[发明专利]预加载压电致动器和采用致动器的气阀

说明书

一种用于控制气流的阀装置。气体块包括进气部、出气部、以及将进气部流体连接到出气部的气腔。隔膜部被配置为用于在进气部和出气部之间控制气流。致动器被配置为改变隔膜部位置以便控制气流。致动器包括：管状壳体；柱塞，其定位在壳体内部并具有致动延伸部，致动延伸部延伸到壳体外部并联接到隔膜部，柱塞被配置为能够在壳体内部滑动；位于柱塞内部的压电体；以及预加载器，其向柱塞施加力以使柱塞压靠于压电体。

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年7月12日提交的美国非临时专利申请No.16/510,671的权益，其公开内容以引用的方式整体并入本文。

技术领域

1.领域

本公开涉及压电致动器和传递压电元件的膨胀同时保护元件免受环境影响的结构。本公开还涉及用于控制气流的阀，尤其是采用压电致动器的阀。

背景技术

2.相关技术及解决的问题：

致动器采用在施加电压电位时膨胀的压电元件在本领域中是已知的。在例如美国专利7,859,169中公开了用于预加载压电元件的装置；然而，在该公布和其他公布中，均没有提供保护压电元件免受环境影响的措施。

因此，需要一种为压电元件提供预加载和保护的压电元件装置。此外，还需要能够在高温(例如，高达2000℃)下运行并免受环境湿气影响的装置。

可以使用阀来控制气流。在需要精确控制非常少量的气流的情况下，可以使用压电元件作为致动装置来控制流量。例如在半导体制造设备中需要非常精确地控制微量气流。

利用压电元件的气流阀在例如美国专利5,881,767和美国公布2018/0163886中公开。尽管这些阀在某些环境中可以正常工作，但没有公开用于适当预加载压电元件的措施，也没有公开用于保护压电元件在升高的温度和高湿度环境中操作的措施。

因此，需要一种基于压电的致动器，其能够精确控制气流，同时能够在升高的温度下操作，为压电元件提供保护，并抵抗由于环境湿气造成的损坏。

发明内容

包括以下概述以便提供对本发明的一些方面和特征的基本理解。这种概述不是对本发明的广泛概览，因此其并非旨在具体限定本发明的关键或关键要素或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为下文呈现的更详细说明的前序。

提供一种用于压电致动器的装置，其中，该装置提供压电元件的预加载和保护。压电元件被包封在保护压电元件的壳体中，同时还能够将运动致动传递到壳体外部。在某些实施方式中，壳体由使热膨胀最小化以保持恒定预加载的材料制成。在这样的实施方式中，壳体可以由镍铁合金制成，镍铁合金也称为Invar，例如可从宾夕法尼亚州费城的Carpenter Technology Corporation公司购买的Invar在其他实施方式中，壳体由镍钴合金制成，镍钴合金例如为Kovar，也可从Carpenter Technology Corporation公司购买。在其他实施方式中，壳体由可从弗吉尼亚州罗阿诺克的Nordt EPM公司购买的Inovko制成。

在一些实施方式中，预加载是使用弹簧垫圈实现的，例如一个或多个贝勒维尔(Belleville)垫圈。弹簧垫圈在壳体和压电元件之间被堆叠并压缩，以预加载压电元件。在一些实施方式中，压电元件是串联堆叠的元件，其中，一系列压电元件被串联堆叠。

根据所公开的方面，提供了一种致动器，包括：长型管状壳体，其具有配置为用于接纳盖帽的第一端和具有致动开口的第二端；盖帽，其被配置为牢固地附接至第一端；柱塞，其位于壳体内并配置为在壳体内滑动，柱塞具有包括肩部和致动延伸部的致动端，其中，致动延伸部被尺寸设计为装配在致动开口内并通过致动开口延伸到壳体外部；至少一个压电元件，其位于柱塞内并抵接致动端的内壁；电引线，其附接至所述至少一个压电元件；以及至少一个预加载元件，其位于壳体内部并在第二端和肩部之间被压缩。