JPH1026251A

JPH1026251A - 液圧電磁比例制御弁

Info

Publication number: JPH1026251A
Application number: JP18201696A
Authority: JP
Inventors: Yoshimizu Takahashi; 橋圭瑞高; Yuichi Usami; 雄一宇佐見
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1996-07-11
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 1998-01-27

Abstract

(57)【要約】【課題】作動流体として清水を用い、静圧軸受を採用
して静圧軸受効果とスプールの安定性・応答性とを独立
に調整することができ、それぞれの機能を最適にするこ
とができる液圧電磁比例制御弁を提供する。【解決手段】ソレノイド（１０）の励磁電流に応じて
変位量を比例制御してスプール（４）を駆動し、作動流
体をポンプポート（７）から制御ポート（８）へ出力
し、タンクポート（９）へドレンして流量または圧力を
制御する液圧電磁比例制御弁において、作動流体には清
水を用い、前記スプール（４）の両端部を静圧軸受（１
７、１８）で支持し、両端のスプール背圧室（１４Ａ、
１４Ｂ）を連通するバイパス流路（１５）を形成し、そ
のバイパス流路（１５）に減衰絞り（２３）を設け、前
記両端のスプール背圧室（１４Ａ、１４Ｂ）とタンクポ
ート（９）とを連通するドレン流路（６）をそれぞれ形
成し、それぞれのドレン流路（６）にドレン絞り（１
９）を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ソレノイドの励磁
電流に応じて変位量を比例制御してスプールを駆動し、
作動流体をポンプポートから制御ポートへ出力してタン
クポートへドレンし、流量または圧力を制御する液圧電
磁比例制御弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】液体を圧力媒体として動力を伝達し、制
御するシステムにおいて、作動流体としては油が用いら
れてきた。しかし、作動流体に油を用いると、油漏れに
よる作業環境の汚染、火災の危険性などの問題がある。
このような油圧システムに対し、近年、作動流体として
クリーンで、安全な清水を用いた水圧システムが提案さ
れ、実用化されつつある。

【０００３】ところで、清水を用いた水圧システムは、
作動流体の特性が従来の油に比べて著しく異なるので、
従来の油圧機器に対して油を単に水に入換えただけでは
実用することはできない。特に、水に比べて潤滑性が著
しく劣るため、摺動部での噛合いや、摩耗などの問題が
ある。また、機器に錆を発生させたり、微生物の発生お
よび水自体の腐食などの問題もある。

【０００４】したがって、水圧システムを実用するため
には、同様に圧力媒体として液体を利用する制御システ
ムである油圧システムの機器構成などを踏襲する一方
で、上記のような水特有の問題点を解決しなければなら
ない。

【０００５】従来、作動流体として水を使用した流量制
御弁としては、例えば、特公平５−４２５６３号公報に
記載されているものがある。この流量制御弁はスプール
の両端部に静圧軸受を設けて、強制的な水潤滑により部
材を滑らかに摺動させるようにしている。すなわち、ス
プールを静圧軸受によって支持することにより、スプー
ルとスリーブとを非接触状態にして摩擦なく滑らかに摺
動させ、そして、スプール両端の室内に満たされた水の
圧力をノズルフラッパ機構によって変化させ、左右に圧
力差をつくりスプールを駆動している。

【０００６】スプールを駆動する手段としては、上記の
ような圧力差をつくるものの他にスプールを直接駆動す
る機構によるものがある。例えば、電磁比例ソレノイ
ド、ピエゾ素子を利用した直動機構が知られている。前
記のノズルフラッパ機構では、ノズルから噴出する流れ
の抵抗をフラッパによって変化させているため、所定の
流量が常にノズルから流出している。このような流量
は、制御システムの効率を低下させる漏れ流量としてと
らえられている。そこで、電磁比例ソレノイドのような
直動機構を採用すれば、漏れ流量を低減することができ
る。

【０００７】したがって、上記の従来技術を適用して、
静圧軸受を使用し、かつスプールを直接駆動して水圧制
御弁を構成することが考えられる。以下、図面を参照し
て説明する。

【０００８】図５において、水圧制御弁は流量制御手段
１Ａ、スプール駆動手段３０、および変位検出手段３１
で構成されている。流量制御手段１Ａは、弁本体ケーシ
ング２Ａを備え、その弁本体ケーシング２Ａの内側には
スリーブ３が固定されて設けられている。そのスリーブ
３の内側には第１のランド４ａ、第２のランド４ｂ、第
３のランド４ｃを有するスプール４が設けられ、スリー
ブ３の両端部に設けられた静圧軸受１７により噴出圧液
によって非接触に支持されており、図はスプール４が中
立位置にある状態を示している。そして、弁本体ケーシ
ング２Ａの一端は、蓋体２１が取付けられて密封されて
おり、他端にはスプール駆動手段３０が取付けられてい
る。これらの接合面にはシーリング手段であるＯリング
２４が挿着されている。

【０００９】弁本体ケーシング２Ａの中央部には図示し
ないポンプからの圧液が供給されるポンプポート７が設
けられ、スリーブ３内のスプール４の中立位置で中央位
置の第２のランド４ｂの外周溝部７ａに流路が連通され
ている。また、そのポンプポート７の軸方向両側に隣接
して、スプール４の小径部の外周溝部８ａ、８ｂに流路
が連通した制御ポート８Ｒ、８Ｌが設けられ、そして、
スプール４の第１、第３のランド４ａ、４ｃの外周溝部
９ａ、９ｂに流路が連通してタンクポート９が左側に設
けられている。これらのポート７、８、９は、図示の中
立位置からスプール４が右方に変位したときにスプール
４の小径部の外周溝部８ａによりポンプポート７と制御
ポート８Ｌとが連通し、左方向の変位で制御ポート８Ｌ
とタンクポート９とが連通するように配設されており、
また、右側のポートはこれと対称位置に配設されてい
る。そして、弁本体ケーシング２Ａ内にポンプポート７
から軸受流路１６が設けられ、両端部の静圧軸受１７、
１８を介して連通されている。（なお、静圧軸受はポケ
ット１７とオリフィス１８とで構成されている。）ゥ、
また、弁本体ケーシング２Ａ内のスリーブ３の両端部に
はスプール背圧室１４Ａ、１４Ｂが形成され、それぞれ
ドレン流路６、６により前記タンクポート９に連通され
ている。

【００１０】弁本体ケーシング２Ａの端面（反スプール
駆動手段側）に取付けられた前記蓋体２１には、孔部Ｈ
が設けられ、その孔部Ｈ内にばね受部材２７が嵌入さ
れ、そしてその中にばね５が装着されている。そのばね
５の一端は係止部材２６を介してスプール４を押圧して
おり、後記する電磁比例ソレノイド１０の駆動力に対す
る反力を付勢している。そして、ばね受部材２７の背後
に設けられた調整ねじ２２は、ばね５の押圧力を調整す
るためのものである。また、ばね受部材２７と蓋体２１
との間には圧液の漏洩防止のためのＯリング２５が挿入
されている。

【００１１】スプール駆動手段３０には、ソレノイド１
０が設けられ、励磁電流に応じて発生力を比例制御され
る鉄心１１の一端は、弁本体ケーシング２Ａ内に延び、
スプール４に係合してそれを駆動している。また、他端
は変位検出手段３１内に延びてその先端部１３が変位セ
ンサ１２により検出されて図示しないコントローラにフ
ィードバックされている。

【００１２】ところで、従来の作動流体に油を使用した
スプール方式の油圧制御弁では、スプール４とスリーブ
３との間隙２０に介在する油が、スプールの移動速度に
比例した粘性抵抗を与え、これがスプール４を安定化さ
せる減衰作用を与えていた。しかし、作動流体として水
を使用した場合、水の粘性は油に比べて極めて低いこ
と、および、静圧軸受１７の軸受効果を得るためにスプ
ール４とスリーブ３との間隙２０を比較的広く形成する
必要があるので、間隙２０に介在する水による減衰作用
は期待できない。このため、スプール４が振動的になる
という問題が生じる。

【００１３】このような問題を解決するための一手段と
して、従来の油圧制御弁で行われているように、ドレン
流路６、６にドレン絞り１９、１９を設け、スプール４
の変位によるスプール両端の背圧室１４Ａ、１４Ｂから
の水の流れに抵抗を与えることが考えられる。しかし、
この場合には、絞り１９による減衰効果と同時に、静圧
軸受１７の軸受効果に対する影響も生じる。すなわち、
静圧軸受１７からスプール背圧室１４Ａ、１４Ｂへ流出
する水は、軸受作用を得るための軸受流量として機能し
ている。したがって、ドレン流路６に設ける絞り１９
は、スプール４の動作を安定化させ、かつ必要な軸受流
量が得られるという二つの観点から選定されなければば
ならない。また、スプール４の運動に減衰を与えて安定
化させることは、同時にスプール４の応答性を低下させ
るため、その抵抗は適正な値に選定されなければならな
い。

【００１４】このように、ドレン流路に絞りを設ける場
合、スプールの安定性、応答性、および軸受効果という
観点から適切な選定がされなければならないが、安定性
と応答性とは、軸受効果と独立した作用であり、これら
のすべてに対応した最適な絞りは存在しないこともあり
得る。例えば、安定性と応答性の観点から絞りを決定
し、軸受にとって絞りが大きすぎる場合には、必要以上
の軸受流量が流れ、制御弁の漏れ流量が増加するという
不都合が生じる。漏れ流量が大きくなることは、水圧制
御システム全体の効率が低下することであるから、より
少ないことが望ましい。逆に、絞りが小さすぎた場合に
は、軸受が機能せずスプールがスリーブと擦れたりす
る。軸受効果の観点からドレン絞りを決定した場合も同
様に、減衰作用が得られずスプールが振動したり、応答
性が劣化することがある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明
は、作動流体として清水を用い、静圧軸受を採用して静
圧軸受効果とスプールの安定性・応答性とを独立に調整
することができ、それぞれの機能を最適にすることがで
きる液圧電磁比例制御弁を提供することを目的としてい
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ソレノ
イドの励磁電流に応じて変位量を比例制御してスプール
を駆動し、作動流体をポンプポートから制御ポートへ出
力してタンクポートへドレンし、流量または圧力を制御
する液圧電磁比例制御弁において、作動流体には清水を
用い、前記スプールの両端部を静圧軸受で支持し、両端
のスプール背圧室を連通するバイパス流路を形成してい
る。

【００１７】また、前記バイパス流路に減衰絞りを設け
ている。

【００１８】また、前記両端のスプール背圧室とタンク
ポートとを連通するドレン流路をそれぞれ形成し、それ
ぞれのドレン流路にドレン絞りを設けている。

【００１９】また、前記ドレン絞りは前記減衰絞りより
大きな抵抗を有する絞りである。

【００２０】また、前記静圧軸受部とタンクポート部と
の間のスプールの直径を他の部分より小さくしている。

【００２１】本発明によれば、ソレノイドの励磁電流に
応じた変位量でスプールが駆動され、スプールの移動に
よりスプール端部の一方のスプール背圧室から他方の背
圧室へバイパス流路を通って水が移動するので、スプー
ルの応答性が向上し、また、その流路抵抗によって減衰
作用が与えられてスプールの作動が安定する。そしてス
プールは、両端部を静圧軸受で支持されており、この軸
受作用を得るための軸受流量はスプール移動によるバイ
パス流から独立しており、スプールの安定・応答性と軸
受性能とをそれぞれ最適に調整を行うことができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。なお、スプール駆動手段３０および
変位検出手段３１は、先に説明した図５と共通であるの
で流量制御手段１のみについて説明し、また、流量制御
手段１の部品についても、図５と共通のものは同じ符号
を付し、重複説明は省略する。

【００２３】図１において、全体を符号１で示す流量制
御手段は、その要部は弁本体ケーシング２と、その弁本
体ケーシング２内に収容されたスリーブ３と、そのスリ
ーブ３内を摺動可能に嵌装されたスプール４と、電磁比
例ソレノイドの駆動力に対する反力をスプール４に与え
るばね５とからなっている。そして、流量制御手段１の
図示右方には図示しないスプール駆動手段、変位検出手
段が取付けられている。

【００２４】スリーブ３には、前記図５で説明した静圧
軸受１７、１８が設けられ、スプール４の変位で切換え
られる水の流路が複数形成されている。そして、本発明
では、弁本体ケーシング２に両端部の背圧室１４Ａ、１
４Ｂを互いに連通するバイパス流路１５が設けられてい
る。

【００２５】スプール４の目標位置信号をコントローラ
の入力端子から入力すると、目標位置信号と変位センサ
１２からフィードバックされた実際のスプール位置信号
とにより偏差信号がつくられる。コントローラは偏差信
号を直接増幅すると共に、偏差信号を積分して対抗する
ばね力と釣合うように励磁電流をソレノイド１０に供給
してスプール４を目標位置に偏差なく定位させる。こう
して、ポンプポート７から制御ポート８Ｌ（Ｒ）への流
路の開度を連続的に変化させ、あるいは流れの方向８
Ｌ、８Ｒを切換えて、流量あるいは圧力を連続的にコン
トロールする。

【００２６】スリーブ３の両端部には静圧軸受１７、１
８が形成され、ポンプポート７から軸受流路１６で連通
されて高圧水が導入されているので、スプール４はスリ
ーブ３と非接触に支持されてスリーブ３内を滑らかに摺
動でき、水のような潤滑性の小さい流体を作動流体とし
て使用しても、摺動部材の摩耗や噛合いを起こすことは
ない。

【００２７】スプール両端の背圧室１４Ａ、１４Ｂは、
互いにバイパス流路１５により連通されているので、ス
プール４が電磁比例ソレノイド１０の押圧力によって変
位すると、水が一方の背圧室１４Ａ（Ｂ）から他方の背
圧室１４Ｂ（Ａ）にバイパス流路１５を通って移動す
る。このバイパス流路１５を移動する水は、その流量に
比例して抵抗を受け、この抵抗がスプール４の運動に減
衰作用を与える。

【００２８】図２に第２の発明が示されている。両端の
スプール背圧室１４Ａ、１４Ｂを連通するバイパス流路
１５には減衰絞り２３が設けられている。この第２の発
明によれば、バイパス流路１５を比較的径を大きく製作
し、減衰絞り２３によって適正な抵抗を与えることがで
きる。したがって、製作が容易になり、絞り２３をねじ
込み式などにして固定すれば、交換可能にすることがで
き、目的に応じてスプール４の応答性を調整することが
できる。

【００２９】バイパス流路１５によってスプール４に減
衰作用を与える場合、静圧軸受１７、１８の軸受効果
は、軸受からタンクポート９へ流れる流量で得るように
する。この軸受流量の調整は、スプール４とスリーブ３
との間隙を調整することにより行う。図４に示すよう
に、軸受からスプール４のタンクポート９への間隙をこ
の部分だけスプール４の径ｄ₁を小さくすることによっ
て間隙を広くすればよい。このようにすれば、スプール
４の安定性・応答性はバイパス流路１５により、軸受効
果はタンクポート９へ流れる流量によって、それぞれ独
立に調整することができるので、機能ごと最適な設計を
行うことができる。また、より少ない軸受流量に調整す
ることができるので、弁全体の漏れ流量が低減する。

【００３０】なお、端部直径ｄ₀を太くしているのは、
スプール４が移動するときにスプール端の背圧室１４に
満たされた水が、広くしたスプール４とスリーブ３との
間隙を介して流れないようにするためであり、スプール
４の安定性・応答性がこの間隙の影響を受けないように
するためである。

【００３１】図３には第３の発明が示されている。両端
のスプール背圧室１４Ａ、１４Ｂからタンクポート９へ
連通するドレン流路６、６が設けられ、それぞれにドレ
ン絞り１９、１９が設けられている。そして、タンクポ
ート９へ連通するドレン流路６、６に設けられたドレン
絞り１９、１９はバイパス流路１５に設けられた減衰絞
り２３より流路抵抗が大きいものにされている。

【００３２】この場合、スプール４が停止している状態
では、静圧軸受１７、１８からの流体は、一方はタンク
ポート９へ、他方は、スプール端部の背圧室１４へ流れ
てドレン流路６のドレン絞り１９を介してタンクポート
９へ流れる。このドレン絞り１９を調整して軸受流量が
得られるように調整する。静圧軸受１７、１８からタン
クポート９へ流れる水の流量は、スプール４とスリーブ
３の隙間の大きさから決まるが、この流量では軸受効果
が充分でない時に有効である。また、このようにすれ
ば、スプール外径とスリーブ内径を全長にわたって均一
にすることができ、一部に段部を形成する必要がなく加
工が容易になる。また、スプール４が変位するとき、ス
プール両端の背圧室１４Ａ、１４Ｂに満たされた水は、
ドレン絞り１９を介してタンクポート９へ流出する流れ
と、バイパス流路１５の減衰絞り２３を介して左右に移
動する流れが生じる。この減衰絞り２３を所定の応答性
が得られるように調整すればよい。このようにすれば、
軸受流量はドレン絞り１９より、安定性・応答性はドレ
ン絞り１９と減衰絞り２３とによって調整することがで
きる。安定性と応答性とは２つの絞り１９、２３に依存
するが、軸受効果からドレン絞り１９を決定してしまえ
ば、それぞれ、独立して取扱うことができる。このよう
な構成は、ドレン絞り１９が減衰絞り２３の抵抗より大
きいときに有効である。ドレン絞り１９の抵抗の方が小
さければ、スプール変位による流量のほとんどはドレン
絞り１９を介して流れるためである。

【００３３】本発明では、スプール両端の背圧室へ水が
静圧軸受から流入してドレン流路へ流出し、スプール背
圧室の水は常に入れ替り滞留して水の腐食などが発生し
ない。なお、スプールを軸方向に押圧する電磁比例ソレ
ノイドや、変位センサの内部は水と接しているので、こ
れらの接液部は、防錆材、例えばステンレス鋼やプラス
チックを用いるとよい。

【００３４】

【発明の効果】上記した構成からなる本発明の液圧電磁
比例制御弁によれば、以下の作用効果を奏する。（１）スプール両端の背圧室を連通させるバイパス流
路を形成したので、この流路の流路抵抗によって、スプ
ールが変位する際にバイパス流路を流れる水に抵抗が与
えられ、減衰作用が得られる。一方、静圧軸受の軸受流
量は、軸受からタンクポートへ流れる流量で得るように
できるので、安定性・応答性と、軸受効果とを独立して
調整することができ、それぞれの機能を最適にすること
ができる。そして、弁全体の漏れ流量を低減することが
できる。

【００３５】（２）また、バイパス流路に絞りを設け
たので、絞りを交換あるいは調整することにより、任意
の減衰効果に調整することができる。そして、スプール
両端の背圧室を連通する長いバイパス流路の径を大きく
できるので、弁本体ケーシングの製作が容易になる。

【００３６】（３）さらに、バイパス流路に絞りを設
けると共に、スプール両端の背圧室からタンクポートへ
連通するドレン流路を形成し、この流路にドレン絞りを
設けたので、軸受から直接タンクポートへの流れと、ド
レン絞りを介して流れる流量とによって軸受流量が得ら
れる。一方、スプールの安定性・応答性は、バイパス流
路とドレン絞りの両抵抗から調整することができる。ま
ず、軸受流量をタンクポートの絞りによって決定し、安
定性・応答性をバイパス流路の絞りによって順に調整す
るようにすれば、それぞれの効果を独立して調整するこ
とができ、それぞれの性能を最適なものにすることがで
きる。

【００３７】（４）作動流体として水を使用している
ので、スプール両端の背圧室やバイパス流路内に満たさ
れた水がタンクポートへ流れ、この室での水が常に入替
わるようになり、水の腐食などを防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す縦断面図。

【図２】第２の発明を示す縦断面図。

【図３】第３の発明を示す縦断面図。

【図４】第４の発明を示す断面図。

【図５】従来技術による水圧制御弁を示す縦断面図。

【符号の説明】

１、１Ａ・・・流量制御部２、２Ａ・・・弁本体ケーシング３・・・スリーブ４・・・スプール４ａ、４ｂ、４ｃ・・・ランド部５・・・ばね６・・・ドレン流路７・・・ポンプポート８Ｌ、８Ｒ・・・制御ポート９・・・タンクポート１０・・・ソレノイド１１・・・鉄心１２・・・変位センサ１４Ａ、１４Ｂ・・・背圧室１５・・・バイパス流路１６・・・軸受流路１７、１８・・・静圧軸受１９・・・ドレン絞り２０・・・隙間２１・・・蓋体２２・・・調整ねじ２３・・・減衰絞り２４・・・Ｏリング２６・・・係止部材２７・・・ばね受け部材３０・・・スプール駆動部３１・・・変位センサ部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ソレノイドの励磁電流に応じて変位量を
比例制御してスプールを駆動し、作動流体をポンプポー
トから制御ポートへ出力してタンクポートへドレンし、
流量または圧力を制御する液圧電磁比例制御弁におい
て、作動流体には清水を用い、前記スプールの両端部を
静圧軸受で支持し、両端のスプール背圧室を連通するバ
イパス流路を形成したことを特徴とする液圧電磁比例制
御弁。
【請求項２】前記バイパス流路に減衰絞りを設けた請
求項１に記載の液圧電磁比例制御弁。
【請求項３】前記両端のスプール背圧室とタンクポー
トとを連通するドレン流路をそれぞれ形成し、それぞれ
のドレン流路にドレン絞りを設けた請求項１または２に
記載の液圧電磁比例制御弁。
【請求項４】前記ドレン絞りは前記減衰絞りより大き
な抵抗を有する絞りである請求項３に記載の液圧電磁比
例制御弁。
【請求項５】前記静圧軸受部とタンクポート部との間
のスプールの直径を他の部分より小さくした請求項１ま
たは２に記載の液圧電磁比例制御弁。