JPH0321049B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 この発明はプロセス制御等に利用される電−空
変換器、特にノズルフラツパに圧電素子を用いた
電−空変換器に関する。

(ロ) 従来技術 圧電素子を用いた従来の電−空変換器は第１図
に示すように、入力電流IiがツエナダイオードＺ
１とボリユウムVRを流れ、ボリユウムVRの入
力抵抗Riには入力電流Iiに比例した電圧eiが得ら
れ、この電圧eiとツエナダイオードＺ２の電圧が
抵抗Ｒ２とＲ３で加算され、マイクロパワーの演
算増幅器１の反転入力端に加えられており、この
演算増幅器１の出力電圧Eoが圧電素子フラツパ
２に印加されている。この圧電素子フラツパ２の
金属板２ａを圧電素子２ｂ，２ｃで挟持して構成
され、上記した演算増幅器１の出力電圧Eoは圧
電素子２ｂ，２ｃと金属板２ａ間に印加される。
そして圧電素子フラツパ２は印加電圧に応じて変
位する。

一方、空気圧系は、ノズル３の噴気口が圧電素
子フラツパ２に対面し、給気圧を受けるととも
に、その背圧をパイロツト弁４で圧力増幅して出
力圧として導出し、その出力圧を定電流源５、圧
力センサ６よりなる空電変換回路に加え、出力圧
を電圧信号に変換するようになつている。また圧
力センサ６よりの電圧信号は差動増幅器７でバイ
アス電圧EBと加算され、演算増幅器１の非反転
入力端にくわえられる。そして、演算増幅器１
は、入力信号電圧と差動増幅器７から帰還される
電圧に差があり、入力信号電圧の方が大きい場合
に、その出力電圧E₀を、圧電素子フラツパ２を
ノズル３に近づけるように変位させるために大き
くなるように変化させ、これに応じてノズル３の
背面が大きくなると、応じて差動増幅器７からの
電圧も大きくなり、入力信号電圧に近づく。やが
て入力信号電圧と差動増幅器７から帰還される電
圧が等しくなると、演算増幅器１は、出力電圧
E₀をそのまま保持する。従つてノズル３の背面
も一定となり、出力圧も一定となる。入力信号電
圧がさらに大きくなると、それまでの差動増幅器
７から帰還される電圧よりも大きくなるので、演
算増幅器１は、出力電圧E₀を、圧電素子フラツ
パ２をノズル３に近づけるように変位させる方向
に変化し、応じて背圧が上がり、差動増幅器７か
らの電圧も上がる。そして信号入力電圧と差動増
幅器７から帰還される電圧が、一致すると、演算
増幅器１は、その出力電圧E₀をその時点の値に
保持し、ノズル３の背圧、出力圧もそれに応じた
一定のものとなる。すなわち、この電−空変換器
は、演算増幅器１の出力電圧E₀を入力信号電圧
に差動増幅器７から帰還される電圧を近づけるよ
うに、そして両者が等しくなるように変化させ両
者が等しくなると、出力電圧E₀を保持し、入力
信号電圧Ei、したがつて入力電流Iiに比例した出
力空気圧を得る。

上記従来の電−空変換器において、圧電素子フ
ラツパ２に印加される制御電圧Eoは、正極性で
あり、第２図で示すように、入力信号が０％から
100％の範囲内で変化する（特性Y1）と制御電圧
はEo1からEo2の範囲内で変化する。したがつて
動作中は、圧電素子フラツパ２は常に同一方向
に、しかも50％程度の入力でも、かなりの変位を
受けることになる。そのため圧電素子材料の機械
歪の初期値が変化し、動作点がずれるという現象
が生じる。この現象は印加電圧の大なる程、また
時間の長い程顕著となる。それゆえ上記従来の電
−空変換器を通常の入力信号を加える状態すなわ
ちかなりの印加電圧で、長期間作動させていると
圧電素子の経時変化と機械的な初期条件の変化に
より、たとえば圧電素子フラツパがノズルに接近
し、同一出力信号を出力するために要する印加電
圧Eoは小さくなる。したがつて、動作点は当初
第２図に示すY1であつて０％から10％の範囲で
制御可能であつたものが、たとえばY2に移動し、
０％信号を出力するのに必要な制御電圧は−
Eo′1となり、正極性の印加電圧の範囲を逸脱し
てしまい、もはや０％から100％の制御が不可能
となる。これでは安心して上記電−空変換器を長
期に使用することができない。

(ハ) 目 的 上記に鑑み、この発明の目的は圧電素子材料の
機械歪の初期値変化による動作点の変化が少な
い、安定な電−空変換器を提供するにある。

(ニ) 構 成 上記目的を達成するために、この発明の電−空
変換器は圧電素子フラツパに印加する制御電圧を
入力電気信号の中位レベルで0V近辺とし、入力
電気信号が大あるいは小になることに対応して正
極あるいは負極となるようにしている。すなわち
この発明の電−空変換器は印加電圧に応じて変位
する圧電素子と、一定の直流電圧を出力し、この
直流電圧を前記圧電素子に印加する第１の直流電
圧源と、入力電気信号に応じて変化し、かつ入力
電気信号が予定変化範囲の中位レベルの時前記第
１の直流電圧源の出力直流電圧と略同値となる直
流電圧を出力し、この出力直流電圧を前記第１の
直流電圧源よりの直流電圧と相殺する態様で前記
圧電素子に印加する第２の直流電圧源と、前記圧
電素子の変位部をフラツパとし、給気圧を受け背
圧を導出するノズルと、この背圧を出力圧に変換
するパイロツト弁と、前記出力圧を電気信号に変
換する変換回路と、この変換回路で変換された電
気信号を前記第２の直流電圧源の入力側に加え、
前記入力電気信号と平衡させる帰還回路とで構成
されている。

(ホ) 実施例 以下、実施例により、この発明をさらに詳細に
説明する。

第３図はこの発明の１実施例を示す電−空変換
器の回路図である。同図において第１図に示した
従来の電−空変換器と同一番号、符合が付された
ものは、同一機能を有する回路、構成要素であ
り、詳細説明は省略する。

８はコレクタ同調型の発振回路（第１の発振回
路）であつて一定振幅の発振出力を導出する。１
０は発振回路８よりの発振信号を整流する全波整
流回路（第１の整流回路）であり、直流電圧E1
を圧電素子２ｂ，２ｃに印加するようになつてい
る。

９はコレクタ同調型の発振回路（第２の発振回
路）であつて、演算増幅器１の出力電圧Eoによ
つて振幅変調を受け、したがつて入力信号に応じ
た振幅の発振出力を導出する。１１は発振回路９
よりの発振信号を整流する全波整流回路（第２の
整流回路）であり、直流電圧E2を圧電素子フラ
ツパ２の金属板２ａに印加するようになつてい
る。なおRa，Rbは放電抵抗、Cf，Rfは回路の安
定性を増すための内部帰還インピーダンス素子で
ある。

上記実施例電−空変換器において、圧電素子フ
ラツパ２への印加電圧回路のみを取り出して等価
回路を示すと第４図に示す通りとなる。整流回路
１０，１１の出力直流電圧E1、E2は、ともに正
極性であるが、直流電圧E1は圧電素子２ｂ，２
ｃに、直流電圧E2は金属板２ａに加えられてい
るので、圧電素子フラツパ２圧電素子には、両直
流電圧E1、E2が相殺される態様で印加される。
すなわち圧電素子フラツパ２に印加される電圧
E′oはE′o＝E2−E1となる。今ここで、直流電圧
E2を０から2E1まで変化できるようにすれば、
E′oは−E1から＋E1まで、すなわち正極性から負
極性の範囲まで変化することになる。

直流電圧E2は演算増幅器１の出力電圧Eoによ
り振幅変調を受けるものであり、出力電圧Eoは
入力電流Iiに対応して変化するものであるから、
たとえば50％の入力電流に対して、整流回路１１
の出力直流電圧E2がE1となるように各回路を選
定しておくことにより、上記実施例電−空変換器
の入力信号−制御電圧特性は第５図に示す通りと
なる。図から明らかなように、入力信号50％では
制御電圧E′oは0Vであり、制御電圧はこの0Vを
中心に、入力信号の変化に応じて正負に変化する
ものであるから、通常の動作状態では圧電素子フ
ラツパ２に小なる電圧しか印加されないことにな
る。

また、この実施例電−空変換器では、それぞれ
発振回路８，９の発振出力を整流回路１０，１１
で整流して得た直流電圧を圧電素子フラツパ２へ
印加電圧とするものであるから、発振回路８，９
より大振幅の発振信号を出力することにより、圧
電素子フラツパ２に高印加電圧を与えることがで
き、制御電圧範囲の設定に余裕を生じるので、圧
電素子材料の機械歪の初期値の変化で多少動作点
が変動しても、その影響を吸収できる上、ノズル
フラツパ系の熱歪や機械歪（姿勢誤差、振動、経
時変化）による動作電圧の変化にも追随できる。

なお上記実施例において発振回路はコレクタ同
調型を用いたが、他の発振形式の発振回路を用い
てもよい。

(ヘ) 効 果 この発明の電−空変換器によれば、圧電素子フ
ラツパに印加される電圧を一方向性のものではな
く、入力電気信号に応じ、正負両極性のすなわち
双方向性となるようにしており、しかもたとえば
入力信号が50％程度の中位レベルで印加電圧を
0Vとするものであるから、通常の動作状態での
変位が小さく、したがつて圧電素子材料の初期値
変動がほとんどなく、動作点の変動を小さく抑え
うるので、制御不可能となるようなことは解消さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電−空変換器を示す回路図、第
２図は従来の電−空変換器の動作点変動を説明す
るための入力信号−制御電圧特性を示す図、第３
図はこの発明の１実施例を示す電−空変換器の回
路図、第４図は同電−空変換器の圧電素子フラツ
パ電圧印加部の等価回路を示す図、第５図は同実
施例電−空変換器の入力信号−制御電圧特性を示
す図である。 １；演算増幅器、２；圧電素子フラツパ、３；
ノズル、４；パイロツト弁、５；定電流源、６；
圧力センサ、７；差動増幅器、８，９；発振回
路、１０，１１；整流回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 印加電圧に応じて変位する圧電素子と、一定
   の直流電圧を出力し、この直流電圧を前記圧電素
   子に印加する第１の直流電圧源と、入力電気信号
   に応じて変化し、かつ入力電気信号が予定変化範
   囲の中位レベルの時前記第１の直流電圧源の出力
   直流電圧と略同値となる直流電圧を出力し、この
   出力直流電圧を前記第１の直流電圧源よりの直流
   電圧と相殺する態様で前記圧電素子に印加する第
   ２の直流電圧源と、前記圧電素子の変位部をフラ
   ツパとし、給気圧を受け背圧を導出するノズル
   と、この背圧を出力圧に変換するパイロツト弁
   と、前記出力圧を電気信号に変換する変換回路
   と、この変換回路で変換された電気信号を前記第
   ２の直流電圧源の入力側に加え、前記入力電気信
   号と平衡させる帰還回路とよりなる電−空変換
   器。 ２ 前記第１の直流電圧源は一定振幅で発振する
   第１の発振回路と、この第１の発振回路の発振出
   力を整流する第１の整流回路とからなり、前記第
   ２の直流電圧源は前記入力電気信号に応じて振幅
   が変化する第２の発振回路と、この第２の発振回
   路の発振出力を整流する第２の整流回路からなる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電
   −空変換器。