JP6286307B2

JP6286307B2 - 方向制御弁

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Publication number: JP6286307B2
Application number: JP2014150797A
Authority: JP
Inventors: 太志吉田
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2034-07-24
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Description

本発明は、作動流体の流れる方向を制御する方向制御弁に関する。

特許文献１には、作動流体の流れる方向を切り換える主弁と、主弁をパイロット圧によって切り換えるパイロット弁と、を備え、主弁とパイロット弁との両方に圧力源から作動流体が供給される方向制御弁が開示されている。

上記の方向制御弁では、パイロット弁の２つの制御ポートが、主弁のメインスプールの両側にそれぞれ形成された圧力室と連通している。ソレノイドでパイロット弁のパイロットスプールを移動させ、作動流体が供給されるパイロット弁の供給ポートと２つの制御ポートのいずれか一方とを連通させると、主弁の２つの圧力室に差圧が発生してメインスプールが移動する。これにより、主弁の２つの制御ポートが、作動流体が供給される主弁の供給ポートと択一的に連通する。

特開２００６−３００１９５号公報

上記の方向制御弁では、パイロット弁から主弁の圧力室に供給する作動流体の流量を調整することで、圧力室の圧力を制御している。つまり、上記の方向制御弁はメータイン回路になっている。このため、方向制御弁の制御性については向上の余地がある。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、方向制御弁の制御性の向上を図ることを目的とする。

本発明は、作動流体の流れる方向を切り換える主弁と、前記主弁をパイロット圧によって切り換えるパイロット弁と、を備える方向制御弁であって、前記主弁は、圧力源から作動流体が供給される供給ポートと、外部に作動流体を給排する第１主弁制御ポートおよび第２主弁制御ポートと、軸線方向に移動自在に設けられ、一方側に移動すると前記供給ポートと前記第１主弁制御ポートとを連通させ、他方側に移動すると前記供給ポートと前記第２主弁制御ポートとを連通させるメインスプールと、前記メインスプールの軸線方向における両側にそれぞれ形成され、前記圧力源から作動流体が供給される第１圧力室および第２圧力室と、を備え、前記圧力源から前記第１圧力室に供給される作動流体は、前記メインスプールの前記第１圧力室側の端部に設けられた静圧軸受を介して前記第１圧力室に供給され、前記圧力源から前記第２圧力室に供給される作動流体は、前記メインスプールの前記第２圧力室側の端部に設けられた静圧軸受を介して前記第２圧力室に供給され、前記パイロット弁は、前記第１圧力室と前記第２圧力室とを択一的にタンクと連通させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、主弁の第１圧力室および第２圧力室に、圧力源から作動流体が供給される。そして、第１圧力室と第２圧力室とが、パイロット弁により択一的にタンクと連通する。これによれば、方向制御弁が、圧力室から排出される作動流体の流量を調整することで当該圧力室の圧力を制御するメータアウト回路となる。したがって、方向制御弁の制御性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る方向制御弁を示す模式図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態に係る方向制御弁１００について説明する。

方向制御弁１００は、アクチュエータ等の流体圧機器（図示せず）に適用され、作動流体としての作動水の流れる方向を切り換えることで流体圧機器の動作を制御する制御弁である。

方向制御弁１００は、作動水の流れる方向を切り換える主弁１０と、主弁１０をパイロット圧によって切り換えるパイロット弁２０と、を備える。

主弁１０は、メインハウジング１１と、メインスプール１２と、を備える。

メインハウジング１１は、圧力源１３から作動水が供給される供給ポート１１ａと、流体圧機器に作動水を給排する第１主弁制御ポート１１ｂ（以下、制御ポート１１ｂという。）および第２主弁制御ポート１１ｃ（以下、制御ポート１１ｃという。）と、タンク１４と連通する排出ポート１１ｄ、１１ｅと、を有する。

本実施形態では、図１に示すように、メインハウジング１１の中央部に供給ポート１１ａが設けられ、供給ポート１１ａの両側に制御ポート１１ｂ、１１ｃがそれぞれ設けられ、さらに両外側に排出ポート１１ｄ、１１ｅがそれぞれ設けられる。

メインスプール１２は、メインハウジング１１に軸線方向に移動自在に収容される。

メインスプール１２は、中央部に設けられたランド部１２ａと、両端部にそれぞれ設けられたランド部１２ｂ、１２ｃと、を有する。

メインスプール１２の両端には、静圧軸受１５、１６がそれぞれ設けられる。静圧軸受１５、１６には、圧力源１３から作動水が供給される。

これによれば、メインハウジング１１とメインスプール１２のランド部１２ｂ、１２ｃとの間に水膜が形成され、メインスプール１２がメインハウジング１１に浮動状態で支持される。したがって、作動流体として作動水を用いても、メインスプール１２とメインハウジング１１との間にかじりが発生することを防止でき、メインスプール１２を滑らかに作動させることができる。

メインスプール１２の軸線方向における両側には、メインスプール１２とメインハウジング１１とにより、第１圧力室１７（以下、圧力室１７という。）および第２圧力室１８（以下、圧力室１８という。）がそれぞれ形成される。

圧力室１７には、圧力源１３から静圧軸受１５に供給された作動水が、メインハウジング１１とメインスプール１２のランド部１２ｂとの隙間を通過して流入する。同様に、圧力室１８には、圧力源１３から静圧軸受１６に供給された作動水が、メインハウジング１１とメインスプール１２のランド部１２ｃとの隙間を通過して流入する。

主弁１０は上記のように構成され、図１に示すように、メインスプール１２がメインハウジング１１の中央に位置する状態では、ランド部１２ａが供給ポート１１ａを閉塞し、ランド部１２ｂが排出ポート１１ｄを閉塞し、ランド部１２ｃが排出ポート１１ｅを閉塞する。

図１に示す状態から、メインスプール１２が圧力室１８側に移動すると、供給ポート１１ａと制御ポート１１ｂとが連通するとともに、制御ポート１１ｃと排出ポート１１ｅとが連通する。これにより、流体圧機器に制御ポート１１ｂから作動水が供給され、流体圧機器から流出した作動水が制御ポート１１ｃと排出ポート１１ｅとを介してタンク１４に排出される。

反対に、メインスプール１２が圧力室１７側に移動すると、供給ポート１１ａと制御ポート１１ｃとが連通するとともに、制御ポート１１ｂと排出ポート１１ｄとが連通する。これにより、流体圧機器に制御ポート１１ｃから作動水が供給され、流体圧機器から流出した作動水が制御ポート１１ｂと排出ポート１１ｄとを介してタンク１４に排出される。

続いて、パイロット弁２０について説明する。

パイロット弁２０は、パイロットハウジング２１と、パイロットスプール２２と、ソレノイド２３と、を備える。

パイロットハウジング２１は、主弁１０の圧力室１７と連通する第１パイロット弁制御ポート２１ａ（以下、制御ポート２１ａという。）と、主弁１０の圧力室１８と連通する第２パイロット弁制御ポート２１ｂ（以下、制御ポート２１ｂという。）と、タンク１４と連通する排出ポート２１ｃと、を有する。

本実施形態では、図１に示すように、パイロットハウジング２１の中央部に排出ポート２１ｃが設けられ、排出ポート２１ｃの両側に制御ポート２１ａ、２１ｂがそれぞれ設けられる。

パイロットスプール２２は、パイロットハウジング２１に軸線方向に移動自在に収容される。

パイロットスプール２２は、中央部に設けられたランド部２２ａと、両端部にそれぞれ設けられたランド部２２ｂ、２２ｃと、を有する。

パイロットスプール２２の両端には、静圧軸受２４、２５がそれぞれ設けられる。静圧軸受２４には、主弁１０の圧力室１８から作動水が供給される。また、静圧軸受２５には、主弁１０の圧力室１７から作動水が供給される。

これによれば、主弁１０と同様に、作動流体として作動水を用いても、パイロットスプール２２を滑らかに作動させることができる。

このように、本実施形態では、メインスプール１２を支持する静圧軸受１５、１６およびパイロットスプール２２を支持する静圧軸受２４、２５を設けることで、作動流体として作動水を用いることを可能にしている。

これによれば、衛生性、安全性、環境性に優れた方向制御弁１００を提供できる。したがって、食品機械や半導体装置、水中作業機械等に方向制御弁１００を適用した場合のリスク管理費用を抑制できる。

パイロットスプール２２の軸線方向における両側には、パイロットスプール２２とパイロットハウジング２１とにより、第３圧力室２６（以下、圧力室２６という。）および第４圧力室２７（以下、圧力室２７という。）がそれぞれ形成される。

圧力室２６には、主弁１０の圧力室１７から静圧軸受２５に供給された作動水が、パイロットハウジング２１とパイロットスプール２２のランド部２２ｃとの隙間を通過して流入する。同様に、圧力室２７には、主弁１０の圧力室１８から静圧軸受２４に供給された作動水が、パイロットハウジング２１とパイロットスプール２２のランド部２２ｂとの隙間を通過して流入する。

圧力室２６は、絞り通路２８を介してタンク１４と連通している。また、圧力室２７は、絞り通路２９を介してタンク１４と連通している。

パイロット弁２０は上記のように構成され、図１に示すように、パイロットスプール２２がパイロットハウジング２１の中央に位置する状態では、ランド部２２ａが排出ポート２１ｃを閉塞する。

図１に示す状態から、パイロットスプール２２が圧力室２６側に移動すると、排出ポート２１ｃと制御ポート２１ａとが連通する。これにより、制御ポート２１ａと連通する圧力室１７から、作動水がタンク１４に排出される。

反対に、パイロットスプール２２が圧力室２７側に移動すると、排出ポート２１ｃと制御ポート２１ｂとが連通する。これにより、制御ポート２１ｂと連通する圧力室１８から、作動水がタンク１４に排出される。

圧力室２６は、パイロットスプール２２が圧力室２６側に移動すると縮小される。このとき、圧力室２６における縮小された容積分の作動水は、絞り通路２８を通過してタンク１４に排出される。

同様に、圧力室２７は、パイロットスプール２２が圧力室２７側に移動すると縮小される。圧力室２７における縮小された容積分の作動水は、絞り通路２９を通過してタンク１４に排出される。

このように、方向制御弁１００は、圧力室２６、２７から排出される作動水が通過する絞り通路２８、２９を備えるので、パイロットスプール２２の移動にともなって発生するパイロットスプール２２の振動を減衰させることができ、パイロット弁２０を安定して作動させることができる。

圧力室２６には、スプリング３０が配設される。スプリング３０は、パイロットスプール２２を圧力室２７側へ常に付勢する。

ソレノイド２３は、パイロットスプール２２のスプリング３０とは反対側の端部に設けられる。

ソレノイド２３は、通電電流に応じて、圧力室２６側へ移動する方向の推力をパイロットスプール２２に作用させる。これにより、パイロットスプール２２がスプリング３０の付勢力に対抗して圧力室２６側へ移動する。

パイロットスプール２２に作用する推力は、ソレノイド２３の通電電流を大きくするほど大きくなる。したがって、ソレノイド２３の通電電流を大きくするほど、パイロットスプール２２が圧力室２６側に大きく移動する。

反対に、ソレノイド２３の通電電流を小さくするほど、スプリング３０の付勢力により、パイロットスプール２２が圧力室２７側に移動する。ソレノイド２３の非通電時には、パイロットスプール２２が圧力室２７側に最も移動した状態となる。

本実施形態では、メインスプール１２とパイロットスプール２２とに、変位計４０、４１がそれぞれ取り付けられる。変位計４０、４１の出力信号は、コントローラ５０に入力される。コントローラ５０は、変位計４０、４１の出力信号に基づいて、ソレノイド２３の通電電流を変化させる。

パイロットスプール２２に作用する推力は、上記のように、ソレノイド２３の通電電流により変化する。したがって、コントローラ５０でソレノイド２３の通電電流を変化させることで、パイロットスプール２２に作用する推力とスプリング３０の付勢力とが均衡する位置、すなわちパイロットスプール２２の位置を変化させることができる。

パイロット弁２０の排出ポート２１ｃと制御ポート２１ａとが連通したときの流路面積は、パイロットスプール２２が圧力室２６側に移動するほど大きくなる。また、排出ポート２１ｃと制御ポート２１ｂとが連通したときの流路面積は、パイロットスプール２２が圧力室２７側に移動するほど大きくなる。

したがって、パイロットスプール２２の位置を変化させることで、主弁１０の圧力室１７、１８からタンク１４に作動水が排出される流路面積を任意に変化させることができ、主弁１０の切り換え速度をコントロールできる。

続いて、方向制御弁１００の動作について説明する。

図１に示すパイロット弁２０は、コントローラ５０がソレノイド２３の通電電流を制御して、パイロットスプール２２をパイロットハウジング２１の中央に位置させた状態になっている。

この状態からソレノイド２３の通電電流を大きくすると、パイロットスプール２２が圧力室２６側に移動する。また、通電電流を小さくすると、パイロットスプール２２が圧力室２７側に移動する。なお、パイロットスプール２２が圧力室２６側に移動する場合と、圧力室２７側に移動する場合とでは、方向制御弁１００は対称の動作を呈する。したがって、以降の説明では、パイロットスプール２２が圧力室２６側に移動する場合について説明し、圧力室２７側に移動する場合については説明を省略する。

図１に示す状態では、パイロット弁２０の排出ポート２１ｃが、制御ポート２１ａ、２１ｂのいずれとも連通していない。このため、制御ポート２１ａ、２１ｂとそれぞれ連通する主弁１０の圧力室１７、１８の圧力が、圧力源１３から作動水が供給されることで一様に上昇した状態となる。このとき、圧力室１７、１８には差圧が発生しないので、メインスプール１２は図１の位置から移動しない。

そして、この状態からソレノイド２３の通電電流を大きくすると、パイロットスプール２２に作用する推力が大きくなり、パイロットスプール２２が圧力室２６側に移動する。これにより、排出ポート２１ｃが開口して制御ポート２１ａと連通し、制御ポート２１ａと連通する圧力室１７から、作動水がタンク１４に排出される。

作動水がタンク１４に排出されると、圧力室１７の圧力が低下する。つまり、圧力室１７、１８に差圧が発生するので、メインスプール１２が、低圧側である圧力室１７側に移動する。これにより、供給ポート１１ａと制御ポート１１ｃとが連通するとともに、制御ポート１１ｂと排出ポート１１ｄとが連通する。

メインスプール１２の移動を停止させるには、排出ポート２１ｃと制御ポート２１ａとの連通を遮断して、圧力室１７の圧力を上昇させればよい。したがって、ソレノイド２３の通電電流を小さくし、図１に示す位置までパイロットスプール２２を移動させて排出ポート２１ｃを閉塞すれば、圧力室１７の圧力が上昇して圧力室１７と圧力室１８との差圧がなくなるので、メインスプール１２の移動を停止させることができる。

ところで、圧力室１７から作動水をタンク１４に排出すると、圧力室１７の圧力が低下するとともに、圧力室１７と静圧軸受２５を介して連通する圧力室２６の圧力も低下する。このため、パイロットスプール２２には、圧力室２６、２７の差圧により、圧力室２６側に移動する方向の推力が作用する。

ここで、パイロット弁２０の圧力室２６、２７に作動水を供給する他の構成としては、主弁１０の圧力室１８とパイロット弁２０の圧力室２６とを連通させ、主弁１０の圧力室１７とパイロット弁２０の圧力室２７とを連通させる構成も考えられる。

しかしながら、この構成の場合は、パイロットスプール２２を圧力室２６側に移動させて圧力室１７から作動水をタンク１４に排出すると、圧力室１７の圧力が低下するとともに、圧力室２７の圧力が低下する。つまり、パイロットスプール２２には、圧力室２６、２７の差圧により、圧力室２７側に移動する方向の推力が作用することになる。

この場合は、パイロットスプール２２を圧力室２６側に移動させるために必要な推力が大きくなるので、より出力が大きな大型のソレノイドが必要となり、コストも増加する。

これに対して、本実施形態では、上記のように、主弁１０の圧力室１７とパイロット弁２０の圧力室２６とを連通させているので、パイロットスプール２２には、進行方向である圧力室２６側に移動する方向の推力が作用する。

これによれば、パイロットスプール２２を移動させるために必要な推力を小さくできるので、ソレノイド２３を小型化でき、コストも抑制できる。パイロットスプール２２が圧力室２７側に移動する場合も同様であるので、スプリング３０も小型化できる。

また、上記のような方向制御弁の他の構成としては、例えば、主弁とパイロット弁との両方に圧力源から作動流体を供給し、パイロット弁から主弁の圧力室に供給する作動流体の流量を調整することで、圧力室の圧力を制御する構成が考えられる。

しかしながら、この構成の場合は、方向制御弁がメータイン回路となる。このため、制御性については向上の余地がある。

これに対して、本実施形態では、主弁１０の圧力室１７、１８に圧力源１３から作動水を供給している。そして、圧力室１７、１８とそれぞれ連通するパイロット弁２０の制御ポート２１ａ、２１ｂを択一的に排出ポート２１ｃと連通させ、圧力室１７、１８から作動水をタンク１４に排出することで、圧力室１７、１８の圧力を変化させている。

つまり、方向制御弁１００は、圧力室１７、１８から排出される作動水の流量を調整することで圧力室１７、１８の圧力を制御するメータアウト回路になっている。したがって、メータイン回路の方向制御弁よりも制御性を向上させることができる。

以上述べたように、本実施形態によれば、主弁１０の圧力室１７、１８に、圧力源１３から作動水が供給される。そして、圧力室１７、１８が、パイロット弁２０により択一的にタンク１４と連通する。これによれば、方向制御弁１００が、圧力室１７、１８から排出される作動水の流量を調整することで圧力室１７、１８の圧力を制御するメータアウト回路となる。したがって、方向制御弁１００の制御性を向上させることができる。

また、メインスプール１２を支持する静圧軸受１５、１６およびパイロットスプール２２を支持する静圧軸受２４、２５を設けることで、作動流体として作動水を用いることを可能にしている。これによれば、衛生性、安全性、環境性に優れた方向制御弁１００を提供できる。したがって、食品機械や半導体装置、水中作業機械等に方向制御弁１００を適用した場合のリスク管理費用を抑制できる。

また、主弁１０の圧力室１７（１８）とパイロット弁２０の圧力室２６（２７）とを連通させているので、圧力室１７（１８）から作動水をタンク１４に排出すると、圧力室２６、２７の差圧により、パイロットスプール２２には、進行方向である圧力室２６（２７）側に移動する方向の推力が作用する。これによれば、パイロットスプール２２を移動させるために必要な推力を小さくできるので、ソレノイド２３およびスプリング３０を小型化でき、コストも抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体例に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では、作動流体として作動水を用いているが、作動油等のその他の液体や気体を用いてもよい。

また、作動流体として作動油を用いることで、メインスプール１２およびパイロットスプール２２を滑らかに作動させるための潤滑油膜を形成できる場合は、静圧軸受１５、１６、２４、２５を設けなくともよい。この場合は、圧力源１３から主弁１０の圧力室１７、１８に作動油を直接供給し、圧力室１７、１８からパイロット弁２０の圧力室２６、２７に作動油を直接供給すればよい。

また、上記実施形態では、パイロットスプール２２の静圧軸受２４、２５に、主弁１０の圧力室１７、１８から作動水を供給しているが、圧力源１３から直接供給してもよい。この場合は、主弁１０の圧力室１７、１８からパイロット弁２０の圧力室２６、２７に作動水を直接供給すればよい。

また、上記実施形態では、主弁１０がメインハウジング１１を備え、パイロット弁２０がパイロットハウジング２１を備えているが、メインハウジング１１とパイロットハウジング２１とを一体に設けてもよい。

また、上記実施形態では、パイロットスプール２２を移動させる駆動機構として、ソレノイド２３とスプリング３０とを用いているが、スプリング３０を用いずに、パイロットスプール２２の両側にソレノイド２３を備える構成としてもよい。また、ソレノイド２３とスプリング３０とに代えて、サーボモータを用いてもよい。

また、上記実施形態では、変位計４０を取り付けて、メインスプール１２の位置を制御できるようにしているが、位置制御を行わずに、圧力室１７、１８にスプリングを設けて、メインスプール１２が自動的にメインハウジング１１の中央に位置するようにしてもよい。

１００方向制御弁
１０主弁
１１ａ供給ポート
１１ｂ第１主弁制御ポート（制御ポート）
１１ｃ第２主弁制御ポート（制御ポート）
１２メインスプール
１３圧力源
１４タンク
１５静圧軸受
１６静圧軸受
１７第１圧力室（圧力室）
１８第２圧力室（圧力室）
２０パイロット弁
２１ａ第１パイロット弁制御ポート（制御ポート）
２１ｂ第２パイロット弁制御ポート（制御ポート）
２１ｃ排出ポート
２２パイロットスプール
２３ソレノイド（駆動機構）
２４静圧軸受
２５静圧軸受
２６第３圧力室（圧力室）
２７第４圧力室（圧力室）
３０スプリング（駆動機構）

Claims

作動流体の流れる方向を切り換える主弁と、前記主弁をパイロット圧によって切り換えるパイロット弁と、を備える方向制御弁であって、
前記主弁は、
圧力源から作動流体が供給される供給ポートと、
外部に作動流体を給排する第１主弁制御ポートおよび第２主弁制御ポートと、
軸線方向に移動自在に設けられ、一方側に移動すると前記供給ポートと前記第１主弁制御ポートとを連通させ、他方側に移動すると前記供給ポートと前記第２主弁制御ポートとを連通させるメインスプールと、
前記メインスプールの軸線方向における両側にそれぞれ形成され、前記圧力源から作動流体が供給される第１圧力室および第２圧力室と、
を備え、
前記圧力源から前記第１圧力室に供給される作動流体は、前記メインスプールの前記第１圧力室側の端部に設けられた静圧軸受を介して前記第１圧力室に供給され、
前記圧力源から前記第２圧力室に供給される作動流体は、前記メインスプールの前記第２圧力室側の端部に設けられた静圧軸受を介して前記第２圧力室に供給され、
前記パイロット弁は、前記第１圧力室と前記第２圧力室とを択一的にタンクと連通させる、
ことを特徴とする方向制御弁。
請求項１に記載の方向制御弁であって、
前記パイロット弁は、
前記第１圧力室と連通する第１パイロット弁制御ポートと、
前記第２圧力室と連通する第２パイロット弁制御ポートと、
前記タンクと連通する排出ポートと、
軸線方向に移動自在に設けられ、一方側に移動すると前記第１パイロット弁制御ポートと前記排出ポートとを連通させ、他方側に移動すると前記第２パイロット弁制御ポートと前記排出ポートとを連通させるパイロットスプールと、
前記パイロットスプールを移動させる駆動機構と、
を備えることを特徴とする方向制御弁。
請求項２に記載の方向制御弁であって、
前記パイロット弁は、
前記パイロットスプールの軸線方向における前記一方側に形成され、前記パイロットスプールの前記一方側の端部に設けられた静圧軸受を介して前記第１圧力室から作動流体が供給される第３圧力室と、
前記パイロットスプールの軸線方向における前記他方側に形成され、前記パイロットスプールの前記他方側の端部に設けられた静圧軸受を介して前記第２圧力室から作動流体が供給される第４圧力室と、
を備えることを特徴とする方向制御弁。