(57)【要約】【課題】粒子を含有した溶液を温度上昇なく大液滴で吐出させること【解決手段】インクを吐出するノズル穴を形成したノズルと、前記ノズル上部にノズル内径よりも小さい内径をもつインク供給口と、前記ノズルの外周部に設置された円筒型圧電素子と、前記円筒型圧電素子の両端面で接続されている複数のヒンジ部と、前記ヒンジ部端部を固定している連結プレートと、前記連結プレートに圧力を印加するブロックと、で構成されることを特徴とするインクジェットヘッドを用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを吐出するノズル穴を有するノズルと、
前記ノズルの外側に設置された圧電素子と、
前記ノズルと前記圧電素子との間に位置し、前記圧電素子と接続されている複数のヒンジ部と、を含むインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記ノズルの内部には、圧力が印加される圧力室があり、
前記圧力室の内壁の形状は、テーパ形状になっている請求項１記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記ノズルは、円筒型、かつ、外形がテーパ形状をしている請求項１または２記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記複数のヒンジ部は、点対称位置に配置されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記ヒンジ部の材質は前記ノズルの材質と同じである請求項１〜４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記ノズルと接触する前記ヒンジ部の表面は、円弧形状、傾斜した形状、階段状のいずれか１つである請求項１〜５のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項７】
さらに、前記複数のヒンジ部の可動範囲を規制するブロックを有する請求項１〜６のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項８】
前記ヒンジ部と前記ブロックとの間に、圧力調整部材を配置した請求項１〜７のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項９】
前記複数のヒンジ部と前記ブロックとの間に連結プレートがあり、
１つの前記連結プレートと前記複数のヒンジ部とが組み合わされる請求項１〜８のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１０】
前記連結プレートは円筒型である請求項９に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１１】
前記圧電素子が複数段で構成される請求項１〜１０のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドと、
塗布対象物とインクジェットヘッドとを相対的に移動させる移動部と、
前記インクジェットヘッドと前記移動部とを制御する制御部と、を有する塗布装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットヘッドと塗布装置に関する。特に、医療用インクジェットヘッドと医療用塗布装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
再生医療の分野では、培養技術による皮膚や軟骨の形成が実用化され、将来的には心臓や肝臓等の重厚な臓器への進歩が期待されている。しかし、上記のような臓器等を形成しようと考えた場合、多種類の細胞をその位置を制御しながら播種しなければならない。そのうえに、さらに臓器は３次元構造をしているので、多量の細胞を３次元的に積層する必要がある。また、細胞は生きていなければならないため、細胞皿上に配置されてから一定期間以内に培養液を供給し培養させる必要があるため、３次元構造をある程度短時間で形成しなければならない。
【０００３】
現在、その３次元構造を形成するためのひとつのアプローチとして、インクジェットヘッドを活用した形成方法の検討が行われている。
【０００４】
細胞等を含んだ溶液を吐出して細胞培養を配列させる方法としては、圧電素子を利用してガラス細管内の微少な閉空間内の容積を変化させ、細胞を吸引・吐出させる方法がある（特許文献１）。また、最近ではインクジェットヘッドを活用した細胞吐出（特許文献２）も検討されている。
【０００５】
インクジェットヘッドを活用して細胞等の粒子を含む溶液（例えば、培養液）や試薬を吐出しようとすると、それらの液体の粘度は純水等に比べると高く、さらに細胞自身の比重も純水に比べると大きいために、同じ駆動電圧では吐出しにくくなり、結果的に高電圧で駆動せざるを得なくなる。
【０００６】
そこで、特許文献３のように、ノズル内中央部に加熱媒体を形成し、高粘度インクを直接加熱しながら、ノズル外周に配置された円筒型圧電素子により内径方向に駆動させることによりインク粘度を低下させ吐出させる方法が提案されている。
【０００７】
インク吐出液滴体積は、通常のインクジェットヘッドでは数ｐＬ〜数十ｐＬ程度が一般的である。しかし、本適用例のような医療用インクジェットヘッドの場合、ウェルケース等に吐出させて使用するため、必要とされる溶液体積の大きさがｎＬからｕＬ程度になるため、通常の１０００倍〜１０万倍程度の体積を吐出させることになる。
【０００８】
吐出体積を増加させるためには、ノズル穴径を大きくすることや圧電素子の変位量を増加させること、圧力室の体積を減少させることが必要である。
【０００９】
円筒型圧電素子を活用し、高粘度インクを吐出させるための従来のインクジェットヘッドの構成を図１５（ａ）、図１５（ｂ）の断面図で説明する。図１５（ａ）は垂直方向の断面図で、図１５（ｂ）は水平方向の断面図である。
【００１０】
図１５（ａ）に示すように、インクジェットヘッドは、インクを吐出するノズル穴１と、内部に形成された圧力室３を有するノズル２と、圧力室３の中央部に配置されている加熱媒体５と、ノズル２の外周に形成された圧電素子４と、その圧電素子４のさらに外周に配置された冷却機構６と、で構成される。また、図１５（ｂ）に示すように、それぞれの部材は同心円状に配置されている。圧電素子４は、円筒型の構造である。
【００１１】
圧力室３内に供給された高粘度インクが加熱媒体５により加熱され、インク粘度を減少させる。そこに、圧電素子４に駆動電圧を印加することで生じる圧電素子４の機械的歪みにより、圧力室３内のインクに圧力を加え、ノズル穴１からインク液滴を吐出するものである。
【００１２】
インクを加熱する方法として、ヘッド部全体やヘッドの一部を局所的に加熱する方法がある。しかし、圧電素子４の劣化や破壊を防止するために、圧電素子４の分極処理温度以下にしなければならない。このため、使用温度範囲は限定されている。本構成では、冷却機構６により圧電素子４の温度制御をしている。冷却機構６としては、空冷方式や水冷方式がある。
【００１３】
また、圧電素子４の駆動方式としてはＤ３３モードを使用している。このモードは本構成のようにノズル２を半径方向に中心部に圧力を加える場合には適当である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平３−２４７２６８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１−０９９２８７号公報
【特許文献３】特開２００８−１１９８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、細胞等の粒子を含む溶液や高粘度の試薬を吐出させる場合、その溶液を加熱して約３７℃以上にすると、細胞が死滅する。あるいは、試薬の特性が劣化してしまう。インク自身の粘度が低くできなければ、圧電素子４で加圧できない。
【００１６】
更に、吐出体積が従来のインクジェットヘッドの１０００倍〜１０万倍程度が必要であるため、ノズル２の変位量を増加させる必要がある。しかし、従来の方法では圧電素子４の駆動モードがＤ３３モードであるため、そもそも変位量の大幅な増加は見込めない。
【００１７】
さらに、変位量を増加させるために圧電素子４に高電圧をかけると、その駆動電力により圧電素子４自身の温度上昇が増加してしまう。このために、それを抑制するための冷却機構６が必要になる。
【００１８】
本発明の目的は、液を加温せずに、圧電素子を高温にせずに、液を多く吐出できるインクジェットヘッドと塗布装置とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために、インクを吐出するノズル穴を形成したノズルと、ノズルの外周部に設置された圧電素子と、圧電素子の両端面と接続されている複数のヒンジ部と、ヒンジ部の端部を固定している連結プレートと、連結プレートに圧力を印加するブロックと、を含むインクジェットヘッドを用いる。
【００２０】
また、上記インクジェットヘッドと、塗布対象物とインクジェットヘッドとを相対的に移動させる移動部と、インクジェットヘッドと移動部とを制御する制御部と、を有する塗布装置を用いる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、ノズルへの半径方向の変位量を増加させることができるため、細胞等を含んだ大液滴吐出を可能にすることができる。また、ノズルと円筒型圧電素子間に隙間を形成できるため、圧電素子から発生する熱を逃がすことが可能になり、薬液の温度上昇を抑制できる。さらに、ヒンジの先端部のみがノズルと接触することになるため、ノズル交換が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）〜（ｃ）本発明の実施の形態１におけるインクジェットヘッドの断面図
【図２】（ａ）〜（ｅ）本発明の実施の形態１におけるヒンジ部の拡大図
【図３】（ａ）〜（ｅ）本発明の実施の形態１におけるヒンジ部の拡大図
【図４】本発明の実施の形態２におけるインクジェットヘッドの概略図
【図５】（ａ）〜（ｅ）本発明の実施の形態２における圧力調整機構近傍の拡大図
【図６】（ａ）〜（ｃ）本発明の実施の形態３におけるヒンジ部の概略図
【図７】本発明の実施の形態４におけるヒンジ部の概略図
【図８】（ａ）〜（ｃ）本発明の実施の形態５におけるヒンジ部の概略図
【図９】（ａ）〜（ｇ）本発明の実施の形態６におけるインクジェットヘッドの断面図
【図１０】（ａ）〜（ｄ）本発明の実施の形態６におけるインクジェットヘッドの断面図
【図１１】（ａ）従来のノズルの変位前の断面図（ｂ）従来のノズルの変位後の断面図
【図１２】（ａ）〜（ｂ）本発明の実施の形態７におけるノズルの断面図
【図１３】（ａ）〜（ｃ）本発明の実施の形態８におけるヒンジ部の断面図
【図１４】本発明の実施の形態９における塗布装置の断面図
【図１５】（ａ）〜（ｂ）従来のインクジェットヘッドの断面図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明の実施例を挙げ、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１（ａ）と図１（ｂ）は、本発明の実施の形態１におけるインクジェットヘッドの概略図である。図１（ａ）は垂直方向の断面図で、図１（ｂ）は水平方向の断面図である。図１（ａ）と図１（ｂ）において、従来の図と同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明は省略する。
【００２５】
＜構成＞
実施の形態１のインクジェットヘッドは、最小限度として、インクを吐出するノズル穴１と、ノズル穴１を形成したノズル２と、そのノズル２の外側に設置された圧電素子４と、圧電素子４の両端面で接続されている複数のヒンジ部８と、を含む。
【００２６】
さらに、ノズル２のノズル穴１と反対方向に配置されノズル２の内径よりも小さい内径をもつインク供給口７と、複数のヒンジ部８の端部間を連結する連結プレート９と、ヒンジ部８の可動範囲を規制するブロック１０と、をさらに含むことが好ましい。ノズル２は、円筒型が好ましい。
【００２７】
＜概略プロセス＞
次に、実施の形態１のインクジェットヘッドの動作手順を説明する。まず細胞等の粒子を含んだ溶液をインク供給口７からノズル２内部に形成された圧力室３へ注入する。一定期間後、注入された溶液により圧力室３内部が充填される。
【００２８】
その後、インク供給口７は開口したままで、圧電素子４に駆動電圧を印加させ、圧電素子４を駆動させる。圧電素子４は複数の誘電体層で形成されており、それらの誘電体層に電圧を印加させることで変形させることができる。圧電素子４の駆動方式はＤ３１モードを選択し、垂直方向での大きな変位量を確保している。
【００２９】
さらに、本実施形態の特徴であるヒンジ部８を活用することで、垂直方向の変位量を水平方向（ノズル２の半径方向）に変換するだけでなく、変位量自体を拡大することが可能になる。その変位量によりヒンジ部８の先端部でノズル２の側壁を半径方向で前後させ圧力室３の溶液に圧力を伝播することができる。
【００３０】
ここでは、例として、圧力室３の直径は１ｍｍ〜３ｍｍで、長さは１０ｍｍ〜２５ｍｍ程度、ノズル穴１の直径は数１００ｕｍ程度である。
【００３１】
＜詳細プロセス＞
前述したように、注入された溶液により圧力室３内が充填され、溶液が吐出されると、さらに、インク供給口７から溶液が注入される。ノズル２内にその直径より小さい径のインク供給口７が形成され、絞り構造になっているため、溶液に伝播した圧力で、ノズル穴１の方向へインクが押し出されることになる。
【００３２】
ヒンジ部８の動作について図２（ａ）〜図３（ｅ）を用いて説明する。実施の形態１におけるヒンジ部８（図１（ａ））の拡大図である。図２（ａ）〜図２（ｄ）、図３（ａ）〜図３（ｄ）では、インクジェットヘッドの一部分を示している。
【００３３】
ヒンジ部８はヒンジ部Ａ２１と、その両側にあるヒンジ部Ｂ２２と、さらにその両側にあるヒンジ部Ｃ２３と、それぞれのヒンジ部Ａ２１、ヒンジ部Ｂ２２、ヒンジ部Ｃ２３間を、それぞれ接続している繋ぎ部２４で形成されている。
【００３４】
図２（ａ）に示すように、圧電素子４にプラスの駆動電圧を印加すると圧電素子４は垂直方向で外側方向に変形する。
【００３５】
図２（ｂ）に示すように、圧電素子４が変形することにより、その両端で接続されたヒンジ部Ｃ２３をさらに外側へ変位する。
【００３６】
図２（ｃ）に示すように、ヒンジ部８の両端にあるヒンジ部Ｃ２３が外側へ広がれば、ヒンジ部Ｂ２２が外周方向（圧電素子４の側）へ、ヒンジ部Ａ２１が内周方向、つまりノズル２側へ変位するようにヒンジ部８は設計されている。
【００３７】
図２（ｄ）に示すように、ヒンジ部Ａ２１の先端部はノズル２側壁部を半径中心方向へ変形させる。ノズル２の内壁で溶液に圧力を加えることになり、最終的には図２（ｅ）に示すように、ノズル穴１より液滴を吐出させることができる。
【００３８】
通常、圧電素子４へは交流電圧を印加して、ヒンジ部８を動作させている。プラス電圧を印加した場合は上述したように図２（ａ）から図２（ｅ）に示す順番で動作する。
【００３９】
次にマイナス電圧がかかった場合は、先ほどとは逆の順番で動作する。逆の動作を図３（ａ）から図３（ｅ）に示す。
【００４０】
図３（ａ）に示すように、圧電素子４は垂直方向で内側に変形する。
【００４１】
次に、図３（ｂ）に示すように、圧電素子４の両端で接続されたヒンジ部Ｃ２３は内側へ変位し、元の位置に戻る。図３（ｃ）に示すように、ヒンジ部Ｃ２３が内側へ変位すれば、ヒンジ部Ｂ２２は内周方向（ノズル２側）へ、ヒンジ部Ａ２１は外周方向、つまり圧電素子４側へ変位し、元の位置に戻る。それに伴って、図３（ｄ）に示すように、ノズル２の外壁が元の位置へ変位する。その結果、図３（ｅ）に示すように、圧力室３の容積が膨張し負圧状態になるため、インク供給口７から新しいインクが供給される。図２（ａ）から（ｊ）までの一連の動作を順次繰り返すことにより連続吐出をすることができる。
【００４２】
圧電素子４は、その両端面でヒンジ部８と連結されているが、一方の面のみでもよい。圧電素子４の変位が、ヒンジ部８へ伝達されればよい。その例を図１（ｃ）に示す。動作は上記と同様である。ヒンジ部と圧電素子４が、連結プレート９に接続されている。
【００４３】
インク供給口７は、ノズル２へインクを供給する口であるが、ノズル穴１から、インクを供給してもよい。よって、必須の構成要素でない。
【００４４】
ノズル２は、円筒型が好ましいが、方形の柱状体でもよい。
【００４５】
連結プレート９は、ヒンジ部Ｃ２３の位置を固定し、さらに、複数のヒンジ部８で構成される場合は、それらのヒンジ部８を同時に両側から固定することになる。すなわち、複数のヒンジ部８を１つの連結プレート９で固定している。また、連結プレート９は上下にある必要はなく、どちらにあればよい。
【００４６】
ブロック１０は、ヒンジ部の可動範囲を規制するものであるが、その連結プレート９を保持するものでもある。ブロック１０の位置は変化せず、連結プレート９からの圧力を受け止める役割をしている。
【００４７】
なお、連結プレート９を配置することは好ましい、無くともよい。ブロック１０でヒンジ部Ｃ２３を受けとめることができる。
【００４８】
＜効果＞
かかる構成によれば、ヒンジ部８の変位量は、数ｕｍ〜数百ｕｍに制御できるため、直径１００ｕｍ程度の大液滴を吐出することができる。
【００４９】
本実施の形態では圧電素子４とノズル２の間に空隙を設けることにより圧電素子４で発生した熱量を直接、ノズル２に伝導させることを防止でき、かつ、放熱もできる。
【００５０】
＜ノズル２の交換＞
次にノズル２の交換について説明する。
【００５１】
図１（ｂ）を参照すると、３つのヒンジ部８が形成されており、その中央部にノズル２が挿入されている。この場合、ヒンジ部８の先端部のみがノズル２の側壁部と接触し、その位置関係でノズル２を保持している。溶液の交換等でノズル２を交換する場合はブロック１０の中央部に形成された穴を介して、ノズル穴１と反対の方向（上方）に、ノズル２を引き抜き、新しいノズル２を上方から挿入する。
【００５２】
かかる構成によれば、ノズル２の内径が一定でノズル２の外形がテーパ形状であれば、常に同じ高さまでノズル２が挿入されることになるため、ノズル２の交換も安定して容易に実施できる。
【００５３】
＜ノズル２＞
ノズル２の先端部に存在するノズル穴１の直径は、圧力室３の内径よりも小さく、またテーパ形状になっていることが好ましい。この形状にすることにより、ヒンジ部８で押し出された溶液の圧力がノズル穴１方向へ順調に伝播していくことが可能になる。ノズル２の形状としてその内部は円筒型をしていることが望ましい。ノズル２の材質としては、ガラスやポリイミド等の樹脂だけでなく、ＳＵＳやＡｌ等の金属でも構わない。ただし、ガラスの場合は、大きく変位させると、破損するので、限られた範囲での変位とする。
【００５４】
ノズル２の材質がガラスや金属の場合、ヒンジ部８による変形量は樹脂と比較して減少する。しかし、ノズル２内での圧力ロスが減少するため、ヒンジ部の駆動エネルギーがノズル２の内部のインクに加えることができる。このため液滴を吐出させることは可能である。
【００５５】
＜ヒンジＡ２１、ヒンジＢ２２、ヒンジＣ２３の配置、ヒンジの構造＞
また、図１（ｂ）のように３つの点対称位置にヒンジ部８を構成すると、円筒型のノズル２に対して周囲から均一に圧力が印加出来るため、ノズル２の位置を保持しながら効率よく圧力を加えることが可能になる。
【００５６】
さらに、ノズル２交換時にノズル２がまっすぐ垂直方向に挿入されなかった場合でも、ヒンジ部８先端部でノズル２の挿入姿勢を補正することができる。本実施の形態では、３つのヒンジ部８で構成されていたが、４つ以上でも構わない。
【００５７】
他の押し方として、左右２方向から押す構造も考えられる。しかし、この場合は押す方向は対称的になるが、ノズル２側面を押された力が横方向に逃げることにより吐出効率が減少する。さらに、その方向へ吐出角度がずれることが考えられる。さらに、２つのヒンジ部８ではノズル２自身の位置決めができない。
【００５８】
ノズル２に、ヒンジ部８（ヒンジ部Ａ２１）の先端を接触させて駆動させる場合、ノズル２自身の磨耗量が大きく、連続的に吐出できないことが考えられる。
【００５９】
しかし、図１（ａ）、図１（ｂ）のようにヒンジ部８（ヒンジ部Ａ２１）の先端形状は円弧形状であれば、ノズル２表面での削れ量が減少でき、長期的な大液滴吐出を実現できることになる。ヒンジ部８の材質はＳＵＳ等の金属や、ＰＥＥＫやＰＥＴ等の樹脂でも構わない。さらに、ノズル２の磨耗性を考慮すると、ヒンジ部８の材質はノズル２の材質と同じであってもよい。
【００６０】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２におけるインクジェットヘッドの概略図である。ヒンジ部８の両端を固定する連結プレート９と、複数のヒンジ部８を同時に固定するブロック１０の間に圧力調整機構１１が複数挿入されている。記載しない事項は実施の形態１と同様である。
【００６１】
図５（ａ）〜図５（ｅ）は、本発明の実施の形態２における圧力調整機構１１近傍の拡大図である。図５（ａ）で、ヘッド組立て前は、皿バネ等の圧力調整機構１１はブロック１０により加圧されていないため、バネはつぶれておらず、連結プレート９を介してヒンジ部Ｃ２３へ下方向の力が加わっていない（図５（ａ））。
【００６２】
その後、図５（ｂ）に示すように、ブロック１０を下方向へ押し付ける（加圧する）ことにより圧力調整機構１１は変形し、ヒンジ部Ｃ２３に圧力をかけることができる。圧電素子４に限らず、圧電素子４の特性として素子両端に圧力を印加することによりその変位量を変化することが可能である。このことから、ブロック１０の押し込み量で圧力調整機構１１のつぶれ方を変化させることにより圧電素子４の変位量を変化させることができる。
【００６３】
かかる構成によれば、圧電素子４の両端面の押し付け力を制御することにより、ノズル２へのヒンジ変位量を制御することが可能になる。また、圧力調整機構１１とヒンジ部８の端部との間に、すべてのヒンジ部８端面に接触するドーナツ型（円筒型）の連結プレート９を挿入することにより、すべてのヒンジ部８に均一な圧力を印加することが可能になる。このため、結果として大液滴を吐出することができる。また、実施の形態１と同様に、ノズル２と圧電素子４間に隙間を形成できるため、圧電素子４から発生する熱を逃がすことが可能になり、インクの温度上昇を抑制できる。
【００６４】
本実施例では、圧力調整機構１１として、皿バネで説明したが、ゴム等の弾性体やコイルバネでも構わない。
【００６５】
また、複数のヒンジ部Ｃ２３上に配置された連結プレート９の厚みが異なる場合（図５（ｃ））やブロック１０自体が傾いた状態で連結プレート９に接している場合（図５（ｄ））、この圧力調整機構１１がなければ、それぞれのヒンジ部Ｃ２３に均一に圧力を加えることができなくなり、結果として同等のヒンジ変位量を確保することが困難になる。
【００６６】
なお、本実施例ではヒンジ部８の両端に連結プレート９を配置したが、片方だけでも構わない。図５（ｅ）のように、圧力調整機構１１を２重に配置しても構わない。
【００６７】
（実施の形態３）
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、本発明の実施の形態３におけるヒンジ部の先端の概略図である。
【００６８】
実施の形態１ではヒンジ部８（ヒンジＡ２１）の先端形状は曲率を持った曲面で形成されているが、本実施例のようにインク供給口側のヒンジ部１２の幅が広くなり、ノズル穴に向かってその幅が狭くなるようなテーパ形状になっていても構わない。その他、記載しない事項は、実施の形態１と同様である。
【００６９】
まず、本発明の実施の形態３における動吐出動作を図６で説明する。
【００７０】
＜動作＞
図６（ａ）はヒンジ部１２が、まだ、ノズル２の側壁に押し付けられていない状態を示す。その後、圧電素子４に電圧を印加することによりヒンジ部１２をノズル２側壁側に変位させると、まず始めに、ヒンジ部１２の上端がノズル側壁を押し付ける（図６（ｂ）。その結果、圧力室３内部に新たに絞り部１３が形成される（図６（ｃ））その後、さらにヒンジ部１２を押すことにより圧力室内部のインクに圧力を加えることができる。しかし、新たに形成された絞り部１３により圧力室３上方に逃げる圧力が抑制されるため、加えられた圧力の大部分がノズル穴１方向に加わり、吐出効率を向上させることができる。
【００７１】
＜効果＞
かかる構成によれば、ヒンジ部１２の変位量が大きくなくても、大液滴を吐出することができる。さらに、本実施例１と同様に、ノズル２と圧電素子４間に隙間を形成できるため、圧電素子４から発生する熱を逃がすことが可能になり、インクの温度上昇を抑制できる。本実施例では図示していないが、インク供給口７に圧力が逃げないように配置されているが、このヒンジ部１２で新たに形成された絞りの効果が十分であれば、内径の小さいインク供給口７がなくても構わない。
【００７２】
また、これらのテーパ角度は溶液の粘度や含有される細胞等の粒子の種類や大きさ、圧電素子の駆動電圧等により最適な値があることはいうまでもない。
【００７３】
（実施の形態４）
図７は本発明の実施の形態４におけるヒンジ部１６の概略図である。実施の形態３では、ヒンジ部１２の先端形状がインク供給口側のヒンジ部１２の幅が広くなり、ノズル穴に向かってその幅が狭くなるようなテーパ形状になっていた。しかし、本実施の形態のようにインク供給口側のみ幅が狭くなっていても構わない。つまり、ヒンジ部１６がノズル２と接触する部分は、階段状の形状である。ヒンジ部１６は、各段に応じて、ノズル２を変形させる。その他、記載しない事項は、実施の形態１と同様である。
【００７４】
この構造でも、実施の形態３で説明したように、新たな絞り部１３を形成することにより上方への圧力の逃げ量を減少させ、吐出効率を向上させることができる。
【００７５】
かかる構成によれば、ヒンジ部１６の変位量が大きくなくても、大液滴を吐出することができる。これらのインク供給口側の幅とノズル穴１側の幅の差は溶液の粘度や含有される粒子の種類や大きさ、圧力室の形状、圧電素子の駆動電圧等により最適な値があることは言うまでもない。
【００７６】
（実施の形態５）
図８（ａ）〜図８（ｃ）は本発明の実施の形態５におけるインクジェットヘッドのヒンジ部の概略図である。
【００７７】
実施の形態３，４では同一のヒンジ部の中でインク供給口側とノズル穴１側の形状を変えることで新たな絞り部を形成したが、本実施の形態のようにヒンジ部を複数形成しても構わない。
【００７８】
この構造では、新たな絞り部を形成するために第１ヒンジ部１４を、圧力室３に圧力を印加させるために第２ヒンジ部１５を配置している（図８（ａ））。動作タイミングとしては、まず図８（ｂ）に示すように、第１ヒンジ部１４を先に変位させ、絞り部１３を形成するその後、図８（ｃ）に示すように、第２ヒンジ部１５を変位させ液滴を吐出させる。
【００７９】
その後、第１ヒンジ部１４への駆動電圧をゼロにすることにより、第１ヒンジ部１４を元の位置に戻す。そうすると、ノズル２のインク供給口より新たな溶液が供給される。そして最後に、図８（ａ）に示すように、第２ヒンジ部１５を元の位置に戻しましたその後は、これらの動作の繰り返しになる。このようにそれぞれのヒンジ部の動作を独立させることにより、絞り部１３の収縮量や収縮タイミング、第１ヒンジ部１４の変位量や吐出タイミングを制御することができる。
【００８０】
この構造でも、実施の形態３、４で説明したように、新たな絞り部１３を形成することにより上方への圧力の逃げ量を減少させ、吐出効率を向上させることができる。
【００８１】
かかる構成によれば、第２ヒンジ部１５の変位量が大きくなくても、大液滴を吐出することができる。第１ヒンジ部１４や第２ヒンジ部１５の先端形状や大きさは、溶液の粘度や含有される粒子の種類や大きさ、圧力室の形状、圧電素子の駆動電圧や駆動タイミング等により最適な値があることは言うまでもない。
【００８２】
なお、本実施例では２段のヒンジ部が設置されているが、３段以上でも構わない。さらに、第１ヒンジ部１４はテーパ形状をしているが直線でも構わない。
【００８３】
（実施の形態６）
図９（ａ）から図９（ｇ）は本発明の実施の形態６におけるインクジェットヘッドの概略図である。その他、記載しない事項は、実施の形態１と同様である。
【００８４】
実施の形態１では、図１（ａ）で示すように、ノズル２上部に別部材を挿入し、インク供給口７を配置しているが、図９（ａ）に示すようにインク供給口７を配置せずにキャップ２５を配置しても構わない。インク供給はノズル２上方からではなく、ノズル穴１から実施する。
【００８５】
実施の形態６におけるインクジェットヘッドの動作手順を説明する。
【００８６】
まず、図９（ｂ）に示すように、圧電素子４に駆動電圧を印加しヒンジ部８をノズル２側に変位させることにより圧力室３の容積を減少させ、ノズル２内部を負圧状態にする。その後、図９（ｃ）に示すように、インクの入った試験管やシャーレ等の容器２６上にノズル２を移動させノズル２の先端を下降させる。そのあと、図９（ｄ）に示すように、ノズル穴１を容器２６に入っているインクＡ２７中にノズル穴１を挿入する。
【００８７】
次に、図９（ｅ）に示すように、圧電素子４に印加されている駆動電圧をゼロ或いは逆電圧を印加することによりヒンジ部８を元の位置或いはさらに外周方向へ変位させ、圧力室３の容積を増加させてインクＡ２７を容器２６からノズル２内に吸引する。次に、図９（ｆ）に示すように、その状態のままノズル２を上昇させる。その後、吐出ステージ２８上にノズル２を移動させ、図９（ｇ）に示すように、再度、圧電素子４に駆動電圧を印加することによりインクを吐出することができる。
【００８８】
かかる構成によれば、インク供給口にインクを導入するチューブ等がなくても圧電素子４の駆動のみでインクの供給と吐出を実現することが可能になる。さらに、圧電素子４内部にキャップ２５を配置したノズル２を挿入する構造にできるため、吐出動作終了後等のヘッド交換をさらに容易にすることができる。また、インク導入するためのチューブ等がないため、インクを充填しておくべき容積が極端に減少するため、試薬の使用効率向上にもつながる。
【００８９】
また、本実施例ではキャップ２５を配置してノズル２上方からのインクの出入りを制限したが、図１０（ａ）に示すような圧力調整口２９を介して圧力室３の圧力を制御することにより、圧電素子４のヒンジ部Ａ２１を外周方向に変位させた後に、ノズル２上方に発生する空気だまりを除去し、インク吐出時の吐出効率をあげることができる。
【００９０】
具体的な動作を、図１０（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。本発明の実施の形態５と同様に、図１０（ａ）に示すように、ヒンジ部Ａ２１を外周方向へ変位させることによりインクＡ２７をノズル穴１からノズル２内に吸引する。
【００９１】
その後、図１０（ｂ）に示すように、さらに圧力調整口２９を負圧にし、インクＡ２７をノズル２上方に吸引することによりノズル２上部に発生していた空気だまりを除去する。空気だまりを除去することにより、ヒンジ部Ａ２１の変位で与えられた圧力が空気だまりにより吸収されることを防止することが可能になり、結果として効率のよい吐出が可能になる。
【００９２】
その後、図１０（ｃ）に示すように、圧力調整口２９を負圧に維持したまま、ノズル２を上昇させる。
【００９３】
続いて、図１０（ｄ）に示すように、別の場所に配置されている吐出ステージ２８上にノズル２を移動し、その後、ヒンジ部Ａ２１を変位させてノズル穴１よりインクを吐出する。
【００９４】
基本動作としては図１０（ａ）から図１０（ｄ）までを繰り返して実施されるが、１回のインク供給に対して複数回吐出動作をさせても構わない。但し、２回目のインク吐出以降は、吐出インク量が減少或いは不吐出になることが考えられる。その場合、圧力調整口２９での圧力を調整することにより吐出インク量を一定にすることができる。具体的には、吐出回数が増えるにつれて圧力調整口２９での圧力を増加させていくことで、ノズル２内の圧力を調整することができ、ヒンジ部Ａ２１の変位による圧力を効率的にノズル方向へ伝えることが可能になる。
【００９５】
なお、実施の形態６において、１段のヒンジ部が設置されているが２段以上でも構わない。また、それぞれのヒンジ部の役割としてインク供給用やインク吐出用と用途を分けて設置しても構わない。また、本実施例では圧電素子４の駆動電圧によるヒンジ部Ａ２１を変位させることによりインクＡ２７の吸引を実施していたが、圧力調整口２９からノズル２を介してノズル穴１よりインクＡ２７を吸引しても構わない。
【００９６】
（実施の形態７）
図１１は、本発明の実施の形態１におけるインクジェットヘッドのノズルの断面図である。図１１（ａ）はノズル２がヒンジ部に変形される前で、図１１（ｂ）は変形された後の状態を示している。ＰＰ等の樹脂で形成された同一厚みを持ったノズル２に対して、点対称に配置されたヒンジ部８で３方向からノズル２を変形させている。ノズル２の厚みにも関係するが、ヒンジ部８の先端部で圧力を加えられた部分はそれにならって凹んでいくが、そのすぐ近傍部分は押しこまれた樹脂が周辺へ逃げようとするため、図１１（ｂ）に示すように局部的に盛り上がってしまうことが考えられる。さらに、このように盛り上がりが発生すると、ヒンジ部８より伝達されたエネルギーがノズル２を変形させるエネルギーとして消費してしまい、肝心なインク液滴への圧力伝播エネルギーが少なくなる。
【００９７】
そこで、本発明の実施の形態７では、図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すようにヒンジ部８に押される部分の周辺のノズル厚みを増加させている。例えば、図１２（ａ）のように外形は３角形で内側は断面が円形のノズル２を形成すると、ヒンジ部８で変形される部分のみノズル厚みが薄いためノズルの変形が容易にできる。一方、その周辺部はノズル２厚みが厚いため、変形は起こりにくくなり、結果として大液滴を吐出することが可能になる。さらに、全体の変形量が小さくなるため、ノズルの寿命も長期化することが考えられる。
【００９８】
かかる構成によれば、ヒンジ部８と接触する領域以外のノズル２の厚みを増加することにより、吐出効率が向上するため大液滴吐出が可能になる。
【００９９】
また、ノズル２の形状は３角形ではなく４角形以上でも構わない。さらに、図１２（ｂ）のように外形が４角形で、その内部に円筒形の圧力室を形成し左右２箇所からヒンジ部で駆動させても構わない。
【０１００】
（実施の形態８）
図１３（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施の形態８におけるヒンジ部の断面図である。図１３（ａ）は水平方向の断面図で、図１３（ｂ）、（ｃ）は垂直方向の断面図である。その他、記載しない事項は、実施の形態１と同様である。
【０１０１】
実施の形態７では図１２（ａ）で示すように、ノズルの断面形状を変更させているが、本実施例のようにヒンジ部８の形状を変化させてもよい。
【０１０２】
具体的には、図１３（ａ）に示すように、ヒンジ部８の先端形状をノズル２よりも大きな曲率を持った曲面にしても構わない。この構造では、ヒンジ部８の先端とノズル２の接触面積を増加させることができ、１点にかかる圧力を減少させることが可能になる。その結果、ノズル２自身の変形量は抑制され大液滴を吐出することが可能になる。さらに、変形量が小さくなるため、ノズルの寿命も長期化することが考えられる。
【０１０３】
かかる構成によれば、ノズル２と接触するヒンジ部８の形状をノズル２の曲率より大きな曲率にすることにより、吐出効率が向上するため大液滴吐出が可能になる。
【０１０４】
また、図１３（ｂ）のように、垂直方向の断面形状で曲率を増加させる、或いは先端部のみ平面にしても構わない。さらに、図１３（ｃ）のように、ノズル２がテーパ形状を持っている場合、ヒンジ部８の形状としてインク供給口側はヒンジ幅が小さく、ノズル穴側はヒンジ部幅が増加したものにしても構わない。さらに前述したように、ヒンジ部８の先端形状のＲ部の曲率が小さくなると、ノズル２にヒンジ部８を押し付ける際の圧力が増加し、特にノズル２が樹脂等で形成された場合はその磨耗量が増加し、その結果、安定的な吐出状態を継続しにくくなると考えられる。
【０１０５】
かかる構成によれば、ヒンジ部８とノズル２の接触面積が増加するため、ノズル２の磨耗量が減少し、ノズルの長寿命化が可能になる。これらのヒンジ部の構造は、吐出インク種類やノズルの厚みやテーパ角等の構造、ヒンジ部の押し位置や圧電素子の駆動電圧等により最適な値があることは言うまでもない。
【０１０６】
（実施の形態９）
図１５は本発明の実施の形態９における塗布装置の断面図である。インクジェットヘッドとして、実施の形態１のインクジェットヘッドを用いている。インクジェットヘッドを固定し、移動機構３３で対象物３２を移動させ、インクジェットヘッドから液を対象物へ塗布する。インクジェットヘッドは、液を供給するタンク３１を有する。制御装置３５により、インクジェットヘッド、移動機構３３が制御され、対象物３２へ液が塗布される。インクジェットヘッドは、実施の形態１〜８のいずれかを用いることができる。移動機構３３で対象物３２を移動させているが、インクジェットヘッドと対象物が相対的に移動できればよい。
【０１０７】
＜なお書き＞
実施の形態は、組み合わせることができる。圧電素子４とヒンジ部との間に第３の部材を配置してもよい。圧電素子４の変位が、ヒンジ部へ伝達されればよい。ヒンジ部は上記に例だけでなく、上下の変位を左右へ変えれる構造ならよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明の細胞の３次元組織化装置は再生医療や創薬開発、動物実験の代替に利用可能である。特に、産業としては、心臓や肝臓等の臓器や角膜や皮膚の治療として活用される細胞シートを作製する装置、或いは創薬開発時の開発期間短縮を実現する少量試薬滴下装置として利用できる。
【符号の説明】
【０１０９】
１  ノズル穴
２  ノズル
３  圧力室
４  圧電素子
５  加熱媒体
６  冷却機構
７  インク供給口
８  ヒンジ部
９  連結プレート
１０  ブロック
１１  圧力調整機構
１２  ヒンジ部
１３  絞り部
１４  第１ヒンジ部
１５  第２ヒンジ部
１６  ヒンジ部
２１  ヒンジ部Ａ
２２  ヒンジ部Ｂ
２３  ヒンジ部Ｃ
２４  繋ぎ部
２５  キャップ
２６  容器
２７  インクＡ
２８  吐出ステージ
２９  圧力調整口
【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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【図１４】
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【図１５】
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