CN100513180C - 微液滴喷头 - Google Patents

Abstract

一种微液滴喷头，包括第一基板、喷孔片、第二基板、流道板以及致动元件。喷孔片设置于第一基板的第一表面上，且喷孔片具有至少一个喷孔。第二基板设置于第一基板的第二表面上方，且第二基板具有至少一个供液口。流道板设置于第一基板与第二基板之间，而其与第二基板之间形成压力腔。流道板具有流道，欲喷出的溶液通过第一基板的供液口流入流道，再从流道溢流至压力腔。致动元件则是设置于该第二基板上，其中致动元件适于带动第二基板产生变形，以改变压力腔的体积，进而使压力腔内的溶液通过喷孔喷出。

Description

微液滴喷头

技术领域

本发明涉及一种供液装置，且特别涉及一种微液滴喷头。

背景技术

与传统利用压力差原理来驱动的雾化器相比之下，使用压电元件作为驱动元件的雾化器具有反应时间(response time)短、结构细致、携带方便、液滴微细化以及易于控制精准等优点，而被广泛地应用在医药用途及引擎燃烧系统、冷却系统、与液晶显示器工艺等工业用途上。

美国专利第6,247,525号披露一种雾化器(atomizer)，其特点在于利用表面波将液体雾化成微液滴，以便于冷却热体。然而，在此雾化器中，振动能量是分散地传递至腔体内所有的液体，仅将水平面上的表层液体雾化，因此在驱动过程中需耗损多余的能量。而且，此雾化器必须将振动面恒保持在液体下方，才能顺利将液体雾化成微液滴。换言之，此雾化器在使用上具有方向性的限制。

美国专利第6,629,646号披露一种微液滴喷出装置(dropletejector device)，其特点在于其是直接在振动面上形成喷孔。然而，在此装置中，其所欲喷出的溶液会直接接触到压电元件，若此溶液与压电元件产生化学变化，则会导致压电元件损坏以及溶液污染的问题。

美国专利第6,474,566号披露一种液滴排出装置(drop dischargedevice)，其由多层结构堆叠而成，且此液滴排出装置的特点在于喷孔周围具有多个流阻系数不同的流阻层(liquid-repelling layer)的部位。然而，当此液滴排出装置的压力腔体积改变而欲喷出液滴的同时，会有部分的溶液从压力腔回流至溶液供应腔中而未能全部喷出。另一方面，此装置的压电元件并未正对于喷孔，所以无法有效地将能量传递至液体而从喷孔处喷出微液滴。此外，此装置的工艺复杂，且组装上的精密度要求高，误差容许度低。

美国专利第6,550,691号披露一种精密控制药剂喷头(reagentdispenser head)，其特点在于压电元件与液体流道分离，因此可避免压电元件损坏以及溶液污染的问题。然而，在此药剂喷头的工艺中，必须分别使用各向异性蚀刻与各向同性蚀刻来形成入液孔与锥形喷孔，工艺相当复杂费时，也无法克服部分的溶液从压力腔回流至溶液供应腔中的问题。

由于压电式雾化器目前已被广泛地应用在各种产业中，因此如何降低压电式雾化器的制造成本以及提高其功效，已成为重要的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种微液滴喷头，以解决公知雾化器低效率且工艺繁杂的问题。

为达上述或是其他目的，本发明提出一种微液滴喷头，包括第一基板、喷孔片、第二基板、流道板以及致动元件。其中，第一基板具有第一表面与第二表面，喷孔片设置于第一基板的第一表面上，且喷孔片具有至少一个喷孔。第二基板设置于第一基板的第二表面上方，且第二基板具有至少一个供液口。流道板设置于第一基板与第二基板之间，而其与第二基板之间形成压力腔，该流道板包括：第一子流道板，具有至少一个通孔；第二子流道板，设置于该第一子流道板上，且该第二子流道板具有至少一个第一环形孔与至少一个第二环形孔，其中该第一环形孔与该第二环形孔部分地与该通孔重叠；以及第三子流道板，设置于该第二子流道板上，且该第三子流道板具有至少一个第三环形孔，其中该第三环形孔部分地与该第一环形孔重叠，且该流道板具有流道，由该第一子流道板、该第二子流道板、该第三子流道板所构成，该流道相对于该流道板的几何中心轴呈轴对称，欲喷出的溶液通过第一基板的供液口流入流道，再从流道溢流至压力腔。致动元件则是设置于该第二基板上，其中致动元件适于带动第二基板产生变形。

在本发明之一实施例中，上述致动元件例如是位于喷孔片上方的第二基板上。

在本发明之一实施例中，上述第一子流道板、第二子流道板与第三子流道板例如是环形板。

在本发明之一实施例中，上述喷孔片包括喷孔层及至少一个填充物。喷孔层具有至少一个喷孔与至少一个沟渠，其中喷孔贯穿喷孔层，而这些沟渠位于喷孔层的表面并围绕喷孔，且沟渠与喷孔相隔一距离。填充物填充于沟渠之内，且填充物的表面的润湿角不同于喷孔层的表面的润湿角。

在本发明之一实施例中，沟渠可为环状沟渠、连续沟渠或断续沟渠。

在本发明之一实施例中，喷孔层的材质可为可润湿性材质，且填充物的材质可为相对于上述可润湿性材质的抗润湿性材质。

在本发明之一实施例中，喷孔层的材质可为抗润湿性材质，且填充物的材质可为相对于抗润湿性材质的可润湿性材质。

在本发明之一实施例中，上述喷孔片的喷孔呈锥形。

在本发明之一实施例中，上述致动元件例如是压电材料。

在本发明之一实施例中，上述喷孔片例如是具有多个以阵列方式排列的喷孔。

本发明的微液滴喷头在喷液过程中，压力腔内的溶液并不会回流至流道内。也就是说，本发明的微液滴喷头可喷出高流量的微液滴。此外，本发明的流道板可以由三个环形的子流道板所构成，其中第二与第三子流道板均具有环形孔，且这些环形孔是以轴对称的方式排列，因此在组装上可以具有较大的容许误差。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1A为本发明之一较佳实施例中微液滴喷头的剖面分解图。

图1B为本发明之一较佳实施例中微液滴喷头的剖面。

图2A至图2C分别为本发明之一实施例中第一子流道板、第二子流道板与第三子流道板的俯视示意图。

图3为本发明之一实施例中第二子流道板与第三子流道板组装后的俯视示意图。

图4A与图4B分别为本发明之微液滴喷头在不同状态下的剖面示意图。

图5A为本发明之第一实施例中喷孔片的局部俯视图。

图5B为图5A的喷孔片沿I-I’线的剖面图。

图6至图8分别为本发明的其他实施例中喷孔片的局部俯视图。

主要元件标记说明

100：微液滴喷头

110：第一基板

112、114：表面

120：喷孔片

122：喷孔

123、423、523、623、723a、723b、723c：沟渠

124：喷孔层

124a：喷孔层表面

126：填充物

126a：填充物表面

130：第二基板

132：供液口

140：流道板

142：流道

143：通孔

144：第一子流道板

145、147、149：环状孔

146：第二子流道板

148：第三子流道板

150：致动元件

A、B：第三环形孔的两端

L：中心轴

具体实施方式

图1A为本发明之一较佳实施例中微液滴喷头的剖面分解图。图1B则为本发明之一较佳实施例中微液滴喷头的剖面。请参照图1A，微液滴喷头100包括第一基板110、喷孔片120、第二基板130、流道板140以及致动元件150。其中，喷孔片120设置于第一基板110的第一表面112上，且喷孔片120具有喷孔122，而本实施例的喷孔122例如是呈锥形。第二基板130具有供液口132，且第二基板130设置于第一基板110的第二表面114上方，而欲喷出的溶液(图中未示出)即是由第二基板130的供液口132流入微液滴喷头100中。

值得一提的是，目前医疗上所使用的药液大多是由多种不同药液混合而成。然而，这些药液在混合之后如未马上使用，往往在短时间内就会变质，因此目前多是在使用前才混合这些药液。为提高使用便利性，本发明的微液滴喷头可以具有多个供液口，以便于让使用者在使用前将欲混合后喷出的药液，分别从这些供液口注入微液滴喷头内。举例来说，本实施例的第二基板130具有两个供液口132，因此使用者可将两种溶液分别通过这两个供液口132注入至微液滴喷头100中，以使这两种溶液在微液滴喷头100中混成混合溶液。但本实施例并非用以限定本发明的供液口132的数量，所属技术领域的技术人员可以自行依照实际需求来决定。

请继续参照图1A与图1B，流道板140设置于第一基板110与第二基板130之间，而流道板140与第二基板130之间形成压力腔102。特别的是，本实施例的流道板140例如是由第一子流道板144、第二子流道板146与第三子流道板148所构成。其中，第一子流道板144、第二子流道板146与第三子流道板例如是环形板。

图2A至图2C分别为本发明之一实施例中第一子流道板、第二子流道板与第三子流道板的俯视示意图。请参照图2A，本实施例的第一子流道板144具有通孔143。请参照图2B，第二子流道板146例如是具有三个第一环形孔145与三个第二环形孔147。请参照图2C，本实施例的第三子流道板148则例如是具有三个第三环形孔149。当然，本发明并未限定这些环形孔的数量，所属技术领域的技术人员可自行依据实际需求来决定各子流道板上环形孔的数量。

请再次参照图1A与图1B，第二子流道板146与第三子流道板148依次设置于第一子流道板144上，且各第一环形孔145与第二环形孔147对称设置，并部分重叠于通孔143上方，第三环形孔149则位于第二子流道板上方，而与两个相邻的第一环形孔145部分重叠，形成连续的流道。

值得注意的是，第一环形孔145的位置与第三环形孔149的位置对称于流道板140的几何中心轴L。因此如图3所示，在将第三子流道板148组装于第二子流道板146上时，即使因组装误差而使得第三环形孔149与第一环形孔145在A处的重叠面积小于预设值，但此时第三环形孔149与第一环形孔145在B处的重叠面积会大于预设值，以对第一环形孔145与第三环形孔149在A处的重叠面积进行补偿。

如图1B所示，第一子流道板144的通孔143、第二子流道板146的第一环形孔145与第二环形孔147以及第三子流道板148的第三环形孔149即构成流道板140的流道142。详细来说，当待喷出的溶液从供液口132流入微液滴喷头100之后，此溶液会依次通过第三环形孔149、第一环形孔145与通孔143，再由通孔143通过第二环形孔147而溢流至压力腔102内。

此外，由于空间等因素限制，在其他实施例中亦可在第一基板110上设计供液口(图中未示出)，而此供液口通过第三子流道板148连通到第三环形孔149。

致动元件150例如是压电元件，且其设置于第二基板130上。致动元件150例如是以交流电信号来驱动，因而使致动元件150向上或向下弯曲(bending)。当致动元件150受到电压驱动而产生弯曲变形时，第二基板130亦会随之变形。图4A与图4B分别为本发明之微液滴喷头在不同状态下的剖面示意图。请参照图4A，当第二基板130随致动元件150产生变形而向上弯曲时，待喷出的溶液可通过流道142流至压力腔102内。接着，请参照图4B，当第二基板130随致动元件150产生变形而向下弯曲时，压力腔102内的溶液会因受压而从喷孔片120的喷孔122以微液滴的形式喷出。特别的是，由于此时第二基板130会接近第二子流道板146，因而缩小第二基板130与第二子流道板146之间的间隙(如图4B标示为G之处)，因此压力腔102内的溶液并不会回流至流道142内。换言之，本发明的微液滴喷头100能够有效地将压力腔102内的溶液喷出。

而且，在本实施例中，致动元件150例如是位于喷孔122的上方，因此致动元件150所提供的振动能量能够有效率地用来喷出液滴。

图5A为本发明之第一实施例中喷孔片的局部俯视图，图5B为图5A沿I-I’线的剖面图。请参照图5A及图5B，喷孔片120包括喷孔层124。喷孔层124具有喷孔122，其贯穿喷孔层124，使得使用喷孔片120的微液滴喷头100(见图1)可通过喷孔122将液滴喷出。在另一实施例中，喷孔层124也可以具有多个喷孔122，且这些喷孔122可以以阵列方式排列(图中未示出)。由此可知，本发明并未限制喷孔122的数量及排列方式。

为了让残留在喷孔层124的喷孔122附近的表面124a上的溶液不会任意流动至喷孔层124的表面124a的其他区域，喷孔层124还具有沟渠123，其位于喷孔层124的表面124a并围绕喷孔122，且沟渠123与喷孔122相隔一定距离。此外，喷孔片120还包括填充物126，其填充于沟渠123之内，且填充物126的表面126a的润湿角(wetting angle)设定不同于喷孔层124的表面124a的润湿角。

在本实施例中，当喷孔层124的材质为可润湿性材质(例如镍、硅或含有皂基的材质)，且填充物126的材质为相对于上述可润湿性材质的抗润湿性材质(例如四氟化碳)时，填充物126的表面126a的润湿角大于喷孔层124的表面124a的润湿角。相反地，当喷孔层124的材质为抗润湿性材质(例如聚酰亚胺(polyimide))，且填充物126的材质为相对于上述抗润湿性材质的可润湿性材质(例如镍或含有皂基的材质)时，填充物126的表面126a的润湿角小于喷孔层124的表面124a的润湿角。

无论是上述何种材质设定，这些材质设定都会在喷孔层124的喷孔122周围的表面124a形成液滴限制区域，因而让残留在喷孔层124的喷孔122附近的表面124a上的墨水或溶液不会任意流动至喷孔层124的表面124a的其他区域，进而降低微液滴在喷头表面发生聚积的现象，造成雾化中断。

而且，虽然图5A所示的喷孔片120在喷孔层124上仅具有单一环状连续沟渠123，但在其他实施例中，喷孔层124还可以具有多条沟渠。举例来说，喷孔层124可以具有两个环状连续沟渠423，其以同心环状的方式环绕喷孔122，如图6所示。此外，喷孔层124亦可以具有三个环状断续沟渠623，其以同心环状的方式环绕喷孔122，如图7所示。或者，喷孔层可以具有环状连续沟渠723a及多个环状断续沟渠723b，其以同心环状的方式环绕喷孔122，且喷孔层124还可具有多个径向沟渠723c，而这些径向沟渠723c与环状断续沟渠723b交错，如图8所示。

综上所述，本发明具有下列特点：

一、在本发明的微液滴喷头中，待喷出的溶液是位于第二基板与流道板之间的压力腔内，而致动元件则是设置于第二基板上。也就是说，待喷出的溶液与致动元件之间隔有第二基板，且第二基板的材质通常为不具渗透性的材料，因此可有效地阻隔致动元件与待喷出的溶液的接触。由此可知，本发明可有效地避免公知致动元件与待喷出的溶液接触所引起的溶液污染与电极损坏的问题。

二、本发明的致动元件可以设置于喷孔的正上方，因此致动元件所提供的振动能量能够有效率地传递至喷孔附近的溶液，而使此处的溶液以微液滴的形式从喷孔喷出。换言之，本发明的微液滴喷头的能量传递效率佳，因此其所需的驱动功率低。

三、本发明的微液滴喷头于喷液过程中，压力腔内的溶液并不会回流至流道内。也就是说，本发明的微液滴喷头可喷出高流量的微液滴。

四、本发明的流道板可以由三个环形的子流道板所构成，其中第二与第三子流道板均具有环形孔，且这些环形孔是以轴对称的方式排列，因此在组装上可以具有较大的容许误差。

五、本发明的喷孔片是在喷孔层的喷孔的外围的形成沟渠，并镶嵌润湿性不同于喷孔片的填充物于此沟渠之内，以在喷孔层的喷孔外围的表面上形成液滴限制区域，以抑制残留的溶液聚集喷孔层的表面而在喷孔片表面发生积墨的现象，避免造成雾化中断的问题。

六、本发明的微液滴喷头的工艺简单，因此可大量量产。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与改进，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (12)

1.一种微液滴喷头，适于喷出溶液的微液滴，其特征是该微液滴喷头包括：

第一基板，具有第一表面与第二表面；

喷孔片，设置于该第一基板的该第一表面上，且该喷孔片具有至少一个喷孔；

第二基板，设置于该第一基板的该第二表面上方，且该第二基板或该第一基板具有至少一个供液口；

流道板，设置于该第一基板与该第二基板之间，而其与该第二基板之间形成压力腔，

该流道板包括：

第一子流道板，具有至少一个通孔；

第二子流道板，设置于该第一子流道板上，且该第二子流道板具有至少一个第一环形孔与至少一个第二环形孔，其中该第一环形孔与该第二环形孔部分地与该通孔重叠；以及

第三子流道板，设置于该第二子流道板上，且该第三子流道板具有至少一个第三环形孔，其中该第三环形孔部分地与该第一环形孔重叠，

且该流道板具有流道，由该第一子流道板、该第二子流道板、该第三子流道板所构成，该流道相对于该流道板的几何中心轴呈轴对称，其中该溶液通过该供液口流入该流道后，适于从该流道溢流至该压力腔；以及

致动元件，设置于该第二基板上，其中该致动元件适于带动该第二基板产生变形。

2.根据权利要求1所述的微液滴喷头，其特征是该致动元件位于该喷孔片上方的该第二基板上。

3.根据权利要求1所述的微液滴喷头，其特征是该第一子流道板、该第二子流道板与该第三子流道板分别为环形板。

4.根据权利要求1所述的微液滴喷头，其特征是该喷孔片包括：

喷孔层，具有该喷孔与沟渠，其中该喷孔贯穿该喷孔层，而该沟渠位于该喷孔层的表面并围绕该喷孔，且该沟渠与该喷孔相隔一距离；以及

填充物，填充于该沟渠之内，该填充物的表面的润湿角不同于该喷孔层的表面的润湿角。

5.根据权利要求4所述的微液滴喷头，其特征是该沟渠为环状沟渠。

6.根据权利要求5所述的微液滴喷头，其特征是该沟渠为连续沟渠。

7.根据权利要求5所述的微液滴喷头，其特征是该沟渠为断续沟渠。

8.根据权利要求4所述的微液滴喷头，其特征是该喷孔层的材质为可润湿性材质，且该填充物的材质为相对于该可润湿材质的抗润湿性材质。

9.根据权利要求4所述的微液滴喷头，其特征是该喷孔层的材质为抗润湿性材质，且该填充物的材质为相对于该抗润湿性材质的可润湿性材质。

10.根据权利要求1所述的微液滴喷头，其特征是该喷孔片的该喷孔为锥形孔。

11.根据权利要求1所述的微液滴喷头，其特征是该致动元件为压电材料。

12.根据权利要求1所述的微液滴喷头，其特征是该喷孔片具有多个喷孔，且上述这些喷孔为阵列设置。

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