JP2004301292A - 絞り弁 - Google Patents
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Abstract
【課題】ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形な絞り弁を実現。
【解決手段】スプール21の外径を一端側21aから他端側21cへ3段階に拡げ、他端側21c内径と一端側21c外径は等しくする。また、スプール21は全長をスリーブ22内に収める。受圧室は3つ形成し、受圧室31,32は、スプール21の外周面とスリーブ22の内周面とで環状に画し、受圧室31はスプール一端側21aと中間部分21bとの外周面段差部に位置させ、受圧室32はスプール中間部分21bと他端側21cとの外周面段差部に位置させる。受圧室33は、スプール21の端面とボディ23〜25とで画し、スプール他端側21cの端面に位置させ、センサ組込ブシュ24の外周面を環状に取り巻かせる。これにより、ボディの背を低くできるうえ、小形化に適した3方弁をパイロット弁に採用することもできる。
【選択図】 図1
【解決手段】スプール21の外径を一端側21aから他端側21cへ3段階に拡げ、他端側21c内径と一端側21c外径は等しくする。また、スプール21は全長をスリーブ22内に収める。受圧室は3つ形成し、受圧室31,32は、スプール21の外周面とスリーブ22の内周面とで環状に画し、受圧室31はスプール一端側21aと中間部分21bとの外周面段差部に位置させ、受圧室32はスプール中間部分21bと他端側21cとの外周面段差部に位置させる。受圧室33は、スプール21の端面とボディ23〜25とで画し、スプール他端側21cの端面に位置させ、センサ組込ブシュ24の外周面を環状に取り巻かせる。これにより、ボディの背を低くできるうえ、小形化に適した3方弁をパイロット弁に採用することもできる。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、シート弁からなる絞り弁に関し、詳しくは、流路の絞り量がシートの開度に応じて決まり、シートの開度がスプールの変位・位置に対応して決まり、スプールが複数の受圧室の圧力に応じてバランスピストンの如く軸方向に移動し、スプールの変位・位置がセンサで検出可能になっている絞り弁に関する。シート弁のうち、俗にカートリッジ弁やロジック弁などと呼ばれる弁構造を基本とする、パイロット形の絞り弁である。
一端部の中空内にシートの形成されたスリーブにスプールが内挿され、そのスリーブの他端部がボディに固定されたものであり、絞りの対象となる流路が形成されたマニホールドブロック等に装着して使用されるが、その際、装着先の挿着穴にスリーブが挿入され、それに被さるようにしてボディが装着面にボルトで固定されるようになっている。
【0002】
【従来の技術】
大形の油圧機器たとえば金属成形用のダイカスト機などでは、大流量の制御が必要とされ、そのようなところにパイロット形の絞り弁が使用される。
この場合、主弁である絞り弁には、大流量化と小形化の双方に適した所謂カートリッジ弁タイプのシート弁が採用され、パイロット弁には、電磁式の比例弁やサーボ弁などが採用される。そして、大流量を流す流路であるメインラインに主弁が介挿され、その主弁におけるスプールの位置を検出したセンサの出力に基づいて、主弁におけるシートの開度すなわち流路の絞り具合が、フィードバック制御されるのである。
そのような大形の絞り弁として、中間部にランドが形成されて中太り状になっているスプールを持つものや(例えば特許文献1参照)、受圧室を仕切るランド相当の径方向張出部が端部に形成されて片太り状になっているスプールを持つものが(例えば特許文献2参照、なお、該文献中のプランジャも本明細書ではスプールと呼ぶ)、知られている。
【0003】
かかる従来の絞り弁では、スプールを摺動可能に内挿するハウジングが、シートの形成されたスリーブと、センサの組み込まれたボディとを、組み合わせて構成される。また、スプールには両端に連通する内腔(中空)が形成されており、スプールランドやランド相当張出部がハウジングのうちのボディのところで摺動するようになっている。
また、そのパイロット弁となる比例弁やサーボ弁には、4ポートを持つ4方弁が用いられている(例えば特許文献2参照)。それらのポートは、それぞれの役割に応じて、ポンプ吐出ライン等の高圧ラインと、タンクライン等の低圧ラインと、一方の受圧室に連通するパイロットラインと、他方の受圧室に連通する別のパイロットラインへ、適宜な配管や装着マニホールドブロックの穿孔穴などを介して連通接続されている。
【0004】
【特許文献1】
特公平4−54111号公報 (第1頁、図1)
【特許文献2】
特許第3354531号公報 (第1頁、図1)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
もっとも、このような従来の絞り弁では、カートリッジ弁タイプの採用によって小形化されているとはいっても、大流量を制御するものは依然として大きい。例えば、最大流量6300L/minの絞り弁では、主弁のボディだけでも、直径が約250mm、高さが約280mmで、重さが概ね75kgある。このように重いと、製造原価が高くつくばかりか、設置時や保守時の取り扱い負担が大きい。そのため、更なる小形化・軽量化が要請されるが、直径は規格に基づいて決まりほとんど縮小の余地が無い。
【0006】
一方、ボディの高さに関しては、工夫の余地があるが、スプールとセンサとが軸方向に直列的に並んでいるため、高くなりがちである。ランドがスプールの中間部に形成されている言わば中太りスプールを持つタイプに比べれば、ランド相当張出部がスプールの端部に形成されている言わば片太りスプールを持つタイプの方が、ボディの一部をスプールの端部に内挿させているので、或る程度は低くなっているが、何れにしても、依然としてボディは背が高いままである。
【0007】
また、主弁ばかりでなく、そのパイロット弁のサイズや重量も無視できない。例えば、上記主弁に良好な動作性能を発揮させるには、標準流量250L/minのサーボ弁が用いられるが、その場合、パイロット弁だけでも、それが4方弁の場合、長さが約250mm、重さが概ね20kgある。パイロット弁と言っても、このように大きいと、その取り扱いの負担も、それなりに大きい。更にそれ以上に、パイロットライン等の接続確立に関する負担が大きく、設置場所の選定や設置の仕方によっては、付属配管等まで含めると主弁より広い場所を占めかねない。
【0008】
そこで、カートリッジ弁タイプのシート弁のうち現状でも相対的には良い片太りスプールのものを主弁に採用することを前提として、センサを組み込んだボディの高さが更に低くなるようにするとともに、主弁にとどまらずパイロット弁も含めた全体で更なる小形化が進むように、絞り弁の構造に工夫を凝らすことが技術的な課題となる。
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形な絞り弁を実現することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために発明された第1乃至第3の解決手段について、その構成および作用効果を以下に説明する。
【0010】
[第1の解決手段]
第1の解決手段の絞り弁は、出願当初の請求項1に記載の如く、次のようなスプールとスリーブとボディとセンサとを備えたものである。すなわち、スプールは、中空円筒状に形成されたものであり、スリーブに内挿されて摺動可能になっている。スリーブは、一端部にシートが形成されたものであり、そのシートにスプールの一端側の端角が着座すると流路を閉じ離座すると流路を開けようになっている。ボディは、スリーブと一緒になって、スプールを摺動可能に囲むケーシングを構成するものであり、そのために、スリーブの他端部がボディに嵌挿固定されていいる。センサは、スプールの軸方向変位または位置を検出するものであり、少なくともセンサの要部である検出部材がボディに組み込まれている。ボディのうちセンサ組込部分については、センサ組込部分の全部または一部あるいは少なくとも延長部が、スプールの他端側へ密に内挿されている。
【0011】
これらの各部材は、上記の要件に加えて更に次の要件も満たしている。すなわち、スプールの外径が一端側から他端側へ3段階に拡がり、スプールは小径部と中径部と大径部とを具えたものとなっている。スプールの他端側の内径は一端側の外径に等しくなっている。スプールの全長がスリーブ中空のスプール内挿部分より短くてスプールがスリーブ内に収まるようになっている。スプールに軸方向推力を働かせるために、第1,第2,第3受圧室が形成されている。そのうち第1受圧室と第2受圧室は、スプールの外周面とスリーブの内周面とで環状に画され、第1受圧室はスプールの一端側と中間部分との第1外周面段差部に位置し、第2受圧室は、スプールの中間部分と他端側との第2外周面段差部に位置する。第3受圧室は、スプールの端面とボディとスリーブの内周面とで画され、スプールの他端側の端面に位置して、ボディのうちのセンサ組込部分または延長部の外周面を環状に取り巻く。
【0012】
このような第1の解決手段の絞り弁にあっては、スプールが総てスリーブに収められており、スプールのランド相当張出部さえも、ボディのところからスリーブのところへ移っている。
これにより、ボディは、スプールのランド相当張出部を囲うという役割から開放されるので、それに随伴して、高さを削減することが可能となる。
【0013】
また、スプールの軸方向推力に係る有効受圧面積に関しては、上記要件より第1,第2受圧室の合計有効受圧面積と第3受圧室の有効受圧面積とが対峙拮抗している。そのため、第1,第2受圧室の何れか一方に高圧を導き他方に低圧を導くとともにそれらの中間圧力を第3受圧室に導くことで、スリーブにおけるスプールの軸方向移動ひいてはシートからのスプールの変位・位置を制御することが可能である。そして、このような中間圧力の生成には3方弁が適している。一般に、3方弁(3ポート弁)の方が4方弁(4ポート弁)より短くて軽い。しかも、付随するパイロットライン等の接続本数も少なくて済む。
【0014】
このようにボディをスプール外周面摺動から開放するとともにスプール推進用の受圧室を3方弁でパイロット操作可能なようにもしたことにより、主弁のボディの背が低くなるばかりか、パイロット弁に関してもそれ自体はもとより付属配管等までも小形になる。
したがって、この発明によれば、ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形な絞り弁を実現することができる。
【0015】
[第2の解決手段]
第2の解決手段の絞り弁は、出願当初の請求項2に記載の如く、上記の第1の解決手段の絞り弁であって、次のようなパイロット弁がボディに装着されている、というものである。すなわち、このパイロット弁は、3方弁からなり、その3個のポートがそれぞれ第1,第2,第3受圧室に連通接続されていて、第1受圧室の圧力と第2受圧室の圧力との中間圧力を第3受圧室に導入するようになっている。
【0016】
このような第2の解決手段の絞り弁にあっては、パイロット弁に小形の3方弁が採用されるとともに、それが主弁のうち背の低くなったボディに装着されている。
これにより、各受圧室とパイロット弁とを連通させるパイロットライン等の導圧路もボディに収まることとなる。しかも、その導圧路の本数が3方弁採用によって4方弁採用時より少なくて済むうえ、ボディがスプール外周面摺動から開放されているので、ボディに導圧路を形成しても、ボディのサイズアップは避けられる。
【0017】
このように、主弁およびパイロット弁それぞれの軽量化・小形化にとどまらず、それらを一体的に取り扱えるよう纏めるとともに、小形化されたボディに導圧路まで収めたことにより、弁機構全体が一層コンパクトになる。
したがって、この発明によれば、ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形で弁機構全体がコンパクトに纏まった絞り弁を実現することができる。
【0018】
[第3の解決手段]
第3の解決手段の絞り弁は、出願当初の請求項3に記載の如く、上記の第1,第2の解決手段の絞り弁であって、前記スプールの軸方向推力に係る有効受圧面積が前記第1受圧室と前記第2受圧室とで異なっている、というものである。
【0019】
このような第3の解決手段の絞り弁にあっては、第1,第2受圧室のうち有効受圧面積の広い方に高圧が導びかれ狭い方に低圧が導びかれる。
一般にシート弁ではスプールにシート向きの流体力が作用し、流量が増えると流体力も増し、流体力が増すと第1〜第3受圧室以外の圧力均衡が崩れて、スプールの軸方向移動の制御状況が悪化してしまうが、高圧を受ける有効受圧面積が広いと、その分だけ多く、スプールをシートから離す向きの推力が生じる。
【0020】
これにより、流体力が相殺されて、スプールの軸方向移動の制御ひいてはシート開度の制御に及ぶ不所望な影響が軽減されるので、流路の絞りの制御状態が安定しやすくなる。しかも、それを第1受圧室と第2受圧室の有効受圧面積に差を付けるという簡便な手法で具現化している。
したがって、この発明によれば、ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形な絞り弁であって大流量の制御を安定して行えるものを簡便に実現することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
このような解決手段で達成された本発明の絞り弁について、これを実施するための具体的な形態を、以下の第1,第2実施例により説明する。
図1〜図3に示した第1実施例は、上述した第1の解決手段を具現化したものであり、図4に示した第2実施例は、上述した第2,第3の解決手段を具現化したものである。
【0022】
【第1実施例】
本発明の絞り弁の第1実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図1は、油圧回路用マニホールドブロックに装着した状態の絞り弁の構造を示しており、(a)が詳細な縦断面図、(b)が簡略な縦断面図である。また、図2は、(a)が絞り弁の平面図、(b)が絞り弁の正面図、(c)が装着先マニホールドブロックの部分平面図である。
【0023】
この絞り弁20は、金属製のスプール21とスリーブ22とボディ23〜25とを具えていて、これらを要部とするものであり、さらに、位置検出のため、センサコイル27とコア26を内蔵している。
その他、吊上用アイボルトや、連結用ボルト、取付用ボルト、シール用Oリング及びバックアップリング、パイロットライン及びコントロールライン等の連通路を形成するキリ穴およびそれにねじ込まれた密栓、リテーナ等の細かな係止部材、電線引出用部材なども装備されているが、これらは、本発明の説明に必須ではなく、実用上の必要に応じて適宜設けられるものなので、図1(b)ではその図示を省いて要部21〜27構造だけを示し、その要部によって画される油路31〜36,38にも符号を付している。
【0024】
スプール21は、中空円筒状に形成された部材であり、その外径が下側(一端側)から上側(他端側)へ3段階に拡がっている。すなわち、スプール21は、外径を基準にして、3段階に太くなっており、下端側の小径部21aと、中間の中径部21bと、上端側の大径部21cとに分けられる。これら小径部21aと中径部21bと大径部21cの外周面には、スリーブ22の中空に内挿されて軸方向に円滑に摺動するよう、平滑な表面仕上げが施されるとともに、図示しない流体固着防止用の細い環状溝が適宜ピッチで形成されている。
【0025】
スプール21の内腔34(中空)は、上下の両端面に開口していて、両側の油室(流体室)や油路(流路)を、具体的にはスプール21とボディやスリーブとで形成される背圧室38とAポート35とを、連通させている。また、スプール内腔34のうちスプール21の上端部(他端側)に当たるところは少し拡径されていて背圧室38になっており、その内径と小径部21aの外径とが等しく形成されている。これにより、Aポート35の圧力がスプール21を押し上げる力と、背圧室38の圧力がスプール21を押し下げる力とが、静的には均衡するようになっている。また、スプール内腔34のうち背圧室38のところには、コア26が装着されている。コア26は、細長い磁性体の棒であり、スプール21の外へ突き出て、センサコイル27の中空に届くようになっている。
【0026】
スリーブ22は、スプール21より一回り太い円筒状部材からなり、外径が下端部(一端部)から上端部(他端部)へ3段階に太くなっている。内径は、下端部から上端部にかけて、最小径,第1拡径,小径,第2拡径,中径,第3拡径,太径の順になっている。その最小径はスプール21着座のためスプール21の下端側外径すなわち小径部21a外径より小さく、その上の第1拡径はBポート36確保のためスプール小径部21aの外径より大きく、その上の小径は摺動のためスプール小径部21aの外径より僅かに大きく、その上の第2拡径は受圧室31確保のためスプール中径部21bの外径より大きく、その上の中径は摺動のためスプール中径部21bの外径より僅かに大きく、その上の第3拡径は受圧室32確保のためスプール大径部21cの外径より大きく、その上の太径は摺動のためスプールの上端側外径すなわち大径部21c外径より僅かに大きい。
【0027】
スリーブ22の下端部における中空で最小径の部分のうち第1拡径との境界段差に移る角部には、スプール21の下端外周における円形の角が当接したときそれを受け止めて着座させるため、面取りが施されて、シート22aが形成されている。そして、このようなスリーブ22に上から内挿されたスプール21は、その軸方向の長さがスリーブ22中空のスプール内挿部分より短く形成されていて、スプール21の全長がスリーブ22内に収まるようになっている。
【0028】
そして、そのようなスプール21がスリーブ22の中空に内挿された状態では、スプール21が軸方向に摺動可能となり、スプール21がシート22aに着座したときにはスリーブ22の中空の最小径部のAポート35(流路)とその直ぐ上のBポート36(流路)とが遮断され、スプール21がシート22aから離れるとAポート35とBポート36とが連通するようになっている。また、スリーブ22の内周面とスプール21の外周面とによって、受圧室31(第1受圧室)と受圧室32(第2受圧室)が画される。
【0029】
具体的には、受圧室31は、スリーブ22中空の第1拡径部とスプール小径部21aとスプール中径部21bと小径部21a中径部21b間段差(第1外周面段差部)とで囲まれた環状の空間であり、その段差部の軸方向射影の面積がスプール21の軸方向推力に係る受圧室31の有効受圧面積となっっている。また、受圧室32は、スリーブ22中空の第2拡径部とスプール中径部21bとスプール大径部21cと中径部21b大径部21c間段差(第2外周面段差部)とで囲まれた環状の空間であり、その段差部の軸方向射影の面積がスプール21の軸方向推力に係る受圧室32の有効受圧面積となっている。ここでは、受圧室31,32の有効受圧面積が等しくなっている。
【0030】
さらに、スリーブ22には、ボディ23を経由して受圧室31に至るパイロットラインP1(連通路、導圧路)と、やはりボディ23を経由して受圧室32に至るパイロットラインP2(連通路、導圧路)も、穿孔形成されている。
また、スリーブ22は、マニホールドブロック10のスリーブ挿着穴10aに挿入されると、Aポート35がメインラインAに連通し、Bポート36がメインラインBに連通するようになっている。スリーブ22は、スリーブ挿着穴10aの深さより長く形成されていて、挿着状態で上端部(他端部)がスリーブ挿着穴10aから少し突き出るようになっている。
【0031】
ボディ23〜25は、完全な一体物でも良いが、この例では、製造や保守の容易化等のため、ベース23とセンサ組込ブシュ24とカバー25とを分割可能に連結させたものとなっており、それらが常態では相互にボルト等でしっかり固定されている。
ベース23の軸芯部には2段の貫通穴が形成されており、その穴のうち下方の大径部には奥までスリーブ22の上端部(他端部)が気密に嵌挿され、その状態でベース23とスリーブ22もボルト等で固定的に連結されて、絞り弁20全体が一体的に組み上がるようになっている。
【0032】
ベース23の貫通穴の残り即ち中間部分と上方部分は相対的に小径になっており、そこにはセンサ組込ブシュ24の上半分が気密に嵌挿されて固定されている。また、センサ組込ブシュ24の下半分はベース23から垂れ下がり、そのうち下端部(センサ組込部分の一部および延長部)は、スプール21の内腔34のうちの背圧室38に至って内挿されている。センサ組込ブシュ24の外周面とスプール21の背圧室38の内周面は、気密かつ摺動可能に嵌合されている。これにより、背圧室38はスプール内腔34を介してAポート35にだけ連通するものとなる。また、スプール21から上へ延びているコア26が、センサ組込ブシュ24の中空内に射し込んで来ることとなる。
【0033】
さらに、スプール21上端面(他端側の端面)とボディ23+24とスリーブ22とによって、受圧室33(第3受圧室)が画される。具体的には、受圧室33は、スプール21上端の円輪状端面とスリーブ22の太径部の内周面とベース23の穴の内面とセンサ組込ブシュ24の外周面とで囲まれた環状の空間であり、スプール21上端面の面積がスプール21の軸方向推力に係る受圧室33の有効受圧面積となっている。この受圧室33に至るパイロットラインP3(連通路、導圧路)も、
ベース23に穿孔形成されている。
【0034】
センサ組込ブシュ24は、中空内にセンサコイル27が格納されており、コア26はスプール21からセンサコイル27の中まで達して遊挿状態となる。センサ組込ブシュ24の下端部にはコア26を長手方向へ摺動可能に貫通させるよう小穴が形成されているが、そこを通って背圧室38からセンサコイル27格納空間へ油(流体)が漏れたりしないよう、適宜なシール部材が配されている。
カバー25は、ベース23に上から被せられて、センサ組込ブシュ24とセンサコイル27とを抜け落ちないよう固定するようになっている。
【0035】
また、ボディ23〜25には、マニホールドブロック10においてスリーブ挿着穴10aの周りに穿孔形成されたコントロールラインX,Yを、それぞれパイロットラインP2,P1に連通させるための適宜な連通路が、キリ加工等にて穿孔形成されている。コントロールラインX,Yには、後述するようにポンプ吐出圧(高圧),タンク圧(低圧)が導かれるので、それらの圧力から中間圧力を生成してパイロットラインP3に導入するため、パイロットラインP1,P2,P3は、ベース23から適宜な配管にて後述のパイロット弁40に連通接続しうるようになっている。これらの連通路は、干渉しないよう、互いを避けて、異なる部位に形成されている。さらに、ボディ23〜25には、スリーブ挿着穴10a周りに放射状配置された複数のネジ穴10bにボルトを挿通させる穴や、位置決めピン用穴10cに対応した小穴も、形成されている。これらの穴は、たとえば「ISO 7368」規格等に則って配置される。
【0036】
こうして、出来た絞り弁20にあっては、例えば最大流量6300L/minの場合、ボディの直径は約250mmで従来品と変わらないが、ボディの高さは約140mmと低くなっており、それに伴ってボディの重さが概ね38kgと軽くなっている。ちなみに、スリーブ22やスプール21も含めた総重量は約72kgである。
【0037】
この第1実施例の絞り弁20について、その使用態様及び動作を、図面を引用して説明する。図2は、(a)が絞り弁20の平面図、(b)が絞り弁20の正面図、(c)が装着先マニホールドブロック10の部分平面図、(d)が絞り弁20を組み込んだ回路例の記号図である。また、図3は、(a),(b)何れも流路を強調した簡略縦断面図であり、(a)が閉状態、(b)が開状態を示している。
【0038】
この絞り弁20は(図2(a),(b)参照)、スプール内蔵のスリーブ22とセンサ内蔵のボディ23〜25とが連結固定されて一体的になっているので、アイボルトにフック等を掛け、クレーン等で吊り上げてマニホールドブロック10上へ運び、そこで降ろして、スリーブ22をスリーブ挿着穴10aに挿入させ、位置決めピン用穴10cを利用したボディ23〜25の位置決めを行ったうえで、各ネジ穴10bにボルトを螺合させる。こうして、絞り弁20がマニホールドブロック10に装着され、Aポート35とメインラインAとの連通接続(流路)、Bポート36とメインラインBとの連通接続(流路)、コントロールラインXとパイロットラインP2との連通接続、コントロールラインYとパイロットラインP1との連通接続も、随伴して、確立される。
【0039】
主弁となる絞り弁20の装着が済んだら、パイロット弁40を接続する(図2(d)参照)。パイロット弁40には、比例電磁式の方向制御弁か或いはサーボ弁が採用されるが、ここでは、パイロット流量も増量すべく、小形のサーボ弁41と中形の3方弁42とを組み合わせたものが用いられる。3方弁42の3ポートのうち入力側の2ポートにはパイロットラインP1,P2がそれぞれ連通接続され、出力側の1ポートにはパイロットラインP3が連通接続される。このような3方弁42と絞り弁20との接続は適宜な配管等を用いて行われる。
【0040】
また、サーボ弁41の4ポートのうち入力側の1ポートにはパイロットラインP2即ちコントロールラインXが連通接続され、入力側の残りの1ポートにはタンクに至るドレインラインが連通接続され、出力側の2ポートは3方弁42のスプール両端の受圧室にそれぞれ連通接続される。このようなサーボ弁41と3方弁42との接続は、サーボ弁41を3方弁42に積み重ねることで、原則として配管無しでなされるが、ドレインラインの接続は適宜な配管等でなされる。
【0041】
これにより、パイロット弁40においてはサーボ弁41が3方弁42に対するパイロット弁となり、3方弁42が絞り弁20に対して直接作用するパイロット弁となり、サーボ弁41と3方弁42を纏めたパイロット弁40が、絞り弁20に作用するものとなる。そして、パイロット弁40にあっては、駆動電流Gに従ってサーボ弁41が3方弁42のスプールを移動させ、その変位状態に応じて3方弁42がパイロットラインP3とパイロットラインP2とを連通させたりパイロットラインP3とパイロットラインP1とを連通させたりそれらの中立状態になったりする。
【0042】
駆動電流Gはコントローラ50(ドライバ、電子制御装置)が生成する。コントローラ50には、それぞれフィードバック制御の演算を行う第1演算部51と第2演算部52とが設けられている。演算部51は絞り弁20に対する制御を行うメジャーループ用のものであり、演算部52はパイロット弁40を制御するマイナーループ用のものである。コントローラ50は、コア26の相対位置に応じてセンサコイル27のインダクタンスが変化することに基づいて、スリーブ22におけるスプール21の位置すなわちシート22aからのスプール21下端角の変位を検出するが、この検出変位Dをフィードバック信号として演算部51に入力し、上位コントローラ或いは設定器等から与えられた開度指令Cと検出変位Dと比較して、差が無くなるような駆動信号Eを演算生成して出力する。
【0043】
パイロット弁40が単段の比例電磁弁やサーボ弁であれば駆動電流Eがそのままパイロット弁40に送出されるのであるが、ここでは、パイロット弁40がサーボ弁41と3方弁42との2段構成なので、駆動信号Eは中間指令信号として演算部52に送出される。演算部52は、3方弁42のスプール変位をセンサ43(LVDT)で検出して得られた検出変位Fも入力し、駆動信号Eと検出変位Fとを比較して、差が無くなるような駆動電流Gを演算生成して出力する。この駆動電流Gがサーボ弁41に送出される。そして、開度指令Cに検出変位Dが追従するような電子制御が遂行される。
【0044】
一方、絞り弁20装着先のマニホールドブロック10には、油圧ポンプ11の吐出圧(高圧)をコントロールラインXに導く油路や、油タンク13への放出圧(低圧)をコントロールラインYに導く油路の他、メインラインA,Bをそれぞれ油圧回路12に導く太い油路(流路)も、穿孔形成されている。油圧回路12には、詳細な図示は割愛したが、大径の油圧シリンダ等の大形アクチュエータが設けられており、それにメインラインA,Bを介して大流量の圧油が送給される。例えば6300L/minの流量が流される。
【0045】
その流量制御を、絞り弁20がスプール21端角とシート22aとの開度調節にて行う(図3参照)。スプール21の両端面のうちAポート35の圧力と背圧室38の圧力とが基本的には即ち静的にはバランスしていることから、受圧室31,32及びこれらと対向する受圧室33の圧力状態に応じてスプールの移動が決まるので、そして受圧室31,32にはそれぞれ所定の高圧か低圧が導入されているので、受圧室33の圧力を変化させることでスプール21を移動させる。ひいては開度を調節する。具体的には、この例では受圧室31,32の有効受圧面積が等しく且つそれらの合計面積と受圧室33の有効受圧面積とが等しくなっているので、受圧室33の圧力すなわちパイロットラインP3の圧力をラインX,P2の高圧とラインY,P1の低圧との丁度真中の中間圧力より高圧にすれば、スプール21が下降してシート22aに着座し(図3(a)参照)、この状態では、メインラインAとメインラインBとが遮断される。これに対し、受圧室33の圧力を上記中間圧力より低くすれば、スプール21が上昇してシート22aから離脱して(図3(b)参照)、メインラインAとメインラインBとが連通する。
【0046】
その状態では(図3(b)参照)、スプール21の上昇がコア26の上昇移動としてセンサコイル27によって検出され、その検出変位Dが開度指令Cに一致すると、コントローラ50のフィードバック制御にて、パイロット弁40が作動させられ、これによってパイロットラインP3の圧力がパイロットラインP2,P1の丁度真中の中間圧力にされ、随伴して受圧室33の圧力が受圧室32,31の中間圧力にされるので、スプール21の上昇移動が止まり、シート22aからのスプール21端角の変位・相対位置が開度指令Cに一致・対応した状態が維持される。開度指令Cが変更されると、その差を打ち消すようスプール21が上下動する。
【0047】
こうして、シート22aのところの開度が開度指令Cに追従するようフィードバック制御される。
流路における絞りの開度が適切に制御されれば、油圧ポンプ11の吐出圧や圧力制御弁での設定圧に対応して、流路には大流量であっても良く制御された所望流量の圧油が流れる。
【0048】
【第2実施例】
図4に主弁の縦断面とパイロット弁の外観を示した本発明の絞り弁60が上述した第1実施例の絞り弁20と相違するのは、パイロット弁40がボディ23〜25に装着されている点と、それに伴ってボディ内のパイロットライン(連通路)の経路が一部変更された点である。
【0049】
具体的には、ベース23の側面のうちコントロールラインY側のところに横から3方弁42が装着され、その上面にサーボ弁41が取り付けられる。コントロールラインYに連通するパイロットラインP1ばかりでなく、コントロールラインXに連通するパイロットラインP2や、パイロットラインP3も、ベース23を経由して3方弁42に連通接続されるようになっている。パイロットラインP3は、ベース23において3方弁42装着面からセンサ組込ブシュ24遊挿穴へキリ穴を穿孔することで容易に形成される。パイロットラインP2は、スリーブ22における穿孔位置をコントロールラインY側に寄せることで、パイロットラインP3と同様、比較的短い経路で而も干渉することなく、連通状態を確立することができる。
【0050】
これに対し、パイロット弁40装着部位から離れているコントロールラインXから始まるパイロットラインP2の連通路は、ベース23内を、マニホールドブロック10表面に接する下面から立ち上がる。受圧室32からスリーブ22を経てベース23内に立ち上がる連通路も、コントロールラインX寄りに穿孔形成されている。また、それらを繋ぐ連通路が、ベース23内を水平に延びて反対側の3方弁42に至るが、ベース23を横切る途中で、ベース23の軸芯部分の貫通穴のうちの小径部分を通過する。この穴の小径部分には、センサ組込ブシュ24が気密かつ固定的に嵌挿されており、そのセンサ組込ブシュ24の外周面には溝37が一巡して彫り込み形成されている。
【0051】
この場合、溝37がセンサ組込ブシュ24とベース23とに挟まれて環状の油路を形成するが、これがベース23内で貫通路によって分断されたパイロットラインP2を繋ぐので、パイロットラインP2も、センサコイル27を迂回しつつ、短距離でパイロット弁40に達する。
しかも、そのような連通路(導圧路)が、ベース23における形成に関しては、密栓の不要なキリ穴を直交させることで、容易に形成できる。
したがって、製造コストを下げることができるうえ、連通路の迂回がネックになっているようなときには、その問題が解消されるので、ベース23の高さを更に低くすることができる。
【0052】
また、図4の絞り弁60は、スプール21の軸方向推力に係る受圧室31,32の有効受圧面積が等しく無くされた点でも、上述の絞り弁20と相違している。
受圧室31の有効受圧面積は、スプール21の小径部21aと中径部21bとの境にある段差31a(第1外周面段差部)の軸方向射影面積であり、受圧室32の有効受圧面積は、中径部21bと大径部21cとの境にある段差32a(第2外周面段差部)の軸方向射影面積であり、これらの有効受圧面積に関して、高圧の受圧室32の方が低圧の受圧室31より広くなっている。
【0053】
具体的には、応用目的に照らして最も重視される動作を実行中に制御状態が最も安定するように面積比が設定される。大流量の制御を担う絞り弁60では、流路に最大流量を流しているときがそのときであるから、最大流量によって生じる流体力と、受圧室31,32の有効受圧面積差によって生じるスプール21の推力の増分とが、相殺しあうように、受圧室31,32の有効受圧面積差が決められる。流体力は、流量に応じて変わる他、流速によっても変化するので、A,Bポートの圧力差の影響も受ける。また、スプール21の推力増分は、有効受圧面積差の他、受圧室31,32の圧力によっても変化するので、パイロットラインP1,P2の圧力ひいてはコントロールラインX,Yの圧力の影響も受ける。そのため、最適な面積比は一概には言えないが、例えば金属成形用のダイカスト機などでは受圧室31の有効受圧面積:受圧室32の有効受圧面積が1:1.5にされる。
【0054】
【その他】
なお、上記の各実施例では、油圧用の絞り弁を例に説明したが、本発明の適用は油圧に限られるものでなく、本発明は、水や,化学薬液,混合液など,その他の流体制御や液圧回路にも、適用することができる。
また、上述した流量や重量は比較のための一例にすぎず、本発明の絞り弁は、種々のサイズで作ることができる。
また、上記第2実施例では、溝37を経由する連通路・導圧路として、パイロットラインP2を挙げたが、パイロット弁40の装着部位等によっては、パイロットラインP1,P3が溝37を経由するようにしても良い。
【0055】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の第1の解決手段の絞り弁にあっては、ボディをスプール外周面摺動から開放するとともに、スプール推進用の受圧室を3方弁でパイロット操作可能なようにもしたことにより、ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形な絞り弁を実現することができたという有利な効果が有る。
【0056】
また、本発明の第2の解決手段の絞り弁にあっては、軽量化・小形化した主弁とパイロット弁を一体的に取り扱えるよう纏めるとともに、導圧路までボディに収められるようにもしたことにより、ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形で弁機構全体がコンパクトに纏まった絞り弁を実現することができたという有利な効果を奏する。
【0057】
さらに、本発明の第3の解決手段の絞り弁にあっては、圧力均衡を崩す流体力の影響が有効受圧面積の差で軽減されるようにもしたことにより、ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形な絞り弁であって大流量の制御を安定して行えるものを簡便に実現することができたという有利な効果が有る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の絞り弁の第1実施例について、(a)が詳細な縦断面図、(b)が簡略な縦断面図である。
【図2】(a)が絞り弁の平面図、(b)が正面図、(c)が装着先の平面図、(d)が回路例の記号図である。
【図3】(a),(b)何れも流路を強調した簡略縦断面図であり、(a)が閉状態、(b)が開状態を示している。
【図4】本発明の絞り弁の第2実施例について、詳細な縦断面図である。
【符号の説明】
10…マニホールドブロック、
10a…スリーブ挿着穴、10b…ネジ穴、10c…位置決め穴、
11…油圧ポンプ、12…油圧回路、13…油タンク、
20…絞り弁(主弁)、
21…スプール(ピストン、弁体)、
21a…小径部、21b…中径部、21c…大径部、
22…スリーブ(ケーシング)、22a…シート(弁座)、
23…ベース(ボディ、ケーシング)、
24…センサ組込ブシュ(センサ支持部材、ボディ、ケーシング)、
25…カバー(蓋体、ボディ、ケーシング)、
26…コア、27…コイル(変位センサ、位置センサ)、
31…第1受圧室、32…第2受圧室、33…第3受圧室、
34…スプール内腔(スプールの中空)、
35…Aポート(流路)、36…Bポート(流路)、
37…溝、38…背圧室38(スプール他端側の内腔・中空)、
40…パイロット弁、41…サーボ弁、42…3方弁、
50…コントローラ、51…第1演算部、52…第2演算部、
60…絞り弁、A…メインライン(流路)、B…メインライン(流路)、
C…開度指令、D…検出変位、E…駆動信号、F…検出変位、G…駆動電流、
P1,P2,P3…パイロットライン、X,Y…コントロールライン
【発明の属する技術分野】
この発明は、シート弁からなる絞り弁に関し、詳しくは、流路の絞り量がシートの開度に応じて決まり、シートの開度がスプールの変位・位置に対応して決まり、スプールが複数の受圧室の圧力に応じてバランスピストンの如く軸方向に移動し、スプールの変位・位置がセンサで検出可能になっている絞り弁に関する。シート弁のうち、俗にカートリッジ弁やロジック弁などと呼ばれる弁構造を基本とする、パイロット形の絞り弁である。
一端部の中空内にシートの形成されたスリーブにスプールが内挿され、そのスリーブの他端部がボディに固定されたものであり、絞りの対象となる流路が形成されたマニホールドブロック等に装着して使用されるが、その際、装着先の挿着穴にスリーブが挿入され、それに被さるようにしてボディが装着面にボルトで固定されるようになっている。
【0002】
【従来の技術】
大形の油圧機器たとえば金属成形用のダイカスト機などでは、大流量の制御が必要とされ、そのようなところにパイロット形の絞り弁が使用される。
この場合、主弁である絞り弁には、大流量化と小形化の双方に適した所謂カートリッジ弁タイプのシート弁が採用され、パイロット弁には、電磁式の比例弁やサーボ弁などが採用される。そして、大流量を流す流路であるメインラインに主弁が介挿され、その主弁におけるスプールの位置を検出したセンサの出力に基づいて、主弁におけるシートの開度すなわち流路の絞り具合が、フィードバック制御されるのである。
そのような大形の絞り弁として、中間部にランドが形成されて中太り状になっているスプールを持つものや(例えば特許文献1参照)、受圧室を仕切るランド相当の径方向張出部が端部に形成されて片太り状になっているスプールを持つものが(例えば特許文献2参照、なお、該文献中のプランジャも本明細書ではスプールと呼ぶ)、知られている。
【0003】
かかる従来の絞り弁では、スプールを摺動可能に内挿するハウジングが、シートの形成されたスリーブと、センサの組み込まれたボディとを、組み合わせて構成される。また、スプールには両端に連通する内腔(中空)が形成されており、スプールランドやランド相当張出部がハウジングのうちのボディのところで摺動するようになっている。
また、そのパイロット弁となる比例弁やサーボ弁には、4ポートを持つ4方弁が用いられている(例えば特許文献2参照)。それらのポートは、それぞれの役割に応じて、ポンプ吐出ライン等の高圧ラインと、タンクライン等の低圧ラインと、一方の受圧室に連通するパイロットラインと、他方の受圧室に連通する別のパイロットラインへ、適宜な配管や装着マニホールドブロックの穿孔穴などを介して連通接続されている。
【0004】
【特許文献1】
特公平4−54111号公報 (第1頁、図1)
【特許文献2】
特許第3354531号公報 (第1頁、図1)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
もっとも、このような従来の絞り弁では、カートリッジ弁タイプの採用によって小形化されているとはいっても、大流量を制御するものは依然として大きい。例えば、最大流量6300L/minの絞り弁では、主弁のボディだけでも、直径が約250mm、高さが約280mmで、重さが概ね75kgある。このように重いと、製造原価が高くつくばかりか、設置時や保守時の取り扱い負担が大きい。そのため、更なる小形化・軽量化が要請されるが、直径は規格に基づいて決まりほとんど縮小の余地が無い。
【0006】
一方、ボディの高さに関しては、工夫の余地があるが、スプールとセンサとが軸方向に直列的に並んでいるため、高くなりがちである。ランドがスプールの中間部に形成されている言わば中太りスプールを持つタイプに比べれば、ランド相当張出部がスプールの端部に形成されている言わば片太りスプールを持つタイプの方が、ボディの一部をスプールの端部に内挿させているので、或る程度は低くなっているが、何れにしても、依然としてボディは背が高いままである。
【0007】
また、主弁ばかりでなく、そのパイロット弁のサイズや重量も無視できない。例えば、上記主弁に良好な動作性能を発揮させるには、標準流量250L/minのサーボ弁が用いられるが、その場合、パイロット弁だけでも、それが4方弁の場合、長さが約250mm、重さが概ね20kgある。パイロット弁と言っても、このように大きいと、その取り扱いの負担も、それなりに大きい。更にそれ以上に、パイロットライン等の接続確立に関する負担が大きく、設置場所の選定や設置の仕方によっては、付属配管等まで含めると主弁より広い場所を占めかねない。
【0008】
そこで、カートリッジ弁タイプのシート弁のうち現状でも相対的には良い片太りスプールのものを主弁に採用することを前提として、センサを組み込んだボディの高さが更に低くなるようにするとともに、主弁にとどまらずパイロット弁も含めた全体で更なる小形化が進むように、絞り弁の構造に工夫を凝らすことが技術的な課題となる。
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形な絞り弁を実現することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために発明された第1乃至第3の解決手段について、その構成および作用効果を以下に説明する。
【0010】
[第1の解決手段]
第1の解決手段の絞り弁は、出願当初の請求項1に記載の如く、次のようなスプールとスリーブとボディとセンサとを備えたものである。すなわち、スプールは、中空円筒状に形成されたものであり、スリーブに内挿されて摺動可能になっている。スリーブは、一端部にシートが形成されたものであり、そのシートにスプールの一端側の端角が着座すると流路を閉じ離座すると流路を開けようになっている。ボディは、スリーブと一緒になって、スプールを摺動可能に囲むケーシングを構成するものであり、そのために、スリーブの他端部がボディに嵌挿固定されていいる。センサは、スプールの軸方向変位または位置を検出するものであり、少なくともセンサの要部である検出部材がボディに組み込まれている。ボディのうちセンサ組込部分については、センサ組込部分の全部または一部あるいは少なくとも延長部が、スプールの他端側へ密に内挿されている。
【0011】
これらの各部材は、上記の要件に加えて更に次の要件も満たしている。すなわち、スプールの外径が一端側から他端側へ3段階に拡がり、スプールは小径部と中径部と大径部とを具えたものとなっている。スプールの他端側の内径は一端側の外径に等しくなっている。スプールの全長がスリーブ中空のスプール内挿部分より短くてスプールがスリーブ内に収まるようになっている。スプールに軸方向推力を働かせるために、第1,第2,第3受圧室が形成されている。そのうち第1受圧室と第2受圧室は、スプールの外周面とスリーブの内周面とで環状に画され、第1受圧室はスプールの一端側と中間部分との第1外周面段差部に位置し、第2受圧室は、スプールの中間部分と他端側との第2外周面段差部に位置する。第3受圧室は、スプールの端面とボディとスリーブの内周面とで画され、スプールの他端側の端面に位置して、ボディのうちのセンサ組込部分または延長部の外周面を環状に取り巻く。
【0012】
このような第1の解決手段の絞り弁にあっては、スプールが総てスリーブに収められており、スプールのランド相当張出部さえも、ボディのところからスリーブのところへ移っている。
これにより、ボディは、スプールのランド相当張出部を囲うという役割から開放されるので、それに随伴して、高さを削減することが可能となる。
【0013】
また、スプールの軸方向推力に係る有効受圧面積に関しては、上記要件より第1,第2受圧室の合計有効受圧面積と第3受圧室の有効受圧面積とが対峙拮抗している。そのため、第1,第2受圧室の何れか一方に高圧を導き他方に低圧を導くとともにそれらの中間圧力を第3受圧室に導くことで、スリーブにおけるスプールの軸方向移動ひいてはシートからのスプールの変位・位置を制御することが可能である。そして、このような中間圧力の生成には3方弁が適している。一般に、3方弁(3ポート弁)の方が4方弁(4ポート弁)より短くて軽い。しかも、付随するパイロットライン等の接続本数も少なくて済む。
【0014】
このようにボディをスプール外周面摺動から開放するとともにスプール推進用の受圧室を3方弁でパイロット操作可能なようにもしたことにより、主弁のボディの背が低くなるばかりか、パイロット弁に関してもそれ自体はもとより付属配管等までも小形になる。
したがって、この発明によれば、ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形な絞り弁を実現することができる。
【0015】
[第2の解決手段]
第2の解決手段の絞り弁は、出願当初の請求項2に記載の如く、上記の第1の解決手段の絞り弁であって、次のようなパイロット弁がボディに装着されている、というものである。すなわち、このパイロット弁は、3方弁からなり、その3個のポートがそれぞれ第1,第2,第3受圧室に連通接続されていて、第1受圧室の圧力と第2受圧室の圧力との中間圧力を第3受圧室に導入するようになっている。
【0016】
このような第2の解決手段の絞り弁にあっては、パイロット弁に小形の3方弁が採用されるとともに、それが主弁のうち背の低くなったボディに装着されている。
これにより、各受圧室とパイロット弁とを連通させるパイロットライン等の導圧路もボディに収まることとなる。しかも、その導圧路の本数が3方弁採用によって4方弁採用時より少なくて済むうえ、ボディがスプール外周面摺動から開放されているので、ボディに導圧路を形成しても、ボディのサイズアップは避けられる。
【0017】
このように、主弁およびパイロット弁それぞれの軽量化・小形化にとどまらず、それらを一体的に取り扱えるよう纏めるとともに、小形化されたボディに導圧路まで収めたことにより、弁機構全体が一層コンパクトになる。
したがって、この発明によれば、ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形で弁機構全体がコンパクトに纏まった絞り弁を実現することができる。
【0018】
[第3の解決手段]
第3の解決手段の絞り弁は、出願当初の請求項3に記載の如く、上記の第1,第2の解決手段の絞り弁であって、前記スプールの軸方向推力に係る有効受圧面積が前記第1受圧室と前記第2受圧室とで異なっている、というものである。
【0019】
このような第3の解決手段の絞り弁にあっては、第1,第2受圧室のうち有効受圧面積の広い方に高圧が導びかれ狭い方に低圧が導びかれる。
一般にシート弁ではスプールにシート向きの流体力が作用し、流量が増えると流体力も増し、流体力が増すと第1〜第3受圧室以外の圧力均衡が崩れて、スプールの軸方向移動の制御状況が悪化してしまうが、高圧を受ける有効受圧面積が広いと、その分だけ多く、スプールをシートから離す向きの推力が生じる。
【0020】
これにより、流体力が相殺されて、スプールの軸方向移動の制御ひいてはシート開度の制御に及ぶ不所望な影響が軽減されるので、流路の絞りの制御状態が安定しやすくなる。しかも、それを第1受圧室と第2受圧室の有効受圧面積に差を付けるという簡便な手法で具現化している。
したがって、この発明によれば、ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形な絞り弁であって大流量の制御を安定して行えるものを簡便に実現することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
このような解決手段で達成された本発明の絞り弁について、これを実施するための具体的な形態を、以下の第1,第2実施例により説明する。
図1〜図3に示した第1実施例は、上述した第1の解決手段を具現化したものであり、図4に示した第2実施例は、上述した第2,第3の解決手段を具現化したものである。
【0022】
【第1実施例】
本発明の絞り弁の第1実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図1は、油圧回路用マニホールドブロックに装着した状態の絞り弁の構造を示しており、(a)が詳細な縦断面図、(b)が簡略な縦断面図である。また、図2は、(a)が絞り弁の平面図、(b)が絞り弁の正面図、(c)が装着先マニホールドブロックの部分平面図である。
【0023】
この絞り弁20は、金属製のスプール21とスリーブ22とボディ23〜25とを具えていて、これらを要部とするものであり、さらに、位置検出のため、センサコイル27とコア26を内蔵している。
その他、吊上用アイボルトや、連結用ボルト、取付用ボルト、シール用Oリング及びバックアップリング、パイロットライン及びコントロールライン等の連通路を形成するキリ穴およびそれにねじ込まれた密栓、リテーナ等の細かな係止部材、電線引出用部材なども装備されているが、これらは、本発明の説明に必須ではなく、実用上の必要に応じて適宜設けられるものなので、図1(b)ではその図示を省いて要部21〜27構造だけを示し、その要部によって画される油路31〜36,38にも符号を付している。
【0024】
スプール21は、中空円筒状に形成された部材であり、その外径が下側(一端側)から上側(他端側)へ3段階に拡がっている。すなわち、スプール21は、外径を基準にして、3段階に太くなっており、下端側の小径部21aと、中間の中径部21bと、上端側の大径部21cとに分けられる。これら小径部21aと中径部21bと大径部21cの外周面には、スリーブ22の中空に内挿されて軸方向に円滑に摺動するよう、平滑な表面仕上げが施されるとともに、図示しない流体固着防止用の細い環状溝が適宜ピッチで形成されている。
【0025】
スプール21の内腔34(中空)は、上下の両端面に開口していて、両側の油室(流体室)や油路(流路)を、具体的にはスプール21とボディやスリーブとで形成される背圧室38とAポート35とを、連通させている。また、スプール内腔34のうちスプール21の上端部(他端側)に当たるところは少し拡径されていて背圧室38になっており、その内径と小径部21aの外径とが等しく形成されている。これにより、Aポート35の圧力がスプール21を押し上げる力と、背圧室38の圧力がスプール21を押し下げる力とが、静的には均衡するようになっている。また、スプール内腔34のうち背圧室38のところには、コア26が装着されている。コア26は、細長い磁性体の棒であり、スプール21の外へ突き出て、センサコイル27の中空に届くようになっている。
【0026】
スリーブ22は、スプール21より一回り太い円筒状部材からなり、外径が下端部(一端部)から上端部(他端部)へ3段階に太くなっている。内径は、下端部から上端部にかけて、最小径,第1拡径,小径,第2拡径,中径,第3拡径,太径の順になっている。その最小径はスプール21着座のためスプール21の下端側外径すなわち小径部21a外径より小さく、その上の第1拡径はBポート36確保のためスプール小径部21aの外径より大きく、その上の小径は摺動のためスプール小径部21aの外径より僅かに大きく、その上の第2拡径は受圧室31確保のためスプール中径部21bの外径より大きく、その上の中径は摺動のためスプール中径部21bの外径より僅かに大きく、その上の第3拡径は受圧室32確保のためスプール大径部21cの外径より大きく、その上の太径は摺動のためスプールの上端側外径すなわち大径部21c外径より僅かに大きい。
【0027】
スリーブ22の下端部における中空で最小径の部分のうち第1拡径との境界段差に移る角部には、スプール21の下端外周における円形の角が当接したときそれを受け止めて着座させるため、面取りが施されて、シート22aが形成されている。そして、このようなスリーブ22に上から内挿されたスプール21は、その軸方向の長さがスリーブ22中空のスプール内挿部分より短く形成されていて、スプール21の全長がスリーブ22内に収まるようになっている。
【0028】
そして、そのようなスプール21がスリーブ22の中空に内挿された状態では、スプール21が軸方向に摺動可能となり、スプール21がシート22aに着座したときにはスリーブ22の中空の最小径部のAポート35(流路)とその直ぐ上のBポート36(流路)とが遮断され、スプール21がシート22aから離れるとAポート35とBポート36とが連通するようになっている。また、スリーブ22の内周面とスプール21の外周面とによって、受圧室31(第1受圧室)と受圧室32(第2受圧室)が画される。
【0029】
具体的には、受圧室31は、スリーブ22中空の第1拡径部とスプール小径部21aとスプール中径部21bと小径部21a中径部21b間段差(第1外周面段差部)とで囲まれた環状の空間であり、その段差部の軸方向射影の面積がスプール21の軸方向推力に係る受圧室31の有効受圧面積となっっている。また、受圧室32は、スリーブ22中空の第2拡径部とスプール中径部21bとスプール大径部21cと中径部21b大径部21c間段差(第2外周面段差部)とで囲まれた環状の空間であり、その段差部の軸方向射影の面積がスプール21の軸方向推力に係る受圧室32の有効受圧面積となっている。ここでは、受圧室31,32の有効受圧面積が等しくなっている。
【0030】
さらに、スリーブ22には、ボディ23を経由して受圧室31に至るパイロットラインP1(連通路、導圧路)と、やはりボディ23を経由して受圧室32に至るパイロットラインP2(連通路、導圧路)も、穿孔形成されている。
また、スリーブ22は、マニホールドブロック10のスリーブ挿着穴10aに挿入されると、Aポート35がメインラインAに連通し、Bポート36がメインラインBに連通するようになっている。スリーブ22は、スリーブ挿着穴10aの深さより長く形成されていて、挿着状態で上端部(他端部)がスリーブ挿着穴10aから少し突き出るようになっている。
【0031】
ボディ23〜25は、完全な一体物でも良いが、この例では、製造や保守の容易化等のため、ベース23とセンサ組込ブシュ24とカバー25とを分割可能に連結させたものとなっており、それらが常態では相互にボルト等でしっかり固定されている。
ベース23の軸芯部には2段の貫通穴が形成されており、その穴のうち下方の大径部には奥までスリーブ22の上端部(他端部)が気密に嵌挿され、その状態でベース23とスリーブ22もボルト等で固定的に連結されて、絞り弁20全体が一体的に組み上がるようになっている。
【0032】
ベース23の貫通穴の残り即ち中間部分と上方部分は相対的に小径になっており、そこにはセンサ組込ブシュ24の上半分が気密に嵌挿されて固定されている。また、センサ組込ブシュ24の下半分はベース23から垂れ下がり、そのうち下端部(センサ組込部分の一部および延長部)は、スプール21の内腔34のうちの背圧室38に至って内挿されている。センサ組込ブシュ24の外周面とスプール21の背圧室38の内周面は、気密かつ摺動可能に嵌合されている。これにより、背圧室38はスプール内腔34を介してAポート35にだけ連通するものとなる。また、スプール21から上へ延びているコア26が、センサ組込ブシュ24の中空内に射し込んで来ることとなる。
【0033】
さらに、スプール21上端面(他端側の端面)とボディ23+24とスリーブ22とによって、受圧室33(第3受圧室)が画される。具体的には、受圧室33は、スプール21上端の円輪状端面とスリーブ22の太径部の内周面とベース23の穴の内面とセンサ組込ブシュ24の外周面とで囲まれた環状の空間であり、スプール21上端面の面積がスプール21の軸方向推力に係る受圧室33の有効受圧面積となっている。この受圧室33に至るパイロットラインP3(連通路、導圧路)も、
ベース23に穿孔形成されている。
【0034】
センサ組込ブシュ24は、中空内にセンサコイル27が格納されており、コア26はスプール21からセンサコイル27の中まで達して遊挿状態となる。センサ組込ブシュ24の下端部にはコア26を長手方向へ摺動可能に貫通させるよう小穴が形成されているが、そこを通って背圧室38からセンサコイル27格納空間へ油(流体)が漏れたりしないよう、適宜なシール部材が配されている。
カバー25は、ベース23に上から被せられて、センサ組込ブシュ24とセンサコイル27とを抜け落ちないよう固定するようになっている。
【0035】
また、ボディ23〜25には、マニホールドブロック10においてスリーブ挿着穴10aの周りに穿孔形成されたコントロールラインX,Yを、それぞれパイロットラインP2,P1に連通させるための適宜な連通路が、キリ加工等にて穿孔形成されている。コントロールラインX,Yには、後述するようにポンプ吐出圧(高圧),タンク圧(低圧)が導かれるので、それらの圧力から中間圧力を生成してパイロットラインP3に導入するため、パイロットラインP1,P2,P3は、ベース23から適宜な配管にて後述のパイロット弁40に連通接続しうるようになっている。これらの連通路は、干渉しないよう、互いを避けて、異なる部位に形成されている。さらに、ボディ23〜25には、スリーブ挿着穴10a周りに放射状配置された複数のネジ穴10bにボルトを挿通させる穴や、位置決めピン用穴10cに対応した小穴も、形成されている。これらの穴は、たとえば「ISO 7368」規格等に則って配置される。
【0036】
こうして、出来た絞り弁20にあっては、例えば最大流量6300L/minの場合、ボディの直径は約250mmで従来品と変わらないが、ボディの高さは約140mmと低くなっており、それに伴ってボディの重さが概ね38kgと軽くなっている。ちなみに、スリーブ22やスプール21も含めた総重量は約72kgである。
【0037】
この第1実施例の絞り弁20について、その使用態様及び動作を、図面を引用して説明する。図2は、(a)が絞り弁20の平面図、(b)が絞り弁20の正面図、(c)が装着先マニホールドブロック10の部分平面図、(d)が絞り弁20を組み込んだ回路例の記号図である。また、図3は、(a),(b)何れも流路を強調した簡略縦断面図であり、(a)が閉状態、(b)が開状態を示している。
【0038】
この絞り弁20は(図2(a),(b)参照)、スプール内蔵のスリーブ22とセンサ内蔵のボディ23〜25とが連結固定されて一体的になっているので、アイボルトにフック等を掛け、クレーン等で吊り上げてマニホールドブロック10上へ運び、そこで降ろして、スリーブ22をスリーブ挿着穴10aに挿入させ、位置決めピン用穴10cを利用したボディ23〜25の位置決めを行ったうえで、各ネジ穴10bにボルトを螺合させる。こうして、絞り弁20がマニホールドブロック10に装着され、Aポート35とメインラインAとの連通接続(流路)、Bポート36とメインラインBとの連通接続(流路)、コントロールラインXとパイロットラインP2との連通接続、コントロールラインYとパイロットラインP1との連通接続も、随伴して、確立される。
【0039】
主弁となる絞り弁20の装着が済んだら、パイロット弁40を接続する(図2(d)参照)。パイロット弁40には、比例電磁式の方向制御弁か或いはサーボ弁が採用されるが、ここでは、パイロット流量も増量すべく、小形のサーボ弁41と中形の3方弁42とを組み合わせたものが用いられる。3方弁42の3ポートのうち入力側の2ポートにはパイロットラインP1,P2がそれぞれ連通接続され、出力側の1ポートにはパイロットラインP3が連通接続される。このような3方弁42と絞り弁20との接続は適宜な配管等を用いて行われる。
【0040】
また、サーボ弁41の4ポートのうち入力側の1ポートにはパイロットラインP2即ちコントロールラインXが連通接続され、入力側の残りの1ポートにはタンクに至るドレインラインが連通接続され、出力側の2ポートは3方弁42のスプール両端の受圧室にそれぞれ連通接続される。このようなサーボ弁41と3方弁42との接続は、サーボ弁41を3方弁42に積み重ねることで、原則として配管無しでなされるが、ドレインラインの接続は適宜な配管等でなされる。
【0041】
これにより、パイロット弁40においてはサーボ弁41が3方弁42に対するパイロット弁となり、3方弁42が絞り弁20に対して直接作用するパイロット弁となり、サーボ弁41と3方弁42を纏めたパイロット弁40が、絞り弁20に作用するものとなる。そして、パイロット弁40にあっては、駆動電流Gに従ってサーボ弁41が3方弁42のスプールを移動させ、その変位状態に応じて3方弁42がパイロットラインP3とパイロットラインP2とを連通させたりパイロットラインP3とパイロットラインP1とを連通させたりそれらの中立状態になったりする。
【0042】
駆動電流Gはコントローラ50(ドライバ、電子制御装置)が生成する。コントローラ50には、それぞれフィードバック制御の演算を行う第1演算部51と第2演算部52とが設けられている。演算部51は絞り弁20に対する制御を行うメジャーループ用のものであり、演算部52はパイロット弁40を制御するマイナーループ用のものである。コントローラ50は、コア26の相対位置に応じてセンサコイル27のインダクタンスが変化することに基づいて、スリーブ22におけるスプール21の位置すなわちシート22aからのスプール21下端角の変位を検出するが、この検出変位Dをフィードバック信号として演算部51に入力し、上位コントローラ或いは設定器等から与えられた開度指令Cと検出変位Dと比較して、差が無くなるような駆動信号Eを演算生成して出力する。
【0043】
パイロット弁40が単段の比例電磁弁やサーボ弁であれば駆動電流Eがそのままパイロット弁40に送出されるのであるが、ここでは、パイロット弁40がサーボ弁41と3方弁42との2段構成なので、駆動信号Eは中間指令信号として演算部52に送出される。演算部52は、3方弁42のスプール変位をセンサ43(LVDT)で検出して得られた検出変位Fも入力し、駆動信号Eと検出変位Fとを比較して、差が無くなるような駆動電流Gを演算生成して出力する。この駆動電流Gがサーボ弁41に送出される。そして、開度指令Cに検出変位Dが追従するような電子制御が遂行される。
【0044】
一方、絞り弁20装着先のマニホールドブロック10には、油圧ポンプ11の吐出圧(高圧)をコントロールラインXに導く油路や、油タンク13への放出圧(低圧)をコントロールラインYに導く油路の他、メインラインA,Bをそれぞれ油圧回路12に導く太い油路(流路)も、穿孔形成されている。油圧回路12には、詳細な図示は割愛したが、大径の油圧シリンダ等の大形アクチュエータが設けられており、それにメインラインA,Bを介して大流量の圧油が送給される。例えば6300L/minの流量が流される。
【0045】
その流量制御を、絞り弁20がスプール21端角とシート22aとの開度調節にて行う(図3参照)。スプール21の両端面のうちAポート35の圧力と背圧室38の圧力とが基本的には即ち静的にはバランスしていることから、受圧室31,32及びこれらと対向する受圧室33の圧力状態に応じてスプールの移動が決まるので、そして受圧室31,32にはそれぞれ所定の高圧か低圧が導入されているので、受圧室33の圧力を変化させることでスプール21を移動させる。ひいては開度を調節する。具体的には、この例では受圧室31,32の有効受圧面積が等しく且つそれらの合計面積と受圧室33の有効受圧面積とが等しくなっているので、受圧室33の圧力すなわちパイロットラインP3の圧力をラインX,P2の高圧とラインY,P1の低圧との丁度真中の中間圧力より高圧にすれば、スプール21が下降してシート22aに着座し(図3(a)参照)、この状態では、メインラインAとメインラインBとが遮断される。これに対し、受圧室33の圧力を上記中間圧力より低くすれば、スプール21が上昇してシート22aから離脱して(図3(b)参照)、メインラインAとメインラインBとが連通する。
【0046】
その状態では(図3(b)参照)、スプール21の上昇がコア26の上昇移動としてセンサコイル27によって検出され、その検出変位Dが開度指令Cに一致すると、コントローラ50のフィードバック制御にて、パイロット弁40が作動させられ、これによってパイロットラインP3の圧力がパイロットラインP2,P1の丁度真中の中間圧力にされ、随伴して受圧室33の圧力が受圧室32,31の中間圧力にされるので、スプール21の上昇移動が止まり、シート22aからのスプール21端角の変位・相対位置が開度指令Cに一致・対応した状態が維持される。開度指令Cが変更されると、その差を打ち消すようスプール21が上下動する。
【0047】
こうして、シート22aのところの開度が開度指令Cに追従するようフィードバック制御される。
流路における絞りの開度が適切に制御されれば、油圧ポンプ11の吐出圧や圧力制御弁での設定圧に対応して、流路には大流量であっても良く制御された所望流量の圧油が流れる。
【0048】
【第2実施例】
図4に主弁の縦断面とパイロット弁の外観を示した本発明の絞り弁60が上述した第1実施例の絞り弁20と相違するのは、パイロット弁40がボディ23〜25に装着されている点と、それに伴ってボディ内のパイロットライン(連通路)の経路が一部変更された点である。
【0049】
具体的には、ベース23の側面のうちコントロールラインY側のところに横から3方弁42が装着され、その上面にサーボ弁41が取り付けられる。コントロールラインYに連通するパイロットラインP1ばかりでなく、コントロールラインXに連通するパイロットラインP2や、パイロットラインP3も、ベース23を経由して3方弁42に連通接続されるようになっている。パイロットラインP3は、ベース23において3方弁42装着面からセンサ組込ブシュ24遊挿穴へキリ穴を穿孔することで容易に形成される。パイロットラインP2は、スリーブ22における穿孔位置をコントロールラインY側に寄せることで、パイロットラインP3と同様、比較的短い経路で而も干渉することなく、連通状態を確立することができる。
【0050】
これに対し、パイロット弁40装着部位から離れているコントロールラインXから始まるパイロットラインP2の連通路は、ベース23内を、マニホールドブロック10表面に接する下面から立ち上がる。受圧室32からスリーブ22を経てベース23内に立ち上がる連通路も、コントロールラインX寄りに穿孔形成されている。また、それらを繋ぐ連通路が、ベース23内を水平に延びて反対側の3方弁42に至るが、ベース23を横切る途中で、ベース23の軸芯部分の貫通穴のうちの小径部分を通過する。この穴の小径部分には、センサ組込ブシュ24が気密かつ固定的に嵌挿されており、そのセンサ組込ブシュ24の外周面には溝37が一巡して彫り込み形成されている。
【0051】
この場合、溝37がセンサ組込ブシュ24とベース23とに挟まれて環状の油路を形成するが、これがベース23内で貫通路によって分断されたパイロットラインP2を繋ぐので、パイロットラインP2も、センサコイル27を迂回しつつ、短距離でパイロット弁40に達する。
しかも、そのような連通路(導圧路)が、ベース23における形成に関しては、密栓の不要なキリ穴を直交させることで、容易に形成できる。
したがって、製造コストを下げることができるうえ、連通路の迂回がネックになっているようなときには、その問題が解消されるので、ベース23の高さを更に低くすることができる。
【0052】
また、図4の絞り弁60は、スプール21の軸方向推力に係る受圧室31,32の有効受圧面積が等しく無くされた点でも、上述の絞り弁20と相違している。
受圧室31の有効受圧面積は、スプール21の小径部21aと中径部21bとの境にある段差31a(第1外周面段差部)の軸方向射影面積であり、受圧室32の有効受圧面積は、中径部21bと大径部21cとの境にある段差32a(第2外周面段差部)の軸方向射影面積であり、これらの有効受圧面積に関して、高圧の受圧室32の方が低圧の受圧室31より広くなっている。
【0053】
具体的には、応用目的に照らして最も重視される動作を実行中に制御状態が最も安定するように面積比が設定される。大流量の制御を担う絞り弁60では、流路に最大流量を流しているときがそのときであるから、最大流量によって生じる流体力と、受圧室31,32の有効受圧面積差によって生じるスプール21の推力の増分とが、相殺しあうように、受圧室31,32の有効受圧面積差が決められる。流体力は、流量に応じて変わる他、流速によっても変化するので、A,Bポートの圧力差の影響も受ける。また、スプール21の推力増分は、有効受圧面積差の他、受圧室31,32の圧力によっても変化するので、パイロットラインP1,P2の圧力ひいてはコントロールラインX,Yの圧力の影響も受ける。そのため、最適な面積比は一概には言えないが、例えば金属成形用のダイカスト機などでは受圧室31の有効受圧面積:受圧室32の有効受圧面積が1:1.5にされる。
【0054】
【その他】
なお、上記の各実施例では、油圧用の絞り弁を例に説明したが、本発明の適用は油圧に限られるものでなく、本発明は、水や,化学薬液,混合液など,その他の流体制御や液圧回路にも、適用することができる。
また、上述した流量や重量は比較のための一例にすぎず、本発明の絞り弁は、種々のサイズで作ることができる。
また、上記第2実施例では、溝37を経由する連通路・導圧路として、パイロットラインP2を挙げたが、パイロット弁40の装着部位等によっては、パイロットラインP1,P3が溝37を経由するようにしても良い。
【0055】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の第1の解決手段の絞り弁にあっては、ボディをスプール外周面摺動から開放するとともに、スプール推進用の受圧室を3方弁でパイロット操作可能なようにもしたことにより、ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形な絞り弁を実現することができたという有利な効果が有る。
【0056】
また、本発明の第2の解決手段の絞り弁にあっては、軽量化・小形化した主弁とパイロット弁を一体的に取り扱えるよう纏めるとともに、導圧路までボディに収められるようにもしたことにより、ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形で弁機構全体がコンパクトに纏まった絞り弁を実現することができたという有利な効果を奏する。
【0057】
さらに、本発明の第3の解決手段の絞り弁にあっては、圧力均衡を崩す流体力の影響が有効受圧面積の差で軽減されるようにもしたことにより、ボディが低くて軽量なうえパイロット弁も小形な絞り弁であって大流量の制御を安定して行えるものを簡便に実現することができたという有利な効果が有る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の絞り弁の第1実施例について、(a)が詳細な縦断面図、(b)が簡略な縦断面図である。
【図2】(a)が絞り弁の平面図、(b)が正面図、(c)が装着先の平面図、(d)が回路例の記号図である。
【図3】(a),(b)何れも流路を強調した簡略縦断面図であり、(a)が閉状態、(b)が開状態を示している。
【図4】本発明の絞り弁の第2実施例について、詳細な縦断面図である。
【符号の説明】
10…マニホールドブロック、
10a…スリーブ挿着穴、10b…ネジ穴、10c…位置決め穴、
11…油圧ポンプ、12…油圧回路、13…油タンク、
20…絞り弁(主弁)、
21…スプール(ピストン、弁体)、
21a…小径部、21b…中径部、21c…大径部、
22…スリーブ(ケーシング)、22a…シート(弁座)、
23…ベース(ボディ、ケーシング)、
24…センサ組込ブシュ(センサ支持部材、ボディ、ケーシング)、
25…カバー(蓋体、ボディ、ケーシング)、
26…コア、27…コイル(変位センサ、位置センサ)、
31…第1受圧室、32…第2受圧室、33…第3受圧室、
34…スプール内腔(スプールの中空)、
35…Aポート(流路)、36…Bポート(流路)、
37…溝、38…背圧室38(スプール他端側の内腔・中空)、
40…パイロット弁、41…サーボ弁、42…3方弁、
50…コントローラ、51…第1演算部、52…第2演算部、
60…絞り弁、A…メインライン(流路)、B…メインライン(流路)、
C…開度指令、D…検出変位、E…駆動信号、F…検出変位、G…駆動電流、
P1,P2,P3…パイロットライン、X,Y…コントロールライン
Claims (3)
- 中空円筒状に形成されたスプールと、このスプールが摺動可能に内挿され且つその一端側の端角を着座させて流路を閉じるシートが一端部に形成されているスリーブと、このスリーブの他端部が嵌挿固定されており且つ前記スプールの軸方向変位または位置を検出するセンサを組み込んだ部分またはその延長部が前記スプールの他端側へ密に内挿されているボディとを備えた絞り弁において、前記スプールは、外径が一端側から他端側へ3段階に拡がり、他端側の内径が一端側の外径に等しく、全長が前記スリーブ内に収まるものであり、前記スリーブは、前記スプールの一端側と中間部分との段差部に第1受圧室を画し、前記スプールの中間部分と他端側との段差部に第2受圧室を画し、前記ボディは、前記スリーブと共に、前記スプールの他端側の端面に第3受圧室を画するものであることを特徴とする絞り弁。
- 3方弁からなり前記第1,第2,第3受圧室に連通接続され前記第1,第2受圧室の中間圧力を前記第3受圧室に導入するパイロット弁が前記ボディに装着されていることを特徴とする請求項1記載の絞り弁。
- 前記スプールの軸方向推力に係る前記第1,第2受圧室の有効受圧面積が異なっていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載された絞り弁。
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CN102563096A (zh) * | 2012-02-17 | 2012-07-11 | 无锡市亚迪流体控制技术有限公司 | 一种超高压差严密切断调节阀 |
JP2020041598A (ja) * | 2018-09-10 | 2020-03-19 | ナブテスコ株式会社 | 流量制御弁及び作業機械 |
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