KR20160137419A - 압전 분사 시스템 및 방법 - Google Patents

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노드슨 코포레이션
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Abstract

점성 물질을 분사하기 위한 시스템 및 방법은 전자 컨트롤러와, 전자 컨트롤러에 작동적으로 결합된 분사 분배기를 포함한다. 분사 분배기는 출구 오리피스와, 가동성 샤프트에 작동적으로 결합된 압전 액튜에이터를 포함한다. 분사 분배기는 상기 압전 액튜에이터가 샤프트를 움직이고 출구 오리피스로부터 일정량의 점성 물질을 분사시키기 위하여 전자 컨트롤러의 제어 하에 있다. 전자 컨트롤러는 분사 작업의 제어를 최적화하도록 압전 액튜에이터에 파형을 전송한다.

Description

압전 분사 시스템 및 방법{PIEZOELECTRIC JETTING SYSTEM AND METHOD}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 그 전체 내용이 참조에 의해 본 출원에 통합되는 2015년 5월 22일 출원된 미국 특허 가출원 제62/165,242호에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 기판 상으로 점성 유체의 작은 액적을 침착하기 위한 비접촉 분사 분배기에 관한 것이며, 특히 하나 이상의 압전 요소에 의해 작동되는 이러한 형태의 분배기에 관한 것이다.
비접촉 점성 물질 분배기들은 때때로 기판 상에 최소량의 점성 물질을 도포하도록 사용되며, 예를 들어 점성 물질은 50 센티푸아즈를 초과하는 점도를 갖는다. 예를 들어, 비접촉 점성 물질 분배기들은 인쇄회로 기판과 같은 전자기기 기판 상에 다양한 점성 물질을 도포하도록 사용된다. 전자기기 기판에 도포되는 점성 물질은 제한의 방식이 아니라 예의 방식으로 범용 접착제, 자외선 경화 접착제, 땜납 페이스트, 땜납 플럭스, 땜납 마스크, 열 그리스, 덮개 밀폐제(lid sealant), 오일, 캡슐화제, 포팅 화합물(potting compounds), 에폭시, 다이 부착 유체, 실리콘, RTV, 및 시아노아크릴레이트를 포함한다.
기판상으로 비접촉 분사 분배기로부터 점성 물질을 분배하기 위한 특정 적용은 아주 많다. 반도체 패키지 조립 시에, 다른 용도 중에서, 언더필링(underfilling), 볼 그리드 어레이에서 땜납볼 보강, 댐 및 충전 작업, 칩 캡슐화, 언더필링 칩 스케일 패키징, 캐비티 충전 분배, 다이 부착 분배, 덮개 밀봉 분배, 무유동 언더필링, 플럭스 분사, 및 열 화합물을 분배하기 위한 적용이 존재한다. 표면 장착 기술(SMT) 인쇄회로 기판(PCB) 제조를 위하여, 표면 장착 접착제, 땜납 페이스트, 전도성 접착제, 및 땜납 마스크 물질들이 비접촉 분배기들 뿐만 아니라 선택적 플럭스 분사로부터 분배될 수 있다. 컨포멀 코팅(Conformal coating)은 또한 비접촉 분배기를 사용하여 선택적으로 도포될 수 있다. 대체로, 경화된 점성 물질은 습기, 곰팡이, 먼지, 부식 및 연마와 같은 환경 응력으로부터 기원하는 유해물로부터 인쇄회로 기판과 그 위에 장착된 디바이스들을 보호한다. 경화된 점성 물질은 또한 특정의 비코팅 영역에서의 전기 및/또는 열 전도 특성을 보존할 수 있다. 디스크 드라이브 산업에서의 적용, 의료 전자기기를 위한 생명 과학 적용, 및 본딩, 밀봉, 성형 가스켓, 페인팅 및 윤활을 위한 일반적인 산업 적용이 또한 존재한다.
분사 분배기들은 대체로 시트를 향하여 반복적으로 샤프트 또는 태핏(tappet)을 움직이는 한편 분배기의 출구 오리피스로부터 점성 물질의 액적을 분사하기 위한 공압 또는 전기 액튜에이터를 가질 수 있다. 전기적으로 작동되는 분사 분배기들은 특히 압전 액튜에이터(piezoelectric actuator)를 사용할 수 있다. 입력 전압이 압전 액튜에이터에 인가되고 및/또는 이로부터 제거될 때, 기계식 아마추어 및 태핏 또는 샤프트의 결과적인 움직임은 진동과 같은 불필요한 행위를 포함할 수 있다. 예를 들어, 진동은 유체를 출구로부터 펌핑할 수 있으며, 분배된 양에서 체적 부정확성을 유발하거나 또는 캐비테이션으로 인하여 기포를 발생시킬 수 있거나 또는 출구를 통하여 유체로 공기 내를 끌어 당길 수 있다.
적어도 이러한 이유 때문에, 이러한 문제와 다른 문제를 다루는 분사 시스템 및 방법을 제공하고 분사 분배 작업의 보다 큰 제어를 제공하는 것이 필요하게 된다.
예시적인 실시예에서, 본 발명은 분사 분배기 및 전자 컨트롤러를 포함하는, 유체를 분배하기 위한 시스템을 제공한다. 분사 분배기는 가동성 샤프트, 출구 오리피스, 상기 출구 오리피스로부터 일정량의 유체를 분사하도록 가동성 샤프트와 작동적으로 결합되는 압전 액튜에이터를 구비한 분사 분배기를 포함한다. 상기 시스템은 압전 액튜에이터에 작동적으로 결합되는 전자 컨트롤러를 추가로 포함한다. 전자 컨트롤러는 출구 오리피스를 향하여 및/또는 이로부터 멀리 움직이는 동안 가동성 샤프트의 진동폭(oscillation amplitude)을 감소시키도록 압전 액튜에이터에 가변적인 변화율을 갖는 전압을 인가한다. 상기 시스템은 다양한 다른 특징을 포함할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러는 제1 전압과 제2 전압을 포함하는 계단식 파형(stepped waveform)을 압전 액튜에이터에 전송할 수 있으며, 제2 전압은 제1 전압과 다르다. 전자 컨트롤러는 전압에서 감소 및/또는 증가하는 변화율을 가지는 파형으로서 전압을 인가할 수 있다.
본 발명은 또한 가동성 샤프트에 작동적으로 결합된 압전 액튜에이터 및 출구 오리피스를 구비한 유체 보디(fluid body)를 포함하는 분배기로부터 점성 물질을 분사하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 압전 액튜에이터에 가변적인 변화율을 갖는 전압을 인가하는 단계를 포함한다. 압전 액튜에이터는 인가된 전압에 따라서 움직인다. 샤프트는 압전 액튜에이터와 함께 움직인다. 일정량의 점성 물질은 움직이는 샤프트를 사용하여 상기 출구 오리피스로부터 분사된다.
전압 파형을 인가하는 단계는 제1 전압 및 제2 전압을 포함하는 계단식 파형을 압전 액튜에이터에 인가하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 제2 전압은 제1 전압과 다르다. 전압 파형을 인가하는 단게는 감소 및/또는 증가하는 변화율을 갖는 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 추가의 특징 및 이점들은 첨부 도면과 관련하여 취해진 예시적인 실시예들의 다음의 상세한 설명의 검토시에 당업자에게 더욱 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 분사 분배기 시스템의 사시도.
도 2는 도 1의 선 2-2를 따라서 취한 단면도.
도 2a는 도 2로부터 취한 태핏 조립체와 유체 보디의 확대 단면도로서, 개방 상태로 있는 태핏을 도시하는 도면.
도 2b는 도 2a와 유사하지만 유체의 액적을 분사한 후에 폐쇄된 태핏을 도시하는 단면도.
도 3은 분배기의 압전 액튜에이터의 부분 분해 사시도.
도 4는 내부 상세를 더욱 잘 보이도록 점선으로 도시된 특정 요소들을 구비한 압전 분사 분배기의 사시도.
도 5는 레버 증폭 메커니즘(lever amplification mechanism)을 도시하는 액튜에이터의 하부 부분의 측면도.
도 6은 사다리꼴 파형을 가지는 전형적인 신호 출력을 도시하는 그래프.
도 7은 압전 분사 분배기와 관련된 기계적 출력의 결과적인 진동 움직임을 갖는 도 6의 전형적인 사다리꼴 파형의 중첩을 도시하는 그래프.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 다른 입력 신호 전압에서의 단계적 감소를 도시한 그래프.
도 9는 도 8에 대응하는 실제 전압에서의 단계적 감소를 도시하지만, 압전 분사 분배기의 기계적 출력의 결과적인 움직임을 도시하는 그래프와 중첩되는 그래프.
도 10은 압력 신호 전압에서의 단계적 감소 및 분사 분배 사이클 동안 신호 전압의 단계적 적용을 도시하는 다른 대안적인 실시예의 그래프.
도 11은 도 10에 대응하는 실제 전압에서의 단계적 감소 및 적용을 도시하지만, 압전 분사 분배기의 기계적 출력의 결과적인 움직임을 도시하는 그래프와 중첩되는 그래프.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 분사 시스템(10)은 주 전자 제어부(14)와 결합된 분사 분배기(12)를 포함한다. 분사 분배기(12)는 액튜에이터 하우징(18)에 결합된 유체 보디(16)를 포함한다. 특히, 유체 보디(16)는 적용의 요구에 의존하여 하나 이상의 히터(도시되지 않음)를 포함할 수 있는 유체 보디 하우징(19) 내에 홀딩된다. 유체 보디(16)는 주사기통(도시되지 않음)과 같은 적절한 유체 공급부(20)로부터 압력하에서 유체를 수용한다. 태핏 또는 밸브 조립체(22)는 하우징(18)에 결합되고 유체 보디(16) 내로 연장한다. 기계적 증폭기(예를 들어, 레버(24))는 다음에 설명되는 바와 같이 압전 액튜에이터(26)와 태핏 또는 밸브 조립체(22) 사이에 결합된다.
압전 액튜에이터(26)를 냉각하는 목적을 위하여, 공기는 소스(27)로부터 입구 포트(28) 내로 도입되고 배기 포트(30)로부터 배출될 수 있다. 대안적으로, 냉각 요구에 의존하여, 양쪽 포트(28, 30)들은 도 2에 도시된 바와 같이 소스(27)로부터 냉각 공기를 수용할 수 있다. 이러한 경우에, 하나 이상의 다른 배기 포트(도시되지 않음)는 하우징(18)에 제공될 것이다. 온도 및 사이클 제어부(36)는 분사 작업 동안 액튜에이터(26)를 제어하기 위하여, 그리고 요구된 온도로 분배된 유체를 유지하기 위하여 분배기(12)가 소유한 하나 이상의 히터(도시되지 않음)를 제어하기 위해 제공된다. 다른 선택으로서, 이러한 제어부(35), 또는 다른 제어부는 폐쇄 루프 방식으로 액튜에이터(26)의 냉각 요구를 제어할 수 있다. 도 4에 또한 도시된 바와 같이, 압전 액튜에이터(26)는 압전 요소들의 스택(40)을 추가로 포함한다. 이러한 스택(40)은 각각 스택(40)의 양측부에 결합된 각각의 평탄 압축 스프링 요소(42, 44)들에 의해 압축으로 유지된다. 특히, 상부 및 하부 핀(46, 48)들이 제공되고 그 사이에 압전 요소들의 스택(40)에 의해 서로에 대해 평탄 스프링 요소(42, 44)들을 홀딩한다. 상부 핀(46)은 액튜에이터(26)의 상부 액튜에이터 부분(26a) 내에서 홀딩되는 반면에, 하부 핀(48)은 스택(40)의 하단부를 직접 또는 간접적으로 결합한다. 상부 액튜에이터 부분(26a)은 압전 요소들의 스택(40)을 안전하게 수용하여서, 스택(40)은 어떠한 측방향 운동에 대하여 안정화된다. 이러한 실시예에서, 하부 핀(48)은 하부 액튜에이터 부분(26b), 특히 기계식 아마추어(50)에 결합된다(도 2).
기계식 아마추어(50)의 상부 표면(50a)은 압전 스택(40)의 하단부에 기댄다. 스프링(42, 44)들이 핀(46, 48)들 사이에서 늘어나서, 스프링(42, 44)들은 도 4에서 화살표(53)들에 의해 도시된 바와 같이 스택(40)에 대해 일정한 압축을 인가한다. 평탄 스프링(42, 44)들은 특히 와이어 EDM 공정으로 형성될 수 있다. 압전 요소 스택(40)의 상단부는 상부 액튜에이터 부분(26a)의 내부 표면에 기대어 보유된다. 그러므로, 상부 핀(46)은 하부 핀(48)이 본 명세서에서 설명된 바와 같이 스프링(42, 44)들에 의해 그리고 기계식 아마추어(50)에 의해 부유하거나 또는 움직이는 동안 정지하고 있다.
전압이 압전 스택(40)에 인가될 때, 스택(40)은 확장하거나 늘어나며, 이러한 것은 스프링(42, 44)들의 힘을 거슬러 아마추어(50)를 아래로 움직인다. 스택(40)은 인가된 전압의 양에 비례하여 길이를 변경할 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 기계식 아마추어(50)는, 이 실시예에서 대체로 제1 단부(24a) 가까이에서 아마추어(50)에 결합되고 제2 단부(24b)에서 푸쉬 로드(68)에 결합된 레버(24)로서 형성되는 기계적인 증폭기에 작동적으로 결합된다. 레버(24)는 예를 들어 기계식 아마추어(50)와 레버(24) 사이에 일련의 슬롯(56)들을 또한 형성하는 EDM 공정을 통해 하부 액튜에이터 부분(26b)으로부터 일체로 형성된다. 다음에 추가로 설명되는 바와 같이, 레버(24) 또는 다른 형태의 기계적인 증폭기는 스택(40)이 필요한 양만큼 확장하거나 늘어나는 거리를 증폭시킨다. 예를 들어, 이 실시예에서, 스택(40) 및 기계식 아마추어(50)의 하향 움직임은 레버(24)의 제2 단부(24b)에서 약 8배만큼 증폭된다.
지금 도 2, 도 2a, 도 2b 및 도 5를 참조하여, 굴곡부(60)는 레버(24)를 기계식 아마추어(50)에 결합한다. 도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 레버(24)는 레버(24)의 제2 단부(24b)와 대략 동일한 수평 레벨에 있는 선회 지점(62)을 중심으로 선회한다. 선회 지점(62)의 이러한 위치는 아크의 효과를 최소화하는데 기여하고, 레버(24)는 아크를 통해 회전한다. 일련의 슬롯(56)들은 굴곡부(60)를 형성하는 하부 액튜에이터 부분(26b)에 형성된다. 압전 스택(40)이 도 5에 있는 화살표(66)에 의해 도시된 바와 같이 주 제어부(14)에 의한 전압의 인가 하에서 늘어날 때, 레버(24)는 스택(40)이 기계식 아마추어(50) 상에서 아래로 밀음에 따라서 대체로 선회 지점(62)을 중심으로 시계 방향으로 회전한다. 레버(24)의 약간의 회전은 굴곡부(60)에 인가된 탄성 편향에 거슬러 일어난다. 제2 단부(24b)가 선회 지점(62)을 중심으로 시계 방향으로 약간 회전함에 따라서, 제2 단부는 아래로 움직이고 마찬가지로 도 5에서 화살표(67)에 의해 도시된 바와 같이 부착된 푸쉬 로드(68)를 아래로 움직인다(도 2).
레버(24)의 제2 단부(24b)는 적절한 나사 체결구(70, 72)들을 사용하여 푸쉬 로드(68)에 고정된다. 푸쉬 로드(68)는 가이드 부싱(74) 내에서 진행하고 태핏 또는 밸브 조립체(22)와 관련된 태핏 또는 밸브 요소(76)의 상부 헤드부(76a)에 기댄다. 가이드 부싱(74)은 도 2a 및 도 2b에 가장 잘 도시된 바와 같은 핀(75)에 의해 하우징(18)에서 홀딩된다. 푸쉬 로드(68), 가이드 부싱(74), 및 핀(75)의 조립체는 작업 동안 푸쉬 로드(68)의 적절한 움직임을 보장하도록 일부 "탄력성(give)을 허용한다. 아울러, 푸쉬 로드(68)는 태핏 또는 밸브 조립체(22) 및 레버(24)에 의한 그 왕복 움직임 동안 탄성 방식으로 측방향으로 약간 굽어지게 되는 물질로 만들어진다. 태핏 조립체는 환형 요소(80)를 사용하여 하우징(18)의 하부 내에 장착된 코일 스프링(78)을 추가로 포함한다. 태핏 또는 밸브 조립체(22)는 O-링(84)에 의해 유체 보디(16)에 보유되는 인서트(82)를 추가로 포함한다. 환형 요소(80)와 인서트(82)는 일체 요소, 즉 이 실시예에서 카트리지 보디를 포함한다. 교차 천공된 눈물 구멍(cross-drilled weep hole)(85)은 O-링(86)을 지나서 누설하는 임의의 액체가 빠져나가는 것을 허용하도록 스프링(78)의 하단부와 거의 일직선을 이룬다. 추가의 O-링(86)은 유체 보디(16)의 유체 보어(88)에 수용된 압축 유체가 누설되지 못하도록 태핏 또는 밸브 요소(76)를 밀봉한다. 유체는 유체 공급부(20)로부터 유체 보디(16)의 입구(90)와 통로(92, 94)들을 통해 유체 보어(88)에 공급된다. O-링(84)은 보어(88)와 통로(94)에 있는 압축 유체로부터 환형 요소(80)와 인서트(82)에 의해 형성된 카트리지 보디의 외부를 밀봉한다. 유체 통로(92, 94)들은 유체 보디(16)에 나사 결합된 플러그 부재(96)에 의해 밀봉된다. 플러그 부재(96)는 내부 통로(94)를 청소하기 위한 접근을 허용하도록 제거될 수 있다.
액적 또는 소량의 유체를 분사하는 시스템(10)의 동작은 도 2a 및 도 2b와 관련하여 도 2 내지 도 4를 검토하는 것에 의해 가장 잘 이해될 것이다. 도 2a는 압전 스택(40)에 대한 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(42, 44)들은 아마추어(50)를 위로 당기고, 이러한 것은 레버(24)의 제2 단부(24b)를 상승시키고, 또한 푸쉬 로드(68)를 상승시킨다. 그러므로, 태핏 또는 밸브 조립체(22)의 코일 스프링(78)은 태핏 또는 밸브 요소(76)의 상부 헤드부(76a)를 위로 밀고, 유체 보디(16)에 고정된 밸브 시트(100)로부터 태핏 또는 밸브 요소(76)의 원위 단부(76b)를 상승시킨다. 이러한 위치에서, 유체 보어(88)와 태핏 또는 밸브 요소(76)의 원위 단부(76b) 밑의 영역은 분사 분배기(12)를 "장전"하도록 추가의 유체로 충전되고 다음의 분사 사이클을 위한 분사 분배기(12)를 준비한다.
압전 스택(40)이 활성화될 때, 즉, 전압이 주 전자 제어부(14)에 의해 압전스택(40)에 인가될 때(도 1), 스택(40)은 확장하고 기계식 아마추어(50) 쪽으로 민다. 이러한 것은 레버(24)를 시계 방향으로 회전시키고 제2 단부(24b)를 아래로 움직이며, 또한 푸쉬 로드(68)를 아래로 움직인다. 푸쉬 로드(68)의 하부 헤드부(68a)는 도 2b에 도시된 바와 같이 태핏 또는 밸브 요소(76)의 상부 헤드부(76a) 상에서 아래로 밀리고, 태핏 또는 밸브 요소(76)는 원위 단부(76b)가 밸브 시트(100)에 대해 결합할 때까지 코일 스프링(78)의 힘에 거슬러 아래로 신속하게 움직인다. 움직임의 공정에서, 태핏 또는 밸브 요소(76)의 원위 단부(76b)는 방출 출구(104)로부터 유체의 액적(102)을 강요한다. 전압은 그런 다음 압전 스택(40)으로부터 제거되고, 이러한 것은 다음의 분사 사이클을 위하여 태핏 또는 밸브 요소(76)를 상승시키도록 이러한 구성요소의 각각의 움직임을 역전시킨다.
압전 액튜에이터(26)가 액적을 분사시키도록 반대로 이용될 수 있다는 것이 예측될 것이다. 이러한 경우에, 레버(24) 또는 다른 형태의 기계적 증폭기를 포함하는 다양한 기계적 작동 구조가 상이하게 디자인되어서, 전압이 압전 스택(40)으로부터 제거될 때, 스택(40)의 결과적인 수축은 유체의 액적(102)을 방출하도록 밸브 시트(100)와 방출 출구(104)를 향한 태핏 또는 밸브 요소(76)의 움직임을 유발할 것이다. 그런 다음, 스택(40)으로의 전압의 인가시에, 증폭 시스템과 다른 작동 구성요소들은 다음의 분사 작업을 위하여 추가의 유체를 유체 보어(88)에 장전하기 위하여 태핏 또는 밸브 요소(76)를 상승시킬 것이다. 이 실시예에서, 태핏 또는 밸브 요소(76)는 정상적으로 폐쇄되며, 즉, 압전 스택(40)에 인가된 전압이 없을 때 밸브 시트(100)를 결합하게 된다.
도 2에 또한 도시된 바와 같이, 상부 액튜에이터 부분(26a)은 하부 액튜에이터 부분(26b)로부터 분리되고, 이러한 각각의 부분(26a, 26b)은 상이한 물질로 형성된다. 특히, 상부 액튜에이터 부분(26a)은 하부 액튜에이터 부분(26b)을 형성하는 물질보다 낮은 열팽창계수를 가지는 물질로 형성된다. 각각의 액튜에이터 부분(26a, 26b)은 하부 액튜에이터 부분(26b)으로부터 상부 액튜에이터 부분(26a)으로 연장하는 나사 체결구(도시되지 않음)들을 사용하여 서로 견고하게 체결된다. 상부 및 하부 액튜에이터 부분(26a, 26b)들의 조립체는 그런 다음 다수의 볼트(110)에 의해 하우징에 체결된다. 특히, 하부 액튜에이터 부분(26b)은 PH17-4 스테인리스강으로 형성될 수 있는데 반하여, 상부 액튜에이터 부분(26a)은 인바(Invar)와 같은 니켈-철 합금으로 형성될 수 있다. 17-4 PH 스테인리스강은 매우 높은 내구성 제한, 또는 피로 강도를 가지며, 이는 굴곡부(60)의 수명을 증가시킨다. 이러한 스테인리스강의 열팽창계수는 약 10 ㎛/m-C인 반면에, 인바의 열팽창계수는 약 1 ㎛/m-C이다. 이러한 물질의 열팽창의 비는 약 10:1보다 높거나 또는 낮을 수 있다. 상부 및 하부 액튜에이터 부분(26a, 26b)들과 관련된 열팽창계수는 서로에 대한 편심 특성을 효과적으로 제공한다. 상부 및 하부 액튜에이터 부분(26a, 26b)들의 상이한 열팽창계수는 액튜에이터(26)가 넓은 온도 범위에 걸쳐서 일관적으로 동작하는 것을 가능하게 한다. 또한, 높은 충격계수로 동작할 때, 압전 스택들은 상당한 열을 발생시킨다. 인바의 사용은 액튜에이터(26)의 단부의 보다 절대적인 위치결정, 그러므로 보다 정확하고 사용 가능한 스트로크를 제공한다.
지금 도 6 및 도 7을 참조하여, 도 6은 본 발명의 원리를 적용하지 않고 신호 분배 사이클을 유도하기 위하여 주 제어부(14)(도 1)에 의해 발생된 디지털 신호(116)를 도시한다. 이 예에서, 디지털 신호 전압은 급격하게 일정 속도로 0 볼트로 강하되고, 매우 짧은 시간 기간 동안 거기에서 홀딩된다. 짧은 시간 간격 후에, 신호 전압은 그런 다음 압전 스택을 활성화하도록 사용된 레벨까지 일정 속도로 상승된다. 이전에 설명된 바와 같이, 전압의 인가는 압전 스택을 늘리게 되며, 분사 분배 작업 동안 밸브 요소를 폐쇄하도록 사용될 수 있다. 결과적인 아날로그 전압 파형은 도 7에서 점선(117)으로 도시된다. 전압의 급격한 제거 및 재인가에 응답하여 기계적인 작동 구성요소들의 움직임은 도 7에서 실선(118)으로 도시된다. 압전 액튜에이터가 이에 결합된, 기계식 아마추어, 증폭기, 및 분사 밸브와 같은 기계적인 구성요소들보다 훨씬 신속하게 움직이기 때문에, 결과적으로, 이러한 기계적 구성요소들은 도 7에서 진동 실선(118)에 의해 도시된 바와 같은 전압의 제거 후에 전후진하여 진동할 것이다. 이러한 진동은 발명의 배경에서 설명된 것들과 같이 부정적인 효과를 가진다.
도 8 및 도 9는 디지털 입력 신호 전압의 파형(120, 122)들과(도 8), 압전 스택에 인가되고 이로부터 제거된 결과적인 아날로그 전압(도 9)을 도시한다. 특히, 이 실시예에서, 입력 신호 전압 파형(120)과 결과적인 입력 아날로그 전압 파형(122)은 스택(40)으로의 전압(도 4)이 변하거나 또는 불연속적인 속도로 제거된다는 것을 나타낸다. 보다 일반적으로, 전자 컨트롤러는 가변적인 변화율을 가지는 파형으로 전압을 인가한다. 이 예에서, 전압은 전압에서 제1 감소를 포함하는 단계적 방식으로 압전 스택으로부터 제거되고, 그래서, 전압은 감소되고 그런 다음 일정 시간 기간 동안 제1 전압 레벨(124)에서 유지된다. 그런 다음, 전압은 제1 전압 레벨(124)보다 낮은 제2 전압 레벨로 감소되고, 일정 시간 기간 동안 제2 전압 레벨(126)에서 유지된다. 제2 전압 레벨(126)은 이 예에서 0 볼트이다. 그러나, 전압에서 다양한 변화율이 감소에서 하나보다 많은 단계를 포함할 수 있거나, 또는 전압을 제거할 때 가변적인 변화율을 실행하는 다른 방식을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 더욱이, 추가적인 제어를 위하여, 전압 감소율은 단계들 사이에서 변할 수 있다. 즉, 파형의 제1 부분(130)에 의해 나타나는 전압 감소는 파형의 제2 부분(132)에 의해 나타나는 전압 감소와 다른 감소율이다.
도 9에서 실선(140)은 진동의 감소된 진폭의 진동에 의해 도시된 바와 같이 레버(24), 푸쉬 로드(68) 및 태핏 또는 밸브 요소(76)를 포함하는 기계적인 구성요소들에서 진동의 결과적인 감소 또는 감쇠를 도시한다(도 2 참조). 레벨(124)로의 전압에서의 제1 감소 동안, 아마추어(50)는 압전 스택(40)이 수축함에 따라서(도 4) 위로 움직이기 시작한다. 제1 단계 또는 레벨(124)에서 이러한 전압을 홀딩하는 것은 아마추어(50)가 그 최종 상부 위치를 향한 운동량을 더욱 느리게 구축하는 것을 가능하게 한다. 짧은 기간 후에, 전압은 제2 레벨(126)에서 0의 그 최종값으로 더욱 감소되고, 짧은 시간 기간 동안 여기에서 홀딩된다. 상기 시간까지, 전압은 이러한 제2 레벨(126)로 더욱 감소되고, 아마추어(50)의 운동량은 적어도 상당히 감소되어야 하여서, 그 최종 위치로 가속하지 않게 된다. 이러한 가속은 아마추어(50)가 그 최종 위치로부터 반등함에 따라서 진동을 유발하는 것이다. 압전 스택(40)과 아마추어(50)와 결합된 것들을 포함하는 다른 기계적인 구성요소들은 아마추어(50)가 상당한 진동없이 그 최종 상부 위치에서 정지하여야 하도록 디자인된다. 계단식 파형(122), 또는 전압에서 가변적인 변화율의 또 다른 이점은 분배 사이클들 사이에 보다 적은 진동이 있기 때문에 분배 사이클 속도가 증가되거나 빠르게 될 수 있다는 것이다.
도 10 및 도 11은, 계단식 파형이 도 8 및 도 9에 관하여 설명되고 도 10 및 도 11에서 파형(150, 152)들의 제1 절반부(150a, 152a)들에 의해 도시된 바와 같은 전압을 제거할 때 사용될 뿐만 아니라 도 10 및 도 11의 파형(150, 152)들의 제2 절반부(150b, 152b)들에 의해 도시된 바와 같은 전압(예를 들어, 제3 전압 레벨에서)을 재인가할 때 사용될 수 있다는 것 외에 도 8 및 도 9와 유사하다. 다시, 전압의 이러한 단계적 재인가는 분사 태핏 또는 밸브 요소(76)를 폐쇄하고 도 2b에 도시된 바와 같이 유체의 소량 또는 액적을 분배하도록 이 예에서 압전 스택에 재인가됨에 따라서 전압에서의 가변적인 변화율의 또 다른 방식으로 대체될 수 있다. 또한, 다른 파형 부분들은 밸브 요소 폐쇄 및 분사 공정의 추가의 제어를 가능하게 하는 목적을 위하여 전압에서 상이한 변화율을 가질 수 있다. 밸브 시트(100)를 향하여 분사 태핏 또는 밸브 요소(76)를 움직이는 동안 전압의 단계적 인가의 사용(도 2b)은 몇몇 가능한 이점을 가진다. 예를 들어, 태핏 또는 밸브 요소(76)가 밸브 시트(100)에 부과하는 힘은 보다 잘 제어될 수 있다(예를 들어, 보다 긴 밸브 시트 수명을 촉진하기 위하여 감소될 수 있다). 태핏 또는 밸브 요소(76)에 의해 유체에 전달된 에너지의 양은 또한 유체를 분사하기 위해 사용된 전압에서의 변화율을 변화시키는 것에 의해 제어될 수 있다. 이러한 양태는 분사 성능을 제어하도록 사용될 수 있다. 또한, 밸브 시트(100)를 향한 그 움직임 동안 태핏 또는 밸브 요소(76)의 진동은 감쇠되고, 고품질의 분배 작업 및 보다 정확한 분배 유체 체적 제어를 유발할 수 있다. 특정 적용을 위하여, 압전 액튜에이터(26)에 대한 전압에서의 변화율(전압을 제거하든 전압을 인가하든)은, 1) 오직 도 8 및 도 9에 관하여 설명된 바와 같이 밸브 시트(100)로부터 분사 태핏 또는 밸브 요소(76)를 상승시키는 동안; 2) 도 10 및 도 11에 관하여 설명된 바와 같이 분사 태핏 또는 밸브 요소(76)를 상승시키고 하강시키는 동안; 또는 3) 오직 분사 분배 작업 동안 출구를 향하여 분사 밸브 요소를 움직이는 동안 일어날 수 있다.
본 발명이 특정 실시예의 설명을 통해 예시되고 실시예가 상당히 상세히 설명되었지만, 첨부된 청구항들의 범위를 그러한 세부 사항으로 제한할 의도는 전혀 없다. 본원에 기재된 다양한 특징들은 단독으로 또는 어떠한 조합으로 사용될 수 있다. 추가의 장점 및 수정이 당업자에게 용이하게 나타날 것이다. 따라서 본 발명은 넓은 관점에서 도시되고 설명된, 특정한 세부 사항, 대표적인 장치 및 방법과 예시적 실례로 제한하지 않는다. 따라서, 변화의 시작은 일반적인 발명 개념의 범위 또는 사상을 벗어남이 없이 이러한 세부사항에서부터 이루어질 수 있다.

Claims (14)

  1. 유체를 분사하기 위한 시스템으로서,
    가동성 샤프트, 출구 오리피스, 상기 출구 오리피스로부터 일정량의 유체를 분사하도록 상기 가동성 샤프트와 작동적으로 결합되는 압전 액튜에이터를 구비한 분사 분배기; 및
    상기 압전 액튜에이터에 작동적으로 결합되는 전자 컨트롤러를 포함하며, 상기 전자 컨트롤러는 상기 출구 오리피스를 향하여 및/또는 이로부터 멀리 움직이는 동안 상기 가동성 샤프트의 진동폭을 감소시키도록 상기 압전 액튜에이터에 가변적인 변화율을 갖는 전압을 인가하도록 동작하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전자 컨트롤러는 제1 전압 및 제2 전압을 포함하는 계단식 파형을 상기 압전 액튜에이터에 전송하고, 상기 제2 전압은 상기 제1 전압과 다른 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 전압은 상기 제1 전압보다 낮은 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 전압은 0 볼트인 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 계단식 파형은 제3 전압을 추가로 포함하고, 상기 제3 전압은 상기 제2 전압보다 크고 상기 계단식 파형에서 상기 제2 전압에 이어지는 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전자 컨트롤러는 전압에서 감소하는 변화율을 갖는 파형으로서 전압을 인가하는 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전자 컨트롤러는 전압에서의 증가하는 변화율을 갖는 파형으로서 전압을 인가하는 시스템.
  8. 가동성 샤프트에 작동적으로 결합된 압전 액튜에이터와 출구 오리피스를 갖는 유체 보디를 포함하는 분배기로부터 점성 물질을 분사하기 위한 방법으로서,
    상기 압전 액튜에이터에 가변적인 변화율을 갖는 전압을 인가하는 단계;
    인가된 전압에 따라서 상기 압전 액튜에이터를 움직이는 단계;
    상기 압전 액튜에이터로 상기 샤프트를 움직이는 단계; 및
    상기 움직이는 샤프트를 사용하여 상기 출구 오리피스로부터 일정량의 점성 물질을 분사하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전압을 인가하는 단계는 제1 전압 및 제2 전압을 포함하는 단계식 파형을 상기 압전 액튜에이터에 인가하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 제2 전압은 상기 제1 전압과 다른 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 전압은 상기 제1 전압보다 낮은 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 전압은 0 볼트인 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 계단식 파형은 제3 전압을 추가로 포함하고, 상기 제3 전압은 상기 제2 전압보다 크고 상기 계단식 파형에서 상기 제2 전압에 이어지는 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 전압을 인가하는 단계는 감소하는 변화율을 갖는 전압을 인가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 전압을 인가하는 단계는 증가하는 변화율을 갖는 전압을 인가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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