JP4210588B2 - 低エネルギ消費のソレノイド弁 - Google Patents

Description

本発明は、広くは制御弁に関し、より詳しくはエネルギ消費を低減できる制御弁に関する。

当業界で良く知られているように、制御弁は、しばしば、空気等の作動流体を作動装置に供給しかつ制御するのに使用されている。一般に、これらの制御弁は、弁ハウジング内に配置された可動弁スプールを用いている。弁ハウジングは複数の流体通路を有し、該流体通路は、流体の流れ従って制御弁の出力を制御すべく、弁スプールの移動に応答して選択的に相互連結される。

慣用制御弁には、しばしば、弁スプールを作動させるソレノイド弁が取付けられる。ソレノイド弁は、該ソレノイド弁が除勢されて、入力パイロット圧力と出力制御圧力との間の流体通路を閉じかつ大気への出口を開く第一位置と、電気入力によりソレノイド弁が付勢されて、入力パイロット圧力と出力制御圧力との間の通路を開きかつ外部への出口から流体通路を遮断する第二位置との間で、電気入力信号により制御される。

当業者ならば、一定の制御圧力を加えるには、電気制御信号がソレノイド弁を付勢し続けなくてはならないことは容易に理解されよう。すなわち、慣用制御弁でスプールを所定位置に維持するには、スプールの一側に一定の制御圧力を維持する必要がある。従って、この一定制御圧力をスプール上に維持するには、ソレノイド弁を開状態従って付勢状態に維持する必要がある。また、作動装置を所定位置に変位させかつ該位置に維持するには、全ライン圧力（full line fluid pressure）を用いる必要がある。従って、装置を全ライン圧力で作動させることは、装置を低ライン圧力で作動させるよりもコンプレッサを駆動するための多量のエネルギを必要とすることは理解されよう。

従って、当業界では、慣用作動装置に使用される作動流体の出力を発生できる制御弁であって、作動中に消費されるエネルギを最小にできる制御弁を提供することが要望されている。また当業界では、全ライン圧力よりも低い圧力で制御要素の位置を維持できる制御弁を提供することが要望されている。更に当業界では、従来技術の欠点を解消することが要望されている。

有利な構造を有する制御弁システムが提供され、本発明の制御弁システムは、入口と第一出口との間に流体連通が確立される第一位置と、入口と第二出口との間に流体連通が確立される第二位置と、入口と第一出口または第二出口との間の流体連通が防止される第三位置とに位置決めされる摺動可能な弁を有している。入口に流体連通するように連結されたソレノイド弁組立体を有し、該ソレノイド弁組立体は、入口との流体連通が確立されて弁を前記第一位置から第二位置に移動させる付勢位置と、除勢位置とに位置決めされる。ピストンが弁と選択的に係合し、第一出口内の流体圧力に応答して弁を第三位置に位置決めする。

本発明の他の領域および適用可能性は、以下に述べる詳細な説明から明白になるであろう。以下の詳細な説明および特定例は、参考例と本発明の好ましい実施形態を示すものであるが、単なる例示であって本発明の範囲を制限するものではないことを理解すべきである。

本発明は以下の詳細な説明および添付図面からより完全に理解されよう。

参考例と本発明の好ましい実施形態についての以下の説明は、本質の単なる例示であって、いかなる意味においても本発明、本発明の用途または使用方法を制限するものではない。例えば、本発明の原理は、スプール弁、ポペット弁（すなわち、弾性体、金属、セラミック等）、トラッピングプレスおよびフィードバック制御装置等の広範囲の弁システムに等しく適用できる。

ここで図１〜図４（幾つかの図面で、同一または同類の部品は同一の参照番号で示されている）を参照すると、制御弁システムの全体が参照番号１０で示されている。制御弁システム１０は、図１〜図３では流体制御弁として示され、図４では流体回路として示されている。

特に図１〜図３を参照すると、制御弁システム１０は、主弁組立体１２およびソレノイド弁組立体１４を有している。主弁組立体１２は、ソレノイド弁組立体１４に隣接して配置されかつソレノイド弁組立体１４に対して作動するように連結されている。主弁組立体１２は、流体入口通路１６と、第一排出通路１８と、第二排出通路２０と、弁ボア２２とを有している。弁ボア２２内には、弁部材すなわちスプール２４が配置されている。スプール２４は、スプリング２６により座合位置（この座合位置では、スプール２４の面部分２８が、弁ボア２２内に配置された第一ストップ３０に当接する）に常時押圧されていて、ピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２からの流体を、第二排出通路２０から排出させる。後述のように、スプール２４はまた、スプール２４の面部分２８が弁ボア２２の第一ストップ３０から離れる非座合位置で、スプール２４の反対側に形成された肩部３６が、弁ボア２２内に配置された第二ストップ３８に当接する位置に位置決めされ、ピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０からの流体を、第一排出通路１８から排出させる。

スプリング２６は省略できることに留意されたい。この場合には、スプール２４は、該スプール２４の対向面に作用する流体圧力差に応答して作動される。また、これらの対向面の表面積を異なるサイズ（すなわち、異なる面積比）にすることにより、制御弁システム１０は、広範囲の出力圧力差を発生するように容易に改変できる。

制御弁システム１０はまた、流体入口通路１６と、第一排出通路１８と、第二排出通路２０とを相互連結する複数の流体通路を有している。流体入口通路１６とソレノイド弁組立体への入口との間には流体通路４２が延びている。この流体通路４２は、ソレノイド弁組立体１４にパイロット圧力を供給するパイロット通路として機能する。ソレノイド弁組立体１４の出口とシャトル弁４６との間には流体通路４４が延びている。

シャトル弁４６は一般に、シャトルチャンバ５０内で移動可能に配置されたシャトルボール４８を有している。後述のように、シャトル弁４６は流体圧力に応答して移動し、流体の流れに対してシャトル弁４６の対向端部を流体的に遮断する。シャトル弁４６は、流体通路５４を介して弁チャンバ５２に流体的に連結されている。弁チャンバ５２はスプール２４の面部分２８に隣接して弁ボア２２内に配置されており、弁チャンバ５２内の流体圧力が面部分２８に作用してスプール２４をスプリング２６の押圧力に抗して移動させる。

しかしながら、図１２〜図１４に示すように、シャトル弁４８を省略して、より簡単化した設計にすることができる。より詳しくは、前側チャンバ４０とソレノイド５８との間に流体通路１００を配置する。流体通路１００は、ソレノイド５８が図１２に示す位置にあるときに、パイロット流体が弁チャンバ５２から前側チャンバ４０に流れることすなわち排出されることを可能にする。しかしながら、流体通路１００は、主弁組立体１２の外部（図１３参照）または内部（図１４）のいずれにも配置できることは理解されよう。

制御弁システム１０は更に、シャトル弁４６と第一排出通路１８との間に延びているフィードバック通路５６を有している。従って、シャトル弁４６のシャトルボール４８は、シャトルチャンバ５０内で、シャトルボール４８がフィードバック通路５６を通る流体の流れを防止する第一位置、およびシャトルボール４８が流体通路４４を通る流体の逆流を防止する第二位置に移動する。

図１は、流体入口通路１６からの加圧流体がピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２内に導かれて、ピストン６２を外方（図面で見て右方）に駆動する常時作動モードにある制御弁システム１０を示している。より詳しくは、流体入口通路からの加圧流体は、流体通路４２にも供給される。図４に示すように、ソレノイド弁組立体１４を付勢すると、流体通路４２と流体通路４４との流体連通が確立される。すなわち、ソレノイド弁組立体１４のソレノイド５８が付勢されると、ソレノイドスプール５９は、ソレノイドスプリング６０の押圧力に抗して、図４で見て右方に移動される。これにより、加圧流体が流体通路４４からシャトル弁４６内に導入され、シャトルボール４８を移動させてフィードバック通路５６を遮断する。シャトル弁４６内の加圧流体は、次に、弁チャンバ５２内に導かれる。弁チャンバ５２内の流体圧力は、スプール２４の面部分２８に作用する。弁チャンバ５２内の流体圧力がスプリングの押圧力より大きくなると、スプール２４は、該スプール２４の肩部３６が第二ストップ３８に座合するまで右方に移動する。スプール２４のこの移動により、流体が、流体入口通路１６からピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２内に流入でき、これによりピストン６２を外方（図１〜図４で見て右方）に伸長させる。従って、制御弁システム１０が図１に示す位置にあるとき、流体入口通路１６、ピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２、流体通路４２、シャトル弁４６および弁チャンバ５２は全て同じ流体圧力にあり、すなわち流体入口通路１６の流体圧力に等しい。

ここで図２を参照すると、ソレノイド弁組立体１４が除勢されており、従って流体通路４２からのパイロット流体が、シャトル弁４６従って弁チャンバ５２に流入することが防止される。従って、スプール２４の肩部３６に作用するスプリング２６の押圧力により、スプール２４は、その面部分２８が第一ストップ３０に当接するまで左方に移動される。スプール２４のこの左方への移動により、流体入口通路１６とピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０との流体連通が可能になり、これによりピストン６２が後退される。

図２から理解されようが、フィードバック通路５６はピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０と流体連通しており、従って前側チャンバ４０と同じ流体圧力にある。今や、流体入口通路１６の流体圧力は弁チャンバ５２内の流体圧力より高いので、流体入口通路１６からの流体が前側チャンバ４０およびフィードバック通路５６内に導入されると、シャトル弁４６のシャトルボール４８が左方に押される。シャトルボール４８およびシャトル弁４６のこの左方移動により、流体が、ピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０から弁チャンバ５２内に流れることを可能にし、これにより、弁チャンバ５２内の流体圧力が再び増大する。この間、流体は、ピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２から第二排出通路２０を通って排出される。

図３に最も良く示すように、流体入口通路１６から、ピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０および弁チャンバ５２内への流体の流れは、弁チャンバ５２内の圧力がスプリング２６の押圧力に等しくなるまで続けられる。弁チャンバ５２内の流体圧力がスプリング２６の押圧力に等しくなると、スプール２４が中間平衡位置に到達し、この平衡位置では、流体入口通路１６から残りの全ての流体通路への流体の流れが防止される。しかしながら、当業者ならば、ピストン部材組立体の前側チャンバ４０の流体圧力を低下させる流体漏洩または他の何らかの異常があると、弁チャンバ５２内の流体圧力が同時的に低下することが理解されよう。弁チャンバ５２内のこの圧力低下により、スプリング２６はスプール２４を左方に移動させることができ、これにより、流体入口通路１６とピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０との流体連通が再開される。前述のように、この流体連通は、前側チャンバ４０、フィードバック通路５６および弁着脱可能５２内の流体圧力がスプリング２６の押圧力に等しくなるまで続けられる。従って、フィードバック通路５６は、スプリング２６の適当な押圧力を単に選択するだけで、ピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０内の流体圧力を自動的に維持する方法を提供する機能を有することは明白である。維持すべき流体圧力はスプリング２６の力に正比例し、従ってスプリング２６は、平衡流体圧力を決定すべく選択される。

また、本発明の圧力調整の特徴は、全ライン圧力（全ライン圧力は過大な電気エネルギを消費する）を付与する必要なく達成されることに留意されたい。すなわち、非制限的な例として、伝統的な複動シリンダは、しばしば、該シリンダの初期位置への戻りが全ライン圧力の使用によってのみ達成されるように作動する。戻りストロークでのこの全ライン圧力の使用は、パワーストローク中に消費される圧縮空気の量と同量の圧縮空気を消費する。戻りストローク中のこの圧縮空気の消費は不要であると考えられる。本発明の原理によれば、一出口の低圧は迅速戻りストロークにとって充分であり、このことが、消費される圧縮空気の量を減少させ、従って作動要素により消費されるエネルギを減少させる。また、低圧の使用により、シリンダおよび／またはフィッティングでの漏洩の可能性も低下される。これらの長所は、スプールを圧力調整器として作動させることにより得られる。

ここで図５〜図１１（これらの図面では同一または同類の部品には同一の参照番号が使用されている）を参照すると、ここには、本発明の第二参考例による制御弁システム１０’が示されている。制御弁システム１０’は、図５〜図１０では流体制御弁として示されており、図１１では概略流体回路として示されている。

ここで図５を参照すると、制御弁システム１０’は、主弁組立体１２’に取付けられた第二ソレノイド弁組立体７０を有している。主弁組立体１２’は、第一ソレノイド弁組立体１４および第二ソレノイド弁組立体７０に隣接して配置されかつ相互作用するように連結されている。主弁組立体１２’は、流体入口通路１６と、第一排出通路１８と、第二排出通路２０と、弁ボア２２とを有している。弁ボア２２内にはスプール２４が配置されている。スプール２４は、スプリング２６により座合位置（この座合位置では、スプール２４の面部分２８が、弁ボア２２内に配置された第一ストップ３０に当接する）に常時押圧されていて、ピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２からの流体を、第二排出通路２０から排出させる。前述のように、スプール２４は、スプール２４の面部分２８が弁ボア２２の第一ストップ３０から離れる非座合位置で、肩部３６が、弁ボア２２内に配置された第二ストップ３８に当接する位置に位置決めされ、ピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０からの流体を、第一排出通路１８から排出させる。

制御弁システム１０’はまた、流体入口通路１６と、第一排出通路１８と、第二排出通路２０とを相互連結する複数の流体通路を有している。流体入口通路１６とソレノイド弁組立体への入口との間には流体通路４２が延びている。この流体通路４２は、ソレノイド弁組立体１４にパイロット圧力を供給するパイロット通路として機能する。ソレノイド弁組立体１４の出口とシャトル弁４６との間には流体通路４４が延びている。シャトル弁４６は一般に、シャトルチャンバ５０内で移動可能に配置されたシャトルボール４８を有している。シャトル弁４６は流体圧力に応答して移動し、流体の流れに対してシャトル弁４６の対向端部を流体的に遮断する。シャトル弁４６は、流体通路５４を介して弁チャンバ５２に流体的に連結されている。弁チャンバ５２はスプール２４の面部分２８に隣接して弁ボア２２内に配置されており、弁チャンバ５２内の流体圧力が面部分２８に作用してスプール２４をスプリング２６の押圧力に抗して移動させる。

制御弁システム１０’は、ピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２と第二ソレノイド弁組立体７０の入口との間に延びている第一フィードバック通路７２を有している。第一フィードバック通路７２内には、該通路を通る流体の流量を制限する絞り（レストリクタ）７４が配置されている。第二ソレノイド弁組立体７０と第二シャトル弁７８との間には流体通路７６が延びている。流体通路７６は更に、絞り７４の下流側でフィードバック通路７２に流体連通している。

第二シャトル弁７８は一般に、シャトルチャンバ８２内で移動可能に配置されたシャトルボール８０を有している。後述のように、第二シャトル弁７８は流体圧力に応答して移動し、流体の流れに対してシャトル弁７８の対向端部を流体的に遮断する。第二シャトル弁７８は、流体通路８４を介して、ピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０に連結されている。また、第二シャトル弁７８と第一シャトル弁４６との間には第二フィードバック通路８６が延びている。従って、第一シャトル弁４６のシャトルボール４８は、シャトルチャンバ５０内で、シャトルボール４８が第一シャトル弁４６から第二シャトル弁７８へと向かう流体の流れを防止しかつ弁チャンバ５２に向かう流体の流れを許容する第一位置、およびシャトルボール４８が流体通路４４を通る流体の逆流を防止しかつ第二フィードバック通路８６から弁チャンバ５２へと向かう流体の流れを許容する第二位置に移動できる。また、第二シャトル弁７８のシャトルボール８０は、シャトルチャンバ８２内で、シャトルボール８０が流体通路７６から流体通路８４へと向かう流体の流れを防止する第一位置、およびシャトルボール８０が第二フィードバック通路８６から流体通路７６へと向かう流体の逆流を防止する第二位置に移動できる。しかしながら、第二シャトル弁７８のシャトルボール８０は第二フィードバック通路８６を遮断できないので、第二フィードバック通路８６は、常に、流体通路７６または流体通路８４のいずれかと流体連通している。

図５は、制御弁システム１０’がその初期平衡位置にあるところを示す。図６に示すように、次に、第一ソレノイド弁組立体１４が付勢される。

図６は、常時作動モードにある制御弁システム１０’を示し、この常時作動モードでは、流体入口通路１６からの加圧流体がピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２に導かれて、ピストン６２を外方（図面で見て右方）に駆動する。より詳しくは、流体入口通路１６からの加圧流体が流体通路４２に供給される。第一ソレノイド弁組立体１４が付勢されて、流体通路４２と流体通路４４との間に流体連通が確立される。次に、流体通路４４から第一シャトル弁４６に流体が導入され、これによりシャトルボール４８が移動して第二フィードバック通路８６を遮断する。次に、第一シャトル弁４６内の加圧流体が弁チャンバ５２内に導かれ、該弁チャンバ５２内の流体圧力はスプール２４の面部分２８に作用する。弁チャンバ５２内の流体圧力がスプリング２６の押圧力より大きくなると、スプール２４は、スプール２４の肩部３６が第二ストップ３８に座合するまで右方に移動する。スプール２４のこの移動によって、流体が、流体入口通路１６からピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２内に流入でき、これによりピストン６２が外方（図５〜図１１で見て右方）に伸長する。従って、後側チャンバ３２および第一フィードバック通路７２と、第二ソレノイド弁組立体７０と、第二シャトル弁７８との間に流体の流れが確立される。第二シャトル弁７８内の圧力差により、シャトルボール８０が変位して流体通路８４を閉じかつ第二フィードバック通路８６を開く。従って、制御弁システム１０が図６に示す位置にあるとき、流体入口通路１６、ピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２、流体通路４２、第一シャトル弁４６および弁チャンバ５２は全て同じ流体圧力、すなわち流体入口通路１６の流体圧力に等しくなる。

ここで図７を参照すると、第一ソレノイド弁組立体１４および第二ソレノイド弁組立体７０の両者が除勢されており、従って流体通路４２からのパイロット流体が、第一シャトル弁４６従って弁部材５２に流入することが防止される。従って、スプール２４の肩部３６に作用するスプリング２６の押圧力により、スプール２４は、スプールの面部分２８が第一ストップ３０に当接するまで左方に押圧される。スプール２４のこの左方への移動により、流体入口通路１６とピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０との連通が可能になり、従ってピストン６２が後退される。

図８に最も良く示すように、第二ソレノイド弁組立体７０が付勢されると、流体通路７６と排出通路８８との間に流体連通が確立される。従って、弁チャンバ５２、第一シャトル弁４６、第二フィードバック通路８６、第二シャトル弁７８、および絞り７４の下流側の第一フィードバック通路７２の少なくとも一部から流体圧力が緩和される。弁チャンバ５２内の流体圧力のこの低下により、スプール２４は、図９に示すようにスプリング２６の押圧力を受けて左方に移動する。従って、流体入口通路１６とピストンチャンバ組立体３２の前側チャンバ４０との間に流体の流れが確立され、ピストン６２が後退される。

図１０から明らかなように、流体通路８４、第二シャトル弁７８、第二フィードバック通路８６および第一シャトル弁４６が、ピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０と弁チャンバ５２との間の流体連通を確立し、従ってこの状態で同じ流体圧力にある。第一参考例におけるように、これらの通路は、前側チャンバ４０内の流体圧力をスプリング２６に正比例する圧力に維持する機能を有し、かつ全ライン圧力より低い圧力を使用し、これにより消費されるエネルギを低減させることにより圧力漏洩等を解消できる。

ここで図１５〜図１９（これらの図面では同一または同類の部品には同一の参照番号が使用されている）を参照すると、ここには、本発明の第一実施形態による制御弁システム１０”が示されている。

特に図１５〜図１７を参照すると、制御弁システム１０”は、主弁組立体１２”およびソレノイド弁組立体１４を有している。主弁組立体１２”は、ソレノイド弁組立体１４に隣接して配置されかつソレノイド弁組立体１４に対して作動するように連結されている。主弁組立体１２”は、流体入口通路１６と、第一排出通路１８と、第二排出通路２０と、弁ボア２２”とを有している。弁ボア２２”内には、弁部材すなわちスプール２４”が配置されている。スプール２４”は、スプリング２６および端面３６”に作用する流体圧力により最左方位置に常時押圧されていて、ピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２（図１〜図１４におけると同様）からの流体を、第二排出通路２０（図１６）から排出させる。後述のように、スプール２４”はまた、最右方位置に位置決めされ、ピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０からの流体を、第一排出通路１８（図１５）から排出させる。

制御弁システム１０”のスプール２４”はまた拡大面部分２８”を有し、拡大面部分２８”はスプール２４”に取付けるか、スプール２４”と一体に形成できる。拡大端面２８”は、弁ボア２２”の拡大弁ボアセクション２００内に配置されている。拡大面部分２８”は、該部分２８”と拡大弁ボアセクション２００の側壁との間に配置されて、拡大弁ボアセクション２００の第一チャンバ２０４（図１５）と拡大弁ボアセクション２００の第二チャンバ２０６（図１６）との間のシール係合を形成する。第二チャンバ２０６は、ベント２０７を解して通気可能である。図面から理解されようが、拡大面部分２８”の直径はスプール２４”より大きい。この構造は、前述の参考例に比べて、ソレノイド弁組立体１４からの低いパイロット圧力でスプール２４”に作用して、スプリング２６の押圧力および端面３６”に作用する流体圧力に打勝つことを可能にする。しかしながら、拡大面部分２８”は、制御弁システム１０”の物理的限度内で特定用途に適した任意のサイズにすることができる。

制御弁システム１０”は更に、ピストンボア２１０内で移動可能に配置されたピストン２０８を有している。ピストン２０８は、該ピストン２０８とピストンボア２１０との間に配置されたシール２１２を有し、ピストンボア２１０（図１５）の第一チャンバ２１４とピストンボア２１０（図１７）の第二チャンバ２１６との間のシール係合を形成する。ピストン２０８に直交するステム２１８が、孔２１９を通って拡大弁ボアセクション２００内に延びている。ステム２１８は、後述のように、スプール２４”の拡大面部分２８”と選択的に係合するように定められる。ピストン２０８の直径は、スプール２４”より大きいことが好ましい。孔２１９のサイズは、第一チャンバ２１４と第一チャンバ２０４とが互いに流体連通するように定めることができる。

制御弁システム１０”は更に、流体入口通路１６と、第一排出通路１８と、第二排出通路２０と、スプール２４”と、ピストン２０８とが作用するように相互連結する複数の流体通路を有している。流体入口通路１６と、ソレノイド弁組立体１４への入口との間には流体通路４２”が延びている。流体通路４２”は、パイロット圧力をソレノイド弁組立体１４に供給するパイロット通路として機能する。流体通路４２”は更に、スプール２４”と、弁ボア２２”の端面３６”と、端キャップ２２２とにより形成された流体チャンバ２２０へと反対方向に延びている。ソレノイド弁組立体１４の出口と拡大弁ボアセクションの第一チャンバ２０４との間には、流体通路４４”が延びている。

制御弁システム１０”は更に、前側チャンバ４０とピストンボア２１０の第二チャンバ２１６との間に延びているフィードバック通路２２４を有している。従って、フィードバック通路２２４は、前側チャンバ４０からの流体圧力をピストン２０８に作用して、ピストンを右方に駆動するように機能する。図１５〜図１９に示すように、フィードバック通路２２４は端キャップ２２６を通って延びている。この構成の重要性は後述する。

図１５には、制御弁システム１０”が常時作動モードにあるところが示されており、このモードでは、流体入口通路１６からの加圧流体がピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２内に導かれて、ピストン６２を外方（図面で見て右方）に駆動する。より詳しくは、流体入口通路１６からの加圧流体は流体通路４２”内に供給される。図１５に示すように、ソレノイド弁組立体１４が付勢されて、流体通路４２”と流体通路４４”との間に流体連通が確立される。次に、加圧流体が流体通路４４”から拡大弁ボアセクション２００の第一チャンバ２０４内に導入される。拡大弁ボアセクション２００の第一チャンバ２０４内の流体圧力は、スプール２４”の拡大面部分２８”に作用する。同時に、加圧流体が流体通路４２”から流体チャンバ２２０内に導入されて、スプール２４”の端面３６”に作用する。拡大弁ボアセクション２００の第一チャンバ２０４内の流体圧力から拡大面部分２８”に作用する力が、ひとたび、スプリング２６の押圧力とスプール２４”の端面３６”に作用する力との合計より大きくなると、スプール２４”は、拡大面部分２８”が肩部２２８と係合するまで右方に移動する。スプール２４”のこの移動により、流体は、流体入口通路１６からピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２内に流入できるようになり、ピストン６２を外方（図１〜図４で見て右方）に伸長させる。従って、制御弁システム１０”が図１５に示す位置にあるときは、流体入口通路１６、ピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２、流体通路４２”、流体チャンバ２２０および拡大弁ボアセクション２００の第一チャンバ２０４の全部が同じ流体圧力、すなわち流体入口通路１６の流体圧力に等しくなる。

ここで図１６を参照すると、ソレノイド弁組立体１４は除勢されており、従って流体通路４２”からのパイロット流体が、拡大弁ボアセクション２００の第一チャンバ２０４に流入することが防止される。このため、第一チャンバ２０４、第二チャンバ２０６、および第一チャンバ２１４は大気に通気される。かくして、スプリング２６の押圧力と、スプール２４”の端面３６”に作用するチャンバ２２０内の流体圧力の力とを合計した力が、拡大面部分２８”がステム２１９に当接するまで、スプール２４”を左方に押す。スプール２４”のこの左方への移動により、流体入口通路１６とピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０との流体連通が可能になり、これによりピストン６２が後退される。

図１６から理解されようが、フィードバック通路２２４はピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０に流体連通しており、従って流体入口通路１６と同じ流体圧力にある。流体入口通路１６から前側チャンバ４０およびフィードバック通路２２４内に導入された加圧流体は、ピストンボア２１０の第二チャンバ２１６に流入して、ピストン２０８を右方に押す。ステム２１８とスプール２４”の拡大面部分２８”との物理的当接により、スプール２４”には、ピストン２０８のあらゆる右方移動に対応する右方移動が引起こされる。

スプール２４”のこの右方移動が生じる圧力は、スプリング２６の押圧力に加えて、ピストン２０８とスプール２４”の端面３６”との相対表面積に基いて定まる。換言すれば、ピストン２０８に作用する流体力が、右側に作用する流体力、押圧力およびあらゆる摩擦力より大きくなると、スプール２４”が右方に移動する。従って、適用する力を決定するには、１）流体圧力と、２）該流体圧力が作用する表面積とを考慮する必要がある。図１６に示すように、ピストン２０８およびスプール２４”に作用する流体圧力は互いに等しい（すなわち、流体入口通路１６の流体圧力に等しい）。従って、ピストン２０８の表面積はスプール２４”の端面３６”の表面積より大きいため、スプール２４”の左側には、スプール２４”を右方に移動させるスプリング２６の押圧力に打勝つ、より大きい力が発生される。

図１７に示すように、スプール２４”は、該スプール２４”が流体入口通路１６を遮断するまで右方に移動し続け、この時点でスプール２４”は平衡位置に到達したことになる。この平衡位置の特徴は、流体入口通路１６の入口圧力より低いが、大気圧よりは高い所定流体圧力が前側チャンバ４０内に存在し、かつフィードバック通路によりピストンボア２１０の第二チャンバ２１６内にも存在することにある。ピストン２０８に作用するこの力は、端面３６”に作用する力とスプリング２６の力との合計に釣合っている。しかしながら、当業者ならば、このバランスを崩す何らかの流体漏洩または他の異常があると、ピストンボア２１０の第二チャンバ２１６内の流体圧力の同時的低下を引起こすであろうことは理解されよう。ピストンボア２１０の第二チャンバ２１６の流体圧力のこの低下は、スプール２４”の端面３６”に作用する圧力およびスプリング２６の押圧力がスプール２４”を左方に移動することを可能にし、このため、再び平衡が達成されるまで、流体入口通路１６とピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０との流体連通が再開される。従って、この構成は、単に、ピストン２０８と端面３６”との適当な相対面積を選択しかつスプリング２６の適当な押圧力を選択することにより（従って、シャトル弁４６の必要性をなくすことにより）、ピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０内に所定流体圧力を自動的に維持する低エネルギ消費方法を提供する機能を有することは明白である。

ここで図１８および図１９を参照すると、本発明の実施形態は、ピストン２０８を完全にバイパスさせる機会を与えること、従って非エネルギ節約モードで作動できる制御弁を設けることが理解されよう。当業者には良く知られているように、或る用途ではエネルギ節約制御弁を使用する一方、他の用途では非エネルギ節約制御弁を使用することが好ましいことがときどきある。交換のため両仕様の制御弁をストックしておくコストは莫大になるため、制御弁システム１０”は、１つの制御弁をエネルギ節約モードまたは非エネルギ節約モードのいずれにも使用する機会を与えるものである。この目的を達成するため、制御弁システム１０”には着脱可能な端キャップ２２６が設けられており、該端キャップ２２６を通ってフィードバック通路２２４が延びている。従って、エネルギ節約モードを必要とする場合には、端キャップ２２６を図１５〜図１７に示すように配置する（この場合には、前側チャンバ４０とピストンボア２１０の第二チャンバ２１６との間に流体連通が維持される）。しかしながら、非エネルギ節約モードを必要とする場合には、端キャップ２２６を図１８および図１９に示すように反転させる（この場合には、前側チャンバ４０とピストンボア２１０の第二チャンバ２１６との間の流体連通が遮断される）。この位置では、制御弁システム１０”は、標準型２位置／４方制御弁と同様に作動できる。

また、本発明の圧力調整の特徴は、とかく過大の電気エネルギを消費する全ライン圧力を付与する必要なく達成できることに留意されたい。すなわち、非制限的な例であるが、伝統的な複動シリンダは、これらの初期位置への戻りが、全ライン圧力を使用することによってのみ行なわれる。戻りストロークに全ライン圧力を使用すると、パワーストロークの間に消費されるのと同量の圧縮空気が消費される。戻りストロークの間の圧縮空気の消費は不要であると考えられる。本発明の原理によれば、１つの出口を低圧にしておくことが迅速戻りストロークにとって充分であり、これにより、消費される圧縮空気の量が減少され、従って作動要素により消費されるエネルギが低減される。また、適用される圧力が低いことにより、シリンダおよび／またはフィッティングにおける漏洩の可能性も低下される。これらの長所は、圧力調整器としてスプールを作動させることにより得られる。

図２０〜図２２を参照すると、第一実施形態に関連して説明した上記原理の変更形態が示されている。この変更形態では、制御弁システム１０’’’がスプール２４’’’を有し、該スプール２４’’’は、これに取付けられるか一体成形された拡大面部分２８’’’を備えている。拡大端面２８’’’は、弁ボア２２’’’の拡大弁ボアセクション２００’内に配置されている。拡大面部分２８’’’は、該拡大面部分２８’’’と弁ボアセクション２００’の側壁との間に配置された１対のシール２０２’を有し、該シール２０２’は、拡大弁ボアセクション２００’の第一チャンバ２０４’（図２０）と拡大弁ボアセクション２００’の第二チャンバ２０６’との間のシール係合を形成している。図面から理解されようが、拡大面部分２８’’’の直径は、スプール２４’’’の直径よりも大きい。この構成は、前述の拡大面部分を用いない実施形態と比較して、ソレノイド弁組立体１４からの低いパイロット圧力で、スプリング２６’の押圧力および端面３６”に作用する流体圧力に打勝ってスプール２４’’’を作動することを可能にする。しかしながら、拡大面部分２８’’’は、制御弁システム１０’’’の物理的限度内で、特定用途に適した任意のサイズにできることを理解されたい。

拡大面部分２８’’’内に形成されたピストンボア２１０’内には、ピストン２０８’が配置されている。ピストン２０８’は、該ピストン２０８’と拡大面部分２８’’’との間に配置されたシール２１２’を有し、該シール２１２’は、ピストンボア２１０’の第一チャンバ２１４（図２０）とピストンボア２１０’の第二チャンバ２１６’（図２２）との間のシール係合を形成する。ピストン２０８’に直交するステム２１８’が、孔２１９’を通って拡大ボアセクション２００’内に延びている。ステム２１８’は、後述のように、端キャップ２２６’と選択的に係合するサイズを有している。ピストン２０８’の直径はスプール２４’’’の直径よりも大きいことが好ましい。

制御弁システム１０’’’はまた、前側チャンバ４０とピストンボア２１０’の第一チャンバ２１４’との間でスプール２４’’’を通って延びているフィードバック通路２２４’を有している。従って、フィードバック通路２２４’は、ピストン２０８’に作用して該ピストンを左方に駆動するための流体圧力を前側チャンバ４０から供給する機能を有している。

図２０には、常時作動モードにある制御弁システム１０’’’が示されており、このモードでは、流体入口通路１６からの加圧流体がピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２に導かれ、ピストン６２を外方（図面で見て右方）に駆動する。より詳しくは、流体通路４２”には、流体入口通路１６からの加圧流体が供給される。図２０に示すように、ソレノイド弁組立体１４が付勢されると、流体通路４２”と流体通路４４”との間に流体連通が確立される。次に、加圧流体が、流体通路４４”から拡大弁ボアセクション２００’の第一チャンバ２０４’内に導入される。拡大弁ボアセクション２００’の第一チャンバ２０４’内の流体圧力は、スプール２４’’’の拡大面部分２８’’’およびピストン２０８’のステム２１８’の部分に作用する。同時に、加圧流体は流体通路４２”から流体チャンバ２２０内に導入されて、スプール２４”の端面３６”に作用する。拡大弁ボアセクション２００’の第一チャンバ２０４’内の流体圧力から拡大面部分２８’’’およびピストン２０８’のステム２１８’に作用する力が、ひとたび、スプリング２６の押圧力とスプール２４’’’の端面３６”に作用する力との合計より大きくなると、スプール２４’’’は、拡大面部分２８’’’が肩部２２８’と係合するまで右方に移動する。スプール２４’’’のこの移動により、流体が、流体入口通路１６からピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２内に流入できるようになり、ピストン６２を外方（図１〜図４で見て右方）に伸長させる。従って、制御弁システム１０’’’が図２０に示す位置にあるとき、流体入口通路１６、ピストン部材組立体３４の後側チャンバ３２、流体通路４２’’’、流体チャンバ２２０、および拡大弁ボアセクション２００’の第一チャンバ２０４’の全てが同じ流体圧力にあり、すなわち流体入口通路１６の流体圧力に等しい。

ここで図２１を参照すると、ソレノイド弁組立体１４が除勢されており、従って、流体通路４２”からのパイロット流体が、拡大弁ボアセクション２００’の第一チャンバ２０４’内に流入することを妨げている。スプリング２６の押圧力とスプール２４’’’の端面”に作用するチャンバ２２０内の流体圧力の力との合計が、拡大面部分２８’’’およびステム２１８’が端キャップ２２６’に当接するまで、スプール２４’’’を左方に押圧する。スプール２４’’’のこの左方への移動により、流体入口通路１６とピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０との流体連通が可能になり、ピストン６２を後退させる。

図２０〜図２２から理解されようが、フィードバック通路２２４’はピストン部材組立体３４の前側チャンバ４０に流体連通しており、従って流体入口通路１６と同じ流体圧力にある。流体入口通路１６から前側チャンバ４０およびフィードバック通路２２４’内に導入された加圧流体は、ピストンボア２１０’の第一チャンバ２１４’に流入して、ピストン２０８’を左方に押しやる。ステム２１８’と端キャップ２２６’との物理的当接により、ピストン２０８’のあらゆる左方移動が、スプール２４’’’の対応する右方移動を引起こす。スプール２４”のこの右方移動が生じる圧力は、前述のように、スプリング２６に加えて、ピストン２０８’とスプール２４’’’の端面３６”との相対表面積に基いて定められる。図２２に示すように、スプール２４’’’は、スプール２４’’’が流体入口通路１６を遮断するまで右方に移動し続け、前述のように、この時点でスプール２４’’’は平衡位置に到達する。

この変更形態は、制御弁システムの構造に効率的に実現できること、すなわち構造を簡単化できることは理解されよう。すなわち、フィードバック通路をスプール内に設けることは、ハウジング内に設けるよりも簡単である。しかしながら、この変更形態は、第一実施形態（図１５〜図１９）と比較して、表面積の適当なサイズを選択するフレキシビリティの点で範囲が狭い。

本発明の上記説明は本質の単なる例示であり、従って、本発明の本質から逸脱しない変更形態は本発明の範囲内に包含されるべきものであり、本発明の精神および範囲から逸脱するものではない。

本発明の第一参考例による制御弁システムの断面図であり、ソレノイド弁組立体が付勢されている常時作動モードにあるところを示すものである。 ソレノイド弁組立体が除勢されているところを示す図１の制御弁システムの断面図である。 ソレノイド弁組立体が除勢状態にありかつ弁スプールが平衡位置にあるけれども所定位置に維持されている図１の制御弁システムを示す断面図である。 本発明の第一参考例による制御弁システムを示す回路図である。 本発明の第二参考例による制御弁システムの断面図であり、第一および第二ソレノイド弁組立体が除勢されかつピストンが静止しているところを示すものである。 第一ソレノイド弁組立体が付勢されかつ第二ソレノイド弁組立体が除勢されている図５の制御弁システムを示す断面図である。 第一および第二ソレノイド弁組立体が除勢されかつピストンが伸長を続けている図５の制御弁システムを示す断面図である。 第一ソレノイド弁組立体が除勢されかつ第二ソレノイド弁組立体が付勢されている図５の制御弁システムを示す断面図である。 第一および第二ソレノイド弁組立体が除勢されかつピストンが後退を続けている図５の制御弁システムを示す断面図である。 第一および第二ソレノイド弁組立体が除勢されかつピストンが静止している図５の制御弁システムを示す断面図である。 本発明の第二参考例による制御弁システムを示す回路図である。 ソレノイド弁組立体が除勢されかつピストンが静止している初期位置にある本発明の第三参考例による制御弁システムを示す回路図である。 フィードバック通路がハウジングの外部に配置されているところを示す概略図である。 フィードバック通路がハウジングの内部に配置されているところを示す概略図である。 本発明の第一実施形態による制御弁システムの断面図であり、ソレノイド弁組立体が付勢されている常時作動モードにあるところを示すものである。 ソレノイド弁組立体が除勢されているところを示す図１５の制御弁システムの断面図である。 ソレノイド弁組立体が除勢状態にありかつ弁スプールが平衡位置にあるけれども所定位置に維持されている図１５の制御弁システムを示す断面図である。 端キャップが反転されかつソレノイド弁組立体が付勢されている常時作動モードにある図１５の制御弁システムを示す断面図である。 端キャップが反転されかつソレノイド弁組立体が除勢されている常時作動モードにある図１５の制御弁システムを示す断面図である。 ソレノイド弁組立体が付勢されている常時作動モードにある図１５の制御弁システムを示す断面図である。 ソレノイド弁組立体が除勢されている常時作動モードにある図２０の制御弁システムを示す断面図である。 ソレノイド弁組立体が除勢状態にありかつ弁スプールが平衡位置にあるけれども所定位置に維持されている図２０の制御弁システムを示す断面図である。

符号の説明

１０ 制御弁システム
１２ 主弁組立体
１４ ソレノイド弁組立体
１６ 流体入口通路
２４ スプール
２６ スプリング
３０ 第一ストップ
３４ ピストン部材組立体
３８ 第二ストップ
６２ ピストン

Claims (25)

1. 入口、第一出口および第二出口を備えたハウジングと、
   少なくとも、前記入口と第一出口との間に流体連通が確立される第一位置、前記入口と第二出口との間に流体連通が確立される第二位置、および前記入口と第一出口または第二出口との間の流体連通が防止される第三位置に位置決めされる弁とを有し、該弁は第一位置に押圧されており、
   前記入口に流体連通するように連結されたソレノイド弁組立体を有し、該ソレノイド弁組立体は、前記入口との流体連通が確立されて前記弁を前記第一位置から第二位置に移動させる付勢位置と、除勢位置とに位置決めされ、
   前記第一出口内の流体圧力に応答して前記弁を前記第一位置から第三位置に駆動する伸長位置、および後退位置に位置決めされるピストン（２０８、２０８’）を更に有し、第一出口内の流体圧力を自動的に維持する機能を有することを特徴とする制御弁システム。
2. 前記ピストンはステムを有し、該ステムは前記弁と係合して該弁を前記第一位置から第三位置に駆動することを特徴とする請求項１記載の制御弁システム。
3. 前記ピストンの面積は、前記弁の反対側の端部の面積より大きいことを特徴とする請求項２記載の制御弁システム。
4. 前記ピストンの第一出口から延びているフィードバック通路を更に有することを特徴とする請求項１記載の制御弁システム。
5. 前記フィードバック通路は、前記ピストンの作動を防止すべく選択的に遮断されることを特徴とする請求項４記載の制御弁システム。
6. 前記弁は第一端部および第二端部を有し、第一端部の面積は第二端部の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の制御弁システム。
7. 前記弁は、スプリングおよび流体圧力に応答して前記第一位置に押圧されることを特徴とする請求項１記載の制御弁システム。
8. 前記ピストンは、前記弁とは分離して移動できることを特徴とする請求項１記載の制御弁システム。
9. 前記第二出口は、前記弁が前記第一位置にあるときに大気に流体連通し、前記第一出口は、前記弁が前記第二位置にあるときに大気に流体連通することを特徴とする請求項１記載の制御弁システム。
10. 入口、第一出口、第二出口および弁チャンバを備えたハウジングと、
    前記弁チャンバ内で摺動可能に配置されたスプールとを有し、該スプールは、前記入口と第一出口との間に流体連通が確立される第一位置、前記入口と第二出口との間に流体連通が確立される第二位置、および前記入口と第一出口または第二出口との間の流体連通が防止される第三位置に位置決めされ、スプールは第一位置に押圧されており、
    前記入口に流体連通するように連結されたソレノイド弁組立体を有し、該ソレノイド弁組立体は、前記入口との間に流体連通が確立されて前記スプールを前記第一位置から第二位置に移動させる付勢位置と、除勢位置とに位置決めされ、
    前記第一出口内に所定の流体圧力が達成されると前記スプールを前記第一位置から第三位置に駆動する伸長位置、および後退位置に位置決めされるピストン（２０８、２０８’）を更に有し、第一出口内の流体圧力を自動的に維持する機能を有することを特徴とする制御弁システム。
11. 前記ピストンはステムを有し、該ステムは前記スプールと係合し、前記後退位置から伸長位置に移動する前記ピストンに応答し該スプールを前記第一位置から第三位置に駆動することを特徴とする請求項１０記載の制御弁システム。
12. 前記スプールは第一端部および第二端部を有し、第一端部の面積は第二端部の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１１記載の制御弁システム。
13. 前記ピストンの面積は、前記スプールの前記第二端部の面積より大きいことを特徴とする請求項１２記載の制御弁システム。
14. 前記ピストンの第一出口から延びているフィードバック通路を更に有することを特徴とする請求項１０記載の制御弁システム。
15. 前記フィードバック通路は、前記ピストンの作動を防止すべく選択的に遮断されることを特徴とする請求項１４記載の制御弁システム。
16. 前記スプールは、スプリングおよび流体圧力に応答して前記第一位置に押圧されることを特徴とする請求項１０記載の制御弁システム。
17. 前記ピストンは、前記スプールとは分離して移動できることを特徴とする請求項１０記載の制御弁システム。
18. 前記第二出口は、前記弁が前記第一位置にあるときに大気に流体連通し、前記第一出口は、前記弁が前記第二位置にあるときに大気に流体連通することを特徴とする請求項１０記載の制御弁システム。
19. 入口、第一出口、第二出口および弁チャンバを備えたハウジングと、
    前記弁チャンバ内で摺動可能に配置されたスプールとを有し、該スプールは、前記入口と第一出口との間に流体連通が確立される第一位置、前記入口と第二出口との間に流体連通が確立される第二位置、および前記入口と第一出口または第二出口との間の流体連通が防止される第三位置に位置決めされ、スプールは第一位置に押圧されており、
    前記入口に流体連通するように連結されたソレノイド弁組立体を有し、該ソレノイド弁組立体は、前記入口との間に流体連通が確立されて前記スプールを前記第一位置から第二位置に移動させる付勢位置と、除勢位置とに位置決めされ、
    前記第一出口内に所定の流体圧力が達成されると前記スプールを前記第一位置から第三位置に駆動する伸長位置、および後退位置に位置決めされるピストン（２０８、２０８’）と、
    前記第一出口からピストン（２０８、２０８’）へと延びているフィードバック通路とを更に有し、第一出口内の流体圧力を自動的に維持する機能を有することを特徴とする制御弁システム。
20. 前記ピストンはステムを有し、該ステムは前記スプールと係合し、前記後退位置から伸長位置に移動する前記ピストンに応答し該スプールを前記第一位置から第三位置に駆動することを特徴とする請求項１９記載の制御弁システム。
21. 前記ピストンの面積は、前記スプールの反対側の端部の面積より大きいことを特徴とする請求項２０記載の制御弁システム。
22. 前記フィードバック通路は、前記ピストンの作動を防止すべく選択的に遮断されることを特徴とする請求項１９記載の制御弁システム。
23. 前記スプールは第一端部および第二端部を有し、第一端部の面積は第二端部の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１９記載の制御弁システム。
24. 前記スプールは、スプリングおよび流体圧力に応答して前記第一位置に押圧されることを特徴とする請求項１９記載の制御弁システム。
25. 前記ピストンは、前記スプールとは分離して移動できることを特徴とする請求項１９記載の制御弁システム。

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