JP2009526188A - スプール・バルブ - Google Patents

Abstract

第１段スプールと第２段スプールとを単一のアセンブリ中に備える２段スプール・バルブである。第１段スプールは、戻しばねを有するソレノイド・アクチュエータを有し、第２段スプールは、油圧戻し機構かばね戻し機構のいずれか、又はそれら両方を有する。ソレノイド・アクチュエータは、ソレノイド・アクチュエータが駆動されたとき、可動構造磁極面を有する可動構造部と共に、実質的に零空隙の磁気回路を形成する、磁束通路を形成し静止構造磁極面を有する静止構造部から構成することができ、静止構造部及び可動構造部の磁極面がそれぞれ、部分的に軟磁性鉄、部分的に硬化鋼によって形成され、ソレノイド・アクチュエータが駆動されたとき、可動構造部の硬化鋼は静止構造部の硬化鋼に接触し、可動構造部の軟磁性鉄は静止構造部の軟磁性鉄に向かい合う。

Description

（関連出願の相互参照）
この出願は、２００６年２月７日出願の米国特許仮出願第６０／７７１，１１２号の特典を主張するものである。

本発明は、ソレノイド駆動式スプール・バルブの分野に関する。

ソレノイド駆動式スプール・バルブは従来技術では周知である。その種バルブには、単一ソレノイドばね戻し機構バルブと２重ソレノイド・バルブがあり、それらのいずれにも磁気ラッチングが組み込まれている場合と、組み込まれていない場合とがある。その種バルブの例は、米国特許第５，６４０，９８７号に見ることができる。また、２段スプール・バルブ・システムが知られており、第１段は、２段スプール・バルブを油圧的に制御するソレノイド・バルブである。たとえば、米国特許第６，７３９，２９３号を参照されたい。

燃料噴射や油圧バルブ駆動システムなどのある種の用途においては、ソレノイド駆動スプール・バルブは数１０億サイクルの耐用寿命を有さなければならない。このためには、様々な部品の磨耗を最低限に抑える必要があり、言い換えると、たとえば５２１００又は４４０Ｃなどの硬化鋼を必要とする。しかし、これらの材料は、焼きなまされた１０２０などの物理的に軟磁性鋼（鉄）の磁場飽和密度に比較して、比較的低い飽和密度を有する。それらの鋼は、硬化鋼の飽和密度の２倍の飽和密度を有し、磁力は磁束密度の２乗に比例するので、これらの鋼は、同じ磁極面積に対して、硬化鋼によって形成される最大駆動力の約４倍の最大駆動力を形成することができる。

先ず図１を参照すると、本発明の一実施形態の断面を見ることができる。この実施形態は、２段のスプール・バルブであり、第１段は電磁式又はソレノイド駆動式であり、第２段は第１段によって油圧的に駆動される。第１段は、磨耗特性を向上させるための硬化鋼と、磁気特性を向上させるための軟磁性鉄との組合せを有する。第１段は、ばね戻し機構を有する単一のソレノイド・コイルを使用し、そのばね戻し機構は、２つのばねを備え、一つは戻り行程全体に亘って作動し、一つは戻り行程の約半分の間のみに作動することによって、ソレノイド駆動力に対してある比率のステップ状ばね戻し力を効果的に形成して、駆動と戻しの両方で迅速な作動を実現する。第２段は油圧戻し機構を使用し、第１段を作動させるとその油圧戻し機構力よりも大きな油圧駆動力が生成され、両方の力共に、加圧流体供給源によって供給される制御流体の圧力に依存する。

図１に見られるように、本体部材２０は、パイロット・スプール２２と第２段スプール２４のための本体すなわちハウジングを形成している。本体部材２０の一方の端部には、ソレノイド・コイル２６、磁極片２８、カバー２９がある。磁極片２８と本体部材２０との間には、インサート３０がある。また、パイロット・スプール２２の延長部３４上には別のインサート３２がある。好ましくは、インサート３０は磁極片２８中に圧力嵌合され、インサート３２はパイロット・スプール２２の延長部３４上に圧力嵌合される。一般に、インサート３０及び３２は、焼なまし１０２０、又は磁気駆動デバイスに使用することを特に意図した高飽和密度鉄材などの高飽和密度材から製造される。やはり一般に、図１に示された２段バルブの他の部品は、好ましくは、ある程度の磁気特性を有しながらも、主として耐磨耗性を求めて選択される５２１００や４４０Ｃなどの硬化鋼部品である。それに関連して、インサート３０は磁極片２８中に、インサート３２はパイロット・スプール２２の延長部３４上へ、それらの端面が仕上げ加工される前に組み込まれ、その結果、それら部品が仕上げ加工された状態では、インサート３０の面は磁極片２８の面と面一になり、インサート３２の面は延長部３４の面と面一になる。

図１は、２段スプール・バルブの非作動状態を表す。この状態では、加圧流体供給源Ｓに接続されたポート３６は、パイロット・スプール２２のランドによって遮蔽されている。本体部材２０の溝３８への漏入は、通路４０を通ってパイロット・スプール２２の中央領域４２に連通され、そこから、ばね領域４４に入り、排出Ｖポート４６に連通する。その結果、プッシュ・ピン５０の後の領域４８に圧力がかからない。一方、加圧流体供給源Ｓに結合されたポート５０は、プッシュ・ピン５４の後の領域５２に連通している。この圧力が、第２段スプール２４を、図１に示すその右方最大位置まで押しやる。同時に、ばね５６が、プッシュ部材５８を左方に押し、パイロット・スプール２２をその左端が第２段スプールの対応する面に当接するまで左方に押しやる。望むなら、別個のストッパをパイロット・スプール２２の左方最大移動に対して設けることができる。

好ましい実施形態では、３つのプッシュ・ピン５０と２つだけのプッシュ・ピン５４とがあり、全てのプッシュ・ピンが同じ直径である。したがって、プッシュ・ピン５４が加圧され、プッシュ・ピン５０が加圧されていないと、アセンブリは図１に示される位置を取ろうとする。しかし、駆動電流がソレノイド・コイル２６に印加されると、インサート３２をその上に有するパイロット・スプール２２は、始めのうちは、ばね５６のみによる抵抗を受けながら、図２に示されるようにプッシュ部材５８が部材６２に当接するまで、磁気的に右方へ引き付けられる。好ましい実施形態では、この当接は、パイロット・スプール２２がほぼ中間位置に来たときに起こり、そこで、ポート３６に連通する加圧流体供給源Ｓがプッシュ・ピン５０の後の領域４８に連通し始める。磁気回路中の空隙は図１よりも小さいので、パイロット・スプール２２への総磁力は、通常、増加してきている。同時に、パイロット・スプール２２がさらに移動すると、プッシュ部材５８が、部材６２に係合し、それをばね６０の力に対抗して右方へ移動させる結果、ばね６０もやはり圧縮され始める。これが、本質的に、ばね力にステップを形成して、磁力対パイロット・スプール位置の通常の形をより良く近似する。これにより迅速な駆動が実現され、他方また、作動解除時に増強力をもたらして非駆動位置への迅速な戻りを確実にする。

最後に、ソレノイド・アクチュエータが、図３に示されるように一杯に駆動されると、その両方に最初に予荷重が掛けられている両ばね５６、６０がさらに圧縮され、パイロット・スプール２２の延長部３４とインサート３２の面が、隣接する磁極片２８とインサート３０の面に当たって止まる。この位置では、流体は、供給源Ｓからポート３６及び環状通路３８を通って、プッシュ・ピン５０の後の領域４８に連通し、プッシュ・ピン５０を油圧的に左方に押す。前述の通り、好ましい実施形態では、プッシュ・ピン５０と５４とは同じ直径であり、第２段スプール２４は２つのプッシュ・ピン５４しか有さないが、パイロット・スプール２２は３つのプッシュ・ピン５０を有する。したがって、プッシュ・ピン５０の後の領域４８が加圧されたとき、第２段スプール２４を左方に押す力は、第２段スプール２４を右方に付勢する力より大きい。それに関連して、加圧流体供給源Ｓの圧力が増加すると、第２段スプール２４に掛かる駆動力と戻し力が同様に増加することに留意されたい。やはりそれに関連して、エンド・キャップ７２と第２段スプール２４との間で働くばね７０は、ポンプ又は他の流体加圧手段が停止したときに生じるような供給源Ｓの圧力の消滅時に、第２段スプールの位置を決める。詳しくは、その位置は図１に示される位置であり、そこでは第２段スプール２４は制御ポートＣ６８を排出ポートＶ４６に連通させ、他方、図３のようにソレノイドが駆動されると、ポート５０の加圧流体供給源Ｓは制御ポートＣ６８に連通され、制御ポートＣ６８と排出ポートＶ４６との間の流れは遮断される。したがって、この実施形態の２段バルブは、パイロット・バルブ中のソレノイド・アクチュエータの駆動状態に応じて、制御ポートを加圧流体供給源又は排出口に連通させる２段３方バルブである。

前述の通り、インサート３０と３２は、高飽和密度磁気材であり、本来その磨耗特性によって選択されたのではなく、その高飽和密度によって選択されたのである。これら材料の磨耗は、２段バルブが駆動されるとき、パイロット・スプール２２の硬化延長部３４が硬化鋼磁極片２８の一部分７０によって停止させられることによって、最低限に抑えられる。一方、高飽和密度インサート３０、３２は、磁束を集中させて、図３の駆動状態で、それら２つの部材間に高磁束密度を形成し、駆動中の高引力と駆動後の高保持力の両方を形成する。ただし、磁極片２８や本体部材２０などの硬化鋼部材の断面積が、それらの低飽和密度においても飽和しないだけの十分な断面積であることが前提である。すなわち、磁極片２８や本体部材２０の約２倍の飽和密度を有するインサート３０、３２は、約１／２の面積に同じ磁束の集中を可能にする。インサート３０と３２との間の磁気引力は、磁束を面積で割った商の２乗に比例するので、インサート３０、３２を使用することによって、ソレノイド・アクチュエータの駆動力が少なくとも約２倍になり、ばね５６、６０としてより強いばねを可能にし、それによって、２段バルブの駆動速度と解放速度の両方が増加する。その点で、多くの用途において２段バルブを使用する利点は、パイロット・スプールとして比較的小さく低出力のソレノイド・アクチュエータを用いたままでも、制御ポートと、供給源及び排出ポートとの間でより多くの流量の受け渡しを達成することができることである。また、主に、ばね５６、６０の力の選択、及び／又はソレノイド・コイル２６に保持電流を設けるか設けないかの選択の結果として、望むなら、パイロット・スプールの駆動位置で磁気ラッチングを用いることができることを留意するべきである。それに関連して、磁気ラッチングが使用されない場合は、各駆動時間を通してソレノイド・コイル２８に最大限の駆動電流が維持され、又は駆動目的のために最大限の電流パルスが使用され、かなり低下させた保持電流がそれに続き、その保持電流は、駆動により磁気回路中の空隙が実質的に零になるので、実質的に十分な磁場強度を磁気回路に維持する。また、本発明は、３方２段バルブに関して開示されてきたが、たとえば２段２方バルブなどの他のタイプのバルブを提供するには簡単な変更を施せばよいことは当業者にとって明らかであろう。

本明細書に示された例示では、エンド・キャップ７２、本体部材２０、磁極片２８、カバー２９の組立て方又は一体に保持する方式は示されていない。それら様々な部品は、たとえば、スクリュー、部品のねじ加工、外側ハウジングに入れて締込むこと、高次のアセンブリのハウジング又は本体に組み込んで閉じ込めることによるなど、当技術分野で周知の任意の方式で接合することができる。

本明細書に記載の本発明は、その様々な独自の特徴に関して説明されてきた。しかし、説明された特徴の様々な部分的組合せはまた、単段又は２段バルブで有利に実現されることが理解されるべきである。したがって、本発明のいくつかの実施形態が本明細書に開示され説明されてきたが、本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく、それら実施形態に様々な形態及び細部に関する変更を加えることができることが理解されるべきである。

本発明の好ましい実施形態の、非駆動状態の断面図である。 図１の２段バルブの好ましい実施形態の、半駆動状態の断面図である。 図１の２段バルブの好ましい実施形態の、最大駆動状態の断面図である。

Claims (27)

1. 第１の位置と第２の位置との間を移動可能な第１段スプールであって、前記第１の位置が、第３の位置と第４の位置との間を移動可能な第２段スプールに連携する第１の油圧領域に加圧流体源を連通させ、前記第２の位置が、前記第１の油圧領域を排出口に連通させる第１段スプールを備え、
   前記第１の油圧領域は、その第１の油圧領域に対して作用する加圧流体が、前記第２段スプールを前記第３の位置へ付勢するように配設され、
   前記第２段スプールは、前記第２段スプールを前記第４の位置へ付勢するように配設された戻し機構を有し、
   前記第２段スプールが前記第３及び第４の位置の一方にあるとき、第１のポートを第２のポートに連通させ、前記第３及び第４の位置の他方にあるとき、前記第１のポートを前記第２のポートに連通させないように構成され、
   駆動されたとき、前記第１段スプールを前記第１及び第２の位置の一方へ移動させるように配設されたソレノイド・アクチュエータを備えると共に、前記第１段スプールを前記第１及び第２の位置の他方へ付勢するように配設された戻しばねを備える
   構成を単一のアセンブリ中に備える２段スプール・バルブであって、
   前記ソレノイド・アクチュエータが、可動構造部及び静止構造部から構成され、磁束通路を形成して静止構造磁極面を有する前記静止構造部は、前記ソレノイド・アクチュエータが駆動されたとき、可動構造磁極面を有する前記可動構造部と共に、実質的に零空隙の磁気回路を形成し、前記静止構造部及び前記可動構造部の前記磁極面がそれぞれ、部分的に軟磁性鉄、部分的に硬化鋼によって形成され、前記ソレノイド・アクチュエータが駆動されたとき、前記可動構造部の前記硬化鋼は前記静止構造部の前記硬化鋼に接触し、前記可動構造部の前記軟磁性鉄は前記静止構造部の前記軟磁性鉄に向かい合う２段スプール・バルブ。
2. 前記ソレノイドが駆動されたとき、硬化鋼のみによって形成される磁気通路の部分が、磁極面の軟磁性鉄部分の向かい合っている領域の部分より大きな断面積を有することにより、硬化鋼の飽和密度が軟磁性鉄に比較して低いことに対処する、請求項１に記載の２段スプール・バルブ。
3. 前記第２段スプールの前記戻し機構が油圧戻し機構である、請求項１に記載の２段スプール・バルブ。
4. 前記第２段スプールの前記戻し機構がばね戻し機構である、請求項１に記載の２段スプール・バルブ。
5. 前記第２段スプールの前記戻し機構が、油圧戻し機構とばね戻し機構の両方である、請求項１に記載の２段スプール・バルブ。
6. 前記第１段スプールの前記戻しばねが２つのばねの組合せからなり、第１のばねは、前記第１段スプールが前記第１の位置と前記第２の位置との間を移動する間中、前記第１段スプールを駆動位置から遠くへ反対位置の方へ付勢するように作用し、第２のばねは、前記第１段スプールが、駆動位置から反対位置へ向かって約１／２の間を移動している間のみ、前記第１段スプールを駆動位置から遠くへ反対位置の方へ付勢するように作用する、請求項１に記載の２段スプール・バルブ。
7. 前記第２段スプールが、前記第３及び第４の位置の他の位置にあるとき、前記第１のポートを第３のポートに連通させる、請求項１に記載の２段スプール・バルブ。
8. 前記第２段スプールが、加圧流体供給源に連通され、前記第２段スプールを前記第４の位置へ付勢するように配設された第２の油圧領域を有し、
   前記第１の油圧領域が前記第２の油圧領域より大きい、
   請求項１に記載の２段スプール・バルブ。
9. 前記第１及び第２の油圧領域が、複数のピンの断面積によって形成される、請求項８に記載の２段スプール・バルブ。
10. 前記第１段スプールと前記第２段スプールが同軸である、請求項１に記載の２段スプール・バルブ。
11. 第１の位置と第２の位置との間を移動可能な第１段スプールであって、前記第１の位置が、第３の位置と第４の位置との間を移動可能な第２段スプールに連携する第１の油圧領域に加圧流体源を連通させ、前記第２の位置が、前記第１の油圧領域を排出口に連通させる第１段スプール
    を単一のアセンブリ中に備える２段スプール・バルブであって、
    前記第１の油圧領域は、その第１の油圧領域に対して作用する加圧流体が、前記第２段スプールを前記第３の位置へ付勢するように配設され、
    前記第２段スプールが、加圧流体供給源に連通され、前記第２段スプールを前記第４の位置へ付勢するように配設された第２の油圧領域を有し、
    前記第１の油圧領域が前記第２の油圧領域より大きく、
    前記第２段スプールが、前記第３及び第４の位置の一方にあるとき、第１のポートを第２のポートに連通させ、前記第３及び第４の位置の他方にあるとき、前記第１のポートを前記第２のポートに連通させないように構成されている２段スプール・バルブ。
12. 前記第２段スプールが、前記第３及び第４の位置の他方にあるとき、前記第１のポートを第３のポートに連通させる、請求項１１に記載の２段スプール・バルブ。
13. 前記第２段スプールを前記第４の位置へ付勢するように構成された第１の戻しばねをさらに備える、請求項１１に記載の２段スプール・バルブ。
14. 駆動されたとき、前記第１段スプールを前記第１及び第２の位置の一方へ移動させるように配設されたソレノイド・アクチュエータと、前記第１段スプールを前記第１及び第２の位置の他方へ付勢するように配設された戻しばねとをさらに備える、請求項１１に記載の２段スプール・バルブ。
15. 前記ソレノイド・アクチュエータが、可動構造部及び静止構造部から構成され、磁束通路を形成し静止構造磁極面を有する前記静止構造部は、前記ソレノイド・アクチュエータが駆動されたとき、可動構造磁極面を有する前記可動構造部と共に、実質的に零空隙の磁気回路を形成し、前記静止構造部及び前記可動構造部の前記磁極面がそれぞれ、部分的に軟磁性鉄、部分的に硬化鋼によって形成され、前記ソレノイド・アクチュエータが駆動されたとき、前記可動構造部の前記硬化鋼は前記静止構造部の前記硬化鋼に接触し、前記可動構造部の前記軟磁性鉄は前記静止構造部の前記軟磁性鉄に向かい合う、請求項１４に記載の２段スプール・バルブ。
16. 前記ソレノイドが駆動されたとき、硬化鋼のみによって形成される磁気通路の部分が、磁極面の軟磁性鉄部分の向かい合っている領域の部分より大きな断面積を有することにより、硬化鋼の飽和密度が軟磁性鉄に比較して低いことに対処する、請求項１５に記載の２段スプール・バルブ。
17. 前記第１バルブの前記戻しばねが２つのばねの組合せからなり、第１のばねは、前記第１段スプールが前記第１の位置と前記第２の位置との間を移動する間中、前記第１段スプールを駆動位置から遠くへ反対位置の方へ付勢するように作用し、第２のばねは、前記第１段スプールが、駆動位置から反対位置へ向かって約１／２の間を移動している間のみ、前記第１段スプールを駆動位置から遠くへ反対位置の方へ付勢するように作用する、請求項１６に記載の２段スプール・バルブ。
18. 前記第１段スプールと前記第２段スプールが同軸である、請求項１１に記載の２段スプール・バルブ。
19. 前記第１及び第２の油圧領域が、複数のピンの断面積によって形成される、請求項１１に記載の２段スプール・バルブ。
20. 第１の位置と第２の位置との間を移動可能な第１段スプールであって、前記第１の位置が、第３の位置と第４の位置との間を移動可能な第２段スプールに連携する第１の油圧領域に加圧流体源を連通させ、前記第２の位置が、前記第１の油圧領域を排出口に連通させる第１段スプールを備え、
    前記第１の油圧領域は、前記第１の油圧領域に対して作用する加圧流体が、前記第２段スプールを前記第３の位置へ付勢するように配設され、
    前記第２段スプールが、前記第２段スプールを前記第４の位置へ付勢するように配設された戻しばねを有し、
    前記第２段スプールが、前記第３及び第４の位置の一方にあるとき、第１のポートを第２のポートに連通させ、前記第３及び第４の位置の他方にあるとき、前記第１のポートを前記第２のポートに連通させないように構成されており、
    駆動されたとき、前記第１段スプールを前記第１及び第２の位置の一方へ移動させるように配設されたソレノイド・アクチュエータを備えると共に、前記第１段スプールを前記第１及び第２の位置の他方へ付勢するように配設された戻しばねを備える
    構成を単一のアセンブリ中に備える２段スプール・バルブ。
21. 前記ソレノイド・アクチュエータが、可動構造部及び静止構造部から構成され、磁束通路を形成し静止構造磁極面を有する前記静止構造部は、前記ソレノイド・アクチュエータが駆動されたとき、可動構造磁極面を有する前記可動構造部と共に、実質的に零空隙の磁気回路を形成し、前記静止構造部及び前記可動構造部の前記磁極面がそれぞれ、部分的に軟磁性鉄、部分的に硬化鋼によって形成され、前記ソレノイド・アクチュエータが駆動されたとき、前記可動構造部の前記硬化鋼は前記静止構造部の前記硬化鋼に接触し、前記可動構造部の前記軟磁性鉄は前記静止構造部の前記軟磁性鉄に向かい合う、請求項２０に記載の２段スプール・バルブ。
22. 前記ソレノイドが駆動されたとき、硬化鋼のみによって形成される磁気通路の部分が、磁極面の軟磁性鉄部分の向かい合っている領域の部分より大きな断面積を有することにより、硬化鋼の飽和密度が軟磁性鉄に比較して低いことに対処する、請求項２１に記載の２段スプール・バルブ。
23. 前記第１段スプールの前記戻しばねが２つのばねの組合せからなり、第１のばねは、前記第１段スプールが前記第１の位置と前記第２の位置との間を移動する間中、前記第１段スプールを駆動位置から遠くへ反対位置の方へ付勢するように作用し、第２のばねは、前記第１段スプールが、駆動位置から反対位置へ向かって約１／２の間を移動している間のみ、前記第１段スプールを駆動位置から遠くへ反対位置の方へ付勢するように作用する、請求項２２に記載の２段スプール・バルブ。
24. 前記第２段スプールが、前記第３及び第４の位置の他方にあるとき、前記第１のポートを第３のポートに連通させる、請求項２３に記載の２段スプール・バルブ。
25. 前記第２段スプールが、加圧流体供給源に連通され、前記第２段スプールを前記第４の位置へ付勢するように配設された第２の油圧領域を有し、
    前記第１の油圧領域が前記第２の油圧領域より大きい、
    請求項２３に記載の２段スプール・バルブ。
26. 前記第１及び第２の油圧領域が、複数のピンの断面積によって定義される、請求項２５に記載の２段スプール・バルブ。
27. 前記第１段スプールと前記第２段スプールが同軸である、請求項２０に記載の２段スプール・バルブ。

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