KR20160050054A

KR20160050054A - 인터레이스 리프팅 기구

Info

Publication number: KR20160050054A
Application number: KR1020167008398A
Authority: KR
Inventors: 킴 옥 부
Original assignee: 가부시키가이샤 호리바 에스텍
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2016-05-10
Also published as: US20170234444A1; EP3014154B1; JP6606079B2; EP3014154A4; US9625048B2; KR102155810B1; CN105556186A; WO2015035045A2; JP2016537956A; US10865903B2; US20150059877A1; WO2015035045A3; CN105556186B; EP3014154A2

Abstract

비례 조절 밸브와 같은 축대칭 장치에서의 압전 액추에이터의 커플링 운동 기구는 기구 장착면으로부터 멀어지도록 이동시키기 위해 연장 운동(extension motion)을 이용하며, 이에 의해 밸브 요소를 폐쇄하도록 보통 푸시(push)하는 대신에 밸브 요소를 개방하도록 리프트(lift)할 수 있다. 커플링 운동 기구는 기어 뿐만 아니라 리드 스크루(lead screw) 나사산을 포함하지 않으며, 보통 작동이 계속 로딩되어, 히스테리시스(hysteresis)를 야기하는 기계적 백래시(backlash) 없이 분명한 방향 변화가 이루어진다. 커플링 운동 기구는 압전 스택의 양단을 접촉함으로써 압전 스택 액추에이터를 둘러싸고, 이에 의해 커플링 운동 기구의 기부에 가까운 장착부가 고정 위치에 있을 때, 액추에이터를 늘리는 연장 운동은 커플링 운동 기구의 리프팅부를 액추에이터의 벌키부쪽으로 이동시킨다.

Description

인터레이스 리프팅 기구{INTERLACE LIFTING MECHANISM}

본 발명은 비례 조절 밸브와 같은 축대칭 장치(axisymmetric device)에서의 액추에이터의 커플링 운동(coupling motion) 기구에 관한 것이며, 특히 압전 액추에이터에 대해 유용하다. 본 기구는 기구 장착면으로부터 멀리 이동시키기 위한 액추에이터 연장 운동(extension motion)을 이용하여, 밸브 요소를 폐쇄하도록 보통 푸시(push)하는 대신에 밸브 요소를 개방하도록 리프트(lift)할 수 있다. 본 발명의 인터레이스 리프팅 기구(Interlace Lifting Mechanism)는, 스트로크(stroke) 증가를 제공하기 위해서 여기에 전체로서, 이미 명백하게 참조로서 통합되고, 관련 출원 SN 13/794,517에 개시되어 있는 본 발명자의 멀티플렉스 커플링(Multiflex Coupling)과 결합될 수도 있다. 본 발명은 반도체 장치, 의약품, 정제 화학 약품(fine chemicals), 및 다수의 유사한 유체 이동 시스템을 제조하는 산업 공정에서 유체 이동의 비례 또는 조절 제어용 밸브에 특히 유용하다.

자동 공정 제어 시스템에서 사용하기 위해 만들어진 제어 밸브에 대한 분야는 넓고 잘 알려져 있다. 다수의 비례 제어 밸브는, 통과하는 유체의 흐름을 조절하기 위해, 최대 개방 조건과 최대 폐쇄 조건 사이의 어느 위치에서 능동적으로 배치될 수 있는 하나 이상의 이동 요소를 가진다. 반도체 제조 장비 내에서 공정 재료를 조작하도록 만들어진 유체 이동 장치는 이동된 반응 물질의 고순도를 유지하기 위한 주의가 일반적으로 요구되고, 예를 들면 석유화학공장에서 사용된 밸브보다 보통 훨씬 더 작기도 하다. 그럼에도 불구하고, 다수의 다른 타입의 전동 밸브 액추에이터가 고순도 기기 장치와 질량 유량 컨트롤러와 같은 제어 장치에 마련된다. 시미즈(Shimizu) 등의 미국특허 No.4,695,034에는 질량 유량 컨트롤러에서 밸브 부품의 이동에 영향을 주는 압전 디스크 요소 스택(stack)의 사용이 서술되어 있다. 도일(Doyle)의 미국특허 No.4,569,504에는 인터리브(interleave) 자기 회로(magnetic circuit) 요소를 가지는 자기 솔레노이드(magnetic solenoid)의 사용이 서술되어 있다. 머드(Mudd)의 미국특허 No.5,660,207에는 밸브 요소 이동에 영향을 미치도록 온도에 따라 길이가 변하는 열저항 와이어의 사용이 서술되어 있다. 스즈키(Suzuki)의 미국특허 No.6,178,996에는, 다이어프램(diaphragm) 작동 제어 밸브의 개도를 제어하기 위한 벨로우즈 액추에이터에서, 질소 가스와 같은 가압 유체의 사용이 서술되어 있다.

자기 솔레노이드 액추에이터와 열팽창 타입 액추에이터 모두에 대한 한가지 단점은, 유량을 능동적으로 조절할 때와 같이, 제어되는 밸브 요소가 중간 상태에 위치될 때 일정한 전력 소모가 있다는 것이다. 압전 액추에이터는 전기 회로에서 실질적으로 캐퍼시터(capacitor)이며, 따라서 인가 전압이 일정할 때에는 전류를 소모하지 않는다. 그 결과, 보통 압전 제어 밸브 응용기기는 단지 낮은 전력을 필요로 하며, 전자(electromagnetic) 액추에이터에서 발견된 바람직하지 않은 열 생성을 피할 수 있다. 압전 액추에이터는 비교 가능한 크기의 솔레노이드 액추에이터 보다 실질적으로 더 많은 힘을 유리하게 만들어낼 수 있으나, 달성할 수 있는 변형(strain)으로 인해 압전 스택이 이동할 수 있는 거리가 매우 한정된다. 밸브 전력 소모는 컴팩트한 질량 유량 컨트롤러와 같은 기기 장치에 특히 관련이 있다.

작동 전압(activation voltage)을 인가하는 것이 스택 길이를 연장시킨다는 면에서 압전 액추에이터가 거의 항상 사용된다(시미즈 등의 미국특허 No.4,695,034 및 시라이(Shirai) 등의 미국특허 No.5,094,430 참조). 시미즈 등의 미국특허 No.4,695,034에서는, 압전 디스크 요소 스택과 제어 밸브의 이동부 사이에, 복수의 방사상(radial) 레버-암 핑거(finger)를 포함하는 힘 전달 부재를 개재함으로써 유효 이동(available movement)을 증가시킨다. 이들 힘 전달 부재는 복잡하여, 정확히 제조하기 어렵다. 압전 액추에이터는 보통 정상 개방 밸브와 연관이 있으며, 인가 전압 증가는 이후 밸브가 유량을 감소시키도록 한다. 인가 전압 증가가 이후 밸브가 유량을 증가시키도록 하는 압전 액추에이터를 사용하는 정상 폐쇄 밸브는, 유체 순도에 불리하게 영향을 미칠 수 있는 밸브 시트(seat) 오리피스(orifice)(예를 들면, 시미즈 등의 미국특허 No.4,695,034의 도 3 및 도 10 참조)를 통과하는 샤프트에 의해 구동된 포핏(poppet)을 가지는 복잡한 유체 유로 구조를 종종 가진다. 밸브 디자이너는 액추에이터 연장 운동의 방향을 반전시키는 기구를 가짐으로써, 밸브 시트를 통과하는 샤프트의 복잡함 및 절충을 회피하면서 밸브를 개방하기 위해 정상 폐쇄 밸브가 다이어프램을 리프팅하는 압전 액추에이터를 사용하도록 하는 이점을 얻을 것이다.

상술한 것을 고려하여, 본 발명자는 압전 스택 액추에이터를 둘러싸고 압전 스택의 양단에 접촉하며, 기구의 기부에 가까운 장착부가 고정 위치에 있을 때 액추에이터의 연장 운동(extension motion)(늘림(lengthening))은 기구의 리프팅부를 액추에이터의 벌키부(bulky portion)쪽으로 이동시키는 기구를 발명했다. 본 기구는 기어와 리드 스크루(lead screw) 나사산 모두를 포함하지 않으며, 보통 작동이 일정하게 계속 로딩되어, 히스테리시스(hysteresis)를 야기하는 기계적 백래시(backlash) 없이 방향의 분명한 변화가 이루어진다. 후술하는 상세한 설명은 기계 부품 사이의 관계에 대한 이해를 돕기 위해 개념상 방향(위와 아래, 상부와 하부, 왼쪽과 오른쪽, 전방과 후방 등)을 사용할 수 있으며, 도시한 도면은 일반적으로 상기 개념상 방향과 일치할 것이나, 본 발명을 이용하는 장치가 기구 기능에 영향을 미치지 않고, 능동적으로 이동하거나 회전하거나 텀블링(tumbling)하는 것을 포함하는, 공간상 어떤 방향성(orientation)을 가질 수 있다.

바람직한 실시예에서의 본 발명 기구는 장착부, 리프팅부, 교차 지지부, 및 커플링 디스크를 포함한다. 장착부는 리프팅부의 일부가 돌출하는 중앙 개구를 가지며, 교차 지지부는 리프팅부 돌출부에 걸쳐서 장착부에 대향하여 배치된다. 커플링 디스크는 방사상 정렬(radial alignment) 및 각 정렬(angular alignment)을 유지하면서, 장착부와 리프팅부를 유닛화하는 탄성 요소로서 기능을 하며, 커플링 디스크는 장착부와 교차 지지부에 상대적인 리프팅부의 축 방향 이동을 허용한다. 기구의 고정 부품과 이동 부품 사이의 이러한 상부와 하부 관계는 식별의 편의상 발명자가 그의 발명을 "인터레이스 리프팅 기구"로서 식별하고자 하나, 이로 인해서 추가적 의미와 한정 모두 추정되지는 않을 것이다.

인터레이스 리프팅 기구의 일 실시예(100)에서, 장착부는 유체 이동 장치의 본체(99)에 형성된 짝이 되는 나사산과 결합하기 위한 나사산 영역(11)을 가진 원형의 장착 너트(10)로서 형성될 수 있다. 장착 너트(10)는 길쭉한 슬롯(12)에 의해 축방향으로 뚫려 있으며, 교차판(cross over plate)(20)을 수용하고 위치시키기 위해 길쭉한 슬롯(12)의 주변에 계단부(15)를 가진다. 교차판(20)은 상부면 및 하부면 상에 정렬(alignment)부(21) 및 클리어런스(clearance)부(22)를 가지는 디스크 모양일 수 있다. 일 실시예의 리프팅부는 리프팅 하우징(30), 액추에이터 하우징(40), 및 하우징 락 너트(lock nut)(50)를 포함하는 3개의 부품을 구비할 수 있다. 리프팅 하우징(30)은 원형 셸(shell)로서 형성될 수 있으며, 길쭉한 슬롯(12)과 유사한 모양과 치수를 가지고 축방향 외측으로 돌출하며, 셸의 개방 하단(35)을 부분적으로 덮고 셸의 개방 하단(35)을 지름 방향으로 가로질러 연장되는 트래버스 바(traverse bar)(32)를 가진다. 리프팅 하우징(30)은 커플링 디스크(60)에 연결되며, 커플링 디스크(60)는 장착 너트(10)에 연결되어, 길쭉한 슬롯(12) 내에 트래버스 바(32)의 돌출부를 위치시킨다. 교차판(20)은 부분적으로 노출된 장착 너트(10)에 대향하여 리프팅 하우징(30) 내측에 배치될 수 있으며, 트래버스 바(32)의 축방향 돌출부와 길쭉한 슬롯(12)에 걸쳐지도록 계단부(15)에 위치될 수 있다.

인터레이스 리프팅 기구의 실시예(100)에서 액추에이터(90)의 하단(91)은 교차판(20)에 대향하여 결합될 수 있다. 액추에이터 하우징(40)은 리프팅 하우징(30) 상에 형성된 짝이 되는 나사산(31)과 결합하기 위한 나사산(41)을 가지는 원형의 튜브 모양으로서 형성될 수 있으며, 내측으로 향하는 립(lip)(45)이 액추에이터(90)의 상단(95)에 접촉하도록 액추에이터 하우징(40)의 상단에 형성될 수 있다. 따라서 액추에이터 하우징(40)과 리프팅 하우징(30) 사이의 결합은 액추에이터(90)가 교차판(20)과 립(45) 사이에서 적절하게 구속될 때까지 조절될 수 있다. 하우징 락 너트(50)는 이후 이러한 결합의 의도하지 않은 변화를 방지하기 위해 사용될 수 있다. 리프팅 하우징(30)의 하단에서의 내향 립(37)과 액추에이터의 하단(91) 사이에는 액추에이터의 정적 압축(static compression)을 제공하기 위한 액추에이터 프리로드(preload) 스프링이 위치될 수 있다. 이러한 프리로드 스프링(88)은 압전 스택 액추에이터의 응용기기에 특히 유용하다. 압전 스택에 작동 전압(activation voltage)을 인가하는 것은 액추에이터의 길이를 연장시켜, 액추에이터 하우징(40)을 장착 너트(10) 상에 안착되는 교차판(20)으로부터 멀어지도록 이동시키며, 이에 의해 커플링 디스크(60)를 구부리면서 트래버스 바(32)와 함께 리프팅 하우징(30)을 장착 너트(10)에 대해서 상대적으로 이동시킨다. 유압 벨로우즈와 같은 (슬라이딩 씰(seal)이 없는) 밀폐된 유체 구동 액추에이터는 인터레이스 리프팅 기구의 일 실시예(100)의 사용에 고려될 수도 있다.

단지 편의상 축대칭(axisymmetric)의 리프팅 하우징(30)과 액추에이터 하우징(40)에 대한 원형 단면이 선택되며, 반면 개방 프레임 타입(보통 단순한 양방향 대칭이 아님)의 구조이면 충분하다. 개방 프레임인 경우에서, 직사각형 구조는 기구의 리프팅부를 포함하는 프레임의 저면을 가지는 픽처(picutre) 프레임과 유사한 압전 스택을 둘러쌀 수 있다. 플랜지는 기구의 장착부의 부착을 위해 사용될 수 있고, 나사형 파스너(threaded fastener), 또는 용접 또는 접착제와 같은 다른 부착 수단은 기구를 유체 이동 장치의 본체(99)에 고정하기 위해 사용될 수 있다.

인터레이스 리프팅 기구의 다른 실시예(500)는 미국 특허출원 No.13/794,517내에 상세하게 서술된 바와 같이, 본 발명 기구 내의 압전 스택 액추에이터와 연속하여 배치된 멀티플렉스 커플링(Multiflex Coupling)으로 구성된다. 이러한 다른 실시예의 장착부는 유체 이동 장치의 본체(599)에 형성된 짝이 되는 나사산과 결합하기 위한 나사산 영역(511)을 가지는 원형의 장착 너트(510)로서 형성될 수 있다. 장착 너트(510)는 길쭉한 슬롯(512)에 의해 축방향으로 뚫려 있으며, 교차판(520)을 수용하고 위치시키기 위해 길쭉한 슬롯(512)의 주변에 계단부(515)를 가진다. 교차판(520)은 상부면 및 하부면 상에 정렬부(521) 및 클리어런스부(522)를 가지는 디스크 모양일 수 있다. 이러한 다른 실시예의 리프팅부는 리프팅 하우징(530), 멀티플렉스 커플링 조립체, 액추에이터 하우징(540), 및 하우징 락 너트(550)를 포함하는 4개의 부품을 구비할 수 있다. 리프팅 하우징(530)은 원형 셸로서 형성될 수 있으며, 길쭉한 슬롯(512)과 유사한 모양과 치수를 가지고 축방향 외측으로 돌출하며, 셸의 개방 하단을 부분적으로 덮고 셸의 개방 하단을 지름 방향으로 가로질러 연장되는 트래버스 바(532)를 가진다. 리프팅 하우징(530)은 커플링 디스크(560)에 연결되며, 커플링 디스크(560)는 장착 너트(510)에 연결되어, 길쭉한 슬롯(512) 내에 트래버스 바(532)의 돌출부를 위치시킨다. 교차판(520)은 부분적으로 노출된 장착 너트(510)에 대향하여 리프팅 하우징(530) 내측에 배치될 수 있으며, 트래버스 바(532)의 축방향 돌출부와 길쭉한 슬롯(512)에 걸치도록 계단부(15)에 위치될 수 있다.

이러한 다른 실시예(500)에서, 멀티플렉스 커플링은 교차판(520)과 접촉하여 배치되고, 또한 리프팅 하우징(530)과 결합된다. 교차판(520)의 상부면 상의 나사형 기둥부(521)는 멀티플렉스 커플링의 하부 작동 요소(578)에서의 짝이 되는 나사형 홀(579)에 고정될 수 있다. 멀티플렉스 커플링의 상부 피동 요소(575)는 락킹 링(locking ring)(584)(또는 나사, 핀, 크림핑(crimping), 또는 용접과 같은 다른 수단)에 의해 리프팅 하우징(530)의 숄더(535)에 대하여 유지될 수 있어, 피동 요소(575)와 리프팅 하우징(530)은 서로 접촉한 상태를 유지하며 함께 이동한다. 교차판(520)과 멀티플렉스 커플링의 작동 요소(578) 사이의 프리로드 스프링(588)은 기구 요소의 단순 제로-클리어런스(mere zero-clearance adjustment)의 조정으로 인해 발생하는 추가적인 힘을 제공하며, 압전 액추에이터 스택에 특히 유용하다.

인터레이스 리프팅 기구의 이러한 다른 실시예(500)에서, 액추에이터(590)의 하단(591)은 멀티플렉스 커플링의 상부 작동 축 요소(580)와 접촉하도록 배치될 수 있다. 액추에이터 하우징(540)은 리프팅 하우징(530)에 형성된 짝이 되는 나사산(531)과 결합하기 위한 나사산(541)을 가지는 원형의 튜브 모양으로서 형성될 수 있으며, 탑(top) 캡 단부(545)는 액추에이터(590)의 상단(595)과 접촉하도록 액추에이터 하우징(540)의 상단에 형성될 수 있다. 이에, 액추에이터 하우징(540)과 리프팅 하우징(530) 사이의 결합은, 액추에이터(590)가 멀티플렉스 커플링과 탑 캡 단부(545) 사이에서 적절히 구속될 때까지 조절될 수 있다. 하우징 락 너트(550)는 이후 이러한 결합의 의도치 않은 변화를 방지하기 위해 사용될 수 있다. 작동 전압을 인가하는 것은 액추에이터 스택의 길이를 연장시켜, 액추에이터 하우징(540)을 멀티플렉스 커플링 내에서 피봇 핀(582)에 연결되어 있는 작동 축 요소(580)로부터 멀어지도록 이동시킨다. 피동 요소(575)와 접촉하여 위치하는 리프팅 하우징(530)과 결합하면서, 리프팅 하우징(530)과 고정 결합되는 액추에이터 하우징(540)은, 피동 요소(575)를 작동 축(580)과 피봇 핀(582)으로부터 상대적으로 멀어지도록 이동시킨다. 피봇 핀(582)과 피동 요소(575) 사이의 상대 이동은 락커(rocker)(576, 577)를 약간 기울이며, 이에 의해 멀티플렉스 커플링의 기계적 이점과 액추에이터의 연장 길이 증가에 의해 정해진 양만큼 작동 요소(578)와 피동 요소(575) 사이의 거리를 증가시킨다. 작동 요소(578)가 장착 너트(510)에 대향하여 안착하는 교차판(520)과 접촉할 때, 리프팅 하우징(530)과 접촉하여 위치되는 피동 요소(575)는, 커플링 디스크(560)를 구부리면서 장착 너트(510)에 대해서 상대적으로 트래버스 바(532)와 함께 리프팅 하우징(530)을 이동시킨다.

본 발명의 하나의 특정 측면에서, 액추에이터의 커플링 운동 기구가 마련되며, 본 커플링 운동 기구는 액추에이터를 둘러싸고, 액추에이터의 양단에 접촉하도록 구성되며, 커플링 운동 기구의 기부에 가까운 장착부가 고정 위치에 있을 때 액추에이터를 늘리는 연장 운동(extension motion)은 커플링 운동 기구의 리프팅부를 액추에이터의 벌키부(bulky portion)쪽으로 이동시킨다. 이러한 커플링 운동 기구는 축대칭 기구이다. 액추에이터는 압전 스택 액추에이터일 수 있다. 액추에이터 프리로드(preload) 스프링은 액추에이터에 대해 밸브 폐쇄력으로부터 독립하는 압축력을 제공한다. 액추에이터와 기구의 장착부 사이에는 액추에이터의 스트로크(stroke)를 증가시키기 위한 커플링이 개재된다. 액추에이터 프리로드 스프링은 액추에이터에 대해 밸브 폐쇄력으로부터 독립하는 압축력을 제공한다. 축대칭 기구는 비례 조절 밸브를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에서, 압전 스택에 의해 작동되는 밸브 액추에이터를 리프팅하기 위해 사용되는 밸브 액추에이터 리프팅 기구가 제공된다. 본 밸브 액추에이터 리프팅 기구는 장착부, 리프팅부, 교차 지지부, 및 커플링 디스크를 포함한다. 장착부는 장착 너트를 구비한다. 장착 너트는 밸브 본체에 연결되도록 나사 결합된다. 셧오프(shutoff) 스프링은 장착부에 의해 위치된다. 어떤 실시예에서, 셧오프 스프링은 접시 스프링(Belleville spring) 와셔를 포함한다. 교차 지지부는 교차판을 포함한다. 리프팅부는 리프팅 하우징, 액추에이터 하우징, 및 하우징 락 너트를 포함한다. 커플링 디스크는 스프링과 같은 특성을 가지는 탄성 재료로 만들어진 실질적으로 편평한 링을 포함한다.

추가적인 특징 및 이점을 가지는 본 발명은 첨부하는 도면과 함께 아래의 상세한 설명을 참조하여 잘 이해될 수 있다.

도 1a는 길쭉한 슬롯, 및 트래버스 바를 가로질러 축방향으로 절단한 인터레이스 리프팅 기구의 일 실시예의 횡단면도로서, 장착 너트 위에 안착되는 교차판을 나타낸다.
도 1b는 도 1의 실시예의 횡단면도로서, 길쭉한 슬롯을 축 방향을 따라 절단하여, 교차판 아래를 통과하는 트랜스버스 바를 나타낸다(단면이 도 1a의 단면과 수직임).
도 2a는 본 발명의 장치를 위한 장착 너트의 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 리프팅 하우징의 사시도이다.
도 2c는 본 발명의 커플링 하우징의 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 리프팅 하우징, 커플링 디스크, 및 장착 너트의 스택의 분해도이며, 상하가 반전되어 있는 도면이다.
도 3b는 용접 가능한 구성들의 관계를 나타내기 위해 1/4 부분이 제거된 단면을 가지는 도 3a와 같은 분해도이다.
도 3c는 도 3b의 장치의 횡단면도로서, 용접으로 완전히 조립된 것을 나타낸다.
도 4a는 리프팅 하우징, 커플링 디스크, 및 장착 너트의 상하 반전된 스택에 대한 도 4c의 B-B선을 따른 횡단면도로서, 커플링 디스크와 장착 너트의 용접 부착부를 나타낸다.
도 4b는 리프팅 하우징, 커플링 디스크, 및 장착 너트의 상하 반전된 스택에 대한 도 4a의 A-A선을 따른 횡단면도로서, 커플링 디스크와 리프팅 하우징의 용접 부착부를 나타낸다.
도 4c는 도 4a 및 도 4b에 나타내어진 장치의 평면도이다.
도 4d는 '상세 A'로서 나타내어진 도 4a의 일부의 확대 횡단면도이다.
도 4e는 '상세 B'로서 나타내어진 도 4b의 일부의 확대 횡단면도이다.
도 5a는 본 발명의 원리에 따라 구성된 인터레이스 리프팅 기구의 다른 실시예의 횡단면도로서, 본 기구는 멀티플렉스 커플링 조립체의 피봇 핀에 평행하기도 하고 양 락커(rocker)를 절단하면서 길쭉한 슬롯과 트래버스 바에 수직으로 절단되어 있다.
도 5b는 도 5a의 실시예의 횡단면로서, 본 기구는 멀티플렉스 커플링 조립체의 하나의 락커를 나타내면서 길쭉한 슬롯과 트래버스 바에 평행하게 절단되어 있다.
도 6a는 다른 실시예의 장착 너트의 사시도이다.
도 6b는 다른 실시예의 리프팅 하우징의 사시도이다.
도 6c는 다른 실시예의 커플링 디스크의 사시도이다.
도 7a는 연결 핀이 삽입되며, 개선된 리프팅 하우징, 커플링 디스크, 및 도 5a-6c의 장착 너트의 상하 반전된 스택의 분해도이다.
도 7b는 핀 수용 구성들의 관계를 나타내기 위해 1/4 부분이 제거된 단면을 가지는 도 7a의 실시예의 분해도이다.
도 7c는 도 7b에 나타내어진 바와 같은 실시예의 조립도이다.
도 8a는 도 5a-도 7c의 다른 실시예의 리프팅 하우징, 커플링 디스크, 및 장착 너트의 상하 반전된 스택에 대한 도 8c의 B-B선을 따른 횡단면도로서, 커플링 디스크와 장착 너트의 핀형(pinned) 부착부를 나타낸다.
도 8b는 도 5a-도 8a의 다른 실시예의 리프팅 하우징, 커플링 디스크, 및 장착 너크의 상하 반전된 스택에 대한 횡단면도로서, 커플링 디스크와 리프팅 하우징의 핀형 부착부를 나타낸다.
도 8c는 도 8a 및 도 8b에 나타내어진 장치의 평면도이다.
도 8d는 '상세 A'로서 나타내어진 도 8a의 일부의 확대 횡단면도이다.
도 8e는 '상세 B'로서 나타내어진 도 8b의 일부의 확대 횡단면도이다.

본 출원에서의 본 발명은 아래의 상세 설명에 서술되거나 도면에 도시된 구성의 구조 및 배열의 상세 사항에 한정되지 않는다. 본 발명은 다른 실시예일 수 있으며, 다양한 방법으로 실행되거나 수행될 수 있다. 또한, 여기에서 사용된 표현 및 용어는 상세한 설명을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. "포함하는", "구비하는", 또는 "가지는", "함유하는", "관련하는" 및 이들과 유사한 여러 표현은, 이들 표현에 앞서 열거된 항목을 포함하고, 또한 그들의 등가물 및 추가 항목들을 포함하는 것을 의미한다.

도면에 보다 특히 나타내어진 바와 같이, 인터레이스 리프팅 기구(Interlace Lifting Mechanism)(100)의 대표예는 도 1a와 도 1b의 조립 횡단면도에 도시된 바와 같이 일반적인 유체 이동 장치의 본체(99)에 부착될 수 있다. 유체 이동 장치는 중앙 샤프트(96)를 리프팅함으로써 이동할 수 있는 흐름 조절 요소(97)를 포함하고, 인터레이스 리프팅 기구(100)의 작동에 의해 다이어프램(98)을 휘게 하는 밸브 구조체를 포함할 수 있다. 상기 고려된 유체 이동 장치는, 예를 들면, 유량 컨트롤러 또는 더 간단한 개별 조절 밸브와 같은 능동적인 하부 시스템일 수 있다. 반도체 제조를 위해 만들어진 유체 이동 장치에서, 밸브 본체(99)는 일반적으로 고순도 316L 스테인리스 스틸 합금, 하스텔로이(Hastelloy)® C22® 니켈 합금, 또는 유사 재료로 만들어질 것이다. 인터레이스 리프팅 기구(100)는 밸브의 본체(99)에 형성된 짝이 되는 나사산과 결합하기 위한 나사산 영역(11)을 가지는 원형의 장착 너트(10)로서 형성된 장착부를 가질 수 있다. 도 2a는 장착 너트(10)의 사시도이다. 장착 너트가 유체 유로의 외측에 있고 순도가 매우 중요하게 고려되는 이동 화학 물질과 접촉하기 않기 때문에, 장착 너트(10)는 장치의 본체(99)와 유사한 재료, 보다 쉽게 가공된 다른 재료로 만들어질 수 있다. 외부의 나사산 영역(11)은 밸브의 본체(99) 내에 장착 너트(10)를 고정하는 기능을 할 수 있다. 장착 너트(10)를 장치의 본체(99)에 고정시키기 위해, 숙련된 디자이너는 플랜지와 나사형 파스너(threaded fastener), 또는 용접이나 접착제와 같은 다른 부착 수단을 사용할 수 있다.

장착 너트(10)는 밸브 폐쇄력을 제공하도록 사용된 셧오프(shutoff) 스프링(89)을 축방향으로 배치할 수 있으며, 셧오프 스프링(89)은 이동 가능한 흐름 조절 요소(97)를 흐름 정지 방향으로 가압한다. 이러한 스프링은 밸브의 다이어프램(98)의 단순 휨 특성(flexural characteristic)에 더하여 밸브 폐쇄력을 제공한다. 바람직하게는, 셧오프 스프링(89)은 장착 너트(10)와 스러트스 부싱(thrust bushing)(93) 사이에 개재된 접시 스프링(Belleville spring) 와셔를 포함할 수 있으며, 접시 스프링 와셔는 밸브 폐쇄력을 다이어프램(98)과 흐름 조절 요소(97)에 전하도록 중앙 샤프트(96)에 장착된다. 하나 이상의 심(shim)(87a)이 가해지는 밸브 폐쇄력을 미세하게 조절하기 위한 목적으로 셧오프 스프링(89)과 스러스트 부싱(93) 사이에 선택적으로 배치될 수 있으며, 추가된 심(87b)은 장착 너트(10)를 미는 셧오프 스프링(89)에 대해 단단한 베어링면으로서 기능을 할 수도 있다.

장착 너트(10)는 길쭉한 슬롯(12)에 의해 축방향으로 뚫려 있으며, 교차판(20)을 수용하고 위치시키기 위해 장착 너트의 상부면 상의 길쭉한 슬롯(12)의 주변에 계단부(15)를 가진다. 교차판(20)은 그 상부면 및 하부면 상에 정렬부 및 클리어런스부를 가지는 디스크 모양일 수 있다. 도 1a는 인터레이스 리프팅 기구의 대표예(100)의 횡단면도로서, 길쭉한 슬롯(12)과 후술하는 트래버스 바(32)를 수직하게 절단하여, 장착 너트(10) 위에 안착되는 교차판(20)을 나타낸다. 교차판(20)의 상부면 상의 정렬부는, 액추에이터의 작은 정렬 어긋남을 수용하기 위해, 액추에이터(90)의 하단(91)에 형성된 원뿔형 또는 이와 유사한 오목홈과 결합하도록, 원뿔형 리셉터클(conical receptacle)(21) 및 관련된 구형 베어링(spherical bearing)(또는 반구형의 뽀족한 하중 집중 핀)으로서 형성될 수 있다. 교차판(20)의 하부면에 형성된 클리어런스부는, 중앙 샤프트(96) 및 관련된 리테이닝 너트(retaining nut)(94)와 같은 밸브의 이동 가능한 요소로의 인터레이스 리프팅 기구(100)의 커플링과의 간섭을 방지하기 위해, 원형의 릴리프(relief)(22)로서 형성될 수 있다. 교차판(20)은 예를 들면, 17-4PH 스틸과 같은 열 처리 가능한 재료로 만들어질 수 있다. 교차판(20)의 배치는 이하에서 더 상세하게 설명된다.

도시된 실시예의 리프팅부는, 리프팅 하우징(30), 액추에이터 하우징(40), 및 하우징 락 너트(housing lock nut)(50)를 포함하는 3개의 부품을 구비할 수 있다. (도 1a 및 도 1b에 도시되고, 도 2b에 상세하게 도시된 바와 같이) 리프팅 하우징(30)은 원형 셸로서 형성될 수 있으며, 장착 너트(10)의 길쭉한 슬롯(12)과 유사한 모양과 치수를 가지고 앞서 설명된 축방향 외측으로 돌출하며, 셸의 개방 하단을 지름 방향으로 가로질러 연장되어, 셸의 개방 하단(35)을 부분적으로 덮는 트래버스 바(tranverse bar)(32)를 가진다. 중앙 샤프트(96)와 같은 밸브의 이동부와의 링크를 용이하게 하기 위해 트래버스 바(32)에는 스템 홀(stem hole)(14)이 마련될 수 있다. 셸의 개방 하단(35)은 하나의 재료로부터 셸과 트래버스 바를 만들 때 바람직하게는 립(lip)(37)을 선택적으로 포함할 수 있다. 립(37)을 포함하는 리프팅 하우징의 경우에, 하나 이상(일반적으로 대향하는 두 개)의 릴리프 또는 립(37)을 잘라낸 축 방향 삽입부(38, 39)가 마련될 수 있고, 이에 의해 아래에 더 서술되는 바와 같이 커플링 디스크(60)에 부착할 때 용접 클리어런스를 제공한다. 추가적으로, 립(37)은 액추에이터(90)에 압축 프리로드(preload)를 제공하기 위해 사용된 프리로드 스프링(88)을 축방향으로 배치시킬 수도 있다. 프리로드 스프링(88)은 기구 요소의 단순 제로-클리어런스(mere zero-clearance)의 조절에 기인하는 추가적인 액추에이터 압축력을 제공함으로써 압전 스택 액추에이터의 응용기기에 특히 유용하다. 바람직하게는 립(37)과 압전 스택 액추에이터(90)의 하단 사이에 개재된 상기 언급된 접시 스프링 와셔(88)를 포함할 수 있다. 추가된 액추에이터의 압축력을 미세하게 조절하기 위한 목적으로 프리로드 스프링(88)과 팁(37) 사이에 하나 이상의 심(shim)(86)이 선택적으로 배치될 수 있으며, 이들 심은 프리로드 스프링(88)이 밀기 위한 단단한 베어링면으로서 기능을 할 수도 있다. 리프팅 하우징(30)의 원형 셸은 (셸 벽을 부분적 또는 완전히 통과하는) 하나 이상의 내향의 방사상 삽입부(33a, 34a, 33b, 34b)를 가질 수 있으며, 내향의 방사상 삽입부는 기구 조립을 돕기 위한 스패너 렌치(spanner wrench)에 대한 결합점으로서 역할을 한다. 원형 셸은 아래에 후술하는 바와 같이 액추에이터 하우징(40)의 결합을 위해 상단 근처에 나사산 영역(31)을 포함할 수 있다.

리프팅 하우징(30)은 (도 1a 및 도 1b에 도시되고, 도 2c에 상세히 도시된 것과 같이) 커플링 디스크(60)에 연결되고, 커플링 디스크(60)는 장착 너트(10)에 연결되며, 이에 의해 길쭉한 슬롯(12) 내에 트래버스 바(32)의 돌출부를 위치시킨다. 커플링 디스크(60)는, 도 2c에 도시된 바와 같이 방사상으로 향하는(보다 바람직하게는 내측으로 향하지만 대표예(100)에 한정되지 않음) 서로 대향하는 탭(68a, 69a, 68b, 69b)을 가지는 편평한 링 모양으로서 형성될 수 있고, 예를 들면 17-4PH 스틸과 같은 스프링으로 사용하기 위해 적절한 재료로 만들어지며, 리프팅 하우징(30)에의 연결 및 장착 너트(10)에의 연결을 행할 수 있다. 이들 연결을 행하기 위한 바람직한 방법은 용접에 의한다. 일반적인 제조 순서에서 리프팅 하우징 셸(30), 커플링 디스크(60), 및 장착 너트(10)는 도 3a, 도 3b, 및 도 3c에 도시된 바와 같은 각 정렬(angular alignment)이 된 상태에서 뒤집어 적층된다. 레이저 광 또는 전자 빔과 같은 에너지를 형성하는 용접은 도 4a에 도시된 바와 같이 장착 너트(10)와 커플링 디스크 탭(tab)(68a, 69a)을 연결하는 용접부(66a, 67a)를 생성하기 위해 장착 너트(10)의 밑면에 형성된 블라인드 릴리프(blind relief)(18a, 19a)로 향하여진다. 동일 구성일 때, 용접 형성 에너지는 도 4b에 도시된 바와 같이 리프팅 하우징(30)에 커플링 디스크 탭(68b, 69b)을 연결하는 용접부(66b, 67b)를 생성하기 위해 장착 너트(10)를 통해 스루 홀(through hole)(18b, 19b)로 향하여질 수 있다. 특정 인터레이스 리프팅 기구 구현을 위한 치수와 상응하는 나사형 파스너는 용접을 대신하여 사용될 수 있다.

리프팅 하우징을 커플링 디스크에 연결하고 커플링 디스크를 장착 너트에 연결하기 위해 끼움 맞춤(interference) 고정 핀을 사용하는 다른 방식은, 도 6a-도 8e와 함께 아래에서 더 상세하게 설명한다. 리프팅 하우징(30)과 장착 너트(10) 사이에 끼워져 고정된 커플링 디스크(60)의 대칭구조는, 길쭉한 슬롯(12) 내에 트래버스 바(32)의 정확한 각(angular) 위치와 반경 위치를 유지시키는 동안, 하우징과 너트의 상대적인 축 방향 이동을 하게 하는 한 쌍의 균형 판 스프링(leaf spring)으로서 기능을 한다.

실시예(100)에서의 액추에이터 하우징(40)은 리프팅 하우징(30) 상에 형성된 나사산 영역(31)에서 짝이 되는 나사산과 결합하는 나사산(41)을 가지는 원형의 튜브 모양으로서 형성될 수 있으며, 내측을 향하는 립(45)은 액추에이터(90)의 상단(95)과 접촉하도록 액추에이터 하우징(40)의 상단에 형성될 수 있다. 이로 인해 액추에이터 하우징(40)과 리프팅 하우징(30) 사이의 결합은 액추에이터(90)가 교차판(20)과 립(45) 사이에 적절하게 구속될 때까지 조절될 수 있다. 이후 링 모양의 하우징 락 너트(50)는 이러한 결합의 의도치 않은 변화를 방지하기 위해 사용될 수 있다. 하우징 락 너트(50)는 (링 벽을 통해 부분적으로 또는 완전히 통과하는) 하나 이상의 내향의 방사상 삽입부(53a, 54a, 53b, 54b)를 가질 수 있으며, 이들 방사상 삽입부는 기구 조립을 돕기 위한 스패너 렌치에 대한 결합점으로서 역할을 한다. 액추에이터 하우징(40)과 리프팅 하우징(30) 사이의 간단한 슬라이딩 고정에는, 핀, 크림핑(crimping), 접착제, 또는 고려될 수 있는 용접과 같은 다른 락킹 수단이, 나사산(31, 41)을 대체하여 사용될 수 있다. 액추에이터 하우징(40)은, 잠재적으로 문제가 되는 온도 변화를 가지는 응용기기에서, 인바 합금(Invar alloy) 또는 몰리브덴(Molybdenum) 금속과 같이 소정의 낮은 열팽창 계수를 가지는 재료로 만들어질 수 있다. 액추에이터의 주변과 액추에이터 하우징의 내측 사이에는, 조립, 핸들링, 및 장착을 돕기 위해, O-링과 같은 하나 이상의 고리 모양(annular) 탄성 요소(55, 56)가 배치될 수 있다.

교차판(20)은 부분적으로 노출된 장착 너트(10)에 대향하여 리프팅 하우징(30) 내측에 배치될 수 있고, 트래버스 바(32)의 축방향 돌출부와 길쭉한 슬롯(12)에 걸쳐지도록 계단부(15)에 의해 위치되어진다. 실시예(100)에서, 압전 스택 액추에이터(90)의 하단(91)은 원뿔형의 정렬부(21)와 결합되는 단단한 구형 볼(spherical ball)을 사용하여 교차판(20)에 대해 결합될 수 있다. 작동 전압을 인가하는 것은 액추에이터의 스택 길이를 증가시켜, 액추에이터 하우징(40)을 장착 너트(10) 상에 안착된 교차판(20)으로부터 멀어지도록 이동시키며, 이에 의해 커플링 디스크(60)를 구부리면서 리프팅 하우징(30)을 트래버스 바(32)와 함께 장착 너트(10)에 대해 상대적으로 이동시킨다. 이러한 운동은, 도 1b에 도시된 바와 같이, 리테이닝 너트(94)와 교차판의 클리어런스부(22) 사이의 클리어런스(18)의 감소, 트래버스 바(32)의 상부와 교차판(20)의 저부 사이의 클리어런스(17)의 감소, 및 트래버스 바(32)의 저부와 장착 너트(10) 사이의 클리어런스(16)의 증가로서 관찰되어질 수 있다.

인터레이스 리프팅 기구의 상기 언급된 다른 실시예(500)는, 멀티플렉스 커플링(Multiflex Coupling)으로 구성되며, 미국특허 출원 No.13/794,517 내에 상세하게 서술된 바와 같이, 본 발명의 인터레이스 리프팅 기구 내에서 액추에이터와 연속하여 배치된다. 이러한 인터레이스 리프팅 기구(500)의 다른 실시예는 도 5a 및 도 5b의 조립 횡단면도에서 도시된 바와 같이 일반적인 유체 이동 장치의 본체(599)에 부착될 수 있다. 유체 이동 장치는 중앙 샤프트(596)를 리프팅하고 인터레이스 리프팅 기구(500)의 작동에 의해 다이어프램(598)을 휘게 함으로써 이동할 수 있는 흐름 조절 요소(597)를 포함하는 밸브 구조체를 포함할 수 있다. 액추에이터는 일반적으로 압전 스택 타입의 액추에이터일 수 있으나, 다른 높은 힘, 낮은 스트레인(strain) 장치(예를 들면, 자기 변형 요소(magnetostrictive element))가 멀티플렉스 커플링에 의해 제공된 스트로크를 증가시킬 수 있다는 점에서 이로울 수도 있다. 반도체 제조를 위해 만들어진 유체 이동 장치에서, 장치의 본체(599)는 일반적으로 고순도 316L 스테인리스 스틸 합금, 하스텔로이(Hastelloy)®C22® 니켈 합금, 또는 유사 재료로부터 만들어질 것이다. 장치(500)는 장치의 본체(599)에 형성된 짝이 되는 나사산과 결합하기 위한 나사산 영역(511)을 가지는 (도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이) 원형의 장착 너트(510)로서 형성된 장착부를 가질 수 있다. 장착 너트가 유체 유로 외측에 있고 순도가 매우 중요하게 고려되는 이동 화학물질과 접촉하지 않기 때문에, 장착 너트(510)는 장치의 본체(599)와 유사한 재료 또는 보다 쉽게 가공된 다른 재료로 만들어질 수 있다. 외측의 나사산 영역(511)이 장치의 본체(599) 내에서 장착 너트(510)를 고정시키는 기능을 할 수 있으나, 숙련된 디자이너가 유체 이동 장치의 본체(599) 내에 장착 너트(510)를 고정하기 위해, 플랜지와 나사형 파스너, 또는 용접이나 접착제와 같은 다른 부착 수단을 사용할 수 있다.

장착 너트(510)는 밸브 폐쇄력을 제공하기 위해 사용된 셧오프 스프링(589)을 축방향으로 배치시킬 수 있으며, 셧오프 스프링(589)은 이동 가능한 흐름 조절 요소(597)를 흐름 정지 방향으로 가압한다. 이러한 셧오프 스프링은 밸브 폐쇄력을 제공하여, 밸브 다이어프램(598)의 단순 휨 특성에 추가된다. 바람직하게는, 셧오프 스프링(589)은 장착 너트(510)와 스러스트 부싱(593) 사이에 개재된 접시 스프링 와셔를 포함할 수 있으며, 접시 스프링 와셔는 밸브 폐쇄력을 다이어프램(598) 및 흐름 조절 요소(597)에 전하도록 중앙 샤프트(596)에 장착된다. 하나 이상의 심(587a)은 가해지는 밸브 폐쇄력을 미세하게 조절하기 위한 목적으로 셧오프 스프링(589)과 스러스트 부싱(593) 사이에 선택적으로 배치될 수 있으며, 추가된 심(587b)은 장착 너트(510)를 미는 셧오프 스프링(589)에 대해 단단한 베어링면으로서 기능을 할 수 있다.

장착 너트(510)는 길쭉한 슬롯(512)에 의해 축방향으로 뚫려 있으며, 교차판(520)을 수용하고 위치시키기 위해 장착 너트의 상부면 상의 길쭉한 슬롯(512)의 주변에 계단부(515)를 가진다. 교차판(520)(도 5a 및 도 5b에 단면으로 나타내어짐)은 그 상부면 및 하부면 상에 정렬부와 클리어런스부를 가지는 디스크 모양일 수 있다. 교차판(520)의 상부면 상의 정렬부는 기둥(521)으로서 형성될 수 있어, 멀티플렉스 커플링의 하부 작동 요소(578)에서 짝이 되는 홀(579)에 간단히 고정할 수 있다(기둥(521)과 짝이 되는 홀(579)은 또한 원해질 때 짝을 이루는 나사산에 의해 결합될 수 있다). 교차판(520)의 하부면 상의 클리어런스부는, 기구(500)를 중앙 샤프트(596) 및 관련된 리테이닝 너트(594)와 같은 밸브의 이동 가능한 요소에 커플링하기 위한 수단과의 간섭을 방지하기 위해, 원형의 릴리프(522)로서 형성될 수 있다. 교차판(520)은, 예를 들면, 17-4PH 스틸과 같은 열 처리 재료로 만들어질 수 있다. 교차판(520)의 배치는 이하에서 더 상세하게 설명한다.

이러한 다른 실시예의 리프팅부는 멀티플렉스 커플링, 리프팅 하우징(530), 액추에이터 하우징(540), 및 하우징 락 너트(550)를 포함하는 4개의 부품을 구비할 수 있다. (도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이) 리프팅 하우징(530)은 원형 셸로서 형성될 수 있으며, 장착 너트(510)의 길쭉한 슬롯(512)과 유사한 모양과 치수를 가지고 축방향 외측으로 돌출하며, 셸의 개방 하단을 부분적으로 덮는 셸의 개방 하단을 지름 방향으로 가로질러 연장되는 트래버스 바(532)를 가진다. 트래버스 바(532)에는 중앙 샤프트(596)와 같은 밸브의 이동부와의 링크를 용이하게 하기 위해 스템 홀(514)이 마련될 수 있다. 셸의 개방 하단은 셸과 트래버스 바를 만들 때 바람직하게는 립(537)을 선택적으로 포함할 수 있다. 립(537)을 포함하는 리프팅 하우징의 경우에, 아래에 더 서술되는 바와 같이 커플링 디스크(560)를 부착하기 위해 사용된 핀을 위한 하나 이상(일반적으로 대향하는 2개)의 릴리프와 립(537)을 잘라낸 축 방향 삽입부가 마련될 수 있다. 리프팅 하우징(530)의 원형 셸은, (셸 벽을 부분적으로 또는 완전히 통과하는) 하나 이상의 내향의 방사상 삽입부(533a, 534a, 533b, 534b)를 가질 수 있으며, 이들은 기구 조립을 돕기 위한 스패너 렌치에 대한 결합점으로서 역할을 한다. 원형 셸은 아래에 후술하는 바와 같이 액추에이터 하우징(540)의 결합을 위해 상단 근처에 나사산 영역(531)을 포함할 수 있다.

리프팅 하우징(530)은 (도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이) 커플링 디스크(560)에 연결되고, 커플링 디스크(560)는 장착 너트(510)에 연결되며, 이에 의해 길쭉한 슬롯(12) 내에 트래버스 바(532)의 돌출부를 배치시킬 수 잇다. 커플링 디스크(560)는, 도 6c의 예에 도시된 바와 같이, 방사상으로 향하는 정반대의 탭(보다 바람직하게는 내측으로 향하지만 실시예(500)에 한정되지 않음)을 가지는 편평한 링 모양으로서 형성될 수 있고, 예를 들면, 17-4PH 스틸과 같은 스프링으로서 사용하기에 적절한 재료로 만들어지며, 리프팅 하우징(530)에의 연결 및 장착 너트(510)에의 연결을 행할 수 있다. 이러한 연결을 행하기 위한 바람직한 방법은 리프팅 하우징(530)을 커플링 디스크(560)에 연결하고 커플링 디스크(560)를 장착 너트(510)에 연결하기 위해 끼움맞춤 고정 핀(671, 672, 673, 674)을 사용하는 것이며, 도 6a-도 6c, 도 7a-도 7c, 및 도 8a-도 8e와 함께 상세하게 설명한다. 다른 방식은 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 멀티플렉스 커플링이 없는 인터레이스 리프팅 기구에 대해 앞서 설명한 것과 유사한 방식으로 용접을 이용할 수 있다. 특정 인터레이스 리프팅 기구 구현을 위한 치수와 상응하는 나사형 파스너가 사용될 수도 있다. 리프팅 하우징(530)과 장착 너트(510) 사이에 끼워져 고정된 커플링 디스크(560)의 대칭구조는, 길쭉한 슬롯(512) 내에서 트래버스 바(532의 정확한 각 위치와 반경 위치를 유지하면서 하우징과 너트의 상대적인 축 방향 이동을 가능하게 하는 한 쌍의 균형 판 스프링으로서 기능을 한다.

교차판(520)은 부분적으로 노출된 장착 너트(510)에 대향하여 리프팅 하우징(530) 내측에 배치될 수 있으며, 도 5a로부터 알 수 있는 바와 같이, 트래버스 바(532)의 축방향 돌출부와 길쭉한 슬롯(512)에 걸쳐지도록 계단부(515)에 의해 위치되어진다. 장치(500)에서, 멀티플렉스 커플링은 교차판(520)과 접촉하여 배치되며, 리프팅 하우징(530)과 결합되기도 한다. 교차판(520)의 상부면 상의 나사형 기둥부(521)는 멀티플렉스 커플링의 하부 작동 요소(578)에서의 짝이 되는 나사형 홀(579)에 고정될 수 있다. 멀티플렉스 커플링의 상부 피동 요소(passive element)의 주변 및 관련된 센터 디스크 스프링(530)은, 리프팅 하우징(530)에 나사 결합된 락킹 링(locking ring)(584)에 의해 숄더(535)에 대해 유지될 수 있고, 이에 의해 피동 요소(575)와 리프팅 하우징(530)은 서로 접촉된 상태를 유지하여 함께 이동한다. 멀티플렉스 커플링 피동 요소(575)는 작동 축(580)을 수용하기 위한 홀(570)에 의해 뚫려 있다. 압전 스택 액추에이터(590)의 하단(591)은 멀티플렉스 커플링의 상부 작동 축 요소(580)와 접촉하여 배치될 수 있다. 작동 축(580)의 상단 상의 정렬부는, 액추에이터의 작은 정렬 어긋남을 수용하기 위해, 압전 스택 액추에이터(590)의 하단(591)에 형성된 적절한 원뿔형 리셉터클 또는 유사한 형상의 리셉터클과 결합하도록 반구형의 뽀족한 하중 집중 핀(581)(또는 원뿔형 리셉터클 및 관련된 구형 베어링)로서 형성될 수 있다. 작동 축(580)은 중앙에 배치되며, 작동 축(580)의 상단에 형성된 숄더에 대향하여 바람직하게 배치된 디스크 스프링(585)의 사용에 의해 스루 홀(570)과 결합하는 것이 방지될 수 있다. 선택적인 프리로드 스프링(588)은 교차판(520)과 하부 작동 요소(578) 사이에 배치될 수 있고, 이에 의해 멀티플렉스 커플링의 작동은 하중 집중 핀(581)이 압전 스택(590)의 하단(591)에 대해 가압되도록 한다. 이러한 프리로드 스프링(588)은 기구 요소의 단순 제로-클리어런스의 조절에 기인하는 추가적인 힘을 제공하며, 압전 액추에이터 스택에 특히 유용하다. 바람직한 실시예는 하부 작동 요소(578)와 교차판(520)의 상부 사이에 개재된 접시 스프링 와셔(588)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 심(미도시)은 추가된 액추에이터 압축력을 미세하게 조절하기 위한 목적으로 프리로드 스프링(588)과 작동 요소(578) 사이에 선택적으로 배치될 수 있으며, 이들 심은 프리로드 스프링(588)이 밀기 위한 단단한 베어링면으로서 기능을 할 수도 있다. 작동 축(580)은 예를 들면, 17-4PH 스틸과 같은 열처리 가능한 재료로 만들어질 수 있으며, 디스크 스프링(585)은 동일 재료 또는 300 시리즈 스테인리스 스틸과 같은 다른 적절한 재료로 만들어질 수 있다.

액추에이터 하우징(540)은 리프팅 하우징(530)에 형성된 짝이 되는 나사산(531)과 결합하기 위한 나사산(51)을 가지는 원형의 튜브 모양으로서 형성될 수 있다. 상부 캡 단부(545)는, 어떤 전기적 연결을 제외하고 압전 스택 액추에이터(590)의 상단(595) 대부분과 접촉하도록, 액추에이터 하우징(540)의 상단에 형성될 수 있다. 이로 인해, 액추에이터 하우징(540)과 리프팅 하우징(530) 사이의 결합은, 압전 스택(590)이 멀티플렉스 커플링의 상부 작동 축(580)과 상부 캡 단부(545) 사이에 적절하게 구속될 때까지 조절될 수 있다. 이후 하우징 락 너트(550)는 이러한 결합의 의도치 않은 변화를 방지하기 위해 사용될 수 있다. 링 모양의 하우징 락 너트(550)는 (링 벽을 부분적으로 또는 완전히 통과하는) 하나 이상의 내향의 방사상 삽입부(553a, 554a, 553b, 554b)를 가지며, 이들 방사상 삽입부는 기구 조립을 돕기 위한 스패너 렌치에 대한 결합점으로서 역할을 한다. 유사한 방식으로 액추에이터 하우징(540)은 (튜브 벽을 부분적으로 또는 완전히 통과하는) 하나 이상의 내향의 방사상 삽입부(551a, 552a, 551b, 552b)를 가질 수 있으며, 이들 방사상 삽입부는 기구 조립을 돕기 위한 스패너 렌치에 대한 결합점으로서 역할을 한다. 액추에이터 하우징(540)과 리프팅 하우징(530) 사이의 간단한 슬라이딩 고정에는, 핀, 클림핑, 접착제, 또는 고려될 수 있는 용접과 같은 다른 락킹 수단이 나사산(531, 541)에 대체하여 사용될 수 있다. 액추에이터 하우징(540)은, 잠재적으로 문제가 되는 온도 변화를 가지는 응용기기에서, 인바 합금 또는 몰리브덴 금속과 같이, 소정의 낮은 열팽창 계수를 가지는 재료로 만들어질 수 있다. 액추에이터 주변과 액추에이터 하우징 내측 사이에는, 조립, 핸들링, 및 장착을 돕기 위해, O-링과 같은 하나 이상의 고리 모양의 탄성 요소(555, 556)가 배치될 수 있다.

멀티플렉스 커플링의 동작은, 위에서 이미 참조된 바와 같이, "멀티플렉스 커플링"의 명칭으로, 미국 특허출원 No.13/794,517에 기재되어 있다. 실시예를 위한 멀티플렉스 커플링 조립체는, 상부 디스크 모양 요소(575), 나란하게 상부 디스크 하측에 배치된 두 개의 락커 요소(rocker element)(576, 577), 및 락커 요소 아래의 하부 디스크 모양 요소(578)를 포함한다. 단일의 피봇 핀(582)은 두 개의 반원형 락커 요소와 락(lock) 핀(도 5b에 나타내어진 4개의 핀(571, 572, 573, 574))에 형성된 피봇 핀 홀을 통과하여, 몇 개의 요소에서 각각의 축 방향 슬롯 내에 4개 링크의 단부를 고정한다. 두 개의 링크는 상부 디스크 모양 요소(575)의 두 개의 축 방향 슬롯으로부터 유래하며, 각 링크는 아래에 인접한 락커 요소(대칭된 동일한 락커 요소(576, 577))에서 대응하는 축 방향 슬롯과 결합한다. 다른 두 개의 링크는 각 락커 요소(576, 577)의 제2 축 방향 슬롯으로부터 유래하며, 각 링크는 아래에 인접한 하부 디스크 모양 요소(578)에서 대응하는 축 방향 슬롯과 결합한다. 본 발명 기구의 실시예(500)에 따르면, 상부 디스크 모양 요소(575)는 피동적이며, 락킹(locking) 링(584) 및 액추에이터 하우징(540)의 상부 캡 단부(545)와 함께 리프팅 하우징 숄더(535)의 작용에 의해, 액추에이터(590)의 벌키부에 대해서 축방향으로 고정되도록 유지된다. 액추에이터(590)의 연장은 작동 축(580)에 의해 결합되어 능동적으로 작용하는 피봇 핀(582)을 이동시키며, 이에 의해 하부 디스크 모양 요소(578))가 액추에이터의 벌키부로부터 멀어지도록 연장할 때 액추에이터(590)의 연장은 작동 피봇 핀(582)을 액추에이터의 벌키부로부터 멀어지도록 축방향으로 이동시킨다. 각 락커 요소(576, 577)의 상단은, 도 5b의 횡단면도에서 도시된 락 핀(573, 574)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 축방향으로 고정된 상부 디스크 모양의 피동 요소(575)에 결합된 각 락커로부터 상부를 향해 장착된 링크에 의해 제한된다. 액추에이터(590)의 축 방향 이동은 상부 디스크 모양의 피동 요소(575)를 통과하고 작동 피봇 핀(582)과 결합하는 작동 축(580)을 변위시키며, 이에 의해 작동 피봇 핀(582)의 축 방향 이동은 락커 요소(576, 577)에 직접적으로 전달된다. 이에 의해 도시된 락커 요소(576)는 락커 요소(576)의 일단(왼쪽)에서 상향 링크(미도시)의 락 핀(573)에 대해 약간 회전시키고, (피봇 핀(582)에 의해 전해진) 도시된 락커 중앙의 하향 이동은 도시된 락커(576)의 타단(오른쪽)을 더 하향 이동시킨다. 도시된 락커(576)의 타단의 하향 이동은 부착된 하향 링크(미도시) 및 이와 관련된 락 핀(571, 572)에 의해 디스크 모양의 하부 작동 요소(578)에 결합된다. 다른 락커(577)는 단면도를 도시할 때 제거되는 기구부 내에 배치되어 있기 때문에, 도 5b에 도시되어 있지는 않지만 유사한 방식으로 기능을 한다. 하부 작동 요소(578)는 작동 축(580)의 이동에 비례하여 동일 방향인 축방향으로 이동한다. 작동 축(580)의 이동과 작동 요소(578)의 이동 사이의 비례 관계는, 한 쌍의 락커 요소(576, 577)에서의 락 핀 홀 및 피봇 핀 홀 사이의 분리 여부에 의해 조정될 수 있다.

압전 스택 액추에이터(590)에 작동 전압을 인가하는 것은 액추에이터 길이를 연장시켜, 액추에이터 하우징(540)을 멀티플렉스 커플링 내의 피봇 핀(582)에 연결되어 있는 작동 축 요소(580)로부터 멀어지도록 이동시킨다. 리프팅 하우징 숄더(535)와 고정 접촉하는 피동 요소(575)와 결합하면서, 리프팅 하우징(530)과 고정 결합되는 액추에이터 하우징(540)은, 피동 요소(575)를 피봇 핀(582)으로부터 상대적으로 멀어지도록 이동시킨다. 피봇 핀(582)과 피동 요소(575) 사이의 상대 이동은 락커(576, 577)를 약간 기울이고, 이에 의해 멀티플렉스 커플링의 기계적 이점과 액추에이터의 길이 증가에 의해 정해진 양만큼 작동 요소(578)와 피동 요소(575) 사이의 거리를 증가시킨다. 따라서, 작동 요소(578)가 장착 너트(510)에 대향하여 안착하는 교차판(520)과 접촉할 때, 리프팅 하우징(530)과 축방향으로 고정되는 피동 요소(575)는, 커플링 디스크(560)를 구부리면서 장착 너트(510)에 대해서 상대적으로 트래버스 바(532)와 함께 리프팅 하우징(530)을 이동시킨다. 이러한 이동은 도 5b에 도시된 바와 같이 리테이닝 너트(594)와 교차판 클리어런스부(522) 사이의 클리어런스(518)의 감소, 트래버스 바(532)의 상부와 교차판(520)의 저부 사이의 클리어런스(517)의 감소, 및 트래버스 바(532)의 저부와 장착 너트(510) 사이의 클리어런스(516)의 증가로서 관찰될 수 있다.

리프팅 하우징을 커플링 디스크에 연결하고 커플링 디스크를 장착 너트에 연결하기 위해 끼움맞춤 고정 핀을 사용하는 다른 예에 대해서 이하 설명한다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 간단한 인터레이스 리프팅 기구, 또는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 멀티플렉스 커플링과 결합되는 보다 복잡한 인터레이스 리프팅 기구에 이러한 핀 부착형 예가 사용될 수 있다. 핀 부착형 예는 도 6a에 도시된 장착 너트(610)를 사용하며, 장착 너트(610)는 길쭉한 슬롯(612)에 의해 축방향으로 뚫려 있고 상부면에 교차판(미도시)을 수용하고 배치시키기 위해 길쭉한 슬롯(612)의 주변에 계단부(615)를 가진다는 점에서 이전에 설명한 장착 너트(10, 510)와 실질적으로 유사하다. 핀 부착형 예는 도 6b에 도시된 바와 같은 리프팅 하우징(630)을 사용하며, 리프팅 하우징(630)은 원형 셸로서 형성될 수 있으며, 길쭉한 슬롯(612)과 유사한 모양과 치수를 가지고 축방향 외측으로 돌출하며, 셸의 개방 하단(635)을 부분적으로 덮고 셸의 개방 하단(635)을 지름 방향으로 가로질러 연장되는 트래버스 바(632)를 가진다는 점에서 앞에 나타내어진 리프팅 하우징(30, 530)과 실질적으로 유사하다. 트래버스 바(632)에는 밸브의 이동부와의 링크를 용이하게 하기 위한 스템 홀(614)이 마련될 수 있다. 셸의 개방 하단(635)은 단일 재료로 셸과 트래버스 바를 만들 때 바람직하게는 립(637)을 포함한다. 이러한 리프팅 하우징의 다른 실시예의 경우에, 립(637)은 부착 핀(672, 674)을 수용하기 위한 두 개의 대향하는 블라인드 보어(blind bore, 막힌 구멍)(642, 644)와, 립(637)을 잘라낸 두 개의 대향하는 릴리프(641, 643)를 가지며, 반대 축 방향으로 향하는 유사한 형상의 핀(671, 673)을 위한 헤드 클리어런스(head clearance)를 마련한다. 마찬가지로, 핀 부착형 장착 너트(610)는 부착 핀(671, 673)을 수용하기 위해서 밑면을 잘라내어 두 개의 대향하는 블라인드 보어(621, 623)를 마련하고, 대향 핀(672, 674)에 대한 헤드 클리어런스를 제공하기 위해 밑면을 잘라내어 두 개의 대향하는 릴리프(622, 624)를 마련한다.

핀형 부착식 예의 리프팅 하우징(630)은 커플링 디스크(660)(도 6c에 상세하게 도시됨)에 연결되고, 커플링 디스크(660)는 장착 너트(610)에 연결되며, 이에 의해 길쭉한 슬롯(612) 내에 트래버스 바(632)의 돌출부를 위치시킨다. 커플링 디스크(660)는 방사상으로 향하는 (보다 바람직하게는 내측으로 향하나 이에 한정되지 않음) 서로 대향하는 탭(661, 662, 663, 664)을 가지는 편평한 링 모양 스프링으로서 형성될 수 있으며, 탭(661, 662, 663, 664)은 도 6c에 도시된 바와 같이 대응하는 핀을 수용하는 스루 홀(666, 667, 668, 669)을 가진다. 부착식 연결은, 커플링 디스크의 스루 홀(666, 667, 668, 669)에 삽입되는 저(low) 프로파일 헤드를 가지는 핀(671, 672, 673, 674)에 의해 효과적으로 이루어지며, 핀 몸체는 장착 너트와 리프팅 하우징의 대응 블라인드 보어(621, 623, 642, 644) 내에 억지로 끼워 맞춰 고정된다. 도면에는 핀 위의 스무스한 생크(shank)와 스무스한 블라인드 보어가 도시되어 있으나, 홈 모양 또는 톱니 모양 핀, 톱니 모양 블라인드 보어, 및 바람직하게 타이트한 기계적 연결을 이루는 다른 알려진 방법을 사용하여 실행할 수 있다.

일반적인 제조 순서에 있어서, 리프팅 하우징 셸(630), 커플링 디스크(660), 및 장착 너트(610)는 도 7a, 도 7b 및 도 7c에 도시된 바와 같은 각 정렬이 된 상태에서 뒤집어 적층된다. 리프팅 하우징(630)이 먼저 배치되고, 이후 상향 돌출하는 한 쌍의 제1 핀(671, 673)이 헤드가 아래를 향하도록 릴리프(641, 643)에 배치된다: 다음으로 커플링 디스크(660)가 한 쌍의 제1 핀(671, 673) 상에 배치되며, 한 쌍의 제1 핀(671, 673)은 한 쌍의 제1 대향 탭(661, 663)을 통과하여 상향 돌출한다. 이후 한 쌍의 제2 핀(672, 674)은 한 쌍의 제2 대향 탭(662, 664)을 통과하여 아래로 삽입되어 한 쌍의 하우징 블라인드 보어(642, 644)로 들어가기 시작한다. 이후 장착 너트(610)가 정렬되어 길쭉한 슬롯(612)이 트래버스 바(632)를 수용하며, 밑면에 형성된 한 쌍의 블라인드 보어(621, 623)는 상향 돌출하는 한 쌍의 제1 핀(671, 673)과 결합하기 시작한다. 다음으로 하우징(630)과 장착 너트(610)를 함께 가압하는 축방향 압축력을 가하여 핀(671, 672, 673, 674)을 대응 블라인드 보어(621, 623, 642, 644) 내로 밀어넣음으로써, 적층된 조립체에서의 부품 연결이 완료된다. 탭의 스루 홀(666, 667, 668, 669)과 핀(671, 672, 673, 674) 사이의 가벼운 압축 고정을 사용하는 것이 바람직하며, 이로써 핀이 커플링 디스크(660) 내에 삽입되어 단일의 하부 조립품으로서 취급된다. 도 8a 및 도 8b의 횡단면도는 커플링 디스크(660)를 장착 너트(610)에 부착하는 한 쌍의 제1 핀(671, 673)과, 커플링 디스크(660)를 하우징(630)에 부착하는 한 쌍의 제2 핀(672, 674)를 더 자세히 나타낸다.

이상 본 발명의 몇 개의 측면을 설명하였으며, 이를 근거로 다양한 변화, 변형, 및 개선이 통상의 기술자에게 쉽게 일어날 것이다. 이러한 변화, 변형, 및 개선은 본 발명의 일부로서로 의도되며, 본 발명의 분야 내에서 이루어질 것으로 의도되어진다. 따라서, 상기 상세한 설명 및 도면은 단지 예시된 것에 지나지 않는다.

Claims

액추에이터의 커플링 운동(coupling motion) 기구로서,
상기 액추에이터를 둘러싸고, 상기 액추에이터의 양단에 접촉하도록 구성되며, 상기 커플링 운동 기구의 기부에 가까운 장착부가 고정 위치에 있을 때 상기 액추에이터를 늘리는 연장 운동(extension motion)은 상기 커플링 운동 기구의 리프팅부를 상기 액추에이터의 벌키부(bulky portion)쪽으로 이동시키는 액추에이터의 커플링 운동 기구.
청구항 1에 있어서,
상기 커플링 운동 기구는 축대칭(axisymmetric) 기구인 액추에이터의 커플링 운동 기구.
청구항 1에 있어서,
상기 액추에이터는 압전 스택(piezoelectric stack) 액추에이터인 액추에이터의 커플링 운동 기구.
청구항 3에 있어서,
상기 액추에이터에 대해 밸브 폐쇄력으로부터 독립하는 압축력을 제공하는 액추에이터 프리로드(preload) 스프링을 포함하는 액추에이터의 커플링 운동 기구.
청구항 3에 있어서,
상기 액추에이터와 상기 커플링 운동 기구의 장착부 사이에 상기 액추에이터의 스트로크(stroke)를 증가시키기 위한 커플링이 개재되는 액추에이터의 커플링 운동 기구.
청구항 5에 있어서,
상기 액추에이터에 대해 밸브 폐쇄력으로부터 독립하는 압축력을 제공하는 액추에이터 프리로드 스프링을 포함하는 액추에이터의 커플링 운동 기구.
청구항 2에 있어서,
상기 축대칭 기구는 비례 조절 밸브를 포함하는 액추에이터의 커플링 운동 기구.
압전 스택에 의해 작동되는 밸브 액추에이터를 리프팅하기 위해 사용되는 밸브 엑추에이터 리프팅 기구로서,
장착부;
리프팅부;
교차 지지부; 및
커플링 디스크를 포함하는 밸브 액추에이터 리프팅 기구.
청구항 8에 있어서,
상기 장착부는 장착 너트를 포함하는 밸브 액추에이터 리프팅 기구.
청구항 9에 있어서,
상기 장착 너트는 밸브 본체에 연결되도록 나사 결합되는 밸브 액추에이터 리프팅 기구.
청구항 8에 있어서,
상기 장착부에 의해 위치된 셧오프(shutoff) 스프링을 더 포함하는 밸브 액추에이터 리프팅 기구.
청구항 11에 있어서,
상기 셧오프 스프링은 접시 스프링(Belleville spring) 와셔를 포함하는 밸브 액추에이터 리프팅 기구.
청구항 8에 있어서,
상기 교차 지지부는 교차 판을 포함하는 밸브 액추에이터 리프팅 기구.
청구항 8에 있어서,
상기 리프팅부는 리프팅 하우징, 액추에이터 하우징, 및 하우징 락 너트를 포함하는 밸브 액추에이터 리프팅 기구.
청구항 8에 있어서,
상기 커플링 디스크는 스프링과 같은 특성을 가지는 탄성 재료로 만들어진 실질적으로 편평한 링을 포함하는 밸브 액추에이터 리프팅 기구.