具有机械放大器的分配系统的制作方法

具有机械放大器的分配系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年5月12日提交的美国临时专利申请第62/846,689号的优先权，该申请的公开内容通过引用结合于此，如同在此完整阐述一样。
技术领域
3.本发明总体上涉及用于将流体液滴沉积到基底上的分配器，更具体地，涉及由一个或多个压电元件致动的分配器。


背景技术：

4.分配器通常用于将微量的材料(例如粘度超过50厘泊的粘性流体)施加到基底上。例如，粘性材料可以包括通用粘合剂、紫外线固化粘合剂、焊膏、焊剂、阻焊膜、热油脂、盖子密封剂、油、密封剂、灌封化合物、环氧树脂、管芯附着流体、硅树脂、rtv和氰基丙烯酸酯。
5.分配器通常可以具有气动或电动致动器，以用于将轴或挺杆重复地朝向座移动，同时从分配器的出口孔喷射粘性材料液滴。更具体地，电致动喷射分配器可以使用压电致动器。压电堆是非常精确且反应极快的陶瓷装置。压电堆的特性是，当施加电压时，陶瓷材料将在一个方向上进行位移。一个主要缺点是压电堆产生非常小的位移。例如，7mm x 7mm x 36mm长的堆产生约36微米的移动。这种位移可能不足以正确喷射流体。
6.当设计包含压电材料的致动器时，空间限制和预期寿命也是考虑因素。当堆处于紧张状态时，预期寿命会大大缩短。压电堆需要能够以1000hz的连续频率操作，并且需要施加足够的力来可靠且精确地喷射少量流体。
7.至少由于这些原因，需要改进的分配系统来增加和调节用于分配流体的压电致动。


技术实现要素：

8.前述需求通过所公开的分配系统和放大器的各种实施例来满足。在一个方面，一种用于分配流体材料的分配系统包括压电堆，该压电堆具有远端并且被构造成在施加电压时膨胀，使得远端移动第一长度。该分配系统还包括：放大器，该放大器具有被构造成接触压电堆的远端的主表面和与主表面相背的次表面；基座，该基座被构造成接触放大器的次表面；以及阀组件，该阀组件具有出口孔和阀元件。阀元件被构造成在第一方向上和在与第一方向相反的第二方向上移动。阀元件可操作地与放大器联接。当远端移动第一长度时，放大器的一部分移动大于第一长度的第二长度，并且阀元件在第一方向上移动第二长度。
9.在另一方面，一种用于放大机械设备的移动的放大器包括本体，该本体具有主表面和与主表面相背的次表面，以及本体上的被构造成可操作地与推杆接合的接口。本体被构造成在主表面处接触机械设备。本体还被构造成响应于施加到主表面的力而变形，使得推杆在第一方向上移动。
10.在另一方面，一种使用压电堆和可操作地联接到压电单元的放大器来分配流体的
方法包括向压电堆施加电压以使压电堆伸长第一距离。使放大器变形，并使放大器的一部分移动比第一距离大的第二距离。放大器的变形导致可移动轴在阀组件内移动，并导致一定量的流体从阀组件中的出口孔分配。
附图说明
11.当结合附图阅读时，可以进一步理解本技术。为了说明主题，在附图中示出了主题的示例性实施例；然而，当前公开的主题不限于所公开的特定方法、装置和系统。在附图中：
12.图1示出了根据实施例的分配系统的等距视图；
13.图2示出了图1的分配系统的一部分的截面图；
14.图3示出了图1至图2的分配系统的一部分的截面图；
15.图4a示出了阀组件的截面图，其中阀元件处于打开状态；
16.图4b示出了图4a的阀组件的截面图，其中阀元件在喷射流体液滴之后处于关闭位置；
17.图5示出了根据实施例的放大器的等距视图；
18.图6示出了与推杆接合的图5放大器的不同等距视图；
19.图7示出了根据实施例的致动器内的放大器的截面图，其中放大器处于未变形构造；
20.图8示出了处于变形构造的图7放大器的截面图；和
21.图9示出了根据另一实施例的致动器内的放大器的截面图。
22.现在将参考附图详细描述本公开的各个方面，其中除非另有说明，否则相同的附图标记始终指代相同的元件。
具体实施方式
23.公开了用于放大压电致动器的移动的装置和方法。虽然本公开提供了利用压电移动的示例，但是应当理解，这里公开的放大装置和方法也可以用于放大其它类型的机械移动，例如气动、液压、弹性或其它合适的移动机制。
24.参考图1至图2，示出了分配系统10，其具有联接到致动器壳体18的流体本体16。流体本体16保持在流体本体壳体19内，取决于应用的需要，流体本体壳体19可以包括一个或多个加热器(未示出)。流体本体16被构造成在压力下从合适的流体源20(例如注射器筒)接收流体。阀组件22联接到壳体18并延伸到流体本体16中。机械放大器200联接在压电致动器26和阀组件22之间，这将在下面进一步描述。压电致动器26可以通过多个螺栓(未示出)或其它合适的紧固件紧固到壳体18。致动器可以包括各种材料，例如但不限于不锈钢或镍铁合金。
25.如图2至图3进一步所示，压电致动器26包括压电元件的堆40、近端218和与近端218相对的远端220。压电元件被构造成在施加和/或移除电压时变形。该堆40由联接到压电致动器26的压缩弹簧44维持压缩。
26.堆40可以在远端220处的弹簧44和刚性表面(未示出)之间保持压缩，例如抵靠壳体18的内表面。刚性表面可以接触近端218。在一些方面，堆40可由多个弹簧44(例如，近端218处的第一弹簧和远端220处的第二弹簧44)保持。
27.压电致动器26可操作地与推杆68接合，并被构造成在第一方向上移动推杆68。参考图4a至图4b，推杆68具有下部头部68a，该下部头部在导向衬套74内行进并且抵靠与阀组件22相关联的阀元件76的近端76a，其中阀元件76可以是可移动轴。导向衬套74可以通过与销75的压配合而保持在壳体18中。推杆68、导向衬套74和销75的组装允许一些“让步(give)”，以确保推杆68在操作期间的适当移动。
28.阀组件22还可以包括螺旋弹簧78，该螺旋弹簧使用环形元件80安装在壳体18的下部部分内。插入件82可以通过o形环84保持在流体本体16中。环形元件80和插入件82构成一体元件，即所示方面中的盒体。
29.另外的o形环86密封阀元件76，使得包含在流体本体16的流体孔88中的加压流体不会漏出。流体通过流体本体16的入口90和通路92、94从流体源20供应到流体孔88。o形环84将由环形元件80和插入件82形成的盒体的外部与流体孔88和通路94中的加压液体密封开。交叉钻孔的排水孔85大致与螺旋弹簧78的下端成一直线，以允许任何通过o形环86泄漏的液体逸出。
30.当电压施加到堆40时，压电元件变形并且堆40膨胀或伸长，导致远端220克服弹簧44施加的力在远离近端218的方向上移动。堆40可以被构造成与施加到其上的电压量成比例地改变长度。当施加的电压被移除或充分降低时，堆40收缩或缩短至与施加电压之前基本相同的长度。
31.堆40的移动引起可操作地联接到压电致动器26的推杆68的移动。推杆68可以可操作地联接到设置在阀组件22上的阀元件76。随着推杆68移动，阀元件76也移动以打开或关闭阀组件22上的排出出口104。堆40的重复移动导致阀元件76的往复移动，并导致流体液滴或少量流体通过分配系统10的排出出口104被分配或喷射。
32.在一些应用中，堆40的移动幅度不足以导致阀元件76的期望移动。在这些方面，可能期望放大堆40的移动，以导致阀元件76的成比例的更大幅度的移动。
33.再次参考图2至图3，放大器200可以设置在分配系统10内，以成比例地放大堆40的移动。放大器200联接到堆40和阀组件22，使得堆40的移动导致放大器200的至少一部分移动，这又导致阀元件76移动。当电压施加到堆40时，堆40的移动将力施加到放大器200上，并导致放大器也移动，并移动阀元件76。应当理解，如果期望放大原始移动，则由放大器200引起的阀元件76的移动幅度将大于堆40的移动幅度。
34.参考图5至图6，放大器200可以是具有基本圆形截面的圆盘。然而，应当理解，放大器可以是任何合适的形状，例如具有矩形、三角形或另一种多边形截面形状。
35.放大器200可以与分配系统10成一体，或者是单个整体部件的一部分，或者是固定到分配系统10的单独部件。在一些方面，放大器200可以是可移除地联接到分配系统10并且被构造成选择性地与堆40和阀组件22接合或脱开的单独部件。分配系统10可以被构造成在具有接合的放大器或不具有接合的放大器的情况下操作。在一些方面，分配系统10可以包括多个放大器200，这些放大器可以选择性地接合或脱开以导致不同程度的放大。分配系统10可以被构造成在多个放大器200同时接合的情况下操作。在一些方面，放大器200能够与另一个放大器200互换，以产生不同程度的放大。
36.仍然参考图5至图6，放大器200包括本体202，该本体具有主表面204和与主表面204相背的次表面206。本体202可以包括可变形材料，该可变形材料可以在施加力时变形。
可变形材料应该具有足够的弹性，使得当导致变形的力减小或消除时，本体202基本恢复到其未变形的形状。本体202应该足够刚性，以接收来自堆40的力，并在不造成持续损坏(例如，不破裂或断裂)的情况下将力施加到阀元件76上。应当理解，没有一种材料是完全弹性的且无限耐用的，并且本领域技术人员将认识到在足够的程度上实现所需功能的材料。
37.放大器200可以包括延伸穿过本体202并将主表面204与次表面206连接的开口208。中心轴线a延伸穿过开口208的几何中心。中心轴线a也可以与堆40和推杆68的中心轴线相同。在一些方面，一个或多个凸角210可以从本体202的圆周朝向中心轴线a径向向内延伸到开口208中。当放大器200不处于变形构造时，凸角210可以基本垂直于中心轴线a。放大器200可以包括2个、3个、
…
10个或其它合适数量的凸角。可替代地，放大器200可以包括从本体202延伸的零个凸角，并且是环形形状的。
38.放大器200可以可操作地联接到推杆68，使得当放大器200移动时，推杆68也移动。应当理解，推杆68可以以任何合适的方式(例如通过摩擦配合、使用粘合剂或使用紧固件)联接到放大器200。推杆68可以可替代地与放大器200一体形成。参考图6所示的方面，推杆68可以延伸穿过放大器本体202的开口208。在这样的方面，推杆68的至少一部分的形状和尺寸应当使得其能够自由地穿过开口208。推杆68的上部头部68b可以接触放大器200，例如在主表面204处接触放大器200。上部头部68b的尺寸和大小可以大于开口208，从而防止其穿过开口208。在一些方面，当放大器200变形时，开口208可以比放大器200未变形时大。在这样的方面，上部头部68b的尺寸也应当被设计成大于变形的放大器200的开口208。
39.上部头部68b一体地附接到推杆68的被构造成穿过开口208的部分。放大器200可以在上部头部68b上施加力，该力又传递到推杆68的其余部分。
40.放大器200可以作为杠杆机构操作，以接收来自堆40的力并将力施加到推杆68上。放大器200可以设置在压电致动器26的远端220和基座230之间。再次参考图2至图3，主表面204可以邻近远端220，而次表面206可以邻近基座230。
41.在一些方面，为了提高力传递的精度，放大器200由设置在远端220和基座230上的特定接触区域接触。如图3所示，例如，主突起222可以设置在远端220上，并且从远端220在朝向放大器200的主表面204的方向上延伸。类似地，基座230可以包括次突起232，该次突起从基座230在朝向放大器200的次表面206的方向上延伸。虽然主突起222和次突起232可以分别从远端220和基座230以任何可接受的角度延伸，但是应当理解，延伸角度的至少一分量应该分别基本垂直于主表面204和次表面206。
42.在一些替代方面，主突起222可以与放大器本体202的主表面204成一体并从放大器本体202的主表面204朝向远端220延伸。类似地，次突起232可以与放大器本体202的次表面206成一体，并从放大器本体202的次表面206朝向基座230延伸。在进一步的方面，突起可以从放大器200、远端220和/或基座230中的一个或多个延伸，并且本公开不限于如上所述的突起的特定布置。
43.在本公开的一些方面的操作中，分配系统10被构造成喷射流体液滴或少量流体。当堆40被激活时，即，当主电子控制器(未示出)向压电元件施加电压时，堆40膨胀并在主表面204处推压放大器200。基于上述突起的位置，放大器200变形并向推杆68的上部头部68b施加力。这迫使推杆68在打开方向上朝向压电致动器26移动。上部头部68b被放大器200移动的距离优选大于堆40的远端220移动的距离。与推杆68成一体的下部头部68a也在相同的
打开方向上移动。随着下部头部68a远离阀元件76移动，阀元件76也被允许在打开方向上移动。阀元件76可以被螺旋弹簧78朝向打开方向偏置，并且当推杆68远离阀元件76移动时，螺旋弹簧78也在打开方向上移动阀元件76。
44.当从堆40移除电压或充分降低电压时，上述移动反向。堆40的长度减小，因此减小了施加到放大器200的力。放大器200然后可以返回到其基本未变形的状态，这又减小了施加到推杆68的上部头部68b上的力。推杆68可以由螺旋弹簧69在与打开方向相反的关闭方向上偏置。当放大器200施加到推杆68上的力减小到低于螺旋弹簧69的偏置力时，螺旋弹簧69在关闭方向上移动推杆68。下部头部68a接触阀元件76的近端76a，并抵抗螺旋弹簧78的力在关闭方向上推动阀元件76，直到设置在阀元件76上的与近端76a相对的远端76b抵靠阀座100接合。螺旋弹簧78可以具有比螺旋弹簧69低的刚度，使得在没有外力的情况下，螺旋弹簧69在关闭方向上施加的力大于螺旋弹簧78在打开方向上施加的力。
45.在移动过程中，当远端76b撞击排出出口104的阀座100时，阀元件76的远端76b可以迫使流体的液滴102从排出出口104排出。
46.应当理解，压电致动器26可以反向用于喷射液滴。在这种情况下，各种机械致动结构可以被不同地设计，使得当电压施加到堆40时，所产生的堆40的膨胀导致阀元件76朝向阀座100移动，并导致排出出口104排出流体的液滴102。然后，在移除堆40的电压时，放大系统和其它致动部件将升高阀元件76，以便为下一次喷射操作向流体孔88充入额外的流体。在这样的方面，阀元件76将是常开的，即，当没有电压施加到堆40时不接合阀座100。
47.放大器200的变形量以及作为结果的堆40的移动的放大程度部分地由主突起222和次突起232在分别接触主表面204和次表面206时该主突起222和次突起232的相对定位来确定。当电压施加到堆40时，堆40伸长并移动远端220，以向放大器200施加力。远端220处的主突起222可以在远离延伸穿过放大器200的几何中心的中心轴线a的第一距离d1处接触放大器200的主表面204。基座230设置在放大器200的另一侧，使得其被构造成接触次表面206。次突起232可以在远离中心轴线a的第二距离d2处接触次表面206。为了产生适当的杠杆作用来放大由远端220移动的距离，第一距离d1和第二距离d2应该不同。
48.参考图7至图8，第一距离d1可以大于第二距离d2。当力由主突起222施加到主表面204时，次突起232充当支点。因此，当放大器200的比第二距离d2更远离中心轴线a的部分被主突起222沿一个方向(例如，向下)推动时，放大器200的比第二距离d2更靠近中心轴线a的另一部分被沿相反方向(例如，向上)撬起。因此，例如在主表面204或凸角210和上部头部68b的相互作用下，可操作地与放大器联接的推杆68在相同方向上移动。图8描绘了示例性方面，其中堆40伸长，并且力被施加到放大器200的主表面204上。放大器200因此变形，并且上部头部68b连同推杆68的其余部分一起沿着中心轴线a轴向移动。
49.推杆68移动的距离取决于第一距离d1和第二距离d2。随着第二距离d2的增加(即，随着支点离中心轴线a变得更远)，推杆68移动的距离也将增加。可以通过增加或减少第二距离d2来控制放大量。例如，图9描绘了具有基座230’的方面，该基座230’具有次突起232’，该次突起232’设置在离中心轴线a第二距离d2’处。第二距离d2’小于第二距离d2。这样，在具有基座230’的方面，推杆68将比在其利用基座230的方面移动更小的距离，导致更小的可比较放大(将所有其它因素视为相等)。
50.虽然改变第二距离d2是调节放大量的合适方法，但是放大可以以多种方式改变。
在一些方面，放大器200可以包括被构造成更容易变形的材料(例如，更软或更有弹性的材料)或被构造成更刚性的材料(例如，更硬或弹性更小的材料)。本体202的厚度可以增加(以增加刚性)或减少(以增加柔韧性)。在一些方面，凸角210可以在厚度、材料性质和/或长度(即凸角从本体202延伸到中心轴线a的距离)上改变。
51.放大器200的本体202可以具有穿过其中的变化的厚度(即，主表面204和次表面206之间的距离)。在一些方面，例如，本体202可以处于离开口208最远的最大厚度和离开口208最近的最小厚度，其中厚度从最大厚度到最小厚度逐渐减小。可替代地，本体202可以包括一个或多个台阶(未示出)，每个台阶具有不同的厚度，其中，例如，离开口208最远的台阶处于最大厚度，并且离开口208最近的台阶处于最小厚度。
52.贯穿本公开描述的概念提供了优于现有技术的许多优点。虽然存在不利用压电元件的其它机械致动器，但是这些设计受到更多移动部件、更慢的响应时间和更低的长期耐久性的限制。另一方面，压电致动器允许比例如液压或空气操作的装置明显更快的致动。
53.本文公开的与放大致动移动相关的装置和方法提高了喷射系统的可靠性并增加了成本效益。现有技术需要利用极其精确的规格和难以使用的昂贵机械(例如铣床和放电加工(edm)设备)来形成放大器。现有放大器的精度要求需要产品以非常严格的公差进行制备，这需要高水平的生产技能，需要更长的制造时间，并且需要获得、维护和/或分配复杂机械的使用。此外，现有放大器不如本技术中描述的放大器那么耐用，需要更频繁的维修或更换，这将导致更高的费用、更低的生产量以及机器和人员停工造成的更多收入损失。
54.这里描述的放大器可以使用便宜的材料和更快且更便宜的机械来制造。在本技术中公开的设计允许在加工期间更宽松的公差，这加快了过程并增加了产量。此外，增加的公差意味着更少的部件将因无法满足极其严格的要求而被视为不可用。这将减少材料的浪费和成本。本发明的放大方法和装置进一步提供了增加的耐用性和寿命。在一些方面，单个放大器可以被构造成运行高达1000万次、高达1亿次、高达5亿次或高达10亿次致动。一些设计可以无故障地操作超过10亿次致动。
55.这里公开的放大器还允许更简单的替换和/或互换性，以增加或减少放大量。这允许使用相同的分配系统来分配不同类型和/或不同量的流体。在一些方面，可以根据待分配流体的厚度来调节放大。例如，为了分配高粘度流体，可能期望更大的放大(并且因此在阀组件内具有更大的开口)，而为了分配低粘度流体，可能期望更小的放大。在一些方面，放大调节可以通过用具有不同参数的第二放大器200替换第一放大器200来实现。可替代地(或另外地)，分配系统的其它部件也能够互换(例如基座230)，以增加或减少放大。
56.虽然已经结合各个附图的各个方面描述了系统和方法，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离其广泛的发明概念的情况下，可以对这些方面进行改变。因此，应当理解，本公开不限于所公开的特定方面，并且旨在覆盖由权利要求限定的本公开的精神和范围内的修改。