FR2775203A1 - Ultrasonic actuator for displacement of liquid droplets or powdered material - Google Patents
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Abstract
Description
ACTIONNEUR ULTRASONORE POUR LE
DEPLACEMENT DE GOUTTELETTES LIQUIDES OU DE
MATERIAUX PULVERULENTS.ULTRASONIC ACTUATOR FOR THE
MOVING LIQUID DROPLETS OR
POWDER MATERIALS.
La présente invention concerne un actionneur ultrasonore pour le déplacement de gouttelettes liquides ou de matériaux pulvérulents. The present invention relates to an ultrasonic actuator for moving liquid droplets or pulverulent materials.
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 l'intérieur sur la surface vibrante selon un débit régulier et en une nappe d'épaisseur constante. 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.
On connaît également le brevet européen
EP243117 qui décrit un appareil pour produire une onde capillaire sur une surface libre d'un volume de liquide, l'onde capillaire ayant une structure d'onde périodique comportant des crêtes et des creux, comportant un moyen de transducteur acoustique pour irradier la surface libre du liquide avec une onde de pression ultrasonique, et un moyen pour adresser individuellement et sélectivement les crêtes sélectionnées de l'onde capillaire pour modifier localement les propriétés de surface du liquide à l'intérieur des crêtes sélectionnées, caractérisé en ce que le moyen de transducteur comporte une multitude d'éléments piézoélectriques mécaniquement indépendants qui sont polarises dans un sens perpendiculaire à la surface libre, et un moyen pour exciter les éléments piézoélectriques à l'unisson, amenant de ce fait l'onde de pression à présenter une amplitude.We also know the European patent
EP243117 which describes an apparatus for producing a capillary wave on a free surface of a volume of liquid, the capillary wave having a periodic wave structure comprising peaks and valleys, comprising an acoustic transducer means for irradiating the free surface liquid with an ultrasonic pressure wave, and means for individually and selectively addressing the selected ridges of the capillary wave to locally modify the surface properties of the liquid within the selected ridges, characterized in that the transducer means comprises a multitude of mechanically independent piezoelectric elements which are polarized in a direction perpendicular to the free surface, and a means for exciting the piezoelectric elements in unison, thereby causing the pressure wave to have an amplitude.
Ces solutions sont adaptées à des applications très spécifiques, dans lesquelles les gouttes de liquides sont guidées dans un tube capillaire, ou dont le but est la pulvérisation d'une goutte. Par contre, 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. These solutions are suitable for very specific applications, in which the drops of liquids are guided in a capillary tube, or the purpose of which is the spraying of a drop. On the other hand, these solutions are not suitable for the unconstrained movement of drops or of pulverulent materials on vertical, horizontal or inclined flat surfaces, not delimited laterally.
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. 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. To this end, 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.
De préférence, les modes stationnaires ont approximativement la même fréquence et sont excités avec un déphasage électrique réglable. Preferably, the stationary modes have approximately the same frequency and are energized with an adjustable electrical phase shift.
De préférence également, la structure raisonnante peut en outre être excitée afin de produire une onde progressive. Preferably also, the reasoning structure can also be excited in order to produce a progressive wave.
Selon un mode de mise en oeuvre préféré, la structure résonnante est formée par une lame dont les deux extrémités sont raccordées. According to a preferred embodiment, the resonant structure is formed by a blade, the two ends of which are connected.
Selon une variante, la structure résonnante présente une forme annulaire. According to a variant, the resonant structure has an annular shape.
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 nk+ P(2p), où n est un entier, k la période spatiale des modes et p le nombre de modes utilisés. Preferably, 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 nk + P (2p), where n is an integer, k the spatial period of the modes and p the number of modes used.
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 l'alimentation des transducteurs caractérisé en ce que l'alimentation comporte en outre un mode de pulvérisation correspondant à une tension élevée. The invention also relates to a system comprising such an ultrasonic actuator for moving liquid droplets or pulverulent materials and a generator for supplying the transducers, characterized in that the supply also comprises a spraying mode corresponding to a high voltage. .
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 l'actionneur ;
- la figure 2 représente une vue schématique des lignes de noeuds et ventres pour le cas où deux modes sont excités.The invention will be better understood on reading the description which follows, referring to the accompanying drawings in which
- Figure 1 shows a schematic view of the actuator;
- Figure 2 shows a schematic view of the lines of nodes and bellies for the case where two modes are excited.
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. 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.
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. 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.
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. In the example described, 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.
Ils sont disposés pour présenter des polarisations opposées.They are arranged to present opposite polarizations.
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. 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.
Les transducteurs piézo-électriques sont collées sur la surface de la lame de laiton. The piezoelectric transducers are bonded to the surface of the brass blade.
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 électrostrictifs
- des actionneurs électrostatiques.The excitation of the blade can be achieved with different transducers
- piezoelectric materials, in the form of discs or plates bonded to the surface of the actuator using a conductive adhesive, or produced in the form of deposited layers
- magnetostrictive, magnetic or electrostrictive materials
- electrostatic actuators.
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 noeuds et des ventres dont la position dépend du mode d'excitation. La figure 2 représente une vue schématique des lignes de noeuds et ventres des deux modes excités. Each of the series of transducers (2, 3) and (4, 5) produce standing waves, offset by half a wavelength. The blade therefore has knots and bellies on its surface, the position of which depends on the mode of excitation. FIG. 2 represents a schematic view of the lines of nodes and bellies of the two excited modes.
Les ventres (7) du premier mode correspondent aux noeuds (8) du deuxième mode. Les noeuds (9) du premier mode correspondent aux ventres (10) du deuxième mode. 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.
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. 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.
En l'absence d'excitation, la goutte vient se positionner de façon quelconque à la surface de la lame (1). In the absence of excitation, the drop is positioned in any manner on the surface of the blade (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. To move the drop, simply change the mode to cause the drop to move a quarter wavelength.
En utilisant les deux modes stationnaires, on peut faire passer la goutte de manière réversible entre deux positions adjacentes. By using the two stationary modes, the drop can be passed reversibly between two adjacent positions.
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 noeud vibratoire du mode en fonction. If the section of the drop is greater than half a wavelength, it is divided into two, each of the partitions then coming to occupy a position corresponding to a vibrating node of the operating mode.
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. 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.
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. Furthermore, by increasing the supply voltage, it is possible to spray a drop. The energy required to spray a drop depends on the surface tension of the liquid.
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. The structure can be constituted as in the example described by a flat surface ensuring the displacement of a liquid drop between different working areas.
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 noeuds vibratoires des différents modes avec les zones actives. 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.
Claims (8)
Priority Applications (3)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| AU2628699A (en) | 1999-09-15 |
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