JP2007239996A - 圧力平衡型ポペット弁付パイロット動作型バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】 パイロット動作型バルブに関する。
【解決手段】 パイロット動作型バルブは主ポペット弁の片側の制御チャンバーの圧力に応答して第１及び第２ポート間の流量を選択的に制御する主ポペット弁を有する。この主ポペット弁は制御チャンバーと第１ポート間に伸びている開口部を有する。パイロットピストンは開口部内を滑動し、且つパイロットオリフィスを有するパイロット通路を有し、第１ディスクバネは主ポペット弁に対してパイロットピストンを偏倚する。パイロットバルブ素子はパイロット通路を開閉するためにパイロットオリフィスと選択的に係合し、主ポペット弁の動きを制御する。第１ディスクバネからの力と制御チャンバーとパイロットチャンバー間の圧力差により主ポペット弁に対するパイロットシートの位置が変化する。この位置変化が２つのポートの圧力変化によるバルブ動作の効果を補償する。
【選択図】 図１

Description

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油圧バルブに関する。

種々の機械類は油圧バルブで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で作動する可動部品を持っている。従来、油圧バルブは機械オペレータにより手動で操作された。現在の傾向は手動動作型油圧バルブから離れて電気制御装置とソレノイドバルブを使用することである。この型の制御は制御バルブ類を運転席の近くに配置する必要がないので油圧配管類を簡略化するが、制御されているアクチュエータの近傍に位置決めできる。この技術の変化は機械機能のコンピュータ制御を容易にすることができる。

ポンプからアクチュエータへの作動液の加圧は米国特許第５，８７８，６４７号に記載された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ための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、バルブを開くため電機子を一方向に動かす電磁コイルを採用している。電機子は主バルブポペット弁内のパイロット通路を介して流れる流量を制御するパイロットバルブ素子に作用する。パイロット通路を開くと制御チャンバー内の圧力を解放し、主バルブポペット弁がバルブから離間して動くのを可能にし、この動きがバルブの流入部と流出部間の通路を形成する。バルブの開口量は電磁コイルに加えられる電流の大きさに直接に関係し、油圧流量の比例制御を可能にする。電機子又は他のバルブコンポーネントは電流がソレノイドコイルから除去されるとバルブを閉じるためにばねにより偏倚されている。

オペレータが機械のコンポーネントを動かしたい場合、入力装置が操作され、各油圧アクチュエータ用のソレノイドバルブの組に、例えば、機械コンポーネントに付随するシリンダ／ピストン構成に入力される電気信号を発生する。一方のソレノイドコイルは加圧流量をピストンの片側のシリンダチャンバーに供給するように開口し、他方のソレノイドコイルは反対側のシリンダチャンバーから強制されている流体がリザーバ又はタンクに排出されるのを可能にするように開口する。ソレノイドコイルが開く程度を変更することにより、付随するシリンダチャンバーに流れる流速が変化し、それによりピストンを比例的に異なる速度で動かす。

従来のソレノイド動作型パイロットバルブの欠点はバルブ間で増大する圧力差により発生する効果に起因する。この圧力差はバルブからの作動液により動作する機械コンポーネントに作用する負荷力の変動で変化する。負荷力の変化とバルブに供給される流体の圧力はバルブ間の圧力差に影響を与える。閉状態において、圧力差はバルブを開くため且つ所望の流量を発生するために要求される力の量に影響を与える。結果として、圧力差の変化はオペレータにより要求されるようにバルブを動かすために必要な電流の大きさに影響を与える。

したがって、ソレノイド動作型バルブの設計によりバルブ間の異なる圧力差により生じる効果を軽減することが望まれる。

パイロット動作型油圧バルブは第１ポート、第２ポート、及びこれらのポート間のバルブシートを有する本体を持っている。主ポペット弁はあるポートから他のポートに流れる流量を制御するためバルブシートと選択的に係合する。制御チャンバーはバルブシートから遠隔の主ポペット弁の側の本体内に形成される。主ポペット弁内の開口部は第１ポートと制御チャンバー間に流路を提供する。

主ポペット弁の動作において第１及び第２ポートの圧力の変化による降下を補償する機構が設けられる。この機構は主ポペット弁の開口部に可動的に受け入れられるパイロットピストンを含み、かつ機構を貫通するパイロット通路を有する。ディスクバネは主ポペット弁に対してパイロットピストンを偏倚する。パイロットバルブ素子はバルブシートに対する主ポペット弁の動きを制御するパイロット通路を開閉するように動作する。好ましくは、パイロットバルブ素子は制御チャンバー内のパイロット通路の開口部でパイロットシートと係合する。

制御チャンバーとパイロットチャンバー間の圧力差の変動は主ポペット弁に対するパイロットシートの位置を変化させる。位置変化は２つのポートの圧力変動によるバルブ動作の効果を相殺させる。

図１を参照すると、ソレノイド動作型油圧バルブ１０はバルブブロック１２の開口部１１内に搭載された円筒バルブ本体１４を具備している。バルブブロック１２内の第１導管１３と第２導管１５は開口部１１に開いている。バルブ本体１４は一方の端部で第１又は流入ポートを有し第１導管１３と連通する長手第１穿孔部１６を有する。第２、又は流出ポート２０はバルブ本体１４の側部に形成され、第１導管１５と連通する。バルブシート２２は第１及び第２ポート１８及び２０間の第１穿孔部１６に形成される。本発明は第１ポートから第２ポートに流れる流量を制御する単一方向バルブに関連して記載されているが、新規な概念が双方向性バルブにも組み込み可能である。

主ポペット弁２４はバルブ本体第１穿孔部１６内で滑動、バルブシート２２と接離し、第１及び第２ポート１８及び２０間の作動液流量を選択的に制御する。この目的のため、主ポペット弁２４のノーズ２１はバルブの閉状態でバルブシート２２に突き当たる切頭円錐表面２３を有する。開口部２６は主ポペット弁２４の中央に配置され、バルブシート２２からの主ポペット弁の遠方側の制御チャンバー２８から内方向に伸びている。第１制御通路２５は開口部２６の内端部を第２ポート２０に接続する。制御オリフィス２９を有する第２制御通路２７は第１ポート１８と制御チャンバー２８間に主ポペット弁２４を介して流路を提供する。

油圧バルブ１０はバルブ間の圧力差の変動による効果を相殺する圧力補償機構３０を含んでいる。この圧力補償機構３０は主ポペット弁２４の開口部２６内で滑動的に受け入れられ、第１制御通路２５が開くパイロットチャンバー３３を形成するパイロットピストン３１からなる。パイロット通路３６は制御チャンバーと主ポペット開口部２６の内部間でパイロットピストン３１を介して伸びている。パイロットピストン３１は制御チャンバー２８に面する端部で拡大されたヘッド３２を有し、一般にベルビル（Ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅ）ワッシャとして知られる１対の円錐形ディスクバネ３４及び３５はヘッド３２を主ポペット弁２４から離間するように偏倚するパイロットピストンの周囲に配置される。２個のディスクバネ３４及び３５は単一ディスクバネよりバネ率を下げるように向かい合って積層されている。しかしながら、単一ディスクバネ又は２個以上のディスクバネの積層が使用できる。パイロットピストン３１の反対側は制御チャンバー２８内で第２ポート２０の圧力に晒される。後述されるように、第２ポート内より高い制御チャンバー２８内の圧力はピストン３１を主ポペット弁２４内に深く押込み、ディスクバネ３４を圧縮する。

主ポペット弁２４の動きは電磁コイル３９、電機子４２、ロッド状パイロットバルブ素子４４からなるソレノイドアクチュエータのようなアクチュエータにより制御される。電機子４２はバルブ本体１４を貫通する第１穿孔部１６内に位置決めされ、第１穿孔部１６の露出端部にネジ切りされた調整ネジ４１により変更できる力に作用する第１又は調整バネ４５により主ポペット弁２４に向けて偏倚される。電磁コイル３９はバルブ本体１４の周囲に配置され且つ固着される。電機子４２は電流を電磁コイル３９に流すことにより生じる電磁界に応答して第１穿孔部１６内で主ポペット弁から離間するように滑動する。

パイロットバルブ素子４４は管状電機子４２内の第２穿孔部４６内に滑動的に受止められる。パイロットバルブ素子に固着されたスナップリング５１と係合する第２バネ４８は第２穿孔部２６から外方向にパイロットバルブ素子４４を偏倚するので、ソレノイドアクチュエータ３８の非通電状態において、円錐先端５２を有する近接端部はパイロット通路３６に入る。円錐先端部５２はパイロット通路３６が制御チャンバー２８内に開くように形成されたパイロットシート５４で主ポペット弁と係合する。パイロットバルブ素子４４の遠方端部４３は、バルブ１０が例示された閉状態になる場合、電機子４２の近傍端部から第２穿孔部４６に埋め込まれている。パイロットバルブ素子遠方端部４３はプルピン４７が圧入される開口部を有する。プルピン４７は電機子４２の端部と第１バネ４５間に保持されるワッシャ４９と係合する外部ヘッドを有する。間隙がワッシャ４９とパイロットバルブ素子４４の近傍の端部間に形成され、パイロットバルブ素子が第２バネ４８の力に抗して電機子４２と第１バネ４５内で上方に滑動するのを可能にする。第１バネ４５は第２バネ４８より相当に大きなバネ率を有するので、パイロットバルブ素子４４の先端に加えられた力は電機子４２が、後述のように、第１バネを圧縮する前に滑動動作を発生させる。

電磁コイル３９の非通電状態において、第１バネ４５は電機子４２を主ポペット弁２４に向けて押し付け、第２バネ４８はパイロットバルブ素子４４を電機子から主ポペット弁に向けて外方向に押し付ける。この組合せ動作は制御チャンバー２８と第２又は流出ポート２０間パイロット通路３６を閉鎖し流体の連通を阻止するパイロットバルブ素子の切頭円錐先端部５２になる。結果として、圧力は制御チャンバー２８内で捕捉され、主ポペット弁２４を主バルブシート２２から離間するように及び油圧バルブ１０を開口するために動かす力に抗する。

ソレノイドアクチュエータ３８を通電することにより第１ポート１８と第２ポート２０間の作動液の流量の比例制御を可能にする。電磁コイル３８に加えられた電流は電機子４２をソレノイドアクチュエータ３８内で上方に引っ張り、プルピン４７とパイロットバルブ素子４４を上方に引っ張る磁界を発生させる。この動きはパイロットバルブ素子４４を主ポペット弁２４から離間するように引っ張り、パイロット通路３６を制御チャンバー２８に開口する。パイロット通路開口部が主ポペット弁の静圧力面積により決定される所定のサイズに達すると、主ポペット弁がバルブシート２２から離間するパイロットバルブ素子に追従する。開状態において、主ポペット弁２４はパイロットバルブ素子の先端部５２が入る位置に移動し、主ポペット弁内のパイロット通路３６を閉じる。電流の大きさはパイロットバルブ素子４４が主ポペット弁２４から移動する距離及び主ポペット弁がバルブシート２２から後退できる距離を決定する。したがって、電流の大きさはバルブが開く程度、したがって、バルブ１０に流れる流量を制御する。

第１ポート１８の圧力は第２制御通路２７を介して制御チャンバー２８と連通するので、同一圧力レベルが第１ポート及び制御チャンバーに存在する。第２ポート２０の圧力は第１制御通路２５を介してパイロットチャンバー３３に連通する。したがって、２つのポートの圧力はパイロットピストン３１の反対側で作用する。

ポート１８及び２０の圧力変動は要望通り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与える油圧バルブ１０間の圧力差を変化させる。現在のバルブ１０において、圧力差が主ポペット弁２４に作用する効果はパイロットピストン内のパイロットシート５４の動きにより相殺される。ディスクバネ３４はパイロットシート５４がポペット間の圧力差の変化に応答して主ポペット弁２４に対して動くのを可能にする。このような動作はパイロットバルブの圧力差変化の効果を相殺するためにパイロットシート５４の軸方向位置を効果的に変化させる。この動作はパイロットバルブ素子４４に対する油圧不均衡及びアクチュエータ力平衡に対する調整バネ力を補償する。

上記記載は主に本発明の好ましい実施例に向けられた。本発明の範囲内の種々の代案が注目されたが、当業者が本発明の実施例の開示から明らかである追加の代案を実現するであろうことが予期される。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲から決定されるべきであり、上記開示により制限されるものでない。

図１は本発明のソレノイド動作型油圧バルブを示す断面図である。

符号の説明

１０ ソレノイド動作型油圧バルブ
１２ バルブブロック
１３、１５ 導管
１４ 円筒バルブ本体
１６ 穿孔部
１８、２０ ポート
２１ ノーズ
２２ バルブシート
２３ 切頭円錐表面
２４ 主ポペット弁
２５、２７ 制御通路
２６ 開口部
２８ 制御チャンバー
２９ 制御オリフィス
３０ 圧力補償機構
３１ パイロットピストン
３２ ヘッド
３３ パイロットチャンバー
３４、３５ ディスクバネ
３８ ソレノイドアクチュエータ
３９ 電磁コイル
４２ 電機子
４５ 調整バネ

Claims (20)

1. 第１ポートと、第２ポートと、前記第１ポートと前記第２ポート間のバルブシートとを有する本体と；
   前記第１ポートと前記第２ポート間の流体を制御するため前記バルブシートと選択的に係合し、かつ制御チャンバーを形成し、前記制御チャンバーの圧力が主ポペット弁の動きを制御する主ポペット弁であり、且つ前記第２ポートと前記制御ポートと流体で連通する開口部を有する主ポペット弁と；
   前記主ポペット弁の前記開口部に可動的に受け入れられ、内部にパイロット通路を有するパイロットピストンと；
   前記主ポペット弁に対して前記パイロットピストンを偏倚する第１ディスクバネと；
   前記パイロット通路を開閉するように動作するパイロットバルブ素子と；
   前記パイロットバルブ素子を動かすために動作可能に結合されたアクチュエータと；
   を具備すること特徴とするパイロット動作型油圧バルブ。
2. 前記第１ディスクバネは前記主ポペット弁から前記制御チャンバーに離間するように前記パイロットピストンを偏倚することを特徴とする請求項１記載のパイロット動作型油圧バルブ。
3. 前記第２ディスクバネは前記パイロットピストンを偏倚するために前記第１ディスクバネに突き当たることを特徴とする請求項２記載のパイロット動作型油圧バルブ。
4. 前記主ポペット弁が前記第２ポートと前記制御チャンバー間の流路を提供する制御通路を更に具備することを特徴とする請求項１記載のパイロット動作型油圧バルブ。
5. 前記制御通路内に固定オリフィスを更に具備することを特徴とする請求項４記載のパイロット動作型油圧バルブ。
6. 前記制御チャンバーが前記バルブシートから離れた前記主ポペット弁の側に形成されることを特徴とする請求項１記載のパイロット動作型油圧バルブ。
7. 前記アクチュエータが、
   前記本体内で動き、前記パイロットバルブ素子が滑動的に受け入れられる穿孔部を有する電機子と；
   前記本体に対して前記電機子を偏倚する第１バネと；
   前記電機子に対して前記パイロットバルブ素子を偏倚する第２バネと；
   を具備することを特徴とする請求項１記載のパイロット動作型油圧バルブ。
8. 前記第２バネが前記第１バネより小さいバネ率を有することを特徴とする請求項７記載のパイロット動作型油圧バルブ。
9. パイロットバルブ素子が前記パイロットピストンと係合すると、前記第２バネは前記パイロットバルブ素子が前記電機子内で滑動するのを可能にすることを特徴とする請求項７記載のパイロット動作型油圧バルブ。
10. 前記アクチュエータは前記電機子を動かす電磁界を発生する電磁コイルを更に具備することを特徴とする請求項７記載のパイロット動作型油圧バルブ。
11. 第１ポートと第２ポートが開く第１穿孔部を内部に有し、且つ前記第１ポートと前記第２ポート間の前記第１穿孔部内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、且つ前記バルブシートから離れた前記主ポペット弁の側で制御チャンバーを形成し、更に前記第１ポートと前記制御チャンバー間に流路を提供する開口部を有する、前記第１穿孔部内の主ポペット弁と；
    前記主ポペット弁の前記開口部内に受け入れられる、パイロット通路を有するパイロットピストンであり、前記パイロットピストンの反対側に前記制御チャンバーとパイロットチャンバーを有し、かつ前記制御チャンバーと前記パイロットチャンバー間の圧力差が前記開口部内で前記パイロットピストンの動きを生じさせるところのパイロットピストンと；
    前記主ポペット弁に対して前記パイロットピストンを偏倚する第１ディスクバネと；
    前記パイロット通路を開閉するように動作するパイロットバルブ素子と；
    前記パイロットバルブ素子を動作可能に動かすよう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油圧バルブ。
12. パイロットバルブシートが前記制御チャンバー内の前記パイロット通路の開口部でパイロットピストン内に形成されることを特徴とする請求項１１記載のパイロット動作型油圧バルブ。
13. 前記第１ディスクバネからの力及び前記制御チャンバーと前記パイロットチャンバー間の圧力差により前記主ポペット弁に対する前記パイロットバルブシートの位置を変化させることを特徴とする請求項１２記載のパイロット動作型油圧バルブ。
14. 前記第１ディスクバネが前記主ポペット弁から前記制御チャンバーに離間するように前記パイロットピストンを偏倚することを特徴とする請求項１１記載のパイロット動作型油圧バルブ。
15. 前記第２ディスクバネが前記パイロットピストンを偏倚するため前記第１ディスクバネに突き当たることを特徴とする請求項１１記載のパイロット動作型油圧バルブ。
16. 前記主ポペット弁は前記第１ポートと前記制御チャンバー間に流路を提供する制御通路を更に具備することを特徴とする請求項１１記載のパイロット動作型油圧バルブ。
17. 前記本体内で動き且つ前記パイロットバルブ素子が滑動的に受入れられる第２穿孔部を有する電機子と；
    前記本体に対して前記電機子を偏倚する第１バネと；
    前記電機子に対して前記パイロットバルブ素子を偏倚する第２バネと；
    を具備することを特徴とする請求項１１記載のパイロット動作型油圧バルブ。
18. 前記第２バネが前記第１バネより小さいバネ率を有することを特徴とする請求項１７記載のパイロット動作型油圧バルブ。
19. 前記パイロットバルブ素子が前記パイロットピストンと係合すると、前記第２バネは前記パイロットばね素子が前記電機子内で滑動するのを可能にすることを特徴とする請求項１７記載のパイロット動作型油圧バルブ。
20. 前記アクチュエータは前記電機子を動かす電磁界を発生する電磁コイルを更に具備することを特徴とする請求項１７記載のパイロット動作型油圧バルブ。

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