JP5700449B2 - 切り替え弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、液圧を受けて２つの流路の一方を開き他方を閉じる切り替え弁装置に関する。

２つのチェック弁を機械的に結合して連動させる切り替え弁装置が各種の液圧回路において用いられている。例えば、双方向ポンプとモータとを用いて片ロッド型の油圧シリンダを駆動する油圧回路において、シリンダヘッド側の流路とシリンダロッド側の流路とのロッド体積分の流量差を補うために差分の作動油をタンクから流路へ供給したりタンクへ戻したりするのに切り替え弁装置が用いられる。

この種の切り替え弁装置に関して様々な構造が提案されている。特許文献１には、流路に液圧が加わっていない中立状態において、２つのチェック弁の双方が閉じるように構成された吸出入装置が開示されている。同文献の第３図および第４図に、弁体を中空にして弁体の内部を流路の一部とする構造が記載されている。また、特許文献２では、棒状のシャトルによって２つのチェック弁を結合する構造が記載され、各チェック弁をその弁開度を外部から調整することができるようにユニット化することが開示されている。

実開昭５７−１３４４０３号公報 特開２００５−２２１０３０号公報

切り替え弁装置の構造としては、液圧が加わっていないときに２つのチェック弁の双方が開くように弁体を位置決めする構造が一般的である。２つのチェック弁の双方が閉じるようにする構造と比べて、液圧の切り替わりに対する開閉動作の応答性を高め易いからである。

しかし、２つのチェック弁の弁開度が均等になるように弁体を位置決めするのは難しい。例えば、バネによって弁体を付勢して位置決めする場合、チェック弁の配列方向が水平方向あればよいが、必ずしもそのような姿勢で切り替え弁装置が使用されるとは限らない。したがって、切り替え弁装置の設計段階において、チェック弁の配列方向が水平方向でなくても弁開度が均等になるようにバネの付勢力を設定しなければならない。上記特許文献２の開示のように切り替え弁装置を組み立てた後に弁開度を調整することができるようにすると、切り替え弁装置の構造が複雑になり、部品点数が多くなる。

また、常時はモータで駆動されるアクチュエータを停電時に手動で駆動する状況を想定すると、２つのチェック弁の双方が開くように弁体を位置決めする構造の場合、手動により緩やかに加わる液圧ではチェック弁が開いたまま閉じないおそれがある。双方のチェック弁が開いたままの状態では手動でポンプを駆動しても液圧を十分に上昇させることができない。

上記特許文献１の開示のように弁体の内部を流路の一部とする構造では、確実に流路を開閉するために弁体を十分に大きく移動させる必要があり、応答性を高めるのが困難である。

本発明は、このような事情に鑑み、液圧が加わっていないときの２つのチェック弁の状態の均等化が容易で任意の姿勢で使用することができる新規の構造を有する切り替え弁装置の提供を目的としている。

上記目的を達成する本発明に係る切り替え弁装置は、貫通する穴が設けられたハウジングと、前記ハウジングの穴にそれぞれ装着され、一方の弁体が弁座に当接して閉じた状態で他方の弁体が弁座から離れて開くことが可能なように互いに結合された２つのチェック弁と、を備え、２つの前記チェック弁の一方のチェック弁の前記弁体および他方のチェック弁の前記弁体は、それぞれ大径部と小径部とが連なる透孔を有し、２つの前記チェック弁のそれぞれの前記大径部に、前記穴に挿通されたシャトルロッドの端部が嵌入しており、２つの前記チェック弁の双方の前記弁体におけるいずれの前記小径部内にも液圧が加わっていないときに、２つの前記チェック弁の双方の前記弁体がそれぞれに対応する前記弁座に当接して２つの前記チェック弁の双方を閉じ、２つの前記チェック弁のいずれか片方の前記弁体における前記小径部内に液圧が加わったときに、前記シャトルロッドが他の片方のチェック弁の前記弁体を押して当該チェック弁を開くものである。

好ましくは、前記２つのチェック弁の双方の前記弁体がそれぞれに対応する前記弁座に当接する距離を隔てて前記シャトルロッドによって互いに結合される。

本発明によれば、液圧が加わっていないときの２つのチェック弁の状態の均等化が容易で使用時の姿勢の自由度が大きい切り替え弁装置を実現することができる。

本発明の実施形態に係る切り替え弁装置の非加圧状態の断面正面図である。 本発明の実施形態に係る切り替え弁装置の加圧状態の断面正面図である。 シャトルロッドの径方向断面の構造および端面の構造を示す図である。 比較例である切り替え弁装置の非加圧状態の断面正面図である。 切り替え弁装置を有する油圧シリンダ装置の回路図である。 油圧シリンダ装置の動作説明図である。

図１および図２に示される切り替え弁装置１は油圧回路の流路の開閉に用いられる。切り替え弁装置１は、２つのチェック弁３，４およびこれら２つのチェック弁３，４を機械的に結合する円柱状のシャトルロッド９を有している。２つのチェック弁３，４は、開閉すべき流路に油圧が加わっていない非加圧状態において、図１のように両方とも閉じる。２つのチェック弁３，４の一方に油圧が加わった加圧状態（一方に他方より大きい圧力が加わった状態を含む）では、油圧が加わった一方は閉じたままで他方が開く。図２の例示ではチェック弁３が閉じてチェック弁４が開いている。以下、切り替え弁装置１の構成を詳しく説明する。

切り替え弁装置１のハウジング２は左右方向の全長にわたる貫通孔２０を有する。ただし、貫通孔２０の両端の開口は栓２Ａ，２Ｂによって閉塞されている。貫通孔２０のうちの栓２Ａと栓２Ｂとの間の空間が、チェック弁３，４の弁体５，６およびシャトルロッド９が往復移動するシャトル室となっている。貫通孔２０の径は、左右対称を保ちながら開口部分から奥に向かって段階的に小さくなっている。言い換えれば、貫通孔２０は、軸方向の中央から両側へ段階的に径が大きくなる柱状のシャトル室を形成している。詳しくは、貫通孔２０は、シャトルロッド９が摺動する小径部２１と、小径部２１の両側に形成されて小径部２１と連なる２つの中径部２２ａ，２２ｂと、２つの中径部２２ａ，２２ｂのそれぞれと連なる２つの大径部２３ａ，２３ｂとを有する。中径部２２ａ，２２ｂの径はシャトルロッド９の外径よりも大きくかつ弁体５，６の外径よりも小さい。大径部２３ａ，２３ｂの径は弁体５，６の外径よりも大きい。

ハウジング２における左側の中径部２２ａと大径部２３ａとの境界部分、および右側の中径部２２ｂと大径部２３ｂとの境界部分は、小径部２１に向かって徐々に径が小さくなる円錐台状に形成され、弁座３１，３２となっている。これら弁座３１，３２の外側、すなわち貫通孔２０の大径部２３ａ，２３ｂにチェック弁３，４が配置されている。

２つのチェック弁３，４の構成は同一である。チェック弁３は弁体５と付勢部材としてのコイルばね７とを有し、同様にチェック弁４は弁体６と付勢部材としてのコイルばね８とを有する。弁体５，６はシャトルロッド９の両端部にそれぞれエンドキャップのように被さり、コイルばね７，８によって弁座側へ付勢される。コイルばね７の付勢力は非加圧状態で弁体５が弁座３１に押し当たるように設定されており、同様にコイルばね８の付勢力は非加圧状態で弁体６が弁座３２に押し当たるように設定されている。

弁座５，６の形状は、コイルばね７，８に押されるフランジを有した円筒状である。フランジは弁座３１，３２と当接する一端側に設けられている。弁座５を軸方向に貫通する透孔５５は大径部５６と小径部５７とが連なる２段構造になっており、大径部５６にシャトルロッド９の端部が摺動可能に嵌り込む。そして、弁座５における小径部５７の貫通する端面部の内面にシャトルロッド９が当接する。同様に、弁座６は大径部６６と小径部６７とが連なる２段構造の貫通孔６５を有しており、大径部６６にシャトルロッド９の端部が摺動可能に嵌り込み、小径部６７の貫通する端面部の内面にシャトルロッド９が当接する。

シャトルロッド９は、ハウジング２における貫通孔２０の小径部２１とほぼ同じ径の太さを有し、小径部２１を貫通して両側に突き出る。シャトルロッド９の長さは、応答性を高めるため、一対の弁体５，６の双方がそれぞれ弁座３１と弁座３２とに当接しているときに、一対の弁体５，６の双方における端面部の内面に当該シャトルロッド９の両端面がそれぞれ当接するように選定されている。ただし、シャトルロッド９を僅かに短くしてもよい。それにより、弁体５，６の双方を確実に弁座３１，３２に当接させることができる。シャトルロッド９の両端面には、図３に示されるとおり、＋字状の溝９１が形成されている。溝９１は、弁体５，６の端面部を貫通する透孔としての小径部５７，６７（図３では小径部６７は不図示）と対向する面内の中央部から端縁まで延びている。溝９１は、弁体５，６の小径部５７，６７を介して受ける油圧の作用面積を大きくし、シャトルロッド９の移動を迅速化する効果を奏する。

なお、シャトルロッド９における弁体５，６が被さる両端部の周面をラビリンスシール構造とし、または周面にパッキンを設けて密封性を高めることができる。

図１，２に戻って、ハウジング２には、貫通孔２０における２つの中径部２２ａ，２２ｂにそれぞれ連通する２つの孔２４，２５と、大径部２３ａ，２３ｂにそれぞれ連通する２つの孔２６，２７とが形成されている。小径部２１の左側に位置する中径部２２ａ、大径部２３ａ、孔２４、および孔２６がチェック弁３によって開閉される流路に含まれ、小径部２１の右側に位置する中径部２２ｂ、大径部２３ｂ、孔２５、および孔２７がチェック弁４によって開閉される流路に含まれる。

また、ハウジング２には、上述の孔２６，２７とは別に、貫通孔２０における２つの大径部２３ａ，２３ｂにそれぞれ連通する孔２８，２９が形成されている。これら孔２８，２９にはそれぞれ大径部２３ａ，２３ｂからの流出を防ぐ弁２８１，２９１が設けられており、これによって孔２８，２９は大径部２３ａ，２３ｂへ作動油を引き込むための一方向流路になっている。

以上の構成の切り替え弁装置１は、非加圧状態において一対の弁体５，６が弁座３１，３２と当接する構成を有するので、当該切り替え弁装置１の設置姿勢にかかわらず、一対のチェック弁３，４の開閉状態を均等に保つことができる。これに対して、図４に示される比較例の切り替え弁装置１ｚでは、一対のチェック弁３，４の弁開度を非加圧状態において均等にするのが難しい。比較例の切り替え弁装置１ｚは、本実施形態に係る切り替え弁装置１のシャトルロッド９よりも長いシャトルロッド９ｚおよび弁体５，６をシャトルロッド９ｚの側に付勢するコイルばね７ｚ，８ｚを備え、非加圧状態において一対の弁体５，６を弁座３１，３２から離れる開位置に位置決めするように構成されている。この比較例では、例えばシャトルロッド９ｚが鉛直方向に沿うような姿勢で切り替え弁装置１ｚが使用されるときには、弁体５，６およびシャトルロッド９ｚが自重により下がろうとするので、下側のチェック弁の弁開度が上側のチェック弁の弁開度と比べて大きい不均衡状態になり易い。また、比較例の切り替え弁装置１ｚでは、例えば手動で加圧するために十分な油圧が弁体５，６に加わらない場合に、両方の弁体５，６が開位置に留まって流路が閉じないおそれがある。本実施形態に係る切り替え弁装置１では、そのような問題は生じない。つまり、本実施形態に係る切り替え弁装置１は、設置姿勢（取り付け方向）の自由度が大きくて使い勝手が良く、手動でアクチュエータを駆動する油圧回路にも適用可能である。

図５は本実施形態に係る切り替え弁装置１の用途の一例を示す。図５に示される油圧シリンダ装置１００は、片ロッド式複動型の油圧シリンダ１１０、油圧シリンダ１１０に対して油圧を供給する油圧ユニット１２０、タンク１５０、および切り替え弁装置１などからなる。油圧ユニット１２０は、ポンプ１２２、モータ１２３、および手動による駆動のためのウォームギヤ機構１２４を備える。

油圧ユニット１２０のポンプ１２２は、正逆の両方向に回転して吐出可能な双方向ポンプであり、油圧シリンダ１１０の往動側のポートＰＴ１および復動側のポートＰＴ２に対して流路Ｌ１，Ｌ２を介して油圧を給排する２つの給排ポートＰＡ，ＰＢを備える。サーボ制御されるモータ１２３はポンプ１２２を正方向および逆方向のいずれかに選択的に回転駆動させる。モータ１２３の回転方向に応じて、ポンプ１２２の給排ポートＰＡ，ＰＢのいずれかに圧力が発生する。

油圧シリンダ１１０のピストンロッド１１４の中心に設けられた穴には測長センサ１１５が挿通され、ピストン１１３のストローク位置に応じた測長センサ１１５からの信号によりストローク位置が検出される。

タンク１５０は、油圧シリンダ１１０のシリンダ室の有効面積の相違による圧油の過不足、回路の温度などによる容積変化分、および漏れによるロス分などを補う圧油を収容する。

切り替え弁装置１は、往動側の流路Ｌ１と復動側の流路Ｌ２とタンク１５０とに接続される。切り替え弁装置１が有する２つのチェック弁３，４のうち、一方のチェック弁３は流路Ｌ２とタンク１５０とを結ぶ分岐流路Ｌ３を開閉し、他方のチェック弁４は流路Ｌ１とタンク１５０とを結ぶ分岐流路Ｌ４を開閉する。分岐流路Ｌ３には上述のようにハウジング２に設けられた孔２４，２６が含まれ、分岐流路Ｌ４には孔２５，２７が含まれる。

なお、図５中に破線で示されるように、タンク１５０と流路Ｌ１とが孔２９（一方向流路）によって結ばれ、タンク１５０と流路Ｌ２とが孔２８（一方向流路）によって結ばれる。

このように構成される油圧シリンダ装置１００の動作が図６に示される。図６（Ａ）〜（Ｄ）において斜線の付された部分は油圧が加わっている部分である。

図６（Ａ）は油圧シリンダ１１０に荷重が加わっていないフリー状態でピストンがヘッド側へ移動する閉動作（復動動作）を示している。この動作では、最低作動圧力が油圧シリンダ１１０のロッド側に加わり、ポンプ１２２は油圧シリンダ１１０のヘッド側から作動油を吸い込む。チェック弁３は閉であり、チェック弁４は開である。油圧シリンダ１１０のロッド側に圧油が供給され、ロッド体積分の作動油がチェック弁４を介してタンク１５０に戻る。ポンプ１２２は定量の作動油を油圧シリンダ１１０のロッド側に供給する。シリンダ速度Ｖは、ポンプ吐出量をＱとし、シリンダロッド側断面積をＳｒとして、Ｖ＝Ｑ／Ｓｒと表される。

図６（Ｂ）は油圧シリンダ１１０に荷重が加わっていないフリー状態でピストンがロッド側へ移動する開動作（往動動作）を示している。この動作では、最低作動圧力が油圧シリンダ１１０のヘッド側に加わり、ポンプ１２２は油圧シリンダ１１０のロッド側から作動油を吸い込む。チェック弁３は開であり、チェック弁４は閉である。油圧シリンダ１１０のヘッド側に圧油が供給され、ロッド体積分の作動油がチェック弁３を介してタンク１５０から吸い込まれる。シリンダ速度Ｖは、ポンプ吐出量をＱとし、シリンダヘッド側断面積をＳｈとして、Ｖ＝Ｑ／Ｓｈと表される。

図６（Ｃ）は油圧シリンダ１１０に荷重が加わっている状態でピストンがヘッド側へ移動する閉動作を示している。この動作では、荷重に応じた圧力が油圧シリンダ１１０のヘッド側に加わる。ポンプ１２２は油圧シリンダ１１０のヘッド側から作動油を吸い込む。チェック弁３は開であり、チェック弁４は閉である。油圧シリンダ１１０のヘッド側に圧油が供給され、ロッド体積分の作動油がチェック弁３を介してタンク１５０に戻る。ポンプ１２２は荷重により発生する圧油を支えながら油圧シリンダ１１０のヘッド側から定量の作動油を抜き出す。シリンダ速度ＶはＶ＝Ｑ／Ｓｈと表される。

図６（Ｄ）は油圧シリンダ１１０に荷重が加わっている状態でピストンがロッド側へ移動する開動作を示している。この動作では、荷重に応じた圧力が油圧シリンダ１１０のヘッド側に加わる。ポンプ１２２は油圧シリンダ１１０のロッド側から作動油を吸い込む。チェック弁３は開であり、チェック弁４は閉である。油圧シリンダ１１０のヘッド側に圧油が供給され、ロッド体積分の作動油がチェック弁３を介してタンク１５０から吸い込まれる。シリンダ速度ＶはＶ＝Ｑ／Ｓｈと表される。

本実施形態による切り替え弁装置１は、手動駆動時のような微弱な圧力の変化にも応答して確実に動作することができる。切り替え弁装置１は、シリンダ室の有効面積の相違による圧油の過不足、回路の温度などによる容積変化分、および漏れによるロス分などを補うためのタンクに通じる流路の切り替えに有用である。このような使用において、一方向流路である孔２８，２９を、タンクからの吸い込み用の流路となるように配管すれば、手動駆動時のように急峻な加圧ができない場合に、開くべき弁が開き始める前に補助的にタンクから作動油を吸い込んで加圧を早期に安定化することができる。

以上の実施形態において、切り替え弁装置１の全体または各部の構成、形状、寸法、および材質などは、本発明の趣旨に沿って上述した以外の種々のものとすることができる。

１ 切り替え弁装置
２ ハウジング
２０ 貫通孔（穴、シャトル室）
３，４ チェック弁
５，６ 弁体
３１，３２ 弁座
５５，６５ 透孔
５６，６６ 大径部
５７，６７ 小径部（端面部を貫通する透孔）
９ シャトルロッド
７，８ コイルばね（付勢部材）
２１ 小径部
２２ａ，２２ｂ 中径部
２３ａ，２３ｂ 大径部
Ｌ３，Ｌ４ 分岐流路（流路）
２４，２５ 孔
２６，２７ 孔
９１ 溝

Claims (6)

1. 貫通する穴が設けられたハウジングと、
   前記ハウジングの穴にそれぞれ装着され、一方の弁体が弁座に当接して閉じた状態で他方の弁体が弁座から離れて開くことが可能なように互いに結合された２つのチェック弁と、を備え、
   ２つの前記チェック弁の一方のチェック弁の前記弁体および他方のチェック弁の前記弁体は、それぞれ大径部と小径部とが連なる透孔を有し、
   ２つの前記チェック弁のそれぞれの前記大径部に、前記穴に挿通されたシャトルロッドの端部が嵌入しており、
   ２つの前記チェック弁の双方の前記弁体におけるいずれの前記小径部内にも液圧が加わっていないときに、２つの前記チェック弁の双方の前記弁体がそれぞれに対応する前記弁座に当接して２つの前記チェック弁の双方を閉じ、
   ２つの前記チェック弁のいずれか片方の前記弁体における前記小径部内に液圧が加わったときに、前記シャトルロッドが他の片方のチェック弁の前記弁体を押して当該チェック弁を開く
   ことを特徴とする切り替え弁装置。
2. 前記２つのチェック弁の双方の前記弁体がそれぞれに対応する前記弁座に当接する距離を隔てて前記シャトルロッドによって互いに結合された
   請求項１記載の切り替え弁装置。
3. 液圧を受けて２つの流路の一方を開き他方を閉じる切り替え弁装置であって、
   軸方向の中央から両側へ段階的に径が増大する柱状のシャトル室を内部に有するハウジングと、
   前記シャトル室の内部で軸方向に移動可能な柱状のシャトルロッドと、
   前記シャトルロッドの両端部にそれぞれエンドキャップのように被さる一対の弁体と、
   前記一対の弁体を前記シャトルロッドの中央側へ付勢する一対の付勢部材と、を備えており、
   前記シャトル室は、前記シャトルロッドが摺動する小径部と、前記小径部の両側に形成されて前記小径部と連なる２つの中径部と、前記２つの中径部のそれぞれと連なる２つの大径部とを有し、前記２つの中径部は前記シャトルロッドの外径よりも大きくかつ前記弁体の外径よりも小さい径をもち、前記２つの大径部は前記弁体の外径よりも大きい径をもっており、
   前記ハウジングの内部に、前記２つの中径部にそれぞれ連通して前記２つの流路の一部となる２つの孔、および前記２つの大径部にそれぞれ連通して前記２つの流路の他の一部となる２つの孔が形成されており、
   前記一対の弁体のそれぞれにおける前記シャトルロッドの端面が当接する端面部に当該端面部を貫通する透孔が形成されており、
   前記一対の付勢部材は、前記２つの大径部のいずれにも液圧が加えられていない状態において、前記ハウジングにおける前記２つの中径部と前記２つの大径部との境界部分である２箇所の弁座にそれぞれ前記一対の弁体の一方および他方を当接させ、
   前記２つの大径部のいずれか片方に液圧が加わったときに、当該片方の大径部内に在る一方の弁体の前記透孔に流入する圧液によって、前記シャトルロッドと他方の弁体とが移動する
   ことを特徴とする切り替え弁装置。
4. 前記一対の弁体の双方が前記弁座と当接しているときに、前記一対の弁体の双方における前記端面部の内面に当該シャトルロッドの両端面が当接する
   請求項３記載の切り替え弁装置。
5. 前記シャトルロッドの両端面に、前記透孔と対向する径方向の中央部から端縁まで延びる溝が形成されている
   請求項４記載の切り替え弁装置。
6. 前記ハウジングの内部に、２つの前記大径部にそれぞれ連通しかつ当該大径部からの流出を防ぐ弁を有した一方向流路が形成されている
   請求項３ないし５のいずれかに記載の切り替え弁装置。

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