压电阀驱动器以及压电阀的制作方法

本发明涉及流量检测技术领域，尤其涉及一种压电阀驱动器以及压电阀。

背景技术：

气体质量流量控制器(massflowcontroller，mfc)用于对气体质量流量进行精密测量及控制。气体质量流量控制器在半导体和集成电路工艺、特种材料学科、化学工业、石油工业、医药、环保和真空等多种领域的科研和生产中有着重要的应用，应用场合包括:微电子工艺设备,如扩散、氧化、外延、cvd、等离子刻蚀、溅射、离子注入，以及镀膜设备、光纤熔炼、微反应装置、混气配气系统、气体取样、毛细管测量、气相色谱仪及其它分析仪器等。采用压电陶瓷驱动结构的流量控制阀(以下简称压电阀)，具有输出驱动力大，控制精确度高，结构紧凑、电磁污染小和功耗低等优点。特别是压电阀驱动器远远小于1ms的响应时间，使压电阀的响应时间达到毫秒级，一般响应时间可达0.1-1ms。因此，压电阀被广泛应用在高端半导体制造设备上，并有效提升装备的性能，是半导体装备的主力核心配件。压电阀驱动器部件是压电阀的核心器件，决定了压电阀的性能好坏。

现有的压电阀驱动器采用直动式结构，即压电陶瓷通电伸长，输出位移量，推动阀芯部件远离压电陶瓷驱动部件，使阀芯与阀口产生一个对应的开度和相应的流量，通过加载不同的电压达到不同流量控制的目的。采用现有的压电阀驱动器，压电陶瓷的运动方向与推杆的方向相同(称为正向驱动)，在气路中通常使用簧片部件，存在安全隐患，阀芯阀口结构复杂，且阀芯与阀口由于与气体接触，对材料和表面处理都有特殊的要求，造成阀的制造难度很大，成品率低，成本高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种压电阀驱动器以及压电阀。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种压电阀驱动器，包括：连接套筒、压电陶瓷部件、顶部封装部件、支撑块、固定座和弹性部件；所述连接套筒设置有分别贯穿侧壁的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和所述第二通孔为相对设置；所述支撑块穿过所述第一通孔和所述第二通孔，将所述连接套筒的内腔分隔为上腔体和下腔体；所述支撑块分别与所述第一通孔和所述第二通孔滑动配合，所述支撑块与所述固定座固定连接；所述顶部封装部件安装在所述连接套筒的顶部，用于固定所述压电陶瓷部件；所述压电陶瓷部件安装在所述上腔体内，所述压电陶瓷部件的底端与所述支撑块相接触，顶端与所述顶部封装部件相配合；所述下腔体的底部为密封底面，所述弹性部件安装在所述下腔体内，所述弹性部件的两端分别压在密封底面和所述支撑块上。

可选地，包括：导向连接套；所述导向连接套设置有分别贯穿侧壁的第三通孔和第四通孔，所述第三通孔和所述第四通孔为相对设置；所述导向连接套与所述固定座固定连接，所述导向连接套套设在所述连接套筒的外部，并且，所述支撑块穿过所述第一通孔、第三通孔、第二通孔和所述第四通孔。

可选地，所述第一通孔、所述第三通孔、所述第二通孔和所述第四通孔都为长条形通孔，且所述长条形通孔均沿所述连接套筒的轴向延伸。

可选地，所述弹性部件包括：顶块和弹性元件；所述顶块设置在所述弹性元件和所述支撑块之间，所述弹性元件的两端分别压在所述顶块和所述密封底面上；其中，所述弹性元件包括：弹簧。

可选地，所述顶部封装部件包括：用于固定所述压电陶瓷部件的压电陶瓷固定螺母；所述压电陶瓷固定螺母与所述连接套筒顶部的侧壁螺纹连接。

可选地，包括：第一调心球；所述第一调心球位于所述压电陶瓷部件与所述支撑块之间，所述第一调心球分别与在所述压电陶瓷部件的底部与所述支撑块的顶部设置的凹型锥坑相配合。

可选地，所述压电陶瓷部件在通电时伸长△x，所述连接套筒通过所述第一通孔和所述第二通孔与所述支撑块发生相对移动△x，以使所述连接套筒的底面向上移动△x。

根据本发明的另一方面，提供一种压电阀，包括：如上所述的压电阀驱动器、阀芯推杆部件和通道部件，在所述通道部件中设置有第一气道和第二气道；在所述压电陶瓷部件失电的状态下，通过所述连接套筒的底面施加的压力使所述阀芯推杆部件封闭位于所述第一气道和所述第二气道端口处的阀口，使得所述第一气道和所述第二气道隔断；在所述压电陶瓷部件得电的状态下，所述连接套筒的底面向上移动，所述阀芯推杆部件离开所述阀口，使得所述第一气道和所述第二气道连通。

可选地，所述阀芯推杆部件包括：阀芯推杆头和弹性阀芯推杆隔膜；所述阀芯推杆头的底部与所述弹性阀芯推杆隔膜连接，所述连接套筒的底面与所述阀芯推杆头的顶部接触；在所述压电陶瓷部件失电的状态下，通过所述连接套筒的底面施加在所述阀芯推杆头的压力，使位于所述弹性阀芯推杆隔膜底部的密封面封住所述阀口；在所述压电陶瓷部件得电的状态下，所述连接套筒的底面向上移动，通过所述弹性阀芯推杆隔膜的弹性力推动所述阀芯推杆头向上移动，以使所述密封面离开所述阀口。

可选地，第二调心球；所述第二调心球位于所述阀芯推杆头与所述连接套筒的底面之间,所述第二调心球分别与在所述阀芯推杆头的顶部与所述连接套筒的底面设置的凹型锥坑相配合。

本发明的压电阀驱动器以及压电阀，可以大大简化mfc阀部件的结构，降低阀部件的加工难度，同时避免使用簧片结构，提高压电阀的可靠性和降低制造成本和制造难度，提高mfc产品的竞争力。

本发明实施例附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图：

图1为根据本发明的压电阀驱动器的一个实施例的结构示意图；

图2和图3为根据本发明的压电阀驱动器的一个实施例的连接套筒的主视图和b-b剖面示意图；

图4和图5为根据本发明的压电阀驱动器的一个实施例的导向连接套的主视图和a-a剖面示意图；

图6为根据本发明的压电阀的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合图和实施例对本发明的技术方案进行多方面的描述。

下文为了叙述方便，下文中所称的“左”、“右”、“上”、“下”与附图本身的左、右、上、下方向一致。下文中的“第一”、“第二”等，仅用于描述上相区别，并没有其它特殊的含义。

如图1至5所示，本发明提供一种压电阀驱动器，包括：连接套筒4、压电陶瓷部件3、顶部封装部件、支撑块7、固定座10和弹性部件。连接套筒4设置有分别贯穿侧壁的第一通孔41和第二通孔42，第一通孔41和第二通孔42为相对设置。支撑块7穿过第一通孔41和第二通孔42，将连接套筒4的内腔分隔为上腔体和下腔体。在连接套筒4的轴向方向上，支撑块7分别与第一通孔41和第二通孔42滑动配合，支撑块7与固定座10固定连接。支撑块7与固定座10固定连接可以有多种连接方式，例如，支撑块7伸出在第一通孔41和第二通孔42外侧的两端分别与固定座10通过螺钉11螺纹连接等。

顶部封装部件安装在连接套筒4的顶部，用于固定压电陶瓷部件3。压电陶瓷部件3可以有多种结构，例如压电陶瓷部件3为棒状的压电陶瓷等。压电陶瓷部件3安装在连接套筒4的上腔体内，压电陶瓷部件3的底端与支撑块7相接触，顶端与顶部封装部件相配合。连接套筒4的下腔体的底部为密封底面12，弹性部件安装在下腔体内，弹性部件的两端分别压在密封底面12和支撑块7上。

该压电阀驱动器还设有导向连接套5，导向连接套5设置有分别贯穿侧壁的第三通孔51和第四通孔52，第三通孔51和第四通孔52为相对设置。导向连接套5与固定座10固定连接，可以采用多种固定连接方式，例如螺纹连接、过盈配合连接等。导向连接套5套设在连接套筒4的外部，并且，连接套筒4的外壁与导向连接套5的内壁相接触，以保证连接套筒4相对于导向连接套5在轴向上稳定移动。支撑块7穿过第一通孔41、第三通孔51、第二通孔42和第四通孔52。第一通孔41、第三通孔51、第二通孔42和第四通孔52可以有多种形状，为保证连接套筒4相对于支撑块7有足够的移动量，可以都设置成沿连接套筒4的轴向延伸的长条形通孔，例如都为矩形通孔等。

弹性部件可以有多种结构。例如，弹性部件包括：顶块8和弹性元件。顶块8设置在弹性元件和支撑块7之间，弹性元件的两端分别压在顶块8和密封底面12上。弹性元件可以有多种，例如弹性元件为弹簧9等。

顶部封装部件可以有多种结构，例如，顶部封装部件包括：用于固定压电陶瓷部件的压电陶瓷固定螺母1，压电陶瓷固定螺母1与连接套筒4顶部的侧壁螺纹连接。顶部封装部件还可以包括：锁紧螺母2；压电陶瓷固定螺母1位于锁紧螺母2的上方，锁紧螺母2与连接套筒4顶部的侧壁螺纹连接。第一调心球6位于压电陶瓷部件与支撑块7之间，第一调心球6分别与在压电陶瓷部件3的底部与支撑块7的顶部设置的凹型锥坑相配合。压电陶瓷部件3的上端有压电陶瓷固定螺母1固定，下端通过第一调心球6顶在支撑块7上。顶块8和弹簧9装在连接套筒4的下腔体，弹簧9一端作用在连接套筒4的底部，另一端通过顶块8压在支撑块7上，工作时弹簧9处于压缩状态。

在一个实施例中，本发明的压电阀驱动器的安装过程为：将导向连接套5安装在固定座10上，为过盈配合，需要用一定的装配力将导向连接套5压入固定座10里，以使导向连接套5与固定座10固定连接。

将连接套筒4装入导向连接套5中，连接套筒4与导向连接套5的侧壁上的矩形通孔对应且方向一致,矩形通孔的高度尺寸由支撑块7的高度、弹簧9和支顶块8的高度确定，可以使弹簧9在自由状态下，支撑块7能够顺利通过连接套筒4与导向连接套5的侧壁上的矩形窗口，保证安装方便。矩形通孔的宽度尺寸由支撑块7的宽度决定，大于支撑块7的宽度，间隙一般为0.5-1mm。

依次将弹簧9、顶块8放入连接套筒4的下腔体内，将支撑块7穿过连接套筒4和导向连接套5的侧壁上的矩形通孔，并用螺钉11固定在固定座10上，支撑块7的高度小于矩形通孔的高度，使得连接套筒4在矩形通孔的高度范围内可相对于导向连接套5上下运动。

将第一调心球6放在支撑块7的凹型锥坑里，将压电陶瓷部件3放入连接套筒4中，压电陶瓷部件3的下端凹型锥坑与第一调心球6接触。接着装上锁紧螺母2和压电陶瓷固定螺母1，拧紧压电陶瓷固定螺母1，最后拧紧锁紧螺母2，防止装置松脱。

本发明的压电阀驱动器的在不通电的情况下，即压电陶瓷部件3不通电的情况下，在弹簧9的作用下，连接套筒4处于一个固定的位置，此时连接套筒4的上端通过压电陶瓷固定螺母1抵靠在压电陶瓷部件3的顶部，压电陶瓷部件3的底部抵靠在支撑块7上。当压电阀驱动器接收到设定流量信号时，压电陶瓷部件3根据施加的电压产生对应的伸长量△x。压电陶瓷部件3的一端通过第一调心球6顶在支撑块7上，即该端的位置相对固定，压电陶瓷部件3伸长后，另一端带动压电陶瓷固定螺母1、连接套筒4向上运动△x位移。此时弹簧9压缩△x，连接套筒4的底面a面向上移动△x位移。对于压电阀，连接套筒4的底面a与阀芯推杆部件接触，带动阀芯推杆部件运动，实现流量的控制。

压电阀驱动器的流量与移动△x位移之间的关系简化为：q＝kπdδx，q为流量，d为阀口直径，k为与阀口直径、气体特性等有关的一个常数，例如阀口直径为1.6mm时，行程△x＝90μm,氮气流量为10lm，行程△x＝45μm,氮气流量为5lm。压电阀驱动器的行程范围由压电陶瓷部件确定，一般为0到几百μm。例如，压电陶瓷部件的行程为240μm，压电阀驱动器的行程运动△x位移范围为0-240μm。实际应用中可以考虑流量和经济性，选择合适的量程。

在现有mfc中，压电阀部件采用正向驱动，零部件结构复杂，零件种类多，因此整机故障率高，制造难度大。本发明的压电阀驱动器，能够提供替换现有正向驱动的压电阀驱动器，其压电陶瓷伸长位移的方向与压电陶瓷作用在连接套筒4上的位移方向一致(称为反向驱动)，采用本发明的压电阀驱动器，可以大大简化mfc阀部件的结构，降低阀部件的加工难度，同时避免使用簧片结构，提高压电阀的可靠性和降低制造成本和制造难度。

在一个实施例中，如图6所示，提供一种压电阀，包括：如上任一实施例的压电阀驱动器21、阀芯推杆部件和通道部件25，在通道部件25中设置有第一气道27和第二气道30。在压电阀驱动器21的压电陶瓷部件3失电的状态下，通过连接套筒4的底面施加的压力使阀芯推杆部件封闭位于第一气道27和第二气道30端口处的阀口29、24，使得第一气道27和第二气道30隔断。在压电陶瓷部件3得电的状态下，连接套筒4的底面向上移动，阀芯推杆部件离开阀口29、24，使得第一气道27和第二气道30连通。

阀芯推杆部件可以采用多种结构，例如，阀芯推杆部件包括：阀芯推杆头23和弹性阀芯推杆隔膜28。阀芯推杆头23的底部与弹性阀芯推杆隔膜28连接，连接套筒4的底面与阀芯推杆头28的顶部接触。在压电陶瓷部件3失电的状态下，通过连接套筒4的底面施加在阀芯推杆头23的压力，使位于弹性阀芯推杆隔膜28底部的密封面封住阀口29、24，密封垫26封闭与阀芯推杆头23的底部相接触的孔，使得第一气道27和第二气道30隔断。

在压电陶瓷部件3得电的状态下，连接套筒4的底面向上移动，通过弹性阀芯推杆隔膜28的弹性力推动阀芯推杆头23向上移动，以使弹性阀芯推杆隔膜28底部的密封面离开阀口29、24，使得第一气道27和第二气道30连通。第二调心球22位于阀芯推杆头23与连接套筒4的底面之间,第二调心球22分别与在阀芯推杆头23的顶部与连接套筒4的底面设置的凹型锥坑相配合。

压电阀在不通电的情况下，在弹簧9的作用下，位于弹性阀芯推杆隔膜28底部的密封面封住阀口29、24，阻断气体的通路，压电阀无气体通过，此时阀关闭。当压电阀接收到设定流量信号时，打开相应的阀开度，具体运动为：压电阀根据接收到的设定流量信号对应的开度电信号后，压电阀驱动器根据施加的电压产生对应的伸长量△x。压电陶瓷部件3伸长后，带动压电陶瓷固定螺母1、连接套筒4向上运动△x位移。此时弹簧9压缩△x。阀芯推杆头23在弹性阀芯推杆隔膜28复位作用下与第二调心球22一起向上移动△x位移。此时位于弹性阀芯推杆隔膜28底部的密封面与离开阀口29、24，产生△x位移，此时流体通过压电阀并流过设定的流量。通过对压电阀施加不同的电压，产生不同的阀开度△x，获得不同的流量。例如阀口直径为1.6mm时，阀开度△x＝90μm,氮气流量为10lm，阀口直径为6.5mm时，阀开度△x＝44μm,氮气流量为20lm。

上述实施例提供的压电阀驱动器以及压电阀，其压电陶瓷伸长位移的方向与压电陶瓷作用在推杆上的位移方向一致，能够提供替换现有正向驱动的压电阀驱动器，可以大大简化mfc阀部件的结构，降低阀部件的加工难度，同时避免使用簧片结构，提高压电阀的可靠性和降低制造成本和制造难度，提高mfc产品的竞争力。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。