JP2023041619A - 流体分注システム、吐出ヘッド及びそのシステムによる流体分注方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体リザーバおよび吐出ヘッドを有する流体カートリッジを備えた流体分注システムを提供する。【解決手段】吐出ヘッドは、流体リザーバに流体流連通する複数の流体イジェクタを有する。流体導電率検出回路は、複数の流体イジェクタのうちの少なくとも１つに電気接続される。流体導電率検出回路は、流体イジェクタ内の流体を検出して特徴化するよう構成され、流体導電率検出回路は、複数の流体イジェクタのうちの少なくとも１つのイジェクタ電圧を調整することによって、流体の抵抗率を特徴化する。【選択図】図１０

Description

本発明は、マイクロ流体チップに実装される流体感知回路に関するものであり、特に、チップ供給電圧の機能として回路の感度を調整する能力を有する流体感知回路に関するものである。

サーマルインクジェット技術は、印刷分野において伝統的に使用されてきたが、現在、薬物送達、マイクロドージング（micro-dosing）、ウェルプレートへの分注等の領域においても幅広く使用されるようになった。試料流体が使用者によってマイクロ流体チップに追加される場合、起動前に吐出チャンバが適切に準備されたかどうかを検出できることが重要である。

流体チャンバが充填されたかどうかを判断する１つの方法は、チャンバの状態を表すデジタル値を出力する流体感知セルを使用して、チャンバ内の流体の有無を検出する方法である。

しかしながら、このような回路は、チャンバ内の流体の種類を判断する能力がなく、高電気抵抗流体の場合、抵抗率が空のチャンバと酷似しているため、流体がチャンバ内に存在するかどうかを判断することさえできないこともある。

そのため、上述した課題を少なくともある程度克服することのできる吐出ヘッド設計が必要である。

本発明は、刺激の印加に比べて、基準電流を非直線状に調整することによって流体感知セルにおける試料の抵抗率を判断するための回路について説明する。

上記および他の必要性は、流体リザーバおよび吐出ヘッドを有する流体カートリッジを備えた流体分注システムによって満たされる。吐出ヘッドは、流体リザーバに流体流連通する流体イジェクタを有する。流体導電率検出回路は、流体イジェクタのうちの少なくとも１つに電気接続される。流体導電率検出回路は、流体イジェクタ内の流体を検出して特徴化するよう構成され、流体導電率検出回路は、流体イジェクタのうちの少なくとも１つのイジェクタ電圧を調整することによって、流体の抵抗率を特徴化する。

本発明の本態様に係るいくつかの実施形態において、流体導電率検出回路は、不均衡なバイアス電圧と基準電流を示す。いくつかの実施形態において、流体導電率検出回路は、吐出ヘッドに配置される。いくつかの実施形態において、流体導電率検出回路は、流体イジェクタのうちの少なくとも１つの中に配置された第１電極、および流体イジェクタのうちの少なくとも１つと関連する流体流路の中に配置された第２電極を含む。いくつかの実施形態において、流体カートリッジは、１つ以上の分離した流体リザーバを含む。いくつかの実施形態において、吐出ヘッドは、１つ以上の流体イジェクタのアレイを含み、流体イジェクタのアレイのそれぞれからの少なくとも１つの流体イジェクタは、流体導電率検出回路と関連する。いくつかの実施形態において、分離および独立した流体導電率検出回路のそれぞれは、流体イジェクタのそれぞれと関連する。

本発明の別の態様に基づき、流体イジェクタおよび流体イジェクタのうちの少なくとも１つに電気接続された流体導電率検出回路を有する吐出ヘッドについて説明する。流体導電率検出回路は、流体イジェクタ内の流体を検出して特徴化するよう構成され、流体導電率検出回路は、流体イジェクタのうちの少なくとも１つのイジェクタ電圧を調整することによって、流体の抵抗率を特徴化する。

本発明の本態様に係る様々な実施形態において、流体導電率検出回路は、不均衡なバイアス電圧と基準電流を示す。いくつかの実施形態において、流体導電率検出回路は、流体イジェクタのうちの少なくとも１つの中に配置された第１電極、および流体イジェクタのうちの少なくとも１つと関連する流体流路の中に配置された第２電極を含む。いくつかの実施形態において、吐出ヘッドは、１つ以上の流体イジェクタのアレイを含み、流体イジェクタのアレイのそれぞれからの少なくとも１つの流体イジェクタは、流体導電率検出回路と関連する。いくつかの実施形態において、分離および独立した流体導電率検出回路のそれぞれは、流体イジェクタのそれぞれと関連する。

本発明のさらに別の態様に基づき、流体分注システムを用いて流体を分注する方法について説明する。流体を流体リザーバに提供し、流路を用いて流体リザーバから受け取る。吐出チャンバを用いて流体を流路から受け取る。流体導電率検出回路を使用して、流路と吐出チャンバの間に配置された任意の流体を検出して特徴化する。流体導電率検出回路は、吐出チャンバ内に配置された流体イジェクタのイジェクタ電圧を調整することによって、流路と吐出チャンバの間に配置された流体の有無を検出し、その抵抗率を特徴化する。流体導電率検出回路が流路と吐出チャンバの間に流体が存在することを検出した時、流体分注シーケンスを開始する。

本発明の本態様に係るいくつかの実施形態において、予期しない抵抗率を有する流体が吐出チャンバ内で検出された時、流体分注シーケンスを変更する。いくつかの実施形態において、吐出チャンバ内で流体が検出されなかった時、流体分注シーケンスを終了する。いくつかの実施形態において、流体導電率検出回路は、不均衡なバイアス電圧と基準電流を示す。いくつかの実施形態において、流体導電率検出回路は、流路の中に配置された第１電極、および吐出チャンバの中に配置された第２電極を含む。いくつかの実施形態において、吐出ヘッドは、１つ以上の吐出チャンバのアレイを含み、各アレイからの少なくとも１つの吐出チャンバは、流体導電率検出回路と関連する。いくつかの実施形態において、吐出ヘッドは、複数の吐出チャンバを含み、分離および独立した流体導電率検出回路のそれぞれは、吐出チャンバのそれぞれと関連する。

添付図面は、本発明の原理がさらに理解されるために含まれており、本明細書に組み込まれ、且つその一部を構成するものである。図面は、本発明の実施形態を例示しており、説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たしている。
図１は、本発明の１つの実施形態に係る流体カートリッジの斜視図である。 図２は、本発明の実施形態に係る流体吐出ヘッドの平面および斜視図である。 図３は、本発明の１つの実施形態に係る吐出ヘッドの断面図である。 図４は、本発明の１つの実施形態に係るヒーターチップの平面図である。 図５は、本発明の１つの実施形態に係るチャネル層の平面図である。 図６は、本発明の１つの実施形態に係るノズル層の平面図である。 図７Ａは、本発明の１つの実施形態に係る流体感知回路の概略図である。 図７Ｂは、本発明の１つの実施形態に係る流体感知回路の概略図である。 図８は、本発明の１つの実施形態に係る印加した電圧とイジェクタ電圧の間の関係を示すチャートである。 図９は、本発明の１つの実施形態に係るＶＰＷＲ電圧の減少に伴うバイアス電圧と基準電流の間の関係を示すチャートである。 図１０は、本発明の１つの実施形態に係るＶＰＷＲ設定と流体抵抗検出範囲の間の関係を示すチャートである。 図１１は、本発明の１つの実施形態に係る流体感知回路の平面図である。

ここで、図面を参照すると、図１において、本発明の１つの実施形態に係る流体カートリッジ１００の斜視図が示されている。本実施形態において、カートリッジ１００は、６個の流体リザーバ１０２を有するリザーバ本体１０４を有するが、別の実施形態において、リザーバ本体１０４が別の数量のリザーバ１０２を有し、リザーバ１０２が異なる形態で構成されてもよいことを理解されたい。吐出ヘッド２００（図１において明白に示していない）は、本実施形態において、位置１０６に取り付けられるが、別の実施形態において、吐出ヘッド２００は、別の位置に取り付けられるか、あるいはリザーバ本体１０４から切り離されて、流体連通している。

図３を参照すると、本発明の１つの実施形態に係る吐出ヘッド２００の断面図が示されている。本実施形態において、吐出ヘッド２００は、ヒーターチップ３０２、流路層３０４、およびノズルプレート層３０６の３つの層を含む。図３に示すように、チップ３０２は、リザーバ本体１０４（図３に図示していない）のリザーバ１０２に流体連通しているビア２０２を含む。そのため、ビア２０２は、吐出ヘッド２００の別の部分に流体を提供する。流路層３０４は、ビア２０２からヒートチップ３０２のヒーター４０２を取り囲む吐出チャンバ３１２に流体を連通させる流路３１０を含む。ノズル層３０６は、流路層３０４内の吐出チャンバ３１２およびチップ３０２上のヒーター４０２の上方に配置されたノズル３０８を含み、ヒーター４０２が通電した時に、流体を外に出す。

この吐出ヘッド２００の説明は、非常に基本的なものであるが、吐出ヘッド２００の製造に使用される工法および材料のより詳しい説明を容易に入手できることを理解されたい。

ここで、図４を参照すると、本発明の１つの実施形態に係るヒーター４０２、トレース４０４、およびビア領域２０２を含むヒーターチップ３０２の平面図が示されている。導電性トレース４０４は、ヒーター４０２に電荷を伝導する。しかしながら、図面を必要以上に妨げないように、図４では、これらの電気トレース４０４のいくつかのみを示し、同様に理由により、他の図面においては、全く図示しない。図面において、ビア領域２０２、ヒーター４０２、およびトレース４０４の数および位置が示されているが、別の実施形態において、異なる数、位置、および配置のビア領域２０２、ヒーター４０２、およびトレース４０４が存在することを理解されたい。

図２は、本発明の実施形態に係る流体吐出ヘッド２００の平面および斜視図である。図５は、図４のチップ３０２と一緒に使用される流路層３０４の流路３１０および吐出チャンバ３１２を示したものである。図６は、図４のチップ３０２と一緒に使用されるノズル層３０６のノズル３０８を示したものである。

図４に示すように、位置４０８は、図７Ａおよび図７Ｂに示した流体導電率検出回路７００の位置の１つの実施形態を示したものであり、後で詳しく説明するように、流路３１０および吐出チャンバ３１２に流体が充填されたかどうかを判断するのに適している。様々な実施形態において、流体導電率検出回路７００の複数のコピーを各ヒーター４０２と、またはヒーター４０２のいくつかと関連して配置してもよい。

吐出チャンバ３１２が流体を収容しているかどうかを判断するために、１つの実施形態において、図１１で詳しく説明するように、位置４０８に流体導電率検出回路７００を配置してもよい。電極１１０４および１１０６を含む導電率検出装置１１０２を簡素化した平面図に示す。電極１１０４は、ヒーター４０２上に配置することができる。第２電極１１０６は、流路３１０を跨ぐように配置される。これらの２つの電極１１０４および１１０６は、それぞれリード１１１０および１１０８に電気接続される。これらのリード１１１０および１１０８は、図７Ａにおいても示されている。電極１１０４および１１０６のそれぞれは、デジタル分注装置２００によって分注された流体に対して抵抗力のある金属、例えば、タンタル等で作ることができる。

第１電極１１０４および第２電極１１０６は、流路３１０内に導電性流体が存在する時に、互いに電気接続される。流路３１０内に導電性液体が存在しない時、２つの電極１１０４と１１０６の間に開回路が存在する。様々なバイアス電圧を電極１１０４および１１０６に印加し、感知した電圧と電流を比較することによって、流路３１０内の液体の有無を検出することができ、流体の特性のいくつかを判断することができる。

図７Ａおよび図７Ｂを参照すると、基準電流回路７０６および７１４、バイアス電圧基準７０２、感知素子およびバイアス電圧リミッタ７０４、７０８、および７１０、クロック信号生成器７１８、電流比較器７１２、および出力ラッチおよびレジスタ７１６を含む流体導電率検出回路７００の６つの主要部分が示されている。以下、これらの回路のそれぞれについてさらに詳しく説明する。線７２０、７２２、および７２４は、図７Ａおよび図７Ｂの回路の任意に分割された描写間の電気接続を示す。

基準電流回路７０６および７１４は、ＶＰＷＲ電圧を追跡する基準電流を生成し、幅広く調整することができる。これにより、異なる等価抵抗を有する流体の感度調整が行えるようになり、耐ノイズ性と感度の間のバランスを提供することができる。

バイアス電圧回路７０２は、感知素子（バイアス電圧リミッタ）７０４、７０８、および７１０に用いる電圧基準を生成し、変化するＶＰＷＲ電圧によらずバイアス電圧をより一定にする制限動作を有する。大きなバイアス電圧は、感知素子７０４、７０８、および７１０を損傷し、液体の正確な検出を妨げる可能性があるため、これにより、所望の制限を超えずに感知素子７０４、７０８、および７１０の電圧を最大化できるようになる。

感知素子７０４、７０８、および７１０およびバイアスリミッタは、基準位相と比較位相の切換位相を制御する。基準位相において、パッドは、バイアス電圧に制限されるが、比較位相において、パッドは、ＬＧＮＤに接続される。感知パッドは、図７Ａに示すように、比較位相および基準位相の両方において、リード１１０８によってバイアス電圧に接続され、制限される。

クロック信号生成器７１８は、非オーバーラップ（non-overlapping）のクロック信号を生成する。基準位相信号および比較位相信号は、ブレークビフォメーク（break-before-make）型の信号である。これは、比較前にセンサ素子７０４、７０８、および７１０を安定させることによって、センサの充電を制御するのに役立つ。

電流比較器７１２は、比較位相の流体感知電流から基準電流を引くことによって検出する。比較電圧がゼロよりも大きい場合、流体が検出されている。

出力ラッチおよびレジスタ７１６は、検出した比較をラッチして、次の比較操作のためにリセット可能になる。出力レジスタは、新しい比較が完了するまで、検出結果を保持する。

図８は、マイクロ流体チップイジェクタ電圧と流体感知回路のＶＤＤに印加された内部発生電圧の間の関係のチャート８００を示したものである。図のように、イジェクタ電圧（ＶＰＷＲ）を調整することによって、回路電圧（ＬＰＷＲ）を略直線状に変化させることができる。

図９は、ＶＰＷＲ電圧（横座標に示す）の減少に伴うトレース９０２で示した感知出力電圧（左側の縦軸で測定された電圧）、トレース９０６で示したバイアス電圧、および基準電流９０４（右側の縦軸で測定されたアンペア数）の間の関係のチャート９００を示したものである。回路にとっての重要なメリットは、ＶＰＷＲが約１２Ｖから約９Ｖに減少した時、バイアス電圧９０６は約９８０ｍＶから約７６５ｍＶにおよそ直線状に進むが、基準電流９０４は約２４２０ｎＡから約３１９ｎＡに非直線状に減少することである。これは、本例において、基準電流９０４が約８７％減少したのに対し、バイアス電圧９０６が約２２％減少したことを示す。バイアス電圧と基準電流が不均衡になると、流体導電率検出回路７００において大きな信号が生成され、その一方で感知点が減少する。

図１０は、吐出ヘッド２００に使用される可能性のあるいくつかの異なる流体１００２～１０１２に用いる流体導電率検出回路７００の試験能力のチャート１０００を示したものである。流体１００２～１０１２は、異なる抵抗率を有し、流体１００２の抵抗率が最も高く、流体１０１２の抵抗率が最も低い。各流体１００２～１０１２の抵抗率をＶＰＷＲの関数として約６Ｖ～約１４Ｖまで描画する。

また、チャート１０００において、基準電流１０１４および様々なＶＰＷＲ設定を描画する。ＶＰＷＲスケールに沿った任意の点において、流体導電率検出回路７００は、描画された基準電流１０１４を上回る抵抗率を有する流体１００２～１０１２の抵抗率を検出して特徴化することができる。そのため、約１２Ｖでは、本実施形態に関し、流体導電率検出回路７００は、流体１００２～１００６を検出して特徴化することができる。約７Ｖでは、流体導電率検出回路７００は、流体１００２～１０１２を検出して特徴化することができる。

引用した先行文献を超える本発明の新規の態様は、不均衡なバイアス電圧と基準電流を有する流体検出回路を含み、マイクロ流体チップイジェクタ電圧を下げることによって、流体の抵抗率を判断する能力を有する。

前述した本発明の実施形態の説明は、例示および説明を目的として示されてきた。本発明を、網羅的とする、または開示された形態に限定する意図はない。上記の教示を考慮すると、自明の修正または変更が可能となろう。実施形態は、本発明の原理およびそのこれの実用的な用途を最も良く表わすために、また、それによって、考えられる特定の用途に適するように、様々な実施形態で、および様々な修正とともに、当業者が本発明を用いることが可能となるよう、選択され、説明された。公正に、合法的に、かつ公平に権限を与えられた広がりに従って解釈される場合に、このような修正および変更の全てが添付の特許請求の範囲により決定された本発明の範囲内にある。

Claims (20)

1. 流体リザーバおよび前記流体リザーバに流体流連通する複数の流体イジェクタを有する吐出ヘッドを有する流体カートリッジと、
   前記複数の流体イジェクタのうちの少なくとも１つに電気接続され、前記流体イジェクタ内の流体を検出して特徴化するよう構成された流体導電率検出回路と、
   を含み、前記流体導電率検出回路が、前記流体導電率検出回路への印加電圧を調整して、基準電流を変更することによって制御され、それにより、前記流体導電率検出回路が異なる特性抵抗率の流体を検出できるようにする流体分注システム。
2. 前記流体導電率検出回路が、不均衡なバイアス電圧と基準電流を示す請求項１に記載の流体分注システム。
3. 前記流体導電率検出回路が、前記吐出ヘッドに配置された請求項１に記載の流体分注システム。
4. 前記流体導電率検出回路が、前記複数の流体イジェクタのうちの前記少なくとも１つの中に配置された第１電極、および前記複数の流体イジェクタのうちの前記少なくとも１つと関連する流体流路の中に配置された第２電極を含む請求項１に記載の流体分注システム。
5. 前記流体カートリッジが、１つ以上の分離した流体リザーバを含む請求項１に記載の流体分注システム。
6. 前記吐出ヘッドが、１つ以上の流体イジェクタのアレイを含み、前記流体イジェクタのアレイのそれぞれからの少なくとも１つの流体イジェクタが、前記流体導電率検出回路と関連する請求項１に記載の流体分注システム。
7. 分離および独立した流体導電率検出回路のそれぞれが、前記複数の流体イジェクタのそれぞれと関連する請求項１に記載の流体分注システム。
8. 複数の流体イジェクタと、
   前記複数の流体イジェクタのうちの少なくとも１つに電気接続され、前記流体イジェクタ内の流体を検出して特徴化するよう構成された流体導電率検出回路と、
   を含み、前記流体導電率検出回路の感度が、前記流体導電率検出回路への印加電圧を調整して、基準電流を変更することによって制御され、それにより、前記流体導電率検出回路が異なる特性抵抗率の流体を検出できるようにする吐出ヘッド。
9. 前記流体導電率検出回路が、不均衡なバイアス電圧と基準電流を示す請求項８に記載の吐出ヘッド。
10. 前記流体導電率検出回路が、前記複数の流体イジェクタのうちの前記少なくとも１つの中に配置された第１電極、および前記複数の流体イジェクタのうちの前記少なくとも１つと関連する流体流路の中に配置された第２電極を含む請求項８に記載の吐出ヘッド。
11. 前記吐出ヘッドが、１つ以上の流体イジェクタのアレイを含み、前記流体イジェクタのアレイのそれぞれからの少なくとも１つの流体イジェクタが、前記流体導電率検出回路と関連する請求項８に記載の吐出ヘッド。
12. 分離および独立した流体導電率検出回路のそれぞれが、前記流体イジェクタのそれぞれと関連する請求項８に記載の吐出ヘッド。
13. 流体分注システムを用いて流体を分注する方法であって、
    流体を流体リザーバに提供するステップと、
    流路を用いて前記流体リザーバから前記流体を受け取るステップと、
    吐出チャンバを用いて前記流体を前記流路から受け取るステップと、
    流体導電率検出回路を使用して、前記流路と前記吐出チャンバの間に配置された任意の前記流体を検出して特徴化し、前記流体導電率検出回路の感度が、前記流体導電率検出回路への印加電圧を調整して、基準電流を変更することによって制御され、それにより、前記流体導電率検出回路が異なる特性抵抗率の流体を検出できるようにするステップと、
    前記流体導電率検出回路が前記流路と前記吐出チャンバの間に前記流体が存在することを検出した時、流体分注シーケンスを開始するステップと、
    を含む方法。
14. 予期しない抵抗率を有する流体が前記吐出チャンバ内で検出された時、前記流体分注シーケンスを変更するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記吐出チャンバ内で流体が検出されなかった時、前記流体分注シーケンスを変更するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
16. 前記吐出チャンバ内で流体が検出されなかった時、前記流体分注シーケンスを終了するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
17. 前記流体導電率検出回路が、不均衡なバイアス電圧と基準電流を示す請求項１３に記載の方法。
18. 前記流体導電率検出回路が、前記流路の中に配置された第１電極、および前記吐出チャンバの中に配置された第２電極を含む請求項１３に記載の方法。
19. 前記吐出ヘッドが、１つ以上の吐出チャンバのアレイを含み、各アレイからの少なくとも１つの吐出チャンバが、前記流体導電率検出回路と関連する請求項１３に記載の方法。
20. 前記吐出ヘッドが、複数の吐出チャンバを含み、分離および独立した流体導電率検出回路のそれぞれが、前記複数の吐出チャンバのそれぞれと関連する請求項１３に記載の方法。

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