JPH0450441B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気信号を流体圧に、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
ばねで支承されている。従つて、微少な信号が惹
起してもこの板ばねが共動し、ノズル背圧を変化
させ、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を存在し
ている。すなわち、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
など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、しかも並設された二枚のダイヤフラムのうち
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
ムの間には出力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大気圧が作用する
よう構成すると共に夫々のダイヤフラムの実効面
積差を可及的に少なくし、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
ラムにノズルの通孔を臨ませ、また、二枚のダイ
ヤフラムの中間に出力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大気圧を導入
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。

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二枚のダイヤフ
ラムの中間に供給されるとともに、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、出力空気圧は二枚のダイヤフラムの中
間に供給され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。前記排気弁３４は、
実質的には、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
の下端部に形成された円筒体からなり、後述する
ように、この円筒体に前記内弁３６の一部が着座
可能に構成されている。なお、前記内弁３６は第
１の弁部３５と第２の弁部３７とを有する。

変換ユニツト本体１０の一方の側部には供給ポ
ート３８が画成され、この供給ポート３８の途上
から通路４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄおよび
４０ｅ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３８の下流
側に位置する通路４０ｄには固定オリフイス４４
が介設される。さらに、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を介して大気側と連通状態にあるように
構成されている。なお、図中、参照符号５２は出
力ポートを示し、この出力ポート５２の途上から
は通路５３が前記上部ダイヤフラム３０とこの上
部ダイヤフラム３０より圧力変動に応動する実効
面積が若干小さい下部ダイヤフラム３２とによつ
て画成されたフイードバツク室４６に連通し、出
力空気圧の一部が前記通路５３を介して導入され
るよう構成しておく。

この場合、内弁３６は前記三つの圧力、すなわ
ち、ノズル背圧、フイードバツク圧、大気圧がバ
ランスした状態では供給ポート３８と出力ポート
５２を結ぶ給気口５４を閉塞するように配置さ
れ、しかも、その際、内弁３６を構成する第２弁
部３７は前記排気弁３４に形成された弁座６０と
係合し、この弁座６０を介して大気圧室４８に至
る排気通路５８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。

さらに、前記排気弁３４が摺動する通路６２に
はＯリング６４が介設される。一方、本体１０に
は円状孔部６６が画成され、この孔部６６には圧
力センサ６８が嵌着される。実際、前記孔部６６
には通路５３から分岐した通路５３ａが延在連通
して前記圧力センサ６８に出力ポート５２の出力
圧信号を供与する。圧力センサ６８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６８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７０を介してコントローラ７２にフイー
ドバツクされ、該コントローラ７２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７４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３
０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
５３を介してフイードバツク室４６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
はフイードバツク室４６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５２からの出力圧はダイヤフラム３０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５２からの分岐した圧力が通路５３を介し
てフイードバツク室４６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、安定した出力が得られることにな
る。

なお、第１図中、参照符号７６は内弁３６を常
時閉弁方向に付勢するスプリングを示す。

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、前記実施例におい
て、ダイヤフラムデイスク３３に働く力のバラン
スにより次式が成り立つ。

P_N・A_N＋P_OA_O＝P_O（A_N−A_S）…… ∵ P_N・A_N＝P_O（A_N−A_S−A_O）一般的に、
A_O》A_Sであるため、 ∵P_O／P_N＝A_N／A_N−A_O ここで、P_Nはダイヤフラムデイスク３３に働
く圧力、すなわち、ノズル背圧であり、一方、
P_Oは出力空気圧を示す。そして、A_Nはダイヤフ
ラム３０の有効面積であり、また、A_Oはダイヤ
フラム３２の有効面積、A_Sはダイヤフラム３０
に対してフイードバツク圧が印加されない。所
謂、非受圧面積である（第１図参照）。従つて、
圧力ゲインP_O／P_Nを大きくするためには、A_Nと
A_Oとの面積差を小さく選択すればよい。例えば、
A_N＝５に対し、A_O＝４とすれば P_O／P_N＝５／５−４ となり、５倍のゲインが得られることになる。

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これと一体
的に構成された排気弁３４および前記排気弁３４
に連動する内弁３６が下降するに至る。このた
め、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５
２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、排気
弁３４が摺動する通路６２がＯリング６４により
気密にシールされると共に下部ダイヤフラム３２
の下側が通路５０を介して常時大気に解放されて
いる。このため、前記出力圧が下部ダイヤフラム
３２の下側にフイードバツクされることはない。
一方、出力空気圧の一部は二枚のダイヤフラム３
０，３２の中間に通路５３を介してフイードバツ
クされる。そこで、前記したように、二枚のダイ
ヤフラム３０，３２の有効面積差を小さく選択し
ておけば、ノズル背圧対出力圧の圧力ゲインは非
常に大きくす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６８によ
り通路５３ａを介して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
復帰して給気口５４および弁座６０を共に閉じて
新しい平衡状態が得られる。

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
来ることが謂うまでもない。

次に、第３図に本発明に係る電気信号−空気圧
変換ユニツトの別の実施例を示し、この実施例に
おいて、第１図の実施例と同一の参照符号は同一
の構成要素を示すものとする。

そこで、この実施例では、図から容易に諒解さ
れるように、排気のために内弁３６の下方に排気
孔８０を形成している。従つて、パイロツト弁部
１４を構成する内弁３６は前記実施例の構成に対
し、寧ろ倒置した構成配置となり、排気孔８０を
穿設した給気弁８２が本体１０に形成された孔部
８４内を摺動すると共に常時はコイルスプリング
８６により上方へと押圧された状態にある。な
お、図中、参照符号８８はゴムパツキンを示し、
また、参照符号９０は弁座を示す。

このような構成においてはノズル背圧室１６内
の圧力が変化すると、ダイヤフラム３０，３２が
下降し、内弁３６を押圧動作する。この結果、給
気弁８２がコイルスプリング８６に抗して押圧さ
れ、ゴムパツキン８８が本体の先鋭な弁座９０か
ら離脱する。このようにして得られる出力圧の変
動は前記実施例と同様に通路５３ａを介して圧力
センサ６８で検出され、コントローラ７２にフイ
ードバツクされる。一方、出力側圧力が高まる
と、その圧力はフイードバツク室４６に印加さ
れ、ダイヤフラムデイスク３３を押し上げるた
め、これと連動して弁部３７も押し上げられ、排
気孔８０からブリードさせることが出来る。

以上説明したように、本発明によれば、パイロ
ツト弁部において出力圧を二枚のダイヤフラムの
中間に導く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。第１図に示す実施例
では、排気は小面積のダイヤフラムの下側の部屋
を介して大気側への通路より行われるが、第３図
の実施例のように内弁の下側より行うようにする
ことも可能である。また、第１図の構成例では二
枚のダイヤフラムの中間に出力圧をフイードバツ
クし、下側の小さいダイヤフラムの下側を大気圧
にしているが、この関係を逆にして、二枚のダイ
ヤフラムの中間を大気圧にし、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
うに構成することも出来る。また、第３図に示す
ように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
うに構成することも出来る。また、それはゲイン
を高める効果を奏し且つ出力の安定性が良くなる
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、第３図は本発明の
別の実施例を示す縦断説明図である。 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、２０……螺子、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、３５……弁部、３６……内
弁、３７……弁部、３８……供給ポート、４６…
…フイードバツク室、４８……大気圧室、５２…
…出力ポート、５４……給気口、５８……排気通
路、６０……弁座、６４……Ｏリング、６６……
孔部、６８……圧力センサ、７０……増幅回路、
７２……コントローラ、７４……増幅回路、７６
……スプリング、８０……排気孔、８２……給気
弁、８４……孔部、８６……コイルスプリング、
８８……ゴムパツキン、９０……弁座。

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
   のダイヤフラムの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出力空気圧を導入す
   る通路を臨ませると共に他方のダイヤフラムに大
   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、前記排気孔の開成により出力側圧力流体を
   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。