基于線性致動器的壓電閥的制作方法
【專利說明】基于線性致動器的壓電閥
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年3月1日提交的第61/771，162號美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，并將其全部內(nèi)容并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本文的實施例大體上涉及精確控制閥，尤其涉及具有壓電致動器的閥。
【背景技術(shù)】
[0004]控制閥種類繁多，有許多控制閥是具有電磁致動器的電磁閥。這些閥的主要性能缺點是專用分辨率低和響應(yīng)時間慢。使用壓電致動器的閥還可以使用設(shè)置在閥桿和壓電致動器之間的液壓放大器。雖然與電磁閥相比具有優(yōu)勢，但這些閥同樣有許多缺點。這些缺點包括但不限于:1、行程范圍短，不超過35微米，其中，如果使用液壓放大器擴大，會使系統(tǒng)復(fù)雜化，降低了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確度；2、系統(tǒng)分辨率下降；3、液壓放大器的溫度漂移，特別是在靠近內(nèi)燃機工作時，會減小致動器的分辨率且影響流量控制；4、能量消耗增加，由于致動器始終打開，會造成額外的線性漂移，同樣減少了閥的分辨率和控制范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的實施例涉及增加閥的控制分辨率，增加閥的可靠性，減少閥的能量消耗以及擴展流量控制范圍等問題。本文公開的實施例已經(jīng)實現(xiàn)了這些目標(biāo)。
[0006]本發(fā)明公開了一種壓電閥或致動器的一種實施例，其包括:主體，所述主體具有輸入通道和輸出通道，所述輸入通道和所述輸出通道每個都被配置為連接到流體流動系統(tǒng)；流量控制構(gòu)件，所述流量控制構(gòu)件可在全打開位置和關(guān)閉位置相對于所述輸入通道和所述輸入通道移動；以及壓電馬達。所述壓電馬達包括壓電諧振器，在所述壓電諧振器中，沿長和寬激勵兩個正交的振動模式；工作元件；以及一個或多個接觸部位，所述接觸部位提供所述工作元件和壓電諧振器之間的摩擦接觸。所述工作元件和壓電諧振器中的一者連接到所述流量控制構(gòu)件，并配置為相對于所述工作元件和壓電諧振器中另一者由于摩擦接觸而移動，從而移動流量控制元件。所述壓電馬達與控制系統(tǒng)相連。
[0007]本發(fā)明還公開了調(diào)節(jié)流體流量的兩種以上方法，其中一種方法包括:通過使用壓電馬達沿線性軸移動流量控制構(gòu)件，在流體通道內(nèi)調(diào)節(jié)所述流量控制構(gòu)件的位置，其中所述壓電馬達具有與工作元件摩擦接觸的壓電諧振器。調(diào)節(jié)所述位置包括以下步驟:沿所述壓電諧振器的長和寬激勵兩個正交的振動模式，從而使所述壓電諧振器和所述工作元件中的一者由于摩擦接觸而移動；以及利用所述壓電諧振器和所述工作元件中產(chǎn)生移動的一者移動所述流量控制構(gòu)件。
[0008]本發(fā)明的這些和其他方面在以下詳細描述的實施例、所附權(quán)利要求書和附圖中披露。
【附圖說明】
[0009]本發(fā)明說明書參照附圖描述，附圖中相同附圖標(biāo)記貫穿幾個附圖代表相同部件，其中:
[0010]圖1示出壓電閥的簡化圖，圖中平面壓電諧振器固定安裝在閥主體上，工作元件與閥流量控制構(gòu)件連接；
[0011]圖2示出圖1中壓電閥的簡化圖，其中閥流量控制元構(gòu)件是連接到閥桿的止動件；
[0012]圖3示出壓電閥的簡化圖，所述壓電閥具有與閥流量控制構(gòu)件連接的扁平壓電諧振器，而工作元件連接到閥主體；
[0013]圖4示出壓電閥的簡化圖，其中壓電諧振器呈環(huán)形并且連接到閥流量控制構(gòu)件，而圓柱形工作元件連接到閥主體；
[0014]圖5示出如文中披露的調(diào)節(jié)流量方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0015]下面參考附圖描述本發(fā)明。附圖中相同的附圖標(biāo)記始終代表相似或等同的部件。所述附圖并非按比例繪制，僅僅用于說明本發(fā)明。下面參照用于說明的示例性應(yīng)用描述本發(fā)明的幾個方面。應(yīng)當(dāng)理解的是，許多具體的細節(jié)、關(guān)系和方法的闡述，是為了提供本發(fā)明的全面理解。但是，相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將很容易認識到，本發(fā)明可以在沒有一個或多個具體細節(jié)的情況下實現(xiàn)，或使用其他方法實現(xiàn)。在其他實例中，公知的結(jié)構(gòu)或操作沒有詳細示出，以避免本發(fā)明模糊不清。本發(fā)明不受操作或事件的示出順序限制，因為一些操作可以通過不同順序發(fā)生和/或與其它操作或事件同時發(fā)生。此外，并非所有示出的操作或事件在實施依據(jù)本發(fā)明的方法時是必需的。
[0016]本文公開了線性運動的流量控制閥，所述線性運動的流量控制閥由于納米級線性運動通過使用單個激勵頻率在整個閥的行程范圍提供多個中間閥位置可以精確地調(diào)節(jié)流量至多個值。文中用于解釋的特定類型的閥，僅作為例子提供。文中的實施例可以與本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的任何線性運動閥一同使用，包括但不限于閘閥、截止閥、固定錐形閥、針型閥、夾管閥、隔膜閥、提升閥和滑閥。
[0017]在文中的各種實施例中，控制閥利用壓電諧振器操作，所述壓電諧振器使用一個在一定頻率的交變電壓源，以同時激勵兩種模式而無需對該激勵電極特殊配置。因此，在各種控制閥實施例中提供了單一的激勵源組合諧振器。這種單一激勵源不同于提供納米級橢圓運動的常規(guī)手段。通常，這樣的激勵系統(tǒng)需要壓電諧振器的激勵，所述壓電諧振器使用具有相同頻率但彼此相位移動約90°的交變電壓的兩個不同源以及特殊電極布置。這樣的二機激勵系統(tǒng)通常比較復(fù)雜，需要保持高穩(wěn)定的相位關(guān)系，因為任何的不平衡會直接影響馬達的基本性能。這通常會對激勵系統(tǒng)的控制強加額外的要求，并增加整體成本。
[0018]圖1示出了壓電控制閥，該壓電控制閥具有主體1，主體1具有輸入通道2和輸出通道3，輸入通道2和輸出通道3被配置與外部流體流動系統(tǒng)連接，例如流體流過的管道系統(tǒng)。流量控制構(gòu)件6可沿輸入通道2和輸出通道3移動，并限定從輸入通道2到輸出通道3變化。閥座4位于沿輸入通道2和輸出通道3的位置，當(dāng)所述閥在關(guān)閉位置時，閥座4容納流量控制構(gòu)件6的末端5，阻止從輸入通道2到輸出通道3的所有流動。通過這種方式，流量控制構(gòu)件6的相對位置調(diào)節(jié)通過輸入通道2和輸出通道3的流體量，從而調(diào)節(jié)流體流量。
[0019]圖2示出了在圖1中顯示的壓電控制閥，所不同的是流量控制構(gòu)件6被示出為閥桿6’，移動擋塊5’連接到閥桿6’。圖2中的閥座4’實際上包括開口，所述開口允許輸入通道2和輸出通道3之間的流動。閥座4’配置為具有與所述移動擋塊5’相對應(yīng)的形狀，當(dāng)所述閥在完全關(guān)閉位置時以摩擦配合的方式容納移動擋塊5’。通過這種方式，移動擋塊5’與閥座4’的相對位置調(diào)節(jié)流體通過所述閥座4’開口的量，從而調(diào)節(jié)流體流量。圖2提供了可并入所公開實施例的不同閥類型的非限制性實例。其它非限制性實例包括閘閥、截止閥、固定錐形閥、針型閥、夾管閥、隔膜閥、提升閥和滑閥。
[0020]回到圖1，流量控制構(gòu)件6連接到線性馬達7。線性馬達7包括殼體或主體，所述殼體或主體可以與閥主體1 一體化，或者可以是不同的相鄰主體部分。線性馬達7使用壓電諧振器8運行。所述壓電諧振器8可以由任何合適的壓電材料制成。例如，壓電諧振器8可以由鈦酸鋇或鉛鋯鈦酸鉛(PZT)制成。線性馬達7具有可動的工作元件11，工作元件11可以通過支撐結(jié)構(gòu)12支撐。圖1示出的支撐結(jié)構(gòu)12包括軸承導(dǎo)軌，并且所示出的支撐結(jié)構(gòu)12作為非限制性示例。工作元件11被設(shè)置成沿著軸承導(dǎo)軌線性地移動，并將其運動轉(zhuǎn)化到流量控制構(gòu)件6，從而調(diào)節(jié)通過閥的流量。工作元件11可以由固體材料制成，以鋼作為一個非限制性實例。
[0021]壓電諧振器8導(dǎo)致工作元件11線性移動，壓電諧振器8可以是固定扁平諧振器，能按激勵駐聲縱波組合原理工作且與工作元件11接觸。壓電諧振器8與工作元件11在接觸部位9摩擦接觸。彈簧10輔助摩擦接觸。彈簧10被配置為向接觸部位9處的工作元件11按壓電諧振器8。如圖所示，彈簧10位于壓電諧振器8的壁和線性馬達7之間。所示的彈簧10作為非限制性的例子，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他類彈簧裝置可被用來使壓電諧振器偏向工作元件11。
[0022]本文所公開的壓電閥操作如下。沿著壓電閥8的長和寬的兩個正交的振動模式的激勵致使接觸部位9沿納米級橢圓路徑運動。在一般情況下，橢圓路徑具有幾十到幾百納米數(shù)量級的振幅(即所述短軸和長軸的尺寸)，并且相對于運動方向一般是平坦的。即，所得到的橢圓路徑長軸的方向一般平行于運動方向。
[0023]在本發(fā)明的各種實施例中，接觸部位9的納米級橢圓運動由與壓電諧振器8的正交振動模式相關(guān)聯(lián)的兩個駐波的疊加形成，使得最大振動速度的點與接觸部位9的位置對應(yīng)，即，所述最大振動速度的點為壓電諧振器8中兩個正交振動模式峰的駐波的點。所述振動模式通過經(jīng)由與引線13，14相連的一對電極8&，8&中的一者提供激勵電壓而激勵。SP，為了沿第一方向提供納米級橢圓路徑并沿第一方向為工作元件11提供力，從而打開或關(guān)閉(其中的一個動作)閥，在電極8a處提供激勵電壓。所述電極8a由導(dǎo)電材料制成，例如銀。為了提供類似的納米級橢圓路徑，但以相反方向為工作元件11提供力，從而打開或關(guān)閉(其中的另一個動作)閥，在電極8b提供激勵電壓。應(yīng)當(dāng)指出的是，可以由文中的系統(tǒng)產(chǎn)生其他路徑，包括線性路徑以及與X和Y軸正交的路徑。
[0024]壓電諧振器8設(shè)置有一個或多個引線，如圖1所示的引線13和14，以連接到控制系統(tǒng)15。所述控制系統(tǒng)15包括脈沖放大器16，所述脈沖放大器16連接到合適的外部電源17上。高頻發(fā)生器18為壓電諧振器8產(chǎn)生激勵諧振頻率，而調(diào)制裝置19連接到高頻發(fā)生器18的輸入端，決定高頻率脈沖組的持續(xù)時間和重復(fù)率。
[0025]高頻發(fā)生器18產(chǎn)生對應(yīng)于所述壓電諧振器8的激勵諧振頻率的高頻信號。所述高頻信號由脈沖放大器16放大，并且所述高頻信號被施加到所述壓電諧振器8的引線13，14。所述壓電諧振器8被配置為特定的幾何形狀和橫向極化，導(dǎo)致具有兩個相互正交縱波的激勵。可以在這兩個正交振動模式之間選擇一個頻率以同時激勵兩個模式。兩個相互正交縱波的疊加產(chǎn)生壓電諧振器8在接觸部位9的納米級橢圓機械運動。由于接觸部位9摩擦地連接到工作元件11，工作元件11線性移動，從而線性移動流量控制構(gòu)件6。因此，流量控制構(gòu)件6的末端5相對閥座4移動，從閥座4移開以增加通過閥的流量。當(dāng)所述高頻信號被施加到引線13、14的另外一個，所述壓電諧振器8的運動是相反的，并且所述動態(tài)流量控制構(gòu)件6的末端5相對于所述閥座4移動，移向閥座4以減少通過閥的流量。
[0026]圖5示出了使用本文實施例所公開的控制閥調(diào)節(jié)流量