JP6723342B2 - ポペット弁システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、ポペット弁システム及び方法に関する。
本出願は、２０１５年３月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／１３９，１９２号の正出願であり、その利益を主張するものであり、その全体があらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。

政府の権利
本発明は、Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ Ｃｏｍｍａｎｄによって授与されたＳＯＣＯＭ−Ｈ９２２２−１５−Ｃ−００１７及びＮａｔｉｏｎａｌ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ｓｐａｃｅ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎによって授与されたＮＮＸ１５ＣＡ２２Ｃ及びＮＡＳＡ−ＮＮＸ１４ＣＡ５６Ｐの下での政府支援によりなされたものである。政府は本発明に一定の権利を有する。

従来の弁は、サイズと重量が要因となる用途には適していない。例えば、空気圧装具、ロボット工学及び外骨格タイプの用途では、多数の大型及び重い弁の重量が、全装置の重量に実質的に加わることがあり、そのような装置の最も重い部分の１つになり得る。加えて、大型のかさばる従来型弁は移動性を妨げ、そのような装置の使用者にとって望ましくない。

このような用途における従来の空気圧システムは、しばしば、作動チャンバから遠く離れ、一連の配管によって接続された弁を有する。そのような配管の追加の容積及び重量に加えて、弁と空気圧アクチュエータとの間の距離が、変更が指令されたときと空気圧アクチュエータに影響を受けるときとの間の望ましくない遅れを発生させることがあるので、望ましくないことがある。

上記を考慮して、流体ロボット、空気圧装具及びロボット外骨格の分野を含む、従来の弁システムの上述の障害及び欠点を克服するための改善されたポペット弁システム及び方法の必要性が存在する。

１つの態様は、複数の圧力キャビティを画定する複数の膨張可能な流体アクチュエータを有する流体ロボットを含み、膨張可能な流体アクチュエータは、複数の膨張可能な流体アクチュエータの膨張によって１つ以上の関節に関連付けられ、それらを移動させ、複数のポペット弁システムは、膨張可能なアクチュエータの対応する圧力キャビティ内に配置され、圧力キャビティを膨張させるように構成される。ポペット弁システムは、第１及び第２の端部を有し、弁キャビティを画定する弁本体と、第１の端部から第２の端部まで、及び弁キャビティを通って延在するポペットアセンブリとを含むことができる。

ポペットアセンブリは、ポペットアセンブリの第１の端部に配置され、第１の軸に沿って移動し、弁本体の一部と接触させることによってシールを生成するように構成され、弁キャビティと膨張可能な流体アクチュエータとの間に開口を画定するように構成されたポペットヘッドと、第１の軸に沿って移動するように構成された弁本体の第２の端部に結合された可動ダイアフラムと、第１の端部から第２の端部まで延在し、ポペットヘッド及びダイアフラムに結合され、第１の軸に沿って移動するように構成されたシャフトとを含む。

一実施形態はまた、ポペットアセンブリを駆動するように構成されたアクチュエータを含む。別の実施形態では、アクチュエータは、弁キャビティ内に配置される。さらなる実施形態では、アクチュエータは、１つ以上の冷却フィンを介して弁本体の１つ以上の部分と結合され、冷却フィンは、アクチュエータによって発生した熱を弁本体及び弁本体の外部部分に伝達してアクチュエータを冷却するように構成される。

一実施形態では、ポペット弁システムは、入口ポートから弁キャビティ内への第１の流れと、ポペットヘッド及び弁キャビティによって画定された開口を介して弁キャビティから圧力キャビティへの第２の流れと、を含み、アクチュエータは、ポペット弁システムによって画定された流路内に配置され、流路内で移動する流体によって冷却されるように構成される。

別の実施形態では、ポペットヘッド及びダイアフラムは、弁キャビティ内部の弁キャビティ圧力が、ダイアフラムとほぼ同じ力をポペットヘッドに加え、弁キャビティ圧力によるポペットアセンブリ上の力を平衡させるような、整合有効断面積を含む。さらなる実施形態では、ポペット弁システムが複数のポペットアセンブリを備え、複数のポペットアセンブリが単一のアクチュエータによって駆動される。

一実施形態では、弁本体とポペットヘッドとの間の接触によって生成されたシールは、少なくとも１つの共成形部分を含み、少なくとも１つの共成形部分は、弁本体及びポペットヘッドの少なくとも１つの部分によって画定される。別の実施形態はまた、第１の端部から第２の端部まで延在する通気孔を含む。

さらなる実施形態では、ポペット弁システムは、ポペットアセンブリの少なくとも一部の位置を決定するように構成された位置センサを備える。さらに別の実施形態では、ポペットアセンブリは、作動力がポペットアセンブリに加えられていないときに、ポペットアセンブリを閉鎖位置に押しやるように構成された戻りばねを備える。

別の態様は、第１及び第２の端部を有し、弁キャビティを画定する弁本体を有するポペット弁システムと、第１の端部から第２の端部まで、及び弁キャビティを通って延在するポペットアセンブリと、を含む。ポペットアセンブリは、ポペットアセンブリの第１の端部に配置され、弁本体の一部と接触させることによってシールを生成するように構成され、弁キャビティと圧力キャビティとの間に開口を画定するように構成された可動ポペットヘッドと、弁本体の第２の端部に配置された可動のガイド要素と、を含む。

一実施形態では、ポペットアセンブリは、第１の端部から第２の端部まで延在し、ポペットヘッド及びガイド要素に結合されたシャフトをさらに備え、ポペットヘッド、ガイド要素及びシャフトは、共通の第１の軸に沿って移動するように構成される。別の実施形態は、共通の第１の軸に沿って配置された入口ポート及び出口ポートをさらに含む。

さらなる実施形態は、共通の第１の軸に沿って配置されたアクチュエータ駆動シャフトを有し、アクチュエータ駆動シャフトは、ポペットアセンブリに結合され、共通の第１の軸に沿ってポペットアセンブリを駆動するように構成される。さらに別の実施形態では、圧力キャビティは、少なくとも部分的に、膨張可能な流体アクチュエータによって画定され、膨張可能な流体アクチュエータは、関節の周りに位置する膨張可能な流体アクチュエータとともに流体ロボットの一部であり、膨張可能な流体アクチュエータがポペット弁システムによって膨張されたときに関節を動かすように構成される。

一実施形態では、ポペットアセンブリは、ガイド要素の内側面及びポペットヘッドの内側面に作用する弁キャビティ圧力が、ガイド要素上と実質的に同じ力をポペットヘッドに及ぼすように構成され、ポペットアセンブリ上の実質的に正味のゼロの力をもたらし、ポペットヘッドの外面及びガイド要素の外面に作用する外部圧力は、ポペットアセンブリにほぼ同じ力を反対方向に及ぼし、実質的に正味ゼロの力をもたらす。

一実施形態は、第１の端部から第２の端部まで延在し、圧力キャビティの別の第１及び第２の部分を動作可能に接続するように構成された通気孔をさらに含む。別の実施形態では、ガイド要素はダイアフラムを含む。さらなる実施形態は、アクチュエータの少なくとも一部が弁キャビティ内に配置されたアクチュエータを含む。

図面は一定の縮尺で描かれておらず、同様の構造又は機能の要素は、図面を通して説明する目的で一般に同様の参照番号によって表されていることに留意されたい。図面は、好ましい実施形態の説明を容易にすることのみを意図していることにも留意すべきである。これらの図は、記載された実施形態のあらゆる態様を示すものではなく、本開示の範囲を限定するものではない。

ポペット弁システムの実施形態を示す例示的なブロック図である。 回転ダイアフラムを含む弁アセンブリの例示的な実施形態を示す。 ベローズを含む弁アセンブリの別の例示的な実施形態を示す。 通気がポペットチャネルを介して行われる１つの例示的な実施形態を示す。 通気が弁本体チャネルを介して行われる別の例示的な実施形態を示す。 弁アセンブリが作用する圧力チャンバの内側に弁アセンブリが配置される別の実施形態を示す。 シャフトに結合されたポペットヘッド及びダイアフラムを備えるポペットアセンブリを示す。 シャフトに結合された第１及び第２のポペットヘッドを備えるポペットアセンブリを示す。 ポペットヘッド上のナイフエッジによって生成されるナイフエッジシールを有する例示的な実施形態を示す。 Ｏリングシールを有する例示的な実施形態を示す。 ワイパーシールを有する例示的な実施形態を示す。 アクチュエータをポペット弁システムの流路に載置することができる例示的な実施形態を示す。 冷却フィンを介してアクチュエータに冷却を提供することができる別の実施形態の断面上面図である。 アクチュエータが弁キャビティ内に配置され、及び／又は弁本体の一部によって画定される例示的な実施形態を示す。 入口ポートと出口ポートが共通の軸に沿って一列に載置されたポペット弁システムの切欠側面図である。

以下の開示は、平衡型ポペット構成を使用する新規な高速弁の例示的な実施形態を教示する。種々の実施形態は、ダイアフラム、ベローズ、又はポペット上の圧力不均衡を解消する他のシールされたガイド機構を使用することによって、従来の比例弁と比較したときに必要な動作力を減少させる。本明細書で論じるいくつかの実施形態は、低コスト、小型サイズ、双方向流、同等の流速及び圧力範囲のための、より速い作動などを含む、従来の平衡型ポペット弁に対する改善を導入することができる。

射出成形のような量産技術を使用することによって、いくつかの実施形態では、高性能を維持しながら部品点数及びコストを低減することが可能である。例えば、弁の流路がアクチュエータの上を通過することを保証することにより、アクチュエータの冷却がいくつかの実施形態で得られ、過熱なしにより多くのパワーでアクチュエータを駆動させることができる。弁本体内のアクチュエータを保護することによって、弁は、いくつかの実施形態ではかなり耐久性が高くなり、外部取り付けに適したものとなる。

内部アクチュエータ取り付けはまた、摺動シールの除去を可能にし、作動力を低下させる。例えば、いくつかの実施形態では、弁は、弁を通る流れにフィードバックを提供するための統合された位置及び圧力の検出も含むことができる。本明細書で論じる１つの例示的な実施形態は、空気流を調節するように構成することができるが、これは、そのような実施形態の適用可能性を限定するものと解釈されるべきではない。種々の実施形態は、任意の適切な流体（例えば、水、油、空気、ヘリウムなど）とともに使用することができ、様々な平衡方法、ポペットシール、アクチュエータ、及び構築構造を用いて動作するように構成することができる。これらの代替の実施形態はまた、可変形状又はスマート材料の使用による様々な弁特性（例えば、圧力平衡など）の動的調整可能性を含むことができる。

本明細書に記載され図示された様々な実施形態は、従来のポペット弁よりも安価で、より耐久性があり、及び／又は小さい弁を含む従来のポペット弁よりも改善を提供するように構成することができる。さらに、本明細書で論じる様々な例示的な実施形態は、圧力にさらされた領域が適切に整合する場合、ポペットがゼロの正味の力を経験することを可能にすることができる入口及び出口圧力に弁ポペットの両端をさらすことを含む。これを達成する１つの方法は、ポペットのストローク全体を通じて有効圧力領域を一定に保つことができるように、ポペットの底部（非流れ）端部を適合ダイアフラムにシールすることである。アクチュエータをシールされた本体内に配置することにより、アクチュエータが保護され、高摩擦の摺動シールが不要になる。

さらに、アクチュエータがシールされた弁本体内に配置される例示的な実施形態では、弁を通る流れを、アクチュエータ上に導くことができる。このような設計は、伝統的な平衡型ポペットに対して改善された冷却を提供することができる。様々な実施形態によれば、これらの改良により、より小型のアクチュエータを、したがってより小さいアセンブリを可能にすることができる。射出成形や超音波溶接などの大量生産技術を使用することで、多くの重要な部品やインタフェースが統合され、より簡単で安価なアセンブリに繋げる事が可能になる。

図１を参照すると、平衡型ポペット弁システム１００の例示的な実施形態が、圧力容器１１５によって画定された第１の加圧キャビティ１１０内に配置された弁アセンブリ１０５を備えるように示されている。弁アセンブリ１０５は、弁本体１２０と、弁本体１２０の第１の端部１２１に配置されたポペットヘッド１２５と、第２の端部１２２に配置されたダイアフラム１３０とを含むポペットアセンブリ１０６を備える。弁本体１２０は、シャフト１３５が第１の端部１２１から第２の端部１２２まで軸Ｘに沿って延在し、ポペットヘッド１２５とダイアフラム１３０とを結合する第２の弁１２３を画定する。

チャネル１４０は、弁本体１２０に結合され、弁キャビティ１２３と作動可能に連通し、圧力容器１１５によって画定された加圧キャビティ１１０を通って圧力容器１１５の外側に延在する。様々な実施形態では、チャネル１４０は、流体が弁キャビティ１２３内及び／又は弁キャビティ１２３から流入することを可能にするように構成される。

図１に示すように、シャフト１３５は、ポペットヘッド１２５を弁本体１２０から離れる方向に延在させてポペットヘッド１２５と弁本体１２０との間に開口１４５を形成する軸Ｘに沿って移動するように構成することができ、加圧されたキャビティ１１０と弁キャビティ１２３へ、又はそれらから、又はそれらの間を、流体が通過することを可能にする。ダイアフラム１３０は、軸Ｘに沿って曲がるか、変形するか、伸びるか、回転するか、若しくは動くことができる。

ポペットヘッド１２５の動き及びその結果として生じる圧力の変化は、弁キャビティ１２３及び圧力容器１１５内のポペットアセンブリ１０６に作用する様々な力の変化を生じさせる可能性がある。例えば、弁キャビティの力Ｆ_inner,1及びびＦ_inner,2がポペットヘッド１２０及びダイアフラム１３０に作用することができる。さらに、加圧されたキャビティ力Ｆ_outer,1及びＦ_outer,2も、ポペットヘッド１２０及びダイアフラム１３０に作用することができる。さらに、本明細書で論じるように、ポペットヘッド１２０は、ダイアフラム１３０によって、又はシャフト１３５などに関連するばねのような他の機構によって付勢することができる。

このような圧力は、真空、大気圧より低い圧力、大気圧の圧力又は大気圧より高い圧力を含む任意の適切な圧力とすることができる。さらに、いくつかの状態又は構成では、弁キャビティ１２３及び圧力容器１１５は同じ圧力を有することができる。いくつかの状態又は構成では、弁キャビティ１２３の圧力は圧力容器１１５内の圧力よりも小さくすることができるが、いくつかの状態又は構成では、弁キャビティ１２３の圧力を圧力容器１１５内の圧力より大きくすることができる。

いくつかの実施形態では、平衡のとれたポペット設計を達成するために、ダイアフラム１３０（又は他のガイド構成要素）及びポペットヘッド１２５の背面を同じ圧力にさら必要がある。この平衡のとれた構造を実現するための実施形態は、両端を大気にさらし、弁を、制御している圧力チャンバの内部又は２つのゾーンの間に通気経路を形成することによってシールされた本体の実施形態に配置することを含む。

平衡型弁構成は、ポペットヘッド１２５とダイアフラム１３０（又は他のガイド要素）の有効断面積を整合させることによって達成され、その結果、弁キャビティ１２３内の圧力は、ダイアフラム１３０上の力と同じ力をポペットヘッド１２５に加え、弁キャビティ圧力に起因するポペットアセンブリ１０６上の力を平衡させる。同様に、整合断面積は、加圧キャビティ１２３内の圧力に起因して、ポペットアセンブリ１０６にほぼゼロの正味の力をもたらすことができる。

換言すれば、ダイアフラム１３０及びポペットヘッド１２５の内側面に作用する圧力は、ポペットアセンブリ１３０に作用する正味の力がゼロになるように、ダイアフラム端部１３０と同じ力をポペットヘッド１２５に加える。同様に、ポペットヘッド１２５の外側面及びダイアフラム１３０の外側面に作用する圧力は、反対方向にほぼ同じ力をポペットアセンブリ１０６に及ぼし、正味ゼロの力をもたらす。

本明細書で論じる様々な例は、ポペット弁システム１００と共に使用される流体としての空気を含むが、さらなる実施形態では、水、油、空気、ヘリウムなどを含むポペット弁システム１００とともに任意の適切な流体を使用することができる。同様に、このようなポペット弁システム１００は、水中、真空中、大気中などの様々な外部動作環境で動作するように構成することができる。

ポペットヘッド１２５及び弁本体１２０との係合は、弁キャビティ１２３と圧力容器１１５との間の空気の移動を防止又は抵抗するシールを提供するように構成することができる。以下に詳細に説明するように、このようなシールは、適切な方法で生成することができる。例えば、図５ａは、ポペットヘッド１２５上のナイフエッジ５１０によって生成されるナイフエッジシールを有する例示的な実施形態を示している。図５ｂは、弁本体１２０又はポペットヘッド１２５に結合することができるＯリング５２０によって生成されたＯリングシールを有する例示的な実施形態を示している。図５ｃは、弁本体１２０又はポペットヘッド１２５に結合することができるワイパー５３０によって生成されたワイパーシールを有する例示的な実施形態を示している。

様々な実施形態では、弁本体１２０、ポペットヘッド１２５などの様々な部分を共に成形することができる。例えば、プラスチック、エラストマーなどの材料は、弁本体１２０、ポペットヘッド１２５などを覆うか、そこから延在するか、部分を画定するか、又は弁本体１２０及びポペットヘッド１２５などに一体的に関連付けることができる。このような実施形態では、弁本体１２０及び／又はポペットヘッド１２５の共成形部分は、弁本体１２０とポペットヘッド１２５との間のシール又は結合の一部を画定することができる。例えば、いくつかの実施形態では、ナイフエッジ５１０、Ｏリング５２０、ワイパー５３０、及び／又は弁本体１２０のポペット結合面は共成形部分を含むことができる。

図１は、ポペットシャフト１３５を介してポペットヘッド１２５と連通するダイアフラム１３０を示しているが、さらなる実施形態では、ダイアフラム１３０の代わりに、又はダイアフラム１３０に加えて任意の適切な代替のガイド機構を使用することができる。例えば、このような機構は、可撓性ダイアフラム、回転ダイアフラム、ベローズ、又はシャフト１３５の端部にシールされたまま弁を開閉させる他のガイド機構などを含むことができる。図２ａは、シャフト１３５に結合され、ポペットヘッド１２５に対向する回転ダイアフラム２３０を含む弁アセンブリ１０５の一実施形態を示す。図２ｂは、シャフト１３５に結合され、ポペットヘッド１２５に対向するベローズ２３５を含む弁アセンブリ１０５の別の例示的な実施形態を示す。

さらに、いくつかの実施形態では、ポペットヘッド１２５及びダイアフラム１３０などのガイド機構は、任意の適切な方法で連携することができる。例えば、シャフト１３５は、ポペットヘッド１２５とダイアフラム１３０とを結合又は連携する方法の一例として示されているが、さらなる実施形態では、他の適切な結合又は連携機構を採用することができる。例えば、回転アクチュエータは、一実施形態では、ポペットヘッド１２５及びダイアフラム１３０を連携することができる。さらなる実施形態では、ポペットヘッド１２５及びダイアフラム１３０を含むポペットアセンブリ１０６は、直線的に配置される必要はなく、垂直又は他の適切な角度を含む任意の適切な関係で代わりに配置され得る。換言すれば、弁本体１２０の第１の端部１２１及び第２の端部１２２は、いくつかの実施形態では、平行及び／又は対向する必要はない。

圧力チャンバ１１０内の頂部端部１２１と底部端部１２２との間の圧力の通気又は平衡は、図１に示すようにチャンバ１１０内の開放された連携により、ポペットヘッド１２５により、弁本体１２０を介して、などを含む任意の適切な方法で行うことができる。例えば、図３ａは、ポペットヘッド１２５からダイアフラム１３０までの上端部１２１と下端部１２２との間に延在するポペットチャネル３１０を通って通気が可能であり、ポペットヘッド１２５、シャフト１３５及び／又はダイアフラム１３０によって画定される得る１つの例示的な実施形態を示す。図３ｂは、頂部端部と底部端部１２１，１２２との間に延在し、弁本体１２０の部分によって画定される弁本体チャネル３２０を介して通気が行われる別の例示的な実施形態を示す。図３ｃは、弁アセンブリ１０５が作用する圧力チャンバ１１０内に弁アセンブリ１０５が配置される別の例示的な実施形態を示す。

様々な実施形態において、ポペットヘッド１２５及び／又はシャフト１３５は、できるだけ軽くなるように設計することができ、弁アセンブリ１０５を出る流れの制御を助けるように輪郭化することができる。例えば、いくつかの実施形態では、ポペットヘッド１２５の下の形状を使用して、弁アセンブリ１０５を通る流路内のチョークポイントを制御するのを助けることができる。いくつかの実施形態では、ポペットアセンブリ１０６は、流体損失を低減し、平衡を改善するために、ポペットヘッド１２５の上に追加の空気力学的輪郭を有することができる。

いくつかの実施形態では、弁アセンブリ１０５の高速動作は、ポペットヘッド１２５と弁本体１２０との間の開口１４５が大きな断面積を有するように設計することによって容易にすることができる。そのような実施形態は、短ストローク動作で高い流量を可能にすることができる。ポペットヘッド１２５の小さな直線運動は、開口１４５に大きな流路面積を作り出すことができる。所与のアクチュエータに対して、弁アセンブリ１０５のストロークを減少させることは、移動距離を減少させることによって作動速度を増加させることができる。したがって、平衡型ポペットシステム１００の様々な構成は、作動力が断面積とは無関係であるため、より大きな断面開口１４５の使用を可能にすることができる。

ダイアフラム１３０の１つの好ましい実施形態は、図２ａに示されるようなロールソック２３０を備え、これは、弁本体１２０及びポペットシャフト１３５の底部に結合されたロールソック２３０の一部を有して、弁本体１２０とポペットシャフト１３５との間のバルジ２３１又はもつれ部を形成する別の材料を含むことができる。このような実施形態は、ポペット１２５が上に移動するときに、このバルジ２３１又はもつれ部の頂点がポペット１２５のストローク全体にわたって移動することを防止し、ダイアフラム１３０の実効圧力半径（したがって平衡圧力面積）を一定に保つ。しかしながら、所望であれば、ダイアフラム１３０の形状は、弁アセンブリ１０５がそのストロークを通って移動するとき、ダイアフラム１３０が目標とする不均衡、すなわち平衡力の非線形シフトを作り出すように構成することができる。これは、いくつかの実施形態では、平衡型ポペット弁システム１００のオープンループ制御を達成する手段として望ましいことがある。

様々な実施形態では、平衡型ポペット弁システム１００内の加圧流体の機械的負荷に起因して損なうことなくそのような一定の平衡を提供する柔軟な又は回転するダイアフラム１３０を有する常時平衡型ポペット弁システム１００を設計することが有益であり得る。これを達成するために、いくつかの実施形態では、ダイアフラム１３０は、気密性のエラストマーを含むことができ、最大作動圧力にさらされたときに応力が材料の引張り強さを超えない点まで厚くすることができる。

さらなる実施形態は、ポペット１２５の運動に抵抗する無視できる軸方向力を適用するが、ダイアフラム１３０に大きな引張り負荷をかけ得るより大きな圧力でダイアフラム１３０が半径方向に破損するのを防止する高強度ポリマー、繊維、又は金属でダイアフラム１３０を補強することを含む。一実施形態では、このようなダイアフラム１３０を弁本体１２０に成形することができ、平衡型ポペット弁システム１００の組み立てを簡単にし、寸法制御を改善することができる。弁アセンブリ１０５の第２の端部１２２をシールするためのさらなる実施形態は、図２ｂに示すようにダイアフラム１３０の代わりにベローズ２３５を含むことができる。

様々な例示的な実施形態は、単一のポペットヘッド１２５、ポペットシャフト１３５、ダイアフラム１３０などを有する平衡型ポペット弁システム１００を示しているが、さらなる実施形態は、複数の開示された要素を含むことができるか又はそのような要素をなくすことできる。例えば、いくつかの実施形態は、対応するポペットヘッド１２５、ポペットシャフト１３５、及びダイアフラム１３０を有する２つ以上のポペットアセンブリ１０６を備えることができる。

さらなる実施形態は、同じシャフト１３５に接続され、弁本体１２０の対向する端部をシールする２つ以上のシール面を有する弁アセンブリ１０５を含むことができる。そのような実施形態は、ダイアフラム１３０又はガイド要素の必要性を排除することができる。例えば、図４ａは、シャフト１３５に結合されたポペットヘッド１２５及びダイアフラム１３０を備えるポペットアセンブリ１０６を示す。対照的に、図４ｂは、シャフト１３５に結合された第１及び第２のポペットヘッド１２５Ａ、１２５Ｂを備えるポペットアセンブリ１０６を示す。この例示的な実施形態に示すように、第１のポペットヘッド１２５Ａは、弁本体１２０の外部部分と係合し、第２のポペットヘッド１２５Ｂは、弁キャビティ１２３内で、弁本体１２０の内部に係合する。

様々な実施形態では、シールするのに十分な圧力を発生させるのに必要な力が非常に小さくなるように、ポペットヘッド１２５及び／又は弁本体１２０の対応するシール面を設計することが有益であり得る。例えば、シール力を最小にするために、いくつかの実施形態では、シールがポペットヘッド１２５と接触する最小表面積を有することが有益であり得る。さらなる実施形態では、弁キャビティ１２３及び圧力容器キャビティ１２３の圧力が、ポペットヘッド１２５及び／又は弁体１２０の間のシールを、そのような圧力界面を自動シール又はさらにシールするように変形させることが有益であり得る。

いくつかの実施形態では、これは、図５ｂ及び図５ｃにそれぞれ示すように、ポペットヘッド１２５及び／又は弁本体１２０に整合するためにＯリング５２０又はワイパースタイルシール５３０を使用することによって達成することができる。機械的特徴は、さらなる実施形態に従うシールを抑制するのを助けるために使用することもできる。様々な実施形態では、シール機構の一部を弁本体１２０に成形することができ、又は弁本体１２０の所定位置にクランプすることができる別の部品に成形することができる。いくつかの実施形態では、ポペットヘッド１２５の形状は、シール機構と、制御され、予測可能な方法でインタフェースするように選択することができる。これは、ポペットヘッド１２５の露出領域の小さな変化がダイアフラム１３０に対する圧力平衡の大きな変化を引き起こすので、いくつかの実施形態では望ましいことがある。

図５ａに示すように、別のシール実施形態は、ポペットヘッド１２５又は弁本体１２０上のナイフエッジ５１０を備え、ポペットアセンブリ１０６ができるだけ小さい領域でシールするように構成することができる。これは、必要なシール力を低減し、ポペット露出領域及び流れがチョークをかける点の両方を制御するのに有益であり得る。ナイフエッジシール用の材料は、金属オン金属、金属オンエラストマー、プラスチックオンエラストマー、又は他の適切な組み合わせを含むことができる。様々な実施形態では、材料は、ナイフエッジがそれほど硬くないので、ナイフエッジが対向表面を損傷することがなく、逆もまた同様であることを確実にするように選択することができる。例えば、様々な実施形態において、ナイフエッジを作るために使用される材料がより硬ければ、より速くシールが損傷し、漏れ始める。

さらに、表面仕上げ及び平坦性は、硬質材料を含む実施形態を扱う際により重要であり得る重要な要因となり得る。いくつかの実施形態では、精密な研削面は、漏れ経路を許す表面の不完全性が少ないため、鋳造部品よりも効果的なシールを提供することができる。全体の平坦度は、空気の流れを防ぐために２つのジオメトリがどれだけうまく整列できるかを決定することもできる。シールに対するポペットヘッド整列は、いくつかの実施形態では、漏れを最小限に抑えるための構成要素とすることができる。様々な機械的要素を用いて、ブッシュ、屈曲ベアリング、ダイアフラム１３０、及びそれを駆動するアクチュエータなどのポペットヘッド１２５の動きを抑制するのを助けることができる。

迅速な応答時間を可能にするために、いくつかの実施態様では、不均衡及びシール力を最小限に抑えること、及び弁アセンブリ１０５内の移動質量を最小にすることが望ましいことがある。移動質量を最小にするために、いくつかの実施形態は、軽量の材料で構築された小さな動的質量を使用することができる。いくつかの実施形態では、小さな動的質量を有するアクチュエータを選択することによって、システム上の慣性力をさらに低減することができる。

様々な実施形態では、弁アセンブリ１０５は、低い力及びストローク要件のためにいくつかの実装形態に存在する、様々な適切なアクチュエータによって駆動することができる。弁アセンブリ１０５のいくつかの高圧の実施形態では、１ミリメートル程度の移動が可能であり、多くの潜在的なアクチュエータを使用することができる。弁ドライバには、ソレノイド、線形ボイスコイル、モータ、圧電素子などを用いることができる。いくつかの実施形態では、どのアクチュエータが好ましいかを決定する要因は、コスト、制御可能性、移動質量、力などを含むことができる。

アクチュエータの移動質量及びピーク力は、ポペットアセンブリ１０６の質量と組み合わされたときに応答時間を決定することができるので、様々な実施形態において重要であり得る。応答時間は、迅速かつ正確な圧力制御を必要とするアプリケーションでは、十分な空気流量をどのくらい速く指令できるかを定義することができ、より高速がより好ましい可能性がある。

様々な実施形態において、熱蓄積は、いくつかの電気機械アクチュエータにとって支配的な制限となり得、効率的な冷却溶液は、したがって、そのようなアクチュエータから最大の性能を得るために様々な実施形態において有益であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、発熱部品を流路に配置することにより、アクチュエータの電源がオンになるたびに強制対流冷却を行うことができる。これにより、より小型のアクチュエータ対比較可能なより大きな弁設計を使用することが可能になる。

例えば、図６は、ポペットヘッド１２５に結合されたアクチュエータシャフト６５５を介してポペットアセンブリ１０６を駆動するアクチュエータ６５０を備える平衡型ポペット弁システム１００の例示的な実施形態を示す。この例では、アクチュエータシャフト６５５は、ばね６６０に囲まれ、かつそれらにより付勢される。ポペットアセンブリ１０６は、ポペットシャフト１３５を介してダイアフラム１３０と連通しているポペットヘッド１２５を備える。弁アセンブリ１０５は、弁本体チャネル３２０（例えば、図３ｂに示されるように）を介して通気されるが、さらなる実施形態は、本明細書で論じたような（例えば、図３ａなどに示すようなポペットチャネル３１０を介して）他の適切な方法で通気されてもよい。

図６は、アクチュエータ６５０を、アクチュエータ６５０の冷却を提供することができるポペット弁システム１００の流路（片矢印で示す）に配置することができる例示的な実施形態を示す。詳細には、流体は、チャネル１４０を介してポペット弁システム１００に入り、弁キャビティ１２３に入り、ポペットヘッド１２５と弁本体１２０との間の開口１４５をさらに通過することができる。流体は、加圧されたキャビティ１１０内を通過し、アクチュエータ６５０の周りを流れて、通過することができる。

図７ａの断面図に示すように、アクチュエータ６５０の冷却を提供することができる別の実施形態は、アクチュエータ６５０と弁本体７５０の外側との間の伝導経路を含むことができる。例えば、これは、アクチュエータ６５０と弁本体１２０及び／又は圧力容器１１５との間に延在している冷却フィン７６０により行うことができる。冷却フィン７６０は、アクチュエータ６５０の周りの流体の流れを妨げることなく、圧力キャビティ１１０内に延在することができる。例えば、図７ａに示すように、冷却フィン７６０は、圧力キャビティ１１０内に４つのチャネルを画定することができる。

いくつかの例では、冷却フィン７６０は、弁本体１２０及び／又は圧力容器１１５によって画定することができる。他の例では、冷却フィン７６０は、アクチュエータ６５０の一部によって画定することができる。さらなる例では、冷却フィン７５０は、アクチュエータ６５０、弁本体１２０又は圧力容器１１５とは別の構造とすることができる。

いくつかの実施形態では、熱の伝導は、アルミニウム及び／又は熱伝導性熱可塑性樹脂のような高熱伝導性材料の使用によって改善され得る。さらに、ポペット弁システム１００が完全にシールされたシステムである実施形態では、ポペット弁システム１００は、周囲圧力（例えば、それが制御しているチャンバの内部又は外部）にかかわらず、様々な動作環境に載置することができる。このようなシールされた実施形態は、弁の流れを後方に移動させるように構成することができる。

ポペット弁システム１００のいくつかの実施形態は、アクチュエータ６５０への電流を監視するための電流センサを備えることができる。次に、電流、印加電圧、及び抵抗を含む特性を、アクチュエータ６５０の温度を推定するために、使用することができる。温度推定値は、アクチュエータ６５０が過熱するのを防ぐために、電源オフを含む冷却手順をトリガするために使用することができる。温度測定は、アクチュエータ６５０又はポペット弁システム１００の他の適切な部分の温度を測定するために熱電対、サーミスタなどを使用することによって直接行うこともできる。

一実施形態は、弁アセンブリ１０５を備えることができ、アクチュエータ６５０の構成要素のいくつか又はすべてが、弁本体１２０及び／又は圧力容器１１５によって取り囲まれているか、又は一体化されている。アクチュエータ６５０の周りに弁アセンブリ１０５を構築することは、ポペット弁システム１００は、いくつかの実施形態において有益であり得る小さい質量及び／又は容積を有することを可能にすることができる。さらに、弁本体１２０、圧力容器１１５及び／又はポペットアセンブリ１０６の一部を画定するか又はその一部である構成要素を有するアクチュエータ６５０は、さらなる寸法及び重量の低減を可能にすることができる。

例えば、図７ｂは、アクチュエータが弁キャビティ１２３内に配置され、及び／又は弁本体１２０の部分によって画定される例示的な実施形態を示す。この例では、弁本体１２０は、複数の磁石７７０及びポペットシャフト１３５を取り囲むボイスコイル７８０を備える。磁石７７０及びボイスコイル７８０は、ダイアフラム１３０、シャフト１３５及びポペットヘッド１２５を含むポペットアセンブリ１０６を駆動するように構成されたアクチュエータ６５０の少なくとも一部を画定することができる。

いくつかの実施形態では、弁アセンブリ１０５に対する力の平衡は、アクチュエータ６５０が慣性力を克服することのみを必要とするポペット弁システム１００と、閉鎖状態の間の漏れを最小にするのに必要なシール力を提供することができる。しかし、さらなる実施形態では、作動力が供給されていないときにポペットアセンブリ１０６を閉鎖位置に強制する戻りばね又は撓みを取り付けることが望ましい場合がある。これにより、弁アセンブリ１０５がパワーダウンされた状態で漏れるのを防止することができ、突然のパワー損失がある場合、弁アセンブリ１０５が確実に閉鎖されるようにすることができる。一方、このような構成は、弁アセンブリ１０５を開放状態に保持するためにパワーを必要とする可能性があるため、いくつかの実施形態では望ましくないことがある。戻りばねが使用される場合、弁アセンブリ１０５が全開位置に移動するときに戻り力が劇的に増加しないように、ばね率の低い戻りばねを選択することが望ましい場合がある。戻りばねを備えた実施例の一例が図８に示され、以下でより詳細に説明される。

ばねが望ましくない場合には、磁気ラッチ（永久磁石又は電磁石を使用する）、オーバーセンタ、又は弁の内部平衡力の付勢をすることにより、又は他の機械的なロックなど、弁アセンブリ１０５がパワー損失の場合に開くことを防止する機構のような、代替オプションを使用することによって弁アセンブリ１０５を閉じた状態に維持することができる。さらに、調整可能／制御可能な特性（例えば、ニチノール）を有する材料を使用して、戻り率、ロックなどを能動的に調整することができる。１つ以上のアクチュエータ６５０を使用して、シールを助けるために閉鎖された弁アセンブリ１０５を駆動することもできる。これは、弁アセンブリ１０５を開く同じアクチュエータ６５０を使用して、又は追加のアクチュエータ６５０を使用して行うことができる。

様々な実施形態において、ポペット弁システム１００は、ポペットヘッド１２５を弁アセンブリ１０５のオリフィス１４５を変更し得る異なる変位に動かすことによって達成され得る空気流の比例制御を提供することができる。いくつかの実施形態のために、これは、フィードフォワードモデルとセンサフィードバックの両方によって達成され得る弁アセンブリ１０５の位置を制御する能力を獲得することができる。戻りばねは、直線的な位置関係を与えることができるので、アクチュエータ６５０が十分に正確な力の範囲を供給できる場合、フィードフォワード制御は所望の位置に達するのに十分であり得る。より高度の精度が要求される場合、いくつかの実施形態は、弁に組み込むことができる位置センサを備えることができる。このような位置センサは、ポペットヘッド１２５、シャフト１３５及び／又はダイアフラム１３０を含むポペットアセンブリ１０６の位置を決定するように構成することできる。これは、ホール効果センサ、光学エンコーダ、渦電流センサ、変位センサ等を含む様々なセンサによって達成することができる。１つ以上のセンサは、弁キャビティ１２３及び／又は弁本体１２０を含むポペット弁システム１００の様々な部分に直接組み込むことができる。

様々な実施形態において、このようなポペット弁システム１００は、流量又は圧力を制御することが望ましい様々な流体（例えば、空気圧、油圧）用途に有用であり得る。例えば、いくつかの空気圧及び油圧作動装置は、それらの負荷の位置を決定する様々なチャンバの圧力を制御することによって作動する。これらの装置では、空気圧アクチュエータへの空気流をできるだけチャンバの近くに制御することが有益であり得、そのため、変更が指示されたときと圧力が影響を受けたときの間に遅れが少なくなる。本明細書に記載された様々な実施形態の平衡型ポペット弁システム１００の小型軽量化は、もはやアクチュエータの各チャンバに配置された弁を有するような負担にならないので、この目的に適し得る。

これは、多数の弁の重量が全装置の重量に実質的に加わることがあり、大きな弁サイズが可動性を妨げる可能性のあるロボット工学、空気圧オーソティクス及び外骨格タイプの用途において有益であり得る。ポペット弁システム１００又は弁アセンブリ１０５は、外骨格、ロボットなどの膨張可能なアクチュエータの１つ以上のチャンバを含むことができるいくつかの実施形態に従って制御している圧力チャンバの内部に配置することもできる。

例えば、外骨格システム（又はロボットシステム）は、外骨格のそれぞれの膨張可能なアクチュエータ内に配置された複数のポペット弁システム１００を駆動することができる制御システム及び流体作動システムを含む作動システムを備えることができる。このような膨張可能なアクチュエータを使用者が着用したときに選択的に膨張及び／又は収縮させることによって、歩行、持ち上げ、走行などの動きが外骨格によって生成され得る。

より詳細には、１つ以上の膨張可能なアクチュエータを１つ以上のポペット弁システム１００を介して膨張及び／又は収縮させることにより、足首、膝、肘、肩、手首などの関節を動かすことができる。例えば、膨張可能なアクチュエータ及び関連するポペット弁システム１００は、様々な関節の周りに又はその上に装着することができ、使用者のそのような関節を動かすように構成することができる。別の例示的なシステムは、マニピュレータの関節における圧力を制御するために弁が使用されるロボットアームであってもよい。さらに、コーティング又は成形電子機器を使用することによって、そのような弁の実施形態を導電性流体（例えば、水中で使用される）に使用することができる。

様々な用途において、チャンバの圧力を増加させ、かつ減少できることが望ましくあり得る。したがって、いくつかの実施形態では、一方が高圧を供給し、他方が圧力を解放する一対の弁アセンブリ１０５が望ましい場合がある。したがって、いくつかの実施形態では、２つの弁アセンブリ１０５を単一のポペット弁システム１００に組み合わせることが望ましい場合がある。例えば、このようなポペット弁システム１００は、３つのポート１４０及び両方の弁アセンブリ１０５を駆動することができる単一のアクチュエータ６５０を備えることができる。いくつかの実施形態では、これは、アクチュエータ／モータの駆動エフェクタが２つの弁アセンブリ１０５を独立して駆動することを可能にする、２つのポペットアセンブリ１０６とアクチュエータ／モータの駆動エフェクタとの間の連携を必要とする可能性がある。さらなる実施形態は、ポペットアセンブリ１０６を独立して駆動する単一の鋼製本体及び磁石を共有するレバー、撓み機構、又は複数のコイルを利用することができる。例示的な３ポートの２方向弁の実施形態を拡張して、１つ以上のアクチュエータを利用して流れを制御、誘導、又は調整する複数のポート弁を形成することができる。様々な実施形態では、そのような弁は、いずれの方向にも作動することができ（例えば、機能を変更することなく高圧及び低圧ラインを切り換えることができる）、吸気弁及び排気弁の一貫した取り付け方式を可能にする。

例えば、このような実施形態では、単一のアクチュエータ６５０が複数のポペットアセンブリ１０６を作動させることができる。ポペットアセンブリ１０６のそのような作動は、調和して行われてもよく、互い違いに配置されてもよく、反対でもよい。換言すれば、複数のポペットアセンブリ１０６に作用する単一のアクチュエータ６５０は、ポペットアセンブリ１０６を同時に開閉、交互に及び／又は逆の連続で開閉させることができる。

さらなる実施形態は、図８に示すように、入口ポート１４０及び出口ポート８１０が軸Ｙに沿って一列に配置されたポペット弁システム１００を備える。この構成は、平衡のとれた構造を可能にすることができるポペット弁システム１００内のシール内部チャンバを備えることができる。

記載された実施形態は、様々な改変及び代替形態が可能であり、それらの特定の例は、図面において例として示されており、本明細書において詳細に記載される。しかしながら、記載された実施形態は、開示された特定の形態又は方法に限定されるものではなく、逆に、本開示は、すべての改変形態、均等形態及び代替形態を包含するものであることを理解されたい。

Claims (20)

1. 流体ロボット用又は外骨格用のシステムであって、
   複数の圧力キャビティを画定する複数の膨張可能な流体アクチュエータであって、前記複数の膨張可能な流体アクチュエータの膨張によって１つ以上の関節に関連付けられ、それらを移動させるように構成された膨張可能な前記流体アクチュエータと、
   前記膨張可能なアクチュエータのそれぞれの圧力キャビティ内に配置され、前記圧力キャビティを膨張させるように構成された複数のポペット弁システムと、を有し、
   前記ポペット弁システムは、
   第１及び第２の端部を備え、弁キャビティを画定する弁本体と、
   前記第１の端部から前記第２の端部まで前記弁キャビティを通って延在するポペットアセンブリと、を備え、
   前記ポペットアセンブリは、
   前記ポペットアセンブリの前記第１の端部に配置され、第１の軸に沿って移動して前記弁本体の一部分と接触することによってシールを生成するように構成され、前記弁キャビティと膨張可能な流体アクチュエータの圧力キャビティとの間の開口を画定するように構成されたポペットヘッドと、
   前記第１の軸に沿って移動するように構成された前記弁本体の前記第２の端部に結合された可動ダイアフラムと、
   前記第１の端部から前記第２の端部まで延在し、前記ポペットヘッド及び前記ダイアフラムに結合されたシャフトであって、前記第１の軸に沿って移動するように構成されたシャフトと、を備えていることを特徴とするシステム。
2. さらに、前記ポペットアセンブリを駆動するように構成されたアクチュエータを有する請求項１記載のシステム。
3. 前記アクチュエータは、前記弁キャビティ内に配置される請求項２記載のシステム。
4. 前記アクチュエータは、１つ以上の冷却フィンを介して前記弁本体の１つ以上の部分に結合され、前記冷却フィンは、前記アクチュエータによって発生した熱を前記弁本体及び前記弁本体の外側部分に伝達して前記アクチュエータを冷却するように構成されている請求項２記載のシステム。
5. 前記ポペット弁システムは、流路を画定するように構成され、
   前記流路は、入口ポートから前記弁キャビティ内への第１の流れと、
   前記弁キャビティから、前記ポペットヘッド及び前記弁本体によって画定される前記開口を介する前記圧力キャビティ内への第２の流れと、を含み、
   アクチュエータが、前記ポペット弁システムによって画定された前記流路内に配置され、前記流路内を移動する流体によって冷却されるように構成されている請求項１記載のシステム。
6. 前記ポペットヘッド及び前記ダイアフラムは、前記弁キャビティ内の弁キャビティ圧力が前記ポペットヘッド上に前記ダイアフラム上と実質的に同一の力を加えて、前記弁キャビティ圧力に起因する前記ポペットアセンブリ上の力を平衡させるような、整合有効断面積を含む請求項１記載のシステム。
7. 前記ポペット弁システムは、複数のポペットアセンブリを備え、前記複数のポペットアセンブリが、単一のアクチュエータによって駆動される請求項１記載のシステム。
8. 前記弁本体と前記ポペットヘッドとの間の接触によって生成される前記シールは、少なくとも１つの共成形部分を備え、前記少なくとも１つの共成形部分が、前記弁本体及び前記ポペットヘッドのうちの少なくとも１つの一部によって画定される請求項１記載のシステム。
9. さらに、前記第１の端部から前記第２の端部まで延在する通気孔を有する請求項１記載のシステム。
10. 前記ポペット弁システムは、前記ポペットアセンブリの少なくとも一部の位置を決定するように構成された位置センサを備えている請求項１記載のシステム。
11. 前記ポペットアセンブリは、作動力が前記ポペットアセンブリに加えられていないときに前記ポペットアセンブリを閉鎖位置に押しやるように構成された戻りばねを備えている請求項１記載のシステム。
12. ポペット弁システムであって、
    第１及び第２の端部を備え、弁キャビティを画定する弁本体と、
    前記第１の端部から前記第２の端部まで前記弁キャビティを通って延在するポペットアセンブリと、を有し、
    前記ポペットアセンブリは、前記ポペットアセンブリの前記第１の端部に配置され、前記弁本体の一部と接触させることによってシールを生成するように構成され、前記弁キャビティと圧力キャビティとの間に開口を画定するように構成された可動ポペットヘッドと、
    前記弁本体の前記第２の端部に配置されて前記可動ポペットヘッドの可動をガイドする可動のガイド要素と、を備えており、
    前記可動ポペットヘッド及び前記ガイド要素は、互いに整合する有効断面積を有することを特徴とするポペット弁システム。
13. 前記ポペットアセンブリは、前記第１の端部から前記第２の端部まで延在し、前記ポペットヘッド及び前記ガイド要素に結合されたシャフトをさらに備え、
    前記ポペットヘッド、前記ガイド要素及び前記シャフトが、共通の第１の軸に沿って移動するように構成されている請求項１２記載のポケット弁システム。
14. さらに、前記共通の第１の軸に沿って配置された入口ポート及び出口ポートを有する請求項１３記載のポペット弁システム。
15. さらに、前記共通の第１の軸に沿って配置されたアクチュエータ駆動シャフトを含むアクチュエータをさらに備え、前記アクチュエータ駆動シャフトが、前記ポペットアセンブリに結合され、前記共通の第１の軸に沿って前記ポペットアセンブリを駆動するように構成された請求項１３記載のポペット弁システム。
16. 前記圧力キャビティは、少なくとも部分的に膨張可能な流体アクチュエータによって画定され、
    前記膨張可能な流体アクチュエータが、関節の周りに位置する前記膨張可能な流体アクチュエータを有する流体ロボットシステム又は外骨格システムの一部であり、前記膨張可能な流体アクチュエータが前記ポペット弁システムによって膨張されたときに前記関節を動かすように構成されている請求項１２記載のポペット弁システム。
17. 前記ポペットアセンブリは、前記ガイド要素の内側面及び前記ポペットヘッドの内側面に作用する前記弁キャビティ圧力が、前記ポペットヘッドに前記ガイド要素と実質的に同一の力を及ぼすように構成され、前記ポペットアセンブリに実質的に正味のゼロ力を生じさせ、
    前記ポペットヘッドの外面及び前記ガイド要素の外面に作用する外部圧力は、反対方向に実質的に同一の力を前記ポペットアセンブリに及ぼして、実質的に正味ゼロの力を生じさせる請求項１２記載のポペット弁システム。
18. さらに、前記第１の端部から前記第２の端部まで延在し、前記圧力キャビティの別の第１及び第２の部分を動作可能に接続するように構成された通気孔を有する請求項１２に記載のポペット弁システム。
19. 前記ガイド要素は、ダイアフラムを備えている請求項１２記載のポペット弁システム。
20. さらに、アクチュエータを有し、前記アクチュエータの少なくとも一部は、前記弁キャビティ内に配置されている請求項１２記載のポペット弁システム。

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