JPH0431336B2

JPH0431336B2 -

Info

Publication number: JPH0431336B2
Application number: JP60129475A
Authority: JP
Priority date: 1985-06-14
Filing date: 1985-06-14
Publication date: 1992-05-26
Also published as: JPS61288116A

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
を電歪素子で構成すると共に、ノズル部への供給
圧力を調節可能にして本質的に安全性を高めた防
爆構造を有する電気信号−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
機械的振動等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、制御機器の小型軽量化が要求
されるようになつている。このため、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と
なつている。すなわち、トルクモータを小型化す
ることに対応して、一般的に、電流値に応じて発
生する力も小さくなるため、前述した機械的振動
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。

そこで、本発明者は耐振動性、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鋭意
考究並びに工夫を重ねた結果、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
電歪素子に着目した。電歪素子は種々の形状、材
質のものが存在するが、一般的なものの一つとし
て、薄板状の矩形型であつて、一端を支点として
固定し、他端を自由端として使用するバイモルフ
型がよく知られている。このバイモルフ型の電歪
素子は一端を固定した状態で電極に電圧を加える
と、自由端がわずかに変位する。従つて、電歪素
子そのものでノズルフラツパを構成するようにす
れば、電圧の変化を容易にノズル背圧に変換する
ことが出来る。すなわち、従来使用しているトル
クモータを電歪素子に置き換えることが可能にな
る。そして、前記電歪素子の大きさとして、例え
ば、10mm×20mmで厚さ0.6mm程度のものを選択す
れば、その質量は前記トルクモータに比べると、
殆ど無視出来るほど小さいため、耐振動性、耐衝
撃性が著しく向上する。

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
と組み合せて本質安全防爆構造に適合する電気信
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、印加電圧に伴つて電歪素子
に発生する反発力は変位量に逆比例するから、変
位量が大きくなれば、反発力の発生は小さくなつ
てしまう。そこで、このような電歪素子をフラツ
パとして使い、ノズル−フラツパ機構を構成する
場合について考える。例えば、縦、横、厚さが10
mm×20mm×0.6mmのフラツパがノズル位置で約0.2
mm前後の動き量を必要とするものとする。この場
合、ノズルからは常時空気が噴出しているが、こ
のノズルを完全に全閉するには、ノズルの変位力
は空気圧に打ち勝つだけの力を必要とする。具体
的な例として、ノズル口径が１mmである時、空気
圧が10Kgｆ／cm²の場合は約80ｇの力が必要にな
る。然しながら、前記した例の大きさ程度の電素
歪素子を使つて、変位量としては、0.2mm前後、
発生力として、80ｇ以上の条件を満たすようにす
るには、100VDC前後と比較的高い駆動電圧を必
要とする。このように、圧力が高くなるにつれて
駆動電圧も高くしなければならない。このように
高い駆動電圧を要するとすれば危険な雰囲気中に
おいて何らかに起因して火花等を生じ、この結
果、爆発等の危険も惹起して本質安全防爆にする
ことは技術的に困難となる。また、電歪素子の変
位量が大きければ、性能並びに素子の耐用性の点
で不都合を生じ、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るようにパイロツト弁側
においても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、電歪素子を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加圧空気
を所定の圧力に減圧してノズルへ供給する減圧弁
とを効果的に組み合せることにより、低い電圧で
駆動出来、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、しか
も、本質安全防爆に適合する電気信号−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
子で形成される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第１および第２ダイ
ヤフラムと、前記第１ダイヤフラム側に形成されるノズル背
圧室と、前記第１ダイヤフラムと第２ダイヤフラムとの
間に形成される供給圧力室と、前記第２ダイヤフラム側に形成され、大気に開
放される大気圧室と、前記第１および第２ダイヤフラムの変位により
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
リード型のパイロット弁部と、前記供給ポートから分岐して前記ノズル背圧室
および供給圧力室に連通する通路内に設けられ、
前記供給ポートからの供給圧力を所定の圧力に減
圧してノズル背圧室および供給圧力室に供給する
可変型圧力調整手段とを備えることを特徴とす
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は電気信号−空
気圧変換ユニツト本体を示す。この場合、前記変
換ユニツト本体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、内部左方に設けられた
可変型圧力調整手段である減圧弁１００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のノズル背圧弁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
を介し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、所謂、電歪素子で形成され、夫々に結線され
たリード線２８，２８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
連通する減圧弁１００によつて所定の圧力に減圧
された供給圧力（加圧空気）が通路４０，４２を
介して導入される。なお、その際、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を介して減圧弁１００
によつて減圧された供給圧力の一部が直接導入さ
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。なお、図中、参照
符号５２は出力ポートを示す。この出力ポート５
２には出力圧を検出するための圧力センサを外部
に接続することも可能であるが、当該ユニツトを
可及的にコンパクトにするために後述するように
前記出力ポート５２から直接通路を延在させてボ
デイ内部に前記センサを組み込むことも可能であ
る。

そして、前記内弁３６は前述した三つの圧力、
すなわち、ノズル背圧弁１６、供給圧力室４６、
および、大気圧室４８内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
部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、前記した大気圧室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
クされないように構成している。一方、本体１０
には円状孔部６５が画成され、この孔部６５には
圧力センサ６６が嵌着される。実際、前記孔部６
５には出力ポート５２から分岐した通路６７が延
在連通して前記圧力センサ６６に出力ポート５２
の出力圧信号を供与する。圧力センサ６６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
電気信号として変換する機能を達成する。

すなわち、それに代替して、第３図に示すよう
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
うに構成しておく。このため、パイロツト弁部１
４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、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７０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、その偏差分が遂次増幅回路７２で増幅される
と共に、電圧に変換された後、フラツパ２２に印
加されるように構成しておく。

なお、第１図中、参照符号７４は内弁３６を常
時閉弁方向に付勢するコイルスプリングを示す。

次に、前記減圧弁１００について説明するる。
第４図に示すように、減圧弁１００を構成する筒
体１０２はその下端部に給気弁１０４を固着して
おり、前記給気弁１０４には供給ポート３８に連
通する通路１０６を設けている。また、前記給気
弁１０４内にはばね１０８を介して内弁１１０が
配設される。この場合、前記内弁１１０は給気弁
部１１２と排気弁部１１４とから構成され、前記
給気弁部１１２は給気弁１０４に設けられた給気
口１１６に係合する。一方、排気弁部１１４は筒
体１０２内に画成される出力圧室１１８に臨入す
ると共に、その先端部を排気弁１２０に係合す
る。前記排気弁１２０は筒体１０２内を摺動する
と共に、前記筒体１０２との間にＯリング１２２
を介装しておく。前記排気弁１２０には軸線方向
に排気通路１２４が設けられ、前記排気通路１２
４の一端部側には排気弁部１１４に係合する排気
口１２６を穿設し、この排気通路１２４の他端部
側は大気圧室１２７に連通する。さらに、前記大
気圧室１２７を画成する排気弁１２０の一端面に
はばね１２８が当接しており、このばね１２８の
他端部はばね座１３０が係合し、前記ばね座１３
０は調整ねじ１３２により押圧されるよう構成し
ている。

そして、筒体１２０には出力圧室１１８に連通
する通路１３４と大気圧室１２７に連通する通路
１３６を設け、前記通路１３４は通路４２に連通
し、一方、前記通路１３６は変換ユニツト本体１
０を介して外部に連通しておく。このようにして
構成する減圧弁１００をＯリング１３８ａ，１３
８ｂを介して変換ユニツト本体１０に嵌合装着す
る。

本発明に係る電気信号−空気圧変換ユニツトは
基本的には以上のように構成されるものであり、
次にその作用並びに効果につい説明する。

先ず、供給ポート３８からの供給圧力に対応し
て減圧弁１００の調整をしておく。すなわち、調
整ねじ１３２を所定方向に螺回してばね座１３０
によりばね１２８を押圧する。このため、排気弁
１２０は前記ばね１２８の弾発力により、図中、
下方向に押圧されて変位し、この排気弁１２０に
係合する排気弁部１１４は所定距離下方向に変位
する。

さらに、前記排気弁部１１４と一体的な給気弁
部１１２がばね１０８の弾発力に抗して下方向に
変位し、前記給気弁部１１２と給気口１１６との
間は所定の隙間が画成される。

そこで、供給ポート３８に導入された供給圧力
の一部は通路１０６を介して減圧弁１００内に供
給される。この場合、前記通路１０６からの供給
圧力は給気弁部１１２と給気口１１６との隙間を
通過して所定の圧力に減圧されて、出力圧室１１
８に導入される。次いで、この出力圧室１１８か
ら通路１３４を介して通路４２に導入された供給
圧力は、その一部を供給圧力室４６に至り、残余
の供給圧力は通路４０を介してノズル背圧室１６
内に到達した後、ノズル１８からフラツパ２２に
噴出する。

ここで、第１図のように系が平衡している状態
において、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。

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
れと一体的な排気弁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
クされないようなつている。このため、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により通路６７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
なるとノズル背圧は元に戻り、これにより内弁３
６も元の状態に復帰して給気口５４および排気口
６０を共に閉じて新しい平衡状態が得られる。

さらにまた、供給ポート３８からの供給圧力が
高圧となつても減圧弁１００を介して前記供給圧
力を所定の圧力に減圧して後、ノズル背圧室１６
に供給することが出来る。すなわち、通路１０６
に供給される供給圧力は給気弁部１１２および給
気口１１６を通過して減圧されて後、出力圧室１
１８内に導入される。その際、前記出力圧室１１
８内の供給圧力が所定の圧力より高い場合、前記
圧力は排気弁１２０を、図中、上方に押圧し、前
記排気弁１２０はばね１２８の弾発力に抗して上
方に変位する。そして、排気弁部１１４を排気弁
１２０に係合している内弁１１０はばね１０８の
弾発力により上方に変位し、余剰の圧力は排気通
路１２４を介して大気圧室１２７に導入されて
後、大気に放出される。一方、給気弁部１１２と
給気口１１６との間に画成される隙間が狭小とな
り、通路１０６を介して供給される供給圧力は前
記隙間を通過して、より一層減圧されることにな
る。従つて、出力圧室１１８に至つた供給圧力は
所定の圧力に減圧され、通路１３４を介してノズ
ル背圧室１６内に導入される供給圧力は供給ポー
ト３８に供給された時点における圧力に変化に影
響されることなく一定とすることが出来る。結
局、フラツパ２２に噴出する供給圧力が些程大き
なものとはならず、前記フラツパ２２に印加する
電圧は比較的低いままで、ノズル背圧の多様な変
化を引き出すことが可能となる。例えば、供給空
気圧が、10Kgｆ／cm²と高い場合でも、前記減圧弁
１００の設定圧を1.4Kgｆ／cm²位に設定しておけ
ば、ノズル１８へは、この1.4Kgｆ／cm²に減圧さ
れた圧力が供給されることになる。この場合、試
みに、ノズル径が１mmの場合、フラツパがノズル
を全閉するに要する力は、約10Kgにすぎない。こ
れに対し、減圧弁１００がない場合は、約80ｇの
力を必要とするから、必要な力は1/8に下がり、
これに比例し、電歪素子駆動電圧も下げることが
可能となる。このように回路を構成出来るのも、
出力空気圧が直接二枚のダイヤフラム３０，３２
のいずれかにフイードバツクされないように工夫
してあるかに他ならない。

なお、本実施例ではノズルフラツパ機構１２と
パイロツト弁部１４とが変換ユニツト本体１０に
一体的に組込まれているが、両者１２，１４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。

以上のように本発明によれば、供給ポートから
ノズル背圧弁への途上に減圧弁を設けているた
め、前記供給ポートからの供給圧力が高い場合
に、前記減圧弁を介してこの供給圧力を所定の圧
力に減圧して前記ノズル背圧室へ供給することが
出来る。従つて、フラツパに印加する電圧を好適
に低減して、より一層簡素化した電気回路が得ら
れる。しかも、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
させて変換ユニツトの小型軽量化が容易に図れ、
また、本質安全防爆も簡単に達成出来る。

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を得ることが可能とな
り、ゲインが大きくなつて精度の高い変換ユニツ
トを提供出来る。また、電歪素子の変位量が小さ
くて済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
が少なくて済むという利点もある。

以上、本発明において好適に実施例を挙げて説
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
て使用し圧力センサを変位センサに代替すれば、
コントロールバルブの変位量を制御する電気−空
気圧式ボ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
ニツトの正面縦断面図、第２図はその要部正面
図、第３図はフイードバツク制御のブロツク回路
図、第４図は本発明ユニツトを構成する減圧弁の
一部省略断面図である。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、２２……フラツパ、２４……圧電セラミツ
ク、３０，３２……ダイヤフラム、３４……排気
弁、３６……内弁、３８……供給ポート、４６…
…供給圧力室、４８……大気圧室、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、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、１０……減圧弁、１０２……筒
体、１１０……内弁、１１２……給気弁部、１１
４……排気弁部、１１８……出力圧室、１２０…
…排気弁、１３２……調整ねじ、１３８ａ，１３
８ｂ……Ｏリング。

Claims

【特許請求の範囲】１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される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第１および第２ダイ
ヤフラムと、前記第１ダイヤフラム側に形成されるノズル背
圧室と、前記第１ダイヤフラムと第２ダイヤフラムとの
間に形成される供給圧力室と、前記第２ダイヤフラム側に形成され、大気に開
放される大気圧室と、前記第１および第２ダイヤフラムの変位により
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
リード型のパイロット弁部と、前記供給ポートから分岐して前記ノズル背圧室
および供給圧力室に連通する通路内に設けられ、
前記供給ポートからの供給圧力を所定の圧力に減
圧してノズル背圧室および供給圧力室に供給する
可変型圧力調整手段とを備え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項記載の電気信号−空気
圧変換ユニツトにおいて、可変型圧力調整手段は、供給ポートからノズル
フラツパ機構への途上に設けられた減圧弁を備え
ることを特徴とする電気信号−空気圧変換ユニツ
ト。