DE102009050782B4

DE102009050782B4 - Hohle, Aktuator-getriebene Tröpfchenabgabevorrichtung

Info

Publication number: DE102009050782B4
Application number: DE102009050782.5A
Authority: DE
Inventors: Young Bog Ham; Jung Ho Park; So Nam Yun; Sang Gyu Choi
Original assignee: Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Current assignee: Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: US8678299B2; DE102009050782A1; US20100102093A1

Abstract

Tröpfchenabgabevorrichtung, umfassend:ein elastisches Rohr mit einem elastischen Körper, in dem ein Speicherraum begrenzt wird, das sich über eine vorbestimmte Länge erstreckt; undeinen hohlen Aktuator, der einen hohlen, piezoelektrischen Stapel aufweist, der durch Stapeln von mehreren Lagen von piezoelektrischen Bauelementen, auf denen jeweils eine Elektrode aufgetragen ist, auf entgegengesetzten Stirnflächen einer dünnen Keramikschicht konstruiert ist, und der um die äußere Oberfläche des elastischen Rohres herum angebracht ist, um das elastische Rohr in einer Längsrichtung des elastischen Rohrs zu expandieren und zu kontrahieren, wenn eine äußere Spannung angelegt wird, und um eine Kraft und eine Verlagerung in der Längsrichtung zu erzeugen, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird,wobei das elastische Rohr einen Verformungsteil umfasst, der auf einer äußeren Oberfläche des elastischen Körpers, die dem hohlen Aktuator entspricht, vorgesehen ist, undwobei sich der hohle Aktuator in der Längsrichtung des elastischen Rohrs expandiert oder kontrahiert, wenn die äußere Spannung angelegt wird, wodurch das Volumen des Innenraums des elastischen Rohrs verringert oder vergrößert wird.

Description

QUERBEZUG ZU VERWANDTER ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nummer 10-2008-0106557 , eingereicht am 29. Oktober 2008, und der koreanischen Patentanmeldung Nummer 10-2009-0097599 , eingereicht am 14. Oktober 2009, wobei der gesamte Inhalt dieser Anmeldung für alle Zwecke durch diesen Bezug hierin aufgenommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tröpfchenabgabevorrichtung zum präzisen Abgeben einer festen Menge von Tröpfchen und spezieller eine hohle, Aktuator-getriebene Tröpfchenabgabevorrichtung, die ein Rohr und einen hohlen, geschichteten, piezoelektrischen Aktuator umfasst, wobei der piezoelektrische Aktuator durch Stapeln mehrerer Lagen von piezoelektrischen Bauelementen, auf denen jeweils eine Elektrode aufgetragen ist, auf entgegengesetzten Stirnflächen eines hohlen, piezoelektrischen Keramikkörpers konstruiert ist, so dass sich das Rohr ansprechend auf eine Längsexpansion und -kontraktion der piezoelektrischen Bauelemente expandieren und kontrahieren kann, um Inhalt aufzunehmen oder abzugeben.
Die hohle, Aktuator-getriebene Tröpfchenabgabevorrichtung der vorliegenden Erfindung kann die Inhaltsmenge, die aus dem Rohr abzugeben ist, präzise steuern, indem eine Spannung gesteuert wird, die den piezoelektrischen Bauelementen zugeführt wird, da der Aktuator aus hohlen, geschichteten, piezoelektrischen Bauelementen konstruiert ist.
Beschreibung des Standes der Technik
Ausstoßen eines Strahls von Mikrotröpfchen ist für verschiedene Industrien verwendbar, wie z.B.
Präzisionsmaschinen-, Halbleiter-, chemische Prozessgeräte- und medizinische und biologische Industrien. Insbesondere kann Ausstoßen eines Strahls von Mikrotröpfchen für einen Herstellungsprozess von Halbleitern und Anzeigeeinrichtungen der nächsten Generation verwendbar sein. Außerdem ist diese Technik für die verschiedensten Verpackungen, eine Superpräzisionsfarbmusterung, einen digitalen Textildruck, eine Formgebung von Miniaturteilen, chemische Analysegeräte und Biochips/Biosensoren anwendbar. Ausstoßen eines Strahls von Mikrotröpfchen ist eine von den Schlüsselverfahrenstechniken hinsichtlich Produktausbeute und Produktivität.
Für ein solches Ausstoßen eines Strahls von Mikrotröpfchen wird im Allgemeinen ein Abgabeverfahren verwendet, für das ein pneumatischer Antrieb, der Druckluft und ein elektronisches Ventil verwendet, eingesetzt wird. Jedoch ist aufgrund der Kompressibilität von Luft eine Präzision verringert, und eine Gerätelebensdauer ist aufgrund eines Düsenverstopfens verringert, wodurch Herstellungskosten erhöht werden.
Um solche Nachteile auszugleichen, wurde eine Abgabevorrichtung zum Ausstoßen von Tröpfchen in Strahlform entwickelt, die aus piezoelektrischen Bauelementen konstruiert ist.
Eine Abgabeeinrichtung auf Grundlage von piezoelektrischen Bauelementen verwendet eine Biegebeanspruchung eines dünnen, scheibenartigen, piezoelektrischen Bauelements oder betätigt ein Metalldiaphragma, wobei die Längsverlagerung eines geschichteten, piezoelektrischen Aktuators verwendet wird. Jedoch weist die vorhandene Abgabeeinrichtung eine komplizierte Struktur auf und ist sperrig.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine geschichtete, Aktuator-getriebene Tröpfchenabgabevorrichtung bereitzustellen, die genauer und schneller ansprechen kann. Diese Aufgabe wird durch eine Tröpfchenabgabevorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei eine Treibeinrichtung verwendet wird, die mit einem hohlen Aktuator konstruiert ist, der einen großen Kraftbetrag mit einer hohen Ansprechgeschwindigkeit erzeugen kann.
Es wird eine hohle, Aktuator-getriebene Tröpfchenabgabevorrichtung bereitgestellt, die ein Rohr und einen hohlen, geschichteten, piezoelektrischen Aktuator umfasst, wobei der piezoelektrische Aktuator durch Stapeln von mehreren Lagen von piezoelektrischen Bauelementen, auf denen jeweils eine Elektrode aufgetragen ist, auf entgegengesetzten Stirnflächen eines hohlen, piezoelektrischen Keramikkörpers konstruiert ist, so dass sich das Rohr ansprechend auf eine Längsexpansion und -kontraktion der piezoelektrischen Bauelemente expandieren und kontrahieren kann, um einen Inhalt aufzunehmen oder abzugeben.
In einem Aspekt der Erfindung umfasst die Tröpfchenabgabevorrichtung: ein elastisches Rohr mit einem elastischen Körper, in dem ein Speicherraum begrenzt wird und das sich über eine vorbestimmte Länge erstreckt; und einen hohlen Aktuator, der um das elastische Rohr herum angebracht ist, um das elastische Rohr in einer Längsrichtung des elastischen Rohrs zu expandieren und zu kontrahieren, wenn eine äußere Spannung angelegt wird, und um eine Kraft und eine Verlagerung in der Längsrichtung zu erzeugen, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Der hohle Aktuator expandiert oder kontrahiert sich in der Längsrichtung des elastischen Rohrs, wenn die äußere Spannung angelegt wird, wodurch das Volumen des Innenraums des elastischen Rohrs verringert oder vergrößert wird.
Im einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Verformungsteil eine balgartige Konfiguration auf.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das elastische Rohr ein Innengewindeelement aufweisen, das mit einem Außengewindeteil im Schraubeingriff steht, der auf der äußeren Oberfläche des Körpers des elastischen Rohrs gebildet ist. Das Innengewindeelement steht in Kontakt mit einem Ende des hohlen Aktuators.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das elastische Rohr auch ein Schutzgehäuse umfassen. Das Schutzgehäuse weist eine obere Öffnung, die fest um einen Einlass des elastischen Rohrs herum angebracht ist, und eine untere Öffnung, die in einem vorbestimmten Abstand von einem Auslass des elastischen Rohrs angeordnet ist, auf.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung enthält der Verformungsteil einen mittigen Teil, der einen konstanten Innendurchmesser aufweist und sich über eine vorbestimmte Länge erstreckt, einen ersten Randteil, der den mittigen Teil mit einem Einlass verbindet und einen Querschnitt aufweist, der sich in Richtung auf den Einlass im Durchmesser verringert, und einen zweiten Randteil, der den mittigen Teil mit einem Auslass verbindet und einen Querschnitt aufweist, der sich in Richtung auf den Auslass im Durchmesser verringert.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Tröpfchenabgabevorrichtung auch einen oberen Flansch, der mit einem Außengewindeteil im Schraubeingriff steht, der auf einer äußeren Oberfläche eines Einlasses des elastischen Rohrs gebildet ist, und einen unteren Flansch, der mit einem Außengewindeteil im Schraubeingriff steht, der auf einer äußeren Oberfläche eines Auslasses des elastischen Rohrs gebildet ist, enthalten. Der obere Flansch steht in Kontakt mit einem oberen Ende des hohlen Aktuators, und der untere Flansch steht in Kontakt mit einem unteren Ende des hohlen Aktuators.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Außendurchmesser des Verformungsteils kleiner als derjenige eines Einlasses und eines Auslasses, und die äußere Oberfläche des Verformungsteils ist nach außen gekrümmt, so dass ein konvexer Querschnitt gebildet wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Tröpfchenabgabevorrichtung auch einen oberen Flansch, der mit einem Außengewindeteil im Schraubeingriff steht, der auf einer äußeren Oberfläche eines Einlasses gebildet ist, und einen unteren Flansch, der sich von einem Auslass des elastischen Rohrs nach außen erstreckt, enthalten. Der obere Flansch steht in Kontakt mit einem Ende des hohlen Aktuators, und der untere Flansch steht in Kontakt mit dem anderen Ende des hohlen Aktuators.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Tröpfchenabgabevorrichtung auch eine Abgabedüse enthalten, die auf dem Auslass des elastischen Rohrs vorgesehen ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Tröpfchenabgabevorrichtung auch eine elastische Formmasse enthalten, die zwischen dem elastischen Rohr und dem hohlen Aktuator eingespritzt ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Tröpfchenabgabevorrichtung auch einen Rückflussverhinderer enthalten, der auf dem Einlass des elastischen Rohrs bereitgestellt wird.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann die hohle, Aktuator-getriebene Tröpfchenabgabevorrichtung das elastische Rohr pressen, um das Volumen des Innenraums des Rohres zu expandieren oder zu kontrahieren, wobei der hohle Aktuator verwendet wird, der ansprechend auf eine Anlegespannung schnell eine Verlagerung erzeugen kann, so dass eine feste Inhaltsmenge aus dem Rohr ausgestoßen und darin aufgenommen werden kann. Demgemäß kann die hohle, Aktuator-getriebene Tröpfchenabgabevorrichtung aufgrund einer einfachen Gesamtstruktur und einer einfachen Montagestruktur Herstellungskosten verringern, aufgrund ihres kleinen Volumens für die Konstruktion eines leichten und dünnen Profils verwendbar sein und eine hohe Ansprechgeschwindigkeit aufweisen.
Weiter ist die hohle, Aktuator-getriebene Tröpfchenabgabevorrichtung zum Abgeben einer hochviskosen Flüssigkeit durch eine starke Kraft leicht anwendbar, die in vertikalen und horizontalen Richtungen erzeugt wird, wenn sich der hohle Aktuator in der Längsrichtung des elastischen Rohrs expandiert und kontrahiert. Außerdem kann die nach außen abzugebende Inhaltsmenge durch eine Kraft und eine Verlagerung präzise gesteuert werden, die im Verhältnis zu einer Spannung stehen, die an den hohlen Aktuator (oder einen rohrförmigen Aktuator) angelegt wird.
Die Gegenstände der vorliegenden Erfindung weisen weitere Merkmale und Vorteile auf, die aus den beigefügten Zeichnungen, die hierin aufgenommen werden, sowie aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung ersichtlich werden oder in größerer Einzelheit darin dargelegt werden, die zusammen dazu dienen, gewisse Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erklären.
Figurenliste

1 ist eine Längsquerschnittsansicht, die eine Abgabevorrichtung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
die 2A und 2B sind Längsquerschnittsansichten, die jeweils einen Betriebszustand der in 1 dargestellten Abgabevorrichtung veranschaulichen, wobei 2A einen Aufnahmezustand und 2B einen Ausstoßzustand darstellt;
3 ist eine Längsquerschnittsansicht, die eine Abgabevorrichtung gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
die 4A und 4B sind Längsquerschnittsansichten, die jeweils einen Betriebszustand der in 3 dargestellten Abgabevorrichtung veranschaulichen, wobei 4A einen Aufnahmezustand darstellt und 4B einen Ausstoßzustand darstellt;
5 ist eine Längsquerschnittsansicht, die eine Abgabevorrichtung gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
die 6A und 6B sind Längsquerschnittsansichten, die jeweils einen Betriebszustand der in 5 dargestellten Abgabevorrichtung veranschaulichen, wobei 6A einen Aufnahmezustand darstellt und 6B einen Ausstoßzustand darstellt; und
7 ist eine Perspektivansicht, die die in 5 dargestellte Abgabevorrichtung veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun in Einzelheit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genommen, für die Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht und unten beschrieben sind. Während die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf diese beispielhaften Ausführungsformen begrenzen soll. Im Gegenteil soll die Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abdecken, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen, die im Geist und Umfang der Erfindung, wie durch die angefügten Ansprüche definiert, eingeschlossen sein mögen.
1 ist eine Längsquerschnittsansicht, die eine Abgabevorrichtung H gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, und die 2A und 2B sind Längsquerschnittsansichten, die jeweils einen Betriebszustand der in 1 dargestellten Abgabevorrichtung H veranschaulichen, wobei 2A einen Aufnahmezustand darstellt und 2B einen Ausstoßzustand darstellt.
Mit Bezug auf die 1, 2A und 2B umfasst die hohle, Aktuator-getriebene Abgabevorrichtung H gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ein elastisches Rohr 1 und einen hohlen Aktuator 2.
Das elastische Rohr 1 kann aus einem hohlen, elastischen Körper hergestellt sein, der eine vorbestimmte Länge aufweist, der durch eine äußere Kraft elastisch verformt werden kann. In dem hohlen, elastischen Körper des elastischen Rohrs 1 wird ein Innenraum begrenzt, der einen Inhalt, wie z.B. Flüssigkeit oder Pulver, enthalten kann.
Der hohle Aktuator 2 ist eine Treibeinrichtung, die um den Körper des elastischen Rohrs 1 herum fest angebracht ist und mit einer äußeren Stromquelle elektrisch verbunden ist. Wenn eine Versorgungsspannung angelegt wird, erzeugt der hohle Aktuator 2 eine äußere Kraft, um den ganzen oder einen spezifischen Teil des elastischen Rohrs 1 elastisch zu verformen, während er sich in der Längsrichtung des elastischen Rohrs 1 expandiert oder kontrahiert.
Das elastische Rohr 1 ist eine Einrichtung zum Enthalten und Ausstoßen eines abzugebenden Inhalts, wie z.B. Flüssigkeit oder Pulver, und kann aus einem Metall hergestellt sein, das eine ausgezeichnete elastische Verformung aufweist.
Wie in 1 dargestellt, weist das elastische Rohr 1 einen Verformungsteil 1a auf dem äußeren Teil des Körpers entsprechend der Position auf, wo der hohle Aktuator 2 angeordnet ist. Der Verformungsteil 1a ist elastisch verformbar, wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird.
Der Verformungsteil 1a kann einen balgartigen Längsquerschnitt aufweisen, der aus schrägen Abschnitten oder wellenförmigen Abschnitten zusammengesetzt ist, die sich periodisch wiederholen, um die Längsverlagerung zu maximieren. Der Verformungsteil 1a kann gebildet werden, indem ein mechanischer Prozess, wie z.B. Schneiden oder Fräsen, auf der äußeren Oberfläche des Körpers des elastischen Rohrs 1 ausgeführt wird.
Demgemäß verformt sich, wenn sich der hohle Aktuator 2 ansprechend auf eine daran angelegte Spannung in der Längsrichtung expandiert und kontrahiert, das elastische Rohr 1 elastisch, so dass eine Volumenänderung auftritt, indem der Durchmesser des Hohlraums im Innern des mittigen Teils des Körpers des elastischen Rohrs 1 verringert wird. Die elastische Verformung kann durch den Verformungsteil 1a mit der balgartigen Konfiguration leicht vergrößert werden.
Ein Außengewindeteil 1b ist auf der äußeren Oberfläche des Körpers des elastischen Rohrs 1 gebildet, und ein Innengewindeelement 15 steht im Eingriff mit dem Außengewindeteil 1b, um sich entlang der äußeren Oberfläche des Körpers des elastischen Rohrs zu bewegen.
Demgemäß kann, wenn das Innengewindeelement 15 entlang dem Außengewindeteil 1b geschraubt wird, während es in Kontakt mit einem Ende des hohlen Aktuators 2, der auf der äußeren Oberfläche des Körpers des elastischen Rohrs 1 angeordnet ist, gehalten wird, der Aktuator 2 einer Druckvorbelastung ausgesetzt werden, während er in der Schraubrichtung gepresst wird, und gleichzeitig kann der Verformungsteil 1a einer Druckvorbelastung ausgesetzt werden. Ansonsten bewegt sich der Aktuator 2 nicht leicht, da das andere Ende in Kontakt mit dem elastischen Rohr 1 steht.
Es ist erforderlich, dass der Aktuator 2 in diesem Stadium auf eine solche Weise angeordnet ist, dass der Aktuator 2 nicht leicht bewegbar ist, insbesondere dadurch, dass das andere Ende des Aktuators 2 so angeordnet wird, dass es in Kontakt mit einem gestuften Teil steht, der in die äußere Oberfläche des Körpers des elastischen Rohrs 1 eingelassen ist oder aus ihr vorsteht.
Obwohl das Innengewindeelement 15 so veranschaulicht und beschrieben worden ist, dass es mit dem Außengewindeteil im Eingriff steht, der auf der äußeren Oberfläche des Körpers des elastischen Rohrs 1 über dem Verformungsteil 1a gebildet ist, um von oben nach unten geschraubt zu werden, soll dies nicht begrenzend sein. Vielmehr kann das Innengewindeelement 15 alternativ mit einem Außengewindeteil in Eingriff gebracht werden, der auf der äußeren Oberfläche des Körpers des elastischen Rohrs unter dem Verformungsteil gebildet ist, um von unten nach oben geschraubt zu werden.
Ein Ende des Aktuators 2, d.h. das obere Ende, steht in Kontakt mit einem spezifischen Teil des elastischen Rohrs 1 oder dem Innengewindeelement 15 oder ist als Einheit damit verbunden, und das andere Ende des Aktuators 2, d.h. das untere Ende, steht in Kontakt mit einem spezifischen Teil des elastischen Rohrs 1 oder ist als Einheit damit verbunden.
Außerdem kann der hohle Aktuator 2 ein hohler, piezoelektrischer Stapel sein, der durch Stapeln von mehreren Lagen von piezoelektrischen Bauelementen, auf denen jeweils eine Elektrode aufgetragen ist, auf entgegengesetzten Stirnflächen einer dünnen Keramikschicht konstruiert ist. Jedoch soll dies nicht beschränkend sein. Vielmehr kann der hohle Aktuator ausgewählt werden aus: einem elektromagnetischen Aktuator, einem Elektropolymeraktuator, einem Formgedächtnislegierungsaktuator, einem elektrischen, motorgetrieben, linearen Aktuator und dergleichen, die eine Kraft und eine Verlagerung in der Längsrichtung erzeugen können, wenn eine Spannung angelegt wird.
Außerdem kann, wie in den 1, 2A und 2B dargestellt, ein Schutzgehäuse 10 bereitgestellt werden, um den hohlen Aktuator 2 und das elastische Rohr 1 gegen die Außenumgebung zu schützen.
Das Schutzgehäuse 10 weist eine obere Öffnung 10a und eine untere Öffnung 10b auf. Die obere Öffnung 10a ist an der äußeren Oberfläche eines Einlasses 11 befestigt, durch den ein Inhalt in das elastische Rohr 1 eingeführt wird. Die untere Öffnung 10b ist in einem vorbestimmten Abstand von einem Auslass 12 angeordnet, durch den ein Inhalt aus dem elastischen Rohr 1 abgegeben wird. Das Schutzgehäuse 10 kann sowohl das elastische Rohr 1 als auch den hohlen Aktuator 2 gegen die Außenumgebung schützen, wenn das elastische Rohr 1 und der hohle Aktuator 2 im Innern eines Innenraums des Schutzgehäuses 10 angeordnet sind.
Der Auslass 12 des elastischen Rohrs 1 liegt der unteren Öffnung 10a des Schutzgehäuses 10 in einem vorbestimmten Abstand gegenüber und ist auf derselben imaginären vertikalen Achse wie die untere Öffnung 10a des Schutzgehäuses 10 angeordnet. Der Innendurchmesser der unteren Öffnung 10b ist derselbe wie oder größer als derjenige des Auslasses 12, so dass ein Inhalt, der aus dem Auslass 12 des elastischen Rohrs 1 ausgestoßen wird, aus dem Schutzgehäuse 10 durch die untere Öffnung 10b ausgestoßen werden kann.
Demgemäß kommt, wenn ein Inhalt durch den Auslass 12 des elastischen Rohrs 1, das äußerste Ende der Düse, abgegeben wird, selbst wenn das untere Ende des elastischen Rohrs 1 in der vertikalen Richtung durch eine mikroskopische Verlagerung, die von einer wiederholten Expansion und Kontraktion des hohlen Aktuators 12 herrührt, in Schwingung versetzt wird, das untere Ende des elastischen Rohrs 1 nicht in Kontakt mit dem Schutzgehäuse 10, und es kann der Abstand zwischen dem unteren Ende des Schutzgehäuses 10 und einem Gegenstand, wie z.B. einem Substrat, auf den ein Inhalt, der aus dem Auslass 12 abgegeben wird, tropft, konstant gehalten werden. Infolgedessen können Tröpfchen, d.h. abgegebener Inhalt, stabil zu einer gewünschten Position abgegeben werden.
Ein Kabelelement (nicht dargestellt), das mit dem hohlen Aktuator 2 elektrisch verbunden ist, um Strom zuzuführen, erstreckt sich durch das Schutzgehäuse 10 nach außen.
3 ist eine Längsquerschnittsansicht, die eine Abgabevorrichtung H' gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, und die 4A und 4B sind Längsquerschnittsansichten, die jeweils einen Betriebszustand der in 3 dargestellten Abgabevorrichtung H' veranschaulichen, wobei 4A einen Aufnahmezustand darstellt und 4B einen Ausstoßzustand darstellt.
Mit Bezug auf die 3, 4A und 4B umfasst die hohle, Aktuator-getriebene Abgabevorrichtung H' gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ein elastisches Rohr 1' und einen hohlen Aktuator 2'.
Das elastische Rohr 1' ist ein hohler, elastischer Körper mit einer vorbestimmten Länge, der durch eine äußere Kraft elastisch verformt werden kann. In dem hohlen, elastischen Körper des elastischen Rohrs 1' wird ein Innenraum begrenzt, der Inhalt, wie z.B. Flüssigkeit oder Pulver, enthalten kann. Der hohle Aktuator 2' ist eine Treibeinrichtung, die eine äußere Kraft erzeugt, um den ganzen Teil oder einen spezifischen Teil des elastischen Rohrs 1' elastisch zu verformen, während er sich in der Längsrichtung des elastischen Rohrs 1' expandiert oder kontrahiert, wenn eine Versorgungsspannung angelegt wird.
Wie in 3 dargestellt, weist das elastische Rohr 1' einen Verformungsteil 1a' auf dem äußeren Teil des Körpers entsprechend der Position auf, wo der hohle Aktuator 2' angeordnet ist. Der Verformungsteil 1a' ist elastisch verformbar, wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird.
Der Verformungsteil 1a' umfasst einen mittigen Teil, der einen konstanten Innendurchmesser aufweist und sich eine vorbestimmte Länge erstreckt, einen ersten Randteil, der den mittigen Teil mit einem Einlass 11' verbindet, und einen zweiten Randteil, der den mittigen Teil mit einem Auslass 12' verbindet. Der Querschnitt des ersten Randteils verringert sich in Richtung auf den Einlass 11' im Durchmesser, und der Querschnitt des zweiten Randteils verringert sich in Richtung auf den Auslass 12' im Durchmesser. Mit dieser Konfiguration weist das sich verformende Teilstück 1' einen Querschnitt auf, der verhältnismäßig weiter als derjenige des Einlasses 11' und des Auslasses 12' ist.
Demgemäß wird, wenn sich der hohle Aktuator 2' ansprechend auf eine daran angelegte Spannung in der Längsrichtung expandiert und kontrahiert, das elastische Rohr 1' elastisch verformt, so dass eine Volumenänderung auftritt, indem der Durchmesser des Hohlraums im Innern des mittigen Teils des Körpers des elastischen Rohrs 1' verringert wird. Die elastische Verformung kann durch den Verformungsteil 1a' leicht vergrößert werden, dessen Innendurchmesser größer als derjenige des Einlasses und des Auslasses ist.
Der Verformungsteil 1a' kann einen balgartigen Querschnitt aufweisen, wie oben in der ersten beispielhaften Ausführungsform offenbart.
Die Abgabevorrichtung H' gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst auch einen oberen Flansch 20' und einen unteren Flansch 21'. Der obere Flansch 20' und der untere Flansch 21' weisen Innengewindelöcher auf, mit denen die Außengewinde 1b' und 1c', die auf den äußeren Oberflächen des Einlasses 11' bzw. des Auslasses 12' des elastischen Rohrs 1' gebildet sind, im Schraubeingriff stehen. Der obere Flansch 20' und der untere Flansch 21' sind entlang der äußeren Oberfläche des Körpers des elastischen Rohrs 1' bewegbar und stehen in Kontakt mit dem oberen bzw. unteren Ende des hohlen Aktuators 2'. Der hohle Aktuator 2' ist so angeordnet, dass er das elastische Rohr 1' zwischen dem oberen Flansch 20', der mit dem Einlass 11' des elastischen Rohrs 1' im Schraubeingriff steht, und dem unteren Flansch 21', der mit dem Auslass 12' des elastischen Rohrs 1' im Schraubeingriff steht, umgibt.
Demgemäß kann, wenn einer von dem oberen Flansch 20' und dem unteren Flansch 21' entlang den Außengewinden 1b' oder 1c' geschraubt wird, während er in Kontakt mit dem oberen oder unteren Ende des hohlen Aktuators 2' gehalten wird, der hohle Aktuator 2' einer Druckvorbelastung ausgesetzt werden, während er in der Schraubrichtung gepresst wird.
Außerdem ist der hohle Aktuator 2' mit einem vorbestimmten Abstand von dem Verformungsteil 1a' des elastischen Rohrs 1' so angeordnet, dass er den Verformungsteil 1a' umgibt und sich nicht nur in der Längsrichtung, sondern auch in der Radialrichtung expandieren und kontrahieren kann, wenn eine Spannung angelegt wird. Wenn eine elastische Formmasse 3' in den Raum zwischen dem hohlen Aktuator 2' und dem elastischen Rohr 1' eingespritzt wird, können die Verlagerungen in der Längsrichtung und der Radialrichtung des hohlen Aktuators 2' durch die elastische Formmasse 3' an den Verformungsteil 1a' abgegeben werden, um Inhalt aus dem elastischen Rohr 1' durch den Auslass 12' zur Außenseite abzugeben oder um den Aufnahmebetrieb von Inhalt durch den Einlass 11' zu verbessern.
Weiter kann eine Abgabedüse 4' auf dem Auslass 12' des elastischen Rohrs 1' vorgesehen sein, um die Richtung oder die auszustoßende Inhaltsmenge präziser zu steuern.
5 ist eine Längsquerschnittsansicht, die eine Abgabevorrichtung H" gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, die 6A und 6B sind Längsquerschnittsansichten, die jeweils einen Betriebszustand der in 5 dargestellten Abgabevorrichtung H" veranschaulichen, wobei 6A einen Aufnahmezustand darstellt und 6B einen Ausstoßzustand darstellt, und 7 ist eine Perspektivansicht, die die in 5 dargestellte Abgabevorrichtung veranschaulicht.
Mit Bezug auf die 5 bis 7, umfasst die hohle, Aktuator-getriebene Abgabevorrichtung H" gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ein elastisches Rohr 1" und einen hohlen Aktuator 2" wie die erste und zweite beispielhafte Ausführungsform.
Das elastische Rohr 1" ist ein hohler, elastischer Körper mit einer vorbestimmten Länge, der durch eine äußere Kraft elastisch verformt werden kann. In dem hohlen, elastischen Körper des elastischen Rohrs 1" wird ein Innenraum begrenzt, der einen Inhalt, wie z.B. Flüssigkeit oder Pulver, enthalten kann. Der hohle Aktuator 2" ist eine Treibeinrichtung, die eine äußere Kraft erzeugt, um den ganzen Teil oder einen spezifischen Teil des elastischen Rohrs 1" elastisch zu verformen, während er sich in der Längsrichtung des elastischen Rohrs 1" expandiert oder kontrahiert, wenn eine Versorgungsspannung angelegt wird.
Wie in 5 dargestellt, weist das elastische Rohr 1" einen Verformungsteil 1a" auf dem äußeren Teil des Körpers entsprechend der Position auf, wo der hohle Aktuator 2" angeordnet ist. Der Verformungsteil 1a" ist elastisch verformbar, wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird.
Der Außendurchmesser des Verformungsteils 1a" ist kleiner als derjenige des Einlasses 11" und des Auslasses 12", und die äußere Oberfläche des Verformungsteils 1a" ist nach außen gekrümmt, um einen konvexen Querschnitt zu bilden.
Demgemäß wird, wenn sich der hohle Aktuator 2" ansprechend auf eine daran angelegte Spannung in der Längsrichtung expandiert und kontrahiert, das elastische Rohr 1" elastisch verformt, so dass eine Volumenänderung auftritt, indem der Durchmesser des Hohlraums im Innern des mittigen Teils des Körpers des elastischen Rohrs 1" verringert wird. Die elastische Verformung kann durch den Verformungsteil 1a" leicht vergrößert werden, dessen Außendurchmesser kleiner als derjenige des Einlasses und des Auslasses ist.
Der Verformungsteil 1a" kann einen balgartigen Querschnitt, wie in der ersten beispielhaften Ausführungsform oben offenbart, oder einen Querschnitt, wie in der zweiten beispielhaften Ausführungsform oben offenbart, aufweisen, in der sich der Innendurchmesser mehr als der Einlass und der Auslass expandiert.
Die Abgabevorrichtung H" gemäß der dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst auch einen oberen Flansch 20" und einen unteren Flansch 21". Der obere Flansch 20" weist ein Innengewindeloch auf, mit dem die Außengewinde 1b", die auf der äußeren Oberfläche des Einlasses 11" des elastischen Rohrs 1" gebildet sind, im Schraubeingriff stehen. Der obere Flansch 20' ist entlang der äußeren Oberfläche des Körpers des elastischen Rohrs 1" bewegbar, um in Kontakt mit dem oberen Ende des hohlen Aktuators 2" zu kommen. Der untere Flansch 21" erstreckt sich in der radialen Auswärtsrichtung von dem Auslass 12" des elastischen Rohrs 1" und steht in Kontakt mit dem unteren Ende des hohlen Aktuators 2". Der hohle Aktuator 2" ist so angeordnet, dass er das elastische Rohr 1" zwischen dem oberen Flansch 20", der mit dem Einlass 11" des elastischen Rohrs 1" im Schraubeingriff steht, und dem unteren Flansch 21", der auf dem Auslass 12" des elastischen Rohrs 1" als Einheit vorgesehen ist, umgibt.
Demgemäß kann, wenn einer von dem oberen Flansch 20" entlang den Außengewinden 1b" geschraubt wird, während der obere Flansch 20'' und der untere Flansch 21" in Kontakt mit dem oberen oder unteren Ende des hohlen Aktuators 2" bleiben, der hohle Aktuator 2" einer Druckvorbelastung ausgesetzt werden, während er in der Schraubrichtung gepresst wird.
Außerdem ist der hohle Aktuator 2" mit einem vorbestimmten Abstand von dem Verformungsteil 1a" des elastischen Rohrs 1" so angeordnet, dass er den Verformungsteil 1a" umgibt, und kann sich nicht nur in der Längsrichtung, sondern auch in der Radialrichtung expandieren und kontrahieren, wenn eine Spannung angelegt wird. Wenn eine elastische Formmasse 3" in den Raum zwischen dem hohlen Aktuator 2" und dem elastischen Rohr 1" eingespritzt wird, können die Verlagerungen in der Längsrichtung und der Radialrichtung des hohlen Aktuators 2" durch die elastische Formmasse 3" an den Verformungsteil 1a" abgegeben werden, um einen Inhalt aus dem elastischen Rohr 1" durch den Auslass 12" nach außen abzugeben oder um den Aufnahmebetrieb von Inhalt durch den Einlass 11" zu verbessern.
Weiter kann eine Abgabedüse 4" auf dem Auslass 12" des elastischen Rohrs 1" bereitgestellt werden, um die Richtung oder die auszustoßende Inhaltsmenge präziser zu steuern.
Wie in den 2A, 2B, 4A, 4B, 6A und 6B dargestellt, führen die hohlen Aktuator-getriebenen Tröpfchenabgabevorrichtungen gemäß der ersten bis dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wiederholt ein Mikropumpen durch jede Expansion/Kontraktion des hohlen Aktuators entsprechend dem Verformungsteil des elastischen Rohrs aus. Beim Mikropumpen expandiert und kontrahiert sich der hohle Aktuator in der Längsrichtung elastisch, um von außen Inhalt in das elastische Rohr aufzunehmen, während eine vorgegebene Inhaltsmenge abgegeben wird.
Genauer gesagt expandiert sich, wie in den 2A, 4A und 6A dargestellt, wenn sich der hohle Aktuator in der Längsrichtung expandiert, das Volumen des Innenraums des elastischen Rohrs mehr als der Anfangsbereitschaftszustand, so dass Inhalt durch den Einlass eingeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird, obwohl sich der hohle Aktuator in der Radialrichtung kontrahiert, während er sich in der Längsrichtung expandiert, der Innenraum des elastischen Rohrs vergrößert, da das Ausmaß einer elastischen Expansion in der Längsrichtung größer als das Ausmaß einer elastischen Kontraktion in der Radialrichtung ist, wodurch der Aufnahmebetrieb von Inhalt erleichtert wird.
Außerdem kehrt, wie in den 2B, 4B und 6B dargestellt, wenn sich der hohle Aktuator in der Längsrichtung in dem Zustand kontrahiert, wo der Innenraum des elastischen Rohrs mit Inhalt, wie z.B. Flüssigkeit oder Pulver, gefüllt ist, der Verformungsteil des elastischen Rohrs, das in der Längsrichtung elastisch verformt ist, vom verformten Zustand zum ursprünglichen Zustand zurück, während er sich in der Längsrichtung kontrahiert, und das Volumen des Innenraums des elastischen Rohrs wird dasselbe wie oder kleiner als der Anfangsbereitschaftszustand, so dass eine vorgegebene Inhaltsmenge durch den Auslass abgegeben werden kann. Zu diesem Zeitpunkt wird, obwohl sich der hohle Aktuator in der Längsrichtung kontrahiert, während er sich in der Radialrichtung expandiert, der Innenraum des elastischen Rohrs verringert, da das Ausmaß einer elastischen Kontraktion in der Längsrichtung größer als das Ausmaß einer elastischen Expansion in der Radialrichtung ist, wodurch der Abgabebetrieb von Inhalt erleichtert wird.
Es ist möglich, eine vorgegebene Inhaltsmenge aus dem elastischen Rohr zu einem gewünschten Ort präzise bereitzustellen, indem der Aufnahme- und Abgabebetrieb des elastischen Rohrs auf Grundlage der Expansion und Kontraktion des hohlen Aktuators wiederholt werden.
Zusätzlich kann ein Rückflussverhinderer 11a", wie z.B. eine Durchgangsöffnung, auf dem Einlass 11" des elastischen Rohrs bereitgestellt werden, um zu verhindern, dass Inhalt, wie z.B. Flüssigkeit oder Pulver, in Richtung auf den Einlass 11" zurückfließt, sobald er in das elastische Rohr eingeführt ist.
Genauer gesagt, liegt der Rückflussverhinderer 11a" in der Form einer Durchgangsöffnung vor, die einen Durchlass mit einem Innendurchmesser, der sich in Richtung auf das elastische Rohr verringert, und einen Vorsprung, der auf dem inneren Ende ausgebildet ist, aufweist. Mit dieser Konfiguration kann der Rückflussverhinderer 11a" unter Verwendung des Vorsprungs auf dem inneren Ende verhindern, dass Inhalt zurückfließt.
Der Rückflussverhinderer 11a" kann selektiv als eine Rückflussverhütungsplatte anstelle der Durchgangsöffnung realisiert werden, um den Rückflussverhütungseffekt zu verstärken.
Die vorhergehenden Beschreibungen von spezifischen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind zwecks Veranschaulichung und Beschreibung dargelegt worden. Sie sollen nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die präzisen Formen, die offenbart sind, beschränken, und augenscheinlich sind viele Modifikationen und Variationen im Lichte der obigen Lehren möglich. Die beispielhaften Ausführungsformen wurden gewählt und beschrieben, um gewisse Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erklären, um dadurch Andere, die Fachleute sind, in den Stand zu setzen, verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowie verschiedene Alternativen und Modifikationen davon herzustellen und zu nutzen. Der Umfang der Erfindung soll durch die hieran angefügten Ansprüche und ihre Äquivalente definiert werden.

Claims

Tröpfchenabgabevorrichtung, umfassend: ein elastisches Rohr mit einem elastischen Körper, in dem ein Speicherraum begrenzt wird, das sich über eine vorbestimmte Länge erstreckt; und einen hohlen Aktuator, der einen hohlen, piezoelektrischen Stapel aufweist, der durch Stapeln von mehreren Lagen von piezoelektrischen Bauelementen, auf denen jeweils eine Elektrode aufgetragen ist, auf entgegengesetzten Stirnflächen einer dünnen Keramikschicht konstruiert ist, und der um die äußere Oberfläche des elastischen Rohres herum angebracht ist, um das elastische Rohr in einer Längsrichtung des elastischen Rohrs zu expandieren und zu kontrahieren, wenn eine äußere Spannung angelegt wird, und um eine Kraft und eine Verlagerung in der Längsrichtung zu erzeugen, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, wobei das elastische Rohr einen Verformungsteil umfasst, der auf einer äußeren Oberfläche des elastischen Körpers, die dem hohlen Aktuator entspricht, vorgesehen ist, und wobei sich der hohle Aktuator in der Längsrichtung des elastischen Rohrs expandiert oder kontrahiert, wenn die äußere Spannung angelegt wird, wodurch das Volumen des Innenraums des elastischen Rohrs verringert oder vergrößert wird.
Tröpfchenabgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verformungsteil eine balgartige Konfiguration aufweist.
Tröpfchenabgabevorrichtung nach Anspruch 1, bei der das elastische Rohr ein Innengewindeelement aufweist, das mit einem Außengewindeteil im Schraubeingriff steht, das auf der äußeren Oberfläche des Körpers des elastischen Rohrs gebildet ist, wobei das Innengewindeelement in Kontakt mit einem Ende des hohlen Aktuators steht.
Tröpfchenabgabevorrichtung nach Anspruch 1, bei der das elastische Rohr weiter ein Schutzgehäuse umfasst, wobei das Schutzgehäuse aufweist: eine obere Öffnung, die um einen Einlass des elastischen Rohrs herum fest angebracht ist, und eine untere Öffnung, die in einem vorbestimmten Abstand von einem Auslass des elastischen Rohrs angeordnet ist.
Tröpfchenabgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verformungsteil einen mittigen Teil mit einem konstanten Innendurchmesser umfasst und sich über eine vorbestimmte Länge erstreckt, einen ersten Randteil, der den mittigen Teil mit einem Einlass verbindet und einen Querschnitt aufweist, der sich in Richtung auf den Einlass im Durchmesser verringert, und einen zweiten Randteil, der den mittigen Teil mit einem Auslass verbindet und einen Querschnitt aufweist, der sich in Richtung auf den Auslass im Durchmesser verringert.
Tröpfchenabgabevorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend: einen oberen Flansch, der mit einem Außengewindeteil im Schraubeingriff steht, der auf einer äußeren Oberfläche eines Einlasses des elastischen Rohrs gebildet ist, wobei der obere Flansch in Kontakt mit einem oberen Ende des hohlen Aktuators steht; und einen unteren Flansch, der mit einem Außengewindeteil im Schraubeingriff steht, der auf einer äußeren Oberfläche eines Auslasses des elastischen Rohrs gebildet ist, wobei der untere Flansch in Kontakt mit einem unteren Ende des hohlen Aktuators steht.
Tröpfchenabgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Außendurchmesser des Verformungsteils kleiner als derjenige eines Einlasses und eines Auslasses ist und die äußere Oberfläche des Verformungsteils nach außen gekrümmt ist, um einen konvexen Querschnitt zu bilden.
Tröpfchenabgabevorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend: einen oberen Flansch, der mit einem Außengewindeteil im Schraubeingriff steht, der auf einer äußeren Oberfläche eines Einlasses gebildet ist, wobei der obere Flansch in Kontakt mit einem Ende des hohlen Aktuators steht; und einen unteren Flansch, der sich von einem Auslass des elastischen Rohrs nach außen erstreckt, wobei der untere Flansch in Kontakt mit dem anderen Ende des hohlen Aktuators steht.
Tröpfchenabgabevorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, weiter umfassend eine Abgabedüse, die auf dem Auslass des elastischen Rohrs vorgesehen ist.
Tröpfchenabgabevorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, weiter umfassend eine elastische Formmasse, die zwischen dem elastischen Rohr und dem hohlen Aktuator eingespritzt ist.
Tröpfchenabgabevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, weiter umfassend einen Rückflussverhinderer, der auf dem Einlass des elastischen Rohrs vorgesehen ist.