JPH0245775Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 この考案はプロセス制御において、各種の検出
器によつて検出された電気的検出信号を空気圧信
号に変換して空気式制御操作部に出力する電空変
換器のうち、フラツパに電歪素子としてバイモル
フを接合し、これに上記検出電気信号を印加して
その湾曲によるフラツパの変位をノズル背圧に変
換する方式の電空変換器の改良に関するものであ
る。

(ロ) 従来技術 従来ピツクアツプなどに主として用いられてい
るバイモルフ形セラミツクエレメント（以下バイ
モルフと記す）は、数多い電歪素子のうちでも素
子自身の機械的インピーダンスを低くするための
構造が他の素子に比し、格段に優れている。この
バイモルフを第１図に示すようにその１端（１
Ｆ）を固定したフラツパ１の両面に薄板状のバイ
モルフ２，２′をそれぞれの歪み方向（引張（＋
Ｆ）・圧縮（−Ｆ））を逆にして接合し、図のよう
にフラツパ１に（＋）、バイモルフ２，２′に
（−）の直流電圧E_dcを印加して点線で示すように
フラツパ先端ITを矢印ａ方向にたとえば1V当り
約2μの変位d_fを与えるようにする。この変位d_fに
よつてフラツパ先端ITに対向するノズル（図示
せず）の背圧が変化し、このノズル背圧の変化は
バイロツトリレーに導かれて、そこで増幅され
0.2〜1.0Kg／cm²の統一信号の出力となる。このよ
うにバイモルフを用いることによつて検出信号に
対応したフラツパの変位を、レバーやリンクの組
合せによる複雑な平衡機構を要しないで空気圧信
号に変換する。構造簡単にして小形化されたノズ
ル・フラツパ機構を備えた新しい形式の電空変換
器は既に考案され一部で用いられている。しかし
ながら上記バイモルフは常時電圧が印加されてい
ると、上記したたとえば1V当り約2μという変位
量（−Ｄ）が次第に減少するという性質をし、こ
のため長期間にわたり高信頼性を要求されるプロ
セス制御系の信号変換器には安心して使用できな
い欠点がある。

(ハ) 目 的 この考案は上記の欠点を解消し、従来のバイモ
ルフなどの電歪素子を用いた電空変換器を改良
し、電歪素子に常時入力電圧信号を印加しない状
態で、しかもその信号に対応した空気圧信号を出
力する便宜な電空変換器を得ようとするものであ
る。

(ニ) 構 成 この考案は、上記目的を達成するために、電空
変換器を以下のように構成した。すなわち、この
考案に係る電空変換器は、電歪素子が接合され、
一端部が固定されたフラツパの自由端側に、給気
源に空気配管を介して連通接続されたノズルの先
端を所定の間隙を介して対向させ、前記フラツパ
と電歪素子間に電圧が印加されることによりフラ
ツパの自由端側が湾曲して前記ノズルを閉じる方
向へ変位することに伴うノズル背圧の変化を増幅
して出力配管へ出力するパイロツトバルブを設け
てなり、前記フラツパ側へ入力される入力電圧信
号を空気圧信号に変換して出力配管へ出力する電
空変換器において、前記出力配管を分岐させ、そ
の分岐管に、前記出力配管へ出力される前記空気
圧信号を電圧信号に変換する空電変換器を設け、
かつ一方の入力端子に前記入力電圧信号が入力す
るようにされ、他方の入力端子が前記空電変換器
に接続され、出力端子が前記フラツパに接続され
た比較演算増幅器を設けて構成され、前記比較演
算増幅器の他方の入力端子に、一方の入力端子に
入力される前記入力電圧信号に対応した空気圧信
号を前記空電変換器で電圧信号に変換してその変
換された電圧信号を入力させることにより、比較
演算増幅器の偏差信号を零にして前記フラツパと
電歪素子間に印加される電圧を零にし、フラツパ
を元の位置に復帰させて変位させないようにする
空電フイードバツク回路を付設するとともに、前
記ノズルを、そのノズル背圧の変化に対し直線的
特性をもつて変位する金属ダイヤフラムの中央部
に一体的に形成し、ノズル背圧によりノズルが変
位して前記フラツパに対しノズル背圧に対応した
間隙で保持されるようにしたことを特徴として構
成されている。

(ホ) 実施例 以下図面を用いてこの考案の実施例を説明す
る。第２図は、この考案の実施例電空変換器の構
成ブロツク図であり、フラツパ１の両面に、たと
えば厚さ0.2mm位のバイモルフ２，２′を接着剤に
よつて接合し、その１端（１Ｆ）を絶縁基台３に
よつて固定し、直流電圧信号S_fの（＋）側を印加
する構成は第１図で説明したとおり、従来のもの
と同一である。このフラツパ先端ITに対向する
ノズル機構４がこの考案の要部の一つであり、ノ
ズル５はたとえば厚さｔが0.2mm位、直径Ｄが20
mm位の金属ダイヤフラム６の中央開口部に取付け
てある。上記ダイヤフラム６はこれとともにノズ
ル背圧室７を形成する金属容器８にその周縁を気
密に封着されており、容器８の中央に空気流入孔
９が設けてある。

この空気流入孔９には、空気配管１０が連通接
続されており、その空気配管１０は、図示しない
給気源に流路接続されている。また、空気配管１
０には、点線で示すように絞り１１が介設されて
おり、その絞り１１の配設位置を挟んだ前後の位
置において空気配管１０からそれぞれ分岐配管１
２，１３が分岐され、その各分岐配管１２，１３
にバイロツトバルブ１４が絞り１１と並列に接続
されている。そして、給気源からは、空気圧Piが
たとえば1.4Kg／cm²の加圧空気が空気配管１０に
供給されていて、上記背圧室７のノズル背圧Pn
がパイロツトバルブ１４により、たとえば0.4〜
1.0Kg／cm²の空気圧信号Spに増幅され、その空気
圧信号Spがパイロツトバルブ１４から出力配管
１５に出力されて、調節弁（図示せず）などの操
作部へ送信されるようになつている。上記９から
１５までの構成は、従来通りであるが、この考案
の今一つの要部は上記出力配管１５から分岐管１
６を介して設けた空電変換器１７と、この空電変
換器１７からの出力である電圧信号Snが（−）
端子に入力される比較演算増幅器Ａとで形成した
空電フイードバツク回路１８である。上記増幅器
Ａの他方の（＋）端子には図示しない検出部から
の温度などの入力信号S_iを入力−電圧変換回路１
９を介して電圧信号S_eに変換して入力される。以
上の構成において、今、入力信号S_iが入力される
と増幅器Ａは、上記S_eを増幅してたとえばDC3〜
6Vのフラツパ印加電圧S_fがフラツパ１ならびに
２．２′に印加されると、第１図で説明したとお
りフラツパ先端ITはノズル５を閉じる方向に湾
曲する。このためフラツパ・ノズル間隙Ｇがせば
まりノズル背圧P_oが今までの大気圧に近い圧力
P_opから上昇し、この上昇したノズル背圧P_oが、
パイロツトバルブ１４によつて圧力増幅され出力
信号S_pとして操作部に伝送される。この出力信号
S_pは同時に上記空電フイードバツク回路１８によ
つて電圧信号S_oとして増幅器Ａに入力され、上記
入力電圧信号S_eと比較され、その偏差Δeが零に
なるまで作動する。このΔe＝０の状態はバイモ
ルフ２，２′に電圧が印加されずに上記検出信号
S_iに対応した出力信号S_pが操作部に送られるので
ある。これを第３図以下の図面によつて説明す
る。第３図はフラツパ先端１Ｔとノズル５との相
対関係において横軸をフラツパ先端１Ｔの第１図
に示した変位量d_fをμ単位で示し、タテ軸をノズ
ル５を従来装置同様固定したときのノズル背圧
P_o′として求めたフラツパ・ノズル特性曲線図で
あり、フラツパ１がバイモルフの湾曲で10μから
15μと変位を大きくすればそれだけノズル５に接
近するのでノズル背圧P_o′が0.4Kg／cm²から0.6
Kg／cm²に上昇することを示している。つぎにその
ノズル５を設けるダイヤフラム６の圧力に対する
弾性特性を第４図に示す。図はヨコ軸に上記背圧
室７のノズル背圧P_o、タテ軸にダイヤフラム６
の変位量d_nを示すと、前述したダイヤフラムの
材質、厚みおよび直径などを適切に選定設計して
あるので図のように直線的特性が得られ、ノズル
背圧0.4〜0.6Kg／cm²に対し、10μ〜15μと正しく変
位する。これを図示したのが第５図であり、図
はノズル背圧P_oが0.4Kg／cm²のとき、図は0.6
Kg／cm²のときの図でダイヤフラム６はそれぞれ点
線で示す６′の位置から実線の位置６まで変位し、
それに伴つてノズルも５′→５というように上昇
することを示している。これに対し、フラツパ１
は最初または入力信号変化の際瞬間的に第１図の
ように変位するが、第２図で説明したとおり出力
空気圧信号S_pによつて印加電圧S_fがフイードバツ
ク電圧S_oによつて打消されΔe＝０となるので元
の位置に復帰しているのである。いいかえると、
フラツパ１は一たんノズル５に接近するが、その
ため生ずるノズル背圧P_oによつて復帰する際、
ノズル５を引上げ検出信号S_iに対応したフラツ
パ・ノズル間隙Ｇを保つ位置に安定させる作用を
するのである。第６図はそれからフラツパ・ノズ
ルの総合動作によつてこの考案の電空変換器の変
換特性を示す図であり、ヨコ軸はバイモルフ印加
電圧S_fならびにそれに対応するノズル背圧P_o、、
タテ軸は出力空気圧信号S_pであり、S_fが3Vから
6Vの範囲においてS_pは0.2Kg／cm²の残留圧から1.0
Kg／cm²の圧力までほぼ直線的に応答することを示
し、しかも前述したようにバイモルフ２，２′に
は最初瞬間的にS_fが印加されるだけで、その後常
にΔe＝０の状態を保つこととなる。

以上がこの考案の実施例であるが、この考案は
図示や説明に用いた数値に限定されるものでない
ことはいうまでもない。たとえば金属ダイヤフラ
ムの厚みや直径は１例であり、ノズル背圧とその
変位量との関係はいかようにでも設計できる。ま
たノズル変位d_nを調整する機構を付加すること
もできる。さらに電歪素子はバイモルフに限ら
ず、またフラツパの片面だけに接合してもよい。

(ヘ) 効 果 この考案は以上のように構成されているのでバ
イモルフなどの電歪素子をほぼ零電圧で作動させ
ることができ、電圧連続印加によるドリフトを完
全に防止し、長期間高信頼性を保つという大きい
効果を有し、またノズル変位が上述したように
5μ位の微少であるためこれを支承する金属ダイ
ヤフラムに十分な剛性をもたすことができ、この
ため外部振動などの影響を全く受けない堅牢にし
て構造簡単、小形の便宜な装置を提供しえたもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は既に開発された電歪素子接合のフラツ
パの動作説明のための側面図、第２図は上記第１
図のフラツパを用いたこの考案の実施例電空変換
器の構成ブロツク図（ノズル・フラツパ）部分は
側面図、第３図は上記装置のフラツパの変位に対
し、ノズルを固定したばあいのノズル背圧特性を
示すグラフ、第４図はこの装置のノズルを取付け
る金属ダイヤフラムの圧力に対する弾力特性を示
すグラフ、第５図はこの装置のフラツパ・ノズル
の作動時の相対関係を示す図で図はノズル背圧
が0.4Kg／cm²、図は0.6Kg／cm²を示す。第６図は
この装置の入出力変換特性を示すグラフである。 １……フラツパ、IT……フラツパ先端部、２，
２′……１対の電歪素子、ａ……電歪素子の湾曲
による変位方向、５……ノズル、６……ノズルを
装置する金属ダイヤフラム、７……ノズル背圧
室、８……上記ダイヤフラム６とともにノズル背
圧室を形成する金属容器、P_o……ノズル背圧、
Ｇ……フラツパ・ノズル間隙寸法、d_f……フラツ
パ先端部ITの変位量、d_n……ダイヤフラム６の
変位量、S_p……出力空気圧信号、S_e……入力電圧
信号、１７……空電フイードバツク回路の空電変
換器、Ａ……比較増幅器、S_o……ノズル背圧P_o
対応の電圧信号、１８……空電フイードバツク回
路、Δe……上記Ａの偏差出力電圧、S_f……電歪
素子印加電圧。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 電歪素子が接合され、一端部が固定されたフラ
   ツパの自由端側に、給気源に空気配管を介して連
   通接続されたノズルの先端を所定の間隙を介して
   対向させ、前記フラツパと電歪素子間に電圧が印
   加されることによりフラツパの自由端側が湾曲し
   て前記ノズルを閉じる方向へ変位することに伴う
   ノズル背圧の変化を増幅して出力配管へ出力する
   パイロツトバルブを設けてなり、前記フラツパ側
   へ入力される入力電圧信号を空気圧信号に変換し
   て出力配管へ出力する電空変換器において、前記
   出力配管を分岐させ、その分岐管に、前記出力配
   管へ出力される前記空気圧信号を電圧信号に変換
   する空電変換器を設け、かつ一方の入力端子に前
   記入力電圧信号が入力するようにされ、他方の入
   力端子が前記空電変換器に接続され、出力端子が
   前記フラツパに接続された比較演算増幅器を設け
   て構成され、前記比較演算増幅器の他方の入力端
   子に、一方の入力端子に入力される前記入力電圧
   信号に対応した空気圧信号を前記空電変換器で電
   圧信号に変換してその変換された電圧信号を入力
   させることにより、比較演算増幅器の偏差信号を
   零にして前記フラツパと電歪素子間に印加される
   電圧を零にし、フラツパを元の位置に復帰させて
   変位させないようにする空電フイードバツク回路
   を付設するとともに、前記ノズルを、そのノズル
   背圧の変化に対し直線的特性をもつて変位する金
   属ダイヤフラムの中央部に一体的に形成し、ノズ
   ル背圧によりノズルが変位して前記フラツパに対
   しノズル背圧に対応した間隙で保持されるように
   したことを特徴とする電空変換器。