ЭЛЕКТРОКАПЛЕСТРУЙНАЯ ГОЛОВКА Российский патент 1997 года по МПК B41J2/07 

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано в автоматизированных системах управления и в качестве регистрирующих устройств вычислительных комплексов.

Известна электрокаплеструйная головка для регистрации изображений эмиссией капель рабочей жидкости импульсным давлением, в которой капля рабочей жидкости выбрасывается из выходного сопла только при поступлении входного электрического импульса на электроды пьезоэлектрического преобразователя, содержащая две последовательно соединенные инжектирующие камеры, размещенные в корпусе, каждая из которых состоит из емкости и капилляра, и емкость с рабочей жидкостью /см. например, патент США N 3940773, кл. 346-75, опублик. 1976/.

Недостатками данной электрокаплеструйной головки являются ее низкая надежность вследствие трудности первоначального наполнения камеры инжектора рабочей жидкости без остаточных пузырьков газа /воздуха/, наличие которых приводит к прекращению работы печатающей головки, и малое быстродействие.

Прототипом предлагаемого изобретения является электрокаплеструйная головка, содержащая корпус, пьезоэлектрический преобразователь, электроды, закрытую и открытую инжектирующие камеры с соединяющим их капилляром, выходное сопло, емкость с рабочей жидкостью /см. а.с. СССР N 987388, кл. G 01 D 5/42/.

Недостатками данной электрокаплеструйной печатающей головки являются ее малое быстродействие и относительно низкая надежность вследствие принятых конструктивных решений.

Целью настоящего изобретения является повышение быстродействия и надежности работы электрокаплеструйной головки.

На фиг. 1 представлена конструкция предложенной электрокаплеструйной головки. Электрокаплеструйная головка состоит из открытой инжектирующей камеры, образованной металлической пластиной 1 с выходным отверстием 2, капиллярным каналом 3, частично заполненным рабочей жидкостью таким образом, что возникает воздушное пространство 4 между пластиной 1 и металлическим основанием 5 закрытой инжектирующей камеры. Открытая инжектирующая камера соединяется капилляром 6 с закрытой инжектирующей камерой 7, выполненной в виде полусферы. Закрытая инжектирующая камера 7 ограничена стенками основания 5, диэлектрической прокладкой 8 и эластичным резиновым плунжером 9, предназначенным для регулирования рабочего объема камеры 7. Кроме того, электрокаплеструйная головка содержит диэлектрический поршень 10, выполненный, например, из полистерола; металлическую гайку 11, диэлектрический корпус 12, выполненный, например из авиационного оргстекла, с размещенной в нем контактно металлической пружиной 13; цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь 14 с наружным 15 и внутренним 16 электродами; контактную металлическую пружину 17 для подвода управляющего напряжения к внутреннему электроду 16 пьезоэлектрического преобразователя; изолирующую втулку 18, служащую одновременно и для центрирования пьезоэлектрического преобразователя 14 в корпусе 12; металлическую шайбу 19, в которой крепится контактная пружина 17; металлическую гайку 20 с закрепленным на ней ограничителем поворота 21, который при взаимодействии с буртиком 22 на регулировочном металлическом винте 23 ограничивает угол поворота данного винта; емкость 24, в которую через отверстие 25 заливается рабочая жидкость 26, поступающая по трубопроводу 27 в капиллярный канал 3 открытой инжектирующей камеры, формирователь 28 импульсов напряжения U_п, подаваемых на электроды пьезоэлектрического преобразователя при поступлении электрических управляющих импульсов напряжения U_вх; электронный усилитель 29, выход которого соединен с пластиной 1 и основанием 5, одновременно служащими стенками открытой и закрытой инжектирующих камер и электродами.

Электрокаплеструйная головка /фиг. 1/ работает следующим образом.

При наличии рабочей жидкости 26 в резервуаре 24 открытая инжектирующая камера, образованная стенками пластины 1 и основанием 5, через трубопровод 27 автоматически заполняется рабочей жидкостью, поступающей в капиллярный канал 3 за счет действия капиллярных сил. При этом столб рабочей жидкости в капиллярном канале 3 уравновешивается силами поверхностного натяжения мениска, так что при этом образуется двухфазный диэлектрик /воздух 4 рабочая жидкость/ между 1, 5, которые одновременно являются электродами.

При подготовке предлагаемой электрокаплеструйной головки к работе при первоначальном ее заполнении рабочей жидкостью необходимо удалить возможные пузырьки газа, которые могут образоваться в закрытой инжектирующей камере 7, поскольку их наличие вызывает прекращение каплеобразования при поступлении входного электрического импульса U_вх, т. е. вызывает сбой в работе устройства. Для удаления таких пузырьков газа предусмотрен механизм прокачки, который работает следующим образом.

Ввинчивается регулировочный винт 23, который нажимает на шайбу 19, через изолирующую втулку 18 передает усилие на пьезоэлектрический преобразователь 14. Пьезоэлектрический преобразователь 14 смещается вниз и посредством диэлектрического поршня 10 деформирует эластичный резиновый плунжер 9, который вытесняет газ из закрытой инжектирующей камеры 7 через капилляр 5 за счет заполнения камеры 7 эластичным материалом плунжера 9.

Благодаря тому, что закрытая инжектирующая камера 7 выполнена в виде полусферы, при ее заполнении эластичным материалом плунжера 9 в ней исключается образование полостей, в которых могут задерживаться пузырьки газа.

Для того, чтобы ограничить максимальное смещение пьезо- электрического преобразователя 14 вместе с поршнем 10, предусмотрено ограничение угла поворота регулировочного винта 23 с помощью ограничителя поворота 21 и буртика 22.

При ввинчивании регулировочного винта 23 /за счет упругости эластичного материала резинового плунжера 9 и жесткости контактной металлической пружины 13 / и плунжер 9 /вместе с пьезоэлектрическим преобразователем 14 и шайбой 19/ возвращается в исходное положение, задаваемое регулировочным винтом 23. При этом в закрытой инжектирующей камере 7 создается разрежение, за счет которого она через капилляр 5 заполняется рабочей жидкостью.

Эту операцию по вытеснению газа из закрытой инжектирующей камеры 7 при необходимости можно произвести несколько раз, после чего регулировочный винт 23 устанавливается в необходимое рабочее положение, задавая таким образом необходимый рабочий объем закрытой инжектирующей камеры 7, а следовательно, и требуемый диаметр капли.

Кроме того, на вход электронного усилителя 29 подается напряжение U, и к электродам 1, 5 /одновременно служащим металлическими стенками открытой и закрытой инжектирующих камер/ прикладывается напряжение U_э, и в пространстве с двухфазным диэлектриком создается электрическое поле напряженностью E, причем E ≃ 10⁴ 10⁵ В/м.

В результате действия пондеромоторных сил на двухфазный диэлектрик /рабочая жидкость воздух/ рабочая жидкость меду электродами 1, 5 поднимается в капиллярном канале 3 на величину Δh, причем, как показали многочисленные проведенные эксперименты,

где k коэффициент, зависящий от типа рабочей жидкости и параметров капиллярного канала 3;
e_o- электрическая постоянная;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость рабочей жидкости;
U_э электрическое напряжение на выходе электронного усилителя 29;
δ - расстояние между стенками 1, 5 капиллярного канала 3;
g ускорение свободного падения
ρ - плотность рабочей жидкости;
Φ - угол между электродами 1, 5 и направлением силы тяжести.

При этом величина Δh определяется пондеромоторными объемными силами f, которые направлены к воздушному пространству 4 (в сторону меньшей диэлектрической проницаемости среды)
f = 0,5ε_oE^-2▿ε , (2)
где E напряженность электрического поля между электродами 1, 5;
Δε - градиент диэлектрической проницаемости рабочей среды между электродами.

В случае необходимости для прокачки рабочей жидкости через инжектирующие камеры /удаление пузырьков/ газа подают на вход 29 прямоугольные импульсы напряжения U, получая усиленные соответствующие прямоугольные импульсы U_э на выходе электронного усилителя 29, и с частотой этих импульсов изменяют уровень жидкости а между электродами 1, 5 на величину /см. выражение (1)/. После этого на вход электронного усилителя 29 подают постоянное напряжение U, создавая в открытой инжектирующей камере пондеромоторную силу /см. выражение (2)/, направленную в сторону 4 /в сторону рабочей среды с меньшей ди- электрической проницаемостью/.

Электрокаплеструйная головка готова к работе.

Входной управляющий электрический сигнал U_вх поступает на формирователь импульсов 28; импульсное напряжение U_n, с выхода которого подводится к металлическим гайкам 11 и 20. Металлическая гайка 11 через металлическую контактную пружину 13 электрически соединена с наружным электродом 15 пьезоэлектрического преобразователя 14. Металлическая гайка 20 через металлический винт 23, металлическую шайбу 19, контактную металлическую пружину 17 электрически соединена с внутренним электродом 16 пьезоэлектрического преобразователя 14. Таким образом при подаче входного электрического импульса U_n на электроды 15, 16 пьезоэлектрического преобразователя 14 пьезоэлектрический преобразователь изменяет свои размеры, поршень 10 смещается вниз, деформируя эластичный резиновый плунжер 9. Эластичный материал плунжера 9 заполняет часть закрытой инжектирующей камеры 7, выталкивая из нее через капилляр 5 соответствующий объем рабочей жидкости в капиллярный канал 3 открытой инжектирующей камеры. При этом через выходное сопло 2 происходит выброс капли рабочей жидкости в атмосферу.

По окончании электрического импульса напряжения U_n пьезоэлектрический преобразователь 14 возвращается в исходное положение, и в закрытую 7 и открытую инжектирующие камеры подсасывается очередная порция рабочей жидкости, и таким образом электрокаплеструйная головка готовится к приему следующего входного управляющего импульса.

Увеличение быстродействия предлагаемой электрокаплеструйной головки по сравнению с прототипом /см. а.с. СССР N 987388/ достигается благодаря тому, что уменьшается время подготовки электрокаплеструйной головки к приему очередного входного управляющего импульса напряжения U_вх, поскольку процесс заполнения инжектирующих камер происходит под действием как капиллярных, так и пондеромоторных сил /см. выражение (2)/, направленных в одну сторону.

Многочисленные эксперименты с разработанной электрокаплеструйной головкой показали, что оно надежно функционирует и обеспечивает до 14000 капель в секунду, формируя по капле рабочей жидкости на каждый входной электрический импульс. При этом увеличивается надежность работы головки по сравнению с прототипом /см. а.с. СССР N 987388/ благодаря увеличению силы, действующей на рабочую жидкость в открытой инжектирующей камере за счет действия пондеромоторной силы /см. выражение (2)/, что компенсирует возможное увеличение гидравлического сопротивления капиллярного канала 3 вследствие облитерационных явлений и оседания на стенках открытой инжектирующей камеры различных примесей из рабочей жидкости /которое имеет место при длительной эксплуатации головки/.

Наличие устройств прокачки рабочей жидкости через инжектирующие камеры еще более повышает эксплуатационную надежность предлагаемой электрокаплеструйной головки по сравнению с прототипом /а.с. СССР N 987388/, поскольку таким образом устраняются пузырьки газа в инжектирующих камерах и исключается отказ в работе устройства. Причем в качестве устройств прокачки рабочей жидкости выступают не только механическое /с помощью смещения поршня 10/, но и электрогидродинамическое устройство прокачки. Электрогидродинамическое устройство прокачки рабочей жидкости является принципиальным отличием заявляемой головки и реализуется, как уже отмечалось выше, при подготовке к работе электрокаплеструйной головки подачей дискретно изменяющегося напряжения U на вход электронного усилителя 29. При этом в открытой инжектирующей камере /капиллярном канале 3/ уровень рабочей жидкости изменяется на величину Δh с частотой подачи прямоугольных дискретных импульсов напряжения U_э на электродах 1, 5, которые одновременно являются стенками открытой и закрытой инжектирующих камер. Ввиду того, что таким образом реализованное электрогидродинамическое устройство прокачки рабочей жидкости не имеет подвижных механических частей, еще более увеличивается надежность работы головки, упрощается ее конструкция. Таким образом, технико-экономические преимущества заявленного изобретения по сравнению с прототипом состоят в увеличении быстродействия и надежности работы электрокаплеструйной головки.

Использование: изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники, может быть использовано в автоматизированных системах управления и в качестве регистрирующих устройств вычислительных комплексов и позволяет увеличить быстродействие и надежность работы. Сущность: электрокаплеструйная головка содержит корпус, электроды, инжектирующую закрытую камеру, соединенную с ней капиллярным отверстием открытую инжектирующую камеру, в наружной стенке которой выполнено выходное сопло, узел для прокачки рабочей жидкости, включающий пьезоэлектрический преобразователь и соединенный с ним резиновый плунжер, емкость для рабочей жидкости, соединенную трубопроводом с открытой инжектирующей камерой. Электрокаплеструйная головка также снабжена дополнительным средством для прокачки рабочей жидкости и подготовки электрокаплеструйной головки к приему очередного входного управляющего импульса напряжения, содержащим выполненные электропроводными стенки открытой инжектирующей камеры, служащие электродами, и электронный усилительный узел, выход которого соединен с упомянутыми электропроводными стенками. 1 ил.

Электрокаплеструйная головка, содержащая корпус, электроды, инжектирующую закрытую камеру, соединенную с ней капиллярным отверстием открытую инжектирующую камеру, в наружной стенке которой выполнено выходное сопло, узел для прокачки рабочей жидкости, включающий пьезоэлектрический преобразователь и соединенный с ним резиновый плунжер, емкость для рабочей жидкости, соединенную трубопроводами с открытой инжектирующей камерой, отличающаяся тем, что, с целью увеличения быстродействия и надежности в работе, она снабжена дополнительным средством для прокачки рабочей жидкости и подготовки электрокаплеструйной головки к приему очередного входного управляющего импульса напряжения, содержащим выполненные электропроводными стенки открытой инжектирующей камеры, служащие электродами, и электронный усилительный узел, выход которого соединен с электропроводными стенками.