KR101904135B1 - 도우징 시스템 및 도우징 방법 - Google Patents

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마리오 플리에스
죄르겐 스타에틀러
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버메스 마이크로디스펜싱 게엠베하
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Abstract

본 발명은 액체 또는 점성 도우징 물질을 위한, 엑추에이터 시스템(2)을 포함하는 도우징 시스템(1', 1'')에 관한 것으로서, 적어도 하나의 엑추에이터 요소(29, 57) 및 배출구(19)를 갖는 노즐(13)을 구비하고, 상기 도우징 시스템은, 차단 방향(V)으로의 이동 시 상기 엑추에이터 요소(29, 57)가 처음에는, 그러한 목적으로 의도된 정지 위치(31)에서, 상기 차단 요소(15)로부터 분리되도록 제1 부분 이동으로 이동하고, 그런 다음, 상기 정지 위치(31)에서 상기 차단 요소와 접촉하고 상기 차단 요소(15) 상에 임펄스(impulse, I)를 가하도록 설계되었다. 본 발명은 또한 상기와 같은 도우징 방법에 관한 것이다.

Description

도우징 시스템 및 도우징 방법{DOSING SYSTEM AND DOSING METHOD}
본 발명은 액체 또는 점성 도우징 물질을 위한 도우징 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 액체를 점성 도우징 물질에 도우징하기 위한 방법에 관한 것이다.
납땜질용 페이스트, LED 용 컴버터 물질 등과 같은 바인더 시스템에 장정된 접착제, 페인트, 인쇄용 니스, 전도성 물질 등과 같은 점성 도우징 물질에 액체를 토출 (더 구체적으로는 최대한 정확한 양을) 즉 도우징하는 것은 상술한 도우징 물질, 가령 타겟이 되는 표면에 표적 도포하기 위한 것이다. 가령, 전자회로기판에는 구체적으로 및 정확하게는 전도성 물질이 제공되어, 마스킹(masking)을 바탕으로 하는, 스크래핑(scraping) 공정과 같이 상당한 시간이 소요되고 비용이 많이 드는 종래의 공정들을 대체하고 있다. 특히 문제가 되는 것은 도우징 물질을 타겟 표면에 정확하게 즉, 적정한 곳에, 적시에, 정확한 양을 전달하는 것이었다. 이것은 가령 도우징 시스템의 노즐을 통한 액적식(drop-wise) 토출로써 가능한데, 액적(drop)들의 크기 및/또는 양은 상기 노즐의 효과를 통해 최대한 정밀하게 기설정된다. 또는, 도우징 물질은 분사기(jet)에 의해 분사되거나 미스트(mist)처럼 제공될 수도 있다.
도우징 물질이 물과 점조도(consistency)가 비슷하여 쉽게 유동하는 물질이 아니라 비교적 점성이 있는 매체인 경우에는 고정밀 도우징이 더 어려워진다. 그 예로는 고농축 접착제, 강력 색소 농축 페인트 또는 색소 비율이 높은 광택제 등이 있다. 이러한 물질의 경우 및/또는 도우징 물질을 살포하고 도우징을 특히 미세하게 조절해야 하는 경우, 노즐이 정확하게 요구되는 시점에 차단되는 것이 중요하다. 그 결과 상기 노즐에서 분사되는 액적들이 미립화(break-off)함으로써, 최대한 작은 액적을 통한 정밀한 도우징이 가능해진다.
DE 2717539A1에는 액체 단일 컴포넌트 접착제의 도우징 장치가 기재되어 있다. 이러한 장치에서는, 압축 공기에 의해 작동되는 니들 밸브(needle valve)들이 사용된다.
DE3108793C2도 접착제 살포 장치를 기재하고 있다. 여기서는 접착제 액적들이 노즐 개구부 바깥 아래로 떨어지는데, 이를 지원하기 위해 노즐 바깥의 환형 틈새를 통해 접착제를 따라 운반하는 압축 공기가 배출된다. 노즐 개구부는 피스톤(piston)에 부착된 노즐 니이들(nozzle needle)에 의해 차단될 수 있고 이를 통해 제자리로 이동시킬 수 있다.
미국특허 7694855B2는 공압 엑추에이터 시스템(pneumatic actuator system)이 구비된 도우징 시스템을 기재하고 있다. 여기서, 상기 시스템은 레버(lever)를 통해 플런저(plunger)를 작동시키면, 플런저가 노즐의 배출구(outlet opening)를 개방 및 차단한다.
고정밀의 정교한 적용 분야, 특히 마이크로-도우징 및 구체적으로는 상술한 도우징 물질 분야에서는, 상기와 같은 시스템들이, 더 구체적으로는, 지나치게 느린 메카니즘 때문에 그 기술적 한계에 도달하게 된다.
이는 제1항에 따른 도우징 시스템 및 제14항에 따른 방법에 의해 달성된다.
이에 따라, 상기 도입 부분에서 인용한 종류의 도우징 시스템은 적어도 하나의 엑추에이터 요소를 갖는 엑추에이터 시스템 및 배출구(outlet opening)를 구비한 노즐을 포함하는데, 차단 방향으로의 이동 시, 상기 엑추에이터 요소는 목적으로 한 정지 위치에 의해 상기 차단 요소로부터 분리되도록 제1 부분 이동으로 이동되고, 상기 정지 위치에서 차단 요소와 접촉하게 되고, 상기 차단 요소에서 임펄스(impulse)를 가한다.
이를 위해, 상기 엑추에이터 시스템은 특별히 제공된 엑추에이터 영역에 바람직하게 배치되는데, 가능한 경우, 상기 노즐 영역으로부터 공간적으로 분리된다. 엑추에이터 시스템은 적어도 하나의 (바람직하게는 자동) 엑추에이터를 포함하는 시스템으로 정의된다. 상기 엑추에이터 요소는 정지 위치에서 직접 차단 요소에 작용하거나 상기 엑추에이터 요소가 엑추에이터에 직접 또는 간접적으로 결합되어 상기 엑추에이터의 힘 및/또는 움직임을 상기 차단 요소 상에 전달하는 동력 전달 요소를 포함함으로써 그 자체가 엑추에이터가 될 수 있다. 따라서, 가령 상기 엑추에이터 요소는 캐치(catch) 및/또는 레버(lever)를 가질 수 있다. 다시 말해, 상기 엑추에이터 요소는 상기 차단 요소를 상기 정지 위치 상의 일시적인 접촉을 통해 상기 차단 요소를 직접 작동시킨다.
상기 정지 위치로 정의된 것은 상기 엑추에이터 요소와 상기 차단 요소 사이의 특정 힘 및/또는 움직임 전달, 즉 임펄스 전달을 목적으로 한 상기 엑추에이터 요소와 차단 요소 사이의 특별히 제공된 접촉 영역 이다. 이에 따라, 선형 또는 평평한 접촉부(flat contact) 뿐만 아니라 단일 접촉점(single point of contact)도 정지 위치의 역할을 할 수 있다.
차단 요소로 정의된 것은 하나의 피스(piece) 또는 다수의 기계적 요소, 바람직하게는 길쭉한 형태, 가령 원통형으로 마련되어, 가령 실리콘을 사용하는 플런저(plunger)가 된다. 그러나, (차단) 위치에서 채널 및/또는 배출구를 차단하는 원형 또는 타원형 요소일 수도 있다. 이러한 연결에서, 차단 채널은 빈 몸체, 바람직하게는 그 내부에 빈 공간을 정의하는, 즉 빈 공간을 둘러싸는 원통형 빈 몸체일 수 있는데, 여기에 차단 요소가 적어도 부분적으로 배치됨으로써 상기 빈 공간을 차단하게 된다.
상기 차단 요소는 가령 상기 엑추에이터 시스템에 의해 작동될 수 있고, 개방 및/또는 차단 방향으로 움직일 수 있다. 이에 따라, 차단 요소의 전후 이동이 이루어지는데, 이를 위해 차단 요소는 이동 가능하게 배치되며, 이 두 개의 이동 방향으로 지탱된다.
본 발명에 따르면, 이러한 시스템은 상기 엑추에이터 요소의 이동이 적어도 두 개의 부분 이동으로 나뉠 수 있도록 설계된다: 제1 부분 이동에서, 상기 엑추에이터 요소는 상기 차단 요소와 독립적으로, 바람직하게는 비접촉 방식으로 이동된다. 상기 제1 부분 이동 시, 상기 엑추에이터 요소는 이러한 목적이 달성되도록 상기 차단 요소로부터 (여전히) 정치 위치에서 분리되어 있다. 그런 다음, (상기 제1 부분 이동의 종료 시점에) 상기 엑추에이터 요소는 상기 정지 지점에서 상기 차단 요소와 접촉하게 되고, 이로써 임펄스(impulse)를 전달한다. 그런 다음, 상기 엑추에이터 요소와 차단 요소는 상기 차단 방향으로 제2 부분 이동을 함께 완성하는데, 이러한 제2 부분 이동 시에는 상기 엑추에이터 요소와 차단 요소가 상기 정지 위치에서 접촉해 있을 필요가 없다. 따라서, 상기 차단 요소에는 단순히 임펄스 전달만 이루어지게 되므로 인해 상기 차단 요소는 상기 엑추에이터 요소보다 상기 차단 방향으로 더 빠르게 움직이게 된다. 그러나, 상기 제2 부분 이동 시, 두 요소들 모두 소정 시간 동안 서로 접촉한 상태로 이동할 수 있는데, 바람직하게는 상기 차단 요소가 상기 도우징 시스템의 노즐을 완전히 차단하는 상기 차단 요소의 단부 위치까지 이동할 수 있다. 이 단부 위치는 구체적으로는 상기 노즐이 상기 차단 요소에 의해 차단되도록 상기 차단 요소가 상기 노즐의 배출구 상에 위치할 때 도달된다.
이러한 일시적인 커플링(coupling) 및 디커플링(decoupling), 즉 상기 엑추에이터 요소와 차단 요소 간의 연결과 분리는 상기 엑추에이터 시스템, 더 구체적으로는 상기 엑추에이터 요소가 상기 차단 요소로부터의 디커플링 시, 상기 정지 위치에서 상기 차단 요소와 접촉되기 전에, 전진 속도(advance velocity)를 형성, 즉 미리 가속될 수 있음을 의미한다. 그러면 이러한 전진 속도는 임펄스를 형성하는데 사용될 수 있고, 이렇게 해서 형성된 임펄스는 상기 차단 요소로 전달되게 된다. 이로 인해 최종적으로 상기 차단 요소는 임펄스 전달 이후에 이동하되, 상기 차단 요소와 상기 엑추에이터 요소가 상기 정지 위치에서 접촉한 상태로 동일한 경로로 이동한 때보다 상기 차단 방향으로 더 빠른 최종 속도를 가진다.
이것의 효과는 상기 차단 요소가 그 차단 효과를 더 빨리 그리고 더 효과적으로 발휘하게 됨에 따라 요구되는 정밀성과 신속하게 액적의 분리를 달성할 수 있다는 것이다. 이러한 방식으로 액적 크기를 미세화하는 것도 가능해진다.
종래 기술에서는 상기 엑추에이터 시스템의 엑추에이터 요소와 상기 차단 요소간의 상기 차단 방향으로의 지속적인 커플링(coupling)이 예정되었지만, 본 발명은 이와 같은 영구적으로 연결된 시스템 대신 상기 엑추에이터 및 차단 요소의 일시적인 연결 및 기계적 디커플링(decoupling)으로 대체하고 있다. 따라서, 상기 두 개의 요소들은 때때로 독립적인 경로를 이동하게 되고, 적시에 이 둘이 만나게 되면, 상기 차단 요소의 단부 위치 방향으로의 차단 요소의 경로, 즉 차단 위치가 훨씬 짧아도, 상기 차단 요소의 상기 차단 방향으로의 속도는 더 크다.
도입부에 제시된 류의 방법은 적어도 하나의 엑추에이터 요소 및 배출구를 갖는 엑추에이터 시스템을 포함하는 도우징 시스템의 도움으로 이행된다는 점에 있어서 추가적인 개발이 이루어질 수 있다. 상기 엑추에이터 요소는 정지 위치에서 상기 차단 요소로부터 분리되고 그런 다음 상기 정지 위치에서 상기 차단 요소와 접촉하고 상기 차단 요소에 임펄스를 전달하도록 제1 부분 이동에 의해 차단 방향으로 최초 이동될 수 있다.
본 발명의 더 이로운 실시 예들 개발 예들은 다음의 설명뿐만 아니라 종속항들에도 제시되어 있다. 종속항들에 따라, 상기 방법은 상기 도우징 시스템과 관련하여 개발될 수 있고 다음 설명에 따라 더 개발될 수 있다.
본 발명에서는, 상기 엑추에이터 시스템과 차단 요소가 작동 시 서로 다른 최대 경로를 이동하도록 설계, 배치 및 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 엑추에이터 요소와 차단 요소는 서로 다른, 제한된 이동 경로를 갖는다. 여기서, 상기 차단 요소의 최대 경로는 상기 엑추에이터 요소의 최대 경로보다 짧은 것이 특히 바람직하다. 일반적으로, 상기 엑추에이터 요소의 이동 경로와 상기 차단 요소의 이동 경로 사이의 거리가 클수록, 상기 차단 방향으로의 차단 이동 하는 동안 상기 엑추에이터 요소가 상기 차단 요소와 접촉할 때 더 큰 임펄스(impulse)가 전달된다. 이러한 충격 시 임펄스가 클수록 상기 차단 요소는 그 의도된 단부 위치 방향으로 더 빨리 이동된다.
상기 엑추에이터 요소는 상기 정지 위치에서 상기 차단 요소에 도달하기 위한 경로에서, 충격 시 상기 차단 요소에 작용하는 운동 에너지를 구축한다. 이는 상기 엑추에이터 요소가 상기 엑추에이터 요소의 차단 요소와 함께 전 경로를 이동했을 때보다 더 큰 임펄스를 발생시키고 궁극적으로는 훨씬 큰 가속도를 발생시킨다.
실험 결과, 상기 엑추에이터 요소의 이동 경로, 즉 최대 경로는 상기 차단 요소의 이동 경로보다 적어도 1.1배, 더 바람직하게는 적어도 두 배 이상임이 나타났다.
작동 시, 상기 차단 요소의 차단 속도는 0.5 m/s 이상인 것이 바람직하다.
일 시험 조건으로, 상기 차단 요소는 질량이 1g(스프링 포함), 상기 엑추에이터 요소는 질량이 3.5 g(전형적인 값은 3.5 내지 10g)이었고, 250N의 구동력(일정한 것으로 추정)이 상기 엑추에이터 요소에 작용했다. 상기 엑추에이터 요소의 총 경로는 0.3 mm였고, 상기 차단 요소의 총 경로는 제1 시나리오에서는 0.09 mm, 제2 시나리오에서는 0.15 mm, 즉 상기 총 경로의 반에 해당했다.
이 결과 다음 값들이 나타났다:
상기 제1 시나리오에서, 상기 엑추에이터 요소는 5.5 m/s의 속도를 발생시켰고, 상기 제2 시나리오에서는 4.6 m/s를 발생시켰다. 차단 요소는 상기 제1 시나리오에서는 7.7 m/s(상기 배출구에 도달 시), 상기 제2 시나리오에서는 6.4 m/s의 속도까지 가속되었다. 이러한 값들은 임펄스 전달 시 효과 손실을 고려한 것으로서, 그렇지 않았다면 20% 더 높았을 것이다. 만약 이 둘이 상기 차단 요소의 동일한 경로를 이동했다면, 결과는 상기 제1 시나리오의 경우 3.1 m/s, 상기 제2 시나리오의 경우 4 m/s 였을 것이다. 상기 차단 요소의 감소된 이동 경로는 (그리고 이에 따른 짧은 이동 거리에 걸친 낮은 속도 증가 능력) 이에 따라, 갑작스럽고 매우 빠른 충격이 발생되도록 상기 엑추에이터 요소에 의한 임펄스 전달에 의해 안정된다. 요약하면, 상기 엑추에이터 요소의 이동 경로가 상기 차단 요소의 두 배인 경우, 상기 차단 요소에 대해 매우 훌륭한 증가 속도를 달성할 수 있다.
가령 정지 장치에 의해 상기 차단 요소가 상기 차단 방향의 축을 따라 최대 경로로 제한됨에 따라 상기 엑추에이터 요소와 상기 차단 요소에 대해 서로 다른 이동 경로가 구현될 수 있다. 그러한 정지 장치는 가령 상기 도우징 시스템의 하우징 내에 단단히 설치된 정지 표면 또는 일반적으로 단단히 설치된 정지 위치일 수 있다. 그러나, 이는 가령, 상기 하우징 내부로 상기 차단 요소의 방향으로 조여지거나 상기 차단 요소의 반대 방향으로 풀어지는 정지 나사 등과 같이 위치가 변경될 수 있는 정지 장치인 것이 바람직하다.
그러한 조절가능한 정지 장치는 가령 자동, 바람직하게는 전동의 조절가능한 정지 장치일 수 있다. 전동의 조절가능한 정지 장치는 가령 서보모터(servomotor)에 의해 조절될 수 있다. 다른 자동 정지 장치들에는 바람직하게는 상기 도우징 시스템의 외부로부터 작동 가능한 기계적, 가령 유압 또는 공압으로 작동되는 전동 정지 장치들이 포함될 수 있다.
자동으로 조절 가능한 정지 장치의 경우, 적합한 측정 장치들을 통해, 상기 도우징 시스템 내에서의 정지 장치의 위치 또는 힘 관계, 특히 상기 정지 장치 상에서의 상기 차단 요소의 힘들에 있어서의 힘 관계가 결정될 수 있다.
위치 데이터 또는 발생된 힘에 해당되는 측정 데이터든, 발생된 데이터는 상기 정지 장치의 위치를 조절하는 기초로 사용될 수 있다. 이는 유리하게는 상기 정지 장치 상의 차단 요소의 힘들이 너무 높은 경우 상기 정지 장치가 상기 차단 요소로부터 더 멀리 위치하도록 조절되도록 차단된 조절 루프(loop) 내에서 이루어질 수 있다.
제1 변형례에 따르면, 상기 엑추에이터 시스템은 유압 및/또는 공압으로 작동되는 엑추에이터를 포함한다. 이러한 엑추에이터는 하나 또는 두 개의 입구(inlet)를 통해 고압 또는 저압이 설정될 수 있는 가령 실린더-피스톤 시스템으로 설계될 수 있다. 그러나, 가령 기어 등에 의해 작동되는 것과 같은 다른 기계적 엑추에이터들을 바탕으로 한 다른 기계적 엑추에이터 시스템 또한 가능하다.
상기 제1 변형례에 추가하여 또는 그것을 대신하여 선택될 수 있는 제2 변형례에 따르면, 상기 엑추에이터 시스템은 전기적으로 또는 전자적으로 작동된다. 여기서 상기 엑추에이터 시스템은 압전 엑추에이터(piezoelectric actuator)를 구비하는 것이 바람직하다. 전기적인, 그러나 구체적으로는 전자적인 엑추에이터 및 더 구체적으로는 압전 엑추에이터들이 효과 측면에서 매우 빠르고 효과적이기 때문에 마이크로-도우징 시스템 및 이 경우 요구되는 초미세 도우징량 결정에 특히 효과적으로 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 엑추에이터 요소는 단순히 상기 차단 요소에 직접 일시적으로 작용하는 엑추에이터일 수 있다. 엑추에이터와 더불어, 추가적인 힘 전달 요소, 가령 캐치(catch)가 제공될 수 있다. 상기 엑추에이터 요소는 상기 엑추에이터와 상기 차단 요소를 일시적으로 연결하는 레버를 구비하는 것이 특히 바람직하다. 이러한 종류의 레버는 상기 엑추에이터에서 상기 차단 요소로 힘을 전달함과 더불어, 레버에 의한 적절한 전달을 통해, 상기 엑추에이터의 짧은 이동 경로로도 상기 차단 요소 영역, 가령 상기 차단 영역의 효과 축을 따라 더 큰 이동 경로를 발생시키기에 충분한 전달 효과를 발생시키는 추가적인 이점을 갖는다.
일반적으로, 상기 엑추에이터 시스템의 엑추에이터의 최대 작동 경로는 바람직하게는 상기 차단 요소의 최대 경로와 다르고, 더 바람직하게는 상기 차단 요소의 최대 경로보다 크다. 이것은 상기 엑추에이터가 상기 차단 요소에 직접 작용하지 않더라도, 그 이동 경로는 상기 차단 요소보다 크다는 것을 의미한다. 이러한 방식으로, 상기 엑추에이터 요소의 더 큰 이동 경로 또한 획득할 수 있다.
또한, 상기 엑추에이터 시스템의 엑추에이터의 최대 이동 경로 및/또는 상기 엑추에이터 요소의 최대 경로가 정지 장치에 의해 제한될 때 더 유리한 것으로 증명되었다. 여기서, 정지 장치라는 단어는 넓게 해석될 수 있다. 정지 장치란 (이미 설명한 바와 같이) 상기 엑추에이터 시스템 및/또는 엑추에이터 요소가 특정 위치에서 접촉하는 기계적인 요소일 수 있다. 그러나, 정지 장치는 또한 적합한 프로그래밍 또는 가령 소프트웨어를 통한 상기 엑추에이터 조절에 대한 기설정을 통해 구현될 수 있다. 여기서는 경로 제한(path limiting) 형태로써 전자적 경로 제어(electronic path control)를 사용하는 것으로 충분하다. 종합해보면, 상기 엑추에이터 시스템 및/또는 엑추에이터 요소의 엑추에이터의 경로를 제한함으로써 상기 엑추에이터와 상기 차단 요소의 경로들이 설정한 방식대로 조절 가능할 수 있고, 이에 따라 상기 엑추에이터 요소와 상기 차단 요소 사이에 발생하는 힘이 측정되고 미리 설정될 수 있다.
상기 엑추에이터 요소를 이동시키고 궁극적으로는 상기 차단 요소를 적어도 상기 차단 방향으로 이동시키는 상기 엑추에이터 시스템과 더불어, 상기 차단 요소 및/또는 상기 엑추에이터 시스템이 스프링 방식으로 개구 방향 및/또는 상기 차단 방향으로 밀리는 것을 고려할 수 있다. 상기 엑추에이터 요소 및 차단 요소 각각에 대한 스프링-기반 힘은 가령 개구 방향으로 작용할 때, 상기 차단 요소 및/또는 엑추에이터 요소가 개구 위치로 다시 되밀리도록 함으로써 이러한 이동을 위해 별도의 자동 엑추에이터가 필요하지 않도록 할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 도우징 시스템은 더 단순하고 효과적으로 설계된다.
정지 장치가 상기 엑추에이터 시스템 및/또는 상기 차단 요소의 경로를 제한하는 효과를 항상 발휘할 수 있는 위치를 유지하기 위해, 상기 정지 장치의 위치는 조절 가능하고 스프링을 미리 구비하도록 하는 것이 특히 바람직하다. 따라서, 상기 정지 장치는 단단하게 고정되지 않고 위치가 다양하게 변동 가능하게 장착될 수 있다. 스프링이 구비된 방식이 이를 위해서는 가장 간단한 방식으로 증명되었다.
이하, 첨부한 도면들을 참조로 본 발명을 더 상세히 설명한다. 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용했다.
도 1은 종래의 도우징 시스템의 정면도이다.
도 2는 제1 작동 상태에서의, A-A 선을 따라 절단한 도1과 동일한 도우징 시스템의 단면도이다.
도 3은 제2 작동 상태에서의, 도 2와 동일한 도우징 시스템의 동일한 단면도이다.
도 4는 변경된 기본 설정을 갖는 앞선 도면들에서의 동일한 도우징 시스템의 동일한 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 도우징 시스템의 제1 실시 예의 사시도이다.
도 6은 도 5에서의 본 발명에 따른 동일한 도우징 시스템의 정면도이다.
도 7은 도 6의 A-A 선을 따라 절단한 도 5와 도 6과 동일한 도우징 시스템의 단면도로, 상기 도우징 시스템은 제1 작동 상태에 있다.
도 8은 제2 작동 상태에서의 도 7와 동일한 도우징 시스템의 동일한 단면도이다.
도 9는 제3 작동 상태에서의 도 7 및 도 8과 동일한 도우징 시스템의 동일한 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 도우징 시스템의 일 실시 예의 제2 형태의 정면도이다.
도 11은 A-A 선을 따라 절단한 도 10의 도우징 시스템의 단면도이다.
도 1과 도 2는 종래의 도우징 시스템(1)을 도시하고 있다. 상기 도우징 시스템(1)은 엑추에이터 시스템(2)과 노즐(13)을 포함하고, 플런저 형태의 차단 요소(15)는 상기 노즐(13)의 차단 방향(V), 가령 더 구체적으로는 상기 노즐(13)의 배출구(19) 방향, 또는 이 배출구(19)로부터 멀어지는 개구 방향(O)으로 상기 엑추에이터 시스템(2)에 의해 이동될 수 있다. 이러한 차단 및 개방 이동은 상기 도우징 시스템(1) 내부에서 중심에 배열된 효과 축(X)을 따라 발생하고 상기 도우징 시스템(1) 내부의 상기 플런저(15)의 정렬에 의해 정의된다.
이러한 실시 예 형태에서, 상기 엑추에이터 시스템(2)은 공압 또는 유압 시스템의 형태를 갖는다. 이는 엑추에이터 요소(29)로 작용하는 엑추에이터 시스템(2)의 엑추에이터(29)가 실린더 내부의 가압 기체 또는 가압 유체에 의해 앞뒤로 이동될 수 있음을 의미하는데, 상기 실린더에는 피스톤(29) 형태로 마련된 상기 엑추에이터(29)에 의해 서로 분리되는 상부 체임버(35a)와 하부 체임버(35b)가 위치한다. 상기 상부 체임버(35a)와 상기 하부 체임버(35b)는 각각 제1 기체 유입구(7a)와 제2 기체 유입구(7b)를 통해 고압 및 저압으로 공급된다. 상기 제1 기체 유입구(7a)는 상기 상부 체임버(35a)로 이어지고 상기 제2 기체 유입구(7b)는 상기 하부 체임버(35b)로 이어진다. 상기 하부 체임버(35b) 내의 상기 제2 입구(7b)에서의 압력보다 높은 압력의 유체 또는 가스가 상기 제1 기학 입구(7a)를 통해 상기 제1 체임버(35a)로 공급되면, 상기 피스톤(29)은 상기 하부 체임버(35b)의 방향으로 이동한다. 압력비를 반대로 할 경우에는 상기 피스톤(29)은 상기 상부 체임버(35a) 방향으로 이동한다. 상기 피스톤(29)의 상기 배출구(19) 방향으로의 하향 이동은 상기 상부 체임버(35a)에 배치된 엑추에이터 스프링(33)에 의해 상기 피스톤(29)을 아래로 밀도록 추가적으로 지지된다.
상기 피스톤(29)은 한 개의 피스(piece)로 설계되고 세 개의 섹션, 즉 하부 엑추에이터 섹션(29a), 중간 엑추에이터 섹션(29b), 및 상부 엑추에이터 섹션(29c)을 갖는다. 상기 중간 엑추에이터 섹션(29b)은 상기 피스톤(29)에서 상기 상부 체임버(35a)를 상기 하부 체임버(35b)로부터 분리시키는 영역인 반면, 상기 하부 엑추에이터 섹션(29a)과 상기 상부 엑추에이터 섹션(29c)은 상기 도우징 시스템(1)의 하우징 내부의 원통형의 빈 공간 내부에서 안내된다. 상기 하부 엑추에이터 섹션(29a)은 상기 플런저(15)와 기능적으로 연결된다. 이것은 형태(positive) 및 힘(non-positive) 결합에 의해 발생하는 것으로, 다른 무엇보다도, 상기 플런저(15)가 정지 위치(31), 즉 정지 표면(31)을 따라 상기 하부 엑추에이터 섹션(29a)의 아래측에 직접 접촉하는 것으로 이루어진다. 이를 위해, 상기 플런저(15)는 팽창된 섹션(27)을 갖는데, 상기 차단 방향(V)에 수직인 상기 팽창 섹션(27)의 단면적은 상기 팽창 섹션(27)의 위와 아래에 놓이는 상기 플런저(15)의 섹션들보다 크다. 상기 팽창 영역(27) 보다 상측의 상기 플런저(15) 부분은 상기 플런저(15)와 상기 피스톤(29) 사이의 형태 결합이 상기 정지 위치(31)의 영역보다는 더 연장되도록 상기 피스톤(29) 내부의 빈 공간(37) 내부로 돌출된다. 따라서, 상기 플런저(15)는 그것의 상측이 상기 피스톤(29) 내부에 위치한 상태로 유지된다. 상기 피스톤(29)으로부터 멀어지는 방향을 향하는 상기 팽창된 섹션(27)의 측면 상에서, 정렬 장치(23)에 의해 상기 효과 축(X)을 따라 축성 배열(axial alignment)로 유지된다. 그것은 또한 원주 밀봉(circumferential seal, 21)을 통해 공급선(11)으로부터 상기 노즐(13)의 배출구(19) 방향으로 이어지는 도우징 물질 채널(17) 영역으로 이동한다.
상기 플런저(15)와 상기 피스톤(29)의 상기 정지 표면(31)을 따라 이루어지는 형태 또는 힘 결합은 상기 정렬 장치(23)에서부터 상기 플런저(15)의 확장 섹션(27)으로 연장되는 차단 요소 스프링(25)에 의해 보장되며, 상기 차단 요소 스프링(25)은 상기 플런저(15)를 이 영역에서 항상 상기 플런저(15)와 상기 피스톤(29)이 연결되도록 한다. 환기 개구부(9)는 상기 플런저(15)의 이동 시 고압 및/또는 저압을 이퀄라이징(equalize)한다.
상기 도우징 시스템(1)은 또한 정지 나사(3) 형태의 정지 장치(3)를 구비하는데, 상기 정지 나사(3)는 나사산(41)을 통해 상기 도우징 시스템의 하우징의 내부 방향으로 조여짐으로써 상기 피스톤(29)의 이동 경로(Ha )를 제한한다. 상기 정지 나사(3)는 정지 스프링(5)에 의해 제 위치에 유지되고, 타겟된 방식으로(targeted manner)만 상기 도우징 시스템(1)의 하우징 내부로 또는 다시 바깥으로 이동될 수 있다. 이에 따라, 상기 피스톤(29)은 상기 피스톤(29)을 마주보는 단부 상에서 상기 정지 나사(3)의 엑추에이터 충격 위치(39) 까지만 이동될 수 있다.
도 3은 상기 피스톤(29)이 상기 엑추에이터 충격 위치(39)까지 최대한 이동되는 제2 작동 상태에서의 동일한 도우징 장지(1)를 도시하고 있다. 상기 정지 나사(3)의 위치는 상기 엑추에이터 충격 위치(39)가 상기 피스톤(29)의 이동 경로를 약간만 제한하도록 변경되지 않았다. 이러한 상기 피스톤(29)의 상부 위치에서도 상기 피스톤(29)과 상기 플런저(15) 사이의 형태 또는 힘 결합이 상기 차단 요소 스프링(25)의 스프링-텐셔닝(spring-tensioning)으로 인해 유지되고 상기 정지 위치(31)를 따라 서로 영구적으로 연결됨을 볼 수 있다.
도 4는 변경된 기초 설정을 갖는 동일한 도우징 시스템(1)을 도시하고 있다. 여기서는, 상기 엑추에이터 충격 위치(39)가 상기 도면에서 더 아래쪽에 위치하도록, 상기 정지 나사(3)가 상기 도우징 시스템(1)의 하우징의 내부 방향, 즉 상기 차단 방향(V)으로 더 조여져 있다. 이는 상기 피스톤(29)의 이동 경로 Hb 를 자동으로 단축한다. 도 3와 도 4를 비교하면, 이에 따라 상기 엑추에이터(29)의 가능한 최상부의 위치에서의 상기 플런저(15)의 위치가 변경되었음을 볼 수 있다. 도 4의 기초 설정에서는, 상기 플런저(15)의 하단부가 상기 도 3에 도시된 기초 설정의 경우에 비해 상기 배출구(19)에 더 근접해 있다. 이는 상기 노즐(13)의 배출구(19)를 향하는 상기 차단 방향(V)으로의 상기 플런저(15)의 경로가 더 단축되는 효과를 갖는다. 그러나, 이것은 또한 상기 플런저(15)가 단축된 거리에 대해서는 가속될 수 있고, 이에 따라 상기 배출구(19) 방향으로 더 천천히 움직일 수 있음을 의미한다. 따라서, 제1 경로 Ha (도 3)로부터 제2 경로 Hb (도 4)로의 경로 단축은 상기 플런저의 반응률에는 부정적인 영향을 준다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 도우징 시스템(1')의 제1 실시 형태를 도시하고 있다. 앞선 도면들에서 언급한 이미 알려진 구성 요소들과 더불어, 여기서는 이미 언급한 정지 나사(3) 내부로 삽입되는 정지 장치(43)가 구비된다. 상기 정지 장치(43)는 상기 하우징의 내부 방향, 즉 상기 차단 방향(V)으로 이동되거나 반대 방향으로 되돌려질 수 있도록 나사(49)에 의해 상기 정지 나사(3) 내부에 유지된다. 상기 정지 장치(43)는 또한 정지 스프링(45)에 의해 스프링이 미리 설치된 방식으로 유지된다. 하부 섹션에서는 상기 정지 장치(43)가 상기 엑추에이터 충격 위치(39)를 통해 돌출되고 상기 상부 엑추에이터 섹션(29c) 내부의 상기 피스톤(29)의 빈 공간 내부에 위치된다. 이에 따라, 상기 노즐(13)의 배출구(19)로부터 상기 플런저 충격 위치(47)로의 상기 플런저(15)의 경로(H1)는 상기 피스톤(29)의 제한된 경로에 비해 짧은 경로(H2)이다. 이와 같이 단축된 최대 경로(H2)의 효과는 도 8과 도 9에서 명확히 설명한다.
도 8에서는 동일한 도우징 장치(1')에서 상기 플런저(15)가 상기 플런저 충격 위치(47)에 의해 정해진 위치로 이동된 상태를 도시하고 있고, 그러한 이동은 상기 차단 요소 스프링(25)의 스프링 힘을 바탕으로 발생한 것이다. 상기 피스톤(29)은 그것의 상기 엑추에이터 충격 위치(39)로 여전히 더 이동할 수 있음을 볼 수 있다. 이 위치에서, 상기 플런저(15)와 상기 피스톤(29)은 이전에 형태 또는 힘 결합되었던 상기 정지 위치(31)를 따라 서로 분리, 즉 디커플링된다. 이러한 효과는 도 9에서 특히 볼 수 있는데, 여기서는 상기 피스톤(29) 또한 상기 엑추에이터 충격 위치(39)에 도달했고, 상기 정지 위치(31)에서 상기 플런저(15)로부터 이미 분리되었음을 볼 수 있다.
도 7 내지 도 9를 통해 보여준 상기 개구 방향으로의 상향 이동이 반대 방향, 즉 상기 차단 방향(V)으로 수행되면, 상기 피스톤(29)은 먼저 상기 차단 방향(V)으로 하향 이동되고, 그런 다음 도 8에 도시된 위치와 같이, 상기 정지 위치(31)에서 상기 플런저(15)에 충격을 가함으로써 상기 플런저(15)에 임펄스(I)을 가하게 된다. 그런 다음에는 도 7에 도시된 위치로 상기 피스톤보다 더 빠르게 움직인다. 이에 따라, 상기 피스톤(29)은 혼자서 제1 부분 이동을 완성하고, 상기 정지 위치(31)에서 상기 플런저(15)에 충격을 가한 다음, 제2 부분 이동에서는 상기 배출구(19)의 방향으로 상기 플런저(15)와 별도로 움직인다. 상기 플런저가 상기 배출구(19)에 일단 도달하게 되면, 상기 피스톤(29)과 상기 플런저는 상기 정지 위치(31)에서 잠깐 접촉하게 된다. 이것은 본 발명에 새로운 특성을 주는 효과를 가져온다: 상기 피스톤(29)의 최상부 위치에서부터 도 8에 도시된 위치까지 상기 제1 부분 이동을 하는 동안의 경로에서 상기 피스톤(29)은 상기 정지 위치(31)에 충격을 가할 때 상기 플런저(15)에 임펄스(I)를 줄 수 있는 속도를 혼자서 낼 수 있다는 것이다.
이렇듯 상기 플런저(15) 없이 상기 피스톤(29)이 미리 가속을 낼 수 있음으로 인해 상기 플런저(15)는 이제 상기 피스톤(29)보다 더 높은 속도를 달성할 수 있게 된다. 이를 통해 상기 플런저(15)의 차단 이동은 빨라진다-즉, 상기 플런저(15)의 단부 위치에서 상기 배출구(19)에 더 빨리 도달할 수 있다.
도 10 및 도 11에서는 본 발명에 따른 도우징 시스템(1?)의 제2 실시 형태를 도시하고 있다. 여기서는 상기 엑추에이터 시스템(2)이 공압 또는 유압 엑추에이터 시스템(2)은 아니지만 압전 엑추에이터(55)를 구비하고, 상기 압전 엑추에이터(55)의 이동은 레버(57)를 통해 플런저(15)로 전달된다. 이 실시 예에서는 노즐 영역은 도시되지 않았지만, 도 1 내지 도 9에 도시된 실시 예와 같은 방식으로 설계될 수 있다. 상기 레버(57)는 세 개의 지점에서 지지된다: 정지 위치(31)에서는 앞선 도면들에 도시된 것과 같은 형태로 설계된 플런저(15)의 팽창 섹션(27)에 일시적으로 연결된다. 여기서 상기 레버의 단부 섹션(61)이 상기 플런저(15)의 상부를 캡슐화(encapsulate)한다. 이에 따라, 이 단부 섹션은 상기 차단 방향에 수직인 단면이 V-형태 또는 포크-형태로 설계된다. 상단에는, 상기 레버(57)가 상기 압전 엑추에이터(55)의 방향으로 형성되어 제1 서포트 영역(63)까지 돌출되는 작은 돌출부를 구비하는데, 이 제1 서포트 영역(63)에서 상기 레버(57)는 선형 서포트 영역을 통해 상기 압전 엑추에이터(55)에 연결된다. 상기 레버(57)는 또한 상기 압전 엑추에이터(55)로부터 멀어지는 하측에서도 상기 원통형 핀(59) 상의 제2 서포트 영역(65)에서 제2 선형 서포트 영역을 통해 borne되어 있다. 상기 레버(57)와 상기 원통형 핀(59) 사이의 마찰을 줄이기 위해, 상기 레버(57)는 상기 제2 서포트 영역(65)에 두 개의 레세스(recess)들을 구비하고 있다. 상기 개구 방향(O)으로, 상기 플런저(15)는 차단 요소 스프링(25)을 통해 가압되고 상기 레버(57)는 엑추에이터 스프링(51)을 통해 가압된다.
압전 엑추에이터(55)가 이동하도록 임펄스를 받으면, 이 이동은 상기 제1 서포트 영역(63)을 통해 회전 운동으로 변환된다. 이를 통해 상기 플런저(15)는 상기 정지 위치(31)에서 상기 접촉부(contact)의 도움으로 상기 차단 방향으로 효과 축(X)를 따라 이동된다. 상기 압전 엑추에이터(55)의 경로는 엑추에이터 요소(57)에 의해 효과 축(X)을 따라 이동한 레버의 경로 H1'와 반드시 같지는 않다. 그 보다는, 적합한 전달을 통해, 더 긴 경로가 축(X)을 따라 이동될 수 있다. 따라서 상기 압전 엑추에이터(55)의 엑추에이터 축(Y)을 따라 형성되는 제1 경로 H1 가 있게 되고 상기 플런저(15)의 효과 축(X)을 따라 형성되는 제2 경로 H1' 가 있게 된다.
이어, 상기 플런저(15)의 상측은 플런저 충격 위치(47)에서 정지 장치(43)에 의해 정지된다. 이에 따라, 상기 플런저(15)는 상기 효과 축(X)을 따라 상기 레버(57)의 경로 H1'보다 짧은 경로를 갖는다. 또한, 상기 개구 방향으로의 이동 중 여기에 도시된 위치에 도달하자 마자, 상기 정지 레버(57)는 상기 정지 위치(31)로부터 멀어지게 되고 상기 플런저(15)로부터 분리되고, 상기 레버(57)는 혼자서 위로 이동한다. 상기 레버(57)는 상기 다른 방향으로 먼저 상기 플런저(15)의 방향으로 이동하고, 상기 정지 위치(31)에서 상기 플런저와 접촉하게 되고, 임펄스(impulse)와 함께 노즐의 배출구 방향으로 더 상기 플런저(15)를 움직이게 된다. 이러한 원리는 도 5 내지 도9를 통해 이미 설명한 시퀀스와 본질적으로 같다.
도 5 내지 도 9를 통해 보여준 실시 예에서는 효과 축(X)를 따라 완전히 정렬된 공압 또는 유압 시스템을 도시한 반면, 도 10 및 도 11에서는 효과 축(X)과는 다른 엑추에이터 축(Y)을 갖는 압전 엑추에이터 시스템을 보여줬다. 유압 또는 공압 시스템들에는 물론 힘 전달 요소들, 가령 레버 또는 캐치(catch) 등이 장착될 수 있고, 압전 엑추에이터 시스템은 상기 효과 축에 전적으로 정렬된 배열을 갖도록 제작될 수 있다.
마지막으로, 앞에서 상세히 설명한 상기 도우징 시스템, 노즐 및 엑추에이터 시스템의 구성 요소들은 실시 예일 뿐이며, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 방식으로 당업자에 의해 변경될 수 있다. 또한 "하나의" 등의 부정 관사의 사용은 복수로 구현될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다. "유닛들" 또한 하나 이상의, 공간적으로 분산된 구성 요소들로 구성될 수 있다.
1, 1', 1'' : 도우징 시스템
2 : 엑추에이터 시스템
3 : 정지 장치 - 정지 나사
5 : 정지 스프링
7a, 7b : 기체 유입구
9 : 환기 개구부
11 : 공급선
13 : 노즐
15 : 차단 요소 - 플런저
17 : 도우징 물질 채널
19 : 배출구
21 : 밀봉(seal)
23 : 정렬 장치
25 : 차단 요소 스프링
27 : 팽창 섹션
29 : 엑추에이터 - 피스톤
29a : 하부 엑추에이터 섹션
29b : 중간 엑추에이터 섹션
29c : 상부 엑추에이터 섹션
31 : 정지 위치 - 정지 표면
33 : 엑추에이터 스프링
35a : 상부 체임버
35b : 하부 체임버
37 : 빈 공간
39 : 엑추에이터 충격 위치
41 : 나사
43 : 정지 장치
45 : 정지 스프링
47 : 플런저 충격 위치
49 : 나사
51 : 엑추에이터 스프링
55 : 압전 엑추에이터
57 : 레버
59 : 원통형 핀
61 : 단부 섹션
63 : 제1 서포트 영역
65 : 제2 서포트 영역
D : 회전 이동
Ha, Hb, H1, H1', H2 : 경로
I : 임펄스
O : 개구 방향
V : 차단 방향
X : 효과 축
Y : 엑추에이터 축

Claims (14)

  1. 액체 또는 점성 도우징 물질을 위한 도우징 시스템으로서, 상기 도우징 시스템은 배출구를 갖는 노즐, 차단 요소, 및 엑추에이터와 상기 차단 요소를 일시적으로 연결하는 레버를 포함하는 적어도 하나의 엑추에이터 요소를 구비하는 엑추에이터 시스템을 포함하고, 상기 도우징 시스템은, 차단 방향(V)으로의 이동 시 상기 엑추에이터 요소가 처음에는, 의도된 정지 위치에서 상기 차단 요소로부터 분리되도록, 제1 부분 이동으로 이동하고, 그런 다음, 상기 정지 위치에서 상기 차단 요소와 접촉하여 상기 차단 요소 상에 임펄스(impulse, I)를 가하도록 설계된 도우징 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엑추에이터 시스템 및 상기 차단 요소는, 작동 시, 상기 차단 방향(V)의 축(X)을 따라 서로 다른 최대 경로(H1, H1', H2)를 이동하도록 설계, 배열 및 제한된 도우징 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 차단 요소의 최대 경로(H2)는 상기 엑추에이터 요소의 최대 경로(H1, H1') 보다 짧은 도우징 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 차단 요소는 상기 차단 방향(V)의 축(X)을 따른 최대 경로(H2)가 정지 장치에 의해 제한되는 도우징 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정지 장치의 위치가 조절될 수 있는 도우징 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 정지 장치는 자동으로 조절 가능한 전동 정지 장치인 도우징 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 엑추에이터 시스템은 유압 및 공압으로 작동 가능한 엑추에이터를 포함하는 도우징 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 엑추에이터 시스템은 압전 엑추에이터를 포함하는 도우징 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 엑추에이터 시스템의 엑추에이터의 최대 작동 경로(H1)는 상기 차단 요소의 최대 경로(H2)와 상이한 도우징 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    엑추에이터의 최대 작동 경로(H1, H1') 및 상기 엑추에이터 시스템의 엑추에이터 요소의 최대 경로(H1) 중 적어도 하나는 정지 장치에 의해 제한되는 도우징 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 차단 요소 및 상기 엑추에이터 시스템 중 적어도 하나는 개구 방향(O) 및 상기 차단 방향(V) 중 적어도 하나의 방향으로 스프링에 의해 가압되는(spring-based) 도우징 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    스프링이 기설치된(spring-preloaded), 위치가 조절 가능한, 적어도 하나의 정지 장치를 더 포함하는 도우징 시스템.
  13. 도우징 시스템의 도움으로 액체를 점성 도우징 물질에 도우징하기 위한 방법으로서,
    상기 도우징 시스템은 배출구를 갖는 노즐, 차단 요소, 및 엑추에이터와 상기 차단 요소를 일시적으로 연결하는 레버를 포함하는 적어도 하나의 엑추에이터 요소를 구비하는 엑추에이터 시스템을 포함하고,
    상기 방법은, 상기 엑추에이터 요소를 처음에는, 의도된 정지 위치에서 상기 차단 요소로부터 분리되도록, 제1 부분 이동으로 이동시키고, 그런 다음, 상기 정지 위치에서 상기 차단 요소와 접촉시켜 상기 차단 요소 상에 임펄스(impulse, I)를 가하도록 하는 단계를 포함하는 방법.



  14. 삭제
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