(57)【要約】  噴射ディスペンサは、適用される電圧に応じて第１距離だけ延長する圧電ユニットと、当該圧電ユニットに動作可能に結合された増幅器と、を有するアクチュエータを備える。増幅器は、第１端及び第２端を含んでおり、前記第２端は、電圧適用時に、前記第１距離よりも大きい第２距離だけ移動する。第１及び第２バネが、圧電ユニットの両側に配置されている。前記バネは、前記圧電ユニットを一定の圧縮状態に維持するように、前記圧電ユニットに結合されている。流体本体部は、増幅器の第２端に動作可能に結合された可動シャフトを含み、流体孔及び出口オリフィスを含んでいる。可動シャフトは、電圧適用時に増幅器の第２端によって移動され、出口オリフィスを介して流体孔からある量の流体を噴射させる。
2018524151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
適用される電圧に応じて第１距離だけ延長する圧電ユニット、当該圧電ユニットに動作可能に結合された増幅器、及び、前記圧電ユニットの両側に配置された一対のバネ、を有するアクチュエータと、
前記増幅器に動作可能に結合された可動シャフト、流体孔、及び、出口オリフィス、を有する流体本体部と、
を備え、
前記バネは、前記圧電ユニットを一定の圧縮状態に維持するように、前記圧電ユニットに結合されており、
前記可動シャフトは、電圧が前記圧電ユニットに適用されて且つ除去される時に、前記増幅器によって移動され、前記出口オリフィスを介して前記流体孔からある量の流体を噴射させるべく当該可動シャフトが移動する
ことを特徴とする噴射ディスペンサ。
【請求項２】
前記一対のバネは、更に、第１及び第２平坦バネを有している
ことを特徴とする請求項１に記載の噴射ディスペンサ。
【請求項３】
前記アクチュエータは、更に、上方アクチュエータ部を有しており、
前記第１及び第２平坦バネは、それぞれ、第１端と第２端とを有しており、
前記第１端同士が、前記上方アクチュエータ部に固定されており、
前記第２端同士が、電圧適用時に前記増幅器と移動するべく固定されている
ことを特徴とする請求項２に記載の噴射ディスペンサ。
【請求項４】
前記第２端同士は、前記増幅器に結合されたアーマチュアに固定されており、
前記アーマチュアは、前記電圧が適用されて除去される時、前記圧電ユニットによって移動される
ことを特徴とする請求項３に記載の噴射ディスペンサ。
【請求項５】
前記アクチュエータは、
前記圧電ユニットを含む上方アクチュエータ部と、
前記圧電ユニットに動作可能に結合されたレバーを含む下方アクチュエータ部と、を有しており、
前記上方アクチュエータ部は、第１熱膨張係数を有する第１材料から形成されており、
前記下方アクチュエータ部は、第２熱膨張係数を有する第２材料から形成されており、
前記第１熱膨張係数は、前記第２熱膨張係数よりも低い
ことを特徴とする請求項１に記載の噴射ディスペンサ。
【請求項６】
前記アクチュエータは、
前記圧電ユニットを含む上方アクチュエータ部と、
前記増幅器を含む下方アクチュエータ部と、を有しており、
前記増幅器は、前記下方アクチュエータ部と一体的に形成されており、当該下方アクチュエータ部内の一連のスリットによって形成された撓み部を含んでいる
ことを特徴とする請求項１に記載の噴射ディスペンサ。
【請求項７】
適用される電圧に応じて第１距離だけ延長する圧電ユニット、当該圧電ユニットを含む上方アクチュエータ部、及び、前記圧電ユニットに動作可能に結合された増幅器を含む下方アクチュエータ部、を有するアクチュエータと、
可動シャフト、流体孔、及び、出口オリフィス、を有する流体本体部と、
を備え、
前記増幅器は、第１端及び第２端を含んでおり、
前記第２端は、電圧適用時の前記第１距離よりも大きい第２距離だけ移動するようになっており、
前記上方アクチュエータ部は、第１熱膨張係数を有する第１材料から形成されており、
前記下方アクチュエータ部は、第２熱膨張係数を有する第２材料から形成されており、
前記第１熱膨張係数は、前記第２熱膨張係数よりも低く、
前記可動シャフトは、前記増幅器の前記第２端に動作可能に結合されており、
前記可動シャフトは、前記増幅器の前記第２端によって移動されて、前記出口オリフィスを介して前記流体孔からある量の流体を噴射する
ことを特徴とする噴射ディスペンサ。
【請求項８】
前記第１熱膨張係数の前記第２熱膨張係数に対する比は、少なくとも１：５である
ことを特徴とする請求項７に記載の噴射ディスペンサ。
【請求項９】
前記第１熱膨張係数の前記第２熱膨張係数に対する比は、少なくとも１：１０である
ことを特徴とする請求項７に記載の噴射ディスペンサ。
【請求項１０】
前記下方アクチュエータ部を形成する前記第２材料は、ステンレス鋼を有し、
前記上方アクチュエータ部を形成する前記第１材料は、合金を有する
ことを特徴とする請求項７に記載の噴射ディスペンサ。
【請求項１１】
前記合金は、ニッケル鉄合金を有する
ことを特徴とする請求項１０に記載の噴射ディスペンサ。
【請求項１２】
適用される電圧に応じて第１距離だけ延長する圧電ユニット、当該圧電ユニットを含む上方アクチュエータ部、及び、前記圧電ユニットに動作可能に結合された増幅器を含む下方アクチュエータ部、を有するアクチュエータと、
可動シャフト、流体孔、及び、出口オリフィス、を有する流体本体部と、
を備え、
前記増幅器は、第１端及び第２端を含んでおり、
前記第２端は、電圧適用時の前記第１距離よりも大きい第２距離だけ移動するようになっており、
前記増幅器は、前記下方アクチュエータ部と一体的に形成されており、当該下方アクチュエータ部内の一連のスリットによって形成された撓み部を含んでおり、
前記可動シャフトは、前記増幅器の前記第２端に動作可能に結合されており、
前記可動シャフトは、前記増幅器の前記第２端によって移動されて、前記出口オリフィスを介して前記流体孔からある量の流体を噴射する
ことを特徴とする噴射ディスペンサ。
【請求項１３】
適用される電圧に応じて第１距離だけ延長する圧電ユニットと、
当該圧電ユニットを含む上方アクチュエータ部と、
前記圧電ユニットに動作可能に結合された増幅器を含む下方アクチュエータ部と、
可動シャフト、流体孔、及び、出口オリフィス、を有する流体本体部と、
を備え、
前記増幅器は、第１端及び第２端を含んでおり、
前記第２端は、電圧適用時の前記第１距離よりも大きい第２距離だけ移動するようになっており、
前記増幅器は、前記下方アクチュエータ部と一体的に形成されており、撓み部を含んでおり、
前記可動シャフトは、前記増幅器の前記第２端に動作可能に結合されており、
前記可動シャフトは、前記増幅器の前記第２端によって移動されて、前記出口オリフィスを介して前記流体孔からある量の流体を噴射する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１４】
電圧適用時に第１距離から第２距離までの圧電式アクチュエータの機械的に増幅された動きをもたらす際に使用される増幅器であって、
電圧適用時に前記圧電式アクチュエータと共に移動するべく結合されるようになっているアーマチュアと、
前記アーマチュアと一体的に形成されて、前記圧電式アクチュエータが前記第１距離だけ移動する時に撓みを提供するための一連のスロットを含んでいる撓み部と、
前記撓み部に結合され、第１端及び第２端を有するレバーと、
を備え、
前記第２端は、電圧適用時に、前記第１距離より大きい前記第２距離だけ移動する
ことを特徴とする増幅器。
【請求項１５】
圧電ユニット、上方アクチュエータ部、前記圧電ユニットに結合された増幅器、前記増幅器に結合されたアーマチュア、及び、前記圧電ユニットの両側に配置された第１及び第２平坦バネ、を備え、前記第１及び第２平坦バネは、それぞれ、第１端及び第２端を含んでおり、前記第１端同士は、前記上方アクチュエータ部に固定されており、前記第２端同士は、前記アーマチュアに結合されている、というアクチュエータを用いた流体噴射方法であって、
前記第１及び第２平坦バネを用いて前記圧電ユニットの一定の圧縮状態を維持する工程と、
前記圧電ユニットに電圧を適用して、当該圧電ユニットを第１距離だけ延長させ、第２端同士を前記増幅器と共に移動させ、及び、前記アーマチュアを移動させる工程と、
を備え、
前記圧電ユニットを延長させる工程は、前記増幅器を第２距離だけ起動させ、
前記第２距離は、前記第１距離よりも大きく、
前記増幅器の起動は、流体本体部の可動シャフトの移動を引き起こして、当該流体本体部の流体孔から出口オリフィスを介してある量の流体を噴射させる
ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記アクチュエータは、前記増幅器を含む下方アクチュエータ部を更に有しており、
前記上方アクチュエータ部は、第１熱膨張係数を有する第１材料から形成されており、
前記下方アクチュエータ部は、第２熱膨張係数を有する第２材料から形成されており、
前記第１熱膨張係数は、前記第２熱膨張係数よりも低い
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記増幅器は、前記アーマチュアに動作可能に結合された第１端と、前記可動シャフトに動作可能に結合された第２端と、を有しており、
当該方法は、前記第２距離だけ前記増幅器の前記第２端を移動させる工程を更に備えている
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
圧電式アクチュエータの第１距離の移動を機械的に増幅する方法であって、
前記圧電式アクチュエータへの電圧適用時に、当該圧電式アクチュエータに動作可能に結合されたレバーの第１端を前記第１距離だけ移動する工程と、
前記電圧適用時に前記レバーの第２端を第２距離だけ移動する工程と、
を備え、
前記第２距離は、前記第１距離よりも大きい
ことを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記圧電式アクチュエータへの電圧適用時に、当該圧電式アクチュエータに結合されたアーマチュアを移動する工程と、
前記圧電式アクチュエータが前記第１距離だけ移動する時に、前記アーマチュアと一体的に形成され前記レバーに動作可能に結合された撓み部を撓ませる工程と、
を更に備えたことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記撓み部は、当該撓み部の撓みを提供するための一連のスロットを含んでいる
ことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１５年５月２２日出願の米国仮出願第６２／１６５，２４４の優先権を主張するものである。当該仮出願の全体の内容は、この参照によって、本明細書に組み込まれる（incorporated by reference）。
【０００２】
本発明は、全体として、基板上に粘性のある流体の小滴を堆積させる非接触式の噴射ディスペンサに関している。特には、１以上の圧電素子によって作動される当該タイプのディスペンサに関している。
【背景技術】
【０００３】
非接触式の粘性材料ディスペンサは、しばしば、基板上に、例えば５０センチポワーズを超える粘度を有する粘性材料の微小量を適用（塗布）するために用いられる。例えば、非接触式の粘性材料ディスペンサは、プリント基板のような電子基板上に様々な粘性材料を適用（塗布）するために用いられる。電子基板に適用（塗布）される粘性材料は、一般用途の接着剤、紫外線硬化接着剤、はんだペースト、はんだ溶剤（solder flux）、はんだマスク、熱グリース、蓋シール材、オイル、カプセル化剤、埋込用樹脂、エポキシ樹脂、ダイ取り付けペースト、シリコン、ＲＴＶ、シアノアクリレート、を例示的に含むが、それらに限定はされない。
【０００４】
非接触式の噴射ディスペンサから基板上に粘性材料をディスペンスするという具体的な応用は、多様に存在している。半導体パッケージ組立においては、とりわけ、下地埋め（underfilling）、ボールグリッドアレイ内でのはんだボール補強、堰き止め充填操作（dam and fill operations）、チップカプセル化（chip encapsulation）、チップスケールパッケージの下地埋め（underfilling chip scale packages）、キャビティ充填ディスペンシング（cavity fill dispensing）、ダイ取り付けディスペンシング（die attach dispensing）、蓋シールディスペンシング（lid seal dispensing）、流れ無し下地埋め（no flow underfilling）、流動噴射（flux jetting）、熱材料ディスペンシング、といった用途が存在する。印刷回路基板（ＰＣＢ）の生産の表面取り付け技術（ＳＭＴ）のために、表面取り付け接着剤、はんだペースト、導電性接着剤、及び、はんだマスク材料が、選択的な流動噴射と同様に、非接触式のディスペンサからディスペンスされる。等角性（conformal）の被覆も、非接触式のディスペンサを用いて選択的に適用され得る。一般的に、硬化された粘性材料は、印刷基板及びその上に取り付けられた装置を、湿気や菌類や埃や腐食や摩耗等の環境ストレスに起因する害から保護する。硬化された粘性材料は、特定の被覆されていない領域において、導電特性及び／または熱伝導特性を維持し得る。用途は、ディスク駆動分野や、医療用電子機器のためのライフサイエンス応用分野、接着、シーリング、ガスケット形成、ペイント及び潤滑といった一般工業用途、にも存在する。
【０００５】
噴射ディスペンサは、一般的に、当該ディスペンサの出口オリフィスから粘性材料の小滴を噴射する間、シャフトまたはタペットをシートに向かって繰り返し移動する空気圧式または電気式のアクチュエータを有し得る。電気的に起動される噴射ディスペンサは、より具体的には、圧電式（ピエゾ）アクチュエータを利用することができる。ピエゾスタック（圧電素子積層物）は、大変精確で極めて高速に反応するセラミックデバイスである。ピエゾスタックの特性は、電圧が適用される時、当該セラミック材料が一方向の変位を実施する、というものである。一つの大きな欠点は、ピエゾスタックは、大変に小さい変位を生成することである。例えば、７ｍｍ×７ｍｍ×３６ｍｍの長いスタックは、約３６ミクロンの移動を生成する。この変位量は、流体の適切な噴射にとっては、十分でない。ピエゾスタックと増幅機構とを有するアクチュエータを形成することが知られている。空間的な制限及び製品寿命も、ピエゾ材料を含むアクチュエータを設計する時、考慮される。製品寿命は、ピエゾスタックが緊張状態に置かれる時、大いに短縮化される。ピエゾスタックは、１０００Ｈｚの周波数で連続的に動作可能であることが必要であり、信頼性をもって精確に少量の流体を噴射するのに十分な力を適用することが必要である。この適用に必要な増幅を達成する幅広い方法が存在しているが、１０9という長い製品寿命を達成することは、挑戦的であり得る。ロッカーアームないしレバーによる増幅の２つの主要な方法は、回動と撓みである。回動方法は、摩耗の影響を受けやすく、それは全体の変位（量）を減らす。撓み方法は、高い応力領域の周囲で破損を生じがちである。
【０００６】
ピエゾスタックは、動作中、有意な量の熱を生成する。アクチュエータによって生成される熱量は、発熱体の温度、ピエゾ周波数、デューティサイクルなどの、幾つかの要因に依存する。この熱は、アクチュエータ内の周辺金属に伝達される。これは、レバーないしロッカーアームの位置変化に帰結して、噴射装置の意図されたストロークに不利に影響し得る。
【０００７】
少なくともこれらの理由のために、これらの問題及びその他の問題に対処するような噴射システム及び噴射方法を提供することが所望されている。
【発明の概要】
【０００８】
第１の例示的な実施形態において、本発明は、アクチュエータと流体本体部とを備えた噴射ディスペンサを提供する。アクチュエータは、適用される電圧に応じて第１距離だけ延長する圧電ユニットと、当該圧電ユニットに動作可能に結合された増幅器と、を有する。アクチュエータは、更に、前記圧電ユニットの両側に配置された一対のバネを有する。当該バネは、前記圧電ユニットを一定の圧縮状態に維持するように、前記圧電ユニットに結合されている。当該ディスペンサは、更に、前記増幅器に動作可能に結合された可動シャフト、流体孔、及び、出口オリフィス、を有する流体本体部を備える。前記可動シャフトは、電圧が前記圧電ユニットに適用されて且つ除去される時に、前記増幅器によって移動され、それによって、前記出口オリフィスを介して前記流体孔からある量の流体を噴射させるべく当該可動シャフトが移動する。
【０００９】
当該ディスペンサは、様々な実施形態において、付加的または代替的な特徴を有し得る。例えば、前記一対のバネは、更に、第１及び第２平坦バネを有している。前記アクチュエータは、更に、上方アクチュエータ部を有し得て、前記第１及び第２平坦バネは、それぞれ、第１端と第２端とを有している。前記第１端同士が、前記上方アクチュエータ部に固定されており、前記第２端同士が、電圧適用時に前記増幅器と移動するべく固定されている。前記第２端同士は、前記増幅器に結合されたアーマチュアに固定されている。前記アーマチュアは、前記電圧が適用されて除去される時、前記圧電ユニットによって移動される。
【００１０】
別の実施形態では、本発明は、適用される電圧に応じて第１距離だけ延長する圧電ユニット、当該圧電ユニットを含む上方アクチュエータ部、及び、前記圧電ユニットに動作可能に結合された増幅器を含む下方アクチュエータ部、を有するアクチュエータを備えた噴射ディスペンサを提供する。前記増幅器は、第１端及び第２端を含んでおり、前記第２端は、電圧適用時の前記第１距離よりも大きい第２距離だけ移動する。前記上方アクチュエータ部は、第１熱膨張係数を有する第１材料から形成されており、前記下方アクチュエータ部は、第２熱膨張係数を有する第２材料から形成されている。前記第１熱膨張係数は、前記第２熱膨張係数よりも低い。当該噴射ディスペンサは、更に、前記増幅器の前記第２端に動作可能に結合された可動シャフト、流体孔、及び、出口オリフィス、を有する流体本体部を備えている。前記可動シャフトは、電圧適用時に前記増幅器の前記第２端によって移動されて、前記出口オリフィスを介して前記流体孔からある量の流体を噴射する。例として、前記第１熱膨張係数の前記第２熱膨張係数に対する比は、少なくとも１：５、あるいは、少なくとも１：１０、であり得る。一実施形態において、前記下方アクチュエータ部を形成する材料は、ステンレス鋼を有し、前記上方アクチュエータ部を形成する材料は、合金を有する。前記合金は、更に、ニッケル鉄合金を有し得る。
【００１１】
別の実施形態では、本発明は、適用される電圧に応じて第１距離だけ延長する圧電ユニット、当該圧電ユニットを含む上方アクチュエータ部、及び、前記圧電ユニットに動作可能に結合された増幅器を含む下方アクチュエータ部、を有するアクチュエータを備えた噴射ディスペンサを提供する。前記増幅器は、第１端及び第２端を含んでおり、前記第２端は、電圧適用時の前記第１距離よりも大きい第２距離だけ移動する。前記増幅器は、前記下方アクチュエータ部と一体的に形成されており、当該下方アクチュエータ部内の一連のスリットによって形成された撓み部を含んでいる。当該噴射ディスペンサは、更に、前記増幅器の前記第２端に動作可能に結合された可動シャフト、流体孔、及び、出口オリフィス、を有する流体本体部を備えている。前記可動シャフトは、前記増幅器の前記第２端によって移動されて、前記出口オリフィスを介して前記流体孔からある量の流体を噴射する。
【００１２】
別の実施形態では、本発明は、圧電ユニットと流体本体部とを備えたアクチュエータを提供する。圧電ユニットは、適用される電圧に応じて第１距離だけ延長する。上方アクチュエータ部が、当該圧電ユニットを含み、下方アクチュエータ部が、前記圧電ユニットに動作可能に結合された増幅器を含んでいる。前記増幅器は、第１端及び第２端を含んでいる。前記第２端は、電圧適用時の前記第１距離よりも大きい第２距離だけ移動する。前記増幅器は、前記下方アクチュエータ部と一体的に形成されており、撓み部を含んでいる。前記流体本体部は、前記増幅器の前記第２端に動作可能に結合された可動シャフト、流体孔、及び、出口オリフィス、を有している。前記可動シャフトは、前記増幅器の前記第２端によって移動されて、前記出口オリフィスを介して前記流体孔からある量の流体を噴射する。
【００１３】
別の実施形態では、本発明は、電圧適用時に第１距離から第２距離までの圧電式アクチュエータの機械的に増幅された動きをもたらすための増幅器を提供する。より具体的には、当該増幅器の一部が、電圧が圧電ユニットに適用される時、第１距離よりも大きい第２距離だけ移動する。当該増幅器は、電圧適用時に前記圧電式アクチュエータと共に移動するべく結合されるようになっているアーマチュアを備える。当該アーマチュアは、前記圧電式アクチュエータが前記第１距離だけ移動する時に撓みを提供するための一連のスロットを含んでいる撓み部と、一体的に形成される。当該増幅器は、第１端及び第２端を有するレバーを更に備える。前記第２端は、電圧適用時に、前記第１距離より大きい前記第２距離だけ移動する。
【００１４】
別の実施形態では、圧電ユニット、前記圧電ユニットに結合された増幅器、及び、前記圧電ユニットの両側に配置された一対のバネ、を備えたアクチュエータを利用する流体噴射方法が、当該一対のバネを用いて前記圧電ユニットの一定の圧縮状態を維持する工程を備える。電圧が前記圧電ユニットに適用されて、当該圧電ユニットの延長によって引き起こされる第１距離だけ、当該圧電ユニットを延長させる。増幅器は、第１距離より大きい第２距離だけ、起動される。前記増幅器の起動によって、流体本体部の可動シャフトが移動されて、当該流体本体部の流体孔から出口オリフィスを介してある量の流体を噴射させる。
【００１５】
前記方法は、付加的または代替的な特徴を有し得る。例えば、前記一対のバネは、更に、第１及び第２平坦バネを有し得る。ある特徴では、前記アクチュエータは、更に、上方アクチュエータ部を有し得て、前記第１及び第２平坦バネは、それぞれ、第１端と第２端とを有し得て、前記第１端同士が、前記上方アクチュエータ部に固定され得て、本方法は、更に、前記圧電ユニットへの電圧適用時に前記増幅器と共に前記第２端同士を移動させる工程を備え得る。別の特徴では、本方法は、前記電圧が適用されて除去される時、前記増幅器と前記第１及び第２平坦バネの前記第２端同士とに結合されたアーマチュアを移動させる工程を備え得る。別の特徴では、前記アクチュエータは、前記増幅器を含む下方アクチュエータ部を更に有し得て、前記上方アクチュエータ部は、第１熱膨張係数を有する第１材料から形成されており、前記下方アクチュエータ部は、第２熱膨張係数を有する第２材料から形成されており、前記第１熱膨張係数は、前記第２熱膨張係数よりも低い。更に別の特徴では、前記増幅器は、前記アーマチュアに動作可能に結合された第１端と、前記可動シャフトに動作可能に結合された第２端と、を有して得て、当該方法は、前記第２距離だけ前記増幅器の前記第２端を移動させる工程を更に備え得る。
【００１６】
別の実施形態では、圧電式アクチュエータの第１距離の移動を機械的に増幅する方法が、前記圧電式アクチュエータへの電圧適用時に、当該圧電式アクチュエータに動作可能に結合されたレバーの第１端を前記第１距離だけ移動する工程を備える。本方法は、更に、前記電圧適用時に前記レバーの第２端を第２距離だけ移動する工程を備え、前記第２距離は、前記第１距離よりも大きい。
【００１７】
前記方法は、付加的または代替的な特徴を有し得る。例えば、前記方法は、前記圧電式アクチュエータへの電圧適用時に、当該圧電式アクチュエータに結合されたアーマチュアを移動する工程と、前記圧電式アクチュエータが前記第１距離だけ移動する時に、前記アーマチュアと一体的に形成され前記レバーに動作可能に結合された撓み部を撓ませる工程と、を更に備え得る。別の特徴では、前記撓み部は、当該撓み部の撓みを提供するための一連のスロットを含み得る。
【００１８】
本発明の様々な付加的な特徴及び利点が、添付の図面と関連して図示の実施形態の以下の詳細な説明を参酌することで、当業者にはより明らかとなるであろう。  
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の図示の実施形態による噴射ディスペンサシステムの斜視図である。
【００２０】
【図２】図２は、図１の２−２線による断面図である。
【００２１】
【図２Ａ】図２Ａは、図２から取られたタペット組立体及び流体本体部の拡大断面図であり、開放状態のタペットを示している。
【００２２】
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａと同様の断面図であるが、流体滴の噴射後の閉鎖位置でのタペットを示している。
【００２３】
【図３】図３は、ディスペンサの圧電式アクチュエータの部分分解斜視図である。
【００２４】
【図４】図４は、内部の詳細をよりよく示すべく破線で示された所定要素を有する圧電式噴射ディスペンサの斜視図である。
【００２５】
【図５】図５は、レバー増幅機構を図示するアクチュエータの下方位置の側方正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１乃至図４を参照して、本発明の一実施形態に従う噴射システム１０は、全体的に、メイン電子制御部１４に結合された噴射ディスペンサ１２を備えている。噴射ディスペンサ１２は、アクチュエータハウジング１８に結合された流体本体部１６を含んでいる。より具体的には、流体本体部１６は、流体本体部ハウジング１９内に保持されている。流体本体部ハウジング１９は、用途の必要性に依存して、１以上のヒータ（不図示）を含み得る。流体本体部１６は、シリンジバレル（不図示）のような好適な流体供給部２０から圧力流体を受容する。タペットまたはバルブ組立体２２が、ハウジング１８に結合されていて、流体本体部１６内に延びている。機械的な増幅器（例えばレバー２４）が、以下に詳述されるように、圧電式アクチュエータ２６とタペットまたはバルブ組立体２２との間に結合されている。
【００２７】
圧電式アクチュエータ２６を冷却する目的で、空気が供給源２７から入力ポート２８へ導入され得て、排出ポート３０から排出され得る。あるいは、冷却の必要性に応じて、図２に示すように、ポート２８、３０の両方が供給源２７から冷却空気を受容し得る。このような場合には、１以上の他の排出ポート（不図示）が、ハウジング１８に設けられるであろう。温度及びサイクル制御部３６が、噴射動作中にアクチュエータ２６をサイクル動作させ、ディスペンスされる流体を要求される温度に維持するべくディスペンサ１２に保持された１以上のヒータ（不図示）を制御するために、設けられている。別の選択肢として、この制御部３６または他の制御部は、閉ループの態様で、アクチュエータ２６の冷却の必要性を制御し得る。図４に更に示されるように、圧電式アクチュエータ２６は、更に、圧電要素のスタック４０を含む。このスタック４０は、当該スタック４０の両側に結合されたそれぞれの平坦な圧縮バネ要素４２、４４によって、圧縮状態に維持されている。より具体的には、上下のピン４６、４８が設けられていて、圧電要素のスタック４０を間に挟むようにして平坦なバネ要素４２、４４を互いに保持している。上方ピン４６は、アクチュエータ２６の上方アクチュエータ部２６ａ内に保持されており、下方ピン４８は、スタック４０の下方端と直接または間接に係合している。上方アクチュエータ部２６ａは、圧電要素のスタック４０を堅固に収容し、スタック４０は、側方運動に対しては、安定されている。この実施形態では、下方ピン４８は、下方アクチュエータ部２６ｂに結合されていて、より具体的には、機械的なアーマチュア５０（図２参照）に結合されている。
【００２８】
機械的なアーマチュア５０の上方面５０ａが、圧電スタック４０の下方端を支持している。バネ要素４２、４４は、ピン４６、４８の間で延びていて、図４の矢印５３に示すように、バネ要素４２、４４は一定の圧縮（力）をスタック４０に適用している。平坦なバネ要素４２、４４は、より具体的には、ワイヤＥＤＭ（放電）加工から形成され得る。圧電要素スタック４０の上方端は、上方アクチュエータ部２６ａの内面に保持されている。上方ピン４６は、従って、下方ピン４８が浮いているかバネ要素４２、４４及び機械的なアーマチュア５０と共に移動している間、静止している。
【００２９】
電圧が圧電スタック４０に適用される時、当該スタック４０は、拡張ないし伸長し、このことがアーマチュア５０をバネ要素４２、４４の力に抗して下方に移動させる。スタック４０は、適用される電圧の量に比例する長さだけ変化する。
【００３０】
更に図２に示されるように、機械的なアーマチュア５０は、機械的な増幅器に動作可能に結合されている。当該増幅器は、この図示例では、第１端２４ａの近傍でアーマチュア５０に結合され第２端２４ｂでプッシュロッド６８に結合されたレバー２４として形成されている。当該レバー２４は、例えば機械的なアーマチュア５０とレバー２４との間で一連のスロット５６を形成するＥＤＭ加工によって、下方アクチュエータ部２６ｂから一体形成され得る。更に後述されるように、レバー２４または他の機械的な増幅器は、スタック４０が拡張ないし伸長する距離を所望の量だけ増幅する。例えば、この実施形態では、スタック４０及び機械的なアーマチュア５０の下方運動が、レバー２４の第２端２４ｂにおいて約８倍だけ増幅される。
【００３１】
ここで、図２、図２Ａ、図２Ｂ及び図５をより詳しく参照して、湾曲可能部６０がレバー２４を機械的なアーマチュア５０に結合している。図５に最も良く示されているように、レバー２４は、当該レバー２４の第２端２４ｂと略同じ水平高さにある回動点６２回りで回動する。この回動点６２の位置は、レバー２４が回転する円弧の効果を最小化するのに役立つ。一連のスロット５６は、下方アクチュエータ部２６ｂ内に形成されて、湾曲可能部６０を形成している。図５に矢印６６によって示されているように、圧電スタック４０がメイン制御部１４による電圧の適用下で伸長する時、スタック４０が機械的なアーマチュア５０を下方に押圧するにつれて、レバー２４が回動点６２回りに時計回りに回転する。レバー２４の僅かな回転は、湾曲可能部６０によって適用される弾性バイアス力に抗して生じる。第２端２４ｂが回動点６２回りに時計回りに僅かに回転するにつれて、それは下方に移動し、図５の矢印６７に示されるように、プッシュロッド６８を下方に移動させる（図２参照）。
【００３２】
レバー２４の第２端２４ｂは、好適なネジ締結具７０、７２を用いて、プッシュロッド６８に固定されている。プッシュロット６８は、ガイドハウジング７４内を移動しタペットまたはバルブ組立体２２と関連付けられたタペットまたはバルブ要素７６の上方ヘッド部７６ａにもたれている下方ヘッド部６８ａを有している。ガイドハウジング７４は、図２Ａ及び図２Ｂに最も良く示されているように、ピン７５で締まり嵌めによってハウジング１８内に保持されている。プッシュロッド６８、ガイドブッシュ７４及びピン７５の組立体は、動作中にプッシュロッド６８の適切な運動を保証するための幾つかの「柔軟性」を許容する。また、プッシュロッド６８は、タペットまたはバルブ要素７６及びレバー２４を伴うその往復動作中に、僅かに側方に弾性的に撓む材料で作られている。タペット組立体は、更に、環状要素８０を用いてハウジング１８の下方部内に取り付けられたコイルバネ７８を含んでいる。タペットまたはバルブ組立体２２は、更に、Ｏリング８４によって流体本体部１６内に保持された挿入部８２を含んでいる。環状要素８０及び挿入部８２は、本実施形態では、一体要素、すなわちカートリッジ本体部、である。横断方向に穿孔された滲出孔８５は、バネ７８の下端に略合致して、Ｏリング８６を漏洩通過した液体が脱出することを許容する。付加的なＯリング８６は、流体本体部１６の流体孔８８内に収容された圧縮流体が漏洩しないように、タペットまたはバルブ要素７６をシールしている。流体は、流体供給部２０から流体本体部１６の入力部９０及び通路９２、９４を通って流体孔８８に供給される。Ｏリング８４は、環状要素８０及び挿入部８２によって形成されたカートリッジ本体部の外側を、孔８８及び通路９４内の圧縮流体からシールする。流体通路９２、９４は、流体本体部１６内に螺合されたプラグ部材９６によってシールされている。プラグ部材９６は、内部通路９４を洗浄するためのアクセスを許容するべく、取り外され得る。
【００３３】
流体の液滴または小量を噴射するための前記システム１０の動作は、図２Ａ及び図２Ｂとの関連で図２乃至図４を参照することで、最も良く理解されるであろう。図２Ａは、圧電スタック４０への電圧が十分に除去された時の、開放位置に上昇されたタペットまたはバルブ要素７６を示している。これは、スタック４０を収縮させる。スタック４０が収縮する時、平坦なバネ要素４２、４４は、アーマチュア５０を上方に引き上げ、レバー２４の第２端２４ｂを上昇させ、プッシュロッド６８を上昇させる。これにより、タペットまたはバルブ組立体２２のコイルバネ７８は、タペットまたはバルブ要素７６の上方ヘッド部７６ａを上方に押し上げることができ、タペットまたはバルブ要素７６の先端７６ｂを流体本体部１６に固定されたバルブシート１００から離れるように上昇されることができる。この位置では、流体孔８８及びタペットまたはバルブ要素７６の先端７６ｂ下方の領域は、噴射を「チャージ」するべく追加の流体で満ちる。
【００３４】
圧電スタック４０が起動される時、すなわち、電圧がメイン制御部１４（図１）によって圧電スタック４０に適用される時、スタック４０は拡張して機械的なアーマチュア５０を押し下げる。これは、レバー２４を時計回りに回転させ、第２端２４ｂを下方に移動させ、プッシュロッド６８を下方に移動させる。プッシュロッド６８の下方ヘッド部６８ａは、図２Ｂに示されるように、タペットまたはバルブ要素７６の上方ヘッド部７６ａを押し下げ、バルブ要素７６は、先端７６ｂがバルブシート１００に係合するまで、コイルバネ７８の力に抗して下方に迅速に移動する。この移動の過程において、バルブ要素７６の先端７６ｂは、流体滴１０２を強制的に排出出口１０４から排出させる。その後、電圧が圧電スタック４０から除去されると、これらの構成要素の各々の運動が逆転して、タペットまたはバルブ要素７６が次の噴射サイクルのために上昇する。
【００３５】
圧電式アクチュエータ２６は、液滴を噴射するために反対に利用されてもよい、ということが理解される。この場合、レバー２４を含む様々な機械的な起動構造は、電圧が圧電スタック４０から除去された時に結果としてのスタック４０の収縮がバルブ要素７６のバルブシート１００及び排出出口１０４に向かう移動を引き起こして流体滴１０２を排出するというように、様々に設計され得る。この時、スタック４０への電圧の適用（印加）時、増幅システム及び他の起動要素は、バルブ要素７６を上昇させて、次の噴射動作のために流体孔８８を追加の流体でチャージする。この実施形態では、圧電スタック４０に電圧が適用されない時に、タペットまたはバルブ要素７６が正常に閉鎖される、すなわち、バルブシート１００に係合する。
【００３６】
図２に更に示されているように、上方アクチュエータ部２６ａは、下方アクチュエータ部２６ｂから分離していて、これらの各部２６ａ、２６ｂは、異なる材料から形成されている。具体的には、上方アクチュエータ部２６ａは、下方アクチュエータ部２６ｂを形成する材料よりも低い熱膨張計数を有する材料から形成されている。アクチュエータ部２６ａ、２６ｂの各々は、下方アクチュエータ部２６ｂから上方アクチュエータ部２６ａ内に延びるネジ締結具（不図示）を用いて堅固に締結されている。上方及び下方アクチュエータ部２６ａ、２６ｂの組立体は、その後、複数のボルト１１０によってハウジングに締結される。より具体的には、下方アクチュエータ部２６ｂは、ＰＨ１７−４ステンレススチールから形成され得て、上方アクチュエータ部２６ａは、インバールのようなニッケル鉄合金から形成され得る。１７−４ＰＨステンレススチールは、大変高い疲労限度ないし疲労強度を有していて、そのことが湾曲可能部６０の寿命を増大させている。このステンレススチールの熱膨張係数は、約１０μｍ／ｍ−Ｃであり、一方、インバールの熱膨張係数は、約１μｍ／ｍ−Ｃである。熱膨張の比は、これらの材料の約１０：１という比より、高くてもよいし、低くてもよい。上方及び下方アクチュエータ部２６ａ、２６ｂと関連付けられた熱膨張係数は、互いに対するオフセット特性を効果的に提供する。上方及び下方アクチュエータ部２６ａ、２６ｂの異なる熱膨張係数は、それによって、アクチュエータ２６が広い温度範囲に亘って一貫して動作すること許容する。具体的には、当該温度範囲は、アクチュエータ２６がより高い周波数でより活動的な波形で動作されることを許容する。また、圧電スタックは、高いデューディサイクルで動作される時、顕著な熱を生成し得る。インバールの使用は、アクチュエータ２６の端部のより絶対的な位置決め、従ってより正確で使用に適したストローク、を提供する。
【００３７】
本発明は、特定の実施形態についての記述によって説明され、当該実施形態は、かなり詳しく説明された。しかしながら、添付の特許請求の範囲の請求項の範囲を、そのような詳細に制限することや、何らかの態様で限定することは、意図されていない。ここで説明された様々な特徴は、単独でも、任意の組合せでも、利用可能である。付加的な利点及び修正は、当業者にとって容易である。本発明は、その広い観点では、特定の詳細や代表的な装置及び方法や図示の例に限定されない。従って、本発明の概念の範囲または精神から逸脱することなく、そのような詳細からの発展がなされ得る。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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