(57)【要約】【課題】液体試料の分注ヘッドとして一般的にＰＺＴピエゾから成るインクジェットヘッド構造が提案されているが、これは継続使用が前提であって、都度使用には適していない。【解決手段】液体試料が流通する液体流路２１を表面に形成した基体２０とこの基体２０の表面へ積層されて少なくとも流路を被覆する振動板３０と、振動板３０へ積層されるシート状の圧電アクチュエータ４０とを備え、圧電アクチュエータ４０は高分子材料からなる誘電体シート４３の両面に電極４１、４５を形成したものであり、該電極４１，４５へ印加する電圧を制御することにより、圧電アクチュエータ４０が変形して振動板３０を振動させ、液体流路２１内の圧力を変化させて液体試料を分注する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体試料を分注するためのインクジェットヘッドであって、
前記液体試料が流通する液体流路を表面に形成した基体と、
前記基体の表面へ積層されて少なくとも前記流路を被覆する振動板と、
前記振動板へ積層されて前記振動板を変形させるシート状の圧電アクチュエータと、を備え、
前記圧電アクチュエータは高分子材料からなる誘電体シートの両面に電極を形成したものであり、該電極へ印加する電圧を制御することにより、前記圧電アクチュエータが変形して前記振動板を振動させ、前記液体流路内の圧力を変化させて前記液体試料を分注する、ことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記シート状の圧電アクチュエータを多層にする、ことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記シート状の圧電アクチュエータを折り畳んで多層にする、ことを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド
【請求項４】
前記高分子材料はP(VDF/TrFE)ポリフッ化ビニリデン・トリフロロエチレンであることを特徴とする、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記高分子圧電体の積層は、前記振動板の表面に、前記高分子材料を溶媒に溶解した溶液をスピンコート法により形成したことを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はヘッド（インクジェット方式）に関する。このヘッドは微小量の液体試料を分注するのに好適に使用される。
【背景技術】
【０００２】
血液等の液状の生体試料は大量に準備することが困難である。そのため、生体試料に基づき、数多くの検査を行なうためには、生体試料を小分けに分注する必要がある。
生体試料を分注するためのヘッドとして、インクジェットヘッドの構成を利用したものが特許文献１に開示されている。
インクジェットヘッドの構成を分注ヘッドとして利用する例が特許文献２にも開示されている。
更には、本件発明に関連する技術を開示する特許文献３も参照されたい。
【特許文献１】特開２０００−２２９２４５号公報
【特許文献２】特開２００５−９５３３１０号公報
【特許文献３】特開２００４―２８１７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
生体試料用の分注ヘッドの場合、コンタミ（異物混入）を避けるために、これを試料毎に取替えることが好ましい。
他方、一般的なインクジェットヘッドはプリンタ等の用途に対応して継続使用を前提として構成されている。その結果、次の解決すべき課題がある。
機械的振動膜として一般的にＰＺＴピエゾ薄膜が採用されるが、ＰＺＴには鉛が含まれているため、廃棄の方法が限定される。
汎用的なインクジェットヘッドは大きな吐出パワーを作り出すため、アクチュエータが大きな力を発生する。従って、試料にかかる剪断ストレスが非常に大きくなる。その結果、生体試料が破壊されるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明は上記課題を解決することを目的とし、その構成は次の通りである。
即ち、液体試料を分注するためのインクジェットヘッドであって、
前記液体試料が流通する液体流路を表面に形成した基体と、
前記基体の表面へ積層されて少なくとも前記流路を被覆する振動板と、
前記振動板へ積層されて前記振動板を変形させるシート状の圧電アクチュエータと、を備え、
前記圧電アクチュエータは高分子材料からなる誘電体シートの両面に電極を形成したものであり、該電極へ印加する電圧を制御することにより、前記圧電アクチュエータが変形して前記振動板を振動させ、前記液体流路内の圧力を変化させて前記液体試料を分注する、ことを特徴とするインクジェットヘッド。
【０００５】
このように規定されるこの発明の第１の局面のインクジェットヘッドによれば、圧電アクチュエータの構成が高分子材料からなる誘電体シートの両面に電極を形成したものとなったので、ＰＺＴの使用を排除することができる。これにより、環境に負荷のかかる鉛が排除されるので、ヘッドの廃棄が容易になる。その結果、液体試料毎にヘッドを取替えても、その廃棄が負担にならない。即ち、この発明のヘッドは、都度使用に適したものとなる。
また、高分子材料からなる誘電体シートの両面に電極を形成してなる圧電アクチュエータでは大きな力を発生することができないため、試料にかかる剪断ストレスの増大を防止できる。
【０００６】
この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
この発明の第１の局面で規定されるインクジェットヘッドにおいて、前記シート状の圧電アクチュエータを多層にする。
このように規定される第２の局面のヘッドによれば、各層の圧電アクチュエータが発生する力は小さくても、それらが積層されることにより、各層の圧電アクチュエータの発生する力が加算されて、大きな力を発生することができる。また、積層量を調整することで圧電アクチュエータが発生する力を任意に制御することもできる。
よって、組織破壊の防止が必要な生体試料を対象とするに好適な力をかけることができる。
【０００７】
この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、
第２の局面で規定されるインクジェットヘッドであって、前記シート状の圧電アクチュエータを折り畳んで多層にする。
このように規定される第３の局面のヘッドによれば、圧電アクチュエータを一枚ものとしてこれを折り畳むことで多層の圧電アクチュエータを得られるので、部品点数が少なくなる。よって、安価なヘッドの提供が可能となる。
この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面で規定されるインクジェットヘッドであって、前記高分子材料はP(VDF/TrFE)ポリフッ化ビニリデン・トリフロロエチレンであることを特徴とする。
このようにすると、高分子材料は溶媒に溶解して塗布可能となり、容易に積層させることが可能となる。
この発明の第５の局面は次のように規定される。即ち、
第２の局面で規定されるインクジェットヘッドであって、前記高分子圧電体の積層は、前記振動板の表面に、前記高分子材料を溶媒に溶解した溶液をスピンコート法により形成したことを特徴とする。
このようにすると、容易に高分子材料の薄膜を形成することが可能となる。
【０００８】
図１には、高分子材料からなる誘電体シートの両面に電極（陽極、陰極）を形成してなる圧電アクチュエータ１の伸縮動作の模式図を示す。符号３は振動板であり、シート状の圧電アクチュエータ１が折り畳まれて振動板３の上面に積層されている。圧電アクチュエータ１は図示した方向に伸縮しており、この方向は振動板３の面方向に平行である。
なお、図２に示すように、圧電アクチュエータ１の伸縮方向を振動板３に対して直交させてもよい。
更には、図３に示すように、誘電体の伸縮方向を圧電アクチュエータ５の厚さ方向とすることもできる。この場合、圧電アクチュエータ５はその厚さ方向に変形し、もって振動板３を振動させる。
図１〜図３の例では、一枚ものの圧電アクチュエータを折り曲げて多層とし、各層が変形するときに生じる力を合算させている。勿論、独立したシート状の圧電アクチュエータを多層に積層してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明の実施例の説明をする。
図４にこの発明の実施例のヘッド１０の断面図を示す。図５は同じくヘッド１０の分解斜視図であり、図６は同じくヘッド１０の平面図である。
実施例のヘッド１０は基体２０、振動板３０及び圧電アクチュエータ４０から構成される。
基体２０はその表面に液体試料が流通する液体流路２１を有する。液体流路２１は基体表面のほぼ中央部分で幅広に形成されている。この幅広部分が圧力室２３となり、ここで試料（液体）に対して正圧、負圧がかけられる。符号２５は液体試料の供給ポートであり、図示しない試料供給系へ接続される。符号２６は吐出ノズルである。吐出ノズル２６から吐出される試料は液滴を形成する。この液滴は、ノズル径、試料の吐出速度、試料の表面張力により規定される。
【００１０】
かかる基体２０の形成材料は特に制限されるものではないが、化学的に安定で耐薬品性の高い高分子材料とすることが好ましい。高分子材料は焼却可能であるため、廃棄が容易であり、また廃棄にかかるコストを削減できる。高分子材料は透明であることが好ましい。試料の流通を目視で確認できるからである。かかる高分子材料として、ＰＳＦ（ポリサルホン）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ポリイミド、ポリアミド等を挙げることができる。
基体２０の製造方法も任意に選択できる。この実施例では、転写法により液体流路２１を備えた基体を形成している。ここに転写法とは微細な突起を形成した金型を前記熱可塑性樹脂に熱圧着することで、金型の突起を転写するナノインプリント法による製造方法とすることも可能である。
バルクの材料から液体流路２１を切削形成して基体２０とすることも可能である。
また基体２０は型成形よっても形成可能である。
【００１１】
振動板３０は基体２０の全表面を被覆するように基体２０の表面へ積層される。振動板３０と基体２０の表面との接合は、接着剤若しくは高周波溶着による。振動板３０は基体２０の表面へ積層されて、少なくともその流路２１の圧力室２３を被覆できればよい。
この振動板３０の成形材料も特に制限されるものではないが、化学的な安定で耐薬品性の高い高分子材料とすることが好ましい。高分子材料は焼却可能であるため、廃棄が容易であり、また廃棄にかかるコストを削減できる。高分子材料は透明であることが好ましい。試料の流通を目視で確認できるからである。かかる高分子材料として、ＰＳＦ（ポリサルホン）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ポリイミド、ポリアミド等を挙げることができる。
【００１２】
次に圧電アクチュエータ４０について説明する。
この実施例ではシート状の圧電アクチュエータ４０を折り畳んで振動板３０へ接着により固定している。この圧電アクチュエータ４０は振動板３０において基体２０の圧力室２３に対応する部分に配置される。圧力室２３からみたときその重心位置と圧電アクチュエータ４０の重心位置とが一致するように、圧電アクチュエータ４０の取付け位置を決定することが好ましい。また、圧力室２３の幅Ｂ０に対して圧電アクチュエータ４０の幅Ｂ１を６０〜１００％とすることが好ましい。更に好ましくは８０〜９０％であり、更に更に好ましくはほぼ８５％である。Ｂ１／Ｂ０の比が６０％未満若しくは１００％を超えると圧電アクチュエータ４０の変形が効率よく振動板３０の変形（振動）に変換されない。
【００１３】
この実施例の圧電アクチュエータ４０は次のようにして形成される。
透明のＩＴＯ付きダミーシート上に高分子圧電体を鋳造法で厚み１０μｍに成膜する。より具体的には、粉末のフッ化ビニリデン・三フッ化ビニリデン共重合体Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）を溶媒（ＭＥＫ：メチルエチルケトン）に１〜２％（重量比）で溶解し、上記ダミーシートの上にスピンコート塗布する。その後溶媒をドライアップし、薄いＰ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）膜を形成する。膜厚が１０μｍになるまで、スピンコート塗布とドライアップを繰り返す。
このようにして形成された高分子圧電体膜の表面全体へ蒸着又はスパッタによりＡｕ膜を１００Åの膜厚で形成する。このＡｕ膜は電極となる。Ａｕの他にＡｇ若しくはＡｌ膜、又はこれらの合金膜を高分子圧電体膜の表面へ形成することもできる。
Ａｕ膜の上にＳｉ０２からなる酸化物絶縁体保護膜４７を１００Åの膜厚で形成する。
【００１４】
このようにして得られた積層体を１４０℃で２時間、熱処理する。これにより、高分子材料（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））が再結晶化する。
次に、熱処理の完了した積層体をＰ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）の坑電界４００ｋＶ／ｃｍを越える電界、例えば１０μｍの膜圧の場合は、４００Ｖ以上の電界を印加しでポーリング処理する。これにより、圧電体として分極処理が行われる
次に、ポーリング処理の完了した積層体へダミーシート側からレーザを照射しアブレーションを発生させる。レーザの照射条件は１０５〜１０８Ｗである。これにより、ダミーシートからＩＴＯ層が分離される。
【００１５】
以上より、図７に示すシート状の圧電アクチュエータ４０が得られる。図７において、符号４１はＩＴＯ（下部電極）、符号４３は誘電体シートとしての高分子圧電体層、符号４５はＡｕ膜（上部電極）及び符号４７は絶縁保護膜を示す。この実施例の圧電アクチュエータ４０は透明である。その結果、ヘッド１の各構成要素が全て透明となり、試料の流れを目視で確認できる。
シート状の圧電アクチュエータ４０は図４のように折り畳まれて、振動板３０の所定の位置に接合される。
なお、電圧アクチュエータ４０のＩＴＯ膜４１とＡｕ膜４５は制御部へ接続されて、電圧調整がなされる。
【００１６】
図８及び図９は、電圧アクチュエータ４０へ印加する電圧と高分子圧電体の伸縮の関係を示す。図８及び図９から明らかなとおり、下部電極４１に対して上部電極４５の電圧を高くすると、高分子圧電体が充電されて当該高分子圧電体はその体積が増大してｄ３１方向へ伸びる。その結果、振動板３０は、図９に示すとおり、上側へ変形し圧力室２３を負圧にする。
このとき、試料が供給ポート２５から圧力室２３へ取り込まれる
他方、下部電極４１に対して上部電極４５の電圧を低くすると、高分子圧電体が放電されて当該高分子圧電体はその体積が減少しｄ３１方向へ縮む。その結果、振動板３０は、図９に示すとおり、下側へ変形し圧力室２３を加圧する。
これにより、圧力室２３に存在していた試料が吐出ノズルから吐出される。
【００１７】
ここにおいて、高分子圧電体材料（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））は抗電界：４０[v/μml]、ｄ３１定数：-３８[m/m・v]、ヤング率：３〜５[GPa]、密度：１．８２[g/cm3]である。
かかる高分子圧電体材料の単層（１０μｍ）の両面へ電極層を積層してなるシート状の圧電アクチュエータ４０を振動板３０（厚さ：１０μｍ）へ接合したとき、圧力室２３で発生する力は0.013N(1.4gf)である。なお、圧電アクチュエータ４０における伸長時と伸縮時との差は0.38μｍであり、圧電アクチュエータの幅が２．５５ｍｍであるのに対し、圧力室の幅は３．００ｍｍとしている。
【００１８】
圧力室２３で発生する力1.4gfでは吐出ノズルから試料を液滴として吐出させることができない。
そこでシート状の圧電アクチュエータ４０を折り畳んで積層構造とする。その結果、各層での電圧アクチュエータの変形が重なって、圧力室２３で発生する力が大きくなる。例えば、圧電アクチュエータ４０を３回折り畳んで３層としたとき、圧力室２３に生じる力は4.2gf（単層の場合の３倍）となり、液体試料によっては吐出ノズルから液滴を吐出可能となる。
また、圧電アクチュエータ４０を１０回折り畳むと圧力室２３において１４ｇｆの力が発生するので血液等の生体試料であっても吐出ノズルから液滴を吐出させて、その分注が可能となる。
【００１９】
上記においては、圧電アクチュエータ４０を振動板３０とは別体に形成して、両者を接合している。
振動板３０の上に圧電アクチュエータを直接積層することもできる。以下に説明する。
振動板３０上に下部電極としてAu,Ag,カーボンなどを蒸着等の方法で形成する。
下部電極の上に高分子圧電体膜をスクリーン印刷、転写法、インクジェット法等の方法で形成する。このとき、高分子圧電体膜の幅は圧力室の幅より僅かに小さくする。両者の差は約８５％とすることが好ましい。
次に、高分子圧電体膜より僅かに小さい上部電極を、メタルマスク法を用いて形成する。上部電極の材料としてAu,Ag,カーボンなどを用いることができる。
上部電極の上に絶縁保護膜を形成する。
これにより単層の圧電アクチュエータの積層体を形成することができる。上記を繰り返すことにより多層の圧電アクチュエータとすることができる。
その後、積層体を熱処理し、更にポーリング処理を行なう。
【００２０】
上記の例では、高分子圧電体としてフッ化ビニリデン・三フッ化ビニリデン共重合体を用いているが、フッ化ビニリデンを用いることもできる。フッ化ビニリデンの場合は、振動板に塗布後、振動板に対して圧延する必要がある。
また、上記の例では、１つの基体に１つの液体流路を備える例を説明したが、１つの基体に複数の液体流路を設け、各流路の圧力室にそれぞれ圧電アクチュエータを配設することもできる。
【００２１】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は折り畳まれた圧電アクチュエータの伸縮動作と振動板の振動の関係を説明する図である。
【図２】図２は折り畳まれた圧電アクチュエータの伸縮動作と振動板の振動の他の関係を説明する図である。
【図３】図３は折り畳まれた圧電アクチュエータの伸縮動作と振動板の振動の他の関係を説明する図である。
【図４】図４は実施例のヘッドの構成を示す断面図である。
【図５】図５は実施例のヘッドの構成を示す分解斜視図である。
【図６】図６は実施例のヘッドの平面図である。
【図７】図７はシート状の圧電アクチュエータの構成を示す断面図である。
【図８】図８は圧電アクチュエータに印加される電圧と圧力室の圧力を示すチャートである。
【図９】図９は圧力室上の振動板の変化を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２３】
１，５，４０  圧電アクチュエータ、３，３０  振動板、１０  ヘッド、２０  基体、２１  液体流路、２３  圧力室、４１  下部電極、４３  高分子圧電体層、４５  上部電極
【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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【図８】
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【図９】
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