KR102494267B1 - 증폭 메커니즘을 구비한 압전 분사 시스템 및 방법 - Google Patents

증폭 메커니즘을 구비한 압전 분사 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

분사 분배기는 인가된 전압에 응답하여 제1 거리만큼 길어지는 압전 유닛, 및 압전 유닛에 작동 가능하게 결하된 증폭기를 구비하는 액튜에이터를 포함한다. 증폭기는 제1 및 제2 단부들을 포함하고, 제2 단부는 인가된 전압 하에서 제1 거리보다 큰 제2 거리를 통해 움직인다. 제1 및 제2 스프링들은 압전 유닛의 양쪽 측면에 위치된다. 스프링들은 일정한 압축 하에서 압전 유닛을 유지하는 방식으로 압전 유닛에 결합된다. 유체 바디는 증폭기의 제2 단부에 작동 가능하게 결합된 가동성 샤프트를 포함하고, 유체 보어 및 배출 오리피스를 포함한다. 가동성 샤프트는 인가된 전압 하에서 증폭기의 제2 단부에 의해 움직이며, 유체 보어로부터 배출 오리피스를 통해 일정량의 유체를 분사한다.

Description

증폭 메커니즘을 구비한 압전 분사 시스템 및 방법
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 그 전체 내용이 참조에 의해 본원에 통합되는 2015년 5월 22일자 출원된 미국 특허 가출원 제62/165,244호에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 점성 유체의 작은 액적을 기판 상에 침착하기 위한 비접촉 분사 분배기에 관한 것이며, 특히 하나 이상의 압전 소자에 의해 작동되는 이러한 형태의 분배기에 관한 것이다.
비접촉 점성 물질 분배기들은 종종 소량의 점성 물질, 예를 들어 점도가 50 센티포이즈를 초과하는 점성을 가지는 점성 물질을 기판 상에 도포하도록 사용된다. 예를 들어, 비접촉 점성 물질 분배기들은 인쇄 회로 기판과 같은 전자 기판에 다양한 점성 물질을 도포하도록 사용된다. 전자 기판에 도포된 점성 물질은 범용 접착제, 자외선 경화형 접착제, 납땜 페이스트, 납땜 플럭스, 납땜 마스크, 열 그리스, 리드 밀봉제(lid sealant), 오일, 캡슐화제, 포팅 화합물(potting compound), 에폭시, 다이 접착 유체, 실리콘, RTV, 및 시아노아크릴 레이트를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
비접촉 분사 분배기로부터 기판 상으로 점성 물질을 분배하기 위한 특정 용도는 풍부하다. 반도체 패키지 조립에서, 다른 용도들 중에서, 언더필링(underfilling), 볼 그리드 어레이(ball grid arrays)에서 땜납 볼 보강, 댐 앤 필(dam and fill) 작업, 칩 캡슐화, 언더필링 칩 스케일 패키지(underfilling chip scale package), 캐비티 필 분배, 다이 부착 분배, 리드 씰 분배, 무유동 언더필링(no flow underfilling), 플럭스 분사, 및 열 화합물을 분배하는 적용이 존재한다. 표면 실장 기술(SMT) 인쇄 회로 기판(PCB) 생산을 위하여, 표면 실장 접착제, 납땜 페이스트, 전도성 접착제, 및 납땜 마스크 물질은 비접촉식 분배기뿐만 아니라 선택적 플럭스 분사로부터 분사될 수 있다. 보호막(conformal coatings)은 또한 비접촉 분배기를 사용하여 선택적으로 도포될 수 있다. 일반적으로, 경화된 점성 물질은 습기, 곰팡이, 먼지, 부식 및 마모와 같은 환경적 응력에 기인한 손상으로부터 그 위에 장착된 인쇄 회로 기판 및 디바이스를 보호한다. 경화된 점성 물질은 또한 특정의 미코팅 영역에서 전기 및/또는 열전도 특성을 보존할 수 있다. 적용은 또한 디스크 드라이브 산업, 의료 전자 제품의 생명 과학을 위한 생명 과학 적용 및 본딩, 밀봉, 성형 가스켓, 페인팅 및 윤활을 위한 일반 산업적인 적용에도 존재한다.
분사 분배기는 일반적으로, 시트(seat)를 향해 샤프트 또는 태핏(tappet)을 반복적으로 움직이는 한편 분배기의 배출 오리피스로부터 점성 물질의 액적을 분사하는 공압 또는 전기 액튜에이터들을 가질 수 있다. 전기적으로 작동되는 분사 분배기들은 더욱 구체적으로는 압전 액튜에이터를 사용할 수 있다. 압전 스택(piezo stack)들은 매우 정확하고 매우 빠른 반응의 세라믹 디바이스들이다. 압전 스택의 특성은 전압이 인가될 때 세라믹 물질이 한쪽 방향으로의 변위를 수행한다는 것이다. 하나의 주요 단점은 압전 스택이 매우 작은 변위를 생성한다는 것이다. 예를 들어, 7 mm x 7 mm x 36 mm 길이의 스택은 약 36 마이크론의 움직임을 생성한다. 이러한 변위는 유체의 적절한 분사에 충분하지 않다. 피에조 적층 및 증폭 메커니즘을 구비한 액튜에이터를 형성하는 것이 공지되어 있다. 공간 제한과 기대 수명은 피에조 물질을 포함하는 액튜에이터를 설계할 때 또한 고려한다. 기대 수명은 스택이 장력 상태에 있을 때 심각하게 단축된다. 압전 스택은 1000Hz의 주파수에서 연속 작동할 수 있어야 하며, 소량의 유체를 신뢰 가능하고 정확하게 분사하도록 충분한 힘을 인가하는 것이 필요하다. 이러한 적용에 필요한 증폭을 달성하는 다양한 방법이 있으며, 그러나 긴 수명주기 109를 달성하는 것은 어려울 수 있다. 로커 아암(rocker arm) 또는 레버 증폭의 2개의 주요 방법은 선회 및 굴곡이다. 선회 방법은 전체 변위를 감소시키는 마모를 받기 쉽고, 굴곡 방법은 높은 응력 영역에서 파손되기 쉽다.
압전 스택은 작업 동안 상당한 양의 열을 생성한다. 액튜에이터에 의해 발생되는 열의 양은 히터체 온도, 피에조 주파수, 및 듀티 사이클과 같은 몇몇 인자들에 의존한다. 이러한 열은 액튜에이터의 주변 금속으로 전달된다. 이러한 것은 레버 또는 로커 아암의 위치에서의 변화를 유발하고, 분사 디바이스의 의도된 행정에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다.
적어도 이러한 이유들 때문에, 이들 및 다른 문제들을 다루는 분사 시스템 및 방법을 제공하는 것이 필요할 것이다.
제1 예시적인 실시예에서, 본 발명은 작동기 및 유체 바디(fluid body)를 포함하는 분사 분배기를 제공한다. 액튜에이터는 인가된 전압에 응답하여 제1 거리만큼 길어지는 압전 유닛, 및 상기 압전 유닛에 작동 가능하게 결합된 증폭기를 포함한다. 액튜에이터는 압전 유닛의 양쪽 측면 상에 위치된 한 쌍의 스프링을 추가로 포함한다. 스프링들은 압전 유닛을 일정한 압축 상태로 유지하는 방식으로 압전 유닛에 결합된다. 분배기는, 증폭기와 작동 가능하게 결합되는 가동성 샤프트를 구비하고, 유체 보어 및 배출 오리피스를 포함하는 유체 바디를 추가로 포함한다. 상기 가동성 샤프트는 전압이 상기 압전 유닛에 인가되고 상기 압전 유닛으로부터 제거될 때 상기 증폭기에 의해 움직이고, 이에 의해, 상기 가동성 샤프트를 움직여, 상기 유체 보어로부터 상기 배출 오리피스를 통해 일정량의 유체를 분사한다.
분배기는 다양한 실시예에서 추가의 또는 대안적인 양태를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 쌍의 스프링은 제1 및 제2 판 스프링들을 추가로 포함한다. 상기 액튜에이터는 상부 액튜에이터 부분을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 판 스프링들은 각각 제1 단부 및 제2 단부를 포함한다. 제1 단부들은 상부 액튜에이터 부분에 고정되고, 제2 단부들은 인가된 전압 하에서 상기 증폭기와 함께 움직이기 위해 고정된다. 제2 단부들은 상기 증폭기에 결합된 전기자(armature)에 고정된다. 상기 전기자는 전압이 인가되고 제거됨에 따라서 상기 압전 유닛에 의해 움직인다.
다른 실시예에서, 본 발명은 인가된 전압에 응답하여 제1 거리만큼 길어지는 압전 유닛, 상기 압전 유닛을 수용하는 상부 액튜에이터 부분, 및 상기 압전 유닛에 작동 가능하게 결합되는 증폭기를 포함하는 하부 액튜에이터 부분을 구비하는 액튜에이터를 포함하는 분사 분배기를 제공한다. 상기 증폭기는 제1 및 제2 단부들을 포함하며, 상기 제2 단부는 인가된 전압 하에서 상기 제1 거리보다 큰 제2 거리를 통해 움직인다. 상부 액튜에이터 부분은 제1 열팽창 계수를 가지는 제1 물질로 형성되고, 하부 작동 부분은 제2 열팽창 계수를 가지는 제2 물질로 형성된다. 제1 열팽창 계수는 제2 열팽창 계수보다 낮다. 상기 분사 분배기는, 상기 증폭기의 제2 단부와 작동 가능하게 결합되는 가동성 샤프트를 구비하고, 유체 보어 및 배출 오리피스를 포함하는 유체 바디를 추가로 포함한다. 상기 가동성 샤프트는 인가된 전압 하에서 상기 증폭기의 제2 단부에 의해 움직이고, 이에 의해 유체 보어로부터 배출 오리피스를 통해 일정량의 유체를 분사한다. 예로서, 제1 열팽창 계수 대 제2 열팽창 계수의 비는 적어도 1:5 또는 적어도 1:10일 수 있다. 한 실시예에서, 하부 액튜에이터 부분을 형성하는 물질은 스테인리스강을 포함하고, 상부 작동 부분을 형성하는 부분은 합금을 포함한다. 상기 합금은 니켈-철 합금을 추가로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명은 인가된 전압에 응답하여 제1 거리만큼 길어지는 압전 유닛, 상기 압전 유닛을 수용하는 상부 액튜에이터 부분, 및 상기 압전 유닛에 작동 가능하게 결합되는 증폭기를 포함하는 하부 액튜에이터 부분을 구비하는 액튜에이터를 포함하는 분사 분배기를 제공한다. 상기 증폭기는 제1 및 제2 단부들을 포함하고, 제2 단부는 인가된 전압 하에서 상기 제1 거리보다 큰 제2 거리를 통해 움직인다. 상기 증폭기는 하부 액튜에이터 부분과 일체로 형성되고, 상기 하부 액튜에이터 부분에 있는 일련의 슬롯들에 의해 형성된 굴곡부를 포함한다. 상기 분사 분배기는, 상기 증폭기의 제2 단부와 작동 가능하게 결합되는 가동성 샤프트를 구비하고, 유체 보어 및 배출 오리피스를 포함하는 유체 바디를 추가로 포함한다. 상기 가동성 샤프트는 증폭기의 제2 단부에 의해 움직이고, 이에 의해 상기 유체 보어로부터 상기 배출 오리피스를 통해 일정량의 유체를 분사한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 압전 유닛 및 유체 바디를 포함하는 액튜에이터를 제공한다. 상기 압전 유닛은 인가된 전압에 응답하여 제1 거리만큼 길어진다. 상부 액튜에이터 부분은 압전 유닛을 수용하고, 하부 액튜에이터 부분은 압전 유닛에 작동 가능하게 결합된 증폭기를 포함한다. 상기 증폭기는 제1 및 제2 단부들을 포함한다. 상기 제2 단부는 인가된 전압 하에서 상기 제1 거리보다 큰 제2 거리를 통해 움직인다. 상기 증폭기는 상기 하부 액튜에이터 부분과 일체로 형성되고, 굴곡부를 포함한다. 유체 바디는 증폭기의 제2 단부와 작동 가능하게 결합되는 가동성 샤프트를 구비하고 유체 보어 및 배출 오리피스를 추가로 포함한다. 상기 가동성 샤프트는 상기 증폭기의 제2 단부에 의해 움직이며, 이에 의해 상기 유체 보어로부터 상기 배출 오리피스를 통해 일정량의 유체를 분사한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 인가된 전압 하에서 제1 거리로부터 제2 거리까지 압전 액튜에이터의 기계적으로 증폭된 움직임을 생성하기 위한 증폭기를 제공한다. 특히, 상기 증폭기의 일부는 전압이 상기 압전 액튜에이터에 인가될 때 상기 제1 거리보다 큰 제2 거리만큼 움직인다. 상기 증폭기는 인가된 전압 하에서 상기 압전 액튜에이터와 함께 움직임을 위하여 결합되는데 적합한 전기자를 포함한다. 상기 전기자는 상기 압전 액튜에이터가 제1 거리를 통해 움직일 때 굴곡을 제공하기 위한 복수의 슬롯을 포함하는 굴곡부와 일체로 형성된다. 상기 증폭기는 제1 및 제2 단부를 가지는 레버를 추가로 포함한다. 상기 제2 단부는 인가된 전압 하에서 상기 제1 거리보다 큰 제2 거리를 통해 움직인다.
다른 실시예에서, 압전 유닛, 상기 압전 유닛에 결합된 증폭기, 및 상기 압전 유닛의 양쪽 측면 상에 배치된 한 쌍의 스프링을 포함하는 액튜에이터를 사용하여 유체를 분사하는 방법은, 한 쌍의 스프링으로 상기 압전 유닛의 일정한 압축을 유지하는 단계를 포함한다. 전압은 상기 압전 유닛의 길어짐에 의해 유발되는 제1 거리만큼 상기 압전 유닛이 길어지도록 상기 압전 유닛에 인가된다. 상기 증폭기는 상기 제1 거리보다 큰 제2 거리만큼 작동된다. 상기 증폭기의 작동에 의해, 유체 바디의 가동성 샤프트는 상기 유체 바디에 있는 유체 보어로부터 배출 오리피스를 통해 일정량의 유체를 분사하도록 움직인다.
상기 방법은 추가적인 또는 대안적인 양태들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 쌍의 스프링은 제1 및 제2 판 스프링들을 추가로 포함할 수 있다. 양태에 있어서, 상기 액튜에이터는 상부 액튜에이터 부분을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 판 스프링들은 각각 제1 단부 및 제2 단부를 포함할 수 있으며, 상기 제1 단부는 상기 상부 액튜에이터 부분에 고정되며, 방법은 상기 압전 유닛에 인가된 전압 하에서 증폭기와 함께 상기 제2 단부를 움직이는 단계를 추가로 포함한다. 다른 양태에서, 상기 방법은 상기 전압이 인가되고 제거될 때 상기 증폭기 및 상기 제1 및 제2 판 스프링의 제2 단부에 연결된 전기자를 이동시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 다른 양태에서, 방법은 전압이 인가되고 제거됨에 따라서, 상기 증폭기 및 상기 제1 및 제2 판 스프링들의 제2 단부에 결합된 전기자를 움직이는 단계를 추가로 포함한다. 다른 양태에서, 상기 액튜에이터는 상기 증폭기를 포함하는 하부 액튜에이터 부분을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 상부 액튜에이터 부분은 제1 열팽창 계수를 가지는 제1 물질로 형성되고, 상기 하부 액튜에이터 부분은 제2 열팽창 계수를 가지는 제2 물질로 형성되며, 상기 제1 열팽창 계수는 상기 제2 열팽창 계수보다 낮다. 또 다른 양태에서, 상기 증폭기는 상기 전기자와 작동 가능하게 결합된 제1 단부, 및 상기 가동성 샤프트와 작동 가능하게 결합된 제2 단부를 포함할 수 있으며, 상기 방법은 상기 증폭기의 제2 단부를 제2 거리를 통해 움직이는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 거리를 통한 압전 액튜에이터의 움직임을 기계적으로 증폭시키는 방법은 상기 압전 액튜에이터에 인가된 전압 하에서, 상기 제1 거리를 통해 레버의 제1 단부를 움직이는 단계를 포함하며, 상기 레버의 제1 단부는 상기 압전 액튜에이터와 작동 가능하게 결합된다. 상기 방법은 인가된 전압 하에서 상기 제1 거리보다 큰 제2 거리를 통해 상기 레버의 제2 단부를 움직이는 단계를 추가로 포함한다.
상기 방법은 추가적인 또는 대안적인 양태를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 압전 액튜에이터에 인가된 전압 하에서, 상기 압전 액튜에이터에 결합된 전기자를 움직이는 단계; 및 상기 압전 액튜에이터가 상기 제1 거리를 통해 움직일 때 굴곡부를 굴곡시키는 단계를 추가로 포함하며, 상기 굴곡부는 상기 전기자와 일체로 형성되고 상기 레버와 작동 가능하게 결합된다. 또 다른 양태에서, 상기 굴곡부는 상기 굴곡부의 굴곡을 제공하기 위한 복수의 슬롯을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 추가적인 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련하여 취해진 예시적인 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 검토하면 당업자에게 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 분사 분배기 시스템의 사시도.
도 2는 도 1의 선 2-2를 따라서 취한 단면도.
도 2a는 개방 상태에 있는 태핏을 도시하는, 도 2로부터 취한 태핏 조립체 및 유체 바디의 확대 단면도.
도 2b는 도 2a와 유사하지만, 유체의 액적을 분사한 후에 폐쇄 위치에 있는 태핏을 도시한 단면도.
도 3은 분배기의 압전 액튜에이터의 부분 분해 사시도.
도 4는 특정 요소들이 내부 상세를 더욱 잘 도시하도록 점선으로 도시된, 압전 분사 분배기의 사시도.
도 5는 레버 증폭 메커니즘을 도시하는 액튜에이터의 하부 부분의 측면도.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 분사 시스템(10)은 일반적으로 주 전자 제어기(14)와 결합된 분사 분사기(12)를 포함한다. 분사 분사기(12)는 액튜에이터 하우징(18)에 결합된 유체 바디(16)를 포함한다. 특히, 유체 바디(16)는 적용의 요구에 따라, 하나 이상의 히터(도시되지 않음)를 포함할 수 있는 유체 바디 하우징(19) 내에서 홀딩된다. 유체 바디(16)는 주사기 배럴(도시되지 않음)과 같은 적절한 유체 공급부(20)로부터 가압 유체를 수용한다. 태핏 또는 밸브 조립체(22)는 하우징(18)에 결합되고, 유체 바디(16) 내로 연장된다. 기계식 증폭기(예를 들어, 레버(24))는 추후에 설명되는 바와 같이 압전 액튜에이터(26)와 태핏 또는 밸브 조립체(22) 사이에 결합된다.
압전 액튜에이터(26)를 냉각시키는 목적을 위해, 공기는 공급원(27)으로부터 흡기 포트(28)내로 도입되고, 배기 포트(30)로부터 배출될 수 있다. 대안적으로, 냉각 필요성에 따라, 양 포트(28, 30)들은 도 2에 도시된 바와 같이 공급원(27)으로부터의 냉각 공기를 수용할 수 있다. 이러한 경우에, 하나 이상의 다른 배기 포트(도시되지 않음)가 하우징(18)에 제공될 것이다. 온도 및 사이클 제어기(36)는, 분사 작동 동안 액튜에이터(26)를 순환시키고, 요구된 온도로 유체를 유지하기 위해 분배기(12)에 의해 지지되는 하나 이상의 히터(도시되지 않음)를 제어하기 위해 제공된다. 또 다른 옵션으로서, 이러한 제어기(36) 또는 다른 제어기는 폐루프 방식으로 액튜에이터(26)의 냉각 필요성을 제어할 수 있다. 도 4에 또한 도시된 바와 같이, 압전 액튜에이터(26)는 압전 소자들의 스택(40)을 추가로 포함한다. 이러한 스택(40)은 스택(40)의 양쪽 측면에 결합된 각각의 평탄 압축 스프링 요소(42, 44)들에 의해 압축되어 유지된다. 보다 구체적으로, 상부 핀(46) 및 하부 핀(48)들은, 그 사이에 압전 소자들의 스택(40)이 있는 평탄 스프링 요소(42, 44)들을 서로 홀딩하도록 제공된다. 상부 핀(46)은 액튜에이터(26)의 상부 액튜에이터 부분(26a) 내에서 홀딩되는 반면에, 하부 핀(48)은 스택(40)의 하단부에 직접 또는 간접적으로 결합한다. 상부 액튜에이터 부분(26a)은 압전 소자의 스택(40)을 안전하게 수용하여서, 스택(40)은 임의의 측면으로의 운동에 대해 안정화된다. 이러한 실시예에서, 하부 핀(48)은 하부 액튜에이터 부분(26b)에, 더욱 구체적으로 기계식 전기자(50)(도 2)에 결합된다.
기계식 전기자(50)의 상부면(50a)은 압전 스택(40)의 하단부를 지지한다. 스프링 요소(42, 44)들은 핀(46, 48)들 사이에서 신장되어서, 스프링 요소(42, 44)들은 도 4에서 화살표(53)로 도시된 바와 같이 스택(40)에 일정한 압축을 인가한다. 보다 구체적으로, 평탄 스프링 요소(42, 44)들은 와이어 EDM 공정으로 형성될 수 있다. 압전 소자 스택(40)의 상단부는 상부 액튜에이터 부분(26a)의 내부면에 기대어 보유된다. 그러므로, 상부 핀(46)은 고정되어 있는 반면에, 하부 핀(48)은 추후에 설명되는 바와 같이 스프링 요소(42, 44)들 및 기계식 전기자(50)와 함께 부유하거나 움직인다.
전압이 압전 스택(40)에 인가될 때, 스택(40)은 확장하거나 길어지고, 이러한 것은 스프링 요소(42, 44)들의 힘에 거슬러 전기자(50)를 아래쪽으로 움직인다. 스택(40)은 인가된 전압의 양에 비례하여 길이를 변화시킬 것이다.
도 2에 더 도시된 바와 같이, 기계식 전기자(50)는 기계식 증폭기와 작동 가능하게 결합되고, 기계식 증폭기는 이러한 예시적인 실시예에서 대체로 제1 단부(24a) 가까이에서 전기자(50)에 결합되고 제2 단부(24b)에서 푸시 로드(68)에 결합되는 레버(24)로서 형성된된다. 레버(24)는 기계식 전기자(50)와 레버(24) 사이에 일련의 슬롯(56)들을 형성하는 예를 들어 EDM 공정을 통해 하부 액튜에이터 부분(26b)로부터 일체로 형성될 수 있다. 추후에 설명되는 바와 같이, 레버(24) 또는 기계식 증폭기는 스택(40)이 필요한 거리만큼 확장하거나 길어지는 거리를 증폭시킨다. 예를 들어, 이러한 실시예에서, 스택(40) 및 기계식 전기자(50)의 하향 움직임은 레버(24)의 제2 단부(24b)에서 약 8배까지 증폭된다.
지금 도 2, 도 2a, 도 2b 및 도 5를 더욱 구체적으로 참조하면, 굴곡부(60)는 레버(24)를 기계식 전기자(50)에 결합한다. 도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 레버(24)는 레버(24)의 제2 단부(24b)와 대략 동일한 수평 레벨인 선회 지점(62)을 중심으로 선회한다. 선회 지점(62)의 이러한 위치는 레버(24)가 회전하는 원호의 영향을 최소화하는 역할을 한다. 일련의 슬롯(56)들은 굴곡부(60)를 형성하는 하부 액튜에이터 부분(26b)에 형성된다. 압전 스택(40)이 도 5의 화살표(66)에 의해 도시된 바와 같이 주 제어기(14)에 의한 전압의 인가하에 길어질 때, 레버(24)는 스택(40)이 기계식 전기자(50) 상에서 아래로 밀려짐에 따라서 대체로 선회 지점(62)을 중심으로 시계 방향으로 회전한다. 레버(24)의 약간의 회전은 굴곡부(60)에 의해 인가된 탄성 편향에 대항하여 일어난다. 제2 단부(24b)는 선회 지점(62)을 중심으로 약간 시계 방향으로 회전함에 따라서, 아래쪽으로 움직이고, 마찬가지로 도 5의 화살표(67)로 도시된 바와 같이 부착된 푸시 로드(68)를 아래쪽으로(도 2) 움직인다.
레버(24)의 제2 단부(24b)는 적절한 나사 체결구(70, 72)를 사용하여 푸시 로드(68)에 고정된다. 푸시 로드(68)는, 가이드 부싱(74) 내에서 이동하여 태핏 또는 밸브 조립체(22)와 결합된 태핏 또는 밸브 요소(76)의 상부 헤드 부분(76a)에 기대는 하부 헤드 부분(68a)을 가진다. 가이드 부싱(74)은 도 2a 및 도 2b에 가장 잘 도시된 바와 같이 핀(75)의 압입 끼워맞춤에 의해 하우징(18)에서 홀딩된다. 푸시 로드(68), 가이드 부싱(74) 및 핀(75)의 조립체는 작업 동안 푸시 로드(68)의 적절한 움직임을 보장하기 위해 약간의 "신축성(give)"을 허용한다. 아울러, 푸시 로드(68)는 태핏 또는 밸브 요소(76) 및 레버(24)와의 그 왕복 운동 동안 탄성 방식으로 측방향으로 약간 구부러지는 물질로 만들어진다. 태핏 조립체는 환형 요소(80)를 사용하여 하우징(18)의 하부 부분 내에 장착되는 코일 스프링(78)을 추가로 포함한다. 태핏 또는 밸브 조립체(22)는 O-링(84)에 의해 유체 바디(16)에 보유되는 인서트(82)를 추가로 포함한다. 환형 요소(80) 및 인서트(82)는 이 실시예에서 일체 요소, 즉 카트리지 바디를 포함한다. 교차 천공된 물 구멍(weep hole)(85)은 어떠한 액체도 O-링(86)을 지나서 누설되어 빠져나가는 것을 허용하도록 스프링(78)의 하단부와 대략 일직선이다. 추가의 O-링(86)은 유체 바디(16)의 유체 보어(88)에 수용된 가압 유체가 누설되지 않도록 태핏 또는 밸브 요소(76)를 밀봉한다. 유체는 유체 공급부(20)로부터 유체 바디(16)의 입구(90)와 통로(92, 94)들을 통해 공급된다. O-링(84)은 보어(88) 및 통로(94)에 있는 가압 액체로부터 환형 요소(80)와 인서트(82)에 의해 형성된 카트리지 본체의 외부를 밀봉한다. 유체 통로(92, 94)들은 유체 바디(16)에 나사 결합된 플러그 부재(96)에 의해 밀봉된다. 플러그 부재(96)는 내부 통로(94)를 세척하기 위한 접근을 허용하도록 제거될 수 있다.
물 액적 또는 소량의 유체를 분사하는 시스템(10)의 작동은 도 2a 및 도 2b와 관련하여 도 2 내지 도 4를 검토하는 것에 의해 가장 잘 이해될 것이다. 도 2a는 압전 스택(40)으로의 전압이 충분히 제거되었을 때 개방 상태로 상승된 태핏 또는 밸브 요소(76)를 도시한다. 이러한 것은 스택(40)을 수축시킨다. 스택(40)이 수축함에 따라서, 평탄 스프링 요소(42, 44)들은 전기자(50)를 위로 끌어당기고, 이러한 것은 레버(24)의 제2 단부(24b)를 상승시키고, 또한 푸시 로드(68)를 상승시킨다. 그러므로, 태핏 또는 밸브 조립체(22)의 코일 스프링(28)은 그런 다음 태핏 또는 밸브 요소(76)의 상부 헤드 부분(76a)을 위로 밀어올리고, 유체 바디(16)에 고정된 밸브 시트(100)로부터 태핏 또는 밸브 요소(76)의 원위 단부(76b)를 상승시킬 수 있다. 이러한 위치에서, 유체 보어(88) 및 태핏 또는 밸브 요소(76)의 원위 단부(76b) 아래의 영역은 분사 유체 분배기(12)를 "충전"하고 다음의 분사 사이클을 위하여 분사 분배기(12)를 준비하도록 추가 유체가 채워진다.
압전 스택(40)이 활성화될 때, 즉 전압이 주 전자 제어기(14)(도 1)에 의해 압전 스택(40)에 인가될 때, 스택(40)은 확장하여, 기계식 전기자(50)에 기대어 밀어낸다. 이러한 것은 레버(24)를 시계 방향으로 회전시키고 제2 단부(24b)를 아래로 움직이며, 또한 푸시 로드(68)를 아래로 움직인다. 푸시 로드(68)의 하부 헤드 부분(68a)은 도 2b에 도시된 바와 같이 태핏 또는 밸브 요소(76)의 상부 헤드 부분(76a)을 아래로 누르며, 밸브 요소(76)는 원위 단부(76b)가 밸브 시트(100)에 결합할 때까지 코일 스프링(78)의 힘을 거슬러 신속하게 아래로 움직인다. 움직임의 과정에서, 밸브 요소(76)의 원위 단부(76b)는 배출구(104)로부터 유체의 액적(102)을 강제한다. 전압은 그런 다음 압전 스택(40)으로부터 제거되고, 이러한 것은 다음의 분사 사이클을 위해 태핏 또는 밸브 요소(76)를 상승시키도록 각각의 이러한 구성 요소의 움직임을 반전시킨다.
압전 액튜에이터(26)가 액적들을 분사시키도록 역으로 이용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 경우에, 레버(24)를 포함하는 다양한 기계적 작동 구조는 전압이 압전 스택(40)으로부터 제거될 때, 스택(40)의 결과적인 수축이 유체의 액적을 배출하도록 밸브 시트(100) 및 배출구(104)를 향한 밸브 요소의 움직임을 유발하도록 상이하게 설계될 것이다. 그런 다음, 스택(40)으로의 전압을 인가시에, 증폭 시스템 및 다른 작동 구성 요소들은 다음의 분사 작동을 위해 추가 유체로 유체 보어(88)을 충전하기 위해 밸브 요소(76)를 상승시킬 것이다. 이러한 실시예에서, 태핏 또는 밸브 요소(76)는 통상적으로 폐쇄될 것이며, 즉 전압이 압전 스택(40)에 인가되지 않을 때 밸브 시트(100)를 결합할 것이다.
도 2에 또한 도시된 바와 같이, 상부 액튜에이터 부분(26a)은 하부 액튜에이터 부분(26b)과 별개이고, 이러한 각각의 부분(26a, 26b)은 상이한 물질로 형성된다. 특히, 상부 액튜에이터 부분(26a)은 하부 액튜에이터 부분(26b)을 형성하는 물질보다 낮은 열팽창 계수를 가지는 물질로 형성된다. 액튜에이터 부분(26a, 26b)들의 각각은 하부 액튜에이터 부분(26b)으로부터 상부 액튜에이터 부분(26a)으로 연장되는 나사 체결구(도시되지 않음)를 사용하여 함께 단단히 체결된다. 상부 및 하부 액튜에이터 부분(26a, 26b)들의 조립체는 그런 다음 복수의 볼트(110)에 의해 하우징에 체결된다. 보다 구체적으로, 하부 액튜에이터 부분(26b)은 PH17-4 스테인리스강으로 형성될 수 있는 반면에, 상부 액튜에이터 부분(26a, 26b)은 Invar와 같은 니켈-철 합금으로 형성될 수 있다. 17-4 PH 스테인리스강은 굴곡부(60)의 수명을 증가시키는 매우 높은 내구성 한계 또는 피로 강도를 가진다. 이러한 스테인리스강의 열팽창 계수는 약 10 ㎛/m-C인 반면에, Invar의 열팽창 계수는 약 1 ㎛/m-C이다. 열팽창의 비율은 이러한 물질들의 대략 10:1 비율보다 높거나 낮을 수 있다. 상부 및 하부 액튜에이터 부분(26a, 26b)들과 관련된 열 팽창 계수는 서로 상쇄 특성을 효과적으로 제공한다. 상부 및 하부 액튜에이터 부분(26a, 26b)들의 상이한 열 팽창 계수는 이에 의해 액튜에이터(26)가 더욱 넓은 온도 범위에 걸쳐서 일관되게 작동하는 것을 가능하게 한다. 특히, 이러한 온도 범위는 액튜에이터(26)가 더욱 높은 주파수 및 더욱 적극적인 파형으로 구동하는 것을 가능하게 한다. 또한 높은 듀티 사이클로 작동할 때 압전 스택은 상당한 열을 발생시킬 수 있다. Invar의 사용은 액튜에이터(26)의 단부의 더욱 정확한 절대 위치 선정을 제공하고, 그러므로 더욱 정확하고 유용한 스트로크를 제공한다.
본 발명은 특정 실시예에 대한 설명에 의해 예시되었지만, 실시예들이 상당히 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구항들의 범위를 이러한 상세한 설명으로 한정하거나 또는 어떠한 방식으로도 제한하도록 의도되지 않는다. 본 명세서에서 논의된 다양한 특징은 단독으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 추가적인 장점들 및 수정들은 당업자에게 쉽게 나타날 것이다. 그러므로, 본 발명은 보다 넓은 관점에서 도시되고 설명된 특정 세부 사항, 대표적인 장치 및 방법 및 예시적인 실시예에 한정되지 않는다. 따라서, 본 발명의 개념의 범위 또는 사상을 벗어나지 않고 이러한 세부 사항으로부터 벗어날 수있다.

Claims (20)

  1. 분사 분배기로서,
    인가된 전압에 대응하여 제1 거리만큼 길어지는 압전 유닛, 상기 압전 유닛에 작동 가능하게 결합되는 전기자, 및 제1 단부로부터 상기 제1 단부에 반대 편인 제2 단부까지 연장하는 레버 및 상기 레버의 상기 제1 단부에 결합되는 단일 및 일체식(monolithically)으로 형성되는 굴곡부를 포함하는 증폭기로서, 상기 레버의 상기 제1 단부는 상기 인가된 전압 하에서 상기 제1 거리를 통해 움직이고, 상기 레버의 상기 제2 단부는 상기 인가된 전압 하에서 상기 제1 거리보다 더 긴 제2 거리를 통해 움직이며, 상기 레버의 상기 제1 단부는 제1 방향을 따라 상기 전기자로부터 이격되고, 상기 굴곡부는 상기 제1 방향을 따라 상기 레버의 상기 제1 단부 및 상기 전기자 사이에 위치하고 상기 레버의 상기 제1 단부를 상기 전기자에 직접 연결하는, 상기 증폭기를 포함하는 액튜에이터; 및
    상기 레버의 상기 제2 단부와 작동 가능하게 결합되는 가동성 샤프트, 유체 보어 및 배출 오리피스를 포함하는 유체 바디를 구비하며,
    상기 굴곡부는 상기 굴곡부에 의해 인가되는 탄성 편향에 대항하게 상기 레버를 움직이도록 상기 압전 유닛에 전압이 가해질 때 굴곡하여서, 상기 가동성 샤프트를 움직여 상기 유체 보어로부터 상기 배출 오리피스를 통해 일정량의 유체를 분사하는, 분사 분배기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액튜에이터는 상기 압전 유닛의 반대 측들 상에 위치되는 스프링들의 쌍을 더 포함하고, 상기 스프링들은 상기 압전 유닛을 일정 압축 하에 유지하는 방식으로 상기 압전 유닛에 결합되는, 분사 분배기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 액튜에이터는 상부 액튜에이터 부분을 더 구비하고, 상기 스프링들의 쌍은 각각 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 제1 및 제2 판 스프링들을 더 구비하며, 상기 제1 단부들은 상기 상부 액튜에이터 부분에 고정되고, 상기 제2 단부들은 인가된 전압 하에서 상기 증폭기와의 움직임을 위해 고정되는 분사 분배기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 단부들은 상기 전기자에 고정되며, 상기 전기자는 전압이 인가되고 제거됨에 따라서 상기 압전 유닛에 의해 움직이는 분사 분배기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 액튜에이터는 상기 압전 유닛을 수용하는 상부 액튜에이터 부분, 및 상기 레버를 포함하는 하부 액튜에이터 부분을 더 구비하며, 상기 상부 액튜에이터 부분은 제1 열팽창 계수를 가지는 제1 물질로 형성되고, 상기 하부 액튜에이터 부분은 제2 열팽창 계수를 가지는 제2 물질로 형성되며, 그리고 상기 제1 열팽창 계수는 상기 제2 열팽창 계수보다 낮은 분사 분배기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 액튜에이터는 상기 압전 유닛을 수용하는 상부 액튜에이터 부분 및 상기 증폭기를 포함하는 하부 액튜에이터 부분을 더 구비하고, 상기 증폭기는 상기 하부 액튜에이터 부분과 일체로 형성되고, 상기 하부 액튜에이터 부분에 있는 일련의 슬롯들에 의해 형성되는 상기 굴곡부를 포함하는 분사 분배기.
  7. 분사 분배기로서,
    인가된 전압에 대응하여 제1 거리만큼 길어지는 압전 유닛;
    제1 단부로부터 상기 제1 단부에 반대 편인 제2 단부까지 연장하는 레버를 포함하는 증폭기; 및
    상기 레버의 상기 제1 단부 및 상기 압전 유닛 사이에 위치되는 전기자로서, 상기 전기자는 상기 레버 및 상기 전기자 사이에 위치되고 상기 전기자를 상기 레버의 상기 제1 단부에 직접 연결하는 단일 및 일체식(monolithically)으로 형성되는 굴곡부를 포함하는, 상기 전기자를 포함하는 액튜에이터, 및
    상기 레버의 상기 제2 단부와 작동 가능하게 결합되는 가동성 샤프트, 유체 보어 및 배출 오리피스를 포함하는 유체 바디를 구비하며,
    상기 굴곡부는 상기 레버의 움직임을 야기하기 위하여 상기 압전 유닛에 전압이 가해질 때 굴곡하여서, 상기 가동성 샤프트를 움직여 상기 유체 보어로부터 상기 배출 오리피스를 통해 일정량의 유체를 분사하는, 분사 분배기.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제2 열팽창 계수에 대한 상기 제1 열팽창 계수의 비율은 적어도 1:5인 분사 분배기.
  9. 제5항에 있어서, 상기 제2 열팽창 계수에 대한 상기 제1 열팽창 계수의 비율은 적어도 1:10인 분사 분배기.
  10. 제5항에 있어서, 상기 하부 액튜에이터 부분을 형성하는 상기 제2 물질은 스테인리스강을 구비하고, 상기 상부 액튜에이터 부분을 형성하는 상기 제1 물질은 합금을 구비하는 분사 분배기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 합금은 니켈-철 합금을 더 구비하는 분사 분배기.
  12. 분사 분배기로서,
    인가된 전압에 대응하여 제1 거리만큼 길어지는 압전 유닛, 및 제1 단부로부터 상기 제1 단부에 반대 편인 제2 단부까지 연장하는 레버와 상기 레버의 상기 제1 단부에 작동 가능하게 결합되는 굴곡부를 포함하는 증폭기를 구비하는 액튜에이터로서, 상기 굴곡부는 상기 레버 및 상기 압전 유닛 사이에 위치되고 상기 레버의 상기 제1 단부를 상기 압전 유닛에 작동 가능하게 결합하는, 상기 액튜에이터, 및
    상기 레버의 상기 제2 단부와 작동 가능하게 결합되는 가동성 샤프트, 유체 보어 및 배출 오리피스를 포함하는 유체 바디를 구비하며,
    상기 굴곡부는 상기 굴곡부에 의해 인가되는 탄성 편향에 대항하게 상기 레버의 상기 제2 단부의 회전을 야기하도록 상기 압전 유닛에 전압이 가해질 때 굴곡하고, 상기 전압이 상기 압전 유닛에 인가됨에 따른 상기 레버의 상기 제2 단부의 회전은 상기 가동성 샤프트를 하향으로 움직여 상기 유체 보어로부터 상기 배출 오리피스를 통해 일정량의 유체를 분사하는, 분사 분배기.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 압전 유닛, 상부 액튜에이터 부분, 제1 단부로부터 상기 제1 단부에 반대 편인 제2 단부까지 연장하는 레버와 상기 레버의 상기 제1 단부에 결합되는 단일 및 일체식(monolithically)으로 형성되는 굴곡부를 포함하는 증폭기, 및 상기 압전 유닛에 작동 가능하게 결합되는 전기자를 포함하는 액튜에이터로서, 상기 레버의 상기 제1 단부는 제1 방향을 따라 상기 전기자로부터 이격되고, 상기 굴곡부는 상기 제1 방향을 따라 상기 레버의 상기 제1 단부 및 상기 전기자 사이에 위치되고 상기 레버의 상기 제1 단부를 상기 전기자에 직접 연결하는, 상기 액튜에이터를 사용하여 유체를 분사하는 방법으로서,
    상기 레버의 상기 제1 단부가 제1 거리를 통해 움직이고 상기 레버의 상기 제2 단부가 상기 제1 거리보다 더 긴 제2 거리를 통해 움직이도록, 상기 압전 유닛에 전압을 인가하는 단계; 및
    상기 굴곡부에 의해 인가되는 탄성 편향에 대항하게 상기 레버의 상기 제2 단부의 회전을 야기하도록 상기 압전 유닛에 상기 전압이 가해질 때 상기 굴곡부를 굴곡하여서, 유체 보어로부터 배출 오리피스를 통해 일정량의 유체를 분사하도록 가동성 샤프트를 움직이는 단계를 구비하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 액튜에이터는 상기 증폭기를 포함하는 하부 액튜에이터 부분을 더 구비하고, 상기 상부 액튜에이터 부분은 제1 열팽창 계수를 가지는 제1 물질로 형성되고, 상기 하부 액튜에이터 부분은 제2 열팽창 계수를 가지는 제2 물질로 형성되며, 상기 제1 열팽창 계수는 상기 제2 열팽창 계수보다 낮은 방법.
  17. 삭제
  18. 제1 거리를 통해 압전 액튜에이터의 움직임을 기계적으로 증폭시키기 위한 방법으로서,
    상기 압전 액튜에이터에 인가된 전압 하에서 굴곡부에 작동 가능하게 결합되는 레버의 제1 단부를 상기 제1 거리를 통해 움직이는 단계로서, 상기 굴곡부는 상기 레버 및 상기 압전 액튜에이터 사이에 위치되고 상기 레버의 제1 단부를 상기 압전 액튜에이터에 작동 가능하게 결합하는, 상기 움직이는 단계; 및
    상기 굴곡부에 의해 인가되는 탄성 편향에 대항하게 상기 레버의 제2 단부의 회전을 야기하도록 상기 압전 액튜에이터에 상기 전압이 가해질 때 상기 굴곡부를 굴곡하고, 상기 전압이 상기 압전 액튜에이터에 가해짐에 따른 상기 제1 거리보다 더 긴 제2 거리를 통한 상기 레버의 상기 제2 단부의 회전은 가동성 샤프트를 하향으로 움직여서 유체 보어로부터 배출 오리피스를 통해 일정량의 유체를 분사하도록 하는 단계를 구비하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 압전 액튜에이터에 인가된 전압 하에서, 상기 압전 액튜에이터에 직접 결합되고 상기 굴곡부 및 상기 압전 액튜에이터 사이에 위치되는 전기자를 움직이는 단계를 더 구비하고,
    상기 레버의 상기 제1 단부는 상기 인가된 전압 하에서 상기 제1 거리를 통해 움직이고, 상기 레버의 상기 제2 단부는 상기 인가된 전압 하에서 상기 제1 거리보다 더 긴 상기 제2 거리를 통해 움직이고, 그리고
    상기 굴곡부는, 상기 전기자와 일체로 형성되고 상기 액튜에이터가 상기 제1 거리를 통해 움직일 때 굴곡을 제공하는 복수의 슬롯들을 포함하는 단일 및 일체식(monolithically)으로 형성되는 굴곡부인, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 굴곡부는 상기 굴곡부의 굴곡을 제공하기 위한 복수의 슬롯들을 포함하는 방법.
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