交错提升机构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于诸如调节比例阀之类的轴对称装置中的致动器的耦合运动 的机构，且本发明对于压电致动器是特别有用的。该机构利用致动器伸长运动来致使远离 该机构安装面的平移，并因此使得能够实现阀元件的提升式打开以代替该阀元件的通常的 推动式关闭。本发明的交错提升机构（interlace lifting mechanism)还能够与本发明人 的Multiflex耦合器(该Multiflex耦合器被披露于相关申请SN 13/794,517中，该相关申请 的全部内容已经以引用的方式被明文并入到本说明书中）结合，以便提供增大的行程。在打 算对制造半导体装置、药物或精制化学品的工业过程内的流体输送和许多类似的流体输送 系统进行比例控制或调节控制的阀中，本发明是特别有用的。
【背景技术】
[0002] 打算在自动化工艺控制系统内使用的控制阀的领域是广泛的且众所周知的。许多 比例控制阀具有一个或多个可以被灵活地置于完全打开状态与完全关闭状态之间的任何 状态处的活动元件，以便调节从阀中流过的流体的流量。打算对半导体制造设备内的工艺 材料进行操控的流体输送装置通常需要注意维持被输送反应物的高纯度，且通常还比例如 被用于石油化工厂中的阀小得多。尽管如此，在高纯度仪表和诸如质量流量控制器等控制 装置中发现了许多不同类型的电动阀致动器。授予给Shimizu等人的美国专利第4,695,034 号披露了使用压电盘形元件的叠层来影响质量流量控制器中的阀部件的移动。授予给 Doyle的美国专利第4,569,504号披露了带有交错的磁路元件的磁性螺线管的使用。授予给 Mudd的美国专利第5,660,207号披露了使用随温度而改变长度的加热电阻丝来影响阀元件 的移动。授予给Suzuki的美国专利第6,178,996号披露了在波纹管致动器中使用诸如氮气 等增压流体来控制隔膜传动型(diaphragm-operated)控制阀的打开程度。
[0003] 磁性螺线管和热膨胀型致动器这两者的一个缺点是：当控制阀元件被置于中间状 态时（例如当主动地调节流体流量时），它们两者都具有固有的恒功率消耗。压电致动器实 际上是电路中的电容器，且因此当所施加的电压恒定不变时，该压电致动器不会消耗电流。 因此，代表性的压电控制阀的应用只需要低功率，且避免了在电磁致动器中发现的不受欢 迎的发热。压电致动器有利地可以产生比同级尺寸的螺线管致动器明显更大的力，但是可 能获得的应变严重地限制了压电叠层能够移动的距离。阀功率消耗在诸如紧凑型质量流量 控制器等仪表设备中是特别令人担忧的问题。
[0004] 压电致动器几乎总是以如下方式而被使用：其中，施加激活电压以引起叠层长度 的伸长增加(参看Shimizu等人的美国专利第4,695,034号和授予给511化 &1等人的美国专利 第5,094,430号）。Shimizu等人通过在压电盘形元件的叠层与控制阀的移动部之间插入含 有多个径向杆臂指状物的力传递构件来增加可用的移动。这些力传递构件比较复杂且很难 被准确地制造出来。压电致动器通常与如下的常开阀(normally open valve)相关联:在这 样的常开阀中，增大所施加的电压然后就致使该阀减少流体流量。使用压电致动器的常闭 阀(normally closed valve)(在这样的常闭阀中，增大所施加的电压然后就致使该阀增加 流体流量)通常具有会不利地影响流体纯度的复杂流体流路结构，该流体流路结构配备有 被穿过阀座孔的轴驱动的提动阀（poppet)(例如，参看Shimizu等人的美国专利第4,695， 034号中的图3和图10)。阀设计者将会得益于如下这样的设计:使该机构看起来是将致动器 伸长运动的方向反转，由此，在避免了穿过阀座的轴的复杂性和妥协性的同时，允许常闭阀 能够使用压电致动器提升隔膜以打开该阀。
【发明内容】
[0005] 考虑到前述问题，本发明人发明了一种包围压电叠层致动器且接触该压电叠层的 相反两端的机构，由此，在该机构的近邻安装部保持在固定位置处的同时，该致动器的伸长 运动(变长)致使该机构的提升部朝向该致动器的突起部分平移。耦合该机构不包括任何的 齿轮或丝杠螺纹，且在日常实践中是持续不断地被加载的，所以在没有机械间隙引入滞后 (mechanical backlash introducing hysteresis)的前提下实现了方向的明显变化。下面 的说明可能会使用概念性方向（上和下、上方和下方、左和右、前和后等）以帮助理解机构零 件之间的关系，且所图示的附图一般来说将会与所陈述的概念性方向一致，但是应当理解 的是，采用本发明的装置可以在不会影响机构功能的前提下获得空间中的任何取向，包括 灵活地平移或旋转或翻滚。
[0006] 在代表性实施例中，本发明的机构包括安装部、提升部、跨接支撑部和耦合盘 (coupling disc)。所述安装部具有中心开口，所述提升部的一部分从所述中心开口中突 起，且所述跨接支撑部被安置成紧靠横跨于所述提升部的突起上的所述安装部。所述耦合 盘被用作使所述安装部和所述提升部在维持径向和角度对准的同时被联合起来的弹性元 件，但是所述耦合盘允许所述提升部相对于所述安装部和所述跨接支撑部的轴向移动。为 了方便辨认，在该机构的固定部件和移动部件之间的这种上下关系促使本发明人将他的发 明命名为"交错提升机构"，但是不应当由此推测出额外的意义或限制。
[0007] 在交错提升机构的一个实施例100中，安装部可以被形成为具有螺纹区域11的圆 形安装螺母10,螺纹区域11用于啮合被形成于流体输送装置的主体99中的匹配螺纹。安装 螺母10被椭圆形插槽12沿轴向地穿过，且它具有在椭圆形插槽12的周边之外的台阶特征15 以便接纳和安置跨接板(cross-over plate)20。跨接板20便利地可以是在它的上表面和下 表面上具有对准特征21和空隙特征22的圆盘形状。这一个实施例的提升部可以由包括提升 壳体30、致动器壳体40和壳体锁定螺母50在内的三个部件组成。提升壳体30可以被形成为 圆形外壳，该圆形外壳具有向外沿轴向突出的横条32,横条32的形状和尺寸与椭圆形插槽 12类似且延伸得在直径上跨越该外壳的开口下端35但是只部分地覆盖该外壳的开口下端 35。提升壳体30被连接至耦合盘60，且耦合盘60被连接至安装螺母10，由此将横条32这个突 出部安置在椭圆形插槽12内。跨接板20可以被布置在提升壳体30内且紧靠着部分暴露的安 装螺母10,并且可以通过台阶特征15而被安置成横跨横条32这个沿轴向突出部和椭圆形插 槽12。
[0008] 在交错提升机构的实施例100中，致动器90的下端91可以被联接得紧靠着跨接板 20。致动器壳体40可以被形成为圆管形状，该圆管形状具有螺纹41以便啮合被形成在提升 壳体30上的匹配螺纹31，且在致动器壳体40的上端上可以形成向内指向的边缘部（lip)45 以便接触致动器90的上端95。致动器壳体40与提升壳体30之间的啮合由此可以被调节，直 到致动器90被适当地夹持于跨接板20与边缘部45之间。然后，壳体锁定螺母50可以被用来 防止这个啮合的意外变化。致动器预载荷弹簧88可以被安置在处于提升壳体30的下端处的 向内边缘部37与致动器90的下端91之间，以便提供致动器的静态压缩。这样的预载荷弹簧 (preload spring)88在压电叠层致动器的应用中是特别有用的。向该压电叠层施加激活电 压就引起了致动器长度的伸长增加，该伸长增加会使致动器壳体40远离搁置于安装螺母10 上的跨接板20而平移，并由此在使耦合盘60偏转的同时使提升壳体30与它的横条32-起相 对于安装螺母10发生移动。诸如液压波纹管等密封设计(没有滑动密封件）的流体驱动致动 器也可以被考虑使用交错提升机构的这一个实施例100。
[0009] 应当理解的是，为轴对称的提升壳体30和致动器壳体40选择圆形横截面仅仅是为 了方便，而开口框架型(代表性地但并不仅仅是双侧对称的）结构也将会是足够的。在开口 框架的情形下，矩形结构可以以与相片框架相似的方式围绕着压电叠层，且该框架的底部 包括所述机构的所述提升部。还应当理解的是，法兰可以被用于所述机构的所述安装部的 连接，且带螺纹的紧固件或者诸如焊接或粘合剂等其他连接方法能够被用来将所述机构固 定至流体输送装置主体99。
[0010] 交错提升机构的另一个实施例500被构造有如在美国专利申请第13/794,517号中 所详细说明的Multiflex親合器(Multiflex Coupling)，该Multiflex親合器被放置成与本 发明的所述机构内的压电叠层致动器串联。这另一个实施例中的安装部可以被形成为具有 螺纹区域511的圆形安装螺母510,该螺纹区域511用于啮合被形成于流体输送装置的主体 599中的匹配螺纹。安装螺母510被椭圆形插槽512沿轴向地穿过，且它具有在椭圆形插槽 512的周边之外的台阶特征515以便接纳和安置跨接板520。跨接板520便利地可以是在它的 上表面和下表面上具有对准特征521和空隙特征522的圆盘形状。这另一个实施例中的提升 部可以由包括提升壳体530、Multif lex耦合器组件、致动器壳体540和壳体锁定螺母550在 内的四个部件组成。提升壳体530可以被形成为圆形外壳，该圆形外壳具有向外沿轴向突出 的横条532,横条532的形状和尺寸与椭圆形插槽512相似且延伸得在直径上跨越该外壳的 开口下端