| 【発明の名称】 |
スプール弁 |
| 【発明者】 |
【氏名】廣田 和生
【氏名】梅村 克哉
【氏名】川崎 哲夫
【氏名】川崎 健太
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| 【要約】 |
【課題】直動型の操作シリンダあるいは回転型の油圧モータと組み合わされ、油圧サーボ系の操作部に使われるスプール弁において、同スプール弁に発生する振動を大幅に抑止するようにしたものを提供することを課題とする。
【解決手段】戻りポートへ連なる弁室を区画するランドの表面に設置した弾性体の振動部分質量と作動油による付加質量及び同弾性体の剛性で決まる固有振動数をスプールの軸方向固有振動数よりも低く設定すると共に、スプールの応答振動数の設計上限よりも高く設定することにより、戻り流れに起因して同戻り流れを増大する様なスプールの動きを抑えて同戻り流れの増大に伴う振動の成長を抑制し、かつ、弾性体等の共振の発生も抑えてスプールの振動発生を防止し、スプールの破損や騒音、動作不良等の不具合を防止した。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 戻りポートへ連なる弁室を区画するランドの表面に弾性体を設置し、同弾性体の振動部分質量と作動油による付加質量及び同弾性体の剛性で決まる固有振動数をスプールの軸方向固有振動数よりも低く、かつ、スプールの応答振動数の設計上限よりも高く設定したことを特徴とするスプール弁。
【請求項２】 中間ポートから戻りポートへの流れを中間ポート側に寄せるように戻りポートの上流側をくぼませると共に、スプール弁駆動軸の戻りポートに近接する部分を盛り上がらせ、かつ、中間ポートから戻りポートへの流路ではく離した流れに渦を作らせるように戻りポートの下流側をくぼませたことを特徴とするスプール弁。
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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、直動型の操作シリンダあるいは回転型の油圧モータと組み合わされ、油圧サーボ系の操作部に使われるスプール弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のスプール弁の概要について、図７に基づいて説明する。なお、図７は従来のスプール弁の作動中の状態を示す断面図であり、以下、スプール２がスリーブ１に対して図７に示すような位置にある場合を例にとって説明する。
【０００３】図示省略の油圧源から供給される定圧作動油は、供給ポート３からランド６ａ、６ｂで区画されるスリーブ１内の弁室に流入し、次いで供給流れ１０となって中間ポート５ａから流出し、油導管１６を経てシリンダ右室１７に流入してピストン１２を図で左向きに動かす。
【０００４】一方、シリンダ左室１８にあった作動油は、中間ポート５ｂからランド６ｃ、６ｄで区画されるスリーブ１内の弁室へ流入し、戻り流れ１１となって左側の戻りポート４ｂを経て図示省略の油タンクに戻っていく。
【０００５】図示のものからわかるように、スプール２のランド６ａ、６ｂが中間ポート５ａ、５ｂを同時に閉じる位置が中立点であり、図７はそれよりもスプール２が右側に位置している。
【０００６】この状態と逆にスプール２が中立点よりも左側にある場合は、供給ポート３から供給された作動油は、中間ポート５ｂからピストン１２のシリンダ左室１８へ流入してピストン１２を右側へ動かし、シリンダ右室１７に有った作動油を油導管１６を経て中間ポート５ａからスリーブ１へ流入させ、戻りポート４ａを経て図示省略の油タンクへ戻すことになる。
【０００７】このようにしてスプール２を中立点から右側又は左側に動かすと、スプール２を動かすだけの非常に小さいパワーでシリンダ１３のピストン１２が動いて大きなパワーを発生し、同ピストン１２にロッド１４を介して連結された負荷１５を動かすことができる。
【０００８】なお、前記したようにスプール２がスリーブ１に対して図７のような位置にある場合には、このような位置では供給ポート３から供給される作動油の流れは右向きに移動して中間ポート５ａから出ていく流れが形成されるが、供給流れ１０が右向きに移動するのはランド６ｂから右向きの力が加えられているからであり、逆にランド６ｂは供給流れ１０から左向きの力を受けることになる。
【０００９】ここで、スプール２とスリーブ１は図７のようなの位置関係にあるので、さらにスプール２が右向きに速度を持っている場合を考えると、このときは中間ポート５ａから出ていく流量が増えるため、ランド６ｂが受ける左向きの力が増大する。
【００１０】すなわちスプール２が右向きの速度を持っている場合、つまり同スプール２が右向きに移動している場合には、ランド６ｂに対して左向きの力が増大するためスプール２の動きを阻害するような流れの力がランド６ｂに働く。
【００１１】また、スプール２がスリーブ１に対して図７のような位置にある場合において、今度は逆に中間ポート５ｂから戻りポート４ｂへの戻り流れ１１を考えると、このときには中間ポート５ｂからの戻り流れ１１は左向きに移動して戻りポート４ｂから出ていく。
【００１２】この戻り流れ１１が左向きに移動するのは、ランド６ｂから左向きの力が加えられているからであり、逆にランド６ｂは戻り流れ１１から右向きの力を受けることになる。
【００１３】ここで、スプール２とスリーブ１は、図７のような位置関係にあるので、さらにスプール２が右向きに速度を持っている場合を再び考えると、このときは中間ポート５ｂから入ってくる流量が増えるため、このランド６ｂが受ける右向きの力が増大する。
【００１４】この様にスプール２が右向きの速度を持っている場合、つまり右向きに移動している場合に、右向きの力が増大するためスプール２の動きをさらに助長するような流れの力が働く。
【００１５】他方、スプール２は通常駆動軸７を介して図示省略のモータなどのアクチュエータに接続されているが、この駆動軸７とアクチュエータの間は通常弾性体を介してつながれているため、スプール２の質量と弾性体のばね定数で決まる固有振動数を持っている。そしてスリーブ１の中の流れの乱れによってランダムな外力がスプール２に働くとスプール２はこの固有振動数で振動することになる。
【００１６】ここで、例として図７に示すような位置にスプール２がある場合において、流れの乱れによってスプール２が微小に振動したと仮定し、スプール２が右向きに速度を持つある瞬間を考える。このとき、先に述べたように供給ポート３から中間ポート５ａに至る流れはこの振動を抑えようとする。逆に中間ポート５ｂから戻りポート４ｂに至る流れはこの振動をさらに助長しようとする。
【００１７】更に供給ポート３、中間ポート５ａ、５ｂ、戻りポート４ａ、４ｂの位置関係やポート形状によっては、中間ポート５ｂから戻りポート４ｂに至る流れが振動を助長しようとする働きが、供給ポート３から中間ポート５ａに至る流れが振動を抑えようとする働きよりも大きくなり振動が成長して大振動を起こし、スプール２の破損や騒音、動作不良などの問題を起こすことがある。
【００１８】このような問題に対して別途提案された実用新案公報昭５９−１１２３２では、図８に示すようにスリーブ０１内面とスプール０２端面間に多孔質柔軟弾性体１９を挿入するとともに、多孔質柔軟弾性体１９挿入部と作動油の流路とを連通する連通流路２０を形成している。
【００１９】この手段によれば、連通流路２０を介して作動油が多孔質柔軟弾性体１９挿入部に流入し、多孔質柔軟弾性体１９に作動油が含浸される。そして、スプール０２の軸方向の移動に伴ってスプール０２端面により多孔質柔軟弾性体１９が圧縮され、多孔質柔軟弾性体１９の各孔の作動油が流出するときに、作動油の流出速度に比例して大きくなる粘性抵抗力がスプール０２に作用する。この粘性力がスプール０２の振幅を所定値以上にならないように抑制する。
【００２０】しかしこの構造は、スリーブに対するスプールの移動に対して抵抗力を加えようとするもので振動を抑える効果はあるが、スプールの応答性を悪くするという問題がある。
【００２１】また、更に別途提案された特許公報昭５０−３９５６７では、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、内向きの環状噴流がスプール０２に作用するスプール弁において、スプール０２の中心軸線に対して非対称な突出部分２１をスプール環状溝の環状噴流流入側に設け、該環状噴流により発生するリング渦によるスプール０２の振動を防止するようにしている。
【００２２】しかし、この構造のものは軸対称性を壊すことによりスプール０２の振動を助長させようとする流れの力を低減しようとするものであるが、軸対称性を壊すだけでは流れによって振動を発生させる力が大きい場合には、全く振動を抑止することはできないという問題がある。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】前記した様に従来のスプール弁は作動時に振動が発生し、その振動は成長してスプールの破損や騒音、動作不良等の不具合に結びつき易いものであり、しかも、これを抑止するための工夫も完璧のものではなく、これの問題解決が大きなテーマであった。
【００２４】本発明はこの様な背景の下になされたもので、前記従来のスプール弁に発生が避けられなかった振動を大幅に抑止するようにしたものを提供することを課題とするものである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】本発明は前記した課題を解決すべくなされたものであり、戻りポートへ連なる弁室を区画するランドの表面に弾性体を設置し、同弾性体の振動部分質量と作動油による付加質量及び同弾性体の剛性で決まる固有振動数をスプールの軸方向固有振動数よりも低く、かつ、スプールの応答振動数の設計上限よりも高く設定したスプール弁を提供するものである。
【００２６】すなわち本発明によれば、戻りポートへ連なる弁室を区画するランドの表面に設置した弾性体の振動部分質量と作動油による付加質量及び同弾性体の剛性で決まる固有振動数をスプールの軸方向固有振動数よりも低く設定することにより、戻り流れに起因して同戻り流れを増大する様なスプールの動きを抑えて同戻り流れの増大に伴う振動の成長を抑制し、また、前記弾性体の振動部分質量と作動油による付加質量及び同弾性体の剛性で決まる固有振動数をスプールの応答振動数の設計上限よりも高く設定することにより、弾性体等の共振の発生も抑えてスプールの振動発生を防止を図るようにしたものである。
【００２７】また本発明は、中間ポートから戻りポートへの流れを中間ポート側に寄せるように戻りポートの上流側をくぼませると共に、スプール弁駆動軸の戻りポートに近接する部分を盛り上がらせ、かつ、中間ポートから戻りポートへの流路ではく離した流れに渦を作らせるように戻りポートの下流側をくぼませたスプール弁を提供するものである。
【００２８】すなわち、本発明によれば、戻りポートの上流側をくぼませると共に、スプール弁駆動軸の戻りポートに近接する部分を盛り上がらせることで、中間ポートから戻りポートへの流れを中間ポート側に寄せて戻り流れに起因する振動の成長を抑制し、またこれに加えて、戻りポートの下流側をくぼませることにより、中間ポートから戻りポートへの流路ではく離した流れに、渦を作らせるようにして戻り流れに起因する振動発生防止を図るようにしたものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】図１乃至図４に基づいて本発明の実施の第１形態について説明する。なお、前記した従来のものと同一部分については、図中同一の符号を付して示し、冗長となる重複する説明は省略し本実施の形態に特有の事項について整理して説明する。
【００３０】図１に全体の概要を示し、図２に要部を拡大して示すように、９は弾性体で、戻りポート４ｂ側に面したランド６ｂの表面にくぼみを形成してここに埋め込まれている。
【００３１】また、８は受圧板で、前記弾性体９の表面に設置されている。そしてこの受圧板８の質量と弾性体９の振動部分質量と作動油による付加質量、及び弾性体９の剛性で決まる固有振動数ｆ1 を、スプール２の軸方向固有振動数ｆ2 よりも低く、さらにスプール２の応答振動数の設計上限ｆ3 よりも高く次式のように設定する。
【００３２】
【数１】
【００３３】この様にスプール２の軸方向固有振動数ｆ2 は、前記のようにスプール２の質量とその周囲の作動油による付加質量、及びスプールとアクチュエータ間の支持剛性で決まる。
【００３４】なお、受圧板８や弾性体９をスプール２に取り付け易くするために、受圧板８や弾性体９は周方向に半分に分割したものを周方向で組み合わせるなど、分割構造としてもよい。
【００３５】また、中間ポート５ｂからの流れが直接当たる角１２はランド６ｂをそのまま残し、受圧板８と弾性体９の構造はその内側とする。なお、受圧板８や弾性体９の飛散防止のために、それらをランド６と一体構造にしても良いが、その場合も固有振動数は前記振動数に設定することが必要である。
【００３６】この様に構成された本実施の形態において、スプール２が図１に示す位置にある場合について説明すると、このとき中間ポート５ｂからの戻り流れ１１は、左向きに移動して戻りポート４ｂからスプール１の外へ出ていく。
【００３７】戻り流れ１１が左向きに移動するのはスプール２の受圧板８から左向きの力が加えられているからであり、その為に逆に受圧板８は流れから右向きの力を受ける。
【００３８】ここで、スプール２が右向きに速度を持っている場合には中間ポート５ｂから入ってくる戻り流れ１１の流量が増えるため、このスプール２の受圧板８が受ける右向きの力が増大する。
【００３９】このとき、受圧板８の質量と弾性体９の振動部分質量と作動油による付加質量、及び弾性体９の剛性で決まる固有振動数ｆ1 がスプール２の軸方向固有振動数ｆ2 よりも低い場合には、受圧板８にかかる右向きの力は左向きの力として弾性体９を通じてランド６ｄにかかる。そしてこの様にスプール２が右向きの速度を持っている場合、つまり右向きに移動している場合に、ランド６ｂ及びランド６ｄにはトータルとして左向きの力が増大するためスプール２の動きを妨げるような流れの力が働く。
【００４０】すなわち、ランドに剛性Ｋの弾性体を介して質量Ｍ1 が支持されているとき、質量Ｍ1 に正弦波上の加振力Ｆが加えられている状態を模式的に設定して考察してみる。このときの質量Ｍ1 の変位をＸとすると、変位Ｘは次の式で与えられる。
Ｘ＝（Ｆ／Ｋ）／｛１−（ｆ2 ／ｆ1 ）2 ｝・・・式（Ａ）；
ここで、ｆ1 ＝（１／２π）√（Ｋ ／Ｍ1 ）は、質量Ｍ1 と弾性体の剛性Ｋで決まる固有振動数であり、ｆ2 は加振振動数である。スプールの軸方向固有振動数がｆ2 である場合は、流れが振動数ｆ2 で変動するため加振振動数はｆ2 に相当する。
【００４１】他方、ランドにかかる力Ｆ’は、弾性体剛性Ｋと変位Ｘの積であり、次の式で与えられる。
Ｆ’＝ＫＸ＝Ｆ／｛１−（ｆ2 ／ｆ1 ）2 ｝・・・式（Ｂ）；
ここでｆ1 ＜ｆ2 なら、上記の式（Ｂ）より加振力Ｆとランドにかかる力Ｆ’の符号が逆、つまり、逆向きに力が伝わることになる。これは、ｆ1 ＜ｆ2 の場合には慣性力（変位と同じ向き）の方が復元力（変位と逆向き）より大きくなるため、力の釣合いを考えると共振力と変位の向きが逆になり、つまり、加振力とランドに伝わる力が逆向きになるからである。
【００４２】一方、供給ポート３から供給流れ１０として中間ポート５ａに至る供給流路の方は、これを区画するランド６ａ、６ｂに受圧板８と弾性体９が設けられていないため、中間ポート５ａから出ていく流量が増えると、ランド６ｂが受ける左向きの力が増大し、供給流路の方もスプール２の動きを阻害するような流れの力がランド６ｂに働く。
【００４３】この様に本実施の形態によれば、前記したスプール２の動きを阻害するような流れの力を得ることによってスプール２が振動を起こさなくなる。なお、この受圧板８と弾性体９を持つ構造はスプール２とスリーブ１の相対移動に対しては全く抵抗力とならないのでスプール２の応答性を損なうことがない。
【００４４】さらに、受圧板８と弾性体９で決まる固有振動数がスプール２の応答振動数の設計上限よりも高く設定されているため、使用範囲内で受圧板８及び弾性体９が共振を起こして大きく振動することもない。
【００４５】すなわち、スプールの応答振動数も加振振動数ｆ2 の一因となるが、この設計上限がｆ1 よりも低いため、上記の式（Ａ）の分母が０となって変位Ｘが無限大（実際には減衰効果により有限値である）になる共振を起こすことはない（変位を抑えるためには設計上限をｆ1 よりも充分低くすることが望ましい）。
【００４６】また、戻り流れ１１がスプール２の振動をさらに助長させようとする力に対して、受圧板８と弾性体９を介することでランド６ｂには全く逆向きの力を発生させて対抗させるので、振動を完全に抑えることができる。
【００４７】なお、前記図１においては、受圧板８と弾性体９を戻り流れを形成する弁室に面して設置したものを示したが、この受圧板８と弾性体９の設置は、これに限らず、図３のように受圧板８と弾性体９の設置位置を増やしても良い。また、ランド６ａ、６ｂ、６ｃと３つ設けたスプール弁構造では、図４のような位置に受圧板８と弾性体９を設置することで振動を抑えることができる。
【００４８】次に本発明の実施の第２形態について、図５に基づいて説明する。本実施の形態は前記した実施の第１形態のものに比べ、受圧板８を省略し、弾性体９のみを設置したものであり、その他の構成は同実施の第１形態のものと全く同じであるので、図２に対応する図面表示に止め、その余の重複する説明は省略する。
【００４９】すなわち本実施の形態においては、ランド６ｂに図５に示す形状に弾性体９のみ設置して振動を抑える効果を得るものであり、この場合は、弾性体の固有振動数ｆ1 を次の様に設定する。
【００５０】
【数２】
【００５１】なお、本実施の形態は、弾性体９がコイルばねや発泡材のように油が入り込むものでなく、受圧板８がなくても、ｆ3 ＜ｆ1 ＜ｆ2 の関係を満足することができる場合には弾性体９のみで十分効果がある。
【００５２】従って弾性体９のみではｆ3 ＜ｆ1 ＜ｆ2 になるように振動数の調節ができないとき、または、油が入り込むような弾性体９の場合は受圧板を設置することが好ましいものである。
【００５３】次に図６に基づいて本発明の実施の第３形態について説明する。なお、前記した従来の装置及び実施の第１、第２形態と同一の部分については図中に同一の符号を付して示し、重複する部分については説明を省略する。
【００５４】本実施の形態では中間ポート５ｂから流入した流れは戻りポート４ｂから流出していくが、スプール２の駆動軸７の表面に突起２４をつけること、及び戻りポート４ｂ上流側のスリーブにくぼみ２２を形成することにより、流れの中心は中間ポート５ｂ側に寄ってくる。
【００５５】スプール２が右側に微少に動いたとき、増大する流れは中間ポート５ｂから入って戻りポート４ｂから出ていく。このとき流れが左側に向きを変えているのは、流れがランド６ｂから左側に力を受けているからであり、その反作用としてランド６ｂは流れから右側の力を受ける。
【００５６】引き続きスプール２が右側に動くときさらに流れから右側の力を受けるので、スプール２が微少振動した場合には、その振動が成長していく。このとき、流れからランドが受ける力は中間ポート５ｂから戻りポート４ｂへ向かって左側に移動するほど大きく、すなわち振動を助長させやすいものとなる。
【００５７】従って本実施の形態では、スプール２の駆動軸７に突起２４をつけ、かつ、スリーブ１の戻りポート４ｂ上流側にくぼみ２２を形成することで流れが左に移動する距離を小さくして振動を助長させようとする力を抑える。
【００５８】この流れはさらに下流側に行くと戻りポート４ｂのほぼ中心まで移動することになるが、スリーブ内径延長線（想像線）２１を横切った後左側に移動する分の力は同スリーブ内径延長線２１以降、すなわちスリーブ１にかかるため振動を助長しない。
【００５９】さらに、スプール２の駆動軸７に突起２４を設けることに加え、スリーブ１の戻りポート４ｂの下流側に他のくぼみ２３を形成することにより、中間ポート５ｂから戻りポート４ｂへと流れる主流からはく離した流れは図６に示すような渦２０を生成する。
【００６０】この渦２０の流れをスリーブ内径延長線２１の内側の部分に限って考えると、同スリーブ内径延長線２１の外側の流れによる力は結局スリーブ１にかかるので振動には関係せず、スリーブ内径延長線２１へ流入した渦２０の流れは渦巻いた後、流入した位置より右側の位置でこのスリーブ内径延長線２１から流出していく。
【００６１】すなわち、この渦２０の流れは右側に移動する流れであるから振動を抑制する力となり、かくして本実施の形態によれば振動発生を防止することができるものである。
【００６２】以上、本発明を図示の実施の形態について説明したが、本発明はかかる実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【００６３】
【発明の効果】以上、本発明によれば、戻りポートへ連なる弁室を区画するランドの表面に弾性体を設置し、同弾性体の振動部分質量と作動油による付加質量及び同弾性体の剛性で決まる固有振動数をスプールの軸方向固有振動数よりも低く、かつ、スプールの応答振動数の設計上限よりも高く設定してスプール弁を構成しているので、戻りポートへ連なる弁室を区画するランドの表面に設置した弾性体の振動部分質量と作動油による付加質量及び同弾性体の剛性で決まる固有振動数をスプールの軸方向固有振動数よりも低く設定することにより、戻り流れに起因して同戻り流れを増大する様なスプールの動きを抑えて同戻り流れの増大に伴う振動の成長を抑制し、また、前記弾性体の振動部分質量と作動油による付加質量及び同弾性体の剛性で決まる固有振動数をスプールの応答振動数の設計上限よりも高く設定することにより、弾性体等の共振の発生も抑えてスプールの振動発生を防止し、以てスプールの破損や騒音、動作不良等の不具合を防止することができたものである。
【００６４】また、請求項２の発明によれば、中間ポートから戻りポートへの流れを中間ポート側に寄せるように戻りポートの上流側をくぼませると共に、スプール弁駆動軸の戻りポートに近接する部分を盛り上がらせ、かつ、中間ポートから戻りポートへの流路ではく離した流れに渦を作らせるように戻りポートの下流側をくぼませてスプール弁を構成しているので、戻りポートの上流側をくぼませると共に、スプール弁駆動軸の戻りポートに近接する部分を盛り上がらせることで、中間ポートから戻りポートへの流れを中間ポート側に寄せて戻り流れに起因する振動の成長を抑制し、これに加えて、戻りポートの下流側をくぼませることにより、中間ポートから戻りポートへの流路ではく離した流れに、渦を作らせるようにして戻り流れに起因する振動発生防止を達成することができたものである。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年９月１７日（１９９８．９．１７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６９２４６
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 新 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−８８１１９（Ｐ２０００−８８１１９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年３月３１日（２０００．３．３１） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２６３１０２ |
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