KR102456760B1

KR102456760B1 - 압전 구동기 유형 밸브

Info

Publication number: KR102456760B1
Application number: KR1020177036088A
Authority: KR
Inventors: 스캇 이. 쉬레이; 앤드류 씨. 디멕; 씬 씨. 던; 조셉 씨. 딜
Original assignee: 일리노이즈 툴 워크스 인코포레이티드
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2022-10-19
Anticipated expiration: 2036-06-07
Also published as: GB2553476B; KR20180020151A; DE112016002024B4; GB2553476A; JP6777659B2; DE112016002024T5; WO2016209610A1; US10400906B2; US20180163886A1; JP2018526586A; CN107771258A; CN107771258B; GB201719476D0

Abstract

개시된 실시예들은, 압전 스택; 압전 스택을 둘러싸는 압전 구동기로서, 압전 스택의 운동을 증폭하는 스트로크 증폭기를 제공하는 가요성 요소들을 구비하는 것인, 압전 구동기; 유입 유동 경로 및 배출 유동 경로를 구비하는 밸브 블록; 밸브 블록의 꼭대기에 안착되는 다이아프램으로서, 다이아프램의 외측 부분은 강성이며 그리고 다이아프램의 내측 부분은 수직축 내에서 이동 가능한 것인, 다이아프램; 및 양방향 휨변형체로서, 압전 구동기의 바닥 부분이 양방향 휨변형체를 통해 다이아프램에 기계적으로 부착되는 것인, 양방향 휨변형체를 포함하는, 밸브 조립체를 포함한다.

Description

압전 구동기 유형 밸브

본 출원은, 그의 교시 전체가 참조로 본 명세서에 통합되는, 고 유량 압전 구동기 유형 밸브로 명칭이 부여된, 2015년 6월 25일 출원된 미국 가특허 출원번호 제62/184758호의 우선권을 주장한다.

질량 유량 컨트롤러(MFC)는, 액체 및 기체의 유량을 측정하고 제거하기 위해 사용되는 장치이다.

일반적으로, MFC는, 특정 범위의 유량에서 특정 유형의 액체 또는 기체를 제어하도록 설계되고 조정된다. MFC는, 자체의 풀 스케일(full scale) 범위의 0 내지 100%까지 설정점을 부여 받을 수 있지만, 전형적으로 최대 정확도가 달성되는 범위인, 풀 스케일의 10 내지 90%에서 작동하게 된다. 장치는 이때, 주어진 설정점에 대해 유량을 제어할 것이다.

MFC들은, 요구되는 유량 설정점들의 요구되는 상이한 기체들을 포함하는 제품별 레시피들을 구현하기 위해, 반도체 제조에서 폭 넓게 사용된다. 따라서, MFC 성능은, 전체적인 공정 수율 극대화를 위해 매우 중요하다. 질량 유량 컨트롤러의 하나의 일체형 부분이, 여러 통로들을 개방하거나, 폐쇄하거나, 또는 부분적으로 차단하거나 함에 의해, 유체의 유동을 조정하거나, 방향 전환하거나, 또는 제어하는, 밸브이다.

고 유량(>30 slpm) 및 저 유량(≤30 slpm) 열적 질량 유량 컨트롤러들 양자 모두를 위해 의도되는, 신규의 밸브 설계에 대한 여러 실시예들이, 본 명세서에서 개시된다. 예를 들어, 개시된 실시예들은, 압전 스택(piezo stack); 압전 스택을 둘러싸는 압전 구동기(piezo actuator)로서, 압전 스택의 운동을 증폭하는 스트로크 증폭기(stroke multiplier)를 제공하는 가요성 요소들을 구비하는 것인, 압전 구동기; 유입 유동 경로 및 배출 유동 경로를 구비하는 밸브 블록; 밸브 블록의 꼭대기에 안착되는 다이아프램으로서, 다이아프램의 외측 부분은 강성이며 그리고 다이아프램의 내측 부분은 수직축 내에서 이동 가능한 것인, 다이아프램; 및 양방향 휨변형체(bi-lateral flexure)로서, 압전 구동기의 바닥 부분이 양방향 휨변형체를 통해 다이아프램에 기계적으로 부착되는 것인, 양방향 휨변형체를 포함하는, 밸브 조립체를 포함한다.

다른 개시되는 실시예가, 유동 경로를 통한 유량을 감지하기 위한 유량 센서 조립체; 압전 스택, 압전 스택을 둘러싸는 압전 구동기로서, 압전 스택의 운동을 증폭하는 스트로크 증폭기를 제공하는 가요성 요소들을 구비하는 것인, 압전 구동기, 유입 유동 경로 및 배출 유동 경로를 구비하는 밸브 블록, 밸브 블록의 꼭대기에 안착되는 다이아프램으로서, 다이아프램의 외측 부분은 강성이며 그리고 다이아프램의 내측 부분은 수직축 내에서 이동 가능한 것인, 다이아프램, 및 양방향 휨변형체로서, 압전 구동기의 바닥 부분이 양방향 휨변형체를 통해 다이아프램에 기계적으로 부착되는 것인, 양방향 휨변형체를 포함하는, 밸브 조립체; 및 요구되는 유량을 수신하도록, 유량 센서 조립체로부터 유량에 대한 지시값을 수신하도록, 유동 경로를 통한 실제 유량을 결정하도록, 그리고 유체 유량을 조정하기 위해 밸브 조립체를 제어하도록, 프로그램되는 제어 디바이스를 포함하는, 질량 유량 컨트롤러를 포함한다.

양방향 휨변형체 요소 및 양방향 휨변형체 요소를 압전 구동기에 연결하기 위한 수단에 대한 다양한 설계들의 비-제한적인 예들이 또한, 본 명세서에 설명되고 개시된다.

개시된 실시예들의 이점들 중의 일부가, 이에 국한되는 것은 아니지만, 음 전압에 의해 구동될 때 부가적인 차단력을 가할 수 있는 구동기 설계를 구현함에 의해 개선된 유동 차단을 허용하는 것; 밸브 내부의 모든 접촉 지점들을 제거함에 의해, 그로 인해 사이클링(cycling)에 의한 마모를 제거하거나 또는 감소시킴에 의해, 구동기의 효율을 극대화하는 것; 및 플런저가 밀리거나 또는 당겨지는 것을 가능하게 하는 것을 포함한다.

부가적인 실시예들, 이점들, 및 신규의 특징들이, 상세한 설명에서 기술된다.

본 발명의 예시적 실시예들은, 본 명세서에 참조로 통합되는 첨부 도면들을 참조하여 이하에 상세하게 설명된다:
도 1은, 본 명세서에 개시되는 고 유량 및 저 유량 압전 구동기 유형 밸브의 실시예들이 그 내부에 통합되는, 질량 유량 컨트롤러의 예를 도시하는 도면이고;
도 2는, 종래기술에 따른 압전 구동기 유형 밸브의 예를 도시하는 도면이며;
도 3은, 일 실시예에 따른 양방향 휨변형체를 구비하는 압전 구동기 유형 밸브의 예를 도시하는 도면이고;
도 4는, 도 3에 도시된 압전 구동기 유형 밸브의 분해도의 예를 도시하는 도면이며;
도 5a는, 개시된 실시예들에 따른 양방향 휨변형체 설계의 예를 도시하는 도면이고;
도 5b는, 개시된 실시예들에 따른 양방향 휨변형체 설계의 다른 예를 도시하는 도면이며;
도 5c는, 개시된 실시예들에 따른 단일방향 휨변형체 설계의 다른 예를 도시하는 도면이고;
도 6은, 개시된 실시예들에 따른 강성 클램프(rigid clamp)의 예를 도시하는 도면이며;
도 7은, 개시된 실시예들에 따른 강성 클램프의 다른 예를 도시하는 도면이며; 그리고
도 8은, 다른 실시예에 따른 양방향 휨변형체를 구비하는 압전 구동기 유형 밸브의 다른 예를 도시하는 도면이다.
도시된 도면들은, 단지 예시이며 그리고, 상이한 실시예들이 구현될 수 있는, 환경, 구조, 설계 또는 프로세스에 관한 어떠한 제한을 표명하거나 암시하는 것으로 의도되지 않는다.

본 발명 그리고 본 발명의 다양한 특징들 및 유리한 세부사항들이, 첨부 도면들에 예시되며 그리고 뒤따르는 설명에서 자세히 설명되는, 비-제한적인 실시예들을 참조하여 더욱 완전하게 설명된다. 이러한 실시예들은, 당업자가 본 발명을 실행할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되며, 그리고 다른 실시예들이 활용될 수 있다는 것 및 논리적, 구조적, 기계적, 전기적, 및 화학적 변경들이, 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 당업자가 본 명세서에 설명되는 실시예들을 실행하는 것을 가능하게 하는데 필요하지 않은 세부사항을 회피하기 위해, 잘 알려진 재료들, 처리 기법들, 구성요소들 및 장비들에 대한 설명들은, 본 발명을 불필요하게 상세하여 불명료하게 만들지 않도록 하기 위해 생략된다. 그러나, 상세한 설명 및 구체적인 예들은, 본 발명의 특정 실시예들을 나타내지만, 단지 예시로서 그리고 제한이 아닌 것으로서 제공된다는 것을 이해해야 한다. 더불어, 도시된 도면들은, 단지 예시이며 그리고, 상이한 실시예들이 구현될 수 있는, 환경, 구조, 설계 또는 프로세스에 관한 어떠한 제한을 표명하거나 암시하는 것으로 의도되지 않는다. 기본이 되는 발명 개념의 사상 및/또는 범위 이내의 다양한 치환, 수정, 부가 및/또는 재배열은, 본 개시로부터 당업자에게 명백해질 것이다.

본 개시의 다른 특징들 및 이점들이, 뒤따르는 도면들 및 상세한 설명에 대한 검토에 근거하여 당업자에게 명백하거나 또는 명백해질 것이다. 모든 그러한 부가적인 특징들 및 이점들이, 개시된 실시예들의 범위 이내에 포함되는 것으로 의도된다.

기재된 개시 내에 그리고 청구범위 내에 사용되는 바와 같은, 용어들 "포함하는" 및 "구비하는"은, 개방형으로 사용되며, 그리고 그에 따라 "이에 국한되지 않지만, 포함하는"을 의미하도록 해석되어야 한다. 달리 지시되지 않는 한, 본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 바와 같은, "또는"은, 상호 배타성을 요구하지 않는다. 부가적으로, 여기에서 사용되는 바와 같은, 단수 형태 "부정관사" 및 "정관사"는, 문맥이 분명하게 달리 지시하지 않는 한, 복수 형태를 또한 포함하는 것으로 의도된다.

부가적으로, 용어 "유체"는, 유동할 수 있는 임의의 상태의 임의의 유형의 물질을 설명하기 위해, 본 명세서에서 사용된다. 용어 "기체"는, 이상 기체들 또는 비-이상 기체들, 증기들 및 초임계 유체들과 같은, 그에 대한 밀도가 절대 압력에 실질적으로 의존하는, 임의의 유체를 설명하기 위해, 본 명세서에서 사용된다. 용어 "액체"는, 그에 대한 밀도가 절대 압력에 실질적으로 의존하지 않는, 임의의 유체를 설명하기 위해, 본 명세서에서 사용된다.

달리 구체화되지 않는 한, 용어들 "연결하다", "맞물리다", "결합하다", "부착하다", 또는, 요소들 사이의 상호 작용을 설명하는 임의의 다른 용어의, 임의의 형태의 임의의 사용이, 상호 작용을 요소들 사이의 직접적인 상호 작용으로 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 그리고 설명되는 요소들 사이의 간접적인 상호 작용을 또한 포함할 수 있을 것이다.

도 1은, 질량 유량 컨트롤러(100)의 구성요소들이 그 위에 장착되는 플랫폼을 제공하는, 블록(110)을 포함하는 질량 유량 컨트롤러(100)의 개략적 도면이다. 도시된 실시예에서, 열적 질량 유량계(140) 및, 밸브(170)를 포함하는 밸브 조립체(150)가, 유체 유입구(120)와 유체 배출구(130) 사이에서, 블록(110) 상에 장착된다. 열적 질량 유량계(140)는, 전형적으로 대부분의 유체가 그를 통해 유동하는 우회로(142) 및 더 작은 부분의 유체가 그를 통해 유동하는 열적 유량 센서(146)를 포함한다.

열적 유량 센서(146)는, 장착 플레이트 또는 베이스(108) 상에 장착되는 센서 하우징(102) 내부에 수용된다. 도시된 실시예에서, 열적 유량 센서(146)는, 센서 유입구 부분(146A), 센서 배출구 부분(146B), 및 2개의 저항 코일 또는 권선(147, 148)이 그 둘레에 배치되는 센서 측정 부분(146C)을 구비하는, 전형적으로 모세관으로 지칭되는, 작은 직경의 관을 포함한다. 작동 시, 전류가, 센서 측정 부분(146C)과 열적 접촉 상태에 놓이는, 2개의 저항 권선(147, 148)에 제공된다. 저항 권선들(147, 148) 내의 전류는, 우회로(142)를 통해 유동하는 유체의 온도보다 높은 온도로, 측정 부분(146C) 내에서 유동하는 유체를 가열한다. 권선들(147, 148)의 저항은 온도에 따라 변화한다. 유체가 센서 도관을 통해 유동함에 따라, 열이, 상류측 저항 권선(147)으로부터 하류측 저항 권선(148)으로 전달되는 가운데, 온도차는 센서를 통한 질량 유량에 비례하게 된다.

열적 유량 센서(146)를 통한 유체 유량에 관련되는 전기적 신호가, 2개의 저항 권선(147,148)으로부터 유도된다. 전기적 신호는, 저항 권선들의 저항 차이로부터 또는 특정 온도에 각 권선을 유지하기 위해 각 저항 권선에 제공되는 에너지의 양 차이로부터와 같이, 다수의 상이한 방식으로 유도될 수 있을 것이다. 저항 권선들(147, 148)로부터 유도되는 전기적 신호들은, 신호 처리 이후에, 센서 출력 신호를 포함한다. 센서 출력 신호는, 질량 유량계(140) 내의 질량 유량과 상호 관련되며, 따라서 유체 유량이, 전기적 신호가 측정될 때, 결정될 수 있다. 센서 출력 신호는 전형적으로, 열적 유량 센서(146) 내의 유량에 먼저 상호 관련되며, 이어서 우회로(142) 내의 질량 유량에 상호 관련되고, 따라서 유량계를 통한 총 유량이 결정될 수 있으며 그리고 밸브(170)가 그에 따라 제어될 수 있다.

우회로(142)는, 다양한 공지의 유량들에서의, 질량 유량 센서(146) 내에서 유동하는 유체와 우회로(142) 내에서 유동하는 유체 사이의 적절한 관련성을 결정하기 위해, 열적 유량 센서(146)에 결합되며 그리고 공지의 유체에 더불어 특징지어지고, 따라서 질량 유량계(140)를 통과하는 총 유량은, 센서 출력 신호로부터 결정될 수 있다. 특정 실시예에서, 질량 유량 컨트롤러(100)는 우회로(142)를 활용하지 않을 수 있으며, 그리고 전체 유동이 열적 유량 센서(146)를 통과한다.

부가적으로, 일부 실시예에서, 질량 유량 컨트롤러(100)는, 전형적으로, 이에 국한되는 것은 아니지만, 유동 경로(122) 내의 압력을 측정하기 위해 우회로(142) 상류에서, 유동 경로(122)에 결합되는 압력 변환기(112)를 포함할 수 있을 것이다. 압력 변환기(112)는, 압력을 나타내는 전기적 신호를 제공한다.

제어 전자기기(160)가, 요구되는 질량 유량을 지시하는 설정점, 및 센서 도관 내에서 유동하는 유체의 실제 질량 유량을 지시하는 열적 유량 센서(146)로부터의 전기적 유량 신호에 따라, 밸브(170)의 위치를 제어한다. 일부 실시예에서, 비례 제어, 적분 제어, 비례 적분(PI) 제어, 미분 제어, 비례 미분(PD) 제어, 적분 미분(ID) 제어, 및 비례 적분 미분 제어(PID)와 같은, 전통적인 피드백 제어 방법들이, 이때 질량 유량 컨트롤러(100)에서 유체의 유량을 제어하기 위해 사용된다. 제어 신호(예를 들어, 제어 밸브 구동 신호)가, 유체의 요구되는 질량 유량을 지시하는 설정점 신호와 열적 유량 센서(146)에 의해 감지되는 실제 질량 유량에 관련되는 피드백 신호 사이의 차이인, 에러 신호에 기초하여 생성된다. 밸브(170)는, (전형적으로 우회로(142) 및 열적 유량 센서(146) 하류의) 유체 유동 경로(122) 내에 배치되며, 그리고 메인 유체 유동 경로(122)를 통해 유동하는 유체의 질량 유량을 변화시키기 위해 제어(예를 들어, 개방 또는 폐쇄)될 수 있고, 제어는, 제어 전자기기(160)에 의해 제공된다.

도시된 예에서, 유량은, 전압 신호로서, 도전체(158)에 의해 제어 전자기기(160)로 공급된다. 신호는, 유량을 수정하기 위해, 증폭되고, 처리되며, 그리고 제어 밸브 조립체(150)에 공급된다. 이를 위해, 제어 전자기기(160)는, 질량 유량계(140)로부터의 신호를 사전 결정된 값과 비교하며, 그리고 그에 따라 요구되는 유량을 달성하기 위해 밸브(170)를 조절한다.

도 2는, 그 전체가 본 개시에 참조로 통합되는, 본 출원의 공동 발명자들에 의해 발명되었으며 그리고 국제공개번호 WO/2014/201032호에 개시된, 현재 밸브 설계(200)의 예이다. 개시된 실시예들은, 효율에 관한 증가를 제공함에 의해 현재 밸브 설계(200)를 개선한다. 예를 들어, 현재 밸브 설계(200)에서 확인되는 단점이, 여전히 적당한 밸브 차단을 달성하는 가운데, 요구되는 양의 스트로크(stroke)를 생성하기 위한, 스택 증폭기(250)의 비효율성이다. 예를 들어, 현재 밸브 설계(200)의 형상 계수(form factor)로 인해, 압전 스택(218)으로부터의 모든 에너지 출력이, 오리피스로부터 멀어지게 다이아프램 시트(240)를 편향시키는 것에 작용되지 않는다. 이러한 에너지 손실에 대한 하나의 이유는, (도 2에 도시된 바와 같은) 밸브 설계(200)의 복수 접촉 지점(210)뿐만 아니라, 증폭기(250)의 전체적인 효율에 기인한다. 결국 에너지 손실은, 밸브의 최대 유량을 제한하는, 감소된 전체 밸브 스트로크와 동일하다. 접촉 지점들(210)들은 또한, 정밀 제어에 바람직하지 않은, 밸브의 유량 대 전압 곡선에서 이력 현상을 초래하는, 마찰을 발생시킨다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 현재 밸브 설계는, 적어도 5개의 접촉 지점(210)을 포함하며, 이들 중 3개는 단일 선 접촉을 생성하는 원추형/테이퍼형 표면 상의 반경 방향 표면이며, 그리고 다른 2개는 면 접촉을 생성하는 평행한 표면들이다.

부가적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 대부분의 압전 구동기들은, 정렬 문제를 보상하기 위해 스테인리스 스틸 볼 또는 사파이어 볼과 같은, 강성 볼(230)에 의존한다. 이는, 밀기 위한 동작만을 제한하며 그리고 정상적으로 개방된 밸브로 변환하기 위해 일반적으로 복잡한 설계를 요구한다. 부가적으로, 강성 볼(230)과 밸브 사이의 경계면이, 밸브 사이클들이 밸브 스트로크 특성들에 관한 변화를 야기함에 따라, 마모될 것이다.

따라서, 개시된 실시예들에 따르면, 구동기의 효율을 극대화하기 위해, 밸브 내부의 모든 접촉 지점들이 제거되며, 그리고 컴플라이언스(compliance)가 필요한 곳에, 2-축형 휨변형체(bi-axial flexure)가 사용된다. 개시된 실시예의 부가적인 이점들이, 매우 깨끗한 유동 경로를 통해 플런저가 밀리거나 또는 당겨지는 것을, 그리고 사이클링에 의한 마모를 제거하거나 감소시키는 것을 가능하게 하는 것을 포함한다.

도 3은, 일 실시예에 따른 밸브(300)를 도시한다. 일 실시예에서, 밸브(300)는, 도 1에 설명된 질량 유량 컨트롤러(100)와 같은, 질량 유량 컨트롤러에 통합된다. 밸브(300)는 또한, 질량 유량 컨트롤러(100)의 구성요소들 및 배열 형태와 상이한, 구성요소들 및 배열 형태를 구비하는 질량 유량 컨트롤러들에 통합될 수 있을 것이다.

도시된 실시예에서, 밸브(300)는, 구동기 프레임(302), 가요성 요소(304), 압전 구동기(306), 압전 스택(308), 강성 클램프(310), 양방향 휨변형체(312), 다이아프램(314), 예압 스프링(316), 및 밸브 블록(318)을 포함한다. 도면에 도시된 바와 같이, 다이아프램(314)의 외측 부분은, 강성인 가운데, 내측 부분은 수직축 내에서 이동 가능한 것으로 상정된다. 일 실시예에서, 다이아프램(314)은, 편평한 다이아프램과 대조적으로, 나선형(convoluted) 또는 구불구불한(tortuous) 다이아프램이다. 다이아프램(314)의 외측 부분에, 압전 구동기(306)의 상측 부분을 단단하게 고정하는 구동기 프레임(302)이 부착된다. 압전 구동기(306)의 바닥 부분은, 밸브(300) 내부의 모든 접촉 지점들을 제거하는 양방향 휨변형체(312)를 통해 (양방향 휨변형체에 의해), 다이아프램(314) 몸통에 기계적으로 부착된다. 양방향 휨변형체(312)는, 임의의 방향으로 휘거나 또는 굽을 수 있다. 도시된 바와 같이, 압전 스택(308)은, 압전 구동기(306) 사이에 위치하게 된다. 도시된 실시예에서, 압전 스택(308)은, 자체의 이완된 상태로, 또는 자체의 가장 짧은 길이로, 도시된다. 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 압전 구동기(306)는, 압전 스택(308)의 운동을 증폭하는 스트로크 증폭기를 제공하는, 상부 및 하부 가요성 요소들(304)을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 압전 구동기(306)는, 압전 스택(308)이 수평으로 팽창할 때, 증폭된 수직 운동을 통해 팽창이 확대되도록, 설계된다. 양 전압을 압전 스택(308)에 인가함에 의해, 압전 구동기(306)는 수직으로 수축할 것이며 그리고, 단단한 상부 장착으로 인해, 다이아프램(314) 시트는, 유입 유동 경로(320)로부터 배출 유동 경로(322)로의 기체의 제어된 유동을 허용하도록, 밸브 블록(318) 오리피스로부터 멀어지게 이동할 것이다. 음 전압을 압전 스택(308)에 인가함에 의해, 압전 구동기(306)는, 예압 스프링(316)에 의해 가해지는 예압을 넘는 증가된 다이아프램(314) 시트 예압을 허용하도록, 수직으로 팽창할 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 짧은 기간의 음 전압이, 압전 이력 현상을 제거하기 위해 인가될 수 있다. 이러한 이력 현상은, 압전 스택(308)이, 양 전압이 인가된 이후에, 자체의 완전히 이완된 상태로 복귀하는 것을 방지한다. 일 실시예에서, 질량 유량 컨트롤러는, 폐쇄 방향으로 구동할 때, 압전 스택(308)으로부터 전하를 배출하기 위한 회로를 제공(및 사용)하도록 구성된다. 이러한 회로는, 압전 스택(308)이 "오프" 상태인 가운데, 여전히 활성화되어, 그에 따라, 밸브(300)가 서서히 개방되는 것을 방지하기 위해, 압전 스택(308) 상에 형성되는 (흩어진 기계적 에너지(stray mechanical energy)에 의해 생성되는) 임의의 전기 전하를 유지하도록 한다.

도시된 실시예에서, 예압 스프링(316)은, 예압 스프링 클램프(315)에 의해 제자리에 유지된다. 일 실시예에서, 다이아프램(314) 시트와 밸브 블록(318) 오리피스 사이의 적당한 경계면을 달성하기 위해, 제조 공차 및 조립으로 인한 임의의 비-축방향 힘들을 제거하기 위해 압전 구동기(306)와 다이아프램(314) 시트 사이의 경계면 내로 내장되는 컴플라이언스가 존재할 필요가 있다. 이러한 기준은, 압전 구동기(306)와 다이아프램(314) 시트 사이에 강성 축방향 연결을 여전히 제공하는 가운데, 비-축방향 변형을 허용하기 위해, 압전 구동기(306)의 바닥과 다이어프램(314) 시트 사이에 내장되는 양방향 휨변형체(312)를 통해 충족된다. 이러한 배열은, 제조 공차를 허용하는 가운데, 기계적 효율을 유지한다. 일 실시예에서, 양방향 휨변형체(312)는, 강성 클램프(310)를 사용하여 가요성 요소들(304)에 연결된다.

따라서, 개시된 실시예는, 훨씬 더 높은 밸브 스트로크 효율 및 접촉 지점들로 인한 스트로크 손실 없음을 허용하는, 완전히 상이한 압전 구동기 형상 계수를 구현함에 의해, 현재의 최신 기술을 넘는 이점을 제공한다. 이러한 개선된 효율은, 실용적인 크기의 오리피스를 사용하여 더 큰 유량을 허용하는, 더 높은 밸브 스트로크와 직접적으로 관련된다. 설계에서 모든 내부 밸브 접촉 지점들을 제거함에 의해, 개시된 밸브는 결국, 밸브 누출을 감소시키는 훨씬 더 높은 차단력을 획득할 수 있다.

부가적으로, 이상에 언급된 바와 같이, 현재 밸브 설계들은 전형적으로, 오정렬을 보상하기 위해 압전 구동기와 밸브 몸체 사이에 볼을 사용한다. 이는, 단지 하나의 방향(볼 경계면의 압축)으로만 힘을 가하도록 구동기를 제한한다. 대조적으로, 개시된 실시예는, 음 전압이 압전 스택에 인가될 때 압전 구동기가 부가적인 차단력을 가하는 것을 가능하게 하는 양방향 휨변형체와 결합되는 강성 클램프를 활용한다.

도 4는 실시예에 따른 밸브(300)의 분해도를 도시한다. 이러한 실시예에서, 구동기 프레임(302)은 다이아프램(314)에 그리고 이어서 압전 구동기(306)의 상부에 볼트 체결된다. 압전 구동기(306)의 바닥은, 다이아프램(314) 몸통에 장착하기 위해, 예를 들어, 클램프 칼라(clamp collar), 복수-턱 척(multi-jaw chuck), 잠금 설정 스크류(locking set screw)의 형태일 수 있는, 강성 클램프(310)를 사용한다. 이러한 특징부들은, 전체 밸브로부터 접촉 지점들을 제거한다.

도 5a 및 도 5b는, 개시된 실시예들에 따른 양방향 휨변형체 설계들의 한 쌍의 예를 도시한다. 도면들에 도시된 바와 같이, 양방향 휨변형체 설계들은, 임의의 방향으로 굽거나 휠 수 있다. 일 실시예에서, 휨변형체는, 316L 스테인리스 스틸(SS)로 이루어진다. 그러나, 다른 실시예에서, 휨변형체는, 하스텔로이(Hastelloy) 또는 임의의 다른 유형의 부식 저항성 합금일 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 양방향 휨변형체는, 좁은 샤프트 또는 커플링에 의해 연결되는 2개의 넓은 세장형 원통 섹션을 포함한다. 2개의 넓은 세장형 원통 섹션 및 좁은 커플링의 길이 및 폭은, 상이한 실시예들에서 변할 수 있을 것이다. 부가적으로, 비록 2개의 단부 원통 섹션이 동일한 길이 및 폭을 구비하는 것으로 도시되지만, 일부 실시예에서, 2개의 단부 원통 섹션은, 길이 및/또는 폭에 관해 변화될 수 있을 것이다.

도 5b는, 2개의 단부 원통 섹션 및 중간 원통 섹션을 포함하는 양방향 휨변형체를 도시한다. 중간 원통 섹션은, 좁은 커플링/샤프트 섹션을 통해 각각의 단부 상에서 각각의 단부 원통 섹션에 연결된다. 섹션들 및 연결 섹션들의 길이 및 폭은, 상이한 실시예들에서 변할 수 있을 것이다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 중간 원통 섹션은, 2개의 단부 원통 섹션보다 더 넓을 수 있을 것이다. 또한, 2개의 단부 원통 섹션은, 서로로부터 크기에 관해 변할 수 있을 것이다. 나아가, 특정 실시예에서, 양방향 휨변형체는, 도 3 및 도 4에 예시된 실시예에 도시되는 바와 같이, 양방향 휨변형체의 상측 부분의 크기 및 형상에 대해, 상이한 크기 및 형상을 구비하는 베이스 부분을 포함할 수 있을 것이다.

대안적 실시예에서, 도 5c에 도시된 예와 같은 단일방향 휨변형체가, 개시된 실시예에 따라 사용될 수 있을 것이다. 도시된 실시예에서, 단일방향 휨변형체 설계는, 공통 중간 플랫폼을 공유하도록 서로 수직으로 그리고 직교하도록 장착되는, 2개의 I-자 빔 형상 구조물을 포함한다. 도면에 도시된 바와 같이, 이러한 단일방향 휨변형체는, X 방향 또는 Y 방향 양자 모두로 휠 수 있다.

도 6 및 도 7은, 도 3에 도시된 바와 같은, "강성 클램프"에 관한 2가지 변형예를 도시한다. 이러한 변형예들은, 도 3에 도시되고 지시되는 바와 같은 커플링 부분(330)을 대체한다. 도 6에 도시된 실시예에서, 클램프가 구동기 자석(610) 및 커플링 자석(620)을 사용하는 자기 커플링으로 교체되는, 자기 버전의 커플링이, 개시된다. 자기 커플링은, 조립 공정 도중에 횡방향 오정렬을 허용하지만, 일단 자석들이 접촉하면 단단한 연결을 제공한다. 예를 들어, 자석들이 연결될 때, 이들은, 접촉 지점과 연관되는 문제점들 없이, 단단한 연결을 제공할 것이다. 자석들의 편평한 표면들이, 구동기와 몸체 사이의 임의의 횡방향 오정렬을 수용할 것이다.

도 7에 도시된 실시예에서, 휨변형체를 구동기에 부착하기 위해 클램프를 사용하는 대신에, 이러한 실시예에서, 접착제 조인트 또는 접착제 연결(710)이 사용되며, 여기서 핀(712) 및 컵(714)이 접착제 연결(710)을 가능하게 하기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 접착제는, 에폭시와 같은 단단한 접착제일 것이다. 접착제 조인트는, 상당한 횡방향 및 수직 오정렬을 수용할 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 접착제는, 접촉 지점을 여전히 제거하는 가운데 수직 및 횡방향 오정렬을 허용하도록, 부품들이 독립적으로 배치되는 것을 허용한다.

도 8은, 다른 실시예에 따른 밸브(800)의 3차원 도면을 도시한다. 일 실시예에서, 밸브(800)는, 이상에 설명된 바와 같은 질량 유량 컨트롤러 내에 구현된다. 도 3의 밸브와 유사하게, 밸브(800)는, 구동기 프레임(802), 상부 및 바닥 가요성 요소들(804) 그리고 (하나 초과일 수 있는) 압전 스택(808)을 포함하는 압전 구동기(806), 열적 보상 블록들(825), 커플러(810), 커플러 슬리브(824), 플런저 시트(826), 양방향 휨변형체(827), 밸브 베이스(814), 다이아프램(821), 동심 제어 링(828), 횡방향 위치설정 스프링(lateral locator spring)(801), 구형 장착대(823), 위치 센서 표적(818), 위치 센서(816), 및 밸브 블록(820)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 커플러(810) 및 테이퍼형 슬리브(824)는, 압전 구동기(806)의 바닥 부분을, 밸브(800) 내부의 모든 접촉 지점들을 제거하는 양방향 휨변형체(827)를 통해, 플런저 시트(826)에 부착하도록 조합된다. 일 실시예에서, 플런저 시트(826) 및 양방향 휨변형체(827)는, 하나의 부품으로 가공된다. 대안적으로, 플런저 시트(826) 및 양방향 휨변형체(827)는, 함께 용접되거나 또는 접착되는, 별개의 구성요소일 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 양방향 휨변형체(827)의 상부 부분(819)이, 테이퍼형 슬리브(824) 사용하여 커플러(810)에 대한 확고한 연결을 제공하기 위해, 양방향 휨변형체(827)의 몸체보다 더 넓다.

구형 장착대(823) 및 횡방향 위치설정 스프링(801)은, 압전 구동기(806)의, 결국 동심 제어 링(828)을 통해 밸브 몸체(820)와 축방향으로 그리고 동심형으로 정렬되는, 밸브 베이스(814)와의 축방향 및 동심형 정렬을 제공하도록 조합된다. 횡방향 위치설정 스프링(801)은, 적용 요건에 의존하여 구동력 또는 예압력을 제공하도록 구성될 수 있다.

밸브 차단을 상실하거나 또는 양방향 휨변형체 몸통에 과한 응력을 가하지 않는 가운데, 밸브가 넓은 온도 범위에 걸쳐 작동하는 것을 가능하게 하기 위해, 밸브는, 작동 온도 범위에 걸쳐 영(0)에 가까운 스트로크 변화를 생성하도록 구성되어야만 한다. 일 실시예에서, 모든 열 팽창의 합계는, 구동기 프레임, 구동기 휨변형체(804), 커플러(810), 및 밸브 베이스(814)에 대해 적절한 열 팽창 계수(CTE)를 갖는 재료를 선택함에 의해, 제로화될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 구동기 프레임(802)은, 높은 CTE를 구비하며, 구동기 휨변형체(804)는 낮은 CTE를 구비하고, 열적 보상 블록들은 높은 CTE를 구비하며, 그리고 커플러는 낮은 CTE를 구비한다.

밸브 베이스(814) 및 밸브 몸체(820)는, 밸브 몸체(820)의 비드 특징부(bead feature)와 밸브 베이스(814)의 밀봉 안착부(sealing land) 사이에 다이아프램(821)을 끼움에 의해 밀봉된다. 이는, 별개의 밀봉 구성요소의 사용 없이, 깨끗하고, 신뢰할 수 있는, 모든-금속 밀봉을 제공한다.

밸브 위치는, 금속 표적 플레이트(818) 그리고, 일체형 커패시터 플레이트 및 온-보드 전자부품을 갖는 센서(816)를 포함하는, 커패시터 기반 전자 감지 시스템의 사용에 의해 정확하게 결정될 수 있다. 표적 플레이트는, 도시된 바와 같이 별개의 구성요소일 수 있으며, 또는 구동기 휨변형체(804)의 일체형 특징부일 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 표적(818)은, 구동기와 함께 이동하며 그리고, 센서(816)는, 움직이지 않는 밸브 조립체에 고정된다. 도시된 실시예에서, 표적(818)은, 구동기 프레임(802)에 부착된다. 적절한 신호들이 커패시터 상에 부과되며 그리고, 결과적으로 생성되는 출력은, 밸브 위치에 의해 지배되는, 플레이트들 사이의 간극에 비례한다. 밸브(800)의 다른 양태들 및 배치 형태는, 밸브(300)에 대해 이상에 설명된 바와 같다.

따라서, 이상의 설명은, 고 유량(>30 slpm) 및 저 유량(≤30 slpm) 열적 질량 유량 컨트롤러들 양자 모두를 위해 의도되는, 신규의 밸브 설계에 대한 여러 실시예들을 개시한다. 본 명세서에 설명되는 바와 같이, 개시된 밸브는, 다이아프램을 알려진 직경의 오리피스 위의 자체의 밀봉된 안착 위치로부터 상방으로 제어된 형태로 편향시킴에 의해, 유량을 제어하기 위해 압전 스택을 활용한다. 유동 조건의 주어진 설정에 대해 밸브를 통해 가능한 최대 유량은, 오리피스의 직경 및 다이아프램의 최대 변위에 의해 지배된다. 자체의 고유의 한계들로 인해, 압전 스택이, 큰 힘을 생성할 수 있지만 작은 변위를 동반한다. 예를 들어, 전형적인 2.5인치 길이 압전 구동기가, 단지 약 0.0022인치의 최대 변위를 갖는다. 이는, 실용적 크기의 오리피스를 사용하여 요구되는 유량을 허용하기 위해 적절한 변위가 아니다. 따라서, 개시된 실시예에 따르면, 밸브 내부에서 높은 유량을 발생시키기 위해, 스트로크 증폭기가, 힘을 희생하여 압전 스택의 고유적으로 작은 운동을 증폭하기 위해 설계에 부가될 수 있다. 압전 스택은, 구동기가 되도록, 스트로크 증폭기와 통합될 수 있다. 구동기의 효율을 극대화하기 위해, 밸브 내부의 모든 접촉 지점들이 제거되며, 그리고 컴플라이언스가 필요한 곳에, 2-축형 휨변형체가 사용된다. 일 실시예에서, 개시된 실시예의 독특한 양태가, 강성 클램프 및 양방향 휨변형체의 압전 구동기와의 조합이다.

개시된 실시예들의 이점들이, 이에 국한되는 것은 아니지만, 1) 음 전압에 의해 구동될 때 부가적인 차단력을 가할 수 있는 구동기 설계를 구현함에 의해 개선된 유동 차단을 허용하는 것; 2) 밸브 내부의 모든 접촉 지점들을 제거함에 의해, 그에 따라 사이클링에 의한 마모를 제거하거나 또는 감소시킴에 의해, 구동기의 효율을 극대화하는 것; 3) 볼 대신에 2-축형 휨변형체를 사용하여, 그에 따라 플런저가 밀리거나 또는 당겨지는 것을 가능하게 하는 것; 및 4) 매우 깨끗한 유동 경로를 제공하는 것을 포함한다.

앞서 기술된 바와 같이, 도면들을 포함하는 이상의 설명은, 단지 개시된 실시예들에 대한 예로서 의도되며, 그리고 개시된 실시예들의 구조, 공정, 또는 구현을 제한하도록 의도되지 않는다. 당업자에 의해 이해되는 것으로서, 본 명세서에 설명되는 개시된 실시예들의 특정 양태들은, 펌웨어, 펌웨어/소프트웨어 조합, 펌웨어/하드웨어 조합, 또는 하드웨어/펌웨어/소프트웨어 조합으로서 구현될 수 있을 것이다.

다양한 수정들이 본 발명에 대해 이루어질 수 있다는 것, 그리고 본 명세서에 개시되는 대상이 다양한 형태 및 예로 구현될 수 있다는 것, 그리고 교시가, 그 중 단지 일부만 본 명세서에 설명된 것인, 수많은 적용들에 적용될 수 있다는 것이, 추가로 이해된다. 본 교시의 진정한 범위 이내에 속하는 임의의 그리고 모든 적용들, 수정들, 및 변형들을 청구하는 것이, 뒤따르는 청구범위에 의해 의도된다.

Claims

밸브 조립체로서:
압전 스택;
압전 스택을 둘러싸는 압전 구동기로서, 압전 스택의 운동을 증폭하는 스트로크 증폭기를 제공하는 가요성 요소들을 구비하는 것인, 압전 구동기;
유입 유동 경로 및 배출 유동 경로를 구비하는 밸브 블록;
밸브 블록의 꼭대기에 안착되는 다이아프램으로서, 다이아프램의 외측 부분은 강성이며 그리고 다이아프램의 내측 부분은 수직축 내에서 이동 가능한 것인, 다이아프램; 및
압전 구동기와 다이아프램의 내측 부분 사이의 축방향 연결을 제공하면서 비-축방향의 변형을 허용하도록 휘거나 구부러질 수 있는 양방향 휨변형체로서, 압전 구동기의 바닥 부분이 양방향 휨변형체를 통해 다이아프램에 기계적으로 부착되는 것인, 양방향 휨변형체
를 포함하는 것인, 밸브 조립체.
제 1항에 있어서,
다이아프램의 외측 부분에 결합되는 구동기 프레임을 더 포함하는 것인, 밸브 조립체.
제 2항에 있어서,
구동기 프레임은, 압전 구동기의 상부 부분에 장착되는 것인, 밸브 조립체.
제 1항에 있어서,
압전 구동기의 바닥 부분은, 강성 클램프를 사용하여 양방향 휨변형체에 부착되는 것인, 밸브 조립체.
제 1항에 있어서,
압전 구동기의 바닥 부분은, 구동기 자석 및 커플링 자석을 포함하는 자기 커플링을 사용하여 양방향 휨변형체에 부착되는 것인, 밸브 조립체.
제 1항에 있어서,
압전 구동기의 바닥 부분은, 접착제 연결을 사용하여 양방향 휨변형체에 부착되는 것인, 밸브 조립체.
제 6항에 있어서,
접착제 연결은, 압전 구동기의 핀-형상 구성요소 및 양방향 휨변형체의 컵-형상 구성요소에 의해 가능해지는 것인, 밸브 조립체.
제 1항에 있어서,
다이아프램 내부에서 양방향 휨변형체 둘레에 배치되는 예압 스프링을 더 포함하는 것인, 밸브 조립체.
질량 유량 컨트롤러로서:
유동 경로를 통한 유량을 감지하기 위한 유량 센서 조립체;
밸브 조립체로서, 압전 스택; 압전 스택을 둘러싸는 압전 구동기로서, 압전 스택의 운동을 증폭하는 스트로크 증폭기를 제공하는 가요성 요소들을 구비하는 것인, 압전 구동기; 유입 유동 경로 및 배출 유동 경로를 구비하는 밸브 블록; 밸브 블록의 꼭대기에 안착되는 다이아프램으로서, 다이아프램의 외측 부분은 강성이며 그리고 다이아프램의 내측 부분은 수직축 내에서 이동 가능한 것인, 다이아프램; 및 압전 구동기와 다이아프램의 내측 부분 사이의 축방향 연결을 제공하면서 비-축방향의 변형을 허용하도록 휘거나 구부러질 수 있는 양방향 휨변형체로서, 압전 구동기의 바닥 부분이 양방향 휨변형체를 통해 다이아프램에 기계적으로 부착되는 것인, 양방향 휨변형체를 포함하는 것인, 밸브 조립체; 및
요구되는 유량을 수신하도록, 유량 센서 조립체로부터 유량에 대한 지시값을 수신하도록, 유동 경로를 통한 실제 유량을 결정하도록, 그리고 유체 유량을 조정하기 위해 밸브 조립체를 제어하도록, 프로그램되는 제어 디바이스
를 포함하는 것인, 질량 유량 컨트롤러.
제 9항에 있어서,
밸브 조립체는, 다이아프램의 외측 부분에 결합되는 구동기 프레임을 더 포함하는 것인, 질량 유량 컨트롤러.
제 10항에 있어서,
구동기 프레임은, 압전 구동기의 상부 부분에 장착되는 것인, 질량 유량 컨트롤러.
제 9항에 있어서,
압전 구동기의 바닥 부분은, 강성 클램프를 사용하여 양방향 휨변형체에 부착되는 것인, 질량 유량 컨트롤러.
제 9항에 있어서,
압전 구동기의 바닥 부분은, 구동기 자석 및 커플링 자석을 포함하는 자기 커플링을 사용하여 양방향 휨변형체에 부착되는 것인, 질량 유량 컨트롤러.
제 9항에 있어서,
압전 구동기의 바닥 부분은, 접착제 연결을 사용하여 양방향 휨변형체에 부착되는 것인, 질량 유량 컨트롤러.
제 14항에 있어서,
접착제 연결은, 압전 구동기의 핀-형상 구성요소 및 양방향 휨변형체의 컵-형상 구성요소에 의해 가능해지는 것인, 질량 유량 컨트롤러.
제 9항에 있어서,
밸브 조립체는, 다이아프램 내부에서 양방향 휨변형체 둘레에 배치되는 예압 스프링을 더 포함하는 것인, 질량 유량 컨트롤러.
제 9항에 있어서,
폐쇄 방향으로 구동될 때, 압전 스택으로부터 전하를 배출하기 위한 회로 더 포함하는 것인, 질량 유량 컨트롤러.
제 9항에 있어서,
양방향 휨변형체는, 넓은 베이스 부분 및 좁은 샤프트에 의해 연결되는 상부 부분을 포함하는 것인, 질량 유량 컨트롤러.
제 9항에 있어서,
양방향 휨변형체는, 플런저 시트에 부착되는 세장형 튜브형 몸통(elongated tubular stem)인 것인, 질량 유량 컨트롤러.
제 9항에 있어서,
제어 디바이스는, 압전 이력 현상을 제거하기 위해 압전 스택에 음 전압을 인가하도록 구성되는 것인, 질량 유량 컨트롤러.