压电喷射系统和方法与流程

本申请要求2015年5月22日提交的美国临时专利申请No.62/165,242的优先权，该申请的公开内容通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本申请主要涉及用于在衬底上沉积粘性流体的小微滴的非接触式喷射分配器，并且更特别地，涉及由一个或者更多压电元件致动的类型的分配器。

背景技术：

非接触式粘性材料分配器通常被用于在衬底上施加微量的粘性材料，例如，具有超过五十厘泊粘性的那些材料。例如，非接触式粘性材料分配器被用于在如印刷电路板的电子衬底上施加各种粘性材料。作为示例而非限制，被施加至电子衬底的粘性材料包括通用粘合剂、紫外光固化粘合剂、焊膏、助焊剂、阻焊层、导热油脂、盖密封剂、油、封装剂、灌封化合物、环氧树脂、芯片贴装液、硅胶、RTV和氰基丙烯酸盐粘合剂。

具体应用大部分是用于将粘性材料从非接触式喷射分配器分配到衬底上。在半导体封装装配中，存在用于底层填充、球栅阵列中的焊球加固、锡堤操作和填充操作、芯片封装、底层填充芯片尺寸封装、型腔填充分配、芯片贴装分配、盖密封分配、非流动底层填充、助焊剂喷射和分配热化合物等等的应用。对于表面贴装技术(SMT)印刷电路板(PCB)生产，可以从非接触式分配器，以及作为选择性熔剂喷射而分配表面贴装粘合剂、焊膏、导电粘合剂以及阻焊层材料。也可以使用非接触式分配器选择性地施加保形涂层。通常，已固化的粘性 材料保护印刷电路板以及其上安装的装置不受源自环境影响，如湿气、菌类、灰尘、腐蚀和磨蚀的损害。已固化的粘性材料也可以在指定的未涂层区域上保留导电和/或导热特性。应用也存在于硬盘驱动器行业、医疗电子器械的生命科学应用以及一般工业应用中，用于粘合、密封、垫圈成形、涂装和润滑。

喷射分配器通常可以具有气动或者电动致动器，用以使轴或者挺杆朝向底座反复移动，同时从分配器的出口孔喷射粘性材料微滴。更具体地，电致动的喷射分配器能够使用压电致动器。当输入电压被施加到压电致动器和/或从压电致动器移除输入电压时，所产生的机械电枢和挺杆或者轴的运动能够包括不良动作，诸如振荡。例如，振荡能够导致从出口泵送流体，并且引起分配量的体积不准确，或者能够由于气穴效应而产生气泡，或者能够通过出口将空气吸入流体内。

至少出于这些原因，将期望提供一种解决这些和其它问题并且提供对喷射分配操作的更大程度控制的喷射系统和方法。

技术实现要素：

在例示性实施例中，本发明提供一种用于喷射流体的系统，该系统包括喷射分配器和电子控制器。喷射分配器包括下列喷射分配器，其具有移动轴、出口孔，以及可操作地联接至移动轴以从所述出口孔喷射一定量的流体的压电致动器。该系统还包括可操作地联接至压电致动器的电子控制器。电子控制器向压电致动器施加具有变化的变化率的电压，以降低移动轴在朝向和/或背离出口孔运动期间的振荡幅度。该系统可以包括各种其它特征。例如，控制器可以向压电致动器发送包括第一电压和第二电压的阶梯波形，第二电压与第一电压不同。电子控制器可以以具有递减的和/或递增的电压变化率的波形施加电压。

本发明还提供一种用于从分配器喷射粘性材料的方法，该分配器包括可操作地联接至移动轴的压电致动器以及具有出口孔的流体主 体。该方法包括向压电致动器施加具有变化的变化率的电压。压电致动器在所施加的电压影响下移动。轴与压电致动器一起移动。使用移动的轴从所述出口孔喷射一定量的粘性材料。

施加电压波形还可以包括向压电致动器施加包括第一电压和第二电压的阶梯波形，第二电压与第一电压不同。施加电压波形可以包括施加具有递减和/或递增的电压变化率的电压。

通过结合附图回顾下文关于例示性实施例的详细描述，本领域技术人员将更明白本发明的各种其它特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明的例示性实施例的喷射分配器的透视图。

图2是沿图1的线2-2截取的横截面图。

图2A是从图2截取的挺杆组件和流体主体的放大横截面图，并且示出挺杆处于打开状态。

图2B是类似于图2A的横截面图，但是示出挺杆在喷射流体微滴后处于闭合状态。

图3是分配器的压电致动器的部分分解透视图。

图4是压电喷射分配器的透视图，其中一些元件以虚线示出以更好地示出内部细节。

图5是致动器的下部的侧立面图，示出了连杆放大机构。

图6是示出具有梯形波形的典型信号输出的图形图示。

图7是将图6的典型梯形波形与所产生的压电喷射分配器相关的机械输出的振荡运动叠加的图形图示。

图8是示出根据本发明的例示性实施例的输入信号电压的阶梯降低的图形图示。

图9是相应于图8中的实际电压的阶梯降低的图形图示，但是与压电喷射分配器的机械输出的结果运动的图形图示叠加。

图10是另一可替选实施例的图形图示，示出了在喷射分配器循环 期间的输入信号电压的阶梯降低以及信号电压的阶梯施加。

图11是相应于图10的实际电压的阶梯降低和施加的图形图示，但是被压电喷射分配器的机械输出的结果运动的图形图示叠加。

具体实施方式

参考图1至4，根据本发明实施例的喷射系统10通常包括联接至主电子控制装置14的喷射分配器12。喷射分配器12包括联接至致动器外壳18的流体主体16。更特别地，流体主体16被保持在流体主体外壳19内，取决于应用的需要，流体主体外壳19可以包括一个或者更多加热器(未示出)。流体主体16从适当的流体源20，诸如注射器筒(未示出)接收压力流体。挺杆或者阀门组件22联接至外壳18，并且延伸到流体主体16内。如下文将进一步描述的，机械放大器(例如，连杆24)联接在压电致动器26和挺杆或者阀门组件22之间。

为了冷却压电致动器26，空气可以被从气源27引入进口端口28，并且从排气端口30引出。可替选地，取决于冷却需要，端口28、30两者都可以从如图2中所示的气源27接收冷却空气。在这种情况下，一个或者更多个另外的排气端口(未示出)将被设置在外壳18中。设置温度和循环控制装置36，以在喷射操作期间使致动器26循环，并且以控制由分配器12承载的一个或者更多个加热器(未示出)用于将所分配的流体保持为所需温度。作为另一选项，该控制装置36或者另一控制装置可以以闭环方式控制致动器26的冷却需求。如图4中进一步所示的，压电致动器26还包括压电元件堆叠40。通过联接在堆叠40的相反侧上的相应扁平压缩弹簧元件42、44，堆叠40被保持在压缩状态。更特别地，设有上部销46和下部销48，上部销46和下部销48将扁平弹簧元件42、44在压电元件堆叠40处于两者之间的状态下保持到彼此。上部销46被保持在致动器26的上致动器部26a中，而下部销48直接或者间接地接合堆叠40的下端。上致动器部26a稳固地保持压电元件堆叠40，以便使堆叠40稳定以免任何侧向运动。在该实施例中，下部销48联接至下致动器部26b，并且更特别地，联接至机械电枢50 (图2)。

机械电枢50的上表面50a抵靠压电堆叠40的下端。弹簧42、44在销46、48之间伸展，以便如图4中的箭头53所示，弹簧42、44向堆叠40施加恒定的压缩。更特别地，扁平弹簧42、44可以由线切割加工(wire EDM process)形成。压电元件堆叠40的上端被保持为抵靠上致动器部26a的内表面。因此，如本文将描述的，上部销46不动，而下部销48随着弹簧42、44以及随着机械电枢50浮动或者移动。

当电压被施加给压电堆叠40时，堆叠40膨胀或者加长，这使得电枢50抵抗弹簧42、44的力向下移动。堆叠40将与所施加电压的量成比例地改变长度。

如图2中进一步所示的，机械电枢50可操作地联接至机械放大器，在该例示性实施例中，机械放大器形成为连杆24，连杆24大致在第一端24a附近联接至电枢50，并且在第二端24b处联接至推杆68。连杆24可以例如通过EDM工艺与下致动器部26b整体成型，EDM工艺还形成机械电枢50和连杆24之间的一系列狭槽56。如下文将进一步讨论的，连杆24或者其它类型的机械放大器将堆叠40膨胀或者加长的距离放大期望量。例如，在该实施例中，堆叠40和机械电枢50的向下运动在连杆24的第二端24b处被放大大约8倍。

现在更特别地参考图2、2A、2B和5，弯曲部60将连杆24联接至机械电枢50。如图5中最清楚地示出的，连杆24绕枢轴点62枢转，枢轴点62近似处于与连杆25的第二端24b相同的水平处。枢轴点62的该位置用于使得连杆24旋转过的圆弧的影响最小化。该系列狭槽56形成在下致动器部26b中，从而形成弯曲部60。如图5中的箭头66所示，当压电堆叠40在主控制器15施加的电压作用下加长时，连杆24随着堆叠24向下推压机械电枢50而大致绕枢轴点62顺时针旋转。连杆24的轻微旋转抵抗弯曲部60施加的弹性偏压而发生。随着第二端 24b绕枢轴点62稍微顺时针旋转，第二端24b向下移动并且同样地使所附接的推杆68向下移动(图2)，如图5中的箭头67所示。

连杆24的第二端24b被用适当的螺纹紧固件70、72固定至推杆68。推杆68具有下头部68a，下头部68a在引导轴衬74内行进并且抵靠与挺杆或者阀门组件22相关联的挺杆或者阀门元件76的上头部76a。如图2A和2B中最佳示出的，引导轴衬74被用销75保持在外壳18中。推杆68、引导轴衬74和销75的组合允许一些“弹性”，以确保推杆68在操作期间的适当运动。另外，推杆68由这样的材料制成，这些材料在随着挺杆或者阀门元件76和连杆24往复运动期间以弹性方式稍微侧向弯曲。挺杆组件还包括使用环形元件80安装在外壳18的下部中的螺旋弹簧78。挺杆或者阀门组件22还包括由O形环84保持在流体主体16中的嵌件82。环形元件80和嵌件82包括整体元件，该实施例中即为筒主体。交叉钻制的泄水孔85与弹簧78的下端近似一致，以允许经过O形环86泄漏的任何流体流出。另外的O形环86密封挺杆或者阀门元件76，以便被容纳在流体主体16的流体孔88中的加压流体不漏出。流体被从流体源20通过流体主体16的进口90和通道92、94供应至流体孔88。O形环84将由环形元件80和嵌件82形成的筒主体的外部与孔88和通道94内的加压流体密封分开。流体通道92、94由拧入到流体主体16中的插塞构件96密封。插塞构件96可以被移除以允许进入，用以清洁内部通道94。

通过图2-4并结合图2A、2B，将最清楚地理解系统10喷射流体微滴或者少量流体的操作。图2A示出当施加到压电堆叠40的电压已经被充分地移除时，挺杆或者阀门组件76升高至打开状态。这引起堆叠40收缩。随着堆叠40收缩，扁平弹簧42、44向上拉动电枢50，这使得连杆24的第二端24b升高，并且也使推杆68升高。因而，挺杆或者阀门组件22的螺旋弹簧78然后向上推动挺杆或者阀门元件76的上头部76a，并且使挺杆或者阀门元件76的远端76b升高而离开被附接至流体主体16的阀座100。在该位置中，流体孔88和处于挺杆或者 阀门元件76的远端76b之下的区域充满另外的流体，以对喷射分配器12“填料”，使喷射分配器12准备用于下一喷射循环。

当压电堆叠40被激活时，即当主电子控制装置14(图1)对压电堆叠40施加电压时，堆叠40膨胀并推动机械电枢50。这使得连杆24顺时针旋转，并且向下移动第二端24b，也使推杆68向下移动。如图2B中所示，推杆68的下头部68a向下推动挺杆或者阀门元件76的上头部76a，并且挺杆或者阀门元件76抵抗螺旋弹簧79的力而快速向下移动，直到远端76b接合阀座100。在运动过程中，挺杆或者阀门元件76的远端76b将流体微滴102从排出出口104推出。然后从压电堆叠40移除电压，这使得这些部件中的每个部件的运动逆转，以使挺杆或者阀门元件76升高用于下一喷射循环。

应明白，可以相反地采用压电致动器26以喷射微滴。在这种情况下，包括连杆25或者其它类型的机械放大器的各种机械致动结构将被以不同方式设计，以便当从压电堆叠40移除电压时，堆叠40的结果收缩将导致挺杆或者阀门元件76朝向阀座100和排出出口104移动，以排出流体微滴102。然后，在电压被施加到堆叠40时，则放大系统和其它制动部件将使挺杆或者阀门元件76升高，以用另外的流体填充流体孔88用于下一喷射操作。在该实施例中，挺杆或者阀门元件76在通常状态下闭合，也就是说，当没有电压被施加到压电堆叠40时，挺杆或者阀门元件76将接合阀座100。

如图2中进一步所示的，上致动器部26a与下致动器部26b分离，并且这些各自的部分26a、26b由不同材料形成。具体地，形成上致动器部26a的材料具有比形成下致动器部26b的材料更低的热膨胀系数。致动器部26a、26b每个都使用从下致动器部26b延伸到上致动器部26a中的螺纹紧固件(未示出)而牢固地紧固在一起。然后，上和下致动器部26a、26b的组件被多个螺栓110紧固至外壳。更具体地，下致动器部26b可以由PH17-4不锈钢形成，而上致动器部26a可以由镍铁合 金，诸如殷瓦合金(Invar)形成。17-4PH不锈钢具有非常高的持久极限或者疲劳强度，这提高了弯曲部60的寿命。这种不锈钢的热膨胀系数为大约10μm/m-C，而殷瓦合金的热膨胀系数为大约1μm/m-C。热膨胀系数的比例可以高于或者低于这些材料的近似10：1的比例。与上和下致动器部26a、26b相关联的热膨胀系数有效地提供了彼此的偏移特性。由此，上和下致动器部26a、26b的不同热膨胀系数允许致动器26在宽的温度范围上一致地运行。同样地，压电堆叠在以高占空比运行时能够产生足够的热。殷瓦合金的使用允许致动器26的端部的更确定定位，并且因此允许更准确且可用的冲程。

现在参考图6和7，图6示出主控制装置14(图1)产生的用于引导单次分配循环的数字信号116，其中未应用本发明的原理。在该实施例中，数字信号电压急剧地并且以恒定速率下降为0伏，并且被保持在0伏非常短的时间段。在该短时间段之后，电压信号则以恒定速率升高至用于激活压电堆叠的电平。如上文解释的，施加电压将使压电堆叠加长，并且可用以在喷射分配器操作期间闭合阀门元件。由图7中的虚线117示出了结果的模拟电压波形。图7中的实线118示出了机械致动部件的响应于电压的突然移除和再次施加的运动。由于压电致动器比与其联接的机械部件，诸如机械电枢、放大器和喷射阀，更为快速地移动，结果如图7中的振荡实线118所示，这些机械部件在电压移除之后将来回振荡。这种振荡具有负面影响，诸如在上述背景技术中所述的那些。

图8示出了数字输入信号电压的波形120、122(图8)，并且图9示出了被施加到压电堆叠以及从压电堆叠移除的结果模拟电压(图9)。更具体地，在该实施例中，输入信号电压波形120和结果输入模拟电压波形122示出施加到堆叠40的电压(图4)以变化或不连续的速率被移除。更通常地，电子控制器以具有变化的变化率的波形施加电压。在该示例中，以阶梯方式从压电堆叠移除电压，该阶梯方式包括第一电压降低，其中电压被降低且然后被保持在第一电压电平124一定时 间段。然后，电压被降低至低于第一电压电平124的第二电压电平，并且被保持在第二电压电平126一定时间段。在该示例中，第二电压电平126为0伏。然而应理解，变化的电压变化率可以包括多于一个的降低阶梯，或者可以在移除电压时包括有其它的实现变化的变化率的方式。此外，关于附加的控制，电压降低速度可以在这些阶梯之间变化。也就是说，以波形中的第一部分130表示的电压降低的降低速率不同于以波形中的第二部分132表示的电压降低。

图9中的实线140示出在包括连杆24、推杆68和挺杆或者阀门元件76的机械部件(见图2)中的结果振荡降低或者缓冲，如以减小的振荡幅度示出的。在电压第一次降低至电平124期间，电枢50随着压电堆叠40(图4)收缩而开始向上移动。保持该电压处于第一阶梯或者电平124允许电枢50更缓慢地朝向其最终上部位置积累动量。在短的时间段之后，电压进一步降低至其在第二电平126处的最终零值，并且在此被保持短的时间。在电压进一步降低至该第二电平126时，电枢50的动量至少应明显降低，以便电枢不会加速进入它的最终位置。该加速度因电枢50从其最终位置回弹而导致振荡。压电堆叠40和其它机械部件(包括与电枢50相联的那些机械部件)被设计成使得电枢50应停止在它的最终上部位置处，而无明显振荡。电压的阶梯波形122或者使电压的变化率变化的其它方式的另一优点在于，能够增大或加快分配循环速率，因为在分配循环之间几乎没有振荡。

图10和11类似于图8和9，差异在于阶梯波形不仅在移除电压时使用，如关于图8和9所述的且由图10和11中的波形150、152的第一半部150a、152a所示的，而且在重新施加电压(例如，以第三电压水平)时也使用阶梯波形，如以图10和11中的波形150、152的第二半部150b、152b所示的。同样，在电压被再次施加到压电堆叠，在该示例中，用以闭合喷射挺杆或者阀门元件76以及分配少量流体或者流体微滴时，如图2B所示，电压的该阶梯式再施加也可以用使电压变化率变化的另一方式替代。同样地，为允许对阀门元件闭合和喷射过程 的进一步控制，不同的波形部分可具有不同的电压变化率。在使喷射挺杆或者阀门元件76朝向阀座100(图2B)移动的同时使用电压的阶梯施加具有多种可能的优点。例如，可以更好地控制挺杆或者阀门元件76冲击阀座100的力(例如，降低该力以利于更长的阀座寿命)。另外，挺杆或者阀门元件76传递给流体的能量的量也可以通过改变用于喷射流体的电压的变化率来控制。这一方面可以被用于控制喷射性能。同样地，挺杆或者阀门元件76在其朝向阀座100的运动期间的振荡可以被缓冲，并且产生更高质量的分配操作以及更准确的分配流体的体积控制。也应理解，对于一些应用，施加给压电致动器26的电压的变化率(移除电压或者施加电压)可以这样发生：1)仅在从阀座100升高喷射挺杆或者阀门元件76时发生，如关于图8和9讨论的；2)在升高和降低喷射挺杆或者阀门元件76时均发生，如关于图10和11所讨论的；或者3)仅在喷射分配操作期间朝向出口移动喷射阀门元件时发生。

虽然已经通过关于本发明具体实施例的说明例示了本发明，并且虽然已经相当详细地描述了这些实施例，但是无意将附加权利要求的范围约束于或者以任何方式局限于这些细节。可以单独地或者组合地使用本文所讨论的各种特征。另外的优点和修改对于本领域技术人员将是易于明白。因此，本发明在其更广泛方面不限于所示出及所描述的具体细节、代表性设备和方法以及所例示的示例。因而，在不偏离总体发明构思的范围和精神的情况下，可以偏离这些细节。