Пьезоэлектрический дозатор и способ дозирования Российский патент 2024 года по МПК G01F11/00 B05B7/00 

Изобретение относится к устройствам для дозирования жидкости, предназначенным для работы в принтерах с повышенным давлением в канале подачи жидкости. Подобные устройства имеют широкое применение и встраиваются в различные системы дозирования, которые требуют, чтобы эти устройства осуществляли подачу капель объемом от нескольких пиколитров до нескольких нанолитров с высокой точностью и достаточно большой частотой.

Способы дозирования основаны на выдавливании жидкости за счет механического воздействия пьезоэлемента на мембрану. В результате, внутри камеры с жидкостью создается избыточное давление, которое приводит в выдавливание жидкости из сопла. Воздействие на пьезоэлемент осуществляется за счет подачи разности потенциалов, которая приводит к деформациям пьезоэлемента. Меняя форму, амплитуду сигнала и время воздействия (зависимость разности потенциалов от времени) осуществляется дозирование каплями требуемого объема.

Пьезоэлектрические дозаторы обладают высокой эффективностью при использовании их для дозирования в различных принтерах. Различные реализации механизмов управления вылетом капель позволяют использовать пьезоэлементы в качестве клапанов, датчиков и исполнительных элементов насосов, например, известны следующие дозаторы:

Известен пьезоэлектрический дозатор с продольным преобразователем и сменной капиллярной трубкой (международная заявка PCT/US2012/022091), заявитель Biodot INC. Продольный преобразователь обычно содержит пьезоэлектрический привод, соединенный с трубкой. Приведение в действие пьезоэлектрического привода импульсом напряжения вызывает радиальное движение трубки внутрь и генерирует акустическое давление или волну напряжения через стенку трубки, что приводит к осевому движению и смещению стенки трубки. В данном случае пьезоэлемент выступает в качестве исполнительного элемента насоса.

Использование капиллярных трубок дает преимущество их замены, но при этом имеет существенные недостатки, проявляющиеся в том, что для новой трубки траектория полета капли будет отличаться от траектории полета, которая была ранее, а также устройства имеют относительно больше размеры, что делает проблематичным создание дозаторов с несколькими параллельными элементами, расположенными достаточно близко друг к другу, чтобы имелась возможность осуществлять одновременное дозирование на достаточно малом расстоянии между каплями.

К недостаткам способа дозирования, используемого в PCT/US2012/022091, можно отнести ограничение максимального объема жидкости, который может быть получен с помощью одной дозы, т.е. при дозировании максимальный объем одной дозы ограничен характеристиками пьезодозатора, а именно геометрическими параметрами пьезоэлемента и его физическими характеристиками.

Известен патент US6232129 устройство с пьезоэлектрическим приводом для сбора и дозирования проб жидкости. Пробы жидкости собираются или втягивается в устройство путем погружения наконечника в жидкость. Далее наконечник помещают в область печати, а подача электрического сигнала приводит дозированию жидкости. Устройство опционально включает в себя второй пьезоэлектрический элемент, выполняющий функцию датчика, позволяющего определить заполнен ли дозатор, засорен или работает должным образом. В данном случае используется два пьезоэлемента, один из которых выступает в качестве датчика, а второй в качестве исполнительного элемента насоса.

К недостаткам данного дозатора можно отнести нецелесообразность его использования в принтерной печати, ориентированного на большие объемы. Отметим, что данный дозатор имеет другое предназначение, однако в нем реализована концепция использования двух пьезоэлементов, расположенных последовательно.

К недостаткам способа дозирования US6232129 относятся аналогично PCT/US2012/022091 ограничение максимального объема жидкости, который может быть получен с помощью одной дозы, а также невозможность непрерывного дозирования, т.е. при использовании устройства US6232129 необходимо периодически закачивать жидкость в дозатор, т.к. в дозаторе заканчивается жидкость. Далее требуется остановка дозирования на достаточно длительное время, чтобы закачать жидкость из соответствующей емкости. Отметим, что емкость для этого должна быть открытой.

Патент US4450375 пьезокерамический гибочный механизм, который предназначен для регулирования текучести при работе под давлением. В данном случае пьезоэлемент используется для открытия и перекрытия канала.

К недостаткам данного подхода относится проблематичность регулировки скорости вылета капель, так как она существенно зависит от давления, под которым подается жидкость. Недостатком способа дозирования для US4450375 является проблематичность регулирования объемом капель, а именно: дозатор не может с достаточной точностью работать с каплями малого объема в несколько десятков пиколитров, т.к. для этого требуется управлять скоростью вылета капель, а при данном способе скорость вытекания жидкости из сопла определяется давлением в канале подачи жидкости.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является пьезоэлектрический дозатор (патента US5094594), который состоит из насосного агрегата с соответствующей камерой и деформируемого сегмента камеры, на котором расположен пьезоэлемент с электрическим управлением. Перекачиваемая жидкость подается в камеру насоса через впускной капилляр (входной канал). Данный насос предназначен для генерации микрокапель и состоит из по меньшей мере одной насосной камеры (камеры подачи жидкости), или нескольких камер, расположенных параллельно. Способ дозирования при этом основан на выдавливании жидкости за счет механического воздействия пьезоэлемента на мембрану, создавая при этом внутри камеры с жидкостью избыточное давление, величина которого ограничена.

Недостатком аналога является открытый входной канал подачи жидкости. Это выражается в следующем: при работе дозатора подача жидкости осуществляется из специальной емкости, уровень которой (по принципу сообщающихся сосудов) должен находиться на определенной высоте (такой, чтобы жидкость из дозатора не вытекала и не всасывалась в него). Диапазон высот уровня специальной жидкости зависит от площади сечения на выходе сопла и сил поверхностного натяжения, т.е. зависит от типа жидкости, которая должна дозироваться. При повышении давления внутри камеры подачи жидкости, т.е. во время работы дозатора, в ней возникает давление, большее чем в канале подачи жидкости. Это приводит к меньшему, по сравнению с давлением в случае закрытого канала подачи жидкости, избыточному давлению в выходном канале. Из этого следует, что недостатки открытого входного канала заключаются в:

1. Необходимости следить за уровнем жидкости в специальной емкости, из которой подается жидкость в дозатор, т.к. при повышенном давлении в канале подачи жидкости из дозатора будет вытекать жидкость при выключенном пьезоэлементе, а при пониженном давлении в канале подачи жидкости – со стороны сопла будет втягиваться воздух (или другая газообразная среда).

2. Объем вылетающих капель будет существенно меньше, чем в случае с закрытым каналом подачи жидкости.

К недостаткам способа дозирования в прототипе относится недостаток, также соответствующий PCT/US2012/022091, а именно ограничение максимального объема жидкости, который может быть получен с помощью одной дозы. Также при данном способе дозирования точность объема дозы меньше, чем при использовании способа, предлагаемого в данной заявке.

В отличие от прототипа предлагаемое изобретение имеет дополнительный пьезоэлектрический элемент и буферную камеру, расположенные перед входным каналом в камеру подачи жидкости, которая предназначена для перекрытия (частичного перекрытия) входного канала за счет работы на высокой частоте (частота колебаний дополнительного пьезоэлемента много больше частоты работы основного пьезоэлемента) колебаний дополнительно пьезоэлемента.

Предлагаемый способ в отличие от аналога позволяется осуществлять дозирование без ограничения на максимальный объем дозы, т.е. с помощью данного способа можно осуществлять дозирование каплями, а также непрерывной подачей жидкость. В отличии от аналога с помощью предложенного способа можно осуществлять дозирование каплями максимально возможного объема для конкретной жидкость (объем капли ограничен только эффектами поверхностного натяжения этой жидкости). Сам способ отличается от аналога тем, что за счет возможности работы под избыточным давлением в канале подачи жидкости можно создать избыточное давление внутри камеры дозатора равное сумме избыточного внешнего давления (давления в канале подачи жидкости) и избыточного давления, созданного основным пьезоэлементом. Также в отличие от аналога способ дозирования позволяет перекрывать канал подачи жидкости.

Техническим результатом способа является возможность дозирования в непрерывном режиме, т.е. потоком жидкости, созданным внешним давлением в канале подачи жидкости, и управление объемом и скоростью подачи.

Технический результата заявляемого устройства заключается в повышении точности объемов вылетающих капель и расширении возможностей управления объемом капель, а также в увеличении диапазона давлений в канале подачи жидкости, при котором дозатор может выполнять функции дозирования.

Технический результат изобретения достигается за счет пьезоэлектрического дозатора с двумя пьезоэлементами: основным и дополнительным. Управление объемом капли осуществляется посредствам изменения напряжения на дополнительном пьезоэлементе (фиг. 2), т.е. при увеличении частоты работы дополнительного пьезоэлемента (начиная с 10 кГц) частично, или полностью перекрывается входной канал подачи жидкости. Дополнительный пьезоэлемент с буферной камерой позволяет увеличить максимальный объем капель, либо выступает как клапан (кран) при отключенном основном пьезоэлементе.

Способ дозирования заключается в согласованной работе основного и дополнительного пьезоэлементов. Дополнительный пьезоэлемент управляет подачей жидкости через входной канал, а основной осуществляет непосредственное дозирование. Дополнительный пьезоэлемент при подаче на него напряжения на частоте более 10 кГц может частично, или полностью перекрывать входной канал подачи жидкости. При его отключении, или понижении частоты жидкость заполняет дозатор за счет избыточного давления в канале подачи. Далее подается напряжение на дополнительный пьезоэлемент на частоте от 10 кГц до 1000 кГц (при необходимости его частота может изменяться) частично, или полностью перекрывая входной канал подачи жидкости, а на основной пьезоэлемент подается напряжения на частоте вылета капель менее 1 кГц осуществляя непосредственное дозирование. При одновременной работе основного и дополнительного пьезоэлементов можно менять частоту дополнительного пьезоэлемента, либо включать его и отключать. В зависимости от того какими порциями должно осуществляться дозирование оператором настраивается частота работы каждого пьезоэлемента и при необходимости частота включения и выключения дополнительного пьезоэлемента.

Пьезоэлектрический дозатор, включающий две склеенные кремниевые пластины в одной их которых созданы функциональные углубления для сопла, входного канала подачи жидкости и камеры подачи жидкости с мембраной, к которой прикреплен пьезоэлемент перед входным каналом в камеру подачи жидкости расположена буферная камера, к которой прикреплен дополнительный пьезоэлемент, предназначенные для перекрытия входного канала.

Способ дозирования жидкости дозатором включает механическое воздействие на мембрану за счет изменения геометрии основного и дополнительного пьезоэлемента при подаче напряжения на частоте вылета капель менее 1 кГц для основного и на частоте от 10 кГц до 1000 кГц для дополнительного пьезоэлемента, при котором происходит выдавливание жидкости из сопла.

На фиг. 1 изображена схема геометрии функциональных элементов внутренней части пьезоэлектрического дозатора с дополнительным пьезоэлементом, где 1 – сопло, 2 – выходной канал, 3- входной канал в основную камеру (канал между буферной и основной камерой), 4 – основная камера подачи жидкости, 5 – мембрана над основной камерой, 6 – основной пьезоэлемент, 7 – входной канал подачи жидкости в буферную камеру, 8 – буферная камера, 9 – мембрана над буферной камерой, 10 – дополнительный пьезоэлемент.

Дозатор предназначен для синтеза активных химических соединений с обеспечением плавного изменения объема капель с точностью порядка одного пиколитра. Дозатор состоит из двух склеенных пластин (на основе соединений кремния), в одной из которых созданы следующие функциональные углубления (фиг. 1).

На фиг. 2 показана расчетная зависимость объема капли от частоты, на которой работает дополнительный пьезоэлектрический дозатор при работе основного пьезоэлемента на фиксированной частоте 1кГц. Из фиг. 2 видно, что в случае одинаковых основной камеры подачи жидкости и буферной камеры, основного и дополнительного пьезоэлемента, основной и дополнительной мембран с увеличением частоты работы дополнительного пьезоэлемента начиная с 10 кГц объем вылетающей капли увеличивается. Существенное увеличение частоты работы дополнительного пьезоэлемента, воздействующего на буферную камеру подачи жидкости позволяет эффективно изменять объем вылетающей капли, не меняя параметров импульса основного пьезоэлемента. Это обусловлено тем, что, начиная с 10 кГц, в данной конфигурации дополнительный пьезоэлемент работает подобно крану.

Пьезоэлектрический дозатор, чертеж и фото которого представлена на фиг. 3а и фиг. 3б соответственно, имеет внутреннюю геометрию, пример которой показан на фиг. 1.

На фиг. 4 показана схема сечения дозатора (секущая плоскость проходит вдоль линии 19 на фиг. 3а перпендикулярно рисунку), на которой 1 – сопло (с треугольным выходом), 2 – выходной канал, 3 –канал между камеру подачи жидкости и буферной камерой, 4 – камера подачи жидкости, 5 – мембрана, 6 – пьезоэлемент, 7 – входной канал, 8 – буферная камера, 9 – мембрана над буферной камерой, 10 – дополнительный пьезоэлемент, 11 – пластина, на которую крепится пьезоэлемент, 12 – пластина с технологическими каналами, 13 – область приклейки пьезоэлемента, покрытая тонким электропроводящим слоем, 14 – тонкий электропроводящим слой, 15 – термопластическая полимерная смола, фиксирующая пьезоэлемент, 16 – область приклейки дополнительного пьезоэлемента, покрытая тонким электропроводящим слоем, 17 – тонкий электропроводящим слой, 18 – термопластическая полимерная смола, фиксирующая дополнительный пьезоэлемент.

Способ дозирования осуществляется при помощи выдавливания жидкости через канал 2 и сопло 1 (фиг. 4) при механическом (акустическом) воздействии пьезоэлемента 6 (фиг. 4) на мембрану 5 (фиг. 4). Механическое воздействие на мембрану осуществляется за чет изменения геометрии (деформаций) пьезоэлемента в результате пьезоэффекта возникающего при создании напряжения между проводящими слоями 13 и 14 (фиг. 4). В итоге, при подаче на проводящие слои 13 и 14 (фиг. 4) напряжения с частотой вылета капель, из сопла 1 (фиг. 4) осуществляется дозирование. Для выполнения данной процедуры необходимо, чтобы достаточное количество жидкости поступило через канал 3 (фиг. 4) из буферной камеры 8 (фиг. 4) непосредственно перед дозированием в основную камеру 4 (фиг. 4). Это регулируется работой дополнительного пьезоэлемента. Во время дозирования частота дополнительного пьезоэлемента (задаваемая напряжением между проводящими слоями 16 и 17 (фиг. 4)) подбирается оператором так, чтобы отрегулировать вылет капли до нужного объема. На время закачки жидкости дополнительный пьезоэлемент отключается, либо снижается частота его работы. Также имеется возможность подобрать частоту дополнительного пьезоэлемента так, чтобы повысить давление в камере подачи жидкости.

Изобретение относится к устройствам для дозирования жидкости, предназначенным для работы в принтерах с повышенным давлением в канале подачи жидкости. Отличительной особенностью является то, что пьезоэлектрический дозатор включает два пьезоэлемента: основной и дополнительный. Управление объемом капли осуществляется посредством изменения напряжения на дополнительном пьезоэлементе, т.е. при увеличении частоты работы дополнительного пьезоэлемента (начиная с 10 кГц) частично, или полностью перекрывается входной канал подачи жидкости. Дополнительный пьезоэлемент с буферной камерой позволяет увеличить максимальный объем капель либо выступает как клапан (кран) при отключенном основном пьезоэлементе. Технический результат - возможность дозирования в непрерывном режиме, т.е. потоком жидкости, созданным внешним давлением в канале подачи жидкости, управление объемом и скоростью подачи; повышение точности объемов вылетающих капель и расширение возможностей управления объемом капель, а также увеличение диапазона давлений в канале подачи жидкости, при котором дозатор может выполнять функции дозирования. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Пьезоэлектрический дозатор, включающий две склеенные кремниевые пластины, в одной их которых созданы функциональные углубления для сопла, входного канала подачи жидкости и камеры подачи жидкости с мембраной, к которой прикреплен пьезоэлемент, отличающийся тем, что перед входным каналом в камеру подачи жидкости расположена буферная камера, к которой прикреплен дополнительный пьезоэлемент, предназначенный для перекрытия входного канала.

2. Способ дозирования жидкости дозатором по п.1, включающий механическое воздействие на мембрану за счет изменения геометрии основного и дополнительного пьезоэлемента при подаче напряжения на частоте вылета капель менее 1 кГц для основного и на частоте от 10 кГц до 1000 кГц для дополнительного пьезоэлемента, при котором происходит выдавливание жидкости из сопла.