JP2018135961A - スプール弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化を図ることができるスプール弁を提供する。
【解決手段】 スプール弁は、中立位置から所定方向一方及び他方に夫々移動可能なスプールと、スプールを移動させる電動アクチュエータと、スプールに対して中立位置の方へと付勢する中立復帰機構と、を備え、電動アクチュエータは、出力軸を正方向及び逆方向に回転させる電動モータと、出力軸が正回転するとスプールを所定方向一方に移動させ、且つ出力軸が逆回転するとスプールを所定方向他方に移動させる直動変換機構と、を有し、中立復帰機構は、出力軸が正方向に回転すると出力軸に逆方向の回転トルクを付勢する第１トルク付勢部材と、出力軸が逆方向に回転すると出力軸に正方向の回転トルクを付勢する第２トルク付勢部材とを有し、第１及び第２トルク付勢部材は、スプールが中立位置に位置する際に出力軸に付勢する各々の回転トルクが釣り合うように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動アクチュエータによってスプールを移動させるスプール弁に関する。

制御弁の１つとしてスプール弁が知られており、スプール弁は、スプールの位置に応じて作動油の流れる方向や作動油の流量を制御することができるようになっている。また、スプール弁には、パイロット圧をスプールに与えて位置を変えるパイロット駆動方式のものと、直動電動アクチュエータによってスプールの位置を変えるアクチュエータ駆動方式のものとが知られている。後者のアクチュエータ駆動方式のスプール弁としては、例えば特許文献１の多連方向切換弁が知られている。特許文献１の多連方向切換弁では、電動モータの出力軸がボールねじ減速機を介してスプールと連結されている。従って、電動モータの出力軸を回転させることでスプールがその軸線方向に移動し、スプールの位置が変わるようになっている。また、多連方向切換弁には、スプールを中立位置へと戻すための中立復帰機構が備わっている。中立復帰機構は、圧縮コイルばねを有しており、スプールが中立位置から移動すると圧縮コイルばねによってスプールを中立位置に戻すようになっている。

特許第５６６６１７４号明細書

特許文献１の多連方向切換弁では、圧縮コイルばねがスプールの同軸上に配置されており、圧縮コイルばねは、スプールを軸線方向一方及び他方に付勢してスプールを中立位置に戻すようになっている。スプールは、多連方向切換弁内を流れる流体から流体力を軸線方向に受けており、圧縮コイルばねは流体力のような大きな荷重に抗する必要がある。また、多連方向切換弁では、ボールねじ減速機によってモータの回転を減速させて高い推力を得るようにしており、圧縮コイルばねはこのような高い推力にも抗する必要がある。それ故、圧縮コイルばねは必然的に大型化し、それに伴ってスプール弁が大型化する。

そこで本発明は、小型化を図ることができるスプール弁を提供することを目的としている。

本発明のスプール弁は、予め定められる中立位置から所定方向一方及び他方に夫々移動可能なスプールと、前記スプールを所定方向一方及び他方に夫々移動させる電動アクチュエータと、前記中立位置から移動した前記スプールに対して前記中立位置の方へと付勢する中立復帰機構と、を備え、前記電動アクチュエータは、出力軸を正方向及び逆方向に回転させる電動モータと、前記出力軸の回転運動を直線運動に変換し、前記出力軸が正回転すると前記スプールを所定方向一方に移動させ、且つ前記出力軸が逆回転すると前記スプールを所定方向他方に移動させる直動変換機構と、を有し、前記中立復帰機構は、前記出力軸が正方向に回転すると、前記出力軸に逆方向の回転トルクを付勢する第１トルク付勢部材と、前記出力軸が逆方向に回転すると、前記出力軸に正方向の回転トルクを付勢する第２トルク付勢部材とを有し、前記第１トルク付勢部材及び前記第２トルク付勢部材は、前記スプールが前記中立位置に位置する際に前記出力軸に付勢する各々の回転トルクが釣り合うように構成されているものである。

本発明に従えば、２つのトルク付勢部材の何れかが出力軸に回転トルクを与えてスプールを中立位置に戻すので、トルク付勢部材の各々で発生させた回転トルクを直動変換機構で増幅させてスプールに与えることができる。それ故、スプールに対して荷重を直接与えてスプールを中立位置に戻す場合に比べて、２つのトルク付勢部材の各々で発生すべき荷重を低く抑えることができる。これにより、スプールに対して荷重を直接与えるような構造に比べて付勢部材の小型化を図ることができ、その結果スプール弁の小型化を図ることができる。

上記発明において、前記電動モータは、前記出力軸と、モータ本体とを有し、前記モータ本体は、そこに入力される電流に応じて前記出力軸を回転させ、前記出力軸は、所定方向に貫通するように前記モータ本体に回転可能に設けられ、前記直動変換機構は、前記出力軸の所定方向一端側部分に設けられ、前記中立復帰機構は、前記出力軸の所定方向他端側部分に設けられていてもよい。

上記構成に従えば、モータ本体に対して直動変換機構の所定方向反対側に中立復帰機構を配置することができるので、中立復帰機構が直動変換機構と同じサイドに配置されているスプール弁に比べて、中立復帰機構を組み付けやすく、またそのメンテナンス作業や調整作業を行いやすくすることができる。

上記発明において、前記第１トルク付勢部材及び第２トルク付勢部材は、ゼンマイばねであって、互いに相反する方向に渦が巻くようにして前記出力軸に取付けられていてもよい。

上記構成に従えば、第１トルク付勢部材及び前記第２トルク付勢部材を２つのゼンマイばねによって構成することができる。２つのゼンマイばねは、圧縮コイルばねに比べて軸線方向の高さ（又は厚み）を薄くすることができるので、中立復帰機構の所定方向の高さを抑えることができ、その結果スプール弁の更なる小型化を図ることができる。

本発明によれば、スプール弁の小型化を図ることができる。

本発明の実施形態に係るスプール弁を示す断面図である。 図１のスプール弁の領域Ｘを拡大して示す拡大断面図である。 図２のスプール弁を切断線ＩＩＩ−ＩＩＩで切断して見た断面図である。 図２のスプール弁を切断線ＩＶ−ＩＶで切断して見た断面図である。

以下、本発明に係る実施形態のスプール弁１について図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いる方向の概念は、説明する上で便宜上使用するものであって、発明の構成の向き等をその方向に限定するものではない。また、以下に説明するスプール弁１は、本発明の一実施形態に過ぎない。従って、本発明は実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。

［スプール弁］
建設機械等を含む産業機械は、アクチュエータに作動油を供給すべく油圧供給装置を備えている。また、アクチュエータは、供給される流量に応じた速度で駆動するようになっており、油圧供給装置は、アクチュエータに供給される作動油の流量を制御すべく図１に示すようなスプール弁１を有している。スプール弁１は、直動電動式のスプール弁であり、ハウジング１１と、スプール１２と、電動アクチュエータ１３と、中立復帰機構１４とを備えている。

ハウジング１１は、例えばバルブブロックであり、スプール孔１１ａと複数の油通路（本実施形態では、３つの油通路）１１ｂ〜１１ｄとが形成されている。スプール孔１１ａは、ハウジングを貫通するように所定方向に延在しており、３つの油通路１１ｂ〜１１ｄは、異なる位置にてスプール孔１１ａに夫々接続されている。また、３つの油通路１１ｂ〜１１ｄは、図示しない油圧ポンプやアクチュエータ等に繋がっており、３つの油通路１１ｂ〜１１ｄに作動油が流れるようになっている。このように構成されるハウジング１１のスプール孔１１ａには、スプール１２が挿通されている。

スプール１２は、その軸線方向に延在する大略円柱状の部材であり、その外径は、スプール孔１１ａの孔径と略一致している。また、スプール１２の外周面には、複数の周溝（本実施形態では、２つの周溝１２ａ，１２ｂ）が形成されている。各周溝１２ａ，１２ｂは、スプール１２の外周面において周方向全周にわたって延びている。また、各周溝１２ａ，１２ｂは、スプール１２がスプール孔１１ａに挿通されている状態で、３つの油通路１１ｂ〜１１ｄに応じて配置されている。例えば、図１のようにスプール１２が中立位置にある場合において、２つの周溝１２ａ，１２ｂは、左右両側に位置する第１及び第３油通路１１ｂ，１１ｄに夫々接続されている。他方、スプール１２が軸線方向一方（図１の右方向）に移動すると左側に位置する第１周溝１２ａが第１油通路１１ｂと第２油通路１１ｃとを接続し、スプール１２が軸線方向他方（図１の左方向）に移動すると右側に位置する第２周溝１２ｂが第３油通路１１ｄと第２油通路１１ｃとを接続するようになっている。

このようにスプール１２は、位置を変えることによって３つの油通路１１ｂ〜１１ｄの接続状態を切換え、また接続される油通路１１ｂ〜１１ｄの間の開度を調整することができる。即ち、スプール１２は、その位置に応じた流量及び方向に作動油を流すことができるようになっている。このような機能を有するスプール１２は、その軸線方向一端部がハウジング１１から軸線方向他方に突出しており、スプール１２の軸線方向一端部には電動アクチュエータ１３が設けられている。

電動アクチュエータ１３は、いわゆる直動式の電動アクチュエータであり、電力を供給することによってスプール１２を軸線方向一方及び他方の何れかに移動させるようになっている。このような機能を有する電動アクチュエータ１３は、図１示すようにボールねじ収容ケーシング２１と、電動モータ２２と、ボールねじ機構２３と、中間部材２４と、連結部材２５とを有している。ボールねじ収容ケーシング２１は、大略円筒状になっており、その軸線方向一方側の開口部をスプール１２の軸線方向一端部に被せ且つハウジング１１の軸線方向他方側の側面に当接させるようにしてハウジング１１に締結されている。このように配置されるボールねじ収容ケーシング２１は、軸線方向に延在しており、その軸線方向他方側の開口部に電動モータ２２が取付けられている。

電動モータ２２は、いわゆるサーボモータであり、モータ本体２２ａと、出力軸２２ｂとを有している。モータ本体２２ａは、ステータ及びロータ（図示せず）を有し、また図示しない制御装置に接続されている。モータ本体２２ａには、制御装置からの電流が入力されるようになっており、入力される電流に応じてロータを回転させるようになっている。またロータには、出力軸２２ｂが設けられており、出力軸２２ｂがロータと一体的に回転するようになっている。また、出力軸２２ｂは、モータ本体２２ａからボールねじ収容ケーシング２１内に向かって軸線方向一方に突出している。ボールねじ収容ケーシング２１の内周面には、出力軸２２ｂと同軸上に第１軸受部材２６が設けられており、出力軸２２ｂは、第１軸受部材２６によって回転可能に支持されている。また、ボールねじ収容ケーシング２１には、ボールねじ機構２３が収容されており、出力軸２２ｂの先端（即ち、右端）にボールねじ機構２３が設けられている。

直動変換機構の一例であるボールねじ機構２３は、出力軸２２ｂの回転運動を減速させて直線運動に変換する機構であり、ねじ軸２３ａとナット２３ｂとを有している。ねじ軸２３ａは、軸線方向に延在する棒状の部材であり、出力軸２２ｂと一体的に回転する。またねじ軸２３ａの外周面には、雄ねじが形成されており、そこにナット２３ｂが相対回転可能に螺合されている。即ち、ナット２３ｂは、ねじ軸２３ａを回転させることによってねじ軸２３ａに沿って軸線方向一方及び他方に移動するようになっている。このように構成されるナット２３ｂは、中間部材２４に嵌合されている。

中間部材２４は、大略有底筒状に形成されており、その軸線方向他方側に開口部２４ａを有している。中間部材２４の開口部２４ａには、ナット２３ｂが嵌合されて接着されている。また、中間部材２４の外径は、ボールねじ収容ケーシング２１の内径より若干小さくなっており、ナット２３ｂと共に軸線方向一方及び他方に移動できるようになっている。更に、中間部材２４は、その先端部分にねじ部２４ｂを有しており、このねじ部２４ｂに連結部材２５が螺合されている。

連結部材２５は、大略円柱状に形成されており、軸線方向一端部にねじ孔２５ａが形成されている。ねじ孔２５ａは、中間部材２４のねじ部２４ｂが螺合されており、螺合されることによって連結部材２５と中間部材２４とが連結されている。また、連結部材２５は、軸線方向他端側にねじ部２５ｂを有しており、このねじ部２５ｂに対応させるようにしてスプール１２の軸線方向一端部にねじ孔１２ｃが形成されている。ねじ孔１２ｃには、連結部材２５のねじ部２５ｂが螺合され、これによって連結部材２５とスプール１２とが連結されている。即ち、スプール１２は、連結部材２５と中間部材２４とを介してボールねじ機構２３のナット２３ｂと連結されている。

このように構成されている電動アクチュエータ１３は、制御装置から電動モータ２２に電流が流されると、その電流に応じてスプール１２を動かすようになっている。即ち、制御装置からの電流に応じてモータ本体２２ａが出力軸２２ｂを正方向に回転させると、それと共にねじ軸２３ａが正方向に回転してナット２３ｂが軸線方向一方に移動する。ナット２３ｂには、中間部材２４及び連結部材２５を介してスプール１２が連結されており、ナット２３ｂが軸線方向一方に移動することによってスプール１２が軸線方向一方に移動する。これにより、２つの油通路１１ｂ，１１ｃが接続される。また、制御装置からの電流に応じてモータ本体２２ａが出力軸２２ｂを逆方向に回転させると、それと共にねじ軸２３ａが逆方向に回転してナット２３ｂが軸線方向他方に移動する。これにより、スプール１２が軸線方向他方に移動し、２つの油通路１１ｃ，１１ｄが接続される。

このような機能を有する電動アクチュエータ１３は、更に以下のように動作する。即ち、制御装置からの電流に応じてモータ本体２２ａが出力軸２２ｂを逆方向に回転させることによって、軸線方向一方に移動させたスプール１２を中立位置に戻す。また、電動アクチュエータ１３は、制御装置からの電流に応じてモータ本体２２ａが出力軸２２ｂを正方向に回転させることによって、軸線方向他方に移動させたスプール１２を中立位置に戻す。このように、スプール１２では、電動アクチュエータ１３によってスプール１２を中立位置に戻すことができるようになっている。他方、スプール１２の中立位置の復帰をサポートし中立位置にて保持すべく、電動アクチュエータ１３には中立復帰機構１４が設けられている。

図２に示すように中立復帰機構１４は、ばね収容ケーシング３１と、第２軸受部材３２と、第１ゼンマイばね３３と、第２ゼンマイばね３４とを有している。ばね収容ケーシング３１は、大略有底筒状に形成されており、モータ本体２２ａの軸線方向他方側の端部に取付けられている。また、モータ本体２２ａでは、出力軸２２ｂが貫通しており、モータ本体２２ａの軸線方向他方側の端部から軸線方向他方へと出力軸２２ｂが突出している。ばね収容ケーシング３１は、このように突出する出力軸２２ｂの軸線方向他方側の部分に被せるようにしてモータ本体２２ａに取付けられている。また、ばね収容ケーシング３１の底部には、凹部３１ａが形成されており、この凹部３１ａには、第２軸受部材３２が嵌まり込んでいる。第２軸受部材３２は、出力軸２２ｂと同軸上に配置され、出力軸２２ｂの基端部を回転可能に支持している。なお、第２軸受部材３２は、必ずしも出力軸２２ｂの基端部を支持している必要はなく、後述する２つのゼンマイばね３３，３４よりモータ側の部分を支持してもよい。更に、ばね収容ケーシング３１には、出力軸２２ｂに回転トルクを付勢するべく、第１ゼンマイばね３３及び第２ゼンマイばね３４が軸線方向に重ねるようにして収容されている。

第１付勢部材の一例である第１ゼンマイばね３３は、図３に示すようないわゆる渦巻きばねであり、第２ゼンマイばね３４に対して電動モータ２２側に位置するようにばね収容ケーシング３１に収容されている。また、第１ゼンマイばね３３は、渦の中心側に位置する内端が巻芯である出力軸２２ｂに固定され、その渦の半径方向外側に位置する外端がばね収容ケーシング３１に固定されている。更に詳細に説明すると、ばね収容ケーシング３１の内周面には、一対の固定部３１ｂ，３１ｃが形成されている。一対の固定部３１ｂ，３１ｃは、周方向に間隔をあけて配置されており、本実施形態では約１８０度の間隔をあけて配置されている。一対の固定部３１ｂ、３１ｃは、板状に形成されており、ばね収容ケーシング３１の内周面から半径方向内方に突出している。第１ゼンマイばね３３の外端は、この一対の固定部３１ｂ、３１ｃのうちの一方、即ち一方の固定部３１ｂに固定されている。このように配置されている第１ゼンマイばね３３は、逆方向に渦を巻いており、出力軸２２ｂが正方向に回転することによって出力軸２２ｂに巻き取られ、出力軸２２ｂに対して逆方向の回転トルクを付勢するようになっている。

第２付勢部材の一例である第２ゼンマイばね３４もまた、図４に示すようないわゆる渦巻きばねであり、第２軸受部材３２と第１ゼンマイばね３３との間に位置するようにばね収容ケーシング３１に収容されている。また、第２ゼンマイばね３４も渦の中心側に位置する内端が巻芯である出力軸２２ｂに固定され、渦の半径方向外側に位置する外端が他方の固定部３１ｃに固定されている。なお、第２ゼンマイばね３４の外端は、必ずしも他方の固定部３１ｃに固定されている必要はなく、一方の固定部３１ｂに固定されていてもよい。この際には、ばね収容ケーシング３１の内周面に他方の固定部３１ｃが形成されていなくてもよい。このように配置される第２ゼンマイばね３４は、正方向に渦を巻いており、出力軸２２ｂが逆方向に回転することによって出力軸２２ｂに巻き取られ、出力軸２２ｂに対して逆方向の回転トルクを付勢するようになっている。

このように構成されている中立復帰機構１４では、第１ゼンマイばね３３が出力軸２２ｂを逆方向に引っ張り、また第２ゼンマイばね３４が出力軸２２ｂを正方向に引っ張っている。それ故、モータ本体２２ａが駆動していない状態（即ち、無負荷の状態）では、回転方向において、２つのゼンマイばね３３，３４のトルクが釣り合う位置、即ち基準位置にて出力軸２２ｂが留まることになる。また、電動アクチュエータ１３及びスプール１２は、出力軸２２ｂが基準位置に位置する状態においてスプール１２が中立位置に位置するように、ハウジング１１に組み付けられており、モータ本体２２ａの駆動を停止した際にスプール１２が中立位置にて保持されるようになっている。また、電動モータ２２が故障等によって駆動しない場合には、第１ゼンマイばね３３及び第２ゼンマイばね３４の何れかが出力軸２２ｂを動かしてスプール１２を中立位置に戻す。即ち、第１ゼンマイばね３３及び第２ゼンマイばね３４は、フェールセーフ機能を達成することができる。

このように構成されているスプール弁１では、従来の多連方向切換弁と異なり、２つのゼンマイばね３３，３４が出力軸２２ｂに直接取付けられている。出力軸２２ｂは、ボールねじ機構２３を介してスプール１２に連結されており、また出力軸２２ｂのトルクは、ボールねじ機構２３の減速比に応じて増幅することができる。即ち、出力軸２２ｂに付勢する２つのゼンマイばね３３，３４の回転トルクをボールねじ機構２３によって増幅させてスプール１２に与えることができる。それ故、２つのゼンマイばね３３，３４で発生すべき回転トルクを低く抑えることができる。これにより、ゼンマイばね３３，３４の小型化（即ち、中立復帰機構１４の小型化）を図ることができ、それと共にスプール弁１の小型化を図ることができる。

また、スプール弁１では、出力軸２２ｂがモータ本体２２ａを軸線方向に貫通しており、出力軸２２ｂの軸線方向一端側にボールねじ機構２３を取付け、また出力軸２２ｂの軸線方向他端側に中立復帰機構１４を取付けている。これにより、中立復帰機構１４を電動アクチュエータ１３の軸線方向外側（即ち、ボールねじ機構２３の軸線方向反対側）に配置することができるので、従来のスプール弁より中立復帰機構１４を組み付けやすく、またそのメンテナンス作業や調整作業を行いやすくすることができる。

更に、スプール弁１に備わる２つのゼンマイばね３３，３４は、渦巻き形状であって半径方向外側に拡がるように形成されている。それ故、２つのゼンマイばね３３，３４は、圧縮コイルばねに比べて軸線方向の高さ（又は厚み）を薄くすることができる。それ故、図２に示すようにばね収容ケーシング３１内において軸線方向に重ねて配置することができ、また軸線方向に重ねて配置しても中立復帰機構１４の軸線方向の高さが圧縮コイルばねで構成される従来の中立復帰機構に比べて小さくすることができる。それ故、スプール弁１の小型化を図ることができる。

［その他の実施形態について］
本実施形態のスプール弁１では、出力軸２２ｂが１つの部材で構成されているように記載されているが、必ずしも１つの部材である必要はない。即ち、出力軸２２ｂは、軸線方向一方側部分と他方側部分とで別の部材で構成され、それらが一体的に回転できるように連結されていればよい。また、本実施形態のスプール弁１では、中間部材２４及び連結部材２５が別部材で構成されているが、これらは一体的に構成されていてもよい。また、連結部材２５とスプール１２もまた一体的に構成されていてもよく、更に中間部材２４、連結部材２５、及びスプール１２が一体的に構成されていてもよい。更に、ボールねじ機構２３、中間部材２４、及び連結部材２５は、上述するような形状に限定されず、出力軸２２ｂの回転運動を直線運動に変換してスプール１２の位置を変えられるような形状であればよい。例えば、ボールねじ機構２３に代えてすべりねじ機構及び台形ねじ機構を有する直動変換機構を用いてもよい。

更に、本実施形態のスプール弁１では、２つの付勢部材の例としてゼンマイばね３３，３４が示されているが、必ずしもゼンマイばねに限定されない。例えば、ねじりばねであってもよく、ゼンマイばねと同様の機能を果たすことができる。但し、ねじりばねに対してゼンマイばね３３，３４の方が中立復帰機構１４の高さを抑えることができる。

１ スプール弁
１２ スプール
１３ 電動アクチュエータ
１４ 中立復帰機構
２２ 電動モータ
２２ａ モータ本体
２２ｂ 出力軸
２３ ボールねじ機構（直動変換機構）
３３ 第１ゼンマイばね（第１付勢部材）
３４ 第２ゼンマイばね（第１付勢部材）

Claims (3)

1. 予め定められる中立位置から所定方向一方及び他方に夫々移動可能なスプールと、
   前記スプールを所定方向一方及び他方に夫々移動させる電動アクチュエータと、
   前記中立位置から移動した前記スプールに対して前記中立位置の方へと付勢する中立復帰機構と、を備え、
   前記電動アクチュエータは、
   出力軸を正方向及び逆方向に回転させる電動モータと、
   前記出力軸の回転運動を直線運動に変換し、前記出力軸が正回転すると前記スプールを所定方向一方に移動させ、且つ前記出力軸が逆回転すると前記スプールを所定方向他方に移動させる直動変換機構と、を有し、
   前記中立復帰機構は、
   前記出力軸が正方向に回転すると、前記出力軸に逆方向の回転トルクを付勢する第１トルク付勢部材と、
   前記出力軸が逆方向に回転すると、前記出力軸に正方向の回転トルクを付勢する第２トルク付勢部材とを有し、
   前記第１トルク付勢部材及び前記第２トルク付勢部材は、前記スプールが前記中立位置に位置する際に前記出力軸に付勢する各々の回転トルクが釣り合うように構成されている、スプール弁。
2. 前記電動モータは、前記出力軸と、モータ本体とを有し、
   前記モータ本体は、そこに入力される電流に応じて前記出力軸を回転させ、
   前記出力軸は、所定方向に貫通するように前記モータ本体に回転可能に設けられ、
   前記直動変換機構は、前記出力軸の所定方向一端側部分に設けられ、
   前記中立復帰機構は、前記出力軸の所定方向他端側部分に設けられている、請求項１に記載のスプール弁。
3. 前記第１トルク付勢部材及び前記第２トルク付勢部材は、ゼンマイばねであって、互いに相反する方向に渦が巻くようにして前記出力軸に取付けられている、請求項１又は２に記載のスプール弁。