JP2707102B2 - 圧力制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、一般に空気回路（pneumatic circuit）、 詳しくは空気回路の圧力を制御する装置に関するもの
である。

〔従来の技術及びその課題〕

空気回路（以下単に「回路」ということがある。）の
分野では、その回路の圧力を変えたり、その圧力を新た
に圧力設定が必要になるまで所望値に維持したりするこ
とが望ましい場合が多い。例えば、空気で駆動されるロ
ボットの手が加工品を機械的に定位置に置いたり把持し
たりする工業ロボットの把持動作において、握力を必要
に応じて連続的に調節しうることが望ましいが、ロボッ
トの手を駆動する空気回路の圧力を変えることにより、
このような異なる圧力を得ることができる。

過去において、空気回路の圧力を変えることは厄介で
あった。この回路圧力の制御は、殆ど機械的に行われて
いた。これらの機械的な圧力制御装置は、通常小さなオ
リフィス（穴）を通して絶えず空気を逃しておき、この
定常的な損失により回路圧力が設定レベルより下がる
と、高圧源に接がる弁を介して圧力を上げるように制御
するものである。しかし、この方法は、耐えず逃してい
るガス（空気）を加圧するのでエネルギの浪費となるば
かりでなく、回路圧力が所望値の近くで絶えず変化して
いる欠点がある。

他の装置では、上下の圧力設定値に基き、回路から排
気したり回路に加圧ガスを供給したりする弁を機械的又
は電気的に制御している。これらの装置の問題点は、制
御設定値の一方が他方に対し近接しすぎて設定が不適当
になり易いことである。その場合は、装置が振動を起こ
して制御がきかなくなる。また、そのどちらか一方の制
御に故障が起こると、回路の圧力が最大となるか又は回
路の圧力がゼロとなったままシステム（装置全体）が働
かなくなる。通常重大な結果を避けるため、上記２つの
故障のうち一方だけしか起こらないように求められてい
る。

空気回路制御に関する他の問題は、制御の方法に関係
なく費用がかかることである。制御装置は、一般にその
圧力調整を必要とする場所に置くのが最もよい。しか
し、そうすると、圧力操作をする全位置に別々の制御装
置を配置しなければならない。したがって、空気回路を
有効に制御するために非常に多くの制御装置が必要とな
る。制御装置の値段が比較的低くない限り、このような
システムは不経済である。すなわち、上述の課題は高価
な設備を施せば解決できるであろうが、かような解決法
はコストがかかるため不適当である。

上記システム制御に関する問題の中で特に問題なの
は、指示された所望の圧力変化に対する応答速度であ
る。一般に、所望の圧力変化に応じて所望の結果を得る
には応答時間を早くする必要がある。しかし、排気及び
加圧両方の弁をもつシステムでは、応答時間を早くする
と、両方の弁の制御不能の振動を防ぐために２つの弁の
動作の間に大きな「不感帯」（dead band）を設ける必
要が生じる。したがって、応答時間が早いと微調整が妨
げられることになる。微調整と迅速応答の両方を果たす
ため可変オリフィス弁を使用することができるが、かよ
うな弁は高価でこれらの弁を駆動する装置もまた高価で
ある。しかも、これらの弁は、多くの空気回路によって
大きすぎる欠点がある。

〔課題を解決するための手段及び作用〕

上述の課題を解決するため、本発明の空気回路圧力制
御装置では、空気管路（13）からトランスジューサ（1
9）が発生する圧力信号（41,49）と所望圧力に対応する
制御信号を発生する信号発生器（21）からの制御信号
（31,39）とを比較する電子比較回路（51,53）を設け
た。この比較回路は、空気管路（13）の圧力を制御する
排気及び加圧電磁弁（15,17）を選択的に作動させる。
電磁弁（17）の電磁コイル（27）が発生する電磁界は、
この電磁界内に配された電気回路（導体）（73）に発生
する電磁誘導により電磁弁（17）を振動させて、比較回
路（51,53）によって小さい圧力変化が求められるとき
に可変オリフィス弁のような効果を生じる。

本発明の空気回路圧力制御装置によれば、要求される
圧力変化率に応じて応答速度を調節でき、コストが比較
的低く、構造及び動作が簡単な電気的制御装置によって
回路圧力を制御することができる。

なお、本装置は、２つの加圧ガス装置間の加圧ガスの
流れの調節にも適用しうる。

〔実施例〕

図面は、本発明による空気回路圧力制御装置の構成を
示す概略図である。図において、（11）は圧力制御装置
を全体として示し、（13）は加圧されたガスを運ぶ１本
の空気管路を示す。空気管路（13）は、工業ロボットの
ような所望の場所にガスを供給する空気回路の一部をな
す。

空気管路（13）に、該管路（13）及び該管路（13）が
一部をなす空気回路における空気圧を調節するため排気
弁（15）及び加圧弁（17）が設けられる。空気管路（1
3）に接続されたトランスジューサ（19）は、該管路（1
3）における空気圧を測定し、それに比例する電気信号
を発生する。この信号は、制御信号発生器（21）により
生じる信号と共に、排気及び加圧弁（15,17）の動作を
制御するのに用いる。

制御信号発生器（21）は、手動装置でも或いは遠隔コ
ンピュータ等による自動装置でもよい。手動装置の場
合、該信号発生器（21）に校正ダイヤルのような指示手
段を設け、手動操作の際に所望の圧力設定値を読めるよ
うにする。遠隔動作の場合、圧力変化の要求と現在圧力
を表わす返送信号（22）を利用して遠隔動作を向上させ
ることができる。

トランスジューサ（19）及び制御信号発生器（21）に
より生じる信号に応じて排気及び加圧弁（15,17）を制
御するため、比較回路（23）を用いる。比較回路（23）
は、電圧又は電流信号を直接比較できるように調整して
２つの信号を比較し、電磁コイル（25）又は（27）によ
り弁（15）又は（17）のどちらか一方を作動させ、或い
はどちらも作動させない。すなわち、弁（15），（17）
はそれぞれ電磁コイル（25），（27）によって作動する
電磁弁である。

比較回路（23）は、電圧比較型でも電流比較型でもよ
い。図示のように抵抗（29）を制御信号発生器（21）に
接続すると、出力される制御信号（31）は可変電流信号
となる。抵抗（29）を除くと、制御信号（31）は可変電
圧信号となる。制御信号（31）が電流の場合は大体４〜
20ミリアンペヤであり、同じく電圧の場合は大体１〜５
ボルト（直流）である。

制御信号（31）は、（導体（73）を介して）電圧増幅
器（33）に入力する。電圧増幅器（33）は、制御信号
（31）の振幅範囲を調整する。電圧増幅器（33）の出力
（35）を次に電圧増幅器（37）に入力し、制御信号のゼ
ロ点（オフセット）を調節する。こうして、電圧増幅器
（37）の出力信号（39）は、増幅器（33）により設定さ
れる所望の利得又は振幅範囲をもつと共に増幅器（37）
により定められる所望のゼロ点をもち、制御信号発生器
（21）からの制御信号に比例する信号となる。

トランスジューサ（19）は、空気管路（13）内の空気
圧に比例する電気信号（圧力信号）（41）を発生する。
この圧力信号（41）をオフセット可変のゼロ調整増幅器
（43）に入力し、そのゼロ点を調整する。増幅器（43）
の出力信号（45）を増幅器（47）に入力し、圧力信号の
利得を調整して設定する。こうして、圧力信号（41）の
ゼロ点及び振幅範囲を増幅器（43）及び（47）によって
調整する。更に、増幅器（47）は、これらの圧力信号を
温度変化に対して補正するように調整することができ
る。よって、増幅器（47）の出力（49）は、制御信号
（39）と比較可能な圧力信号となる。空気管路（13）内
の現在の圧力を伝えるのに用いる返送信号（22）は、圧
力信号（49）より取出すことができる。現在の圧力を可
視表示するために、表示装置（50）を設けてもよい。

両信号（39）及び（49）は、それぞれ比較増幅器（5
1）及び（53）の両方に入力する。比較増幅器（51）
は、現在の圧力を示す圧力信号（49）が所望圧力を示す
制御信号（39）より高い場合、排気信号（55）を生じ
る。同様に、比較増幅器（53）は、現在の圧力を示す圧
力信号（49）が所望圧力を示す制御信号（39）より低い
場合、加圧信号（57）を生じる。

排気信号（55）が生じると、増幅器（59）は、排気信
号（55）を十分な電圧及び電流をもつ排気駆動信号（6
1）に変換し、これにより電磁コイル（25）を励磁して
排気弁（15）を作動させる。よって、排気信号（55）
は、排気弁（15）を開いて空気管路（13）及びその空気
回路の圧力を下げる。

加圧信号（57）が生じると、増幅器（62）は、加圧駆
動信号（63）を発生して加圧弁（17）の電磁コイル（2
7）を励磁する。したがって、加圧信号（57）は、加圧
弁（17）を開いてガス供給源（64）より加圧されたガス
を空気管路（13）内に導入し、該管路内のガス（空気）
圧を増加させる。よって、加圧信号（57）は、電磁型加
圧弁（17）を作動させて空気回路の圧力を上げる。

図の例では、両方の弁（15）及び（17）は共に常閉型
である。しかし、破線で示すように反転増幅器（65）を
設けて排気弁（15）を常開型とすることも可能である。
排気装置全体にわたる電気事故の場合を考えると、排気
弁（15）は常開型とするのが安全であろう。かような電
気事故の際に空気回路の圧力を維持したい場合は、排気
弁（15）は常閉型とすべきである。

両方の弁（15），（17）が連続的に振動することを防
止するには、排気及び加圧信号（55），（57）の発生を
ずらして両弁の動作の間に不感帯を設けるのがよい。こ
の不感帯は、電流源（67）及び（69）によって設けるこ
とができる。すなわち、電流源（67），（69）を調整し
て比較増幅器（51）に入力する圧力信号（49）が比較増
幅器（53）に入力する圧力信号により所望量だけオフセ
ットする（ずれる）ようにするのである。

電磁型の両弁（15）及び（17）は、単一作動型で可変
オリフィス弁ではない。比較回路（23）はこれらの弁に
１つの信号を選択的に供給するが、その信号は開信号か
閉信号のどちらかである。公知の可変オリフィス弁は、
一般に、空気回路圧力が207〜690KPa（キロパスカル）
すなわち30〜100psi（ポンド／平方インチ）の範囲内に
あるか、空気管路の直径が0.075〜0.15mm（0.003〜0.00
6インチ）の範囲内にあるか、又は弁の値段が10ドル未
満でなければならぬような場合には、大きすぎ且つ高価
すぎて使えない。

単一作動型の電磁空気弁について極めて重大な問題
は、弁の制動がきなかい連続振動を避けるために、比較
増幅器（51）及び（53）によって大きな不感帯を設けね
ばならないことである。しかし、制御手段により、小圧
力変化のみが必要な場合、駆動信号を速く振動させて単
一作動弁を可変オリフィス弁のように動作させることが
できる。しかも、この迅速振動及び可変オリフィス的動
作は、殆ど又は全く費用を増すことなく達成できる。

この可変オリフィス的動作の効果は、排気弁（15）又
は加圧弁（17）の電磁コイルが作動時に発生する電磁界
を用いる電磁誘導によって達成できる。図においては、
加圧弁（17）のみ可変オリフィス的動作をするように接
続している。装置全体の制御不能な振動を防止するため
には、一方の弁だけにこのような動作をさせればよい。
しかし、もっと感度を上げ、もっと両信号（55），（5
7）間の不感帯を小さくしたい場合は、両方の弁（1
5），（17）に対してかような動作をするように接続し
てもよい。

加圧弁（17）は、弁の開閉動作をさせるための電磁コ
イル（27）を有する。この弁（17）は常閉型であるか
ら、電磁コイル（27）が弁（17）を開く動作をすると
き、この電磁コイルは弁を開状態に保つ。そのとき、電
磁コイル（27）は電磁界を発生する。

比較回路（23）の一部で所望圧力を表わす制御信号
（31）が流れる導体（73）を上記の電磁界内に入るよう
に配置すれば、該導体の上記電磁界内における方向及び
位置に従って該導体内に誘導される起電力により制御信
号（31）を変えることができる。この位置を固定してこ
の信号（31）が弁（17）を開く信号方向と逆方向に変わ
るようにすれば、制御信号（39）が比較する圧力信号
（49）に対して近接しているとき、加圧信号（63）の迅
速な振動が生じる。両信号（39）と（49）が十分に近接
している場合、加圧信号（63）が加圧弁（17）を開き始
める度に、電磁コイル（27）は制御信号（31）を減らす
作用をし、したがって、あとの制御信号（39）も減少す
る。そうすると、両信号（39）と（49）は十分に接近し
て差がなくなり、加圧信号（63）を殆どゼロにする。し
かし、その電磁界が消えると、再び比較によって加圧信
号（63）が発生する。

加圧信号（63）の迅速な振動は弁（17）をぱたぱたさ
せながら開き、このぱたぱた動作により、弁（17）のオ
リフィスが部分的に開くような緩やかな圧力変化が起こ
る。すなわち、加圧弁（17）は可変オリフィス弁のよう
な動作をする。

この弁の振動は、電磁コイル（27）がこれに応答して
弁を動かせる程度に遅くなければならないが、振動周期
が長くその間弁が全開するほど遅くてはいけない。直径
0.075mm（0.003インチ）のオリフィスをもつ不平衡きの
こ弁の場合、20〜20,000ヘルツの振動が望ましく、40〜
4,000ヘルツが更によい。

振動周波数の外に、１振動周期におけるデューティ比
が弁の応答動作（１回の振動で生じる開閉動作における
オリフィスの開きの平均）に影響する。デューティ比
は、振動周期における開信号をもつ部分の閉信号をもつ
部分に対する比である。したがって、このデューティ比
は、比較されて加圧信号（63）を生じる両信号（39）と
（49）の比に従って変化する。これらの信号が近接して
いれば、このデューティ比は小さく、弁（17）を通って
空気回路に流入するガスの量は小さい。これらの信号が
大きく離れていれば、デューティ比は高く、弁（17）を
通って流入するガスの量は大きい。こうして、制御装置
の圧力応答動作は、圧力変化の要求が小さい間その要求
に従って変化するので、不感帯を小さくしてエネルギを
浪費しない極めて精確な制御が可能となる。そして、こ
れは、導体を電磁コイル（27）が発生する電磁界の中に
配置するのみで振動を起こせるので、非常に安価な電気
回路で達成することができる。

制御信号（39）が圧力信号（49）より遥かに大きい場
合、電磁コイル（27）により生じる電磁界は、制御信号
（31）及び（39）を加圧信号（57）が消えるほど大きく
減少させることはない。したがって、極めて迅速な圧力
増加が必要な場合、加圧弁（17）は、単一作動型の全開
弁のように動作して迅速な加圧を行う。

増幅器（33）に並列に設けた安全装置（71）は、制御
信号（31）の電圧が所定値より下がったとき、固有の信
号を発生してこれに加え所定の信号（35）が生じるよう
にする。したがって、制御信号発生器（21）に対する電
力がなくなるか又は制御信号（31）がひどく間違って発
生されたとき、安全装置（71）は、なお所望の制御信号
（39）を供給し、排気弁（15）が連続開放となって空気
回路内の圧力がなくなるのを防止する。

全体的な電源事故により圧力が変化し危険な状態にな
るのを防ぐため、もう１つの安全装置（75）を設けてい
る。この第２の安全装置（75）は、装置全体の電源電圧
を検出し、その電圧が所定値より下がると、両方の弁
（15），（17）を不動作状態にして回路圧力を維持する
ものである。この安全装置により圧力を維持するために
は、両弁（15），（17）はばね閉じ型でなければならな
い。勿論、電源事故の際のこの圧力維持状態において
は、コンピュータ回路は働かないであろう。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり、本発明によれば、要求される圧
力変化率に応じて応答速度を調整でき、コストが比較的
低く、構造及び動作が簡単な電気的制御装置によって空
気回路圧力を制御することができる。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明の実施例を示す概略図である。 なお、図面の符号については、特許請求の範囲において
対応する構成要素に付記して示したので、重複記載を省
略する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−130786（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−168312（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２つの加圧ガス装置間の加圧ガスの流れを
   調節するための圧力制御装置において、 上記２つのガス装置間の加圧ガス間の加圧ガスの流れを
   制御するように接続され、作動時に電磁界を生ずる電磁
   コイル（27）を有する電磁作動型の非可変オリフィス弁
   （17）と、 上記電磁コイル（27）を制御する電気駆動信号（63）を
   生成する信号源回路と、 を有し、更に上記信号源回路に接続された電気導体（7
   3）を含む電子回路手段が設けられ、上記電気導体（7
   3）は上記電磁コイル（27）の電磁界内に配置され、該
   電磁界によって上記電気導体（73）内に電磁誘導が生成
   され、それによって上記電気駆動信号（63）が変化し、
   上記電磁コイル（27）の動作が迅速に振動し、可変オリ
   フィス弁の動作のような上記非可変オリフィス弁（17）
   の弁動作を生成することを特徴とする圧力制御装置。
2. 【請求項２】上記信号源回路は、 ガス管路（13）内のガス管路圧力を測定しそれに比例し
   た第１の電気信号（41,49）を生成する第１の信号手段
   （19）と、 所望のガス管路圧力を設定しそれに比例した第２の電気
   信号（31,39）を生成する第２の信号手段（21）と、 上記第１及び第２の電気信号を比較し、上記電磁コイル
   を制御する上記電気駆動信号（63）を選択的に発生する
   比較手段（51,53）と、 を有する請求項１記載の圧力制御装置。