JPH1113926A

JPH1113926A - 電空変換器及びそのバルブユニット

Info

Publication number: JPH1113926A
Application number: JP17154297A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ikehara; 毅池原
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1997-06-27
Publication date: 1999-01-22

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコンを基材として化学エッチングを用い
て製造される超小形のバルブユニット部品と、これを用
いた電空変換器を提供するにある。【解決手段】バルブユニットは、シリコンウエハ中に
少なくとも排気孔が形成されると共にこの排気孔を閉塞
する可動部が先のシリコンウエハと一体に形成され、先
の可動部には強磁性体ウエハが固着されて電流信号によ
り発生する磁場によりこの強磁性体ウエハを吸引し、給
気圧が供給された絞り部を通過した空気圧信号を先の排
気孔から放出して、先の電流信号に対応する空気圧信号
を得るようにし、また電空変換器は、伝送された電気信
号と出力空気圧に比例する帰還信号との偏差信号に対応
する空気圧信号を先のバルブユニットを介して出力しこ
の空気圧信号に対応する先の出力空気圧を出力するよう
にしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気信号を出力空
気圧に変換する電空変換器及びその部品に係り、特に、
シリコンを基材として化学エッチングを用いて製造され
る超小形のバルブユニットとこれを部品として用いた電
空変換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は従来の電空変換器の構成を示すブ
ロック図である。電空変換器１０は入力アンプ１１、差
動増幅器１２、偏差アンプ１３、トルクモータ１４とノ
ズルフラッパ１５で構成されるバルブユニット１６、コ
ントロールリレー１７、圧力センサ１８、アンプ１９な
どで構成されている。

【０００３】このような構成を持つ電空変換器１０の入
力アンプ１１には、電気信号として例えば４〜２０ｍＡ
の電流信号Ｉ_iが伝送線を経由して遠方に配置された調
節計などから伝送される。

【０００４】入力アンプ１１は、電空変換器１０の内部
で使用される電源をこの電流信号Ｉ _iの一部を用いて生
成するとともに、０〜１６ｍＡに対応する電圧信号Ｖ_i
をも生成する。

【０００５】一方、差動増幅器１２は、出力空気圧Ｐ_O1
が圧力センサ１８で電気信号に変換されてこれをアンプ
１８で増幅して得られた帰還信号Ｖ_f1と入力アンプ１１
からの電圧信号Ｖ_iとが入力され、これらの差を演算し
てその偏差電圧Ｖ_D1を偏差アンプ１３に出力する。

【０００６】偏差アンプ１３は、この偏差電圧Ｖ_D1を増
幅すると共に対応する電流信号Ｉ_D1に変換してバルブユ
ニット１６に出力する。バルブユニット１６は給気圧Ｐ
_Sの供給を受けてこの電流信号Ｉ_D1を対応する空気圧信
号Ａ_V1に変換して出力する。

【０００７】このバルブユニット１６の構成、動作など
については、後で図１０を用いて詳細に説明する。そし
て、コントロールリレー１７は、この空気圧信号Ａ_V1を
増幅して電空変換器１０の出力端に出力空気圧Ｐ_O1とし
て出力する。

【０００８】以上の構成において、差動増幅器１２は、
入力アンプ１１から電圧信号Ｖ_iが入力され、また圧力
センサ１８、アンプ１９を介して帰還信号Ｖ_f1として出
力空気圧Ｐ_O1が負帰還されており、これらの偏差電圧Ｖ
_D1がゼロになるように動作するので、結果として、安定
状態では出力空気圧Ｐ_O1は電流信号Ｉ_iに対応する出力
になる。

【０００９】つぎに、図１０を用いてバルブユニット１
６の構成について説明する。図１０（Ａ）は縦断面、図
１０（Ｂ）はその右側面を示している。この構成は特開
平４−７３４０１号「発明の名称：電気／空気圧変換
器」に開示されており、ここではこれを改良のベースと
するので、この概要を説明をする。

【００１０】２０はＵ字形の永久磁石であり、この永久
磁石２０は上方の脚部２１がＮ極、下方の脚部２２がＳ
極になっている。これ等の脚部２１、２２には、コの字
形の軟磁性材で出来た一対のヨーク２３、２４の側面２
５、２６が互いに等しい間隔Ｌ_Mを保持して固定されて
いる。この結果、ヨーク２３、２４の脚部には、これら
の間に等しい空間部Ａ₁、Ａ₂が形成されている。

【００１１】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２７がこれらの空間部Ａ₁とＡ₂を貫通し
てその中央に配置されており、この可動片２７はその一
端の近傍でヨーク２３の側面２５に、例えばベリリウム
銅などの非磁性材で出来たバネ材２８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。

【００１２】従って、可動片２７は中心非対称の構成で
あり、力学的バランスを欠くので、可動片２７の一端に
カウンタウエイト２９が固定されている。一対のコの字
形のヨーク２３と２４とが対向して形成された内部空間
には、可動片２７を取り囲むようにこの可動片２７とは
間隔を保ってコイル３０が保持されている。

【００１３】可動片２７の他端の一方の側面はバネ材３
１を介して固定ピン３２で固定され、可動片２７の他端
の他方の端面には、ノズル３３が僅かな間隙を隔てて対
向配置されている。

【００１４】このノズル３３には、給気圧Ｐ_Sが絞り３
４を介して供給され、絞り３４とノズル３３との間から
導管３５を介してノズル背圧として空気圧信号Ａ_V1を得
ている。

【００１５】なお、図９に示すノズルフラッパ１５は、
図１０に示すノズル３３と可動片２７とカウンタウエイ
ト２９とバネ材３１と固定ピン３２で構成される構成要
素に対応し、また図９に示すトルクモータ１４は、これ
らを除く構成要素にほぼ対応する。

【００１６】以上の構成において、平衡状態では可動片
２７はカウンタウエイト２９とバネ材３１によりバネ材
２８を支点としてバランスしている。コイル３０に電流
信号Ｉ_D1を流すとその大きさに応じて可動片２７の吸引
力が変動してノズル３３との間隔が変化し、これに伴い
ノズル３３のノズル背圧の変化、つまり出力空気圧Ｐ ₀₁
が変化する。このようにして、電流信号Ｉ_D1に対応する
出力空気圧Ｐ₀₁を得ることができる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような従来の電空変換器、とりわけバルブユニット１６
は、重量のあるカウンタウエイト２９を一端に持つ可動
片２７の位置制御をする関係から姿勢による出力変化が
発生し易いので、強力な磁石２０と磁気回路（２３、２
４）を使用する必要が生じ、このため形態が大きくな
り、共振周波数も低くなり、振動に対して弱いという問
題がある。

【００１８】さらに、重量のあるノズルフラッパ１５を
用いるので、ノズル３３と可動片２７との位置関係を精
密に調整するのに工数を必要とし、また強力なトルクモ
ータ１４を使用するので、コスト高となる欠点を有す
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するための主な構成として、第１に、伝送された電
気信号と出力空気圧に比例する帰還信号との偏差信号に
対応する空気圧信号をバルブユニットを介して出力しこ
の空気圧信号に対応する先の出力空気圧を出力する電空
変換器において、先のバルブユニットは、シリコンウエ
ハ中に少なくとも排気孔が形成されると共にこの排気孔
を閉塞する可動部が先のシリコンウエハと一体に形成さ
れ、先の可動部には強磁性体ウエハが固着されて先の偏
差信号に対応する磁場によりこの強磁性体ウエハを吸引
して、給気圧が供給された絞り部を通過した先の空気圧
信号を先の排気孔から放出して、先の電気信号に対応す
る先の空気圧信号を得るようにしたものである。

【００２０】第２に、シリコンウエハ中に少なくとも排
気孔が形成されると共にこの排気孔を閉塞する可動部が
先のシリコンウエハと一体に形成され、先の可動部には
強磁性体ウエハが固着されて電流信号により発生する磁
場によりこの強磁性体ウエハを吸引し、給気圧が供給さ
れた絞り部を通過した空気圧信号を先の排気孔から放出
して、先の電流信号に対応する空気圧信号を得るように
したものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を用いて説明する。図１は本発明の全体の構成を示
すブロック図である。なお、以下の説明において図９に
示す構成要素と同一の機能を有する構成要素については
同一の符号を付して適宜にその説明を省略する。

【００２２】電空変換器４０は入力アンプ１１、差動増
幅器１２、偏差アンプ１３、バルブユニット４１、コン
トロールリレー１７、圧力センサ１８、アンプ１９など
で構成されている。

【００２３】入力アンプ１１は、電空変換器４０の内部
で使用される電源電圧を電流信号Ｉ _iの一部（４ｍＡ相
当）を用いて生成するとともに、０〜１６ｍＡ（０％〜
１００％に相当）に対応する電圧信号Ｖ_iをも生成す
る。

【００２４】一方、差動増幅器１２は、出力空気圧Ｐ_O2
が圧力センサ１８で電気信号に変換されてこれをアンプ
１８で増幅して得られた帰還信号Ｖ_f2と、入力アンプ１
１からの電圧信号Ｖ_iとが入力され、これらの差を演算
してその偏差電圧Ｖ_D2を偏差アンプ１３に出力する。

【００２５】偏差アンプ１３は、この偏差電圧Ｖ_D2を増
幅すると共に対応する電流信号Ｉ_D2に変換して小形のバ
ルブユニット４１に出力する。バルブユニット４１は給
気圧Ｐ_Sの供給を受けてこの電流信号Ｉ_D2を対応する空
気圧信号Ａ_V2に変換して出力する。

【００２６】このバルブユニット４１の構成、動作など
については後述する。そして、コントロールリレー１７
は、この空気圧信号Ａ_V2を増幅して電空変換器４０の出
力端に出力空気圧Ｐ_O2として出力する。

【００２７】図２は、バルブユニット４１が電空変換器
の内部に組み込まれたときの接続関係を中心としてその
概要を示す構成図である。バルブユニット４１の容器４
２には、給気圧導入口４３、排気口４４、出力口４５が
それぞれ設けられている。

【００２８】この容器４２の内部には、絞り孔４６、調
節弁４７、排気孔４８などが一体に形成されたシリコン
チップ４９が固定されている。そして、この上部はＣ形
のコア５０に巻回されたコイル５１がプラスチックのモ
ールド５２で固められて所定の空間５３を残して閉塞さ
れている。

【００２９】給気圧導入口４３は絞り孔４６に、排気口
４４は排気孔４８にそれぞれ対向して配置されており、
給気圧導入口４３には給気圧Ｐ_Sが印加され、空間５３
と連通された出力口４５はコントロールリレー１７の入
力端に接続され、排気孔４８は大気解放されている。さ
らに、コイル５１には偏差アンプ１３から電流信号Ｉ _D2
が供給されている。

【００３０】次に、図３を用いてバルブユニット４１自
体の構成について詳細に説明する。容器４２は非磁性体
で作られ、その底部４２Ａには給気圧導入口４３、排気
口４４、出力口４５が、この底部４２Ａの外周面には外
筒４２Ｂがそれぞれ形成されている。

【００３１】シリコンチップ４９は底部４２Ａに、絞り
孔４６が給気圧導入口４３に、排気孔４８が排気口４４
にそれぞれ対向するように気密を保持して搭載され、ま
た出力口４５は空間５３と連通している。

【００３２】シリコンチップ４９はその外径が矩形状に
形成されており、その排気孔４８は下端の排気口４４よ
り上端部に向かって徐々に開口面積が狭くなるように開
口されている。

【００３３】一方、矩形状でスリット状に形成された空
間４９Ａがシリコンチップ４９の中に形成されている
が、この空間４９Ａの上部は図３に示すように中央部が
若干突出した形であって矩形状の可動部５４として形成
されている。

【００３４】そして、図４に示すように、この可動部５
４を中心としてブリッジ状に梁５４Ａ〜５４Ｄが周辺に
延長されて上面に空間５３と連通する４個の開放部５４
Ｅ〜５４Ｈが形成されている。

【００３５】さらに、排気孔４８より延長され空間４９
Ａと連通する部分の矩形状の開口面５４Ｊは、矩形状の
可動部５４の押圧により完全に閉塞できる大きさに選定
されている。そして、梁５４Ａ〜５４Ｄは、物性に基づ
くバネ性があるので、通常は可動部５４により開口面５
４Ｊは閉塞されている。

【００３６】また、可動部５４には、中間接合材として
機能するパイレックスガラスで出来たガラス部材５５を
介してコバール合金でできた強磁性体ウエハ５６に陽極
接合により接合されて、調節弁４７が形成されている。

【００３７】シリコンチップ４９には、給気圧導入口４
３から上端部に向かって徐々に開口面積が狭くなるよう
に開口され、その上端部で図１０に示す絞り３４に対応
する絞り部４６が一体に形成されている。

【００３８】そして、以上のような構造は、一般的な半
導体プロセスであるフオトリソグラフイ技術と化学エッ
チング技術を用いることにより、一体として作製するこ
とができる。

【００３９】容器４２の上部には、Ｃ形のコア５０に巻
回されたコイル５１がプラスチックのモールド５２で一
体に成形されて容器４２とは気密を保持して固定されて
いるが、このコア５０のＣ形の開放部は強磁性体ウエハ
５６に近接して対向するように配置されている。

【００４０】以上のようにして、図９に示すトルクモー
タ１４とノズルフラッパ１５と絞り３４とに対応するセ
ットを、体積を大幅に縮小させかつ一体として構成する
ことができるので、バルブユニット４１は小形軽量でか
つ安価になる。

【００４１】次に、以上のように構成されたバルブユニ
ット４１の動作について図５を用いて説明する。コイル
５１に電流信号Ｉ_D2が印加されていない状態では、可動
部５４が開口面５４Ｊを閉塞して、絞り部４６を通過し
たノズル背圧としての空気圧信号Ａ_V2が排気口４４に流
れないようになっている。

【００４２】しかし、コイル５１に電流信号Ｉ_D2が印加
されるとＣ形のコア５０の開口部に磁場が発生し、これ
により強磁性体ウエハ５６を磁場の強さの２乗の勾配に
比例する磁気力で吸引して矢印の方向に引き上げるの
で、可動部５４が上方に引き上げられ、排気口４４が開
口する。

【００４３】この結果、給気圧Ｐ_Sが絞り部４６で絞ら
れて空間５３に流入した空気は開口面５４Ｊを介してそ
の一部が大気中に放出されて空間５３の空気圧が調節さ
れ空気圧信号Ａ_V2として出力口４５から出力される。

【００４４】以上の動作に基づくバルブユニット４１の
入出力特性を測定した結果を図６に示す。この場合は、
給気圧Ｐ_Sとして１．５Ｋｇｆ／ｃｍ²を用い、横軸に電
流信号Ｉ_D2を、縦軸に空気圧信号Ａ_V2をとって測定した
ものである。

【００４５】この入出力の特性曲線図から判るように、
電流信号Ｉ_D2の０〜１００％近傍の変化に対して空気圧
信号Ａ_V2が０〜１．５Ｋｇｆ／ｃｍ²近傍まで変化して
おり、電流信号Ｉ_D2による空気圧信号Ａ_V2のコントロー
ルが可能であることを示している。

【００４６】次に、以上のようなバルブユニット４１を
製造する製造方法について図７、図８を用いて説明す
る。図７は図３に示すシリコンチップ４９を切り出して
製造する前のウエハ状態を示し、図８は図７に示す単体
部分Ａを拡大した状態を示す縦断面図である。

【００４７】シリコンウエハ６０には、予め、フオトリ
ソグラフイと化学エッチング技術を用いることにより、
複数の排気孔６０Ａ_n（ｎ＝整数）（排気孔４８に対
応）、空間６０Ｂ_n（空間４９Ａに対応）、可動部６０
Ｃ_n（可動部５４に対応）、絞り部６０Ｄ_n（絞り部４６
に対応）などが作製されている。

【００４８】このシリコンウエハ６０の上には、鉄、ニ
ッケル、コバルトなどの成分を持つコバール合金などの
磁性体ウエハ６１を接合することとなるが、陽極接合法
の場合は、シリコンウエハ６０に直接この磁性体ウエハ
６１を接合することは出来ない。

【００４９】そこで、シリコンウエハ６０と磁性体ウエ
ハ６１の間に線膨張係数がこれ等と近いガラス、例えば
パイレックスガラス６２などを介して陽極接合を行う。
陽極接合に当たっては、先ず、シリコンウエハ６０とパ
イレックスガラス６２とを陽極接合した後、パイレック
スガラス６２にコバール合金を陽極接合する。

【００５０】陽極接合は、４００°Ｃ程度の高温中で、
６００Ｖ〜１０００Ｖ程度の電圧を印加してガラスと導
体とを接合するものであるが、シリコン−パイレックス
ガラス−コバール合金は互いに線膨張係数がほぼ一致し
ているので、陽極接合を行っても不具合は生じない。

【００５１】このようにしてシリコンウエハ６０と、磁
性体ウエハ６１と、中間接合材として機能するパイレッ
クスガラス６２とを３層状態に接合した３層構造のウエ
ハを一体として形成することが出来る。

【００５２】このウエハには複数の調節弁４７が一体と
して形成されているので、これを線Ｘ₁〜Ｘ₂、線Ｘ₃〜
Ｘ₄、線Ｙ₁〜Ｙ₂、線Ｙ₃〜Ｙ₄で切り出して、図３に示
すような単体の調節弁４７が取り出される。

【００５３】なお、図３に示すシリコンウエハ４９のサ
イズは大略５ｍｍ×５ｍｍ、パイレックスガラス５５の
厚さは０．５ｍｍ、および磁性体ウエハ５６は１ｍｍ程
度である。

【００５４】以上のようにして、シリコンウエハ６０の
各部で切り出して複数の調節弁４７をチップ単位の工作
を行うことなしに、絞り部４６を含めて一括した形とし
て超小形の調節弁４７を作ることが出来る。

【００５５】なお、今までの説明では、絞り孔４６はシ
リコンチップ４９と一体のものとして説明したが、給気
圧導入口４３と絞り孔４６とをなくして、この代わりに
出力口４５に絞りを外付けとして配置し、ここに給気圧
Ｐ_Sを供給してそのノズル背圧を空気圧信号Ａ_V2として
出力するようにしてもよい。

【００５６】このように絞りを外付けの構成にすると、
ゴミによる絞りの詰りがあっても容易に取外して清掃す
ることができるので、メンテナンス性が向上するメリッ
トがある。

【００５７】

【発明の効果】以上、発明の実施の形態と共に具体的に
説明したように、第１、第５請求項に記載された発明に
よれば、バルブユニットとしてシリコンチップをベース
にノズルフラッパとトルクモータとをセットとして一体
に構成したので、全体として小形軽量でかつ安価な電空
変換器とすることができる。

【００５８】また、ノズルフラッパの位置関係はシリコ
ンウエハの微細加工の際に調節できるので、従来のよう
なノズルフラッパの面倒な位置調整が不要になり、大幅
にコストを低減した電空変換器が提供できる。

【００５９】さらに、シリコンのバルブユニットの可動
部は極めて軽量なので、姿勢変化による出力変動が少な
くなり、共振周波数も高くなるので、振動に強くなり、
全体として入出力特性の良い電空変換器を提供できる。

【００６０】第２、第６請求項に記載された発明によれ
ば、シリコンチップをベースにノズルフラッパとトルク
モータとをセットとして一体に構成したので、全体とし
て小形軽量でかつ安価なバルブユニットとすることがで
きる。

【００６１】また、ノズルフラッパの位置関係もシリコ
ンウエハの微細加工の際に調節できるので、従来のよう
にノズルフラッパの位置調整が不要になり、大幅にコス
ト低減を実現したバルブユニットとなる。

【００６２】さらに、可動部は極めて軽量なので、姿勢
変化による出力変動が少なくなり、共振周波数も高くな
るので、振動に強くなり、全体として良い特性を持つバ
ルブユニットが実現できる。

【００６３】第３、第４請求項に記載された発明によれ
ば、シリコンチップにノズルフラッパとトルクモータと
を一体に構成した上に絞りをも一体に構成したので、請
求項１、２の効果に加えてさらに小形化と低価格化の促
進が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全体の構成を示すブロック図である。

【図２】図１に示すバルブユニットが電空変換器の内部
に組み込まれたときの接続関係を中心とした構成図であ
る。

【図３】図１に示すバルブユニット自体の構成を示す縦
断面図である。

【図４】図３に示すバルブユニットの可動部の構成を示
す平面図である。

【図５】図３に示すバルブユニットの動作を説明する説
明図である。

【図６】図３に示すバルブユニットの特性を示す特性図
である。

【図７】図３に示すシリコンチップを切り出して製造す
る前のウエハ状態を示す斜視図である。

【図８】図７に示す単体部分Ａを取り出して拡大した状
態を示す縦断面図である。

【図９】従来の電空変換器の全体の構成を示すブロック
図である。

【図１０】図９に示すバルブユニットの構成を示す縦断
面図である。

【符号の説明】

１０、４０電空変換器１１入力アンプ１２差動増幅器１３偏差アンプ１４トルクモータ１５ノズルフラッパ１６、４１バルブユニット１７コントロールリレー１８圧力センサ２０永久磁石２３、２４ヨーク２７可動片２９カウンタウエイト３０、５１コイル３３ノズル３４絞り４３給気圧導入口４４排気口４５出力口４６絞り孔４７調節弁４８排気孔４９シリコンチップ５０コア５４可動部５５ガラス部材５６強磁性体ウエハ６０シリコンウエハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】伝送された電気信号と出力空気圧に比例す
る帰還信号との偏差信号に対応する空気圧信号をバルブ
ユニットを介して出力しこの空気圧信号に対応する前記
出力空気圧を出力する電空変換器において、前記バルブユニットは、シリコンウエハ中に少なくとも
排気孔が形成されると共にこの排気孔を閉塞する可動部
が前記シリコンウエハと一体に形成され、前記可動部に
は強磁性体ウエハが固着されて前記偏差信号に対応する
磁場によりこの強磁性体ウエハを吸引して、給気圧が供
給された絞り部を通過した前記空気圧信号を前記排気孔
から放出して、前記電気信号に対応する前記出力空気圧
を得ることを特徴とする電空変換器。
【請求項２】シリコンウエハ中に少なくとも排気孔が形
成されると共にこの排気孔を閉塞する可動部が前記シリ
コンウエハと一体に形成され、前記可動部には強磁性体
ウエハが固着されて電流信号により発生する磁場により
この強磁性体ウエハを吸引し、給気圧が供給された絞り
部を通過した空気圧信号を前記排気孔から放出して、前
記電流信号に対応する空気圧信号を得ることを特徴とす
るバルブユニット。
【請求項３】前記絞り部が前記シリコンウエハ中に一体
に形成されたことを特徴とする請求項１記載の電空変換
器。
【請求項４】前記絞り部が前記シリコンウエハ中に一体
に形成されたことを特徴とする請求項２記載のバルブユ
ニット。
【請求項５】前記強磁性体ウエハに近接対向してＣ形の
コアの開口部が配置され、このコアにコイルが巻回さ
れ、このコイルに前記偏差信号に対応して前記磁場を発
生させることを特徴とした請求項１記載の電空変換器。
【請求項６】前記強磁性体ウエハに近接対向してＣ形の
コアの開口部が配置され、このコアにコイルが巻回さ
れ、このコイルに前記電流信号が印加されて前記磁場を
発生させることを特徴とした請求項２記載のバルブユニ
ット。