JP2008045678A - スプール弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 ランドに微操作用の溝を付設したスプール弁において、スプール軸の軸線方向の流体力や騒音を低減できるスプール弁を提供する。
【解決手段】 ランド２２の一端から中間部にかけて溝２３を付設したスプール２０と、このスプール２０がスプール軸２１の軸線方向に移動可能に嵌入される弁室１１を有し第１のポート１２及び第２のポート１３を設けたスリーブ１０とを備え、微操作時にスプール２０の操作量に応じて流量を調整しながら第１のポート１２及び第２のポート１３の一方から他方へランドの溝２３を通じて油を流すことができる流量調整機能を具備したスプール弁において、ランド２２の溝２３を、ランド２２の一端部側に位置する一端部側領域２３１の溝２３と、ランド２２のその余の領域に位置する中間部側領域２３２の溝２３とに区分して、中間部側領域２３２の溝２３の深さが一端部側領域２３１の溝２３の深さよりも深くなるように溝２３を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランドの一端部から中間部にかけて油の流路となる溝を付設したスプールを備え、微操作時にスプールの操作量に応じて流量を調整しながら流入口側のポートからランドの溝を通じて流出口側のポートへ油を流すことにより微操作性を向上させるようにした、流量調整機能を有するスプール弁に関し、特に、油圧ショベルや油圧クレーン等の油圧駆動の建設機械にとって有用なものである。

建設機械は、建設作業を行なうためのフロント作業機を走行体上に設置し、必要に応じて走行体を操作しつつフロント作業機を操作して種々の作業を行う。そのため、フロント作業機を駆動するための油圧シリンダや走行体を走行させるための走行用の油圧モータ等の種々の油圧アクチュエータを備えている。そして、これらの油圧アクチュエータを制御するため、それぞれの油圧アクチュエータに対応して、方向切換弁としてのコントロールバルブを備えている。このコントロールバルブは、操作レバー等の操作手段を操作することで出力される油圧パイロット圧等の制御信号により切換操作される。すなわち、オペレータが操作手段を操作すると、コントロールバルブは、これの信号受け部へ制御信号が送られて切換操作され、油圧ポンプから油圧アクチュエータへ供給する圧油の流れや流量を切り換えて同アクチュエータの運動を制御する。

こうしたコントロールバルブは、通常、流量調整機能を有するスプール弁で構成されている。このスプール弁は、スプール軸及びこのスプール軸に設けたランドを有するスプールと、このスプールが軸線方向へ移動可能に嵌入される弁室を有するスリーブとを備えており、このスリーブには、圧油の流入口及び流出口となり得るポートや更には信号受け部が設けられている。そして、この信号受け部へ制御信号が送られると、スプールがスリーブ内を軸線方向へ摺動して、流入口となる或るポートから流出口となる他の或るポートへ圧油を流すように圧油の流れを切り換え、その際、操作手段の操作量により決定されるスプールの操作量に応じて流出口等の開口量が調節されて、圧油の流量が調整される。

ところで、建設機械においては、例えば精密仕上が必要な施工を行う場合のように作業内容次第で、当該油圧アクチュエータを微小な速度で駆動する操作、いわゆる微操作を円滑に行えるようにすることが要求されることがある。こうした要求に応えて、油圧ショベルや油圧クレーン等の建設機械の油圧アクチュエータを微操作するのに適した工夫を施したスプール弁が従来開発されている。このスプール弁は、スプール軸に設けたランドの一端から中間部にかけて油の流路となる溝を付設したものである。そして、微操作時に、このランドの溝を通じて、流入口となるポートから流出口となる他のポートへ油を流すことができるようにしており、その際、スプールの操作量に応じて溝の出入口の開口量を調節して油の流量を調整することができるようにしている。ランドに溝を付設したこの種のスプール弁は、例えば、特許文献１に記載されている。本発明は、こうしたスプール弁に更に改良を加えようとするものである。

そこで、本発明の改良点の技術内容を容易に理解できるようするため、従来開発されていた、ランドに溝を付設したスプール弁について、要部の技術内容を図４乃至図６に基づいて説明する。

図５は、ランドに溝を付設した従来のスプール弁の縦断面図、図６は、図５のスプール弁におけるスプールの上面図、図７は、図５のスプール弁を流出流れの使用態様で操作したときの状態を示す要部の縦断面図、図８は、図５のスプール弁を流入流れの使用態様で操作したときの状態を示す要部の縦断面図である。

これらの図において、１０はスプール弁を構成するための弁のハウジングとしての中空円筒状のスリーブ、１１はこのスリーブ１０内の中空部で構成され後述するスプール２０が軸線（スリーブ１０又は後記スプール軸２１の軸線、以下同じ。）方向へ摺動できるように嵌入される横断面円形の弁室、１２はスリーブ１０の筒壁に形成され作動油の流入口及び流出口の何れかの一方になり得る第１のポート、１２ａは弁室１１に対して第１のポート１２が連通している第１のポート１２の連通部、１３は第１のポート１２に対して軸線方向に間隔をおいてスリーブ１０の筒壁に形成され作動油の流入口及び流出口の何れかの他方になり得る第２のポート、１４はこの第２のポート１３の形成に伴ってスリーブ１０の筒壁に形成された、後述する溝２３の開口部２３ａに面する個所の角部である。

第１のポート１２は、弁室１１と連通するようにスリーブ１０の筒壁の全周にわたって形成されてドーナツ状をなしている。同様に、第２のポート１３も弁室１１と連通するようにスリーブ１０の筒壁の全周にわたって形成されてドーナツ状をなしている。これらのポート１２，１３は、スリーブ１０の筒壁に連結される油圧管路へ接続される。第１のポート１２及び第２のポート１３は、油の流入口及び流出口の何れにもなり得るが、何れか一方のポートに流入口の働きをさせたときには、当然のことながら、他方のポートには、流出口の働きをさせる。

以上のように、スリーブ１０は、弁室１１を有する筒体にポート１２，１３を設けて構成される。図示はしていないが、このスリーブ１０には、後述するスプール２０の端面へ油圧パイロット圧を作用させるための信号受け部としての圧力室を、スプール弁の種類に応じて左右の一方の端部又は両方の端部に付設する。また、スリーブ１０の端部には、スプリングを収納してスプール２０の端面へバネ力を付与するためのスプリング室を必要に応じて付設する。

２０はスリーブ１０の弁室１１内に摺動可能に嵌入されスリーブ１０と共にスプール弁を構成するスプール、２１はこのスプール１０の軸部をなすスプール軸、２２はこのスプール軸２１に設けた、第２のポート１３を開閉するためのランド、２３はこのランド２２の一端から中間部にかけて付設した作動油の流路となる溝、２３ａは第２のポート１３に対して溝２３が開口している溝２３の開口部（作動油の出入口）、２３ｂは弁室１１に対して溝２３が連通している溝２３の連通口、２３ｃは溝２３の底面、２４はスプール軸２１に設けた、第１のポート１２を開閉するためのランドであり、本発明との直接的な関連性はない。

ランド２２に溝２３を付設したこの従来のスプール弁は、通常の操作時には、ランド２２を左方へ少なからず移動させることにより、ランド２２の右端面と第２のポート１３の壁面との間に環状の隙間を生じさせて同隙間から作動油を流出又は流入させ、その環状の隙間の面積により作動油の流量を調整する。これに対し、微操作時には、ランド２２を左方へ僅かに移動させることにより、幅の狭い溝２３に開口部２３ａを生じさせて同開口部２３ａから作動油を流出又は流入させ、これにより、その幅狭の溝２３を通じてポート１２，１３の一方から他方へ作動油を流す。そして、スプール２０の操作量を調節して開口部２３ａの面積を変えることにより作動油の流量を調整する。

ランド２２の溝２３の壁面は、図６に図示のように、ランド２２の中間部寄りの壁面が平面視で半円状をなしており、この壁面からランド２２の一端部側に連なる一対の壁面が普通の溝のように平面視で平行状態をなしている。したがって、ランド２２の溝２３は、全体として平面視で略Ｕ字状をなしている。図に示す例では、こうした溝２３を図５に示すように上下に設けているが、溝２３は、上下のほか左右に設けてもよいし、上下左右のうちの何れの一個所だけに設けてもよく、設計上、所望の個所に設けることができる。以上のように、スプール２０は、スプール軸２１とランド２２とを設けて、このランド２２に溝２３を付設して構成される。

この従来のスプール弁について微操作時の使用態様を説明する。まず、第１の使用態様について説明すると、第１の使用態様では、図７に示すように、溝２３に開口部２３ａを生じさせた状態で、第１のポート１２から連通部１２ａを通じて弁室１１内に油を流入させる。そうすると、この弁室１１内に流入した油は、溝２３の連通口２３ｂからランド２２の溝２３を通過して溝２３の開口部２３ａから第２のポート１３内に流出する。この状態において、スプール２０を矢印Ｘの方向（左方向）へ移動させると、油の流出口としての溝２３の開口部２３ａの面積が大きくなって、スプール弁を通過する油の流量を多くすることができる。逆に、スプール２０を矢印Ｘと反対の方向（右方向）へ移動させると、溝２３の開口部２３ａの面積が小さくなって、スプール弁を通過する油の流量を少なくすることができ、こうして油の流出口の面積を調節して流量を調整することができる。

次に、第２の使用態様について説明すると、第２の使用態様では、図８に示すように、溝２３に開口部２３ａを生じさせた状態で油を第２のポート１３からその開口部２３ａを通じてランド２２の溝２３内に流入させる。そうすると、この溝２３内に流入した油は、ランド２２の溝２３を通過して溝２３の連通口２３ｂから弁室１１へ入り、連通部１２ａから第１のポート１２内に流出する。この状態において、スプール２０を矢印Ｘの方向やこれと反対の方向すなわちスプール軸２１の軸線方向へ移動させることにより、油の流入口としての溝２３の開口部２３ａの面積を調節して、スプール弁を通過する油の流量を調整することができる。

以上述べた微操作時の使用態様のうちの図７に示す第１の使用態様は、ポート１２からの油を、先に弁室１１内に流入させて、ランド２２の溝２３からはその後に流出させる使用態様であり、こうした使用態様を「流出流れ」の使用態様と称する。これに対して、図８に示す第２の使用態様は、ポート１３からの油をランド２２の溝２３内には先に流入させて、その後に弁室１１内から流出させる使用態様であり、こうした使用態様を「流入流れ」の使用態様と称する。以上述べた従来のスプール弁は、これら何れの使用態様でも幅狭の溝２３の開口部２３ａの面積を調節して油の流量を調整するようにしているので、スプール弁で少流量の油を流量調整する場合に微調整を行うのに適している。したがって、このスプール弁は、油圧アクチュエータを微小な速度で正確に操作する、いわゆる微操作を行うのに好適である。
特開２００５−１５５８０４号公報（第２−５頁、図１−１１）

ランド２２に溝２３を付設した従来のスプール弁は、このように微操作を行う上で優れた特長を有する反面、溝２３を付設したことに起因して操作上乃至は騒音上の問題が生じる。以下、この点について言及する。

図７に基づき、スプール弁を「流出流れ」の使用態様で操作しているときの問題について説明する。既述の説明から明らかなように、こうした使用態様でスプール弁を操作しているときには、油は、スプール弁内を流線ｊに沿って流れる。いま、このときの油の流量をＱｓ、第１のポート１２からの油が第１のポート１２の連通部１２ａを通過するときの流速をＶ１、第１のポート１２の連通部１２ａ（ランド２４の外周と同径の環状をなしている。）の面積をＡ１とすると、油の流速Ｖ１と油の流量Ｑｓとの関係は、次の（１）式で表すことができる。

Ｖ１＝Ｑｓ／（Ｃａ１×Ａ１）‥‥‥‥‥（１）
前（１）式中、Ｃａ１は、有効面積係数であり、実験により求められる数値である。この有効面積係数は、ポート１２の連通部１２ａの周辺の条件によって変動して、必ずしも固定的な値ではないが、常数とみなし得る。

一方、ランド２２の溝２３内の油が第２のポート１３内に流出すべく溝２３の開口部２３ａを通過するときの流速をＶ２、溝２３の開口部２３ａ（ランド２２の外周と同径の環状をなしている。）の面積をＡ２とすると、油の流速Ｖ２と油の流量Ｑｓとの関係は、次の（２）式で表すことができる。

Ｖ２＝Ｑｓ／（Ｃａ２×Ａ２）‥‥‥‥‥（２）
前（２）式中、Ｃａ２は、有効面積係数であり、実験により求められる数値である。この有効面積係数は、溝２３の開口部２３ａの周辺の条件によって変動して、必ずしも固定的な値ではないが、常数とみなし得る。

ここで、前（１）式の流速Ｖ１と前（２）式の流速Ｖ２との関係について考察する。油は、非圧縮性の流体であって、面積Ａ１の連通部１２ａ及び面積Ａ２の開口部２３ａをそれぞれ通過する油の各流量は同じであるのに対し、連通部１２ａの面積Ａ１は、幅狭の溝２３の開口部２３ａの面積Ａ２に対して通常数十倍程度の大きさがあって、面積差が大きいことから、当然の帰結として、流速Ｖ２は、流速Ｖ１の数十倍程度の速さになる。すなわち、流体の流入速度に相当する流速Ｖ１に対して流体の流出速度に相当する流速Ｖ２が大きく変化する。

このように、流体の存在する空間において流体の流入速度と流体の流出速度とが変わると、流体力学上、ロケットの原理と同様の原理により流体力（ロケットの噴射力に相当）が発生する。この流体力が大きくなると、オペレータが操作手段を操作して油圧パイロット圧等の制御信号でスプール２０を移動操作しても、予期せぬ大きな外力がスプール２０に作用してスプール２０を予定通りに正確に作動させることが困難となる。

そこで、こうしたスプール２０の移動操作に悪影響をもたらす流体力を定量的に解明する。スプール２０の移動操作に悪影響をもたらす流体力は、主に、流速Ｖ１から流速Ｖ２への流速の変化により発生する流体力におけるスプール軸２１の軸線方向の成分である。いま、この流体力の軸線方向の成分としての流体力をＦｘ、油が第１のポート１２から弁室１１内に流入するときの軸線に対する流線の角度である流入角度をθ１、油がランド２２の溝２３から第２のポート１３へ流出するときの軸線に対する流線の角度である流出角度をθ２とすると、流体力Ｆｘは、次の（３）式で表すことができる。

Ｆｘ＝ρＱｓ×〔Ｖ２×ｃｏｓ（θ２）−Ｖ１×ｃｏｓ（θ１）〕‥‥‥‥‥（３）
なお、前（３）式中、ρは、油の密度であり、常数である。

すでに述べたように、流速Ｖ２は、流速Ｖ１の数十倍程度であって、流速Ｖ１は、流速Ｖ２と比べて無視できる程度に小さいことから、この流速Ｖ１を０に近似するものとして取り扱うことができる。そうすると、前（３）式は、次の（４）式のように簡略化して表すことができる。

Ｆｘ＝ρＱｓ×Ｖ２×ｃｏｓ（θ２）‥‥‥‥‥（４）
スプール弁のうち、特に建設機械に使用されるスプール弁は、高圧、大流量の圧油に適したものが要求され、他の産業用機器に使用されるスプール弁に比べると、スプール弁内を流れる油の流量Ｑｓと溝２３の開口部２３ａを通過する油の流速Ｖ２がかなり大きい。こうしたことから、特に建設機械に使用されるスプール弁にあっては、前（４）式におけるρＱｓ×Ｖ２が非常に大きくなるので、流体力Ｆｘが大きくなりやすい傾向がある。そして、この流体力Ｆｘが大きくなると、オペレータが操作手段を操作して油圧パイロット圧等の制御信号をスプール弁の信号受け部へ出力しても、流体力Ｆｘが障害となってスプール弁をオペレータの思い通りに正確に移動操作することが困難になる。

こうしたことに加えて、特に、平面視略Ｕ字状の溝２３をランド２２に付設したスプール弁にあっては、平行状態をなす溝２３の側壁が油の流れを軸線方向へ整流して加速するように機能するため、ランド２２の溝２３内の油は、分散することなく第２のポート１３へ直行して流出角度θ２を減少させることとなり、こうしたことによっても、前（４）式における流体力Ｆｘが増加しやすくなる。以上のことから、スプール弁を図７に示すような「流出流れ」の使用態様で使用したときには、流速の変化によりスプール弁で発生する流体力について、軸線方向成分としての流体力Ｆｘを極力低減してスプール弁の微操作性を向上させることが必要である。

次に、図８に基づき、スプール弁を「流入流れ」の使用態様で操作しているときの問題について説明する。既述の説明から明らかなように、こうした使用態様でスプール弁を操作しているときには、油は、スプール弁内を流線ｊ’に沿って流れる。なお、図８中、Ｖ１’は第２のポート１３からの油が溝２３の開口部２３ａを通過するときの流速、Ｖ２’は弁室１１内の油が第１のポート１２内に流出すべく第１のポート１２の連通部１２ａを通過する油の流速、θ１’は油が第２のポート１３からランド２２の溝２３内に流入するときの軸線に対する流線の角度である流入角度、θ２’は油が弁室１１から第１のポート１２へ流出するときの軸線に対する流線の角度である流出角度を表す。これらのＶ１’，Ｖ２’，θ１’，θ２’は、それぞれ前（３）式中のＶ１，Ｖ２，θ１，θ２に対応しているので、流体力Ｆｘは、前（３）式や前（４）式に準じて求めることができる。

ここで、流線ｊ’に沿ったスプール弁内の油の流れについて考察すると、第２のポート１３から開口部２３ａを通じてランド２２の溝２３内に流入した油の流れは、溝２３の底面２３ｃにより、角部１４付近で連通口２３ｂの方向へ無理矢理曲げられる。その場合、油の流れは、溝２３への流入時の油の慣性により角部１４の個所で直ぐに急カーブすることはできず、流線ｊ’で示すように、一旦スリーブ１０の内周壁を離れて暫くしてから同内周壁へ接近する。この油の流線ｊ’とスリーブ１０の内周壁との間に形成される空間を剥離部と称し、符号Ｗを付けている。

この剥離部Ｗは、圧力が低下していて真空に近いため、油内に溶けている空気がこの剥離部Ｗに放出され、一種のキャビテーションが生じて騒音を発生する。この剥離部Ｗの真空度は、同剥離部Ｗ付近の油の流速に影響され、この流速が大きければ、真空度が高くなって、発生する騒音もそれだけ大きくなるが、特に建設機械に使用されるスプール弁にあっては、前述したように高圧、大流量用のものが要求されるため、剥離部Ｗ付近の油の流速も大きくなり勝ちであって、騒音が発生しやすい。こうしたことから、スプール弁を図８に示すような「流入流れ」の使用態様で使用したときには、剥離部Ｗの真空度を極力低下させて騒音を低減することが必要である。

本発明は、以上のような要求に応えるために創作されたものであって、微操作に適するようにランドに溝を付設したスプール弁において、「流出流れ」の使用態様で使用したときにスプール軸の軸線方向の流体力を低減することができ、「流入流れ」の使用態様で使用したときに騒音を低減することができるスプール弁を提供することにある。

本発明は、前記の技術課題を達成するため、
スプール軸及びこのスプール軸に設けたランドを有しこのランドの一端から中間部にかけて油の流路となる溝を付設したスプールと、このスプールが軸線方向へ移動可能に嵌入される弁室を有し油の流入口及び流出口の一方及び他方となり得る第１のポート及び第２のポートを設けたスリーブとを備え、微操作時にスプールの操作量に応じて流量を調整しながら第１のポート及び第２のポートの一方から他方へランドの溝を通じて油を流すことができる流量調整機能を具備したスプール弁において、
ランドの溝を、ランドの一端部側に位置する一端部側領域の溝と、ランドのその余の領域に位置する中間部側領域の溝とに区分して、中間部側領域の溝の深さが一端部側領域の溝の深さよりも深くなるようにランドに溝を形成した。

本発明のスプール弁は、中間部側領域の溝の深さが一端部側領域の溝の深さよりも深くなるようにランドに溝を形成したので、弁室内に油を流入させた後にランドの溝から流出させる「流出流れ」の使用態様で使用したときには、第１のポート及び第２のポートの一方の流入側のポートから弁室内に流入した油がランドの溝の一端部側領域を通過した後、溝の深い中間部側領域を通過する。このとき、ランドの溝内の油は、深くなった溝の底面側へ迂回して遠回りした状態で、第１のポート及び第２のポートの他方の流出側のポートへ流出する。

このように、油がランドの溝から流出側のポートへ流出する場合に、溝の底面側に迂回して流出側のポートから遠ざかった後に同ポートの方へ転向して流出するので、中間部側領域の溝の底面から流出側のポートへ流れる油は、直角に近い流出角度で流出して、スプール軸の軸線方向成分としての流体力を低減させることができる。したがって、本発明のスプール弁によれば、微操作に適するようにランドに溝を付設したスプール弁において、「流出流れ」の使用態様で使用したときに軸線方向の流体力を低減することができる。

一方、ランドの溝内に油を流入させた後に弁室内から流出させる「流出流れ」の使用態様で本発明のスプール弁を使用したときには、前記の使用態様とは逆に、第１のポート及び第２のポートの他方を流入側のポートにして同ポートからランドの溝内に油を流入させる。そうすると、この油は、まず、溝の深い中間部側領域を通過するが、剥離部が形成される中間部側領域の溝は、深くなっていて、流路の面積が広いことから、油は、この中間部側領域で流速を減少させた後、溝の浅い一端部側領域を流れて弁室内に入り、第１のポート及び第２のポートの一方の流出側のポートへ流出する。

すでに述べたように、剥離部の真空度は、剥離部付近の油の流速に影響されるが、このように、流入側のポートからランドの溝内に流入させた油が、剥離部の形成される中間部側領域を通過するときに、通過面積を広くして流速を減少させるようにしているので、剥離部の真空度を低下させることができる。したがって、本発明のスプール弁によれば、微操作に適するようにランドに溝を付設したスプール弁において、「流入流れ」の使用態様で使用したときに騒音を低減することができる。

以下の説明から明らかなように、本発明のスプール弁は、前記の〔課題を解決するための手段〕の項に示したように構成されているので、微操作に適するようにランドに溝を付設したスプール弁において、「流出流れ」の使用態様で使用したときにスプール軸の軸線方向の流体力を低減することができ、「流入流れ」の使用態様で使用したときに騒音を低減することができる。その結果、オペレータが操作手段により建設機械のフロント作業機等の油圧アクチュエータを操作するときの操作性を向上することができるとともに、建設機械による施工の現場及びその周辺の環境の改善にも資する。

また、本発明のスプール弁では、スプールに付設した溝について中間部側領域の溝の深さを従来よりも深くして油の通過面積を拡大しているので、前記の何れの使用態様で使用したときでも、油が溝内を通過するときの圧力損失を従来よりも低減することができる。したがって、本発明のスプール弁によれば、一個のスプール弁で同一流量の油を制御する場合に、弁を従来よりも小型化してコンパクトにすることもできて、課題を解決するための一つの手段により二重の効果を発揮させることができる。

ところで、スプールのランドの一端から中間部にかけて深い溝を付設すると、ランドの一端部が損傷しやすくなる危険性がある。しかるに、本発明のスプール弁を具体化する場合に、特に、特許請求の範囲の請求項２に記載されているように具体化すると、溝が付設されるランドの領域中の一端部側に、溝の浅い一端部側領域を必要最小限確保することができるので、中間部側領域の溝の深さを深くしても、損傷を受けやすいスプールのランド一端部についての強度の低下を緩和して弁の耐用年数の低下を抑制することができる。一方、本スプール弁では、このように深さの浅い一端部側領域の溝をある程度の長さは確保しつつも、溝の大半を、深さの深い中間部側領域の溝で形成するようにしたので、本発明に係る前記の種々の効果を支障なく発揮させることができる。

本発明のスプール弁を具体化する場合、特に、特許請求の範囲の請求項３に記載されているように具体化すれば、中間部側領域の溝を深く形成する場合に、一挙に深くなることなく、ランドの中間部に向けて漸次深くなるように溝が形成されるので、ランドの中間部側領域中の特に一端部側領域寄りの部位についても強度低下を緩和することができて、損傷を受けやすいランドの一端部の強度の低下を、このことによっても緩和することができる。そして、中間部側領域の溝の深さは、漸次深くなるようにし、急激には変化しないようにしていて、溝内を流れる圧油の流れにも悪影響を及ぼさないことから、スプールのランド端部についての強度低下の緩和を合理的に達成することができる。

以下、本発明が実際上どのように具体化されるのかを、図１乃至図４を用いて説明することにより、本発明を実施するための望ましい形態を明らかにする。

図１は、本発明を具体化して構成したランドに溝を付設のスプール弁の縦断面図、図２は、図１のスプール弁におけるスプールの上面図、図３は、図１のスプール弁を流出流れの使用態様で操作したときの状態を示す要部の縦断面図、図４は、図１のスプール弁を流入流れの使用態様で操作したときの状態を示す要部の縦断面図である。なお、これらの図において既述の図５乃至図８と同一の符号を付けた部分は、これら既述の図と同等の部分を表すので、詳述しない。

図１に図示の本発明に係るスプール弁は、すでに述べた図５に図示の従来のスプール弁と同様、スプール軸２１及びこのスプール軸２１に設けたランド２２を有しこのランド２２の一端から中間部にかけて作動油の流路となる溝２３を付設したスプール２０と、このスプール２０が軸線方向（矢印Ｘ方向及び反矢印方向）に移動可能に嵌入される弁室１１を有し作動油の流入口及び流出口の一方及び他方となり得る第１のポート１２及び第２のポート１３を設けたスリーブ１０とを備えている。そして、微操作時にスプール２０の操作量に応じて流量を調整しながら第１のポート１２及び第２のポート１３の一方から他方へランド２２の溝２３を通じて作動油を流すことができる流量調整機能を具備していて、これらの点では、従来のスプール弁と変わらない。また、スリーブ１０には、スプール２０の端面に油圧パイロット圧を作用させるための信号受け部としての圧力室を付設していて、この点でも、従来のスプール弁と変わらない。

図１乃至図４に基づき、本発明を具体化して構成したスプール弁の技術内容について説明する。本スプール弁では、ランド２２に付設した溝２３を、ランド２２の一端部側に位置する一端部側領域２３１の溝２３と、ランド２２のその余の領域に位置する中間部側領域２３２の溝２３とに区分して、中間部側領域２３２の溝２３の深さが一端部側領域２３１の溝２３の深さよりも深くなるようにランド２２に溝２３を形成するようにしている。ランド２２にこのように溝２３を形成するため、従来のスプール弁におけるランド２２の溝２３の底面２３ｃに対し、中間部側領域２３２に相当する溝２３の領域において、溝２３を深くするための底部拡大用の溝部２３’を付加している。その結果、中間部側領域２３２の溝２３の最大深さが２３ｈにまで深められて、中間部側領域２３２の溝２３の断面積が拡大される。

こうした溝２３をランド２２に形成する場合、一端部側領域２３１の溝２３の長さを最低でも溝２３の全長の１割程度は確保することが望ましい。しかしながら、この一端部側領域２３１の溝２３は、長くし過ぎると、深さの深い中間部側領域２３２の溝２３が減少して、本発明の効果を十分に発揮させることができなくなるので、一端部側領域２３１の溝２３を溝２３の全長の１割以上の長さは確保しつつも、溝２３の大半が中間部側領域２３２の溝２３で形成できるように、一端部側領域２３１の溝２３の長さを過度に長くないように選定することが望ましい。

前記したように中間部側領域２３２の溝２３の深さが一端部側領域２３１の溝２３の深さよりも深くなるようにランド２２に溝２３を形成する場合に、ここに示す例では、中間部側領域２３２の溝２３が一端部側領域２３１の溝２３との隣接部からランド２２の中間部側に向けて漸次深くなるように形成している。すなわち、従来のスプール弁における中間部側領域２３２の溝２３の底面２３ｃに、溝２３を深くするための底部拡大用の溝部２３’を付加するに際して、この底部拡大用の溝部２３’の底面２３ｃ’における一端部側領域２３１寄りの部分に、溝部２３’が漸次深くなるように傾斜する直線状の傾斜面ｓを形成している。以上のような溝２３の構造は、図１に示すように上下の溝２３の双方に採用している。

次に、図３及び図４に基づき、以上のような構造を備えた本スプール弁の作用効果について説明する。

本スプール弁は、中間部側領域２３２の溝２３の深さが一端部側領域２３１の溝２３の深さよりも深くなるようにランド２２に溝２３を形成したので、弁室１１内に油を流入させた後にランド２２の溝２３から流出させる図３に図示の「流出流れ」の使用態様で使用したときには、図３に流線ｋで示すように、流入側のポートとなる第１のポート１２から弁室１１内に流入した油が連通口２３ｂを経てランド２２の溝２３の一端部側領域２３１を通過した後、溝２３が深い中間部側領域２３２を通過する。このとき、ランド２２の溝２３内の油は、流線ｋで示すように、深くなった溝２３の底面２３ｃ’側へ迂回して遠回りした状態で、流出側のポートとなる第２のポート１３へ流出する。

このように、油がランド２２の溝２３から第２のポート１３へ流出する場合に、溝２３の底面２３ｃ’側へ迂回して第２のポート１３から遠ざかった後に同ポート１３の方へ転向して流出するので、中間部側領域２３２の溝２３の底面２３ｃ’から第２のポート１３へ流れる油は、直角に近い流出角度θ２で流出して、流体力のうちのスプール軸２１の軸線方向成分としての流体力Ｆｘを低減させることができる。したがって、本スプール弁によれば、微操作に適するようにランド２２に溝２３を付設したスプール弁において、「流出流れ」の使用態様で使用したときにスプール軸２１の軸線方向の流体力Ｆｘを低減することができる。その結果、オペレータが操作手段により建設機械のフロント作業機等の油圧アクチュエータを操作するときの操作性を向上することができる。

一方、ランド２２の溝２３内に油を流入させた後に弁室内１１から流出させる図４に図示の「流入流れ」の使用態様で本スプール弁を使用したときには、前記の使用態様とは逆に、第２のポート１３を流入側のポートにしてこの第２のポート１３からランド２２の溝２３内に油を流入させる。そうすると、この油は、図４の流線ｋ’に沿って、まず、溝２３が深い中間部側領域２３２を通過するが、剥離部Ｗが形成される中間部側領域２３２の溝２３は、深くなっていて、流路の面積が広いことから、油は、この中間部側領域２３２で流速を減少させた後、溝２３が浅い一端部側領域２３１へ流れて連通口２３ｂから弁室１１内に入り、流出側のポートとなる第１のポート１２へ流出する。

前記の「発明が解決しようとする課題」の項ですでに述べたように、剥離部Ｗの真空度は、剥離部Ｗ付近の油の流速に影響されるが、このように、第２のポート１３からランド２２の溝２３内に流入させた油が、剥離部Ｗの形成される中間部側領域２３２を通過するときに、油の通過面積を底部拡大用の溝部２３’により拡大して流速を減少させるようにしているので、剥離部Ｗの真空度を低下させることができる。したがって、本スプール弁によれば、微操作に適するようにランド２２に溝２３を付設したスプール弁において、「流入流れ」の使用態様で使用したときに騒音を低減することができて、建設機械による施工の現場及びその周辺の環境の改善にも資する。

また、図４に図示の「流入流れ」の使用態様で本スプール弁を使用した場合、第２のポート１３から溝２３の開口部２３ａを通じて中間部側領域２３２の溝２３内に流入した油は、同溝２３の底面２３ｃ’に衝突した後、図４に流線ｋ’で示すように溝２３の連通口２３ｂへ向けて逐次上昇し、この連通口２３ｂから弁室１１内に流れる。このような過程において、油が第２のポート１３から中間部側領域２３２の溝２３へ流入するとき、この溝２３の底面２３ｃ’が従来よりも深くなっているため、流線ｋ’から分かるように直角に近い流入角度θ１’で流入する。そのため、本スプール弁は、「流入流れ」の使用態様で使用したときでも、スプール軸２１の軸線方向の流体力Ｆｘをある程度低減する効果を発揮することができる。

本スプール弁は、スプール２０のランド２２に付設した溝２３について、中間部側領域２３２の溝２３を従来よりも深く形成して油の通過面積を拡大するようにしているので、前記の何れの使用態様で使用したときでも、油が溝２３内を通過するときの圧力損失を従来よりも低減することができる。したがって、本発明のスプール弁によれば、前記した種々の効果に加えて、「一個のスプール弁で同一流量の油を制御する場合に弁を従来よりも小型化してコンパクトにすることができる」という効果も併せて発揮することができて、「中間部側領域２３２の溝２３を深く形成する」という一つの手段により二重の効果を発揮することができる。

ところで、以上のような効果を存分に発揮できるようにするには、スプール２０のランド２２の一端から中間部にかけて溝２３を付設するに場合に、できるだけ深い溝２３を付設した方がよい。しかしながら、その場合、こうした深い溝２３をランド２２の一端から中間部の全領域に付設すると、特にランド２２の一端部の強度（溝２３の連通口２３ｂ付近のランド２２の強度）が低下してランド２２が損傷しやすくなる危険性がある。

本スプール弁では、ランド２２に溝２３を形成する場合、特に、一端部側領域２３１の溝２３の長さを最低でも溝２３の全長の１割程度は確保するようにするので、損傷する危惧のあるランド２２の一端部側に、溝２３の浅い領域を必要最小限度は確保することができる。そのため、中間部側領域２３２の溝２３の深さを深くしても、損傷を受けやすいランド２２の一端部についての強度の低下を緩和して弁の耐用年数の低下を抑制することができる。一方、本スプール弁では、このように一端部側領域２３１の溝２３を溝２３の全長の１割以上の長さは確保しつつも、溝２３の大半を中間部側領域２３２の溝２３で形成するようにするので、すでに述べた種々の効果を支障なく発揮させることができる。

本スプール弁では、中間部側領域２３２の溝２３の深さが一端部側領域２３１の溝２３の深さによりも深くなるように溝２３を形成する場合、特に、底部拡大用の溝部２３’の底面２３ｃ’に傾斜面ｓを形成することにより、中間部側領域２３２の溝２３がランド２２の中間部へ向けて漸次深くなるように形成しているので、中間部側領域２３２のうち、強度を確保することが望ましい一端部側領域２３１寄りの部位には、一挙に深い溝２３が形成されることなく比較的に浅い溝２３が形成され、一端部側領域２３１から遠ざかるにつれて漸次深い溝２３が形成される。

そのため、ランド２２の中間部側領域２３２のうちの特に一端部側領域２３１寄りの部位についても強度低下を緩和することができるので、損傷を受けやすいランド２２の一端部の強度の低下を、このことによっても緩和することができる。そして、中間部側領域２３２の溝２３の深さは、漸次深くなるようにし、急激には変化しないようにしていて、溝２３内を流れる圧油の流れにも悪影響を及ぼさないことから、ランド２２の端部についての強度低下の緩和を合理的に達成することができる。

以上述べた本発明に係るスプール弁は、ランドに微操作用の溝が付設されて流量調整機能を具備したスプール弁であれば、ポートの数や弁の作動位置にかかわりなく適用することができ、適用する弁の種類は問わない。以上の説明を行うに当たっては、専ら油圧駆動の建設機械を例に挙げて説明を行ったが、比較的高圧、大流量の油圧により駆動される作業機械は、油圧駆動の建設機械に限らず、例えばフォークリフト等の油圧駆動の作業機械も存在するから、本発明に係るスプール弁は、適用条件さえ適合すれば、各種の油圧駆動の作業機械に適用することができる。

本発明を具体化して構成したランドに溝を付設のスプール弁の縦断面図である。 図１のスプール弁におけるスプールの上面図である。 図１のスプール弁を流出流れの使用態様で操作したときの状態を示す要部の縦断面図である。 図１のスプール弁を流入流れの使用態様で操作したときの状態を示す要部の縦断面図である。 ランドに溝を付設した従来のスプール弁の縦断面図である。 図５のスプール弁におけるスプールの上面図である。 図５のスプール弁を流出流れの使用態様で操作したときの状態を示す要部の縦断面図である。 図５のスプール弁を流入流れの使用態様で操作したときの状態を示す要部の縦断面図である。

符号の説明

１０ スリーブ
１１ 弁室
１２ 第１のポート
１２ａ （第１のポート１２の）連通部
１３ 第２のポート
１４ 角部
２０ スプール
２１ スプール軸
２２ ランド
２３ （微操作用の）溝
２３ａ （溝２３の）開口部
２３ｂ （溝２３の）連通口
２３ｃ （溝２３の）底面
２３ｈ （中間部側領域２３２の溝２３の）最大深さ
２３’ 底部拡大用の溝部
２３ｃ’ （底部拡大用の溝部２３’の）底面
２４ （第１のポート開閉用の）ランド
２３１ （溝２３の）一端部側領域
２３２ （溝２３の）中間部側領域
ｊ，ｊ’ （従来のスプール弁に係る）油の流線
ｋ，ｋ’ （本発明のスプール弁に係る）油の流線
ｓ （底面２３ｃ’における）傾斜面
Ｖ１，Ｖ１’ （流入時の）油の流速
Ｖ２，Ｖ２’ （流出時の）油の流速
Ｗ 剥離部
θ１，θ１’ （油の）流入角度
θ２，θ２’ （油の）流出角度

Claims (3)

1. スプール軸及びこのスプール軸に設けたランドを有しこのランドの一端から中間部にかけて油の流路となる溝を付設したスプールと、このスプールが軸線方向へ移動可能に嵌入される弁室を有し油の流入口及び流出口の一方及び他方となり得る第１のポート及び第２のポートを設けたスリーブとを備え、微操作時にスプールの操作量に応じて流量を調整しながら第１のポート及び第２のポートの一方から他方へランドの溝を通じて油を流すことができる流量調整機能を具備したスプール弁において、ランドの溝を、ランドの一端部側に位置する一端部側領域の溝と、ランドのその余の領域に位置する中間部側領域の溝とに区分して、中間部側領域の溝の深さが一端部側領域の溝の深さよりも深くなるようにランドに溝を形成したことを特徴とするスプール弁。
2. 請求項１に記載のスプール弁において、ランドに溝を形成する場合、一端部側領域の溝の長さを最低でも溝の全長の１割程度は確保する一方、溝の大半を中間部側領域の溝で形成するようにしたことを特徴とするスプール弁。
3. 請求項１に記載のスプール弁において、中間部側領域の溝の深さが一端部側領域の溝の深さよりも深くなるようにランドに溝を形成する場合に、中間部側領域の溝がランドの中間部に向けて漸次深くなるように形成したことを特徴とするスプール弁。
   

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