(57)【要約】  電気的に制御された圧力解放弁を制御するシステム及び方法は、バルブの位置を制御するためにソフト位置制御ループを使用することができる。圧力解放弁は、安定性を改善するために、バルブの操作範囲にわたって効果的な帯域を均一に分配するために、及び調整可能な初期モードを備えるために、改変されたオリフィス形状も含むことができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的に制御された圧力解放弁の圧力出力を制御する方法であって、
前記弁の目標位置を得るステップと、
前記弁の実際の位置を確定するステップと、
前記電気的に制御された圧力解放弁に適用されるべき力に応じたバルブ制御信号を発生させ、前記実際の位置から前記目標位置へ前記電気的に制御された圧力解放弁を動かすステップと、
前記電気的に制御された圧力解放弁が、流量入力に応じて圧力出力を与えるように、前記バルブ制御信号に応じて前記電気的に制御された圧力解放弁に前記力を付与するステップと、
を備えていることを特徴とする前記制御方法。
【請求項２】
前記バルブ制御信号に応じて付与された前記力が、前記電気的に制御された圧力解放弁のバネ力をシミュレートしていることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
前記バルブ制御信号に応じて付与された前記力が、前記電気的に制御された圧力解放弁のバネ力及び減衰力をシミュレートしていることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項４】
前記力に応じた前記バルブ制御信号が、前記力を付与しているアクチュエータの少なくとも１つのゲインを表している集合ゲイン値及び前記アクチュエータの駆動回路に基づいて発生させていることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項５】
前記電気的に制御された圧力解放弁が、少なくとも１つのバルブオリフィスを画定しているバルブシリンダーを備えており、バルブピストンが前記バルブオリフィスを開放するように前記シリンダー内に移動可能に配置されており、前記力が前記バルブピストンに適用されていることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項６】
前記バルブオリフィスは、オリフィス面積が与えられた作動点で面積に対して均一に変化するように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の制御方法。
【請求項７】
前記バルブオリフィスが、前記バルブピストンのストロークの初めに開く第１の半体部と、前記バルブピストンのストロークの終わりに開く第２の半体部とを備え、前記第１の半体部が前記第２の半体部よりも小さいオリフィス面積を備えていることを特徴とする請求項５に記載の制御方法。
【請求項８】
電気的に制御された圧力解放弁を制御するのに使用されるソフト位置制御装置であって、
前記電気的に制御された圧力解放弁のバルブピストンに適用されるべき力に応じてバルブ制御信号を発生させ、前記バルブピストンを実際の位置から目標位置へと移動させ、これにより前記電気的に制御された圧力解放弁が、流量入力に応じた所定の圧力出力を与えるように構成された回路を備えていることを特徴とするソフト位置制御装置
【請求項９】
前記電気的に制御された圧力解放弁に応じて付与された前記力が、前記電気的に制御された圧力解放弁内のバネ力をシミュレートしていることを特徴とする請求項８に記載のソフト位置制御装置。
【請求項１０】
前記バルブ制御信号に応じて付与された前記力が、前記電気的に制御された圧力解放弁内のバネ力及び減衰力をシミュレートしていることを特徴とする請求項８に記載のソフト位置制御装置。
【請求項１１】
前記力に応じた前記バルブ制御信号が、前記力を付与しているアクチュエータの少なくとも１つのゲインを表している集合ゲイン値及び前記アクチュエータの駆動回路に基づいて発生させていることを特徴とする請求項８に記載のソフト位置制御装置。
【請求項１２】
入力流体流れを受容し、出力圧力を与えるように構成された圧力解放弁と、
前記圧力解放弁のバルブピストンに力を付与することによって前記圧力解放弁を作動させるように構成されたアクチュエータと、
前記電気的に制御された圧力解放弁のバルブピストンに適用されるべき力に応じてバルブ制御信号を発生させ、前記バルブピストンを実際の位置から目標位置へと移動させ、これにより前記電気的に制御された圧力解放弁が、流量入力に応じた所定の圧力出力を与えるように構成されたソフト位置制御装置と、
を備えていることを特徴するバルブ制御システム。
【請求項１３】
前記圧力解放弁が、前記バルブピストンを受容するバルブシリンダーを備え、前記バルブシリンダーは、オリフィス面積が与えられた作動点で前記オリフィス面積に対して均一に変化するように形状付けられた少なくとも１つのバルブオリフィスを画定していることを特徴とする請求項１２に記載のバルブ制御システム。
【請求項１４】
前記バルブオリフィスが、前記バルブピストンのストロークの初めに開く第１の半体部と、前記バルブピストンのストロークの終わりに開く第２の半体部とを備え、前記第１の半体部が前記第２の半体部よりも小さいオリフィス面積を備えていることを特徴とする請求項１３に記載のバルブ制御システム。
【請求項１５】
前記バルブ制御システムに応じて付与された前記力が、前記制御された圧力解放弁内のバネ力をシミュレートしていることを特徴とする請求項１２に記載のバルブ制御システム。
【請求項１６】
前記バルブ制御信号に応じて付与された前記力が、前記制御された圧力解放弁内のバネ力及び減衰力をシミュレートしていることを特徴とする請求項１２に記載のバルブ制御システム。
【請求項１７】
前記アクチュエータが逆駆動できることを特徴とする請求項１２に記載のバルブ制御システム。
【請求項１８】
圧力に応じて移動するように構成されたバルブピストンと、
前記バルブピストンを受容しているバルブシリンダーであって、前記バルブシリンダーが少なくとも１つバルブオリフィスを画定し、前記バルブシリンダー内の前記バルブピストンの移動が前記バルブオリフィスを開閉し、前記バルブオリフィスが、オリフィス面積が与えられた作動点で前記オリフィス面積に対して均一に変化するように形成されているバルブシリンダーと、
前記ピストンが前記バルブオリフィスを閉じる閉鎖された位置へ前記ピストンを付勢するバネと、
を備えていることを特徴とする圧力解放弁。
【請求項１９】
前記バルブオリフィスが、前記バルブピストンのストロークの初めに開く第１の半体部と、前記バルブピストンのストロークの終わりに開く第２の半体部とを備え、前記第１の半体部が前記第２の半体部よりも小さいオリフィス面積を有し、前記第１の半体部のオリフィス面積が、第２の半体部のオリフィス面積より高い割合で変化していることを特徴とする請求項１８に記載の圧力解放弁。
【請求項２０】
命令に応じて前記バルブピストンに力を与えるように構成された逆駆動できるアクチュエータをさらに備えていることを特徴とする請求項１８に記載の圧力解放弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
この出願は、２００４年１１月３日に出願された同時係属の米国仮出願第６０／６２４，６３６号の利益を主張するものであり、当該仮出願は、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
この開示は、制御可能なバルブに関し、特に電気的に制御可能な圧力解放弁を制御するシステム及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
一般的に、圧力解放弁は、特定の圧力で開くように設計され、特定の制限を越えるとシステム内の圧力を妨げることができる。圧力解放弁は、広く多様な用途に使用されている。圧力解放弁は、例えば、油圧装置のような高い圧力環境で安全な操作を提供することを目的として使用されることができる。圧力解放弁は、プロセス、流量、又は運動にわたって制御を提供する目的のために、既知の圧力を確証するために使用されることもできる。圧力解放弁の用途の一例は、特許文献１に開示されたセミアクティブ衝撃緩衝制御システムのような衝撃緩衝装置への活用であり、特許文献１は参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気的に制御された圧力解放弁は、例えば、命令に応えるような電気的に制御されたアクチュエータを含む。電気的に制御された圧力解放弁の存在は、バルブの所望な出力圧力に基づいているバルブアクチュエータを電気的に制御することができる。電気的に制御された圧力解放弁が、安全性及び流量とほぼ無関係である既知の圧力のように性能優位性を備えている一方、不利な点もある。電気的に制御された圧力解放弁の存在は、不安定であり、とても長い応答時間を有している。不安定さの原因は、システム内の水圧のコンプライアンス、又は配管内を流れる流体の慣性のように他の油圧装置の構成要素と共にバルブの出力圧力の変化の相互作用である。不安定さを緩和するために、当業者は、バルブに対する命令を変化し、システムのコンプライアンス又は慣性を減少し、及び／又は大きな減衰量を付加することによって命令に対するステップ応答を減速することができる。
【０００５】
油圧装置において、制御を提供する他の提案は、水圧で圧力項と共に支援する以外に外部から回路によって制御された位置に基づいたバルブを利用することである。そのようなバルブは、位置の関数としてバルブオリフィスの幾何学を形成するための精密な機械加工された構成要素を含むことができる。実際は、これらのバルブは、精度の観点から高水準の制御を達成することができる。それらのバルブも高価であり、それらは多段であるので、任意の水準の性能で機能するための高圧力源を必要とする。
【特許文献１】米国特許第６，７３２，０３３号明細書
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
請求項に記載された主題の実施形態の特徴及び利点は、図を参照しながら、以下の詳細な説明で明らかになるであろう。ここで、類似の参照符号は類似の部材を示している。
【０００７】
以下の詳細な説明が説明に役立つ実施形態に関連して進められるけれども、それらの多くの代替案、改変、及び変形は、当業者に明白である。それに応じて、広く考えられた主題を意図している。
【０００８】
本発明における実施形態で示すように、電気制御バルブは、圧力解放及び圧力制御する用途に早い速度の性能を実現させることを可能にする。一般に、バルブ制御システム及びその方法は、電気的に制御された圧力解放弁の位置を制御するためのソフト位置制御ループを使用することができる。電気的に制御された圧力解放弁には、安定性を改良するためにバルブオリフィスをシェイピングすることによって調整可能な圧力項（pressure term）を組み込むこともでき、また、バルブオリフィスをシェイピングすることによってバルブ操作範囲に亘って効果的な帯域を均一に分配することも可能である。効果的な制御された圧力解放弁は、調整可能な初期モード又は故障モードを有することができ、それらはバルブが電力不足状態で望ましい操作特性で操作し続けることを可能にする。
【０００９】
図１及び図２によると、典型的な実施形態によれば、電気的に制御された圧力解放弁１００は、バルブ部１１０及びアクチュエータ部１２０を備えることができる。バルブ部１１０は、１つ又はそれ以上の可変オリフィス１１４及びピストン１１６を内蔵したシリンダー１１２を備えることができ、ピストン１１６は（複数の）オリフィス１１４の開口部を制御するためにシリンダー１１２内を移動することができる。バルブ１００は、（複数の）ピストン１１６がオリフィス１１４を覆うとき、閉鎖される位置にある（図１）。バルブ１００は、（複数の）オリフィス１１４の少なくとも１つの部分が開くようにピストン１１６がオリフィス１１４から移動するとき、開口位置にある（図２）。開口位置において、流体は（例えば、矢印１０の方向に沿って）バルブ部１１０に流れることができ、（例えば矢印１２の方向に沿って）バルブ部１１０から流れ出すことができる。オリフィス１１４に対するピストン１１６の位置は、バルブ部１１０を通じてオリフィス開口部及び流れを変える。バルブ１００は、それ故、入力流量に応じて出力圧力を与えることができる。
【００１０】
バルブ部１１０は、閉鎖される位置へピストン１１６を付勢するためにピストン１１６に対して力を付与するバネ１１８も備えることができる。ピストン１１６に対する流体の圧力は、ピストン１１６がオリフィス１１４を移動させ、開かせるバネの力を上回る力をもたらすことができる。ピストン１１６に力を付与する流体の圧力は、圧力項として本明細書中で言及されることができる。
【００１１】
アクチュエータ部１２０も、ピストン１１６に力を付与することができる。有利には、アクチュエータ部１２０は、例えば、高い衝撃の出来事の開始中に圧力項がバルブを押し開くことを可能とするために逆駆動され得る。アクチュエータ部１２０の一の実施形態は、ボイスコイル１２２、磁石１２４及び裏当の鉄片（back iron）１２６を備えるボイスコイル型線形アクチュエータである。裏当の鉄片１２６は、ピストン１１６に連結され、裏当の鉄片１２６の直線的な動きはピストン１１６の直線的な動きを引き起こしている。
【００１２】
アクチュエータ部１２０は、例えば、当業者に知られている駆動電子技術（図示せず）によって与えられる、電圧コマンドのような命令を用いて制御されることができる。アクチュエータ部１２０に対する電圧コマンドは、電流がコイル１２２を通じて流され、磁石１２４及び裏当の鉄片１２６に力を付与する磁場を形成している。それ故、異なった電圧コマンドは、バルブ１００内のピストン１１６に適用する異なった力の量に対応することができる。
【００１３】
一つの典型的なバルブが示されるけれども、当事者は、他の種類の圧力解放弁が使用されることができると認識することができる。典型的なアクチュエータがボイスコイル型の線形アクチュエータであるけれども、当事者は、他の種類のアクチュエータ技術が使用されることができると認識することができる。
【００１４】
バルブ制御システムは、ソフト位置制御ループを用いて電気的に制御された圧力解放弁１００を制御するために使用されることができる。ソフト位置制御ループは、電気的に制御された圧力解放弁１００の位置の閉ループフィードバック制御を備えることができる。ソフト位置制御ループは、所望の位置に（例えば、バルブピストン１１６）バルブ部１１０を移動するアクチュエータ部１２０によって適用される力を推定することによって、バルブの位置を制御することができる。ソフト位置制御ループは、電気的に制御された圧力解放弁１００にバネ項及び減衰項を加えることもできる。それ故に、ソフト位置制御ループは、正確な位置にバルブを直接動かすよりもむしろ、バルブの位置が（例えば、現在の位置、所望の位置、バネ定数及び減衰定数のように）外部入力に応じてバルブを動かすことを可能にする。それ故に、ソフト位置制御ループを使用するとき、電気的に制御された圧力解放弁１００は、それぞれ命令されたバルブの位置に多様な入力流量のいたるところで、再現可能な線形の圧力出力を生み出すことができる。
【００１５】
図３を参照すると、典型的なバルブ制御システム２００は、圧力解放弁２１０と、バルブ２１０を駆動し、作動させるための駆動電子機器及びアクチュエータ２２０と、駆動電子機器及びアクチュエータ２２０を使用してバルブ２１０を制御するためのソフト位置制御装置（soft position controller）２３０とを含むことができる。バルブ２１０は、入力作動流体流れ（input hydraulic fluid flow）２１２を受容し、（例えば、バルブオリフィスに対するバルブピストンの位置に）バルブの位置に基づいている出力流体圧力２１４を提供することができる。ソフト位置制御装置２３０は、目標のバルブ位置２３４と実際のバルブ位置２３６とに基づいて位置信号２３２を受信し、実際のバルブ位置から目標のバルブ位置にバルブ２１０を移動するための力に応じたバルブ制御信号２３８を発生させる。駆動電子機器及びアクチュエータ２２０は、バルブ制御信号２３８を受信し、バルブ２１０の目標のバルブ位置を実現すべきである力の出力２２２を生み出す。
【００１６】
それ故に、力の出力２２２は、目標のバルブ位置に向けてバルブ２１０を動かすための（例えば、バルブピストンに）バルブ２１０に適用されることができる。バルブ制御信号２３８に応じて付与された力の出力２２２は、バルブのバネ力、及び／又は減衰力をシミュレートすることができる。バネ力及び減衰力をシミュレートするために、ソフト位置制御ループ内の比例フィードバック項はバネ項及び減衰項を組み込むことができる。
【００１７】
ソフト位置制御ループ内の比例フィードバック項は、機械バネに類似して機能しているので、バルブ位置の誤差に比例する制御出力に応じて線形のアクチュエータによって発生した力は、バネに類似している機械的な効果を有している。機械バネの式は、以下のように示すことができる。
【００１８】
【数１】
2008519220.tif 000003
【００１９】
ここで、Ｆは力出力であり、Ｋはバネ定数であり、Ｘ０は静止状態の位置であり、Ｘは現在の位置である。
【００２０】
同様に、比例項を含むソフト位置ループのための式は、以下のように示すことができる。
【００２１】
【数２】
2008519220.tif 000004
【００２２】
Ｘは、力出力であり、Ｋｐは集合ゲインであり、Ｘｔａｒｇｅｔは目標のバルブ位置であり、Ｘは実際のバルブ位置である。集合ゲインＫｐは、アクチュエータのゲイン、アクチュエータ駆動回路及びフィードバックループの定数を含むことができる。当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、様々な制約及び設計目標に基づいてＫｐを確定し、決定することができる。一の実施形態において、Ｋｐは、システムを不安定にするほど高くされないかもしれないが、Ｋｐは、大流量の流れにさらされるとき、十分な圧力低下が、この圧力低下によって生じた力に抗してバルブの力によって発生されるように、十分高くすべきである。Ｋｐは、バルブを開け、バルブのいたる所で圧力低下を減少させることが可能であるほど十分大きく決定されることができる。減衰成分の式は以下のように示される。
【００２３】
【数３】
2008519220.tif 000005
【００２４】
Ｆｄａｍｐは減衰項によって生み出された力であり、Ｋｄは調整可能な減衰定数であり、νは移動しているバルブの速度である。減衰力Ｆｄａｍｐは、アクチュエータの力定数、アクチュエータを通じて電流を駆動させる増幅器の電流ゲイン及びその他の構成要素のゲインを含むシステムの構成要素のゲインを含むことができる。
【００２５】
ソフト位置制御装置２３０は、任意の回路又は回路の構成要素を実装得することができ、統合された回路を含み、本明細書内で述べられているような機能を果たすために構成されることができる。本明細書での任意の実施形態で使用される「回路」及び「回路の構成要素」は、例えば、１つずつ又は複数の組み合わせ、配線で接続された回路の構成要素、プログラム可能な回路の構成要素、状態機械回路の構成要素、及び／又はプログラム可能な回路の構成要素によって実行された指示を蓄えているファームウェアを含むことができる。本明細書での任意の実施形態で使用される「統合された回路」は、例えば、回路チップに統合された半導体素子のような半導体素子及び／又はマイクロ電子デバイスの形状で回路又は回路の構成要素を備えることができる。当業者は、本明細書で述べられた機能を実現するために構成又はプログラミングされたハードウェア、ソフトウェア及び配線の組み合わせを含むソフト位置制御装置２３０の様々な実施形態を認識するだろう。
【００２６】
この方法でバルブの位置を制御することによって、典型的なバルブ制御システム２００は、電気的に制御された圧力解放弁の設計者及び使用者のためにいくつかの問題に取り掛かることができる。典型的なバルブ制御システム２００は、バルブの機械的バネとともに並行してバネを効果的に加えている。この並行バネは、バルブシステムの効果的な大域を増加し、設計者が（図４に示す）流れと圧力の関係で一定の命令曲線を生じる傾斜を調整することを可能にする。設計者が集合ゲインＫｐを増加したり又は減少したりすることによって傾斜を調整することができる。集合ゲインＫｐが増加された場合、効果的な並行バネ定数は増加し、それ故に、流れと圧力の関係の傾斜が増加し、圧力が与えられた流れのためにより高くなる。
【００２７】
減衰項（damping term）はバルブへの電気的フィードバックにおいて使用され、以下に詳細を記述する初期／故障モードのような任意の他のシステム制約について、必要最低限にバルブの固有の流体減衰を低減することができる。減衰項は、バルブを安定するための機械的減衰の必要性において減少を可能にすることができる。これは、効果的な帯域を増加させることができ、操作状態の広い範囲にわたって一致した減衰係数を設けることができる。他のシステムの抑制が無ければ、設計者は絶対最小値にバルブ構成要素の液体減衰を減少することができる。電気フィードバックループは、そのとき、一定以上のシステムの温度であり、位置と圧力を操作する減衰項を再導入することができる。それ故に、バルブのステップ応答は、温度のように操作するパラメーターを変更することで、より一致することができ、それによってバルブの液体減衰を慎重に制御するための必要性を最小化する又は取り除くことができる。これは、設計者が安定し、あまりにも動きの悪くない役立つ最適な性能を発見することを可能にすることができる。
【００２８】
ソフト位置制御ループは、システムの設計者が直接圧力をするために圧力フィードバックをしようすることを避けることも可能である。直接圧力フィードバックは、コンプライアンス及び慣性の全体的なシステムの水理パラメーターがシステムからシステムへと著しく変化するので、無効である可能性がある。また、それらの水理パラメーター（コンプライアンスまたは慣性）のいずれかに対してより大きな値で、出力圧力上で影響が現れるまでには、命令からバルブへの実質的な位相のずれを生じる。圧力解放弁がシステムの水力学に相互に作用し、振動し始めるので、そのために圧力ループは、実際の圧力で位相のずれに起因して振動が成長することを効果的に減衰することはできない。対照的に、ソフト位置ループは発振を効果的に減衰することができる。なぜなら発振の影響はバルブの位置によって計測されるので、位相のずれを全く有していないからである。そのために、バルブによって出力圧力を間接的に制御するためのソフト位置ループによって、バルブの使用者は様々なシステムにバルブを設置でき、満足な帯域を有し、適用に装置を調整しないで減衰することができる。
【００２９】
（図１に示す）典型的な電気的制御された圧力解放弁１００は、調整可能な圧力項に調整された形状を有する１つ又は複数のバルブオリフィス１１４も備えることができる。圧力は圧力解放弁と交わるように成長した圧力は、流れが増加するにつれてバルブをより開かせ、流れが減少するにつれてバルブを閉じることが可能である。静的な観点において、これは、圧力解放弁の操作原理である。時間領域において、この操作特性は、電気的に制御された圧力解放弁の高いバンド体の操作を可能にする。特定の緩衝装置の適用では、例えば、衝撃入力は、高周波数のコンテンツ（content）を有することを考慮された時間領域特性を有している。そのような適用では、電気的に制御された圧力解放弁が高い衝撃の出来事間に追加された帯域を有していることを有利にしている。これはシステムを巨大な衝撃入力に積極的に反応することを可能にする一方、作動状態の剰余の至るところに安定して留めている。
【００３０】
上記で述べたように、圧力解放弁１００内の（複数の）バルブオリフィス１１４は、流れが増加するにすれて、次第に開く。これは、バルブ１００と交わっている圧力を一定に留める又は流れと共に僅かに増加することを可能にしている。バルブ１００にわたっている圧力は、位置変化に伴って変化する場合があるが、流れが比較的一定であるならば、バルブ１００は、バルブ１００に対する電気的な命令の変化によって静的作動点から物理的に変位を生じさせる。バルブ１００が開く方に向かってより移動する場合、圧力項は減少させ、バルブ１００が開いている間にバルブ１００が一般的にもかかわらず、バネ１１８は復元力を提供し続けることができる。この残留復元力は、閉じようとする方へバルブ１００（例えば、ピストン１１６）を押している。同様に、バルブ１００が閉じる方へ移動する場合、圧力項は増加し、開く方へバルブ１００を押し戻すのに役立つ。結果として、圧力項は、バルブ１００内の機械バネ１１８と共に並行な他のバネがあるようにみえることができ、バネ定数（spring rate）は、電気的なソフト位置制御ループに結合される。十分な減衰なしで、高い流量状態下で、この追加された電気的な水圧のバネは、圧力解放弁の不安定な動作を引き起こし、帯域を制限することができる。
【００３１】
上述のソフト位置制御ループは、この効果的な水圧のバネを緩和するために使用されることができる。さらに効果的な水圧のバネを緩和し、システム性能の利点に効果的な水圧のバネを働かせるために、バルブ１００内のオリフィス１１４は、安定性を増加するために修正し、帯域を改良させることができ、以下により詳細を記述する。
【００３２】
上述のバルブ１００と交わっている圧力は、（例えば、バルブピストン１１６）バルブ１００が閉じる方又は開く方へ移動するとき、与えられた流れで増加している又は減少している。バルブ１００の効果的な面積によって増加された移動距離にわたって、圧力の変化割合は流れと位置で効果的な水圧のバネ定数を生み出す。流れがゼロに近づくにつれ、効果的な水圧のバネ定数は作動点とバルブの形状にもかかわらずゼロに近づいている。流れが増加するにつれ、効果的な水圧のバネ定数は増加し、圧力項はバルブ１００にわたって圧力低下に応じて増加する。
【００３３】
流体が、流れの機能を増加している効果的な水圧のバネを形成するので、オリフィス形状は、効果的な水圧のバネ定数に影響している。固定されたオリフィスの大きさによって、オリフィスにわたって圧力低下は流れの二次式である。増加された流れに応じて増加するオリフィスの大きさによって、特定の数の関係がより複雑になる。一般的に、バルブ位置（Ｘ）の機能としてオリフィスの面積（Ａ）をゆっくりと変化させると、圧力において小さな変化をもたらし、オリフィスの面積（Ａ）をすばやく変化させると、圧力において大きな変化をもたらす。オリフィスの面積が変化する割合は、作動点での実際のオリフィスの大きさに対して測定される。その地点で位置に対する面積の微分（ｄＡ／ｄｘ）を実際の面積（Ａ）で割ったものは、以下の方程式で表されたように、オリフィスの変化割合の最善の測定点である。
【００３４】
【数４】
2008519220.tif 000006
【００３５】
作動点は、バルブ１００に対する流れの式及び命令であり、それ故に、実用的な問題にとって、バルブ１００は与えられた流れに対する狭い範囲で操作することができる。
【００３６】
オリフィスが（例えば、形状が円のように）ドリルで開けた穴である場合、オリフィスは最初に素早く開けられ、その行程の中盤の間中の面積増加において比較的線形であり、その後、面積はもはや増加しなくなる。オリフィスが素早く開いている範囲は、不安定な方へ圧力解放弁を押し上げることができる重大な範囲である。そのような短い作動量における面積での急激な増加と共に、効果的な水圧のバネ定数の変化は、重要である。ソフト位置ループの場合の機械的バネ及び電気的バネを加えた効果的な水圧のバネは、発振及び不安定さの点で、円形オリフィスを有しているバルブの効果的な帯域を増加させることができる。
【００３７】
図４から図１０を参照すると、調整可能な圧力項とバルブオリフィスの変更は、電気的に制御された圧力解放弁の操作特性に関してさらに示している。図４は、電気的に制御された圧力解放弁を備えた油圧装置におけるピストンの速度と力の出力との関係を示しており、その油圧装置は、本発明の一の実施形態を備え、水圧ラムでピストンにかかる圧力差を制御している。ピストンによる力は、水圧ラムにおけるピストンの力を表しており、圧力に関係している。ピストンの速度は、水圧ラムにおけるピストンの速度を表しており、圧力に関係している。電圧コマンドは、このプロットにおけるライン３０２の各々の間に変化している。システムは、流れの広い範囲に電圧コマンドの関数としてピストンにかかるうまく制御され、理解された圧力差を提供する。
【００３８】
図５から図８は、バルブ内のピストンの位置を変化させる間に一連の一定の流れを送る圧力解放弁の作動特性を図示している。図５は、バルブを通じて与えられた一定の流れ（例えば、速度）におけるバルブ位置の関数としてそれまでのオリフィス形状を有している圧力解放弁にわたって効果的な力の出力を示している。ライン３１０は、バルブピストンの面積で機能しているバルブにわたって圧力低下に起因してバルブ上に水圧力を表している。ライン３１２は、同一のバルブ上のバネ力を示し、位置だけの関数であり、バルブを通じて任意の流れる割合を変化させない。ライン３１４は、２つの力の合計を示し、効果的なバネ定数を組み合わせ、作動状態の任意の組み合わせにおけるバルブの効果的な帯域を決定する。ライン３１４がＸ軸と交差する地点は、過渡状態が沈降した後の静的な作動点である。
【００３９】
図６は、一定の流量又は速度のラインに沿って、従来のオリフィス形状を有している圧力解放弁の共振周波数を示している。大きな傾斜は操作範囲にわたって変化し、流れは広範囲に変化している帯域と共にシステムを形成している。それゆえ、システムは大流量で閉鎖されるとき早い応答を有することができる。しかし、いったんバルブが十分に開くと、単純な質量のバネ共振周波数に復帰する。
【００４０】
帯域は、複数の方法でバルブ１００の作動範囲にわたってより均一に分配されることができる。水圧の減衰は、バルブに加えることができる。しかしながら、これはステップ応答時間を増加させる。この種の制御は、バルブを安定させるために追加の電源を使用し、電源が投入されていない状態でバルブの作動には役立っていないけれども、上記のソフト位置制御ループは、帯域を改善するためにも使用され得る。
【００４１】
一の実施形態によれば、改変されたオリフィス形状を有する圧力解放弁は、作動点で面積に対して均一に変化するオリフィス面積を設けていることによって、操作範囲にわたって帯域をより均一に分配するのに向いている。オリフィス形状は、オリフィス面積が各作動点で面積に対する割合における変位を増加しているようであり、効果的な水圧のバネ定数は、バルブの操作面積全体に均一に広がることができる。基本的に、いくつかの操作面積の帯域は急上昇させる一方、その他の操作面積の帯域が低下させる。それゆえ、効果的な水圧のバネ定数は、もはや、開き始めにとても大きくなり、オリフィス面積がバルブ位置と共に増加するにつれ、減少する望ましくない特性を有することはない。従って、与えられた流速で、バルブの効果的な帯域の最悪事態は改善されることができる。
【００４２】
図７は、上述のような改変された形状と共にバルブオリフィスを有している圧力解放弁の効果的な力の出力を示している。オリフィス形状の改変は、図５と比較して、より広いバルブ位置の操作範囲の全体を覆って利用できる水圧の帯域を効果的に広げている。図８は、上述したように、改変された形状と共にオリフィスを有しているバルブの効果的な共振周波数のプロットを示している。効果的な共振周波数は、位置を操作するより広い範囲より高く、たくさんのより低い値で最大値に到達している。それ故に、バルブは、図６に表されたバルブと比較して、作動範囲にわたってより利用可能な帯域を有している。
【００４３】
従って、圧力項を利用し、オリフィス形状を改変することによって、圧力解放弁の帯域は、増加でき、安定性に対する妥協なしで高い性能を与えることに制限する。
【００４４】
典型的な電気的に制御された圧力解放弁１００は、調整可能な初期／故障モードを提供する改変されたオリフィス形状も含むことができる。多くの用途（例えば、ショックアブソーバの用途）では、電源が遮断された場合、故障が発生した場合、又は（例えば、車両が牽引されている場合のように）電源が全く印加されない場合に、効果的ではあるが制限された性能を発揮することが要請されている。そのような用途では、圧力解放弁が反復可能で正当な動作を有していることは好ましく、ミッションが続けられ、ジョブが完全であり、操作が減少された性能の水準として機能することができる。初期／故障モードと共に典型的な電気的に制御された圧力解放弁１００を備えているため、バルブオリフィス１１４は、帯域がバルブの操作領域にわたって効果的な比較的平らであるように形成される。この同一なオリフィス形状は、上述されたように、不安定さを引き起こす任意の過剰な高い帯域領域の存在を妨げることができる。機械的減衰は、それ故、追加された電気的な減衰の利点なしで振動を避けるためにやはり十分であるポイントに減少されることができる。
【００４５】
一連のインピーダンスは、圧力―流量特性においていくつかの線形性を提供するために導入されることもできる。名目上、相対的にソフトバネ（soft spring）ではなく大きいバネ予圧を備えた圧力解放弁は、流量の範囲にわたって平らな圧力の出力を有している。いくつかの圧力の出力特性の傾斜を備えるために、メインバルブと直列に配置された水圧の絞りは、与えられた流量の増加している圧力を有しうる。この圧力の出力特性の傾斜は、より小さい制限と共に増加することができる。したがって、当業者は、電気的に制御しない典型的な受動バルブの初期操作状態この一連のインピーダンスと共に圧力の出力特性を調整することができる。
【００４６】
電気的に制御された圧力解放弁の典型的な実施形態は、それ故に、従来の位置制御されたバルブの重大な欠点を克服することができる。流量と流れの間にせいぜい２次式の関係を有する従来のバルブにおいて、力が低流動性でとても小さく、高流動性でとても急速に増加するので、バルブを電源が無い状態において、効果的でるように調整することは困難である。
【００４７】
図９及び図１０は、ピストンの速度と初期／故障モードを有している圧力解放弁を含む油圧装置における水圧ラムの力の出力との間の関係を示している。ピストン速度及び水圧ラムの力の出力は、電気的に制御された圧力解放弁における流量の入力と圧力の出力とに一般的に対応している。曲線３２０は、電気的に制御された圧力解放弁の電源が無い初期特性を表している。この特性は、受動的な衝撃緩衝の減衰曲線の特性に類似している。曲線３２２は、標準的な、又は従来の電源が無い位置バルブの流量の入力と圧力の出力との間の入力従来の２次式の関係を表している。標準的な、又は従来の電源が無い位置バルブ通じて（例えば、ピストンの低速度のような）低流動性で、力は、無視してよく、減衰の性能を車両の適正な制御を備えるのにあまりにも柔軟にさせている。標準的な、又は従来の電源が無い位置バルブを通じて（例えば、ピストンの高速度のような）高流動性で、力は、大きい衝撃は全くフィルターにかかっていない点に対してあまりにも高く、大きい衝撃のためにとても硬い感覚に帰着する。
【００４８】
初期モードを備えた電気的に制御された圧力解放弁の典型的な実施形態では、（例えば、電子機器が作動し、性能を明確にするような）命令は、ほとんどの部分に関して、電源が無い状態から大きな差よりもむしろ初期状態から逸脱だけである。これは、装置によって要求される平均的な電力を減少させるのに役立ち、それによって、オーバーヒートすること及び全体のエネルギー消費を避けることができる。上述したように調整可能な圧力項は、（電源が投入されていない）初期モードで十分な減衰を与え、「初期モードの流量―圧力曲線」をできるだけ公称目標曲線の中心の近くに配置することによって、必要とされる平均電力を低減するために使用される。
【００４９】
図１０は、本発明の一の実施形態と一致している初期モードを有している電気的に制御された圧力解放弁において変化させる電圧コマンドを示している。このプロットにおいて、ライン３３０は、電気的に制御された圧力解放弁の電源が無い状態を表している。他の全てのラインは、電源が無い状態からの摂動を表している。電源が無い状態のライン３３０が代替の受動システムの性能に近くなるように調整されるので、ソフト位置制御装置は、その中心線に対して性能を絞り込むように入力を与えることができる。残っているライン３３２は、システムの可能な性能範囲を表し、それ故に電源が無い状態のライン３３０から要求された逸脱の限界を示している。
【００５０】
図１１は、オリフィス１１４ａを有しているバルブシリンダー１１２ａの一の実施形態を示しており、このオリフィスはオリフィス形状を有し、安定性を改善し、バルブの操作範囲にわたって効果的な帯域を分配することができる。この図示されたオリフィス形状は調整可能な初期モード、又は故障モードを備えることもできる。この図示されたオリフィス１１４ａは、バルブが開くときストロークの初めにより小さなオリフィス面積を有する第１の半体部４０２と、ストロークの終わりにより大きいオリフィス面積を有する第２の半体部４０４を含む。このオリフィス１１４ａの第１の半体部４０２が、凸面側４０６を備えている。典型的なバルブオリフィス１１４ａの改変された形状も、（圧力の大きい変化に起因する）第１の半体部４０２におけるオリフィス面積を急速に変化させることを備え、（圧力の小さい変化に起因する）第２の半体部４０４におけるオリフィス面積をゆっくり変化させることを備えている。
【００５１】
バルブシリンダー１１２ａは、シリンダー１１２ａの周囲の周りに空間をあけられた改変された形状と共に１つ又はそれ以上のオリフィス１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃを含むことができる。一の実施形態において、オリフィス１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃは、ワイヤＥＭＤ（電気放電機械加工）工程によって形成される。代替として、オリフィス１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃは、所望の形状に形成するための一連のドリルによって開けられた穴によって形成される。
【００５２】
一の形状が示されるけれども、当業者は、明細書に書かれた構想が帯域を改善するために、安定性を改善するために、及び／又は初期／故障モードを備えるために、他の形状を設計するために使用され得ると認識するだろう。異なった形状を設計するために、当業者は、結果的に生じる疑似の静的流量対目標位置及び目標安定性を測定することができ、満足される所望な安定性と流量の範囲を修正することができる。それに応じて、電気的に制御された圧力解放弁内の改変されたオリフィス形状、及び／又はバルブの位置合わせを制御するためのソフト制御ループの使用は、バルブの性能を改善する。
【００５３】
一の実施形態と一致するように、方法は、電気的に制御された圧力解放弁の出力圧力を制御するために設けられる。その方法は、バルブの目標位置を得ること、バルブの実際の位置を決定すること、実際の位置から目標位置へバルブが移動するためのバルブに適用されるべき力に応じたバルブ制御信号を発生させること、及び電気的に制御された圧力解放弁が流量入力に応じて明確な圧力の出力を備えているようなバルブ制御信号に応じて電気的に制御された圧力解放弁に力を付与することを含むことができる。
【００５４】
他の実施形態と一致するように、ソフト位置制御装置は、電気的に制御された圧力解放弁を制御で用いるために備えられている。ソフト位置制御装置は、電気的に制御された圧力解放弁が流量入力に応じて明確な圧力出力を備えるように実際の位置から目標位置へバルブピストンを移動するために電気的に制御された圧力解放弁のバルブピストンに適用させるための力を示すバルブ制御信号を発生させるために構成された回路を含むことができる。
【００５５】
さらに実施形態と一致するように、バルブ制御システムは、圧力解放弁を含むことができ、この圧力解放弁が、入力流体流れ及び与えられた出力圧力を受容するために構成され、アクチュエータは、圧力解放弁のバルブピストンに力を付与することによって圧力解放弁を作動させるために構成され、ソフト位置制御装置は圧力開放弁が流量入力に応じて明確な圧力出力を備えるように実際の位置からも目標位置へバルブ制御信号を発生させるために構成される。
【００５６】
まだ他の実施形態と一致するように、圧力解放弁はバルブピストンを受容する圧力及びバルブシリンダーに応じて移動するために構成されたバルブピストンを含む。バルブシリンダーは、少なくとも１つのバルブオリフィスを画定し、バルブシリンダー内のバルブピストンの移動はバルブオリフィスを開閉する。オリフィス面積のように形成されているバルブオリフィスは、与えられた作動点でオリフィス面積に対して均一に変化する。圧力解放弁は、ピストンがバルブオリフィスを閉じる閉じた位置へピストンを付勢するバネをも備えることができる。
【００５７】
明細書内で使用された項及び数式は、説明の項目として使用され、限定するものではない。そのような項及び数式を使用する際、示された、及び描かれた（又はそれ自身の部分）特徴の同等のものを排除することを意図していない。様々な修正が可能であることを認識させる。例えば、典型的な回路は、明細書内に描かれた機能性を備えた異なった方法で使用される。他の修正、多様性、及び代替案も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一の実施形態を示す閉鎖位置における電気的に制御された圧力解放弁の断面図である。
【図２】本発明の一の実施形態を示す開いた位置における電気的に制御された圧力解放弁の断面図である。
【図３】本発明の一の実施形態を示すバルブ制御システムの機能的ブロックダイアグラムである。
【図４】電気的に制御された圧力解放弁が水圧ラムのピストンにわたって圧力差を制御する油圧装置における水圧ラムのピストン速度と力の出力との間の関係を図示したグラフである。
【図５】与えられた一定の流量又は速度によりバルブ位置の関数として圧力解放弁にわたって効果的な力の出力を図示したグラフである。
【図６】与えられた一定の流量又は速度によりバルブ位置の関数として圧力解放弁の共振周波数を図示したグラフである。
【図７】本発明の一の実施形態と一致するように、与えられた一定の流量又は速度によりバルブ位置の関数として改変されたオリフィスを有する圧力解放弁上の力を図示したグラフである。
【図８】本発明の一の実施形態と一致するように、与えられた一定の流量又は速度によりバルブ位置の関数として改変されたオリフィスを有する圧力解放弁の共振周波数を示したグラフである。
【図９】電源が無い状態で油圧装置内の水圧ラムのピストンの速度と出力されたピストンの力との間の関係を示したグラフである。
【図１０】システム内の電気的に制御された圧力解放弁に印加された異なった一定の電圧により油圧装置内の水圧ラムのピストン速度と出力されたピストンの力との間の関係を示したグラフである。
【図１１】本発明の一の実施形態と一致するように改変された形状を有するバルブオリフィスを含むバルブシリンダーの側面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０  矢印
１２  矢印
１００  圧力解放弁
１１０  バルブ部
１１２  シリンダー
１１２ａ  バルブシリンダー
１１４  可変オリフィス
１１４ａ  オリフィス
１１４ｂ  オリフィス
１１４ｃ  オリフィス
１１６  ピストン
１１８  バネ
１２０  アクチュエータ部
１２２  ボイスコイル
１２４  磁石
１２６  裏当の鉄片
２００  バルブ制御システム
２１０  バルブ
２１２  入力作動流体流れ
２１４  出力流体圧力
２２０  駆動電子回路及びアクチュエータ
２２２  力出力
２３０  ソフト位置制御装置
２３２  位置信号
２３４  目標バルブ位置
２３６  現在のバルブ位置
２３８  バルブ制御信号
３０２  ライン
３１０  ライン
３１２  ライン
３１４  ライン
３２０  曲線
３２２  曲線
３３０  ゼロパワーライン
３３２  ライン
４０２  第１の半体部
４０４  第２の半体部
４０６  凸面側
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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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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【図８】
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【国際調査報告】
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