JP3523005B2

JP3523005B2 - スプール弁のスプール位置制御装置

Info

Publication number: JP3523005B2
Application number: JP06850797A
Authority: JP
Inventors: 佳幸嶋田
Original assignee: 新キャタピラー三菱株式会社
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 2004-04-26
Anticipated expiration: 2017-03-21
Also published as: JPH10267138A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、作動特性を改良す
るスプール弁のスプール位置制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４に従来のパイロット作動式スライド
スプール弁の代表的な構造図を示す。ボディ１にメイン
スプール２が軸方向摺動自在に嵌合され、その両端のカ
バー３，４内にそれぞれリターンスプリング５，６が設
けられ、これらのリターンスプリング５，６により、そ
れぞれのスプリング受け部７，８を介してメインスプー
ル２が支持されている。

【０００３】ボディ１には、供給ポート11、一対の出力
ポート12，13および一対のタンクポート14，15が設けら
れている。また、供給ポート11に対応する環状溝11a と
一方の出力ポート12に対応する環状溝12a との間にはラ
ンド16が、供給ポート11に対応する環状溝11a と他方の
出力ポート13に対応する環状溝13a との間はランド17
が、一方の出力ポート12に対応する環状溝12a とタンク
ポート14に対応する環状溝14a との間にはランド18が、
他方の出力ポート13に対応する環状溝13a とタンクポー
ト15に対応する環状溝15a との間にはランド19がそれぞ
れ設けられている。

【０００４】また、カバー３にはパイロットポート21が
設けられ、カバー４にはパイロットポート22が設けられ
ている。

【０００５】そして、例えば右側のパイロットポート21
にパイロット圧Ｐ21が作用されると、メインスプール２
の受圧断面積がＡ2 の場合、メインスプール２の右端に
対し、Ｆ2 ＝Ａ2 ・Ｐ21の左方向の力が作用する。この
左方向の力Ｆ2 がリターンスプリング６の初期抗力より
も大きくなると、メインスプール２が左方向に動き、リ
ターンスプリング６の抗力と釣合う所まで移動する。

【０００６】すなわち、このリターンスプリング６のバ
ネ定数をＫ6 、プリセット荷重（初期抗力）をＦ6 、メ
インスプール２のストロークをＸ2 とすると、次の式
（１）が成り立つ。

【０００７】この関係を単純にグラフにすると、スプールストローク
Ｘ2 と、パイロット圧Ｐ21との関係は、図５に実線で示
されるような直線となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、実際は、メ
インスプール２が左方向に動き、ランド16およびランド
19が開口し、流体が供給ポート11から一方の出力ポート
12に向かって流れるとともに、他方の出力ポート13から
タンクポート15に向かって流れると、メインスプール２
の右方向（戻し方向）への力いわゆる流体力が働いた
り、メインスプール２の外周部の摩擦による摺動抵抗力
が働いたりして、メインスプール２の動きは、これらの
戻し方向抗力の影響を受けて、図５に破線で示されるよ
うになり、直線性が失われ、スムーズな動きが妨げられ
る問題がある。

【０００９】本発明は、このような点に鑑みなされたも
ので、スプール弁において、スプールに働く流体力など
の戻し方向抗力の影響を修正して、スプールの位置精度
を向上させることを目的とするものである。

【００１０】

【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、ボディ内に軸方向摺動自在に嵌合されたメインス
プールの軸方向位置をメインスプールの端部に導入され
たパイロット圧により制御するスプール弁のスプール位
置制御装置において、メインスプールに働く戻し方向抗
力で生ずる位置誤差に応じてその誤差をなくす修正力を
メインスプールに作用させる位置フィードバック機構を
具備し、この位置フィードバック機構は、メインスプー
ルのパイロット圧導入側の端部に軸方向摺動自在に嵌合
され、パイロット圧を受けて作動するときに戻し方向抗
力を受けるメインスプールに対し、メインスプールと同
様にパイロット圧を受けて作動するが戻し方向抗力を受
けないのでメインスプール位置制御の目標値設定部材と
して機能するサブスプールと、サブスプールの軸方向位
置に対するメインスプールの位置誤差に応じて制御され
た修正圧を受けるメインスプールの修正圧受圧部とを具
備したスプール弁のスプール位置制御装置である。

【００１１】そして、パイロット圧を受けて作動するメ
インスプールは戻し方向抗力を受けるが、同じくパイロ
ット圧を受けて作動するサブスプールはそのような戻し
方向抗力を受けないので、このサブスプールがメインス
プール位置制御の目標値設定部材として機能し、メイン
スプールは、サブスプールとの位置誤差に応じた修正圧
を修正圧受圧部に受けて、位置誤差をなくす方向に作動
する位置フィードバック機構を設けることにより、流体
力に代表されるメインスプールに働く戻し方向抗力の影
響を受けることなく、メインスプールの位置精度を向上
させるとともに、メインスプールのスムーズな動きを実
現する。

【００１２】請求項２に記載された発明は、請求項１記
載のスプール弁のスプール位置制御装置における位置フ
ィードバック機構が、メインスプールの両端部にそれぞ
れ設けられたものである。

【００１３】そして、メインスプールの両端部に設けら
れた位置フィードバック機構によりメインスプールが一
端のパイロット圧により作用するときも、他端のパイロ
ット圧により作用するときも、メインスプールに働く戻
し方向抗力の影響を打消しながら作動し、スプールの位
置精度を向上させる。

【００１４】請求項３に記載された発明は、請求項１ま
たは２記載のスプール弁のスプール位置制御装置におけ
るメインスプールが、流体を制御するための流体制御部
と、位置フィードバック機構の設けられた位置フィード
バック制御部とに分割されたものである。

【００１５】そして、流体制御部と位置フィードバック
制御部とをそれぞれ別々に加工成形して、ボディ内に組
込むようにする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図１乃至図３に
示された実施の一形態を参照しながら説明する。なお、
図４に示された従来例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。

【００１７】図１は本発明に係るスプール弁構造図の一
例を示し、ボディ１およびメインスプール２の両端部に
同一構造の位置フィードバック機構31，32がそれぞれ設
けられている。

【００１８】メインスプール２は、流体を制御するため
の流体制御部2aと、位置フィードバック機構31，32の設
けられた位置フィードバック制御部2b，2bとに分割され
ている。

【００１９】これらの位置フィードバック機構31，32
は、メインスプール２に働く流体力などの戻し方向抗力
で生ずる位置誤差に応じてその誤差をなくす修正力をメ
インスプール２に作用させるものであり、メインスプー
ル２の両端部に穿設された軸穴33，34にサブスプール3
5，36がそれぞれ摺動自在に嵌合され、これらのサブス
プール35，36を中心に形成されている。

【００２０】メインスプール２の両端部には小径部37，
38がそれぞれ形成され、メインスプール２の本体部と各
小径部37，38との間には環状の修正圧受圧部41，42がそ
れぞれ形成されている。これらの修正圧受圧部41，42が
有する受圧面積と、これらの修正圧受圧部41，42に作用
する修正圧との積がそれぞれの修正力となる。

【００２１】各サブスプール35，36は、メインスプール
２の各修正圧受圧部41，42に作用する修正圧を制御する
ものであり、各カバー３，４にそれぞれ穿設された修正
圧供給ポート43，44と修正圧受圧部41，42との間にそれ
ぞれ形成される開口制御部45，46の開度を制御するとと
もに、各カバー３，４にそれぞれ穿設されたドレンポー
ト47，48と修正圧受圧部41，42との間にそれぞれ形成さ
れる開口制御部49，50の開度を、開口制御部45，46の開
度とは相反する方向に制御するものである。

【００２２】各カバー３，４内のスプリング室51，52に
は、スプリング５，６より内側にて固定筒部53，54が各
カバー３，４と一体にそれぞれ設けられ、これらの各固
定筒部53，54には導通穴55，56がそれぞれ設けられてい
る。各固定筒部53，54にはメインスプール２の両端に形
成された最小径部57，58がそれぞれ摺動自在に嵌合され
ている。

【００２３】各固定筒部53，54と対応して各サブスプー
ル35，36には小径部61，62がそれぞれ設けられ、これら
の各小径部61，62には各固定筒部53，54にて係止される
スプリング受け部63，64がそれぞれ嵌合され、各小径部
61，62の先端部にはスプリング受け部65，66がそれぞれ
一体的に嵌着され、各スプリング受け部63，64と各スプ
リング受け部65，66との間にスプリング67，68がそれぞ
れ介在され、さらに、各スプリング受け部65，66と各カ
バー３，４の内側面との間にはスプリング69，70がそれ
ぞれ介在されている。

【００２４】各スプリング67，68は、各スプリング69，
70よりもプリセット荷重（初期荷重）が十分に大きく設
定されており、スプリング69，70が撓んでも、スプリン
グ67，68はその反力で撓むことがないように設定されて
いる。

【００２５】前記リターンスプリング５，６、スプリン
グ67，68およびスプリング69，70はいずれも圧縮コイル
スプリングであり、外側のリターンスプリング５，６の
バネ力は、スプリング受け部７，８を介してメインスプ
ール２のみに作用するが、内側のスプリング69，70のバ
ネ力は、スプリング受け部65，66、スプリング67，68お
よびスプリング受け部63，64を介してメインスプール２
およびサブスプール35，36の両方に作用する。

【００２６】このため、メインスプール２は、スプリン
グ受け部７，８およびスプリング受け部63，64を介し
て、スプリング５，６およびスプリング69，70の抗力に
より中立位置に保持されている。

【００２７】次に、図２に基づいて、修正圧供給ポート
43からメインスプール２の修正圧受圧部41に至る経路
と、修正圧受圧部41からドレンポート47に至る経路とを
説明する。なお、メインスプール２の反対側の構造は同
一であるから、説明を省略する。

【００２８】修正圧供給ポート43は、カバー３の内径側
に形成された環状溝71に連通され、この環状溝71はメイ
ンスプール２の小径部37に設けられた半径方向孔72を経
て内径側の環状溝73に連通され、この環状溝73は、サブ
スプール35の外周面に形成された環状溝74に連通されて
いる。

【００２９】この環状溝74の左側に隣接する位置に設け
られたサブスプール35のランド75は、前記メインスプー
ル２の修正圧受圧部41に半径方向孔76を経て連通された
内径側の環状溝77に臨む修正圧供給側の開口制御部45に
対し開閉自在に位置し、環状溝74およびランド75により
開口制御部45の開度を制御する。

【００３０】すなわち、サブスプール35の左方への移動
により開口制御部45が開いたとき、その開度に応じて、
メインスプール２の環状溝73と環状溝77とがサブスプー
ル35の環状溝74により連通する。

【００３１】一方、メインスプール２の修正圧受圧部41
と連通する環状溝77には、前記開口制御部45とは反対側
にて修正圧ドレン側の開口制御部49が臨んで設けられ、
この開口制御部49に対し、サブスプール35のランド75
と、このランド75の左側に隣接して形成された環状溝81
とが開閉自在に設けられている。

【００３２】メインスプール２には、この環状溝81によ
り環状溝77と連通する環状溝82が設けられ、この環状溝
82はメインスプール２内に設けられた軸方向孔83および
半径方向孔84を経て環状溝85に連通され、さらに、この
環状溝85は、ボディ１に設けられた孔86およびカバー３
に設けられた孔87を経て前記ドレンポート47に連通され
ている。

【００３３】また、パイロットポート21から供給される
可変パイロット圧と、修正圧供給ポート43から供給され
る一定の修正元圧とが相互に影響することを防止するた
めに、カバー３とメインスプール２の小径部37とサブス
プール35とが相互に摺動する境界面に対し、前記ドレン
ポート47に連通される環状溝88と、この環状溝88に半径
方向孔89を経て連通する環状溝90とが設けられている。

【００３４】次に、この図１および図２に示された実施
形態の作用を説明する。

【００３５】（基本動作）右側のパイロットポート21または左側のパイロットポー
ト22にパイロット圧が作用されると、メインスプール２
は、従来例と同様に左方向または右方向に移動して切換
動作し、例えばメインスプール２が左方向に動いたとき
は、流体が供給ポート11から一方の出力ポート12に向か
って流れるとともに、他方の出力ポート13からタンクポ
ート15に向かって流れ、また、メインスプール２が右方
向に動いたときは、流体が供給ポート11から出力ポート
13に向かって流れるとともに、出力ポート12からタンク
ポート14に向かって流れる。

【００３６】（メインスプール中立状態）修正圧供給ポート43，44には、一定の修正元圧が供給さ
れているが、例えば図２に示された状態では、修正圧供
給側の開口制御部45は閉じられており、かつ修正圧ドレ
ン側の開口制御部49がドレンポート47に連通しているた
め、メインスプール２の修正圧受圧部41はドレン圧とな
っている。メインスプール２の反対側の修正圧受圧部42
も同様にドレン圧となっている。

【００３７】また、パイロットポート21，22は、中立
時、共にパイロット圧制御弁（図示せず）のドレンライ
ンに連通しており、したがって、スプリング室51，52
は、ドレン圧となっているため、メインスプール２の小
径部37，38の端面には、共にドレン圧が作用している。

【００３８】したがって、メインスプール２は、スプリ
ング受け部７，８およびスプリング受け部65，66を介し
て、スプリング５，６およびスプリング69，70の抗力に
より中立位置に保持されている。

【００３９】（メインスプール切換状態）今、パイロットポート21にパイロット圧Ｐ21が作用され
て、メインスプール２が左方向に切換わる場合を説明す
る。なお、スプリング67のプリセット荷重は、スプリン
グ69に対し十分大きく設定しておくことは既に述べた通
りである。

【００４０】サブスプール35の全断面積に対しパイロッ
トポート21からのパイロット圧Ｐ21が作用されると、メ
インスプール２に対しサブスプール35が相対的に左方向
へ動き、開口制御部45が徐々に開口し、かつ開口制御部
49が徐々に閉じるようにスプリング67のバネ定数やプリ
セット荷重を設定することにより、開口制御部45および
開口制御部49の各開口面積（開度）Ａ45，Ａ49が図３
（Ａ）（Ｂ）に示される特性となるように予め設定す
る。

【００４１】修正圧供給ポート43に供給される一定の修
正元圧をＰ43とし、修正圧受圧部41に作用する修正圧を
Ｐ41とし、ドレンポート47のドレン圧をほぼ０とし、開
口制御部45の開口面積をＡ45とし、開口制御部49の開口
面積をＡ49とし、開口制御部45を流れる流量をＱ45と
し、開口制御部49を流れる流量をＱ49とした場合、次の
式（２）（３）が成り立つ。

【００４２】ただし、Ｋは定数である。

【００４３】そして、開口制御部45と開口制御部49とは
流体の流れからみて直列的に位置し、開口制御部45と開
口制御部49とにおける流量が等しい（Ｑ45＝Ｑ49）か
ら、式（２）（３）より次の式（４）が導かれる。

【００４４】ここで、修正元圧Ｐ43は一定の値（定数）であるから、
修正圧受圧部41に作用する修正圧Ｐ41は、次の式（４
´）に示すように、開口制御部45，49の開口面積Ａ45，
Ａ49を変数とする関数である。

【００４５】Ｐ41＝ｆ（Ａ45，Ａ49） …（４´）また、反対側のスプリング68もスプリング67と同様に、
スプリング70に対しプリセット荷重を十分大きく設定し
ておく。そして、リターンスプリング６のバネ定数をＫ
6 、プリセット荷重（初期抗力）をＦ6 とし、スプリン
グ70のバネ定数をＫ70、プリセット荷重をＦ70とし、さ
らに、メインスプール２の小径部37の断面積をＡ37と
し、修正圧受圧部41の受圧面積をＡ41とし（修正力＝Ａ
41・Ｐ41）、メインスプール２のストロークをＸ2 と
し、また、このスプールストロークＸ2 に応じてメイン
スプール２に働く流体力などの戻し方向抗力をＦ（Ｘ2
）とした場合、パイロットポート21にパイロット圧Ｐ2
1が作用されたとき、次の式（５）によりメインスプー
ル２が図３（Ｃ）に示された直線状に変位するように各
パラメータを設定する。

【００４６】すなわち、この式（５）および式（４´）より、次の式
（６）が導かれる。

【００４７】ただし、α、β、γ、δは定数である。

【００４８】この式（６）において、ｆ（Ａ45，Ａ49）
を戻し方向抗力Ｆ（Ｘ2 ）に対する修正項として機能さ
せ、Ａ45，Ａ49を、例えば図３（Ａ）（Ｂ）に示される
ように制御することで、戻し方向抗力Ｆ（Ｘ2 ）に対抗
する修正圧Ｐ41を発生させると、パイロット圧Ｐ21に対
し、メインスプール２のストロークＸ2 は図３（Ｃ）に
示されるように直線的に比例する動きが得られる。

【００４９】上述のように、パイロットポート21にパイ
ロット圧Ｐ21が作用され、メインスプール２が左方向に
動いて行くと、従来技術と同様に開口したランド16，19
を経て流体が流出する際に発生する流体力や摺動抵抗力
が働く。

【００５０】このため、メインスプール２の直線的な動
きが妨げられそうになると、位置フィードバック機構31
が作用し、ランド16，19を通る主流から派生する流体力
などの影響を受けないサブスプール35がメインスプール
２に対し相対的にオーバーストロークし、そのオーバー
ストロークした瞬間に、開口制御部45の開度Ａ45がより
大きくなるとともに、逆に開口制御部49の開度Ａ49がよ
り小さくなる。

【００５１】このため、式（４）により修正圧受圧部41
の修正圧Ｐ41が上昇して、メインスプール２を左方向へ
押す修正力が強くなり、結果的にメインスプール２に働
く流体力などの戻し方向抗力Ｆ（Ｘ2 ）を打消すだけの
修正力が修正圧受圧部41から発生することになる。

【００５２】そして、その修正力により戻し方向抗力Ｆ
（Ｘ2 ）を打消し、メインスプール２がサブスプール35
により予め設定された相対位置（パイロット圧Ｐ21と比
例するストローク位置）になると、開口制御部45，49も
予め設定された開度となるため、図３（Ｃ）に示される
直線性が保たれる状態でバランスが保たれる。このよう
にして、右側の位置フィードバック機構31が機能する。
左側の位置フィードバック機構32も同様に機能する。

【００５３】以上のように、メインスプール２に働く流
体力などの戻し方向抗力Ｆ（Ｘ 2 ）の影響により、メイ
ンスプール２があるべき位置にない場合は、位置フィー
ドバック機構31，32により、その戻し方向抗力Ｆ（Ｘ 2
）を打消す修正力をメインスプール２に与え、メイン
スプール２を本来の位置に修正するから、このような位
置フィードバック機構31，32をスプール弁に組込むこと
により、メインスプール２の位置精度を向上できるとと
もに、メインスプール２のスムーズな動きを実現でき
る。

【００５４】言い換えると、メインスプール２は戻し方
向抗力を受けるが、メインスプール２と同様にパイロッ
ト圧を受けて軸方向に作動するサブスプール35，36はそ
のような戻し方向抗力を受けないので、このサブスプー
ル35，36が位置制御の目標値設定部材として機能し、メ
インスプール２は、サブスプール35，36との位置誤差に
応じた修正圧を修正圧受圧部41，42に受けて、位置誤差
をなくす方向に作動する。

【００５５】なお、請求項２に記載された発明は、図示
された実施形態のような３位置切換弁において、メイン
スプール２の両端に位置フィードバック機構31，32を設
けたものに対応するが、２位置切換弁ではメインスプー
ル２の片側に同様の位置フィードバック機構を設けると
良く、請求項１に記載された発明には、このようなもの
も含まれる。

【００５６】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、スプール
弁においてメインスプールに働く戻し方向抗力により生
ずる位置誤差に応じてその誤差をなくす修正力をメイン
スプールに作用させる位置フィードバック機構を設け、
パイロット圧を受けて作動するメインスプールは戻し方
向抗力を受けるが、メインスプールと同様にパイロット
圧を受けて作動するサブスプールは戻し方向抗力を受け
ないので、このサブスプールがメインスプール位置制御
の目標値設定部材として機能し、メインスプールは、サ
ブスプールとの位置誤差に応じた修正圧を修正圧受圧部
に受けて、位置誤差をなくす方向に作動することによ
り、流体力に代表されるメインスプールに働く戻し方向
抗力の影響を受けることなく、メインスプールの位置精
度を向上できるとともに、メインスプールのスムーズな
動きを実現できる。すなわち、メインスプールのパイロ
ット圧導入側の端部に軸方向摺動自在に嵌合されたサブ
スプールと、サブスプールの軸方向位置に対するメイン
スプールの位置誤差に応じて制御された修正圧を受ける
メインスプールの修正圧受圧部とにより、簡単な構造の
位置フィードバック機構を形成でき、この位置フィード
バック機構により、メインスプールに働く戻し方向抗力
の影響を受けることなく、メインスプールの位置精度を
向上できるとともに、メインスプールのスムーズな動き
を実現できる。

【００５７】請求項２記載の発明によれば、請求項１の
発明を３位置切換弁にも適用できる。

【００５８】請求項３記載の発明によれば、メインスプ
ールを流体制御部と位置フィードバック制御部とに分割
したから、メインスプールの加工を容易に行え、スプー
ル加工コストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスプール弁の一実施形態を示す断
面図である。

【図２】同上スプール弁におけるスプール位置制御装置
を示す断面図である。

【図３】（Ａ）は同上スプール弁におけるパイロット圧
と修正圧供給側の開口制御部45での開口面積との関係を
示す特性図、（Ｂ）はパイロット圧と修正圧ドレン側の
開口制御部49での開口面積との関係を示す特性図、
（Ｃ）はパイロット圧とメインスプールのストロークと
の関係を示す特性図である。

【図４】従来のスプール弁を示す断面図である。

【図５】従来のスプール弁におけるパイロット圧とメイ
ンスプールのストロークとの関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１ボディ２メインスプール 2a 流体制御部 2b 位置フィードバック制御部 31，32 位置フィードバック機構 35，36 サブスプール 41，42 修正圧受圧部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−206806（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−46677（ＪＰ，Ａ) 特開平７−174106（ＪＰ，Ａ) 特開平９−123933（ＪＰ，Ａ) 実開昭60−79001（ＪＰ，Ｕ) 実開平６−82480（ＪＰ，Ｕ) 特公平２−58483（ＪＰ，Ｂ２) 特表平10−510616（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16K 3/24 F15B 13/043 F16K 11/07 F16K 31/122

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ボディ内に軸方向摺動自在に嵌合された
メインスプールの軸方向位置をメインスプールの端部に
導入されたパイロット圧により制御するスプール弁のス
プール位置制御装置において、メインスプールに働く戻し方向抗力で生ずる位置誤差に
応じてその誤差をなくす修正力をメインスプールに作用
させる位置フィードバック機構を具備し、この位置フィードバック機構は、メインスプールのパイロット圧導入側の端部に軸方向摺
動自在に嵌合され、パイロット圧を受けて作動するとき
に戻し方向抗力を受けるメインスプールに対し、メイン
スプールと同様にパイロット圧を受けて作動するが戻し
方向抗力を受けないのでメインスプール位置制御の目標
値設定部材として機能するサブスプールと、サブスプールの軸方向位置に対するメインスプールの位
置誤差に応じて制御された修正圧を受けるメインスプー
ルの修正圧受圧部とを具備したことを特徴とするスプー
ル弁のスプール位置制御装置。
【請求項２】位置フィードバック機構は、メインスプ
ールの両端部にそれぞれ設けられたことを特徴とする請
求項１記載のスプール弁のスプール位置制御装置。
【請求項３】メインスプールは、流体を制御するため
の流体制御部と、位置フィードバック機構の設けられた
位置フィードバック制御部とに分割されたことを特徴と
する請求項１または２記載のスプール弁のスプール位置
制御装置。