JPH0374601A - 電空変換器の制御回路 - 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］ 本発明はプロセス制御等に利用される電空変換器の制御
回路に係り、特にノズルフラッパ機構に印加電圧に応じ
て変位する圧電素子を用いた電空変換器のＭ＃回路に関
するものである。

［従来の技術］ この種の電空変換器として第６１！ｌに示すように、制
御部１、ノズルフラッパ部２及びパイロットレギュレー
タ部３から構成されたものがある。ノズルフラッパ部２
はオリフィス４、ノズル５及びノズル５に対向して開口
部を３１１ｍする圧電素子フラッパ６から１１或され、
圧電素子フラッパ６には薄い金属板の両面に圧電素子を
接着したいわゆるピエゾバイモルフが使用され、印加さ
れた電圧により変位が生じてノズル開口部を操作し、パ
イロット圧を制御するようになっている。パイロットレ
ギュレータ部３は２枚の受圧面積の異なるダイヤフラム
７の作用により作動される排気弁８を介して主弁９が作
動されるようになっている。そして、制御図ｊｌｌｏは
入力信号と圧力センサ１１からのフィードバック信号を
比較して圧電素子フラッパ６に対する印加電圧を制御し
、フィードバック信号に比べ入力信号が増加した場合に
は、圧電素子フラッパ６に印加される電圧が増加するた
め圧電素子フラッパ６の先端が下方に変位し、ノズル開
口部を閉じようとする。ここで、供給空気の一部がオリ
フィス４を通過してパイロット室１２に流入するが、ノ
ズル開口部が圧電素子フラッパ６で閉じられているとパ
イロット室１２の圧力が上昇し、ダイヤフラム７が排気
弁８を下方に押して主弁９が開かれ、入力ボート１３が
ら出力ボート１４へ給気される。出力ポート１４側の圧
力が上昇すると、２枚のダイヤフラム７の間の圧力も上
昇し、排気弁８を上方に押し戻そうとするとともに、圧
力センサ１１からのフィードバック信号が増加して入力
信号との差が小さくなり、圧電素子フラッパ６の変位が
減少してノズル５の開口部が開きパイロット圧が減少す
るため排気弁８が上方に移動して主弁９が閉じる。又、
入力信号に対して出力圧力が高い場合には、ダイヤフラ
ム７がさらに上方に押されて排気弁８が開き排気ボート
１５から排気される０以上の動作により、入力信号に対
応した出力が得られるようになっている。

又、一般に一方向性（正極性）の直流電圧を圧電素子に
印加して圧電素子を変位させるようにしている。ところ
が、圧電素子は一方向性の電圧のみで制御しようとする
と、素子自体が制御しようとする方向に塑性変形を起こ
し、永久歪みが生じる。この現象は印加電圧が大きい程
また電圧印加時間の長い程顕著となる。そして、永久歪
みが生じると初期特性が変化しノズル開口部の正確な調
整ができないという不都合がある。この不都合を解消す
るため特開昭５９−１３８９２２号公報には、圧電素子
フラッ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て正負両極性すなわち双方向性とな
るようにし、入力電気信号が５０％程度の中位レベルで
印加電圧をｏｖとする構成が開示されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、前記公報に開示されたものは、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
できず、入力電気信号断時に出力空気圧をＯにできない
という問題がある。この間層を解消するため特開昭５９
−１４１０１７号公報には、特開昭５９−１３８９２２
号公報の構成に加えて別の直流電圧源設け、入力電気信
号断時に圧電素子フラッパに負極性の直流電圧を強制的
に印加するようにした電空変換器が開示されているが、
構成が複雑になるという問題がある。

又、圧電素子フラッパ６を用いた電空変換器は、設定圧
力検出手段を内部に持つフィードバック制御を行ってお
り、例えば、第７図に示す１１ｍ回路が採用されている
。この制御回路では圧力センサ１１の圧力検出信号Ｓ１
が信号比較器（オペアンプ）１６の反転入力端子に入力
され、設定信号Ｓが非反転入力端子に入力される。その
ため、供給圧力がない状態又は定格の供給圧力に満たな
い状態で信号比較器１６に設定信号が入力されると、信
号比較器１６は常に最大の出力を発生して圧電素子フラ
ッパ６にも最大の電圧が印加され、圧電素子の塑性変形
が助長される。

本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、
その目的は簡単な構造で圧電素子の塑性変形による圧電
素子フラッパの永久歪を防止でき、初期特性の変化が少
ない安定な電空変換器の制御回路を提供することにある
。

［課題を解決するための手段］ 前記の目的を達成するため本発明においては、ノズルフ
ラッパ機構に印加電圧に応じて変位する圧電素子を用い
た電空変換器において、電空変換器の出力圧を設定する
設定信号と出力圧を検出する圧力センナの圧力検出信号
とが入力されて両信号を比較する信号比較器と、該信号
比較器の出力信号に基いて圧電素子に一方向性の電圧を
出力する圧電素子駆動回路部とを設けるとともに、前記
信号比較器の圧力検出信号が入力される反転入力端子に
電空変換器に供給圧力がない状態又は定格の供給圧力に
満たない状態の時に、信号比較器の出力電圧の一部を圧
力検出信号が入力される反転入力端子に戻す電圧制限回
路を設けた。

又、第２請求項に記載の発明では、ノズルフラッパ機構
に印加電圧に応じて変位する圧電素子を用いた電空変換
器において、電空変換器の出力圧を設定する設定信号と
出力圧を検出する圧力センサの圧力検出信号とが入力さ
れて両信号を比較する信号比較器と、該信号比較器の出
力信号に基いて圧電素子に一方向性の電圧を出力する圧
電素子駆動回路部とを設けるとともに、該圧電素子駆動
回路部に前記信号比較器に設定信号が入力されない状態
又は圧力検出信号の価が設定信号の値より大きい時に圧
電素子に圧電素子駆動制御時と逆方向の電圧を発生する
逆方向性電圧発生回路を設けた。

［作用］ 本発明の電空変換器の制御回路では信号比較器に電空変
換器の出力圧を設定する設定信号と、出力圧を検出する
圧力センサの圧力検出信号とが入力され、該信号比較器
の出力信号に基いて圧電素子に一方向性の電圧を出力す
る圧電素子駆動回路部が作動される。そして、第１請求
項に記載の発明では、電空変換器に供給圧力がない状態
又は定格の供給圧力に満たない状態の時には、電圧制限
回路の作用により信号比較器の出力電圧の一部が圧力検
出信号が入力される反転入力端子に戻され、信号比較器
の出力電圧が最大の出力とはならずに、設定信号電圧よ
り所定の割合だけ大きな値となる。

又、第２ｎ求項に記載の発明では、前記信号比較器に設
定信号が入力されない状態又は圧力検出信号の価が設定
信号の錬より大きい時には、圧電素子駆動回路部の逆方
向性電圧発生回路が作動されて圧電素子に圧電素子駆動
制御時と逆方向の電圧が印加される。

［実施例１］ 以下、本発明を具体化した第１実施例を第１゜２図に従
って説明する。第１図に示すように信号比較器１６の出
力信号に基いて作動されて圧電素子フラッパ６に一方向
性の制御電圧を印加する圧電素子駆動回路部１７には、
ＮＰＮトランジス゛りＴｒｌ及びＰＮＰトランジスタ１
゛「２が、そのエミッタ同士が接続されるとともに各ベ
ースが信号比較器１６の出力側に接続された状態で設け
られている。ＮＰＮトランジスタＴｒｌのコレクタは直
流電源のコモンに接続され、ＰＮＰトランジスタ１゛「
２のコレクタは負（−）の直流電源及び圧電素子フラッ
パ６の負（−）側に接続されている。又、両トランジス
タＴｒｔ、　Ｔｒ２のエミッタが圧電素子フラヴバ６の
正（十）側に接続されている。

信号比較器１６の反転入力端子には圧力検出信号８１が
、非反転入力端子には設定信号Ｓがそれぞれ入力される
ようになっている。信号比較器１６には電空変換器に供
給圧力がない状態又は定格の供給圧力に満たない状態の
時に信号比較器１６の出力電圧の一部を反転入力端子に
戻す作用をなす電圧制限回１１８が、正常な制御時に反
転入力＝非反転入力とするためのコンデンサＣと並列に
接続されている。電圧制限回路１８はＰＮＰトランジス
タＴｒ３とツェナーダイオードＺｄｌとからなり、ＰＮ
ＰトランジスタＴｒ３のエミッタがツェナーダイオード
Ｚｄｌのアノードに、コレクタが信号比較器１６の反転
入力端子に、ベースが信号比較器１６の非反転入力端子
側にそれぞれ接続されている。

次に前記のように構成された制御回路の作用を説明する
。電空変換器に定格の供給圧力がある状態では、信号比
較器１６に設定信号Ｓと圧力検出信号Ｓ１とが入力され
、信号比較器１６からは両信号に基いた所定の電圧が出
力される。これにともないＮＰＮトランジスタＴｒｌは
ＯＮとなり、ＰＮＰトランジスタＴｒ２はＯＦ’Ｆとな
る。そして、信号比較器１６の出力電圧に比例した高電
圧が圧電素子フラッパ６に対してその動作方向に印加さ
れ、圧電素子フラッパ６が駆動制御される。信号比較器
１６の出力電圧ＶＩＮと圧電素子端子間電圧Ｖ　ＯＵＴ
の関係は第２図に実線で示す状態となる。

電空変換器に供給圧力がない状態又は定格の供給圧力に
満たない状態では、従来のように電圧制限回路がない場
合には、設定信号Ｓが信号比較器１６に入力されると信
号比較器１６からは設定信号Ｓの大小に拘りなく常に信
号比較器１６の性能の最大出力が発生され、第２図に破
線で示すように圧電素子フラッパ６の端子間には常に最
大の電圧が印加されて圧電素子の塑性変化が助長される
。

しかし、この実施例の制御回路では電圧制限回路１８が
存在するため、ツェナーダイオードＺｄｌのツェナー電
圧が信号比較器１６の反転入力端子に入力され、信号比
較器１６からの最大出力電圧は設定信号Ｓとツェナー電
圧の和となる。すなわち、電空変換器に供給圧力がない
状態又は定格の供給圧力に満たない状態では、圧電素子
端子間電圧Ｖ　ＯＵＴの変化は第２図に鎖線で示すよう
になり、実線で示す定格の供給圧力がある場合に設定圧
力を出力する時の圧電素子端子ｒｗＪｔ圧Ｖ　０ｔｌＴ
にある程度のマージンをもった鎖に抑制され、破線で示
す電圧制限回路がない場合と比較して圧電素子フラッパ
６に印加される電圧が小さくなる。従って、トランジス
タＴｒ３とツェナーダイオードＺｄｌの組合わせという
簡単な構成の電圧制限回路１８を付加するだけで、従来
と異なり圧電素子の塑性変化が抑制されて圧電素子フラ
ッパの初期特性が維持される。

［実施例２〕 次に第２実施例を第３．４図に従って説明する。

この実施例の制御回路では前記実施例の構成に加えて、
信号比較器１６に設定信号Ｓが入力されない状態又は圧
力検出信号Ｓ１の値が設定信号Ｓの値より大きい時に圧
電素子フラッパ６に圧電素子駆動制御時と逆方向の電圧
を発生する逆方向性電圧発生回路１９が圧電素子駆動回
路部１７に設けられている。すなわち、ＰＮＰトランジ
スタＴｒ２のコレクタと前記直流電源のコモンとの間に
、抵抗Ｒ１及びツェナーダイオードＺｄ２が直列に接続
された逆方向性電圧発生回路１９が接続され、ツェナー
ダイオードＺｄ２のカソード側が圧電素子フラッパ６の
負（−）側に接続されている。

次に前記のように構成された制御回路の作用を説明する
。信号比較器１６に設定信号Ｓが入力されるとともに設
定信号Ｓより小さな圧力検出信号（Ｓ１）が入力された
状態では、信号比較器１６から正の出力電圧が出力され
る。これにともないＮＰＮトランジスタＴｒ１はＯＮと
なり、ＰＮＰトランジスタＴｒ２はＯＦＦとなる。そし
て、信号比較器１６の出力電圧に比例した高電圧が圧電
素子フラッパ６に対してその動作方向に印加され、圧電
素子フラッパ６が駆動制御される。

一方、信号比較器１６に設定信号Ｓが入力されていない
状態あるいは圧力検出信号が設定信号Ｓより大きい状態
では、信号比較器１６からの出力電圧が０となる。これ
によりＮＰＮｈランジスタＴｒ１はＯＦＦとなり、ＰＮ
ＰトランジスタＴｒ２はＯＮとなる。ＰＮＰトランジス
タＴｒ２がＯＮになると圧電素子フラッパ６の正（＋）
ｌｌｌｌＩが一■の電圧となり、圧電素子フラッパ６に
はツェナーダイオードＺｄ２のツェナー電圧に等しい一
定電圧がその動作方向と逆向きに印加される。すなわち
、従来と興なり圧電素子フラッパ６が駆動制御されない
時には、圧電素子に対して駆動制御時に印加される一方
向性の電圧により発生する塑性変化を打ち消す作用をな
す電圧が印加される。従って、圧電素子の塑性変化が抑
制されて圧電素子フラッパ６の初期特性が維持される。

なお、本発明は前記両実施例に限定されるものではなく
、例えば、第２実施例において電圧制限回＃１１８を省
略して逆方向性電圧発生回路１９のみを設けてもよい、
又、逆方向性電圧発生回路１９としてツェナーダイオー
ドＺｄ２と抵抗Ｒ１との組合わせに代えて、第５図に示
すように２個の抵抗Ｒ１，Ｒ２を用い、抵抗分圧により
逆の方向性電圧を発生させるようにしてもよい。

［発明の効果コ 以上詳述したように、第１ｎ求項に記載の発明によれば
、簡単な構造の電圧制限回路を付加するだけで、電空変
換器に供給圧力がない状態又は定格の供給圧力に満た′
ない状態の時に設定信号が入力されると、従来と異なり
信号比較器の出力が最大出力電圧とはならずに設定信号
電圧より所定の割合だけ大きな値となるので、圧電素子
フラッパに印加される電圧が小さくなり、圧電素子の塑
性変化が抑制されて初期特性が維持される。特に設定信
号電圧が低い場合その効果が大きくなる。

ス、第２請求項に記載の発明によれば、簡単な構造の逆
方向性電圧発生回路を付加するだけで、電空変換器に設
定信号が入力されていない状態のとき又は圧力検出信号
が設定信号より高い状態のときに、逆方向性電圧発生回
路が作動されて圧電素子に通常の駆動制御時と逆方向の
電圧が印加されるため、圧電素子の塑性変形が抑制され
、初期特性が維持される４

【図面の簡単な説明】

第１，２図は本発明を具体化した第１実施例を示すもの
であって、第１図は回路図、第２図は信号比較器の出力
電圧と圧電素子端子間電圧の関係を示す線図、第３．４
図は第２実施例を示し、第３図は回路図、第４図は信号
比較器の出力電圧と圧電素子端子間電圧の関係を示す線
図、第５図は変更例の逆方向性電圧発生回路の図、第６
図は電空変換器の断面図、第７図は従来の制御回路図で
ある。 圧電素子フラッパ６、圧力センサ１１、信号比較器１６
、圧電素子駆動回路部１７、電圧制限回路１８、逆方向
性電圧発生回路１９、設定信号Ｓ、圧力検出信号Ｓｌ、
ツェナーダイオードＺｄｌ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ノズルフラッパ機構に印加電圧に応じて変位する圧
   電素子を用いた電空変換器において、電空変換器の出力
   圧を設定する設定信号（Ｓ）と出力圧を検出する圧力セ
   ンサ（１１）の圧力検出信号（Ｓ１）とが入力されて両
   信号を比較する信号比較器（１６）と、該信号比較器（
   １６）の出力信号に基いて圧電素子に一方向性の電圧を
   出力する圧電素子駆動回路部（１７）とを設けるととも
   に、前記信号比較器（１６）の圧力検出信号（Ｓ１）が
   入力される反転入力端子に電空変換器に供給圧力がない
   状態又は定格の供給圧力に満たない状態の時に、信号比
   較器（１６）の出力電圧の一部を圧力検出信号（Ｓ１）
   が入力される反転入力端子に戻す電圧制限回路（１８）
   を設けた電空変換器の制御回路。 ２、ノズルフラッパ機構に印加電圧に応じて変位する圧
   電素子を用いた電空変換器において、電空変換器の出力
   圧を議定する設定信号（Ｓ）と出力圧を検出する圧力セ
   ンサ（１１）の圧力検出信号（Ｓ１）とが入力されて両
   信号を比較する信号比較器（１６）と、該信号比較器（
   １６）の出力信号に基いて圧電素子に一方向性の電圧を
   出力する圧電素子駆動回路部（１７）とを設けるととも
   に、該圧電素子駆動回路部（１７）に前記信号比較器（
   １６）に設定信号（Ｓ）が入力されない状態又は圧力検
   出信号（Ｓ１）の値が設定信号（Ｓ）の値より大きい時
   に圧電素子に圧電素子駆動制御時と逆方向の電圧を発生
   する逆方向性電圧発生回路（１９）を設けた電空変換器
   の制御回路。