JPH0321050B2 - - 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) 背景 電−空変換器にはノズルフラツパに圧電素子を
用いたものがある。この種の電−空変換器は従
来、入力信号に応じた一方向性（正極性）の直流
電圧を圧電素子フラツパに印加し、圧電素子フラ
ツパを変位させるようにしているが、連続して一
方向性の直流電圧を印加すると圧電素子は発生す
る歪の方向に遡性変形し、動作点がずれるという
欠点があつた。そこでこの欠点を解消するため、
この出願の発明者等は、圧電素子フラツパに印加
する制御電圧を、入力信号の中位レベルで0V近
辺とし、入力信号が大、あるいは小になることに
対応して正、負両極となるようにした電−空変換
器を創出し、すでに出願した。この先願に係る電
−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。

しかしながらこの電−空変換器では、入力電気
信号が中位レベル（50％）の時、圧電素子フラツ
パの変位が０となるように構成するものであるか
ら、入力電気信号が無い時と、入力電気信号が50
％程度の時との区別ができない。すなわち入力電
気信号断時にも50％の空気圧が出力されるという
問題がある。

(ハ) 目的 それゆえに、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、しかも入力電気信号が断時等所定値以下の場
合に出力圧を０％すなわち０Kg／cm²となし得る電
−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、上記した先願の電−空変換器の構成要素
に加えて、入力電気信号が所定値以下になつた
時、出力圧を０％に振り切らせるための空気圧開
路手段を空気圧系に設けるようにしている。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、入力電気信号が加えられる
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
ノズル及び前記背圧を出力圧に変換するパイロツ
ト弁とよりなる空気圧系と、前記出力圧を電気信
号に変換する回路と、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、
前記空気圧系に設けられ、前記入力電気信号が所
定値以下の時、前記空気圧系の空気圧を逃す空気
圧開路手段とから構成されている。

(ホ) 実施例 以下、図面に示す実施例によりこの発明をさら
に詳細に説明する。

第１図はこの発明の前提となる電−空変換器の
回路図である。同図において、入力電流Iiがツエ
ナダイオードＺ１とボリウムVRを流れ、ボリウ
ムVRの入力抵抗Riには入力電内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Ｚ
２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る
ようになつている。この演算増幅器１の出力電圧
Ｅ０が発振回路９に加えられ、発振回路９は出力
電圧Ｅ０により振幅変調を受けて発振する。すな
わち発振回路９は出力電圧Ｅ０したがつて入力電
流Iiに応じた振幅の発振信号を出力する。発振回
路９の発振出力信号は全波整流回路１１で整流さ
れ、放電抵抗Rbの両端に＋Ｅ２の直流電圧が導
出されるようになつている。この整流回路１１の
出力直流電圧Ｅ２は圧電素子フラツパ２の金属板
２ａに加えられる。

また入力電流IiがツエナダイオードＺ１、ボリ
ウムVRに流される状態下では＋Ｖの電圧が発振
回路８に供給され、発振回路８は一定の振幅の発
振信号を出力する。発振回路８の発振出力信号は
全波整流回路１０で整流され、放電抵抗Raの両
端に＋Ｅ１の直流電圧が導出されるようになつて
いる。この整流回路１０の出力直流電圧Ｅ１は圧
電素子フラツパ２の圧電素子２ｂ，２ｃに加えら
れる。上記直流電圧Ｅ１，Ｅ２はいずれも正極性
の電圧であるが、圧電素子フラツパ２には互に逆
極性に加えられており、両電圧が相殺される態
様、すなわちＥ２−Ｅ１の電圧Ｅ０′が印加され
るようになつてちる。そして直流電圧Ｅ２は入力
電流に応じて０から2E１まで変化するように構
成され、50％に対応する入力電流の場合には、Ｅ
２＝Ｅ１となりこの場合にはＥ０′は０となる。
圧電素子フラツパ２は印加電圧Ｅ０′に応じて変
位する。Ｅ０′が負極性（Ｅ２＜Ｅ１）の場合に
は後述するノズル３から等ざかるように、逆に正
逆性（Ｅ２＞Ｅ１）の場合にはノズル３に近づく
方向にそれぞれ変位する。しかしＥ０′＝０（Ｅ２
＝Ｅ１）の場合には変位しない。

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
として導出するとともに、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、
出力圧を圧電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
を経て演算増幅器１の非反転入力端に帰還され
る。ここで、演算増幅器１への入力信号電圧と、
差動増幅回路７から帰還される電圧とに差があ
り、入力信号電圧の方が大きい場合に、演算増幅
器１の出力電圧E₀がより大きい方向に変化し、
これに応じ、発振回路９より、整流回路１１を経
て、抵抗Rbの両端に得られる電圧E₂も増加し、
圧電素子フラツパ２に印加される電圧E₀′が増加
し、圧電素子フラツパ２はノズル３に近づく方向
に変位する。これに応じてノズル３の背圧が大き
くなり、出力圧も上昇するとともに、差動増幅器
７を介して演算増幅器１に帰還される電圧が大と
なり、入力信号電圧に近づく。入力信号電圧に、
差動増幅器７より帰還される電圧が近づくと、演
算増幅器１の出力電圧E₀の大き方向への変化が
小さくなり、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の出力電圧E₀の変化が止まり、そのまま保持
される。したがつてノズル３の背圧も一定とな
り、出力圧も一定となる。信号入力電圧がさらに
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、この差電圧の
演算増幅器１への入力により出力電圧E₀は、再
び大きくなる方向に変化し、応じて上記と同様に
電圧E₂も増加するので、圧電素子フラツパ２に
印加される電圧E₀′が増加し、圧電素子フラツパ
２はノズル３により近づく方向に変位する。これ
に応じてノズル３の背圧がさらに大きくなり、出
力圧も上昇する。そして、入力信号電圧と差動増
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。

上記した第１図の電−空変換器は入力電流Iiが
流れている限り、50％に対応する入力電流で圧電
素子フラツパ２に印加される電圧Ｅ０′が０とな
り、圧電素子フラツパ２の変位は小さい状態で動
作を維持し、圧電素子の機械歪の初期値変動によ
る動作点の変動を小さく抑えることができる。し
かし入力電流Iiが断し０となると、発振回路８及
び９の発振が低下し、整流回路１０及び１１の出
力直流電圧Ｅ１，Ｅ２が０となりこの場合も圧電
素子２の印加電圧Ｅ０′は０となり、圧電素子フ
ラツパ２は変位しないので、50％付近の空気圧が
出力されることになる。

そこで、この発明の第１の実施例は第２図に示
すように、ノズル３とパイロツト弁４の間の空気
圧路にノズル背圧をオン・オフする空気圧開路手
段１２を設けるようにしている。この実施例電−
空変換器では、第１図に示した入力電Iiが所定値
以上の場合に空気圧回路手段１２はオフしてお
り、第１図で説明したように通常の制御動作がな
され、圧電素子フラツパ２に印加される電圧Ｅ
０′に応じた出力空気圧が導出される。一方、入
力電流Iiが所定値（定格値）以下になれば、空気
圧開路手段１２がオンし、ノズル３の背圧が逃が
され、これによりパイロツト弁４よりの出力圧は
０方向に振り切らされ、出力圧は０％に強制され
る。ここで使用される空気圧回路手段１２の具体
例としては第３図、第４図に示すものがある。

第３図は電磁弁を用いた空気圧開路手段であ
る。同図において、コア２０には電磁コイル２１
が巻回されるとともに、中央部にはノズル背圧を
受ける連通孔２２が設けられており、この連通孔
２２の背圧出口には、電磁コイル２１の吸引力に
より出口を塞ぐ弁２３が設けられている。電磁コ
イル２１の電流が所定値以下になると、電磁コイ
ル２１の吸引力に抗してノズル背圧により、弁２
３は連通孔２２の出口から離隔して右方に移動す
るようになつている。２４は弁ストツパ、２５は
ストツパ押えである。また弁ストツパ２４には、
ノズル背圧を逃す穴２６が設けられている。もち
ろん弁２３は、パーマロイ等の磁性材料で形成さ
れる。

この電磁弁式の空気圧開路器では、電磁コイル
２１に流れる入力電流が定格値以上であると、そ
の電磁力により弁２３が吸引されるので連通孔２
２の出口が塞がれ、オフ状態にありノズル背圧は
逃がされない。しかし電磁コイル２１に流れる入
力電流が定格値以下になると電磁コイル２１の吸
引力が弱くなるので、ノズル背圧により弁２３は
右方に押され、連通孔２２と弁２３間に隙間が生
じるので、ノズル背圧はこの隙間から穴２６を経
て外部に逃がされる。

第４図は圧電素子ダイヤフラムを用いた空気圧
回路器である。同図において、３０はベース３１
の中央部に設けられ、ノズル３よりのノズル背圧
を受けるノズル、３２は端部がベース３１に支持
される圧電素子ダイヤフラムであり、この圧電素
子ダイヤフラム３２の圧電素子は入力電流に対応
した電圧が印加されるようになつており、印加さ
れる電圧により撓みを生じる。印加電圧が定格値
以上の場合には撓みが大であり、この圧電素子ダ
イヤフラム３２によりノズル３０の噴気口を塞ぐ
ようになつている。ノズル３０と圧電素子ダイヤ
フラム３２の当りを良くするために、圧電素子の
中心に小穴が設けられる。なお３３はベース３１
に設けられる背圧逃がし用の穴である。

このダイヤフラム式の空気圧開路器では、圧電
素子ダイヤフラム３２に印加される電圧が定格値
以上である場合には、圧電素子ダイヤフラム３２
の撓みでノズル３０が塞がれているので、オフ状
態にあり背圧は逃されない。しかし圧電素子ダイ
ヤフラム３２に印加される電圧が定格以下になる
と圧電素子ダイヤフラム３２の撓みが弱くなり、
ノズル３０の先端と圧電素子ダイヤフラム３１間
にギヤツプが生じるのでノズル３よりのノズル背
圧はノズル３０、上記ギヤツプ、を経てベース３
１を経てベース３１の小穴３３より外部に逃がさ
れる。

この発明の他の実施例として、第５図の空気圧
回路が第１図に示した電−空変換器に適用され
る。

この実施例は第２図に示す実施例と相違し、給
気圧を空気圧開路手段１３を介して逃すようにし
ている。そして空気圧開路手段１３の出力側に振
り切り用のノズル１４が圧電素子フラツパ２に対
面して設けられている。なお空気圧開路手段１３
としては第３図あるいは第４図に示したものが使
用される。

第５図において、入力電気信号が定格値以上の
場合には、空気圧開路手段１３がオフしており給
気圧が逃されないので、電−空変換器は通常の制
御動作を行なう。しかし入力電気信号が定格値以
下になると空気圧回路手段１３がオンし、給気圧
開路手段１３を経て振り切りノズル１４より噴出
し、圧電素子フラツパ２を吹き上げる。その結果
圧電素子フラツパ２とノズル３のギヤツプが増大
し、上記給気圧の逃しと相まちパイロツト弁４の
出力は低下し、０方向に振り切れる。

(ヘ) 効果 この発明によれば、入力電気信号が低下値以下
になつた時、空気圧開路手段をオンして空気圧の
空気圧を逃がし、強制的に出力を０方向に振り切
らせるものであるから、入力電気信号の断等が生
じても制御系を安全に運転することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の前提となる電−空変換器の
回路図、第２図はこの発明の一実施例電−空変換
器の要部を示す空気圧回路図、第３図は前記実施
例電−空変換器に使用される電磁弁式空気圧開路
器を示す図、第４図は同じく前記実施例電−空変
換器に使用される圧電素子ダイヤフラム式空気圧
開路器を示す図、第５図はこの発明の他の実施例
電−空変換器の要部を示す空気圧回路図である。 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、１２，１３：空気圧
開路手段。

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、入力
   電気信号が加えられる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及び前記背圧を出
   力圧に変換するパイロツト弁とよりなる空気圧系
   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、前記空気圧系に設け
   られ、前記入力電気信号が所定値以下の時、前記
   空気圧系の空気圧を逃す空気圧開路手段とよりな
   る電−空変換器。 ２ 前記空気圧開路手段は、前記ノズルの背圧を
   逃すようにしたものであ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。 ３ 前記空気圧開路手段は前記給気圧を逃すよう
   にしたものであ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。 ４ 前記空気圧開路手段は電磁弁であり、この電
   磁弁の電磁コイルに前記入力電気信号に応じた電
   流を流して弁を吸引しておき、前記入力電気信号
   が所定値以下になつた時弁の吸引を解除して、前
   記空気圧を逃すようにしたことを特徴とする特許
   請求の範囲第２項または第３項記載の電−空変換
   器。 ５ 前記空気圧開路手段は前記空気圧系よりの空
   気圧を受けるノズルと前記入力電気信号に応じた
   電圧が印加される圧電素子ダイヤフラムとからな
   り、印加電圧が所定値以上の時前記圧電素子ダイ
   ヤフラムで前記ノズルの噴気口を閉じておき、印
   加電圧が所定値以下になると前記圧電素子ダイヤ
   フラムが前記ノズルより離隔して前記空気圧を逃
   すようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項または第３項記載の電−空変換器。