(57)【要約】流体流れ制御装置は、少なくとも１つの入口孔から少なくとも１つの出口孔への流体の流れを制御する。支持部は、剛体の、非可撓性の部分、前記剛体部分から延びる少なくとも１つの枢動可能な比較的に剛体の、非可撓性の折り畳まれたアーム部分、前記支持部に対し相対的に移動するために折り畳まれたアーム部分に連結された、少なくとも１つの表面、および４０％未満の動作損失で枢動可能な折り畳まれたアーム部分を駆動するために動作可能に配置される剛体の、非可撓性の力伝達部材を含む。電気的に動作するアクチュエータは、アクチュエータの電気的作動に応答して、前記折り畳まれたアーム部分を枢動させるように、前記剛体部分と力伝達部材の間に動作可能に係合する。マニホールドは、少なくとも１つのバルブシートと連通し、閉位置と開位置の間を移動するための少なくとも１つの対応するバルブ本体に対して動作可能、係合可能な流体通路を含む。
2006522298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的な作動に応答して、流体流路を介しての少なくとも１つの入口孔から少なくとも１つの出口孔への流体の流れを制御するための流体流れ制御装置であって、
剛体の、非可撓性部分と、前記剛体部分から延びる少なくとも１つの枢動可能な相対的に剛体の、非可撓性の、折り畳まれたアーム部分と、支持部に対して移動する、前記少なくとも１つの折り畳まれたアーム部分上の少なくとも１つの表面と、前記少なくとも１つの枢動可能な、折り畳まれたアーム部分を４０％未満の運動の損失で、回転移動で駆動するための、動作可能に配置される剛体の、非可撓性の力伝達部材とを有する支持部と、
前記剛体の非可撓性部分と前記力伝達部材との間に動作可能に係合された電気的に動作するアクチュエータであって、該アクチュエータの電気的作動に応答して、前記少なくとも１つの枢動可能な、折り畳まれたアーム部分を枢動させるために、前記力伝達部材を前記剛体の、非可撓性の部分に対して相対的に駆動させるアクチュエータと、
少なくとも１つのバルブシートと連通する流体通路を含むと共に、前記バルブシートとシールするように係合する閉位置と前記バルブシートから間隔を開けた開位置との間を移動するために、少なくとも１つの対応するバルブ本体に対して動作可能に係合可能なマニホールドであって、前記バルブシートおよびバルブ本体のうちの少なくとも１つは、電気的な作動に応答して、電気的に動作するアクチュエータによって、前記支持部を介して他方に対して動作可能に移動可能であるマニホールドと、
を備えることを特徴とする流体流れ制御装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つのバルブシートおよび対応するバルブ本体が、圧力バランスバルブを画成することを特徴とする請求項１記載の流体流れ制御装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つのバルブシートおよび対応するバルブ本体が、無圧力バランスバルブを画成することを特徴とする請求項１記載の流体流れ制御装置。
【請求項４】
前記マニホールドが少なくとも２つのバルブを支持し、この２つのバルブを、各バルブ用の、独立して動作可能な電気的アクチュエータを有する少なくとも１つの入口孔および少なくとも１つの出口孔に接続し、かつ、前記対応するバルブがオリフィスにすぐ近接し各バルブと対応する前記オリフィス間の死空間を最小限にするように、各オリフィスが互いに４．５ｍｍ間隔であり、対応する流体制御バルブとインラインで配置される、前記マニホールドと関連する少なくとも２つの計量配合オリフィスに接続する、請求項１記載の流体流れ制御装置。
【請求項５】
前記電気的に動作するアクチュエータが、圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項１記載の流体流れ制御装置。
【請求項６】
前記剛体の部分が全体的にＵ字形であり、１対の剛体アーム部分の間を延びるウエブを含むことを特徴とする請求項１記載の流体流れ制御装置。
【請求項７】
前記枢動可能な折り畳まれたアーム部分の１つが、前記剛体のアーム部分の１つに枢動可能に連結され、もう１つの前記枢動可能な折り畳まれたアーム部分がもう１つの前記剛体のアーム部分に枢動可能に連結されることを特徴とする請求項６記載の流体流れ制御装置。
【請求項８】
前記支持部の前記剛体の部分が前記枢動可能な折り畳まれたアーム部分間に配置され、その結果、前記力伝達部材が前記枢動可能な折り畳まれたアーム部分の一端に隣接すると共に、少なくとも１つの前記表面が、前記支持部の前記ウエブに隣接して配置される前記枢動可能な折り畳まれたアーム部分上の対向する表面を画成することを特徴とする請求項７記載の流体流れ制御装置。
【請求項９】
前記枢動可能なアーム部分が前記支持部に機械的に連結されることを特徴とする請求項７記載の流体流れ制御装置。
【請求項１０】
電気的な作動に応答して、流体流路を介しての少なくとも１つの入口孔から少なくとも１つの出口孔への流体の流れを制御するための流体流れ制御装置であって、
剛体の、非可撓性部分と、前記剛体部分が第１および第２の枢動可能な、折り畳まれたアーム部分間に挿入されて配置されるように、前記剛体部分から延びる前記第１および第２の枢動可能な相対的に剛体の、非可撓性の、折り畳まれたアーム部分と、互いに対して相対的に移動するために、前記枢動可能な、折り畳まれたアーム部分によって支持される１つの対向する表面を有する１対の対向する表面と、４０％未満の動作損失で前記第１および第２の枢動可能な折り畳まれたアーム部分を回転移動に駆動するために、動作可能に配置される剛体の、非可撓性の力伝達部材と、互いにすぐ近接して延び、前記剛体部分および前記力伝達部材に対して前記少なくとも１つの比較的剛体の、非可撓性の折り畳まれたアームの屈曲移動を可能にする、第１および第２の可撓性の蝶番ウエブ部分とを有する支持部と、
前記剛体の、非可撓性の部分と前記剛体の、非可撓性の力伝達部材との間に動作可能に係合される電気的に動作するアクチュエータであって、該アクチュエータの電気的作動に応答して、前記第１および第２の枢動可能な、折り畳まれたアーム部分を枢動させるために、前記力伝達部材を前記剛体部分に対して相対的に駆動させるアクチュエータと、
少なくとも１つのバルブシートと連通する少なくとも１つの流体通路を含むと共に、前記バルブシートとシールするように係合する閉位置と前記バルブシートから間隔を開けた開位置との間を移動するために、少なくとも１つの対応するバルブ本体に対して動作可能に係合可能なマニホールドであって、前記バルブシートおよびバルブ本体の少なくとも１つは、電気的に動作するアクチュエータの電気的な作動に応答して、前記支持部を介して他方に対して動作可能に移動可能であるマニホールドと、
を備えることを特徴とする流体流れ制御装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのバルブシートおよび対応するバルブ本体が、圧力バランスバルブを画成することを特徴とする請求項１０記載の流体流れ制御装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのバルブシートおよび対応するバルブ本体が、無圧力バランスバルブを画成することを特徴とする請求項１０記載の流体流れ制御装置。
【請求項１３】
前記マニホールドが少なくとも２つのバルブを支持し、この２つのバルブを、各バルブ用の、独立して動作可能な電気的アクチュエータを有する少なくとも１つの入口孔および少なくとも１つの出口孔に接続し、かつ、前記対応するバルブがオリフィスにすぐ近接し各バルブと対応する前記オリフィス間の死空間を最小限にするように、各オリフィスが互いに４．５ｍｍ間隔であり対応する流体制御バルブとインラインで配置される、前記マニホールドと関連する少なくとも２つの計量配合オリフィスに接続することを特徴とする請求項１０記載の流体流れ制御装置。
【請求項１４】
前記アクチュエータが、圧電装置であることを特徴とする請求項１０記載の流体流れ制御装置。
【請求項１５】
前記剛体の部分が全体的にＵ字形であり、１対の剛体アーム部分の間を延びるウエブを含むことを特徴とする請求項１０記載の流体流れ制御装置。
【請求項１６】
前記枢動可能な折り畳まれたアーム部分の１つが、前記剛体のアーム部分の１つに枢動可能に連結され、もう１つの前記枢動可能な折り畳まれたアーム部分がもう１つの前記剛体のアーム部分に枢動可能に連結されることを特徴とする請求項１５記載の流体流れ制御装置。
【請求項１７】
前記力伝達部材が前記枢動可能な折り畳まれたアーム部分の一端に隣接し、前記枢動可能な折り畳まれたアーム部分の対向する表面が、前記支持部の前記剛体の部分の前記ウエブに隣接することを特徴とする請求項１６記載の流体流れ制御装置。
【請求項１８】
前記枢動可能なアーム部分が前記支持部に機械的に固定されることを特徴とする請求項１６記載の流体流れ制御装置。
【請求項１９】
電気的作動に応答して、１対の対向する表面のうち少なくとも１つを移動させる装置であって、
剛体の、非可撓性部分と、１対の剛体のアーム部分間を延びるウエブを有する全体的にＵ字形の形状の一体の部分と、前記剛体の、非可撓性の部分が、第１および第２の枢動可能な、折り畳まれたアーム部分間に挿入されて配置されるように、前記剛体部分から延びる全体的にＬ字形の前記第１および第２の枢動可能な、相対的に剛体の、非可撓性の、折り畳まれたアーム部分と、互いに対して相対的に移動するために、前記枢動可能な、折り畳まれたアーム部分の各々上の１つの対向する表面を有する１対の対向する表面と、前記力伝達部材が前記枢動可能な折り畳まれた部分の一端に隣接し、前記枢動可能な折り畳まれたアーム部分の前記対向する表面が前記支持部の前記剛体の、非可撓性の部分のウエブに隣接するように、前記第１および第２の枢動可能な、折り畳まれたアーム部分を４０％未満の運動の損失で、回転移動で駆動するための、動作可能に配置される剛体の、非可撓性の力伝達部材を有する支持部と、
第１の蝶番ウエブ部分が、前記力伝達部材の間を延び、少なくとも１つの剛体の、折り畳まれたアームと動作可能に連結し、第２の蝶番ウエブ部分が、前記剛体部分と前記少なくとも１つの剛体の、折り畳まれたアーム間を延びる、少なくとも１つの剛体の、折り畳まれたアームと動作可能に連結し、互いにすぐ近接して延びる第１および第２の可撓性の蝶番ウエブ部分と、
アクチュエータの電気的作動に応答して、前記第１および第２の枢動可能な、折り畳まれたアーム部分を枢動させるために、前記力伝達部材を前記剛体の、非可撓性部分に対して相対的に駆動するように、前記剛体の、非可撓性の部分と前記力伝達部材の間に動作可能に係合される圧電アクチュエータと、
少なくとも１つのバルブシートと連通する少なくとも１つの流体通路を含み、前記バルブシートとシールするように係合する閉位置と前記バルブシートから間隔を開けた開位置の間を移動させるために、少なくとも１つの対応するバルブ本体に対して動作可能に係合可能なマニホールドであって、少なくとも１つの前記バルブシートおよびバルブ本体は、電気的に動作するアクチュエータの電気的な作動に応答して、前記支持部を介して他方に対して動作可能に移動可能であるマニホールドと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２０】
前記枢動可能なアーム部分が前記支持部に機械的に固定されることを特徴とする請求項１９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明出願は２００３年４月４日出願の米国特許仮出願第６０／４６０６６６号明細書の利益を主張するものであり、かつ、２００２年３月２７日出願の米国特許出願第１０／１０７９５１号明細書および２００３年７月３日出願の米国特許出願第１０／６１３１３８号明細書の一部継続出願である。
本発明は、流体通路の少なくとも１つの入口孔と少なくとも１つの出口孔の間を通過する流体のオン／オフまたは比例制御用の２方向または３方向動作可能な少なくとも１つの圧電作動バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
商業的に入手可能なソレノイド動作バルブは、直径最小６ｍｍまでの寸法が通常入手可能である。４．５ｍｍより小さなバルブも存在するけれども、これらのバルブは小さ過ぎ、メムス（ＭＥＭＳ）などの別の構造および／または作動技術に基づいている。一般に、より小さなソレノイドベースのバルブは存在しない。何故なら、ソレノイドの寸法が減少すると、ソレノイドの仕事能力は、ソレノイドが所望のバルブ圧力および流量に対してバルブの動作を行うことが出来なくなる点まで到達してしまうからである。本発明では、４．５ｍｍまたはそれ未満の寸法が可能な電気的に作動するバルブを提供することが望ましいであろう。
【０００３】
商業的に入手可能なソレノイド作動比例バルブは、直径が１５ｍｍより小さいものは通常ない。この問題は、単にコイルが減少することによるソレノイド場の正味の力のみならず、むしろ予知可能な直線的に、バルブの動作を制御する能力が極めて困難になることにある。さらに、比例バルブは持続的に動作しており、したがって、通常は単純なオン／オフバルブより大きな熱放散／処理能力を必要とする。２方向または３方向動作可能な、かつオン／オフ動作モードおよび比例動作モードのいずれも可能な電気的に作動するバルブを提供することが望ましいであろう。
【０００４】
通常の商業的に入手可能なソレノイドバルブは、５ｍｓから２０ｍｓの範囲の時間で応答する。ソレノイドのより高速も達成することができるが、一般に過励磁または特殊なコイル構造などの特別な電気的制御を必要とする。５ｍｓ未満の範囲、好ましくは約１ｍｓの応答時間が可能な電気的に作動する、直動式のバルブを提供することが望ましいであろう。
ソレノイド作動に基づく、商業的に入手可能な、競争力のある寸法のバルブは一般に、６ｍｍから１６ｍｍピッチ程度の寸法であり、２２ｍｍを超えることができる。さらに、商業的に入手可能なソレノイドバルブは一般に、０．５から４．０ワットの間の電力を消費する。別の圧電バルブは、そのようなソレノイド作動バルブと比較してより少ない電力消費量を有しているが、圧電バルブのどれもそのような狭い寸法での直動ベースで、流量および圧力能力の所望のレベルを有していない。圧力および流量能力の所望のレベルを有する圧電バルブは通常、より大きなバルブが圧力および流量能力の所望のレベルを提供するより大きなバルブ用のパイロットバルブとして使用するとき所望のレベルに到達する。別法として、圧電バルブは所望の性能レベルに達することができるが、より大きな幅を必要とする。本発明では、より大きなバルブのパイロットバルブとして動作することなく、狭い幅を有する、高圧かつ高流量の能力を有する直動式電気的作動バルブを提供することが望ましいであろう。
【０００５】
より狭い実例は入手可能であるが、商業的に入手可能な比例バルブは、例えば、ほぼ直径が２２．２ｍｍ、高さ３９．６ｍｍである。オリフィス寸法〜１．５ｍｍのそのような商業的に入手可能な比例バルブのバージョンは、１平方センチメートル当り１８ｋｇｆ（平方インチ当り２５ポンド（ｐｓｉ））の最大圧力で、１分当り１４標準リットル（ｓｌｐｍ）までの流量が可能である。さらに、商業的に入手可能な比例バルブの任意の流量での最大定格圧力は７．０ｋｇｆ／ｃｍ２（１００ｐｓｉ）である。１．５ｍｍの等価オリフィスを有する、８．４ｋｇｆ／ｃｍ２（１２０ｐｓｉ）超で動作できる電気的作動比例バルブを提供すること、および５．６ｋｇｆ／ｃｍ２（８０ｐｓｉ）でほぼ５０ｓｌｐｍまで流すことができる電気的作動比例バルブを提供することが望ましいであろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による流体流れ制御装置は、電気的な作動に応答して、少なくとも１つの入口孔から少なくとも１つの出口孔に流体通路を通過する流体の流量を制御する。この装置は、剛体の、非可撓性部分を有する支持部、前記剛体部分から延びる少なくとも１つの枢動可能な相対的に剛体の、非可撓性の、折り畳まれたアーム部分、前記支持部に対して移動する、前記少なくとも１つの折り畳まれたアーム部分に関連する少なくとも１つの表面、および前記少なくとも１つの枢動可能な、折り畳まれたアーム部分を回転移動で駆動するための、動作可能に配置された剛体の、非可撓性の力伝達部材を含む。電気的に動作するアクチュエータが、アクチュエータの電気的作動に応答して前記少なくとも１つの枢動可能な、折り畳まれたアーム部分を枢動させるために、前記力伝達部材を前記剛体の、非可撓性部分に対して駆動するように、前記剛体の非可撓性部分と前記力伝達部材の間に動作可能に係合される。ここで、前記少なくとも１つの枢動可能な、折り畳まれたアーム部分の回転運動によって発生する仕事は、電気的に動作するアクチュエータにより発生する仕事の６０％より大きくすることができる。マニホールドは少なくとも１つのバルブシートと連通する流体通路を含み、バルブシートとシールするように係合する閉位置と前記バルブシートから間隔を開けた開位置の間を移動させるために、少なくとも１つの対応するバルブ本体に対して動作可能に係合可能であり、少なくとも１つの前記バルブシートおよびバルブ本体は、電気的な作動に応答し、電気的に動作するアクチュエータによって、前記支持部を介して他方に対して動作可能に移動可能である。
【０００７】
本発明によるマルチバルブマニホールドは、多数の圧電作動、直動バルブを収容し、流体接続を行うことができる。バルブの現下の設計は、３方向オン／オフである。これらのバルブは、例示のためのみであり限定ではないが、混合および切換えを含む様々な用途に使用することができる。現下の構成では、このマニホールドは、共通の入口孔、共通の排出孔、および各バルブに唯一の出口孔を備える。それは、電気的接続のためのただ１つの点を備え、かついくつかの構成ではマニホールドはシステム電源およびバルブ制御器を収容することもできる。この同じ３方向バルブ構成は、混合または配合用途のために比例モードで動作可能である。そのような用途では、上述の共通排出孔は第２の共通入口孔として使用される。この流れの変更は、切換え用途への使用を可能にする。混合、配合または切換えを支援して、所望されない流れを防止するためチェックバルブを組み込むことができる。
【０００８】
このマルチバルブマニホールドパックのユニークな設計の特徴は、バルブ間隔が４．５ｍｍにセットされていることである。このぴったりした間隔によって、例えば、このバルブは分析流体の直接計量分配が可能となる。そのような流体は、例えば、マニホールドの出口孔に直接取り付けられたノズルまたはバルブからウエルへの最小限の接合チューブを使用して、通常の滴定トレイの現行の４．５ｍｍ間隔の滴定ウエル内に移送することができる。これによって計量分配精度を改善し、試薬の容積を節約し、滴定時間を改善することができる。通常の既存のバルブマニホールドは１０ｍｍ間隔を使用し、したがって、複雑なバルブ取り付け形状および滴定すべき流体をバルブから移送するための延長チューブまたはマニホールドを必要とする。本発明は、４．５ｍｍピッチでマニホールドに取り付けられ、マニホールドに取り付けられた互いに４．５ｍｍ間隔に配置されたバルブをインライに有するノズルを提供する。すなわち、バルブはインラインにあり、かつ非常に近接しているので、その結果バルブから滴定オリフィスまたはノズルまでに最小限の「死空間(dead volume)」しかない。
【０００９】
このバルブの別のユニークな特徴は、４．５ｍｍピッチ間隔内でのその高流量能力である。５．６ｋｇｆ／ｃｍ２（８０ｐｓｉ）で、３方向構成のこのバルブは、ほぼ１分当り５０標準リッター（ｓｌｐｍ）流れる。１０ｍｍ幅に基づく既存のバルブでさえ、通常２０ｌｐｍより多くは流れない。したがって、本発明のこのバルブは、例示のためのみであり限定ではないが、ずっと大きな空圧動作バルブをパイロットするために非常に効果的に使用することもできる。
【００１０】
２方向構成では、このバルブは比例流体制御器として動作することができる。そのような小さなパッケージングで、この制御レベルはユニークであると考えられる。さらに、本発明によるバルブの流量は、実質的に既知の同等のバルブの性能を超えるであろう。
本発明の別の用途は、添付の図面を参照して、本発明を実施するために企図された最良の形態の以下の説明を読むとき、この分野の専門家には明らかになるであろう。
本明細書での説明は、同一の参照番号はいくつかの図を通じて同じ部品を示す添付の図面を参照して行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に図１〜３を参照すると、本発明はマルチバルブマニホールド１００を含む。マニホールド１００内の各バルブ１０２は、例示のためのみであり限定ではないが、４．２ｍｍ幅×３１ｍｍ高さ×４６ｍｍ長さであり得る。本発明によるアクチュエータ／バルブ組合せの狭い幅によって、以下で極めて詳細に論じる有利な滴定トレイ計量配合実施形態を可能にするための、互いに４．５ｍｍ離れた中央から中央への間隔、またはピッチでマニホールドに配置するアクチュエータ／バルブの組合せが可能となる。この４．２ｍｍ幅は、他のいかなる「中規模の(meso-scale)」電気的作動バルブより狭く、したがって、当業界でユニークであると考えられる。最も近接する既知の商業的に入手可能なソレノイド動作バルブは直径で６ｍｍである。４．５ｍｍより小さな電気的に作動バルブは存在するけれども、これらのバルブは小さ過ぎ、別の構造および／または作動技術に基づいている。一般に、より小さなソレノイドに基づいたバルブは存在しない。何故なら、ソレノイドの寸法が減少すると、ソレノイドの仕事能力は、ソレノイドが所望のバルブ圧力および流量に対してバルブの動作を行うことが出来なくなる点まで減少するからである。
【００１２】
競争力のある性能の既存のバルブは、一般に６ｍｍから１６ｍｍのピッチであり、かつ一般に０．５と４．０ワットの間の電力を消費する。比較すると作動した後は、本発明の圧電アクチュエータは、０．０１０ワット未満の電力しか引き出さない。別の圧電バルブもそのような低い電力消費量である。どれも直動ベースでは流量および圧力能力を有さない。圧力および流量能力を有するものは、より大きなバルブのパイロットとして使用されたときのみ、そうである。本発明の利益は、論理レベルの回路を使用する直接制御、長寿命バッテリ動作の潜在的可能性、太陽電池による無線周波数（ＲＦ）動作の潜在可能性、バッテリまたは他の低電力電源、医用や分析などの特定の用途に対し重要な実質的に無発熱を含む。最小限の発熱も重要である。何故ならそれは、冷却を考慮する必要性を無くし、または少なくとも大きく減少させるからである。発生する熱および計量されるべき流体への関連する熱伝達は、ソレノイドコイル対圧電の機能のみならず、本発明がバルブの流体制御部分を発熱、作動部分から分離することができるということにも関連している。ソレノイドベースのバルブについては、しばしば流体通路はコイルに非常に近い。寸法が減少すると、相対的な近接性は増加する傾向にある。ある場合には、ソレノイドベースのバルブの流体通路は、実際にソレノイドの熱発生コイル内の通路を「貫通」する。本発明による圧電アクチュエータから分離された流体制御部分を有するマルチバルブマニホールドは、ソレノイドベースのバルブのこの欠点を回避する。
【００１３】
正味寸法から離れて、バルブ間隔が４．５ｍｍピッチ（バルブ中央から中央までで４．５ｍｍ）であることによって、バルブは標準３８４ウエルの微量滴定トレイと丁度ぴったり合う。これは分析自動化用途に対する潜在的な利点である。現行ではこれは、特別注文のマニホールド、バルブからウエルへの特別注文の配管、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの計量分配装置、ロボットシステム、等々などの様々な複雑な構成を使用して行われる。本発明によるマルチバルブマニホールドは、例示のためのみであり限定ではないが、標準３８４微量滴定トレイの全部のウエル内に直接計量配合可能な、１６バルブバージョンを供給可能なように２倍化可能な８パックのマニホールドを含むことができる。
【００１４】
各バルブは、オン／オフ動作および比例動作も可能である。比較すると、最も近接する既知の商業的に入手可能なソレノイド作動比例バルブには、直径１５ｍｍより小さなものはない。これは単にコイルが小さくなることに伴う電磁気場の正味出力の問題ではない。予知可能な直線的にバルブの動作を制御する能力も極めてより困難になる。さらに、比例バルブは持続的に動作しており、したがって、通常は単純なオン／オフバルブより大きな熱放散／処理能力を必要とする。
【００１５】
これらのバルブは、１ミリセカンド（ｍｓ）より速くオン／オフ動作に応答する潜在的能力を有している。典型的な競争力あるソレノイドバルブは、５ｍｓから２０ｍｓ内で応答する。ソレノイドに対してより速い速度は達成可能であるが、通常は過励磁または特殊なコイル構造の使用などの特別な電気機器を必要とする。
各バルブの流体部分は、圧力バランスさせることができる。これによって、高流量および高圧力能力を可能にしながら、比較的より小さなアクチュエータの使用が可能になる。例として、最近公表されたＣｌｉｐｐａｒｄ  ＥＶＰ比例バルブは、直径２２．２ｍｍ、高さ３９．６ｍｍである。本発明の各バルブのオリフィスと同等な寸法（〜１．５ｍｍ）を有するバージョンは、平方センチメートル当り１８ｋｇｆ（平方インチ当り２５ポンド（ｐｓｉ））の最大圧力で、１分当り１４標準リットル（ｓｌｐｍ）まで流すことができる。さらに、Ｃｌｉｐｐａｒｄ  ＥＶＰ比例バルブの任意の流量での最大定格圧力は７．０ｋｇｆ／ｃｍ２（１００ｐｓｉ）である。比較すると、本発明による各バルブは、１．５ｍｍの等価オリフィスを有し、８．４ｋｇｆ／ｃｍ２（１２０ｐｓｉ）で動作でき、５．６ｋｇｆ／ｃｍ２（８０ｐｓｉ）で本発明によるバルブは、ほぼ５０ｓｌｐｍまで流すことができる。本発明による圧電アクチュエータを有する圧力バランスさせた流体制御バルブの組合せは、改善された性能をもたらす。すなわち、圧力バランス化は、アクチュエータが発生しなければならない仕事を減少させ、それによってより小さなアクチュエータの使用が可能となる。加えるに、本発明による圧電アクチュエータのユニークな基本形態因子、すなわち他の寸法設定に対して、特にソレノイドと比較したとき狭いことによって、本発明によるバルブの全体的な狭い形態が可能になる。
【００１６】
本発明は、１つまたは複数の以下の特徴をもたらすように改変できることは理解されたい。単に電気的インターフェースではなく、マニホールドの「底部(bottom)」に配置された制御電気機器、２方向または３方向動作のいずれにも対応、追加のねじなどを必要としないマニホールドへの簡単なバルブの取り付け、８バルブ以外の、例えば、２、３、４、５、・・・８、・・・１６、・・・ｎなどの任意の数のバルブを有するマニホールド、例示のためのみであり限定ではないが、「底部」入口および入口から最も遠いバルブへの距離（マニホールド死空間）を減少させるために複数のバルブの中央に配置するなどの別の位置に配置される流体入口孔、例示のためのみであり限定ではないが、流量は減少するがより長寿命またはより簡単な組立てなどの他の利益を提供することができる無圧力バランスバルブの使用、例示のためのみであり限定ではないが、本発明によるバルブ幅は上記で論じたバルブの幅（すなわち、４．５ｍｍ）の半分までのより小さな寸法に潜在的に縮尺可能であり、かつ例示のためのみであり限定ではないが、約２５ｍｍ幅までのずっとより大きな寸法に拡大されるので、様々な寸法のマルチバルブマニホールド、金属または当分野の技術者に知られている任意の適切な他の材料製のマニホールドおよびバルブ構成部品、チューブ「迅速接続(quick connect)」または当分野の技術者に知られている任意の適切な他の接続を含む入口および出口孔の接続。
【００１７】
図４は、支持部１２および電気的アクチュエータ１４を有する本発明によるアクチュエータアセンブリ１０の斜視図である。支持部１２は、剛体の、非可撓性部分１６、前記剛体部分１６から後方に延びる第１および第２の枢動可能なアーム部分１８、２０などの、少なくとも１つの枢動可能な相対的に剛体の、非可撓性のアーム部分、前記剛体部分１６に対して移動する前記少なくとも１つの枢動可能なアーム部分１８、２０上の少なくとも１つの対向する表面、および前記少なくとも１つの枢動可能なアーム部分１８、２０に動作可能に接続された剛体の、非可撓性の力伝達部材２６を含む。支持部１２は、単体、一体式、単一部片のモノリシックな本体であることが好ましい。電気的アクチュエータ１４を、アクチュエータ１４の電気的刺激に応答して前記力伝達部材２６を前記剛体の、非可撓性部分１６から離して直線動作で駆動するために、前記剛体の非可撓性部分１６と前記剛体の非可撓性力伝達部材２６の間に動作可能に係合することができる。前記支持部１２の剛体の、非可撓性部分１６は、４０％未満の仕事損失で、好ましくは２０％未満の仕事損失で、かつ最も好ましくは１０％未満の仕事損失で電気的アクチュエータ１４から動作の伝達をもたらすことができることを理解されたい。前記少なくとも１つの枢動可能な比較的に剛体の、非可撓性アーム１８、２０は、比較的制限された温度変化を有する環境、または温度制御された環境で剛体であり非可撓性である。前記少なくとも１つの枢動可能なアーム１８、２０は、所望の場合、広い範囲の環境にわたり改良されたオン／オフおよび／または比例動作制御のための温度補償を含むことができることを理解されたい。
【００１８】
前記剛体の非可撓性部分１６は、アクチュエータ１４の端部４２に対する相補的表面を有する調整可能なシート５２付きの調整可能な支持部５４を受けることができる。調整可能なシート５２の相補的な表面は、アクチュエータ１４の電気的な作動に応答して力伝達部材２６を駆動するために適切な位置にあるアクチュエータ１４を支持するように平面または任意の形状とすることができる。剛体の、非可撓性力伝達部材２６の移動は、前記少なくとも１つのアーム部分１８、２０を少なくとも１つの一体蝶番３６、３８の周りを枢動させる。少なくとも１つの一体蝶番３６、３８は、各剛体のアーム部分と対応する各枢動可能な比較的に剛体の、非可撓性アーム部分の枢動基台部分４６、４８との間を延び、少なくとも１つの一体蝶番３２、３４は、枢動可能な比較的に剛体の、非可撓性アーム部分の対応する基台部分４６、４８と剛体の、力伝達部材２６の間を延びる。
【００１９】
装置１０を動作させるために、制御器２８を設けることができる。この制御器は、所定の軸に沿って空間的な変位を生じさせるように、圧電装置の両端間に充電電圧をもたらすことができる。圧電装置によって蓄えられる電荷の量は、一般に圧電装置の両端間に加える電圧の値に比例する。したがって、圧電装置の両端間に加える電圧の値を変化させて１つの所定の軸に沿った空間的変位の量を制御することができる。この空間的変位が、少なくとも１つの剛体の、非可撓性枢動可能アーム１８、２０に伝達され、かつ一体式の一体蝶番３６、３８を介して増幅され、対向する表面２２、２４のうちの対応する１つを、互いに対して曲線の通路内で移動させる。
【００２０】
図５で、アクチュエータ１４は非作動状態である。対向する表面２２、２４は、アクチュエータ１４が非作動状態であるとき互いから最も遠い。この種の構成は時には、常時開設計と呼ばれる場合がある。電気的アクチュエータ１４が電気的に作動されると、アクチュエータ１４の設定端部４２が剛体部分１６によって固定して保持され、アクチュエータ１４の駆動端部４４が剛体の、非可撓性力伝達部材２６を剛体のウエブ３０から遠くへ、または離して駆動し、それで少なくとも１つの枢動可能な比較的に剛体の、非可撓性アーム部分１８、２０が少なくとも１つの対応する一体蝶番３６、３８の周りを枢動する。このように、対向する表面２２、２４の間の空間または距離が減少する。対向する表面間の距離は、圧電アクチュエータなどの電気的アクチュエータ１４の両端間の電圧を調整することによって増大または減少させることができる。図６は、アクチュエータ１４が完全に作動されとき、アクチュエータ１４の平坦な駆動端部４４が剛体の、非可撓性力伝達部材２６の平坦なシート表面４０と動作可能に接触しているのを示し、対向する表面２２、２４間のより大きな近接を示すため誇張されている。
【００２１】
図４〜６に示す実施形態では、これらの構成部品は、金属材料、例えばステンレス鋼の単一の一体部片から機械加工されている。他の適切な材料には、粉末金属、金属合金、複合材料、または金属および複合材料の組合せを含むことができる。例示として与えられたこれらの材料は優れた性能をもたらすが、特別な用途の要件に応じて、支持部に他の材料を使用することは適切であり得る。枢動可能な剛体の、非可撓性アーム部分などのいくつかの構成部品は、剛体の非可撓性の全体的にＣ字形または全体的にＵ字形の構造から分離して製造し、後で図６に示すような全体的にＷ字形のまたは全体的にＭ字形の組み合わせた構造を画成するように接合することができる。
【００２２】
図７に示す実施形態では、装置１０ａが４つの個別の構成部品によって作られている。第１の構成部品は、装置１０ａの全体的にＣ字形のまたは全体的にＵ字形の部分を画成する複数の剛体の非可撓性部分を連結する剛体の非可撓性ウエブ３０ａを含む、剛体の非可撓性支持部１２ａを備える。少なくとも１つの一体蝶番３６ａ、３８ａが、各剛体のアーム部分と各対応する枢動可能な剛体の、非可撓性のアーム部分の枢動基台部分４６ａ、４８ａの間を延び、少なくとも１つの一体蝶番３２ａ、３４ａが、各枢動可能な剛体の、非可撓性のアーム部分の対応する枢動基台部分４６ａ、４８ａと剛体の、非可撓性の力伝達部材２６ａの間を延びる。第２および第３の構成部品は、固定具５０を使用して支持部１２ａの対応する基台４６ａ、４８ａに取り付けられた分離可能な、かつ枢動可能な剛体の、非可撓性のアーム部分１８ａ、２０ａである。第４の構成部品は、剛体の、非可撓性のウエブ３０ａと剛体の、非可撓性の力伝達部材２６ａの間に動作可能に係合されたアクチュエータ１４ａである。アクチュエータ１４ａの端部４２ａに対して相補的な表面を有する調整可能なシート付きの調整可能な支持部５４ａを設けることができる。調整可能なシート５２ａの相補的な表面は、アクチュエータ１４ａの電気的な作動に応答して剛体の、非可撓性の力伝達部材２６ａを駆動するために適切な位置にあるアクチュエータ１４ａを支持するように、平面または任意の形状とすることができる。
【００２３】
２００２年３月２７日出願の米国特許出願第１０／１０７９５１号明細書および２００３年７月３日出願の米国特許出願第１０／６１３１３８号明細書からのアクチュエータ構造の開示および動作は、本明細書にそれらの全体が参考として援用されている。２００３年４月４日出願の米国特許仮出願第６０／４６０６６６号明細書からの８パックマニホールドの開示は、本明細書にその全体が参考として援用されている。
本発明を現在最も実際的で好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は開示された実施形態に限定されるべきではなく、逆に、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に含まれる様々な改変や均等な構成も包含することを意図していることを理解されたい。特許請求の範囲は、法の下で許容される全てのそのような改変および均等な構成を包含するように最も広い解釈が認容されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によるマルチバルブマニホールドの分解図である。
【図２】本発明によるマルチバルブマニホールドの２方向動作を示す概略図である。
【図３】本発明によるマルチバルブマニホールドの３方向動作を示す概略図である。
【図４】電気的作動に応答して、少なくとも１つの表面を有する少なくとも１つの折り畳まれたアームを移動させるアクチュエータの斜視図であって、このアクチュエータアセンブリは本発明による支持部材および電気的アクチュエータを有する。
【図５】電気的アクチュエータが非作動状態である、図４のアクチュエータアセンブリの側面図である。
【図６】電気的アクチュエータが完全に作動状態にある、図４のアクチュエータアセンブリを誇張して示す側面図である。
【図７】支持部の剛体の、非可撓性部分に連結され、一体蝶番の位置から外側に延びる、機械的に取り付けられた枢動可能な相対的に剛体の、非可撓性アーム部分を有する、アクチュエータアセンブリの側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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