(57)【要約】      （修正有）【課題】スプールに働く流体力を軽減することができ、しかも加工が容易で安価なスプール弁を提供する。【解決手段】スプール弁は、スプール穴３と、流体流入路４および流出路５と、スプール穴内に可動に配置したスプール２とを有する。スプールは、スプール穴３のすべり面に沿って摺動して流入路４および流出路５を開閉する一対のランド部２ａ，２ｂをもつ。流体流入路に対応するスプールのランド部２ａに、ランド端面２Ａからスプール軸線に沿って外側に延びる制御用ノッチ７；１７と流体力補償用ノッチ６；１６；２６；３６；４６とが設けられる。流体力補償用ノッチは、該流体力補償用ノッチを通る流体によって、該流体力補償用ノッチをさらに開く方向に働く力を受けるように形成する。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形すべり面をもつスプール穴と、このスプール穴に通じる流体流入路および流出路と、スプール穴内に可動に配置したスプールであって、スプール穴のすべり面に沿って摺動して流体流入路および流出路を開閉する、溝部を挟んだ一対のランド部をもつスプールとを有するスプール弁において、
流体流入路に対応するスプールのランド部に、溝部に面したランド端面からスプール軸線に沿って外側に延びる少なくとも１対ずつの制御用ノッチと流体力補償用ノッチとを設け、この流体力補償用ノッチは、該流体力補償用ノッチを通る流体によって、該流体力補償用ノッチをさらに開く方向に働く力を受けるような寸法に形成することを特徴とするスプール弁。
【請求項２】
請求項１記載の弁において、前記流体力補償用ノッチは、流体流入路に面する開口面積が、スプール軸線方向に面した該流体力補償用ノッチの断面積よりも大きく形成される、スプール弁。
【請求項３】
請求項１または２に記載の弁において、前記流体力補償用ノッチは、前記制御用ノッチよりも先に流体流入路へ開くように長さを設定される、スプール弁。
【請求項４】
請求項１または２に記載の弁において、前記流体力補償用ノッチは、前記制御用ノッチよりも後に流体流入路へ開くように長さを設定される、スプール弁。
【請求項５】
請求項１から４までの何れか一項に記載の弁において、前記流体力補償用ノッチは、スプールの移動に伴って前記流体力補償用ノッチをさらに開く方向に働く力が変わるように形状を設定される、スプール弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の油圧制御回路に用いるスプール弁に係り、特に、スプールストローク領域の任意のストローク位置で制御しうるノッチによる流体力を低減する構造のスプール弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
スプールのランド側端面から軸方向にノッチを形成したスプール弁では、作動油などの流体をノッチから流出路へ通す際に、ノッチを閉じる方向の流体力がスプールに作用する。
この流体力は、次の式で表される。
［数１］
Ｆ１＝ρ・Ｑ・ｖ・ｃｏｓθ      ・・・（式１）
ここで、ρ：定数、Ｑ：流量、ｖ：流速、θ：ノッチからの流体の流出角
【０００３】
上記流体力は弁の操作方向と逆に働くので、そのような流体力を軽減して、スプール弁の操作性を向上させようとする構造が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開平１０−２５２９０３号公報
【０００４】
これは、ノッチの軸方向中間部分を、上流側および下流側ノッチ部分に比べて溝幅を広く形成する、若しくは溝深さを大きく形成する、或いは溝幅を広く且つ溝深さを大きく形成すると云うものである。
この構造は、溝幅を広くしたノッチ中間部分において流体の流速（上記式１のｖ）を遅くしたり、溝深さの大きい中間部分に渦流を発生させ、流体の流出角（式１のθ）を大きくすることによって、流体力Ｆ１を軽減する。
【０００５】
ところが、上述した軽減構造では、中間ノッチ部分が流出路に開口していないスプール弁のストローク領域、あるいは中間部分が流出路に完全に開き切ったストローク領域では、流体力低減効果が得られない。
また、中間部分を広い溝幅に、或いは大きな溝深さに形成するため、ノッチを均一な寸法に加工する場合に比べて、加工時間を要し、コスト増を招くことになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、弁を通る流体によってスプールに働く流体力を軽減することができ、しかも加工が容易で安価なスプール弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
その為、本発明は、ノッチによる流体力に対抗する力を生じさせる手段をスプールに設けて、流体力の影響を低減しようとするものである。
すなわち、本発明によるスプール弁は、円筒形すべり面をもつスプール穴と、このスプール穴に通じる流体流入路および流出路と、スプール穴内に可動に配置したスプールであって、スプール穴のすべり面に沿って摺動して流体流入路および流出路を開閉する、溝部を挟んだ一対のランド部をもつスプールとを有する。このスプール弁は、流体流入路に対応するスプールのランド部に、溝部に面したランド端面からスプール軸線に沿って外側に延びる少なくとも１対ずつの制御用ノッチと流体力補償用ノッチとを設け、この流体力補償用ノッチが、該流体力補償用ノッチを通る流体によって、該流体力補償用ノッチをさらに開く方向に働く力を受けるような寸法に形成することを特徴とする。
【０００８】
このような構成によると、スプール弁内を通る流体によって、弁を閉ざす方向に流体力が働く際、同時に、流体力補償用ノッチによって、弁を開く方向の力が生じ、閉ざす方向の流体力に対向して、この流体力を相殺ないし軽減する。
その為、弁スプールを操作力に応じて容易に制御することができ、弁の操作性が向上する。
【０００９】
流体力補償用ノッチは、流体流入路に面する開口面積が、スプール軸線方向に面した該流体力補償用ノッチの断面積よりも大きく形成されることが好ましい。
このように流体力補償用ノッチの寸法を設定することによって、流体力補償力を容易に得ることができる。
【００１０】
流体力補償用ノッチは、制御用ノッチよりも先に流体流入路へ開くように長さを設定されることが好ましい。あるいは、流体力補償用ノッチは、制御用ノッチよりも後に流体流入路へ開くように長さを設定されてもよい。
流体力補償用ノッチを先に開かせることで、メインの制御用ノッチで制御しているどのストローク領域でも、流体力の影響を低減できる。
流体力補償力は、必要に応じて、流体力補償用ノッチの開き始めタイミングを変更することで、特定のスプール位置でのみ流体力補償力を作用させることが可能である。そのため、特定のスプール位置に限定して流体力の影響を低減できる上に、スプールストロークに対する開口面積の開き始めのゲインを微少にできる。
【００１１】
また、流体力補償用ノッチは、スプールの移動に伴って流体力補償用ノッチをさらに開く方向に働く力が変わるように形状を設定されてもよい。
流体力補償用ノッチの溝深さ、あるいは溝幅をスプールの位置によって変化するような形状にすることで、スプールの移動によってスプールに作用する流体力補償力を変えることができる。
このように、制御用と流体力補償用ノッチの開くタイミングを変えることにより、若しくは流体力補償力を変化させることにより、流体の圧力や流量などの弁の使用条件に応じた流体力補償作動を設定し得る。流体力の影響はスプール弁の使用条件により異なるが、スプール弁毎に適した流体力補償用ノッチの形状も設定可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、従来技術のようにスプール弁の流体力自体を低減するのではなく、流体力に見合った対抗する流体力補償力をスプールに作用させる。こうすることで、スプールに働く流体力の影響を大幅に低減することができる。
このような流体力補償は、スプールのノッチ形状を工夫するだけでよく、通常の制御用ノッチの加工と同じ方法で実施可能である。その為、加工が容易で、加工時間も通常のスプールと変わることなく、低コストで流体力の影響を低減でき、操作性に優れたスプール弁を安価に提供可能である。
【実施例】
【００１３】
続いて、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
図１Ａ〜１Ｃは、本発明の実施例１によるスプール弁の要部を示している。スプール弁は弁本体１を有し、この弁本体１に、円筒形すべり面をもつスプール穴３が形成されている。スプール穴３は一対の環状溝を備えていて、弁本体を貫いた流入路４と流出路５がこれら環状溝にそれぞれつながっている。
【００１４】
弁本体のスプール穴３には、スプール２を摺動可能に設けている。スプール２は、図示しない機構によって、スプール軸線方向に動かされるようになっている。
スプール２は、溝部２ｃを挟んだ一対のランド部２ａ，２ｂを有する。これらランド部２ａ，２ｂが、スプール２の移動に伴って、スプール穴３のすべり面上を摺動し、流入路４と流出路５を開閉する。
【００１５】
流入路４側のランド部２ａには、作動油などの流体を通すための連通部８を設けている。
連通部８は、図１Ｂに示すように、それぞれスプール軸線を挟んで対向配置した一対の流体力補償用ノッチ６および制御用ノッチ７から成る。これらノッチは、ランド部２ａのランド端面２Ａからスプール軸線に沿って形成されている。
本実施例では、図１Ｃに見られるが、流体力補償用ノッチ６は制御用ノッチ７よりも長く、また、スプールが動かされて暫く後に開くように、流入路４からオーバーラップ量Ｘ０を置いて形成されている。
【００１６】
スプールのランド部２ｂと溝部２ｃは、ランド部２ａの連通部８が流入路４に開いている間、流出路５と溝部２ｃが十分な開口面積で連通するように、配置している。こうして、スプール２を動かして、流入路４に対する連通部８のノッチ開口面積の増減により、流入路４や流出路５の圧力や流量を制御する際に、流出路５とスプール溝部２ｃ間の圧損を無視できる程度のものとしている。
【００１７】
本発明のスプール弁では、従来例とは異なって、ノッチ６，７を流体の流入側のランド部に形成している。ここで、その理由を説明する。
なお、本文の以下の説明では、前述の実施例と同様な構成部分に同一の参照符号を付して説明を省略する。
そもそもスプールに働く流体力とは、図２に示すように流出路１０５に連通するランド部分１０２ｂにノッチを設けてインチング制御する場合、流体の流出によってスプールのランド部端面１０２Ａと１０２Ｂに作用する圧力バランスが崩れるために発生するものである。すなわち、スプール弁の開口面積を制御しているノッチのある端面１０２Ｂ側の流速が早くなり、ベルヌーイの定理よりこの壁面付近の圧力が低下するからである。
【００１８】
このような状態の構造に、本発明のような流体力補償用ノッチ１０６を設けても、スプール軸線方向のノッチ断面積がノッチ１０６の開口を規制し、その壁面に作用する圧力が２次側低圧（ランド端面に働く圧力よりも低い圧力）となって、スプールのランド端面１０２Ａと１０２Ｂの圧力バランスはとれない。そのため、本発明は、流体の流れ方向が図１Ａのスプール・ランド部２ａの外周から流体力補償用ノッチ６、制御用ノッチ７に流入して、スプール溝部２ｃへ流れる込む構成を前提としている。
【００１９】
本実施例の連通部８をさらに詳細に説明する。
図３および図４Ａ〜４Ｃは、スプール２の連通部８が流入路４に開いている状態で、図１Ａの実施例の要部を示している。
連通部８の流体力補償用ノッチ６は、図４Ａに示す、流入路４に対するノッチ６の投影面積ａ１と、図４Ｂに示す、ノッチ６と弁本体のスプール穴３で囲まれたスプール軸線方向の断面積ａ２が、ａ１＞ａ２の関係になるようノッチ幅と深さを設定している。
【００２０】
本実施例でも、作動油のような流体が流入路４から流入し、連通部８（絞り部になる）を通過して流出路５に流出すると、連通部８直後のスプールランド端面２Ａ付近は流速が大きく、前述した（式１）による流体力Ｆ１がスプール２を閉じる方向に作用する。
【００２１】
本実施例のスプール弁の作動時、スプール２が流出路５側に移動していると、図１Ｃに示したオーバラップ量Ｘ０を設けているので、流入路４とスプール溝部２ｃは遮断されている。スプール２が流入路４側にオーバラップ量Ｘ０を越えて移動するに伴い、流体力補償用ノッチ６の先端から流入路４に開き始め、遅れて制御用ノッチ７が開いて、連通部８の開口面積は増大する。
この時、流体は流入路４から流体力補償用ノッチ６ならびに制御用ノッチ７に流入し、スプール溝部２ｃを経由して、流出路５に流出する。
【００２２】
流入路４における流体の圧力（以下、流入圧）をＰ１、流出路５側の流体圧力（以下、流出圧）をＰ３とすると、流入路４からノッチ６へ流れむ流体は、投影面積ａ１で絞られるので、断面積ａ２の上流側のノッチ内は、流入圧Ｐ１と流出圧Ｐ３の間の中間圧Ｐ２となる。この中間圧Ｐ２は、ノッチ６の断面積ａ２で再び圧力損失があるので、Ｐ２＞Ｐ３の関係である。
【００２３】
一方、制御用ノッチ７については、図４Ｃに示す投影面積ａ３と図４Ｂの断面積ａ４がａ３＜ａ４の関係になるように、ノッチ幅と深さを設定する。断面積ａ４は、極力圧力損失が伴わないように、できる限り大きく設定している。
よって、流入路４から流れこんだ流体の圧力損失は、流入路４に開口している制御用ノッチ７の投影面積ａ３で主に発生し、断面積ａ４の上流側のノッチ内の圧力(以下、中間圧）Ｐ４は流出圧Ｐ３に近い値となる。
【００２４】
このようにして、流入路４側のスプール・ランド端面２Ａと流出路５側のスプール・ランド端面２Ｂには流出圧Ｐ３が作用し、流体力補償用ノッチ６の軸線方向壁面６ａには中間圧Ｐ２が働く。
制御用ノッチ７の軸線方向壁面７a（図４Ｃ）には、流出圧Ｐ３に近似の中間圧Ｐ４が作用する。
【００２５】
従って、スプール２には、次の式で示す力Ｆ２（以下、流体力補償力）がスプールを開く方向に作用する。
［数２］
Ｆ２＝Ｐ２×ａ２＋Ｐ３×（Ａ−ａ２）−Ｐ３×Ａ
＝（Ｐ２−Ｐ３）×ａ２          ・・・  （式２）
ここで、Ａ：ランド端面２Ａ，２Ｂの受圧面積
【００２６】
なお、中間圧Ｐ２は、ノッチ６の投影面積ａ１と断面積ａ２に於けるオリフィス効果の式３と４の連立方程式より、次の式５で得られる値である。
［数３］
Ｑ＝α×ａ１×√（２ｇ×（Ｐ１−Ｐ２））            ・・・  （式３）
Ｑ＝α×ａ２×√（２ｇ×（Ｐ２−Ｐ３））            ・・・  （式４）
Ｐ２＝（（ａ１2×Ｐ１）＋（ａ２2×Ｐ３））／（ａ１2＋ａ２2）
・・・（式５）
よって、流体力Ｆ１と（式２）で示すＦ２が極力等しくなるよう断面積ａ２を設定することで、スプールに働く流体力の影響を低減することができる。
【００２７】
例えば、Ｐ１＝１３．５ＭＰａ、Ｐ３＝１ＭＰａ、ａ１＝２０ｍｍ2、流体力Ｆ１＝Ｆ２＝５０Ｎであるとすると、（式５）を（式２）に代入して、
［数４］
Ｆ２＝（（（ａ１2×Ｐ１）＋（ａ２2×Ｐ３））／（ａ１2＋ａ２2）−Ｐ３）
×ａ２
上式より、ａ２＝５ｍｍ2となるように流体力補償用ノッチ６の溝幅と溝深さを選定すれば流体力を低減できることになる。
【００２８】
ただし、実際には、スプール弁の使用条件（流入圧、流出圧、流量、ノッチ６の投影面積ａ１）は一定ではなく、通常は、最も使用するスプールのストロークと圧力条件で、流体力Ｆ１に流体力補償力Ｆ２が等しくなるように、流体力補償用ノッチ６の溝幅と溝深さを選定することになる。
従って、通常最も使用するストロークと圧力条件では、スプールに働く流体力Ｆ１は流体力補償力Ｆ２によってキャンセルされ、それ以外の条件では、流体力補償力Ｆ２が流体力Ｆ１の影響を低減することになる。
【００２９】
また、上記実施例では、流体力補償用ノッチ６を制御用ノッチ７に先んじて流入路４に開くようにしているので、制御用ノッチ７の開き始めから、流体力の影響を低減することができる。
流体力補償用ノッチ６の開き始めでは、十分な流体力補償は機能しないが、そのストローク領域では、開口面積が微少でノッチ６を通過する流量Ｑも微少であるので、（式１）から判るように、流体力の影響は非常に小さく、スプール弁の性能に影響を及ぼす程ではない。
【００３０】
図５と６に、実施例２によるスプール弁を示す。
本実施例のスプール弁は、実施例１と同様に、流入路４側のスプール・ランド部に流体力補償用ノッチ１６と制御用ノッチ１７を設けている。これらノッチは、まず制御用ノッチ７を流出路４に開き、次いで、図６に示す距離Ｘ１だけ遅れて流体力補償用ノッチ６が開くように、作動タイミングを変えて形成したものである。実施例２のそれ以外の構成は、実施例１と同じである。
このスプール弁は、例えばスプール２の前後差圧（流入圧Ｐ１と流出圧Ｐ３の差）が大きく、かつスプール２の開き始めに微少流量の流体を制御する必要がある場合、つまりスプール２のストロークに対する開き始めの開口面積のゲインを小さくしたい場合に、好適である。
【００３１】
実施例２のスプール弁では、制御用ノッチ７のみが開いているスプール２の位置では、流体の流量も微少であり、前記した（式１）によって計算した流体力Ｆ１の影響は微少である。
そして、さらにスプール２が流入路４側に移動するにつれて、ノッチ７の開口面積が大きくなり、流体の流量、流速とも増大して、流体力Ｆ１が大きくなるが、そのようなストローク領域では、流体力補償用ノッチ６も開き、流体力補償力Ｆ２がスプール２に作用して、流体力Ｆ１の影響を低減できる。
【００３２】
さらに、実施例３によるスプール弁を図７と８に示す。
本実施例のスプール弁では、流体力補償用ノッチ２６が、その溝深さを、スプール２が流入路４側に移動するにつれ、段階的（本例では３段階）に深くなるように形成されている。実施例３のそれ以外の構成は、実施例１と同じである。
このスプール弁は、スプール２の位置によって、流体力補償用ノッチ２６の断面積ａ５が変わるので、流入圧Ｐ１が同じであっても、上記（式２）による流体力補償力Ｆ２が可変にできる。
【００３３】
スプール弁が、例えば、スプールのストローク増加（つまり開口面積の増加）に伴って、スプールの前後差圧が大きくなり、かつ通過する流体の流量が大きくなっていくような条件で使われる場合は、流体力Ｆ１もスプール移動に伴って大きくなる。
実施例３のスプール弁は、このような場合に、流体力補償力Ｆ２もスプール２のストローク増加に伴って大きくなるようにしたものである。
【００３４】
流体力補償用ノッチの溝深さは、別の態様で変更することもできる。
図９と１０に示す実施例４のスプール弁は、流体力補償用ノッチ３６が、溝底部を部分的に斜面に形成されている。
実施例３では流体力補償力Ｆ２が段階的に変わるのに対して、このスプール弁では、スプール２が流入路４側に移動するに伴い、流体力補償力Ｆ２はノッチ３６の斜面領域で連続して変わる。
【００３５】
さらに、図１１と１２に示す実施例５のスプール弁では、流体力補償用ノッチ４６は、溝深さが一定で、溝幅が段階的（本例では３段階）に広くなるように形成されている。
このように、流入路４に面するノッチ４６の断面積ａ６を変えることにより、流入圧Ｐ１が同じであっても流体力補償力Ｆ２を変更することができる。
【００３６】
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は説明した特定の形態のみに限定するものでなく、説明した実施例に様々な変更を加え、或いは本発明を別の形態で実施することも可能である。
例えば、実施例３の流体力補償用ノッチ２６を採用して、実施例２のように制御用ノッチ７が流体力補償用ノッチに先行して流入路４に開き始める構成にすることで、スプール２のストロークに対する連通部開き始めの開口面積のゲインを小さくしたい場合や、ストロークの増加とともに流量が大きくなり、流体力Ｆ１が大きくなる場合にも、流体力の低減ができるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１Ａ】本発明の実施例１によるスプール弁の要部を示す断面図。
【図１Ｂ】図１Ａの弁のスプールの要部斜視図。
【図１Ｃ】図１Ａの弁の一部拡大断面図。
【図２】本発明の原理を説明するためのスプール弁の要部断面図。
【図３】図１Ａの弁の一部拡大断面図。
【図４Ａ】図３の要部の平面図。
【図４Ｂ】図４Ａ中のＩＶＢ−ＩＶＢ線に沿ったスプールの断面図。
【図４Ｃ】図４Ａ中のＩＶＣ線方向に見た制御用ノッチの平面図。
【図５】本発明の実施例２によるスプール弁の要部を示す断面図。
【図６】図５の弁の流体力補償用ノッチを示す平面図。
【図７】本発明の実施例３によるスプール弁の要部断面図。
【図８】図７の弁の流体力補償用ノッチを示す平面図。
【図９】本発明の実施例４によるスプール弁の要部断面図。
【図１０】図９の弁の流体力補償用ノッチを示す平面図。
【図１１】本発明の実施例５によるスプール弁の要部を示す断面図。
【図１２】図１１の弁の流体力補償用ノッチを示す平面図。
【符号の説明】
【００３８】
１  弁本体
２  スプール
２ａ，２ｂ  ランド部
２ｃ  溝部
２Ａ，２Ｂ  ランド端面
３  スプール穴
４  流体流入路
５  流出路
６，１６，２６，３７，４６  流体力補償用ノッチ
７，１７  制御用ノッチ
８  連通部
ａ１，ａ６  （ノッチ）開口面積
ａ２，ａ５  （ノッチ）断面積
Ｆ１  流体力
Ｆ２  流体力補償力
【図１Ａ】
2005140248.tif 000003
【図１Ｂ】
2005140248.tif 000004
【図１Ｃ】
2005140248.tif 000005
【図２】
2005140248.tif 000006
【図３】
2005140248.tif 000007
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2005140248.tif 000009
【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
2005140248.tif 000012
【図７】
2005140248.tif 000013
【図８】
2005140248.tif 000014
【図９】
2005140248.tif 000015
【図１０】
2005140248.tif 000016
【図１１】
2005140248.tif 000017
【図１２】
2005140248.tif 000018