JP5666174B2 - 多連方向切換弁 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械などの油圧アクチュエータ用の方向切換弁を動作させる電動アクチュエータを備える多連方向切換弁に関する。

この種の技術としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載された電動アクチュエータは、正逆回転可能なモータと、このモータの回転を直動運動に変換する変更機構と、直動軸をスプールの端に連結するリンクとからなる。モータは、Ｌ形ブラケットを介して上部旋回体のフレームに固定されている。

特開２００８−８９１０４号公報

ここで、建設機械などの油圧アクチュエータ用の方向切換弁においては、その弁本体内を流れる油の圧力（フローフォース）に対抗するため、方向切換弁を動作させる電動アクチュエータの駆動源であるモータは、高出力のものが必要となる。よって、従来のように、モータで減速することなく方向切換弁を動作させようとすると、大型のモータとなってしまう。特許文献１の図４には、バルブボディ（弁本体）の幅内にモータが納められている態様の電動アクチュエータが図示されているが、弁本体の幅内にモータを納めることは、実際には困難である。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、方向切換弁として用いられるスタックバルブの幅内に全てを納めることができる多連方向切換弁を提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

上記課題を解決するために本発明は、スプールと当該スプールを収容する弁本体とを有し方向切換弁として用いられる複数連結されたスタックバルブと、前記スタックバルブを動作させる複数の電動アクチュエータと、前記スタックバルブと前記電動アクチュエータとの間に設けられたスプール中立復帰機構と、を備える多連方向切換弁であって、前記電動アクチュエータは、前記スプールと同軸に配置されるモータと、前記モータの出力軸と前記スプールとの間に設けられるボールネジ減速機と、を有し、前記スプール中立復帰機構は、スプール中立位置において前記電動アクチュエータ側への移動が拘束され、前記スタックバルブ側へは前記スプールの移動と連動する第１ストッパーと、スプール中立位置において前記スタックバルブ側への移動が拘束され、前記電動アクチュエータ側へは前記スプールの移動と連動する第２ストッパーと、前記第１ストッパーと前記第２ストッパーとの間に配置されたバネと、を有し、前記電動アクチュエータが前記スタックバルブの幅内に納められている多連方向切換弁を提供する。

この構成によると、モータの出力軸とスプールとの間にボールネジタイプの減速機を設けることで、モータを小型（高回転低出力）にできる。また、ボールネジタイプの減速機は、スリムな形状に形成することができる。これらにより、電動アクチュエータの全てをスタックバルブの幅内に納めることができる。その結果、コンパクトな多連方向切換弁とすることができる。

また、スタックバルブと電動アクチュエータとの間に上記した構成のスプール中立復帰機構を設けることで、スタックバルブの一方側をあけることができる。その結果、スタックバルブの一方側からスプールを抜きやすくなり、メンテナンス作業を簡素化できる。

また本発明において、前記スタックバルブと前記ボールネジ減速機との間に前記スプール中立復帰機構が配置されており、前記ボールネジ減速機は、前記モータの出力軸に取り付けられたボールネジと、前記ボールネジのボールを介して螺合するナットと、を有し、前記第１ストッパーの内側に配置された動力伝達部材をさらに有し、前記動力伝達部材は、前記ナットを収容する筒状部を有し、前記バネと前記筒状部の一部とが、前記スプールの軸方向にオーバーラップしていることが好ましい。

この構成によると、スプール中立復帰機構とボールネジ減速機とを一体的に形成できるので、短軸化できる。換言すれば、多連方向切換弁のスプールの軸方向長さを短くでき、コンパクトな多連方向切換弁とすることができる。

さらに本発明において、前記バネの復元力と前記モータの推力とのバランスにより前記スプールの位置決めがなされていることが好ましい。

この構成によると、スプールの位置制御をモータの電流値により行うことができるので、電動アクチュエータの制御を簡素化できる。

さらに本発明において、前記モータはサーボモータであって、前記スプールに設けられた位置センサーによって当該スプールの位置決めがなされていることが好ましい。

この構成によると、フローフォースが影響してもスプールの位置を確実に正確な位置とすることができる。

さらに本発明において、前記電動アクチュエータとは反対側の前記スプール端部は、前記弁本体から突出しており、当該スプール端部に手動レバー連結部が設けられていることが好ましい。

この構成によると、電動アクチュエータがフェールした（壊れて作動しなくなった）ときに、スタックバルブの制御対象である油圧アクチュエータを手動で動かすことができる。

さらに本発明において、前記スプール中立復帰機構のケーシングの端面に前記電動アクチュエータが固定されていることが好ましい。

この構成によると、電動アクチュエータとスタックバルブのスプールとの間の芯ずれを許容する機構を簡素化できる。

本発明の一実施形態に係る多連方向切換弁の一部を示す平断面図である。 図１に示す多連方向切換弁の側断面図である。 図１に示す多連方向切換弁の正面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明に係る多連方向切換弁は、例えばショベル（不図示）などの建設機械に適用される。具体的には、例えばショベルのブームやバケットを起伏させるための油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）への圧油の給排を制御する弁として用いられる。

（多連方向切換弁の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る多連方向切換弁の一部を示す平断面図である。図２は、図１に示す多連方向切換弁の側断面図であり、図３は、図１に示す多連方向切換弁の正面図である。

多連方向切換弁は、例えばバルブ１がＹ方向に複数連結されてなるものである。図１には、多連方向切換弁を構成する１つのバルブ１のみを示しており、他のバルブの図示を省略している。なお、通常は、バルブ１と完全に同じバルブ同士がＹ方向に複数連結されるのではない。例えば、スタックバルブ２内の油流路Ｆなどは、制御対象である油圧アクチュエータによって変わる。ただし、本発明は、完全に同じバルブ同士がＹ方向に複数連結された多連方向切換弁を除くものではない。また、本発明は、方向切換弁として用いられるスタックバルブ２のみが複数連結された多連方向切換弁のみに限られるものでもない。すなわち、方向切換弁以外の用途のスタックバルブを含む多連方向切換弁であってもよい。

多連方向切換弁を構成するバルブ１は、方向切換弁として用いられるスタックバルブ２と、スタックバルブ２を動作させる電動アクチュエータ３と、スタックバルブ２と電動アクチュエータ３との間に設けられるスプール中立復帰機構４とから構成される。

（スタックバルブ）
スタックバルブ２は、スプール５と、スプール５を収容する直方体状の弁本体６とを有する。スプール５は棒状の部材であって、外周面に複数の溝が彫られている。また、スプール５の一端には所定の厚みを有する手動レバー連結部２１が形成されている。手動レバー連結部２１には孔５ａが設けられている。この手動レバー連結部２１を含むスプール５端部は、弁本体６から突出している。ここで、電動アクチュエータ３がフェールした（壊れて作動しなくなった）とき、手動レバー連結部２１に手動レバー（不図示）を取り付けて、スプール５を手動で動かし、スタックバルブ２の制御対象である油圧アクチュエータを動かす。ショベルの場合、これにより、ブームやバケットを動かして、ショベルを安全な姿勢に移行させることができる。一方、手動レバー連結部２１とは反対側のスプール５の端面中央には、ボルト穴５ｂが設けられている。

弁本体６は、スプール５がその軸方向（Ｘ方向）に移動自在となる態様で当該スプール５を収容する中空部を有し、弁本体６の内面には溝が彫られている。弁本体６の内面とスプール５の外周面との間の隙間が圧油の流路Ｆである。弁本体６に対するスプール５の位置により、弁本体６の外面に設けられたポート６ａ・６ｂから制御対象である油圧アクチュエータへ圧油が供給されたり停止されたり、圧油の供給の向き（ポート６ａから油圧アクチュエータへ圧油を送るとともに油圧アクチュエータからポート６ｂへ圧油が戻るか、もしくは、ポート６ｂから油圧アクチュエータへ圧油を送るとともに油圧アクチュエータからポート６ａへ圧油が戻るか）が切り換えられたりする。

（電動アクチュエータ）
電動アクチュエータ３は、モータ７と、モータ７の出力軸７ａに取り付けられたボールネジ減速機８とを有する。モータ７およびボールネジ減速機８は、スプール５と同軸に配置される。ボールネジ減速機８は、モータ７とスプール５との間に配置されている。ボールネジ減速機８は、モータ７の出力軸７ａに取り付けられるボールネジ９と、ボールネジ９のボール（不図示）を介して螺合するナット１０とを備える。ナット１０は、筒状の小径部１０ａと小径部１０ａの端に形成された筒状の大径部１０ｂとからなる。ボールネジ９のモータ７側の端部は、軸受１７により回転自在に支持されている。なお、軸受１７を省略してもよい。スプール５で、ボールネジ減速機８を支持することが可能だからである。

ここで、モータ７として、位置決め機能のないモータを用いることも好ましいし、サーボモータを用いることも好ましい。位置決め機能のないモータを用いる場合、バネ１６の復元力とモータの推力とのバランスによりスプール５の位置決めがなされる。この構成によると、スプール５の位置制御をモータの電流値により行うことができるので、電動アクチュエータ３の制御を簡素化できる。

これに対して、モータ７としてサーボモータを用いる場合、位置センサー（不図示）をスプール５に設けて、この位置センサーからの信号によりサーボモータが制御されてスプール５の位置決めがなされる。この構成によると、フローフォースが影響してもスプール５の位置を確実に正確な位置とすることができる。

（スプール中立復帰機構）
スプール中立復帰機構４は、第１ストッパー１４、第２ストッパー１５、バネ１６、動力伝達部材１１、ケーシング１８、およびリング板１９とで構成されている。第１ストッパー１４、第２ストッパー１５、バネ１６、および動力伝達部材１１は、ケーシング１８の中に収容されている。

第１ストッパー１４は、スプール中立位置において電動アクチュエータ３側への移動が拘束され、スタックバルブ２側へはスプール５の移動と連動する環状の板部材である。なお、図１、２に示したスプール５の位置がスプール中立位置である。第１ストッパー１４は、その一端が内側に突出しており、他端は外側に突出している。第１ストッパー１４の端に形成された外側突出部は、ケーシング１８の内面に形成された突出部に軸方向（Ｘ方向）で当接させられている。

一方、第２ストッパー１５は、スプール中立位置においてスタックバルブ２側への移動が拘束され、電動アクチュエータ３側へはスプール５の移動と連動する環状の板部材である。第１ストッパー１４と同様に、第２ストッパー１５は、その一端が内側に突出しており、他端は外側に突出している。第２ストッパー１５の端に形成された外側突出部は、ケーシング１８の端面に設けられたリング板１９に軸方向（Ｘ方向）で当接させられている。リング板１９は、弁本体６とケーシング１８との間に挟み込まれている。また、第２ストッパー１５の端に形成された内側突出部は、スプール５の端面に軸方向（Ｘ方向）で当接させられている。

第１ストッパー１４の端に形成された外側突出部と第２ストッパー１５の端に形成された外側突出部との間には、縮められたバネ１６が入れられている。

また、スプール５とボールネジ減速機８のナット１０との間であって、ストッパー１４・１５の内側には、動力伝達部材１１が配置されている。動力伝達部材１１は、スプール５の端面に形成されたボルト穴５ｂに捻じ込まれてスプール５に固定されるボルト部１２と、ボールネジ９およびナット１０を収容する筒状部１３とからなる。本実施形態の動力伝達部材１１は、一つの金属材料を加工してつくった部材（ボルト部１２と筒状部１３とは一体）であるが、ボルト部１２と筒状部１３とを別につくった後、溶接などで接合して一体化してもよい。

ここで、筒状部１３の小径部の端面は、第１ストッパー１４の端に形成された内側突出部に軸方向（Ｘ方向）で当接させられている。筒状部１３の大径部の端面は、ナット１０の大径部１０ｂに軸方向（Ｘ方向）で当接された状態で固定されている。筒状部１３の小径部の端面を、第１ストッパー１４の端に形成された内側突出部に当接させることで、スプール５と第１ストッパー１４との連動機能を、動力伝達部材１１に持たせることができている。

なお、動力伝達部材１１とボールネジ減速機８のナット１０とを一体化してもよい（一つの金属材料を加工してつくってもよい）。

電動アクチュエータ３は、スタックバルブ２との間でスプール中立復帰機構４を挟むように、当該スプール中立復帰機構４のケーシング１８の端面にボルト２３で固定されている。詳細には、ケーシング１８の軸方向端面に板部材２０・２２を介してボルト２３で固定されている。

（多連方向切換弁の作動）
電動アクチュエータ３のモータ７を回転させるとボールネジ９が回転し、モータ７の回転運動がナット１０の直動運動に変換される。これにより、ナット１０に固定された動力伝達部材１１が、例えば、電動アクチュエータ３側とは反対側にスプール５を押して、スプール５は移動する。その結果、スタックバルブ２内の圧油の流れが変わる。モータ７を停止させると、バネ１６の弾性回復力により、第１ストッパー１４が動力伝達部材１１を電動アクチュエータ３側に押して、スプール５は図１に示された位置（中立位置）まで戻る。一方、電動アクチュエータ３のモータ７を逆回転させると、ナット１０に固定された動力伝達部材１１が、例えば、電動アクチュエータ３側にスプール５を引いて、これによりスプール５は位置を変える。その後、モータ７を停止させると、バネ１６の弾性回復力により、第２ストッパー１５が電動アクチュエータ３側とは反対側に動力伝達部材１１を押して、スプール５は図１に示された位置（中立位置）まで戻る。

なお、図示を省略しているが、動力伝達部材１１の筒状部１３には回転止めの処置が施されている。例えば、筒状部１３の大径部の外周面に軸方向に溝が設けられ、この溝にケーシング１８を貫通するような態様でボルトなどが差し込まれる。なお、このような回転止めの処置を、スプール５側（スタックバルブ２側）に施せば、スプール中立復帰機構４周りをよりスリムにできる。

ボールネジタイプの減速機は、伝達力が大きく且つ減速比が大きくても小型にすることができる。したがって、本実施形態によると、モータ７の出力軸７ａとスプール５との間にボールネジ減速機８を設けることで、モータ７を小型（高回転低出力）にできる。また、ボールネジタイプの減速機は、スリムな形状に形成することができる。これらにより、電動アクチュエータ３の全てをスタックバルブ２の幅内に納めることができる。

また、電動アクチュエータ３の全てをスタックバルブ２の幅内に納めることができるので、バルブ１が複数連結された多連方向切換弁において、電動アクチュエータ３の全てをスタックバルブ２の一方側に配置できる。さらには、スタックバルブ２の一方側に配置した全ての電動アクチュエータ３において、モータ７をＹ方向（軸方向に対して直交する方向）に隣り合わせて配置できる。これらにより、多連方向切換弁の占有スペースを小さくすることができる。また、電動アクチュエータ３の全てをスタックバルブ２の一方側に配置することで、スプール５の抜く方向を統一できる。

また、電動アクチュエータ３の全てをスタックバルブ２の一方側に配置するとともに、スタックバルブ２と電動アクチュエータ３との間にスプール中立復帰機構４を設けることで、スタックバルブ２（多連方向切換弁）の他方側をあけることができる。その結果、メンテナンスの際、多連方向切換弁の一方空間のみを開放すればよく、すなわち、メンテナンス作業を簡素化できる。

また、本実施形態では、スプール５とボールネジ減速機８との間にスプール中立復帰機構４を配置している。これにより、スプール中立復帰機構４とボールネジ減速機８とを一体的に形成できる（スプール中立復帰機構４とボールネジ減速機８とをケーシング１８内にコンパクトに納めることができる）ので、バルブ１を短軸化できる。結果として、多連方向切換弁の占有スペースをより小さくすることができる。

また、スプール中立復帰機構４のケーシング１８端面に、板部材２０・２２を介すのみで電動アクチュエータ３を直接固定しているので、電動アクチュエータ３とスタックバルブ２のスプール５との間の芯ずれを許容する機構を簡素化できている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。

１：バルブ
２：スタックバルブ
３：電動アクチュエータ
４：スプール中立復帰機構
５：スプール
６：弁本体
７：モータ
７ａ：出力軸
８：ボールネジ減速機
１１：動力伝達部材
１４：第１ストッパー
１５：第２ストッパー
１６：バネ

Claims (6)

1. スプールと当該スプールを収容する弁本体とを有し方向切換弁として用いられる複数連結されたスタックバルブと、
   前記スタックバルブを動作させる複数の電動アクチュエータと、
   前記スタックバルブと前記電動アクチュエータとの間に設けられたスプール中立復帰機構と、を備える多連方向切換弁であって、
   前記電動アクチュエータは、
   前記スプールと同軸に配置されるモータと、
   前記モータの出力軸と前記スプールとの間に設けられるボールネジ減速機と、を有し、
   前記スプール中立復帰機構は、
   スプール中立位置において前記電動アクチュエータ側への移動が拘束され、前記スタックバルブ側へは前記スプールの移動と連動する第１ストッパーと、
   スプール中立位置において前記スタックバルブ側への移動が拘束され、前記電動アクチュエータ側へは前記スプールの移動と連動する第２ストッパーと、
   前記第１ストッパーと前記第２ストッパーとの間に配置されたバネと、
   を有し、
   前記電動アクチュエータが前記スタックバルブの幅内に納められていることを特徴とする、多連方向切換弁。
2. 請求項１に記載の多連方向切換弁において、
   前記スタックバルブと前記ボールネジ減速機との間に前記スプール中立復帰機構が配置されており、
   前記ボールネジ減速機は、
   前記モータの出力軸に取り付けられたボールネジと、
   前記ボールネジのボールを介して螺合するナットと、
   を有し、
   前記第１ストッパーの内側に配置された動力伝達部材をさらに有し、
   前記動力伝達部材は、前記ナットを収容する筒状部を有し、
   前記バネと前記筒状部の一部とが、前記スプールの軸方向にオーバーラップしていることを特徴とする、多連方向切換弁。
3. 請求項１または２に記載の多連方向切換弁において、
   前記バネの復元力と前記モータの推力とのバランスにより前記スプールの位置決めがなされていることを特徴とする、多連方向切換弁。
4. 請求項１または２に記載の多連方向切換弁において、
   前記モータはサーボモータであって、前記スプールに設けられた位置センサーによって当該スプールの位置決めがなされていることを特徴とする、多連方向切換弁。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の多連方向切換弁において、
   前記電動アクチュエータとは反対側の前記スプール端部は、前記弁本体から突出しており、当該スプール端部に手動レバー連結部が設けられていることを特徴とする、多連方向切換弁。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の多連方向切換弁において、
   前記スプール中立復帰機構のケーシングの端面に前記電動アクチュエータが固定されていることを特徴とする、多連方向切換弁。

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