CN105556186B - 交错提升机构 - Google Patents

Abstract

一种用于诸如调节比例阀之类的轴对称装置中的压电致动器的耦合运动的机构，其利用致动器伸长运动来致使远离机构安装面的平移，且由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。所述机构不包含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的前提下实现了明显的方向变化。所述机构通过接触压电叠层的相反两端而包围该压电叠层致动器，由此，在所述机构的近邻安装部保持在固定位置处的同时，使所述致动器变长的伸长运动致使所述机构的提升部朝向所述致动器的突起部分平移。

Description

交错提升机构

技术领域

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

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。

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。

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Shirai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

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。

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。

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。

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32一起相对于安装螺母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。

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。

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耦合器(Multiflex Coupling)，该Multiflex耦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、Multiflex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但是只部分地覆盖该外壳的开口下端。提升壳体530被连接至耦合盘560，且耦合盘560被连接至安装螺母510，由此将横条532这个突出部安置在椭圆形插槽512内。跨接板520可以被布置在提升壳体530内且紧靠着部分暴露的安装螺母510，并且可以通过台阶特征515而被安置成横跨横条532这个沿轴向突出部和椭圆形插槽512。

在这另一个实施例500中，所述Multiflex耦合器被放置成与跨接板520接触且还与提升壳体530啮合。在跨接板520的上表面上的螺纹立柱特征521可以便利地装配到位于所述Multiflex耦合器的下反应元件578这个部分中的匹配螺纹孔579内。所述Multiflex耦合器的上被动元件575这个部分可以利用锁定环584(或诸如螺纹、销、卷边或焊接等其他手段)而被保持成抵靠着提升壳体530的肩部535，由此被动元件575和提升壳体530保持着在位置上彼此接触且一致地移动。跨接板520与Multiflex耦合器的反应元件578之间的预载荷弹簧588提供了在由所述机构元件的纯粹无隙调节(zero-clearance adjustment)所导致的力之外的额外的力，且预载荷弹簧588对压电致动器叠层是特别有用的。

在交错提升机构的这另一个实施例500中，致动器590的下端591可以被放置成与所述Multiflex耦合器的上主动轴元件580这个部分接触。致动器壳体540可以被形成为具有螺纹541的圆管形状，所述螺纹541啮合被形成在提升壳体530上的匹配螺纹531，并且在致动器壳体540的上端上可以形成顶盖端545以便接触致动器590的上端595。致动器壳体540与提升壳体530之间的啮合由此可以被调节，直到致动器590被适当地夹持于所述Multiflex耦合器与顶盖端545之间。然后，壳体锁定螺母550可以被用来防止这个啮合的意外变化。施加激活电压就引起了致动器叠层长度的伸长增加，该伸长增加使致动器壳体540远离与所述Multiflex耦合器内的枢轴销582连接的主动轴元件580而平移。与提升壳体530固定啮合的致动器壳体540和处于与被动元件575在位置上接触的状态下的提升壳体530的结合就致使被动元件575远离主动轴580及枢轴销582而作出相对移动。枢轴销582与被动元件575之间的相对运动会致使摇杆576、577略微倾斜，且由此使反应元件578与被动元件575之间的距离增大了一个由所述Multiflex耦合器的机械增益和所述致动器伸长长度增加所确定的量。被动元件575与提升壳体530处于在位置上接触的状态，而反应元件578接触被安置成紧靠着安装螺母510的跨接板520，由此在使耦合盘560偏转的同时使提升壳体530与它的横条532一起相对于安装螺母510发生移动。

在本发明的一个特别方面中，提供了一种用于致动器的耦合运动的机构，该机构被配置成包围着所述致动器且接触所述致动器的相反两端，由此，在所述机构的近邻安装部保持在固定位置处的同时，使所述致动器变长的伸长运动致使该机构的提升部朝向所述致动器的略突起的部分平移。这个机构是轴对称的。所述致动器可以是压电叠层致动器。致动器预载荷弹簧提供了与阀关闭力无关的对所述致动器的压缩力。耦合器被插入所述致动器与所述机构的所述安装部之间以用于增加所述致动器的行程。致动器弹簧提供了与阀关闭力无关的对所述致动器的压缩力。该轴对称的机构包括调节比例阀。

在本发明的另一个方面中，提供了一种用来提升由压电叠层提供动力的阀致动器的机构。该机构包括安装部、提升部、跨接支撑部和耦合盘。所述安装部包括安装螺母。所述安装螺母带有螺纹以用于与阀体的连接。关断弹簧是通过所述安装部而被定位的。在某些实施例中，所述关断弹簧包括贝氏弹簧垫圈(Belleville spring washer)。所述跨接支撑部包括跨接板。所述提升部包括提升壳体、致动器壳体和壳体锁定螺母。所述耦合盘包括基本上扁平的环，该环由具有像弹簧一样的特性的弹性材料制造。

通过参照下面的与附图结合而做出的说明，可以最好地理解本发明及其附加的特征和优点。

附图说明

图1A是沿轴向经过椭圆形插槽和横条而被切开的交错提升机构的一个实施例的截面图，该截面图还示出了位于安装螺母的顶部上的跨接板；

图1B是沿轴向沿着椭圆形插槽而被切开的图1的实施例的截面图，该截面图还示出了在跨接板下方经过的横条(截面与图1A的截面垂直)；

图2A是用于本发明装置的安装螺母的立体图；

图2B是本发明的提升壳体的立体图；

图2C是本发明的耦合盘的立体图；

图3A是本发明的提升壳体、耦合盘和安装螺母的倒置叠层的分解图；

图3B是像图3A的分解图那样的分解图，其中四分之一扇区部分已被移除以便揭示能够形成焊点的特征的关系；

图3C是利用所图示的焊点而被完全组装起来的图3B的装置的截面图；

图4A是沿着图4C中的线B-B所取得的经过提升壳体、耦合盘和安装螺母的倒置叠层的截面图，该截面图示出了耦合盘和安装螺母的焊点连接；

图4B是沿着图4A中的线A-A所取得的经过提升壳体、耦合盘和安装螺母的倒置叠层的截面图，该截面图示出了耦合盘和提升壳体的焊点连接；

图4C是图4A和图4B中所示的装置的俯视图；

图4D是图4A中的被标记为细节A的部分的放大截面图；

图4E是图4B中的被标记为细节B的部分的放大截面图；

图5A是根据本发明的原理而构建出来的交错提升机构的另一个实施例的截面图，其中该机构是垂直于椭圆形插槽和横条且同时还平行于被合并进来的Multiflex耦合器组件的枢轴销而被切开的，因此剖切了两个摇杆(rocker)；

图5B是图5A的实施例的截面图，其中该机构是平行于椭圆形插槽和横条而被切开的，同时揭示了Multiflex耦合器组件的一个摇杆；

图6A是可供替代的安装螺母的立体图；

图6B是可供替代的提升壳体的立体图；

图6C是可供替代的耦合盘的立体图；

图7A是在具有要被插入的连接销的情况下被修改后的图5A至图6C中的提升壳体、耦合盘和安装螺母的倒置叠层的分解图；

图7B是图7A的实施例的分解图，其中四分之一扇区部分已被移除以便揭示销接纳特征的关系；

图7C是如图7B所示的实施例的组装图；

图8A是沿着图8C中的线B-B所取得的经过图5A至图7C的替代实施例中的提升壳体、耦合盘和安装螺母的倒置叠层的截面图，该截面图示出了耦合盘和安装螺母的销连接；

图8B是经过图5A至图8A的替代实施例中的提升壳体、耦合盘和安装螺母的倒置叠层的截面图，该截面图示出了耦合盘和提升壳体的销连接；

图8C是图8A和图8B中所示的装置的俯视图；

图8D是图8A中的被标记为细节A的部分的放大截面图；以及

图8E是图8B中的被标记为细节B的部分的放大截面图。

具体实施方式

本发明在它的申请中并不局限于在下面的说明中所陈述的或在附图中所图示的各部件的构造和布置的细节。本发明能够有其他的实施方式，且能够以各种各样的方式被实施或被执行。而且，在这里所使用的措辞和术语是为了说明的目的，而不应该被认为是为了限制。“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”等词汇及它们在本文中的变形词汇的使用意味着包含在该词汇后所列出的项目及其等同物和其他项目。

现在，更具体地参照附图，如图1A和图1B的组装件截面图所示，交错提升机构100的代表性示例可以被固定至代表性的流体输送装置的主体99。流体输送装置可以包括这样的阀结构：该阀结构包括流量调节元件97，流量调节元件97是能够通过利用交错提升机构100的动作来提升中心轴96且使隔膜98弯曲而发生移动的。预期的流体输送装置可以是例如质量流量控制器或更简单的个体调节阀等主动子系统。在打算用于半导体制造的流体输送设备中，阀体99将会代表性地由高纯度316L不锈钢合金、镍合金或相似材料制成。交错提升机构100可以具有安装部，该安装部被形成为具有螺纹区域11的圆形安装螺母10，螺纹区域11用于啮合被形成于阀的主体99中的匹配螺纹。图2A是示出了前述特征的安装螺母10的立体图。安装螺母10可以由与装置主体99相似的材料制成，或者可以由其他更容易机械加工的材料制成，因为它处于流体流动路径的外面且不与被输送的必须首先考虑纯度因素的化学物接触。外螺纹区域11可以起到将安装螺母10紧固于阀体99内的作用。应当理解的是，知晓本领域技术的设计者可以替代地使用法兰和带螺纹的紧固件或者诸如焊接或粘合剂等其他连接方法，来将安装螺母10紧固至装置主体99。

安装螺母10还可以沿轴向地定位关断弹簧89，该关断弹簧89被用来提供阀关闭力，该阀关闭力把可移动的流量调节元件97在止流方向上驱动。这样的弹簧提供了在阀隔膜98的简单弯曲特性之外的额外的阀关闭力。在一个特别有利的实施方式中，关断弹簧89可以包括贝氏弹簧垫圈，该贝氏弹簧垫圈被插入安装螺母10与推力衬套93之间，推力衬套93套在中心轴96上以便将阀关闭力作用至隔膜98和流量调节元件97。为了精细地调节所添加的阀关闭力的目的，视需要可以将一个或多个垫片87a放置在关断弹簧89与推力衬套93之间，而且，附加的垫片87b还可以用作关断弹簧89的坚固支承面以便对安装螺母10施以推力。

安装螺母10被椭圆形插槽12沿轴向穿过，且安装螺母10在它的上表面上具有位于椭圆形插槽12的周边之外的台阶特征15以便接纳和安置跨接板20。便利地，跨接板20可以是在它的上表面和下表面上具有对准特征和空隙特征的圆盘形状。图1A是垂直于椭圆形插槽12和稍后进一步说明的横条32而被切开的、由此示出了位于安装螺母10顶部上的跨接板20的交错提升机构的代表性实施例100的横截面。在跨接板20的上表面上的对准特征可以被形成为锥形插孔21和相关的球形轴承(或替代地，半球形尖端的载荷集中销)，以便与在致动器90的下端91上的适当的锥形凹面或类似凹面配合且能够适应微小的致动器未对准。在跨接板20的下表面上的空隙特征可以被形成为圆形缺口22以便防止妨碍到交错提升机构100与阀的活动元件(诸如中心轴96和相关的固定螺母94等)间的联接。例如，跨接板20可以由诸如17-4PH钢等能够进行热处理的材料制成。稍后会进一步说明跨接板20的布置。

所图示的实施例中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(如图1A和图1B所示，且详见图2B)可以被形成为圆形外壳，该圆形外壳具有前述的向外沿轴向突出的横条32，横条32的形状和尺寸与安装螺母的椭圆形插槽12相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。阀杆孔(stem hole)14可以被设置在横条32中从而有利于与诸如中心轴96等阀的活动部的联接。为了方便由单件材料制作所述外壳和所述横条，该外壳的开口下端35可以视需要包括边缘部37。在包括边缘部37的提升壳体的情况下，可以存在着一个或多个(代表性地为两个，它们在直径上相对)被切入到边缘部37中的缺口(relief)或轴向穿孔38、39，由此在如下面进一步所述地连接至耦合盘60时提供了焊点空隙。此外，边缘部37还可以沿轴向地安置有被用来向致动器90提供压缩预载荷的预载荷弹簧88。通过提供在由机构元件的纯粹无隙调节所导致的压缩力之外的额外的致动器压缩力，预载荷弹簧88在压电叠层致动器的应用中是特别有用的。一种便利的实施方式可以包括被插入边缘部37与压电叠层致动器90的下端91之间的前述贝氏弹簧垫圈88。为了精细地调节所添加的致动器压缩力的目的，可以视需要将一个或多个垫片86放置在预载荷弹簧88与边缘部37之间，且这些垫片还可以用作预载荷弹簧88的坚固支承面以便施以推力。提升壳体30的圆形外壳可以具有一个或多个向内沿径向的穿孔33a、34a、33b、34b(部分地或完全地穿过该外壳的壁)，这些穿孔充当活动扳手(spanner wrench)的咬合点以便帮助组装该机构。还如下面进一步所说明的那样，所述圆形外壳可以包括位于上端附近的用于与致动器壳体40啮合的螺纹区域31。

提升壳体30被连接至耦合盘60(如图1A和图1B所示，且详见图2C)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。如图2C所示，耦合盘60可以被形成为扁平环形状，该扁平环形状具有沿径向指向的(对于代表性实施例100而言，向内指向是更加方便的，但这不是限制性的)且在直径上相对的耳片68a、69a、68b、69b，并且耦合盘60可以由诸如17-4PH钢等在能够兼容与提升壳体30的连接和与安装螺母10的连接的同时还适合用作弹簧的材料制成。实现这些连接的便利方法是利用焊接。在代表性的制造工序中，如图3A、图3B和图3C所示，提升壳体的外壳30、耦合盘60和安装螺母10以角度对准的方式被倒置且堆叠起来。如图4A所示，诸如激光或电子束等焊点形成用能量被引入至位于安装螺母10下面中的盲缺口(blind relief)18a、19a内，以便产生将安装螺母10和耦合盘耳片68a、69a连接起来的焊点66a、67a。在这个装配过程的期间内，如图4B所示，焊点形成用能量可以被引入至穿过安装螺母10的通孔18b、19b，以便产生将耦合盘耳片68b、69b连接至提升壳体30的焊点66b、67b。与特别的交错提升机构实施方案的尺寸相称的带螺纹的紧固件可以被用作焊接的替代方式。

下面将结合图6A至图8E进一步说明一种使用过盈配合销(interference fitpins)将提升壳体连接至耦合盘并且将耦合盘连接至安装螺母的替代设计。被夹在提升壳体30与安装螺母10之间且被固定至提升壳体30和安装螺母10的耦合盘60的对称性起到平衡的片簧对的作用，这样的片簧对能够在维持横条32在椭圆形插槽12内的正确角度和径向位置的同时还允许该壳体和该螺母的轴向相对运动。

实施例100中的致动器壳体40可以被形成为具有螺纹41的圆管形状，螺纹41用于啮合被形成在提升壳体30上的螺纹区域31中的匹配螺纹，且在致动器壳体40的上端上可以形成有向内指向的边缘部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，环形的壳体锁定螺母50可以被用来防止这个啮合的意外变化。壳体锁定螺母50可以具有一个或多个向内沿径向的穿孔53a、54a、53b、54b(部分地或完全地穿过该环的壁)，这些穿孔充当活动扳手的咬合点以便帮助组装该机构。致动器壳体40与提升壳体30之间的简单滑动配合可以与其他锁定手段(诸如也可以被预料到的销、卷边、粘合剂或焊接等)一起被用作螺纹31、41的替代方式。在具有可能出现问题的温度波动的应用中，致动器壳体40可以由诸如因瓦合金(Invar alloy)或钼金属等具有所选用的低热膨胀系数的材料制成。一个或多个环形弹性元件55、56(诸如O形环)可以被放置在致动器周边与致动器壳体内部之间，以便有助于组装、处置和安装。

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。在实施例100中，压电叠层致动器90的下端91可以利用与锥形的对准特征21咬合的硬球体而被耦合得紧靠着跨接板20。施加激活电压引起了致动器叠层长度的伸长增加，该伸长增加就使致动器壳体40远离位于安装螺母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32一起相对于安装螺母10发生移动。如图1B所示，这个运动可以被观察为如下现象：固定螺母94与跨接板的空隙特征22之间的空隙18的减小、横条32的顶部与跨接板20的底部之间的空隙17的减小、以及横条32的底部与安装螺母10之间的空隙16的增大。

前述的交错提升机构的替代实施例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耦合器，该Multiflex耦合器被放置成与本发明的交错提升机构内的致动器串联。如图5A和图5B的组装件截面图所示，交错提升机构的这个替代示例500可以被固定至代表性的流体输送装置的主体599。该流体输送装置可以包括如下这样的阀结构：其包括流量调节元件597，流量调节元件597是能够通过利用交错提升机构500的动作来提升中心轴596且使隔膜598弯曲而发生移动的。致动器代表性地可以是压电叠层型致动器，但是其他的高力、低应变器件(例如，磁致伸缩元件)也可以受益于由该Multiflex耦合器提供的行程倍增。在打算用于半导体制造的流体输送设备中，装置主体599将会代表性地由高纯度316L不锈钢合金、镍合金或类似材料制成。装置500可以具有安装部，该安装部被形成为具有螺纹区域511的圆形安装螺母510(如图5A和图5B所示)，螺纹区域511用于啮合被形成于该装置的主体599中的匹配螺纹。安装螺母510可以由与装置主体599相似的材料制成，或可以由其他更容易机械加工的材料制成，因为它处于流体流动路径的外面且不与被输送的必须首先考虑纯度因素的化学物接触。外螺纹区域511可以起到将安装螺母510固定在装置主体599内的作用，同时应当理解的是，知晓本领域技术的设计者可以替代地使用法兰和带螺纹的紧固件或诸如焊接或粘合剂等其他连接方法以便将安装螺母510固定至流体输送装置主体599。

安装螺母510还可以沿轴向地定位关断弹簧589，该关断弹簧589被用来提供阀关闭力，该阀关闭力用于把可移动的流量调节元件597在止流方向上驱动。这样的关断弹簧还提供了在阀隔膜598的简单弯曲特性之外的额外的阀关闭力。在一个便利的实施方式中，关断弹簧589可以包括贝氏弹簧垫圈，该贝氏弹簧垫圈被插入安装螺母510与推力衬套593之间，推力衬套593套在中心轴596上以便将阀关闭力作用至隔膜598和流量调节元件597。为了精细地调节所添加的阀关闭力的目的，可以视需要把一个或多个垫片587a放置在关断弹簧589与推力衬套593之间，且附加的垫片587b还可以用作关断弹簧589的坚固支承面以便对安装螺母510施以推力。

安装螺母510被椭圆形插槽512沿轴向地穿过，且安装螺母510在它的上表面上具有位于椭圆形插槽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(在图5A和图5B中以截面的方式示出)便利地可以是在它的上表面和下表面上具有对准特征和空隙特征的圆盘形状。在跨接板520的上表面上的对准特征可以被形成为立柱521，立柱521可以方便地装配至Multiflex耦合器的下反应元件578这个部分的配合孔579中(此外，当需要时，立柱521和配合孔579可以利用匹配螺纹而被灵活地耦合)。在跨接板520的下表面上的空隙特征可以被形成为圆形缺口522以便防止妨碍到用于将机构500耦合至阀的活动元件(诸如中心轴596和相关的固定螺母594等)的构件。例如，跨接板520可以由诸如17-4PH钢等能够进行热处理的材料制成。稍后会进一步说明跨接板520的布置。

这个替代实施例的提升部可以由包括Multiflex耦合器、提升壳体530、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(如图5A和图5B所示)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的形状和尺寸与安装螺母的椭圆形插槽512相似且延伸得在直径上跨越该外壳的开口下端但是只部分地覆盖该外壳的开口下端。阀杆孔514可以被设置在横条532中从而有助于与诸如中心轴596等阀的活动部的联接。为了方便制作所述外壳和所述横条，该外壳的所述开口下端可以视需要包括边缘部537。在包括边缘部537的提升壳体的情况下，可以存在着一个或多个(代表性地为两个，它们在直径上相对)被切入到边缘部537中的缺口或轴向穿孔，这些缺口或轴向穿孔用于被用来连接耦合盘560的销，如稍后进一步所说明的那样。提升壳体530的圆形外壳可以具有一个或多个向内沿径向的穿孔533a、534a、533b、534b(部分地或完全地穿过该外壳的壁)，这些穿孔充当活动扳手的咬合点以便帮助组装该机构。还如稍后进一步所说明的那样，所述圆形外壳可以包括在上端附近的用于与致动器壳体540啮合的螺纹区域531。

提升壳体530被连接至耦合盘560(如图5A和图5B所示)且耦合盘560被连接至安装螺母510，由此将横条532这个突出部安置在椭圆形插槽512内。如图6C中的示例所示，耦合盘560可以被形成为扁平环形状，该扁平环形状具有沿径向指向的在直径上相对的耳片(对于代表性实施例500来说，向内指向是更加方便的，但这不是限制性的)，并且耦合盘560可以由诸如17-4PH钢等在能够兼容与提升壳体530的连接和与安装螺母510的连接的同时还适合用作弹簧的材料制成。实施这些连接的方便方法是通过使用过盈配合销671、672、673、674来将提升壳体530连接至耦合盘560且将耦合盘560连接至安装螺母510，且下面将会结合图6A至图6C、图7A至图7C和图8A至图8E，进一步说明和图示该方法。替代设计可以以与前述的如图4A和图4B所示的针对没有Multiflex耦合器的交错提升机构的方式相似的方式使用焊接。还可以使用与特别的交错提升机构实施方案的尺寸相称的带螺纹的紧固件。被夹在提升壳体530与安装螺母510之间且被固定至提升壳体530和安装螺母510的耦合盘560的对称性起到平衡的片簧对的作用，这样的片簧对能够在维持横条532在椭圆形插槽512内的正确角度和径向位置的同时还允许该壳体和该螺母的轴向相对移动。

如可以通过考虑图5A而理解的那样，跨接板520可以被布置在提升壳体530内且紧靠着部分暴露的安装螺母510，并且可以通过台阶特征515而被安置成横跨横条532这个沿轴向突出部和椭圆形插槽512。在装置500中，所述Multiflex耦合器被放置成与跨接板520接触，且还与提升壳体530啮合。在跨接板520的上表面上的带螺纹的立柱特征521可以方便地装配至Multiflex耦合器的下反应元件578这个部分的匹配螺纹孔579内。Multiflex耦合器的上被动元件575这个部分的周边和相关的中心盘簧585可以利用被拧入提升壳体530中的锁定环584而被保持成抵靠着肩部535，由此被动元件575和提升壳体530保持着在位置上彼此接触的状态且一致地移动。Multiflex耦合器的被动元件575被孔570穿透，孔570用于容纳主动轴580。压电叠层致动器590的下端591可以被放置成与Multiflex耦合器的上主动轴元件580这个部分接触。在主动轴580的上端上的对准特征可以被形成为半球形尖端的载荷集中销581(或可替代地，锥形插孔和相关的球形轴承)，以便与在压电叠层致动器590的下端591上的适当的锥形或类似成形的插孔配合且能够适应微小的致动器未对准。主动轴580可以通过利用盘簧585而被居中且被防止与通孔570发生结合，所述盘簧(disk spring)便利地被安置成抵靠着形成于主动轴580的上端上的肩部。视需要选用的预载荷弹簧588可以被放置在跨接板520与下反应元件578之间，由此Multiflex耦合器的动作会致使载荷集中销581被驱动得抵靠住压电叠层590的下端591。这样的预载荷弹簧588提供了在由机构元件的纯粹无隙调节所导致的力之外的额外的力，且这样的预载荷弹簧588对压电致动器叠层是特别有用的。一种方便的实施方式可以包括被插入到下反应元件578与跨接板520的顶部之间的贝氏弹簧垫圈588。为了精细地调节所添加的致动器压缩力的目的，可以视需要将一个或多个垫片(未图示)放置在预载荷弹簧588与主动元件578之间，且这些垫片还可以用作预载荷弹簧588的坚固支承面以便施以推力。主动轴580例如可以由诸如17-4PH钢等能够进行热处理的材料制成，而盘簧585可以由相同的材料或诸如300系列不锈钢等其他适当的材料制成。

致动器壳体540可以被形成为具有螺纹541的圆管形状，螺纹541用于啮合被形成在提升壳体530上的匹配螺纹531。顶盖端545可以被形成于致动器壳体540的上端上以便接触除了任何电连接以外的压电叠层致动器590的上端595的绝大部分。致动器壳体540与提升壳体530之间的啮合由此可以被调节，直到压电叠层590被适当地夹持于Multiflex耦合器的上主动轴580与顶盖端545之间。然后，壳体锁定螺母550可以被用来防止这个啮合的意外变化。环形的壳体锁定螺母550可以具有一个或多个向内沿径向的穿孔553a、554a、553b、554b(部分地或完全地通过该环的壁)，这些穿孔充当活动扳手的咬合点的以便帮助组装该机构。以相似的方式，致动器壳体540可以具有一个或多个向内沿径向的穿孔551a、552a、551b、552b(部分地或完全地穿过该管的壁)，这些穿孔充当活动扳手的咬合点以便帮助组装该机构。致动器壳体540与提升壳体530之间的简单滑动配合可以与诸如也能被预料到的销、卷边、粘合剂或焊接等其他锁定手段一起被用作螺纹531、541的替代方式。在具有可能出现问题的温度波动的应用中，致动器壳体540可以由诸如因瓦合金或钼金属等具有所选用的低热膨胀系数的材料制成。一个或多个环形弹性元件555、556(诸如O形环)可以被放置在致动器周边与致动器壳体内部之间，以便有助于组装、处置和安装。

在前面已经引用过的、发明名称为“Multiflex Coupling”的美国专利申请第13/794,517号中充分地说明了Multiflex耦合器的操作。用于本实施例的完整的Multiflex耦合器组件包括：上圆盘形元件575；两个摇杆元件576、577，这两个摇杆元件576、577并排地放置于所述上圆盘形元件之下；以及下圆盘形元件578，该下圆盘形元件578位于所述两个摇杆元件之下。单个枢轴销582穿过所述两个半圆形摇杆元件的枢轴销孔，并且锁定销(图5B中示出了四个销571、572、573、574)用于将四个连杆的端部固定在那几个元件中的各自的轴向插槽内。两个连杆从上圆盘形元件575的两个轴向插槽下延，且每个连杆都啮合下方邻近的摇杆元件(相同的摇杆元件576、577是镜像对称的)中的相应的轴向插槽。两个另外的连杆从各摇杆元件576、577的第二轴向插槽下延，且每个连杆都啮合下方邻近的下圆盘形元件578中的相应的轴向插槽。根据本发明的机构的实施例500，上圆盘形元件575被制作成被动的，并且利用与锁定环584结合的提升壳体肩部535和致动器壳体540的顶盖端545的功能，上圆盘形元件575被保持成沿轴向被固定至致动器590的主体。致动器590的伸长被主动轴580耦合以便使以主动的方式起作用的枢轴销582移动，由此致动器590的伸长就使主动枢轴销582沿轴向地远离致动器主体而移动，与此同时下圆盘形反应元件578也远离致动器主体而延伸。如可以通过考虑在图5B的截面图示中可见的锁定销573、574而理解的那样，各个摇杆元件576、577的上端受到从与沿轴向被固定的上圆盘形被动元件575联接的各个摇杆指向上方的安装连杆的约束。致动器590的轴向移动会使穿过上圆盘形被动元件575且与主动枢轴销582啮合的主动轴580发生位移，由此主动枢轴销582的轴向移动被直接耦合至摇杆元件576、577。这样，就致使所图示的摇杆元件576绕着它的在所图示的摇杆576的一端(左边)处的指向上方的连杆(图中不可见)的锁定销573略微旋转，并且所图示的摇杆的中间部的向下运动(由枢轴销582产生)导致所图示的摇杆576的另一端(右边)的进一步向下运动。所图示的摇杆576的向下移动的所述另一端通过安装的指向下方的连杆(图中不可见)及其相关的锁定销571、572而被联接至下圆盘形反应元件578。图5B中没有图示出另一个摇杆577，因为它被安置在该机构的为了便于说明而被移除以产生截面图的那部分内，但是它以相同的方式作用。下反应元件578与主动轴580的运动成比例地且在相同的方向上沿轴向发生平移。主动轴580的运动与反应元件578的运动之间的比例可以通过选择锁定销孔与成对的摇杆元件576、577中的枢轴销孔之间的间隔而被调节。

向压电叠层致动器590施加激活电压会引起使致动器壳体540远离主动轴元件580而平移的致动器长度的伸长增加，所述主动轴元件580被连接至Multiflex耦合器内的枢轴销582。与提升壳体530固定啮合的致动器壳体540和与提升壳体的肩部535固定接触的被动元件575的结合会致使被动元件575远离枢轴销582而相对地移动。枢轴销582与被动元件575之间的相对运动会致使摇杆576、577略微倾斜且因此将反应元件578与被动元件575之间的距离增大由Multiflex耦合器的机械增益和致动器的伸长长度增加所确定的一个量。被动元件575利用提升壳体530而被沿轴向固定，且反应元件578接触被安置成紧靠着安装螺母510的跨接板520，由此在使耦合盘560偏转的同时使提升壳体530与它的横条532一起相对于安装螺母510发生移动。如图5B所示，这个运动可以被观察为下列现象：固定螺母594与跨接板的空隙特征522之间的空隙518的减小、横条532的顶部与跨接板520的底部之间的空隙517的减小、及横条532的底部与安装螺母510之间的空隙516的增大。

现在将说明使用过盈配合销来把提升壳体连接至耦合盘且把耦合盘连接至安装螺母的另一个替代设计。这个销连接设计可以被用于如图1A和图1B所示的简单的交错提升机构或如图5A和图5B所示的包含Multiflex耦合器的更加复杂的交错提升机构设计。该销连接设计使用如图6A所示的与前述的安装螺母10、510基本相似的安装螺母610，其中安装螺母610被椭圆形插槽612沿轴向地穿过，且安装螺母610在它的上表面上具有位于椭圆形插槽612的周边之外的台阶特征615以便接纳和安置跨接板(未图示)。该销连接设计使用如图6B所示的与前述的提升壳体30、530基本相似的提升壳体630，其中提升壳体630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632，横条632的形状和尺寸与椭圆形插槽612相似且延伸得在直径上跨越该外壳的开口下端635但是只部分地覆盖该外壳的开口下端635。阀杆孔614可以被设置在横条632中从而有利于与阀的活动部的联接。为了方便由单件材料制作所述外壳和所述横条，该外壳的开口下端635包括边缘部637。在这个可供替代的提升壳体设计的情况下，边缘部637具有：两个在直径上相对的盲孔642、644以便接纳连接销672、674；以及两个在直径上相对的被切入到边缘部637中的缺口641、643以便提供用于在相反的轴向方向上指向的相似销671、673的头部空隙。相似地，销连接的安装螺母610具有：被切入到下侧中的两个在直径上相对的盲孔621、623以便接纳连接销671、673；以及被切入到下侧中的两个在直径上相对的缺口622、624以便提供用于相对的销672、674的头部空隙。

销连接设计的提升壳体630被连接至耦合盘660(详见图6C)且耦合盘660被连接至安装螺母610，由此将横条632这个突出部安置在椭圆形插槽612内。如图6C所示，耦合盘660可以被形成为扁平环形弹簧，该扁平环形弹簧具有沿径向指向的在直径上相对的(向内指向是更加方便的，但是并非限制性的)耳片661、662、663、664，这些耳片661、662、663、664具有相应的销接纳用通孔666、667、668、669。销连接是通过销671、672、673、674而被实现的，其中低外形头部被插入耦合盘的耳片通孔666、667、668、669中，且销体被压入到安装螺母和提升壳体的相应的盲孔621、623、642、644内的过盈配合中。图中示出了销上的平滑杆部和平滑盲孔，但是设计者应当意识到使用沟槽状或锯齿状销、锯齿状盲孔和能实现所期望的紧密机械连接的其他已知方法的可行性。

在代表性的制造工序中，如图7A、图7B和图7C所示，提升壳体的外壳630、耦合盘660和安装螺母610以角度对准的方式被倒置且堆叠起来。首先将要布置的是提升壳体630，然后将向上突出的第一对销671、673头部朝下地放置到缺口641、643中；接下来，将耦合盘660放置在第一对销671、673上且使这些销穿过第一对相对的耳片661、663而向上突出；然后，将第二对销672、674向下插入而穿过第二对相对的耳片662、664且开始进入成对的壳体盲孔642、644；随后，将安装螺母610对准，以使得椭圆形插槽612接纳横条632且成对的下侧盲孔621、623开始啮合向上突出的第一对销671、673。接着，通过施加用于促使壳体630和安装螺母610在一起且由此将销671、672、673、674压入相应的盲孔621、623、642、644中的轴向压缩力，所堆叠起来的组装件中的各零件的连接将变得完整。还可行的是：使用耳片通孔666、667、668、669与销671、672、673、674之间轻压迫配合，以使得这些销能够被插入耦合盘660中且被当做单个子组件项目来处理。图8A和图8B中的截面示意图进一步揭示了将耦合盘660连接至安装螺母610的第一对销671、673和将耦合盘660连接至壳体630的第二对销672、674。

根据这里所说明的本发明的几个方面，需要理解的是，本领域的技术人员将容易想到各种各样的变更、修改和改善。这样的变更、修改和改善旨在成为本发明公开内容的一部分，且旨在落入本发明的范围内。因此，前述的说明和附图仅仅是示例。

Claims (15)

1.一种用于致动器的耦合运动的机构，所述机构被配置成包围着所述致动器且接触所述致动器的相反两端，由此，在所述机构的近邻安装部保持在固定位置处的同时，使所述致动器变长的伸长运动致使所述机构的提升部朝向所述致动器的略突起的部分平移，

其中，所述提升部包括提升壳体，且所述提升壳体包括与中心轴联接的横条。

2.如权利要求1中所述的机构，其中所述机构是轴对称的。

3.如权利要求1中所述的机构，其中所述致动器是压电叠层致动器。

4.如权利要求3中所述的机构，其中致动器预载荷弹簧提供了与阀关闭力无关的对所述致动器的压缩力。

5.如权利要求3中所述的机构，其中耦合器被插入所述致动器与所述机构的所述安装部之间以用于增加所述致动器的行程。

6.如权利要求5中所述的机构，其中致动器弹簧提供了与阀关闭力无关的对所述致动器的压缩力。

7.如权利要求5中所述的机构，其中轴对称的所述机构包括调节比例阀。

8.一种用来提升由压电叠层提供动力的阀致动器的机构，所述机构包括：

安装部；

提升部，所述提升部包括提升壳体；

跨接支撑部；和

耦合盘，

其中，所述提升壳体包括与中心轴联接的横条。

9.如权利要求8中所述的机构，其中所述安装部包括安装螺母。

10.如权利要求9中所述的机构，其中所述安装螺母带有螺纹以用于与阀体的连接。

11.如权利要求8中所述的机构，其还包括关断弹簧，所述关断弹簧通过所述安装部而被定位。

12.如权利要求11中所述的机构，其中所述关断弹簧包括贝氏弹簧垫圈。

13.如权利要求8中所述的机构，其中所述跨接支撑部包括跨接板。

14.如权利要求8中所述的机构，其中所述提升部包括提升壳体、致动器壳体和壳体锁定螺母。

15.如权利要求8中所述的机构，其中所述耦合盘包括基本上扁平的环，所述环由具有像弹簧一样的特性的弹性材料制成。