(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
沈降性粒子を含有する溶液を保持する液体保持部と、
ノズルが形成され、前記液体保持部に保持された前記溶液を振動により前記ノズルから液滴として吐出する膜状部材と、
前記膜状部材を振動させる加振手段と、
前記膜状部材を振動させて前記液滴を形成する吐出波形と、前記液滴を形成しない範囲で前記膜状部材を振動させて前記液体保持部内の前記溶液を対流させて前記沈降性粒子を撹拌する撹拌波形と、を前記加振手段に選択的に付与する駆動手段と、を有する液滴形成装置。
【請求項２】
前記膜状部材は、基本モード、及び前記基本モードよりも振動数の高い高次モード、を含む複数の固有振動モードを有し、
前記撹拌波形は、前記高次モードの固有振動数よりも低周波領域の信号から構成されている請求項１記載の液滴形成装置。
【請求項３】
前記膜状部材は、基本モード、及び前記基本モードよりも振動数の高い高次モード、を含む複数の固有振動モードを有し、
前記撹拌波形は、前記基本モードの固有振動数を含んでいる請求項１又は２記載の液滴形成装置。
【請求項４】
前記撹拌波形は、周波数を第１の周波数から前記第１の周波数とは異なる第２の周波数まで変化させた信号であり、
前記基本モードの固有振動数は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との間に存在している請求項３記載の液滴形成装置。
【請求項５】
前記溶液の液量を検知する液量検知手段を有し、
前記駆動手段は、前記液量検知手段の検知結果に基づいて、前記撹拌波形を制御する請求項１乃至４の何れか一項記載の液滴形成装置。
【請求項６】
前記駆動手段は、所定の時間間隔で前記加振手段に前記撹拌波形を付与する請求項１乃至５の何れか一項記載の液滴形成装置。
【請求項７】
前記所定の時間間隔は、前記沈降性粒子の特性に基づいて設定される請求項６記載の液滴形成装置。
【請求項８】
前記液体保持部は、上部に大気開放部を有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の液滴形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液室に保持している液体を液滴として吐出する液滴形成装置が知られている。従来の液滴形成装置では、吐出する液体として、例えば、着色剤として顔料を用いた分散系の液体等が用いられている。
【０００３】
しかし、着色剤として顔料を用いた分散系の液体では、顔料は、それ自体では沈降しないが、液滴形成装置内で長時間放置されると、ファンデルワールス力等に由来する凝集力により、顔料が凝集して沈降する場合があった。顔料の凝集物が沈降すると、ノズルの目詰まりが生じて液を安定的に吐出できないため、顔料の凝集を防止するために液の再分散を行っていた（例えば、特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、幹細胞技術の進展に伴い、複数の細胞をインクジェットで吐出し組織体を形成する技術の開発が行われている。細胞は、長時間放置すると沈降する沈降性粒子である。細胞等の沈降性粒子は、従来の液滴形成装置で吐出する粒子（顔料等）の１００倍程度の径であり重いため、従来の粒子が凝集してから沈降するのに対して、細胞等の沈降性粒子は、凝集していない単体の状態でも沈降する。
【０００５】
そのため、従来の液滴形成装置と同様な方法では、沈降性粒子を含有する溶液を十分に撹拌することが困難であり、沈降性粒子の沈降に起因して、吐出される液滴に含まれる沈降性粒子の数がばらつくことが懸念される。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、吐出される液滴に含まれる沈降性粒子の数のばらつきを抑制することが可能な液滴形成装置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】
【０００７】
本液滴形成装置は、沈降性粒子を含有する溶液を保持する液体保持部と、ノズルが形成され、前記液体保持部に保持された前記溶液を振動により前記ノズルから液滴として吐出する膜状部材と、前記膜状部材を振動させる加振手段と、前記膜状部材を振動させて前記液滴を形成する吐出波形と、前記液滴を形成しない範囲で前記膜状部材を振動させて前記液体保持部内の前記溶液を対流させて前記沈降性粒子を撹拌する撹拌波形と、を前記加振手段に選択的に付与する駆動手段と、を有することを要件とする。
【発明の効果】
【０００８】
開示の技術によれば、吐出される液滴に含まれる沈降性粒子の数のばらつきを抑制することが可能な液滴形成装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態に係る液滴形成装置を例示する断面図である。
【図２】粒子の偏りについて説明する図（その１）である。
【図３】粒子の偏りの対策について説明する図である。
【図４】液滴が形成される過程を例示する図である。
【図５】従来の液滴形成装置との相違点について説明する図（その１）である。
【図６】従来の液滴形成装置との相違点について説明する図（その２）である。
【図７】駆動装置が生成する撹拌波形と吐出波形を例示する図である。
【図８】周辺を固定された円板の固有振動モードについて説明する図である。
【図９】駆動装置が生成する好適な撹拌波形を例示する図（その１）である。
【図１０】周辺を固定された長方形板の固有振動モードについて説明する図である。
【図１１】両端を固定されたスリット状板の固有振動モードについて説明する図である。
【図１２】液滴形成装置の基本固有振動数を例示する図である。
【図１３】駆動装置が生成する好適な撹拌波形を例示する図（その２）である。
【図１４】駆動電圧の異なる撹拌波形について説明する図である。
【図１５】図１４の撹拌波形を用いて撹拌を実施する領域について説明する図である。
【図１６】メンブレンよりも大きな部材を振動させる手法について説明する図である。
【図１７】第１の実施の形態の変形例３に係る液滴形成装置を例示する断面図である。
【図１８】駆動装置が生成する好適な撹拌波形を例示する図（その３）である。
【図１９】実施例で用いた観察装置について説明する図である。
【図２０】粒子の偏りについて説明する図（その２）である。
【図２１】実施例で用いた撹拌波形と吐出波形について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１１】
〈第１の実施の形態〉
［液滴形成装置の構造］
まず、第１の実施の形態に係る液滴形成装置について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る液滴形成装置を例示する断面図である。図１を参照するに、液滴形成装置１０は、液室１１と、メンブレン１２と、圧電素子１３と、駆動装置３０とを有する。図１では、液室１１に沈降性粒子３５０を含有する溶液３００が保持されている状態を模式的に示している。
【００１２】
なお、本実施の形態では、便宜上、液室１１側を上側、圧電素子１３側を下側とする。又、各部位の液室１１側の面を上面、圧電素子１３側の面を下面とする。又、平面視とは対象物をメンブレン１２の上面の法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物をメンブレン１２の上面の法線方向から視た形状を指すものとする。
【００１３】
液滴形成装置１０において、液室１１は、沈降性粒子３５０を含有する（沈降性粒子３５０が分散された）溶液３００を保持する液体保持部であり、例えば、金属やシリコン、セラミック等から形成することができる。液室１１は、液室１１内を大気に開放する大気開放部１１１を上部に有しており、溶液３００中に混入した気泡を大気開放部１１１から排出可能に構成されている。
【００１４】
メンブレン１２は、液室１１の下端部に固定された膜状部材である。メンブレン１２の略中心には貫通孔であるノズル１２１が形成されており、液室１１に保持された溶液３００はメンブレン１２の振動によりノズル１２１から液滴として吐出される。メンブレン１２の平面形状は、例えば、円形とすることができるが、楕円状や四角形等としてもよい。
【００１５】
メンブレン１２の周縁部は液室１１の下端部に固定されているため、液室１１の底面を構成するメンブレン１２の外周部では中心部に比べて振動の振幅が小さくなる。そのため、図２に示すように、沈降性粒子３５０が沈降すると、液室１１の底面を構成するメンブレン１２の外周部に溜まりやすい傾向にある。なお、図２において、矢印の上側はメンブレン１２の振動前の状態を、矢印の下側はメンブレン１２の振動後の状態を示している。
【００１６】
図３は、沈降性粒子の偏りを改善する方法を例示する図である。図３（ａ）では、液室１１の下端部の内壁側の断面形状を湾曲形状としている。図３（ｂ）では、メンブレン１２の外周部の断面形状を湾曲形状としている。図３に示すように、液室１１内の底面の外周部に、底面の縁辺に近づくにつれて厚さが増す湾曲形状部分を設けることで、沈降性粒子３５０が沈降して液室１１内の底面の外周部に溜まりやすい傾向を改善できる。
【００１７】
メンブレン１２の材質としては特に限定はないが、柔らか過ぎるとメンブレン１２が簡単に振動し、吐出しないときに直ちに振動を抑えることが困難であるため、ある程度の硬さがある材質を用いることが好ましい。メンブレン１２の材質としては、例えば、金属材料やセラミック材料、ある程度硬さのある高分子材料等を用いることができる。なお、特に沈降性粒子３５０に対する付着性の低い材料であることが好ましい。
【００１８】
細胞の付着性は一般的に材質の水との接触角に依存性があると言われており、材質の親水性が高い又は疎水性が高いときには細胞の付着性が低い。親水性の高い材料としては各種金属材料やセラミック（金属酸化物）を用いることが可能であり、疎水性が高い材料としてはフッ素樹脂等を用いることが可能である。
【００１９】
このような材料の一例としては、ステンレス鋼やニッケル、アルミニウム等や、二酸化ケイ素、アルミナ、ジルコニア等を挙げることができる。他にも、材料表面をコーティングすることで細胞接着性を低下させることも考えられ、材料表面を前述の金属又は金属酸化物材料でコーティングすることや、細胞膜を模した合成リン脂質ポリマー（例えば日油株式会社製、Lipidure）によってコーティングすることも可能である。
【００２０】
ノズル１２１は、メンブレン１２の略中心に実質的に真円状の貫通孔として形成されていることが好ましい。この場合、ノズル１２１の径としては特に限定はないが、沈降性粒子３５０がノズル１２１に詰まることを避けるため、沈降性粒子３５０の大きさの２倍以上とすることが好ましい。
【００２１】
圧電素子１３は、メンブレン１２の下面側に形成されている。圧電素子１３の形状は、メンブレン１２の形状に合わせて設計することができる。例えば、メンブレン１２の平面形状が円形である場合には、ノズル１２１の周囲に平面形状が円環状（リング状）の圧電素子１３を形成することが好ましい。
【００２２】
圧電素子１３は、例えば、圧電材料の上面及び下面に電圧を印加するための電極を設けた構造であり、圧電素子１３の上下電極に電圧を印加することによって紙面横方向に圧縮応力が加わりメンブレン１２を振動させることができる。圧電材料としては、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛を用いることができる。この他にも、ビスマス鉄酸化物、ニオブ酸金属物、チタン酸バリウム、或いはこれらの材料に金属や異なる酸化物を加えたもの等、様々な圧電材料を用いることができる。
【００２３】
但し、メンブレン１２を振動させる加振手段は圧電素子１３に限られない。例えば、メンブレン１２上にメンブレン１２とは線膨張係数が異なる材料を貼り付け、加熱することによって線膨張係数の差を利用してメンブレン１２を振動させることが可能である。この際、線膨張係数の異なる材料にヒータを形成し、通電によってヒータを加熱してメンブレン１２を振動させる構成とすることが好ましい。
【００２４】
駆動装置３０は、圧電素子１３を駆動する駆動手段である。駆動装置３０は、メンブレン１２を振動させて液滴を形成する吐出波形と、液滴を形成しない範囲でメンブレン１２を振動させる撹拌波形とを圧電素子１３に選択的に（例えば、交互に）付与することができる。
【００２５】
つまり、駆動装置３０は、吐出波形を圧電素子１３に加え、メンブレン１２の振動状態を制御することにより、液室１１に保持された溶液３００をノズル１２１から液滴として吐出させることができる。又、駆動装置３０は、撹拌波形を圧電素子１３に加え、メンブレン１２の振動状態を制御することにより、液室１１に保持された溶液３００を撹拌することができる。なお、撹拌時には、ノズル１２１から液滴は吐出されない。
【００２６】
このように、液滴を形成していない間に撹拌をすることにより、液滴を形成していない間に溶液３００に含まれる沈降性粒子３５０がメンブレン１２上に沈降、凝集することを防ぐことができる。その結果、ノズル１２１の詰まり、及び吐出液滴中の沈降性粒子３５０の数のばらつきを抑えることが可能となる。
【００２７】
沈降性粒子３５０を含有する溶液３００において、沈降性粒子３５０とは、金属微粒子や無機微粒子、或いは細胞、特にヒト由来の細胞等である。金属微粒子としては特に限定されず使用可能であるが、銀粒子、銅粒子等を用いることができ、これらは吐出した液滴によって配線を描画する用途に用いることができる。
【００２８】
又、無機微粒子としても特に限定はなく、酸化チタンや酸化ケイ素等が白色インクとしての用途やスペーサ材料の塗布用途等で用いられる。又、細胞としては動物細胞、特にヒト由来の細胞を用いることが好適であり、液滴形成装置１０を薬効や化粧品の評価用組織片を形成するための細胞吐出用の装置として用いることができる。
【００２９】
溶液３００の溶媒としては、水が最も一般的であるが、これに限定されることはなく、アルコール、鉱物油、植物油等の様々な有機溶媒を用いることができる。溶媒として水を使用する際には、水分の蒸発を抑えるための湿潤剤や、表面張力を下げるための界面活性剤が含まれていることが好ましい。これらの処方には、インクジェットインクに用いられるごく一般的な材料を用いることができる。
【００３０】
液室１１に保持される溶液３００の量としては特に限定はされないが、典型的には１μｌから１ｍｌ程度の液量を保持することが可能である。特に、細胞懸濁液のように高価な液を使用する際には、少量の液量で液滴を形成できることが好ましいため、１μｌから５０μｌ程度の液量が保持できる構成とすると好適である。
【００３１】
［液滴形成装置の液滴形成過程］
次に、第１の実施の形態に係る液滴形成装置によって、液滴が形成される過程について説明する。図４は、液滴が形成される過程を例示する図である。図４（ａ）は、沈降性粒子３５０を含有する溶液３００を液室１１に入れ静置したときの様子を模式的に示している。図４（ａ）の段階では、沈降性粒子３５０は、液室１１の底部に沈降した状態となっている。
【００３２】
図４（ａ）の状態で液滴形成動作を行うと、ノズル１２１の近傍に沈降性粒子３５０が凝集しているため、液滴が形成されない問題が発生するおそれがある。又、仮に液滴が形成されたとしても、初期的に大量の沈降性粒子３５０が吐出された後に上澄みの液が吐出される等、液滴中に含まれる沈降性粒子３５０の数に大きなばらつきが発生するおそれがある。
【００３３】
図４（ｂ）は、駆動装置３０から圧電素子１３に撹拌波形を入力し、液滴を形成しない程度にメンブレン１２を微振動させたときの沈降性粒子３５０の撹拌状態を模式的に示している。メンブレン１２の微振動により、ノズル１２１の近傍の液面が大きく振動し、これにより矢印Ａで示される対流が発生して沈降性粒子３５０を含有する溶液３００の撹拌が起きる。
【００３４】
図４（ｃ）は、駆動装置３０から圧電素子１３に吐出波形を入力し、メンブレン１２の振動によって液滴３１０を形成した状態を模式的に示している。図４（ｂ）で液室１１内の沈降性粒子３５０を分散させた後、図４（ｃ）で駆動装置３０から圧電素子１３に吐出波形を加えることで、液滴３１０中に含まれる沈降性粒子３５０の数を均一に保ちつつ液滴３１０を形成することができる。
【００３５】
液滴形成装置１０では、従来の液滴形成装置と比べて、沈降性粒子３５０を効率的に撹拌することができる。これに関し、図５及び図６を参照しながら、詳しく説明する。
【００３６】
図５は、従来の液滴形成装置との相違点について説明する図（その１）である。図６は、従来の液滴形成装置との相違点について説明する図（その２）である。
【００３７】
図５（ａ）に示す従来の液滴形成装置６００において、圧電素子６３０は液室６１０の上側又は側面側に形成されている。液滴形成装置６００では、圧電素子６３０を実線矢印のように微振動させて、液室６１０の内部の分散液を介して沈降性粒子６５０に運動エネルギーを与え、ノズル６２１の近傍や流路６２０に沈降・凝集した沈降性粒子６５０を破線矢印のように分散させていた。
【００３８】
このとき、図６に示すように、１つの沈降性粒子６５０の動きは微振動となる。従って、液室６１０内全体の各沈降性粒子６５０は、その場で微振動することになり、沈降・凝集した沈降性粒子６５０を分散させることはできても、沈降性粒子６５０を撹拌することはできない。
【００３９】
つまり、液滴形成装置６００のように、分散液を介して沈降性粒子６５０に運動エネルギーを与える手法では、沈降性粒子６５０を液室内に均一に撹拌させるには至らず、液室６１０内で沈降性粒子６５０の分布を生じてしまう。そのため、吐出する液滴中に含まれる沈降性粒子６５０の数がばらつく懸念があった。
【００４０】
これに対し、図５（ｂ）に示す液滴形成装置１０では、圧電素子１３がノズル１２１があるメンブレン１２の下部に形成されている。そのため、圧電素子１３が実線矢印のように振動するとメンブレン１２も同様に実線矢印のように振動し、液室１１の下部方向から上部方向への流れを生じさせることが可能である。
【００４１】
この時、図６に示すように、１つの沈降性粒子３５０の動きは下から上への運動となり、液室１１内全体としては矢印Ａで示される対流が発生して沈降性粒子３５０を含有する溶液３００の撹拌が起きる。つまり、液室１１の下部方向から上部方向への流れにより、沈降性粒子３５０が液室１１の内部に均一に分散して、吐出した液滴中の細胞数のばらつきを抑制することが可能になる。
【００４２】
又、液滴形成装置１０の下部にあるメンブレン１２が振動することにより、液室１１内で沈降した沈降性粒子３５０に対して、分散液を介さずに直接運動エネルギーを与えることが可能となるため、沈降性粒子３５０を効率的に撹拌することができる。
【００４３】
なお、液滴形成装置６００と液滴形成装置１０とでは、圧電素子を振動させる周波数が大きく異なる。液滴形成装置６００では、圧電素子６３０を微振動させる周波数は、１００ｋＨｚ程度である。
【００４４】
これに対して、液滴形成装置１０において、撹拌時に圧電素子１３を振動させる周波数は、２０ｋＨｚ程度である。液滴形成装置１０の周波数が液滴形成装置６００の周波数に比べて低いのは、沈降性粒子３５０（細胞等）は沈降性粒子６５０（顔料等）の１００倍程度の径であり重いため、ゆっくり大きく動かす必要があるためである。
【００４５】
図７は、駆動装置が生成する撹拌波形と吐出波形を例示する図である。図７では、撹拌波形３１及び吐出波形３２が何れも矩形波であり、撹拌波形３１として所定時間パルス列を入力後、吐出波形３２を１パルス入力した例を示している。撹拌波形３１の駆動電圧Ｖ１を、吐出波形３２の駆動電圧Ｖ２よりも低くすることで、撹拌波形３１の印加により液滴３１０が形成されないようにしている。
【００４６】
このように、第１の実施の形態に係る液滴形成装置１０は、メンブレン１２の振動を制御して撹拌と吐出の両方を行う。これにより、沈降性粒子３５０を含有する溶液３００をムラなく分散させて、形成した液滴３１０中の沈降性粒子３５０の数のばらつきを抑制可能となると同時に、ノズル１２１の粒子詰まりを防止できる。その結果、沈降性粒子３５０を含有する溶液３００を、長時間連続して安定的に液滴３１０として吐出することができる。
【００４７】
〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態の変形例１では、好適な撹拌波形の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００４８】
メンブレン１２のように周辺を固定された円板の振動は複数の固有振動モードを有することが知られており、例えば、非特許参考文献である『機械振動、亘理厚、丸善、ｐ６２〜６５』（以降、非特許参考文献１とする）に詳細が述べられている。
【００４９】
これによれば、円板の固有振動数ｆｎｓはｎを節直径の数、ｓを節円の数として表現することができる。
【００５０】
図８は、周辺を固定された円板の固有振動モードについて説明する図であり、固有振動数ｆｎｓにおいて、ｎが０〜３の値、ｓが１〜３の値の場合の円板の振動モードを模式的に示している。図８において、外周円は円板を表し、中の境界線は節を表す。節で区切られた隣接する領域は、位相が反転して振動する領域である。
【００５１】
ここで、ｎ＝０、ｓ＝１のときを円板の振動の基本モードと定義し、それ以外の振動モードを高次モードと定義する。図８より明らかな通り、基本モードで振動するときのみ、円板内に節を持たない。表１に、基本モードの固有振動数ｆ０１を１としたときの、高次モードの固有振動数ｆｎｓを示した。これによれば、基本モードの約２倍以上の周波数領域において２次の振動モード（固有振動数ｆ１１）が現れる。
【００５２】
【表１】
0006627394.tif 000002
撹拌波形を入力してメンブレン１２の振動による撹拌を行う際に、メンブレン１２の高次モードが励起されるとメンブレン１２の面内において振動強度の分布が生じ、沈降性粒子３５０の存在量に偏りが生じるおそれがある。この場合には、撹拌しないときよりは均一性が増すものの、液滴３１０中の沈降性粒子３５０の数には依然としてばらつきが生じてしまう。
【００５３】
例えば、図７を参照して説明した矩形波を入力したとき、矩形波を入力する周波数が高次モードの固有振動数の値に近いと、高次モードが励起される。又、矩形波の周波数が高次モードの固有振動数よりも小さい値であったとしても、矩形波のエッジが急峻であるために、矩形波のエッジで高次モードが励起されるおそれがある。
【００５４】
そこで、撹拌波形は、図９に示すように、メンブレン１２の高次モードの固有振動数よりも低周波領域の信号から構成すること、すなわち、高次モードの固有振動数を含まない波形とすることが好ましい。図９（ａ）は、特定の周波数成分のみからなる正弦波を示しており、その周波数（＝１／Ｔ）は２次の固有振動数ｆ１１よりも小さい値とされている。
【００５５】
又、好適な撹拌波形の他の例を図９（ｂ）に示した。図９（ｂ）は、図７で示した矩形波を２次の固有振動数ｆ１１よりも低周波数においてローパスフィルタリングした波形を示しており、高次モードの固有振動数の成分を含まない波形である。撹拌波形としては、これに限られず、高次モードの固有振動数成分をカットした任意の波形として構わない。
【００５６】
非特許参考文献１より、基本モードの固有振動数ｆ０１は、下記の式（数１）で表される。
【００５７】
【数１】
0006627394.tif 000003
ここで、ｔはメンブレン１２の厚み、ｒはメンブレン１２の半径（固定部よりも内側の半径）、ρはメンブレン１２の材質の密度、Ｅ及びσはメンブレン１２の材質のヤング率及びポアソン比である。
【００５８】
式（数１）及び表１から、メンブレン１２の基本モードの固有振動数、及び高次モードの固有振動数を予め予測することが可能である。但し、これは空気中における値であり、本実施の形態での使用方法のように片側に液が充填されているときには、固有振動数が変化する。
【００５９】
この固有振動数は、後述する通り、液量によって変化する（後述の図１２参照）。しかし、固有振動数のおおよその値は、例えば、非特許参考文献２に従って、下記の式（数２）により算出することができる。ここで、非特許参考文献２は、『"Vibration of Circular Membranes in Contact with Water", Journal of Sound and Vibration 178(5), 688-690 (1994)』である。
【００６０】
【数２】
0006627394.tif 000004
ここで、ｆｗ０１は片側に液が接触しているときの基本モードの固有振動数であり、ρｗは水の密度、ΓはＮＡＶＭＩ係数と呼ばれる定数である。ｆ０１のとき、Γは０．７４６３１３であることが知られている。例えば、メンブレン１２として、径１０ｍｍ程度（固定部よりも内側の径）、厚み５０μｍ程度のＳＵＳを用いたとき、ｆｗ０１はｆ０１のおおよそ３０％になる。
【００６１】
又、非特許参考文献２のＮＡＶＭＩ係数を参照して同様の計算をすれば、高次モードに関しては、水中では空気中のおおよそ４５％〜６０％の値を取ることがわかる。
【００６２】
このように、撹拌波形を、メンブレン１２の高次モードの固有振動数よりも低周波領域の信号から構成することにより、メンブレン１２の面内の振動強度の分布をなくし、撹拌のムラを抑えることができる。
【００６３】
以上は、メンブレン１２が周囲を固定された円板である場合について説明したが、メンブレン１２は周囲を固定された長方形板であってもよい。周辺を固定された長方形板の振動は円板と同様に複数の固有振動モードを有することが知られており、固有振動数ｆｊｋはｊ、ｋをそれぞれ縦方向、横方向の節線の数として表現することができる。
【００６４】
図１０は、周辺を固定された長方形板の固有振動モードについて説明する図であり、固有振動数ｆｊｋにおいて、ｊが１〜３の値、ｋが１〜３の値の場合の長方形板の振動モードを模式的に示している。図１０において、外周辺は長方形板を表し、中の境界線は節を表す。節で区切られた隣接する領域は、位相が反転して振動する領域である。
【００６５】
ここで、ｊ＝１、ｋ＝１のときを長方形板の振動の基本モードと定義し、それ以外の振動モードを高次モードと定義する。図１０より明らかな通り、基本モードで振動するときのみ、長方形板内に節を持たない。
【００６６】
非特許文献１より、基本モードの固有振動数ｆ１１は式（数３）で表される。
【００６７】
【数３】
0006627394.tif 000005
ここで、ｌ、ｍ、ｔはそれぞれメンブレンの縦の長さ、横の長さ、厚み、ρはメンブレン１２の材質の密度、Ｅ及びσはメンブレン１２の材質のヤング率及びポアソン比である。
【００６８】
式（数３）及び図１０から、メンブレン１２の基本モードの固有振動数、及び高次モードの固有振動数を予め予測することが可能である。
【００６９】
又、メンブレン１２は両端を固定されたスリット状板であってもよい。両端を固定されたスリット状板の振動は複数の固有振動モードを有することが知られており、一方向に極端に長いスリット状板の振動は２次元方向ではなく、１次元方向のみの振動としてみなすことができる。固有振動数ｆｉは、ｉを腹の数として表現することができる。
【００７０】
図１１は、両端を固定されたスリット状板の固有振動モードについて説明する図であり、固有振動数ｆｉにおいてｉが１〜３の値の場合のスリット状板の振動様式を模式的に示している。ここで、ｉ＝１のときをスリット状板の振動の基本モードと定義し、それ以外の振動モードを高次モードと定義する。図１１より明らかな通り、基本モードで振動するときのみ、固定した両端以外の節を持たない。
【００７１】
非特許文献１より、基本モードの固有振動数ｆ１は式（数４）で表される。
【００７２】
【数４】
0006627394.tif 000006
ここで、ｌはメンブレン１２の長さ、Ａ及びＪはメンブレン１２の断面積及び断面２次モーメント、ρはメンブレン１２の材質の密度、Ｅはメンブレン１２の材質のヤング率である。
【００７３】
式（数４）及び図１１から、メンブレン１２の基本モードの固有振動数、及び高次モードの固有振動数を予め予測することが可能である。
【００７４】
そこで、メンブレン１２が周囲を固定された長方形板や、両端を固定されたスリット状板である場合も、メンブレン１２が周囲を固定された円板である場合と同様に、撹拌波形を、メンブレン１２の高次モードの固有振動数よりも低周波領域の信号から構成することにより、メンブレン１２の面内の振動強度の分布をなくし、撹拌のムラを抑えることができる。
【００７５】
〈第１の実施の形態の変形例２〉
第１の実施の形態の変形例２では、好適な撹拌波形の他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例２において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００７６】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示した撹拌波形の周波数（＝１／Ｔ）をメンブレン１２の基本モードの固有振動数に合わせることも可能である。このとき、メンブレン１２は非常に低い駆動電圧で動かすことが可能であり、かつ、沈降性粒子３５０の撹拌状態にムラが発生しないため、最も効率的に高い撹拌効果を得ることができる。
【００７７】
しかしながら、メンブレン１２の固有振動数は液室１１に保持する溶液３００の液量によってシフトする。図１２は一例として、試作した液滴形成装置の基本モードの固有振動数をレーザドップラ振動計（小野測器社製、LV-1710）によって測定した結果を示したものである。なお、試作した液滴形成装置では、圧電素子１３としてリング状のプッシュ型圧電素子（富士セラミックス社製、材質Ｃ−２）を用い、メンブレン１２としてノズル径３５μｍのＳＵＳ製ピンホール（エドモンドオプティクス社製）を用いた。
【００７８】
図１２において、（１）は保持する液量が５０μｌ、（２）は保持する液量が４０μｌ、（３）は保持する液量が３０μｌ、（４）は保持する液量が２０μｌ、（５）は保持する液量が１０μｌ、（６）は保持する液量が０μｌ（液なし）の場合を示している。
【００７９】
図１２より明らかな通り、基本モードの固有振動数は、保持する液量が１０μｌ（図１２の（５））から５０μｌ（図１２の（１））に変化する間に約４割小さい値となる。液滴形成を行うことにより減少する液量や、乾燥によって減少する液量を考慮すれば、撹拌波形を基本モードの固有振動数に完全に一致させ続けることは困難である。
【００８０】
そこで、撹拌波形は、周波数を所定の第１の周波数から第１の周波数とは異なる第２の周波数まで変化させた信号とし、液量に依存した基本モードの固有振動数の変化範囲が第１の周波数と第２の周波数との間に含まれるようにすることが好ましい。これにより、液量に依存して基本モードの固有振動数が変化しても、変化した基本モードの固有振動数は、必ず第１の周波数と第２の周波数との間に存在するため、メンブレン１２を基本モードの固有振動数で効率的に振動させることができる。
【００８１】
図１３は、周波数を第１の周波数から第２の周波数まで変化させた撹拌波形の一例を模式的に示したものである。実際にはより多数の波が形成されており、第１の周波数ｆ１（＝１／Ｔ１）から第２の周波数ｆ２（＝１／Ｔ２）まで略連続的に変化した波形となっている。
【００８２】
なお、図１３では、正弦波が連続的に変調された信号となっているが、正弦波に限らず、ローパスフィルタリングされた矩形波や三角波を用いることも可能であるし、連続的な変調ではなく段階的に複数の周波数を切り替えて加えることも可能である。又、周波数を掃引した波形ではなく、複数の周波数成分を加え合わせた、ある種のビート信号であっても同様の撹拌効果を得ることが可能である。
【００８３】
このように、撹拌波形がメンブレン１２の基本モードの固有振動数を含んでいることが好ましく、これにより、少ないエネルギーで有効な撹拌を行うことができる。
【００８４】
又、撹拌波形を、第１の周波数から第２の周波数まで変化させた信号とし、メンブレン１２の基本モードの固有振動数が常に第１の周波数と第２の周波数との間に存在すると、より好適である。この場合には、液室１１内の液量に依存してメンブレン１２の固有振動数が変化しても、安定的に撹拌を行うことができる。
【００８５】
液室内を均一に撹拌する方法として、図１４に示すように、液滴を形成しない範囲でメンブレン１２を振動させる第１の撹拌波形３１Ａとは別に、第１の撹拌波形３１Ａよりも電圧が高い第２の撹拌波形３１Ｂを用いて撹拌してもよい。図１４では、第２の撹拌波形３１Ｂの駆動電圧Ｖ４は、第１の撹拌波形３１Ａの駆動電圧Ｖ３よりも高いため、メンブレン１２がより強く振動し、液室１１内をより均一に撹拌することが可能となる。
【００８６】
一方で、メンブレン１２の振動が強いため、目的以外の液滴が形成されるおそれがある。そこで、第２の撹拌波形３１Ｂを用いて撹拌する場合は、図１５（ａ）に示すように、描画領域Ｅ１に目的以外の液滴が滴下されるのを防止するため、液滴形成装置１０を非描画領域Ｅ２に移動させてから撹拌を実施することが好ましい。この場合、目的以外の液滴３１０が非描画領域Ｅ２に滴下されても問題はない。なお、第１の撹拌波形３１Ａを用いて撹拌する場合は、図１５（ｂ）に示すように、液滴形成装置１０が描画領域Ｅ１上に存在する状態で撹拌を実施してもよい。
【００８７】
なお、メンブレン１２よりも大きい部材の固有振動数を用いて撹拌する方法も好適である。メンブレン１２よりも大きい部材を振動させることにより、沈降性粒子３５０が沈降して液室１１内の底面の外周部に溜まりやすい傾向を改善し、液室内を均一に撹拌することができる。
【００８８】
例えば、図１６に示すように、液室１１を構成する壁部を厚くしてメンブレン１２よりも大きくし、液室１１を構成する壁部を振動させればよい。この場合、液室１１を構成する壁部が図１６のＡのように振動するため、液室１１内に露出するメンブレン１２の中心部と外周部が同程度に振動し、外周部に沈降性粒子３５０が溜まりやすい傾向を改善できる。なお、比較のため、図１６のＢに、液室１１を構成する壁部を振動させずに、メンブレン１２のみを振動された場合の振動イメージを示した。
【００８９】
〈第１の実施の形態の変形例３〉
第１の実施の形態の変形例３では、液量検知手段を備えた液滴形成装置の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例３において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００９０】
図１７は、第１の実施の形態の変形例３に係る液滴形成装置を例示する断面図であり、液量検知手段を備えた液滴形成装置の例を示している。図１７（ａ）に示す液滴形成装置１０Ａでは、液室１１の内壁面の深さ方向に液量検知手段として複数の電極１５が設けられている。溶液３００として導電性の液を用い、複数の電極１５間の導通又は抵抗値を調べることにより、溶液３００の液量を検知することが可能となる。
【００９１】
図１７（ｂ）に示す液滴形成装置１０Ｂでは、液室１１の上方に、液量検知手段として発光素子１６及びポジションセンサ１７が設けられている。ポジションセンサ１７は、発光素子１６から出射され、溶液３００の液面３００Ａや液面３００Ｂで正反射された光を受光可能な位置に配されている。これにより、三角測量の原理に基づきポジションセンサ１７が受光した光の位置から、溶液３００の液面までの距離を算出することができる。但し、液量検知手段は図１７に例示したものに限られず、公知の様々な距離計測や液面検知技術を使用することが可能である。
【００９２】
駆動装置３０は、液量検知手段の出力信号に基づいて撹拌波形を可変できるように構成することが可能である。例えば、駆動装置３０は、液量検知手段が検知した液量に関する信号に基づいて、予め設定された換算式やルックアップテーブルを参照して適切な周波数を選定し、図９に示した撹拌波形を出力するように構成できる。
【００９３】
或いは、図１３に示した周波数掃引を行う撹拌波形と組み合わせることも可能であり、液量検知手段の検知結果に基づいて、周波数掃引する第１の周波数と第２の周波数の値を決定するように構成できる。
【００９４】
このように、第１の実施の形態の変形例３に係る液滴形成装置１０Ａ及び１０Ｂは、溶液３００の液量を検知する液量検知手段を有し、駆動装置３０が液量検知手段の検知結果に基づいて撹拌波形を制御する。これにより、液量に依存してメンブレン１２の固有振動数が変化しても、液量を検知して、固有振動数の変化に合わせた撹拌波形を出力できるため、安定的に撹拌を行うことができる。
【００９５】
〈第１の実施の形態の変形例４〉
第１の実施の形態の変形例４では、所定の時間間隔を空けて撹拌波形を付与する液滴形成装置の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例４において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００９６】
駆動装置３０は、液滴形成を行わない間、常に撹拌波形を入力するのではなく、図１８に示すように所定の時間ＴＢ１だけ間隔を空けて波形を入力することがより好ましい。撹拌波形を常に入力すると、消費電力が高くなることに加え、継続的な振動によってメンブレン１２が発熱し、沈降性粒子３５０を含有する溶液３００の種類によっては悪影響が生じるおそれがある。特に溶液３００が細胞を含有する場合には、細胞が高温になるとダメージを受けるため熱の発生は好ましくない。このため、撹拌は最小限に抑えることが好ましい。
【００９７】
更に、撹拌の時間間隔ＴＢ１は、沈降性粒子３５０の特性や沈降性粒子３５０を分散させている溶媒の特性に合わせて設定することが好ましい。粒子の沈降速度は、下記の式（数５）で表されるストークスの式で近似的に表現できることが知られている。
【００９８】
【数５】
0006627394.tif 000007
ここで、ｖは粒子の沈降速度、ｇは重力加速度、ｒは粒子の半径、ηは溶媒の粘度、ρは粒子の密度、δは溶媒の密度を表している。例えば、半径５μｍ、密度１０５０ｋｇ／ｍ３のポリスチレン微粒子が水中に分散しているとき、沈降速度ｖは約３μｍ／ｓとなる。粒子の濃度にもよるが、メンブレンの厚みは一般的に１０μｍ〜１００μｍの範囲であり、粒子が全体的に数μｍ程度沈降するとノズル詰まり等の影響が出始める。
【００９９】
よって、撹拌時間の間隔であるＴＢ１は、１秒程度以下に設定することが好ましい。沈降速度ｖが約３μｍ／ｓであり、ＴＢ１が１秒程度以下であれば、撹拌していない間の粒子の全体的な沈降が約３μｍ以下に抑えられるので、ノズル詰まり等を抑制できる。
【０１００】
液滴形成装置は、例えば、ユーザが撹拌の時間間隔ＴＢ１を直接設定可能に構成されていてもよい。或いは、前述の計算を液滴形成装置の内部で実施できる構成とされており、ユーザが基本データ（例えば、溶媒の種類や密度、粘度等のデータ）を入力すると、自動的に最適な時間間隔ＴＢ１を算出し、撹拌動作が行えるようにしてもよい。
【０１０１】
このように、第１の実施の形態の変形例４に係る液滴形成装置は、駆動装置３０が所定の時間間隔でメンブレン１２に撹拌波形を付与する。これにより、液滴形成をしない際に、少ないエネルギー量で沈降性粒子３５０の沈降を防ぐための撹拌を実行することが可能となる。この際、所定の時間間隔は、沈降性粒子３５０の特性等に基づいて設定されることが好ましい。
【０１０２】
〈実施例〉
次に、液滴形成装置１０を試作し、沈降性粒子３５０を含有する溶液３００の吐出を行った実施例に関して述べる。試作した液滴形成装置１０では、圧電素子１３としてベンド型リングピエゾ素子（ノリアック社製、CMBR03）を用い、メンブレン１２としてノズル径５０μｍのＳＵＳ製ピンホール（エドモンドオプティクス社製、#39-879）を用いた。本実験はメンブレン１２の振動による沈降性粒子３５０の撹拌効果を検証することを目的としており、図１９に示す観察装置５００を用いて、試作した液滴形成装置１０の撹拌効果を検証した。
【０１０３】
観察装置５００は、液滴形成装置１０の上方に配されたレンズ５０１付きのＣＣＤ５０２により、液滴形成装置１０の液室１１の内部が観察できる構成とされている。又、自動駆動ステージ５０５上に設置されたプレパラート５０４上に、沈降性粒子３５０を含有する液滴３１０を吐出することで、任意のパターン形状に液滴３１０を吐出することが可能に構成されている。
【０１０４】
撹拌と吐出は、駆動装置３０から圧電素子１３に撹拌波形及び吐出波形を入力して行った。その際、液室１１内に充填した沈降性粒子３５０を含有する溶液３００の分散状態をＣＣＤ５０２で観察した。又、プレパラート５０４上に液滴３１０を直線状に配置するように吐出することで、液滴３１０中の沈降性粒子３５０の数を計測した。沈降性粒子３５０を含有する溶液３００としては、直径約１０ μｍのポリスチレン粒子を含有する溶液(Thermo Scientific, Duke 2010A)を液室１１内に約３０μｌ充填した。
【０１０５】
表２は、基本モードの固有振動数を含むスイープ波形、高次モードの固有振動数を含むスイープ波形、信号入力なしの３つの異なる撹拌波形で撹拌した際の、液室１１の内部の沈降性粒子３５０の撹拌状態の観察結果である。ここで、基本モードの固有振動数を含むスイープ波形とは、周波数約１８ｋＨｚ〜２１ｋＨｚの範囲を約０．０１ｓかけて掃引する波形である。又、高次モードの固有振動数を含むスイープ波形とは、周波数約６９ｋＨｚ〜７１ｋＨｚの範囲を約０．０１ｓかけて掃引する波形である。
【０１０６】
【表２】
0006627394.tif 000008
表２より、基本モードの固有振動数を含むスイープ波形では、全体的に均一な撹拌状態が観察できる。しかし、撹拌信号なしでは、粒子は沈降し、高次モードの固有振動数を含むスイープ波形ではメンブレン１２の面内に振動強度の分布が生じ、図２０（ａ）に模式的に示す粒子の偏りが観察された。なお、図２０（ａ）において、１１ａは液室１１の内壁面を示している。
【０１０７】
基本モードの周波数領域が約１８ｋＨｚ〜２１ｋＨｚであるのに対し、高次モードの周波数領域が約６９ｋＨｚ〜７１ｋＨｚであり、高次モードの周波数領域は基本モードの周波数領域の約３．５倍である。これは、基本モードの固有周波数に対する倍率が３．４３となる、表１の固有振動数ｆ２１に対応している。
【０１０８】
ベルヌーイの定理より、流速が速い場所は周囲より圧力が低下するため、粒子は、振動速度が速い、すなわち振動強度が大きい振動の腹に引き寄せられる傾向にある。固有振動数ｆ２１では、図８に示した節の位置から、粒子は図２０（ｂ）に示すように節Ｂで分割された領域Ｃの中央部近傍に引き寄せられるので、図２０（ａ）に示す粒子の偏りが生じたと考えられる。このように、高次モードの固有振動数の周波数領域の撹拌信号を用いると、不均一な分散状態になることが確認された。
【０１０９】
次に、図２１に示す撹拌波形３１Ｃと吐出波形３２Ｃを交互に入力して、プレパラート５０４上に沈降性粒子３５０を含有する液滴３１０を吐出した。そして、撹拌による、吐出された液滴３１０中の沈降性粒子３５０の数のばらつき抑制効果を検証するため、吐出された液滴３１０中の沈降性粒子３５０の数を計測した。
【０１１０】
その際、吐出は２ｋＨｚで行い、吐出波形３２Ｃは電圧５０ｖの単純な台形波とした。又、撹拌波形３１Ｃは電圧Ｖｓを１．４ｖ、撹拌時間Ｔｓを０．３ｓとし、基本モードの固有振動数を含むスイープ波形とした。そして、沈降性粒子３５０を含有する溶液３００としてポリスチレン粒子溶液を液室１１に充填後、すぐに吐出を開始した。
【０１１１】
表３は、吐出経過時間０、１、２分の前半（各３０回、合計で９０回測定）と、吐出経過時間４、８分の後半（各３０回、合計で６０回測定）の各時間帯において、吐出された液滴３１０中の沈降性粒子３５０の数を計測し、標準偏差を求めた結果である。
【０１１２】
【表３】
0006627394.tif 000009
表３より、撹拌波形３１Ｃとして基本モードの固有振動数を含むスイープ波形を用いて撹拌を行った場合は、前半と後半ともに標準偏差に大きな変化はないが、撹拌信号なしの場合では前半に比べて後半に標準偏差が増大している。これは、吐出開始直後は沈降性粒子３５０の分散状態が保たれているため、液滴３１０中の沈降性粒子３５０の数のばらつきが生じ難いが、撹拌を行わない場合、時間の経過とともに沈降性粒子３５０の沈降が進み、分散状態の不均一が生じたためと考えられる。
【０１１３】
このように、撹拌を行った場合は、時間が経過しても液滴３１０中の沈降性粒子３５０の数の標準偏差はほとんど変化しないことが確認された。すなわち、メンブレン１２の振動を用いた撹拌により、吐出された液滴３１０中の沈降性粒子３５０の数のばらつきが抑制されることが確認された。
【０１１４】
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１０、１０Ａ、１０Ｂ  液滴形成装置
１１  液室
１１ａ  液室の内壁面
１２  メンブレン
１３  圧電素子
１５  電極
１６  発光素子
１７  ポジションセンサ
３０  駆動装置
３１、３１Ｃ  撹拌波形
３１Ａ  第１の撹拌波形
３１Ｂ  第２の撹拌波形
３２、３２Ｃ  吐出波形
１１１  大気開放部
１２１  ノズル
３００  溶液
３００Ａ、３００Ｂ  液面
３１０  液滴
３５０  沈降性粒子
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１６】
【特許文献１】特開平０６−０８７２２０号公報
【図１】
0006627394.tif 000010
【図２】
0006627394.tif 000011
【図３】
0006627394.tif 000012
【図４】
0006627394.tif 000013
【図５】
0006627394.tif 000014
【図６】
0006627394.tif 000015
【図７】
0006627394.tif 000016
【図８】
0006627394.tif 000017
【図９】
0006627394.tif 000018
【図１０】
0006627394.tif 000019
【図１１】
0006627394.tif 000020
【図１２】
0006627394.tif 000021
【図１３】
0006627394.tif 000022
【図１４】
0006627394.tif 000023
【図１５】
0006627394.tif 000024
【図１６】
0006627394.tif 000025
【図１７】
0006627394.tif 000026
【図１８】
0006627394.tif 000027
【図１９】
0006627394.tif 000028
【図２０】
0006627394.tif 000029
【図２１】
0006627394.tif 000030