KR20190128115A - 폐루프 제어를 갖는 분배기 - Google Patents

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KR20190128115A
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노드슨 코포레이션
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Abstract

재료 어플리케이터의 니들 이동을 제어하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 시스템은, 압전 장치를 포함하고 니들에 연결되고 니들을 수직 방향을 따라 병진시키는 액추에이터 조립체, 및 광을 방출하기 위한 발광기를 포함하는 센서 조립체를 포함하며, 액추에이터 조립체의 일부분이 광의 일부분을 차단한다. 센서 조립체는 또한, 광의 차단되지 않은 부분을 수신하기 위한 수광기, 및 발광기 및 수광기를 고정하는 센서 홀더를 포함한다. 시스템은 압전 장치, 발광기, 및 수광기와 전기 통신하는 제어기를 추가로 포함하고, 제어기는 수광기로부터 수신된 피드백에 기초하여 액추에이터 조립체의 작동을 조절한다.

Description

폐루프 제어를 갖는 분배기{DISPENSER WITH CLOSED LOOP CONTROL}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함되고 2018년 5월 7일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/667,696호의 이익을 주장한다.
기술 분야
본 발명은 대체적으로 유체 분배 어플리케이터(fluid dispensing applicator)에 관한 것으로, 더 구체적으로는 유체 분배 어플리케이터 내의 압전 장치의 작동을 제어하기 위한 제어 루프에 관한 것이다.
솔더 페이스트, 컨포멀 코팅(conformal coating), 봉지재(encapsulant), 언더필(underfill) 재료, 및 표면 장착 접착제와 같은 유체 재료를 분배하기 위한 공지된 어플리케이터는 대체적으로 니들(needle)을 왕복이동시킴으로써 작은 체적의 유체 재료를 기재 상에 분배하도록 작동한다. 니들을 작동시키는 한 가지 방법은 작동의 변화에 대한 높은 수준의 제어 및 신속한 응답을 제공하는 압전 장치를 통하는 것이다. 분사 작동 동안, 예를 들어, 각각의 하향 스트로크(stroke) 시, 니들은 밸브 시트(valve seat)와 접촉하여 소량의 재료를 어플리케이터의 노즐로부터 분사하는 별개의 고압 펄스를 생성한다. 니들의 왕복 이동은 특정 목적에 적합한 특정 크기 및 형상 품질을 갖는 재료의 분사된 도트(dot)를 유지하도록 정밀해야만 한다. 그러나, 재료의 분사된 도트의 크기 및 형상은 시간 경과에 따라 의도된 값으로부터 벗어날 수 있다. 이는 부분적으로 재료 마모, 환경 변화, 부품 교체 등에 대한 것일 수 있다. 이들 변화를 고려하지 않고서, 바람직하지 않은 유체 패턴이 적용될 수 있으며, 이는 허용불가능한 최종 제품을 제공할 수 있다.
그 결과, 일관된 분사된 재료 도트 크기 및 형상을 제공하기 위해 니들 이동의 동적이고 연속적이고 자동적인 교정을 허용하는 시스템이 필요하다.
본 발명의 실시예는 재료 어플리케이터의 니들 이동을 제어하기 위한 시스템이다. 시스템은, 압전 장치를 포함하고 니들에 연결되고 니들을 수직 방향을 따라 병진시키도록 구성되는 액추에이터 조립체, 및 광을 방출하기 위한 발광기를 포함하는 센서 조립체를 포함하며, 액추에이터 조립체의 일부분 또는 니들의 일부분이 광의 일부분을 차단한다. 센서 조립체는 또한, 광의 차단되지 않은 부분을 수신하기 위한 수광기, 및 발광기 및 수광기를 고정하도록 구성되는 센서 홀더를 포함한다. 시스템은 압전 장치, 발광기, 및 수광기와 전기 통신하는 제어기를 추가로 포함하고, 제어기는 수광기로부터 수신된 피드백에 기초하여 액추에이터 조립체의 작동을 조절하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예는 니들에 결합된 액추에이터 조립체를 포함하는 재료 어플리케이터의 니들 이동을 제어하는 방법이다. 본 방법은 니들이 수직 방향을 따라 병진하도록 상기 액추에이터 조립체의 압전 장치를 작동시키는 단계, 및 발광기로부터 수광기로 광을 방출하여 액추에이터 조립체의 일부분 또는 니들의 일부분이 광의 일부분을 차단하고 수광기가 광의 차단되지 않은 부분을 수신하게 하는, 광을 방출하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한, 수광기로부터 수신된 피드백에 기초하여 압전 장치의 작동을 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가 실시예는 재료 어플리케이터의 니들 이동을 제어하기 위한 시스템이다. 시스템은 압전 장치를 포함하는 액추에이터 조립체를 포함하고, 액추에이터 조립체는 니들에 연결되고, 니들이 노즐의 밸브 시트로부터 이격되는 제1 위치와 니들이 밸브 시트와 접촉하는 제2 위치 사이에서 수직 방향을 따라 니들을 병진시키도록 구성된다. 제1 위치와 제2 위치 사이에서 니들을 전이시키는 것은 일정량의 재료를 노즐로부터 분사시킨다. 시스템은 또한, 광을 방출하기 위한 발광기 - 액추에이터 조립체의 일부분 또는 니들의 일부분이 광의 일부분을 차단함 -, 및 발광기로부터 액추에이터 조립체의 반대편 측부 상에 위치되는, 광의 차단되지 않은 부분을 수신하기 위한 수광기를 갖는 센서 조립체를 포함한다. 센서 조립체는 발광기 및 수광기를 고정하도록 구성된 센서 홀더를 추가로 갖는다. 시스템은 또한, 압전 장치, 발광기, 및 수광기와 전기 통신하고, 수광기로부터 수신된 피드백에 기초하여 액추에이터 조립체의 압전 장치에 공급되는 전압을 조절하여 노즐로부터 분사된 재료의 일정한 크기 및 형상을 유지하기 위해 피드백 루프를 작동시키도록 구성되는 제어기를 포함한다.
전술한 발명의 내용뿐만 아니라 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 첨부 도면과 함께 읽을 때 더 잘 이해될 것이다. 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다. 그러나, 본 출원은 도시된 정밀한 배열 및 수단으로 제한되지 않는 것으로 이해하여야 한다.
도 1은 어플리케이터의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 어플리케이터의 다른 사시도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 선 3A-3A를 따라 취한, 도 1에 도시된 어플리케이터의 단면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 어플리케이터의 원으로 둘러싸인 영역의 확대도이다.
도 4는 도 2에 도시된 선 4-4를 따라 취한, 도 1에 도시된 어플리케이터의 단면도이다.
도 5a는 어플리케이터의 압전 장치를 제어하기 위한 제어 루프의 일 실시예를 도시하는 도면이다.
도 5b는 어플리케이터의 압전 장치를 제어하기 위한 제어 루프의 다른 실시예를 도시하는 도면이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 어플리케이터의 압전 장치를 제어하기 위한 제어 루프의 추가 실시예를 도시하는 도면이다.
도 6은 시간 경과에 따른, 도 1에 도시된 어플리케이터의 압전 장치에 제공되는 전압 파형의 도표이다.
도 7은 어플리케이터의 니들 이동을 제어하는 방법의 공정 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 어플리케이터(10)는 압전 장치(112)를 포함하는 액추에이터 조립체(111)를 포함하며, 액추에이터 조립체(111)는 니들(76)에 연결된다. 어플리케이터(10)는 또한 발광기(154) 및 수광기(156)를 지지하는 센서 홀더(140)를 포함하는 센서 조립체(138), 및 센서 조립체(138)로부터 피드백을 수신하기 위한 제어기(166)를 포함한다. 단지 편의를 위해 하기 설명에서는 소정 용어가 어플리케이터(10)를 설명하기 위해 사용되고 이는 제한하는 것이 아니다. 단어 "우측", "좌측", "하부", 및 "상부"는 참조하는 도면에서 방향을 지정한다. 단어 "내부" 및 "외부"는 어플리케이터(10) 및 그의 관련 부분을 기술하기 위한 설명의 기하학적 중심을 향하는 그리고 그로부터 멀어지는 방향을 각각 지칭한다. 단어 "전방" 및 "후방"은 어플리케이터(10) 및 그의 관련 부분을 따르는 종방향(2) 및 종방향(2)에 반대인 방향으로의 방향들을 지칭한다. 용어는 위에서 열거된 단어, 그의 파생어, 및 유사한 의미의 단어를 포함한다.
본 명세서에서 달리 명시되지 않는 한, 용어 "종방향", "횡방향" 및 "수직"은, 종방향(2), 횡방향(4), 및 수직 방향(6)으로 지정되는 바와 같이, 어플리케이터(10)의 다양한 구성요소들의 직교 방향 구성요소들을 기술하기 위해 사용된다. 종방향(2) 및 횡방향(4)이 수평 평면을 따라 연장되는 것으로 도시되고 수직 방향(6)이 수직 평면을 따라 연장되는 것으로 도시되지만, 다양한 방향을 포함하는 평면들은 사용 동안 상이할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명의 실시예는 고온 용융 접착제와 같은 재료를 제조 동안 기재에 적용하기 위한 어플리케이터(10)를 포함한다. 특히, 재료는 폴리우레탄 반응성(polyurethane reactive, PUR) 고온 용융물일 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 어플리케이터(10)는 제1 커넥터(26) 및 제2 커넥터(28)를 포함한다. 제1 커넥터(26)는 복수의 돌출부(tine)를 포함하는 수형 연결부를 한정할 수 있고, 제1 커넥터(26)를 전원에 연결하는 와이어(도시되지 않음)에 연결하도록 구성되어 어플리케이터(10)가 제1 커넥터(26)를 통해 전력 입력을 수신하게 한다. 제2 커넥터(28)는 복수의 리세스를 포함하는 암형 연결부를 한정할 수 있고, 제2 커넥터(28)를 이하에서 추가로 논의될 제어기(166)와 같은 제어기에 연결하는 와이어(도시되지 않음)에 연결하도록 구성될 수 있어서, 정보가 제2 커넥터(28)를 통해 어플리케이터(10)로 그리고 그로부터 전달되게 한다. 제어기는 범용 컴퓨터, 태블릿, 랩톱, 스마트폰 등일 수 있다. 그러나, 제1 커넥터(26) 및 제2 커넥터(28)는 원하는 바에 따라 다른 유형의 커넥터로서 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 어플리케이터(10)는 블루투스 또는 Wi-Fi를 통해 무선으로 정보를 제어기에 전달할 수 있다. 제1 커넥터(26) 및 제2 커넥터(28)는 회로 기판(도시되지 않음)을 포함할 수 있는 회로부 하우징(32)에 장착되도록 구성된다.
어플리케이터(10)는 개구 - 이를 통하여 재료가 어플리케이터(10)에 추가됨 - 를 덮도록 구성된 캡(18)을 포함한다. 도시된 실시예에서 어플리케이터(10)는 재료를 포함하는 주사기(도시되지 않음)를 수용하도록 구성되지만, 어플리케이터(10)가 대안적인 수단을 통해, 예를 들어, 재료를 어플리케이터(10) 내로 직접 충전하거나 어플리케이터(10)에 호퍼(hopper) 또는 용융기(도시되지 않음)와 같은 외부 재료 공급원에 대한 입력부를 제공하는 것을 통해, 재료를 수용할 수 있는 것도 고려된다. 캡(18)은 캡(18)을 통해 연장되는 입력 커넥터(22)를 수용할 수 있다. 입력 커넥터(22)는 어플리케이터(10)를 통해 재료를 선택적으로 이동시키는 기능을 하는 외부 가압 공기 공급원과 인터페이스하도록 구성될 수 있다.
어플리케이터(10)는 캡(18)과 히터(36) 사이에 배치되는 캡 시트(19)를 추가로 포함할 수 있다. 캡(18)을 지지하는 것에 더하여, 캡 시트(19)는 캡(18)과 상호작용하도록 구성되어, 특히 가압 공기가 입력 커넥터(22)를 통해 히터(36)에 의해 수용될 때, 캡(18)이 어플리케이터(10)의 작동 동안에 캡 시트(19)에 로킹되도록 한다. 캡 시트(19)는 어플리케이터(10)에 해제가능하게 결합될 수 있어서, 캡 시트(19)가 어플리케이터(10)에 부착될 때 캡 시트(19)가 어플리케이터(10) 내에 히터(36)를 고정시키고, 캡 시트(19)가 어플리케이터(10)로부터 분리될 때 캡 시트(19)가 어플리케이터(10)로부터 히터(36)를 제거하기 위한 개구를 제공하게 한다. 캡 시트(19)는 그를 통하여 연장되고 주사기가 히터(36) 내로 통과하게 하도록 크기설정되는 채널을 한정할 수 있다.
도 1 및 도 2를 계속 참조하면, 히터(36)는 내부에 포함된 재료에 열을 제공하는 기능을 하는데, 이는 주사기 내에 내장될 수 있다. 이는 재료가 어플리케이터(10)를 통해 분사 및 유동하기에 바람직한 온도로 유지되게 하고, 어플리케이터(10)의 조작자가 히터(36) 내의 재료의 온도를 모니터링하여 재료의 온도의 의도하지 않은 온도 피크(peak) 또는 딥(dip)을 피하게 한다. 히터(36)는 재료를 수용하기 위해 캡 시트(19)에 대해 개방된 실질적으로 원통형인 중공 몸체를 한정할 수 있고, 그 주위에 가열 요소(도시되지 않음)가 배치된다. 히터(36)의 부분들은 알루미늄과 같은 금속으로 형성될 수 있지만, 히터(36) 내의 재료를 가열하기 위해 열이 통과하게 하기에 충분한 전도성을 갖는 다른 재료가 포함될 수 있다. 히터(36)는 또한, 히터(36) 내의 온도 수준을 모니터링하기 위해 제어기(166)와 통신하는 온도 센서(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
히터(36)의 하부에서, 히터(36)는 히터(36)를 플레이트 조립체(47)에 연결하는 커넥터(44)에 의해 지지된다. 커넥터(44)는 히터(36) 내에 포함된 가열된 재료가 히터(36) 외부로 그리고 플레이트 조립체(47) 내로 유동하게 하는 통로를 한정한다. 어플리케이터(10)의 하부 단부에 위치된 플레이트 조립체(47)는 재료가 히터(36)로부터 분사 분배기 조립체(54)로 유동하기 위한 경로를 제공하는데, 이는 후술될 것이다. 플레이트 조립체(47)는, 플레이트 조립체(47)를 형성하기 위해 서로 해제가능하게 결합되는 상부 플레이트(48) 및 하부 플레이트(52)와 같은 복수의 플레이트를 포함할 수 있다. 그러나, 플레이트 조립체(47)는 원하는 바에 따라 3개, 4개 또는 그 이상의 플레이트와 같은 2개 초과의 플레이트를 포함할 수 있다. 대안적으로, 플레이트 조립체(47)는 재료가 히터(36)로부터 분사 분배기 조립체(54)로 유동하기 위한 경로를 유사하게 제공하는 모놀리식 블록(도시되지 않음)으로 대체될 수 있다. 2개의 플레이트가 플레이트 조립체(47) 내에 포함되는 경우, 플레이트 조립체(47)를 통한 통로는 상부 플레이트(48) 및 하부 플레이트(52) 각각에 의해 적어도 부분적으로 한정될 수 있다. 상부 플레이트(48) 및 하부 플레이트(52)는 플레이트 조립체(47)를 통한 통로를 둘러싸는 밀봉부(86)를 그들의 계면에서 수용하도록 그리고 재료가 통로를 빠져나가는 것을 방지하도록 구성될 수 있다.
플레이트 조립체(47)가 완전히 조립된 경우, 상부 플레이트(48)의 하부 표면은 하부 플레이트(52)의 상부 표면과 접촉할 수 있어서, 상부 플레이트(48)가 수직 방향(6)을 따라 하부 플레이트(52) 위에 배치되게 할 수 있다. 상부 플레이트(48)는 상부 플레이트(48)를 통해 연장되고 하우징(58)과 결합하는 복수의 나사식 체결구(57)를 통해 하우징(58)에 해제가능하게 결합될 수 있다. 그러나, 상부 플레이트(48)와 하부 플레이트(52)를 해제가능하게 결합시키는 다른 방법도 고려된다. 예를 들어, 상부 플레이트(48)와 하부 플레이트(52)는 스냅 끼워맞춤 결합, 도브테일(dovetail) 슬롯 구조물 등에 의해 결합될 수 있다. 플레이트 조립체(47)는 상부 플레이트(48) 및 하부 플레이트(52)가 플레이트 조립체(47)를 통과하는 재료를 가열하도록 구성되어 그에 따라 재료가 유동 및 분배를 위해 최적의 품질을 유지하는 것을 보장하도록 하는 가열 블록을 포함할 수 있다.
이제 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 분사 분배기 조립체(54)가 더 상세히 설명될 것이다. 분사 분배기 조립체(54)의 구성요소는 플레이트 조립체(47)의 상부 플레이트(48) 및 하부 플레이트(52) 각각에 의해 적어도 부분적으로 한정되는 챔버(72) 내에 수용될 수 있다. 분사 분배기 조립체(54)는, 밸브 시트(80) 및 챔버(72)로부터 어플리케이터(10)의 외부로 연장되는 배출 통로(82)를 한정하는 노즐(56)을 포함할 수 있다. 배출 통로(82)는 재료가 어플리케이터(10)를 빠져나가서 기재에 적용되게 하는 도관이다. 분사 분배기 조립체(54)는 챔버(72)를 통해 연장되고 그 내에서 이동가능한 니들(76)을 추가로 포함한다. 니들(76)은 니들 팁(76a), 및 수직 방향(6)을 따라 니들 팁(76a)으로부터 멀리 연장되는 니들 스템(76b)을 한정한다. 니들 팁(76a)은 밸브 시트(80)와 결합하여 밀봉부를 형성하도록 구성될 수 있어서, 니들 팁(76a)이 밸브 시트(80)와 결합할 때, 재료가 배출 통로(82)를 통해 유동하는 것이 방지되게 할 수 있다. 이와 같이, 니들(76)은 수직 방향(6)을 따라 제1 위치와 제2 위치 사이에서 챔버(72) 내에서 이동가능하다. 제1 위치에서, 니들 팁(76a)은 수직 방향(6)을 따라 밸브 시트(80)로부터 이격되며, 이는 재료가 배출 통로(82)에 접근하는 것을 허용한다. 제2 위치에서, 니들 팁(76a)은 밸브 시트(80)와 결합하여, 그에 따라 재료가 배출 통로(82)로 진입하는 것을 방지한다. 도시된 것과 같은 분사 분배기 조립체(54)에서, 제1 위치로부터 제2 위치로의 니들의 작동은 니들 팁(76a)이 배출 통로(82)를 통해 일정량의 재료를 분사하게 한다. 이러한 분사 동작은 신속하게 반복될 수 있으며, 이는 미리결정된 크기 및 형상을 갖는 재료의 이산된 도트(dot)들이 기재에 적용되게 한다. 니들 팁(76a) 및 밸브 시트(80)는 재료 누설을 방지하기 위해 상보적인 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 니들 팁(76a) 및 밸브 시트(80)는 상보적인 반구형 형상을 포함할 수 있다. 대안적으로, 니들 팁(76a) 및 밸브 시트(80)는 상보적인 평탄한 형상을 포함할 수 있다. 니들(76)이 제1 위치와 제2 위치 사이에서 작동되게 하는 메커니즘은 아래에서 추가로 설명될 것이다.
분사 분배기 조립체(54)는 챔버(72) 내에 수용되도록 구성되는 밀봉부 팩(90)을 추가로 포함한다. 구체적으로, 밀봉부 팩(90)은 챔버를 2개의 섹션 - 수직 방향(6)을 따라 밀봉부 팩(90) 아래에 있는 제1 섹션, 및 수직 방향(6)을 따라 밀봉부 팩(90) 위에 있는 제2 섹션 - 으로 분할한다. 밀봉부 팩(90)은 하부 플레이트(52)의 상부 표면과 결합하도록 구성된 레지(ledge)(94)를 한정하고, 이는 밀봉부 팩(90)을 챔버(72) 내에 수직으로 위치시킨다. 밀봉부 팩(90)은 또한, 수직 방향(6)을 따라 밀봉부 팩(90)을 통해 연장되는 밀봉부 팩 통로(95)를 한정한다. 밀봉부 팩 통로(95)는 니들 스템(76b)을 수용하도록 구성되어, 니들(76)이 챔버(72)의 제2 섹션(72b)을 통해, 밀봉부 팩(90)을 통해, 그리고 챔버(72)의 제1 섹션(72a) 내로 연장되게 한다. 밀봉부 팩(90)은 니들 스템(76b)을 실질적으로 둘러싸는 밀봉부(96)를 밀봉부 팩 통로(95) 내에 내장할 수 있다. 밀봉부(96)는 챔버(72)의 제1 섹션(72a)으로부터 밀봉부 팩 통로(95)를 통해 제2 섹션(72b) 내로 재료가 유동하는 것을 방지하는 기능을 할 수 있다. 더욱이, 분사 분배기 조립체(54)는 밀봉부 팩(90)과 플레이트 조립체(47)의 상부 플레이트(48) 사이에서 밀봉부 팩(90) 둘레에 배치된 밀봉부(98)를 포함할 수 있다. 밀봉부(98)는 상부 플레이트(48)로부터 상부 플레이트(48)와 하우징(58) 사이의 갭으로 재료가 유동하는 것을 방지할 수 있다. 대안적으로, 밀봉부(98)는 밀봉부 팩(90)과 하부 플레이트(52) 사이에서 밀봉부 팩(90) 둘레에 배치될 수 있다. 이와 같이, 밀봉부(96, 98)는 재료가 플레이트 조립체(47)에 의해 한정되는 통로를 빠져나간 후에 챔버(72)의 제1 섹션(72a) 내에 재료를 유지시키는 것을 돕는다.
추가로, 분사 분배기 조립체(54)는 챔버(72)의 제2 섹션(72b) 내에 배치되는 스프링(104)을 포함한다. 스프링(104)은 챔버(72)의 제2 섹션(72b)의 경계를 이루는 하우징(58)의 일부분과 니들(76)에 의해 한정되는 레지(100) 사이에 배치된다. 스프링(104)은 자연적으로 압축된 상태에서 분사 분배기 조립체(54) 내에 배치될 수 있어서, 스프링(104)이 레지(100)에 하향력을 일정하게 인가하게 할 수 있다. 니들(76)의 레지(100) 상의 이러한 하향력은 니들(76)을 수직 방향(6)을 따라 하향으로 편의시킨다. 이와 같이, 스프링(104)은 니들(76)을 제2 위치로 자연적으로 편의시켜, 니들 팁(76a)을 밸브 시트(80)로부터 변위시키고 그에 따라 니들(76)을 제2 위치로부터 제1 위치로 전이시키기 위해 니들(76) 상의 상향력이 요구되게 한다.
도 3a 및 도 3b를 계속 참조하면, 분사 분배기 조립체(54)는 또한 니들(76)에 작동식으로 결합된 액추에이터 조립체(111)를 포함한다. 액추에이터 조립체(111)는 압전 장치(112) 및 한 쌍의 이동가능 액추에이터 아암(108, 110)을 포함할 수 있다. 액추에이터 아암(108, 110)은 압전 장치(112)의 각각의 코너로부터 서로를 향하고 니들 스템(76b)의 상부 단부를 향하는 방향으로 대각선으로 연장될 수 있다. 커넥터(109)는 한 쌍의 액추에이터 아암(108, 110)을 서로 연결하도록 그리고 액추에이터 아암(108, 110)을 니들 스템(76b)의 상부 단부에 고정시키도록 구성된다. 커넥터(109)는 서로를 향해 반경방향 내향으로 돌출되는 한 쌍의 로킹 탭을 통해 니들 스템(76b)을 고정시킬 수 있지만, 다른 부착 수단이 고려된다. 예를 들어, 커넥터(109) 및 니들 스템(76b)은 나사 결합을 통해 해제가능하게 부착될 수 있다.
압전 장치(112)는 제1 위치와 제2 위치 사이에서 니들(76)을 병진시키도록 구성된다. 액추에이터 조립체(111)는 압전 장치(112)의 작동을 제어하는 액추에이터 외부의 제어기(166)에 결합된다. 제어기(166)는 이하에서 추가로 설명될 것이다. 액추에이터 조립체(111)는 또한 압전 장치에 전력을 제공하는 전원(도시되지 않음)에 결합된다. 위에서 언급된 바와 같이, 니들(76)은 니들 팁(76a)이 밸브 시트(80)와 결합하도록 하는 제2 위치에서의 중립 위치에 있다. 니들(76)을 제1 위치로 전이시키기 위해, 제어기는 전원이 양전하를 압전 장치(112)에 제공할 것을 지시한다. 이러한 양전하는 압전 적층체를 포함할 수 있는 압전 장치(112)가 팽창되게 하고, 이는 압전 장치(112)를 향해 액추에이터 아암(108, 110)을 끌어당긴다. 따라서, 액추에이터 아암(108, 110) 및 니들(76)은 압전 장치(112)를 향해 끌어당겨져, 니들 팁(76a)이 밸브 시트(80)로부터 멀리 당겨지게 한다. 제어기(166)가, 전원이 양전하를 압전 장치(112)에 제공하는 것을 중지할 것을 지시하는 경우, 압전 장치(112)는 후퇴되고, 이는 액추에이터 아암(108, 110)을 압전 장치(112)로부터 멀리 밀어낸다. 압전 장치(112)의 이러한 후퇴는, 스프링(104)에 의해 니들(76)의 레지(100)에 인가되는 힘과 함께, 니들 팁(76a)이 밸브 시트(80)에 충돌하도록 니들(76)을 하향으로 가압한다. 니들 팁(76a)이 밸브 시트(80)에 충돌하는 경우, 재료가 노즐(56)의 배출 통로(82)를 통해 분사된다.
도 1 내지 도 3b를 참조하면, 압전 장치(112)는 체결구(113)를 통해 하부 블록(114)에 연결될 수 있고, 하부 블록(114)은 체결구(116)를 통해 상부 블록(115)에 연결될 수 있다. 집합적으로, 압전 장치(112), 하부 블록(114), 및 상부 블록(115)은 액추에이터 조립체(111)를 구성할 수 있다. 액추에이터 조립체(111)는 횡방향(4)을 따라 이격될 수 있는 제1 플레이트(60a)와 제2 플레이트(60b) 사이에 배치될 수 있다. 제1 플레이트(60a) 및 제2 플레이트(60b) 각각은 적어도 하나의 슬롯을 한정할 수 있는데, 이러한 적어도 하나의 슬롯은 이를 통하여 체결구(64)가 연장되게 하도록 구성된다. 체결구(64)는 제1 플레이트(60a)의 슬롯을 통해, 하부 블록(114)을 통해, 제2 플레이트(60b)의 대응하는 슬롯을 통해 연장될 수 있고, 플레이트(60b)에 인접하게 배치되는 너트(65)와 결합할 수 있다. 체결구(64)는 너트(65)와 결합하도록 나사형성될 수 있어서, 체결구(64) 및 너트(65)는 각각 제1 플레이트(60a) 및 제2 플레이트(60b)에서 조임해제될 수 있고 그들에 대해 조여질 수 있다. 체결구(64) 및 너트(65)를 플레이트(60a, 60b)에서 조임해제함으로써 어플리케이터(10)의 다른 구성요소에 대한 수직 방향(6)을 따른 액추에이터 조립체(111)의 이동을 허용한다. 액추에이터 조립체(111)의 위치를 조절함으로써 니들(76)의 초기 위치를 조절하고, 그에 따라 니들(76)이 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동하는 거리로서 정의되는 니들(76)의 스트로크 길이를 변화시킨다. 니들(76)의 초기 위치 및 스트로크 길이를 조절하는 능력은, 어플리케이터(10)가, 분사 분배기 조립체(54)로부터 분사될 수 있는 재료의 유형 및 어플리케이터(10)가 수행할 수 있는 분사 동작의 유형에 있어서 유연성을 갖게 한다. 일단 액추에이터 조립체(111)의 위치가 조절되었으면, 체결구(64) 및 너트(65)는 플레이트(60a, 60b)에 조여질 수 있어서, 액추에이터 조립체(111)가 제위치에 로킹되게 할 수 있다. 단지 하나의 체결구(64) 및 너트(65)가 도시되어 있지만, 어플리케이터(10)는 액추에이터 조립체(111)의 조절을 추가로 돕기 위해 복수의 체결구들 및 대응하는 너트들을 포함할 수 있다.
도 3a를 계속 참조하면, 어플리케이터(10)는 수직 방향(6)을 따라 상부 블록(115) 위에 배치된 정지부(118)를 포함한다. 제1 플레이트(60a)와 제2 플레이트(60b) 사이에 위치되는 정지부(118)는 체결구(120)를 통해 플레이트(68)에 부착될 수 있다. 플레이트(68)는 또한 플레이트(60a, 60b)의 임의의 조합에도 또한 부착될 수 있다. 정지부(118)는 상부 블록(115)에 부착되는 커넥터(124)를 수용하도록 구성된 중심 채널(119)을 한정할 수 있다. 커넥터(124)는 액추에이터 조립체(111) 둘레의 열 축적을 감소시키기 위해 외부 공급원(도시되지 않음)으로부터 가압 공기를 수용할 수 있다.
이제 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 어플리케이터(10)는 액추에이터 조립체(111)의 일부분의 위치 및/또는 속도를 측정하기 위한 센서 조립체(138)를 포함한다. 센서 조립체(138)는 종방향(2)을 따라 액추에이터 조립체(111)에 인접하게 위치된 수직 연장 중심 몸체 부분(142a)을 한정하는 센서 홀더(140)를 포함한다. 센서 홀더(140)는 또한, 종방향(2)을 따라 중심 몸체 부분(142a)으로부터 연장되는 제1 아암(142b) 및 종방향(2)을 따라 중심 몸체 부분(142a)으로부터 또한 연장되는 제2 아암(142c)을 한정할 수 있다. 제1 아암(142b) 및 제2 아암(142c)은 액추에이터 조립체(111)의 서로 반대편 측부들 상에서 횡방향(4)을 따라 이격될 수 있고, 액추에이터 조립체(111)의 적어도 일부분과 수직으로 정렬될 수 있다. 센서 조립체(138)는, 특정 수직 위치에 위치되는 것으로 도시되어 있지만, 어플리케이터(10)의 다른 구성요소에 대해 수직 방향(6)을 따라 상향 및 하향으로 조절될 수 있다. 이를 위해서, 센서 홀더(140)의 중심 몸체 부분(142a)은 중심 몸체 부분(142a)의 상부 단부에 위치되는 제1 슬롯(146a) 및 중심 몸체 부분(142a)의 하부 단부에서 제1 슬롯(146a)의 반대편에 위치되는 제2 슬롯(146b)을 한정한다. 제1 슬롯(146a) 및 제2 슬롯(146b) 각각은 실질적으로 원통형인 슬롯으로서 구성될 수 있지만, 다른 형상들도 고려된다. 따라서, 단지 2개의 슬롯이 도시되어 있지만, 중심 몸체 부분(142a)은 원하는 바에 따라 더 많거나 더 적은 슬롯을 한정할 수 있다. 예를 들어, 중심 몸체 부분(142a)은 단지 하나의 슬롯만을 한정할 수 있거나, 3개 이상의 슬롯을 한정할 수 있다.
센서 홀더(140)의 제1 슬롯(146a)은 종방향을 따라 정지부(118) 내로 연장되는 보어(132)와 정렬될 수 있는 한편, 제2 슬롯(146b)은 종방향(2)을 따라 하우징(58) 내로 연장되는 보어(128)와 정렬될 수 있다. 보어(128, 132) 각각은 대응하는 체결구(136)를 수용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 체결구(136)가 제1 슬롯(146a)을 통해 보어(132) 내로 연장될 수 있는 한편, 다른 체결구(136)는 제2 슬롯(146b)을 통해 연장되어 보어(128)와 결합할 수 있다. 체결구(136) 각각 및 보어(128, 132)는, 체결구(136) 각각과 보어(128, 132)들 중 대응하는 하나의 보어 사이의 나사 결합을 허용하도록 적어도 부분적으로 나사형성될 수 있다. 체결구(136)들 각각이 동일한 것으로 도시되어 있지만, 체결구(136)들은, 그리고 제1 슬롯(146a) 및 제2 슬롯(146b)도 마찬가지로, 원하는 바에 따라 상이하게 구성될 수 있다.
작동 시, 센서 홀더(140)는 제1 슬롯(146a)을 보어(132)와 정렬시키고 제2 슬롯(146b)을 보어(128)와 정렬시킴으로써 어플리케이터(10)의 다른 구성요소에 부착될 수 있다. 이어서, 체결구(136)가 제1 슬롯(146a)을 통해 삽입되어 보어(132)와 결합될 수 있는 한편, 다른 체결구(136)는 제2 슬롯(146b)을 통해 삽입되어 보어(128)와 결합될 수 있다. 이어서, 체결구(136) 각각은 체결구(136), 정지부(118), 및 하우징(58)에 의해 센서 홀더(140)에 대해 부여되는 압축력이 센서 조립체(138)를 어플리케이터(10)의 다른 구성요소에 대해 로킹시키도록 충분히 조여질 수 있다. 수직 방향(6)을 따라 센서 조립체(138)의 위치를 조절하기 위해, 상부 체결구(136)는 보어(132)에서 충분히 조임해제될 수 있고 하부 체결구(136)는 보어(128)에서 충분히 조임해제될 수 있어서, 체결구가 여전히 제1 슬롯(146a) 및 제2 슬롯(146b)을 통해 연장되어 보어(132, 128)와 각각 결합하지만, 센서 홀더(140)가 수직 방향(6)을 따라 이동할 수 있게 한다. 따라서, 센서 홀더(140)는 수직 방향(6)을 따라 원하는 위치로 이동될 수 있다. 그러나, 제1 슬롯(146a) 및 제2 슬롯(146b)을 통해 여전히 연장되는 체결구(136)는, 예컨대, 단지 수직 방향(6)만을 따라서, 센서 홀더(140)가 할 수 있는 이동의 범위를 제한한다. 일단 센서 홀더(140)가 원하는 위치에 있으면, 체결구(136)는 센서 홀더(140)가 어플리케이터(10)의 다른 구성요소에 대해 다시 부착되도록 센서 홀더(140)에 대해 충분히 다시 조여질 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 센서 홀더(142)의 제1 아암(142b)이 제1 보어(148a)를 한정하는 한편, 센서 홀더(142)의 제2 아암(142c)은 제2 보어(148b)를 한정한다. 따라서, 제1 보어(148a) 및 제2 보어(148b)는 액추에이터 조립체(111)의 서로 반대편 측부들에 위치되지만, 이들은 이들이 방향(D)을 따라 정렬되고 서로를 향하도록 배향될 수 있다. 도시된 바와 같이, 방향(D)은 종방향(2) 및 횡방향(4)에 의해 한정되는 평면을 따라 놓이고 수직 방향(6)에 수직이어서, 이는 추가로 니들(76)이 제1 위치와 제2 위치 사이에서 전이됨에 따라 방향(D)이 니들의 이동 방향에 수직인 결과를 가져온다. 더욱이, 방향(D)은 종방향(2) 및 횡방향(4) 둘 모두로부터 경사지게 오프셋된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 방향(D)은 대안적으로, 방향(D)이 수직 방향(6)을 따라 구성요소를 한정하도록 종방향(2) 및 횡방향(4)에 의해 한정되는 평면 내의 임의의 방향으로 연장되거나, 또는 심지어 이러한 평면으로부터 경사지게 오프셋된 것으로 구성될 수 있다.
제1 보어(148a)가 발광기(154) 또는 수광기(156) 중 하나를 수용하도록 크기설정될 수 있는 한편, 제2 보어(148b)도 또한 발광기(154) 또는 수광기(156) 중 하나를 수용하도록 크기설정될 수 있다. 도시된 실시예에서, 발광기(154)가 제1 보어(148a) 내의 센서 홀더(140)에 고정된 것으로 도시되어 있는 한편, 수광기(156)는 제2 보어(148b) 내의 센서 홀더(140)에 고정된 것으로 도시되어 있지만, 이러한 배열은 바뀔 수 있는 것으로 고려된다. 발광기(154) 및 수광기(156)가 각각 제1 보어(148a) 및 제2 보어(148b) 중 어느 것 내에 수용되는지에 상관없이, 도시된 실시예에서, 발광기(154) 및 수광기(156)는 액추에이터 조립체(111)의 서로 반대편 측부들 상에 위치되는 것으로 도시되어 있다. 작동 시, 발광기(154)는 광(L)을 방출하도록 구성될 수 있고, 수광기(156)는 발광기(154)에 의해 방출된 광(L)의 적어도 일부분을 수용하도록 구성될 수 있다. 발광기(154)는 LED와 같은, 광을 방출할 수 있는 임의의 발광기일 수 있거나, 더 구체적으로는 적외선 스펙트럼의 광을 방출할 수 있는 발광기일 수 있다. 수광기(156)는 대응하는 발광기(154)에 의해 방출되는 파장을 갖는 광을 수신하도록 튜닝될 수 있는 임의의 유형의 수광기일 수 있다. 발광기(154) 및 수광기(156)가 방향(D)을 따라 정렬됨에 따라, 발광기(154)에 의해 방출된 광(L)은, 분사 사이클 내에서의 액추에이터 조립체(111)의 위치 및 니들(76)의 주어진 위치에 따라, 임의의 특정 시간에 액추에이터 조립체(111)의 일부분에 의해 적어도 부분적으로 차단될 수 있다. 이어서, 수광기(156)는 광의 차단되지 않은 부분을 수신한다. 대안적으로, 발광기(154)에 의해 방출된 광(L)은 니들(76)의 일부분에 의해 적어도 부분적으로 차단될 수 있다.
센서 홀더(140)가 2개의 아암(142b, 142c) - 여기서 제1 아암(142b)은 발광기(154)를 지지하고 제2 아암(142c)은 수광기(156)를 지지함 - 을 한정하도록 센서 조립체(138)가 도시되어 있지만, 대안적인 실시예도 고려된다. 일 실시예에서, 발광기(154) 및 수광기(156) 둘 모두는 제1 아암(142b) 및 제2 아암(142c) 중 하나에 고정될 수 있어서, 발광기(154) 및 수광기(156) 둘 모두가 액추에이터 조립체(111)의 동일한 측부를 향하게 할 수 있다. 그 결과, 센서 홀더(140)는 본 실시예에서 제1 아암(142b) 및 제2 아암(142c) 중 하나만을 포함할 수 있다(도시되지 않음). 작동 시, 본 실시예에서, 발광기(154)는 액추에이터 조립체(111) 또는 니들(76)의 일부분과 상호작용하고 수광기(156)에 의해 적어도 부분적으로 수신될 수 있는 광(L)을 방출할 수 있다. 그러나, 수광기(156)는, 액추에이터 조립체(111) 또는 니들(76)에 의해 차단되지 않은 광(L)의 일부분을 수신하기보다는 오히려, 본 실시예에서, 광(L)이 상호작용하는 구성요소에 의해 반사되는 광(L)의 일부분을 수신할 것이다.
이제 도 4 내지 도 5c를 참조하면, 어플리케이터(10)는 연결부(160, 162)를 통해 각각 발광기(154) 및 수광기(156)에 결합된 제어기(166)를 포함한다. 제어기(166)는, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 어플리케이터(10)의 다양한 작동을 모니터링 및 제어하기 위한 소프트웨어 애플리케이션을 호스팅하도록 구성된 임의의 적합한 컴퓨팅 장치를 포함할 수 있다. 제어기(166)는 임의의 적절한 컴퓨팅 장치 - 그의 예에는 프로세서, 데스크톱 컴퓨팅 장치, 서버 컴퓨팅 장치, 또는 휴대용 컴퓨팅 장치, 예컨대, 랩톱, 태블릿, 또는 스마트폰이 포함됨 - 를 포함할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 구체적으로, 제어기는 메모리(170) 및 HMI 장치(174)를 포함할 수 있다. 메모리(170)는 휘발성(예컨대, 일부 유형의 RAM), 비휘발성(예컨대, ROM, 플래시 메모리 등), 또는 이들의 조합일 수 있다. 제어기(166)는 테이프, 플래시 메모리, 스마트 카드, CD-ROM, DVD(digital versatile disk) 또는 다른 광학 저장 장치, 자기 테이프, 자기 디스크 저장 장치 또는 다른 자기 저장 장치, USB(universal serial bus) 호환성 메모리, 또는 정보를 저장하는 데 사용될 수 있고 제어기(166)에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함하지만 이에 제한되지 않는 추가 저장 장치(예컨대, 제거가능한 저장 장치 및/또는 제거불가능한 저장 장치)를 포함할 수 있다. HMI 장치(174)는 예를 들어 버튼, 소프트 키, 마우스, 음성 작동형 제어부, 터치 스크린, 제어기(166)의 이동, 시각적 큐(cue)(예컨대, 제어기(166) 상의 카메라 전방에서 손을 움직임) 등을 통해 제어기(166)를 제어하는 능력을 제공하는 입력부를 포함할 수 있다. HMI 장치(174)는 시각적 정보, 예컨대 니들(76)의 현재 위치 및 속도 값의 시각적 표시를 포함하는 출력을 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 제공할 수 있고, 이들 파라미터에 대한 허용가능한 범위를 디스플레이를 통해 제공할 수 있다. 다른 출력은 (예컨대, 스피커를 통한) 오디오 정보, (예컨대, 진동 메커니즘을 통한) 기계적 정보, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다양한 구성에서, HMI 장치(174)는 디스플레이, 터치 스크린, 키보드, 마우스, 모션 검출기, 스피커, 마이크로폰, 카메라, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. HMI 장치(174)는, 예를 들어, 제어기(166)에 액세스하기 위한 특정 생체측정(biometric) 정보를 요구하기 위해, 예를 들어 지문 정보, 망막 정보, 음성 정보, 및/또는 안면 특징 정보와 같은 생체측정 정보를 입력하기 위한 임의의 적합한 장치를 추가로 포함할 수 있다.
제어기(166)는 연결부(160)를 통해 발광기(154)로 명령어를 전달함으로써 발광기(154)로부터의 광(L)의 방출을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 연결부(162)를 통해 수광기(156)에 의해 수신된 광(L)의 일부분을 나타내는 신호를 수광기(156)로부터 수신할 수 있다. 연결부(160, 162) 각각은 유선 연결부 또는 무선 연결부일 수 있다. 적합한 무선 연결부의 예는 지그비(ZigBee), Z-파, 블루투스, Wi-Fi, 또는 무선파를 포함한다. 수광기(156)에 의해 수신된 광(L)의 일부분은 제어기(166)에 의해 구현되는 제어 루프 내로의 피드백을 포함할 수 있고, 이는 아래에서 추가로 논의될 것이다. 제어기(166)는, 피드백으로 또한 지칭될 수 있는, 수광기(156)로부터 수신된 광(L)에 관한 정보를 사용하여, 별개의 시점에서의 니들(76)의 위치를 결정할 수 있다. 제어기(166)는 또한, 수광기(156)로부터 수신된 광(L)에 관한 정보를 사용하여, 별개의 시점에서의 니들(76)의 속도를 결정할 수 있다. 제어기(166)는, 발광기(154) 및 수광기(156)와 신호 통신하는 것에 더하여, 액추에이터 조립체(111)의 압전 장치(112)와 또한 신호 통신할 수 있다. 수광기(156)로부터 피드백을 수신한 것에 응답하여, 제어기(166)는 원하는 분사된 재료 도트 크기 및 형상을 유지하기 위해 후술되는 제어 루프(200a 내지 200c) 중 하나를 사용하여 액추에이터 조립체(111)의 작동을 조절할 수 있다.
제어기(166)는 액추에이터 조립체(111)의 작동, 및 그에 따른 제1 위치와 제2 위치 사이에서의 니들(76)의 이동을 제어하기 위해 제어 루프를 구현하도록 구성된다. 이를 달성하기 위해, 제어 루프는 제어 루프(200a 내지 200c)(도 5a 내지 도 5c) 중 하나를 포함할 수 있다. 제어 루프(200a 내지 200c) 내로의 입력은 액추에이터 조립체(111)의 압전 장치(112)에 제공되는 원하는 전압 파형일 수 있다. 메모리(170)는 다양한 전압 파형들을 저장하도록 구성될 수 있는데, 이들 각각은 니들(76)의 특정 이동 패턴 또는 속도 및 특정 도트 크기 및/또는 형상에 대해 미리결정된 관계를 갖는다. 제어 루프들(200a 내지 200c) 중 특정한 하나에 제공되는 특정 전압 파형은 HMI 장치(174) 내로의 특정 입력에 응답하여 메모리(170)로부터 리콜(recall)될 수 있다. HMI 장치(174)에 제공되는 입력은 니들(76)의 원하는 분사 동작, 특정 분사 작동, 이용될 특정 유체 또는 기재, 특정 분사 도트 크기 및 형상, 압전 장치(112)에 제공하기 위한 초기 전압 값, 압전 장치(112)에 인가되는 전압의 전압 변화율(rate) 등일 수 있다. 이들 입력 각각 및 다른 입력들은 메모리(170)에 저장된 특정 전압 파형과 상관될 수 있고, 이는 대응하는 입력의 수신 시 제어 루프(200a 내지 200c) 중 하나 내로 자동으로 리콜되고 입력될 수 있다. 마찬가지로, 제어 루프(200a 내지 200c) 각각의 출력은, 센서 조립체(138)로부터 수신된 피드백으로부터 부분적으로 결정되는 원하는 니들 이동을 달성하기 위해 압전 장치(112)에 제공되는 전압 또는 전압 변화율에 대한 조절이다.
도 5a는 제어기(166)에 의해 구현될 수 있는 일 실시예의 제어 루프(200a)를 도시한다. 제어 루프(200a)는 전형적인 피드백 제어기를 구현한다. 제어 루프(200a)는, 전술된 바와 같이, 원하는 전압 파형의 형태를 취할 수 있는 입력을 수신한다. 그러나, 이러한 입력은 제어 루프(200a)에 제공되는 온전한 입력을 단지 부분적으로 포함한다. 원하는 전압 파형에 더하여, 제어 루프(200a)는 센서 조립체(138), 특히 수광기(156)로부터 수신된 피드백을 입력에 통합한다. 이어서, 이러한 온전한 입력은 피드백 제어기(204)에 제공되는데, 상기 피드백 제어기는 원하는 파형을 구현하는 입력에 기초하여 니들(76)의 의도된 위치 또는 속도와 수광기(156)로부터 수신된 피드백을 비교하고, 원하는 전압 파형 및 그에 따라 니들(76)의 원하는 이동을 달성하기 위해 압전 장치(112)에 제공되는 전압 또는 전압 변화율에 대한 조절인 출력을 생성한다. 이러한 피드백 제어기(204)는 압전 장치(112)에 제공되는 전압과 메모리(170)에 저장된 니들(76)의 속도 또는 위치 사이의 다양한 미리결정된 관계들을 참조하여 이러한 조절을 계산할 수 있다.
도 5b는 제어기(166)에 의해 구현될 수 있는 다른 실시예의 제어 루프(200b)를 도시한다. 제어 루프(200b)는 피드백과 피드포워드 제어의 조합을 구현한다. 제어 루프(200a)는 원하는 파형의 형태를 취할 수 있는 입력을 수신하고, 이는 후속하여 센서 조립체(138)의 수광기(156)로부터 수신되어 피드백 제어기(204)에 제공되는 피드백과 통합된다. 제어 루프(200a)와 마찬가지로, 피드백 제어기(204)는 원하는 파형을 구현하는 입력에 기초하여 니들(76)의 의도된 위치 또는 속도와 수광기(156)로부터 수신된 피드백을 비교하고, 원하는 전압 파형 및 그에 따라 니들(76)의 원하는 이동을 달성하기 위해 압전 장치(112)에 제공되는 전압 또는 전압 변화율에 대한 조절인 출력을 생성한다. 이러한 피드백 제어기(204)는 압전 장치(112)에 제공되는 전압과 메모리(170)에 저장된 니들(76)의 속도 또는 위치 사이의 다양한 미리결정된 관계들을 참조하여 이러한 조절을 계산할 수 있다. 그러나, 제어 루프(200b)는 또한 피드포워드 제어기(208)를 포함하는데, 상기 피드포워드 제어기는 원하는 파형의 입력을 수신할 수 있고, 피드백 제어기(204)를 바이패스하고 피드백 제어기(204)의 출력과 조합되는, 압전 장치(112)에 제공되는 전압 또는 전압 변화율에 대한 조절인 출력을 생성한다. 피드포워드 제어기(208)의 이러한 사용은 피드백 제어기(204)에 의해 생성된 조절 출력으로 인한 니들(76)의 이동을 예상하고 그의 교란을 최소화하는 것을 도울 수 있다.
도 5c는 제어기(166)에 의해 구현될 수 있는 제3 실시예의 제어 루프(200c)를 도시한다. 제어 루프(200c)는 피드백과 피드포워드 제어의 대안적인 조합을 구현한다. 제어 루프(200b)는 원하는 파형의 형태를 취할 수 있는 입력을 수신하고, 이는 후속하여 피드포워드 제어기(208)에 대한 입력으로서 제공된다. 이어서, 피드포워드 제어기(208)는, 센서 조립체(138)의 수광기(156)로부터 수신된 피드백과 조합되어 피드백 제어기(204)에 제공되는 입력을 형성하는 출력을 제공한다. 이어서, 피드백 제어기(204)는 수광기(156)로부터 수신된 피드백과 피드포워드 제어기(208)로부터의 출력을 비교하고, 원하는 전압 파형 및 그에 따라 니들(76)의 원하는 이동을 달성하기 위해 압전 장치(112)에 제공되는 전압 또는 전압 변화율에 대한 조절인 출력을 생성한다. 이러한 피드백 제어기(204)는 압전 장치(112)에 제공되는 전압과 메모리(170)에 저장된 니들(76)의 속도 또는 위치 사이의 다양한 미리결정된 관계들을 참조하여 이러한 조절을 계산할 수 있다. 피드포워드 제어기(208)의 이러한 사용은 피드백 제어기(204)에 의해 야기된 조절로 인한 니들(76)의 이동을 예상하고 그의 교란을 최소화하기 위한 대안적인 방법을 제공한다.
이러한 제어 루프(200a)는 분사 사이클 전체에 걸쳐 니들(76)의 이동을 연속적으로 모니터링 및 조절하기 위해 연속적으로 구현될 수 있다. 니들(76)의 속도에 관하여, 제어기(166)는 니들(76)의 속도가 미리결정된 임계치 초과인 경우에 제어 루프(200a 내지 200c) 중 임의의 것이 압전 장치(112)에 공급되는 전압 또는 전압 변화율을 감소시키도록, 또는 대안적으로, 니들(76)의 속도가 미리결정된 임계치 미만인 경우에 제어 루프(200a 내지 200c) 중 임의의 것이 압전 장치(112)에 공급되는 전압 또는 전압 변화율을 증가시키도록 프로그래밍될 수 있다. 제어기(166)는 허용가능한 범위의 니들 속도가 존재하도록 그리고 니들(76)의 속도가 허용가능한 범위 내에 있는 경우에 압전 장치(112)에 공급되는 전압 변화율이 유지되도록 프로그래밍될 수 있다. 허용가능한 범위 및/또는 미리결정된 임계치는 HMI 장치(174)를 통해 사용자에 의해 제어기(166)에 제공될 수 있거나 메모리(170)로부터 리콜될 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 니들(76)을 일정 기간에 걸쳐 제2 위치로부터 제1 위치로 그리고 다시 제2 위치로 전이시키기 위해 액추에이터 조립체(111)의 압전 장치(112)에 제공되는 예시적인 전압 파형(250)의 도표가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 전압 파형(250)은 사인파형이 아닐 수 있고, 오히려 어느 정도 톱니 형상을 취할 수 있다. 이는 니들(76)을 제1 위치로부터 제2 위치로 전이시키는 경우 원하는 형상 및 크기를 갖는 이산량의 재료가 노즐(56)로부터 분사되도록 니들(76)의 급격한 강하가 요구되기 때문이다. 도시된 바와 같이, 전압 파형(250)은 몇몇 별개의 섹션을 갖는다. 베이스라인 부분(254)에서, 0 마이크로초와 500 마이크로초 사이에 전압이 압전 장치(112)에 공급되지 않는다. 500 마이크로초에서, 전압 파형(250)의 증가 부분(258a)이 시작된다. 전압 파형(250)의 이러한 증가 부분(258)은 500 마이크로초에서 약 2700 마이크로초까지 계속되고, 압전 장치(112)에 공급되는 전압이 연속적으로 증가하는 동안 전압 파형(250)의 일부분을 한정한다. 전압의 이러한 증가는 압전 장치(112)가 확장되게 하여, 그에 따라 니들(76)을 노즐(56)로부터 멀리 당긴다. 도시된 바와 같이, 증가 부분(258)은 제1 부분(258a) 및 제2 부분(258b)을 포함한다. 제1 부분(258a) 동안, 전압 수준은 제2 부분(258b)에서보다 빠르게 증가한다. 그 결과, 니들(76)은 단부에 있는 것보다 전압 파형(250)의 증가 부분(258)을 수신하는 압전 장치(112)의 시작 동안 더 빨리 노즐(56)로부터 멀리 당겨진다. 전압 파형(250)의 증가 부분(258)이 전압 증가 속도가 상이한 2개의 섹션을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 더 많거나 더 적은 섹션들이 고려된다.
전압 파형(250)의 증가 부분(258) 후에, 전압은 약 2700 마이크로초에서 약 2800 마이크로초까지 일정한 전압으로 압전 장치(112)에 공급된다. 전압 파형의 이러한 일정한 부분(262)은 니들(76)이 제1 위치로 완전히 후퇴되는 시간을 나타내고, 체류로 지칭된다. 제어 루프(200a 내지 200c) 중 하나를 사용하여 파형의 일정한 부분(262) 동안 압전 장치(112)에 인가되는 전압을 조절함으로써 니들(76)의 체류 위치를 조절함으로써 노즐(56)로부터 분사되는 재료의 도트의 형상 및 크기를 제어하는 것을 도울 수 있다. 일정한 부분(262) 후에, 압전 장치(112)에 인가되는 전압은 감소 부분(264) 동안 0으로 빠르게 강하한다. 전압 파형(250)의 감소 부분(264) 동안 압전 장치(112)에 공급되는 전압의 이러한 빠른 강하는 압전 장치(112)의 빠른 수축을 야기하여, 그에 따라 니들(76)이 밸브 시트(80)를 타격할 때까지 노즐(56)을 향해 니들(76)을 빠르게 구동시킨다. 이는 미리결정된 크기 및 형상을 갖는 재료의 도트가 어플리케이터(10)의 노즐(56)로부터 기재 상으로 분사되게 한다. 제어 루프들(200a 내지 200c) 중 하나를 사용하여 전압 파형(250)의 감소 부분(264) 동안 전압이 감소하는 속도를 변경시킴으로써, 어플리케이터(10)로부터 분사되는 재료의 도트 크기 및 형상은 추가로 제어될 수 있다.
도 7을 계속 참조하면, 미리결정된 재료 도트 크기 및 형상을 유지하기 위해 센서 조립체(138) 및 연결된 제어기(166)를 사용하여 니들(76)의 이동을 제어하기 위한 방법(300)이 논의될 것이다. 방법(300)은 먼저 단계(302)에서 액추에이터 조립체(111)의 압전 장치(112)를 작동시키는 단계를 포함한다. 압전 장치(112)를 작동시킴으로써, 전술된 바와 같이, 니들(76)은 제1 위치와 제2 위치 사이에서 수직 방향(6)을 따라 병진한다. 이러한 왕복 이동은 일정량의 재료를 노즐(56)로부터 분사시키는 기능을 한다. 단계(302)를 수행하기 전에, 그 동안에, 또는 그 후에 개시될 수 있는 단계(306)에서, 제어기(166)는 발광기(154)로부터 수광기(156)로의 광(L)의 방출을 개시할 수 있어서, 액추에이터 조립체(111) 또는 니들(76)의 일부분이 광(L)과 상호작용하게 한다. 위에서 언급된 바와 같이, 광(L)은 수직 방향(6)에 수직인 방향(D)을 따라 방출될 수 있고, 액추에이터 조립체(111) 또는 니들(76)의 일부분이 광(L)을 부분적으로 차단하도록 방출될 수 있다. 대안적으로, 광(L)은 액추에이터 조립체(111) 또는 니들(76)의 일부분이 광(L)을 반사하도록 방출될 수 있다. 단계(302, 306) 후에, 방법(300)은 단계(310)에서 수광기(156)로부터 제어기(166)에 의해 수신된 피드백에 기초하여 별개의 시점에서의 니들(76)의 위치를 결정하는 단계를 포함한다. 단계(310) 후에 또는 그와 동시에, 단계(314)에서, 제어기(166)는 수광기(156)로부터 제어기(166)에 의해 수신된 피드백에 기초하여 별개의 시점에서의 니들(76)의 속도를 결정할 수 있다.
니들의 위치 및/또는 속도가 단계(310, 314)에서 결정된 후에, 제어기(166)는 수광기(156)로부터 제어기(166)에 의해 수신된 피드백에 기초하여 단계(318)에서 압전 장치(112)의 작동을 조절할 수 있다. 이러한 조절은 메모리(170)에 저장되는 전압과 니들 속도 또는 위치 사이의 미리결정된 관계에 따라 압전 장치(112)에 공급되는 전압을 조절함으로써 달성될 수 있다. 조절은 도 5a 내지 도 5c에 도시된 제어 루프(200a 내지 200c) 중 임의의 하나 또는 이들의 조합을 사용하여 결정될 수 있는데, 이들 각각은 어플리케이터(10)의 사용자에 의해 HMI 장치(174)에 제공되는 입력을 포함한다. 조절하는 단계(318)는 니들(76)의 속도가 미리결정된 임계치 초과인 경우에 압전 장치(112)에 공급되는 전압을 감소시키는 단계, 니들(76)의 속도가 미리결정된 임계치 미만인 경우에 압전 장치(112)에 공급되는 전압을 증가시키는 단계, 또는 니들(76)의 속도가 미리결정된 범위 내에 있는 경우에 압전 장치(112)에 공급되는 전압을 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
니들(76)의 위치 및 속도에 대한 피드백을 연속적으로 획득하고 이러한 정보를 사용하여 압전 장치(112)에 제공되는 전압 파형을 제어함으로써, 어플리케이터(10)로부터 분사되는 재료 도트 크기 및 형상이 시간 경과에 따라 일정하게 유지될 수 있다. 센서 조립체(138)의 발광기(154) 및 수광기(156)의 사용은 이러한 피드백을 얻기 위한 고도로 정확한 시스템을 제공하여, 순간적인 니들(76) 위치 및 속도의 정확한 결정이 용이하게 획득될 수 있게 한다. 추가로, 제어 루프(200a 내지 200c)는 센서 조립체(138)로부터 제어기(166)에 의해 획득된 정보를 사용하여 압전 장치(112)에 의해 제공되는 전압을 조절하는 것을, 그러한 교정 동작을 취하는 것으로부터 비롯될 수 있는 부정적인 결과를 최소화하면서, 도울 수 있다.
본 발명의 다양한 발명적 태양, 개념 및 특징부가 예시적인 실시예에서 조합적으로 구현되는 것으로 본 명세서에서 설명되고 예시될 수 있지만, 이들 다양한 태양, 개념 및 특징부는 많은 대안적인 실시예에서, 개별적으로 또는 이들의 다양한 조합 및 하위 조합으로 사용될 수 있다. 본 명세서에서 명백히 배제되지 않는 한, 모든 그러한 조합 및 하위 조합은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 의도된다. 본 발명의 일부 특징부, 개념 또는 태양이 바람직한 배열 또는 방법인 것으로 본 명세서에서 설명될 수 있지만, 그러한 설명은 명백하게 그렇게 언급되어 있지 않는 한 그러한 특징부가 요구되거나 필요하다는 것을 암시하려는 의도가 아니다. 또한 추가로, 예시적인 또는 대표적인 값 및 범위가 본 발명의 이해를 돕기 위해 포함될 수 있지만; 그러한 값 및 범위는 제한적인 의미로 해석되지 않아야 하며, 그렇게 명시적으로 언급되는 경우에만 임계 값 또는 범위인 것이도록 의도된다. 예시적인 방법 또는 공정의 설명은 모든 경우에 요구되는 것으로서 모든 단계를 포함하는 것으로 제한되지 않으며, 단계들이 제시되는 순서도 명확히 그렇게 언급되지 않는 한 요구되거나 필요한 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims (25)

  1. 재료 어플리케이터의 니들(needle) 이동을 제어하기 위한 시스템으로서,
    압전 장치를 포함하고, 니들에 연결되고, 수직 방향을 따라 상기 니들을 병진시키도록 구성되는 액추에이터 조립체;
    센서 조립체 - 상기 센서 조립체는,
    광을 방출하기 위한 발광기 - 상기 액추에이터 조립체의 일부분 또는 상기 니들의 일부분이 상기 광의 일부분을 차단함 -;
    상기 광의 차단되지 않은 부분을 수신하기 위한 수광기; 및
    상기 발광기 및 상기 수광기를 고정하도록 구성된 센서 홀더를 포함함 -; 및
    상기 압전 장치, 발광기, 및 수광기와 전기 통신하고, 상기 수광기로부터 수신된 피드백에 기초하여 상기 액추에이터 조립체의 작동을 조절하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 니들은 일정량의 재료를 노즐로부터 분사시키도록 구성되고, 상기 제어기는 상기 니들에 의해 상기 노즐로부터 분사된 상기 재료의 일정한 크기 및 형상을 유지하기 위해 상기 압전 장치에 제공되는 전압을 조절하도록 구성되는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 발광기는 상기 수직 방향에 수직인 방향을 따라 상기 광을 방출하는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 피드백 제어를 포함하는 제어 루프를 구현하도록 구성되고, 상기 피드백 제어는 상기 수광기로부터 수신된 피드백에 기초하여 상기 압전 장치에 제공되는 전압 또는 전압 변화율(rate)을 조절하는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 센서 조립체는 상기 수직 방향을 따라 상기 액추에이터 조립체에 대해 조절가능한, 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 액추에이터 조립체 위에 위치된 정지부; 및
    상기 액추에이터 조립체 아래에 위치되는 하우징을 추가로 포함하고,
    상기 센서 조립체는 상기 정지부 및 상기 하우징에 해제가능하게 결합되는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터 조립체는 1) 상기 니들이 노즐의 밸브 시트(valve seat)로부터 이격되는 제1 위치와, 2) 상기 니들이 상기 밸브 시트와 접촉하는 제2 위치 사이에서 상기 니들을 전이시키도록 구성되어, 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이에서 상기 니들을 전이시키는 것이 일정량의 재료를 상기 노즐로부터 분사시키게 하는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 수광기로부터 수신된 상기 피드백에 기초하여 상기 니들의 위치 또는 속도를 결정하도록 구성되는, 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어기는 상기 속도가 미리결정된 임계치 초과인 경우 상기 압전 장치에 공급되는 전압 또는 전압 변화율을 감소시키도록 구성되는, 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제어기는 상기 속도가 미리결정된 임계치 미만인 경우 상기 압전 장치에 공급되는 전압 또는 전압 변화율을 증가시키도록 구성되는, 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제어기는 메모리를 포함하고, 상기 제어기는 상기 니들의 속도와 전압 사이의 미리결정된 관계에 기초하여 상기 압전 장치에 공급되는 전압을 조절하도록 구성되고, 상기 미리결정된 관계는 상기 메모리에 저장되는, 시스템.
  12. 니들에 결합된 액추에이터 조립체를 포함하는 재료 어플리케이터의 니들 이동을 제어하는 방법으로서,
    상기 니들이 수직 방향을 따라 병진하도록 상기 액추에이터 조립체의 압전 장치를 작동시키는 단계;
    발광기로부터 수광기로 광을 방출하여 상기 액추에이터 조립체의 일부분 또는 상기 니들의 일부분이 상기 광의 일부분을 차단하고 상기 수광기가 상기 광의 차단되지 않은 부분을 수신하게 하는, 광을 방출하는 단계; 및
    상기 수광기로부터의 피드백에 기초하여 상기 압전 장치의 작동을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 니들에 의해 노즐로부터 일정량의 재료를 분사시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 조절하는 단계는 상기 노즐로부터 분사된 재료의 일정한 크기 및 형상을 유지하도록 상기 압전 장치에 제공되는 전압 또는 전압 변화율을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 방출하는 단계는 상기 수직 방향에 수직인 방향을 따라 상기 광을 방출하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 수직 방향을 따라 상기 발광기 및 상기 수광기를 지지하는 센서 홀더를 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 작동시키는 단계는 1) 상기 니들이 노즐의 밸브 시트로부터 이격되는 제1 위치와, 2) 상기 니들이 상기 밸브 시트와 접촉하는 제2 위치 사이에서 상기 니들을 전이시켜 일정량의 재료를 상기 노즐로부터 분사시키는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 수광기로부터 수신된 상기 피드백에 기초하여 상기 니들의 위치 또는 속도를 결정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 조절하는 단계는 상기 속도가 미리결정된 임계치 초과인 경우 상기 압전 장치에 공급되는 전압을 감소시키는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 조절하는 단계는 상기 속도가 미리결정된 임계치 미만인 경우 상기 압전 장치에 공급되는 전압을 증가시키는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제18항에 있어서, 상기 조절하는 단계는 상기 니들의 속도와 전압 사이의 저장된 관계에 기초하여 상기 압전 장치에 공급되는 전압을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 재료 어플리케이터의 니들 이동을 제어하기 위한 시스템으로서,
    압전 장치를 포함하고, 니들에 연결되고, 1) 상기 니들이 노즐의 밸브 시트로부터 이격되는 제1 위치와, 2) 상기 니들이 상기 밸브 시트와 접촉하는 제2 위치 사이에서 수직 방향을 따라 상기 니들을 병진시키도록 구성되어 일정량의 재료를 상기 노즐로부터 분사시키는 액추에이터 조립체;
    센서 조립체 - 상기 센서 조립체는,
    광을 방출하기 위한 발광기 - 상기 액추에이터 조립체의 일부분 또는 상기 니들의 일부분이 상기 광의 일부분을 차단함 -;
    상기 발광기로부터 상기 액추에이터 조립체의 반대편 측부 상에 위치되는, 상기 광의 차단되지 않은 부분을 수신하기 위한 수광기; 및
    상기 발광기 및 상기 수광기를 고정하도록 구성된 센서 홀더를 포함함 -; 및
    상기 압전 장치, 발광기, 및 수광기와 전기 통신하고, 상기 수광기로부터 수신된 피드백에 기초하여 상기 액추에이터 조립체의 압전 장치에 공급되는 전압을 조절하여 상기 노즐로부터 분사된 재료의 일정한 크기 및 형상을 유지하기 위해 피드백 루프를 작동시키도록 구성되는 제어기를 포함하는, 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 압전 장치에 공급되는 상기 전압은 파형을 한정하고, 상기 파형은,
    상기 압전 장치에 공급되는 상기 전압이 증가하는 증가 섹션;
    상기 증가 섹션 후에, 일정한 전압을 한정하는 체류(dwell) 섹션; 및
    상기 체류 섹션 후에, 상기 압전 장치에 공급되는 상기 전압이 감소하는 감소 섹션을 포함하고,
    상기 감소 섹션은 상기 증가 섹션보다 큰 전압 변화의 크기 변화율을 한정하는, 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제어기는 상기 파형의 체류 섹션을 조절하도록 구성되는, 시스템.
  25. 제23항에 있어서, 상기 제어기는 상기 파형의 감소 섹션을 조절하도록 구성되는, 시스템.
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