JPH023701A - 電気信号−空気圧変換ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電気信号を流体圧信号、特に、空気圧信号に変
換する電気信号−空気圧変換ユニットに関し、−層詳細
には、その変換要素とじてのノズルフラッパを電歪素子
で構成すると共に、低電圧の電気信号を可及的に正確に
空気圧信号に変換することを可能とした電気信号−空気
圧変換ユニットに関する。

従来、電気信号を空気圧に変換する装置としては、トル
クモータが広汎に採用されてきた。

すなわち、このトルクモータによれば、モータを構成す
るコイルに電流を供給し、この電流値に対応する回転力
を変位量に変えることによりノズルフラッパ、パイロッ
ト弁等を介して空気圧信号に変”換している。このよう
なトルクモータを使って電気−空気式変換器等の制御機
器を構成する場合、トルクモータによって発生する力が
少しでも大きい方が機械的振動等の影響に対しても強く
なり、また、性能的にも安定した製品が得られる。

ところが、最近、制御機器の小型軽量化が要求されるよ
うになってきたため、前記トルクモータを如何に小型に
製作するかが重要な課題になっている。つまり、トルク
モータを小型化すればする程、一般的に電流値に対応し
て発生する力も小さくなるため、どうしても前述した機
械的振動等に対して弱くなり、制御機器の使用条件如何
によっては、トルクモータを使用すること自体、技術的
に不可能となる。

そこで、本発明者は電歪素子に着目し、この電歪素子を
利用することによって、電気信号を空気圧信号に変換す
る電気信号−空気圧変換ユニットを発明し、特願昭第５
９−８８１７８号、同第６０−２３０９４号として特許
出願を行っている。

すなわち、これらの発明では電歪素子を薄い板状の矩形
型とし、一端を支点として固定すると共に、他端を自由
端として使用するバイモルフ型を利用している。この場
合、前記のように構成される電歪素子の一端を固定した
状態で電極に電圧を加えると、その自由端側が僅かに変
化する。従って電歪素子そのものでノズルフラッパを構
成しておけば、電圧の変化を容易にノズル背圧、すなわ
ち、空気圧信号に変換することが出来る。

ところで、前記のように構成されるノズルフラッパの電
歪素子の固定方法としては、以下のものを掲げることが
出来る。

すなわち、第１図に示すように、ノズルフラッパ機構２
を構成するベース４に、このベース４と一体的に柱体６
を立設し、この柱体６に電歪素子８を載置する。そして
、柱体６に穿設された螺孔に固定板ｌＯを介して締付ビ
ス１２によって固着する。一方、前記ベース４にはノズ
ル１４を固設し、このノズル１４の先端部を電歪素子８
に近接するよう臨ませている。

この場合、電歪素子８は第２図に示すような構成が採用
されている。すなわち、導電体からなるシム材１６を矩
形状に構成し、このシム材１６の上面と下面とに接着剤
を介して圧電セラミックス部材１８ａ、１８ｂを接着し
ている。図から容易に諒解されるように、圧電セラミッ
クス部材１８ａ、１８ｂは前記シム材１６の大部分の面
積を囲繞する。従って、固定板ｌＯを介して締付ビス１
２で柱体６にこの電歪素子８を固定しようとする時、圧
電セラミックス部材１８ａ１シム材１６、圧電セラミッ
クス部材１８ｂの順で、この電歪素子８は固定板ｌＯと
柱体６との間で挟持されるに至る。

ところで、一般的には、電歪素子８に電圧を印加しよう
とすると、この印加される電圧と自由端側が変位する変
位量との間では、第３図に示すような関係があることが
知られている。すなわち、電圧を大きく印加した後、こ
の電圧を下げ、再びまた電圧を上げると、そこには、所
謂、ヒステレシス現象が現れてくる。この現象は、特に
、バイモルフ型電歪素子に顕著に見受けられる。しかも
、同じ電圧を印加した場合にふいても時間が経過するこ
とによって、第３図のＡ、Ａ’　の曲線からＢ、　Ｂ’
　の曲線に示すように自由端側の変位量がシフトする現
象が現れる。この現象は外部雰囲気温度が変化すると助
長される傾向にある。

このような現象が惹起する原因として、勿論、電歪素子
自体が有している特性によるところが大きいが、一方に
おいては、シム材１６に圧電セラミックス部材１８ａ、
１８ｂが接着剤を介して固着されていること、あるいは
、第４図に示すように、ベース４に螺孔を穿設し、一方
、固定板１０に比較的大きな直径を有する孔部７ａ　、
　７ｂを画成し、この孔部７ａ、７ｂ２に締付ビス１２
ａ、１２ｂを遊嵌すると共に、前記螺孔に臨入させて電
歪素子８を固定板１０により保持しようとする時、締付
ビス１２ａ、１２ｂの締付力如何によっては前記固定板
ｌＯが破線で示すように歪曲して電歪素子８の隅角部に
圧接する。従って、この締付効力が前記シフト現象を助
長するということも確認されている。さらに、電歪素子
８に対して可及的に低い電圧、例えば、ＩＯＶ前後の電
圧を印加して精密な制御を試みようとする時、電歪素子
８に発生する変位量は非常に小さくなり、これによって
ミクロンオーダの制御を行わなければならない必要性も
出てくるために、締付ビス１２ａ、１２ｂ。の締付力を
慎重に調整しなければならない。

しかも、締付ビス１２ａ、１２ｂが前記のように２本存
在する時、両者を均等に締め付けることは実質的に不可
能であり、一方、締付力が不均等であれば電歪素子に不
均一な応力が印加される。

また、前記のような構成では固定板で挟持される部位の
圧電セラミックス部材も電圧の印加によって伸縮し、こ
れによって内部応力が変化し、これが前記シフト現象の
原因となり、正確な制御が困難となる。

従って、実質的に前記のような低い電圧でこの電歪素子
に基づき、電気信号から空気圧信号へと変換するための
装置は開発されるに至ってはいない。

［発明の目的］ 本発明は前記の種々の不都合を克服するためになされた
ものであって、電歪素子をベースに固着しようとする時
、少なくとも当該電歪素子を構成する圧電セラミックス
部材を柱体と固定板との間で挟持することを回避し、従
って、締付ビスによる締付力に影響されることのない、
低電圧で容易に精密に電気信号を空気圧信号に変換する
機能を達成することが可能な電気信号−空気圧変換ユニ
ットを提供することを目的とする。

［目的を達成するための手段］ 前記の目的を達成するために、本発明はノズルフラッパ
の変位量に応じてノズル背圧を変化させるノズルフラッ
パ機構を含む電気信号−空気圧変換ユニットにおいて、
前記ノズルフラッパを電気信号の変化に対応して変位す
る電歪素子を圧電セラミックス部材とシム材とを積層し
て形成し且つ前記シム材のみを挟持する手段を設け、前
記圧電セラミックス部材をノズル先端に所定間隔離間し
て配設するよう構成することを特徴とする。

［実施態様］ 次に、本発明に係る電気信号−空気圧変換ユニットにつ
いて、好適な実施態様を挙げ、添付の図面を参照しなが
ら以下詳細に説明する。

なお、第１図乃至第４図に示す構成要素と同一の構成要
素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略す
る。

本発明は、特に、電歪素子の形状に関連してなされてい
る。すなわち、電歪素子３０を構成するシム材３２をＴ
字状に形成している。この場合、シム材３２は、一般的
に、リン青銅やステンレス鋼等の金属で構成され、その
Ｔ字状の所定部位３３に締付ビス１２ａ、１２ｂを螺入
するための孔部３４ａ、３４ｂを穿設している。前記シ
ム材３２の他方の所定部位３５の上面並びに下面には圧
電セラミックス部材３ｆｉａ、３６ｂが図示しない絶縁
材を挟んで固着される。この場合、図から容易に諒鱗さ
れるように、圧電セラミックス部材３６ａ１３６ｂは少
なくとも孔部３４ａ、３４ｂが穿設される部位を包被す
るには至っていない。

以上のような構成からなるノズルフラッパ機構はシム材
３２を柱体６ａ、６ｂ上に載置し、前記孔部３４ａ、３
４ｂに固定板１０を上載し、締付ビス１２ａ、１２ｂを
固定板ｌＯに穿設された孔部を介して電歪素子３０の孔
部３４ａ、３４ｂに螺入しこれを固着する。この時、容
易に諒解されるように、締付ビス１２ａ、１２ｂによっ
て締め付けられる部位には圧電セラミックス部材３ｉ３
ａ、３６ｂは存在してはいない。従って、締付力を受け
るのはシム材３２のみとなる。すなわち、電歪素子３０
を柱体（３ａ　、　５ｂに固定するに際して何隻従来技
術に見受けられるような締付力の調整を必要とするこ、
とはない。しかも、シム材３２に圧電セラミックス部材
３６ａ、３６ｂを絶縁層を介して接着される際にも、そ
の接着剤がなくてすむために、電圧を印加した際、この
接着剤の量に影響を受けることも非常に少なくなる。

この結果、電歪素子３０に対して電圧を印加し、電気信
号を空気圧信号に変換しようとする時、締付力を何隻考
慮することなく安定した動作が得られる。特に、低電圧
でこの電歪素子３０を駆動しようとする場合、精密な制
御を行うことが可能となる利点が得られる。

次に、本発明に係る電歪素子３０を組み込む電気信号−
空気圧信号変換器について概略的に説明する。

圧電セラミックス部材３６ａ、３６ｂは夫々電気的に接
続してコントローラ５０の一方の端子に接続する。シム
材３２にはコントローラ５０の他方の端子を電気的に接
続しておく。ノズル１４にはパイロット弁５２を接続し
、このパイロット弁５２の出力側を分岐して空気圧信号
−電圧変換素子５４に連結している。前記空気圧信号−
電圧変換素子５４の出力側はコントローラ５０に導入さ
れる。

なお、このコントローラ５０には制御信号Ｓが導入され
る。

従って、この制御信号Ｓがコントローラ５０に導入され
ると、このコントローラ５０から圧電セラミックス部材
３６ａ、３６ｂとシム材３２との間に所定の電圧が印加
され、この電歪素子３０の自由端がその電圧によって撓
む。この結果、ノズル１４から導出される空気のノズル
背圧が変化し、これはパイロット弁５２に導入される。

このパイロット弁５２の出力信号が所定の機器に導入さ
れて、当該機器の制御を行う。

一方、前記パイロット弁５２の出力信号は空気圧信号−
電圧変換素子５４に導入され、これがコントローラ５０
に対してのフィードバック信号として活用される。

さらに、第７図に電圧信号−空気圧信号変換機構を採用
するポジショナ−の実施態様を示す。

なお、前記電圧信号−空気圧信号変換機構に用いた構成
要素と、同一の構成要素には同一の参照符号を付してそ
の説明を省略する。

そこで、この実施態様においては、パイロット弁５２の
出力側をコントロールバルブ６０に導入し、このコント
ロールバルブ６０を制御すると共に、このコントロール
バルブ６０の出力側を分岐してその変位量を電気信号に
変換するセンサに導入している。例えば、このセンサと
してはポテンショメータが好適に用いられる。そこで、
このポテンショメータ６２の出力側はコントローラ５０
にフィードバック信号として移送される。

従って、バイロフト弁５２に出力される信号がコントロ
ールバルブ６０を変位させ、その変位量に応じたセンサ
出力がコントローラ５０をフィードバック制御すること
になる。

さらに、第８図に本発明の別の実施態様を示す。この実
施態様は電歪素子３０に指向してなされている。すなわ
ち、この電歪素子３０は単純な矩形状にシム材３２を構
成している。このシム材３２の圧電セラミックス部材３
６ａ、３６ｂを固着しない部分を前記柱体５ａ　％　６
ｂ　％固定板ｌＯによって挟持すれば、前記と同様の効
果が得られることは勿論である。

［発明の効果］ 本発明によれば、以上のように電歪素子を構成するシム
材の部分のみを挟持し、印加される電圧によってノズル
背圧を変化させるよう構成している。従って、特に、固
定板による締付力に影響されることのない、すなわち、
シフト現象を可及的に小さくすることが可能で且つ接着
剤の量に影響を受けることのない電気信号−空気圧変換
ユニットを得ることが出来る。特に、この変換ユニット
は低電圧で正確にそのノズル背圧を制御することが出来
るという実用的な効果を奏する。

以上、本発明について好適な実施態様を挙げて説明した
が、本発明はこの実施態様に限定されるものではなく、
例えば、第５図において、締付ビスが挿入される一対の
孔を特に設けることなく、単に他の挟持部材で挟み込む
よう構成しても同様の効果が得られる等、本発明の要旨
を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の変更
が可能なことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術に係る電気信号−空気圧変換ユニット
の一部省略正面説明図、 第２図は第１図に組み込まれる電歪素子の平面図、 第３図は従来技術に係る電歪素子のヒステレシス現象を
表すグラフ、 第４図は第１図に示す変換ユニットの側面図、第５図は
本発明に係る電歪素子の斜視図、第６図は本発明に係る
電歪素子を電気信号−空気圧変換器に組み込んだ状態の
説明図、第７図は本発明に係る電歪素子をポジショナ−
に組み込んだ状態の説明図、 第８図は本発明に係る電歪素子の別の実施態様を示す斜
視図である。 １２ａ、１２ｂ・・・締付ビス　　３０・・・電歪素子
３２・・・シム材　　　　　　　３４ａ、３４ｂ・・・
孔部３６ａ、３６ｂ・・・圧電セラミックス部材５０・
・・コントローラ　　　　５２・・・パイロット弁５４
・・・空気圧信号−電圧変換素子 ６０・・・コントロールバルブ ６２・・・ポテンショメータ 電旦 ＦｆＧ、５ ３４ａ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ノズルフラッパの変位量に応じてノズル背圧を変
   化させるノズルフラッパ機構を含む電気信号−空気圧変
   換ユニットにおいて、前記ノズルフラッパを電気信号の
   変化に対応して変位する電歪素子を圧電セラミックス部
   材とシム材とを積層して形成し且つ前記シム材のみを挟
   持する手段を設け、前記圧電セラミックス部材をノズル
   先端に所定間隔離間して配設するよう構成することを特
   徴とする電気信号−空気圧変換ユニット。