JPS6383475A - 流量制御弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、流量制御弁に係り、さらに詳しくは、ただ
一つの電磁弁等の圧油思出手段により流量制御が可能な
ローコストの流■制御弁に関する。

〔従来の技術〕

従来から活用されて来た手動操作機構によって作動する
流量制御弁に対し、絞り部を作動させるための比例電磁
弁を設け、電気信号に応じた遠隔操作が可能な弁とし、
コンピュータ等の指令信号により油圧系の流量制御をア
ナログ的に可能とするものが提案されているが、この従
来技術にあっては、上記のように比例電磁弁を設けであ
ることから、下記に列挙する不具合がある。

■　比例電磁弁は磁気特性を犠′性にして、可動子の位
置にかかわらず入力電流に応じた吸引力を得ようとする
ものであることから、消費電力が大きくなりやすい。

■　比例電磁弁は磁気回路上の問題から、可動子質量が
大になるため周波数応答特性を上げられず、系全体とし
ての応答性が上げられない。

■　運動方向と直角方向の可動子の偏心に相応して可動
子の摺動抵抗（摩擦力）が大きくなり、そのため可動子
運動方向の吸引力にヒステリシスを生じ、結局、比例電
磁弁単独では十分な精度が得られず、摩擦力を打消すた
めの微動操作信号であるディザ−を与えるとか、位置フ
ィードバックセンサを設けるなどして比例電磁弁とは別
の制御精度確保手段を要し、制御が面倒である。

■　比例電磁弁はアナログ的に制御されることから、マ
イコン等のインターフェースに際してはＤ／Ａ変換器を
要し、煩雑である。

■　当該流量制御弁が備えられる油圧装置に具備される
アクチュエータ等からの異物の混入を生じるおそれがあ
り、信頼性の点で十分とは言い難い。

これらの問題点に対処するため、本出願人は、比例電磁
弁を設けることなく電気信号による流量制御をおこなう
ことのできる流量制御弁を特願昭６０−２１９１７９号
および特願昭６０−２２０３６７号として提案した。

第６図に、前者の従来例に係る流量制御弁の構成を示し
、その概略について説明する。

この従来例に係る流量制御弁は、ステム部４０゜４１．
４２．４３．４４が多段に形成された弁体５１と、油通
路５２，５３、各ステム部４１，４２゜４３．４４に対
応した弁室５４．５５．５６とこれらの弁室５４，５５
．５６と連通ずる油通路が形成され、上記弁体５１を収
納する第１および第２のケーシング５７，５８と、弁体
５１の位置を、検出する差動トランス５９とから主に構
成され、２つの高速電磁弁６０．６１とにより、弁体５
１を移動させて、流量の制御をおこなうようになってい
る。

そして、弁体５１の位置、すなわら流量は、入力信号と
上記差動トランス５９からの出力信号を比較し、入力信
号と出力信号との間に差違が生じたときに、高速電磁弁
６０あるいは６１を上記差違が解消するように作動させ
て、精度良く設定される。

また、後者の発明に係る流量制御弁では、弁体５１の位
置検出用の差動トランス５９を、弁体５１に取り付けた
永久磁石と磁気抵抗素子を用いた位置検出装置に置換し
であるが、この場合も弁体の作動には２個の高速電磁弁
を必要としている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

すなわち、本出願人が提案した流量制御弁にあっては、
流量制御するために、２個の高速電磁弁と、差動トラン
スや磁気抵抗素子等の弁体の位置検出装置を必要として
いるので、コスト的に改善の余地があった。

この発明は、上記技術的背景に鑑みてなされたもので、
その目的は、コストが安く、上記従来例と同様の機能を
備えた流量制御弁を提供することにある。具体的には、
弁体位置検出装置を不要とし、１個の電磁弁で制御可能
な流量制御弁を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、この発明の流量制御弁は、端
面側にシート面が形成された第１のステム部と、この第
１のステム部の反対端に位置し、該第１のステム部と同
径の第２のステム部と、第１のステム部側に位置し、該
第１のステム部と同径の第３のステム部と、この第３の
ステム部の上記第２のステム部側に位置し、該第３のス
テム部より大径の第４のステム部と、この第４のステム
部と第２のステム部の間に位置し、該第４のステム部よ
り大径であって、第４のステム部側から油を導く油路が
形成された第５のステム部と、第１のステム部の端面と
第２のステム部の端面を連通ずる油通路とを備えた弁体
と、上記弁体を収納部に往復動可能に収納し、収納時に
上記弁体の第３のステム部と第４のステム部と収納部の
内壁とによって形成される第１の弁室と、第４のステム
部と第５のステム部と該内壁とによって形成される第２
の弁室と、第２のステム部と第５のステム部と該内壁と
によって形成され、上記第５のステム部に形成された油
路により第２の弁室と連通される第３の弁室と、第２の
ステム部の端面と該内壁とによって形成される第４の弁
室と、上記第１、第２および第３の弁室とそれぞれ連通
ずる第１、第２および第３の制御用油通路と、制御すべ
き圧油が通過し、上記弁体のシート面が当接可能なシー
ト部が形成された油通路とを備えたケーシングと、上記
第３の制御用油通路から圧油を導出する圧油導出手段と
から構成しである。

〔作用〕

上記手段による作用は次の通りである。

すなわち、第１のステム部と第２のステム部の径は同径
であり、弁体内を貫通する油通路により第１のステム部
の端面と第２のステム部の端面とは連通しているので、
両端面には同一圧力が加わり両端面間にはスラスト力が
生じない。また、シート部に通じる制御すべき圧油が通
る油通路が、第１のステム部と第３のステム部間に形成
されていると、第１のステム部と第３のステム部は同径
なので、両ステム部間の油通路からもスラスト力は生じ
ない。したがって、制御すべき圧油が通る油通路の油圧
がどのように変動しても弁体の平衡位置は変化しない。

一方、第２の弁室と第３の弁室は、第５のステム部に形
成した油路により連通され、かつ、第５のステム部は第
４のステム部よりも大径なので、特に作動圧が加わって
いない場合には、第５のステム部に加わる圧力が大きく
なり、弁体はシート部側に押し付けられている。

この状態で、第３の弁室から圧油をタンク側に流すと、
第３の弁室の圧力が低下する。そして、該圧力が所定の
平衡圧よりも小さくなると、第５のステム部の受圧面積
に加わる全圧力が、第３および第４のステム部の受圧面
積に加わる全圧力よりも小さくなり、弁体はシート部か
ら離れる方向、すなわち開弁側に移動し、逆の場合は、
開弁側に移動する。この第３の弁室から圧油の制御は、
第３の制御用油通路を介して、例えば電磁弁などの圧油
導出手段によりおこなわれる。

したがって、圧油導出手段の操作により、弁体の位置の
制御が可能になり、これにより、第１のステム部のシー
ト面とボディのシート部間の開口面積が調整でき、シー
ト部が形成された油通路を通る圧油の流量制御を、ただ
一つの圧油導出手段を介しておこなうことができる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施の一例を図面に基づいて説明する
。

第１図および第５図は、この発明の詳細な説明するため
のもので、第１図は実施例に係る流量制御弁の一部断面
説明図、第２図は第５のステム部に形成した油路部分を
示す流量制御弁の要部拡大図、第３図は第２図の断面図
、第４図は流量制御弁の制御に用いられる電磁弁の一例
を示す断面図、第５図は電磁弁の制御方法を示す説明図
である。

第１図において、実施例に係る流量制御弁は、弁体１と
、弁体１を軸方向に可動に収納する第１および第２のケ
ーシング２，３とからなり、弁体１を第１のケーシング
２内に収納し、０リング４を介して第２のケーシング３
を第１のケーシング２に嵌挿した後、ポルト５により両
ケーシング２゜３を固定して形成しである。

弁体１は、図において下端に位置し、さらにその下面側
に円錐面状のシート面６ａが形成された第１のステム部
６と、上端に位置した第２のステム部７と、上記第１の
ステム部６と小径のステム部８を隔てて位置する第３の
ステム部９と、第３のステム部９に隣接して第２のステ
ム部７側に位置する第４のステム部１０と、第４のステ
ム部１０と上記第２のステム部７の間に位置する第５の
ステム部１１とから多段の棒材により形成されている。

このうち、第１、第２および第３のステム部６．７．９
の直径ｄ、、ｄ、、ｄ：ｌはそれぞれ同径に形成され、
第４のステム部１０の直径ｄ４は第１ないし第３のステ
ム部６，７．９の直径よりも大径に、さらに第５のステ
ム部１１の直径ｄ。

は第４のステム部１０の直径ｄ４よりも大径に形成され
ている。すなわち、上記ステム部の直径は、ｄ、＝ｄｚ
　＝ｄ、＜ｄ４＜ｄ。

となるように設定されている。また、弁体１には、軸線
に沿って該弁体工を貫通し、第１のステム部６の端面６
ｂと第２のステム部７の端面７ａとを連通ずる油通路１
２が形成されている。

一方、弁体１を収納する第１のケーシング２には、弁体
１の軸線と一致する方向に収納部２ａが、また該収納部
２ａの図示延長方向下側に油通路１３が、さらにこの油
通路１３と直交する方向に油通路１４がそれぞれ設けら
れ、油室１５で両油通路１３．１４が連通ずるようにな
っており、両油通路１３．１４にはそれぞれ制御すべき
圧油の管路が連結される。また、上記油室１５には、弁
体１の第１のステム部６と小径のステム部８とが位置し
、核油室１５の油通路１３側の前記シール面６ａに対向
する弁座部分には、該シール面６ａの曲率と同一の曲率
でシール部１３ａが形成されている。

さらに、上記収納部２ａの内壁と第３のステム部９と第
４のステム部１０との隣接部分には第１の弁室１５が、
該内壁と第４のステム部１０と第５のステム部１１との
隣接部分には第２の弁室１６が、該内壁と第５のステム
部１１と第２のステム部７との隣接部分には第３の弁室
１７が、また、第２のステム部７の端面７ａと第２のケ
ーシング３の収納部３ａとの間には第４の弁室１８がそ
れぞれ形成されている。そして、第１の弁室１５には油
圧タンク２２に接続する制御用の油通路１９が連通し、
第２の弁室１６には前記油通路１３゜１４と接続する油
圧源とは別の油圧源２３に接続された同じく制御用の油
通路２０が連通し、第３の弁室１７には２位置２方向形
の高速電磁弁２４に接続された制御用の油通路２１が連
通している。

また、前記弁体１の第５のステム部１１の外周面には、
第２図および第３図に示すような平面形状略三角形の油
路２５が切り欠いて形成されている。この油路２５は、
三角形の頂点側２５ａが第３の弁室１７に、底辺側２５
ｂが第２の弁室１６にそれぞれ開口しており、弁体１の
シート時にも、上記頂点側２５ａが第３の弁室１７に対
する開口面積を確保できるようにされている。

上記油通路２１に接続された高速電磁弁２４は０Ｎ＝Ｏ
ＦＦタイプのもので、例えば第４図に示すように、コア
２６とコイル２７とからなるツレイド２８部と、コア２
６によって直接作動されるスプール２９とからなり、こ
のスプール２９にシート面３０が形成されて、油通路３
１を開閉操作するようになっている。そして、核油通路
３１の一端が第１図にも示すように前記油通路２工に連
通し、他端が油圧タンク２２に接続されている。

また、この流量制御弁にあっては、高速電磁弁２４から
油圧タンク２２に接続された管路３２に前記油通路１９
が接続されるとともに、核管路３２と油圧源２３から油
通路２０に接続された管路３３との間にはシーケンス弁
３４が設けられている。

次に、上記のように構成された流量制御弁の動作原理に
ついて説明する。

まず、弁体１の第１のステム部６の外径ｄ１と第２のス
テム部７の外径ｄ２とは同径であり、かつ、油通路１２
を介してその端面６ｂと７ａとは連通しているので、両
端面６ｂ、７ａには同一圧力が加わり、両端面６ｂ、７
ａ間にスラスト力が生じることはない。また、第１のス
テム部６の外径ｄ、と、小径のステム部８を隔てて隣接
する第３のステム部９の外径ｄ３も同径であるので、油
通路１３．１４内の圧油からは両ステム部８，９に加わ
る圧力も等しくなり、この圧力から弁体ｌにスラスト力
が加わることはない。したがって、弁体１に対し制御す
べき圧油から外力が加わることはなく、油通路１３．１
４の油圧の変動によっても弁体１の平衡位置が変化する
ことは全くない。

このため弁体１に油通路１３．１４内の圧油以外から外
力が加わると、弁体１はその外力に応じた位置をとるこ
とができる。

そこで、上記の流量制御弁において、第１の弁室１５お
よびこれに連通ずる油通路１９の圧力をＰＴ、第２の弁
室１６およびこれに連通ずる油通路２０の圧力をＰｓ、
第３の弁室１７およびこれに連通ずる油通路２１の圧力
をＰＣとし、第１ないし第３の弁室１５，１６．１７で
の弁体１の受圧面積をそれぞれＡ、、Ａ、、ＡＣとする
。この条件のもとで、これらの受圧面積Ａ、、Ａ、、Ａ
Ｃの間には、 ＡＣ＝Ａ、＋Ａ、　　　　　　　　　　　−−−−−−
（１）の関係がある。

一方、高速電磁弁２４が第１図に示すようにブロックさ
れている場合には、第３の弁室１７は油路２５を介して
第２の弁室１６と連通しており、圧油の流れがないので
、ＰＣ＝Ｐ、の圧力関係にある。

したがって、弁体１に加わる油圧力のうら、弁体１をシ
ート部１３ａ側に押し付ける力をｆ、、シート部１３ａ
から離す方向に働く力をｆ２とすると ｆ、＝Ａｃ　＝ＰＣ ＝Ａｅ　−Ｐ。

＝　　（Ａ、　　＋Ａ、ｒ　）　　ｐｓ　　　　　　・
・・・・・　（２）ｒｚ　＝Ａｓ　　・Ｐｓ　　＋Ａｒ
　　・Ｐｔ　　　　”・・・・（３）の関係にあるから
、力ｆ、とｆ２の大小関係は、ｆ＋　　　ｆｚ　＝　（
Ａ、　　−Ｐｓ　＋Ａｒ　　−Ｐｓ　）＝（Ａ、・ｐｓ
　＋Ａｒ　　−ＰＴ　）＝Ａ−（Ｐｓ　　Ｐｔ）　　・
・・・・・（４）となる。ここで、圧力Ｐ、とＰアとは
、Ｐ、がポンプ入口圧であり、Ｐｒがタンク圧であるの
でＰ　ｓ　＞　Ｐア となり、力の関係は（４）式から ｒ、＞ｆ。

となる。したがって、弁体１は高速電磁弁２４がブロッ
ク位置にあるときは、シート部１３ａ側に押し付けられ
、油通路１３．１４は閉鎖される。

次に、高速電磁弁２４に通電して、油通路２１と油圧タ
ンク２２を接続すると、第３の弁室１７と油通路２１の
圧力Ｐｅは、前記第２の弁室１６の圧力Ｐ８とは等しく
なくなる（Ｐｃｆ−Ｐｓ）。

したがって、このときの第３の弁室１７における圧力を
ＰＣとすると、（４）式の関係はｆ　１　　ｆｚ＝Ａｅ
　　ＨＰｃ　　（Ａｓ　　・Ｐｇ　＋Ａｒ　　・Ｐｔ）
となり、ｆ、−１，を満足するＰＣを求めると、ＡＣＡ
Ｃ となる。そこで、このｆ、＝ｆ２を満足する圧力をＰＣ
ｌとすると、第３の弁室１７の圧力ＰＣが、ｐ　ｃ　〉
ｐ　ｃｒであれば、弁体ｌはシート部１３ａ側、すなわ
ち閉弁側に移動し、ＰＣ＜Ｐｃｒであれば、シート部１
３ａから離れる方向、すなわち開弁側へ移動する。した
がって、第３の弁室１７内の圧力を制御することにより
、弁体１の開度を制御して油路１３，１４を流れる圧油
の流量を制御することが可能になる。そして、第３の弁
室１７内の圧力の制御は、第５のステム部１１に形成さ
れた油路２５を介して第２の弁室１６から第３の弁室１
７に流入する流ｉＱ、Ｍと、第３の弁室１７から高速電
磁弁２５を介して流出する流量Ｑ０．．の大小関係を制
御することによっておこなわれる。

これをさらに詳しく説明する。

第２図において、弁体１がＸだけ変位したとき、油路２
５としての切欠きの頂点側２５ａは、第３の弁室１７に
、図示のように巾２だけ開口している。ここで、核油路
２５の溝深さを第３図に示すようにｈとし、このような
油路２５が第５のステム部１１にｎ個形成しであるとす
ると、第２の弁室１６と第３の弁室１７を連通する油路
２５の第３の弁室１７に対する開口面積はｎｚｈとなる
。

このとき、弁変位Ｘと巾２の間には比例関係があるから
、その比例定数をαとすると、油路２５の開口面積ａＸ
は、 ａＸ＝ｎｚ　ｈ＝ｎαｘｈ　　　　　　＝　（６）とな
る。

また、高速電磁弁２４がＯＮ動作時、弁体１の変位をＸ
、第３の弁室１７の圧力をＰｃとすれば、弁室１７への
流入流量Ｑ　ｉ　ｎは、油路２５の絞りをベルヌーイ絞
りと考え、流量係数をＣＸとすれば、ＸＦ　　　　　・
・・・・・（７） となる。ここで、ｇは重力の加速度、γは作動流体の比
重である。

一方、高速電磁弁２４のＯＮ時の開口面積をａ。、流量
係数を０８とすれば、該高速電磁弁２４を介して第３の
弁室１７から流出する流−１ｉＪＱ。。、は、・・・・
・・（８） となり、第３の弁室１７の圧力Ｐｃは弁室容積を■ゎ、
作動流体の体積弾性係数をにとすると、■ｃ／に−ｄＰ
ｃ／ｄｔ ｔ の関係から求まる。そして、弁体１が静定したときには
、ｄＰｃ／ｄｔ＝０およびｄｘ／ｄｔ＝０となるから、
この状態を想定すると、Ｑ　ｉ　１％　＝　Ｑ　Ｏｕ　
Ｌである。（７）、（８）式を用いて、この関係から弁
体１の変位Ｘを求めると ・・・・・・（１０） となり、この状態で弁体１は静定していなければならな
いから、（１０）式の圧力ＰＣは、前述のｐ　ｃｒ値に
なっていなければならない。この関係を用いると、 となる。そして、さらに、（１）式からＡＣ−Ａ。

＝Ａ、、ＡＣ−Ａ、＝Ａ、の関係を用いると、が導びか
れる。そして、この（１１）式は、弁体１の変位Ｘと高
速電磁弁２４の開口面積ａ、との間に比例関係があるこ
とを示している。

ところで、高速電磁弁２４は、前述のようにシート弁タ
イプの０Ｎ−ＯＦＦ弁を用い、弁体１のシート時に第３
の弁室１７からの漏れが原因となる誤動作の防止を意図
しているが、０Ｎ−ＯＦＦ弁であると、（１１）式にお
ける高速電磁弁２４の開口面積ａ８は、ａ８＝０か、ａ
、＝ａ、の２値しかとれないから、高速電磁弁２４を通
常の方法で動作させた場合、弁体１を連続的に制御する
ことができない。したがって、高速電磁弁２４の駆動方
法が問題となる。これに対して、この実施例では、以下
に説明するような特殊な駆動方法を採用した。

すなわち、ある周期Ｔの間の中で、高速電磁弁２４への
通電時間τを考えると、周期Ｔを十分短くとるならば、
高速電磁弁２４の開口面積ａ、は、平均的にはτ／Ｔ−
ａ、の値をとるので、（ＩＩ）式は、 ・・・・・・（１２） となり、高速電磁弁２４の通電時間τと弁体１の変位Ｘ
とが比例することがわかる。

この例を第５図（ａ）、　　（ｂ）、　　（ｃ）に具体
的に示す。第５図（ａ）は、τ／Ｔが２５％、第５図（
ｂ）は、τ／Ｔが５０％、第５図（Ｃ）は、τ／Ｔが７
５％の場合であって、この通電時間割合で／Ｔを制御す
ることで、τ／Ｔと比例関係を有する弁体１の変位Ｘを
得ることができる。

なお、上記実施例において、弁体１の駆動は油通路１３
．１４と接続される主回路とは別の油圧源を用いておこ
なわれ、弁体１は主回路の圧力変動の影響を受けること
はなく、高速電磁弁２４を介して供給されるパイロット
圧によってのみ駆動されるので、弁開性が非常に大きく
なっている。

また、上記のように油路２５を形成し、弁体１の変位と
、高速電磁弁２４の開口面積との間に比例関係を利用し
て、上記制御方法を採用することにより、弁変位を検出
する手段なしで、しかも、ただ一つの高速電磁弁２４で
流量の制御をおこなうことができる。

〔発明の効果〕

これまでの説明で明らかなように、弁体に形成した油路
を通過する流量と弁体の変位との比例性を利用して、流
量制御をおこなうように構成したこの発明によれば、流
量と弁体の変位との相関をとることで弁体の位置検出手
段は不要となり、また、流路に差圧を生じさせる圧油導
入手段が一つあれば流量制御をおこなうことができるの
で、例えば電磁弁ただ一つで制御可能なコストの安い流
量制御弁を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は、この発明の詳細な説明するため
のもので、第１図は実施例に係る流量制御弁の一部断面
説明図、第２図は流量制御弁の要部拡大図、第３図は第
２図における／ｌ−Ａ線断面図、第４図は制御に用いら
れる電磁弁の一例を示す断面図、第５図（ａ）、　　（
ｂ）、　　（ｃ）はそれぞれ制御方法を説明するための
説明図、第６図は従来例に係る流量制御弁の説明図であ
る。 １・・・・・・弁体、２・・・・・・第１のケーシング
、３・・・・・・第２のケーシング、６・・・・・・第
１のステム部、６ａ・・・・・・シート面、６ｂ・・・
・・・端面、７・・・・・・第２のステム部、７ａ・・
・・・・端面、９・・・・・・第３のステム部、１０・
・・・・・第４のステム部、１１・・・・・・第５のス
テム部、１２．１３．１４・・・・・・油通路、１５・
・・・・・第１の弁室、１６・・・・・・第２の弁室、
１７・・・・・・第３の弁室、１８・・・・・・第４の
弁室、１９．２０．２１・・・・・・油通路、２４・・
・・・・電磁弁、２５・・・・・・油路。 ６σ　ｅｒＢ１２ 第２図 第３図 第４図 第５図 （σ） Ｃｂ） （Ｃ） 第６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）端面側にシート面が形成された第１のステム部と
   、この第１のステム部の反対端に位置し、該第１のステ
   ム部と同径の第２のステム部と、第１のステム部側に位
   置し、該第１のステム部と同径の第３のステム部と、こ
   の第３のステム部の上記第２のステム部側に位置し、該
   第３のステム部より大径の第４のステム部と、この第４
   のステム部と第２のステム部の間に位置し、該第４のス
   テム部より大径であつて、第４のステム部側から油を導
   く油路が形成された第５のステム部と、第１のステム部
   の端面と第２のステム部の端面を連通する油通路とを備
   えた弁体と、 上記弁体を収納部に往復動可能に収納し、収納時に上記
   弁体の第３のステム部と第４のステム部と該収納部の内
   壁とによつて形成される第１の弁室と、第４のステム部
   と第５のステム部と該内壁とによつて形成される第２の
   弁室と、第２のステム部と第５のステム部と該内壁とに
   よつて形成され、上記第５のステム部に形成された油路
   により第２の弁室と連通される第３の弁室と、第２のス
   テム部の端面と該内壁とによつて形成される第４の弁室
   と、上記第１の弁室と連通する第１の制御用油通路と、
   上記第２の弁室と油圧源とを接続する第２の制御用油通
   路と、上記第３の弁室と連通する第３の制御用油通路と
   、制御すべき圧油が通過し、上記弁体のシート面が当接
   可能なシート部が形成された油通路とを備えたケーシン
   グと、上記第３の制御用油通路から圧油を導出する圧油
   導出手段と、 からなることを特徴とする流量制御弁。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項において、上記第５の
   ステム部に形成された油路が、深さが一定で、平面視略
   三角形状の切欠き溝であることを特徴とする流量制御弁
   。