JPS6029002B2 - 流体圧力を用いるサ−ボ機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、計装分野に属するものであり、特に或る入力
の力、流体圧または運動を表わす出力の力、流体圧また
は運動を作り出すために流体圧や力のつり合いを使用す
るサーボ機構および自動継器に係る。

このようなサーボ機構や自動中継器は公知である。

本発明で利用される構造特徴のあるものを強調している
特許文献の代表的なものは次のとおりである。米国特許
としては３，５７４，４８６号、３，４７２，２５７号
、３，４０３，５９８号、３，２８５，０７１号、３，
２３９，１３ｙ号、２，９８７，９０８号、２，７６１
，３１７号であり、ドイツ特許としては８７９，４６６
号、５６７，３００号であり、また英国特許５６７，３
０び号およびソ連特許１９８，０１３号がある。

上記特許に開示された先行技術において、金属べローを
使用するものではそのばね率のためにべローにエネルギ
ーが吸収される問題点があり、ピストンを使用するもの
はこの問題を回避するが、他の２つの問題点、すなわち
、漏れと摩擦を導入する。

また、フィードバックばねを使用するものでは、フィー
ドバックばねがフイードバツクベローに反作用を及ぼし
てその長さをフィードバック圧力と共に変える問題点が
ある。さらに、先行技術で使用される自動中継器では、
供給圧力が切れた場合、自動中継器がゼロに復帰し、し
たがって供給圧力が作用していたときに指示されていた
値が何んであったかわからなくなるという問題点がある
。本発明は、反作用の生じないフィードバックベローを
使用用することによって、上記問題点をすべて解決する
ものである。

従来のフィードバックばねの代物こ、その長さが変化せ
ず、かつべローに反作用を及ぼさないように構成配置さ
れたばねが使用される。負すなわち大気圧以下の圧力お
よび正すなわち大気圧以上の圧力を加えることのできる
ノズルが設けられ、これは復帰力が存在しないこととい
う問題点を解決する。すなわち、本発明においては、供
給圧力が切れた場合に指針がその最終指示を保持する。
本発明の一目的は、流体圧を使用するサーボ機構の新規
かつ改善されたもので正の値と負の値を含む範囲に流体
圧を制御するのにェゼクタ型のノズル装置を用いるサー
ボ機構を提供することである。

第２の目的は、流体圧を用いる新規かつ改善された形式
のサーボ機構または自動中継器で、無反作用的に（すな
わち反作用を生じないで）流体圧に応じて位置変更させ
る伸縮自在の室装置または類似のものを用いるものを提
供することである。

第３の目的は、流体圧を用いる新規かつ改善された形式
のサーボ機構または自動中継器で、それらに含まれたカ
ビームに力を加える無反作用的に調節可能なばね装置を
用いるものを提供することである。第４の目的は、流体
圧を用い、前記の三つの装置を粗合せた新規かつ改善さ
れた形式のサーボ機構または自動中継器で、変動条件を
表わす力に応じて運動出力を生ずるものを提供すること
である。 ′本発明の１形態では、ゴムのべローまたは
等価物がそれらを膨張、収縮させるヱゼクタ型のノズル
に連結されている。

この種の膨張、収縮は、カビームに連結されたばね装置
の位置を調節するものに使われる。このばね装置は、ゴ
ムのべローの膨張、収縮による調節によって、ビームに
加える力のモーメントを変えられるが、ベローの動きに
抗する力は変動させないという性質をもっている。ばね
装置がビームに加える力は、ビームに加えられる第２の
力によって対抗される。そして、第２の力に変化が生じ
るとその変化を打ち消すように第１の力を変化させるる
ようにべローを膨張収縮させる制御ノズルが行なう。本
発明によれば摩擦抵抗のない第１のピポットの回りに前
記変動条件の変化に対応して回動変位を行なうビームと
、あらかじめ定めた１軸線方向にだけ無反作用的に体積
変化可能な伸縮自在な機構と、複数の腕を有し、第２の
ピポットに連結されて、その回りに回動可能なしバーと
を備え、前記ビームの一端と前記第１のピポットとの間
で前記ビームに前記変動条件を表す可変の力を発生する
条件変換器が接続され、前記ビームの前記一端に一端を
枢着され、他方の端を前記レバーの第１の腕の端にばね
機構が応力を調節可能に、接続され、前記、伸縮自在な
機構は内部に気体を含み、導管によって前記伸縮自在な
機構に連結されたェゼクタノズル機構が前記ビ−ムの前
記一端に隣接して配置されて、前記ェゼクタノズルと前
記ビームとの間の空隙の大きさに応じて、前記伸縮自在
な機構内の圧力を変え、前記伸縮自在な機構の伸縮部分
は、前記レバーの第２の腕に接続され、前記ばねの前記
ビームへの枢着点が前記第２のピポットと同一軸線上に
あり、前記条件変換器に発生した可変の力を前記レバー
の第３の腕の位置の変化に無反作用的に変換する変動条
件の変化に応じて位置の変化を生ずるサーボ機構が提供
される。

本発明の応用形態は、入力運動がビームに及ぼす力を変
えるように上記ばね装置を調節する。ビームは、ばね装
置の力の反対向きにビームに加えられる第２の力に変換
される流体圧を制御する。この構成は、ばね装置の力の
変化がそれに釣合う変化を第２の力に生じさせるもので
ある。次に図面について説明する。

第１図において、カビーム１に加えられる力の大きさは
記録され、指示され、この力は機械的アースＧとビーム
との間に固定されたべロー２２により生じ、ベローは流
体圧を受け、その大きさは温度、流体流路中のオリフィ
スに生ずる圧力降下などの変動条件に対応する。

この条件の大きさは、針２を案内綾３の上下に走らせて
記録紙上に軌跡４を描くようにすることにより表わされ
る。

針は針腕５により動かされ、針腕は端に曲つたみぞ孔６
を有し、このみぞ孔の中にスタッド７が載つており、ス
タッドは針を坦持するスリーブ８に固定される。棒３は
スリーフ８を通り抜けている。これは従来の装置であり
、特に説明するまでもないが、ただ、こ）で述べる種類
の計測装置では針は動かすのにや）エネルギーを要する
負荷であって、ベロ−２２内の圧力により表わされる変
動条件はいうまでもなく、この圧力によっても直接操作
するには大きすぎるものであることを述べておく。ビー
ム１は慣用の交差ストリップ・ピポットＰによりアース
Ｇに枢着され、ピポツト軸線はこの図面の平面に垂直で
ある。ビーム１のこの麹線のまわりの偏位はェゼクタ型
のノズル９により検知される。

レズル９は本質的には絞り１０付きの小さな導管であり
、絞りは入口端１１と出口端１２との間にある。絞りの
少し右にタップ１３があり、タップ１３は絞り１４を経
てノズル出口部分に開いている。図示のように、入口端
１１は空気供給源に連結される。

この空気の供給は一定の圧力で行われ、代表的には１．
４ｋ９／めで、普通行われるように炉過され、乾燥され
て調整される。ノズルの出口端１２の開口はビーム１の
端の面がじやま板として作用できるように位置している
。

ノズルの寸法は、ビームの端が出口端１２から充分離れ
たときに、そこから流れ、タップ１３から空気をいつし
よに引っ張る空気ジェットがあってタップ中の圧力がノ
ズル外の大気圧より充分低く下がって−０．７ｋ９／地
位まで、普通は−０．２８から−０．３５／地位まで低
下するようになっている。反対に、ビーム表面は充分な
供給圧即ち１．４ｋ９／地にまでタップ１３内の圧力を
上げるほどに出口端１２に接近することができる。タッ
プ１３は、管１５、室１７およびべロー１６により作ら
れるプリナムと独立して圧力を保つことができない。

これら３つの部分はこの実施例では１８に示されている
ように丁字状に結合されている。結合部１８と室１７は
剛性のハウジング１９内に形成され、該ハウジングはべ
ロー１６の案内兼保護をなす開放部分２０を有し、該べ
ローは成るべくはゴムから作られて充分な柔軟性を有し
て形状の安定性に乏しく軽い圧縮ばね２１の外側にあり
、該ばねは、若しべロー１６に真空が生ずれば、ベロー
は普通のべローのように鼠線方向に収縮するのに丁度十
分なこわさを長手方向と半径方向に有する。同じように
、若し正の圧力がべロー１６の内部に加えられると、案
内２０はひだが局部的に不当に外方へ広がるのを防止す
る。換言すれば、このようなゴムのべローを使う考えは
、摩擦や漏れないこシリンダにおけるピストンの効果と
同じ効果を得ようとすることである。このべローの形状
は極めて不安定であって厳密に軸線方向の膨張、収縮だ
けに限るには半径方向の抑えが必要である。換言すれば
、ベロー１６は、無反作用的である。すなわち、ベロー
は、膨張するように圧力を加えても、収縮するように圧
力を加えても、認められるほどに反作用を生じない。図
面にＳのところに示される１対の調節自在の止め片を設
けてべロー１６の軸線方向の膨張、収縮を制限すること
が好ましい。止め片Ｓとハウジング１９はアースＧに固
定される。べロー１６に対比し、入力べロー２２は通常
の金属べローでよい。本発明によれば、ベロー２２の内
部流体圧力の変化に応じた膨張、収縮はばね２３の位置
に変化を与え、ばねの効果はノズル９に近づいたり離れ
たりするビームーの端により生ずる正、負の圧力にじて
べロー１６により調節される。この調節は、ばね２３を
ビーム１上の連結点を通る軸線のまわりにまわして行わ
れ、ばねの応力を変えることはない。この目的のため、
レバー２４は腕１２４を含み、ベロー１６は自由端に棒
１１６を有し、これらの棒と腕とは連結されて棒１１６
の変位をレバー２４の変位に移すようになっている。榛
１１６と腕１２４との連結部は弧状に動かなければなら
ないので、少なくとも、実際には、若干の横方向の遊び
が棒１１６に与えられべローが自由にレバー２４を変位
できるようにする。ばね２３内の応力はばね２３の一端
が接続されるビーム１の点を通過する前述の線上の１点
に枢着されたレバー２４によって調節可能な値に固定さ
れて維持され、ばねの他端は、ばねの応力を所定の値に
設定するためばねの長さを変える調節装置によってレバ
ー２４の腕２５に連結される。

特に、上記軸線（図の平面に垂直）と同軸のスタッド２
６はばねの一端を該軸線およびビームに回転可能に固定
し、ばねの他端は調節自在の係合体２７に固定さる。係
合体２７はしバー２４の腕２５に１対の支柱２９，３０
に取付けられたねじ２８に螺着され、支柱はねじをまわ
すことができるようにしたいるが、ねじを回さないと係
合体２７を所定位置の固定したままにする。係合体２７
が動いてばねは短縮または伸長される。本例では、ばね
は張力をうけているが、圧縮ばねにすることもでき、い
ずれにしても、その長さの変化により応力が調節される
。レバー２４はピポット１２７によりＧに枢着される。

明確にするためピポット１２７はビーム１の下端から片
寄って示されているが、スタッド２６を通る軸線がまた
レバー２４の枢動する鞠線でもあるから、実際は、ピポ
ット１２７はビーム機の上側（または下側）にある。と
もかく、ピポツト１２７の軸線がビーム１に対し‘まね
２３の力を加える作用点を通る限り、またばねが該作用
点のまわりに枢動できるようになっている限り、腕２４
を仕事を行なわずに回わすことができることは明らかで
ある。

腕２４を回わす際にうちかたなければならない摩擦や慣
性が存在する（それに針や腕５などによる摩擦や慣性負
荷もある）ことは確かであるが、それでも、ばねの張力
は実質上変わらない（ただ公知のようにビーム１は僅か
偏位するのでばね張力は極めて僅か変化）から、この抵
抗ばね２３の力を調節することによって生ずる反作用で
はない。同じことは、圧縮ばねの場合についても勿論云
える。然し第２図のベクトル図から明らかなように、ビ
ームーに加わるモーメントは変化する。

その理由は、モーメントは腕２５の有効長さがビーム１
の有効レバー腕ｌａとなす角度の正弦に比例するからで
ある。係合体２７を腕２５に沿って調節することはスパ
ンすなわち範囲を調節することになる。

機械的アースＧとビーム上端との間で調節ねじ３２によ
り調節自在に圧縮されるゼロばね３１はゼロ点調節を行
なう。特に第２図から明らかなように、若しレバーに作
用する力が次のようなものであれば、即ち、‘１ー第２
図の点３３がビームーの有効長さに対するばね２３の有
効取付点およびピポット１２７の鞍線の両方の所在位置
であり、‘２｝点３４がピポットＰの鯛線であり、｛３
｝ｌａがビーム１の有効長さを示し、‘４｝力、偏位お
よび有効長さはこれら軸線に垂直で図面の平面内にある
とすれば、第２図の配置すなわち、ばね２３のビーム１
への取付点とピポット１２７が同一軸線上に重なるには
、ビームに対するこれらの力のモーメントの和がゼロで
なければならない、この配置では、ばね２３の力の垂直
成分はピポツトＰの反作用により吸収され、したがって
モーメントのつり合いはばね３１、ばね２３の力の水平
成分およびべロー２２による力に左右される。さらに、
この配置においてゼロ調節および範囲調節は相互に影響
し合わない。レズル９の使用は、上記の配置からのビー
ム１の外れを検知し、これに応じて正または負の圧力を
べロー１６に加えてビームを上記の配置に則ちばね２３
のビームーへの取付点とピポツト１２７の軸線とが一致
するように回すためである。

もしビーム１の下端が出口１２から充分離れると、レズ
ルから出る流量はタップ１３中に真空が生ずる程高くな
り、その結果空気はべロー１６から管１５を経て引かれ
、空気ジェットに引っ張られて絞り１０から出て出口１
２から噴出される。べロー１６は内圧が外圧に対して負
になるので軸線方向に収縮しようとする。そうする際に
、ベロー１６は腕２５を反時計方向にまわし、ばね２３
の力の水平成分が小さくなる。この成分の向きがビーム
１をノズルから引き離そうとするものであるから最初に
レバーをノズル離したものが何であったにしろ、いまで
はばね２３から受ける助け力ミ４・さくなっている。こ
の例の場合に考えられているのは、最初のレバーの偏位
はべロー２２またはばね３１によって加えられた力が変
化したことによって生じたこと、そしてこのような変化
がビーム１のモーメントを変える量は、腕２５の結果と
し生ずる偏位がビーム１のモーメントに等量で反対向き
の変化を生ずるような変化をばね２３の力の水平成分に
誘導するに十分なだけ遠くなるような量より多くない。
べロー１６は腕２５を偏位させつづけてべローの内部と
外部に作用する絶対圧力の差に比例する正味の力がビー
ム１の検出可能な最小偏位による力より小になって止る
。

この検出可能な最小偏位がどれほどであるかは、主とし
てレバー２４の偏位に対する摩擦抵抗に左右され、即ち
みぞ孔６の中のピン７のもの、榛３についてのスリーブ
８のもの、および点２６におけるばね２３の端の回転の
ものに左右される。ピポット１２７も、摩擦を生じない
交差ストリップ型でなければ摩擦を生ずるであろう。べ
ロー１６内の圧力は絶対圧力では０．７〜２．１ｋｇ／
のまで変化することができ、外部には大気によって絶対
圧力約１．０５ｋ９／めが加えられる。この圧力範囲は
出１２からの零の間隔から０．０５〜０．７５側位の間
隔まで動くビーム１の運動の範囲によって生じる。上記
の摩擦抵抗を下げて、ベロー１６における圧力差の０．
０２ｋ９／塊位の変化により容易に操作できるようなも
のより小さなレベルにすることは非常に容易である。圧
縮ばね２１はべロー１６のかなり僅かなばね率を大きく
する。然し、ベロー１６の実効ばね率はべロー２２また
はばね２３によりビームーに加えられる力に比べるとま
だ小さい。それ故、ベロー１６の膨張において吸収され
るェネルギギは極めて小さく、また収縮によって解放さ
れるェネルギも極めて小さい。事実、ベロー１６の有効
なばね定数は、それが動かす負荷の摩擦抵抗よりも小に
することもできる。したがって、ビーム１のモーメント
がつり合っているとき、（即ち合計してゼロになれば）
、ノズル９への空気供給は妨害され、ベロ−１６がそれ
を検出することはない。その時点ではべロー内の圧力は
大体大気圧であるからである。そして、つり合いにない
範囲に対しては、レバー２４を偏位させることに対する
摩擦抵抗があることになる。したがって、針２は圧力が
遮断されたときと同じ位置に留まっている。換言すれば
、サーボ機構はその供給圧力が遮断されたときの位置を
記憶する。応用例 レバー２４の偏位に対する抵抗、第１図の基本機構を運
動および位置の変位の出力をもつサーボ機構としてでは
なく流体圧の出力をもつ自動中継器として利用するのに
十分なほど小さくできる。

例えば、第３図で水銀圧力計４０は管４３により運速さ
れた普通の脚部４１，４２から成り、かつ被側定流体圧
に連結された入口取付具４４を有し、さらに水銀４５と
フロート４６とを有し、該フロートは脚部４２中の水銀
の中に一部浸され、かつ案内榛４７をもち、該棒は脚部
４２に接続される案内４８を通り抜ける。この圧力計は
水銀レベルの変動を記録紙４９の上に針５川こより記録
し、該針は棒４７の端に固定された支持臭５１により支
持される。大気圧が脚部４２中の水銀の上方の空間に自
由に出入することが考えられるので、圧力計は脚部４１
内で水銀の上方の空間に取付具４４から入れられた圧力
のゲージ圧を記録する。上述の圧力計装置は全く慣用の
ものである。

時には、その測定値を圧力計から遠方に伝えたり、また
はフロート４６の垂直方向位置の変化を対応する流体圧
に変えたいと思うことがある。本発明によれば、このよ
うな目的はフロートをサーボ機構の変形例に結合するこ
とにより達せられる。第３図に示すように、この変形例
はべロー１６、ノズル９および関連部村を除き、ノズル
９の代わりにノズル５２を置き、ノズル５２は管５３に
よりべロー２２に連結される。べロー２２は圧力計、制
御器のような適当な受信器に連結するためまたは本発明
のサーボ機構の様式のべローに接ぐための管５４を有す
る。ノズルには普通の空気供給源がオリフィス５５を介
して連結され、この空気供給は第１図で使用したものと
同じでもよい。ノズル５２は、ごく普通の形式のもので
ありその背圧は出口の大気圧より小さい点でノズル９と
異なる。第３図の様式のものの動作は明らかである。

上下に動くフロート４６は、針５０を動かす動力を与え
るばかりでなく、腕５，２５をスタツド５６によって枢
動させ、スタッド５６は支持具５１に固定されて腕５の
みぞ孔６の中にある。要するに、フロート４６は第１図
でべロ−１６がなしたことを行う。それ故、もしフロー
ト４６が上がれば、ばね２３は時計方向に回わり、した
がってビームーを反時計方向に偏位させる。このため、
ビームーの表面はノズル５２に近接して、ノズルを絞り
、ベロー２２中の圧力増大を起こさせる。したがって、
ベロ−２２はビームーを時計方向に十分に偏位させて元
の位置に戻し、このことは力のつり合い装置の公知の原
理から明らかである。べロー２２内の圧力は管５４を介
しそれに接続されるものは何でも（他のべローなど）に
伝えられ、これによりフロート４６の垂直方向の位値は
対応する大きさの流体圧力に変換される。「無反作用的
に」という術語は、請求の範囲を限定するものとして使
用されている。

「ゼロばね率」をもった、すなわち、膨張および収縮に
対して抵抗のない膨張、収縮自在な室装置の考えが概念
的にはよく理解されており、実際にはゴムのべロー、ピ
ストン、緩いダイアフラムなどで近似しうろことは先行
技術を引用するまでもなくいえる。さらに、ばね２３の
特定の構成は、本明細書の初めにあげた技術から明らか
なように十分知られており、よく用いられる手段であっ
て、本発明においてもそのほとんど無反作用的な特性の
故に使用されている。上記の記載は本発明の実施例を述
べたものであるが、本発明の本質は構成上の要素相互の
結合にある。

したががつて、本発明の範囲から逸脱なしにいろいろの
変形や修正をなしうろことは当業者に明らかである。例
えば、第１図にいおいて、レバー５はその位置にまたは
調節機構の調節量に比例して出力の圧力を作り出すため
直接手によりまたは手動議節機構（図示されてない）に
より位置決めされることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるサーボ機構を示した図、第２図は
第１図に対応する力の線図、第３図は本発明によるリレ
ーを示した図である。 図において、１はビーム、９はノズル、１３はタップ、
１６はべロー、２３はばね、２４はしバー、２８はねじ
をそれぞれ示す。 ＦＩＧ．ｌ ＦＩＧ．２ ＦＩＧ．３

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 変動条件の変化に応じて位置の変化を生ずるサーボ
   機構において、（ａ）摩擦抵抗のない第１のピポツトＰ
   の回りに前記変動条件の変化に対応して回動変位を行う
   ビーム１、（ｂ）あらかじめ定めた１軸線方向にだけ無
   反作用的に体積変化可能な伸縮自在な機構１６、（ｃ）
   複数の腕を有し、第２のピポツト１２７に連結されて、
   その回りに回動可能なレバー２４、を備え、（ｄ）前記
   ビームの一端２６と前記第１のピポツトＰとの間で前記
   ビームに前記変動条件を表す可変の力を発生する条件変
   換器２２が接続され、（ｅ）前記ビームの前記一端２６
   に一端を枢着され、他方の端を前記レバーの第１の腕２
   ５の端にばね機構２３が応力を調節可能に接続され、（
   ｆ）前記伸縮自在な機構は内部に気体を含み、導管１５
   によつて前記伸縮自在な機構に連結されたエゼクタノズ
   ル機構９が前記ビームの前記一端に隣接して配置されて
   、前記エゼクタノズルと前記ビームとの間の空隙の大き
   さに応じて、前記伸縮自在な機構内の圧力を変え（ｇ）
   前記伸縮自在な機構の伸縮部分は、前記レバーの第２の
   腕１２４に接続され、（ｈ）前記ばねの前記ビームの枢
   着点２６が前記第２のピポツト１２７と同一軸線上にあ
   り、（ｉ）前記条件変換器に発生した可変の力を前記レ
   バーの第３の腕５の位置の変化に無反作用的に変換する
   ことを特徴とするサーボ機構。