JP2016203157A - Droplet formation device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a droplet formation device capable of restraining a variation in the number of settleable particles included in a discharged droplet.SOLUTION: This droplet formation device comprises a liquid holding part for holding a solution including a settleable particle, a film-like member having a nozzle and vibrating to discharge the solution held by the liquid holding part as a droplet from the nozzle, excitation means for vibrating the film-like member and driving means for selectively imparting a discharge waveform for forming the droplet by vibrating the film-like member and an agitation waveform for vibrating the film-like member in a range of not forming the droplet, to the excitation means.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、液滴形成装置に関する。   The present invention relates to a droplet forming apparatus.

従来、液室に保持している液体を液滴として吐出する液滴形成装置が知られている。従来の液滴形成装置では、吐出する液体として、例えば、着色剤として顔料を用いた分散系の液体等が用いられている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a droplet forming apparatus that discharges liquid held in a liquid chamber as droplets is known. In a conventional droplet forming apparatus, for example, a dispersion liquid using a pigment as a colorant is used as a liquid to be discharged.

しかし、着色剤として顔料を用いた分散系の液体では、顔料は、それ自体では沈降しないが、液滴形成装置内で長時間放置されると、ファンデルワールス力等に由来する凝集力により、顔料が凝集して沈降する場合があった。顔料の凝集物が沈降すると、ノズルの目詰まりが生じて液を安定的に吐出できないため、顔料の凝集を防止するために液の再分散を行っていた(例えば、特許文献1参照)。   However, in a dispersion liquid using a pigment as a colorant, the pigment does not settle by itself, but when left in a droplet forming apparatus for a long time, due to the cohesive force derived from van der Waals force and the like, In some cases, the pigment aggregated and settled. When the aggregate of the pigment settles, the nozzle is clogged and the liquid cannot be ejected stably. Therefore, the liquid is redispersed to prevent the aggregation of the pigment (see, for example, Patent Document 1).

ところで、近年、幹細胞技術の進展に伴い、複数の細胞をインクジェットで吐出し組織体を形成する技術の開発が行われている。細胞は、長時間放置すると沈降する沈降性粒子である。細胞等の沈降性粒子は、従来の液滴形成装置で吐出する粒子(顔料等)の100倍程度の径であり重いため、従来の粒子が凝集してから沈降するのに対して、細胞等の沈降性粒子は、凝集していない単体の状態でも沈降する。   By the way, in recent years, with the progress of the stem cell technology, development of a technology for forming a tissue body by ejecting a plurality of cells by inkjet has been performed. Cells are sedimenting particles that settle when left for a long time. Precipitating particles such as cells have a diameter about 100 times that of particles (pigments etc.) ejected by conventional droplet forming apparatuses and are heavy. The settleable particles of the particles settle even in a single state that is not agglomerated.

そのため、従来の液滴形成装置と同様な方法では、沈降性粒子を含有する溶液を十分に撹拌することが困難であり、沈降性粒子の沈降に起因して、吐出される液滴に含まれる沈降性粒子の数がばらつくことが懸念される。   For this reason, it is difficult to sufficiently stir the solution containing the sedimenting particles by the same method as that of the conventional droplet forming apparatus, and the droplets are included in the ejected droplets due to the sedimentation of the sedimenting particles. There is a concern that the number of settleable particles varies.

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、吐出される液滴に含まれる沈降性粒子の数のばらつきを抑制することが可能な液滴形成装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a droplet forming apparatus capable of suppressing variation in the number of sedimentation particles contained in a discharged droplet. .

本液滴形成装置は、沈降性粒子を含有する溶液を保持する液体保持部と、ノズルが形成され、前記液体保持部に保持された前記溶液を振動により前記ノズルから液滴として吐出する膜状部材と、前記膜状部材を振動させる加振手段と、前記膜状部材を振動させて前記液滴を形成する吐出波形と、前記液滴を形成しない範囲で前記膜状部材を振動させる撹拌波形と、を前記加振手段に選択的に付与する駆動手段と、を有することを要件とする。   The droplet forming apparatus is a film-like device in which a liquid holding unit that holds a solution containing settling particles and a nozzle are formed, and the solution held in the liquid holding unit is ejected as droplets from the nozzle by vibration. Member, vibration means for vibrating the film-shaped member, discharge waveform for vibrating the film-shaped member to form the droplet, and stirring waveform for vibrating the film-shaped member in a range where the liquid droplet is not formed And a driving means for selectively applying to the vibration means.

開示の技術によれば、吐出される液滴に含まれる沈降性粒子の数のばらつきを抑制することが可能な液滴形成装置を提供できる。   According to the disclosed technology, it is possible to provide a droplet forming apparatus capable of suppressing variation in the number of sedimentation particles contained in the ejected droplets.

第1の実施の形態に係る液滴形成装置を例示する断面図である。It is sectional drawing which illustrates the droplet formation apparatus which concerns on 1st Embodiment. 粒子の偏りについて説明する図(その1)である。It is a figure (the 1) explaining unevenness of particles. 粒子の偏りの対策について説明する図である。It is a figure explaining the countermeasure of the deviation of a particle. 液滴が形成される過程を例示する図である。It is a figure which illustrates the process in which a droplet is formed. 従来の液滴形成装置との相違点について説明する図(その1)である。It is FIG. (1) explaining a difference with the conventional droplet forming apparatus. 従来の液滴形成装置との相違点について説明する図(その2)である。It is FIG. (2) explaining a difference with the conventional droplet formation apparatus. 駆動装置が生成する撹拌波形と吐出波形を例示する図である。It is a figure which illustrates the stirring waveform and discharge waveform which a drive device produces | generates. 周辺を固定された円板の固有振動モードについて説明する図である。It is a figure explaining the natural vibration mode of the disk to which the periphery was fixed. 駆動装置が生成する好適な撹拌波形を例示する図(その1)である。FIG. 3 is a diagram (part 1) illustrating a suitable agitation waveform generated by a drive device; 周辺を固定された長方形板の固有振動モードについて説明する図である。It is a figure explaining the natural vibration mode of the rectangular board by which the periphery was fixed. 両端を固定されたスリット状板の固有振動モードについて説明する図である。It is a figure explaining the natural vibration mode of the slit-shaped board by which both ends were fixed. 液滴形成装置の基本固有振動数を例示する図である。It is a figure which illustrates the fundamental natural frequency of a droplet formation device. 駆動装置が生成する好適な撹拌波形を例示する図(その2)である。FIG. 6 is a diagram (part 2) illustrating a suitable stirring waveform generated by the drive device; 駆動電圧の異なる撹拌波形について説明する図である。It is a figure explaining the stirring waveform from which a drive voltage differs. 図14の撹拌波形を用いて撹拌を実施する領域について説明する図である。It is a figure explaining the area | region which implements stirring using the stirring waveform of FIG. メンブレンよりも大きな部材を振動させる手法について説明する図である。It is a figure explaining the method of vibrating a member larger than a membrane. 第1の実施の形態の変形例3に係る液滴形成装置を例示する断面図である。It is sectional drawing which illustrates the droplet formation apparatus which concerns on the modification 3 of 1st Embodiment. 駆動装置が生成する好適な撹拌波形を例示する図(その3)である。FIG. 6 is a diagram (part 3) illustrating a suitable agitation waveform generated by the drive device; 実施例で用いた観察装置について説明する図である。It is a figure explaining the observation apparatus used in the Example. 粒子の偏りについて説明する図(その2)である。It is FIG. (2) explaining the bias | inclination of particle | grains. 実施例で用いた撹拌波形と吐出波形について説明する図である。It is a figure explaining the stirring waveform and discharge waveform which were used in the Example.

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。   Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.

〈第1の実施の形態〉
[液滴形成装置の構造]
まず、第1の実施の形態に係る液滴形成装置について説明する。図1は、第1の実施の形態に係る液滴形成装置を例示する断面図である。図1を参照するに、液滴形成装置10は、液室11と、メンブレン12と、圧電素子13と、駆動装置30とを有する。図1では、液室11に沈降性粒子350を含有する溶液300が保持されている状態を模式的に示している。
<First Embodiment>
[Structure of droplet forming apparatus]
First, the droplet forming apparatus according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a droplet forming apparatus according to the first embodiment. Referring to FIG. 1, the droplet forming device 10 includes a liquid chamber 11, a membrane 12, a piezoelectric element 13, and a driving device 30. FIG. 1 schematically shows a state in which the solution 300 containing the sedimentable particles 350 is held in the liquid chamber 11.

なお、本実施の形態では、便宜上、液室11側を上側、圧電素子13側を下側とする。又、各部位の液室11側の面を上面、圧電素子13側の面を下面とする。又、平面視とは対象物をメンブレン12の上面の法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物をメンブレン12の上面の法線方向から視た形状を指すものとする。   In the present embodiment, for convenience, the liquid chamber 11 side is the upper side, and the piezoelectric element 13 side is the lower side. Further, the surface on the liquid chamber 11 side of each part is the upper surface, and the surface on the piezoelectric element 13 side is the lower surface. The planar view refers to viewing the object from the normal direction of the upper surface of the membrane 12, and the planar shape refers to the shape of the object viewed from the normal direction of the upper surface of the membrane 12.

液滴形成装置10において、液室11は、沈降性粒子350を含有する(沈降性粒子350が分散された)溶液300を保持する液体保持部であり、例えば、金属やシリコン、セラミック等から形成することができる。液室11は、液室11内を大気に開放する大気開放部111を上部に有しており、溶液300中に混入した気泡を大気開放部111から排出可能に構成されている。   In the droplet forming apparatus 10, the liquid chamber 11 is a liquid holding unit that holds the solution 300 containing the settling particles 350 (in which the settling particles 350 are dispersed), and is formed from, for example, metal, silicon, ceramic, or the like. can do. The liquid chamber 11 has an air release portion 111 that opens the inside of the liquid chamber 11 to the atmosphere, and is configured so that bubbles mixed in the solution 300 can be discharged from the air release portion 111.

メンブレン12は、液室11の下端部に固定された膜状部材である。メンブレン12の略中心には貫通孔であるノズル121が形成されており、液室11に保持された溶液300はメンブレン12の振動によりノズル121から液滴として吐出される。メンブレン12の平面形状は、例えば、円形とすることができるが、楕円状や四角形等としてもよい。   The membrane 12 is a film-like member fixed to the lower end portion of the liquid chamber 11. A nozzle 121, which is a through hole, is formed at the approximate center of the membrane 12, and the solution 300 held in the liquid chamber 11 is discharged as a droplet from the nozzle 121 by the vibration of the membrane 12. The planar shape of the membrane 12 can be a circle, for example, but may be an ellipse or a rectangle.

メンブレン12の周縁部は液室11の下端部に固定されているため、液室11の底面を構成するメンブレン12の外周部では中心部に比べて振動の振幅が小さくなる。そのため、図2に示すように、沈降性粒子350が沈降すると、液室11の底面を構成するメンブレン12の外周部に溜まりやすい傾向にある。なお、図2において、矢印の上側はメンブレン12の振動前の状態を、矢印の下側はメンブレン12の振動後の状態を示している。   Since the peripheral edge portion of the membrane 12 is fixed to the lower end portion of the liquid chamber 11, the amplitude of vibration is smaller in the outer peripheral portion of the membrane 12 constituting the bottom surface of the liquid chamber 11 than in the central portion. Therefore, as shown in FIG. 2, when the settleable particles 350 are settled, they tend to accumulate on the outer peripheral portion of the membrane 12 constituting the bottom surface of the liquid chamber 11. In FIG. 2, the upper side of the arrow indicates a state before the membrane 12 is vibrated, and the lower side of the arrow indicates a state after the membrane 12 is vibrated.

図3は、沈降性粒子の偏りを改善する方法を例示する図である。図3(a)では、液室11の下端部の内壁側の断面形状を湾曲形状としている。図3(b)では、メンブレン12の外周部の断面形状を湾曲形状としている。図3に示すように、液室11内の底面の外周部に、底面の縁辺に近づくにつれて厚さが増す湾曲形状部分を設けることで、沈降性粒子350が沈降して液室11内の底面の外周部に溜まりやすい傾向を改善できる。   FIG. 3 is a diagram illustrating a method for improving the settling particle bias. In FIG. 3A, the cross-sectional shape on the inner wall side of the lower end portion of the liquid chamber 11 is a curved shape. In FIG.3 (b), the cross-sectional shape of the outer peripheral part of the membrane 12 is made into the curved shape. As shown in FIG. 3, by providing a curved portion that increases in thickness as it approaches the edge of the bottom surface at the outer peripheral portion of the bottom surface in the liquid chamber 11, the settleable particles 350 settle and the bottom surface in the liquid chamber 11. It is possible to improve the tendency to accumulate on the outer periphery of the.

メンブレン12の材質としては特に限定はないが、柔らか過ぎるとメンブレン12が簡単に振動し、吐出しないときに直ちに振動を抑えることが困難であるため、ある程度の硬さがある材質を用いることが好ましい。メンブレン12の材質としては、例えば、金属材料やセラミック材料、ある程度硬さのある高分子材料等を用いることができる。なお、特に沈降性粒子350に対する付着性の低い材料であることが好ましい。   The material of the membrane 12 is not particularly limited. However, if the membrane is too soft, the membrane 12 vibrates easily, and it is difficult to suppress vibration immediately when it is not discharged. . As a material of the membrane 12, for example, a metal material, a ceramic material, a polymer material having a certain degree of hardness, or the like can be used. In particular, a material having low adhesion to the sedimentation particles 350 is preferable.

細胞の付着性は一般的に材質の水との接触角に依存性があると言われており、材質の親水性が高い又は疎水性が高いときには細胞の付着性が低い。親水性の高い材料としては各種金属材料やセラミック(金属酸化物)を用いることが可能であり、疎水性が高い材料としてはフッ素樹脂等を用いることが可能である。   Cell adhesion is generally said to be dependent on the contact angle of the material with water. When the material is highly hydrophilic or highly hydrophobic, the cell adhesion is low. Various metal materials and ceramics (metal oxides) can be used as the highly hydrophilic material, and fluorine resin or the like can be used as the highly hydrophobic material.

このような材料の一例としては、ステンレス鋼やニッケル、アルミニウム等や、二酸化ケイ素、アルミナ、ジルコニア等を挙げることができる。他にも、材料表面をコーティングすることで細胞接着性を低下させることも考えられ、材料表面を前述の金属又は金属酸化物材料でコーティングすることや、細胞膜を模した合成リン脂質ポリマー(例えば日油株式会社製、Lipidure)によってコーティングすることも可能である。   Examples of such materials include stainless steel, nickel, aluminum and the like, silicon dioxide, alumina, zirconia and the like. In addition, it is conceivable to reduce cell adhesion by coating the surface of the material, such as coating the surface of the material with the aforementioned metal or metal oxide material, or a synthetic phospholipid polymer that mimics the cell membrane (eg, It is also possible to coat by Lipidure, manufactured by Yuru Co.

ノズル121は、メンブレン12の略中心に実質的に真円状の貫通孔として形成されていることが好ましい。この場合、ノズル121の径としては特に限定はないが、沈降性粒子350がノズル121に詰まることを避けるため、沈降性粒子350の大きさの2倍以上とすることが好ましい。   The nozzle 121 is preferably formed as a substantially circular through hole substantially at the center of the membrane 12. In this case, the diameter of the nozzle 121 is not particularly limited. However, in order to avoid the sedimentation particles 350 from being clogged with the nozzle 121, it is preferable that the diameter be equal to or larger than twice the size of the sedimentation particles 350.

圧電素子13は、メンブレン12の下面側に形成されている。圧電素子13の形状は、メンブレン12の形状に合わせて設計することができる。例えば、メンブレン12の平面形状が円形である場合には、ノズル121の周囲に平面形状が円環状(リング状)の圧電素子13を形成することが好ましい。   The piezoelectric element 13 is formed on the lower surface side of the membrane 12. The shape of the piezoelectric element 13 can be designed according to the shape of the membrane 12. For example, when the planar shape of the membrane 12 is circular, it is preferable to form the piezoelectric element 13 having an annular shape (ring shape) around the nozzle 121.

圧電素子13は、例えば、圧電材料の上面及び下面に電圧を印加するための電極を設けた構造であり、圧電素子13の上下電極に電圧を印加することによって紙面横方向に圧縮応力が加わりメンブレン12を振動させることができる。圧電材料としては、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛を用いることができる。この他にも、ビスマス鉄酸化物、ニオブ酸金属物、チタン酸バリウム、或いはこれらの材料に金属や異なる酸化物を加えたもの等、様々な圧電材料を用いることができる。   The piezoelectric element 13 has, for example, a structure in which electrodes for applying a voltage are provided on the upper surface and the lower surface of a piezoelectric material. By applying a voltage to the upper and lower electrodes of the piezoelectric element 13, a compressive stress is applied in the lateral direction of the paper surface and the membrane 12 can be vibrated. As the piezoelectric material, for example, lead zirconate titanate can be used. In addition, various piezoelectric materials such as bismuth iron oxide, metal niobate, barium titanate, or a material obtained by adding a metal or a different oxide to these materials can be used.

但し、メンブレン12を振動させる加振手段は圧電素子13に限られない。例えば、メンブレン12上にメンブレン12とは線膨張係数が異なる材料を貼り付け、加熱することによって線膨張係数の差を利用してメンブレン12を振動させることが可能である。この際、線膨張係数の異なる材料にヒータを形成し、通電によってヒータを加熱してメンブレン12を振動させる構成とすることが好ましい。   However, the vibration means for vibrating the membrane 12 is not limited to the piezoelectric element 13. For example, it is possible to vibrate the membrane 12 using the difference in linear expansion coefficient by applying a material having a different linear expansion coefficient from the membrane 12 on the membrane 12 and heating the material. At this time, it is preferable that the heater is formed on materials having different linear expansion coefficients, and the membrane 12 is vibrated by heating the heater by energization.

駆動装置30は、圧電素子13を駆動する駆動手段である。駆動装置30は、メンブレン12を振動させて液滴を形成する吐出波形と、液滴を形成しない範囲でメンブレン12を振動させる撹拌波形とを圧電素子13に選択的に(例えば、交互に)付与することができる。   The driving device 30 is a driving unit that drives the piezoelectric element 13. The driving device 30 selectively applies (for example, alternately) a discharge waveform for vibrating the membrane 12 to form a droplet and a stirring waveform for vibrating the membrane 12 in a range where no droplet is formed. can do.

つまり、駆動装置30は、吐出波形を圧電素子13に加え、メンブレン12の振動状態を制御することにより、液室11に保持された溶液300をノズル121から液滴として吐出させることができる。又、駆動装置30は、撹拌波形を圧電素子13に加え、メンブレン12の振動状態を制御することにより、液室11に保持された溶液300を撹拌することができる。なお、撹拌時には、ノズル121から液滴は吐出されない。   That is, the drive device 30 can discharge the solution 300 held in the liquid chamber 11 as droplets from the nozzle 121 by adding a discharge waveform to the piezoelectric element 13 and controlling the vibration state of the membrane 12. Further, the drive device 30 can stir the solution 300 held in the liquid chamber 11 by applying a stirring waveform to the piezoelectric element 13 and controlling the vibration state of the membrane 12. Note that no droplets are discharged from the nozzle 121 during stirring.

このように、液滴を形成していない間に撹拌をすることにより、液滴を形成していない間に溶液300に含まれる沈降性粒子350がメンブレン12上に沈降、凝集することを防ぐことができる。その結果、ノズル121の詰まり、及び吐出液滴中の沈降性粒子350の数のばらつきを抑えることが可能となる。   In this way, by stirring while the droplets are not formed, the settling particles 350 contained in the solution 300 are prevented from being settled and aggregated on the membrane 12 while the droplets are not formed. Can do. As a result, it is possible to suppress clogging of the nozzles 121 and variations in the number of the settling particles 350 in the discharged droplets.

沈降性粒子350を含有する溶液300において、沈降性粒子350とは、金属微粒子や無機微粒子、或いは細胞、特にヒト由来の細胞等である。金属微粒子としては特に限定されず使用可能であるが、銀粒子、銅粒子等を用いることができ、これらは吐出した液滴によって配線を描画する用途に用いることができる。   In the solution 300 containing the sedimentation particles 350, the sedimentation particles 350 are metal microparticles, inorganic microparticles, or cells, particularly human-derived cells. Although it does not specifically limit and can be used as a metal microparticle, Silver particle | grains, a copper particle, etc. can be used, These can be used for the use which draws wiring by the discharged droplet.

又、無機微粒子としても特に限定はなく、酸化チタンや酸化ケイ素等が白色インクとしての用途やスペーサ材料の塗布用途等で用いられる。又、細胞としては動物細胞、特にヒト由来の細胞を用いることが好適であり、液滴形成装置10を薬効や化粧品の評価用組織片を形成するための細胞吐出用の装置として用いることができる。   Also, the inorganic fine particles are not particularly limited, and titanium oxide, silicon oxide or the like is used for white ink or spacer material coating. Further, it is preferable to use animal cells, particularly human-derived cells, as the cells, and the droplet forming device 10 can be used as a cell discharge device for forming a tissue piece for evaluation of medicinal properties and cosmetics. .

溶液300の溶媒としては、水が最も一般的であるが、これに限定されることはなく、アルコール、鉱物油、植物油等の様々な有機溶媒を用いることができる。溶媒として水を使用する際には、水分の蒸発を抑えるための湿潤剤や、表面張力を下げるための界面活性剤が含まれていることが好ましい。これらの処方には、インクジェットインクに用いられるごく一般的な材料を用いることができる。   The solvent of the solution 300 is most commonly water, but is not limited thereto, and various organic solvents such as alcohol, mineral oil, and vegetable oil can be used. When water is used as the solvent, it is preferable that a wetting agent for suppressing evaporation of moisture and a surfactant for reducing surface tension are included. For these formulations, it is possible to use very common materials used for inkjet inks.

液室11に保持される溶液300の量としては特に限定はされないが、典型的には1μlから1ml程度の液量を保持することが可能である。特に、細胞懸濁液のように高価な液を使用する際には、少量の液量で液滴を形成できることが好ましいため、1μlから50μl程度の液量が保持できる構成とすると好適である。   The amount of the solution 300 held in the liquid chamber 11 is not particularly limited, but it is typically possible to hold a liquid amount of about 1 μl to 1 ml. In particular, when an expensive liquid such as a cell suspension is used, it is preferable that droplets can be formed with a small amount of liquid, and therefore, a configuration capable of holding a liquid volume of about 1 μl to 50 μl is preferable.

[液滴形成装置の液滴形成過程]
次に、第1の実施の形態に係る液滴形成装置によって、液滴が形成される過程について説明する。図4は、液滴が形成される過程を例示する図である。図4(a)は、沈降性粒子350を含有する溶液300を液室11に入れ静置したときの様子を模式的に示している。図4(a)の段階では、沈降性粒子350は、液室11の底部に沈降した状態となっている。
[Droplet formation process of droplet formation device]
Next, a process of forming droplets by the droplet forming apparatus according to the first embodiment will be described. FIG. 4 is a diagram illustrating a process in which droplets are formed. FIG. 4A schematically shows a state when the solution 300 containing the settleable particles 350 is placed in the liquid chamber 11 and left to stand. In the stage of FIG. 4A, the sedimentary particles 350 are in a state of sedimenting at the bottom of the liquid chamber 11.

図4(a)の状態で液滴形成動作を行うと、ノズル121の近傍に沈降性粒子350が凝集しているため、液滴が形成されない問題が発生するおそれがある。又、仮に液滴が形成されたとしても、初期的に大量の沈降性粒子350が吐出された後に上澄みの液が吐出される等、液滴中に含まれる沈降性粒子350の数に大きなばらつきが発生するおそれがある。   When the droplet forming operation is performed in the state of FIG. 4A, the sedimentation particles 350 are aggregated in the vicinity of the nozzle 121, so that a problem that the droplets are not formed may occur. Even if droplets are formed, there is a large variation in the number of sedimentary particles 350 contained in the droplets, such as a supernatant liquid being ejected after a large amount of sedimentary particles 350 is initially ejected. May occur.

図4(b)は、駆動装置30から圧電素子13に撹拌波形を入力し、液滴を形成しない程度にメンブレン12を微振動させたときの沈降性粒子350の撹拌状態を模式的に示している。メンブレン12の微振動により、ノズル121の近傍の液面が大きく振動し、これにより矢印Aで示される対流が発生して沈降性粒子350を含有する溶液300の撹拌が起きる。   FIG. 4B schematically shows the stirring state of the sedimentary particles 350 when a stirring waveform is input from the driving device 30 to the piezoelectric element 13 and the membrane 12 is slightly vibrated to such an extent that droplets are not formed. Yes. The liquid level in the vicinity of the nozzle 121 is greatly vibrated by the slight vibration of the membrane 12, thereby generating convection as indicated by an arrow A and stirring of the solution 300 containing the sedimentable particles 350 occurs.

図4(c)は、駆動装置30から圧電素子13に吐出波形を入力し、メンブレン12の振動によって液滴310を形成した状態を模式的に示している。図4(b)で液室11内の沈降性粒子350を分散させた後、図4(c)で駆動装置30から圧電素子13に吐出波形を加えることで、液滴310中に含まれる沈降性粒子350の数を均一に保ちつつ液滴310を形成することができる。   FIG. 4C schematically shows a state in which the ejection waveform is input from the driving device 30 to the piezoelectric element 13 and the droplet 310 is formed by the vibration of the membrane 12. 4B, the sedimentation particles 350 in the liquid chamber 11 are dispersed, and then the ejection waveform is applied from the driving device 30 to the piezoelectric element 13 in FIG. The droplets 310 can be formed while keeping the number of the conductive particles 350 uniform.

液滴形成装置10では、従来の液滴形成装置と比べて、沈降性粒子350を効率的に撹拌することができる。これに関し、図5及び図6を参照しながら、詳しく説明する。   The droplet forming apparatus 10 can efficiently stir the sedimentary particles 350 as compared with the conventional droplet forming apparatus. This will be described in detail with reference to FIGS. 5 and 6.

図5は、従来の液滴形成装置との相違点について説明する図(その1)である。図6は、従来の液滴形成装置との相違点について説明する図(その2)である。   FIG. 5 is a diagram (No. 1) for explaining a difference from a conventional droplet forming apparatus. FIG. 6 is a diagram (No. 2) for explaining a difference from the conventional droplet forming apparatus.

図5(a)に示す従来の液滴形成装置600において、圧電素子630は液室610の上側又は側面側に形成されている。液滴形成装置600では、圧電素子630を実線矢印のように微振動させて、液室610の内部の分散液を介して沈降性粒子650に運動エネルギーを与え、ノズル621の近傍や流路620に沈降・凝集した沈降性粒子650を破線矢印のように分散させていた。   In the conventional droplet forming apparatus 600 shown in FIG. 5A, the piezoelectric element 630 is formed on the upper side or the side surface side of the liquid chamber 610. In the droplet forming apparatus 600, the piezoelectric element 630 is finely vibrated as indicated by a solid line arrow to give kinetic energy to the sedimentary particles 650 via the dispersion in the liquid chamber 610, and in the vicinity of the nozzle 621 and the flow path 620. The settled particles 650 that settled and aggregated in the same manner were dispersed as indicated by broken arrows.

このとき、図6に示すように、1つの沈降性粒子650の動きは微振動となる。従って、液室610内全体の各沈降性粒子650は、その場で微振動することになり、沈降・凝集した沈降性粒子650を分散させることはできても、沈降性粒子650を撹拌することはできない。   At this time, as shown in FIG. 6, the movement of one settling particle 650 is a minute vibration. Accordingly, each sedimentation particle 650 in the entire liquid chamber 610 vibrates on the spot, and the sedimentation particles 650 that have settled and aggregated can be dispersed, but the sedimentation particles 650 are agitated. I can't.

つまり、液滴形成装置600のように、分散液を介して沈降性粒子650に運動エネルギーを与える手法では、沈降性粒子650を液室内に均一に撹拌させるには至らず、液室610内で沈降性粒子650の分布を生じてしまう。そのため、吐出する液滴中に含まれる沈降性粒子650の数がばらつく懸念があった。   That is, in the method of applying kinetic energy to the sedimentation particles 650 via the dispersion liquid as in the droplet forming apparatus 600, the sedimentation particles 650 are not uniformly stirred in the liquid chamber, but in the liquid chamber 610. The distribution of the settleable particles 650 is generated. For this reason, there is a concern that the number of the settling particles 650 contained in the discharged droplets varies.

これに対し、図5(b)に示す液滴形成装置10では、圧電素子13がノズル121があるメンブレン12の下部に形成されている。そのため、圧電素子13が実線矢印のように振動するとメンブレン12も同様に実線矢印のように振動し、液室11の下部方向から上部方向への流れを生じさせることが可能である。   On the other hand, in the droplet forming apparatus 10 shown in FIG. 5B, the piezoelectric element 13 is formed below the membrane 12 where the nozzle 121 is located. Therefore, when the piezoelectric element 13 vibrates as indicated by a solid line arrow, the membrane 12 similarly vibrates as indicated by a solid line arrow, and a flow from the lower direction to the upper direction of the liquid chamber 11 can be generated.

この時、図6に示すように、1つの沈降性粒子350の動きは下から上への運動となり、液室11内全体としては矢印Aで示される対流が発生して沈降性粒子350を含有する溶液300の撹拌が起きる。つまり、液室11の下部方向から上部方向への流れにより、沈降性粒子350が液室11の内部に均一に分散して、吐出した液滴中の細胞数のばらつきを抑制することが可能になる。   At this time, as shown in FIG. 6, the movement of one settling particle 350 is a movement from the bottom to the top, and the convection indicated by the arrow A is generated in the entire liquid chamber 11 to contain the settling particles 350. Stirring of the solution 300 to occur. In other words, the flow from the lower direction to the upper direction of the liquid chamber 11 causes the sedimentary particles 350 to be uniformly dispersed inside the liquid chamber 11, thereby suppressing variation in the number of cells in the discharged droplets. Become.

又、液滴形成装置10の下部にあるメンブレン12が振動することにより、液室11内で沈降した沈降性粒子350に対して、分散液を介さずに直接運動エネルギーを与えることが可能となるため、沈降性粒子350を効率的に撹拌することができる。   Further, when the membrane 12 under the droplet forming apparatus 10 vibrates, it is possible to directly give kinetic energy to the sedimentary particles 350 that have settled in the liquid chamber 11 without using a dispersion liquid. Therefore, the sedimentary particles 350 can be efficiently stirred.

なお、液滴形成装置600と液滴形成装置10とでは、圧電素子を振動させる周波数が大きく異なる。液滴形成装置600では、圧電素子630を微振動させる周波数は、100kHz程度である。   The droplet forming apparatus 600 and the droplet forming apparatus 10 are greatly different in the frequency for vibrating the piezoelectric element. In the droplet forming apparatus 600, the frequency at which the piezoelectric element 630 is vibrated is about 100 kHz.

これに対して、液滴形成装置10において、撹拌時に圧電素子13を振動させる周波数は、20kHz程度である。液滴形成装置10の周波数が液滴形成装置600の周波数に比べて低いのは、沈降性粒子350(細胞等)は沈降性粒子650(顔料等)の100倍程度の径であり重いため、ゆっくり大きく動かす必要があるためである。   On the other hand, in the droplet forming apparatus 10, the frequency at which the piezoelectric element 13 is vibrated during stirring is about 20 kHz. The reason why the frequency of the droplet forming device 10 is lower than the frequency of the droplet forming device 600 is that the sedimentation particles 350 (cells, etc.) are about 100 times as large as the sedimentation particles 650 (pigments, etc.) and heavy. This is because it needs to move slowly and greatly.

図7は、駆動装置が生成する撹拌波形と吐出波形を例示する図である。図7では、撹拌波形31及び吐出波形32が何れも矩形波であり、撹拌波形31として所定時間パルス列を入力後、吐出波形32を1パルス入力した例を示している。撹拌波形31の駆動電圧Vを、吐出波形32の駆動電圧Vよりも低くすることで、撹拌波形31の印加により液滴310が形成されないようにしている。 FIG. 7 is a diagram illustrating a stirring waveform and a discharge waveform generated by the driving device. FIG. 7 shows an example in which the stirring waveform 31 and the discharge waveform 32 are both rectangular waves, and the pulse waveform 32 is input for one pulse after the pulse train is input as the stirring waveform 31 for a predetermined time. By making the drive voltage V 1 of the stirring waveform 31 lower than the drive voltage V 2 of the ejection waveform 32, the droplet 310 is not formed by the application of the stirring waveform 31.

このように、第1の実施の形態に係る液滴形成装置10は、メンブレン12の振動を制御して撹拌と吐出の両方を行う。これにより、沈降性粒子350を含有する溶液300をムラなく分散させて、形成した液滴310中の沈降性粒子350の数のばらつきを抑制可能となると同時に、ノズル121の粒子詰まりを防止できる。その結果、沈降性粒子350を含有する溶液300を、長時間連続して安定的に液滴310として吐出することができる。   As described above, the droplet forming apparatus 10 according to the first embodiment performs both stirring and discharging by controlling the vibration of the membrane 12. Thereby, it is possible to disperse the solution 300 containing the settleable particles 350 evenly, thereby suppressing variation in the number of the settleable particles 350 in the formed droplets 310, and at the same time, preventing the nozzle 121 from being clogged. As a result, the solution 300 containing the settleable particles 350 can be stably discharged as droplets 310 continuously for a long time.

〈第1の実施の形態の変形例1〉
第1の実施の形態の変形例1では、好適な撹拌波形の例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例1において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Variation 1 of the first embodiment>
In the first modification of the first embodiment, an example of a suitable stirring waveform is shown. In the first modification of the first embodiment, the description of the same components as those of the already described embodiments may be omitted.

メンブレン12のように周辺を固定された円板の振動は複数の固有振動モードを有することが知られており、例えば、非特許参考文献である『機械振動、亘理厚、丸善、p62〜65』(以降、非特許参考文献1とする)に詳細が述べられている。   It is known that the vibration of a disk whose periphery is fixed like the membrane 12 has a plurality of natural vibration modes. For example, “Machine vibration, Watari thickness, Maruzen, p62-65” which is a non-patent reference. Details are described in (hereinafter referred to as Non-Patent Reference 1).

これによれば、円板の固有振動数fnsはnを節直径の数、sを節円の数として表現することができる。   According to this, the natural frequency fns of the disk can be expressed as n is the number of nodal diameters and s is the number of nodal circles.

図8は、周辺を固定された円板の固有振動モードについて説明する図であり、固有振動数fnsにおいて、nが0〜3の値、sが1〜3の値の場合の円板の振動モードを模式的に示している。図8において、外周円は円板を表し、中の境界線は節を表す。節で区切られた隣接する領域は、位相が反転して振動する領域である。   FIG. 8 is a diagram for explaining the natural vibration mode of a disk whose periphery is fixed. In the natural frequency fns, the vibration of the disk when n is 0 to 3 and s is 1 to 3. The mode is shown schematically. In FIG. 8, the outer circle represents a disk, and the inner boundary line represents a node. Adjacent areas separated by nodes are areas where the phase is inverted and vibrates.

ここで、n=0、s=1のときを円板の振動の基本モードと定義し、それ以外の振動モードを高次モードと定義する。図8より明らかな通り、基本モードで振動するときのみ、円板内に節を持たない。表1に、基本モードの固有振動数f01を1としたときの、高次モードの固有振動数fnsを示した。これによれば、基本モードの約2倍以上の周波数領域において2次の振動モード(固有振動数f11)が現れる。   Here, when n = 0 and s = 1, the fundamental mode of vibration of the disc is defined, and the other vibration modes are defined as higher-order modes. As is clear from FIG. 8, there is no node in the disk only when vibrating in the fundamental mode. Table 1 shows the natural frequency fns of the higher-order mode when the natural frequency f01 of the basic mode is 1. According to this, a secondary vibration mode (natural frequency f11) appears in a frequency region about twice or more that of the fundamental mode.

Figure 2016203157
撹拌波形を入力してメンブレン12の振動による撹拌を行う際に、メンブレン12の高次モードが励起されるとメンブレン12の面内において振動強度の分布が生じ、沈降性粒子350の存在量に偏りが生じるおそれがある。この場合には、撹拌しないときよりは均一性が増すものの、液滴310中の沈降性粒子350の数には依然としてばらつきが生じてしまう。
Figure 2016203157
When the stirring waveform is input and stirring is performed by vibration of the membrane 12, if the higher-order mode of the membrane 12 is excited, a vibration intensity distribution is generated in the plane of the membrane 12, and the amount of sedimentation particles 350 is biased. May occur. In this case, although the uniformity is increased as compared with the case where stirring is not performed, the number of settleable particles 350 in the droplets 310 still varies.

例えば、図7を参照して説明した矩形波を入力したとき、矩形波を入力する周波数が高次モードの固有振動数の値に近いと、高次モードが励起される。又、矩形波の周波数が高次モードの固有振動数よりも小さい値であったとしても、矩形波のエッジが急峻であるために、矩形波のエッジで高次モードが励起されるおそれがある。   For example, when the rectangular wave described with reference to FIG. 7 is input, if the frequency at which the rectangular wave is input is close to the value of the natural frequency of the higher order mode, the higher order mode is excited. Even if the frequency of the rectangular wave is smaller than the natural frequency of the higher-order mode, the higher-order mode may be excited by the edge of the rectangular wave because the edge of the rectangular wave is steep. .

そこで、撹拌波形は、図9に示すように、メンブレン12の高次モードの固有振動数よりも低周波領域の信号から構成すること、すなわち、高次モードの固有振動数を含まない波形とすることが好ましい。図9(a)は、特定の周波数成分のみからなる正弦波を示しており、その周波数(=1/T)は2次の固有振動数f11よりも小さい値とされている。   Therefore, as shown in FIG. 9, the agitation waveform is composed of a signal in a lower frequency region than the natural frequency of the higher-order mode of the membrane 12, that is, a waveform not including the natural frequency of the higher-order mode. It is preferable. FIG. 9A shows a sine wave composed only of a specific frequency component, and the frequency (= 1 / T) is set to a value smaller than the secondary natural frequency f11.

又、好適な撹拌波形の他の例を図9(b)に示した。図9(b)は、図7で示した矩形波を2次の固有振動数f11よりも低周波数においてローパスフィルタリングした波形を示しており、高次モードの固有振動数の成分を含まない波形である。撹拌波形としては、これに限られず、高次モードの固有振動数成分をカットした任意の波形として構わない。   Another example of a suitable stirring waveform is shown in FIG. FIG. 9B shows a waveform obtained by low-pass filtering the rectangular wave shown in FIG. 7 at a frequency lower than the secondary natural frequency f11. The waveform does not include the natural frequency component of the higher-order mode. is there. The stirring waveform is not limited to this, and any waveform obtained by cutting the natural frequency component of the higher-order mode may be used.

非特許参考文献1より、基本モードの固有振動数f01は、下記の式(数1)で表される。   From Non-Patent Reference 1, the natural frequency f01 of the fundamental mode is expressed by the following equation (Equation 1).

Figure 2016203157
ここで、tはメンブレン12の厚み、rはメンブレン12の半径(固定部よりも内側の半径)、ρはメンブレン12の材質の密度、E及びσはメンブレン12の材質のヤング率及びポアソン比である。
Figure 2016203157
Here, t is the thickness of the membrane 12, r is the radius of the membrane 12 (radius inside the fixed portion), ρ is the density of the material of the membrane 12, E and σ are Young's modulus and Poisson's ratio of the material of the membrane 12. is there.

式(数1)及び表1から、メンブレン12の基本モードの固有振動数、及び高次モードの固有振動数を予め予測することが可能である。但し、これは空気中における値であり、本実施の形態での使用方法のように片側に液が充填されているときには、固有振動数が変化する。   From the equation (Equation 1) and Table 1, it is possible to predict in advance the natural frequency of the fundamental mode of the membrane 12 and the natural frequency of the higher-order mode. However, this is a value in the air, and the natural frequency changes when the liquid is filled on one side as in the method of use in the present embodiment.

この固有振動数は、後述する通り、液量によって変化する(後述の図12参照)。しかし、固有振動数のおおよその値は、例えば、非特許参考文献2に従って、下記の式(数2)により算出することができる。ここで、非特許参考文献2は、『"Vibration of Circular Membranes in Contact with Water", Journal of Sound and Vibration 178(5), 688-690 (1994)』である。   As will be described later, this natural frequency varies depending on the amount of liquid (see FIG. 12 described later). However, the approximate value of the natural frequency can be calculated by the following equation (Equation 2) according to Non-Patent Reference 2, for example. Here, Non-Patent Reference 2 is ““ Vibration of Circular Membranes in Contact with Water ”, Journal of Sound and Vibration 178 (5), 688-690 (1994)”.

Figure 2016203157
ここで、fw01は片側に液が接触しているときの基本モードの固有振動数であり、ρwは水の密度、ΓはNAVMI係数と呼ばれる定数である。f01のとき、Γは0.746313であることが知られている。例えば、メンブレン12として、径10mm程度(固定部よりも内側の径)、厚み50μm程度のSUSを用いたとき、fw01はf01のおおよそ30%になる。
Figure 2016203157
Here, fw01 is the natural frequency of the fundamental mode when the liquid is in contact with one side, ρw is the density of water, and Γ is a constant called the NAVMI coefficient. At f01, Γ is known to be 0.746313. For example, when the membrane 12 is SUS having a diameter of about 10 mm (diameter inside the fixed portion) and a thickness of about 50 μm, fw01 is approximately 30% of f01.

又、非特許参考文献2のNAVMI係数を参照して同様の計算をすれば、高次モードに関しては、水中では空気中のおおよそ45%〜60%の値を取ることがわかる。   Further, if the same calculation is performed with reference to the NAVMI coefficient of Non-Patent Reference 2, it can be seen that the high-order mode takes a value of approximately 45% to 60% in the air in water.

このように、撹拌波形を、メンブレン12の高次モードの固有振動数よりも低周波領域の信号から構成することにより、メンブレン12の面内の振動強度の分布をなくし、撹拌のムラを抑えることができる。   In this way, by constructing the agitation waveform from signals in a lower frequency region than the natural frequency of the higher-order mode of the membrane 12, the distribution of vibration intensity in the surface of the membrane 12 is eliminated, and unevenness in agitation is suppressed. Can do.

以上は、メンブレン12が周囲を固定された円板である場合について説明したが、メンブレン12は周囲を固定された長方形板であってもよい。周辺を固定された長方形板の振動は円板と同様に複数の固有振動モードを有することが知られており、固有振動数fjkはj、kをそれぞれ縦方向、横方向の節線の数として表現することができる。   The case where the membrane 12 is a disk with a fixed periphery has been described above, but the membrane 12 may be a rectangular plate with a fixed periphery. It is known that the vibration of a rectangular plate with a fixed periphery has a plurality of natural vibration modes as in the case of a circular plate, and the natural frequency fjk is defined as j and k as the number of nodal lines in the vertical and horizontal directions, respectively. Can be expressed.

図10は、周辺を固定された長方形板の固有振動モードについて説明する図であり、固有振動数fjkにおいて、jが1〜3の値、kが1〜3の値の場合の長方形板の振動モードを模式的に示している。図10において、外周辺は長方形板を表し、中の境界線は節を表す。節で区切られた隣接する領域は、位相が反転して振動する領域である。   FIG. 10 is a diagram for explaining the natural vibration mode of a rectangular plate whose periphery is fixed. In the natural frequency fjk, the vibration of the rectangular plate when j is a value of 1 to 3 and k is a value of 1 to 3. The mode is shown schematically. In FIG. 10, the outer periphery represents a rectangular plate, and the inner boundary line represents a node. Adjacent areas separated by nodes are areas where the phase is inverted and vibrates.

ここで、j=1、k=1のときを長方形板の振動の基本モードと定義し、それ以外の振動モードを高次モードと定義する。図10より明らかな通り、基本モードで振動するときのみ、長方形板内に節を持たない。   Here, when j = 1 and k = 1, the fundamental mode of vibration of the rectangular plate is defined, and the other vibration modes are defined as higher-order modes. As is clear from FIG. 10, there is no node in the rectangular plate only when vibrating in the fundamental mode.

非特許文献1より、基本モードの固有振動数f11は式(数3)で表される。   From Non-Patent Document 1, the natural frequency f11 of the fundamental mode is expressed by the equation (Equation 3).

Figure 2016203157
ここで、l、m、tはそれぞれメンブレンの縦の長さ、横の長さ、厚み、ρはメンブレン12の材質の密度、E及びσはメンブレン12の材質のヤング率及びポアソン比である。
Figure 2016203157
Here, l, m, and t are the vertical length, horizontal length, and thickness of the membrane, respectively, ρ is the density of the material of the membrane 12, and E and σ are the Young's modulus and Poisson's ratio of the material of the membrane 12.

式(数3)及び図10から、メンブレン12の基本モードの固有振動数、及び高次モードの固有振動数を予め予測することが可能である。   From the equation (Equation 3) and FIG. 10, it is possible to predict in advance the natural frequency of the fundamental mode of the membrane 12 and the natural frequency of the higher-order mode.

又、メンブレン12は両端を固定されたスリット状板であってもよい。両端を固定されたスリット状板の振動は複数の固有振動モードを有することが知られており、一方向に極端に長いスリット状板の振動は2次元方向ではなく、1次元方向のみの振動としてみなすことができる。固有振動数fiは、iを腹の数として表現することができる。   Further, the membrane 12 may be a slit-like plate having both ends fixed. It is known that the vibration of the slit plate fixed at both ends has a plurality of natural vibration modes, and the vibration of the slit plate extremely long in one direction is not a two-dimensional direction, but only a one-dimensional direction. Can be considered. The natural frequency fi can be expressed as i as the number of antinodes.

図11は、両端を固定されたスリット状板の固有振動モードについて説明する図であり、固有振動数fiにおいてiが1〜3の値の場合のスリット状板の振動様式を模式的に示している。ここで、i=1のときをスリット状板の振動の基本モードと定義し、それ以外の振動モードを高次モードと定義する。図11より明らかな通り、基本モードで振動するときのみ、固定した両端以外の節を持たない。   FIG. 11 is a diagram for explaining the natural vibration mode of the slit plate with both ends fixed, schematically showing the vibration mode of the slit plate when i is a value of 1 to 3 at the natural frequency fi. Yes. Here, when i = 1, it is defined as a fundamental mode of vibration of the slit-shaped plate, and other vibration modes are defined as higher-order modes. As is apparent from FIG. 11, only when vibrating in the basic mode, there are no nodes other than the fixed ends.

非特許文献1より、基本モードの固有振動数f1は式(数4)で表される。   From Non-Patent Document 1, the natural frequency f1 of the fundamental mode is expressed by the equation (Equation 4).

Figure 2016203157
ここで、lはメンブレン12の長さ、A及びJはメンブレン12の断面積及び断面2次モーメント、ρはメンブレン12の材質の密度、Eはメンブレン12の材質のヤング率である。
Figure 2016203157
Here, l is the length of the membrane 12, A and J are the cross-sectional area and second moment of the cross section of the membrane 12, ρ is the density of the material of the membrane 12, and E is the Young's modulus of the material of the membrane 12.

式(数4)及び図11から、メンブレン12の基本モードの固有振動数、及び高次モードの固有振動数を予め予測することが可能である。   From the equation (Equation 4) and FIG. 11, it is possible to predict in advance the natural frequency of the fundamental mode of the membrane 12 and the natural frequency of the higher-order mode.

そこで、メンブレン12が周囲を固定された長方形板や、両端を固定されたスリット状板である場合も、メンブレン12が周囲を固定された円板である場合と同様に、撹拌波形を、メンブレン12の高次モードの固有振動数よりも低周波領域の信号から構成することにより、メンブレン12の面内の振動強度の分布をなくし、撹拌のムラを抑えることができる。   Therefore, when the membrane 12 is a rectangular plate having a fixed periphery or a slit-shaped plate having both ends fixed, as in the case where the membrane 12 is a circular plate having a fixed periphery, a stirring waveform is applied to the membrane 12. By using a signal in a lower frequency region than the natural frequency of the higher-order mode, the distribution of vibration intensity in the surface of the membrane 12 can be eliminated, and uneven stirring can be suppressed.

〈第1の実施の形態の変形例2〉
第1の実施の形態の変形例2では、好適な撹拌波形の他の例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例2において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Modification 2 of the first embodiment>
Modification 2 of the first embodiment shows another example of a suitable stirring waveform. In the second modification of the first embodiment, the description of the same components as those of the already described embodiment may be omitted.

図9(a)及び図9(b)に示した撹拌波形の周波数(=1/T)をメンブレン12の基本モードの固有振動数に合わせることも可能である。このとき、メンブレン12は非常に低い駆動電圧で動かすことが可能であり、かつ、沈降性粒子350の撹拌状態にムラが発生しないため、最も効率的に高い撹拌効果を得ることができる。   The frequency (= 1 / T) of the stirring waveform shown in FIGS. 9A and 9B can be matched with the natural frequency of the fundamental mode of the membrane 12. At this time, the membrane 12 can be moved with a very low driving voltage, and the stirring state of the settleable particles 350 is not uneven, so that the highest stirring effect can be obtained most efficiently.

しかしながら、メンブレン12の固有振動数は液室11に保持する溶液300の液量によってシフトする。図12は一例として、試作した液滴形成装置の基本モードの固有振動数をレーザドップラ振動計(小野測器社製、LV-1710)によって測定した結果を示したものである。なお、試作した液滴形成装置では、圧電素子13としてリング状のプッシュ型圧電素子(富士セラミックス社製、材質C−2)を用い、メンブレン12としてノズル径35μmのSUS製ピンホール(エドモンドオプティクス社製)を用いた。   However, the natural frequency of the membrane 12 shifts depending on the amount of the solution 300 held in the liquid chamber 11. FIG. 12 shows, as an example, the result of measuring the natural frequency of the fundamental mode of the prototype droplet forming apparatus using a laser Doppler vibrometer (LV-1710, manufactured by Ono Sokki Co., Ltd.). In the prototype droplet forming apparatus, a ring-shaped push-type piezoelectric element (manufactured by Fuji Ceramics, material C-2) is used as the piezoelectric element 13, and a SUS pinhole (Edmond Optics, Inc.) having a nozzle diameter of 35 μm is used as the membrane 12. Made).

図12において、(1)は保持する液量が50μl、(2)は保持する液量が40μl、(3)は保持する液量が30μl、(4)は保持する液量が20μl、(5)は保持する液量が10μl、(6)は保持する液量が0μl(液なし)の場合を示している。   In FIG. 12, (1) has a liquid volume of 50 μl, (2) has a liquid volume of 40 μl, (3) has a liquid volume of 30 μl, (4) has a liquid volume of 20 μl, (5 ) Shows the case where the amount of liquid retained is 10 μl, and (6) shows the case where the amount of liquid retained is 0 μl (no liquid).

図12より明らかな通り、基本モードの固有振動数は、保持する液量が10μl(図12の(5))から50μl(図12の(1))に変化する間に約4割小さい値となる。液滴形成を行うことにより減少する液量や、乾燥によって減少する液量を考慮すれば、撹拌波形を基本モードの固有振動数に完全に一致させ続けることは困難である。   As is clear from FIG. 12, the natural frequency of the fundamental mode is about 40% smaller while the amount of liquid to be retained changes from 10 μl ((5) in FIG. 12) to 50 μl ((1) in FIG. 12). Become. Considering the amount of liquid that decreases due to droplet formation and the amount of liquid that decreases due to drying, it is difficult to keep the agitation waveform completely matched with the natural frequency of the fundamental mode.

そこで、撹拌波形は、周波数を所定の第1の周波数から第1の周波数とは異なる第2の周波数まで変化させた信号とし、液量に依存した基本モードの固有振動数の変化範囲が第1の周波数と第2の周波数との間に含まれるようにすることが好ましい。これにより、液量に依存して基本モードの固有振動数が変化しても、変化した基本モードの固有振動数は、必ず第1の周波数と第2の周波数との間に存在するため、メンブレン12を基本モードの固有振動数で効率的に振動させることができる。   Therefore, the stirring waveform is a signal in which the frequency is changed from a predetermined first frequency to a second frequency different from the first frequency, and the change range of the natural frequency of the fundamental mode depending on the liquid amount is the first. It is preferable to be included between the second frequency and the second frequency. Thus, even if the natural frequency of the fundamental mode changes depending on the liquid volume, the changed natural frequency of the fundamental mode always exists between the first frequency and the second frequency. 12 can be efficiently vibrated at the natural frequency of the fundamental mode.

図13は、周波数を第1の周波数から第2の周波数まで変化させた撹拌波形の一例を模式的に示したものである。実際にはより多数の波が形成されており、第1の周波数f1(=1/T1)から第2の周波数f2(=1/T2)まで略連続的に変化した波形となっている。   FIG. 13 schematically shows an example of an agitation waveform in which the frequency is changed from the first frequency to the second frequency. Actually, a larger number of waves are formed, and the waveform changes substantially continuously from the first frequency f1 (= 1 / T1) to the second frequency f2 (= 1 / T2).

なお、図13では、正弦波が連続的に変調された信号となっているが、正弦波に限らず、ローパスフィルタリングされた矩形波や三角波を用いることも可能であるし、連続的な変調ではなく段階的に複数の周波数を切り替えて加えることも可能である。又、周波数を掃引した波形ではなく、複数の周波数成分を加え合わせた、ある種のビート信号であっても同様の撹拌効果を得ることが可能である。   In FIG. 13, the sine wave is a continuously modulated signal. However, the signal is not limited to a sine wave, and a low-pass filtered rectangular wave or triangular wave can be used. It is also possible to switch and add a plurality of frequencies step by step. Further, the same agitation effect can be obtained even with a certain type of beat signal in which a plurality of frequency components are added together instead of the waveform obtained by sweeping the frequency.

このように、撹拌波形がメンブレン12の基本モードの固有振動数を含んでいることが好ましく、これにより、少ないエネルギーで有効な撹拌を行うことができる。   Thus, it is preferable that the stirring waveform includes the natural frequency of the fundamental mode of the membrane 12, thereby enabling effective stirring with less energy.

又、撹拌波形を、第1の周波数から第2の周波数まで変化させた信号とし、メンブレン12の基本モードの固有振動数が常に第1の周波数と第2の周波数との間に存在すると、より好適である。この場合には、液室11内の液量に依存してメンブレン12の固有振動数が変化しても、安定的に撹拌を行うことができる。   Further, if the stirring waveform is a signal obtained by changing the first frequency to the second frequency, and the natural frequency of the fundamental mode of the membrane 12 always exists between the first frequency and the second frequency, Is preferred. In this case, even if the natural frequency of the membrane 12 changes depending on the amount of liquid in the liquid chamber 11, stirring can be performed stably.

液室内を均一に撹拌する方法として、図14に示すように、液滴を形成しない範囲でメンブレン12を振動させる第1の撹拌波形31Aとは別に、第1の撹拌波形31Aよりも電圧が高い第2の撹拌波形31Bを用いて撹拌してもよい。図14では、第2の撹拌波形31Bの駆動電圧Vは、第1の撹拌波形31Aの駆動電圧Vよりも高いため、メンブレン12がより強く振動し、液室11内をより均一に撹拌することが可能となる。 As a method of uniformly stirring the liquid chamber, as shown in FIG. 14, the voltage is higher than that of the first stirring waveform 31A apart from the first stirring waveform 31A that vibrates the membrane 12 in a range where no droplet is formed. You may stir using the 2nd stirring waveform 31B. In FIG. 14, since the drive voltage V 4 of the second stirring waveform 31B is higher than the driving voltage V 3 of the first stirring waveform 31A, the membrane 12 vibrates more strongly, and the inside of the liquid chamber 11 is stirred more uniformly. It becomes possible to do.

一方で、メンブレン12の振動が強いため、目的以外の液滴が形成されるおそれがある。そこで、第2の撹拌波形31Bを用いて撹拌する場合は、図15(a)に示すように、描画領域E1に目的以外の液滴が滴下されるのを防止するため、液滴形成装置10を非描画領域E2に移動させてから撹拌を実施することが好ましい。この場合、目的以外の液滴310が非描画領域E2に滴下されても問題はない。なお、第1の撹拌波形31Aを用いて撹拌する場合は、図15(b)に示すように、液滴形成装置10が描画領域E1上に存在する状態で撹拌を実施してもよい。   On the other hand, since the vibration of the membrane 12 is strong, there is a possibility that droplets other than the intended purpose may be formed. Therefore, when stirring using the second stirring waveform 31B, as shown in FIG. 15A, the droplet forming apparatus 10 is used to prevent droplets other than the target from being dropped on the drawing region E1. It is preferable to carry out stirring after moving to the non-drawing region E2. In this case, there is no problem even if a droplet 310 other than the intended one is dropped on the non-drawing region E2. In addition, when stirring using the 1st stirring waveform 31A, as shown in FIG.15 (b), you may implement stirring in the state in which the droplet forming apparatus 10 exists on the drawing area | region E1.

なお、メンブレン12よりも大きい部材の固有振動数を用いて撹拌する方法も好適である。メンブレン12よりも大きい部材を振動させることにより、沈降性粒子350が沈降して液室11内の底面の外周部に溜まりやすい傾向を改善し、液室内を均一に撹拌することができる。   A method of stirring using a natural frequency of a member larger than the membrane 12 is also suitable. By vibrating a member larger than the membrane 12, it is possible to improve the tendency of the settleable particles 350 to settle and accumulate on the outer peripheral portion of the bottom surface in the liquid chamber 11, and to uniformly agitate the liquid chamber.

例えば、図16に示すように、液室11を構成する壁部を厚くしてメンブレン12よりも大きくし、液室11を構成する壁部を振動させればよい。この場合、液室11を構成する壁部が図16のAのように振動するため、液室11内に露出するメンブレン12の中心部と外周部が同程度に振動し、外周部に沈降性粒子350が溜まりやすい傾向を改善できる。なお、比較のため、図16のBに、液室11を構成する壁部を振動させずに、メンブレン12のみを振動された場合の振動イメージを示した。   For example, as shown in FIG. 16, the wall portion constituting the liquid chamber 11 may be made thicker than the membrane 12 and the wall portion constituting the liquid chamber 11 may be vibrated. In this case, since the wall part which comprises the liquid chamber 11 vibrates like A of FIG. 16, the center part and outer peripheral part of the membrane 12 exposed in the liquid chamber 11 vibrate to the same extent, and sedimentation is carried out to an outer peripheral part. The tendency for the particles 350 to easily collect can be improved. For comparison, FIG. 16B shows a vibration image when only the membrane 12 is vibrated without vibrating the wall portion constituting the liquid chamber 11.

〈第1の実施の形態の変形例3〉
第1の実施の形態の変形例3では、液量検知手段を備えた液滴形成装置の例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例3において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Modification 3 of the first embodiment>
In the third modification of the first embodiment, an example of a droplet forming apparatus provided with a liquid amount detection unit is shown. Note that in the third modification of the first embodiment, the description of the same components as those of the already described embodiments may be omitted.

図17は、第1の実施の形態の変形例3に係る液滴形成装置を例示する断面図であり、液量検知手段を備えた液滴形成装置の例を示している。図17(a)に示す液滴形成装置10Aでは、液室11の内壁面の深さ方向に液量検知手段として複数の電極15が設けられている。溶液300として導電性の液を用い、複数の電極15間の導通又は抵抗値を調べることにより、溶液300の液量を検知することが可能となる。   FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a droplet forming apparatus according to Modification 3 of the first embodiment, and illustrates an example of a droplet forming apparatus including a liquid amount detection unit. In the droplet forming apparatus 10 </ b> A shown in FIG. 17A, a plurality of electrodes 15 are provided as liquid amount detection means in the depth direction of the inner wall surface of the liquid chamber 11. By using a conductive liquid as the solution 300 and examining the conduction or resistance value between the plurality of electrodes 15, the liquid amount of the solution 300 can be detected.

図17(b)に示す液滴形成装置10Bでは、液室11の上方に、液量検知手段として発光素子16及びポジションセンサ17が設けられている。ポジションセンサ17は、発光素子16から出射され、溶液300の液面300Aや液面300Bで正反射された光を受光可能な位置に配されている。これにより、三角測量の原理に基づきポジションセンサ17が受光した光の位置から、溶液300の液面までの距離を算出することができる。但し、液量検知手段は図17に例示したものに限られず、公知の様々な距離計測や液面検知技術を使用することが可能である。   In the droplet forming apparatus 10B shown in FIG. 17B, a light emitting element 16 and a position sensor 17 are provided above the liquid chamber 11 as liquid amount detection means. The position sensor 17 is disposed at a position where it can receive light emitted from the light emitting element 16 and regularly reflected by the liquid surface 300A and the liquid surface 300B of the solution 300. Thereby, based on the principle of triangulation, the distance from the position of the light received by the position sensor 17 to the liquid surface of the solution 300 can be calculated. However, the liquid amount detection means is not limited to that illustrated in FIG. 17, and various known distance measurement and liquid level detection techniques can be used.

駆動装置30は、液量検知手段の出力信号に基づいて撹拌波形を可変できるように構成することが可能である。例えば、駆動装置30は、液量検知手段が検知した液量に関する信号に基づいて、予め設定された換算式やルックアップテーブルを参照して適切な周波数を選定し、図9に示した撹拌波形を出力するように構成できる。   The drive device 30 can be configured so that the agitation waveform can be varied based on the output signal of the liquid amount detection means. For example, the drive device 30 selects an appropriate frequency with reference to a preset conversion formula or look-up table based on a signal related to the liquid amount detected by the liquid amount detecting means, and the stirring waveform shown in FIG. Can be configured to output.

或いは、図13に示した周波数掃引を行う撹拌波形と組み合わせることも可能であり、液量検知手段の検知結果に基づいて、周波数掃引する第1の周波数と第2の周波数の値を決定するように構成できる。   Alternatively, it can be combined with the stirring waveform for performing the frequency sweep shown in FIG. 13, and the values of the first frequency and the second frequency to be swept are determined based on the detection result of the liquid amount detection means. Can be configured.

このように、第1の実施の形態の変形例3に係る液滴形成装置10A及び10Bは、溶液300の液量を検知する液量検知手段を有し、駆動装置30が液量検知手段の検知結果に基づいて撹拌波形を制御する。これにより、液量に依存してメンブレン12の固有振動数が変化しても、液量を検知して、固有振動数の変化に合わせた撹拌波形を出力できるため、安定的に撹拌を行うことができる。   As described above, the droplet forming apparatuses 10A and 10B according to the third modification of the first embodiment include the liquid amount detecting unit that detects the liquid amount of the solution 300, and the driving device 30 is the liquid amount detecting unit. The stirring waveform is controlled based on the detection result. As a result, even if the natural frequency of the membrane 12 changes depending on the liquid volume, the liquid volume can be detected and a stirring waveform matched to the change of the natural frequency can be output. Can do.

〈第1の実施の形態の変形例4〉
第1の実施の形態の変形例4では、所定の時間間隔を空けて撹拌波形を付与する液滴形成装置の例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例4において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Modification 4 of the first embodiment>
In the fourth modification of the first embodiment, an example of a droplet forming apparatus that gives a stirring waveform with a predetermined time interval is shown. Note that in the fourth modification of the first embodiment, the description of the same components as those of the already described embodiments may be omitted.

駆動装置30は、液滴形成を行わない間、常に撹拌波形を入力するのではなく、図18に示すように所定の時間TB1だけ間隔を空けて波形を入力することがより好ましい。撹拌波形を常に入力すると、消費電力が高くなることに加え、継続的な振動によってメンブレン12が発熱し、沈降性粒子350を含有する溶液300の種類によっては悪影響が生じるおそれがある。特に溶液300が細胞を含有する場合には、細胞が高温になるとダメージを受けるため熱の発生は好ましくない。このため、撹拌は最小限に抑えることが好ましい。   More preferably, the drive device 30 does not always input a stirring waveform while droplet formation is not being performed, but instead inputs a waveform with a predetermined time TB1 as shown in FIG. If the stirring waveform is always input, the power consumption increases, and the membrane 12 generates heat due to continuous vibration, which may have an adverse effect depending on the type of the solution 300 containing the sedimenting particles 350. In particular, when the solution 300 contains cells, heat generation is not preferable because the cells are damaged when the temperature is high. For this reason, it is preferable to minimize stirring.

更に、撹拌の時間間隔TB1は、沈降性粒子350の特性や沈降性粒子350を分散させている溶媒の特性に合わせて設定することが好ましい。粒子の沈降速度は、下記の式(数5)で表されるストークスの式で近似的に表現できることが知られている。   Furthermore, the stirring time interval TB1 is preferably set in accordance with the characteristics of the sedimentation particles 350 and the characteristics of the solvent in which the sedimentation particles 350 are dispersed. It is known that the sedimentation velocity of particles can be approximately expressed by the Stokes equation represented by the following equation (Equation 5).

Figure 2016203157
ここで、vは粒子の沈降速度、gは重力加速度、rは粒子の半径、ηは溶媒の粘度、ρは粒子の密度、δは溶媒の密度を表している。例えば、半径5μm、密度1050kg/mのポリスチレン微粒子が水中に分散しているとき、沈降速度vは約3μm/sとなる。粒子の濃度にもよるが、メンブレンの厚みは一般的に10μm〜100μmの範囲であり、粒子が全体的に数μm程度沈降するとノズル詰まり等の影響が出始める。
Figure 2016203157
Here, v is the sedimentation velocity of the particles, g is the acceleration of gravity, r is the radius of the particles, η is the viscosity of the solvent, ρ is the density of the particles, and δ is the density of the solvent. For example, when polystyrene fine particles having a radius of 5 μm and a density of 1050 kg / m 3 are dispersed in water, the sedimentation velocity v is about 3 μm / s. Although depending on the concentration of particles, the thickness of the membrane is generally in the range of 10 μm to 100 μm, and the influence of nozzle clogging or the like starts to appear when the particles settle on the order of several μm.

よって、撹拌時間の間隔であるTB1は、1秒程度以下に設定することが好ましい。沈降速度vが約3μm/sであり、TB1が1秒程度以下であれば、撹拌していない間の粒子の全体的な沈降が約3μm以下に抑えられるので、ノズル詰まり等を抑制できる。   Therefore, it is preferable to set TB1 which is the interval of stirring time to about 1 second or less. If the sedimentation speed v is about 3 μm / s and TB1 is about 1 second or less, the overall sedimentation of the particles while not being stirred can be suppressed to about 3 μm or less, so that nozzle clogging or the like can be suppressed.

液滴形成装置は、例えば、ユーザが撹拌の時間間隔TB1を直接設定可能に構成されていてもよい。或いは、前述の計算を液滴形成装置の内部で実施できる構成とされており、ユーザが基本データ(例えば、溶媒の種類や密度、粘度等のデータ)を入力すると、自動的に最適な時間間隔TB1を算出し、撹拌動作が行えるようにしてもよい。   For example, the droplet forming apparatus may be configured such that the user can directly set the stirring time interval TB1. Alternatively, the above-described calculation can be performed inside the droplet forming apparatus, and when the user inputs basic data (for example, data such as solvent type, density, and viscosity), the optimum time interval is automatically set. TB1 may be calculated so that the stirring operation can be performed.

このように、第1の実施の形態の変形例4に係る液滴形成装置は、駆動装置30が所定の時間間隔でメンブレン12に撹拌波形を付与する。これにより、液滴形成をしない際に、少ないエネルギー量で沈降性粒子350の沈降を防ぐための撹拌を実行することが可能となる。この際、所定の時間間隔は、沈降性粒子350の特性等に基づいて設定されることが好ましい。   As described above, in the droplet forming device according to the fourth modification of the first embodiment, the driving device 30 imparts a stirring waveform to the membrane 12 at predetermined time intervals. Thus, when droplet formation is not performed, it is possible to execute stirring for preventing sedimentation of the sedimentable particles 350 with a small amount of energy. At this time, the predetermined time interval is preferably set based on the characteristics of the sedimentation particles 350 and the like.

〈実施例〉
次に、液滴形成装置10を試作し、沈降性粒子350を含有する溶液300の吐出を行った実施例に関して述べる。試作した液滴形成装置10では、圧電素子13としてベンド型リングピエゾ素子(ノリアック社製、CMBR03)を用い、メンブレン12としてノズル径50μmのSUS製ピンホール(エドモンドオプティクス社製、#39-879)を用いた。本実験はメンブレン12の振動による沈降性粒子350の撹拌効果を検証することを目的としており、図19に示す観察装置500を用いて、試作した液滴形成装置10の撹拌効果を検証した。
<Example>
Next, an embodiment in which the droplet forming apparatus 10 is made as a prototype and the solution 300 containing the sedimenting particles 350 is discharged will be described. In the prototype droplet forming apparatus 10, a bend-type ring piezo element (manufactured by Noriac, CMBR03) is used as the piezoelectric element 13, and a SUS pinhole having a nozzle diameter of 50 μm as the membrane 12 (manufactured by Edmund Optics, # 39-879) Was used. The purpose of this experiment is to verify the stirring effect of the sedimentary particles 350 due to the vibration of the membrane 12, and the stirring effect of the prototype droplet forming device 10 was verified using the observation device 500 shown in FIG.

観察装置500は、液滴形成装置10の上方に配されたレンズ501付きのCCD502により、液滴形成装置10の液室11の内部が観察できる構成とされている。又、自動駆動ステージ505上に設置されたプレパラート504上に、沈降性粒子350を含有する液滴310を吐出することで、任意のパターン形状に液滴310を吐出することが可能に構成されている。   The observation apparatus 500 is configured such that the inside of the liquid chamber 11 of the droplet forming apparatus 10 can be observed by a CCD 502 with a lens 501 disposed above the droplet forming apparatus 10. Further, the droplet 310 containing the sedimentary particles 350 is ejected onto the preparation 504 installed on the automatic driving stage 505, so that the droplet 310 can be ejected in an arbitrary pattern shape. Yes.

撹拌と吐出は、駆動装置30から圧電素子13に撹拌波形及び吐出波形を入力して行った。その際、液室11内に充填した沈降性粒子350を含有する溶液300の分散状態をCCD502で観察した。又、プレパラート504上に液滴310を直線状に配置するように吐出することで、液滴310中の沈降性粒子350の数を計測した。沈降性粒子350を含有する溶液300としては、直径約10 μmのポリスチレン粒子を含有する溶液(Thermo Scientific, Duke 2010A)を液室11内に約30μl充填した。   Stirring and discharging were performed by inputting a stirring waveform and a discharging waveform from the driving device 30 to the piezoelectric element 13. At that time, the dispersion state of the solution 300 containing the settling particles 350 filled in the liquid chamber 11 was observed with the CCD 502. Moreover, the number of the sedimentary particles 350 in the droplet 310 was measured by discharging the droplet 310 so as to be arranged linearly on the preparation 504. As the solution 300 containing the sedimenting particles 350, about 30 μl of a solution containing polystyrene particles having a diameter of about 10 μm (Thermo Scientific, Duke 2010A) was filled in the liquid chamber 11.

表2は、基本モードの固有振動数を含むスイープ波形、高次モードの固有振動数を含むスイープ波形、信号入力なしの3つの異なる撹拌波形で撹拌した際の、液室11の内部の沈降性粒子350の撹拌状態の観察結果である。ここで、基本モードの固有振動数を含むスイープ波形とは、周波数約18kHz〜21kHzの範囲を約0.01sかけて掃引する波形である。又、高次モードの固有振動数を含むスイープ波形とは、周波数約69kHz〜71kHzの範囲を約0.01sかけて掃引する波形である。   Table 2 shows a sweep waveform including the natural frequency of the fundamental mode, a sweep waveform including the natural frequency of the higher-order mode, and the settling property inside the liquid chamber 11 when stirring is performed with three different stirring waveforms without signal input. It is an observation result of the stirring state of the particles 350. Here, the sweep waveform including the natural frequency of the fundamental mode is a waveform that sweeps a frequency range of about 18 kHz to 21 kHz over about 0.01 s. The sweep waveform including the natural frequency of the higher-order mode is a waveform that sweeps the frequency range of about 69 kHz to 71 kHz over about 0.01 s.

Figure 2016203157
表2より、基本モードの固有振動数を含むスイープ波形では、全体的に均一な撹拌状態が観察できる。しかし、撹拌信号なしでは、粒子は沈降し、高次モードの固有振動数を含むスイープ波形ではメンブレン12の面内に振動強度の分布が生じ、図20(a)に模式的に示す粒子の偏りが観察された。なお、図20(a)において、11aは液室11の内壁面を示している。
Figure 2016203157
From Table 2, a uniform stirring state can be observed as a whole in the sweep waveform including the natural frequency of the fundamental mode. However, without the stirring signal, the particles settle, and in the sweep waveform including the natural frequency of the higher-order mode, the distribution of the vibration intensity is generated in the plane of the membrane 12, and the particle bias schematically shown in FIG. Was observed. In FIG. 20A, 11a indicates the inner wall surface of the liquid chamber 11.

基本モードの周波数領域が約18kHz〜21kHzであるのに対し、高次モードの周波数領域が約69kHz〜71kHzであり、高次モードの周波数領域は基本モードの周波数領域の約3.5倍である。これは、基本モードの固有周波数に対する倍率が3.43となる、表1の固有振動数f21に対応している。   The fundamental mode frequency range is about 18 kHz to 21 kHz, while the higher order mode frequency range is about 69 kHz to 71 kHz, and the higher order mode frequency range is about 3.5 times the fundamental mode frequency range. . This corresponds to the natural frequency f21 in Table 1 in which the magnification for the natural frequency of the fundamental mode is 3.43.

ベルヌーイの定理より、流速が速い場所は周囲より圧力が低下するため、粒子は、振動速度が速い、すなわち振動強度が大きい振動の腹に引き寄せられる傾向にある。固有振動数f21では、図8に示した節の位置から、粒子は図20(b)に示すように節Bで分割された領域Cの中央部近傍に引き寄せられるので、図20(a)に示す粒子の偏りが生じたと考えられる。このように、高次モードの固有振動数の周波数領域の撹拌信号を用いると、不均一な分散状態になることが確認された。   According to Bernoulli's theorem, since the pressure is lower than the surroundings at a place where the flow velocity is high, the particles tend to be attracted to the vibration belly where the vibration speed is high, that is, the vibration intensity is large. At the natural frequency f21, the particles are attracted from the position of the node shown in FIG. 8 to the vicinity of the center of the region C divided by the node B as shown in FIG. It is thought that the unevenness of the particles shown occurred. As described above, it was confirmed that the use of the stirring signal in the frequency region of the natural frequency of the higher-order mode results in a non-uniform dispersion state.

次に、図21に示す撹拌波形31Cと吐出波形32Cを交互に入力して、プレパラート504上に沈降性粒子350を含有する液滴310を吐出した。そして、撹拌による、吐出された液滴310中の沈降性粒子350の数のばらつき抑制効果を検証するため、吐出された液滴310中の沈降性粒子350の数を計測した。   Next, the agitation waveform 31 </ b> C and the ejection waveform 32 </ b> C shown in FIG. 21 were alternately input, and the droplet 310 containing the sedimentary particles 350 was ejected on the preparation 504. Then, in order to verify the effect of suppressing variation in the number of sedimentation particles 350 in the ejected droplets 310 by stirring, the number of sedimentation particles 350 in the ejected droplets 310 was measured.

その際、吐出は2kHzで行い、吐出波形32Cは電圧50vの単純な台形波とした。又、撹拌波形31Cは電圧Vsを1.4v、撹拌時間Tsを0.3sとし、基本モードの固有振動数を含むスイープ波形とした。そして、沈降性粒子350を含有する溶液300としてポリスチレン粒子溶液を液室11に充填後、すぐに吐出を開始した。   At that time, the ejection was performed at 2 kHz, and the ejection waveform 32C was a simple trapezoidal wave with a voltage of 50v. Further, the stirring waveform 31C was a sweep waveform including the natural frequency of the fundamental mode, with the voltage Vs being 1.4 v and the stirring time Ts being 0.3 s. Then, after filling the liquid chamber 11 with the polystyrene particle solution as the solution 300 containing the settleable particles 350, the discharge was started immediately.

表3は、吐出経過時間0、1、2分の前半(各30回、合計で90回測定)と、吐出経過時間4、8分の後半(各30回、合計で60回測定)の各時間帯において、吐出された液滴310中の沈降性粒子350の数を計測し、標準偏差を求めた結果である。   Table 3 shows each of the first half of discharge elapsed time 0, 1 and 2 minutes (30 times each, measured 90 times in total) and the second half of discharge elapsed time 4 and 8 minutes (30 times each, measured 60 times in total). This is a result of measuring the number of sedimentation particles 350 in the ejected droplet 310 in a time zone and obtaining a standard deviation.

Figure 2016203157
表3より、撹拌波形31Cとして基本モードの固有振動数を含むスイープ波形を用いて撹拌を行った場合は、前半と後半ともに標準偏差に大きな変化はないが、撹拌信号なしの場合では前半に比べて後半に標準偏差が増大している。これは、吐出開始直後は沈降性粒子350の分散状態が保たれているため、液滴310中の沈降性粒子350の数のばらつきが生じ難いが、撹拌を行わない場合、時間の経過とともに沈降性粒子350の沈降が進み、分散状態の不均一が生じたためと考えられる。
Figure 2016203157
From Table 3, when stirring is performed using a sweep waveform including the natural frequency of the fundamental mode as the stirring waveform 31C, there is no significant change in the standard deviation in both the first half and the second half, but in the case of no stirring signal compared to the first half In the second half, the standard deviation has increased. This is because the dispersion state of the sedimentation particles 350 is maintained immediately after the start of discharge, so that the number of sedimentation particles 350 in the droplets 310 is less likely to vary. This is presumably because the sedimentation of the conductive particles 350 progressed and the dispersion state became uneven.

このように、撹拌を行った場合は、時間が経過しても液滴310中の沈降性粒子350の数の標準偏差はほとんど変化しないことが確認された。すなわち、メンブレン12の振動を用いた撹拌により、吐出された液滴310中の沈降性粒子350の数のばらつきが抑制されることが確認された。   Thus, when stirring was performed, it was confirmed that the standard deviation of the number of the settling particles 350 in the droplets 310 hardly changed over time. That is, it was confirmed that the variation in the number of the sedimentary particles 350 in the ejected droplets 310 is suppressed by stirring using the vibration of the membrane 12.

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。   The preferred embodiments and the like have been described in detail above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications can be made to the above-described embodiments and the like without departing from the scope described in the claims. Variations and substitutions can be added.

10、10A、10B 液滴形成装置
11 液室
11a 液室の内壁面
12 メンブレン
13 圧電素子
15 電極
16 発光素子
17 ポジションセンサ
30 駆動装置
31、31C 撹拌波形
31A 第1の撹拌波形
31B 第2の撹拌波形
32、32C 吐出波形
111 大気開放部
121 ノズル
300 溶液
300A、300B 液面
310 液滴
350 沈降性粒子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 10A, 10B Droplet formation apparatus 11 Liquid chamber 11a Inner wall surface of liquid chamber 12 Membrane 13 Piezoelectric element 15 Electrode 16 Light emitting element 17 Position sensor 30 Drive device 31, 31C Stirring waveform 31A First stirring waveform 31B Second stirring Waveform 32, 32C Discharge waveform 111 Atmospheric open part 121 Nozzle 300 Solution 300A, 300B Liquid surface 310 Droplet 350 Precipitating particles

特開平06−087220号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-087220

Claims (7)

沈降性粒子を含有する溶液を保持する液体保持部と、
ノズルが形成され、前記液体保持部に保持された前記溶液を振動により前記ノズルから液滴として吐出する膜状部材と、
前記膜状部材を振動させる加振手段と、
前記膜状部材を振動させて前記液滴を形成する吐出波形と、前記液滴を形成しない範囲で前記膜状部材を振動させる撹拌波形と、を前記加振手段に選択的に付与する駆動手段と、を有する液滴形成装置。
A liquid holding unit for holding a solution containing the settling particles;
A film-like member in which a nozzle is formed and discharges the solution held in the liquid holding portion as a droplet from the nozzle by vibration;
Vibration means for vibrating the membrane member;
Driving means for selectively applying to the vibration means a discharge waveform for vibrating the film-like member to form the droplet and a stirring waveform for vibrating the film-like member within a range where the droplet is not formed. And a droplet forming apparatus.
前記撹拌波形は、前記膜状部材の高次モードの固有振動数よりも低周波領域の信号から構成されている請求項1記載の液滴形成装置。   The droplet forming apparatus according to claim 1, wherein the stirring waveform includes a signal in a lower frequency region than a natural frequency of a higher-order mode of the film member. 前記撹拌波形は、前記膜状部材の基本モードの固有振動数を含んでいる請求項1又は2記載の液滴形成装置。   The droplet forming apparatus according to claim 1, wherein the stirring waveform includes a natural frequency of a fundamental mode of the film member. 前記撹拌波形は、周波数を第1の周波数から前記第1の周波数とは異なる第2の周波数まで変化させた信号であり、
前記基本モードの固有振動数は、前記第1の周波数と前記第2の周波数との間に存在している請求項3記載の液滴形成装置。
The stirring waveform is a signal in which the frequency is changed from the first frequency to a second frequency different from the first frequency,
4. The droplet forming apparatus according to claim 3, wherein the natural frequency of the fundamental mode exists between the first frequency and the second frequency.
前記溶液の液量を検知する液量検知手段を有し、
前記駆動手段は、前記液量検知手段の検知結果に基づいて、前記撹拌波形を制御する請求項1乃至4の何れか一項記載の液滴形成装置。
Having a liquid amount detecting means for detecting the liquid amount of the solution;
5. The droplet forming apparatus according to claim 1, wherein the driving unit controls the stirring waveform based on a detection result of the liquid amount detection unit.
前記駆動手段は、所定の時間間隔で前記加振手段に前記撹拌波形を付与する請求項1乃至5の何れか一項記載の液滴形成装置。   The droplet forming apparatus according to claim 1, wherein the driving unit applies the stirring waveform to the vibration unit at a predetermined time interval. 前記所定の時間間隔は、前記沈降性粒子の特性に基づいて設定される請求項6記載の液滴形成装置。   The droplet forming apparatus according to claim 6, wherein the predetermined time interval is set based on characteristics of the sedimentation particles.
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