方向制御弁装置
【課題】極めて僅かな制御操作力で制御可能で、閉弁時の漏れ損もない、理想的な方向制御弁装置を提供する。
【解決手段】複数のポペット弁要素３の各々は、ハウジング部材５内を軸方向に移動可能なポペット弁部材７と、カム機構４による押し込みに応じてポペット弁部材７の軸方向に移動する従動部材１５と、ポペット弁部材７と従動部材１５との間に介在され、ポペット弁部材７と従動部材１５との相対変位に応じて撓み量が変化するバネ要素１６とを有し、カム機構４は、複数のポペット弁要素３の内二つのポペット弁要素３を共に駆動するカム部材２４を有し、カム部材２４は、二つのポペット弁要素３の内一方のポペット弁要素３のバネ要素１６の撓み量が増加するときに、他方のポペット弁要素３のバネ要素１６の撓み量が減少するように、二つのポペット弁要素３を駆動するカム山２６を有する。
【解決手段】複数のポペット弁要素３の各々は、ハウジング部材５内を軸方向に移動可能なポペット弁部材７と、カム機構４による押し込みに応じてポペット弁部材７の軸方向に移動する従動部材１５と、ポペット弁部材７と従動部材１５との間に介在され、ポペット弁部材７と従動部材１５との相対変位に応じて撓み量が変化するバネ要素１６とを有し、カム機構４は、複数のポペット弁要素３の内二つのポペット弁要素３を共に駆動するカム部材２４を有し、カム部材２４は、二つのポペット弁要素３の内一方のポペット弁要素３のバネ要素１６の撓み量が増加するときに、他方のポペット弁要素３のバネ要素１６の撓み量が減少するように、二つのポペット弁要素３を駆動するカム山２６を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧動作システムの制御に用いられる油圧回路の方向制御弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な油圧動作機械の制御機構要素として、油圧回路間の導通関係を切り換える方向制御弁が多用されている。
【０００３】
この方向制御弁の形態として最も一般的なのは、所謂スプール弁である。このスプール弁は、円筒状の穴の内部に外径段差部を有するロッドを挿入し、そのロッドの軸方向位置をスライド変化させることによって、複数の油圧回路の導通穴とロッドの外径段差部との重なり状態を変化させて、油圧回路間の導通関係を切り換えるものである。
【０００４】
このスプール弁型の方向制御弁は、極めて僅かな操作力で制御可能な優れた特性から多用されている。しかし、スプール弁型の方向制御弁には、その構造原理上、円筒穴とロッドとの間に摺動運動を可能にする隙間が必要であるために、その隙間を経由した圧力油の導通漏れが避けられず、油圧回路間の完全遮断は不可能であるという弱点がある。そのため、スプール弁型の方向制御弁の用途は、多少の漏れ損が実害とならない、動力駆動油圧ポンプによる大流量循環型の油圧システムに限定される。例えば、アキュムレータ油圧等を油圧源とするシステムのように、油圧回路間の僅かな漏れも嫌う、完全遮断機能が求められる用途の場合には、各油圧回路間の導通状態を各々ポペット弁によって開閉する構造のポペット弁型の方向制御弁が用いられている。この種のポペット弁型の方向制御弁は、例えば特許文献１及び２にも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３２５４７６号公報
【特許文献２】特開平１０−３３２００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のポペット弁型の方向制御弁の場合、各油圧通路間の導通状態を、漏れのない完全遮断にできる点が優れているのであるが、その完全遮断機能を実現している原理が、ポペット弁と弁座とが密着することに依存している。そのため、構成部品の加工寸法のバラツキ等も考慮して確実にポペット弁と弁座との密着状態を保証するために、ポペット弁を弁座に圧接させる弁バネを設け、その弁バネの撓み反力によってポペット弁を弁座に確実に圧接させる構造が最も一般的である。ポペット弁に圧接力を与える他の方法として、油圧推力や電磁力を用いる例もある。
【０００７】
何れにしても、このポペット弁型の方向制御弁の場合、ポペット弁に何らかの方法で圧接力を与える必要があり、その圧接力によって閉弁状態にあるポペット弁を開弁させるためには、その圧接力以上の開弁方向操作力をポペット弁に与えてやらねばならない。
【０００８】
このため、ポペット弁型の方向制御弁は、漏れのない完全遮断機能を実現できる反面、ポペット弁の開閉制御に際して相応の制御操作力を要するという問題が避けられなかった。
【０００９】
ちなみに、ポペット弁型の方向制御弁は、その構造原理として、閉弁時、油圧回路間の導通穴部をポペット弁の圧接によって閉塞させることによって油圧回路間の導通を遮断するものであるから、その遮断した油圧回路間に圧力差がある場合、その圧力差を遮断面積に乗じた差圧推力がポペット弁に作用するので、その差圧推力もポペット弁の開閉状況に大きな影響を与える問題を孕んでいる。この差圧推力の問題に対しては、ポペット弁に、閉弁時の遮断面積による差圧推力と同じ値で逆向きの差圧推力を同時発生させるピストン構造部を追加することで差圧推力を相殺して解消する方策も用いられ、その構造形態としては、様々なものがある。
【００１０】
しかし、このような方法によって差圧推力の影響を解消したとしても、閉弁時の確実な遮断機能を保証するための圧接力が不要になるわけではないので、この場合でもやはり、少なからぬ制御操作力を要するという問題は解消できなかった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、とりわけ油圧回路間の漏れ損を嫌う油圧動作システムに用いられるポペット弁型の方向制御弁の宿命であった、制御操作力が大きいという問題を解消し、極めて僅かな制御操作力で制御可能で、閉弁時の漏れ損もない、理想的な方向制御弁装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、三系統以上の油圧回路間の導通関係を、複数のポペット弁要素の開閉制御によって切り換えると共に、カム機構を用いて、前記複数のポペット弁要素に開閉運動を与える方向制御弁装置であって、前記複数のポペット弁要素の各々は、ハウジング部材内に設けられ、前記ハウジング部材内を軸方向に移動可能なポペット弁部材と、該ポペット弁部材に前記ポペット弁部材の軸方向に移動可能に装着され、制御入力部材となる前記カム機構による押し込みに応じて前記ポペット弁部材の軸方向に移動する従動部材と、前記ポペット弁部材と前記従動部材との間に介在され、前記ポペット弁部材と前記従動部材との相対変位に応じて撓み量が変化するバネ要素とを有し、前記カム機構は、前記複数のポペット弁要素の内二つのポペット弁要素を共に駆動するカム部材を有し、前記カム部材は、前記二つのポペット弁要素の内一方のポペット弁要素のバネ要素の撓み量が増加するときに、他方のポペット弁要素のバネ要素の撓み量が減少するように、前記二つのポペット弁要素を駆動するカム山を有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、とりわけ油圧回路間の漏れ損を嫌う油圧動作システムに用いられるポペット弁型の方向制御弁の宿命であった、制御操作力が大きいという問題を解消し、極めて僅かな制御操作力で制御可能で、閉弁時の漏れ損もない、理想的な方向制御弁装置を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る方向制御弁装置の断面図である。
【図２】図２は、図１の実施形態に係る方向制御弁装置の作動を示す図である。
【図３】図３は、図１の実施形態に係る方向制御弁装置の作動を示す図である。
【図４】図４は、図１の実施形態に係る方向制御弁装置の作動を示す図である。
【図５】図５は、従動部材の応動特性（閉弁→開弁）を示す図である。
【図６】図６は、カム接触角の変化特性（閉弁→開弁）を示す図である。
【図７】図７は、バネ反力及びカム移動負荷の変化特性（閉弁→開弁）を示す図である。
【図８】図８は、従動部材の応動特性（開弁→閉弁）を示す図である。
【図９】図９は、カム接触角の変化特性（開弁→閉弁）を示す図である。
【図１０】図１０は、バネ反力及びカム移動負荷の変化特性（開弁→閉弁）を示す図である。
【図１１】図１１は、同期相殺時カム移動負荷特性を示す図である。
【図１２】図１２は、従動部材変位特性を示す図である。
【図１３】図１３は、開弁リフト量特性を示す図である。
【図１４】図１４は、弁バネ撓み量特性を示す図である。
【図１５】図１５は、カム接触角変化特性を示す図である。
【図１６】図１６は、カム移動方向分力特性を示す図である。
【図１７】図１７は、他の実施形態に係る方向制御弁装置の断面図である。
【図１８】図１８は、図１７の実施形態に係る方向制御弁装置の作動を示す図である。
【図１９】図１９は、図１７の実施形態に係る方向制御弁装置の作動を示す図である。
【図２０】図２０は、図１７の実施形態に係る方向制御弁装置の作動を示す図である。
【図２１】図２１は、図１７の実施形態に係る方向制御弁装置の作動を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態に係る方向制御弁装置１は、三系統以上（図示例では三系統）の油圧回路間の導通関係を、複数（図示例では二つ）のポペット弁要素３の開閉制御によって切り換えると共に、確動型のカム機構４を用いて、複数のポペット弁要素３に開閉運動を与えるものである。
【００１７】
本実施形態に係る方向制御弁装置１は、三系統の油圧回路Ａ、Ｂ、Ｃが接続されるハウジング部材５を備えている。ハウジング部材５には、互いに平行に二つの中空孔６が形成され、各中空孔６は、後述するポペット弁部材７によって、ポペット弁部材７の軸方向両端部側の第一室８及び第二室９と、中間の第三室１０とに分割されている。また、ハウジング部材５の側壁部には、外部から右方の第三室１０に連通する第一ポート１１と、外部から右方の第一室８に連通する第二ポート１２と、外部から左方の第一室８に連通する第三ポート１３とが形成されている。また、ハウジング部材５の中間壁部には、右方の第三室１０と左方の第三室１０とを連通する連通ポート１４が形成されている。
【００１８】
本実施形態では、ハウジング部材５の第一ポート１１に油圧回路Ａが接続され、第二ポート１２に油圧回路Ｂが接続され、第三ポート１３に油圧回路Ｃが接続されている。
【００１９】
本実施形態では、ポペット弁要素３の各々は、ハウジング部材５内に設けられ、ハウジング部材５内を軸方向に移動可能なポペット弁部材７と、ポペット弁部材７にポペット弁部材７の軸方向に移動可能に装着され、制御入力部材となるカム機構４のカム部材２４による押し込みに応じてポペット弁部材７の軸方向に移動する従動部材１５と、ポペット弁部材７と従動部材１５との間に介在され、ポペット弁部材７と従動部材１５との相対変位に応じて撓み量が変化するバネ要素１６とを有する。
【００２０】
本実施形態では、二つのポペット弁要素３のポペット弁部材７は互いに平行（図１中の上下方向）に移動可能にハウジング部材５に配設されている。本実施形態のポペット弁部材７は、第一棒部１７と、第一鍔部１８と、第二鍔部１９と、第二棒部２０とから主に構成され、第一棒部１７がハウジング部材５にスライド可能に支持され、第一鍔部１８が第一室８と第三室１０とを区画し、第二鍔部１９がハウジング部材５にスライド可能に支持されて第二室９と第三室１０とを区画し、第二棒部２０がハウジング部材５にスライド可能に支持されている。また、ポペット弁部材７には、第一室８と第二室９とを連通する連通孔２１が形成されている。
【００２１】
本実施形態では、ポペット弁部材７の第二棒部２０にバネ要素装着スペース（凹部）２２が形成されており、このバネ要素装着スペース２２に、従動部材１５がポペット弁部材７の軸方向にスライド可能に装着されている。
【００２２】
本実施形態のバネ要素１６は、コイルバネ等の弁バネからなる。本実施形態のバネ要素１６は、ほぼ一定のバネ定数を有している。本実施形態では、バネ要素（弁バネ）１６は、ポペット弁部材７のバネ要素装着スペース２２と従動部材１５の鍔部２３との間に介在させて配置されている。また、本実施形態では、バネ要素１６は、ポペット弁部材７と従動部材１５との相対変位がゼロであるとき（図１の右方のバネ要素１６の状態）に撓み量がほぼゼロである状態となり、ポペット弁部材７と従動部材１５との相対変位が最大変位であるとき（図１の左方のバネ要素１６の状態）に撓み量が最大である状態となるように設定されている。
【００２３】
本実施形態のカム機構４は、弁バネ力に依存しない確動型のものである。本実施形態のカム機構４は、二つのポペット弁要素３を共に駆動するカム部材２４を有する。即ち、本実施形態では、同様構成のポペット弁要素３二つを、一つのカム部材２４によって共に駆動させる構造をとっている。本実施形態では、カム部材２４は、ポペット弁部材７の軸方向に直交する方向（図１中の左右方向）に移動可能になっている。カム部材２４は、二つのポペット弁要素３の内一方のポペット弁要素３のバネ要素１６の撓み量が増加するときに、他方のポペット弁要素３のバネ要素１６の撓み量が減少するように、二つのポペット弁要素３を駆動するカム山２５、２６を有する。
【００２４】
本実施形態では、ポペット弁部材７の軸方向両端を挟む形で上下二つのカム山２５、２６が一体的に一つのカム部材２４に形成されることで、確動型のカム機構４を構成している。また、カム部材２４とポペット弁部材７との間、カム部材２４と従動部材１５との間には、ボール２７、２８が介設されている。
【００２５】
本実施形態では、カム部材２４の下側のカム山２６のカムプロフィールを、弁全開位置（図１の右方のポペット弁部材７の位置）から閉弁着座位置（図２の右方のポペット弁部材７の位置）までのポペット弁部材７の変位量を上回る変位量を従動部材１５に与えるカムプロフィールとしている。このようにすることで、ポペット弁部材７が弁全開位置から閉弁着座位置に至るまでポペット弁部材７と従動部材１５との相対変位はゼロであり、閉弁着座位置を超えて移動しようとする従動部材１５が、閉弁着座位置以上には移動できないポペット弁部材７と従動部材１５との間に介在させたバネ要素１６を撓ませ、その閉弁着座位置以降増加するバネ要素１６の撓み反力を、ポペット弁部材７をハウジング部材５に設けられた弁座Ｓに圧接する閉弁圧接力として利用する構造にしている。
【００２６】
また、カム部材２４の下側のカム山２６のカムプロフィールを、ポペット弁部材７を開閉運動させる上で、そのポペット弁部材７の運動挙動を滑らかな動きにする加速度変化特性上好ましい、サインカーブ状の変化特性を従動部材１５に与えるカムプロフィールとしておく。
【００２７】
このような設定にしてやると、ポペット弁部材７の着座以降、カム部材２４の下側のカム山２６によって従動部材１５が押し込まれる領域での、バネ要素１６の撓み変位量は、カム部材２４の変位量に対してサインカーブ状に移動する従動部材１５の変位に従った変化特性となるから、そのバネ要素１６の撓み反力はサインカーブ状の変化特性を辿る。
【００２８】
このバネ要素１６の撓み反力は、ポペット弁部材７と従動部材１５との双方に作用し、従動部材１５とカム部材２４とのカム接触角に応じたバネ要素１６の撓み反力の角分力が、カム部材２４の移動方向に作用することになるが、この従動部材１５とカム部材２４とのカム接触角は、サインカーブ状のカムプロフィールによって、ポペット弁部材７及び従動部材１５の変位に伴って変化していく。
【００２９】
ここで、ポペット弁部材７と従動部材１５との間に介在される弁バネ１６のバネ定数をＫｓとし、ポペット弁部材７の閉弁着座位置を基準に、そこからの弁バネ最大撓み量をδｍａｘとし、この弁バネ最大撓み量を与える間のカム部材２４の移動量をＬｔとして、弁バネ最大撓み位置を基点に、開弁方向にカム部材２４を移動させていったときの変位Ｌに対する、カム部材２４による弁バネ押し込み変位量δの変化特性を次式のように設定する。
【００３０】
δ＝δｍａｘ＊ｃｏｓ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）
カム部材２４の変位Ｌに対する、カム部材２４と従動部材１５とのカム接触角θの変化特性は、変位δのＬ微分となるから、次式となる。
【００３１】
θ＝ｔａｎ-1（−δｍａｘ＊ｓｉｎ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊π／２／Ｌｔ）
弁バネ撓み反力Ｆｓがカム部材２４の移動方向に作用する推力Ｆｃは、次式となる。
【００３２】
Ｆｃ＝Ｆｓ＊ｔａｎ（θ）＝−Ｆｓ＊δｍａｘ＊ｓｉｎ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊π／２／Ｌｔ
そして、弁バネ撓み力Ｆｓは、次式で表せる。
【００３３】
Ｆｓ＝δ＊Ｋｓ＝δｍａｘ＊ｃｏｓ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊Ｋｓ
よって、カム部材２４の移動推力Ｆｃは、次式となる。
【００３４】
Ｆｃ＝−Ｆｓ＊δｍａｘ＊ｓｉｎ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊π／２／Ｌｔ
＝−δｍａｘ＊ｃｏｓ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊Ｋｓ＊δｍａｘ＊ｓｉｎ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊π／２／Ｌｔ
＝−δｍａｘ＾２＊ｓｉｎ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊ｃｏｓ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊π／２／Ｌｔ＊Ｋｓ
例えば、弁バネ最大撓み量δｍａｘを２ｍｍとし、カム部材２４の変位量Ｌｔを３ｍｍとし、弁バネ１６のバネ定数Ｋｓを８ｋｇ／ｍｍとした場合、最大１６ｋｇの閉弁圧接力が得られる。カム部材２４の変位に対する従動部材１５の応動特性（閉弁→開弁）は図５に示すようになり、カム部材２４と従動部材１５とのカム接触角の変化特性（閉弁→開弁）は図６に示すようになり、バネ反力とそれによるカム移動負荷の変化特性（閉弁→開弁）は図７に示すようになる。
【００３５】
また、カム部材２４の変位に対する従動部材１５の応動特性（開弁→閉弁）は図８に示すようになり、カム部材２４と従動部材１５とのカム接触角の変化特性（開弁→閉弁）は図９に示すようになり、バネ反力とそれによるカム移動負荷の変化特性（開弁→閉弁）は図１０に示すようになる。
【００３６】
つまり、弁バネ最大撓み位置から弁バネ撓みゼロ位置までカム部材２４を動かす場合には、カム部材２４の移動を促進する方向の推力がカム部材２４に作用し、逆の場合には、移動負荷抵抗推力としてカム部材２４に作用することになる。両者の動作タイミングを一致させた二つのポペット弁要素３を共に駆動するように構成すると、二つのバネ要素１６の撓み反力の角分力が互いに相殺関係となり、カム部材２４の移動操作の負荷をほぼゼロにすることができる（図１１参照）。
【００３７】
次に、本実施形態に係る方向制御弁装置１の作動を図１〜図４により説明する。
【００３８】
本実施形態では、図１に示すように、カム部材２４が右端の基準位置にあるとき、二つのポペット弁要素３の内、左方のポペット弁要素３に対するカム山２６のカムプロフィールは、閉弁領域で弁バネ最大撓み位置にあるので、左方のポペット弁要素３はバネ要素１６の最大撓み反力による圧接力によって閉弁しており、右方のポペット弁要素３に対するカム山２６のカムプロフィールは弁全開位置にあり、右方のポペット弁要素３は開弁している。
【００３９】
従って、図１に示す状態では、油圧回路Ａと油圧回路Ｂとが右方の第一室８、右方の第三室１０を通じて導通状態で、油圧回路Ｃは遮断状態にある。
【００４０】
図１に示す状態からカム部材２４を左方に（矢印Ｄ方向に）移動していくと、図２に示すように、まず右方のポペット弁要素３のポペット弁部材７がカム部材２４のカム山２６で押し上げられて閉弁着座位置に達する。図２に示す状態では、まだ右方のポペット弁要素３のバネ要素１６は撓んでいないので、図１に示す状態から図２に示す状態までのカム部材２４の移動に影響を与える力は摩擦抵抗力のみである。
【００４１】
図２に示す状態から更にカム部材２４を左方に移動していくと、図３に示すように、右方のポペット弁要素３のバネ要素１６が撓み始めるので、カム部材２４の移動方向の角分力が増加し始めるのであるが、それと同期して、左方のポペット弁要素３の従動部材１５とカム部材２４とのカム接触角が水平状態から傾いて、カム部材２４の移動方向の負の角分力が増加し始めるので、これら二つのバネ要素１６の撓み反力の角分力同士が相殺しあうこととなる。よって、カム部材２４の移動に影響を与える力は摩擦抵抗力のみで図２に示す状態から図３に示す状態に至る。
【００４２】
図３に示す状態は、両ポペット弁要素３共に閉弁着座位置にあるが、バネ要素１６の撓み状態は、右方のポペット弁要素３が最大撓み状態で、左方のポペット弁要素３がゼロに到達した状態なので、図３に示す状態から更にカム部材２４を左方に移動していく領域でも、カム接触角が水平状態となった右方のポペット弁要素３と、カム接触角が変化過程であるが撓み反力のない左方のポペット弁要素３の両方共に、バネ要素１６の撓み反力の角分力が作用しないから、この領域でもやはり、摩擦抵抗力のみで図３に示す状態から図４に示す状態にまでカム部材２４を移動させることができる。
【００４３】
図４に示す状態は、図１に示す状態と逆の状態で、油圧回路Ａと油圧回路Ｃとが左方の第一室８、連通ポート１４、右方の第三室１０を通じて導通状態で、油圧回路Ｂが遮断状態となっており、三系統の油圧回路の切換弁機能が達成される。
【００４４】
以上の動作における、カム部材２４の変位に対する、従動部材１５の応動特性を図１２に示し、ポペット弁部材７の開弁リフト量変化特性を図１３に示し、弁バネ撓み量変化特性を図１４に示し、カム部材２４と従動部材１５とのカム接触角変化特性を図１５に示し、弁バネ撓み反力変化特性と、それによりカム部材２４の移動方向力として作用する弁バネ撓み反力角分力の変化特性を図１６に示す。
【００４５】
このように、本実施形態によれば、二つのポペット弁要素３のバネ要素１６によりカム部材２４に作用する撓み反力の角分力を互いに相殺関係として、カム部材２４の移動操作の負荷を低減することができるので、極めて僅かな制御操作力で制御可能で、閉弁時の漏れ損もない、理想的な方向制御弁装置１を実現することが可能になる。
【００４６】
次に、他の実施形態に係る方向制御弁装置２について説明する。
【００４７】
図１と同一構成には、同一符号を付して説明を省略し、相違点のみを説明する。
【００４８】
図１７に示すように、この実施形態では、ポペット弁部材７の第一棒部１７にもバネ要素装着スペース（凹部）２９が形成されており、このバネ要素装着スペース２９に、別の従動部材３０がポペット弁部材７の軸方向にスライド可能に装着されている。また、ポペット弁部材７と従動部材３０との間には、ポペット弁部材７と従動部材３０との相対変位に応じて撓み量が変化する別のバネ要素３１が介在されている。
【００４９】
ここで、本発明の原理において、二つのポペット弁要素３のバネ要素１６が発生する撓み反力の角分力が互いに相殺関係となる条件として、開弁状態から閉弁方向にカム部材２４を移動させていったときの、閉弁着座位置からサインカーブ状に増加していく弁バネ撓み量増加特性が、その最大撓み位置到達以降、撓み量変化がなくなるカムプロフィール特性の場合、従動部材１５とポペット弁部材７との間に設置されるバネ要素１６のセットフォースがゼロであって、そのバネ要素１６のバネ定数が一定のリニア特性であることが求められる。
【００５０】
しかし、このような部位に装着しやすい弁バネ１６の形態として、一般的なコイルバネを想定すると、コイルバネの製造特性として、撓みゼロの自由状態付近と、コイル線間密着となる最大撓み状態付近の荷重撓み特性は、座巻部の形状精度の影響等でバラツキ易く、安定した特性を保証し難い。そのため、通常、安定した荷重撓み特性を求める場合には、最大撓み量の２０〜８０％の範囲内でコイルバネを使用することが推奨されている。
【００５１】
つまり、このようなコイルバネの特性制約を踏まえて、最大撓み量の２０％以上の初期撓みを与えて装着した場合、そのセットフォースがゼロにはなり得ず、二つのポペット弁要素３のバネ要素１６が発生する撓み反力の角分力相殺関係が崩れてしまう。
【００５２】
この対策としては、従動部材１５とポペット弁部材７との間に装着するバネ要素１６、３１を二個直列状態で、一方の部材に設けたバネ要素装着スペース２２、２９内に２０％以上の初期撓みを与えて装着し、その直列状態の二個のバネ要素１６、３１の接触境界部に、もう一方の部材が挟まれる形にしてやる方法が有効である（図１７参照）。
【００５３】
このような構造にしてやると、二個のバネ要素１６、３１のセットフォースが、二個のバネ要素１６、３１間に挟まれた部材に対して互いに相殺方向に作用して釣り合う結果、実質セットフォースゼロの弁バネと等価の特性を得ることができる。
【００５４】
ちなみに、この場合のバネ定数特性は、二個のバネ要素１６、３１のバネ定数値の和となって作用するから、必要なバネ定数値に対して、それを発揮する二個のバネ要素１６、３１個々のバネ定数値は半分の低い値で済み、製造寸法バラツキに対するバネ撓み反力変化の影響感度が低くなることから、この面でも特性安定化に優位となる。
【００５５】
この実施形態に係る方向制御弁装置２の作動を図１７〜図２１に示す。
【００５６】
この実施形態においても、図１７に示す状態から図２１に示す状態までカム部材２４を左方に移動していくことで、油圧回路Ａと油圧回路Ｂとが導通状態で、且つ油圧回路Ｃが遮断状態にある図１７に示す状態から、油圧回路Ａと油圧回路Ｃとが導通状態で、且つ油圧回路Ｂが遮断状態となる図２１に示す状態に切り換えることができる。
【００５７】
図１７に示す実施形態によっても、図１に示す実施形態と同様の効果を得ることができる。つまり、二つのポペット弁要素３のバネ要素１６によりカム部材２４に作用する撓み反力の角分力が互いに相殺関係となり、カム部材２４の移動操作の負荷を低減することができるので、極めて僅かな制御操作力で制御可能で、閉弁時の漏れ損もない、理想的な方向制御弁装置２を実現することが可能になる。
【００５８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
【００５９】
例えば、バネ要素（弁バネ）１６、３１を、ポペット弁部材７と従動部材１５
、３０との間に直接挿入するのではなく、ポペット弁部材７と従動部材１５、３０との間にリンク機構等を介在させて、そのリンク機構等の一部にバネ要素１６、３１のバネ力を作用させるようにしても良い。閉弁圧接力生成素子として、バネ力を利用する弁バネに依らず、磁力を利用する磁石等を用いても良い。要は、セットフォースがゼロで、バネ定数が一定のリニア特性と等価の角分力特性が得られれば、様々な応用変形形態が適用可能であることは言うまでもない。
【００６０】
更に、上記実施形態では、二つのポペット弁要素３による三系統回路間を切り換える三回路切換弁ユニットの例で本発明の原理を説明したが、更に多くの多系統回路間を切り換える回路切換弁ユニットを構成する場合においても、その回路切換弁ユニットを構成する複数のポペット弁要素３の開閉タイミングの相互関係として、それら複数のポペット弁要素３の内二つのポペット弁要素３毎に、制御操作力の相殺関係が形成されるように構成すれば、全体としても上記の実施形態と同じ効果を得られることも勿論である。つまり、多系統の油圧回路間の導通関係を切り換える場合、四個以上の偶数個のポペット弁要素３の開閉制御によって切り換える方向制御弁装置として構成し、それら偶数個のポペット弁要素３各々の構成と、それらの動作タイミングの相互関係として、二つずつのポペット弁要素３間の動作関係に、上記実施形態の関係を適用することで、全体として操作力の低減を図ることができる。その場合、それら複数のポペット弁要素３に開閉運動を与えるカム機構４として、一つの中心軸回りの同心円上に各ポペット弁要素３を配置した弁ユニットブロックを挟む形で二枚のカムディスクを設置して、そのカムディスク同士を中心軸部材で一体的に連結することによって、カムディスクの回転運動によって各ポペット弁要素３の開閉を同期的に行わせることもできる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 方向制御弁装置
２ 方向制御弁装置
３ ポペット弁要素
４ カム機構
５ ハウジング部材
７ ポペット弁部材
１５ 従動部材
１６ バネ要素（弁バネ）
２４ カム部材
２６ カム山
３０ 従動部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧動作システムの制御に用いられる油圧回路の方向制御弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な油圧動作機械の制御機構要素として、油圧回路間の導通関係を切り換える方向制御弁が多用されている。
【０００３】
この方向制御弁の形態として最も一般的なのは、所謂スプール弁である。このスプール弁は、円筒状の穴の内部に外径段差部を有するロッドを挿入し、そのロッドの軸方向位置をスライド変化させることによって、複数の油圧回路の導通穴とロッドの外径段差部との重なり状態を変化させて、油圧回路間の導通関係を切り換えるものである。
【０００４】
このスプール弁型の方向制御弁は、極めて僅かな操作力で制御可能な優れた特性から多用されている。しかし、スプール弁型の方向制御弁には、その構造原理上、円筒穴とロッドとの間に摺動運動を可能にする隙間が必要であるために、その隙間を経由した圧力油の導通漏れが避けられず、油圧回路間の完全遮断は不可能であるという弱点がある。そのため、スプール弁型の方向制御弁の用途は、多少の漏れ損が実害とならない、動力駆動油圧ポンプによる大流量循環型の油圧システムに限定される。例えば、アキュムレータ油圧等を油圧源とするシステムのように、油圧回路間の僅かな漏れも嫌う、完全遮断機能が求められる用途の場合には、各油圧回路間の導通状態を各々ポペット弁によって開閉する構造のポペット弁型の方向制御弁が用いられている。この種のポペット弁型の方向制御弁は、例えば特許文献１及び２にも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３２５４７６号公報
【特許文献２】特開平１０−３３２００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のポペット弁型の方向制御弁の場合、各油圧通路間の導通状態を、漏れのない完全遮断にできる点が優れているのであるが、その完全遮断機能を実現している原理が、ポペット弁と弁座とが密着することに依存している。そのため、構成部品の加工寸法のバラツキ等も考慮して確実にポペット弁と弁座との密着状態を保証するために、ポペット弁を弁座に圧接させる弁バネを設け、その弁バネの撓み反力によってポペット弁を弁座に確実に圧接させる構造が最も一般的である。ポペット弁に圧接力を与える他の方法として、油圧推力や電磁力を用いる例もある。
【０００７】
何れにしても、このポペット弁型の方向制御弁の場合、ポペット弁に何らかの方法で圧接力を与える必要があり、その圧接力によって閉弁状態にあるポペット弁を開弁させるためには、その圧接力以上の開弁方向操作力をポペット弁に与えてやらねばならない。
【０００８】
このため、ポペット弁型の方向制御弁は、漏れのない完全遮断機能を実現できる反面、ポペット弁の開閉制御に際して相応の制御操作力を要するという問題が避けられなかった。
【０００９】
ちなみに、ポペット弁型の方向制御弁は、その構造原理として、閉弁時、油圧回路間の導通穴部をポペット弁の圧接によって閉塞させることによって油圧回路間の導通を遮断するものであるから、その遮断した油圧回路間に圧力差がある場合、その圧力差を遮断面積に乗じた差圧推力がポペット弁に作用するので、その差圧推力もポペット弁の開閉状況に大きな影響を与える問題を孕んでいる。この差圧推力の問題に対しては、ポペット弁に、閉弁時の遮断面積による差圧推力と同じ値で逆向きの差圧推力を同時発生させるピストン構造部を追加することで差圧推力を相殺して解消する方策も用いられ、その構造形態としては、様々なものがある。
【００１０】
しかし、このような方法によって差圧推力の影響を解消したとしても、閉弁時の確実な遮断機能を保証するための圧接力が不要になるわけではないので、この場合でもやはり、少なからぬ制御操作力を要するという問題は解消できなかった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、とりわけ油圧回路間の漏れ損を嫌う油圧動作システムに用いられるポペット弁型の方向制御弁の宿命であった、制御操作力が大きいという問題を解消し、極めて僅かな制御操作力で制御可能で、閉弁時の漏れ損もない、理想的な方向制御弁装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、三系統以上の油圧回路間の導通関係を、複数のポペット弁要素の開閉制御によって切り換えると共に、カム機構を用いて、前記複数のポペット弁要素に開閉運動を与える方向制御弁装置であって、前記複数のポペット弁要素の各々は、ハウジング部材内に設けられ、前記ハウジング部材内を軸方向に移動可能なポペット弁部材と、該ポペット弁部材に前記ポペット弁部材の軸方向に移動可能に装着され、制御入力部材となる前記カム機構による押し込みに応じて前記ポペット弁部材の軸方向に移動する従動部材と、前記ポペット弁部材と前記従動部材との間に介在され、前記ポペット弁部材と前記従動部材との相対変位に応じて撓み量が変化するバネ要素とを有し、前記カム機構は、前記複数のポペット弁要素の内二つのポペット弁要素を共に駆動するカム部材を有し、前記カム部材は、前記二つのポペット弁要素の内一方のポペット弁要素のバネ要素の撓み量が増加するときに、他方のポペット弁要素のバネ要素の撓み量が減少するように、前記二つのポペット弁要素を駆動するカム山を有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、とりわけ油圧回路間の漏れ損を嫌う油圧動作システムに用いられるポペット弁型の方向制御弁の宿命であった、制御操作力が大きいという問題を解消し、極めて僅かな制御操作力で制御可能で、閉弁時の漏れ損もない、理想的な方向制御弁装置を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る方向制御弁装置の断面図である。
【図２】図２は、図１の実施形態に係る方向制御弁装置の作動を示す図である。
【図３】図３は、図１の実施形態に係る方向制御弁装置の作動を示す図である。
【図４】図４は、図１の実施形態に係る方向制御弁装置の作動を示す図である。
【図５】図５は、従動部材の応動特性（閉弁→開弁）を示す図である。
【図６】図６は、カム接触角の変化特性（閉弁→開弁）を示す図である。
【図７】図７は、バネ反力及びカム移動負荷の変化特性（閉弁→開弁）を示す図である。
【図８】図８は、従動部材の応動特性（開弁→閉弁）を示す図である。
【図９】図９は、カム接触角の変化特性（開弁→閉弁）を示す図である。
【図１０】図１０は、バネ反力及びカム移動負荷の変化特性（開弁→閉弁）を示す図である。
【図１１】図１１は、同期相殺時カム移動負荷特性を示す図である。
【図１２】図１２は、従動部材変位特性を示す図である。
【図１３】図１３は、開弁リフト量特性を示す図である。
【図１４】図１４は、弁バネ撓み量特性を示す図である。
【図１５】図１５は、カム接触角変化特性を示す図である。
【図１６】図１６は、カム移動方向分力特性を示す図である。
【図１７】図１７は、他の実施形態に係る方向制御弁装置の断面図である。
【図１８】図１８は、図１７の実施形態に係る方向制御弁装置の作動を示す図である。
【図１９】図１９は、図１７の実施形態に係る方向制御弁装置の作動を示す図である。
【図２０】図２０は、図１７の実施形態に係る方向制御弁装置の作動を示す図である。
【図２１】図２１は、図１７の実施形態に係る方向制御弁装置の作動を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態に係る方向制御弁装置１は、三系統以上（図示例では三系統）の油圧回路間の導通関係を、複数（図示例では二つ）のポペット弁要素３の開閉制御によって切り換えると共に、確動型のカム機構４を用いて、複数のポペット弁要素３に開閉運動を与えるものである。
【００１７】
本実施形態に係る方向制御弁装置１は、三系統の油圧回路Ａ、Ｂ、Ｃが接続されるハウジング部材５を備えている。ハウジング部材５には、互いに平行に二つの中空孔６が形成され、各中空孔６は、後述するポペット弁部材７によって、ポペット弁部材７の軸方向両端部側の第一室８及び第二室９と、中間の第三室１０とに分割されている。また、ハウジング部材５の側壁部には、外部から右方の第三室１０に連通する第一ポート１１と、外部から右方の第一室８に連通する第二ポート１２と、外部から左方の第一室８に連通する第三ポート１３とが形成されている。また、ハウジング部材５の中間壁部には、右方の第三室１０と左方の第三室１０とを連通する連通ポート１４が形成されている。
【００１８】
本実施形態では、ハウジング部材５の第一ポート１１に油圧回路Ａが接続され、第二ポート１２に油圧回路Ｂが接続され、第三ポート１３に油圧回路Ｃが接続されている。
【００１９】
本実施形態では、ポペット弁要素３の各々は、ハウジング部材５内に設けられ、ハウジング部材５内を軸方向に移動可能なポペット弁部材７と、ポペット弁部材７にポペット弁部材７の軸方向に移動可能に装着され、制御入力部材となるカム機構４のカム部材２４による押し込みに応じてポペット弁部材７の軸方向に移動する従動部材１５と、ポペット弁部材７と従動部材１５との間に介在され、ポペット弁部材７と従動部材１５との相対変位に応じて撓み量が変化するバネ要素１６とを有する。
【００２０】
本実施形態では、二つのポペット弁要素３のポペット弁部材７は互いに平行（図１中の上下方向）に移動可能にハウジング部材５に配設されている。本実施形態のポペット弁部材７は、第一棒部１７と、第一鍔部１８と、第二鍔部１９と、第二棒部２０とから主に構成され、第一棒部１７がハウジング部材５にスライド可能に支持され、第一鍔部１８が第一室８と第三室１０とを区画し、第二鍔部１９がハウジング部材５にスライド可能に支持されて第二室９と第三室１０とを区画し、第二棒部２０がハウジング部材５にスライド可能に支持されている。また、ポペット弁部材７には、第一室８と第二室９とを連通する連通孔２１が形成されている。
【００２１】
本実施形態では、ポペット弁部材７の第二棒部２０にバネ要素装着スペース（凹部）２２が形成されており、このバネ要素装着スペース２２に、従動部材１５がポペット弁部材７の軸方向にスライド可能に装着されている。
【００２２】
本実施形態のバネ要素１６は、コイルバネ等の弁バネからなる。本実施形態のバネ要素１６は、ほぼ一定のバネ定数を有している。本実施形態では、バネ要素（弁バネ）１６は、ポペット弁部材７のバネ要素装着スペース２２と従動部材１５の鍔部２３との間に介在させて配置されている。また、本実施形態では、バネ要素１６は、ポペット弁部材７と従動部材１５との相対変位がゼロであるとき（図１の右方のバネ要素１６の状態）に撓み量がほぼゼロである状態となり、ポペット弁部材７と従動部材１５との相対変位が最大変位であるとき（図１の左方のバネ要素１６の状態）に撓み量が最大である状態となるように設定されている。
【００２３】
本実施形態のカム機構４は、弁バネ力に依存しない確動型のものである。本実施形態のカム機構４は、二つのポペット弁要素３を共に駆動するカム部材２４を有する。即ち、本実施形態では、同様構成のポペット弁要素３二つを、一つのカム部材２４によって共に駆動させる構造をとっている。本実施形態では、カム部材２４は、ポペット弁部材７の軸方向に直交する方向（図１中の左右方向）に移動可能になっている。カム部材２４は、二つのポペット弁要素３の内一方のポペット弁要素３のバネ要素１６の撓み量が増加するときに、他方のポペット弁要素３のバネ要素１６の撓み量が減少するように、二つのポペット弁要素３を駆動するカム山２５、２６を有する。
【００２４】
本実施形態では、ポペット弁部材７の軸方向両端を挟む形で上下二つのカム山２５、２６が一体的に一つのカム部材２４に形成されることで、確動型のカム機構４を構成している。また、カム部材２４とポペット弁部材７との間、カム部材２４と従動部材１５との間には、ボール２７、２８が介設されている。
【００２５】
本実施形態では、カム部材２４の下側のカム山２６のカムプロフィールを、弁全開位置（図１の右方のポペット弁部材７の位置）から閉弁着座位置（図２の右方のポペット弁部材７の位置）までのポペット弁部材７の変位量を上回る変位量を従動部材１５に与えるカムプロフィールとしている。このようにすることで、ポペット弁部材７が弁全開位置から閉弁着座位置に至るまでポペット弁部材７と従動部材１５との相対変位はゼロであり、閉弁着座位置を超えて移動しようとする従動部材１５が、閉弁着座位置以上には移動できないポペット弁部材７と従動部材１５との間に介在させたバネ要素１６を撓ませ、その閉弁着座位置以降増加するバネ要素１６の撓み反力を、ポペット弁部材７をハウジング部材５に設けられた弁座Ｓに圧接する閉弁圧接力として利用する構造にしている。
【００２６】
また、カム部材２４の下側のカム山２６のカムプロフィールを、ポペット弁部材７を開閉運動させる上で、そのポペット弁部材７の運動挙動を滑らかな動きにする加速度変化特性上好ましい、サインカーブ状の変化特性を従動部材１５に与えるカムプロフィールとしておく。
【００２７】
このような設定にしてやると、ポペット弁部材７の着座以降、カム部材２４の下側のカム山２６によって従動部材１５が押し込まれる領域での、バネ要素１６の撓み変位量は、カム部材２４の変位量に対してサインカーブ状に移動する従動部材１５の変位に従った変化特性となるから、そのバネ要素１６の撓み反力はサインカーブ状の変化特性を辿る。
【００２８】
このバネ要素１６の撓み反力は、ポペット弁部材７と従動部材１５との双方に作用し、従動部材１５とカム部材２４とのカム接触角に応じたバネ要素１６の撓み反力の角分力が、カム部材２４の移動方向に作用することになるが、この従動部材１５とカム部材２４とのカム接触角は、サインカーブ状のカムプロフィールによって、ポペット弁部材７及び従動部材１５の変位に伴って変化していく。
【００２９】
ここで、ポペット弁部材７と従動部材１５との間に介在される弁バネ１６のバネ定数をＫｓとし、ポペット弁部材７の閉弁着座位置を基準に、そこからの弁バネ最大撓み量をδｍａｘとし、この弁バネ最大撓み量を与える間のカム部材２４の移動量をＬｔとして、弁バネ最大撓み位置を基点に、開弁方向にカム部材２４を移動させていったときの変位Ｌに対する、カム部材２４による弁バネ押し込み変位量δの変化特性を次式のように設定する。
【００３０】
δ＝δｍａｘ＊ｃｏｓ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）
カム部材２４の変位Ｌに対する、カム部材２４と従動部材１５とのカム接触角θの変化特性は、変位δのＬ微分となるから、次式となる。
【００３１】
θ＝ｔａｎ-1（−δｍａｘ＊ｓｉｎ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊π／２／Ｌｔ）
弁バネ撓み反力Ｆｓがカム部材２４の移動方向に作用する推力Ｆｃは、次式となる。
【００３２】
Ｆｃ＝Ｆｓ＊ｔａｎ（θ）＝−Ｆｓ＊δｍａｘ＊ｓｉｎ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊π／２／Ｌｔ
そして、弁バネ撓み力Ｆｓは、次式で表せる。
【００３３】
Ｆｓ＝δ＊Ｋｓ＝δｍａｘ＊ｃｏｓ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊Ｋｓ
よって、カム部材２４の移動推力Ｆｃは、次式となる。
【００３４】
Ｆｃ＝−Ｆｓ＊δｍａｘ＊ｓｉｎ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊π／２／Ｌｔ
＝−δｍａｘ＊ｃｏｓ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊Ｋｓ＊δｍａｘ＊ｓｉｎ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊π／２／Ｌｔ
＝−δｍａｘ＾２＊ｓｉｎ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊ｃｏｓ（Ｌ＊π／２／Ｌｔ）＊π／２／Ｌｔ＊Ｋｓ
例えば、弁バネ最大撓み量δｍａｘを２ｍｍとし、カム部材２４の変位量Ｌｔを３ｍｍとし、弁バネ１６のバネ定数Ｋｓを８ｋｇ／ｍｍとした場合、最大１６ｋｇの閉弁圧接力が得られる。カム部材２４の変位に対する従動部材１５の応動特性（閉弁→開弁）は図５に示すようになり、カム部材２４と従動部材１５とのカム接触角の変化特性（閉弁→開弁）は図６に示すようになり、バネ反力とそれによるカム移動負荷の変化特性（閉弁→開弁）は図７に示すようになる。
【００３５】
また、カム部材２４の変位に対する従動部材１５の応動特性（開弁→閉弁）は図８に示すようになり、カム部材２４と従動部材１５とのカム接触角の変化特性（開弁→閉弁）は図９に示すようになり、バネ反力とそれによるカム移動負荷の変化特性（開弁→閉弁）は図１０に示すようになる。
【００３６】
つまり、弁バネ最大撓み位置から弁バネ撓みゼロ位置までカム部材２４を動かす場合には、カム部材２４の移動を促進する方向の推力がカム部材２４に作用し、逆の場合には、移動負荷抵抗推力としてカム部材２４に作用することになる。両者の動作タイミングを一致させた二つのポペット弁要素３を共に駆動するように構成すると、二つのバネ要素１６の撓み反力の角分力が互いに相殺関係となり、カム部材２４の移動操作の負荷をほぼゼロにすることができる（図１１参照）。
【００３７】
次に、本実施形態に係る方向制御弁装置１の作動を図１〜図４により説明する。
【００３８】
本実施形態では、図１に示すように、カム部材２４が右端の基準位置にあるとき、二つのポペット弁要素３の内、左方のポペット弁要素３に対するカム山２６のカムプロフィールは、閉弁領域で弁バネ最大撓み位置にあるので、左方のポペット弁要素３はバネ要素１６の最大撓み反力による圧接力によって閉弁しており、右方のポペット弁要素３に対するカム山２６のカムプロフィールは弁全開位置にあり、右方のポペット弁要素３は開弁している。
【００３９】
従って、図１に示す状態では、油圧回路Ａと油圧回路Ｂとが右方の第一室８、右方の第三室１０を通じて導通状態で、油圧回路Ｃは遮断状態にある。
【００４０】
図１に示す状態からカム部材２４を左方に（矢印Ｄ方向に）移動していくと、図２に示すように、まず右方のポペット弁要素３のポペット弁部材７がカム部材２４のカム山２６で押し上げられて閉弁着座位置に達する。図２に示す状態では、まだ右方のポペット弁要素３のバネ要素１６は撓んでいないので、図１に示す状態から図２に示す状態までのカム部材２４の移動に影響を与える力は摩擦抵抗力のみである。
【００４１】
図２に示す状態から更にカム部材２４を左方に移動していくと、図３に示すように、右方のポペット弁要素３のバネ要素１６が撓み始めるので、カム部材２４の移動方向の角分力が増加し始めるのであるが、それと同期して、左方のポペット弁要素３の従動部材１５とカム部材２４とのカム接触角が水平状態から傾いて、カム部材２４の移動方向の負の角分力が増加し始めるので、これら二つのバネ要素１６の撓み反力の角分力同士が相殺しあうこととなる。よって、カム部材２４の移動に影響を与える力は摩擦抵抗力のみで図２に示す状態から図３に示す状態に至る。
【００４２】
図３に示す状態は、両ポペット弁要素３共に閉弁着座位置にあるが、バネ要素１６の撓み状態は、右方のポペット弁要素３が最大撓み状態で、左方のポペット弁要素３がゼロに到達した状態なので、図３に示す状態から更にカム部材２４を左方に移動していく領域でも、カム接触角が水平状態となった右方のポペット弁要素３と、カム接触角が変化過程であるが撓み反力のない左方のポペット弁要素３の両方共に、バネ要素１６の撓み反力の角分力が作用しないから、この領域でもやはり、摩擦抵抗力のみで図３に示す状態から図４に示す状態にまでカム部材２４を移動させることができる。
【００４３】
図４に示す状態は、図１に示す状態と逆の状態で、油圧回路Ａと油圧回路Ｃとが左方の第一室８、連通ポート１４、右方の第三室１０を通じて導通状態で、油圧回路Ｂが遮断状態となっており、三系統の油圧回路の切換弁機能が達成される。
【００４４】
以上の動作における、カム部材２４の変位に対する、従動部材１５の応動特性を図１２に示し、ポペット弁部材７の開弁リフト量変化特性を図１３に示し、弁バネ撓み量変化特性を図１４に示し、カム部材２４と従動部材１５とのカム接触角変化特性を図１５に示し、弁バネ撓み反力変化特性と、それによりカム部材２４の移動方向力として作用する弁バネ撓み反力角分力の変化特性を図１６に示す。
【００４５】
このように、本実施形態によれば、二つのポペット弁要素３のバネ要素１６によりカム部材２４に作用する撓み反力の角分力を互いに相殺関係として、カム部材２４の移動操作の負荷を低減することができるので、極めて僅かな制御操作力で制御可能で、閉弁時の漏れ損もない、理想的な方向制御弁装置１を実現することが可能になる。
【００４６】
次に、他の実施形態に係る方向制御弁装置２について説明する。
【００４７】
図１と同一構成には、同一符号を付して説明を省略し、相違点のみを説明する。
【００４８】
図１７に示すように、この実施形態では、ポペット弁部材７の第一棒部１７にもバネ要素装着スペース（凹部）２９が形成されており、このバネ要素装着スペース２９に、別の従動部材３０がポペット弁部材７の軸方向にスライド可能に装着されている。また、ポペット弁部材７と従動部材３０との間には、ポペット弁部材７と従動部材３０との相対変位に応じて撓み量が変化する別のバネ要素３１が介在されている。
【００４９】
ここで、本発明の原理において、二つのポペット弁要素３のバネ要素１６が発生する撓み反力の角分力が互いに相殺関係となる条件として、開弁状態から閉弁方向にカム部材２４を移動させていったときの、閉弁着座位置からサインカーブ状に増加していく弁バネ撓み量増加特性が、その最大撓み位置到達以降、撓み量変化がなくなるカムプロフィール特性の場合、従動部材１５とポペット弁部材７との間に設置されるバネ要素１６のセットフォースがゼロであって、そのバネ要素１６のバネ定数が一定のリニア特性であることが求められる。
【００５０】
しかし、このような部位に装着しやすい弁バネ１６の形態として、一般的なコイルバネを想定すると、コイルバネの製造特性として、撓みゼロの自由状態付近と、コイル線間密着となる最大撓み状態付近の荷重撓み特性は、座巻部の形状精度の影響等でバラツキ易く、安定した特性を保証し難い。そのため、通常、安定した荷重撓み特性を求める場合には、最大撓み量の２０〜８０％の範囲内でコイルバネを使用することが推奨されている。
【００５１】
つまり、このようなコイルバネの特性制約を踏まえて、最大撓み量の２０％以上の初期撓みを与えて装着した場合、そのセットフォースがゼロにはなり得ず、二つのポペット弁要素３のバネ要素１６が発生する撓み反力の角分力相殺関係が崩れてしまう。
【００５２】
この対策としては、従動部材１５とポペット弁部材７との間に装着するバネ要素１６、３１を二個直列状態で、一方の部材に設けたバネ要素装着スペース２２、２９内に２０％以上の初期撓みを与えて装着し、その直列状態の二個のバネ要素１６、３１の接触境界部に、もう一方の部材が挟まれる形にしてやる方法が有効である（図１７参照）。
【００５３】
このような構造にしてやると、二個のバネ要素１６、３１のセットフォースが、二個のバネ要素１６、３１間に挟まれた部材に対して互いに相殺方向に作用して釣り合う結果、実質セットフォースゼロの弁バネと等価の特性を得ることができる。
【００５４】
ちなみに、この場合のバネ定数特性は、二個のバネ要素１６、３１のバネ定数値の和となって作用するから、必要なバネ定数値に対して、それを発揮する二個のバネ要素１６、３１個々のバネ定数値は半分の低い値で済み、製造寸法バラツキに対するバネ撓み反力変化の影響感度が低くなることから、この面でも特性安定化に優位となる。
【００５５】
この実施形態に係る方向制御弁装置２の作動を図１７〜図２１に示す。
【００５６】
この実施形態においても、図１７に示す状態から図２１に示す状態までカム部材２４を左方に移動していくことで、油圧回路Ａと油圧回路Ｂとが導通状態で、且つ油圧回路Ｃが遮断状態にある図１７に示す状態から、油圧回路Ａと油圧回路Ｃとが導通状態で、且つ油圧回路Ｂが遮断状態となる図２１に示す状態に切り換えることができる。
【００５７】
図１７に示す実施形態によっても、図１に示す実施形態と同様の効果を得ることができる。つまり、二つのポペット弁要素３のバネ要素１６によりカム部材２４に作用する撓み反力の角分力が互いに相殺関係となり、カム部材２４の移動操作の負荷を低減することができるので、極めて僅かな制御操作力で制御可能で、閉弁時の漏れ損もない、理想的な方向制御弁装置２を実現することが可能になる。
【００５８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
【００５９】
例えば、バネ要素（弁バネ）１６、３１を、ポペット弁部材７と従動部材１５
、３０との間に直接挿入するのではなく、ポペット弁部材７と従動部材１５、３０との間にリンク機構等を介在させて、そのリンク機構等の一部にバネ要素１６、３１のバネ力を作用させるようにしても良い。閉弁圧接力生成素子として、バネ力を利用する弁バネに依らず、磁力を利用する磁石等を用いても良い。要は、セットフォースがゼロで、バネ定数が一定のリニア特性と等価の角分力特性が得られれば、様々な応用変形形態が適用可能であることは言うまでもない。
【００６０】
更に、上記実施形態では、二つのポペット弁要素３による三系統回路間を切り換える三回路切換弁ユニットの例で本発明の原理を説明したが、更に多くの多系統回路間を切り換える回路切換弁ユニットを構成する場合においても、その回路切換弁ユニットを構成する複数のポペット弁要素３の開閉タイミングの相互関係として、それら複数のポペット弁要素３の内二つのポペット弁要素３毎に、制御操作力の相殺関係が形成されるように構成すれば、全体としても上記の実施形態と同じ効果を得られることも勿論である。つまり、多系統の油圧回路間の導通関係を切り換える場合、四個以上の偶数個のポペット弁要素３の開閉制御によって切り換える方向制御弁装置として構成し、それら偶数個のポペット弁要素３各々の構成と、それらの動作タイミングの相互関係として、二つずつのポペット弁要素３間の動作関係に、上記実施形態の関係を適用することで、全体として操作力の低減を図ることができる。その場合、それら複数のポペット弁要素３に開閉運動を与えるカム機構４として、一つの中心軸回りの同心円上に各ポペット弁要素３を配置した弁ユニットブロックを挟む形で二枚のカムディスクを設置して、そのカムディスク同士を中心軸部材で一体的に連結することによって、カムディスクの回転運動によって各ポペット弁要素３の開閉を同期的に行わせることもできる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 方向制御弁装置
２ 方向制御弁装置
３ ポペット弁要素
４ カム機構
５ ハウジング部材
７ ポペット弁部材
１５ 従動部材
１６ バネ要素（弁バネ）
２４ カム部材
２６ カム山
３０ 従動部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三系統以上の油圧回路間の導通関係を、複数のポペット弁要素の開閉制御によって切り換えると共に、カム機構を用いて、前記複数のポペット弁要素に開閉運動を与える方向制御弁装置であって、
前記複数のポペット弁要素の各々は、ハウジング部材内に設けられ、前記ハウジング部材内を軸方向に移動可能なポペット弁部材と、該ポペット弁部材に前記ポペット弁部材の軸方向に移動可能に装着され、制御入力部材となる前記カム機構による押し込みに応じて前記ポペット弁部材の軸方向に移動する従動部材と、前記ポペット弁部材と前記従動部材との間に介在され、前記ポペット弁部材と前記従動部材との相対変位に応じて撓み量が変化するバネ要素とを有し、
前記カム機構は、前記複数のポペット弁要素の内二つのポペット弁要素を共に駆動するカム部材を有し、
前記カム部材は、前記二つのポペット弁要素の内一方のポペット弁要素のバネ要素の撓み量が増加するときに、他方のポペット弁要素のバネ要素の撓み量が減少するように、前記二つのポペット弁要素を駆動するカム山を有することを特徴とする方向制御弁装置。
【請求項１】
三系統以上の油圧回路間の導通関係を、複数のポペット弁要素の開閉制御によって切り換えると共に、カム機構を用いて、前記複数のポペット弁要素に開閉運動を与える方向制御弁装置であって、
前記複数のポペット弁要素の各々は、ハウジング部材内に設けられ、前記ハウジング部材内を軸方向に移動可能なポペット弁部材と、該ポペット弁部材に前記ポペット弁部材の軸方向に移動可能に装着され、制御入力部材となる前記カム機構による押し込みに応じて前記ポペット弁部材の軸方向に移動する従動部材と、前記ポペット弁部材と前記従動部材との間に介在され、前記ポペット弁部材と前記従動部材との相対変位に応じて撓み量が変化するバネ要素とを有し、
前記カム機構は、前記複数のポペット弁要素の内二つのポペット弁要素を共に駆動するカム部材を有し、
前記カム部材は、前記二つのポペット弁要素の内一方のポペット弁要素のバネ要素の撓み量が増加するときに、他方のポペット弁要素のバネ要素の撓み量が減少するように、前記二つのポペット弁要素を駆動するカム山を有することを特徴とする方向制御弁装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１１−５８５５６（Ｐ２０１１−５８５５６Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０８４４２（Ｐ２００９−２０８４４２）
【出願日】平成２１年９月９日（２００９．９．９）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月９日（２００９．９．９）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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