JP4981290B2 - 加圧された流体の制御バルブ、制御バルブアセンブリ、及び制御バルブアセンブリの機能制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、加圧された流体の制御バルブ、制御バルブアセンブリ、及び制御バルブアセンブリの機能制御方法に関し、特に直動型空気圧バルブに関する。

加圧された空気の流れを制御する分野において直動型空気圧バルブは周知である。直動型バルブは単独で、或いは、例えばプレスクラッチ、空気ブレーキ、区分け装置等の種々の空気圧作動型装置又は動作空気の精密な制御を必要とするその他の任意の空気圧装置や用途への若しくはかかる装置からの加圧された空気の流れを制御する、スプールバルブや調整装置と共に用いられ得る。これらの環境においては、二方向、三方向、四方向及び五方向直動型バルブアセンブリが一般に使用される。このようなバルブは、内部に流路を形成したバルブ本体を備え得る。バルブ部材は流路内に支持され、アクチュエータによりバルブ部材に作用する作動力に応じて一つの位置から別の位置へ動くことができる。バルブが制御できる種々の能動装置及びシステムの供給圧力源にバルブアセンブリを接続するのに、多数のポートが用いられる。一般的に、アクチュエータは流路内の特定の位置にバルブ部材を動かすように励磁される電磁作動型ソレノイドである。バルブ部材を付勢して既知の非励磁位置に戻すのに、しばしば戻しばねが使用される。この種のバルブは、高流速や高速応答時間が望まれる広範囲の種々の製造環境において使用される。

米国特許公開２００３−０２１３５２３号公報（米国特許出願１０／１５０，２９１）

これらのバルブの技術が進歩してくるにつれて、物理的寸法を減少させて動作環境に対応する設計がなされたバルブの要望が高まってきた。さらに、かかるバルブは非常に速いサイクル時間で動作できなければならない。しかし、従来、バルブアセンブリの速度を高めつつもそのサイズを減少できる程度は、ある一定の設計上の障壁により限られていた。バルブ部材及び流路が特定のサイズ以下に減少されると、戻しばねの物理的サイズ及び機械的強度が、バルブ部材の慣性に打ち勝つには不十分となる。さらに、バルブ部材をアクチュエータによって一方向に付勢させた後、バルブ部材シール及び流路の境界面に摩擦力及び表面粘着が生じる。これらの摩擦力及び関連した表面粘着は、戻り方向におけるバルブ部材の動きを妨げるように働き、これによりバルブの速度は低減し、その結果バルブの応答時間は増大することになる。アクチュエータの力が取り除かれる際に、バルブ部材をその励磁位置から迅速に又は効率的に動かして非励磁位置へ戻すのに、十分な付勢力が戻しばねによって得られない場合には、能動装置の正確な制御は損なわれる。この欠点を解消するために、種々の設計上の方策が提案されてきた。しかし、関連技術分野において提案されてきた設計上の方策は全て、それらが補足的な機構又はハードウエアを付加したり、或いはバルブの遠隔装着を必要とする欠点を伴う。

例えば、関連技術分野において提案された一つの設計上の方策では、バルブ部材を反対方向に動かすのにデュアル電磁アクチュエータを用いることを伴う。従って、戻しばねはソレノイドのような電磁アクチュエータに置き換えられる。しかし、このような解決法は、複雑さが増し、さらに第２ソレノイド及びそれに関連した部品のコストが追加され、そして新たにサイズ制限について境界を生じさせることにもなる。関連技術分野においては、両方向に励磁する単一電磁アクチュエータも提案されてきた。しかし、これらの単一電磁アクチュエータは、かさ張る二重巻きアクチュエータと共に付加的な電子回路及び制御装置を必要とするため、一般的にはそれらのアクチュエータが制御する空気圧作動型装置に対して遠隔の場所に設けられる。遠隔配置したバルブは、能動装置の極近くに設けられたバルブを備えるという目的を達成できない。このようなバルブは、付加的なハードウエアや配管を必要とする導管や他の流路を介して相互に接続されなければならず、空気圧効率が低くなり、システム内のライン損失が伴うことになる。

直接装着したソレノイドアクチュエータを備えた直動型バルブが開発され、これらのバルブは摩擦力及び関連した表面粘着に打ち勝つように戻しばねを補助するためにバルブ部材におけるバイパスポートを介してのバイパス流れの一部を構成している。このようなバルブの一例は、“エアアシスト戻しを備えた直動型空気圧バルブ”を発明の名称とする、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願の特許文献１において提案されており、参照としてここに示す。このバイパス流れ構造は有効であるが、しかしバイパスポートの複雑な機械加工を必要とすることによりコストを増大させる。従って、さらに単純化した直動型バルブ構造の要求が存在する。

本発明の加圧された流体の制御バルブは、バイパス流れポートを省略した直動型バルブアセンブリを提供する。特に、直動型バルブアセンブリは、加圧された空気源と連通した加圧された空気供給入口ポート及び少なくとも一つのシリンダポートを備えたバルブ本体を有する。流路はバルブ本体内に軸方向にのび、またバルブ部材は、シリンダポートを介して入口ポートからの加圧された空気を選択的に指向させるために、流路内の特定の位置間を移動可能に支持される。アクチュエータは、バルブ部材を第１方向に直接動かすためにバルブ本体に装着される。付勢部材はアクチュエータに対向して配置され、そしてバルブ部材とバルブ本体との間に位置決めされる。

バルブ部材は、ヘッド直径の異なる複数のヘッドを備え、これらのヘッドは、流路における直径の異なるバルブシートに対して着座する。ヘッド及びシート直径間の違いから生じる異なった面積に作用する流体圧力は幾つかの動作条件をもたらす。バルブアクチュエータが非励磁とされると、流体圧力は平衡となり、付勢部材はバルブ部材を閉位置に保持するのに十分な力を提供する。バルブアクチュエータが励磁され、バルブ部材が閉位置から動くと、バルブ部材の異なる直径から生じる異なった面積に作用する圧力は、結果として不平衡な状態となる。不平衡な圧力は加圧された付勢装置の力と相俟って、アクチュエータの非励磁時にアクチュエータによって実行された動きに対して反対の方向にバルブ部材を作動的に動かす正味の戻し力を発生する。

本発明の制御バルブアセンブリは明確な利点を有している。直径の異なるシート領域及び流路に作用する空気圧はバルブ部材に作用する力の差を生じさせる。特に、流路の大きな第１シート領域内に位置決めされた直径の大きなバルブ部材ヘッドの領域へ一方向に作用する空気圧は、流路の小さな第２シート領域内に位置決めされた直径の小さいバルブ部材ヘッドへ他方向に同時に作用する空気圧と組み合わさって、アクチュエータによって実行された動きに対して反対の方向にバルブ部材を作動的に動かさせるように付勢部材を補助する。本発明の空気圧バルブのバルブ動作速度は、単に大きな戻しばねを用いたバルブ、或いはバイパスポートを付加した戻しばねを備えたバルブにほぼ等しい。本発明のバルブアセンブリは、バイパス空気流の必要性がなく、従って空気アシストバイパスポートの複雑さ及びコストを省く。付勢部材の自己戻し特徴は、バルブ部材ヘッドと流路シート領域との幾何学的構成によって生じた力の不平衡と相俟って、アクチュエータを非励磁とすると、バルブ部材をそれの励磁位置から離れる方向に迅速かつ有効に動かす。空気アシスト自己戻しの特徴は、バルブを非励磁位置に動かすのを助けるのに必要な圧力／力を提供する。

本発明の制御バルブアセンブリは、バルブアセンブリのサイズを相当減少した場合に、従来のバルブアセンブリに勝る利点をもたらす。本発明の制御バルブアセンブリは、バルブ部材の慣性に繰り返し、迅速に、しかも効果的に打ち勝ち及び／又は流路に作用する摩擦粘着力を超えるのに付勢部材だけでは物理的寸法及び機械的強さが不十分な場合に、バルブ部材の迅速な加速をもたらす。これにより、非常に速く作用するバルブアセンブリを、従来の規格及び高電力ソレノイド又はアクチュエータを使用した場合より寸法を小さく構成することができる。

本発明の応用可能な別の分野は、以下になされる詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、単に例示のためのものであり、本発明の範囲を限定するものではないことが理解されるべきである。

本発明は、以下の詳細な説明及び添付図面からさらに十分に理解されることになろう。

好ましい実施形態の以下の説明は、単に例示のためのものであり、本発明、それの応用又は使用を制限しようとするものではない。

全図面を通して同じ構造体を示すのに同じ符号を用いている図面を参照すると、直動型の本発明の制御バルブアセンブリの一実施形態は、図１に符号１０で示されている。バルブアセンブリ１０は、バルブ本体１２及びバルブ本体１２に装着した電磁アクチュエータ１４を有している。バルブ本体１２は、それぞれ頂面１６及び底面１８、頂面１６及び底面１８の間にのびる一対の対向側面２０，２２、及び端面２４，２６を規定する薄い長方形状を有している。一つの好ましい実施形態では、アクチュエータ１４は、バルブ本体１２の端面２４に装着されたソレノイドアセンブリである。

次に、図２及び図３を参照すると、バルブ本体１２は、空気などの加圧された流体源（図示せず）に連通する加圧された流体の入口ポート２８を有している。バルブ本体１２はさらに、一実施形態として出口ポート３０と排出ポート３２とを含む、少なくとも一つの放出ポートを有している。バルブ本体１２を軸方向に通って、バルブ孔すなわち流路３４がのびている。図１〜図３に示す実施形態では、直動型バルブアセンブリ１０は三方向バルブであり、入口ポート２８と、出口ポート３０と、排出ポート３２とを有し、これら各ポートは流路３４に流体連通している。本実施形態において、入口ポート２８、出口ポート３０及び排出ポート３２の各々は、バルブ本体１２の頂面１６に“マニホールド形態”で形成されている。しかし、当業者が認識するように、種々のポートはバルブ本体１２の種々の異なる面に形成されてもよい。これらのポート及び通路は、本発明の範囲から逸脱せずに面１６，１８，２０及び（又は）面２２間で分割されてもよい。また、入口ポート２８、出口ポート３０及び排出ポート３２は、バルブアセンブリ１０と作動的に組み合わされる別の構成要素との流体連通を確立するために必要な任意の機構を受入れるようねじ付きであってもよい。このために、バルブ本体１２はマニホールド、サブベース、或いは多数の様々な空気圧作動型装置（図示せず）のうち任意のものに装着するようにされる。

図２及び図３に示すように、流路３４はバルブ本体１２の全長にわたってのびて、一対の開放端部３６，３７を形成している。バルブ部材３８は、以下に詳細に説明するように、入口ポート２８から出口ポート３０及び排出ポート３２を通って加圧された空気を選択的に指向させるために、流路３４内の特定の位置間を摺動可能である。流路３４内には、バルブ部材３８を摺動可能に受ける第１端部リテーナ４０及び第２端部リテーナ４１が備えられている。

一つの好ましい実施形態では、バルブ部材３８は、バルブ本体１２を流れる流体の流れを制御するため往復動するよう、流路３４内に支持されるポペットであることができる。この実施形態では、バルブ部材３８はさらに、バルブ部材３８の各端部に配置された第１バルブ部分としての第１バルブヘッド４２と第２バルブ部分としての第２バルブヘッド４３とを含む、対向したバルブヘッドを有している。バルブシート要素４４は、対向したバルブヘッド４２、４３の間でバルブ部材３８の***部分４５に備えられている。バルブシート要素４４の位置は、入口ポート２８から流路３４を通り出口ポート３０へ加圧された空気の流れを選択的に指向させるか、又は出口ポート３０から排出ポート３２へ加圧された流体を指向させるように動作する。第１端部リテーナ４０は第１孔４６を備え、また第２端部リテーナ４１は第２孔４７を備え、これらの孔はそれぞれ第１バルブヘッド４２及び第２バルブヘッド４３を受け、そしてバルブ部材３８がバルブ本体１２内を摺動できるようにしている。第１孔４６及び第２孔４７の部分は流路３４の部分を形成している。Ｏリングのようなシール部材４８は第１バルブヘッド４２と第１端部リテーナ４０との間に備えられ、入口ポート２８と開放端部３６との間を流体シールする。第２バルブヘッド４３と第２端部リテーナ４１の第２孔４７との間には同様なシーリング部材は必要ない。

一つの実施形態では、ポペットバルブ部材３８は好ましくは、***部分４５にオーバーモールドされかつバルブシート要素４４を形成するようにゴムと接合され、そして例えば第１及び第２バルブヘッド４２，４３を形成するように特定の寸法に研磨されたアルミニウムインサートである。しかし、以下の説明から当業者が認識するように、本発明はポペットバルブに関連して用いることに限定されない。むしろ、本発明は、例えばスプールバルブ、フラットゴムポペットバルブ、フラッパーバルブ、パイロットバルブを含む、他の任意の直動型バルブ、或いは空気圧作動型装置に隣接して又は空気圧作動型装置から遠隔で使用されるバルブアセンブリに関連して使用され得るが、これらに限定されるものではない。

バルブ部材３８のソレノイド励磁位置及びソレノイド非励磁位置の各々は図２に示されている。ソレノイド励磁位置は、流路３４を通って形成した長手方向軸線５０の左側に示され、またソレノイド非励磁位置は、長手方向軸線５０の右側に示されている。ソレノイド励磁位置に達するには、バルブ部材３８は、バルブシート要素４４が第２端部リテーナ４１の端子端部５２に係合するまで、矢印“Ａ”の方向に移動する。この位置において、流路３４を介して入口ポート２８と出口ポート３０との間が連通される。入口ポート２８からの流れは、端子端部５２と係合するバルブシート要素４４によって排出ポート３２に入るのを阻止される。ソレノイド非励磁位置に戻すには、バルブ部材３８は、バルブシート要素４４が流路３４内にのびる環状バルブ本体伸張部５６の遠端部に係合するまで、矢印“Ｂ”の方向に移動する。この非励磁位置において、端子端部５２を通って出口ポート３０と排出ポート３２との間が連通して、排出ポート３２を介して加圧された流体を排出させる。非励磁位置では、入口ポート２８からの流れは、第１のシート部位としてのシート部位５４と係合するバルブシート要素４４によって出口ポート３０か又は排出ポート３２に入るのを阻止される。

図２に最もよく見られるように、一つの好ましい実施形態では、アクチュエータ１４は、通常バルブ本体１２の端面２４に装着したハウジング５８を含む、ソレノイドアセンブリとして設けられた電磁ソレノイドである。アクチュエータ１４は、プッシュピン６０を有し、このプッシュピン６０はバルブ部材３８の第１バルブヘッド４２に接触してバルブ部材３８を矢印“Ａ”の励磁方向に動かす。ハウジング５８はさらに、端面２４に隣接して備えられた極板６２と、極板６２に対向してて備えられたキャップ６４と、ソレノイドカン６６とを有している。ソレノイドカン６６は、ボビン７０の周りに従来のように巻かれた導電性線のコイル６８を支持している。導電性線は一つ以上のリードピン７２を介して電流源に接続される。リードピン７２は一つ以上の電気接点７４及び電流源に通じる単数又は複数の線（図示せず）に接続される。コイル６８を流れる電流で発生される電磁力の方向は制御回路（図示せず）によって制御できる。

プッシュピン６０は、極板６２における開口部を通って摺動可能にのびている。極板６２はさらに、強磁性磁極部片７６を有している。プッシュピン６０は、ソレノイドカン６６とキャップ６４との間に配置した強磁性アーマチュア７８と接触する。強磁性アーマチュア７８及びプッシュピン６０は、一つの方向にコイル６８に流れる電流のパルスによって発生した電磁フラックスの影響の元で磁極部片７６に向って動くことができる。このフラックスは、ソレノイド励磁方向“Ａ”にバルブ部材３８を動かすようにプッシュピン６０を駆動する方向“Ｘ”の駆動力を発生する。

矢印“Ｃ”の方向のアーマチュア７８の全体変位は調整装置８０を用いて部分的に制御され得る。図示実施形態において、調整装置８０はキャップ６４にねじ込み可能に結合され、それにより変位可能な端部８２はプッシュピン６０に対向して備えられたアーマチュア７８の遠端部８４に接触するようにされる。調整装置８０のねじ込み係合深さを調整することによって、非励磁位置と励磁位置との間におけるプッシュピン６０及びバルブ部材３８の全体移動距離は予め決められる。

特定の電磁作動型装置について説明してきたが、本発明のバルブアセンブリに使用したアクチュエータ１４は、空気圧バルブに用いた任意の公知型のものでもよい。さらに、本発明の空気圧バルブアセンブリの一つの好ましい実施形態は三方向バルブとして記載してきたが、本発明は代わりに二方向、四方向又は同様なバルブの形態で実施してもよいことが認識されるべきである。

図３に最もよく見られるように、バルブ部材３８がプッシュピン６０によってソレノイド励磁位置へ動かされる際に、シート部位５４とバルブシート要素４４との間に流路“Ｄ”が形成される。バルブ部材３８は、バルブシート要素４４が端子端部５２のシーリング縁部８８に形成された第２のシート部位としてのシーリング接触点８６と係合するまで、動き続ける。バルブシールを行うために環状接触点が形成されるようにバルブシート要素４４の係合面９０と角度θを成してシーリング縁部８８を形成するのが望ましい。これは、２００３年１２月３０日に許可され、本発明の譲受人に譲渡されたWilliamsの米国特許第６，６６８，８６１号に示され、開示されており、参照としてここに示す。ソレノイド励磁位置では、流体は、端子端部５２の外周部９２とバルブ本体１２の***周囲面９４との間で端子端部５２をバイパスするのを第１シール部材９６によって阻止される。一つの好ましい実施形態においては、第１シール部材９６は弾性Ｏリングである。第１シール部材９６は端子端部５２に形成したシール溝９８内に保持される。

付勢部材１００は、第２バルブヘッド４３内に形成された空洞１０１内に備えられ、そして第２バルブヘッド４３内に形成したシェルフ１０２と第２端部リテーナ４１の面１０４との両方に係合する。付勢部材１００は矢印“Ｚ”方向の力として表わされた付勢力を発生する。付勢部材１００の機能については以下にさらに詳細に説明する。図示実施形態では、付勢部材１００はコイルばねであるが、しかし、当業者が認識するように、一つの方向に力を発生するのに十分である、当該技術分野において公知の任意の付勢機構が本願に用いるのに適している。さらに、当業者が認識するように、この環境において使用され得る適当な付勢部材は非常に多くあるため、それらのすべてをここで完全に記載することは能率的ではない。むしろ、付勢部材１００が図２〜図５に示すようにバルブ部材３８に対して一定の上向き力を加えることを記載することで説明及び例示の目的では十分であるべきである。

ソレノイド非励磁位置（図３に示すように長手方向軸線５０の右側に部分的に示す）では、バルブシート要素４４とシーリング縁部８８との間に流路“Ｅ”が形成される。第２端部リテーナ４１はほぼカップ型であり、第２端部リテーナ４１に規定されかつ互いに放射状に離間した多数のシリンダ通路１０６を備えている。シリンダ通路１０６は、例えば、流路“Ｅ”を介して出口ポート３０と排出ポート３２との間で流体を流れさせるように、流路３４とそれぞれの隣接したポートとの間を流体連通させる。ソレノイド非励磁位置では、流体が第２端部リテーナ４１とバルブ本体１２との間のねじ付き接続部１０８から及び端子端部５２に隣接した外周部１１０とバルブ本体１２の***環状面１１２との間から流出するのを第２シール部材１１４によって阻止される。第１シール部材９６と同様に、一つの好ましい実施形態では、第２シール部材１１４は弾性Ｏリングである。第２シール部材１１４は、シール溝９８とねじ付き接続部１０８との間で第２端部リテーナ４１に位置決めされた第２シール溝１１６内に保持される。

図３にはさらにシート部位５４が直径“Ｆ” の第１環状シールを形成することを示している。シーリング縁部８８のシーリング接触点８６は直径“Ｇ”の第２環状シールを形成している。さらに、第２端部リテーナ４１の第２孔４７は直径“Ｈ”をもつ。直径“Ｇ”は直径“Ｈ”にほぼ等しい。直径“Ｆ”は、以下に詳細に説明する理由で直径“Ｇ”及び“Ｈ”の両方より大きい。

図３及び図４の両方を参照すると、バルブ部材３８をソレノイド非励磁位置からソレノイド励磁位置へ（又はその逆方向へ）動かすために、空洞１０１又は開放端部３６に隣接した第２空洞１１７内の流体は変移されなければならない。この目的で、バルブ等化通路１１８（図３に単に部分的に示す）が設けられる。さらに、第２端部リテーナ４１の第２孔４７と第２バルブヘッド４３の遠端部１２４に隣接した円筒状外面１２２との間に隙間ギャップ１２０が設けられる。従って、空洞１０１と開放端部３６か又は排出ポート３２との間でバルブ等化通路１１８及び（又は）隙間ギャップ１２０を介して流体が変移され、バルブ部材３８を流路３４内で長手方向に変移させる。

図４には、バルブ部材３８のソレノイド非励磁位置が示され、アクチュエータ１４は非励磁とされる。この位置において、流路“Ｅ”は開放され、バルブシート要素４４の第２係合面１２８はバルブ本体伸張部５６のシート部位５４に接触する。出口ポート３０と排出ポート３２との間の流路“Ｅ”は、アーマチュア７８が励磁されるまで開放したままである。流路“Ｅ”は、バルブシート要素４４の係合面９０とシーリング縁部８８のシーリング接触点８６との間で開放される。流路“Ｅ”はまた、バルブ部材３８の第２バルブヘッド４３に隣接して形成された凹部１３０を備えている。凹部１３０は複数のシリンダ通路１０６と連通して流体の流路を形成している。ソレノイド非励磁位置に達するために、第２空洞１１７内の流体は、バルブ部材３８が矢印“Ｂ”の方向へ動く際に、バルブ等化通路１１８を介して空洞１０１内に変移する。入口ポート２８における加圧された流体は出口ポート３０及び排出ポート３２の両方から絶縁される。入口ポート２８における加圧された流体は第２空洞１１７内へ漏れるのを前に説明したようにシール部材４８によって阻止される。

図５を参照すると、バルブ部材３８の中間位置が示されている。この中間位置では、アーマチュア７８が励磁されて、プッシュピン６０はバルブ部材３８を再位置決めし始め、それでバルブシート要素４４の第２係合面１２８はもはやバルブ本体伸張部５６のシート部位５４に接触しなくなる。流路“Ｄ”及び“Ｅ”は両方とも開放される。バルブシート要素４４の係合面９０はシーリング縁部８８のシーリング接触点８６とまだ接触しない。空洞１０１内の流体はバルブ等化通路１１８を介して第２空洞１１７へ移動する。

次に図６を参照すると、バルブ部材３８のソレノイド励磁位置が示されている。このソレノイド励磁位置では、流路“Ｄ”は開放され、バルブシート要素４４の係合面９０はシーリング縁部８８のシーリング接触点８６と接触し、流路“Ｅ”を閉じる。付勢部材１００はプッシュピン６０を介してアーマチュア７８で発生された力によって加圧されたされる。入口ポート２８と出口ポート３０との間の流路“Ｄ”は、アーマチュア７８が非励磁とされるまで、開放されたままである。空洞１０１内の流体は、バルブ等化通路１１８を介して第２空洞１１７内へ移動されている。入口ポート２８における加圧された流体は、第３シール溝１３２内に配置したシール部材４８によって第２空洞１１７内へ漏れるのを阻止される。シール部材４８は、第１端部リテーナ４０の孔径“Ｊ”の円筒状内壁１３４と第１バルブヘッド４２の外周壁１３６との間のシールを形成する。孔径“Ｊ”はシート部位５４の直径“Ｆ”にほぼ等しい。

また図６は、第２端部リテーナ４１の調整可能な特徴が示されている。端面２６から第２端部リテーナ４１の端子端部５２までの深さ“Ｋ”は、ねじ付き接続部１０８を増加方向に調整することによって制御される。深さ“Ｋ”を制御することによって、シーリング縁部８８の位置は制御される。それにより、シート部位５４とシーリング接触点８６との間のバルブ部材３８のバルブシート要素４４の変位１３８は制御され、バルブサイクル時間、バルブアセンブリ１０から放出される総流体量などを変えるのに用いられ得る。

以下、前述の図面を参照してバルブアセンブリ１０の動作について説明する。図４に戻って、バルブアセンブリ１０は最初は非励磁とされており、従ってバルブ部材３８は非励磁位置に置かれている。入口ポート２８における加圧された流体は図４に見られるように、矢印“Ｍ”の上向きの力方向で第１の部分領域としての領域１４０に作用する。領域１４０は、第１バルブヘッド４２の直径“Ｊ” からバルブ部材３８の直径“Ｌ”を引算した後の第１バルブヘッド４２の残りの領域である（領域１４０＝π（（Ｊ−Ｌ）／２）^２）。同時に、入口ポート２８における加圧された流体は、図４に見られるように、矢印“Ｎ”の下向きの力方向に有効領域１４２に作用する。領域１４２は、直径“Ｆ” からバルブ部材３８の直径“Ｌ”を引算した後のシート部位５４に境界を接した第２係合面１２８の残りの領域である（領域１４２＝π（（Ｆ−Ｌ）／２）^２）。直径“Ｊ”及び“Ｆ”は実質的に等しいので、領域１４０は領域１４２にほぼ等しく、平衡力（Ｍ＝Ｎ）はこの位置においてバルブ部材３８に作用している。従って付勢部材１００は、第２係合面１２８をシート部位５４に接触した状態に保持する加圧された力を発生し、そして入口ポート２８と出口ポート３０（及び排出ポート３２）との間をシールするのに必要である。

図２〜図６を参照すると、流体圧が非励磁位置においてバルブ部材３８を横切って平衡になると、アクチュエータ１４のアーマチュア７８は単に、付勢部材１００の付勢力“Ｚ”及びシール部材４８の全ての摩擦・粘着力に打ち勝ってバルブ部材３８を動かし始める必要がある。アーマチュア７８が励磁されると、それの力“Ｘ”は付勢力“Ｚ”及びシール部材４８の全ての摩擦・粘着力に十分に打ち勝つまで発生する。その後、バルブ部材３８は動き始める。図５に示すように、バルブ部材３８がバルブ係合面１２８とシート部位５４との間にギャップ（流路“Ｄ”）を形成するのに十分な距離動いた後、バルブ部材３８はもはや“圧力平衡”されない。

流路“Ｄ”が形成されるとすぐに、流体圧力は、凹部１３０に及び第２バルブヘッド４３の面１４４に対して発生し始める。面１４４の第２の部分領域としての領域１４６は、直径“Ｈ” からバルブ部材３８の直径“Ｒ”を引算した後の第２バルブヘッド４３の残りの領域である（領域１４６＝π（（Ｈ−Ｒ）／２）^２）。第２バルブヘッド４３と第２孔４７との間の隙間ギャップ１２０は、結果としての力の差における最小影響のために、この計算において無視される。従って、第２バルブヘッド４３の直径“Ｖ”は、直径“Ｈ”にほぼ等しくなるようにこの分析のために処理される。結果としての力“Ｓ”は領域１４６に作用し、力“Ｍ”に対向するが、直径“Ｊ”が直径“Ｈ”又は “Ｖ”より大きい（領域１４０＞領域１４６）のでその力“Ｍ”より小さい。その結果、ソレノイド力“Ｘ”から反対に向けられる圧力不平衡（Ｍ−Ｓ）が生じられる。しかし、この時点には既にバルブ部材３８は動いており、またソレノイド力“Ｘ”は、アーマチュア７８が磁極部片７６に近づくように発生し続けるので、バルブ部材３８は急速に加速する。

図５に示す中間位置では、流路“Ｄ”及び“Ｅ”は両方とも開放される。バルブシート要素４４に作用する流体圧力は、ほぼ平衡となると仮定される。出口ポート３０及び排出ポート３２を通る流体の流れの僅かな差圧影響は無視される。

次に、図３及び図６の両方を参照すると、バルブシート要素４４の係合面９０がシーリング接触点８６に接触すると、ソレノイド力“Ｘ”及びバルブ部材３８の運動量は、シーリング接触点８６及びシーリング縁部８８の部分に対して係合面９０を押圧する。角度θ（図３）で形成されたシート領域隙間のために、圧力は係合面９０の一部にのみ作用する。この位置において、流体力“Ｍ”に対向する正味のもしくは結果としての力“Ｔ”が発生される。力“Ｔ”は、領域１４８を介してバルブシート要素４４の係合面９０に作用する圧力から生じる。領域１４８は、直径“Ｇ” からバルブ部材３８の直径“Ｌ”を引算した後のシーリング接触点８６の伸張部に境界を接したバルブシート要素４４の残りの領域である（領域１４８＝π（（Ｇ−Ｌ）／２）^２）。バルブ部材３８を上向き方向に（ソレノイド力“Ｘ”に対向した方向に）戻す正味の戻し力“Ｕ”は力“Ｍ”と力“Ｔ”（Ｕ＝（Ｍ−Ｔ））との差から得られる。シーリング接触点８６におけるシーリング縁部８８の加圧された抵抗と、付勢部材１００の付勢と、正味の戻し力“Ｕ”との組み合わせはソレノイド力“Ｘ”に等しい時に、バルブ部材３８の動きは停止する。これにより、バルブアセンブリ１０の励磁状態となる。そして入口ポート２８及び出口ポート３０における圧力は排出ポート３２からブロックされる。

この時点で、バルブ部材３８を非励磁位置に迅速に戻すのに利用できる三つの力が存在する。第１に、付勢部材１００は加圧されたされ、付勢力“Ｚ”をさらに増大させる。第２に、加圧された力“Ｙ”は、バルブシート要素４４がシーリング接触点８６及びシーリング縁部８８に対して押圧する際に一時的に発生される。第３に、正味の戻し力“Ｕ”は矢印“Ｂ”の非励磁戻し方向にバルブ部材３８を戻すように作用する。

その後、アーマチュア７８が非励磁とされると、バルブ部材３８は上記三つの力のために迅速に動き始める。バルブ部材３８は、第２係合面１２８がシート部位５４に当接して押圧すると、停止する。直径“Ｆ”及び直径“Ｊ”が等しいため、バルブ部材３８に対する圧力平衡状態は回復され、そしてバルブ部材３８は、第２係合面１２８の加圧された抵抗が付勢部材１００の付勢力“Ｚ”に等しくなると、停止する。その後、出口ポート３０における圧力は流路“Ｅ”を介して排出ポート３２を通って或いは開放した出口ポート３０を通って消散される。

図７には、図２に示すものとポート位置が異なる本発明の別の実施形態が示されている。図７は本発明のバルブポートの多数の形態の一つを示している。図７において、バルブアセンブリ１５０は、アクチュエータ１４を装着したバルブ本体１５２を有している。出口ポート３０と同様な出口ポート１５４は図２に示すものと同様に左側に向って備えられる。入口ポート１５６は図６に見られるように右側に向ってすなわち図２に示す入口ポート２８と反対に備えられる。排出ポート１５８は図７を観察する観察者に向けられている。バルブ部材３８は明瞭にするため図示されていない。

図８を参照すると、本発明の制御バルブアセンブリの機能制御方法は、第１バルブ部分がバルブアクチュエータと接触するように第１シーリング直径をもつ流路内にバルブ部材を摺動可能に支持すること（１６０）と；バルブ部材を第１方向に直接動かすようにバルブアクチュエータにより駆動力を発生すること（１６２）と；第１シーリング直径及び第１バルブ部分の直径よりも小さな第２シーリング直径を設けて、結果として駆動力が除かれた際に第１方向と反対の第２方向にバルブ部材を動かすことができる正味の戻し力を生じるようバルブ部材に複数の力が作用するようにすること（１６４）と；の段階を含む。
なお、このような本発明の制御バルブアセンブリの機能制御方法は、制御バルブアセンブリの動作方法、調整方法、設計方法、製造方法等に適用することができる。

本発明の制御バルブの一つの好ましい実施形態において、材料は次のとおりである。バルブ本体はダイカストアルミニウムで構成される。バルブ部材３８はアルミニウムのような金属である。第１端部リテーナ４０はデルリン（登録商標）のような低摩擦高分子材料である。摺動嵌合するが摺動シールに基づかない第２端部リテーナ４１は黄銅材料である。バルブシート要素４４は、ゴム又は約８０〜９０のジュロメーター硬度をもつブナ−Ｎのようなゴム状材料である。付勢部材１００はばね鋼である。これらの材料は単に例であり、本発明又はその使用を限定するものではない。

本発明の制御バルブの動作は、バルブ部材及びシーリング直径に作用する入口流体圧力を参照して説明される。ここで説明する力及び流路に加えて、バルブ入口圧力の一部分は、バルブ部材が再位置決めする際に、出口及び（又は）排出ポートを介して部分的に分散でき、生じる背圧は僅かである。シェルフ１０２に作用ししかも流体がバルブ等化通路１１８を介して移動する際に遠端部１２４に外部から作用する空洞１０１内の流体の力及び（又は）背圧は無視できると考えられる。

本発明の制御バルブは幾つかの利点をもっている。制御バルブアセンブリの圧力平衡状態は、バルブアクチュエータの非励磁時に存在する。このことは、バルブ部材を移動させるのにバルブアクチュエータによって要求される力が僅かであり、またバルブ部材を非常に急速に加速できることを意味している。バルブアクチュエータが励磁され、そしてバルブ部材が流れさせるように位置決めされると、不平衡圧力状態が得られる。バルブ部材の種々の領域に作用する圧力不平衡は、異なった領域のバルブシーリング領域に係合する異なるバルブ部材ヘッド領域を備えることによって発生する。不平衡圧力は、アクチュエータが非励磁とされる際にバルブ部材を一層急速に加速するように作用する。本発明のバルブアセンブリはバルブバイパスポートが必要でなく、バルブのコストを低減する。

本発明の説明は単に例示のためのものであり、従って、本発明の要旨から逸脱しない種々の変形は本発明の範囲内である。このような変形は本発明の精神及び範囲から逸脱するものとはみなされない。

本発明は、加圧された流体の制御バルブ、制御バルブアセンブリとして利用でき、直動型空気圧バルブに好適に利用できる。

本発明の一実施形態に係る自己戻しを備えた直動型バルブアセンブリの斜視図。 図１に示す直動型バルブアセンブリの部分断面側面図。 図２から取った部分破断面図。 ソレノイドを非励磁とした時のバルブ部材の位置を示すための直動型バルブアセンブリの断面側面図。 ソレノイドの励磁位置と非励磁位置との間に位置したバルブ部材を示すための図３と同様な断面側面図。 ソレノイドを励磁した時のバルブ部材の位置を示すための直動型バルブアセンブリの断面側面図。 本発明の別の実施形態に係る直動型バルブアセンブリの部分断面側面図。 本発明に係る差動アシストを備えた直動型バルブアセンブリの動作方法を説明するための段階図。

Claims (37)

1. 加圧された流体の制御バルブであって、
   流体入口ポートと、少なくとも一つの流体放出ポートと、前記流体入口ポート及び前記流体放出ポートの両方に連通する流路であって、当該流路の軸線方向に離隔された第１及び第２の環状のシート部位を規定するとともに、前記第１のシート部位は第１シーリング直径を有し、かつ前記第２のシート部位は前記第１シーリング直径より小さな第２シーリング直径を有する流路とを備えたバルブ本体と；
   前記流路内に摺動可能に位置決めできる第１及び第２バルブ部分を備えるバルブ部材であって、前記第１バルブ部分は第１の部分領域を規定する第１部分直径を有し、かつ前記第２バルブ部分は前記第１の部分領域より小さな第２の部分領域を規定する第２部分直径を有するバルブ部材と；
   第１位置では前記第１のシート部位に当接し、かつ第２位置では前記第２のシート部位に当接するように位置決めできる前記バルブ部材のシート要素と；
   を備え、
   前記バルブ部材が、第１方向に加えられる駆動力によって前記第１位置から前記第２位置へ移動でき、前記第２位置では、前記第１の部分領域及び前記シート要素の部分領域の両方に作用する前記加圧された流体が、前記前記第１の部分領域に作用する流体力から前記シート要素の部分領域に作用する力を引いて規定される正味の戻し力を発生し、前記駆動力の止まった際に前記第１方向と反対の第２方向に前記バルブ部材を向けるように作動させる
   ことを特徴とするもの。
2. 請求項１に記載の加圧された流体の制御バルブにおいて、
   前記バルブ部材と前記バルブ本体との間に位置決めでき、前記バルブ部材を前記第２方向に付勢させかつ前記第１方向に対向させるようにされた付勢部材を有する
   ことを特徴とするもの。
3. 請求項１に記載の加圧された流体の制御バルブにおいて、
   前記付勢部材によって付勢力が発生され、前記付勢力と前記正味の戻し力との和が前記駆動力より小さい
   ことを特徴とするもの。
4. 請求項１に記載の加圧された流体の制御バルブにおいて、
   少なくとも一つの放出ポートがさらに出口ポートと排出ポートとの両方を備える
   ことを特徴とするもの。
5. 請求項４に記載の加圧された流体の制御バルブにおいて、
   前記第１位置において作動的に形成され、前記出口ポートと前記排出ポートとの間に開いた第１流路を有し、前記入口ポートが前記出口ポートと前記排出ポートとの両方から分離される
   ことを特徴とするもの。
6. 請求項５に記載の加圧された流体の制御バルブにおいて、
   前記第２位置において、前記入口ポートと前記出口ポートとの間に開いた第２流路を有し、前記排出ポートが前記入口ポートと前記出口ポートとの両方から分離される
   ことを特徴とするもの。
7. 請求項１に記載の加圧された流体の制御バルブにおいて、
   前記第１位置と前記第２位置との間で前記バルブ部材の変位を増大方向に調整するように作動できる調整装置を有する
   ことを特徴とするもの。
8. 請求項１に記載の加圧された流体の制御バルブにおいて、
   さらに、前記流路内に位置決めできる第１端部リテーナと；
   前記流路内に位置決めできる第２端部リテーナと；
   を有し、
   前記第１端部リテーナと前記第２端部リテーナとの両方が前記バルブ部材を摺動可能に支持するように作動できる
   ことを特徴とするもの。
9. 請求項８に記載の加圧された流体の制御バルブにおいて、
   前記第２端部リテーナが、前記第２端部リテーナを前記バルブ本体に解放可能に結合するようにされたねじ付き接続部を備える
   ことを特徴とするもの。
10. 請求項９に記載の加圧された流体の制御バルブにおいて、
    前記第２シーリング直径が前記第２端部リテーナに作動的に形成され、そして前記ねじ付き接続部を用いて前記流路内に位置決めできる
    ことを特徴とするもの。
11. 請求項１に記載の加圧された流体の制御バルブにおいて、
    前記シート要素が前記第１及び第２シーリング直径の間に位置決めされる
    ことを特徴とするもの。
12. 請求項１に記載の加圧された流体の制御バルブにおいて、
    前記第１シーリング直径が前記流路内に環状にのびたバルブ本体伸張部を備えている
    ことを特徴とするもの。
13. 請求項１に記載の加圧された流体の制御バルブにおいて、
    前記第１部分直径が前記第１シーリング直径にほぼ等しい
    ことを特徴とするもの。
14. 請求項１に記載の加圧された流体の制御バルブにおいて、
    前記第２部分直径が前記第２シーリング直径にほぼ等しい
    ことを特徴とするもの。
15. 直動型バルブアセンブリにおいて、
    流体入口ポートと、少なくとも一つの流体放出ポートと、前記流体入口ポート及び前記流体放出ポートの両方に連通する流路であって、第１シーリング直径を有し、かつ前記第１シーリング直径より小さな第２シーリング直径を有する流路とを備えたバルブ本体と；
    前記流路内に摺動可能に位置決めできる第１及び第２バルブヘッドを備えるバルブ部材であって、前記第１バルブヘッドは第１ヘッド直径を有し、かつ前記第２バルブヘッドは前記第１ヘッド直径より小さな第２ヘッド直径を有するバルブ部材と；
    前記バルブ部材に設けられ、第１位置では前記第１シーリング直径を有する第１のシート部位に当接し、かつ第２位置では前記第２シーリング直径を有する第２のシート部位に当接してシールするシート要素と；
    前記バルブ本体に直接装着され、前記バルブ部材を第１方向に動かす前記駆動力を発生するように作動できるアクチュエータと；
    を備え、
    前記第２位置では、前記第１ヘッド直径及び前記第２シーリング直径間で画定される領域差に作用する前記加圧された流体が、前記駆動力の止まった際に前記第１方向と反対の第２方向に前記バルブ部材を向けるように作動させる正味の戻し力を発生する
    ことを特徴するもの。
16. 請求項１５に記載のバルブアセンブリにおいて、
    前記アクチュエータが、アーマチュアを備えたソレノイドを有する
    ことを特徴とするもの。
17. 請求項１６に記載のバルブアセンブリにおいて、
    前記アクチュエータがさらに、前記バルブ部材と前記アーマチュアとの間に直接接触し、前記バルブ部材を前記第１方向に直接動かすように作動できるプッシュピンを有する
    ことを特徴とするもの。
18. 請求項１５に記載のバルブアセンブリにおいて、
    前記アクチュエータは、前記アーマチュア及び前記バルブ部材の変位を制限する調整装置を有することを特徴とする
    ことを特徴とするもの。
19. 請求項１５に記載のバルブアセンブリにおいて、
    前記バルブ部材と前記バルブ本体との間に位置決めでき、前記バルブ部材を前記第２方向に付勢する付勢部材を有する
    ことを特徴とするもの。
20. 請求項１５に記載のバルブアセンブリにおいて、
    少なくとも一つの放出ポートがさらに出口ポートと排出ポートとの両方を備える
    ことを特徴とするもの。
21. 請求項２０に記載のバルブアセンブリにおいて、
    前記第１位置において作動的に形成され、前記出口ポートと前記排出ポートとの間に開いた第１流路を有し、前記入口ポートが前記出口ポートと前記排出ポートとの両方から分離され、
    前記第２位置において、前記入口ポートと前記出口ポートとの間に開いた第２流路を有し、前記排出ポートが前記入口ポートと前記出口ポートとの両方から分離される
    ことを特徴とするもの。
22. 請求項２１に記載のバルブアセンブリにおいて、
    前記バルブ部材に設けられ、前記第１及び第２のシート部位間に位置決めできるシート要素と；
    前記第１シーリング直径を規定し、前記第１位置では前記シート要素を嵌合可能に受けるようにされたバルブ本体伸張部と；
    を有し、
    前記シート要素が前記第２位置で前記第２のシート部位と接触する
    ことを特徴とするもの。
23. 請求項１５に記載のバルブアセンブリにおいて、
    前記流路内に位置決めでき、前記第２バルブヘッドを摺動可能に受けるようにされた端部リテーナを有する
    ことを特徴とするもの。
24. 請求項２３に記載のバルブアセンブリにおいて、
    前記端部リテーナがさらに、前記バルブ本体と係合するようにされたねじ付き接続部を備え、前記第２シーリング直径が前記端部リテーナ内に形成され、また前記第２シーリング直径の配置が前記ねじ付き接続部を用いて前記流路内に増大可能に位置決めできる
    ことを特徴とするもの。
25. 直動型バルブアセンブリにおいて、
    流体入口ポートと、少なくとも一つの流体放出ポートと、前記流体入口ポート及び前記流体放出ポートの両方に連通する流路であって、第１シーリング直径を有し、かつ前記第１シーリング直径より小さな第２シーリング直径を有する流路とを備えたバルブ本体と；
    前記流路内に摺動可能に位置決めできる第１及び第２バルブヘッドを備えるバルブ部材であって、前記第１バルブヘッドは第１ヘッド直径を有し、かつ前記第２バルブヘッドは前記第１ヘッド直径より小さな第２ヘッド直径を有するバルブ部材と；
    前記バルブ部材に設けられ、第１位置では前記第１シーリング直径を有する第１のシート部位に当接し、かつ第２位置では前記第２シーリング直径を有する第２のシート部位に当接してシールするシート要素と；
    前記バルブ本体に直接装着され、前記バルブ部材を第１方向に動かす前記駆動力を発生するように作動できるアクチュエータと；
    前記バルブ部材と前記バルブ本体との間に位置決めでき、前記バルブ部材を前記第１方向と反対の第２方向に付勢する付勢部材と；
    を備え、
    前記第２位置では、前記第１ヘッド直径及び前記第２シーリング直径間で画定される領域差に作用する前記加圧された流体が、前記駆動力の止まった際に、前記付勢部材の付勢部材力と共に前記第１方向と反対の第２方向に前記バルブ部材を向けるように作動させる正味の戻し力を発生する
    ことを特徴するもの。
26. 請求項２５に記載のバルブアセンブリにおいて、
    前記アクチュエータは、前記バルブ部材と直接接触するプッシュピンを有する
    ことを特徴とするもの。
27. 請求項２５に記載のバルブアセンブリにおいて、
    前記第１バルブヘッドに形成したシーリング溝と；
    前記シーリング溝に配置され、前記第１バルブヘッドと前記流路との間に流体シールを形成するように作動できるシーリング部材と；
    を有する
    ことを特徴とするもの。
28. 請求項２７に記載のバルブアセンブリにおいて、
    前記第１バルブヘッドと前記流路との間に配置され、前記シーリング部材と摺動接触する第１リテーナを有する
    ことを特徴とするもの。
29. 請求項２８に記載のバルブアセンブリにおいて、
    前記第１リテーナが高分子材料から成る
    ことを特徴とするもの。
30. 請求項２８に記載のバルブアセンブリにおいて、
    前記第２バルブヘッドと前記流路との間に配置された第２リテーナを有する
    ことを特徴とするもの。
31. 請求項３０に記載のバルブアセンブリにおいて、
    前記第２リテーナは金属材料から成り、前記第２リテーナは前記バルブ本体に結合するようにねじ込可能にされる
    ことを特徴とするもの。
32. バルブ本体に直接接続されたバルブアクチュエータと、前記バルブ本体内に軸方向にのび、第１シーリング直径及び第２シーリング直径をもつ流路と、第１バルブ部分とを備えた直動型バルブアセンブリの機能制御方法であって、
    前記第１バルブ部分が前記バルブアクチュエータと接触するように前記流路内にバルブ部材を摺動可能に支持することと；
    前記バルブ部材を第１方向に直接動かすように前記バルブアクチュエータにより駆動力を発生することと；
    前記第１シーリング直径及び第１バルブ部分の直径よりも小さな前記第２シーリング直径を設けて、結果として駆動力の止まった際に前記第１方向と反対の第２方向に前記バルブ部材を動かさせるように作用できる正味の戻し力を生じるように前記バルブ部材に複数の力が作用するようにすること；を含む
    ことを特徴とするもの。
33. 請求項３２に記載のバルブアセンブリの機能制御方法において、
    前記バルブ部材を前記第２方向に付勢させることを含む
    ことを特徴とするもの。
34. 請求項３２に記載のバルブアセンブリの機能制御方法において、
    前記第１バルブ部分を前記流路内で摺動可能にシールすることを含む
    ことを特徴とするもの。
35. 請求項３２に記載のバルブアセンブリの機能制御方法において、
    前記第１シーリング直径を位置決めするために前記バルブ部材からシーリング部材を半径方向にのばすことを含む
    ことを特徴とするもの。
36. 請求項３５に記載のバルブアセンブリの機能制御方法において、
    前記第１及び第２シーリング直径の各々の間に前記シーリング部材を位置決めすることを含み、
    前記シーリング部材と前記第１シーリング直径との間の接触で第１バルブ部材位置を形成し、
    前記シーリング部材と前記第２シーリング直径との間の接触で第２バルブ部材位置を形成する
    ことを特徴とするもの。
37. 請求項３２に記載のバルブアセンブリの機能制御方法において、
    前記第１バルブ部分より直径の小さい第２バルブ部分を形成して、両方の前記バルブ部分に作用する圧力によって前記第１及び第２バルブ部分間に差力が生じるようにすることを含む
    ことを特徴とするもの。