JPS61184206A - 電気信号−空気圧変換ユニツト - 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】 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−空気圧変換ユニットに関し、一層詳細には、ノ
ズルフラッパを用いた電気信号−空気圧変換ユニットに
おいて、ノズル背圧に対し、出力空気圧の比、すなわち
、圧力ゲインを極めて大きくとることが可能なように構
成した電気信号−空気圧変換ユニットに関する。

従来、電気信号を空気圧に変換するために広汎に用いら
れている装置にはトルクモータが組み込まれてきた。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、この電流に対応する回転力を得
てフ゛ラッパを変位させ、これによってノズル背圧を変
化させてダイヤフラムを変位させ、このダイヤフラムに
装着された弁体を介して流体通路の開閉を行い出力空気
圧を制御している。

このような従来技術によれば、電気信号−空気圧変換装
置を構成する本体内部に比較的大きなトルクモータを組
み込まなければならないために装置全体としては大型化
せざるを得ない。

しかも、このように組み込まれるトルクモータの可動コ
イルは微弱な信号でも応動可能なように薄板状の板ばね
で支承されており、従って、微少な振動が惹起してもこ
の板ばねが共動し、ノズル背圧を変化させる。このため
に出力圧が変動し精密な電気信号−空気圧変換が達成さ
れない不都合が存在し、結局、機械的振動に対し弱いと
いう欠点が露呈している。また、従来技術に係る装置に
おいては、ノズル背圧に対する出力空気圧のゲインが低
く、加えて、ダイヤフラムの張力の影響等も受は易いこ
とから、高精度な電気信号−空気圧変換が行われない難
点も指摘されている。さらにまた、構造上、排気流量が
大きくならないために、負荷側の圧力が急激に大幅上昇
する時、排気が追従出来ない等の欠点が露呈している。

本発明は、このような不都合を克服すべくなされたもの
であって、フラッパを電歪素子で構成し、並設された二
枚のダイヤフラムの中、いずれか一方のダイヤフラムを
ノズル背圧が作用するように配設し、一方、前記二枚の
ダイヤフラムの間には供給空気圧を作用するように構成
し、前記他方のダイヤフラム側には出力空気圧を作用さ
せるよう構成すると共に夫々のダイヤフラムの実効面積
差を可及的に大きく選択し、これによって、ノズル背圧
に対する出力空気圧のゲインが大きくとれ、さらに、小
型軽量化が可能な電気信号−空気圧変換ユニソ１−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、本発明はフラッパの変位
量に応じてノズル背圧を変化させるノズルフラッパ機構
と、前記ノズル背圧に応動するダイヤフラムにより供給
ボートと出力ポートとを結ふ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
ット弁部を含む電気信号−空気圧変換ユニットにおいて
、前記フラッパは電気信号の変化に対応して変位する電
歪素子で構成すると共にダイヤフラムを一組のダイヤフ
ラムで構成し、一方のダイヤフラムにノズルの通孔を臨
ませ、また、二枚のダイヤフラムの中間に供給空気圧を
導入する通路を臨ませると共に他方のダイヤフラムに出
力空気圧を導入する通路を臨ませ、前記出力空気圧を導
入する通路を分岐してユニット本体に内設された圧力セ
ンサに連通し、さらに、ノズル背圧の変化によって変位
する前記一方のダイヤフラムの実効面積を他方のダイヤ
フラムの実効面積よりも大きく選択するよう構成するこ
とを特徴とする。

次に本発明に係る電気信号−空気圧変換ユニットについ
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は本発明に係る電気信号
−空気圧変換ユニット本体を示し、この本体１０はその
内部上方に設けられたノズルフラッパ機構１２と内部下
方に設けられたパイロット弁部１４とを含む。

ノズルフラッパ機構１２は後述するパイロット弁部１４
のノズル背圧室１６に通路１７を介して連通ずる所定口
径のノズル１８と、基端部が変換ユニット本体１０に螺
子２０によって係止される板状のフラッパ２２とからな
る。前記フラッパ２２は、電極（図示せず）が施された
二枚の圧電セラミック２４．２４と、これらの圧電セラ
ミック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、夫々の圧電セラミック２
４．２４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構成されている。

一方、前記パイロット弁部１４は上下方向に並設された
二枚のダイヤフラム３０．３２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とを
含む。図から容易に諒解されるように、この場合、上部
ダイヤフラム３０は下部ダイヤフラム３２よりその実質
的作動面積を大きく選択しておく。

前記内弁３６は前記ダイヤフラム３０．３２を所定間隔
離間して保持するダイヤフラムディスク３３の下端部に
螺子止めされており、シールリング３８を有する環体４
０の内部を気密に摺動可能である。内弁３６の先端部に
は下方に指向する砲弾形の弁体４２が形成され、この弁
体４２は排気弁３４の弁座４４に着座するよう構成され
る。すなわち、本体１０にシールリング４６を介して螺
入する支持体４８には環状の凹溝５０が画成され、さら
にその中心軸を貫通して排気ポート５２が形成される。

排気弁３４はシールリング５４を介して前記排気ポート
５２を、図において、上下方向に摺動自在である。実質
的には、排気弁３４はその上端部にフランジ５６を有し
、このフランジ５６にはゴムパツキン５８が嵌着されて
いる。従って、凹溝５ｏの内部に周回するように装着さ
れたコイルスプリング６０が前記フランジ５６に弾発的
に当接すれば、ゴムパツキン５８は本体１０の内部に突
設された環状壁部６２に圧接することが容易に諒解され
よう。

一方、変換ユニット本体１０の一方の側部には供給ポー
ト６Ｇが画成され、この供給ポート６Ｇの途上から通路
６８ａ、６８ｂ、６８ｃ、６８ｄおよび６８ｅが互いに
連通してノズル背圧室１６に延在している。なお、その
際、供給ポート６６の下流側に位置する通路６８ｄには
固定オリフィス７０が介設されると共に通路６８ｂから
は通路６８ｆが分岐してダイヤフラム３０と３２との間
に画成される供給圧力室７２に連通ずる。さらに、ダイ
ヤフラム３２の下側には出力圧室７４が画成され、通路
７６を介して出力ポードア８と連通状態を確保するよう
に構成されている。

この場合、内弁３６は前記三つの圧力、すなわち、ノズ
ル背圧、供給圧、出力圧がバランスした状態では供給ポ
ート６６と出力ポードア８を結ぶ通路８０を閉塞するよ
うに配置され、前記の通り、その際、内弁３６を構成す
る弁体４２は前記排気弁３４に形成された弁座４４と係
合し、しかも、ゴムパツキン５８に壁部６２が当接密着
するために、この弁座４４を介して出力ポードア８、排
気ポート５２を閉塞するように構成されている。従って
、このパイロット弁部１４は平衡時は排気が行われない
ノンブリード型であることが容易に諒解されよう。

一方、本体１０の内部には圧力センサ８２が配設され、
この圧力センサ８２は通路８３を介して出力圧信号を出
力ポードア８から受ける。圧力センサ８２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圧信号として変換
する機能を達成する。

すなわち、第２図に示すように、パイロット弁部１４か
らの出力圧が前記圧力センサ８２により電気信号として
検出された後、増幅回路８４を介してコントローラ８６
にフィードバンクされる。

そして、このコントローラ８６では前記信号と入力信号
とを比較し、その偏差分が逐次増幅回路８８で増幅され
ると共に電圧に変換された後、前記フラッパ２２に印加
されるように構成されている。

次に、このように構成された本実施例の作用並びに効果
について説明する。

先ず、本発明者の知見によれば、ノズル背圧に対する圧
力ゲインは次のようにして大きく求めることが可能とな
る。すなわち、ノズル背圧に対する出力圧の関係は二枚
のダイヤフラムの有効面積の比、すなわち、 ダイヤフラム３０の有効面積 で表される。従って、ノズル背圧に対する出力圧の圧力
ゲインを太き（するためには二枚のダイヤフラムの有効
面積差を大きく選択すればよい。

そこで、今、第１図のように系が平衡している状態で、
電歪素子からなるフラッパ２２に印加される電圧が増え
ると、フラッパ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。すなわち、上部ダイヤフラム３０を下降さ
せる圧力として作用する この結果、前記系の平衡状態がくずれ、上部ダイヤフラ
ム３０、下部ダイヤフラム３２が一体的に下降変位し、
この下降作用に伴って内弁３６の弁体４２がスプリング
６０の弾発力に抗して排気弁３４を下降するに至る。こ
のため、壁部６２からゴムパツキン５８が離間し、供給
ポート６６と出力ポードア８を連通する通路８０を開成
する。結局、供給ポート６６からの供給圧力の一部が出
力圧となって出力ポードア８に供給される。この出力空
気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、前記したように、内弁３６が摺
動する環体４０はシールリング３８により気密にシール
され、一方、ｉＩｌ路７６を介して出力圧は下部ダイヤ
フラム３２に及ぼされるように構成している。しかも、
供給ポート６６からの供給圧は通路６８ａ乃至６８ｅを
介してノズル背圧室１６に供給されている。そこで、前
記したように、二枚のダイヤフラム３０．３２の有効面
積差を大きく選択しておけば、ノズル背圧対出力圧の圧
力ゲインを大きくとることが可能となり、ノズル背圧が
僅かに変化しただけで出力圧は大幅に変化する。

そして、前述したように、圧力センサ８２により出力圧
が電気信号として入力側にフィードパ　、ツクされる。

従って、入力信号に見合った出力圧になると内弁３６も
九〇状態に復帰して弁座４４を閉じて新しい平衡状態が
得られる。一方、出力ポードア８側の圧力が高まると、
内弁３６は上昇して排気ポート５２が開成される。従っ
て、出力ポート側の圧力流体はこの排気ポート５２がら
ブリードされる。

なお、以上の実施例では、いずれもノズルフラッパ機構
１２とパイロット弁部１４とがユニット本体１０に一体
的に組み込まれているよう構成しているが、これらのノ
ズルフラッパ機構１２とパイロット弁部１４とを分離す
るようにして構成出来ることは謂うまでもない。

以上説明したように、本発明によれば、パイロット弁部
において二枚のダイヤフラムの有効面積を大きくするこ
とによって圧力ゲインを大きくするととが出来、電歪素
子の僅かな変位量でも大きな出力圧力の変化が得ること
が可能となる。しかも、電歪素子のヒステリシス特性お
よび非線形性の影響を小さくして精度の高い変換ユニッ
トを提供出来る利点がある。また、電歪素子の変位量が
小さくてす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、パイロッ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すむという
利点もある。また、本発明によれば、二枚のダイヤフラ
ムの中間には供給圧を、小さい面積のダイヤフラムの下
側に出力圧をフィードパ・ツクするようにし、排気は下
方より行うように構成しているために圧力ゲインを一層
高めることが可能となり、しかも出力の安定性が良くな
る利点が得られる。

以上、本発明について好適な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
ユニットをパイロットリレーとして使用し、コントロー
ルパルプの変位量を制御する電気−空気圧式ポジショナ
−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−空気圧変換ユニットの
縦断説明図、第２図は本発明のユニットに用いられる制
御系の説明図である。 １０・・ユニット本体 １２・・ノズルフラッパ機構 １４・・パイロ・ノド弁部　　１６・・ノズル背圧室１
８・・ノズル　　　　　　２２・・フラッパ２４・・圧
電セラミック　　２６・・中間電極板２８・・リード線
　　　　　３０．３２・ダイヤフラム３３・・ダイヤフ
ラムディスク ３４・・排気弁　　　　　　３６・・内弁３８・・シー
ルリング　　　４２・・弁体４４・・弁座　　　　　　
　４Ｇ・・シールリング４８・・支持体　　　　　　５
２・・排気ポート５６・・フランジ　　　　　５８・・
ゴムパツキン６０・・スプリング　　　　６６・・供給
ポート７２・・供給圧力室　　　　７４・・出力圧室７
８・・出力ボート８２・・圧力センサ８４・・増幅回路
　　　　　８６・・コントローラ８８・・増幅回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）フラッパの変位量に応じてノズル背圧を変化させ
   るノズルフラッパ機構と、前記ノズル背圧に応動するダ
   イヤフラム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を含む電気信号−空気圧
   変換ユニットにおいて、前記フラッパは電気信号の変化
   に対応して変位する電歪素子で構成すると共にダイヤフ
   ラムを一組のダイヤフラムで構成し、一方のダイヤフラ
   ムにノズルの通孔を臨ませ、また、二枚のダイヤフラム
   の中間に供給空気圧を導入する通路を臨ませると共に他
   方のダイヤフラムに出力空気圧を導入する通路を臨ませ
   、前記出力空気圧を導入する通路を分岐してユニット本
   体に内設された圧力センサに連通し、さらに、ノズル背
   圧の変化によって変位する前記一方のダイヤフラムの実
   効面積を他方のダイヤフラムの実効面積よりも大きく選
   択するよう構成することを特徴とする電気信号−空気圧
   変換ユニット。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載のユニットにおいて、
   ダイヤフラムに結合された内弁は排気孔に係合し、前記
   排気孔を前記内弁の変位作用下に開成して出力側圧力流
   体をブリードさせるよう構成してなる電気信号−空気圧
   変換ユニット。