直動油圧サーボ弁

本発明は、油圧制御弁に関する。

油圧方向制御弁はバルブの動作位置に従い、油圧回路内の流れ方向を決めるために使用される。例えばポートが4つのバルブは、一つが高油圧源に接続され、別の一つがタンクに接続され、残りの二つのポートは三か所の作動位置が想定されるアクチュエーターの両側に接続される。入力信号がない場合、バルブは最初の位置である中央にある。このバルブの位置でアクチュエーターが停止すべき場合、アクチュエーターに接続されたポートを閉じる必要がある。バルブを別の作動位置に移動させる信号が入力される場合、ポートの一つが高油圧に接続され、別のポートがタンクに接続されていれば、アクチュエーターは一定の方向へ動くことになる。バルブがさらに別の作動位置へ移動させる入力信号を受け取った場合、ポートの接続は逆になりフローが逆になることで、アクチュエーターが反対側へ動く。バルブが一つの作動位置から別の作動位置に移動する時に求められる所用時間は10分の1秒であり、バルブの操作が直接かパイロット操作かに左右される。パイロット操作切替弁では、パイロット弁は主弁の作動に使用され、主弁がアクチュエーターを制御して、主弁の動きを制限しうる逆方向の力を抑える。最も幅広く利用される油圧方向制御弁はスプール弁であり、制御に応じて弁ポートの接続、切断を様々な形で行っている。

方向制御弁とは異なり、油圧サーボ弁はスプールの作動位置に制限がないのが特徴である。そのため、サーボ弁を少しだけ開くことや、吐き出し量、また油圧の正確な制御や、流向を制御することができる。サーボ弁の反応速度は方向制御弁の速度よりもはるかに速い、約0.01秒である。この高い正確性と反応速度は機械自体の高い正確性なしには実現できないため、生産コストは高くなる。直動型サーボ弁はパイロットが吐き出し量の高・中・低のみを操作するものであり、サーボ弁の高いコストを削減することができる。

第3のバルブはスプール付きであり、サーボ弁同様に作動位置に制限がないが、正確性が低く反応速度も遅いが、生産コストが低い比例弁である。比例型のバルブはオン/オフタイプの弁に取り替えることが可能である。

サーボ、比例、高速スイッチのいずれのバルブでも反応速度は常に限界がある。この限界はバルブのアクチュエータの性能によるものであり、ほとんどの場合は電気信号の入力、力またはトルクの生成により弁体に機械的なズレを生じさせるためである。生成される力またはトルクは、弁体に生じる摩擦、流れ、強い圧力を上回る必要である。これらを上回ると、その力は弁体の慣性を制御するために利用され、バルブの反応速度は発生した力またはトルクにより決まる。流体の吐き出し量が増加した場合、アクチュエーターの抵抗力は増加しアクチュエーターで支えきれない値に達することもある。この場合パイロット操作切替弁を使用する必要があり、アクチュエーターで動作するパイロット弁で主弁を制御する必要がある。一定の高い吐き出し量ではパイロット型がより必要とされる。バルブの反応速度とそれを通過する吐出し量が増加すれば、パイロットステージが必要な状況を減らしバルブのパフォーマンスを向上させることができる。従って、反応速度の向上及び直動バルブの吐き出し許容量の増大させ、パイロット操作切替弁またはよりパフォーマンスの向上したパイロット操作弁のパイロットステージとして使用する必要がある。このような改良型の直動バルブは、方向制御弁をパイロットがオン/オフで操作するパイロットステージとしても利用できる他、速いスイッチングバルブに移すこともでき、低い生産コストで、速さと正確な制御が求められる機器に利用可能である。

本発明のバルブは、キャビティを有する弁体で構成され、バルブアクチュエーターにより決定される弁体の作動位置により弁のポートを接続または切断する。バルブアクチュエーターは電磁機器または圧電アクチュエーターにより電気的に作動する。アクチュエーターは一般的にショートストロークでかつ力またはトルクが短い位置のみを念頭に入れているが、大きなコントロールオリフィスを実現するために、新しいバルブの弁体は回転式となる。トルクモーターまたはショートアームで作動する高出力のリニアアクチューエターとしてロータリーアクチュエーターからの小さい角度の押しのけ容積は円周方向変位を発生を増大させ、半径を拡大する。言い換えれば、小さな半径で生じるアクチュエーターの小さな角度の押しのけ容積が、バルブコントロールオリフィスが形成される場所においてより大きな半径を拡大することになる。弁フローを増大させるためのコントロールオリフィスの範囲を拡大させるために、単一のコントロールオリフィスの代わりに、コントロールオリフィスを左右対称に使用する。対のコントロールオリフィスは弁体の2つの側面のそれぞれのエッジとなる。弁を構成する両側面の二つのコントロールオリフィスは正確に左右対称となる。フローが弁体自体を通過し、キャビティを通りコントロールオリフィスに到達する1つではなく2つのエッジを使うことでコントロールオリフィスの範囲を倍にするだけでなく、2つの利点が得られる。

1つ目の利点は弁体の両側面が同じ圧力を受けることであり、静的バランスが取れる。さらに弁体のエッジの左右対称のフローは、結果として流力のラテラルバランスとなり、最小限の力で弁体の動きを容易にすることができる。2つ目の利点はキャビティにより弁体の体積が減りイナーシャのモーメントを減らすことになる。弁体の剛性のためキャビティには網を使用する。網は両側面の間を流体が流れるようにするためスルーホールが設けられる。 十分なフローを確保するため、バルブハウジングにキャビティを設けるか、弁体のキャビティに加えてバルブ内部の固定部品内にキャビティを形成する。 弁体の適切な設計により、バルブの動作位置の異なるタイプのポート接続が実現され、異なる用途のニーズを満たすことができる

図1は、バルブハウジングと外部の管路に接続されるキャビティ及びポートである。

図2は、弁体、キャビティ、ポート、網である。

図3は、ハウジング内で構築された弁体とコントロールオリフィスを形成するエッジである。

図4は、ポート、キャビティ及びバルブのメイン部品のセクションである。

図 5 は、ポート、キャビティ及び弁メイン部品の別のセクションである。

図6は、ポート、キャビティ及び弁メイン部品のさらに別のセクションである。

図7は、コントロールオリフィスを角度を変えて開いた状態のバルブハウジングと弁体である。

図8は、開口弁とキャビティの液体の管路、及び別の開口部のセクションである。

図9は、開口弁とキャビティのその他の液体の管路、及び別の開口部のセクションである。

以下では、4つのポートを持つバルブを例として挙げるが、2つ、3つ、またはそれ以上のポートも設計が可能である。また、中央で閉じられた4つのポートと、他の動作位置に接続された各二つのポートを勘案する。現在広く利用されている、別の方法でポート接続したバルブについても設計可能である。

図1は弁内部の断面を示す(図4、5、6のセクション(27))。図1はバルブハウジング及び弁体(2)を収容する空間を示す。ポート(3)は流体がバルブの内側または外側を通る弁ポートの一つである。直動型バルブとして、またパイロット操作方向制御弁のパイロットステージとしてこのサイズが広く使用されていることから、弁の標準開口部(ISO4401ポートパターンまたはCETOPRP-121H, サイズ6)) を例として挙げる。一般的にこのポート(3)はタンク管路に接続され、ポート(7)及び(9)はアクチュエーターの管路に接続される一方、ポート(5)は高圧の液体供給管路に接続される。ポート(3)はキャビティ(4)に、ポート(5) はキャビティ(6)に接続され、ポート(7)はキャビティ(8)に、ポート(9)はキャビティ(10)に接続される。

キャビティ (4), (6),(8), 及び (10) は、弁体の隣に別の小さな部品としても形成しうる。これにより製造が容易になり生産コストを削減することができる。

図2は 、弁体(11)の平面図であり、両側に同一のキャビティ(12)があるが図ではそのうち一つの上部面だけを表示している。これらのキャビティの詳細は、図5及び6の正面図セクションで示す。弁体は中間を通る平面の周囲に左右対称であり、図に示す通り縦軸および横軸はおおよそ左右対称である。左右対称にすることで生産コストを削減し、弁体の静的及び動的なバランスをとることに資するが、この左右対称性をもたないバルブの作成は、この特許で示すものとは異なり、新しいアイディアではない。キャビティ(12)はバルブハウジングのキャビティ(4) に対応し、弁体のキャビティ(13)はバルブハウジングのキャビティ(8)に対応し、キャビティ(14)はバルブハウジングのキャビティ(6)に対応し、キャビティ(15)はバルブハウジングのキャビティ(10)に対応する。弁体の剛性を考慮するため、網(16, 17, 18, 19) はキャビティ (各12, 13, 14, 15) 内に位置する。各網は左右対象に同数のキャビティを分離し、2つのキャビティはそれらを隔てる網のスルーホールで繋がっている。

図3は、セクション(27)の詳細であり、弁体(11)がキャビティ(2)内のハウジング(1)で構築されている。図は、ハウジング(1)のキャビティ(4)を弁体(11)のキャビティ(15)から分離するエッジ(20)を示し、エッジ(21)は弁体のキャビティからハウジング内のキャビティ(4)を分離していることを示す。エッジ(22)と同様に、バルブハウジングのキャビティ(6)を弁体のキャビティ(13)から分離している。 図はまた、バルブハウジングのキャビティ(6)を弁体のキャビティ(15)から分離しているエッジ(23)を示す。説明したバルブは中央の閉じたポートの場所にあるため、エッジは裏返しに見え、制御ポートは閉じている。垂直クロスセクション(24), (25), (26) はそれぞれ図4,5,6で示している。

図4は、図3の正面断面図である。この図から、ロードポート(7)と(9)が示され、同様にバルブハウジングのキャビティ(8)と(10)にそれぞれ接続されていることが示されている。2つのキャビティはカバー(28)とまったく同数のキャビティを有することを示す。図は弁体(11)の2つのキャビティ(13)とハウジング(1)とカバー(28)の二つのキャビティ(8)に対応することを示す。弁体(11)の2つのキャビティ(13)は2つのスルーホールを通して網(17)で分離されている。図4はまた弁体(11)の2つのキャビティ(15)とそれに対応するハウジング(1)及びカバー(28)内の2つのキャビティ(10)を示す。弁体(11)の2つのキャビティ(15)は2つの穴を通じて網(19)によって隔てられている。キャビティは液体を通し、コントロールオリフィスのエッジに沿って分配する。ステーショナリーポートのキャビティの深さは、液体の通過とロスをなくすためのクロスセクションのエリアを広げるため、弁体よりも広いものが選ばれる。弁体の深さを浅くすれば、質量を減らし、動力を増大させることになる。シャフト(29)は弁体の回転に使用される。センタスプリングをシャフト(29)に使用することができる。キャビティ(30)は液体の漏れを集めることができ、タンクにつなげることができる。外部への漏れ出し防止にシールを使用することができる。

図 5 は、図3のセクション(25)の詳細を示す。この図では、通常タンクに接続されるハウジング(1)のポート(3)および通常供給油管路に接続されるポート(5)が示される。ポート(3)と(5)はハウジング(1)とカバー(28)のキャビティ(4)と(6)にそれぞれ接続される。弁体(11)の2つのキャビティ(12)はハウジングとカバーの二つのキャビティ(6)に対応する。図は二つの網(16)と(18)を示す。

図6は、図3のセクション(26)を示す。この図ではアクチュエーターサイドに接続されたバルブハウジング(1)の弁ポート(9)が、図5の詳細と共に示される。 図7は、バルブハウジングと弁体(図8と9のセクション(35))断面上面図について、弁体が回転して制御オリフィス(31)と(32)を露出させていることを示している。 図8は、図7のセクション(33) を示している。このセクションは矢印(36)で示すように開口部(31)が液体を通過させるか、供給ポートからロードポート(9)に流れ、そこからバルブ出口まで、矢印(39)が示す通り、アクチュエーター管路への供給が示されている。矢印(37)と(38)は網のスルーホールを通るポート(9)への液体の通過を示す。 図9は、図7のセクション(34)を示す。矢印(41) (42)(43)が示すように、開口部(32)により流体がバルブの外に流れ、言い換えればポート(7)を通じてアクチュエーターからタンクに接続されたバルブ出口のポートに戻る。

これらの弁は方向制御弁であり、現在広く使用されている方向制御弁に取って代わりうるものであるが、反応速度がより速く、素早いスイッチが求められる機械に適しており、またデジタル制御技術を使用した機械にも適している。この点から、この弁はサーボ弁とみなすことができる。さらに、この弁のタイプの弁体は中心位置と極限の位置のいずれの位置も想定でき、それゆえサーボ弁よりも吐き出し量が大きく、同サイズのサーボ弁に取って代わることができる。これは、2段サーボ弁を、提案したシングルステージバルブで置き換えることに繋がる。パイロット弁として提案されたバルブはパイロット操作の弁のメインステージの反応速度を向上させる。従来の方向制御弁をパイロット弁として使用した場合、速い反応制御技術に使用できる高速のスッチングとなり、コストも比較上かなり低くなる。

1:ハウジング 2:バルブハウジング及び弁体 2:キャビティ 3:ポート 4:キャビティ 5:ポート 6:キャビティ 7:ポート 8:キャビティ 9:弁ポート 10:キャビティ 11:弁体 12:キャビティ 13:キャビティ 14:キャビティ 15:キャビティ 16:網 17:網 18:網 19:網 20:エッジ 21:エッジ 22:エッジ 24:クロスセクション 25:クロスセクション 26:クロスセクション 27:図4、5、6のセクション 28:カバー 29:シャフト 30:キャビティ 31:制御オリフィス 31:開口部 32:制御オリフィス 32:開口部 33:図7のセクション 34:図7のセクション 35:図8と9のセクション 36:矢印 37:矢印 39:矢印 41:矢印 42:矢印 43:矢印