JPH0473401A - 電気／空気圧変換器 - 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、電気信号をこれに対応する空気圧信号に変換
する電気／空気圧変換器に係り、特に小形低コストで高
い安定性を有しかつ高精度が実現できるように改良した
電気／空気圧変換器に関する。

〈従来の技術〉 第８図は従来の電気／空気圧変換器の構成を示す構成図
である。

１０はＵ字形の永久磁石であり、この永久磁石１０の上
方の脚部１１がＮ極、下方の脚部１２がＳ極になってい
る。これ等の脚部１１．１２にはコの字形の軟磁性材で
出来た一対のヨーク１３．１４の側面１５．１６に互い
に等しい間隔り、を保持して固定されている。この結果
、ヨーク１３．１４の脚部には、これ等の間に等しい空
間部Ａ１とＡ２が形成される。

これらの空間部Ａ１とＡ２の間には軟磁性材で出来た可
動片１７がこれ等の空間部Ａ、とＡ２を貫通してその中
央に設けられ、この可動片１７はその一端の近傍でヨー
ク１３の側面１５にバネ材１８で固定され、この点を支
点として回動するようになっている。

従って、可動片１７は中心非対称の構成であり力学的バ
ランスを欠くので、ヨーク１３の一端にカウンタウェイ
ト１９が固定されている。

一対のコの字形のヨーク１３と１４とが対向して形成さ
れた内部空間には、可動片１７を取り囲むようにこの可
動片１７とは間隔を保ってコイル２０が保持されている
。

可動片１７の他端の一方の端面はバネ材２１を介して固
定ビン２２で固定され、可動片１７の他端の他方の端面
には、ノズル２３が僅かな間隙を隔てて対向配置されて
いる０、 このノズル２３には給気圧ｐｓが絞り２４を介して供給
され、絞り２４とノズル２３との間から導管２５を介し
てノズル背圧として出力空気圧ＰＯを得ている。

次に、以上のように構成された従来の電気／空気圧変換
器の動作について、第９図に示す動作説明図を用いて説
明する。

空間部Ａ、にはヨーク１３の一方の脚部と可動。

１７との間に空隙長１９１１、ヨーク１４の一方の脚部
と可動片１７との間に空隙長！３，２が形成され、空間
部Ａ２にはヨーク１３の他方の脚部と可動片１７との間
に空隙長１９２１、ヨーク１４の他方の脚部と可動片１
７との間に空隙長１９２２がそれぞれ形成され、これ等
の空隙長１ｓ。

１、ｌ１ｇ１２．１９２１、！９２２で形成された空隙
部Ａｇ１１、ＡｃＬ１２　、Ａｇ２１．Ａｇ２２には、
それぞれ永久磁石１１により形成された磁束Φｄと入力
電流Ｉがコイル２０に流れることにより生じる磁束ΦＥ
とが存在する。

磁束Φｄは永久磁石１０のＮ＆からＳ極に各空隙部Ａｇ
１＋　、Ａｇ１２、Ａｇ２１　、Ａｇ２２を通って流れ
、これに対して磁束ΦＥは例えば矢印で示すように空隙
部Ａｇ　＋　Ｉ　、Ａｇ２　＋　、可動片１７を通って
流れる磁束と、空隙部Ａｇ１２、Ａｓ２２、可動片１７
を通って流れる磁束の和となる。

この結果、入力電流Ｉがゼロのときは、空隙部Ａ　＠　
２　、とＡｓ２２に形成される磁場は永久磁石１０によ
る磁束Φ吐のみであるので、これ等は同一の磁場の強さ
である。磁気吸引力は磁場の強さに比例するので、可動
片１７は間隔り、の中央部に位置する。

一方、可動片１７の一端の近傍はバネ材１８で固定され
ているので可動片１７はこの点を支点として移動する。

従って、コイル２０に入力電流Ｉが流れると、この入力
を流■による磁束ΦＥが空隙部Ａ９２１では磁束Φｄに
加算され、空隙部Ａ１１２２・では磁束Φｄから減算さ
れるので、この空隙では図示のように可動片１７に上向
の力Ｆ２が加わる。

また、空隙部Ａ９１１では（Φｄ−ΦＥ）、空隙部Ａ９
，２では（Φｄ＋ΦＥ）となるので、この支点よりの空
隙では図示のように可動片１７に下向の力Ｆ、が加わる
。

従って、各空隙の長さは１Ｆｓｔ＋＝ｊ’ｓ＋２＝ｌｓ
Ｉ２＋　＝ｌｓ２＊であるので、力Ｆ１とＦ２は大きさ
が同じで方向が逆向の力となる。ここで、入力電流Ｉが
流れると可動片１７は若干変位するが、この変位は通常
５〜５０μｍの程度であり、また１９は通常１〜２ｍｍ
であるので、ここではこの変位は無視しである。

このため、可動片１７にはバネ材１８を中心として回転
トルクＴが ＴｍＦ３１２　Ｆ＋　ｉｔ　＝Ｆ　（１２Ｉｔ　）＝Ｆ
ｌ のように反時計方向に発生し、可動片１７はヨーク１３
側に移動する。但し、Ｆ＝Ｆ、＝Ｆ２．１＝ｉＦ２／ｌ
　としである。

ヨーク１３側に可動片１７が移動するとノズル２３と可
動片１７との間隔が大きくなりノズル背圧が低くなって
出力空気圧Ｐｏが小さくなる。

従って、入力電流Ｉに対応する出力空気圧Ｐ０が得られ
る。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、以上のような電気／空気圧変換器は、以
下に説明するような問題がある。

（イ）支点よりの空隙１ｓ＋＋、ｌｓ＋２側では可動片
１７を反時計方向に回転させるトルクＦ２ｌ２とは逆向
きのトルクＦ＋　４’＋が生じるので変換効率（＝回転
トルクＴ／入力電流Ｉ）を大きくし難い。したがって、
外乱に弱く安定性が悪くなる。

（ロ）また、回転トルクＴは Ｔ　＝　Ｋ　ＭΦｄΦＥｌ で表わせる。但し、ＫＭは比例定数、Φｄは一定であり
、空隙の長さに対して可動片１７の変位は無視しである
。ここで、コイル２０による磁束ΦＥは、Ｒ１’ｉを空
隙の磁気抵抗、Ｒ３゜をヨークの磁気抵抗、Ｒｔを可動
片１７の磁気抵抗、Ｎをコイル２０の巻数とすれば、 ΦＥ　＝Ｎ　Ｉ／　（ＲＩｓ　十Ｒｙ　ｏ　＋Ｒｔ　）
−（ＮＩ／Ｒ１５） ／　［１＋（Ｒｙ　ｏ　＋Ｒｍ　）　／Ｒｉ　ｓ　］と
なる。

ここで、Ｎ、Ｒ１、は一定であるが、ヨークの磁気抵抗
Ｒ３゜、可動片１７の磁気抵抗Ｒｔはこれを構成する軟
磁性材料が非直線性、ヒステリシスを持つので入力電流
Ｉに対して誤差を発生させる。

そこで、この影響を低減して高精度化を図るためには、
空隙ｉ’ｓ＋＋、〜１５２ｗを大きくして空隙磁気抵抗
Ｒｚｓのヨーク１３．１４、可動片１７に対する比率を
大きくすればよいが、この比率を大きくすると発生する
トルクが低減して安定性が低下する。

高い安定性を確保するためには、発生するトルクを大き
くする必要があるが、このためにはコイル２０の巻数Ｎ
を大きくするか、永久磁石１０の体積を増すか、或いは
これ等の両者を増す必要があるが、いずれもコストの増
大につながる。

以上のようにして、この従来の構成では小形低コスト、
高安定性、高精度の３つを同時に満足させることができ
ないという問題がある。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、以上の課題を解決するために、長さの異なる
空隙部を保って対向配置され軟磁性材で作られた一対の
ヨークと、この一対のヨークを互いに逆極性に磁化する
永久磁石と、一対の前記空隙部の間に等間隔に挿入され
この一対の空隙の外側でかつ長い方の空隙部に近い個所
で回動可能なように固定された軟磁性材よりなる可動片
と、この可動片を取り巻くように配置されたコイルと、
前記可動片の一端に対向して配置されたノズルとを有し
、前記ノズルに供給圧が絞りを介して供給され前記コイ
ルに流す入力′！＆流に対応して前記ノズルに発生した
ノズル背圧を空気圧信号として出力するようにしたもの
である。

〈作　用〉 軟磁性材で作られた一対のヨークは長さの異なる空隙部
を保って対向配置され、可動片は空隙の外側でかつ長い
方の空隙部に近い個所で回動可能なように固定されてお
り、この可動片を取り巻くコイルに入力を流を流して磁
場を発生させ、この磁場に対応して可動片を変位させる
。

この可動片の変位に対応してノズル背圧を変化させ、こ
れを空気圧信号として出力する。

この場合に、可動片は空隙の外側でかつ長い方の空隙部
に近い個所で回動可能なように固定されているので、入
力電流により可動片が回転する方向とは反対側で逆方向
に働くトルクの大きさを低減させて所定の起磁力に対し
て実質的に大きなトルクとすることができ、さらに磁気
回路中の空隙の占める割合を大きくすることが出来るの
で、ヒステリシス、非直線性の影響を低減することがで
きる。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。第
１図は本発明の１実施例の構成を示す構成図、第２図は
第１図に示す実施例の動作を説明する説明図である。

なお、第８図、第９図に示す電気／空気圧変換器と同一
の機能を有する部分には同一の符号を付して適宜にその
説明を省略する。

２６．２７はコの字形の軟磁性材で出来た一対のヨーク
であるが、これ等のヨーク２６．２７は永久磁石１０と
接合される側の脚部２８．２９が他方の側の脚部３０．
３１に対して短く形成され、脚部２８．２９の側面３２
．３３は永久磁石１０のＮ極とＳ極に固定されている。

従って、脚部２８．２９に挟まれる空間部Ａ１−におけ
る可動片１７と脚部２８との間の空隙長ｌｉｌ＋−１可
動片１７と脚部２９との間の空隙長１９，２−は、脚部
３０．３１に挟まれる空間部Ａ２゛における可動片１７
と脚部３０との間の空隙長１＊２＋−１可動片１７と脚
部３１との間の空隙長１９２２−に比べて長い空隙長と
なっている。

このため空隙部Ａｇ１１　、Ａ１１１２−の磁気抵抗は
空隙部Ａｇ２＋　　、Ａｇ２２　　の磁気抵抗より大き
くなり、それぞれを流れる永久磁石１０の磁束Φｄ１−
１Φｄ２−は次のようになる。

Φｄ、−くΦｄ２ 但し、Φｄ°＝Φｄｌ−＋Φｄ２−である。

ここで、説明を簡単にするために、支点から遠い側の空
隙部Ａ＠２　＋　　、Ａｇ２２　　の長さを第９図にお
ける空隙部Ａ９２＋、Ａ９２２と同じ長さとすれば、 Ａｓ　２　ｔ　　＝Ａｓ　２２　　＝Ａｇ　２　＋°Ａ
９２２となる。また、支点よりの空隙部Ａｓｌ＋＋−５
Ａ９１２−を上記のｎ倍とすれば、 ｌｓ＋＋−＝ｌｓ＋２ ｎｌｓ２＋　　＝ｎｆ９２２ となり、更にＡ１１２１−２Ａｇ２２−の空隙磁気抵抗
をＲｏとすれば、 Ｒ，２，＝Ｒ，２２＝Ｒ，２，＝Ｒ，２２＝Ｒｇ　Ｉ　
＋　＝Ｒ９＋　２　＝Ｒ６Ｒ＠　ｌ　＋　　＝Ｒ９１２
＝ｎＲ（。

となる。

以上の関係は、第３図に第１図に対する等価磁器回路で
示しである。

永久磁石１０も第８図に示すものと同一のものを使用す
るとして、第８図に示すものと第１図に示すものとを比
較すると、 第８図に示すもののパーミアンス係数Ｐは、Ｂ璽を磁石
磁束密度、Ｈｉｍを磁石磁界、！亀を磁石の長さ、Ａｌ
ｌを磁石の断面積、永久磁石に対する空隙の総磁気抵抗
をＲｇｄ（＝Ｒｏ　）とすれば、Ｐ　＝　Ｂ　ｔ　／　
Ｈを −１ｔ　／　Ａ　ｗａ　　・　Ｒｇｃｌ同様にして、第
１図に示すもののパーミアンス係数Ｐ−は、 Ｐ−＝Ｂｔ−／Ｈ璽 ＝ｉ’ｔ／Ａｔ−Ｒｇｄ となるが、Ｒｇａ　−＞Ｒｇｄは明らかなので、Ｐ＞Ｐ となる、従って磁石の減磁曲線は第４図に示すようにな
る。

次に、支点から遠い側の空隙に分流する磁束については
、第８図に示す場合は、 Φｄ２　＝Ｈ＊　ｌｘ／２Ｒ。

であるが、第１図に示す場合は、 Φｄ２−　＝　Ｈ＊　−１ｍ　／　２　Ｒ。

となり、第５図から、Ｈａ＞Ｈｍ−の関係にあることが
分かるので、 Φｄ２　＞Φｄ２ となる、また、 Φｄ、−くΦｄ１ の関係がある。

更に、コイル２０による磁束ΦＥについては第５図に示
すような等価磁気回路になり、この場合も当然に磁気抵
抗は増加し、 Ｒｇｄ　＞Ｒｇｄ となるので、 ΦＥ　くΦＥ となる。

そこで、発生する回転トルク’ｒ”、Ｔを考えると、 ’Ｉ”＝ＫＭΦＥ Ｘ（Φｄ２−１２−Φｄ＋−ｊｉ’＋）Ｔ＝に、Φε Ｘ（Φｄ２１２−Φｄ＋　１＋　） となる。

以上から、支点よりの空隙を大きくしたことによるΦε
→Φε−の減少は括弧内の第１項Φｄ２の増加と第２項
のΦｄ１−の減少で補うことができる。

従って、コイル２０による磁束ΦＥに対する磁路中の空
隙による磁気抵抗比率が増加するので、ヒステリシス、
非直線性誤差が減少し、コイル２０と永久磁石１０の形
状はそのままでも高精度化が達成できる。

第６図は磁石の性質の相違による効果を説明するパーミ
アンス特性を示す減磁曲線である。

この曲線ＱＡは希土類などの高保持力磁石を用いた場合
であり、曲線Ｑｓは従来のアルニコ磁石などを用いたと
きの場合を示している。

この曲線から分かるように、曲線Ｑａに対するものはパ
ーミアンス係数Ｐ−一で示され、Ｈがあまり上がらず使
用範囲も限られるので、永久磁石は希土類などの高保持
力磁石を用いるのが効果的である。

なお、以上の説明では、簡単なため、空隙部Ａ９□、と
Ａ９２２を第８図の場合と第１図の場合とで等しくとっ
たが、支点より遠い側の空隙長を従来より小さく選定し
ても同様な効果を得ることができる。

第７図は本発明の他の実施例の構成を示す構成図である
。

ヨークの形状をコの字形ではなく棒状に形成した場合を
示している。永久磁石３４の各磁極に所定の間隙Ｌ２を
保って棒状のヨーク３５．３６を結合しその＠端を非磁
性の固定部材３７で固定する。この間隙Ｌ２の中央部に
は可動片３８が配置され、この可動片３８を囲むように
コイル３９か固定されている。

そして、ヨーク３５とコイル３９とは非磁性の固定部材
４０に一体に結合され、この固定部材４０はバネ材４１
を介して可動片３８と共に固定端４２に固定されている
。

この場合の支点側の空隙長はｎを大きくしていった場合
に相当し、ｌｓＡ、ｉ’ｓａが対応している。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように本発明によ
れば、可動片が空隙の外側でかつ長い方の空隙部に近い
個所で回動可能なように固定されているので、入力電流
により可動片が回転する方向とは反対側で逆方向に働く
トルクの大きさを低減させて所定の起磁力に対して実質
的に大きなトルクとすることができ、これによって安定
性を増し、さらに本発明によれば磁気回路中の空隙の占
める割合を大きくすることか出来るので、ヒステリシス
、非直線性の影響を低減することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の構成を示す構成図、第２図
は第１図に示す実施例の作用を説明する説明図、第３図
は第１図に示す永久磁石による起磁力を主体とした磁気
回路を示す等価磁気回路図、第４図は第１図に示す実施
例の磁気回路の減磁曲線を示す特性図、第５図は第１図
に示すコイルによる起磁力を主体とした磁気回路を示す
等価磁気回路図、第６図は永久磁石の種類による減磁曲
線を示す特性図、第７図は本発明の他の実施例の構成を
示す構成図、第８図は従来の電気／空気圧変換器の構成
を示す構成図、第９図は第８図に示す電気／空気圧変換
器の作用を説明する説明図である。 １０・・・永久磁石、１３．１４・・・ヨーク、１７．
２６・・・可動片、１８・・・バネ材、１９・・・カウ
ンタウェイト、２０・・・コイル、２３・・・ノズル、
２６．２７・・・ヨーク、３４・・・永久磁石、３５．
３６・・・ヨーク、３８・・・可動片、３９・・・コイ
ル。 代理人　　弁理士　　手沢　信助 第 図 第 図 第 図 ｎｌ？。 Ｆｅ。 ｎ）ｉ’。 口）　−α）、−＋〜 ＼　　“−−く Ｌ−−〇〜 Ｎ　　＼ 第 図 窮 図 Ｃ（１’） （ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　長さの異なる空隙部を保って対向配置され軟磁性材で
   作られた一対のヨークと、この一対のヨークを互いに逆
   極性に磁化する永久磁石と、一対の前記空隙部の間に等
   間隔に挿入されこの一対の空隙の外側でかつ長い方の空
   隙部に近い個所で回動可能なように固定された軟磁性材
   よりなる可動片と、この可動片を取り巻くように配置さ
   れたコイルと、前記可動片の一端に対向して配置された
   ノズルとを有し、前記ノズルに供給圧が絞りを介して供
   給され前記コイルに流す入力電流に対応して前記ノズル
   に発生したノズル背圧を空気圧信号として出力すること
   を特徴とする電気／空気圧変換器。