DE69005671T2

DE69005671T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Tröpfchenstrahls.

Info

Publication number: DE69005671T2
Application number: DE69005671T
Authority: DE
Inventors: Shiokawa Shoko; Ueda Toshihiko; Matsui Yoshikazu
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1989-03-14
Filing date: 1990-03-14
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2010-03-15
Also published as: US5063396A; EP0387863B1; EP0387863A2; DE69005671D1; EP0387863A3; JPH02269058A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausstoßen von Tröpfchen.
Bei einer herkömmlichen Tröpfchenausstoßvorrichtung wird die Volumenwelle eines piezoelektrischen Elements dazu verwendet, einen wechselnden Druck auf die Flüssigkeit in einem geschlossenen Behälter auszuüben und dadurch Flüssigkeit in Form von Tröpfchen durch eine an den Behälter anschließende enge Düse auszustoßen.
Ein Beispiel einer herkömmlichen Tröpfchenausstoßvorrichtung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben. In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 11 eine in Form von Tröpfchen zu verspritzende Flüssigkeit; 12 einen Behälter, in den die Flüssigkeit gegeben wird, nämlich eine Druckkammer; 13 ein zylindrisches piezoelektrisches Element zum Ausüben eines Druckes auf die Flüssigkeit; 14 eine Düse zum Verspritzen der Flüssigkeit in Form von Tröpfchen; 15 ein einen Strömungswiderstand bildendes Element, um den Flüssigkeitsstrom zu begrenzen; 16 ein Ventil, damit die Flüssigkeit nur in Richtung auf die Düse fließen kann; und 17 einen Weg für die Flüssigkeitszufuhr.
Zwischen den Elektroden, die auf den inneren und äußeren Wänden des zylindrischen piezoelektrischen Elements 13 vorgesehen sind, wird eine Spannung angelegt, so daß sich das letztere 13 in radialer Richtung zusammenzieht. Als Ergebnis hiervon wird die Flüssigkeit 11 in der Druckkammer 12 unter Druck gesetzt, so daß sie durch das einen Strömungswiderstand bildende Element 15 hindurchtritt und aus der Düse 14 ausgestoßen wird. In dem Maße, wie die Flüssigkeitsmenge in der Druckkammer auf diese Weise abnimmt, wird die Flüssigkeit über den Flüssigkeitszufuhrweg 17 in die Kammer nachgeliefert. Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, wird die Flüssigkeit durch das Anlegen einer Wechselspannung an das piezoelektrische Element 13 nach und nach in Form von Tröpfchen aus der Düse 14 ausgestoßen. Die Verwendung von piezoelektrisch induzierten Schwingungen ist verschiedentlich in der Technik nachgewiesen. Beispielsweise zeigt das Dokument FR-A-2 261 653 die Übertragung von elastischen Wellen auf eine Oberfläche zur Ablenkung eines Sandstrahls, um einen Schneidvorgang zu bewirken.
Die herkömmliche Vorrichtung verwendet die Düse, um die gewünschten Tröpfchen zu bilden. Um die Tröpfchengröße zu verringern, ist es notwendig, den Durchmesser der Düse zu reduzieren. Die Herstellung einer derartigen Düse mit engem Durchmesser ist ziemlich schwierig. Wenn es sich bei der Flüssigkeit um Tinte handelt, leidet die Vorrichtung unter den folgenden Schwierigkeiten: Wenn die Tinte trocknet, verstopft die Düse, und daher ist die Wartung der Vorrichtung beschwerlich; das heißt, die Vorrichtung ist von geringer Zuverlässigkeit. Solche Schwierigkeiten können beseitigt werden, indem man außerdem einen Mechanismus, der das Trocknen der Tinte verhindert, oder einen Düsensäuberungsmechanismus in der Vorrichtung vorsieht. Jedoch kann das Hinzufügen eines derartigen Mechanismus andere Schwierigkeiten hervorrufen, nämlich daß die Vorrichtung in ihrer Konstruktion komplizierter wird, an Größe zunimmt und daß ihre Herstellungskosten steigen.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, die mit einer herkömmlichen Tröpfchenausstoßvorrichtung verbundenen, oben beschriebenen Schwierigkeiten zu beseitigen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung erreicht, bei denen eine fortschreitende Welle einer elastischen Rayleigh-Oberflächenwelle verwendet wird, um eine Flüssigkeit in Form von Tröpfchen aus der Ausbreitungsfläche derselben zu verspritzen.
Die Erfindung schafft daher ein Verfahren zum Ausstoßen von Tröpfchen, das die Erzeugung von elastischen Rayleigh- Oberflächenwellen und das Einbringen einer zu verspritzenden Flüssigkeit in den Ausbreitungsweg der elastischen Rayleigh- Oberflächenwelle gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 umfaßt.
Weitere vorteilhafte Merkmale dieses Verfahrens werden aus den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen ersichtlich. Die Erfindung schafft ebenfalls eine Tröpfchenausstoßvorrichtung mit Mitteln zum Erzeugen mindestens einer elastischen Rayleigh-Oberflächenwelle und Mitteln zum Einbringen einer in Form von Tröpfchen zu verspritzenden Flüssigkeit in den Ausbreitungsweg der elastischen Rayleigh Oberflächenwelle gemäß dem unabhängigen Anspruch 4. Weitere vorteilhafte Merkmale dieser Vorrichtung werden aus den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen ersichtlich. Die Erfindung schafft ferner eine Tröpfchenausstoßvorrichtung, die erfindungsgemäß umfaßt: ein piezoelektrisches Substrat aus einem piezoelektrischen Material, das eine elastische Rayleigh-Oberflächenwelle erzeugt, wobei das piezoelektrische Substrat geschliffene Oberflächen aufweist; ein Paar auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats vorgesehene Eingangselektroden zum Anlegen einer Wechselspannung an das piezoelektrische Substrat, um eine elastische Rayleigh-Oberflächenwelle zu erzeugen; und Mittel zum Einbringen einer in Form von Tröpfchen zu verspritzenden Flüssigkeit in den Ausbreitungsweg der so erzeugten elastischen Rayleigh- Oberflächenwelle.
Das Wesen, der Grundgedanke und der Nutzen der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, deutlicher werden.

Beigefügte Zeichnungen:

Fig. 1 ist ein erläuterndes Diagram zur Beschreibung des Arbeitsprinzips einer erfindungsgemäßen Tröpfchenausstoßvorrichtung, die eine elastische Rayleigh-Oberflächenwelle verwendet;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht zur Beschreibung der Wirkungsweise einer reflektierenden Platte, die der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung hinzugefügt ist;
Fig. 3 und 4 sind perspektivische Ansichten, die ein erstes und ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße Tröpfchenausstoßvorrichtung darstellen; und
Fig. 5 ist eine Schnittansicht, die eine herkömmliche Tröpfchenausstoßvorrichtung zeigt.
Das Prinzip und die Bauweise einer Tröpfchenausstoßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.
Die erfindungsgemäße Tröpfchenausstoßvorrichtung verwendet eine elastische Rayleigh-Oberflächenwelle und weist keine Düse auf. Für die Erzeugung einer elastischen Rayleigh-Oberflächenwelle ist ein Paar Eingangselektroden 2 auf einem Substrat 1, das aus einem piezoelektrischen Material besteht und geschliffene Oberflächen aufweist, vorgesehen. An die Eingangselektroden 2 wird ein elektrisches Wechselstromsignal angelegt, um eine elastische Rayleigh-Oberflächenwelle auszulösen. Eine Flüssigkeit, die in Form von Tröpfchen verspritzt werden soll, wird in den Ausbreitungsweg der elastischen Rayleigh- Oberflächenwelle des Substrats 1 eingebracht.
Genauergesagt befindet sich das Paar Eingangselektroden 2 auf ein und derselben Oberfläche des Substrats 1, es handelt sich beispielsweise um ineinander verschlungene, kammförmige Elektroden. Ein Wechselstrom-Generator 4 erzeugt eine Wechselspannung, die an die Eingangselektroden 2 angelegt wird. Ein Impulssignal-Generator 5 ist vorgesehen, um das Wechselstromsignal intermittierend auftreten zu lassen.
Wenn das elektrische Signal, das von dem Wechselstrom- Generator 4 mit Hilfe des Impulssignal-Generators ausgegeben wird, über die Eingangselektroden 2 an das Substrat 1 angelegt wird, liefert das letztere eine elastische Oberflächenwelle. Die so erzeugte elastische Oberflächenwelle pflanzt sich entlang der Oberfläche des Substrats 1 fort. Bei der elastischen Oberflächenwelle wirkt die Rayleigh-Welle mit den charakteristischen Merkmalen einer fortschreitenden Welle folgendermaßen, wenn die Flüssigkeit 3 auf die Ausbreitungsoberfläche aufgebracht wird. Das heißt, sie sendet Longitudinalwellen in die Flüssigkeit 3 aus, während sie an der Grenzfläche des Substrats 1 und der Flüssigkeit 3 fortschreitet, und verspritzt auf diese Weise einen Teil der Flüssigkeit in Form von Tröpfchen. In diesem Fall hängt der Durchmesser der so verspritzten Tröpfchen und die Anzahl der pro Zeiteinheit gebildeten Tröpfchen von den Eigenschaften wie Oberflächenspannung und Viskosität der Flüssigkeit 3 und von der Menge der letzteren 3, sowie von dem Material, der Richtung des Schliffs und der Beschaffenheit der Oberfläche (beispielsweise Glätte und ob die Oberfläche hydrophil oder hydrophob ist) und von der Frequenz des elektrischen Wechselstromsignals, insbesondere von der Frequenz und der Spannung des elektrischen Wechselstromsignals, und von der Frequenz und dem Tastverhältnis des Impulssignal-Generators 5 ab. Die Richtung, in welche die Tröpfchen verspritzt werden, stimmt im wesentlichen mit der Richtung des Vektors überein, der sich aus dem Vektor der Rayleighwellen-Strahlungsenergie und dem Vektor der Oberflächenspannung zusammensetzt. Die Strahlungsenergie hängt von der an die Eingangselektroden 2 angelegten Spannung ab, und die Richtung der Strahlungsenergie wird vom Verhältnis der Schallgeschwindigkeit im Substrat 1 in Richtung der Ausbreitung zur Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit 3 bestimmt.
Wie oben bereits beschrieben, kann der Durchmesser der so verspritzten Tröpfchen und die Anzahl der pro Zeiteinheit gebildeten Tröpfchen sowie die Flugrichtung der Tröpfchen, die von der Menge und den Eigenschaften der Flüssigkeit abhängen, stabilisiert werden, indem man in geeigneter Weise die über die Eingangselektroden 2 an das Substrat angelegte Spannung und ihre Frequenz sowie die Frequenz und das Tastverhältnis des Impulssignal-Generators 5 wählt.
Die Richtung und Position des Tröpfchenflugs kann gesteuert werden, indem man eine reflektierende Platte auf der Ausbreitungsoberfläche der elastischen Rayleigh-Oberflächenwelle des Substrats 1 vorsieht. Dies wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.
In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein piezoelektrisches Substrat; 6 eine reflektierende Platte zur Reflexion der Strahlungswelle, die mittels der elastischen Rayleigh- Oberflächenwelle auf eine Flüssigkeit übertragen wird; und 3 die in Form von Tröpfchen zu verspritzende Flüssigkeit. Die Flugrichtung der Tröpfchen entspricht im wesentlichen der Richtung des aus dem Vektor der Strahlungsenergie der elastischen Rayleigh-Oberflächenwelle und dem Vektor der Oberflächenspannung des Tröpfchens zusammengesetzten Vektors, wie es oben bereits beschrieben wurde. Die Richtung der Strahlungsenergie kann jedoch durch Reflexion der auf die Flüssigkeit übertragenen Strahlungsenergie an der reflektierenden Platte 6 geändert werden; genauergesagt, sie kann geändert werden durch die Einstellung des Winkels θ, der von der reflektierenden Platte 6 und dem Substrat 1 gebildet wird. Das heißt, die Flugrichtung der Tröpfchen kann ohne weiteres durch das Vorsehen einer reflektierenden Platte auf der Ausbreitungsoberfläche der elastischen Rayleigh-Oberflächenwelle des Substrats 1 geändert werden.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Tröpfchenausstoßvorrichtung, welche die elastische Rayleigh- Oberflächenwelle verwendet.
In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein piezoelektrisches Substrat; 2 kammförmige Eingangselektroden, an die eine Wechselspannung angelegt wird; 3 eine in Form von Tröpfchen zu verspritzende Flüssigkeit; 4 einen Generator für ein Wechselstromsignal; 5 einen Impulssignal-Generator; 6 eine reflektierende Platte; 7 eine Röhre für die Flüssigkeitszufuhr; 8 einen Einlauf für die Flüssigkeitszufuhr; und 9 eine Schutzhülle für die kammförmigen Elektroden.
Der Wechselstromgenerator 4 und der Impulssignal-Generator, welcher ein elektrisches Wechselstromsignal intermittierend auftreten läßt, wirken zusammen, um ein elektrisches Signal zu erzeugen. Das so erzeugte elektrische Signal wird an die kammförmigen Eingangselektroden 2 angelegt, um eine elastische Oberflächenwelle auf dem piezoelektrischen Substrat 1 zu bilden. Von der elastischen Oberflächenwelle sendet die Rayleigh-Welle mit den charakteristischen Merkmalen einer fortschreitenden Welle Longitudinalwellen in die Flüssigkeit 3 auf ihrer Ausbreitungsoberfläche aus. Diese Strahlungsenergie wird von der reflektierenden Platte 6 reflektiert, um die Flüssigkeit in Form von Tröpfchen zu verspritzen. In diesem Fall können die Tröpfchen durch das Einstellen des Winkels der reflektierenden Platte in bezug auf das piezoelektrische Substrat 1 in eine gewünschte Richtung verspritzt werden. Die Flüssigkeit wird aus einer Flüssigkeitsquelle (nicht dargestellt) durch die Flüssigkeitszufuhrröhre 7 und den Einlauf 8 nachgeliefert, so daß die zu verspritzende Flüssigkeit 3 im wesentlichen mengenmäßig konstant gehalten wird. Die Schutzhülle 9 für die kammförmigen Elektroden wird verwendet, um zu verhindern, daß die kammförmigen Eingangselektroden 2 von der Flüssigkeit befeuchtet werden und beschädigt werden. Die Schutzhülle 9 ist so angebracht, daß sie nicht den Wirkungsgrad der Auslösung der elastischen Rayleigh-Oberflächenwelle herabsetzt; das heißt, sie ist so angebracht, daß sie nicht die kammförmigen Elektroden und den Ausbreitungsweg der Oberflächenwelle, ausgenommen den Teil, wo sie mit der Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird, berührt.
Ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße Tröpfchenausstoßvorrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. In Fig. 4 sind Teile, die funktionsmäßig mit den unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen Teilen übereinstimmen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Ferner bezeichnet in Fig. 4 das Bezugszeichen 10 einen Multiplexer. Wie aus dem Vergleich zwischen Fig. 3 und 4 deutlich wird, kann das zweite Beispiel der Tröpfchenausstoßvorrichtung erhalten werden, indem man eine Vielzahl von ersten Beispielen, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind (nachstehend als "Einheits-Tröpfchenausstoßvorrichtungen" bezeichnet) nebeneinander anordnet. Das elektrische Wechselstromsignal wird durch den Multiplexer 10 an die kammförmigen Eingangselektroden 2 der Vielzahl von Einheits-Tröpfchenausstoßvorrichtungen angelegt. Der Multiplexer 10 arbeitet so, daß er das elektrische Wechselstromsignal je nach Verwendung der Vorrichtung selektiv an die kammförmigen Eingangselektroden 2 anlegt.
So werden die Flüssigkeiten 3 auf den Ausbreitungswegen der elastischen Rayleigh-Oberflächenwellen in Antwort auf die elektrischen Wechselstromsignale, die von dem Multiplexer 10 selektiv an die kammförmigen Eingangselektroden 2 angelegt werden, verspritzt.
Wie aus den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen deutlich wird, besitzt die Tröpfchenausstoßvorrichtung einen breiten Anwendungsbereich. Das heißt, durch verschiedenartiges Anordnen der in Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen läßt sich eine Vielfalt von Tröpfchenausstoßvorrichtungen bilden.
Wie oben beschrieben wurde, verwendet die Tröpfchenausstoßvorrichtung der Erfindung die fortschreitende Welle der elastischen Rayleigh-Oberflächenwelle. Daher ist die Vorrichtung einfach in der Konstruktion und besitzt keine Düse; das heißt, es besteht bei ihr nicht das Problem, daß die Düse durch eine Flüssigkeit wie Tinte verstopft.

Claims

51. Verfahren zum Ausstoßen von Tröpfchen, das folgende Schritte umfaßt: Erzeugen von elastischen Rayleigh-Oberflächenwellen, und Einbringen eines zu verspritzenden Flüssigkeitstropfens in den Ausbreitungsweg der elastischen Rayleigh-Oberflächenwelle,
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ferner eine Rayleigh-Welle mit den charakteristischen Merkmalen einer fortschreitenden Welle erzeugt wird, die Longitudinalwellen in der Flüssigkeit aussendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem desweiteren die Aussendungsenergie reflektiert wird, um die Flüssigkeit in Form von Tröpfchen in eine gewünschte Richtung zu verspritzen.
4. Tröpfchenausstoßvorrichtung, mit Mitteln (1, 2, 45) zum Erzeugen mindestens einer elastischen Rayleigh-Oberflächenwelle und Mitteln (8) zum Einbringen einer in Form eines Tröpfchenstrahls zu verspritzenden Flüssigkeit (3) in den Ausbreitungsweg der elastischen Rayleigh-Oberflächenwelle,
5. Tröpfchenausstoßvorrichtung nach Anspruch 4, mit einem piezoelektrischen Substrat (1) aus einem piezoelektrischen Material, das in der Lage ist, eine elastische Rayleigh-Oberflächenwelle zu erzeugen, wobei das piezoelektrische Substrat geschliffene Oberflächen aufweist;

mindestens einem Paar Eingangselektroden (2) auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (1) zum Anlegen einer Wechselspannung an das piezoelektrische Substrat, um eine elastische Rayleigh-Oberflächenwelle auf dessen Oberfläche zu erzeugen;

Mitteln (4) zum Erzeugen eines an die Eingangselektroden (2) anzulegenden elektrischen Wechselstromsignals;

Impulssignalerzeugungsmitteln (5) zum Erzeugen eines Impulssignals, welches das elektrische Wechselstromsignal des Mittels (4) zum Erzeugen des elektrischen Wechselstromsignals intermittierend auftreten läßt und Mitteln (7, 8) zum Einbringen einer in Form eines Tröpfchenstrahls zu verspritzenden Flüssigkeit in den Ausbreitungsweg der elastischen Rayleigh-Oberflächenwelle.
6. Tröpfchenausstoßvorrichtung nach Anspruch 5, die ferner Kontrollmittel (6) auf dem piezoelektrischen Substrat (1) zur Steuerung einer Flugrichtung und -position der Tröpfchen aufweist.
7. Tröpfchenausstoßvorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Kontrollmittel (6) eine reflektierende Platte und/oder eine Schutzhülle (9) zum Abdecken der Eingangselektroden (2) aufweist.
8. Tröpfchenausstoßvorrichtung nach Anspruch 6, bei der ein Winkel der Platte (6) in bezug auf das piezoelektrische Substrat (1) einstellbar ist, um die Tröpfchen in eine gewünschte Richtung zu verspritzen.
9. Tröpfchenausstoßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 5 bis 8, die desweiteren einen Multiplexer (10) zum selektiven Anlegen des elektrischen Wechselstromsignals an eine Mehrzahl von Eingangselektrodensätzen (2) aufweist.
10. Tröpfchenausstoßvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei der die Eingangselektroden (2) ein Paar von ineinander verschlungenen, kammförmigen Elektroden aufweisen.