JP2020108949A - Method for driving liquid feeding device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は送液装置の駆動方法に関する。 The present invention relates to a method for driving a liquid delivery device.
近年では、ＭＥＭＳ技術（マイクロマシン技術）の発展に伴い、μｍ単位のオーダーで液体を送液する送液装置が提案されている。 In recent years, along with the development of the MEMS technology (micromachine technology), a liquid delivery device that delivers a liquid in the order of μm has been proposed.
特許文献１には、流路抵抗が流速に対して非線形に変化するという特徴を活かし、機械的なバルブ構造を用いず、流体の作用をバルブ機構として利用したマイクロポンプが開示されている。特許文献１に開示されたマイクロポンプによれば、少ない部品による簡易且つ小型な構成で、μｍ単位のオーダーで液体を送液することが可能となる。特許文献１には、メンブレン状の圧電素子を駆動源として用い、圧電素子に印加する電圧を時間に対して非対称に変化させることにより、圧電素子をポンプとして機能させる駆動方法が開示されている。
一方、特許文献２には、メンブレン状の圧電素子を用いたインクジェットヘッドが開示されている。特許文献２には、液滴を吐出させることを目的とした圧電素子の駆動方法と、液室内のインクを循環させることを目的とした圧電素子の駆動方法とが記載されている。
On the other hand,
特許文献１及び特許文献２で開示される送液装置においては、メンブレン状の圧電素子（アクチュエータ）を変位させて、送液室の容積を急激に膨張させる動作と、緩やかに収縮させる動作とを繰り返すことにより、液体を定量的に移動させている。しかしながら、上記構成においては、送液装置に固有なヘルムホルツ周波数の残留振動が発生すると、個の振動が緩やかな収縮時における容積変化に重畳し、送液量を損失させてしまう場合がある。そして、このような送液量の損失は、送液室の容積が小さくポンプの送液量が少量であるほど、送液効率への影響が大きく、無視できない課題となる。
In the liquid delivery device disclosed in
本発明は上記問題点を解消するためになされたものである。よってその目的とするところは、メンブレン状の圧電素子を用いた送液装置において、高い送液効率で送液することが可能な駆動方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems. Therefore, it is an object of the invention to provide a driving method capable of feeding a liquid with high liquid feeding efficiency in a liquid feeding device using a membrane-shaped piezoelectric element.
そのために本発明は、液体を収容する液室と、前記液室に設けられ、電圧が印加されることによって前記液室の容積を膨張及び収縮させて、前記液室が収容する液体を外部との間で循環させる駆動素子と、を備える送液装置の駆動方法であって、前記駆動素子に印加する電圧を、ｉ）第１の電圧から第２の電圧に変化させる第１の期間と、前記第１の期間よりも長い期間であって前記第２の電圧から前記第１の電圧に変化させる第２の期間とを繰り返し、ｉｉ）前記第１の期間において、前記送液装置に固有のヘルムホルツ振動周期に基づく所定の期間ごとに、変曲点を有するように制御することを特徴とする。 Therefore, the present invention provides a liquid chamber containing a liquid and a liquid chamber provided in the liquid chamber, which expands and contracts the volume of the liquid chamber when a voltage is applied, so that the liquid contained in the liquid chamber is exposed to the outside. And a driving element that circulates between the driving element and a driving method, wherein a voltage applied to the driving element is i) a first period in which the voltage is changed from a first voltage to a second voltage, A second period, which is longer than the first period and is changed from the second voltage to the first voltage, is repeated, and ii) in the first period, the liquid transfer device is unique to the first period. It is characterized in that it is controlled so as to have an inflection point every predetermined period based on the Helmholtz oscillation period.
本発明によれば、メンブレン状の圧電素子を用いた送液装置において、高い送液効率で送液することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to transfer liquid with high liquid transfer efficiency in a liquid transfer device using a membrane-shaped piezoelectric element.
（実施例１）
図１（ａ）及び（ｂ）は、本実施例で使用可能な送液装置の模式図である。図１（ａ）は上面図、同図（ｂ）は断面図である。送液室１０１、第１の流路１０５、第２の流路１０６は図のＸ方向に直列に接続されている。送液室１０１は、第１の接続流路１０３を介して第１の流路１０５に接続し、第２の接続流路１０２を介して第２の流路１０６に接続している。第１の流路１０５と第２の流路１０６は外部と接続し、外部から液体を供給したり排出したりすることが可能である。第１の接続流路１０３の流路抵抗は第２の接続流路１０２の流路抵抗よりも高く、送液室１０１、第１の流路１０５、第２の流路１０６の流路抵抗は、第１の接続流路１０３及び第２の接続流路１０２よりも十分に低い値になっている。
(Example 1)
FIGS. 1A and 1B are schematic views of a liquid delivery device that can be used in this embodiment. FIG. 1A is a top view and FIG. 1B is a sectional view. The
送液室１０１の壁面には、駆動素子としてメンブレン構造のアクチュエータ１０４が設けられている。アクチュエータ１０４は、薄膜圧電体１０７と振動板１０８を有し、薄膜圧電体１０７には電力を供給するための配線（不図示）と共通電位（GND）を与えるための配線（不図示）が接続されている。これら配線を介して薄膜圧電体１０７に電圧が印加されると、振動板１０８は±Ｚ方向に変位する。薄膜圧電体１０７に対しては、ＤＣ−ＢＩＡＳを印加した状態でＡＣを印加するが、以下では、説明の簡略化のため、ＤＣ−ＢＩＡＳを省略しＡＣ波形のみを表示する。図１（ｂ）は、薄膜圧電体１０７にＡＣ電圧が印加されていないデフォルト状態を示しており、振動板１０８は薄膜圧電体１０７に印加される電圧の程度に応じて、図に点線で示す位置まで変位可能となっている。
An
以下、上記構造の具体的な寸法について説明する。本実施例の送液装置において、送液室１０１の寸法は、Ｘ方向約２５０μｍ×Ｙ方向約１２０μｍ×Ｚ方向約２５０μｍとする。第１の接続流路１０３の寸法は、Ｘ方向約２００μｍ×Ｙ方向約２５μｍ×Ｚ方向約２５μｍである。第２の接続流路１０２の寸法は、Ｘ方向約２５μｍ×Ｙ方向約１５μｍ×Ｚ方向約２５μｍである。
The specific dimensions of the above structure will be described below. In the liquid delivery apparatus of this embodiment, the dimensions of the
以上説明した送液装置は、汎用のＭＥＭＳ技術を用いて形成することが可能である。例えば送液装置は、Ｓｉ基板を真空プラズマエッチング、若しくはアルカリ溶液を用いた異方性エッチング、若しくはその組み合わせによって形成することができる。また、複数のＳｉ基板に送液室１０１を含む流路とアクチュエータ１０４を別々に形成し、その後、流路とアクチュエータ１０４とを接合または接着して貼り合わせることにより、送液装置を形成してもよい。
The liquid delivery device described above can be formed using a general-purpose MEMS technique. For example, the liquid feeding device can form the Si substrate by vacuum plasma etching, anisotropic etching using an alkaline solution, or a combination thereof. Further, the flow path including the
アクチュエータ１０４としては、ユニモルフの圧電アクチュエータを用いる。ユニモルフの圧電アクチュエータとは、振動板１０８の片面側に薄膜圧電体１０７が形成される構成を有する。このようなアクチュエータ１０４は、送液室１０１の開口を塞ぐように振動板１０８を接着し、更にその表面に薄膜圧電体１０７を接着することによって形成することができる。
A unimorph piezoelectric actuator is used as the
振動板１０８の材料については、必要な機械的特性や耐信頼性などの条件が満たされれば、特に限定されるものではない。例えば、シリコン窒化膜、シリコン、金属、耐熱ガラスなどを好適に用いることができる。
The material of the
薄膜圧電体１０７は、真空スパッタ成膜、ゾルゲル成膜、ＣＶＤ成膜などの手法を用いて成膜することができ、多くの場合、成膜後に焼成される。焼成方法は特に限定されるものではないが、例えば、酸素雰囲気下にて最大６５０℃程度で焼成するランプアニール加熱法を採用することができる。また、プロセスフローとの整合に鑑みて、薄膜圧電体１０７は振動板１０８上に直接成膜して一体焼成してもよいし、振動板１０８とは別の基板上に成膜し、焼成してから振動板１０８に剥離転写してもよい。更に、振動板１０８とは別の基板上に成膜し、振動板１０８に剥離転写した後に一体焼成してもよい。
The thin-
電極は、焼成プロセスを経るならばＰｔ系を選択することが好ましいが、焼成工程を分離できるならばＡＬ系を選択することが可能である。本実施例では薄膜圧電体１０７としてＰＺＴ系の圧電材料を用い、電極には、薄膜圧電体１０７が印加電圧に対し線形性の高い状態即ち高い応答性で変位できるような材料を用いる。
It is preferable to select a Pt-based electrode if the electrode undergoes a firing process, but it is possible to select an AL-based electrode if the firing steps can be separated. In this embodiment, a PZT-based piezoelectric material is used as the thin film
本実施例では、振動板１０８として、約１〜２μｍのＳＯＩ基板を用いる。薄膜圧電体１０７の−Ｚ方向の面には、約１〜３μｍのＴｉ／Ｐｔ、ＰＺＴ層を形成し、これを振動板１０８に対向する電極とする。また、薄膜圧電体１０７の＋Ｚ方向の面には、Ｔｉ系合金の層を形成し、大気中に露出する最外層としてＳｉＮ系の保護膜を被覆し、アクチュエータ１０４全体を封止する。
In this embodiment, as the vibrating
そして、送液装置と、信号配線を送液装置に伝えるための中継基板を、不図示の保持枠体に接着し、送液装置と中継基板とをワイヤーボンディングにて電気実装する。更に液体の流入口及び排出口となるマニホールドを第１の流路１０５及び第２の流路１０６に接続するように接着剤にて固定することにより、送液装置を完成させる。
Then, the liquid feeding device and a relay substrate for transmitting the signal wiring to the liquid feeding device are bonded to a holding frame (not shown), and the liquid feeding device and the relay substrate are electrically mounted by wire bonding. Further, a manifold serving as a liquid inlet and a liquid outlet is fixed with an adhesive so as to be connected to the
次に、本発明者らが、送液装置を用いて実際に送液を行った場合の計測方法について説明する。本発明者らは、流れを評価する手法として一般に知られているＰＴＶ（Particle Tracking Velocimetry）を採用した。送液する液体は、クリーンルーム用純水と、粘度調整用のグリセリンと、表面張力調整用の１,２−ヘキサンジオールを混合し、粘度が約３ｃｐｓ、表面張力が約３０ｍＮ／ｍとなるように調製した。液体中には直径が約１〜３μｍのトレーサー粒子を混合させて暫く攪拌し、減圧装置を用いて不要な気泡を除去した後に、チューブを通じて送液装置に充填した。この際、供給側と排出側の水頭圧差だけでなく、排出側から液体を強制的に吸引する作業も行い、送液室１０１を含む全ての液室と流路に液体を充填した。
Next, a description will be given of a measuring method when the present inventors actually perform liquid feeding using the liquid feeding device. The present inventors have adopted PTV (Particle Tracking Velocimetry) which is generally known as a method for evaluating a flow. As the liquid to be sent, pure water for clean room, glycerin for viscosity adjustment, and 1,2-hexanediol for surface tension adjustment are mixed so that the viscosity is about 3 cps and the surface tension is about 30 mN/m. Prepared. Tracer particles having a diameter of about 1 to 3 μm were mixed in the liquid and stirred for a while, and unnecessary bubbles were removed by using a decompression device, and then filled in a liquid feeding device through a tube. At this time, not only the head pressure difference between the supply side and the discharge side but also the operation of forcibly sucking the liquid from the discharge side was performed, and all the liquid chambers including the
アクチュエータ１０４に対しては、周期が５０μｓｅｃである単位波形電圧を繰り返し印加し、連続駆動を行った。単位波形は任意波形生成装置を用いて生成し、生成した波形をバイポーラ高速ＡＭＰで増幅し、ＢＩＡＳ電圧に重畳した形で配線を通じて薄膜圧電体１０７に供給した。
A unit waveform voltage having a cycle of 50 μsec was repeatedly applied to the
生成された流れの計測は、高速度カメラをマウント配置した顕微鏡下において、液体中のトレーサー粒子を観察することによって行った。アクチュエータ１０４の駆動信号のトリガーを高速度カメラの開始信号として取り込み、駆動前後でトレーサー粒子を撮像した。詳細には、トリガー信号の１ｍｓｅｃ前から撮像を開始し、時間に対応づけられた複数の画像夫々におけるトレーサー粒子の座標を解析し、単位時間当たりのトレーサー粒子の移動量から、流速などを取得した。
The generated flow was measured by observing tracer particles in the liquid under a microscope mounted with a high speed camera. The trigger of the drive signal of the
送液室１０１の容積変化については、振動板１０８の変位速度を、レーザードップラー変位計を用いることによって計測し、得られた速度を積分することによって算出した。
The change in volume of the
図２（ａ）及び（ｂ）は、本実施例において、アクチュエータ１０４に印加する電圧と、当該電圧によって増減する送液室１０１の容積変化量を示す図である。どちらの図においても、本実施例は実線で比較例は破線で示している。図２（ａ）においては、例えば−３０Ｖ以下のＤＣ-ＢＩＡＳを印加しているが、図中では略する。
FIGS. 2A and 2B are diagrams showing the voltage applied to the
図２（ａ）は、アクチュエータ１０４に印加する本実施例の電圧波形を、比較例と比較しながら示す図である。ここでは、送液室１０１の容積が膨張する方向を電圧の正方向とし、最大電圧を３０Ｖ、駆動周期を５０．０μｓｅｃ、駆動周波数を２０ＫＨｚとしている。
FIG. 2A is a diagram showing a voltage waveform of this embodiment applied to the
比較例において、電圧は、従来一般的に使用されている三角形状の電圧波形を呈している。電圧は、ｔ＝０．０μｓｅｃからｔ＝２．５μｓｅｃの間で、０Ｖから３０Ｖに一定の傾きで上昇し、ｔ＝２．５μｓｅｃからｔ＝５０．０μｓｅｃの間で、３０Ｖから０Ｖに一定の傾きで下降している。そして、このような電圧の上昇と下降を５０．０μｓｅｃの周期で繰り返している。 In the comparative example, the voltage has a triangular voltage waveform that is generally used conventionally. The voltage rises from 0 V to 30 V with a constant slope from t=0.0 μsec to t=2.5 μsec, and from 30 V to 0 V from t=2.5 μsec to t=50.0 μsec. It is descending with a tilt. Then, such a rise and fall of the voltage are repeated in a cycle of 50.0 μsec.
一方、実施例１において、電圧は、ｔ＝０．０μｓｅｃからｔ≒２．１μｓｅｃの間で、０Ｖから２５Ｖに比較例と同じ傾きで上昇し、ｔ≒２．１μｓｅｃからｔ≒５．０μｓｅｃの間で２５Ｖを維持する。その後、電圧は、ｔ≒５．０μｓｅｃからｔ≒５．４μｓｅｃの間で、２５Ｖから３０Ｖに一定の傾きで上昇し、更に、ｔ≒５．４μｓｅｃからｔ＝５０．０μｓｅｃの間で、３０Ｖから０Ｖに一定の傾きで下降する。そして、このような電圧の上昇と下降を５０．０μｓｅｃの周期で繰り返している。 On the other hand, in Example 1, the voltage rises from 0 V to 25 V with the same slope as in the comparative example between t=0.0 μsec and t≈2.1 μsec, and from t≈2.1 μsec to t≈5.0 μsec. Maintain 25V between. After that, the voltage rises at a constant slope from 25V to 30V from t≈5.0 μsec to t≈5.4 μsec, and further from 30V from t≈5.4 μsec to t=50.0 μsec. It drops to 0V with a constant slope. Then, such a rise and fall of the voltage are repeated in a cycle of 50.0 μsec.
比較例にしても、実施例１にしても、相対的に短い時間で電圧を上昇させ、相対的に長い時間をかけて電圧を下降させている。このため、送液室１０１の容積は、急激な膨張と緩やかな収縮を繰り返すことになる。そして、この急激な膨張と緩やかな収縮の繰り返しが、一定の方向に向かう一定の流れを生み出している。
In both the comparative example and the first embodiment, the voltage is increased in a relatively short time and the voltage is decreased in a relatively long time. Therefore, the volume of the
ここで、送液室１０１において、一定の流れが生み出される仕組みについて簡単に説明する。送液室１０１が急激に膨張するとき、流路抵抗の小さい第２の接続流路１０２の側では速い流速の下で渦が発生し、この渦が第２の流路１０６から送液室１０１へ流入しようとする液体を妨げる。これに対し、送液室１０１を緩やかに収縮するときは、遅い流速の下で渦は発生せず、液体は緩やかに送液室１０１から第２の流路１０６に流出する。一方、流路抵抗の大きい第１の接続流路１０３の側では、送液室１０１の膨張や収縮の速度によらず、液体は緩やかに送液室１０１に流入したり流出したりすることが可能である。つまり、第２の接続流路１０２からの流入が妨げられる膨張と、第２の接続流路１０２への流出が妨げられない収縮とを繰り返すことにより、図中Ｘ方向に向かう定量的な流れが形成されるのである。
Here, a mechanism for generating a constant flow in the
図２（ｂ）は、図２（ａ）のような電圧を印加した場合の、送液室１０１のデフォルトに対する容積変化量を示す図である。実施例１においても比較例においても、駆動開始ｔ＝０．０μｓｅｃからｔ＝５．０μｓｅｃの間で容積が大きく増大し、その後、電圧の下降とともに残留振動に伴う増減を繰り返しながら、徐々に振幅を縮小させ、元の値（容積変化量０）に戻っている。図では、送液室１０１の容積を平均的に膨張させている期間を「膨張用駆動」として示し、容積変化量を平均的に収縮させている期間を「収縮用駆動」として示している。
FIG. 2B is a diagram showing the volume change amount with respect to the default of the
比較例においても、実施例１においても、容積変化量の残留振動の周期は約８．０μｓｅｃである。これは本実施例で用いる送液装置に固有のヘルムホルツ振動の１次周期Ｔｈが約８．０μｓｅｃであり、ヘルムホルツ周波数が約１２５ｋＨｚであることを示す。そして、このような残留振動が、緩やかな収縮時の容積変化に重畳すると、結果として送液量が損失されてしまう。 In both the comparative example and the first embodiment, the cycle of residual vibration of the volume change amount is about 8.0 μsec. This indicates that the first-order period Th of the Helmholtz vibration peculiar to the liquid feeding device used in this example is about 8.0 μsec, and the Helmholtz frequency is about 125 kHz. Then, if such residual vibration is superimposed on the volume change at the time of gentle contraction, the liquid transfer amount will be lost as a result.
但し、比較例と実施例１を比べると、実施例１の振幅のほうが比較例よりも小さく抑えられていることが分かる。これは、実施例１のように、「膨張用駆動」の期間内で電圧を一定値に維持する（又は電圧の上昇勾配を緩やかにする）期間を設けると、このような電圧の傾きの変化が残留振動の振幅を抑える方向に作用するためと考えられる。本発明者らの観察によると、比較例における１周期分の送液量が約０．７ｐＬ、送液効率が約４．５％であったのに対し、実施例１における１周期分の送液量は約１．１ｐＬ、送液効率は約７．２％であった。つまり、実施例１では、比較例に対し概ね１．６倍の送液効率が得られることになる。 However, comparing the comparative example and the example 1, it can be seen that the amplitude of the example 1 is suppressed to be smaller than that of the comparative example. This is because when the period for maintaining the voltage at a constant value (or gradually increasing the rising slope of the voltage) is provided within the “expansion drive” period as in the first embodiment, such a change in the voltage slope is obtained. Is considered to act to suppress the amplitude of residual vibration. According to the observations of the present inventors, the liquid feeding amount for one cycle in the comparative example was about 0.7 pL, and the liquid feeding efficiency was about 4.5%, while the feeding amount for one cycle in Example 1 The liquid volume was about 1.1 pL and the liquid transfer efficiency was about 7.2%. That is, in Example 1, the liquid transfer efficiency of about 1.6 times that of the comparative example can be obtained.
以下、本発明者らが、図２（ａ）のような電圧波形を求めるに至った過程について説明する。本発明者らは、まず、アクチュエータ１０４に付与する電圧波形と、送液室１０１に形成される流れ場を対応づけるための作業を行った。図３は、本発明者らが市販のシミュレータを用いて作成した、上記電圧波形と流れ場との対応関係を表すシミュレーションの系を示す。
Hereinafter, the process by which the present inventors came to obtain a voltage waveform as shown in FIG. 2A will be described. The present inventors first performed an operation for associating the voltage waveform applied to the
流体からの負荷を受けるアクチュエータ１０４に電圧を印加した場合の、電圧と振動板１０８の変位の関係については、市販の構造シミュレータ（振動板部の応答特性）を用いて対応づけを行った。また、振動板１０８の変位と、この変位によって生成される流れ場との関係は市販の流体シミュレータ（流れ特性）によって対応づけを行った。そして、「理想的な流れ場を実現するために、振動板１０８をどのように変位させればよいか」については、市販の流体シミュレータに入力する変位情報を調整しながら探求した。更に、「求めた変位を実現するための電圧波形」については、市販の構造シミュレータを用いて逆算する作業を行った。
The relationship between the voltage and the displacement of the
なお、厳密に言うと、サブミリサイズの構造において、振動板１０８の変位と送液室１０１の容積変化の間には、流体の圧縮性に起因する若干の位相差が発生する。しかしながら、このような位相差は本発明の趣旨において大きな影響はないため、本明細書では振動板１０８の変位と送液室の容積変化との間に線形関係が保たれるものとして示している。
Strictly speaking, in the sub-millimeter size structure, a slight phase difference occurs due to the compressibility of the fluid between the displacement of the
図４（ａ）及び（ｂ）は、理想的な流れ場を実現するための、送液室１０１の容積変化量を示す図である。図４（ａ）は、送液室１０１の容積の急激な膨張と緩やかな収縮を繰り返す場合を示し、図１において＋Ｘ方向に向かう定量的な流れが生成される。一方、図４（ｂ）は、送液室１０１の容積の緩やかな膨張と急激な収縮を繰り返す場合を示し、図１において−Ｘ方向に向かう定量的な流れが形成される。どちらの場合も、一定量の液体を送液することができるが、以下では図４（ａ）に示す容積変化を実現するための制御について説明する。
FIGS. 4A and 4B are diagrams showing the volume change amount of the
図５（ａ）〜（ｄ）は、図４（ａ）に示す容積変化を実現するためにアクチュエータ１０４に印加する電圧の波形の例を、比較例と比較しながら説明するための図である。いずれの図においても、アクチュエータ１０４に印加する電圧を実線で、送液室１０１の容積変化量を破線で示している。図５（ａ）〜（ｄ）においては、例えば−３０Ｖ以下のＤＣ-ＢＩＡＳを印加しているが、図中では略する。
FIGS. 5A to 5D are diagrams for explaining an example of the waveform of the voltage applied to the
図５（ａ）は、比較例としての電圧の波形（実線）と、これに伴う送液室１０１の容積量変化（破線）を示している。比較例としては、従来一般的に使用されている三角型の電圧波形を用いている。具体的には、ｔ＝０．０μｓｅｃからｔ＝４．０μｓｅｃの間で、電圧を０Ｖから３０Ｖに一定の傾きで上昇させ、その後ｔ＝４．０μｓｅｃからｔ＝５０．０μｓｅｃの間で、電圧を３０Ｖから０Ｖに一定の傾きで下降させる。 FIG. 5A shows a voltage waveform (solid line) as a comparative example and a change in volume of the liquid delivery chamber 101 (broken line) accompanying the waveform. As a comparative example, a triangular voltage waveform which is generally used in the past is used. Specifically, from t=0.0 μsec to t=4.0 μsec, the voltage is increased from 0 V to 30 V with a constant slope, and thereafter, the voltage is increased from t=4.0 μsec to t=50.0 μsec. Is lowered from 30V to 0V with a constant inclination.
既に説明したように、図１の系において、ヘルムホルツ周波数Ｆｈは、Ｆｈ＝１２５ＫＨｚであり、ヘルムホルツ周期ＴｈはTｈ＝８．０μｓｅｃである。よって、図５（ａ）の例では、駆動開始からＴｈ×１／２（＝４．０μｓｅｃ）の期間を、電圧を上昇させる期間に割り当て、残りの期間（約４．０μｓｅｃ〜５０．０μｓｅｃ）を、電圧を下降させる期間に割り当てていることになる。こうすることにより、送液室１０１の容積を効率的に膨張させることができる。但し、図５（ａ）に示す比較例においては、ヘルムホルツ周期（約８μｓｅ）の残留振動が、緩やかな収縮時の容積変化に重畳し、結果として送液量の損失を招いてしまっている。
As described above, in the system shown in FIG. 1, the Helmholtz frequency Fh is Fh=125 KHz and the Helmholtz period Th is Th=8.0 μsec. Therefore, in the example of FIG. 5A, a period of Th×1/2 (=4.0 μsec) from the start of driving is assigned to a period for increasing the voltage, and the remaining period (about 4.0 μsec to 50.0 μsec) Is allocated to the period in which the voltage is decreased. By doing so, the volume of the
図５（ｂ）は、図４（ａ）に示す容積変化を実現するために求めた、アクチュエータ１０４に印加する電圧波形の一例と、当該電圧波形を印加した場合の容積変化を示している。本例において、Ｔｈ×１／２の期間（０．０μｓｅｃ〜４．０μｓｅｃ）が、膨張用駆動となり、残りの期間（４．０μｓｅｃ〜５０．０μｓｅｃ）が収縮用駆動となる。本例の場合、膨張用駆動においても収縮用駆動においても、電圧は単調に上昇したり下降したりせず、それぞれの期間で、上に凸の区間と下に凸の区間を繰り返すように増減している。そして、このような高精度の電圧の増減により、送液室１０１の容積変化においては、ヘルムホルツ周期を有する残留振動がほぼ完全に打ち消されている。
FIG. 5B shows an example of the voltage waveform applied to the
図５（ｃ）は、図４（ａ）に示す容積変化を実現するために求めた、アクチュエータ１０４に印加する電圧波形の別の例と、当該電圧波形を印加した場合の容積変化を示している。本例においては、Ｔｈ×３／４の期間（０．０μｓｅｃ〜６．０μｓｅｃ）が、膨張用駆動に割り当てられ、残りの期間（６．０μｓｅｃ〜５０．０μｓｅｃ）が収縮用駆動に割り当てられている。本例においても、膨張用駆動及び収縮用駆動に対応するそれぞれの期間で、電圧は上に凸の区間と下に凸の区間を繰り返すように増減し、これによりヘルムホルツ周期を有する残留振動が、ほぼ完全に打ち消されている。
FIG. 5C shows another example of the voltage waveform applied to the
図５（ｄ）は、図４（ａ）に示す容積変化を実現するために求めた、アクチュエータ１０４に印加する電圧波形の更に別の例と、当該電圧波形を印加した場合の容積変化を示している。本例においては、Ｔｈ×１の期間（０．０μｓｅｃ〜８．０μｓｅｃ）が、膨張用駆動に割り当てられ、残りの期間（８．０μｓｅｃ〜５０．０μｓｅｃ）が収縮用駆動に割り当てられている。本例においても、膨張用駆動及び収縮用駆動に対応するそれぞれの期間で、電圧は上に凸の区間と下に凸の区間を繰り返すように増減し、これによりヘルムホルツ周期を有する残留振動が、ほぼ完全に打ち消されている。
FIG. 5D shows still another example of the voltage waveform applied to the
即ち、以上説明した図５（ｂ）〜（ｄ）の実線で示すような波形電圧をアクチュエータ１０４に印加することができれば、送液室１０１の容積変化は破線で示すようになり、高い送液効率を実現することが可能となる。しかしながら、実際の駆動制御においては、図５（ｂ）〜（ｄ）の実線で示すような複雑で高精度な波形制御を行うことは難しい。波形が複雑になるほど、用意するべき電圧値の種類が増え、回路が複雑になり、コストが増大するためである。
That is, if the waveform voltage as shown by the solid line in FIGS. 5B to 5D described above can be applied to the
よって、本発明者らは、より単純な波形で残留振動を抑えるために、図５（ｂ）〜（ｄ）に示される波形に共通する特徴の中から、残留振動を抑える効果があると思われる要素を探り、電圧波形の変曲点に着目した。そして、図５（ｂ）〜（ｄ）に示される波形においては、膨張用動作の期間においてＴｈ×１／２毎に変曲点が存在することを見出し、このことが残留振動を抑えるために効果的であるという知見に至った。ここで、上記変曲点の存在が残留振動を抑制する理由について説明する。 Therefore, in order to suppress the residual vibration with a simpler waveform, the present inventors believe that the residual vibration can be suppressed from the features common to the waveforms shown in FIGS. 5B to 5D. We investigated the elements that are generated and focused on the inflection points of the voltage waveform. Then, in the waveforms shown in FIGS. 5B to 5D, it is found that there is an inflection point for each Th×1/2 in the expansion operation period, and this is to suppress the residual vibration. We have come to the finding that it is effective. Here, the reason why the existence of the inflection point suppresses the residual vibration will be described.
ヘルムホルツ振動周期がＴｈである系において、駆動開始からＴｈ×１／４の期間に電圧を上昇させると、次のＴｈ×１／４の期間には容積を収縮させる方向の戻り力が発生する。即ち、アクチュエータ１０４に作用する力は、送液室１０１を膨張させる方向の力から収縮させる方向の力に切り替わり、振動板１０８は、下に凸の運動から上に凸の運動に切り替わる。よって、このような切り替わりのタイミング（即ち変極点の時点）において、運動に対し逆向きの力を作用させることにより、戻り振動を効果的に抑制することができると考えられる。
In a system in which the Helmholtz oscillation cycle is Th, when the voltage is increased in the Th×1/4 period from the start of driving, a return force in the direction of contracting the volume is generated in the next Th×1/4 period. That is, the force acting on the
以上の仮定が正しいとすれば、より単純な電圧波形であっても、戻り振動を抑制する効果を期待することはできる。具体的には、駆動開始から目標電圧にまで上昇させる立ち上がり期間において、まず、初期電圧から所定値まで上昇させ、その後、駆動開始時の傾きの絶対値よりも小さな傾きの絶対値で電圧を印加し、その後更に目標電圧に到達させればよい。 If the above assumptions are correct, the effect of suppressing the return oscillation can be expected even with a simpler voltage waveform. Specifically, in the rising period from the start of driving to the target voltage, first, the initial voltage is raised to a predetermined value, and then the voltage is applied with an absolute value of a gradient smaller than the absolute value of the gradient at the start of driving. After that, the target voltage may be further reached.
図６（ａ）〜（ｄ）は、上記条件を満たす比較的単純な波形の例を示す図である。いずれの波形についても、上記条件は満たされており、戻り振動を抑制するという効果を得ることはできる。なお、図６（ａ）〜（ｄ）に示したような波形においては、ほぼ目標の電圧に到達した後に、その傾きが微増若しくは微減しても構わない。また、図では、電圧を初期電圧から目標電圧にまで上昇させる立ち上がり期間をＴｈ／２としているが、立ち上がり期間については、概ねＴｈ×（１／２−１／８）からＴｈ×（１／２＋１／４）であればよい。例えば図６（a）のＳＴＥＰ形状の波形ならばＴｈ／２に近いが、図６（ｂ）のＲＡＭＰ形状の波形になるとＴｈ／２より大きくなる。実使用を考慮し、Ｔｈ×（１／２＋１／４）までとする。 FIGS. 6A to 6D are diagrams showing examples of relatively simple waveforms that satisfy the above conditions. The above conditions are satisfied for any of the waveforms, and the effect of suppressing the return vibration can be obtained. In the waveforms shown in FIGS. 6A to 6D, the slope may slightly increase or decrease after the target voltage is almost reached. Further, in the figure, the rising period for raising the voltage from the initial voltage to the target voltage is Th/2, but the rising period is generally from Th×(1/2-1/8) to Th×(1/2+1). /4). For example, the waveform of the STEP shape shown in FIG. 6A is close to Th/2, but the waveform of the RAMP shape shown in FIG. 6B is larger than Th/2. In consideration of actual use, the value is up to Th×(1/2+1/4).
図７（ａ）及び（ｂ）は、図６（ａ）に示すような階段形状を採用した場合のシミュレーションの結果を示す図である。図７（ａ）〜（ｂ）においては、例えば−３０Ｖ以下のＤＣ-ＢＩＡＳを印加しているが、図中では略する。図７（ａ）は、図５（ｂ）の波形を単純化したものに相当し、膨張用駆動の期間（Ｔｈ×１／２）中に一段の階段形状が配されている。一方、図７（ｂ）は、図５（ｄ）の波形を単純化したものに相当し、膨張用駆動の期間（Ｔｈ×１）中に二段の階段形状が配されている。いずれの場合も、収縮用駆動時の容積変化量において若干の残留振動が重畳されているものの、図５（ａ）に示す比較例に比べれば、振幅が大きく抑制されている。 FIGS. 7A and 7B are diagrams showing simulation results when the staircase shape as shown in FIG. 6A is adopted. In FIGS. 7A and 7B, DC-BIAS of, for example, −30 V or less is applied, but it is omitted in the figure. FIG. 7A corresponds to a simplified waveform of FIG. 5B, and one step shape is arranged during the expansion drive period (Th×1/2). On the other hand, FIG. 7B corresponds to a simplified waveform of FIG. 5D, and two steps are arranged in the expansion drive period (Th×1). In each case, although some residual vibration is superimposed on the volume change amount during the contraction drive, the amplitude is greatly suppressed as compared with the comparative example shown in FIG.
図７（ａ）では、階段形状の平滑な部分に相当する電圧（以下、維持電圧と称す）を、目標電圧の半分（１５Ｖ）としているが、この値は特に限定されるものではない。例えば、維持電圧を１５Ｖよりも小さくすれば、残留振動の振幅を抑制する効果は更に向上する。但し、維持電圧をあまり低くしてしまうと、用意した電圧（３０Ｖ）が膨張用動作のために十分利用されないため、好ましい流速が得られず、結果として送液効率を低下させてしまうこともある。このため、維持電圧については、残留振動を抑制する目的と、流体バルブ機能を発揮させる目的の両方が、適切なバランスの上で達成されるように調整されることが求められる。本発明者らの検討によれば、上記維持電圧については、目標電圧の概ね０．４０倍から０．９５倍に設定されることが好ましいことが確認された。 In FIG. 7A, the voltage (hereinafter, referred to as a sustain voltage) corresponding to the stepwise smooth portion is half the target voltage (15 V), but this value is not particularly limited. For example, if the sustain voltage is lower than 15V, the effect of suppressing the amplitude of residual vibration is further improved. However, if the maintenance voltage is made too low, the prepared voltage (30 V) is not sufficiently used for the expansion operation, so that a preferable flow rate cannot be obtained, and as a result, the liquid transfer efficiency may be reduced. .. Therefore, the sustain voltage is required to be adjusted so that both the purpose of suppressing the residual vibration and the purpose of exerting the fluid valve function can be achieved with an appropriate balance. According to the study by the present inventors, it was confirmed that the above-mentioned sustain voltage is preferably set to approximately 0.40 to 0.95 times the target voltage.
一方、図７（ｂ）では、最初の維持電圧を目標電圧の０．２５倍とし、２回目の維持電圧を目標電圧の０．７５倍としているが、これらの値についても特に限定されるものではない。これら２つの維持電圧については、図７（ａ）で説明したのと同じ理由のもと、それぞれが適切な値に調整されればよい。本発明者らの検討によれば、最初の維持電圧は目標電圧の概ね０．２０倍から０．４７５倍に設定され、２回目の維持電圧は目標電圧の概ね０．７０倍から０．９７５倍に設定されることが好ましいことが確認された。 On the other hand, in FIG. 7B, the first sustain voltage is 0.25 times the target voltage and the second sustain voltage is 0.75 times the target voltage, but these values are also particularly limited. is not. For these two sustain voltages, each may be adjusted to an appropriate value for the same reason as described with reference to FIG. According to the study by the present inventors, the first sustain voltage is set to approximately 0.20 to 0.475 times the target voltage, and the second sustain voltage is set to approximately 0.70 to 0.975 the target voltage. It was confirmed that it is preferable to set the doubling.
次に、膨張用駆動のための駆動波形時間と収縮用駆動のための駆動波形時間の配分について説明する。膨張用駆動のための駆動波形時間については、流体バルブ機能が得られる程度の速い流速がある程度維持されることが求められる。このため、膨張用駆動の時間は、目標電圧値と生成すべき流速とに基づいて、適切に設定されればよい。収縮用駆動のための駆動波形時間については、振動の小さい低速流さえ得られれば、液体の流速を更に遅くするメリットはない。必要以上の低速化は駆動周期を延長させ、単位時間の送液効率をかえって低下させてしまう。一方、膨張用駆動のための駆動波形時間に対する収縮用駆動のための駆動波形時間が短すぎると、膨張時に発生した残留振動が収縮時に与える影響が大きくなり、送液効率を低下させてしまう。以上のことから、収縮用駆動のための駆動波形時間は膨張用駆動のための駆動波形時間の、３倍以上であり１００倍以下であることが好ましい。 Next, the distribution of the drive waveform time for the expansion drive and the drive waveform time for the contraction drive will be described. Regarding the drive waveform time for the drive for expansion, it is required that the flow velocity is high enough to obtain the fluid valve function to some extent. Therefore, the expansion drive time may be appropriately set based on the target voltage value and the flow velocity to be generated. Regarding the drive waveform time for the contraction drive, there is no merit to further reduce the flow velocity of the liquid as long as a low-speed flow with small vibration can be obtained. If the speed is reduced more than necessary, the driving cycle is extended and the liquid transfer efficiency per unit time is rather lowered. On the other hand, if the drive waveform time for the contraction drive is too short with respect to the drive waveform time for the expansion drive, the residual vibration generated during the expansion has a large effect on the contraction, which lowers the liquid transfer efficiency. From the above, the drive waveform time for the contraction drive is preferably 3 times or more and 100 times or less the drive waveform time for the expansion drive.
速い膨張用駆動のための波形として、傾きの急峻な、例えば期間１μｓｅｃの波形を用いる場合がある。例えば、速い膨張用駆動のための駆動波形１μｓｅｃ、遅い収縮用駆動ための駆動波形９９μｓｅｃ、という１０ｋＨｚ周期での繰返動作をする場合、収縮用駆動のための駆動波形時間は、膨張用駆動のための駆動波形時間の９９倍となる。速い膨張用駆動においては不完全な応答となるが、送液性能の向上する場合があることを確認している。そのため収縮用駆動のための駆動波形時間は膨張用駆動のための駆動波形時間の、最大で１００倍以下までを考慮しておくことが好ましい。更に、本発明者らの検討によれば、上記範囲の中でも、収縮用駆動のための駆動波形時間が膨張用駆動のための駆動波形時間の１０倍程度であることが、最も好ましいことが確認された。 A waveform having a steep slope, for example, a period of 1 μsec may be used as the waveform for the fast expansion drive. For example, when the repetitive operation with a drive waveform for fast expansion drive of 1 μsec and a drive waveform for slow contraction drive of 99 μsec at a 10 kHz cycle is performed, the drive waveform time for contraction drive is equal to that of the expansion drive. Drive waveform time is 99 times. It has been confirmed that the liquid transfer performance may be improved, although the response may be incomplete in the case of rapid expansion drive. Therefore, it is preferable that the drive waveform time for the contraction drive is up to 100 times or less the drive waveform time for the expansion drive. Further, according to the study by the present inventors, it is confirmed that, within the above range, it is most preferable that the drive waveform time for the contraction drive is about 10 times the drive waveform time for the expansion drive. Was done.
例えば、駆動周期を５０μｓｅｃに固定した状態で、膨張用動作の時間を４μｓｅｃ、収縮用動作の時間を４６μｓｅｃとすると、
（収縮用動作の時間）／（膨張用動作の時間）≒１１．５
となり、これは上記条件を満たすことになる。
For example, assuming that the driving period is fixed at 50 μsec and the expansion operation time is 4 μsec and the contraction operation time is 46 μsec,
(Contraction operation time)/(expansion operation time) ≈ 11.5
Which satisfies the above condition.
なお、本実施例のように、アクチュエータ１０４の駆動周期を５０μｓｅｃとした状態で、収縮用駆動の時間を膨張用駆動の時間の３倍以上とするためには、送液装置として、ヘルムホルツ周期Ｔｈが２５μｓｅｃ以下であることが求められる。
As in the present embodiment, in order to make the contraction drive time three times or more the expansion drive time with the drive cycle of the
ここで、再び図２（ａ）を参照すると、図２（ａ）の実線で示した実施例１の波形は、上記で説明した条件が満たされていることがわかる。即ち、電圧値を目標電圧の３０Ｖまで上昇させる膨張用駆動の期間（０．０μｓｅｃ〜５．４μｓｅｃ）において、まず、印加する電圧値を０Vから維持電圧の２５Ｖまで上昇させている。次に、駆動開始時の傾きの絶対値（２５Ｖ／２．１μｓｅｃ）よりも小さな傾きの絶対値（０）で電圧２５Ｖを印加し、その後更に目標電圧３０Ｖに到達させている。この際、維持電圧（２５Ｖ）は目標電圧（３０Ｖ）のほぼ０．８倍となり、この比の値は０．４倍から０．９５倍の間に含まれている。
Here, referring to FIG. 2A again, it can be seen that the waveform of Example 1 shown by the solid line in FIG. 2A satisfies the conditions described above. That is, during the expansion drive period (0.0 μsec to 5.4 μsec) in which the voltage value is raised to the target voltage of 30 V, first, the applied voltage value is raised from 0 V to the sustain voltage of 25 V. Next, the voltage 25V is applied with an absolute value (0) of the inclination smaller than the absolute value of the inclination (25V/2.1 μsec) at the start of driving, and then the
以上説明したように、本実施例によれば、電圧を基準電圧から目標電圧まで短時間で上昇させる期間と、電圧を目標電圧から基準電圧に長時間で下降させる期間とを繰り返すように、アクチュエータ１０４に電圧を印加する。そして、電圧を目標電圧まで上昇させる期間においては、電圧をまず目標電圧より低い所定値まで上昇させ、その後、駆動開始時の傾きの絶対値よりも小さな傾きの絶対値で電圧を印加し、更に目標電圧まで電圧を上昇させる。このような制御により、ヘルムホルツ周波数を有する残留振動が発生しても、これに伴う送液室の容積変動を緩和し送液装置全体の送液効率を向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, the actuator is configured such that the period of increasing the voltage from the reference voltage to the target voltage in a short time and the period of decreasing the voltage from the target voltage to the reference voltage in a long time are repeated. A voltage is applied to 104. Then, in the period in which the voltage is raised to the target voltage, the voltage is first raised to a predetermined value lower than the target voltage, and then the voltage is applied with an absolute value of a gradient smaller than the absolute value of the gradient at the start of driving. Increase the voltage to the target voltage. By such control, even if the residual vibration having the Helmholtz frequency is generated, it is possible to reduce the volume fluctuation of the liquid transfer chamber due to the residual vibration and improve the liquid transfer efficiency of the entire liquid transfer device.
（実施例２）
実施例２においても、図１（ａ）及び（ｂ）で説明した送液装置を用いるものとする。図８（ａ）及び（ｂ）は、実施例２において、アクチュエータ１０４に印加する電圧と、当該電圧によって増減する送液室１０１の容積変化量を、実施例１で説明した図２（ａ）及び（ｂ）と同様に示す図である。図８（ａ）においては、例えば−３０Ｖ以下のＤＣ-ＢＩＡＳを印加しているが、図中では略する。比較例については、実施例１と同様である。
(Example 2)
Also in the second embodiment, the liquid delivery device described with reference to FIGS. 1A and 1B is used. FIG. 8A and FIG. 8B show the voltage applied to the
実施例２において、実施例１と異なる点は、「収縮用駆動」の期間に「保持期間」を設けていることである。即ち実施例２では、図８（ａ）に示すように、電圧を実施例１と同形状で目標電圧まで上昇させた後、その目標電圧をｔ＝５．４μｓｅｃ〜１９．９μｓｅｃの間維持し、更にその後、電圧を一定の傾きで下降させてｔ＝５０．０μｓｅｃで元の電圧に戻している。 The second embodiment differs from the first embodiment in that a "holding period" is provided in the "contraction drive" period. That is, in the second embodiment, as shown in FIG. 8A, after raising the voltage to the target voltage in the same shape as in the first embodiment, the target voltage is maintained for t=5.4 μsec to 19.9 μsec. Further, after that, the voltage is lowered at a constant slope and returned to the original voltage at t=50.0 μsec.
図８（ｂ）は、図８（ａ）のような電圧を印加した場合の、送液室１０１の容積変化量を示す図である。実施例２においても、駆動開始ｔ＝０．０μｓｅｃからｔ＝５．０μｓｅｃの間で容積が大きく上昇し、その後、電圧の下降とともに残留振動に伴う増減を繰り返しながら、徐々に振幅を縮小させ、元の値（容積変化量０）に戻っている。図では、送液室１０１の容積を概ね膨張させている期間を「膨張用駆動」、容積変化量を概ね収縮させている期間を「収縮用駆動」、「収縮用駆動」の期間のうち目標電圧３０Ｖを維持している期間を「保持期間」として示している。
FIG. 8B is a diagram showing the volume change amount of the
実施例２においても、破線で示した比較例と比べると、振幅が小さく抑えられていることが分かる。また、図２（ｂ）で示した実施例１の容積変化量と比較すると、全体的にデフォルトに対する容積変化量が大きく保たれていることが分かる。 In Example 2 as well, it can be seen that the amplitude is suppressed to be small as compared with the comparative example indicated by the broken line. Further, when compared with the volume change amount of the first embodiment shown in FIG. 2B, it can be seen that the volume change amount with respect to the default is largely maintained.
図９（ａ）及び（ｂ）は、第２の接続流路１０２における体積流量をシミュレータにて求めた結果を示す図である。図９（ａ）は実施例２の場合、同図（ｂ）は比較例の場合を示している。どちらの図においても、横軸は時間、縦軸は体積流量を示している。体積流量とは、体積の移動速度（ｍ＾３／ｓｅｃ）に相当し、値が正であるときは液体が＋Ｘ方向に移動し、値が負であるときは液体が−Ｘ方向に移動していることを意味する。図では、違いを理解しやすくするため、グラフの一部を拡大して示している。
FIGS. 9A and 9B are diagrams showing the results of the volume flow rate in the
図９（ａ）と（ｂ）を比較すると、どちらの体積流量も駆動開始（ｔ＝０．０μｓｅｃ）から暫くは正領域と負領域との間を変位しているが、やがて振幅の全領域が正領域に含まれるようになる。振幅の全領域が正領域に含まれるということは、液体が＋Ｘ方向にのみ移動し、損失となる方向の速度成分を含まないことを意味する。ここで、振幅の全領域が正領域に含まれるようになるタイミングを閾値タイミングと称すると、図９（ａ）の閾値タイミングはｔ≒３０．０μｓｅｃ、図９（ｂ）の閾値タイミングはｔ≒４０．０μｓｅｃである。閾値タイミングが速い分、実施例２のほうが比較例よりも送液効率が高いことになる。 Comparing FIGS. 9(a) and 9(b), both volume flow rates are displaced between the positive region and the negative region for a while from the start of driving (t=0.0 μsec), but eventually the entire region of amplitude is changed. Is included in the positive area. The fact that the entire region of the amplitude is included in the positive region means that the liquid moves only in the +X direction and does not include the velocity component in the loss direction. Here, when the timing at which the entire area of the amplitude is included in the positive area is referred to as the threshold timing, the threshold timing in FIG. 9A is t≈30.0 μsec, and the threshold timing in FIG. 9B is t≈. 40.0 μsec. Since the threshold timing is earlier, the liquid feeding efficiency of Example 2 is higher than that of Comparative Example.
このような閾値タイミング即ち送液効率は、保持期間の長さによって調整することができる。本発明者らの検討によれば、保持期間に対する送液効率は極大値を有し、適切な保持期間の範囲としては、系固有のヘルムホルツ周期の１．０倍から２．５倍であるのが好ましいことが確認された。保持期間を固有周期の２．５倍よりも大きくすると、収縮のための時間が膨張のための時間に近くなり、流速差を利用して所定の方向に液体を移動させる機能を十分に発揮させることができなくなる。但し、保持期間については、送液装置の構造設計や電圧条件にも影響を与えるため、この観点から考えると、概ね（１／４−１／８）×Ｔｈ〜（１０＋１／８）×Ｔｈの範囲であることが好ましい。 Such threshold timing, that is, the liquid transfer efficiency can be adjusted by the length of the holding period. According to the studies by the present inventors, the liquid transfer efficiency with respect to the holding period has a maximum value, and the range of the appropriate holding period is 1.0 to 2.5 times the Helmholtz cycle peculiar to the system. Was confirmed to be preferable. When the holding period is larger than 2.5 times the natural period, the time for contraction becomes close to the time for expansion, and the function of moving the liquid in a predetermined direction by utilizing the difference in flow velocity is sufficiently exerted. Can't do it. However, since the holding period also affects the structural design of the liquid sending device and the voltage condition, from this viewpoint, the holding period is approximately (1/4−1/8)×Th to (10+1/8)×Th. It is preferably in the range.
本発明者らの検討によれば、実施例２における送液時の流速は比較例の流速に対し約１．８倍であることが確認された。また、比較例における１周期分の送液量が約０．７ｐL、送液効率が約４．５％であったのに対し、実施例２における１周期分の送液量は約１．３ｐL、送液効率は約８．５％であることが確認された。これは、実施例２のほうが比較例よりも送液量の損失が少なく、送液装置としての送液効率を概ね１．９倍程度向上させることができることを意味する。そして、同じ送液装置を用いた場合でも、実施例２のほうが実施例１よりも送液効率を更に向上させていることになる。 According to the study by the present inventors, it was confirmed that the flow velocity during liquid feeding in Example 2 was about 1.8 times the flow velocity in Comparative Example. Further, the liquid feeding amount for one cycle in the comparative example was about 0.7 pL and the liquid feeding efficiency was about 4.5%, whereas the liquid feeding amount for one cycle in Example 2 was about 1.3 pL. It was confirmed that the liquid transfer efficiency was about 8.5%. This means that Example 2 has less loss of the liquid delivery amount than the comparative example, and the liquid delivery efficiency as the liquid delivery device can be improved by about 1.9 times. Then, even when the same liquid feeding device is used, the liquid feeding efficiency of the second embodiment is further improved than that of the first embodiment.
図１０は、図４（ａ）に示す容積変化を実現するためにシミュレータを用いて求めた、アクチュエータ１０４に印加する電圧波形の一例と、当該電圧波形を印加した場合の容積変化を示している。本例は、基本的に図５（ｂ）と同じ条件で求めているが、容積変化量の最大値を１２ｐＬから１５ｐＬに、増大させている。容積変化量の最大値を増大させた場合、これに応じて電圧の最大値も３５Ｖ程度に増大させることができれば、図５（ａ）とほぼ相似形の電圧波形によって、図５（ｂ）の破線のような容積変化を実現することができる。
FIG. 10 shows an example of a voltage waveform applied to the
しかし、本実施例の送液装置で用意されている電圧の最大値は３０Ｖである。よって、図５（ａ）と相似形の電圧波形を印加することはできず、図１０のように、３０Ｖを超える領域の電圧を３０Ｖで代替する状態となる。図では、３０Ｖに代替されている期間を「制限期間」として示している。そして、このような波形の電圧を印加した場合、送液室の容積変化量は破線のようになる。図５（ｂ）の破線で示した容積変化量と比べると、「制限期間」において若干の残留振幅が重畳されてしまっている。但し、このような残留振動が現れるのも「制限期間」の一部であって、「制限期間」以外では、電圧の増減によってヘルムホルツ周期を有する残留振動が抑えられている。シミュレーションによると、１周期分の送液量は約２．０ｐL、送液効率は約１３．０％であることが確認された。即ち、たとえ電圧の上限値によって「制限期間」が設けられたとしても、最大電圧値を超える電圧値の下で作成した図５（ｂ）のような電圧波形に基づいた駆動を行うことにより、結果的に送液効率を向上させることができる。この際、図８（ａ）に示した実施例２の「保持期間」は、図１０に示した「制限時間」として解釈され、実施例２は実施例１と同じ条件のもとで波形の単純化を行ったものといえる。 However, the maximum value of the voltage prepared by the liquid delivery device of this embodiment is 30V. Therefore, it is not possible to apply a voltage waveform similar to that of FIG. 5A, and the voltage in the region exceeding 30 V is replaced by 30 V as shown in FIG. In the figure, the period replaced by 30V is shown as a “limit period”. When a voltage having such a waveform is applied, the volume change amount of the liquid delivery chamber becomes as shown by the broken line. Compared with the volume change amount indicated by the broken line in FIG. 5B, some residual amplitude is superimposed in the “limitation period”. However, such residual vibration appears only in a part of the “limit period”, and in the period other than the “limit period”, the residual vibration having the Helmholtz cycle is suppressed by the increase and decrease of the voltage. According to the simulation, it was confirmed that the liquid feeding amount for one cycle was about 2.0 pL and the liquid feeding efficiency was about 13.0%. That is, even if the “limit period” is set by the upper limit value of the voltage, by performing the driving based on the voltage waveform as shown in FIG. 5B created under the voltage value exceeding the maximum voltage value, As a result, the liquid transfer efficiency can be improved. At this time, the “holding period” of the second embodiment shown in FIG. 8A is interpreted as the “time limit” shown in FIG. 10, and the second embodiment shows a waveform under the same conditions as those of the first embodiment. It can be said that it is a simplification.
以上説明したように本実施例によれば、電圧を基準電圧から目標電圧まで短時間で上昇させる期間と、電圧を目標電圧から基準電圧に長時間で下降させる期間とを繰り返すように、 アクチュエータ１０４に電圧を印加する。そして、電圧を目標電圧まで上昇させる期間においては、電圧をまず目標電圧より低い所定値まで上昇させ、その後、駆動開始時の傾きの絶対値よりも小さな傾きの絶対値で電圧を印加し、更に目標電圧まで電圧を上昇させる。一方、電圧を下降させる期間においては、目標電圧を暫く維持した後、電圧を一定の傾きで基準電圧に変化させる。このような制御により、ヘルムホルツ周波数を有する残留振動が発生しても、これに伴う送液室の容積変動を緩和し送液装置全体の送液効率を向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
（実施例３）
図１１は、本発明の送液装置として使用可能な液体吐出ヘッド１２００（以下、インクジェット記録ヘッドとも言う）の斜視図である。インクジェット記録ヘッド１２００は、複数の吐出素子がＹ方向に配列して成る素子基板４が、更にＹ方向に複数配列して構成されている。ここでは、素子基板４が、Ａ４サイズの幅に対応する距離だけＹ方向に配列して構成されるフルライン型のインクジェット記録ヘッド１２００を示している。
(Example 3)
FIG. 11 is a perspective view of a liquid ejection head 1200 (hereinafter also referred to as an inkjet recording head) that can be used as the liquid delivery device of the present invention. The
素子基板４の夫々は、フレキシブル配線基板１２０１を介して、同じ電気配線基板１２０２に接続している。電気配線基板１２０２には、電力を受容するための電力供給端子１２０３と吐出信号を受信するための信号入力端子１２０４が配備されている。一方、インク供給ユニット１２０５には、不図示のインクタンクより供給された色材を含有するインクを個々の素子基板４に供給したり、記録で消費されなかったインクを回収したりする循環流路が形成されている。
Each of the
以上の構成のもと、素子基板４に配された吐出素子のそれぞれは、信号入力端子１２０４より入力された記録データに基づき、電力供給端子１２０３から供給された電力を用い、インク供給ユニット１２０５より供給されたインクを図のＺ方向に吐出する。
Based on the above configuration, each of the ejection elements arranged on the
図１２（ａ）及び（ｂ）は、素子基板４における１つの流路ブロックの流路構成を示す図である。１つの素子基板４には複数の流路ブロックが形成されており、図１２（ａ）は、複数の流路ブロックのうちの１つを吐出口面と対向する側（＋Ｚ方向側）から見た透視図である。また、図１２（ｂ）は同図（ａ）のＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ断面図である。
12A and 12B are diagrams showing the flow channel configuration of one flow channel block in the
１つの流路ブロックには、図１２（ａ）に示すように、Ｙ方向に配列する８つの吐出口２と、これら吐出口のそれぞれに連通するように用意された８つの圧力室３と、２つの供給流路５と、２つの回収流路６とが含まれている。そして、２つの供給流路５のそれぞれは、４つずつの圧力室３に共通してインクを供給し、２つの回収流路６のそれぞれは、４つずつの圧力室３より共通してインクを回収する。後述する送液機構８は、１つの流路ブロックに対し１つ設けられている。
As shown in FIG. 12A, eight
図１２（ｂ）に示すように、本実施例の素子基板４は、第２の基板１３、中間層１４、第１の基板１２、機能層９、流路形成部材１０及び吐出口形成部材１１が、この順にＺ方向に積層して構成される。機能層９の表面には電気熱変換素子であるエネルギ発生素子１が配設され、吐出口形成部材１１のエネルギ発生素子１に対応する位置には、吐出口２が形成されている。Ｙ方向に配列する複数のエネルギ発生素子１の間には、機能層９と吐出口形成部材１１の間を介在する流路形成部材１０が隔壁となって配され、個々のエネルギ発生素子１及び吐出口２に対応する圧力室３を形成している。
As shown in FIG. 12B, the
圧力室３に収容されているインクは、安定状態において、吐出口２でメニスカスを形成している。吐出信号に従ってエネルギ発生素子１に電圧パルスが印加されると、エネルギ発生素子１に接触するインクに膜沸騰が生じ、発生した泡の成長エネルギによって吐出口２からインクが滴としてＺ方向に吐出される。液体の吐出口２から吐出される方向（ここではＺ方向）を下方から上方に向かう方向とすると、インクは下方から上方に向けて吐出される。実際のインク吐出において、重力方向上方から下方に向けて吐出されることもあり、この場合は重力方向上方が下方、重力方向下方が上方ということになる。
The ink contained in the
吐出動作によって消費された圧力室３内のインクは、圧力室３及び吐出口２の毛管力によって新たに供給され、吐出口２においてメニスカスを再形成する。尚、本実施例では、吐出口２、エネルギ発生素子１、圧力室３を組み合わせたものを吐出素子と称する。
The ink in the
図１２（ｂ）に示すように、本実施例の素子基板４においては、第２の基板１３、中間層１４、第１の基板１２、機能層９、流路形成部材１０及び吐出口形成部材１１のそれぞれが壁となって、循環流路が形成されている。そしてこの循環流路は、供給流路５、圧力室３、回収流路６、送液室２２及び接続流路７に区分することができる。
As shown in FIG. 12B, in the
圧力室３は、吐出素子ごとに用意されている。供給流路５及び回収流路６は、ブロック内の４つの吐出素子ごとに用意され、供給流路５は４つの圧力室３に共通してインクを供給し、回収流路６は４つの圧力室３より共通してインクを回収する。
The
送液室２２及び接続流路７は、８つの吐出素子即ち１つの流路ブロックごとに１つずつ用意されている。送液室２２は、ＸＹ平面において８つのエネルギ発生素子１と重複する位置に配されている。送液室２２には送液室２２の容積を変更可能な送液機構８が配備されており、送液機構８は８つの圧力室３に共通してインクの循環を行う。接続流路７は、Ｙ方向において、流路ブロックのほぼ中央に配置され、送液室２２と供給流路とを接続している。接続流路７が接続する供給流路の位置は、２つの供給流路５に分岐されるよりも上流側の位置である。
The
以上の構成のもと、送液機構８を適切に駆動することにより、供給口１５を介して供給されたインクを、供給流路５、圧力室３、回収流路６、送液室２２、接続流路７の順に、循環させることができる。このような循環は、吐出動作の有無や頻度に係らずに安定的に行われ、吐出口２近傍には常に新鮮なインクを供給することが可能となる。なお、図には示していないが、圧力室３の手前の供給流路５の途中には、異物や気泡などの流入を防ぐためのフィルタを設けておくことが好ましい。フィルタとしては、柱状構造物などを採用することができる。
With the above configuration, by appropriately driving the
素子基板４は、第１の基板１２と第２の基板１３の夫々で構造物を予め形成しておき、その後、第１の基板１２と第２の基板１３を、後に接続流路７となる位置に溝が形成された中間層１４を挟んで図のように貼り合わせることによって製造することができる。
The
以下、上記構造の具体的な寸法例について説明する。本実施例において、個々の吐出素子、即ちエネルギ発生素子１、吐出口２及び圧力室３は、Ｙ方向に１２００ｎｐｉ（ｎｏｚｚｌｅｓ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）の密度で配列する。エネルギ発生素子１の大きさは２０μｍ×２０μｍ、吐出口２の直径は１８μｍ、吐出口２の厚さ、即ち吐出口形成部材１１の厚み、は５μｍとする。圧力室３の大きさは、Ｘ方向１００μｍ（長さ）×Ｙ方向３７μｍ（幅）×Ｚ方向５μｍ（高さ）とする。なお、使用するインクの粘度は２ｃＰ、個々の吐出口からのインク吐出量は２ｐＬとする。
Hereinafter, specific dimension examples of the above structure will be described. In this embodiment, the individual discharge elements, that is, the
本実施形態において、個々のエネルギ発生素子１の駆動周波数は１５ＫＨｚとする。このような駆動周波数は、個々の吐出素子において、エネルギ発生素子１に電圧を印加してから実際にインクが吐出され、更に新たなインクがリフィルされて次の吐出動作が可能になるまでに要される時間に基づいて設定される。
In the present embodiment, the drive frequency of each
一方、本実施例の素子基板４において、送液室２２の大きさは、Ｘ方向２５０μｍ×Ｙ方向１２０μｍ×Ｚ方向２５０μｍとする。接続流路７の大きさは、Ｘ方向２５μｍ×Ｙ方向２５μｍ×Ｚ方向２５μｍとする。
On the other hand, in the
本実施例では以上のような寸法関係とすることで、接続流路７の流路抵抗及びイナータンスを、供給流路５、回収流路６、圧力室３を合わせた流路の流路抵抗及びイナータンスよりも低くしている。ここで、「供給流路５、回収流路６、圧力室３を合わせた流路の流路抵抗及びイナータンス」とは、２つの供給流路５、８つの圧力室３、２つの回収流路６それぞれの並列的な流路抵抗の和と、これらの直列的な流路抵抗の和とを総合したものを示す。なお、上記に示した各部の寸法値は一例に過ぎず、要求仕様に応じて、適宜変更してもよい。
In the present embodiment, the dimensional relationship as described above allows the flow path resistance and inertance of the connection flow path 7 to be the flow path resistance and the flow path resistance of the flow path including the
図１３（ａ）〜（ｃ）は、送液機構８の構造及び動作を説明するための図である。本実施例では、送液機構８として、薄膜圧電体２４とこれを表裏面から挟む２つの電極２３及びダイヤフラム２１を有する圧電アクチュエータを採用する。送液機構８（以後、アクチュエータ８とも称す）は、ダイヤフラム２１が送液室２２に露出するように第２の基板１３上に配置されている。
13A to 13C are views for explaining the structure and operation of the
ダイヤフラム２１は、１〜２μｍ程度の厚みを有するＳｉなどで構成される。薄膜圧電体２４はＰＺＴ圧電薄膜であり、Ｘ方向２２０μｍ×Ｙ方向９０μｍ×Ｚ方向２μｍ程度である。
The
２つの電極２３を介し薄膜圧電体２４に電圧を印加すると、ダイヤフラム２１が薄膜圧電体２４に対してたわみ、送液室２２の容積が変動する。即ち、２つの電極２３に印加する電圧を変動させることにより、ダイヤフラム２１を±Ｚ方向に変位させ、送液室２２の容積を変化させることができる。
When a voltage is applied to the thin film
図１３（ｂ）は、薄膜圧電体２４にＤＣ-ＢＩＡＳ電圧を印加したデフォルト状態を示している。デフォルト状態において、ダイヤフラム２１は送液室２２の液室容積を収縮している。一方、図１３（ｃ）は、薄膜圧電体２４に最大電圧３０Ｖの過渡的な波形を印加した際の、デフォルト状態から液室容積が膨張した状態を示している。ダイヤフラム２１は、薄膜圧電体２４に印加する電圧の程度に応じて、図１３（ｂ）のデフォルト状態と図１３（ｃ）の膨張状態の間を変位する。
FIG. 13B shows a default state in which a DC-BIAS voltage is applied to the thin film
インクジェット記録ヘッド１２００では、吐出動作が暫く行われない吐出口において揮発成分の蒸発が進み、インク（液体）が変質する場合がある。そしてこのような蒸発の程度が、吐出頻度に応じて複数の吐出口の間でばらつくと、吐出量及び吐出方向にもばらつき生じ、画像内に濃度むらやスジが確認されることがある。このようなことから、インクジェット記録ヘッド１２００においては、吐出口の近傍に常に新鮮なインクを供給するために、高い送液効率を実現することが求められる。以下、本実施例のインクジェット記録ヘッド１２００における送液制御について説明する。
In the
本実施例の流路ブロックにおけるヘルムホルツ共振周波数は約１００ｋＨｚ程度とする。本実施例ではこの共振周波数を利用してアクチュエータ８を駆動する。
The Helmholtz resonance frequency in the flow path block of this embodiment is set to about 100 kHz. In this embodiment, the resonance frequency is used to drive the
図１４は、本実施例のアクチュエータ８を駆動するための電圧波形を示す図である。図１４においては、例えば−３０Ｖ以下のＤＣ-ＢＩＡＳを印加しているが、図中では略する。図において、実線は本実施例、破線は比較例を示している。本実施例の電圧波形は実施例２の形状と類似している。即ち、一段の階段形状で膨張用動作を行った後、所定の保持期間を設け、その後一定の傾きで電圧を下降させている。図では、送液室２２の容積が膨張する方向を電圧の正方向とし、最大電圧を３０Ｖ、駆動周期を５０．０μｓｅｃ、駆動周波数を２０ＫＨｚとしている。この駆動周波数はエネルギ発生素子の駆動周波数１５ＫＨｚよりも十分高い値である。アクチュエータ８の駆動周波数を吐出素子の駆動周波数よりも十分高くすることにより、吐出素子の個々の吐出動作がアクチュエータの駆動の影響でばらついてしまうのを抑えることができる。
FIG. 14 is a diagram showing voltage waveforms for driving the
このような本実施例においても、緩やかな収縮においてヘルムホルツ振動に伴う容積の増減を抑えることにより、送液効率を向上させることができる。その結果、供給流路５、圧力室３、回収流路６、送液室２２及び接続流路７において、インクを好適な速度で循環させ、吐出口２の近傍に新鮮なインクを安定的に供給することができる。本発明者らの観察によると、粘度２ｃｐｓのインクを用いて上記駆動を行った場合、１周期分の送液量は約１．０ｐL、送液効率は約７．０％であることが確認された。
In this embodiment as well, the liquid transfer efficiency can be improved by suppressing the increase and decrease in volume due to Helmholtz vibration during gentle contraction. As a result, the ink is circulated in the
そして、吐出動作が行われない期間が数ｓｅｃ〜数１０ｓｅｃ程度に及んでも、その後の吐出動作で不吐出となることはなく、正常な吐出動作が安定して行われることが確認された。 It was confirmed that even if the period during which the ejection operation is not performed reaches several seconds to several tens of seconds, the subsequent ejection operation does not cause non-ejection, and the normal ejection operation is stably performed.
一方、図１４の破線で示した比較例の下で電圧制御を行った場合は、緩やかな収縮においてヘルムホルツ振動が重畳され、高い送液効率が得られない。本発明者らが確認を行ったところ、吐出動作が行われない期間が数ｓｅｃ〜数１０ｓｅｃ程度に及ぶと、その後の吐出動作が不吐出となったり不安定になったりすることが確認された。 On the other hand, when the voltage control is performed under the comparative example shown by the broken line in FIG. 14, Helmholtz vibration is superimposed in the gentle contraction, and high liquid transfer efficiency cannot be obtained. As a result of confirmation by the present inventors, it was confirmed that when the period during which the ejection operation is not performed extends for several seconds to several tens of seconds, the subsequent ejection operation becomes non-ejection or unstable. ..
以上説明したように、本実施例によれば、複数の吐出口からインクを吐出するインクジェット記録ヘッドにおいて、吐出口の近傍にあるインクを循環させるための循環流路と、当該流路に配され循環ポンプとして機能するアクチュエータを用意する。そして、電圧を基準電圧から目標電圧まで短時間で上昇させる期間と、電圧を目標電圧から基準電圧に長時間で下降させる期間とを繰り返すように、アクチュエータ１０４に電圧を印加する。この際、電圧を目標電圧まで上昇させる期間においては、電圧をまず目標電圧より低い所定値まで上昇させ、その後、駆動開始時の傾きの絶対値よりも小さな傾きの絶対値で電圧を印加し、更に目標電圧まで電圧を上昇させる。一方、電圧を下降させる期間においては、目標電圧を暫く維持した後、電圧を一定の傾きで基準電圧に変化させる。
As described above, according to the present embodiment, in an inkjet recording head that ejects ink from a plurality of ejection ports, a circulation channel for circulating the ink in the vicinity of the ejection port and a circulation channel disposed in the channel. Prepare an actuator that functions as a circulation pump. Then, the voltage is applied to the
本実施例では、このような制御により、ヘルムホルツ周波数を有する残留振動が発生しても、これに伴う送液室の容積変動を緩和し送液装置全体の送液効率を向上させることが可能となる。その結果、個々の吐出素子に対し新鮮なインクを定常的に供給することができ、吐出状態を安定させておくことが可能となった。 In the present embodiment, by such control, even if the residual vibration having the Helmholtz frequency is generated, it is possible to reduce the volume fluctuation of the liquid transfer chamber due to this and improve the liquid transfer efficiency of the entire liquid transfer device. Become. As a result, fresh ink can be constantly supplied to each ejection element, and the ejection state can be stabilized.
なお、本実施例において、流体ブロックは、図１２（ａ）に示した形態に限定されるものではない。１つの送液機構８でインクを循環させる吐出素子（圧力室３）の数は、８より多くてもよいし少なくてもよい。また、１つの流体ブロックに設けられる供給流路５及び回収流路６の数は、２より多くてもよいし少なくてもよい。
In the present embodiment, the fluid block is not limited to the form shown in FIG. The number of ejection elements (pressure chambers 3) for circulating the ink in one
また、図１２（ａ）及び（ｂ）では、吐出素子がＹ方向に１列に並ぶ形態の素子基板４を例に説明したが、素子基板４にはこのような吐出素子列がＸ方向に２列以上配置されていてもよい。
In addition, in FIGS. 12A and 12B, the
更に、本実施例ではエネルギ発生素子１として電気熱変換素子を用い、ここで膜沸騰を生じさせ生成された泡の成長エネルギでインクを吐出する形態としたが、本発明はこのような吐出方法に限定されるものではない。例えば、圧電アクチュエータ、静電アクチュエータ、機械／衝撃駆動型アクチュエータ、音声コイルアクチュエータ、磁気歪み駆動型アクチュエータ等、様々な方式の素子をエネルギ発生素子として採用することができる。
Further, in the present embodiment, an electrothermal conversion element is used as the
更にまた、以上では図１２を参照し、素子基板４が、Ａ４サイズの幅に対応する距離だけＹ方向に配列して構成されるフルライン型の記録ヘッドを例に説明したが、本実施例の液体吐出モジュールはシリアル型の記録ヘッドにも採用することはできる。但し、フルライン型のように長尺な記録ヘッドのほうが、インクの蒸発や変質という本発明の課題がより顕著に現れやすいことから、本発明の効果をより顕著に享受することができる。
Furthermore, the full line type recording head constituted by arranging the
次に、図４（ｂ）に示す容積変化を実現する制御について実施例４〜６を用いて説明する。 Next, control for realizing the volume change shown in FIG. 4B will be described with reference to Examples 4 to 6.
（実施例４）
実施例４においても、図１（ａ）及び（ｂ）で説明した送液装置を用いるものとする。
(Example 4)
In Example 4 as well, the liquid delivery device described in FIGS. 1A and 1B is used.
図１５（ａ）及び（ｂ）は、本実施例において、アクチュエータ１０４に印加する電圧と、当該電圧によって増減する送液室１０１の容積変化量を示す図である。どちらの図においても、本実施例は実線で比較例は破線で示している。
FIGS. 15A and 15B are diagrams showing the voltage applied to the
図１５（ａ）においては、例えば−３０Ｖ以下のＤＣ-ＢＩＡＳを印加しているが、図中では略する。図１５（ａ）は、アクチュエータ１０４に印加する本実施例の電圧波形を、比較例と比較しながら示す図である。ここでは、送液室１０１の容積が膨張する方向を電圧の正方向とし、最大電圧を３０Ｖ、駆動周期を５０．０μｓｅｃ、駆動周波数を２０ＫＨｚとしている。
In FIG. 15A, DC-BIAS of, for example, −30 V or less is applied, but it is omitted in the figure. FIG. 15A is a diagram showing the voltage waveform of the present embodiment applied to the
比較例において、電圧は、従来一般的に使用されている三角形状の電圧波形を呈している。電圧は、ｔ＝０．０μｓｅｃからｔ＝４７．５μｓｅｃの間で、０Ｖから３０Ｖに一定の傾きで上昇し、ｔ＝４７．５μｓｅｃからｔ＝５０．０μｓｅｃの間で、３０Ｖから０Ｖに一定の傾きで下降している。そして、このような電圧の上昇と下降を５０．０μｓｅｃの周期で繰り返している。 In the comparative example, the voltage has a triangular voltage waveform that is generally used conventionally. The voltage rises with a constant slope from 0V to 30V from t=0.0 μsec to t=47.5 μsec, and from 30V to 0V from t=47.5 μsec to t=50.0 μsec. It is descending with a tilt. Then, such a rise and fall of the voltage are repeated in a cycle of 50.0 μsec.
一方、実施例４において、電圧は、ｔ≒２．９μｓｅｃからｔ≒４７．５μｓｅｃの間で、０Ｖから３０Ｖに上昇し、ｔ≒４７．５μｓｅｃからｔ≒４９．６μｓｅｃの間で３０Ｖから５Ｖに一定の傾きで下降する。その後、電圧は、ｔ≒４９．６μｓｅｃからｔ≒５２．５μｓｅｃの間で、５Ｖを維持し、ｔ≒５２．５μｓｅｃからｔ＝５２．９μｓｅｃの間で、５Ｖから０Ｖに一定の傾きで下降する。そして、このような電圧の上昇と下降を５０．０μｓｅｃの周期で繰り返している。 On the other hand, in Example 4, the voltage rises from 0 V to 30 V from t≈2.9 μsec to t≈47.5 μsec, and from 30 V to 5 V from t≈47.5 μsec to t≈49.6 μsec. It descends at a constant slope. After that, the voltage is maintained at 5V from t≈49.6 μsec to t≈52.5 μsec, and is gradually decreased from 5V to 0V from t≈52.5 μsec to t=52.9 μsec. .. Then, such a rise and fall of the voltage are repeated in a cycle of 50.0 μsec.
比較例にしても、実施例４にしても、相対的に長い時間をかけて電圧を上昇させ、相対的に短い時間で電圧を下降させている。このため、送液室１０１の容積は、緩やかな膨張と急激な収縮を繰り返すことになる。そして、この緩やかな膨張と急激な収縮との繰り返しが、実施例1とは逆方向へ向かう一定の流れを生み出している。
In both the comparative example and the fourth embodiment, the voltage is increased over a relatively long time and the voltage is decreased over a relatively short time. Therefore, the volume of the
ここで、送液室１０１において、一定の流れが生み出される仕組みについて簡単に説明する。
Here, a mechanism for generating a constant flow in the
送液室１０１が緩やかに膨張するときは、遅い流速の下で渦は発生せず、液体は緩やかに送液室１０１へ流入する。次に送液室１０１が急激に収縮するとき、流路１０６において流路抵抗の小さい第２の接続流路１０２の側で速い流速の下で渦が発生し、この渦が送液室１０１から第２の流路１０６へ流入しようとする液体を妨げる。一方、流路抵抗の大きい第１の接続流路１０３の側では、送液室１０１の膨張や収縮の速度によらず、液体は緩やかに送液室１０１に流入したり流出したりすることが可能である。つまり、第２の接続流路１０２への流出が妨げられる収縮と、第２の接続流路１０２からの流入が妨げられない膨張とを繰り返すことにより、図１において、Ｘ方向の逆向き（−Ｘ方向）に向かう定量的な流れが形成される。
When the
図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のような電圧を印加した場合の、送液室１０１のデフォルトに対する容積変化量を示す図である。実施例４においても比較例においても、駆動開始ｔ＝３．０μｓｅｃからｔ＝４７．５μｓｅｃの間で残留振動に伴う増減を繰り返しながら、徐々に振幅を縮小させ、容積が増大する。その後、ｔ＝４７．５μｓｅｃからｔ＝５３．０μｓｅｃとの間で容積が収縮し、元の値（容積変化量０）に戻っている。図では、送液室１０１の容積を平均的に膨張させている期間を「膨張用駆動」として示し、容積変化量を平均的に収縮させている期間を「収縮用駆動」として示している。
FIG. 15B is a diagram showing the volume change amount with respect to the default of the
比較例においても、実施例４においても、容積変化量の残留振動の周期は約８．０μｓｅｃである。これは本実施例で用いる送液装置に固有のヘルムホルツ振動の１次周期Ｔｈが約８．０μｓｅｃであり、ヘルムホルツ周波数が約１２５ｋＨｚであることを示す。そして、このような残留振動が、緩やかな膨張時の容積変化に重畳すると、結果として送液量が損失されてしまう。 In both the comparative example and the example 4, the cycle of residual vibration of the volume change amount is about 8.0 μsec. This indicates that the first-order period Th of the Helmholtz vibration peculiar to the liquid feeding device used in this example is about 8.0 μsec, and the Helmholtz frequency is about 125 kHz. Then, if such residual vibration is superimposed on the volume change at the time of gentle expansion, the liquid transfer amount will be lost as a result.
但し、比較例と実施例４を比べると、実施例４の振幅のほうが比較例よりも小さく抑えられていることが分かる。これは、実施例４のように、「収縮用駆動」の期間内で電圧を一定値に維持する（又は電圧の下降勾配を緩やかにする）期間を設けると、このような電圧の傾きの変化が残留振動の振幅を抑える方向に作用するためと考えられる。本発明者らの観察によると、比較例における１周期分の送液量が約０．７ｐＬ、送液効率が約４．５％であったのに対し、実施例４における１周期分の送液量は約１．１ｐＬ、送液効率は約７．２％であった。つまり、実施例４では、比較例に対し概ね１．６倍の送液効率が得られることになる。 However, comparing the comparative example with the example 4, it can be seen that the amplitude of the example 4 is suppressed smaller than that of the comparative example. This is because when the period for maintaining the voltage at a constant value (or gradually decreasing the falling slope of the voltage) is provided within the “contraction drive” period as in the fourth embodiment, such a change in the voltage slope is achieved. Is considered to act to suppress the amplitude of residual vibration. According to the observation by the present inventors, the liquid feeding amount for one cycle in the comparative example was about 0.7 pL and the liquid feeding efficiency was about 4.5%, whereas the feeding amount for one cycle in Example 4 was The liquid volume was about 1.1 pL and the liquid transfer efficiency was about 7.2%. That is, in Example 4, the liquid transfer efficiency of 1.6 times that of the comparative example can be obtained.
図１６（ａ）〜（ｄ）は、図４（ｂ）に示す容積変化を実現するためにアクチュエータ１０４に印加する電圧の波形の例を、比較例と比較しながら説明するための図である。いずれの図においても、アクチュエータ１０４に印加する電圧を実線で、送液室１０１の容積変化量を破線で示している。図１６（ａ）〜（ｄ）においては、例えば−３０Ｖ以下のＤＣ-ＢＩＡＳを印加しているが、図中では略する。
FIGS. 16A to 16D are diagrams for explaining an example of the waveform of the voltage applied to the
図１６（ａ）は、比較例としての電圧の波形（実線）と、これに伴う送液室１０１の容積量変化（破線）を示している。比較例としては、従来一般的に使用されている三角型の電圧波形を用いている。具体的には、ｔ＝０．０μｓｅｃからｔ＝４６．０μｓｅｃの間で、電圧を０Ｖから３０Ｖに一定の傾きで上昇させ、その後ｔ＝４６．０μｓｅｃからｔ＝５０．０μｓｅｃの間で、電圧を３０Ｖから０Ｖに一定の傾きで下降させる。 FIG. 16A shows a voltage waveform (solid line) as a comparative example and a change in volume of the liquid delivery chamber 101 (broken line) accompanying the waveform. As a comparative example, a triangular voltage waveform which is generally used in the past is used. Specifically, from t=0.0 μsec to t=46.0 μsec, the voltage is increased from 0 V to 30 V with a constant slope, and thereafter, the voltage is increased from t=46.0 μsec to t=50.0 μsec. Is lowered from 30V to 0V with a constant inclination.
既に説明したように、図１の系において、ヘルムホルツ周波数Ｆｈは、Ｆｈ＝１２５ＫＨｚであり、ヘルムホルツ周期ＴｈはTｈ＝８．０μｓｅｃである。よって、図１６（ａ）の例では、（約０．０μｓｅｃ〜４６．０μｓｅｃ）を、電圧を上昇させる期間に割り当て、Ｔｈ×１／２（＝４．０μｓｅｃ）の期間において、電圧を下降させる期間に割り当てていることになる。こうすることにより、送液室１０１の容積を効率的に収縮させることができる。但し、図１６（ａ）に示す比較例においては、ヘルムホルツ周期（約８μｓｅ）の残留振動が、緩やかな膨張時の容積変化に重畳し、結果として送液量の損失を招いてしまっている。
As described above, in the system shown in FIG. 1, the Helmholtz frequency Fh is Fh=125 KHz and the Helmholtz period Th is Th=8.0 μsec. Therefore, in the example of FIG. 16A, (about 0.0 μsec to 46.0 μsec) is assigned to the period in which the voltage is increased, and the voltage is lowered in the period of Th×1/2 (=4.0 μsec). It is allotted to the period. By doing so, the volume of the
図１６（ｂ）は、図４（ｂ）に示す容積変化を実現するために求めた、アクチュエータ１０４に印加する電圧波形の一例と、当該電圧波形を印加した場合の容積変化を示している。本例において、期間（０．０μｓｅｃ〜４６．０μｓｅｃ）が膨張用駆動となり、Ｔｈ×１／２の期間（４６．０μｓｅｃ〜５０．０μｓｅｃ）が収縮用駆動となる。本例の場合、膨張用駆動においても収縮用駆動においても、電圧は単調に上昇したり下降したりせず、それぞれの期間で、上に凸の区間と下に凸の区間を繰り返すように増減している。そして、このような高精度の電圧の増減により、送液室１０１の容積変化においては、ヘルムホルツ周期を有する残留振動がほぼ完全に打ち消されている。
FIG. 16B shows an example of the voltage waveform applied to the
図１６（ｃ）は、図４（ｂ）に示す容積変化を実現するために求めた、アクチュエータ１０４に印加する電圧波形の別の例と、当該電圧波形を印加した場合の容積変化を示している。本例において、期間（０．０μｓｅｃ〜４４．０μｓｅｃ）が膨張用駆動となり、Ｔｈ×３／４の期間（４４．０μｓｅｃ〜５０．０μｓｅｃ）が収縮用駆動となる。本例においても、膨張用駆動及び収縮用駆動に対応するそれぞれの期間で、電圧は上に凸の区間と下に凸の区間を繰り返すように増減し、これによりヘルムホルツ周期を有する残留振動が、ほぼ完全に打ち消されている。
FIG. 16C shows another example of the voltage waveform applied to the
図１６（ｄ）は、図４（ｂ）に示す容積変化を実現するために求めた、アクチュエータ１０４に印加する電圧波形の更に別の例と、当該電圧波形を印加した場合の容積変化を示している。本例において、期間（０．０μｓｅｃ〜４２．０μｓｅｃ）が膨張用駆動となり、Ｔｈ×1の期間（４２．０μｓｅｃ〜５０．０μｓｅｃ）が収縮用駆動となる。本例においても、膨張用駆動及び収縮用駆動に対応するそれぞれの期間で、電圧は上に凸の区間と下に凸の区間を繰り返すように増減し、これによりヘルムホルツ周期を有する残留振動が、ほぼ完全に打ち消されている。
FIG. 16D shows still another example of the voltage waveform applied to the
即ち、以上説明した図１６（ｂ）〜（ｄ）の実線で示すような波形電圧をアクチュエータ１０４に印加することができれば、送液室１０１の容積変化は破線で示すようになり、高い送液効率を実現することが可能となる。しかしながら、実際の駆動制御においては、図１６（ｂ）〜（ｄ）の実線で示すような複雑で高精度な波形制御を行うことは難しい。波形が複雑になるほど、用意するべき電圧値の種類が増え、回路が複雑になり、コストが増大するためである。
That is, if the waveform voltage as shown by the solid line in FIGS. 16B to 16D described above can be applied to the
よって、本発明者らは、より単純な波形で残留振動を抑えるために、図１６（ｂ）〜（ｄ）に示される波形に共通する特徴の中から、残留振動を抑える効果があると思われる要素を探り、電圧波形の変曲点に着目した。そして、図１６（ｂ）〜（ｄ）に示される波形においては、図５（ｂ）〜（ｄ）で説明したとの同じく、収縮用動作の期間においてもＴｈ×１／２毎に変曲点が存在することを見出し、このことが残留振動を抑えるために効果的であるという知見に至った。 Therefore, in order to suppress the residual vibration with a simpler waveform, the present inventors believe that there is an effect of suppressing the residual vibration from the characteristics common to the waveforms shown in FIGS. 16B to 16D. We investigated the elements that are generated and focused on the inflection points of the voltage waveform. Then, in the waveforms shown in FIGS. 16B to 16D, in the same manner as described with reference to FIGS. 5B to 5D, the inflection is changed every Th×1/2 during the contraction operation period. We have found that there are dots, and have come to the finding that this is effective for suppressing residual vibration.
即ち、実施例１と同様に、より単純な電圧波形であっても、戻り振動を抑制する効果を期待することはできる。具体的には、最大電圧から初期電圧まで下降させる立ち下がり期間において、まず、最大電圧から所定値まで下降させ、その後、駆動開始時の傾きの絶対値よりも小さな傾きの絶対値で電圧を印加し、その後更に初期電圧に到達させればよい。 That is, similar to the first embodiment, the effect of suppressing the return vibration can be expected even with a simpler voltage waveform. Specifically, in the falling period in which the maximum voltage is decreased to the initial voltage, first, the maximum voltage is decreased to a predetermined value, and then the voltage is applied with the absolute value of the slope smaller than the absolute value of the slope at the start of driving. Then, after that, the initial voltage may be further reached.
図１７（ａ）〜（ｄ）は、上記条件を満たす比較的単純な波形の例を示す図である。いずれの波形についても、上記条件は満たされており、戻り振動を抑制するという効果を得ることはできる。なお、図１７（ａ）〜（ｄ）に示したような波形においては、ほぼ目標の電圧に到達した後に、その傾きが微増若しくは微減しても構わない。また、図では、電圧を最大電圧から初期電圧にまで下降させる立ち下がり期間をＴｈ／２としているが、立ち下がり期間については、概ねＴｈ×（１／２−１／８）からＴｈ×（１／２＋１／４）であればよい。例えば図１７（a）のＳＴＥＰ形状の波形ならばＴｈ／２に近いが、図１７（ｂ）のＲＡＭＰ形状の波形になるとＴｈ／２より大きくなる。実使用を考慮し、Ｔｈ×（１／２＋１／４）までとする。 17A to 17D are diagrams showing examples of relatively simple waveforms that satisfy the above condition. The above conditions are satisfied for any of the waveforms, and the effect of suppressing the return vibration can be obtained. Note that in the waveforms shown in FIGS. 17A to 17D, the slope may slightly increase or decrease after the target voltage is almost reached. Further, in the figure, the falling period for lowering the voltage from the maximum voltage to the initial voltage is Th/2, but the falling period is generally from Th×(1/2-1/8) to Th×(1 /2+1/4). For example, the waveform of the STEP shape of FIG. 17A is close to Th/2, but the waveform of the RAMP shape of FIG. 17B is larger than Th/2. In consideration of actual use, the value is up to Th×(1/2+1/4).
図１８（ａ）及び（ｂ）は、図１７（ａ）に示すような階段形状を採用した場合のシミュレーションの結果を示す図である。図１８（ａ）〜（ｂ）においては、例えば−３０Ｖ以下のＤＣ-ＢＩＡＳを印加しているが、図中では略する。図１８（ａ）は、図１６（ｂ）の波形を単純化したものに相当し、収縮用駆動の期間（Ｔｈ×１／２）中に一段の階段形状が配されている。一方、図１８（ｂ）は、図１６（ｄ）の波形を単純化したものに相当し、収縮用駆動の期間（Ｔｈ×１）中に二段の階段形状が配されている。いずれの場合も、膨張用駆動時の容積変化量において若干の残留振動が重畳されているものの、図１６（ａ）に示す比較例に比べれば、振幅が大きく抑制されている。 18(a) and 18(b) are diagrams showing simulation results when the staircase shape as shown in FIG. 17(a) is adopted. In FIGS. 18A and 18B, DC-BIAS of, for example, −30 V or less is applied, but it is omitted in the figure. FIG. 18A corresponds to a simplified waveform of FIG. 16B, and one step shape is arranged during the contraction drive period (Th×1/2). On the other hand, FIG. 18B corresponds to a simplified waveform of FIG. 16D, and two steps are arranged in the contraction driving period (Th×1). In either case, although a slight residual vibration is superimposed on the volume change amount during the expansion drive, the amplitude is greatly suppressed as compared with the comparative example shown in FIG.
図１８（ａ）では、階段形状の平滑な部分に相当する電圧（以下、維持電圧と称す）を、最大電圧の半分（１５Ｖ）としているが、この値は特に限定されるものではない。例えば、維持電圧を１５Ｖよりも大きくすれば、残留振動の振幅を抑制する効果は更に向上する。但し、維持電圧をあまり大きくしてしまうと、用意した電圧（３０Ｖ）が収縮用動作のために十分利用されないため、好ましい流速が得られず、結果として送液効率を低下させてしまうこともある。このため、維持電圧については、残留振動を抑制する目的と、流体バルブ機能を発揮させる目的の両方が、適切なバランスの上で達成されるように調整されることが求められる。本発明者らの検討によれば、上記維持電圧については、最大電圧の概ね０．０５倍から０．６倍に設定されることが好ましいことが確認された。 In FIG. 18A, the voltage (hereinafter, referred to as the sustain voltage) corresponding to the smooth portion having the staircase shape is half the maximum voltage (15 V), but this value is not particularly limited. For example, if the sustain voltage is higher than 15V, the effect of suppressing the amplitude of residual vibration is further improved. However, if the sustaining voltage is made too large, the prepared voltage (30 V) is not sufficiently used for the contraction operation, so that a preferable flow rate cannot be obtained, and as a result, the liquid transfer efficiency may be reduced. .. Therefore, the sustain voltage is required to be adjusted so that both the purpose of suppressing the residual vibration and the purpose of exerting the fluid valve function can be achieved with an appropriate balance. According to the study by the present inventors, it has been confirmed that the above-mentioned sustain voltage is preferably set to approximately 0.05 to 0.6 times the maximum voltage.
一方、図１８（ｂ）では、最初の維持電圧を最大電圧の０．７５倍とし、２回目の維持電圧を最大電圧の０．２５倍としているが、これらの値についても特に限定されるものではない。これら２つの維持電圧については、図１８（ａ）で説明したのと同じ理由のもと、それぞれが適切な値に調整されればよい。本発明者らの検討によれば、最初の維持電圧は最大電圧の概ね０．５２５倍から０．８倍に設定され、２回目の維持電圧は最大電圧の概ね０．０２５倍から０．３倍に設定されることが好ましいことが確認された。 On the other hand, in FIG. 18B, the first sustain voltage is 0.75 times the maximum voltage and the second sustain voltage is 0.25 times the maximum voltage, but these values are also particularly limited. is not. Each of these two sustain voltages may be adjusted to an appropriate value for the same reason as described with reference to FIG. According to the study by the present inventors, the first sustain voltage is set to approximately 0.525 to 0.8 times the maximum voltage, and the second sustain voltage is set to approximately 0.025 to 0.3 times the maximum voltage. It was confirmed that it is preferable to set the doubling.
ここで、再び図１５（ａ）を参照すると、図１５（ａ）の実線で示した実施例４の波形は、上記で説明した条件が満たされていることがわかる。即ち、電圧値を最大電圧の３０Ｖから下降させる収縮用駆動の期間（４７．５μｓｅｃ〜４９．６μｓｅｃ）において、まず、印加する電圧値を３０Ｖから５Ｖまで下降させている。次に、駆動開始時の傾きの絶対値（２５Ｖ／２．１μｓｅｃ）よりも小さな傾きの絶対値（０）で電圧５Ｖを印加し、その後更に０Ｖに到達させている。この際、維持電圧（５Ｖ）は最大電圧（３０Ｖ）のほぼ０．２倍となり、この比の値は０．０５倍から０．６倍の間に含まれている。 Here, referring to FIG. 15A again, it can be seen that the waveform of Example 4 shown by the solid line in FIG. 15A satisfies the conditions described above. That is, during the contraction driving period (47.5 μsec to 49.6 μsec) for decreasing the voltage value from the maximum voltage of 30 V, first, the applied voltage value is decreased from 30 V to 5 V. Next, a voltage of 5V is applied with an absolute value (0) of the inclination smaller than the absolute value of the inclination (25V/2.1 μsec) at the start of driving, and then reaches 0V. At this time, the sustain voltage (5V) is approximately 0.2 times the maximum voltage (30V), and the value of this ratio is included between 0.05 times and 0.6 times.
以上説明したように、本実施例によれば、電圧を基準電圧から最大電圧まで長時間で上昇させる期間と、電圧を最大電圧から基準電圧に短時間で下降させる期間とを繰り返すように、 アクチュエータ１０４に電圧を印加する。そして、電圧を基準電圧まで下降させる期間においては、電圧をまず基準電圧より高い所定値まで下降させ、その後、駆動開始時の傾きの絶対値よりも小さな傾きの絶対値で電圧を印加し、更に基準電圧まで電圧を下降させる。このような制御により、ヘルムホルツ周波数を有する残留振動が発生しても、これに伴う送液室の容積変動を緩和し送液装置全体の送液効率を向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, the actuator is configured such that the period of increasing the voltage from the reference voltage to the maximum voltage for a long time and the period of decreasing the voltage from the maximum voltage to the reference voltage for a short time are repeated. A voltage is applied to 104. Then, in the period of decreasing the voltage to the reference voltage, the voltage is first decreased to a predetermined value higher than the reference voltage, and then the voltage is applied with the absolute value of the inclination smaller than the absolute value of the inclination at the start of driving, and Decrease the voltage to the reference voltage. By such control, even if the residual vibration having the Helmholtz frequency is generated, it is possible to reduce the volume fluctuation of the liquid transfer chamber due to the residual vibration and improve the liquid transfer efficiency of the entire liquid transfer device.
（実施例５）
実施例５においても、図１（ａ）及び（ｂ）で説明した送液装置を用いるものとする。図１９（ａ）及び（ｂ）は、実施例５において、アクチュエータ１０４に印加する電圧と、当該電圧によって増減する送液室１０１の容積変化量を、実施例４で説明した図１５（ａ）及び（ｂ）と同様に示す図である。図１９（ａ）においては、例えば−３０Ｖ以下のＤＣ-ＢＩＡＳを印加しているが、図中では略する。比較例については、実施例４と同様である。
(Example 5)
Also in the fifth embodiment, the liquid delivery device described in FIGS. 1A and 1B is used. 19(a) and 19(b) show the voltage applied to the
実施例５において、実施例４と異なる点は、「膨張用駆動」の期間に「保持期間」を設けていることである。即ち実施例５では、図１９（ａ）に示すように、電圧を実施例４と同形状で基準電圧まで下降させた後、その電圧をｔ＝２．９μｓｅｃ〜１８．４μｓｅｃの間維持し、更にその後、電圧を一定の傾きで上昇させてｔ＝４７．５μｓｅｃで最大電圧に到達している。 The fifth embodiment differs from the fourth embodiment in that a "holding period" is provided in the "expansion drive" period. That is, in Example 5, as shown in FIG. 19A, after the voltage was lowered to the reference voltage in the same shape as in Example 4, the voltage was maintained for t=2.9 μsec to 18.4 μsec, After that, the voltage is increased at a constant gradient and reaches the maximum voltage at t=47.5 μsec.
図１９（ｂ）は、図１９（ａ）のような電圧を印加した場合の、送液室１０１の容積変化量を示す図である。実施例５においても、駆動開始ｔ＝２．９μｓｅｃからｔ＝４７．５μｓｅｃの間で残留振動に伴う増減を繰り返しながら容積が上昇し、その後、電圧を下降させ、元の値（容積変化量０）に戻っている。図では、送液室１０１の容積を概ね膨張させている期間を「膨張用駆動」、容積変化量を概ね収縮させている期間を「収縮用駆動」、「膨張用駆動」の期間のうち基準電圧０Ｖを維持している期間を「保持期間」として示している。
FIG. 19B is a diagram showing the volume change amount of the
実施例５においても、破線で示した比較例と比べると、振幅が小さく抑えられていることが分かる。 Also in Example 5, it can be seen that the amplitude is suppressed to be small as compared with the comparative example indicated by the broken line.
本実施例は、実施例２とは送液方向が逆方向ではあるが、保持期間の長さについての考え方は同様である。本発明者らの検討によれば、保持期間に対する送液効率は極大値を有し、適切な保持期間の範囲としては、系固有のヘルムホルツ周期の１．０倍から２．５倍であるのが好ましいことが確認された。保持期間を固有周期の２．５倍よりも大きくすると、膨張のための時間が収縮のための時間に近くなり、流速差を利用して所定の方向に液体を移動させる機能を十分に発揮させることができなくなる。但し、保持期間については、送液装置の構造設計や電圧条件にも影響を与えるため、この観点から考えると、概ね（１／４−１／８）×Ｔｈ〜（１０＋１／８）×Ｔｈの範囲であることが好ましい。 Although the liquid feeding direction of this embodiment is opposite to that of the second embodiment, the concept of the length of the holding period is the same. According to the studies by the present inventors, the liquid transfer efficiency with respect to the holding period has a maximum value, and the range of the appropriate holding period is 1.0 to 2.5 times the Helmholtz cycle peculiar to the system. Was confirmed to be preferable. When the holding period is larger than 2.5 times the natural period, the time for expansion becomes closer to the time for contraction, and the function of moving the liquid in a predetermined direction by utilizing the difference in flow velocity is sufficiently exerted. Can't do it. However, since the holding period also affects the structural design of the liquid sending device and the voltage condition, from this viewpoint, the holding period is approximately (1/4−1/8)×Th to (10+1/8)×Th. It is preferably in the range.
本発明者らの検討によれば、実施例５における送液時の流速は比較例の流速に対し約１．８倍であることが確認された。また、比較例における１周期分の送液量が約０．７ｐＬ、送液効率が約４．５％であったのに対し、実施例５における１周期分の送液量は約１．３ｐL、送液効率は約８．５％であることが確認された。これは、実施例５のほうが比較例よりも送液量の損失が少なく、送液装置としての送液効率を概ね１．９倍程度向上させることができることを意味する。そして、同じ送液装置を用いた場合でも、実施例５のほうが実施例４よりも送液効率を更に向上させていることになる。 According to the study by the present inventors, it was confirmed that the flow velocity during liquid feeding in Example 5 was about 1.8 times the flow velocity in Comparative Example. Further, the liquid feeding amount for one cycle in the comparative example was about 0.7 pL and the liquid feeding efficiency was about 4.5%, whereas the liquid feeding amount for one cycle in Example 5 was about 1.3 pL. It was confirmed that the liquid transfer efficiency was about 8.5%. This means that Example 5 has less loss in the liquid delivery amount than the comparative example, and the liquid delivery efficiency of the liquid delivery device can be improved by about 1.9 times. Then, even when the same liquid feeding device is used, the liquid feeding efficiency of the fifth embodiment is further improved as compared with the fourth embodiment.
以上説明したように本実施例によれば、電圧を基準電圧から最高電圧まで長時間で上昇させる期間と、電圧を最高電圧から基準電圧に短時間で下降させる期間とを繰り返すように、 アクチュエータ１０４に電圧を印加する。そして、電圧を基準電圧まで下降させる期間においては、電圧をまず基準電圧より高い所定値まで下降させ、その後、駆動開始時の傾きの絶対値よりも小さな傾きの絶対値で電圧を印加し、更に基準電圧まで電圧を下降させる。一方、電圧を上昇させる期間においては、基準電圧を暫く維持した後、電圧を一定の傾きで最高電圧に変化させる。このような制御により、ヘルムホルツ周波数を有する残留振動が発生しても、これに伴う送液室の容積変動を緩和し送液装置全体の送液効率を向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
（実施例６）
本実施例は、実施例３で実現したインクの流れ方向と逆方向へインクを循環させるものである。構造は実施例３と同じであり、駆動方法のみが異なる。実施例６における循環方向を実現することで、例えばノズル側から混入した気泡が、送液室２２に流入することなく、供給口１５の側へ回収できるメリットがある。
(Example 6)
In this embodiment, the ink is circulated in the direction opposite to the ink flow direction realized in the third embodiment. The structure is the same as that of the third embodiment, and only the driving method is different. By realizing the circulation direction in the sixth embodiment, there is an advantage that, for example, bubbles mixed from the nozzle side can be collected to the
図２０（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の素子基板４における１つの流路ブロックの流路構成を示す図である。図１２（ａ）及び（ｂ）と同じ符号は、第３の実施例と同じ機構であることを示す。重力方向は＋Ｚ方向であり、仮に吐出口２の側から気泡が混入した場合、その気泡を循環する流れに乗せつつ、浮力によって供給口１５の側へ回収させることができる。
20A and 20B are diagrams showing the flow channel configuration of one flow channel block in the
図２１は、本実施例のアクチュエータ８を駆動するための電圧波形を示す図である。図２１においては、例えば−３０Ｖ以下のＤＣ-ＢＩＡＳを印加しているが、図中では略する。図において、実線は本実施例、破線は比較例を示している。本実施例の電圧波形は実施例５の形状と類似している。即ち、一段の階段形状で収縮用動作を行った後、所定の保持期間を設け、その後一定の傾きで電圧を上昇させている。図２１では、送液室２２の容積が膨張する方向を電圧の正方向とし、最大電圧を３０Ｖ、駆動周期を５０．０μｓｅｃ、駆動周波数を２０ＫＨｚとしている。この駆動周波数はエネルギ発生素子の駆動周波数１５ＫＨｚよりも十分高い値である。アクチュエータ８の駆動周波数を吐出素子の駆動周波数よりも十分高くすることにより、吐出素子の個々の吐出動作がアクチュエータの駆動の影響でばらついてしまうのを抑えることができる。
FIG. 21 is a diagram showing voltage waveforms for driving the
このような本実施例においても、緩やかな膨張においてヘルムホルツ振動に伴う容積の増減を抑えることにより、送液効率を向上させることができる。その結果、供給流路５、圧力室３、回収流路６、送液室２２及び接続流路７において、インクを好適な速度で循環させ、吐出口２の近傍に新鮮なインクを安定的に供給することができる。本発明者らの観察によると、粘度２ｃｐｓのインクを用いて上記駆動を行った場合、１周期分の送液量は約１．０ｐＬ、送液効率は約７．０％であることが確認された。
In this embodiment as well, the liquid transfer efficiency can be improved by suppressing the increase and decrease in volume due to Helmholtz vibration during gentle expansion. As a result, the ink is circulated in the
そして、吐出動作が行われない期間が数ｓｅｃ〜数１０ｓｅｃ程度に及んでも、その後の吐出動作で不吐出となることはなく、正常な吐出動作が安定して行われることが確認された。 It was confirmed that even if the period during which the ejection operation is not performed reaches several seconds to several tens of seconds, the subsequent ejection operation does not cause non-ejection, and the normal ejection operation is stably performed.
一方、図２１の破線で示した比較例の下で電圧制御を行った場合は、緩やかな膨張においてヘルムホルツ振動が重畳され、高い送液効率が得られない。本発明者らが確認を行ったところ、吐出動作が行われない期間が数ｓｅｃ〜数１０ｓｅｃ程度に及ぶと、その後の吐出動作が不吐出となったり不安定になったりすることが確認された。 On the other hand, when the voltage control is performed under the comparative example shown by the broken line in FIG. 21, Helmholtz vibration is superimposed on the gentle expansion and high liquid transfer efficiency cannot be obtained. As a result of confirmation by the present inventors, it was confirmed that when the period during which the ejection operation is not performed extends for several seconds to several tens of seconds, the subsequent ejection operation becomes non-ejection or unstable. ..
以上説明したように、本実施例によれば、複数の吐出口からインクを吐出するインクジェット記録ヘッドにおいて、吐出口の近傍にあるインクを循環させるための循環流路と、当該流路に配され循環ポンプとして機能するアクチュエータを用意する。そして、電圧を基準電圧から目標電圧まで長時間で上昇させる期間と、電圧を目標電圧から基準電圧に短時間で下降させる期間とを繰り返すように、 アクチュエータ１０４に電圧を印加する。
As described above, according to the present embodiment, in an inkjet recording head that ejects ink from a plurality of ejection ports, a circulation channel for circulating the ink in the vicinity of the ejection port and a circulation channel disposed in the channel. Prepare an actuator that functions as a circulation pump. Then, the voltage is applied to the
この際、電圧を上昇させる期間においては、目標電圧を暫く維持した後、電圧を一定の傾きで目標電圧に上昇させる。電圧を基準電圧まで下降させる期間においては、電圧をまず基準電圧より高い所定値まで下降させ、その後、駆動開始時の傾きの絶対値よりも小さな傾きの絶対値で電圧を印加し、更に基準電圧まで電圧を下降させる。 At this time, in the period in which the voltage is increased, the target voltage is maintained for a while, and then the voltage is increased to the target voltage with a constant slope. In the period of decreasing the voltage to the reference voltage, the voltage is first decreased to a predetermined value higher than the reference voltage, and then the voltage is applied with an absolute value of the inclination smaller than the absolute value of the inclination at the start of driving, and the reference voltage is further increased. Voltage down to.
本実施例では、このような制御により、ヘルムホルツ周波数を有する残留振動が発生しても、これに伴う送液室の容積変動を緩和し送液装置全体の送液効率を向上させることが可能となる。その結果、個々の吐出素子に対し新鮮なインクを定常的に供給することができ、吐出状態を安定させておくことが可能となった。 In the present embodiment, by such control, even if the residual vibration having the Helmholtz frequency is generated, it is possible to reduce the volume fluctuation of the liquid transfer chamber due to this and improve the liquid transfer efficiency of the entire liquid transfer device. Become. As a result, fresh ink can be constantly supplied to each ejection element, and the ejection state can be stabilized.
本実施例においても、実施例３で説明したのと同様の実施形態を選択できる。 Also in this example, the same embodiment as that described in Example 3 can be selected.
（その他の実施例）
以上の実施例では、複雑で高精度な電圧制御は困難であることを前提に、図２（ａ）、図８（ａ）、図１４、図１５（ａ）、図１９（ａ）及び図２１に示したような単純化した波形を示し効果を説明した。しかしながら、本発明は図５（ｂ）〜（ｄ）や図１６（ｂ）〜（ｄ）の実線で示すような波形を排除するものではない。図５（ｂ）〜（ｄ）や図１６（ｂ）〜（ｄ）の実線で示すような高精度な電圧制御を行うことができれば、送液効率が更に向上することは言うまでもない。この場合、収縮用駆動又は膨張用駆動において電圧に重畳させる振動の周期としては、送液装置に固有のヘルムホルツ周期をＴｈとしたとき、（１／４−１／８）×Ｔｈから（１／２＋１／８）×Ｔｈの間であることが好ましい。
(Other embodiments)
In the above embodiments, it is assumed that complicated and highly accurate voltage control is difficult, and FIGS. 2A, 8A, 14, 15A, 19A and 19A and FIG. The effect was explained by showing a simplified waveform as shown in FIG. However, the present invention does not exclude the waveforms shown by the solid lines in FIGS. 5(b) to (d) and FIGS. 16(b) to (d). Needless to say, if high-precision voltage control as shown by the solid lines in FIGS. 5(b) to (d) and FIGS. 16(b) to (d) can be performed, the liquid transfer efficiency will be further improved. In this case, when the Helmholtz cycle peculiar to the liquid feeding device is set to Th, the cycle of the vibration superimposed on the voltage in the contraction drive or the expansion drive is (1/4-1/8)×Th (1/1/ It is preferably between 2+1/8)×Th.
いずれにしても、アクチュエータ１０４に印加される電圧の波形が、膨張用駆動又は収縮用駆動において、系固有のヘルムホルツ振動の周期Ｔｈに基づく所定の期間ごとに変曲点が現れるように制御されればよい。このようにすれば、残留振動を抑制するという本発明の効果を得ることはできる。
In any case, the waveform of the voltage applied to the
また、以上では、初期の電圧を０Ｖ、目標（最大）電圧を３０Ｖとし、電圧が高くなるほど送液室の容積が増大することを前提に説明してきたが、無論本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、デフォルト状態の電圧は０Ｖで無くてもよいし、電圧が高くなるほど送液室の容積が縮小するようにアクチュエータを配置してもよい。 Further, the above description has been made on the assumption that the initial voltage is 0 V and the target (maximum) voltage is 30 V, and that the higher the voltage is, the larger the volume of the liquid delivery chamber is. It is not limited. For example, the voltage in the default state does not have to be 0 V, and the actuator may be arranged so that the volume of the liquid feeding chamber decreases as the voltage increases.
いずれにせよ、アクチュエータに印加される電圧においては、ｉ）第１の電圧から第２の電圧に変化する第１の期間と、第１の期間よりも長い期間であって、第２の電圧から第１の電圧に変化する第２の期間とが繰り返されるように制御されればよい。そして、ｉｉ）第１の期間においては、系固有のヘルムホルツ振動の周期Ｔｈに基づく所定の期間ごとに、変曲点が現れるように制御されればよい。 In any case, in the voltage applied to the actuator, i) the first period in which the first voltage changes to the second voltage, and the period longer than the first period and the second voltage It may be controlled so that the second period in which the voltage changes to the first voltage is repeated. Ii) In the first period, the inflection point may be controlled to appear every predetermined period based on the period Th of the Helmholtz oscillation peculiar to the system.
本発明は、上述の実施例の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。 The present invention supplies a program that realizes one or more functions of the above-described embodiments to a system or apparatus via a network or a storage medium, and one or more processors in a computer of the system or apparatus read and execute the program. It can also be realized by the processing. It can also be realized by a circuit (for example, ASIC) that realizes one or more functions.
１ 送液装置
１０１ 送液室
１０４ アクチュエータ（駆動素子）
1
Claims (19)
前記液室に設けられ、電圧が印加されることによって前記液室の容積を膨張及び収縮させて、前記液室が収容する液体を外部との間で循環させる駆動素子と、
を備える送液装置の駆動方法であって、
前記駆動素子に印加する電圧を、
ｉ）第１の電圧から第２の電圧に変化させる第１の期間と、前記第１の期間よりも長い期間であって前記第２の電圧から前記第１の電圧に変化させる第２の期間とを繰り返し、
ｉｉ）前記第１の期間において、前記送液装置に固有のヘルムホルツ振動周期に基づく所定の期間ごとに、変曲点を有するように
制御することを特徴とする駆動方法。 A liquid chamber containing a liquid,
A drive element that is provided in the liquid chamber, expands and contracts the volume of the liquid chamber by applying a voltage, and circulates the liquid contained in the liquid chamber with the outside,
A method of driving a liquid delivery device comprising:
The voltage applied to the drive element,
i) a first period in which the first voltage is changed to the second voltage, and a second period in which the second voltage is changed to the first voltage, which is longer than the first period. Repeat and
ii) A driving method characterized in that, during the first period, control is performed so as to have an inflection point for each predetermined period based on the Helmholtz oscillation period unique to the liquid delivery device.
前記第１の期間に２つの変曲点が含まれる場合、１つ目の変曲点における電圧は、前記第２の電圧の０．２０倍から０．４７５倍の値であり、２つ目の変曲点における電圧は、前記第２の電圧の０．７０倍から０．９７５倍の値である請求項６に記載の駆動方法。 The second voltage is the maximum voltage applied to the driving element, and when one inflection point is included in the first period, the voltage at the inflection point is 0 of the second voltage. 40 times to 0.95 times,
When the first period includes two inflection points, the voltage at the first inflection point is 0.20 to 0.475 times the second voltage, and the second inflection point is the second inflection point. 7. The driving method according to claim 6, wherein the voltage at the inflection point is 0.70 to 0.975 times the second voltage.
前記第１の期間に２つの変曲点が含まれる場合、１つ目の変曲点における電圧は、前記第１の電圧の０．５２５倍から０．８倍の値であり、２つ目の変曲点における電圧は、前記第１の電圧の０．０２５倍から０．３倍の値である請求項８に記載の駆動方法。 The first voltage is the maximum voltage applied to the driving element, and when one inflection point is included in the first period, the voltage at the inflection point is 0 of the first voltage. Values from .05 to 0.6 times,
When the first period includes two inflection points, the voltage at the first inflection point is 0.525 to 0.8 times the first voltage, and the second inflection point is the second inflection point. 9. The driving method according to claim 8, wherein the voltage at the inflection point is 0.025 to 0.3 times the value of the first voltage.
前記吐出口から液体を吐出させるためのエネルギを発生するエネルギ発生素子と、が配されている請求項１から１３のいずれか１項に記載の駆動方法。 In the liquid chamber, a discharge port for discharging the stored liquid to the outside,
The driving method according to claim 1, further comprising an energy generating element that generates energy for ejecting the liquid from the ejection port.
前記圧力室に設けられ、前記吐出口から液体を吐出させるためのエネルギを発生するエネルギ発生素子と、
前記圧力室に液体を供給する供給流路と、
前記圧力室より液体を回収する回収流路と、
前記回収流路に接続する送液室と、
前記送液室と前記供給流路とを接続する接続流路と、
前記送液室の容積を膨張及び収縮させることにより、前記供給流路、前記圧力室、前記回収流路、前記送液室、及び前記接続流路において液体を循環させる駆動素子と、
前記駆動素子に印加する電圧を制御する制御手段と
を備える液体吐出ヘッドであって、
前記制御手段は、前記駆動素子に印加する電圧を、
ｉ）第１の電圧から第２の電圧に変化させる第１の期間と、前記第１の期間よりも長い期間であって前記第２の電圧から前記第１の電圧に変化させる第２の期間とを繰り返し、
ｉｉ）前記第１の期間において、前記供給流路、前記圧力室、前記回収流路、前記送液室、及び前記接続流路を含む循環流路に固有のヘルムホルツ振動周期に基づく所定の期間ごとに、変曲点を有するように
制御することを特徴とする液体吐出ヘッド。 A pressure chamber communicating with the discharge port and containing a liquid to be discharged from the discharge port;
An energy generating element that is provided in the pressure chamber and that generates energy for ejecting liquid from the ejection port;
A supply channel for supplying a liquid to the pressure chamber,
A recovery channel for recovering the liquid from the pressure chamber,
A liquid transfer chamber connected to the recovery channel,
A connection flow path connecting the liquid supply chamber and the supply flow path,
By expanding and contracting the volume of the liquid feeding chamber, the supply channel, the pressure chamber, the recovery channel, the liquid feeding chamber, and a drive element for circulating liquid in the connection channel,
A liquid ejection head comprising: a control unit that controls a voltage applied to the drive element,
The control means controls the voltage applied to the drive element,
i) a first period in which the first voltage is changed to the second voltage, and a second period in which the second voltage is changed to the first voltage, which is longer than the first period. And repeat
ii) In the first period, every predetermined period based on the Helmholtz oscillation cycle unique to the circulation flow channel including the supply flow channel, the pressure chamber, the recovery flow channel, the liquid feed chamber, and the connection flow channel In addition, the liquid ejection head is controlled so as to have an inflection point.
前記駆動素子に印加される電圧が、前記第１の電圧から所定の傾きで変化する期間と、前記所定の傾きの絶対値より小さい傾きの絶対値で変化する期間とが含まれるように、前記駆動素子に印加する電圧を制御する請求項１５に記載の液体吐出ヘッド。 The control means, in the first period,
The voltage applied to the driving element includes a period in which the voltage changes from the first voltage with a predetermined slope, and a period in which the voltage changes with an absolute value having a slope smaller than an absolute value of the predetermined slope. The liquid ejection head according to claim 15, wherein the voltage applied to the drive element is controlled.
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