KR20170133095A - 힌지 레버 타입 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 힌지-레버 방식을 이용하여 압전 액추에이터의 변위를 확대하는 기구를 적용한 젯디스펜서이다. 더욱 상세하게는 압전 액추에이터의 낮은 변위를 보완해주기 위해 다양한 변위확대기구를 분석하고 그 중 구조와 작동원리가 비교적 간단한 힌지-레버 방식의 젯 디스펜싱 장치에 대한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하우징; 상기 하우징 내부에 형성되되, 일측에 마련된 흡입유로로부터 액적을 공급받아 타측으로 액적을 토출하는 분사부; 길이방향으로 왕복구동되면서 상기 분사부 내의 액적토출구를 가압할 수 있도록 형성된 디스펜서헤드부; 상기 하우징의 내벽으로부터 지지되어 상기 디스펜서헤드부의 왕복구동에 따라 회동 가능하도록 형성된 레버부; 및 소정의 길이를 갖는 막대형 압전체로서, 일단부는 상기 레버부와 연결되고, 타단부는 상기 레버부가 지지되는 하우징 내벽의 반대측 내벽 또는 하우징 내벽으로부터 소정의 높이로 형성된 돌출부와 연결되어 길이방향으로 변위 증감이 가능한 압전 엑츄에이터;를 포함하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서를 제공한다.

Description

힌지 레버 타입 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서{Jet Dispensing Device Using Hinge Lever Type Displacement Amplification Mechanism}
본 발명은 힌지-레버 방식을 이용하여 압전 액추에이터의 변위를 확대하는 기구를 적용한 젯디스펜서이다. 압전 액추에이터의 낮은 변위를 보완해주기 위해 다양한 변위확대기구를 분석하고 그 중 구조와 작동원리가 비교적 간단한 힌지-레버 방식의 젯 디스펜싱 장치를 개시하고자 한다.
용액을 반도체 기판 상에 일정한 양으로 공급하기 위한 다양한 방식의 디스펜서가 개시되어 있다. 디스펜서의 적용은 반도체와 컴퓨터, 자동차, 의료, 통신 분야에 이르기까지 폭넓게 적용되고 있다.
PCB와 같은 반도체 제조 공정에 있어서 디스펜서는 정량의 대상용액을 특정한 조건에서 정확히 분사하도록 설정되어야 하고, 정밀하게 액적(droplet)을 토출시켜야 하며, 동시에 다량의 제품을 양산하여야 하기 때문에 생산성 측면에서도 빠른 속도를 제공하는 것이 중요하다.
액체 디스펜싱을 차단하는 밸브로서 주로 솔레노이드 밸브가 사용되어 왔지만 더 빠른 구동속도와 응답속도를 요구하는 분야에서는 압전 액추에이터 밸브로 대체할 수 있다. 압전 액추에이터는 일반적으로 작은 변위를 가지기 때문에 변위확대기구와 함께 사용한다. 변위를 크게 하면 디스펜싱할 수 있는 유량 범위가 커질 수 있는 이점이 있으므로 중요하다. 따라서, 압전 액추에이터의 구동에 있어서 요구되는 힘을 최소화 시키면서 동시에 변위는 늘릴 수 있는 변위확대기구가 필요하다.
변위확대기구로서 종래 단면적의 차이를 이용해 변위를 증폭시키거나 지렛대의 원리를 이용해 변위를 증폭시키는 실시예 등이 공지된 바 있다. 구체적으로, 바이모프 압전소자(bimorph piezoelectric element)를 이용한 실시예(대한민국 공개특허 10-2012-0109092), 링형 및 유니모프(uni-morph)형 압전작동기를 이용한 실시예(대한민국 특허 10-0680601) 등이 개시되어 있다.
상기와 같은 종래 개시된 구성의 디스펜싱 장치는 변위를 확대하기 위해 주로 소자의 기능적인 측면에서 접근하였기 때문에, 디스펜싱 유량 조절측면에서 큰 변위를 확보하고자 하는 측면에서는 어느 정도 한계가 있다. 아울러, 상기한 실시예 등을 통해 확인할 수 있는 종래의 변위확대기구를 이용한 젯 디스펜서 기구는 구조가 복잡하고 전체적으로 부피가 커 공간효율성이 좋지 못한 문제점이 있다.
비용절감 측면에서 가급적 간단한 구조를 가지면서도, 보다 큰 변위를 확보할 수 있도록 디스펜서의 구조적인 측면에서의 개선이 필요하다.
종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 힌지-레버방식의 변위확대 비율을 비교하여 최적화된 모델을 찾고, 이를 적용한 최적의 젯 디스펜서를 개발하는 것을 목적으로 한다.
추가적으로 본 발명을 통해 디스펜서의 크기를 콤팩트화시킴으로써 공간효율성을 확보하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하우징; 상기 하우징 내부에 형성되되, 일측에 마련된 흡입유로로부터 액적을 공급받아 타측으로 액적을 토출하는 분사부; 길이방향으로 왕복구동되면서 상기 분사부 내의 액적토출구를 가압할 수 있도록 형성된 디스펜서헤드부; 상기 하우징의 내벽으로부터 지지되어 상기 디스펜서헤드부의 왕복구동에 따라 회동 가능하도록 형성된 레버부; 및 소정의 길이를 갖는 막대형 압전체로서, 일단부는 상기 레버부와 연결되고, 타단부는 상기 레버부가 지지되는 하우징 내벽의 반대측 내벽 또는 하우징 내벽으로부터 소정의 높이로 형성된 돌출부와 연결되어 길이방향으로 변위 증감이 가능한 압전 엑츄에이터;를 포함하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서를 제공한다.
일 실시예에 따르면, 여기서 상기 레버부는 전체적으로 “ㄴ”자형 막대 구조로서 형성될 수 있다.
또한, 상기 레버부는 소정의 길이를 갖는 막대형 부재로서 일단부가 상기 디스펜서헤드부와 직교연결되고 반대측단부는 상기 하우징 내벽으로부터 제1힌지를 매개로 연결되는 제1로드 및 상기 제1로드와 직교하는 제2로드를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1로드와 제2로드는 일체로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 여기서 상기 레버부는 전체적으로 “ㄷ”자형 막대 구조로서 형성될 수 있다.
또한, 상기 레버부는 소정의 길이를 갖는 막대형 부재로서 일단부가 상기 디스펜서헤드부와 직교연결되고 반대측단부는 상기 하우징 내벽으로부터 제1힌지를 매개로 연결되는 제1로드, 상기 제1로드와 직교하는 제2로드 및 상기 제2로드와 직교하고 상기 제1로드와 평행하게 연장 형성되는 제3로드를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1로드, 제2로드 및 제3로드는 일체로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 압전 엑츄에이터의 일단부에는 제2힌지가 형성되어 상기 하우징 내벽과 연결될 수 있고, 상기 압전 엑츄에이터의 타단부에는 제3힌지가 형성되어 상기 레버부와 연결될 수 있다.
그리고, 상기 디스펜서헤드부는 제1탄성수단에 의해 지지될 수 있다.
나아가, 상기 레버부를 기준으로 상기 제1탄성수단의 반대편에 배치되어 상기 디스펜서헤드부에 예압(pre-load)을 인가하는 제2탄성수단을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 하우징; 상기 하우징 내부에 형성되되, 일측에 마련된 흡입유로로부터 액적(droplet)을 공급받아 타측으로 액적을 토출하는 분사부; 길이방향으로 왕복구동되면서 상기 분사부 내의 액적토출구를 가압할 수 있도록 형성된 디스펜서헤드부; 상기 하우징의 내벽으로부터 지지되어 상기 디스펜서헤드부의 왕복구동에 따라 회동 가능하도록 형성된 레버부; 및 소정의 길이를 갖는 막대형 압전체로서 일단부는 상기 레버부와 연결되고, 타단부는 하우징의 내벽으로부터 지지되는 길이방향으로 변위 증감이 가능한 압전 엑츄에이터를 포함하되, 상기 레버부를 회동가능하도록 지지하는 제1힌지는 상기 분사부가 설치되는 상기 하우징의 내벽측에 형성되는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서를 제공할 수도 있다.
여기서 상기 압전 엑츄에이터는 상기 제1힌지가 돌출형성되는 상기 하우징의 내측벽과 나란하게 배치되며, 상기 제1힌지의 중심으로부터 편심된 위치에서 상기 레버부와 연결되는 것을 특징으로 할 수도 있다.
그리고 상기 레버부는 “ㄴ”자의 형상을 갖도록 형성되되, 상기 제1힌지에 의해 회동 가능하게 지지되며, 그 일단은 상기 압전 엑츄에이터와 평행하도록 배치되는 제1탄성수단과 연결되고, 타단은 상기 디스펜서헤드부에 직교연결될 수 있으며, 예압(pre-load)을 인가하기 위하여 상기 디스펜서헤드부를 지지하도록 마련된 제2탄성수단을 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 레버부는 단부가 상기 디스펜서헤드부와 직교연결되며, 상기 디스펜서헤드부는 복원력을 가하는 제1탄성수단에 의해 지지될 수 있고, 여기에 상기 레버부를 기준으로 상기 제1탄성수단의 반대편에 배치되어 상기 디스펜서헤드부에 예압(pre-load)을 인가하는 제2탄성수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 힌지 레버 방식의 변위확대 비율을 비교했을 때, 최적화된 변위확대기구를 가지는 디스펜서 모델을 제공할 수 있다.
또한, 디스펜서의 크기를 작게 만들어 공간효율성을 확보할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 젯 디스펜서의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분사부에 대한 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 젯 디스펜서에 대한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 젯 디스펜서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 젯 디스펜서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 첫번째 비교실시예(Case 1)로서 통상적인 시소(seesaw)형 지렛대를 이용한 젯 디스펜서를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 지렛대 원리를 나타내는 도면이다.
도 8은 두번째 비교실시예(Case 2)로서 아암(arm)형 지렛대를 이용한 젯 디스펜서를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8의 지렛대 원리를 나타내는 도면이다.
도 10은 세번째 비교실시예(Case 3)로서 본 발명의 일 실시예에 따른 젯 디스펜서를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 힌지부의 결합방식을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 젯 디스펜서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 젯 디스펜서의 구성을 나타내는 도면이다.
이하 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지는 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로서 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
본 발명의 여러 실시 예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
그리고 여기서의 "연결"이란 일 부재와 타 부재의 직접적인 연결, 간접적인 연결을 포함하며, 접착, 부착, 체결, 접합, 결합 등 모든 물리적인 연결과 전기적인 연결을 의미할 수 있다.
아울러, '제1, 제2, 제3' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
설명에 앞서 본 발명의 디스펜서는 접촉식, 비접촉식 디스펜서를 모두 포함할 수 있음을 유의하여야 한다.
먼저 도1 내지 도3을 참조하여, 본 발명 젯 디스펜서의 구성요소에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 젯 디스펜서의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분사부에 대한 확대도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 젯 디스펜서에 대한 사시도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 힌지(hinge) 레버(lever) 방식의 변위 확대를 이용한 젯(Jet) 디스펜서(Dispenser)는 하우징(100); 상기 하우징(100) 내부에 형성되되, 일측에 마련된 흡입유로로부터 액적(droplet)을 공급받아 타측으로 액적을 토출하는 분사부(101); 길이방향으로 왕복구동되면서 상기 분사부(101) 내의 액적토출구를 가압할 수 있도록 형성된 디스펜서헤드부(110); 상기 하우징(100)의 내벽으로부터 지지되어 상기 디스펜서헤드부(110)의 왕복구동에 따라 회동 가능하도록 형성된 레버부(130); 및 소정의 길이를 갖는 막대형 압전체로서, 일단부는 상기 레버부(130)와 연결되고, 타단부는 상기 레버부(130)가 지지되는 하우징(100) 내벽의 반대측 내벽 또는 하우징(100) 내벽으로부터 소정의 높이로 형성된 돌출부와 연결되어 길이방향으로 변위 증감이 가능한 압전 엑츄에이터(140)를 포함할 수 있다.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 하우징(100)은 내부가 중공되는 통상의 디스펜서 몸체구성이 적용될 수 있다. 일 례로 전체적으로 장방형의 형상을 가지되 하우징(100)의 일 측에는 액적을 분사하기 위한 토출구가 형성될 수 있고 하우징(100)의 타측은 본 발명 디스펜서를 예컨대 반도체 공정라인의 컨베이어(conveyer) 상에 설치하기 위한 고정수단(160)이 형성될 수 있다.
본 발명의 분사부(101)는 하우징(100)의 일 측에 액적이 유동되는 공간을 갖도록 형성되고 단부에는 액적토출구가 형성되는 구성이다. 도 2와 도 3을 참조하면, 분사부(101)의 일 측에는 흡입유로(201)가 형성되고, 흡입유로는 본 발명 디스펜서 장치의 외부에 마련되는 액적저장부로부터 공급되는 액적을 상기 액적토출구로 전달하게 된다.
본 발명의 분사부(101)에서는 후술하는 디스펜서헤드부(110)의 왕복구동과 관련하여 디스펜서헤드부(110)가 액적토출구에 가까워지는 동작에서 액적을 토출하고, 디스펜서헤드부(110)가 액적토출구로부터 멀어지는 동작에서는 액적을 액적저장부(200)로부터 공급받도록 형성될 수 있다. 디스펜서헤드부(110)는 도면에 도시된 바와 같이 제1탄성수단(120)에 의해 지지될 수 있고, 밀폐된 하우징(100) 내부 구조물(노즐부분)에 의해 직선적으로 가이드 될 수 있다. 아울러, 도 1과 도 2에는 별도로 도시하지 않았으나 레버부(130)를 기준으로 제1탄성수단(120)의 반대편에 배치되어 디스펜서헤드부(110)에 예압(pre-load)을 인가하는 제2탄성수단(121)을 더 포함할 수 있다. 이에 대해서는 도 12와 도 13를 참조하면서 상세히 후술하기로 한다. 여기서 예압이란 본 발명 젯 디스펜서의 운반시의 미동, 마모 방지 등의 목적으로 대상에 미리 인가하는 예비 하중을 의미한다. 예압을 미리 인가함에 따라 디스펜서헤드부(110)가 stroke 될때, 더욱 부드럽고 안정적으로 동작하게 된다.
한편, 본 발명의 디스펜서헤드부(110)에 대해 더욱 상세히 설명하면, 도 1에서 도시된 바와 같이 디스펜서헤드부(110)는 소위 가느다란 핀(pin), 정(chisel), 니들(needle) 또는 플런저(plunger) 형상의 가압수단이다. 본 발명의 디스펜서헤드부(110)는 분사부(101)에 유입된 액적을 압박하여 액체토출구 밖으로 액적을 토출시키게 되는데, 이 과정에서 액체가 이동하는 노즐부분과 디스펜서헤드부(110)의 최단부가 계속적, 반영구적으로 접촉하게 되므로 디스펜서헤드부(110)의 소재는 피로 및 파손에 강한 금속소재임이 바람직하다. 도 3을 참조하면 액적저장부(200)가 분사부(101)에 액적을 충전함에 따라 디스펜서헤드부(110)의 스트로크(storke) 과정에서 발생하는 액체토출구와의 충격을 흡수하여 노즐부분의 마모를 감소시키는 역할을 할 수도 있다.
본 발명에서는 레버부(130)의 구성이 종래기술과 비교할 때, 가장 큰 기술적 특징을 갖는다.
레버부(130)는 기본적으로 하우징(100)의 내벽으로부터 지지되어 상기 디스펜서헤드부(110)의 왕복구동에 따라 회동 가능하도록 형성된다. 즉, 디스펜서헤드부(110)가 수평 또는 수직으로 직선 운동하면 디스펜서헤드부(110)와 연결되어 있는 레버부(130)는 하우징(100) 내벽과의 접점을 중심으로 축 회전하여 움직이게 된다. 여기서 하우징(100) 내벽과의 접점은 힌지(hinge)가 해당될 수 있다.
여기서 상기 레버부(130)는 전체적으로 “ㄴ”자형 막대 구조로서 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 레버부(130)는 소정의 길이를 갖는 강성부재로서 막대와 같은 형상을 가질 수 있다. 그리고 레버부(130)는 일단부가 상기 디스펜서헤드부(110)와 직교연결되고 반대측단부는 상기 하우징 (100) 내벽과 제1힌지(h1)를 매개로 연결되는 제1로드(L1) 및 상기 제1로드(L1)와 직교하는 제2로드(L2)를 포함하여 형성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레버부(130)의 단부는 디스펜서헤드부(110)와 연결되되, 레버부(130) 전체의 축방향과 디스펜서헤드부(110)의 축방향이 대략 직교하도록 연결될 수 있다.
본 실시예에서의 레버부(130)는 제1로드(L1)와 제2로드(L2)로 구성될 수 있는데, 제1로드(L1)와 제2로드(L2)는 서로 분리된 구성으로서 물리적으로 단단하게 체결될 수도 있고, 이와 달리 제1로드(L1)와 제2로드(L2)는 동일한 재료로 형성된 강성부재로서 일체로 형성될 수도 있다. 즉, 하나의 긴 막대부재가 소정의 위치에서 절곡되어 대략 “ㄴ”자형 레버로서 성형될 수 있다.
더욱 구체적인 일 례로서 레버부(130)의 일단부에는 관통공(131)이 형성되고 이곳에 디스펜서헤드부(110)가 삽입되어 구동할 수 있다. 이때, 레버부(130)의 관통공(131)과 디스펜서헤드부(110)의 사이에는 유격이 존재하여 디스펜서헤드부(110)의 왕복구동 과정에서 디스펜서헤드부(110)의 축과 레버부(130)의 축이 직교상태에서 일시적으로 어긋날 수 있도록 형성되며, 동시에 레버부(130)는 힌지(h1)를 중심으로 회동할 수 있게 된다.
한편, 상기한 실시예와 달리, 본 발명의 상기 레버부(130)는 전체적으로 “ㄷ”자형 막대 구조로서 형성될 수 있다.
여기서 상기 레버부(130)는 소정의 길이를 갖는 강성부재로서 막대와 같은 형상을 가질 수 있다. 그리고 레버부(130)는 일단부가 상기 디스펜서헤드부(110)와 직교연결되고 반대측단부는 상기 하우징(100) 내벽으로부터 제1힌지(h1)를 매개로 연결되는 제1로드(L1), 상기 제1로드(L2)와 직교하는 제2로드(L2) 및 상기 제2로드(L2)와 직교하고 상기 제1로드(L1)와 평행하게 연장 형성되는 제3로드(L3)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 레버부(130)는 제1로드(L1)와 제2로드(L2) 및 제3로드(L3)로 구성될 수 있는데, 제1로드(L1), 제2로드(L2) 및 제3로드(L3)는 서로 분리된 구성으로서 물리적으로 단단하게 체결될 수도 있고, 이와 달리 제1로드(L1), 제2로드(L2) 및 제3로드(L3)는 동일한 재료로 형성된 강성부재로서 일체로 형성될 수도 있다. 즉, 하나의 긴 막대부재가 소정의 위치에서 2회 절곡되어 대략 “ㄷ”자형 레버로서 성형될 수 있다.
본 발명의 압전 엑츄에이터(140)는 소정의 길이를 갖는 압전체이다. 일 실시예에 따르면 일단부는 상기 레버부(130)와 연결되고, 타단부는 상기 레버부(130)가 지지되는 하우징(100)의 내벽과 대향하는 반대측 내벽으로부터 지지되도록 형성될 수 있다. 본 실시예에서 중요한 것은 레버부(130)가 지지되는 하우징(100)의 내벽과 압전 엑츄에이터(140)가 지지되는 하우징의 내벽이 상호 반대방향에서 대향한다는 것이다.
압전 엑츄에이터(140)에 대해 보다 상세하게 설명하면, 막대형 압전체로서 길이방향으로 변위 증감이 가능하다. 압전 엑츄에이터의 장점은 전기적인 잡음이 적고, 정밀제어가 가능하다는 것이다. 일 실시예에 따르면 본 발명의 압전 엑츄에이터(140)는 미소 두께를 가진 압전소자(a Piezoelectric Element)가 다수 적층되어 길이방향으로 긴 막대형 압전체를 형성하는 것일 수 있는데, 적층형 압전엑츄에이터의 경우 적은 구동에너지로 큰 변위량을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 여기서의 압전소자는 외부에 마련되는 제어부(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 이를 통해 제어되어 길이방향으로 변위를 가변할 수 있다. 그리고, 도1에 도시된 바와 같이 압전 엑츄에이터(140)는 레버부(130)의 제1로드(L1)와 길이방향으로 평행하도록 형성될 수 있다.
나아가, 압전 엑츄에이터(140)의 일단부에는 제2힌지(h2)가 형성되어 상기 하우징(100) 내벽과 연결될 수 있으며, 상기 압전 엑츄에이터(140)의 타단부에는 제3힌지(h3)가 형성되어 상기 레버부(130)와 연결될 수 있다. 즉, 상기 레버부(130)가 제1힌지(h1)를 중심으로 회동가능한 것처럼 압전 엑츄에이터(140) 또한 제2힌지(h2) 및/또는 제3힌지(h3)를 중심으로 회동가능하도록 형성될 수 있다.
이로 인해, 디스펜서헤드부(110)가 왕복구동할 때 레버부(130)가 회동함과 동시에 압전 엑츄에이터(140)도 미세하게 회동함과 동시에 압전 엑츄에이터(140)의 변위가 증감할 수 있게 된다. 보다 구체적으로 압전 엑츄에이터(140)의 일 측면은 레버부(130)에 의해 지지되고 압전 엑츄에이터(140)의 타 측면은 하우징(100) 내벽으로부터 지지되어 있으므로 레버부(130)가 도 1을 기준으로 시계방향으로 회동하면, 압전 엑츄에이터(140)의 일 측면이 가압되어 압전 엑츄에이터(140)의 압전소자가 가압된다. 이와 반대로 레버부(130)가 도 1을 기준으로 반시계방향으로 회동하면, 압전 엑츄에이터(140)에 가해졌던 압력이 해제된다. 이와 같은 방식에 따라 압전 엑츄에이터(140)의 변위는 증감하게 된다.
한편, 도 5를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 젯 디스펜서는 하우징(100) 내벽으로부터 소정의 높이로 형성된 돌출부(150)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서 압전 엑츄에이터(140)는 레버부(130)의 타단부가 상기 돌출부(150)에 연결된다. 전술했던 실시예와 동일한 원리를 가지도록 압전 엑츄에이터(140)를 구성하되 압전 엑츄에이터(140) 자체의 길이를 줄일 수 있게 됨으로써 디스펜서의 경량화 및 디스펜서 제작 공정에 있어서 재료비의 감소를 꾀할 수도 있다.
다음으로 도 6 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 젯 디스펜서의 변위확대 원리에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도면 설명에 앞서, 종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용해 설명하기로 한다.
젯 디스펜서는 몇 가지 중요한 요소를 갖추어야 한다. 제어간편성, 내구성, 확장성, 공정호환성 등을 고려해보면 힌지-레버방식의 변위확대가 유리하다. 힌지-레버방식의 변위확대를 실현하기 위한 방법도 다양한 방법이 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 힌지-레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서의 장점을 소개하기 위하여 하기 세 가지 실시예에 따른 힌지-레버방식의 변위확대를 분석 및 비교하였다. 각 변위확대 방식은 변위, 힘, 형상 및 크기 등의 측면에서 비교될 수 있다.
도 6은 첫번째 비교실시예(Case 1)로서 통상적인 시소(seesaw)형 지렛대를 이용한 젯 디스펜서를 나타내는 도면이다. 도 7은 도 6의 지렛대 원리를 나타내는 도면이다. 구체적으로 도 7(a)는 도 6의 자유물체도(FBD)를 나타내고, 도 7(b)는 도 6의 입력변위에 대한 출력변위를 타나낸다.
도 6을 참조하면, 첫 번째 비교실시예(Case 1)의 젯 디스펜서는 본 발명의 실시예와 마찬가지로 하우징(100), 디스펜서헤드(110), 레버부(130), 압전 엑츄에이터(140)로 구성되어 있다. 다만, 본 발명의 실시예와 다르게 레버부(130)는 단순히 일직선으로 형성된 막대형 부재이고, 하우징(100) 내벽과 압전 엑츄에이터(140)의 연결구조에 있어서 도 5에 도시된 바와 같이 힘점(A), 받침점(B), 작용점(C)이 순서대로 형성되도록 구성되어 있다.
첫 번째 비교실시예(Case 1)의 젯 디스펜서는 가장 흔히 사용되는 시소형 지렛대 원리를 이용한 것이다. 도 7(a)을 참조하면, 힌지점(h1)을 중심으로 토크평형을 고려한 출력 힘은 다음 [수식 1]과 같다.
[수식 1]
Figure pat00001
입력변위에 대한 출력변위는 도 7(b)에 도시되는 바와 같으며, 이를 통해 압전 엑츄에이터(140)에 의한 입력 변위와 출력변위의 비율은 다음 [수식 2]와 같다.
[수식 2]
Figure pat00002
도 8은 두 번째 비교실시예(Case 2)로서 아암(arm)형 지렛대를 이용한 젯 디스펜서를 나타내는 도면이다. 도 9는 도 8의 지렛대 원리를 나타내는 도면이다. 구체적으로 도 9(a)는 도 8의 자유물체도(FBD)를 나타내고, 도 9(b)는 도 8의 입력변위에 대한 출력변위를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 두번째 비교실시예(Case 2)의 젯 디스펜서는 본 발명의 실시예와 마찬가지로 하우징(100), 디스펜서헤드(110), 레버부(130), 압전 엑츄에이터(140)로 구성되어 있다. 다만, 본 발명의 실시예와 달리 여기서의 레버부(130) 역시 단순히 일직선으로 형성된 막대형 부재이고, 하우징(100) 내벽과 압전 엑츄에이터(140)의 연결구조에 있어서 도 8에 도시된 바와 같이 받침점(B), 힘점(A), 작용점(C)이 순서대로 형성되도록 구성되어 있다.
두 번째 비교실시예(Case 2)의 젯 디스펜서는 시소형 지렛대를 응용한 것으로서 아암형 지렛대의 원리를 이용한 것이다. 도 9(a)을 참조하면, 힌지점(h1)을 중심으로 토크평형을 고려한 출력 힘은 다음 [수식 3]과 같다.
[수식 3]
Figure pat00003
이 [수식 3]과 앞서 설명한 [수식 1]을 비교하면, 동일한 식인 것처럼 도출되지만, 실제로는 (Case 1)에서의 가로방향 총길이가 a+b인데 반하여 (Case 2)에서의 가로방향 총길이는 b이므로, 동일한 크기의 출력힘(Fo)을 내려면 [수식 1]에서 나타나는 입력힘(Fi)의 크기가 [수식 3]에서의 그것보다 더 크게 작용하여야 한다. 따라서, 젯 디스펜서의 액적 토출을 위해 필요한 토크 측면에서는 (case2)가 (case1)의 지렛대보다 더 유리하다고 할 수 있다.
입력변위에 대한 출력변위는 도 9(b)에 도시되는 바와 같으며, 이를 통해 압전 엑츄에이터(140)에 의한 입력 변위와 출력변위의 비율은 다음 [수식 4]와 같다.
[수식 4]
Figure pat00004
여기서,
Figure pat00005
이며, 따라서
Figure pat00006
이므로, 결국 Case B의 변위확대 비율도
Figure pat00007
로서 도출된다. 이는 (Case 1)에서와 크게 다르지 않다.
도 10은 세 번째 비교실시예(Case 3)로서 본 발명의 일 실시예에 따른 젯 디스펜서를 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 세 번째 비교실시예(Case 2)의 젯디스펜서 장치는 본 발명의 실시예와 마찬가지로 하우징(100), 디스펜서헤드(110), 레버부(130), 압전 엑츄에이터(140)로 구성되어 있다. 여기서는 설명의 편의를 위해 하우징(100) 내벽의 일 측으로부터 돌출 형성된 돌출부(150)가 더 포함된 것으로 본다. 또한, 본 실시예의 레버부(130)는 “ㄴ”자형 레버부인 것으로 가정한다. 본 실시예에서는 도 9에 도시된 바와 같이 힘점(A), 받침점(B), 작용점(C)이 순서대로 형성되되, 일직선 상에 있지 아니하고, 레버부(130)의 형상에 따라 각 점을 가상의 선으로 잇는 경우 삼각형을 이루도록 형성된다.
즉, 세 번째 비교실시예(Case 3)의 젯 디스펜서는 종래기술과 전혀 다른 형상의 “ㄴ”자형 지렛대의 원리를 이용한다.
도 10을 참조하면, 힌지점(h1)을 중심으로 토크평형을 고려한 출력 힘은 다음 [수식 5]와 같다.
[수식 5]
Figure pat00008
이를 통해 압전 엑츄에이터(140)에 의한 입력변위와 출력변위의 비율은 다음 [수식 6]과 같다.
[수식 6]
Figure pat00009
전술한 (Case 1)과 (Case 2)와 동일한 형태의 수식이 도출되지만, (Case 3)에서는 힘점(A)과 받침점(B) 사이의 거리(a)의 크기를 크게 함과 동시에 받침점(B)과 작용점(C) 사이의 거리(b)의 크기를 작게 하기에 용이하므로 출력 힘을 충분히 크도록 조절할 수 있다.
뿐만 아니라, 변위확대 측면에서도 가변성이 (Case 1)과 (Case 2)에서보다 월등히 좋은 장점이 있다.
이로 인해, 구조적인 측면에서 종래의 기술에 따른 디스펜서 장치보다 더욱 콤팩트(Compact)한 젯 디스펜서를 구현할 수 있게 된다. 따라서, 한정된 공간안에 디스펜서 장치를 복수 개 나란히 정렬하게 되고 기 설정된 알고리즘에 따라 복수의 액적 토출 동작을 수행할 수 있어, 반도체 등 제조산업에서 요구하는 신속성을 만족할 수 있게 된다.
이어서, 도 11을 참조하여 본 발명의 힌지 결합방식에 따른 몇 가지 실시예들을 소개한다.
본 발명에서의 힌지(hinge, H1, H2, H3)는 어느 특정한 실시예에 한정되지 않고, 레버부(130)와 압전 엑츄에이터(140)를 안정적으로 지지하면서 회동이 자유롭도록 하는 것이면 족하다. 다만, 이해를 돕기 위해 도 11을 참조로 몇 가지 실시예를 설명하고자 한다.
도 11(a)는 하우징(100)에 홈(또는 그루브, 102)이 형성되고, 레버부(130)로부터 돌출된 힌지(H1)가 상기 홈에 삽입되어 지지되는 구조를 나타낸다.
도 11(b)는 레버부(130)에 홈(또는 그루브, 132)가 형성되고 하우징(100)에 돌출된 힌지(H1)가 상기 홈에 삽입되어 지지되는 구조를 나타낸다.
상기한 두 가지 실시례에 따른 힌지 결합방식은 하우징(100) 또는 레버부(130)와 힌지(H1) 일체형 결합방식을 나타낸다.
한편, 도 11(c)는 하우징(100)과 레버부(130)의 일 측 상호 대향하는 면에 각각 홈(102, 132)이 형성되고, 하우징(100) 및 레버부(130)와 별개의 구성으로된 힌지(H1)가 상기 홈에 삽입되어 지지하는 방식을 나타낸다.
본 발명의 힌지 결합방식은 다양한 실시례로서 구현될 수 있으며, 힌지와 레버부, 또는 힌지와 압전 엑츄에이터 간에 지렛대 원리가 적용됨으로써 최적화된 변위확대기구를 제공할 수 있게 된다.
마지막으로, 도 12와 도 13을 참조하여 상기한 실시예와 다른 방식의 힌지-레버 방식의 변위 확대 젯 디스펜서에 대해 추가적으로 소개한다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힌지 레버(lever) 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서는
하우징(100); 상기 하우징(100) 내부에 형성되되, 일측에 마련된 흡입유로로부터 액적(droplet)을 공급받아 타측으로 액적을 토출하는 분사부(101); 길이방향으로 왕복구동되면서 상기 분사부(101) 내의 액적토출구를 가압할 수 있도록 형성된 디스펜서헤드부(110); 상기 하우징(100)의 내벽으로부터 지지되어 상기 디스펜서헤드부(110)의 왕복구동에 따라 회동 가능하도록 형성된 레버부(130); 및 소정의 길이를 갖는 막대형 압전체로서 일단부는 상기 레버부(130)와 연결되고, 타단부는 하우징(100)의 내벽으로부터 지지되는 길이방향으로 변위 증감이 가능한 압전 엑츄에이터(140)를 포함하되, 상기 레버부(130)를 회동가능하도록 지지하는 제1힌지(h1)는 상기 분사부가 설치되는 상기 하우징(100)의 내벽측에 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
특히, 본 실시예에서는 압전 엑츄에이터(140)가 상기 제1힌지(h1)의 중심으로부터 편심된 위치에서 상기 레버부(130)와 연결되어 변위가 확대되는 동작을 수행할 수 있다. 구체적으로 압전 엑츄에이터(140)는 상기 제1힌지(h1)가 돌출형성되는 상기 하우징의 내측벽과 나란하게 배치되면서, 레버부(130)의 가장자리와 연결될 수 있는데, 레버부(130)와 연결되는 지점이 상기 제1힌지(h1)가 레버부(130)를 회동지지하는 축의 중심점으로부터 다소 편심된 곳에 위치하게 된다. 힌지(h1)의 중심과 편심된 곳에서 연결됨으로써 레버부(130)의 회전 시에 압전 엑츄에이터(140)에서의 변위는, 압전 엑츄에이터(140)가 단순히 힌지(h1)의 중심을 대향하면서 레버부(130)에 연결되는 경우보다 더 큰 변위량을 얻을 수 있게 된다.
그리고 도 12를 참조하면, 본 실시예에서의 레버부(130)는 “ㄴ”자의 형상을 갖도록 형성되되, 상기 제1힌지에 의해 회동 가능하게 지지되며, 그 일단부는 상기 디스펜서헤드부(110)에 직교연결되고, 타단부는 상기 압전 엑츄에이터(140)와 평행하게 배치되는 제1탄성수단(120)과 연결되는 구성일 수 있다. 여기서 별도로 마련된 제2탄성수단(121)이 디스펜서헤드부(110)를 지지하여 예압(pre-load)를 인가할 수 있다.
또 다른 실시예로서는 도 13에 도시된 바와 같이, 레버부(130)의 일단부는 상기 디스펜서헤드부(110)에 직교연결되되, 상기 디스펜서헤드부(110)를 지지하며 복원력을 가하는 제1탄성수단(120)이 상기 디스펜서헤드부(110)로부터 그대로 연장형성되는 구성일 수도 있다. 여기서 제2탄성수단(121)은 레버부(130)를 기준으로 상기 제1탄성수단(120)의 반대편에 배치되어 디스펜서헤드부(110)에 예압(pre-load)을 인가하도록 마련될 수 있다.
위와 같은 실시예에 따르면 레버부(130) 특유의 형상에 따른 구조적인 장점과 압전 엑츄에이터(140)와 레버부(130)의 연결 메커니즘에 따른 구조적인 장점에 의해 변위 확대 효율은 높되 공간효율성 측면에서 보다 유리한 디스펜서를 제공할 수 있다.
본 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 의해 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 따라서, 이상에서 기술한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 발명의 일 실시예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
즉, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지되, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 하우징
110 : 디스펜서헤드부
120 : 제1탄성수단
121 : 제2탄성수단
130 : 레버부
131 : 관통공
140 : 압전 엑츄에이터
150 : 돌출부
200 : 액적저장부
H1 : 제1힌지
H2 : 제2힌지
H3 : 제3힌지
L1 : 제1로드
L2 : 제2로드
L3 : 제3로드
D : 액적
A : 힘점
B : 받침점
C : 작용점

Claims (17)

  1. 하우징;
    상기 하우징 내부에 형성되되, 일측에 마련된 흡입유로로부터 액적을 공급받아 타측으로 액적을 토출하는 분사부;
    길이방향으로 왕복구동되면서 상기 분사부 내의 액적토출구를 가압할 수 있도록 형성된 디스펜서헤드부;
    상기 하우징의 내벽으로부터 지지되어 상기 디스펜서헤드부의 왕복구동에 따라 회동 가능하도록 형성된 레버부; 및
    소정의 길이를 갖는 막대형 압전체로서, 일단부는 상기 레버부와 연결되고, 타단부는 상기 레버부가 지지되는 하우징 내벽의 반대측 내벽 또는 하우징 내벽으로부터 소정의 높이로 형성된 돌출부와 연결되어 길이방향으로 변위 증감이 가능한 압전 엑츄에이터;를 포함하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레버부는 전체적으로 “ㄴ”자형 막대 구조로서 형성되는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 레버부는,
    소정의 길이를 갖는 막대형 부재로서 일단부가 상기 디스펜서헤드부와 직교연결되고 반대측단부는 상기 하우징 내벽으로부터 제1힌지를 매개로 연결되는 제1로드; 및
    상기 제1로드와 직교하는 제2로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1로드와 제2로드는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레버부는 전체적으로 “ㄷ”자형 막대 구조로서 형성되는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 레버부는,
    소정의 길이를 갖는 막대형 부재로서 일단부가 상기 디스펜서헤드부와 직교연결되고 반대측단부는 상기 하우징 내벽으로부터 제1힌지를 매개로 연결되는 제1로드;
    상기 제1로드와 직교하는 제2로드; 및
    상기 제2로드와 직교하고 상기 제1로드와 평행하게 연장 형성되는 제3로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1로드, 제2로드 및 제3로드는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압전 엑츄에이터의 타단부에 제2힌지가 형성되어 상기 하우징의 내벽 또는 상기 하우징의 내벽으로부터 소정의 높이로 형성된 돌출부와 연결되는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 압전 엑츄에이터의 타단부에는 제3힌지가 형성되어 상기 레버부와 연결되는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 디스펜서헤드부는 복원력을 가하는 제1탄성수단에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 레버부를 기준으로 상기 제1탄성수단의 반대편에 배치되어 상기 디스펜서헤드부에 예압(pre-load)을 인가하는 제2탄성수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  12. 하우징;
    상기 하우징 내부에 형성되되, 일측에 마련된 흡입유로로부터 액적(droplet)을 공급받아 타측으로 액적을 토출하는 분사부;
    길이방향으로 왕복구동되면서 상기 분사부 내의 액적토출구를 가압할 수 있도록 형성된 디스펜서헤드부;
    상기 하우징의 내벽으로부터 지지되어 상기 디스펜서헤드부의 왕복구동에 따라 회동 가능하도록 형성된 레버부; 및
    소정의 길이를 갖는 막대형 압전체로서 일단부는 상기 레버부와 연결되고, 타단부는 하우징의 내벽으로부터 지지되는 길이방향으로 변위 증감이 가능한 압전 엑츄에이터를 포함하되,
    상기 레버부를 회동가능하도록 지지하는 제1힌지는 상기 분사부가 설치되는 상기 하우징의 내벽측에 형성되는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 압전 엑츄에이터는 상기 제1힌지가 돌출형성되는 상기 하우징의 내측벽과 나란하게 배치되며, 상기 제1힌지의 중심으로부터 편심된 위치에서 상기 레버부와 연결되는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 레버부는 “ㄴ”자의 형상을 갖도록 형성되되, 상기 제1힌지에 의해 회동 가능하게 지지되며, 그 일단은 상기 압전 엑츄에이터와 평행하도록 배치되는 제1탄성수단과 연결되고, 타단은 상기 디스펜서헤드부에 직교연결되는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  15. 제14항에 있어서,
    예압(pre-load)을 인가하기 위하여 상기 디스펜서헤드부를 지지하도록 마련된 제2탄성수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 레버부는 단부가 상기 디스펜서헤드부와 직교연결되며,
    상기 디스펜서헤드부는 복원력을 가하는 제1탄성수단에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 레버부를 기준으로 상기 제1탄성수단의 반대편에 배치되어 상기 디스펜서헤드부에 예압(pre-load)을 인가하는 제2탄성수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 힌지 레버 방식의 변위 확대를 이용한 젯 디스펜서.




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