質を利用して微動ステージを実現することができる。１つの特別な例では、Ｃｈａｎｇの米国特許第６３５９３７０に記載さているように、最大６自由度までの位置決めを行うことのできる圧電性のアクチュエータを使用して微動ステージを実現することができる。アクチュエータは、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）方向の直動位置決め自由度、および３つの回転角度を提供することができる。
【００１４】
振動センサ６ａは、例えば、１つ、または複数の、振動コントロールを行う垂直軸微動ステージ ６に結合されている、直動加速度計を含むことができる。アクチュエータ振動コントロールは、対象面１１の数ミクロン上方の排出ポイントを高精度に位置付けするときに重要である。液体排出装置が取り付けられている個々の振動コントロールされたテーブルを使用して、振動コントロールを実現することができる。または、液体排出装置自体で振動コントロールを行うことができる。公知の技術を使用して振動コントロールを行うことができる。例えば、ロボット式プラットホームと、荷重、ここではピン７との間に位置する圧電性のアクチュエータを使用して、排出ポイントの振動抑制を実現することができる。例えば、Ｃｈａｎｇ、Ｔ．Ｎ．、Ｄａｖｉｓｏｎ、Ｅ．Ｊ．、「Ｄｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｕｓｉｎｇ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒ  Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ（パラメタ最適化法を使用する分散制御器の設計）」、  Ｃ−ＴＡＴ（ＣｏｎｔｒｏｌーＴｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（コントロールに関する理論と先進技術））、ｖｏｌ．２、Ｎｏ．２８８、１３１−１５４ページ（１９８６）、およびＣｈａｎｇ、Ｔ．Ｎ．ほか、「 Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｌｉｎｅａｒ  Ｒｏｂｏｔｓ  ｕｓｉｎｇ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ（圧電性アクチュエータを使用する直動ロボットの振動コントロール）」、２０００年６月２８ー３０日、イリノイ州シカゴにて開催のアメリカン・コントロール会議（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ（会議議事録）、２５２３ー２５２７ページ参照。
【００１５】
図１に示すように、ピン７がハウジング９に配設され、そのハウジングの円筒形状の穴９Ａ内を垂直に移動可能である。ピン７は、その先端部の対象面からの距離を検知し、または液滴を対象面に排出する検知・排出用ピンである。ハウジングは、適切であればプラスチックやシリコンなどの物質からでも形成することができる。１つの例では、ピン７は５ミクロンないし５０ミクロンの範囲の直径を有する光ファイバを含む。費用のかからないプラスチックなどの物質、またはシリコンや金属などのより価格が高い物質から光ファイバ・チューブを形成することができる。光ファイバのピンの直径は、定量供給されるべき液状物質のサイズ、光センサの電気特性、または他の要素を基に決定され得る。ピン７は、圧電性物質、磁気ひずみ的性質を有する物質、または形状記憶物質を含み、電気信号に応答するピン・アクチュエータ８によって垂直に駆動される。
【００１６】
光センサ１０は、ピン７の上部に結合されており、対象面１１から反射され、ピン７の底面を透過して伝えられる光を検知するのに使用される。対象面１１に最も近いピン７の底面を研磨して、ピンの光集束能力を改良することができるレンズを形成することができる。以下において、光センサ１０についてさらに詳細に記述する。
【００１７】
液状物質リザーバ部１２は、加えられることがある液状物質を通すポート１３と、円筒形状の穴９Ａに結合されている排出ポート１４とを含む。圧電性ポンプを含むことがあるリザーバ・アクチュエータ１６は、リザーバ部１２から排出ポート１４を介して円筒形状の穴９Ａに定量の液状物質を排出する。排出ポート１４には、定量供給されるべき液状物質の量などの要素を基にサイズが決められることがある直径を有するオリフィス１４aがある。オリフィス１４aの直径は、例えば、５ミクロンないし２０ミクロンの範囲内に設定できる。
【００１８】
ピン・ドライバ８は、電子的に制御された圧電性スタックなどの圧電性の直道アクチュエーターを含むことがある。ピン７の先端部７Ａが対象面１１の上方に正しく置かれると、圧電性のアクチュエータからの高周波振動によって先端部７Ａから液状物質の液滴２３が分離され、対象面１１の対象領域１１aに蒸着される。例えば、圧電性のアクチュエータを、ｋＨｚ範囲内の共鳴周波数の１つにおいて、約１０ミクロン移動させることができる。きわめて小さい液滴を高速で排出することができる。例えば、直径が５０ミクロンの光ファイバのピン７は、０．１ピコリットルのような小さい液滴を排出することができる。
【００１９】
ピンを振動させるには、例えば、ＡＧＣ（自動ゲイン制御）ループによって強制的に振動させる、または共鳴を持続させるという２つの異なる方法があり得る。強制振動方法では、Ｚ方向の急速振動を生じるようピン・ドライバ８に周期的な信号を入力する必要がある。第２の、好ましいアプローチでは、ピン・ドライバ８の通常数十ｋＨｚ範囲の共鳴周波数で振動を起こす。ピンドライバーへのドライブ電圧を最小にしながらＡＧＣループを調節して、制御された振幅を実現できる。ＡＧＣループの構成については、Ｃｈａｎｇ、Ｔ．Ｎ．、Lｊｕｎｇ、Ｂ．、Ｆｒｉｅｄｌａｎｄ、Ｂ．による米国特許５、３５９、４１３「Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ  Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ  Ｌｏｃｋ−ｉｎ  ｉｎ  ａ  Ｒｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ  Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ（リングレーザー・ジャイロスコープにおけるロックインを大幅に除去するシステム）」に詳細に記載されている。
【００２０】
図２と図３は、液体排出装置３に使用される光センサ１０の異なる実施形態をそれぞれ示す。光がピン７を透過するとき、ここで「アクティブ」モードと呼ぶ２方向または、ここで「セミアクティブ」モードと呼ぶ１方向のいずれかのモードで透過する。図２は「アクティブ」モードを示し、光センサ１０は、ピン７の上部に取り付けられて、ピンとともに垂直に移動可能である。光センサ１０は、光源２１、ビーム・スプリッター２２、および光検出器２４、および２５を含む。光源２１は、単色光であれ、多色光であれ、適切であればいずれの光源であってもよく、例えば、レーザー、またはＬＥＤ（発光ダイオード）が使用できる。ビーム・スプリッター２２は、光の一部を光源 ２１から、光源の強度をモニターする光検出器２５に送る。ビーム・スプリッター２２は、光の一部を光源 ２１からピン７を介して対象面１１上に送る。ビーム・スプリッター２２は、反射してピン７を透過して戻ってくる光を、反射した光の強度をモニターする光検出器２４に送る。反射した光に基づいて、ピン７の先端部７Ａと対象面１１との間の距離２０を決めることができる。いくつかの例では、その距離を約０．１ミクロン以内の距離にすることがある。
【００２１】
図３に示される「セミアクティブ」モードでは、光センサ１０は、ピン７の上部に取り付けられている光検出器２６を含む。光源２７は、半透明、または透明の対象面１１の下から光ビームを供給する。光検出器２７は、対象面１１からピン７を透過して伝わる光の強度を測定する。先端部７Ａと対象面１１との間の距離２０を、検出された光に基づいて決めることがある。
【００２２】
アクティブモード、セミアクティブモードの両モードでは、光は、対象面１１から、光伝送路として機能するピン７を透過して伝えられる。光伝送路を通って伝わる光は、空気と光ファイバの屈折率の差、液状試料２３の材料特性、光経路の形状、または他の要素に敏感である。その結果、１つの（または複数の）光検出器における光強度を連続的に、または断続的にモニターすることによってピンと対象面との準接触状態を生じることができる。
【００２３】
光が穴９Ａを伝わるとき、光検知技術１０を使用してピン７の位置を示すことができるが、 他の検知技術を使用することもできる。適応する検知手段とともに、例えば、容量式、または誘導式検知手段を使用することができる。
【００２４】
図４は、液体排出システム１の作動をコントロールするコントロール・システム３０のブロック図を示す。コントロール・システム３０では、 フィードフォワード／フィードバックコントロールと高度な信号処理を利用してハードウェア・コストを最小にすることができる。コントロール・システム３０は、ＤＳＰ（ディジタル信号プロセッサ）などのプロセッサ３２と、ソフトウェア・プログラム３９とプロセス・テーブル４０とを格納するメモリ３８とを含む。プロセッサ３２は、液体排出装置３を備えるシステム１の全体的な作動をコントロールするソフトウェア命令を含むプログラム３９を実行する。
【００２５】
プロセス・テーブル４０は、１つのプロセス・サイクル中にプロセッサ３２が使用してピン７の位置を決定することができるいろいろな時点に対応する光強度データを含む。一般的なプロセス・サイクルでは、ピン７は、穴９Ａの最上部に位置し、該ピンが対象面１１の対象領域１１ａに向かって下向きに動かされて、液体試料２３がピン７の先端部７Ａに付着し、次に、該ピンが対象面上方の予め決められた距離２０に達すると、液体試料がピン７の先端部７Ａから離れて対象領域１１ａ上に落下する。(図１参照）プロセッサ３２は、テストプロセス・サイクル中にプロセス・テーブル４０を作成することがあり、実際の生産プロセス・サイクル中に該テーブル４０を使用することができる。プロセス・テーブル４０の作成、および使用については、次に詳細に記述される。
【００２６】
ユーザ・インタフェース３１によって、利用者、または別のプログラムは、プロセス・サイクルに関係する要素をコントロールするコマンドを入力することができる。関係する要素には、特定の対象面（すなわち、スライド）上に蒸着する液滴の数、蒸着量、スライド数、または他の要素が含まれることがある。ユーザ・インターフェイス３１によって、ローカルにはコントロール・システムに結合されているコンピュータ端末を介して、またはリモ−トにはネットワークを通じてコマンドを入力することができる。
【００２７】
プロセッサ３２は、プロセス・サイクル中にプログラム３９を実行することによってシステムの様々な構成要素の作動をコントロールする。プログラム３９は、Ｄ／Ａ(デジタル−アナログ）変換器３７によってアナログ信号に変換されるディジタル信号を発生させるソフトウェア命令を含むことができる。プロセッサ３２は、粗位置決めステージ４、水平軸微動ステージ ５、および垂直軸微動ステージ ６を含む位置決めステージ２に信号を送って、対象面１１上方の適切な対象領域１１ａに液体排出装置３を動かすことができる。同様に、プロセッサ３２は、ピン・ドライバ８に信号を送って穴９Ａ内のピン７の垂直並進運動をコントロールすることができる。同様の方法で、プロセッサ３２は、リザーバ・アクチュエータ１６に信号を送って、穴９Ａに射出され、続いてピン７の先端部７Ａに付着する液体試料２３の量をコントロールすることができる。また、ピン・ドライバ８は、プロセッサ３２からの高周波信号に応答して、液体試料２３がピン７の先端部７Ａから離れて対象面１１上に落下することになる。
【００２８】
Ａ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換器３６を使用してシステムのセンサ構成要素が発生したアナログ信号を、プロセス・サイクルの実行状況をモニターするのにプロセッサが使用することができるディジタル信号に変換することができる。例えば、システム１に生じる振動量を示す、振動センサ６ａからのアナログ信号をディジタル信号に変換することができる。同様に、Ａ／Ｄコンバータ３６は、光センサ１０からのアナログ信号をディジタル信号に変換することができる。これらの信号は、ピン７の位置を推定することができるように該ピンを通じて伝えられる光の強度を示すことができる。オプションのビジョン・システム３４には、対象面１１および／または液体排出装置３の上、または周辺に位置する１つ、または複数のビデオカメラが備えられることがある。システム３４は、Ａ／Ｄコンバータ３６によってディジタル信号に変換されるビデオ信号を供給することができる。システム３４によって、利用者は、該装置３が位置する、または該装置３がインターネットなどのネットワークを通じて遠く離れた位置からモニターされる設備を含む遠く離れた位置において液体排出システム１の作動をモニターすることができる。
【００２９】
例えば、約２.５ミリボルトのステップ・サイズに対応する出力電圧範囲が約−５ボルトないし＋５ボルトの１２ビットコンバータを使用してＡ／Ｄコンバータ３６とＤ／Ａコンバータ３７を実現することができる。コンバータ３６、および３７のサンプリング・レートを所望する精度に応じて調整することができる。例えば、サンプリング・レートを約１００マイクロセカンドに設定して、適切な出力分解能と出力精度を得ることができる。
【００３０】
図５は、１つのプロセス・サイクルを実行中に１つ、または複数の時間項目４１によって表される様々な期間における光センサ１０の受光量を表す、１つ、または複数の光強度項目４２を含むプロセス・テーブル４０の実施形態を示す。
【００３１】
時間項目４１には、１つのプロセス・サイクルの開始時からの経過時間である、マイクロセカンドなどの時間単位で表された時点を示す時間値が含まれる。光強度項目４２は、ボルトなどの単位を有するデータ値を含み、該データ値は、プロセス・サイクル中の各時点における、光センサ１０において受光した光強度を表す。前述のように、光センサ１０は、光伝送路として機能し、また光センサ１０における光強度の値を連続的、または断続的に測定することによって準接触状態を生じることが可能となる。
【００３２】
１つ、または複数のテスト・プロセス・サイクルを実行することによって、プロセッサ３２はプロセス・テーブル４０内に各種項目を生じることがある。平均化機能などの統計機能をテスト・プロセス・サイクル中に作成されたデータに適用して、テーブル用の値を得ることがある。プロセッサ３２は、実際の生産プロセス・サイクル中にプロセス・テーブル４０から各種項目を取り出し、ピン７の動き、および液体試料２３の排出をコントロールして、対象面１１に該試料２３を排出する。
【００３３】
図６は、液体排出システム１の作動を示す流れ図である。前述のように、プロセッサ３２は、プロセス・サイクル中に液体排出システム１の作動をコントロールするプログラム３９を実行する。（ブロック５０において）装置３のピン７を対象面１１上方に配置して、対象面の対象領域１１ａ上に液体試料を蒸着する（図７参照）プロセスを含むプロセス・サイクルの開始に備える。プロセッサ３２が信号を粗位置決めステージ４、水平軸微動ステージ ５、および垂直軸微動ステージ ６に送って、対象面１１上方の適切な場所に装置３を動かすことによって上記プロセスを実現することができる。 
液体排出装置３が対象面１１上方にいったん配置されると、ブロック５２において、予め決められた量の液体試料２３がプロセッサ３２によってオリフィス１４と穴９Ａの境界面に提供される（図８参照）。
【００３４】
液体試料２３は、表面張力などの力によって境界面に残る。これは、プロセッサ３２が信号をリザーバ・アクチュエータ１６に送って、予め決められた量の液体試料をリザーバ部１２から射出させることによって実現可能となる。同時期、またはほぼ同時期に、ブロック５４として、プロセッサ３２からピン・ドライバ８に信号を送ってピン７を対象面１１に向けて下方に動かす（図９参照）。
【００３５】
ピン７が穴９Ａの中を対象面１１に向けて下向きに動くとき、ブロック５６において、プロセッサ３２は、穴９Ａ内の液体試料２３がピン７の先端部７Ａに付着しているかどうかを判断する。（図１０参照）。
【００３６】
液体試料２３は、毛管作用などの力によってピン７の先端部７Ａの表面に残る。光はピン７内を通って伝わるので、プロセッサ３２は光センサ１０からの光強度信号をモニターし受光することができる。
【００３７】
１つの実施例では、プロセッサ３２は、時間項目４１で表される現在の時間に対応している光強度項目４２をプロセス・テーブル４０から取り出す。（図５参照）。例えば、プロセス・サイクルの開始時には、時間項目４１ａの時間値は０ミリセカンド（ｍｓｅｃ）であり、対応する光強度の値４２ａは、０ボルトである。プロセス・サイクルが進行すると、光信号の強度が増し、例えば、プロセス・サイクルから１ミリセカンド経過すると、プロセッサ３２は、１ミリセカンド経過時に期待される光強度の概略値を表す０．５ボルトの値を有する光強度項目４２bを取り出す。上記の光強度期待値を受光した光強度と比較して、液体試料２３がピン７に付着していることを示すかなりの一致が両強度値の間に見られるかどうかを判断する。一致が見られなければ、プロセスはブロック５４に戻り、液体試料２３がピン７の先端部７Ａに付着し、受光した光強度値と光強度期待値との間にかなりの一致が見られるまで、ピン７を穴９Ａの中で対象面１１に向けてさらに下向きに動かす。
【００３８】
プロセッサ３２は、 液体試料２３がピン７の先端部７Ａに付着していることをいったん決定すると、ブロック５８において該ピンを対象面１１に向けてさらに下向きに動かす。例えば、図５を参照すると、現在の時間がプロセス・サイクルの開始時から５ミリセカンド経過していれば、プロセッサ３２は５ミリセカンド経過時に期待される光強度を表す５ボルトの値を有する光強度項目４２ｃを取り出す。ピン７が排出ポートより下側に動くと、液体試料２３が得られるばかりではなくさらなる液体試料が穴９Ａに漏れるのを阻止し、回避する。
【００３９】
ピン７が穴９Ａの中を下向きに移動すると、ブロック６０において、プロセッサ３２は、該ピンの対象面１１からの距離が予め決められた距離２０に達したかどうか判断する。（図１１参照）。上に説明したように、プロセッサ３２は、ピン７内を通って伝わった光の強度を示す光センサからの信号をモニターし受信する。例えば、図５を参照すると、現在の時間がプロセス・サイクルの開始時から６ミリセカンド経過していれば、そのとき、プロセッサ３２は６ミリセカンド経過時に期待される光強度を表す４ボルトの値を有する光強度項目４２ｄを取り出す。液体試料がピン７の先端部７Ａに付着され、かつ対象面から予め決められた距離２０にあるため、上記期待値は光強度を表す。次に、上記の光強度期待値を受光した光強度と比較して、ピン７が対象面１１から予め決められた距離２０に達したことを示す一致が両強度の間に見られるかどうかを判断する。一致が見られなければ、プロセスはブロック５８に戻り、該ピンが予め決められた距離２０に達するまでピン７を穴９Ａの中で対象面１１に向けてさらに下向きに動かす。
【００４０】
ピン７が予め決められた距離２０にいったん達すると、プロセッサ３２によって、液体試料２３がブロック６２としてピン７の先端部７Ａから離れて対象領域１１ａ上に落下する。（図１２参照)。プロセッサ３２が高周波信号をピン・ドライバ８に送ると、該ドライバ８は、液体試料２３がピン７の先端部７Ａから離れるようなコントロール方法でピン７を振動させる。さらに、液滴が表面に接触すると直ちに液滴を表面に結合する親水性の材料で対象面１１をコーティングすることがある。その結果、ピン７の先端部７Ａを対象面に接触させることなく、ピン７は液体試料２３を対象面１１に蒸着することができる。光センサによって測定される光強度は定量供給された液状物質のサイズを示すことができる。したがって、液滴の有無を検出することができる。例えば、液滴が対象スライドに接触すると、突然の転移が起き、したがって、電圧変化が起きることがある。液滴が大きければ大きいほど、分散効果が大きく、したがって、強度低下がより大きい。
【００４１】
プロセッサ３２は、プロセス・テーブル４０から光強度項目を取り出して、ピン７を上向きに動かして対象面１１から遠ざけるべき時期であるかどうか判断する。例えば、現在の時間がプロセス・サイクルの開始時から７ミリセカンド経過していると仮定すれば、プロセッサ３２は、プロセズ・サイクル内において７ミリセカンド経過時に期待されるであろう光強度を示す約２．５ボルトの値を有する光強度項目４２ｅを取り出すであろう。この光強度期待値は、液体試料がピン７の先端部７Ａから離れたときのプロセス・サイクルにおける状態を表す。上記光強度期待値を受光した光強度値とを比較して、液体試料２３がピン７から離れたかどうかを判断する。液体試料が対象面１１上にいったん蒸着すると、プロセッサ３２は、信号をピン・ドライバ８に送って、ブロック６４として、ピン７を上向きに動かして該ピンを対象面１１から遠ざける。（図１３参照）。
【００４２】
ピン７を上向きに動かして対象面１１から遠ざけている間に、ブロック６６として、プロセッサ３２は、対象面１１上の対象領域１１ａそれぞれに液体試料を蒸着するプロセス・サイクルが終了したかどうかをチェックする。対象領域１１ａそれぞれの処理が済んでいれば、対象面１１に対するプロセス・サイクルは終了し、処理済みの対象面を取り除いて、次のプロセス・サイクルの対象となる新しい対象面に取り替えることができる。一方、液体試料を受けなかった未処理の対象領域１１ａが対象面１１上に残っていれば、プロセスは、ブロック５０に戻り、対象面１１上の次の未処理の対象領域１１ａにピン７を動かす。
【００４３】
上記のピンは、光透過性のピンに関連していたが、他の例のピンも可能である。例えば、図１４は、ピンの先端部に取り付けられた小型光検出器７２を備える機械的なピン７１を示す。光検出器７２が液状試料の形成と目標距離７７をモニターしている間、機械的なピン７１は、液体試料２３を排出するプランジャーとして役立つ。電気配線によって信号を光検出器７２からコントローラ(図示されていない)に送ることを要求されることがある。
【００４４】
図１５は、電気的および／または磁気的な手段などの非光学的な手段を使用することができる別の例のピンを示す。１つの例では、ピン７４は、ピンの先端部に取り付けられた１対の電極７５を含むことができる。一対の電極７５は、接触抵抗を検出して液体試料の形成をモニターすることができる。（液体がなければ、両電極は開回路を構成し、液体があれば、液体試料に特有の抵抗を計測して、スポットサイズなどの液体試料に関連するパラメタを決定することができる)。追加のセンサ７６(容量式および／または誘導式）をピン７４に取り付けて目標距離７７を測定することができる。
【００４５】
他の例については、添付の特許請求の範囲の各項目に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】液体排出システムの一実施形態の断面図である。
【図２】液体排出システムにおける光センサの一実施形態を示す図である。
【図３】液体排出システムにおける光センサの他の実施形態を示す図である。
【図４】液体排出システムにおけるコントロール・システムのブロック図である。
【図５】液体排出システムの作動中におけるいろいろな時間の光強度値の例を示すテーブル・リストである。
【図６】液体排出システムを作動させるときの流れ図である。
【図７】液体排出システムの一実施形態における１つの作動段階における作動を示す図である。
【図８】液体排出システムの一実施形態における別の作動段階における作動を示す図である。
【図９】液体排出システムの一実施形態におけるさらに別の作動段階における作動を示す図である。
【図１０】液体排出システムの一実施形態におけるさらに異なる作動段階における作動を示す図である。
【図１１】液体排出システムの一実施形態におけるさらに別の作動段階における作動を示す図である。
【図１２】液体排出システムの一実施形態におけるさらに異なる作動段階における作動を示す図である。
【図１３】液体排出システムの一実施形態におけるさらに別の作動段階における作動を示す図である。
【図１４】ピンの一実施形態を示す図である。
【図１５】ピンの他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１…液体排出システム、２…位置決めステージ、３…液体排出装置、４…粗位置決めステージ、５…水平軸微動ステージ、６…垂直軸微動ステージ、６ａ…振動センサ、７…ピン、８…ピン・ドライバ、９Ａ…穴、１０…センサ、１１…対象面、１２…リザーバ部
【図１】
2005530615.tif 000003
【図２】
2005530615.tif 000004
【図３】
2005530615.tif 000005
【図４】
2005530615.tif 000006
【図５】
2005530615.tif 000007
【図６】
2005530615.tif 000008
【図７】
2005530615.tif 000009
【図８】
2005530615.tif 000010
【図９】
2005530615.tif 000011
【図１０】
2005530615.tif 000012
【図１１】
2005530615.tif 000013
【図１２】
2005530615.tif 000014
【図１３】
2005530615.tif 000015
【図１４】
2005530615.tif 000016
【図１５】
2005530615.tif 000017
【国際調査報告】
2005530615.tif 000018