NO142972B - Farvestraaletrykkeanordning. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fårvestråletrykkeanordning

som angitt i innledningen til krav 1.

Det er tidligere kjent farvestrålemunnstykker, f.eks. fra U.S.-patentskrift nr. 3.334.351, som viser et munnstykke med passasje i rett vinkel med et drivelement i form av en magneto-striktiv omformer for å tilveiebringe munnstykkevibrasjon.

Fra U.S.-patentskrift nr. 3.596.275 er det kjent et lignende munnstykke.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe et farvestrålemunnstykke som er forbedret i forhold til de tid-

ligere kjente ved at det er effektivt innenfor et forutbestemt frekvensområde, har bedre farvedråpeformeegenskaper og er ut-formet, slik at en resonansforstyrrelsestilstand tilveiebringes for å forbedre dannelsen av likeformede farvedråper fra en f ar.vestrøm.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at demperen består av en kopp av silikongummi som er festet til bæredelen og delvis omgir reaksjonsmassen på to motstående sider og den mellomliggende overflate som vender fra den til hvilken det piezoelektriske krystall er festet.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av kravene 2 og 3.

Oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvisning til tegningene. Fig. 1 viser i perspektiv en fårvestråletrykkeanordning ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser i snitt en del av munnstykkeplaten og keramikken på fig. 1. Fig. 3 viser i perspektiv munnstykkeplaten, den piezoelektriske keramikk og reaksjonsmassen. Fig. 4 viser et snitt gjennom en del av fig. 3 som viser hvorledes bestanddelene er limt sammen. Fig. 5 viser et ekvivalentskjema for den elektriske krets for anordningen på fig. 3. Fig. 6 viser et diagram over forholdet mellom admittans og svingefrekvens for munnstykket ifølge oppfinnelsen. Fig. 7 viser et diagram for forholdet mellom fasen og frekvensen for ekvivalentskjemaet og selve munnstykket ifølge oppfinnelsen. Fig. 8 viser et diagram for forholdet mellom bryterstrømmen og spenningen ved 60kHz. Fig. 9 viser et diagram for forholdet mellom brytetiden og spenningen ved 100kHz.

Fig. 10 viser et diagram for den resiproke verdi

av brytetiden som funksjon av bølgelengden for 60kHz."

Fig. 11 viser et diagram for den resiproke verdi av brytetiden som funksjon av bølgelengden ved 100kHz. Fig. 12 viser et diagram for forholdet mellom hastighet forstyrrelsene pr. volt og frekvens. Fig. 13 viser et diagram for forholdet mellom hastighetsforstyrrelsene pr. volt og admittansen. Fig. 1-3 viser et farvestrålemunnstykke 10 som består av en rektangulær munnstykkeplate 12 som er fastlimt på

et piezoelektrisk keramisk legeme 14 som på sin side er fastlimt til en reaksjonsmasse 16. Munnstykkeplaten 12 er av rustfritt stål og har en passasje 18 med innløp fra den ene side ved hjelp av en nippel 20 på hvilken kan festes en flek-sibel slange for mating av farve under trykk til passasjene 18. Platen 12 er i sentrum forsynt med en åpning 22 som står i forbindelse med passasjen 18 og som er forsynt med et edelsten-munnstykke 24 som er festet på egnet måte f.eks. ved liming. Munnstykket har en sentral åpning 26 som står vinkelrett på passasjen 18. Gjennom åpningen 26 kan farvestrømmen mates ut under trykk. Passasjen 18 kan ha en diameter på ca. 0,75 mm.

Munnstykkeplaten 12 er festet på den ene flate av et stykke piezoelektrisk keramikk 14 hvis andre flate er festet på en reaksjonsmasse 18 som kan bestå av en hovedsakelig rektangulær blokk f.eks. av rustfritt stål. Reaksjonsmassen er festet til en hovedsakelig U-formet bæTedel 30 med et sen-tralt steg 32, ben 34, 36 so<p> i de frie ender har sideveis ut-ragende flenser 38 og 40 ved hjelp av hvilke anordningen ved hjelp av bladfjærer 42 og 44 og skruer 48 og 46 kan være festet til knekter 50 og 52 på trykkeanordningens ramme og tillater innstilling. En arm 54 som rager vinkelrett.ut på steget 32 kan anvendes sammen med egnede ikke viste innstillings-organer for innstilling av munnstykket 24 og ledning av farve-strømmen.

Som vist på fig. 4 kan munnstykkplaten 12 og reaksjonsmassen 16 være fastlimt på et piezoelektrisk keramikk-legeme 14 ved hjelp av limsjikt 15 og 17 som f.eks. inneholder epoksylim. Por å tilveiebringe best binding mellom munnstykkeplaten, . reaksjonsmassen og keramikklegemet er det viktig at tykkelsen av limsjiktene 15 og 17 er nøyaktig. Por å oppnå dette kan molybdentrådmellomlegg 19 med en diameter på 0,075 mm innleires i epoksylimet. Limstrukturen herdes i en fjærbe-lastet mal slik at trådene 19 opprettholder riktig avstand mellom bestanddelene.

Reaksjonsmassen 16 er festet på bæredelen 30 ved hjelp av silikongummi 55 som er forbundet med bæredelens steg og deler av benene. Tykkelsen av kiselgummien 56 er ikke kritisk, men en verdi på noen tiendedels mm og ca. 6 mm kan anvendes. Dermed tillates at enheten som består av munnstykkeplaten 12, keramikklegemet 14 og reaksjonsmassen 16 kan vibrere uavhengig av bæredelens 30 masse. Tilledningene 58 .og 60 er forbundet med reaksjonsmassen 16 og munnstykkeplaten 12 for påtrykning av en spenning mellom disse for å få det piézoelektriske keramikklegemet til å svinge og få munnstykkeplaten og munnstykket til å vibrere i lengderetningen i forhold til farvestrømmen slik at denne bibringes en hastighets forstyrrelse.

Et farvestrålehodeS grensefrekvens kan bestemmes tilnærmelsesvis ved å betrakte tilsvarende tre ikke uendelige skiver som ligger inntil hverandre som vist på fig. 3 og 4. Mediene I og III representerer munnstykkeplaten 12 resp. reaksjonsmassen 16 mens mediet II representerer det piézoelektriske kerami kkT eeremet 14. Tvkkelsesmodussvinenineene i keramikk-platen 14 tilveiebringer dannelse av longitudinelle stående svingninger i samtlige tre medier i de viste X-retninger.

Styrebølgeligningen for dette fysiske problem er:

som eliminerer eventuelle dempningseffekter. E er Youngs modul for et medium og p er dets tetthet.

Løsningen av ligningen (1) som resulterer i stående bølger, er:

Medium I:

= cos tot (C^ cos k-, x^ + C"2 sin k-^ x-^)

Medium II: (2)

U£ = cos dit (Cj cos k2 * 2 + ^4 s^n k2 x2^

Medium III:

u, = cos mt (Cr- cos kT x-, + Cc sin kT x,) 3 5 3 3 6 3 3 hvor og v^ t v2 og Vyer hastighetene for bølgene i mediene utledet fra:

Det er seks ukjente konstanter.i ligningen (2), til og med Cg. Disse konstanter bestemmes av grenseforhold-ene. På grensene A og D på fig. 3 er den kraft som overføres pr. flateenhet lik null. På grensene B og C er forskyvningen kontinuerlig. Selv ved grensene B og C er den kraft pr. flateenhet som overføres, diskontinuerlig, idet diskontinuiteten på de to grenser er like i størrelse men har motsatt retning. Denne diskontinuitet representeres av: Trykkdiskontinuitet = p cos u (5) og er den drivkraft pr. flateenhet som skyldes den piezoelektriske effekt.

De seks grensetilstander gir seks ligninger som entydig bestemmer de seks ukjente konstanter i ligningen (2).

Disse seks ligninger gir også resonanstilstanden for struk-

turen. Denne resonanstilstand er:

cos k-^L^ (sin k2L2 cos ^3^3 + H3 cos k2^2 s"'"n ^3^3^ + ^is^n (6)

(cos k0L0 cos k^,L-, -H-, sin knL„ sin k,L,) = 0

dd- 333 22 33

og H-j er de akustiske impedånsmistilpasninger mellom mediene I og II resp. II og III. De representeres av:

hvor A^, A2 og A^ er de tre mediers areal.

De parametere som passer sammen med det på fig. 4 viste hodet er: L-L = 0,23 cm,L2 0 ,63 cm,1^ = 0,63 cm, v^^ =v^ = 4,93 . 10^cm/sek. v2 = 2 ,65 . 10^ cm/sek.

De første fire resonansfrekvenser med utgangspunkt

i ligningen (6) er:

f± = 101,6 kHz

f2 = 2 38,6 kHz (8)

<f>3<=> 365,7 kHz

f4 = 473,2 kHz

Frekvenskarakteristikken for det på fig. 1 viste hodet er målt, og på fig. 6 er vist admittanskurven, mens fig. 7 viser faseforskjellen som funksjon av frekvensen. På begge disse figurer representerer punktene målepunkter og den opptrukne linjer representerer det tilpassede ekvivalentskjerna på fig. 5. Naturligvis kan ekvivalentskjemaet bare gjelde for et bestemt frekvensområde 30 til 180kHz. Den første målte mekaniske resonans er 103,3 kHz og det tilsvarende parallell-resonanspunkt er 120,5 kHz.

Oppdeling av farvestrømmen i dråper.

For å kunne utforme et farvestrålehode riktig, må

de innbyrdes farvestrømoppdelingsegenskaper tilpasses til den opprinnelige forstyrrelse som hodet utøver på strømmen. Den først presenterte analyse som gir de nødvendige forhold er imidlertid ikke det utgangspunkt som er best egnet for det aktuelle problem. En variant av denne analyse skal derfor an-

vendes.

Det er mulig å påvise variasjonen av analysen ved endring av en endimensjone 11 modell. Det forutsettes da en væskestrøm hvis opprinnelige forn er en sylinder hvor radien, strømmens hastighet i lengderetningen og væsketrykket er funksjoner av tiden t, og s er en dimensjon. Det antas videre at det relative koordinatsystem er slik at væskestrømmens hastighet er null. De to differensialligninger som beskriver strømmens oppdeling i dråper er: hvor r er radien, v er strømmens hastighet og P' er trykket i væsken i hvert enkelt punkt og tidspunkt. p er væskens tetthet. Den første av disse ligninger er et uttrykk for Newtons andre lov for væsker, mens den andre ligning er kontinuitets-ligningen. Trykket i væsken forårsakes i overflatespenningen T. Tilnærmet er da:

For begynnelsestilstanden settes:

hvor: hvor a og v^ er konstanter, A er bølgelengden for den innførte forstyrrelse. Løsningen på det beskrevne problem er når tilnærmelser gjøres for lineærisering:

Disse ligninger illustrerer et sammenfattet resultat. Hvis a k er mindre enn en, er u Ikke reell, og den radiale forstyrrelse vokser inntil dråpeoopdelingen inntreffer. Hvis imidlertid forstyrrelsens bølgelengde er mindre enn strøm-mens opprinnelige omkrets ( a . k større enn en), blir de hyperbolske funksjoner sirkelfunksjoner og en likevektstilstand opptrer.

Vq er amplituden av den forstyrrelse som farve-strålehodet bibringer strømmen. Strømmens oppdelingsegenskaper beror imidlertid meget på analysens alle andre parametre. Derfor utnyttes analysen for å sammenligne de obserberte farveopp-delingsegenskaper til Vq som eliminerer de øvrige parameteres innvirkning. Oppdelingstiden finnes ved måling av oppdelings-strekningen som divideres med strømmens hastighet. vQ kan da utledes fra ligning (14) ved at det antas at r = 0 på et bestemt punkt av oppdelingstiden. Således blir:

der tg er oppdelingstiden.

Et stort sett data ér anvendt for å vise farvestrålehodets karakteristikk. Fig. 8 og 9 viser oppdelingstiden søm funksjon av logaritmen av spenningsamplituden for det påtrykte signal med konstant frekvens og bølgelengde. Av linje-forholdet kan fastslås:

hvor V er spenningsamplituden og c og b er konstanter. En sammenligning med ligning (16) viser at forstyrrelsesområdet er Vq direkte proporsjonal med det frembrakte elektriske signal. Videre er c i ligningen (17) lik u i ligning (16). Farve-strålehodet bør alltid arbeide i det lineære området hvor forstyrrelsene er proporsjonale med signalene, hvilket gir god

. virkning.

En mengde data er utledet for oppdelingstiden som funksjon av bølgelengden, mens frekvensen og hodesvingningene holdes konstante. Bølgelengden styres ved endring av farve-trykket, hvilket resulterte i at strømningshastigheten endres. Fig. 10 og 11 viser to av de utledede datasett. Punktene representerer eksperimentdata mens den opptrukne linje er den teoretiske kurve fra ligningene (13) og (15). Den opprinnelige forstyrrelsesamplitude vQ er valgt slik at den gir den beste tilpasning.

Fig.12 viser forstyrrelseshastighetens amplitude

pr. volt av det påtrykte signal sem en funksjon av frekvensen. Den sammenhengende linje er bare en jevn kurve som er trukket gjennom punktene. Fig. 13 viser det samme forhold som funksjon av farvestrålehodets admittans med en rett trukket linje gjennom dataverdiene. Den rette linjens helning viser en direkte proporsjonalitet mellom strømmen gjennom hodet og den resul-terende forstyrrelse.

Det av forstyrrelsesamplituden er proporsjonal med det påtrykte signal er meget viktig. Denne proporsjonalitet beror på væskekavitetenes relative korte lengde parallelt med hodets akse. Det er tidligere vist at når kaviteten er 1/4 bølgelengde lang og virker som et rør med åpen ende, eller 1/2 bølgelengde lang i form av et lukket rør (bølgelengden målt i væsken) opptrer en resonans som øker dråpeoppdelingen. En slik resonans gjør seg sannsynligvis ikke gjeldende som en admittans-forandring i det piezoelektriske keramikklegemet.

■ En av epoksyharpiks som er på markedet anvendes

for å binde det piezoelektriske laminat sammen. Herdesyklusen fer epoksy er oppvarming til 120°C i 2 timer. Når epoksy-materialet varmes opp, passeres et trinn hvor det flyter meget fritt. Da epoksysjiktet skal være mellom 0,025 og 0,125 mm for oppn? best resultat, innleires molybdentrådmellomlegg 19

med en diameter på 0,075 i epoksyharpiksen for å oppnå lik

, tykkelse idet laminatet under herdingen holdes sammen i en fjær-belastet mal.

En farvestrålehodeanordning er utviklet hvor det utnyttes et piezoelektrisk laminat med munnstykket i frontplaten. Frontplatens og munnstykkets vibrasjon i lengderetningen med strømmen bevirker oppdelingen av strømmen. Hodet har relativt små dimensjoner og kan anvendes hver for seg eller pakkes tett sammen med 2,4 -hoder pr. cm. Det er tilstrekkelig plass mellom

hodene for enkeltvis innretning av disse.

For forskjellige frekvenser kan resonanspunktene endres ved hensiktsmessige valg av lengdene. Ligning (6) muliggjør beregning av de nødvendige dimensjoner.

En variant av teorien er utelatt, nemlig dråpeopp-delingskarakteristikken i forhold til forstyrrelseshastighetsamplituden. Således kan hodets innvirkning på strålen iakttas uavhengig av strålens opptreden etter å ha forlatt munnstykket.

Forstyrrelseshastighetsamplituden har vist seg å være direkte proporsjonal med det påtrykte signals strømampli-tude. Ved anvendelse av en konstant strømkilde, et nett i serie med hodet for å oppnå konstant strøm eller en tilbake-koplingssløyfe for å styre strømmen, kan derfor hodets reaksjon gjøres reproduserbar.

Claims (2)

1. Fårvestråletrykkeanordning omfattende en bæredel (30), et farvestrålemunnstykke (10) som er forbundet med en farvekilde, en reaksjonsmasse ( 16), en demper (56), og en omformer (14) i form av et piezoelektrisk krystall som forbinder munnstykket med reaksjonsmassen for å frembringe periodisk resonanssvingning av munnstykket og reaksjonsmassen for å tilveiebringe periodiske farvedråper fra munnstykket, karakterisert ved at demperen (56) består av en kopp av silikongummi som er festet til bæredelen (30) og delvis omgir reaksjonsmassen (16) på to motstående sider og den mellomliggende overflate som vender fra den til hvilken det piezoelektriske krystall er festet.

2.. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at munnstykkeplaten (12), det piezoelektriske krystall (14) og reaksjonsmassen er fastlimt til hverandre til et laminat ved hjelp av et epoksyharpikssjikt (15,17) med .tråd-mellomlegg (19) i sjiktene for å opprettholde en forutbestemt jevn tykkelse på disse.

3- Anordning ifølge kravene 1 og 2, karakterisert ved at tykkelsen av munnstykkeplaten, det piezoelektriske krystall og reaksjonsmassen har følgende innbyrdes forhold cos k^L^(sin k2L2 cos k^Lj + H^. cos k2L2<sin k-^L^) .+ H-^ sin k-^L^ (cos k2L2.cos k-^L^ - H-j sin k2L2 sin k^L^) = 0, hvor L-^,L2 og L, er tykkelsen av munnstykkeplaten, idet piezoelektriske krystall resp. reaksjonsmassen, H, og H-, er mistilpasning av akustisk impedans mellom munnstykkeplaten og det piezoelektriske krystall resp. mellom dette og reaksjonsmassen, og k^,k2 og k, er lik resp. —— hvor v^,v2 og v., er hastigheten av bølgene i vl v2 v3 munnstykkeplaten, det piezoelektriske krystall og reaksjonsmassen, og u> er vinkelfrekvensen.