JP2014510242A - 圧力補償機能を有する電磁比例パイロット作動式ポペット弁 - Google Patents

Abstract

常閉、電気ソレノイド作動式、圧力補償、比例油圧流制御弁（４）は、流体流制御ポペット弁（５）と、パイロットオペレータ（６）と、ソレノイドオペレータ（７）と、圧力補償器（８）とを含む。ポペット弁（５）は、ポペット（３１）と座（３２）とを含む。パイロットオペレータ（６）は、パイロット（３６）とパイロット座（３７）とを含む。ソレノイドオペレータ（７）は、ソレノイドチューブ（４２）と電機子（４４）とを含む。圧力補償器（８）は、圧力均衡圧力補償器スプール（５８）と、より小さい直径を有する差圧補償器制御ピストン（６４）と、補償器制御ピストン（６４）に対する力同士を均衡させるばね（６１）とを含む。補償器制御ピン（６４）は、補償器スプール（５８）を移動させてポペット弁（５）全体にわたり実質的に一定の差圧を維持する。弁（４）は、様々な油圧システムに使用されてもよい。同様の常開弁（１０４）も開示される。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１１年３月２２日に出願された米国仮出願第６１／４６６，１６３号の出願日の利益を主張する。

[0001]本発明は、油圧制御弁の分野に関する。詳細には、本発明は、圧力補償機能を有する油圧流量制御弁に関する。より詳細には、本発明は、一体的な低漏れ及び最適流量圧力補償機能を有し、常開構成または常閉構成を有するカートリッジ式のポペット型電磁比例弁に関する。

[0002]油圧制御弁は公知であり、様々な用途に適している。ソレノイド作動式油圧制御弁は通常、電機子を囲むワイヤのコイルとエンドキャップまたはプラグとを有する。電機子およびキャップは、強磁材料で作られ、電機子とキャップの間にエアギャップが存在するように同軸に配置される。電機子から弁部材が延びる。コイルに通電すると、エアギャップを通じる磁束力によって電機子、したがって弁部材が移動する。比例ソレノイド作動式油圧制御弁では、弁部材の移動量はソレノイドコイルの入力電流に比例する。

[0003]比例ソレノイド制御弁の１種にパイロット作動式弁、すなわち、パイロット弁部材と主弁部材とを有する弁がある。そのような弁のソレノイドは、電機子の位置を制御してパイロット弁を作動位置に移動させ、それによって主弁部材の移動を可能にする。パイロット作動式弁は通常、流れの円滑な制御が必要な高圧状況で使用される。

[0004]電磁比例パイロット作動式ポペット型弁は、多数の用途で流れを制御するのに使用される。電磁比例パイロット作動式ポペット型弁は、印加された電流の量に基づいて流れに対する開口を形成する。このような弁は、常開式弁または常閉式弁であってもよく、流れは印加される電流に応じて増大または低減する。ポペット弁の利点は、完全に閉じられたときに生じる漏れが少ないことである。これに対して、スプール弁は、流れを絞るのに使用することができるが、ある高さに保持された荷重を時間の経過とともに横滑りさせる恐れのある漏れを生じさせる傾向がある。

[0005]ポペット弁はソレノイドコイルに印加される電流に基づいて流れを制御するが、ポペット弁全体の差圧が変動すると、ポペットの任意の所与のサイズの開口に対する流量が変化する。これを解消する１つの方法では、ポペット弁開口全体にわたり一定の圧力降下を維持する別個の従来の圧力補償スプールを有する電磁比例ポペット弁を利用する。この方法に関する問題は、補償器スプール自体に漏れが生じて荷重を横滑りさせることである。補償器スプール上にシールを付加すると、漏れの抑制を補助することができるが、弁の性能にヒステリシスが作用する。

[0006]さらに、補償器スプールの直径としては、補償器スプールを横切る流れを最大にし、圧力損失を最小限に抑えるのを可能にする直径を選択することが望ましい。このことは、補償器スプールの直径としてポペット弁のサイズによって許容される大きさの直径を選択すべきであることを意味する。また、補償器スプールがポペット弁全体にわたり一定の大きい圧力降下を維持してポペット弁を横切る流量が多くなるように、比較的直径の大きい従来の補償器スプールには比較的前負荷の大きい補償器ばねが必要である。この理由は、ポペット弁全体の圧力降下が補償器スプール全体にわたっても発生し、補償器ばねがこの差圧によって生じる従来の補償器スプールに対する互いに対抗する力を均衡させなければならないからである。ポペット弁をカートリッジ式油圧弁組立体で使用する際、カートリッジ設計によって課される固有の空間制限により、カートリッジと一体的な圧力降下の大きい従来の圧力補償器スプールおよび補償器ばねの使用が、少なくとも従来の補償器スプールについてのこのような代表的な設計要件に起因して、限定されるかまたは妨げられることがある。

[0007]本発明は、圧力降下が大きく流量が多い状態を維持しつつ補償器ばねを小型化するのを可能にする圧力補償器を提供する。さらに、本発明の圧力補償器は、圧力補償器の漏れを最小限に抑えて荷重の横滑りを最小限に抑える。圧力補償器は、圧力均衡補償器スプールと圧力不均衡補償器制御ピストンまたは差圧補償器制御ピストンとを含む。補償器制御ピストンは補償器スプールに作用し、補償器ばねは補償器スプールに作用し、かつ補償器制御ピストンに対抗して作用する。補償器制御ピストンは、弁ポペットを横切る流れがなく、荷重を一定の位置に保持する必要があるときに閉じて補償器からの漏れを最小限に抑えるポペットを含む。

[0008]より詳細には、圧力補償器は弁領域全体の差圧を調節する。圧力補償器は、補償器スプールと補償器制御ピストンとを含む。補償器スプールは、補償器スプールの位置によって決定される流体流面積を有する可変流体流オリフィスを画定する。補償器制御ピストンは、補償器スプールに対抗して作用して補償器スプールを移動させ、補償器スプールの位置を変更して弁領域全体の差圧を調節する。

[0009]補償器スプールは圧力均衡型であり、補償器制御ピストンは圧力不均衡型である。補償器制御ピストンは、弁領域の一方の側の流体圧力にさらされる第１の横方向断面領域と、弁領域の別の側の流体圧力にさらされる、第１の横方向断面領域と向かい合う第２の横方向断面領域とを有する。補償器制御ピストンの第１の横方向断面領域と第２の横方向断面領域は実質的に等しい。補償器スプールは、弁領域の一方の側の流体圧力にさらされる互いに向かい合う第１および第２の横方向断面領域を有し、補償器スプールの第１の横方向断面領域と第２の横方向断面領域は実質的に等しい。補償器制御ピストンの第１および第２の横方向断面領域の各々は、補償器スプールの第１および第２の横方向断面領域の各々よりも小さい。

[0010]補償器制御ピストンは、一方の長手方向で補償器スプールに対抗して作用する。補償器はばねをさらに含み、このばねは、一方の長手方向と逆の長手方向で補償器スプールまたは補償器制御ピストンに対抗して作用する。補償器スプールは、弁領域の下流側からの流体圧力にさらされる互いに向かい合う横方向断面領域を有し、圧力均衡補償器スプールを構成する。補償器制御ピストンは、互いに向かい合う横方向断面領域を有し、一方の断面領域が弁領域の上流側からの流体圧力にさらされ、他方の断面領域が弁領域の下流側からのより低い流体圧力にさらされ、差圧制御ピストンを形成する。制御ピストンに作用する差圧によって不均衡な力が生じた場合、ばねによってこれらの力が均衡する。

[0011]上流側と下流側の間の制御ピストンの周りに漏れ流路が存在する。補償器制御ピストンは、補償器制御ピストンを一方の長手方向に移動させたときに補償器制御ピストンの周りの漏れ流体流路を実質的に完全に閉じる弁表面を含む。

[0012]弁領域は弁ポペットおよび弁座によって画定される。補償器はばねを含み、このばねは、制御ピストンが補償器スプールに対抗して作用する方向と逆の長手方向で補償器スプールに対抗して作用する。補償器スプールの横方向断面領域は、弁領域の上流側からの実質的に等しい流体圧力にさらされる互いに向かい合う実質的に等しい横方向断面領域を含む。補償器制御ピストンの横方向断面領域は、実質的に等しい互いに向かい合う横方向断面領域を含み、一方の断面領域が弁領域の上流側からの流体圧力にさらされ、他方の断面領域が弁領域の下流側からの流体圧力にさらされる。補償器制御ピストンは、補償器制御ピストンを一方の長手方向に移動させたときに補償器制御ピストンの互いに向かい合う横方向断面領域の間の補償器制御ピストンの周りの流体漏れ経路実質的に完全に閉じる弁表面を含む。

[0013]補償器スプールと補償器制御ピストンは、段付きボア内に同軸に配設される。段付きボアは、補償器スプールが配設される大径部と補償器制御ピストンが配設される小径部とを有する。ばねは、補償器スプールを補償器制御ピストンに押し付ける。ばねは、段付きボア内の、補償器制御ピストンの反対側の補償器スプールの側に配設される。ピンが横方向にボア内に延び、ばねはピンと補償器スプールとの間に作用する。

[0014]弁領域と補償器は、一体であり、カートリッジ弁かご内に配設される。カートリッジ弁かごは、入口および出口と、入口と出口の間の中間チャンバとを有する。弁領域は、入口と中間チャンバの間の流体圧力連通の開放および閉鎖を行う。補償器スプールは、中間チャンバと出口の間の流体圧力連通の開放および閉鎖を行う。補償器は、弁領域全体にわたり入口と中間チャンバとの間に実質的に一定の差圧を維持する。

[0015]補償器スプールに対抗して作用するばねの力は、補償器制御ピストンの一方の横方向断面領域に対抗する中間チャンバ圧力によって生じる力と補償器制御ピストンの他方の横方向断面領域に対抗して作用する吸込圧力によって生じる力との差に等しい。パイロットオペレータが弁ポペットに動作可能に連結され、電気ソレノイド電機子がパイロットオペレータに動作可能に連結される。弁座に対する弁ポペットの位置は、ソレノイドオペレータに供給される電力に比例し、弁領域全体の入口と中間チャンバとの差圧は実質的に一定である。

[0016]補償器制御ピストンは、弁領域全体の差圧を検知するように動作可能である。補償器制御ピストンは、一端が弁領域の上流側で吸込圧力にさらされ、補償器制御ピストンに作用する吸込圧力は、補償器制御ピストンの表面を強制的に補償器制御ピストン座に密封係合させる。

[0017]ハウジングがボアを有し、このボアに補償器部材が配設され、ボアと補償器部材の間に漏れ流路が画定される。補償器は、弁領域が実質的な閉位置にあるときに制御ピストンの上流側横方向断面領域と下流側横方向断面領域との間の漏れ流路を実質的に遮断する弁を含む。

[0018]本発明は、以下に記載された特許請求の範囲で説明する特徴および構造および方法のうちの様々な特徴および構成および方法をそれぞれ単独でかつ組み合わせて提供し、特許請求の範囲は、参照によりこの本発明の概要に組み込まれる。

[0019]次に、本発明の実施形態について、添付の図面を参照してさらに詳しく説明する。

[0020]本発明の好ましい実施形態による、吸込圧力を加えない状態で示された、圧力補償機能を有するカートリッジ式常閉電磁比例パイロット作動式ポペット弁の長手方向断面図である。 [0021]吸込圧力が加えられる休止動作位置に示された、図１の弁の長手方向断面図である。 [0022]図１の弁が立面図で示された、図１の弁が設置された弁体の長手方向断面図である。 [0023]図１の弁の概略回路図である。 [0024]図１の弁を使用することのできる油圧回路の第１の例の概略回路図である。 [0025]図１の弁を使用することのできる油圧回路の第２の例の概略回路図である。 [0026]本発明の別の好ましい実施形態による、吸込圧力が加えられる休止動作位置に示された、圧力補償機能を有するカートリッジ式常開電磁比例パイロット作動式ポペット弁の長手方向断面図である。

[0027]次に、図面を詳しく参照して、本発明の原則、実施形態、および動作を添付の図面に示し、本明細書で詳しく説明する。これらの図面およびこの説明は、開示される本発明の特定の例示的な形態に限定されると解釈されるべきではない。したがって、当業者には、本発明の趣旨または範囲から逸脱せずに本明細書の実施形態に様々な修正を施してもよいことが明らかになろう。

[0028]本発明によって構成された常閉弁４の好ましい実施形態が図１〜図４に示されている。様々な油圧回路に組み入れられる弁４が図５および図６に概略的に示されている。本発明によって構成された常開弁１０４の好ましい実施形態が図７および図８に示されている。弁４および１０４のすべての構成部材は、圧力、温度、流体の種類、および弁４および１０４が使用される用途の他の要件に応じて選択された適切な材料で作られる。図示の実施形態では、各金属構成部材は、必要に応じて強化することのできる炭素鋼で作られている。Ｏリングシールは、フッ化炭素材料のような他の適切な材料で作られてもよく、バックアップリングは、非ゴム熱可塑性材料で作られてもよい。弁４および１０４は、カートリッジ弁と呼ばれる一般的な種類の弁である。より詳細には、弁４および１０４は、一体的な圧力補償機能を有するカートリッジ式電磁比例パイロット作動式ポペット弁である。油圧カートリッジ弁は、一体的なハウジングを有さない弁の一体的な内部可動部材を含む油圧流れ制御装置である。カートリッジ弁が、多岐管のような適切な流路を有するハウジングの空洞に挿入されており、結果として得られる組合せは任意の従来の油圧弁と同様に動作する。「一体的な」は、流体連結部を外部に露出することなく組み立てられ、全体として、少なくとも一方の構成部材が他方の構成部材を補完する必須の部分になるように使用される、機能的に異なる協働する２つ以上の構成部材を意味する。たとえば、一体的なカートリッジ弁は、弁ポペットと、弁座と、弁ポペットを弁座に対して制御するアクチュエータとを含んでもよい。「圧力補償式」または「圧力補償器」は後補償と前補償の両方を含む。可動油圧部材に関連する「均衡」は、互いに向かい合う横方向断面領域に対して互いに逆方向から作用する実質的に等しい油圧を受ける装置を指す。可動油圧部材に関連する「不均衡」または「差圧」は、互いに向かい合う横方向断面領域に対して互いに逆方向から作用する油圧差を受ける装置を指す。

[0029]まず図１〜図４を参照すると、図１には弁４が吸込圧力を加えない状態で示されており、図２には吸込圧力が加えられる状態で示されている。図３には、弁４が弁体または多岐管内に組み立てられた状態で示されており、図４には、弁４が吸込圧力が加えられる状態で概略的に示されている。弁４は、主流体流れ制御弁５と、パイロットオペレータ６と、ソレノイドアクチュエータ７と、圧力補償器８とを含む。流体流れ制御弁５は、弁４を通過する作動油の流量を調節する。パイロットオペレータ６は、流体流れ制御弁５の位置を調節し、ソレノイドアクチュエータ７は、パイロット６の位置を調節する。圧力補償器８は、主制御弁５全体にわたり実質的に一定の圧力降下または差圧を維持する。電源（不図示）がソレノイドアクチュエータ７に接続されている。以下にさらに説明するように、主制御弁５の開口、および弁４を通過する流量は、電源によってソレノイドアクチュエータ７に供給される電流に比例する。これらの構成部材は、互いに一体であり、長手方向軸１１に沿って互いに同軸に配設される。

[0030]弁４は、作動油入口１２と作動油出口１３とを含む。入口１２および出口１３の各々は、弁かご１４の周方向に間隔を置いて配置され半径方向に掘削された複数の通路である。弁かご１４の外面は、Ｏリングおよびバックアップリングシール組立体１５を含む。弁４の各構成部材は、多岐管１７（図３）の機械加工された段付き直径開口部１６内に組み立てられる一体的なカートリッジとして組み立てられ、各シール組立体１５が入口１２と出口１３を分離する。弁４は、ねじ付きアダプタ１８によって開口部１６に固定されており、ねじ付きアダプタ１８は、ねじ１９によってアダプタ１８の内面上に弁かご１４を支持し、ねじ２０によってアダプタ１８の外径上に開口部１６を連結する。Ｏリングシール２１がアダプタ１８の外面と多岐管１７の間を密封している。段付きボアまたは中央通路２２が弁かご１４の両端間を長手方向に延びている。流体は、多岐管１７の入口孔３０から弁かご１４のクロスドリルされた入口穴１２に進入する。主弁５は、概ね円筒形の弁ポペット３１と、弁かご１４内面上に支持された関連する環状の弁座３２とを含む。弁４がその常閉位置にあるとき、主弁５の上流の入口穴１２および入口孔３０からの入口流体は、弁座３２に係合するポペット３１によって遮断される。

[0031]弁４のパイロットオペレータ６は、ポペット３１の一方の側を貫通して延びる長手方向通路３３を含む。通路３３は、流体が入口穴１２から図１において上方にポペット３１の上側３４まで流れるのを可能にする。ポペットの上側３４からの流体は次いで、円筒形のパイロット３６内の長手方向に延びる中央通路３５を通って下降する。通路３５の下端は、中央通路３５をパイロット３６の外部に連結する半径方向通路の所が終端となっている。通路３５を通って下降する流体は、ポペット３１の後側でパイロット座３７に係合するパイロット３６の下端によって遮断される。弁ポペット３１が弁座３２に係合し、パイロット３６がパイロット座３７に係合すると、流体が入口穴１２および入口孔３０から下流側に出口穴１３および出口孔３８まで流れるのが妨げられる。ばね３９がパイロット３６とポペット３１の間に作用している。

[0032]引き続き図１〜図４を参照すると分かるように、アダプタ１８の上部はソレノイドアクチュエータ７を支持している。ソレノイドアクチュエータ７はソレノイドチューブ４２を含む。ソレノイドチューブ４２は、アダプタ１８の雌ねじ部に連結された雄ねじ部をチューブ４２の下部領域の近くに有する。ソレノイドプラグまたはキャップ４３がチューブ４２の上部領域上の雌ねじに係合するキャップ４３上の雄ねじによってチューブ４２に固定されている。電機子４４がチューブ４２内で長手方向に移動できるように滑り可能に配設されており、電機子４４とキャップ４３との間にエアギャップ４５が設けられている。穴４６が長手方向にキャップ４３の両端間を延びており、穴４７が長手方向に電機子４４の両端間を延びている。穴４６および４７にロッド４８が滑り可能に配設されており、穴４６の上端は、止めねじ４９および不正開封防止ねじ５０によって閉鎖されている。ばね５１がロッド４８の下端とパイロット３６との間に作用し、パイロット３６を下方にパイロット座３７の方へ付勢している。止めねじ４９は、パイロット３６に対して下方に作用するばね負荷を調整する。半径方向に延びるピン５２が、電機子４４とパイロット３６を自在継手式に連結しており、それよって、電機子４４とパイロット３６を長手方向に移動可能に固定しつつ電機子４４とパイロット３６のずれを可能にする。

[0033]ソレノイドコイル５３（図１および図３には示されていないが図２に示されている）がキャップ４３および電機子４４を囲んでいる。ソレノイドコイル５３に電力が印加されると、印加された電流に比例して電機子４４が上方に移動してエアギャップ４５を密閉する。電機子４４がこのように上昇すると、パイロット３６がパイロット座３７から引き上げられ、流体が入口穴１２から通路３３を通ってポペット３１および弁座３２の下流側に流れるのが可能になる。パイロット３６への流れを可能にするポペット３１の側の通路３３は、通路３３から半径方向にポペット３１の外周面まで延びるオリフィス３３ａを通して入口１２に連結されている。任意の所与の吸込圧力に対してパイロット３６からパイロット座３７までの開口面積が大きくなると、（図１に見られるポペット３１の上部３４に対する圧力である）ポペット３１の後方の圧力が低下する。（ポペット３１の外径とポペット３１が弁座３２に係合する弁座直径との間のポペット３１の下部の環状の領域である）ポペット３１の下部の差分領域に作用する入口穴１２からの吸込圧力は、ポペット３１を上方または開方向に移動させる引き上げ力を発生させる。このようにして、ポペット３１が移動してポペット３１に作用する力同士を均衡させ、ポペット３１の位置は、パイロット３６の位置に比例するとともにソレノイドコイル５３に印加される電流に比例する。

[0034]弁４の圧力補償器８は、圧力補償器スプール５８である概ね円筒形の部材を含む。補償器スプール５８は、弁かご１４の中央開口部２２に滑り可能に配設されている。補償器スプール５８および出口通路１３は可変オリフィスを画定し、補償器スプール５８は、出口通路１３を覆ったり露出させたりしてオリフィスのサイズを大きくしたり小さくしたりするように構成されている。出口通路１３は、圧力補償器スプール５８が図１に示されたスプール５８の位置にあるときには圧力補償器スプール５８によって露出される。横方向に延びるピン５９が弁かご１４のクロスドリルされた穴に配置されており、ばね受け６０が、ピン５９に係合し、弁かご１４に対して長手方向に移動しないように保持される。同心ばね６１が（ばね受け６０を通して）ピン５９と圧力補償器スプール５８との間に作用している。パイロット３６を通過し、次いで弁座３２を通過した流体は次に、補償器スプール５８のばね側または上部にさらされる。長手方向に延びる中央通路６２がスプール５８を貫通して延びている。流体は、スプール５８の中央の通路６２およびスプール５８の下端上の半径方向切り欠きを通過する。このようにして、流体は、圧力補償器スプール５８の両側と開放連通している。流体圧力は、スプール５８の両側５８ａおよび５８ｂで等しく、各側は、同じ横方向断面領域を有し、スプール５８に対して互いに逆方向から作用する力同士を均衡させる。

[0035]長手方向通路６３が入口通路１２と多岐管段付きボア１６の下端と中央通路２２の下端との間を延びている。概ね円筒形の別の圧力補償器部材は、中央通路２２の下端に滑り可能に配設された圧力補償器制御ピストン６４である。通路６３は、入口通路１２と補償器制御ピストン６４の下端６４ｂとの間に、開放されたまたは制限されない流体圧力連通を確立する。圧力補償器制御ピストン６４は、圧力補償器スプール５８の下端に対して上方に作用する。補償器スプール５８の反対側または上側のばね６１は、スプール５８に対抗して下方に作用し、補償器スプール５８と制御ピストン６４を一緒に押す。弁かご１４の中央通路２２の下端および制御ピストン６４の下端６４ｂは、開放通路６３を介して入口通路１２における吸込圧力にさらされる。多岐管１７（図３）の孔６５はねじ付きプラグ（不図示）によって塞がれる。孔６５は、入口または出口としては使用されず、通路６３を通して入口流体圧力にさらされる圧力補償器制御孔である。代替として、多岐管１７の長手方向通路が貫通孔ではなく止まり穴として切削される設計（不図示）によって前述のねじ付きプラグを無くしてもよい。

[0036]弁かご１４の中央通路２２には、段が設けられており、大径圧力補償器スプール５８が配設された大径部と小径圧力補償器制御ピストン６４が配設された縮小またはより小さくされた径部とを含む。制御ピストン６４の上部横方向端面６４ａは、通路６２によってポペット３１および弁座３２の下流側の流体圧力にさらされる横方向断面領域を形成する。制御ピストン６４の下部横方向端面６４ｂは、通路６３によってポペット３１および弁座３２の上流側のより高い流体圧力にさらされる互いに向かい合う横方向断面領域を形成する。このように、制御ピストン６４は、その互いに向かい合いかつ等しい横方向端面領域に対抗して作用する差圧を受ける。制御ピン６４は、その下端に拡径ヘッド部６６を有し、弁かご１４の中央段付き通路２２は、環状の弁座６７を含む。

[0037]弁４において入口孔３０および入口通路１２に油圧が加えられていないとき、弁４は図１に示す位置に位置する。この位置では、ばね６１が、制御ピストン６４が保持リング６８に係合するまで圧力補償器スプール５８および制御ピストン６４を下方に付勢する。圧力補償器スプール５８は出口通路１３を開放する。この位置でのばね５１および３９は、ポペット３１を弁座３２に接触するポペット３１の常閉位置に付勢する。

[0038]ソレノイドコイル５３への作動電流が存在しないときに油圧が入口通路１２に加えられると、弁４は、図２に示す第１の動作位置または休止動作位置を保持する。この位置では、ポペット３１は弁座３２に接触して密閉状態を維持する。入口通路１２の流体吸込圧力は、通路６３を通して圧力補償器制御ピストン６４の下部に伝達される。補償器制御ピストン６４の上部６４ａは、通路６２を通過する出口排水圧力または下流側排水圧力を受け、吸込圧力が高くなることによって、圧力補償器制御ピストン６４のヘッド部６６が座６７に係合するまで、補償器制御ピストン６４および圧力補償器スプール５８がばね６１の付勢力に対抗して上方に移動する。孔６５における吸込圧力によってピストン６４がこの位置に保持され、ピストン６４のヘッド部６６の円錐状座面が座６７に係合する。補償器制御ピストン６４の外面と段付きボア６７との間および補償器スプール５８の外面と段付きボア６７との間に通常の漏れ流路が存在する。補償器制御ピストン６４のヘッド部６６が座６７に係合すると、この漏れ流路は実質的に閉鎖される。補償器スプール５８は出口通路１３を覆うかあるいは閉鎖し、ピストンヘッド６６がその座６７に係合するため流れが生じないので補償器スプール５８およびピストン６４全体の圧力降下は生じない。この位置では、補償器制御ピストン６４およびポペット３１からの流体漏れは実質的に０なので、出口通路１３および出口孔３８から出口流を受け取るように連結されるかあるいは入口通路１２および入口孔３０に連結された油圧シリンダ（図１〜図３には示されていない）のような任意の油圧モータは、実質的に固定され、実質的な横滑りあるいは移動の傾向を有さない。このように、この動作モードの間、弁４によって調節される任意の負荷が実質的に漏れ落ちることはない。図４には、弁４が常閉構成になるように吸込圧力が加えられ荷重を保持している場合と同様なシフト位置に補償器８が示されている。

[0039]弁４が定常状態で常閉構成になる第１の位置または状態またはモードは、ソレノイドコイル５３への電流によってポペット３１が開かれ、パイロット３６を図２における上方に、パイロット座３７から離れる方向で移動させてポペット３１上の流体圧力を低下させるまで継続する。流体は次に、ポペット３１および弁座３２の上流側から下流側の方へ流れ始める。これによって、ポペット３１および弁座３２の下流側の、チャンバ６９における圧力が高くなり、この高くなった圧力が通路６２を通して補償器制御ピストン６４の上端６４ａに伝達される。補償器制御ピストン６４の上端に作用するこの高くなった圧力によって生じる力がばね６１の力に付加され、この合力によって補償器制御ピストン６４および補償器スプール５８が下方に移動して通路１３を開放し、弁４を通過する流れを可能にする。補償器制御ピストン６４および補償器スプール５８が単体として移動して通路１３を開放すると、補償器制御ピストン６４および補償器スプール５８が通常の圧力補償装置として動作してポペット３１から弁座３２への開口全体にわたり一定の圧力降下を維持する。この一定の圧力降下は、補償器スプール５８および制御ピストン６４が単体として動作してこの単体に両方向から作用する力同士を均衡させることによって実現される。補償器８は、中間チャンバ６９内のポペット３１の出口側と出口通路１３との間の可変圧力降下を実現して、ポペット３１から弁座３２への開口全体にわたり実質的に一定の圧力降下を維持する。

[0040]その場合、単体としての補償器スプール５８および補償器制御ピストン６４に対する力の均衡は次式のようになる。

Ｐ１Ａ１＝Ｐ２Ａ２＋Ｆ、および
ばね力は次式のようになる。

Ｐ１Ａ１−Ｐ２Ａ２＝Ｆ
上式で、Ｐ１はポペット３１から弁座３２への開口の上流側の流体圧力であり、
Ａ１は、圧力Ｐ１にさらされる補償器制御ピストン６４の領域６４ａであり、
Ｐ２は、ポペット３１から弁座３２への開口の下流側の流体圧力であり、
Ａ２は、（この例ではＡ１に等しい）圧力Ｐ２にさらされる補償器制御ピストン６４の領域６４ｂであり、
Ｆは、ばね６１の力である。

[0041]単体として働く圧力補償器５８とより小さい直径を有する圧力補償器制御ピン６４とのこの構成は、（より多い流量に対処するのに必要な）より大きいスプール５８を使用することによってばね力を低減させる（したがって、ばねを小さくする）のを可能にする。このことは、特に、弁４が空間利用可能性の限定されたカートリッジ弁であるときに弁４のサイズを小さくするのを助ける。これによって、弁４は、一体的なカートリッジ弁において同軸に揃えられる主弁５および一体的な圧力補償器８を形成し、一方、比較的小さいばね力によって、主弁５全体の圧力降下を大きくして流量を多くするのが可能になる。弁４の任意の圧力およびサイズを選択してもよいが、補償器スプール５８の直径としては、スプールチャンバを通過する流れを最大にして圧力損失を最小限に抑えるのを可能にする直径が選択されてもよい。言い換えれば、スプール５８の直径としては、弁４のサイズによって許容される大きさの直径が選択されてもよい。

[0042]図１〜図４に示す図示の実施形態は、圧力均衡型の補償器スプール５８とより小さい直径を有する別個の不均衡型補償器制御ピストン６４とを含み、差圧を検知する補償器ユニット８を構成する。補償器制御ピストン６４の直径は、上述の数式に従って比較的小さいばねが比較的大きい差圧に対処するように、必要に応じて小さくてもよい（すなわち、上述の領域Ａ１およびＡ２は必要に応じて小さくてもよい）。また、従来の圧力補償スプールは、（望ましくないヒステリシス効果をもたらすことがある）弾性シールを備えていないかぎりある量の漏れ流を許容することがあるが、図示の補償器スプールおよび制御ピストンは、補償器部材の周囲のあらゆる実質的な流れを妨げ、荷重の横滑りを最低限に抑えるかあるいは実質的に解消する。さらに、図示の別個の補償器スプールおよび補償器制御ピストンは、製造時の同心性問題を最低限に抑える。図１〜図４の図示の実施形態では、力Ｆを得るのに複数のばねが使用される（２つの同心ばね６１が使用される）。このように同心ばねを使用すると、ポペット３１および弁座３２全体の圧力降下を所望通りに大きくして流量を所望通りに多くするのに必要なばねのサイズをさらに小さくすることができる。

[0043]次に図５を参照すると、弁４は、たとえば、フォークリフトなどの貨物自動車（不図示）の荷重７５を持ち上げるのに使用されるリフト機構の回路であってもよい油圧回路内に示されている。油圧ポンプ７６が圧力下の作動油を油圧シリンダまたは他の油圧モータ７７に供給して荷重７５を持ち上げる。制御弁７８がポンプ７６をドレーンまたはタンク７９に連結すると、ロジックチェック弁８０が閉じ、シリンダ７７からの流体が弁４に送られる。荷重７５を実質的に固定するように保持する場合、ソレノイドコイル５３に電力は供給されない。弁４は次いで、図１〜図４に示し上記に説明したように弁４の常閉位置に配置され、圧力補償器スプール５８および制御ピストン６４は、シリンダ７７からドレーン７９への漏れ流を実質的に無くすかあるいは実質的に零に低減させ、荷重７５の横滑りを実質的に解消する。荷重７５を降下させるときは、ソレノイドコイル５３に電流を供給して、ポペット３１を印加された電流に比例する距離だけ弁座３２から離れる方向へ移動させはじめる。この動作モード中の圧力補償器スプール５８および圧力補償器制御ピストン６４は、ポペット３１および弁座３２にわたり一定の圧力降下を維持し、したがって、弁４を通過する流れは、ポペット３１と弁座３２の間の開口に比例し、かつソレノイドコイル５３に供給される電流に比例する。このように、荷重７５の下降速度は、荷重７５の重量とは実質的に無関係に、ソレノイドコイル５３に供給される電流によって調節されかつこの電流に比例する。

[0044]次に図６を参照すると、複数の弁４ａ〜４ｄを使用して油圧モータ７７の両側から出入りする流体流が制御される油圧回路の概略図が示されている。油圧モータ７７は、たとえば任意の種類の線形油圧アクチュエータまたは回転油圧アクチュエータであってもよく、概略的に示された図６の油圧シリンダである。弁４ａ〜４ｄは上述の弁４と実質的に同一である。ポンプ７６からモータ７７のピストン側（すなわち、図５における左側）に流体が供給されると、弁４ａのソレノイドコイル５３に電流が印加され、弁４ａによって決定される流量の流体がロジックチェック弁８０ａを通過してモータ７７のピストン側に流れる。モータ７７のロッド側（すなわち、モータ７７の右側）からタンク７９に戻る流体流は、弁４ｄによって制御される。この動作モード中の弁４ｂおよび４ｃは、その常閉位置に保持され、弁４ｂおよび４ｃのソレノイドコイルには電流は供給されない。油圧モータ７７の走行方向を反転させるときは、弁４ｃおよび４ｂのみに電流が供給され、弁４ａおよび４ｄはその常閉位置に保持される。この動作モード中のポンプ７６からの流体は、弁４ｃおよびロジックチェック弁８０ｂを通過して油圧モータ７７のロッド側に流れ、油圧モータ７７のピストン側からの流体は弁４ｂを通過してドレーン７９まで流れる。

[0045]次に図７を参照すると、本発明によって構成された常開弁１０４の好ましい実施形態が示されている。図７は、休止動作位置で吸込圧力が加えられる弁１０４を示す。図１〜図４に示し上記に説明した構成部材と構造または機能が類似した、図７に示す各構成部材は、図１〜図４に適用されたのと同じ参照符号で示されているが番号１００が付加されている。図７に示す実施形態は、図１〜図４の実施形態が常閉弁であり、一方、図７の実施形態が常開弁であるという点で、図１〜図４に示す実施形態とは異なる。語「常閉」および「常閉」は、吸込圧力が加えられるがパイロット３６、１３６を移動させるための電力が印加されないときの、弁座３２、１３２に対するポペット弁３１、１３１の構成を指す。図７の実施形態における流体制御弁１０５、パイロットオペレータ１０６、ソレノイドオペレータ１０７、および圧力補償器１０８は、後述の動作または当業者に明らかな動作を除いて、図１〜図４の実施形態に示す、図７の実施形態の上記の構成部材に対応する構成部材と同様に動作する。

[0046]弁１０４が図７および図８に示す休止常開位置にあるとき、入口通路１１２に吸込圧力が加えられる。ポペット１３１の下部に対抗して作用する吸込圧力は、ポペット１３１を弁座１３２に対してポペット１３１の開位置に保持する。ばね１３９がパイロット１３６をパイロット座１３７に対して開位置に維持し、通路１３３を通して伝達されるポペット１３１の上側に対する圧力を低下させる。この位置では、ソレノイドアクチュエータ１０７に電力は印加されず、弁１０４は常開位置にある。ソレノイドアクチュエータ１０７に電力が印加されると、電機子１４４が下降を開始してエアギャップ１４５を密閉する。電機子１４４がこのように下降すると、ロッド１４８が下方に押されてパイロット１３６がパイロット座１３７に対して閉じられる。ポペット１３１上の圧力が高くなり、それによってポペット１３１が下方に弁座１３２の方へ移動し、ソレノイドアクチュエータ１０７に印加される電流に比例してポペット１３１と弁座１３２の間の距離が短くなる。弁１０４は、図３に示す多岐管１７などの多岐管で使用されてもよい。

[0047]上述のように、本発明の一態様は、常閉パイロット作動式電磁比例ポペット弁または常開パイロット作動式電磁比例ポペット弁４または１０４を使用し、パイロット作動式ポペット３１、１３１が閉位置にあるときの漏れを少なくする独特の圧力補償器とこのポペット弁４または１０４を組み合わせる。これは、単一のカートリッジ弁４、１０４と組み合わされる。本発明者が知る現在市販されている比例ポペット弁は、一体的な圧力補償機能を含んでいない。補償器８、１０８は、通常の単一のスプールではなく２つの部材で構成されている。第１の部材は、パイロット作動式ポペット３１、１３１および弁座３２、１３２にわたり一定の圧力降下を維持するために規制モードで使用されるスプール５８、１５８である。スプール５８、１５８が休止位置にあるとき、計量通路１３、１１３が閉鎖される。スプール５８、１５８が移動してスリーブ１４、１１４のクロスドリルされた穴１３、１１３を開放し、流量を維持する。穴１３、１１３に対するスプール５８、１５８の位置は、弁入口１２、１１２と出口１３、１１３の差圧に比例する。第２の部材はピストン６４、１６４である。ピストン６４、１６４は、ポペット３１、１３１の下流側の圧力を検知するとともにポペット３１、１３１の前に位置する弁の入口の所の圧力を検知するのに使用される。スプール／ピストンの組合せの１つの独特の特徴は、ピストン６４、１６４の直径が小さくなっているので、ばね６１、１６１をより多い流量を通過させるのに必要なより大きいスプール５８、１５８よりも小さいままにしておくことが可能であることである。それによって、より小型の設計が可能になる。ピストン６４、１６４のさらなる特徴は、ピストンに作用する吸込圧力にさらされるピストンの一方の端部がピストンポペット端部をスリーブ１４、１１４に内蔵された座６７、１２７に押し付けることである。この座設計は、漏れを少なくし、弁がスプール弁よりも長い期間にわたって荷重を所定の位置に保持するのを可能にする。

[0048]本発明の現在好ましい実施形態を図示し、これらの実施形態について上記に詳しく説明した。しかし、本発明はこれらの特定の実施形態に限定されない。本発明にはその教示から逸脱せずに様々な変更および修正を施してもよく、本発明の範囲は以下に記載された特許請求の範囲によって定義される。さらに、図示の実施形態の構造および動作についてより明確を説明するために語「第１の」および「第２の」、「１つの」および「別の」、「左」および「右」が使用されているが、これらの語が説明を明確にするために使用されており、必要に応じて置き換えられてもよいことを理解されたい。さらに、語「開く（開放する）」または「開かれた（開放された）」および「閉じる（閉鎖する）」または「閉じられた（閉鎖された）」は、文脈に応じて部分的または完全に開かれるか（開放されるか）あるいは閉じられる（閉鎖される）ことを含んでもよい。さらに、図面に示す別個の構成部材は、単一の構成部材として組み合わされてもよく、単一の構成部材を複数の部品として設けてもよい。

Claims (25)

1. 弁領域（３１、３２；１３１、１３２）全体の差圧を調節する圧力補償器（４）であって、長手方向に移動可能な補償器スプール（５８、１５８）と長手方向に移動可能な補償器制御ピストン（６４、１６４）とを備え、前記補償器スプールは、前記補償器スプールの位置によって決定される流体流面積を有する可変流体流オリフィス（５８、１３；１５８、１１３）を画定し、前記補償器制御ピストンは、前記補償器スプールに対抗して作用して前記補償器スプールを移動させ、前記補償器スプールの位置を変更して前記弁領域全体の差圧を調節する圧力補償器。
2. 前記補償器スプールは圧力均衡型であり、前記補償器制御ピストンは圧力不均衡型である、請求項１に記載の圧力補償器。
3. 前記補償器制御ピストンは、前記弁領域の一方の側の流体圧力にさらされる第１の横方向断面領域（６４ａ、１６４ａ）と、前記弁領域の別の側の流体圧力にさらされる、前記第１の横方向断面領域と向かい合う第２の横方向断面領域（６４ｂ、１６４ｂ）とを有する、請求項１に記載の圧力補償器。
4. 前記補償器制御ピストンの前記第１の横方向断面領域と前記第２の横方向断面領域は実質的に等しい、請求項３に記載の圧力補償器。
5. 前記補償器スプールは、前記弁領域の一方の側の流体圧力にさらされる互いに向かい合う第１および第２の横方向断面領域（５８ａ、５８ｂ；１５８ａ、１５８ｂ）を有し、前記補償器スプールの前記第１の横方向断面領域と前記第２の横方向断面領域は実質的に等しい、請求項４に記載の圧力補償器。
6. 前記補償器制御ピストンの前記第１および前記第２の横方向断面領域の各々は、前記補償器スプールの前記第１および前記第２の横方向断面領域の各々よりも小さい、請求項５に記載の圧力補償器。
7. 前記補償器スプールおよび前記補償器制御ピストンの各々は、互いに向かい合いサイズが等しい横方向断面領域（５８ａ、５８ｂ；１５８ａ、１５８ｂ；６４ａ、６４ｂ；１６４ａ、１６４ｂ）を有し、前記補償器ピストンの前記横方向断面領域は前記補償器スプールの前記横方向断面領域よりも小さい、請求項１に記載の圧力補償器。
8. 前記補償器制御ピストンは、一方の長手方向で前記補償器スプールに対抗して作用し、前記補償器はばね（６１、１６１）をさらに含み、前記ばねは、前記一方の長手方向と逆の長手方向で前記補償器スプールまたは前記補償器制御ピストンに対抗して作用する、請求項７に記載の圧力補償器。
9. 前記補償器スプールは、前記弁領域の一方の側からの流体圧力にさらされる互いに向かい合う横方向断面領域（５８ａ、５８ｂ；１５８ａ、１５８ｂ）を有し、前記補償器制御ピストンは、互いに向かい合う横方向断面領域（６４ａ、６４ｂ；１６４ａ、１６４ｂ）を有し、一方の断面領域が前記弁領域の前記一方の側からの流体圧力にさらされ、他方の断面領域が前記弁領域の他方の側からの流体圧力にさらされる、請求項８に記載の圧力補償器。
10. 前記補償器制御ピストンは、前記補償器制御ピストンを一方の長手方向に移動させたときに前記補償器制御ピストンの前記互いに向かい合う横方向断面領域の間の前記補償器制御ピストンの周りの漏れ流体流を実質的に完全に遮断する弁表面（６６、１６６）を含む、請求項１から９のいずれかに記載の圧力補償器。
11. 前記弁領域は弁ポペット（３１、１３１）および弁座（３２、１３２）によって画定され、前記補償器制御ピストンは、一方の長手方向で前記補償器スプールに対抗して作用し、前記補償器はばねを含み、前記ばねは、前記一方の長手方向と逆の長手方向で前記補償器スプールに対抗して作用し、前記補償器スプールの横方向断面領域は、前記弁領域の一方の側からの実質的に等しい流体圧力にさらされる互いに向かい合う実質的に等しい横方向断面領域を含み、前記補償器制御ピストンの横方向断面領域は、実質的に等しい互いに向かい合う横方向断面領域を含み、一方の断面領域が前記弁領域の前記一方の側からの流体圧力にさらされ、他方の断面領域が前記弁領域の他方の側からの流体圧力にさらされ、前記補償器制御ピストンは、前記補償器制御ピストンを一方の長手方向に移動させたときに前記補償器制御ピストンの前記互いに向かい合う横方向断面領域の間の流体漏れを実質的に遮断する弁表面を含む、請求項１に記載の圧力補償器。
12. 前記弁領域の前記一方の側は前記弁領域の前記上流側であり、前記弁領域の前記他方の側は前記弁領域の前記下流側である、請求項１１に記載の圧力補償器。
13. 前記補償器スプールと前記補償器制御ピストンは、段付きボア（６７、１６７）内に同軸に配設され、前記段付きボアは、前記補償器スプールが配設される大径部と前記補償器制御ピストンが配設される小径部とを有する、請求項１２に記載の圧力補償器。
14. 前記ばねは、前記補償器スプールを前記補償器制御ピストンに押し付ける、請求項１３に記載の圧力補償器。
15. 前記ばねは、前記段付きボア内の、前記補償器制御ピストンの反対側の前記補償器スプールの側に配設され、ピン（５９、１５９）が横方向にボア内に延び、前記ばねは前記ピンと前記補償器スプールとの間に作用する、請求項１４に記載の圧力補償器。
16. カートリッジ弁かご（１４、１１４）を含み、前記弁領域と前記補償器は、一体であり、前記カートリッジ弁かご内に配設され、前記カートリッジ弁かごは、入口（１２、１１２）および出口（１３、１１３）と、前記入口と前記出口の間の中間チャンバ（５９、１５９）とを有し、前記弁領域は、前記入口と前記中間チャンバの間の流体圧力連通の開放および閉鎖を行い、前記補償器スプールは、前記中間チャンバと前記出口の間の流体圧力連通の開放および閉鎖を行い、前記補償器は、前記入口と前記中間チャンバとの間に実質的に一定の差圧を維持する、請求項１１から１５のいずれかに記載の圧力補償器。
17. 前記補償器スプールに対抗して作用する前記ばねの前記力は、前記補償器制御ピストンの前記一方の横方向断面領域（６４ａ、１６４ａ）に対する前記中間チャンバ圧力によって生じる前記力と前記補償器制御ピストンの前記他方の横方向断面領域（６４ｂ、１６４ｂ）に対抗して作用する前記吸込圧力によって生じる前記力との差に等しい、請求項１６に記載の圧力補償器。
18. 前記弁ポペットに動作可能に連結されたパイロットオペレータ（７、１０７）を含む、請求項１１から１５のいずれかに記載の圧力補償器。
19. 前記弁ポペットに動作可能に連結されたパイロットオペレータと、前記パイロットオペレータに動作可能に連結され電気ソレノイド電機子（４４、１４４）とを含み、前記弁座に対する前記弁ポペットの位置は、前記ソレノイドオペレータに供給される電力に比例し、前記弁領域全体の前記入口と前記中間チャンバとの差圧は実質的に一定である、請求項１１から１５のいずれかに記載の圧力補償器。
20. 前記補償器スプールは、ハウジングスリーブを通して計量通路（５８、１３；１５８、１１３）を比例的に開閉するように選択的に動作可能であり、前記計量通路を遮断する際の前記補償器スプールの位置は、前記入口から出口への差圧に比例し、前記補償器制御ピストンは、前記弁領域全体の前記差圧を検知するように動作可能であり、前記補償器制御ピストンは、一端が吸込圧力にさらされ、前記補償器制御ピストンに作用する吸込圧力は、前記補償器制御ピストンの表面を強制的に補償器制御ピストン座に密封係合させる、請求項１から９のいずれかに記載の圧力補償器。
21. 前記補償器制御ピストンは円錐状密封表面（６６、１６６）を含む、請求項２０に記載の圧力補償器。
22. 前記補償器制御ピストンの横方向断面領域は、前記弁領域の上流側の流体圧力にさらされる１つの横方向断面領域と前記弁領域の下流側の流体圧力にさらされる別の横方向断面領域とを含み、前記上流側の横方向断面領域と前記下流側の横方向断面領域との間の漏れ流路が、前記補償器制御ピストンによって画定され、前記補償器制御ピストンは、前記弁領域が実質的な閉位置にあるときに前記補償器スプールを移動させて前記補償器スプールの可変流体流オリフィスを実質的に閉鎖する位置に前記補償器制御ピストンがあるときに漏れ流路を実質的に閉鎖する弁を含む、請求項１から９のいずれかに記載の圧力補償器。
23. 弁領域全体の差圧を調節するための圧力補償器であって、前記弁領域は、上流側と下流側とを有し、前記圧力補償器は、前記弁領域の前記上流側からの流体圧力にさらされる１つの横方向断面領域と前記弁領域の前記下流側からの流体圧力にさらされる別の横方向断面領域とを有する概ね円筒形の部材（５８または６４；１５８または１６４）を含み、前記上流側の横方向断面領域と前記下流側の横方向断面領域との間の漏れ流路が前記部材の外面によって画定され、前記部材は、前記弁領域が実質的な閉位置にあるときに前記漏れ流路を実質的に閉鎖する弁（６６、１６６）を含む圧力補償器。
24. ボア（６７）を有するハウジング（１４）を含み、前記部材は前記ボア内に配設され、前記漏れ流路は前記ボアと前記部材の間に画定される、請求項２３に記載の圧力補償器。
25. 補償器スプールの位置によって決定される流体流面積を有する可変流体流オリフィスを有する前記補償器スプールを含み、前記部材は制御ピストンであり、前記制御ピストンが前記補償器スプールに対抗して作用して移動させる、請求項２３および２４のいずれかに記載の圧力補償器。

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