WO2011099287A1 - 粒状体を含む液状体の吐出装置 - Google Patents

Abstract

　アクチュエータ（６）によりキャビティ（１４）の内圧を変動させ、キャビティ（１４）に連通したノズル開口（１１）から液状体（５０）を吐出する吐出ヘッド（１０）を有する吐出装置（１）である。吐出ヘッド（１０）は、キャビティ（１４）およびノズル開口（１１）の間に設けられた検出部（１２）を含み、さらに、吐出ヘッド（１０）の検出部（１２）の液状体（５０）に含まれる粒状体（５１）の個数および／または形態を検出する検出装置（７）と、検出装置（７）の検出結果（７ａ）によりアクチュエータ（６）を駆動して検出部（１２）の液状体（５０）に含まれる粒状体（５１）の状態を変化させる制御装置（７４）とを有する。

Description

粒状体を含む液状体の吐出装置

　本発明は、粒状体を含む液状体を吐出する装置および吐出する方法に関するものである。

　日本国特許公開公報２００５－２３８７８７号（文献１）には、インクジェットヘッドのノズルから吐出されるインク滴の吐出量を測定するためのインク吐出量測定方法であって、インク滴形状評価用冶具上にノズルからインク滴を吐出する工程と、インク滴形状評価用冶具上に吐出されたインク滴の径を測定する工程と、予め求められたインク滴の径とインク吐出量との相関特性に基づき、測定されたインク滴の径からインク吐出量を算出する工程により、インク吐出量を求めることが記載されている。

　印刷装置として開発されたインクジェット技術を用い、印刷用紙およびそれに代わるものにインクおよびそれ以外のものを吐出することが検討されている。吐出の対象となる物質は、単純な液状体（液体、溶液などの流動性のある物体を含む）に限らず、粒状体（粒子、微粒子）、たとえば、細胞や遺伝子などの生物（生体）材料、金属あるいは酸化物などの固形物を含む液状体（混合体）が検討されている。細胞などの粒状体を吐出する用途では、インクジェットヘッドのノズルからマイクロプレートなどのターゲットに向けて、所定の条件で精度よく吐出することが要求される。

　本発明の一態様は、アクチュエータによりキャビティの内圧を変動させ、キャビティに連通したノズル開口から液状体を吐出する吐出ヘッドを有する吐出装置である。吐出ヘッドは、キャビティおよびノズル開口の間に設けられた検出部を含み、さらに、吐出ヘッドの検出部の液状体に含まれる粒状体の個数および／または形態を検出する検出装置と、検出装置の検出結果によりアクチュエータを駆動して検出部の液状体に含まれる粒状体の状態を変化させる制御装置とを有する。

　この吐出装置では、検出部を介して、吐出直前の液状体に含まれる粒状体、たとえば細胞などの個数および／または形態を含む検出結果を取得できる。このため、この吐出装置においては、吐出される直前の液状体、特に、液状体に含まれる粒状体の状態を確認できる。

　さらに、この吐出装置は、アクチュエータを駆動することによりキャビティの内圧を変動でき、キャビティに繋がる検出部の液状体に含まれる粒状体の状態を変化させることができる。したがって、制御装置は、検出結果が吐出する所定の条件の範囲に入るまで何度でも検出部の液状体に含まれる粒状体の状態を変化させることができる。このため、この吐出装置は、ターゲットに吐出される液状体に含まれる粒状体の個数および／または形態を精度よく制御できる。

　検出部の液状体に含まれる粒状体の状態を変化させる典型的な方法（手段）は液状体を吐出することである。したがって、制御装置は、検出結果により液状体の吐出先を変える機能（吐出先選択機能ユニット）を含むことが望ましい。吐出装置が、吐出条件の異なる複数のターゲットに対し吐出する場合は、検出結果が所定の条件に合致したターゲットに液状体を吐出することにより、検出部の液状体に含まれる粒状体の状態を変化させることができる。また、液状体の吐出先を変えて、ターゲットとは異なる場所に液状体を捨て打ちすることにより、検出部の液状体に含まれる粒状体の状態を変化させることができる。

　アクチュエータを駆動して、液状体をノズル開口から吐出させずに検出部の液状体を攪拌することにより検出部の液状体に含まれる粒状体の状態を変化させることも可能である。したがって、制御装置は、検出結果により液状体をノズル開口から吐出させずに検出部の液状体を攪拌する機能（攪拌機能ユニット）を含むことも有効である。これにより、液状体および粒状体の消費を抑制できる。

　この吐出装置において、吐出ヘッドの検出部は、吐出ヘッドのキャビティからノズル開口に至る流路の断面が第１の方向に延びた扁円状の扁平部であって、複数の粒状体を第１の方向に分散させる扁平部を含むことが望ましい。吐出ヘッドのノズル開口が第１の方向に扁平に成形されていてもよい。

　この検出部は、内部に扁平状の空間を有するので、液状体に含まれる粒状体を第１の方向に分散させることにより、粒状体の個数や、大きさ（径）、形状および色などの形態を判断し、検出結果を得やすい。このため、この吐出装置においては、液状体に含まれる粒状体が比較的粒径の小さな粒状体であっても、吐出前の液状体に含まれる粒状体の形態（種類）を精度よく確認しやすい。したがって、この吐出装置は、ターゲットに向けて、所望の条件でいっそう精度よく、かつ確実に粒状体を吐出できる。

　この吐出装置において、吐出ヘッドの検出部は透光性であり、検出装置は、光を介して複数の粒状体を画像認識する撮像部を含むことが望ましい。この吐出装置においては、可視光を用いて液状体に含まれる粒状体を観察できる。撮像部は、典型的には、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの撮像素子と光学レンズとを備えたカメラであり、撮像部で得られた画像をプロセッサにより画像処理することにより細胞などの微小な粒子であっても容易に判別できる。特に、撮像部は、並列処理機構を備えた画像処理装置を用いることにより高速で検出部に存在する微小な粒子を検出できる。また、細胞などの生体材料においては、蛍光発色する物質を含有させることが可能であるため、その場合には蛍光を検知できる可視光以外の光、たとえばブラックライトを当て、これを検出できるカメラで観察しても良い。

　この吐出装置において、検出部は、ノズル開口に繋がる第１の領域と、第１の領域に続く第２の領域とを含み、検出装置は、検出部の第１の領域の個数および／または形態および第２の領域の個数および／または形態をそれぞれ取得することが望ましい。さらに、制御装置は、第１の領域の検出結果が所定の条件の範囲外のとき、または第２の領域の検出結果が所定の条件の範囲外のときに検出部の液状体に含まれる粒状体の状態を変化させることが望ましい。この吐出装置は、第１の領域の検出結果および第２の領域の検出結果が所定の条件の範囲に入るときにのみ液状体をターゲットに吐出できる。このため、ターゲットに注入される粒状体の個数および／または形態の精度をさらに向上できる。

　この吐出装置において、アクチュエータはピエゾ素子であり、制御装置は、液状体を吐出する際にピエゾ素子に押し打ち方式の駆動パルスを供給する機構を含むことが望ましい。

　本発明の異なる態様の１つは、アクチュエータによりキャビティの内圧を変動させ、キャビティに連通したノズル開口から液状体を吐出する吐出ヘッドであって、キャビティおよびノズル開口の間で、ノズル開口から吐出される液状体に含まれる複数の粒状体が分散する検出部を有する吐出ヘッドである。この吐出ヘッドの検出部は、吐出ヘッドのキャビティからノズル開口に至る流路の断面が第１の方向に延びた扁円状の扁平部であって、複数の粒状体が第１の方向に分散する扁平部を含むことが望ましい。この吐出ヘッドのノズル開口は、第１の方向に扁平に成形されていることが望ましい。

　この吐出ヘッドにおいて、検出部は透光性であることが望ましい。この吐出ヘッドの検出部は、典型的には、対向して配置された平坦な第１の側壁および第２の側壁を含む。検出部の流路の断面が長方形またはそれに近くなるので、検出部の全体にわたり、複数の粒状体が第１の側壁および第２の側壁に挟まれた方向に相互に重なりにくくなり、それぞれの粒子を独立して検出できる確率が向上する。

　この吐出ヘッドは、液状体を保持し、一部が、外側に取り付けられるアクチュエータにより内圧が変動するキャビティとなるように成形された管状部材であって、一方の端にノズル開口が設けられた管状部材を有し、管状部材のキャビティおよびノズル開口の間に検出部が設けられていることが望ましい。キャビティからノズル開口に至るまで１つの管状部材、たとえばガラス管によりシームレスに形成できるので、気泡などによる滞りや詰まりが発生しにくく、多種多様な粒状体および液状体を吐出するのに適した吐出ヘッドを提供できる。

　検出部は、管状部材の一部を、外側から押し潰すように成形することにより形成できる。管状部材の典型的なものは、透光性を備えたガラス管、樹脂管およびセラミックス管のいずれかである。

　本発明のさらに異なる態様の１つは、吐出装置により粒状体を含む液状体をターゲットに吐出する方法である。吐出装置は、アクチュエータによりキャビティの内圧を変動させ、キャビティに連通したノズル開口から液状体を吐出する吐出ヘッドと、アクチュエータを制御する制御装置と、キャビティとノズル開口との間に設けられた検出部の液状体に含まれる粒状体を検出する検出装置とを含む。さらに、当該方法は以下のステップを有する。
１．制御装置が、検出装置により液状体に含まれる粒状体の個数および／または形態を含む検出結果を取得すること。
２．検出結果によりアクチュエータを駆動して検出部の液状体に含まれる粒状体の状態を変化させること。

　状態を変化させること（ステップ２）は、検出結果により液状体をノズル開口から吐出させずに検出部の液状体を攪拌することを含む。状態を変化させることは、検出結果により液状体の吐出先を変えることを含む。吐出先を変えることは、液状体を捨て打ちすることを含んでいてもよい。

　さらに、検出結果を取得すること（ステップ１）は、検出部にノズル開口に繋がる第１の領域と第１の領域に続く第２の領域とを設定し、第１の領域の検出結果および第２の領域の検出結果をそれぞれ取得することを含むことが望ましい。また、状態を変化させること（ステップ２）は、第１の領域の検出結果が所定の条件の範囲外のとき、または第２の領域の検出結果が所定の条件の範囲外のときに検出部の液状体に含まれる粒状体の状態を変化させることを含むことが望ましい。

本発明の吐出装置の概略構成を示す図。 吐出ヘッドの構成を拡大して示す斜視図。 吐出ヘッドの長手方向の断面を示す断面図。 吐出ヘッドの長手方向の異なる断面を示す断面図。 吐出ヘッドの先端を拡大して示す断面図。 吐出ヘッドの先端の部分を示す断面図。 吐出ヘッドの扁平状の部分を示す断面図。 吐出ヘッドの円筒状の部分を示す断面図。 吐出ヘッドの扁平状の異なる部分を示す断面図。 吐出ヘッドの絞部を示す断面図。 吐出ヘッドの異なる例を示す斜視図。 吐出ヘッドのさらに異なる例を示す斜視図。 本発明の吐出する方法のフローチャートを示す図。 本発明の吐出する方法のフローチャートの一例を示す図。 吐出ヘッドの扁平状の部分を拡大して示す断面図で、（ａ）～（ｃ）は撹拌または捨て打ちされる状態を模式的に示した図、（ｄ）はターゲットに吐出される状態を模式的に示した図。 吐出ヘッドのさらに異なる例を示す斜視図。 吐出ヘッドのさらに異なる例を示す断面図。 図１７に示す吐出ヘッドの扁平状の部分を拡大して示す断面図。

　図１に、本発明の第１の実施形態にかかる吐出装置の概略構成を示している。吐出装置１は、管状部材であるガラス管２０を備えた吐出ヘッド（ノズルヘッド、インクジェット方式により駆動されるノズルヘッド）１０と、吐出ヘッド１０から吐出する液状体５０、たとえば水などのキャリアを格納した容器５と、吐出ヘッド１０から液滴７１を吐出させる第１のアクチュエータ６と、第１のアクチュエータ６を駆動する駆動ユニット（装置）２と、吐出ヘッド１０から吐出される液滴７１の直前および直後の状態を検出する検出ユニット（装置）７と、吐出ヘッド１０を移動する第２のアクチュエータ７９と、吐出ヘッド１０が液滴７１を吐出する複数のターゲット８１ａ、８１ｂおよび８１ｃを支持するテーブル８３と、テーブル８３を移動する第３のアクチュエータ８９と、移動用のアクチュエータ７９および８９を制御する制御ユニット（装置）７４とを含む。

　テーブル８３には吐出ヘッド１０から液滴７１を捨て打ちするためのディスポーザ８２が設けられている。この吐出装置１においては、テーブル８３を第３のアクチュエータ８９により移動するか、吐出ヘッド１０を第２のアクチュエータ７９により移動することにより、吐出ヘッド１０から液滴７１をいずれかのターゲット８１ａ～８１ｃに注入したり、ディスポーザ８２に捨て打ちしたりすることができる。ターゲット８１ａ～８１ｃは、液滴７１を受けるものであればよく、たとえば、シャーレ、分析プレート、試験管などである。

　吐出ヘッド１０は、ほぼ直線的に延びたガラス管（管状部材）２０を有する。このガラス管２０においては、先端部分２１が扁平状（平たい形状）のノズル開口１１であり、先端部分２１から後退し、先端部分２１に繋がる（連通した）部分（第１の扁平部）２２がノズル開口１１を含めて扁平状の検出部１２であり、さらに第１の扁平（偏平）部２２から後退し、第１の扁平部２２に繋がる（連通した）部分（第２の扁平部）２４が扁平状のキャビティ（圧力室）１４である。また、ガラス管２０の末端（後端）２９は供給管４を介して容器５に接続されている。

　これらの扁平な部分２１、２２および２４を備えた管状部材２０は、全体が透光性であり、一本のガラス管から適当な方法、たとえば、型を用いて成形される。したがって、吐出ヘッド１０のガラス管２０の内部には、キャビティ１４から検出部１２を経てノズル開口１１に至るシームレスな流路が形成されている。

　この吐出ヘッド１０は、ガラス管２０のキャビティ１４の平坦な壁２４ａの外側の面（外面）２４ｂに取り付けられた平板状の圧電素子（ピエゾ素子、アクチュエータ）６を含む。制御ユニット７４は駆動ユニット２により圧電素子６を駆動し、キャビティ１４の内圧を変動させ、キャビティ１４に連通したノズル開口１１から液状体５０を液滴７１として吐出する。また、制御ユニット７４は、圧電素子６を駆動することによりノズル開口１１から液状体５０を吐出させない程度の圧力を発生させ、検出部１２を含めたガラス管２０内の液状体５０を攪拌することができる。

　吐出ヘッド１０のガラス管２０は、キャビティ１４およびノズル開口１１の間に、流路の断面がガラス管２０の中心軸９ｚに対して直交する方向（第１の方向）９ｘに延びた扁平の検出部（観察室、検出室）１２を含む。扁平な内断面を含む検出部１２においては、ノズル開口１１から吐出される液状体５０に含まれる複数の粒状体（粒子）５１が第１の方向９ｘに分散させられる。検出部１２は断面が扁平であり、側壁２２ａおよび２２ｃはほぼ平坦で検出部１２の内部を撮像する際に光が屈折したり全反射したりしにくく、検出部１２の内部を観察しやすい。また、検出部１２の内部が見えにくくなる部分も発生しにくい。このため、検出部１２の透明で平らな側壁２２ａおよび２２ｃを介して液状体５０に含まれる粒状体５１を精度良く観察できる。

　検出部１２には、ノズル開口１１から吐出される直前の液状体５０が保持され、吐出直前の液状体５０に複数の粒状体５１が含まれていれば、それらが流れに直交する方向９ｘに分散し、高い確率で複数の粒状体５１を独立して検出（観察）できる。したがって、この吐出装置１においては、検出部１２において、吐出直前の液状体５０に粒状体５１が含まれていれば、その個数（数）だけではなく、それらの粒状体５１の特徴（形態、状態）、たとえば径（大きさ）、形状、模様、色などの情報を取得できる。このため、検出ユニット７は、検出部１２の液状体５０に含まれる粒状体５１の種類（タイプ、種）を特定することも可能である。したがって、検出ユニット７は、検出部１２の液状体５０に含まれる粒状体５１の個数および／または形態を含めた検出結果７ａを出力できる。

　この吐出装置１は、検出部１２の検出結果（計測結果）７ａに基づいてピエゾ素子６を駆動させ、液状体５０が吐出しない範囲で液状体５０を撹拌する振動を与えたり、液状体５０をターゲット８１ａ～８１ｃおよびディスポーザ８２のいずれかに吐出させたりすることにより、検出部１２の状態を変化させ、粒状体５１を適切な配置にして、指定した個数および／または形態（形態により判別される種類の粒状体）の粒状体５１のみを含む液状体５０を所定のターゲット８１ａ～８１ｃに吐出させることが可能となる。

　この吐出装置１は、制御ユニット７４からの指示（信号）を駆動ユニット（駆動装置、ドライバ）２が受けて、ドライバ２が駆動パルスによりアクチュエータ６を駆動する。制御ユニット７４は、ＣＰＵおよびメモリなどの汎用のコンピュータとしてのハードウェア資源を備えた装置であってもよく、ＬＳＩあるいはＡＳＩＣなどを含む吐出装置１に専用のハードウェアを備えた制御ユニットであってもよい。制御ユニット７４は、パーソナルコンピュータなどのホスト装置と通信する機能を含むことが望ましい。また、制御ユニット７４はホスト装置を兼ねたパーソナルコンピュータに実装されていてもよく、制御ユニット７４としての機能は適当なソフトウェア（プログラム、プログラム製品）により提供することが可能である。

　アクチュエータであるピエゾ素子６が駆動パルスにより伸縮および／または変形すると、ガラス管２０に設けられたキャビティ１４の平坦な壁２４ａが変位し、キャビティ１４の内容積が変動する。このため、キャビティ１４の内圧が変化し、容器５から供給された液状体５０が、キャビティ１４を通って検出部１２に供給される。さらに、検出部１２に保持されていた液状体５０はガラス管２０の先端部分２１に設けられたノズル開口１１から押し出され、液滴７１として吐出される。その際、検出部１２に保持されていた液状体５０に粒状体５１が混ざっていれば、ノズル開口１１から粒状体５１を含む液状体５０が吐出される。

　制御ユニット７４は、ヘッドコントローラ７４ａを含み、ヘッドコントローラ７４ａは、検出ユニット７の検出結果７ａを取得する機能（取得ユニット）７５と、検出結果７ａにより検出部１２の液状体５０に含まれる粒状体５１の状態を変える機能（状態変更ユニット）７６とを含む。状態変更ユニット７６は、検出ユニット７の検出結果７ａにより、吐出直前の液状体５０に含まれている粒状体５１の個数および／または形態などが所定の条件を満たせば、液状体５０を所定のターゲット８１ａ～８１ｃのいずれかへ吐出するようにピエゾ素子６、およびアクチュエータ７９および／または８９を制御する吐出先変更機能（吐出先変更ユニット）７８を含む。吐出先変更ユニット７８は、液状体５０をディスポーザ８２へ捨て打ちして検出部１２の状態を変化させるようにピエゾ素子６、およびアクチュエータ７９および／または８９を制御する捨て打ち機能（捨て打ちユニット）７８ａを含む。また、状態変更ユニット７６は、検出ユニット７の検出結果７ａにより、吐出直前の液状体５０に含まれている粒状体５１の個数などが所定の条件を満たさなければ、液状体５０が吐出されない程度にピエゾ素子６を駆動して検出部１２の液状体５０中の粒状体５１の状態を変える機能（攪拌ユニット）７７を含む。

　このように、吐出装置１は、インクジェット方式の吐出ヘッド１０により、種々の粒状体５１を含む液状体５０をターゲット８１に吐出したり分注したりすることができ、その際、吐出ヘッド１０の内部の吐出直前の液状体５０に含まれる粒状体５１の個数および／または形態（外観、様子）などを検出できる。この明細書において、粒状体５１とは、液状体５０の中で独立して存在し、ガラス管２０を介して、その存在を様々な方法により検出（識別、認識）できるものであればよい。典型的な検出方法は、光（可視光、赤外光など）を用いた画像処理を含むものであり、適当なレンズシステムにより拡大された画像を取得することも有効である。検出方法は、磁場、電場を利用した方法であってもよい。粒状体５１の典型的なものとしては、細胞や遺伝子（ＤＮＡ、ＲＮＡ）などの生物材料を含む粒状体（粒子、微粒子）を挙げることができる。粒状体５１には、球状（粒状）だけでなく線状、その他の形状のものも含まれる。

　これらの粒状体５１は、キャビティ１４からノズル開口１１に至るまでの間に詰まったり、偏在したりすることが多い。吐出装置１の吐出ヘッド１０は、キャビティ１４からノズル開口１１に至るまで、検出部１２を含めて吐出ヘッド１０の主要な部分が１本のガラス管２０によりシームレスに形成されている。このため、この吐出ヘッド１０は、気泡などによる滞り、詰まりあるいは偏在が発生しにくく、細胞などの閉塞しやすい粒状体５１であっても、液状体５０に比較的一様に存在した状態でノズル開口１１まで導くことができる。

　図２に、吐出ヘッド１０のガラス管２０の構成（形状）を拡大して示している。図３および図４に、ガラス管２０の概略構成を、長手方向（中心軸）９ｚに直交する第１の方向９ｘ（以降ではＸ方向）と、中心軸９ｚおよび第１の方向９ｘに直交する第２の方向９ｙ（以降ではＹ方向）とをそれぞれ含む断面により示している。このガラス管２０の典型的なサイズは、外径０．５～５ｍｍ、厚み０．０１～１ｍｍである。ガラス管２０は、先端のノズル開口１１に向かってＸ方向に広くＹ方向に狭く扁平に成形された先端部分２１と、その後方（図２において上方）でＸ方向に広くＹ方向に狭く扁平に成形された第１の扁平部２２と、その後方でほぼ円筒状の第１の円筒部２３と、その後方でＸ方向に広くＹ方向に狭く扁平に成形された第２の扁平部２４と、その後方でほぼ円筒状の第２の円筒部２５と、その後方で第２の円筒部２５より狭くなるように絞られた絞部２６と、その後方でガラス管２０を供給管４に接続するためのほぼ円筒状の第３の円筒部２７とを含む。先端部分２１、第１の扁平部２２および第２の扁平部２４は異なる方向に扁平であってよい。たとえば第２の扁平部２４はＹ方向に広くＸ方向に狭く扁平に成形されていてもよい。

　各部分をさらに詳しく説明すると、まず、ガラス管２０の先端部分２１は、図５に拡大して示すように、ガラス管２０の先端をノズル開口１１として適当なサイズまで外側から押し潰した形状に成形されており、図６にその断面を拡大して示している。ノズル開口１１は、Ｘ方向に広くＹ方向に狭く断面がほぼ扁円形（長円形）またはそれに近い形に扁平に成形されているため、粒状体５１をＸ方向に均等に分散させやすく、吐出される直前の粒状体５１を視認あるいは検出しやすい。ノズル開口１１の典型的なサイズは、内部のＹ方向の最大高さ（最大内径）ｄが１５～２００μｍである。細胞などのμｍオーダーの微小な粒状体５１を吐出するためには、ノズル開口１１から吐出される液状体５０の１回の吐出量を、たとえば、ｐｌ（ピコリットル）オーダーからｆｌ（フェムトリットル）オーダーまで制御できることが望ましい。先端部分２１の成形方法の１つは、ガラス管２０を加熱した後、上下方向（長手方向に直交する方向）からプレスすることであるが、公知のガラス加工の様々な手法も用いることができ、加工方法を限定するものではない。

　なお、本明細書において扁円形（長円形）とは、長方形や正方形などの角張った（角のある）形状を除き、さらに、正円形（円形）を除く長尺状の円形であって、楕円形のほか、長方形または正方形の対辺の各々に対辺間の距離（対辺同士の間隔）を直径とする半円形が付加された形状など種々の形状を含む概念である。

　先端部分２１の後方の第１の扁平部２２は、ガラス管２０が外側から押し潰されるように成形され、内部に、扁平した、または箱型の空間を形成し、検出部１２を構成する部分である。図７にその断面を拡大して示している。第１の扁平部２２の典型的なサイズは、内部のＹ方向の最大高さ（最大内径）ｈが０．０５～１．０ｍｍ、内部のＸ方向の最大幅Ｗｉが０．３～１０ｍｍ程度で、内部の長手方向９ｚの長さが１～２０ｍｍである。内部の最大幅Ｗｉは１～３ｍｍ程度がさらに好ましい。検出部１２に存在する粒状体を観察するようにＸ方向に広がった第１の側壁２２ａおよび第２の側壁２２ｃは、板状であり、その壁厚ｔは、５０～５００μｍ程度が望ましく、５０～３００μｍ程度がさらに好ましい。また、第１の扁平部２２は、外部の最大幅Ｗｏが０．５５～７ｍｍ程度になるように成形されている。

　本例においては、第１の扁平部２２は、ガラス管２０を外側から押し潰すように成形され、内部に、扁平したほぼ扁円形（長円形）またはそれに近い形状の開口を備えた検出部１２が形成されている。検出部１２の内部の断面積と長さとにより規定される容量は、検出部１２の利用方法を考える上で重要である。すなわち、検出部１２に何回分の吐出量を保持するかにより、以下で説明する粒状体５１の検出アルゴリズムが変わるからである。

　また、検出部１２のＹ方向の最大高さ（最大内径）ｈは、検出部１２に流入する粒状体５１のサイズにより適宜選択されることが望ましい。すなわち、粒状体５１のサイズ（たとえば直径）に対して検出部１２の最大高さ（最大内径）ｈが大きすぎると、検出部１２の内部で粒状体５１が重なって存在する可能性が増し、複数の粒状体５１を個別に識別できない可能性が高くなる。一方、粒状体５１のサイズに対して検出部１２の最大高さ（最大内径）ｈが小さすぎると、検出部１２が粒状体５１の通過に対して抵抗となり、ノズル開口１１から粒状体５１がスムーズに吐出されにくくなる可能性がある。

　したがって、検出部１２のＹ方向の最大高さ（最大内径）ｈと、識別対象の粒状体５１の平均粒径（直径）ｒとが以下の条件を満たすことが望ましい。
１．２≦ｈ／ｒ≦１００．０・・・（１）
　（ｈ／ｒ）は５０．０以下であることがさらに好ましい。
また、（ｈ／ｒ）は１．４以上であることが好ましく、１．５以上であることがさらに好ましい。

　また、検出部１２のＹ方向の最大高さ（最大内径）ｈと、ノズル開口１１のＹ方向の最大高さ（最大内径）ｄとは以下の条件を満たすことが望ましい。
０．５≦ｈ／ｄ≦２０．０・・・（２）
　（ｈ／ｄ）は１５．０以下であることがさらに好ましい。（ｈ／ｄ）は０．８以上であることがさらに好ましい。

　また、ノズル開口１１のＹ方向の最大高さ（最大内径）ｄと、ノズル開口１１のＸ方向の最大幅ｂとは以下の条件を満たすことが望ましい。
１．０≦ｂ／ｄ≦２０．０・・・（３）
　（ｂ／ｄ）は１０．０以下であることがさらに好ましい。

　この第１の扁平部２２の成形方法の１つは、ガラス管２０を加熱した後、上下方向（長手方向に直交する方向）からプレスすることである。ガラス管２０を１次元方向（前後方向、長手方向）だけでなく、２次元方向（上下方向、長手方向に直交する方向）に押し広げた状態にプレス成形することにより、内部に扁平な空間を備えた検出部１２が形成される。それとともに、ガラス管２０の第１の扁平部２２の第１の側壁２２ａの外側に平坦な面２２ｂが形成され、第２の側壁２２ｃの外側に平坦な面２２ｄが形成される。この成形方法は１例であり、射出成形のように、金型（型）にガラス、樹脂などの管状部材を吹き出して所定の形状のガラス管２０を成形することも可能であり、金属を圧延して所定の形状の管状部材を得てもよい。

　第１の側壁２２ａおよび第２の側壁２２ｃは、平坦であっても、湾曲していてもよい。湾曲していればレンズ効果により検出部１２の粒状体５１が視認しやすい。一方、第１の側壁２２ａおよび第２の側壁２２ｃが平坦で、内部の検出部１２の最大高さ（最大内径）ｈが一様であれば、側壁２２ａおよび２２ｂを透過して歪みの少ない像が得られ易く、粒状体５１の形態により粒状体５１の種類を判別しやすい。また、平坦な側面２２ａおよび２２ｃにより箱型の検出部１２が構成され、粒状体５１が検出部１２のＸ方向に均等に分散されやすい。したがって、検出部１２に複数の粒状体５１が存在する場合、それぞれを視認あるいは検出しやすい。

　第１の扁平部２２の後方の第１の円筒部２３は、検出部１２とキャビティ１４とを連通（連絡）するための第１の連絡路１３を構成する部分である。図８にその断面を拡大して示しているように、第１の円筒部２３は筒型で強度が高く、後述するキャビティ１４が圧電素子６により変形しても、その形状変化の影響が第１の扁平部２２に及びにくい。なお、キャビティ１４の内圧の変化を検出部１２に伝達し、検出部１２の液状体５０をノズル開口１１から吐出させるためには、第１の円筒部２３の内断面積は検出部１２の内断面積とほぼ同じであることが望ましい。また、第１の円筒部２３の代わりに、扁平な部分でキャビティ１４と検出部１２とを連通させてもよい。

　第１の円筒部２３の後方の第２の扁平部２４は、第１の扁平部２２と同様に、内部に、扁平した箱型の空間を形成し、圧力室であるキャビティ１４を構成する部分である。図９にその断面を拡大して示している。キャビティ１４の平坦な壁２４ａの外側の面（外面）２４ｂには、平板状の圧電素子（ピエゾ素子、アクチュエータ）６が取り付けられている。圧電素子６は、ＩＴＯ、金属などの薄膜の電極６ｅとともにガラス管２０に取り付けられ、電極６ｅを介して駆動パルス（電圧駆動パルス）を受けて伸縮し、キャビティ１４の内容積を変動させる。なお、圧電素子６の典型的なものはピエゾ素子であり、ピエゾ素子６は、電極などを含めた公知の構成を備えている。

　第２の扁平部２４の後方の第２の円筒部２５は、キャビティ１４と、その後方の開口面積を絞ったオリフィスとして機能する狭い流路１６とを連通するための第２の連絡路１５を構成する部分である。連絡路１５は、キャビティ１４に粒状体５１を含む液状体５０を供給するためのバッファとしても機能する。

　第２の円筒部２５の後方の絞部２６は、開口面積の狭い流路１６を構成するための部分であり、図１０にその断面を拡大して示している。流路１６の内径は、たとえば、２０～２００μｍであり、キャビティ１４の圧力変動がノズル開口１１の側へ効率よく伝達され、キャビティ１４の圧力変動が供給管４および容器５に伝播しにくいようになっている。絞部２６の成形方法の１つは、加熱したガラス管２０を前後方向（長手方向）に引っ張ることである。絞部２６の後方の第３の円筒部２７は、供給管４に連通するための第３の連絡路１７を構成する部分である。

　これら先端部分２１、第１の扁平部２２、第１の円筒部２３および第２の扁平部２４は、１つのガラス管２０を加工（成形）することにより形成されたものである。したがって、キャビティからノズル開口に至るまで１つのガラス管２０によりシームレスに形成できるので、気泡などによる滞りや詰まりが発生しにくく、細胞などの粒状体５１が付着して液状体５０の流れが滞ったり、粒状体５１が詰まるのを未然に防止できる。このため、低粘度から高粘度に至る多種多様な粒状体５１および液状体５０を吐出するのに適した吐出ヘッド１０を提供できる。

　なお、上記ではガラス管２０を用いているが、ガラス管２０の代わりに透光性を備えた樹脂管およびセラミックス管を用いて同様の形態に形成することもでき、シームレスで、かつ、粒状体５１の個数などを計測するのに適した吐出ヘッド１０を低コストで提供できる。

　このように、吐出ヘッド１０は、ノズル開口１１の後方に、ノズル開口１１を含めて扁平状の検出部１２を備えているので、検出装置７によりノズル開口１１から次に吐出される、または吐出予定の液状体５０に含まれている粒状体５１の個数および形態を検出できる。検出装置７の一例を図４に示す。この検出装置７は、第１の扁平部２２の第１の側壁２２ａに対峙するように配置された光源１０１と、光源１０１に対向し、第２の側壁２２ｃに対峙するように配置された撮像部１０２と、撮像部１０２で取得された画像を処理する画像処理機構１０３とを備えている。光源１０１は、検出部１２に存在する粒状体５１と、ノズル開口１１から吐出された液滴７１の中に含まれる粒状体５１とを照明する。光源１０１の一例は、周期的な発光が可能ないわゆるストロボであって、たとえば、キセノンなどのハロゲンランプやＬＥＤランプまたはブラックライト（紫外線ライト）などの光源を用いることができる。光源１０１は、撮像部１０２の性能に応じて輝度の調整が可能であることが望ましい。

　この撮像部１０２は、検出部１２の透明な第２の側壁２２ｃを介して光源１０１により照明された液状体５０の様子と、ノズル開口１１からターゲット８１ａ～８１ｃに向けて吐出された液状体５０を含む画像を取得する。したがって、検出部１２の液状体５０に粒状体５１が含まれていたり、吐出された液状体（液滴）５０に粒状体５１が含まれている場合は、得られた画像を解析することにより、検出部１２に含まれている粒状体５１の個数および形態、吐出されて液状体５０に含まれている粒状体５１の個数および形態を認識することが可能である。検出部１２の液状体５０に含まれる粒状体５１の画像を取得する撮像部と、ノズル開口１１から吐出された液状体を撮像する撮像部とを別に設けてもよい。

　撮像部１０２の一例は、撮像素子（ＣＣＤ、ＣＭＯＳ）と、光学レンズとを備えたカメラである。光学レンズは、焦点距離を調整可能であるとともに、撮像倍率を変えることができ、液状体５０に含まれる微小な粒状体５１の複数個を同時に撮像できる範囲で撮像倍率を設定できることが望ましい。画像処理機構１０３は、撮像部１０２により取得された画像を解析し、検出部１２における粒状体５１の有無および個数や形態、吐出後の液滴７１における粒状体５１の有無、個数および形態を識別する。画像処理機構１０３の一例は、並列演算処理機構を備えたものであり、並列演算処理機構の一例はＣＭＯＳセンサの１画素に位置演算素子を対応させることにより高速画像処理を可能にしたものである。

　検出部１２は、扁平で、第１の円筒部２３よりもＸ方向に幅広く、Ｙ方向に狭くなるように成形されている。したがって、検出部１２では、液状体５０に含まれている細胞などの粒状体５１が複数存在すれば、それらがＸ方向に分散して広がり、第１の側壁２２ａおよび第２の側壁２２ｃの間に重ならない状態で存在しやすい。このため、この吐出ヘッド１０においては、検出部１２に複数の粒状体５１が存在したときに、それらを第１の側壁２２ａおよび第２の側壁２２ｃの外側から分離して検出しやすく、複数の粒状体５１が存在しているか否かを識別しやすい。

　したがって、この吐出ヘッド１０を備えた吐出装置１によれば、ノズル開口１１の直上（直ぐ上流）の検出部１２で粒状体５１の有無、個数および形態を観察することにより、ノズル開口１１から液状体５０を吐出（分注）する前に、次に吐出する液状体５０（液滴７１）に粒状体５１が含まれるか否か、含まれる粒状体５１の個数、および含まれる粒状体５１の形態（種類）を検出装置７により識別でき、検出結果７ａを得ることができる。このため、この吐出装置１においては、所望の個数および形態の粒状体５１を含む液状体５０のみをターゲット８１ａ～８１ｃのいずれかに吐出し、その他の場合は液状体５０を撹拌して検出部１２の状態を変化させたり、液状体５０をディスポーザ８２へ捨て打ちして検出部１２の状態を変化させたりすることができる。

　したがって、この吐出装置１によれば、ターゲット８１ａ～８１ｃに対し検出結果７ａが所定の条件を満足する液滴（粒状体を含む）７１のみを選択して吐出できる。このため、複数のウェルを備えたマイクロプレート（ターゲット）に対して粒状体５１を含む液滴７１を分注したときに、実験などの条件に合致せず無駄になるウェルの存在を大幅に低減できる。

　図１１に、吐出ヘッド１０の異なる例を示している。この吐出ヘッド１０のガラス管２０は円筒状のノズル開口１１を備えている。ノズル開口１１となるガラス管２０の先端部分２１は、ガラス管２０の先端をノズル開口１１として適当なサイズまで絞った形状に成形されている。ノズル開口１１の典型的な内径は１５～２００μｍである。

　この吐出ヘッド１０を備えた吐出装置１においても、ノズル開口１１に連通したノズル開口１１の直上（直ぐ上流）の検出部１２で粒状体５１の有無および個数などを観察する。このため、ノズル開口１１から液状体５０を吐出（分注）する前に、次に吐出する液状体５０（液滴７１）に粒状体５１が含まれるか否か、また、含まれる粒状体５１の個数、形態などを含む検出結果７ａを検出装置７により取得できる。このため、この吐出装置１においては、所望の条件、すなわち、所定の個数および／または形態（種類）の粒状体５１を含む液状体５０のみを所定のターゲット８１ａ～８１ｃのいずれかに吐出できる。検出結果７ａが所望の条件に合致しない場合は液状体５０を撹拌して検出部１２の状態を変化させたり、液状体５０をディスポーザ８２へ捨て打ちして検出部１２の状態を変化させたりすることができる。吐出ヘッド１０の他の構成については上述した吐出ヘッドと共通するので説明を省略する。

　図１２に、吐出ヘッド１０のさらに異なる例を示している。この吐出ヘッド１０のガラス管２０は円筒状の検出部１２を備えている。すなわち、ガラス管２０は、先端部分２１の後方であって第１の円筒部２３の前方に、検出部１２となる第４の円筒部２８を含む。したがって、粒状体５１のサイズが比較的大きく、たとえば粒状体５１の粒径（直径）ｒが１０μｍ以上の場合には、ガラス管２０が外側から押し潰されるように成形された第１の扁平部２２の代わりに、円筒状のままの第４の円筒部２８を設けることにより、粒状体５１を検出できる。吐出ヘッド１０の他の構成については上述した吐出ヘッドと共通するので説明を省略する。

　一方、粒状体５１の粒径（直径）ｒが１０μｍ未満の場合には、検出部１２の内部で粒状体５１が重なって存在する可能性が増し、複数の粒状体５１を個別に識別できない可能性が高くなるため、ガラス管２０が外側から押し潰されるように成形された第１の扁平部２２を設けることが望ましい。また、粒状体５１の粒径（直径）ｒが５μｍ以下の場合には、第１の扁平部２２を設けることがさらに望ましい。

　図１３に、吐出ヘッド１０を備えた吐出装置１により、所定の条件の粒状体５１を含む液滴７１をターゲット８１ａ～８１ｃのいずれかに吐出する方法（吐出装置１の制御方法）をフローチャートにより示している。

　ステップ１１０において吐出指示がホスト装置から出力されると、制御ユニット７４は、ステップ１１１において、検出装置７から得られるノズル開口１１のノズル面１１ａの画像を用いて、図５に示すノズル開口１１のノズル面１１ａにおける粒状体５１の有無を判断する。ノズル面１１ａに粒状体５１あるいはその他の異物があれば、制御ユニット７４は、ステップ１１２ｂにおいてクリーニングモード（ワイピングモード）に移行する。ノズル面１１ａに粒状体５１あるいはその他の異物があると、吐出ヘッド１０から吐出される液滴７１の飛翔方向が変わり、所望のターゲットに液滴７１が到達しない可能性がある。したがって、ノズル面１１ａがクリーンであるかどうかを先ず確認し、異物がある場合はノズル面１１ａをクリーニングする。

　クリーニングモードにおいては、アクチュエータ７９および／または８９を用いて吐出ヘッド１０をホームポジションに移動して、ホームポジションに用意されているワイピング機構などを用いてノズル面１１ａをクリーニングし、異物を除去する。クリーニングモードにおいて、吐出ヘッド１０をディスポーザ８２に移動し、液滴を捨て打ち（クリーニング）することによりノズル面１１ａに存在する粒状体５１または異物を除去するようにしてもよい。

　ステップ１１２ｂのクリーニングが終了するとステップ１１０に戻り、吐出指示が保持されていることを確認し、以下に述べる吐出プロセスを継続する。ステップ１１２ｂのクリーニングが終了した後、吐出指示を確認せずにステップ１１１に戻り、ノズル面１１ａの異物の有無の再確認を行い、以下に述べる吐出プロセスを続けるようにしてもよい。

　ノズル面１１ａで粒状体５１が検出されなければ、ステップ１１２ａにおいて、制御ユニット７４の取得ユニット７５は、検出装置７から、検出部１２の液状体５０に含まれる粒状体５１の個数および／または形態、たとえば大きさ（径）、形状、模様および色などの情報を含む検出結果７ａを取得する。ステップ１１３において、検出結果７ａに含まれる粒状体５１の個数、および／または形態などの条件が、いずれかの所定の条件の範囲に入る場合には、状態変更ユニット７６の吐出先変更ユニット７８は、ステップ１１４ａにおいて、ターゲット８１ａ～８１ｃを選択し、ステップ１１４ｂにおいて、吐出ヘッド１０を所定の条件に合致するターゲット８１ａ～８１ｃにアクチュエータ７９および／または８９を用いて移動し、駆動装置２を用いて、液状体５０をターゲット８１に吐出する。

　一方、取得した検出結果７ａが所定の条件の範囲に入らない場合には、状態変更ユニット７６は、ステップ１１５ａにおいて、液状体５０を捨て打ちするか否かを判断する。液状体５０を捨て打ちする場合には、ステップ１１５ｂにおいて、吐出先変更ユニット７８の捨て打ちユニット７８ａは、アクチュエータ７９および／または８９を用いて吐出ヘッドをディスポーザ８２に移動し、駆動装置２を用いて捨て打ちする。その後、ステップ１１０に戻る。

　液状体５０を捨て打ちしない場合には、ステップ１１６において、攪拌ユニット７７は、駆動装置２から圧電素子（ピエゾ素子）６に印加する駆動電圧を制御することにより、液滴を吐出しない程度にキャビティ１４の内圧を変化させ、液状体５０を撹拌して検出部１２の状態を変化させ、ステップ１１０に戻る。

　ステップ１１６の攪拌を選択することにより、粒状体５１を捨て打ちすることなく、検出部１２の粒状体５１の分布や位置を変えることができる。このため、無駄になる粒状体５１の存在（量）を大幅に低減でき、さらに、捨て打ちのためにアクチュエータ７９および／または８９を用いて吐出ヘッド１０またはテーブル８３を移動させる必要もない。

　ステップ１１５ｂの捨て打ちを選択するか、ステップ１１６の攪拌を選択するかは、状態変更ユニット７６に予め初期設定されていてもよく、攪拌を何度か繰り返しても所定の条件に合致する検出結果７ａが得られないときに捨て打ちを選択するようにしてもよい。また、検出結果７ａによりステップ１１６の攪拌を選択することにより検出部１２の状態を所定の条件に合致させるように変化できるか否かを判断し、攪拌または捨て打ちを選択するようにしてもよい。

　制御ユニット７４は、ステップ１１４ｂにおいてターゲット８１ａ～８１ｃに液滴７１を吐出したり、ステップ１１５ｂにおいて液状体５０を捨て打ちする際に、駆動装置２により圧電素子６を引き打ち方式の駆動パルスではなく、押し打ち方式の駆動パルスで駆動する。引き打ち方式とは、たとえば定常状態で圧電素子６に電圧を印加してキャビティ１４の体積が減少する状態に保ち、吐出直前に一旦印加電圧を低下させてキャビティ１４の体積が増加する状態にし、再度電圧を印加してキャビティ１４の体積を減少させるようにして液滴７１を吐出させる方式である。一方、押し打ち方式とは、定常状態では圧電素子６に電圧が印加されておらず、液滴７１の吐出時に電圧を印加して圧電素子６を変形させ、キャビティ１４を加圧して液滴７１を吐出させる方式である。

　したがって、引き打ち方式であると、いったん、ノズル開口１１のメニスカスを引き込むので、検出部１２の内部までメニスカスが引き込まれる可能性があり、検出部１２の内部状態が大きく変動する。このため、ステップ１１３において確認した検出部１２の状態が変化し、吐出される液滴７１に予期しない粒状体５１が含まれる可能性が高くなる。一方、押し打ち方式であれば、ノズル開口１１のメニスカスはほとんど引き込まれないので、検出部１２の状態の変動は少なく、予定した粒状体５１を含む液滴７１を吐出できる確率が高くなる。

　駆動装置２は、ステップ１１４ｂにおいて押し打ち方式の駆動パルスを圧電素子６に供給した直後に、ステップ１１７において、メニスカスの動きをキャンセルするパルスを圧電素子６に供給する。メニスカスの振動を素早く減衰させ、メニスカスの動きを最小限に抑えることにより、検出部１２の内部の状態を早期に安定させることができる。

　ステップ１１４ｂにおいて、指定した条件の粒状体５１を指定したターゲット８１ａ～８１ｃに吐出すると、ステップ１１８ａにおいて、制御ユニット７４の取得ユニット７５は、検出装置７により吐出直後の液滴の画像と、吐出後の検出部１２の検出結果７ａを取得する。

　ステップ１１８ｂにおいて、吐出後の検出結果７ａに、吐出前の条件を満たす粒状体５１があれば、制御ユニット７４は、ターゲット８１に対し、粒状体５１を含む液滴７１が吐出されなかったと判断する。所望のターゲット８１ａ～８１ｃのいずれかに対して液状体５０の吐出を重ねてもよい場合は、ステップ１２０において、ターゲットを変えずにステップ１１０に戻り、ステップ１１１および１１３の条件を再確認してから、ステップ１１４ｂにおいて再吐出する。

　吐出後の検出結果７ａに吐出前の条件を満たす粒状体５１がなければ、制御ユニット７４は、ステップ１１９において、吐出された液滴の画像を用いて、吐出された液滴に所定の条件の粒状体５１が含まれているか否かを判断する。吐出された液滴７１の中で粒状体５１が検出されなければ、制御ユニット７４は、ターゲット８１ａ～８１ｃに対し、粒状体５１を含む液滴７１が吐出されなかったと判断する。ターゲット８１ａ～８１ｃに対して液状体５０の吐出を重ねてもよい場合は、ステップ１２２において、ターゲット８１を変えずにステップ１１０に戻り、ステップ１１１、１１３の条件を再確認してから、ステップ１１４ｂにおいて再吐出する。

　ステップ１１８ｂと同時あるいは前後して、ステップ１１９において、吐出後の液滴７１の中に粒状体５１が含まれていることを確認することにより、粒状体５１がノズル面１１ａなどに付着してターゲット８１に対し吐出されない可能性を検出し、確実に粒状体５１を吐出することが可能となる。

　ステップ１２１において、他にターゲットがあれば、ステップ１２３において、他のターゲットに変更してステップ１１０に戻る。ステップ１２１において他にターゲットがなければ、終了する。

　図１４に、粒状体５１を１つのみ含む液滴７１をターゲット８１に吐出する際に、吐出装置１の制御ユニット７４が検出装置７、駆動装置２を用いてピエゾ素子６および移動用の第２のアクチュエータ７９および／または第３のアクチュエータ８９を制御するアルゴリズムの一例を示している。なお、上記のフローチャートと共通のステップについては説明を省略する。

　図１５に検出部１２の状態を示している。この例では、図１５に示すように、検出部１２は、３回の吐出量を保持する容量を備えており、検出部１２の内部は、次にノズル開口１１から吐出される部分（第１の領域）３１と、その次（すなわち２回目）に吐出される部分（第２の領域）３２と、さらにその次（すなわち３回目）に吐出される部分（第３の領域）３３とに形式的に分割されている。これらの領域３１～３３は、図１５に、吐出ヘッド１０の検出部１２を先端のノズル開口１１から後端２９に向かって、明確に分離されているように記載されているが、これらは画像解析のために設定された領域であって、仮想的なものであり、各領域３１～３３の境界の形状はこれに限定されない。

　ステップ１１０において吐出指示がホスト装置から出力されると、制御ユニット７４は、ステップ１１１において、ノズル開口１１のノズル面１１ａで粒状体５１が検出されるか否かを判断する。ノズル面１１ａで粒状体５１が検出されなければ、ステップ１１２ａにおいて、制御ユニット７４の取得ユニット７５は、検出装置７から、検出部１２の液状体５０に含まれる粒状体５１の個数の情報を含む検出結果７ａを取得する。

　ステップ１１３ａにおいて、検出部１２のもっともノズル開口１１の側の第１の領域３１で粒状体５１が検出されないか（０個検出）または２個以上検出されると、状態変更ユニット７６は、ステップ１１５ａにおいて、液状体５０を捨て打ちするか否かを判断する。液状体５０を捨て打ちする場合には、ステップ１１５ｂにおいて、吐出先変更ユニット７８の捨て打ちユニット７８ａは、アクチュエータ７９および／または８９を用いてノズル開口１１をディスポーザ８２に向け、駆動装置２を用いて捨て打ちして、ステップ１１０に戻る。液状体５０を捨て打ちしない場合には、攪拌ユニット７７は、ステップ１１６において、吐出しない程度の圧力で液状体５０を撹拌して検出部１２の状態を変化させ、ステップ１１０に戻る。

　図１５（ａ）に、第１の領域３１に粒状体５１が０個、すなわち、検出されない場合を示している。また、図１５（ｂ）に、第１の領域３１に粒状体５１が２個存在する様子を示している。第１の領域３１は、次にノズル開口１１から吐出される液状体５０が保持されている領域であり、第１の領域３１に粒状体５１が０個または２個以上存在する場合に、ステップ１１５および１１６において、液状体５０を捨て打ちまたは撹拌することにより、ターゲット８１に粒状体５１が入らない、または２個以上供給されることを防止できる。

　ステップ１１３ａと同時に、あるいは前後して、ステップ１１３ｂにおいて、第１の領域３１に続いて次に吐出される第２の領域３２に粒状体５１が１つ以上計測されると、状態変更ユニット７６は、ステップ１１５ａにおいて、液状体５０を捨て打ちするか否かを判断する。液状体５０を捨て打ちする場合には、ステップ１１５ｂにおいて、捨て打ちユニット７８ａは、アクチュエータ７９および／または８９を用いてノズル開口１１をディスポーザ８２に向け、駆動装置２を用いて捨て打ちして、ステップ１１０に戻る。液状体５０を捨て打ちしない場合には、攪拌ユニット７７は、ステップ１１６において、吐出しない程度の圧力で液状体５０を撹拌して検出部１２の状態を変化させ、ステップ１１０に戻る。

　図１５（ｃ）に、第１の領域３１に粒状体５１が１個存在し、第２の領域３２にも粒状体５１が１個存在する様子を示している。第１の領域３１に隣接した第２の領域３２に粒状体５１が存在すると、次の吐出で第１の領域３１の粒状体５１とともに第２の領域３２の粒状体５１が吐出され、２つの粒状体５１を含む液滴７１がターゲット８１に吐出される可能性がある。したがって、第２の領域３２をバッファ（緩衝）領域として利用し、第２の領域３２に粒状体５１が含まれる場合は、液状体５０を撹拌または捨て打ちし、検出部１２の状態を変化させることにより、吐出精度をさらに向上させている。

　ステップ１１３ａおよび１１３ｂにおいて、液状体５０を撹拌または捨て打ちする条件が成立しない場合は、状態変更ユニット７６の吐出先変更ユニット７８は、ステップ１１４において、アクチュエータ７９および／または８９を用いてノズル開口１１をターゲット８１に向け、駆動装置２を用いて、第１の領域３１の液状体５０をターゲット８１に吐出する。ステップ１１３ａおよび１１３ｂの撹拌または捨て打ちする条件が成立しない場合とは、第１の領域３１に粒状体５１が１つだけ検出され、かつ、第２の領域３２に粒状体５１が全く検出されない場合である。図１５（ｄ）に、その状態の一例を示している。バッファ領域である第２の領域３２を含めて粒状体５１が１つだけ存在するので、ステップ１１４において、粒状体５１が１つだけ含まれている液滴７１をターゲット８１に向けて吐出できる可能性が高い。

　粒状体５１を吐出した後に、ステップ１１８ａにおいて、制御ユニット７４の取得ユニット７５は、検出装置７により吐出直後の液滴の画像と、吐出後の検出部１２の検出結果７ａを取得する。ステップ１１８ｂにおいて、粒状体５１が第１の領域３１で検出されるか否かを判断する。第１の領域３１で粒状体５１が検出されなければ、制御ユニット７４は、ステップ１１９において、吐出された液滴の画像を用いて、粒状体５１が吐出された液滴７１の中で検出されるか否かを判断する。一方、第１の領域３１で粒状体５１が検出されれば、制御ユニット７４は、ターゲット８１に対し、粒状体５１を含む液滴７１が吐出されなかったと判断する。ターゲット８１に対して液状体５０の吐出を重ねてもよい場合は、ステップ１２０において、ターゲット８１を変えずにステップ１１０に戻り、ステップ１１３ａおよび１１３ｂの検出部１２の条件を再確認してから、ステップ１１４において再吐出する。

　ステップ１１９において、吐出された液滴７１の中で粒状体５１が検出されれば、制御ユニット７４は、ターゲット８１に対し、所定の条件、すなわち、１つの粒状体５１を含む液滴７１が吐出されたと判断して、ステップ１２１において、他に粒状体５１を吐出するターゲット８１があるか否かを判断する。一方、吐出された液滴７１の中で粒状体５１が検出されなければ、制御ユニット７４は、ターゲット８１に対し、粒状体５１を含む液滴７１が吐出されなかったと判断する。ターゲット８１に対して液状体５０の吐出を重ねてもよい場合は、ステップ１２２において、ターゲット８１を変えずにステップ１１０に戻り、ステップ１１２の検出部１２の条件を再確認してから、ステップ１１４において再吐出する。

　ステップ１２１において、他にターゲットがあれば、ステップ１２３において、他のターゲットに変更してステップ１１０に戻る。ステップ１２１において他にターゲットがなければ、終了する。

　液状体５０の吐出を重ねてもよい場合、第１の領域３１の容積Ｑ１は、ノズル開口１１から吐出される液滴７１の体積ｑに対し、以下の条件（Ａ）を満たすことが望ましい。
　１≦Ｑ１／ｑ≦１０００・・・（Ａ）

　また、第２の領域３２の容積Ｑ２は、以下の条件（Ｂ）を満たすことが望ましい。
　０≦Ｑ２／ｑ≦１０００・・・（Ｂ）

　液状体５０の中の粒状体５１の濃度が低い場合や、第１の領域３１の容積Ｑ１が液滴７１の体積ｑに対して大きい場合は、第２の領域３２を設けなくてもよく、ステップ１１２ｂを省略できる。

　上記（Ａ）の条件の場合、第１の領域３１に存在する粒状体５１は、Ｑ１／ｑ回の吐出によりターゲット８１に吐出され、あるいは捨て打ちされる。したがって、ステップ１１４および１１５において、一度吐出する毎にステップ１１０に戻って検出部１２の状態を確認してもよく、最大Ｑ１／ｑ回の吐出を行った後、ステップ１１０に戻ってもよい。

　さらに、吐出される前の状態が条件に合致せず、ステップ１１５において、液状体５０を捨て打ちする場合、１回の吐出あたりの液状体５０の体積に対して粒状体５１の濃度が高すぎると、捨て打ちされる粒状体５１の個数が増し、高コストになりやすい。一方、１回の吐出あたりの液状体５０の体積に対して粒状体５１の濃度が低すぎると、粒状体５１の個数を所定の条件に合致させるために捨て打ちする回数が増し、ターゲット８１に向けて吐出するのに要する時間を短縮化しにくい。

　したがって、１回あたり以下の条件を満たす体積ｑの液滴７１をノズル開口１１から吐出することが望ましい。
０．０００１≦Ｄ×ｑ≦３．０・・・（５．０）
ただし、Ｄは液状体５０の単位体積当たりに含まれる粒状体５１の個数を表す。（Ｄ×ｑ）は２．０以下であることが望ましく、１．０以下であることがさらに望ましい。また、（Ｄ×ｑ）は０．００１以上であることが望ましく、０．０１以上であることがさらに好ましい。

　図１６に、吐出ヘッド１０のさらに異なる例を示している。この吐出ヘッド１０のガラス管２０は円筒状のキャビティ１４を備えている。すなわち、ガラス管２０は、第１の円筒部２３の後方であって第２の円筒部２５の前方に、キャビティ１４となる第５の円筒部３４を含む。キャビティ１４の筒状の壁３４ａの外側の面（外面）３４ｂには、電極６ｅを介して円筒状の圧電素子６が取り付けられている。したがって、ガラス管２０と円筒状の圧電素子６とを組み合わせたいわゆるグールドタイプの吐出ヘッド１０においても、キャビティ１４とノズル開口１１との間に、粒状体５１を検出するための検出部１２を設けることができる。吐出ヘッド１０の他の構成については上述した吐出ヘッドと共通するので説明を省略する。このように、キャビティ１４の構造にかかわらず、キャビティ１４とノズル開口１１との間に検出部１２を設けることにより、粒状体５１を所定の条件で含む液滴７１を選択的にターゲット８１に吐出できる。

　また、吐出ヘッド１０のガラス管２０には、圧電素子６の代わりにヒーターを取り付け、キャビティ１４の内圧を気泡により変動させるサーマルタイプのインクジェット方式を採用することも可能である。また、上記では、粒状体５１を１つ含む液滴７１を吐出する例に基づき制御ユニット７４の制御アルゴリズムの例を説明したが、粒状体５１をｎ個（ｎは任意の整数）だけ含む液滴７１を吐出するようなアルゴリズムであってもよい。

　図１７に、吐出ヘッド１０のさらに異なる例を断面図により示している。この吐出ヘッド１０のキャビティ１４は、両側の壁が狭められた状態に成形されており、ピエゾ素子６が取り付けられた平坦な外面２４ｂの第１の壁２４ａに対向した（反対側の）位置に、反対側の平坦な外面２４ｄを備えた第２の壁２４ｃを備えている。この吐出ヘッド１０においては、第２の壁２４ｃの外側の面２４ｄに第１の壁２４ａに取り付けられたピエゾ素子（第１のピエゾ素子）６とは独立して駆動される第２のピエゾ素子８が、第１のピエゾ素子６とＹ方向に対峙しないように位置をずらして取り付けられている。第１のピエゾ素子６と、第２のピエゾ素子８とには、駆動装置２からタイミング、パルス幅、パルス高さなどが異なる駆動パルス２ｐ１および２ｐ２をそれぞれ供給することが可能である。

　たとえば、タイミングの異なる駆動パルス２ｐ１および２ｐ２を供給したり、駆動パルス２ｐ１および２ｐ２によりピエゾ素子６および８が変形（変位）する時間を変更したりすることにより、吐出ヘッド１０の内部に保持される液状体５０を媒体（媒質）としてキャビティ１４からノズル開口１１に向かって伝播する進行波を作ることができる。したがって、この進行波により、図１８に示すように、第２の領域３２に存在する粒状体５１を第１の領域３１、さらにはノズル開口１１に向けて移動させることができる。なお、第１のピエゾ素子６と第２のピエゾ素子８とは、第１の壁２４ａと第２の壁２４ｃとに分けてＹ方向に対峙するように取り付けても良く、第１の壁２４ａまたは第２の壁２４ｃのいずれか一方に長手方向９ｚの位置をずらして取り付けても良い。

　なお、図１８に示すように、検出部１２の内部の領域３１～３３は、ノズル開口１１からキャビティ１４に向けて放射状（弓形）に分離されていてもよい。これらの領域３１～３３は、ノズル開口１１からキャビティ１４に向けて凸状の境界となるように設定されているが、キャビティ１４からノズル開口１１に向けて凸状の境界となるように設定することも可能である。これらの境界３１～３３の形状は、押し打ち方式や引き打ち方式などの吐出方式や、検出部１２およびノズル開口１１の形状などの条件により適宜変更できる。

　なお、粒状体５１および液状体５０を吐出するターゲットとしては、たとえば、マイクロプレート（ウェルマイクロプレート）、ガラス基板、試験管、シャーレなどの公知の実験・検査器具や、多数のＤＮＡ断片をプラスチックやガラスなどの基板上に高密度に配置したＤＮＡマイクロアレイ（ＤＮＡチップ）などの分析器具も本発明の範囲に含まれる。

　上記では、アクチュエータとしてピエゾ素子を使用した例を説明しているが、キャビティの内圧を変動させるアクチュエータは、熱によりキャビティ内に気泡を発生させるヒーターでもよい。機械的な力によりキャビティ内の圧力を変えることができるピエゾ素子は液状体およびそれに含まれる粒状体に熱的な影響を与えにくいので、アクチュエータとして好適なものである。さらに、上記では、押し打ち方式の駆動パルスによりアクチュエータを駆動しているが、引き打ち方式であってもよい。押し打ち方式の方が、ノズル開口のメニスカスが検出部まで引き込まれることを抑制でき、検出部の状態を安定させやすい。このため、所定の条件に合致した粒状体を含む液状体を吐出する際に、予期しない個数の粒状体が含まれることなどにより吐出精度が低下することを抑制できる。

Claims (25)

1. 　アクチュエータによりキャビティの内圧を変動させ、前記キャビティに連通したノズル開口から液状体を吐出する吐出ヘッドを有する吐出装置であって、
   　前記吐出ヘッドは、前記キャビティおよび前記ノズル開口の間に設けられた検出部を含み、
   　さらに、前記吐出ヘッドの前記検出部の前記液状体に含まれる粒状体の個数および／または形態を検出する検出装置と、
   　前記検出装置の検出結果により前記アクチュエータを駆動して前記検出部の前記液状体に含まれる前記粒状体の状態を変化させる制御装置とを有する、吐出装置。
2. 　請求項１において、
   　前記検出部は、前記吐出ヘッドの前記キャビティから前記ノズル開口に至る流路の断面が第１の方向に延びた扁円状の扁平部であって、前記粒状体を前記第１の方向に分散させる扁平部を含む、吐出装置。
3. 　請求項２において、
   　前記ノズル開口は第１の方向に扁平に成形されている、吐出装置。
4. 　請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   　前記検出部は透光性であり、
   　前記検出装置は、光を介して粒状体を画像認識する撮像部を含む、吐出装置。
5. 　請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   　前記制御装置は、前記検出結果により前記液状体を前記ノズル開口から吐出させずに前記検出部の前記液状体を攪拌する機能を含む、吐出装置。
6. 　請求項１ないし５のいずれかにおいて、
   　前記制御装置は、前記検出結果により前記液状体の吐出先を変える機能を含む、吐出装置。
7. 　請求項６において、前記吐出先を変える機能は、前記液状体を捨て打ちする機能を含む、吐出装置。
8. 　請求項１ないし７のいずれかにおいて、
   　前記検出部は、前記ノズル開口に繋がる第１の領域と、前記第１の領域に続く第２の領域とを含み、
   　前記検出装置は、前記検出部の前記第１の領域の個数および／または形態および前記第２の領域の個数および／または形態をそれぞれ取得し、
   　前記制御装置は、前記第１の領域の検出結果が所定の条件の範囲外のとき、または前記第２の領域の検出結果が所定の条件の範囲外のときに前記検出部の前記液状体に含まれる前記粒状体の状態を変化させる、吐出装置。
9. 　請求項１ないし８のいずれかにおいて、
   　前記アクチュエータはピエゾ素子であり、
   　前記制御装置は、前記液状体を吐出する際に前記ピエゾ素子に押し打ち方式の駆動パルスを供給する機構を含む、吐出装置。
10. 　アクチュエータによりキャビティの内圧を変動させ、前記キャビティに連通したノズル開口から液状体を吐出する吐出ヘッドであって、
    　前記キャビティおよび前記ノズル開口の間で、前記ノズル開口から吐出される前記液状体に含まれる粒状体が分散する検出部を有する吐出ヘッド。
11. 　請求項１０において、
    　前記検出部は、前記キャビティから前記ノズル開口に至る流路の断面が第１の方向に延びた扁円状の扁平部であって、前記粒状体が前記第１の方向に分散する扁平部を含む、吐出ヘッド。
12. 　請求項１１において、
    　前記扁平部の内部の前記第１の方向に直交する第２の方向の最大高さｈと、前記粒状体の平均粒径ｒとが以下の条件を満たす、吐出ヘッド。
    １．２≦ｈ／ｒ≦１００．０
13. 　請求項１２において、
    　前記最大高さｈと、前記ノズル開口の内径ｄとが以下の条件を満たす、吐出ヘッド。
    ０．５≦ｈ／ｄ≦２０．０
14. 　請求項１０ないし１３において、
    　前記検出部は透光性で、対向して配置された平坦な第１の側壁および第２の側壁を含む、吐出ヘッド。
15. 　請求項１０ないし１４において、
    　前記液状体を保持し、一部が、外側に取り付けられるアクチュエータにより内圧が変動する前記キャビティとなるように成形された管状部材であって、一方の端に前記ノズル開口が設けられた管状部材を有し、
    　前記管状部材の前記キャビティおよび前記ノズル開口の間に前記検出部が設けられている、吐出ヘッド。
16. 　請求項１５において、
    　前記検出部は、前記管状部材の一部が、外側から押し潰されるように成形された部分である、吐出ヘッド。
17. 　請求項１５または１６において、
    　前記管状部材は、透光性を備えたガラス管、樹脂管およびセラミックス管のいずれかである、吐出ヘッド。
18. 　吐出装置により粒状体を含む液状体をターゲットに吐出する方法であって、
    　前記吐出装置は、アクチュエータによりキャビティの内圧を変動させ、前記キャビティに連通したノズル開口から前記液状体を吐出する吐出ヘッドと、前記アクチュエータを制御する制御装置と、前記キャビティと前記ノズル開口との間に設けられた検出部の前記液状体に含まれる粒状体を検出する検出装置とを含み、
    　当該方法は、
    　前記制御装置が、前記検出装置により前記液状体に含まれる前記粒状体の個数および／または形態を含む検出結果を取得することと、
    　前記検出結果により前記アクチュエータを駆動して前記検出部の前記液状体に含まれる前記粒状体の状態を変化させることとを含む、方法。
19. 　請求項１８において、
    　前記状態を変化させることは、前記検出結果により前記液状体を前記ノズル開口から吐出させずに前記検出部の前記液状体を攪拌することを含む、方法。
20. 　請求項１８または１９において、
    　前記状態を変化させることは、前記検出結果により前記液状体の吐出先を変えることを含む、方法。
21. 　請求項２０において、
    　前記吐出先を変えることは、前記液状体を捨て打ちすることを含む、方法。
22. 　請求項１８ないし２１のいずれかにおいて、
    　前記検出結果を取得することは、前記検出部に前記ノズル開口に繋がる第１の領域と前記第１の領域に続く第２の領域とを設定し、前記第１の領域の前記検出結果および前記第２の領域の前記検出結果をそれぞれ取得することを含み、
    　前記状態を変化させることは、前記第１の領域の検出結果が所定の条件の範囲外のとき、または前記第２の領域の検出結果が所定の条件の範囲外のときに前記検出部の前記液状体に含まれる前記粒状体の状態を変化させることを含む、方法。
23. 　請求項１８ないし２２のいずれかにおいて、
    　前記アクチュエータはピエゾ素子であり、
    　当該方法は、
    　前記制御装置が前記液状体を吐出する際に前記ピエゾ素子に押し打ち方式の駆動パルスを供給することを含む、方法。
24. 　請求項１８ないし２３のいずれかにおいて、
    　前記制御装置は、１回あたり以下の条件を満たす体積ｑの前記液状体を前記ノズル開口から吐出することを含む、方法。
    ０．０００１≦Ｄ×ｑ≦３．０
    ただし、Ｄは前記液状体の単位体積当たりに含まれる前記粒状体の個数を表す。
25. 　請求項１８ないし２４のいずれかにおいて、
    　前記吐出装置は、前記ノズル開口から吐出される液滴を撮像し画像解析する装置を含み、
    　当該方法は、さらに、前記画像解析する装置が前記ノズル開口から吐出された液滴に前記粒状体が含まれるか否かを判断することを含む、方法。

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