JPH0464701A - ノズルフラッパ式流体圧調節器 - 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、信号入力に応じた流体圧出力を得るための流
体圧調節器に関し、いわゆる電空変換器として空気式ア
クチュエータ等を電気信号で駆動する際に利用できる。

〔背景技術〕

従来より、供給空気圧に応じて機械的変位を生じる空気
式アクチュエータ等の動作制御には、パイロット空気圧
を電気信号で調節するいわゆる電空変換器等の流体圧調
節器が利用されている。

第１０図には、−船釣なノズルフラッパ式の電空変換器
の概略構成が示されている。図において、入力部６１に
は所定圧力の供給空気が与えられ、この空気はオリフィ
ス６２を通ってノズル背圧室６３に入る。ノズル背圧室
６３にはノズル６４が接続され、ノズル６４の先端側に
はフラッパ６５が配置され、相互の間隔に応じてノズル
背圧室６３に背圧が生じるようになっている。ノズル背
圧室６３には出力部６６が接続されているとともに、フ
ラッパ６５は駆動部６７によりノズル６４の先端に対し
近接離隔されるようになっており、駆動部６７への電気
信号入力によりノズル背圧室６３の背圧が変化し、この
圧力は出力部６６から取り出せる。出力部６６の空気圧
力はセンサ６８で検出され、その出力電気信号は制御回
路６９に入力される。制御回路６９はセンサ６８の出力
と外部からの入力信号とを比較した結果に基づいて駆動
部６７を制御し、これらによるフィードバック制御によ
って外部信号に応じた空気圧力が取り出される。

第１１図には、従来の電空変換器の具体的な構造が示さ
れている。図中下側に突き出た突起部材７０には、空気
信号の入力部７１および出力部７６が設けられている。

これらの入力部７１と出力部７６との間には断面積の小
さいオリフィス７２が設けられ、オリフィス７２と出力
部７６との間が背圧室７３とされ、背圧室７３にはノズ
ル７４が接続されている。ノズル７４の先端側には、フ
ラッパ７５が配置されている。

フラッパ７５は、基端が図中上側の駆動部７７に揺動自
在に固定され、中間部分がばね７７Ａでノズル７４から
離隔する方向に付勢されている。駆動部７７は、コイル
７７Ｂ、マグネット７７Ｃおよびヨーク７７Ｄ等で構成
されている。このうちコイル７７Ｂは、フラッパ７５の
基端部分に固定され、与えられる電気信号の大きさに応
じてマグネット７７Ｃに吸引される。

これにより、フラッパ７５はばね７７Ａの付勢力に抗し
てノズル７４側に移動する。従って、駆動部７７に制御
回路等から適宜な電気信号を与えてやることにより、フ
ラッパ７５のノズル７４に対する距離が変えられ、出力
部７６側の空気圧が調節される。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述のような電空変換器では、オリフィス７２の形成に
高精度の機械加工を要する。このため、製造上の困難さ
か避けられない。また、フラッパ７５０周辺部分や駆動
部７７等には、多くの部品を必要とするため、構造が複
雑になって組立に時間かかかる。さらに、ノズル７４に
対するフラッパ７５の位置調整に高い精度を必要とする
ため、調整に時間がかかる。従って、製造が困難がとな
り、量産によるコストダウン等も難しいという問題があ
る。

しかも、コイル７７Ｂ１マグネツト７７Ｃおよびヨーク
７７Ｄなど大きく重い部品を備えているので、電空変換
器の小型軽量化ができず、使用時の制約等が避けられな
いという欠点がある。

本発明の目的は、製造か容易にでき、かつ、軽量小型化
が可能なノズルフラッパ式流体圧調節器を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、フラッパ部、オリフィス部、センサ部、駆動
部を有するノズルフラッパ式流体圧調節器であって、少
なくともフラッパ部およびオリフィス部を含む各部がエ
ツチングにより一体形成されたベースを含んで流体圧調
節器を構成するものである。

ここで、前記ベースのエツチング加工は、半導体プロセ
ス加工技術に多用されるフォトリングラフィを用いたエ
ツチング加工を採用することが好ましい。

また、例えばフラッパ部、オリフィス部およびセンサ部
等の素材を統一化し、フォトリソグラフィを用いたエツ
チング加工を含むバッチプロセス等で一体形成し、−度
に複数の部品をベースに作り込むこと等が好ましい。

さらに、例えばベースの素材としてシリコン等の半導体
や圧電効果を有するセラミクス等を採用するとともに、
例えば静電吸引方式や圧電方式等の駆動部を採用するこ
とが好ましい。

〔作用〕

このような本発明では、オリフィス部をベースにエツチ
ング加工することで、高精度の機械加工が不要となり、
精密なオリフィス部が容易に得られることになる。また
、フラッパ部、オリフィス部を含む各部を一体化するこ
とで、これらの組立が省略される。さらに、ベースのエ
ツチング加工により高精度なフラッパ部が容易に得られ
ることになり、フラッパのノズルに対する位置調整等も
不要になる。これらにより製造か簡略化される。

また、シリコン製のベースと静電吸引方式の駆動部とを
採用するなどにより、駆動部を電極−枚で形成でき、駆
動部の構造の簡略化か可能になる。

あるいは、圧電効果を有するセラミクス製のベースと圧
電方式等の駆動部とを採用するなどにより、フラッパ部
、オリフィス部等の各部と駆動部との一体化が可能にな
る。これらの簡略化あるいは−体化により小型軽量化が
可能になるとともに、組立がさらに簡略化され、これら
により前記目的が達成される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図には、本発明に係る流体圧調節器としてのノズル
フラッパ式の電空変換器１が示されている。電空変換器
１は、供給される空気圧を調節する空気回路部ＩＡとこ
の空気回路部ＩＡを制御する電気回路部ＩＢとから構成
される。

空気回路部ＩＡは、ベース２をガラス製の積層部材３，
４で挟んだサンドイッチ状の積層構造とされ、この積層
構造がガラス製の台座部材５の上に固定されたものであ
る。

ベース２は、第２図〜第４図に示されるように、フォト
リソグラフィを用いたエツチング加工によって、オリフ
ィス部２１、フラッパ部２２およびセンサ部２３が一体
形成されたものである。

オリフィス部２１は、平板状のシリコンウェハーの片面
をエツチングして形成された小断面積のＶ字溝からなり
、上側を塞がれることで少量の空気の流通が可能である
。オリフィス部２１の両端には、各々断面角形の通気孔
２４．２５が設けられている。

フラッパ部２２は、シリコンウェハーの両面をエツチン
グして形成されるフラッパ２２Ａを備えている。フラッ
パ２２Ａは、対向する一対の端縁がベース２から切り離
されており、その中央部は厚み方向に弾性変形して変位
可能である。また、フラッパ２２Ａの中央部には空気を
上方に逃がす孔２６が複数段けられ、フラッパ２２Ａの
下面にはシリコン酸化膜等による絶縁膜２７が形成され
ている。

センサ部２３は、フラッパ部２２と同様にシリコンウェ
ハーの両面をエツチングして形成されたものであり、セ
ンサ部２３を二つの空間に仕切るダイヤフラム２８を有
している。このダイヤフラム２８は、周囲が薄肉にされ
ることで表面にかかる圧力で容易に変位可能とされ、中
央部が厚肉にされることで、僅かなダイヤフラム２８の
変位でも静電容量が大きく変化するようになっている。

このようなベース２の第２図中下方には、積層部材３が
積層される。

積層部材３は、第２図および第５図に示されるように、
ベース２の通気孔２４．２５に対応した位置に形成され
た連通孔３１．３２と、フラッパ部２２およびセンサ部
２３の各々の中心部に対応した位置に形成されたノズル
孔３３および連通孔３４とを備えている。

また、積層部材３は、ベース２側の面に薄膜電極３５．
３６を備え、反対側の面に薄膜電極３７．３８を備えて
いる。

電極３５は、第６図にも示されるように、ベース２のフ
ラッパ２２Ａに対向するように形成され、高電圧が印加
された際に静電引力でフラッパ２２Ａをノズル孔３３側
に吸引する駆動部となっている。

電極３６は、ダイヤフラム２８の中央肉厚部に対向する
ように形成され、ダイヤフラム２８とともに可変コンデ
ンサＣＩを形成し、このコンデンサＣ】はダイヤフラム
２８の変位に応じた静電容量値を生じるようになってい
る。

電極３７．３８は、電極３５．３６の裏側に形成される
とともに、孔３３．３４を通るスルーホール接続により
電極３５．３６と導通されており、空気回路部ＩＡの積
層時にも一部が露出されて外部結線可能とされている。

一方、ベース２の第２図中上方には、積層部材４が積層
される。

積層部材４は、第２図および第７図に示されるように、
フラッパ部２２およびセンサ部２３の各々の中心部に対
応した位置に開放孔４１．４２を備えている。開放孔４
１はフラッパ部２２を大気に開放するものであり、開放
孔４２はセンサ部２３の上面側の空間を大気に開放する
ものである。

また、積層部材４は、ベース２例の面に薄膜電極４３を
備え、反対側の面に薄膜電極４４を備えている。

電極４３は、第６図のように、電極３６とは反対側から
ダイヤフラム２８の中央厚肉部と対向するように形成さ
れ、ダイヤフラム２８とともに可変コンデンサＣ２を形
成している。このコンデンサＣ２はコンデンサＣ１とと
もにダイヤフラム２８の変位に応じた静電容量値を生じ
るようになっている。ここで、ダイヤフラム２８の両側
に電極３６．４３を配置することにより、動作の安定性
が良好で高感度な差動検出による静電容量式の変位検出
が可能となっている。

電極４４は、開放孔４２を通るスルーホール接続により
電極４３と導通されるとともに、外側に露出されて外部
結線可能となっている。

これらのベース２および積層部材３，４の第２図中下方
には、台座部材５が配置されている。

台座部材５は、第２図および第８図に示されるように、
積層部材３の電極３７．３８を外部に露出させるために
一端側が積層部材３より短くされている。また、積層部
材３の連通孔３１．３２に対応した位置には、供給空気
が与えられる入力孔５１および空気式アクチュエータ等
が接続される出力孔５２が形成されている。さらに、表
面には、出力孔５２に連続するＬ字形状の溝５３が形成
されている。この溝５３は、出力孔５２と積層部材３の
ノズル孔３３および連通孔３４とを連結するものである
。

これらのベース２、積層部材３，４および台座部材５の
積層により空気回路部ＩＡか形成され、内部には、入力
孔５１、連通孔３１、通気孔２４、オリフィス部２１．
通気孔２５、連通孔３２および出力孔５２等により入力
から出力までの空気通路か形成される。

また、出力孔５２に連続する溝５３によりノズル背圧室
が形成され、このノズル背圧室には、ノズル孔３３を介
してフラッパ部２２が接続されるとともに、連通孔３４
を介してセンサ部２３か接続される。さらに、開放孔４
１によりフラッパ部２２を通過した空気が排気可能にさ
れ、開放孔４２によりセンサ部２３の上方が大気開放と
され、センサ部２３かゲージ圧（大気圧との差圧）セン
サとなっている（第９図参照）。

このような空気回路部ＩＡに対し、電気回路部ＩＢには
、第６図の通り、圧力検出回路１１および調節回路１２
か備えられている。

圧力検出回路１１は、電極３６．４３およびベース２に
導通され、可変コンデンサＣ１および可変コンデンサＣ
２の静電容量値から出力孔５２の空気圧を検出するとと
もに、この圧力に応じた電気信号を調節回路１２に出力
するものである。

一方、調節回路工２は、圧力検出回路ＩＩのからの信号
と外部からの信号とを比較し、この比較結果に基づいて
直流高電圧を電極３５に印加し、この電圧を調節してノ
ズル孔３３に対するフラッパ２２Ａの変位を調節するも
のである。

このような電気回路部ＩＢにより、空気回路部ＩＡに入
力される空気の圧力が調節されて出力されるようになっ
ている。

すなわち、入力孔５１に入力される空気は、オリフィス
部２１でその流量を絞られて出力孔５２に到達する。到
達した空気の圧力はノズル背圧室である溝５３にそのま
ま伝達される。ノズル背圧室では、内部の空気の一部を
フラッパ部２２から排気することによって空気圧力の調
節が行われるとともに、センサ部２３でこの圧力のモニ
タが行われる。センサ部２３で検出された空気圧力は、
圧力検出回路１１で電気信号に変換され、この電気信号
は調節回路１２で外部からの信号と比較され、この比較
結果に基づいて調節回路１２はフラッパ２２Ａの変位を
制御し、排気量を加減する。これにより、出力孔５２か
ら出力される空気の圧力か外部信号に応して調節される
。

次に、本実施例の電空変換器１の製造手順について説明
する。

まず、フォトリソグラフィを用いたエツチング加工を用
いたバッチプロセスにより、シリコンウェハー上にオリ
フィス部２１、フラッパ部２２およびセンサ部２３を一
度に複数組形成するとともに、フラッパ２２Ａに絶縁膜
２７を形成しておく。また、熱間プレス等の成形法でガ
ラスを成形し積層部材３゜４および台座部材５を製作す
る。このうち、積層部材３，４は、シリコンウェハーと
同等の直径を有するガラスに複数組製作しておくととも
に、そのままこのガラスに蒸着やスパッタリング等で薄
膜電極３５〜３８．４３．４４を複数組形成しておく。

次に、ベース２の両面に積層部材３，４をそれぞれ陽極
接合する。この陽極接合は、シリコンとガラスとの接合
強度および耐久性の非常に良好な接合方法である。特に
、ベース２のフラッパ部２２と積層部材３の上面との間
隔、すなわち、フラッパ２２Ａとノズル孔３３の先端と
の間隔が高精度で微妙なものであっても、シリコンとガ
ラスとの陽極接合によれば接合後にもこの間隔が狂わず
に保持される。

次いで、この陽極接合された三層のガラスとシリコンと
を一括して切断し、所定サイズのチップを製作しておく
。

最後に、台座部材５を積層部材３に接合して空気回路部
ＩＡを完成させ、空気回路部ＩＡに電気回路部ＩＢを接
続して電空変換器１を完成させる。

前述のような実施例によれば、次のような効果がある。

すなわち、フォトリソグラフィを用いたエツチング加工
でベース２に形成したので、高精度のオリフィス部およ
び高精度なフラッパ部２２を容易に得ることができる。

また、高精度なフラッパ部２２か得られることにより、
フラッパ２２Ａとノズル孔３３の先端との間隔を高精度
に設定でき、しかも、陽極接合によりシリコン製のベー
ス２とガラス製の積層部材３とを接合したので、接合後
にもこの間隔を保持でき、ノズル孔３３に対するフラッ
パ２２Ａの位置調整を不要にできる。

さらに、オリフィス部２１、フラッパ部２２およびセン
サ部２３の素材をシリコンに統一し、フォトリソグラフ
ィを用いたエツチング加工を用いたバッチプロセスでシ
リコン製のベース２に一体形成したので、−度に複数の
部品をベース２に作り込むことができ、オリフィス部２
１、フラッパ部２２およびセンサ部２３等の別途組立て
を不要にできる。

また、駆動部を静電吸引式のものとしたので、蒸着等で
電極３５を形成する等により、駆動部を容易に得ること
ができる。

従って、これらにより、電空変換器ｌの製造を容易にで
きる。

さらに、フォトリソグラフィを用いたエツチング加工に
より、オリフィス部２１、フラッパ部２２およびセンサ
部２３は極小のベース２に一体形成でき、しかも、静電
吸引式の駆動部は嵩張らず軽量な電極３５−枚で形成で
きるので、電空変換器１を軽量小型化することがきる。

なお、本発明は前述の実施例に限定されるものではなく
、次に示すような変形等を含むものである。

すなわち、前記実施例では、シリコン製のベース２およ
び静電吸引式の駆動部を採用したが、例えば、圧電効果
を有するセラミクス製のベースおよびこのベースに一体
形成される圧電式の駆動部を採用してもよい。

また、ベースの材質はシリコンやセラミクスに限らず、
例えば、他の半導体や圧電効果を有する誘電体でもよく
、要するに、エツチング可能な材質であればよい。

さらに、流体としては、空気に限らず、窒素やアルゴン
等でもよく、要するに、圧力調節の対象となる流体は非
腐食性であることが望ましいが、任意のガスであればよ
い。

また、前記実施例では、ベース２、積層部材３゜４およ
び台座部材５の五層構造であったが、積層枚数はこれに
限らず、実施にあたり適宜選択できる。

さらに、シリコン製のベース２にはＩＣ化した電気回路
部ＩＢを一体形成してもよい。

また、前記実施例では、空気回路部ＩＡの出力孔５２側
に直接空気式アクチュエータ等を接続するようにしたが
、空気式アクチュエータ等の消費空気量が多い場合には
、出力孔５２側にパイロットリレー等を設けてもよい。

この場合にはパイロットリレー側の出力空気圧をセンサ
部２３でモニタするのか好ましい。

さらに、本発明は、電空変換器に適用したが、これに限
らず、空気式アクチュエータ等を駆動する温度調節器や
圧力調節器等に適用してもよい。

〔発明の効果〕

前述のように、本発明のノズルフラッパ式流体圧調節器
によれば、大量生産が容易にできるうえ、軽量小型化す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略構成を示す図、第２図
は同実施例の要部の分解斜視図、第３図および第４図は
同実施例のベースを示す斜視図および一部を破断した斜
視図、第５図は同実施例で用いられる積層部材を示す斜
視図、第６図は同実施例の電気回路を示す概略回路図、
第７図および第８図は同実施例で用いられる別の積層部
材および台座部材をそれぞれ示す斜視図、第９図は同実
施例の動作を説明するための空気回路図、第１０図およ
び第１Ｉ図は従来例を示す概略構成図および断面図であ
る。 １・・・流体圧調節器としての電空変換器、２・・・ベ
ース、２１・・・オリフィス部、２２・・・フラッパ部
、２３・・・センサ部、３５・・・駆動部としての電極
。 出願人　株式会社　長野計器製作所

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）フラッパ部、オリフィス部、センサ部、駆動部を
   有するノズルフラッパ式流体圧調節器であって、少なく
   ともフラッパ部およびオリフィス部を含む各部がベース
   にエッチングにより一体形成されていることを特徴とす
   るノズルフラッパ式流体圧調節器。