JP5455370B2 - 基板上への物質の液滴の制御された位置決めのためのインクジェット装置、物質の液滴の制御された位置決めのための方法、印刷プロセス中の物質の変質を決定するための方法、及び、インクジェット装置の使用 - Google Patents

Description

本発明は、基板上への物質の液滴の制御された位置決めのためのインクジェット装置に関する。本発明は、さらに、インクジェット装置を使用した基板上への物質の液滴の制御された位置決めのための方法に関する。本発明は、さらに、印刷プロセス中の物資付きの変質を決定するための方法に関する。本発明は、さらに、インクジェット装置の使用に関する。

本発明は、基板上への物質の液滴の制御された位置決めのためのインクジェット装置、方法、及び、インクジェット装置の使用を開示している。特に、診断のために、特定の物質が極めて精密且つ正確な方法で位置決めされる物質が必要とされる。これらの物質は、普通、基板上で複数の生化学試験又は反応を遂行するために、基板上に位置決めされる。これらの物質は、生理活性流体であり、酵素作用、ＵＶ放射線、貯蔵、及び、同等物の故に、変質しがちである。インクジェット装置、物質の液滴の制御された位置決めのための方法、物質の変質を決定するための方法、本発明に従ったインクジェット装置の使用は、好ましくは、基板上への物質の印刷プロセスに適用され、その場合には、印刷プロセスは、物質の液滴が基板に解放されたか否かの質問に関して、物質の液滴が基板上に正しく位置決めされたか否かの質問に関して、並びに、物質が印刷プロセス中に変質されたか否かの質問に関して極めて確実でなければならない。

インクジェット装置は概ね既知である。例えば、米国特許出願ＵＳ２００４／０１９６３１９Ａ１号は、複数のノズルを有する記録ヘッドを含む、キャリッジ、移転機構、駆動機構、噴射日を光学的に検出する検出機構、及び、コントローラを含む画像記録装置を開示している。複数のノズルは、複数のノズル群に分割される。コントローラは、如何なる他のノズル群とは異なるノズル群のそれぞれの噴射を時間計測する。上記に引用された米国特許出願に従った記録ヘッド又は複数の記録ヘッドは、制御された操作が遂行され得るよう、印刷地域の外側に位置付けられ得る。制御された操作は、例えば、ノズルが詰まる等のために、１つ又は複数の印刷ヘッド又は印刷ノズルが正しく働かないか否かの質問に対する答えを提供し得る。印刷ヘッドが制御又は検出地域内で印刷地域の外側に位置付けられるとき、印刷ヘッド又は印刷ノズルは、印刷ヘッドが印刷地域内にインク液滴を塗布する記録媒体に面しない。検出地域内で、液滴の軌道は、光検出器によって検出される光と交差し、印刷ヘッドの正しい作動の制御をもたらす。既知の装置の欠点は、制御操作は時々実施されるに過ぎないので、個々の液滴が基板上に実際に位置付けられたか或いは印刷媒体上に確実に位置付けられたか否かについて質問に答え得ないことである。既知の装置のさらなる欠点は、印刷プロセス中の物質の可能な変質についての情報を提供しないことである。特に、正確且つ確実が印刷プロセスが重要な用途について、これは印刷又はインクジェット装置の信頼性を強く制限する。

従って、基板上への物質の液滴の制御された位置決めのための並びに印刷プロセス中の物質の変質を決定するためのインクジェット装置を提供することが本発明の目的である。

上記目的は、インクジェット装置、物質の液滴の制御された位置決めのための方法、本発明に従った印刷プロセス中の物質の変質を決定するための方法によって、並びに、本発明に従ったインクジェット装置の使用によって達成される。基板上への液滴の制御された位置決めのための並びに印刷プロセス中の物質の変質を決定するためのインクジェット装置は、液滴を噴射するために設けられるノズルを含む印刷ヘッドを少なくとも含み、インクジェット装置は、制御カメラをさらに含み、制御カメラは、ノズルからの液滴の噴射後、液滴が制御カメラによって検出されるよう配置される。

本発明に従ったインクジェット装置の利点は、制御カメラを使用することによってノズルからの液滴の噴射を極めて高い精度で検出することが可能であることである。何故ならば、制御カメラは、従来的な光検出器のように１デジタル二進信号を提供するのみならず、液滴の存在が検出されるのみならず、好ましくは、液滴のサイズ、速度、飛行経路及び／又は液滴の飛行経路の直線度さえもが、好ましくは、三次元で検出されるよう、ノズルから噴射される液滴の画像さえも提供する。

本発明のさらなる利点は、ノズルから出て来る物質の如何なる液滴も如何なる噴流も検出され得るよう、制御カメラがノズル又は複数のノズルの出口に常に向けられることである。これは各ノズルのための検出手段を有さず且つ各ノズルから出て来る各液滴を個別に検出し得ない従来技術の検出系と対称的である。

本発明の一層さらなる利点は、液滴の動的挙動に注意深く従うことによって、制御カメラを用いて、定性情報が物質の粘性及び表面張力から導出され得ることである。粘性及び表面張力のこれらの値を印刷プロセスの開始に測定される値と比較することによって、物質の蒸発或いは物質の変質の程度に従うことが可能である。

本発明の好適実施態様において、液滴は、液滴がノズルと基板との間を進行中に検出される。それによって、ノズルと基板との間の軌道に沿う自由運動中の液滴を検出することが可能である。これは液滴の検出が如何なる誤差の原因によっても極めて疑わしくなく且つ邪魔されずに行われ得ることを意味する。

好ましくは、液滴の位置決めは、ノズルと基板との間を進行する間に各液滴が検出されるよう、継続的に制御され得る。これは、液滴が残らない、故に、基板上への液滴の印刷プロセス又は解放プロセスがより一層確実に行われ得るという利点を有する。

本発明の好適実施態様において、制御カメラは、印刷ヘッドに対して固定的に位置決めされる。これは、ノズルに対する制御カメラの位置決めは変わらない、従って、不整列に起因する誤差がノズルから出て来る液滴の検出に誘導され得ないという利点を有する。

本発明によれば、制御カメラは、制御カメラの光軸が、液滴の軌道に対して、ある角度だけ傾斜されるよう取り付けられる。これは、制御カメラを用いて、高い信頼性で液滴を検出することが可能であるという利点を有する。これは特に重要である。何故ならば、印刷ヘッドの回りの空間は貴重であり、従って、制御カメラの位置決めは極めて重要であるからである。これは、印刷ヘッドと基板との間の距離が１ｍｍであるときに、各噴射液滴を印刷中に一列に検出することを可能にする。

本発明のさらなる好適実施態様において、インクジェット装置は、印刷ヘッドに割り当てられる少なくとも１つの光源を含む。それによって、制御カメラを用いてノズルから出て来る液滴の検出をさらに向上することが可能である。何故ならば、照明条件は、光源を用いて極めて確実に定められるからである。好ましくは、光源はストロボのように設けられる。

好ましくは、印刷ヘッドに割り当てられる光源は、光放射が同一平面に並びに制御カメラの光軸に対してほぼ直角に向けられよう取り付けられる。それによって、少しの空間だけが必要とされるよう、制御カメラ及び光源の制御機構を実現することが可能であり、それは印刷ヘッドと共に移動する全ての構成部品にとって重要である。

本発明によれば、インクジェット装置は、第二制御カメラ及び第二光源を含み、第二制御カメラ及び第二光源は、ノズルから出る液滴の噴射後、液滴が制御カメラによって並びに第二制御カメラによって検出されるよう配置される。第二制御カメラは、好ましくは、印刷ヘッドに固定される。第二カメラも、角度を備えて取り付けられる。上から見ると、この制御カメラは、第一制御カメラから印刷ヘッドへの方向に対して９０度の角度で取り付けられる。この構造は、液滴放射を２つの方向で継続的に監視することを可能にし、飛行経路の３Ｄ画像を作成する。

本発明のさらなる好適実施態様において、インクジェット装置は、さらなる印刷ヘッドを含み、さらなる印刷ヘッドは、さらなるノズルを含み、インクジェット装置は、さらなる制御カメラをさらに含み、さらなる制御カメラは、さらなるノズルからのさらなる液滴の噴射後、さらなる液滴がさらなる制御カメラによって検出されるよう配置される。それによって、基板に塗布するために所与数の液滴のための印刷速度を高めることが可能である。これは印刷物の製造時間を減少する。これは、生物検定における使用のための生体分子のような極めて感受的な印刷物の場合には極めて有利である。何故ならば、多くの感受的な化合物がそのようなカートリッジの製造に含まれ、製造時間の削減は、物質の老化及び物質の劣化一般の危険性を減少するからである。

本発明のさらなる実施態様において、インクジェット装置は、第三印刷ヘッドを含み、第三印刷ヘッドは、第三ノズルを含み、インクジェット装置は、第三制御カメラをさらに含み、第三制御カメラは、第三ノズルからの第三液滴の噴射後、第三液滴が第三制御カメラによって検出されるよう配置される。それによって、印刷物の製造時間のさらなる削減が可能である。

本発明によれば、より多くの印刷ヘッド、例えば、約１０又は２０までの印刷ヘッドが含められ得る。さらに、多ノズル印刷ヘッドを使用することが可能である。本発明によれば、液滴がそのような多ノズル印刷ヘッドの全てのノズルによって噴射されたか否かを検出することも可能である。

本発明によれば、インクジェット装置が、印刷テーブル及び印刷ブリッジをさらに含みインクジェット装置を使用することが好ましく、印刷テーブルは、第一方向に沿って印刷ブリッジに対して移動可能に取り付けられ、印刷ヘッドは、印刷ヘッドが第二方向に沿って印刷ブリッジに対して移動可能であるよう、印刷ブリッジに取り付けられる。それによって、印刷物の製造が極めて費用効率的に行われ得るよう、物質の液滴を塗布の大きな面積に印刷し或いは解放することが可能である。何故ならば、大きな基板又は個々の膜は、１つのバッチで印刷され得るからである。

本発明のさらなる好適実施態様において、インクジェット装置は、基板ホルダに対する印刷ヘッドの位置を調節するために、少なくとも１つの整列カメラを含む。これは基板に対する印刷ヘッドの自動的且つ精密な位置決めを可能にする。

さらに、整列カメラは、印刷ヘッド又は印刷テーブルに対して固定的に取り付けられることが好ましい。それによって、整列の目的のために、初期的な印刷位置又は開始位置を容易に且つ迅速に定めることが可能である。

本発明によれば、基板は、平坦な基板、構造的な基板、多孔性の基板であることが好ましい。より好ましくは、基板は、ナイロン基板、ニトロセルロース、又は、ＰＶＤＦ基板である。基板は、好ましくは、多孔性であるので、スポット又は液滴は、表面上に位置するのみならず、膜に浸透する。

本発明のさらなる好適実施態様において、基板は、複数の基板地域を含み、各基板地域は、好ましくは、膜ホルダによって支持される分離された膜である。それによって、発明的なインクジェット装置の使用によって、複数の分離された膜が製造され得る。

同様に、好ましくは、基板は、複数の基板場所を含み、基板は、複数の基板場所を含み、基板場所は、少なくとも基板場所の１つに位置付けられる液滴の平均直径によって互いから分離される。それによって、物質の異なる液滴を基板上の精密な場所に精密に且つ独立的に位置付けることが可能である。複数の液滴を１つ且つ同一の基板場所上に配置することも可能であり且つ有利である。

好ましくは、物質は、水、アルコール、又は、グリコール、及び、類似物のような液体中の揮発性溶液であり、そこには、異なる分子又は異なる化合物、特に、生体分子が存在する。

本発明は、本発明に従ったインクジェット装置を使用した基板の上への物質の液滴の制御された位置決めのための方法も含み、インクジェット装置は、液滴を噴射するよう設けられるノズルを含む印刷ヘッドを少なくとも含み、インクジェット装置は、制御カメラをさらに含み、制御カメラは、ノズルからの液滴の噴射後、液滴が制御カメラによって検出されるよう配置される。好ましくは、液滴の位置決めは、各液滴が制御カメラによって検出されるよう継続的に制御され、同様に、好ましくは、液滴はノズルと基板との間を進行中に検出される。それによって、印刷プロセスにおける極めて高度の信頼性及び正確性を達成可能である。発明的な方法を使用することによって、液滴は所定位置の少なくとも２５μｍ以下内に位置付けられ得る。より小さな液滴容積を使用することによって、液滴のより精密な配置が可能である。これは、４０μｍの許容場内の位置正確性が標準的であるグラフィック業界と対照的である。

本発明によれば、液滴の容積が正しくない且つ／或いは液滴の速度が正しくない且つ／或いは液滴の飛行経路の直線度が正しくない或いは液滴がノズルから噴射さなないならば、フィードバックループが印刷プロセスを停止することが好ましい。これは、印刷中に何かがうまく行かないときに、印刷プロセスが停止される（フィードバックループは印刷プロセスと直ぐに干渉する）、並びに、印刷される基板が「正しくない」として（具体的にはソフトウェアによって）印付けられて良い製品とみなされないという利点を有する。多くの場合には、液滴が基板上に正に着地するならば、特に、液滴が基板によって吸収され且つ溶剤が蒸発するときに、以後に容易に決定され得ない。さらに、ソフトウェアは、液滴から取られる各画像が分析されること、並びに、正に液滴が噴射されることを確認する。好適実施態様では、この分析の後には、噴射液滴の分析が印刷中に何かが正しくないことを示すならばプリンタを停止するフィードバックループが続く。操作者は、今や、印刷ヘッドが仕様に従って動作し、次に、印刷プロセスが再開され得るよう、印刷ヘッドを維持し得る。ソフトウェア中、正しく印刷されない基板は、印付けられ、印刷済み膜の群から取り除かれる。

好ましくは、液滴がノズルから噴射されるときに制御カメラは開放され、光源は、液滴の噴射後、所定の遅延時間に光衝撃を放射する。閃光の直後、カメラは閉塞し、画像をコンピュータに送り始める。これは印刷ヘッドからの液滴放射の可視化の標準的な方法と対称的である。標準は、ストロボが、印刷ヘッドへの液滴発射信号によって引き起こされることである。そのようにすることによって、多数の明らかに静止的な液滴の画像が空間内に作成される。液滴放射は安定的なプロセスであるので、１つの液滴だけを観察しているかのようである。小さな外乱は各液滴が前の液滴から僅かに異なって放射されるようにし、ぶれた画像をもたらす。この静止的な画像は標準的なＣＣＤかめるによって記録され、画像分析のために使用される。１つの液滴のみを使用する方法は、画像が１つだけの液滴の蓄積であるという従来技術に対する利点を有する。これは画像がぶれないことを意味する。これは、液滴の速度、容積、飛行経路の直線度の計算を、最新技術に比べより一層正確にする。さらに、特に、光源としてストロボを使用するときには、液滴噴射の異なる振動数で、光の強さの異存がない。あらゆる単一の液滴を検査するときに発明的な装置によって処理され得る振動数（例えば、ほぼ３０Ｈｚ〜２００Ｈｚ）よりも高い振動数（例えば、ほぼ１０００Ｈｚ以上）で印刷するときには、全ての液滴は記録されない。液滴放射の普通極めて安定的であるので、ノズルから出て来る２つに１つ又は３つに１つの液滴のみを検査し或いは検出することに問題はない。

さらに、第一ステップにおいて、基板に対する印刷ヘッドの位置が較正され、第二ステップにおいて、基板が膜上に位置付けられることが好ましい。この二段階方法によって、基板上の或いは膜上の物質の液滴を極めて正確に且つ精密に位置付けることが有利に可能である。

さらなる好適実施態様では、第一物質が第一基板場所に位置付けられ、第二物質が第二基板場所に位置付けられるよう、複数の異なる物質が基板に塗布される。これは、１つ且つ同一の印刷プロセスを遂行することによって並びに印刷するよう印刷ヘッド又は物質貯槽を交換だけすることによって、生化学検定において使用され得る複数の異なる物質が基板上に実現され得る。

本発明は、液滴を噴射するよう設けられるノズルを含む印刷ヘッドを少なくとも含むインクジェット装置を使用して物質の液滴の変質を決定するための方法であって、インクジェット装置は、制御カメラをさらに含み、制御カメラは、ノズルからの液滴の噴射後、液滴が前記制御カメラによって検出されるよう配置される方法をさらに含む。印刷プロセスの開始時の粘性及び表面張力が測定される。印刷プロセスの開始時に、液滴形状の進展は、制御カメラの助けを得て測定される。液滴の形状は、時間の関数として変化する。ノズルを離れるや否や、それは長く細い噴射として開始する。次に、物質の表面張力は、長く細い噴射を球状の滴にする。所定時間内の液滴の形状の進展は、特徴的な周期時間を備える減衰された調和的振動である。周期時間及び液滴の半径から、表面張力は、レイリー等式を使用して計算され得る。液滴が安定的な球形状に達するのに要する減衰又は時間は、粘性に依存する。粘性が高ければ高いほど、液滴が安定的な球形状に達するのに必要とされる時間間隔はより短い。印刷中、減衰及び周期時間は、継続的に或いは時折測定される。周期時間の変化は、表面張力の変化の原因であり、減衰の速度の変化は、粘性の変化の直接的な原因である。物質の表面張力及び粘性のこれらの値は、印刷ヘッドを充填する前に測定される初期値と実質的に近くなければならない。

本発明によれば、表面張力及び減衰（粘性）の変化が特定の許容差帯内にないとき、フィードバックループが印刷プロセスを停止することが好ましい。変化が大き過ぎるとき、プロセスは停止され、その後、印刷ヘッドの完全な洗浄並びに新たに準備される物質の再充填が続く。提案される方法で測定されるような粘性及び表面張力が初期値の１０％内に留まるとき、印刷プロセスは継続する。他方、１０％よりも大きな偏差が検出されるとき、フィードバックループは印刷プロセスを停止する。

本発明は、本発明に従った発明的なインクジェット装置の使用も含み、基板は、生化学反応物及び／又は核酸及び／又はポリペプチド及び／又はタンパク質を含む。そのような目的のために発明的なインクジェット装置を使用することによって、特定の数の物質を基板上に極めて正確に且つ精密に配置することが可能である。

本発明のこれらの並びに他の特性、特徴、及び、利点は、本発明の原理を一例として例証する付属の図面を参照するならば、以下の詳細な記述から明らかになるであろう。記述は、実施例のために与えられるに過ぎず、本発明の範囲を限定しない。以下に引用される参照図面は、添付の図面を言及している。

本発明は、得的の図面を参照して具体的な実施態様に関して記載されるが、本発明はそれらに限定されず、請求項によってのみ限定される。記載される図面は概略的であるに過ぎず、非限定的である。図面中、幾つかの素子のサイズは誇張されており、例証の目的のために原寸で描写されていない。

単一名詞に言及するときに不定冠詞又は定冠詞、例えば、“ａ”、“ａｎ”、“ｔｈｅ”が使用される場合には、特段の記載のない限り、これはその名詞の複数を含む。

さらに、記載中及び請求項中の第一、第二、第三、及び、類似表現は、類似の素子間を区別する目的のために使用され、必ずしも順次的又は経時的な順序を記載するために使用されていない。そのように使用される用語は適切な環境の下で置換可能であること、並びに、ここに記載される本発明の実施態様はここに記載される以外の順序で動作し得ることが理解されるべきである。

さらに、記載中及び請求項中の頂部、底部、上、下、及び、類似表現は、記載の目的のために使用され、必ずしも相対的な位置付けを記載するために使用されていない。そのように使用される用語は適切な環境の下で置換可能であること、並びに、ここに記載される本発明の実施態様がここに記載され或いは例証される以下の無機で動作し得ることが理解されるべきである。

本記載中及び請求項中で使用される「含む」という用語は、その後に列挙される手段に限定されるよう解釈されるべきではなく、それは他の素子又はステップを排除しない。よって、「手段Ａ及びＢを含む装置」という表現の範囲は、構成素子Ａ及びＢのみを含む装置に制限されるべきではない。それは本発明に関して装置の唯一の関連する構成素子がＡ及びＢであることを意味する。

図１には、本発明に従ったインクジェット装置１０の概略的な上面図が示されている。（好ましくは重い花崗岩製の）印刷テーブル５０上に、取付プレート５５が線形ステージ上に固定的に取り付けられ、Ｘ方向における動作を許容している。この取付プレート５５内には、膜４１を備える多数の膜ホルダ４４が位置付けられている。膜４１は共に基板を形成する。従って、膜４１は「基板」とも呼ばれ得る。明瞭性のために、以下において、「基板」という用語は、「膜４１」の印刷可能な地域の全体を指す。膜ホルダ４４は、基本的には、リング４４に過ぎない。丸い膜４１が、このリング上に溶接される。よって、印刷後、共に点在される膜４１を備えるリング４４が最終製品である。印刷ブリッジ５１が取付プレート５５に対して移動可能に設けられ、印刷テーブル５０（好ましくは重い花崗岩テーブル）に対して剛的に取り付けられる。印刷ブリッジ５１は、移動可能な印刷ヘッドホルダ５１’を支持する。取付プレート５５を備えるステージは、第一方向、Ｘ方向に沿って移動可能である。印刷ヘッドは、印刷ブリッジ５１に対して第二方向、Ｙ方向に移動可能であるよう、移動可能な印刷ヘッドホルダ５１’上に取り付けられる。本発明によれば、第一方向（Ｘ方向）及び第二方向（Ｙ方向）は直交することが好ましい。それによって、印刷ヘッドは印刷テーブル５０の特定地域上を移動され得るし、印刷ヘッド付近で貯槽（図示せず）内に収容される物質の液滴を解放し得る。膜４１は、Ｘ方向における均一距離で、並びに、Ｙ方向における均一距離で、規制プレート５５とも呼ばれる取付プレート５５内に取り付けられる。Ｘ方向における距離は、Ｙ方向における距離と異なり得る。本発明によれば、印刷ヘッドのノズルから噴出される物質の液滴（図３に図示されている）が制御カメラによって検出され得るよう、制御カメラ３０が設けられる。図１に示される本発明の好適実施態様において、制御カメラ３０は、移動可能な印刷ヘッドホルダ５１’上の印刷ヘッド付近に固定的に位置付けられる。

基板は、感染症の検出のために使用される生理活性膜から成り得る。そのような病気の診断は、印刷プロセスの極めて高い信頼性を要求する。蛍光パターンの読出しは、病気を特別な捕捉プローブの位置に直接的に関連付ける。従って、基板上の捕捉プローブの正しい位置付けのためには、極めて信頼性のあるプロセスを有することが絶対的に必要である。インクジェット印刷は、基板上の液滴の実際の存在及び配置についての如何なるフィードバックもない精密投与技法である。問題はプロセスの経過についての情報がないことである。本発明は各印刷ヘッドの印刷プロセスに瞬間的に従う光学的方法を記載する。インクジェット装置１０上には、液滴の着地位置を測定し且つ印刷プロセスを継続的に監視するＣＣＤカメラを装備する２つの顕微鏡が取り付けられる。液滴が失敗するか或いは所定の着地位置（基板場所４２）の外側に着地するまさにその瞬間に、システムは印刷プロセスを停止し、印刷されたばかりの膜４１又は基板地域に印を付ける。操作者は、今や、印刷プロセスが仕様に従って動作し且つ印刷プロセスが再開され得るするよう、印刷ヘッドを維持し得る。後に、印を付けられた膜は、印刷済み膜の一群から取り外され得る。

印刷テーブル５０は、好ましくは、花崗岩テーブルの形態で提供される。代替的に、他の極めて重い材料が使用され得る。本発明によれば、印刷テーブル５０は、振動性外乱が極めて少ない環境内に配置されるべきである。精密線形ステージが花崗岩テーブル（印刷テーブル５０）に対して取り付けられ、ステージ上に取り付けられる取付プレート５５が、本質的に、第一方向（Ｘ方向）に移動する。

図１に示される実施態様には、整列カメラ４５も印刷ヘッド付近に位置付けられる。整列カメラ４５は、印刷ヘッドから所定距離に位置付けられる。取付プレート５５上の或いは基板上の特定の構造を見ることによって、印刷ヘッドを印刷テーブル５０に対して、従って、膜４１に対して較正し或いは位置付けることが可能である。（図７に示される検査光源４７’を備える）検査カメラ４５’が、印刷テーブル５０に対して固定的に取り付けられる。図７に表されるように、印刷ヘッドを検査位置に移動することによって、２つのカメラ（制御カメラ３０及び検査カメラ４５’）は、互いに対して９０度の角度で位置付けられる。これは液滴容積、液滴速度、液滴飛行経路を二次元で測定することを可能にする。これらのデータは記憶され、印刷プログラムを制御するコンピュータに移転され得る。飛行経路における偏差を補正することによって、液滴が常に所定位置に着地することが想定され得る。

制御カメラ３０及び検査カメラ４５’は、基本的には同一であり、同一の目的のために使用される。制御カメラ３０と検査カメラ４５との間の唯一の差は、制御カメラ３０が全印刷プロセス中に使用されるのに対し、検査カメラ４５’は印刷前の検査中にのみ使用されることである。整列カメラ４５は異なる。何故ならば、このカメラは、取付プレート５５を印刷テーブル５０に整列するために完全な群を印刷する前に使用されるに過ぎないからである。

図２には、個々の基板膜ホルダ４４及び取付プレート５５の一部の断面の概略図が示されている。膜ホルダ４４は、基板４０の一部として１つの膜４１を支持する。１つの膜４１は、基板地域４１とも呼ばれる。各個別の膜ホルダ４４は、線形ステージ上に固定的に取り付けられる取付プレート５５上に配置され、花崗岩テーブル（印刷テーブル）５０に対するＸ方向の線形動作を可能にする。基板４０上には、即ち、各膜４１上には、複数の基板場所４２が、（図２中に参照記号２２によって概略的に示されている）個々の液滴が配置され得るよう、互いに離れて設けられる。それによって、それぞれの基板場所４２上に異なる種類の物質を計量分配し或いは位置付けることが可能である。

図３には、発明的なインクジェット装置１０の制御カメラ３０の配置が概略的な断面図で示されている。膜ホルダ４４上には、膜４１又は基板地域４１が配置されている。印刷ヘッド２０は、液滴２２を噴射し得るノズル２１を含む。液滴２２は、ノズル２１から軌道２２’上で基板４０の表面に向かって移動する。この間、制御カメラ３０は、ノズル２１から基板４０の表面に向かって進行する液滴２２の画像を見ることができる。制御カメラ３０が液滴２２を見る得るために、光源３２（好ましくはストロボ光又は制御可能な閃光）が、制御カメラ３０の光軸３１に対して、ある角度に位置付けられる。カメラは、基板４０の表面に対する角度が可能な限り小さく、ノズル２１の下の可能な限り大きな視野を可能にするよう配置される。同一のことがストロボ照明系の光軸にも当て嵌まる。液滴２２は、好ましくは、間接的に照明され、基板４０を介して反射である。本発明の実施態様によれば、制御カメラ３０の光軸は、ある角度だけ傾斜される。光源３２は、好ましくは、印刷ヘッド２０に対して固定的に取り付けられる。

図４には、膜４０に対する或いは印刷テーブル５０に対する印刷ヘッド２０の整列段階の概略図が示されている。整列カメラ４５は、もし印刷ヘッド２０及び印刷ブリッジ５１が相応して位置付けられるならば、印刷テーブル５０上の或いは取付プレート５５上の構造４６’が整列カメラ４５によって見えるよう、（例えば、垂直に）位置付けられる。さらなる光源４７が、好ましくは、構造４６’が整列カメラ４５によって明瞭に見えるよう位置付けられる。従って、さらなる光源４７は、較正カメラ４５の光軸４６とほぼ整列される。

図５ａには、膜４１又は基板地域４１の一部が上から示されている。基板地域４１上には、複数の基板場所４２，４２ａ，４２ｂが定められている。基板場所４２，４２ａ，４２ｂは、液滴２２が本発明に従ったインクジェット装置１０によって位置付けられるべき場所である。複数の液滴を１つの単一の基板場所４２上に配置することも可能である。印刷ヘッド２０によって噴射されて基板４０上に着地する液滴２２は、特定の液滴地域又は基板場所４２，４２ａ，４２ｂの互いからのそれぞれの距離４３（又はピッチ）よりも小さい平均直径４３’を備える基板場所４２，４２ａ，４２ｂの回りのスポットを覆う。

図５ｂには、基板地域４１の上面図が示されており、そこには、複数の基板場所４２が小さな円で表されている。本発明によれば、診断目的のために基板地域４１の膜を使用するために、多くの異なる物質がこれらの異なる基板場所４２上に位置付けられ得る。本発明によれば、１つの群’の基板場所４２及びそれらのそれぞれの物質内で完全な組の試験を行うために、幾つかの群４２’の基板場所４２を定めることが可能である。

図６には、本発明のインクジェット装置１０のさらなる実施態様が概略的且つ部分的に示されている。印刷ブリッジ５１は、印刷ヘッド２０に加えて、さらなる印刷ヘッド２０ａと第三印刷ヘッド２０ｂを備える。従って、さらなる制御カメラ３０ａ及び第三制御カメラ３０ｂが、印刷ヘッド２０，２０ａ，２０ｂ付近に位置付けられている。本発明によれば、さらなる制御カメラ３０ａに割り当てられたさらなる光源３２ａ、並びに、第三制御カメラ３０ｂに割り当てられた第三光源３０ｂを設けることも好ましい。

図６に従った実施態様によれば、ブリッジ５１上の線形ステージ上に剛的に取り付けられた３つ又はそれよりも多くの単一ノズル印刷ヘッド２０，２０ａ，２０ｂが、本質的に、第二方向（Ｙ方向）に移動する。印刷ヘッド２０，２０ａ，２０ｂは、基板をＸ方向に沿って、且つ／或いは、印刷ヘッド２０，２０ａ，２０ｂと共に印刷ブリッジ５１をＹ方向に沿って同時に移動することによって、基板上の如何なる位置にも移動され得る。印刷ヘッド２０，２０ａ，２０ｂの距離は、Ｙ方向における膜４１の距離に可能な限り近い。印刷ヘッド２０，２０ａ，２０ｂは、同一の流体に充填され得るし、或いは、それぞれは異なる流体によって充填され得る。１つよりも多くの印刷ヘッド２０の使用によって、多数の単一ノズル印刷ヘッドが平行に使用されるときには、印刷時間の減少を得ることができる。

図８には、インクジェット装置１０のさらなる実施態様が示されている。この実施態様には、図１及び７に示される実施態様と対称的に、第二制御カメラ３０’も（制御カメラ３０のように）印刷ヘッド上に剛的に取り付けられている。

図１乃至７には、検査中だけ、液滴の飛行経路は両方向に記録され得る。印刷中は、制御カメラ３０だけが液滴２２の画像を記録する。

図８に示されるような実施態様では、検査中並びに印刷中、両方向の液滴２２の画像が得られる。

本発明によれば、印刷プロトコルは、好ましくは、以下の方法で処理される。好ましくは、膜４１は、先ず、整列カメラ４５及び構造４６’を用いて整列される。次に、第一流体の物質が印刷ヘッド２０内に入れられる。印刷テーブル５０が検査位置に移動する（図７）。この検査位置の間、２つのカメラ（制御カメラ及び検査カメラ４５’）が互いに対して９０°の角度の下で位置付けられ、よって、両方向で液滴２２を見ることを可能にする。このようにすることによって、液滴２２の位置情報が、単一のカメラが使用される場合のような二次元においてだけでなく、三次元で知られることが保証され得る。検査位置で、両方のカメラは、好ましくは、液滴の容積、速度、及び、直線性を測定する。これは全てソフトウェアによって記録され、メモリ内に記憶される。液滴の理想的な飛行経路の偏差は両方向で計算され、この偏差はソフトウェア内で自動的に補正される。これは液滴を自動的に位置付けることを可能にする。然る後、取付プレート５５／印刷ヘッド２０は、膜４１に移動し始める。

１つの実施態様（図１及び７）では、１つのカメラ（印刷ヘッドに割り当てられた制御カメラ３０）だけが印刷ヘッド２０と共に移動し、全ての液滴を１つ１つ記録する。ソフトウェアは記録された画像の分析を行う。万一の場合（例えば、間違った飛行経路、間液滴２２の間違った容積、液滴が全くない等）に備えて、ソフトウェアは印刷プロセスと干渉し、印刷が停止される。失敗が起こる膜４１は、この製品（膜ホルダ４４を備える膜４１）が販売されないよう、ソフトウェア内で印が付けられる。印刷ヘッド２０を保守した後、印刷プロセスは、停止したところで再開され得る。

他の実施態様（図８）において、２つのカメラ（制御カメラ３０及び第二制御カメラ３０’）は印刷ヘッド２０に固定され、両方のカメラは、各液滴２２の画像を記録する。この実施態様では、万一の場合（例えば、間違って飛行経路、液滴２２の間違った容積、液滴が全くない等）に備えて、ソフトウェアは印刷プロセスと干渉し、印刷が停止される。失敗が起こる膜は、この製品（膜ホルダ４４を備える膜４１）が販売されないよう、ソフトウェア内に印が付けられる。印刷ヘッド２０を保守した後、印刷プロセスは、停止したところで再開される。

基板地域４１上には、例えば、液滴２２が印刷され得る１３０のスポット又は基板地域４１が設けられ得る。各液滴は、例えば、約１ｎｌの容積を必要とする。スポット又は液滴２２の直径４３は、例えば、２００μｍであり、それらは、例えば、４００μｍのピッチを備えるパターンに配置される。もちろん、例えば、３００μｍ、又は、たった２００μｍ、１００μｍ又は５０μｍのより小さなピッチのみを必要とするより小さなスポットを設けることも可能である。１３０スポットは、例えば、異なる基板２３を備える１つの単一印刷ヘッド２０を用いて印刷される。例えば、取付プレート５５上には、インクジェット装置１０による１バッチの印刷によって処理される１４０個の膜ホルダ４４が配置される。液滴スポットのピッチ４３’は、本発明に従って１０〜５００μｍの範囲内に設けられる。液滴２２のスポットの直径４３は、実際のピッチ４３’の２０％〜７０％の範囲内にある。液滴２２の容積は、好適サイズのスポットに並びに（例えば、基板がどこで適用される基板を強く或いは弱く吸収するかに依存して）使用される基板４０の材料に適合されなければならない。典型的には、液滴２２の容積は、約０．００１ｎｌ〜１０ｎｌである。

図９及び１０には、物質２３の液滴２２の進展のストロボ画像が示されている。釣り合い状態にある液滴は、半径Ｒを備える完全な球である。本発明は、液滴２２が印刷ヘッドのノズル２１を離れるときに、それは初め強く変形されるという観察に基づいている。液滴２２の表面張力は、液滴２２を球形にさせようと試みることによって変形を滑らかにしようとする。変形された液滴２２の形状のこの円滑化は、変形された液滴２２内の物質２３を加速させ、液滴２２がほぼ球形である瞬間に、液滴２２内の内部速度分布は最大であり、液滴２２を再び楕円形にさせる。液滴２２内の物質２３の動作は、表面張力の作用によって減速される。この作用は、質量−ばね系(mass-spring system)の挙動に強く類似する。質量は、液滴内の物質の質量であり、ばねは、表面張力の作用である。Ｊ．Ｗ．Ｓｔｒｕｔｔ，Ｌｏｒｄ Ｒａｙｌｅｉｇｈは、「音の理論」（Ｄｏｖｅｒ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ １９４５，ｐｐ３７１−３７５）に関する彼の論文中で、自由振動液滴の基礎周波数（主音）のための次の表現を導出した

ここで、ｆは、主音振動数であり、σは、表面張力であり、ρは、密度であり、Ｒは、液滴の半径である。この等式をはっきりさせるために、１０００ｋｇ／ｍ３の密度及び０．０７Ｎ／ｍの表面張力を備える水の１００ｐｌ（Ｒ＝２８．８μｍ）の液滴の振動を想定してみよう。基本振動数は、２４．３７ｋＨｚと等しい。周期時間は、４１μｓｅｃである。３ｍ／ｓの速度でノズルを離れる液滴は、１２３μｍの飛行距離に亘って完全な振動を示し、値は、標準的な光学手段によって容易に観察可能である。表面張力が表面活性剤によって、例えば、０．０３５Ｎ／ｍまで低下される場合には、振動数は、１２．１８ｋＨｚになり、周期時間は、８２μｓｅｃになり、飛行経路は、１つの振動２５０μｍによって覆われる。粘性は振動を減衰し、粘性が高ければ高いほど、減衰はより強い。

図１１は、液滴２２の球形状から偏差を時間の関数として示している。Ｌ１は、新たに準備された物質からの偏差を示し、Ｌ２は、僅かに乾燥した物質からの偏差を示している。Ｘ軸及びＹ軸の両方は、任意単位にある。「ｔ」は、周期時間である。図１１から、周期時間が計算される。周期時間の逆数は、振動数である。等式（１）は、振動数と表面張力との間の関係をもたらす。半径及び密度の既知の値を用いて、表面張力が計算され得る。液滴が安定的な球形状に達するのに要する減衰又は時間は、粘性に依存する。粘性が高ければ高いほど、液滴が安定的な球形状に達するのに必要とされる時間間隔はより短い。印刷中、減衰及び周期時間は、継続的に或いは時折のいずれかに測定される。周期時間の変化は、表面張力の変化の原因であり得るし、減衰の速度の変化は、粘性の変化の直接的な原因であり得る。

本発明のインクジェット装置の実施態様を概略的に示す上面図である。 基板地域及び膜ホルダを概略的に示す断面図である。 基板地域の上に位置付けられる印刷ヘッド及び膜ホルダを制御カメラと共に概略的に示す断面図である。 基板及び印刷ヘッドに対するカメラの整列の位置決めを示す概略図である。 膜ホルダ及び完全な膜と共に基板地域の一部を示す概略図である。 膜ホルダ及び完全な膜と共に基板地域の一部を示す概略図である。 複数の印刷ヘッドを含む本発明のインクジェット装置の実施態様を示す概略図である。 検査位置における本発明のインクジェット装置を示す概略図である。 １つの印刷ヘッドに割り当てられる制御カメラ及び第二制御カメラを備える本発明のインクジェット装置の実施態様を示す概略図である。 １ｍＰａｓ付近の速度での物質の液滴形成のストロボ画像を示す概略図である。 ５ｍＰａｓ付近の速度での物質の液滴形成のストロボ画像を示す概略図である。 液滴の球形状からの偏差を時間の関数として示すグラフである。

Claims (30)

1. 基板の上への物質の液滴の制御された位置決めのための並びに印刷プロセス中の前記物質の変質の程度を決定するためのインクジェット装置であって、
   当該インクジェット装置は、印刷ヘッドを少なくとも含み、該印刷ヘッドは、液滴を噴射するために設けられるノズルを含み、
   当該インクジェット装置は、制御カメラ及び第二制御カメラ並びに前記基板に対する前記印刷ヘッドの位置を調節するための整列カメラを更に含み、
   前記制御カメラ及び前記第二カメラは、前記ノズルからの前記液滴の噴射後、前記液滴が前記制御カメラによって並びに第二制御カメラによって検出されるよう配置され、前記制御カメラは、前記制御カメラの光軸が前記液滴の軌道に対してある角度だけ傾斜されるよう取り付けられ、前記第二制御カメラの光軸は、当該インクジェット装置の頂部から見られるとき、前記制御カメラの前記光軸の方向に対して９０度の角度で前記印刷ヘッドに取り付けられ、
   前記整列カメラは、前記印刷ヘッドに対して固定的に取り付けられる、
   インクジェット装置。
2. 前記液滴は、前記液滴が前記ノズルと前記基板との間を進行する間に検出される、請求項１に記載のインクジェット装置。
3. 前記液滴の位置決めは、各液滴が前記ノズルと各基板との間を進行する間に検出されるよう継続的に制御され、前記基板に対する前記印刷ヘッドの位置は、前記検出に基づき較正される、請求項１に記載のインクジェット装置。
4. 前記制御カメラは、前記液滴の容積、前記液滴の粘性、及び／又は、前記液滴の飛行経路の直線度を測定可能である、請求項１に記載のインクジェット装置。
5. 前記制御カメラは、前記液滴の粘性及び表面張力を測定可能である、請求項１に記載のインクジェット装置。
6. 前記制御カメラは、前記印刷ヘッドに対して固定的に位置付けられる、請求項１に記載のインクジェット装置。
7. 当該インクジェット装置は、前記印刷ヘッドに割り当てられる少なくとも１つの光源を含む、請求項１に記載のインクジェット装置。
8. 前記印刷ヘッドに割り当てられる前記光源は、光放射が前記制御カメラの光軸に対してほぼ直角に向けられるよう取り付けられる、請求項７に記載のインクジェット装置。
9. 前記光源は、前記印刷ヘッドに対して固定的に位置付けられる、請求項７に記載のインクジェット装置。
10. 当該インクジェット装置は、多ノズル印刷ヘッドを含む、請求項１に記載のインクジェット装置。
11. 当該インクジェット装置は、さらなる印刷ヘッドを含み、該さらなる印刷ヘッドは、さらなるノズルを含み、当該インクジェット装置は、さらなる制御カメラをさらに含み、該さらなる制御カメラは、前記さらなるノズルからの前記さらなる液滴の噴射後、前記さらなる液滴が前記さらなる制御カメラによって検出されるよう配置される、請求項１に記載のインクジェット装置。
12. 当該インクジェット装置は、第三印刷ヘッドを含み、該第三印刷ヘッドは、第三ノズルを含み、当該インクジェット装置は、第三制御カメラをさらに含み、該第三制御カメラは、前記第三ノズルからの第三液滴の噴射後、該第三液滴が前記第三制御カメラによって検出されるよう配置される、請求項１１に記載のインクジェット装置。
13. 当該インクジェット装置は、印刷テーブルと、印刷ブリッジと、取付プレートを備えるステージとをさらに含み、該取付プレートを備えるステージは、第一方向に沿って前記印刷テーブルに対して移動可能であり、前記印刷ブリッジは、可動印刷ヘッドホルダを支持し、前記印刷ヘッドは、前記印刷ヘッドが前記第一方向と異なる第二方向に沿って前記印刷ブリッジに対して移動可能であるよう、前記印刷ヘッドホルダに取り付けられる、請求項１に記載のインクジェット装置。
14. 前記第一方向及び前記第二方向は直交する、請求項１１に記載のインクジェット装置。
15. 前記整列カメラは、前記印刷ヘッドの位置を印刷テーブル及び可動基板ホルダに対して整列するためにある、請求項１３に記載のインクジェット装置。
16. 複数の液滴が、１つの基板場所の上に重ね合わされる、請求項１に記載のインクジェット装置。
17. 請求項１に記載のインクジェット装置を使用した基板の上への物質の液滴の制御された位置決めのための方法であって、前記液滴放出は、２つの方向に継続的に監視され、前記液滴の飛行経路の３Ｄ画像を作成する、方法。
18. 前記液滴の容積が正しくないならば且つ／或いは前記液滴の速度が正しくないならば且つ／或いは前記液滴の飛行経路の直線度が正しくないならば或いは液滴が噴射されないならば、印刷プロセスはフィードバックループによって停止される、請求項１７に記載の方法。
19. 液滴が前記ノズルから噴射されるときに、前記制御カメラによる撮影が開始され、光源が、前方への前記液滴の噴射後の所定遅延時間から光衝撃を放射する、請求項１７に記載の方法。
20. 前記液滴の位置決めは、各液滴が前記制御カメラによって検出されるよう継続的に制御され、前記基板に対する前記印刷ヘッドの位置は、前記検出に基づき較正される、請求項１７に記載の方法。
21. 前記ノズルと前記基板との間の進行中に前記液滴が検出される、請求項１７に記載の方法。
22. 第一ステップにおいて、前記基板に対する前記印刷ヘッドの位置が調節され、第二ステップにおいて、前記物質の前記液滴が前記基板上に位置付けられる、請求項１７に記載の方法。
23. 第一物質の液滴が第一基板場所に位置付けられ、第二物質の液滴が第二基板場所に位置付けられるよう、複数の異なる物質が前記基板に塗布される、請求項１７に記載の方法。
24. インクジェット装置を使用して物質の液滴の変質の程度を決定するための方法であって、
    前記インクジェット装置は、印刷ヘッドを少なくとも含み、該印刷ヘッドは、液滴を噴射するよう設けられるノズルを含み、前記インクジェット装置は、制御カメラ及び第二制御カメラ並びに前記基板に対する前記印刷ヘッドの位置を調節するための整列カメラを更に含み、
    前記制御カメラ及び前記第二制御カメラは、前記ノズルからの前記液滴の噴射後、前記液滴が前記制御カメラによって並びに前記第二制御カメラによって検出されるよう配置され、
    前記制御カメラは、前記制御カメラの光軸が前記液滴の軌道に対してある角度だけ傾斜されるよう取り付けられ、前記第二制御カメラの光軸は、前記インクジェット装置の頂部から見られるとき、前記制御カメラの前記光軸の方向に対して９０度の角度で前記印刷ヘッドに取り付けられ、
    前記整列カメラは、前記印刷ヘッドに対して固定的に取り付けられ、
    前記液滴の形状は、前記制御カメラ及び前記第二制御カメラによって検出される、
    方法。
25. 前記液滴の形状からの前記液滴の計算される粘性及び表面張力が、前記印刷プロセスの開始時に測定される前記液滴の粘性及び表面張力から逸脱するならば、印刷プロセスはフィードバックループによって停止される、請求項２４に記載の方法。
26. 前記物質は、生化学反応物及び／又は核酸及び／又はポリペプチド及び／又はタンパク質を含む、請求項１に記載のインクジェット装置の使用。
27. 前記物質は、透明又は半透明である、請求項１に記載の装置の使用。
28. 前記基板は、平坦な基板、印刷テーブルに対する前記印刷ヘッドの位置決め又は較正のための構造を備える基板、多孔性の膜、又はナイロン膜である、請求項１に記載の装置の使用。
29. 前記基板は、複数の基板地域を含み、各基板地域は、膜ホルダによって保持される別個の膜である、請求項１に記載の装置の使用。
30. 前記基板は、複数の基板場所を含み、該基板場所は、１つの液滴の中心から他の液滴の中心まで前記基板場所の各々に位置付けられる液滴の少なくとも１つの平均直径によって互いに分離される、請求項１に記載の装置の使用。

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