JP6717541B2 - 弁装置およびこれを備えた流体圧システム - Google Patents

Description

本発明は、作動流体を操作部の操作に応じてアクチュエータに供給する弁装置およびこれを備えた流体圧システムに関する。

従来、例えば油圧ショベルなどの作業機械に用いられる流体圧システムとしての油圧システムとして、センタバイパス回路を有する、いわゆるオープンセンタタイプのコントロールバルブを用いてセンタバイパス回路のネガティブフローコントロール圧（以下、ネガコン圧）を検出し、この検出したネガコン圧に基づいてポンプ制御（ネガティブコントロール制御）を行うものがある。このネガティブコントロール制御を用いた油圧システムは、アクチュエータを稼動しない無負荷状態であることをセンタバイパス回路のネガコン圧の上昇により検出し、無負荷状態でのポンプ吐出流量を減少させることにより省エネルギ化を図っている（例えば、特許文献１参照。）。

この油圧システムに用いられる上記特許文献１記載のコントロールバルブは、ポンプから供給される圧油の流路としてコントロールバルブにセンタバイパス回路のほか、個々のバルブセクションを介してアクチュエータに圧油を供給するための流路（パラレルフィーダ回路）を設けているため、大型化が避けられず、また、センタバイパス回路の油路形状が複雑であり、鋳物形状が複雑になるという問題点がある。

この点、例えば別のポンプ制御方法として、オペレータが操作する操作レバーの操作量から要求されるポンプ吐出流量を算出し、これに基づいてポンプを制御するポジティブコントロール制御がある。このポジティブコントロール制御を用いた油圧システムにおいては、ポンプ制御にネガコン圧の検出を必要としないことから、コントロールバルブにはセンタバイパス回路を有するものと有さないものとのいずれも使用可能である。

また、油圧ショベルのような作業機械に用いられる油圧システムには、複数の油圧ポンプが用いられることが多く、この場合、基本的には例えば一方のポンプでブーム、バケット、および左右いずれか一方の走行モータの駆動を行い、他方のポンプでアーム、旋回および左右いずれか他方の走行モータの駆動を行う、というように、各アクチュエータがそれぞれの使用頻度および駆動に必要となる流量に応じていずれか一方の油圧ポンプ回路に振り分けられている。したがって、コントロールバルブユニット全体において、各アクチュエータへ圧油量を制御する各バルブセクションはそのアクチュエータが属する油圧ポンプ回路側に別々に分けて配置する必要がある。

このとき、例えば周知のブーム合流回路（ブーム上げ速度を増加するために一方のポンプに接続されるブーム上げ油路に対して他方のポンプ側の圧油を合流させる回路）を設けるためには、コントロールバルブ構造内にブームセクションに向けて複数のバルブセクションを貫くような長い油路を設ける必要があり（例えば、特許文献２および３参照。）、この場合にも上述したようなコントロールバルブの大型化および鋳物形状の複雑化を招く要因となっている。

具体的に、上記特許文献２には、２つのポンプからの供給路がコントロールバルブ全体に通る油圧回路の構成が記載されている。この構成では、全てのセクションに対して１ポンプ分の圧油を供給、または２ポンプ分の圧油を合流させて供給、を切り換え可能としており、全てのセクション内に２ポンプ合流のための油路を有していることにより、１つのセクション内の油路構造が非常に複雑となっている。

また、上記特許文献３には、上記特許文献２記載の構成と同様に、１つの油圧系統に２つのポンプから圧油を供給する油圧回路構成であって、各セクションへの圧油の供給を２つのポンプ供給路とは別個に設けたパラレル回路により補償しつつ、必要に応じて２ポンプ分の圧油を合流させて供給可能としている構成が記載されている。この構成では、各セクション内で２つのポンプ供給路のうち１つをプラグで閉じているが、パラレル回路側を経由して供給される圧油についていずれかを選択するものではなく、２つのポンプから供給される圧油のうちいずれかのみを選択してアクチュエータに供給していない。

特開昭５９−４３２０４号公報 特開昭５８−４２８０３号公報 特表２００７−５０１９１４号公報

上述したように、弁本体の大型化および構造の複雑化を抑制した弁装置が望まれている。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、弁本体の小型化および構造の簡素化が可能な弁装置およびこれを備えた流体圧システムを提供することを目的とするものである。

請求項１記載の発明は、複数系統の吐出源から吐出される作動流体を操作部の操作に応じて複数のアクチュエータに供給する弁装置であって、弁本体と、アクチュエータにそれぞれ対応して弁本体に複数設けられたスプール孔、および、これらスプール孔の内部にそれぞれ変位自在に設けられ、操作部の操作に応じてアクチュエータに供給する作動流体の流量および方向を制御するブリッジ回路を構成するスプールを備えたセクションと、吐出源にそれぞれ接続されて弁本体に複数のスプール孔を貫通して直線状に設けられ、スプールの変位により遮断されないパラレルフィーダ通路と、セクション毎にこれらパラレルフィーダ通路のいずれか一方を内部のスプールのブリッジ回路に接続する接続通路とを具備した弁装置である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の弁装置において、パラレルフィーダ通路にそれぞれ対応して弁本体に設けられ、操作部の非操作時にパラレルフィーダ通路とタンクとを連通するとともに操作部の操作時にパラレルフィーダ通路とタンクとの連通を遮断するように切り換えられる切換弁を備えたものである。

請求項３記載の発明は、複数系統の吐出源と、操作部と、複数のアクチュエータと、請求項１または２記載の弁装置と、操作部の操作に応じて少なくとも吐出源からの作動流体の吐出量および弁装置のスプールの動作を制御するコントローラとを具備した流体圧システムである。

請求項１記載の発明によれば、複数の吐出源にそれぞれ接続されスプールの変位により遮断されない複数のパラレルフィーダ通路を、弁本体に複数のスプール孔を貫通して直線状に設け、セクション毎にこれらパラレルフィーダ通路のいずれか一方を内部のスプールのブリッジ回路に接続通路により接続することで、パラレルフィーダ通路を単純な形状で配置できるとともに、接続通路を適宜設けるだけで、各セクションがいずれの吐出源の系統に属するかによらずセクションの配置を弁本体内で自由に行うことができる。したがって、弁本体の小型化および構造の簡素化を図ることができる。

請求項２記載の発明によれば、操作部の操作時には、パラレルフィーダ通路とタンクとの連通を切換弁によって遮断して作動流体を適切に昇圧させ、操作に応じて変位したスプールによってアクチュエータに対して作動流体を確実に供給しアクチュエータを適切に動作させることができる。

請求項３記載の発明によれば、操作部の操作に応じて吐出源からの作動流体の吐出量および弁装置のスプールの動作をコントローラによって制御することで、複数のアクチュエータを動作させる流体圧システムを小型でかつ安価に実現できる。

本発明に係る弁装置の一実施の形態を示す縦断平面図である。 同上弁装置を示す縦断側面図である。 同上弁装置を備えた流体圧システムを示す回路図である。

以下、本発明を、図１乃至図３に示された一実施の形態に基いて詳細に説明する。

例えば油圧ショベルなどの作業機械に用いられる流体圧システムとしての油圧システムは、図３に示されるように、複数、例えば一対の吐出源としての斜板式などの可変容量型のポンプ11，12の吐出ライン13，14と、流体圧シリンダとしての油圧シリンダあるいは流体圧モータとしての油圧モータなどの複数のアクチュエータ15との間に、弁装置としてのコントロールバルブ16の複数のスプール17がそれぞれ設けられている。これらスプール17は、それぞれアクチュエータ15に対して作動流体である作動油を流量制御および方向制御することでアクチュエータ15を駆動するためのブリッジ回路Ｂを構成している。

また、ポンプ11，12の吐出ライン13，14は、これらポンプ11，12に対応して設けられるパラレルフィーダ通路であるパラレルフィーダ油路21，22を介して、切換弁としてのバイパスバルブ23，24を経てタンク25に連通可能に設けられている。これらパラレルフィーダ油路21，22は、各スプール17に対して、いずれか一方が接続通路である接続油路26，27を介して連通可能に設けられている。図中においては、例えば右側のスプール17がポンプ11の系統に属するものであり、左側のスプール17がポンプ12の系統に属するものである。また、これら接続油路26，27には、パラレルフィーダ油路21，22への作動油の戻りを阻止する逆止弁28，29が設けられている。したがって、ポンプ11の系統に属するスプール17と、ポンプ12の系統に属するスプール17とは、油圧回路上において、ポンプ11の系統に属するスプール17がパラレルフィーダ油路21に対して接続油路26によって接続され、ポンプ12の系統に属するスプール17がパラレルフィーダ油路22に対して接続油路27によって接続されている点のみが異なっている。

そして、油圧システムには、運転席に設けられオペレータにより操作される操作レバーや操作ペダルなどの例えば電気式の操作部31と、この操作部31と電気的に接続されたコントローラ（車載コントローラ）32と、各スプール17に対応して設けられた電油変換弁としての電磁比例減圧弁33，34とがさらに備えられる。操作部31は、間接的にスプール17を操作量に応じてパイロット制御するもので、各種アクチュエータ15の操作量（操作の有無を含む）は電気信号に変換されてコントローラ32に入力される。そして、コントローラ32は、電気信号を介して入力された操作部31の操作量により要求されるポンプ吐出流量などを算出し、これに基づいてポンプ11，12の吐出量（斜板傾斜角）、電磁比例減圧弁33，34を介した各スプール17の動作、および、バイパスバルブ23，24の切り換えなどをそれぞれ制御可能なポジティブコントロール制御を行う。したがって、本実施の形態の油圧システムのコントロールバルブ16は、センタバイパス回路を備えない、クローズドセンタタイプのものとなっている。

図１乃至図３に示すコントロールバルブ16は、弁本体としてのブロック状のバルブボディ37と、このバルブボディ37に設けられたスプール孔38と、これらスプール孔38の内部にそれぞれ変位自在に配置されたスプール17と、バルブボディ37に設けられたパラレルフィーダ油路21，22と、バイパスバルブ23，24と、接続油路26，27（逆止弁28，29）とを備えている。すなわち、このコントロールバルブ16は、複数のスプール17とバイパスバルブ23，24とをバルブボディ37に一体に備える複合弁として構成される。

バルブボディ37は、例えば金属などの部材により鋳造される。このバルブボディ37は、本実施の形態において、水平方向に沿って長手状に形成されている。このバルブボディ37には、アクチュエータ15からタンク25への戻り流路である戻り油路41，42などが設けられている。なお、以下、コントロールバルブ16は、長手方向（図１中の左右方向）を水平方向に沿う前後方向、短手方向（図１および図２中の上下方向）を水平方向に沿う左右方向、これら長手方向および短手方向と直交する方向を鉛直方向に沿う上下方向として説明するが、これに限定されるものではない。

戻り油路41，42は、バルブボディ37に対して所定方向、例えばこのバルブボディ37の前後方向に沿って長手直線状に設けられている。また、これら戻り油路41，42は、全てのスプール孔38を貫通して（全てのスプール孔38に連通して）設けられている。

スプール孔38は、アクチュエータ15に対応して複数設けられている。これらスプール孔38は、バルブボディ37に対して所定方向、例えばこのバルブボディ37の長手方向と交差（直交）する左右方向に沿って長手直線状に設けられ、バルブボディ37の長手方向に略平行に並んで配置されている。これらスプール孔38に連通して、複数の流体溝である油溝43がバルブボディ37に設けられている。これら油溝43は、必要なブリッジ回路Ｂを構成するように設けられている。また、スプール孔38の両端には、これらスプール孔38に連通して、スプール17の摺動用のパイロット圧が供給されるパイロット油室44，45がそれぞれバルブボディ37のカバーキャップに設けられている。これらパイロット油室44，45は、それぞれパイロット二次通路46，47を介して電磁比例減圧弁33，34と接続され、パイロットポンプなどのパイロット圧力源から供給されるパイロット１次圧が電磁比例減圧弁33，34により変換されたパイロット２次圧が供給されるようになっている。

スプール17は、軸方向作動型のものであり、スプール孔38に対して軸方向に沿って摺動自在（変位自在）に配置されている。各スプール17には、電磁比例減圧弁33，34がそれぞれ端部に配置されている。また、各スプール17は、径寸法が相対的に大きく油溝43を閉じる閉塞部17aと径寸法が相対的に小さく油溝43を開く凹部17bとを適宜備えている。さらに、これらスプール17の一端部には、スプリング51が設けられている。そして、各スプール17は、操作部31の非操作時に、パイロット油室44，45のパイロット２次圧が略０になるとともにスプリング51の付勢力が作用することによって中立位置となり、操作部31の操作時に、この操作に応じてコントローラ32から入力された電気信号により切り換えられた電磁比例減圧弁33，34を介してパイロット油室44，45に供給されたパイロット２次圧によって変位され、この変位により油溝43に対する閉塞部17aおよび凹部17bの相対位置が変位することで油溝43とパラレルフィーダ油路21，22またはタンク25との連通量（開口面積）を変化させ、ポンプ11，12からパラレルフィーダ油路21，22を介して供給された作動油および各アクチュエータ15からタンク25への戻り油の流量および方向を制御するようになっている。すなわち、これらスプール17は、操作部31の操作に応じてアクチュエータ15に供給する作動油の流量および方向を制御するブリッジ回路Ｂを構成している。

そして、これらスプール孔38とスプール17とによって、互いに隣接配置されたセクション53がそれぞれ構成されている。すなわち、これらセクション53は、アクチュエータ15に対応して（１つのアクチュエータ15に対して少なくとも１つずつ）それぞれ設定される。したがって、例えば油圧ショベルの場合、セクション53は、走行用、旋回用、ブーム用、スティック用、バケット用、アタッチメント用などに対応してそれぞれ設定されている。また、例えばブーム用には、２つセクション53が設けられていてもよい。そして、各セクション53は、パラレルフィーダ油路21，22を介して、ポンプ11，12のいずれか１つの系統のみから圧油が供給されるようになっている。一方、必要に応じて、異なるポンプ系統の複数のセクション53どうし、本実施の形態ではポンプ11の系統と、ポンプ12の系統とを連通して、これらポンプ11，12から吐出された作動油を合流させてセクション53に供給する合流回路55が構成されていてもよい。この合流回路55としては、例えば油圧ショベルの場合、ブーム上げを増速するためにポンプ11，12から吐出された圧油を合流させるブーム増速回路などが用いられる。この合流回路55は、例えば異なるポンプ系統の複数のセクション53それぞれに供給された作動油を油溝43およびスプール孔38を介していずれか一方のセクション53に合流させるよう、セクション53間を連通してバルブボディ37に設けられている。

パラレルフィーダ油路21，22は、バルブボディ37に対してスプール孔38と交差（直交）する所定方向、例えばバルブボディ37の長手方向である前後方向に沿って直線状に設けられている。すなわち、これらパラレルフィーダ油路21，22は、戻り油路41，42に対して略平行に配置されている。これらパラレルフィーダ油路21，22は、例えばバルブボディ37の左右方向の略中央位置（スプール17の略中央位置）にて互いに略平行に配置されている。すなわち、これらパラレルフィーダ油路21，22は、オープンセンタタイプのコントロールバルブにおけるセンタバイパス回路の位置に配置されている。さらに、これらパラレルフィーダ油路21，22は、全てのスプール孔38を貫通して（全てのスプール孔38に連通して）設けられている。また、これらパラレルフィーダ油路21，22は、スプール17の外径に対して広い油路（スプール17の周囲に隙間を有する油路）となっている。このため、これらパラレルフィーダ油路21，22は、スプール孔38内でのスプール17の変位に対して遮断されないように構成されている。換言すれば、これらパラレルフィーダ油路21，22は、いずれのスプール17が変位されている場合でも、そのスプール17を有するセクション53の下流側に位置するセクション53に対する圧油供給が妨げられないように構成されている。したがって、本実施の形態の油圧システムでは、各セクション53に並列（パラレル）に圧油が供給されるようになっている。

バイパスバルブ23，24は、例えばバルブボディ37の長手方向の一端である後端（あるいは前端）に配置されている。これらバイパスバルブ23，24は、ポンプ流路の末端（最下流）に設けられており、コントローラ32により開閉が制御され、操作部31の中立時（非操作時）に開かれてポンプ11，12から吐出された作動油をパラレルフィーダ油路21，22からタンク25へとブリードオフし、操作部31の操作時に閉じられるように切り換えられる。したがって、バイパスバルブ23，24は、操作部31が操作されている限り、ポンプ流路の下流側で圧油がタンク25に逃げてアクチュエータ15に充分な圧油が供給されないことなどが生じないようになっている。換言すれば、本実施の形態の油圧システムのポンプ流路は、各セクション53にパラレルに圧油を供給する機能と、操作部31の非操作時に圧油をタンク25に戻す機能（ブリードオフ機能）との両方の機能を有している。

接続油路26，27は、パラレルフィーダ油路21，22に対して交差（直交）する所定方向、例えばバルブボディ37の前後方向に沿って設けられている。例えば、図２には接続油路26が示されており、この接続油路26は、複数（一対）の油溝43，43と連通され、これら油溝43，43間に逆止弁28が設けられている。すなわち、図２に示されるセクション53は、ポンプ11の系統のセクションとして用いることができる。図示しないが、接続油路27（ポンプ12の系統）についても同様の構成となっている。

次に、図示された実施の形態の動作を説明する。

操作部31の非操作時（全てのスプール17が中立のとき）には、バイパスバルブ23，24が開いており、ポンプ11，12から吐出されてパラレルフィーダ油路21，22を介して供給される圧油がタンク25へとバイパスされる。

一方、操作部31を操作した際には、この操作内容に応じた電気信号が入力されたコントローラ32が、この入力電気信号に対応して生成した電気信号を出力することにより、ポンプ11，12の吐出量を制御するとともにポンプ流路の最下流に設けたバイパスバルブ23，24を閉じるように切り換えさせることでポンプ流路を適切に昇圧させ、かつ、パイロット圧力源から必要となるパイロット２次圧を供給してスプール17を変位させることで操作に応じたアクチュエータ15に対してこのアクチュエータ15に対応するセクション53が属するポンプ11，12のいずれかの系統からパラレルフィーダ油路21，22および接続油路26，27を介して圧油を給排し、アクチュエータ15を適宜動作させる。

なお、例えばブーム上げ動作のように増速が必要な場合には、合流回路55を介して両方のポンプ11，12から供給された圧油を合流させてセクション53に供給する。

次に、上記実施の形態の作用効果を列記する。

ポンプ11，12にそれぞれ接続されスプール17の変位により遮断されないパラレルフィーダ油路21，22を、バルブボディ37に全てのスプール孔38（セクション53）を貫通して直線状に設け、セクション53毎にこれらパラレルフィーダ油路21，22のいずれか一方を接続油路26，27により内部のスプール17のブリッジ回路Ｂに接続することで、従来のネガティブコントロール用のコントロールバルブにおいて設けていたセンタバイパス回路を削除し、このセンタバイパス回路が設けられるスペースにパラレルフィーダ油路21，22を単純な形状で配置できる。したがって、バルブボディ37の鋳物形状の簡素化および小型化を図ることができる。

また、パラレルフィーダ油路21，22のいずれかのみを接続油路26，27によりブリッジ回路Ｂに連通する構造とすることで、各セクション53（アクチュエータ15）がいずれのポンプ11，12の系統に属するかによらずセクション53の配置をバルブボディ37内で自由に行うことができる。すなわち、複数の（全ての）セクション53を貫通してパラレルフィーダ油路21，22が設けられているので、従来のようにポンプ11の系統のセクション53とポンプ12の系統のセクション53とに分けて配置する必要がなく、接続油路26，27を適宜設けるだけで、例えばポンプ11の系統に属するブーム用のスプール17と、ブーム上げ操作時にポンプ12側の圧油を合流させるためのブーム用のスプール17となど、ポンプ11の系統のセクション53と、ポンプ12の系統のセクション53とを隣接配置することが可能になるなど、各セクション53がいずれのポンプ11，12の系統に属するかによらずセクション53の配置の自由度が向上する。このため、互いに異なるポンプ11，12の系統に属する複数のセクション53，53を合流させる合流回路55を最小限の長さ（隣接するセクション53，53間のみの長さ）で短く設定でき、これによってもバルブボディ37の鋳物形状の簡素化および小型化を図ることができる。

この結果、コントロールバルブ16のバルブボディ37の構造内の油路の減少、および、油路形状の単純化が可能となり、コントロールバルブ16のバルブボディ37の小型化および構造の簡素化が可能になる。したがって、コントロールバルブ16を低コストで製造できる。

また、操作部31の非操作時にパラレルフィーダ油路21，22とタンク25とを連通するとともに操作部31の操作時にパラレルフィーダ油路21，22とタンク25との連通を遮断するように切り換えられるバイパスバルブ23，24をパラレルフィーダ油路21，22にそれぞれ対応してバルブボディ37に設けることで、操作部31の操作時にはパラレルフィーダ油路21，22とタンク25との連通をバイパスバルブ23，24によって遮断してポンプ流路の作動油を適切に昇圧させ、操作に応じて変位したスプール17によってアクチュエータ15に対して圧油を確実に供給しアクチュエータ15を適切に動作させることができる。

そして、操作部31の操作に応じてポンプ11，12からの作動油の吐出量および上記のコントロールバルブ16のスプール17の動作をコントローラ32によって制御することで、複数のアクチュエータ15を動作させる油圧システムを小型でかつ安価に実現できる。

なお、実際に油圧ショベルに対して上記のコントロールバルブ16を採用する場合、セクション53は、走行操作時の直進性確保のために、周知の走行直進弁（走行時のポンプ11，12のうち一方からの圧油のみを２つのアクチュエータ15，15である走行モータに分配して、左右２つの走行モータに供給される圧油の量の左右差を無くすための弁）を用いるときには、この走行直進弁をポンプ11，12のいずれかのポンプ流路の最上流に配置し、この走行直進弁の下流側に走行用のセクション53を配置することが望ましい。

上記一実施の形態において、吐出源となるポンプは３以上でもよい。この場合には、これらポンプの数に対応してパラレルフィーダ通路をバルブボディに設けることで、同様の作用効果を奏することができる。

本発明は、油圧システムに用いるコントロールバルブ、および、このコントロールバルブを用いた作業機械の製造などに関わる事業者にとって利用可能性がある。

Ｂ ブリッジ回路
11，12 吐出源としてのポンプ
15 アクチュエータ
16 弁装置としてのコントロールバルブ
17 スプール
21，22 パラレルフィーダ通路であるパラレルフィーダ油路
23，24 切換弁としてのバイパスバルブ
25 タンク
26，27 接続通路である接続油路
31 操作部
32 コントローラ
37 弁本体としてのバルブボディ
38 スプール孔
53 セクション

Claims (3)

1. 複数系統の吐出源から吐出される作動流体を操作部の操作に応じて複数のアクチュエータに供給する弁装置であって、
   弁本体と、
   アクチュエータにそれぞれ対応して弁本体に複数設けられたスプール孔、および、これらスプール孔の内部にそれぞれ変位自在に設けられ、操作部の操作に応じてアクチュエータに供給する作動流体の流量および方向を制御するブリッジ回路を構成するスプールを備えたセクションと、
   吐出源にそれぞれ接続されて弁本体に複数のスプール孔を貫通して直線状に設けられ、スプールの変位により遮断されないパラレルフィーダ通路と、
   セクション毎にこれらパラレルフィーダ通路のいずれか一方を内部のスプールのブリッジ回路に接続する接続通路と
   を具備したことを特徴とする弁装置。
2. パラレルフィーダ通路にそれぞれ対応して弁本体に設けられ、操作部の非操作時にパラレルフィーダ通路とタンクとを連通するとともに操作部の操作時にパラレルフィーダ通路とタンクとの連通を遮断するように切り換えられる切換弁を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の弁装置。
3. 複数系統の吐出源と、
   操作部と、
   複数のアクチュエータと、
   請求項１または２記載の弁装置と、
   操作部の操作に応じて少なくとも吐出源からの作動流体の吐出量および弁装置のスプールの動作を制御するコントローラと
   を具備したことを特徴とする流体圧システム。

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