ソレノイド動作型二重スプール制御バルブ

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【発明の名称】	ソレノイド動作型二重スプール制御バルブ
【発明者】	【氏名】デニスアール．バーバー
【要約】	【課題】バルブ本体内で各々が分離制御スプールを有する１対の穿孔を有する比例液圧制御バルブを提供すること。【解決手段】１対の力フィードバック、線形アクチュエータ５４，５６がバルブ本体１２の同じ側に取り付けられ、各アクチュエータが複数の制御スプール１６，１８の一つの動きを制御する。１つの制御スプールのみがバルブアセンブリの第１作用ポート２０に加わる液圧動力を制御し、その間に第２作用ポート２１をタンクに接続する。他の制御スプールのみがバルブアセンブリ１０の第２作用ポート２１に加わる液圧動力を制御し、その間に第１作用ポート２０をタンクに接続する。力フィードバック、線形アクチュエータ５４，５６により各スプール１６，１８が各穿孔内で非常に強く受け止められるのを可能にする。

【特許請求の範囲】
【請求項１】内部に第１穿孔と第２穿孔を有するバルブ本体と、さらに各々が前記第１穿孔と第２穿孔と連通する第１作用ポート、第２作用ポート、供給ポート及びタンクポートと；内部に軸方向への滑動運動のため前記第１穿孔に収容され、一端に第１制御空洞部を形成し、複数のランド部により分離された複数の溝を有する第１制御スプールであり、さらに複数の溝の１つが第１作用ポートと供給ポート間の流体路を画成し、他の溝が前記第２作用ポートと前記タンクポート間の流体路を画成する前記第１穿孔内の第１位置を有し、前記ランド部が前記第１作用ポートと前記供給ポート間および前記第２作用ポートと前記タンクポート間の連通を閉鎖する第１穿孔内の第２位置を有する第１制御スプールと；内部に軸方向への滑動運動のため前記第２穿孔に収容され、一端に第２制御空洞部を形成し、複数のランド部により分離された複数の溝を有する第２制御スプールであり、さらに複数の溝の１つが第２作用ポートと供給ポート間の流体路を画成し、他の溝が前記第１作用ポートと前記タンクポート間の流体路を画成する前記第１穿孔内の第１位置を有し、前記ランド部が前記第１作用ポートと前記タンクポート間および前記第２作用ポートと前記供給ポート間の連通を閉鎖する第２穿孔内の第２位置を有する第２制御スプールと；前記第１穿孔内に配置され、前記第１穿孔内の前記第１制御スプールの動作を発生させる第１リニアアクチュエータであり、第１リニアアクチュエータは前記第１制御スプールの一端に接続され、前記第１穿孔内の前記第１制御スプールの位置を示す第１フィードバック力を受け、前記第１制御空洞部と前記供給ポートと前記タンクポート間の流体の流れを選択的に制御する第１パイロットバルブ部材を有する第１リニアアクチュエータと；前記第２穿孔内に配置され、前記第２穿孔内の前記第２制御スプールの動作を発生させる第２リニアアクチュエータであり、第２リニアアクチュエータは前記第２制御スプールの一端に接続され、前記第２穿孔内の前記第２制御スプールの位置を示す第２フィードバック力を受け、前記第２制御空洞部と前記供給ポートと前記タンクポート間の流体の流れを選択的に制御する第２パイロットバルブ部材を有する第２リニアアクチュエータと；からなることを特徴とする比例液圧制御バルブ。
【請求項２】前記バルブ本体が第１側部を有し；さらに第１穿孔および第２穿孔が各々前記第１側部の第１および第２開口部から前記バルブ本体内に延在し；さらに前記第１および第２リニアアクチュエータが前記バルブ本体の前記第１側部に搭載されることを特徴とする請求項１記載の比例液圧制御バルブ。
【請求項３】前記第１および第２リニアアクチュエータがソレノイドからなることを特徴とする請求項１記載の比例液圧制御バルブ。
【請求項４】前記第１フィードバック力が前記第１パイロットバルブ部材に作用し、かつ前記第２フィードバック力が前記第２パイロットバルブ部材に作用することを特徴とする請求項１記載の比例液圧制御バルブ。
【請求項５】前記リニアアクチュエータが前記第１作用ポートと前記タンクポート間の流体通路が前記穿孔に沿って形成され、前記第２作用ポートと前記タンクポート間の別の流体が前記穿孔に沿って形成される浮動位置に前記第１制御スプールを移動させる機構をさらに有することを特徴とする請求項１記載の比例液圧制御バルブ。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は液圧システム用のソレノイド動作型制御バルブに関し、特に駆動力フィードバック型制御バルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】建設および農業機械は液圧シリンダとピストンの組み合わせで駆動される可動部材を有する。シリンダはピストンにより２つの内室に分割され、各室（チャンバ）に圧力を加えられた作動液を交互に送ることによりピストンが反対方向に移動する。
【０００３】米国特許第５，５７９，６４２号に記載されているように、典型的には作動液をシリンダに加えることは手動動作型バルブにより制御される。この型のバルブにおいて、手動レバーがバルブの穿孔内のスプールに機械的に接続されている。機械オペレータはレバーを動かして、ポンプ出力部、流体リザーバまたはシリンダと連通する穿孔内の複数の空洞部に対してスプールを種々の位置に設定できる。スプールを一方向に動かすことにより、ポンプからシリンダ室の一つへまたは他の室（チャンバ）からリザーバへ流れる加圧された作動液の流れが制御される。スプールを反対方向に動かすことにより、シリンダ室に対する流体の供給および排出が逆転する。スプールが適切な方向に移動する程度を加減することにより、流体が付随するシリンダ室に流れる速度を変化させることが可能であり、それによりピストンを比例的に異なる速度で移動させることができる。
【０００４】さらに、ある制御バルブは２つのシリンダ室がスプールを介して流体リザーバに同時に接続される“浮動”位置を提供する。この位置で、シリンダにより駆動された部材は外力に応答して自在に移動可能である。例えば、表面の輪郭の変化に順応させ、舗装の掘り起こしを回避するために舗道に対して雪かきブレードを浮かせることが可能である。
【０００５】建設および農業機械に関して、手動動作型液圧バルブから電気的に制御されるソレノイドバルブを使用する傾向がある。この型のシステムは、制御バルブがシリンダ近傍に配置されかつオペレータ室内に配管されないので、液圧配管を単純化することができる。またこの技術変化は容易に種々の機械機能をコンピュータ化された調整に移すことが可能である。
【０００６】作動液の流れを制御するソレノイドバルブは良く知られており、電機子を一方向に動かしバルブを開放する電磁コイルを使用している。電機子またはバルブ部材は電流が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負荷をかけられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ソレノイド機構を有する標準双方向スプールバルブを駆動するために、分離ソレノイドアクチュエータがスプールの両端に接続されなければならない。これはある装置で不都合となるバルブアセンブリの全長を著しく増加させる。さらに、この構成は２個のソレノイドアクチュエータが同時に通電されないようにかつ相互に対して作用しないようにする制御回路が必要となる。
【０００８】代案として、動力駆動するために各シリンダ室用に一対のソレノイドバルブを利用する液圧装置が工夫された。任意のシリンダ室のために、一方のソレノイドバルブはピストンを一方向に移動させるためにポンプ圧力による流体の供給を制御し、他方のソレノイドバルブは任意のシリンダ室からタンクへの流体を排出してピストンを反対方向に動かすために交互に開放される。もしシリンダの２つのシリンダ室が動力駆動される場合、４個のソレノイドコイル、２個の供給バルブおよび２個の排出バルブを必要する。
【０００９】本発明の全般的な目的は一対のシリンダ室に出入りする作動液の流れを制御するためのソレノイド動作型バルブアセンブリを提供することにある。発明の他の目的は作動液の流れを比例制御するソレノイド動作型バルブアセンブリを提供することにある。更に本発明の他の目的はソレノイド動作型スプールバルブを提供することにある。更に本発明の目的は上述のスプールバルブアセンブリに２つのソレノイド操作手段のみを利用することにある。更に本発明の他の目的は小型のソレノイド動作型バルブアセンブリを提供することにある。本発明の他の態様は中立位置を有するソレノイド動作型スプールバルブアセンブリを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】比例液圧制御バルブは内部に第１穿孔および第２穿孔を有するバルブ本体と、各々が前記第１および第２穿孔と連通する第１作用ポート、第２作用ポート、供給ポート、およびタンクポートを有する。第１作用ポートはシリンダの一つの室をバルブに接続し、かつ第２作用ポートを他のシリンダ室に接続する。
【００１１】前記第１穿孔で摺動可能に収容される第１制御スプールはランド部により分離された複数の溝部を有する。第１制御スプールは複数の溝部の一つが第１作用ポートと供給ポート間の流体路を画成しかつ複数の溝の別の一つが第２作用ポートとタンクポート間の流体路を画成する第１穿孔に沿った第１の位置を有する。第１穿孔に沿った第２位置において、第１制御スプールのランド部が第１作用ポートと供給ポート間の連通および第２作用ポートとタンクポート間の連通を閉鎖する。
【００１２】第２制御スプールは内部に軸方向摺動動作のための第２穿孔内に収容され、ランド部により分離された複数の溝部を有する。第２制御スプールは複数の溝部の一つが第２作用ポートと供給ポート間の流体路を画成し、かつ複数の溝部の他の一つが第１作用ポートとタンクポート間の流体路を画成する第２穿孔に沿った第１の位置を有する。第２制御スプールはランド部が第１作用ポートとタンクポート間の連通および第２作用ポートと供給ポート間の連通を閉鎖する第２穿孔に沿った第２の位置を有する。
【００１３】第１リニアアクチュエータは第１穿孔内に配置され、第１穿孔内で第１制御スプールの動きを発生する。第２リニアアクチュエータは第２穿孔内に配置され、第２穿孔内で第２制御スプールの動きを発生する。好ましくは、第１および第２リニアアクチュエータは装置の全長を最小にするためにバルブの同じ側に搭載される。好ましい実施例において、第１および第２リニアアクチュエータは力フィードバック型であり、これらの部品の特有な設計がここで述べられる。
【００１４】比例液圧制御バルブの本構成は一作用ポートにかかる液圧駆動の供給を制御するために第１スプールのみ利用し、他のスプールは第２作用ポートにかかる液圧駆動の供給を制御している。力フィードバックアクチュエータを採用することによって、制御スプールと各穿孔間で堅く嵌まってもシステムの効果的な動作が達成される。
【００１５】
【発明の実施の態様】図１を参照すると、制御バルブアセンブリ１０は本体１２から成り、その本体を第１穿孔１３および第２穿孔１４が貫通している。第１穿孔１３は内部に第１往復制御スプール１６を有し、第２穿孔１４は第２往復制御スプール１８を有する。両制御スプールは各穿孔内で長手方向に移動し、作用ポート２０および２１に対して流れる作動液を制御する。第１作用ポート２０および第２作用ポート２１は各スプール穿孔に対して第１作用ポートチャネル３８および第２作用ポートチャネル４０により個別的に接続される。各制御スプールは穿孔１３または１４と協働するランドの中間に配置された一対の軸方向に離間した円周溝を有し、（後述される）異なる空洞部と穿孔内の開口部間に流れる作動液を制御する。制御スプール１６と１８は流体が作用ポート２０および２１に流入流出されない中立位置に示される。バルブ本体１２は好ましくは種々の穿孔、チャネル、およびポートを接続するためにボルト止めされたいくつかの区画から形成される。
【００１６】バルブ本体１２はバルブアセンブリ１０が接続された液圧システムのタンクに接続された一対のポート２２および２４を有する。第１タンクポート２２は第２穿孔１４の周囲に延在する空洞部２６に開放している。他のタンクポート２４はそれぞれ第１および第２穿孔１３および１４の周囲に延在する空洞部２８および２９に開放するチャネルと連通する。
【００１７】バルブ本体１２は液圧システムのポンプの出力部に接続された供給ポート３０を有する。ポンプ入力部は内部にスプール型圧力補償器３３を有するバルブ本体１２内の第３穿孔３２と通じる。この補償器３３は米国特許第５，５７９，６４２号（ここでは参考のために記載）に記載された一般型と同一である。圧力補償器３３は供給ポート３０から、第３穿孔３２からスプール穿孔１３および１４に伸びるポンプチャネル３６に流れる作動液を制御する。入力逆止めバルブ３４はポンプ圧力が失われる場合の逆流を防止する。本バルブアセンブリが複数の供給ポートについて説明されるが、これらの通路はポンプが接続されるバルブ本体の単一の共通外部ポートにつながっても良いし、または複数の外部ポンプ接続ポートがあってもよい。同様なことがタンクポート接続に適用される。
【００１８】制御通路４２および４４（想像線で示される）は、図１の断面下の、スプール穿孔１３および１４に並列であるバルブ本体１２に延在する。制御通路４２は第１穿孔１３の一端の環状制御空洞部４６から制御スプール１６の他端の第１穿孔１３の第２環状制御空洞部４８へ延在する。同様に、第２制御通路４４は第２制御スプール１８の一端の第２スプール穿孔１４周辺の制御空洞部から第２制御スプールの他端の制御空洞部５２へ延在する。
【００１９】第１穿孔１３は第１制御スプールの他端に隣接する空洞部３１を有する。空洞部３１はバルブ本体１２を貫通する通路によりタンクポートに接続される。近傍の環状穿孔空洞部３７は入力圧力補償器３３の一部である作用ポート感知チャネル３５に接続される。
【００２０】制御スプール１６および１８の各々はバルブ本体１２の片側に取り付けられた（駆動）力フィードバックアクチュエータ５４または５６に接続される。図２に詳細に示されるように、第１力フィードバックアクチュエータ５４は電機子６２が案内スリーブ６４内に摺動可能に配置された電磁コイル６０付きのソレノイド５８を有する。電機子６２はチューブ６６により第１穿孔１３内に配置されたパイロットスリーブ７０内で摺動可能に受け止められた環状パイロットバルブ部材に取り付けられている。パイロットスリーブ７０は制御空洞部４８とスリーブ内部との間に延在する横断開口部７２を有する。別の横断開口部７４は２つのスプール穿孔１３および１４間に延在するパイロット供給チャネル７６と液圧ポンプ用の供給ポートに導く供給通路７８と固定的に連通するパイロットスリーブ７０を介して延在する。ソレノイド電機子６２の動きに応答してパイロットバルブ部材６８が動くと、制御空洞部４８とパイロット供給チャネル７６またはタンクチャネル８０間に通路を形成する。タンクチャネル８０はバルブ本体通路８２を介してバルブ本体のタンクポートに接続される。
【００２１】フィードバックチューブ８４はパイロットバルブ部材６８内で摺動可能に受け止められる。高弾性フィードバックばね８６はパイロットバルブ部材６８をフィードバックチューブ８４の一端から離間させるように押し付ける。ばねの弾性は単位ソレノイド力当たり主スプール移動量を決定する。フィードバックチューブ８４の他端は第１制御スプール１６の直近端部に固定された結合器９０の空洞部内で保持されたフランジ８８を有する。低弾性フロートばね９２はフィードバックチューブフランジ８８を第１制御スプール１６から離間させるように、かつスプール結合器９０の内部溝内のスナップリング９４に抗して押し付ける。フロートばね９２は予め負荷がかけられ、正常な計量中不活動である。高弾性負荷ばね９６は第１制御スプール１６の端部をパイロットバルブスリーブ７０から離間する様に、かつバルブ本体１２の側部５７から離間する様に押し付ける。フィードバックばね８６およびフロートばね９２の相対弾性は計量中の微制御と追加ソレノイド力がほとんどない状態での浮動状態への遷移を可能にする。
【００２２】第２力フィードバックアクチュエータ５６は第１力フィードバックアクチュエータ５４と同一の構成を有する。主な相違は第２力フィードバックアクチュエータ５６のためのフィードバックチューブ９８が第２制御スプール１８の端部へ固定的に結合され、ばね負荷結合器９０および第１制御スプール１６用の関連部品を持たないことである。第１力フィードバックアクチュエータ５４のこれらの追加部品は（後述される）フロート（浮動）動作を可能にするように与えられる。
【００２３】図１および図２を参照すると、ポンプから第１作用ポート２０へ流体を流すために、第１力フィードバックアクチュエータ５４のソレノイド５８は通電される。これにより、図において左側に電機子６２を動かす磁界を発生させ、パイロットバルブ部材６８が同方向に移動する。その結果、パイロットバルブ部材６８の外表面の溝６９がパイロット供給チャネル７６と制御空洞部４８間に通路を形成する。これにより、パイロット供給チャネル７６のポンプ圧力が制御通路４２を介して第１制御スプール１６の遠方側端部の別の制御空洞部４６に通じる。ソレノイド５８を流れる電流の大きさはパイロットバルブ通路のサイズ、第１制御スプール１６の遠方側端部に作用する圧力を決定する。
【００２４】第１制御スプール１６の遠方側端部に作用するポンプ圧力により、スプールが図１の右方向に移動し、比較的高弾性のフィードバックばね８６を圧縮する。第１制御スプール１６の動きはメータリングオリフィス９９を、液圧ポンプからきた流体を貫通チャネル３８を介して第１作用ポート２０に流すポンプチャネル３６と整合させる。第１制御スプール１６が右方向に移動する距離が大になれば、メータリングオリフィスが大になり、第１作用ポートに流れる流体も大きくなる。同時に、第１制御スプール１６の別の溝９７は第２作用ポート２１とタンク空洞部２８間を連通させるように移動し、流体が第２作用ポートから液圧システムのタンクに排出する。
【００２５】第１制御スプール１６のこの動作により、負荷ばねが圧縮し、フィードバックチューブがパイロットバルブ部材に作用するフィードバックばね８６を圧縮する。第１制御スプール１６のフィードバック力がソレノイド５８の力をわずかに超過すると、ランド７１が制御通路４２に導くパイロットスリーブ７０内の横断開口部７２を閉鎖させるまで、パイロットバルブ部材６８が図の右方向に移動する。この制御通路が閉じると、制御スプール１６の更なる動きを止め、第１ソレノイド５８を駆動している電流の大きさに相当する第１作用ポート２０からの流量を決定する。
【００２６】パイロットバルブ部材６８は第１制御スプールが充分に移動してパイロットバルブ部材を強制的に閉鎖状態にするまで開放位置に留まることに注目すべきである。この作用は第１制御スプール１６と第１穿孔１３間の摩擦の大きさにより比較的影響されない。摩擦が大きくなれば、パイロットバルブ開口が大きくなり、さらに第１制御スプール１６を移動させるために制御通路４２を介して伝わる圧力が大きくなる。このようにして、比較的きつめの嵌合が穿孔と制御スプール間に得られる。摩擦が時間の経過とともに変化しても、制御スプールの動作は同一状態を維持する。またこの主スプールは所望のスプール位置で誤差を生じる傾向にある流れの強さにより影響されない。
【００２７】バルブアセンブリ１０は第１力フィードバックアクチュエータ５４を非通電にすることにより中立位置に復帰する。復帰すると、電機子６２に事前に作用した磁気力が除去され、フィードバックばね８６によりパイロットバルブ部材６８を図２の右方向の奥に押し付ける。これによりパイロットバルブ部材６８の外表面の逃がし通路６７が制御通路４２と整合し、制御通路内の流体をタンクチャネル８０に排出させる。第１スプール穿孔１３の遠方端部の制御空洞部４６内の圧力が逃げ、負荷ばね９６の力により第１制御スプール１６を図１に示されるもっとも左側の位置に移動させる。この位置で、第１作用ポート２０とポンプチャネル３６間の連通が閉鎖され、かつ第２作用ポート２１とタンク空洞部２８間の連通も閉鎖される。
【００２８】ポンプ圧力を第２作用ポート２１に加え、かつ第１作用ポート２０をタンクに結合するために、第２力フィードバックアクチュエータ５６が通電される。このアクチュエータは、第１力フィードバックアクチュエータ５４に関して前述したものと同様に、かつ第２制御スプール１８を右方向に移動させるように動作する。この第２制御スプール１８の動きによりタンク空洞部２６を第１作用ポート２０のためのチャネル３８に接続し、かつポンプ供給チャネル３６をメータリングオリフィスを介して第２作用ポートのためのチャネル４０に接続する。
【００２９】すでに注目したように、液圧動作されている機械部材を浮動状態にすることが望まれるある応用例がある。このような浮動状態は作用ポート２０および２１を同時に接続し、シリンダの２つの室をタンクに接続することにより得られる。しかしながら、本バルブアセンブリ１０は第１力フィードバックアクチュエータ５４が第１制御スプール１６を、作用ポート２０および２１がタンク通路に接続される位置に、移動させるように設計される。
【００３０】前述したように、第１力フィードバックアクチュエータ５４を通電することにより、第１制御スプール１６は、メータリングオリフィス９９がポンプ供給チャネル３６と第１作用ポートチャネル３８間に通路を提供する位置に、移動する。この位置で、第１制御スプール１６の溝９７は第２作用ポートチャネル４０とタンク空洞部２８間に通路を形成する。この通路は、ソレノイド５８が十分に通電され、かつパイロットバルブ部材６８がパイロット供給チャネル７６と制御通路４２間の最大通路の位置に移動する前に、最大寸法になる。
【００３１】ポンプから第１作用ポート２０に流れる流体を充分に開放するために必要な値以上に第１力フィードバックアクチュエータ５４に流れる電流の振幅を増加させることにより、パイロットバルブ部材６８はパイロット供給チャネル７６と制御通路４２間の通路をさらに拡張して開放する。これにより制御空洞部４６により大きな圧力がかかり、第１制御スプール１６を図面の右手のさらに奥に押し付け、低弾性フロートばね９２を圧縮する。フィードバックばねと直列な低弾性浮動ばねでは、有効速度が比較的低い。低弾性であると、ソレノイド力をわずかに加えただけでスプールの動きが大きくなる。このように、大部分のソレノイドの力範囲が計量のため使用され、流体制御を必要としないフロートを通電するような無駄がない。第１制御スプール１６はランド９１が第１作用ポートチャネル３８間全体を移動し、作用ポートチャネルとポンプ供給チャネル３６間の連通を閉鎖する位置とみなされる。しかしながら、この位置において、スプールランド９３は穿孔空洞部３７に移動し、第１作用ポートチャネル３８とタンク空洞部３１間の通路を開口し、流体を第１作用ポート２０からタンクに排出される。同時に、スプール溝９７は第２作用ポートチャネル４０からタンク空洞部２８へ通じる通路を形成し続け、それにより第２作用ポート２１からの流体はタンクに排出可能となる。このような状態の作用ポート２０および２１は制御されている機械素子のフロートを発生させるタンクに接続される。この設計では第１力フィードバックアクチュエータ５４と第１制御スプール１６の正常な計量範囲を利用し、ポンプから第１作用ポート２０へ流れる作動液を制御している。計量範囲の最大値以上の小増加したソレノイド力が第１制御スプール１６をフロート（浮動）位置に強制的に移動させる。第１ソレノイド５８の制御範囲はポンプから最適制御が必要な第１作用ポート２０へ流れる作動液を計量するために充分に利用される。このフロートの特徴は非計量オン／オフ機能にある。第２制御スプール１８はこのフロート機能のために利用されない。
【００３２】
【発明の効果】以上の説明から、本発明のソレノイド動作型バルブアセンブリによれば、一対のシリンダ室に流入出する作動液の流れを比例制御できる。さらに、本発明によれば、２つのソレノイド操作手段のみを利用することにより、ソレノイド動作型バルブアセンブリを小型化することができる。さらに、力フィードバックアクチュエータを採用することによって、制御スプールと各穿孔間で堅く嵌まってもシステムを効果的に動作させることが可能である。

【出願人】	【識別番号】５９８０９６１３１【氏名又は名称】フスコインターナショナルインコーポレイテッド【氏名又は名称原語表記】ＨＵＳＣＯＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ，ＩＮＣ．【住所又は居所原語表記】Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ２５７，Ｗａｕｋｅｓｈａ，Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ５３１８７－０２５７ＵＳ
【出願日】	平成１１年４月１６日（１９９９．４．１６）
【代理人】	【識別番号】１０００７０００２【弁理士】【氏名又は名称】川崎隆夫
【公開番号】	特開２００１－２４１５６４（Ｐ２００１－２４１５６４Ａ）
【公開日】	平成１３年９月７日（２００１．９．７）
【出願番号】	特願２００１－１２９９０（Ｐ２００１－１２９９０）