第一級先導閥的制作方法

專利名稱：第一級先導閥的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及可以在各種動態流體環境中操作的閥和閥結構。更 具體地，本發明涉及第一級壓力控制先導閥，其構造成向后續閥元件例如 壓力控制閥提供控制或引導壓力。
背景技術：
在各種公知的流體動態運行系統中，存在各種級別的閥系統，這些閥 系統通常包括第一級或先導閥，構造成向位于該先導閥下游的后續第二級 閥或閥系統提供輸出。先導閥的輸出通常是與輸入控制信號成比例的流體 控制壓力。出于一個或多個目的，例如指示第二級閥的運行性能，這種輸 出控制可以用于后續閥或閥系統中。例如，控制壓力可以用于操作主要或 過渡壓力控制閥，所述壓力控制閥構造成控制流動到各種致動元件例如液 壓致動器的壓力流體。
用于控制壓力相比于脈沖寬度調節電信號的調制比、或者相比于應用 到它們的電壓電平的電磁驅動先導閥是公知的。 一種傳統類型的先導閥包 括閥芯，閥芯移動裝配在閥體內，用于將閥入口可變聯接到閥出口。馬達， 例如電動轉子馬達，裝配在閥體上或閥體內，并且響應于電輸入控制信號， 所述信號致動馬達，用于在閥芯的一個端部施加可變壓力。閥出口壓力反 饋回閥芯的對立/相對端部。該壓力作用在閥芯的有效區域，產生與馬達對立的力。因此，先導閥出口控制壓力是馬g加的輸入力的函數，該輸入 力進而是作用在馬達上的輸入控制信號的大小的函數。
使用閥芯的傳統先導閥的一個問題在于，這些先導閥對閥芯的移動《艮 敏感，特別是在縮小尺寸以在微環境中運行的情況下。另外一個問題在于，
相對于移動的距離而言，閥芯的臺肩(land)僅能提供面積的突然變化。 換句話說，打開的孔口或口的直徑百分比決定了流量。這能由孔口或口的 面積變化速度與閥芯位移變化速度之比來表示，這是系統增益。傳統的閥 使用具有尖銳邊緣臺肩的閥芯，這極大地增加了整個系統的增益，因為變 化速度是突然的。
另外一種常規類型的先導閥可以稱之為瓣閥(flapper valve)。傳統的 瓣閥包括磁性力矩馬達(扭力馬達，torque motor)(使用磁體、線圏、 磁板和磁極部)，該力矩馬達構造成提供輸入控制信號以控制電樞的移動， 這進而在聯接到電樞的分離的擋^L/閥瓣(flapper)元件上造成移動。擋板 定位于具有阻力/才氐抗力相等的相等流體流量的對立噴嘴之間。供應的壓力 流體連續地流經兩個輸入孔口，穿過對立噴嘴，以及穿過排放孔口到達回 流(return)。響應于電樞的搖擺運動，使閥瓣移動，從而流經一個噴嘴 或另一個噴嘴的流體節流，由此改流到閥芯的兩個端部的其中一個。閥芯 在套筒或閥體的孔眼中滑動，所述閥體包括流體連接到供給壓力和回流的 口。處于零位時，閥芯在閥體中居中，剛好蓋住或關閉壓力口和回流口。 閥芯移動到一側或另 一側會使流體從壓力供應源流向一個控制口以及從另 一個控制口流向回流。這樣，形成了壓力差，造成閥芯移動以打開相應的 口，由此提供控制壓力輸出。
瓣閥還包括反饋系統，該反饋系統的形式為聯接到接合閥芯的擋板上 的彈簧。該彈簧構造成使得閥芯的移動使彈簧移動以在擋板并由此在電樞 上產生回復力矩。由于反饋力矩變得與馬達的力矩相等，驅使電樞和擋板 移回到中央位置。因此，閥芯的位置與馬達的輸入信號成比例。此外，由 于壓力恒定，流動載荷與閥芯位置成比例。
傳統瓣閥有幾個問題，特別是當縮小尺寸以用于微環境中時。首先，它們的靜態損失4艮大。事實上，當處于零位以及擋板停在噴嘴之間時，瓣 閥傾向于通過噴嘴泄漏大量的流體。這在宏觀或微環境中是事實。如果試 圖通過減小噴嘴孔口的尺寸來減小泄漏量，結果將會流量降低并由此降低 帶寬。盡管可以減小泄漏量，但輸出效率也降低。換句話說，大尺寸閥可 能效率更低，但它們提供更好的輸出。反之，小尺寸閥盡管可能效率更高， 但它們提供更小的輸出。為了在高頻下獲得驅動閥芯所必需的流體流量， 需要一定尺寸的孔口。但是，使用這樣一種適當尺寸的孔口，當系統處于 靜止時，噴嘴和擋板之間的間隙很大，系統會泄漏流體，因此造成閥的效 率不高。其次，將傳統瓣閥縮小到適于在微環境中運行的尺寸既困難又費 錢。微環境需要運行閥的大小為大約一百至幾百微米。將元部件和孔口加 工到與該尺寸相應是非常昂貴的。第三，縮小傳統瓣閥增加了它們對閥芯 移動的敏感性，因為移動閥芯所需要的距離顯著降低。第四，在期望的運 行參數下，縮小的瓣閥可能是不穩定的。事實上，為了恰當地服務后續閥， 先導閥的控制壓力必須穩定。當在高頻下運行時，尤其如此。如果傳統瓣 閥的尺寸減小太多，更有可能發生擾動，因為流體經過的孔口太小，以至 于不能處理所需要的性能。換句話說，如果縮小尺寸以在微環境中執行， 傳統瓣閥將對下游載荷(作用在先導閥的控制或輸出壓力上的載荷)擾動 并且不可靠地反應，因為相應的孔口沒有大到足以處理流體流動。對于本 領域技術人員而言，還可以認識到其它問題。

發明內容
考慮到現有技術固有的問題和不足，本發明尋求通過提供一種先導閥 解決這些問題，所述先導閥具有閥芯，所述閥芯設置有相對的過渡段，所
面積變化速度。本發明的先導閥特別適用于在小型或微環境中提供必要的 流量或分配流體以驅動后續閥元件并且降低泄漏，所有這些都使用較低的 動力。但是，在使用傳統閥芯或擋板構造的小型先導閥中獲得所必需的流 動會引起閥變得不穩定，原因如上所述。因此，閥芯上的過渡段用于使開/關轉換變化平緩并且降低增益，由此使閥穩定。調節增益是為了使閥穩定。 根據所實施以及這里寬泛描述的本發明，本發明提出了一種先導閥，
其構造成在動態流體系統中提供控制壓力，所述先導閥包括(a)閥體， 所述閥體具有入口、回流口、以及控制壓力口，所述控制壓力口與后續閥 元件流體連通；(b)軸孔，所述軸孔成形在所述閥體中并與所述入口、回 流口和控制壓力口中的每一個流體連通；(c)閥芯，所述閥芯可滑動地支 承在所述閥體的軸孔內，所述閥芯構造成控制流經所述入口、回流口和控 制壓力口的流體流量，并且在^皮移動時改變所述入口和壓力回流口 ( return pressure port)中至少其中一個的面積變化速度，由此對流經其中的流體 提供可變阻力，并降低所述先導閥的靜態(消耗)功率(quiescent power ); (d)移動裝置，所述移動裝置選擇性地使閥芯在所述軸孔內在所述入口、 回流口和控制壓力口附近移動，從而分配流經其中的流體，以向所述后續 閥元件提供期望的控制壓力。
所述先導閥還包括形成于閥體中并與控制壓力口流體連通的反饋口 ； 以及與該反饋口和閥芯的一部分流體連通的反饋通道，所述反饋通道構造 成在那里接收壓力流體，用以平衡馬達作用在閥芯上的力。
在一個示例性實施例中，閥芯包括細長本體，該本體至少部分地具 有臺肩，該臺肩構造成裝配在所述閥體的軸孔內部；沿著該細長本體的至 少一部分長度形成的頸部，該頸部具有減小的橫截面積，以便于流體流經 閥體以及所述入口、回流口和控制壓力口中的至少其中一個；以及在所述 臺肩和頸部之間延伸的過渡段，該過渡段構造成當所述閥芯在入口和壓力 回流口附近以及在閥芯通道內部移動時改變所述入口和壓力回流口中至少 其中一個的面積變化速度。
在一個示例性實施例中，用于移動閥芯的裝置包括力矩馬達，該力矩 馬達具有支撐在支撐結構上的轉子，該轉子構造成使搖臂圍繞支點樞轉； 以及從搖臂延伸的支柱，該支柱構造成與閥芯的第一端部接合，該支柱用 于當力矩馬達致動時在軸孔內移動閥芯。
本發明還涉及一種先導閥，其包括(a)閥體，所述閥體具有入口、回流口、以及控制壓力口，所述控制壓力口與后續閥元件流體連通；(b) 軸孔，所述軸孔成形于所述閥體中并與所述入口、回流口和控制壓力口中 的每一個流體連通；(c)閥芯，所述閥芯可滑動地支承在所述閥體的軸孔 內，包括分別在第一和第二臺肩與頸部之間延伸的第一和第二過渡段，所 述閥芯構造成控制流經所述入口、回流口和控制壓力口的流體流量，并且 當所述第 一和第二過渡段分別在其附近,皮拖曳時改變所述入口和壓力回流 口中至少其中一個的面積變化速度，所述過渡段用于對流經所述入口和回 流口的流體提供可變阻力，并降低所述先導閥的靜態功率；以及(d)馬達， 該馬達具有支柱，該支柱構造成當馬達致動時選擇性地移動所述閥芯。
本發明還涉及一種動態流體系統，包括(a)先導閥，所述先導閥用 作第一級閥以提供控制壓力，所述先導閥包括(i)可滑動地支承在所述閥 體的軸《L內的閥芯，所述閥芯構造成控制流經入口、回流口和控制壓力口 的流體流量，并且當所述閥芯被移動時改變所述入口和壓力回流口中至少 其中一個的面積變化速度，由此對流經其中的流體提供可變阻力，并降低 所述先導閥的靜態功率；(ii)力矩馬達，所述力矩馬達構造成可與先導閥 一起操作，并且使閥芯在所述軸孔內在所述入口、回流口和控制壓力口附 近移動，從而分配流經其中的流體，以提供期望的控制壓力；(b)第一壓 力控制閥，所述第一壓力控制閥具有與所述控制壓力口流體連通的入口以 便接收控制壓力，所述壓力控制閥用于調節所述動態流體系統內的流體流 量和壓力；以及(c)與所述第一壓力控制閥流體連通并且可與所述第一壓 力控制閥 一起操作來移動負載的致動器。
本發明另外還涉及一種在動態流體系統內提供控制壓力的方法，該方 法包括(a)提供一種先導閥，所述先導閥構造成在動態流體系統內操作， 其中，所述先導閥包括與這里描述的那些元件類似的元件；(b)通過所述 入口和回流口分配流體，從而通過所述控制壓力口提供期望的控制壓力； 以及(c)當所述閥芯移動時改變所述入口和回流口的面積變化速度，以便 對流經其中的流體提供可變阻力。


結合附圖，從下面的描述和所附權利要求可以更清楚地理解本發明。 考慮到這些附圖僅僅描述了本發明的示例性實施例，因此，它們不應被看 作對保護范圍的限制。容易理解， 一般描述和在這些圖中示意的本發明的 元件可以布置和設計成各種不同的構型。盡管如此，通過使用附圖，還是
更加具體和詳細地描述和解釋了本發明。附圖中
圖1顯示了根據本發明的第一示例性實施例的第一級先導閥的透視
圖2顯示了才艮據一個示例性實施例的圖1中的本發明先導閥的示意，
其中，馬達提供馬達力矩，從而將先導閥置于平衡狀態；
圖3顯示了4艮據一個示例性實施例的圖l中的本發明先導閥的示意， 其中，通過增加輸入信號增加馬達的馬達力矩，從而使轉子和搖臂圍繞支 點沿逆時針方向樞轉，以便打開入口并增加控制壓力；
圖4顯示了才艮據一個示例性實施例的圖1中的本發明先導閥的示意， 其中，通過減小輸入信號降低馬達的馬達力矩，從而使轉子和搖臂圍繞支 點沿逆時針方向樞轉，以便打開回流口并降低控制壓力；
圖5顯示了示例性閥芯的示例性過渡段的詳圖，以及當(閥芯)在那 附近移動時與壓力入口的關系；
圖6-A顯示了才艮據本發明另一示例性實施例的具有對立/相對的第一和 第二過渡段的示例性閥芯；
圖6-B顯示了根據本發明另一示例性實施例的具有對立的第一和第二 過渡段的示例性閥芯；
圖6-C顯示了根據本發明另一示例性實施例的具有對立的第一和第二 過渡段的示例性閥芯；
圖6-D顯示了根據本發明另一示例性實施例的具有對立的第一和第二 過渡段的示例性閥芯；以及
圖7顯示了包含根據本發明的示例性先導閥的流體控制系統。
具體實施例方式
本發明的示例性實施例的下述詳細描述參照了附圖，附圖作為描述的 一部分并且示意顯示了可以實施的本發明的示例性實施例。盡管這些示例 性實施例詳細描述到本領域技術人員足以實施本發明，應該理解，在不脫 離本發明的精神和范圍的情況下，可以實現本發明的其它實施例以及對本
發明進行各種改變。因此，圖1至圖7所示的本發明的實施例的下述詳細 描述不是用于限制權利要求所述的本發明的范圍，而是僅為了描述的目的， 不是限制描述本發明的特點和特征，而是提出本發明的最佳運行模式，足 以使本領域技術人員能夠實施本發明。相應地，本發明的范圍應當是由所 附權利要求單獨限定。
參照附圖，能對本發明的下述詳細描述和示例性實施例有更好的理解， 其中，本發明的元件和特征始終用附圖標記指代。
首先，這里所用的短語"微環境"或"微小環境"、或者"微流體控 制系統，，應該理解成在該種環境中操作的元件適于用微米測量的環境。例 如，」微環境可以包括具有直徑在100和1000孩支米之間的流體流道、孔、口
以及/或者管線的閥元件。
本發明描述了一種向流體控制系統、特別是^f敫流體控制系統中的后續 閥元件提供控制壓力的方法和系統。本發明相比于現有的相關先導閥具有 幾個明顯的優點，它們在接下來的更詳細描述中敘述。參照附圖，根據詳 細描述，所述的每項優點都會顯而易見。這些優點在任何情況下都不意味 著限制。事實上，本領域技術人員通過實施本發明，在那些具體敘述的優 點之外還可以實現其它優點。
參考圖1,顯示了根據本發明的第一示例性實施例的第一級先導閥的
透視圖。具體而言，圖1顯示了先導閥10，其包括以選擇性方式移動閥芯
卯的裝置。這種移動裝置包括能造成閥芯卯以預期方式移動的任意可致
動系統、設備或4幾構。在所示示例性實施例中，移動裝置包括馬達14,更 具體地，是指本領域^^知的力矩馬達。力矩馬達14包括構造成支撐轉子 22和搖臂26的支撐結構18，該搖臂還包括從那里延伸出的支柱34，該支柱34構造成與閥芯卯的端部接合。由于搖臂26的旋轉運動，在支柱34 與閥芯90端部的機械界面處發生少量的滑移，支柱34用于使閥芯進行線 性運動。
一旦馬達14致動，則產生馬達力矩并且引起轉子22旋轉，由此造成 搖臂26圍繞支點30樞轉。搖臂26沿給定方向的旋轉造成支柱34也旋轉， 由于支柱34與閥芯90的相互作用，這進而造成閥芯卯的線性移動。可以 根據閥芯90的期望移動方向選擇性地致動馬達14,從而造成搖臂26圍繞 支點30沿順時針和逆時針方向旋轉。
這里也考慮了用來移動閥芯卯的其它裝置。例如，移動裝置可包括各 種其它馬達類型或致動器。因此，對力矩馬達14的描述無論如何不應解釋 為限制。
先導閥10還包括可操作地設置且與馬達14相關的閥體50,從而使搖 臂26的支柱34與可操作地支撐于閥體50內部的閥芯卯接合或聯接。閥 體50包括在閥體50內縱向形成的軸孔54，該軸孔54構造成容納閥芯卯 并且促進其在軸孔內雙向移動。閥體50還包括加壓入口 58、加壓回流口 62、可能加壓，也可能不加壓的控制壓力口 66、以及反饋口 70,根據閥芯 卯的位置不同，各自構造成相互之間以及與軸孔54之間流體連通。
先導閥10用作壓力控制閥，向流體控制系統中的后續閥元件(未示出， 但在圖7中可見)、例如構造成致動啟動器的后續壓力控制閥提供控制壓 力。當使閥芯90選擇性地移動，并且容許壓力流體從入口 58流經閥體50 并從回流口 62流出時，系統內的控制壓力改變，該控制壓力通過控制壓力 口 66和在兩者之間延伸的任意流體管線供應到后續閥元件，所述流體管線 用于將先導閥IO流體聯接到所述后續閥元件上。在任意給定的時間，系統 中的控制壓力由流經閥體50和控制壓力口 66的流體支配/控制。
如圖所示，先導閥10還包括閥芯卯。閥芯90可滑動地支承在閥體50 的軸孔54內，并構造成控制流經入口 58、回流口 62、控制壓力口66、以 及反饋口 70的流體流量。更具體地，使閥芯90分別在閥體50的軸孔54 內在入口 58、回流口 62、控制壓力口 66、以及反饋口 70的附近移動，從而分配流經其中的流體，以向后續閥元件提供期望的控制壓力。可以通過
選擇性地操縱閥芯90的位置來控制流經閥體50以及形成于其中的各個口 的壓力流體的流量，從而改變控制壓力。
與本領域中現有的相關先導閥不同，本發明的先導閥10由于能為孩支流 體控制系統中的微閥元件提供穩定的控制壓力，從而在微環境中運行良好。 盡管這里討論的本發明的先導閥的概念可以應用到宏觀流體控制系統，但 它們特別適用于微流體控制系統。事實上，本發明的先導閥IO能用作微流 體控制系統中的微先導閥，因為它能在明顯降低的靜態功率下運行。如上 所述，現有的相關先導閥的設計和構造不能縮小尺寸從而在微流體系統中 運行，因為它們將會很快地變得不穩定。另一方面，由于其設計有助于使 流經閥體上成形的各個微(小)口的流體穩態分配，從而使先導閥保持穩 定，因此本發明的先導閥能在微流體系統中運行。在示例性的微環境中， 閥體的軸孔直徑可以為200微米，閥芯的尺寸略小于該尺寸，從而閥芯能 在軸孔內滑動設置。
這種能在微環境或微流體控制系統中運行的能力是由于岡芯90的獨 特構造。與現有的相關閥和閥芯不同，本發明包括閥芯卯，該閥芯構造成 在移動后分別改變入口 58和回流口 62中至少其中一個的面積變化速度， 由此對流經其中的流體提供可變阻力，并且降低先導閥IO的靜態功率。換 句話說，閥芯90的構造用于降低增益。因此，流體能有效地流經小橫截面 積的口，而不會使先導閥10變得不穩定。通過引導更少的流體去獲得所需 要的控制，先導閥10更有效率，并且，通過改變各個口的面積變化速度， 實現了穩定性。此外，與現有的相關閥相比，先導閥IO的泄漏顯著降低。
參考圖1_4，示例性閥芯90包括第一端部94、第二端部98、第一臺肩 102、第二臺肩104、以及頸部106。閥芯卯還包括在第一臺肩102和頸部 106之間延伸的第一過渡段110,以及在第二臺肩104和頸部106之間延伸 的第二過渡段114。第一和第二過渡段110、 114的這種構造使得閥芯90 能改變入口和回流口 58、 62的面積變化速度，由此在微環境中起作用以通 過 制壓力口 66向后續閥元件提供控制壓力。在示例性的實施例中，過渡段包括從閥芯卯的縱軸測量為10°和30。之間的總的斜面，但是，也可 以包括其它斜面。
本發明解決了通過簡單縮小現有的相關先導閥從而用于微環境或微流 體控制系統的問題，其中簡單縮小能導致明顯的泄漏以及高的增益。有利 地，與筒單縮小它們的宏觀對應物/等同物版本的現有相關閥相比，本發明
的先導閥10提供了更小的泄漏和更低的增益。通過簡單縮小現有的相關先 導閥時，由于必須顯著降低流經閥的流量從而避免擾動閥，從而失去了帶 寬。盡管減少流體可以造成泄漏減少，但輸出效率也會降低。
閥芯卯的構造提供了從正向負轉換的平緩變化。換句話說，閱芯90 的構造提供了在某些穩定狀態下控制后續閥元件的控制壓力輸出變化的細 微轉換。這與縮小h-型閥芯不同，在h-型閥芯中，尖銳邊緣用于打開或關 閉口，輸出的變化是突然的。先導閥的靈敏度可以根據口的直徑與流經其 中的流體流量之比來描述。當降低直徑來獲得微環境中的功能性時，從零 流量至全流量轉換所需的距離變得更小，直到即便閥芯的輕微移動也顯得 突然。為了解決這些問題，本發明的先導閥IO通過改變閥芯卯的輪廓降 低增益。取代包括尖銳邊緣或表面的臺肩，閥芯90包括對立的過渡段IIO 和114。在圖l-4所示的示例性實施例中，閥芯卯包括圓形截面，其中， 第一和第二過渡段110和114具有線性的錐形/漸縮構造。簡而言之，本發 明的先導閥10可以描述為閥芯，該閥芯被修正來滿足微運行環境中的泄漏 和增益目的，這些目的稱之為低泄漏、低增益。
閥芯90的過渡段110、 114可以包括其它構型，例如其它線性構型、 非線性構型、或這些構型的組合。此外，先導閥IO可以構造成在如上所述 的微環境或宏觀環境中運行。在微環境中，閥芯90通常包括適于以微米計 的橫截面尺寸。例如，閥芯90可包括圓形的圓周構造，其直徑在100和 1000孩i米之間。
先導閥IO還包括反饋系統。在所示實施例中，反饋系統包括反饋通道 80,構造為與閥體50上成形的反饋口 70流體連通的流體反饋通道。反饋 通道80包括與閥體50上成形的反饋口 70流體連通的第一端部82,以及與軸孔54和閥芯90的第二端部98流體連通的第二端部84。反饋通道80 構造成在那里接收壓力流體并作用在閥芯卯上，并向著馬達14的支柱34 方向推動閥芯以關閉入口 58。更具體地，當閥體50內的壓力增加時，反 饋通道80接收壓力流體并作用在閥芯90上，使其沿著與馬達14的支柱 34推壓的方向相反的方向移動，或者，換句話說，推動搖臂26沿著相反 的方向圍繞支點30旋轉，或者，平衡馬達施加在閥芯90上的力。因此， 反饋通道80用于對抗馬達14引起的作用在閥芯90上的力。反饋系統用于 在支柱34、以及搖臂26和馬達14的轉子22上形成回復力矩。當反饋力 矩變得與馬達14引起的輸入力矩相等時，搖臂26和支柱34被推壓回靜止 位置。因此，造成閥體50內閥芯卯的位置與馬達14的輸入信號成比例。
具體參考圖2，顯示了根據一個示例性實施例的圖1中的本發明先導 閥的示意，其中，馬達14提供馬達力矩，從而將先導閥IO設置在平衡狀 態。在這種狀態下，先導閥IO處于平衡位置，入口 58和回流口 62的打開 程度基本相同，從而流經其中的流體相當。由于閥芯卯處于該位置，先導 閥IO通過控制壓力口 66提供的控制壓力大約是流經入口 58的流體壓力或 供應壓力的一半。這由與控制壓力口 66流體連通的計量器顯示，其讀數為 低壓和高壓的中間值。
相對而言，岡芯90設置在平衡位置，從而，入口 58和回流口 62都部 分打開，壓力流體能流經這些口以及控制壓力口 66。壓力流體的流入由流 經回流口 62的所述壓力流體的一部分的流出量部分抵消。由于流體以這種 方式通過閥體50分配，先導閥IO供應給后續閥元件的控制壓力沒有回流 口 62完全關閉時那么高，也沒有回流口 62完全打開時那么低。
先導閥10中的壓力流體還流經閥體50，通過反饋口 70并流入反饋通 道80，在那里接觸閥芯卯的第二端部98。在這種情況下，馬達14在閥芯 90的第一端部94上施加馬達力矩，反饋通道80作用在閥芯90的第二端 部98上的反饋力平衡成將閥芯卯定位在所示位置。
具體參考圖3，顯示了根據一個示例性實施例的圖1中的本發明先導 閥的示意，其中，通過增加輸入信號增加馬達14的馬達力矩，從而造成轉子22和搖臂26圍繞支點30沿逆時針方向樞轉。由于轉子22和搖臂26 旋轉，從搖臂26向下延伸并與閥芯卯的第一端部94接合的支柱34也旋 轉。換句話說，圖3顯示了馬達14的致動造成閥芯90沿著打開入口 58 和關閉回流口的方向移動。事實上，支柱34的旋轉有效地引起了閥芯卯 在閥體50中成形的軸孔54內線性移動，該線性移動打開入口 58,同時關 閉回流口 62。
增加馬達14上的輸入信號以增加馬達力矩，由此更完全地打開入口 58，造成先導閥IO通過控制壓力口 66提供的控制壓力相應增加。這由與 控制壓力口 66流體連通的計量器描述，該計量器的讀數在高壓范圍內。由 于馬達力矩增加，轉子22圍繞支點30樞轉，引起搖臂26和支柱34也旋 轉。這造成閥芯90在所述閥體50的軸孔54內移動，從而增加入口 58的 開啟程度/開度并減小回流口 62的開啟程度。由于入口 58打開，回流口 62 關閉，控制壓力逐漸增加，直到所述控制壓力達到最大壓力，此時，入口 58完全打開，回流口62完全關閉。
而且，當控制壓力增加時，反饋通道80中的反饋壓力也增加，由此在 閥芯90的第二端部98上施加負的反饋力。馬達力和作用在閥芯卯上的反 饋力之間的任何差異或誤差將會使閥芯90移動，直到兩個力平衡或相等。 換句話說，反饋壓力用于推動閥芯卯以關閉入口 58。因此，如上所述， 控制壓力與馬達力矩成比例。
具體參考圖4，顯示了根據一個示例性實施例的圖1中的本發明先導 閥的示意，其中，通過減小輸入信號來降低馬達14的馬達力矩，從而引起 轉子22和搖臂26圍繞支點30沿逆時針方向樞轉。由于使轉子22和搖臂 26旋轉，驅使從搖臂26向下延伸并聯接到閥芯卯的第一端部94的支柱 34也旋轉。換句話說，圖4描述了馬達14的致動造成閥芯卯沿著關閉入 口 58和打開回流口 62的方向移動。事實上，支柱34的旋轉有效地引起閥 芯90在閥體50中形成的軸孔54內線性移動，這一線性移動關閉入口 58， 同時打開回流口 62。
降低馬達14的輸入信號以降低逆時針馬達力矩造成了先導閥10通過
17控制壓力口 66供應的控制壓力相應降低。這由與控制壓力口 66流體連通 的計量器顯示，其讀數在低壓范圍內。由于馬達力矩降低，轉子22圍繞支 點30沿順時針方向樞轉，引起搖臂26和支柱34也順時針旋轉。這引起閥 芯卯在閥體50的軸孔54內如上所述移動，由此降低入口 58的打開程度 并增加回流口 62的打開程度。由于入口 58關閉和回流口 62打開，控制壓 力逐漸降低，直到控制壓力達到最小或零壓力，此時，入口58完全關閉， 回流口 62完全打開。
隨著控制壓力降低，反>^貴通道80中的反饋壓力也降低，從而在閥芯 卯的第二端部98上作用的負反饋力更小。另外，馬達力和作用在閥芯90 上的反饋力之間的任何差異或誤差將趨向于移動閥芯90，直到兩個力平衡 或相等。馬達力矩降低得越多，作用在閥芯卯上的反饋壓力越小。此外， 對于所有位置的閥芯卯，控制壓力與馬達力矩成比例。
參考圖5，顯示了閥芯90的一部分的詳圖，以及其在移動時與壓力入 口58的關系。可以看出，閥芯卯包括過渡段14，該過渡段構造成改變閥 體50的軸孔54內的閥芯卯沿著某一方向移動單位長度時入口 58的面積 或開啟程度/開度的改變速度。顯示為具有線性錐形構造以及圓形橫截面的 過渡段114在閥芯卯的臺肩104和頸部106之間延伸。在關閉入口 58的 位置，閥芯90位于入口 58的開口的附近，從而臺肩104蓋住開口，在開 口附近沒有過渡段114或頸部106的部分。當選擇性地增加馬達力矩并選 擇性地移動閥芯卯時，過渡段114根據馬達的輸入在入口 58的開口附近 移動一段距離。可以進一步增加馬達力矩，從而完全移動閥芯卯并打開入 口 58。因此，閥芯90相對于入口和回流口的移動是選擇性的和可變的。
當閥芯卯移動并且當過渡段114在入口 58的開口附近移動時，入口 的面積，更具體地是入口 58的面積改變。這種面積改變或者AA在圖5 中用附圖標記dA表示。閥芯卯的單位移動的變化用附圖標記dX表示。 因此，閥芯卯的每一單位移動時入口 58的面積變化速度可以表示為 dA/dX，或者稱系統增益，其決定了流經入口 58的壓力流體的流量。
通過在閥芯卯上提供過渡段114,本發明先導閥10用于改變入口 58的面積變化速度，或者，換句話說，改變速率dA/dX或系統增益。當過渡 段114在入口 58的開口附近移動時，由于過渡段114的錐形構造，面積變 化速度是改變的。這種面積變化速度的改變有效地用于抵抗流經入口 58 的壓力流體的流動。因此，過渡段114可以被當做可變阻滯器(流阻器， resistor)。與過渡段114相對設置的過渡段(未示出)對回流口 (未示出) 提供了類似的功能。從根本上來說，閥芯90通過其可變移動位置以及所導 致的相應口開口尺寸的可變變化對流體提供可變阻力。這種對流體的阻力 變化進一步用于變化或改變導出控制壓力口 66的控制壓力。
有利地，由于其設計，所述閥芯不像尖銳邊緣伺服閥、也不類似尖銳 邊緣祠服閥那樣起作用，而是更類似一種可變阻滯器。其邊緣更平緩(soft), 而現有的相關伺服閥具有從臺肩延伸的突變邊緣。邊緣的平緩變化在微環 境中是特別有用的，因為在微環境中穩定性是主要的考慮因素。在使用h-型閥芯的現有的相關先導閥中，特別是那種縮小的先導閥，由于即使閥芯 的細小移動也會引起極大反應的事實，這將是不穩定的。通過在閥芯上提 供過渡段，本發明的先導閥相對于現有的相關先導閥具有更小的靜態功率， 因為從正到負的轉換平緩變化并且使用更少的流體。
現有的相關先導閥的另一個問題在于，即使是那些擋板型的閥，要提 供足夠大的孔口或口來實現足夠的流體流動、同時提供可工作的微先導閥 也是困難的。事實上，小的孔口或口 (以微米計的那些)難以在閥體上形 成，并且難以使其與擋板或閥芯一起操作。顯然，閥中的口或孔口的尺寸 越小，其為后續閥元件提供服務的性能越低。而且，為了恰當地服務后續 岡元件，先導閥必須穩定地操作。換句話說，輸出不僅是、而且必須是用 于下一個閥的控制壓力，而且還必須穩定。當先導閥服務或控制的后續閥 元件高頻操作時，所述先導閥如果尺寸減小太多以及構造不恰當，則可能 因為通過該過小孔口的流動而發生擾動。不像現有的相關先導閥 一一它們 是宏觀等同物的縮小版，而且擾動和反作用不可靠地作用在下游載荷(作 用在先導閥的控制或輸出壓力的載荷)上，因為它們的過小的孔口不能處 理流體的流動，本發明的先導閥提供了能在微操作環境中降低增益、減小靜態功率、穩定流體流動、以及減小泄漏的所有優點。這些優點是閥芯卯 上提供的過渡段實現的。
應該注意，并且對于本領域技術人員而言，這也是顯而易見的，即，
似，并且以相似的方式操作和運行來改變入口 62的面積變化速度。因此， 該過渡段的細節在這里不再詳細討論。
參考圖6-A—6-D，顯示了根據本發明的其它示例性實施例的各種構造 閥芯的幾幅側視圖。具體而言，圖6-A顯示了閥芯90,包括第一和第二臺 肩102、 104、頸部106、以及分別在第一和第二臺肩102、 104與頸部106 之間延伸的第一和第二過渡段IIO、 114。在該具體實施例中，過渡段IIO 和114包括非線性或彎曲構造。
圖6-B顯示了閥芯卯，其包括第一和第二臺肩102、 104、頸部106、 分別在第一和第二臺肩102、104與頸部106之間延伸的第一和第二過渡段 110、 114。在該具體實施例中，過渡段IIO、 114包括一系列的線性臺階或 突出部分。
圖6-C顯示了閥芯卯，其包括第一和第二臺肩102、 104、頸部106、 分別在第一和第二臺肩102、104與頸部106之間延伸的第一和第二過渡段 110、 114。在該具體實施例中，過渡段IIO、 114包括成形在一起的一系列 非線性凹、凸彎曲部分。
圖6-D顯示了閥芯90，其包括第一和第二臺肩102、 104、頸部106、 分別在第一和第二臺肩102、104與頸部106之間延伸的第一和第二過渡段 110、 114。在該具體實施例中，過渡段IIO、 114包括成形在一起的線性和 非線性部分的組合。
參考圖7,顯示了根據本發明一個示例性實施例的流體控制系統，其 中，所述流體控制系統使用根據本發明教導和要求保護的第 一級先導閥。 如圖所示，所述流體控制系統包括如上所述的第一級先導閥10。先導閥10 與顯示為壓力控制閥150的后續或第二級閥元件流體連通，該壓力控制閥 構造為雙獨立閥芯壓力控制閥，例如在授予Jacobsen等人的美國專利No.7，308，848和No. 7,284,471中描述和要求保護的那些閥。更具體地，先導閥 10包括控制壓力口 70,其與壓力控制閥150內成形的引導腔154通過流體 管線140流體連通。先導閥10的控制壓力口 70的壓力用于設定作用于壓 力控制閥150內的各個閥芯上的引導腔154內的引導壓力，該引導壓力促 ii^力控制閥150內的閥芯的控制。
壓力控制閥150可以構造成執行一項或多項主動和/或^f皮動功能，例如 驅動或致動載荷/負載210,其中，壓力控制閥150包括雙獨立閥芯160、 170以及組合的固有壓力反饋系統。所述壓力控制閥150設計成調節流體 流動，更重要的是調節伺服型系統內的壓力，即，在控制或引導壓力與載 荷210或由聯接到載荷210的致動器180引起的載荷壓力之間的壓力，其 中，致動器180構造成將接收到的壓力轉換成驅動載荷210的力，并且響 應于作用在載荷210上的外部力反之亦然。致動器180與壓力控制閥150 通過流體管線174流體連通。
使用上面描述且在圖7中顯示的各種元件的流體控制系統的一種特殊 示例是機器人系統，其中，先導閥構造成向第二級閥元件，例如壓力控制 閥供應輸入信號或控制壓力，所述第二級閥元件用于控制各種驅動相應的 致動器活塞的致動器，所述致動器活塞驅動聯接到其上的腱，所述腱用于 轉動滑輪以移動機器人的肢。供應給先導閥的輸入信號將設定壓力控制閥 內的壓力，并由此設定作用于驅動所述腱以致動滑輪的致動器活塞上的力。
上面的詳細說明參考具體示例性實施例描述了本發明。但是，應該意 識到，在不脫離所附權利要求提出的本發明的范圍的情況下，可以進行各 種修正和改變。詳細說明和附圖應該理解成僅僅是示意性的，而不是限制 性的，并且，如果有的話，所有的這種修正或改變都將落入這里已經描述 和提出的本發明的范圍之內。
更具體地，盡管這里已經描述了本發明的說明性示例實施例，本發明 不限于這些實施例，而是包括了本領域技術人員在前述詳細描述的基礎上 將會預計到的進行了修正、省略、結合(例如，不同實施例的各方面的結 合)、適應性修改和/或變型的任意以及所有的實施例。權利要求的限定應根據權利要求采用的語言寬泛地解釋，而不是局限于在前述詳細描述或本申請的實施過程中描述的示例，所述示例應解釋為非排他性的。例如，在本說明書中，術語"優選"是非排他性的，其含義指代"優選，但不限于"。在任意方法或過程/工藝權利要求中記載的任意步驟可以按任意順序進行，而不限于權利要求中提出的順序。裝置+功能或步驟+功能限制將僅用于特
定的權利要求的限制，在那種限制中，具有下列所有條件a)"用于…的裝置，，或"用于…的步驟"是明確記載的；以及b)相應的功能是明確記載的。支持所述裝置+功能的結構、材料或作用在這里的描述中被明確地記載。相應地，本發明的范圍僅由所附權利要求和它們的合法等同物確定，而不是由上面給出的描述和示例來確定。請求保護并且期望專利證書保護的是
權利要求
1.一種先導閥，所述先導閥構造成向動態流體系統中的后續閥元件提供控制壓力，所述先導閥包括閥體，所述閥體具有入口、回流口、以及控制壓力口，所述控制壓力口與所述后續閥元件流體連通；軸孔，所述軸孔成形在所述閥體中并與所述入口、回流口和控制壓力口中的每一個流體連通；閥芯，所述閥芯可滑動地支承在所述閥體的所述軸孔內，所述閥芯適于控制流經所述入口、回流口和控制壓力口的流體流量，并且在被移動時改變所述入口和壓力回流口中的至少一個的面積變化速度，由此為流經其中的流體提供可變阻力，并降低所述先導閥的靜態功率；移動裝置，所述移動裝置選擇性地使所述閥芯在所述軸孔內所述入口、回流口和控制壓力口附近移動，從而分配流經其中的流體，以向所述后續閥元件提供期望的控制壓力。
2. 如權利要求l所述的先導閥，其特征在于，所述先導閥包括 細長本體，所述細長本體至少在部分上具有臺肩，所述臺肩構造成裝配在所述閥體的所述軸孔內部；沿著所述細長本體的至少一部分長度成形的頸部，所述頸部具有減小 的橫截面積，以便于流體流經所述閥體以及所述入口、回流口和控制壓力 口中的至少一個；在所述臺肩和所述頸部之間延伸的過渡段，所述過渡段構造成當所述 閥芯在所述入口和壓力回流口附近以及在所述閥芯通道內部移動時改變所 述入口和壓力回流口中至少一個的面積變化速度。
3. 如權利要求2所述的先導閥，其特征在于所述過渡段包括線性 的錐形構型。
4. 如權利要求2所述的先導閥，其特征在于所述過渡段選自線性 構型、非線性構型、以及所述線性和非線性構型的組合。
5. 如權利要求1所述的先導閥，還包括反饋系統，所述反饋系統包括成形于所述閥體中并與所述控制壓力口流體連通的反饋口；以及 與所述反饋口和所述閥芯的一部分流體連通的反饋通道，所述反饋通道構造成在其中接收壓力流體以作用于所述閥芯并且沿平衡作用在所述閥芯上的力的方向推動所述閥芯。
6. 如權利要求l所述的先導閥，其特征在于所述閥體、所述閥芯 和所述移動裝置都構造成可在微環境內操作。
7. 如權利要求l所述的先導閥，其特征在于所述閥芯包括圓形的 圓周構造，其直徑在100和1000微米之間，可以裝配在適當尺寸的所述閥 體內。
8. 如權利要求l所述的先導閥，其特征在于所述閥芯包括圓形橫 截面。
9. 如權利要求l所述的先導閥，其特征在于用于移動所述閥芯的 移動裝置包括力矩馬達，該力矩馬達具有支撐在支撐結構上的轉子，所述轉子構造 成使搖臂圍繞支點樞轉；以及從所述搖臂延伸的支柱，該支柱構造成與所述岡芯的第一端部接合， 所述支柱用于在所述力矩馬達致動時在所述軸孔內移動所述閥芯。
10. —種先導閥，包括閥體，所述閥體具有入口、回流口、以及控制壓力口，所述控制壓力 口與后續閥元件流體連通；軸孔，所述軸孔成形于所述閥體中并與所述入口、回流口和控制壓力 口中的每一個流體連通；閥芯，所述閥芯可滑動地支承在所述閥體的所述軸孔內，包括分別在 第一和第二臺肩與頸部之間延伸的第一和第二過渡段，所述閥芯構造成控制流經所述入口、回流口和控制壓力口的流體流量，并且當所述第一和第 二過渡段分別在那附近被拉動時改變所述入口和壓力回流口中的至少一個的面積變化速度，所述過渡段用于對流經所述入口和回流口的流體提供可變阻力，并降低所述先導閥的靜態功率；以及馬達，所述馬達具有支柱，所述支柱構造成當所述馬達致動時選擇性 地移動所述閥芯。
11. 一種動態流體系統，包^r:第一級先導閥，所述第一級先導閥用作第一級閥以提供控制壓力，所 述先導閥包括閥芯，所述閥芯可滑動地支承在閥體的軸孔內，所述閥芯適于調 節流經入口、回流口和控制壓力口的流體流量，并且在所述閥芯被移 動時改變所述入口和壓力回流口中的至少一個的面積變化速度，由此 為流經其中的流體提供可變阻力，并降低所述先導閥的靜態功率；移動裝置，所述移動裝置使所述閥芯在所述軸孔內所述入口、回 流口和控制壓力口附近移動，從而分配流經其中的流體，以提供期望 的控制壓力；以及第二級閥元件，所述第二級閥元件與所述控制壓力口流體連通以接收 所述控制壓力，所述第二級閥元件用于調節所述動態流體系統內的流體流 動和壓力。
12. 如權利要求11所述的系統，還包括與所述第二級閥元件流體連 通的致動器，所述致動器可與所述第二級閥元件一起操作來移動負載。
13. 如權利要求11所述的系統，還包括由所述第一壓力控制閥控制 并且可與所述第 一壓力控制閥 一起操作的第二壓力控制閥。
14. 一種用于在動態流體系統內提供控制壓力的方法，所述方法包括提供一種先導閥，所述先導閥構造成在所述動態流體系統內操作，所 述先導閥包括閥體，所述閥體具有成形在所述閥體中的軸孔、入口、回流口和 控制壓力口；設置在所述軸孔內的閥芯，所述閥芯具有臺肩、頸部、以及在所述臺肩和所述頸部之間延伸的過渡段；分配流經所述入口和回流口的流體，從而通過所述控制壓力口提供期 望的控制壓力；以及當所述閥芯移動時改變所述入口和回流口的面積變化速度，以便對流 經其中的流體提供可變阻力。
15. 如權利要求14所述的方法，還包括提供反饋系統，所述反饋系 統構造成作用于所述閥芯并且沿著關閉所述入口的方向推動所述閥芯。
16. 如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述反饋系統包括 成形于所述閥體中并與所述控制壓力口流體連通的反饋口 ；以及 與所述反饋口和所述閥芯的一部分流體連通的反饋通道，所述反饋通道構造成在其中接收壓力流體以作用于所述閥芯并且沿平衡所述馬達作用 在所述閥芯上的力的方向推動所述閥芯。
17. 如權利要求14所述的方法，其特征在于，所述先導閥包括 閥體，所述閥體具有入口、回流口、以及控制壓力口，所述控制壓力口與后續閥元件流體連通；軸孔，所述軸孔成形在所述閥體中并與所述入口、回流口和控制壓力 口中的每一個流體連通；閥芯，所述閥芯可滑動地支承在所述閥體的所述軸孔內，所述閥芯構 造成控制流經所述入口、回流口和控制壓力口的流體流量，并且在,皮移動 時改變所述入口和壓力回流口中的至少 一 個的面積變化速度；移動裝置，所述移動裝置選擇性地使所述閥芯在所述軸孔內所述入口 、 回流口和控制壓力口附近移動，從而改變所述控制壓力。
18. 如權利要求14所述的方法，其特征在于所述改變包括在所述 入口和回流口中的至少 一個附近拉動所述閥芯的所述過渡段。
全文摘要
本發明涉及一種先導閥，所述先導閥構造成在動態流體系統中提供控制壓力，所述先導閥包括(a)閥體，所述閥體具有入口、回流口、以及控制壓力口，所述控制壓力口與后續閥元件流體連通；(b)軸孔，所述軸孔成形在所述閥體中并與所述入口、回流口和控制壓力口中的每一個流體連通；(c)閥芯，所述閥芯可滑動地支承在所述閥體的所述軸孔內，所述閥芯構造成控制流經所述入口、回流口和控制壓力口的流體流量，并且在被移動時改變所述入口和壓力回流口中至少其中一個的面積變化速度，由此對流經其中的流體提供可變阻力，并降低所述先導閥的靜態功率；(d)移動裝置，所述移動裝置選擇性地使閥芯在所述軸孔內、在所述入口、回流口和控制壓力口附近移動，從而分配流經其中的流體，以向后續閥元件提供期望的控制壓力。所述先導閥還包括成形于所述閥體中并與所述控制壓力口流體連通的反饋口；以及與所述反饋口和所述閥芯的一部分流體連通的反饋通道，所述反饋通道構造成在那里接收壓力流體，從而作用在所述閥芯上以平衡馬達作用在閥芯上的力。
文檔編號F15B13/04GK101663492SQ200880012950
公開日2010年3月3日 申請日期2008年2月22日 優先權日2007年2月22日
發明者S·C·雅各布森, S·奧爾森 申請人:雷神薩科斯公司