KR101026551B1 - 압전구동 액적 디스펜싱 헤드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적층형 압전 액추에이터와 다이어프램의 변위를 이용하여 액적의 토출량 및 토출 속도를 정밀하게 제어할 수 있는 압전구동 액적 디스펜싱 헤드에 관한 것으로, 이를 위해 다이어프램의 상부에 누름부을 돌출 형성하고 상기 누름부는 적층형 압전 액추에이터와 나사결합시켜 적층형 압전 액추에이터의 구동에 의한 다이어프램의 변위 응답성을 1:1로 하여 액적의 토출량 및 토출 속도를 정밀하게 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.
적층형 압전 액추에이터, 디스펜서, 노즐, 다이어프램, 누름부

Description

압전구동 액적 디스펜싱 헤드{PIEZOELECTRIC-DRIVEN DROPLET DISPENSING HEAD}
본 발명은 디스펜싱 헤드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다이어프램의 상부에 누름부을 돌출 형성하고 상기 누름부는 적층형 압전 액추에이터와 나사결합시켜 적층형 압전 액추에이터의 구동에 의한 다이어프램의 변위 응답성을 1:1로 하여 액적의 토출량 및 토출 속도를 정밀하게 제어할 수 있는 압전구동 액적 디스펜싱 헤드에 관한 것이다.
대한민국 특허출원 제10-2008-31288호
최근 의료진단 및 약품주입을 위한 바이오센서나 바이오칩 제조를 위한 의료물질 미세배열(microarrays) 연구가 활발히 진행되고 있다.
이에 따라 바이오칩과 바이오센서의 제조에 있어서 극미소 크기의 바이오 액적을 센서나 칩에 초정밀 주입 및 배열하는 디스펜싱 장비의 연구는 초정밀, 초고속 생산을 요구하는 현대 산업 분야의 관심에 힘입어 크게 주목 받고 있다.
한편, 정보화 사회의 급속한 발전과 더불어 개발되는 각종 전자기기는 경량화, 박형화 등의 특징을 보이고 있으며, 이러한 전자기기는 최근 들어 컴팩트 하면서도 다양한 기능을 보유하는 제품으로 제작 및 출시되고 있으며, 부가적으로 안전하고, 경제적인 디자인이 요구되고 있는 실정이다.
이러한 전기, 전자 제품의 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board)의 조립 공정에 사용되는 표면실장기술(SMT,Surface Mount Technology)은 고속, 정밀, 정량 젯팅(jetting)이 가능한 디스펜싱 헤드를 요구하고 있다.
즉, 전기, 전자 제품의 인쇄회로기판의 조립 공정에서 회로의 고속화 및 소형화를 위하여 인쇄회로기판에 실장하는 부품간의 배선 거리를 최소화하기 위한 표면실장기술은 고속 정밀 정량 젯팅이 가능한 디스펜싱 장비를 요구하고 있다.
또한,, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록 용지 상의 원하는 위치에 젯팅시켜 소정의 화상을 인쇄하는 잉크젯 프린트에 디스펜싱 장비가 활용되고 있다.
기존의 액적 젯팅을 위한 디스펜싱 장비는 공기압 또는 모터를 이용한 디스펜싱 메커니즘을 이용하고 있으나, 공기압 및 모터의 응답시간에 따른 문제점으로 고주파수 영역에서 사용하기 어렵고 극미소 액적을 젯팅 하는데 있어서 정량 젯팅이 곤란한 단점이 있다.
이러한 문제점을 보완하기 위하여 최근 발생 변위가 인가전압에 고속 응답하는 압전소자(piezoelectric ceramics)를 이용한 압전 디스펜서의 개발이 이루어지고 있다.
이러한 압전 디스펜서 기술이 대한민국 등록특허 제0704286호(2007.03.30 등록)에"하이브리드 작동기를 이용한 접촉 및 비접촉 방식의 디스펜서 헤드"라는 제목으로 개시된바 있으며, 이 기술은 도 1 및 도 2와 같은 구조를 갖는다.
도 1을 참조하면, 그 내부에 소정의 공간을 갖는 원통형상체로서 하우징(10), 압전 작동기(20), 실린더(30), 시린지(50)를 포함한다.
하우징(10)은 상, 하부가 개방되게 형성되는 상부 하우징(10a)과 하부 하우징(10b)으로 이루어지고, 상부 하우징(10a)의 상부면에 캡(11)이 구비된다.
그리고, 하부 하우징(10b)의 하부면에 액적 젯팅용 밸브 노즐(12)이 구비되며, 캡(11)과 밸브 노즐(12) 사이에 전압의 인가에 의해 팽창/수축이 가능하게 이루어지는 압전작동기(20)와 제1 피스톤(15)과 고정 와셔(23)와 밸브 니들(25)이 순차적으로 구비된다.
여기서, 밸브 니들(25)은 밸브 노즐(12)과 탈착 가능하도록 접촉 및 밀착되게 구비되되, 밸브 니들(25)의 탈착에 따른 밸브 노즐(12)의 개, 폐에 의해 액적을 젯팅하도록 이루어진다.
압전 작동기(20)의 하부에는 피스톤암(18)이 돌출 형성되는 상부 피스톤(16)과, 상부 피스톤(16)의 피스톤암(18)이 결합되기 위하여 그 중심부에 홀(미도시)이 관통 형성되는 하부 피스톤(17)으로 이루어지는 제 1 피스톤(15)이 구비된다.
그리고, 상부 피스톤(16)과 하부 피스톤(17) 사이에는 유동하는 액적의 기밀 및 밀폐의 역할을 담당하는 다이아프램(19)이 개재된다.
또한,, 실린더(30)는 하우징(10)의 하부 하우징(10b) 외주연의 제1 연결 관(35)에 의해 연결되되, 서보모터를 구동원으로 하는 피스톤(31)을 갖는다.
실린더(30)의 하부 적소에는 액체의 유동 방향을 제어하기 위한 솔레노이드 밸브(39)가 구비된다.
시린지(50)는 실린더(30)에 연결되되, 그 내부에 저장 공간을 갖으며, 공기압을 구동원으로 사용하다.
이러한 구성에 따른 작용을 설명하면, 초기 상태에서 프로그램화된 컨트롤러(Controller)의 제어에 의해 시린지(50)에 일정한 공기압(Air pressure)을 제공하여 시린지(50)내에 저장되는 액체가 실린더(30)로 유동되어 유입된다.
그리고, 실린더(30) 내로 유입된 액체는 서보모터의 구동에 따른 피스톤(31)의 가압에 의하여 하우징(10) 내로 제공한다.
하우징(10) 내로 유입된 액체는 실린더(30)에 구비되는 피스톤(31)의 하강에 따른 가압에 의하여 일정한 압력을 제공받아 하우징(10) 내에 충진된 상태를 유지한다.
여기서, 상기 하우징(10) 내에 액체가 충진된 상태에서 압전작동기(20)에 전압을 인가하여 압전작동기(20)를 수축시키면 액적이 젯팅되어 디스펜싱 작업을 하게 된다. 이렇게 디스펜싱 작업이 완료되면 압전작동기(20)에 전압을 인가하여 압전작동기(20)를 팽창시켜 밸브 니들(25)과 밸브 노즐(12)이 밀착되게 하여 상기 하우징(10) 내에 충진된 액적의 젯팅을 차단한다.
즉, 이러한 종래 기술은 공기압과 서보 모터 구동 제어를 통해 액체를 하우징 내로 유입시키고, 하우징 내에 공급된 압전 작동기(20) 및 다이어프램(19,27)의 작동에 의해 액적의 젯팅을 단속하는 것이다.
다시 말해, 종래의 기술은 액체를 공기압 조절을 통해 실린더 내부로 이송한 후 별도의 모터 구동에 의해 액체를 하우징 내로 이송한 후, 이송된 액체를 압전 액추에이터를 통해 액적으로 젯팅하기 때문에 장비 구성이 복잡할 뿐만 아니라, 액적 디스펜싱 범위가 한정되는 단점이 있다.
또한, 일본 공개특허공보 특개평08-142324호 공개된 특허를 살펴보면,
다이어프램과 구동부압전소자를 밀착시켜 구동부압전소자의 진동으로 다이어프램을 진동시켜 펌핑력을 제공하는 구조이다.
하지만 이러한 구조는 구동부압전소자의 다이어프램간의 미세 간격이 발생될 수 있어 구동부압전소자의 진동속도가 빨라지면 다이어프램이 그 진동속도와 동기되지 못해 응답이 늦어지거나, 구동부압전소자의 진동이 발생하지 않더라도 다이어프램의 잔류진동에 의해 미세 진동 변위가 계속해서 발생되어 액적의 토출량 및 토출 속도를 정밀하게 제어할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 다이어프램과 구동부압전소자를 상호 접착수단으로 부착시켜 구성한다 하더라도 시간이 경과되면 부착시킨 부위가 떨어져 상기와 같은 문제점이 발생되는 문제점이 있다.
또한, 상기의 구조는 가압액실의 크기가 매우 한정된 바, 체적을 증대시킬 수 없으며, 액적의 토출량 및 토출속도를 크게 할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 다이어프램의 상부에 누름부을 돌출 형성하고 상기 누름부는 적층형 압전 액추에이터와 나사결합시켜 적층형 압전 액추에이터의 구동에 의한 다이어프램의 변위 응답성을 1:1로 하여 액적의 토출량 및 토출 속도를 정밀하게 제어할 수 있는 구조를 이용함으로써, 구조를 간단하게 할 뿐만 아니라 극미소 액적을 고속, 정밀, 정량 젯팅할 수 있도록 하는 압전구동 액적 디스펜싱 헤드를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 다이어프램 저면에 동심원 형태로 다수의 주름홈을 형성시켜 다이어프램의 내구성을 증대시키고, 다이어프램의 변위증가에 따른 챔버의 체적변화가 증대되도록 하는 압전구동 액적 디스펜싱 헤드를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 압전구동 액적 디스펜싱 헤드에 따르면, 다이어프램의 상부에 누름부을 돌출 형성하고 상기 누름부는 적층형 압전 액추에이터와 나사결합시켜 적층형 압전 액추에이터의 구동에 의한 다이어프램의 변위 응답성을 1:1로 하여 액적의 토출량 및 토출 속도를 정밀하게 제어할 수 있는 구조를 이용함으로써, 구조를 간단하게 할 뿐만 아니라 극미소 액적을 고속, 정밀, 정량 젯팅할 수 있는 장점이 있다.
또한, 다이어프램의 상부에 누름부를 돌출 형성하고 상기 누름부는 적층형 압전 액추에이터와 나사결합 시키되, 다이어프램 저면에 동심원 형태로 다수의 주름홈이 형성시켜 다이어프램의 내구성이 증대되고 챔버의 체적변화가 증대하는 효과가 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 압전구동 액적 디스펜싱 헤드에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 압전구동 액적 디스펜싱 헤드 분해 사시도이고, 도 4는 도 3의 압전구동 액적 디스펜싱 헤드 결합 단면도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 압전구동 액적 디스펜싱 헤드는 커버(100), 다이어프램(300), 누름부(310), 적층형 압전 액추에이터(400)를 포함한다.
그리고, 본 발명은 도면에는 도시되지 않았으나 액체가 저장된 액체 저장기(미도시함)와 적층형 압전 액추에이터(400)에 전압을 인가하기 위한 전압 인가 장치(미도시함)를 포함해야 함은 당업자에게는 자명한 사실로서, 이에 대한 구체적인 도면 표기는 생략하도록 한다.
여기서, 커버(100)는 양측에 액체 유입공(110)이 형성되고, 액체 유입공(110)을 통해 유입된 액체가 충진되는 챔버(130) 및 챔버(130)에 충진된 액체를 토출하는 노즐(120)을 구비한다.
그리고, 커버(100)의 액체 유입공(110)에는 액체 저장기(미도시함)로부터 액 체가 공급되는 유입관(200)이 연결된다.
이때, 커버(100)의 일측에만 액체 유입공이 형성될 경우 챔버내에서 기포가 발생할 확률이 높아져 디스펜싱이 용이하게 이루어지지 않게 된다.
따라서, 본 발명은 커버(100)의 양측에 액체 유입공(110)을 형성하여 챔버(100)로의 액체 충진이 용이하게 이루어지도록 한다.
아울러, 커버(100)에는 액체의 역류를 방지하기 위하여 액체 유입공(110)과 챔버 사이에 굴절 유로(140)를 형성함이 바람직하다.
즉, 본 발명에 따르면 챔버(130) 내부의 공간이 협소할 뿐만 아니라 굴절 유로(140)가 형성됨에 따라, 유로내부의 저항력이 커져 노즐을 통한 토출은 용이하지만 유입공(110)으로의 역류를 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 대상 액체의 주입을 원활하게 하기위해 커버(100)의 양방향에 각각 액체 유입공(110)을 형성하고, 액체 유입공(110) 사이에 양방향 굴절 유로(140)를 형성하며 액체 저장기(미도시함)에 저장된 액체 자중 또는 미약한 압력에 의하여 액체가 챔버(130) 내부로 유입될 수 있도록 한다.
또한, 커버(100)의 상부, 즉, 챔버의 개방부에는 커버(100)에 밀착되는 다이어프램(300)이 구비된다.
이 때 상기 다이어프램(300)은 상부면에 적층형 압전 액추에이터(400)와 나사 결합되는 누름부(310)가 일체로 돌출 형성되는 구조이다.
이러한 누름부(310)는 적층형 압전 액추에이터(400)의 구동력을 전달받아 보다 넓은 면적으로 구동력(펌핑력)을 다이어프램(300)으로 전달하기 위한 것으로 상 부면에는 숫나사산이 돌출 형성되어 있는 구조이다.
아울러 상기 적층형 압전 액추에이터(400)는 상기 누름부(310)의 상부에 배치되되, 베이스(600)를 통해 지지되는 구조이며, 상기 다이어프램(300)의 누름부(310)와 나사결합할 수 있도록 단부 저면에는 암나사산이 형성된 구조이다.
이때, 적층형 압전 액추에이터(400)의 둘레에는 적층형 압전 액추에이터(400)를 보호하는 하우징(500)이 구비될 수 있다.
또한, 상기 다이어프램(300)은 누름부(310)와의 경계부위가 라운딩(R)된 구조이다.
이러한 구조는 누름부(310)와의 경계부위가 다른 부위 보다 상대적으로 변위량이 큰 바, 경계부위의 집중응력을 분산시키 위함이다. 이는 집중응력 분산으로 누름부(310)와의 경계부위가 파손 되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 압전구동 액적 디스펜싱 헤드는, 적층형 압전 액추에이터(400)와 다이어프램(300)을 나사결합시키므로써 변위 응답성을 1:1로 하여 액적의 토출량 및 토출 속도를 정밀하게 제어할 수 있는 것이다.
다시 말해, 액체 저장기(미도시함)로부터의 유입관(200)으로 공급된 액적이 액체 유입공(110)을 통해 챔버(130)에 충진된 상태에서, 적층형 압전 액추에이터(400)에 연결된 전압 인가 장치(미도시함)를 통해 적층형 압전 액추에이터(400)에 전압을 인가하면 적층형 압전 액추에이터(400)가 진동을 하게 된다.
이에 따라, 적층형 압전 액추에이터(400)에 나사결합된 누름부를 통해 다이어프램에 구동력이 1:1 전달되며, 다이어프램(300)이 구동하면 챔버(130) 내부의 압력 증가에 따라 액적이 노즐(120)을 통해 배출되어 젯팅된다.
도 5는 도 4에서 발췌된 다른 일례의 다이어프램을 도시한 사시도이다.
도 5와 같이, 상기 다이어프램(300)은 상부면이 중앙으로 갈수록 두께가 점차 증대되는 구조이다.
이러한 구조는 누름부(310)를 통해 전달되는 구동력을 고루 분포시키기 위한 구조이다.
또한, 전달되는 힘을 다이어프램 전체로 분포시키고 다이어프램(300)의 형상변형을 방지하여 내구성을 증대시킬 수 있는 구조이다.
도 6은 도 4에서 발췌된 또 다른 일례의 다이어프램을 도시한 사시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 다이어프램(300)은 저면에 동심원 형태로 적어도 한개 이상의 주름홈(320)이 형성된 구조이다.
이러한 주름홈(320)은 상향으로 만곡되는 구조로 챔버(130)의 용적량이 증대되는 구조이다.
상세히 설명하면 다이어프램(300)의 구동(진동)에 따라 주름 부위가 펴졌다 오므려 졌다 하면서 챔버(130) 내의 용적을 증대시키고, 또한, 체적변화가 커서 펌핑력이 좋아지며 내구성이 증대될 수 있는 구조이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지 만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 디스펜서 헤드 장치 구성 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 압전구동 액적 디스펜싱 헤드 분해 사시도.
도 4는 도 3의 압전구동 액적 디스펜싱 헤드 결합 단면도.
도 5는 도 4에서 발췌된 다른 일례의 다이어프램을 도시한 사시도,
도 6은 도 4에서 발췌된 또 다른 일례의 다이어프램을 도시한 사시도,
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
100 : 커버
110 : 액체 유입공 120 : 노즐
130 : 챔버 140 : 굴절 유로
200 : 유입관
300 : 다이어프램
310: 누름부 320: 주름홈
R: 라운딩
400 : 적층형 압전 액추에이터
500 : 하우징
600 : 베이스

Claims (4)

  1. 액체 유입공(110)과 액체 유입공(110)을 통해 유입된 액체가 충진되는 챔버(130) 및 액적이 토출되는 노즐(120)이 구비된 커버(100)와, 상기 커버(100)의 액체 유입공(110)에 연결되는 유입관(200)과, 상기 커버(100)의 상부에 배치되는 다이어프램(300)과, 상기 다이어프램(300)의 상부에 밀착되며 베이스(600)를 통해 지지되게 배치되는 적층형 압전 액추에이터(400)로 구성되는 압전구동 액적 디스펜싱 헤드에 있어서,
    상기 다이어프램(300)은 상부면에 누름부(310)가 돌출 형성되고,
    상기 적층형 압전 액추에이터(400)는 상기 다이어프램(300)의 누름부(310)와 나사결합되며,
    상기 액체 유입공(110)은 커버(100)의 양측에 각각 형성되고,
    상기 액체 유입공(110)과 상기 챔버(130) 사이에는 굴절형 굴절 유로(140)가 형성되되;
    상기 다이어프램(300)은 누름부(310)를 통해 전달되는 진동을 고루 분포시키기 위해 상부면이 중앙으로 갈수록 두께가 점차 증대되는 구조인 것을 특징으로 하는 압전구동 액적 디스펜싱 헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다이어프램(300)은 누름부(310)와의 경계부위가 라운딩(R)된 것을 특징으로 하는 압전구동 액적 디스펜싱 헤드.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 다이어프램(300)은 내구성이 증대되고 체적변화가 증대되도록 저면에 동심원 형태로 적어도 1개 이상의 주름홈(320)이 형성된 것을 특징으로 하는 압전구동 액적 디스펜싱 헤드.
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