WO1999043443A1 - Actionneur ultrasonore pour le deplacement de gouttelettes liquides ou de materiaux pulverulents - Google Patents

Actionneur ultrasonore pour le deplacement de gouttelettes liquides ou de materiaux pulverulents Download PDF

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François Bastien
Stéphane BIWERSI
Jean-François Manceau
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B65G—TRANSPORT OR STORAGE DEVICES, e.g. CONVEYORS FOR LOADING OR TIPPING, SHOP CONVEYOR SYSTEMS OR PNEUMATIC TUBE CONVEYORS
    • B65G27/00—Jigging conveyors
    • B65G27/10—Applications of devices for generating or transmitting jigging movements
    • B65G27/32—Applications of devices for generating or transmitting jigging movements with means for controlling direction, frequency or amplitude of vibration or shaking movement

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic actuator for moving liquid droplets or pulverulent materials.
  • the patent FR2665849 which describes an ultrasonic device for the continuous production of micro-droplets having a controlled particle size is known in the prior art.
  • This device comprises a vibrating surface onto which is brought a material in the liquid state which it atomizes by its vibratory regime having at least one ultrasonic component orthogonal to the surface.
  • This device further comprises means making it possible to bring the liquid material from the interior onto the vibrating surface at a regular rate and in a sheet of constant thickness.
  • German patent DE4328750 concerning a non-resonant structure, implementing a single-mode ultrasonic transducer. Such a device does not make it possible to move drops of liquid satisfactorily, as this would require a very high energy, which would cause a deterioration of the drops by atomization.
  • the object of the present invention is to remedy this drawback by proposing an actuator and a system allowing the displacement of liquid droplets or of pulverulent materials on a flat and smooth surface, discreetly in one direction or in several directions.
  • the invention relates in its broadest sense to an actuator comprising a planar structure excited by ultrasonic transducers according to at least two stationary modes.
  • the device makes it possible to form at least two modes of vibration in the structure, of the same frequency.
  • the excitation modes must correspond to identical or very similar frequencies.
  • the stationary modes have approximately the same frequency and are energized with an adjustable electrical phase shift.
  • the reasoning structure can also be excited in order to produce a progressive wave.
  • the resonant structure is formed by a blade, the two ends of which are connected.
  • the resonant structure has an annular shape.
  • each of the modes is excited by a set of transducers placed in the center of each of the modes.
  • the modes are excited by transducers spaced from n ⁇ + ⁇ / (2p), where n is an integer, ⁇ the spatial period of the modes and p the number of modes used.
  • the ultrasonic actuator comprises a resonant structure having a square shape.
  • the resonant structure has a disc shape.
  • the planar structure excited by the transducers has a rectangular shape, with ratios between width a and length b which ensure the equality of the frequencies for pairs of modes of a rectangular plate embedded on all sides .
  • the invention also relates to a system comprising such an ultrasonic actuator for moving liquid droplets or powdery materials and a generator for supplying the transducers, characterized in that the supply also comprises a spraying mode corresponding to a high voltage. .
  • FIG. 2 shows a schematic view of the node lines and bellies for the case where two modes are excited.
  • the resonant structure is constituted by a brass blade (1) folded back to have an annular shape.
  • the brass blade has a thickness of 1.5 millimeters and a width of 10 millimeters.
  • the total length of the blade, before folding, is 200 millimeters. This length is much greater than the width, to avoid altering the vibrational phenomena.
  • the annular structure has a length of 66 millimeters, the two end parts being curved to form arcs with a radius of 10.5 millimeters.
  • the two ends of the blade are connected by welding to form a resonant structure without a free end.
  • the structure described by way of example is excited according to rank 11.
  • the wavelength is 18.2 millimeters, and the corresponding excitation frequency is 29050 Hz.
  • the excitation is produced by 4 discs of PZT FERROPERM (trade name) of type Pz26.
  • this structure is excited by a first pair of ultrasonic transducers (2, 3) spaced half a wavelength, ie 9.1 millimeters.
  • This first pair of transducers excites the structure according to a first mode. They are arranged to present opposite polarizations.
  • the second mode is produced by a second pair of transducers (4, 5) also separated by half a wavelength.
  • the two sets of transducers are spaced 3/4 of a wavelength, or 6.8 millimeters.
  • the piezoelectric transducers are bonded to the surface of the brass blade.
  • the excitation of the blade can be carried out with different transducers: piezoelectric materials, being in the form of discs or plates glued to the surface of the actuator using a conductive adhesive, or produced in the form deposited layers; magnetostrictive, magnetic or electrostrictive materials,
  • FIG. 2 represents a schematic view of the lines of nodes and bellies of the two excited modes.
  • the bellies (7) of the first mode correspond to the nodes (8) of the second mode.
  • the nodes (9) of the first mode correspond to the bellies (10) of the second mode.
  • the droplets are positioned in the bellies (7, 10) of the vibratory modes, and are immobilized in the positions defined by these bellies, even when the surface is inclined or vertical.
  • the drop In the absence of excitation, the drop is positioned in any manner on the surface of the blade (1).
  • the drop can be passed reversibly between two adjacent positions.
  • the section of the drop is greater than half a wavelength, it divides into two, each of the partitions then coming to occupy a position corresponding to a vibratory node of the operating mode.
  • the direction of movement can be checked by introducing an asymmetry of the vibratory structure. It can also be exercised by the transient introduction of a progressive wave producing a pre-orientation in the desired direction of movement.
  • the structure can be constituted as in the example described by a flat surface ensuring the displacement of a liquid drop between different work areas.
  • It can also be formed by the surface of an active element, for example a measurement cell having a plurality of active zones.
  • the vibrational modes are then determined to make the vibrational nodes of the different modes coincide with the active zones.

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Abstract

La présente invention concerne un actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents, comportant une structure excitée par au moins 2 transducteurs (2-5) ultrasonores, la structure est une structure plane (1) excitée par des transducteurs ultrasonores selon au moins deux modes stationnaires.

Description

1
ACTIONNEUR ULTRASONORE POUR LE DEPLACEMENT DE GOUTTELETTES LIQUIDES OU DE MATERIAUX PULVERULENTS .
La présente invention concerne un actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents .
On connaît dans l'état de la technique le brevet FR2665849 qui décrit un dispositif ultrasonique pour la production en continu de micro-gouttelettes ayant une granulométrie contrôlée. Ce dispositif comprend une surface vibrante sur laquelle est amené un matériau à l'état liquide qu'elle atomise de par son régime vibratoire présentant au moins une composante ultrasonique orthogonale à la surface. Ce dispositif comprend de plus des moyens permettant d'amener le matériau liquide depuis 1 ' intérieur sur la surface vibrante selon un débit régulier et en une nappe d'épaisseur constante.
Ces solutions ne sont pas adaptées au déplacement non contraint de gouttes ou de matériaux pulvérulents sur des surfaces planes verticales, horizontales ou inclinées, non délimitées latéralement.
On connaît aussi les brevet japonais 05079459 concernant une micro-pompe munie d'un passage hélicoïdal et un diaphragme excité par un transducteur ultrasonore, le brevet américain US4,402,458 concernant un dispositif pour 1 ' atomisation de gouttes et le brevet américain US5,563,478 concernant un système électronique de commande de transducteur. Aucun de ces documents ne permet de réaliser un déplacement contrôlé de gouttes ou de matières pulvérulents sur une surface plane horizontale ou verticale.
On connaît également le brevet allemand DE4328750 concernant une structure non résonnante, mettant en œuvre un transducteur ultrasonore mono-mode. Un tel dispositif ne permet pas de déplacer de façon satisfaisante des gouttes de liquide, car cela nécessiterait une énergie très élevée, qui provoquerait une altération des gouttes par atomisation.
L'objet de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un actionneur et un système permettant le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents sur une surface plane et lisse, de façon discrète selon une direction ou selon plusieurs direction. A cet effet, l'invention concerne dans son acception la plus large un actionneur comportant une structure plane excitée par des transducteurs ultrasonores selon au moins deux modes stationnaires . Le dispositif permet de former au moins deux modes de vibration dans la structure, de même fréquence. Pour le déplacement de gouttes, il est indispensable de travailler à la résonance, car les vibrations hors résonances provoqueraient une atomisation des gouttes. Les modes d'excitation doivent correspondre à des fréquences identiques ou très voisines . De préférence, les modes stationnaires ont approximativement la même fréquence et sont excités avec un déphasage électrique réglable.
De préférence également, la structure raisonnante peut en outre être excitée afin de produire une onde progressive.
Selon un mode de mise en œuvre préféré, la structure résonnante est formée par une lame dont les deux extrémités sont raccordées .
Selon une variante, la structure résonnante présente une forme annulaire.
De préférence, chacun des modes est excité par un ensemble de transducteurs placés au centre de chacun des modes . Les modes sont excités par des transducteurs écartés de nλ+ λ/(2p), où n est un entier, λ la période spatiale des modes et p le nombre de modes utilisés . Selon une variante particulière, l' actionneur ultrasonore comporte une structure résonante présentant une forme carré.
Selon une autre variante, la structure résonante présente une forme de disque.
Selon un exemple particulier de réalisation, la structure plane excitée par les transducteur présente une forme rectangulaire, avec des rapports entre largeur a et longueur b qui assurent l'égalité des fréquences pour des couples de modes d'une plaque rectangulaire encastrée sur tous les cotés .
- mode (3,1) et mode (1,2) a/b=0.663
- mode (3, 2) et mode (1,4) a/b=0.834
D'autres rapports a/b sont envisageables et découlent du choix des modes retenus.
L'invention concerne également un système comprenant un tel actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents et un générateur pour 1 ' alimentation des transducteurs caractérisé en ce que 1 ' alimentation comporte en outre un mode de pulvérisation correspondant à une tension élevée.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés où :
- la figure 1 représente une vue schématique de 1 ' actionneur ;
- la figure 2 représente une vue schématique des lignes de nœuds et ventres pour le cas où deux modes sont excités .
La structure résonnante est constituée par une lame en laiton (1) repliée pour présenter une forme annulaire. La lame de laiton présente une épaisseur de 1,5 millimètres et une largeur de 10 millimètres. La longueur totale de la lame, avant repliement, est de 200 millimètres. Cette longueur est très supérieure à la largeur, pour éviter d'altérer les phénomènes vibratoires. La structure annulaire présente une longueur de 66 millimètres, les deux parties extrêmes étant recourbées pour former des arcs d'un rayon de 10,5 millimètres. Les deux extrémités de la lame sont reliées par soudure pour former une structure résonnante sans extrémité libre.
La structure décrite à titre d'exemple est excitée selon le rang 11. La longueur d'onde est de 18,2 millimètres, et la fréquence d'excitation correspondante est de 29050 Hz. L'excitation est produite par 4 disques de PZT FERROPERM (nom commercial) de type Pz26.
Dans l'exemple décrit, cette structure est excitée par une première paire de transducteurs ultrasonores (2, 3) écartés d'une demi longueur d'onde, soit de 9,1 millimètres. Cette première paire de transducteur excite la structure selon un premier mode. Ils sont disposés pour présenter des polarisations opposées .
Le second mode est produit par une deuxième paire de transducteurs (4, 5) également écartés d'une demi longueur d'onde. Les deux séries de transducteurs sont écartés de 3/4 de longueur d'onde, soit de 6,8 millimètres .
Les transducteurs piézo-électriques sont collées sur la surface de la lame de laiton. L'excitation de la lame peut être réalisée avec différents transducteurs : des matériaux piézo-électriques, se présentant sous forme de disques ou de plaques collées à la surface de l' actionneur à l'aide d'une colle conductrice, ou réalisés sous forme de couches déposées ; des matériaux magnétostrictifs, magnétiques ou electrostrictifs ,
- des actionneurs électrostatiques. Chacune des séries de transducteurs (2, 3) et (4, 5) produisent des ondes stationnaires, décalées d'une demi-longueur d'onde. La lame présente de ce fait à sa surface des nœuds et des ventres dont la position dépend du mode d'excitation. La figure 2 représente une vue schématique des lignes de nœuds et ventres des deux modes excités.
Les ventres (7) du premier mode correspondent aux nœuds (8) du deuxième mode. Les nœuds (9) du premier mode correspondent aux ventres (10) du deuxième mode.
Les gouttelettes viennent se positionner dans les ventres (7, 10) des modes vibratoires, et sont immobilisées dans les positions définies par ces ventres, même lorsque la surface est inclinée ou verticale .
En l'absence d'excitation, la goutte vient se positionner de façon quelconque à la surface de la lame (1) .
Pour déplacer la goutte, il suffit de changer de mode pour provoquer la déplacement de la goutte d'un quart de longueur d'onde.
En utilisant les deux modes stationnaires, on peut faire passer la goutte de manière réversible entre deux positions adjacentes.
Si la section de la goutte est supérieure à une demi-longueur d'onde, elle se divise en deux, chacune des partition venant alors occupée une position correspondant à un nœud vibratoire du mode en fonction.
Le contrôle du sens de déplacement peut être réalisé par l'introduction d'une dissymétrie de la structure vibratoire. Il peut également être exercé par l'introduction transitoire d'une onde progressive produisant une pré-orientation dans le sens de déplacement désiré.
Par ailleurs, en augmentant la tension d'alimentation, il est possible de procéder à la pulvérisation d'une goutte. L'énergie nécessaire à la pulvérisation d'une goutte dépend de la tension surfacique du liquide.
La structure peut être constituée comme dans l'exemple décrit par une surface plane assurant le déplacement d'une goutte liquide entre différentes zones de travail.
Elle peut également être constituée par la surface d'un élément actif, par exemple une cellule de mesure présentant une pluralité de zones actives. Les modes vibratoires sont alors déterminés pour faire coïncider les nœuds vibratoires des différents modes avec les zones actives .

Claims

7
REVENDICATIONS
1 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents, comportant une structure plane excité par des moyens ultrasonores caractérisé en ce que lesdits moyens d'excitation sont constitués par au moins 2 transducteurs ultrasonores (2, 3) et (4, 5) excitant la structure plane selon au moins deux modes stationnaires.
2 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon la revendication 1 caractérisé en ce que les modes stationnaires sont excités avec un déphasage électrique réglable.
3 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la structure résonnante peut en outre être excitée afin de produire une onde progressive.
4 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la structure résonnante est formée par une lame (1) dont les deux extrémités sont raccordées .
5 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la structure résonnante présente une forme annulaire.
6 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon 1 ' une quelconque des revendications 8 précédentes caractérisé en ce que chacun des modes est excité par un ensemble de transducteurs (2, 3) et (4, 5) placés au centre de ces modes .
7 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les modes sont excités par des transducteurs (2, 3) et (4, 5) écartés de nλ + λ/2p, où n est un entier, λ la période spatiale des modes et p le nombre de modes utilisés.
8 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les fréquences d'excitation des transducteurs est identique.
9 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la structure résonante présente une forme carré.
10 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la structure résonante présente une forme de disque .
11 - Actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la structure plane excitée par les transducteur présente une forme rectangulaire, avec des rapports entre largeur a et longueur b qui assurent l'égalité des fréquences pour des couples de modes d'une plaque rectangulaire encastrée sur tous les cotés, et en particulier un rapport a/b=0.663 pour les mode (3,1) et le mode (1,2) ou un rapport a/b=0.834 pour le mode (3, 2) et le mode (1,4) .
12 - Système comprenant un actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents conforme à l'une quelconque des revendications précédentes et un générateur pour l'alimentation des transducteurs (2, 3) et (4, 5) caractérisé en ce que l'alimentation comporte en outre un mode de pulvérisation correspondant à une tension élevée.
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FR2775203A1 (fr) 1999-08-27
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