JPH11201301A - スプール型方向切換弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】スプールが駆動するときに流体力の影響を受け
ず、精度の良い位置決めが可能であり、かつ応答速度が
速く、コンパクトな構造のスプール型方向切換弁とす
る。 【解決手段】方向切換用スプール２の内部に制御スプー
ル１０を内蔵し、スプール２の圧力室Ｖａ側の端部を開
放し、圧力室Ｖｂ側の端部を閉じ、内部に圧力室Ｖｃを
形成する。スプール２に第１〜第４ポート２１〜２４を
形成し、スプール２及び制御層プール１０に第１〜第３
切換溝２１ａ，１２ａ，１２ｂ及び連通穴１１ａ，１１
ｂを形成し、これらポート及び切換溝により制御スプー
ル１０が圧力室Ｖｂに向けて移動するとポンプポート１
ｐを圧力室Ｖａに連通させかつタンクポート１ｔ２を圧
力室Ｖｂに連通させ、制御スプール１０が圧力室Ｖａに
向けて移動するとポンプポート１ｐを圧力室Ｖｂに連通
させかつタンクポート１ｔ１を圧力室Ｖａに連通させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は油空圧システムに用
いるスプール型方向切換弁に係わり、特に電気的操作手
段を作動させて方向切換用スプールの端部の圧力を変化
させスプールを移動させることで流体の流量及び出力方
向を切り換えるスプール型方向切換弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気的操作手段を作動させて方向切換用
スプールの端部の圧力を変化させスプールを移動させる
スプール型方向切換弁の代表例として電磁弁駆動方式の
スプール型方向切換弁がある。図９に従来の電磁弁駆動
方式のスプール型方向切換弁の一例を示す。

【０００３】図９において、スプール型方向切換弁２０
０のハウジング２０１にはメインの油圧ポンプに接続さ
れるポンプポートＰ、タンクに接続されるタンクポート
Ｔ１，Ｔ２、アクチュエータに接続されるアクチュエー
タポートＣ１，Ｃ２が設けられ、これらポートの連通・
遮断の切り換えがスプール２０２によって行われる。こ
のスプール２０２はスプール両端部に設けられた圧力室
Ａ，Ｂに電磁弁２３０ａ，２３０ｂよりパイロット圧力
を導くことで動作させる。圧力室Ａ，Ｂはハウジング２
０１に取り付けられたフランジ２６１，２６２内に形成
されている。

【０００４】また、スプール２０２の位置決めを行うた
めのバネ２０７及びバネ座２０５，２０６がボルト２０
８によってスプール２０２の一端に固定され、かつこれ
ら部品はフランジ２６２内に収納されている。

【０００５】スプール２０２は電磁弁２３０ａ，２３０
ｂより圧力室Ａ，Ｂに導かれるパイロット圧力に応じて
左右に移動し、スプール位置決め用バネ２０７と釣り合
ったところで位置が決まり、停止する。このときポンプ
ポートＰはアクチュエータポートＣ１或いはＣ２のいず
れかにつながり、ポンプポートＰからアクチュエータポ
ートＣ１或いはＣ２にスプール２０２の位置に応じた流
量が供給される。

【０００６】電磁弁２３０ａ，２３０ｂはホース２３１
ａ，２３１ｂを介してフランジ２６１，２６２にそれぞ
れ接続され、また電磁弁２３０ａ，２３０ｂはホース２
３２を介してパイロット用ポンプ２３３に、ホース２３
４を介してタンク２３５にそれぞれ接続されている。電
磁弁２３０ａ，２３０ｂはコントローラ２６０からの電
流信号によって動作する。例えばスプール２０２を左側
に動かしたいときは指令電流２５１ａだけを出力するこ
とで電磁弁２３０ａが開き、圧力室Ａの圧力が上昇しス
プール２０２が動く。

【０００７】コントローラ２６０には指令手段からの操
作レバーの角度信号（操作信号）２５０が入力され、所
定の演算処理を行い、電磁弁２３０ａ，２３０ｂのいず
れか一方に電流信号を出力する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図９に示した従来のス
プール型方向切換弁には以下の問題がある。

【０００９】第１の問題は、スプール２０２は左右の圧
力室Ａ，Ｂの差圧によって動くが、流体力、或いは摩擦
力のためにスプール開度に誤差を生じることである。

【００１０】本来スプール２０２は圧力室に作用する圧
力とスプール断面積の積によって生じる推進力で移動し
バネ２０７の変形と釣り合うところで静止するため、そ
の特性は直線的になる。このためＰポートとＣ１あるい
はＣ２ポートとの開口面積も圧力により一義的に決ま
り、その結果アクチュエータへの流量を電磁弁への指令
値で制御することが可能となる。

【００１１】しかしながら例えばスプール２０２左側に
移動したとするとＰポートからＣ１ポートへ流体が流れ
込み、その流速等によってＣ１ポート付近のスプールに
作用する圧力が低下する。これによりスプール２０２は
押し戻される方向に力を受け、実際の移動量は指令値よ
りも小さくなる。この流体力は流速によって大きく変化
するため指令値が一定であっても、アクチュエータの負
荷によってスプール移動量は変化する。この結果、指令
値とスプール移動量が一義的に決まることはあり得な
い。

【００１２】電磁弁を使った方向切換弁で流体力に影響
されずに精度良く流量を制御するためには、各アクチュ
エータの動きをセンシングするか、スプールのストロー
クをセンシングしなければならない。アクチュエータの
センシングは方向切換弁のシステムを越えた方法であ
り、例えば油圧ショベル、工作機械、ロボット等多くの
ターゲットによってシステムを作り直さなければならな
い。またストロークセンサは高圧の流体の中に入れる使
用環境の問題や、スプールエンドに取り付けた場合の受
圧面積の変化などの問題がある。

【００１３】スプール２０２をボールねじで連結し、ス
テッピングモータやサーボモータで駆動する方法も考え
られるが、スプールに働く流体力が大きいので、大トル
クのモータではコストが高くなる。

【００１４】第２の課題は方向切換用スプール２０２の
応答が遅いことでる。応答が遅い理由は電磁弁自体の構
造とシステムに起因する。

【００１５】電磁弁は圧力フィードバックを行っている
ため、出力された作動油の圧が高くなるとソレノイドは
開度を絞り、流量を出さなくなる。圧力室に作用する圧
が目標値に近いときは流量が絞られる。電磁弁が開いた
直後は流量が流れるが、圧力が上がらない。

【００１６】また電磁弁から圧力室のホース配管２３１
ａ，２３１ｂにも課題がある。長いホース配管では圧力
伝播に時間がかかる。また一般的にパイロット用配管に
は細い配管を用い、電磁弁２３０ａ，２３０ｂの出口か
ら圧力室ブランジ２６１，２６２まで少なくとも２個以
上の継ぎ手を用いるため、パイロット圧には圧損が生じ
る。方向切換用スプール２０２は多くの場合ヒステリシ
スを持つので、圧力がある程度上がらなければスプール
２０２は動かない。スプール２０２が動き出すまでの時
間は無駄時間となりうる。

【００１７】第３の問題は方向切換弁の複雑な配管にあ
る。方向切換弁はポンプからの作動油を各アクチュエー
タに送り、タンクへ戻すため最低でも４つのポートが必
要になる。従来例ではポンプポートＰ、アクチュエータ
ポートＣ１，Ｃ２と２つのタンクポートＴで構成されて
いるが、タンクポートＴはハウジング１内で合流してい
ることが多い。これらのポートにはそれぞれ配管がつく
ため、実際の方向切換弁では６面すべてに何らかのポー
トが付いていることすらある。

【００１８】図１０に油圧ショベルの方向切換弁の外観
を示す。このスプール型方向切換弁は７連であり、図の
ように多くのポートが設けられており、このうち１／３
がパイロットポートであり、これらのポートには全て配
管が接続されることから、パイロットポートの存在は方
向切換弁の設置、メインテナンスの上でも大きな問題と
なる。

【００１９】本発明の目的は、上記課題に鑑み、スプー
ルが駆動するときに流体力の影響を受けず、精度の良い
位置決めが可能であり、かつ応答速度が速く、コンパク
トな構造のスプール型方向切換弁を提供することにあ
る。

【００２０】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、方向切換用スプールの周囲に１つ
のポンプポート、２つのアクチュエータポート及び２つ
のタンクポートを設け、方向切換用スプールの両端部に
位置する第１及び第２圧力室の圧力を変化させることに
より方向切換用スプールを動作させ、前記ポート間の連
通・遮断を切り換えて流体を流す方向を選択しかつ流量
を連続的に調整するスプール型方向切換弁において、前
記方向切換用スプールの内部に配置された制御スプール
と、この制御スプールを駆動してその位置を調整する電
気的操作手段と、前記制御スプールが前記方向切換用ス
プールに対して中立位置にあるときは前記第１及び第２
圧力室を前記ポンプポート及びタンクポートから分離独
立させ、前記制御スプールが前記中立位置から前記第２
圧力室に向けて移動すると前記ポンプポートを前記第１
圧力室に連通させかつ前記２つのタンクポートの一方を
前記第２圧力室に連通させ、前記制御スプールが前記中
立位置から前記第１圧力室に向けて移動すると前記ポン
プポートを前記第２圧力室に連通させかつ前記２つのタ
ンクポートの他方を前記第１圧力室に連通させる連通切
換手段とを備えるものとする。

【００２１】電気的操作手段により制御スプールが駆動
されないときは、制御スプールは方向切換用スプールに
対して中立位置にあり、第１及び第２圧力室はポンプポ
ート及びタンクポートから分離独立している。このた
め、方向切換用スプールも動かず中立位置にある。

【００２２】電気的操作手段により制御スプールが駆動
されその位置が調整されると、連通切換手段は制御スプ
ールの移動方向に応じて第１及び第２圧力室の一方をポ
ンプポートに連通させ、他方をタンクポートに連通させ
る。このため、第１及び第２圧力室の圧力差により方向
切換用スプールも移動する。方向切換用スプールが制御
スプールの移動した位置まで来ると、制御スプールは再
び方向切換用スプールに対して中立状態となり、第１及
び第２圧力室はポンプポート及びタンクポートから分離
独立した状態となる。即ち、方向切換用スプールは制御
スプールの位置まで移動すると停止し、その移動方向と
移動量に応じて流体を流す方向を選択しかつ流量を制御
する。

【００２３】方向切換用スプールに流体力等の外力が作
用し、スプールを押し戻そうとすると、制御スプールと
の位置関係が変わり、連通切換手段が再び第１及び第２
圧力室の一方をポンプポートに連通させ、他方をタンク
ポートに連通させるため、その外力に相当する分圧力室
内のパイロット圧が自動的に増加し、方向切換用スプー
ルは制御スプールに整合する中立位置に戻り、外力が作
用していないときと同じ流量に制御される。

【００２４】ここで、第１及び第２圧力室に流れ込む流
量は極僅かであり、制御スプールには大きな流体力が働
かない。また、流体力が作用したとしても、スプール移
動後は流量が零になるため、制御スプールは高精度の位
置決めができ、方向切換用スプールも高精度に位置決め
できる。

【００２５】また、制御スプールは方向切換弁の流量を
直接制御するものではなく、パイロット圧力を制御する
ものであるため、制御スプールの質量は小さくでき、制
御スプールを動かす力は非常に小さなものでよくなる。
このため、電気的操作手段で制御スプールを直接駆動で
きるようになり、パイロットポートを無くし、パイロッ
ト用配管、継手も不要となり、コンパクトな構造とな
る。また、制御スプールの質量が小さい上、パイロット
用配管、継手も無いため応答も速くなる。

【００２６】（２）上記（１）において、好ましくは、
前記制御スプールは前記方向切換用スプールの内部に設
けられた軸方向ボア内に挿入され、この軸方向ボアの第
１圧力室側の端部を開放し前記制御スプールの対応する
端部を第１圧力室に臨ませると共に、前記軸方向ボアの
第２圧力室側の端部を閉じ前記制御スプールの対応する
端部が面する第３圧力室を形成し、前記制御スプールの
内部に前記第１圧力室と前記第３圧力室とを連通する内
部通路を形成する。

【００２７】これにより制御スプールの駆動時は第１圧
力室と第３圧力室との圧力が等しくなり、制御ピストン
の両端に作用する油圧力がバランスすると共に、ポンプ
ポートに連通した高圧側の圧力室が制御スプールの閉鎖
端部によりタンク圧部分から隔離されるので、高圧側の
圧力室からタンクへの漏れを最小にでき、これによって
も高応答性を確保できる。

【００２８】（３）また、上記（２）において、好まし
くは、前記連通切換手段は、前記方向切換用スプールに
それぞれ形成され、前記ポンプポートに連通する第１ポ
ート、前記２つのタンクポートにそれぞれ連通する第
２、第３ポート、前記第２圧力室に連通する第４ポート
と、前記方向切換用スプールの内周及び前記制御スプー
ルの外周に設けられ、制御スプールが前記中立位置にあ
るときは前記第１〜第４ポートを互いに分離独立させ、
制御スプールが前記第２圧力室に向けて移動すると前記
制御スプールの内部通路を介して第１ポートを前記第１
及び第３圧力室に連通させかつ第２、第３ポートの一方
を第４ポートに連通させ、制御スプールが前記第１圧力
室に向けて移動すると第１ポートを第４ポートに連通さ
せかつ第２、第３ポートの他方を前記制御スプールの内
部通路を介して前記第１及び第３圧力室に連通させる切
換溝とを有する。

【００２９】これにより連通切換手段は、上記（１）の
機能（制御スプールが方向切換用スプールに対して中立
位置にあるときは第１及び第２圧力室をポンプポート及
びタンクポートから分離独立させ、制御スプールが中立
位置から第２圧力室に向けて移動するとポンプポートを
第１圧力室に連通させかつ２つのタンクポートの一方を
第２圧力室に連通させ、制御スプールが前記中立位置か
ら第１圧力室に向けて移動するとポンプポートを第２圧
力室に連通させかつ２つのタンクポートの他方を第１圧
力室に連通させる機能）を実現できる。

【００３０】（４）更に、上記（１）〜（３）におい
て、好ましくは、前記電気的操作手段は、比例ソレノイ
ドと、前記制御スプールの端部に設けられ、前記比例ソ
レノイドの力にバランスする弾性体とを有する。

【００３１】これにより電気的操作手段は制御スプール
を駆動してその位置を調整できる。

【００３２】（５）上記（１）〜（３）において、前記
電気的操作手段は、電動モータと、この電動モータの出
力軸の回転を前記制御スプールの直線移動に変換する機
構とを有するものであってもよい。

【００３３】これによっても電気的操作手段は制御スプ
ールを駆動してその位置を調整できる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。

【００３５】まず、本発明の第１の実施形態を図１〜図
５により説明する。

【００３６】図１において、１００は本発明の第１の実
施形態によるスプール型方向切換弁であり、このスプー
ル型方向切換弁１００のハウジング１とメインスプール
である方向切換用スプール２とを有し、ハウジング１に
は、メインの油圧ポンプ１０１に接続されるポンプポー
トＰ、アクチュエータ１０２に接続されるアクチュエー
タポートＣ１，Ｃ２、タンク１０３に接続されるタンク
ポートＴ１，Ｔ２が設けられ、これに対応して方向切換
用スプール２の周囲にも円周状のポンプポート１ｐ、２
つのアクチュエータポート１ｃ１，１ｃ２及び２つのタ
ンクポート１ｔ１，１ｔ２が設けられ、スプール２によ
ってこれらポート間の連通・遮断を切り換えて流体を流
す方向を選択しかつ流量を連続的に調整する。スプール
２はスプール両端部に設けられた圧力室Ｖａ，Ｖｂの圧
力を変化させることで動作させる。圧力室Ｖａはハウジ
ング１に取り付けられたフランジ３で閉じられ、圧力室
Ｖｂはハウジング１に取り付けられたフランジ４内に形
成されている。

【００３７】また、スプール２の位置決めを行うための
バネ７及びバネ座５，６がボルト８によってスプール２
の一端に固定され、かつこれら部品はフランジ４内に収
納されている。

【００３８】圧力室Ｖａ，Ｖｂの圧力を変化させるとそ
の圧力に応じてスプール２は左右に移動し、スプール位
置決め用バネ７と釣り合ったところで位置が決まり、停
止する。このときポンプポートＰはアクチュエータポー
トＣ１或いはＣ２のいずれかにつながり、ポンプポート
ＰからアクチュエータポートＣ１或いはＣ２にスプール
２の位置に応じた流量が流入し、アクチュエータ１０２
が駆動される。

【００３９】方向切換用スプール２の内部には制御スプ
ール１０が内蔵されている。この制御スプール１０は方
向切換用スプール２の内部に設けられた軸方向ボア２ａ
内に挿入され、この軸方向ボア２ａの圧力室Ｖａ側の端
部は開放され、制御スプール１０の対応する端部はこの
圧力室Ｖａに面し、軸方向ボア２ａの圧力室Ｖｂ側の端
部は閉じられ、制御スプール１０の対応する端部が面す
る内部圧力室Ｖｃを形成している。

【００４０】左右の圧力室Ｖａ，Ｖｂへのパイロット圧
の供給を行うため、方向切換用スプール２にはポンプポ
ート１ｐに連通する第１ポート２１、タンクポート１ｔ
１，１ｔ２にそれぞれ連通する第２、第３ポート２２，
２３、図示左側の圧力室Ｖｂに連通する第４ポート２４
が形成されると共に、方向切換用スプール２の内周面に
は第１ポート２１が開口する第１切換溝２１ａが形成さ
れている。また、同様の目的で制御スプール１０の内部
には、内部圧力室Ｖｃと図示右側の圧力室Ｖａを連通さ
せる軸方向の連通穴１１ａと、これに連通する径方向の
連通穴１１ｂが形成されると共に、制御スプール１０の
外周面には、第１切換溝２１ａと共働して径方向の連通
穴１１ｂと第１ポート２１及び第２ポート２２との連通
・遮断を切り換える第２切換溝１２ａと、第４ポート２
４と第１ポート２１及び第３ポート２３との連通・遮断
を切り換える第３切換溝１２ｂとが形成されている。

【００４１】第１〜第３切換溝２１ａ，１２ａ，１２ｂ
は、制御スプール１０が方向切換用スプール２に対して
図示の中立位置にあるときは第１〜第４ポート２１〜２
４を互いに分離独立させ、制御スプール１０が図示左側
の圧力室Ｖｂに向けて移動すると第１ポート２１を連通
穴１１ａ，１１ｂを介して図示右側の圧力室Ｖａ及び内
部圧力室Ｖｃに連通させかつ第３ポート２３を第４ポー
ト２４に連通させ、制御スプール１０が図示右側の圧力
室Ｖａに向けて移動すると第１ポート２１を第４ポート
２４に連通させかつ第２ポート２２を連通穴１１ａ，１
１ｂを介して図示右側の圧力室Ｖａ及び内部圧力室Ｖｃ
に連通させる。

【００４２】しかして第１〜第４ポート２１〜２４、軸
方向の連通穴１１ａ及び径方向の連通穴１１ｂ並びに第
１〜第３切換溝２１ａ，１２ａ，１２ｂは、制御スプー
ル１０が方向切換用スプール２に対して図示の中立位置
にあるときは左右の圧力室Ｖａ，Ｖｂをポンプポート１
ｐ及びタンクポート１ｔ１，１ｔ２から分離独立させ、
制御スプール１０が中立位置から図示左側の圧力室Ｖｂ
に向けて移動するとポンプポート１ｐを図示右側の圧力
室Ｖａに連通させかつ２つのタンクポート１ｔ１，１ｔ
２の一方であるタンクポート１ｔ２を図示左側の圧力室
Ｖｂに連通させ、制御スプール１０が中立位置から図示
右側の圧力室Ｖａに向けて移動するとポンプポート１ｐ
を図示左側の圧力室Ｖｂに連通させかつ２つのタンクポ
ート１ｔ１，１ｔ２の他方であるタンクポート１ｔ１を
図示右側の圧力室Ｖａに連通させる連通切換手段を構成
する。

【００４３】フランジ３の外側には比例ソレノイド３０
が取り付けられ、この比例ソレノイド３０のスプール３
０ａの一端は制御スプール１０の圧力室Ｖａ側の端部に
ボールジョイント３０ｂを介して接続されている。ボー
ルジョイント３０ｂを用いているため制御スプール１０
と比例ソレノイド３０のスプール３０ａの軸心が多少ず
れても比例ソレノイド３０で制御スプール１０を動かす
ことができる。本実施形態で用いている比例ソレノイド
３０は双方向への移動が可能なものである。また、制御
スプール１０の端部とフランジ３との間には位置決め用
のバネ６１が設けられている。比例ソレノイド３０に電
流が流れるとソレノイド力が発生し、このソレノイド力
によって制御スプール１０は移動し、位置決め用のバネ
６１のバネ力と吊り合った位置で制御スプール１０は停
止する。制御スプール１０は左右どちら側に動いてもこ
のばねがソレノイド力と釣り合う構造となっている。し
かして比例ソレノイド３０と位置決め用のバネ６１は制
御スプール１０を駆動してその位置を調整する電気的操
作手段を構成する。

【００４４】なお、本実施形態では図示右側の圧力室Ｖ
ａに面しているスプール端面を開放側とし、図示左側の
圧力室Ｖｂに面しているスプール端面を密閉側とした
が、この関係は逆であっても良いし、両スプール端面と
も密閉してもよい。この場合は、圧力室Ｖａ側のスプー
ル端面にも圧力室Ｖｂ側の第４ポート２４を設けたのと
同じ構造にすればよい。

【００４５】以上のように構成した方向切換弁の動作を
図２〜図４を用いて説明する。図２〜図４は方向切換用
スプール２を左側に動かし動作が収束するまでの過程を
示している。

【００４６】まず、図１に示す制御スプール１０の中立
位置では、ポンプポート１ｐ及び第２及び第３ポート２
２，２３を完全に閉じており、圧力室Ｖａ，Ｖｂはほぼ
タンク圧状態になっている。

【００４７】図２は比例ソレノイド３０に指令電流を与
えた状態である。比例ソレノイド３０は指令電流に比例
したソレノイド力Ｆを発生する。この力Ｆは制御スプー
ル１０に伝わり、バネ６１のバネ力と釣り合うところま
で制御スプール１０は移動する。この移動により、第１
切換溝２１ａと第２切換溝１２ａとの間に開口部４０が
形成され、ポンプポート１ｐに連通する第１ポート２１
と制御スプール１０の内部に形成した連通穴１１ａとが
つながり、圧力室Ｖａの圧力は上昇する。また、第２切
換溝１２ｂと第３ポート２３との間に開口部４１が形成
され、タンクポート１ｔ２に連通する第３ポート２３は
圧力室Ｖｂに連通する第４ポート２４とつながり、圧力
室Ｖｂの圧力はタンク圧となる。各圧力室Ｖａ，Ｖｂへ
の流量は開口部４０，４１の開口量によって決まる。方
向切換用スプール２には左右の圧力室Ｖａ，Ｖｂ内の圧
力差とスプール断面積によって左向きの力が働き、方向
切換用スプール２は図示左側に移動する。

【００４８】ここで、制御スプール１０は図示する如く
軸方向の連通穴１１ａが施されており、圧力バランスが
取れている。また、急激な制御スプール１０の移動によ
る内部圧力室Ｖｃの体積変化も、連通穴１１ａを十分大
きくとることによって抵抗となることはない。したがっ
て、制御スプール１０は殆ど外力を受けることがなく、
その位置は変わらない。

【００４９】方向切換用スプール２が左側に移動した状
態を図３に示す。図３では方向切換用スプール２は制御
スプール１０の中立位置を越え、行き過ぎてしまった状
態にあり、また、位置サーボを行う場合、微小である
が、この状態を繰り返す。これは過度的に発生し得る状
態である。この場合は、第１切換溝２１ａと第３切換溝
１２ｂとの間に開口部４２が形成され、ポンプポート１
ｐは第４ポート２４とつながり、圧力室Ｖｂの圧力が上
昇する。また、第２切換溝１２ａと第２ポート２２との
間に開口部４３が形成され、圧力室Ｖａにつながる連結
穴１１ａはタンクポート１ｔ１につながり、圧力室Ｖａ
の圧力は降下する。このため方向切換用スプール２は図
示右側に向かう力を受けることになる。この場合でも制
御スプール１０は殆ど外力を受けないため、その位置は
変わらない。

【００５０】このようにして方向切換用スプール２は制
御スプール１０の位置に追従し、最終的には図４に示す
位置に追従する。この位置は制御スプール１０の位置に
完全に一致し、方向切換用スプール２も制御スプール１
０と同じ方向に同じ移動量だけ移動することになる。即
ち、方向切換弁１００は制御スプール１０の移動方向と
移動量に応じて流体を流す方向を選択しかつ流量を制御
する。

【００５１】この状態から流体力等の外力が方向切換用
スプール２に働き、スプール２を押し戻そうとすると、
スプール２は再び制御スプール１０に対し図２に示すよ
うな位置関係となり、その外力に相当する分圧力室Ｖａ
内のパイロット圧が自動的に増加し、スプール２は図４
に示す制御スプール１０と整合する位置に戻り、その結
果アクチュエータには安定した流量が供給されることに
なる。

【００５２】図５に本発明のシミュレーションモデルに
よるスプール変位特性の結果を示す。このシミュレーシ
ョンモデルでは比例ソレノイド３０がステップ状に力を
発生したときの関係を表すもので、流体力は考えていな
い。また、制御スプール１０と方向切換用スプール２の
変位の関係を示したものであり、制御スプール１０の質
量は１００ｇ、方向切換弁用スプール２の質量は１．１
ｋｇとした。

【００５３】図５において、制御スプール１０のストロ
ークは比例ソレノイド３０の力によって６０ｍｓｅｃで
最大に達し、１００ｍｓｅｃでほぼ静定している。方向
切換用スプール２は位置サーボによって多少振動的であ
るが、数ｍｓｅｃの遅れで制御スプール１０に良く追従
していることが分かる。即ち、方向切換用スプール２の
応答性は制御スプール１０の応答特性で決まってくる。
応答を速くするためには制御スプール１０の質量を小さ
くする必要がある。しかし、メインスプールである方向
切換用スプール２の径は方向切換弁の定格流量によって
決まるため、軽量化が難しい。これに対し、制御スプー
ル１０は軽量化が可能である。本発明では制御スプール
１０の質量を小さくすることで全体の高速化が可能であ
ることが分かる。

【００５４】方向切換用スプール２に外乱、例えば大き
な流体力が発生した場合についても同様のシミュレーシ
ョンを行ったが、図６に拡大して示すように図５とほと
んど変わらない波形が得られた。

【００５５】以上より制御スプール１０で方向切換用ス
プールを精度良く位置決め制御することができることが
分かる。

【００５６】以上のように本実施形態によれば、従来の
スプール型方向切換弁に比べ応答性が高く、かつ流体力
の影響を受けずに高精度にスプールを位置決めすること
ができる。また、パイロット配管が不要になり、コンパ
クトで非常に取扱いやすい方向切換弁に構成できる。更
に、制御スプール１０を駆動する力が小さいため、駆動
用の比例ソレノイドも小型、小電力のものでよい。

【００５７】また、本実施形態では、制御スプール１０
の圧力室Ｖｂ側の端部を閉じ、圧力室Ｖｃを形成すると
共に、その圧力室Ｖｃと圧力室Ｖａを制御スプール１０
の内部通路である連通穴１１ａを介して連通させ、制御
スプール１０の圧力バランスを取ったので、圧力室Ｖ
ａ，Ｖｂのいずれがポンプ圧側になってもそのポンプ圧
が制御スプール１０の閉鎖端部によりタンク圧部分から
隔離されることとなり、ポンプ圧側の圧力室からタンク
への漏れを最小にでき、これによっても高い応答性を確
保できる。

【００５８】本発明の第２及び第３の実施形態を図７及
び図８により説明する。上記実施形態は電気的操作手段
として比例ソレノイド３０で制御スプール１０を駆動し
た例であるが、制御スプール１０を駆動する力が小さい
ため、比例ソレノイドに代えて従来トルクが足りなく使
用できなかった小型サーボモータとボールねじの組み合
わせの駆動装置を用いても高精度、高応答の制御が可能
である。図７及び図８はこのような実施形態を示すもの
である。

【００５９】図７において、この実施形態によるスプー
ル型方向切換弁１００Ａは、制御スプール１０の電気的
操作手段としてサーボモータ３１と、サーボモータ３１
の出力軸に取り付けられたボールねじ３２とを有し、ボ
ールねじ３２の軸受３３が第１の実施形態と同様ボール
ジョイント３０ｂを介して制御スプール１０の端部に接
続されている。サーボモータ３１はＡＣモータ、ＤＣモ
ータのいずれであっても構わないし、ステッピングモー
タでも構わない。サーボモータ３１が回転するとボール
ねじ３２も回転し、ボールねじ３２の回転は軸受３３に
よって直線運動に変換される。これらボールねじ３２と
軸受３３はフランジ３５に取り付けられる。フランジ３
５はサーボモータ３１の取り付け部ともなり、更にボー
ルねじ３２が回転するのを直接運動に変えるガイド３４
としても機能する。

【００６０】このサーボモータ３１とボールねじ３２と
の組み合わせの駆動装置は、制御スプール１０の位置を
直接制御するため、第１の実施形態にあった位置決め用
のバネ６１は必要ない。また、制御スプール１０には殆
ど外力が作用しないので、駆動に必要なトルクはごく小
さくて構わない。このためモータ３１は小型で小電力の
ものを選択することができる。また、ボールねじ３２も
剛性を必要しないため安価なものでよい。

【００６１】制御スプール１０の他端側にはフランジ４
が取り付けられ、圧力室Ｖｂが形成されてる。第１の実
施形態では方向切換用スプール２の端部に位置決め用の
バネ７を設置していた。しかし、本発明では方向切換用
スプール２は制御スプール１０の位置によってのみ決ま
るので、バネ７は必ずしも必要ない。本実施形態はこの
位置決め用のバネ７を設けない例である。ただし、急激
な圧力上昇によってスプール２の位置決めが振動的にな
る場合もある。第１の実施形態では、圧力室Ｖｂにバネ
７を配置したので、バネ７が緩衝材として機能する効果
がある。

【００６２】図８に示すスプール型方向切換弁１００Ｂ
は、サーボモータ３１を圧力室Ｖａの中に内蔵した例で
あり、構成は第２の実施形態とほとんど変わらない。サ
ーボモータ３１を作動油雰囲気６３中で駆動することは
全く問題ない。むしろ、冷却効率がよいため大気中で駆
動する場合に比べ流せる電流値も高くなり、更に小型の
モータを用いることが可能となる。サーボモータ３１に
供給する電源及び回転角度の信号をコントローラに送る
信号線はハーメチックシール３６を介して接続する。こ
のハーメチックシール３６は高圧に十分耐えられるの
で、圧力室Ｖａが油圧ポンプ１０１（図１参照）の吐出
圧まで上昇しても、ほとんどの場合破壊することはな
い。

【００６３】

【発明の効果】本発明によれば、従来のスプール型方向
切換弁に比べ応答性が高く、かつ流体力の影響を受けず
に高精度にスプールを位置決めすることができる。ま
た、パイロット配管が不要になり、コンパクトで非常に
取扱いやすい方向切換弁に構成できる。

【００６４】また、本発明によれば、ポンプポートに連
通した高圧側の圧力室が制御スプールの閉鎖端部により
タンク圧部分から隔離されるので、高圧側の圧力室から
タンクへの漏れを最小にでき、これによっても高応答性
を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態によるスプール型方向
切換弁の構造を示す断面図である。

【図２】図１に示すスプール型方向切換弁の動作原理を
示す図である。

【図３】図１に示すスプール型方向切換弁の動作原理を
示す図である。

【図４】図１に示すスプール型方向切換弁の動作原理を
示す図である。

【図５】本発明の第１の実施形態によるスプール型方向
切換弁のシュミレーションモデルによるスプール変位特
性を示す図である。

【図６】外乱が作用した場合の図５と同様な図である。

【図７】本発明の第２の実施形態によるスプール型方向
切換弁の構造を示す断面図である。

【図８】本発明の第３の実施形態によるスプール型方向
切換弁の構造を示す断面図である。

【図９】従来の電磁弁駆動方式のスプール型方向切換弁
の構造を電磁弁及びその制御系と共に示す図である。

【図１０】従来のスプール型方向切換弁を複数配置した
弁装置の外観を示す図である。

【符号の説明】

１ ハウジング ２ 方向切換用スプール ３，４ フランジ １０ 制御スプール １１ａ，１１ｂ 連通穴 １２ａ 第２切換溝 １２ｂ 第３切換溝 ２１〜２４ 第１〜第４ポート ２１ａ 第１切換溝 ３０ 比例ソレノイド ３０ａ スプール ３０ｂ ボールジョイント ３１ サーボモータ ３２ ボールねじ ６１ 位置決め用のバネ １００ スプール型方向切換弁 Ｐ ポンプポート Ｃ１，Ｃ２ アクチュエータポート Ｔ１，Ｔ２ タンクポート １ｐ ポンプポート １ｃ１，１ｃ２ アクチュエータポート １ｔ１，１ｔ２ タンクポート Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ 圧力室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大科 守雄 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】方向切換用スプールの周囲に１つのポンプ
   ポート、２つのアクチュエータポート及び２つのタンク
   ポートを設け、方向切換用スプールの両端部に位置する
   第１及び第２圧力室の圧力を変化させることにより方向
   切換用スプールを動作させ、前記ポート間の連通・遮断
   を切り換えて流体を流す方向を選択しかつ流量を連続的
   に調整するスプール型方向切換弁において、 前記方向切換用スプールの内部に配置された制御スプー
   ルと、 この制御スプールを駆動してその位置を調整する電気的
   操作手段と、 前記制御スプールが前記方向切換用スプールに対して中
   立位置にあるときは前記第１及び第２圧力室を前記ポン
   プポート及びタンクポートから分離独立させ、前記制御
   スプールが前記中立位置から前記第２圧力室に向けて移
   動すると前記ポンプポートを前記第１圧力室に連通させ
   かつ前記２つのタンクポートの一方を前記第２圧力室に
   連通させ、前記制御スプールが前記中立位置から前記第
   １圧力室に向けて移動すると前記ポンプポートを前記第
   ２圧力室に連通させかつ前記２つのタンクポートの他方
   を前記第１圧力室に連通させる連通切換手段とを備える
   ことを特徴とするスプール型方向切換弁。
2. 【請求項２】請求項１記載のスプール型方向切換弁にお
   いて、前記制御スプールは前記方向切換用スプールの内
   部に設けられた軸方向ボア内に挿入され、この軸方向ボ
   アの第１圧力室側の端部を開放し前記制御スプールの対
   応する端部を第１圧力室に臨ませると共に、前記軸方向
   ボアの第２圧力室側の端部を閉じ前記制御スプールの対
   応する端部が面する第３圧力室を形成し、前記制御スプ
   ールの内部に前記第１圧力室と前記第３圧力室とを連通
   する内部通路を形成したことを特徴とするスプール型方
   向切換弁。
3. 【請求項３】請求項２記載のスプール型方向切換弁にお
   いて、前記連通切換手段は、前記方向切換用スプールに
   それぞれ形成され、前記ポンプポートに連通する第１ポ
   ート、前記２つのタンクポートにそれぞれ連通する第
   ２、第３ポート、前記第２圧力室に連通する第４ポート
   と、前記方向切換用スプールの内周及び前記制御スプー
   ルの外周に設けられ、制御スプールが前記中立位置にあ
   るときは前記第１〜第４ポートを互いに分離独立させ、
   制御スプールが前記第２圧力室に向けて移動すると前記
   制御スプールの内部通路を介して第１ポートを前記第１
   及び第３圧力室に連通させかつ第２、第３ポートの一方
   を第４ポートに連通させ、制御スプールが前記第１圧力
   室に向けて移動すると第１ポートを第４ポートに連通さ
   せかつ第２、第３ポートの他方を前記制御スプールの内
   部通路を介して前記第１及び第３圧力室に連通させる切
   換溝とを有することを特徴とするスプール型方向切換
   弁。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項記載のスプー
   ル型方向切換弁において、前記電気的操作手段は、比例
   ソレノイドと、前記制御スプールの端部に設けられ、前
   記比例ソレノイドの力にバランスする弾性体とを有する
   ことを特徴とするスプール型方向切換弁。
5. 【請求項５】請求項１〜３のいずれか１項記載のスプー
   ル型方向切換弁において、前記電気的操作手段は、電動
   モータと、この電動モータの出力軸の回転を前記制御ス
   プールの直線移動に変換する機構とを有することを特徴
   とするスプール型方向切換弁。