用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置，包括帶噴射腔體的噴射本體、設于噴射本體一端的噴嘴、以及設于噴射本體上用于提供噴射動力的壓電膜片，還包括：壓力傳感器，用于檢測噴射腔體內(nèi)液體壓力的變化，并將采集的壓力信號輸出；壓力波衰減機構，根據(jù)接收的壓力信號，發(fā)射用于衰減所述噴射腔體內(nèi)殘余壓力波的衰減壓力波。本發(fā)明采用壓力傳感器和壓力波衰減機構協(xié)同作業(yè)，通過壓力傳感器實時測量噴射腔體內(nèi)部的壓力波變化情況，在保證噴射作業(yè)正常運行的前提下，通過壓力波衰減機構迅速衰減噴射腔體內(nèi)殘余壓力波，降低了噴射等待時間，提高了噴射頻率。
【專利說明】用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及微滴噴射領域，尤其是涉及一種用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置?！颈尘凹夹g】
[0002]微滴噴射技術是一種新型的快速成型技術，在最近的20年間得到了迅猛的發(fā)展。按照噴射方式的不同，可以分為連續(xù)式噴射(continuous inkjet)和按需式噴射(drop-on-demand inkjet)兩種。其中按需式噴射相比于連續(xù)式噴射具有的液滴大小可控，沉積的精度和分辨率高，可靠性好等優(yōu)點，因此具有很高的商業(yè)發(fā)展?jié)摿Α?br> [0003]目前，按需式噴射在應用中，有如下幾種技術:1.熱泡式噴射技術(美國專利文獻US8100495B2，名稱為Inkjet Printhead)；2.壓電式噴射技術(美國專利文獻US7909438B2，名稱為Piezo-electric Type Inkjet Printhead) ；3.激光式噴射技術等。其中熱泡式噴射技術和壓電式噴射技術得到了更多的關注和發(fā)展。
[0004]現(xiàn)行的技術在微滴噴射的過程中存在如下的缺點:
[0005]方法I需要將噴頭內(nèi)部的加熱元件瞬時加熱使相接觸的液體汽化形成氣泡，氣泡膨脹后將液體從噴嘴中擠出。此方法不適用于易發(fā)生熱分解反應的液體，特別是對于生物、制藥等新興領域的約束較大。
[0006]方法2通過控制施加在壓電陶瓷上的脈沖電壓信號使壓電陶瓷發(fā)生形變，導致腔體內(nèi)的體積發(fā)生變化實現(xiàn)將液體從噴嘴中擠出。應用此方法生產(chǎn)的商業(yè)化噴頭造價高、不易拆洗，一旦噴嘴堵住整個裝置便無法再次使用，嚴重的造成了浪費，并且生產(chǎn)的噴頭適用于低粘度的液體，不適用于高粘度的液體。
[0007]另外，現(xiàn)有的壓電式噴射裝置中，由于盆腔內(nèi)液體的影響，壓電陶瓷發(fā)送出一個壓力波后，需要一定的時間才能到達噴嘴處。而且為了避免后續(xù)壓力波對在前壓力波的影響，需要前壓力波完全衰減后，才能發(fā)送后面的壓力波，既相鄰兩滴之間需要較長的噴射等候時間，大大限制了壓電式噴射裝置的噴射頻率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對現(xiàn)有微滴噴射技術中的不足和缺點，提供了一種用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置，該裝置通過測量噴射腔體內(nèi)部液體壓力的大小控制壓力波衰減裝置發(fā)射衰減壓力波，快速抵消噴射腔體內(nèi)的殘余壓力波，減少噴射等候時間，提高微滴噴射效率。
[0009]一種用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置，包括帶噴射腔體的噴射本體、設于噴射本體一端的噴嘴、以及設于噴射本體上用于提供噴射動力的壓電膜片，所述用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置還包括:壓力傳感器，用于檢測噴射腔體內(nèi)液體壓力的變化，并將采集的壓力信號輸出；壓力波衰減機構，根據(jù)接收的壓力信號，發(fā)射用于衰減所述噴射腔體內(nèi)殘余壓力波的衰減壓力波。
[0010]壓電膜片一般是指壓電陶瓷膜片，其震動頻率可高達20kHz以上，選用壓電膜片作為噴射動力源，可大幅度提高噴射頻率，即使用于高粘度的液體也可保證較高的噴射頻率。壓力波衰減機構的設置可迅速衰減噴射腔體內(nèi)殘余壓力波，降低噴射等待時間，進一步提高了噴射頻率。
[0011]為便于波衰減機構的安裝，同時便于實現(xiàn)波衰減機構迅速衰減噴射腔體內(nèi)殘余壓力波，作為優(yōu)選，所述噴射腔體為圓柱形，所述壓力波衰減機構包括:固定在所述噴射腔體內(nèi)壁上的圓柱形壓電陶瓷環(huán)；控制器，根據(jù)接收的壓力信號，控制所述壓電陶瓷環(huán)發(fā)射衰減壓力波。選擇圓柱形壓電陶瓷環(huán)，可保證對整個噴射腔體內(nèi)的殘余壓力波進行同步衰減，避免局部殘留壓力波。
[0012]為便于噴射本體清洗和安裝，作為優(yōu)選，所述噴射本體包括可拆卸連接的上腔體和下腔體；所述壓力傳感器固定在上腔體側壁，所述壓電膜片固定在上腔體端部。壓力傳感器可采用卡合固定方式、螺紋固定方式或者其他可拆卸固定方式與上腔體相互固定，以便于壓力傳感器的更換和維修。壓電膜片一般采用可拆卸的方式固定在上腔體上，為確保壓電膜片的穩(wěn)定性，可根據(jù)需要設置墊片。
[0013]為便于壓電陶瓷環(huán)的布置，作為優(yōu)選，所述上腔體和下腔體通過同軸設置的環(huán)形連接板相互固定，上腔體和下腔體相互固定的兩個端部之間留有間隙；所述壓電陶瓷環(huán)設于所述間隙內(nèi)，且與所述上腔體和下腔體同軸設置。
[0014]壓電陶瓷環(huán)可通過各種方式布置在所述的間隙中，作為進一步優(yōu)選，所述上腔體和下腔體間設有同軸設置的固定管，所述壓電陶瓷環(huán)套設在固定管外壁，且所述的固定管兩端通過過盈配合方式分別與上腔體和下腔體相互固定。固定管兩端通過過盈配合方式與上腔體和下腔體固定，進一步方便了壓電陶瓷環(huán)的固定和拆卸。實際安裝時，一般采用導電膠將壓電陶瓷環(huán)與固定管相互粘結。固定管可采用多種材質(zhì)，一般可采用PET管，以保證固定管與上腔體和下腔體的密封性。
[0015]當噴嘴發(fā)生堵塞時，為便于噴嘴的清洗，作為優(yōu)選，所述噴嘴通過可拆卸方式與所述噴射本體相互固定。所述拆卸方式包括卡合固定方式、螺紋固定方式、粘結固定方式或者其他固定方式等。選擇可拆卸方式，也避免由于噴嘴堵塞更換整個裝置的發(fā)生，進一步降低了本發(fā)明用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置的使用成本。
[0016]所述噴嘴可選用多種材質(zhì)，例如可采用金屬材質(zhì)、玻璃材質(zhì)等，為便于觀察噴嘴內(nèi)部液體流暢分布，作為優(yōu)選，所述噴嘴采用透明材質(zhì)，例如可采用玻璃材質(zhì)。為便于噴嘴噴射口的加工，作為進一步優(yōu)選，所述噴嘴由玻璃刻蝕得到，實際試驗過程中可采用在液體內(nèi)加入示蹤粒子就可以觀測噴嘴內(nèi)部的流場分布情況。采用刻蝕工藝，所述噴嘴的噴射口孔徑可達到50-100 μ m，可滿足多種噴射場合的需要。
[0017]為提高壓力波衰減機構的檢測精度，作為優(yōu)選，所述壓力傳感器為平膜壓力傳感器，量程為O-lOOkPa，檢測時間間隔為2μ S。壓力傳感器也可根據(jù)是繼續(xù)需要選擇其他類型的壓力傳感機構。
[0018]為便于壓電膜片的固定，作為優(yōu)選，所述上腔體頂部設有與所述噴射腔體連通的安裝槽；所述壓電膜片通過一安裝板固定在所述安裝槽內(nèi)，同時將噴射腔體頂部封閉。
[0019]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0020](I)本發(fā)明采用壓力傳感器和壓力波衰減機構協(xié)同作業(yè)，通過壓力傳感器實時測量噴射腔體內(nèi)部的壓力波變化情況，在保證噴射作業(yè)正常運行的前提下，通過壓力波衰減機構迅速衰減噴射腔體內(nèi)殘余壓力波，降低了噴射等待時間，提高了噴射頻率。[0021](2)本發(fā)明的用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置整體結構簡單，造價低，便于生產(chǎn)；且整個裝置基本采用可拆卸方式固定，當裝置中某一部件發(fā)生損壞時，可更換其中損壞的部件，無須更換整個裝置，降低了使用成本，提高了使用壽命。
[0022](3)本發(fā)明的用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置中，噴嘴采用玻璃材質(zhì)，故可以在液體中加入示蹤粒子，進而觀測噴射腔體內(nèi)部的液體流場分布，研究不同的噴射狀態(tài)下對流場的影響；玻璃刻蝕的噴嘴與噴射本體之間為可拆卸方式連接，一旦噴嘴處發(fā)生了堵塞的現(xiàn)象，可以根據(jù)需要單獨卸下噴嘴便于清洗和更換；另外，采用玻璃刻蝕工藝，可得到100 μ m左右的噴射口徑，滿足了各種需要產(chǎn)生微液滴場合的需求。
[0023](4)在微滴噴射的過程中，液體內(nèi)部的壓力波的變化是一個非常重要的參數(shù)，反映了噴射的狀態(tài)；現(xiàn)階段的研究更多的是采用模擬和仿真的方式進行，在本發(fā)明中加入壓力傳感器,測量噴射腔體內(nèi)部的壓力波變化情況；通過測量噴射腔體內(nèi)部液體壓力的大小控制壓電陶瓷的電壓驅(qū)動，實現(xiàn)快速衰減壓力波，減少噴射等候時間的目的。
[0024]( 5 )相比于商業(yè)化生產(chǎn)的噴頭，此裝置采用玻璃材質(zhì)的噴頭，保證本裝置可適用于高粘度的液體。解決了商業(yè)噴頭噴射高粘度需加熱而導致液體性能發(fā)生改變的弊端。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置的結構示意圖。
[0026]圖中1.螺柱，2.墊圈，3.安裝板，4.壓電膜片，5.上腔體，6.供液管路，7.固定管，
8.壓電陶瓷環(huán)，9.連接板，10.噴嘴，11.下腔體，12.噴射腔體，13.壓力傳感器。
【具體實施方式】
[0027]如圖1所示，一種微液滴發(fā)生的新型壓電式噴頭裝置，包括:包括帶噴射腔體12的噴射本體、設于噴射本體一端的噴嘴IO、噴射動力源、壓力檢測機構、壓力波衰減機構等。
[0028]噴射腔體12為圓柱形結構，包括上腔體5和下腔體11 ;上腔體5和下腔體11通過同軸設置的環(huán)形連接板9相互固定，即連接板9頂端通過螺柱與上腔體5底部固定，連接板9底端通過螺柱與下腔體11頂部相互固定。上腔體5和下腔體11相互固定的兩個端部之間留有用于放置壓電陶瓷環(huán)8的間隙。上腔體5頂部設有布置壓電膜片4的安裝槽和將壓電膜片4固定在安裝槽內(nèi)的安裝板3，安裝板3通過螺柱I與上腔體5頂部固定。上腔體5中部設有用于固定壓力傳感器13的螺孔、以及液體注入口，液體注入口與供液裝置的供液管路6相連。下腔體11底部設有供噴嘴10頂端插入固定的插入槽。安裝板3、連接板9、上腔體5和下腔體11均可采用鋁或銅材料。
[0029]噴嘴11為玻璃刻蝕結構，噴嘴11內(nèi)噴射口孔徑為100 μ m，噴射口橫截面為倒圓錐形，便于微液滴的順利形成和噴射。噴嘴11也可根據(jù)需要采用其他透明結構。
[0030]噴射動力源為壓電膜片4，壓電膜片4通過線路與控制電路相連，控制電路的結構為現(xiàn)有技術，在此不再詳述。壓電膜片4為一種壓電陶瓷，實際使用過程中在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再和黃銅片粘在一起，其振動頻率可達到20kHz。壓電膜片4安裝在安裝板3和上腔體5之間的安裝槽內(nèi)，同時通過墊圈2實現(xiàn)對壓電膜片4位置的固定。安裝板3和上腔體5通過螺柱I固定。當電壓信號輸入至壓電膜片4，使其開始振動，完成了微滴噴射的動力驅(qū)動。安裝板3和上腔體5也可采用其他方式相互固定，例如可采用卡合固定等。
[0031]壓力檢測機構為壓力傳感器13，壓力傳感器13通過線路與壓力波衰減機構內(nèi)的控制器相連，用于將噴射腔體12內(nèi)液體的壓力信號傳輸給控制器。壓力傳感器13通過螺紋連接方式與上腔體5相互固定，并且探入噴射腔體12中。壓力傳感器13選用前端平膜片設計平的膜壓力傳感器，其量程可達到IOOkPa,檢測時間間隔為2μ S。噴射裝置開始工作后，壓力傳感器13從噴射腔體12的液體中讀出壓力波信息，從而控制壓電陶瓷環(huán)8的輸入脈沖電壓。
[0032]壓力波衰減機構為壓電陶瓷環(huán)8以及用于控制壓電陶瓷環(huán)8工作的控制器或者控制單元。壓電陶瓷環(huán)8的振動頻率需達到20kHz。壓電陶瓷環(huán)8設于上下腔體間的間隙內(nèi)，且與上腔體5和下腔體11同軸設置。壓電陶瓷環(huán)8和固定管7通過導電膠粘結在一起，固定管7為PET管，以保證PET管與山下腔體的密封性，PET管頂端和底端分別通過過盈配合插入到上腔體5和下腔體11內(nèi)，實現(xiàn)與兩者的相互固定。裝置開始工作后，通過觀測壓力傳感器13的數(shù)值變化，控制壓電陶瓷環(huán)8的驅(qū)動電壓，目的是為了用壓電陶瓷環(huán)8因振動產(chǎn)生的壓力波中和在噴射之后噴射腔體12內(nèi)殘存的壓力波。
[0033]壓力波衰減機構的控制基于波的疊加原理實現(xiàn)，當壓電膜片4的壓力波驅(qū)動液滴噴出后，殘余的壓力波能量在噴頭內(nèi)振蕩，由于壓電膜片4的發(fā)射壓力波的頻率和波形已知，通過實驗，可以確定壓力波到達噴嘴處的時間，當壓力波到達噴最后，這時啟動壓力波衰減機構，根據(jù)壓力傳感器13所監(jiān)測的壓力波形變化，控制壓力波衰減機構產(chǎn)生和殘余壓力波波峰波谷方向剛好相反的波形，比如壓力傳感器13監(jiān)測殘余波是正弦波形，控制器控制壓電陶瓷環(huán)8發(fā)出一個余弦波形，剛好用于抵消殘余波。通過波的疊加，從而快速消除壓力波殘余的振蕩，為下一次噴射做好準備。
[0034]本發(fā)明的工作過程如下:噴射液體由供液管路6進入噴射腔體12，通過壓力的控制使液體充滿整個噴射腔體12。驅(qū)動電壓輸入到壓電膜片4使壓電膜片4開始振動，整個裝置進入工作的狀態(tài)，微液滴從噴嘴10中噴出。工作的過程中，壓力傳感器13不斷檢測噴射腔體12液體內(nèi)部壓力的變化，根據(jù)壓力波數(shù)值變化的情況控制壓電陶瓷環(huán)8的輸入電壓，使得每一滴液滴噴射完成后，壓電陶瓷環(huán)8發(fā)射的衰減壓力波，能夠迅速中和衰減噴射腔體內(nèi)的殘余壓力波，降低噴射等待時間，加速噴射的過程。
【權利要求】
1.一種用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置，包括帶噴射腔體(12)的噴射本體、設于噴射本體一端的噴嘴(10)、以及設于噴射本體上用于提供噴射動力的壓電膜片(4)，其特征在于，還包括: 壓力傳感器(13)，用于檢測噴射腔體(12)內(nèi)液體壓力的變化，并將采集的壓力信號輸出； 壓力波衰減機構，根據(jù)接收的壓力信號，發(fā)射用于衰減所述噴射腔體(12)內(nèi)殘余壓力波的衰減壓力波。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置，其特征在于，所述噴射腔體(12)為圓柱形，所述壓力波衰減機構包括: 固定在所述噴射腔體(12)內(nèi)壁上的圓柱形壓電陶瓷環(huán)(8)； 控制器，根據(jù)接收的壓力信號，控制所述壓電陶瓷環(huán)(8)發(fā)射衰減壓力波。
3.根據(jù)權利要求2所述的用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置，其特征在于，所述噴射本體包括可拆卸連接的上腔體(5)和下腔體(11);所述壓力傳感器(13)固定在上腔體(5)側壁，所述壓電膜片(4 )固定在上腔體(5 )端部。
4.根據(jù)權利要求3所述的用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置，其特征在于，所述上腔體(5)和下腔體(11)通過同軸設置的環(huán)形連接板(9)相互固定，上腔體(5)和下腔體(11)相互固定的兩個端部之間留有間隙；所述壓電陶瓷環(huán)(8)設于所述間隙內(nèi)，且與所述上腔體(5)和下腔體(11)同軸設置。
5.根據(jù)權利要求4所述的用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置，其特征在于，所述上腔體(5)和下腔體(11)間設有同軸設置的固定管(7)，所述壓電陶瓷環(huán)(8)套設在固定管(7)外壁，且所述的固定管(7)兩端通過過盈配合方式分別與上腔體(5)和下腔體(11)相互固定。
6.根據(jù)權利要求1所述的用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置，其特征在于，所述噴嘴(10)通過可拆卸方式與所述噴射本體相互固定。
7.根據(jù)權利要求1所述的用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置，其特征在于，所述噴嘴(10)由玻璃刻蝕得到。
8.根據(jù)權利要求7所述的用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置，其特征在于，所述噴嘴(10)的噴射口孔徑為50-100 μ m。
9.根據(jù)權利要求1所述的用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置，其特征在于，所述壓力傳感器(13)為平膜壓力傳感器，量程為O-lOOkPa，檢測時間間隔為2μ S。
10.根據(jù)權利要求3所述的用于微液滴發(fā)生的壓電式噴頭裝置，其特征在于，所述上腔體(5)頂部設有與所述噴射腔體(12)連通的安裝槽；所述壓電膜片(4)通過一安裝板(3)固定在所述安裝槽內(nèi)，同時將噴射腔體(12)頂部封閉。
【文檔編號】B41J2/14GK103434272SQ201310371383
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月23日 優(yōu)先權日:2013年8月23日
【發(fā)明者】賀永, 魏子淵, 傅建中, 吳森洋, 薛光懷 申請人:浙江大學