特許 7514089 スプール弁

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-02

(45)【発行日】2024-07-10

(54)【発明の名称】スプール弁

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/04 20060101AFI20240703BHJP

   F16K 31/128 20060101ALI20240703BHJP

【ＦＩ】

F16K31/04 K

F16K31/128

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2020042552

(22)【出願日】2020-03-12

(65)【公開番号】P2021143710

(43)【公開日】2021-09-24

【審査請求日】2022-11-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田中 英紀

(72)【発明者】

【氏名】青木 誠司

【審査官】橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－２５６９９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公平０７－０９９１６１（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開平１１－１４１６９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ ３１／００－３１／０５

３１／１２－３１／１６５

３１／３６－３１／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の流路および摺動穴が形成された第１ハウジングと、
前記摺動穴内に摺動可能に挿入されたスプールと、
前記摺動穴と同軸上のサーボ室を形成する第２ハウジングと、
前記サーボ室内に摺動可能に挿入された、前記サーボ室を前記第１ハウジングに隣接する第１圧力室と前記第１ハウジングから離れた第２圧力室とに仕切るスリーブであって、前記第１圧力室内で前記スプールと連結されたスリーブと、
前記スリーブと摺動可能に嵌合する、前記スリーブ内から前記第２圧力室を超えて延びるピストンと、
前記ピストンに固定されたナットと、
前記ナットと螺合するねじ軸と、
前記ねじ軸を回転させる電動モータと、
前記ナットが内部に位置するように配置された、前記スプールを中立位置に維持するための付勢力を前記ピストンに与えるコイルばねと、を備え、
前記第２ハウジングには、作動液の圧力源と接続されるべき入力ポートと、ドレンポートが形成され、
前記第１圧力室は、前記入力ポートと連通し、
前記第２圧力室は、前記第１圧力室内の作動液が前記スリーブに作用する力と前記第２圧力室内の作動液が前記スリーブに作用する力がつり合うつり合い状態では前記ピストンにより前記入力ポートおよび前記ドレンポートから遮断され、前記つり合い状態から前記ピストンが前記スプールに近づく方向に移動したときに前記入力ポートと連通し、前記つり合い状態から前記ピストンが前記スプールから遠ざかる方向に移動したときに前記ドレンポートと連通する、スプール弁。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電動モータによりスプールを移動させるスプール弁に関する。

【背景技術】

【0002】

液圧回路に用いられる流量制御弁の一つとしてスプール弁が知られている。このようなスプール弁では、ハウジングの摺動穴内にスプールが摺動可能に挿入されており、スプールの位置によってハウジングに形成された流路間を流れる流体の流量が制御される。

【0003】

スプール弁には、パイロット圧によりスプールを移動させるものと、電動モータによりスプールを移動させるものがある。例えば、特許文献１には、電動モータとスプールとの間に、回転運動を直線運動に変換する直動機構が設けられたスプール弁が開示されている。具体的に、このスプール弁では、スプールがピストンと連結され、そのピストンにナットが固定され、ナットと螺合するねじ軸が電動モータにより回転される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１９／１３８９４５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、特許文献１に開示されたスプール弁では、スプールの直径が大きい場合、流路間を流れる流体からスプールが受ける力（フローフォースともいう）が大きくなる。そのため、スプールの位置を精密に制御するには出力の大きな電動モータが必要になり、コストが増加するとともにスプール弁自体のサイズが大きくなる。

【0006】

そこで、本発明は、電動モータの出力が小さくてもスプールの位置を精密に制御することができるスプール弁を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題を解決するために、本発明のスプール弁は、複数の流路および摺動穴が形成された第１ハウジングと、前記摺動穴内に摺動可能に挿入されたスプールと、前記摺動穴と同軸上のサーボ室を形成する第２ハウジングと、前記サーボ室内に摺動可能に挿入された、前記サーボ室を前記第１ハウジングに隣接する第１圧力室と前記第１ハウジングから離れた第２圧力室とに仕切るスリーブであって、前記第１圧力室内で前記スプールと連結されたスリーブと、前記スリーブと摺動可能に嵌合する、前記スリーブ内から前記第２圧力室を超えて延びるピストンと、前記ピストンに固定されたナットと、前記ナットと螺合するねじ軸と、前記ねじ軸を回転させる電動モータと、を備え、前記第２ハウジングには、作動液の圧力源と接続されるべき入力ポートと、ドレンポートが形成され、前記第１圧力室は、前記入力ポートと連通し、前記第２圧力室は、前記第１圧力室内の作動液が前記スリーブに作用する力と前記第２圧力室内の作動液が前記スリーブに作用する力がつり合うつり合い状態では前記ピストンにより前記入力ポートおよび前記ドレンポートから遮断され、前記つり合い状態から前記ピストンが前記スプールに近づく方向に移動したときに前記入力ポートと連通し、前記つり合い状態から前記ピストンが前記スプールから遠ざかる方向に移動したときに前記ドレンポートと連通する、ことを特徴とする。

【0008】

上記の構成によれば、つり合い状態から電動モータによりピストンがスプールに近づく方向に移動されたときには、第２圧力室が入力ポートと連通する。このため、第２圧力室の圧力が高くなり、スリーブもスプールに近づく方向に移動する。しかし、スリーブがつり合い状態の位置を超えて移動すると、第２圧力室がドレンポートと連通し、第２圧力室の圧力が低くなる。このような作用により、スリーブは、再びつり合い状態が形成される位置で停止する。すなわち、スリーブは、ピストンの移動に追従して移動する。つり合い状態からピストンが電動モータによりスプールから遠ざかる方向に移動されたときも同様である。

【0009】

一方、ピストンが移動しなければ、つり合い状態が保たれる。つまり、第２圧力室はピストンによって入力ポートおよびドレンポートから遮断されている。従って、第１ハウジングの流路間に流れる流体からスプールが力を受けたとしても、第２圧力室内の作動液の非圧縮性によりスリーブが移動することはない。

【0010】

このように、本発明では、流路間を流れる流体からスプールが受ける力が電動モータに影響を及ぼさないので、電動モータの出力が小さくてもスプールの位置を精密に制御することができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、電動モータの出力が小さくてもスプールの位置を精密に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係るスプール弁の全体を示す断面図である。

【図2】図１に示すスプール弁の一部の断面図である。

【図3】図２の要部拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１に、本発明の一実施形態に係るスプール弁１を示す。本実施形態では、スプール弁１が３つのポート２ａ～２ｃを有する３位置弁である。ただし、スプール弁１は、２位置弁であってもよい。また、スプール弁１のポート数は、適宜変更可能である。

【0014】

具体的に、スプール弁１は、外表面にポート２ａ～２ｃが形成された第１ハウジング２と、第１ハウジング２に保持されたスプール３を含む。また、スプール弁１は、スプール３と同軸上に配置された第２ハウジング４、ケーシング７３および電動モータ７４を含む。第２ハウジング４は第１ハウジング２に取り付けられており、電動モータ７４はケーシング７３を介して第２ハウジング４に取り付けられている。

【0015】

第１ハウジング２の内部には、摺動穴２１が形成されている。スプール３は、この摺動穴２１に摺動可能に挿入されている。さらに、第１ハウジング２には、摺動穴２１からポート２ａ～２ｃに至る３つの流路２２～２４が形成されている。なお、第１ハウジング２に形成される流路の数は、ポート数に応じて適宜変更可能である。

【0016】

スプール３には、２つの環状溝３１，３２が形成されている。以下では、説明の便宜上、スプール３の軸方向の一方（図１の右側）を右方、他方（図１の左側）を左方という。スプール３は、中立位置では、流路２２を流路２３，２４の双方から遮断する。スプール３が中立位置から右方に移動すると流路２２が環状溝３１を介して流路２３と連通し、スプール３が中立位置から左方に移動すると流路２２が環状溝３２を介して流路２４と連通する。

【0017】

本実施形態では、スプール３が中立位置に位置するときに、スプール３の左端が第１ハウジング２から張り出している。ただし、スプール３の長さは適宜変更可能であり、スプール３が中立位置に位置するときに、スプール３の左端が第１ハウジング２内に収まってもよい。また、本実施形態では、スプール３の左端が摺動穴２１よりも小径に形成されているが、スプール３の左端は摺動穴２１と同径に形成されてもよい。あるいは、スプール３の可動範囲でスプール３の左端が第１ハウジング２と干渉しなければ、スプール３の左端は摺動穴２１よりも大径に形成されてもよい。

【0018】

第２ハウジング４は、図２に示すように、第１ハウジング２の摺動穴２１と同軸上のサーボ室４１を形成する。すなわち、第２ハウジング４には、摺動穴２１と中心線が合致する深い有底穴が形成されており、この有底穴が第１ハウジング２およびスプール３で覆われることにより、サーボ室４１が形成されている。

【0019】

サーボ室４１内には、スリーブ５が摺動可能に挿入されている。すなわち、スリーブ５は、サーボ室４１を、第１ハウジング２に隣接する第１圧力室４２と、第１ハウジング２から離れた第２圧力室４３とに仕切る。スリーブ５は、内部空間を取り囲む筒状部と、内部空間を右方から閉塞する閉塞部を含む。つまり、スリーブ５の内部空間は左方にのみ開口する。

【0020】

スリーブ５は、第１圧力室４２内でスプール３と連結されている。本実施形態では、ユニバーサルジョイントにより、スリーブ５の右端とスプール３の左端とが連結されている。具体的には、スプール３の左端に溝３５が設けられており、この溝３５にボール１５が保持されている。一方、スリーブ５の右端には、溝３５内に挿入される板状の突起４５が設けられており、この突起４５にボール１５と嵌合する穴が設けられている。

【0021】

ただし、本実施形態とは逆に、スリーブ５の右端にボール１５を保持する溝３５が設けられ、スプール３の左端に溝３５内に挿入される突起４５が設けられてもよい。あるいは、スリーブ５の右端とスプール３の左端とは、ユニバーサルジョイント以外のジョイント（例えば、ボールジョイントや球面ジョイントなど）により連結されてもよい。

【0022】

スリーブ５内からはピストン６が第２圧力室４３を超えて左方に延びている。ピストン６は、スリーブ５と摺動可能に嵌合する。ピストン６は、第２ハウジング４における第２圧力室４３の左方に位置する部分を貫通している。ピストン６における第２ハウジング４の外側に位置する左側部分は、ケーシング７３内に収容されている。

【0023】

ピストン６の左側部分には、ナット７１が固定されている。より詳しくは、ピストン６の左側部分には、当該ピストン６の中心線上に、左方に開口する保持穴６５が設けられており、この保持穴６５内にナット７１が挿入されている。なお、ピストン６は、図略のガイド機構により、左右方向にのみ移動可能となる（すなわち、回転が禁止される）ようにガイドされている。

【0024】

ナット７１には、ねじ軸７２が螺合している。ねじ軸７２は、上述した電動モータ７４により回転される。すなわち、電動モータ７４がねじ軸７２を一方向に回転させると、ナット７１が固定されたピストン６が右方に移動し、電動モータ７４がねじ軸７２を逆方向に回転させると、ナット７１が固定されたピストン６が左方に移動する。また、詳しくは後述するが、スリーブ５はピストン６の移動に追従して移動するので、スリーブ５と連結されたスプール３もピストン６と同方向に同量だけ移動する。

【0025】

さらに、本実施形態では、図３に示すように、ピストン６の左側部分とケーシング７３との間に、電動モータ７４に電力が供給されていないときにスプール３を中立位置に維持するための機構が設けられている。この機構は、ナット７１が内部に位置するように配置されたコイルばね８１と、コイルばね８１の両端部を支持する第１ばね受け８２および第２ばね受け８３を含む。

【0026】

コイルばね８１は、スプール３を中立位置に維持するための付勢力をピストン６に与える。第１ばね受け８２および第２ばね受け８３のそれぞれは、リング状であり、ピストン６の左側部分と摺動可能に嵌合している。

【0027】

ピストン６の左端には、第１ばね受け８２との当接用のフランジ６６が設けられている。また、フランジ６６から右側に離間する位置では、第２ばね受け８３との当接用のストッパー６７がピストン６に取り付けられている。

【0028】

さらに、筒状のケーシング７３の内側面には、フランジ６６と対応する位置に第１段差部８４が設けられているとともに、ストッパー６７と対応する位置に第２段差部８５が設けられている。

【0029】

このような構造により、電動モータ７４に電力が供給されていないときは、コイルばね８１の付勢力によって第１ばね受け８２がフランジ６６と第１段差部８４の双方に当接するとともに第２ばね受け８３がストッパー６７と第２段差部８５の双方に当接する。これにより、スプール３が中立位置に維持される。

【0030】

スプール３が中立位置に位置する状態からピストン６が右方に移動したときは、第１ばね受け８２がフランジ６６に押されて第１段差部８４から離間するとともに、ストッパー６７が第２ばね受け８３から離間する。逆に、スプール３が中立位置に位置する状態からピストン６が左方に移動したときは、フランジ６６が第１ばね受け８２から離間するとともに、第２ばね受け８３がストッパー６７に押されて第２段差部８５から離間する。

【0031】

次に、図２を参照して、第２ハウジング４およびその内部の構造をより詳しく説明する。

【0032】

第２ハウジング４の外表面には、作動液の圧力源１１（例えば、液圧ポンプ）と接続されるべき入力ポート４ａと、例えば作動液用のタンク１２などと接続されるドレンポート４ｂが形成されている。例えば、第１ハウジング２の流路２２～２４間に流れる流体がオイルである場合、圧力源１１から入力ポート４ａに供給される作動液は、そのオイルと同じオイルであってもよい。

【0033】

第２ハウジング４には、入力ポート４ａから第１圧力室４２に至る第１流路４４が形成されている。すなわち、第１圧力室４２は、第１流路４４を介して入力ポート４ａと連通する。

【0034】

スリーブ５の内部空間の底部（右側部分）には、ピストン６の右端面に面するドレン室５３が形成されている。また、スリーブ５には、ドレン室５３から径方向外向きに延びる複数の横穴５４，５５が設けられている。

【0035】

第２ハウジング４のサーボ室４１の内周面には、横穴５４，５５と対応する位置に環状溝４６が設けられている。さらに、第２ハウジング４には、環状溝４６の底からドレンポート４ｂに至る第２流路４７が形成されている。

【0036】

ピストン６には、当該ピストン６の中心線に沿って縦穴６３が設けられている。この縦穴６３は、ドレン室５３と上述した保持穴６５とを連通する。

【0037】

さらに、ピストン６の外周面には、第１環状溝６１と、第１環状溝６１よりも右方に位置する第２環状溝６２が設けられている。これにより、第１環状溝６１と第２環状溝６２の間にランド部６０が形成されている。

【0038】

スリーブ５には、第１圧力室４２と第１環状溝６１とを連通する第１流路５１が形成されているとともに、第２圧力室４３を第１環状溝６１または第２環状溝６２と連通させるための第２流路５２が形成されている。第２流路５２は、スリーブ５の内周面上に、第１環状溝６１用の第１開口５２ａと、第２環状溝６２用の第２開口５２ｂを有している。

【0039】

第１開口５２ａの左端から第２開口５２ｂの右端までの距離は、ランド部６０の幅（第１環状溝６１から第２環状溝６２までの距離）と等しく設定されている。さらに、ピストン６には、第２環状溝６２の底から縦穴６３に至る複数の横穴６４が設けられている。

【0040】

スリーブ５の外径は、摺動穴２１内のスプール３の最大径よりも大きく設定されている。このため、スリーブ５には、第１圧力室４２内の作動液により左向きの力Ｆ１が作用する。第１圧力室４２の圧力をＰ１、摺動穴２１内のスプール３の最大径をＤａ、スリーブ５の外径をＤｂとしたとき、
Ｆ１＝Ｐ１×π×（（Ｄｂ／２）^２－（Ｄａ／２）^２）
である。

【0041】

一方、スリーブ５には、第２圧力室４３内の作動液により右向きの力Ｆ２も作用する。第２圧力室４３の圧力をＰ２、スリーブ５の外径をＤｂ、ピストン６の直径をＤｃとしたとき、
Ｆ２＝Ｐ１×π×（（Ｄｂ／２）^２－（Ｄｃ／２）^２）
である。

【0042】

以上説明したような構成では、第２圧力室４３の圧力Ｐ２が、スリーブ５に作用する左向きの力Ｆ１と右向きの力Ｆ２がつり合う（Ｆ１＝Ｆ２）ように調整される。そのつり合い状態では、スリーブ５が、第２流路５２の第１開口５２ａおよび第２開口５２ｂがピストン６のランド部６０により閉塞される位置に位置する。それ故、第２圧力室４３は、ピストン６により入力ポート４ａおよびドレンポート４ｂから遮断される。

【0043】

つり合い状態から電動モータ７４によりピストン６が右方（スプール３に近づく方向）に移動されたときには、第２圧力室４３が、第２流路５２、第１環状溝６１、第１流路５１、第１圧力室４２および第１流路４４を介して入力ポート４ａと連通する。このため、第２圧力室４３の圧力が高くなり、スリーブ５も右方に移動する。しかし、スリーブ５がつり合い状態の位置を超えて右方に移動すると、第２圧力室４３が、第２流路５２、第２環状溝６２、横穴６４、縦穴６３、ドレン室５３、横穴５４，５５、環状溝４６および第２流路４７を介してドレンポート４ｂと連通し、第２圧力室４３の圧力が低くなる。このような作用により、スリーブ５は、再びつり合い状態が形成される位置で停止する。すなわち、スリーブ５は、ピストン６の右方への移動に追従して右方に移動する。

【0044】

逆に、つり合い状態から電動モータ７４によりピストン６が左方（スプール３から遠ざかる方向）に移動されたときには、第２圧力室４３が、第２流路５２、第２環状溝６２、横穴６４、縦穴６３、ドレン室５３、横穴５４，５５、環状溝４６および第２流路４７を介してドレンポート４ｂと連通する。このため、第２圧力室４３の圧力が低くなり、スリーブ５も左方に移動する。しかし、スリーブ５がつり合い状態の位置を超えて左方に移動すると、第２圧力室４３が、第２流路５２、第１環状溝６１、第１流路５１、第１圧力室４２および第１流路４４を介して入力ポート４ａと連通し、第２圧力室４３の圧力が高くなる。このような作用により、スリーブ５は、再びつり合い状態が形成される位置で停止する。すなわち、スリーブ５は、ピストン６の左方への移動に追従して左方に移動する。

【0045】

一方、ピストン６が移動しなければ、つり合い状態が保たれる。つまり、第２圧力室４３はピストン６によって入力ポート４ａおよびドレンポート４ｂから遮断されている。従って、第１ハウジング２の流路２２～２４間に流れる流体からスプール３が力を受けたとしても、第２圧力室４３内の作動液の非圧縮性によりスリーブ５が移動することはない。

【0046】

このように、本発明では、流路２２～２４間に流れる流体からスプール３が受ける力が電動モータ７４に影響を及ぼさないので、電動モータ７４の出力が小さくてもスプール３の位置を精密に制御することができる。

【0047】

（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

【0048】

例えば、スプール３を中立位置に維持するためのコイルばね８１は設けられなくてもよい。ただし、前記実施形態のようにコイルばね８１が設けられれば、電動モータ７４に電力が供給されているか否かに拘らず、流路２２～２４間に流れる流体からスプール３が受ける力が大きい場合でもスプール３を一定位置に維持することができる。しかも、コイルばね８１はナット７１が内部に位置するように配置されているので、コイルばね８１の配置のためにスプール弁１全体の長さを長くする必要はない。

【0049】

（まとめ）
本発明のスプール弁は、複数の流路および摺動穴が形成された第１ハウジングと、前記摺動穴内に摺動可能に挿入されたスプールと、前記摺動穴と同軸上のサーボ室を形成する第２ハウジングと、前記サーボ室内に摺動可能に挿入された、前記サーボ室を前記第１ハウジングに隣接する第１圧力室と前記第１ハウジングから離れた第２圧力室とに仕切るスリーブであって、前記第１圧力室内で前記スプールと連結されたスリーブと、前記スリーブと摺動可能に嵌合する、前記スリーブ内から前記第２圧力室を超えて延びるピストンと、前記ピストンに固定されたナットと、前記ナットと螺合するねじ軸と、前記ねじ軸を回転させる電動モータと、を備え、前記第２ハウジングには、作動液の圧力源と接続されるべき入力ポートと、ドレンポートが形成され、前記第１圧力室は、前記入力ポートと連通し、前記第２圧力室は、前記第１圧力室内の作動液が前記スリーブに作用する力と前記第２圧力室内の作動液が前記スリーブに作用する力がつり合うつり合い状態では前記ピストンにより前記入力ポートおよび前記ドレンポートから遮断され、前記つり合い状態から前記ピストンが前記スプールに近づく方向に移動したときに前記入力ポートと連通し、前記つり合い状態から前記ピストンが前記スプールから遠ざかる方向に移動したときに前記ドレンポートと連通する、ことを特徴とする。

【0050】

上記の構成によれば、つり合い状態から電動モータによりピストンがスプールに近づく方向に移動されたときには、第２圧力室が入力ポートと連通する。このため、第２圧力室の圧力が高くなり、スリーブもスプールに近づく方向に移動する。しかし、スリーブがつり合い状態の位置を超えて移動すると、第２圧力室がドレンポートと連通し、第２圧力室の圧力が低くなる。このような作用により、スリーブは、再びつり合い状態が形成される位置で停止する。すなわち、スリーブは、ピストンの移動に追従して移動する。つり合い状態からピストンが電動モータによりスプールから遠ざかる方向に移動されたときも同様である。

【0051】

一方、ピストンが移動しなければ、つり合い状態が保たれる。つまり、第２圧力室はピストンによって入力ポートおよびドレンポートから遮断されている。従って、第１ハウジングの流路間に流れる流体からスプールが力を受けたとしても、第２圧力室内の作動液の非圧縮性によりスリーブが移動することはない。

【0052】

このように、本発明では、流路間を流れる流体からスプールが受ける力が電動モータに影響を及ぼさないので、電動モータの出力が小さくてもスプールの位置を精密に制御することができる。

【0053】

上記のスプール弁は、前記ナットが内部に位置するように配置された、前記スプールを中立位置に維持するための付勢力を前記ピストンに与えるコイルばねをさらに備えてもよい。この構成によれば、電動モータに電力が供給されているか否かに拘らず、流路間に流れる流体からスプールが受ける力が大きい場合でもスプールを一定位置に維持することができる。しかも、コイルばねはナットが内部に位置するように配置されているので、コイルばねの配置のためにスプール弁全体の長さを長くする必要はない。

【符号の説明】

【0054】

１ スプール弁
１１ 圧力源
２ 第１ハウジング
２１ 摺動穴
２２～２４ 流路
３ スプール
４ 第２ハウジング
４ａ 入力ポート
４ｂ ドレンポート
４１ サーボ室
４２ 第１圧力室
４３ 第２圧力室
５ スリーブ
６ ピストン
７１ ナット
７２ ねじ軸
７４ 電動モータ
８１ コイルばね

【図1】

【図2】

【図3】