線性數(shù)字比例壓電閥的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 下文總體上涉及能夠在強(qiáng)磁場中操作的電控制閥。本申請具體與在磁共振成像掃描器附近操作的低壓流體閥結(jié)合應(yīng)用，并且將具體參考其進(jìn)行描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本申請還應(yīng)用于其他使用場景，并且不必限于前述應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]具有螺線管或含鐵零件的電控制閥在強(qiáng)磁場附近(例如，在磁共振(MR)室中或在MRI掃描器的膛中)受不利影響。在強(qiáng)磁場中操作的閥包括非磁性材料或被設(shè)計為使得磁性材料被從磁場移除或被與磁場屏蔽開。磁性材料的存在能夠影響閥設(shè)備的操作，并且能夠潛在地充當(dāng)彈丸。閥用于控制流體，例如，在磁共振引導(dǎo)的手術(shù)期間的麻醉氣體供應(yīng)、在無創(chuàng)血壓(NIBP)監(jiān)測中的氣壓控制、針對患者生命支持的氧氣供應(yīng)、測量患者呼氣等。一個需要的嚴(yán)重區(qū)域包括其中氣體的體積很小并且對流體流量的關(guān)閉調(diào)節(jié)是重要的新生兒應(yīng)用。
[0003]—個途徑是使用從在磁場外部的傳統(tǒng)閥定位(例如，被定位在具有氣動連接的屏蔽室外部)以氣動方式切換的閥。缺點是對壓縮空氣供應(yīng)、笨重的氣動管的使用以及噪聲。另一途徑是對屏蔽的使用，以使含鐵閥零件與外部磁場屏蔽開。然而，屏蔽利用含鐵材料(例如，鐵)，其使屏蔽經(jīng)受扭曲磁場并且潛在地變成彈丸。
[0004]通常閥包括彈簧或偏置元件，所述彈簧或所述偏置元件通過默認(rèn)打開或關(guān)閉來使閥偏置。彈簧材料經(jīng)受強(qiáng)磁場，并且在一些實例中，能夠在磁力下坍塌。備選地，彈簧能夠由非磁性材料(例如，鈹青銅或磷青銅)制成，但是所述材料是昂貴的。此外，非磁性材料能夠被發(fā)現(xiàn)隨著時間改變其彈簧常量，這使他們在醫(yī)學(xué)護(hù)理應(yīng)用中較不可靠。
[0005]另一途徑是對不經(jīng)受磁場的閥材料的使用。例如，使用壓電薄膜閥，但是其通常是在物理上巨大并且需要非常高的驅(qū)動電壓。薄膜包括壓電材料的覆蓋物，所述壓電材料的覆蓋物操作為改變形狀并且當(dāng)施加電荷時直接打開或關(guān)閉閥端口。高電壓驅(qū)動器是昂貴的，并且由于它們常常具有也經(jīng)受磁場的部件，因此很難在磁場中實施。另一范例包括壓電彎曲致動器(例如，皮瓣)，所述壓電彎曲致動器彎曲以直接打開或關(guān)閉閥。兩個范例包括經(jīng)受磨損并且難以更換和/或修理的彈簧元件或偏置元件。兩個范例包括在完全打開或完全關(guān)閉的閥之間以模擬方式操作的閥。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]下文公開了一種新的和改進(jìn)的線性數(shù)字比例壓電閥，其解決了以上提到的問題和其他問題。
[0007]根據(jù)一個方面，電控制閥包括:軸；壓電電動機(jī)，其被固定到所述軸的末端；控制器；從動件；閥構(gòu)件以及閥座。所述壓電電動機(jī)以第一方向和第二相反方向驅(qū)動所述軸。所述控制器將電力提供到所述壓電電動機(jī)，來以第一速度和第二速度移動所述軸，所述第一速度快于所述第二速度。所述從動件接收所述軸，并且響應(yīng)于所述軸以所述第一速度移動而相對于所述軸滑動，并且響應(yīng)于以所述第二速度的所述移動而夾緊所述軸并與所述軸一起移動，并且所述從動件包括閥構(gòu)件。所述閥構(gòu)件與所述從動件一起移動。所述閥構(gòu)件被配置為由所述從動件對著所述閥座移動以約束流體流量，并且被配置為由所述從動件遠(yuǎn)離所述閥座移動以增加所述流體流量。
[0008]根據(jù)另一方面，一種流體控制的方法包括:將電脈沖施加到壓電電動機(jī)，所述壓電電動機(jī)移動被固定到所述壓電電動機(jī)的軸，來以第一速度和第二速度移動所述軸，所述第二速度快于所述第一速度；以所述第二速度移動所述軸，使得接收所述軸的從動件相對于所述軸滑動；以所述第一速度移動所述軸，使得所述從動件夾緊所述軸并且與所述軸一起移動；重復(fù)施加脈沖來以所述第一速度朝閥座和以所述第二速度遠(yuǎn)離所述閥座交替地移動所述軸，以移動閥構(gòu)件，所述閥構(gòu)件與所述從動件一起對著閥座移動以約束流體流量；重復(fù)施加脈沖來以所述第二速度朝向閥座和以所述第一速度遠(yuǎn)離所述閥座交替地移動所述軸，以移動所述閥構(gòu)件，所述閥構(gòu)件與所述從動件一起遠(yuǎn)離所述閥座移動以增加流體流量。
[0009]根據(jù)另一方面，一種在強(qiáng)磁場中操作的電控制閥包括:連桿；從動件，其被定位為以圓周方式鄰近所述連桿；閥元件，其被附接到所述從動件；閥構(gòu)件，其被附接到所述閥元件；以及磁場惰性殼體。所述從動件允許所述連桿在第一力施加到所述連桿的情況下克服與所述從動件的摩擦力，并且沿著所述連桿滑動，并且所述從動件響應(yīng)于第二施加的相反力而夾緊所述連桿并與所述連桿一起移動。所述閥元件定義中心井形狀的腔以接收所述連桿。所述磁場惰性殼體定義容納所述從動件和所述閥元件的腔，接收所述連桿，并且定義被連接到所述腔的第一端口、被連接到所述腔的第二端口、以及座。所述第一端口接收流體流Ao所述第二端口使接收到的流體流出。所述座接收所述閥構(gòu)件，并且約束在所述第一端口與所述第二端口之間的流體流量，所述流體流量與從所述閥構(gòu)件到所述座的距離成比例。
[0010]—個優(yōu)點是低功耗。
[0011]另一優(yōu)點包括低滯后。
[0012]另一優(yōu)點在于制造的低成本。
[0013]另一優(yōu)點在于低背壓和低差壓。
[0014]另一優(yōu)點在于易于控制而沒有電壓控制。
[0015]另一優(yōu)點在于數(shù)字操作，尤其是對閥打開的程度的數(shù)字控制。
[0016]另一優(yōu)點在于沒有彈簧元件或偏置元件的簡單構(gòu)造。
[0017]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在閱讀和理解以下詳細(xì)描述的基礎(chǔ)上將認(rèn)識到其他優(yōu)點。
[0018]本發(fā)明可以采取各種部件和部件的布置，以及各種步驟和步驟的安排的形式。附圖僅出于圖示優(yōu)選實施例的目的，并且不應(yīng)被解釋為對本發(fā)明的限制。
【附圖說明】
[0019]圖1示意性地圖示了具有線性數(shù)字比例壓電閥的分解的橫截面視圖的在強(qiáng)磁場中的線性數(shù)字比例壓電閥的實施例。
[0020]圖2示意性地圖示了在橫截面中的線性數(shù)字比例壓電閥的一個實施例。
[0021]圖3A-3C示意性地圖示了線性數(shù)字比例壓電力、線性移動的方向以及相關(guān)聯(lián)的電驅(qū)動器脈沖強(qiáng)度形狀的一個實施例。
[0022]圖4A-4C示意性地圖示了線性數(shù)字比例壓電力、線性移動的相反方向以及相關(guān)聯(lián)的電脈沖強(qiáng)度形狀。
[0023]圖5A-5B示意性地圖示了在兩個配置中的在橫截面中的3_道線性數(shù)字比例壓電閥的實施例。
[0024]圖6以流程圖圖示了使用線性數(shù)字比例壓電閥的實施例的一個方法。
【具體實施方式】
[0025]參考圖1，示意性地圖示了具有線性數(shù)字比例壓電閥的分解的橫截面視圖的在強(qiáng)磁場12中的線性數(shù)字比例壓電閥10的實施例。通過范例的方式，示出了兩個醫(yī)學(xué)設(shè)備，所述兩個醫(yī)學(xué)設(shè)備具有線性數(shù)字比例壓電閥10、麻醉設(shè)備14以及無創(chuàng)血壓(NIBP)測量設(shè)備
16。在部分橫截面中不出了磁共振掃描器18，所述磁共振掃描器18生成強(qiáng)磁場，例如，靜態(tài)主磁場B。、梯度磁場、RF脈沖B1等。線性數(shù)字比例壓電閥的典型應(yīng)用包括調(diào)整流體(例如，麻醉氣體)到對象20的遞送、監(jiān)測由對象呼出的氣體、監(jiān)測NIBP等。所圖示的閥被設(shè)計為操作直到大約0.68atm(1psi ；0.69bar)，這使其適合于這些類型的應(yīng)用。所述應(yīng)用能夠包括調(diào)整針對新生兒應(yīng)用(例如，NIBP,其在幅值的量級上與成人NIBP不同)的氣體。
[0026]閥10包括MR惰性材料(例如，塑料)的閥殼體22。殼體22定義具有兩個端口26的內(nèi)部腔24，一個用于流體(例如，麻醉氣體、呼吸氣體、空氣等)的流入，并且一個用于流出。端口能夠在任一個方向上操作?；锥x閥座28和被閥帽32覆蓋的訪問開口 30。腔通過訪問開口接收閥元件33，例如，閥構(gòu)件被安置在腔24之內(nèi)。閥元件定義中心井形狀的腔38以接收驅(qū)動連桿36。
[0027]壓電電動機(jī)34被固定到驅(qū)動連桿或軸36的末端，與從動件相反，并且連桿通過在密封圈32中的開口進(jìn)到閥元件33的內(nèi)部。例如，電動機(jī)和連桿形成釘形狀，其中，壓電材料被固定到釘頭的表面。壓電電動機(jī)基于接收到的具有將第一力施加到連桿的第一電流強(qiáng)度和將相反的第二力施加到連桿的第二電流強(qiáng)度的電流的脈沖來驅(qū)動連桿。例如，第一電流強(qiáng)度使壓電材料快速彎曲，其將第一力施加到連桿。第二電流強(qiáng)度使壓電材料緩慢變平，其將相反的第二力施加到連桿。在另一范例中，第一電流強(qiáng)度使壓電材料緩慢彎曲，其施加一個力，并且第二電流強(qiáng)度使壓電材料快速變平，其施加另一相反的力。連桿36能夠包括諸如銅、招等的材料。
[0028]從動件42沿著由壓電電動機(jī)驅(qū)動的連桿的長度線性移動，以打開或關(guān)閉閥10。在關(guān)閉位置中，閥座28接收閥構(gòu)件40 (例如，O-環(huán))，并且約束在端口之間的流體流量，所述流體流量與在閥構(gòu)件40到閥座28之間的位移成比例。例如，閥利用對著座壓縮的閥構(gòu)件被完全關(guān)閉。通過將固定數(shù)目的電脈沖施加到壓電電動機(jī)以部分地打開閥能夠部分地打開閥。通過從動件的移動能夠完全打開閥，使得與壓電電動機(jī)相反的連桿的末端接合在閥元件中定義的井38的底部。具有連桿接合井底部的從動件的位置完全打開閥并且準(zhǔn)許在端口之間的流體流量。附圖描繪了在完全打開的配置中的閥。
[0029]從動件42響應(yīng)于由壓電電動機(jī)在連桿上施予的克服摩擦力的力(例如，壓電材料的快速彎曲或快速變平)而沿