(57)【要約】【課題】  実施形態は、溶液保持容器の内壁に残留することを抑制することができ、溶液の廃棄量が少ない液滴噴射装置を提供する。【解決手段】  実施形態の液滴噴射装置は、基板と、アクチュエータと、溶液保持容器と、を有する。溶液保持容器は、上面に溶液を受ける溶液受け口、下面に圧力室内に連通する溶液出口をそれぞれ有し、基板の上に積層される。溶液保持容器は、溶液受け口の開口面積が溶液出口よりも大きい。溶液保持容器の内壁面は、溶液受け口側から溶液出口側に向けてほぼＹ字状の断面形状に形成され、かつ溶液保持容器の内壁面の対向面には、それぞれ凸曲面状に湾曲させた溶液ガイド面が形成されている。溶液ガイド面の湾曲面は、湾曲面に接する接線が溶液の吐出方向となす角度θを溶液受け口側から溶液出口側に向かうにしたがって徐々に小さくなるようにした。【選択図】図４
2018047429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液を吐出するノズルに連通し、内部に圧力室が形成された基板と、
前記圧力室内の圧力を変化させ、前記圧力室内の溶液を前記ノズルから吐出させるアクチュエータと、
上面に溶液を受ける溶液受け口、下面に前記圧力室内に連通する溶液出口をそれぞれ有し、前記基板の上に積層される溶液保持容器と、を有し、
前記溶液保持容器は、前記溶液受け口の開口面積が前記溶液出口よりも大きく、
前記溶液保持容器の内壁面は、前記溶液受け口側から前記溶液出口側に向けてほぼＹ字状の断面形状に形成され、かつ前記溶液保持容器の内壁面の対向面には、それぞれ凸曲面状に湾曲させた溶液ガイド面が形成され、
前記溶液ガイド面の湾曲面は、前記湾曲面に接する接線が溶液の吐出方向となす角度θを前記溶液受け口側から前記溶液出口側に向かうにしたがって徐々に小さくなるようにしたことを特徴とする液滴噴射装置。
【請求項２】
前記溶液保持容器は、前記溶液保持容器の内壁面の少なくとも一面に前記溶液ガイド面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴噴射装置。
【請求項３】
前記溶液保持容器は、前記溶液の吐出方向が鉛直方向に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴噴射装置。
【請求項４】
前記溶液保持容器の前記溶液受け口の開口は、前記ノズルに対し鉛直上方向に配置されていることを特徴とする請求項１及至請求項３のいずれか１に記載の液滴噴射装置。
【請求項５】
前記アクチュエータは、圧電材料で構成されていることを特徴とする請求項１及至請求項４のいずれか１に記載の液滴噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、液滴噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物学、薬学などの分野の研究開発や医療診断や検査、農業試験において、ピコリットル（ｐＬ）からマイクロリットル（μＬ）の液体を分注する操作を行うことがある。例えばガン細胞に対して、効果的に攻撃するのに必要な化合物の濃度を決定するステージにおいて、低容量の液体の分注は重要な作業である。
【０００３】
これらは一般に用量応答実験と呼ばれ、化合物の有効濃度を決定するため、多くの異なった濃度の化合物をマイクロプレートのウエルなどの容器内に作成する。このような用途で使用されるオンデマンド型の液滴噴射装置がある。この液滴噴射装置は、例えば、溶液を保持する溶液保持容器と、溶液を吐出するノズルと、溶液保持容器とノズルとの間に配置される圧力室と、圧力室内の溶液の圧力を制御するアクチュエータとを備える。
【０００４】
この液滴噴射装置は、ノズルから吐出される１滴の液量がｐＬオーダーであり、滴下回数を制御することにより、各ウエルにｐＬからμＬのオーダーの液体を滴下することが可能である。そのため、用量応答実験に代表される多く化合物を、異なった濃度で分注する作業やｐＬからナノリットル（ｎＬ）の極微少量の分注作業に適した装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許公開ＵＳ２０１４／０１９３３０９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
溶液保持容器に保持された溶液が、圧力室まで供給されず、溶液保持容器の内壁で滞留した場合、溶液保持容器に残留した溶液は廃棄される。また、溶液保持容器の内壁が、例えばドーム形状となっている場合には、溶液が液滴の状態で溶液保持容器の内壁に滞留しやすい形状である。この場合、圧力室への溶液供給を維持するためには、過剰な量の溶液を補充することが必要になる。そのため、滴下されず溶液保持容器に残る溶液の量が更に多くなる傾向がある。特に用量応答実験においては、使用する溶液は高価である場合が多いため、溶液の廃棄量が多いことは、実験コストの増加への影響が大きい。
【０００７】
従来技術の液体噴射装置は、溶液保持容器に保持された溶液が、溶液保持容器の内壁で滞留することにより、圧力室まで供給されず、溶液の廃棄量が多くなることが課題である。
【０００８】
本実施形態の課題は、溶液保持容器の溶液が、溶液保持容器の内壁に残留することを抑制することができ、溶液の廃棄量が少ない液滴噴射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の液滴噴射装置は、基板と、アクチュエータと、溶液保持容器と、を有する。基板は、溶液を吐出するノズルに連通し、内部に圧力室が形成されている。アクチュエータは、前記圧力室内の圧力を変化させ、前記圧力室内の溶液を前記ノズルから吐出させる。溶液保持容器は、上面に溶液を受ける溶液受け口、下面に前記圧力室内に連通する溶液出口をそれぞれ有し、前記基板の上に積層される。前記溶液保持容器は、前記溶液受け口の開口面積が前記溶液出口よりも大きい。前記溶液保持容器の内壁面は、前記溶液受け口側から前記溶液出口側に向けてほぼＹ字状の断面形状に形成され、かつ前記溶液保持容器の内壁面の対向面には、それぞれ凸曲面状に湾曲させた溶液ガイド面が形成されている。前記溶液ガイド面の湾曲面は、前記湾曲面に接する接線が溶液の吐出方向となす角度θを前記溶液受け口側から前記溶液出口側に向かうにしたがって徐々に小さくなるようにした。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１の実施形態の液滴噴射装置が搭載される溶液滴下装置の全体の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、第１の実施形態の液滴噴射装置を示す上面（溶液保持容器側）の平面図である。
【図３】図３は、第１の実施形態の液滴噴射装置を示す下面（液滴噴射側）の平面図である。
【図４】図４は、第１の実施形態の液滴噴射装置の図２のＦ４−Ｆ４線縦断面図である。
【図５】図５は、第１の実施形態の液滴噴射装置の液滴噴射アレイを示す平面図である。
【図６】図６は、第１の実施形態の液滴噴射装置の図５のＦ６−Ｆ６線縦断面図である。
【図７】図７は、第１の実施形態に係る液滴噴射装置のノズルの周辺構造を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際のものと異なる個所があるが、これらは適宜、設計変更することができる。
【００１２】
（第１の実施形態）  
第１の実施形態の液滴噴射装置の一例について図１乃至図７を参照して説明する。図１は、溶液の滴下装置１で使用される第１の実施形態の液滴噴射装置２の使用例を示す斜視図である。図２は、液滴噴射装置２の上面図であり、図３は液滴噴射装置２の液滴を噴射する面である下面図を示す。図４は、図２のＦ４−Ｆ４線断面図を示す。図５は、第１の実施形態の液滴噴射装置２の液滴噴射アレイ２７を示す平面図である。図６は、図５のＦ６−Ｆ６線断面図である。図７は、液滴噴射装置２のノズル１１０の周辺構造を示す縦断面図である。
【００１３】
溶液の滴下装置１は、矩形平板状の基台３と、液滴噴射装置装着モジュール５と、を有する。本実施形態では、９６穴のマイクロプレート４へ溶液を滴下する実施形態について説明する。
【００１４】
マイクロプレート４は、基台３の中央位置に固定されている。基台３の上には、マイクロプレート４の両側に、Ｘ方向に延設された左右一対のＸ方向ガイドレール６ａ、６ｂを有する。各Ｘ方向ガイドレール６ａ、６ｂの両端部は、基台３上に突設された、固定台７ａ、７ｂに固定されている。
【００１５】
Ｘ方向ガイドレール６ａ、６ｂ間には、Ｙ方向に延設されたＹ方向ガイドレール８が架設されている。Ｙ方向ガイドレール８の両端は、Ｘ方向ガイドレール６ａ、６ｂに沿ってＸ方向に摺動可能なＸ方向移動台９にそれぞれ固定されている。
【００１６】
Ｙ方向ガイドレール８には、液滴噴射装置装着モジュール５がＹ方向ガイドレール８に沿ってＹ方向に移動可能なＹ方向移動台１０が設けられている。このＹ方向移動台１０には、液滴噴射装置装着モジュール５が装着されている。この液滴噴射装置装着モジュール５には、本実施形態の液滴噴射装置２が固定されている。これにより、Ｙ方向移動台１０がＹ方向ガイドレール８に沿ってＹ方向に移動する動作と、Ｘ方向移動台９がＸ方向ガイドレール６ａ、６ｂに沿ってＸ方向に移動する動作との組み合わせにより、液滴噴射装置２は、直交するＸＹ方向の任意の位置に移動可能に支持されている。
【００１７】
液滴噴射装置２は、平板状の電装基板２１を有する。図２に示すようにこの電装基板２１の表面側（第１の面２１ａ）には、複数、本実施形態では８個の溶液保持容器２２がＹ方向に一列に並設されている。溶液保持容器２２は、図４に示すように上面が開口された有底凹形状の容器である。さらに、溶液保持容器２２の底部には、中央位置に溶液出口となる下面開口部２２ａが形成されている。上面開口部２２ｂの開口面積は、溶液出口の下面開口部２２ａの開口面積よりも大きくなっている。
【００１８】
図４に示すように、溶液保持容器２２の内壁面は、開口面積が大きい上面開口部２２ｂ側から開口面積が小さい下面開口部２２ａ側に向けてほぼＹ字状の断面形状に形成されている。この溶液保持容器２２の内壁面の対向面には、それぞれ凸曲面状に湾曲させた溶液ガイド面２３が形成されている。この溶液ガイド面２３の湾曲面に接する接線を、溶液保持容器２２の上面開口部２２ｂから底部の開口部２２ａにかけて、図４中で上下方向の３か所（上部位置Ｐ１と、中間位置Ｐ２と、下部位置Ｐ３）で接線３０、３１、３２と定義する。そして接線３０、３１、３２が溶液の吐出方向Ｙとなす角度θを、それぞれ角度θ１、θ２、θ３とする。そして、第１の実施形態の液滴噴射装置２の溶液保持容器２２の溶液ガイド面２３の湾曲面は、接線３０、３１、３２の角度θ１、θ２、θ３が溶液保持容器２２の上面開口部２２ｂから底部の下面開口部２２ａに向かうにしたがって徐々に小さくなっている（θ１＞θ２＞θ３）。
【００１９】
図３に示すように電装基板２１には、溶液保持容器２２の溶液出口の下面開口部２２ａより大径な貫通孔である矩形状の開口部２１ｃが形成されている。図４に示すように、溶液保持容器２２の溶液出口の下面開口部２２ａが電装基板２１の開口部２１ｃ内に位置する状態で、溶液保持容器２２の底部は、電装基板２１の第１の面２１ａに接着固定されている。
【００２０】
電装基板２１の裏面側（第２の面２１ｂ）には、電装基板配線２４がパターニング形成されている。この電装基板配線２４には、後述する下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃとそれぞれ接続される２つの配線パターン２４ａ、２４ｂが形成されている。
【００２１】
電装基板配線２４の一端部には、外部からの制御信号を入力するための制御信号入力端子２５が形成されている。電装基板配線２４の他端部には、電極端子接続部２６を備える。電極端子接続部２６は、図５に示す後述する液滴噴射アレイ２７に形成された下部電極端子部１３１ｃ及び上側電極端子部１３３ｃと接続するための接続部である。
【００２２】
溶液保持容器２２の下面には、溶液保持容器２２の下面開口部２２ａを覆う状態で図５に示す液滴噴射アレイ２７が接着固定されている。この液滴噴射アレイ２７は、電装基板２１の開口部２１ｃと対応する位置に配置されている。
【００２３】
図６に示すように液滴噴射アレイ２７は、ノズルプレート１００と、圧力室構造体２００とが積層されて形成されている。ノズルプレート１００は、溶液を吐出するノズル１１０と、後述する下部電極配線部１３１ｂと端子部１３１ｃ、上側電極配線部１３３ｂと端子部１３３ｃを備える。本実施形態では、図５に示すように複数のノズル１１０は、例えば３×３列に配列される。
【００２４】
図７に示すようにノズルプレート１００は、振動板１２０上に、駆動部である駆動素子１３０と、保護層である保護膜１５０と、撥液膜１６０とを備える。アクチュエータは、振動板１２０と駆動素子１３０にあたる。振動板１２０は、例えば圧力室構造体２００と一体に形成される。圧力室構造体２００を製造するためのシリコンウエハ２０１を酸素雰囲気で加熱処理すると、シリコンウエハ２０１の表面にＳｉＯ２（酸化シリコン）膜が形成される。振動板１２０は、酸素雰囲気で加熱処理して形成されるシリコンウエハ２０１の表面のＳｉＯ２（酸化シリコン）膜を用いる。振動板１２０は、シリコンウエハ２０１の表面にＣＶＤ法（化学的気相成膜法）でＳｉＯ２（酸化シリコン）膜を成膜して形成しても良い。
【００２５】
振動板１２０の膜厚は、１〜３０μｍの範囲が好ましい。振動板１２０は、ＳｉＯ２（酸化シリコン）膜に代えて、ＳｉＮ（窒化シリコン）等の半導体材料、或いは、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）等を用いることもできる。
【００２６】
駆動素子１３０は、各ノズル１１０毎に形成されている。駆動素子１３０は、ノズル１１０を囲む円環状の形状である。駆動素子１３０の形状は限定されず、例えば円環の一部を切り欠いたＣ字状でも良い。駆動素子１３０は、圧電体である圧電体膜１３２を挟んで下部電極１３１の電極部１３１ａと、上部電極１３３の電極部１３３ａとを備える。電極部１３１ａと、圧電体膜１３２及び電極部１３３ａは、ノズル１１０と同軸であり、同じ大きさの円形パターンである。
【００２７】
下部電極１３１は、円形の複数のノズル１１０と同軸の円形の複数の電極部１３１ａをそれぞれ備える。例えば、ノズル１１０の直径を２０μｍとし、電極部１３１ａの外径を１３３μｍ、内径を４２μｍとする。図５に示すように下部電極１３１は、複数の電極部１３１ａを接続する配線部１３１ｂを備え、配線部１３１ｂの端部に端子部１３１ｃを備える。
【００２８】
駆動素子１３０は、下部電極１３１の電極部１３１ａ上に例えば厚さ２μｍの圧電材料である圧電体膜１３２を備える。圧電体膜１３２は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。圧電体膜１３２は、例えばノズル１１０と同軸であって、電極部１３１ａと同一形状の外径が１３３μｍ、内径が４２μｍの円環状の形状である。圧電体膜１３２の膜厚は、概ね１〜３０μｍの範囲となる。圧電体膜１３２は、例えばＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ３：チタン酸鉛）、ＰＭＮＴ（Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）、ＰＺＮＴ（Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）、ＺｎＯ、ＡｌＮ等の圧電材料を用いることもできる。
【００２９】
圧電体膜１３２は、厚み方向に分極を発生する。分極と同じ方向の電界を圧電体膜１３２に印加すると、圧電体膜１３２は、電界方向と直交する方向に伸縮する。言い換えると、圧電体膜１３２は、膜厚に対して直交する方向に収縮し、或いは伸長する。
【００３０】
駆動素子１３０の上部電極１３３は、圧電体膜１３２上にノズル１１０と同軸であって、圧電体膜１３２と同一形状の外径が１３３μｍ、内径が４２μｍの円環状の形状である。図５に示すように上部電極１３３は、複数の電極部１３３ａを接続する配線部１３３ｂを備え、配線部１３３ｂの端部に端子部１３３ｃを備える。上部電極１３３を一定電圧に接続した場合は、下部電極１３１へ電圧制御信号を印加する。
【００３１】
下部電極１３１は、例えばスパッタリング法によりＴｉ（チタン）とＰｔ（白金）を積層して厚さ０．５μｍに形成する。下部電極１３１の膜厚は、概ね０．０１〜１μｍの範囲となる。下部電極１３１は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｕ（金）、ＳｒＲｕＯ３（ストロンチウムルテニウム酸化物）等の他の材料を使用できる。下部電極１３１は、各種金属を積層して使用することもできる。
【００３２】
上部電極１３３は、Ｐｔ薄膜で形成した。薄膜の成膜はスパッタリング法を用い、膜厚０．５μｍとした。上部電極１３３の他の電極材料として、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ、ＳｒＲｕＯ３などを利用することも可能である。他の成膜法として、蒸着、鍍金を用いることも可能である。上部電極１３３は、各種金属を積層して使用することもできる。上部電極１３３の望ましい膜厚は０．０１から１μｍである。
【００３３】
ノズルプレート１００は、下部電極１３１と、上部電極１３３とを絶縁する絶縁膜１４０を備える。絶縁膜１４０は、例えば、厚さ０．５μｍのＳｉＯ２（酸化シリコン）を用いる。絶縁膜１４０は、駆動素子１３０の領域にあっては、電極部１３１ａと、圧電体膜１３２及び電極部１３３ａの周縁を覆う。絶縁膜１４０は、下部電極１３１の配線部１３１ｂを覆う。絶縁膜１４０は、上部電極１３３の配線部１３３ｂの領域で振動板１２０を覆う。絶縁膜１４０は、上部電極１３３の電極部１３３ａと配線部１３３ｂを電気的に接続するコンタクト部１４０ａを備える。
【００３４】
ノズルプレート１００は、駆動素子１３０を保護する例えばポリイミドの保護膜１５０を備える。保護膜１５０は、振動板１２０のノズル１１０に連通する円筒状の溶液通過部１４１を備える。溶液通過部１４１は、振動板１２０のノズル１１０の直径と同じ直径２０μｍである。
【００３５】
保護膜１５０は、他の樹脂またはセラミックス等の他の絶縁性の材料を利用することもできる。他の樹脂として、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、オイルエーテルサルフォン等がある。セラミックスとして、例えばジルコニア、炭化シリコン、窒化シリコン、酸化シリコン等がある。保護膜１５０の膜厚は、概ね０．５〜５０μｍの範囲にある。
【００３６】
保護膜１５０の材料選択においては、ヤング率、耐熱性、絶縁性（導電率の高い溶液を使用した状態で駆動素子１３０を駆動時に、上部電極１３３と接触することによる溶液変質の影響を考慮）、熱膨張係数、平滑性、溶液に対する濡れ性も考慮する。
【００３７】
ノズルプレート１００は、保護膜１５０を覆う撥液膜１６０を備える。撥液膜１６０は、溶液をはじく特性のある例えばシリコーン系樹脂をスピンコーティングして形成される。撥液膜１６０は、フッ素含有樹脂等の溶液をはじく特性を有する材料で形成することもできる。撥液膜１６０の厚さは、概ね０．５〜５μｍの範囲にある。
【００３８】
圧力室構造体２００は、例えば厚さ５２５μｍのシリコンウエハ２０１を用いて形成される。圧力室構造体２００は、振動板１２０と反対側の面に、反り低減層である反り低減膜２２０を備える。圧力室構造体２００は、反り低減膜２２０を貫通して振動板１２０の位置に達し、ノズル１１０と連通する圧力室２１０を備える。圧力室２１０は、例えばノズル１１０と同軸上に位置する直径１９０μｍの円形に形成される。圧力室２１０の形状、及びサイズは限定されない。
【００３９】
但し第１の実施形態のように、圧力室２１０は溶液保持容器２２の開口部２２ａに連通する開口部を備えている。圧力室２１０の開口部の幅方向のサイズＤより、深さ方向のサイズＬを大きくすることが好ましい。深さ方向のサイズＬ＞幅方向のサイズＤとすることにより、ノズルプレート１００の振動板１２０の振動により、圧力室２１０内の溶液にかかる圧力が、溶液保持容器２２へ逃げるのを遅らせる。
【００４０】
圧力室２１０の振動板１２０が配置される側を第１の面とし、反り低減膜２２０が配置される側を第２の面とする。圧力室構造体２００の反り低減膜２２０側には例えばエポキシ系接着剤により溶液保持容器２２が接着される。圧力室構造体２００の圧力室２１０は、反り低減膜２２０側の開口部で、溶液保持容器２２の下面開口部２２ａに連通する。溶液保持容器２２の下面開口部２２ａの開口面積は、液滴噴射アレイ２７に形成された全ての圧力室２１０の溶液保持容器２２の下面開口部２２ａに連通する開口部の開口面積より大きくなっている。それ故、液滴噴射アレイ２７に形成された全ての圧力室２１０は、溶液保持容器２２の下面開口部２２ａに連通している。
【００４１】
反り低減膜２２０は、例えば圧力室構造体２００を製造するためのシリコンウエハ２０１を酸素雰囲気で加熱処理して、シリコンウエハ２０１の表面に形成される厚さ４μｍのＳｉＯ２（酸化シリコン）膜を用いる。反り低減膜２２０は、シリコンウエハ２０１の表面にＣＶＤ法（化学的気相成膜法）でＳｉＯ２（酸化シリコン）膜を成膜して形成しても良い。反り低減膜２２０は、液滴噴射アレイ２７に生じる反りを低減する。
【００４２】
反り低減膜２２０は、シリコンウエハ２０１の振動板１２０側と対向する側にあって、シリコンウエハ２０１の反りを低減する。反り低減膜２２０は、圧力室構造体２００と振動板１２０との膜応力の違い、更には、駆動素子１３０の各種構成膜の膜応力の違い等によるシリコンウエハ２０１の反りを低減する。反り低減膜２２０は、成膜プロセスを用いて液滴噴射アレイ２７の構成部材を作成する場合に、液滴噴射アレイ２７が反るのを低減する。
【００４３】
反り低減膜２２０の材料及び膜厚等は振動板１２０と異なるものであっても良い。但し、反り低減膜２２０を振動板１２０と同じ材料で同じ膜厚とすれば、シリコンウエハ２０１の両面にての振動板１２０との膜応力の違いと反り低減膜２２０との膜応力の違いは同じになる。反り低減膜２２０を振動板１２０と同じ材料で同じ膜厚とすれば、液滴噴射アレイ２７に生じる反りをより効果的に低減する。
【００４４】
振動板１２０は、面状の駆動素子１３０の動作により厚み方向に変形する。液滴噴射装置２は、振動板１２０の変形により圧力室構造体２００の圧力室２１０内に発生する圧力変化によって、ノズル１１０に供給された溶液を吐出する。
【００４５】
液滴噴射アレイ２７の製造方法の一例について述べる。液滴噴射アレイ２７は、先ず圧力室構造体２００を形成するためのシリコンウエハ２０１の両面の全面に、ＳｉＯ２（酸化シリコン）膜を成膜する。シリコンウエハ２０１の一方の面に形成したＳｉＯ２（酸化シリコン）膜を振動板１２０として用いる。シリコンウエハ２０１の他方の面に形成したＳｉＯ２（酸化シリコン）膜を反り低減膜２２０として用いる。
【００４６】
例えばバッチ式の反応炉を用いて、酸素雰囲気で加熱処理する熱酸化法によって、例えば円板状のシリコンウエハ２０１の両面にＳｉＯ２（酸化シリコン）膜を形成する。次に、成膜プロセスにより、円板状のシリコンウエハ２０１に複数個のノズルプレート１００及び圧力室２１０を形成する。ノズルプレート１００及び圧力室２１０を形成後、円板状のシリコンウエハ２０１を切って、ノズルプレート１００と一体の、複数の圧力室構造体２００に分離する。円板状のシリコンウエハ２０１を用いて、複数個の液滴噴射アレイ２７を一度に量産できる。シリコンウエハ２０１は円板状でなくても良い。１枚の矩形のシリコンウエハ２０１を用いて、一体のノズルプレート１００と圧力室構造体２００とを個別に形成しても良い。
【００４７】
シリコンウエハ２０１に形成される振動板１２０を、エッチングマスクを用いてパターニングしてノズル１１０を形成する。パターニングは、エッチングマスクの材料として、感光性レジストを用いる。振動板１２０の表面に感光性レジストを塗布後、露光及び現像して、ノズル１１０に相当する開口部をパターニングしたエッチングマスクを形成する。エッチングマスク上から振動板１２０を圧力室構造体２００に達するまでドライエッチングして、ノズル１１０を形成する。振動板にノズル１１０を形成後、例えば剥離液を用いてエッチングマスクを除去する。
【００４８】
次にノズル１１０が形成された振動板１２０の表面に、駆動素子１３０、絶縁膜１４０、保護膜１５０および撥液膜１６０を形成する。駆動素子１３０、絶縁膜１４０、保護膜１５０および撥液膜１６０の形成は、成膜工程と、パターニングする工程を繰り返す。成膜工程は、スパッタリング法或いはＣＶＤ法、スピンコーティング法等により行う。パターニングは、例えば感光性レジストを用いて膜上にエッチングマスクを形成し、膜材料をエッチングした後、エッチングマスクを除去することで行う。
【００４９】
振動板１２０の上に、下部電極１３１、圧電体膜１３２及び上部電極１３３の材料を積層成膜する。下部電極１３１の材料として、Ｔｉ（チタン）膜とＰｔ（白金）膜をスパッタリング法により順に成膜する。Ｔｉ（チタン）及びＰｔ（白金）膜は、蒸着法或いは鍍金により形成しても良い。
【００５０】
下部電極１３１の上に、圧電体膜１３２の材料として、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：チタン酸ジルコン酸鉛）を基板温度３５０℃にてＲＦマグネトロンスパッタリング法により成膜する。ＰＺＴを成膜後、５００℃で３時間熱処理することによりＰＺＴは、良好な圧電性能を得る。ＰＺＴ膜は、ＣＶＤ（化学的気相成膜法）、ゾルゲル法、ＡＤ（エアロゾルデポジション）法、水熱合成法により形成しても良い。
【００５１】
圧電体膜１３２の上に、上部電極１３３の材料として、Ｐｔ（白金）膜をスパッタリング法により成膜する。成膜したＰｔ（白金）膜上に、下部電極１３１の材料膜を残して、上部電極１３３の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を残すエッチングマスクを作る。エッチングマスク上からエッチングをして、Ｐｔ（白金）とＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：チタン酸ジルコン酸鉛）の膜を除去し、上部電極の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を形成する。
【００５２】
次に、上部電極の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を形成した下部電極１３１材料の上に、下部電極１３１の電極部１３１ａ、配線部１３１ｂ及び端子部１３１ｃを残すエッチングマスクを作る。エッチングマスク上からエッチングをして、Ｔｉ（チタン）及びＰｔ（白金）の膜を除去し、下部電極１３１を形成する。
【００５３】
下部電極１３１、上部電極の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を形成した振動板１２０上に、絶縁膜１４０の材料として、ＳｉＯ２（酸化シリコン）膜を成膜する。ＳｉＯ２（酸化シリコン）膜は、例えばＣＶＤ法により低温成膜して良好な絶縁性を得る。成膜したＳｉＯ２（酸化シリコン）膜をパターニングして絶縁膜１４０を形成する。
【００５４】
絶縁膜１４０を形成した振動板１２０上に、上部電極１３３の配線部１３３ｂ及び端子部１３３ｃの材料として、Ａｕ（金）をスパッタリング法により成膜する。Ａｕ（金）膜は、蒸着法或いはＣＶＤ法、又は鍍金により形成しても良い。成膜したＡｕ（金）膜上に上部電極１３３の電極配線部１３３ｂ及び端子部１３３ｃを残すエッチングマスクを作る。エッチングマスク上からエッチングをして、Ａｕ（金）の膜を除去し、上部電極１３３の電極配線部１３３ｂ及び端子部１３３ｃを形成する。
【００５５】
上部電極１３３を形成した振動板１２０上に、保護膜１５０の材料であるポリイミド膜を成膜する。ポリイミド膜は、振動板１２０上にポリイミド前駆体を含む溶液をスピンコーティング法により塗布し、ベークによる熱重合及び溶剤を除去して成膜する。成膜したポリイミド膜をパターニングして、溶液通過部１４１、下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃを露出する保護膜１５０を形成する。
【００５６】
保護膜１５０上に撥液膜１６０の材料であるシリコーン系樹脂膜をスピンコーティング法により塗布し、ベークによる熱重合及び溶剤を除去して成膜する。成膜したシリコーン系樹脂膜をパターニングして、ノズル１１０、溶液通過部１４１、下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃを露出する撥液膜１６０を形成する。
【００５７】
撥液膜１６０上に、例えばシリコンウエハ２０１のＣＭＰ（化学機械研磨）用の裏面保護テープを、カバーテープとして貼り付けて撥液膜１６０を保護し、圧力室構造体２００をパターニングする。シリコンウエハ２０１の反り低減膜２２０上に、圧力室２１０の直径１９０μｍを露出するエッチングマスクを形成し、まず、反り低減膜２２０をＣＦ４（４フッ化カーボン）とＯ２（酸素）の混合ガスによってドライエッチングする。次に、例えばＳＦ６（６フッ化硫黄）とＯ２の混合ガスで、シリコンウエハ専用の垂直深堀ドライエッチングをする。ドライエッチングは、振動板１２０に当接する位置で止め、圧力室構造体２００に圧力室２１０を形成する。
【００５８】
圧力室２１０を形成するエッチングは、薬液を用いるウェットエッチング法、プラズマを用いてのドライエッチング法等で行っても良い。エッチング終了後、エッチングマスクを除去する。撥液膜１６０上に貼り付けたカバーテープに紫外線を照射して接着性を弱めてから、カバーテープを撥液膜１６０から剥がし、円板状のシリコンウエハ２０１を切断することにより、複数個の液滴噴射アレイ２７が分離形成される。
【００５９】
次に、液滴噴射装置２の製造方法について説明する。液滴噴射アレイ２７と溶液保持容器２２を接着させる。このとき、液滴噴射アレイ２７における圧力室構造体２００の反り低減膜２２０側に、溶液保持容器２２の底面（下面開口部２２ａ側の面）を接着する。
【００６０】
その後、液滴噴射アレイ２７を接着した溶液保持容器２２を電装基板２１の第１の面２１ａに、電装基板２１の開口部２１ｃの内側に溶液保持容器２２の下面開口部２２ａが収まるように接着する。
【００６１】
続いて、電装基板配線２４の電極端子接続部２６と、液滴噴射アレイ２７の下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃとを、ワイヤ配線１２で接続する。他の接続方法として、フレキシブルケーブルを用いた方法等がある。これは、フレキシブルケーブルの電極パッドと電極端子接続部２６、又は端子部１３１ｃ、端子部１３３ｃを異方性導電フィルムにて熱圧着して電気的接続する方法である。
【００６２】
電装基板配線２４のもう一方の端子は、制御信号入力端子２５であり、例えば、図示しない制御回路から出力される制御信号を入力する板バネコネクタと接触できる形状となっている。これにより液滴噴射装置２が形成される。
【００６３】
次に、上記構成の作用について説明する。本実施形態の液滴噴射装置２は、溶液の滴下装置１の液滴噴射装置装着モジュール５に固定して使用される。液滴噴射装置２の使用時には、まず、溶液保持容器２２の上面開口部２２ｂから図示しないピペッターなどにより、溶液を所定量、溶液保持容器２２に供給する。溶液は、溶液保持容器２２の内面で保持される。溶液保持容器２２の底部の下面開口部２２ａは、液滴噴射アレイ２７と連通している。溶液保持容器２２に保持された溶液は、溶液保持容器２２の底面の下面開口部２２ａを介して液滴噴射アレイ２７の各圧力室２１０へ充填される。
【００６４】
この状態で、電装基板配線２４の制御信号入力端子２５に入力された電圧制御信号は、電装基板配線２４の電極端子接続部２６から下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃへ送られる。このとき、駆動素子１３０への電圧制御信号の印加に対応して、振動板１２０が変形して圧力室２１０の容積を変化させることにより、液滴噴射アレイ２７のノズル１１０から溶液が溶液滴として吐出される。そして、ノズル１１０から、マイクロプレート４の各ウエル４ｂに所定量の液体を滴下する。
【００６５】
ノズル１１０から吐出される１滴の液量は、２から５ピコリットルである。そのため、滴下回数を制御することにより、各ウエル４ｂにｐＬからμＬのオーダーの液体を滴下制御することが可能となる。
【００６６】
第１の実施形態の液滴噴射装置２においては、溶液保持容器２２の内壁面の対向面には、それぞれ凸曲面状に湾曲させた溶液ガイド面２３が形成されている。そして、第１の実施形態の液滴噴射装置２の溶液保持容器２２の溶液ガイド面２３の湾曲面は、接線３０、３１、３２の角度θ１、θ２、θ３が溶液保持容器２２の上面開口部２２ｂから底部の下面開口部２２ａに向かうにしたがって徐々に小さくなっている（θ１＞θ２＞θ３）。そのため、溶液保持容器２２内の溶液は、溶液保持容器２２の溶液ガイド面２３にガイドされる状態で円滑に滴下されるので、溶液保持容器２２内の溶液が残留することを抑制することができる。これにより、溶液保持容器２２内の溶液が溶液保持容器２２の内壁に残留することなく圧力室２１０へ供給されることにより、溶液の廃棄量が少ない液滴噴射装置を提供することができる。この第１の実施形態の溶液保持容器２２の内壁の形状について、以下に説明する。
【００６７】
第１の実施形態の液滴噴射装置２の溶液保持容器２２の内壁の溶液ガイド面２３の湾曲面の接線３０、３１、３２の角度θ１、θ２、θ３は、溶液保持容器２２の上面開口部２２ｂから底部の開口部２２ａに向かうにしたがって徐々に小さくなっている（θ１＞θ２＞θ３）。その結果、溶液の滴下により、溶液保持容器２２内の溶液の残量が低減すると、溶液が接触する溶液保持容器２２の内壁の接線の角度が、角度θ１から角度θ２、そして角度θ３へと小さくなる。そのため、溶液保持容器２２の内壁に残留することが抑制されることにより、溶液の廃棄量が少ない液滴噴射装置を提供することができる。
【００６８】
また、マイクロプレート４の各ウエル４ｂへ溶液滴下を行う際、滴下に伴い溶液保持容器２２内の溶液の量が低減し、溶液の液面の位置は溶液保持容器２２の底部の下面開口部２２ａへ近づいていくが、第１の実施形態の液滴噴射装置２の溶液保持容器２２の内壁形状においては、溶液保持容器２２内の溶液量が低減するほど、溶液保持容器２２内の溶液の液面の位置の変化量が大きくなる。そのため、溶液保持容器２２内の溶液の残量が少量となったことが目視により検知し易くなるので、溶液保持容器２２内の溶液が枯渇するのを防ぐ効果もある。
【００６９】
これらの実施形態によれば、溶液保持容器の溶液が、溶液保持容器の内壁に残留することを抑制することができ、溶液の廃棄量が少ない液滴噴射装置を提供することができる。
【００７０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００７１】
例えば、駆動部である駆動素子１３０を円形としたが、駆動部の形状は限定されない。駆動部の形状は、例えばひし形或いは楕円等であっても良い。また圧力室２１０の形状も円形に限らず、ひし形或いは楕円形、更には矩形等であっても良い。
【００７２】
また、実施形態では、駆動素子１３０の中心にノズル１１０を配置したが、圧力室２１０の溶液を吐出可能であれば、ノズル１１０の位置は限定されない。例えばノズル１１０を、駆動素子１３０の領域内ではなく、駆動素子１３０の外側に形成しても良い。ノズル１１０を駆動素子１３０の外側に配置した場合には、駆動素子１３０の複数の膜材料を貫通してノズル１１０をパターニングする必要がない。駆動素子１３０の複数の膜材料は、ノズル１１０に対応する位置の開口パターニングが不要であり、ノズル１１０は振動板１２０と保護膜１５０をパターニングするのみで形成でき、パターニングが容易となる。
【符号の説明】
【００７３】
１…滴下装置、２…液滴噴射装置、３…基台、４…マイクロプレート、４ｂ…ウエル、５…液滴噴射装置装着モジュール、６ａ…Ｘ方向ガイドレール、６ｂ…Ｘ方向ガイドレール、７ａ…固定台、７ｂ…固定台、８…Ｙ方向ガイドレール、９…Ｘ方向移動台、１０…Ｙ方向移動台、１２…ワイヤ配線、２１…電装基板、２１ａ…第１の面、２１ｃ…開口部、２２…溶液保持容器、２２ａ…下面開口部、２２ｂ…上面開口部、２３…溶液ガイド面、２４…電装基板配線、２４ａ…配線パターン、２４ｂ…配線パターン、２５…制御信号入力端子、２６…電極端子接続部、２７…液滴噴射アレイ、３０…接線、３１…接線、３２…接線、１００…ノズルプレート、１１０…ノズル、１２０…振動板、１３０…駆動素子、１３１…下部電極、１３１ａ…電極部、１３１ｂ…下部電極配線部、１３１ｃ…下部電極端子部、１３２…圧電体膜、１３３…上部電極、１３３ａ…電極部、１３３ｂ…上側電極配線部、１３３ｃ…上側電極端子部、１４０…絶縁膜、１４０ａ…コンタクト部、１４１…溶液通過部、１５０…保護膜、１６０…撥液膜、２００…圧力室構造体、２０１…シリコンウエハ、２１０…圧力室、２２０…反り低減膜。
【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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【図７】
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