JP6544687B2 - Droplet detection device and droplet detection method - Google Patents
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Description
本発明は、弾性波デバイスを用いて液滴を検出する液滴検出装置及び液滴検出方法に関する。 The present invention relates to a droplet detection apparatus and a droplet detection method for detecting droplets using an elastic wave device.
近年、弾性表面波を利用した液滴操作技術が開発されており、この技術のマイクロ流体システムなどへの応用が期待されている。液滴操作の際には液滴がどこにあるかを検出することが重要となる。例えば、下記特許文献１に記載された分光法では、弾性表面波を利用して液滴を搬送し、液滴がレーザビームを横切る際にそのレーザビームの光量の変化を検出器で検出することにより、その位置を検出する。 In recent years, a droplet manipulation technology using surface acoustic waves has been developed, and the application of this technology to microfluidic systems and the like is expected. In droplet operation, it is important to detect where the droplet is. For example, in the spectroscopy described in Patent Document 1 below, a droplet is transported using a surface acoustic wave, and when the droplet traverses the laser beam, a change in light intensity of the laser beam is detected by a detector. To detect the position.
その他、弾性表面波を利用した液滴操作デバイスにおいて液滴の位置を測定する技術としては、下記非特許文献１，２に記載のものが知られている。下記非特許文献１には、液滴からの反射波を利用すると液滴の位置が測定できることが記載されている。また、下記非特許文献２では、液滴を搬送する方向に対して直交する方向にも弾性表面波を伝搬させ、液滴が横切ることによる弾性表面波の減衰を検出することによって液滴位置を測定する手法が提案されている。 In addition, as a technique of measuring the position of a droplet in the droplet operation device using a surface acoustic wave, the following non-patent documents 1 and 2 are known. Non-Patent Document 1 below describes that the position of a droplet can be measured by using a reflected wave from the droplet. Further, in Non-Patent Document 2 below, the position of the droplet is determined by propagating the surface acoustic wave in the direction orthogonal to the direction of transporting the droplet and detecting the attenuation of the surface acoustic wave due to the crossing of the droplet. A method of measuring has been proposed.
しかしながら、上述した特許文献１に記載の方法では、液滴へのレーザ光の照射及び検出が必要となるため装置構成が複雑化する傾向にある。また、上述した非特許文献１に記載されたデバイスにおいては、２つの反射波の時間差を検出して液滴位置を測定しているため、液滴の初期の位置が既知である必要があり、初期の位置が不明の場合に液滴位置を正確に測定することが困難である。また、上述した非特許文献２に記載されたデバイスにおいては、液滴搬送用の励振電極に加えて液滴位置検出用の励振電極を加える必要があり構成が複雑化する傾向にある。 However, in the method described in Patent Document 1 described above, since it is necessary to irradiate and detect a laser beam on a droplet, the device configuration tends to be complicated. Further, in the device described in Non-Patent Document 1 described above, since the droplet position is measured by detecting the time difference between the two reflected waves, the initial position of the droplet needs to be known, It is difficult to accurately measure the droplet position when the initial position is unknown. Further, in the device described in Non-Patent Document 2 described above, it is necessary to add an excitation electrode for droplet position detection in addition to the excitation electrode for droplet conveyance, and the configuration tends to be complicated.
そこで、本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、構成を複雑化させることなく正確な液滴位置の測定を可能にする液滴検出装置及び液滴検出方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a droplet detection device and a droplet detection method that enable accurate measurement of droplet position without complicating the configuration. To aim.
上記課題を解決するため、本発明の一形態にかかる液滴検出装置は、圧電基板上に弾性表面波を励振させるための励振電極が設けられ、圧電基板上で液滴を搬送する弾性波デバイスと、励振電極に所定周波数の交流電気信号を設定された時間幅で印加する電源回路部と、励振電極における交流電気信号の反射信号を測定する検出回路部と、検出回路部によって測定された反射信号と交流電気信号との時間差を検出し、時間差を基に圧電基板上の液滴の位置を算出する演算回路部とを備え、演算回路部は、反射信号の伝搬経路を、液滴と圧電基板の界面の反対側の表面と、液滴と圧電基板の界面とを経由して液滴を循環する経路に設定した演算式を用いることにより、時間差から位置を算出する。 In order to solve the above problems, the droplet detection device according to one aspect of the present invention is provided with an excitation electrode for exciting a surface acoustic wave on a piezoelectric substrate, and an elastic wave device for transporting droplets on the piezoelectric substrate , A power supply circuit unit applying an alternating current electrical signal of a predetermined frequency to the excitation electrode with a set time width, a detection circuit unit measuring a reflection signal of the alternating current electrical signal at the excitation electrode, and a reflection measured by the detection circuit unit The arithmetic circuit unit detects a time difference between the signal and the AC electric signal, and calculates the position of the droplet on the piezoelectric substrate based on the time difference. The arithmetic circuit unit The position is calculated from the time difference by using an arithmetic expression set in a path for circulating droplets through the surface opposite to the interface of the substrate and the interface between the droplet and the piezoelectric substrate.
或いは、本発明の他の形態にかかる液滴検出方法は、圧電基板上に弾性表面波を励振させるための励振電極が設けられ、圧電基板上で液滴を搬送する弾性波デバイスを用いた液滴位置を検出する方法であって、励振電極に所定周波数の交流電気信号を設定された時間幅で印加し、励振電極における交流電気信号の反射信号を測定し、測定した反射信号と交流電気信号との時間差を検出し、反射信号の伝搬経路を、液滴と圧電基板の界面の反対側の表面と、液滴と圧電基板の界面とを経由して液滴を循環する経路に設定した演算式を用いることにより、時間差から圧電基板上の液滴の位置を算出する。 Alternatively, in a droplet detection method according to another aspect of the present invention, an excitation electrode for exciting a surface acoustic wave is provided on a piezoelectric substrate, and a liquid using an elastic wave device for transporting droplets on the piezoelectric substrate A method of detecting a drop position, applying an alternating current electrical signal of a predetermined frequency to an excitation electrode with a set time width, measuring a reflection signal of the alternating current electrical signal at the excitation electrode, and measuring the reflected signal and the alternating current electrical signal And the propagation path of the reflection signal is set to the path that circulates the droplet via the surface opposite to the interface between the droplet and the piezoelectric substrate and the interface between the droplet and the piezoelectric substrate The position of the droplet on the piezoelectric substrate is calculated from the time difference by using the equation.
上記形態の液滴検出装置及び液滴検出方法によれば、圧電基板上の励振電極に設定された時間幅で所定周波数の交流電気信号が印加され、励振電極における交流電気信号の反射信号が測定され、測定された反射信号と交流電気信号の時間差が検出され、圧電基板に対して反対側の液滴の表面と液滴の圧電基板側の界面とを経由して液滴を循環する経路を反射信号の伝搬経路に設定した演算式を用いて、その時間差から液滴の位置が算出される。このように、液滴の搬送用の励振電極を用いた反射信号の測定結果から液滴の位置が検出されるので、装置構成を簡素化することができる。それとともに、反射信号の伝搬経路が液滴を循環する経路に設定された演算式を用いて位置を算出することで、液滴位置の検出結果の精度が向上する。その結果、構成を複雑化させることなく正確な液滴位置の測定を実現することができる。 According to the droplet detection device and the droplet detection method of the above embodiment, an alternating current electrical signal of a predetermined frequency is applied with a time width set to the excitation electrode on the piezoelectric substrate, and a reflection signal of the alternating current electrical signal at the excitation electrode is measured And the time difference between the measured reflection signal and the alternating current electrical signal is detected, and a path for circulating the droplet is made via the surface of the droplet opposite to the piezoelectric substrate and the interface of the droplet on the piezoelectric substrate side. The position of the droplet is calculated from the time difference using an arithmetic expression set in the propagation path of the reflected signal. As described above, since the position of the droplet is detected from the measurement result of the reflection signal using the excitation electrode for transporting the droplet, the apparatus configuration can be simplified. At the same time, the accuracy of the detection result of the droplet position is improved by calculating the position using an arithmetic expression that is set as a route through which the propagation path of the reflected signal circulates the droplet. As a result, accurate measurement of droplet position can be realized without complicating the configuration.
ここで、電源回路部は、交流電気信号を発生させる交流信号生成回路と、時間幅のパルス信号を繰り返し発生させるパルス信号生成回路と、パルス信号に交流電気信号を重畳させる合成回路とを有する、こととしてもよい。こうすれば、設定された時間幅で交流電気信号を繰り返し発生させることができ、液滴位置の測定を繰り返し実行させることができる。 Here, the power supply circuit unit includes an AC signal generation circuit that generates an AC electric signal, a pulse signal generation circuit that repeatedly generates a pulse signal of a time width, and a synthesis circuit that superimposes the AC electric signal on the pulse signal. You may do it. In this way, alternating current electrical signals can be repeatedly generated with a set time width, and measurement of droplet position can be repeatedly performed.
また、パルス信号生成回路は、パルス信号の時間幅を可変に設定可能に構成されている、こととしてもよい。この場合、発生させる弾性表面波の時間幅を調整することができる結果、液滴の搬送と液滴位置の測定とを切り換えて実行することができる。 In addition, the pulse signal generation circuit may be configured to be able to variably set the time width of the pulse signal. In this case, since the time width of the generated surface acoustic wave can be adjusted, it is possible to switch and carry out the transport of the droplet and the measurement of the droplet position.
また、演算回路部は、弾性表面波の圧電基板上の伝搬速度（ＶＳＡＷ）、励振電極の液滴の搬送方向の幅（ｉ）、励振電極の液滴側の先端と液滴の励振電極側の先端との距離（ｌ）、液滴の直径（ｄ）、及び液滴中の縦波の伝搬速度（Ｖｌ）と、時間差（Δｔ）との間の下記の演算式（１）；
を用いて距離（ｌ）を算出し、距離（ｌ）を基に位置を算出するとしてもよい。この場合には、反射信号の伝搬経路の一部の長さが液滴を循環する経路の長さ（ｄ×（１＋π／２））に設定された演算式を用いて位置を算出することで、距離（ｌ）から求まる液滴位置の検出結果の精度が向上する。
In addition, the arithmetic circuit unit includes the propagation velocity (V SAW ) of the surface acoustic wave on the piezoelectric substrate, the width (i) of the transport direction of the droplet of the excitation electrode, the tip of the excitation electrode on the droplet side and the droplet excitation electrode The following equation (1) between the distance to the side tip (l), the diameter of the droplet (d), and the propagation velocity of the longitudinal wave (V 1 ) in the droplet and the time difference (Δt);
The distance (l) may be calculated using and the position may be calculated based on the distance (l). In this case, the position is calculated using an arithmetic expression in which the length of a part of the propagation path of the reflected signal is the length of the path through which the droplet circulates (d × (1 + π / 2)). The accuracy of the detection result of the droplet position obtained from the distance (l) is improved.
また、演算回路部は、演算式を用いることにより、時間差から液滴の量を算出することでもよいし、演算回路部は、演算式を用いることにより、時間差から液滴中の縦波の伝搬速度を算出し、伝搬速度を基に液滴の特性を算出することでもよい。この場合には、液滴の量或いは液滴の特性が未知の場合でも弾性波デバイスを用いてそれらを求めることができる。 Further, the arithmetic circuit unit may calculate the droplet amount from the time difference by using the arithmetic expression, and the arithmetic circuit unit may use the arithmetic expression to propagate the longitudinal wave in the droplet from the time difference. The velocity may be calculated, and the characteristics of the droplet may be calculated based on the propagation velocity. In this case, even if the amount of droplet or the characteristics of the droplet are unknown, they can be determined using an elastic wave device.
また、弾性波デバイスは、圧電基板の表面に発生した弾性表面波が伝搬する伝搬面に液相を介して配置された搬送路プレートをさらに含んでいてもよい。かかる構成を採れば、圧電基板の洗浄作業を不要として液滴の搬送作業の効率を向上させることができる The elastic wave device may further include a transport path plate disposed via a liquid phase on a propagation surface on which the surface acoustic wave generated on the surface of the piezoelectric substrate propagates. With this configuration, it is possible to improve the efficiency of the droplet transport operation without the need for cleaning the piezoelectric substrate.
本発明によれば、構成を複雑化させることなく正確な液滴位置を測定することができる。 According to the present invention, accurate droplet position can be measured without complicating the configuration.
以下、図面を参照しつつ本発明に係る液滴検出装置及び液滴検出方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。 Hereinafter, preferred embodiments of the droplet detection device and the droplet detection method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding parts will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. Also, each drawing is prepared for the purpose of explanation, and is drawn so as to particularly emphasize the target part of the explanation. Therefore, the dimensional ratio of each member in the drawings does not necessarily coincide with the actual one.
本発明の好適な一実施形態にかかる液滴検出装置に備えられる弾性波デバイスは、弾性表面波を利用して液滴を所定方向に搬送する装置である。ここで、弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ： ＳＡＷ）とは、弾性体の表面を伝搬する縦波と横波からなる波動である。 An elastic wave device provided in a droplet detection apparatus according to a preferred embodiment of the present invention is an apparatus for transporting a droplet in a predetermined direction using a surface acoustic wave. Here, a surface acoustic wave (SAW) is a wave composed of a longitudinal wave and a transverse wave propagating on the surface of an elastic body.
図１には、本実施形態にかかる液滴検出装置１００の概略構成を示している。同図に示すように、液滴検出装置１００は、弾性波デバイス１、正弦波発生器（交流信号生成回路）３、パルス波発生器（パルス信号生成回路）５、信号増幅器（合成回路）７、ブリッジ回路９、信号波形測定器（検出回路部）１１、及びデータ処理部（演算回路部）１３を含んで構成される。これらの正弦波発生器３とパルス波発生器５と信号増幅器７とで弾性波デバイス１に電気信号を供給する電源回路部が構成される。 FIG. 1 shows a schematic configuration of the droplet detection device 100 according to the present embodiment. As shown in the figure, the droplet detection device 100 includes an elastic wave device 1, a sine wave generator (AC signal generation circuit) 3, a pulse wave generator (pulse signal generation circuit) 5, and a signal amplifier (synthesis circuit) 7 , A bridge circuit 9, a signal waveform measuring instrument (detection circuit unit) 11, and a data processing unit (arithmetic circuit unit) 13. The sine wave generator 3, the pulse wave generator 5 and the signal amplifier 7 constitute a power supply circuit unit for supplying an electric signal to the elastic wave device 1.
まず、弾性波デバイス１の構成について説明する。図２には、弾性波デバイス１の構成の一例を示している。図２（ａ）は、弾性波デバイス１を圧電基板の表面側から見た平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の弾性波デバイス１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。弾性波デバイス１は、矩形平板状に形成された圧電基板１０１と、圧電基板１０１上で弾性表面波を励振させるための励振電極１０２とを備える。なお、ここで圧電基板の表面側とは、弾性表面波が伝搬する伝搬面側を示す。 First, the configuration of the elastic wave device 1 will be described. In FIG. 2, an example of a structure of the elastic wave device 1 is shown. 2 (a) is a plan view of the acoustic wave device 1 viewed from the surface side of the piezoelectric substrate, and FIG. 2 (b) is a cross-sectional view of the acoustic wave device 1 of FIG. 2 (a) along line II-II. It is. The elastic wave device 1 includes a piezoelectric substrate 101 formed in a rectangular flat plate shape, and an excitation electrode 102 for exciting a surface acoustic wave on the piezoelectric substrate 101. Here, the surface side of the piezoelectric substrate indicates the propagation surface side on which the surface acoustic wave propagates.
圧電基板１０１は、圧電効果によって弾性表面波を発生させる結晶体、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、水晶、ランガサイト、等により構成されている。なお、圧電基板１０１は、縦波を含む弾性波を発生する基板、例えば、ＰＺＴなどの圧電セラミックス、又は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなる圧電薄膜をガラス、シリコン等からなる基板の表面に全体的或いは部分的に積層したものでものであってもよい。また、圧電基板１０１は、圧電効果を生じる高分子基板であってもよい。なお、圧電効果とは、水晶等の結晶に力又は電場を加えた場合に、その力又は電場に応じた電圧又は歪が生じる現象であるが、本実施形態では、圧電基板１０１に電場を加えることによりその電場に応じた電歪が生じる現象をいう。 The piezoelectric substrate 101 is made of a crystal that generates a surface acoustic wave by a piezoelectric effect, such as lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), quartz, langasite, or the like. The piezoelectric substrate 101 is a substrate that generates an elastic wave including a longitudinal wave, for example, a piezoelectric thin film made of piezoelectric ceramic such as PZT, or zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN) or the like from glass, silicon or the like It may be entirely or partially laminated on the surface of the substrate. The piezoelectric substrate 101 may be a polymer substrate that produces a piezoelectric effect. The piezoelectric effect is a phenomenon in which when a force or an electric field is applied to a crystal such as quartz, a voltage or a strain occurs depending on the force or the electric field. In the present embodiment, an electric field is applied to the piezoelectric substrate 101. It means the phenomenon that the electrostriction according to the electric field is generated.
励振電極１０２は、圧電基板１０１の表面上の一方の端部（図２（ａ）の左端部）に設けられた一対の電極部材である。励振電極１０２は、圧電基板１０１に弾性表面波を励振するための電極であり、２つのすだれ状電極（ＩＤＴ：Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）１０２ａ，１０２ｂによって構成されている。具体的には、２つのすだれ状電極１０２ａ，１０２ｂは、それぞれ、圧電基板１０１の一方の端部に垂直な方向に沿って直線状に延びる基部と、その基部から直交する方向に互いに平行に延びる複数の電極指とを有しており、２つのすだれ状電極１０２ａ，１０２ｂは、お互いの電極指間に入り込んだ状態で配置されている。この励振電極１０２は、Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｐｔ等の金属単体、又はこれらの合金によって構成されており、フォトリソグラフィー、スパッタ法などにより圧電基板１０１の表面に形成される。このような構成の励振電極１０２は、交流電気信号の印加によって圧電基板１０１の表面上の液滴Ｄｐを圧電基板１０１の表面の励振電極１０２側の一方の端部から他方の端部に向けて、すなわち、２つのすだれ状電極１０２ａ，１０２ｂの電極指に直交する方向に沿って搬送することができる。 The excitation electrode 102 is a pair of electrode members provided at one end (left end in FIG. 2A) on the surface of the piezoelectric substrate 101. The excitation electrode 102 is an electrode for exciting a surface acoustic wave on the piezoelectric substrate 101, and is configured of two interdigital transducers (IDT: Interdigital Transducers) 102a and 102b. Specifically, the two interdigital electrodes 102a and 102b respectively extend in a direction perpendicular to one end of the piezoelectric substrate 101 in a straight line, and extend parallel to each other in a direction perpendicular to the base The two interdigital electrodes 102a and 102b are disposed in a state of being inserted between the electrode fingers. The excitation electrode 102 is made of a single metal such as Al, Au, Cu, Cr, Ti, Pt, or an alloy thereof, and is formed on the surface of the piezoelectric substrate 101 by photolithography, sputtering, or the like. The excitation electrode 102 having such a configuration directs the droplet Dp on the surface of the piezoelectric substrate 101 from the one end on the excitation electrode 102 side of the surface of the piezoelectric substrate 101 to the other end by the application of an alternating current electrical signal. That is, it can be transported along the direction orthogonal to the electrode fingers of the two interdigital electrodes 102a and 102b.
図１に戻って、液滴検出装置１００の各部の構成の詳細を説明する。 Referring back to FIG. 1, the details of the configuration of each part of the droplet detection device 100 will be described.
正弦波発生器３は、所定の高周波の周波数（例えば、５０ＭＨｚ、１００ＭＨｚ等）を有する正弦波の交流電気信号を生成する電源回路であり、パルス波発生器５は、所定の低周波の周波数（例えば、１Ｈｚ等の数Ｈｚオーダー）で所定のデューティ比（例えば、５０％）の矩形状の電気信号（パルス信号）を生成する電源回路である。すなわち、パルス波発生器５は、予め設定された時間幅（例えば、周波数１Ｈｚで５０％のデューティ比の場合は０．５ｓｅｃの時間幅）のパルス信号を規定の周波数で繰り返し発生させる。信号増幅器７は、その２つの入力がそれぞれ正弦波発生器３およびパルス波発生器５に接続され、正弦波発生器３から出力された交流電気信号をパルス波発生器５から出力されたパルス信号に重畳させて合成信号を生成し、その合成信号を増幅して出力する。これらの正弦波発生器３、パルス波発生器５、及び信号増幅器７によって構成される電源回路部は、正弦波の交流電気信号を、パルス信号の時間幅に対応する既定の時間幅で連続して弾性波デバイス１の励振電極１０２にブリッジ回路９を介して印加する。そして、この電源回路部は、交流電気信号の印加を断続的に規定の周波数で繰り返す。 The sine wave generator 3 is a power supply circuit that generates a sine wave AC electrical signal having a predetermined high frequency (for example, 50 MHz, 100 MHz, etc.), and the pulse wave generator 5 has a predetermined low frequency For example, it is a power supply circuit that generates a rectangular electric signal (pulse signal) having a predetermined duty ratio (for example, 50%) at several Hz order such as 1 Hz. That is, the pulse wave generator 5 repeatedly generates a pulse signal of a preset time width (for example, a time width of 0.5 sec in the case of a 50% duty ratio at a frequency of 1 Hz) at a prescribed frequency. The signal amplifier 7 has its two inputs connected to the sine wave generator 3 and the pulse wave generator 5 respectively, and the AC electrical signal output from the sine wave generator 3 is a pulse signal output from the pulse wave generator 5 To generate a composite signal, and the composite signal is amplified and output. A power supply circuit unit constituted by these sine wave generator 3, pulse wave generator 5 and signal amplifier 7 continuously converts a sine wave AC electric signal with a predetermined time width corresponding to the time width of the pulse signal. Then, the voltage is applied to the excitation electrode 102 of the elastic wave device 1 through the bridge circuit 9. And this power supply circuit unit repeats application of an alternating current electric signal intermittently at a prescribed frequency.
ブリッジ回路９は、３端子の方向性結合ブリッジ回路であり、第１の端子が信号増幅器７の出力に接続され、第２の端子が弾性波デバイス１の励振電極１０２の一方の端子に接続され、第３の端子が信号波形測定器１１の入力に接続されている。また、弾性波デバイス１の励振電極１０２の他方の端子は接地されている。このブリッジ回路９は、信号増幅器７から出力された合成信号を第１の端子及び第２の端子を経由して励振電極１０２に印加する一方で、励振電極１０２において生じる電圧変化を電気信号として第２の端子及び第３の端子を経由して信号波形測定器１１に出力する。 The bridge circuit 9 is a three-terminal directional coupling bridge circuit, the first terminal of which is connected to the output of the signal amplifier 7, and the second terminal of which is connected to one terminal of the excitation electrode 102 of the acoustic wave device 1. , And the third terminal is connected to the input of the signal waveform measuring instrument 11. The other terminal of the excitation electrode 102 of the elastic wave device 1 is grounded. The bridge circuit 9 applies the composite signal output from the signal amplifier 7 to the excitation electrode 102 via the first terminal and the second terminal, while changing the voltage generated at the excitation electrode 102 as an electrical signal. It outputs to the signal waveform measuring device 11 via the 2nd terminal and the 3rd terminal.
信号波形測定器１１は、励振電極１０２において生じる電圧の時間変化を測定し、その時間変化を示すデータを出力する測定器である。例えば、このような信号波形測定器１１として、オシロスコープが用いられる。この信号波形測定器１１は、励振電極１０２に印加される交流電気信号と、それに応じた圧電基板１０１上の液滴Ｄｐにおける反射波に起因する反射信号とに伴う励振電極１０２の電圧の時間変化を測定する。信号波形測定器１１は、測定した電圧の時間変化のデータを時系列のデータ系列として取得し、そのデータ系列を出力することができる。 The signal waveform measuring device 11 is a measuring device that measures a time change of a voltage generated at the excitation electrode 102 and outputs data indicating the time change. For example, an oscilloscope is used as such a signal waveform measuring instrument 11. The signal waveform measuring device 11 changes the voltage of the excitation electrode 102 with time, according to AC electric signal applied to the excitation electrode 102 and the reflection signal resulting from the reflected wave of the droplet Dp on the piezoelectric substrate 101 according to it. Measure The signal waveform measuring instrument 11 can obtain data of time change of the measured voltage as a time series data series, and can output the data series.
データ処理部１３は、信号波形測定器１１から出力された電圧の時間変化を示すデータ系列を処理するデータ処理ユニットである。このようなデータ処理部１３は、物理的には、ＣＰＵ等の演算処理回路、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のデータ記憶装置を内蔵し、弾性波デバイス１の圧電基板１０１上の液滴Ｄｐの位置を検出するためのデータ処理装置である。データ処理部１３は、汎用のコンピュータ端末によって実現されてもよいし、マイクロコントローラユニット（ＭＰＵ）等を搭載した専用のＣＰＵボードによって実現されてもよい。データ処理部１３の機能の詳細については後述する。 The data processing unit 13 is a data processing unit that processes a data sequence indicating time change of the voltage output from the signal waveform measuring unit 11. Such data processing unit 13 physically incorporates a data storage device such as an arithmetic processing circuit such as a CPU, RAM, ROM, etc., and detects the position of the droplet Dp on the piezoelectric substrate 101 of the acoustic wave device 1 Data processing device for The data processing unit 13 may be realized by a general-purpose computer terminal or may be realized by a dedicated CPU board on which a microcontroller unit (MPU) or the like is mounted. Details of the function of the data processing unit 13 will be described later.
図３には、信号波形測定器１１によって測定される電圧の時間変化の一例を示している。図３（ａ）は、弾性波デバイス１の圧電基板１０１上に液滴Ｄｐを配置する前に測定される電圧の時間変化を示すグラフであり、図３（ｂ）は、弾性波デバイス１の圧電基板１０１上に液滴Ｄｐを配置した後に測定される電圧の時間変化を示すグラフである。これらのグラフにおいては、横軸に時間変化を縦軸に電圧の振幅を示している。図３（ａ）に示すように、圧電基板１０１上に液滴Ｄｐを配置する前においては、信号波形測定器１１によって測定される電圧の時間変化には、電源回路部によって励振電極１０２に印加される交流電気信号の波形ＷＦ１のみが、交流電気信号の印加タイミングに対応して現れる。これに対して、図３（ｂ）に示すように、圧電基板１０１上の励振電極１０２に対向する位置に液滴Ｄｐを配置した場合には、信号波形測定器１１によって測定される電圧の時間変化には、交流電気信号の波形ＷＦ１に加えて、交流電気信号によって生じる弾性表面波の液滴Ｄｐに起因する反射信号の波形ＷＦ２が現れる。この交流電気信号の波形ＷＦ１の生じ始める開始時刻ＳＴ１と、反射信号の波形ＷＦ２の生じ始める開始時刻ＳＴ２との間の時間差ΔＴは、圧電基板１０１上における液滴Ｄｐの励振電極１０２からの距離に依存しており、このことを利用して、データ処理部１３は、時間差ΔＴを基に圧電基板１０１上の液滴Ｄｐの位置を算出する。 FIG. 3 shows an example of the time change of the voltage measured by the signal waveform measuring device 11. FIG. 3A is a graph showing a time change of voltage measured before disposing the droplet Dp on the piezoelectric substrate 101 of the acoustic wave device 1, and FIG. 3B is a graph showing the acoustic wave device 1. FIG. 7 is a graph showing a time change of voltage measured after disposing a droplet Dp on a piezoelectric substrate 101. FIG. In these graphs, the horizontal axis represents time change and the vertical axis represents voltage amplitude. As shown in FIG. 3A, before disposing the droplet Dp on the piezoelectric substrate 101, the power supply circuit unit applies voltage to the excitation electrode 102 for the time change of the voltage measured by the signal waveform measuring instrument 11. only the waveform WF 1 alternating electric signal will appear in correspondence with the application timing of the AC electric signal. On the other hand, as shown in FIG. 3B, when the droplet Dp is disposed at a position facing the excitation electrode 102 on the piezoelectric substrate 101, the time of the voltage measured by the signal waveform measuring instrument 11 the change, in addition to the waveform WF 1 alternating electric signal, the waveform WF 2 of the reflected signal due to liquid drop Dp of the surface acoustic wave appear caused by the AC electrical signal. And start time ST 1 which begins to occur in the waveform WF 1 of the alternating electric signal, the time difference ΔT between the start time ST 2 which begins to occur in the waveform WF 2 of the reflected signal, the excitation electrodes of the liquid drop Dp in the piezoelectric substrate 101 on 102 The data processing unit 13 calculates the position of the droplet Dp on the piezoelectric substrate 101 based on the time difference ΔT, using this fact.
詳細には、データ処理部１３による液滴の位置の算出においては、図４及び図５に示すようなモデル図を前提にしている。図４は、弾性波デバイス１を液滴Ｄｐの搬送方向に垂直、かつ圧電基板１０１に平行な方向から見たモデル図、図５は、図４のモデル図における液滴Ｄｐの部分を拡大した図である。ここでは、液滴Ｄｐの中心を励振電極１０２の中心線上に配置した場合を想定している。このモデルにおいて、励振電極１０２の片方のすだれ状電極１０２ａの電極指の液滴Ｄｐの搬送方向の幅をｉ、すだれ状電極１０２ａの搬送方向の先端と液滴Ｄｐのすだれ状電極１０２ａ側の先端との距離をｌと仮定し、圧電基板１０１上に配置された液滴Ｄｐの形状を半球状としてその直径をｄと仮定する。 In detail, in the calculation of the position of the droplet by the data processing unit 13, model diagrams as shown in FIGS. 4 and 5 are premised. FIG. 4 is a model view of the elastic wave device 1 viewed from a direction perpendicular to the transport direction of the droplets Dp and parallel to the piezoelectric substrate 101. FIG. 5 is an enlarged view of the droplet Dp in the model diagram of FIG. FIG. Here, it is assumed that the center of the droplet Dp is disposed on the center line of the excitation electrode 102. In this model, the width in the transport direction of the droplet Dp of the electrode finger of one interdigital transducer 102a of the excitation electrode 102 is i, the tip in the transport direction of the interdigital transducer 102a and the tip of the droplet Dp on the interdigital electrode 102a side And the distance D of the droplet Dp disposed on the piezoelectric substrate 101 is assumed to be hemispherical, and the diameter thereof is assumed to be d.
このようなモデルにおいては、励振電極１０２に交流電気信号が印加されると励振電極１０２のすだれ状電極１０２ａの先端から搬送方向に向けて圧電基板１０１上を伝搬する弾性表面波が発生する。そして、弾性表面波の伝播方向に液滴Ｄｐが存在する場合において弾性表面波が液滴Ｄｐに到達すると、弾性表面波は液滴Ｄｐ内に縦波を放射しながら次第に減衰する。この弾性表面波のパワーがある程度大きくその持続時間もある程度長い場合には、縦波によって液滴Ｄｐ内に生じた放射圧によって、液滴Ｄｐが圧電基板１０１上を搬送方向に向けて搬送される。その一方で、液滴Ｄｐ内に放射された縦波は液滴Ｄｐ内で循環する反射波ＲＷを生じさせる。 In such a model, when an alternating current electrical signal is applied to the excitation electrode 102, a surface acoustic wave is generated which propagates on the piezoelectric substrate 101 from the tip of the interdigital electrode 102a of the excitation electrode 102 in the transport direction. When the surface acoustic wave reaches the droplet Dp in the case where the droplet Dp is present in the propagation direction of the surface acoustic wave, the surface acoustic wave gradually attenuates while emitting a longitudinal wave in the droplet Dp. When the power of the surface acoustic wave is large to some extent and the duration is also long to some extent, the droplet Dp is transported in the transport direction on the piezoelectric substrate 101 by the radiation pressure generated in the droplet Dp by the longitudinal wave. . On the other hand, the longitudinal wave emitted into the droplet Dp generates a reflected wave RW circulating in the droplet Dp.
データ処理部１３に適用される計算モデルにおいては、この反射波ＲＷの伝搬経路が図５に示す経路に想定される。すなわち、反射波ＲＷの伝搬経路を、半球状と仮定した液滴Ｄｐの中心を通り弾性表面波の伝搬方向Ｘに沿った断面における２つの経路ＲＴ１，ＲＴ２を含む経路と想定する。経路ＲＴ１は、当該断面における液滴Ｄｐと圧電基板１０１との界面の反対側の表面の境界線と想定され、経路ＲＴ２は、当該断面における液滴Ｄｐと圧電基板１０１との界面上の境界線と想定される。このようなモデルにおいては、経路ＲＴ１の長さｒは、ｒ＝（１／２）πｄと計算することができ、経路ＲＴ２の長さはｄと等しくなる。 In the calculation model applied to the data processing unit 13, the propagation path of the reflected wave RW is assumed to be the path shown in FIG. That is, the propagation path of the reflected wave RW is assumed to be a path including two paths RT 1 and RT 2 in a cross section along the propagation direction X of the surface acoustic wave, passing through the center of the droplet Dp assumed to be hemispherical. Route RT 1 is assumed boundary line of the opposite surface of the interface between the liquid drop Dp and the piezoelectric substrate 101 in the cross section, the route RT 2 is on the interface between the liquid drop Dp and the piezoelectric substrate 101 in the cross-section It is assumed to be a border. In such a model, the length r of the route RT 1 can be calculated as r = (1/2) [pi] d, the length of the path RT 2 becomes equal as d.
このような計算モデルの仮定のもと、データ処理部１３は、反射波の伝搬経路を上記のように設定した演算式を用いることで、交流電気信号と反射信号との時間差ΔＴを基に液滴Ｄｐの位置を算出する。詳細には、データ処理部１３は、まず、信号波形測定器１１から出力された電圧の時間変化のデータ系列を処理することにより、その時間変化に現れる交流電気信号の波形ＷＦ１の開始時刻と反射信号の波形ＷＦ２の開始時刻とを特定する。さらに、データ処理部１３は、特定した２つの開始時刻から時間差ΔＴを算出する。このとき、データ処理部１３は、励振電極１０２に対する交流電気信号とパルス信号とが重畳された合成信号の印加により、繰り返し算出される時間差の平均値を時間差ΔＴとして算出することもできる。さらに、データ処理部１３は、算出した時間差ΔＴと、励振電極１０２の幅ｉ、励振電極１０２と液滴Ｄｐとの距離ｌ、液滴Ｄｐの直径ｄ、弾性表面波の圧電基板１０１上の伝搬速度ＶＳＡＷ、及び液滴Ｄｐ中の縦波の伝搬速度Ｖｌとの関係を示す演算式（１）；、
を解くことにより、時間差ΔＴを基に距離ｌを算出する。
Based on the assumption of such a calculation model, the data processing unit 13 uses the arithmetic expression in which the propagation path of the reflected wave is set as described above, and thereby the liquid based on the time difference .DELTA.T between the alternating current electrical signal and the reflected signal. The position of the drop Dp is calculated. Specifically, the data processing unit 13 first processes the data series of the time change of the voltage output from the signal waveform measuring instrument 11 to start the waveform WF 1 of the AC electric signal appearing in the time change and It identifies the start time of the waveform WF 2 of the reflected signal. Furthermore, the data processing unit 13 calculates a time difference ΔT from the two specified start times. At this time, the data processing unit 13 can also calculate, as the time difference ΔT, the average value of the time differences repeatedly calculated by applying the composite signal in which the AC electric signal and the pulse signal are superimposed to the excitation electrode 102. Furthermore, the data processing unit 13 transmits the calculated time difference ΔT, the width i of the excitation electrode 102, the distance l between the excitation electrode 102 and the droplet Dp, the diameter d of the droplet Dp, and the propagation of surface acoustic waves on the piezoelectric substrate 101. Arithmetic expression (1) showing the relationship between the velocity V SAW and the propagation velocity V l of the longitudinal wave in the droplet Dp;
The distance l is calculated based on the time difference ΔT by solving
この演算式（１）における数値ｉ，ｄは、弾性波デバイス１の構成および使用する液滴Ｄｐの量に対応して予めデータ処理部１３内にその数値が設定される。同様に、伝搬速度ＶＳＡＷは、圧電基板１０１を構成する材料、印加される合成信号の条件、および圧電基板１０１上の気体の種類等に対応して、予めデータ処理部１３内にその数値が設定される。伝搬速度Ｖｌは、使用される液滴Ｄｐの材料の特性、印加される合成信号の条件等に対応して、予めデータ処理部１３内にその数値が設定される。 The numerical values i and d in the arithmetic expression (1) are set in advance in the data processing unit 13 in accordance with the configuration of the elastic wave device 1 and the amount of the droplets Dp to be used. Similarly, the propagation velocity V.sub.SAW corresponds to the material of the piezoelectric substrate 101, the condition of the applied composite signal, the type of gas on the piezoelectric substrate 101, etc. It is set. Propagation velocity V l is characteristic of the material of the liquid drop Dp used, corresponding to conditions of the applied composite signal, that number is set in advance the data processing unit 13.
そして、データ処理部１３は、算出した距離ｌを所定の条件で変換することにより圧電基板１０１上における液滴Ｄｐの位置を算出して出力する。例えば、距離ｌを圧電基板１０１の所定位置を基準とした所定の縮尺の距離に変換してもよいし、所定の座標系に変換した座標値を算出してもよい。液滴Ｄｐの位置の出力は、データ処理部１３に直接設けられたディスプレイ等の出力デバイスに対して行われてもよいし、通信ネットワークやメモリ等のデータ記録媒体を介して外部に出力されてもよい。 Then, the data processing unit 13 calculates and outputs the position of the droplet Dp on the piezoelectric substrate 101 by converting the calculated distance l under a predetermined condition. For example, the distance l may be converted to a distance of a predetermined reduced scale based on a predetermined position of the piezoelectric substrate 101, or coordinate values converted to a predetermined coordinate system may be calculated. The output of the position of the droplet Dp may be performed on an output device such as a display provided directly in the data processing unit 13 or may be output to the outside through a data recording medium such as a communication network or a memory. It is also good.
なお、データ処理部１３は、上記演算式（１）を用いることで、交流電気信号と反射信号との時間差ΔＴを基に液滴Ｄｐの量を算出することもできる。すなわち、液滴Ｄｐの位置が明らかであり、その量が未知である場合においては、数値ｉ，ｌ，ＶＳＡＷ，Ｖｌが予めデータ処理部１３内に設定される。そして、データ処理部１３は、合成信号の印加に伴って算出した時間差ΔＴを基に、上記演算式（１）を解くことにより、液滴Ｄｐの直径ｄを算出する。さらに、データ処理部１３は、直径ｄを基に液滴Ｄｐの量を表す値を算出して出力する。 The data processing unit 13 can also calculate the amount of the droplets Dp based on the time difference ΔT between the alternating current electrical signal and the reflection signal by using the above-described arithmetic expression (1). That is, when the position of the droplet Dp is clear and the amount thereof is unknown, numerical values i, l, V SAW and V l are set in the data processing unit 13 in advance. Then, the data processing unit 13 calculates the diameter d of the droplet Dp by solving the arithmetic expression (1) based on the time difference ΔT calculated with the application of the composite signal. Further, the data processing unit 13 calculates and outputs a value representing the amount of the droplet Dp based on the diameter d.
同様にして、データ処理部１３は、上記演算式（１）を用いることで、交流電気信号と反射信号との時間差ΔＴを基に液滴Ｄｐの特性を算出することもできる。すなわち、液滴Ｄｐの位置及び量が明らかであり、その材質が未知である場合においては、数値ｉ，ｌ，ｄ，ＶＳＡＷが予めデータ処理部１３内に設定される。そして、データ処理部１３は、合成信号の印加に伴って算出した時間差ΔＴを基に、上記演算式（１）を解くことにより、液滴Ｄｐ中の伝搬速度Ｖｌを算出する。さらに、データ処理部１３は、伝搬速度Ｖｌを基に液滴Ｄｐの材料の特性を表す値を算出して出力する。このとき算出する液滴Ｄｐの特性としては濃度、密度、比重等が挙げられる。 Similarly, the data processing unit 13 can also calculate the characteristics of the droplet Dp based on the time difference ΔT between the alternating current electrical signal and the reflection signal by using the above-described arithmetic expression (1). That is, when the position and the amount of the droplet Dp are clear and the material is unknown, the numerical values i, l, d and VSAW are set in the data processing unit 13 in advance. The data processing unit 13, based on the time difference ΔT calculated with the application of the composite signal, by solving the above-mentioned calculation equation (1), calculates the propagation velocity V l in the droplets Dp. Furthermore, the data processing unit 13 calculates and outputs a value representing a characteristic of the material of the liquid drop Dp based on the propagation velocity V l. The characteristics of the droplet Dp calculated at this time include density, density, specific gravity and the like.
次に、本実施形態の液滴検出装置１００を用いた液滴検出方法の手順について説明する。まず、液滴検出装置１００の処理が起動されると、電源回路部によって生成された合成信号が弾性波デバイス１の励振電極１０２に印加される。次に、信号波形測定器１１によって励振電極１０２における電圧の時間変化が測定され、その時間変化に含まれる反射信号が検出される。その後、データ処理部１３によって、信号波形測定器１１から出力されたデータ系列が処理されることにより、励振電極１０２の電圧の時間変化に現れる交流電気信号と反射信号との時間差ΔＴが検出される。さらに、データ処理部１３により、検出した時間差ΔＴを基に、反射信号の伝搬経路が計算モデルによって設定された演算式（１）を用いることによって、液滴Ｄｐの位置が算出され出力される。 Next, the procedure of a droplet detection method using the droplet detection device 100 of the present embodiment will be described. First, when the process of the droplet detection device 100 is started, the composite signal generated by the power supply circuit unit is applied to the excitation electrode 102 of the elastic wave device 1. Next, the time variation of the voltage at the excitation electrode 102 is measured by the signal waveform measuring device 11, and the reflection signal included in the time variation is detected. Thereafter, the data series output from the signal waveform measuring instrument 11 is processed by the data processing unit 13 to detect the time difference ΔT between the alternating current electrical signal and the reflection signal which appears in the time change of the voltage of the excitation electrode 102 . Furthermore, based on the detected time difference ΔT, the data processing unit 13 calculates and outputs the position of the droplet Dp by using the arithmetic expression (1) in which the propagation path of the reflection signal is set by the calculation model.
以上説明した液滴検出装置１００およびそれを用いた液滴検出方法によれば、圧電基板１０１上の励振電極１０２に設定された時間幅で所定周波数の交流電気信号が印加され、励振電極１０２における交流電気信号の反射信号が測定され、測定された反射信号と交流電気信号の時間差ΔＴが検出され、圧電基板１０１に対して反対側の液滴Ｄｐの表面と液滴Ｄｐの圧電基板１０１側の界面とを経由して液滴Ｄｐを循環する経路を反射信号の伝搬経路に設定した演算式（１）を用いて、その時間差ΔＴから液滴の位置が算出される。このように、液滴の搬送用の励振電極１０２を用いた反射信号の測定結果から液滴Ｄｐの位置が検出されるので、装置構成を簡素化することができる。それとともに、反射信号の伝搬経路が液滴Ｄｐを循環する経路に設定された演算式（１）を用いて位置を算出することで、液滴位置の検出結果の精度が向上する。その結果、構成を複雑化させることなく正確な液滴位置の測定を実現することができる。 According to the droplet detection device 100 described above and the droplet detection method using the same, an alternating current electrical signal of a predetermined frequency is applied in a time width set to the excitation electrode 102 on the piezoelectric substrate 101, and the excitation electrode 102 The reflection signal of the AC electrical signal is measured, the time difference ΔT of the measured reflection signal and the AC electrical signal is detected, and the surface of the droplet Dp opposite to the piezoelectric substrate 101 and the droplet Dp on the piezoelectric substrate 101 side The position of the droplet is calculated from the time difference ΔT by using an arithmetic expression (1) in which the path circulating the droplet Dp via the interface is set as the propagation path of the reflection signal. As described above, since the position of the droplet Dp is detected from the measurement result of the reflection signal using the excitation electrode 102 for transporting the droplet, the apparatus configuration can be simplified. At the same time, the accuracy of the detection result of the droplet position is improved by calculating the position using the arithmetic expression (1) set to the route through which the propagation path of the reflected signal circulates the droplet Dp. As a result, accurate measurement of droplet position can be realized without complicating the configuration.
ここで、本実施形態で用いられる計算モデルにおける演算式（１）の精度を確認した結果を示す。図６には、演算式（１）によって算出した液滴Ｄｐの体積と時間差ΔＴとの関係を実測結果と比較したグラフを示している。ここでは、液滴Ｄｐの材料として水を用いた場合を想定し、数値ｉ，ｌ，ＶＳＡＷ，Ｖ１を既知の値として、演算式（１）から定まる時間差ΔＴと液滴Ｄｐの体積との関係を示している。また、同一の条件の弾性波デバイス１を用いて同一の交流電気信号の印加条件下で、液滴Ｄｐとして水を用いて信号波形測定器１１によって測定された実測値を併せて示している。この結果に示すように、演算式（１）から求まる関係は実測値とよく一致することが分かり、この演算式（１）を用いて求められる液滴Ｄｐの位置の精度が高いことが理解できる。 Here, the result of having confirmed the precision of operation formula (1) in the calculation model used by this embodiment is shown. FIG. 6 shows a graph comparing the relationship between the volume of the droplet Dp calculated by the arithmetic expression (1) and the time difference ΔT with the measurement result. Here, assuming that water is used as the material of the droplet Dp, assuming that the numerical values i, l, V SAW and V 1 are known values, the time difference ΔT determined from the arithmetic expression (1) and the volume of the droplet Dp Shows the relationship between Further, actual values measured by the signal waveform measuring instrument 11 using water as the droplet Dp under the same application condition of alternating current electrical signal using the elastic wave device 1 under the same condition are also shown. As shown in this result, it can be understood that the relationship obtained from the equation (1) matches well with the actual measurement value, and it can be understood that the accuracy of the position of the droplet Dp determined using this equation (1) is high. .
同様に、図７には、演算式（１）によって算出した液滴Ｄｐの体積と時間差ΔＴとの関係を実測結果と比較したグラフを示している。図６との相違点は、液滴として２５重量％のグリセロールを用いた点である。また、図８には、演算式（１）によって算出した液滴Ｄｐの体積と時間差ΔＴとの関係を実測結果と比較したグラフを示している。図６との相違点は、液滴として５０重量％のグリセロールを用いた点である。これらの結果より、液滴Ｄｐの材料を変更した場合でも演算式（１）から求まる関係は実測値とよく一致することが分かり、この演算式（１）を用いて求められる液滴Ｄｐの位置の精度が高いことが理解できる。 Similarly, FIG. 7 shows a graph comparing the relationship between the volume of the droplet Dp calculated by the arithmetic expression (1) and the time difference ΔT with the measurement result. The difference from FIG. 6 is that 25% by weight of glycerol was used as a droplet. Further, FIG. 8 shows a graph in which the relationship between the volume of the droplet Dp calculated by the arithmetic expression (1) and the time difference ΔT is compared with the measurement result. The difference from FIG. 6 is that 50% by weight of glycerol was used as a droplet. From these results, it can be seen that even when the material of the droplet Dp is changed, the relationship obtained from the equation (1) matches well with the actual measurement value, and the position of the droplet Dp determined using this equation (1) It can be understood that the accuracy of
また、本実施形態では、電源回路部が正弦波発生器３とパルス波発生器５と信号増幅器７とにより構成されている。このような構成により、設定された時間幅で交流電気信号を繰り返し発生させることができ、液滴位置の測定を繰り返し実行させることができる。また、時間差ΔＴの平均値を基に位置測定を行うこともでき、測定精度が向上する。 Further, in the present embodiment, the power supply circuit unit is configured by the sine wave generator 3, the pulse wave generator 5, and the signal amplifier 7. With such a configuration, an alternating current electrical signal can be repeatedly generated with a set time width, and the measurement of the droplet position can be repeatedly performed. Also, position measurement can be performed based on the average value of the time difference ΔT, and measurement accuracy is improved.
また、本実施形態では、演算式（１）を用いることにより、時間差ΔＴから液滴Ｄｐの量を算出することもできるし、時間差ΔＴから液滴Ｄｐ中の縦波の伝搬速度Ｖ１を算出し、伝搬速度Ｖ１を基に液滴の特性を算出することもできる。このように、液滴Ｄｐの量或いは液滴Ｄｐの特性が未知の場合でも弾性波デバイス１を用いてそれらを求めることができる。 Further, in the present embodiment, the amount of the droplet Dp can be calculated from the time difference ΔT by using the arithmetic expression (1), and the propagation velocity V 1 of the longitudinal wave in the droplet Dp is calculated from the time difference ΔT. and it can also calculate the characteristics of the droplets on the basis of the propagation velocity V 1. Thus, even if the amount of the droplets Dp or the characteristics of the droplets Dp are unknown, they can be determined using the elastic wave device 1.
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。 The present invention is not limited to the embodiments described above.
上記実施形態においては、パルス波発生器５がパルス信号のデューティ比を可変に設定可能に構成されていてもよい。このような構成によれば、パルス信号のオン期間の時間幅を可変とすることができる。この場合、発生させる弾性表面波の時間幅を調整することができる結果、液滴Ｄｐの搬送と液滴位置の測定とを切り換えて実行することができる。具体的には、液滴Ｄｐを搬送したい場合にはデューティ比を大きくして弾性表面波の持続時間を長くでき、液滴Ｄｐの位置を検出したい場合にはデューティ比を小さくして交流電気信号に反射信号が埋もれることを防止して測定の精度を高めることができる。 In the above embodiment, the pulse wave generator 5 may be configured to be able to variably set the duty ratio of the pulse signal. According to such a configuration, the time width of the on period of the pulse signal can be made variable. In this case, as a result of adjusting the time width of the generated surface acoustic wave, it is possible to switch and carry out the transport of the droplet Dp and the measurement of the droplet position. Specifically, when it is desired to transport the droplet Dp, the duty ratio can be increased to increase the duration of the surface acoustic wave, and when it is desired to detect the position of the droplet Dp, the duty ratio can be decreased to perform alternating current electrical signal Can prevent the reflection signal from being buried and improve the measurement accuracy.
また、上記の実施形態においては、弾性波デバイス１として励振電極を複数備えたものを用いてもよい。図９は、本発明の変形例にかかる弾性波デバイス１Ａを液滴Ｄｐの搬送方向に垂直、かつ圧電基板１０１に平行な方向から見た側面図、図１０は、図９の弾性波デバイス１Ａを含む液滴検出装置１００Ａの概略構成を示す図である。 In the above embodiment, the elastic wave device 1 may be provided with a plurality of excitation electrodes. FIG. 9 is a side view of an acoustic wave device 1A according to a modification of the present invention as viewed from a direction perpendicular to the transport direction of the droplets Dp and parallel to the piezoelectric substrate 101. FIG. Is a diagram showing a schematic configuration of a droplet detection device 100A including the
図９に示す弾性波デバイス１Ａは、一対のすだれ状電極からなる励振電極１０２に加えて、圧電基板１０１上の励振電極１０２に対して反対側の端部に、励振電極１０２と同一構成の励振電極１０２Ａを備えている。この励振電極１０２Ａは、圧電基板１０１の中心線を基準にして励振電極１０２と対称な形状となるように構成されている。すなわち、励振電極１０２Ａを構成するすだれ状電極の電極指の搬送方向に沿った幅は、励振電極１０２と同一値ｉに設定されている。そして、図１０示す液滴検出装置１００Ａは、励振電極１０２Ａに交流電圧信号を印加するための構成として、正弦波発生器３、パルス波発生器５、信号増幅器７、及びブリッジ回路９のそれぞれと同一構成の正弦波発生器３Ａ、パルス波発生器５Ａ、信号増幅器７Ａ、及びブリッジ回路９Ａが追加されている。そして、信号波形測定器１１Ａは、励振電極１０２における電圧の時間変化をブリッジ回路９を介して測定するとともに、励振電極１０２Ａにおける電圧の時間変化をブリッジ回路９Ａを介して測定し、励振電極１０２，１０２Ａのそれぞれにおける電圧の時間変化を示すデータ系列を同時にデータ処理部１３Ａに出力する。 The elastic wave device 1A shown in FIG. 9 has an excitation having the same configuration as the excitation electrode 102 at the end opposite to the excitation electrode 102 on the piezoelectric substrate 101 in addition to the excitation electrode 102 consisting of a pair of interdigital electrodes. An electrode 102A is provided. The excitation electrode 102A is configured to be symmetrical to the excitation electrode 102 with reference to the center line of the piezoelectric substrate 101. That is, the width along the conveyance direction of the electrode fingers of the interdigital transducer constituting the excitation electrode 102A is set to the same value i as that of the excitation electrode 102. The droplet detection device 100A shown in FIG. 10 has a configuration for applying an AC voltage signal to the excitation electrode 102A, which includes a sine wave generator 3, a pulse wave generator 5, a signal amplifier 7, and a bridge circuit 9. A sine wave generator 3A, a pulse wave generator 5A, a signal amplifier 7A, and a bridge circuit 9A having the same configuration are added. Then, the signal waveform measuring instrument 11A measures the time change of the voltage at the excitation electrode 102 through the bridge circuit 9, and measures the time change of the voltage at the excitation electrode 102A through the bridge circuit 9A. A data sequence indicating temporal change of voltage in each of 102A is simultaneously output to the data processing unit 13A.
液滴検出装置１００Ａのデータ処理部１３Ａは、２つの励振電極１０２，１０２Ａに対応するデータ系列を参照して、交流電気信号と反射信号との時間差ΔＴ１、ΔＴ２をそれぞれ算出する。そして、データ処理部１３Ａは、これらの時間差ΔＴ１、ΔＴ２を基に液滴Ｄｐの位置及び量を同時に算出して出力することができる。詳細には、このとき用いる計算モデルにおいて、搬送方向に沿った励振電極１０２，１０２Ａの幅をｉ、励振電極１０２の先端と液滴Ｄｐの先端との距離をｌ１、励振電極１０２Ａの先端と液滴Ｄｐの先端との距離をｌ２、液滴Ｄｐの直径をｄ、弾性表面波の圧電基板１０１上の伝搬速度をＶＳＡＷ、及び液滴Ｄｐ中の縦波の伝搬速度をＶｌとそれぞれ想定する。この計算モデルでは、時間差ΔＴ１は、下記演算式（２）；、
によって表され、時間差ΔＴ２は、下記演算式（３）；、
によって表される。
The data processing unit 13A of the droplet detection device 100A calculates time differences ΔT 1 and ΔT 2 between the alternating current electrical signal and the reflection signal with reference to the data series corresponding to the two excitation electrodes 102 and 102A. The data processing unit 13A can simultaneously calculate and output the position and the amount of the droplet Dp based on the time differences ΔT 1 and ΔT 2 . Specifically, in the calculation model used at this time, the width of the excitation electrodes 102 and 102A along the transport direction is i, the distance between the tip of the excitation electrode 102 and the tip of the droplet Dp is l1, the tip of the excitation electrode 102A and the liquid Assuming that the distance between the droplet Dp and the tip is 12, the diameter of the droplet Dp, the propagation velocity of the surface acoustic wave on the piezoelectric substrate 101 as V SAW and the propagation velocity of the longitudinal wave in the droplet D as V 1 Do. In this calculation model, the time difference ΔT 1 is calculated by the following equation (2);
The time difference ΔT 2 is expressed by the following equation (3);
Represented by
上記のような計算モデルを用いて、データ処理部１３Ａは、時間差ΔＴ１、ΔＴ２を基に液滴Ｄｐの位置と量とを同時に算出する。すなわち、データ処理部１３Ａは、予め設定された値ｉ，ＶＳＡＷ，Ｖ１を参照して、圧電基板１０１上の２つの励振電極１０２，１０２Ａの先端の間の既知の距離Ｌから設定される下記演算式（４）；
Ｌ＝ｌ１＋ｌ２＋ｄ …（４）
と、演算式（２）及び演算式（３）とを解くことにより、液滴Ｄｐの直径ｄと距離ｌ１，ｌ２を求めることができる。そして、これらの直径ｄ及び距離ｌ１，ｌ２を基に液滴Ｄｐの量及び位置を算出することができる。また、データ処理部１３Ａは、液滴Ｄｐの位置が既知の場合には、液滴Ｄｐの量及び特性を同時に算出することができるし、液滴Ｄｐの量が既知の場合には、液滴Ｄｐの位置及び特性を同時に算出することができる。
Using the calculation model as described above, the data processing unit 13A simultaneously calculates the position and the amount of the droplet Dp based on the time differences ΔT 1 and ΔT 2 . That is, the data processing unit 13A is set from the known distance L between the tips of the two excitation electrodes 102 and 102A on the piezoelectric substrate 101 with reference to the preset values i, V SAW and V 1. Following arithmetic expression (4);
L = l1 + l2 + d (4)
By solving equation (2) and equation (3), the diameter d of the droplet Dp and the distances l1, l2 can be determined. Then, the amount and position of the droplet Dp can be calculated based on the diameter d and the distances l1 and l2. Further, the data processing unit 13A can simultaneously calculate the amount and characteristics of the droplet Dp when the position of the droplet Dp is known, and when the amount of the droplet Dp is known, the data processing unit 13A The position and characteristics of Dp can be calculated simultaneously.
このような変形例によれば、構成を複雑化させることなく正確な液滴位置及び液滴の量の測定を実現することができる。なお、この変形例では、電源回路部を励振電極に対応した個数分設けているが、電源回路部を１つにしてスイッチ等を利用して励振電極１０２，１０２Ａに時分割で交流電気信号を印加するようにしてもよい。その際、時間差ΔＴ１，ΔＴ２の検出も交流電気信号の時分割での切り替えに同期して時分割で行われてもよい。 According to such a modification, accurate measurement of droplet position and droplet amount can be realized without complicating the configuration. In this modification, the power supply circuit units are provided by the number corresponding to the excitation electrodes. However, one power supply circuit unit is provided, and alternating current electrical signals are time-divisionally divided into excitation electrodes 102 and 102A using switches and the like. You may make it apply. At that time, detection of the time differences ΔT 1 and ΔT 2 may also be performed in time division in synchronization with switching in time division of the AC electric signal.
また、図１１には、本発明の他の変形例にかかる弾性波デバイス１Ｂの構成を示している。この変形例では、弾性波デバイス１Ｂの圧電基板１０１上の一方の端部に３つの励振電極１０２，１０２Ｂ，１０２Ｃを設けた弾性波デバイス１Ｂを示している。これらの励振電極１０２，１０２Ｂ，１０２Ｃにはそれぞれ独立した電源回路部が接続されており、それぞれ独立して動作が制御できるように構成されている。また、この弾性波デバイス１Ｂにおける圧電基板１０１上には、励振電極１０２，１０２Ｂ，１０２Ｃのそれぞれの側から液滴Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３をそれらの搬送方向に搬送させるための親水性を有するガイド１０７が設けられている。このガイド１０７は、圧電基板１０１の中央部で合流し、さらに励振電極１０２から離れる方向に向けて延びるように構成されている。このような構成の弾性波デバイス１Ｂによれば、電源回路部の動作制御により、励振電極１０２，１０２Ｂ，１０２Ｃの近傍から延びるガイド１０７上に配置された３つの液滴Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３をガイド１０７に沿って搬送させることができ、それらの３つの液滴Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３を１つの液滴Ｄｐにすることができる。この場合、一体となった液滴Ｄｐは圧電基板１０１に伝搬される縦波により均一に撹拌され混合される。さらに、一体となった液滴Ｄｐを圧電基板１０１上の他方の端部に向けて搬送することができる。なお、ガイド１０７は無くても良いが、ある方が液滴Ｄｐの搬送が容易となる、また、親水性のガイド１０７に代えて凹状に形成した案内溝をガイド１０７とすることもできる。 Further, FIG. 11 shows a configuration of an elastic wave device 1B according to another modified example of the present invention. In this modification, an elastic wave device 1B in which three excitation electrodes 102, 102B and 102C are provided at one end of the piezoelectric substrate 101 of the elastic wave device 1B is shown. Independent power supply circuits are connected to these excitation electrodes 102, 102B and 102C, respectively, and are configured to be able to control their operations independently. Further, on the piezoelectric substrate 101 in the elastic wave device 1B, the guide 107 having hydrophilicity for transporting the droplets Dp1, Dp2, Dp3 from the respective sides of the excitation electrodes 102, 102B, 102C in their transport direction. Is provided. The guide 107 merges at a central portion of the piezoelectric substrate 101 and is further extended in a direction away from the excitation electrode 102. According to the elastic wave device 1B having such a configuration, the three droplets Dp1, Dp2, Dp3 disposed on the guide 107 extending from the vicinity of the excitation electrodes 102, 102B, 102C are guided by the operation control of the power supply circuit unit. The three droplets Dp1, Dp2 and Dp3 can be transported along 107 and can be one droplet Dp. In this case, the integrated droplets Dp are uniformly stirred and mixed by the longitudinal waves transmitted to the piezoelectric substrate 101. Furthermore, the integrated droplet Dp can be transported toward the other end on the piezoelectric substrate 101. Although the guide 107 may not be provided, it is easier to transport the droplet Dp if there is a guide 107. Alternatively, instead of the hydrophilic guide 107, a concave guide groove may be used as the guide 107.
このような構成の弾性波デバイス１Ｂに対して、図１０と同様な構成の液滴検出装置を用いることにより、液滴Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３，Ｄｐの位置を検出することができる。ただし、この場合は図１０の構成に対して電源回路部を１組追加する。すなわち、液滴Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３が合流する前のタイミングで、信号波形測定器１１Ａ及びデータ処理部１３Ａを動作させることにより、液滴Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３の位置を算出して出力することができるし、液滴Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３が合流した後のタイミングで、信号波形測定器１１Ａ及びデータ処理部１３Ａを動作させることにより、液滴Ｄｐの位置を算出して出力することができる。 The position of the droplets Dp1, Dp2, Dp3, and Dp can be detected by using the droplet detection device having the same configuration as that of FIG. 10 with respect to the elastic wave device 1B having such a configuration. However, in this case, one power supply circuit unit is added to the configuration of FIG. That is, by operating the signal waveform measuring instrument 11A and the data processing unit 13A at the timing before the droplets Dp1, Dp2, Dp3 merge, the positions of the droplets Dp1, Dp2, Dp3 can be calculated and output. The position of the droplet Dp can be calculated and output by operating the signal waveform measuring instrument 11A and the data processing unit 13A at the timing after the droplets Dp1, Dp2 and Dp3 merge.
また、図１２には、本発明の他の変形例にかかる弾性波デバイス１Ｃの構成を示し、図１２（ａ）は、弾性波デバイス１Ｃを圧電基板の表面側から見た平面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の弾性波デバイス１ＣのＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。このような変形例のように、圧電基板１０１上における励振電極１０２により励振される弾性表面波の進行方向上に液相Ｗ（例えば、水）を介して搬送路プレート１０４を配置してもよい。搬送路プレート１０４は液滴Ｄｐが搬送される面を構成する板部材であり、四角板状に形成された透明なガラス材により構成されており、液相Ｗの表面張力によって圧電基板１０１上に固定されている。このような構成により、圧電基板１０１の洗浄作業を不要として被搬送物（液滴Ｄｐ）の搬送作業の効率を向上させることができるとともに、幅広い種類の被搬送物（液滴Ｄｐ）を扱うことができる。 12 shows the configuration of an elastic wave device 1C according to another modification of the present invention, and FIG. 12 (a) is a plan view of the elastic wave device 1C seen from the surface side of the piezoelectric substrate, FIG. FIG. 12 (b) is a cross-sectional view of the acoustic wave device 1C of FIG. 12 (a) taken along line XII-XII. As in such a modification, the transport path plate 104 may be disposed via the liquid phase W (for example, water) on the traveling direction of the surface acoustic wave excited by the excitation electrode 102 on the piezoelectric substrate 101. . The transport path plate 104 is a plate member constituting a surface on which the droplets Dp are transported, and is formed of a transparent glass material formed in a square plate shape, and is formed on the piezoelectric substrate 101 by the surface tension of the liquid phase W. It is fixed. With such a configuration, it is possible to improve the efficiency of the transfer operation of the transferred object (droplet Dp) without the need for cleaning the piezoelectric substrate 101, and to handle a wide variety of transferred objects (droplets Dp). Can.
搬送路プレート１０４は、透明なガラス材で構成したが、圧電基板１０１で生じた弾性表面波に起因する放射圧によって液滴Ｄｐを変位させることができる物質であれば、これに限定されない。たとえば、ガラス系の材料以外に、鉄系、非鉄系の材料で搬送路プレート１０４を構成してもよい。 Although the transport path plate 104 is made of a transparent glass material, the transport path plate 104 is not limited to this as long as the droplet Dp can be displaced by the radiation pressure caused by the surface acoustic wave generated by the piezoelectric substrate 101. For example, in addition to the glass-based material, the transport path plate 104 may be formed of an iron-based or non-ferrous material.
液相Ｗは、弾性表面波から放射された縦波を伝搬できる液体であれば、水に限定されるものではない。具体的には、揮発し難い液体であって非圧縮性の流体であればよい。この場合、非圧縮性の流体とは、圧縮率が１５°Ｃ雰囲気中において、概ね２×１０−９（１／Ｎ／ｍ２）以下の流体である。 The liquid phase W is not limited to water as long as it is a liquid that can propagate the longitudinal wave emitted from the surface acoustic wave. Specifically, it may be a non-compressible fluid that is a liquid that is difficult to volatilize. In this case, the incompressible fluid is a fluid having a compressibility of approximately 2 × 10 −9 (1 / N / m 2 ) or less in a 15 ° C. atmosphere.
１，１Ａ，１Ｂ…弾性波デバイス、３，３Ａ…正弦波発生器（交流信号生成回路、電源回路部）、５，５Ａ…パルス波発生器（パルス信号生成回路、電源回路部）、７，７Ａ…信号増幅器（合成回路、電源回路部）、９，９Ａ…ブリッジ回路、１１，１１Ａ…信号波形測定器、１３，１３Ａ…データ処理部（演算回路部）１００，１００Ａ…液滴検出装置、１０１…圧電基板、１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ…励振電極、１０４…搬送路プレート、Ｄｐ，Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３…液滴、ＲＴ１，ＲＴ２…伝搬経路。 1, 1A, 1B: elastic wave device, 3, 3A: sine wave generator (AC signal generation circuit, power supply circuit unit), 5, 5A: pulse wave generator (pulse signal generation circuit, power supply circuit unit), 7, 7A: signal amplifier (synthesis circuit, power supply circuit unit) 9, 9A: bridge circuit 11, 11A: signal waveform measuring device 13, 13A: data processing unit (arithmetic circuit unit) 100, 100A: droplet detection device, 101 ... piezoelectric substrate, 102, 102a, 102B, 102C ... excitation electrodes, 104 ... transport path plate, Dp, Dp1, Dp2, Dp3 ... droplets, RT 1, RT 2 ... propagation path.
Claims (6)
前記励振電極に所定周波数の交流電気信号を設定された時間幅で印加する電源回路部と、
前記励振電極における前記交流電気信号の反射信号を測定する検出回路部と、
前記検出回路部によって測定された前記反射信号と前記交流電気信号との時間差を検出し、前記時間差を基に前記圧電基板上の液滴の位置を算出する演算回路部とを備え、
前記演算回路部は、前記反射信号の伝搬経路を、前記液滴と前記圧電基板の界面の反対側の表面と、前記液滴と前記圧電基板の界面とを経由して前記液滴を循環する経路に設定した演算式を用いることにより、前記時間差から前記位置を算出する、
液滴検出装置。 An elastic wave device provided with an excitation electrode for exciting a surface acoustic wave on a piezoelectric substrate and transporting a droplet on the piezoelectric substrate;
A power supply circuit unit that applies an alternating current electrical signal of a predetermined frequency to the excitation electrode with a set time width;
A detection circuit unit that measures a reflection signal of the alternating current electrical signal at the excitation electrode;
An arithmetic circuit unit that detects a time difference between the reflection signal measured by the detection circuit unit and the alternating current electrical signal, and calculates a position of a droplet on the piezoelectric substrate based on the time difference;
The arithmetic circuit unit circulates the droplet through the propagation path of the reflection signal via the surface opposite to the interface between the droplet and the piezoelectric substrate, and the interface between the droplet and the piezoelectric substrate. The position is calculated from the time difference by using an arithmetic expression set in the route.
Droplet detector.
請求項１記載の液滴検出装置。 The power supply circuit unit includes an AC signal generation circuit that generates the AC electric signal, a pulse signal generation circuit that repeatedly generates a pulse signal of the time width, and a combining circuit that superimposes the AC electric signal on the pulse signal. Have,
The droplet detection device according to claim 1.
請求項２記載の液滴検出装置。 The pulse signal generation circuit is configured to be able to variably set the time width of the pulse signal.
The droplet detection device according to claim 2.
を用いて前記距離（ｌ）を算出し、前記距離（ｌ）を基に前記位置を算出する、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の液滴検出装置。 The arithmetic circuit unit includes a propagation velocity (V SAW ) of the surface acoustic wave on the piezoelectric substrate, a width (i) of the excitation electrode in the transport direction of the droplet, and a tip of the excitation electrode on the droplet side The distance (l) of the droplet to the tip on the excitation electrode side, the diameter (d) of the droplet, the propagation velocity (V 1 ) of the longitudinal wave in the droplet, and the time difference (Δt) Between the following arithmetic expression (1);
To calculate the distance (l) using the equation, and to calculate the position based on the distance (l);
The droplet detection device according to any one of claims 1 to 3.
請求項１〜４のいずれか１項に記載の液滴検出装置。 The elastic wave device further includes a transport path plate disposed via a liquid phase on a propagation surface on which the surface acoustic wave generated on the surface of the piezoelectric substrate propagates.
The droplet detection device according to any one of claims 1 to 4 .
前記励振電極に所定周波数の交流電気信号を設定された時間幅で印加し、
前記励振電極における前記交流電気信号の反射信号を測定し、
測定した前記反射信号と前記交流電気信号との時間差を検出し、前記反射信号の伝搬経路を、前記液滴と前記圧電基板の界面の反対側の表面と、前記液滴と前記圧電基板の界面とを経由して前記液滴を循環する経路に設定した演算式を用いることにより、前記時間差から前記圧電基板上の液滴の位置を算出する、
液滴検出方法。
An excitation electrode for exciting a surface acoustic wave is provided on a piezoelectric substrate, and a method of detecting a droplet position using an elastic wave device for transporting a droplet on the piezoelectric substrate,
An alternating current electrical signal of a predetermined frequency is applied to the excitation electrode with a set time width,
Measuring the reflected signal of the alternating current electrical signal at the excitation electrode;
The time difference between the measured reflection signal and the alternating current electrical signal is detected, and the propagation path of the reflection signal is defined as the surface opposite to the interface between the droplet and the piezoelectric substrate, the interface between the droplet and the piezoelectric substrate Calculating the position of the droplet on the piezoelectric substrate from the time difference by using an arithmetic expression set in a path for circulating the droplet via
Droplet detection method.
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