JPH0445686B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 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、ノズルフラツパを用いた電気信号−
空気圧変換ユニツトにおいて、ノズル背圧に対
し、出力空気圧の比、すなわち、圧力ゲインを極
めて大きくとることが可能なように構成した電気
信号−空気圧変換ユニツトに関する。

従来、電気信号を空気圧に変換するために広汎
に用いられている装置にはトルクモータが組み込
まれてきた。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
の電流に対応する回転力を得てフラツパを変位さ
せ、これによつてノズル背圧を変化させてダイヤ
フラムを変位させ、このダイヤフラムに装着され
た弁体を介して流体通路の開閉を行い出力空気圧
を制御している。

このような従来技術によれば、電気信号−空気
圧変換装置を構成する本体内部に比較的大きなト
ルクモータを組み込まなければならないために装
置全体としては大型化せざるを得ない。しかも、
このように組み込まれるトルクモータの可動コイ
ルは微弱な信号でも応動可能なように薄板状の板
ばねで支承されており、従つて、微少な振動が惹
起してもこの板ばねが共動し、ノズル背圧を変化
させる。このために出力圧が変動し精密な電気信
号−空気圧変換が達成されない不都合が存在し、
結局、機械的振動に対し弱いという欠点が露呈し
ている。また、従来技術に係る装置においては、
ノズル背圧に対する出力空気圧のゲインが低く、
加えて、ダイヤフラムの張力の影響等も受け易い
ことから、高精度な電気信号−空気圧変換が行わ
れない難点も指摘されている。さらにまた、構造
上、排気流量が大きくならないために、負荷側の
圧力が急激に大幅上昇する時、排気が追従出来な
い等の欠点が露呈している。

本発明は、このような不都合を克服すべくなさ
れたものであつて、フラツパを電歪素子で構成
し、並設された二枚のダイヤフラムの中、いずれ
か一方のダイヤフラムをノズル背圧が作用するよ
うに配設し、一方、前記二枚のダイヤフラムの間
には供給空気圧を作用するように構成し、前記他
方のダイヤフラム側には出力空気圧を作用させる
よう構成すると共に夫々のダイヤフラムの実効面
積差を可及的に大きく選択し、これによつて、ノ
ズル背圧に対する出力空気圧のゲインが大きくと
れ、さらに、小型軽量化が可能な電気信号−空気
圧変換ユニツトを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明はフラツ
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において、前記
フラツパは電気信号の変化に対応して変位する電
歪素子で構成し、ダイヤフラムを二枚の大小面積
の異なるダイヤフラムで構成し、一方のダイヤフ
ラムにノズルのを通孔を臨ませ、また、二枚のダ
イヤフラムの中間に供給空気圧を導入する通路を
臨ませると共に他方のダイヤフラムに出力空気圧
を導入する通路を臨ませ、前記出力空気圧を導入
する通路を分岐してユニツト本体内に内設された
圧力センサに連通し、前記圧力センサの出力を前
記電歪素子の制御に用いることを特徴とする。

上記の如く構成される電気信号−空気圧変換ユ
ニツトでは、電歪素子で構成されるフラツパをノ
ズルに指向して変位させることによりノズル背圧
が変化し、このノズル背圧の作用下に一方のダイ
ヤフラムが変位する。

前記ダイヤフラムの変位によつて供給空気圧を
導入する通路と出力空気圧を導入する通路とが開
成され、供給空気圧の一部が出力空気圧となつて
出力空気圧を導入する通路および圧力センサに供
給される。

この出力空気圧が前記ノズル背圧に相当する空
気圧に達したとき、出力空気圧によつて変位する
他方のダイヤフラムの作用下に前記供給空気圧を
導入する通路と出力空気圧を導入する通路とが閉
塞される。

このとき、圧力センサに読み取られた出力空気
圧は電歪素子の制御に用いられるため、出力空気
圧の制御を精度良く行うことができる。

さらに、供給空気圧は二枚のダイヤフラムの中
間に供給されているため、ノズル背圧に対する出
力空気圧のゲインを大きくとることができる。

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は本発明に係る
電気信号−空気圧変換ユニツト本体を示し、この
本体１０は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とを含む。

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に通路１７を介して
連通する所定口径のノズル１８と、基端部が変換
ユニツト本体１０に螺子２０によつて係止される
板状のフラツパ２２とからなる。前記フラツパ２
２は、電極（図示せず）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、所謂、電歪素子で形成され、夫々の圧電セラ
ミツク２４，２４に結線されたリード線２８，２
８を介して所定の電圧が印加されるように構成さ
れている。

一方、前記パイロツト弁部１４は上下方向に並
設された二枚のダイヤフラム３０，３２と、これ
らのダイヤフラム３０，３２に連動する排気弁３
４および内弁３６とを含む。図から容易に諒解さ
れるように、この場合、上部ダイヤフラム３０は
下部ダイヤフラム３２よりその実質的作動面積を
大きく選択しておく。

前記内弁３６は前記ダイヤフラム３０，３２を
所定間隔離間して保持するダイヤフラムデイスク
３３の下端部に螺子止めされており、シールリン
グ３８を有する環体４０の内部を気密に摺動可能
である。内弁３６の先端部には下方に指向する砲
弾形の弁体４２が形成され、この弁体４２は排気
弁３４の弁座４４に着座するよう構成される。す
なわち、本体１０にシールリング４６を介して螺
入する支持体４８には環状の凹溝５０が画成さ
れ、さらにその中心軸を貫通して排気ポート５２
が形成される。排気弁３４はシールリング５４を
介して前記排気ポート５２を、図において、上下
方向に摺動自在である。実質的には、排気弁３４
はその上端部にフランジ５６を有し、このフラン
ジ５６にはゴムパツキン５８が嵌着されている。
従つて、凹溝５０の内部に周回するように装着さ
れたコイルスプリング６０が前記フランジ５６に
弾発的に当接すれば、ゴムパツキン５８は本体１
０の内部に突設された環状壁部６２に圧接するこ
とが容易に諒解されよう。

一方、変換ユニツト本体１０の一方の側部には
供給ポート６６が画成され、この供給ポート６６
の途上から通路６８ａ，６８ｂ，６８ｃ，６８ｄ
および６８ｅが互いに連通してノズル背圧室１６
に延在している。なお、その際、供給ポート６６
の下流側に位置する通路６８ｄには固定オリフイ
ス７０が介設されると共に通路６８ｄからは通路
６８ｆが分岐してダイヤフラム３０と３２との間
に画成される供給圧力室７２に連通する。従つ
て、前記通路６８ｆにより供給圧力室７２に供給
圧を導入することが可能となる。弁体４２は、ノ
ズル背圧が増加する時に下降変位して供給ポート
６６と出力ポート７８とを連通させ、一方、ノズ
ル背圧が減少する時に上昇変位して排気ポート５
２から出力圧を排気する必要がある。このため、
二枚のダイヤフラム３０，３２の中間に画成され
た供給圧力室７２に供給圧を導入することによ
り、弁体４２を、常に、上方向に指向して保持す
る力を発生させる必要があるからである。さら
に、ダイヤフラム３２の下側には出力圧室７４が
画成され、通路７６を介して出力ポート７８と連
通状態を確保するように構成されている。

この場合、内弁３６は前記三つの圧力、すなわ
ち、ノズル背圧、供給圧、出力圧がバランスした
状態では供給ポート６６と出力ポート７８を結ぶ
通路８０を閉塞するように配置され、前記の通
り、その際、内弁３６を構成する弁体４２は前記
排気弁３４に形成された弁座４４と係合し、しか
も、ゴムパツキン５８に壁部６２が当接密着する
ために、この弁座４４を介して出力ポート７８、
排気ポート５２を閉塞するように構成されてい
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あることが容
易に諒解されよう。

一方、本体１０の内部には圧力センサ８２が配
設され、この圧力センサ８２は通路８３を介して
出力圧信号を出力ポート７８から受ける。圧力セ
ンサ８２は、図示しないが、その内部に半導体ダ
イヤフラムを含み、この半導体ダイヤフラムは前
記出力圧信号を電圧信号として変換する機能を達
成する。

すなわち、第２図に示すように、パイロツト弁
部１４からの出力圧が前記圧力センサ８２により
電気信号として検出されると、この検出信号は、
増幅回路８４を介してコントローラ８６にフイー
ドバツクされ、該コントローラ８６では前記検出
信号と入力信号とが比較される。そして、該比較
後の偏差に係る電圧信号は増幅回路８８で増幅さ
れてその偏差分に応じてフラツパ２２に印加さ
れ、その結果、ノズル背圧室１６のノズル背圧が
変化する。該ノズル背圧の変化は、ダイヤフラム
３０，３２の変位を生起する。

一方、パイロツト弁部１４からの出力圧は通路
７６を介して出力圧室７４にも加えられる。すな
わち、ノズル背圧の変化による、例えば、ダイヤ
フラム３０を下降させようとする圧力は出力圧室
７４に印加されるフイードバツク圧に対抗するこ
とになる。従つて、前記ノズル背圧の変化分はマ
イナス要素として働く前記フイードバツク圧と加
算され、その実質的な差分だけ排気弁３４を変位
させることになる。結局、出力ポート７８からの
出力圧はダイヤフラム３２に対するフイードバツ
ク系を構成し、パイロツト弁部１４ではこのフイ
ードバツクのためのマイナーループが形成される
ことになる。

換言すれば、ノズルフラツパ機構１２に対し
て、入力信号が急激に変化して与えられ、これに
よつて出力側が急激に変化しようとしても、出力
ポート７８からの分岐した圧力が通路７６を介し
て出力圧室７４に供給されるために、前記入力信
号に応答してダイヤフラム３０，３２が急激に変
化することが短時間内に阻止されることになる。
従つて、安定した出力圧が得られることになる。

次に、このように構成された本実施例の作用並
びに効果について説明する。

先ず、本発明者の知見によれば、ノズル背圧に
対する圧力ゲインは次のようにして大きく求める
ことが可能となる。すなわち、ノズル背圧に対す
る出力圧の関係は二枚のダイヤフラムの有効面積
の比、すなわち、 ダイヤフラム３０の有効面積／ダイヤフラム３２の
有効面積 で表される。従つて、ノズル背圧に対する出力圧
の圧力ゲインを大きくするためには二枚のダイヤ
フラムの有効面積差を大きく選択すればよい。

そこで、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３０の上面に作用
する。すなわち、上部ダイヤフラム３０を下降さ
せる圧力として作用する。

この結果、前記系の平衡状態がくずれ、上部ダ
イヤフラム３０、下部ダイヤフラム３２が一体的
に下降変位し、この下降作用に伴つて内弁３６の
弁体４２がスプリング６０の弾発力に抗して排気
弁３４を下降するに至る。このため、壁部６２か
らゴムパツキン５８が離間し、供給ポート６６と
出力ポート７８を連通する通路８０を開成する。
結局、供給ポート６６からの供給圧力の一部が出
力圧となつて出力ポート７８に供給される。この
出力空気が図示しない負荷側に供給されて所期の
機能を奏する。

その際、本実施例では、前記したように、内弁
３６が摺動する環体４０はシールリング３８によ
り気密にシールされ、一方、通路７６を介して出
力圧は下部ダイヤフラム３２に及ぼされるように
構成している。しかも、供給ポート６６からの供
給圧は通路６８ａ乃至６８ｅを介してノズル背圧
室１６に供給されている。そこで、前記したよう
に、二枚のダイヤフラム３０，３２の有効面積差
を大きく選択しておけば、ノズル背圧対出力圧の
圧力ゲインを大きくとることが可能となり、ノズ
ル背圧が僅かに変化しただけで出力圧は大幅に変
化する。

そして、前述したように、圧力センサ８２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
なると内弁３６も元の状態に復帰して弁座４４を
閉じて新しい平衡状態が得られる。一方、出力ポ
ート７８側の圧力が高まると、内弁３６は上昇し
て排気ポート５２が開成される。従つて、出力ポ
ート側の圧力流体はこの排気ポート５２からブリ
ードされる。

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とがユニツト
本体１０に一体的に組み込まれているよう構成し
ているが、これらのノズルフラツパ機構１２とパ
イロツト弁部１４とを分離するようにして構成出
来ることは謂うまでもない。

以上説明したように、本発明によれば、パイロ
ツト弁部において二枚のダイヤフラムの有効面積
差を大きくすることによつて圧力ゲインを大きく
することが出来、電歪素子の僅かな変位量でも大
きな出力圧力の変化が得ることが可能となる。し
かも、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
提供出来る利点がある。また、電歪素子の変位量
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。また、本発明によれ
ば、二枚のダイヤフラムの中間には供給圧を、小
さい面積のダイヤフラムの下側に出力圧をフイー
ドバツクするようにし、排気は下方より行うよう
に構成しているために圧力ゲインを一層高めるこ
とが可能となり、しかも出力の安定性が良くなる
利点が得られる。

以上、本発明につ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図は本発明に係る電気信号−空気圧変換ユ
ニツトの縦断説明図、第２図は本発明のユニツト
に用いられる制御系の説明図である。 １０…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、２２…フラツパ、２４…圧電
セラミツク、２６…中間電極板、２８…リード
線、３０，３２…ダイヤフラム、３３…ダイヤフ
ラムデイスク、３４…排気弁、３６…内弁、３８
…シールリング、４２…弁体、４４…弁座、４６
…シールリング、４８…支持体、５２…排気ポー
ト、５６…フランジ、５８…ゴムパツキン、６０
…スプリング、６６…供給ポート、７２…供給圧
力室、７４…出力圧室、７８…出力ポート、８２
…圧力センサ、８４…増幅回路、８６…コントロ
ーラ、８８…増幅回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 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にお
   いて、前記フラツパは電気信号の変化に対応して
   変位する電歪素子で構成し、ダイヤフラムを二枚
   の大小面積の異なるダイヤフラムで構成し、一方
   のダイヤフラムにノズルの通孔を臨ませ、また、
   二枚のダイヤフラムの中間に供給空気圧を導入す
   る通路を臨ませると共に他方のダイヤフラムに出
   力空気圧を導入する通路を臨ませ、前記出力空気
   圧を導入する通路を分岐してユニツト本体に内設
   された圧力センサに連通し、前記圧力センサの出
   力を前記電歪素子の制御に用いることを特徴とす
   る電気信号−空気圧変換ユニツト。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のユニツトにおい
   て、ダイヤフラムに結合された内弁は排気孔に係
   合し、前記排気孔を前記内弁の変位作用下に開成
   して出力側圧力流体をブリードさせるよう構成し
   てなる電気信号−空気圧変換ユニツト。