| 【発明の名称】 |
スプール型方向切換弁 |
| 【発明者】 |
【氏名】大平 修司
【氏名】一柳 健
【氏名】落合 正巳
【氏名】大科 守雄
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| 【要約】 |
【課題】スプールが駆動するときに流体力の影響を受けず、精度の良い位置決めが可能であり、かつ応答速度が速く、コンパクトな構造のスプール型方向切換弁とする。
【解決手段】方向切換用スプール２の内部に制御スプール１０を内蔵し、スプール２の圧力室Ｖａ側の端部を開放し、圧力室Ｖｂ側の端部を閉じ、内部に圧力室Ｖｃを形成する。スプール２に第１〜第４ポート２１〜２４を形成し、スプール２及び制御層プール１０に第１〜第３切換溝２１ａ，１２ａ，１２ｂ及び連通穴１１ａ，１１ｂを形成し、これらポート及び切換溝により制御スプール１０が圧力室Ｖｂに向けて移動するとポンプポート１ｐを圧力室Ｖａに連通させかつタンクポート１ｔ２を圧力室Ｖｂに連通させ、制御スプール１０が圧力室Ｖａに向けて移動するとポンプポート１ｐを圧力室Ｖｂに連通させかつタンクポート１ｔ１を圧力室Ｖａに連通させる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】方向切換用スプールの周囲に１つのポンプポート、２つのアクチュエータポート及び２つのタンクポートを設け、方向切換用スプールの両端部に位置する第１及び第２圧力室の圧力を変化させることにより方向切換用スプールを動作させ、前記ポート間の連通・遮断を切り換えて流体を流す方向を選択しかつ流量を連続的に調整するスプール型方向切換弁において、前記方向切換用スプールの内部に配置された制御スプールと、この制御スプールを駆動してその位置を調整する電気的操作手段と、前記制御スプールが前記方向切換用スプールに対して中立位置にあるときは前記第１及び第２圧力室を前記ポンプポート及びタンクポートから分離独立させ、前記制御スプールが前記中立位置から前記第２圧力室に向けて移動すると前記ポンプポートを前記第１圧力室に連通させかつ前記２つのタンクポートの一方を前記第２圧力室に連通させ、前記制御スプールが前記中立位置から前記第１圧力室に向けて移動すると前記ポンプポートを前記第２圧力室に連通させかつ前記２つのタンクポートの他方を前記第１圧力室に連通させる連通切換手段とを備えることを特徴とするスプール型方向切換弁。
【請求項２】請求項１記載のスプール型方向切換弁において、前記制御スプールは前記方向切換用スプールの内部に設けられた軸方向ボア内に挿入され、この軸方向ボアの第１圧力室側の端部を開放し前記制御スプールの対応する端部を第１圧力室に臨ませると共に、前記軸方向ボアの第２圧力室側の端部を閉じ前記制御スプールの対応する端部が面する第３圧力室を形成し、前記制御スプールの内部に前記第１圧力室と前記第３圧力室とを連通する内部通路を形成したことを特徴とするスプール型方向切換弁。
【請求項３】請求項２記載のスプール型方向切換弁において、前記連通切換手段は、前記方向切換用スプールにそれぞれ形成され、前記ポンプポートに連通する第１ポート、前記２つのタンクポートにそれぞれ連通する第２、第３ポート、前記第２圧力室に連通する第４ポートと、前記方向切換用スプールの内周及び前記制御スプールの外周に設けられ、制御スプールが前記中立位置にあるときは前記第１〜第４ポートを互いに分離独立させ、制御スプールが前記第２圧力室に向けて移動すると前記制御スプールの内部通路を介して第１ポートを前記第１及び第３圧力室に連通させかつ第２、第３ポートの一方を第４ポートに連通させ、制御スプールが前記第１圧力室に向けて移動すると第１ポートを第４ポートに連通させかつ第２、第３ポートの他方を前記制御スプールの内部通路を介して前記第１及び第３圧力室に連通させる切換溝とを有することを特徴とするスプール型方向切換弁。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項記載のスプール型方向切換弁において、前記電気的操作手段は、比例ソレノイドと、前記制御スプールの端部に設けられ、前記比例ソレノイドの力にバランスする弾性体とを有することを特徴とするスプール型方向切換弁。
【請求項５】請求項１〜３のいずれか１項記載のスプール型方向切換弁において、前記電気的操作手段は、電動モータと、この電動モータの出力軸の回転を前記制御スプールの直線移動に変換する機構とを有することを特徴とするスプール型方向切換弁。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は油空圧システムに用いるスプール型方向切換弁に係わり、特に電気的操作手段を作動させて方向切換用スプールの端部の圧力を変化させスプールを移動させることで流体の流量及び出力方向を切り換えるスプール型方向切換弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】電気的操作手段を作動させて方向切換用スプールの端部の圧力を変化させスプールを移動させるスプール型方向切換弁の代表例として電磁弁駆動方式のスプール型方向切換弁がある。図９に従来の電磁弁駆動方式のスプール型方向切換弁の一例を示す。
【０００３】図９において、スプール型方向切換弁２００のハウジング２０１にはメインの油圧ポンプに接続されるポンプポートＰ、タンクに接続されるタンクポートＴ１，Ｔ２、アクチュエータに接続されるアクチュエータポートＣ１，Ｃ２が設けられ、これらポートの連通・遮断の切り換えがスプール２０２によって行われる。このスプール２０２はスプール両端部に設けられた圧力室Ａ，Ｂに電磁弁２３０ａ，２３０ｂよりパイロット圧力を導くことで動作させる。圧力室Ａ，Ｂはハウジング２０１に取り付けられたフランジ２６１，２６２内に形成されている。
【０００４】また、スプール２０２の位置決めを行うためのバネ２０７及びバネ座２０５，２０６がボルト２０８によってスプール２０２の一端に固定され、かつこれら部品はフランジ２６２内に収納されている。
【０００５】スプール２０２は電磁弁２３０ａ，２３０ｂより圧力室Ａ，Ｂに導かれるパイロット圧力に応じて左右に移動し、スプール位置決め用バネ２０７と釣り合ったところで位置が決まり、停止する。このときポンプポートＰはアクチュエータポートＣ１或いはＣ２のいずれかにつながり、ポンプポートＰからアクチュエータポートＣ１或いはＣ２にスプール２０２の位置に応じた流量が供給される。
【０００６】電磁弁２３０ａ，２３０ｂはホース２３１ａ，２３１ｂを介してフランジ２６１，２６２にそれぞれ接続され、また電磁弁２３０ａ，２３０ｂはホース２３２を介してパイロット用ポンプ２３３に、ホース２３４を介してタンク２３５にそれぞれ接続されている。電磁弁２３０ａ，２３０ｂはコントローラ２６０からの電流信号によって動作する。例えばスプール２０２を左側に動かしたいときは指令電流２５１ａだけを出力することで電磁弁２３０ａが開き、圧力室Ａの圧力が上昇しスプール２０２が動く。
【０００７】コントローラ２６０には指令手段からの操作レバーの角度信号（操作信号）２５０が入力され、所定の演算処理を行い、電磁弁２３０ａ，２３０ｂのいずれか一方に電流信号を出力する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】図９に示した従来のスプール型方向切換弁には以下の問題がある。
【０００９】第１の問題は、スプール２０２は左右の圧力室Ａ，Ｂの差圧によって動くが、流体力、或いは摩擦力のためにスプール開度に誤差を生じることである。
【００１０】本来スプール２０２は圧力室に作用する圧力とスプール断面積の積によって生じる推進力で移動しバネ２０７の変形と釣り合うところで静止するため、その特性は直線的になる。このためＰポートとＣ１あるいはＣ２ポートとの開口面積も圧力により一義的に決まり、その結果アクチュエータへの流量を電磁弁への指令値で制御することが可能となる。
【００１１】しかしながら例えばスプール２０２左側に移動したとするとＰポートからＣ１ポートへ流体が流れ込み、その流速等によってＣ１ポート付近のスプールに作用する圧力が低下する。これによりスプール２０２は押し戻される方向に力を受け、実際の移動量は指令値よりも小さくなる。この流体力は流速によって大きく変化するため指令値が一定であっても、アクチュエータの負荷によってスプール移動量は変化する。この結果、指令値とスプール移動量が一義的に決まることはあり得ない。
【００１２】電磁弁を使った方向切換弁で流体力に影響されずに精度良く流量を制御するためには、各アクチュエータの動きをセンシングするか、スプールのストロークをセンシングしなければならない。アクチュエータのセンシングは方向切換弁のシステムを越えた方法であり、例えば油圧ショベル、工作機械、ロボット等多くのターゲットによってシステムを作り直さなければならない。またストロークセンサは高圧の流体の中に入れる使用環境の問題や、スプールエンドに取り付けた場合の受圧面積の変化などの問題がある。
【００１３】スプール２０２をボールねじで連結し、ステッピングモータやサーボモータで駆動する方法も考えられるが、スプールに働く流体力が大きいので、大トルクのモータではコストが高くなる。
【００１４】第２の課題は方向切換用スプール２０２の応答が遅いことでる。応答が遅い理由は電磁弁自体の構造とシステムに起因する。
【００１５】電磁弁は圧力フィードバックを行っているため、出力された作動油の圧が高くなるとソレノイドは開度を絞り、流量を出さなくなる。圧力室に作用する圧が目標値に近いときは流量が絞られる。電磁弁が開いた直後は流量が流れるが、圧力が上がらない。
【００１６】また電磁弁から圧力室のホース配管２３１ａ，２３１ｂにも課題がある。長いホース配管では圧力伝播に時間がかかる。また一般的にパイロット用配管には細い配管を用い、電磁弁２３０ａ，２３０ｂの出口から圧力室ブランジ２６１，２６２まで少なくとも２個以上の継ぎ手を用いるため、パイロット圧には圧損が生じる。方向切換用スプール２０２は多くの場合ヒステリシスを持つので、圧力がある程度上がらなければスプール２０２は動かない。スプール２０２が動き出すまでの時間は無駄時間となりうる。
【００１７】第３の問題は方向切換弁の複雑な配管にある。方向切換弁はポンプからの作動油を各アクチュエータに送り、タンクへ戻すため最低でも４つのポートが必要になる。従来例ではポンプポートＰ、アクチュエータポートＣ１，Ｃ２と２つのタンクポートＴで構成されているが、タンクポートＴはハウジング１内で合流していることが多い。これらのポートにはそれぞれ配管がつくため、実際の方向切換弁では６面すべてに何らかのポートが付いていることすらある。
【００１８】図１０に油圧ショベルの方向切換弁の外観を示す。このスプール型方向切換弁は７連であり、図のように多くのポートが設けられており、このうち１／３がパイロットポートであり、これらのポートには全て配管が接続されることから、パイロットポートの存在は方向切換弁の設置、メインテナンスの上でも大きな問題となる。
【００１９】本発明の目的は、上記課題に鑑み、スプールが駆動するときに流体力の影響を受けず、精度の良い位置決めが可能であり、かつ応答速度が速く、コンパクトな構造のスプール型方向切換弁を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成するために、本発明は、方向切換用スプールの周囲に１つのポンプポート、２つのアクチュエータポート及び２つのタンクポートを設け、方向切換用スプールの両端部に位置する第１及び第２圧力室の圧力を変化させることにより方向切換用スプールを動作させ、前記ポート間の連通・遮断を切り換えて流体を流す方向を選択しかつ流量を連続的に調整するスプール型方向切換弁において、前記方向切換用スプールの内部に配置された制御スプールと、この制御スプールを駆動してその位置を調整する電気的操作手段と、前記制御スプールが前記方向切換用スプールに対して中立位置にあるときは前記第１及び第２圧力室を前記ポンプポート及びタンクポートから分離独立させ、前記制御スプールが前記中立位置から前記第２圧力室に向けて移動すると前記ポンプポートを前記第１圧力室に連通させかつ前記２つのタンクポートの一方を前記第２圧力室に連通させ、前記制御スプールが前記中立位置から前記第１圧力室に向けて移動すると前記ポンプポートを前記第２圧力室に連通させかつ前記２つのタンクポートの他方を前記第１圧力室に連通させる連通切換手段とを備えるものとする。
【００２１】電気的操作手段により制御スプールが駆動されないときは、制御スプールは方向切換用スプールに対して中立位置にあり、第１及び第２圧力室はポンプポート及びタンクポートから分離独立している。このため、方向切換用スプールも動かず中立位置にある。
【００２２】電気的操作手段により制御スプールが駆動されその位置が調整されると、連通切換手段は制御スプールの移動方向に応じて第１及び第２圧力室の一方をポンプポートに連通させ、他方をタンクポートに連通させる。このため、第１及び第２圧力室の圧力差により方向切換用スプールも移動する。方向切換用スプールが制御スプールの移動した位置まで来ると、制御スプールは再び方向切換用スプールに対して中立状態となり、第１及び第２圧力室はポンプポート及びタンクポートから分離独立した状態となる。即ち、方向切換用スプールは制御スプールの位置まで移動すると停止し、その移動方向と移動量に応じて流体を流す方向を選択しかつ流量を制御する。
【００２３】方向切換用スプールに流体力等の外力が作用し、スプールを押し戻そうとすると、制御スプールとの位置関係が変わり、連通切換手段が再び第１及び第２圧力室の一方をポンプポートに連通させ、他方をタンクポートに連通させるため、その外力に相当する分圧力室内のパイロット圧が自動的に増加し、方向切換用スプールは制御スプールに整合する中立位置に戻り、外力が作用していないときと同じ流量に制御される。
【００２４】ここで、第１及び第２圧力室に流れ込む流量は極僅かであり、制御スプールには大きな流体力が働かない。また、流体力が作用したとしても、スプール移動後は流量が零になるため、制御スプールは高精度の位置決めができ、方向切換用スプールも高精度に位置決めできる。
【００２５】また、制御スプールは方向切換弁の流量を直接制御するものではなく、パイロット圧力を制御するものであるため、制御スプールの質量は小さくでき、制御スプールを動かす力は非常に小さなものでよくなる。このため、電気的操作手段で制御スプールを直接駆動できるようになり、パイロットポートを無くし、パイロット用配管、継手も不要となり、コンパクトな構造となる。また、制御スプールの質量が小さい上、パイロット用配管、継手も無いため応答も速くなる。
【００２６】（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御スプールは前記方向切換用スプールの内部に設けられた軸方向ボア内に挿入され、この軸方向ボアの第１圧力室側の端部を開放し前記制御スプールの対応する端部を第１圧力室に臨ませると共に、前記軸方向ボアの第２圧力室側の端部を閉じ前記制御スプールの対応する端部が面する第３圧力室を形成し、前記制御スプールの内部に前記第１圧力室と前記第３圧力室とを連通する内部通路を形成する。
【００２７】これにより制御スプールの駆動時は第１圧力室と第３圧力室との圧力が等しくなり、制御ピストンの両端に作用する油圧力がバランスすると共に、ポンプポートに連通した高圧側の圧力室が制御スプールの閉鎖端部によりタンク圧部分から隔離されるので、高圧側の圧力室からタンクへの漏れを最小にでき、これによっても高応答性を確保できる。
【００２８】（３）また、上記（２）において、好ましくは、前記連通切換手段は、前記方向切換用スプールにそれぞれ形成され、前記ポンプポートに連通する第１ポート、前記２つのタンクポートにそれぞれ連通する第２、第３ポート、前記第２圧力室に連通する第４ポートと、前記方向切換用スプールの内周及び前記制御スプールの外周に設けられ、制御スプールが前記中立位置にあるときは前記第１〜第４ポートを互いに分離独立させ、制御スプールが前記第２圧力室に向けて移動すると前記制御スプールの内部通路を介して第１ポートを前記第１及び第３圧力室に連通させかつ第２、第３ポートの一方を第４ポートに連通させ、制御スプールが前記第１圧力室に向けて移動すると第１ポートを第４ポートに連通させかつ第２、第３ポートの他方を前記制御スプールの内部通路を介して前記第１及び第３圧力室に連通させる切換溝とを有する。
【００２９】これにより連通切換手段は、上記（１）の機能（制御スプールが方向切換用スプールに対して中立位置にあるときは第１及び第２圧力室をポンプポート及びタンクポートから分離独立させ、制御スプールが中立位置から第２圧力室に向けて移動するとポンプポートを第１圧力室に連通させかつ２つのタンクポートの一方を第２圧力室に連通させ、制御スプールが前記中立位置から第１圧力室に向けて移動するとポンプポートを第２圧力室に連通させかつ２つのタンクポートの他方を第１圧力室に連通させる機能）を実現できる。
【００３０】（４）更に、上記（１）〜（３）において、好ましくは、前記電気的操作手段は、比例ソレノイドと、前記制御スプールの端部に設けられ、前記比例ソレノイドの力にバランスする弾性体とを有する。
【００３１】これにより電気的操作手段は制御スプールを駆動してその位置を調整できる。
【００３２】（５）上記（１）〜（３）において、前記電気的操作手段は、電動モータと、この電動モータの出力軸の回転を前記制御スプールの直線移動に変換する機構とを有するものであってもよい。
【００３３】これによっても電気的操作手段は制御スプールを駆動してその位置を調整できる。
【００３４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
【００３５】まず、本発明の第１の実施形態を図１〜図５により説明する。
【００３６】図１において、１００は本発明の第１の実施形態によるスプール型方向切換弁であり、このスプール型方向切換弁１００のハウジング１とメインスプールである方向切換用スプール２とを有し、ハウジング１には、メインの油圧ポンプ１０１に接続されるポンプポートＰ、アクチュエータ１０２に接続されるアクチュエータポートＣ１，Ｃ２、タンク１０３に接続されるタンクポートＴ１，Ｔ２が設けられ、これに対応して方向切換用スプール２の周囲にも円周状のポンプポート１ｐ、２つのアクチュエータポート１ｃ１，１ｃ２及び２つのタンクポート１ｔ１，１ｔ２が設けられ、スプール２によってこれらポート間の連通・遮断を切り換えて流体を流す方向を選択しかつ流量を連続的に調整する。スプール２はスプール両端部に設けられた圧力室Ｖａ，Ｖｂの圧力を変化させることで動作させる。圧力室Ｖａはハウジング１に取り付けられたフランジ３で閉じられ、圧力室Ｖｂはハウジング１に取り付けられたフランジ４内に形成されている。
【００３７】また、スプール２の位置決めを行うためのバネ７及びバネ座５，６がボルト８によってスプール２の一端に固定され、かつこれら部品はフランジ４内に収納されている。
【００３８】圧力室Ｖａ，Ｖｂの圧力を変化させるとその圧力に応じてスプール２は左右に移動し、スプール位置決め用バネ７と釣り合ったところで位置が決まり、停止する。このときポンプポートＰはアクチュエータポートＣ１或いはＣ２のいずれかにつながり、ポンプポートＰからアクチュエータポートＣ１或いはＣ２にスプール２の位置に応じた流量が流入し、アクチュエータ１０２が駆動される。
【００３９】方向切換用スプール２の内部には制御スプール１０が内蔵されている。この制御スプール１０は方向切換用スプール２の内部に設けられた軸方向ボア２ａ内に挿入され、この軸方向ボア２ａの圧力室Ｖａ側の端部は開放され、制御スプール１０の対応する端部はこの圧力室Ｖａに面し、軸方向ボア２ａの圧力室Ｖｂ側の端部は閉じられ、制御スプール１０の対応する端部が面する内部圧力室Ｖｃを形成している。
【００４０】左右の圧力室Ｖａ，Ｖｂへのパイロット圧の供給を行うため、方向切換用スプール２にはポンプポート１ｐに連通する第１ポート２１、タンクポート１ｔ１，１ｔ２にそれぞれ連通する第２、第３ポート２２，２３、図示左側の圧力室Ｖｂに連通する第４ポート２４が形成されると共に、方向切換用スプール２の内周面には第１ポート２１が開口する第１切換溝２１ａが形成されている。また、同様の目的で制御スプール１０の内部には、内部圧力室Ｖｃと図示右側の圧力室Ｖａを連通させる軸方向の連通穴１１ａと、これに連通する径方向の連通穴１１ｂが形成されると共に、制御スプール１０の外周面には、第１切換溝２１ａと共働して径方向の連通穴１１ｂと第１ポート２１及び第２ポート２２との連通・遮断を切り換える第２切換溝１２ａと、第４ポート２４と第１ポート２１及び第３ポート２３との連通・遮断を切り換える第３切換溝１２ｂとが形成されている。
【００４１】第１〜第３切換溝２１ａ，１２ａ，１２ｂは、制御スプール１０が方向切換用スプール２に対して図示の中立位置にあるときは第１〜第４ポート２１〜２４を互いに分離独立させ、制御スプール１０が図示左側の圧力室Ｖｂに向けて移動すると第１ポート２１を連通穴１１ａ，１１ｂを介して図示右側の圧力室Ｖａ及び内部圧力室Ｖｃに連通させかつ第３ポート２３を第４ポート２４に連通させ、制御スプール１０が図示右側の圧力室Ｖａに向けて移動すると第１ポート２１を第４ポート２４に連通させかつ第２ポート２２を連通穴１１ａ，１１ｂを介して図示右側の圧力室Ｖａ及び内部圧力室Ｖｃに連通させる。
【００４２】しかして第１〜第４ポート２１〜２４、軸方向の連通穴１１ａ及び径方向の連通穴１１ｂ並びに第１〜第３切換溝２１ａ，１２ａ，１２ｂは、制御スプール１０が方向切換用スプール２に対して図示の中立位置にあるときは左右の圧力室Ｖａ，Ｖｂをポンプポート１ｐ及びタンクポート１ｔ１，１ｔ２から分離独立させ、制御スプール１０が中立位置から図示左側の圧力室Ｖｂに向けて移動するとポンプポート１ｐを図示右側の圧力室Ｖａに連通させかつ２つのタンクポート１ｔ１，１ｔ２の一方であるタンクポート１ｔ２を図示左側の圧力室Ｖｂに連通させ、制御スプール１０が中立位置から図示右側の圧力室Ｖａに向けて移動するとポンプポート１ｐを図示左側の圧力室Ｖｂに連通させかつ２つのタンクポート１ｔ１，１ｔ２の他方であるタンクポート１ｔ１を図示右側の圧力室Ｖａに連通させる連通切換手段を構成する。
【００４３】フランジ３の外側には比例ソレノイド３０が取り付けられ、この比例ソレノイド３０のスプール３０ａの一端は制御スプール１０の圧力室Ｖａ側の端部にボールジョイント３０ｂを介して接続されている。ボールジョイント３０ｂを用いているため制御スプール１０と比例ソレノイド３０のスプール３０ａの軸心が多少ずれても比例ソレノイド３０で制御スプール１０を動かすことができる。本実施形態で用いている比例ソレノイド３０は双方向への移動が可能なものである。また、制御スプール１０の端部とフランジ３との間には位置決め用のバネ６１が設けられている。比例ソレノイド３０に電流が流れるとソレノイド力が発生し、このソレノイド力によって制御スプール１０は移動し、位置決め用のバネ６１のバネ力と吊り合った位置で制御スプール１０は停止する。制御スプール１０は左右どちら側に動いてもこのばねがソレノイド力と釣り合う構造となっている。しかして比例ソレノイド３０と位置決め用のバネ６１は制御スプール１０を駆動してその位置を調整する電気的操作手段を構成する。
【００４４】なお、本実施形態では図示右側の圧力室Ｖａに面しているスプール端面を開放側とし、図示左側の圧力室Ｖｂに面しているスプール端面を密閉側としたが、この関係は逆であっても良いし、両スプール端面とも密閉してもよい。この場合は、圧力室Ｖａ側のスプール端面にも圧力室Ｖｂ側の第４ポート２４を設けたのと同じ構造にすればよい。
【００４５】以上のように構成した方向切換弁の動作を図２〜図４を用いて説明する。図２〜図４は方向切換用スプール２を左側に動かし動作が収束するまでの過程を示している。
【００４６】まず、図１に示す制御スプール１０の中立位置では、ポンプポート１ｐ及び第２及び第３ポート２２，２３を完全に閉じており、圧力室Ｖａ，Ｖｂはほぼタンク圧状態になっている。
【００４７】図２は比例ソレノイド３０に指令電流を与えた状態である。比例ソレノイド３０は指令電流に比例したソレノイド力Ｆを発生する。この力Ｆは制御スプール１０に伝わり、バネ６１のバネ力と釣り合うところまで制御スプール１０は移動する。この移動により、第１切換溝２１ａと第２切換溝１２ａとの間に開口部４０が形成され、ポンプポート１ｐに連通する第１ポート２１と制御スプール１０の内部に形成した連通穴１１ａとがつながり、圧力室Ｖａの圧力は上昇する。また、第２切換溝１２ｂと第３ポート２３との間に開口部４１が形成され、タンクポート１ｔ２に連通する第３ポート２３は圧力室Ｖｂに連通する第４ポート２４とつながり、圧力室Ｖｂの圧力はタンク圧となる。各圧力室Ｖａ，Ｖｂへの流量は開口部４０，４１の開口量によって決まる。方向切換用スプール２には左右の圧力室Ｖａ，Ｖｂ内の圧力差とスプール断面積によって左向きの力が働き、方向切換用スプール２は図示左側に移動する。
【００４８】ここで、制御スプール１０は図示する如く軸方向の連通穴１１ａが施されており、圧力バランスが取れている。また、急激な制御スプール１０の移動による内部圧力室Ｖｃの体積変化も、連通穴１１ａを十分大きくとることによって抵抗となることはない。したがって、制御スプール１０は殆ど外力を受けることがなく、その位置は変わらない。
【００４９】方向切換用スプール２が左側に移動した状態を図３に示す。図３では方向切換用スプール２は制御スプール１０の中立位置を越え、行き過ぎてしまった状態にあり、また、位置サーボを行う場合、微小であるが、この状態を繰り返す。これは過度的に発生し得る状態である。この場合は、第１切換溝２１ａと第３切換溝１２ｂとの間に開口部４２が形成され、ポンプポート１ｐは第４ポート２４とつながり、圧力室Ｖｂの圧力が上昇する。また、第２切換溝１２ａと第２ポート２２との間に開口部４３が形成され、圧力室Ｖａにつながる連結穴１１ａはタンクポート１ｔ１につながり、圧力室Ｖａの圧力は降下する。このため方向切換用スプール２は図示右側に向かう力を受けることになる。この場合でも制御スプール１０は殆ど外力を受けないため、その位置は変わらない。
【００５０】このようにして方向切換用スプール２は制御スプール１０の位置に追従し、最終的には図４に示す位置に追従する。この位置は制御スプール１０の位置に完全に一致し、方向切換用スプール２も制御スプール１０と同じ方向に同じ移動量だけ移動することになる。即ち、方向切換弁１００は制御スプール１０の移動方向と移動量に応じて流体を流す方向を選択しかつ流量を制御する。
【００５１】この状態から流体力等の外力が方向切換用スプール２に働き、スプール２を押し戻そうとすると、スプール２は再び制御スプール１０に対し図２に示すような位置関係となり、その外力に相当する分圧力室Ｖａ内のパイロット圧が自動的に増加し、スプール２は図４に示す制御スプール１０と整合する位置に戻り、その結果アクチュエータには安定した流量が供給されることになる。
【００５２】図５に本発明のシミュレーションモデルによるスプール変位特性の結果を示す。このシミュレーションモデルでは比例ソレノイド３０がステップ状に力を発生したときの関係を表すもので、流体力は考えていない。また、制御スプール１０と方向切換用スプール２の変位の関係を示したものであり、制御スプール１０の質量は１００ｇ、方向切換弁用スプール２の質量は１．１ｋｇとした。
【００５３】図５において、制御スプール１０のストロークは比例ソレノイド３０の力によって６０ｍｓｅｃで最大に達し、１００ｍｓｅｃでほぼ静定している。方向切換用スプール２は位置サーボによって多少振動的であるが、数ｍｓｅｃの遅れで制御スプール１０に良く追従していることが分かる。即ち、方向切換用スプール２の応答性は制御スプール１０の応答特性で決まってくる。応答を速くするためには制御スプール１０の質量を小さくする必要がある。しかし、メインスプールである方向切換用スプール２の径は方向切換弁の定格流量によって決まるため、軽量化が難しい。これに対し、制御スプール１０は軽量化が可能である。本発明では制御スプール１０の質量を小さくすることで全体の高速化が可能であることが分かる。
【００５４】方向切換用スプール２に外乱、例えば大きな流体力が発生した場合についても同様のシミュレーションを行ったが、図６に拡大して示すように図５とほとんど変わらない波形が得られた。
【００５５】以上より制御スプール１０で方向切換用スプールを精度良く位置決め制御することができることが分かる。
【００５６】以上のように本実施形態によれば、従来のスプール型方向切換弁に比べ応答性が高く、かつ流体力の影響を受けずに高精度にスプールを位置決めすることができる。また、パイロット配管が不要になり、コンパクトで非常に取扱いやすい方向切換弁に構成できる。更に、制御スプール１０を駆動する力が小さいため、駆動用の比例ソレノイドも小型、小電力のものでよい。
【００５７】また、本実施形態では、制御スプール１０の圧力室Ｖｂ側の端部を閉じ、圧力室Ｖｃを形成すると共に、その圧力室Ｖｃと圧力室Ｖａを制御スプール１０の内部通路である連通穴１１ａを介して連通させ、制御スプール１０の圧力バランスを取ったので、圧力室Ｖａ，Ｖｂのいずれがポンプ圧側になってもそのポンプ圧が制御スプール１０の閉鎖端部によりタンク圧部分から隔離されることとなり、ポンプ圧側の圧力室からタンクへの漏れを最小にでき、これによっても高い応答性を確保できる。
【００５８】本発明の第２及び第３の実施形態を図７及び図８により説明する。上記実施形態は電気的操作手段として比例ソレノイド３０で制御スプール１０を駆動した例であるが、制御スプール１０を駆動する力が小さいため、比例ソレノイドに代えて従来トルクが足りなく使用できなかった小型サーボモータとボールねじの組み合わせの駆動装置を用いても高精度、高応答の制御が可能である。図７及び図８はこのような実施形態を示すものである。
【００５９】図７において、この実施形態によるスプール型方向切換弁１００Ａは、制御スプール１０の電気的操作手段としてサーボモータ３１と、サーボモータ３１の出力軸に取り付けられたボールねじ３２とを有し、ボールねじ３２の軸受３３が第１の実施形態と同様ボールジョイント３０ｂを介して制御スプール１０の端部に接続されている。サーボモータ３１はＡＣモータ、ＤＣモータのいずれであっても構わないし、ステッピングモータでも構わない。サーボモータ３１が回転するとボールねじ３２も回転し、ボールねじ３２の回転は軸受３３によって直線運動に変換される。これらボールねじ３２と軸受３３はフランジ３５に取り付けられる。フランジ３５はサーボモータ３１の取り付け部ともなり、更にボールねじ３２が回転するのを直接運動に変えるガイド３４としても機能する。
【００６０】このサーボモータ３１とボールねじ３２との組み合わせの駆動装置は、制御スプール１０の位置を直接制御するため、第１の実施形態にあった位置決め用のバネ６１は必要ない。また、制御スプール１０には殆ど外力が作用しないので、駆動に必要なトルクはごく小さくて構わない。このためモータ３１は小型で小電力のものを選択することができる。また、ボールねじ３２も剛性を必要しないため安価なものでよい。
【００６１】制御スプール１０の他端側にはフランジ４が取り付けられ、圧力室Ｖｂが形成されてる。第１の実施形態では方向切換用スプール２の端部に位置決め用のバネ７を設置していた。しかし、本発明では方向切換用スプール２は制御スプール１０の位置によってのみ決まるので、バネ７は必ずしも必要ない。本実施形態はこの位置決め用のバネ７を設けない例である。ただし、急激な圧力上昇によってスプール２の位置決めが振動的になる場合もある。第１の実施形態では、圧力室Ｖｂにバネ７を配置したので、バネ７が緩衝材として機能する効果がある。
【００６２】図８に示すスプール型方向切換弁１００Ｂは、サーボモータ３１を圧力室Ｖａの中に内蔵した例であり、構成は第２の実施形態とほとんど変わらない。サーボモータ３１を作動油雰囲気６３中で駆動することは全く問題ない。むしろ、冷却効率がよいため大気中で駆動する場合に比べ流せる電流値も高くなり、更に小型のモータを用いることが可能となる。サーボモータ３１に供給する電源及び回転角度の信号をコントローラに送る信号線はハーメチックシール３６を介して接続する。このハーメチックシール３６は高圧に十分耐えられるので、圧力室Ｖａが油圧ポンプ１０１（図１参照）の吐出圧まで上昇しても、ほとんどの場合破壊することはない。
【００６３】
【発明の効果】本発明によれば、従来のスプール型方向切換弁に比べ応答性が高く、かつ流体力の影響を受けずに高精度にスプールを位置決めすることができる。また、パイロット配管が不要になり、コンパクトで非常に取扱いやすい方向切換弁に構成できる。
【００６４】また、本発明によれば、ポンプポートに連通した高圧側の圧力室が制御スプールの閉鎖端部によりタンク圧部分から隔離されるので、高圧側の圧力室からタンクへの漏れを最小にでき、これによっても高応答性を確保できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５５２２
【氏名又は名称】日立建機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）１月９日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】春日 讓
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２０１３０１ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）７月３０日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２７６８ |
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