CN103434272B - 用于微液滴发生的压电式喷头装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微液滴发生的压电式喷头装置，包括带喷射腔体的喷射本体、设于喷射本体一端的喷嘴、以及设于喷射本体上用于提供喷射动力的压电膜片，还包括：压力传感器，用于检测喷射腔体内液体压力的变化，并将采集的压力信号输出；压力波衰减机构，根据接收的压力信号，发射用于衰减所述喷射腔体内残余压力波的衰减压力波。本发明采用压力传感器和压力波衰减机构协同作业，通过压力传感器实时测量喷射腔体内部的压力波变化情况，在保证喷射作业正常运行的前提下，通过压力波衰减机构迅速衰减喷射腔体内残余压力波，降低了喷射等待时间，提高了喷射频率。

Description

用于微液滴发生的压电式喷头装置

技术领域

本发明涉及微滴喷射领域，尤其是涉及一种用于微液滴发生的压电式喷头装置。

背景技术

微滴喷射技术是一种新型的快速成型技术，在最近的20年间得到了迅猛的发展。按照喷射方式的不同，可以分为连续式喷射（continuousinkjet）和按需式喷射（drop-on-demand inkjet）两种。其中按需式喷射相比于连续式喷射具有的液滴大小可控，沉积的精度和分辨率高，可靠性好等优点，因此具有很高的商业发展潜力。

目前，按需式喷射在应用中，有如下几种技术：1.热泡式喷射技术（美国专利文献US8100495B2，名称为Inkjet Printhead）；2.压电式喷射技术（美国专利文献US7909438B2，名称为Piezo-electric Type Inkjet Printhead）；3.激光式喷射技术等。其中热泡式喷射技术和压电式喷射技术得到了更多的关注和发展。

现行的技术在微滴喷射的过程中存在如下的缺点：

方法1需要将喷头内部的加热元件瞬时加热使相接触的液体汽化形成气泡，气泡膨胀后将液体从喷嘴中挤出。此方法不适用于易发生热分解反应的液体，特别是对于生物、制药等新兴领域的约束较大。

方法2通过控制施加在压电陶瓷上的脉冲电压信号使压电陶瓷发生形变，导致腔体内的体积发生变化实现将液体从喷嘴中挤出。应用此方法生产的商业化喷头造价高、不易拆洗，一旦喷嘴堵住整个装置便无法再次使用，严重的造成了浪费，并且生产的喷头适用于低粘度的液体，不适用于高粘度的液体。

另外，现有的压电式喷射装置中，由于盆腔内液体的影响，压电陶瓷发送出一个压力波后，需要一定的时间才能到达喷嘴处。而且为了避免后续压力波对在前压力波的影响，需要前压力波完全衰减后，才能发送后面的压力波，既相邻两滴之间需要较长的喷射等候时间，大大限制了压电式喷射装置的喷射频率。

发明内容

本发明针对现有微滴喷射技术中的不足和缺点，提供了一种用于微液滴发生的压电式喷头装置，该装置通过测量喷射腔体内部液体压力的大小控制压力波衰减装置发射衰减压力波，快速抵消喷射腔体内的残余压力波，减少喷射等候时间，提高微滴喷射效率。

一种用于微液滴发生的压电式喷头装置，包括带喷射腔体的喷射本体、设于喷射本体一端的喷嘴、以及设于喷射本体上用于提供喷射动力的压电膜片，所述用于微液滴发生的压电式喷头装置还包括：压力传感器，用于检测喷射腔体内液体压力的变化，并将采集的压力信号输出；压力波衰减机构，根据接收的压力信号，发射用于衰减所述喷射腔体内残余压力波的衰减压力波。

压电膜片一般是指压电陶瓷膜片，其震动频率可高达20kHz以上，选用压电膜片作为喷射动力源，可大幅度提高喷射频率，即使用于高粘度的液体也可保证较高的喷射频率。压力波衰减机构的设置可迅速衰减喷射腔体内残余压力波，降低喷射等待时间，进一步提高了喷射频率。

为便于波衰减机构的安装，同时便于实现波衰减机构迅速衰减喷射腔体内残余压力波，作为优选，所述喷射腔体为圆柱形，所述压力波衰减机构包括：固定在所述喷射腔体内壁上的圆柱形压电陶瓷环；控制器，根据接收的压力信号，控制所述压电陶瓷环发射衰减压力波。选择圆柱形压电陶瓷环，可保证对整个喷射腔体内的残余压力波进行同步衰减，避免局部残留压力波。

为便于喷射本体清洗和安装，作为优选，所述喷射本体包括可拆卸连接的上腔体和下腔体；所述压力传感器固定在上腔体侧壁，所述压电膜片固定在上腔体端部。压力传感器可采用卡合固定方式、螺纹固定方式或者其他可拆卸固定方式与上腔体相互固定，以便于压力传感器的更换和维修。压电膜片一般采用可拆卸的方式固定在上腔体上，为确保压电膜片的稳定性，可根据需要设置垫片。

为便于压电陶瓷环的布置，作为优选，所述上腔体和下腔体通过同轴设置的环形连接板相互固定，上腔体和下腔体相互固定的两个端部之间留有间隙；所述压电陶瓷环设于所述间隙内，且与所述上腔体和下腔体同轴设置。

压电陶瓷环可通过各种方式布置在所述的间隙中，作为进一步优选，所述上腔体和下腔体间设有同轴设置的固定管，所述压电陶瓷环套设在固定管外壁，且所述的固定管两端通过过盈配合方式分别与上腔体和下腔体相互固定。固定管两端通过过盈配合方式与上腔体和下腔体固定，进一步方便了压电陶瓷环的固定和拆卸。实际安装时，一般采用导电胶将压电陶瓷环与固定管相互粘结。固定管可采用多种材质，一般可采用PET管，以保证固定管与上腔体和下腔体的密封性。

当喷嘴发生堵塞时，为便于喷嘴的清洗，作为优选，所述喷嘴通过可拆卸方式与所述喷射本体相互固定。所述拆卸方式包括卡合固定方式、螺纹固定方式、粘结固定方式或者其他固定方式等。选择可拆卸方式，也避免由于喷嘴堵塞更换整个装置的发生，进一步降低了本发明用于微液滴发生的压电式喷头装置的使用成本。

所述喷嘴可选用多种材质，例如可采用金属材质、玻璃材质等，为便于观察喷嘴内部液体流畅分布，作为优选，所述喷嘴采用透明材质，例如可采用玻璃材质。为便于喷嘴喷射口的加工，作为进一步优选，所述喷嘴由玻璃刻蚀得到，实际试验过程中可采用在液体内加入示踪粒子就可以观测喷嘴内部的流场分布情况。采用刻蚀工艺，所述喷嘴的喷射口孔径可达到50-100μm，可满足多种喷射场合的需要。

为提高压力波衰减机构的检测精度，作为优选，所述压力传感器为平膜压力传感器，量程为0-100kPa，检测时间间隔为2μs。压力传感器也可根据是继续需要选择其他类型的压力传感机构。

为便于压电膜片的固定，作为优选，所述上腔体顶部设有与所述喷射腔体连通的安装槽；所述压电膜片通过一安装板固定在所述安装槽内，同时将喷射腔体顶部封闭。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

（1）本发明采用压力传感器和压力波衰减机构协同作业，通过压力传感器实时测量喷射腔体内部的压力波变化情况，在保证喷射作业正常运行的前提下，通过压力波衰减机构迅速衰减喷射腔体内残余压力波，降低了喷射等待时间，提高了喷射频率。

（2）本发明的用于微液滴发生的压电式喷头装置整体结构简单，造价低，便于生产；且整个装置基本采用可拆卸方式固定，当装置中某一部件发生损坏时，可更换其中损坏的部件，无须更换整个装置，降低了使用成本，提高了使用寿命。

（3）本发明的用于微液滴发生的压电式喷头装置中，喷嘴采用玻璃材质，故可以在液体中加入示踪粒子，进而观测喷射腔体内部的液体流场分布，研究不同的喷射状态下对流场的影响；玻璃刻蚀的喷嘴与喷射本体之间为可拆卸方式连接，一旦喷嘴处发生了堵塞的现象，可以根据需要单独卸下喷嘴便于清洗和更换；另外，采用玻璃刻蚀工艺，可得到100μm左右的喷射口径，满足了各种需要产生微液滴场合的需求。

（4）在微滴喷射的过程中，液体内部的压力波的变化是一个非常重要的参数，反映了喷射的状态；现阶段的研究更多的是采用模拟和仿真的方式进行，在本发明中加入压力传感器，测量喷射腔体内部的压力波变化情况；通过测量喷射腔体内部液体压力的大小控制压电陶瓷的电压驱动，实现快速衰减压力波，减少喷射等候时间的目的。

（5）相比于商业化生产的喷头，此装置采用玻璃材质的喷头，保证本装置可适用于高粘度的液体。解决了商业喷头喷射高粘度需加热而导致液体性能发生改变的弊端。

附图说明

图1为本发明的用于微液滴发生的压电式喷头装置的结构示意图。

图中1.螺柱，2.垫圈，3.安装板，4.压电膜片，5.上腔体，6.供液管路，7.固定管，8.压电陶瓷环，9.连接板，10.喷嘴，11.下腔体，12.喷射腔体，13.压力传感器。

具体实施方式

如图1所示，一种微液滴发生的新型压电式喷头装置，包括：包括带喷射腔体12的喷射本体、设于喷射本体一端的喷嘴10、喷射动力源、压力检测机构、压力波衰减机构等。

喷射腔体12为圆柱形结构，包括上腔体5和下腔体11；上腔体5和下腔体11通过同轴设置的环形连接板9相互固定，即连接板9顶端通过螺柱与上腔体5底部固定，连接板9底端通过螺柱与下腔体11顶部相互固定。上腔体5和下腔体11相互固定的两个端部之间留有用于放置压电陶瓷环8的间隙。上腔体5顶部设有布置压电膜片4的安装槽和将压电膜片4固定在安装槽内的安装板3，安装板3通过螺柱1与上腔体5顶部固定。上腔体5中部设有用于固定压力传感器13的螺孔、以及液体注入口，液体注入口与供液装置的供液管路6相连。下腔体11底部设有供喷嘴10顶端插入固定的插入槽。安装板3、连接板9、上腔体5和下腔体11均可采用铝或铜材料。

喷嘴11为玻璃刻蚀结构，喷嘴11内喷射口孔径为100μm，喷射口横截面为倒圆锥形，便于微液滴的顺利形成和喷射。喷嘴11也可根据需要采用其他透明结构。

喷射动力源为压电膜片4，压电膜片4通过线路与控制电路相连，控制电路的结构为现有技术，在此不再详述。压电膜片4为一种压电陶瓷，实际使用过程中在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再和黄铜片粘在一起，其振动频率可达到20kHz。压电膜片4安装在安装板3和上腔体5之间的安装槽内，同时通过垫圈2实现对压电膜片4位置的固定。安装板3和上腔体5通过螺柱1固定。当电压信号输入至压电膜片4，使其开始振动，完成了微滴喷射的动力驱动。安装板3和上腔体5也可采用其他方式相互固定，例如可采用卡合固定等。

压力检测机构为压力传感器13，压力传感器13通过线路与压力波衰减机构内的控制器相连，用于将喷射腔体12内液体的压力信号传输给控制器。压力传感器13通过螺纹连接方式与上腔体5相互固定，并且探入喷射腔体12中。压力传感器13选用前端平膜片设计平的膜压力传感器，其量程可达到100kPa，检测时间间隔为2μs。喷射装置开始工作后，压力传感器13从喷射腔体12的液体中读出压力波信息，从而控制压电陶瓷环8的输入脉冲电压。

压力波衰减机构为压电陶瓷环8以及用于控制压电陶瓷环8工作的控制器或者控制单元。压电陶瓷环8的振动频率需达到20kHz。压电陶瓷环8设于上下腔体间的间隙内，且与上腔体5和下腔体11同轴设置。压电陶瓷环8和固定管7通过导电胶粘结在一起，固定管7为PET管，以保证PET管与山下腔体的密封性，PET管顶端和底端分别通过过盈配合插入到上腔体5和下腔体11内，实现与两者的相互固定。装置开始工作后，通过观测压力传感器13的数值变化，控制压电陶瓷环8的驱动电压，目的是为了用压电陶瓷环8因振动产生的压力波中和在喷射之后喷射腔体12内残存的压力波。

压力波衰减机构的控制基于波的叠加原理实现，当压电膜片4的压力波驱动液滴喷出后，残余的压力波能量在喷头内振荡，由于压电膜片4的发射压力波的频率和波形已知，通过实验，可以确定压力波到达喷嘴处的时间，当压力波到达喷最后，这时启动压力波衰减机构，根据压力传感器13所监测的压力波形变化，控制压力波衰减机构产生和残余压力波波峰波谷方向刚好相反的波形，比如压力传感器13监测残余波是正弦波形，控制器控制压电陶瓷环8发出一个余弦波形，刚好用于抵消残余波。通过波的叠加，从而快速消除压力波残余的振荡，为下一次喷射做好准备。

本发明的工作过程如下：喷射液体由供液管路6进入喷射腔体12，通过压力的控制使液体充满整个喷射腔体12。驱动电压输入到压电膜片4使压电膜片4开始振动，整个装置进入工作的状态，微液滴从喷嘴10中喷出。工作的过程中，压力传感器13不断检测喷射腔体12液体内部压力的变化，根据压力波数值变化的情况控制压电陶瓷环8的输入电压，使得每一滴液滴喷射完成后，压电陶瓷环8发射的衰减压力波，能够迅速中和衰减喷射腔体内的残余压力波，降低喷射等待时间，加速喷射的过程。

Claims (9)

1.一种用于微液滴发生的压电式喷头装置，包括带喷射腔体(12)的喷射本体、设于喷射本体一端的喷嘴(10)、以及设于喷射本体上用于提供喷射动力的压电膜片(4)，其特征在于，还包括：

压力传感器(13)，用于检测喷射腔体(12)内液体压力的变化，并将采集的压力信号输出；

压力波衰减机构，根据接收的压力信号，发射用于衰减所述喷射腔体(12)内残余压力波的衰减压力波；

所述喷射腔体(12)为圆柱形，所述压力波衰减机构包括：

固定在所述喷射腔体(12)内壁上的圆柱形压电陶瓷环(8)；

控制器，根据接收的压力信号，控制所述压电陶瓷环(8)发射衰减压力波。

2.根据权利要求1所述的用于微液滴发生的压电式喷头装置，其特征在于，所述喷射本体包括可拆卸连接的上腔体(5)和下腔体(11)；所述压力传感器(13)固定在上腔体(5)侧壁，所述压电膜片(4)固定在上腔体(5)端部。

3.根据权利要求2所述的用于微液滴发生的压电式喷头装置，其特征在于，所述上腔体(5)和下腔体(11)通过同轴设置的环形连接板(9)相互固定，上腔体(5)和下腔体(11)相互固定的两个端部之间留有间隙；所述压电陶瓷环(8)设于所述间隙内，且与所述上腔体(5)和下腔体(11)同轴设置。

4.根据权利要求3所述的用于微液滴发生的压电式喷头装置，其特征在于，所述上腔体(5)和下腔体(11)间设有同轴设置的固定管(7)，所述压电陶瓷环(8)套设在固定管(7)外壁，且所述的固定管(7)两端通过过盈配合方式分别与上腔体(5)和下腔体(11)相互固定。

5.根据权利要求1所述的用于微液滴发生的压电式喷头装置，其特征在于，所述喷嘴(10)通过可拆卸方式与所述喷射本体相互固定。

6.根据权利要求1所述的用于微液滴发生的压电式喷头装置，其特征在于，所述喷嘴(10)由玻璃刻蚀得到。

7.根据权利要求6所述的用于微液滴发生的压电式喷头装置，其特征在于，所述喷嘴(10)的喷射口孔径为50-100μm。

8.根据权利要求1所述的用于微液滴发生的压电式喷头装置，其特征在于，所述压力传感器(13)为平膜压力传感器，量程为0-100kPa，检测时间间隔为2μs。

9.根据权利要求2所述的用于微液滴发生的压电式喷头装置，其特征在于，所述上腔体(5)顶部设有与所述喷射腔体(12)连通的安装槽；所述压电膜片(4)通过一安装板(3)固定在所述安装槽内，同时将喷射腔体(12)顶部封闭。