JP3703147B2 - ディジタル二方、三方、及び四方ソレノイド制御弁 - Google Patents

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、ディジタル制御式ソレノイド・アクチュエータ流体制御弁に関する。
２．関連技術の説明
制御弁は一般的には、油圧または空気圧システムの中における流体の流量を制御するために使用される。通常の流体制御弁には、弁ハウジングの内室でスプールを動かす１つまたは複数のソレノイドを含むものもある。流体は、スプールの位置に応じて様々なハウジング・ポートの間を導かれる。通常の制御弁には、二方弁、三方弁、及び四方弁が含まれる。二方弁は２つのポートを含み、開位置にあるときには２つのポートの間で流体を連絡させ、閉位置にあるときにはポート間の流体の流れを遮断する。
三方弁は、スプールが第１位置にあるときには第１ポートと共通ポートとの間で流体を連絡させ、スプールが第２位置にあるときには第２ポートと共通ポートとの間で流体を連絡させる。例えば、第１ポートをポンプの出口側に接続することができ、第２ポートをドレンに接続することができ、共通ポートをアクチュエータのシリンダ室に結合することができる。制御弁のソレノイドに電力を加えると、スプールで流体がポンプからアクチュエータに流れるようにし、その結果、アクチュエータの出力軸が動作状態位置に移動される。ソレノイドの電力源を断つと、戻しばねがスプールを移動させて元の位置に戻し、こうしてアクチュエータのシリンダ室はドレンと流体連絡の状態になる。アクチュエータも戻しばねを備えることができ、この戻しばねは、出力軸を移動させて元の位置に戻し、シリンダ室内の流体を制御弁を通してドレンに押し出す。こうして、制御弁を使ってアクチュエータの出力軸を動作状態と及び戻し状態にさせることができる。
四方弁は、スプールの位置に応じて、一対の流体ポートを第２流体ポート対に結合する。四方弁は、ばね戻り出力軸を持たないアクチュエータを制御するときに特に有用である。例えば、四方弁の供給ポートを加圧流体供給側に接続し、戻りポートをドレンに接続することができ、第１シリンダ・ポートをアクチュエータの第１シリンダ室に結合し、第２シリンダ・ポートをアクチュエータの対向する第２シリンダ室に結合することができる。スプールが第１位置にあるときには、スプールは第１シリンダ室を供給ポートに、第２シリンダ室をドレンに結合する。スプールを第２位置に動かすと、スプールは第１シリンダ室をドレンに、かつ第２シリンダ室を供給ポートに結合する。三方弁と同様に、四方弁はアクチュエータの出力軸を動作状態とすることも戻し状態とすることもできる。
通常のソレノイド作動式制御弁は、電力を連続的に供給してソレノイドを付勢しなければならないという点でアナログ式である。連続的な電力の供給は熱を発生し、熱はコイル・ワイヤと弁の性能と耐用寿命を劣化させる。アナログ弁は一般的には、弁のサイズと重量を増すことによって熱を補償するように製造される。かさばった重い制御弁は、サイズと質量が重大である自動車における燃料制御のような適用例には望ましくない。どの位置においても弁のスプールを維持するための電力を必要としない制御弁を有することが望まれる。また、信頼性が高く、比較的安価で、応答時間が速く、かつ連続的な電力供給なしに操作できるソレノイド制御弁を提供することが望まれる。
発明の概要
本発明の対象は、スプールを第１位置と第２位置の間で動かす一対のソレノイドを有する制御弁である。スプールとハウジングは、スプールを第１位置または第２位置に維持する磁性鋼から製造される。スプールは、少なくとも２つの流体ポートを有するハウジングの弁室内に位置する。弁は、スプールの位置に応じてポート間の流体の流れを制御する。弁は二方、三方、または四方弁のいずれにも製造することができる。
操作に際して、ソレノイドの１つに電力が供給されて、スプールを新しい位置に移動させる。次いでソレノイドへの電力が切られる。ハウジングとスプールのヒステリシスがスプールを正しい位置に維持する。対向するソレノイドに電力を供給し、電力を再び止めることによって、スプールは元の位置に戻る。
スプールは、弁室と弁のドレン・ポートの両方に液体連絡する内室を有する。内室は、スプールの両端がバランスされ、弁室中で液圧が高くならないことを保証する。バランスのとれたスプールは、ソレノイドに必要な電力を減らし、弁の応答時間を改善する。
【図面の簡単な説明】
本発明の目的及び利点は、当業者には、下記の詳細な説明と添付の図面を見ればさらに容易に明らかになろう。
第１図は、本発明による制御弁の斜視図である。
第２図は、第１図の弁の底面図である。
第３図は、第１位置にあるスプールを示す、第１図の制御弁の断面図である。
第４図は、第２位置にあるスプールを示す、第３図に類似の図である。
第５図は、弁の端部を示す側断面図である。
第６ａ図は、スプールの代替実施形態の断面図である。
第６ｂ図は、第６ａ図のスプールの端面図である。
第７図は、三方弁の第１位置にあるスプールの断面図である。
第８図は、図７図の三方弁のポートを示す底面図である。
第９図は、第２位置にあるスプールを示す第７図に類似の断面図である。
第１０図は、四方弁の第１位置にあるスプールの断面図である。
第１１図は、第１０図の四方弁のポートを示す底面図である。
第１２図は、第１０図の線１２−１２に沿った断面図である。
第１３図は、第１０図の線１３−１３に沿った断面図である。
第１４図は、第２位置にあるスプールを示す第１０図に類似の断面図である。
発明の詳細な説明
図面を参照番号によってさらに詳しく参照すると、第１図ないし第３図は本発明による制御弁１０を示す。弁１０はハウジング１２を有し、ハウジング１２は第１ポート１４と第２ポート１６を含む。ハウジング１２は、２つの端部材１８と１つの中央ブロック２０から組み立てることが好ましい。端部材１８はボルト２２によって中央ブロック２０に取り付けられている。中央ブロック２０は、弁１０をマニホールドやインゼクタ弁などの他の部材に取り付けられるようにする、ねじ孔またはクリアランス・ホール２４を有することができる。
弁１０は、ハウジング１２の弁室２８の内部に位置するスプール２６を有する。スプール２６は、第３図に示した第１位置と第４図に示した第２位置との間を移動することができる。スプール２６は、ポート１４、１６に隣接する環状溝３０を有する。第３図に示すように、スプール２６が第１位置にあるときには、スプール２６は、ポート１４とポート１６の間を流体が流れないようにする。第４図に示すように、スプール２６が第２位置にあるときには、環状溝３０は、第１ポート１４と第２ポート１６の間が流体連絡されるようにする。
弁１０は、スプール２６を第１位置に移動させる第１ソレノイド３２と、スプール２６を第２位置に移動させる第２ソレノイド３４とを有する。各ソレノイド３２、３４は、ボビン３８に巻き付けられたコイル３６を有する。弁室２８はＯリング４０によって密封され、Ｏリング４０は、それぞれハウジング１２の溝４２、４４とボビン３８中に位置する。
ソレノイド３２、３４は、ワイヤ４６によって外部の電気制御装置（図示せず）に接続することもできる。制御装置はソレノイド３２、３４に電流を供給して、弁の作動を制御する。弁１０を開いてポート１４、１６の間が流体連絡されるようにするため、制御装置は第２ソレノイド３４に電流を供給する。スプール２６が第２位置に達すると、第２ソレノイド３４への電力が止まる。電力の停止は、スプール２６が新しい位置に到達したことを保証するのに十分な長さの所定の時間だけ電流を供給することによって、またはスプールが新しい位置に到達した時、したがって電力が切れたことを実際に感知することによって、制御することができる。弁は、第１ソレノイド３２に電力を供給し、スプール２６が第１位置に達したときに第１ソレノイド３２への電力を止めることによって、再び閉じることができる。
ハウジング１２とスプール２６は、４１４０焼入れ鋼などの磁性材料で製造されている。ハウジング１２は５５Ｃのロックウェル硬さを有し、スプール２６は５０Ｃのロックウェル硬さを有することが好ましい。スプール２６は、材料の摩損を防止するためにハウジング１２よりも柔らかいことが好ましい。ハウジング１２とスプール２６のヒステリシスは、ソレノイドへの電力が止まった後でもスプール２６を正しい位置に維持する。したがって、本発明の弁はディジタル方式で操作することができ、スプールをどちらの位置にも動かすにもパルスがソレノイドに与えられる。
スプール２６は、開口４８、５０を通じて弁室２８と流体連絡している内室４６を有する。スプール２６はまた、内室４６と第２ポート１６との間に流体連絡を形成する通路５２を有する。流体は、スプール２６と中央ブロック２０の間の漏えいによって弁室２８の両端に蓄積することがある。開口４８、５０は、弁室２８内における流体圧力が確実にスプール２６の両端に同等に加わるようにする。同じ流体圧がスプール２６をバランスさせ、したがってソレノイドは、スプール２６をある位置から他の位置に動かすときに、弁室２８内の流体圧に打ち勝つ必要がなくなる。バランスのとれたスプールは、所要電力量が比較的少なく、したがって通常の制御弁よりも熱の発生が少ない制御弁を提供できる。バランスのとれたスプールはまた、弁の応答時間を増加させる。
第２ポート１６は一般にドレンに結合される。この場合、弁室２８の内部の流体はドレンと同じ圧力にある。多くの適用例において、ドレンの圧力は本質的には大気圧である。第２ポート１６が比較的高い背圧を有するシステムに結合されている場合には、弁は弁室２８から排気するための別の第３ドレン・ポート（図示せず）を有することもできる。
第５図に示すように、スプール２６の各端部は、外部リム５６から開口へ延びる凹面５４を有することができる。凹面５４はキャビティを作り、このキャビティは、スプール２６が新しい位置に動く際の油圧の影響を軽減する。キャビティは、流体を満たして、ソレノイドの引っ張りを打ち消すことのある流体圧の発生を防止するリザーバとして働く。第３図を見ると、端部材１８もキャビティ５７を有し、このキャビティはスプール２６にかかる静水力を低減する。
スプール２６の外部リム５６は、ハウジング１２の端部材１８と接触している。リム５６は、スプールを正しい位置に維持するのに十分なヒステリシスを保証するための十分な面積を持たなければならない。第６ａ図ないし第６ｂ図は一代替実施形態を示すもので、各スプール端は、内リム６０まで延びるテーパ面５８を有する。第６図の実施形態も、スプール２６がある位置から他の位置に動いているときに、スプール端と端部材１８との間での液圧の発生を防止する。
第７図ないし第９図は、三方制御弁１００に組み込んだ本発明を示す。三方制御弁は、第１ソレノイド１０４と第２ソレノイド１０６によって第１位置と第２位置との間を動かされるスプール１０２を含む。弁ハウジング１０８は、第１ポート１１０、第２ポート１１２、及び第３ポート１１４を有する。スプール１０２は内室１１６によってバランスされ、この内室１１６は、通路１１８を通じて第２ポート１１２に、またスプール開口１２２を通じてハウジング１０８の弁室１２０に流体連絡している。
スプール１０２が第７図に示す第１位置にあるときには、弁１００は環状溝１２４を通じて第１ポート１１０と第３ポート１１４との間に流体連絡をもたらし、第２ポート１１２と第３ポート１１４との間の流体連絡を妨げる。第２ソレノイド１０６がスプール１０２を第９図に示す第２位置に動かすと、環状溝１２４は、第２ポート１１２と第３ポート１１４との間に流体連絡をもたらし、第１ポート１１０と第３ポート１１４との間の流体連絡を妨げる。第１ポート１１０は一般に加圧流体供給源（ポンプ）に接続されており、第２ポート１１２は一般にドレンに接続されており、第３ポート１１４は、アクチュエータのシリンダ室（図示せず）などの作動要素に結合することができる。弁１００が開いているときには（スプールは第１位置にある）、流体は、加圧流体供給源から第１ポート１１０と第３ポート１１４を通じてシリンダ室へ流れることができる。弁１００が閉じているときには（スプールは第２位置にある）、アクチュエータのシリンダ室内部の流体は、第３ポート１１４と第２ポート１１２を通じて流れ出ることができる。ハウジングとスプールは磁性材料で製造されているので、スプールは材料のヒステリシスによって正しい位置に維持される。弁は上述のように、ソレノイドの１つにパルスを送ることによってディジタル方式で切り換えることができる。
第１０図ないし第１４図は、四方制御弁１５０に組み込んだ本発明を示す。四方制御弁は。、第１ソレノイド１５４と第２ソレノイド１５６によって第１位置と第２位置との間を動かされるスプール１５２を含む。弁ハウジング１５８は、第１ポート１６０、第２ポート１６２、第３ポート１６４、及び第４ポート１６６を有する。第１３図に示すように第１ポート１６０は、スプール１５２の環状溝１６８に流体連絡している。スプール１６２は内室１７０によってバランスされ、この内室１７０は、通路１７２を通じて第２ポート１６２に、またスプール開口１７８を通じてハウジング１７６の弁室１７４に流体連絡している。
スプール１５２が第１０図に示す第１位置にあるときには、第１ポート１６０は第３ポート１６４に流体連絡され、第２ポート１６２は第４ポート１６６に流体連絡される。スプール１５２が第２ソレノイドによって第１４図に示す第２位置に引っ込むと、第１ポート１６０は第４ポート１６６に流体連絡され、第２ポート１６２は第３ポート１６４に流体連絡される。
例えば、第１ポート１６０を加圧流体供給源に接続することができ、第２ポート１６２をドレインに接続し、第３ポート１６４をアクチュエータの第１シリンダ室（図示せず）に結合し、第４ポート１６６をアクチュエータの対向する第２シリンダ室に結合することもできる。スプールが第１位置にあるときには、流体は、供給源からポート１６０、１６４を通じて第１シリンダ室に流れることができ、また第２シリンダ室からポート１６２、１６６を通じてドレンに流れることができる。第２位置にスプール１５２を動かすと流れが逆転し、流体は供給源からポート１６０、１６６を通じて第２シリンダ室に流れ、第１シリンダ室から出て、ポート１６２、１６４を通じてドレンに流れる。四方弁は上述のようにディジタル方式で作動し、スプールが新しい位置に達すると、ソレノイドへの電力は止まる。
こうしてバランス・スプールを含み、ディジタル方式で作動し、これによって所要電力量を低減させ、かつ弁の応答時間を増加させる、二方弁、三方弁、及び四方弁が提供される。
いくつかの実施形態を記述し図示したが、このような実施形態は例示的なものにすぎず、当業者にとっては他の様々な改変例を思いつくことができるので、広義の発明を限定的なものではなく、かつ本発明が図示し説明した特定の構造及び配置に限定されるものでないことを理解されたい。

Claims (12)

1. 制御弁において、
   第１ポートおよび第２ポートと、弁室とを有するハウジングを備え；
   前記弁室中の第１位置と第２位置の間で移動することができるスプールにして、前記第１位置にあるときには前記第１ポートと前記第２ポートの間の流体連絡を妨げ、前記第２位置にあるときには前記第１ポートと前記第２ポートの間の流体連絡を可能にするスプールを備え、そのスプールには内室が設けられ、その内室は、前記第２ポートと流体連絡するとともに、前記スプールの両端それぞれで開口を通して前記弁室と流体連絡しており、前記スプールの両方の端部それぞれは外部接触リムから前記開口まで凹面にされ；
   前記スプールを前記第１位置と第２位置の間で移動させるためのソレノイド手段を備え；
   前記スプールと前記ハウジングの残留磁気が前記スプールの位置を維持することを特徴とする制御弁。
2. 請求項１記載の制御弁であって、前記ハウジングには第３ポートがさらに設けられ、その第３ポートは、前記スプールが前記第１位置にあるときに前記第１ポートと流体連絡することを特徴とする制御弁。
3. 請求項２記載の制御弁であって、前記ハウジングには第４ポートがさらに設けられ、その第４ポートは、前記スプールが前記第１位置にあるときには前記第２ポートに流体連絡し、前記スプールが前記第２位置にあるときには前記第３ポートに流体連絡することを特徴とする制御弁。
4. ａ）スプールを、ハウジングの第１ポートと第２ポートの間の流体連絡が妨げられる第１位置へと、移動させる第１ソレノイドに対して、電力を供給するステップを備え、そのスプールには内室が設けられ、その内室は、前記第２ポートと流体連絡するとともに、前記スプールの両端それぞれで開口を通して前記弁室と流体連絡しており、前記スプールの両方の端部それぞれは外部接触リムから開口まで凹面にされており；
   ｂ）前記第１ソレノイドの電力を切るステップを備え、前記ハウジングおよび前記スプールの残留磁気が前記スプールを前記第１位置に維持し；
   ｃ）前記スプールを、前記第１ポートと第２ポートの間の流体連絡が可能となる第２位置へと、移動させる第２ソレノイドに対して、電力を供給するステップを備え、
   ｄ）前記第２ソレノイドの電力を切るステップを備え、前記ハウジングおよび前記スプールの残留磁気が前記スプールを前記第２位置に維持し；
   ｅ）前記第２ポートをドレンに接続するステップを備える
   ことを特徴とする流体の流れを管理する方法。
5. 請求項４記載の方法において、前記スプールは、前記第１位置にあるときに、前記第１ポートと、前記ハウジングの第３ポートとの流体連絡を可能にさせることを特徴とする流体の流れを管理する方法。
6. 請求項５記載の方法において、前記スプールは、前記第１位置にあるときに、前記第２ポートと前記ハウジングの第４ポートとの流体連絡を可能にさせ、前記第２位置にあるときに、前記第３ポートと前記第４ポートとの流体連絡を可能にさせることを特徴とする流体の流れを管理する方法。
7. 第１ポートおよび第２ポートと、一対の対向するハウジング面の間に位置する弁室とを有するハウジングを備え；
   前記弁室中の第１位置と第２位置の間で移動することができる鋼スプールにして、前記第１位置にあるときには前記第１ポートと前記第２ポートの間の流体連絡を妨げ、前記第２位置にあるときには前記第１ポートと前記第２ポートの間の流体連絡を可能にするスプールを備え、前記スプールの両方の端部それぞれは開口を有し且つ外部接触リムから前記開口まで凹面にされ、前記外部接触リムで対応する前記ハウジング面に係合するよう構成され、それらの前記開口を介して前記第２ポートと前記弁室とが流体連絡しており；
   前記スプールを前記第１位置と前記第２位置の間で移動させるためのソレノイド手段を備え、前記ハウジング面および前記スプールの前記端部の残留磁気が前記スプールの位置を維持する
   ことを特徴とする制御弁。
8. 請求項７記載の制御弁であって、前記ハウジングには第３ポートがさらに設けられ、その第３ポートは、前記スプールが前記第１位置にあるときに前記第１ポートと流体連絡することを特徴とする制御弁。
9. 請求項８記載の制御弁であって、前記ハウジングには第４ポートがさらに設けられ、その第４ポートは、前記スプールが前記第１位置にあるときには前記第２ポートに流体連絡し、前記スプールが前記第２位置にあるときには前記第３ポートに流体連絡することを特徴とする制御弁。
10. ａ）鋼スプールを、ハウジングの第１ポートと第２ポートの間の流体連絡が妨げられる第１の位置へと、移動させる第１ソレノイドに対して、電力を供給するステップを備え、前記スプールの両方の端部それぞれは開口を有し且つ外部接触リムから前記開口まで凹面にされ、前記外部接触リムで対応するハウジング面に係合するよう構成され、それらの前記開口を介して前記第２ポートと前記弁室とが流体連絡しており；
    ｂ）前記第１ソレノイドの電力を切るステップを備え、前記ハウジングおよび前記スプールの残留磁気が前記スプールを前記第１位置に維持し；
    ｃ）前記スプールを、前記第１ポートと第２ポートの間の流体連絡が可能となる第２位置へと、移動させる第２ソレノイドに対して、電力を供給するステップを備え、
    ｄ）前記第２ソレノイドの電力を切るステップを備え、前記ハウジングおよび前記スプールの残留磁気が前記スプールを前記第２位置に維持し；
    ｅ）前記第２ポートをドレンに接続するステップを備えることを特徴とする流体の流れを管理する方法。
11. 請求項１０記載の方法において、前記スプールは、前記第１位置にあるときに、前記第１ポートと、前記ハウジングの第３ポートとの流体連絡を可能にさせる
    ことを特徴とする流体の流れを管理する方法。
12. 請求項１１記載の方法において、前記スプールは、前記第１位置にあるときに、前記第２ポートと前記ハウジングの第４ポートとの流体連絡を可能にさせ、前記第２位置にあるときに、前記第３ポートと前記第４ポートとの流体連絡を可能にさせることを特徴とする流体の流れを管理する方法。

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