DE10048276A1 - Drop generator and method for generating drops of liquid - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Tropfengenerator und ein Verfahren zum Erzeugen von Flüssigkeitstropfen, wobei ein bipolares Binärsignal an ein polarisierbares Wandlerelement angelegt wird und eine dadurch hervorgerufene Formänderung des Wandlerelements in Abhängigkeit der Polarität des bipolaren Binärsignals zu einer Änderung des Querschnitts eines Flüssigkeitskanals führt, um dadurch eine Tropfenabgabe anzuregen. Durch die Verwendung des bipolaren Binärimpulses wird ein maximaler Energieeintrag erreicht, da der Flüssigkeitskanal bei jeder Impulsflanke von einem aufgeweiteten Zustand in einen kontrahierten Zustand übergeht. Vorzugsweise wird die Polarität des bipolaren Binärimpulses so gewählt, dass sich der Durchmesser des Flüssigkeitskanals während der Impulsdauer vergrößert und der Tropfenausstoß mit der fallenden Impulsflanke beginnt. Durch den erhöhten Energieeintrag lässt sich das Tropfenvolumen bzw. der Tropfendurchmesser mit demselben Tropfengenerator in einem erheblich erweiterten Bereich verändern, wobei eine punktgenaue Dosierung bei erhöhter Langzeitstabilität und stabilen Einschaltverhalten erreichbar ist.The invention relates to a drop generator and a method for generating drops of liquid, wherein a bipolar binary signal is applied to a polarizable transducer element and a resulting change in shape of the transducer element as a function of the polarity of the bipolar binary signal leads to a change in the cross section of a liquid channel, thereby to encourage dropping. The use of the bipolar binary pulse achieves a maximum energy input, since the liquid channel changes from a widened state to a contracted state on each pulse edge. The polarity of the bipolar binary pulse is preferably selected such that the diameter of the liquid channel increases during the pulse duration and the drop ejection begins with the falling pulse edge. Due to the increased energy input, the drop volume or the drop diameter can be changed in a considerably expanded range with the same drop generator, whereby precise dosing with increased long-term stability and stable switch-on behavior can be achieved.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Flüssigkeitstropfen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf einen Tropfengenerator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.The present invention relates to a method for producing Liquid drops according to the preamble of claim 1 and on one Drop generator according to the preamble of patent claim 6.
Drucklos betriebene Tropfengeneratoren, die nach dem sogenannten "drop-on- demand"-Verfahren arbeiten, haben ihren Ursprung in der Tintenstrahl-Drucktechnik. Durch ein Wandlerelement, wie beispielsweise eine Piezokeramik oder dgl., wird in einem mit Flüssigkeit gefüllten Kapillarsystem eine Druckwelle erzeugt und ein Flüssigkeitstropfen wird mit hoher Beschleunigung aus einer Düse ausgestoßen. Dabei entspricht der Tropfendurchmesser dem Düsendurchmesser. Solche drucklos arbeitenden Tropfengeneratoren können je nach Ausgestaltung des Ansteuersignals einzelne Tropfen, Tropfensequenzen oder auch Tropfenketten im kHz-Bereich erzeugen. Bei der Anwendung solcher Tropfengeneratoren in der Verfahrenstechnik können die Probenmengen bis zu einem pico-Liter (1 × 10-12 l) reduziert werden. Non-pressurized drop generators, which operate according to the so-called "drop-on-demand" process, have their origin in inkjet printing technology. A transducer element, such as a piezoceramic or the like, generates a pressure wave in a capillary system filled with liquid and a liquid drop is expelled from a nozzle with high acceleration. The drop diameter corresponds to the nozzle diameter. Depending on the design of the control signal, such drop generators operating without pressure can generate individual drops, drop sequences or drop chains in the kHz range. When using such drop generators in process engineering, the sample quantities can be reduced to a pico liter (1 × 10 -12 l).
Dadurch ist eine extrem genaue Dosierung der Flüssigkeit möglich. Mit den drucklos arbeitenden Tropfengeneratoren lassen sich Tropfen mit Durchmessern von 15 µm bis 100 µm erzeugen, was einem Volumen von 1,8 × 10-12 l bis 523 × 10-12 l entspricht. Die Änderung des Tropfendurchmessers wird durch Anpassung des Düsendurchmessers an den gewünschten Tropfendurchmesser erreicht. Da die Düse und die übrigen Komponenten des Tropfengenerators eine Einheit bilden, erfordert jede Änderung des Tropfendurchmessers einen Austausch des kompletten Generatorkopfes.This enables extremely precise dosing of the liquid. With the pressure-free droplet generators, droplets with diameters from 15 µm to 100 µm can be created, which corresponds to a volume of 1.8 × 10 -12 l to 523 × 10 -12 l. The change in the drop diameter is achieved by adapting the nozzle diameter to the desired drop diameter. Since the nozzle and the other components of the drop generator form a unit, every change in the drop diameter requires the entire generator head to be replaced.
In der Druckschrift US 3,902,083 ist ein Tropfengenerator und ein Verfahren zur Tropfenerzeugung der eingangs genannten Art beschrieben. Gemäß diesem Stand der Technik ist eine als Flüssigkeitskanal dienende Glaskapillare von einem als Wandlerelement dienenden Piezokristall umschlossen. Der Tropfenausstoß erfolgt durch Anlegen eines elektrischen Impulses an den Piezokristall. Der elektrische Impuls weist eine kurze Anstiegszeit auf und führt zu einer plötzlichen Volumen änderung des Wandlerelements, wodurch in dem Flüssigkeitskanal eine Druckwelle erzeugt wird, die eine ausreichende Amplitude zur Überwindung der Oberflächen spannung an einer Ausstoßöffnung des Flüssigkeitskanals aufweist und dadurch zum Ausstoß eines Flüssigkeitstropfens führt. Der elektrische Ansteuerimpuls wird durch kurzzeitiges Zu- bzw. Abschalten einer Gleichstromquelle durch einen Transistor erzeugt. Somit handelt es sich bei dem elektrischen Impuls um einen unipolaren Impuls, bei dem sich die Polarität der an dem Wandlerelement anliegenden Spannung nicht ändert. Die Druckwelle wird demnach entweder durch ein plötzliches Verringern eines expandierten Zustands des Flüssigkeitskanals während der Impulsdauer im Falle eines expandierten Ausgangszustands des Flüssigkeitskanals erzielt oder durch eine kurzzeitige Kontraktion des Flüssigkeits kanals während der Impulsdauer im Falle eines weder kontrahierten noch expandierten Ausgangszustands. Der Ausstoß des Flüssigkeitstropfens erfolgt also durch kurzzeitiges Verringern des Querschnitts des Flüssigkeitskanals gegenüber seinem Ausgangsquerschnitt. Die ausgestoßene Flüssigkeitsmenge kann durch Steuern der Energie des Ansteuerimpulses verändert werden, wobei die zusätzliche Flüssigkeit durch getrennte Tropfen oder durch Tropfen mit länglicher Zylinderform ausgestoßen wird. No. 3,902,083 describes a drop generator and a method for Drop generation of the type mentioned above is described. According to this status The technique is a glass capillary serving as a liquid channel from an as Enclosed piezoelectric crystal serving element. The droplet is ejected by applying an electrical pulse to the piezo crystal. The electric one Impulse has a short rise time and leads to a sudden volume Change the transducer element, causing a pressure wave in the liquid channel is generated that has a sufficient amplitude to overcome the surfaces Has voltage at an ejection opening of the liquid channel and thereby leads to the ejection of a drop of liquid. The electrical control pulse is by briefly switching a DC power source on or off by a Transistor generated. Thus, the electrical impulse is one unipolar pulse, which changes the polarity of the transducer element applied voltage does not change. The pressure wave is therefore either by a sudden decrease in an expanded state of the fluid channel during the pulse duration in the case of an expanded initial state of the Fluid channel achieved or by a brief contraction of the fluid channel during the pulse duration in the case of a neither contracted nor expanded initial state. The drop of liquid is ejected by temporarily reducing the cross-section of the liquid channel its initial cross section. The amount of liquid ejected can be caused by Control of the energy of the drive pulse can be changed, the additional Liquid by separate drops or by drops with an elongated cylindrical shape is expelled.
In der Computer-Drucktechnik werden Multidüsenköpfe verwendet, die durch mikrotechnische Ätzverfahren hergestellt werden. Zur Erzeugung unterschiedlicher Graustufen werden Tropfen mit unterschiedlichem Tintenvolumen erzeugt. Dies wird durch konstruktive Maßnahmen am Druckerkopf in Verbindung mit unter schiedlichen Signalformen erreicht. In der Druckschrift US 5,461,403 ist ein Tintenstrahldruckkopf offenbart, mit einer Vielzahl von parallel angeordneten Flüssigkeitskanälen, an deren Seitenwänden jeweils piezoelektrische Wandler elemente angeordnet sind, die eine Verbreiterung oder Verengung des Flüssigkeits kanals durch eine von der Polarität eines Ansteuersignals abhängige Formänderung hervorrufen. Bei dem Ansteuersignal handelt es sich um eine Impulssequenz, bei der, ausgehend von einer Ruhezustandsspannung, zunächst ein positiver Primär impuls und danach ein negativer Echoimpuls angelegt werden, worauf das Signal wieder in seine Ruhezustandsspannung übergeht. Die Pulssequenz ist so ausgestal tet, dass eine durch den Primärimpuls hervorgerufene und in dem Flüssigkeitskanal reflektierte Druckwelle durch den nachfolgenden Echoimpuls verstärkt wird und zum Ausstoß eines Tintentropfens führt. Dabei wird das Tropfenvolumen durch geeignete Wahl der Impulsdauer des Primärimpulses und der Impulsdauer des Echoimpulses gesteuert. Durch diese Maßnahme ist eine Änderung des Tropfenvo lumens bis zu einem Verhältnis 1,8 : 1 möglich.Multi-nozzle heads are used in computer printing technology microtechnical etching processes are produced. To create different Grayscale drops with different ink volumes are created. This is achieved through constructive measures on the printer head in conjunction with different waveforms achieved. In US 5,461,403 is a Ink jet printhead disclosed having a plurality of arranged in parallel Liquid channels, on the side walls of which piezoelectric transducers elements are arranged that widen or narrow the liquid channel by a change in shape dependent on the polarity of a drive signal cause. The control signal is a pulse sequence, at which, starting from a quiescent state voltage, is initially a positive primary pulse and then a negative echo pulse are applied, whereupon the signal returns to its idle state voltage. The pulse sequence is so designed tet that caused by the primary pulse and in the fluid channel reflected pressure wave is amplified by the subsequent echo pulse and for Ejection of an ink drop leads. The drop volume is determined by suitable choice of the pulse duration of the primary pulse and the pulse duration of the Echo pulse controlled. This measure is a change in the drops lumens up to a ratio of 1.8: 1 possible.
Die vorstehend beschriebenen bekannten Verfahren zur Änderung des Tropfen durchmessers ermöglichen jedoch lediglich relativ geringe Änderungsbereiche oder sind mit aufwendigen Modifikationen des Tropfengeneratorkopfes verbunden.The known methods for changing the drop described above diameter only allow relatively small change ranges or are associated with complex modifications to the drop generator head.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Tropfen erzeugung und einen Tropfengenerator bereitzustellen, durch die ein erweiterter Tropfenänderungsbereich bei geringen konstruktiven Änderungen erreichbar ist.It is therefore an object of the present invention to provide a drop method generation and to provide a drop generator, through which an advanced Drop change range is achievable with minor design changes.
Diese Aufgabe wird gelöst mit ein- und demselben Tropfengeneratorkopf und einem Verfahren zur Erzeugung von Flüssigkeitstropfen gemäß Patentanspruch 1 und einem Tropfengenerator gemäß Patentanspruch 6. This task is solved with one and the same drop generator head and one Method for generating drops of liquid according to claim 1 and a drop generator according to claim 6.
Durch die Verwendung des bipolaren Binärsignals als Ansteuersignal wird ein maximaler Energieeintrag erreicht, da der Flüssigkeitskanal bei jeder Änderung des Ansteuersignals sowohl eine Aufweitung als auch eine Kontraktion erfährt. Bei Verwendung eines einzelnen Impulses entsteht die Druckwelle also nicht lediglich durch eine Verringerung eines expandierten Zustands oder durch eine bloße Kontraktion eines nicht expandierten Ausgangszustands, sondern durch eine Volumenänderung ausgehend von einem expandierten Zustand in einen kon traktierten Zustand. Dadurch ist eine Änderung des Tropfendurchmessers bzw. des Tropfenvolumens mit ein- und demselben Tropfengeneratorkopf in einem breiten Bereich möglich, wobei durch den höheren Energieeintrag eine verringerte Verstopfungsgefahr der Düse bei kleinen Tropfendurchmessern und eine erhöhte Tropfengeschwindigkeit erzielt werden.By using the bipolar binary signal as the control signal, a maximum energy input achieved because the liquid channel with each change of the Control signal experiences both an expansion and a contraction. at So using a single pulse doesn't just create the pressure wave by reducing an expanded state or by mere Contraction of an unexpanded initial state, but by a Volume change from an expanded state to a con contracted condition. This is a change in the drop diameter or Drop volume with one and the same drop generator head in a wide Range possible, with a reduced due to the higher energy input Risk of clogging of the nozzle with small droplet diameters and an increased Drop speed can be achieved.
Da der Tropfendurchmesser ohne Austauschen des Tropfengeneratorkopfes in weiten Bereichen veränderbar ist, ergibt sich eine deutliche Kostenverringerung gegenüber den bekannten Tropfengeneratoren.Since the drop diameter can be changed without changing the drop generator head in wide areas can be changed, there is a significant reduction in costs compared to the known drop generators.
Das polarisierbare Wandlerelement wird vorzugsweise so betrieben, dass sich der Querschnitt des Flüssigkeitskanals für die Dauer eines Impulses des bipolaren Binärsignals vergrößert und während der eine umgekehrte Polarität aufweisenden Impulspause verkleinert, so dass die durch jede Impulsflanke des Impulses hervorgerufene Querschnittsänderung sowohl aus einer Aufweitung als auch aus einer Kontraktion des Flüssigkeitskanals resultiert. Somit weitet sich der Querschnitt oder Innendurchmesser des Flüssigkeitskanals für die Länge des Ansteuerimpulses auf. Die Flüssigkeit strömt nach und wird mit der fallenden Flanke des Ansteuer impulses ausgestoßen. Während der Impulsdauer erfolgt also keine Kompression des Flüssigkeitskanals, sondern eine Expansion zur Aufnahme der Flüssigkeit. Damit lässt sich der Tropfendurchmesser auf einfache Weise durch Veränderung der Impulsdauer steuern. Es können also Flüssigkeitstropfen mit variablem Durchmesser durch Änderung der Impulsdauer des Impulses erzeugt werden. The polarizable transducer element is preferably operated so that the Cross section of the fluid channel for the duration of a pulse of the bipolar Binary signal is enlarged and during the reverse polarity Pulse pause is reduced so that through each pulse edge of the pulse caused cross-sectional change both from an expansion and from a contraction of the fluid channel results. The cross section thus widens or inner diameter of the liquid channel for the length of the drive pulse on. The liquid flows in and becomes with the falling flank of the control impulses ejected. So there is no compression during the pulse duration of the fluid channel, but rather an expansion to receive the fluid. In order to the drop diameter can be easily changed by changing the Control pulse duration. So there can be liquid drops with variable diameters generated by changing the pulse duration of the pulse.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Bezugspotential des impuls förmigen Ansteuersignals mit dem positiven Polarisierungspol des Wandlerelements verbunden und eine gegenüber der Polarisationsrichtung des Wandlerelements umgekehrte Polarität des Impulses verwendet. Dadurch wird auf einfache Weise sichergestellt, dass sich die Polarität der an dem Wandlerelement anliegenden Spannung entsprechend der Polarität des bipolaren Binärsignals ändert, wobei zunächst eine negative Spannung an dem Wandlerelement anliegt und der Impuls dann einen Übergang zu einer positiven Spannung bewirkt, so dass sich der Durch messer des Flüssigkeitskanals während des Ansteuerimpulses vergrößert.According to an advantageous development, the reference potential of the pulse shaped drive signal with the positive polarization pole of the transducer element connected and one opposite to the direction of polarization of the transducer element reverse polarity of the pulse used. This makes it easy ensures that the polarity of the applied to the transducer element Voltage changes according to the polarity of the bipolar binary signal, where first a negative voltage is applied to the converter element and the pulse then causes a transition to a positive tension, so that the through The diameter of the liquid channel increased during the control pulse.
Bei dem Wandlerelement handelt es sich vorzugsweise um ein piezokeramisches Röhrchen, wobei der Flüssigkeitskanal durch eine von dem piezokeramischen Röhrchen umschlossene Glaskapillare gebildet wird. Dadurch können die für die Stabilität der Tropfenerzeugung entscheidende Form der Düse und Schärfe der Abreißkante auf einfache Weise durch Verjüngung der Kapillare und anschließendes Schleifen der Kapillarspitze erreicht werden.The transducer element is preferably a piezoceramic Tube, the liquid channel through one of the piezoceramic Tube-enclosed glass capillary is formed. This allows the for Stability of the drop generation crucial shape of the nozzle and sharpness of the Tear-off edge in a simple way by tapering the capillary and then Grinding of the capillary tip can be achieved.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below using a preferred exemplary embodiment and explained in more detail with reference to the drawing figures. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Eindüsentropfengenerators gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, Fig. 1 is a schematic representation of a Eindüsentropfengenerators according to the preferred embodiment,
Fig. 2 ein prinzipielles Schaltbild zur Erläuterung der Schaltung des Wandlerelements mit einem Impulsgenerator gemäß dem bevorzug ten Ausführungsbeispiel, Fig. 2 is a basic circuit diagram for explaining the circuit of the transducer element with a pulse generator according to the Favor th embodiment,
Fig. 3 einen bipolaren Binärimpuls zur Ansteuerung des Tropfengenerators gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel und Fig. 3 shows a bipolar binary pulse for driving the drop generator according to the preferred embodiment and
Fig. 4 Meßdiagramme zur Darstellung des Änderungsbereichs stabil erzeugter Tropfendurchmesser bei verschiedenen Flüssigkeiten. Fig. 4 measurement diagrams to show the range of change stably generated drop diameter for different liquids.
Im folgenden wird ein piezoelektrischer Eindüsentropfengenerator als das bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben. The following is a piezoelectric single nozzle drop generator as that preferred embodiment described.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des drucklos arbeitenden Tropfengene rators mit einem piezokeramischen Röhrchen 1 als polarisierbares Wandlerelement, in das eine Glaskapillare 2 eingeklebt ist. Der Außendurchmesser der Glaskapillare 2 ist somit durch den Innendurchmesser des piezokeramischen Röhrchens 1 vorgegeben. Durch bekannte Verfahren wird eine Verjüngung der Glaskapillare 2 beispielsweise durch Anschmelzen oder Pullen erreicht. Danach wird die Spitze der Glaskapillare 2 derart geschliffen und poliert, dass eine Düse entsteht. Die Form der Düse und die Schärfe der Abreißkante sind für die Stabilität der Erzeugung eines Flüssigkeitstropfens 3 entscheidend. Der in Fig. 1 gezeigte Aufbau des Tropfenge nerators entspricht im wesentlichen dem in der vorgenannten Druckschrift US 3,902,083 beschriebenen Aufbau. Fig. 1 shows a schematic representation of the depressurized drop generator with a piezoceramic tube 1 as a polarizable transducer element, in which a glass capillary 2 is glued. The outer diameter of the glass capillary 2 is thus predetermined by the inner diameter of the piezoceramic tube 1 . Known methods achieve a tapering of the glass capillary 2, for example by melting or pulling. The tip of the glass capillary 2 is then ground and polished in such a way that a nozzle is formed. The shape of the nozzle and the sharpness of the tear-off edge are decisive for the stability of the generation of a liquid drop 3 . The structure of the Tropfenge generator shown in Fig. 1 corresponds essentially to the structure described in the aforementioned document US 3,902,083.
Das piezokeramische Röhrchen 1 weist zwei Anschlüsse zum Anlegen einer Ansteuerspannung UP auf. Im unteren Teil der Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht des piezokeramischen Röhrchens 1 dargestellt. Gemäß der Querschnittsansicht ist einer der Anschlüsse mit einer auf der äußeren Oberfläche 11 des piezokeramischen Röhrchens 1 angeordneten Elektrode verbunden und der andere Anschlußdraht mit einer auf der inneren Oberfläche 12 des piezokeramischen Röhrchens 1 angeord neten Elektrode. Dabei ist das piezokeramische Röhrchen 1 so polarisiert, dass eine Änderung der Ansteuerspannung UP zu einer Verlängerung bzw. Verkürzung des piezokeramischen Röhrchens 1 und damit zu einer Verkleinerung bzw. Vergrößerung des Innendurchmessers der Glaskapillare 2 führt. Durch eine solche Formänderung strömt eine Flüssigkeit aus einem Vorratstank in die Glaskapillare 2 nach und wird anschließend aus der Glaskapillare 2 als Flüssigkeitstropfen 3 ausgestoßen. Durch die Polarisierung des piezokeramischen Röhrchens 1 ergibt sich demnach eine Verlängerung bzw. Kontraktion des piezokeramischen Röhrchens 1 in Abhängigkeit der Polarität der Ansteuerspannung UP. Weist die angelegte Ansteuerspannung UP die gleiche Polarität auf wie die Polarisierungsspannung des piezokeramischen Röhrchens 1, so verlängert sich das piezokeramische Röhrchen 1 und kontraktiert, d. h. der Innendurchmesser der Glaskapillare 2 verringert sich. Weist dagegen die Ansteuerspannung UP eine zur Polarisierungsspannung umgekehrte Polarität auf, so verkürzt sich das piezokeramische Röhrchen 1 und sein Innendurchmesser wird geweitet, d. h der Innendurchmesser der Glaskapillare 2 vergrößert sich. Der maximale Energieeintrag wird erzielt, wenn das piezokeramische Röhrchen 1 bei einer Änderungsflanke der Ansteuerspannung UP sowohl eine Aufweitung als auch eine Kontraktion durchläuft. Dies wird durch Ansteuerung mit einem bipolaren Binärsignal erreicht. Daher wird zur Ansteuerung des piezoelektrischen Eindüsen tropfengenerators ein bipolares Binärsignal verwendet, wobei die Impulsdauer eines zur Tropfenerzeugung verwendeten Impulses des bipolaren Binärsignals zur Erzeugung monodisperser Tropfen mit variablem Durchmesser verändert wird.The piezoceramic tube 1 has two connections for applying a control voltage U P. In the lower part of FIG. 1, a cross-sectional view of the piezoceramic tube 1 is shown. According to the cross-sectional view, one of the connections is connected to an electrode arranged on the outer surface 11 of the piezoceramic tube 1 and the other connection wire is connected to an electrode arranged on the inner surface 12 of the piezoceramic tube 1 . The piezoceramic tube 1 is polarized such that a change in the control voltage U P leads to an extension or shortening of the piezoceramic tube 1 and thus to a reduction or enlargement of the inside diameter of the glass capillary 2 . Such a change in shape causes a liquid to flow from a storage tank into the glass capillary 2 and is then expelled from the glass capillary 2 as a liquid drop 3 . The polarization of the piezoceramic tube 1 accordingly results in an extension or contraction of the piezoceramic tube 1 as a function of the polarity of the drive voltage U P. , The applied driving voltage U P has the same polarity as the polarization voltage of the piezoceramic tube 1, so the piezoceramic tube extended and contracted 1, the inner diameter of the glass capillary 2 that is reduced. On the other hand, if the control voltage U P has a polarity which is reversed to the polarization voltage, the piezoceramic tube 1 is shortened and its inside diameter is widened, ie. h the inner diameter of the glass capillary 2 increases. The maximum energy input is achieved when the piezoceramic tube 1 undergoes both an expansion and a contraction on a change flank of the control voltage U P. This is achieved by driving with a bipolar binary signal. A bipolar binary signal is therefore used to control the piezoelectric injection nozzle drop generator, the pulse duration of a pulse of the bipolar binary signal used to generate drops being changed to generate monodisperse drops with a variable diameter.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild zur Erläuterung der Schaltung eines zur Erzeugung des bipolaren Signals verwendeten Impulsgenerators 5 mit dem piezokeramischen Röhrchen 1. Gemäß Fig. 2 ist der positive Polarisierungspol des Piezokristalls an der inneren Oberfläche 12 des piezokeramischen Röhrchens 1 angeordnet, während sich der negative Polarisierungspol des Piezokristalls an der äußeren Oberfläche 11 befindet. Das Bezugspotential (z. B. Massepotential) ist über eine Bezugssignalleitung 6 mit dem positiven Polarisierungspol des Piezokristalls des piezokeramischen Röhrchens 1 verbunden. Eine bipolare Signalleitung 7 des Impulsgenerators 5 ist mit dem negativen Polarisierungspol des Piezokristalls des piezokeramischen Röhrchens 1 verbunden, so dass der Piezokristall entgegen seiner Polarisierungsrichtung angeschlossen ist. Ferner weist der Impulsgenerator 5 einen externen Anschluss zur Steuerung der Impulsdauer Ti des Ansteuerimpulses auf, so dass der Tropfendurchmesser bzw. das Tropfenvolumen durch geeignete Wahl der Impulsdauer Ti steuerbar ist. FIG. 2 shows a schematic circuit diagram to explain the circuit of a pulse generator 5 with the piezoceramic tube 1 used to generate the bipolar signal. According to Fig. 2 of the positive Polarisierungspol of the piezoelectric crystal is disposed on the inner surface 12 of the piezoceramic tube 1, while the negative Polarisierungspol is of the piezoelectric crystal to the outer surface 11 of. The reference potential (eg ground potential) is connected via a reference signal line 6 to the positive polarization pole of the piezo crystal of the piezoceramic tube 1 . A bipolar signal line 7 of the pulse generator 5 is connected to the negative polarization pole of the piezo crystal of the piezoceramic tube 1 , so that the piezo crystal is connected against its polarization direction. Furthermore, the pulse generator 5 has an external connection for controlling the pulse duration T i of the control pulse, so that the drop diameter or the drop volume can be controlled by a suitable choice of the pulse duration T i .
Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm mit einem bipolaren Binärimpuls zur Ansteuerung des piezokeramischen Röhrchens 1. Unter Berücksichtigung der in Fig. 2 gezeigten Schaltung des Impulsgenerators 5 ergibt sich die folgende mechanische Wirkung des Ansteuerimpulses. Zuerst liegt eine negative Spannung an dem Piezokristall des piezokeramischen Röhrchens 1 an (d. h. die Polarität der Ansteuerspannung entspricht der Polarisierung des Piezokristalls), und der Innendurchmesser des piezokeramischen Röhrchens 1 ist verringert (Kontraktion). Danach folgt eine positive Impulsflanke und der Ansteuerimpuls geht in den positiven Bereich der Spannung über, so dass eine zur Polarisationsrichtung des Piezokristalls entgegen gesetzt gepolte Spannung UP anlegt. Der Innendurchmesser des piezokeramischen Röhrchens 1 weitet sich für die Dauer des positiven Ansteuerimpulses auf (Expansion). Die Flüssigkeit strömt somit aus dem Vorratstank in die Glaskapillare 2 nach und wird bei der fallenden Impulsflanke aufgrund des Übergangs vom expandierten Zustand der Glaskapillare 2 in den kontraktierten Zustand der Glaskapillare 2 als Tropfen 3 ausgestoßen. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch in Abhängigkeit einer vorgegebenen Impulsfrequenz. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Frequenzen und damit Tropfenfolgen bis zu einer Frequenz von einigen kHz erreichbar. Fig. 3 shows a timing diagram showing a bipolar binary pulse for driving the piezoelectric ceramic tube 1.. Taking into account the circuit of the pulse generator 5 shown in FIG. 2, the following mechanical effect of the control pulse results. First, a negative voltage is applied to the piezo crystal of the piezoceramic tube 1 (ie the polarity of the drive voltage corresponds to the polarization of the piezocrystal), and the inner diameter of the piezoceramic tube 1 is reduced (contraction). This is followed by a positive pulse edge and the drive pulse transitions into the positive range of the voltage, so that a voltage U P which is polarized opposite to the direction of polarization of the piezo crystal is applied. The inner diameter of the piezoceramic tube 1 expands for the duration of the positive control pulse (expansion). The liquid thus flows from the storage tank into the glass capillary 2 and is expelled as drops 3 on the falling pulse edge due to the transition from the expanded state of the glass capillary 2 to the contracted state of the glass capillary 2 . This process is repeated periodically depending on a predetermined pulse frequency. According to the preferred exemplary embodiment, frequencies and thus drop sequences can be reached up to a frequency of a few kHz.
Die Varianz des Tropfendurchmessers wird durch Vorgabe verschiedener Impulsbreiten eingestellt, wobei der Tropfendurchmesser bei größerer Impulsbreite ansteigt. Die Impulsbreite wird je nach gewünschter Tropfengröße zwischen 3 µs und 100 µs eingestellt.The variance of the drop diameter is different by specifying Pulse widths set, the drop diameter with a larger pulse width increases. Depending on the desired drop size, the pulse width is between 3 µs and set to 100 µs.
Der Impulsgenerator 5 ist demnach so ausgestaltet, dass er in Abhängigkeit eines externen Signals einen bipolaren binären Ansteuerimpuls mit variabler Impulsdauer Ti erzeugt. Dabei ist zu beachten, dass gemäß Fig. 2 die Polarität des Potentials der bipolaren Signalleitung 7 mit jeder Impulsflanke wechselt und die Bezugs signalleitung 6 ein festes Bezugspotential aufweist. Es ist jedoch auch eine Ausgestaltung denkbar, bei der sich die Potentiale beider Signalleitungen 6 und 7 so ändern, dass sich die Polarität der Ansteuerspannung UP mit jeder Impulsflanke umkehrt. Der Impulsgenerator 5 kann als Digitalschaltung oder Analogschaltung in bekannter Weise realisiert sein.The pulse generator 5 is accordingly designed such that it generates a bipolar binary control pulse with a variable pulse duration T i as a function of an external signal. It should be noted that, according to FIG. 2, the polarity of the potential of the bipolar signal line 7 changes with each pulse edge and the reference signal line 6 has a fixed reference potential. However, an embodiment is also conceivable in which the potentials of both signal lines 6 and 7 change such that the polarity of the control voltage U P is reversed with each pulse edge. The pulse generator 5 can be implemented as a digital circuit or analog circuit in a known manner.
Fig. 4 zeigt Meßdiagramme zur Darstellung der stabil erzeugten Tropfendurch messer mit einem Düsendurchmesser von 60 µm. Die Meßwerte wurden mittels eines Phasen-Doppler-Anemometers (PDA) ermittelt, wobei für jeden Datenpunkt 5000 Tropfendurchmesser ausgewertet wurden. Die jeweilige Standardabweichung der Datenpunkte lag zwischen 0,25 µm und 0,7 µm. Als Probeflüssigkeit wurde im oberen Diagramm bidestilliertes Wasser und im unteren Diagramm eine Flüssigkeit mit 50% Glycerin verwendet, um den Einfluss der Viskosität auf den Tropfengene rator zu untersuchen. Hierbei zeigte sich, dass die Viskosität lediglich in den Grenzbereichen das Verhalten des Tropfengenerators beeinflusst. Fig. 4 shows measurement diagrams to show the stable generated drop diameter with a nozzle diameter of 60 microns. The measured values were determined using a phase Doppler anemometer (PDA), 5000 drop diameters being evaluated for each data point. The respective standard deviation of the data points was between 0.25 µm and 0.7 µm. In the upper diagram, double-distilled water was used as the sample liquid and in the lower diagram a liquid with 50% glycerol was used to investigate the influence of viscosity on the drop generator. It was found that the viscosity only affects the behavior of the drop generator in the limit areas.
Gemäß dem oberen Diagramm in Fig. 4 können bei bidestilliertem Wasser Tropfendurchmesser zwischen 12 µm und 80 µm stabil erzeugt werden. Dies entspricht einem Tropfenvolumen zwischen 0,8 × 10-12 l und 268 × 10-12 l. Das Verhältnis der Tropfenvolumen beträgt somit 1 : 297, was eine deutliche Verbesserung gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik darstellt. Bei dem in der horizontalen Achse angegebenen Einstellparameter handelt es sich um die Impulsbreite des bipolaren Binärimpulses.According to the upper diagram in FIG. 4, droplet diameters between 12 μm and 80 μm can be stably produced in the case of bidistilled water. This corresponds to a drop volume between 0.8 × 10 -12 l and 268 × 10 -12 l. The ratio of the drop volumes is thus 1: 297, which represents a significant improvement over the prior art mentioned at the beginning. The setting parameter specified in the horizontal axis is the pulse width of the bipolar binary pulse.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, weist der piezoelektrische Eindüsentropfengenerator gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gegenüber den bekannten Tropfengeneratoren entscheidende Vorteile auf. So kann ein Eindüsenkopf für Tropfenvolumen zwischen 0,8 × 10-12 l und 268 × 10-12 l (Tropfendurchmesser zwischen 12 µm und 100 µm) verwendet werden, wobei beliebige Tropfendurchmesser im Bereich von 12 µm bis 80 µm einstellbar sind. Durch den erhöhten Energieeintrag besteht eine extrem geringe Verstopfungsgefahr der Düse bei der Erzeugung kleiner Tropfendurchmesser (kleiner 40 µm). Darüber hinaus folgen die Tropfen aufgrund der durch den höheren Energieeintrag erhöhten Tropfengeschwindigkeit (Erhöhung von ca. 2 m/s auf ca. 3 bis 5 m/s) der geometrischen Achse der Glaskapillare 2 mit hoher Genauigkeit. Diese Ortsstabilität ist von entscheidender Bedeutung für die zukünftige Entwicklung von 16-fach und 32-fach-Dispensern.As can be seen from the above description, the piezoelectric single nozzle drop generator according to the preferred exemplary embodiment has decisive advantages over the known drop generators. A nozzle head for drop volumes between 0.8 × 10 -12 l and 268 × 10- 12 l (drop diameter between 12 µm and 100 µm) can be used, with any drop diameter in the range of 12 µm to 80 µm being adjustable. Due to the increased energy input, there is an extremely low risk of clogging of the nozzle when generating small droplet diameters (less than 40 µm). In addition, the drops follow the geometric axis of the glass capillary 2 with high accuracy due to the drop speed increased by the higher energy input (increase from approx. 2 m / s to approx. 3 to 5 m / s). This local stability is of crucial importance for the future development of 16-fold and 32-fold dispensers.
Der Eindüsentropfengenerator gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist im Bereich der Biotechnologie für die Entwicklung von Gensensoren und für Dosierungsaufgaben einsetzbar. Ferner ist ein Einsatz in der optischen Partikelmeßtechnik und der Aerosolforschung möglich, wo insbesondere ein Interesse an kugelförmigen Partikeln besteht, die optisch homogen und gleichzeitig eine möglichst glatte Oberfläche aufweisen sollen. Dies wird am einfachsten durch Flüssigkeitstropfen garantiert, die im Größenbereich unter 100 µm im allgemeinen ideal sphärisch sind.The single drop generator according to the preferred embodiment is in Area of biotechnology for the development of gene sensors and for dosing tasks used. It is also used in optical particle measurement technology and aerosol research possible, where in particular an interest in spherical There are particles that are visually homogeneous and at the same time as smooth as possible Should have surface. The easiest way to do this is by dropping liquid guaranteed, which are generally ideally spherical in the size range below 100 µm.
Durch den erfindungsgemäßen Tropfengenerator wird ein stabileres Einschalt
verhalten, eine erhöhte Langzeitstabilität und eine punktgenaue Dosierung erreicht,
da die Tropfen stets in der geometrischen Achse des Flüssigkeitskanals folgen und
mit einer erhöhten Geschwindigkeit ausgestoßen werden. Generell lassen sich
monodisperse Tropfen unterschiedlichen Durchmessers mit demselben Tropfenge
neratorkopf erzeugen, wobei der Tropfendurchmesser gemäß der nachfolgenden
Gleichung veränderbar ist:
The drop generator according to the invention provides a more stable switch-on behavior, increased long-term stability and precise dosing, since the drops always follow in the geometrical axis of the liquid channel and are expelled at an increased speed. In general, monodisperse drops of different diameters can be generated with the same drop generator head, the drop diameter being changeable according to the following equation:
0,3 × dDüse < dTropfen < 1,35 × dDüse.0.3 × d nozzle <d drop <1.35 × d nozzle .
Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Glaskapillare 2 als Flüssigkeitskanal und das piezokeramische Röhrchen 1 als Wandlerelement beschränkt ist. Es sind vielfältige Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns möglich. So ist beispielsweise die Verwendung anderer bekannter polarisierbarer Wandlerelemente denkbar, wie beispielsweise elektrostriktive oder magnetostriktive Wandlerelemente, deren Formänderungsrichtung zumindest zu einem gewissen Grad von der Polarität eines Ansteuersignals abhängig ist.It should be noted that the present invention is not limited to the glass capillary 2 as a liquid channel and the piezoceramic tube 1 as a transducer element. A variety of modifications are possible in the context of professional action. For example, the use of other known polarizable transducer elements is conceivable, such as, for example, electrostrictive or magnetostrictive transducer elements whose direction of change in shape depends at least to a certain extent on the polarity of a control signal.
Claims (11)
- a) einem Flüssigkeitskanal (2) zur Aufnahme einer Flüssigkeit;
- b) einem polarisierbaren Wandlerelement (1) mit Anschlusselektroden zum Anlegen eines impulsförmigen Ansteuersignals, wobei das Wandlerelement (1) so ausgestaltet ist, dass eine in Abhängigkeit der Polarität des Ansteuersignals hervorgerufene Formänderung des Wandlerelements (1) zu einer Änderung des Querschnitts des Flüssigkeits kanals (2) führt, um dadurch eine Tropfenabgabe anzuregen, und
- c) einer Impulserzeugungseinrichtung (5) zum Erzeugen des impulsförmigen Ansteuersignals,
- a) die Impulserzeugungseinrichtung (5) ausgestaltet ist zum Erzeugen eines bipolaren Binärsignals als das impulsförmige Ansteuersignal.
- a) a liquid channel ( 2 ) for receiving a liquid;
- b) a polarizable transducer element ( 1 ) with connection electrodes for applying a pulse-shaped control signal, the transducer element ( 1 ) being designed such that a change in shape of the transducer element ( 1 ) caused by the polarity of the control signal leads to a change in the cross section of the liquid channel ( 2 ), thereby stimulating droplet delivery, and
- c) a pulse generating device ( 5 ) for generating the pulse-shaped control signal,
- a) the pulse generating device ( 5 ) is designed to generate a bipolar binary signal as the pulse-shaped control signal.
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