JP4252451B2 - 混合液の液滴形成方法及び混合液の液滴形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、混合液の液滴形成方法及び混合液の液滴形成装置に関する。
従来、液相を反応場とする化学反応において、複数の原料物質から所望の生成物を合成するための反応開発やその反応解析をする際に、例えば、有望な反応における所望の生成物の収率に対する各原料物質の濃度依存性、触媒（酵素を含む）の濃度依存性、異なる触媒を用いたときの効果、異なる溶媒を用いたときの効果等を把握し、反応条件を最適化する作業を行う必要がある。
このとき、例えば、医薬品開発におけるドラックスクリーニング等のように、反応条件を変えた膨大なサンプルについて分析を行う必要がある場合がある。そのため、作業効率を向上させるとともにコストを低減する観点から、それぞれ所望の成分組成を有する混合液を微量の液滴として基板の所定のスポット上に迅速かつ規則的に多数個配列させるための技術開発が検討されている。
より具体的には、原料物質、触媒等の反応に関与する物質を含む原料液をそれぞれ個別に調製しておき、分析の際にその場（in situ）でこれらの液滴をそれぞれ所定の体積比で混合し、異なる成分組成を有する混合液の液滴を瞬時に基板上に形成する混合液の液滴の形成方法に関する技術開発が検討されている。
例えば、特開２００１−１１６７５０号公報には、複数のインクジェットノズルを使用して、所定量の反応性物質（ヌクレオチド、ｃＤＮＡ、ＤＮＡ断片、酵素、抗原、抗体、エピトープまたはタンパク質等）を高速で基板上の所定のスポットに供給し、スポット表面に固定させることにより、ＤＮＡ等の解析等にプローブ等として使用される物質（ＤＮＡ断片、ｃＤＮＡ、ポリペプチド、オリゴヌクレオチド等）を基板に固定させた反応性チップを製造する方法、並びに、上記の反応性物質のかわりに該反応物質の原料を同様の方法を用いて基板上の所定のスポットに上記の反応性物質を製造する方法が提案されている。
しかしながら、上記従来の混合液の液滴形成方法の場合、使用する各原料液の液滴が微量になればなるほど、液滴の表面張力の影響により液滴内部の流動性が低くなるため、複数の原料液の液滴を物理的に合体させても、含有成分が均一に分布した状態の液滴を得ることが困難となるという問題があった。
また、使用する各原料液の液滴が微量になればなるほど、原料液の液滴同士の混合が十分に進行する前に滴下中或いは基板上へ着弾した後における各原料液の液滴の気化が短時間で進行し易くなるため、この観点からも、含有成分が均一に分布した状態の液滴を得ることが困難となるという問題があった。
このように含有成分が均一に分布した混合液の液滴を形成できない場合、混合液の液滴のそれぞれを反応場として進行する化学反応を正確に観測し分析することが困難となる。また、分析結果の再現性も低下しその信頼性が不十分となる。
本発明は以上の問題を鑑みてなされたものであり、微量であっても含有成分が均一に分布した多数の混合液の液滴を、基板上の所定の位置に迅速かつ規則的に配列することができる混合液の液滴形成方法及び混合液の液滴形成装置を提供することを目的とする。
本発明は、複数のキャピラリー毎に蓄えられたそれぞれの原料液と各キャピラリーの先端と対向して配置された基板との間に、全て異なる時間において順番にパルス電圧を印加し、各キャピラリーと基板との間の距離とパルス電圧との関係を調整することにより、各キャピラリーの先端から原料液を柱状に形成された状態でそれぞれ吐出させて基板上に既に形成された液滴に順次衝突させて各キャピラリーからの各原料液同士を液滴の内部で混合させ、基板上に原料液からなる混合液の液滴を形成し、パルス電圧を、複数のキャピラリーのうち幾何学的中心に近いキャピラリーに蓄えられた原料液に先に印加した後、次に該キャピラリー以外のキャピラリーに蓄えられた原料液に印加すること特徴とする混合液の液滴形成方法を提供する。
ここで、本発明においては、基板上の所定の位置に液滴を形成する際に静電吸引を利用する方法を用いる。この方法は、キャピラリーに蓄えられた液滴を形成するための液体（以下、「原料液」という）と、液滴滴下口であるキャピラリー先端と対向して配置された基板との間にパルス電圧を印加し、電気力によって液体をキャピラリー先端から基板側に吸引し、液滴を基板に滴下する方法である。
上述のように複数のキャピラリーに蓄えられた原料液のそれぞれと基板との間にパルス電圧を印加することにより、各キャピラリーの先端から電気力により引き出された原料液のそれぞれが基板に到達する前に、各キャピラリーと基板との間の空間において、原料液のそれぞれを互いに衝突させて混合することができる。各キャピラリーと基板との間の空間に原料液同士の衝突により形成される混合液の液滴は、その内部が乱流となるため、短時間の間に原料液同士の混合を十分に進行させることができる。更に、この混合液の液滴を電気力により基板に衝突させることにより、原料液同士の混合を更に確実に行うことができる。
また、本発明の液滴形成方法においては、パルス電圧の印加のタイミングをずらして、複数のキャピラリーのうちの少なくとも１つに蓄えられた少なくとも１種類の原料液からなる液滴１個を最初に基板上に形成しておいてもよい。この場合にも、その直後に他のキャピラリー内の原料液にパルス電圧を印加することにより、静電吸引力によりキャピラリーから引き出された原料液は基板上の既存の液滴に引き寄せられ、その中へ突入することになる。このような基板上に予め形成した既存の液滴に対し、後にキャピラリーから液滴を射出させて衝突させる場合にも、衝突により形成される混合液の液滴内部で乱流が生じ、短時間の間に原料液同士の混合を十分に進行させることができる。
その結果、本発明によれば、微量であっても含有成分が均一に分布した多数の混合液の液滴を、基板上の所定の位置に迅速かつ規則的に配列することができる。そして、異なる液を任意の割合で混合して多種類の混合液を調製する処理を必要とする作業の作業規模のダウンサイジング化とその作業の高速化とを同時に実現することができる。
また、本発明において、各キャピラリーと基板との間の空間において、複数のキャピラリーの先端から電気力により引き出された原料液のそれぞれを互いに衝突させて混合し、この空間に混合液の液滴を形成するためには、パルス電圧を印加した後に原料液のそれぞれと基板との間に生じる電気力線を、各キャピラリーの先端からそれぞれ吐出される原料液の液滴のうちの１つに集中させるようにパルス電圧の印加条件又は基板に対する複数のキャピラリーの配置条件を調節すればよい。
なお、本発明において、原料液のそれぞれと基板との間にパルス電圧を印加する際には、基板の電位に対して原料液のそれぞれの電位が高くなるように印加してもよく、基板の電位に対して原料液のそれぞれの電位が低くなるように印加してもよい。
また、「含有成分が均一に分布した混合液」とは、使用する含有成分が使用する液体（溶媒）に溶解する場合には含有成分が均一に溶解した溶液を示し、一方、使用する含有成分が使用する液体（分散媒）に溶解しない場合には含有成分が均一に分散した分散液を示す。更に、本発明において、形成された後の混合液には、含有成分として、互いに化学反応を起すものが含まれていてもよく、液中に安定に存在するものが含まれていてもよく、両者が混在していてもよい。
また、本発明の混合液の液滴形成方法は、複数のキャピラリーのうちの少なくとも１つに蓄えられた原料液に印加するパルス電圧の値を、他の原料液のそれぞれに印加するパルス電圧の値よりも大きくすることにより、複数のキャピラリーの原料液から柱状の混合液を形成することを特徴としてもよい。
複数のキャピラリー毎に蓄えられた原料液と基板との間に印加するパルス電圧の印加条件を上記のようにすれば、パルス電圧を印加した後に原料液のそれぞれと基板との間に生じる電気力線を、各キャピラリーの先端からそれぞれ吐出される原料液の液滴のうち最も高いパルス電圧を印加された一つの液滴に集中させることができる。その結果、各キャピラリーと基板との間の空間において、使用する原料液の液滴を全て合わせて一つの混合液の液滴を形成することができる。
更に、本発明の混合液の液滴形成方法は、複数のキャピラリーのうちの少なくとも１つに蓄えられた原料液に対するパルス電圧の印加を先に開始し、次いで、このパルス電圧の印加が終了する前に、他の原料液のそれぞれに対するパルス電圧の印加を開始することにより、複数のキャピラリーの原料液から柱状の混合液を形成することを特徴としてもよい。
複数のキャピラリー毎に蓄えられた原料液と基板との間に印加するパルス電圧の印加条件を上記のようにすれば、パルス電圧を印加した後に原料液のそれぞれと基板との間に生じる電気力線を、各キャピラリーの先端からそれぞれ吐出される原料液の液滴のうちパルス電圧の印加開始時刻の最もはやい一つの液滴に集中させることができる。その結果、各キャピラリーと基板との間の空間において、使用する原料液の液滴を全て合わせて一つの混合液の液滴を形成することができる。
また、本発明の混合液の液滴形成方法は、複数のキャピラリーのうちの少なくとも１つの先端と基板との距離を、他のキャピラリーのそれぞれの先端と基板との距離よりも大きくすることにより、複数のキャピラリーの原料液から柱状の混合液を形成することを特徴としてもよい。
基板に対する複数のキャピラリーの配置条件を上記のようにすれば、パルス電圧を印加した後に原料液のそれぞれと基板との間に生じる電気力線を、各キャピラリーの先端からそれぞれ吐出される原料液の液滴のうち、基板との距離が最も大きなキャピラリーから吐出された一つの液滴に集中させることができる。その結果、各キャピラリーと基板との間の空間において、使用する原料液の液滴を全て合わせて一つの混合液の液滴を形成することができる。
また、本発明の混合液の液滴形成方法は、複数のキャピラリーに蓄えられた原料液のそれぞれに対し、全て異なるタイミングで順番にパルス電圧を印加して前記各原料液を柱状に形成された状態で吐出し、前記基板上に既に形成された液滴に順次衝突させて前記各原料液同士を前記液滴の内部で混合させることを特徴としていてもよい。すなわち、ある１つのキャピラリーに蓄えられた原料液に対するパルス電圧の印加終了後、次に、別のキャピラリーに蓄えられた原料液に対してパルス電圧を印加することを特徴としてもよい。
複数キャピラリー内の各原料液に対するパルス電圧印加条件を上記のように調節することにより、原料液と基板の間に生じる電気力線を、先に形成された液滴に集中させることができる。その結果、各原料液は既存の液滴との衝突により順次均一に混合される。
更に、本発明の混合液の液滴形成方法は、上記のパルス電圧の印加条件を採用する場合、各パルス電圧の印加終了毎に、その時点で基板上に形成された液滴の体積又は質量を測定することを特徴としていてもよい。すなわち、ある１つのキャピラリーに蓄えられた原料液に対するパルス電圧の印加終了後、次の原料液に対するパルス電圧印加を開始する前の状態（液滴形成プロセスが一時中断している状態）において、その時点で基板上に形成されている液滴の体積又は質量を測定することを特徴としてもよい。
基板上に形成される液滴の体積又は質量を測定するタイミングを上記のように設定することにより、最終的な混合液の液滴を形成する途中のある時点での基板上に形成された混合液の液滴の体積又は質量を、当該液滴に次に衝突する原料液の液滴の影響なしに、一時的に確定した値として正確に測定することができる。その結果、化学反応分析等で重要な原料液の体積・質量といった情報を逐次測定することが可能となる。
また、本発明の混合液の液滴形成方法は、基板上に形成される液滴の体積又は質量を測定するタイミングを上記のように設定する場合には、各パルス電圧の印加終了毎に、その時点で基板上に形成された液滴の体積又は質量を測定し、該液滴の体積又は質量の測定値に基づいて、各パルス電圧の印加のプロセス毎に各キャピラリーから射出された原料液の体積又は質量を独立に計測することを特徴としていてもよい。すなわち、上記のように液滴形成プロセスが一時中断された時に測定された基板上の混合液の液滴（「液滴Ｐｎ」という）の体積又は質量と、当該液滴の形成プロセスの１回前のプロセス中断時に測定された別の混合液の液滴（「液滴Ｐｎー１」という）の体積又は質量との間の差分演算を行うことにより、液滴Ｐｎー１から液滴Ｐｎを形成するために、所定のキャピラリーから射出された原料液の体積又は質量を得ることを特徴としてもよい。
上記のように、混合液の液滴形成プロセスを一時的に中断し、その中断した時点毎に、基板上の液滴の体積又は質量を測定することにより、各プロセスにおいて、各キャピラリーから射出された各原料液の体積又は質量を正確に測定することが可能となる。
更に、本発明の混合液の液滴形成方法は、上記の場合、各パルス電圧の印加のプロセス毎に基板上に形成される液滴の体積又は質量の測定値に基づいてフィードバック制御することにより、基板上に形成する混合液の液滴の量を調節することを特徴としていてもよい。すなわち、各パルス電圧の印加のプロセス毎に測定される各プロセス終了時点での基板上の液滴の体積又は質量の情報、或いは、これに基づいて差分演算により求められるプロセス毎の各キャピラリーから射出された原料液の体積又は質量の情報に基づいて、基板上に形成する混合液の液滴の量をフィードバック制御することを特徴としてもよい。
上記のような制御を行うことにより、基板上の液滴の体積又は質量が所望の値に達した時点で、液滴形成プロセスを終了する、或いは、液滴に注入する原料液の種類をプロセスの途中で変更する、といった制御が可能となる。
更に、本発明は、混合液の液滴を形成するための原料液がそれぞれ蓄えられた複数のキャピラリーを有する原料液吐出部と、各キャピラリーの先端と対向して配置され、該各キャピラリーの先端からそれぞれ吐出される原料液から形成される混合液の液滴が載置される基板と、各キャピラリーに蓄えられた原料液のそれぞれと基板との間にパルス電圧を印加する電圧印加装置と、電圧印加装置を制御する制御装置と、各キャピラリーの先端から吐出される原料液が柱状に形成されて基板に衝突するように、各キャピラリーと基板との間の距離をパルス電圧との関係で調整する移動機構とを備え、制御装置が、複数のキャピラリーのうち幾何学的中心に近いキャピラリーに蓄えられた原料液に先にパルス電圧を印加した後、該キャピラリー以外のキャピラリーに蓄えられた原料液に、全て異なる時間において順番にパルス電圧を印加するように制御し、各キャピラリーの各原料液が、柱状に形成された状態でそれぞれ吐出させて基板上に既に形成された液滴に順次衝突されることにより、柱状の液体と基板上の液滴との間で混合されるように構成されていることを特徴とする混合液の液滴形成装置を提供する。
このように制御装置により電圧印加装置を制御することにより、パルス電圧を印加した後に原料液のそれぞれと基板との間に生じる電気力線を、各キャピラリーの先端からそれぞれ吐出される原料液の液滴のうちの一つに集中させるようにパルス電圧の印加条件を調節することができる。
その結果、各キャピラリーと基板との間の空間において、使用する原料液の液滴を全て合わせて一つの混合液の液滴を形成することができ、微量であっても含有成分が均一に分布した多数の混合液の液滴を、基板上の所定の位置に迅速かつ規則的に配列することができる。
また、本発明の混合液の液滴形成装置は、制御装置が、複数のキャピラリーのうちの少なくとも１つに蓄えられた原料液に印加するパルス電圧の値が、他の原料液のそれぞれに印加するパルス電圧の値よりも大きくすることにより、複数のキャピラリーの原料液から柱状の混合液を形成するように電圧印加装置を制御することを特徴としてもよい。
このように制御装置により電圧印加装置を制御し、複数のキャピラリー毎に蓄えられた原料液と基板との間に印加するパルス電圧の印加条件を上記のように調節することにより、パルス電圧を印加した後に原料液のそれぞれと基板との間に生じる電気力線を、各キャピラリーの先端からそれぞれ吐出される原料液の液滴のうち最も高いパルス電圧を印加された一つの液滴に集中させることができる。
更に、本発明の混合液の液滴形成装置は、制御装置が、複数のキャピラリーのうちの少なくとも１つに蓄えられた原料液に対するパルス電圧の印加を先に開始し、次いで、このパルス電圧の印加が終了する前に、他の原料液のそれぞれに対するパルス電圧の印加を開始することにより、複数のキャピラリーの原料液から柱状の混合液を形成するように電圧印加装置を制御することを特徴としてもよい。
このように制御装置により電圧印加装置を制御し、複数のキャピラリー毎に蓄えられた原料液と基板との間に印加するパルス電圧の印加条件を上記のように調節することにより、パルス電圧を印加した後に原料液のそれぞれと基板との間に生じる電気力線を、各キャピラリーの先端からそれぞれ吐出される原料液の液滴のうちパルス電圧を印加する際の印加開始時刻の最もはやい一つの液滴に集中させることができる。
また、本発明の混合液の液滴形成装置は、複数のキャピラリーのうちの少なくとも１つの先端と基板との距離が、他のキャピラリーのそれぞれの先端と基板との距離よりも大きく設けられることにより、複数のキャピラリーの原料液から柱状の混合液を形成することを特徴としてもよい。
このように基板に対する複数のキャピラリーの配置条件を調節すれば、パルス電圧を印加した後に原料液のそれぞれと基板との間に生じる電気力線を、各キャピラリーの先端からそれぞれ吐出される原料液の液滴のうち、基板との距離が最も大きなキャピラリーから吐出された一つの液滴に集中させることができる。
更に、本発明の混合液の液滴形成装置は、制御装置が、複数のキャピラリーに蓄えられた原料液のそれぞれに対し、全て異なるタイミングで順番にパルス電圧を印加するように電圧印加装置を制御することを特徴としていてもよい。すなわち、制御装置がある１つのキャピラリーに蓄えられた原料液に対するパルス電圧の印加終了後、次に、別のキャピラリーに蓄えられた原料液に対してパルス電圧を印加するように電圧印加装置を制御することを特徴としてもよい。
複数キャピラリー内の各原料液に対するパルス電圧印加条件を上記のように調節することにより、原料液と基板の間に生じる電気力線を、先に形成された液滴に集中させることができる。その結果、各原料液は既存の液滴との衝突により順次均一に混合される。
また、本発明の混合液の液滴形成装置は、基板上に形成される液滴の体積を測定する体積測定装置及び／又は液滴の質量を測定する質量センサを更に備えており、制御装置が、体積測定装置及び／又は質量センサを電圧印加装置と共に制御することを特徴としていてもよい。
これにより、所望の成分組成の混合液の液滴をより迅速かつ確実に形成することができる。例えば、制御装置が複数のキャピラリーに蓄えられた原料液のそれぞれに対し、全て異なるタイミングで順番にパルス電圧を印加するように電圧印加装置を制御する場合、更に、制御装置により体積測定装置及び／又は質量センサを制御することにより、各パルス電圧の印加終了毎に、その時点で基板上に形成された液滴の体積又は質量を測定することができる。
その結果、最終的な混合液の液滴を形成する途中のある時点での基板上に形成された混合液の液滴の体積又は質量を、当該液滴に次に衝突する原料液の液滴の影響なしに、一時的に確定した値として正確に測定することができる。その結果、化学反応分析等で重要な原料液の体積・質量といった情報を逐次測定することが可能となる。
また、本発明の混合液の液滴形成方装置は、制御装置が各パルス電圧の印加終了毎に、その時点で基板上に形成された液滴の体積又は質量を測定し、該液滴の体積又は質量の測定値に基づいて、各パルス電圧の印加のプロセス毎に各キャピラリーから射出された原料液の体積又は質量を独立に計測することができるように電圧印加装置、並びに、体積測定装置及び／又は質量センサを制御することを特徴としていてもよい。
上記のように、混合液の液滴形成プロセスを一時的に中断し、その中断した時点毎に、基板上の液滴の体積又は質量を測定することにより、各プロセスにおいて、各キャピラリーから射出された各原料液の体積又は質量を正確に測定することが可能となる。
更に、本発明の混合液の液滴形成装置は、制御装置が体積測定装置及び／又は質量センサにより得られる各パルス電圧の印加のプロセス毎に基板上に形成される液滴の体積又は質量の測定値に基づいて電圧印加装置をフィードバック制御することにより、基板上に形成する混合液の液滴の量を調節することを特徴としていてもよい。
上記のような制御を行うことにより、基板上の液滴の体積又は質量が所望の値に達した時点で、液滴形成プロセスを終了する、或いは、液滴に注入する原料液の種類をプロセスの途中で変更する、といった制御が可能となる。
本発明によれば、微量であっても含有成分が均一に分布した多数の混合液の液滴を、基板上の所定の位置に迅速かつ規則的に配列することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の混合液の液滴形成方法及び混合液の液滴形成装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
［第一実施形態］
図１は、本発明の混合液の液滴形成装置の第一実施形態の基本構成を概略的に示す系統図である。また、図２は、図１に示す混合液の液滴形成装置の原料液吐出部に備えられたキャピラリーを基板の面の法線方向から見た場合の正面図である。
図１に示すように、第一実施形態の混合液の液滴形成装置１０は、本発明の混合液滴の形成方法に基づいて作動する装置であり、混合液の液滴を形成するための原料液がそれぞれ蓄えられた３つのキャピラリー１、２及び３を有する原料液吐出部２０と、３つのキャピラリーの先端と対向して配置され、３つのキャピラリーの先端からそれぞれ吐出される原料液から形成される混合液の液滴７０が載置される基板３０と、基板３０が載置される移動ステージ６０と、各キャピラリー１、２及び３に蓄えられた原料液のそれぞれと基板３０との間にパルス電圧を印加する電圧印加装置４０と、電圧印加装置４０及び移動ステージを制御する制御装置５０とから構成されている。
制御装置５０は電圧印加装置４０と移動ステージ６０とに対して電気的に接続されている。この制御装置５０により、原料液吐出部２０と移動ステージ６０上の基板３０との相対的な位置を所定の範囲内において任意に変化させることができる。また、電圧印加装置４０は原料液吐出部２０と基板３０とに対して電気的に接続されており、原料液吐出部２０の３つのキャピラリー毎に蓄えられた原料液のそれぞれに対して独立にパルス電圧を印加できる構成を有している。
更に、図２に示すように、原料液吐出部２０を構成する３つのキャピラリー１、２及び３は、吐出口の断面形状が略円形であり、その内径が例えば５〜５０μｍの毛細管である。また、３つのキャピラリー１、２及び３は、キャピラリー１と３との間にキャピラリー２が配置され、かつ、図２に示すように、３つのキャピラリー１、２及び３を基板３０の面の法線方向から見た場合に、３つのキャピラリー１、２及び３の円形状の吐出口が直線的に並ぶように配置されている。
更に、図１に示すように、各キャピラリー１、２及び３の吐出口は、キャピラリー２の吐出口を中心にしてキャピラリー１及び３の吐出口が該キャピラリー２の吐出口に接触するように配置されている。また、３つのキャピラリー１、２及び３の吐出口それぞれと基板３０の面との距離は、等しい距離ｄ２０となるように設定されている。
これらのキャピラリー１、２及び３は、例えば、ガラス製のチューブ、石英製のチューブ等を３つ用意し、これらを束にした状態のまま引き伸ばすことにより製造することができる。このとき、各キャピラリー１、２及び３の吐出口から吐出される原料液の液滴を基板３０と原料吐出部２０との間の空間においてより確実に衝突させて混合させる観点から、各キャピラリー１、２及び３について、吐出口の内径ｒ１（図２参照）と外径ｒ２（図２参照）との比ｒ１／ｒ２は、０．５〜０．９であることが好ましい。
また、各キャピラリー１、２及び３のそれぞれの内部には電圧印加装置４０に対して電気的に接続された電極（図示せず）が原料液に接触するように配置されている。そして、制御装置５０は、各キャピラリー１、２及び３の先端からそれぞれ吐出される原料液の液滴（後述の図４Ｂにおける液滴７１、７２及び７３を参照）が基板３０に到達する前に、各キャピラリー１、２及び３と基板３０との間の空間において、全ての原料液の液滴を互いに衝突させて１つの混合液の液滴（後述の図４における液滴７４を参照）が形成されるように電圧印加装置４０を制御する。
更に、基板３０としては、例えば、シリコン、アルミ等の金属製の矩形の板、アクリル、塩化ビニール等のプラスチック製の矩形の板を使用することができる。また、基板３０として金属製の矩形の板を使用する場合、その混合液の液滴が形成される側の面には有機薄膜、反応試薬等をコーティングしてもよい。更に、基板３０としてプラスチック製の矩形の板を使用する場合、その内部には、電圧印加装置４０に対して電気的に接続された電極（図示せず）が配置される。
先ず、混合液の液滴形成装置１０の作動原理について図３を用いて説明する。図３Ａは、図１に示す混合液の液滴形成装置１０の制御装置５０により制御された電圧印加装置４０により出力されるパルス電圧のパターンの一例を示すグラフであり、図３Ｂは図３Ａに示すパルス電圧を印加された場合の原料液吐出部２０と基板３０との間に形成される液滴７２の形成過程を示す図である。なお、図３Ａの縦軸はパルス電圧の大きさΔＥを示し横軸は時間Ｔを示す。
はじめ、キャピラリー２内の原料液は表面張力により、重力に抗してキャピラリー２内に収められているが、図３Ａに示すように、キャピラリー２内の原料液と基板３０との間にパルス電圧ΔＥ２を所定のパルス幅で印加した場合には、図３Ｂに示すように、電気力によりキャピラリー２先端から原料液の液滴７２が引き出され、キャピラリー２と基板３０との間の空間に柱状の液滴として形成される。そして、この原料液の液滴７２が基板３０に衝突し、堆積することによって基板３０上に所定量の液滴が形成される。
このとき、制御装置５０により電圧印加装置４０から印加するパルス電圧の波高値或いはパルス幅を大きくすれば、基板３０上に形成される液滴の体積は大きくなり、印加するパルス電圧の波高値或いはパルス幅を小さくすれば、基板３０上に形成される液滴の体積は小さくなるので、波高値及び／又はパルス幅を制御することで形成される液滴の体積を制御することができる。
すなわち、この混合液の形成装置１０において、複数のキャピラリー１，２及び３の先端からそれぞれ吐出される原料液の液滴７１，７２及び７３の体積は、これらのそれぞれと基板３０との間に印加されるパルス電圧の大きさ及び／又はパルス幅を変化させることにより、原料液のそれぞれについて独立に調節することができ、使用する原料液を任意の割合で精密に混合することができる。そのため、得られる混合液の液滴７０中の含有成分の組成比を精密に制御することができる。
なお、原料吐出部２０と基板３０との距離ｄ２０は、基板３０上に形成する混合液の液滴７０の体積等を考慮して設定されている。また、原料液吐出部２０と基板３０との間の空間において、原料液の液滴７１、７２及び７３を全て合わせて柱状の１つの混合液の液滴７４をより確実に形成する観点から、原料液の液滴７１、７２及び７３が全て衝突する位置Ｐｍが以下の条件を満たすようにパルス電圧を印加することが好ましい。すなわち、基板３０と上述の位置Ｐｍとの距離ｄｍと、原料吐出部２０と基板３０との距離ｄ２０との比ｄｍ／ｄ２０が、0.3〜0.8となるように、パルス電圧を印加することが好ましい（図４Ｂ及び図５Ｃ参照）。
次に、図４を参照して混合液の液滴形成装置１０の動作の一例について説明すると共に、本発明の微量液滴形成方法の好適な一実施形態について説明する。
図４Ａは図１に示す混合液の液滴形成装置１０の制御装置５０により制御された電圧印加装置４０により出力されるパルス電圧のパターンの一例を示すグラフであり、図４Ｂは図４Ａに示すパルス電圧を印加された場合の原料液吐出部２０と基板３０との間に形成される混合液の液滴７４の形成過程を示す図である。なお、図４Ａの縦軸はパルス電圧の大きさΔＥを示し横軸は時間Ｔを示す。
図４Ａに示すように、電圧印加装置４０からパルス電圧を印加する際に、制御装置５０により、３つのキャピラリー１，２及び３のうちキャピラリー２に蓄えられた原料液と基板３０との間に印加するパルス電圧の値ΔＥ２が、キャピラリー１及び３に蓄えられた他の原料液のそれぞれと基板との間に印加するパルス電圧の値ΔＥ１及びΔＥ３よりも大きくなるように電圧印加装置４０を制御する。
上記のようなパルス電圧の印加条件のもとで各キャピラリー１、２及び３内の原料液のそれぞれと基板３０との間にパルス電圧を印加した場合、図４Ｂに示すように、パルス電圧を印加した後に原料液のそれぞれと基板３０との間に生じる電気力線を、各キャピラリー１、２及び３の先端からそれぞれ吐出される原料液の柱状の液滴７１、７２及び７３のうち最も高いパルス電圧を印加されたキャピラリー２から吐出された原料液の液滴７２に集中させることができる。
その結果、電気力により各キャピラリー１、２及び３の先端から引き出される原料液の液滴７１、７２及び７３を、最も高いパルス電圧を印加されたキャピラリー２から吐出された原料液の液滴７２を中心にして全て合わせることができ、原料液吐出部２０と基板３０との間の空間に、柱状の１つの混合液の液滴７４を形成することができる。そのため、微量であっても含有成分が均一に分布した混合液の液滴７０を、基板３０上の所定の位置に迅速に形成することができる。
なお、パルス電圧の値ΔＥ１とΔＥ３との大きさは、パルス電圧の値ΔＥ２に対して小さければよく、上記の図４Ａに示したように同じ値としてもよく、異なる値としてもよい。この時のパルス電圧の値ΔＥ１〜ΔＥ３は、例えば、基板３０上に形成する混合液の液滴７０中の含有成分の組成比等を考慮して決定してよい。
そして、基板３０上に多数の混合液の液滴７０を連続的に形成する場合、制御装置５０により電圧印加装置４０を制御して、上記のようにパルス電圧の値ΔＥ１〜ΔＥ３を変化させるか、又は、それぞれのパルス幅を変化させる等して形成する混合液の液滴７０の組成を任意に変化させることができる。また、制御装置５０により電圧印加装置４０と移動ステージ６０とを制御することにより、原料液吐出部２０と基板３０との距離ｄ２０を変化させる等して原料液の体積を任意に変化させることができる。
その結果、微量であっても含有成分が均一に分布した多数の混合液の液滴７０を、基板３０上の所定の位置に迅速かつ規則的に配列することができる。
ここで、図４Ａ及び図４Ｂにおいては、各キャピラリー１、２及び３のうち中央に配置されるキャピラリー２に蓄えられた原料液と基板３０との間に最も高いパルス電圧を印加する場合について説明したが、本発明においては、最も高いパルス電圧を印加する原料液と基板との組み合せは、その原料液の蓄えられたキャピラリーの配置位置により限定されない。
ただし、原料液吐出部２０と基板３０との間の空間において、原料液の液滴７１、７２及び７３を全て合わせて柱状の１つの混合液の液滴７４を効率よく形成する観点から、図４Ａ及びＢに示したように、各キャピラリーのそれぞれのうち最も高いパルス電圧を印加するのは、基板の面の法線方向から各キャピラリーの配置状態をみた場合（図２又は図７参照）において、電気力線を集中させ易い位置（例えば、各キャピラリーの吐出口の幾何学的な配置状態を考慮した場合の幾何学的中心に最も近い位置）に配置されるキャピラリーであることが好ましい。
従って、基板３０上に形成する混合液の液滴７０の含有成分の組成比を考慮して、主成分となる原料液がある場合には、その原料液を含むキャピラリーを上述の位置に配置し、主成分となる原料液と基板３０との間に最も高いパルス電圧を印加することが好ましい。
また、この場合、各キャピラリー１、２及び３へのパルス電圧を印加する際のパルス幅も、基板３０上に形成する混合液の液滴７０の含有成分の組成比等により変化させてよく、それぞれ異なっていてもよく全て同じ値としてもよい。
更に、各キャピラリー１、２及び３の先端の吐出口の径の大きさも特に限定されない。例えば、混合液の液滴の主成分となる含有成分を含む原料液が蓄えられた原料液のキャピラリーについて、その吐出口の大きさを他のキャピラリーの吐出口の大きさよりも大きくしてもよい。
次に、図５を参照して混合液の液滴形成装置１０の動作の他の一例について説明すると共に、本発明の微量液滴形成方法の他の好適な一実施形態について説明する。
図５Ａは図１に示す混合液の液滴形成装置１０の制御装置５０により制御された電圧印加装置４０により出力されるパルス電圧のパターンの一例を示すグラフであり、図５Ｂ及び図５Ｃは図５Ａに示すパルス電圧を印加された場合の原料液吐出部２０と基板３０との間に形成される混合液の液滴７４の形成過程を示す図である。なお、図５Ａの縦軸は、パルス電圧の大きさΔＥを示し横軸は時間Ｔを示す。
図５Ａに示すように、電圧印加装置４０からパルス電圧を印加する際に、制御装置５０により、３つのキャピラリー１，２及び３のうちのキャピラリー２に蓄えられた原料液と基板３０との間に印加するパルス電圧の印加を先に開始し、次いで、このパルス電圧の印加が終了する前に、他のキャピラリー１及び３に蓄えられた原料液と基板３０との間に印加するパルス電圧の印加を開始するように電圧印加装置４０を制御する。
すなわち、電圧印加装置４０からパルス電圧を印加する際に、制御装置５０により、３つのキャピラリー１，２及び３のうちキャピラリー２に蓄えられた原料液と基板３０との間に印加するパルス電圧の印加開始時刻ｔ１に対し、キャピラリー１及び３に蓄えられた他の原料液のそれぞれと基板３０との間に印加するパルス電圧の印加開始時刻ｔ２を所定の時間間隔（ｔ２−ｔ１）をおいて遅らせるように電圧印加装置４０を制御する。
上記のようなパルス電圧の印加条件のもとで各キャピラリー１、２及び３内の原料液のそれぞれと基板３０との間にパルス電圧を印加した場合、パルス電圧を印加した後に原料液のそれぞれと基板３０との間に生じる電気力線を、各キャピラリー１、２及び３の先端からそれぞれ吐出される原料液の液滴７１、７２及び７３のうちパルス電圧の印加開始時刻が最もはやいキャピラリー２から吐出された原料液の液滴７２に集中させることができる。
すなわち、先ず、図５Ｂに示すように、パルス電圧の印加開始時刻の最もはやいキャピラリー２から吐出される原料液の液滴７２が基板３０に到達する。次に、図５Ｃに示すように、パルス電圧の印加開始時刻の遅いキャピラリー１及び３から吐出される柱状の液滴７１及び７３が、先に吐出された原料液の液滴７２に衝突させられて柱状の１つの混合液の液滴７４が形成される。
その結果、電気力により各キャピラリー１、２及び３の先端から引き出される原料液の液滴７１、７２及び７３を、先に吐出された原料液の液滴７２を中心にして全て合わせることができ、原料液吐出部２０と基板３０との間の空間に、柱状の１つの混合液の液滴７４を形成することができる。そのため、微量であっても含有成分が均一に分布した混合液の液滴７０を、基板３０上の所定の位置に迅速に形成することができる。
なお、図５Ａにおいては、キャピラリー２へパルス電圧を印加した後のキャピラリー１及び３へのパルス電圧の印加開始時刻を同時とした場合について説明したが、キャピラリー１及び３へのパルス電圧の印加開始時刻は異なっていてもよく、形成する混合溶の含有成分の組成比等の条件を考慮して決定してよい。すなわち、本発明においては、パルス電圧の印加開始時刻の最もはやいキャピラリーに対するその他のキャピラリーへのパルス電圧の印加開始時刻は、全て同時刻としてもよく、異なる時刻としてもよい。
また、パルス電圧の印加開始時刻の時間間隔（ｔ２−ｔ１）、すなわち、キャピラリー２へパルス電圧を印加した後のキャピラリー１及び３へのパルス電圧の印加開始のタイミングは、基板３０上に形成する混合液の液滴７０の体積及びその含有成分の組成比、原料吐出部２０と基板３０との距離ｄ２０、キャピラリー２の吐出口の大きさ等を考慮して決定される。
ただし、原料液吐出部２０と基板３０との間の空間において、原料液の液滴７１、７２及び７３を全て合わせて柱状の１つの混合液の液滴７４を効率よく形成する観点から、本発明においては、印加開始時刻の最もはやいキャピラリーに対してその次にパルス電圧が印加されるキャピラリーへの印加開始のタイミングは、次の図５Ａ〜図５Ｃを例にして示すように、印加開始時刻が最もはやいキャピラリーから吐出される原料液の液滴が基板に到達すると同時に、その他のキャピラリーにパルス電圧が印加開始されるように決定することが好ましい。
そして、図１に示したように、基板３０上に多数の混合液の液滴７４を連続的に形成する場合、制御装置５０により電圧印加装置４０を制御して、上述のようにパルス電圧の印加開始時刻を変化させるか、又は、それぞれのパルス幅を変化させる等して形成する混合液の液滴７０の組成を任意に変化させることができる。
また、制御装置５０により電圧印加装置４０と移動ステージ６０とを制御することにより、原料液吐出部２０と基板３０との距離ｄ２０を変化させる等して原料液の体積を任意に変化させることができる。その結果、微量であっても含有成分が均一に分布した多数の混合液の液滴７０を、基板３０上の所定の位置に迅速かつ規則的に配列することができる。
なお、本発明において各キャピラリーへのパルス電圧を印加する際の印加開始時刻を図５Ａを一例に説明したようにずらして設定する場合、各キャピラリー毎に印加されるパルス電圧の値は、それぞれ異なっていてもよく全て同じ値としてもよい。
ただし、この場合にも、先に図４を用いて説明した動作と同様に、原料液吐出部２０と基板３０との間の空間において、原料液の液滴７１、７２及び７３を全て合わせて柱状の１つの混合液の液滴７４を効率よく形成する観点から、図５Ａに示すように、３つのキャピラリー１，２及び３のうちキャピラリー２に蓄えられた原料液と基板３０との間に印加するパルス電圧の値ΔＥ２が、キャピラリー１及び３に蓄えられた他の原料液のそれぞれと基板との間に印加するパルス電圧の値ΔＥ１及びΔＥ３よりも大きくなるように電圧印加装置４０を制御することが好ましい。
また、この場合にも、各キャピラリー１、２及び３へのパルス電圧を印加する際のパルス幅も、基板３０上に形成する混合液の液滴７０の含有成分の組成比等により変化させてよく、それぞれ異なっていてもよく全て同じ値としてもよい。
更に、図５Ａ〜図５Ｃにおいては、各キャピラリー１、２及び３のうち中央に配置されるキャピラリー２に蓄えられた原料液と基板３０との間に最もはやい印加開始時刻でパルス電圧を印加する場合について説明したが、この場合にも先に述べたように、パルス電圧を最もはやく印加する原料液と基板３０との組み合せは、その原料液の蓄えられた各キャピラリー１、２及び３の配置位置により限定されない。
ただし、原料液吐出部２０と基板３０との間の空間において、原料液の液滴７１、７２及び７３を全て合わせて柱状の１つの混合液の液滴７４を効率よく形成する観点から、図５Ａ〜図５Ｃに示したように、各キャピラリーのそれぞれのうちパルス電圧を最もはやく印加するのは、基板の面の法線方向から各キャピラリーの配置状態をみた場合（図２又は図７参照）において、電気力線を集中させ易い位置に配置されるキャピラリーであることが好ましい。
［第二実施形態］
次に、本発明の混合液の液滴形成装置の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の混合液の液滴形成装置（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の混合液の液滴形成装置１０における原料液吐出部２０を異なる構成に代えたものであり、原料液吐出部２０以外の構成は第一実施形態の混合液の液滴形成装置１０と同様である。
以下、第二実施形態の混合液の液滴形成装置に備えられる原料液吐出部２０について説明する。後述する図６Ｂに示すように、原料液吐出部２０を構成する３つのキャピラリー１、２及び３うちのキャピラリー２の先端と基板３０との距離ｄ２が、他のキャピラリー１及び３のそれぞれの先端と基板との距離ｄ１よりも大きく設けられている。
次に、図６を参照して第二実施形態の混合液の液滴形成装置の動作について説明すると共に、本発明の微量液滴形成方法の他の好適な一実施形態について説明する。
図６Ａは本発明の混合液の液滴形成装置の第二実施形態の制御装置５０により制御された電圧印加装置４０により出力されるパルス電圧のパターンの一例を示すグラフであり、図６Ｂは図６Ａに示すパルス電圧を印加された場合の原料液吐出部２０と基板３０との間に形成される混合液の液滴７４の形成過程を示す図である。なお、図６Ａの縦軸はパルス電圧の大きさΔＥを示し横軸は時間Ｔを示す。
先ず、制御装置５０により、電圧印加装置４０から各キャピラリー１、２及び３に蓄えられた原料液のそれぞれと基板との間にパルス電圧を印加する。このとき、原料液突出部２０を構成する各キャピラリー１、２及び３は上述の配置条件に基づいて配置されているので、原料液のそれぞれと基板３０との間に生じる電気力線を、各キャピラリー１、２及び３の先端からそれぞれ吐出される原料液の液滴７１，７２及び７３のうち、基板３０との距離が最も大きなキャピラリー２から吐出された原料液の液滴７２に集中させることができる。
その結果、電気力により各キャピラリー１、２及び３の先端から引き出される原料液の液滴７１、７２及び７３を、基板３０との距離が最も大きなキャピラリー２から吐出された原料液の液滴７２を中心にして全て合わせることができ、原料液吐出部２０と基板３０との間の空間に、柱状の１つの混合液の液滴７４を形成することができる。そのため、微量であっても含有成分が均一に分布した多数の混合液の液滴７０を、基板３０上の所定の位置に迅速に配列することができる。
なお、キャピラリー１及び３のそれぞれと基板３０との距離は、キャピラリー２と基板３０との距離ｄ２よりも小さければよく、上記の図６Ｂに示したように同じ値ｄ１としてもよく、異なる値としてもよい。そして、基板３０に対してその先端が最も離れた位置にあるキャピラリー２の先端と基板３０との距離（例えば、図６Ｂにおいてはｄ２）と、その他のキャピラリーの先端と基板３０との距離（例えば、図６Ｂにおいてはｄ１）の比率は、例えば、基板３上に形成する混合液の液滴７０の体積及びその含有成分の組成比、原料吐出部２０と基板３０との距離ｄ２０、キャピラリー２の吐出口の大きさ等を考慮して決定してよい。
ただし、原料液吐出部２０と基板３０との間の空間において、原料液の液滴７１、７２及び７３を全て合わせて柱状の１つの混合液の液滴７４をより確実に形成する観点から、原料液の液滴７１、７２及び７３が全て衝突する位置Ｐｍが以下の条件を満たすようにパルス電圧を印加することが好ましい。すなわち、基板３０と上述の位置Ｐｍとの距離ｄｍと、原料吐出部２０のキャピラリーうちその吐出口が最も基板３０に近い位置に配置されるキャピラリーの吐出口と基板３０との距離ｄ１との比ｄｍ／ｄ１が、0.3〜0.8となるように、パルス電圧を印加することが好ましい（図６Ｂ参照）。
また、各キャピラリー１、２及び３毎に印加されるパルス電圧の値ΔＥ１、ΔＥ２及びΔＥ３の大きさは特に限定されず、例えば、全て同じ値としてもよい。ただし、この場合にも、原料液吐出部２０と基板３０との間の空間において、原料液の液滴７１、７２及び７３を全て合わせて柱状の１つの混合液の液滴７４を効率よく形成する観点から、例えば、図６Ａに示すように、制御装置５０により、基板３０との距離が最も大きなキャピラリー２に蓄えられた原料液と基板３０との間に印加するパルス電圧の値ΔＥ２が、キャピラリー１及び３に蓄えられた他の原料液のそれぞれと基板との間に印加するパルス電圧の値ΔＥ１及びΔＥ３よりも大きくなるように電圧印加装置４０を制御することが好ましい。
更に、この場合、各キャピラリー１、２及び３へのパルス電圧を印加する際の印加開始時刻は、図６Ａを一例に説明したように同時刻に印加してもよい。ただし、この場合にも、原料液吐出部２０と基板３０との間の空間において、原料液の液滴７１、７２及び７３を全て合わせて柱状の１つの混合液の液滴７４を効率よく形成する観点から、先に図５Ａを用いて説明したように、制御装置５０により、基板３０との距離が最も大きなキャピラリー２に蓄えられた原料液と基板３０との間にパルス電圧を印加するときの印加開始時刻を、他のキャピラリー１及び３に蓄えられた原料液のそれぞれと基板３０との間にパルス電圧を印加するときの印加開始時刻よりもはやくなるように電圧印加装置４０を制御してもよい。
そして、基板３０上に多数の混合液の液滴を連続的に形成する場合、制御装置５０により電圧印加装置４０を制御して、上述した各キャピラリー１、２及び３のそれぞれと基板３０との距離の比率を変化させるか、パルス電圧の値ΔＥ１〜ΔＥ３を変化させるか、パルス電圧の印加開始時刻を変化させるか、又は、それぞれのパルス幅を変化させる等して形成する混合液の液滴７０の組成を任意に変化させることができる。
また、制御装置５０により電圧印加装置４０と移動ステージ６０とを制御することにより、各キャピラリー１、２及び３のそれぞれと基板３０との距離を変化させる等して原料液の体積も任意に変化させることができる。その結果、微量であっても含有成分が均一に分布した多数の混合液の液滴７０を、基板３０上の所定の位置に迅速かつ規則的に配列することができる。
更に、図６Ａ及び図６Ｂにおいては、各キャピラリー１、２及び３のうち中央に配置されるキャピラリー２の先端と基板３０との距離を最も大きくした場合について説明したが、この場合にも先に述べたように、基板３０から先端までの距離を最も大きくするキャピラリーと基板３０との組み合せは、各キャピラリー１、２及び３の配置位置により限定されない。
ただし、この場合にも、原料液吐出部２０と基板３０との間の空間において、原料液の液滴７１、７２及び７３を全て合わせて柱状の１つの混合液の液滴７４を効率よく形成する観点から、図６Ａ及び図６Ｂに示したように、先端と基板３０との距離を最も大きくするのは、基板の面の法線方向から各キャピラリーの配置状態をみた場合（図２又は図７参照）において、電気力線を集中させ易い位置に配置されるキャピラリーであることが好ましい。
また、この場合にも、各キャピラリー１、２及び３へのパルス電圧を印加する際のパルス幅も、基板３０上に形成する混合液の液滴７０の含有成分の組成比等により変化させてよく、それぞれ異なっていてもよく全て同じ値としてもよい。
［第三実施形態］
次に、本発明の混合液の液滴形成装置の第三実施形態について説明する。図８は、本発明の混合液の液滴形成装置の第三実施形態の基本構成を概略的に示す系統図である。図８に示す第三実施形態の混合液の液滴形成装置１０Ａは、基板３０上に形成される液滴７０（形成途中の液滴も含む）の体積を測定するための体積測定装置８０を更に備えていること以外は、図１に示した第一実施形態の混合液の液滴形成装置１０と同様の構成を有している。
先ず、図８を参照しながら体積測定装置８０について説明する。体積測定装置８０は制御装置５０に電気的に接続されており、体積測定装置８０は基板３０上に形成される液滴７０（形成途中の液滴も含む）の体積の情報を電気信号として制御装置５０に送信する。
この体積測定装置８０は、基板３０の法線に対して垂直な方向から、基板３０上に形成された液滴７０（形成途中の液滴も含む）を観察しその側面画像を取得する光学的な機能とその側面画像データから液滴７０の体積を算出するための機能を有する。液滴７０の体積は、該液滴７０を基板３０の法線方向に関する回転体とみなして計算することができる。
すなわち、比較的体積の小さな液滴７０はその表面張力により自身の輪郭形状を対称性の高い回転体の形状に保つ性質を有している。そのため、液滴７０の側面画像を取得し、その画像データに基づいて、液滴７０の輪郭形状を回転体に近似することにより、その体積を測定することが可能となる。そして、体積測定装置８０は、制御装置５０により適切なタイミングで液滴７０の体積を測定する。
次に、図９、図１０及び図１１を参照して第三実施形態の混合液の液滴形成装置の動作について説明すると共に、本発明の微量液滴形成方法の好適な一実施形態について説明する。
図９は本発明の混合液の液滴形成装置の第三実施形態の制御装置５０により制御された電圧印加装置４０により出力されるパルス電圧のパターンの一例を示すグラフであり、図１０Ａ〜図１０Ｃ及び図１１Ａ〜図１１Ｃは図９に示すパルス電圧を印加された場合の原料液吐出部２０と基板３０との間に形成される混合液の液滴７５〜７７の形成過程を示す図である。なお、図９の縦軸はパルス電圧の大きさΔＥを示し横軸は時間Ｔを示す。
図９に示すとおり、パルス電圧は最初に原料液突出部２０のキャピラリー２に対してΔＥ２が、続いてキャピラリー３に対してΔＥ３が、最後にキャピラリー１に対してΔＥ１が、順番に印加される。このような電圧印可パターンを採用することにより、以下のような混合液の液滴形成プロセスが進行する。
まず、図１０Ａに示すように、ｔ１≦Ｔ＜ｔ２の時間に、キャピラリー２にパルス電圧ΔＥ２を印加すると、キャピラリー２の直下において液滴形成プロセスが進行する。そして、図１０Bに示すように、Ｔ＝ｔ２の時点で、キャピラリー２から射出された原料液７２からなる液滴７５が基板３０上に形成される。この瞬間に体積測定装置８０により液滴７５の画像を取得し、その液滴体積の値Ｖ１−２を測定する。液滴７５は基板上に最初に形成されたものなので、キャピラリー２から射出された原料液体積ΔＶ２はΔＶ２＝Ｖ１−２となる。
続いて、図１０Ｃに示すように、ｔ２≦Ｔ＜ｔ３の時間に、キャピラリー３にパルス電圧ΔＥ３を印加する。このとき、キャピラリー３内の原料液７３と基板３０の間の電気力線は、平坦な基板３０上に突起物として既に存在する液滴７５に集中する。原料液７３は静電吸引力により引き出されて液滴７５に衝突し、その内部で乱流を引き起こすことにより十分な混合が進む。
そして、図１１Ａに示すように、Ｔ＝ｔ３の時点で、２種類の原料液が十分に混合した液滴７６が基板３０上に形成される。この瞬間に液滴体積測定装置８０により液滴７６の画像を取得し、その液滴体積の値Ｖ２−３を測定する。液滴７６は２種類の原料液が混合したものなので、キャピラリー３から射出された原料液体積ΔＶ３はΔＶ３＝Ｖ２−３―Ｖ１−２となる。
続いて、図１１Ｂに示すように、ｔ３≦Ｔ＜ｔ４の時間に、キャピラリー１にパルス電圧ΔＥ１を印加する。このとき、キャピラリー１内の原料液７１と基板３０の間の電気力線は、平坦な基板３０上に突起物として既に存在する液滴７６に集中する。原料液７１は静電吸引力により引き出されて液滴７５に衝突し、その内部で乱流を引き起こすことにより十分な混合が進む。
そして、図１１Ｃに示すように、Ｔ＝ｔ４の時点で、３種類の原料液が十分に混合した液滴７７が基板３０上に形成される。液滴体積測定装置８０により液滴７７の体積の値Ｖ３−４を測定することにより、キャピラリー１から射出された原料液体積ΔＶ１はΔＶ１＝Ｖ３−４―Ｖ２−３であることがわかる。
以上のように取得された混合液の液滴体積Ｖ1−2、Ｖ2−3、Ｖ３−４、又は、各原料液の体積ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ３の情報を制御装置５０に伝達することにより、基板３０上の液滴の体積又は質量が所望の値に達した時点で、液滴形成プロセスを終了する、或いは、基板３０上の液滴に注入する原料液の種類をプロセスの途中で変更する、といったといったフィードバック制御が可能となる。
このとき、各キャピラリー１、２及び３の先端の開口部から引き出された各原料液を、基板３０上の既存の液滴（液滴７５或いは液滴７６）に適切に衝突させる観点から、パルス電圧値（ΔＥ１、ΔＥ２、ΔＥ３）、原料液吐出部２０と基板３０の間の距離、原料液吐出部２０内のキャピラリー配置位置を予め調整しておく。
ここで、原料液突出部２０のキャピラリー２の直下に最初の液滴を形成することが望ましい。その理由は、原料液吐出部２０の各キャピラリーの先端の開口部と、基板３０上の液滴の間の位置関係を、できる限り対称的にかつ等距離におくことにより、上記のような調整を容易にする効果があるためである。ただし、上記のような調整が可能であるならば、特に、キャピラリー２の直下に最初の液滴を形成しなくてもよい。
［第四実施形態］
次に、本発明の混合液の液滴形成装置の第四実施形態について説明する。図１２は、本発明の混合液の液滴形成装置の第四実施形態の基本構成を概略的に示す系統図である。図１２に示す第四実施形態の混合液の液滴形成装置１０Ｂは、図８に示した第三実施形態の混合液の液滴形成装置１０Ａにおける液滴体積測定装置８０の代わりに質量センサ９０を基板３０と移動ステージ６０との間に配置したものであり、それ以外の構成は第三実施形態の混合液の液滴形成装置１０Ａと同様である。
次に、図１２を参照しながら質量センサ９０について説明する。質量センサ９０は、基板３０と移動ステージ６０との間に設置されており、液滴７０（形成途中の液滴を含む）の液滴質量を測定する。この質量センサ９０は、制御装置５０により適切なタイミングで基板３０上に形成された液滴７０の質量を測定する。
この液滴形成装置１０Ｂの動作は、以下の点以外は第三実施形態の液滴形成装置１０Ａと同様であるため省略する。すなわち、液滴形成装置１０Ｂは、制御装置５０が体積測定装置８０の代わりに質量センサ９０を制御すること、及び、所望の成分組成及び量（体積或いは質量）の液滴７０を形成するために各プロセスで取得するデータ（測定物理量）が形成途中の液滴７０の質量であること以外は、第三実施形態の液滴形成装置１０Ａと同様の動作により液滴７０を形成する。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述の実施形態の混合液の液滴形成装置においては、３つのキャピラリー１、２及び３を基板３０の面の法線方向から見た場合に、３つのキャピラリー１、２及び３の略円形状の吐出口が直線的に並ぶように配置される場合について説明したが、本発明においては、複数のキャピラリーの配置の仕方は特に限定されない。例えば、上述の実施形態のように、３つのキャピラリーを用いる場合、３つのキャピラリーの吐出口を基板の面の法線方向から見た場合に、３つのキャピラリーの各吐出口の幾何学的中心を結ぶ線が三角形を形成するように３つのキャピラリーを配置してもよい。
上述の各実施形態の混合液の液滴形成装置においては、各キャピラリーの吐出口の断面形状が略円形状の場合について説明したが、本発明においては、複数のキャピラリーの吐出口の断面形状は特に限定されない。例えば、略三角形状であってもよく、略矩形状であってもよい。
更に、例えば、上述の各実施形態の混合液の液滴形成装置においては、原料液吐出部を構成するキャピラリーの数が３つの場合について説明したが、本発明の混合液の液滴形成装置において、原料液吐出部を構成するキャピラリーの数は特に限定されず、原料液吐出部を構成するキャピラリーの数は、形成する混合液の液滴の含有成分の組成や混合液の液滴の体積等の条件に応じて任意に設定してよい。例えば、図７に示すように、７つのキャピラリー１〜７を用いて原料液吐出部を構成してもよい。
以上説明したように、本発明の混合液の液滴形成方法及び混合液の液滴形成装置によれば、微量であっても含有成分が均一に分布した多数の混合液の液滴を、基板上の所定の位置に迅速かつ規則的に配列することができる。
例えば、本発明の混合液の液滴形成方法及び混合液の液滴形成装置を、ドラッグスクリーニングを行う創薬及び疾病診断や、コンビナトリアルケミストリー等の異なる試料を含む液を混合する処理を必要とする分野における分析化学技術へ応用することにより、上記の処理に必要な作業規模のダウンサイジング化を容易に図ることができる。その結果、試料の有効利用、作業の高効率化、作業の安全性の向上及び低コスト化を容易に図ることができる。
本発明の混合液の液滴形成装置の第一実施形態の基本構成を概略的に示す系統図である。 図１に示す混合液の液滴形成装置の原料液吐出部に備えられたキャピラリーを基板の面の法線方向から見た場合の正面図である。 図３Ａは、図１に示す混合液の液滴形成装置の制御装置により制御された電圧印加装置により出力されるパルス電圧のパターンの一例を示すグラフであり、図３Ｂは、図３Ａに示すパルス電圧を印加された場合の原料液吐出部と基板との間に形成される液滴の形成過程を示す図である。 図４Ａは、図１に示す混合液の液滴形成装置の制御装置により制御された電圧印加装置により出力されるパルス電圧のパターンの一例を示すグラフであり、図４Ｂは、図４Ａに示すパルス電圧を印加された場合の原料液吐出部と基板との間に形成される混合液の液滴の形成過程を示す図である。 図５Ａは、図１に示す混合液の液滴形成装置の制御装置により制御された電圧印加装置により出力されるパルス電圧のパターンの一例を示すグラフであり、図５Ｂ及び図５Ｃは、図５Ａに示すパルス電圧を印加された場合の原料液吐出部と基板との間に形成される混合液の液滴の形成過程を示す図である。 図６Ａは本発明の混合液の液滴形成装置の第二実施形態の制御装置により制御された電圧印加装置により出力されるパルス電圧のパターンの一例を示すグラフであり、図６Ｂは図６Ａに示すパルス電圧を印加された場合の原料液吐出部と基板との間に形成される混合液の液滴の形成過程を示す図である。 図１に示す混合液の液滴形成装置の原料液吐出部の他の実施形態を示す正面図である。 本発明の混合液の液滴形成装置の第三実施形態の基本構成を概略的に示す系統図である。 本発明の混合液の液滴形成装置の第三実施形態の制御装置により制御された電圧印加装置により出力されるパルス電圧のパターンの一例を示すグラフである。 図１０Ａ〜図１０Ｃは、図９に示すパルス電圧を印加された場合の原料液吐出部２０と基板３０との間に形成される混合液の液滴の形成過程を示す図である。 図１１Ａ〜図１１Ｃは、図９に示すパルス電圧を印加された場合の原料液吐出部２０と基板３０との間に形成される混合液の液滴の形成過程を示す図である。 本発明の混合液の液滴形成装置の第四実施形態の基本構成を概略的に示す系統図である。
符号の説明
１〜７…キャピラリー、７０，７４〜７７…液滴、１０，１０Ａ，１０Ｂ…液滴形成装置、２０…原料液吐出部、３０…基板、４０…電圧印加装置、５０…制御装置、７１〜７３…原料液、８０…体積測定装置、９０…質量センサ。

Claims (6)

  1. 複数のキャピラリー毎に蓄えられたそれぞれの原料液と前記各キャピラリーの先端と対向して配置された基板との間に、全て異なる時間において順番にパルス電圧を印加し、前記各キャピラリーと前記基板との間の距離と前記パルス電圧との関係を調整することにより、前記各キャピラリーの先端から前記原料液を柱状に形成された状態でそれぞれ吐出させて前記基板上に既に形成された液滴に順次衝突させて前記各キャピラリーからの前記各原料液同士を前記液滴の内部で混合させ、前記基板上に前記原料液からなる混合液の液滴を形成し、
    前記パルス電圧を、前記複数のキャピラリーのうち幾何学的中心に近いキャピラリーに蓄えられた前記原料液に先に印加した後、次に該キャピラリー以外のキャピラリーに蓄えられた前記原料液に印加する、
    こと特徴とする混合液の液滴形成方法。
  2. 前記各パルス電圧の印加終了毎に、その時点で前記基板上に形成された液滴の体積又は質量を測定することを特徴とする請求項１に記載の混合液の液滴形成方法。
  3. 前記各パルス電圧の印加終了毎に、その時点で前記基板上に形成された液滴の体積又は質量を測定し、該液滴の体積又は質量の測定値に基づいて、前記各パルス電圧の印加のプロセス毎に前記各キャピラリーから射出された前記原料液の体積又は質量を独立に計測することを特徴とする請求項２に記載の混合液の液滴形成方法。
  4. 前記各パルス電圧の印加のプロセス毎に前記基板上に形成される液滴の体積又は質量の測定値に基づいてフィードバック制御することにより、前記基板上に形成する前記混合液の液滴の量を調節することを特徴とする請求項３に記載の混合液の液滴形成方法。
  5. 混合液の液滴を形成するための原料液がそれぞれ蓄えられた複数のキャピラリーを有する原料液吐出部と、
    前記各キャピラリーの先端と対向して配置され、該各キャピラリーの先端からそれぞれ吐出される前記原料液から形成される前記混合液の液滴が載置される基板と、
    前記各キャピラリーに蓄えられた前記原料液のそれぞれと前記基板との間にパルス電圧を印加する電圧印加装置と、
    前記電圧印加装置を制御する制御装置と、
    前記各キャピラリーの先端から吐出される前記原料液が柱状に形成されて前記基板に衝突するように、前記各キャピラリーと前記基板との間の距離を前記パルス電圧との関係で調整する移動機構とを備え、
    前記制御装置が、前記複数のキャピラリーのうち幾何学的中心に近いキャピラリーに蓄えられた前記原料液に先に前記パルス電圧を印加した後、該キャピラリー以外のキャピラリーに蓄えられた前記原料液に、全て異なる時間において順番に前記パルス電圧を印加するように制御し、
    前記各キャピラリーの前記各原料液が、柱状に形成された状態でそれぞれ吐出させて前記基板上に既に形成された液滴に順次衝突されることにより、柱状の液体と前記基板上の液滴との間で混合されるように構成されている、
    ことを特徴とする混合液の液滴形成装置。
  6. 前記基板上に形成される液滴の体積を測定する体積測定装置及び／又は前記液滴の質量を測定する質量センサを更に備えており、
    前記制御装置が、前記体積測定装置及び／又は前記質量センサを前記電圧印加装置と共に制御することを特徴とする請求項５記載の混合液の液滴形成装置。
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