JP2004226321A

JP2004226321A - Droplet discharge head, dispenser, method for producing them, and method for producing biochip

Info

Publication number: JP2004226321A
Application number: JP2003016525A
Authority: JP
Inventors: Shuji Koeda; 周史小枝; Fumio Takagi; 富美男高城
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】できるだけ小型化を図りつつ、有効な吐出が行えるような構成の液滴吐出ヘッド等を得る。
【解決手段】供給路２０１から供給される溶液４００を貯めるためのリザーバ２２と、オリフィス１３を介してリザーバ２２に貯められた溶液４００が供給され、また外部からの力により少なくとも一部分が形状変化する吐出室２１と、吐出室２１の形状変化による室内の圧力変化により溶液４００体を吐出するノズルＡとを少なくとも備えた液滴吐出ヘッドにおいて、リザーバ２１内の溶液４００が気体と接するように、リザーバ２２を構成する。
【選択図】図１An object of the present invention is to provide a droplet discharge head or the like having a configuration capable of performing effective discharge while miniaturizing as much as possible.
A reservoir (22) for storing a solution (400) supplied from a supply path (201), and a solution (400) stored in the reservoir (22) are supplied through an orifice (13), and at least a part of the shape is changed by an external force. In a droplet discharge head including at least a discharge chamber 21 and a nozzle A that discharges the solution 400 by a pressure change in the chamber due to a change in the shape of the discharge chamber 21, the solution 400 in the reservoir 21 is in contact with a gas so that the solution 400 in the reservoir 21 comes into contact with gas. 22.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液滴吐出ヘッド等に関するものである。特に、例えば主に生体分子の反応検査、生体分子のチップ（バイオチップ）の製造の用途等に利用するヘッドの加工を中心とするものである。
【０００２】
【従来の技術】
液滴吐出方式（インクジェット方式）による印刷等の記録をする装置では、インク等の液体を付着させる位置を制御しながら、液滴吐出用のヘッド（吐出される液体はインクに限られないので、ここでは、インクジェットヘッドの代わりに液滴吐出ヘッドという言葉を用いる）から液滴を吐出し、印刷を行う。
【０００３】
液滴吐出方式には、液を加熱して気体（バブル）を発生させた圧力によって液滴を吐出させる方法もあるが、ここでは、ノズルから吐出させる液体を貯めておく吐出室の、少なくとも一面の壁を撓ませて形状が変化するようにしておき、撓みにより吐出室内の圧力を高め、ノズルから液滴を吐出させる方法について説明する。吐出室を撓ませるための加圧方式として圧電方式と静電方式がある（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、近年、液滴吐出方式は、印刷の記録等だけでなく様々な分野の用途に用いられている。その１つにバイオテクノロジー（生体化学）分野への利用がある。バイオテクノロジーでは、ＤＮＡ検査、抗体検査等が利用され、遺伝的な疾患の治療、防止等が実用化され始めている。これらの検査では、少量多種の生体分子と検体とを反応させる必要がある。このため、複数の塩基、蛋白質の生体分子をチップ（マイクロアレイともいう）上に配置したいわゆるバイオチップが用いられている。液滴吐出ヘッドは、バイオチップを製造したり、生体分子を注入等するディスペンサ（ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ：又はスポッタ（ｓｐｏｔｔｅｒ）ともいう）と呼ばれる装置に用いられる。例えば、スポッタの場合、従来はピンヘッドを用い、塩基や蛋白質をチップに貼り付けていたが、ピンヘッドの移動、洗浄等の工程を複数回必要とするため製造時間を要する。そのため、液滴吐出ヘッドを用いて液体を吐出する。チップ上にマトリクス状に設けられたスポットに、ＤＮＡ（ＤｅｏｘｙｒｉｂｏＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄｓ：デオキシリボ核酸）、蛋白質（プロテイン）等の生体分子の断片（プローブ）等が含まれた溶液（以下、単に溶液という）を吐出し、貼付けて固化させる。液体吐出方式は、多種の液体を一度に吐出することができるので、このような用途には都合がよい（特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−５７９６６号公報
【特許文献２】
特開平１１−９９０００号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような装置は、少量の溶液をチップ等に吐出できればいいので、できるだけ小型化できることが望ましい。しかしながら、せいぜい６色程度のインクを供給すれば事足りるプリンタとは違い、数十種類の溶液を各々のノズルから吐出する必要がある。そのため、その分の溶液を貯蔵するタンク数が必要となる。タンクは各吐出室の幅よりも広いので、そのためのレイアウトを行い、各溶液を独立したタンクから導くとすると、ヘッドの吐出を行うための駆動部分（以下、ヘッド本体という）に至るまでの供給路（流路）が、その溶液量に比して長くなってしまう。そのため、流路抵抗と慣性が増大し、供給路からヘッド本体に供給される溶液の流量が制限される。幸い、ディスペンサとして用いる場合には、バイオチップの搬送、アライメント等に時間を要するので、印刷用途に比べると駆動周波数が低く、供給量も少なくてよい。ただ、このままだと、ノズルとオリフィスとの間の流路パラメータによる関係がアンバランスになってしまい、吐出ができなくなってしまう場合がある。抵抗と慣性を下げるには供給ロ断面を大きくすればよいが、これではヘッドも大型化してしまい、当初の目的を達成できなくなる。
【０００７】
そこで、本発明ではこのような問題を解決するため、できるだけ小型化を図りつつ、有効な吐出が行えるような構成の液滴吐出ヘッド等を得ることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、供給路から供給される吐出液体を貯めるためのリザーバと、細溝を介してリザーバに貯められた吐出液体が供給され、また外部からの力により少なくとも一部分が形状変化する吐出室と、吐出室の形状変化による室内の圧力変化により吐出液体を吐出するノズルとを少なくとも備えた液滴吐出ヘッドにおいて、リザーバ内の吐出液体が気体と接するように、リザーバを構成するものである。
本発明においては、リザーバ内の吐出液体が気体と接するようにリザーバを構成し、気体が圧力に対して膨張収縮が大きく、コンプライアンスとなり得ることを利用して、流路抵抗、慣性の振動特性への影響を少なくする。したがって、吐出液体量に対して供給路を長く構成しても流路抵抗、慣性が振動特性に影響しなくなり、吐出液体の供給をスムーズに行うことができる。そのため、小型化を図るために、多種の吐出液体をヘッド上に設ける場合に、やむを得ず供給路が長くなっても、安定した吐出を確保することができる。これにより、吐出に必要な量が吐出室に供給される時間は多少長くなるものの、例えば、生体分子を含む溶液を吐出してバイオチップを製造するような用途では、ヘッドの位置調整等に時間を考えれば、許容できる時間である。
【０００９】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、リザーバと連通する位置に気体を固定させておくための空気室を設けたものである。
本発明においては、気体が吐出室に入り込まないように、気体を固定させておくための空気室を設ける。したがって、吐出室に入り込んで、液体を吐出をしようとするための圧力変動までも吸収してしまうことがなく、安定した液体の吐出を図ることができる。
【００１０】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、空気室の一部を撥水処理又は撥水材料で構成する。
本発明においては、吐出液体が空気室に侵入しないように、空気室の一部を撥水処理又は撥水材料で構成する。したがって、圧力変動、毛細管現象等により、液体が空気室に入り込むことがなくなる。
【００１１】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、空気室と外部とを連通させるための孔を設ける。
本発明においては、外部からの処理により吐出液体を空気室から排出できるように孔を設けておく。したがって、万が一、空気室に吐出液体が入り込んだ場合でも、吐出液体を空気室から排出することができる。
【００１２】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの空気室の径は、ノズルの径よりも広くする。
本発明においては、空気室におけるメニスカスの変動を少なくするために、ノズルの径よりも広くする。したがって、圧力変動に対しても安定してダンパとしての役割を果たすことができる。
【００１３】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、供給路から供給される吐出液体を貯めるリザーバと、細溝を介してリザーバに貯められた吐出液体が供給され、また外部からの力により少なくとも一部分が形状変化する吐出室と、吐出室の形状変化による室内の圧力変化により吐出液体を吐出するノズルとを少なくとも備えた液滴吐出ヘッドにおいて、リザーバの少なくとも一部が、吐出液体による圧力変化に基づいて形状変化するものである。
本発明においては、リザーバの少なくとも一部が、吐出液体による圧力変化に基づいて形状変化することでコンプライアンスとなり、圧力変動を調整して流路抵抗、慣性の振動特性への影響を少なくする。したがって、供給路を長く構成しても流路抵抗、慣性が振動特性に影響しなくなり、吐出液体の供給をスムーズに行うことができる。そのため、小型化を図るために、多種の吐出液体をヘッド上に設ける場合に、やむを得ず供給路が長くなっても、安定した吐出を確保することができる。これにより、吐出に必要な量が吐出室に供給される時間は多少長くなるものの、例えば、生体分子を含む溶液を吐出してバイオチップを製造するような用途では、ヘッドの位置調整等に時間を考えれば、許容できる時間である。
【００１４】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、リザーバの少なくとも一部を、ダイヤフラムの機構とするものである。
本発明では、リザーバの一部を薄膜で構成し、ダイヤフラム機構とする。したがって、圧力変動を調整して、安定した吐出を行うことができる。
【００１５】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、吐出液体を貯めるタンク、タンクに貯められた吐出液体をリザーバに供給する供給路、リザーバ、吐出室及びノズルを少なくとも備えた組を複数組有するものである。
本発明では、タンク、供給路、リザーバ、吐出室及びノズルをそれぞれ複数組設けることで、多種の吐出液体をそれぞれ吐出できるようにする。したがって、別々の吐出液体を吐出する機構を複数設けて小型化することができる。
【００１６】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいて、吐出液体は生体分子を含む溶液である。
本発明においては、吐出液体は生体分子を含むようにする。したがって、様々な生体分子を吐出液体として用い、多種少量の吐出を行うことにより、例えばＤＮＡチップ、プロテイン（蛋白質）チップ等の製造に利用することができる。特に吐出室の圧力変化による吐出方法では加熱を行わないので、熱によって変化する可能性が高い生体分子には有効である。
【００１７】
また、本発明に係るディスペンサは、任意の生体分子を含む液体をノズルに供給するための供給路による流路抵抗、慣性の影響を少なくする機構を有した液滴吐出ヘッドと、位置制御信号に基づいて液滴吐出ヘッドを移動させる走査駆動手段と、記録対象となるチップと液滴吐出ヘッドとの相対位置を変化させる位置制御手段とを少なくとも備えるものである。
本発明においては、供給路による流路抵抗、慣性の影響を少なくする機構を有し、安定した液体の吐出を行う液滴吐出ヘッドを走査駆動手段で移動させ、位置制御手段があチップと液滴吐出ヘッドとの相対位置を変化させ、バイオチップを製造したり、検査用の液体を吐出する。したがって、ヘッド内に液体を貯めておけば、接触ピン、キャピラリを用いた場合よりもヘッドの移動が少なく、時間的効率がよいマイクロアレイ製造装置を得ることができる。特に吐出室の形状変化によって吐出を行う場合には加熱を行わないので、熱によって変化する可能性が高い生体分子には有効である。
【００１８】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、力が加わると形状変化する吐出室及び細溝を介して供給路から供給される吐出液体を吐出室に供給するためのリザーバとなる凹部が形成された第１の基板及びリザーバの少なくとも一部が吐出液体による圧力変化に基づいて形状変化できるようにリザーバに対応させて形成された凹部と吐出室に力を加えて形状変化させる加圧手段とが設けられた第２の基板を作成する工程と、第１の基板と第２の基板とを少なくとも接合する工程とを有するものである。
本発明においては、第１の基板に形成するリザーバとなる凹部の少なくとも一部が圧力に応じて形状変化するようにしておき、また、第２の基板には、その形状変化が行えるだけの空間を形成するため、凹部を形成しておいて、接合した液滴吐出ヘッドを製造する。したがって、リザーバの少なくとも一部がコンプライアンスとなり、供給路を長く構成しても流路抵抗、慣性が振動特性に影響しなくなり、吐出液体の供給をスムーズに行うことができる。そのため、小型化を図るために、多種の吐出液体をヘッド上に設ける場合に、やむを得ず供給路が長くなっても、安定した吐出を確保することができる。
【００１９】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、リザーバに対応させた凹部に等電位配線を設けておき、第１の基板と第２の基板とを陽極接合する。
本発明においては、リザーバの一部が撓みやすいことにより、陽極接合時の電圧印加でその一部がくっついてしまわないように、等電位配線を設けた上で陽極接合を行う。したがって、吐出液体の圧力変動によって、撓ませなければならないリザーバの一部をくっつけてしまうことなく、有効な陽極接合を行うことができる。しかも、陽極接合は接着剤を用いない接合であるので、吐出液体に有機化合物を用いることができ、また、吐出液体への有機化合物の混入を防止することができる。
【００２０】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、力が加わると形状変化し、ノズルから吐出液体を吐出させるための吐出室に細溝を介して供給路から供給される吐出液体を供給するためのリザーバの一部に、リザーバ内の吐出液体を空気と接するため孔を形成するものである。
本発明においては、細溝を介して吐出室に吐出液体を供給するリザーバの一部に孔を形成するようにし、リザーバ内の吐出液体が空気と接するような液滴吐出ヘッドを製造する。したがって、吐出液体量に対して供給路を長く構成しても流路抵抗、慣性が振動特性に影響しなくなり、吐出液体の供給をスムーズに行うことができる。そのため、小型化を図るために、多種の吐出液体をヘッド上に設ける場合に、やむを得ず供給路が長くなっても、安定した吐出を確保することができる。
【００２１】
また、本発明に係るディスペンサの製造方法は、上記の製造方法により製造した液滴吐出ヘッドを用いて、任意の生体分子を含む液体をノズルから吐出できるように製造したものである。
本発明においては、リザーバとなる凹部の少なくとも一部が圧力に応じて形状変化するようにした第１の基板と、その形状変化が行えるだけの空間を形成するための凹部を形成した第２の基板とを接合した液滴吐出ヘッドを用いて、任意の生体分子を含む液体を吐出できるようにしたディスペンサを製造する。したがって、やむを得ず、供給路が長くなったとしても、凹部の一部が吐出液体の圧力変動を調整し、安定した吐出を行えるディスペンサを製造することができる。
【００２２】
また、本発明に係るバイオチップ製造方法は、任意の生体分子を含む液体をノズルに供給するための供給路による流路抵抗、慣性の影響を少なくする機構を有した液滴吐出ヘッドとチップとを相対的に移動させる工程と、液滴吐出ヘッドからチップに任意の生体分子を含む液体を吐出する工程と、任意の生体分子を含む液体を固化させてプローブを作成する工程とを少なくとも有するものである。
本発明においては、任意の生体分子を含む液体をノズルに供給するための供給路による流路抵抗、慣性の影響を少なくする機構を有した液滴吐出ヘッドとチップとを相対的に移動させ、ヘッドから液体を吐出し、その液体を固化させてプローブを作成する。したがって、液滴吐出ヘッドによる細かな吐出量制御により、プローブの大きさを均一で小さくでき、ノズルの間隔を狭めることにより、プローブの密度が高いバイオチップを得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の第１の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの構成を表す分解斜視図である。図１はいわゆるフェイスタイプの静電方式のヘッドを表している。図１（ａ）において、液滴吐出ヘッド本体１００は、ノズルプレート１０、キャビティ基板２０及び電極基板３０とを積層して構成したものである。
【００２４】
図２は液滴吐出ヘッドの断面図である。図１及び図２において、ノズルプレート１０はシリコン基板で構成される。ノズルプレート１０の一方の面には、吐出室２１となるキャビティ基板２０の凹部と連通するノズル１１Ａ（図１では図示せず）ノズル孔１１及びリザーバ２２となる凹部と連通し、供給基板２００から供給される吐出液体である溶液４００（ここでは、生体分子を含む溶液とする）を取り入れるための供給口１２が形成される。また、他方の面にはオリフィス１３となる細溝（図１では図示せず）を設け、吐出室２１とリザーバ２２とを連通させる。また、ノズルプレート１０は、吐出室２１及びリザーバ２２の一方の壁面を成している。
【００２５】
キャビティ基板２０は、例えば（１１０）面方位のシリコン単結晶基板で構成される。キャビティ基板２０をエッチングすることによって、吐出室２１、リザーバ２２等となる凹部を形成する。吐出室２１は、ノズル孔１１から吐出させるための溶液４００を溜めておくものである。吐出室２１となる凹部のある壁面（ここでは底壁とするが特に限定しない）には、振動板２３を形成する。振動板２３は撓んで形状変化する。振動板２３を撓ませることにより、吐出室２１内の圧力を高め、ノズル孔１１から溶液４００を吐出させる。また、リザーバ２２は供給口１２を介して供給される溶液４００を吐出室２１に供給するために貯めておくものである。ここで、リザーバ２２となる凹部の壁面（ここでは底壁とするが特に限定しない）を、リザーバダイヤフラム２４を構成する膜２４Ａ（以下、膜２４Ａという）として形成する。リザーバダイヤフラム２４は、供給路が長くなることによる慣性、流路抵抗の緩和を図り、ノズル孔１１からの吐出を行わせるための大きな音響容量（コンプライアンス）を得る目的で設けているものである。膜２４Ａとなるリザーバ２４の底壁は圧力が加わることにより撓みが生じやすくなっている。通常、振動板２３及び膜２４Ａは、ウェットエッチングによって形成され、同じ厚さとなる。ここで、例えば、膜２４Ａをさらに薄く形成したい場合には、工程数は多くなるが、膜２４Ａの部分だけさらにエッチングを行って薄くすることもできる。細溝はオリフィス（ｏｒｉｆｉｃｅ）１３の役割をする。
【００２６】
電極基板３０は、例えばホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス基板で構成されている。
電極基板３０には例えば深さ約０．３μｍの凹部が設けられている。そして、その凹部には、各吐出室２１及び各リザーバ２２に対応して電極３１と等電位配線３３が設けられている。電極３１として、例えば酸化錫を不純物としてドープした酸化インジウム膜であるＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ：インジウム酸化第１錫）膜を用いた、透明電極を用いる。ただ、この材料に限定されるものではなく、金属電極等様々な材料を電極として用いることができる。等電位配線３３は、ヘッド本体の製造時に、キャビテイ基板２０と電極基板３０とを陽極接合させる際、印加する電圧により、膜２４Ａが電極基板３０に貼り付いてしまわないようにするために設ける。ここで陽極接合とは、例えばシリコン基板であるキャビテイ基板２０とガラス基板である電極基板３０とを重ね、加熱しながら、キャビティ基板２０を陽極とし、電極基板３０を陰極として、直流電圧を印加することによって接合を行うものである。この方法は接着剤を用いずに接合することができる。
そのため、耐久性が高く、しかも有機化合物を含む溶液４００を用いる場合には特に有効である。ここで、電極３１が設けられた方の凹部は、振動板２３と電極３１との間を調整するためのギャップ（空隙）を構成する。また、等電位配線３３が設けられた方の凹部は、リザーバダイヤフラム２４を構成する気室３２となり、膜２４Ａが溶液４００による圧力に応じて撓めるだけの空隙を与える。
【００２７】
発振回路４０は、ワイヤ４１を介して電極３１に電荷の供給及び停止を制御する。発振回路４０は、印刷用途の液滴吐出ヘッドの発振回路よりも低周波数でパルス電圧を印加する。この発振回路４０が駆動し、電極３１に電荷を供給して正に帯電させ、振動板２３を負に帯電させると、振動板２３は静電気力により電極３１に引き寄せられて撓む。これにより吐出室２１の容積は広がり、その分、リザーバ２２から溶液４００が供給される。そして、電極３１への電荷供給を止めると振動板２１は元に戻るが、そのときの吐出室２１の容積も元に戻るから、その圧力により差分の溶液４００がノズル孔１１から吐出する。
【００２８】
図１（ｂ）において、供給路基板２００は、液滴吐出ヘッド本体１００に溶液４００を供給するために設けられており、複数の溶液タンク３００に繋がっている。供給路基板２００は２層構造からなり、供給路２０１となる溝が形成された溝基板２０３と溝に蓋をするための蓋基板２０２からなる。溶液タンク３００の上部には、空気孔を兼る溶液充填孔３０１が開口しており、この溶液充填孔３０１を介して、作業者は溶液４００を溶液タンク３００に充填することができる。各溶液タンク３００から供給される溶液４００は、蓋基板２０２に設けられた穴２０４を介して供給路２０１に流れ込む。そして、供給路２０１から蓋基板２０２に設けられた穴２０５、液滴吐出ヘッド本体１００に設けられた供給口１２を介してリザーバ２２に供給されることになる。なお、図１ではノズル孔１１が上方向を向いた斜視図を記載しているが、実際には、図２のようにノズル孔１１が下方向となる向きで用いられることとなる。
【００２９】
図３は液滴吐出ヘッドを上面から見た図である。図１では４種の溶液を吐出できるような機構を構成しているが、実際には図３のようにさらに多くの種類の溶液を吐出するためのレイアウトが施されている。ここで、図３の液滴吐出ヘッドでは、各供給路（流路）の長さが同じになるように調整され、レイアウトされている。
【００３０】
本実施の形態においては、供給路２０１が長くなることによって発生する慣性、抵抗の影響を緩和するために、リザーバ２２の少なくとも１つの壁面が溶液による圧力が加えられることによって撓むようにしておく。この撓みによって、リザーバダイヤフラム２４によるコンプライアンスを大きくし、流路抵抗、慣性による影響が抑えられる。そのため、供給路２０１のように流路が長くても溶液の吐出が行える。したがって、例えば、バイオチップ等の製造に用いる液滴吐出ヘッドのように、少量多種の溶液を一度に吐出できるようなヘッドを作成する場合に、構成上、小型化を図る上で、複数の溶液を貯める複数のタンクをヘッドに設けようとした場合に、やむを得ず流路が長くなってしまうようなものについても、液体の吐出が確保できる。これにより、液滴吐出ヘッドを小型化することができる。
【００３１】
図４は液滴吐出ヘッドを電気系の等価回路で表した図である。図４（ａ）は、通常の液滴吐出ヘッドの構成を電気系の等価回路で表したものである。図４（ｂ）は供給路２０１のような長い流路を有する液滴吐出ヘッドの構成を電気系の等価回路で表したものである。また、図４（ｃ）は、図１及び図２のような液滴吐出ヘッドを電気系の等価回路で表した図である。図４に基づいて、リザーバダイヤフラム２４を設けることによる効果について説明する。ここで、流体系については音響系と同様に推定することができる。また、音響系は電気系の等価回路推定を行うことができる。これによって、電気系で表したのが図４の回路である。図４において、φはＩＴＯ電極の静電引力による駆動力を表している。また、ｕは溶液４００の流量を表す。ｍはイナータンス（音響質量）、ｃはコンプライアンス及びｒは音響抵抗を表す。また、添字については、０は振動板、１は吐出室、２はオリフィス、３はノズル、Ｐは供給路であることを表す。また、ｃ_ｒはリザーバダイヤフラム２４のコンプライアンスを表す。ここで、各数値は、例えば、ｒ_２＝ｒ_３＝７．０×１０^−１２Ｎｓ／ｍ^５、ｍ_２＝ｍ_３＝１．５×１０^−８ｋｇ／ｍ^４、ｃ_０＝４×１０^−１９ｍ^５／Ｎのオーダとなる。ここで本発明はこの数値に限定されるものではない。上記の数値は、あくまでも液滴吐出ヘッドにおけるオーダを示すための参考値である。
【００３２】
本実施の形態の液滴吐出ヘッドにおける動作を説明する前に、まず、図４（ａ）のような供給路２０１による抵抗を考慮しない通常の液滴吐出ヘッドの場合について説明する。まず、図５のような液滴吐出ヘッドについて方程式を作成し、時間による１回微分を行うと、次式（１）〜（４）のようになる。ここで右肩の括弧で囲んだ数字は、微分の回数を表しているものとする。
φ^（１）＝ｕ_０／ｃ_０＋ｕ_１／ｃ_１ …（１）
ｕ_０＝ｕ_１＋ｕ_２＋ｕ_３ …（２）
ｕ_１／ｃ_１＝ｒ_３ｕ_３ ^（１）＋ｍ_３／ｕ_３ ^（２） …（３）
ｕ_１／ｃ_１＝ｒ_２ｕ_２ ^（１）＋ｍ_２／ｕ_２ ^（２） …（４）
【００３３】
次に、微分方程式を簡略に解くためにｒ_３＝ｋｒ_２、ｍ_３＝ｋｍ_２とすると、次式（５）が成り立つ。

【００３４】
ここで、吐出室２１の剛性が充分高い場合、溶液４００の体積変化はほとんど無いので、コンプライアンスｃ_１は小さくなり、これにより流れる流量ｕ_１は無視できる。（１／ｋ＋１）／ｃ_０＝Ｃとおくと、（５）式は次式（６）で表される。
（１／ｋ＋１）φ^（１）＝Ｃｕ_０＋ｒ_２ｕ_０ ^（１）＋ｍ_２ｕ_０ ^（２） …（６）
【００３５】
（６）式で表される系が振動系であるためには、次式（７）が振動条件を満たす必要がある。このためにはｒ_２＜２（ｍ_２Ｃ）^１／２でなければならない。
Ｃｕ_０＋ｒ_２ｕ_０ ^（１）＋ｍ_２ｕ_０ ^（２）＝０ …（７）
【００３６】
図５は供給路２０１の溝の深さと吐出される溶液の体積の大きさとの関係を表す図である。次に、図５を参考にしつつ、図４（ｂ）の回路について説明する。流路抵抗ｒ_ｐは流路幅（相似形状断面の場合）の４乗に反比例して大きくなり、また、イナータンス（音響質量）ｍ_ｐは２乗に反比例して大きくなる。流路抵抗ｒ_ｐとイナータンスｍ_ｐとは、それぞれオリフィス１３での抵抗ｒ_２とイナータンスｍ_ｐとに加算され、ｒ_２＋ｒ_ｐ、ｍ_２＋ｍ_ｐとなる。したがって、流路が長くなる程、抵抗が大きくなってしまい、過減衰となってしまう。このため、たとえ振動板２３が駆動しても、ノズル孔１１において、メニスカス（表面張力によって液体の表面にできる曲面）が動くだけで溶液４００が吐出しない。
【００３７】
図６は流路抵抗の大きさと駆動周波数の関係を表す図である。過減衰を防ぐためには、イナータンスを大きくしてもよいのであるが、固有振動数がω＝（Ｃ／ｍ_２）^１／２で与えられるため、振動板２３によるバネ力が一定でイナータンスだけを大きくすると、極めて低い周波数でしか振動しなくなり、吐出に必要な速度が得られない。
【００３８】
一方、バネ力を強くした場合、必要な吐出量を確保するだけの変位を得るためには、通常の吐出に比べて極めて強力な静電力又は圧電力で振動板を変形させる必要がある。そのような静電力等の確保は困難であるし、確保できたとしても、発生する圧力が極めて大きく、負圧によってキャビテーションが発生する。また、正圧によって溶液中に存在する蛋白質等の生体分子を変性させてしまう。
【００３９】
そこで、本実施の形態のようなリザーバダイヤフラム２４を設ける。リザーバダイヤフラム２４を設けた場合、図４（ｃ）のような電気等価回路となる。この場合、リザーバダイヤフラム２４によるコンプライアンスｃ_ｒにより、次式（８）が成り立つ。
ｕ_０／ｃ_０＝ｒ_２ｕ_２ ^（１）＋ｍ_２／ｕ_２ ^（２）＋ｕ_ｒ／ｃ_ｒ …（８）
【００４０】
ｃ_ｒが極めて大きいと、ｕ_ｒ／ｃ_ｒ＝０とみなすことができる。したがって、供給路２０１による流路抵抗が生じず、通常の液滴吐出ヘッドと同じような状態に近くなる。そのため、振動板２３が振動し、ノズル孔１１から吐出できるようになる。その反面、リザーバダイヤフラム２４の膜２４Ａの撓みが初期状態まで復帰するには、供給路２０１から供給されるｕ_ｐを貯めるための時間が必要となる。ただ、この時間についても、バイオチップの搬送、設置位置制御等を行う時間を考えると許容できる範囲であると考えられる。
【００４１】
以上のように第１の実施の形態によれば、リザーバ２２の壁面の一部でもある膜２４Ａ及び気室３２によりリザーバダイヤフラム２４を形成し、溶液に加わる圧力によって生じる膜２４Ａの撓みにより、コンプライアンス（音響容量）を大きくすることで、供給路２０１が長くなることによってより顕著に発生する慣性、抵抗の影響を緩和することができ、流路を長くしても溶液４００の吐出が行える。したがって、例えば、バイオチップ等の製造、生体分子を用いた検査に用いる液滴吐出ヘッドのように、少量多種の溶液４００を一度に吐出できるようなヘッドを作成する際、小型化を図るため、多種類の溶液タンク３００を液滴吐出ヘッドに設けようとすると供給路２０１が長くなってしまうが、このような場合でも溶液の安定した吐出を確保することができる。そのため、液滴吐出ヘッドを小型化することもできる。また、エッチングによってリザーバ２２となる凹部をキャビティ基板２０に形成する際に、膜２４Ａも同時に形成できるので、大幅な製造工程の変更がなくても、流路抵抗、慣性を緩和するためのダイヤフラムを形成することができる。
【００４２】
実施の形態２．
図７は本発明の第２の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの断面図である。図７において、電極基板３０Ａには、ノズル（吐出室）数と同じ数の気泡トラップ３５をそれぞれ設けてある。気泡トラップ３５は、気泡（気体）を固定しておくための空気室となる部分である。気泡トラップ３５には撥水処理が施された撥水処理部３６が一部に設けられており、溶液４００が気泡トラップ３５の所定位置よりも上側に侵入しないように構成されている。加圧孔３７は、万が一気泡トラップ部３５に溶液４００が侵入した時に、溶液４００を押し戻すための加圧を行うための孔である。
【００４３】
気体は体積を大きく変化することができるので、ダンパとして働く。したがって、たとえ気泡サイズが小さくても等価回路的には大きなコンプライアンスとなり得る。その反面、位置の固定が困難であり、吐出室２１内に流れ込むと、圧力変動を吸収して吐出の妨げになる。そこで、本実施の形態では、リザーバ２２又はリザーバ２２に連通する位置に気泡を固定するための気泡トラップ３５を設け、る。そして、その気泡トラップ３５に確実に溶液４００が侵入しないようにする。そのために撥水処理を行って撥水処理部３６を設ける。それと共に、万が一、気泡トラップ３５に溶液４００が侵入した場合に備えて加圧孔３７を設け、溶液４００が侵入した場合には、例えばポンプ（図示せず）につなぎ、加圧孔３７を介して適度な空気を送りこんで、侵入した溶液４００をリザーバ２２内に押し戻す。ただし、逆に空気が吐出室２１内に入り込まないように注意する必要がある。
【００４４】
次に気泡トラップ３５等の形成方法例について説明する。まず、例えば電極基板３０のリザーバ２２と連通する位置にレーザ加工により所定の大きさの穴を開ける。もちろん、リザーバ２２の対応する位置にも孔を形成しておく。気泡トラップ３５は、各ノズルに対して設けられているので、少なくとも各ノズルの間隔以下の大きさであることが必要となる。例えば、１８０ｎｐｉ（ｎｏｚｚｌｅｓｐｅｒｉｎｃｈ）の場合は、１４１．１μｍより小さく構成しなければならない。逆にあまり小さすぎても圧力変動吸収という役割を果たせない。そこで、例えば２０μｍ〜１００μｍの間で構成するようにする。そして、その反対の面から加圧孔３７となる孔を開け、貫通させる。その後、レーザ加工により生じた熱で変質した熱的加工変質層をエッチングを施して除去する。熱的加工変質層を残しておくとクラック（亀裂等）の原因となるからである。これにより気泡トラップ３５が形成される。さらに、気泡トラップ３５に撥水処理部３６を設ける。撥水処理部３６は、例えば、フッ素系撥水剤に電極基板３０を浸漬して成膜する。ここで、浸漬する際に撥水剤の液面を制御することで、気泡トラップ３５の任意の位置の高さまで撥水処理を施し、撥水処理部３６を設けることが可能である。
【００４５】
電極基板３０の材料となるガラス基板自体は親水性を有するものなので、撥水処理部３６の位置以上、溶液４００が移動せず、その位置でメニスカスが形成される。気泡トラップ３５の径はノズル径よりは大きいので、ヘッドが駆動している時でも、メニスカスの位置の変化は少なく、安定した位置で上下にメニスカスが撓むことになる。気泡トラップ３５は加圧孔３７に繋がっており、万が一気泡トラップ３５内部に溶液４００が入ってしまった場合でも、加圧孔３７を通じて加圧し、溶液４００をリザーバ２２内部に押し戻すことができる。
【００４６】
以上のように第２の実施の形態によれば、リザーバ２２と連通する位置に気泡トラップ３５を設けて空気を固定し、大きなコンプライアンスが得られる空気をダンパとして利用しするようにしたので、第１の実施の形態におけるリザーバダイヤフラム２４と同様に、駆動による液滴吐出ヘッド内の圧力変動を吸収することにより、たとえ供給路２０１が長くなったとしても溶液４００を吐出させることができる。また、気泡トラップ３５には撥水処理部３６を設けたので、気泡トラップ３５内に空気を安定して固定することができる。また、加圧孔３７を設けたので、万が一、気泡トラップ３５内に溶液４００が侵入したとしてもリザーバ２２内部に押し戻すことができる。
【００４７】
実施の形態３．
図８はエッジ吐出型の液滴吐出ヘッドの断面図である。上述の実施の形態はフェイス吐出型の液滴吐出ヘッドで説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、エッジ吐出型の液滴吐出ヘッドにも適用することができる。また、上述の実施の形態では、静電引力を用いて振動板２３を駆動させることにより、溶液４００を吐出させているが、本発明はこれに限定するものではなく、圧電（ピエゾ）方式による溶液４００の吐出を行うようにしてもよい。
【００４８】
実施の形態４．
図９は本発明の第４の実施の形態に係る上述の液滴吐出ヘッドをバイオテクノロジーの分野に用いた例を表す図である。本実施の形態では、バイオチップを製造するためのディスペンサについて説明する。ここで、バイオチップの代表例として、ＤＮＡ（ＤｅｏｘｙｒｉｂｏＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄｓ：デオキシリボ核酸）チップについて、説明する。ただ、これに限定されるものではない。例えば、プロテイン（蛋白質）チップ、他の核酸（例えば、ＲｉｂｏＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄ：リボ核酸、ＰｅｐｔｉｄｅＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄｓ：ペプチド核酸等）チップ等、他のバイオ、ウィルス等の生体化学に関する分子（生体分子）のマイクロアレイ、物質検査のチップ等に利用することもできる。
【００４９】
ＤＮＡチップ（ＤＮＡマイクロアレイともいう）とは、ＤＮＡの塩基の相補性を利用し、検査を行うためのものである。ＤＮＡとは、塩基、糖（デオキシリボース）及びリン酸が結合したもの（ヌクレオチド）がさらに結合し、最終的には２重らせん形となったものである。ここで、塩基はアデニン（Ａ）、グアニン（Ｇ）、シトシン（Ｃ）、チミン（Ｔ）の４種類がある。なお、ここでいうＤＮＡとは、逆転写酵素を用いてＲＮＡ（リボ核酸）に基づいて相補的に生成されたｃＤＮＡ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＤＮＡ）も含むものとする。
【００５０】
２重らせんを構成する２つの１本鎖は、この４種類のヌクレオチドが反復結合し、配列したものである。そして、１本鎖の各塩基同士が接続されている。ここで、アデニン（Ａ）とグアニン（Ｇ）との間でしか結合は生じないし、シトシン（Ｃ）とチミン（Ｔ）との間でしか結合は生じない。これが塩基の相補性である。塩基（ヌクレオチド）の配列に基づいて遺伝情報を得ることができるので、この配列を解析することは非常に重要である。この解析を簡単に行うための道具（ツール）がバイオチップである。
【００５１】
チップ（スライド、基板）上には、例えば、配列があらかじめわかっている、目印を付けた１種又は複数種の１本鎖の核酸の断片（プローブ）が例えばマトリクス状に貼付られている。ここに未知の配列の複数種又は１種の一本鎖の断片（例えばオリゴヌクレオチド等の標的核酸。以下、試料という）を触れさせる（ハイブリダイズする）と、結合したものには例えば蛍光するマーカー等の目印を付けておく。例えば蛍光顕微鏡等により、結合により蛍光しているプローブを見つけだし、そのプローブの配列と対になる配列を試料の配列とすることにより、試料の配列を解析する。また、この配列に基づいたさらなる解析も行うことができる。
【００５２】
液滴吐出方式の場合、スポットＤＮＡの溶液の量がペンを用いる場合に比べて少なくなる。例えば、ペンを用いると少なくとも数百ｐｌ（ピコリットル：１００^−１２ｌ）がスポットされるが、インクジェットでは数ｐｌも可能である。したがって、１つのスポットのスケール（面積）を小さくすることができる。そのため、１チップ上のスポット数を多くすることができ、密度を高めることができる。これは、検査時間、スペース等の節約になる。ただ、実際には解析精度との関係で、ある程度のスケールを必要とする場合もある。
【００５３】
ここで、液滴吐出ヘッド１０００を使い捨てにし、取り替えができるようにしてもよい。これによりヘッドを洗浄等する必要がなくなるので時間効率がよくなるし、洗浄漏れによるクロスコンタミネーションも生じない。この場合、溶液のコストを考えると液滴吐出ヘッド１０００内に残される溶液の量は少ない程よい。したがって、本実施の形態で用いる液滴吐出ヘッド１０００のように、必要な吐出量を確保できる程度のリザーバ３１を直接液滴吐出ヘッド１０００に設け、供給路である流路３２をできるだけ短くすることで、無駄な溶液の量を減らすことができる。また、陽極接合を行っているため、接着剤等の有機化合物が溶液に溶け込むこともなく、溶液に不純物が混入してしまう等の問題も生じない。
【００５４】
図９において、１０００は上述の実施の形態で説明したものと同様の液滴吐出ヘッドである。そのため、液滴吐出ヘッド１０００の各構成部品の図番は上述の実施の形態と同じものを用いる。ここで、液滴吐出ヘッド１０００は３次元的に回転できるものとする。また、液滴吐出ヘッド１０００は第１の実施の形態で説明した液滴吐出ヘッドを複数つなぎ合わせたもの（例えばいわゆるライン液滴吐出ヘッド）であってもよい。
【００５５】
Ｙ方向駆動軸１００２にはＹ方向駆動モータ１００３が接続されている。Ｙ方向駆動モータ１００３は、例えばステッピングモータ等である。制御手段１００７からＹ軸方向の駆動信号が供給されると、Ｙ方向駆動軸１００２を回転させる。Ｙ方向駆動軸１００２が回転させられると、液滴吐出ヘッド１０００はＹ方向駆動軸１００２の方向に沿って移動する。Ｘ方向ガイド軸１００４は、基台１００６に対して動かないように固定されている。
【００５６】
作業台１００１は、製造すべきチップ群１００８を設置させるものである。チップ群１００８は例えば作業台１００１上に８×６で並べられている。作業台１００１には作業台駆動モータ１００５が備えられている。作業台駆動モータ１００５も、例えばステッピングモータ等である。制御手段１００７からＸ軸方向の駆動信号が供給されると、作業台１００１をＸ軸方向に移動させる。すなわち、作業台１２１をＸ軸方向に駆動し、液滴吐出ヘッド１０００をＹ軸方向に駆動させることで、液滴吐出ヘッド１０００をチップ群１００８上のいずれの場所にも自在に移動させることができる。また、チップ群１００８に対する液滴吐出ヘッド１０００の相対速度も、各軸方向の駆動機構によって駆動する作業台１００１と液滴吐出ヘッド１０００の速度によって定まる。
【００５７】
制御手段１００７は、液滴吐出ヘッド１０００の発振回路２３を発振させるためのインク滴吐出用の電圧を印加し、インク吐出の制御を行う。また、Ｙ方向駆動モータ１００３には、液滴吐出ヘッド１０００のＹ軸方向の移動を制御する駆動信号を送信する。作業台駆動モータ１００５には作業台１００１のＸ軸方向の移動を制御する駆動信号を送信する。
【００５８】
なお、本実施の形態では、液滴吐出ヘッド１０００はＹ軸方向にしか移動せず、Ｘ軸方向については作業台１００１が移動するようにした。これを逆にしてもよいし、また、液滴吐出ヘッド１０００又は作業台１００１のどちらか一方又は双方がＸ軸方向及びＹ軸方向の双方に移動できるようにしてもよい。
【００５９】
以上のように第４の実施の形態によれば、第１、第２又は第３の実施の形態で説明した液滴吐出ヘッドをディスペンサとして用い、バイオチップの製造、検査等を行うようにしたので、従来ものに比べ、ヘッド部分の移動時間を短くすることができ、時間等を節約することができる。また、液滴吐出ヘッドをカートリッジ化し、駆動制御部分から着脱自在にすれば、容易に取り替えが行え、洗浄を行う必要がないので時間等を節約することができる。また、各溶液は独立したタンクから供給され、他の溶液と混ざり合うこともなく、クロスコンタミネーションを防止することができる。その際、溶液タンク３００の大きさ、供給路２０１をできるだけ短くするようにしておけば、用いる溶液の量を少なくすることができ、経済的である。
【００６０】
実施の形態５．
上述の第４実施の形態は、ディスペンサをバイオチップの製造に用いる例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、逆に、検査等を行うために、生体から採取した標的核酸を製造されたバイオチップ上に吐出させるための装置として構成してもよい。また、チップ上でオリゴヌクレオチドを化学合成するために用いることもできる。
【００６１】
実施の形態６．
上述の実施の形態では、第１、第２又は第３の実施の形態のような液滴吐出ヘッドを、ディスペンサに利用することについて説明した。ただ、本発明はこれに限定されるものではない。印刷装置、カラーフィルタ製造装置、ＯＥＬ基板製造装置等、他のあらゆる工業用途、家庭用途に、上述した液滴吐出ヘッドを利用することができる。したがって、吐出液体も特に生体分子を含む溶液とは限定しない。
【００６２】
実施の形態７．
上述の実施の形態では、各ノズル孔１１に対して、各々溶液タンク３００を設けるようにしたが、例えば、複数個のノズル孔１１に対し、１つの溶液タンク３００を共有するように設けてもよい。
【００６３】
実施の形態８．
上述の第２の実施の形態では、加圧光３７を設け、溶液を空気と接触させているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、空気中の酸素等により影響を受ける溶液等のために、別の気体を固定させておくようにすることも考えられる。その際、加圧孔は設けない方がよい場合がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】液滴吐出ヘッドの構成を表す分解斜視図である。
【図２】液滴吐出ヘッドの断面図である。
【図３】液滴吐出ヘッドを上面から見た図である。
【図４】液滴吐出ヘッドを等価回路で表した図である。
【図５】供給路の深さと溶液の径の大きさとの関係を表す図である。
【図６】流路抵抗の大きさと駆動周波数の関係を表す図である。
【図７】第２の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの断面図である。
【図８】エッジ吐出型の液滴吐出ヘッドの断面図である。
【図９】スポッタ又はディスペンサの例を表す図である。
【符号の説明】
１００液滴吐出ヘッド本体、１０ノズルプレート、１１ノズル孔、１１Ａノズル、１２供給口、１３オリフィス、２０キャビティ基板、２１吐出室、２２リザーバ、２３振動板、２４リザーバダイヤフラム、２４Ａ膜、３０電極基板、３１電極、３２気室、３３等電位配線、３５気泡トラップ、３６撥水処理部、３７加圧孔、４０発振回路、４１ワイヤ、２００供給路基板、２０１供給路、２０２蓋基板、２０３溝基板、２０４，２０５穴、３００溶液タンク、３０１溶液充填孔、４００溶液、１０００液滴吐出ヘッド、１００１作業台、１００２Ｙ方向駆動軸、１００３Ｙ方向駆動モータ、１００４Ｘ方向ガイド軸、１００５作業台駆動モータ、１００６基台、１００７制御手段、１００８チップ群[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a droplet discharge head and the like. In particular, it mainly focuses on processing of a head used mainly for a reaction test of a biomolecule, a production of a biomolecule chip (biochip), and the like.
[0002]
[Prior art]
In an apparatus that performs printing such as printing by a droplet discharge method (inkjet method), a head for discharging droplets (the liquid to be discharged is not limited to ink, Here, printing is performed by discharging droplets from a droplet discharge head instead of an inkjet head).
[0003]
In the droplet discharge method, there is also a method of discharging a droplet by a pressure that generates a gas (bubble) by heating the liquid. Here, at least one surface of a discharge chamber for storing the liquid to be discharged from the nozzle is used. A method will be described in which the wall is bent to change its shape, the pressure in the discharge chamber is increased by the bending, and the droplet is discharged from the nozzle. There are a piezoelectric method and an electrostatic method as a pressurizing method for bending the discharge chamber (for example, see Patent Document 1).
[0004]
In recent years, the droplet discharge method has been used not only for printing recording and the like but also for various fields. One of them is utilization in the field of biotechnology (biochemistry). In biotechnology, DNA tests, antibody tests, and the like are used, and treatment and prevention of genetic diseases have begun to be put into practical use. In these tests, it is necessary to react small amounts of various kinds of biomolecules with the specimen. For this reason, a so-called biochip in which a plurality of bases and protein biomolecules are arranged on a chip (also referred to as a microarray) is used. The droplet discharge head is used in an apparatus called a dispenser (also called a dispenser or spotter) for manufacturing a biochip or injecting a biomolecule. For example, in the case of a spotter, conventionally, a base or a protein is attached to a chip by using a pin head, but a manufacturing time is required because steps such as movement and washing of the pin head are required a plurality of times. Therefore, liquid is discharged using a droplet discharge head. A solution (hereinafter, simply referred to as a solution) containing biomolecule fragments (probes) such as DNA (Deoxyribonucleic Acids) and proteins (proteins) is discharged onto spots provided in a matrix on the chip. And then paste and solidify. The liquid discharge method can discharge many kinds of liquids at a time, and thus is convenient for such use (see Patent Document 2).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-9-57966
[Patent Document 2]
JP-A-11-99000
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Such a device only needs to be able to discharge a small amount of a solution to a chip or the like, and therefore it is desirable that the device be miniaturized as much as possible. However, unlike a printer in which it is sufficient to supply inks of at most about six colors, it is necessary to discharge several tens of solutions from each nozzle. Therefore, the number of tanks for storing the solution is required. Since the tanks are wider than the width of each discharge chamber, a layout for that purpose should be laid out, and if each solution is to be led from an independent tank, the supply up to the drive part for discharging the head (hereinafter referred to as the head body) The path (flow path) becomes longer than the solution volume. Therefore, the flow path resistance and inertia increase, and the flow rate of the solution supplied from the supply path to the head main body is limited. Fortunately, when used as a dispenser, time is required for transporting and aligning the biochip, so that the driving frequency is lower and the supply amount may be smaller than in printing applications. However, if left unchecked, the relationship between the nozzle and the orifice based on the flow path parameters may become unbalanced, and discharge may not be possible. To reduce the resistance and the inertia, it is sufficient to increase the cross section of the supply roller. However, in this case, the size of the head becomes large, and the original purpose cannot be achieved.
[0007]
Therefore, in order to solve such a problem, an object of the present invention is to obtain a droplet discharge head or the like having a configuration capable of performing effective discharge while miniaturizing as much as possible.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the droplet discharge head according to the present invention, a reservoir for storing the discharge liquid supplied from the supply path, the discharge liquid stored in the reservoir is supplied through a narrow groove, and at least a part is supplied by an external force. In a droplet discharge head including at least a discharge chamber that changes in shape and a nozzle that discharges discharge liquid by a change in pressure in the chamber due to a change in the shape of the discharge chamber, the reservoir is configured such that the discharge liquid in the reservoir comes into contact with gas. Is what you do.
In the present invention, the reservoir is configured so that the liquid discharged from the reservoir is in contact with the gas. Reduce the effects of Therefore, even if the supply path is configured to be longer than the discharge liquid amount, the flow path resistance and inertia do not affect the vibration characteristics, and the discharge liquid can be supplied smoothly. Therefore, when providing various types of ejection liquid on the head in order to reduce the size, stable ejection can be ensured even if the supply path is unavoidably long. Thus, although the time required for the amount required for ejection to be supplied to the ejection chamber is slightly longer, for example, in an application where a solution containing biomolecules is ejected to manufacture a biochip, the time required for head position adjustment and the like is reduced. This is an acceptable time.
[0009]
Further, the droplet discharge head according to the present invention is provided with an air chamber for fixing a gas at a position communicating with the reservoir.
In the present invention, an air chamber for fixing the gas is provided so that the gas does not enter the discharge chamber. Therefore, it is possible to stably discharge the liquid without entering the discharge chamber and absorbing even a pressure fluctuation for discharging the liquid.
[0010]
In the droplet discharge head according to the present invention, a part of the air chamber is made of a water-repellent treatment or a water-repellent material.
In the present invention, a part of the air chamber is made of a water-repellent treatment or a water-repellent material so that the discharged liquid does not enter the air chamber. Therefore, the liquid does not enter the air chamber due to pressure fluctuation, capillary phenomenon, or the like.
[0011]
Further, the droplet discharge head according to the present invention is provided with a hole for communicating the air chamber with the outside.
In the present invention, holes are provided so that the discharged liquid can be discharged from the air chamber by external processing. Therefore, even if the discharged liquid enters the air chamber, the discharged liquid can be discharged from the air chamber.
[0012]
Further, the diameter of the air chamber of the droplet discharge head according to the present invention is made larger than the diameter of the nozzle.
In the present invention, in order to reduce the fluctuation of the meniscus in the air chamber, the diameter is made larger than the diameter of the nozzle. Therefore, it can stably play a role as a damper against pressure fluctuations.
[0013]
Further, in the droplet discharge head according to the present invention, the reservoir that stores the discharge liquid supplied from the supply path, and the discharge liquid that is stored in the reservoir through the narrow groove are supplied, and at least a part is supplied by an external force. In a droplet discharge head including at least a discharge chamber that changes in shape and a nozzle that discharges discharge liquid by a change in pressure in the chamber due to a change in the shape of the discharge chamber, at least a part of the reservoir is based on a pressure change due to the discharge liquid. The shape changes.
In the present invention, at least a part of the reservoir changes its shape based on the pressure change due to the discharged liquid, thereby achieving compliance, and adjusting the pressure fluctuation to reduce the influence on the flow path resistance and the vibration characteristics of inertia. Therefore, even if the supply path is configured to be long, the flow path resistance and inertia do not affect the vibration characteristics, and the supply of the discharge liquid can be performed smoothly. Therefore, when providing various types of ejection liquid on the head in order to reduce the size, stable ejection can be ensured even if the supply path is unavoidably long. Thus, although the time required for the amount required for ejection to be supplied to the ejection chamber is slightly longer, for example, in an application where a solution containing biomolecules is ejected to manufacture a biochip, the time required for head position adjustment and the like is reduced. This is an acceptable time.
[0014]
Further, in the droplet discharge head according to the present invention, at least a part of the reservoir is a diaphragm mechanism.
According to the present invention, a part of the reservoir is formed of a thin film to form a diaphragm mechanism. Therefore, stable ejection can be performed by adjusting the pressure fluctuation.
[0015]
Further, the droplet discharge head according to the present invention has a plurality of sets each including at least a tank for storing the discharge liquid, a supply path for supplying the discharge liquid stored in the tank to the reservoir, a reservoir, a discharge chamber, and a nozzle. is there.
In the present invention, a plurality of sets of tanks, supply paths, reservoirs, discharge chambers, and nozzles are provided so that various types of discharge liquids can be respectively discharged. Therefore, a plurality of mechanisms for ejecting different ejection liquids can be provided to reduce the size.
[0016]
In the droplet ejection head according to the present invention, the ejection liquid is a solution containing biomolecules.
In the present invention, the discharged liquid contains a biomolecule. Therefore, by using various biomolecules as a liquid to be ejected and ejecting a small amount of various kinds, it can be used for producing, for example, DNA chips, protein (protein) chips, and the like. In particular, since the heating is not performed in the discharge method based on the pressure change in the discharge chamber, it is effective for biomolecules that are likely to be changed by heat.
[0017]
In addition, the dispenser according to the present invention includes a droplet discharge head having a mechanism for reducing the influence of flow path resistance and inertia by a supply path for supplying a liquid containing any biomolecule to a nozzle, and a position control signal. The liquid ejection head is provided with at least scanning drive means for moving the liquid droplet ejection head based on the position information, and position control means for changing the relative position between the chip to be recorded and the liquid droplet ejection head.
In the present invention, a mechanism for reducing the influence of the flow path resistance and inertia due to the supply path is provided, the droplet discharge head for performing stable discharge of the liquid is moved by the scanning drive unit, and the position control unit is connected to the chip and the liquid. By changing the relative position with respect to the droplet discharge head, a biochip is manufactured or a test liquid is discharged. Therefore, if the liquid is stored in the head, it is possible to obtain a microarray manufacturing apparatus in which the movement of the head is smaller than in the case where the contact pins and the capillaries are used and the time efficiency is high. In particular, when the ejection is performed by changing the shape of the ejection chamber, the heating is not performed, so that it is effective for biomolecules that are likely to be changed by heat.
[0018]
The method of manufacturing a droplet discharge head according to the present invention may further include a discharge chamber that changes its shape when a force is applied, and a recess serving as a reservoir for supplying discharge liquid supplied from a supply path through a narrow groove to the discharge chamber. A pressure is applied by applying a force to a recess formed in the reservoir and the discharge chamber so that at least a part of the first substrate and the reservoir in which the is formed can change shape based on a pressure change due to the discharge liquid. A step of forming a second substrate provided with the means, and a step of at least joining the first substrate and the second substrate.
In the present invention, at least a part of a concave portion serving as a reservoir formed in the first substrate is configured to change its shape in accordance with pressure, and the second substrate has a space capable of changing its shape. In order to form the liquid droplets, a concave portion is formed, and a bonded droplet discharge head is manufactured. Therefore, at least a part of the reservoir becomes compliant, and even if the supply path is configured to be long, the flow path resistance and inertia do not affect the vibration characteristics, and the supply of the discharge liquid can be performed smoothly. Therefore, when providing various types of ejection liquid on the head in order to reduce the size, stable ejection can be ensured even if the supply path is unavoidably long.
[0019]
Further, in the method of manufacturing a droplet discharge head according to the present invention, equipotential wiring is provided in a concave portion corresponding to a reservoir, and the first substrate and the second substrate are anodic-bonded.
In the present invention, anodic bonding is performed after equipotential wiring is provided so that a part of the reservoir is easily bent, so that a part of the reservoir does not stick due to voltage application during anodic bonding. Therefore, effective anodic bonding can be performed without sticking a part of the reservoir that must be bent due to the pressure fluctuation of the discharged liquid. In addition, since the anodic bonding is a bonding that does not use an adhesive, an organic compound can be used for the discharged liquid, and the mixing of the organic compound into the discharged liquid can be prevented.
[0020]
Further, in the method of manufacturing a droplet discharge head according to the present invention, the discharge liquid supplied from the supply path via the narrow groove is supplied to a discharge chamber for discharging the discharge liquid from the nozzle by changing the shape when a force is applied. A hole is formed in a portion of the reservoir for contacting the liquid discharged in the reservoir with air.
In the present invention, a hole is formed in a part of a reservoir that supplies a discharge liquid to a discharge chamber through a narrow groove, and a droplet discharge head in which the discharge liquid in the reservoir is in contact with air is manufactured. Therefore, even if the supply path is configured to be longer than the discharge liquid amount, the flow path resistance and inertia do not affect the vibration characteristics, and the discharge liquid can be supplied smoothly. Therefore, when providing various types of ejection liquid on the head in order to reduce the size, stable ejection can be ensured even if the supply path is unavoidably long.
[0021]
Further, a dispenser manufacturing method according to the present invention is manufactured so that a liquid containing an arbitrary biomolecule can be discharged from a nozzle using a droplet discharge head manufactured by the above-described manufacturing method.
In the present invention, a first substrate in which at least a part of a concave portion serving as a reservoir changes its shape according to pressure, and a second substrate in which a concave portion for forming a space enough to change its shape is formed. A dispenser capable of discharging a liquid containing any biomolecule is manufactured using a droplet discharge head bonded to a substrate. Therefore, even if the supply path is unavoidably lengthened, it is possible to manufacture a dispenser in which a part of the concave portion adjusts the fluctuation of the pressure of the liquid to be discharged and can stably discharge the liquid.
[0022]
Further, the biochip manufacturing method according to the present invention is a method of manufacturing a biochip, comprising: a droplet discharge head having a mechanism for reducing the influence of inertia due to a flow path resistance by a supply path for supplying a liquid containing any biomolecule to a nozzle; , A step of ejecting a liquid containing any biomolecule from the droplet ejection head to the chip, and a step of solidifying the liquid containing any biomolecule to form a probe. It is.
In the present invention, the flow path resistance by the supply path for supplying a liquid containing any biomolecule to the nozzle, the droplet discharge head having a mechanism to reduce the effect of inertia and the chip are relatively moved, A probe is created by ejecting liquid from the head and solidifying the liquid. Therefore, the size of the probe can be made uniform and small by fine control of the discharge amount by the droplet discharge head, and a biochip having a high probe density can be obtained by narrowing the interval between nozzles.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of the droplet discharge head according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a so-called face type electrostatic head. In FIG. 1A, a droplet discharge head main body 100 is configured by laminating a nozzle plate 10, a cavity substrate 20, and an electrode substrate 30.
[0024]
FIG. 2 is a sectional view of the droplet discharge head. 1 and 2, the nozzle plate 10 is formed of a silicon substrate. On one surface of the nozzle plate 10, the nozzle 11 </ b> A (not shown in FIG. 1) that communicates with the concave portion of the cavity substrate 20, which serves as the discharge chamber 21, communicates with the nozzle hole 11 and the concave portion that serves as the reservoir 22. A supply port 12 is formed for taking in a solution 400 (here, a solution containing biomolecules) as a supplied liquid to be discharged. Further, a narrow groove (not shown in FIG. 1) serving as the orifice 13 is provided on the other surface so that the discharge chamber 21 and the reservoir 22 communicate with each other. Further, the nozzle plate 10 forms one wall surface of the discharge chamber 21 and the reservoir 22.
[0025]
The cavity substrate 20 is formed of, for example, a silicon single crystal substrate having a (110) plane orientation. By etching the cavity substrate 20, concave portions serving as the discharge chamber 21, the reservoir 22, and the like are formed. The discharge chamber 21 stores a solution 400 to be discharged from the nozzle hole 11. A diaphragm 23 is formed on a wall surface having a concave portion serving as the discharge chamber 21 (here, a bottom wall, but not particularly limited). The diaphragm 23 changes shape by bending. The pressure in the discharge chamber 21 is increased by bending the vibration plate 23, and the solution 400 is discharged from the nozzle hole 11. The reservoir 22 stores the solution 400 supplied through the supply port 12 to supply the solution 400 to the discharge chamber 21. Here, the wall surface of the concave portion serving as the reservoir 22 (here, the bottom wall is not particularly limited) is formed as a film 24A (hereinafter, referred to as a film 24A) constituting the reservoir diaphragm 24. The reservoir diaphragm 24 is provided for the purpose of reducing inertia and flow path resistance due to a longer supply path, and obtaining a large acoustic capacity (compliance) for discharging from the nozzle hole 11. The bottom wall of the reservoir 24 serving as the film 24A is likely to be bent when pressure is applied. Usually, the diaphragm 23 and the film 24A are formed by wet etching and have the same thickness. Here, for example, when it is desired to form the film 24A even thinner, the number of steps increases, but it is also possible to further etch only the film 24A part to make it thinner. The narrow groove serves as an orifice 13.
[0026]
The electrode substrate 30 is made of, for example, a borosilicate heat-resistant hard glass substrate.
The electrode substrate 30 is provided with, for example, a recess having a depth of about 0.3 μm. The electrode 31 and the equipotential wiring 33 are provided in the recess corresponding to each of the discharge chambers 21 and each of the reservoirs 22. As the electrode 31, for example, a transparent electrode using an ITO (Indium Tin Oxide) film, which is an indium oxide film doped with tin oxide as an impurity, is used. However, the present invention is not limited to this material, and various materials such as a metal electrode can be used as the electrode. The equipotential wiring 33 is provided to prevent the film 24A from sticking to the electrode substrate 30 due to the applied voltage when the cavity substrate 20 and the electrode substrate 30 are anodically bonded at the time of manufacturing the head body. Here, the anodic bonding means, for example, that a cavity substrate 20 which is a silicon substrate and an electrode substrate 30 which is a glass substrate are stacked, and a DC voltage is applied while using the cavity substrate 20 as an anode and the electrode substrate 30 as a cathode while heating. In this way, bonding is performed. In this method, bonding can be performed without using an adhesive.
Therefore, it is particularly effective when the solution 400 having high durability and containing an organic compound is used. Here, the concave portion in which the electrode 31 is provided forms a gap (gap) for adjusting the distance between the diaphragm 23 and the electrode 31. In addition, the concave portion where the equipotential wiring 33 is provided becomes an air chamber 32 that forms the reservoir diaphragm 24, and provides a space for the film 24A to be flexed according to the pressure of the solution 400.
[0027]
The oscillation circuit 40 controls supply and stop of electric charge to the electrode 31 via the wire 41. The oscillation circuit 40 applies a pulse voltage at a lower frequency than the oscillation circuit of the droplet discharge head for printing. When the oscillating circuit 40 is driven to supply a charge to the electrode 31 to make it positively charged and the diaphragm 23 to be negatively charged, the diaphragm 23 is attracted to the electrode 31 by an electrostatic force and bends. As a result, the volume of the discharge chamber 21 is increased, and the solution 400 is supplied from the reservoir 22 accordingly. When the supply of the electric charge to the electrode 31 is stopped, the diaphragm 21 returns to the original state, but the volume of the discharge chamber 21 at that time also returns to the original state. Therefore, the differential solution 400 is discharged from the nozzle hole 11 by the pressure.
[0028]
In FIG. 1B, the supply path substrate 200 is provided for supplying the solution 400 to the droplet discharge head main body 100, and is connected to a plurality of solution tanks 300. The supply path substrate 200 has a two-layer structure, and includes a groove substrate 203 in which a groove serving as the supply path 201 is formed and a lid substrate 202 for covering the groove. A solution filling hole 301 also serving as an air hole is opened in an upper part of the solution tank 300, and an operator can fill the solution tank 300 with the solution 400 through the solution filling hole 301. The solution 400 supplied from each solution tank 300 flows into the supply path 201 via the hole 204 provided in the lid substrate 202. Then, the liquid is supplied from the supply path 201 to the reservoir 22 through the hole 205 provided in the lid substrate 202 and the supply port 12 provided in the droplet discharge head main body 100. Although FIG. 1 shows a perspective view in which the nozzle hole 11 faces upward, the nozzle hole 11 is actually used in a downward direction as shown in FIG.
[0029]
FIG. 3 is a view of the droplet discharge head as viewed from above. Although a mechanism capable of discharging four types of solutions is configured in FIG. 1, a layout for discharging more types of solutions is actually provided as shown in FIG. Here, in the droplet discharge head of FIG. 3, the length of each supply path (flow path) is adjusted and laid out so as to be the same.
[0030]
In the present embodiment, in order to reduce the influence of inertia and resistance generated by the supply path 201 being elongated, at least one wall surface of the reservoir 22 is bent by applying pressure due to the solution. Due to this bending, the compliance of the reservoir diaphragm 24 is increased, and the influence of the flow path resistance and inertia is suppressed. Therefore, even if the flow path is long like the supply path 201, the solution can be discharged. Therefore, for example, when creating a head that can eject a small amount of many kinds of solutions at once, such as a droplet ejection head used for manufacturing a biochip, etc. Even when a plurality of tanks for storing the liquid are provided in the head, the discharge of the liquid can be ensured even in a case where the flow path becomes unavoidably long. Thus, the size of the droplet discharge head can be reduced.
[0031]
FIG. 4 is a diagram showing the droplet discharge head as an equivalent circuit of an electric system. FIG. 4A shows a configuration of a normal droplet discharge head by an equivalent circuit of an electric system. FIG. 4B illustrates a configuration of a droplet discharge head having a long flow path such as the supply path 201 by an equivalent circuit of an electric system. FIG. 4C is a diagram showing the droplet discharge head as shown in FIGS. 1 and 2 in an equivalent circuit of an electric system. The effect of providing the reservoir diaphragm 24 will be described with reference to FIG. Here, the fluid system can be estimated in the same manner as the acoustic system. Also, the acoustic system can perform an equivalent circuit estimation of the electric system. Thus, the circuit of FIG. 4 is represented by an electric system. In FIG. 4, φ represents the driving force due to the electrostatic attraction of the ITO electrode. U represents the flow rate of the solution 400. m represents inertance (acoustic mass), c represents compliance, and r represents acoustic resistance. Regarding the suffixes, 0 indicates a diaphragm, 1 indicates a discharge chamber, 2 indicates an orifice, 3 indicates a nozzle, and P indicates a supply path. Also, c_rRepresents the compliance of the reservoir diaphragm 24. Here, each numerical value is, for example, r₂= R₃= 7.0 × 10^-12Ns / m⁵, M₂= M₃= 1.5 × 10^-8kg / m⁴, C₀= 4 × 10^-19m⁵/ N. Here, the present invention is not limited to this numerical value. The above numerical values are only reference values for indicating the order in the droplet discharge head.
[0032]
Before describing the operation of the droplet discharge head according to the present embodiment, a case of a normal droplet discharge head that does not consider the resistance due to the supply path 201 as shown in FIG. First, equations are created for the droplet discharge head as shown in FIG. 5 and once differentiated by time, the following equations (1) to (4) are obtained. Here, the numbers enclosed in parentheses on the right shoulder represent the number of times of differentiation.
φ⁽¹⁾= U₀/ C₀+ U₁ / C₁                              … (1)
u₀= U₁ + U₂ + U₃                                       … (2)
u₁ / C₁= R₃u₃ ⁽¹⁾+ M₃/ U₃ ⁽²⁾                        … (3)
u₁ / C₁= R₂u₂ ⁽¹⁾+ M₂/ U₂ ⁽²⁾                        … (4)
[0033]
Next, to solve the differential equation simply,₃= Kr₂, M₃= Km₂Then, the following equation (5) holds.

[0034]
Here, when the rigidity of the discharge chamber 21 is sufficiently high, there is almost no change in the volume of the solution 400, and therefore, the compliance c₁Becomes smaller, and the flow rate u₁ Can be ignored. (1 / k + 1) / c₀Assuming that = C, the equation (5) is expressed by the following equation (6).
(1 / k + 1) φ⁽¹⁾= Cu₀+ R₂u₀ ⁽¹⁾+ M₂u₀ ⁽²⁾ … (6)
[0035]
In order for the system represented by the expression (6) to be a vibration system, the following expression (7) needs to satisfy the vibration condition. This requires r₂<2 (m₂C)^1/2Must.
Cu₀+ R₂u₀ ⁽¹⁾+ M₂u₀ ⁽²⁾= 0 (7)
[0036]
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the depth of the groove of the supply path 201 and the size of the volume of the solution to be discharged. Next, the circuit of FIG. 4B will be described with reference to FIG. Channel resistance r_pIncreases in inverse proportion to the fourth power of the channel width (in the case of a similar-shaped cross section), and the inertance (acoustic mass) m_pIncreases in inverse proportion to the square. Channel resistance r_pAnd inertance m_pMeans the resistance r at the orifice 13 respectively.₂And inertance m_pAnd r₂+ R_p, M₂+ M_pBecomes Therefore, the longer the flow path, the greater the resistance and the overdamping. Therefore, even if the diaphragm 23 is driven, only the meniscus (curved surface formed on the surface of the liquid by the surface tension) moves in the nozzle hole 11 and the solution 400 is not discharged.
[0037]
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the magnitude of the flow path resistance and the driving frequency. In order to prevent overdamping, the inertance may be increased, but the natural frequency is ω = (C / m₂)^1/2Therefore, if only the inertance is increased while the spring force of the diaphragm 23 is constant, the vibration only occurs at an extremely low frequency, and the speed required for ejection cannot be obtained.
[0038]
On the other hand, when the spring force is increased, in order to obtain a displacement sufficient to secure a necessary discharge amount, it is necessary to deform the diaphragm with an electrostatic force or a piezoelectric force which is extremely strong as compared with normal discharge. It is difficult to secure such an electrostatic force or the like, and even if it can be secured, the generated pressure is extremely large, and cavitation occurs due to the negative pressure. In addition, the positive pressure denatures biomolecules such as proteins existing in the solution.
[0039]
Therefore, a reservoir diaphragm 24 as in the present embodiment is provided. When the reservoir diaphragm 24 is provided, an electric equivalent circuit as shown in FIG. In this case, the compliance c by the reservoir diaphragm 24_rAs a result, the following equation (8) holds.
u₀/ C₀= R₂u₂ ⁽¹⁾+ M₂/ U₂ ⁽²⁾+ U_r/ C_r … (8)
[0040]
c_rIs very large, u_r/ C_r= 0. Therefore, no flow path resistance is caused by the supply path 201, and the state is close to a state similar to that of a normal droplet discharge head. As a result, the vibration plate 23 vibrates and can be discharged from the nozzle holes 11. On the other hand, in order for the deformation of the membrane 24A of the reservoir diaphragm 24 to return to the initial state, u supplied from the supply path 201_pNeed time to save. However, this time is considered to be in an acceptable range in consideration of the time for transporting the biochip, controlling the installation position, and the like.
[0041]
As described above, according to the first embodiment, the reservoir diaphragm 24 is formed by the membrane 24A, which is also a part of the wall surface of the reservoir 22, and the air chamber 32, and the compliance of the membrane 24A caused by the pressure applied to the solution is increased. By increasing the (acoustic capacity), the influence of inertia and resistance, which are more prominent when the supply path 201 is lengthened, can be reduced, and the solution 400 can be discharged even when the flow path is lengthened. Therefore, for example, in order to reduce the size when manufacturing a head that can discharge a small amount of various kinds of solutions 400 at a time, such as a droplet discharge head used for manufacturing a biochip or the like and testing using biomolecules, If many types of solution tanks 300 are provided in the droplet discharge head, the supply path 201 becomes long. However, even in such a case, stable discharge of the solution can be ensured. Therefore, the size of the droplet discharge head can be reduced. Further, when the concave portion serving as the reservoir 22 is formed in the cavity substrate 20 by etching, the film 24A can be formed at the same time, so that the diaphragm for reducing the flow path resistance and the inertia can be formed without a significant change in the manufacturing process. Can be formed.
[0042]
Embodiment 2 FIG.
FIG. 7 is a sectional view of a droplet discharge head according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 7, the same number of bubble traps 35 as the number of nozzles (discharge chambers) are provided on the electrode substrate 30A. The bubble trap 35 is a portion serving as an air chamber for fixing bubbles (gas). The bubble trap 35 is provided in part with a water-repellent portion 36 that has been subjected to a water-repellent treatment, so that the solution 400 does not enter above the predetermined position of the bubble trap 35. The pressurizing hole 37 is a hole for performing pressurization for pushing back the solution 400 when the solution 400 enters the bubble trap 35.
[0043]
Gas acts as a damper because it can change volume significantly. Therefore, even if the bubble size is small, a large compliance can be achieved in terms of an equivalent circuit. On the other hand, it is difficult to fix the position, and if it flows into the discharge chamber 21, it absorbs pressure fluctuations and hinders discharge. Therefore, in the present embodiment, a bubble trap 35 for fixing bubbles is provided at the reservoir 22 or at a position communicating with the reservoir 22. Then, it is ensured that the solution 400 does not enter the bubble trap 35. For this purpose, a water-repellent treatment section 36 is provided by performing a water-repellent treatment. At the same time, a pressurizing hole 37 is provided in case the solution 400 enters the bubble trap 35. If the solution 400 enters, it is connected to, for example, a pump (not shown), and To feed the solution 400 that has penetrated back into the reservoir 22. However, on the contrary, care must be taken so that air does not enter the discharge chamber 21.
[0044]
Next, an example of a method of forming the bubble trap 35 and the like will be described. First, for example, a hole having a predetermined size is formed by laser processing at a position communicating with the reservoir 22 of the electrode substrate 30. Of course, holes are also formed at corresponding positions of the reservoir 22. Since the bubble trap 35 is provided for each nozzle, it is necessary that the size of the bubble trap be at least equal to or less than the interval between the nozzles. For example, in the case of 180 npi (nozzles per inch), the size must be smaller than 141.1 μm. Conversely, if it is too small, it cannot play the role of absorbing pressure fluctuations. Therefore, for example, it is configured to be between 20 μm and 100 μm. Then, a hole serving as the pressurizing hole 37 is opened from the opposite surface and penetrated. Thereafter, the thermally processed and deteriorated layer that has been deteriorated by heat generated by the laser processing is removed by etching. This is because leaving the thermally deformed layer causes cracks (cracks, etc.). Thereby, a bubble trap 35 is formed. Further, a water-repellent treatment section 36 is provided in the bubble trap 35. The water-repellent processing unit 36 is formed, for example, by immersing the electrode substrate 30 in a fluorine-based water-repellent. Here, by controlling the liquid level of the water repellent at the time of immersion, it is possible to perform the water repellent treatment to an arbitrary height of the bubble trap 35 and to provide the water repellent treatment part 36.
[0045]
Since the glass substrate itself, which is a material of the electrode substrate 30, has hydrophilicity, the solution 400 does not move beyond the position of the water-repellent treatment section 36, and a meniscus is formed at that position. Since the diameter of the bubble trap 35 is larger than the nozzle diameter, the position of the meniscus changes little even when the head is driven, and the meniscus flexes up and down at a stable position. The bubble trap 35 is connected to the pressurizing hole 37, and even if the solution 400 enters the inside of the bubble trap 35, it can be pressurized through the pressurizing hole 37 to push the solution 400 back into the reservoir 22.
[0046]
As described above, according to the second embodiment, the air bubble trap 35 is provided at a position communicating with the reservoir 22 to fix the air, and the air with high compliance is used as the damper. As in the case of the reservoir diaphragm 24 in the first embodiment, the solution 400 can be discharged even if the supply path 201 becomes long by absorbing pressure fluctuations in the droplet discharge head due to driving. Further, since the water repellent treatment section 36 is provided in the bubble trap 35, the air can be stably fixed in the bubble trap 35. Further, since the pressurizing hole 37 is provided, even if the solution 400 enters the bubble trap 35, it can be pushed back into the reservoir 22.
[0047]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of an edge discharge type droplet discharge head. Although the above embodiment has been described with respect to a face discharge type droplet discharge head, the present invention is not limited to this, and can be applied to an edge discharge type droplet discharge head. In the above-described embodiment, the solution 400 is discharged by driving the vibration plate 23 using electrostatic attraction. However, the present invention is not limited to this, and the piezoelectric (piezo) method is used. The solution 400 may be discharged.
[0048]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 9 is a diagram illustrating an example in which the above-described droplet discharge head according to the fourth embodiment of the present invention is used in the field of biotechnology. In this embodiment, a dispenser for manufacturing a biochip will be described. Here, a DNA (Deoxyribonucleic Acids: deoxyribonucleic acid) chip will be described as a typical example of a biochip. However, it is not limited to this. For example, protein (protein) chips, other nucleic acids (for example, Ribo Nucleic Acid: ribonucleic acids, Peptide Nucleic Acids: peptide nucleic acids, etc.) chips and the like, microarrays of other biochemical molecules (biomolecules), such as viruses, It can also be used as a chip for material inspection.
[0049]
A DNA chip (also referred to as a DNA microarray) is for performing a test using the complementarity of DNA bases. The DNA is a DNA in which a base (sugar (deoxyribose)) and a phosphate (nucleotide) are further bonded to form a double helix finally. Here, there are four types of bases: adenine (A), guanine (G), cytosine (C), and thymine (T). The DNA herein includes cDNA (complementary DNA) complementary to RNA (ribonucleic acid) using reverse transcriptase.
[0050]
The two single strands constituting the double helix are formed by repeating and binding these four nucleotides. The single-stranded bases are connected to each other. Here, a bond occurs only between adenine (A) and guanine (G), and a bond occurs only between cytosine (C) and thymine (T). This is base complementarity. Since genetic information can be obtained based on the base (nucleotide) sequence, it is very important to analyze this sequence. A tool (tool) for easily performing this analysis is a biochip.
[0051]
On the chip (slide, substrate), for example, one or more types of marked single-stranded nucleic acid fragments (probes) whose sequence is known in advance are affixed, for example, in a matrix. When a plurality of or a single-stranded fragment of an unknown sequence (for example, a target nucleic acid such as an oligonucleotide; hereinafter, referred to as a sample) is contacted (hybridized), the bound substance is, for example, a fluorescent marker Marks such as. For example, a probe that fluoresces due to binding is found by a fluorescence microscope or the like, and the sequence of the sample is analyzed by using the sequence that is paired with the probe sequence as the sample sequence. Further analysis based on this sequence can also be performed.
[0052]
In the case of the droplet discharge method, the amount of the spot DNA solution is smaller than that in the case of using a pen. For example, when using a pen, at least several hundred pl (picoliter: 100^-121) is spotted, but several pls are possible with ink jet. Therefore, the scale (area) of one spot can be reduced. Therefore, the number of spots on one chip can be increased, and the density can be increased. This saves inspection time, space, and the like. However, in practice, a certain scale may be required in relation to the analysis accuracy.
[0053]
Here, the droplet discharge head 1000 may be made disposable and replaceable. This eliminates the need to clean the head, so that time efficiency is improved, and no cross contamination due to cleaning leakage occurs. In this case, considering the cost of the solution, the smaller the amount of the solution left in the droplet discharge head 1000, the better. Therefore, like the droplet discharge head 1000 used in the present embodiment, the reservoir 31 is provided directly in the droplet discharge head 1000 to secure a required discharge amount, and the flow path 32 serving as a supply path is made as short as possible. Thus, the amount of useless solution can be reduced. In addition, since anodic bonding is performed, an organic compound such as an adhesive does not dissolve in the solution, and there is no problem that impurities are mixed in the solution.
[0054]
In FIG. 9, reference numeral 1000 denotes a droplet discharge head similar to that described in the above embodiment. Therefore, the figure numbers of the components of the droplet discharge head 1000 are the same as those in the above-described embodiment. Here, it is assumed that the droplet discharge head 1000 can rotate three-dimensionally. The droplet discharge head 1000 may be a combination of a plurality of droplet discharge heads described in the first embodiment (for example, a so-called line droplet discharge head).
[0055]
A Y-direction drive motor 1003 is connected to the Y-direction drive shaft 1002. The Y-direction drive motor 1003 is, for example, a stepping motor or the like. When a drive signal in the Y-axis direction is supplied from the control unit 1007, the Y-direction drive shaft 1002 is rotated. When the Y-direction drive shaft 1002 is rotated, the droplet discharge head 1000 moves along the direction of the Y-direction drive shaft 1002. The X-direction guide shaft 1004 is fixed so as not to move with respect to the base 1006.
[0056]
The work table 1001 is for installing a chip group 1008 to be manufactured. The chip groups 1008 are arranged in, for example, 8 × 6 on the workbench 1001. The workbench 1001 is provided with a workbench drive motor 1005. The workbench drive motor 1005 is also a stepping motor, for example. When a drive signal in the X-axis direction is supplied from the control unit 1007, the workbench 1001 is moved in the X-axis direction. That is, by driving the work table 121 in the X-axis direction and driving the droplet discharge head 1000 in the Y-axis direction, the droplet discharge head 1000 can be freely moved to any position on the chip group 1008. it can. Further, the relative speed of the droplet discharge head 1000 with respect to the chip group 1008 is also determined by the speed of the work table 1001 and the droplet discharge head 1000 driven by the drive mechanism in each axial direction.
[0057]
The control unit 1007 controls the ink ejection by applying a voltage for ejecting ink droplets for oscillating the oscillation circuit 23 of the droplet ejection head 1000. Further, a drive signal for controlling the movement of the droplet discharge head 1000 in the Y-axis direction is transmitted to the Y-direction drive motor 1003. A drive signal for controlling the movement of the workbench 1001 in the X-axis direction is transmitted to the workbench drive motor 1005.
[0058]
In the present embodiment, the droplet discharge head 1000 moves only in the Y-axis direction, and the workbench 1001 moves in the X-axis direction. This may be reversed, or one or both of the droplet discharge head 1000 and the workbench 1001 may be moved in both the X-axis direction and the Y-axis direction.
[0059]
As described above, according to the fourth embodiment, manufacturing, inspection, and the like of a biochip are performed using the droplet discharge head described in the first, second, or third embodiment as a dispenser. Therefore, the moving time of the head portion can be reduced as compared with the conventional one, and time and the like can be saved. Further, if the droplet discharge head is formed into a cartridge and can be detached from the drive control portion, it can be easily replaced, and it is not necessary to perform cleaning, so that time and the like can be saved. In addition, each solution is supplied from an independent tank and does not mix with other solutions, thereby preventing cross contamination. At this time, if the size of the solution tank 300 and the supply path 201 are made as short as possible, the amount of the solution to be used can be reduced, which is economical.
[0060]
Embodiment 5 FIG.
In the above-described fourth embodiment, the dispenser has been described as an example in which the dispenser is used for manufacturing a biochip. For example, on the contrary, it may be configured as a device for discharging a target nucleic acid collected from a living body onto a manufactured biochip in order to perform a test or the like. It can also be used for chemically synthesizing oligonucleotides on a chip.
[0061]
Embodiment 6 FIG.
In the above-described embodiment, the use of the droplet discharge head as in the first, second, or third embodiment for the dispenser has been described. However, the present invention is not limited to this. The above-described droplet discharge head can be used for all other industrial uses and home uses such as a printing apparatus, a color filter manufacturing apparatus, and an OEL substrate manufacturing apparatus. Therefore, the ejected liquid is not particularly limited to a solution containing biomolecules.
[0062]
Embodiment 7 FIG.
In the above-described embodiment, the solution tank 300 is provided for each of the nozzle holes 11. However, for example, one solution tank 300 may be provided for a plurality of nozzle holes 11 so as to be shared. Good.
[0063]
Embodiment 8 FIG.
In the above-described second embodiment, the pressurizing light 37 is provided to bring the solution into contact with air, but the present invention is not limited to this. For example, it is conceivable to fix another gas for a solution or the like affected by oxygen or the like in the air. In that case, it may be better not to provide a pressure hole.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view illustrating a configuration of a droplet discharge head.
FIG. 2 is a sectional view of a droplet discharge head.
FIG. 3 is a view of the droplet discharge head as viewed from above.
FIG. 4 is a diagram illustrating a droplet discharge head in an equivalent circuit.
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a depth of a supply path and a diameter of a solution.
FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a magnitude of a flow path resistance and a driving frequency.
FIG. 7 is a sectional view of a droplet discharge head according to a second embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view of an edge discharge type droplet discharge head.
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a spotter or a dispenser.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 100 droplet discharge head main body, 10 nozzle plate, 11 nozzle hole, 11A nozzle, 12 supply port, 13 orifice, 20 cavity substrate, 21 discharge chamber, 22 reservoir, 23 diaphragm, 24 reservoir diaphragm, 24A film, 30 electrode substrate , 31 electrodes, 32 air chambers, 33 equipotential wiring, 35 bubble trap, 36 water-repellent processing section, 37 pressurizing hole, 40 oscillation circuit, 41 wire, 200 supply path board, 201 supply path, 202 lid board, 203 groove Substrate, 204, 205 holes, 300 solution tank, 301 solution filling hole, 400 solution, 1000 droplet discharge head, 1001 work table, 1002 Y direction drive shaft, 1003 Y direction drive motor, 1004 X direction guide shaft, 1005 work table Drive motor, 1006 base, 1007 control means, 10 8 chip groups

Claims

A reservoir for storing a discharge liquid supplied from a supply path, and a discharge chamber to which the discharge liquid stored in the reservoir is supplied through a narrow groove, and at least a part of which changes shape by an external force; A droplet discharge head including at least a nozzle that discharges the discharge liquid by a change in chamber pressure due to a change in the shape of the discharge chamber;
A droplet discharge head, wherein the reservoir is configured such that a liquid discharged from the reservoir is in contact with a gas.

2. The droplet discharge head according to claim 1, wherein an air chamber for fixing the gas is provided at a position communicating with the reservoir.

The droplet discharge head according to claim 2, wherein a part of the air chamber is made of a water-repellent treatment or a water-repellent material.

3. The droplet discharge head according to claim 2, wherein a hole for communicating the air chamber with the outside is provided.

The inkjet head according to claim 2, wherein a diameter of the air chamber is larger than a diameter of the nozzle.

A reservoir for storing a discharge liquid supplied from a supply path, a discharge chamber to which the discharge liquid stored in the reservoir is supplied via a narrow groove, and at least a part of which changes shape by an external force; and A nozzle that discharges the discharge liquid by a change in pressure in the chamber due to a change in the shape of the droplet discharge head,
A droplet discharge head, wherein at least a part of the reservoir changes shape based on a pressure change by the discharge liquid.

7. The droplet discharge head according to claim 6, wherein at least a part of the reservoir is a diaphragm mechanism.

2. The apparatus according to claim 1, further comprising a plurality of sets each including at least a tank for storing the discharge liquid, a supply path for supplying the discharge liquid stored in the tank to the reservoir, the reservoir, the discharge chamber, and the nozzle. 3. 8. The droplet discharge head according to any one of items 1 to 7.

The droplet discharge head according to claim 1, wherein the discharge liquid is a solution containing a biomolecule.

A flow path resistance by a supply path for supplying a liquid containing any biomolecule to the nozzle, a droplet discharge head having a mechanism for reducing an influence on inertial vibration characteristics,
Scanning drive means for moving the droplet discharge head based on a position control signal,
A dispenser comprising at least position control means for changing a relative position between a chip to be recorded and the droplet discharge head.

At least one of a first substrate having a concave portion serving as a reservoir for supplying a discharge liquid supplied from a supply path to the discharge chamber through a discharge chamber and a narrow groove that changes shape when a force is applied, and at least one of the reservoirs A second substrate provided with a concave portion formed corresponding to the reservoir so that the portion can change its shape based on a pressure change due to the discharge liquid, and a pressurizing means for applying a force to the discharge chamber to change the shape; The process of creating
Bonding the first substrate and the second substrate at least. A method for manufacturing a droplet discharge head, comprising:

12. The method according to claim 11, wherein equipotential wiring is provided in a recess corresponding to the reservoir, and the first substrate and the second substrate are anodically bonded.

When a force is applied, the shape of the discharge liquid in the reservoir is changed to a part of the reservoir for supplying the discharge liquid supplied from the supply path through the narrow groove to the discharge chamber for discharging the discharge liquid from the nozzle. Forming a hole for bringing the liquid into contact with air.

A liquid containing an arbitrary biomolecule is manufactured so as to be able to be discharged from a nozzle by using a liquid drop discharging head manufactured by the method of manufacturing a liquid drop discharging head according to any one of claims 11 to 13. Manufacturing method of dispenser.

A step of relatively moving the chip and the droplet discharge head having a mechanism for reducing the influence on the flow path resistance and the inertia vibration characteristic of the supply path for supplying the liquid containing any biomolecules to the nozzle; ,
A biochip comprising at least a step of discharging the liquid containing any biomolecules from the droplet discharge head to the chip and a step of solidifying the liquid containing any biomolecules to form a probe. Production method.