(57)【要約】【課題】サテライトの発生を抑制して、試料上に所望の液滴のみ吐出すること。【解決手段】保持された液体を対象物に向かって吐出させる液滴吐出装置１０を、上記液体を吐出する吐出口を有し、吐出される当該液体を内部に保持する吐出ヘッド１２と、上記吐出ヘッド１２に保持された上記液体に慣性力を作用させ上記吐出口から当該液体を吐出させるために、印加される電圧に応じて上記吐出ヘッド１２を上記液体の吐出方向と略平行な方向に進退させる圧電素子３４と、上記吐出ヘッド１２を進退させる電圧として、ガウシャン波形の電圧及びローレンツ波形の電圧の何れか一方を上記圧電素子３４に印加する制御用・画像表示用ＰＣ１７と、から構成する。【選択図】図１
2008039747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
保持された液体を対象物に向かって吐出させる液滴吐出装置であって、
上記液体を吐出する吐出口を有し、吐出される当該液体を内部に保持する液体保持部材と、
上記液体保持部材に保持された上記液体に慣性力を作用させ上記吐出口から当該液体を吐出させるために、印加される電圧に応じて上記液体保持部材を上記液体の吐出方向と略平行な方向に進退させる駆動手段と、
上記液体保持部材を進退させる電圧として、ガウシャン波形の電圧及びローレンツ波形の電圧の何れか一方を上記駆動手段に印加する制御手段と、
を具備することを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項２】
上記制御手段は、上記ガウシャン波形の電圧及びローレンツ波形の電圧の何れか一方に他方を合成して、上記駆動手段に印加することを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
【請求項３】
上記対象物は、生細胞であり、
上記吐出される液体は、上記生細胞に刺激を与える薬剤、当該生細胞に導入される遺伝子、または、当該生細胞を染める色素であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
【請求項４】
上記対象物は、培養液中に存在する生細胞であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
【請求項５】
上記吐出口が上記培養液の外に存在するときに、上記液体の吐出が行われることを特徴とする請求項４に記載の液滴吐出装置。
【請求項６】
液体を吐出する吐出口を有し、吐出される当該液体を内部に保持する液体保持部材と、上記液体保持部材に保持された上記液体に慣性力を作用させ上記吐出口から対象物に向かって当該液体を吐出させるために、印加される電圧に応じて上記液体保持部材を上記液体の吐出方向と略平行な方向に進退させる駆動手段と、を備える液滴吐出装置の吐出方法であって、
上記液体保持部材を上記対象物に対応する位置に設定する工程と、
上記液体保持部材を進退させる電圧として、上記駆動手段にガウシャン波形の電圧及びローレンツ波形の電圧の何れか一方を印加する工程と、
を有することを特徴とする液滴吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微少量の試薬、薬液などの液体を吐出する液滴吐出装置及び液滴吐出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
血液分析機や遺伝子検査機、創薬検査機などの検査装置では、ランニングコスト削減やスループット向上のために、液体吐出システムの最少吐出量を微量化することが望まれている。
【０００３】
従来用いられているインクジェット方式を利用した液体吐出装置においては、微小な液滴を生成するには、ノズル径を小さくする必要があり、０．１ナノリットル以下の液滴を生成するには、ノズル径は大きくても直径０．１ｍｍ以下にする必要がある。しかし、ノズル径を小さくすればするほど、ノズル目詰まりが発生し易くなってしまう。
【０００４】
遺伝子検査機や生化学分析機などで取り扱う液体試料は、細胞や蛋白質を含んでいる場合が多く、これらの液体試料はノズル径が直径０．１ｍｍ以下になると、ノズル目詰まりが発生し易くなる。特に、研究用途に使用される遺伝子検査機においては、反応容器や吸引試料容器の段取り替えなどを頻繁に行うため、この間にノズル内の試料が乾燥して目詰まりを起こすことがある。
【０００５】
このようにノズル目詰まりが発生すると、ノズルを洗浄水などに浸積したり、チャンバ内に液体を供給して圧力を上昇させるなどして、詰まっている物質を取り除く作業が必要となる。このため、ノズル目詰まりが頻繁に発生すると、それだけスループットの低下を招くことになる。
【０００６】
そこで、例えば特許文献１には、吐出口を有する液体保持部材と、該液体保持部材に保持された液体を上記吐出口から微少量吐出させるための吐出圧力を発生する駆動手段とを有する液体吐出装置であって、上記吐出口を、外部大気に面する開口部と、該開口部より断面積の小さい微小孔とをもって構成した液体吐出装置が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１１６２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に開示されている液体吐出装置では、上記駆動手段である積層圧電素子の駆動方式は、その図３に示すように、鋸波状の駆動電圧を印加するものであるため、不連続かつ急峻に電圧が変化する部分において、液体吐出装置が有する固有振動の共振が発生する。このため、目的とするひとつの液滴を吐出するだけではなく、それに相前後して不要な液滴（サテライト）の吐出が発生する可能性がある。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、試料上に吐出される液滴が所望の液滴のみになり、サテライトの発生を抑制できる液滴吐出装置及び液滴吐出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】
【０００９】
本発明の液滴吐出装置の一態様は、保持された液体を対象物に向かって吐出させる液滴吐出装置であって、
上記液体を吐出する吐出口を有し、吐出される当該液体を内部に保持する液体保持部材と、
上記液体保持部材に保持された上記液体に慣性力を作用させ上記吐出口から当該液体を吐出させるために、印加される電圧に応じて上記液体保持部材を上記液体の吐出方向と略平行な方向に進退させる駆動手段と、
上記液体保持部材を進退させる電圧として、ガウシャン波形の電圧及びローレンツ波形の電圧の何れか一方を上記駆動手段に印加する制御手段と、
を具備することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の液滴吐出方法の一態様は、液体を吐出する吐出口を有し、吐出される当該液体を内部に保持する液体保持部材と、上記液体保持部材に保持された上記液体に慣性力を作用させ上記吐出口から対象物に向かって当該液体を吐出させるために、印加される電圧に応じて上記液体保持部材を上記液体の吐出方向と略平行な方向に進退させる駆動手段と、を備える液滴吐出装置の吐出方法であって、
上記液体保持部材を上記対象物に対応する位置に設定する工程と、
上記液体保持部材を進退させる電圧として、上記駆動手段にガウシャン波形の電圧及びローレンツ波形の電圧の何れか一方を印加する工程と、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、試料上に吐出される液滴が所望の液滴のみになり、サテライトの発生を抑制できる液滴吐出装置及び液滴吐出方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置の機械的な構成を示す図である。この液滴吐出装置１０は、培養液中の試料細胞の任意の細胞に、選択的に薬剤刺激、遺伝子の導入、蛍光標識の付加（染色）などに利用されるものであって、刺激用薬剤（試薬）、遺伝子または蛍光標識などを含有する液体を、吐出ヘッドから対象物である所望の試料細胞に向けて吐出させるものである。
【００１４】
本実施形態に係る該液滴吐出装置１０は、ディッシュ（シャーレ）１１、複数（図１では３本）の吐出ヘッド１２、圧電素子（図１では不図示）、ＸＹステージ１３、Ｚステージ１４、倒立型顕微鏡１５、撮像部（デジタルカメラ）１６、制御用・画像表示用パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１７から構成されている。
【００１５】
ここで、上記ディッシュ１１は、培養液中に存在する試料細胞の容器である。上記複数の吐出ヘッド１２は、異なるまたは同じ吐出液体が予め保持された液体保持部材であり、ディッシュ１１より鉛直方向上方に配置される。なお、当該液体は試料細胞に作用する薬剤または物質を含んでいる。圧電素子は、上記吐出ヘッド１２をヘッドの吐出方向に高速に進退させることにより、吐出ヘッド１２に保持される液体に慣性力を作用させ、それによって当該液体を吐出ヘッド１２から吐出させる駆動手段である。
【００１６】
上記ＸＹステージ１３は、それに載置されたディッシュ１１を水平面内で移動させ、水平方向における吐出ヘッド１２とディッシュ１１（試料）との相対位置を設定するものである。また、上記Ｚステージは、Ｚレール１８に沿って移動することで、上記吐出ヘッド１２を鉛直方向に移動させ、鉛直方向における吐出位置を設定する。
【００１７】
上記倒立型顕微鏡１５は、例えば特開２００２−１７４７７２号公報に開示されているように、光源１９からの光を利用して試料の顕微鏡像を取得するものである。この倒立型顕微鏡１５においては、択一的に光路中に配置される複数の対物レンズ２０、光源１９から光束を上記対物レンズ２０の方向へ偏向するハーフミラー２１、上記対物レンズ２０と共に試料の拡大像を形成する結像レンズ２２、及び該結像レンズ２２からの射出光束を水平方向に偏向させる２枚のミラー２３、２４によって、試料の１次像Ｉ1を形成している。そして、このような１次像Ｉ1は、リレー光学系２５によってリレーされ、一体的に光路中に挿脱可能な２枚のミラー２６、２７によって鉛直上方への反射光と前方への透過光の２つの光束に選択的に導かれる。このうち、鉛直上方へ反射された光束は、２次像Ｉ2として結像し、さらに第２のリレー光学系２８によってリレーされた後に鏡筒２９に取り付けられた接眼レンズ３０に入射して、観察者の目に到達し観察される。一方、前方への透過光は、撮影レンズ３１を介して上記撮像部１６に導かれる。このように、該撮像部１６は、試料細胞の顕微鏡画像を撮影する撮像手段である。
【００１８】
上記制御用・画像表示用ＰＣは、上記倒立型顕微鏡１５及び撮像部１６とそれぞれケーブル３２、３３によって接続され、そのケーブル３２、３３を介して上記ＸＹステージ１３、Ｚステージ１４、吐出ヘッド１２、圧電素子及び撮像部１６を制御すると共に、試料の顕微鏡画像を表示するディスプレイ及び操作入力手段としてのキーボードやマウスなどを有する制御手段である。
【００１９】
なお、上記吐出ヘッド１２内部に、吐出されるべき試料を充填させる方法としては、予め充填された吐出ヘッド１２を装置上にセットするものとする。勿論、特開２００１−２３５４００に開示されているような、吐出ヘッド１２にテフロン（登録商標）配管、吸引排出用のシリンジピストンポンプ（他に、ベリスタポンプ）を接続し、吐出すべき試料を、吐出口から内部に吸引し、吐出動作完了後、吐出口から排出する等の液体供給ユニットを装置内に組み、制御用・画像表示用ＰＣ１７にてコントロールするようしても良い。また、試料はサンプルカップ等から吸引することが多く、サンプルカップを装置上に構成しても、人手により吐出口にサンプルカップ内の試料に浸積して吸引しても良い。
【００２０】
ところで、上記吐出ヘッド１２は、例えば後述する図３Ｂを参照して説明するような慣性を利用して液体を吐出するヘッドである。具体的には、薬剤などを含む液体を保持する流路（液体保持部材）を瞬時的にわずかに進退移動させることにより、当該流路中の液体に慣性力が作用し、その結果、吐出ヘッド１２内に保持されている液体の一部が液滴として外部に吐出されるものである。この進退移動は、吐出ヘッド１２（流路）に機械的に固定された上記圧電素子によって行われる。
【００２１】
図２は、一実施形態に係る液滴吐出装置１０の機能的な構成を示すブロック図である。上記制御用・画像表示用ＰＣ１７は、該液滴吐出装置１０の全体を制御する制御部（ＰＣ本体）１７１と、吐出位置、吐出領域、液体種の設定などの入力を行う入力部（操作部）１７２と、顕微鏡画像、吐出領域などの設定情報の入力要求及び設定結果の表示を行う表示部１７３と、設定された吐出位置、吐出領域、液体種等の情報を記憶する記憶部１７４とを備える。また、この記憶部１７４は、制御部１７１で実行される制御プログラムを記憶している。
【００２２】
係る構成において、制御部１７１は、撮像部１６を制御して、ＸＹステージ１３上に載置されたディッシュ１１内の試料を倒立型顕微鏡１５の顕微鏡光学系を介して撮像させ、その撮像によって得られた顕微鏡画像を表示部１７３に表示させる。そして、表示部１７３に、吐出領域などの設定情報の入力要求を表示させ、入力部１７２のユーザ操作による吐出位置、吐出領域、液体種の設定などの入力を受け付けて、その情報を表示部１７３に表示させると共に、記憶部１７４に記憶させる。その後、その記憶部１７４に記憶された情報に従って、ＸＹステージ１３及びＺステージ１４を制御して、吐出ヘッド１２とディッシュ１１（試料）との相対位置を設定した上で、上記吐出ヘッド１２に機械的に固定された上記圧電素子３４に所定の電圧を印加して上記吐出ヘッド１２をヘッドの吐出方向に高速に進退させることにより、吐出ヘッド１２に保持される液体に慣性力を作用させ、それによって吐出ヘッド１２からディッシュ１１内の試料に対して当該液体を吐出させる。
【００２３】
ここで、上記吐出ヘッド１２の概要を図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明する。
【００２４】
図３Ａは、吐出ヘッド１２と圧電素子３４を含む液滴吐出部の外観を示す斜視図である。同図に示すように、液滴吐出部は、加速度印加要素として積層型の圧電素子３４を用いる。この圧電素子３４の一端は、上記架台としてのＺステージ１４に固定されており、他端は吐出ヘッド１２に固定されている。吐出ヘッド１２は、流路３５とノズル３６から構成されている。流路３５は、ストレート部３５Ａとテーパ部３５Ｂからなる。圧電素子３４と流路３５の間は剛体として形成されているため、圧電素子３４の変位により流路３５の容積が変化することはなく、また圧電素子３４の一端はＺステージ１４に固定されているため、圧電素子３４の変位に伴って吐出ヘッド１２全体が図中上下方向に変位するようになっている。圧電素子３４には、上述したように、制御部１７１から所望の波形の電圧を印加するようになっている。
【００２５】
次に、吐出動作について、図３Ｂを参照して説明する。ここで、図３Ｂは、吐出ヘッド１２を断面として時間的な変化を示す図である。
【００２６】
制御部１７１から圧電素子３４に印加する電圧が初期電圧Ｅ０の間は、状態（ａ）に示すように、液滴吐出部は静止している。このときのノズル３６の位置を同図中のＡとする。
【００２７】
制御部１７１から圧電素子３４に印加する電圧を緩やかに上昇させると、その電圧の緩やかな上昇に伴い、液滴吐出部は、状態（ｂ）に示すように、図中下方向にゆっくりと変位する。そして、制御部１７１から圧電素子３４に印加する電圧を最大供給電圧Ｅ１まで上昇させると、状態（ｃ）に示すように、ノズル３６はＢの位置まで降下する。この最大供給電圧Ｅ１は、吐出量つまり液滴の径に依存する値である。
【００２８】
ここで、制御部１７１から圧電素子３４に印加する電圧を、上記最大供給電圧Ｅ１から瞬時に上記初期電圧Ｅ０まで減少させると、状態（ｄ）に示すように、液滴吐出部もその電圧減少に伴い急激に図中上方向に変位する。このとき、流路３５内の薬剤などを含む液体には図中下方向の慣性力が作用し、流路３５内に相対的な流れが発生する。流路３５内に発生した流れはテーパ部３５Ｂで速度を増しながら、ノズル３６より吐出される。
【００２９】
この後、状態（ｅ）に示すように、液滴吐出部は初期の位置に戻る。
【００３０】
なお、上記吐出ヘッド１２は、以下のような特徴を有する。
【００３１】
ノズル３６の吐出口直径は概ねφ５μｍ〜φ５００μｍである。ただし、吐出する液の分子サイズより十分大きいものが使用される。
【００３２】
また、液滴の径は、φ5μｍ〜φ５００μｍの範囲である。細胞の大きさにより、例えば、圧電素子３４への最大供給電圧Ｅ１を調整し、細胞１個の大きさから、複数の細胞の大きさまで、吐出される液滴の直径を可変できる。
【００３３】
上記液滴の大きさは、吐出ヘッド１２の流路３５中に存在する液量または吐出ヘッド１２の駆動条件（進退速度、電圧印加時間、加速度等）を調整することで制御することができる。
【００３４】
次に、上記構成の一実施形態に係る液滴吐出装置１０の動作を説明する。
【００３５】
図４（Ａ）は、該液滴吐出装置１０の制御用・画像表示用ＰＣ１７の制御部１７１により実行される制御プログラムのフローチャートを示す図である。
【００３６】
同図に示すように、該液滴吐出装置１０は、まず、画像取得工程を実施する（ステップＳ１）。これは、周知の手順によって撮像部１６によりディッシュ１１内の試料細胞の顕微鏡画像を取得し、それを記憶部１７４に記憶するステップである。
【００３７】
次に、吐出位置・液体設定工程を実施する（ステップＳ２）。即ち、上記取得された画像を表示部１７３に表示させながら、吐出位置、吐出領域の大きさ（径）及び吐出する液体の種類などの入力要求を表示する。そして、それに応じて入力部１７２から入力された吐出位置などの吐出情報を記憶部１７４に記憶させる。即ち、上記３個の吐出ヘッド１２は、それぞれ異なる種類の液体を吐出できるので、どの液体をどこにどれだけの大きさで吐出するかをユーザに設定させるものである。
【００３８】
そして、実際の吐出工程を実施する（ステップＳ３）。これは、吐出情報を記憶部１７４から読み出し、それに基づいて吐出ヘッド１２の選択、位置設定、及び吐出を行うステップである。
【００３９】
複数種の液体の吐出が行われる場合は、上記フローチャートの動作が繰り返し行われる。
【００４０】
ここで、上記ステップＳ２における吐出位置・液体設定工程の詳細を、図４（Ｂ）及び図５（Ａ）を参照して説明する。なお、図４（Ｂ）は該吐出位置・液体設定工程の詳細フローチャートを示す図であり、図５（Ａ）は吐出位置・液体設定画面を示す図である。
【００４１】
即ち、図４（Ｂ）に示すように、該吐出位置・液体設定工程においては、まず、画像表示工程を実施する（ステップＳ２１）。これは、吐出位置を決定するための判断用画像として、上記のステップＳ１にて取得された試料の顕微鏡画像を表示部１７３に表示させるステップである。
【００４２】
次に、入力要求工程を実施する（ステップＳ２２）。これは、吐出位置設定の情報の入力を要求する表示を表示部１７３に表示するステップである。
【００４３】
その後、入力受付工程を実施する（ステップＳ２３）。即ち、吐出位置、吐出領域の大きさ、吐出する液体種などの情報がキーボードなどの入力部１７２から入力されたとき、その入力された情報を受け付ける。これは、表示された顕微鏡画像上において、液体を吐出する中心座標、径、液体種の指定を受け付けるステップである。具体的な吐出領域などの指定手段としては、ＧＵＩを利用し、キーボードに限らず、マウスやタッチパネルなどの種々の入力デバイスを利用することが好ましい。
【００４４】
そして、吐出位置表示工程を実施する（ステップＳ２４）。これは、図５（Ａ）に示すように、上記ステップＳ２３で受け付けた情報を、上記ステップＳ２１で表示した顕微鏡画像に重畳させて、表示部１７３に表示するステップである。これにより、操作者は吐出位置の適否を確認することができる。なお、図５（Ａ）においては、簡略化のため、顕微鏡画像は省略して示しており、ある試薬（液体）、例えば試薬Ａ（液体Ａ）は実線で、他の試薬（液体）、例えば試薬Ｂ（液体Ｂ）は破線でそれぞれ表している。
【００４５】
上記試薬（液体）のと吐出位置及び吐出領域の大きさは、図５（Ａ）中の右半分に示されるように、試薬Ａ（液体Ａ）と試薬Ｂ（液体Ｂ）を分離させるように設定しても良いし、同図中の左半分に示されるように、試薬ＡとＢの吐出領域に交わりを作り、一部重ね合わさるように設定しても良い。
【００４６】
そして最後に、吐出位置記憶工程を実施する（ステップＳ２５）。即ち、上記設定された吐出位置などの情報を記憶部１７４に記憶させる。
【００４７】
ところで、上記ステップＳ２４で説明したように、吐出領域を設定する際には、一部交わりを作るように、隣接する吐出領域を設定することができる。このように、交わりの部分においては吐出された液体に含まれる試薬や物質の濃度が高くなり、それ以外においては低くなる、という濃度分布を形成させることができる。即ち、ひとつのディッシュ１１内の極めて狭い範囲において、吐出される液体（試料細胞に対して作用する試薬または物質が含む）の濃度差が異なる領域を設定することが可能となり、同じ環境下の試料に対して当該吐出液体に含まれる試薬や物質が濃度の違いでどのように作用するかを観測することができる。
【００４８】
次に、上記ステップＳ３における吐出工程の詳細を、図４（Ｃ）、図６、及び図７を参照して説明する。なお、図４（Ｃ）は該吐出工程の詳細フローチャートを示す図であり、図６は液滴吐出方式を説明するための図であり、図７は圧電素子３４への印加電圧と吐出ヘッド１２の進退移動との関係を示す図である。
【００４９】
即ち、図４（Ｃ）に示すように、該吐出工程においては、まず、吐出位置・吐出液体設定の読み出し工程を実施する（ステップＳ３１）。これは、上記ステップＳ２５で記憶部１７４に格納された吐出位置、大きさなどの必要な情報を記憶部１７４から読み出すステップである。
【００５０】
次に、吐出ヘッド選択工程を実施する（ステップＳ３２）。即ち、上記ステップＳ３１にて読み出された情報（吐出する液体種）に基づいて、適合する吐出ヘッド１２を選択する。
【００５１】
続けて、吐出ヘッド移動工程を実施する（ステップＳ３３）。これは、上記ステップＳ３２にて選択された吐出ヘッド１２を、上記ステップＳ３１にて読み出された情報（吐出位置）に基づいた位置に移動させるステップである。この際に、ＸＹ座標についてはＸＹステージ１３を、Ｚ座標についてはＺステージ１４を適当な距離移動させて、選択された吐出ヘッド１２とディッシュ１１（試料）との相対位置を確保する。
【００５２】
そして、駆動電圧印加工程を実施する（ステップＳ３４）。即ち、吐出ヘッド１２の駆動手段である圧電素子３４に、図７に示すような電圧を印加することで、これに伴い吐出ヘッド１２が進退することにより、吐出ヘッド１２内部の液体が吐出される。なおこの際、吐出位置は、図６に示されるように、ディッシュ１１内の培養液３７外の空気中に設定され、吐出ヘッド１２はディッシュ１１中の培養液３７とは接触しないようにしている。そして、その位置から吐出が行われる。また、本実施形態においては、ここで圧電素子３４に印加される電圧は、後で詳述するような波形を有するものである。
【００５３】
その後、残りのヘッド有無を判別する工程を実施する（ステップＳ３５）。即ち、上記ステップＳ３４における吐出が完了した後、上記ステップＳ３２で選択された吐出ヘッド１２のうち、未だ吐出を行っていない残りの有無を確認する。そして、未だ吐出を行っていない吐出ヘッド１２が存在すれば、上記ステップＳ３２に戻り、全ての吐出が完了するまで、上記ステップＳ３２乃至ステップＳ３５の工程を繰り返する。そして、全ての選択された吐出ヘッド１２の吐出が実行された後、この吐出工程が終了される。
【００５４】
次に、上記ステップＳ３４の駆動電圧印加工程において、吐出ヘッド１２の駆動手段としての圧電素子３４に印加される電圧の波形について説明する。
【００５５】
上記印加される電圧波形としては、例えば、図８Ａに示すようなローレンツ波形とすることができる。このローレンツ波形は、同図に示すように、
【数１】
2008039747.tif 000003
【００５６】
によって定義される。なおここで、ａは振幅、ｂはピークのＸ軸位置、ｃはＦＷＨＭ（半値全幅）である。
【００５７】
或いは、上記印加される電圧波形としては、図８Ｂに示すようなガウシャン波形とすることができる。このガウシャン波形は、同図に示すように、
【数２】
2008039747.tif 000004
【００５８】
によって定義される。
【００５９】
更には、上記印加される電圧波形として、図８Ｃに示すようなローレンツ波形とガウシャン波形との合成波形とすることができる。この合成波形は、同図に示すように、
【数３】
2008039747.tif 000005
【００６０】
によって定義される。なおここで、ｄはガウシャン波形の補正値である。このｄは、０≦ｄ≦１の値を取るもので、ｄ＝０の場合はこの合成波形は上記ローレンツ波形と同じ波形となり、ｄ＝１の場合は上記ガウシャン波形と同じ波形となる。
【００６１】
何れの波形も急峻な傾きを有しているが、不連続な部分がないため、不要な高周波振動は発生せず、十分な吐出ヘッド１２に保持された液体に対して作用する吐出力（慣性力）を得ることができる。
【００６２】
なお、上記数１乃至数３に示した各式において、ｃの値は、１．０μｓ〜５ｍｓの範囲であり、圧電素子３４の共振周波数を超えない値である。また、ａの値は、圧電素子３４に加える最大供給電圧Ｅ１であり、ｂの値は、圧電素子３４を動作させる全ステップ数の半分である。
【００６３】
上記圧電素子３４は高電圧を加えると伸びるものであり、圧電素子３４の伸縮幅は１μｍ〜１００μｍとする。圧電素子３４のａ値を小さくすることで、共振周波数以上のｃ値が設定できる。但し、圧電素子３４は共振が無いことが必須である。
【００６４】
なお、圧電素子３４の駆動電圧としてサイン波形を利用しても、不連続な部分がないため共振は発生しないが、そのようなサイン波形では、上記ガウシャン波形またはローレンツ波形よりも傾きが緩やかであるため、液体の吐出量の確保や対応できる液体の粘度の範囲がガウシャン波形またはローレンツ波形を利用したときより減少してしまう。しかしながら、使用する液体によっては、サイン波形の利用も勿論可能である。
【００６５】
以上詳述したように、本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置１０によれば、吐出ヘッド１２内に保持された液体に対して十分な慣性力（加速度）が作用し確実な吐出が期待されるとともに、圧電素子３４の駆動電圧として、不連続に印加電圧が変化しない波形、好ましくはガウシャン波形またはローレンツ波形、もしくは、それらの合成波形を用いることで、圧電素子３４によって進退駆動される吐出ヘッド１２において不要な高周波振動が発生しない。このように高周波振動が発生しないことにより、サテライト液滴が吐出されないため、正確に適正な量の液滴が吐出される。これにより、試料上の所望の領域のみに当該液滴が１個だけ到達可能となる。即ち、上記一実施形態に係る液滴吐出装置１０は、所望の領域の試料に、選択的かつ正確に液滴を到達させることができる。
【００６６】
また、異なる液体が吐出される領域を設定させる際に、各吐出領域に交わりを持たせることも可能となる。このため、数種の液滴が混在する領域とそうではない領域、即ち試料に対して何らかの作用を及ぼす複数種の薬剤または物質が存在する領域とそうではない領域を選択的に設定することができるため、これら薬剤または物質の試料に対する相互作用の観測が可能となる。
【００６７】
更に、上記一実施形態に係る液滴吐出装置１０は、液滴の吐出を試料の周囲に存在する液体（培養液３７）に吐出ヘッド１２の先端を触れさせず、吐出ヘッド１２の吐出口が空気中に存在するときに液滴を吐出させる。従って、吐出ヘッド１２はディッシュ１１中の培養液３７に触れないため、複数のディッシュ１１を扱う場合においても、吐出ヘッド１２を介したディッシュ１１から他のディッシュ１１への汚染の虞を劇的に低下させることができる。
【００６８】
以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
【００６９】
例えば、上記一実施形態では、３個の吐出ヘッド１２を備える液滴吐出装置１０を説明したが、吐出ヘッド１２の数はそれに限定されるものではなく、１個しか備えていなくても良いし、何個備えていても構わない。
【００７０】
また、図５（Ａ）では、２種類の試薬（液体）をそれぞれ２つの吐出領域に吐出する場合を例に示したが、複数領域に限らず単数領域でも良いことは勿論である。或いは、複数領域設定で、重なり無しでも良い。
【００７１】
また、吐出される液体が複数種に限らず、同じものでも良い。その場合、図５（Ｂ）に示すように、吐出領域の交わり（重なり）を発生させることにより、吐出領域中のそれ以外の部分との濃度差を生じさせることができる。図５（Ｂ）においては、理想的であれば、中央部分の濃度が一番高いことになる。このような濃度差を生じさせることにより、極めて近い領域において薬剤または物質の濃度高低による影響を観測することもできる。なお、このように１種類の液体を使用する場合は、吐出は１回以上であれば良く、条件は限定されない。
【００７２】
また、図５（Ｃ）に示すように、異なる液体（薬剤または物質）の交わりを多数設けるように吐出してもかまわない。図５（Ｃ）の例においては、理想的であれば、中央部分には４種類の液体が重なることになる。このように異なる液体の交わりを多数設けることで、極めて近い領域において、薬剤または物質の相互作用による影響を観測することができる。なお、このように複数種類の液体を使用する場合は、吐出は各液体１回以上であれば良く、条件は限定されない。
【００７３】
（付記）
前記の具体的実施形態から、以下のような構成の発明を抽出することができる。
【００７４】
（１）  保持された液体を対象物に向かって吐出させる液滴吐出装置であって、
上記液体を吐出する吐出口を有し、吐出される当該液体を内部に保持する液体保持部材と、
上記液体保持部材に保持された上記液体に慣性力を作用させ上記吐出口から当該液体を吐出させるために、印加される電圧に応じて上記液体保持部材を上記液体の吐出方向と略平行な方向に進退させる駆動手段と、
上記液体保持部材を進退させる電圧として、ガウシャン波形の電圧及びローレンツ波形の電圧の何れか一方を上記駆動手段に印加する制御手段と、
を具備することを特徴とする液滴吐出装置。
【００７５】
（実施形態との対応）
この（１）に記載の液滴吐出装置は、図１、図２、図８Ａ、図８Ｂに対応するものである。また、一実施形態における液滴吐出装置１０が上記液滴吐出装置に、吐出ヘッド１２が上記液体保持部材に、圧電素子３４が上記駆動手段に、制御用・画像表示用ＰＣ１７の制御部１７１が上記制御手段に、それぞれ対応する。
【００７６】
（作用効果）
この（１）に記載の液滴吐出装置によれば、駆動手段に印加する電圧を、急峻な傾きを有するが不連続な部分がないガウシャン波形又はローレンツ波形の電圧とすることで、液体保持部材に不要な高周波振動は発生せず、十分な吐出力（慣性力）を得ることができるので、対象物上に吐出される液滴が所望の液滴のみになり、サテライトの発生を抑制できる。
【００７７】
（２）  上記制御手段は、上記ガウシャン波形の電圧及びローレンツ波形の電圧の何れか一方に他方を合成して、上記駆動手段に印加することを特徴とする（１）に記載の液滴吐出装置。
【００７８】
（実施形態との対応）
この（２）に記載の液滴吐出装置は、図８Ｃに対応するものである。
【００７９】
（作用効果）
この（２）に記載の液滴吐出装置によれば、駆動手段に印加する電圧を、急峻な傾きを有するが不連続な部分がないガウシャン波形とローレンツ波形の合成波形の電圧とすることで、液体保持部材に不要な高周波振動は発生せず、十分な吐出力（慣性力）を得ることができるので、試料上に吐出される液滴が所望の液滴のみになり、サテライトの発生を抑制できる。
【００８０】
（３）  上記対象物は、生細胞であり、
上記吐出される液体は、上記生細胞に刺激を与える薬剤、当該生細胞に導入される遺伝子、または、当該生細胞を染める色素であることを特徴とする（１）に記載の液滴吐出装置。
【００８１】
（作用効果）
この（３）に記載の液滴吐出装置によれば、ノズル目詰まりを心配することなく、生細胞に刺激を与える薬剤、当該生細胞に導入される遺伝子、または、当該生細胞を染める色素を吐出できるので、遺伝子検査機や生化学分析機などに適用可能である。
【００８２】
（４）  上記対象物は、培養液中に存在する生細胞であることを特徴とする（１）に記載の液滴吐出装置。
【００８３】
（実施形態との対応）
この（４）に記載の液滴吐出装置は、図６に対応するものである。また、一実施形態における培養液３７が上記培養液に対応する。
【００８４】
（作用効果）
この（４）に記載の液滴吐出装置によれば、培養液中に存在する生細胞に対して液滴を吐出できる。
【００８５】
（５）  上記吐出口が上記培養液の外に存在するときに、上記液体の吐出が行われることを特徴とする（４）に記載の液滴吐出装置。
【００８６】
（実施形態との対応）
この（５）に記載の液滴吐出装置は、図６に対応するものである。
【００８７】
（作用効果）
この（５）に記載の液滴吐出装置によれば、液滴の吐出を生細胞の周囲に存在する培養液に吐出口を触れさせず、吐出口が空気中に存在するときに液滴を吐出させるので、複数の培養液を扱う場合においても、吐出口を介した培養液から他の培養液への汚染の虞を劇的に低下させることができる。
【００８８】
（６）  液体を吐出する吐出口を有し、吐出される当該液体を内部に保持する液体保持部材と、上記液体保持部材に保持された上記液体に慣性力を作用させ上記吐出口から対象物に向かって当該液体を吐出させるために、印加される電圧に応じて上記液体保持部材を上記液体の吐出方向と略平行な方向に進退させる駆動手段と、を備える液滴吐出装置の吐出方法であって、
上記液体保持部材を上記対象物に対応する位置に設定する工程と、
上記液体保持部材を進退させる電圧として、上記駆動手段にガウシャン波形の電圧及びローレンツ波形の電圧の何れか一方を印加する工程と、
を有することを特徴とする液滴吐出方法。
【００８９】
（実施形態との対応）
この（６）に記載の液滴吐出方法は、図１、図２、図４、図８Ａ、図８Ｂに対応するものである。また、一実施形態における液滴吐出装置１０が上記液滴吐出装置に、吐出ヘッド１２が上記液体保持部材に、圧電素子３４が上記駆動手段に、ステップＳ２及びステップＳ３１〜ステップＳ３３が上記設定する工程に、ステップＳ３４が上記印加する工程に、それぞれ対応する。
【００９０】
（作用効果）
この（６）に記載の液滴吐出方法によれば、駆動手段に印加する電圧を、急峻な傾きを有するが不連続な部分がないガウシャン波形又はローレンツ波形の電圧とすることで、液体保持部材に不要な高周波振動は発生せず、十分な吐出力（慣性力）を得ることができるので、対象物上に吐出される液滴が所望の液滴のみになり、サテライトの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置の機械的な構成を示す図である。
【図２】図２は、一実施形態に係る液滴吐出装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、吐出ヘッドと圧電素子を含む液滴吐出部の外観を示す斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、吐出ヘッドを断面として時間的な変化を示す図である。
【図４】図４（Ａ）は、一実施形態に係る液滴吐出装置の制御用・画像表示用ＰＣの制御部により実行される制御プログラムのフローチャートを示す図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）中の吐出位置・液体設定工程の詳細フローチャートを示す図であり、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）中の吐出工程の詳細フローチャートを示す図である。
【図５】図５（Ａ）は、吐出位置・液体設定画面を示す図であり、図５（Ｂ）は、単一試薬の複数重ね合わせを説明するための図であり、図５（Ｃ）は、複数試薬の重ね合わせを説明するための図である。
【図６】図６は、液滴吐出方式を説明するための図である。
【図７】図７は、圧電素子への印加電圧と吐出ヘッドの進退移動との関係を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、ローレンツ波形とそれを定義する式とを示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、ガウシャン波形とそれを定義する式とを示す図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、ローレンツ波形とガウシャン波形との合成波形とそれを定義する式とを示す図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０…液滴吐出装置、  １１…ディッシュ（シャーレ）、  １２…吐出ヘッド、  １３…ＸＹステージ、  １４…Ｚステージ、  １５…倒立型顕微鏡、  １６…撮像部（デジタルカメラ）、  １７…制御用・画像表示用パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、  １８…Ｚレール、  １９…光源、  ２０…対物レンズ、  ２１…ハーフミラー、  ２２…結像レンズ、  ２３，２４，２６，２７…ミラー、  ２５…リレー光学系、  ２８…第２のリレー光学系、  ２９…鏡筒、  ３０…接眼レンズ、  ３１…撮影レンズ、  ３２，３３…ケーブル、  ３４…圧電素子、  ３５…流路、  ３５Ａ…ストレート部、  ３５Ｂ…テーパ部、  ３６…ノズル、  ３７…培養液、  １７１…制御部（ＰＣ本体）、  １７２…入力部（操作部）、  １７３…表示部、  １７４…記憶部。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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