KR-102961332-B1 - 예압 피에조 액추에이터 및 상기 액추에이터를 사용하는 가스 밸브

Abstract

가스 유동을 제어하기 위한 밸브 장치. 가스 블록은 가스 입구, 가스 출구, 및 가스 입구를 가스 출구에 유체적으로 연결하는 가스 캐비티를 포함한다. 다이아프램은 가스 입구와 가스 출구 사이의 가스 유동을 제어하기 위해 구성된다. 액추에이터는 가스 유동을 제어하기 위해 다이아프램의 위치를 변경하도록 구성된다. 액추에이터는 관형 하우징; 하우징 내부에 위치되고 하우징 외부로 연장되는 작동 연장부를 가지고 다이아프램에 결합되는 플런저로서, 플런저는 하우징 내부에서 슬라이딩 가능하도록 구성되며; 플런저 내부에 위치하는 피에조전기체(piezoelectric body); 및 피에조전기체에 대해 플런저를 누르도록 플런저에 힘을 가하는 프리로더(pre-loader)를 포함한다.

Inventors

• 브라운, 티모시, 알.

Assignees

• 피포탈 시스템즈 코포레이션

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20200713

Priority Date

20190712

Claims (20)

1. 캡을 수용하도록 구성된 제1 단부 및 작동 개구를 가지는 제2 단부를 가지는 긴 관형 하우징; 상기 제1 단부에 단단히 부착되도록 구성된 캡; 상기 하우징 내에 위치되고 상기 하우징 내에서 슬라이딩하도록 구성된 플런저로서, 상기 플런저는 숄더 및 작동 연장부를 포함하는 작동 단부를 가지며, 상기 작동 연장부는 상기 작동 개구 내에 끼워 맞춤되고 상기 작동 개구를 통해 상기 하우징의 외부로 연장되는 크기이며; 상기 플런저 내에 위치되고 상기 작동 단부의 내벽을 경감시키는 적어도 하나의 피에조전기 소자; 상기 적어도 하나의 피에조전기 소자에 부착된 전기 리드(electrical leads); 및 상기 하우징 내에 위치되고 상기 제2 단부와 상기 숄더 사이에서 압축되는 적어도 하나의 예압 요소를 포함하며, 상기 예압 요소는 적어도 하나의 스프링 와셔를 포함하며, 상기 스프링 와셔는 상기 플런저를 가압함으로써 상기 플런저가 상기 피에조전기 소자에 하중을 전달하여 상기 피에조전기 소자를 예압하며, 상기 피에조전기 소자가 작동하여 상기 피에조전기 소자의 길이가 변하면, 상기 예압 요소에 의해 가해지는 힘에 반대하여 상기 플런저에 가해지는 압력이 변화하고, 상기 플런저의 작동 연장부는 상기 작동 개구 내에서 가이드되어 상기 플런저가 상기 하우징의 길이방향 축을 따라 정렬된 상태로 상하로 슬라이딩 이동하는 액추에이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 캡은, 상기 캡이 상기 제1 단부에 단단히 부착될 때, 상기 예압 요소에 대해 상기 피에조전기 소자를 누르도록 구성된 액추에이터.
3. 삭제
4. 제2항에 있어서, 상기 예압 요소는 적어도 하나의 밸리빌리 와셔(Belleville washer)를 포함하는 액추에이터.
5. 제1항에 있어서, 상기 캡은 상기 전기 리드를 위한 통로를 포함하는 액추에이터.
6. 제1항에 있어서, 상기 피에조전기 소자는 직렬로 적층된 복수의 피에조전기 변환기(piezoelectric transducers)를 포함하는 액추에이터.
7. 제1항에 있어서, 상기 하우징과 상기 플런저의 적어도 하나는 인바(Invar), 이노브코(Inovco) 또는 코바(Kovar)를 포함하는 액추에이터.
8. 제1항에 있어서, 상기 캡과 상기 피에조전기 소자 사이에 위치하는 스톱퍼를 더 포함하는 액추에이터.
9. 제8항에 있어서, 상기 스톱퍼는 상기 스톱퍼와 상기 플런저 사이에 캐비티(cavity)를 정의하는 크기의 리세스를 포함하는 액추에이터.
10. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 피에조전기 소자는 직렬로 적층된 복수의 피에조전기 소자를 포함하고, 상기 전기 리드는 상기 복수의 피에조전기 소자 각각에 독립적으로 부착된 복수의 리드를 포함하는 액추에이터.
11. 제1항에 있어서, 제1 측 단부는 상기 플런저에, 제2 측 단부는 상기 캡에 밀봉된 벨로우즈(bellows)를 더 포함하는 액추에이터.
12. 제8항에 있어서, 제1 측 단부는 상기 플런저에, 제2 측 단부는 상기 스톱퍼에 부착된 벨로우즈를 더 포함하는 액추에이터.
13. 제12항에 있어서, 상기 플런저 내에 불활성 가스를 추가로 포함하고 상기 벨로우즈에 의해 밀봉된 액추에이터.
14. 가스 유동을 제어하기 위한 밸브 장치로서, 가스 입구, 가스 출구, 및 상기 가스 입구를 상기 가스 출구에 유체적으로 연결하는 가스 캐비티를 가지는 가스 블록(gas block); 상기 가스 입구와 상기 가스 출구 사이의 가스 유동을 제어하도록 구성된 다이아프램; 상기 가스 유동을 제어하기 위해 상기 다이아프램의 위치를 변경하도록 구성된 액추에이터를 포함하며, 상기 액추에이터는, 관형 하우징; 상기 하우징 내부에 위치되고 상기 하우징 외부로 연장되는 작동 연장부를 가지고 상기 다이아프램에 결합되는 플런저로서, 상기 플런저는 상기 하우징 내부에서 슬라이딩 가능하도록 구성되며, 상기 플런저는 숄더 및 상기 작동 연장부를 포함하는 작동 단부를 가지며, 상기 작동 연장부는 작동 개구 내에 끼워 맞춤되고 상기 작동 개구를 통해 상기 하우징의 외부로 연장되는 크기이며; 상기 플런저 내부에 위치하는 피에조전기체(piezoelectric body); 및 상기 피에조전기체에 대해 상기 플런저를 누르도록 상기 플런저에 힘을 가하는 프리로더(pre-loader)를 포함하며, 상기 프리로더는 상기 하우징과 상기 플런저 사이에 위치된 복수의 스프링 와셔를 포함하며, 상기 스프링 와셔는 상기 플런저를 가압함으로써 상기 플런저가 상기 피에조전기체에 하중을 전달하여 상기 피에조전기체를 예압하며, 상기 피에조전기체가 작동하여 상기 피에조전기체의 길이가 변하면, 상기 프리로더에 의해 가해지는 힘에 반대하여 상기 플런저에 가해지는 압력이 변화하고, 상기 플런저의 작동 연장부는 상기 작동 개구 내에서 가이드되어 상기 플런저가 상기 하우징의 길이방향 축을 따라 정렬된 상태로 상하로 슬라이딩 이동하는 밸브 장치.
15. 삭제
16. 제14항에 있어서, 상기 하우징에 고정하여 부착된 캡 및 상기 캡과 상기 피에조전기체 사이에 압축된 스톱퍼를 더 포함하는 밸브 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 스톱퍼는 상기 스톱퍼와 상기 플런저 사이에 간극(clearance)을 형성하는 리세스를 포함하고, 이에 의해 상기 플런저는 상기 간극으로 자유롭게 슬라이딩하는 밸브 장치.
18. 제14항에 있어서, 상기 피에조전기체는 직렬로 적층된 복수의 피에조전기 소자를 포함하는 밸브 장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 적층된 피에조전기 소자 각각에 개별적으로 연결된 복수의 전기 리드를 더 포함하는 밸브 장치.
20. 제14항에 있어서, 기계식 증폭기(mechanical amplifier)를 더 포함하는 밸브 장치.

Description

예압 피에조 액추에이터 및 상기 액추에이터를 사용하는 가스 밸브 본 출원은 2019년 7월 12일자로 출원된 정규 특허 출원 번호(Non-Provisional Patent Application NO.) 16/510,671호의 이익을 주장하며, 그 개시 내용은 여기에 그 전체가 참조로 포함된다. 본 발명은 피에조전기 액추에이터(piezoelectric actuators) 및 피에조전기 소자(piezoelectric element)의 팽창(expansion)을 전달하면서 환경으로부터 소자를 보호하는 구조에 관한 것이다. 또한 본 발명은 가스 유동을 제어하기 위한 밸브, 특히 피에조전기 액추에이터를 사용하는 밸브에 관한 것이다. 전압 전위(voltage potential)의 인가 시에 피에조전기 소자(piezoelectric elements)의 팽창을 사용하는 액추에이터는 공지기술로 공지되어 있다. 피에조전기 소자를 예압하기 위한 장치(Arrangements for preloading)는 예컨대 미국 특허 7,859,169호에 개시되어 있다; 그러나 이 공개문헌 다른 공개문헌에서는 피에조전기 소자를 환경으로부터 보호하기 위한 대책이 제공되지 않는다. 따라서, 피에조전기 소자에 대한 예압 및 보호를 제공하는 피에조전기 소자 장치(piezoelectric element arrangement)가 필요하다. 또한, 예컨대 최대 200℃의 고온에서 작동할 수 있고 주변 습기(ambient moisture)로부터 보호할 수 있는 장치가 필요하다. 가스 유동은 밸브를 사용하여 제어할 수 있다. 매우 적은 양의 가스 유동을 정확하게 제어해야 하는 상황에서는 작동 장치(actuating device)로 피에조전기 소자를 사용하여 유동 량(amount of flow)이 제어될 수 있다. 예컨대 반도체 제조 장비(semiconductor manufacturing equipment)에서 미세한 양의 가스 유동에 대한 매우 정확한 제어가 요구된다. 피에조전기 소자를 사용하는 가스 유동 밸브(gas flow valve)는 예컨대 미국 특허 5,881,767호 및 미국 공개 특허 2018/0163886호에 개시되어 있다. 이러한 밸브는 일부 환경에서 적절하게 기능할 수 있지만, 피에조전기 소자를 적절하게 예압하거나 상승된 온도 및 고습 환경(high moisture environments)에서 작동하기 위해 피에조전기 소자를 보호하기 위한 대책이 개시되어 있지 않다. 본 명세서에 포함되고 일부를 구성하는 첨부 도면은, 본 발명의 실시예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하고 예시하는 역할을 한다. 도면은 예시적인 실시예의 주요 특징을 도식적인 방식으로 예시하기 위한 것이다. 도면은 실제 실시예의 모든 특징이나 도시된 요소의 상대적 치수를 묘사하도록 의도되지 않았으며 크기에 맞게 그려지지 않았다. 본 발명의 하나 이상의 실시예는 첨부 도면의 도면에 제한이 아니라 예로서 예시되며 이와 같은 참조 부호는 유사한 요소를 나타내고 여기서: 도 1은 일 실시예에 따른 작동 장치의 일 실시예의 단면도이다. 도 2는 다른 실시예에 따른 작동 장치의 일 실시예의 단면도이다. 도 3은 도 1 또는 2의 액추에이터를 포함하는 가스 밸브를 도시하는 단면도이다. 도 4는 도 1 또는 2의 액추에이터를 포함하는 다른 가스 밸브를 도시하는 단면도이다. 도 5는 주변 환경으로부터 피에조전기 소자를 밀봉하기 위해 벨로우즈를 이용하는 실시예를 도시하는 단면도이다. 도 6은 주변 환경으로부터 피에조전기 소자를 밀봉하기 위해 벨로우즈를 이용하는 다른 실시예를 도시하는 단면도이다. 이제 본 발명의 액추에이터의 실시예는 도면을 참조하여 설명될 것이다. 상이한 실시예 또는 이들의 조합은 상이한 애플리케이션(different applications)에 대해 또는 상이한 장점(different benefits)을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 달성하고자 하는 결과에 따라, 본 명세서에 개시된 상이한 특징은 부분적으로 또는 최대한으로, 단독으로 또는 다른 특징과 조합하여 요구 및 제약 사항을 가지는 장점과 균형을 맞춰 이용될 수 있다. 따라서, 특정 장점은 상이한 실시예를 참조하여 강조될 것이지만, 개시된 실시예로 제한되지 않는다. 즉, 본 명세서에 개시된 특징은 그 특징들이 설명하는 실시예에 제한되지 않고, 다른 특징과 "혼합 및 매칭"되어 다른 실시예에 포함될 수 있다. 다음의 실시예는 환경으로부터 예압되고 보호되는 피에조전기 소자를 활용하는 액추에이터를 위한 장치를 개시한다. 사용될 수 있는 피에조전기 소자의 비제한적인 예는 독일 뮌헨의 EPCOS로부터 입수가능한 모델 번호 AN0X/8516 및 B58004M4030A020의 다층 피에조 액추에이터(multilayer piezo actuators)이다. 이들 피에조 유닛(piezo units)은 상대적으로 높은 온도에서 안정적으로 작동할 수 있지만 730N의 선호 하중으로, 100N 이상으로 예압하는 것을 권장한다. 물론, 다른 피에조 소자(piezo elements)가 사용될 수 있다. 적합한 피에조 소자는 또한 미국 특허 9,425,378호에 개시되어 있다. 도 1은 액추에이터(100)의 단면을 도시한다. 일반적으로 관형 하우징(115)은 일측 단부에 작동 개구(117) 및 대향하는 단부에 캡 개구(119)를 가진다. 캡 개구(119)는 관형 하우징의 내부에 걸쳐 있을 수 있지만 작동 개구(117)는 더 작은 직경을 가지므로 정지부(118)를 정의한다. 캡(120)은 예컨대 나사산(thread)에 의해 관형 하우징에 고정된다. 도 1의 예에서 캡은 또한 고정 나사(121, set screw)에 의해 고정된다. 캡은 전기 리드(110, electrical leads)의 통과를 허용하는 통로(122)를 포함한다. 플런저(125)는 관형 하우징(115) 내부에 위치되고 관형 하우징(115) 내에서 플런저(125)의 이동을 가능하게 하기 위해 관형 하우징(115)의 내벽으로부터 충분한 간극을 갖도록 크기가 정해진다. 플런저(125)는 또한 내부 캐비티(127)를 가지는 일반적으로 관형이다. 또한 플런저(125)는 관형 하우징(115)의 작동 개구(117) 내에 끼워 맞춤되도록 구성되고 하우징(115) 외부로 연장되도록 구성된 작동 연장부(129, actuating extension)를 포함한다. 연장부(129)는 플런저(125)의 몸체보다 작은 직경을 가지므로 숄더(130)를 생성한다. 프리로더(pre-loader)(135)는 숄더(130)와, 정지부(118) 즉 관형 하우징(115)의 작동 단부의 내벽 사이에 위치된다. 일부 실시예에서 프리로더는 스프링 와셔의 형태일 수 있다. 일부 실시예에서 프리로더는 직렬로 함께 적층된 여러 밸리빌리 와셔의 형태일 수 있다. 프리로더는 하우징의 작동 단부와 플런저 사이에서 압축된다. 피에조전기 소자(105)는 플런저의 캐비티 내부에 위치된다. 캡(120)이 관형 몸체(115)에 부착 시, 스톱퍼(140)가 피에조 소자(105)에 대해 가압되어 스톱퍼가 캡과 피에조 소자 사이에서 압축된다. 스톱퍼(140)가 플런저(125)에 대해 가압하지 않도록, 스톱퍼(140)는 플런저(125)와 스톱퍼(140) 사이에 간극(144)을 제공하도록 구성된 리세스(142, recess)를 포함한다. 즉, 플런저는 간극(144)으로 자유롭게 슬라이딩 될 수 있다. 한편, 프리로더가 플런저(125)를 가압하기 때문에, 플런저(125)가 피에조 소자(105)에 하중을 전달하여 상기 피에조 소자를 예압한다. 전기 리드(110)는 피에조 소자(105)를 작동시키기 위한 전압 전위(voltage potential)를 제공한다. 전압 범위는 예컨대 -10V 내지 180V일 수 있다. 피에조 소자(105)를 작동시키기 위해 전압이 제어될 때, 피에조 소자(105)의 길이가 변하고, 이에 따라 프리로더에 의해 가해지는 힘에 반대하여 플런저(125)에 가해지는 압력을 변화시키고, 이에 따라 관형 하우징(115) 내부의 슬라이딩 운동으로 플런저(125)를 이동시킨다. 결과적으로, 작동 연장부(129)가 작동 개구(117)를 넘어 연장되는 정도가 변한다. 이 모션(motion)은 아래의 다른 실시예에서 설명되는 바와 같이 가스 밸브와 같은 장치를 작동시키는 데 사용될 수 있다. 관형 하우징 내부에 자체 위치하는 플런저 내부에 위치하는 피에조 소자를 가짐으로써, 피에조 소자가 환경으로부터 보호된다는 것을 이해해야 한다. 또한, 스톱퍼(140)는 관형 하우징의 내부를 주변 환경으로부터 격리시켜 피에조 소자를 습기로부터 보호하도록 만들어질 수 있다. 또한 플런저 내부에 피에조를 가짐으로써 피에조 소자가 일반적으로 치핑(chipping)에 민감한 세라믹으로 제조되기 때문에 피에조는 치핑으로부터 보호된다. 특정 실시예에서, 액추에이터가 상승된 온도에서 사용될 수 있는 경우, 하우징 및/또는 플런저는 일정한 예압을 유지하기 위해 열 팽창을 최소화하는 재료로 제조될 수 있다. 이러한 실시예에서 하우징 및/또는 플런저는 펜실베니아주 필라델피아의 카펜터 테크놀로지 코포레이션(Carpenter Technology Corporation of Philadelphia, PA)으로부터 입수 가능한 Invar 36®과 같은 인바(Invar)라고도 하는 니켈-철 합금(nickel-iron alloy)으로 제조될 수 있다. 다른 실시예에서 하우징 및/또는 플런저는 카펜터 테크놀로지 코포레이션(Carpenter Technology Corporation)으로부터 또한 입수 가능한 코바(Kovar)와 같은 니켈 코발트 합금으로 제조된다. 또 다른 실시예에서, 하우징 및/또는 플런저는 버지니아주 로어노크의 Nordt EPM(Nordt EPM of Roanoke, VA)으로부터 입수 가능한 이노브코(Inovco)로 제조된다. 도 2는 액추에이터의 다른 실시예를 도시한다. 도 2의 실시예는 여러(여기서는 2개의) 피에조 소자(105a, 105b)가 플런저(125)에 직렬로 삽입된다는 점을 제외하고는 도 1의 실시예와 유사하다. 각각의 피에조 소자(105a, 105b)에 별도의 리드(leads)가 제공될 경우, 각각의 피에조