(57)【要約】【課題】吐出液体の形状を乱すことなく、幅広い物性を持つ液体の安定的な液滴を吐出させることを可能にするノズル装置、インクジェットヘッド、分注装置を提供すること。【解決手段】液体導入口及び液体吐出口を有するバルブ室と、該バルブ室に内蔵されたバルブと、該バルブ室内に配置され該バルブを駆動する駆動機構とを備え、上記駆動機構は上記バルブ室内に密閉されるように構成されたことを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。駆動機構１４を持つバルブ１７をバルブ室２に内蔵させ、安定的な液滴を吐出飛翔させる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体導入口及び液体吐出口を有するバルブ室と、該バルブ室に内蔵されたバルブと、該バルブ室内に配置され該バルブを駆動する駆動機構とを備え、上記駆動機構は上記バルブ室内で動作するように構成されたことを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。
【請求項２】
請求項１において、該バルブの背面から常時加圧された液体によってバルブが該流路を閉じるように加圧するように構成されていることを特徴とする特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。
【請求項３】
請求項１において、上記駆動機構はリニアモーターであることを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。
【請求項４】
請求項１において、上記駆動機構は電磁石であることを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。
【請求項５】
流路内に配置されたバルブと、該バルブの背面から常時加圧された液体によって該バルブが該流路を閉じるように加圧する装置と、少なくとも該バルブの前面側に気泡を発生させる装置を備え、これにより該バルブを開き、上記液体を吐出させ、該気泡が上記バルブの背面からの液体によって圧縮される事によって該バルブを再び閉じて流路を閉じるように構成されたことを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。
【請求項６】
請求項４において、上記気泡を上記バルブの背面側にも発生させ、気泡は上記前面側と背面側に交互に発生させてバルブを開閉するように構成したことを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。
【請求項７】
上記バルブ装置はヒーターを備えており、上記バルブはヒーターにより液体が加熱されて生じる気泡により移動することを特徴とする請求項１記載のバルブ内蔵型ノズル装置。
【請求項８】
加圧された液体の導入部と導入された液体を吐出する開口部とを備えたバルブ室と、該導入部および開口部のいずれか一方または双方を開閉するバルブと、バルブ駆動機構を備え、上記バルブは該バルブ駆動機構と共に上記バルブ室に収容され、該バルブ駆動機構は該バルブ室内で動作することを特徴とするバルブ内蔵型ノズル装置。
【請求項９】
請求項１のバルブ内蔵型ノズルと、該バルブ内蔵型ノズルに液体を供給する液体供給部と、該供給される液体に吐出圧力を与える圧力部とを備える液体取り扱い装置。
【請求項１０】
請求項１のバルブ内蔵型ノズル装置を複数個備えた事を特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１１】
流路内に配置されたバルブと、該バルブの背面から加圧された液体によって該バルブが該流路を常時閉じるように加圧する装置と、少なくとも該バルブの前面側に気泡を発生させる装置とを備え、これにより上記流路を開き、該気泡が上記バルブの背面からの液圧によって圧縮される事によって該バルブを再び閉じて上記流路を閉じるように構成されたバルブ内蔵型ノズルを複数個備えたことを特徴とするプリンターヘッド。
【請求項１２】
請求項１０記載のプリンターヘッドと、該プリンターヘッドを制御するコントロールユニットと、記録媒体を該プリンターヘッドに対して相対的に移動する装置を備えたことを特徴とするプリンター。
【請求項１３】
請求項７記載のバルブ内蔵型ノズル装置と、該ノズル装置に所定量の液体試料を供給する装置と、該バルブ内蔵型ノズルから吐出された試料を受け取る試料容器を備えたことを特徴とする分注装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズルをノズル室内に備えたノズル装置に関し、特に、バイオ関係の試薬を用いる分注またはマイクロピペット、プリンター記録装置などのように、正確な微小体積の液滴を必要とする分野において好適に用いられるバルブ内蔵ノズル装置、インクジェットヘッド、インクジェットプリンター、分注装置などの液体取り扱い装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、産業で使用されている微小液体は、インクジェットプリンターの５ｐｉｃｏＬ程度から分注またはマイクロピペットの２５０μＬの幅広い範囲において使われている。これらは、使用目的により独自の構造を持つノズルを用いて行われるが、いずれにおいても、要求される基本的条件は、以下のとおりである。
１）吐出方向が一定であること、２）吐出液体は１個の液滴をなしかつ再現性が保証されることである。
【０００３】
しかし、液体は固有の物性、即ち、表面張力、粘性を持つため、ノズルに使われる液体は限定される。例えば、ピエゾまたは加熱による気泡の蒸気圧を利用するインクジェットプリンターにおいては、上の条件を満たすために、水と近い粘性である１〜３ｍＰｓ・ｓｅｃ程度の液体に限定される。また、そのノズル構造により液体の量は一回の吐出に５〜１００ｐｉｃｏＬと制限される。
【０００４】
一方、高粘性の液体、例えばペイントまたは印刷用インクにおいては、液体に圧力を掛け、ノズルの出口外側に平行にシャッター板を取り付け、該シャッターをピエゾ素子で開閉することで液滴を得るようにしたものが、特許文献１に記載されている。このようにノズルの出口外側に平行にシャッター板を取り付けた構造においては、液体の圧力が大きくなるに従い液体漏れが生じることが予想され、圧力が大きいほどその構造を機構的にしっかりとしたものとしなければならない。一方に置いて、高いシャッターの開閉速度が要求されるために、あまり強固な構造にすることが出来ない。以上の相反する２つの条件を満たすことは難しい課題である。
【０００５】
また、シャッターはノズル口の一方側から動き始めて、全開または全閉になる。粘性が高いほど、開くあるいは閉じる間にシャッターのエッジに過剰な力が加わり、シャッターが変形する恐れがある。変形が起こると液体漏れが生じ、また吐出方向のばらつきが生じ始める。その他にも、構造上、ノズルの周辺は液体の汚れに無防備となっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１３８７９１号公報（要約）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、上述した二つの基本条件を満たし、液滴体積の誤差を小さく抑えることができ、さらに、広範囲な粘性、表面張力を持つ液体、または非ニュートン液体（圧力により体積が変化する液体）であっても、確実に液滴として飛翔させることのできるノズルを備えたノズル装置及びそれを用いた液体取り扱い装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によるノズル装置は、加圧された液体の導入部と導入された液体を吐出する開口部とを備えたバルブ室と、その導入部および開口部のいずれか一方または双方を開閉するバルブとを備えたバルブ内蔵型ノズルであり、そこにおいて、バルブはバルブ駆動機構と共にバルブ室に収容されている。即ち、バルブ及びその駆動機構をバルブ室内に密閉し、バルブ駆動機構をバルブ室内で駆動することにより、バルブを安定して操作できるようにしたものである。駆動機構の例としては、リニアモーター、電磁石あるいはバルブの少なくとも前面側に気泡を供給する装置（例えばヒーターなど）を挙げることができる。これらはいずれもバルブ室内に密閉した構成を採ることが出来、駆動機構を外部において機械的に操作する必要がない。
【０００９】
本発明において、バルブ駆動機構をバルブ室内で動作するというのは、機械的あるいは電磁気的などのバルブ駆動動作がバルブ室内で完結するということであり、駆動機構がバルブ室外でも動作するものでないという意味である。
【００１０】
特に上記ノズル装置において、液体導入口と液体吐出口を供えたバルブ室と、駆動機構によって駆動されるバルブを備え、該バルブの背面から常時加圧された液体によって該バルブが該流路を閉じるように加圧する事により、ノズル装置の動作が安定し、信頼性が高くなる。
【００１１】
また、一つの実施形態においては、少なくとも該バルブの前面側に気泡を発生させて上記バルブを開いて上記液体の所定量を吐出する装置とを備え、該気泡が上記液体によってそのバルブの背面から上記液体により圧縮される事によって該バルブを再び閉じ、上記流路を閉じるように構成されたことを特徴とするバルブ内蔵型ノズルも提供することができる。
【００１２】
上記バルブの背面及び前面は上記液体と接触し、上記気泡はこの液体中に発生するように構成されている。なお、本発明において、バルブの背面側とは、加圧液体による加圧方向（液体の吐出方向でもある）を基準として、バルブの上流側を背面とし、バルブの下流側を前面とする。
【００１３】
本発明によるノズル装置は、上記のバルブ内蔵型ノズルと、そのバルブ内蔵型ノズルに液体を供給する液体供給部と、該供給される液体に吐出圧力を与える圧力部とを備える。本発明によれば、バルブはバルブ駆動機構と共にバルブ室に密閉状態で収容されており、該駆動機構によりバルブをバルブ室内で積極的に駆動することにより、広範囲の物性値を持つ液体を、所定の体積と所定の速度で、かつ、粒子として吐出させることが可能となる。
【００１４】
また、バルブはバルブ室内に収容されており、かつ、各部位に適切な圧力を掛けることが可能であるため、バルブに過剰な力が加わることがなく、液体漏れやバルブの変形を未然に防ぐことができる。また、バルブの役割を開閉だけではなく、開口時に積極的に吐出液体に圧力変化を加えるようにする場合には、糸状の液体吐出を個々の独立した液滴にすることが可能となり、液滴の体積の測定および精度を高めることができる。
【００１５】
バルブ駆動機構は、バルブ室内に生じている圧力に抗してバルブを移動できるものであれば任意である。例えば、バルブを磁力により移動させる機構、例えば、トンネルモータ、リニアモータ、あるいは、単純な磁石バルブを電磁石で開閉する電気力による方法などであってもよく、ピエゾ（電圧）素子であってもよい。バルブ室内にヒーターを配置し、ヒーターにより液体が加熱されて生じる気泡によりバルブを移動するようにしてもよい。
【００１６】
一つの態様として、前記バルブ室に形成される導入部と開口部の一方または双方と前記バルブの形状とを共に実質的に軸対称の形状とし、かつ、その中心線をほぼ同一軸線上に位置させ、バルブの中心線方向の移動により前記開口部あるいは導入部を開閉するようにする。この態様では、開口部からの液滴は方向性を乱すことなく中心線方向に吐出する利点がある。しかし、バルブはスライド弁であってもよく、その場合でも、開口部の距離を長くするなどの手段を同時に採用することにより、安定した状態の液滴吐出を得ることができる。
【００１７】
バルブは、加圧された液体の導入部のみに備えてもよく、導入された液体を吐出する開口部にのみ備えてもよい。また、単一のバルブがその双方を同時に開閉するようにして備えてもよい。その場合に、導入部に対してはスライド弁として機能し、開口部に対してはバルブの中心線方向の移動により開閉するように機能する単一のバルブであることは好ましい。いずれにしろ、バルブ室内に生じる圧力、バルブに掛かる負荷、バルブ駆動機構の作動力の大小、開口部の大きさなどを考慮して、適宜選択すればよい。
【００１８】
他の態様として、開口部は交換可能な形状とされる。例えば、距離の長い開口部を用いることにより、乱流が整流化した状態で液滴を吐出することができる。また、出口の口径を異ならせることにより、液滴の体積を変えることができる。
【００１９】
更に他の態様において、バルブ閉鎖時に開口部内の圧力を所定の圧力（負圧）を維持する機構がさらに備えられ、その機構が適宜の負圧源に接続される。それにより、開口部の液体表面の形状を確実にメニスカス面に維持することができ、液漏れや吐出不安定が生じるのを確実に回避できる。
【００２０】
また、他の態様において、バルブ室内を所定の圧力を維持する機構がさらに付加され、その機構が適宜の所定圧力発生源に接続される。この態様では、バルブ室内に供給される液圧が高い場合であっても、バルブ室内の圧力を供給圧と大気圧あるいは開口部内の圧力の中間圧に設定することにより、液漏れを防ぎ、開口部の液体表面を安定させ、再現性のある液滴の吐出が一層確実となる。
【００２１】
供給される液体に吐出圧力を加える圧力部が発生する圧力は、定圧、脈動する圧力または時間に対し変化する圧力のいずれであってもよいが、脈動する圧力または時間に対し変化する圧力とすることにより、定圧の場合よりも、バルブの開閉に掛かる負荷を軽減することができ、かつ、安定的な液滴を得ることが可能となる。
【００２２】
本発明はまた、上記バルブ内蔵型ノズルを複数個備えたことを特徴とするプリンターヘッドならびにこのプリンターヘッドと、該プリンターヘッドを制御するコントロールユニットと、記録媒体を該プリンターヘッドに対して移送する装置を備えたプリンターを提供する。
【００２３】
更に本発明は、上記バルブ内蔵型ノズルと、該バルブ内蔵型ノズルを駆動する装置例えばＸ−Ｙアクチュエーターと、該ノズル装置に所定量の液体試料を供給する装置と、該バルブ内蔵型ノズルの試料を受け取る試料容器例えば、マイクロタイタープレートを備えた分注装置を提供するものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面を参照しながら、いくつかの実施の形態を説明する。図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ、本発明によるバルブ内蔵型ノズルの第１の実施形態を示す垂直方向の断面図、図１（ａ）のｂ−ｂ線に沿う水平方向の断面図、及びそれを一部除去した状態で示す斜視図である。このバルブ内蔵型ノズル１において、１０はバルブ室２を画定する円筒形のケーシングであり、上面側に図示しない加圧部で加圧された液体の導入口１２を有し、下面側に液滴の吐出口である開口１３を有する。導入口１２は円形であり、開口１３は下方が縮径した円錐形であり、共通の中心線Ｌを持つ。導入口１２には、管路３を通して、加圧部で適宜の圧力に加圧された液体が供給され、そこから、バルブ室２内に流入する。
【００２５】
バルブ室２内には、前記中心線Ｌと中心線を共通にした状態で、円筒状の電磁石１４が支持体１５により固定的に取り付けてあり、その中心孔１６内には、やはり中心線を同じにした状態で、磁石バルブ１７が上下方向に摺動自在に挿入されている。磁石バルブ１７の下方端１８は、前記開口１３を液密に閉鎖できるように同様な円錐形とされている。電磁石１４には適宜の制御機構を介してＯＮ−ＯＦＦの電気信号５０が供給され、磁石バルブ１７を上下方向に移動させる。この例において、ＯＦＦでは図示のように磁石バルブ１７は下降位置にあってバルブ閉の状態となっており、ＯＮでは磁石バルブ１７は上昇してバルブ開の状態となる。バルブ開のときに、加圧液体は、自己の圧力により、バルブ室２から開口１３を通り中心線Ｌに沿って空間に、所定量の液滴として吐出する。信号がＯＦＦに切り替わることによりバルブ閉となり吐出は終了する。前記電磁石１４が本発明でいう「バルブ駆動機構」を構成する。
【００２６】
なお、上記の形態では導入口１２をケーシング１０の上面側に設けたが、図４、図５、図６、図８に示すように、周囲の側壁に設けてもよい。ただし、その場合には、液体の流入方向と開口１３からの液体の吐出方向が異なるので、乱流となったり、開口面に圧力勾配が生じたりする恐れがある。そのために、開口１３の長さを長くして、整流化しかつ液面の圧力を平均化することが望まれる。
【００２７】
図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すバルブ内蔵型ノズル１での、バルブ１７の運動と開口部に加わる圧力および液滴の吐出について検討する。図２（ａ）は、バルブの停止地点を−ｈとし、時間に対しバルブの位置を表示した図である。ここで、変位Ｈは、液体の粘性により開口部への流れ抵抗が生じない位置を示している。圧力部の圧力は定圧Ｐである。
【００２８】
図２（ａ）で３段階のバルブの開閉速度▲１▼、▲２▼、▲３▼を示しており、その際のバルブの運動の変化により生じる開口部の圧力変化を図２（ｂ）に▲１▼、▲２▼、▲３▼として示している。図示のように、バルブの開閉速度を変えることにより、開口部には、定圧Ｐと初期圧力だけではなく、圧力の変化に大きい自由度を与えることが可能となる。なお、図２（ｂ）において、初期圧力は負圧となっているのは、開口部で液体がメニスカス形状（図１（ａ），図３の液面６）をなしているためである。
【００２９】
図３は本発明によるバルブ内蔵型ノズルの他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル１ａでは、磁石バルブ１７ａの上端側に径の大きくなった部分１１７が形成されており、該大径部１１７がケーシング１０の上面側に設けた導入口１２を閉鎖して、加圧液体がバルブ室２への流入を停止するようになっている点で、図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示したバルブ内蔵型ノズル１と構成が異なっている。開口１３は常時開の状態にあって磁石バルブ１７ａによって閉鎖されることはない。
【００３０】
この形態でも、通常は液圧により下方位置に押し下げられて導入口１２を閉鎖している磁石バルブ１７ａが、電磁石１４へのＯＮ信号により上昇して、導入口１２を開き、バルブ開の状態となる。それにより、加圧液体がバルブ室２内に流入し、同じ量の液体が開口１３から中心線Ｌに沿って空間に吐出する。信号がＯＦＦに切り替わると導入口１２は閉じてバルブ閉となり、開口１３からの吐出は停止する。この形態では、バルブの閉じ代を広くとることができるので、液体の漏れを少なくすることができると共に、バルブ駆動時の負荷を小さくすることができる。
【００３１】
図４は本発明によるバルブ内蔵型ノズルのさらに他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル１ｂでは、ケーシング１０の側壁に前記導入口１２が形成されると共に、バルブ室２内のバルブ１７ｂは導入口１２に対してスライド弁として作用して、導入口１２の開閉を行うようになっている点で、上記したバルブ内蔵型ノズル、特に図３に示したものと異なっている。なお、電磁石１４が多段に配置されてリニアモータの形式となっているが、その作用は図３に示したもの同じである。この態様では、前記導入口１２の圧力がバルブ１７ｂの作動に直接影響しないので、バルブ駆動力が小さくてよい利点がある。特に図示しないが、図４において、開口１３側を加圧液体の導入口とし、図４の導入口１２側を液体の吐出口とする態様も可能である。
【００３２】
図５は本発明によるバルブ内蔵型ノズルのさらに他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル１ｃは、単一のバルブ１７ｃが、導入口１２に対しては、図４に示したもののようにスライド弁として機能し、開口１３に対しては、図１（ａ），（ｂ）．（ｃ）に示したもののようにその中心線Ｌの方向に移動して開口１３を開閉するようになっている。圧力部からの圧力Ｐと外部の圧力（通常１気圧）の間に圧力の差があまりにも大きい場合に、開口１３のバルブ機能あるいは導入口１２のバルブ機能だけでは液漏れを防ぐことが難しくなる場合があるが、この態様では、導入口１２の部分と開口１３の部分の双方にバルブ機能を持たせているので、液漏れを効果的に阻止することができる。
【００３３】
図６は本発明によるバルブ内蔵型ノズルのさらに他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル１ｄでは、ケーシング１０に沿って図で上下方向に摺動できるようにバルブ１７ｄが挿入されており、該バルブ１７ｄの下面側とケーシング１０の底面１０ａとの間に第１のヒーター１９ａが、また、該バルブ１２ｄの上面側とケーシング１０の上面１０ｂとの間に第２のヒーター１９ｂが配置されている。各ヒーター１９ａ，１９ｂには図示しない制御機構によりＯＮ−ＯＦＦの電気信号５０が供給され、ＯＮ信号時にいずれか一方のヒーターは加熱される。ヒータ−の加熱により液体は沸騰して気泡が生じ、その気泡の圧力を用いてバルブ１７ｄの開閉を行う。第１のヒーター１９ａと第２のヒーター１９ｂのＯＮ−ＯＦＦ状態を交互に切り換えることにより、バルブ１７ｄは上下動し、上方向に移動することにより開口１３が開き、液体が吐出される。
【００３４】
図７は、図６に示した形態のバルブ内蔵型ノズル１ｄの複数個を一例に配列して構成したプリンターヘッド６０を示しており、図６は側面断面図、図７は図６のｄ−ｄ線に沿う断面図である。
【００３５】
また、図１１及び１２にはライン型プリンターヘッドの平面断面図を示しており、図１１は多数のノズル装置６０８を直線状に配置したプリンターヘッドである。図１２は印字密度を上げるため、プリンターヘッドを互いに斜めに並列配置し、印字密度を上げて高精彩印字が出来るようにしたものである。図１１及び図１２で同じ機能を持つ要素は同じ番号で示した。プリンターヘッド６０８‘は、詳細断面構造を示し、ノズル装置６０９’が多数整列配置されている。インク供給管６０１、インク供給分岐管６１１、ノズルコントロール配線６０２などを備えていることは通常のインクジェットヘッドと同じである。
【００３６】
図１３はインクジェットプリンターの構成を示す概略線図であり、コントロールユニット６０６によって、インクジェットプリンターヘッド６０３を制御し、ローラー６１０を含む紙送り装置によって記録媒体を移送し、印字する。シアン、イエロー、マジェンタ及びブラックのインク６０７がバルブ６０４を介してインクタンク６０５よりインクジェットヘッドに供給される。なお、インクの種類は任意であり、目的、用途によってインクの色の種類、色の数を選択する。
【００３７】
図７に戻って説明すると、バルブ室２Ａおよび液体（インク）供給路３Ａはすべてのバルブ内蔵型ノズルに対して共通しており、インク供給路３Ａには単一の加圧部により加圧されたインクが供給され、インクは自己の持つ圧力により噴出する。すなわち、この構成のプリンター６０では、これまでのインクジェットプリンターのように各ノズルに強制的に高い吐出エネルギーを与えるピエゾ素子などの装置を必要とせず、インク供給路３Ａ側に一元的に圧力を加えることで、インクの吐出が可能となる。このことは、気泡（バブル）の運動量はノズルの開閉負荷を満たせば充分であることを意味し、従来のインクジェットプリンターと比較して短い印刷周期でインクを吐出させることを可能とする。
【００３８】
また、これまでのインクジェットプリンターのように、隣同士のノズルから吐出させる場合、クロストーク即ち、お互いに圧力の影響を与えあって、単独に吐出させた場合と違った体積の液滴を違った速度で出すような現象が生じるのも解消できる。
【００３９】
図８は本発明によるバルブ内蔵型ノズルのさらに他の形態を示す断面図である。このバルブ内蔵型ノズル１ｅでは、ケーシング１０の周囲の側壁に導入口１２を形成したことと、開口１３の先端に交換可能に第２の開口１３ｂを持つ交換用開口部１３Ｄを取り付けた点において図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示したものと相違している。なお、電磁石１４が多段に配置されてリニアモータの形式となっているが、その作動が図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示したもの同じであることは、図４の形態を説明するときに述べたとおりである。この形態では、交換可能な交換用開口部１３Ｄとして、第２の開口１３ｂの口径の異なるもの、実質長さの異なるものなど多数を用意することにより、種々の体積の液滴を容易に調整することができる。もちろん、バルブの動きもそれに順する動きするように信号により操作される。
【００４０】
上記したようなバルブ内蔵型ノズルにおいて、図１（ａ），（ｂ），（ｃ）の形態で示したように、図８の場合も開口１３での液体表面の形状６はメニスカス面を常に形成するのが望ましい。その理由は、もし開口に凸の形状の面が形成されると液漏れ吐出の不安定性をもたらす原因になるからである。液漏れは開口周辺を汚すだけではなく、この汚れが液体吐出時の方向および吐出形態を変形させる。
【００４１】
図８はそのための対策を講じたバルブ内蔵型ノズル１ｆを示す。この形態では、バルブ室１０の開口１３および第２の開口１３ｂの部分の圧力を負圧Ｐ０にするために、開口１３に通じる圧力調整通路６０を設けている。この通路は途中に配置した開度調節可能なブレーキ弁６１を介して適宜の負圧発生源に連通しており、バルブが閉じたとき開口部内の圧力はＰ０になり、液面６はその圧力によりメニスカス面６を形成する。バルブが開いたときに圧力部の圧力（バルブ室内の圧力）が伝わり圧力調整通路６０に流れが生じるが、ブレーキ弁６１を通過するとき、粘性により抵抗が生じ開口部内は圧力Ｐになり液滴が吐出される。なお、図示の例ではバルブ内蔵型ノズルとして図８に示したものを用いているが、これは単なる例示であって、ノズル本体は上記したいずれのものを使用することもできる。
【００４２】
図９は図８に示した形態のバルブ内蔵型ノズル１ｆを用いた分注装置の一例を示している。液体供給部としての試薬槽Ａと圧力部としてのシリンジＢとが管路７１で繋がっており、シリンジＢの吐出側と本発明によるバルブ内蔵型ノズル１ｆの導入口１２とが管路７２で繋がっており、圧力調整通路６０が管路７３により試薬槽Ａに繋がっている。
【００４３】
ノズル装置１ｆはＸ−Ｙアクチュエータ７５により、マイクロタイタープレート７４などの試料容器の適切な位置に移動される。図９ではノズル装置はこれを駆動する手段は示されていないが、適切な装置により支持されていることは当然である。この例において、位置エネルギーの差により、圧力調整通路６０の圧力は負圧Ｐ０に維持される。しかし、負圧Ｐ０を生じさせる手段はこれに限らす任意の手段であってよい。また、圧力部もシリンジＢに限ることはない。
【００４４】
図８に示すバルブ内蔵型ノズルについては、バルブ内蔵型ノズル１ｆは圧力部の圧力Ｐと大気圧あるいは開口部の負圧Ｐ０との差が大きい場合に、バルブ室１２側にも圧力調整通路６０Ａを設け、その圧力Ｐ１を加圧部の圧力Ｐと開口部の負圧Ｐ０の間に設定することで、液漏れを防ぎまた開口液体表面６を安定させ、再現性ある液滴の吐出を実現することができる。
【００４５】
上記に示した例では、圧力部の圧力Ｐは定圧として説明したが、図１０が示すような時間と共に変化する圧力Ｐを圧力部で生成するようにしてもよい。ここで原点は大気圧の圧力で、各脈動の時点でバルブの開閉を示した。このような時点でバルブを開閉することにより、定圧の場合よりバルブに開閉に掛かる負荷を軽減しかつ安定的な液滴を得ることが可能になる。
【００４６】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、液滴体積の誤差を小さく抑えることができ、さらに、広範囲な粘性、表面張力を持つ液体、または非ニュートン液体（圧力により体積が変化する液体）であっても、確実に液滴として吐出させることのできるノズルと、該ノズルを備えたノズル装置が得られる。それにより、微少液体の吐出ノズルに要求される基本的条件、１）吐出方向が一定であること、２）吐出液体は１個の液滴をなしかつ再現性が保証されること、は共に満足される。例えば、１〜５００ｍＰａ・ｓｅｃの粘性と５〜７５ｍＮ／ｍの表面張力を持つ液体を用いて、５ｐｉｃｏＬ〜５００μＬの液滴を安定的に生成することが可能になる。
【００４７】
以下に本発明の範囲の包含される具体的な実施態様を示す。下記に実施態様は請求項との関連において成立するものである。
【００４８】
（１）請求項のいずれかにおいて、上記バルブ駆動機構は、バルブを磁力により移動させる機構を備えるバルブ内蔵型ノズル装置。
【００４９】
（２）請求項のいずれかにおいて、上記バルブ駆動機構は、トンネルモータであるバルブ内蔵型ノズル装置。
【００５０】
（３）請求項のいずれかにおいて、上記開口部および／または導入部とバルブの形状が共に実質的に軸対称であり、かつ、その中心線を同一軸線上に位置させており、バルブの中心線方向の移動により開口部および／または導入部を開閉するバルブ内蔵型ノズル装置。
【００５１】
（４）請求項のいずれかにおいて、上記バルブはスライド弁であるバルブ内蔵型ノズル装置。
【００５２】
（５）請求項のいずれかにおいて、単一のバルブが導入部に対してはスライド弁として機能し、開口部に対してはバルブの中心線方向の移動により開閉するように機能するバルブ内蔵型ノズル装置。
【００５３】
（６）請求項のいずれかにおいて、上記開口部は交換可能な形状とされているバルブ内蔵型ノズル装置。
【００５４】
（７）請求項のいずれかにおいて、バルブ閉鎖時に開口部内の圧力を所定の圧力に維持する機構をさらに備えるバルブ内蔵型ノズル装置。
【００５５】
（８）請求項のいずれかにおいて、バルブ室内を所定の圧力に維持する機構をさらに備えるバルブ内蔵型ノズル装置。
【００５６】
（９）該バルブ内蔵型ノズルの開口部を所定圧力に維持する機構に接続する所定圧力発生源をさらに備える、請求項のいずれかに記載のバルブ内蔵型ノズル装置。
【００５７】
（１０）該バルブ内蔵型ノズルのバルブ室内を所定圧力に維持する機構に接続する所定圧力発生源をさらに備える、請求項のいずれかに記載のバルブ内蔵型ノズル装置。
【００５８】
（１１）請求項のいずれかにおいて、該圧力部が発生する圧力が、定圧、脈動する圧力または時間に対し変化する圧力のいずれかであるバルブ内蔵型ノズル装置。
【００５９】
【発明の効果】
本発明により、吐出液体の形状を乱すことなく、幅広い物性を持つ液体の安定的な液滴を吐出させることを可能にするノズル及びノズル装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明によるバルブ内蔵型ノズルの第１の実施形態を示す垂直方向の断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ線による水平方向の断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）に示すバルブ内蔵型ノズルを一部除去した状態で示す斜視図。
【図２】図２（ａ）は時間に対するバルブの変位を示すグラフ、図２（ｂ）は時間に対する開口部の圧力を示すグラフ。
【図３】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの他の実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図４】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの別の実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図５】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの更に他の実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図６】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの更に別の実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図７】図６に示した形態のバルブ内蔵型ノズルを多数用いたラインプリンターのプリンターヘッドの構造を示す図６のｄ−ｄに沿った平面断面図。
【図８】本発明によるバルブ内蔵型ノズルの更に異なった実施形態を示す垂直方向の断面図。
【図９】本発明による開口部に圧力維持機構を備えているバルブ内蔵型ノズルを用いた分注装置の構造を示す垂直方向の断面図。
【図１０】時間に対する圧力部で形成する圧力変化とそのときのバブルの開閉時刻を説明するグラフ。
【図１１】本発明によるノズル装置を用いたラインプリンターのインクジェットヘッドの平面断図。
【図１２】本発明の他の実施例によるラインプリンターのインクジェットヘッドの平面断面図。
【図１３】本発明によるノズル装置を用いたインクジェットプリンターの構成を示す概略線図。
【符号の説明】
１…バルブ内蔵型ノズル、２…バルブ室、６…液面、１０…ケーシング、１２…圧力部に繋がる液体導入口、１３…開口、１３Ｄ…交換可能開口部、１４…バルブ駆動機構、１７…バルブ、６０、６０Ａ…圧力調整通路、６１，６１Ａ…ブレーキ弁。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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