KR20150022823A - 이젝터 디바이스들, 방법들, 드라이버들, 및 그를 위한 회로들 - Google Patents

이젝터 디바이스들, 방법들, 드라이버들, 및 그를 위한 회로들 Download PDF

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이엄 린치
제프리 페롯
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Abstract

압전 이젝터 어셈블리에서, 압전 엑츄에이터는 이젝터 메커니즘에 부착되며, 반면 드라이브 신호 생성기 및 제어기는 엑츄에이터에 커플링된다. 드라이브 신호 생성기는 이젝터 어셈블리를 발진시키도록 엑츄에이터를 구동시키는 드라이브 신호를 생성하도록 구성된다. 제어기는 이젝터 어셈블리의 공진 주파수에서 엑츄에이터를 구동시키도록 드라이브 신호 생성기를 제어하도록 구성되며, 자동-튜닝 회로는 최적의 드라이브 신호 주파수를 정의하기 위해 제공된다.

Description

이젝터 디바이스들, 방법들, 드라이버들, 및 그를 위한 회로들{EJECTOR DEVICES, METHODS, DRIVERS, AND CIRCUITS THEREFOR}
관련 출원
본 출원은 "Methods, Drivers and Circuits for Ejector Devices and Systems " 란 발명의 명칭으로 2012년 5월 15일자에 출원된, 미국 출원 번호 제 61/647,359호, "Ejector Device and Resonance Function Driver Therefor "란 발명의 명칭으로 2012년 11월 5일자에 출원된, 미국 출원 번호 제 61/722,556호, 및 "On Demand Droplet Generation Device "란 발명의 명칭으로 2012년 11월 5일자에 출원된, 미국 출원 번호 제 61/722,584호의 이익을 주장하며, 이의 내용들이 본원에서 그들 전체가 참조로 포함된다.
본 개시물의 분야
본원에서 개시되는 시스템들, 방법들 및 장치들은 일반적으로 전기기계 시스템들의 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본원에서 설명되는 시스템들, 방법들 및 장치들은 액적 생성 이젝터 시스템을 구동시키고, 모니터링하며 제어하는데 이용될 수도 있다.
압전 엑츄에이터들은 전압이 그들 양단에 인가될 때 기계적 왜곡을 겪는 전자 컴포넌트들이다. 전압의 영향 하에서, 압전 재료, 예컨대 세라믹의 결정 구조는, 압전 재료가 형태를 변경할 정도로 영향을 받는다. 예를 들어 교번 전기장이 압전 재료에 인가되면, 압전 재료는 인가된 신호의 주파수에서 진동 (수축 및 팽창) 할 것이다. 압전 재료들의 이 특성은 효과적인 엑츄에이터들 - 기계적 부하를 변위시키는데 이용될 수 있는 전자 컴포넌트들을 제조하는데 활용될 수 있다. 전압이 압전 엑츄에이터에 인가되면, 압전 재료의 형태 및 사이즈에서의 최종 변화가 기계적 부하를 변위시킨다. 압전 엑츄에이터에 인가되는 전기 신호들은 일반적으로 단일-톤, 즉 단일-주파수, 또는 구형-파 입력들이다.
어떤 구성들에서, 충분한 전압 및 적합한 주파수/주파수들을 갖는 드라이브 신호가 압전 엑츄에이터에 인가될 때, 압전 엑츄에이터는 유체와 같은 기계적 부하에서 이동을 유도하여, 액적들의 스트림으로서 분사 (eject) 될 수도 있는 유체의 액적 (droplet) 들을 생성할 수도 있다. 액적들의 분사된 스트림의 생성 동안, 개선된 압전 드라이버들, 드라이버 시스템들 및 구동시키는 방법들이 일반적으로 바람직하다.
본 개시물은 액적 이젝터 디바이스 및 이러한 디바이스를 구동시키는 방법에 관한 것이다. 액적 이젝터 디바이스는 이젝터 어셈블리를 정의하기 위해 액적 생성기 플레이트에 커플링된 엑츄에이터, 및 드라이버 및 피드백 회로들을 포함할 수도 있다. 액적 생성기 플레이트는 유체로 로딩되도록 유체 저장소와 유체 연통하는 복수의 개구를 포함할 수도 있다. 드라이버 회로는 엑츄에이터와 신호 통신하며, 드라이브 파형에 기초하여 엑츄에이터를 구동시키도록 구성된다. 피드백 회로는 엑츄에이터 및 드라이버 회로와 신호 통신하며, 유체-로딩된 액적 생성기 플레이트의 발진을 나타내는 피드백 신호에 기초하여 완화 시간 (relaxation time) 을 결정하도록 구성된다. 드라이브 파형은 유체-로딩된 액적 생성기 플레이트 및 엑츄에이터의 완화 시간에 기초하여 이완 기간 만큼 제 2 드라이브 시퀀스로부터 분리된 제 1 드라이브 시퀀스를 포함한다.
또, 본 개시물에 따르면, 압전 이젝터 디바이스 또는 압전 디바이스에 포함될 수도 있는 액적 생성기의 드라이브 신호 또는 드라이브 파형, 및 드라이버 회로가 제공된다.
도 1 은 본 개시물의 이젝터 어셈블리의 일 실시형태의 단면도를 나타낸다.
도 2 의 (a) 및 (b) 는 본 개시물의 이젝터 어셈블리를 위한 활성화된 이젝터 플레이트의 일 실시형태의 단면도들이다.
도 3a 는 대칭 구성에서 본 개시물의 이젝터 어셈블리를 위한 이젝터 메커니즘의 일 실시형태의 구성도이다.
도 3b 는 본 개시물의 대칭 이젝터 메커니즘의 일 실시형태의 분해도이다.
도 3c 는 본 개시물의 대칭 이젝터 메커니즘의 일 실시형태의 평면도이다.
도 4 는 본 개시물의 이젝터 메커니즘의 일 실시형태의 부분을 통한 단면도이다.
도 5 는 본 개시물에 따른 압전 엑츄에이터를 구동시키고 제어하는 시스템의 일 실시형태의 블록도이다.
도 6 은 본 개시물의 변형 벅-부스트 변환기의 개략적인 회로도이다.
도 7 은 풀 (full) 브릿지 및/또는 공진 변환기를 구동시키기 위해 배터리 전압들을 2 내지 3 V 로부터 60 V 만큼 높은 출력으로 변환하는데 이용되는 본 개시물의 변형된 부스트 변환기의 일 실시형태의 개략적인 회로도이다.
도 8 은 드라이브 본 개시물의 공진 변환기의 일 실시형태의 개략적인 회로도이다.
도 9 는 부스트 변환기를 이용하는 본 개시물의 드라이버의 일 실시형태의 블록도이다.
도 10 은 본 개시물에 따른 멀티-톤 드라이버 및 공진 검출 및 제어 회로의 일 실시형태의 블록도이다.
도 11 은 본 개시물에 따른 2-톤 드라이버의 일 실시형태의 시변 전압 출력을 나타낸다.
도 12 는 본 개시물에 따른 멀티-톤 드라이버 및 공진 검출 및 제어 회로의 또 다른 실시형태의 블록도이다.
도 13 은 본 개시물에 따른 멀티-톤 드라이버 및 공진 검출 및 제어 회로의 또 다른 실시형태의 블록도이다.
도 14 는 본 개시물에 따른 멀티-톤 드라이버 및 공진 검출 및 제어 회로의 또 다른 실시형태의 블록도이다.
도 15 는 본 개시물에 따른 드라이버의 일 실시형태의 개략적인 회로도이다.
도 16 은 본 개시물에 따른 멀티-톤 드라이버 및 공진 검출 및 제어 회로의 또 다른 실시형태의 블록도이다.
도 17 은 TEP 측정 회로를 갖는 풀 브릿지 회로의 일 실시형태의 회로도이다.
도 18 은 도 17 의 회로의 TEP 측정 부분의 확대도이다.
도 19 는 공진 및 비-공진 감쇠를 나타내는 전압 대 시간 파형이다.
도 20 은 전기기계 메커니즘의 공진을 결정하는 방법의 일 실시형태를 예시하는 흐름도이다.
도 21 은 전기기계 메커니즘의 공진을 결정하는 방법의 또 다른 실시형태를 예시하는 흐름도이다.
도 22 는 본 개시물에 따른 메커니즘의 일 실시형태의 적분된 신호의 샘플 파형 (진폭 대 주파수) 을 나타낸다.
도 23 은 본 개시물에 따른 메커니즘의 또 다른 실시형태의 적분된 신호의 샘플 파형 (진폭 대 주파수) 을 나타낸다.
도 24 는 본 개시물에 따른 드라이버 및 공진 검출 및 제어 회로의 또 다른 실시형태의 블록도이다.
도 25 는 본 개시물에 따른 드라이버 및 공진 검출 및 제어 회로의 또 다른 실시형태의 블록도이다.
도 26 은 본 개시물에 따른 드라이버 및 공진 검출 및 제어 회로의 또 다른 실시형태의 블록도이다.
도 27 은 TEP 공진 검출 회로의 일 실시형태의 블록도이다.
도 28 은 본 개시물에 따른 공진 검출 및 제어 회로에 대한 바이패스의 일 실시형태의 블록도이다.
도 29 는 본 개시물의 일 실시형태에 따른 드라이버 신호들 및 공진 검출 및 제어 회로 신호들을 나타낸다.
도 30 은 본 개시물에 따른 풀 브릿지 동작에 필요한 레벨들을 구동시키기 위해 보충 파형 생성기 출력을 취하는 레벨 시프팅 드라이버의 일 실시형태의 개략적인 회로도이다.
도 31 은 본 개시물의 일 구현예에 대한 질량 퇴적 (Mass Deposition) 대 주파수 파형이다.
도 32 는 본 개시물의 일 구현예에 따른 공진 측정 출력을 위한 적분된 전압 대 주파수이다.
도 33 은 드라이버 시스템에 대한 게이트 발진기 부스트 회로의 일 실시형태의 개략적인 회로도이다.
도 34a 는 예시적인 유체 이완 파형의 플롯이다.
도 34b 는 도 34a 에서의 유체 이완 파형의 확대도이다.
도 35a 내지 도 35d 는 링-다운 감쇠를 위한 파형들의 예들의 플롯들이다.
도 36 은 드라이브 신호의 제거 이후 이완 파형의 플롯이다.
도 37 은 드라이브 신호의 소프트 램프 다운 (ramp down) 이후 이완 파형의 플롯이다.
도 38a 는 링-다운 신호의 고조파 생성 ("비팅 (beating)") 을 나타내는, 5-사이클 여기 이후 이완 파형의 플롯이다.
도 38b 는 도 38a 에서의 이완 파형의 확대도이다.
도 39a 는 감소된 완화 시간 및 고조파 생성을 나타내는, 추가된 감쇠 신호를 갖는 10-사이클 여기 이후 유체 이완 파형의 플롯이다.
도 39b 는 도 39a 에서의 이완 파형의 확대도이다.
도 40 은 감쇠 신호를 갖는 10-사이클 구형파 여기 이후 이완 파형의 플롯이다.
도 41 은 감쇠 신호가 없는 이완 파형의 플롯이다.
도 42 는 감쇠 신호 및 이완 부동 시간을 갖는 10 사이클 구형파 드라이브의 2 개의 기간들 이후 이완 파형의 플롯이다.
도 43 은 드라이브 신호 생성기의 일 실시형태의 블록도이다.
도 44 는 레벨 시프터 회로의 일 실시형태의 개략적인 회로도이다.
도 45 는 IR 용량 검출 회로의 일 실시형태의 개략적인 회로도이다.
도 46 은 2X 전하 펌프의 일 실시형태의 개략적인 회로도이다.
도 47 은 본 개시물에 따른, 전하 펌프 및 피에조 드라이버로서 작용하는 2 개의 부스트 변환기들의 일 실시형태의 개략적인 회로도이다.
도 48 은 본 개시물의 마이크로제어기의 일 실시형태의 개략적인 회로도이다.
도 49 는 (피에조를 포함한) 공진 탱크로 로딩된 풀 브릿지를 구동시키는 레벨 시프터들의 세트의 일 실시형태의 회로도를 나타낸다.
도 50 은 TEP 풀다운/액적 온 디맨드식 (on demand) 풀다운 회로의 일 실시형태를 나타낸다.
본 개시물은 일반적으로 이젝터 디바이스들, 및 유체들의 전달에서 그들의 사용을 위한 방법들에 관한 것이다. 특히, 본 개시물은 눈으로의 안과용 유체들 (ophthalmic fluids) 의 전달을 포함한, 눈, 국소 (topical), 경구 (oral), 코, 또는 폐 사용을 위한 유체들의 전달에 유용한 이젝터 디바이스들 및 방법들에 관한 것이다. 액적 온 디맨드식 동작들에서, 원하는 질량 이송율들 및 유체 투약량들을 갖는, 그리고 감소된 비딩 (beading) 및 이젝터 폐쇄 (occlusion) 을 갖는 액적 형태로 유체를 전달하는데 필요한 이젝터 변위들 및 속도들을 달성하기 위해, 본원에서 설명되는 시스템들 및 방법을 이용하여, 하나 이상의 유체 방울들 (drops) 이 소정 시간에 분사될 수도 있다.
배경에 의하면, 높은 용량 액적 생성 및 이젝터 시스템들에서는, 유체가 이젝터의 표면 상에 방울이 되어 붙고, 액적 생성 개구들을 막아, 종종 수 초 또는 심지어 수 분까지 기간들 동안 질량 이송을 감소시킬 수 있다. 따라서, 유체 비딩 및 관련되는 효과들은 이젝터 개구들 또는 노즐들의 패턴을 통하여 필요한 유체 분사 속도를 제공하는 것을 어렵게 할 수도 있다. 이들 도전과제들은 특히 저속 모드들, 또는 바람직하지 못한 고유모드 형태들에서 동작할 때 관련된다. 발진 시스템의 고유모드 (Eigenmode) 들 또는 정상 모드들은 시스템의 모든 부분들이 동일한 주파수로 그리고 고정된 위상 관계로 정현파적으로 이동하는 진동 또는 모션의 패턴들이다. 정상 모드들에 의해 설명되는 모션은 공진으로 불린다. 시스템의 정상 모드들의 주파수들은 그 자연스러운 주파수들 또는 공진 주파수들로서 알려져 있다. 빌딩, 브릿지 또는 분자 또는, 이 경우에서와 같은 유체 이젝터 메커니즘과 같은, 물리적인 오브젝트는 그의 구조, 재료들 및 경계 조건들에 의존하는 정상 모드들의 세트를 갖는다. 분사된 유체는 또한 이젝터 표면 상에 증발 필름들을 형성할 수도 있으며, 이것은 이젝터 성능을 실질적으로 열화시킬 수 있다.
소정 실시형태들에서, 이젝터 디바이스들은 유체의 액적들의 지향된 스트림을 생성하는, 이젝터 메커니즘 (예를 들어 엑츄에이터에 커플링된 액적 생성기 플레이트 및 이젝터 플레이트), 및 이젝터 메커니즘을 로딩하기 위한 유체 공급 배열을 포함한다. 참조의 용이를 위해, 이젝터 메커니즘 및 유체 공급 배열의 조합은 본원에서 이젝터 어셈블리로서 지칭될 것이다. 적합한 유체들은 이젝터 메커니즘을 이용하여 액적 형성을 가능하게 하는 범위에서의 점도들을 갖는 솔루션들, 현탁액들 및 에멀젼들을, 한정 없이, 포함한다. 적합한 유체들은 또한 한정 없이, 약제 및 의학 제품들을 포함하는 유체들을 포함한다.
높은 용량 액적 생성 및 분사 시스템들에서 유체의 액적들의 질량 퇴적을 달성하기 위해, 제팅 (jetting) 을 통한 연속적인 유체 분사가 이용될 수도 있다. 연속적인 제팅은 상당수의 작은 액적들의 생성 및 분사에 의해 유체의 더 큰 용량들의 질량 퇴적을 (예를 들어 0.5-30 uL 범위에서) 가능하게 한다.
그러나, 연속적인 모드에서 액적들의 스트림을 방출하는 것은 특히, 난잡한 제트들, 위성 액적 재포획, 및 유도성 및 마찰 대전 효과들로 인해 비딩 (beading) 을 초래할 수도 있다. 일단 형성되면, 이젝터 개구 위에 걸쳐 위치된 유체 비드는 예컨대 펌핑 액션의 결과로서 증대되어, 예컨대 Coulomb 인력 또는 기계적 모션으로 인해, 결국 이젝터 개구들의 외부 표면을 적실 수도 있다. 발진 이젝터 메커니즘의 모멘텀에 추가하여, 유체 자체가 또한 아래에 설명되는 바와 같이, 연속적인 분사 모드 동안, 또는 불충분한 이완 기간이 발진의 기간과 분사의 기간 사이에 제공될 때 쌓일 수 있는 모멘텀에 추가된다.
이와 같이, 본 개시물에 따르면, 개선된 액적 생성 및 분사 기법들이 이젝터 표면 상의, 그리고 이젝터 개구들 위의 유체 비딩을 감소시키거나 최소화하거나 또는 제거하도록 압전 엑츄에이터 (또는, 다른 엑츄에이터) 를 구동시키기 위해 제공된다. 본 개시물은 또한, 분사 어셈블리의 표면 상에, 그리고 확장된 사용의 기간들에 걸쳐서 성능을 유지하는데 필요한 다른 컴포넌트들 상에 불완전하게 분사된 유체의 필름들의 형성을 억제하거나 또는 방지하는 개선된 액적 생성 및 분사 기법들을 제공한다.
전기 드라이브 신호 타이밍 및 압전 에너지 상쇄 또는 능동 감쇠를 통해 비딩을 억제하거나 또는 방지하기 위해, 연속적인 젯 동작 동안 유체 모멘텀 생성을 중지시키거나 또는 감소시키는 상이한 기법들이 개시된다. 이들 기법들은 정현파, 구형파, 램프, 처프 (chirp), 진폭 변조된 및 주파수 변조된 드라이브 신호들 및 파형들, 및 이러한 파형들의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 적합한 드라이브 신호 유형들의 범위에 적용가능하다.
이들 기법들의 실시형태들에서, 액적들은 이젝터 메커니즘에 커플링된 저장소에 포함된 유체로부터 형성될 수도 있다. 이젝터 메커니즘 및 저장소는 일회용이거나 또는 재사용가능할 수도 있으며, 컴포넌트들은 미국 가출원 번호 제 61/569,739호, 제 61/636,559호, 제 61/636,565호, 제 61/636,568호, 제 61/642,838호, 제 61/642,867호, 제 61/643,150호 및 제 61/584,060호, 및 미국 특허출원 제 13/184,446호, 제 13/184,468호 및 제 13/184,484호에 설명된 것들과 같은, 이젝터 디바이스의 하우징에 패키징될 수도 있으며, 이의 내용들이 본원에 참조로 포함된다.
도 1 을 참조하면, 예를 들어 이젝터 어셈블리 (100) 는 이젝터 메커니즘 (101) 및 저장소 (120) 를 포함할 수도 있다. 이젝터 메커니즘 (101) 은 이 실시형태에서와 같이, 이젝터 개구들 (126) 을 포함하는 중심에 위치된 생성기 플레이트 섹션과 일체로 형성된 이젝터 플레이트 (102) 를 갖는 발진 플레이트 어레인지먼트를 포함할 수도 있거나, 또는 이젝터 플레이트 (102) 는 이젝터 메커니즘의 부분을 형성하는 압전 엑츄에이터 (104) 에 의해 활성화될 수 있는 별개의 생성기 플레이트에 커플링될 수도 있다. 편의를 위해, 양자의 실시형태들은 액적 생성기 (132) 를 갖는 것으로 지칭될 것이다. 엑츄에이터 (104) 는 방향 (114) 을 따라 하나 이상의 개구들 (126) 로부터의 단일 액적 (112)(액적 온 디맨드식) 으로서, 또는 하나 이상의 개구들 (126) 로부터 분사된 액적들 (112) 의 스트림으로서 저장소 (120) 로부터 유체 (110) 를 전달하기 위해, 이젝터 플레이트 (102) 를 진동시키거나 또는 아니면 변위시킨다.
일부 애플리케이션들에서, 안과용 유체는 예를 들어 인간 성인 또는 아이, 또는 동물의 눈 (116) 방향으로 분사될 수도 있다. 유체는 인간 또는 동물의 불쾌함, 컨디션, 또는 질병을 눈에 또는 피부 표면 상에, 또는 코에 또는 폐의 투여로 치료하기 위한 제약제 (pharmaceutical agent) 를 포함할 수도 있다.
이젝터 플레이트 (102) 에의 엑츄에이터 (104) 의 부착의 로케이션은 또한 이젝터 어셈블리 (100) 의 동작, 및 단일 액적들 또는 그의 스트림들의 생성에 영향을 미칠 수도 있다. 도 1 의 구현예에서, 예를 들어 엑츄에이터 (104)(또는, 다수의 개개의 엑츄에이터 컴포넌트들 (104)) 는 저장소 (120) 에 대향하는 표면 (122) 상에서 이젝터 플레이트 (102) 의 주변의 영역에 커플링될 수도 있다.
이젝터 플레이트 (102) 의 중앙 영역 (130) 은, 이 실시형태에서 유체 (110) 가 통과하여 액적들 (112) 을 형성하는 하나 이상의 개구들 (126) 을 갖는 분사 영역 (132) 을 포함한다. 분사 영역 (또는, 액적 생성기)(132) 은 중앙 영역 (130) 의 부분, 예를 들어 중심을 점유할 수도 있거나, 또는 분사 영역 (132) 의 분사 홀 패턴은 실질적으로 중앙 영역 (130) 의 전체 영역을 점유할 수도 있다. 또, 저장소의 개방 단부 (138) 는 분사 영역 (132) 의 사이즈에 실질적으로 대응할 수도 있거나, 또는 이 실시형태에서와 같이 개방된 영역 (138) 은 분사 영역 (132) 보다 더 클 수도 있다.
도 1 에 나타낸 바와 같이, 이젝터 플레이트 (102) 는 유체 (110) 를 포함하는, 저장소 (120) 의 개방 단부 (138) 상에 걸쳐서 배치되거나 또는 그와 유체 연통한다. 예를 들어 저장소 (120) 는 저장소 벽 (150) 에 형성된 그루브에 배열된 O-링 (148a) 과 같은 적합한 밀봉재 또는 커플링을 이용하여, 제 1 주요한 표면 (125) 의 주변의 영역 (146) 을 따라 이젝터 플레이트 (102) 에 커플링될 수 있다. 저장소 하우징의 부분 (144) 은 또한 접을 수 있는 블래더의 유형으로 제공될 수도 있다. 그러나, 본 개시물은 그에 한정되지 않으며, 임의의 적합한 블래더 또는 저장소가 사용될 수도 있다.
전압이 엑츄에이터 (104) 의 대향 표면들 (136 및 134) 상의 전극들 (106a 및 106b) 양단에 인가되면, 이젝터 플레이트 (102) 는 편향하여, 전압의 극성에 따라 각각, 도 2 의 (a) 및 (b) 에 나타낸 바와 같이, 상대적으로 더 오목한 형태 (170) 로 또는 상대적으로 더 볼록한 형태 (172) 로 변한다.
교류 전압으로 구동될 때, 엑츄에이터 (104) 는 이젝터 플레이트 (102) 의 주기적인 이동 (발진) 을 포함하여, 이젝터 플레이트 (102) 의 볼록한 및 오목한 형태들 (170 및 172) 을 교번하여 역전하도록 동작한다. 액적들 (112) 이 위에서 설명한 바와 같이, 애퍼쳐들 또는 개구들 (126) 에 형성되며, 동시에 분사 영역 (132) 의 발진하는 모션이 하나 이상의 액적들 (112) 로 하여금 유체 전달 (분사) 방향 (114) 을 따라 예를 들어 단일-액적 (액적 온 디맨드식) 투여로, 또는 액적들의 스트림으로서 분사되게 한다.
드라이브 전압 및 주파수는 위에서 설명한 바와 같이, 분사 메커니즘의 개선된 성능을 위해 선택될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 엑츄에이터 (104) 의 발진 주파수는 이젝터 플레이트 (102) 의 공진 주파수에서 또는 그 근처에서, 또는 중첩, 간섭, 또는 공진 커플링을 통한 이러한 공진에서 이젝터 플레이트 (102) 를 발진하도록 선택된 하나 이상의 주파수들에서 선택될 수도 있다.
공진 주파수에서 또는 그 근처에서 동작될 때, 이젝터 플레이트 (102) 는 이젝터 영역 (액적 생성기)(132) 의 변위를 증대시킴으로써, 직접-커플링 설계에 비해 엑츄에이터의 상대적인 전력 요구사항들을 감소시킬 수도 있다. 엑츄에이터 (104), 이젝터 플레이트 (102) 및 임의의 유체-충진된 액적 생성기를 포함하는, 공진 시스템의 감쇠 인자 (damping factor) 는, 또한 피로를 감소시키고 중대한 고장 없이 서비스 수명을 증가시키기 위해 압전 엑츄에이터 입력 전력보다 더 크게 선택될 수도 있다.
이젝터 어셈블리들의 예들은 "Ejector Mechanism, Ejector Device, and Methods of Use" 로, 2011년 12월 12일자에 출원되어 본원에서 참조로 포함된, 미국 가특허 출원번호 제 61/569,739호에 예시되어 있다. 하나의 특정의 실시형태에서, 이젝터 플레이트 메커니즘 (100) 는 예를 들어 도 3a 에 나타낸 바와 같이, 그리고 "Centro-Symmetric Lead Free Ejector Mechanism, Ejector Device, and Methods of Use" 로, 2012년 4월 20일자에 출원되고, 또한 본원에서 참조로 포함된, 미국 가특허 출원번호 제 61/636,565호에 설명된 바와 같이, 환형의 엑츄에이터 (104) 에 커플링된 회전 대칭 이젝터 플레이트 (102) 를 포함할 수도 있다. 그러나, 본 개시물은 이에 한정되지 않는다.
도 3a 의 특정의 구성에서, 이젝터 메커니즘 (300) 은 이젝터 플레이트 (302) 에 부착된 별개의 생성기 플레이트 (301) 를 포함한다. 엑츄에이터 (304) 는 회전 대칭 이젝터 플레이트 (302) 를 구동시키는, 위에서 설명한 바와 같은, 하나 이상의 개개의 압전 디바이스들 또는 다른 엑츄에이터 엘리먼트들을 포함하지만, 이 실시형태에서는 환형의 구조를 포함한다. 이젝터 플레이트 (302) 의 드롭 생성기 (이젝터) 영역 (332) 은 중심 영역 (330) 에서 개구들 (326) 의 패턴을 포함하며, 아래에서 설명되는 바와 같은 적합한 드라이브 신호 생성기 회로에 의해 엑츄에이터 (304) 를 통해 구동된다. 드라이브 전압들을 생성하는 기법들의 예들은 본원에서 참조로 포함된 바와 같이, "Methods, Drivers and Circuits for Ejector Devices and Systems" 으로, 2012년 5월 15일자에 출원된, 미국 가특허 출원번호 제 61/647,359호에 예시되어 있다.
도 3b 는 대칭 이젝터 메커니즘 (300) 의 분해도이다. 이 실시형태에서, 이젝터 플레이트 (302) 는 후면 (페이스 하방) 표면 (325) 및 전면 (페이스 상방) 표면 (322) 으로부터 도 3b 의 좌측 및 우측 상에 각각 도시된 바와 같은, 별개의 (개별적인) 드롭 생성기 엘리먼트 (이젝터 영역)(301) 를 이용한다. 드롭 생성기 엘리먼트 (301) 는 중앙 애퍼쳐 (352) 위에, 이젝터 플레이트 (302) 에 기계적으로 커플링되며, 위에서 설명한 바와 같이 생성기-플레이트 유형 엑츄에이터 (304) 에 의해 구동될 때 유체 액적들의 스트림을 생성하도록 구성된 개구들 (326) 의 패턴을 포함한다.
도 3c 는 대칭 이젝터 메커니즘 (300) 의 평면도이다. 이젝터 메커니즘 (300) 은 이젝터 플레이트 (302) 를 포함하며, 이에 엑츄에이터 (304) 및 액적 생성기 (301) 가 부착된다. 액적 생성기는 위에서 설명한 바와 같이 중앙 영역 (330) 에서 개구들 (326) 의 패턴을 포함한다. 이젝터 메커니즘 (300) 은 대칭적으로 배열된 탭-유형 기계적 커플링 엘리먼트들 (355) 에서 애퍼쳐들 (351) 를 통해, 또는 도 1 에 대해 위에서 설명한 바와 같은 또 다른 적합한 접속을 이용하여 유체 저장소 또는 다른 분사 디바이스 컴포넌트에 커플링될 수도 있다.
도 3c 에 나타낸 바와 같이, 이젝터 플레이트 (302) 는 약 21 mm 의 치수 (354), 또는 애플리케이션에 따라 약 10 mm 이하 내지 약 25 mm 이상의 범위를 가질 수도 있다. 이젝터 플레이트 (302) 및 드롭 생성기 (301) 에 대한 적합한 재료들은 스테인리스 스틸과 같은 가요성 스트레스 및 내피로성 금속들을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
배향 (orientation) 목적들을 위해, 도 3a - 도 3c 에 나타낸 바와 같은 이젝터 메커니즘 (300) 의 상이한 엘리먼트들은 도 1 에 대해 위에서 설명된 저장소 (320) 와 같은 저장소의 로케이션에 대해 설명될 수도 있다. 일반적으로, 메커니즘 (300) 의 근위의 엘리먼트들은 유체 저장소 (120)(도 1) 에 가깝게 위치되며, 원위의 엘리먼트들은 액적 스트림 또는 분사 방향 (114) 을 따라서 정의된 바와 같이, 유체 저장소 (120) 로부터 멀리 위치된다.
도 4 의 특정의 실시형태에서, 이젝터 어셈블리 (400) 는 유체 저장소 (420) 에 인접한 제 1 주요 (근위의) 표면 (425), 및 유체 저장소 (420) 에 대향하는 제 2 주요 (원위의) 표면 (422) 을 갖는 발진 이젝터 플레이트 (402) 를 포함하는 이젝터 메커니즘 (400) 을 포함한다. 이 실시형태에서, 압전 엑츄에이터 (404) 는, 원위의 엘리먼트로서 형성되며, 동시에 저장소 (420) 는 발진 플레이트 (402) 의 근위의 표면 (425) 에 부착된다. 이의 대안으로, 엑츄에이터 (404) 는 저장소 (420) 둘레에 원위의 표면 (425) 상에서 이젝터 플레이트 (402) 에 커플링될 수도 있다.
엑츄에이터 (404) 의 근위 및 원위의 표면들 (436 및 434) 에는 예를 들어 위에서 설명한 바와 같이 드라이브 신호들을 위한 저부 및 상부 전극들 (106a 및 106b)(도 1) 을 제공하기 위해 도전 층들 (460) 이 제공된다. 도 4 에 나타낸 바와 같이, 엑츄에이터 (404) 의 근위의 표면 (436) 상의 도전 층 (460) 은 이젝터 플레이트 (402) 의 원위의 표면 또는 측면 (422) 로부터 유전체 층 (462) 에 의해 분리되어, 발진 이젝터 플레이트 (402) 로 하여금 엑츄에이터 (404) 의 도전 층 (460) 으로부터 접지되고 전기적으로 절연되게 한다. 엑츄에이터의 원위의 측면 (434) 상에는, 추가적인 유전체 층 (462) 이 상부 도전 층 (또는, 드라이브 전극)(460) 으로부터 금속화 층 (461) 을 일정하게 이격시키기 위해 제공될 수도 있다. 이것은 금속화 층 (461) 을 전기적으로 절연시켜, 금속화 층으로 하여금 본 개시물의 소정 실시형태들에서 역 EMF (electromotive force, 기전력) 측정들을 위한 전기적으로 절연된 전극으로서 기능하도록 한다. 다른 실시형태들에서, 역 EMF 측정들을 위한 별개의 콘택들은 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이 전극들 (106a, 106b) 상의 전압 레벨들을 이용함으로써 제거될 수도 있다.
도 4 에 나타낸 바와 같이, 발진 이젝터 플레이트 (402) 는 저장소 (420) 와 유체 연통하게 위치되며, 근위의 표면 또는 측면 (425) 은 유체 (410) 와 접촉한다. 추가적인 코팅 층 (463) 은 엑츄에이터 (404) 의 노출된 (상부 및 측면) 표면들 위에 형성될 수도 있으며, 엑츄에이터 (404) 와 저장소 (420) 로부터 분사된 임의의 유체 (410) 사이의 접촉을 방지하기 위해, 이젝터 플레이트 (402) 의 원위의 표면 (422) 의 적어도 부분을 포함할 수도 있다. 일부 구현예들에서, 이젝터 플레이트 (402) 및 생성기 플레이트 (또는, 이젝터 영역)(432) 중 하나 또는 양자는 또한 불활성, 의료 등급 (medical grade), 비-유독성, 비-반응성, 및 옵션적으로는 산-, 염기-, 및 용매-내성 재료 (465), 또는 이러한 특성들의 적합한 조합을 갖는 또 다른 재료로 코팅될 수도 있다.
코팅들 (463 및 465) 은 동일하거나 또는 상이할 수도 있으며, 예를 들어 스퍼터링, 기상 증착, 물리적인 기상 증착 (PAD), 화학적 기상 증착 (COD), 정전 분말 퇴적, 또는 이러한 기법들의 임의의 적합한 조합에 의해 개별적으로 또는 임의의 조합으로 제공될 수도 있다. 코팅들 (463 및 465) 은 폴리프로필렌, 나일론, 및 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE), TEFLON® 재료 및 다른 적합한 코팅들과 같은 폴리머 재료들, 및 금, 백금, 및 팔라듐을 포함하지만 이에 한정되지 않는 금속 코팅 재료들을 포함할 수도 있다. 코팅들 (463 및 465) 은 발진 이젝터 플레이트 (402), 생성기 플레이트 (432) 및 엑츄에이터 (404) 의 표면들의 임의의 조합에, 개별적으로 또는 함께 도포되는 경우, 높은 주파수에서 진동할 때 박리 (delamination) 를 방지할 정도로 충분히 부착하도록 약 0.1 μm 이상 내지 약 500 μm 이상의 두께 범위에서 선택될 수도 있다.
압전 메커니즘의 엑츄에이터를 구동시키기 위해, 드라이브 신호 또는 드라이브 파형은 드라이버 회로에 의해 생성될 필요가 있다. 이러한 드라이브 신호를 제공함에 있어서, 다수의 인자들이 본 개시물에 따라 고려되었다. 특히, 상기 주파수에서의 기계적 공진의 품질 인자 (quality factor) 뿐만 아니라 드라이브 신호 주파수 및 진폭을 포함한, 다양한 인자들이 변위된 기계적 부하의 속도에 영향을 미칠 수 있다. 드라이브 신호 주파수, 진폭, 또는 양자가 증가됨에 따라 기계적 부하의 변위 속도가 증가한다. 그러나, 더 높은 동작 주파수들은 변위 속도를 증가시키는 반면, 또한 더 높은 평균 전력을 갖는다. 높은 주파수들에서 동작하는데 요구되는 추가적인 전력은 소정 애플리케이션들에서 바람직하지 않을 수도 있다. 압전 재료들 및 압전 드라이브 디바이스들은 기계적 액츄에이션이 최대화되게 되는 공진 영역들을 나타낸다. 종종, 가능한 전기 에너지의 최소 양을 이용하여 압전 엘리먼트 또는 압전 메커니즘 (예컨대 이젝터 플레이트 및 유체 충진된 생성기 플레이트와 같은 부하에 커플링된 압전 엘리먼트) 의 최대 변위를 야기하기 위해 이들 주파수들에서 전기 액츄에이션 신호를 제공하는 것이 바람직하다. 그러나, 공진에서, 압전 디바이스들은 전체적으로 또는 부분적으로 저항성이 되어, 압전기에서 대량의 에너지를 소실한다. 그들은 또한 용량성 모드 동작의 유익한 에너지 소실 특성들을 상실시키며 공진 변환기 회로들에서 그들의 효율을 감소시킨다. 따라서, 본원에서 설명하는 바와 같은, 압전 엑츄에이터들에 커플링된 기계적 부하들의 최대 변위 및 변위 속도를 제공함과 동시에, 시스템의 에너지 효율을 증대시키는 개선된 장치들, 방법들 및 시스템들이 여전히 요구된다. 이것은 가용 전력이 제한될 수도 있는 배터리 동작되는 시스템들에서 특히 중요하다. 본 발명에 따르면, 유체 충진된 이젝터 메커니즘은 피에조 자체와는 상이한 진동의 멤브레인 모드를 갖는 멤브레인으로서 취급된다. 피에조의 공진이 세라믹 자체의 최고 이동/기계적 드라이브 전력을 갖는 주파수이지만, 세라믹/피에조 공진 자체에 기초하지 않는 멤브레인 모드들이 존재한다. 피에조는 간단히 강제 기능 (forcing function) 을 생성하며, 멤브레인에서의 손실이 더 작을 수록 이동이 더 커진다. 시스템이 이들 멤브레인 모드들 중 하나로 구동될 때, 커패시터로서 피에조를 가지는 동시에, 피에조는 입력 전압 또는 전류의 높은 Q 증폭을 가능하게 하는 거의 완전한 커패시터일 수 있다. 이것은 에너지 소비를 크게 감소시키며 압전기를 가열함이 없이, 디바이스로의 더 높은 전압 및 전류의 전달을 가능하게 한다.
또한, 다양한 인자들은 압전기에 인가되는 드라이브 신호, 압전기에 커플링된 기계적 부하, 또는 심지어 압전기를 둘러싸는 주변 온도, 압력 및 습도와 같은, 압전 디바이스들의 공진 특성들 및 전기 특성들을 변화시킬 수 있다. 공진 주파수에서 동작하도록 원래 구성된 압전기는 이들 인자들 중 하나 이상 때문에 공진으로부터 벗어나고, 이것은 압전기의 덜 효율적인 동작, 및 기계적 부하의 잠재적으로 감소된 변위를 초래한다. 따라서, 이들 시스템들이 공진 모드에서 더 이상 동작하지 않을 때, 압전 엑츄에이터 및/또는 기계적 부하를 공진으로 다시 되돌리도록 교정하는 액션을 제공하기 위해, 본원에서 설명하는 바와 같은, 압전 엑츄에이터들 및 그들의 연관되는 기계적 부하들을 포함하는 전기기계 시스템들의 공진들을 검출할 수 있는 장치들, 방법들 및 시스템들에 대한 요구가 존재한다.
본 개시물에 따르면, 온도, 습도, 및 압력 변동들, 및 제조 허용오차들을 보상하기 위해, 최대 변위, 또는 공진 모드들을 트래킹하는 방법 및 회로가 제공된다. 더욱이, 엑츄에이터 전극들을 공진 시스템의 피드백 부분의 일부로서 이용하여, 분리된 피드백 전극의 사용 없는 공진들의 트래킹이 본원에서 설명된다. 별개의 분리된 피드백 전극들을 제거함으로써, 디바이스에 따라 10-50% 만큼 스프레이가 눈에 띄게 증가된다. 일 실시형태에서, 이 기법은 아래에서 더욱더 자세하게 설명되는 바와 같이 공진 변환기 회로들에 의한 Q 인자 스윕 (sweep) 및 풀 브릿지 회로와 함께 사용된다.
본 개시물의 소정 실시형태들에서, 압전 엘리먼트 또는 여러 커플링된 엘리먼트들, 또는 이젝터 메커니즘의 전기 및/또는 기계적 공진을 여기하고, 검출하며 특징화하는 수단들이 제공된다. 이젝터 메커니즘과 같은 전기기계 메커니즘이 공진될 때, 에너지는 전기기계 메커니즘에 저장되며, 비-공진 전기기계, 전기, 또는 기계적 메커니즘에서와는 상이한 레이트에서 릴리즈된다. 더욱이, 전기기계 메커니즘의 공진은 전기 신호들의 적분기 (integrator) 로서 적시에 작용하여, 인가된 전기 신호에 따라 다수의 고유한 시그너쳐들이 생성되게 할 것이다.
소정 실시형태들에서, 단일 톤, 멀티-톤, 처프, 임의의 파형, 또는 하나 이상의 주파수들을 포함하는 임의의 전기 신호일 수 있는, 전기 신호가 압전 엘리먼트에 인가된다. 전기 신호를 생성하는 회로는 전력, 또는 전압 및 전류을, 의도되는 전기 신호 주파수(들) 에서 전달하는 임의의 회로일 수 있다. 전기 신호는 정의된 시간의 양 동안 인가되며 그 후 갑자기 중지된다. 그 후 압전기에 남아있는 전기 신호는 전류, 전압, 또는 전력 측정에 의해 측정되고 또한 예컨대 FFT (푸리에 변환) 에 의한 수학적 프로세싱을 위해 기록되거나 또는 아날로그 에너지 적분 회로에 직접 인가된다. 아날로그 적분기는 정의된 파형에 대해 상관하도록 스위치 온오프될 수 있거나 또는 간단히 이젝터에 저장된 모든 에너지를 적분할 수 있다. 원래 전기 신호 및 전기기계 시스템의 기계적 및 전기 특성들에 의존하는 전기기계 공진의 시그너쳐들이 획득된다.
더욱이, 그리고 특히, 액적 이젝터 시스템들에 대해, 충분한 분사 속도를 갖고 적합한 사이즈의 액적들을 생성하기 위해 압전기에 대한 드라이브 신호는 상당히 커야 한다. 액적 생성기 분사 시스템에 편리하게 부착될 수 있는 배터리들는 압전기를 구동시키기에 충분한 전압을 생성하지 않는다. 따라서, 배터리 팩들의 편의성 및 이식성을 유지하면서 액적 생성 분사 시스템들에 전력을 공급하는 시스템들, 방법들 및 장치들에 대한 요구가 존재한다.
도 5 는 예컨대 액적 생성기 시스템에서 사용될지도 모르는 압전 엑츄에이터 (540) 의 사용을 위한 시스템 (500) 의 일 실시형태를 나타낸다. 도 5 상에 나타낸 바와 같이, 시스템 (500) 은 배터리와 같은 전력 소스 (510); 전자 드라이버 (520), 즉 압전 엑츄에이터 (540) 에 대한 드라이브 전압 또는 신호 (530) 를 생성하는 것을 담당하는 회로; 압전 엑츄에이터 (540); 및 압전 엑츄에이터 (540) 가 커플링된 기계적 부하 (550) 를 포함할 수도 있다. 압전 엑츄에이터 (540) 는 위에서 설명한 바와 같은, 미국 가출원 번호 제 61/569,739호, 제 61/636,559호, 제 61/636,565호, 제 61/636,568호, 제 61/642,838호, 제 61/642,867호, 제 61/643,150호 및 제 61/584,060호, 및 미국 특허출원 번호 제 13/184,446호, 제 13/184,468호 및 제 13/184,484호에 설명된 바와 같은, 유체 액적들을 형성하기 위해 액적 생성기 플레이트와 같은 다양한 기계적 부하들 (550) 을 구동시키는데 사용될 수도 있으며, 이의 내용들이 참조로 포함된다.
소정 실시형태들에서, 도 5 상에 도시된 바와 같이, 또한 공진 검출 및 제어 회로 (560) 를 압전 엑츄에이터 (540) 에 커플링하는 것이 바람직할 수도 있다. 이 회로 (560) 는 전체 전기기계 메커니즘 (570)(엑츄에이터 (540) 및 부하 (550)) 이 공진 모드, 즉 메커니즘 (570) 이 부하 (550) 의 최대 또는 증가된 기계적 변위를 생성하는 모드에서 더 이상 동작하지 않을 때를 검출하는데 이용될 수 있다. 회로 (560) 는 또한 주파수를 제어하는, 예를 들어 공진 주파수로 되돌리기 위해 드라이버 (520) 에 피드백을 제공할 수도 있다. 본 개시물에 따른 전력 소스들, 드라이버들, 변환기들 및 파형들의 다른 실시형태들은 포함된 참조 문헌들에 제시된다.
아래에서 좀더 상세히 설명되는 바와 같이, 일 실시형태에서, 풀 브릿지 회로는 압전 이젝터 메커니즘을 구동시키는데 이용된다. 압전 엘리먼트의 각각의 측면 상의 포텐셜 (전압) 은 소정 주파수에서 이동가능한 동작 (portable operation) 이 가능하도록 하기 위해, 부스트 변환기, 공진 변환기, 벅-부스트 변환기, 변압기, 또는 전압 변환기의 출력일 수도 있는 전원 전압과, 접지 사이에 교번된다. 단일 주파수에서 최소한 한 사이클 동안 압전기를 구동시킴으로써, 에너지는 압전 이젝터 메커니즘에 저장되고, 드라이브 신호가 중지되면 전압의 유형으로 회로에 되방출된다.
따라서, 드라이브 신호가 중지될 때, 압전기는 부하보다는 신호 소스로서 지배적으로 동작한다. 전기기계 메커니즘 (그의 압전 엘리먼트를 갖는 이젝터 메커니즘) 의 에너지는 전기 회로로 전압으로서 되돌아 가거나 또는 기계적 시스템에서의 마찰 및 전기 손실을 통해 소실되어야 한다.
전기기계 에너지가 제거 되거나 및/또는 소실되는 방법을 결정하는 3개의 경우들이 존재한다. 이젝터에 부착된 회로가 개방되면 (3상태가 되면), 압전기는 드라이버 FET 커패시턴스들에 의한 발진을 통해 에너지를 교환하거나 또는 간단히 기계적 손실 및 내부 전기 손실을 통해 소실할 것이다. 이젝터에 접속된 회로는 또한 단락될 수 있으며, 이것은 이젝터로 하여금 그 에너지를 시스템 접지로 빨리 덤프 (dump) 하게 한다. 대신, 회로는 유한한 전기 부하를 이젝터에 제공할 수 있으며, 이것은 제어된 소멸 발진 (controlled evanescent oscillation) 을 초래한다.
개방된 및 유한한 부하의 경우, 샘플링 이젝터의 출력 전압을 샘플링하는 것은 유체 분사에 상관되는 이젝터 메커니즘 이동의 측정을 제공한다. 전류 샘플링은 단락의 경우에 이동 트래킹을 제공하는데 이용될 수 있다. 어떤 피드백 전극도 이들 경우들 중 임의의 경우에 요구되지 않으며, 그에 따라 도 4 실시형태에서의 층 (461) 과 같은 별개의 금속화 층을 제공할 필요성을 회피한다.
전력 소스 (510) 는 드라이버 (520) 에 전력을 공급하는 것이 가능한, 적합한 배터리를 포함하는 임의의 적합한 전력 소스일 수도 있다. 도시되지는 않았지만, 시스템 (500) 은 원하는 경우, 하나 보다 많은 전력 소스, 또는 대안적인, 또는 백업 전력 소스를 포함할 수도 있다. 전력 소스 (510) 의 특성들에 따라 궁극적으로 압전 엑츄에이터 (540) 에 전력을 공급하기 위해, 전력 소스 (510) 의 출력 전압을 부스트하는 것이 필요할 수도 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 개시물에 따른 일부 실시형태들에서, 전력 소스 (510) 로부터의 출력 전압은 예컨대 압전 엑츄에이터 (540) 를 부하로서 갖는 부스트 변환기 또는 벅-부스트 변환기에 의해 부스트될 수도 있다. 본 개시물의 변형 벅-부스트 변환기의 하나의 실시형태가 도 6 에 도시된다.
이것은 DC-DC 보다는 DC-AC 변환한다. 이것은 전하를 (압전 엑츄에이터 (600) 에 의해 정의된) 커패시터 상으로 덤프하고 그 후 모든 그 전하를 취하여 배터리 (602) 로 다시 보내도록 기능한다. 빠른 복구 다이오드들 (D1, D3) 이 본체 다이오드 고장을 방지하기 위해 포함될 수도 있다. 드라이버는 전력 입력으로부터 접지까지 인덕터 (L1) 와 직렬로 접속된 P-MOSFET (T1), 인덕터 (L1) 와 P-MOS (T1) 의 직렬 접속사이에 접속된 압전기, 및 접지에 접속된 N-MOS (T2) 를 포함할 수도 있다. N-MOS (T2) 는 본체-다이오드 고장을 방지하기 위해 빠른 복구 다이오드 (D1) 를 가지고 있어야 한다. P-MOSFET (T1) 가 스위치 오프할 때, 전류는 인덕터 (L1) 를 통해 계속 유동되어, N-MOSFET (T2) 위의 출력 전압이 음으로 강하되며, 전류가 N-MOSFET 와 병렬인 다이오드 (D1) 를 통해 전도한다. 모든 전류가 압전기 상으로 퇴적되며, 압전기 상에 걸친 전압은 제로로부터 인덕터 (L1) 를 통한 전류 램핑에 의해 결정되는 값으로 이동한다. 전압은 수식: V = Q/C 에 따라서, 인덕터 (L1) 에서의 전류에 포함된 전하에 기초하여 계산될 수도 있으며, 여기서 Q 는 전하이고 C 는 커패시턴스이다 (V 는 전압이다). 일 실시형태에서, 사이클의 끝에서, N-MOSFET (D2) 는 압전기 전압을 접지로 돌려 보내기 위해 스위치 온될 수도 있다. 이 사이클은 의도된 드라이브 주파수에서 반복될 수도 있다. 그 벅-부스트 변환기를 갖는 회로는 등가 전압을 생성하면서 부스트 변환기들에 비해 좀더 효율적일 (50% 미만 전류 사용 또는 더 나을) 수도 있다. 이것은 동일한 드라이브 전압에 대해 실질적으로 더 적은 전류를 취득한다. 그러나, 이 구성의 사용에 따른 단점은, FETs 의 드레인 대 소스 전압 Vds 한계들로 인해 약 80-100 V 진폭 신호까지 제한된다는 점이다.
또 다른 실시형태에서, (도 15 에 대해 아래에서 추가로 설명된) 풀 브릿지와 함께 사용되는 변형된 부스트 변환기 (도 7 에 도시) 및 공진 변환기 (도 8 에 도시) 를 구동시키는 것이 신호 진폭을 증가시키고 원하는 오버슈트 능력들 (즉 100-170 V) 을 제공하기 위해 이용되었다. 도 8 에 도시된 공진 변환기의 실시형태는 하나 이상의 인덕터들 (800) 을 포함한다. 인덕터들이 부하로서 기능하는 (커패시터 (802) 에 도시된) 압전 엑츄에이터에 걸쳐서 증가된 전압 증폭을 위한 공진 변환기를 생성하기 위해 추가된다. 따라서, 이 실시형태에서, 풀 브릿지가 DC-AC-DC 전이에서 최종 DC 부분 없이 공진 변환기로서 기능하는 공진 탱크를 구동시키는데 이용된다.
부스트 변환기를 이용하는 드라이버 회로의 하나의 실시형태가 도 9 에 도시된다 유사한 엘리먼트들은 아래에서 설명되는 여러 실시형태들에서, 동일한 도면부호들을 이용하여 인용될 것이다. 도 9 의 실시형태에 나타낸 바와 같이, 전력 소스 (510) 는 결국, 전하-유지 커패시터 (910) 를 포함하거나 또는 그에 커플링되는 부스트 변환기 (900) 에 커플링될 수도 있다. 부스트 변환기 (900) 는 압전 엑츄에이터 (540) 를 구동시키는데 필요한 전하 및 전압을 공급하기 위해, 전력 소스 (510) 로부터의 공급 전압을 단계적으로 상승시켜 커패시터 (910) 를 충전하는데 이용될 수도 있다. 부스트 변환기 (900) 는 올바른 E-필드가 압전 엑츄에이터 (540) 에 인가되도록 전압을 변경하며, 따라서, 전력보다는 전압이 부스트될 수도 있다. 비한정적인 예로서, 전원 (510) 은 2.7 V 를 부스트 변환기 (900) 에 제공하여, 최고 60 V 의 커패시터 (910) 출력 전압을 제공할 수도 있다. 본 개시물에 따른 전력 소스들의 다른 실시형태들이 여기서 제시된다. 피드백 신호 (580) 가 공진 주파수들을 결정하기 위해 그리고 옵션적으로는 드라이버 (520) 에 의해 제공되는 주파수들을 제어하는 피드백을 제공하기 위해, 공진 검출 및 제어 회로 (560) 에 의해 사용된다.
본 개시물에 따른 드라이버 (520) 는 일반적으로 드라이브 신호 (530) 를 압전 엑츄에이터 (540) 로 생성하고 제어하도록 구성될 수도 있다. 본 개시물에 따른 드라이버들 (520) 의 추가적인 실시형태들이 이하에서 설명된다. 전체 메커니즘 (570) 의 원하는 특성들에 따라, 드라이버 (520) 는 여러 상이한 모드들 중 임의의 모드로 동작될 수도 있다. 예를 들어 소정 실시형태들에서, 본원에서 설명되는 바와 같은 드라이버들 (520) 은 (1) 이하에서 "엔벨로프 모드 (Envelope Mode)" 로서 제목을 붙인 섹션에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 비트 주파수들이 기계적 공진들에 있는 기계적/전기 공진들 외부에서의 2 개 이상의 주파수들에서, 또는 (2) 이하에서 "베셀 (Bessel) 모드" 로 제목을 붙인 섹션에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 별개의 기계적 공진들의 2 개 이상의 주파수들에서, 동작하는 멀티-톤 드라이브 신호들 (530) 을 생성하도록 구성될 수도 있다. 물론, 이들 드라이버들이 또한 단일 공진 주파수와 같은, 단일 주파수를 구동시키도록 구성될 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 드라이버들은 또한 증가된 메커니즘 속도를 유도하도록 구형파 고조파들로 단일 모드 또는 다수의 모드들을 구동시키기 위해 구형파들 (square waves) 을 제공할 수도 있다. 특정의 구현예들이 이하 설명된다.
일 실시형태에서, 기계적 부하 (550) 의 변위를 증가시키면서, 동시에 압전 엑츄에이터 (540) 의 용량결합 효과를 보존하고 전체 소비 전력을 최소화하도록, 압전 엑츄에이터 (540) 를 구동시키는 것이 바람직할 수도 있다. 일 실시형태에서, 드라이버는 "엔벨로프 모드" 에서 동작할 수도 있다. 이러한 일 실시형태에서, 드라이버 (520) 는 비트 주파수들이 기계적 공진들에 있는 기계적/전기 공진들 외부에서의 2 개 이상의 주파수들에서 동작하도록 구성될 수도 있다.
앞에서 설명된 바와 같이, 소정 구현예들에서, 압전 엑츄에이터들은 기계적 부하의 최대 변위를 제공하기 위해 공진으로 구동될 수도 있다. 따라서, 드라이브 신호 (530) 는 공진 주파수의 정수 배수들에 기초할 수도 있다, 즉 압전 엑츄에이터 (540) 는 조화적으로 (harmonically) 구동될 수도 있다. 그러나, 이론에 의해 제한됨이 없이, 부하의 임피던스가 주파수에 따라 변함에 따라, 압전 엑츄에이터가 커패시터보다 저항기에 좀더 유사하게 거동하는 효과를 어떤 더 높은 동작 주파수들이 가질 수도 있기 때문에, 더 높은 기본 동작 주파수들을 갖는 신호들이 증가된 전력 소비를 초래할 수도 있는 것으로, 당업자들은 알 수 있을 것이다. 본 개시물의 소정 실시형태들에서, 드라이버 (520) 는 대안적으로, 압전 엑츄에이터 (540) 를 구동시키기 위해 2 개 이상의 신호들을 결합할 수도 있다. 입력 신호들의 주파수들 및 진폭들은 거의 이상적인 용량성 거동과 같은, 유익한 에너지 및 회로 이점들을 보존하면서, 동시에 기계적 부하의 증가된 변위를 생성하도록 선택될 수도 있다. 신호 특성들 선택은 예를 들어 기계적 부하의 원하는 변위에 의존할 수도 있다.
일반적으로, 도 10 상에 도시된 바와 같이, 현재의 개시물에 따른 드라이버 (520) 는 결합 회로 (1020) 에 커플링된 2 개 이상의 입력 신호들 (1010a, 1010b, 1010c) 등을 포함할 수도 있다. 결합 회로 (1020) 는 2 개 이상의 전기 신호들을 결합된 2-톤 또는 멀티-톤 드라이브 신호 (530) 로 결합하는데 적합한 임의 유형의 전자기기들, 예컨대 입력 신호들 (1010a, 1010b, 1010c) 등의 모두 또는 서브세트의 합 및/또는 차이를 생성하는데 적합한 전자기기들일 수도 있다. 결합된 드라이브 신호 (530) 는 압전 엑츄에이터 (540) 에 직접 커플링될 수도 있거나, 또는, 옵션적으로, 압전 엑츄에이터 (540) 에 이후에 커플링되는 임피던스 매칭 회로 (미도시) 에 커플링될 수도 있다. 이것은 (즉 드라이버 회로의 출력 임피던스에의 압전 엑츄에이터 (540) 의) 임피던스 매칭을 가능하게 한다.
입력 신호들 (1010a, 1010b, 1010c) 등의 주파수들은, 시스템의 어떤 특성들을 최적화하도록 선택될 수도 있다. 예를 들어 2 개의 (또는, 더이상의) 비-공진 주파수들로 압전 엑츄에이터 (540) 를 구동시킴으로써, 압전 엑츄에이터 (540) 에서의 에너지 소실이 최소화될 수 있다. 하나의 특정의 실시형태에서, 2 개 이상의 주파수들, 즉 하나 이상의 결합된 드라이브 신호들 (530) 의 주파수들의 차이 또는 총합이 압전 엑츄에이터 (540) 의 하나 이상의 공진 주파수들와 동일하도록, 입력 신호들 (1010a, 1010b, 1010c) 등을 선택함으로써, 압전 엑츄에이터 (540) 를 간접적으로 공진으로 구동시키는 것이 바람직할 수도 있다. 이론에 의해 제한됨이 없이, 상이한 주파수들을 갖는 2 개 이상의 전기 신호들이 결합될 때, 그들이 주기적으로 차이, 합, 및 크로스-변조 주파수들에서 보강 및 상쇄 간섭할 것으로 이해될 것이다.
이 간섭의 특성은, 압전 엑츄에이터 (540) 의 하나 이상의 공진 주파수들을 제공하여 부하 (550) 의 최대 물리적인 변위 x 를 초래하기 위해 최종 보강 및 상쇄 간섭이 일어나도록 진폭 및 위상-가중과 조합하여, 이용될 수 있다. 이러한 방법으로, 드라이버 (520) 는 압전 엑츄에이터 (540) 에서 공진 기계적 모션을 간접적으로 야기할 수도 있다. 도 11 은 2-톤 드라이버 (520) 의 일 예의 시변 전압 출력 (530) 을 나타낸다. 일 실시형태에서, (비-공진 주파수들을 각각 갖는) 2 개 이상의 입력 신호들 (1010a, 1010b, 1010c) 등은 단일-모드 드라이브와 동일한 결합된 최대 진폭에서 구동될 수 있다. 이것은 개개의 신호들이 공진 주파수보다 낮은 주파수들에 있기 때문에, 단일-모드 드라이브에 비해 감소된 전력 소비를 초래할 수도 있다. 따라서, 압전 재료는, 압전 재료가 공진 주파수보다 낮은 주파수들에서 더 높은 임피던스를 갖기 때문에 결합된 더 높은 주파수로부터 이점을 얻는다.
더욱이, 압전 엑츄에이터 (540) 를 2 개 이상의 비-공진 주파수들로 구동 (drive) 시킴으로써, 압전 엑츄에이터 (540) 의 전기 특성들이 기계적 공진 및 증가된 변위를 여전히 초래하면서 완전히 용량성으로 유지될 수 있다. 이것은, 압전 엑츄에이터 (540) 가 공진 변환기들에 직접 사용될 수 있게 하여, 하나 이상의 인덕터들에서의 에너지를 재포획함으로써 압전 엑츄에이터 (540) 에서의 에너지 손실들을 추가로 감소시킨다.
본 개시물의 실시형태들에 따른 "엔벨로프 모드" 에서 동작하는 드라이버들은 액적 분사를 개선시키고 압전 액적 이젝터 시스템들에서 소비 전력을 저하시킬 수도 있다. 그들은 액적 이젝터 시스템으로부터 분사될 수 있는 유체 점도들의 범위를 추가로 확장할 수도 있다. 이러한 애플리케이션들에서 예시적인 동작 주파수들은 예를 들어 43 kHz 및 175 kHz 와 같은, 1 KHz 로부터 5 MHz 까지 이를 수도 있다. 본원에서 설명되는 바와 같은 드라이버들을 이용하여, 시스템은 유체 비딩을 감소시키고 시스템이 분사할 수 있는 점도들의 범위를 증가시키는 다수의 높은-변위 주파수들을 지원할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 본 개시물에 따른 드라이버는 "베셀 모드" 에서 동작할 수도 있다. 드라이버 (120) 는 별개의 기계적 공진들의 2 개 이상의 주파수들에서 동작하도록 구성될 수도 있다.
위에서 설명한 동작 모드와 유사하게, 그리고 도 10 상에 도시된 바와 같이, 현재의 개시물에 따른 드라이버 (520) 는 결합 회로 (1020) 에 커플링된 2 개 이상의 입력 신호들 (1010a, 1010b, 1010c) 등을 포함할 수도 있다. 결합 회로 (1020) 는 2 개 이상의 전기 신호들을 결합된 2-톤 또는 멀티-톤 드라이브 신호 (530) 로 결합하는데 적합한 임의 유형의 전자기기들, 예컨대 입력 신호들 (1010a, 1010b, 1010c) 등의 모두 또는 서브세트의 합 및/또는 차이를 생성하는 적합한 전자기기들일 수도 있다. 결합된 드라이브 신호 (530) 는 압전 엑츄에이터 (540) 에 직접 커플링될 수도 있거나, 또는 옵션적으로 압전 엑츄에이터 (540) 에 이후에 커플링되는 임피던스 매칭 회로 (미도시) 에 커플링될 수도 있다. 이것은 드라이버 회로 (520) 의 임피던스에의 부하 (즉 압전 엑츄에이터 (540)) 의 임피던스를 매칭하는 것을 가능하게 한다. 공진을 결정하기 위해, 피드백 신호 (580) 가 공진 주파수들을 결정하기 위해 그리고 옵션적으로는 드라이버 (520) 에 의해 제공되는 주파수들을 제어하는 피드백을 제공하기 위해, 공진 검출 및 제어 회로 (560) 에 의해 사용된다.
드라이버 (520) 가 베셀 모드에서 동작하는 실시형태들에서, 입력 신호들 (1010a, 1010b, 1010c) 등의 주파수들이 엔벨로프 모드에 대해 위에서 설명한 것들과 상이하므로, 시스템의 상이한 특성들이 최적화된다. 엔벨로프 모드 구현예들에서, 입력 신호들 (1010a, 1010b, 1010c) 등은, 구체적으로 말하면, 도 11 에 나타낸 바와 같이 공진 비트 주파수들을 생성하기 위해 결합할 비-공진 주파수들에서 선택된다. 베셀 모드 실시형태들에서, 아래에서 좀더 상세히 설명되는 이유들로 인해, 입력 신호들 (1010a, 1010b, 1010c) 등 그들 자신들은 압전 엑츄에이터 (540) 및 기계적 부하 (550) 의 별개의 공진 주파수들에 있다. 더욱이, 베셀 모드에서 동작하는 드라이버들은 구체적으로 말하면 비-직사각형의 부하들 (550) 과 함께 작동하도록 최적화된다.
이론에 의해 제한됨이 없이, 일반적으로 전기기계 시스템의 공진 모드들이 공진 주파수의 정수 배수들, 즉 고조파들인 것으로 가정됨을 알 수 있다. 그러나, 기계적 부하 (550) 또는 압전 엑츄에이터 (540) 자체가 비-직사각형일 때, 이젝터 메커니즘의 고유모드들, 즉 전체 메커니즘이 동시에 진동하는 주파수들은 고조파 전기 신호들 (530) 을 이용하여 용이하게 생성될 수 있는 정수배들에서 발생하지 않는다. 이것은 직사각형이 아닌 형태들에 대해 압전 엑츄에이터 (540) 및 기계적 부하 (550) 의 최적의 구동을 방해한다. 대신, 원형, 또는 거의 원형의 기계적 부하들 (550) 에 대해, 공진 주파수들이 베셀 주파수들, 즉 베셀 함수의 솔루션들 만큼 곱한 공진 주파수에서 발생한다. 따라서, 베셀 모드에서 동작하는 실시형태에 있어, 드라이버 (520) 는 베셀 주파수들을 갖는 2 개 이상의 입력 신호들 (1010a, 1010b, 1010c) 등을 이용함으로써, 원형의, 또는 거의 원형의 기계적 부하들 (550) 의 최대 변위를 제공하도록 최적화될 수도 있다.
소정 실시형태들에서, 입력 신호들 (1010a, 1010b, 1010c) 등의 진폭들 및 주파수들은 시스템 (500) 이 하부 공진 주파수에서 기계적 부하 (550) 의 개선된 변위를 그리고 더 높은 공진 주파수에서 기계적 부하 (550) 의 개선된 변위 속도를 제공하도록 선택될 수도 있다. 예를 들어 액적 생성기 애플리케이션들에서, 베셀 모드 입력 신호들 (1010a, 1010b, 1010c) 등은, 유체 분사를 최대화하는 것을 촉진하기 위해 전기 드라이브 신호 (520) 에 대해 최적의 페이징 (phasing) 관계를 유지하면서 액체 투약의 기계적 변위 및 액적 변위의 속도 양자를 최적화하기 위해, 바람직한 형태 인자들을 갖는 별개의 고유모드들 중 진폭 가중에 의해 구동될 수 있다. 이와 같이 선택된 2 개의 (또는, 더 이상의) 입력 신호들 (1010a, 1010b, 1010c) 등을 결합함으로써, 시스템의 전체 품질이 개선될 수도 있으며 -- 낮은 주파수 모드가 더 높은 주파수 모드를 개선시키며 -- 그리고, 각각의 신호에서의 전체 전력이 단일-모드 신호에 비해 감소될 수 있다.
단지 일 예로서, 액적 이젝터 메커니즘은 50 kHz 및 165 kHz 에서 베셀 공진 모드들을 가질 수도 있다. 50 kHz 에서 단독으로 구동시키는 것은 5 μm 의 변위를 제공하며; 165 kHz 에서 단독으로 구동시키는 것은 800 nm 의 이젝터 메커니즘의 변위를 제공하지만, 또한 더 높은 속도 및 개선된 스프레이 특성들을 제공한다. 그러나, 본 개시물에 따른 시스템에서 양자의 모드들은 동시에 구동될 수도 있다. 양자의 신호들을 절반-전력 (half-power) 에서 실행하는 것은 총 2.9 μm 에 대해, 50 kHz 모드로부터 2.5 μm 의 변위 그리고 165 kHz 모드로부터 또 다른 400 nm 의 변위를, -- 165 kHz 신호가 단독으로 제공할 수 있는 800 nm 보다 현저하게 더 높게 -- 그러나 165 kHz 신호와 연관되는 개선된 변위 속도 및 스프레이 특성들로 제공한다. 또한, 스프레이는 비트 (beat) 주파수들, 215 kHz (즉 신호들의 총합) 및 115 kHz (즉 신호들의 차이) 에서 주기적으로 부스트된다. 이것은 시스템의 피크 속도, 및 액적 이젝터 메커니즘이 유체 비딩을 억제하면서 분사할 수 있는 점도들의 범위를 증가시킨다.
당업자는 이것은 단지 모드들의 조합의 일 예이며, 동작의 많은 다른 모드들이 시스템 요구사항들을 만족시키도록 선택될 수 있는 것으로 이해할 것이다. 각각의 베셀 모드 (상이한 주파수) 는 어떤 속도 및 변위를 갖는다. 따라서, 낮은 주파수 모드들은 낮은 속도를 갖지만, 더 높은 변위를 가질 수도 있다.
본 개시물에 따르면, 스프레이는 변위와 주파수 (속도) 의 조합에 기인한다. 양자의 양태들은 다수의 주파수들을 이용함으로써 증대될 수 있다. 일 실시형태에서, 예를 들어 각각의 전기 드라이브 주파수의 진폭을 절반 만큼 감소시킴으로써, 391kHz 에서 액적 이젝터 메커니즘 동작에 의해 보인 전체 변위는 공진 분사에 대한 올바른 전기 및 기계적 페이징을 유지하면서, 낮은-주파수, 더 높은-변위 낮은-스프레이 모드로 인해 1700nm 이상 만큼 증가될 수 있다. 또한, 높은-점도 유체 분사에 전력을 공급하는데 요구되는 에너지의 양은 단일-모드 드라이버들의 사용에 비해 낮아진다.
나타낸 바와 같이, 도 10 에 대해, 엔벨로프 모드 및 베셀 모드 양자에서 동작하는 드라이버들은 본원에서 설명하는 바와 같이, 동일한 논리적 및 전자 컴포넌트들을 이용하여 구현될 수도 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 시스템 (500) 의 동작은 -- 즉 엔벨로프 모드 또는 베셀 모드에서, -- 회로에 인가된 신호들의 주파수들 및 진폭들 뿐만 아니라, 기계적 공진 품질 인자의 함수이다.
드라이버의 다른 실시형태들이 이하에서 설명된다. 도12a 의 실시형태에서, 드라이버 (520) 는 주파수 믹서 (1220) 에 의해 이후 합산되는 전기 신호들 (1210a, 1210b) 을 전기 교류 전류 (AC) 소스들 (1200a, 1200b) 에 의해 제공한다. 이들 AC 소스들은 원하는 주파수 및 진폭을 갖는 각각의 신호 (1210a, 1210b) 를 생성하도록 선택될 수도 있다. 일 실시형태에서, 결합된 신호 (1220) 는 증폭기 (1230) 에 커플링될 수도 있으며, 이 증폭기는 전력 소스 (510) 에 의해, 또는 대안적으로는 큰 출력 전압, 전류, 또는 전력이 압전 엑츄에이터 (540) 의 액츄에이션에 요구되는 경우에, AC/DC 변환기 또는 DC/DC 변환기와 같은 전력 변환기 (1250) 에 커플링될 수도 있는 별개의 전력 소스 (1240) 에 의해 전력공급될 수도 있다. 이러한 증폭기 (1230) 는 선형 또는 비선형일 수도 있고 단일-종단되거나 또는 차동적일 수 있다. 피드백 신호 (580) 가 공진 주파수들을 결정하고 옵션적으로 AC 소스들 (1200a, 1200b) 에 의해 제공되는 주파수들을 제어하는 피드백을 제공하기 위해 공진 검출 및 제어 회로 (560) 에 의해 사용된다.
도 13 은 현재의 개시물에 따른 드라이버 (520) 의 또 다른 구현예를 나타낸다. 이 실시형태에서, 드라이버 (520) 는 별개의 주파수들 (410a, 410b) 을 갖는 하나 이상의 전기 소스들 또는 수치 제어 발진기들 (numerically controlled oscillators; NCOs)(1300, 1302) 을 포함할 수도 있다. 이들 소스들 (1300, 1302) 에 의해 생성된 신호들 (1310a, 1310b) 은 그 후 펄스-폭 변조 (PWM) 를 수행하는 것과 유사하게 다중-주파수 신호를 생성하기 위해 OR 게이트 또는 다른 디지털 로직 (1320) 에서 디지털적으로 합산될 수 있다. 그 후, 도 13 에 나타낸 바와 같이, 최종 (resultant) 신호 (1330) 는 압전기 (150) 를 가로질러서 단일-종단된 (single-ended) 드라이브 신호 (130) 를 생성하기 위해 하프-브릿지 회로 (1340) 를 구동시키는데 이용될 수도 있다. 브릿지 회로 (1340) 는 전력 소스 (110) 또는 별개의 전력 소스 (1342) 로부터, 옵션적으로 전력 변환기 (1350) 를 통해 공급될 수도 있다. 피드백 신호 (580) 가 공진 주파수들을 결정하고 옵션적으로 NCOs (1300, 1302) 에 의해 제공되는 주파수들을 제어하는 피드백을 제공하기 위해 공진 검출 및 제어 회로 (560) 에 의해 사용된다.
도 14 에 나타낸, 또 다른 실시형태에서, 드라이버 (520) 는 별개의 주파수들 (1410a, 1410b) 을 갖는 하나 이상의 전기 소스들 또는 수치 제어 발진기들 (NCOs)(1400, 1402) 을 또한 포함할 수도 있다. 이들 소스들 (1400, 1402) 에 의해 생성된 신호들 (1410a, 1410b) 는 다중-주파수 펄스-폭 변조된 (PWM) 신호를 생성하기 위해 OR 게이트 또는 다른 디지털 로직 (1420) 에서 디지털적으로 합산될 수 있다. 그 후, 도 14 에 나타낸 바와 같이, 최종 신호 (1430) 는 2 개의 하프-브릿지 회로들 (1440a 및 1440b) 을 구동시키는데 이용될 수도 있으며, 하프-브릿지 회로 (1440b) 는 풀-브릿지 드라이브를 형성하기 위해 출력 (1430) 의 역위상 버전을 제공하도록 인버터 (1480) 를 통해 공급된다. 브릿지 회로들 (1440a, 1440b) 은 전력 소스 (110) 또는 별개의 전력 소스 (1442) 로부터, 옵션적으로 전력 변환기 (1450) 를 통해 공급될 수도 있다. 피드백 신호 (580) 가 공진 주파수들을 결정하고 옵션적으로 NCOs (1400, 1402) 에 의해 제공되는 주파수들을 제어하는 피드백을 제공하기 위해, 공진 검출 및 제어 회로 (560) 에 의해 사용된다.
당업자는 2 개의 별개의 소스들 및 적합한 로직이 하프-브릿지 드라이브들 사이의 페이징 및 부동 시간을 제어하는데 이용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 도 15 는 이러한 풀-브릿지 드라이브 (1501) 를 구현하는 회로도의 일 실시형태를 도시하며, 여기서, 멀티플렉서들 (1590a, 1590b) 은 NCOs 로부터 각각, 추가적인 비-반전 제어 라인 입력들 (1592a, 1592b), 및 반전 제어 라인들 (1594a, 1594b) 을 수신한다. 멀티플렉서들 (1592a, 1592b) 은 믹싱된 2 개의 주파수 신호가 풀 브릿지를 구동 가능하게 하거나, 또는 별개의 주파수들이 풀 브릿지의 각각의 절반을 구동 가능하게 한다. 제어 라인들은 예컨대 단일 주파수에서 풀 브릿지의 양자 절반들을 구동시키기 위해 단일 NCO 및 인버터를 이용하거나, 또는 동일한 주파수에서 그러나 역위상에서 나타낸 구성에서의 2 개의 NCOs 를 이용하는, 상이한 동작의 모드들을 가능하게 한다. 도 16 은 현재의 개시물에 따른 드라이버 (520) 의 또 다른 실시형태를 나타낸다. 이 실시형태에서, 드라이버 (520) 는 예를 들어 드라이브 신호 (530) 의 디지털 표현을 포함하는 파형 데이터베이스 (1600) 를 포함한다. 파형 데이터베이스 (1600) 는 대응하는 전기 신호 (1620) 로의 변환을 위해 디지털-대-아날로그 변환기 (DAC)(1610) 용 임의의 단일-톤 또는 멀티-톤 디지털 파형 신호를 생성하는데 이용될 수도 있다. 이 신호 (1620) 는 적합하게 전력공급된 증폭기 (1630)(도 16 상에 도시된 바와 같이, 전원 (510) 에 의해 또는 별개의 전원 (1640) 에 의해 급전됨) 에 의해 부스트될 수도 있다. 증폭기 (1630) 는 선형 또는 비선형일 수도 있으며, 단일-종단되거나 또는 차동적일 수도 있다. 최종 드라이브 신호 (530) 가 그 후 유체-충진된 액적 생성기로 기계적 부하 (550), 예를 들어 유체-로딩된 이젝터 플레이트 또는 이젝터 플레이트를 구동시키기 위해, 압전 엑츄에이터 (540) 에 인가된다. 피드백 신호 (580) 가 공진 주파수들을 결정하고 옵션적으로 데이터베이스 (1600) 에 의해 제공되는 주파수(들) 의 선택을 제어하는 피드백을 제공하기 위해 공진 검출 및 제어 회로 (560) 에 의해 사용된다.
도 17 은 풀 브릿지 드라이버 및 공진 측정 회로를 제공하는, 현재의 개시물에 따른 드라이버 (120) 회로의 일 실시형태의 회로도를 나타낸다. 이 실시형태에서, 드라이버 (120) 는 드라이브 신호 (1804) 및 반전 드라이브 신호 (1806) 를 이용하여 시스템 드라이브 주파수에서 압전 엑츄에이터 (이젝터) 의 전극들 사이에 양의 전압, Vboost 를 스위칭하는 제 1 PMOS/NMOS 쌍 (1800, 1802) 을 포함한다. 제 1 PMOS/NMOS 쌍 (1800/1802) 는 엑츄에이터의 제 1 또는 양의 측면을 신호 (1810) 에 의해 드라이브한다. 드라이브 주파수는 예컨대 1 Hz 로부터 10 MHz 까지의 범위일 수도 있으며, Vboost 전압은 예컨대 6 V 로부터 75 V 까지의 범위일 수도 있다. 출력 (1810) 상의 전압은 도 18 에 확대도로 나타낸 TEP 측정 회로의 부분으로서, 시간-에너지-곱 (time-energy product; TEP) 피드백 신호 (1814) 에 의해 제어되는 트랜지스터 (1812) 에 의해 제어된다. 이것은 드라이버로부터의 신호가 아래에서 좀더 자세하게 설명되는 바와 같이 압전 엑츄에이터로부터의 출력 신호를 모니터링하는 목적들을 위해 커플링 해제될 수 있게 한다.
드라이버는 신호 (1820) 에 의해 엑츄에이터의 제 2 또는 음의 측면을 구동시키기 위해 제 2 PMOS/NMOS 쌍 (1814, 1816) 을 더 포함한다. 드라이버에 대한 드라이브 전압 (1820) 은 트랜지스터 (1822) 를 턴 오프시킴으로써 제어된다. 압전 엑츄에이터로부터의 출력 전압의 모니터링 동안, 트랜지스터 (1822) 는 드라이버 전압이 ADC (도시되지 않지만, 그의 로케이션이 도면부호 1850 로 표시됨) 를 통과하는 것을 방지하기 위해 일시적으로 턴 온된다. 아래에서 더욱더 자세히 설명되는 바와 같이, 출력 전압이 ADC (미도시) 로 통과되게 하기 위해, 트랜지스터 (1822) 는 그 후 턴 오프되며, 트랜지스터 (1824) 는 TEP 인에이블 신호 (1832) 에 의해 턴 오프된다. 트랜지스터 (1824) 는 또한 상관된 출력 신호를 제공하기 위해 원래 신호 드라이브 주파수에서 TEP 인에이블 신호 (1832) 를 통해 구동될 수 있다.
도 18 은 도 17 의 전압 제어 회로를 확대도로 나타낸다. 회로는 동일한 저항들 (R1 및 R2) 을 제공함으로써 차동적으로 밸런싱된다. TEP_enable (1832) 는 T7 트랜지스터 (1824) 를 드라이브 동안 온으로 유지한다. 이것은 45 V+ 가 VDD 의 최대 입력 <= 6V 를 갖는 ADC 에 도달하는 것을 방지한다. 저항기 (R2) 및 커패시터 (C1) 는 이젝터 링다운 (ringdown) 을 측정하는 적분기 회로를 형성한다.
신호들 TEP_n (1814) 및 TEP_p (1830) 는 ADC 를 폭파하는 것을 피하기에 충분히 낮은 레벨로 전압을 유출시키기 위해 드라이브가 차단된 후 짧은 기간 동안 각각 신호들 Ejector_p (1810) 및 Ejector_n (1820) 를 단락시킨다. 그 후, TEP_n (1814) 는 Ejector_p (1810) 를 트랜지스터 T5 (1812) 를 통해 접지에 접속하여 유지한다. 신호 TEP_p (1830) 는 트랜지스터 T6 (1822) 를 차단하고, Ejector_n 를 ADC 포트 경로로 스위칭한다. TEP_enable (1832) 는 트랜지스터 T7 (1824) 를 디스에이블하거나 또는 상관을 위해 원래 드라이브 주파수에서 드라이브한다. ADC 의 전면에서, RC 적분기는 간단히 출력 신호를 적분하고 ADC 는 규정된 시간에서 샘플링하여 TEP 신호에서의 에너지의 진폭에 대한 값을 획득한다.
드라이브 신호 (130) 의 진폭 및/또는 주파수에 상관없이, 압전 엑츄에이터 (540) 가 드라이브 신호 (530) 에 의해 구동될 때, 에너지의 일부 양은 전기기계 메커니즘 (500) 에 저장되고 방출될 것이다. 그렇긴 하지만, 얼마나 많은 에너지가 저장되고 압전 엑츄에이터 (540) 에서 소실되는지의 문제는, 무엇보다도, 드라이브 신호 (530) 의 주파수, 주변 온도, 및 기계적 부하 (550) 의 특성의 함수이다. 앞에서 설명된 바와 같이, 압전 엑츄에이터들은 종종 기계적 부하의 증가된 또는 최대 변위를 제공하기 위해 공진 모드들에서 구동된다. 압전 엑츄에이터 (540) 의 공진 주파수에서, 에너지는 압전기가 비-공진 모드에 있을 때와는 상이한 레이트에서 저장되고 방출된다. 메커니즘이 공진하고 있을 때, 에너지는 메커니즘에 남아서, 결국 감쇠하기 전 일부 (측정가능한) 기간 동안 압전기에서 링 (ring) 할 것이며, 메커니즘은 그의 초기 휴면 상태로 되돌아간다. 메커니즘이 공진하고 있지 않을 때, 메커니즘으로부터의 에너지 유출들은 거의 즉각적일 수도 있다. 예를 들어 도 19 는 공진 모드 및 비-공진 모드들 양자에서의 이 감쇠 기간 동안, 현재의 개시물에 따른 시스템의 일 실시형태의 시변 전압을 나타낸다. 메커니즘이 공진하고 있을 때 그리고 공진하지 않을 때를 결정하기 위해 전기기계 시스템들의 이 특성을 이용하는 것이 가능하다.
도 20 및 도 21 은 메커니즘이 공진하고 있는지의 여부를 결정하는데 이용될 수 있는, 메커니즘 (500) 의 에너지 프로파일들을 생성하는 본 개시물의 방법들의 예들을 나타낸다. 플로우 차트들에서 유사한 단계들은 단순성의 목적들을 위해 동일한 도면부호들에 의해 도시된다. 도 20 상에 나타낸 바와 같이, 단계 (2000a) 에서, 드라이브 신호 (530) 가 압전 엑츄에이터 (540) 에 유한한 기간 동안 인가될 수도 있다. 전체 메커니즘 요구사항들 및 검출되는 특성들의 유형에 따라 압전 엑츄에이터 (540) 는 기계적 부하에 커플링되거나 커플링되지 않을 수도 있다 (미도시). 일반적으로 말하면, 드라이브 신호 (530) 가 검출가능한 신호를 획득하기 위해, 주파수에 관계 없이 (압전 엑츄에이터가 부하에 커플링되지 않는) 압전 모드들에 대해 파형의 적어도 하나의 기간 동안, 그리고 (압전 엑츄에이터가 유체 충진된 이젝터 메커니즘과 같은 부하에 커플링되는) 멤브레인 모드들에 대해 파형의 2 개의 기간들 동안, 압전 엑츄에이터 (540) 에 인가되어야 한다. 부하에서의 에너지는 공진의 품질 인자에 의해 지시되는 어떤 기간 동안 쌓이며, 요구된 최소 수의 기간들보다 더 큰 임의의 시간의 양 동안 구동될 수 있다.
단계 (2010) 에서, 신호 (530) 가 압전 엑츄에이터 (540) 에 더 이상 인가되지 않는다. 이 "중지 (stop)" 는 간단히 드라이버 (520) 에 전력 공급을 차단하여, (예컨대 전기적으로, 드라이브 FETs 를 3상 상태로 함으로써) 드라이버 (520) 를 분리함으로써, 또는 신호 (530) 가 압전 엑츄에이터 (540) 에 인가되는 것을 방지하기에 충분한 일부 다른 액션에 의해 초래될 수도 있다. 여기서, 메커니즘 (570) 은 그의 초기 휴면 상태로 복귀할 것이며, 즉 압전 엑츄에이터 (540) 는 기계적 부하 (550) 를 변위시키도록 더 이상 엑츄에이트되지 않을 것이며, 메커니즘에 남은 에너지가 소실될 것이다. 신호 (580) 가 얼마나 빨리 감쇠하는지는, 앞에서 설명한 바와 같이 메커니즘이 공진하고 있는지의 여부에 의존한다. 신호 (580) 를 좀더 용이하게 검출하도록 하기 위해, 제로 교차점 (zero crossing) 보다는 드라이브 신호 (530) 의 피크에서 드라이브 파형을 중지함으로써 신호 (580) 의 진폭을 증가시키는 것이 바람직할 수도 있다. 그러나, 제로 교차점에서 드라이브 신호 (530) 를 중지하는 것이 압전 공진들보다 기계적 공진들을 측정하는 것이 더 불리할 수도 있다는 점에 유의한다.
단계 (2020) 에서, 예를 들어 도 5 상에 도시된 바와 같이 압전 엑츄에이터 (140) 에 커플링된 공진 검출 및 제어 회로 (560) 는 압전 메커니즘 (570) 에 남은 신호의 감쇠와 연관되는 여러 특성들을 측정하기 위해 활성화될 수도 있다. 단계 (2030) 에서, 공진 검출 및 제어 회로 (560) 는 검출된 신호 (580) 를 적분할 수도 있다. 적분된 신호는 메커니즘 (570) 의 공진 주파수들에서, 압전 엑츄에이터 (540) 의 최대 물리적인 이동 및 기계적 부하 (550) 의 대응하는 변위를 반영하는 최대 진폭들을 가질 것이다. 공진 검출 및 제어 회로 (560) 는 감쇠의 관련된 기간에 걸쳐서 측정된 신호 (580) 의 적분을 윈도우 (window) 하도록 드라이버 (520) 와 동기화될 수도 있다. 예를 들어 적분이 너무 일찍 시작되면, 분석에서 이 포인트에서는 관심이 없는 원래 드라이브 신호 (530) 를 선택할 수 있다.
도 20a 의 실시형태에서, 단계 (2040) 에서, 이전 입력 신호 (530) 주파수에서 취득된 신호 (580) 에 비해 검출된 신호 (580) 에서의 증가에 기초하여 공진 결정이 이루어진다. 어떤 이러한 감소도 검출되지 않으면, 단계 (2050) 에서 입력 신호 (530) 의 주파수가 압전 메커니즘 (170) 에 대한 효과를 모니터링하기 위해 변경된다. 따라서, 단계 (2040) 에서, 메커니즘이 공진하고 있는지 여부에 관해 평가가 이루어질 수 있다. 소정 실시형태들에서, 단계 (2000) 내지 단계 (2040) 의 프로세스는 시스템의 공진 주파수를 실제로 결정하기 위해 여러번 반복될 수 있다. 단계 (2040) 에서 메커니즘이 공진 모드에 있지 않다고 결정될 때 마다, 단계 (2050) 에서 드라이브 주파수 (520) 가 조정될 수 있다. 예를 들어 압전기에 인가된 드라이브 신호 (530) 의 주파수는 가변 드라이브 주파수들에서 메커니즘 (500) 의 응답을 뚜렷한 진폭에서의 스파이크, 즉 공진 응답이 관찰될 때까지 관찰할 수 있도록, 예를 들어 1 kHz 간격의 스텝들로 변화될 수도 있다.
도 21a 의 실시형태에서, 주파수들의 정의된 세트가 입력 테스트되는 주파수들의 수를 카운트하고 단계 (2160) 에서 정의된 주파수들의 수가 테스트되었는지의 엽무를 결정하고, 그렇지 않으면 단계 (2050) 에서 주파수를 변경하고 새로운 입력 신호 (530) 를 인가함으로써 신호 (530) 에 대해 테스트된다. 일단 필요한 수의 주파수들이 실행되었으면, 단계 (2170) 에서 최고 진폭 검출된 신호 (580) 가 획득되었던 주파수에 대해서 결정이 이루어진다. 따라서, 도 21 의 실시형태에서, 스텝들의 순서는 공진 응답이 관찰되었는지 여부에 관한 결정이 프로세스의 끝에서 발생하도록 약간 변경될 수 있다. 단계 (2000) 에서, 드라이브 신호 (530) 가 압전 엑츄에이터 (540) 에 인가되고, 그 후 단계 (2010) 에서 그것은 제거될 수도 있다. 공진 검출 및 제어 회로는 단계 (2020) 에서 활성화될 수도 있으며 측정된 신호 (580) 는 단계 (2030) 에서 적분될 수도 있다. 단계 (2160) 에서, 방법은 충분한 주파수들을 테스트하였는지 여부를 결정할지도 모른다; 예를 들어 10 개의 상이한 주파수들을 테스트하도록 요구될 지도 모른다. 오직 하나 (또는, 10 미만의 임의의 수) 가 테스트되었으면, 방법은 단계 (2050) 로 점프하고 드라이브 신호 주파수를 변경할 수 있다. 이 프로세스는 필요한 수의 주파수들이 테스트될 때까지 반복될 수도 있으며, 이 지점에서, 테스트된 주파수들 중 하나가 공진 거동, 즉 단계 (2170) 에서 나타낸 바와 같은, 공진 거동을 나타내었는지의 여부가 결정될 수 있다.
전술한 예들은 공진 주파수를 위치시키는데 단일-톤 드라이브 주파수들의 사용을 가정하였다. 그러나, 당업자는 이들 프로세스들이 예를 들어 멀티-톤 드라이브 신호 (530) 를 이용하여 촉진될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들어 드라이브 신호는 45 kHz 에서 시작하여, 1 kHz 로 이격된 동일한 진폭들을 갖는 10 개의 톤들을 가질 수 있다. 이러한 방법으로, 10 개의 주파수들의 각각은 동시에 분석될 수 있다, 즉 출력 신호 (580) 를 대기하고 평가하기 전에 10 개의 주파수 신호를 전송할 수 있다. 또한, 또 다른 실시형태에서, 드라이브 신호 (530) 는 처프, 또는 임의의 파 형태일 수 있다.
도 22 및 도 23 은 현재의 개시물에 따른 2 개의 예시적인 시스템들의 적분된 신호의 프로세싱된 (각각의 주파수에서의 적분된 값) 샘플 파형들 (진폭 대 주파수) 을 나타낸다. 구체적으로 설명하면, 도 22 는 상관기-기반의 시스템, 즉 도 26 에 도시되고 아래에서 좀더 상세히 설명되는 바와 같은 상관기-기반의 시스템의 샘플 파형을 나타내며, 반면 도 23 은 고속 푸리에 변환 (FFT) 기반의 시스템, 즉 도 24 및 도 25 에 도시되고 아래에서 좀더 상세히 설명되는 바와 같은, 고속 푸리에 변환 (FFT) 기반의 시스템의 샘플 파형을 나타낸다.
전술한 예들은 단일-톤 드라이브 주파수들의 사용을 가정하였다. 그러나, 당업자는 이들 프로세스들이 예를 들어 멀티-톤 드라이브 신호 (530) 를 이용하여 촉진될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들어 드라이브 신호는 45 kHz 에서 시작하여, 1 kHz 로 이격된 동일한 진폭들을 갖는 10 개의 톤들을 가질 수 있다. 이러한 방법으로, 10 개의 주파수들의 각각은 동시에 분석될 수 있다. 또한, 또 다른 실시형태에서, 드라이브 신호 (130) 는 처프, 또는 임의의 파 형태일 수 있다. 본 출원의 목적들을 위해, 처프는 신호의 주파수가 규정된 레이트에서 연속적으로 스윕되는 신호이다. 레이트는 선형 또는 비선형 함수일 수 있다.
전술한 설명은 하이 레벨에서 이러한 시스템이 어떻게 작동하는지를 기술한다. 당업자는, 다양한 적합한 전자 구현예들이 존재한다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어 적합한 공진 검출 및 제어 회로 (160) 는 많은 상이한 방법들로 구현될 수도 있다. 2 개의 실시형태들에서, 도 24 및 도 25 에 나타낸 바와 같이, 공진 검출 및 제어 회로 (560) 는 고속 푸리에 변환 회로를 포함할 수도 있다. 도 24 의 실시형태에서, 아날로그 FFT 회로 (2400) 는 아날로그-대-디지털 변환기 (ADC)(2410) 에 커플링된다. 도 25 의 실시형태에서, 공진 검출 및 제어 회로 (560) 는 디지털 FFT (2510) 에 커플링된 ADC (2500) 를 포함할 수도 있다. 디지털 FFT 는 PIC 마이크로프로세서와 같은, 표준 마이크로프로세서 또는 마이크로제어기에서의 구현의 용이성 때문에, 아날로그 FFT 구현예보다 더 바람직할 수도 있다.
또한, 또 다른 실시형태에서, 도 26 에 나타낸 바와 같이, 전치-증폭기 스테이지 (2630) 에서 증폭되어진 후 공진 검출 및 제어 회로 (560) 는 출력 신호 (580) 를 수신할 수도 있다. 이 실시형태에서, 공진 검출 및 제어 회로 (560) 는, 적분기 (2610) 에 커플링된 믹서 (2600) 를 포함할 수도 있다. 믹서 (2600) 는 드라이브 신호 (530) 와 측정된 신호 (580) 를 곱하는 것이 가능한 임의 유형의 디지털 또는 아날로그 회로일 수도 있다. 이러한 구현예는 믹서가 계산들을 실시간으로 수행가능할 수도 있기 때문에, 아주 빠른 프로세싱을 필요로 하는 상황들에서 더 바람직할 수도 있다. 적분기 (2610) 는 그 후 ADC (2620) 또는 임의의 다른 진폭 측정 또는 트래킹 회로에 커플링될 수도 있다.
당업자는 전체 시스템의 특성들에 따라서, 어떤 옵션적인 사전-프로세싱 컴포넌트들을 포함하는 것이 바람직할 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어 도 26 상에 도시된 바와 같이, 그리고 위에서 설명한 바와 같이, 측정된 신호 (580) 및/또는 드라이브 신호 (530) 가 프로세싱 이전에 증폭되도록 압전 엑츄에이터 (540) 와 공진 검출 및 제어 회로 (560) 사이에 전치-증폭기 (2630) 를 배치하는 것이 바람직할 수도 있다. 이의 대안으로, 예를 들어 압전 엑츄에이터 (540) 의 출력 (580) 을 공진 검출 및 제어 회로 (560) 를 구현하는 컴포넌트들에의 입력에 적합한 전압으로 변환하기 위해, 저항성 또는 용량성 디바이더 (미도시) 가 공진 검출 및 제어 회로 (560) 에 커플링될 수도 있다. 추가적으로 이들 컴포넌트들은 도 24 및 도 25 에 도시된 것들을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 다른 구현예들에 대해 바람직할 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 27 은 본 개시물에 따른 공진 주파수 검출 회로의 일 실시형태의 블록도이다. 도 27 에 나타낸 바와 같이, 압전 엘리먼트 (또는, 피에조)(540) 는 분리 임피던스 (2740), 샘플링 FET (2750), 커패시터 (2760) 및 ADC (2720) 에 커플링된다.
샘플링 FET (2750) 는 회로를 그의 동적 범위에서 유지하는데 이용될 수도 있으며, 이에 따라서 회로가 그의 선형의, 동작가능한 범위에서 동작하는 것을 보장한다. 분리 임피던스 (2740) 는 ADC (2720) 를 포함하는 다른 컴포넌트들을 보호하기 위해, 지점 A 가 특정의 제한 전압 (예컨대 3 V) 위로 가지 않도록, 드라이브 신호 (예컨대 45 V 드라이브 신호) 가 분리 임피던스 (2740) 와 샘플링 FET (2750) 사이의 지점 A, 커패시터 (2760) 및 ADC (2720) 로부터 분리될 수 있게 구성가능하다.
따라서, 드라이브 신호는 피에조 (540) 에 입력되는 구형파에 의해 도시된 바와 같이, 신호 전압 SV (예컨대 약 45 V) 까지 이를 수도 있다. 드라이브 신호 이후, TEP 신호 (감쇠 파로 도시됨) 가 피에조 (540) 에 의해 방출된다. 이 신호는 분리 임피던스를 통과하여, 지점 A 에서 감소된 진폭 버전을 나타낸다. 분리 임피던스 (2740) 와, 샘플링 FET (2750), 커패시터 (2750) 및 ADC (2720) 중 하나 이상 사이에 정의된 바와 같은, 전압-제한 또는 분리 지점 A 에서, 전압은 최대 값 MV (예컨대 약 3 V) 를 갖는다. 시간-에너지 곱 (TEP) 신호가 또한 본원에서 개시된 바와 같이 그리고 포함된 참조들에서 설명된 바와 같이, 압전 공진 검출 및 특성화를 위해 도시된다. 드라이브 신호의 별개의 샘플들을 분석가능하게 하기 위해, 샘플링 FET (2750) 가 선택적으로 턴 오프 또는 턴 온된다. 상기 논의로부터, TEP (시간-에너지 곱) 이 압전기/멤브레인 조합에, 즉 유체 충진된 이젝터 메커니즘에 저장됨을 명백히 알 수 있을 것이다. 모드의 품질 인자에 따라 더 많은 또는 더 적은 에너지가 저장될 것이다. 모드에서 더 적게 약화할수록, 시스템은 드라이브 신호가 종료된 후 더 길게 계속 이동할 것이다. 이것은 압전기가 (로딩 회로에 기초하여) 드라이브 신호가 턴 오프된 후 신호를 출력할 것임을 의미한다. 따라서, 이 링-다운 시간 동안, 생성된 신호는 모드의 품질 인자, 및 압전 모드 또는 시스템 (멤브레인) 모드인지 여부에 기초하여, 최대 진폭 및 링잉 (ringing) 시간을 가질 것이다. TEP 신호는 커패시터를 충전하며, 링-다운 시간을 결정하기 위해 아날로그 대 디지털 변환기 (ADC)(2720) 에 의해 사용된다. 따라서, TEP 신호는 모드에서의 에너지 저장을 결정하기 위해 상관되거나 또는 적분될 수 있다.
도 28 은 옵션적인 바이패스 스위치 (2800) 를 갖는 공진 검출 및 제어 회로 (560) 의 일 실시형태의 선택된 컴포넌트들을 나타낸다. 바이패스 스위치 (2800) 는 ADC (2810) 로 직접 입력되거나, 또는 먼저 전치-증폭기 (2820), 믹서 (2830), 및 적분기 (2840) 를 거치는 입력 사이에서 선택하기 위해 이용될 수도 있다. 풀 공진 검출 및 제어 회로 (560) 가 인에이블될 때, NCO 또는 발진기가 단일 주파수 모드에서 턴 온되며, 주파수에서 스윕된다. 공진 검출 및 제어 회로 (2810) 의 출력이 정의된 값 또는 최대값보다 더 크면, 그것은 공진을 정의한다. 공진의 강도는 공진 검출 및 제어 회로 (2810) 출력의 진폭에 의해 결정된다. 부스트 변환기 (미도시) 는 출력 전압을 샘플링하기 위해 아날로그 대 디지털 변환기 (ADC) 출력을 이용하는 게이트 발진기에 의해 제어된다. 인덕터들이 풀 브릿지 출력에 추가되는 경우, 압전 엑츄에이터 전압이 부스트 전압 출력을 제어하기 위해 모니터링된다. 부스트 전압 출력은 공진 엘리먼트들에서의 에너지 저장 대신 실제 전력 수송을 초래하는 종래의 공진 매칭과는 대조적으로, 입력 전류를 증가시킴이 없이, 피에조 및 인덕터들에 의해 형성되는 공진 변환기에 의해 추가로 증폭된다. 이 실시형태에서, 측정 회로는 전압 제어를 위해 탱크에서의 전압을 모니터링하는데 사용되는 저항기 디바이더 및 피크 검출기로서 구현되며, 또한 품질 인자 동안 전기적 공진 탱크들을 이용하여 스윕한다. 이것은 ADC 에 공급된다. TEP 는, 전기 공진이 더 큰 계산 차수들이기 때문에 공진 변환기와 함께 사용될 수 없다.
또 다른 실시형태에서, 도 18a 를 참조하면, 공진 검출 및 제어 회로는, N-채널 디바이스 T7 가 (ADC 를 보호하기 위해) 압전 엑츄에이터 (이젝터) 에 인가되는 높은 드라이브 전압들이 활성화되면서 측정 노드를 접지시키기 위해, 풀 브릿지 드라이브 사이클 전체에 걸쳐셔 턴 온되도록 동작한다. 고전압 드라이브 신호가 중지할 때, N-채널 디바이스들 (T5 및 T6) 은 압전 엑츄에이터를 일시적으로 단락시키기 위해 인에이블된다 (턴 온된다). 이것은 양자의 높은 드라이브 전압이 (압전 이동 전압을 마스킹하는) 압전 엑츄에이터로 배출하여, 엑츄에이터의 이동에 의해 유도된 전압이 마스킹되지 않고 ADC 노드로 향할 수 있게 한다. N-채널 디바이스 T5 는 측정 사이클 전체 동안 온이며, 반면 T6 은 압전 이동을 가하여 ADC 노드로 전압을 출력하기 위해 짧은 시간의 양 (1ns-50us) 이후 디스에이블된다 (턴 오프된다). T6 의 단락 없이, 에너지는 ADC 측정 포트로 반드시 향해질 필요는 없다. T6 이 디스에이블될 때, T7 은 또한 디스에이블되어, 압전의 출력이 R3/(R2+R3) 에 의해 나눠지는 전압이 되고 C1 및 T7 로부터의 커패시턴스에 의해 적분될 수 있게 한다. ADC 는 T7 이 디스에이블된 후 규정된 시간에서, 대개 1μs 와 500μs 사이에서 전압을 샘플링한다. 트랜지스터 T7 는 특정의 주파수들와 상관시키기 위해 원래 드라이브 신호의 레이트에서 스위칭될 수도 있다.
드라이브 신호들의 예들이 압전 엑츄에이터 및 T5, T6, 및 T7 에 인가되는 대응하는 신호들의 양면에 대해, 도 29 에 도시된다. 이 시퀀스 및 ADC 측정은 1 Hz 로부터 150 MHz 까지 정의된 주파수 단계들, 예컨대 150 kHz, 10 MHz 등에서 이루어진다. 비록, (주파수에 따른 이젝터 속도에서의 증가, 및 압전 대 멤브레인 모드 변위와 같은) 특정의 스프레이 동력학에 관련된 수학적 보정들이 적용될 수도 있으며 전압 커플링 계수들이 메커니즘을 더 정확하게 만들기 위해 적용될 수 있더라도, 최대 적분 값이 스프레이 주파수로서 선택될 수도 있다.
일 실시형태에서, 본 개시물에 따른 전기기계 시스템은 그의 공진들의 주파수 및 품질 인자를 결정할 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 본원에서 설명된 바와 같은 전기기계 시스템은, 그들이 기계적 로딩, 인가된 드라이브 신호, 및 주변 온도, 또는 이들의 임의의 조합으로 인해 변하기 때문에 그의 공진들의 트래킹을 허용할 수도 있다. 이러한 양태들 및 공진 트래킹은 피드백 전극 없이 달성될 수도 있으며, 피드백 전극의 사용은 유체 분사 시스템에서의 원하는 목표에 대한 액적 생성, 효율 및 질량 퇴적에 영향을 미칠 수도 있다. 특정의 애플리케이션들에서의 추가적인 이점들이 또한 본 개시물에 따라서 실현될 수도 있다.
예를 들어 소정 실시형태들에서, 본원에서 설명되는 공진 트래킹은 본 개시물의 액적 생성기 디바이스들 중 임의의 디바이스에서 이용될 수도 있다. 액적 생성기 디바이스는 따라서 스스로 공진 모드로 되돌아 가도록 되어 있을 수 있다. 상이한 주파수들에서의 짧은 지속기간 드라이브들이 주파수들의 범위에 걸쳐서 공진 진폭을 맵핑하기 위해 사용된다. (이 주파수들의 범위는 제조/생산에서 부품들 사이에 최대 통계적 차이를 결정함으로써 계산될 수 있다.) 스프레이 이후 출력은 임의의 드리프트를 수정하기 위해 그리고 스프레이 검증을 위해 액적 생성기 디바이스의 원래 공진 맵핑 (mapping) 과 비교될 수도 있다. 이러한 사용에서, 공진 트래킹은 본원에서 설명되는 유체 분사 메커니즘에서 질량 퇴적을 감소시키는 효과를 가질 수 있는 피드백 전극 없이 달성될 수 있다.
전하 분리된 이젝터 (이중 층 가요성 회로, 50 μm SS316L 환형, 금 코팅된 40 × 160, 57 홀 이젝터 엘리먼트, 19 mm OD × 13 mm ID 250 μm 두께 PZT) 가 10 kHz 로부터 150 kHz 까지의 주파수에서 분사하도록 구동된다. 질량 퇴적 및 전기 파형들은 각각의 주파수에서 동일한 순간에 기록되었다.
도 30 에 도시된 레벨 시프팅 드라이버 회로는 내부 보충 파형 생성기로부터 마이크로칩 PIC16LF1503 에 의해 구동된다. 레벨 시프팅 드라이버는 압전 엘리먼트를 엑츄에이트하는 풀 브릿지를 드라이브한다. 마이크로칩 PIC16LF1503 은 질량 퇴적 측정 동안 OHAUS PA214 스케일이 평형에 도달할 수 있도록 각각의 주파수 사이에서 10 초 대기한다. 마이크로칩 PIC16LF1503 은 또한 (도 18a 에서 참조된 T5-T7 에 대해) 모든 필요한 드라이버 신호들을 제공한다. 전기 신호들은 AGILIENT 3014A 오실로스코프 상에 기록되며, (최적의 회로 컴포넌트들을 결정하기 위해 여러 아날로그 필터들을 디지털적으로 구현하는) 공진 측정 및 제어의 동작을 증명하기 위해, 그 후에 신호를 PIC16LF1503 의 측정 시간까지 적분함으로써 MATLAB 에서 프로세싱된다.
T7 이 디스에이블될 때의 시간으로부터 30μs 샘플링된, 적분된 압전 출력 신호는, 도 31 및 도 32 에 나타낸 바와 같이, 주파수에 걸쳐서 메커니즘의 이동 및 질량 퇴적을 면밀하게 트랙킹한다. 도 31 은 멤브레인 모드 및 압전 모드에서의 질량 퇴적을 나타내며, 반면 도 32 는 공진 측정 출력을 나타낸다. 출력은 (엑츄에이터가 유체-충진된 이젝터 메커니즘의 유형을 취할 수도 있는 멤브레인에 커플링되는) 멤브레인 모드와는 대조적으로 (오직 압전 엑츄에이터가 관련되는) 압전 모드들에 있어 더 강하며, 압전 모드들 및 멤브레인 모드들 양자에 있어 전압 커플링 파라미터에 대한 이동을 이용하여 수정되어야 한다. 커플링 파라미터들은 디지털 홀로그램 현미경 검사 (DHM) 를 이용한 이동의 측정 및 엑츄에이터의 정현파 여기에 의해 결정된다. 커플링 파라미터들은 최적의 분사를 제공하기 위해 (그들을 가중하는) 소정 주파수 영역에서 결과들을 간단히 스케일링한다. 더욱이, 이동의 주파수 및 진폭이 최적의 스프레이를 결정하는데 이용될 수 있는 이젝터 속도들을 계산하는데 이용될 수 있다. 회로는 동작이 압전 모드 또는 멤브레인 모드에 제한되면, 즉 믹싱된 동작이 허용되지 않으면 보정 없이 사용될 수도 있다. 회로는 스프레이에 느슨하게 상관된 시스템의 변위만을 단지 트랙킹한다. 정확한 스프레이 계산은 커플링 상수들 및 속도 계산을 필요로 한다. 공진 측정 및 제어 시스템은 어느 하나의 방법으로 구성될 수 있다.
특정의 실시형태들이 공진 신호들을 결정하여 엑츄에이터 (압전 모드) 에 또는 이젝터 메커니즘 (멤브레인 모드) 에 제공하는 것으로 설명되었지만, 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈함이 없이, 여러 변화들이 이루어질 수도 있으며 균등물이 그의 엘리먼트들을 대체할 수도 있음을 당업자들은 알 수 있을 것이다. 또한, 그의 본질적인 범위로부터 일탈함이 없이, 본 발명의 교시들을 특정의 상황들 및 재료들에 적응시키기 위해 변경들이 이루어질 수도 있다.
상기 설명은 압전 엑츄에이터를 드라이브할 때에 공진 주파수들을 결정하여 이용하는 값을 설명하였지만, 특정의 드라이브 신호 또는 드라이브 파형은 또한 이젝터 메커니즘의 전면 또는 앞의 표면 상의 비딩 및 습윤 (wetting) 에 영향을 미침으로써 이젝터 디바이스의 안정성 및 반복성에 영향을 준다.
도 33 은 액적 생성 시스템을 위에서 설명된 구성들 중 임의의 구성으로 구현하는 회로 (3300) 의 일 실시형태의 개략적인 회로도이다. 이 특정의 실시형태에서, 회로 (3300) 는 본원에서 설명하는 바와 같이, 그리고 포함된 참조들에 개시된 바와 같이, 드라이버 예컨대 드라이버 (520) 의 게이트 발진기 부스트 구현을 위해 구성된다.
도 33 에 나타낸 바와 같이, 회로 (3300) 는 스위칭 컴포넌트들 (S1-S4), 커패시터들 (C1-C4), 다이오드 (D1), 비교기 (U1), 인버터 (U3), PW 엔벨로프 생성기 (V2) 를 포함하는 펄스 폭 변조 회로 (PWM), 인버터들 (U5-U6), 논리적 NAND 게이트들 (U2 및 U4), 및 PWM 회로를 피딩 (feeding) 하는 비교기 (U1) 를 제어하고 전압을 스위치들 (S1-S4) 의 전력 레일로 제어하기 위해 트랜지스터 (Q1) 의 게이트를 제어하는 NOR 게이트 (U8) 를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 하나 이상의 추가적인 전자 컴포넌트들을 포함한다. 이들 추가적인 컴포넌트들은 엑츄에이터, 예컨대 위에서 설명한 엑츄에이터 (540) 를 구동시키기 위한 펄스-폭 변조된 PWM 신호들을 생성하기 위해 지연, 위상 시프트들, 게이팅 (gating), 합산 (summing), 신호 부스트, 및 다른 전력 및 신호 조절 (conditioning) 효과들을 생성하는데 이용된다. 기계적 부하, 예컨대 부하 (550) 는, 예를 들어 위에서 설명한 바와 같이, 단일-톤 또는 멀티-톤 수치 제어 발진기 (NCO) 신호들에 기초하여, 유체-로딩된 이젝터 플레이트에, 또는 유체-로딩된 생성기 플레이트에 커플링된 이젝터 플레이트에 부착된 엑츄에이터를 포함할 수도 있다.
도 34a, 도 34b 는 본 개시물의 디바이스의 일 실시형태를 이용한 유체 이완 파형 대 시간의 플롯들이다. 드라이브 신호 전압은 2 개의 버스트들로, 시간 축 (수평) 상에서 대략 25 ms 로부터 단지 25.5 ms 까지, 그리고 시간 축 상에서 대략 27.5 ms 로부터 단지 28 ms 까지 전달된다.
도 34a 에 나타낸 바와 같이, 역 EMF 신호는 드라이브 신호에 뒤따르며 그 후 밀리초의 수 1/10 의 특성 시간 스케일로, 예를 들어 약 0.1-0.5 ms, 또는 약 0.2-0.3 ms 의 범위에서의 지수 감쇠 상수로 감쇠한다. 그 결과, 드라이브 신호가 종료된 후 디바이스로부터 유체 분사가 있을 수도 있다. 또한 (제로에서) 드라이브 신호 전압와, 제 1 버스트와 제 2 버스트 사이의 역 EMF 신호 사이의 분리에 의해 도시된 바와 같이, 약 1 ms 이상의 다소 긴 시간의 스케일로 감쇠하는 잔여 바이어스일 수도 있다.
도 34b 는 드라이브 신호의 종료 이후 역 EMF 링-다운을 나타내는, 도 34a 에서의 유체 이완 파형 플롯의 확대도이다. 도 34b 에 나타낸 바와 같이, 드라이브 신호의 종료 이후 이젝터 플레이트의 상당한 모션이 있을 수 있으며, 위에서 설명한 바와 같이 연속된 액적 형성을 초래한다. 또한 드라이브 신호와 역 EMF 사이에 위상 시프트가 있으며, 이것은 유체-로딩된 이젝터 플레이트 모션이 드라이브 신호 파형을 지연하도록 (또는, 이 경우, 초래하도록) 할 수도 있다.
드라이브 파형에 의한 여기 이전에, 이젝터 플레이트 어셈블리는 어떤 기계적 이동도 없는 휴면 상태로부터 시작한다. 전기 드라이브 신호가 이동을 유도하기 위해 인가되기 때문에, 액적들이 분사되기 전에 유한한 시간 지연이 존재한다. 액적 생성기에서 하나 보다 많은 개구가 존재하는 경우, 각각의 개구는 발진 모드 (또는, 모드들) 및 대응하는 공진 주파수 (또는, 주파수들) 에 따라서 유체 분사에 필요한 속도에 도달하기 위해 상이한 특성 시간을 가질 수도 있다. 따라서, 액적 형성 이전 특성 리드 시간 (characteristic lead time) 은 발진 이젝터 플레이트 또는 액적 생성기에 의해 정의되는 바와 같은, 드라이브 전압, 주파수, 애퍼쳐 위치, 및 고유모드 형태의 함수이다.
유체가 액적 생성에 충분한 속도에 도달하기 전에 개구를 통해 급송되는 경우, 비딩이 일어나, 추가로 액적 형성의 온셋 (onset) 을 지연시키고 질량 퇴적 및 유체 전달을 감소시킬 수도 있다. 유체 비딩은 또한 습윤 이젝터 플레이트 모멘텀을 증가시켜, 드라이브 신호의 종료 이후 특성 링-다운 시간을 연장시킬 수도 있다.
비딩을 감소시키기 위해, 이젝터 시스템은 본원에서 또한 연속적인 드라이브 길이로서 지칭되는 선택된 시간 동안 구동될 수도 있다. 특히, 시간은, 이젝터 플레이트가 특정의 구조의 고유모드들에 따라, 드롭 생성기 상의 여러 로케이션들에, 또는 이젝터 플레이트의 중앙 영역에서의 분사 영역에 위치된 하나 이상의 개구들로부터 하나의 (또는, 더 이상의) 액적들을 분사하기에 충분한 속도에 도달하도록 선택될 수도 있다. 본 개시물의 일 양태에 따르면, 드라이브 신호는 드롭 온 디맨드식 모드 (drop on demand mode) 에서 동작하도록 선택될 수도 있다. 이 모드에서, 엑츄에이터가 유체 특성들에 의해 결정된 어떤 사이클 수 동안 구동되며, 그 후 드라이빙이 시스템로 하여금 완화가능하도록 중지되며, 그 후 연속적인 드라이브 길이 시퀀스가 반복된다. 이것은 유체의 원하는 질량 이송을 달성하기 위해 원하는 횟수 만큼 수행될 수도 있다. 액적 온 디맨드식 모드는 유체 비딩을 감소시키는, 따라서 이젝터 메커니즘의 모멘텀을 감소시키는 효과를 가지며, 이에 따라 액적 스트림으로의 질량 이송을 증가시키고 드라이브 신호가 차단된 이후 링-다운 시간을 저하시킨다. 연속적인 드라이브 길이는 또한 원하는 투약량, 유체 점도, 발진 모드 및 이젝터 구성, 및 다른 파라미터들에 따라서 선택되며, 약 1 ms 이하로부터 약 10 ms 이상까지, 또는 약 1-2 ms 이하, 또는 약 2-5 ms 이하의 범위에서 변할 수도 있다.
유체 비딩은 압전 엑츄에이터를 하나 이상의 액적들이 하나 이상의 개구들로부터 분사되기에 충분한 선택된 사이클 수 동안 구동시킴으로써, 감소되거나 또는 억제될 수도 있다. 사이클 수는 또한 원하는 투약량, 유체 점도, 발진 모드 및 이젝터 구성을, 포함하지만 이에 한정되지 않는 파라미터들에 기초하여, 예를 들어 약 1 사이클 내지 약 10 사이클들의 범위에서, 예를 들어 약 2-5 사이클들의 범위에서 선택된다. 이의 대안으로, 엑츄에이터 (1604) 는 10 사이클들 이상, 예를 들어 약 10-20 사이클들 동안, 또는 약 10-60 사이클들 이상의 범위, 예를 들어 약 10, 20, 30, 40, 50 또는 60 사이클들에서 구동될 수도 있다.
다른 애플리케이션들에서, (예를 들어 0.5-30 μl 이상의 범위에서) 상대적으로 더 큰 용량들의 액체를 전달하기 위해 제팅을 통한 연속적인 유체 분사가 필요하다. 그러나, 연속적인 모드에서 (즉 연속적인 드라이브 신호로) 방출하는 것은, 또한 비딩을 초래할 수 있다. 임의의 특정의 이론에 제한시키려고 의도됨이 없이, 비딩은 예를 들어 위에서 설명한 바와 같이, 난잡한 제트들, 위성 액적 재포획, 유도, 및 전하 효과들로 인해 일어날 수도 있다. 더욱이, 유체 비드가 개구 상에 걸쳐서 형성하는 경우, 나쁜 유체 용량이 엑츄에이터의 추가적인 사이클들에 걸쳐서, 예를 들어 펌핑 액션 및 관련되는 유체역학 효과들을 통해 증가하는 경향이 있을 수도 있다. 연속적인 펌핑은 발진 이젝터 플레이트 (또는, 액적 생성기 플레이트) 의 원위의 표면 상에 습윤을 결국 초래하여, 증가된 모멘텀, Coulomb 인력, 및 관련되는 기계적 및 전기기계 효과들을 초래할 수도 있다.
압전 엑츄에이터는 또한 완화 시간 또는 완화 기간으로 특징지워질 수도 있는, 선택된 사이클 수에 뒤이은 드라이브 신호들 사이의 기간 동안 구동될 수도 있다. 완화 기간 동안 발진 드라이브 전압의 중단은 특성 링-다운 시간에 걸쳐서, 유체 충진된 이젝터 플레이트 발진들의 감쇠를 일으킨다. 링-다운 시간은 예를 들어 이젝터 플레이트 및 엑츄에이터 모션의 크기, 및 유체-습윤된 이젝터 시스템의 질량에 의존한다. 그 애플리케이션에 따라, 링-다운 시간에 기초하여 선택된 완화 기간은 비딩을 감소시킬 수도 있다. 엑츄에이터의 이 간헐적인 드라이브는 펄스된 동작 모드 (pulsed operation mode) 로서 지칭될 것이다. (단위 시간 당) 질량 분사 레이트는 펄스된 동작 모드에서, 드라이브 펄스 폭 및 완화 시간에 따라, 예를 들어 동작의 연속적인 제팅 (jetting) 모드에 비해 약 1/3, 약 1/2, 또는 약 2/3 만큼, 감소될 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 드라이브 신호의 중단 이후 압전 엑츄에이터의 이동은 이젝터 플레이트에 기계적으로 커플링되는 압전 엑츄에이터의 잔여 모션에 의해 유도되는 역 EMF (또는, 역 전압) 를 검출함으로써 모니터링될 수도 있다. 예를 들어 역 EMF 는 도 4 에 대해 위에서 설명한 바와 같이, 엑츄에이터 표면으로부터 전기적으로 절연된 금속화 층 또는 전자 센서를 통해, 또는 드라이브 신호 회로 상에 유도된 역-전압을 이용하여, 예를 들어 엑츄에이터 표면과 직접 접촉하는 드라이브 전극들 또는 다른 도전 층을 통해 모니터링될 수도 있다.
링-다운 시간은 따라서 역 EMF 신호에 기초하여, 잔여 이젝터 플레이트 및 유체 발진들이 특정의 임계치 아래로 떨어지는데 요구되는 시간에 의해, 결정될 수도 있다. 이것은 유체-습윤된 이젝터 어셈블리의 링-다운 시간에 대한 그들의 효과에 기초하여, 완화 시간이 액적 형성, 습윤, 유체 점도, 및 다른 인자들에 대해 자동적으로 조정되기 때문에, 고정된 완화 시간 애플리케이션들보다 이점을 갖는다.
예를 들어 완화 시간은 역 EMF 전압이 드라이브 신호의 중단 시, 그의 초기 값의 선택된 비율 (fraction) 미만, 예를 들어 초기 값의 약 1/10 (10%) 이 되는데 요구되는 시간에 의해 정의될 수도 있다. 이의 대안으로, 상이한 비율은 예를 들어 약 1/20 (5%) 이상, 또는 약 1/5 (20%), 약 1/3 (33%), 약 절반 (50%), 또는 1/e 와 같은 상이한 비, 또는 그의 배수로 선택될 수도 있다. 추가적인 애플리케이션들에서, 완화 기간은 절대 임계치에 기초하여, 예를 들어 역 EMF 신호를 유체-로딩된 이젝터 플레이트에 대한 발진의 선택된 크기 또는 속도와 상관하는 것에 기초하여, 선택될 수도 있다.
도 35 는 시간 경과에 따라 2 개의 파형들 사이에 위상 시프트를 보이는, 드라이브 신호 파형들 및 대응하는 압전 이동 파형들의 진폭 대 시간 플롯들의 세트이다. 도 35a 내지 도 35d 각각은 드라이브 신호의 종료 이후 잔여 모션을 감소시키기 위해 링-다운 감쇠 신호들을 생성하는 상이한 접근법을 나타낸다. 상쇄 파형은 링-다운 피드백 신호의 관찰되는 크기 및 위상에 기초하여, 능동 감쇠 또는 제동 신호의 유형으로 생성될 수도 있다. 예를 들어 도 35a 에서, 상쇄 신호는 간단히 반대인 반파 또는 원래 파 신호에 대해 180 도 만큼 시프트된 위상를 생성하는 것을 포함한다. 도 35b 에서, 반대 반파 (opposite half wave) 를 생성하는 것에 추가하여, 반대 파형의 진폭이 조정된다. 도 35c 에서, 반대 반파는 또한 추가적인 위상 시프트를 획득하기 위해 시간 시프트된다. 도 35d 에서, 반대 위상 및 더 높은 주파수의 작은 펄스가 생성된다.
일반적으로, 감쇠 신호는 드라이브 신호에 대해 위상 시프트되고, 크기가 감소될 수도 있다 (도 35b 와 도 35c 의 조합). 크기는 상기 압전 시스템들에서 나타낸 바와 같이, 공진 검출 및 제어 회로 (560) 에 대한 링-다운 또는 피드백 신호 (580) 를 생성하기 위해 역 EMF 신호의 크기에 기초하여, 예를 들어 엑츄에이터 센서 또는 드라이브 회로에서의 역 전압을 이용하여 결정된다. 이완 파형 및 링-다운 분석들은 예를 들어 도 33 의 회로 (3300) 의 여러 컴포넌트들에 대해 위에서 설명한 바와 같이 적합한 크기 및 위상 지연을 갖는 펄스 폭 변조된 (PWM) 감쇠 신호를 생성하기 위해 역 EMF 신호에 대해 수행된다.
애플리케이션에 따라, 드롭 생성기 상에서의 유체 발진은 이젝터 플레이트 자체의 링-다운 발진과 동일한 주파수에서 생성하거나 생성하지 않을 수도 있다. 이것이 일어나는 범위에서, 또는 다수의 모드들이 여기되는 임의의 경우, 역 EMF 신호는 이하에서 설명하는 바와 같이, 다수의 주파수들 (multiple frequencies) 및 비팅 (beating) 을 나타낼 것이며, 따라서 능동 감쇠 신호 (active damping signal) 는 예를 들어 상이한 크기, 위상 및 주파수를 갖는 2 개 이상의 상이한 감쇠 신호들의 조합을 제공함으로써 수정될 수도 있다.
이의 대안으로, 단일 짧은 펄스 또는 "처프" 신호는 원하는 신호 복잡성의 레벨 및 링-다운 신호에 대한 요구된 효과에 기초하여, 이용될 수도 있다. 예를 들어 "역위상 (anti-phase)" 상쇄 또는 감쇠 신호는 드라이브 파형 자체의 위상에 기초하여, 또는 역 EMF 신호의 타이밍에 기초하여 인가될 수도 있다. 본 출원에서는, 더 작은 반대 극성의 감쇠 신호가 잔여 발진 에너지를 흡수하거나 또는 상쇄하여 엑츄에이터 및 부하로 하여금 운송체의 방법과 유사한 방법으로 제동하도록 선택된 타이밍 및 진폭으로 제공될 수도 있다.
일단 임의의 상쇄 파형 또는 능동 감쇠 (제동) 신호가 인가되면, 이완 기간은 위에서 설명한 바와 같이, 또 다른 드라이브 신호를 인가하기 전에 이용될 수도 있다. 따라서, 액적 생성기는 각각의 펄스 이후 감쇠 파형들이 있거나 또는 이것 없이, 펄스된 또는 연속적인 펄스된 모드로 구동될 수도 있다.
액적들은 또한 다음 능동 감쇠 신호가 있거나 또는 이것 없이, 특정의 사이클 수에 걸쳐서 연장하는 단일의, 유한한 드라이브 파형에 걸친 유체 전달에 의해 단일-펄스 모드로 생성될 수도 있다. 이 동작의 단일-펄스 모드에서, 완화 시간은 임의적인 것으로 고려될 수도 있으며, 디바이스의 독립적으로 트리거된 (예컨대 사용자-선택된) 활성화까지 연장할 수도 있다.
따라서, 상이한 방법들의 범위가 감쇠 신호들을 생성하기 위해 이용될 수도 있다. 예를 들어 동일한 진폭 파형이 압전기에 저장된 에너지에 기초한 진폭으로, 역 EMF 신호의 위상에 기초한 180° 위상 시프팅 (반대 극성) 으로 인가될 수도 있다. 이의 대안으로, 하나 이상의 동일하지 않은 진폭 펄스들이 이용가능한 양의 또는 음의 공급 전압들에 기초하여, 반대 극성 또는 상이한 위상 시프트로 인가될 수도 있다. 단일-펄스 또는 "처프" 감쇠 파형들에서, 파형에서의 에너지는 유체-로딩된 이젝터 플레이트 및 엑츄에이터 시스템의 에너지와 매칭하도록 선택될 수 있으며, 그리고, 잔여 발진들을 상쇄시켜 링-다운 시간을 감소시키기 위해 시간-에너지 밸런싱을 이용하여 최대 에너지 흡수를 위해 선택된 반대 극성 또는 다른 위상 시프트로 전달될 수도 있다.
동작의 펄스된 또는 "제한된 사이클" 모드들에서, 엑츄에이터는 이젝터 시스템의 특성 비딩 시간 하에서, 제한된 사이클 수 동안 구동되고, 이어서 특성 링-다운 시간에 기초한 이완 기간이 뒤따르며, 원하는 유체 투약량 또는 질량 퇴적에 도달하는데 필요한 만큼 반복될 수도 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 단위 시간 당 질량 분사가 명목상 감소되지만, 이것은 감소된 비딩의 이점들에 의해 상돼될 수도 있다. 전달 펄스들 사이의 이완 또는 "부동 (dead)" 시간은 적합한 감쇠 신호의 인가에 의해 감소될 수 있다.
이 모드에서, 액적 생성기는 제한된 사이클 수 동안, 이젝터 플레이트 시스템의 특성 비딩 시간에서 구동되고, 이어서, 역 EMF 신호의 대응하는 위상에 기초한, 역위상 (반대 극성) 파형의 인가가 뒤따를 수도 있다. 진폭 및 위상은 단일 펄스에서 잔여 발진 에너지의 상당한 비율을 흡수하도록, 에너지 균형을 위해 선택될 수도 있거나, 또는 위에서 설명한 바와 같이, 진폭 및 위상은 변할 수도 있다. 감쇠 파형 또는 "제동" 신호는 엑츄에이터 및 이젝터 플레이트 멤브레인의 모션을 감소시키도록 제어될 수도 있으며, 이어서 어떤 새로운 드라이브 신호도 인가되지 않는 동안, 유체 자체의 추가적인 링-다운이 뒤따를 수도 있다.
따라서 완전한 파형은 제한된-사이클 드라이브 신호, 뒤이어서 감쇠 신호, 및 유체 링-다운을 위한 이완 또는 부동 시간을 포함하며, 원하는 유체 투약량 또는 질량 퇴적을 달성하기 위해 필요한 만큼 반복된다. 감소된 링-다운 시간에 기초하여, 능동 감쇠 또는 제동 신호 없는 제한된 사이클 드라이브에 비해, 이 모드는 단위 시간 당 유체 질량의 관점에서 정의되는 바와 같이, 감소된 비딩 및 증가된 유체 전달 레이트 양자를 제공한다.
예들
예 1: 이젝터 메커니즘. 이 예에서, 이젝터 플레이트 (104) 의 중앙 영역에 형성된 액적 생성기 (132) 에 제공된 개구들 (126) 의 패턴을 갖는, 대칭 (예컨대 21 mm 직경 스테인리스 스틸) 이젝터 플레이트 (104) 가 이용되었다. 드라이버 회로 (520) 가 (예컨대 압전기) 엑츄에이터로부터의 역 EMF 또는 피드백 전압 신호를 측정하고 각각의 드라이브 파형 이후 감쇠 신호를 제공하도록 드라이버 회로를 제어하기 위해, 공진 또는 피드백 회로 (560) 에 의해 드라이브 신호들을 생성하는데 이용되었다. 위에서 설명한 바와 같이, 그리고 통합된 참조들에 개시된 바와 같이 상이한 드라이브 파형들 및 감쇠 신호들을 생성하는 다른 기법들이 또한 고려된다.
이젝터 메커니즘은 유체 저장소와 접촉하여 동작되었으며, 액적 생성기의 개구들을 통해 유체를 펌핑하여 유체를 액적 스트림의 유형으로 분사하기 위해 드라이버 신호 (예컨대 정현파 또는 구형파) 가 제공되었다. 연속적인 드라이브 신호가 유체의 비딩을 초래할 수도 있는 경우, 짧은 버스트 또는 제한되는-사이클 시간, 예를 들어 약 150 ms 이하, 약 100 ms 이하, 약 50 ms 이하, 또는 약 25 ms 이하가 사용될 수도 있다. 전기적으로 절연된 패드 또는 역 EMF 센서가, 드라이브 신호에 대한 이젝터 어셈블리의 모션을 모니터링하고, 그리고 링-다운 시간을 감소시키고 순 유체 전달 레이트를 증가시키도록 드라이브 신호의 종료 이후 잔여 발진 상쇄 신호를 제공하기 위해, 엑츄에이터에 부착될 수도 있다.
예 2: 압전 이완 및 유체 이완. 이 예에서, 공진 모드에서 구동되는 엑츄에이터는 드라이브 신호가 중지한 이후 완화 시간에 의해 정의된 주어진 기간 동안, 계속해서 발진할 것이다. 엑츄에이터 및 이젝터 시스템의 모션이 감소되는 바로 그 순간에, 멤브레인 또는 액적 생성기는 유체-로딩된 메커니즘에서의 추가적인 에너지로 인해 계속해서 발진할 것이다. 유체가 완화하도록 허용되기 전에 압전기가 구동되면 유체 비딩이 일어날 것이며, 사이클들 사이의 부동 시간이 불충분하면 비딩 및 유체 발진들이 반복된 사이클들에 걸쳐서 증가할 것이다.
도 36 은 드라이브 신호의 제거에 뒤이은 이들 현상을 예시하는, 유체 이완 파형의 플롯이다. 위에서 설명한 바와 같이, 압전 역 EMF 전압 (수직 스케일) 이 압전 엑츄에이터의 이동에 의해 생성되며, 압전기의 상부 상에서 전기적으로 절연된 금속 패드 또는 역 EMF 센서로부터 취득될 수도 있다. 역 EMF 는 엑츄에이터 어셈블리의 링-다운이 밀리초 정도의 시간 스케일, 예를 들어 상대적인 진폭 임계치에 따라서, 약 1/2 밀리초 이하, 또는 약 0.2-0.3 ms 로 발생한다는 것을 표시한다. 이 이완 기간에 걸쳐서, 발진의 크기는 드라이브 신호가 종료된 후 유의한 기간 동안, 예를 들어 드라이브 신호 파형 자체의 길이의 최고 1-10 배 동안 유체 분사를 초래할 수도 있다.
유체-충진된 메커니즘 (또한, 본원에서 이젝터 메커니즘로서 지칭됨) 의 유체 완화 시간은 엑츄에이터 자체의 링-다운 시간의 2 내지 3 배, 예를 들어 이젝터 설계, 유체 로딩, 홀 사이즈, 및 다른 인자들에 따라서, 밀리초 이상, 또는 약 1-2 ms 또는 약 2-4 ms 의 범위일 수도 있다. 유체는 비딩을 방지하기 위해, 이 전형적으로 더 느린 완화 시간에 걸쳐서 완화하도록 허용되어야 한다.
도 37 은 드라이브 신호가 선형적으로 감소될 때 엑츄에이터 어셈블리가 어떻게 반응하는지를 예시하는, 소프트 램프 다운 이후 유체 이완 파형의 플롯이다. 잔여 발진의 진폭은 엑츄에이터 자체에의 (예를 들어 세라믹 엘리먼트일 수도 있는 압전 엘리먼트에의) 에너지 저장으로 인해 램프-다운 기간 동안, 그리고 드라이브 신호가 제로에 도달한 이후에도 실제로 증가한다. 이 에너지는 상대적으로 느리게, 예를 들어 고조파 발진의 수 백 사이클들에 걸쳐서 소실된다.
도 38a 는 5-사이클 여기 이후 이완 파형의 플롯이며, 여기서 드라이브 신호는 갑자기 중지되었다. 도 38b 는 링-다운 신호에서 고조파 생성 ("비딩") 을 나타내는, 도 38a 에서의 이완 파형의 확대도이다. 도 38a 및 도 38b 에 나타낸 바와 같이, 엑츄에이터 어셈블리는 드라이브 신호가 종료된 후에 계속해서 이동할 뿐만 아니라, 또한 상대적으로 큰 고조파들 및 크로스 변조 곱들을 생성할 수 있으며, 결국 모션을 비딩에 양호한 형태들을 갖는 공진 모드들 ("고유모드들") 로 생성할 수도 있다.
예 3: 상쇄 파형들. 이 예에서, 이러한 잔여 모션 및 링-다운 시간을 감소시키기 위해 상쇄 파형들이 사용되었다.
도 39a 는 능동 감쇠 파형을 갖는, 10-사이클 여기 이후 유체 이완 파형의 플롯이다. 도 39b 는 감소된 완화 시간 및 고조파 생성을 예시하는, 도 39a 에서의 이완 파형의 확대도이다. 도 39a 및 도 39b 에 나타낸 바와 같이, 감쇠 신호는 (압전기) 엑츄에이터에 저장된 에너지를 흡수하기 위해 드라이브 신호 이후에 생성된다. 감쇠 신호가 인가된 이후 이젝터 메커니즘이 여전히 계속해서 이동하더라도, 완화 시간이 실질적으로 더 낮으며, 고조파들 및 크로스 변조 곱들 ("비트들") 이 억제된다. 이것은 감소된 비딩과 함께 더 높은 질량 퇴적 레이트들을 가능하게 한다.
도 40 은 능동 감쇠 신호을 갖는, 10-사이클 구형파 여기 이후 이완 파형의 플롯이다. 나타낸 바와 같이, 드라이브 신호들 및 감쇠 신호들 양자는 실질적으로 구형파들로서 제공될 수도 있다.
도 41 은 도 40 에서 사용된 동일한 구형파 여기에 대해, 그러나 감쇠 신호 없는, 이완 파형을 예시하는 플롯이다.
도 42 는 능동 감쇠 신호 및 이완 부동 시간을 갖는, 10 사이클 구형파 드라이브 신호의 2 개의 기간들 이후 압전 및 유체 이완을 예시하는 플롯이다. 도 42 는 10-사이클 구형파 드라이브 신호, 압전 엑츄에이터을 제동하는 능동 감쇠 신호, 및 반복들 사이의 유체 이완 (부동) 시간을 포함하는 완전 조합된 파형의 2 개의 완전한 사이클들을 나타낸다.
예 4: 유체의 비딩. 이 예는 상기 예 1 에 따른 이젝터 메커니즘을 이용하였으며, 여기서는, 드라이브 전압이 간단한 정현파 또는 구형파일 때 비딩이 관찰되었다. 이 구체적인 예에서, 드라이브 신호 파형은 50 ms 길이였다.
완화 시간 및 능동 감쇠 신호의 이점을 예시하기 위해, 이젝터의 화상들이 2 개의 상이한 점도 액체들: 증류수 및 라타노프로스트 (latanaprost), 눈 내부 압력을 감소시키기 위해 사용되는 국소 투약을 이용하여 여러 스테이지들에서 취해졌다.
증류수 및 라타노프로스트 이미지들이 높은-속도 (초 당 75,000 프레임) 로 캡쳐되었다. 양자의 유체들에 대해, 초기 스프레이는 생성기 플레이트의 공진 모드를 나타냈었으며, 그러나 모든 홀이 액적들을 분사하지는 않았다. 스프레이 신호에 걸쳐 30% 에서, 이완 또는 "링-다운" 을 허용함이 없는 연속적인 스프레이가 큰 비드들의 형성을 초래하였다. 스프레이 신호에 걸쳐 60% 에서, 위성 액적들이 난잡한 스프레이 충돌들로부터 생성되었으며, 이것은 어떤 완화 시간도 없었을 때 증가하였으며, 스프레이가 계속됨에 따라 비딩 및 충돌들의 레벨이 증가하였다. 사이클이 완료된 후, 큰 위성 액적들 및 비딩이 관찰되었다.
예 5: 비딩 및 위성 액적 형성의 억제. 이 예는 또한 상기 예 1 에 따른 이젝터 메커니즘을 이용하였지만, 제한된-사이클 (반복된 펄스), 완화 시간, 및 위에서 설명한 능동 감쇠 기법들 중 하나 이상을 이용하여 비딩이 억제되었다.
또한, 물이 라타노프로스트와 비교되었지만 능동 감쇠 및 이완을 이용하였다. 또, 초기 스프레이 이미지들은 생성기 플레이트의 공진 모드를 보였지만, 모든 홀이 유체를 분사하지는 않았다. 이것은 모드가 중요하며 선택된 홀 패턴과 이젝터 플레이트 기하학적 구조와 조합하여 조심해서 결정되어야 함을 나타낸다. 중간 -사이클에서, 액적들은 대부분의 분사 사이트들 (개구들) 로부터 선형 스트림으로 배출되었다. 더 적은 난잡한 스트림들이 있었으며, 이에 따라서, 빈약한 분사를 나타내는 스프레이 모드들에 비해, 위성 액적 형성이 감소되었다. 이 예에서 양자의 유체들에 대해 비딩이 억제되었으며, 더 큰 비드들이 실질적으로 부재하거나, 또는 관찰되지 않았다. 사이클이 완료된 후, 큰 위성 액적들이 현저하게 감소되었으며, 실질적으로 어떤 비딩도 개구들에서 관찰되지 않았다. 일부 위성 액적들이 관찰될 수 있으나, 그들은 실질적으로 액적 형성 사이트들에는 부재하였다.
여러 추가적인 예들에서, 하나 이상의 사이클들 동안 제 1 교류 전압을 유체의 액적들을 생성하기 위해 이젝터 메커니즘을 발진하도록 동작가능한 압전 엑츄에이터에 인가하고, 제 1 교류 전압을 중지하고 그리고 상쇄 파형 또는 능동 감쇠 신호을 인가하고, 제 1 완화 기간 동안 대기하고, 하나 이상의 사이클들 동안 제 2 교류 전압을 상기 압전 엑츄에이터에 인가하고, 제 2 교류 전압을 중지하고 그리고 상쇄 파형을 인가하고, 그리고 제 2 완화 기간 동안 대기하는 방법이 제공되었다. 이젝터 메커니즘은 드라이브 전압의 인가시에 플레이트를 발진하는 압전 엑츄에이터와 함께, 유체와 접촉하는 근위의 표면 및 하나 이상의 개구들을 갖는 이젝터 플레이트를 포함할 수도 있다. 단계들은 유체의 선택된 용량을 예를 들어 액적들의 스트림의 유형으로 생성하거나 또는 전달하기 위해 하나 이상의 횟수로 반복될 수도 있다. 용량은 약 5 μl 과 약 30 μl 사이에서 선택될 수도 있다. 이젝터 메커니즘은 또한 액적들의 스트림을 약 15 마이크론보다 큰 평균 분사된 액적 직경으로 분사하도록 구성될 수도 있다.
이젝터는 드라이브 전압에 대한 패시베이션 및 전하 분리를 위해 구성될 수도 있다. 상쇄 파형은 드라이브 전압에 대해 위상 시프트될 수도 있으며 드라이브 전압과 실질적으로 동일하거나 상이한 진폭을 갖는다. 위상 시프트는, 상쇄 파형이 교번 드라이브 전압들의 하나 또는 양자에 대해 반대인 극성을 갖도록, 180 도일 수도 있다. 이의 대안으로, 상쇄 파형은 교번 드라이브 전압들의 하나 또는 양자와 실질적으로 동위상일 수도 있거나, 또는 교류 전압들의 하나 또는 양자에 대한 상이한 위상 시프트를 위해 선택된 시간 지연을 가질 수도 있다.
상쇄 파형은 또한 교류 전압들의 하나 또는 양자에 대해 동일하지 않은 진폭, 예를 들어 교번 드라이브 전압들의 하나 또는 양자보다 더 작은 진폭을 가질 수도 있다. 상쇄 파형은 또한 그 파형이 압전 엑츄에이터에 저장된 에너지와 실질적으로 동일한 에너지를 갖도록 선택된 진폭을 가질 수도 있다.
제 1 및 제 2 교류 전압들 중 임의의 하나 이상 및 상쇄 파형은 펄스 폭 변조될 수도 있거나, 또는 실질적으로 구형파 또는 실질적으로 정현파를 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어진다. 예를 들어 교류 전압들의 양자는 실질적으로 정현파, 또는 실질적으로 구형파, 또는 정현파와 구형파의 조합일 수도 있다.
완화 기간들 중 하나 또는 양자는 예를 들어 역 EMF 전압을 검출함으로써 엑츄에이터의 공진 모니터링에 기초할 수도 있다. 하나의 또는 양자의 완화 기간들은 교류 전압들의 하나 또는 양자의 사이클 수에 비례할 수도 있으며, 사이클 수는 1 과 약 30 사이일 수도 있다. 하나의 또는 양자의 완화 기간들은 또한 역 EMF 전압이 어떤 임계값을, 예를 들어 초기 값의 비율로서 가질 때 결정될 수도 있거나, 또는 하나의 또는 양자의 완화 기간들은 교류 전압들 중 하나 이상의 사이클 수에 비례할 수도 있다.
예 6:
일 실시형태에서, 이젝터 디바이스는 유체 저장소 (또한, 본원에서 카트리지로서 지칭됨) 를 갖는 이젝터 어셈블리 및 기초 시스템을 포함하는 2 개의 부분 디바이스로서 구현된다. 기초 시스템은 카트리지를 보충적인 방식으로 수신하고 결합하도록 구성된다. 사용자가 카트리지를 기초 시스템에 삽입할 때, 전기 콘택이 이루어지며 카트리지가 활성된다. 일 실시형태에서, 카트리지 EEPROM 은 카트리지를 사용불능하자 마다 카운트다운을 시작하기 위해 판독된다.
카트리지의 이젝터 메커니즘을 덮는 전면 회전 밀봉재가 제공될 수도 있으며, 개방하거나 또는 이젝터 메커니즘의 이젝터 홀들에의 시선 액세스를 제공하기 위해, 회전되도록 구성된다. 튜닝은 또한 슬립 모드로부터 벗어나기 위해 마이크로제어기 유닛에 릴레이된 카트리지에서의 자기 스위치를 트리거한다. 타겟팅 시스템 (청색 LED) 이 또한 턴 온되고 부스트 변환기가 시작된다.
자동-튜닝 또는 품질 스윕 (Q-스윕) 가 스프레이 주파수를 설정하기 위해 개시된다. 이 실시형태에서, Q-스윕은 미리 결정된 주파수 범위 내에서 주파수들의 범위의 각각의 3개의 사이클들의 생성을 수반하며, TEP 피드백이 최적의 스프레이 주파수 영역들을 발견하기 위해 획득된다. 이것은 아래에서 더욱더 자세하게 설명된다. 스윕의 개시는 전면 회전 밀봉재를 돌림으로써 또는 스프레이 버튼을 활성화함으로써 트리거될 수도 있으며, 일 실시형태에서, 활성화 메커니즘은 소프트웨어 선택될 수 있다. Q-스윕이 완료된 후, 전하 펌프로서 작용하도록 구성된 부스트 변환기는 부스트 레일을 원하는 전압으로 충전함으로써 환형 (피에조 이젝터) 전압을 그 곱에 대한 규정된 전압으로 상승시킨다. 범위는 예를 들어 0 내지 120V 일 수 있다.
제 2 스위치는 사용자가 스프레이 버튼을 누를 때에 트리거된다. 이 경우에, 게이트된 보충 파형 생성기 (CWG) 는 레벨 시프터 회로를 구동시키고, 결국 풀 브릿지를 구동시키여 압전 엑츄에이터를 구동시키고 약품을 전달한다. 이젝터 메커니즘은 (부스트 듀티 사이클이 부스트 출력 전압, 따라서 공진 탱크에서의 증폭을 밸런싱하도록 일정하게 조정되는) 일정 전압 드라이브, 또는 부스트를 충전한 후 드라이브를 턴 온시켜 높은 속도 스프레이를 위한 대량 오버슈트를 일으킴으로써 달성되는 오버슈트 드라이브를 통해, 분사한다. 일정 전압이 연속적인 또는 액적 온 디맨드식 모드들 (x 사이클들에 대해 ON - y 사이클들에 대해 OFF - 반복) 에서 사용될 수 있지만, 오버슈트가 액적 온 디맨드식와 함께 단지 사용될 수 있다.
또, 드라이브 신호 주파수는 일정한 주파수이거나 또는 디더링 (dither) 될 수 있다. 디더링된다는 것은 주파수가 (처프 처럼) 설정 대역폭 (3k, 5k, 10k, 20k) 에 걸쳐서 스윕된다는 것을 의미한다. 디더링하는 것은 압전 이동에서 갑작스러운 속도 변화들을 일으켜, 더 나은 분사를 초래한다. 디더링하는 것은 예를 들어 일정한 멀티-톤 신호를 생성하기 위해 (공진 탱크의 감쇠 시간 이내에서) 빨리 수행될 수 있다.
IR 기반의 용량 검출 회로가 스프레이 동안 전달되는 액체의 용량을 측정하여 기 위해 포함될 수도 있으며, 올바른 투약 용량을 전달하기 위해 스프레이 시간을 연장하거나 단축한다. 미리 정의된 기간 이후 (이 실시형태에서는, 10 초 이후), 모든 LED들은 정지되며 디바이스는 사용자가 전면 회전 밀봉재를 닫고 다시 개방할 때까지 슬립 모드로 되돌아간다.
자동-튜닝이 본 발명의 일 양태를 포함하므로, 특정의 구현예가 아래에서 더 자세히 설명될 것이다.
자동-튜닝 시스템의 목적은 압전 이젝터 시스템으로 하여금 스스로 사소한 재료 차이들 및 변하는 환경의 변수들을 동적으로 조정가능하게 하는 것이며, 신뢰성있는 및 제조가능한 제품에 중요하다.
수치 제어 발진기 (NCO) 및 CWG 에 의해 생성되는 주파수는 설정된 양들로, 1 kHz 내지 200 kHz 만큼 높은 정의된 범위에 걸쳐, 그러나 종종 80-150 kHz 에서 1 kHz 또는 0.5 kHz 증분들로 증분된다. 배터리 전압은 배터리의 점진적인 소모를 고려하기 위해 보상되며, 이후 부스트 레일이 아날로그-대-디지털 (ADC) 샘플링 피드백을 이용하여 일정 전압으로 충전된다. 탱크 (용량성 압전 엑츄에이터 (피에조) 및 하나 이상의 인덕터들에 의해 정의된 공진 구조) 가 그 후 짧은 기간, 바람직하게는 최소 가능한 샘플 사이즈, 예컨대 1.5-2.5 기간들 동안 단일 주파수에서 구동된다. 드라이브 신호는, 적분하는 피크 검출기에서의 커패시터를 동일한 진폭 계수 (전압) 로 매번 충전하기 위해, 이 주파수에서 연달아 3-5 번 반복된다. 진폭 계수가 기록되며 프로시저가 다음 주파수에서 반복된다. 이 저전압 신호의 반복은 측정의 신호 대 잡음 비를 현저하게 개선시키고, 시스템이 분사하면서 스프레이할 최적의 공진 주파수들을 결정하는 것을 방지한다.
자동-튜닝은 이젝터들을 저전압으로 구동시키고 피에조/인덕터 탱크 응답 (Q-인자) 을 측정함으로써 달성된다. 넓은 주파수 범위에 걸쳐서 행해질 때, 이것은 이젝터 시스템을 특징화하고 피크 주파수를 찾는다.
Q 스윕이 적절히 동작하도록 하기 위해, 드라이브 전압은 에너지를 압전으로 적절히 드라이브할 정도로 충분히 높을 필요가 있지만, 임의의 원치않는 분사를 초래하지 않을 정도로 충분히 낮아야 한다. 따라서, 드라이브 전압은 마이크로제어기에 의해 면밀히 모니터링되어야 한다.
드라이브 전압을 모니터링하는데 이용되는 아날로그 대 디지털 변환기 (ADC) 는, 배터리들이 출력 하강하고 전압이 하강함에 따라 정확한 측정을 유지하기 위해 수학적으로 보상된다.
이 실시형태에서, 스윕은 적합한 전압 임계치가 만족되었다는 것을 보장하기 위해 출력 범위를 먼저 체크하는 알고리즘에 의해 제어되는 소프트웨어이다. 스윕은 유체의 분사를 위한 충분히 높은 전압 없는, 일정한 출력일 것이며, 따라서 출력 범위가 너무 낮으면 전압이 약간 증가되고 스윕이 반복된다.
스윕은 다수의 측정들에 걸쳐서 일관된 피크 주파수를 찾는 버스트들로 반복된다. 피크가 일관되지 않으면, 전압이 약간 증가되고 버스트가 반복된다. 2 개의 피크들이 동일하게 유지하면, 마이크로제어기는 분사를 위한 이전에 프로그래밍된 최적의 주파수 범위에서 피크를 선택할 것이다.
드라이브 신호를 생성하는 컴포넌트들이 도 43 의 블록도에 도시되며, 도 43 은 적분된 드라이브 게이팅을 갖는 풀 브릿지 드라이버를 나타낸다. 수치 제어 발진기 (NCO)(4300) 는 높은 주파수 해상도를 갖는 드라이브 신호를 생성한다. 제 2 수치 제어 발진기 (4302) 는 프로세서 리소스들에 대한 막대한 소프트웨어 부하없이, 주기적으로 보충 파형 생성기 (CWG)(4306) 를 디스에이블하기 위해, 제 1 NCO 를 갖는 로직 (4304) 에 의해 게이트된다. 이것은 위에서 설명한 바와 같이, 연장된 FET 수명 및 임의의 주파수에서의 이젝터 시스템의 이완 양자가 스프레이 "비딩" 이슈들을 방지할 수 있게 한다. 또한 이것을 달성하는데 타이머들이 이용될 수 있다. 로직 결합된 신호는 조정가능한 부동 대역들을 갖는 2 개의 역위상 구형파들을 레벨 시프터 회로 (4308) 로 출력하는 보충 파형 생성기 (4306) 로 입력되며, 레벨 시프터 회로는 스위칭 손실들 및 ON 저항을 최소화하기 위해, 2.0V-3.5V 를 PMOS (미도시) 에 대해 +35 로, 그리고, 풀 브릿지 (4310) 의 NMOS (미도시) 에 대해 +10 으로 변환한다. CWG (4306) 는 유체 이완을 가능하게 하기 위해, 피에조를 구동시키는 "온 (on)" 사이클들의 수를 "오프 (off)" 사이클들의 수와 효과적으로 교번한다.
NMOS 및 PMOS 를 구동시키는 레벨 시프터 회로 (4308) 의 일 실시형태의 회로도가 도 44 에 도시된다
이것은 엑츄에이터를 45V 부스트 변환기 출력 (V_Boost) 을 이용하여 차동적으로 구동시키며, FETs (T1 및 T10) 의 게이트들을 제어하는 CWG (CWG_P 및 CWG_N) 로부터의 역위상 구형파들로 구동된다. PMOS 출력들 (FB_P1 및 FB_P2) 은 +45V 내지 +35V 인 반면, NMOS 출력들 (FB_N1 및 FB_N2) 은 0V 내지 +10V 이다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태는 또한 적외선 (IR) 스프레이 용량 검출을 위해 제공한다. IR LED 는 최고 1.8V 순방향 드롭 및 65 mA 의 전류로 구동된다. 포토트랜지스터는 광도를 측정하고 아날로그 출력 전압을 0V 와 배터리 전압 사이에서 제공하며, 이것은 ADC 에 의해 판독된다. 스프레이는 스프레이 용량 응답에 대해 실질적으로 선형 전압을 갖는 것으로 보였다.
이러한 IR 스프레이 용량 검출 회로의 하나의 실시형태가 도 45 에 도시된다
본 실시형태에서, 대략 1.5 V 를 각각 제공하는3개의 배터리들이 휴대형 전력 소스로서 사용된다. 또 다른 실시형태에서, 단지 2 개의 배터리들이 사용되었으며, 높은 발광효율 타겟팅 시스템 LED 를 충분히 구동시키도록 배터리 전압을 상승시키기 위해 2X 전하 펌프의 사용을 필요로 하였다. 이러한 전하 펌프의 하나의 실시형태는 마이크로제어기 주변장치로부터의 펄스 폭 변조 신호를 사용하였다. 타겟팅 LED 를 위한 전하 펌프 회로의 일 실시형태의 개략적인 회로도가 도 46 에 도시된다
본 실시형태의 추가 양태로서, 디바이스는 약품 카트리지 인에이블/디스에이블/타이머를 제공한다. 이것은 본 실시형태에서, 예컨대 일련 번호에 의해 고유 식별을 가능하게 하기 위해 카트리지 상에 제공되는 2 개의 와이어 직렬 인터페이스 EEPROM 으로서 구현된다. 일련 번호는 카트리지를 영구적으로 디스에이블하기 위해 사전-정의된 사용 기간 이후 삭제될 수 있다. 일련 번호는 상이한 방법들로 구성될 수 있으며, 예컨대 처음 몇개의 비트들은 제조업자의 식별자일 수 있으며, 한편 나머지 비트들은 디바이스가 저장소에서의 약품을 식별하기 위해 고유한 일련 번호를 제공할 수 있다. 이 실시형태에서, 마이크로제어기는 최고 30 개의 디바이스들을 최고 60 일 동안 트랙킹할 수 있다.
ASIC 로 구현될 수 있는 전자기기들은 온도 센서로부터 입력을 수신하도록 구성될 수 있거나 또는 ASIC 는 약품 온도가 사전-정의된 온도를 초과하면 카트리지들을 사용불능시키기 위한 내부 온도 센서를 가질 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 적합한 전압을 엑츄에이터에 제공하기 위해, 부스트 레일이 전하 펌프로서 작용하도록 구성된 부스트 변환기를 이용함으로써 원하는 전압으로 충전된다. 도 47 은 2 개의 부스트 변환기들 - 피에조 드라이브에 전력을 공급하는 하나, 및 규정된 낮은 전류 환형 전하 (전압) 을 제공하는 다른 하나의 회로도이다. 모니터링은 마이크로제어기와 함께 ADC 에 의해 수행된다. 도 48 은 마이크로제어기의 일 실시형태의 회로도이다. ADC, NCO, CWG, PWM 은 모두 그 부품 내부에 있다. 이 실시형태에서의 ADC 는 통합된 디바이스이며 칩 내에서 여러 핀들 사이에 스위칭될 수 있다. 먼저, Q-스윕 (자동-튜닝) 동안 부스트의 전압을 모니터링하여 유지하는데 이용되는 핀 (RC2) 상에서 시작한다. 위에서 설명한 바와 같이, 전압은 거의 일정해야 하거나 또는 주파수 스윕의 결과는 잘못된 결과를 제공할 것이다. ADC 는 그 후 RA4 로 스위칭되며, 이것은 엑츄에이터 (환형) 전압이 충전되고 캘리브레이트 (calibrate) 될 수 있게 한다. 마지막으로, ADC 는 RA0 로 스위칭되며, 여기서 적분하는 피크 검출기는 피크 전압을 ADC 의 전압 범위까지 스케일링한다. 일정한 탱크 전압을 유지하거나 또는 Q-스윕으로부터 진폭 계수들을 잡아채기 위해 피크 검출기로부터의 측정이 이용될 수 있다.
도 49 는 (피에조를 포함한) 공진 탱크로 로딩된 풀 브릿지를 구동시키는 레벨 시프터들의 세트의 일 실시형태의 회로도를 나타낸다. 이것은 또한 피크 검출기 피드백을 갖는다.
도 50 은 풀 브릿지가 구동시키는 것을 중지할 때 플로팅시키기 보다는 탱크를 배출하는, 2 개의 NMOS FETS 및 레벨 시프터로 이루어진 TEP 풀다운/액적 온 디맨드식 풀다운 회로의 일 실시형태를 나타낸다.
본 발명이 특정의 실시형태들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈함이 없이, 여러 변화들이 이루어질 수도 있으며 균등물들이 그의 엘리먼트들을 치환할 수도 있음을 당업자들은 알 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 교시들을 특정의 상황들 및 재료들에 적응시키기 위해, 그의 본질적인 범위로부터 일탈함이 없이, 변경들이 이루어질 수도 있다. 따라서, 본 발명은 본원에서 개시된 구체적인 예들에 한정되지 않으며, 첨부된 청구항들의 범위에 들어가는 모든 실시형태들을 포괄한다.

Claims (65)

  1. 관통하는 복수의 개구들, 및 유체의 저장소와 유체 연통을 위한 하나 이상의 채널들을 갖고, 상기 개구들이 유체로 충진될 때 유체-충진된 액적 생성기 플레이트를 정의하는, 액적 생성기 플레이트;
    상기 액적 생성기 플레이트에 커플링된 엑츄에이터;
    상기 엑츄에이터와 신호 통신하며, 적어도 2 개의 별개의 드라이브 신호들을 포함하는 드라이브 파형에 기초하여 상기 엑츄에이터를 발진으로 구동시키도록 구성되는, 드라이버 회로; 및
    상기 엑츄에이터 및 상기 드라이버 회로와 신호 통신하며, 드라이브 신호들 사이의 상기 엑츄에이터의의 발진을 미리 결정된 양 만큼 감소시키기 위해, 드라이브 신호들 사이의 상기 드라이브 파형에의 포함을 위한 완화 시간 (relaxation time) 을 결정하도록 구성되는, 피드백 회로를 포함하는, 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑츄에이터에 커플링된 역 EMF (back electromotive force) 센서를 더 포함하며,
    상기 역 EMF 센서는 상기 엑츄에이터에 의해 발생된 역 EMF 에 기초하여 상기 피드백 회로에 의한 사용을 위한 피드백 신호를 생성하도록 구성되는, 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 엑츄에이터는 압전 컴포넌트를 포함하며,
    상기 역 EMF 는 그 발진에 의해 생성되는, 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 역 EMF 센서는 상기 압전 컴포넌트에 기계적으로 커플링되며 전기적으로 절연된 도전 재료를 포함하는, 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 드라이브 신호들의 지속기간은, 각각의 드라이브 신호 중에 상기 복수의 개구들 중 적어도 일부로부터 적어도 하나의 액적을 생성하도록 선택되는, 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 드라이버 회로는, 드라이브 신호 다음에 능동 감쇠 신호 (active damping signal) 를 생성하도록 구성되며,
    상기 능동 감쇠 신호는 상기 피드백 신호에 기초하여 상기 완화 시간을 감소시키도록 구성되는, 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 능동 감쇠 신호는, 상기 피드백 신호에 시간 매칭하고 상기 엑츄에이터의 발진에 대항하도록 구성된 위상 및 극성을 갖는, 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 능동 감쇠 신호는, 상기 피드백 신호에 에너지 매칭하고 상기 엑츄에이터의 발진에서 저장된 에너지를 제거하도록 구성된 크기 및 지속기간을 갖는, 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 능동 감쇠 신호는, 단일 펄스로서 구성되는, 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 드라이버 회로는, 하나 이상의 발진기 출력들에 기초하여 상기 드라이버 파형을 생성하는 풀 (full) 브릿지 회로를 포함하는, 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 풀 브릿지 회로와 상기 엑츄에이터 사이에, 상기 드라이버 회로에 커플링된 인덕턴스 회로를 더 포함하며,
    상기 인덕턴스 회로는 상기 드라이브 파형을 증폭하도록 구성되는, 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 피드백 회로는, 상기 엑츄에이터 및 유체-충진된 액적 생성기 플레이트를 공진으로 구동시키는 드라이브 신호를 식별하도록 구성된 공진 검출기를 포함하는, 디바이스.
  13. 액적들을 생성하는 방법으로서,
    정의된 지속기간의 별개의 드라이브 신호들에 의해 유체의 저장소와 유체 연통하는 액적 생성기 메커니즘을 발진으로 엑츄에이트하는 단계로서, 상기 액적 생성기 메커니즘은 엑츄에이트될 때 상기 유체의 드롭들을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 개구를 포함하는 액적 생성기 플레이트를 포함하는, 상기 엑츄에이트하는 단계;
    상기 유체로 로딩된 상기 액적 생성기 메커니즘의 상기 발진을 측정하는 단계;
    발진에서의 정의된 감소에 기초하여 드라이브 신호 이후, 상기 유체로 로딩된 상기 액적 생성기 메커니즘의 완화 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 완화 시간에 기초하여 지연 후 다음 드라이브 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 액적들을 생성하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 액적 생성기 어셈블리는 상기 액적 생성기 플레이트에 기계적으로 커플링된 압전 엑츄에이터를 포함하며,
    상기 발진을 측정하는 단계는 상기 압전 엑츄에이터에 의해 발생된 역 EMF 를 감지하는 단계를 포함하는, 액적들을 생성하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    드라이브 신호 이후, 상기 발진의 진폭을 감소시키도록 구성되는 능동 감쇠 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는, 액적들을 생성하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 능동 감쇠 신호는, 시간 매칭하고 상기 발진에 대항하도록 구성된 위상 및 극성을 갖는 신호를 포함하는, 액적들을 생성하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 능동 감쇠 신호는, 상기 발진에 에너지 매칭하도록 구성된 위상, 지속기간, 및 크기를 갖는, 액적들을 생성하는 방법.
  18. 압전 메커니즘을 발진하는 드라이브 파형으로서,
    제 1 드라이브 신호 및 제 2 드라이브 신호을 포함하며,
    상기 제 2 드라이브 신호는, 상기 압전 메커니즘의 발진이, 정의된 진폭까지 감소될 수 있게 하기 위해 상기 제 1 드라이브 신호로부터 이완 기간 만큼 분리되는, 압전 메커니즘을 발진하는 드라이브 파형.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 드라이브 파형은 상기 제 1 드라이브 신호 이후 능동 감쇠 신호를 더 포함하며,
    상기 능동 감쇠 신호는 상기 압전 메커니즘의 발진의 상기 지속기간을 감소시키도록 구성되는, 압전 메커니즘을 발진하는 드라이브 파형.
  20. 관통하는 복수의 개구들을 갖는 액적 생성기 플레이트에 커플링된 압전 엑츄에이터를 포함하는 액적 이젝터 어셈블리로서, 상기 액적 생성기 플레이트는 상기 개구들이 유체로 충진될 때 유체-충진된 액적 생성기 플레이트를 정의하는, 상기 액적 이젝터 어셈블리;
    상기 압전 엑츄에이터에 전기적으로 커플링되고, 상기 압전 엑츄에이터를 구동시키는 드라이브 신호를 생성하도록 구성되는, 드라이브 신호 생성기; 및
    상기 엑츄에이터 및 상기 드라이브 신호 생성기에 전기적으로 커플링되고, 상기 액적 생성기 어셈블리의 공진 주파수에서 상기 압전 엑츄에이터를 구동시키기 위해 상기 드라이브 신호를 제어하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 압전 엑츄에이터로부터의 감쇠 신호에 기초하여 상기 공진 주파수를 결정하도록 구성되는, 시스템.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 감쇠 신호의 시간-에너지 곱 (time-energy product; TEP) 을 결정하기 위해 커패시터 및 ADC 를 포함하는, 시스템.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 제어기는, 주파수들의 범위에 걸쳐서 주파수 신호들의 세트를 생성하도록 상기 드라이브 신호 생성기를 제어하고 상기 감쇠 신호에 대한 효과를 모니터링함으로써 상기 압전 이젝터의 상기 공진 주파수를 결정하도록 구성된 공진 측정 및 제어 회로를 포함하는, 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 각각의 주파수 신호는 다수회 반복되며,
    최종 TEP 신호는 일관성을 보장하기 위해 매번 모니터링되는, 시스템.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 드라이브 신호는 적어도 2 개의 상이한 주파수 신호들을 포함하며,
    상기 공진 주파수는 상기 적어도 2 개의 상이한 주파수 신호들 간의 간섭에 의해 정의되는, 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 상이한 주파수 신호들의 각각은 상기 액적 이젝터 어셈블리에 대해 비-공진하는, 시스템.
  27. 액적 이젝터 어셈블리를 동작시키는 방법으로서,
    드라이브 신호를 유체-로딩된 액적 생성기 플레이트에 커플링된 압전 엑츄에이터를 포함하는 액적 이젝터 어셈블리에 인가하는 단계;
    상기 압전 엑츄에이터로부터의 피드백 신호의 축적된 크기 또는 피크 값에 기초하여 상기 이젝터 어셈블리의 공진 주파수를 결정하는 단계; 및
    상기 이젝터 어셈블리의 공진 주파수에서 상기 압전 엑츄에이터를 구동시키도록 상기 드라이브 신호를 제어하는 단계를 포함하는, 액적 이젝터 어셈블리를 동작시키는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 공진 주파수의 결정은, 테스트 신호 이후에 또는 드라이브 신호 이후에 행해지는, 액적 이젝터 어셈블리를 동작시키는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 드라이브 신호는, 상기 액적 생성기 플레이트에 로딩된 상기 유체의 특성들, 상기 액적 생성기 플레이트의 유체 로딩의 양, 온도, 습도, 및 압력 중 하나 이상에서의 변화들로 인한 상기 이젝터 어셈블리의 상기 공진 주파수에서의 변화들을 고려하도록 조정되는, 액적 이젝터 어셈블리를 동작시키는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 공진 주파수에서의 변화는, 온도, 습도, 압력, 및 드라이브 전압 유도된 공진 시프트 중 하나 이상에 적어도 부분적으로 기초하는, 액적 이젝터 어셈블리를 동작시키는 방법.
  31. 제 27 항에 있어서,
    상기 피드백 신호는, 상기 엑츄에이터에 대한 드라이브 또는 테스트 신호 이후의 감쇠 신호에 의해 정의되는, 액적 이젝터 어셈블리를 동작시키는 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 공진 주파수를 결정하는 단계는, 상기 감쇠 신호를 적분하여 에너지 크기를 결정하는 단계를 포함하는, 액적 이젝터 어셈블리를 동작시키는 방법.
  33. 제 27 항에 있어서,
    상기 공진 주파수를 결정하는 단계는, 상이한 테스트 주파수 신호들 이후에 행해지며,
    상기 방법은 주파수들의 범위에 걸쳐서 상기 상이한 주파수 테스트 신호들을 상기 엑츄에이터에 인가하는 단계를 더 포함하는, 액적 이젝터 어셈블리를 동작시키는 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 공진 주파수를 결정하는 단계는, 상기 엑츄에이터로부터의 시간-에너지 곱 (TEP) 신호에 기초하며, 상기 TEP 신호에 대해 적분함으로써 획득되는, 액적 이젝터 어셈블리를 동작시키는 방법.
  35. 제 27 항에 있어서,
    상기 드라이브 신호를 상기 엑츄에이터에 인가하는 단계는, 상기 유체-로딩된 액적 생성기 플레이트에 대해 별개로 비-공진하지만, 상기 유체-로딩된 액적 생성기 플레이트에 대해 함께 공진하는 적어도 제 1 및 제 2 상이한 드라이브 주파수 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 액적 이젝터 어셈블리를 동작시키는 방법.
  36. 액적 분사 디바이스로서,
    유체의 앰플 또는 저장소;
    액적 생성기 플레이트 및 상기 액적 생성기 플레이트에 커플링된 압전 엑츄에이터를 포함하는 이젝터 어셈블리로서, 상기 액적 생성기 플레이트는 상기 액적 생성기 플레이트가 상기 유체로 로딩되도록 상기 저장소와 유체 연통하는, 상기 이젝터 어셈블리; 및
    상기 압전 엑츄에이터에 커플링된 드라이버로서, 상기 드라이버는 상이한 제 1 및 제 2 드라이브 주파수들에서 적어도 제 1 및 제 2 드라이브 신호들을 생성하도록 구성되며, 상기 드라이브 신호들은 하나 이상의 공진 주파수들에서 상기 이젝터 어셈블리를 발진시키도록 상기 압전 엑츄에이터에 커플링되는, 상기 드라이버를 포함하는, 액적 분사 디바이스.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 공진 주파수들 중 하나 이상에서의 시프트를 결정하고, 상기 시프트에 기초하여 상기 제 1 및 제 2 드라이브 주파수들 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 이젝터 어셈블리가 공진 주파수에서 발진되게 하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 액적 분사 디바이스.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 드라이브 신호들의 부재 시에 상기 엑츄에이터로부터의 감쇠 신호에 기초하여 상기 공진 주파수에서의 시프트를 결정하도록 구성되는, 액적 분사 디바이스.
  39. 제 36 항에 있어서,
    상기 드라이브 신호들은, 상기 엑츄에이터가 상기 공진 주파수에서 상기 제 1 드라이브 주파수와 제 2 드라이브 주파수 간의 간섭에 기초하여 상기 이젝터 어셈블리를 발진시키도록 상기 유체로 로딩된 상기 액적 생성기 플레이트에 대해 비-공진하는, 액적 분사 디바이스.
  40. 압전 엑츄에이터를 포함하는 전기기계 시스템이 공진 모드에서 동작하고 있을 때를 검출하는 방법으로서,
    a. 드라이브 신호를 유한한 기간 동안 상기 압전 엑츄에이터에 인가하는 단계;
    b. 상기 압전 엑츄에이터로부터 상기 드라이브 신호를 제거하는 단계;
    c. 상기 압전 엑츄에이터에 커플링된 측정 회로를 활성화시키는 단계;
    d. 상기 측정 회로에서 상기 압전 엑츄에이터로부터 검출된 신호를 수신하는 단계; 및
    e. 상기 검출된 신호의 특성에 기초하여 상기 전기기계 시스템이 공진 모드에 있는지 여부를 결정하는 단계를 포함하는, 전기기계 시스템이 공진 모드에서 동작하고 있을 때를 검출하는 방법.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 공진 모드는, 상기 드라이브 신호의 제거 이후 상기 엑츄에이터로부터의 감쇠 신호의 지속기간에 기초하여, 또는 상기 감쇠 신호의 피크 값 또는 총 에너지에 기초하여 결정되는, 전기기계 시스템이 공진 모드에서 동작하고 있을 때를 검출하는 방법.
  42. 제 40 항에 있어서,
    상기 전기기계 시스템이 공진 모드에서 동작하고 있지 않는 경우에 상기 드라이브 신호의 주파수를 변경하고, 상기 단계 a 내지 상기 단계 e 를 반복하는 단계를 더 포함하는, 전기기계 시스템이 공진 모드에서 동작하고 있을 때를 검출하는 방법.
  43. 제 41 항에 있어서,
    상기 감쇠 신호에 대해 적분하는 단계를 더 포함하는, 전기기계 시스템이 공진 모드에서 동작하고 있을 때를 검출하는 방법.
  44. 제 40 항에 있어서,
    상기 전기기계 시스템은 다수의 공진 모드들에서 동작가능하며,
    상기 방법은 상기 전기기계 시스템의 동작에 대해 상기 다수의 공진 모드들 중 최상의 모드를 결정하는 단계를 더 포함하는, 전기기계 시스템이 공진 모드에서 동작하고 있을 때를 검출하는 방법.
  45. 압전 엑츄에이터에 커플링된 기계적 부하의 물리적인 변위를 최대화하는 드라이브 파형을 제공하는 방법으로서,
    2 개 이상의 입력 신호들을 제공하는 단계; 및
    상기 입력 신호들을 결합하여 결합된 드라이브 신호를 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 2 개 이상의 입력 신호들은, 상기 결합된 드라이브 신호가 상기 압전 엑츄에이터에 커플링된 상기 기계적 부하의 적어도 하나의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖도록 선택되는, 드라이브 파형을 제공하는 방법.
  46. 제 45 항에 있어서,
    적어도 하나의 입력 신호는, 상기 압전 엑츄에이터가 상기 기계적 부하의 최대 물리적인 변위를 달성하도록 진폭 및 위상-가중되는, 드라이브 파형을 제공하는 방법.
  47. 제 45 항에 있어서,
    상기 2 개 이상의 입력 신호들은, 하나의 신호가 상기 압전 엑츄에이터가 상기 기계적 부하의 개선된 변위를 제공하는 주파수를 갖고, 다른 하나의 신호가 상기 압전 엑츄에이터가 상기 기계적 부하의 개선된 변위 속도를 제공하는 주파수를 갖도록 선택되는, 드라이브 파형을 제공하는 방법.
  48. 제 47 항에 있어서,
    적어도 하나의 입력 신호는, 상기 압전 엑츄에이터에 커플링된 상기 기계적 부하의 공진 주파수에 있는 것으로 선택되는, 드라이브 파형을 제공하는 방법.
  49. 제 47 항에 있어서,
    상기 기계적 부하는 비-직사각형이며, 적어도 하나의 입력 신호는 베셀 (Bessel) 모드 주파수에서 동작하는, 드라이브 파형을 제공하는 방법.
  50. 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스로서,
    압전 엑츄에이터 및 액적 생성기 플레이트를 포함하는 이젝터 메커니즘; 및
    상기 엑츄에이터를 구동시키는 드라이버 전자기기들을 포함하며,
    상기 전자기기들은 최적의 스프레이 주파수를 식별하여 설정함으로써 상기 이젝터 메커니즘의 자동-튜닝을 수행하도록 구성된 마이크로제어기를 포함하는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  51. 제 50 항에 있어서,
    자동-튜닝은, 미리 정의된 주파수 범위에 걸친 드라이브 신호 주파수들의 범위의 각각의 적어도 하나의 사이클의 생성, 및 각각의 주파수 발생 이후 상기 엑츄에이터에 의해 방출된 감쇠 신호로부터 시간-에너지 곱 (TEP) 피드백을 획득하는 것을 수반하는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  52. 제 51 항에 있어서,
    적분하는 피크 검출기에서의 커패시터를, 각각의 사이클에 대해 상기 동일한 진폭 계수 (전압) 로 충전하기 위해 다수의 별개의 사이클들이 각각의 주파수에 대해 연달아 생성되며, 상기 진폭 계수가 기록되며 프로시저가 다음 주파수에서 반복되는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  53. 제 51 항에 있어서,
    상기 미리 정의된 주파수 범위에 걸쳐서 상기 주파수들을 증분하는 적어도 하나의 수치 제어 발진기 (numerically controlled oscillator; NCO) 를 더 포함하는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  54. 제 51 항에 있어서,
    전력이 적어도 하나의 배터리로부터 상기 엑츄에이터에 공급되며,
    상기 마이크로제어기는 상기 배터리의 전압을 모니터링하여 상기 배터리의 점진적인 소모를 보충하도록 구성되는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  55. 제 51 항에 있어서,
    전력이 적어도 하나의 배터리로부터 상기 엑츄에이터에 공급되며,
    상기 드라이버 전자기기들은 부스트 레일을 상기 엑츄에이터를 구동시키기 위한 원하는 전압으로 충전하는 부스트 회로를 포함하는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 부스트 레일은, 상기 ADC 로부터의 샘플링 피드백을 이용함으로써 일정 전압으로 충전되는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  57. 제 56 항에 있어서,
    커패시터로서 작동하는 상기 압전 엑츄에이터를 갖는 공진 탱크 (tank) 를 정의하기 위해 적어도 하나의 인덕터를 더 포함하는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  58. 제 52 항에 있어서,
    상기 마이크로제어기는, 원치않는 분사를 방지하기에 충분히 낮은 레벨에서 전압을 유지하면서 에너지를 상기 압전 엑츄에이터에 적절히 구동시키기에 충분히 높은 드라이브 전압을 보장하도록 상기 드라이브 전압을 모니터링하기 위해, 상기 ADC 를 이용하여, 자동-튜닝 동안 각각의 드라이브 신호 주파수에서 일정 전압을 유지하도록 구성되는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  59. 제 57 항에 있어서,
    상기 부스트 회로는, 자동-튜닝 후에 상기 압전 엑츄에이터의 전압을 규정된 전압으로 상승시키기 위해 전하 펌프로서 작동하도록 구성되는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  60. 제 59 항에 있어서,
    상기 드라이버 전자기기들은, 2 개의 NCO 들, 결합된 신호를 정의하기 위해 상기 2 개의 NCO 들로부터의 신호들을 결합하는 로직, 상기 결합된 신호를 수신하는 보충 파형 생성기 (complementary waveform generator; CWG), 상기 CWG 에 접속된 레벨 시프터 회로, 및 상기 레벨 시프터에 접속되어, 상기 유체를 분사하기 위한 드라이브 신호로 상기 압전 엑츄에이터를 구동시키도록 동작가능한 풀 브릿지를 포함하는, 드라이브 회로를 포함하는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  61. 제 60 항에 있어서,
    상기 마이크로제어기는, 상기 부스트 출력 전압 및 이에 따른 상기 공진 탱크에서의 증폭을 밸런싱하여 일정 전압 드라이브를 제공하기 위해 상기 부스트 듀티 사이클을 일정하게 조정하도록 구성되는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  62. 제 60 항에 있어서,
    상기 마이크로제어기는, 상기 부스트 레일을 충전한 후, 상기 드라이브 회로를 턴 온하여 높은 속도 스프레이를 위한 거대 (massive) 오버슈트를 야기하여 오버슈트 드라이브를 제공하도록 구성되는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  63. 제 60 항에 있어서,
    상기 마이크로제어기는, 일정한 주파수에서 상기 드라이브 신호를 유지하도록 구성되는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  64. 제 60 항에 있어서,
    상기 마이크로제어기는, 정의된 대역폭에 걸쳐서 상기 드라이브 신호의 주파수를 스윕함으로써 상기 드라이브 신호를 디더링 (dither) 하도록 구성되는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
  65. 제 60 항에 있어서,
    상기 로직은, 상기 CWG 를 주기적으로 디스에이블하는 결합된 신호를 정의하여, 조정가능한 부동 대역들을 갖는 2 개의 역위상 구형파들을 레벨 시프터 회로에 제공하도록, 상기 2 개의 NCO 로부터의 신호들을 결합하는, 유체의 액적들을 방출하는 압전 이젝터 디바이스.
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