(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作器からの信号に応じて変位してポンプから流体圧アクチュエータに供給される作動流体を方向制御および流量制御する主弁と、
流体圧アクチュエータの負荷を圧力で検出する圧力センサと、
圧力センサからの信号に応じて信号を出力するコントローラと、
コントローラからの信号に応じたパイロット圧信号を出力する電磁比例弁と、主弁内に設けられ電磁比例弁からのパイロット圧信号によりパイロット作動される補助弁とを具備し、
コントローラは、流体圧アクチュエータの負荷が変化してもアクチュエータ動き出し時の操作器の操作位置が変化せず、かつ、操作器の操作量に対するアクチュエータスピードの特性カーブが所望の操作性カーブとなるように、電磁比例弁を通じて補助弁を制御する
ことを特徴とする流体圧回路。
【請求項２】
電磁比例弁は、コントローラからの信号に対してパイロット圧が比例的に変化する正特性を有し、
補助弁は、電磁比例弁からのパイロット圧信号がないときの中立位置で全開状態となる
ことを特徴とする請求項１記載の流体圧回路。
【請求項３】
電磁比例弁は、コントローラからの信号に対してパイロット圧が逆比例的に変化する逆特性を有し、
補助弁は、電磁比例弁からのパイロット圧信号がないときの中立位置で全閉状態となる
ことを特徴とする請求項１記載の流体圧回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主弁および補助弁により流体圧アクチュエータの動作を制御する流体圧回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８に従来のパイロット作動式スプール弁１を含む代表的なオープンセンタ式油圧回路図を示す。
【０００３】
今、図８において、図示しない操作器の操作レバーが中立位置に保たれ、この操作器からパイロットポートＰp1，Ｐp2にパイロット圧が印加されていないときは、メインスプール２は両側のリターンスプリング３により中立位置にあり、ポンプＰoから供給された油は、パイロット作動式スプール弁１のバイパスポート入口Ｅ1から流入し、センタバイパス通路を経てバイパスポート出口Ｅ2より流出し、タンクＴaヘ排出される。
【０００４】
次に、パイロットポートＰp1にパイロット圧が負荷されると、メインスプール２に右方向の力が加わり、この右方向の力が、リターンスプリング３の抗力と釣り合う所までメインスプール２が変位する。
【０００５】
メインスプール２が右方向に変位していくと、やがて流体がポートＰからポートＡの方向、およびポートＢからポートＴの方向に流れる。
【０００６】
また、ポートＡは、例えば油圧ショベルのブームシリンダなどの油圧シリンダ４のヘッド側油室５にヘッド側ライン７を介して繋がっているとともに、ポートＢは、油圧シリンダ４のロッド側油室６にロッド側ライン８を介して繋がっており、ポンプＰoからポートＰを経てポートＡに供給された油がヘッド側油室５に流れ、ロッド側油室６からの戻り油がポートＢからポートТを経てタンクТaヘ流れることにより、ロッド９が伸び方向に動く。
【０００７】
メインスプール２の開口部Ｓ、ＵおよびＷには、いわゆるノッチと称する切欠きがあり、これらの開口部Ｓ、ＵおよびＷは、図９に示すような開口特性カーブＳx、ＵxおよびＷxを有しているものとする。以下、センタバイパス通路の開口部Ｗを、バイパスノッチ部Ｗという。
【０００８】
この開口特性は、油圧シリンダ４に代表されるアクチュエータの場合、図１０に示すような、いわゆるスピード制御を行なう上で重要な役割を果たすもので、その良し悪しで操作性が左右される。
【０００９】
ここで、メインスプール２のバイパスノッチ部Ｗが開口したときの開口面積をＡx、通過油量をＱ、バイパスノッチ部Ｗのノッチ直前の圧力（ポンプ圧）をＰ1、ノッチ直後の圧力をＰ2、ノッチ前後差圧をΔＰとすると、ベルヌーイの式より次の式（数１）が成り立つ。
【００１０】
（数１）
Ｑ＝Ｋ・Ａx・ΔＰ１／２
ただし、ΔＰ＝Ｐ1−Ｐ2、Ｋ：定数
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、式（数１）より、バイパスノッチ部Ｗの前後差圧ΔＰの大小により、同じ開口面積Ａxでも通過油量が変わるため、例えば、図１０において、油圧シリンダ４の負荷が最小負荷のＭ1で、油圧シリンダ４のヘッド側油室５のヘッド保持圧がＰc1、バイパスノッチ部Ｗのノッチ直前の圧力（ポンプ圧）をＰb1、ノッチ直後の圧力をＰb2とし、その前後差圧ΔＰbのときに図１０における理想的操作性カーブＣ1となるものとし、油圧シリンダ４のシリンダ動き出し時の操作器レバーポイントをＲ1、そのときのバイパスノッチ部Ｗの開度をＡR1とすると、バイパスノッチ部Ｗのノッチ前後にて式（数１）より、下記の式（数２）が成り立つ。
【００１２】
なお、油圧シリンダ４が上方に動き出すためには、ポンプ圧Ｐb1がヘッド保持圧Ｐc1と等しくなること、つまり、Ｐb1＝Ｐc1となることが必要である。したがって、
（数２）
Ｑw＝Ｋ・ＡR1・（Ｐb1−Ｐb2）１／２＝Ｋ・ＡR1・（Ｐc1−Ｐb2）１／２
ただし、Ｑw＝バイパスノッチ部Ｗの通過油量、Ｋ：定数
【００１３】
今、油圧シリンダ４の負荷がＭ1より大きいＭ2となった場合のヘッド保持圧をＰc2とすると、Ｐc1＜Ｐc2となることから、前述のとおり、油圧シリンダ４が動き出すためには、Ｐb1＝Ｐc2となることが必要である。
【００１４】
また、油圧シリンダ４が動き出す直前までは、ポンプＰoからの供給油は全てバイパスノッチ部Ｗを通過することから、油圧シリンダ４のシリンダ動き出し時の操作器レバーポイントをＲ2、そのときのバイパスノッチ部Ｗの開度をＡR2とすると、下記の式（数３）が成り立つ。
【００１５】
（数３）
Ｑw＝Ｋ・ＡR2・（Ｐc2−Ｐb2）１／２
【００１６】
よって、式（数２）および式（数３）より、
ＡR1・（Ｐc1−Ｐb2）１／２＝ＡR2・（Ｐc2−Ｐb2）１／２となるが、
Ｐc1＜Ｐc2であることから、ＡR1＞ＡR2となる。
【００１７】
したがって、油圧シリンダ４のシリンダ動き出し時のバイパスノッチ部Ｗの開口面積Ａxや、動き出しポイントは、図９および図１０に示すとおり、操作器レバーポイントＲ1より右寄りの操作器レバーポイントＲ2となり、油圧シリンダ４のシリンダスピードカーブもＣ2のような、ゲインの高いカーブとなる。
【００１８】
つまり、アクチュエータ負荷の増大により、動き出しレバーポイントが深くなり（すなわち中立位置から遠くなり）、かつ、スピードカーブの変化も急になって、操作性が悪化してしまうという問題がある。
【００１９】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、流体圧アクチュエータが動き出すときの操作器ポイントが変化せず、かつ、流体圧アクチュエータのスピードカーブも変化しないようにすることで、操作性を向上させる流体圧回路を提供することを目的とするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明は、操作器からの信号に応じて変位してポンプから流体圧アクチュエータに供給される作動流体を方向制御および流量制御する主弁と、流体圧アクチュエータの負荷を圧力で検出する圧力センサと、圧力センサからの信号に応じて信号を出力するコントローラと、コントローラからの信号に応じたパイロット圧信号を出力する電磁比例弁と、主弁内に設けられ電磁比例弁からのパイロット圧信号によりパイロット作動される補助弁とを具備し、コントローラは、流体圧アクチュエータの負荷が変化してもアクチュエータ動き出し時の操作器の操作位置が変化せず、かつ、操作器の操作量に対するアクチュエータスピードの特性カーブが所望の操作性カーブとなるように、電磁比例弁を通じて補助弁を制御する流体圧回路であり、操作器からの信号に応じて変位する主弁により流体圧アクチュエータを制御する際に、コントローラは、圧力センサで検出した流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、アクチュエータ動き出し時の操作器の操作位置が変化せず、かつ、操作器の操作量に対するアクチュエータスピードの特性カーブが所望の操作性カーブとなるように、電磁比例弁を通じて主弁内の補助弁を制御するので、流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、操作器の一定の操作位置により流体圧アクチュエータが動き出し、かつ、操作器の所定の操作量により所定のアクチュエータスピードが得られ、従来のようにアクチュエータ負荷が高くなればなる程、アクチュエータ動き出し操作位置が深くなり、かつ、アクチュエータスピードの特性カーブの変化も急になって、操作性が悪化してしまう、という問題を解消でき、アクチュエータ負荷の大小にかかわらず、良好な操作性が得られる。
【００２１】
請求項２に記載された発明は、請求項１記載の流体圧回路における電磁比例弁が、コントローラからの信号に対してパイロット圧が比例的に変化する正特性を有し、補助弁は、電磁比例弁からのパイロット圧信号がないときの中立位置で全開状態となるものであり、正特性の電磁比例弁を用いるときは、中立位置で全開状態となる補助弁を用いて、流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、操作器の一定の操作位置により流体圧アクチュエータが動き出し、かつ、操作器の所定の操作量により所定のアクチュエータスピードが得られ、操作性を向上できる。
【００２２】
請求項３に記載された発明は、請求項１記載の流体圧回路における電磁比例弁が、コントローラからの信号に対してパイロット圧が逆比例的に変化する逆特性を有し、補助弁は、電磁比例弁からのパイロット圧信号がないときの中立位置で全閉状態となるものであり、逆特性の電磁比例弁を用いるときは、中立位置で全閉状態となる補助弁を用いて、流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、操作器の一定の操作位置により流体圧アクチュエータが動き出し、かつ、操作器の所定の操作量により所定のアクチュエータスピードが得られ、操作性を向上できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図１乃至図４に示された一実施の形態、図５乃至図７に示された他の実施の形態を参照しながら詳細に説明する。なお、これらの実施の形態において、図８に示された従来の流体圧回路と同様の部分には、同一符号を付して、その説明を省略する場合がある。
【００２４】
先ず、図１乃至図４に示された一実施の形態を説明すると、図１において、１は、オープンセンタ式油圧回路における主弁としてのパイロット作動式スプール弁であり、このパイロット作動式スプール弁１は、操作器（リモートコントロール弁）11からのパイロット圧信号に応じて変位して、ポンプＰoから流体圧アクチュエータとしての油圧シリンダ４に供給される作動流体としての作動油を方向制御および流量制御するメインスプール２を有する。
【００２５】
このメインスプール２には、中立位置でポンプＰoをタンクТaに連通するバイパスノッチ部Ｗが設けられている。
【００２６】
操作器11は、パイロット油圧源Ｐpから供給されたパイロット１次圧を減圧制御して、操作レバー12のレバー操作量（または操作ペダルのペダル踏込量）に応じたパイロット２次圧としてのパイロット圧信号を、メインスプール２の一端または他端に供給する減圧弁である。
【００２７】
油圧シリンダ４のヘッド側ライン７には、油圧シリンダ４の負荷を圧力（すなわちヘッド保持圧）で検出する圧力センサ13が設置されている。
【００２８】
この圧力センサ13から引出された信号ライン14は、コントローラ15に接続されて、この圧力センサ13により検出されたヘッド保持圧、すなわち最小のＰc1から最大のＰcｍまでの圧力信号がコントローラ15に入力されるようになっている。
【００２９】
このコントローラ15は、圧力センサ13からの信号に応じて電気信号ライン16に電気信号を出力する。この電気信号ライン16は電磁比例弁17のソレノイド17aに接続されている。
【００３０】
電磁比例弁17は、コントローラ15からの電気信号により作動し、パイロット油圧源Ｐpから供給されたパイロット１次圧を制御して、コントローラ15からの電気信号に応じたパイロット２次圧としてのパイロット圧信号を外部信号ライン18に出力するものであり、図２に示すような電気信号に対してパイロット圧が比例的に変化する正特性を持っている。
【００３１】
前記パイロット作動式スプール弁１のメインスプール２内には補助弁21が内蔵されている。
【００３２】
この補助弁21は、電磁比例弁17からのパイロット圧信号によりパイロット作動される小スプール22が、スプリング23の付勢力とバランスする位置に制御されるものであり、その小スプール22は、電磁比例弁17からのパイロット圧信号がないときの中立位置で全開状態となり、図３に示されるように、電磁比例弁17から外部信号ライン18を経て供給されるパイロット圧により、開口面積Ｚ1の全開状態から漸次閉じる方向に変位するような開口特性を持っている。
【００３３】
この補助弁21の小スプール22は、外部信号圧がゼロのとき、図４に示す開口特性カーブＺx（最大開口面積Ｚ1）の開口特性となるが、この小スプール22の開口特性カーブＺxと、メインスプール２のバイパスノッチ部Ｗの開口特性カーブＹxとの合成特性カーブが、図９にも示された開口特性カーブＷxに等しくなるように設定されている。
【００３４】
さらに、開口特性カーブＹxは、油圧シリンダ４に負荷し得る最大荷重Ｍｍ時の最大ヘッド保持圧Ｐcｍの場合に、図１０における動き出し時の操作器レバーポイントがＲ1となり、かつ、油圧シリンダ４のシリンダスピードカーブが所望の理想的操作性カーブＣ1となるような特性カーブに設定されている。
【００３５】
次に、図１乃至図３に示された実施の形態の作用を、図４を参照しながら説明する。
【００３６】
コントローラ15は、圧力センサ13により検出されたヘッド保持圧を受けて、予め設定されたプログラムにより、そのときの油圧シリンダ４のヘッド保持圧に対応する電気信号を演算して電磁比例弁17に出力する。
【００３７】
すなわち、図４に示されるように、そのときのヘッド保持圧に対応するパイロット作動式スプール弁１のバイパスノッチ部Ｗの開口特性カーブＷxを、開口特性カーブＷxxに変化させる必要がある場合、開口特性カーブＷxxは、メインスプール２の開口特性カーブＹxと、補助弁21の開口特性カーブＺxxとの合成特性カーブであり、補助弁21を開口特性カーブＺxxとなるように制御したときに、図１０における動き出し時の操作器レバーポイントがＲ1となり、かつ、油圧シリンダ４のシリンダスピードカーブが所望の理想的操作性カーブＣ1となるので、コントローラ15は、開口特性カーブＺxxとなるように補助弁21を作動するパイロット圧を電磁比例弁17が出力するように、電気信号を電磁比例弁17に入力する。
【００３８】
このように、コントローラ15が、圧力センサ13から得られた油圧シリンダ４の負荷情報に基づき、電磁比例弁17を通じて補助弁21を制御することで、油圧シリンダ４の負荷が変化しても、シリンダ動き出し時の操作器11のレバー操作位置が常にＲ1となり変化せず、かつ、操作器11の操作量に対するシリンダスピードの特性カーブが所望の理想的操作性カーブＣ1となるように、バイパスノッチ部Ｗの開口特牲が、油圧シリンダ４の負荷に応じて変化する。
【００３９】
次に、図５乃至図７に示された他の実施の形態を説明する。なお、上記一実施の形態と同様の部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００４０】
上記一実施の形態では、図２に示されるようにコントローラ15からの電気信号に対してパイロット圧が比例的に変化する正特性を持った電磁比例弁17と、図３に示されるように中立位置で全開状態となっている補助弁21を用いた場合を示したが、図５に示されたオープンセンタ式油圧回路は、図６に示されるように、コントローラ15からの電気信号に対してパイロット圧が逆比例的に変化する逆特性を持った、いわゆる逆特性型電磁比例弁17と、図７に示されるように電磁比例弁17からのパイロット圧信号がないときの中立位置でスプリング23の付勢力により全閉状態となっている補助弁21とを用いたものである。
【００４１】
そして、油圧シリンダ４のヘッド保持圧が最小のＰc1のとき、補助弁21は、電磁比例弁17より最大パイロット圧が供給されていて全開状態となっており、その合成開口特性カーブはＷxとなっていて、ヘッド保持圧が高くなればなる程、コントローラ15からの電気信号により、電磁比例弁17からのパイロット圧が減圧され、このパイロット圧の減圧にしたがって、補助弁21の開口特性は徐々に小さくなって行き、ヘッド保持圧が最大のＰcｍとなったとき、補助弁21は全閉状態となり、バイパスノッチ部Ｗの開口特性カーブは、最小のＹxとなり、前記一実施の形態と同等の結果が得られる。
【００４２】
以上のように、油圧シリンダ４の負荷が変化し、ヘッド保持圧が変化しても、動き出し時の操作器レバーポイントが常にＲ1となり同じで、かつ、シリンダスピードカーブが理想的操作性カーブＣ1となるように、バイパスノッチ部Ｗの開口特牲が、そのヘッド保持圧に応じて変化するため、従来のようにヘッド保持圧が高くなればなる程、動き出しレバーポイントが深く、かつ、スピードカーブの変化も急になって、操作性が悪化してしまうという問題を解消でき、ヘッド保持圧の大小にかかわらず、良好な操作性が得られるようになった。
【００４３】
なお、上記の実施の形態では、流体圧アクチュエータが油圧シリンダ４の場合について述べたが、流体圧アクチュエータが例えば油圧ショベルの旋回モータや走行モータといった回転式アクチュエータについても、本発明により、同様の効果が得られる。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、操作器からの信号に応じて変位する主弁により流体圧アクチュエータを制御する際に、コントローラは、圧力センサで検出した流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、アクチュエータ動き出し時の操作器の操作位置が変化せず、かつ、操作器の操作量に対するアクチュエータスピードの特性カーブが所望の操作性カーブとなるように、電磁比例弁を通じて主弁内の補助弁を制御するので、流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、操作器の一定の操作位置により流体圧アクチュエータが動き出し、かつ、操作器の所定の操作量により所定のアクチュエータスピードが得られ、従来のようにアクチュエータ負荷が高くなればなる程、アクチュエータ動き出し操作位置が深くなり、かつ、アクチュエータスピードの特性カーブの変化も急になって、操作性が悪化してしまう、という問題を解消でき、アクチュエータ負荷の大小にかかわらず、良好な操作性が得られる。
【００４５】
請求項２記載の発明によれば、正特性の電磁比例弁を用いるときは、中立位置で全開状態となる補助弁を用いて、流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、操作器の一定の操作位置により流体圧アクチュエータが動き出し、かつ、操作器の所定の操作量により所定のアクチュエータスピードが得られ、操作性を向上できる。
【００４６】
請求項３記載の発明によれば、逆特性の電磁比例弁を用いるときは、中立位置で全閉状態となる補助弁を用いて、流体圧アクチュエータの負荷が変化しても、操作器の一定の操作位置により流体圧アクチュエータが動き出し、かつ、操作器の所定の操作量により所定のアクチュエータスピードが得られ、操作性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る流体圧回路の一実施の形態を示す回路図である。
【図２】同上回路で用いられる電磁比例弁の特性を示す特性図である。
【図３】同上回路で用いられる補助弁の開口特性を示す特性図である。
【図４】同上回路で用いられるパイロット作動式スプール弁の開口特性を示す特性図である。
【図５】本発明に係る流体圧回路の他の実施の形態を示す回路図である。
【図６】同上回路で用いられる逆特性型電磁比例弁の特性を示す特性図である。
【図７】同上回路で用いられる補助弁の開口特性を示す特性図である。
【図８】従来のオープンセンタ式油圧回路を示す回路図である。
【図９】同上従来回路のパイロット作動式スプール弁の開口特性を示す特性図である。
【図１０】同上スプール弁のシリンダスピードカーブを示す特性図である。
【符号の説明】
Ｐo   ポンプ
１    主弁としてのパイロット作動式スプール弁
４    流体圧アクチュエータとしての油圧シリンダ
11    操作器
13    圧力センサ
15    コントローラ
17    電磁比例弁
21    補助弁
【図１】
0004082928.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004082928.tif 000008
【図８】
0004082928.tif 000009
【図９】
0004082928.tif 000010
【図１０】
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