JPS5848765B2 - 流体論理素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はパルス状に変化する流体圧を用いて他の流体圧
を大きく制御する装置、所謂流体論理素子に関する。

防爆を必要とする場所や、放射線，高温などの悪環境下
などの特に電子的な回路装置が使用し難い分野へ利用す
るものとして、流体を作動媒体とし、電子回路で行われ
る動作と同様なデイジクル的論理制御動作を行う素子が
開発され使用されるようになってきた。

これらの素子として、入力とする流体圧によってベロー
またはダイアフラムをたわませ、コＦＬ．ニよって別の
流体の通路をさえぎることによって、出力圧の制御を行
うダイアフラム形素子が知られている。

この素子は他の素子に較べ制御圧力を大きくできて直接
その出力で操作器を作動できる点で優れているＺしかし
ながら、この素子は原理から言って入力圧が消えると出
力状態は元にもどるため、記憶動作はそのままでは行う
ことができない欠点を持っている。

従って、論理回路の基本的重要動作であるフリツプフロ
ツプ動作を行わせようとすると、複数のダイアフラムを
連結したような複雑に変形された素子を使用しても、複
数個のものを組合せたものでなければならないと言う問
題点がある。

本発明はこのような素子の前記問題点を解決すべくなさ
れたものであり、その目的は前記問題点を除いた論理記
憶流体素子を提供するにある。

またこれと合せて、くずれた形状の圧力波形を正確な方
形波の出力波形に整えて変換する動作を行うような素子
を提供するにある。

本発明の要旨は、密閉した固定壁室内に、２個の坤縮可
能な弾性隔壁を有する室を、間隔を置いて弾性隔壁の可
動端が対峙するように設け、該対峙室の一方の室の対峙
後端側に絞り口を、対峙先端面に小孔を設け、また他方
の室の対先端端面を画室の一方又は両方の坤長によって
両先端面が接近したとき、前記小孔を密閉し得る如き面
に形或し、更に対峙画室に弾性隔壁を坤縮させる流体の
出入口を、また密閉した固体壁室に流体の出入口と排出
口を設けたことを特徴とする流体論理素子。

にある。

本発明（こおける動作の基体となっているのは、２個の
弾性隔壁を有する室に設けた絞り口ならびにこの室の弾
性隔壁の可動片に設けた小孔と、これに対峙する他方の
弾性隔壁の先端端面から形或される空気通路と、前記小
孔が前記弾性隔壁の可動端に設けたことによって形成さ
れたフィードバック機構とを組合せることによって発生
される動作である。

このフイードバンク機構は通常のそれが負のフィードバ
ックであるのに対し正のフイドバツクである。

すなわち、絞り口ならびに小孔と、その対峙端面からな
る前記空気回路は、通常空気マイクロメータまたは／ズ
ルフラ′ンパ系と呼ばれているものと同じ回路で、例え
ば小孔が取付けられた弾性隔壁が固定隔壁であるとする
と、小孔とその対峙端面との間のすき間の大きさに応じ
た空気圧が小孔と絞り口との間の室に生ずる。

従って、小孔に対峙する端面が変位すると、そのすき間
が変化するので、それに応じた空気圧変化が小孔と絞り
口との間に生ずることにより、小孔に対峙する端面の変
位を、小孔と絞り口との間の室の圧力変化に変える変換
作用を行うことができる。

本発明においては、小孔と絞り口との間の室の１部を弾
性隔壁で形威し、かつ変換作用を行う小孔を、弾性隔壁
の可動端に形威している。

このようにすることによって、小孔が設けられている弾
性隔壁が前記空気回路に正のフイードバノク作用を行う
。

具体的には小孔に対峙する端面が小孔に近づくと、小孔
と絞り口との間の室の圧力が上昇する。

その結果、小孔の設けられた弾性隔壁が沖長し、小孔が
その対峙端而の方向に変位し、さらに小孔と絞り口の間
の室の圧力が上昇する。

対峙端面が小孔より遠ざかる場合には、前記と逆の作用
が生ずる。

このような動作を効果的に行なうようにするためには、
小孔を設けた端面を持つ弾性隔壁の圧力変位変換率（弾
性隔壁内に導入される圧力変化に対する可動端面の変位
の割合）を、小孔が設けられている弾性隔壁を固定壁で
あるとしたときの小孔と絞り口から形戊される空気回路
の変換特性に対応して或一定値以上の値になるように選
べばよい。

このように構成すると、正のフィードバック作用が効果
的になり、小孔を有ｒる可動端とその対峙端面との間の
すき間が予め或一定値から他の一定値の間の値になるよ
うにすれば、小孔と絞り口との間の室の圧力が定常的に
一定の高い圧力値かあるいはこれに比べてかなり小さい
一定の低い圧力値かに保持される。

この場合どちらの圧力値をとるかは、小孔の対峙端面の
りれき、すなわち、はじめ素子に空気が供給されてから
対峙端面がどのように変位したかに依存して決まる。

また小口と絞り口との間の室の圧力が前記２つの圧力値
の一つを保持している状態から、他の一つの圧力を保持
するようにするには、小孔に対する対峙端面を一定値以
上変位させればよく、その大きさは、予め定められた前
記すき間のとり方による。

この場合、低圧値を保持している状態から高圧値を保持
している状態に移すには、対峙端面を小孔側に、その逆
の場合には対峙端面を小孔より遠ざかるように変位させ
ればよい。

小孔に対峙する端面を変位させるには、小孔に対峙する
端面を有する弾性隔壁の内外に圧力差を生せしめればよ
く、これは弾性隔壁の内部に通ずる流体の出入口と素子
の密閉した固定壁室に設けた流体の出入口のいずれかを
通じて流体圧を導入することによって達或することがで
きる。

本発明の流体論理素子を図面に基いて説明する。

第１図は本発明の一実施態様を示す断面図、第２図及び
第３図は第１図で示された流体論理素子の動作状態を説
明するための主要可動部分の相対位置の変化を示す断面
図、第４図は本発明の他の実施態様を示す断面図である
。

第１図において、固定壁１により囲まれた固定壁室内が
、２個のべローのような坤縮可能な弾性隔壁２および３
により？，８．９の３つの室に分けられている。

弾性隔壁２の一端は１０において、弾性隔壁３の一端は
１１において、それぞれ固定壁１に固定ざれている。

弾性隔壁２の他の一端は、小孔６を有する端面４となり
、弾性隔壁３のもう一方の端は、端面５で閉じられてい
る。

端面４と端面５の形状は、弾性隔壁２および３のうちの
一方または両方の坤張によって、端面４と端面５が密接
した場合に、端面５が小孔６を密閉するようなもので、
第１図では平面で示されているが他の形状のものとする
こともできる。

室γは、オリフイスのような固定絞り口１８をへて外部
からの流体供給口１７に連らなっている。

室？，８．９には、それぞれを外部の流体回路へ連結す
るための流体出入口１２，１４．１３がつけられている
。

室９には、絞り口１５をへて外気に通ずる排出口１６が
別につけられている。

排出口１６及び絞り口１５は排出口１６をへてつながる
外気の流体回路中に、適当な流体抵抗をへて外気に連ら
なる回路が含まれる場合においては省略することが可能
である。

この素子を使用するに際しては、一定圧力の流体が供給
口１７から供給され、出入口１３および１４はそれぞれ
、この素子を駆動するための流体圧を発生する装置へつ
ながれる。

さらに、出入口１２はこの素子により駆動されるべき流
体作動装置に連結される。

この素子の構造上の大きな特徴は、固定絞りである小孔
１８を通って一定圧力の流体が供給される弾性隔壁２の
可動端面４に小孔６が設けられていて、該小孔６がもう
１つの弾性隔壁１８の坤縮によって動く端面５と対向し
ている点ｌこある。

このような構造にすることによって、室８または室１に
圧力変化が生じたときに、これに伴う端面５の変位が端
面４と５の間げきを変化させるので、その部分の流体抵
抗が変化して、室７の圧力変化を生じ、これが弾性隔壁
２に作用して小孔６を端面５の変位方向と逆の方向に変
位する。

すなわち、例えば、端面５が図で左側に変位するとする
と、小孔６と端面５のすき間は小さくなるので、小孔６
から端面４と５のすき間を通って流れ出る流体の流出抵
抗が増加し、室７の圧力は上昇する。

室７の圧力上昇は弾性隔壁２に作用して、小孔６を右側
に変位させ、すき間をざらにせばめて室７の圧力を一層
上昇させる。

このような作用は弾性隔壁２がたわみ易いほど太きいが
、小孔６と絞り口１８の寸法の選び方にも依存する。

この作用はそれによる端面４を動かす力が弾性隔壁２の
弾性抗力とつり合うまで続き、結局端面４は端面５のは
じめの左側への変位が生ずる前に占めていた位置より右
側に変位して平衡する。

このような作用は前記一般的に述べたように、小孔６と
端面５及び絞り口１８から形威される流体回路の特性に
弾性隔壁２の正のフィードバック作用が加わったものに
よって生ずるものであるが、流体回路の変換特性が小孔
６と端而５との間げきの大きさに依存するので一定では
なく、この間げきが小さいほど大きい傾向を持つ。

端面４と５の間げきが大きく設定されていると、定常的
には室１の圧力はこれに対応した低い圧力に保持される
。

このような場合は、流体の出入口１４から高い圧力が導
入されて端面５が端面４に近接すると、圧力が存在して
いる間は室７の圧力は一時的に上昇するが、圧力がなく
なると端面４と端面５はもとの位置にもどるため、室１
の圧力はもとの低い圧力にもどる。

つぎに、上記とは逆に端面４と端而５との間げきが小さ
く設定ざれた場合は、前記と同じ作用により端面４と端
面５とは密接し、室１の圧力は流体供給口１７より供給
される圧力と等しくなるまで上昇し、端面４は端面５を
押した状態で平衡する。

出入口１４に負の犬ぎな圧力が導入されて端面４と端面
５が一時的に離れても、室７の圧力はその負圧導入期間
だけ低くなるだけで、前記負圧がなくなるともとの高い
圧力にもどる。

このような動作を行わしめるためには、流体を全く供給
しない状態における端面４と端面５との間げきを、前記
２つの場合の中間の値の範囲内に選べばよい。

通常２つの場合の中心に選ばれる。このような条件に設
定した場合において、この素子は、出入口１３および１
４から変動する圧力が導入されない限りにおいては２つ
の安定状態を持つが、その一つは端面４と端面５の間隔
が大で、室Ｔの圧力が室５の圧力とあまり変らない程度
の低い圧力となって平衡している場合で、出入口１２に
低い圧力が発生する。

他の一つは、第３図で示されるように、弾性隔壁２が坤
びて端面４と端面５が密着していて、室７が供給口１７
より供給される流体の圧力と等しい高い圧力となってい
る場合で、出入口１２にこの一定の高い圧力が発生する
。

この２つの状態とも、室Ｔおよび９の圧力はこれらに連
らなる外部の流体回路によって決まる、それぞれ定常的
な圧力値となる。

弾性隔壁２及び３の固定壁室内における配置ならびに弾
性的性質、小孔６ならびに絞り口１１の大きさ、供給口
よりの流体圧などは、素子が前記２つの安定状態をもつ
ように考慮して選択される。

この素子が前記室γが低圧の状態にある場合、供給口１
７より供給される前記一定圧力の流体は絞り口１１をへ
て室１に入り、小孔６より室９に流入し、さらに絞り口
１５を通って外気に流出する。

この状態で、出入口１４から前記室８の定常的な圧力値
に対して正の圧力変化が導入されると、弾性隔壁３は仲
長じて端面５は端面４に近づく。

端面６と端面４の接近により、小孔６からの流体の流出
抵抗が犬となって室７の圧力が上昇し、これは弾性隔壁
２を呻長させて端面４と端面５をさらに接近させる作用
をして室７の圧力を上昇させて、ついに第２図で示すよ
うに端面４と端面５は密着するに至り、室１は供給口よ
りの前記一定圧力に等しくなる。

つぎに、出入口１４より導入された前記圧力変化が消滅
すると、坤びた弾性隔壁３は元の長さにもどろうとして
縮小するが、縮小によって端面５が端面４と逆の方向に
変位しても、なお、端面５は端面５より離れるに至らず
、小孔６は密閉されたままで、室７の圧力は前記一定圧
力のまし変らずに保持され、素子は前記室Ｔが高圧の状
態で平衡することになる。

素子が前記室１が高圧の状態にあるとき、出入口１３よ
り前記室９の定常的な圧力値に対して正の圧力変化が導
入されると、弾性隔壁２および３の内外に生じた圧力差
によって、弾性隔壁２および３が縮少するため、端面４
と５は離れ、小孔６は開放ざれて室１の圧力は大きく低
下する。

出入口１３より導入ざれた前記圧力が消えると、弾性隔
壁３は呻長ずるが、その呻長量よりも、室Ｔの圧力低下
による弾性隔壁２の縮小量の方が大きいため、端面４と
端面５との間隔は引続き大きく保たれ、室７の圧力は低
い状態で保持される。

前記２つの安定状態の間の切換えは、前記出入口１４へ
の正のパルス状流体圧の導入と、前記出入口１３への正
のパルス状流体圧の導入によって行なわれる外、出入口
１３および出入口１４への負のパルス状流体圧の導入に
よっても行なうことができる。

ただし、その場合は前記室１が低圧の状態より前記室７
が高圧の状態へ切換えるのに、出入口１３より負の圧力
を導入し、前記室７が高圧の状態より前記室７が低圧の
状態に切換えるのに出入口１４に負の圧力を導入して行
なう。

さらに、前記２つの安定状態の間の切換えは、出入口１
３と出入口１４のいずれか一方のみを使用し、それに正
及び負のパルス状流体圧を加えることによっても行なう
ことができる。

つぎに、第１図において、出入口１３を閉じ、出入口１
４より前記室７の定常的な圧力値に対して正負にわたっ
て時間と共に連続して変動する圧力を加えるものとする
と、この変動圧力の値が、前記室Ｔが低圧の状態より前
記室１が高圧の状態に切換わるのに必要な圧力値を越え
る点で出入口１２に一定値の高圧が発生し、また、前記
変動圧力値が、前記室Ｔが高圧の状態より前記室７が低
圧の状態に切換わるのに必要な圧力値より下る点で、出
入口１２に一定値の低圧が発生する。

この結果、出入口１２には、前記変動圧力の変動周期と
同じ周期をもつ方形波状の圧力変化が発生することにな
り、たとえば、前記変動圧力が元来方形波状のものが乱
れて変化したものである場合などでは、これを方形波状
のものに整えたのと同じ作用が、この素子で達或できる
。

第１図で示された素子の種々に変形したものが適当な工
夫によって作られうる。

たとえば、第１図では弾性隔壁２及び３としてベローが
使用されているが、これをゴムや金属合金などで出来て
いる弾性膜で置き換えてもよく、その方が小形に出来る
ので小型で高速で動作する素子が実現できる利点がある
。

第４図は、弾性隔壁として２枚の弾性薄膜を使用した、
本発明の他の実施態様の断面図で、素子本体が扁平に作
られているので、特に集積化するのに適しているもので
ある。

なお、第４図で示す素子の各部分は、形状は異なるが第
１図の各部分と同じ機能をもつ部材に対し、第１図のそ
れに対応する同一番号で指示されている。

本発明の流体論理素子は、従来のダイヤフラム形流体論
理素子が、それを複数個使用するか、他の回路素子と組
合せるかしなければ、実現することが不可能であったフ
リツプフロツプ動作を、単一の素子で簡単に行ないうる
と共に、前記ダイヤフラム形流体論理素子の特徴とする
、増幅度が犬で、直接操作器を駆動できるという特色を
合わせ持っている。

このため、フリツプフロツフ回路を使用する流体作動制
御装置を製作する際に、従来より少ない回路素子で装置
を構成することが可能となり、それに伴って、応答速度
、信頼性の向上が期待できる。

正・負パルス圧を使用した前記４通りの駆動形式が可能
であり、また波形整形素子としても使用できて、回路素
子としての応用範囲が広い。

実施例 第１図の構造をもつ素子で、固体壁室の寸法内径２０闘
、長さ４８間の円筒形で、弾性隔壁２，３としてコンブ
ライアンス２．８μｒｒｖ’９、受圧面積１．５４ｉの
同形のべ口−２個を使用し、小孔６を内径２．５關の円
孔とし、絞り口１１に口径０．８間のオリフイスを使用
し、供給管１γより３ ０ ｋＰａの一定圧の空気を供
給して実験したところ、波高値８ ＫＰａ、幅０．１８
の正負空気圧パルスを出入口１４．１３の両方または片
方に導入して、この素子の出力出入口１２に連らなる部
分の圧力を２８ＫＰａの振幅で制御できた。

また、第３図の構造をもつ素子で、直径７３ｍｍ１厚さ
１間の波状ダイアフラム２枚と前記寸法と同一寸法のオ
リフイスを使用し、１ ０ ０ＫＰａの一定圧の空気を
供給口より与え、１ ０ ＫＰａの空圧パルスにより９
５ ＫＰａの振幅のフリツプフロ゛ノプ圧力制御が出
来た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施態様の流体論理素子の断面図
。 第２図及び第３図は第１図で７Ｆ．された素子の動作状
態を説明するための主要可動部分の相対位置の変化を表
わす断面図。 第４図は、本発明の他の実施態様である流体論理素子の
断面図である。 １：固定壁、２及び３：弾性隔壁、４及び５：端面、６
：小子Ｌ ７，８及び９二室、１０及び１１：弾性隔壁
の端面、１２．１３及び１４：出入口、１５：絞り口、
１６：排出口、１７：供給口、１８：固定絞り口。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 密閉した固定壁室内に、２個の沖縮可能な弾性隔壁
   を有する室を、間隔を置いて弾性隔壁の可動端が対峙す
   るように設け、該対峙室の一方の室の対峙後端側に絞り
   口を、対峙先端面に小孔を設け、また他方の室の対先端
   端面を画室の一方又は両方の坤長によって両先端面が接
   近したとき、前記小孔を密閉し得る如き面に形威し、更
   に対峙画室に弾性隔壁を呻縮させる流体の出入口を、ま
   た密閉した固体壁室に流体の出入口と排出口を設けたこ
   とを特徴とする流体論理素子。