JPH0416643B2 - - Google Patents

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、特に空気圧に変
換する電気信号−空気圧変換ユニツトに関し、一
層詳細にはその変換要素としてのノズルフラツパ
を電歪素子で構成した電気信号−空気圧変換ユニ
ツトに関する。

［従来の技術］ 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
転力を変位に変えることにより、ノズルフラツ
パ、パイロツト弁等を介して空気圧に変換してい
る。この場合、トルクモータには通常4mA乃至
20ｍＡの直流電流が使われている。

このようなトルクモータを使つて電気−空気式
変換器などの制御機器を構成する場合、トルクモ
ータによつて発生する力が少しでも大きいほうが
機械的振動など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、制御機器の小型計量化が要求さ
れるようになつてきたため、前記トルクモータを
いかに小型に製作するかが重要な課題になつてい
る。つまり、トルクモータを小型化すればするほ
ど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振動などに対
して弱くなり、制御機器の使用条件如何によつて
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。一方、近年に至り耐振動性、耐衝撃性
を向上させて小型、軽量化を図るという課題の下
に従来とは全く別の角度から電気信号を空気圧に
変換する要素として電歪素子が採用されるに至つ
た。

［発明が解決しようとする課題］ このように電歪素子を用いることにより耐振動
性、耐衝撃性は著しく向上するが、パイロツト弁
と組み合せて電気信号−空気圧変換器として製品
化するにはまだ問題が残されている。

すなわち、一般的に電歪素子は電圧の変化に対
応する変位はわずかなものであり、比較的大きな
変位を得ようとすれば、印加する電圧変化も大き
くしなければならず電気回路の簡素化の見地から
も好ましくない。また、変位が大きければ性能面
並びに素子の寿命の点からも好ましくなく実用性
のないものになつてしまう。従つて、電歪素子の
変位量が小さくても大きな出力圧の変化が得られ
ようにパイロツト弁側においても若干の改良を施
す必要がある。

本発明は、このような実情を考えて提案された
もので、電歪電子と高圧で使用しても空気消費量
が少ないノンブリード型パイロツト弁とを効果的
に組み合せることにより、耐振動性と耐衝撃性を
向上して小型軽量化が容易に図れると共に精度の
高い電気信号−空気圧変換ユニツトを提供するこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために、本発明ではノズル
フラツパの変位量に応じてノズル背圧を変化させ
るノズルフラツパ機構と、前記ノズル背圧に応動
するダイヤフラムにより供給ポートと出力ポート
とを結ぶ給気口に設けた内弁を開閉制御して出力
空気圧を制御するノンブリード型のパイロツト弁
部を含む電気信号−空気圧変換ユニツトであつ
て、前記ノズルフラツパを電気信号の変化に対応
して変位するバイモルフ型電歪素子で形成する一
方、上部と下部の二つのダイヤフラムで供給圧力
室を画成し、上部ダイヤフラムの上側にノズル背
圧室を画成し、下部ダイヤフラムの下側に大気圧
室を画成することを特徴とする。

［作用］ 電歪素子に電圧を印加するとノズル背圧が変化
する。このノズル背圧の変化はパイロツト弁を変
位させ、出力ポート側へ流体が流れる。下部ダイ
ヤフラムは大気圧側に接しているために、出力圧
は下部ダイヤフラムに伝達されず、ノズル背圧と
出力圧の圧力ゲインが極めて大きくとれる。

［実施例］ 次に本発明に係る電気信号−空気圧変換ユニツ
トについて好適な実施例を挙げ、添付の図面を参
照しながら以下詳細に説明する。

第１図において、参照符号１０は電気信号−空
気圧変換ユニツト本体で、その内部上方に設けら
れたノズルフラツパ機構１２と内部下方に設けら
れたパイロツト弁部１４とから構成される。

ノズルフラツパ機構１２は、後述するパイロツ
ト弁部１４のノズル背圧室１６に通じる所定口径
のノズル１８と、このノズル１８の前方にその自
由端部において所定の間隔を有して配設されると
共に基端部が変換ユニツト本体１０にネジ２０止
めされる板状のフラツパ２２とからなる。前記フ
ラツパ２２は、第２図に示すように、その上、下
面の表面に電極が施された二枚の圧電セラミツク
２４，２４とこれらの圧電セラミツク２４，２４
に挟まれた中間電極板２６とからなるいわゆる電
歪素子で形成され、夫々に結線されたリード線２
８，２８を介して所定の電圧が印加されるように
なつている。

一方、前記パイロツト弁部１４は上下方向にタ
ンデムに配設された二枚のダイヤフラム３０，３
２と、これらのダイヤフラム３０，３２に連動す
る排気弁３４および内弁３６等を含む。なお、前
記内弁３６は給気弁部５５と排気弁部５６とを有
し且つこの内弁３６は排気弁３４と軸方向に分離
形成される。

次に、前記上部ダイヤフラム３０の上側に画成
されたノズル背圧室１６には、供給ポート３８に
通じる通路４０，４２を介して供給圧力（加圧空
気）が導入される。なお、この際、前記下流側の
通路４０には前記加圧空気の流量を規制する固定
オリフイス４４が介設される。

また、前記上部ダイヤフラム３０とこの上部ダ
イヤフラム３０より有効面積が若干小さい下部ダ
イヤフラム３２とで画成された供給圧力室４６に
は、前記上流側の通路４２を介して供給ポート３
８からの供給圧力が直接導入される。

さらに、下部ダイヤフラム３２の下側には大気
圧室４８が画成され、通路（排気ポート）５０を
介して大気が直接導入される。

そして、前記内弁３６は前述した三つの圧力が
バランスした状態では供給ポート３８と出力ポー
ト５２とを結ぶ給気口５４を閉じるように配置さ
れる。しかも、その際、前記内弁３６と一体的に
形成された排気弁５６は前記排気弁３４に形成さ
れた排気口６０と係合し、この排気口６０から大
気圧室４８に至る排気通路５８を閉塞する。従つ
て、このパイロツト弁部１４は平衡時は排気が行
われないノンブリード型で構成される。

さらに、前記排気弁３４が摺動する通路６２に
はＯリング６４が介設され、前述した大気圧室４
８と相俟つて出力ポート５２内の出力圧が空気圧
の状態で下部ダイヤフラム３２等にフイードバツ
クされないようになつている。

その代わりに、前記出力圧は第３図のように圧
力を電気信号に変換する圧力センサ６６を介して
入力側に電気的にフイードバツクされるようにな
つている。

つまり、パイロツト弁部１４からの出力圧が圧
力センサ６６により電気信号として検出された
後、適宜増幅回路６８を介してコントローラ７０
にフイードバツクされる。そしてコントローラ７
０では前記信号と電気信号−空気圧変換ユニツト
本体１０への入力信号とを比較し、その偏差分が
逐次増幅回路７２で増幅されると共に適宜電圧に
変換された後、前記フラツパ２２に印加されるよ
うになつている。

なお、第１図中の符号７４は内弁３６を常時閉
弁方向に付勢するスプリングである。

つぎに、このように構成された本実施例の作用
を説明する。

今、第１図のように系が平衡している状態で、
電歪素子からなるフラツパ２２に印加される電圧
が増えると、フラツパ２２の自由端はノズル１８
を閉じる方向に変位する。

これにより、ノズル１８から噴出する空気量が
減少することからノズル背圧室１６の圧力（ノズ
ル背圧）が増大し、該圧力は上部ダイヤフラム３
０の上面に作用する。

この結果、前記系の平衡状態がくずれ、上部と
下部のダイヤフラム３０，３２の下降に伴つてこ
れと一体の排気弁３４および該排気弁３４に連動
する内弁３６が同じく下降することから、給気口
５４が開かれて供給ポート３８からの供給圧力の
一部が出力圧となつて出力ポート５２に供給され
る。この出力圧が図外の負荷側に供給されて所期
の機能を奏するのである。

この際、本実施例では前述したように、排気弁
３４が摺動する通路６２がＯリング６４により気
密的にシールされると共に下部ダイヤフラム３２
の下側が常時大気に解放されて、前記出力圧が空
気圧の状態で下部ダイヤフラム３２にフイードバ
ツクされないようになつているため、ノズル背圧
対出力圧の圧力ゲインは非常に大きくなつてお
り、ノズル背圧がわずかに変化しただけで出力圧
は大幅に変化する。

なお、前記のままでは内弁３６が下方に動き給
気口５４は開いたままになるが、実際には前述し
たように、圧力センサ６６（第３図参照）により
出力圧が電気信号として入力側にフイードバツク
される。従つて、入力信号に見合つた出力圧にな
るとノズル背圧は元に戻り、これにより内弁３６
も元の状態に復帰して給気口５４および排気口６
０を共に閉じて新しい平衡状態が得られる。

次に、第４図乃至第６図は本発明の第２乃至第
４実施例を示すものである。

第４図は、変換器本体１０のハウジングに給気
口５４を迂回するようにして通路径の非常に小さ
いバイパス通路７６を形成し、供給ポート３８の
加圧空気を常時微量で出力ポート５２側に供給す
るようにした例である。

これによれば、系の平衡状態においても、出力
圧が逐次上昇することから該余剰圧力を逃がすよ
うに内弁３６の排気弁５６および給気弁部５５が
若干開いた（換言すれば浮いた）状態で保持され
るため、ノズル背圧の少しの変化でも感応するこ
とになり、弁精度が一段と高まる。つまり、前記
バイパス通路７６がない場合には、給気弁部５５
等が閉弁時においてゴム等のライニング部材を有
した給気口５４等のシート部に強く密着する（く
いこむ）などして感度が低下することになるので
あるが、本実施例ではそれが回避される。

第５図は、第４図と同様の目的でバイパス通路
７８を内弁３６の内部に形成した例である。

第６図は第５図と同じくバイパス通路８０を内
弁３６の内部に形成するが、給気口５４の代わり
に排気口６０を迂回するように形成した例であ
る。この場合は第４図および第５図とは逆に、平
衡状態において逐次圧力低下する出力圧を補償す
るように内弁３６等を若干開いて供給圧力を出力
側に導入する。また、前記バイパス通路８０は出
力ポート５２と排気ポート５０とを連通するよう
にハウジングに形成してもよい。

なお、以上の実施例ではいずれもノズルフラツ
パ機構１２とパイロツト弁部１４とが変換器本体
１０に一体的に組み込まれているが、両者１２，
１４を分離するようにして構成できることは言う
までもない。

［発明の効果］ 以上、説明したように本発明によれば、ノズル
フラツパを電歪素子で形成するようにしたので、
耐振動性、耐衝撃性を向上して変換ユニツトの小
型軽量化が容易にはかれる。

さらに、パイロツト弁部において出力圧を空気
圧の状態でダイヤフラムにフイードバツクをかけ
ないようにしたので、電歪素子のわずかな変位量
でも大きな出力圧の変化が得ることができ、消費
電力の節約がはかれると共に電歪素子のヒステリ
シス特性および非線形性の影響を小さくして精度
の高い変換ユニツトを提供できる。また、電歪電
子の変位量が小さくてすむので電歪素子自体の耐
久性の面でも有効である。

加えて、パイロツト弁部をノンブリード型で構
成したため、高圧で使用しても空気消費量が少な
くてすむという利点もある。

以上、本発明において好適な実施例を挙げて説
明したが、本発明は前記実施例に限定されるもの
でなく、本発明ユニツトをパイロツトリレーとし
て使用しコントロールバルブの変位量を制御する
電気−空気圧式ポジシヨナーとして好適に応用す
ることも可能であ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図は本発明の第１実施例の断面図、第２図
はその要部正面図、第３図は同じくフイードバツ
ク制御のブロツク回路図、第４図乃至第６図は本
発明の第２乃至第４実施例の夫々の断面図であ
る。 １０……電気信号−空気圧変換ユニツト本体、
１２……ノズルフラツパ機構、１４……パイロツ
ト弁部、１６……ノズル背圧室、１８……ノズ
ル、２０……ネジ、２２……フラツパ、２４……
圧電セラミツク、２６……中間電極板、２８……
リード線、３０……上部ダイヤフラム、３２……
下部ダイヤフラム、３４……排気弁、３６……内
弁、３８……供給ポート、４０，４２……通路、
４４……固定オリフイス、４６……供給圧力室、
４８……大気圧室、５０……通路、５２……出力
ポート、５４……給気口、５５……給気弁部、５
６……排気弁部、５８……排気通路、６０……排
気口、６２……通路、６４……Ｏリング、６６…
…圧力センサ、６８……増幅回路、７０……コン
トローラ、７２……増幅回路、７４……スプリン
グ、７６，７８，８０……バイパス通路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ノズルフラツ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ツパ機構と、前記ノズル
   背圧に応動するダイヤフラムにより供給ポートと
   出力ポートとを結ぶ給気口に設けた内弁を開閉制
   御して出力空気圧を制御するノンブリード型のパ
   イロツト弁部を含む電気信号−空気圧変換ユニツ
   トであつて、前記ノズルフラツパを電気信号の変
   化に対応して変位するバイモルフ型電歪素子で形
   成する一方、上部と下部の二つのダイヤフラムで
   供給圧力室を画成し、上部ダイヤフラムの上側に
   ノズル背圧室を画成し、下部ダイヤフラムの下側
   に大気圧室を画成することを特徴とする電気信号
   −空気圧変換ユニツト。