(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動的流体システム内の従設バルブ構成要素に制御圧力を提供するように形成されたパイロットバルブにおいて、
供給ポート、戻しポート、及び前記従設バルブ構成要素と流体連通した制御圧力ポートを持つバルブ本体と、
前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートの各々と流体連通した、前記バルブ本体に形成された軸線方向ボアと、
前記バルブ本体の前記軸線方向ボア内に摺動自在に支持されたバルブスプールであって、前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートを通る流体流れを制御し、変位時に、所与の範囲について、前記供給ポート及び前記戻しポートの少なくとも一方の面積変化率を同時に変化し、これによって、流通する流体に対して可変の抵抗を提供し、前記パイロットバルブの静止時出力を減少するようになったバルブスプールと、
前記バルブスプールを、前記軸線方向ボア内で、前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートの周囲で選択的に変位し、流体をこれらのポートを通して配分し、所望の制御圧力を前記従設バルブ構成要素に提供するための手段とを含み、
前記バルブスプールは、
前記バルブ本体の前記軸線方向ボアに嵌着する形体のランドが少なくとも部分的に設けられた細長い本体と、
前記細長い本体の長さの少なくとも一部に沿って形成されたネックであって、前記バルブ本体、及び前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートのうちの少なくとも一つを通る流体流れを容易にする減少断面積を提供するネックと、
前記ランドと前記ネックとの間を延びる移行セグメントであって、前記バルブスプールが前記供給ポート及び前記戻しポートの周囲で及び前記バルブスプール通路内で変位するとき、前記供給ポート及び前記戻しポートのうちの少なくとも一方の面積変化率を変化するように形成された移行セグメントとを含み、
前記移行セグメントは、直線状テーパ形体を有し、
前記パイロットバルブは、フィードバックシステムを更に含み、このフィードバックシステムは、
前記バルブ本体に形成された、前記制御圧力ポートと流体連通したフィードバックポートと、
前記フィードバックポート及び前記バルブスプールの一部と流体連通しており、前記バルブスプールに作用してこれを前記バルブスプールに作用する力とバランスをとる方向に押圧する加圧流体を内部に受け入れるように形成されたフィードバック通路とを含む、パイロットバルブ。
【請求項２】
請求項１に記載のパイロットバルブにおいて、
前記移行セグメントは、直線状形体、非直線状形体、及び前記直線状形体及び前記非直線状形体の組み合わせ形体からなる群から選択される、パイロットバルブ。
【請求項３】
請求項１に記載のパイロットバルブにおいて、
前記バルブ本体、前記バルブスプール、及び前記変位するための手段は、全て、マイクロ環境内で作動できるように形成されている、パイロットバルブ。
【請求項４】
請求項１に記載のパイロットバルブにおいて、
前記バルブスプールは、直径が１００μｍ乃至１０００μｍの円形の周囲形体を有し、適当な大きさの前記バルブ本体内に装着できる、パイロットバルブ。
【請求項５】
請求項１に記載のパイロットバルブにおいて、
前記バルブスプールは円形断面を有する、パイロットバルブ。
【請求項６】
請求項１に記載のパイロットバルブにおいて、
前記バルブスプールを変位するための前記手段は、
支持構造を中心として支持されたロータを持ち、前記ロータは、枢動点を中心としてロッカを枢動するように形成されている、トルクモータと、
前記ロッカから延びており、前記バルブスプールの第１端と係合するように形成されており、前記トルクモータの作動時に前記バルブスプールを前記軸線方向ボア内で変位するように機能するストラットとを含む、パイロットバルブ。
【請求項７】
動的流体システム内の従設バルブ構成要素に制御圧力を提供するように形成されたパイロットバルブにおいて、
供給ポート、戻しポート、及び従設バルブ構成要素と流体連通した制御圧力ポートを持つバルブ本体と、
前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートの各々と流体連通した、前記バルブ本体に形成された軸線方向ボアと、
前記バルブ本体の前記軸線方向ボア内に摺動自在に支持されたバルブスプールであって、第１及び第２のランドの夫々とネックとの間を延びる第１及び第２の移行セグメントを含み、前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートを通る流体流れを制御し、変位時に、所与の範囲について、前記第１及び第２の移行セグメントが前記供給ポート及び前記戻しポートの夫々の周囲で引かれるとき、前記供給ポート及び前記戻しポートの少なくとも一方の面積変化率を同時に変化し、前記移行セグメントは、前記供給ポート及び前記戻しポートを通って流れる流体に対して可変抵抗を提供し、前記パイロットバルブの静止時出力を減少するように機能する、バルブスプールと、
前記バルブスプールを、前記軸線方向ボア内で、前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートの周囲で選択的に変位し、流体をこれらのポートを通して配分し、所望の制御圧力を前記従設バルブ構成要素に提供するための手段と、
作動時に前記バルブスプールを選択的に変位するように形成されたストラットを持つモータとを含み、
前記バルブスプールは、
前記バルブ本体の前記軸線方向ボアに嵌着する形体のランドが少なくとも部分的に設けられた細長い本体と、
前記細長い本体の長さの少なくとも一部に沿って形成されたネックであって、前記バルブ本体、及び前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートのうちの少なくとも一つを通る流体流れを容易にする減少断面積を提供するネックと、
前記ランドと前記ネックとの間を延びる移行セグメントであって、前記バルブスプールが前記供給ポート及び前記戻しポートの周囲で及び前記バルブスプール通路内で変位するとき、前記供給ポート及び前記戻しポートのうちの少なくとも一方の面積変化率を変化するように形成された移行セグメントとを含み、
前記移行セグメントは、直線状テーパ形体を有し、
前記パイロットバルブは、フィードバックシステムを更に含み、このフィードバックシステムは、
前記バルブ本体に形成された、前記制御圧力ポートと流体連通したフィードバックポートと、
前記フィードバックポート及び前記バルブスプールの一部と流体連通しており、前記バルブスプールに作用してこれを前記バルブスプールに作用する力とバランスをとる方向に押圧する加圧流体を内部に受け入れるように形成されたフィードバック通路とを含む、
パイロットバルブ。
【請求項８】
動的流体システムにおいて、
動的流体システム内の従設バルブ構成要素に制御圧力を提供するように形成され、制御圧力を提供するための第１段バルブとして機能するように形成された第１段パイロットバルブを含み、前記パイロットバルブは、
供給ポート、戻しポート、及び従設バルブ構成要素と流体連通した制御圧力ポートを持つバルブ本体と、
前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートの各々と流体連通した、前記バルブ本体に形成された軸線方向ボアと、
バルブ本体の軸線方向ボア内に摺動自在に支持されたバルブスプールであって、供給ポート、戻しポート、及び制御圧力ポートを通る流体流れを制御し、所与の範囲について、前記バルブスプールの変位時に前記供給ポート及び前記戻しポートの少なくとも一方の面積変化率を同時に変化し、これによって、前記供給ポート及び前記戻しポートを通って流れる流体に対して可変抵抗を提供し、前記パイロットバルブの静止時出力を減少するようになったバルブスプールと、
前記バルブスプールを、前記軸線方向ボア内で、前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートの周囲で選択的に変位し、これらを通過する流体をこれらのポートを通して所望の制御圧力を提供するように配分し、所望の制御圧力を前記従設バルブ構成要素に提供するための手段と、
前記制御圧力を受け入れるため、前記制御圧力ポートと流体連通した第２段バルブ構成要素であって、前記動的流体システム内の流体流れ及び圧力を調節するように機能する、第２段バルブ構成要素とを含み、
前記バルブスプールは、
前記バルブ本体の前記軸線方向ボアに嵌着する形体のランドが少なくとも部分的に設けられた細長い本体と、
前記細長い本体の長さの少なくとも一部に沿って形成されたネックであって、前記バルブ本体、及び前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートのうちの少なくとも一つを通る流体流れを容易にする減少断面積を提供するネックと、
前記ランドと前記ネックとの間を延びる移行セグメントであって、前記バルブスプールが前記供給ポート及び前記戻しポートの周囲で及び前記バルブスプール通路内で変位するとき、前記供給ポート及び前記戻しポートのうちの少なくとも一方の面積変化率を変化するように形成された移行セグメントとを含み、
前記移行セグメントは、直線状テーパ形体を有し、
前記パイロットバルブは、フィードバックシステムを更に含み、このフィードバックシステムは、
前記バルブ本体に形成された、前記制御圧力ポートと流体連通したフィードバックポートと、
前記フィードバックポート及び前記バルブスプールの一部と流体連通しており、前記バルブスプールに作用してこれを前記バルブスプールに作用する力とバランスをとる方向に押圧する加圧流体を内部に受け入れるように形成されたフィードバック通路とを含む、
システム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムにおいて、更に、
負荷を変位するため、前記第２段バルブ構成要素と流体連通しており且つ前記第２段バルブ構成要素とともに作動できるアクチュエータを含む、システム。
【請求項１０】
請求項８に記載のシステムにおいて、更に、
前記第１圧力制御バルブによって制御され、前記第１圧力制御バルブとともに作動できる第２圧力制御バルブを含む、システム。
【請求項１１】
動的流体システム内に制御圧力を提供するための方法において、
前記動的流体システム内で作動するように形成されたパイロットバルブを提供する工程を含み、前記パイロットバルブは、
動的流体システム内の従設バルブ構成要素に制御圧力を提供するように形成され、
供給ポート、戻しポート、及び前記従設バルブ構成要素と流体連通した制御圧力ポートを持つバルブ本体と、
前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートの各々と流体連通した、前記バルブ本体に形成された軸線方向ボアと、
前記バルブ本体の前記軸線方向ボア内に摺動自在に支持されたバルブスプールであって、前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートを通る流体流れを制御し、変位時に、所与の範囲について、前記供給ポート及び前記戻しポートの少なくとも一方の面積変化率を同時に変化し、これによって、流通する流体に対して可変の抵抗を提供し、前記パイロットバルブの静止時出力を減少するようになったバルブスプールと、
前記バルブスプールを、前記軸線方向ボア内で、前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートの周囲で選択的に変位し、流体をこれらのポートを通して配分し、所望の制御圧力を前記従設バルブ構成要素に提供するための手段とを含み、
前記バルブスプールは、
前記バルブ本体の前記軸線方向ボアに嵌着する形体のランドが少なくとも部分的に設けられた細長い本体と、
前記細長い本体の長さの少なくとも一部に沿って形成されたネックであって、前記バルブ本体、及び前記供給ポート、前記戻しポート、及び前記制御圧力ポートのうちの少なくとも一つを通る流体流れを容易にする減少断面積を提供するネックと、
前記ランドと前記ネックとの間を延びる移行セグメントであって、前記バルブスプールが前記供給ポート及び前記戻しポートの周囲で及び前記バルブスプール通路内で変位するとき、前記供給ポート及び前記戻しポートのうちの少なくとも一方の面積変化率を変化するように形成された移行セグメントとを含み、
前記移行セグメントは、直線状テーパ形体を有し、
前記パイロットバルブは、フィードバックシステムを更に含み、このフィードバックシステムは、
前記バルブ本体に形成された、前記制御圧力ポートと流体連通したフィードバックポートと、
前記フィードバックポート及び前記バルブスプールの一部と流体連通しており、前記バルブスプールに作用してこれを前記バルブスプールに作用する力とバランスをとる方向に押圧する加圧流体を内部に受け入れるように形成されたフィードバック通路とを含み、
前記方法は、更に
前記供給ポート及び前記戻しポートを通る流体を配分し、前記制御圧力ポートを介して所望の制御圧力を提供する工程と、
所与の範囲について、前記バルブスプールの変位時に前記供給ポート及び前記戻しポートの少なくとも一方の面積変化率を同時に変化し、これらのポートを通って流れる流体に対して可変抵抗を提供する工程とを含み、
方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、
前記フィードバックシステムは、前記バルブスプールに作用し、これを前記供給ポートを閉鎖する方向に押圧するように形成される、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、
前記フィードバック通路は、前記フィードバックポート及び前記バルブスプールの一部と流体連通したフィードバック通路であって、加圧流体を内部に受け入れて前記バルブスプールに作用し、前記モータが前記バルブスプールに作用する力とのバランスをとる方向に前記バルブスプールを押圧するように形成された、方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載の方法において、
前記面積変化率を変化する工程は、前記バルブスプールの前記移行セグメントを前記供給ポート及び前記戻しポートのうちの少なくとも一方の周囲で引く工程を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００７年２月２２日に出願された「第１段パイロットバルブ」という表題の米国仮特許出願第６０／９０３，０１７号の優先権を主張するものである。出典を明示することにより、この出願に開示された全ての内容は本明細書の開示の一部とされる。
【０００２】
本発明は、全体として、様々な動的流体環境内で作動できるバルブ及びバルブ構造に関する。更に詳細には、本発明は、例えば圧力制御バルブ等の従設(subsequent)バルブ構成要素に制御圧力即ちパイロット圧力を提供するように形成された第１段圧力制御パイロットバルブに関する。
【背景技術】
【０００３】
様々な周知の流体力学的作動システム内には様々な段階的バルブシステムが設けられている。これらのバルブシステムは、多くの場合、第１段バルブ即ちパイロットバルブを含んでいてもよく、こうしたパイロットバルブは、続いて設けられた第２段バルブ、即ちパイロットバルブの下流に設けられたバルブシステムに出力を提供する。パイロットバルブからの出力は、代表的には、入力された制御信号と比例する流体制御圧力である。この出力された制御は、続いて設けられたバルブ即ちバルブシステム内で、第２段バルブの作動的性能を定めるといった一つ又はそれ以上の目的について使用される。例えば、制御圧力は、液圧アクチュエータ等の様々な作動構成要素への加圧流体の流れを制御するように形成された主圧力制御バルブ又は中間圧力制御バルブの作動に使用される。
【０００４】
圧力を、パルス幅変調電気信号の変調比と比例して、又は加えられた電圧レベルと比例して制御するための電磁作動式パイロットバルブが周知である。一つの種類の従来のパイロットバルブは、バルブ入口ポートをバルブ出口ポートに可変に連結するため、バルブ本体内に移動自在に取り付けられたバルブスプールを含む。電動ロータモータ等のモータがバルブ本体に又はバルブ本体内に取り付けられている。モータは、モータを作動してバルブスプールの一端に可変圧力を加える電気入力制御信号に応答する。バルブ出口圧力は、バルブスプールの反対端にフィードバックされる。この圧力は、バルブスプールの有効領域に作用し、モータに逆らう力を発生する。従って、パイロットバルブ出口制御圧力は、モータによって加えられた入力された力の関数である。モータによって加えられた力は、モータに加えられた入力された制御信号の大きさの関数である。
【０００５】
バルブスプールを使用する従来のパイロットバルブと関連した一つの問題点は、これらのパイロットバルブが、特にマイクロ環境内で作動できるようにスケールダウンした場合、バルブスプールの移動に敏感であるということである。別の問題点は、バルブスプールのランドが、変位距離に関して面積をいきなり変化することしかできないということである。換言すると、開放されたオリフィス又はポートの直径のパーセンテージが流量を決定するのである。これは、システムのゲインであるバルブスプールの変位の変化率に関するオリフィス又はポートの面積変化率と表現することができる。従来のバルブは、縁部が角張ったランドを持つバルブスプールを使用し、これは、変化率がいきなりであるため、システム全体のゲインを大幅に増大する。
【０００６】
別の一般的な種類のパイロットバルブは、フラッパバルブと呼ばれる。従来のフラッパバルブは、アーマチュアの移動を制御するために入力制御信号を提供するように形成された磁気トルクモータ（磁石、コイル、磁気プレート、及び磁極片を使用する）を備えている。アーマチュアは、このアーマチュアに連結された別体のフラッパ構成要素を移動する。フラッパは、同じ抵抗で同じ流体を流す向き合ったノズル間に位置決めされる。加圧された供給流体が両入口オリフィスを通って、向き合ったノズルを通って、及びドレンオリフィスを通って戻りポートまで連続的に流れる。アーマチュアの揺動移動に応じてフラッパを移動し、一方のノズル又は他方のノズルを通る流体流れを絞り、かくして、流れをバルブスプールの二つの端部のうちの一方に逸らす。スプールは、供給圧力ポート及び戻りポートに流体力学的に連結されたポートを含むバルブ本体のスリーブ又はボア内で摺動する。ゼロでは、スプールはバルブ本体内の中央にあり、圧力開口部及び戻り開口部を覆っている、即ち閉鎖している。スプールを一方の側又は他方の側まで移動することにより、流体を圧力供給部から一つの制御ポートに、及び他方の制御ポートから戻りポートに流す。これを行うとき、圧力差が発生し、これによりバルブスプールを変位し、対応するポートを開放し、かくして制御圧力出力を提供する。
【０００７】
フラッパバルブは、更に、スプールと係合したフラッパに連結されたばねの形態のフィードバックシステムを備えている。ばねは、スプールの移動によりばねを変位し、復元トルクをフラッパ及びかくしてアーマチュアに発生するように形成されている。フィードバックトルクがモータからのトルクと等しくなったとき、アーマチュア及びフラッパは中央位置に戻される。従って、スプールの位置は、モータへの入力信号と比例する。更に、圧力が一定の条件で、負荷への流れはスプールの位置と比例する。
【０００８】
従来のフラッパバルブと関連した、特にマイクロ環境で使用するためにスケールダウンした場合、幾つかの問題点がある。第１に、これらのフラッパバルブは、静止時損失(quiescent loss)が高い。確かに、ゼロ流れであり、フラッパがノズル間で休止状態にあるとき、フラッパバルブは、ノズルを通して大量の流体を漏洩する傾向がある。これは、マクロ環境でもマイクロ環境でもいえることである。ノズルのオリフィスの大きさを減少することによって漏洩量を減少しようとする場合、流体流れが減少する結果となり、及び従って、帯域幅が減少する。漏洩量が減少するけれども、出力効率が減少する。換言すると、大型のバルブは効率が低いが、良好な出力を提供する。逆に、小型のサーボバルブは、おそらくは効率が比較的高いけれども、提供する出力が低い。バルブスプールを高周波数で駆動するのに必要な量の流体流れを得るため、特定の大きさのオリフィスが必要とされる。しかしながら、このような適当な大きさのオリフィスでは、システムが休止状態にあるとき、ノズルとフラッパとの間の隙間が大きく、システムは流体を漏洩し、かくしてバルブを非効率にしてしまう。第２に、従来のフラッパバルブをマイクロ環境で作動するのに適した大きさまでスケールダウンすることは困難であり且つ費用がかかる。マイクロ環境は、バルブを１００μｍ乃至数１００μｍ程度で作動することを必要とする。構成部品及びオリフィスをこれと対応する大きさで機械加工することは費用の面から困難である。第３に、従来のフラッパバルブをスケールダウンした場合、バルブスプールの変位に対する感度が増大する。これは、バルブスプールの移動に必要な距離が大幅に減少するためである。第４に、スケールダウンしたフラッパバルブは、所望の作動パラメータで不安定である。確かに、次のバルブに適正に寄与するため、パイロットバルブからの制御圧力を安定させなければならない。このことは、高周波数で作動する場合に特にいえる。従来のフラッパバルブの大きさを過度に縮小すると、要求容量を取り扱うには小さ過ぎるオリフィスを通る流れにより動揺が生じ易くなる。別の言い方をすると、マイクロ環境で作動するようにスケールダウンした場合、従来のフラッパバルブは動揺し、下流負荷（パイロットバルブのコントロール即ち出力圧力に対して作用する負荷）に対して不確実に反応する。これは、対応するオリフィスが、流体の流れを取り扱う上で十分に大きくないためである。当業者には、この他の問題点が認識されるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／９０３，０１７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来技術に固有の問題点及び欠点に鑑み、向き合った移行セグメントを持つように形成されたバルブスプールを持つパイロットバルブを提供することによって、これらを解決しようとするものである。移行セグメントは、バルブスプールの単位変位当たりの、パイロットバルブに設けられた様々な供給ポート及び戻しポートの面積変化率を変化するように形成されている。本発明のパイロットバルブは、必要な流れを提供するため、又は従設バルブ構成要素を駆動するために流体を配分するため、及び漏洩を減少するため、そしてこれらを低出力で行うため、小さな環境即ちマイクロ環境に特に適している。しかしながら、必要な流れを得るために従来のスプールバルブ又はフラッパ形体を使用する小型パイロットバルブでは、上文中に説明した理由により、バルブを不安定にしてしまう。かくして、バルブスプールの移行セグメントは、オン／オフ移行を和らげるように機能し、ゲインを低下し、かくしてバルブを安定させる。バルブを安定させるため、ゲインの変調が行われる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
具体化され且つ本明細書中におおまかに説明した本発明によれば、本発明は、動的流体システム内に制御圧力を提供するように形成されたパイロットバルブを特徴とする。パイロットバルブは、（ａ）供給ポート、戻しポート、及び従設バルブ構成要素と流体連通した制御圧力ポートを持つバルブ本体と、（ｂ）供給ポート、戻しポート、及び制御圧力ポートの各々と流体連通した、バルブ本体に形成された軸線方向ボアと、（ｃ）バルブ本体の軸線方向ボア内に摺動自在に支持されたバルブスプールであって、供給ポート、戻しポート、及び制御圧力ポートを通る流体流れを制御し、変位時に供給ポート及び戻し圧力ポートのうちの少なくとも一方の面積変化率を変化し、これによって、通過して流れる流体に対して可変抵抗を提供し、パイロットバルブの静止時出力を減少するように形成されたバルブスプールと、（ｄ）バルブスプールを、軸線方向ボア内で、供給ポート、戻しポート、及び制御圧力ポートの周囲で、選択された態様で変位し、従設バルブ構成要素に所望の制御圧力を提供するように、流通する流体を配分するための手段とを含む。
【００１２】
パイロットバルブは、更に、バルブ本体に形成された、制御圧力ポートと流体連通したフィードバックポートと、このフィードバックポート及びバルブスプールの一部と流体連通したフィードバック通路とを含む。フィードバック通路は、加圧流体を内部に受け入れるように形成されている。加圧流体はバルブスプールに作用し、モータがバルブスプールに作用する力とのバランスをとる。
【００１３】
一つの例示の実施例では、バルブスプールは、バルブ本体の軸線方向ボアに嵌着する形体のランドが少なくとも部分的に設けられた細長い本体と、この細長い本体の長さの少なくとも一部に沿って形成されたネックであって、バルブ本体、及び供給ポート、戻しポート、及び制御圧力ポートのうちの少なくとも一つを通る流体流れを容易にする減少断面積を提供するネックと、ランドとネックとの間を延びる移行セグメントであって、バルブスプールが供給ポート及び戻し圧力ポートの周囲で及びバルブスプール通路内で変位するとき、供給ポート及び戻し圧力ポートのうちの少なくとも一方の面積変化率を変化するように形成された移行セグメントとを含む。
【００１４】
一つの例示の実施例では、バルブスプールを変位するための手段は、支持構造を中心として支持されたロータを持ち、ロータは、枢動点を中心としてロッカを枢動するように形成されている、トルクモータと、ロッカから延びており、バルブスプールの第１端と係合するように形成されており、トルクモータの作動時にバルブスプールを軸線方向ボア内で変位するように機能するストラットとを含む。
【００１５】
本発明は、更に、パイロットバルブにおいて、（ａ）供給ポート、戻しポート、及び従設バルブ構成要素と流体連通した制御圧力ポートを持つバルブ本体と、（ｂ）供給ポート、戻しポート、及び制御圧力ポートの各々と流体連通した、バルブ本体に形成された軸線方向ボアと、（ｃ）バルブ本体の軸線方向ボア内に摺動自在に支持されたバルブスプールであって、第１及び第２のランドの夫々とネックとの間を延びる第１及び第２の移行セグメントを含み、供給ポート、戻しポート、及び制御圧力ポートを通る流体流れを制御し、第１及び第２の移行セグメントが供給ポート及び戻し圧力ポートの夫々の周囲で引っ張られるとき、供給ポート及び戻し圧力ポートのうちの少なくとも一方の面積変化率を変化し、移行セグメントは、供給ポート及び戻しポートを通って流れる流体に対して可変抵抗を提供し、パイロットバルブの静止時出力を減少するように機能する、バルブスプールと、（ｄ）作動時にバルブスプールを選択的に変位するように形成されたストラットを持つモータとを含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明は、更に、動的流体システムにおいて、（ａ）制御圧力を提供するための第１段バルブとして機能するように形成されたパイロットバルブを含み、このパイロットバルブは、（ｉ）バルブ本体の軸線方向ボア内に摺動自在に支持されたバルブスプールであって、供給ポート、戻しポート、及び制御圧力ポートを通る流体流れを制御し、バルブスプールの変位時に供給ポート及び戻し圧力ポートのうちの少なくとも一方の面積変化率を変化し、これによって、供給ポート及び戻しポートを通って流れる流体に対して可変抵抗を提供し、パイロットバルブの静止時出力を減少するように形成されたバルブスプールと、（ｉｉ）パイロットバルブとともに作動し、バルブスプールを、軸線方向ボア内で、供給ポート、戻しポート、及び制御圧力ポートの周囲で変位し、これらを通過する流体を配分し、所望の制御圧力を提供するように形成されたトルクモータとを含み、更に、（ｂ）制御圧力を受け入れるため、制御圧力ポートと流体連通した入口ポートを持つ第１圧力制御バルブであって、動的流体システム内の流体流れ及び圧力を調節するように機能する第１圧力制御バルブと、（ｃ）負荷を変位するため、第１圧力制御バルブと流体連通しており且つ第１圧力制御バルブとともに作動できるアクチュエータとを含む、動的流体システムを特徴とする。
【００１７】
本発明は、更に、動的流体システム内に制御圧力を提供するための方法において、（ａ）動的流体システム内で作動するように形成された、本明細書中に説明したのと同様のエレメントを含むパイロットバルブを提供する工程と、（ｂ）供給ポート及び戻しポートを通る流体を配分し、制御圧力ポートを介して所望の制御圧力を提供する工程と、（ｃ）バルブスプールの変位時に供給ポート及び戻しポートの面積変化率を変化し、これらのポートを通って流れる流体に対して可変抵抗を提供する工程とを含む、方法を特徴とする。
【００１８】
本発明は、添付図面を参照して以下の説明及び添付の特許請求の範囲を読むことにより更に明らかになるであろう。これらの図面は、本発明の例示の実施例を示すに過ぎないということは理解されよう。従って、本発明の範囲を限定するものと考えられるべきではない。本発明の構成要素は、概括的に説明し且つ添付図面に示したように、多くの様々な形体で構成でき且つ設計できるということは容易に理解されよう。それにも関わらず、本発明を、添付図面を使用して以下に更に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第１の例示の実施例による第１段パイロットバルブの斜視図である。
【図２】図２は、モータがモータトルクを加えることにより、パイロットバルブを均衡状態に置く、一つの例示の実施例による本発明の図１のパイロットバルブの断面図である。
【図３】図３は、入力信号の増大によりモータからのモータトルクを増大し、ロータ及びロッカを枢動点を中心として反時計廻り方向に枢動し、供給ポートを開放し、制御圧力を増大する、一つの例示の実施例による本発明の図１のパイロットバルブの断面図である。
【図４】図４は、入力信号の減少によりモータからのモータトルクを減少し、ロータ及びロッカを枢動点を中心として反時計廻り方向に枢動し、戻しポートを開放し、制御圧力を減少する、本発明の図１のパイロットバルブの断面図である。
【図５】図５は、例示のバルブスプールの例示の移行セグメント、及び供給圧力ポートの周囲での変位時の供給圧力ポートに対するその関係を示す詳細図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の別の例示の実施例による向き合った第１及び第２の移行セグメントを持つ例示のバルブスプールを示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の別の例示の実施例による向き合った第１及び第２の移行セグメントを持つ例示のバルブスプールを示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の別の例示の実施例による向き合った第１及び第２の移行セグメントを持つ例示のバルブスプールを示す図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本発明の別の例示の実施例による向き合った第１及び第２の移行セグメントを持つ例示のバルブスプールを示す図である。
【図７】図７は、本発明の方法に従って例示のパイロットバルブを組み込んだ流体制御システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の例示の実施例を、本願の一部を形成する添付図面を参照して以下に詳細に説明する。添付図面には、本発明の例示の実施例が例として示してある。これらの例示の実施例は、当業者が本発明を実施できるのに十分に詳細に説明してあるけれども、この他の実施例を実施してもよく、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明に様々な変更を加えてもよいということは理解されるべきである。かくして、図１乃至図７に示す本発明の実施例の以下の更に詳細な説明は、本発明の範囲を特許請求の範囲に記載されているように限定しようとするものではなく、単に例示を目的としたものであって、本発明の特徴及び本発明の最良の作動態様を説明するため、及び当業者が本発明を十分に実施できるようにするために提供されるものである。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲のみによって定義されるべきである。
【００２１】
本発明の以下の詳細な説明及び例示の実施例は、本発明のエレメント及び特徴に全ての図に亘って参照番号を付した添付図面を参照することによって最もよく理解されるであろう。
【００２２】
先ず最初に、「マイクロ環境」又は「マイクロミニ環境」又は「マイクロ流体制御システム」といった言い回しは、本明細書中で使用されているように、このような環境内で作動する構成要素が、ミクロン（μｍ）単位で適当に計測される」環境を意味するものと理解されるべきである。例えば、マイクロ環境は、流体流れチャンネル、ボア、ポート、及び／又はラインの直径が１００μｍ乃至１０００μｍ程度のバルブ構成要素を含んでいてもよい。
【００２３】
本発明は、流体制御システム内に存在する、従設バルブ構成要素に制御圧力を提供するための方法及びシステムに関し、詳細には、マイクロ流体制御システムに関する。本発明は、従来技術の関連したパイロットバルブを上回る幾つかの大きな利点を提供する。これらの利点の多くを、以下の更に詳細な説明に亘って説明する。これらの利点の各々は、添付図面を参照して本明細書中に説明した詳細な説明から明らかになるであろう。これらの利点は、いかなる意味でも限定を意図したものではない。確かに、本発明を実施するに当たり、特に記載した以外のこの他の利点を実現できるということは当業者には理解されよう。
【００２４】
図１を参照すると、この図には、本発明の第１の例示の実施例による第１段パイロットバルブの斜視図が示してある。詳細には、図１は、バルブスプール９０を選択的に変位するための手段を含むパイロットバルブ１０を示す。変位手段は、バルブスプール９０を所期のように変位させることができる作動可能なシステム、デバイス、又は機構を含んでいてもよい。図示の例示の実施例では、変位手段は、当該技術で周知のように、モータ１４、詳細にはトルクモータを含む。トルクモータ１４は、ロータ２２及びロッカ２６を支持するように形成された支持構造１８を含む。ロッカ２６は、更に、バルブスプール９０の端部と係合するように形成されたストラット３４を含む。ロッカ２６及びストラット３４の回転運動を使用してバルブスプール９０に直線的に移動するため、ストラット３４とバルブスプール９０との機械的界面のところで少量の摺動が発生する。
【００２５】
モータ１４の作動時にモータトルクが発生し、ロータ２２を回転させ、かくして枢動点３０を中心としてロッカ２６を枢動する。ロッカ２６を所与の方向に回転することにより、ストラット３４を回転し、これにより、ストラット３４とバルブスプール９０との相互作用によりバルブスプール９０を直線的に移動する。モータ１４を選択的に作動し、ロッカ２６を、バルブスプール９０の所望の変位方向に応じて、枢動点３０を中心として時計廻り方向及び反時計廻り方向の両方向に回転する。
【００２６】
更に、バルブスプール９０を変位するためのこの他の手段が考えられる。例えば、変位手段は、この他の種類の様々なモータ又はアクチュエータを備えていてもよい。このように、トルクモータ１４の説明は、如何なる意味でも、限定であると解釈されるべきではない。
【００２７】
パイロットバルブ１０は、更に、ロッカ２６のストラット３４が、バルブ本体５０内に作動的に支持されたバルブスプール９０と係合できるように、又は他の態様で連結できるように、モータ１４に対して作動的に位置決めされており且つ関連したバルブ本体５０を含む。バルブ本体５０の内部には、長さ方向に形成された軸線方向ボア５４が設けられている。この軸線方向ボア５４は、バルブスプール９０を受け入れ、このバルブスプール９０がこのボア内で双方向に変位するように形成されている。バルブ本体５０は、更に、加圧された供給ポート５８と、加された戻しポート６２と、加圧されていてもよいし加圧されていなくてもよい制御圧力ポート６６と、フィードバックポート７０とを含み、これらのポートの各々は、バルブスプール９０の位置に応じて、互いに及び軸線方向ボア５４と流体連通するように形成されている。
【００２８】
パイロットバルブ１０は、流体制御システムの従設バルブ構成要素（ここには示してないが、図７を参照されたい）に制御圧力を提供する圧力制御バルブとして機能する。従設バルブ構成要素は、アクチュエータを作動するように形成された従設圧力制御バルブ等である。バルブスプール９０が選択的に変位し、加圧流体を、供給ポート５８からバルブ本体５０を通して流し、戻しポート６２を通して出すとき、システム内の制御圧力が変化し、この制御圧力を、続いて設けられられたバルブ構成要素に、制御圧力ポート６６を介して、及びパイロットバルブ１０を従設バルブ構成要素に流動学的に連結するように機能する、パイロットバルブ１０と従設バルブ構成要素との間の任意の流体ラインを介して供給する。任意の所与の時期に、システム内の制御圧力は、バルブ本体５０及び制御圧力ポート６６を通って流れる流体によって定められる。
【００２９】
上述のように、パイロットバルブ１０は、更に、バルブスプール９０を含む。バルブスプール９０は、バルブ本体５０の軸線方向ボア５４内に摺動自在に支持されており、供給ポート５８、戻しポート６２、制御圧力ポート６６、及びフィードバックポート７０を通る流体流れを制御するように形成されている。更に詳細には、従設バルブ構成要素に所望の制御圧力を提供するために通過する流体を配分するため、供給ポート５８、戻しポート６２、及び制御圧力ポート６６の夫々、並びにフィードバックポート７０をの周囲で、バルブスプール９０をバルブ本体５０の軸線方向ボア５４内で変位させる。制御圧力は、バルブスプール９０の位置を選択的に操作することによって、バルブ本体５０及びバルブ本体５０に形成された夫々のポートを通る加圧流体の流れを制御することによって、変化させることができる。
【００３０】
本発明のパイロットバルブ１０は、当該技術に存在する従来の関連したパイロットバルブとは異なり、マイクロ環境で良好に機能するように形成されている。これは、マイクロ流体制御システム内のマイクロバルブ構成要素に安定した制御圧力を提供できるためである。本明細書中に論じる本発明のパイロットバルブ１０と関連した概念を、マクロ流体制御システムに適用できるけれども、これらの概念は、マイクロ流体制御システムに特に適している。確かに、本発明のパイロットバルブ１０は、静止時出力(quiescent power) を大幅に減少して機能できるため、マイクロ流体制御システムのマイクロパイロットバルブとして機能できるのである。上文中に論じたように、従来技術の関連したパイロットバルブの設計及び形体を、マイクロ流体システムで機能するようにスケールダウンすることはできない。これは、これらのパイロットバルブがすぐに不安定になってしまうためである。他方、本発明のパイロットバルブ１０は、マイクロ流体システムで作動させることができる。これは、その設計により、流体をバルブ本体に形成された様々なマイクロポートを通して定常状態で配分することが容易になり、かくして、パイロットバルブ１０を安定したままにできるためである。例示のマイクロ環境では、バルブ本体の軸線方向ボアの直径は２００μｍであり、バルブスプールは、これよりも僅かに小さく、軸線方向ボア内に摺動自在に配置される。
【００３１】
マイクロ環境内で、又はマイクロ流体制御システムで機能できるのは、バルブスプール９０の独特の形体のためである。従来技術の関連したバルブ及びバルブスプールとは異なり、本発明のバルブスプール９０は、変位時に、供給ポート５８及び戻しポート６２の夫々のうちの少なくとも一方の面積変化率を変化するように形成されている。これによって、これらのポートを通って流れる流体に可変の抵抗を提供し、パイロットバルブ１０の静止時出力を減少する。換言すると、バルブスプール９０の形体は、ゲインを小さくするように機能する。このように、パイロットバルブ１０を不安定にすることなく、断面積が小さいポートを通して流体を効果的に流すことができる。パイロットバルブ１０の効率は、必要な制御を得るために流体をほとんど通さないことによって更に高くなり、様々なポートの面積変化率を変化させることによって安定性が得られる。更に、パイロットバルブ１０は、従来の関連したバルブと比較して漏れを大幅になくす。
【００３２】
図１乃至図４を参照すると、例示のバルブスプール９０は、第１端９４と、第２端９８と、第１ランド１０２と、第２ランド１０４と、ネック１０６とを備えている。バルブスプール９０は、更に、第１ランド１０２とネック１０６との間を延びる第１移行セグメント１１０と、第２ランド１０４とネック１０６との間を延びる第２移行セグメント１１４とを備えている。第１及び第２の移行セグメント１１０及び１１４の形体により、バルブスプール９０は、供給ポート５８及び戻しポート６２の面積変化率を変化させることができる。これによって、マイクロ環境内で、制御圧力ポート６６を通して、従設バルブ構成要素に制御圧力を提供するように機能する。例示の実施例では、移行セグメントは、バルブスプール９０の長さ方向軸線から計測して、全体として、１０°乃至３０°の傾斜を備えているが、傾斜はこの他の角度であってもよい。
【００３３】
本発明は、スケールダウンしただけの従来の関連したパイロットバルブの、マイクロ環境又はマイクロ流体制御システムで機能させる上での顕著な漏れ及び高いゲインが生じるという問題点を解決する。有利には、本発明のパイロットバルブ１０は、マクロ態様をスケールダウンしただけの従来の関連したバルブと比較して漏れが小さく且つゲインが小さい。従来の関連したパイロットバルブをスケールダウンしただけでは、バルブの動揺を阻止するためにバルブを通る流れの容積が大幅に減少しなければならないため、帯域幅が失われる。流体が減少するために漏れが小さくなるが、出力効率もまた低下する。
【００３４】
バルブスプール９０の形体により、正から負への移行を和らげる。別の言い方をすると、バルブスプール９０の形体により、何らかの安定した状態にある従設バルブ構成要素を制御する制御圧力の出力変化を微妙に移行する。これは、ｈ形状バルブスプールをスケールダウンするのとは異なる。ｈ形状バルブスプールの場合には、ポートの開閉に角張った縁部が使用され、出力がいきなり変化する。パイロットバルブの感度は、通過する流体流れに対するポートの直径に関して説明できる。マイクロ環境内での機能性を得るまで直径を減少するとき、ゼロ流れから全開流れまでの移行に要する距離が小さくなり、バルブスプールの僅かな動きでもいきなりの動きとなる。こうした事態を解決するため、本発明のパイロットバルブ１０は、バルブスプール９０の輪郭を変化することによってゲインをトーンダウンする。バルブスプール９０は、角張った縁部又は面を持つランドの代わりに、向き合った移行セグメント１１０及び１１４を備えている。図１乃至図４に示す例示の実施例では、バルブスプール９０は円形断面を備えており、第１及び第２の移行セグメント１１０及び１１４は直線状テーパ形体を有する。手短に述べると、本発明のパイロットバルブ１０は、マイクロ作動環境内についての漏れ及びゲインの目的と合致するように、即ち漏れが小さく且つゲインが小さいように変更したスプールバルブと言うことができる。
【００３５】
バルブスプール９０の移行セグメント１１０及び１１４は、この他の直線状形体、非直線状形体、又はこれらの形体の組み合わせ等のこの他の形体を備えていてもよい。更に、パイロットバルブ１０は、上文中に論じたように、マイクロ環境内で又はマクロ環境内で機能するように形成されていてもよい。マイクロ環境では、バルブスプール９０は、代表的には、ミクロン単位で適当に計測された大きさの断面を有する。例えば、バルブスプール９０は、直径が１００μｍ乃至１０００μｍの円形の周囲形体を備えていてもよい。
【００３６】
パイロットバルブ１０は、更に、フィードバックシステムを備えている。図示の実施例では、フィードバックシステムは、バルブ本体５０に形成されたフィードバックポート７０と流体連通した流体フィードバック通路として形成されたフィードバック通路８０を含む。フィードバック通路８０は、バルブ本体５０に形成されたフィードバックポート７０と流体連通した第１端８２と、軸線方向ボア５４及びバルブスプール９０の第２端９８と流体連通した第２端８４とを含む。フィードバック通路８０は、加圧流体をその内部に受け入れるように形成されている。加圧流体は、バルブスプール９０に対して作用し、これをモータ１４のストラット３４に当たる方向に押圧し、供給ポート５８を閉鎖する。更に詳細には、バルブ本体５０内の圧力が上昇すると、フィードバック通路８０が加圧流体を受け取り、バルブスプール９０に対して作用し、これをモータ１４のストラット３４によって押圧される方向とは逆方向に変位するように機能する。換言すると、ロッカ２６を押圧し、枢動点３０を中心として逆方向に回転し、即ちモータによってバルブスプール９０に加えられる力とバランスをとる。このように、フィードバック通路８０は、モータ１４が発生した、バルブスプール９０に作用する力に逆らうように機能する。フィードバックシステムは、ストラット３４並びにモータ１４のロッカ２６及びロータ２２に復元トルクを発生するように機能する。フィードバックトルクがモータ１４からの入力トルクと等しくなるとき、ロッカ２６及びストラット３４は休止位置に押し戻される。このように、バルブ本体５０内でのバルブスプール９０の位置を、モータ１４に加えられる入力信号と比例する。
【００３７】
特に図２を参照すると、この図には、図１の本発明のパイロットバルブ１０が示してある。一つの例示の実施例によれば、パイロットバルブ１０を均衡状態に置くようにモータトルクを提供するモータ１４が設けられている。この状態では、パイロットバルブ１０は、供給ポート５８及び戻しポート６２の両方が実質的に同じ量だけ開放しており、同量の流体がこれらのポートを通って流れることができ、均衡している。バルブスプール９０がこの位置にある状態では、パイロットバルブ１０によって制御圧力ポート６６を介して提供される制御圧力は、供給ポート５８を通って流れる流体の圧力即ち供給圧力のほぼ半分である。これを制御圧力ポート６６と流体連通したゲージで表示する。ゲージの読みは、低圧と高圧の中間にある。
【００３８】
バルブスプール９０が相対的に均等距離に位置決めされており、供給ポート５８及び戻しポート６２の両方が部分的に開放している場合には、これらのポート並びに制御圧力ポート６６を通して加圧流体を流すことができる。加圧流体の流入は、加圧流体の一部が戻しポート６２を通って流出することによって部分的に相殺される。流体がバルブ本体５０を通してこのように配分されるため、パイロットバルブ１０が、従設バルブ構成要素に供給する制御圧力は、戻しポート６２が完全に閉鎖した場合程高くなく、戻しポート６２が全開状態にある場合程低くない。
パイロットバルブ１０内の加圧流体は、更に、バルブ本体５０を通って、フィードバックポート７０を通って、フィードバック通路８０に流入し、ここでバルブスプール９０の第２端９８と接触する。この場合、バルブスプール９０の第１端９４にモータ１４によって加えられたモータトルクと、バルブスプール９０の第２端９８にフィードバック通路８０によって加えられたフィードバック力と等しくなり、バルブスプール９０を図示の位置に位置決めする。
【００３９】
特に図３を参照すると、この図には、図１の本発明のパイロットバルブ１０が示してある。一つの例示の実施例によれば、入力信号の増大によりモータ１４からのモータトルクが増大することにより、ロータ２２及びロッカ２６が枢動点３０を中心として反時計廻り方向に枢動する。ロータ２２及びロッカ２６の回転により、ロッカ２６から下方に延びており且つバルブスプール９０の第１端９４と係合したストラット３４もまた回転する。別の言い方をすると、図３は、モータ１４の作動により、バルブスプール９０を、供給ポート５８を開放し且つ戻しポート６２を閉鎖する方向に変位する作動を示す。確かに、ストラット３４の回転により、バルブスプール９０をバルブ本体５０に形成された軸線方向ボア５４内で効果的に直線的に変位させる。この直線的変位により、供給ポート５８を開放すると同時に戻しポート６２を閉鎖する。
【００４０】
モータ１４の入力信号を増大してモータトルクを増大し、これによって供給ポート５８を更に大きく開放すると、パイロットバルブ１０によって制御圧力ポート６６を通して供給される制御圧力が対応して増大する。これを制御圧力ポート６６と流体連通したゲージによって示す。ゲージの読みは高圧範囲内にある。モータトルクを増大すると、ロータ２２が枢動点３０を中心として枢動し、これによりロッカ２６及びストラット３４を回転する。これによりバルブスプール９０をバルブ本体５０の軸線方向ボア５４内で上述のように変位し、かくして供給ポート５８の開放度を増大し、戻しポート６２の開放度を減少する。制御圧力は、供給ポート５８が開放すればする程、及び戻しポート６２が閉鎖すればする程増大する。制御圧力は最終的には最大圧力に達し、この状態では供給ポート５８は全開状態にあり、戻しポート６２は全閉状態にある。
【００４１】
更に、制御圧力の増大に従って、フィードバック通路８０内のフィードバック圧力もまた増大し、バルブスプール９０の第２端９８に負のフィードバック力を加える。バルブスプール９０に作用するモータ力とフィードバック力との間の差又はエラーは、これらの二つの力がバランスをとる即ち等しくなるまで、バルブスプール９０を移動しようとする。換言すると、フィードバック圧力は、バルブスプール９０を押圧して供給ポート５８を閉鎖するように機能する。このように、上文中に説明したように、制御圧力はモータトルクと比例する。
【００４２】
図４を参照すると、この図には、図１の本発明のパイロットバルブ１０が示してある。一つの例示の実施例によれば、入力信号の減少により、モータ１４からのモータトルクが減少することにより、ロータ２２及びロッカ２６が枢動点３０を中心として時計廻り方向に枢動する。ロータ２２及びロッカ２６の回転により、ロッカ２６から下方に延びており且つバルブスプール９０の第１端９４に連結されたストラット３４もまた回転する。別の言い方をすると、図４は、供給ポート５８を閉鎖し且つ戻しポート６２を回転する方向にバルブスプール９０を変位するモータ１４の作動を示す。確かに、ストラット３４の回転により、バルブスプール９０を、バルブ本体５０に形成された軸線方向ボア５４内で効果的に直線的に変位させる。この直線的変位により、供給ポート５８を閉鎖すると同時に戻しポート６２を開放する。
【００４３】
モータ１４の入力信号を減少して反時計廻り方向のモータトルクを減少し、これにより、パイロットバルブ１０によって制御圧力ポート６６を通して供給される制御圧力が対応して減少する。これを制御圧力ポート６６と流体連通したゲージによって示す。ゲージの読みは低圧範囲内にある。モータトルクを減少すると、ロータ２２が枢動点３０を中心として枢動し、これによりロッカ２６及びストラット３４を時計廻り方向に回転する。これにより、バルブスプール９０をバルブ本体５０の軸線方向ボア５４内で上述のように変位し、かくして供給ポート５８の開放度を減少し、戻しポート６２の開放度を増大する。制御圧力は、供給ポート５８が閉鎖すればする程、及び戻しポート６２が開放すればする程減少する。制御圧力は最終的には最小圧力即ちゼロ圧力に達し、この状態では供給ポート５８は全閉状態にあり、戻しポート６２は全開状態にある。
【００４４】
更に、制御圧力の減少に従って、フィードバック通路８０内のフィードバック圧力もまた減少し、バルブスプール９０の第２端９８に負のフィードバック力がほとんど加わらなくなる。この場合も、バルブスプール９０に作用するモータ力とフィードバック力との間の差又はエラーは、これらの二つの力がバランスをとる即ち等しくなるまで、バルブスプール９０を移動しようとする。モータトルクが減少すればする程、バルブスプール９０に作用するフィードバック圧力の作用が小さくなる。バルブスプール９０の全ての位置について、制御圧力はモータトルクと比例する。
【００４５】
図５を参照すると、この図には、バルブスプール９０の一部、及び変位時の供給圧力ポート５８とのその関係の詳細図が示してある。わかるように、バルブスプール９０は、バルブ本体５０の軸線方向ボア５４内でのバルブスプール９０のバルブ開放方向での単位変位当たりの供給ポート５８の面積又は開放度の変化率を変化するように形成された移行セグメント１１４を備えている。直線状テーパ形体を持ち且つ円形断面を備えたものとして示してある移行セグメント１１４は、バルブスプール９０のランド１０４とネック１０６との間を延びる。供給ポート５８を閉鎖する位置では、バルブスプール９０は、ランド１０４が開口部を覆い、移行セグメント１１４又はネック１０６は開口部の周囲にないように供給ポート５８の開口部の周囲に配置される。モータトルクを選択的に増大し、バルブスプール９０を選択的に変位するにつれて、移行セグメント１１４は、供給ポート５８の開口部の周囲からモータの入力に従って所定距離変位する。モータトルクを更に増大することにより、バルブスプール９０を一杯に変位し、供給ポート５８を開放してもよい。このように、供給開口部及び戻し開口部に対するバルブスプール９０の変位は選択的であり且つ変化させることができる。
【００４６】
バルブスプール９０の変位時に、移行セグメント１１４が供給ポート５８の開口部の周囲から変位するにつれて、供給ポートの面積、及び更に詳細には供給ポート５８の面積が変化する。この面積変化即ちΔＡを図５に参照符号ｄＡで示す。バルブスプール９０の単位変位の変化を参照符号ｄＸで示す。かくして、バルブスプール９０の単位変位当たりの供給ポート５８の面積変化率は、ｄＡ／ｄＸと表現できる。これはシステムのゲインであり、これが、供給ポート５８を通る加圧流体の流量を決定する。
【００４７】
バルブスプール９０に移行セグメント１１４を設けることにより、本発明のパイロットバルブ１０は、供給ポート５８の面積変化率を変化するように機能する。換言すると、率ｄＡ／ｄＸ又はシステムのゲインを変化するように機能する。移行セグメント１１４が供給ポート５８の周囲を変位するとき、移行セグメント１１４のテーパ形体により面積変化率が変化する。面積変化率のこの変化は、供給ポート５８を通る加圧流体の流れに抵抗するように効果的に機能する。このように、移行セグメント１１４は、可変抵抗器と考えてもよい。移行セグメント１１４の反対側に配置された移行セグメント（図示せず）は、戻しポート６２（図示せず）に関して同様に機能する。本質的には、バルブスプール９０は、その可変変位位置を通るため、流体に対して可変抵抗を提供し、その結果、夫々のポートの開口部の大きさを可変に変化する。流体に対する抵抗の変化は、制御圧力ポート６６の外に続く制御圧力を変化するように機能する。
【００４８】
有利には、バルブスプール９０は、角張った縁部を持つサーボバルブとは異なるし、その機能も異なるけれども、その設計のため、可変抵抗器と比較的類似している。縁部は比較的滑らかであり、これに対し、従来技術の関連したスプールバルブは、角張った縁部がランドから延びている。縁部を滑らかにすることは、安定性が主要な関心事であるマイクロ環境で特に有用である。ｈ型バルブスプールを使用する従来技術と関連したパイロットバルブ、特にこのようなパイロットバルブをスケールダウンしたパイロットバルブは、バルブスプールの小さな移動ですら大きな作用を励起するため、安定しない。バルブスプールに移行セグメントを設けることにより、本発明のパイロットバルブは、従来技術と関連したパイロットバルブに対して静止時出力が遥かに小さい。これは、正から負への移行が滑らかであり、使用される流体が比較的少ないためである。
【００４９】
従来の関連したパイロットバルブの別の問題点は、フラッパ型のパイロットバルブの場合でも、十分な流体流れを可能にする上で十分な大きさを持つオリフィス又はポートを設けるのが困難であるということであり、これと同時に、作用可能なマイクロパイロットバルブを提供するのが困難であるということである。確かに、小さなオリフィス又はポート（ミクロン単位の大きさのオリフィス又はポート）をバルブ本体に形成するのは困難であり、フラッパ又はバルブスプールで作動できるようにするのは困難である。明らかに、バルブのポート又はオリフィスの大きさが小さくなればなる程、従設バルブ構成要素に寄与する容量が小さくなる。更に、従設バルブ構成要素に適当に寄与するため、パイロットバルブは、安定性を以て作動しなければならない。換言すると、出力は、次のバルブに対する制御圧力であるばかりでなく、安定していなければならない。パイロットバルブが寄与し又は制御を及ぼす、従設バルブ構成要素が高い周波数で作動する場合には、パイロットバルブは、大きさが過度に小さくされており且つ適正に形成されていない場合には、小さ過ぎるオリフィスを通る流れにより動揺してしまう場合がある。マクロ態様のスケールダウン態様であり、オリフィスが小さ過ぎるために下流負荷（パイロットバルブの制御圧力又は出力圧力に対して作用する負荷）に対して動揺し不確実な反応を示す従来の関連したパイロットバルブが流体流れを取り扱うことができないのとは異なり、本発明のパイロットバルブは、ゲインをトーンダウンでき、静止時出力を減少でき、流体流れを安定化でき、漏れをなくすことができる。これらは全て、マイクロ作動環境内での利点である。これらの利点は、バルブスプール９０に設けられた移行セグメントにより実現される。
【００５０】
本願に示し且つ説明した移行セグメントとは反対側にバルブスプール９０に設けられた移行セグメントは、大きさ及び形体が同じであり、供給ポート５８の面積変化率を変化するため、同様に作動し即ち機能するということは当業者には理解されよう。従って、この移行セグメントについての特記事項は、ここには詳細に説明しない。
【００５１】
図６Ａ乃至図６Ｄを参照すると、これらの図には、本発明の他の例示の実施例による様々な形体のバルブスプールの幾つかの側面図が示してある。詳細には、図６Ａは、第１及び第２のランド１０２及び１０４と、ネック１０６と、第１及び第２のランド１０２及び１０４の夫々とネック１０６との間を延びる第１及び第２の移行セグメント１１０及び１１４とを含むバルブスプール９０を示す。この特定の実施例では、移行セグメント１１０及び１１４は、非直線状形体即ち湾曲形体を備えている。
【００５２】
図６Ｂは、第１及び第２のランド１０２及び１０４と、ネック１０６と、第１及び第２のランド１０２及び１０４の夫々とネック１０６との間を延びる第１及び第２の移行セグメント１１０及び１１４とを含むバルブスプール９０を示す。この特定の実施例では、移行セグメント１１０及び１１４は、一連の直線状の段又は押縁をを備えている。
【００５３】
図６Ｃは、第１及び第２のランド１０２及び１０４と、ネック１０６と、第１及び第２のランド１０２及び１０４の夫々とネック１０６との間を延びる第１及び第２の移行セグメント１１０及び１１４とを含むバルブスプール９０を示す。この特定の実施例では、移行セグメント１１０及び１１４には、一連の非直線状の凹状部分及び凸状部分が設けられている。
【００５４】
図６Ｄは、第１及び第２のランド１０２及び１０４と、ネック１０６と、第１及び第２のランド１０２及び１０４の夫々とネック１０６との間を延びる第１及び第２の移行セグメント１１０及び１１４とを含むバルブスプール９０を示す。この特定の実施例では、移行セグメント１１０及び１１４には、直線状部分及び非直線状部分の組み合わせが設けられている。
【００５５】
図７を参照すると、この図には、本発明の一つの例示の実施例による流体制御システムが示してある。この実施例では、流体制御システムは、本明細書中に教示されており且つ特許請求された本発明による第１段パイロットバルブを使用する。図示のように、流体制御システムは、上文中に論じた第１段パイロットバルブ１０を備えている。パイロットバルブ１０は、従設バルブ構成要素即ち第２段バルブ構成要素と流体連通している。この第２段バルブ構成要素は、ヤコブセン等に賦与された米国特許第７，３０８，８４８号及び米国特許第７，２８４，４７１号に記載されており且つ特許請求されたデュアル独立スプール圧力制御バルブとして形成された圧力制御バルブ１５０として示してある。更に詳細には、パイロットバルブ１０は、圧力制御バルブ１５０内に形成されたパイロットチャンバ１５４と流体ライン１４０を介して流体連通した制御圧力ポート６６を備えている。パイロットバルブ１０の制御圧力ポート６６からの圧力は、圧力制御バルブ１５０内の様々なスプールに作用するパイロットチャンバ１５４内のパイロット圧力を設定するように作用する。パイロット圧力は、圧力制御バルブ１５０内のスプールの制御を容易にする。
【００５６】
圧力制御バルブ１５０は、負荷２１０の駆動又は作動等の一つ又はそれ以上の能動的及び／又は受動的機能を果たすように形成されていてもよい。この場合、圧力制御バルブ１５０は、デュアル独立スプール１６０及び１７０を含み、その結果、固有圧力フィードバックシステムを提供する。圧力制御バルブ１５０は、流体の流れを調節するように設計されており、更に重要には、サーボ型システム内の圧力、即ち制御圧力即ちパイロット圧力と負荷２１０又は負荷２１０に連結されたアクチュエータ１８０が発生する負荷圧力との間の圧力を調節するように設計されており、アクチュエータ１８０は、受け取った圧力を負荷２１０を駆動する力に変換し、又は負荷２１０に作用する外力に応じてその逆を行う。アクチュエータ１８０は、流体ライン１４０を介して圧力制御バルブ１５０と流体連通している。
【００５７】
上文中に説明し、図７に示した様々な構成要素を使用する流体制御システムの一つの特定の例は、パイロットバルブが、圧力制御バルブ等の第２段バルブ構成要素に入力信号即ち制御圧力を供給するように形成されたロボットシステムである。第２段バルブ構成要素は、対応するアクチュエータピストンを駆動する様々なアクチュエータを制御するように機能する。これらのアクチュエータピストンは、これらのピストンに連結された腱を駆動し、これはプーリを回転してロボットの肢部を移動するように機能する。パイロットバルブに供給された入力信号は、圧力制御バルブ内の圧力を設定し、及び従って、腱を駆動してプーリを作動するアクチュエータピストンに作用する力を設定する。
【００５８】
以上、本発明を特定の例示の実施例を参照して詳細に説明した。しかしながら、添付の特許請求の範囲に記載した本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変形及び変更を行うことができるということは理解されよう。詳細な説明及び添付図面は、単なる例示であると考えられるべきであって、限定ではなく、このような変形及び変更は全て、本明細書中に説明した本発明の範囲内に含まれる。
【００５９】
更に詳細には、本明細書中、本発明の例示の実施例を説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、当業者が以上の詳細な説明に基づいて理解するであろう変形、省略、組み合わせ（例えば様々な実施例に亘る特徴の組み合わせ）、適合及び／又は変更が含まれる。特許請求の範囲における限定は、特許請求の範囲で使用された用語に基づいて広く解釈されるべきであり、以上の詳細な説明に記載された例に限定されず、又は適用の実行中、これらの例は非限定的であると解釈されるべきである。例えば、本開示において、「好ましくは」という用語は、「好ましくは、しかしこれに限定されない」ということを意味しようとする場合には、非限定的である。方法又はプロセスに関する特許請求の範囲に記載された工程は、任意の順序で実施されてもよく、特許請求の範囲に記載された順序に限定されない。手段に機能を加えた限定又は工程に機能を加えた限定は、特許請求の範囲の特定の限定について、以下に列挙する条件が全て存在する場合にのみ使用される。即ち、ａ）特に「ための手段」又は「ための工程」が記載される場合、ｂ）特に対応する機能が記載された場合。特に、本明細書中、手段に機能を加えた限定を支持する構造、材料、又は作用を記載した。従って、本発明の範囲は、以上の説明及び例によって決定されるのでなく、専ら、添付の特許請求の範囲及びその法的等価物のみによって決定されるべきである。
【符号の説明】
【００６０】
１０  パイロットバルブ
１４  トルクモータ
１８  支持構造
２２  ロータ
２６  ロッカ
３０  枢動点
３４  ストラット
５０  バルブ本体
５４  軸線方向ボア
５８  圧力供給ポート
６２  加圧戻しポート
６６  制御圧力ポート
７０  フィードバックポート
９０  バルブスプール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６−Ａ】
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【図６−Ｂ】
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【図６−Ｃ】
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【図６−Ｄ】
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【図７】
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