(57)【要約】      （修正有）【課題】統合型センサ・モジュール内の単一感知スイッチを使用して弁要素の適切な移動と、弁要素の停止時の弁出口における圧力が無いことの両方を監視することにある。【解決手段】傾斜カム表面５２を有する弁要素２７に固定された伸張部材４２と、カム・フォロア５７を有するプランジャ５４を備え、プランジャ５４は、弁要素２７が停止位置にある時の第１位置と、弁要素２７が作動位置にある時の第２位置の間で第２軸に沿って摺動可能する。感知スイッチ５５は、プランジャ５４と結合され、第１および第２位置のスイッチ信号を生成する。弁ボデー２０およびセンサ本体４０は、出口ポート２５と感知チャンバ４１の間に流体通路を形成するように協働し、プランジャ５４は、所定圧より大きい流体圧が出口ポート２５に存在する場合に、第２位置に移動する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口ポート（２４）、出口ポート（２５）、および、弁要素（２７）であって、前記弁要素（２７）を停止位置と作動位置の間で移動させるパイロット圧を受け取るために、一端にピストン表面（３５）を有する弁要素（２７）とを含む弁ボデー（２０）を有する監視式弁システムにおいて、前記入口ポート（２４）および前記出口ポート（２５）は、前記弁要素（２７）が前記停止位置にある時に流体減結合し、前記入口ポート（２４）および前記出口ポート（２５）は、前記弁要素（２７）が前記作動位置にある時に流体結合する弁システムであって、
感知チャンバ（４１）を有するセンサ本体（４０）と、
前記弁要素（２７）に固定して結合し、第１軸に沿って前記感知チャンバ（４１）内を摺動可能で、傾斜したカム表面（５２）を有する伸張部材（４２）と、
前記カム表面（５２）に係合するカム・フォロア（５７）を有するプランジャ（５４）であって、前記プランジャ（５４）は、前記弁要素（２７）が前記停止位置にある時の第１位置と、前記弁要素（２７）が前記作動位置にある時の第２位置の間で第２軸に沿って摺動可能であり、前記プランジャ（５４）は、前記感知チャンバ（４１）に露出する、プランジャ（５４）と、
前記第１および第２位置を示すスイッチ信号を生成するために、前記プランジャ（５４）に結合した感知スイッチ（５５）とを含む感知モジュール（２１）を特徴とし、
前記弁ボデー（２０）および前記センサ本体（４０）は、前記出口ポート（２５）と前記感知チャンバ（４１）の間に流体通路を形成するように協働し、前記プランジャ（５４）は、所定圧より大きい流体圧が前記出口ポート（２５）に存在する場合に、前記弁要素（２７）が前記作動位置にある時の前記第２位置に移動する監視式弁システム。
【請求項２】
前記伸張部材（４２）は、パイロット圧を、前記感知モジュール（２１）から前記ピストン表面（３５）へ通すためのパイロット通路（４５、４８）を特徴とする請求項１に記載の監視式弁システム。
【請求項３】
前記伸張部材（４２）は、ボス（４４）上を摺動可能な管部材（４２）を特徴とし、前記パイロット通路（４５、４８）は、前記ボス内のボア（４５）および前記管部材（４２）の内部空間（４７）を備える請求項２に記載の監視式弁システム。
【請求項４】
前記管部材（４２）は、前記弁要素（２７）の一端に接合し、前記パイロット通路（４５、４８）は、前記一端で、前記管部材（４２）に複数のスルーホール（４８）をさらに備える請求項３に記載の監視式弁システム。
【請求項５】
前記カム表面（５２）はランプを特徴とする請求項１に記載の監視式弁システム。
【請求項６】
前記カム表面（５２）は、前記第１軸に対して傾斜する請求項５に記載の監視式弁システム。
【請求項７】
前記カム・フォロア（５７）はローラからなる請求項１に記載の監視式弁システム。
【請求項８】
前記第２軸は、前記第１軸に実質的に垂直である請求項１に記載の監視式弁システム。
【請求項９】
前記感知スイッチ（５５）は電気スイッチからなる請求項１に記載の監視式弁システム。
【請求項１０】
流体弁の状態を感知する方法において、前記流体弁は、入口ポート（２４）、出口ポート（２５）、および、弁要素（２７）であって、前記弁要素（２７）を停止位置と作動位置の間で移動させるパイロット圧を受け取るために、一端にピストン表面（３５）を有する弁要素（２７）とを含む弁ボデー（２０）を特徴とし、前記入口ポート（２４）および前記出口ポート（２５）は、前記弁要素（２７）が前記停止位置にある時に流体減結合し、前記入口ポート（２４）および前記出口ポート（２５）は、前記弁要素（２７）が前記作動位置にある時に流体結合する方法であって、
カム作動式プランジャ（５４）が、前記弁要素（２７）が前記停止位置にあることに対応する第１位置と、前記弁要素（２７）が前記作動位置にあることに対応する第２位置との間を移動することによって、前記弁要素（２７）の長手方向移動を感知することであって、前記プランジャ（５４）は、前記第１および第２位置を示すスイッチ信号を生成するためにスイッチ（５５）に結合される、感知すること、および、
前記カム作動式プランジャ（５４）を前記第２位置に移動させるようになるように、前記カム作動式プランジャ（５４）に対して、前記出口ポート（２５）での前記流体圧を加えることによって、前記弁要素（２７）が前記停止位置にある時の所定の圧力より大きい、前記出口ポート（２５）での流体圧の存在を感知することを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記パイロット圧を前記ピストン表面（３５）に加えること、および、
前記プランジャ（５４）が前記第１位置にあることを前記スイッチ信号が示す場合、前記流体弁が故障状態にあることを検出することをさらに特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記パイロット圧を前記ピストン表面（３５）から減結合すること、および、
前記プランジャ（５４）が前記第２位置にあることを前記スイッチ信号が示す場合、前記流体弁が故障状態にあることを検出することをさらに特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、流体制御弁の適切な動作を監視することに関し、より具体的には、弁要素の適切な移動と、弁要素停止時の弁出口における圧力が無いことの両方を感知するための統合型モニタに関する。
【背景技術】
【０００２】
流体弁は、現代の産業用制御および製造用システムの重要な構成部品である。たとえば、流体弁は、プレスおよび他の工作機械などの空気圧作動式機械への加圧した空気の適用を制御する時に使用される。特定の弁が適切に作動し、適切に停止することを確保するために、自動制御された弁の位置を監視することが望ましいか、または、必要であることが多い。監視はまた、人オペレータの安全を確保するのに必要である場合がある。監視信号を使用して、誤動作弁の視覚または可聴指示が生成され、監視信号を使用して、故障または両方に応答して、システムの動作を自動的に停止する場合がある。
【０００３】
弁位置を監視するために、多くの異なるタイプの感知技術（ｓｅｎｓｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）が使用されてきた。１つのこうした技術は磁気センサである。たとえば、可動弁要素は、弁要素が作動位置と停止位置の間を移動する時に、所定の感知ロケーションにおいて磁界に影響を与えるように構成される。磁界は、永久磁石（可動か、固定のいずれか）、または、電磁石によって生成される可能性がある。磁気センサは磁界を検出し、信号を生成する。この信号は、監視情報を提供する追加回路に送出される。磁気センサは、可動弁要素の動作との干渉が最も小さいという利点を有するが、他の感知技術に比べて、比較的費用がかかるという欠点を有する。
【０００４】
圧力スイッチもまた、弁の性能を監視するのに使用されてきた。たとえば、加圧された流体（たとえば、空気）源が存在すると仮定すると、弁要素の位置は、弁の出口における加圧流体の存在を検出することによって監視される可能性がある。圧力スイッチは、可動弁要素の設計に影響を与えることなく、実質的に任意の種類の弁に適応する可能性があるが、圧力スイッチは、同様に、比較的費用がかかる。
【０００５】
より費用効果的な感知技術のうちの１つは電気感知スイッチである。電気感知スイッチは、スイッチの伝導状態が弁要素の位置に従って確定されるように弁に機械的に接続される。しかし、電気感知スイッチは、スイッチが接続される内部弁要素の移動（または、位置）のみを感知することができた。これらのスイッチは、漏れているポペットなどの、全ての可能性のある弁の故障を感知することができず、たとえ内部弁要素がその停止位置へ適切に移動しても、弁入口での加圧流体が、弁出口に達することが可能になる。したがって、弁の状態を十分に監視するためには、個別の圧力スイッチが必要とされてきた。
【０００６】
たとえ弁が遮断されても、加圧流体が出口ポートに存在する時の故障した弁の状態を感知する能力は、流体弁の安全な使用にとって重要である可能性がある。３ポート弁の用途（すなわち、入口、出口、および排気ポートを有する弁）では、排気ポートによって提供される圧力除去のために、漏れている弁ポペットによって、出口ポートには大きな圧力が生じない。しかし、排気ポートに取り付けられた消音器またはフィルタが塞がれる（ｂａｃｋ  ｕｐ）［すなわち、詰まる］場合、望ましくない圧力が出口ポートにおいて増加する可能性がある。そのため、３ポート弁を使用して空気圧プレスを制御するなどの、安全が重要な用途では、漏れのあるポペットを迅速に感知することが望ましい場合がある。２ポート弁の用途（すなわち、入口および出口ポートを有する弁）では、排気ポートは存在しない。そのため、故障によって、出口ポートに高圧がもたらされることになり、これは望ましくない。流体のコストおよび汚染の問題により、流体が大気に逃げることを防止するために、空気以外の流体（たとえば、窒素）を使用する用途においては、２ポート弁の使用が有利である場合がある。したがって、先に説明したように、弁の両方の故障状態を検出することが望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、統合型センサ・モジュール内の単一感知スイッチを使用して、弁要素の適切な移動と、弁要素の停止時の弁出口における圧力が無いことの両方を監視することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様では、監視式弁システムは、弁ボデーおよび感知モジュールを備える。弁ボデーは、入口ポート（ｉｎｌｅｔ  ｐｏｒｔ）、出口ポート（ｏｕｔｌｅｔ  ｐｏｒｔ）、および、弁要素であって、弁要素を停止位置と作動位置の間で移動させるパイロット圧を受け取るために、一端にピストン表面を有する弁要素を含む。入口ポートおよび出口ポートは、弁要素が停止位置にある時に流体減結合し、入口ポートおよび出口ポートは、弁要素が作動位置にある時に流体結合する。
【０００９】
感知モジュールは感知チャンバを有するセンサ本体を備える。伸張部材は、弁要素に固定して結合し、第１軸に沿って感知チャンバ内を摺動可能で、傾斜したカム表面を有する。プランジャは、カム表面に係合するカム・フォロアを有し、弁要素が停止位置にある時の第１位置と、弁要素が作動位置にある時の第２位置の間で第２軸に沿って摺動可能である。プランジャは感知チャンバに露出する。感知スイッチは、第１および第２位置を示すスイッチ信号を生成するためにプランジャに結合する。弁ボデーおよびセンサ本体は、出口ポートと感知チャンバの間に流体通路を形成するように協働し、プランジャは、所定圧より大きい流体圧が出口ポートに存在する場合に、弁要素が作動位置にある時の第２位置に移動する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を参照すると、空気圧制御式機械を動作させる制御弁システムが示され、流体供給源１０は、加圧した流体（たとえば、空気）を流体分配システム１２に供給するコンプレッサ１１に結合する。流体制御弁１３は、加圧された流体をアクチュエータ１４（空気圧プレスなど）に選択して結合する。制御回路１５は、ハンド・スイッチ１６に応答して流体制御弁１３に付勢信号を提供する。
【００１１】
流体制御弁１３は、弁ボデー（ｖａｌｖｅ  ｂｏｄｙ）２０、感知モジュール２１、および、ソレノイド作動式パイロット弁２２を有する。パイロット弁２２は、制御回路１５からの付勢信号に応答して内部弁要素を移動させる加圧した流体を供給する。感知モジュール２１は、弁要素の実際の位置を確定し、位置を示すためのセンサ信号を制御回路１５に提供する。制御回路１５は、故障した弁の状態を検出するために、センサ信号を、パイロット弁への付勢信号の状態に基づいた予測値と比較する可能性がある。
【００１２】
図２は、本発明の２重アクション感知モジュールを有する弁システムを示す。図２〜５の好ましい実施形態では、３ポート／２位置弁が示され、入口ポート２４、出口ポート２５、および排気ポート２６を有する弁ボデー２０を含む。弁要素（ｖａｌｖｅ  ｅｌｅｍｅｎｔ）２７は、弁ボデー２０内で長手方向に摺動可能であり、弁棒（ｖａｌｖｅ  ｓｔｅｍ）３０を含む。入口ポペット３１および排気ポペット３２は、弁棒３０に固定して搭載されて、弁要素２７が、それぞれ、その停止位置と作動位置にある時に、弁座３３と３４に交互に係合する。ピストン３５は、弁ボデー２０の上端で弁棒３０に搭載されて、入口ポペット３１を押し付けるバネ３６に抗して弁要素２７を作動させるためにパイロット圧を受け取る。弁棒３０の下端は、エンド・プレート３８内に形成されたガイド３７内に摺動可能に収容され、エンド・プレート３８は、バネ３６の下端も収容する。
【００１３】
感知モジュール２１は、伸張部材を収容する感知チャンバ４１を形成する本体４０を含む。好ましくは、伸張部材４２は、管の一端でナット４３によって弁要素２７に固定して接続された管として形成され、管の他端のボス部材４４上で摺動可能に収容される。ボス部材４４は、継手金具４６によってパイロット圧力源に流体結合した内部ボア４５を有し、その結果、パイロット流体は、伸張部材４２内の内部空間４７を通り、端部穴４８を通過して弁要素２７をその作動位置に移動させるために、ピストン３５の上部表面に作用する。シール５０および５１は、パイロット流体が、伸張部材４２の外に漏れることを防止する。
【００１４】
伸張部材４２は、弁要素２７の移動に対する長手方向移動がセンサ５３の状態を制御するように、その長手方向軸に対して傾斜した角度のカム表面５２を含む。センサ５３は、電気スイッチ５５を作動させるプランジャ５４を含む。電気スイッチ５５は、スイッチ信号を生成し、スイッチ信号は、その後、出力ワイヤ５６によって伝送される。たとえば、ワイヤ５６は、プランジャ５４が第１位置にある時に開回路（感知チャンバ４１内に延びる）を、プランジャ５４が第２位置（感知チャンバ４１から引っ込む）にある時に短絡を提示することができる。
【００１５】
プランジャ５４は、電気スイッチ５５に結合したプッシュ・ロッド６０を有するヨーク部材５８に回転式に搭載されるローラ５７を含む。図３に示すように、パイロット圧が加えられると、パイロット流体が、経路６１に沿って流れ、ピストン３５に作用して、弁要素２７をその作動位置に移動させ、それによって、入口ポート２４と出口ポート２５の間の流路６２が作られる。伸張部材４２が、図３で下に移動するため、カム・フォロアとして働くローラ５７は、カム表面５２を上方に進んで、矢印の方向６３のプッシュ・ロッド６０の垂直軸に沿ってプランジャ５４を、図示する第２位置へ変位させる。プッシュ・ロッド６０の移動は、電気スイッチ５５の伝導状態を変える。カム表面は、好ましくは、真っ直ぐな傾斜であるか、または、電気スイッチ５５を所望の方法で作動させるための十分な傾斜が存在する限りにおいて、湾曲プロファイルを含んでもよい。パイロット圧が取り除かれ、弁要素２７がその停止位置に戻ると、電気スイッチ５５の内部バネ力が、プランジャ５４を第１位置に回復させ、センサ信号を停止する。
【００１６】
図４は、故障した弁の状態の検出を示し、流体弁はその開いた状態で動かなくなっている。そのため、たとえ、パイロット圧が取り除かれ、ピストン３５に対する下向きの力が存在しなくても、バネ３６からの回復力は、弁要素２７をその停止位置に戻すように移動させることができない。流路６２は、弁を通して流体を通し続ける。弁要素２７が作動位置にあるため、プランジャ５４は、第２位置にあるままであり、その結果、スイッチ信号は、作動した弁の状態を示す。コントローラは、パイロット供給遮断に伴って予想される弁の状態を、感知モジュールによって感知された実際の状態と比較することによって、これを故障した状態として検出する可能性がある。
【００１７】
図５は、同じ感知モジュールを使用した漏れのある弁の検出を示す。この故障モードでは、パイロット圧が取り除かれた時に、弁要素２７は適切に停止する。しかし、ポペット・シール６５が劣化し、その結果、弁座３３における開口が、入口ポート２４から出口ポート２５への意図しない流路６６を作る。２ポート弁では、出口ポート２５は、高圧で急速に加圧される。特に、出口消音器またはフィルタ（図示せず）が塞がれている場合、出口ポート２５に同様に結合した排気ポート２６を有する３ポート弁においてさえも、出口ポート２５において、望ましくない圧力レベルに達する可能性がある。出口ポート２５でのこの過剰な圧力は、出口ポート２５と感知チャンバ４１の間に流体フィードバック通路６７を設けることによって感知される。通路６７は、弁ボデー２０内の通路６８および感知モジュール本体４０内の通路６９によって形成される。チャンバ４１はシール５０および５１によって密封されるため、チャンバが加圧されるようになり、電気スイッチ５５の内部バネに抗して仕事をするローラ５７およびヨーク５８に対する力が生ずる。チャンバ４１内の流体圧が所定の圧力より大きい時、プランジャ５４は、圧力の存在を示すために、第２位置へ移動する。所定の圧力の大きさは、表面エリア、表面エリアのそれぞれの部分の、プランジャ軸に垂直なラインに対するアライメント、および、電気スイッチのバネ力によって確定される。圧力がプランジャ５４を第２位置へ移動させるのに十分である時、スイッチ信号は、パイロット圧がオフされても、弁が作動状態にあることを示す。その矛盾は、コントローラによって、故障した弁の状態として検出される。
【００１８】
好ましい実施形態においてコントローラによって実装される決定マトリクスが図６に示される。流体弁を作動させるために、付勢信号が、パイロット・ソレノイドに提供されている時、スイッチ信号の２つの可能性のある状態が存在する。スイッチ信号がオンである（弁要素が作動位置にあることを示す）場合、弁は大丈夫であり、故障は検出されない。しかし、スイッチ信号がオフである場合、弁要素が動かなくなり、適切に作動することができないため、故障が検出される。流体弁を停止させるために、パイロット・ソレノイドへの付勢信号がオフされる時、再び、スイッチ信号の２つの可能性のある状態が存在する。スイッチ信号が、パイロット圧が存在しないにもかかわらずオンである場合、故障が検出される。この故障は、たとえば、弁要素が動かなくなるか、ポペット・シールが漏れるかのいずれかによって引き起こされる可能性がある。スイッチ信号がオフである場合、弁は大丈夫であり、故障は検出されない。
【００１９】
本発明の方法は、図７の状態図によってさらに示される。初期状態７０では、スイッチ信号はオフである。パイロット・ソレノイドがオンされるが、弁要素が停止したままである場合、状態７１への遷移が行われ、状態７１では、スイッチ信号がオフであり、コントローラによって任意の適した方法で故障した弁の状態が指示される。指示に応答して、弁システムは修理され、コントローラは、状態７０に戻るためにリセットされる。
【００２０】
パイロット・ソレノイドがオンされ、弁要素が適切に作動する場合、状態７２への遷移が行われ、状態７２では、スイッチ信号がオンされ、それによって、適切な弁の作動が指示される。パイロット・ソレノイドがオフした時で、弁要素が適切に停止する場合、状態７０へ戻り、状態７０にて、スイッチ信号がオフになる。
【００２１】
状態７２の間にパイロット・ソレノイドがオフされるが、弁要素が作動したままである場合、状態７３への遷移が行われ、状態７３にて、スイッチ信号は、オンされたままであり、故障した弁の状態が指示される。同様に、状態７２の間に、パイロット・ソレノイドがオフされるが、任意の他の理由（漏れなど）で出口ポートに高圧が残っている場合、状態７３への遷移が行われる。故障した状態が検出されたという信号に応答して、流体供給システムの遮断を自動的に実施することができる。修理が行われた後に、コントローラは、状態７０に戻るためにリセットされる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】自動弁制御システムを示すブロック図である。
【図２】故障状態のない、停止位置にある本発明の流体弁の断面図である。
【図３】故障状態のない、作動位置にある本発明の流体弁の断面図である。
【図４】パイロット圧がオフされた後に作動位置で動かなくなった、本発明の流体弁の断面図である。
【図５】ポペットに漏れがある状態での、停止位置にある本発明の流体弁の断面図である。
【図６】故障した弁の状態の検出を示す決定マトリクスである。
【図７】本発明の好ましい方法を示す状態図である。
【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】
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【図７】
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