CN116412111A - 低滞后压电泵 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低滞后压电泵,使用压电元件作为致动器以分配液体,低滞后压电泵可通过响应于取决于例如温度变化的原因的压电致动器的行为特性的改变而调整所施加电压来维持准确的粘性液体排出特性。
Description
相关申请案的交叉引用
本申请案是基于且要求2021年12月29日在韩国知识产权局中提交的韩国专利申请案第10-2021-0191188号的优先权,所述申请案的公开内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及一种低滞后压电泵,且更明确地说,涉及一种使用压电元件作为致动器以分配液体的低滞后压电泵。
背景技术
供应精确量的粘性液体(例如水、油或树脂)的分配器用于各种领域,例如半导体工艺和医疗领域。
确切地说,在半导体工艺的情况下,分配器通常在底部填料工艺中使用,且分配器还广泛用于用树脂填充半导体装置的封装的内部。在制造发光二极管(LED)装置的工艺中,分配器用于将与荧光材料和LED装置中的树脂混合的荧光体施加到LED芯片的工艺中。
在此类分配器中,在准确位置处分配精确量的供应液体的泵用作关键装置。
存在各种类型的泵结构,例如,螺杆泵和线性泵。最近,为了在高速下执行施配,已开发使用压电元件作为致动器的压电泵且在半导体工艺中使用。
韩国专利注册第1301107号(在2013年8月14日注册)公开一种包含泵体和阀体的压电泵,所述压电泵可分离地彼此耦合。铰链轴安装在泵体上,且在水平方向上延伸的杠杆相对于铰链轴能够旋转地安装。在竖直方向上延伸的阀杆安装在阀体上。杠杆和阀杆彼此连接,使得当杠杆围绕铰链轴旋转时,阀杆上下移动。一对压电致动器安装在泵体上以使杠杆相对于铰链轴旋转。所述一对压电致动器中的每一个由压电元件构成,所述压电元件的长度取决于所施加电压的电位而增加或减小。
在此类压电泵中使用的压电致动器通常由来自钛酸铅锆(PZT)的陶瓷制成。此类压电致动器在使用期间产生热量且增加其温度。然而,当压电致动器的温度如上所述增加时,压电致动器的行为特性改变。因此,即使驱动压电致动器的所施加电压根据工作条件设置,如果压电致动器的温度在工作期间升高,那么压电泵的性能也会改变。另外,当压电致动器的温度增加时,滞后现象增加,且所施加电压与压电致动器的变形量之间的对应关系改变。
为了解决此问题,开发并使用另外配备有压电致动器冷却装置的压电泵。然而,当使用冷却装置时,压电泵的体积增加。另外,取决于冷却装置的类型,在维持压电泵的温度恒定方面存在限制,因此难以维持泵的性能。在使用例如水冷却的液体冷却的情况下,归因于冷却液体泄漏而存在工艺失败的风险。
因此,需要能够维持压电泵的分配性能的低滞后压电泵,尽管压电特性根据压电致动器的温度变化而改变。另外,考虑到压电致动器在预定温度范围内的性能改变,需要能够维持分配性能的低滞后压电泵,所述预定温度范围即使在使用冷却装置时也不可避免地发生。
发明内容
本公开的目的是提供即使当压电致动器的特性改变时也能够维持粘性液体的排出性能的低滞后压电泵。
将部分地在以下描述中阐述额外方面,且部分地将从所述描述中显而易见,或可通过实践本公开的所呈现实施例而习得。
一种来自本公开的低滞后压电泵,包含:泵体;阀操作部件,包含安装成能够相对于安装在泵体上的铰链轴旋转的杠杆,以及连接到杠杆以根据杠杆的旋转而上下移动的阀杆;压电致动器,安装在泵体上且具有可与杠杆接触的末端部分,其中压电致动器在施加电压以使杠杆围绕铰链轴旋转时拉长且按压杠杆;阀体,包含阀杆的末端部分插入到其中且液体存储到其中的储集器、将液体通过其引入到储集器中的入口和根据阀杆在储集器中的向前/向后移动而通过其排出储集器的液体的喷嘴;位移检测传感器,安装在压电致动器中以检测压电致动器的操作位移;以及控制单元,电连接到压电致动器和位移检测传感器以施加电压来操作压电致动器,且从位移检测传感器接收关于压电致动器的操作位移的检测信号。
另外,一种根据本公开的低滞后压电泵,包含:泵体;阀操作部件,包含安装成能够相对于安装在泵体上的铰链轴旋转的杠杆,以及连接到杠杆以根据杠杆的旋转而上下移动的阀杆;一对压电致动器,彼此平行地安装在泵体上,其中铰链轴插入在一对压电致动器之间且各自具有能够与杠杆接触的末端部分,其中所述一对压电致动器在施加电压以使杠杆围绕铰链轴旋转时拉长且按压杠杆;阀体,包含阀杆的末端部分插入到其中且液体存储到其中的储集器、将液体通过其引入到储集器中的入口和根据阀杆在储集器中的向前/向后移动而通过其排出储集器的液体的喷嘴;一对位移检测传感器,分别安装在所述一对压电致动器中以检测所述一对压电致动器的操作位移;以及控制单元,电连接到所述一对压电致动器和所述一对位移检测传感器以施加电压来操作所述一对压电致动器,且从所述一对位移检测传感器接收关于所述一对压电致动器的所述操作位移的检测信号。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述,本公开的某些实施例的上述和其它方面、特征和优点将更加显而易见,其中:
图1为根据本公开的实施例的低滞后压电泵的正视图。
图2为图1中所示出的低滞后压电泵的透视图。
图3为图1中所示出的低滞后压电泵的横截面图。
附图标号说明
100:泵体;
200、300:压电致动器;
210、310:位置控制器;
400:阀操作部件;
410:铰链轴;
420:杠杆;
421:捕获凹槽;
430:阀杆;
431:捕获突起;
500:阀体;
510:储集器;
520:入口;
530:喷嘴;
600、700:位移检测传感器;
800:控制单元;
810:杠杆位移传感器。
具体实施方式
现在将对实施例进行详细参考,所述实施例的实例在附图中说明,其中在全文中相似附图标号指代相似元件。就此而言,本实施例可具有不同形式,且不应被解释为限于本文中所阐述的描述。因此,下文仅通过参考附图描述实施例以解释各方面。如本文中所使用,术语“和/或”包含相关联的所列项目中的一或多个的任何和所有组合。当在元件列表之前时,例如“中的至少一个”的表述修饰元件的整个列表而不是修饰列表的个别元件。
在下文中,将参考附图描述根据本公开的实施例的低滞后压电泵。
图1为根据本公开的实施例的低滞后压电泵的正视图,图2为图1中所示出的低滞后压电泵的透视图,图3为图1中所示出的低滞后压电泵的横截面图。
参考图1到图3,此实施例的低滞后压电泵包含泵体100、一对压电致动器200和300、阀操作部件400、阀体500,一对位移检测传感器600和700、杠杆位移传感器810和控制单元800。
所述一对压电致动器200和300、阀操作部件400、所述一对位移检测传感器600和700和杠杆位移传感器810容纳在泵体100内部。泵体100通过例如螺栓的固定部件(未示出)可拆卸地耦合到阀体500。并且,泵体100电连接到控制单元800。
所述一对压电致动器200和300安装在泵体100上。所述一对压电致动器200和300中的每一个由压电元件形成。压电元件的长度根据所施加电压的电位而增加或减小,所施加电压为施加到压电元件的电压,由此使杠杆420相对于铰链轴410旋转。在此实施例中,压电致动器200和300将被描述为堆叠多个压电元件的多堆叠类型的实例。
在此实施例的低滞后压电泵中,所述一对压电致动器200和300包含第一压电致动器200和第二压电致动器300。
第一压电致动器200和第二压电致动器300在竖直方向上并排布置且由泵体100支撑。布置第一压电致动器200和第二压电致动器300以使得下部末端220和320与杠杆420的上部表面接触,其中铰链轴410插入到所述下部末端与所述上部表面之间。位置控制器210和310分别安装在对应于泵体100中的第一压电致动器200和第二压电致动器300的上部末端的位置处。
第一位置控制器210和第二位置控制器310在其末端部分分别与第一压电致动器200和第二压电致动器300的末端部分接触的状态下螺旋耦合到泵体100。第一位置控制器210控制第一压电致动器200相对于杠杆420和泵体100的位置,且第二位置控制器310控制第二压电致动器300相对于杠杆420和泵体100的位置。也就是说,当第一位置控制器210被紧固且按压第一压电致动器200时,第一压电致动器200下降到与杠杆420闭合或紧密接触。第二位置控制器310以与第一位置控制器210相同的方式操作。
阀操作部件400包含铰链轴410、杠杆420和阀杆430。铰链轴410安装在泵体100上。杠杆420在水平方向上延伸且能够旋转地安装在铰链轴410上。阀杆430在竖直方向上延伸且连接到杠杆420的一个末端。当杠杆420相对于铰链轴410旋转时,阀杆430上下移动。连接到杠杆420的阀杆430根据杠杆420的旋转相对于储集器510上下移动。
杠杆420和阀杆430可通过各种方法连接。在此实施例中,阀杆连接到杠杆420,使得阀杆可通过勾住杠杆420而上下移动。在水平方向上打开的捕获凹槽421形成于杠杆420的端部部分中。也就是说,杠杆420的捕获凹槽421形成为“C”形状。捕获突起431形成于阀杆430的上部末端上。将捕获突起431插入到杠杆420的捕获凹槽421中以便能够旋转地连接到杠杆420。由于捕获凹槽421在水平方向上打开,捕获突起431相对于捕获凹槽421在水平方向上移动,使得捕获凹槽421和捕获突起431可彼此附接和拆卸。另外,由于捕获凹槽421在水平方向上形成,即使捕获凹槽421通过杠杆420的旋转而上下移动,捕获突起431也不会从捕获凹槽421中掉落且相对于阀体500上下移动。当杠杆420和阀杆430需要彼此分离时,捕获突起431可水平地移动以便易于与捕获凹槽421分离。
阀体500包含储集器510、入口520和喷嘴530。储集器510形成为向上打开的容器的形式。入口520连接到储集器510,且将从外部供应的液体递送到储集器510。将阀杆430插入到储集器510中。当阀杆430如上文所描述通过阀操作部件400上下移动时,储集器510的液体通过由阀杆430产生的压力经由喷嘴530排出。
第一位移检测传感器600和第二位移检测传感器700分别安装在第一压电致动器200和第二压电致动器300中。第一位移检测传感器600和第二位移检测传感器700沿着第一压电致动器200和第二压电致动器300的延伸方向布置以分别检测第一压电致动器200和第二压电致动器300的操作位移。在此实施例中,第一位移检测传感器600和第二位移检测传感器700中的每一个由应变计形成。应变计测量应变计所附接到的物体的应变。由第一位移检测传感器600和第二位移检测传感器700测量的应变被传输到控制单元800,且考虑到第一压电致动器200和第二压电致动器300的长度,控制单元800计算第一压电致动器200和第二压电致动器300的变形量。
杠杆位移传感器810测量阀操作部件400的操作位移。为此,杠杆位移传感器810安装在泵体100上且连接到阀操作部件400的杠杆420。由杠杆位移传感器810测量的值被传输到控制单元800。在此实施例中,杠杆位移传感器810由线性可变位移转换器(LVDT)形成。线性可变位移转换器为将机械运动或振动(确切地说,线性运动)转换成可变电流、电压或电信号且反之亦然的机械运动传感器。
控制单元800施加电压以致动压电致动器200和300。对此,控制单元800包含电力供应器。同时,控制单元800从第一位移检测传感器600和第二位移检测传感器700接收关于第一压电致动器200和第二压电致动器300的应变的检测信号。基于所提供的压电致动器200和300的应变,控制单元800转换且计算第一压电致动器200和第二压电致动器300的操作位移。控制单元800将第一压电致动器200和第二压电致动器300的所计算的操作位移与预设参考设定值进行比较,且检查第一压电致动器200和第二压电致动器300的操作位移是否等于预设参考设定值。当第一压电致动器200和第二压电致动器300的操作位移不同于参考设定值时,控制单元800调整施加到第一压电致动器200和第二压电致动器300的电压,以便将第一压电致动器200和第二压电致动器300的操作位移调整为与预设参考设定值相同。
另外,控制单元800从杠杆位移传感器810接收关于阀操作部件400的操作位移的检测信号。控制单元800将阀操作部件400的所提供的操作位移与预设参考设定值进行比较,且确定阀操作部件400的操作位移是否等于或不同于预设参考设定值。当阀操作部件400的操作位移不同于参考设定值时,控制单元800调整且改变施加到第一压电致动器200和第二压电致动器300的电压,以便将阀操作部件400的操作位移调整为与预设参考设定值相同。
另一方面,当从所述一对位移检测传感器600和700计算出的两个压电致动器200和300的操作位移和从杠杆位移传感器810检测到的阀操作部件400的操作位移彼此不同时,控制单元800给予阀操作部件400的操作位移的优先级,且调整施加到两个压电致动器200和300的电压。如上文所描述,根据在阀门操作工艺期间的输出级的操作位移调整施加到两个压电致动器200和300的电压,使得可使低滞后压电泵的连续定量放电成为可能。
另外,控制单元800将从所述一对位移检测传感器600和700计算出的两个压电致动器200和300的操作位移与从杠杆位移传感器810检测到的阀操作部件400的操作位移进行比较,以确定两个压电致动器200和300的性能变化或在两个压电致动器200和300与阀操作部件400之间连接安置的元件的性能变化。具体来说,当不存在两个压电致动器200和300的性能变化时,确定减少元件的性能。此时,将从位移检测传感器600和700计算出的操作位移转换且计算成由杠杆420放大的行程的大小,以便对应于由杠杆位移传感器810检测到的操作位移。另外,如上文所描述计算出的位移检测传感器600和700的操作位移与杠杆位移传感器810的操作位移一致或成比例。
当两个压电致动器200和300的性能劣化且仅通过调整所施加的电压难以调整阀操作部件400的操作位移时,用户用连续定量放电替换两个压电致动器200和300可使得此成为可能。如果两个压电致动器200和300的性能未降低或低于容许值,那么可通过检查和替换相关联组件来实现连续定量放电。举例来说,可通过例如以下的方法将阀操作部件400的液体排出量调整为参考设定值:调整用于泵体100与阀体500之间的耦合部件(位置控制器210和310)的紧固量;在分离泵体100与阀体500之后重组;或在分离杠杆420与阀杆430之后重组。
在下文中,将描述根据如上文所描述而配置的实施例的低滞后压电泵的操作。
首先,在组装泵体100、阀体500和其它组件的状态下,控制单元800将设定的电压施加到第一压电致动器200和第二压电致动器300。此时,如图3中所示出,第一压电致动器200和第二压电致动器300将彼此交替地拉伸到相同长度,且每一个的下部末端与杠杆420接触。
在此状态下,第一压电致动器200和第二压电致动器300的位置可由第一位置控制器210和第二位置控制器310调整。也就是说,将第一位置控制器210或第二位置控制器310旋转以分别向前和向后移动第一压电致动器200和第二压电致动器300,使得杠杆420可处于水平状态。
在通过以上工艺设定用于分配的第一压电致动器200和第二压电致动器300的初始位置之后,在恒定压力下通过入口520将液体供应到储集器510。随后,开始分配供应到储集器510的液体的工艺。
当电压施加到第一压电致动器200时,拉伸第一压电致动器200。当将相反极性的电压施加到第二压电致动器300时,第二压电致动器300收缩。此时,基于图3,杠杆420顺时针旋转,且阀杆430升高。
同样,当将相反电压施加到第一压电致动器200和第二压电致动器300时,第一压电致动器200收缩且第二压电致动器300延伸。此时,杠杆420逆时针旋转,且阀杆430下降。从储集器510下降的阀杆430按压储集器510内部的液体且通过喷嘴530将液体排出到外部,由此分配液体。
因而,当电压交替地施加到第一压电致动器200和第二压电致动器300时,阀杆430反复地升高和降低,且液体通过喷嘴530连续地分配。由于铰链轴410与阀杆430之间的距离比铰链轴410与第一压电致动器200之间的距离和铰链轴410与第二压电致动器300之间的距离大得多,压电致动器200和300的变形量由杠杆420充分放大,使得阀杆430可在足够高度内操作。
控制第一压电致动器200和第二压电致动器300的操作的控制单元800随时间将具有不同类型的脉冲波形的电压施加到第一压电致动器200和第二压电致动器300,由此可控制阀杆430的动态特性。确切地说,由于将两个压电致动器200和300配置以操作杠杆420,其中铰链轴410插入到压电致动器200和300之间,不仅可控制阀杆430的向下移动,而且可控制阀杆430的向上移动。另外,可更快速地分配液体,且可精确地控制所分配的液体的量。
确切地说,控制单元800可通过使用例如所施加电压的量值、电压的交替频率和电压随时间的变化量的控制参数而以电力方式准确地控制第一压电致动器200和第二压电致动器300的机械操作特性。结果,改进对于阀杆430的操作的控制性能使得有可能容易且准确地控制所分配液体的分配特性。
压电致动器200和300归因于其特性在使用期间产生相对多的热量。如果压电致动器200和300的温度归因于由压电致动器200和300产生的热量而升高,那么操作特性可能劣化。
尽管压电致动器200和300的特性根据温度上升而改变,但根据本公开的低滞后压电泵可使阀操作部件400的操作位移维持恒定。控制单元800通过位移检测传感器600和700(例如安装在压电致动器200和300上的应变计)检测压电致动器200和300的变形量,且通过调整所施加的电压来校正压电致动器200和300的变形量。控制单元800可通过实时地接收位移检测传感器600和700的测量值作为反馈来调整施加到压电致动器200和300的电压。另外,控制单元800可控制施加到压电致动器200和300的电压,同时还监测杠杆位移传感器810的测量值,将位移检测传感器600和700的测量值与杠杆位移传感器810的测量值进行比较且匹配。通过此方法,在本公开的情况下,不管归因于例如压电致动器200和300的温度变化的原因的特性变化,粘性液体的分配性能可恒定地维持。确切地说,即使在本公开的情况下,压电致动器200和300的操作位移与所施加电压之间的对应关系不为线性,或根据压电致动器200和300的所施加电压的变形量的变化呈现为滞后曲线,阀杆430的提升位移可保持恒定。此为比冷却压电致动器200和300更直接的方法,且同时,其为可更立即且快速地补偿阀杆430的操作位移的方法,因此在维持粘性液体的分配工艺的质量方面更有效。
因而,代替测量每一对压电致动器200和300的变形量且个别地调整操作位移,控制单元800可调整施加到所述对压电致动器200和300的电压,使得由所述对位移检测传感器600和700中的每一个检测到的位移测量值的总和维持为参考设定值。举例来说,因为第一压电致动器200被拉伸而阀杆430向上移动的距离和因为第二压电致动器300被拉伸而阀杆430向下移动的距离的总和变成阀杆430作为整体的提升位移,且阀杆430的提升位移是粘性液体排出容量的直接因素,使得控制单元800可操作压电致动器200和300以恒定地维持此值。也就是说,控制单元800使用第一压电致动器的长度与第二压电致动器300的长度的总和来调整所施加的电压。在一些情况下,有可能通过使用增加的第一压电致动器200的长度与收缩的第二压电致动器300的长度的总和来操作控制单元800。
以上,尽管已针对本公开描述了优选实例,但本公开的范围不限于上文所描述和说明的形式。
举例来说,尽管上文已将配备有所述对压电致动器200和300和所述对位移检测传感器600和700的低滞后压电泵描述为实例,但压电致动器200和300的数目和位移检测传感器的数目可大幅变化。举例来说,可实施包含一个压电致动器和一个位移检测传感器的低滞后压电泵。在此情况下,杠杆和阀杆与一个压电致动器的延伸和收缩一起操作。
另外,虽然上文已将具有杠杆位移传感器810的低滞后压电泵描述为实例,但在一些情况下可实施不具有杠杆位移传感器810的低滞后压电泵。在此情况下,控制单元通过仅参考位移检测传感器的测量值而操作压电致动器。
另外,也可将泵体100和阀操作部件400的结构改变为除上文所描述和说明的结构之外的各种结构。
本公开的低滞后压电泵可通过响应于取决于例如温度变化的原因的压电致动器的行为特性的改变而调整所施加电压来维持准确的粘性液体排出特性。
应理解,本文中所描述的实施例应视为仅具有描述性意义,而非出于限制性目的。每一实施例内的特征或方面的描述通常应认为可用于其它实施例中的其它类似特征或方面。虽然已参考附图描述了一或多个实施例,但本领域一般技术人员将理解,可在不脱离由所附权利要求界定的精神和范围的情况下在其中进行形式和细节上的各种改变。
Claims (12)
1.一种低滞后压电泵,包括:
泵体;
阀操作部件,包括:杠杆,安装成能够相对于安装在所述泵体上的铰链轴旋转;以及阀杆,连接到所述杠杆以根据所述杠杆的所述旋转而上下移动;
压电致动器,安装在所述泵体上且具有能够与所述杠杆接触的末端部分,其中所述压电致动器在施加电压以使所述杠杆围绕所述铰链轴旋转时拉长且按压所述杠杆;
阀体,包括:储集器,所述阀杆的末端部分插入到所述储集器中且液体存储到所述储集器中;入口,通过所述入口将所述液体引入到所述储集器中;以及喷嘴,根据所述阀杆在所述储集器中的向前/向后移动而通过所述喷嘴排出所述储集器的所述液体;
位移检测传感器,安装在所述压电致动器中以检测所述压电致动器的操作位移;以及
控制单元,电连接到所述压电致动器和所述位移检测传感器以施加所述电压来操作所述压电致动器,且从所述位移检测传感器接收所述压电致动器的所述操作位移上的检测信号。
2.根据权利要求1所述的低滞后压电泵,其中当从所述位移检测传感器接收的所述压电致动器的所述操作位移不同于预设参考设定值时,所述控制单元通过改变施加到所述压电致动器的所述电压而将所述压电致动器的所述操作位移调整到所述预设参考设定值。
3.根据权利要求2所述的低滞后压电泵,其中所述控制单元接收所述位移检测传感器的测量值且实时地控制施加到所述压电致动器的所述电压。
4.根据权利要求1所述的低滞后压电泵,其中所述位移检测传感器包括应变计。
5.根据权利要求4所述的低滞后压电泵,进一步包括安装在所述泵体上以检测所述阀操作部件的操作位移的杠杆位移传感器。
6.一种低滞后压电泵,包括:
泵体;
阀操作部件,包括:杠杆,安装成能够相对于安装在所述泵体上的铰链轴旋转;以及阀杆,连接到所述杠杆以根据所述杠杆的所述旋转而上下移动;
一对压电致动器,彼此平行地安装在所述泵体上,其中所述铰链轴插入在所述一对压电致动器之间且各自具有能够与所述杠杆接触的末端部分,其中所述一对压电致动器在施加电压以使所述杠杆围绕所述铰链轴旋转时拉长且按压所述杠杆;
阀体,包括:储集器,所述阀杆的末端部分插入到所述储集器中且液体存储到所述储集器中;入口,通过所述入口将所述液体引入到所述储集器中;以及喷嘴,根据所述阀杆在所述储集器中的向前/向后移动而通过所述喷嘴排出所述储集器的所述液体;
一对位移检测传感器,分别安装在所述一对压电致动器中以检测所述一对压电致动器的操作位移;以及
控制单元,电连接到所述一对压电致动器和所述一对位移检测传感器以施加所述电压来操作所述一对压电致动器且从所述一对位移检测传感器接收关于所述一对压电致动器的所述操作位移的检测信号。
7.根据权利要求6所述的低滞后压电泵,其中当从所述一对位移检测传感器接收的所述一对压电致动器的所述操作位移不同于预设参考设定值时,所述控制单元通过改变施加到所述一对压电致动器的所述电压而将所述一对压电致动器的所述操作位移调整到所述预设参考设定值。
8.根据权利要求7所述的低滞后压电泵,其中所述控制单元接收所述一对位移检测传感器的测量值,且实时地控制施加到所述一对压电致动器的所述电压。
9.根据权利要求6所述的低滞后压电泵,其中所述控制单元将所述电压施加到所述一对压电致动器中的每一个,使得所述一对压电致动器交替地拉伸和收缩。
10.根据权利要求9所述的低滞后压电泵,进一步包括安装在所述泵体上以检测所述阀操作部件的操作位移的杠杆位移传感器。
11.根据权利要求9所述的低滞后压电泵,其中所述控制单元改变施加到所述一对压电致动器的所述电压,使得由所述一对位移检测传感器分别检测到的所述位移测量值的总和维持为参考设定值。
12.根据权利要求9所述的低滞后压电泵,其中所述一对位移检测传感器包括应变计。
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