DE4314343A1 - Verfahren und Vorrichtung zur mikrofeinen Dosierung von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur mikrofeinen Dosierung von Flüssigkeiten. Die Notwendigkeit der mikrofeinen Dosierung von Flüssigkeiten besteht auf verschiedensten Gebieten der Technik, insbesondere in den Bereichen der Mikroelektronik und der Mikromechanik. Hier besteht die Forderung, Tröpfchen mit vorbestimmtem Volumen in vorbestimmten Zeitabständen aus einer Düse auszuspritzen. Weitgehende Anwendung finden Dosiereinrichtungen dieser Art in Tintenstrahldruckern, aber auch zum Beschichten kleiner und kleinster Flächen, beispielsweise mit Isolierüberzügen oder Klebern.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Dosiervorrichtung zur Verwendung als Punktschreiber für Registriergeräte, bei denen punktweise Registrierwerte mit mehr oder minder großen zeitlichen Abständen auf einen Aufzeichnungsträger aufgezeichnet werden müssen. Für den letztgenannten Zweck sind gegenwärtig fast ausschließlich Schreibspitzen in Benutzung, die mit Fasern ausgestattet sind, welche beim Berühren des Aufzeichnungsträgers über Kapillarwirkung eine Übertragung der Schreibflüssigkeit auf den Aufzeichnungsträger bewirken. Insbesondere bei langzeitig zu registrierenden Vorgängen und relativ großem zeitlichen Abstand der Aufzeichnung einzelner Registrierwerte ergeben sich hier oft ungleichmäßige Aufzeichnungen, weil die Tintenflüssigkeit nicht kontinuierlich ausfließen kann und durch Verschleiß, Schmutz und Austrocknung unterschiedliche Punktabdrucke entstehen.

Zur Dosierung feinster Flüssigkeitsmengen sind Tintenstrahldrucker bekannt, bei denen ein ringförmiges Piezoelement konzentrisch auf einem Glasröhrchen aufgekittet ist, dem aus einem Vorratsbehälter die Tintenflüssigkeit zugeführt wird. Durch Erregung des Piezoelementes wird das Glasröhrchen konzentrisch mit relativ großer Kraft über einen kleinen radialen Verstellweg gequetscht. Dadurch wird bei jedem Quetschvorgang ein Tropfen aus der Düse auf den Aufzeichnungsträger ausgespritzt, der einen vorbestimmten Abstand von der Düsenöffnung aufweisen kann. Hierbei muß der Durchmesser des Glasröhrchens und des ihn umschließenden Piezoelementes jeweils individuell auf die Viskosität der benutzten Schreibflüssigkeit angepaßt werden. Nachteilig an diesen Schreibelementen ist die Tatsache, daß bei Ausfall des Glasröhrchens durch Bruch oder Austrocknung jeweils mit dem Glasröhrchen auch das Piezoelement mit ersetzt werden muß, weil eine Reinigung des Röhrchens und eine Abnahme des Piezoelementes nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feindosierungs­ verfahren und eine insbesondere als Schreibspitze geeignete Feindosierungsvorrichtung zu schaffen, wodurch ein gleichmäßiger Auftrag auch bei Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität erreicht werden kann und bei Ausfall des die zu dosierende Flüssigkeit führenden Elementes eine einfache und kostengünstige Auswechslung möglich ist.

Verfahrensmäßig wird die gestellte Aufgabe gelöst durch die Gesamtheit der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Die für die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung wesentlichen Merkmale ergeben sich aus dem Patentanspruch 4.

Danach besteht das Wesen der Erfindung darin, daß zur Flüssigkeitszuführung ein elastischer Kapillarschlauch benutzt wird, dessen Querschnittsfläche durch jeweils einen senkrecht zur Achse geführten Schlag so gequetscht werden kann, daß der Durchgangsquerschnitt im wesentlichen Null wird. Bei jedem Schlag wird ein Flüssigkeitströpfchen ausgestoßen, wobei die in jedem Tröpfchen enthaltene Flüssigkeitsmenge abhängig ist von dem Innendurchmesser des Schlauches. Im Gegensatz zu den mit einem ringförmigen Piezoquarz versehenen bekannten Zuführungsröhrchen ist das Quetschelement bei der Erfindung nicht mit dem Schlauch verbunden, so daß dieser ausgewechselt werden kann, ohne daß es notwendig wäre, auch die Schlagelemente oder ihren Antrieb mit auszuwechseln.

Es sind zwar bereits Schlauchpumpen bekannt, bei denen eine Flüssigkeit oder eine plastische Masse durch Quetschen ausgetrieben wird, jedoch arbeiten diese Schlauchpumpen nach dem peristaltischen Prinzip mit periodischen zeitlich und räumlich aufeinanderfolgenden Quetschvorgängen. Demgegenüber wird erfindungsgemäß für jeden Tröpfchenausstoß nur ein einziger Schlag auf den Schlauch ausgeübt, der sich danach wieder auf die ursprüngliche Querschnittsform einstellt und kurzzeitig danach zum Ausspritzen eines weiteren Tröpfchens geeignet ist.

Durch die Erfindung können höhere Spritzdistanzen als beim bekannten Stand der Technik überbrückt werden, was darauf zurückzuführen ist, daß nach der Erfindung bei etwa gleichem Innendurchmesser eine größere Tropfenmasse ausgespritzt wird als beim Stand der Technik wodurch sich eine höhere Stabilität ergibt.

Der Innendurchmesser des erfindungsgemäß benutzten Schlauches beträgt vorzugsweise etwa 80-100 µm. Die obere Grenze liegt bei etwa 500 µm. Der Schlauch besteht vorzugsweise aus einem Polyesterelastomer, das die geforderte hohe Rückstellgeschwin­ digkeit aufweist. Je nach dem Innendurchmesser des Schlauches können kleinere oder größere Punkte hergestellt werden, die bei entsprechender Relativgeschwindigkeit zum Aufzeichnungsträger entweder als Punkte oder durchgehende Linien ausgedruckt werden. Eine Änderung ist auch durch die Höhe des Schlagdrucks und die Aufschlagfläche am Schlauch möglich.

Der Schlagimpuls wird vorzugsweise durch einen Hammer aufgebracht, dessen Bewegung über einen geeigneten Wandler hervorgerufen wird. Als Wandler kommen beispielsweise magnetostriktive, elektrostriktive oder auch akustische Wandler in Betracht. Bevorzugt wird jedoch ein Streifenpiezoquarz benutzt, der parallel zu dem auf einem Widerlager liegenden Schlauch geführt ist und an einem Ende eingespannt und am anderen Ende mit einem Hammergewicht versehen ist, das gegen den Schlauch in der Nähe seines Düsenendes schlägt. Die Erregung des Piezostreifens ist nach Frequenz und Amplitude einstellbar.

Ein wesentlicher Vorteil der Benutzung eines Piezoelementes besteht darin, daß mit relativ hohen Frequenzen von gegenwärtig von bis etwa 2000 Hz gearbeitet werden kann. Infolge der Streifenausbildung des piezoelektrischen Elementes kann ein relativ langer Arbeitsweg erhalten werden und die relativ geringe Kraft reicht aus, um die periodischen Flüssigkeitsstöße zu bewirken.

Wichtig für die Erfindung ist, daß durch den Hammer der gesamte Schlauchquerschnitt gequetscht wird, d. h. die Durchflußfläche wird im wesentlichen auf Null gebracht.

Es hat sich gezeigt, daß für ein zuverlässiges Arbeiten der erfindungsgemäßen Einrichtung die Ausbildung der Mündungsspitze des Schlauches von entscheidender Bedeutung ist. Bereits kleine Winkelabweichungen führen bei höheren Frequenzen zu einer Ablenkung des Strahls, was im allgemeinen nicht erwünscht ist, so daß Sorge dafür getragen werden muß, daß die Mündungsdüse rechtwinklig zur Schlauchachse begrenzt ist. In Sonderfällen kann jedoch diese Auslenkung erwünscht sein, so daß durch entsprechende Frequenzsteuerung die Auslenkung des Strahls bestimmt werden kann. Es ist auch möglich, auf das Schlauchaustrittsende eine entsprechend gestaltete Düse aufzusetzen.

Nach der Erfindung ausgebildete Schreibspitzen können dicht benachbart zueinander angeordnet werden, wodurch sich die Erfindung insbesondere als Mehrfarbenregisterschreiber eignet.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung in Gestalt einer Schreibspitze,

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Teiles II gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Teilansicht der Fig. 1 bei erregtem Hammer,

Fig. 4 eine Seitenansicht der Schreibspitze.

Die in der Zeichnung dargestellte Dosiervorrichtung weist eine im wesentlichen U-förmige Fassung 10 auf, deren einer Schenkel als Sockel 12 ausgebildet ist und deren anderer Schenkel eine Schutzabdeckung 14 bildet. Die Fassung 10 weist im oberen Teil eine Ausnehmung für einen Flüssigkeitstank 16 auf, in den ein Kapillarschlauch 18 von unten her dichtend einsteht, welcher durch eine Bohrung 20 der Fassung nach unten geführt ist und dem Sockel 12 anliegt und an diesem über Halterungen 22 lösbar befestigt ist. Die Mündung des Schlauches 18 steht nach unten ein Stück über den Sockel 22 vor. In die Fassung 10 ist das eine Ende eines Streifenpiezoelementes 24 mit elektrischen Anschlüssen 26 eingefügt, der sich zwischen den Schenkeln 12 und 14 der U-förmigen Fassung 10 etwa parallel zum Schlauch 18 erstreckt. Das untere Ende des Streifenpiezoelementes 24 trägt an der dem Schlauch 18 zugewandten Seite einen Hammer 28, dessen ebene Schlagfläche dicht benachbart zum Schlauch 18 liegt. Die flache, rechteckig ausgebildete Schlagfläche des Hammers 28 ist so bemessen, daß sie den Schlauch auch im zusammengequetschten verbreiterten Zustand vollständig beaufschlagt.

Durch Erregung des Streifenpiezoelementes 24 wird der Hammer 28 in Schwingungen versetzt und quetscht bei jeder Schwingungs­ bewegung den Schlauch in der aus 3 ersichtlichen Weise nahe dem Mündungsende zusammen, wodurch aufeinanderfolgend Flüssigkeitstropfen 30 in Achsrichtung herausgeschleudert werden, die auf einen Aufzeichnungsträger 32 in Gestalt einer Papierrolle gelangen. Die Erregung des Streifenpiezoelementes ist bezüglich Frequenz, Amplitude und Impuls einstellbar.

Mehrere der in der Zeichnung dargestellten Fassungen können senkrecht zur Zeichenebene gemäß Fig. 1 miteinander verbunden oder integral hergestellt sein, wodurch dicht benachbart zueinander Flüssigkeitstropen ausgestoßen werden können, die sich hinsichtlich Farbe, Viskosität oder dergleichen unterscheiden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht nur zur Beschriftung und zum Zeichnen von durchgehenden oder unterbrochenen Linien geeignet, sondern kann auch in zweckmäßiger Weise benutzt werden, um Schichten gleichmäßiger Dicke aus Flüssigkeiten oder halbflüssigem Material auf vorbestimmte Flächen zielgenau aufzubringen. Beispielsweise können Ein- oder Zweikomponenten­ kleber auf diese Weise gezielt an entsprechende Klebestellen herangeführt werden. Nach Beendigung des Schreib- oder Beschichtungsvorganges können die Kapillarschläuche 18 auf einfache Weise aus ihren Halterungen gelöst und mit oder ohne Tank entnommen werden, worauf neue Kapillarschläuche eingesetzt werden können, ohne daß es notwendig wäre, die relativ teuren Piezoelemente mit auszuwechseln.

Auch ist es auf einfache Weise möglich, einen Kapillarschlauch gegen einen anderen mit unterschiedlichem Durchmesser auszutauschen, wenn eine andere Tropfengröße gewünscht wird.

Die Dosiervorrichtung kann, wie aus der Zeichnung ersichtlich, mit vertikaler Anordnung des Kapillarschlauches vorgesehen werden. Es ist jedoch auch möglich, die Tropfen seitlich oder sogar nach oben auszuspritzen.

Bezugszeichenliste

10 Fassung
12 Sockel (Amboß)
14 Schutzabdeckung
16 Flüssigkeitstank
18 Kapillarschlauch
20 Bohrung
22 Halterung
24 Streifenpiezoelement
26 el. Anschlüsse
28 Hammer
30 Flüssigkeitstropfen
32 Aufzeichnungsträger

Claims (11)

1. Verfahren zur mikrofeinen Dosierung von Flüssigkeiten mit den folgenden Schritten:

• - die zu dosierende Flüssigkeit wird einem Kapillarschlauch (18) zugeführt, der an einem Ende offen ist und am anderen Ende mit einem Flüssigkeits-Reservoir (16) in Verbindung steht;
• - der Schlauch (18) wird in der Nähe seines offenen Endes einem Kraftimpuls quer zu seiner Achse ausgesetzt;
• - durch den impulsbedingten Kraftstoß wird der Kapillarschlauch derart deformiert, daß sein Durchflußquerschnitt eine minimale Fläche von im wesentlichen Null annimmt, wodurch eine der Querschnittsdeformation proportionale Flüssigkeitsmenge am offenen Ende ausgespritzt wird;
• - durch elastische Rückstellung wird der ursprüngliche Schlauchquerschnitt wieder hergestellt, wodurch sich infolge Kapillarwirkung der Schlauch aus dem Reservoir auffüllt, bevor ein erneuter Kraftimpuls auf den Schlauch einwirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftimpuls gegen den auf einem Widerlager (12) abgestützten Schlauch (18) durch einen flachen Hammer (28) ausgeführt wird, dessen Schlagbreite größer ist als die Schlauchbreite im deformierten Zustand.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftimpuls durch piezoelektrische Wirkung hervorgerufen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit den folgenden Merkmalen:

• - ein Flüssigkeitszuführungs-Kappilarschlauch (18) steht einerseits mit einem Flüssigkeits-Reservoir (16) in Verbindung;
• - der Schlauch (18) liegt einem Widerlagersockel (12) an;
• - auf der dem Sockel (12) gegenüberliegenden Seite des Schlauches (18) befindet sich ein Hammer (28) in der Nähe des offenen Schlauchendes;
• - der Hammer (28) ist in periodische Schwingungen in Richtung quer zur Schlauchachse versetzbar, um impulsartige Kraftstöße auf den Schlauch (18) auszuüben.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hammer (28) von einem parallel zum Schlauch angeordneten Streifenpiezoelement (24) getragen wird, der an seinem freien Ende eingespannt ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenende des Schlauches (18) um einen geringen Betrag nach vorn über den Sockel (12) vorsteht.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapillarschlauch (18) mit seinem Reservoir in seiner Fassung (10) auswechselbar gehaltert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im axialen Abstand vor dem Düsenende des Kapillarschlauches ein Aufzeichnungsträger (32) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kapillarschläuche (18) mit je einem Impulshammer nebeneinander angeordnet und zu einer Mehrfachdosiereinheit zusammengefaßt sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapillarschlauch (18) aus einem Polyesterelastomer besteht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Streifenpiezoelement ein Steuergerät zugeordnet ist, durch welches die Erregung des Piezoelemente nach Amplitude und Frequenz einstellbar ist.