(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体に設けられた摺動穴と、該摺動穴を摺動可能にされたスプールと、を備え、前記摺動穴は環状の供給ポートと、該供給ポートを中心に左右対称に設けられた環状の２つの負荷ポートと、該負荷ポートの両外側に設けられた環状の戻りポートと、を有し、前記スプールは、中立位置において前記供給ポートに開口する環状の中央凹部と、該中央凹部の両側対称に設けられ前記負荷ポートと前記供給ポートとを遮断するようにされた２つのランド部と、を備え、前記スプールの変位に伴い供給ポートを負荷ポートのいずれか一方と連通させ、同時に他方の負荷ポートを隣接する側の前記戻りポートと連通可能にされた方向制御弁において、前記中央凹部は軸方向対称形状であって、前記中央凹部中心から前記ランド部端に向かって外径が漸増するようにされ、前記スプールランド部端の中央凹部外径が前記ランドの外径の０．６以上０．８以下、かつ前記スプール中心軸に対する片側角度にして１５°以上３５°以下であって、前記中央凹部で流体力補償を与えたことを特徴とするスプール弁。
【請求項２】
前記中立位置を有せず、前記スプールは左右２位置で切換られ、一方位置で供給ポートを負荷ポートのいずれか一方と連通させ、同時に他方の負荷ポートを隣接する側の前記戻りポートと連通し、他方位置で供給ポートを他の負荷ポートと連通させ、同時に一方の負荷ポートを隣接する側の前記戻りポートと連通可能にされた２位置方向制御弁であることを特徴とする請求項１記載のスプール弁。
【請求項３】
前記中央凹部は前記外径が直線上に漸増し、対向する円錐形状にされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスプール弁。
【請求項４】
前記中央凹部は前記外径が円弧上に漸増する鞍状の鼓形状にされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスプール弁。
【請求項５】
前記中央凹部は前記外径が不連続に漸増し、対向する筍形状にされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスプール弁。
【請求項６】
前記中央凹部中心近傍に平行部を有することを特徴とする請求項３又は４に記載のスプール弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スプール形方向制御弁（スプール弁）に用いるスプールに作用する流体力の低減に関する。
【０００２】
【従来の技術】
弁本体摺動穴を軸方向に摺接するスプールにより流路を切換えるスプール弁タイプの方向制御弁の内、４ポート方向制御弁（４ポート切換弁）は、図７に示すように、本体１１に明けられた摺動穴１２に環状の供給ポート１４と、供給ポートを中心に左右対称に設けられた環状の２つの負荷ポート１５，１６と、負荷ポートの両外側に設けられた環状の戻りポート１７，１８とが設けられている。一方、スプール３１はスプリング２４ａ，２４ｂにより中立位置に保持され、スプール３１の中立位置において供給ポート１４に開口する環状の中央凹部３３と、中央凹部の両側対称に設けられ負荷ポート１５，１６を供給ポート１４と遮断するようにされた２つのランド部３２ａ，３２ｂとが設けられている。ソレノイド２２ａ，２２ｂによりスプール３１を移動させ、供給ポート１４を負荷ポート１５，１６のいずれか一方と連通させ、同時に他方の負荷ポート１６，１５を隣接する側の戻りポート１８，１７と連通可能にすることにより、流体を供給ポートから負荷ポートに選択供給し、供給ポートから戻りポートに選択的に戻し、流体の切換を行っている。なお、他のスプール形状とすることにより、流路の選択を適宜変更可能である。
【０００３】
かかる方向制御弁においては、供給ポートから負荷ポートへの流体の噴出に伴い、スプールにはスプール操作力に抵抗する流体力が働く。この流体力を低減するため、種々のものがある。図８に示すものはこの基本的なものであり、スプール４１の両端の戻りポート１７，１８側に流体力補償用ポケット４２，４３を設けたものである。詳述すると図８のものは、スプール４１が右方向に移動し、流体が供給ポート１４から負荷ポート１６に流れ、負荷４４を介して流体が負荷ポート１５に戻りタンクポート１７に流れる状態を示している。供給ポート１４から負荷ポート１６に流体が流れる際、スプール両壁面には圧力不均衡が発生し、その結果スプール４１を閉じようとする力ＦＢが発生する。負荷ポート１５から戻りポート１７への主な流れとして角度θ１で負荷ポート１５から戻りポート１７に流れ込む流量４５と、角度θ２で傾斜面４２ａに沿って流れる流量４６が考えられる。この流れによって生じるスプール４１の軸方向の力は、スプール進行方向を正とすると、
Ｆｆ１＝−Ｑρ（Ｕ１ｃｏｓθ１−Ｕ２ｃｏｓθ２）
Ｑ：流量、Ｕ１：流量４５の流速、Ｕ２：流量４６の流速、ρ：圧油の密度
で表される。そこで、Ｆｆ１が正の方向、つまりスプール進行方向となるようにθ１＞θ２の関係を傾斜面４２ａの角度で調整している。これにより流体力ＦＢと打ち消し合う構造になっている。更に戻りポート内に旋回流４７発生させることによって更にスプール進行方向の力Ｆｆ２を得ることで流体力を低減している。
【０００４】
しかし、このものでは、戻りポート１７，１８に戻る流量がない時には流体力低減効果は得られない。またθ１、θ２は、供給ポート１４から負荷ポート１６に流れ込む流量と負荷ポート１５から戻りポート１７に流れ込む流量が同一である時に理想の流体反力低減効果を得るように決定する場合が多い。よってアクチュエータが面積差のあるシリンダ等の場合、供給側より戻り流量が少ないときは効果が少なく、逆に供給側より戻り流量が多いときは効果が効き過ぎとなり、逆向きの力が発生する等の問題がある。そこで、特開平９−２６９０８４号公報においては、図９に示すようにスプール５１に中央に幅広の中央ランド５３を設け、この中央ランドの両側にそれぞれ負荷ポート１５，１６に連通する凹部を設け、この凹部に図８で示したスプール弁両端のポケット４２，４３と同様な流体力補償用ポケット５４，５５を設け、供給ポート１４から一方の負荷ポート１５，１６へ、あるいは他方の負荷ポート１６，１５へ流体を供給する場合にそれぞれ供給ポート１４と負荷ポート１５，１６間で流体力補償をするようにしたものが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このものは、供給ポート１４を幅広の中央ランド５３で閉じるようにしているので、構造が複雑で供給ポートから負荷ポート１５，１６への流路が制限され圧力損失が大きいという問題があった。また、ＩＳＯ４４０１で規定されている油圧用４ポート切換弁の取付面を有するいわゆる標準タイプの切換弁においては寸法制限があるため、ポート間長さに制限があり、必ずしも適切な形状のポケット５４，５５を２箇所に設けることは困難であった。そこで、特開平１１−８２７６７号公報においては、図１０に示すように、図７、８に示したと同様、中央凹部６３と両側に負荷ポートをそれぞれ開閉する２つのランド６２ａ，６２ｂを有するスプール６１の中央凹部に供給ポートより幅の狭い鍔状のランド６４を設けている。しかしながら、鍔状のランド６４により供給ポート１４近傍の流路を絞るので依然として圧力損失が大きいという問題があった。また、鍔状のランド６４の両側に前述のようなポケット６５，６６を設けるためには、軸方向長さを確保しなければならないという問題があった。
【０００６】
本発明の課題は係る問題点に鑑みて、軸方向の長さ、特にポート間長さを大きくすることなく、汎用に適した、構造が簡単で、圧力損失の少ない、供給ポートと負荷ポート間で流体力補償を得られるスプールを有するスプール弁を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前述した戻り側での流入とは逆の流れとなる供給ポートから負荷ポートへの流出状態でのポケットの流れ角度θ１、θ２、旋回流について研究した。その結果、供給ポートから負荷ポートへの流出流れの場合においては、θ１＝θ２であっても実用に充分な流体力低減効果があることを知得した。この知得により、本発明においては、本体に設けられた摺動穴と、該摺動穴を摺動可能にされたスプールと、を備え、前記摺動穴は環状の供給ポートと、該供給ポートを中心に左右対称に設けられた環状の２つの負荷ポートと、該負荷ポートの両外側に設けられた環状の戻りポートと、を有し、前記スプールは、中立位置において前記供給ポートに開口する環状の中央凹部と、該中央凹部の両側対称に設けられ前記負荷ポートと前記供給ポートとを遮断するようにされた２つのランド部と、を備え、前記スプールの変位に伴い供給ポートを負荷ポートのいずれか一方と連通させ、同時に他方の負荷ポートを隣接する側の前記戻りポートと連通可能にされた方向制御弁において、前記中央凹部は軸方向対称形状であって、前記中央凹部中心から前記ランド部端に向かって外径が漸増するようにされ、前記スプールランド部端の中央凹部外径が前記ランドの外径の０．６以上０．８以下、かつ前記スプール中心軸に対する片側角度にして１５°以上３５°以下であって、前記中央凹部で流体力補償を与えたスプール弁を提供することにより前述した課題を解決した。
【０００８】
即ち、中央凹部中心からランド部端に向かって外径が漸増するようにし、スプールランド部端の中央凹部外径がランドの外径の０．６以上０．８以下、かつ外径の漸増量はスプール中心軸に対する片側角度にして１５°以上３５°以下としたので、供給ポートより流入した流体はスプールの外径端から中央に向かって、さらに外径端に向かって表面に沿って流れ、中央凹部に滞留部分がほとんどなくなり、また、スプール端と負荷ポートでの絞りで発生する流出角度に影響を与え、流体力低減効果を生ずるものと思われる。外径の漸増量は２５°が最も好ましく、１５°未満、３５°超では、流体力低減効果が少なくなる。中央凹部のランド部端の外径は０．７で最も好ましく、０．６未満で流速が遅くなり、流体力低減効果が少ないからである。０．８超では、負荷ポート入口で流路が絞られ圧力損失が大きくなるからである。さらに、中央凹部を軸方向対称形状としたので、供給ポートの軸方向長さ全体を１つのポケットとすることができ、前述の従来のものより寸法的に余裕ができ効果的な流体力補償ができる。また、供給ポートから負荷ポートへの供給も左右同様な流路となるので、両負荷ポートとも等しい流体力低減効果が得られる。
【０００９】
請求項１記載の発明は、中立位置及び左右の３位置での切換弁に適用しているが、左右２位置だけの場合にも適用できる。そこで、請求項２記載の発明においては、前記中立位置を有せず、前記スプールは左右２位置で切換られ、一方位置で供給ポートを負荷ポートのいずれか一方と連通させ、同時に他方の負荷ポートを隣接する側の前記戻りポートと連通し、他方位置で供給ポートを他の負荷ポートと連通させ、同時に一方の負荷ポートを隣接する側の前記戻りポートと連通可能にされた２位置方向制御弁であってもよい。
【００１０】
中央凹部中心からランド部端に向かって外径が漸増する為には、前記外径が直線上に漸増し、対向する円錐形状にするのがよい（請求項３）。加工が簡単で精度も高い。また、直線上でなく外径が円弧上に漸増する鼓形状にしてもよい（請求項４）。また、必ずしも連続面でなくてもよく、外径が不連続に漸増し、対向する筍形状にしてもよい（請求項５）。
【００１２】
また、中央凹部は中心からランド部端に向かって外径を漸増させているが、ランド径に対してランド間の長さが長い場合には、中心の径が小さくなる。中心径が小さくなると中央凹部表面を流れる流体の速度が遅くなり、流体力低減の効果が小さくなる。また、強度は高く、加工量が少ない方がよい。そこで、最小径が細くならないように、中央凹部中心近傍に平行部を設ける（請求項６）。なお、平行部を含み、中央凹部中心からランド部端に向かって外径が漸増し、スプールランド部端の中央凹部外径がランドの外径の０．６以上０．８以下、かつ外径の漸増量はスプール中心軸に対する片側角度にして１５°以上３５°以下である。
【００１３】
なお、スプール中央凹部に流体力補償部を設けたが、従来と同様、スプールの戻り側に流体力補償用ポケットを追加しても、しなくてもよく、適宜選択するのはいうまでもない。スプール戻り側に流体力補償用ポケットを用いればより大きな流体力を補償できる。また、スプール戻り側に流体力補償用ポケットを用いなければ、戻りポート近傍の軸方向長さは短くなる。また、本発明では、戻り流体が生じない場合でも流体力の低減が行える。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態にかかるスプール弁（スプール形方向制御弁）のスプールの側面図、図２は図１のスプールを用いた電磁式スプール弁の断面図、図３は図２のスプールが図で見て右側に作動した状態を示す断面図である。図２において、スプール弁１０は、電磁式スプール弁であり、本体１１に設けられた摺動穴１２にスプール１が摺動可能に配置されている。摺動穴１２には環状の供給ポート１４と、この供給ポートを中心に左右対称に設けられた環状の２つの負荷ポート１５，１６と、この負荷ポートの両外側に環状の戻りポート１７，１８が設けられている。スプール１は、中立位置において供給ポート１４に開口する環状の中央凹部３と、この中央凹部の両側対称に設けられ負荷ポート１５，１６をそれぞれ供給ポート１４と遮断するようにされた２つのランド部２ａ，２ｂが設けられ、ランド部の両端に小径の段付ステム５ａ，５ｂを有している。ランド部２ａ，２ｂの外方端部２ｅ，２ｆは負荷ポート１５，１６に微少隙間１５ａ，１６ａで開口している。スプールの段付きステムに当接するようにロッド２１ａ，２１ｂを介して、それぞれソレノイド２２ａ，２２ｂにより、押しつけるようにされている。２３ａ，２３ｂはワッシャでありスプリング２４ａ，２４ｂに付勢されスプール１の両端の段付き部６ａ，６ｂに当接している。ワッシャ２３ａ，２３ｂはさらに本体１１の摺接穴１２の端部１２ａ，１２ｂにリング２５ａ，２５ｂを介して当接するようにされ、スプリング２４ａ，２４ｂによりスプール１を中立位置に保持する。中立時は負荷ポート５，６はそれぞれランド２ａ，２ｂにより供給ポート１４と遮断され、負荷ポート１５，１６と戻りポート１７，１８とは微少隙間で連通されている。
【００１５】
ソレノイド２２ａ，２２ｂのいずれか一方を励磁し、ロッド２１ａ，２１ｂによりスプールを変位させる。図２で見て左側ソレノイド２２ａを励磁すると、図３に示すように、スプール１は右側に移動し、ランド２ａの左側と負荷ポート１５と戻りポート１７が連通する。一方、ランド２ｂの左側と供給ポート１４とが連通し、供給ポート１４と負荷ポート１６が連通し、負荷ポート１６と戻りポート１８が遮断される。このように、スプール１をソレノイド２２ａ，２２ｂにより左右に変位させ、供給ポート１４を負荷ポート１５，１６のいずれか一方と連通させ、同時に他方の負荷ポートを隣接する側の戻りポート１７，１８と連通可能にされている。ソレノイド２２ａ，２２ｂの励磁を中止すると、スプール１は中立位置に戻る。
【００１６】
特に、本実施の形態においては、図１に示すように、スプール１の中央凹部３には軸方向対称形状であって、中央凹部中心３ｃからランド部端２ｃ，２ｄに向かって外径が漸増する傾斜部３ａ，３ｂが設けられている。傾斜部３ａ，３ｂは円錐状であり、いわゆる鼓形にされている。
【００１７】
かかる構成の電磁式スプール弁１０において、その作動を説明する。前述したように図３はソレノイド２２ａを励磁してスプール１が右方向に移動したものである。ソレノイド２２ａを励磁して供給ポート１４から負荷ポート１６に流体を流し、図示しないシリンダに供給する。シリンダの戻り側より押し出された流体が負荷ポート１５に戻ってきて戻りポート１７に流れる。このとき、負荷ポート１５とランド２ａの外側端２ｅとの隙間９の開度は比較的大きく流体力は小さい。一方、負荷ポート１６とランド２ｂのランド部端２ｄの隙間１９は小さく、前述した流体力が発生する。ところが、供給ポート１４からの流体はスプール１の傾斜部３ａから３ｂに沿って流れ隙間１９に流出する。このスプール表面に沿った流れとなることにより、スプール表面の流体流れが殆どない箇所が少なくなる。また、旋回流も発生していると思われる。これによりスプール移動方向と逆向きの力が小さくなり、中央凹部３の両ランド部端２ｃ，２ｄ両壁面の圧力不均衡が低減され、圧力不均衡により生じるスプールを閉じようとする流体力が小さくなると考えられる。前述したように、かかる構成により流体力を低減する力が働くことが実験で確認された。なお、図１において右側の傾斜部３ｂのみを従来と同様に中央凹部中心径のままとした片側傾斜スプールで実験したが、流体が傾斜面側から流入し、傾斜面反対側より流出する方向に流れる時は、本発明の対称のものよりも流体力低減の効果は若干よくなる程度であった。なお、片側傾斜スプールでは、反対方向の流れでは本発明より悪くなる。従って、単動シリンダのように供給ポートから一方の負荷ポートへの供給だけで同時には戻りポートに流体が戻らないような、片パスに使用する場合は有効だが、汎用性は少ない。
【００１８】
【実施例】
かかる、構成の電磁スプール弁について、図１において、傾斜部３ａ，３ｂの外径の漸増量であるスプール中心軸に対する片側角度θを１５°、２５°、３５°とし、また、ランド部端２ｃ，２ｄの中央凹部３の傾斜部の外径φｄをランド径φＤの外径の０．６、０．７，０．８として通過流量に対する切換限界を測定した。なお、バルブサイズは１／８サイズの定格流量４０Ｌｉｔ／ｍｉｎであり、外径はφＤは１３ｍｍランド間の寸法は９．４ｍｍ、ランド幅は７．３ｍｍのスプールを用いた。その結果、これらの範囲では従来のものより１０％〜２０％性能が向上した。特にθが２５°、外径比が０．７の組合せが最も性能が良かった。
【００１９】
次に本発明の他の実施の形態について、説明する。図４に示すものは、図１で述べた円錐状の傾斜部を直線上でなく外径が円弧上に漸増する鼓形状にしたものである。また、図５に示すものは連続面でなく、外径が不連続に漸増し対向する筍形状にしたものである。また、図６に示すものは、中央凹部中心近傍に平行部３ｈを設けたものである。中央凹部はかかる形状であっても同様な流体力の低減ができる。なお、図４乃至６について、図１と同様な部分について同符号を付し説明を省略する。なお、実施の形態においては、ソレノイド駆動の場合の電磁式スプール弁（電磁弁）について述べたが、油圧力にて駆動する油圧パイロット形方向制御弁、手動にて駆動する手動形方向制御弁にも適用できることはいうまでもない。また、説明においては、中立時に供給ポートブロック、負荷ポートと戻りポートが微少隙間で連通しているものについて述べたが、全てのポート間がブロックされているもの、２位置切換弁等、スプール形状、切換位置について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々のものに適用できることはいうまでもない。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明においては、中央凹部中心からランド部端に向かって外径を漸増させ、外径の漸増量はスプールランド部端の中央凹部外径をランドの外径の０．６以上０．８以下として、かつスプール中心軸に対する片側角度にして１５°以上３５°以下とし、かつ中央凹部を軸方向対称形状としたので、流体力補償を確保し、さらに、負荷ポートでの絞りを減じ、圧力損失が小さく、汎用のものと同等とすることができる。また、外径を制限したので、ランド幅を正確に加工できるので、切換位置等の精度もよい等の効果を有するものとなった。さらに、供給ポートから負荷ポートへの流出で発生する流体力を供給ポートと負荷ポート間で低減するようにし、寸法的に余裕ができ、両負荷ポートとも等しい流体力低減効果が得られるようにしたので、軸方向の長さ、特にポート間長さを大きくすることなく、汎用に適し、圧力損失が小さく、構造が簡単なスプールを有するスプール弁を提供するものとなった。
【００２１】
また、戻り側補償がなくてもよく、廉価で小型の汎用に適したスプール弁となった。また、従来の汎用品に較べ、流体力が低減できるので、定格流量をそのままとし、ソレノイドを小さくできる。逆に、ソレノイドをそのままとし、定格流量を増加することができ、この場合は、客先においても従来より小型の弁を選択することができ、トータルコストの低減及び装置のコンパクト化に貢献できる。また、戻りポートへの戻り流量がなくてもよいので、供給ポートから負荷ポート１方向にしか流体流れがなく、戻りポートへの流体流れがない使用方法でも流体力低減効果が得られる。流体力低減によりスプールが従来より切換わり易くなるので、ごみに対して強くなり、信頼性も向上する。
【００２２】
また、中央凹部中心からランド部端に向かって外径が漸増する傾斜部の形状は、円錐形状や、円弧上に漸増する鞍状の鼓形状、筍形状、あるいは中央に平行部を有する形状等でよく、単純なスプール形状であり、加工も簡単で、精度も確保し易く、コストも低いものとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるスプール弁（スプール形方向制御弁）のスプールの側面図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる図１のスプールを用いた電磁式スプール弁の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる図２のスプールが図でみて右側に作動した状態を示す断面図である。
【図４】本発明の第二の実施の形態にかかるスプールの側面図である。
【図５】本発明の第三の実施の形態にかかるスプールの側面図である。
【図６】本発明の第四の実施の形態にかかるスプールの側面図である。
【図７】従来の流体力補償を有しない、４ポート電磁弁の断面図である。
【図８】従来の戻りポートに流体力補償を有するスプール弁を示す断面説明図である。
【図９】従来の供給ポート及び戻りポートに流体力補償を有するスプール弁を示す断面図である。
【図１０】従来の供給ポート及び戻りポートに流体力補償を有する他のスプール弁を示す断面図である。
【符号の説明】
１    スプール
２ａ、２ｂ  ランド部
２ｃ、２ｄ  ランド部端
３    中央凹部
３ｃ  中央凹部中心
３ｈ  平行部
１０  方向制御弁（スプール弁）
１１  本体
１２  摺動穴
１４  供給ポート
１５、１６  負荷ポート
１７、１８  戻りポート
θ    スプール中心軸に対する片側角度
φｄ  ランド部端の中央凹部外径
φＤ  ランドの外径
【図１】
0003940031.tif 000002
【図２】
0003940031.tif 000003
【図３】
0003940031.tif 000004
【図４】
0003940031.tif 000005
【図５】
0003940031.tif 000006
【図６】
0003940031.tif 000007
【図７】
0003940031.tif 000008
【図８】
0003940031.tif 000009
【図９】
0003940031.tif 000010
【図１０】
0003940031.tif 000011