(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中立位置の左右で摺動可能なスプールと、
供給ポートと、
この供給ポートの左右両側に設けられた一対の負荷ポートと、
これらの負荷ポートの両外側に設けられた一対の戻りポートと、
前記スプールを左右いずれか一方向に付勢するバネ手段と、
通電により前記スプールを左右いずれか他方向に付勢する比例ソレノイドとを備え、
前記スプールが中立位置にあるときに前記スプールに形成された一対のランド部が前記一対の負荷ポートをブロックするとともに、前記スプールが中立位置の左右に摺動すると前記供給ポートと前記負荷ポートの一方および前記負荷ポートの他方と前記戻りポートとを連通するスプール弁において、
前記スプールの一対のランド部の中間に、前記一対のランド部と略同径であって、前記スプールがストロークするのにしたがって前記供給ポートから流れ出す流体通路に絞りを与えていき、前記スプールが左右方向のうち一方に定格ストロークを超えて摺動した場合には前記供給ポートの該一方を閉鎖するつば状のランド部を設けるとともに、前記一対の負荷ポートの流体の流通は負荷ポートの左右の端部からスプール軸方向にスプールの定格ストロークとほぼ等しい長さで広がる複数の開口を介してなされるようにしたことを特徴とするスプール弁。
【請求項２】
前記複数の開口を、前記負荷ポートの内側に、該負荷ポートの左右の端辺に沿って形成したことを特徴とする請求項１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、スプール弁に作用する流体力の低減に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、スプール弁においてスプールに作用する流体力をバランスさせる構造（補償効果を持たせる構造）として、例えば、裳華房「油圧駆動とその制御」上巻第２６２頁〜第２７７頁に説明されているような４方向流量制御弁が知られている。
【０００３】
図７に示すように、この４方向流量制御弁は、バルブボディ１に形成されたシリンダ部１Ａ内に、スプール２を摺動自在に備えている。また、このシリンダ部１Ａの内周には、複数の環状ポートが形成されており、作動流体が供給される中央の供給ポート３の左右両側には、一対の負荷ポート４、５が設けられ、これらの負荷ポート４、５の間に負荷６が介装される。さらに、これらの負荷ポート４、５の左右両外側には、一対の戻りポート７、８が形成され、これらの戻りポート７、８から作動流体がドレーン側に還流するようになっている。
【０００４】
スプール２外周には、負荷ポート４、５の位置に対応して、シリンダ部１Ａと略同径の一対の環状のランド部１１、１２が形成され、スプール２が中立位置にあるときには、これらのランド部１１、１２がちょうど負荷ポート４、５を閉鎖するようになっている。また、これらのランド部１１、１２の間と左右両外側には、小径部１３とバケット部１４、１５が、それぞれ形成されている。これにより、スプール２が中立位置から左右にずれると、供給ポート３からの作動流体は、小径部１３外周の隙間を通って負荷ポート４または５に流入するとともに、負荷ポート４または５からの作動流体は、バケット部１４または１５の外周を通って戻りポート７または８に還流するようになっている。
【０００５】
この場合、ランド部１１、１２の両外側のバケット部１４、１５は、スプール２に作用する作動流体圧力のバランスをとるため、特有の形状となっている。すなわち、小径部１３におけるスプール２は真っすぐな略円筒形状となっているのに対して、バケット部１４、１５には、その左右外側部分に、なだらかな傾斜部１４Ａ、１５Ａが形成されている。さらに、戻りポート７、８の内側（負荷ポート４、５側）側壁にも傾斜部７Ａ、８Ａが形成され、負荷ポート４、５から戻りポート７、８への流体通路の下流側が広げられている。
【０００６】
このような構成により、スプール２作用する流体力は、以下に説明するようなものとなる。
【０００７】
まず、供給ポート３から負荷ポート４、５に流れる流体がスプール２に及ぼす流体力について説明する。
【０００８】
図７に示すように、ランド部１１、１２が負荷ポート４、５を閉鎖する中立の位置からスプール２が右方向に動いた場合には、供給ポート３と右側の負荷ポート５が連通し、供給ポート３からの作動流体が、図に矢印で示したように負荷ポート５を通って負荷６側に流れ込む。この場合、負荷ポート５とランド部１２の間の開口により流体の流れが絞られ、作動流体の圧力が低下し、結果として、スプール２には図７の左方向に引き戻そうとする軸方向の流体力が作用する。そして、この流体力は、負荷ポート５とランド部１２の間の流体通路が広がり、流量が大きくなるにしたがって大きな力となって行く。
【０００９】
一方、スプール２が中立の位置から図７の左方向に動いた場合には、作動流体は供給ポート３から左側の負荷ポート４へと流れる。この場合には、作動流体が供給ポート３から負荷ポート５に流れる場合と同様の原理で、図７の右方向に引き戻そうとする流体力が、スプール２に作用する。
【００１０】
このようにして、供給ポート３から負荷ポート４、５に流れる流体からスプール２に作用する流体力は、図８の特性図に一点鎖線で示すような特性となり、スプール２を中立位置側に引き戻そうとする（負荷ポート４、５の開口を狭めようとする）。なお、この図８では、図７の右方向を正方向としている。
【００１１】
つぎに、負荷ポート４または５から戻りポート７または８に還流する作動流体がスプール２に及ぼす流体力について説明する。
【００１２】
図７に示すように、スプール２が右方向（正方向）に動いた場合には、負荷６からの作動流体は、負荷ポート４から戻りポート７へと流れる。この場合、バケット部１４側に流れ出た流体の一部は、バケット部１４の傾斜部１４Ａから戻りポートの傾斜部７Ａへと導かれ、図に矢印で示したように、渦を巻くように流れる。この結果、負荷ポート４から戻りポート７へと流れる流体のスプール軸方向の流出運動量は流入運動量を上回り、スプール２には、図８の右方向（正方向）に向かう軸方向の流体力が作用する。この流体力は、スプール２のストローク増大により、負荷ポート４または５が大きく広がり、戻りポート７または８に還流する流量が増大するにしたがって大きくなって行く。
【００１３】
一方、これとは逆にスプール２が左方向（負方向）に動いた場合には、同様の原理により、傾斜部１５Ａから傾斜部８Ａへと渦を巻くように流れる流体からの流体力は、スプール２を図の左方向（負方向）に押し出すように作用する。
【００１４】
このように、負荷ポート４または５から戻りポート７または８に還流する作動流体がスプール２に及ぼす流体力は、図８の特性図に破線で示す特性となり、スプール２を中立位置側から押し出そうとする（負荷ポート４、５の開口を広げようとする）。
【００１５】
そして、この４方向流量制御弁においては、バケット部１４および戻りポート７の形状を適当なものとすることにより、供給ポート３から負荷ポート４、５に流れる流体がスプール２に及ぼす流体力と、負荷ポート４または５から戻りポート７または８に還流する作動流体がスプール２に及ぼす流体力を、ちょうど釣り合わせるようにしている。すなわち、スプール２に作用するトータルの流体力は、図８に実線で示したように、スプール２の変位によらずに略最小に押さえられるようになっている。
【００１６】
さて、このような４方向流量制御弁には、図９に示すように、スプール２の左端から右方向（正方向）への力を及ぼすスプリング１６と、通電によりスプール２の右端から左方向（負方向）への力を及ぼす比例ソレノイド１７が備えられる。なお、この図９においては、バルブボディ１とスプール２の間にスリーブ２０が介装されているが、４方向流量制御弁の本質的構造は、図７のものと変わりない。なお、このスリーブ２０は、バルブボディ１に固定されており、供給ポート３、負荷ポート４、５、戻りポート７、８の位置に合わせて、作動流体を流通させるための開口が形成されている。
【００１７】
スプール２の軸方向の変位は、これらスプリング１６と比例ソレノイド１７からの付勢力のバランスによって駆動される。すなわち、スプール２に作用する流体力とスプリング１６からの力の総和は、図９にスプリング１６からの力を重ね合わせた特性図である図１０に実線で示すような特性となるが、比例ソレノイド１７への通電量を制御することにより、比例ソレノイド１７からの付勢力を適当に調節して、スプール２を所望の変位でバランスさせるようにしている。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図７、図９に示す流量制御弁は、４方向弁として使用する限り、スプール２に作用する流体力はバランスしている。
【００１９】
しかしながら、この４方向流量制御弁を、２方向弁または３方向弁として使用したいことがある。このような場合には、スプール２に作用する流体力はバランスすることはなく、最小に抑えられることがなくなる。このため、スプール２に作用する軸方向の流体力は、例えば図１０に一点鎖線で示すような供給ポート３から負荷ポート４、５に流れる流体からの流体力とスプリング力を合わせたものとなり、スプール２の変位位置によっては大きな値となってしまう。
【００２０】
また、図７、図９に示す流量制御弁を４方向弁として用いる場合でも、負荷６として片ロッドシリンダを用いた場合などには、供給ポート３から負荷ポート４または５に流入する流量と、負荷ポート４または５から戻りポート７または８に還流する流量が同じとならず、流体力のバランスが崩れ、スプール２に大きな軸方向の流体力が作用することがある。
【００２１】
このような大きな流体力に対抗するためには、比例ソレノイド１７を大型化する必要があり、これは、コストアップや、比例ソレノイド１７の動特性の低下等の原因となってしまう。
【００２２】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、スプールに作用する流体力を弁の使用状況によらずに低減させることができるスプール弁を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、中立位置の左右で摺動可能なスプールと、供給ポートと、この供給ポートの左右両側に設けられた一対の負荷ポートと、これらの負荷ポートの両外側に設けられた一対の戻りポートと、前記スプールを左右いずれか一方向に付勢するバネ手段と、通電により前記スプールを左右いずれか他方向に付勢する比例ソレノイドとを備え、前記スプールが中立位置にあるときに前記スプールに形成された一対のランド部が前記一対の負荷ポートをブロックするとともに、前記スプールが中立位置の左右に摺動すると前記供給ポートと前記負荷ポートの一方および前記負荷ポートの他方と前記戻りポートとを連通するスプール弁において、前記スプールの一対のランド部の中間に、前記一対のランド部と略同径であって、前記スプールがストロークするのにしたがって前記供給ポートから流れ出す流体通路に絞りを与えていき、前記スプールが左右方向のうち一方に定格ストロークを超えて摺動した場合には前記供給ポートの該一方を閉鎖するつば状のランド部を設けるとともに、前記一対の負荷ポートの流体の流通は負荷ポートの左右の端部からスプール軸方向にスプールの定格ストロークとほぼ等しい長さで広がる複数の開口を介してなされるようにした。
【００２４】
第２の発明は、前記複数の開口を、前記負荷ポートの内側に、該負荷ポートの左右の端辺に沿って形成した。
【００２７】
【発明の作用および効果】
第１〜第２の発明では、スプール弁の作動時には、供給ポートから負荷ポートに流れる流体が負荷ポートで絞られてスプールに流体力を及ぼすが、負荷ポートに流れ出す流体には開口により大きな流出角度が与えられるので、この流体力が負荷ポートを閉じる方向にスプールを引き込む力は、スプールのストロークが進んでもあまり大きくならない。さらに、スプールのストロークがある程度進むと、つば状のランド部が供給ポートから流入する流体に与える絞りの効果が効いて来るので、この流体力が負荷ポートを開く方向にスプールを押し出す力により、負荷ポートを閉じる方向にスプールを引き込む流体力は頭打ちとなる。したがって、供給ポートから負荷ポートに流れる流体がスプールに及ぼす力の特性は、流体力ゼロの上下で波打つ形となり、流体力の絶対値は小さな値に抑制される。
また、定格ストロークを超えて、さらにスプールが摺動すると、つば状のランド部は、供給ポートの右側または左側をブロックする。このようにして、スプールの摺動が所定値を超えると、供給ポートの左右は、つば状のランド部と、一対のランド部の一方によってブロックされ、ポンプ側からの作動流体の流入が禁止されるフェールセーフ機能が働く。
【００２８】
また、負荷ポートから戻りポート側に流れ出す流体にも開口により大きな流出角度が与えられるので、負荷ポートから戻りポートに流れる流体がスプールに及ぼす力も、スプールのストロークが進んでもあまり大きくならない。
【００２９】
このように、本発明では、供給ポートから負荷ポートに流れる流体がスプールに及ぼす流体力も、負荷ポートから戻りポートに流れる流体がスプールに及ぼす流体力も、その絶対値が比較的小さな範囲に抑制されるので、スプール弁はいかなる使用方法がされた場合でも、流体力とバネ力の総和の絶対値が大きくなり過ぎることはない。したがって、この流体力とバネ力に対抗する付勢力を発生する比例ソレノイドの推力を大きくする必要もない。
【００３０】
また、開口の長さをスプールの定格ストロークの長さと略等しくすれば、スプールが定格ストロークを超えて摺動した場合には、ランド部は開口の端部を超えたところまで動くことになり、負荷ポートの有効通路面積はそれ以上に広がることはない。したがって、スプールが定格ストロークを超えて摺動したとしても、流量が大きくなって制御不能の流体力がスプールに作用してしまうようなことはない。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
【００３３】
図１に示すように、本発明のスプール弁では、バルブボディ１に形成されたシリンダ部１Ａにスリーブ２０が固定されており、このスリーブ２０内にスプール２が摺動自在に収容されている。
【００３４】
シリンダ部１Ａの内周には複数の環状ポートが形成され、これらのうち供給ポート３はポンプ９と連通している。この供給ポート３の左右両側には、一対の負荷ポート４、５が設けられ、これらの負荷ポート４、５の間に負荷６が介装される。さらに、これらの負荷ポート４、５の左右両外側には、一対の戻りポート７、８が形成され、これらの戻りポート７、８から作動流体がタンク１０側に還流するようになっている。
【００３５】
図２にも示すように、スプール２の外周には、スプール２が中立位置にあるときに負荷ポート４、５にちょうど対応する位置に、スリーブ２０内径と略同径で、負荷ポート４、５の軸方向長さと略同長の一対の環状のランド部１１、１２が形成されている。また、これらのランド部１１、１２の間と左右両外側には、小径部１３とバケット部１４、１５が、それぞれ形成されている。なお、バケット部１４、１５は、図７、図９に示した従来例と同様に、負荷ポート４、５から戻りポート７、８に流れる流体を導くために左右外側に傾斜部１４Ａ、１５Ａを備えている。
【００３６】
さらに本発明の特徴となる構成として、小径部１３の略中央には、軸方向長さが短く、スリーブ２０内径と略同径のつば状のランド部１９が設けられている。このランド部１９は、スプール２がストロークするのにしたがって、供給ポート３から流れ出す流体通路に絞りを与えていくようになっている。
【００３７】
図３、図４にも示すように、スリーブ２０の供給ポート３、戻りポート７、８に対応する内周には、それぞれ、環状凹部２１、２２、２３が形成される。そして、これらの環状凹部２１、２２、２３には、それぞれ、複数の円形穴３１、３２、３３が開口する。これらの円形穴３１、３２、３３は、それぞれ環状凹部２１、２２、２３に沿って並んで設けられており、作動流体はこれらの円形穴３１、３２、３３を介して、供給ポート３、戻りポート７、８とスリーブ２０内側との間で流通する。
【００３８】
また、スリーブ２０の負荷ポート４および５に対応する位置には、本発明の特徴となる構成として、それぞれ、複数の矩形穴２４、２５および矩形穴２６、２７が、スリーブ２０の周方向に沿って並んで形成されている。
【００３９】
この場合、矩形穴２４、２５および矩形穴２６、２７は、それぞれ負荷ポート４および５の左右の端辺に沿って、少なくとも各一対となるように対称的に、負荷ポート４および５の内側に形成される。そして、これらの矩形穴２４〜２７の長さ（軸方向に沿った幅）は、スプール２の定格ストロークと略同長か、定格ストロークよりわずかに長く設定されている。これにより、スプール２が定格ストローク内で摺動する間は、スプール２の右または左方向へのストロークにしたがって、ランド部１１、１２により閉鎖されていた矩形穴２４、２６または矩形穴２５、２７が開口し、供給ポート３から負荷ポート５または４への流体通路、および負荷ポート４または５から戻りポート７または８への流体通路が広がって行く。ところが、スプール２が定格ストロークを超えて摺動したとしても、ランド部１１または１２は矩形穴２４、２５または２６、２７の端部を超えて動くだけで、それ以上、これらの有効通路面積が広がることはないようになっている。
【００４０】
なお、図１には示さないが、スプール２の左右両端には、図９と同様に、スプリング１６および比例ソレノイド１７が備えられ、スプール２の変位は、比例ソレノイド１７への通電により比例ソレノイド１７からの付勢力を調整することにより制御される。
【００４１】
つぎに作用を説明する。
【００４２】
スプール弁を使用するときには、例えばフィードバック制御により比例ソレノイド１７へ適切な通電を行い、スプール２の変位量、すなわち弁開度を制御する。この場合、ポンプ９からの作動流体は、供給ポート３から負荷ポート４、５を通って負荷６に至り、戻りポート７または８を介してタンク１０に還流して行くが、この作動流体の流れは、スプール２に流体力を及ぼす。
【００４３】
まず、供給ポート３から負荷ポート４または５に流れる流体がスプール２に及ぼす流体力について説明する。
【００４４】
ランド部１１、１２が負荷ポート４、５を閉鎖する中立位置から、スプール２が右方向（正方向）に動いた場合には、作動流体は、供給ポート３とランド部１９の間の流体通路を通って、ランド部１２により一部が閉鎖された矩形穴２６から負荷ポート５に流れ込む。この場合、矩形穴２６とランド部１２の間の流体通路を通る流体の圧力低下により、スプール２には左方向（負方向）の流体力が作用し、図５の一点鎖線に示すように、この負方向の流体力はスプール２の正方向のストロークにしたがって増大して行く。この場合、本発明では、矩形穴２６の存在により、負荷ポート５への流体の流出角度は大きくなり、この負方向の流体力の増大が抑制される。
【００４５】
さらに、本発明では、このスプール２の正方向のストロークがある程度進むと、今度は供給ポート３とランド部１９の間の流体通路で絞られた流体が、ランド部１９（したがってスプール２）を右方向（正方向）に引き込もうとする力が効いてくる。この正方向の流体力は、スプール２の正方向のストロークが進み、供給ポート３とランド部１９間の流体通路が狭められるほど優勢となって来るので、結局、供給ポート３から負荷ポート５に流れる流体がスプール２に及ぼすトータルの流体力は、図５の一点鎖線に示すように、負方向に頭打ちとなり、逆に減って行く。
【００４６】
一方、スプール２が左方向（負方向）に動いた場合には、作動流体は供給ポート３とランド部１９の間から、ランド部１１と矩形穴２５の間を通って、負荷ポート４に流入するが、このときにスプール２に作用する流体力は、スプール２が右方向（正方向）に動いたときと、左右（正負）に全く対称に発生する。
【００４７】
このように、供給ポート３から負荷ポート４または５に流れる流体がスプール２に及ぼす流体力は、図５に一点鎖線で示したように波状になり、流体力ゼロの上下の比較的狭い範囲内に制限される。
【００４８】
つぎに、負荷ポート４または５から戻りポート７または８に還流する作動流体がスプール２に及ぼす流体力について説明する。
【００４９】
スプール２が右方向（正方向）に動いた場合には、負荷６からの作動流体は、負荷ポート４から矩形穴２４を通って、戻りポート７へと流れる。この場合、本発明では、矩形穴２４の存在により、負荷ポート４からの流体の流入角度を大きくすることができ、これにより、右方向（正方向）へ向かう流体力が、図７〜図１０に示した従来例のようには増大しないようになっている。また、バケット部１４の傾斜部１４Ａの形状を調整することにより、スプール２のストロークの初期においては、いったん負方向の流体力が生じるようにし、その後、流体力が正方向に転じるようにしてある。
【００５０】
一方、スプール２が左方向（負方向）に動いた場合には、負荷６からの作動流体は、負荷ポート５から矩形穴２７を通って、戻りポート８へと流れるが、この場合には、スプール２が右方向（正方向）に動いた場合と、左右（正負）全く対称に流体力が作用する。
【００５１】
このように、負荷ポート４または５から戻りポート７または８に還流する作動流体がスプール２に及ぼす流体力も、図５に破線で示したように、流体力ゼロの上下の比較的狭い範囲に制限される。
【００５２】
したがって、図５に実線で示したように、供給ポート３から負荷ポート４または５に流れる流体と、負荷ポート４または５から戻りポート７または８に還流する作動流体が、スプール２に及ぼすトータルの流体力も、流体力ゼロの上下の比較的狭い範囲に制限される。
【００５３】
図６には、図５に示した３種類の流体力に、スプリング１６のバネ力を加えた力の特性を示す。このように、流体力とバネ力の総和の絶対値は、３種類の流体力のいずれも、比較的小さな範囲に制限される。すなわち、供給ポート３から負荷ポート４または５にのみ流体が流れる場合（図６の一点鎖線の場合）、負荷ポート４または５から戻りポート７または８にのみ流体が流れる場合（図６の破線の場合）、供給ポート３から戻りポート７または８へと流体が流れる場合（図６の実線の場合）のいずれの場合でも、要するに、本発明のスプール弁はいかなる使用方法がされた場合でも、流体力とバネ力の総和の絶対値が大きくなり過ぎることはない。したがって、この流体力とバネ力に対抗する付勢力を発生する比例ソレノイド１７を大型化する必要もない。
【００５４】
さて、定格ストローク内でのスプール２の摺動に伴う動作は以上の通りであるが、本発明では、スプール２が定格ストロークを超えて摺動した場合には、ランド部１１、１２は矩形穴２４〜２７を超えたところまで動くことになり、負荷ポート４、５の開口は矩形穴２４〜２７で制限される以上に広がることはない。したがって、スプール２が定格ストロークを超えて摺動したとしても、流量が大きくなって制御不能の流体力がスプール２に作用してしまうようなことはない。
【００５５】
定格ストロークを超えて、さらにスプール２が摺動すると、ランド部１９は、環状凹部２１の右または左の端部を超え、供給ポート３の右側または左側をブロックする。このようにして、スプール２の摺動が所定値を超えると、供給ポート３の左右は、ランド部１９と、ランド部１１または１２によってブロックされ、ポンプ９側からの作動流体の流入が禁止されるフェールセーフ機能が働くようになっている。
【００５６】
なお、本発明では、この実施の形態における矩形穴２４〜２７に代えて、異なる形状の穴（例えば円形穴）を用いる他の実施の形態を採ることもできる。この場合でも、これらの穴は、負荷ポート４および５の左右の端辺に沿って、負荷ポート４および５の内側に形成するようにするとともに、軸方向に沿った長さを、スプール２の定格ストロークと略同長か、定格ストロークよりわずかに長くなるように設定するようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す断面図である。
【図２】同じくスプールを示す側面図である。
【図３】同じくスリーブを示す断面図である。
【図４】同じく図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】同じくスプールに作用する流体力の特性を示す特性図である。
【図６】同じくスプールに作用する流体力とバネ力のトータルの特性を示す特性図である。
【図７】従来例を示す断面図である。
【図８】同じくスプールに作用する流体力の特性を示す特性図である。
【図９】従来例を示す断面図である。
【図１０】同じくスプールに作用する流体力とバネ力のトータルの特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１  バルブボディ
２  スプール
３  供給ポート
４  負荷ポート
５  負荷ポート
６  負荷
７  戻りポート
８  戻りポート
９  ポンプ
１０  タンク
１１  ランド部
１２  ランド部
１３  小径部
１４  バケット部
１５  バケット部
１９  ランド部
２０  スリーブ
２１  環状凹部
２２  環状凹部
２３  環状凹部
２４  矩形穴
２５  矩形穴
２６  矩形穴
２７  矩形穴
３１  円形穴
３２  円形穴
３３  円形穴
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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