JP4359458B2 - 一体型圧力補償機構付きポペット弁を有するパイロット動作型制御バルブ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパイロット動作型油圧バルブに関し、特に、パイロットオリフィス間の圧力差分の変動を補償する機構を内蔵したバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種の機械類は油圧バルブにより制御される、シリンダ・ピストン構成のような、油圧アクチュエータにより操作される可動部材を持っている。従来、油圧バルブは機械オペレータにより手動により操作された。現在の動向は手動動作型油圧バルブから電気制御およびソレノイドコイルの使用に向かっている。この種の制御は制御バルブを運転席の近くに配置する必要がなく、制御されているアクチュエータの近くに配置できるのでバルブ配管を簡素にできる。この技術の変化により機械機能のコンピュータ制御が容易になる。
【０００３】
ポンプからアクチュエータに加圧作動液を加えることは米国特許第５，８７８，６４７号に記載された型の一組の比例ソレノイドバルブにより制御できる。作動液流量を制御するソレノイド動作型パイロットバルブは良く知られており、バルブを開くために電機子を一方向に移動させる電磁コイルを採用している。電機子は主パイロットバルブ内のパイロット通路を通る作動液の流量を制御するパイロットポペットに作用する。バルブの開口量は電磁コイルに印加される電流の大きさに直接関係し、作動液流量の比例制御を可能にする。電機子または他のバルブ部材は電流がソレノイドコイルから除去された場合バルブを閉じるようにばねで負荷を掛けられている。
【０００４】
オペレータが機械に載せた部材を動かしたい場合、制御レバーが操作され、機械部材に関連する油圧アクチュエータ、例えば、シリンダ・ピストン構成のためのソレノイドバルブに電気信号を送る。１つのソレノイドバルブがピストンの片側のシリンダ室に加圧流体を供給するため開き、他のソレノイドバルブが開き、流体が反対側のシリンダ室からリザーバまたはタンクに強制排出される。ソレノイドバルブが開く程度を変えることにより、関連するシリンダ室への流量を変化させ、比例的に異なる速度でピストンを動かすことができる。
【０００５】
従来のパイロット動作型ポペットバルブは単一方向型である。バルブは流入ポートと排出ポートがあり、流入ポートの圧力は流入ポート圧力が排出ポートの圧力より大きい場合にバルブを開くパイロット制御室に伝達する。これにより、流体が流入ポートから排出ポートに流れるのを可能にする。このバルブ構成のため、バルブは排出ポートから流入ポートへの逆方向に流れる流量を制御するために使用されない。ある油圧システムにおいて、双方向の流れを制御することが求められる。双方向の作動液を調整するために、第１バルブに対して逆で平行に接続された第２バルブが求められた。従って、双方向パイロット動作型ポペットバルブを開発することが望まれる。
【０００６】
双方向パイロットバルブの一タイプはポペットバルブの側部に延びる第１ポートと主バルブポペットの突出部につながる第２ポートを有する。典型的には、ポンプから延びる供給ラインが第１ポートに接続される。主バルブポペットの周囲のＯリングは流体がバルブの第１ポートとパイロット室間のポペットの外部表面を伝わって漏れるのを防止する。しかしながら、機械が動力を止められると、ポンプは加圧作動液をバルブに供給しなくなる。ある液漏れは徐々にＯリングシールを伝わって生じる。例えば、建設現場が空きである夜間中または週末中に、装置のコンプレッサおよび他の部品が安全上の問題でフロントエンドローダによりにより上昇した状態で保管されるのが一般的である。機械を長期間使用しない状態で、バルブのＯリングシールからの漏洩は保管された装置を降下させてしまう。油圧バルブ類からの漏洩通路の数を減少させることが要望された。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
双方向パイロット動作型制御バルブが第１ポートと、第２ポートと、この第１および第２ポート間のバルブシートを有する。主バルブポペットは２つのポート間の流量を制御するためにバルブシートと選択的に係合している。制御室はバルブシートから離間した主バルブポペットの側部上で本体内で形成される。
【０００８】
主バルブポペットはパイロットオリフィスを通して制御室に開口するパイロット通路を有する。主バルブポペット内の第１通路は第１ポートとパイロット通路間に連通を形成し、第２通路は第２ポートとパイロット通路間に流体路を形成する。主バルブポペットは第１ポートと制御室間に連通を形成する第３通路を有する。第４通路は第２ポートと制御室間に流体路を形成する。
【０００９】
４つの通路の各々は、例えば、各通路を介して一方向にのみ流体を流す逆止バルブのような流量制御素子を有する。具体的には、第１通路内の第１流量制御素子は流体を空洞部から第１ポートにのみ流すことができる。第２通路内の第２流量制御素子は流体を空洞部から第２ポートにのみ流すことができる。第３通路内の第３流量制御素子は流体を第１ポートから制御室にのみ流すことができる。第４通路内の第４流量制御素子は流体を第２ポートから制御室にのみ流すことができる。
【００１０】
アクチュエータは主バルブポペット内のパイロットオリフィスを選択的に開閉するためにパイロットポペットを動作させる。パイロットオリフィスの開閉はバルブシートに対する主バルブポペットを移動させ、第１および第２ポート間の流量を制御する。
【００１１】
本発明の他の態様はパイロットオリフィス間の変動する圧力差分の効果に対して補償する新規な機構である。この圧力補償機構は主バルブポペット弁のパイロット通路と関連し、変動圧力差分により作動する。一実施例において、圧力補償機構は貫通するパイロットオリフィスを有する制御室に近接するパイロット通路に摺動可能に受け止められる端部部材を持っている。ばねは空洞部を通して第１端部部材から突出し主バルブポペットと係合する複数の螺旋部により形成される。このばねはパイロットオリフィス間の圧力差分の変動に応答して圧縮し拡張し、主バルブポペットのパイロット動作の圧力差分変動の効果に対して補償するためパイロットオリフィスを移動させる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、機械の油圧システム１０はシリンダ２８のような油圧駆動アクチュエータにより駆動される複数の機械素子を有する機械である。油圧システム１０は、タンク１５から加圧された作動液を汲み出すためおよび供給ライン１４に加圧された作動液を供給するため、モータまたはエンジン（図示せず）により駆動される可変容量型ポンプ１２を有する。
【００１３】
供給ライン１４はシステム制御装置１６からの信号に応答してシリンダ２８に出入りする作動液流量を制御する４個の電磁油圧比例（ＥＨＰ）バルブ２１，２２，２３，２４のアセンブリ２０に結合される。第１ＥＨＰバルブ２１は供給ライン１４からシリンダ２８のヘッド室２６に接続された第１ライン３０に流れる流体を制御する。第２ＥＨＰバルブ２２はシリンダ２８のロッド室２５に延びる第２ライン３２に供給ライン１４を選択的に接続する。第３ＥＨＰバルブ２３はヘッド室２６のための第１ライン３０とシステムタンク１５に延びる戻りライン３４間に接続される。第４ＥＨＰバルブ２４は第２ライン３２とタンク戻りライン３４間の流量を制御する。
【００１４】
システム制御装置１６はユーザにより操作されるジョイスティック１８または類似の入力装置および多数の圧力センサーからの入力信号を受信するマイクロコンピュータによる装置である。一対の圧力センサー３６と３８はシリンダ２８のロッド室２５とヘッド室２６内の圧力を検出する。他の圧力センサー４０は供給ライン１４内に配置され、圧力センサー４２はシステム制御装置１６に圧力計測信号を伝達するためのタンク戻りライン３４内に配置される。システム制御装置１６により実行されるソフトウエアプログラムは可変容量型ポンプ１２と４個のＥＨＰバルブ２１−２４を制御する出力信号を発生することにより入力信号に応答する。
【００１５】
シリンダ２８からのロッド４４を拡張するために、オペレータはシステム制御装置１６に所望の移動量を指示するためジョイスティック１８を妥当な方向に動かす。このシステム制御装置は供給ライン１４からシリンダ２８のヘッド室２６に加圧作動液を送る第１および第４ＥＨＰバルブ２１と２４を活性化することにより応答する。これにより、第４ＥＨＰバルブ２４を介してロッド室２５からタンク１５に流体を強制的に送り出すロッド４４を上昇させる。このシステム制御装置１６は適切な移動を確実にするため、従来の方法のように、種々のラインの圧力を監視する。ロッド４４を後退させるため、システム制御装置１６は加圧作動液を供給ライン１４からロッドシリンダ室２５に送りヘッド室２６からタンク１５に流体を排出する第２ＥＨＰバルブ２２および第３ＥＨＰバルブ２３を開口させる。
【００１６】
図２は４個のＥＨＰバルブ２１−２４の各々の構造を示す。この電磁比例（ＥＨＰ）バルブ１１０はバルブ本体１１２の縦長穿孔１１６内に搭載されたシリンダバルブカートリッジ１１４を備えている。バルブ本体１１２は縦長穿孔１１６と連通する横断第１ポート１１８を有する。第１ポート１１８はシリンダ２８の室に接続された第１ライン３０または第２ライン３２と連通する。第２ポート１２０はバルブ本体１１２を貫通し、縦長穿孔１１６の内部端と連通する。第２ポート１２０はアセンブリ２０内の特有のバルブの配置に応じた供給ライン１４またはタンク戻りライン３４と連通する。バルブシート１２２は第１ポート１１８および第２ポート１２０間に形成される。
【００１７】
図２および図３を参照すると、主バルブポペット１２４は第１ポート１１８および第２ポート１２０間の作動液流量を選択的に制御するためバルブシート１２２に対して縦長穿孔１１６内で摺動する。Ｏリングシール１２３は穿孔１１６に沿って流体が漏れるのを最小限にするため主バルブポペット１２４の周囲に延長している。パイロット通路１２５は中央空洞部１２６により主バルブポペット１２４内に形成される。この中央空洞部１２６は主バルブポペットの離間した側の制御室１２８内に開口部を有する。横断第１通路１３３は中央空洞部１２６を第１ポート１１８に接続し、第１通路内の第１逆止バルブ１３４はポペットの中央空洞部１２６から第１ポート１１８にのみ流体を流すことを可能にする。逆止バルブ１３４のボールは主バルブポペット１２４の周囲に延び且つエントランスオリフィス１３２を第１逆止バルブに画成するリング１３１により正しい位置に保持される。このエントランスオリフィス１３２は比較的小さいので、第１逆止バルブ１３４を詰まらせるほとんどの粒子が主バルブポペット１２４に侵入するのを防止するフィルタとして作用する。第２通路１３８は主バルブポペット１２４を介して中央空洞部１２６からポペット先端１３５に延長する。第２逆止バルブ１３７は第２通路１３８内の流体が中央空洞部１２６から第２ポート１２０の方向にのみ流れるのを可能にする。第２逆止バルブ１３７が開くと、流体は第２逆止バルブを詰まらせるほとんどの粒子を捕捉するフィルタとして働く１対の小溝部１３６を介して流れる。
【００１８】
図３の平面に直交する面に沿って描かれた断面図である図４を参照すると、第３通路１３９は第１ポート１１８と制御室１２８間の主バルブポペット１２４を介して延長している。第３逆止バルブ１４０は第１ポート１１８から制御室１２８にのみ流体を流す。主バルブポペット１２４周囲のリング１３１は第３通路１３９内でエントランスオリフィス１３２を形成する。第３逆止バルブ１４０を詰まらせるほとんどの粒子が第３通路に侵入するのを防止するフィルタとして作用するエントランスオリフィス１３２は比較的小さい。縦長第４通路１４１は第２ポート１２０と制御室１２８間の主バルブポペット１２４を通して延長する。第４逆止バルブ１４３は流体が第４通路１４１を介して第２ポート１２０から制御室１２８にのみ流れるのを可能にする。ポペット先端１３５を形成するプラグ１６１はエントランスオリフィス１６３を第４通路１４１内に形成する。第４逆止バルブ１４３を詰まらせるほとんどの粒子が第４通路１４１に侵入するのを防止するフィルタとして作用するこのエントランスオリフィス１６３は比較的小さい。代案として、第３通路１３９および第４通路１４１、およびこれらの逆止バルブ１４０および１４３は図２の断面の縦長穿孔１１６の反対側のバルブ本体１１２内に形成される。
【００１９】
図３および図４を参照すると、圧力補償機構１４２は主バルブポペット１２４の中央空洞部１２６内に配置され、第２通路１３８に近接する中央空洞部の肩部に突き当たる内部端部１４４を有する。圧力補償機構１４２の外部端部１４６は制御室１２８の一部を形成する主バルブポペット１２４の端部に近接している。この外部端部１４６はスナップリング１５０により中央空洞部１２６内に保持される円盤１４８に当接している。円盤１４８は圧力補償機構１４２の外部端部１４６内のパイロットオリフィス１５６と連通する中央開口部１５２を有する。
【００２０】
さらに図５を参照すると、二重つる巻ばね１４５が圧力補償機構１４２の２つの端部１４４と１４６間に延長している。ばね１４５の各螺旋部１４７と１４９は一般に矩形断面を持っている。一実施例において、圧力補償機構１４２は単一のスチール円筒片から機械加工される。中央穿孔１５１は実質的に材料に穴開けされ、２つの螺旋部１４７と１４９を形成するため２つの螺旋溝部１５３と１５５が外径表面から内径表面に切削加工される。螺旋溝部１５３と１５５は圧力補償機構１４２の端部表面に延長せず、これらの端部が接触する近傍部材に対して均一に力を分配する固体の環状の端部１４４と１４６を形成する。２つ以上の螺旋部が必要とされるので、補償ばねは対称的に圧縮し、主バルブポペット１２４の中央空洞部１２６内で傾斜していない。
【００２１】
図６は圧力補償機構１４２の２成分からなる変形実施例を示す。この構造は二重つる巻ばね１５７と、パイロットオリフィス１５６を有する分離端部部材１５９を有する。
【００２２】
圧力補償機構の２つの形態は力特性に対して実質的にリニア撓みを与える多重螺旋ばねを有する。この特性は直線素材から巻回される通常のコイルばねより極めて直線的である。従って、圧力補償機構のばね変化率は負荷力を与えると直ちに有効になる。
【００２３】
再度図２を参照すると、主バルブポペット１２４の動きは電磁コイル１６２と電機子１６４とパイロットポペット１６６を備えるソレノイド１６０により制御される。電機子１６４はカートリッジ１１４を介してカートリッジ穿孔１６７内に位置決めされ、第１ばね１７０は電機子１６４から離間するように主バルブポペット１２４を偏倚する。パイロットポペット１６６は環状電機子１６４の穿孔１６８内に配置され、カートリッジ穿孔１６７にねじ切りされた調整ねじ１７４と係合する第２ばね１７２により電機子に向かって偏倚される。電磁コイル１６２はカートリッジ１１４の周囲に配置され、固定される。電機子１６４は電磁コイル１６２を通電するため電流を流すことにより形成された電磁界に応答して主バルブポペット１２４から離間するようにカートリッジ穿孔１６７内に摺動する。
【００２４】
電磁コイル１６２の非通電状態において、第２ばね１７２は電機子１６４の端部１７５に対して力をパイロットポペット１６６に加え、電機子とパイロットポペットを主バルブポペット１２４方向に押しつける。これにより、パイロットポペット１６６の円錐尖端が主バルブポペット内のパイロットオリフィス１５６に挿入して閉鎖し、制御室１２８と中央空洞部１２６間の連通を終了させる。
【００２５】
ＥＨＰバルブ１１０は第１ポート１１８と第２ポート１２０間の作動液流量を比例的に計量する。電流は電機子１６４をソレノイド１６０内に且つ主バルブポペット１２４から離間するように引き込む電磁界を発生させる。電流の大きさはバルブの開口量およびバルブを流れる作動液の流量を決定する。
【００２６】
具体的には、第１ポート１１８の圧力が第２ポート１２０の圧力を超えると、より高い圧力が図４に示される第３逆止バルブ１４０を介して制御室１２８に伝達される。電機子１６４が移動するにつれて、パイロットポペット１６６の先端１５８はパイロットオリフィス１５６を開口する主バルブポペット１２４から離間するように動く。この動作により、流体は制御室１２８とパイロットオリフィス１５６と第１逆止バルブ１３４を介して第１ポート１１８から第２ポート１２０に流れる。パイロット通路１２５を流れる作動液の流量は第２ポート１２０の圧力に対する制御室１２８の圧力を減少させる。表面１８０に加えられる第１ポート１１８のより高い圧力は第１ポート１１８および第２ポート１２０間の直接の連通を開口するバルブシート１２２から主バルブポペット１２４を強制的に離間させる。主バルブポペット１２４の動きはパイロットオリフィス１５６への有効開口部に流れる一定流量により圧力と力の平衡が主バルブポペット１２４間に確立するまで継続する。このバルブ開口部のサイズと作動液の流量は電磁コイル１６２に流れる電流の大きさにより制御される電機子１６４とパイロットポペット１６６の位置により決定される。
【００２７】
逆に言えば、第２ポート１２０の圧力が第１ポート１１８の圧力を超えると、第２ポートから第１ポートに流れる比例流量がソレノイド１６０を活性化することにより得られる。この場合、より高い第２ポート圧力が第４逆止バルブ１４３（図４参照）を介して制御室１２８に伝達され、パイロットポペット１６６がパイロットオリフィス１５６のパイロットシートから離間するように移動すると、流体はパイロット通路１２５と第１逆止バルブ１３４を介して制御室から第１ポート１１８に流れる。これにより、主バルブポペット１２４はその先端１３５に作用するより高い圧力により開口する。
【００２８】
負荷および供給圧力の変動はバルブ間に変動圧力差分を発生させる。閉状態において、圧力差分は従来のソレノイド動作型パイロットバルブを開くため、作動液の任意の流量を発生させるために要求される力の大きさに影響を与える。この効果はバルブを動作させるために要求される電流の大きさに影響を及ぼす。このＥＨＰバルブ１１０において、圧力差分が主バルブポペット１２４に及ぼす効果は圧力補償機構１４２を平衡させる。二重つる巻ばね１４５または１５７はパイロットオリフィス１５６に設けられたパイロットシートを主バルブポペット１２４間の圧力差分の変化に応答して移動させる。このような動きはパイロットバルブの圧力差分変化の効果を相殺するようにパイロットシートの軸上の位置を効果的に変化させる。設計されたシートの柔軟性は二重つる巻ばね１４５または１５７のばね率に基づいて決定される。このユニークな圧力補償機構１４２のばね率は比較的小さい動きに対しても極めて直線的である。
【００２９】
図１および図２を参照すると、電磁油圧比例バルブ１１０は負荷保持モードにおいてＯリングシール１２３を伝わるリークを解消する。前述したように、負荷がシリンダ２８により駆動される部材により支持されている状態で機械が止められる場合がある。支持されている負荷はＥＨＰバルブ１１０の第１ポート１１８の圧力に変えられるシリンダロッド４４に重力を作用させる。圧力は主バルブポペット１２４内の第３通路１３９と第３逆止バルブ１４０を介して制御室１２８に伝達される。従って、Ｏリングシール１２３の両側の圧力は等しく、負荷保持モードでの流体が漏れる１つの通路を除去する。
【００３０】
これは主バルブポペット１２４のノードの第２ポート１２０がシリンダ室に接続された双方向ＥＨＰバルブの従来の接続部とは多いに異なる。この接続部の負荷保持モードにおいて、負荷圧力は第４通路１４１と第４逆止バルブ１４３を介して制御室１２８に伝達される。第１ポートは機械が止められると実質的に圧力が零になる。従って、大きい圧力差分が負荷保持モードにおいて長時間流体を漏洩させるＯリングシール１２３間に存在する。
【００３１】
図７は本発明による双方向電磁油圧比例（ＥＨＰ）バルブ２００の他の実施例を示す。バルブ２００は第１ポート２０４と第２ポート２０６とその間のバルブシート２０８を有するバルブ本体２０２に搭載される。バルブ本体２０２は主バルブポペット２１２に摺動可能に位置決めされ、第１ポート２０４および第２ポート２０６間の作動液流量を制御するためにバルブシート２０８と選択的に係合する縦長穿孔２１０を有する。
【００３２】
主バルブポペット２１２は制御室２１６内に開口するパイロットオリフィス２１５を有する中央配置パイロット通路２１４を持っている。パイロット通路２１４の最深端部は、主バルブポペット２１２を貫通し制御室２１６に開口する第１流路２１８と連通する。第２流路２２０は主バルブポペット２１２を介して第２ポート２０６の開口部からパイロット通路２１４に沿った場所に延在する。このパイロット通路２１４は制御室２１６の開口部に比較的近いが離間している。第１逆止バルブのような第１流量制御素子２２２は第２流路２２０内にあり、流体が第２流路２２０から第２ポート２０６の方向にのみ流れるのを可能にする。横断通路２２４は第２流路２２０から第１ポート２０４に延びており、流体を第２流路２２０から第１ポート２０４の方向にのみ流す第２逆止バルブのような第２流量制御素子２２６を有する。
【００３３】
図８を参照すると、主バルブポペット２１２は第１ポート２０４から制御室２１６に延びる第３流路２２８を有する。第３流量制御素子２３０は第３流路２２８を介して第１ポート２０４から制御室２１６の方向にのみ流れる流体を制限する。第４流路２３２は主バルブポペット２１２を介して第２ポート２０６と制御室２１６間に延在し、第２ポート２０６から制御室２１６の方向にのみ流れる流体を可能にする第４流量制御素子２３４を有する。
【００３４】
再度図７を参照すると、主バルブポペット２１２の動きはソレノイドコイル２４２と電機子２４４とパイロットポペット２４６を備えたソレノイド２４０により制御される。ソレノイドコイル２４２は非磁性材料のチューブ２４８の周囲に延び、主バルブポペット２１２に向かって突出するチューブ内に配置される。電機子２４４は通電されたソレノイドコイル２４２により発生する電磁界に応答してチューブ２４８内を摺動する。第１ばね２４５は主バルブポペット２１２から離間するように電機子２４４を偏倚させ、より大きな第２ばね２４７は主バルブポペットに向けて係合するようにパイロットポペット２４６を偏倚させ、パイロットオリフィス２１５を閉じる。
【００３５】
圧力平衡ステム２５０はパイロットポペット弁２４６から主バルブポペット弁２１２のパイロット通路２１４に突出する。圧力平衡ステム２５０はパイロット通路２１４のパイロットオリフィス２１５を選択的に閉じるパイロットポペット２４６の切頭円錐部２５６とステム間の接合部に環状凹部２５２を有する。第２流路２２０は環状凹部２５２が配置されたパイロット通路２１４の一部に開口する。従って、第１ポート２０４および第２ポート２０６の圧力のより小さい方が第２流路２２０を介して伝達され、圧力平衡ステム２５０の環状凹部２５２に加えられる。制御室２１６の圧力は第１流路２１８を介して伝達され、圧力平衡ステム２５０の内端部２５３に加えられる。
【００３６】
双方向ＥＨＰバルブ２００はソレノイド２４０に流す電流に応答して流量を変化させるように開口する。バルブ２００に流れる作動液の流量はソレノイドコイル２４２を流れる電流の大きさに正比例する。電流はソレノイドコイル２４２内方向に主バルブパペット２１２から離間するように電機子２４４を後退させる電磁界を発生する。電機子２４４の肩部２５４は接合表面をパイロットポペット２４６に係合させるので、後者の素子が主バルブポペット２１２から離間するように移動し、作動液を制御室２１６からパイロット通路２１４と第２流路２２０に流す。この動作の前に、制御室２１６は、流路２２８と２３２と流量制御素子２３０と２３４（図８参照）により、第１ポート２０４および第２ポート２０６のより高い方の圧力に維持される。パイロット通路２１４がパイロットポペット２４６の動きで開くと、制御室２１６の圧力は第２流路２２０および第１流量制御素子２２２または第２流量制御素子２２６を介してより低い圧力にある第１ポート２０４および第２ポート２０６に放出される。
【００３７】
この作用で、主バルブポペット２１２を第１ポート２０４および第２ポート２０６間の直接のチャンネルを開口するようにバルブシート２０８から離間するように移動させる圧力差分が生じる。主バルブポペット２１２の動きはパイロットポペット２４６の切頭円錐部２５６と接触するまで継続する。主バルブポペットがバルブシート２０８から離間する距離、第１および第２ポート間に形成される開口部のサイズと、ポート間の作動液の流量は電機子２４４およびパイロットポペット２４６の位置により決定される。これらのパラメータはソレノイドコイル２４２に流れる電流の大きさにより制御される。
【００３８】
パイロットポペット２４６の圧力平衡ステム２５０は第２流路２２０と連通するステムの周りの環状凹部２５２を有するパイロット通路２１４内に位置決めされる。通常の条件で、環状凹部２５２はポート圧力のより小さい方を受け、圧力平衡ステム２５０の内端部２５３はポート圧力の高い方の圧力を受ける。好ましくは、ステム凹部２５０およびステム端部表面の有効圧力応答面積は制御圧力がパイロットポペットを主バルブポペット２１２の方向に押圧するように作用するパイロットポペット２４６の有効面積に基本的に等しい。このように、主バルブポペット２１２が流体力学的に平衡状態になるので、それに作用する唯一の力は第２ばね２４７とソレノイドコイル２４２に起因する。圧力平衡ステム２５０はパイロット通路と制御室間の圧力差分により生じる効果に対してパイロットポペットの動作を補償する圧力補償機構を提供する。
【００３９】
図２および図９を参照すると、圧力補償機構を有する他の主バルブポペット３２４が単一方向電磁油圧比例バルブに使用される。この主バルブポペット３２４は第１ポート１１８および第２ポート１２０間で作動液の流量を選択的に制御するため図２に示されるバルブ本体１１２のバルブシート１２２に対して縦長穿孔１１６内で摺動するように改造される。パイロット通路は主バルブポペットの離間側部に制御室１２８内への開口部を有する中央空洞部３２６により主バルブポペット３２４内に形成される。通路３３８は主バルブポペット３２４を介して中央空洞部３２６からポペット先端３３５に延びる。逆止バルブ３３７は中央空洞部３２６から第２ポート１２０への方向のみの通路３３８に流体を流す。主バルブポペットの前述の実施例と異なり、中央空洞部３２６と第１ポート１１８間に対応する横断通路は存在しない。
【００４０】
他の通路３３９は主バルブポペット３２４を介して第１ポート１１８と制御室１２８間に延在する。通路３３９内の逆止めバルブ３４０は流体を第１ポート１１８から制御室１２８にのみ流す。主バルブポペット３２４周囲のリング３３１は逆止バルブ３４０を詰まらせるほとんどの粒子が通路３３９に入るのを防止するフィルタとして作用する通路３３９に比較的小さいエントランスオリフィスを画成する。図５に記載された圧力補償機構１４２と同じ構造および動作を有する圧力補償機構３４２は主バルブポペット３２４内の中央空洞部３２６に配置される。具体的には、圧力補償機構３４２は制御室１２８近傍で中央空洞部３２６間に延びる円盤３４８に対して機構を偏倚する二重つる巻ばね３４５を有する。
【００４１】
主バルブポペット３２４は、図２に示されるバルブ本体に内蔵されると、第１ポート１１８から第２ポート１２０の単一の方向に流れる流体を制御する。通路３３８と３３９はパイロットオリフィス３５６を前述の実施例に記載されているように動作させる圧力補償機構３４２の対向する側部にポート圧力を掛ける。
【００４２】
この主バルブポペット３２４と前述の変形例はバルブ（図１参照）の第２ポート１２０に接続されたシリンダ２８の室２５および２６内に発生するキャビテーションの発生を減少させる。キャビテーションはピストンに作用する力がシリンダ室を満たすために供給される流体より早くシリンダ室を拡張させる場合に生じる。この事象はシリンダ室に生じる顕著な負ゲージ圧により示される。図２および図９を参照すると、負ゲージ圧はＥＨＰバルブ１１０の第２ポート１２０に伝達される。負ゲージ圧は逆止バルブ３３７を開き、その圧力レベルを圧力補償機構３４２の内側部に加えられる。この作用により、パイロットポペット１６６から離間して図面において下方にパイロットオリフィス３５６を引き込み、主バルブポペット３２４を上方に動かす。この動きはバルブの開口を拡大させ、より多くの流体を第２ポート１２０に送り、拡張したシリンダ室の空間を満たす。
【００４３】
図２と図１０を参照すると、主バルブポペットの更なる変形例が圧力補償と逆流防止のために単一方向電磁油圧バルブに使用される。この主バルブポペット４２４は第１ポート１１８および第２ポート１２０間の油圧流量を選択的に制御するためバルブシート１２２に対して縦長穿孔１１６内を摺動する。パイロット通路は制御室１２８内に開口部を有する中央空洞部４２６により主バルブポペット４２４内に形成される。通路４３８は主バルブポペット弁４２４を貫通して中央空洞部４２６からポペット先端４３５に延びている。逆止バルブ４３７は中央空洞部４２６から第２ポート１２０の方向にのみ通路４３８内の流体が流れるのを可能にする。
【００４４】
他の通路４３９は主バルブポペット４２４を貫通して第１ポート１１８と制御室１２８間に延在する。異なる逆止バルブ４４０は第１ポート１１８から制御室１２８にのみ流体が流れるのを可能にする。主バルブポペット４２４の周囲のリング４３１は逆止バルブ４４０を詰まらせるほとんどの粒子が通路４３９に侵入するのを防止するフィルタとして機能する通路４３９に比較的小さいエントランスオリフィスを画成する。他の通路４４１は第２ポート１２０と制御室１２８間で主バルブポペット４２４を貫通して延在する。逆止バルブ４４３は通路４４１を介して第２ポート１２０から制御室１２８にのみ流体が流れるのを可能にする。ポペット先端４３５を形成するプラグ４６１は通路４４１内にエントランスオリフィス４６３を提供する。このエントランスオリフィス４６３は逆止バルブ４４３を詰まらせるほとんどの粒子が通路４４１に入るのを防止するフィルタとして機能し、比較的小さい。圧力補償機構４４２は前述の圧力補償機構１４２と同一の構造および動作を持ち、主バルブポペット４２４の中央空洞部４２６内に配置される。
【００４５】
主バルブポペット４２４は図９の変形例と同じ方法で第１ポート１１８から第２ポート１２０の単一方向にのみ流れる流体を制御する。しかしながら、この主バルブポペット４２４も逆流防止機能を持っている。第２ポート１２０から第１ポート１１８への逆流は第２ポートの圧力が第１ポートの圧力より大きい場合即ちバルブを開口させる圧力関係の逆転の場合に生ずる。この圧力逆転は逆止バルブ４４３を開放させ、より高い第２ポート圧力を主バルブポペット弁４２４上の制御室１２８に伝達し、逆止バルブ４４０を閉鎖する。圧力補償機構４４２の対向する側の圧力は同一である。これにより圧力補償機構はパイロット通路４５６を上方に偏倚させ、主バルブポペット４２４を第１ポートおよび第２ポート間でバルブシート１２２の方向に移動させ、その間の開口部を閉鎖する。
【００４６】
以上において、本発明の好ましい実施例が主として説明された。本発明の範囲内で種々の変形例に注目してきたが、当業者が本発明の実施例の開示から明らかである更なる変形例を実現できる可能性が予想される。従って、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲から決定されるのであり、上記の開示内容により制限されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明による双方向ソレノイド動作型パイロットバルブを採用した油圧システムの概略図である。
【図２】 図２は複数の双方向ソレノイド動作型パイロットバルブの１つを示す断面図である。
【図３】 図３は図２の双方向ソレノイド動作型パイロットバルブ内のポペットを通過する２つの直交的に関連する平面に沿って示される長手方向断面図である。
【図４】 図４は図２の双方向ソレノイド動作型パイロットバルブ内のポペットを通過する２つの直交的に関連する平面に沿って示される長手方向断面図である。
【図５】 図５はポペット内の圧力補償ばねの斜視図である。
【図６】 図６は圧力補償ばねアセンブリの変形例の断面図である。
【図７】 図７は双方向ソレノイド動作型パイロットバルブの第２変形例の断面図である。
【図８】 図８は図７の断面の平面に直交する平面に沿って示されるパイロットバルブの主バルブポペットの断面図である。
【図９】 図９は図３および図４に示されるものと類似のパイロットバルブの単一方向型の主バルブポペットの断面図である。
【図１０】 図１０は逆流逆止バルブを有する図９の主バルブポペットの断面図である。
【発明の属する技術分野】
本発明はパイロット動作型油圧バルブに関し、特に、パイロットオリフィス間の圧力差分の変動を補償する機構を内蔵したバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種の機械類は油圧バルブにより制御される、シリンダ・ピストン構成のような、油圧アクチュエータにより操作される可動部材を持っている。従来、油圧バルブは機械オペレータにより手動により操作された。現在の動向は手動動作型油圧バルブから電気制御およびソレノイドコイルの使用に向かっている。この種の制御は制御バルブを運転席の近くに配置する必要がなく、制御されているアクチュエータの近くに配置できるのでバルブ配管を簡素にできる。この技術の変化により機械機能のコンピュータ制御が容易になる。
【０００３】
ポンプからアクチュエータに加圧作動液を加えることは米国特許第５，８７８，６４７号に記載された型の一組の比例ソレノイドバルブにより制御できる。作動液流量を制御するソレノイド動作型パイロットバルブは良く知られており、バルブを開くために電機子を一方向に移動させる電磁コイルを採用している。電機子は主パイロットバルブ内のパイロット通路を通る作動液の流量を制御するパイロットポペットに作用する。バルブの開口量は電磁コイルに印加される電流の大きさに直接関係し、作動液流量の比例制御を可能にする。電機子または他のバルブ部材は電流がソレノイドコイルから除去された場合バルブを閉じるようにばねで負荷を掛けられている。
【０００４】
オペレータが機械に載せた部材を動かしたい場合、制御レバーが操作され、機械部材に関連する油圧アクチュエータ、例えば、シリンダ・ピストン構成のためのソレノイドバルブに電気信号を送る。１つのソレノイドバルブがピストンの片側のシリンダ室に加圧流体を供給するため開き、他のソレノイドバルブが開き、流体が反対側のシリンダ室からリザーバまたはタンクに強制排出される。ソレノイドバルブが開く程度を変えることにより、関連するシリンダ室への流量を変化させ、比例的に異なる速度でピストンを動かすことができる。
【０００５】
従来のパイロット動作型ポペットバルブは単一方向型である。バルブは流入ポートと排出ポートがあり、流入ポートの圧力は流入ポート圧力が排出ポートの圧力より大きい場合にバルブを開くパイロット制御室に伝達する。これにより、流体が流入ポートから排出ポートに流れるのを可能にする。このバルブ構成のため、バルブは排出ポートから流入ポートへの逆方向に流れる流量を制御するために使用されない。ある油圧システムにおいて、双方向の流れを制御することが求められる。双方向の作動液を調整するために、第１バルブに対して逆で平行に接続された第２バルブが求められた。従って、双方向パイロット動作型ポペットバルブを開発することが望まれる。
【０００６】
双方向パイロットバルブの一タイプはポペットバルブの側部に延びる第１ポートと主バルブポペットの突出部につながる第２ポートを有する。典型的には、ポンプから延びる供給ラインが第１ポートに接続される。主バルブポペットの周囲のＯリングは流体がバルブの第１ポートとパイロット室間のポペットの外部表面を伝わって漏れるのを防止する。しかしながら、機械が動力を止められると、ポンプは加圧作動液をバルブに供給しなくなる。ある液漏れは徐々にＯリングシールを伝わって生じる。例えば、建設現場が空きである夜間中または週末中に、装置のコンプレッサおよび他の部品が安全上の問題でフロントエンドローダによりにより上昇した状態で保管されるのが一般的である。機械を長期間使用しない状態で、バルブのＯリングシールからの漏洩は保管された装置を降下させてしまう。油圧バルブ類からの漏洩通路の数を減少させることが要望された。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
双方向パイロット動作型制御バルブが第１ポートと、第２ポートと、この第１および第２ポート間のバルブシートを有する。主バルブポペットは２つのポート間の流量を制御するためにバルブシートと選択的に係合している。制御室はバルブシートから離間した主バルブポペットの側部上で本体内で形成される。
【０００８】
主バルブポペットはパイロットオリフィスを通して制御室に開口するパイロット通路を有する。主バルブポペット内の第１通路は第１ポートとパイロット通路間に連通を形成し、第２通路は第２ポートとパイロット通路間に流体路を形成する。主バルブポペットは第１ポートと制御室間に連通を形成する第３通路を有する。第４通路は第２ポートと制御室間に流体路を形成する。
【０００９】
４つの通路の各々は、例えば、各通路を介して一方向にのみ流体を流す逆止バルブのような流量制御素子を有する。具体的には、第１通路内の第１流量制御素子は流体を空洞部から第１ポートにのみ流すことができる。第２通路内の第２流量制御素子は流体を空洞部から第２ポートにのみ流すことができる。第３通路内の第３流量制御素子は流体を第１ポートから制御室にのみ流すことができる。第４通路内の第４流量制御素子は流体を第２ポートから制御室にのみ流すことができる。
【００１０】
アクチュエータは主バルブポペット内のパイロットオリフィスを選択的に開閉するためにパイロットポペットを動作させる。パイロットオリフィスの開閉はバルブシートに対する主バルブポペットを移動させ、第１および第２ポート間の流量を制御する。
【００１１】
本発明の他の態様はパイロットオリフィス間の変動する圧力差分の効果に対して補償する新規な機構である。この圧力補償機構は主バルブポペット弁のパイロット通路と関連し、変動圧力差分により作動する。一実施例において、圧力補償機構は貫通するパイロットオリフィスを有する制御室に近接するパイロット通路に摺動可能に受け止められる端部部材を持っている。ばねは空洞部を通して第１端部部材から突出し主バルブポペットと係合する複数の螺旋部により形成される。このばねはパイロットオリフィス間の圧力差分の変動に応答して圧縮し拡張し、主バルブポペットのパイロット動作の圧力差分変動の効果に対して補償するためパイロットオリフィスを移動させる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、機械の油圧システム１０はシリンダ２８のような油圧駆動アクチュエータにより駆動される複数の機械素子を有する機械である。油圧システム１０は、タンク１５から加圧された作動液を汲み出すためおよび供給ライン１４に加圧された作動液を供給するため、モータまたはエンジン（図示せず）により駆動される可変容量型ポンプ１２を有する。
【００１３】
供給ライン１４はシステム制御装置１６からの信号に応答してシリンダ２８に出入りする作動液流量を制御する４個の電磁油圧比例（ＥＨＰ）バルブ２１，２２，２３，２４のアセンブリ２０に結合される。第１ＥＨＰバルブ２１は供給ライン１４からシリンダ２８のヘッド室２６に接続された第１ライン３０に流れる流体を制御する。第２ＥＨＰバルブ２２はシリンダ２８のロッド室２５に延びる第２ライン３２に供給ライン１４を選択的に接続する。第３ＥＨＰバルブ２３はヘッド室２６のための第１ライン３０とシステムタンク１５に延びる戻りライン３４間に接続される。第４ＥＨＰバルブ２４は第２ライン３２とタンク戻りライン３４間の流量を制御する。
【００１４】
システム制御装置１６はユーザにより操作されるジョイスティック１８または類似の入力装置および多数の圧力センサーからの入力信号を受信するマイクロコンピュータによる装置である。一対の圧力センサー３６と３８はシリンダ２８のロッド室２５とヘッド室２６内の圧力を検出する。他の圧力センサー４０は供給ライン１４内に配置され、圧力センサー４２はシステム制御装置１６に圧力計測信号を伝達するためのタンク戻りライン３４内に配置される。システム制御装置１６により実行されるソフトウエアプログラムは可変容量型ポンプ１２と４個のＥＨＰバルブ２１−２４を制御する出力信号を発生することにより入力信号に応答する。
【００１５】
シリンダ２８からのロッド４４を拡張するために、オペレータはシステム制御装置１６に所望の移動量を指示するためジョイスティック１８を妥当な方向に動かす。このシステム制御装置は供給ライン１４からシリンダ２８のヘッド室２６に加圧作動液を送る第１および第４ＥＨＰバルブ２１と２４を活性化することにより応答する。これにより、第４ＥＨＰバルブ２４を介してロッド室２５からタンク１５に流体を強制的に送り出すロッド４４を上昇させる。このシステム制御装置１６は適切な移動を確実にするため、従来の方法のように、種々のラインの圧力を監視する。ロッド４４を後退させるため、システム制御装置１６は加圧作動液を供給ライン１４からロッドシリンダ室２５に送りヘッド室２６からタンク１５に流体を排出する第２ＥＨＰバルブ２２および第３ＥＨＰバルブ２３を開口させる。
【００１６】
図２は４個のＥＨＰバルブ２１−２４の各々の構造を示す。この電磁比例（ＥＨＰ）バルブ１１０はバルブ本体１１２の縦長穿孔１１６内に搭載されたシリンダバルブカートリッジ１１４を備えている。バルブ本体１１２は縦長穿孔１１６と連通する横断第１ポート１１８を有する。第１ポート１１８はシリンダ２８の室に接続された第１ライン３０または第２ライン３２と連通する。第２ポート１２０はバルブ本体１１２を貫通し、縦長穿孔１１６の内部端と連通する。第２ポート１２０はアセンブリ２０内の特有のバルブの配置に応じた供給ライン１４またはタンク戻りライン３４と連通する。バルブシート１２２は第１ポート１１８および第２ポート１２０間に形成される。
【００１７】
図２および図３を参照すると、主バルブポペット１２４は第１ポート１１８および第２ポート１２０間の作動液流量を選択的に制御するためバルブシート１２２に対して縦長穿孔１１６内で摺動する。Ｏリングシール１２３は穿孔１１６に沿って流体が漏れるのを最小限にするため主バルブポペット１２４の周囲に延長している。パイロット通路１２５は中央空洞部１２６により主バルブポペット１２４内に形成される。この中央空洞部１２６は主バルブポペットの離間した側の制御室１２８内に開口部を有する。横断第１通路１３３は中央空洞部１２６を第１ポート１１８に接続し、第１通路内の第１逆止バルブ１３４はポペットの中央空洞部１２６から第１ポート１１８にのみ流体を流すことを可能にする。逆止バルブ１３４のボールは主バルブポペット１２４の周囲に延び且つエントランスオリフィス１３２を第１逆止バルブに画成するリング１３１により正しい位置に保持される。このエントランスオリフィス１３２は比較的小さいので、第１逆止バルブ１３４を詰まらせるほとんどの粒子が主バルブポペット１２４に侵入するのを防止するフィルタとして作用する。第２通路１３８は主バルブポペット１２４を介して中央空洞部１２６からポペット先端１３５に延長する。第２逆止バルブ１３７は第２通路１３８内の流体が中央空洞部１２６から第２ポート１２０の方向にのみ流れるのを可能にする。第２逆止バルブ１３７が開くと、流体は第２逆止バルブを詰まらせるほとんどの粒子を捕捉するフィルタとして働く１対の小溝部１３６を介して流れる。
【００１８】
図３の平面に直交する面に沿って描かれた断面図である図４を参照すると、第３通路１３９は第１ポート１１８と制御室１２８間の主バルブポペット１２４を介して延長している。第３逆止バルブ１４０は第１ポート１１８から制御室１２８にのみ流体を流す。主バルブポペット１２４周囲のリング１３１は第３通路１３９内でエントランスオリフィス１３２を形成する。第３逆止バルブ１４０を詰まらせるほとんどの粒子が第３通路に侵入するのを防止するフィルタとして作用するエントランスオリフィス１３２は比較的小さい。縦長第４通路１４１は第２ポート１２０と制御室１２８間の主バルブポペット１２４を通して延長する。第４逆止バルブ１４３は流体が第４通路１４１を介して第２ポート１２０から制御室１２８にのみ流れるのを可能にする。ポペット先端１３５を形成するプラグ１６１はエントランスオリフィス１６３を第４通路１４１内に形成する。第４逆止バルブ１４３を詰まらせるほとんどの粒子が第４通路１４１に侵入するのを防止するフィルタとして作用するこのエントランスオリフィス１６３は比較的小さい。代案として、第３通路１３９および第４通路１４１、およびこれらの逆止バルブ１４０および１４３は図２の断面の縦長穿孔１１６の反対側のバルブ本体１１２内に形成される。
【００１９】
図３および図４を参照すると、圧力補償機構１４２は主バルブポペット１２４の中央空洞部１２６内に配置され、第２通路１３８に近接する中央空洞部の肩部に突き当たる内部端部１４４を有する。圧力補償機構１４２の外部端部１４６は制御室１２８の一部を形成する主バルブポペット１２４の端部に近接している。この外部端部１４６はスナップリング１５０により中央空洞部１２６内に保持される円盤１４８に当接している。円盤１４８は圧力補償機構１４２の外部端部１４６内のパイロットオリフィス１５６と連通する中央開口部１５２を有する。
【００２０】
さらに図５を参照すると、二重つる巻ばね１４５が圧力補償機構１４２の２つの端部１４４と１４６間に延長している。ばね１４５の各螺旋部１４７と１４９は一般に矩形断面を持っている。一実施例において、圧力補償機構１４２は単一のスチール円筒片から機械加工される。中央穿孔１５１は実質的に材料に穴開けされ、２つの螺旋部１４７と１４９を形成するため２つの螺旋溝部１５３と１５５が外径表面から内径表面に切削加工される。螺旋溝部１５３と１５５は圧力補償機構１４２の端部表面に延長せず、これらの端部が接触する近傍部材に対して均一に力を分配する固体の環状の端部１４４と１４６を形成する。２つ以上の螺旋部が必要とされるので、補償ばねは対称的に圧縮し、主バルブポペット１２４の中央空洞部１２６内で傾斜していない。
【００２１】
図６は圧力補償機構１４２の２成分からなる変形実施例を示す。この構造は二重つる巻ばね１５７と、パイロットオリフィス１５６を有する分離端部部材１５９を有する。
【００２２】
圧力補償機構の２つの形態は力特性に対して実質的にリニア撓みを与える多重螺旋ばねを有する。この特性は直線素材から巻回される通常のコイルばねより極めて直線的である。従って、圧力補償機構のばね変化率は負荷力を与えると直ちに有効になる。
【００２３】
再度図２を参照すると、主バルブポペット１２４の動きは電磁コイル１６２と電機子１６４とパイロットポペット１６６を備えるソレノイド１６０により制御される。電機子１６４はカートリッジ１１４を介してカートリッジ穿孔１６７内に位置決めされ、第１ばね１７０は電機子１６４から離間するように主バルブポペット１２４を偏倚する。パイロットポペット１６６は環状電機子１６４の穿孔１６８内に配置され、カートリッジ穿孔１６７にねじ切りされた調整ねじ１７４と係合する第２ばね１７２により電機子に向かって偏倚される。電磁コイル１６２はカートリッジ１１４の周囲に配置され、固定される。電機子１６４は電磁コイル１６２を通電するため電流を流すことにより形成された電磁界に応答して主バルブポペット１２４から離間するようにカートリッジ穿孔１６７内に摺動する。
【００２４】
電磁コイル１６２の非通電状態において、第２ばね１７２は電機子１６４の端部１７５に対して力をパイロットポペット１６６に加え、電機子とパイロットポペットを主バルブポペット１２４方向に押しつける。これにより、パイロットポペット１６６の円錐尖端が主バルブポペット内のパイロットオリフィス１５６に挿入して閉鎖し、制御室１２８と中央空洞部１２６間の連通を終了させる。
【００２５】
ＥＨＰバルブ１１０は第１ポート１１８と第２ポート１２０間の作動液流量を比例的に計量する。電流は電機子１６４をソレノイド１６０内に且つ主バルブポペット１２４から離間するように引き込む電磁界を発生させる。電流の大きさはバルブの開口量およびバルブを流れる作動液の流量を決定する。
【００２６】
具体的には、第１ポート１１８の圧力が第２ポート１２０の圧力を超えると、より高い圧力が図４に示される第３逆止バルブ１４０を介して制御室１２８に伝達される。電機子１６４が移動するにつれて、パイロットポペット１６６の先端１５８はパイロットオリフィス１５６を開口する主バルブポペット１２４から離間するように動く。この動作により、流体は制御室１２８とパイロットオリフィス１５６と第１逆止バルブ１３４を介して第１ポート１１８から第２ポート１２０に流れる。パイロット通路１２５を流れる作動液の流量は第２ポート１２０の圧力に対する制御室１２８の圧力を減少させる。表面１８０に加えられる第１ポート１１８のより高い圧力は第１ポート１１８および第２ポート１２０間の直接の連通を開口するバルブシート１２２から主バルブポペット１２４を強制的に離間させる。主バルブポペット１２４の動きはパイロットオリフィス１５６への有効開口部に流れる一定流量により圧力と力の平衡が主バルブポペット１２４間に確立するまで継続する。このバルブ開口部のサイズと作動液の流量は電磁コイル１６２に流れる電流の大きさにより制御される電機子１６４とパイロットポペット１６６の位置により決定される。
【００２７】
逆に言えば、第２ポート１２０の圧力が第１ポート１１８の圧力を超えると、第２ポートから第１ポートに流れる比例流量がソレノイド１６０を活性化することにより得られる。この場合、より高い第２ポート圧力が第４逆止バルブ１４３（図４参照）を介して制御室１２８に伝達され、パイロットポペット１６６がパイロットオリフィス１５６のパイロットシートから離間するように移動すると、流体はパイロット通路１２５と第１逆止バルブ１３４を介して制御室から第１ポート１１８に流れる。これにより、主バルブポペット１２４はその先端１３５に作用するより高い圧力により開口する。
【００２８】
負荷および供給圧力の変動はバルブ間に変動圧力差分を発生させる。閉状態において、圧力差分は従来のソレノイド動作型パイロットバルブを開くため、作動液の任意の流量を発生させるために要求される力の大きさに影響を与える。この効果はバルブを動作させるために要求される電流の大きさに影響を及ぼす。このＥＨＰバルブ１１０において、圧力差分が主バルブポペット１２４に及ぼす効果は圧力補償機構１４２を平衡させる。二重つる巻ばね１４５または１５７はパイロットオリフィス１５６に設けられたパイロットシートを主バルブポペット１２４間の圧力差分の変化に応答して移動させる。このような動きはパイロットバルブの圧力差分変化の効果を相殺するようにパイロットシートの軸上の位置を効果的に変化させる。設計されたシートの柔軟性は二重つる巻ばね１４５または１５７のばね率に基づいて決定される。このユニークな圧力補償機構１４２のばね率は比較的小さい動きに対しても極めて直線的である。
【００２９】
図１および図２を参照すると、電磁油圧比例バルブ１１０は負荷保持モードにおいてＯリングシール１２３を伝わるリークを解消する。前述したように、負荷がシリンダ２８により駆動される部材により支持されている状態で機械が止められる場合がある。支持されている負荷はＥＨＰバルブ１１０の第１ポート１１８の圧力に変えられるシリンダロッド４４に重力を作用させる。圧力は主バルブポペット１２４内の第３通路１３９と第３逆止バルブ１４０を介して制御室１２８に伝達される。従って、Ｏリングシール１２３の両側の圧力は等しく、負荷保持モードでの流体が漏れる１つの通路を除去する。
【００３０】
これは主バルブポペット１２４のノードの第２ポート１２０がシリンダ室に接続された双方向ＥＨＰバルブの従来の接続部とは多いに異なる。この接続部の負荷保持モードにおいて、負荷圧力は第４通路１４１と第４逆止バルブ１４３を介して制御室１２８に伝達される。第１ポートは機械が止められると実質的に圧力が零になる。従って、大きい圧力差分が負荷保持モードにおいて長時間流体を漏洩させるＯリングシール１２３間に存在する。
【００３１】
図７は本発明による双方向電磁油圧比例（ＥＨＰ）バルブ２００の他の実施例を示す。バルブ２００は第１ポート２０４と第２ポート２０６とその間のバルブシート２０８を有するバルブ本体２０２に搭載される。バルブ本体２０２は主バルブポペット２１２に摺動可能に位置決めされ、第１ポート２０４および第２ポート２０６間の作動液流量を制御するためにバルブシート２０８と選択的に係合する縦長穿孔２１０を有する。
【００３２】
主バルブポペット２１２は制御室２１６内に開口するパイロットオリフィス２１５を有する中央配置パイロット通路２１４を持っている。パイロット通路２１４の最深端部は、主バルブポペット２１２を貫通し制御室２１６に開口する第１流路２１８と連通する。第２流路２２０は主バルブポペット２１２を介して第２ポート２０６の開口部からパイロット通路２１４に沿った場所に延在する。このパイロット通路２１４は制御室２１６の開口部に比較的近いが離間している。第１逆止バルブのような第１流量制御素子２２２は第２流路２２０内にあり、流体が第２流路２２０から第２ポート２０６の方向にのみ流れるのを可能にする。横断通路２２４は第２流路２２０から第１ポート２０４に延びており、流体を第２流路２２０から第１ポート２０４の方向にのみ流す第２逆止バルブのような第２流量制御素子２２６を有する。
【００３３】
図８を参照すると、主バルブポペット２１２は第１ポート２０４から制御室２１６に延びる第３流路２２８を有する。第３流量制御素子２３０は第３流路２２８を介して第１ポート２０４から制御室２１６の方向にのみ流れる流体を制限する。第４流路２３２は主バルブポペット２１２を介して第２ポート２０６と制御室２１６間に延在し、第２ポート２０６から制御室２１６の方向にのみ流れる流体を可能にする第４流量制御素子２３４を有する。
【００３４】
再度図７を参照すると、主バルブポペット２１２の動きはソレノイドコイル２４２と電機子２４４とパイロットポペット２４６を備えたソレノイド２４０により制御される。ソレノイドコイル２４２は非磁性材料のチューブ２４８の周囲に延び、主バルブポペット２１２に向かって突出するチューブ内に配置される。電機子２４４は通電されたソレノイドコイル２４２により発生する電磁界に応答してチューブ２４８内を摺動する。第１ばね２４５は主バルブポペット２１２から離間するように電機子２４４を偏倚させ、より大きな第２ばね２４７は主バルブポペットに向けて係合するようにパイロットポペット２４６を偏倚させ、パイロットオリフィス２１５を閉じる。
【００３５】
圧力平衡ステム２５０はパイロットポペット弁２４６から主バルブポペット弁２１２のパイロット通路２１４に突出する。圧力平衡ステム２５０はパイロット通路２１４のパイロットオリフィス２１５を選択的に閉じるパイロットポペット２４６の切頭円錐部２５６とステム間の接合部に環状凹部２５２を有する。第２流路２２０は環状凹部２５２が配置されたパイロット通路２１４の一部に開口する。従って、第１ポート２０４および第２ポート２０６の圧力のより小さい方が第２流路２２０を介して伝達され、圧力平衡ステム２５０の環状凹部２５２に加えられる。制御室２１６の圧力は第１流路２１８を介して伝達され、圧力平衡ステム２５０の内端部２５３に加えられる。
【００３６】
双方向ＥＨＰバルブ２００はソレノイド２４０に流す電流に応答して流量を変化させるように開口する。バルブ２００に流れる作動液の流量はソレノイドコイル２４２を流れる電流の大きさに正比例する。電流はソレノイドコイル２４２内方向に主バルブパペット２１２から離間するように電機子２４４を後退させる電磁界を発生する。電機子２４４の肩部２５４は接合表面をパイロットポペット２４６に係合させるので、後者の素子が主バルブポペット２１２から離間するように移動し、作動液を制御室２１６からパイロット通路２１４と第２流路２２０に流す。この動作の前に、制御室２１６は、流路２２８と２３２と流量制御素子２３０と２３４（図８参照）により、第１ポート２０４および第２ポート２０６のより高い方の圧力に維持される。パイロット通路２１４がパイロットポペット２４６の動きで開くと、制御室２１６の圧力は第２流路２２０および第１流量制御素子２２２または第２流量制御素子２２６を介してより低い圧力にある第１ポート２０４および第２ポート２０６に放出される。
【００３７】
この作用で、主バルブポペット２１２を第１ポート２０４および第２ポート２０６間の直接のチャンネルを開口するようにバルブシート２０８から離間するように移動させる圧力差分が生じる。主バルブポペット２１２の動きはパイロットポペット２４６の切頭円錐部２５６と接触するまで継続する。主バルブポペットがバルブシート２０８から離間する距離、第１および第２ポート間に形成される開口部のサイズと、ポート間の作動液の流量は電機子２４４およびパイロットポペット２４６の位置により決定される。これらのパラメータはソレノイドコイル２４２に流れる電流の大きさにより制御される。
【００３８】
パイロットポペット２４６の圧力平衡ステム２５０は第２流路２２０と連通するステムの周りの環状凹部２５２を有するパイロット通路２１４内に位置決めされる。通常の条件で、環状凹部２５２はポート圧力のより小さい方を受け、圧力平衡ステム２５０の内端部２５３はポート圧力の高い方の圧力を受ける。好ましくは、ステム凹部２５０およびステム端部表面の有効圧力応答面積は制御圧力がパイロットポペットを主バルブポペット２１２の方向に押圧するように作用するパイロットポペット２４６の有効面積に基本的に等しい。このように、主バルブポペット２１２が流体力学的に平衡状態になるので、それに作用する唯一の力は第２ばね２４７とソレノイドコイル２４２に起因する。圧力平衡ステム２５０はパイロット通路と制御室間の圧力差分により生じる効果に対してパイロットポペットの動作を補償する圧力補償機構を提供する。
【００３９】
図２および図９を参照すると、圧力補償機構を有する他の主バルブポペット３２４が単一方向電磁油圧比例バルブに使用される。この主バルブポペット３２４は第１ポート１１８および第２ポート１２０間で作動液の流量を選択的に制御するため図２に示されるバルブ本体１１２のバルブシート１２２に対して縦長穿孔１１６内で摺動するように改造される。パイロット通路は主バルブポペットの離間側部に制御室１２８内への開口部を有する中央空洞部３２６により主バルブポペット３２４内に形成される。通路３３８は主バルブポペット３２４を介して中央空洞部３２６からポペット先端３３５に延びる。逆止バルブ３３７は中央空洞部３２６から第２ポート１２０への方向のみの通路３３８に流体を流す。主バルブポペットの前述の実施例と異なり、中央空洞部３２６と第１ポート１１８間に対応する横断通路は存在しない。
【００４０】
他の通路３３９は主バルブポペット３２４を介して第１ポート１１８と制御室１２８間に延在する。通路３３９内の逆止めバルブ３４０は流体を第１ポート１１８から制御室１２８にのみ流す。主バルブポペット３２４周囲のリング３３１は逆止バルブ３４０を詰まらせるほとんどの粒子が通路３３９に入るのを防止するフィルタとして作用する通路３３９に比較的小さいエントランスオリフィスを画成する。図５に記載された圧力補償機構１４２と同じ構造および動作を有する圧力補償機構３４２は主バルブポペット３２４内の中央空洞部３２６に配置される。具体的には、圧力補償機構３４２は制御室１２８近傍で中央空洞部３２６間に延びる円盤３４８に対して機構を偏倚する二重つる巻ばね３４５を有する。
【００４１】
主バルブポペット３２４は、図２に示されるバルブ本体に内蔵されると、第１ポート１１８から第２ポート１２０の単一の方向に流れる流体を制御する。通路３３８と３３９はパイロットオリフィス３５６を前述の実施例に記載されているように動作させる圧力補償機構３４２の対向する側部にポート圧力を掛ける。
【００４２】
この主バルブポペット３２４と前述の変形例はバルブ（図１参照）の第２ポート１２０に接続されたシリンダ２８の室２５および２６内に発生するキャビテーションの発生を減少させる。キャビテーションはピストンに作用する力がシリンダ室を満たすために供給される流体より早くシリンダ室を拡張させる場合に生じる。この事象はシリンダ室に生じる顕著な負ゲージ圧により示される。図２および図９を参照すると、負ゲージ圧はＥＨＰバルブ１１０の第２ポート１２０に伝達される。負ゲージ圧は逆止バルブ３３７を開き、その圧力レベルを圧力補償機構３４２の内側部に加えられる。この作用により、パイロットポペット１６６から離間して図面において下方にパイロットオリフィス３５６を引き込み、主バルブポペット３２４を上方に動かす。この動きはバルブの開口を拡大させ、より多くの流体を第２ポート１２０に送り、拡張したシリンダ室の空間を満たす。
【００４３】
図２と図１０を参照すると、主バルブポペットの更なる変形例が圧力補償と逆流防止のために単一方向電磁油圧バルブに使用される。この主バルブポペット４２４は第１ポート１１８および第２ポート１２０間の油圧流量を選択的に制御するためバルブシート１２２に対して縦長穿孔１１６内を摺動する。パイロット通路は制御室１２８内に開口部を有する中央空洞部４２６により主バルブポペット４２４内に形成される。通路４３８は主バルブポペット弁４２４を貫通して中央空洞部４２６からポペット先端４３５に延びている。逆止バルブ４３７は中央空洞部４２６から第２ポート１２０の方向にのみ通路４３８内の流体が流れるのを可能にする。
【００４４】
他の通路４３９は主バルブポペット４２４を貫通して第１ポート１１８と制御室１２８間に延在する。異なる逆止バルブ４４０は第１ポート１１８から制御室１２８にのみ流体が流れるのを可能にする。主バルブポペット４２４の周囲のリング４３１は逆止バルブ４４０を詰まらせるほとんどの粒子が通路４３９に侵入するのを防止するフィルタとして機能する通路４３９に比較的小さいエントランスオリフィスを画成する。他の通路４４１は第２ポート１２０と制御室１２８間で主バルブポペット４２４を貫通して延在する。逆止バルブ４４３は通路４４１を介して第２ポート１２０から制御室１２８にのみ流体が流れるのを可能にする。ポペット先端４３５を形成するプラグ４６１は通路４４１内にエントランスオリフィス４６３を提供する。このエントランスオリフィス４６３は逆止バルブ４４３を詰まらせるほとんどの粒子が通路４４１に入るのを防止するフィルタとして機能し、比較的小さい。圧力補償機構４４２は前述の圧力補償機構１４２と同一の構造および動作を持ち、主バルブポペット４２４の中央空洞部４２６内に配置される。
【００４５】
主バルブポペット４２４は図９の変形例と同じ方法で第１ポート１１８から第２ポート１２０の単一方向にのみ流れる流体を制御する。しかしながら、この主バルブポペット４２４も逆流防止機能を持っている。第２ポート１２０から第１ポート１１８への逆流は第２ポートの圧力が第１ポートの圧力より大きい場合即ちバルブを開口させる圧力関係の逆転の場合に生ずる。この圧力逆転は逆止バルブ４４３を開放させ、より高い第２ポート圧力を主バルブポペット弁４２４上の制御室１２８に伝達し、逆止バルブ４４０を閉鎖する。圧力補償機構４４２の対向する側の圧力は同一である。これにより圧力補償機構はパイロット通路４５６を上方に偏倚させ、主バルブポペット４２４を第１ポートおよび第２ポート間でバルブシート１２２の方向に移動させ、その間の開口部を閉鎖する。
【００４６】
以上において、本発明の好ましい実施例が主として説明された。本発明の範囲内で種々の変形例に注目してきたが、当業者が本発明の実施例の開示から明らかである更なる変形例を実現できる可能性が予想される。従って、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲から決定されるのであり、上記の開示内容により制限されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明による双方向ソレノイド動作型パイロットバルブを採用した油圧システムの概略図である。
【図２】 図２は複数の双方向ソレノイド動作型パイロットバルブの１つを示す断面図である。
【図３】 図３は図２の双方向ソレノイド動作型パイロットバルブ内のポペットを通過する２つの直交的に関連する平面に沿って示される長手方向断面図である。
【図４】 図４は図２の双方向ソレノイド動作型パイロットバルブ内のポペットを通過する２つの直交的に関連する平面に沿って示される長手方向断面図である。
【図５】 図５はポペット内の圧力補償ばねの斜視図である。
【図６】 図６は圧力補償ばねアセンブリの変形例の断面図である。
【図７】 図７は双方向ソレノイド動作型パイロットバルブの第２変形例の断面図である。
【図８】 図８は図７の断面の平面に直交する平面に沿って示されるパイロットバルブの主バルブポペットの断面図である。
【図９】 図９は図３および図４に示されるものと類似のパイロットバルブの単一方向型の主バルブポペットの断面図である。
【図１０】 図１０は逆流逆止バルブを有する図９の主バルブポペットの断面図である。
Claims (13)
- 第１ポートと第２ポートを有し、前記第１ポートと前記第２ポート間にバルブシートを有する本体と；
前記第１ポートと前記第２ポート間の流量を制御するため前記バルブシートと選択的に係合し、主バルブポペットをはさんで前記バルブシートから反対側の制御室と、前記制御室内に連通する前記主バルブポペット内のパイロット通路と、前記パイロット通路と前記第１ポート間に延在する第１通路と、前記パイロット通路と前記第２ポート間に延在する第２通路を形成し、さらに、前記第１ポートと前記制御室間に連通を形成する第３通路と、前記第２ポートと前記制御室間に延在する第４通路を有する主バルブポペットと；
前記パイロット通路から前記第１ポートにのみ流体を流す前記第１通路内の第１流量制御素子と；
前記パイロット通路から前記第２ポートにのみ流体を流す前記第２通路内の第２流量制御素子と；
前記第１ポートから前記制御室にのみ流体を流す前記第３通路内の第３流量制御素子と；
前記第２ポートから前記制御室にのみ流体を流す前記第４通路内の第４流量制御素子と；
前記パイロット通路を通る流体を制御するパイロットポペットと；
前記パイロット通路と前記制御室間の圧力差分により生じる効果に対して前記パイロットポペットの動作を補償し、前記制御室に近接する前記パイロット通路内にある部材であって、前記パイロットポペットによって開閉するこの部材を通じて延長する前記パイロットオリフィスを有する部材と、前記主バルブポペットに対して前記部材を前記制御室の方向に偏倚させる複数の螺旋部を有する螺旋状のばねと、を備える圧力補償機構と；
前記主バルブポペットに対して前記パイロットポペットを移動させるため動作可能に結合されたアクチュエータと；
を具備することを特徴とする双方向パイロット動作型バルブ。 - 前記複数の螺旋部の各々は矩形断面を有することを特徴とする請求項１記載の双方向パイロット動作型バルブ。
- 前記部材と前記ばねは一体部品として形成されることを特徴とする請求項１記載の双方向パイロット動作型バルブ。
- 前記アクチュエータは前記パイロットポペットと係合する電機子を有するソレノイドよりなることを特徴とする請求項１記載の双方向パイロット動作型バルブ。
- 粒子の流れを禁止するために前記第１流量制御素子と前記第１ポート間の前記第１通路内に設けられた第１フィルタ機構と；
粒子の流れを禁止するために前記第２流量制御素子と前記第２ポート間の前記第２通路内に設けられた第２フィルタ機構と；
粒子の流れを禁止するために前記第３流量制御素子と前記第１ポート間の前記第３通路内に設けられた第３フィルタ機構と；
粒子の流れを禁止するために前記第４流量制御素子と前記第２ポート間の前記第４通路内に設けられた第４フィルタ機構と；
をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の双方向パイロット動作型バルブ。 - 前記第１通路への粒子の流れを禁止するように、前記主バルブポペットの周囲に延び、前記第１ポートへの前記第１通路の開口部を部分的にカバーするリングをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の双方向パイロット動作型バルブ。
- 前記リングは、粒子が前記第１通路へ流れるのを禁止するように、前記第１ポートへの前記第３通路の開口部も部分的にカバーすることを特徴とする請求項６記載の双方向パイロット動作型バルブ。
- 前記第４通路へ粒子の流れを禁止するように、前記第２ポートへの前記第４通路の開口部を制限するプラグをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の双方向パイロット動作型バルブ。
- 第１ポートと第２ポートを有し、前記第１ポートと前記第２ポート間にバルブシートを有する本体と；
前記第１ポートと前記第２ポート間の流量を制御するため前記バルブシートと選択的に係合し、主バルブポペットをはさんで前記バルブシートから反対側に制御室を形成し、さらに前記制御室への開口部を有する空洞部を有する主バルブポペットと；
前記主バルブポペットの前記空洞部内にあり、前記開口部を横切って延び且つ前記主バルブポペットに対して可動であるパイロットシート部材を有し、前記パイロットシート部材が貫通して延び且つ前記パイロットポペットにより選択的に係合されるパイロットオリフィスと、前記主バルブポペットに対して部材を前記制御室の方向に偏倚させる複数の螺旋部を有する螺旋状のばねとを有する圧力補償機構と；
前記第１ポートと前記制御室間の第１流路と；
前記第２ポートと前記空洞部間の第２流路と；
前記第１ポートから前記制御室にのみ流体を流す前記第１流路内の第１流量制御素子と；
前記空洞部から前記第２ポートにのみ流体を流す前記第２流路内の第２流量制御素子と；
前記パイロットオリフィスを開閉するために動作するパイロットポペットと；
前記主バルブポペットに対して前記パイロットポペットを移動させるため動作可能に結合されたアクチュエータと；
を具備することを特徴とするパイロット動作型バルブ。 - 前記パイロットシート部材は弾性素子よりなることを特徴とする請求項９記載のパイロット動作型バルブ。
- 前記弾性素子は前記弾性素子の対向する側の圧力差に応答してたわみ、前記主バルブポペットに対して前記パイロットオリフィスを動かすことを特徴とする請求項１０記載のパイロット動作型バルブ。
- 前記複数の螺旋部の各々が矩形断面を有することを特徴とする請求項９記載のパイロット動作型バルブ。
- 前記パイロットシート部材と前記螺旋状のばねは一体部品として形成されることを特徴とする請求項９記載のパイロット動作型バルブ。
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