JPH0445684B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はプロセス制御等に用いられる電気−空
気圧変換器に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の電気−空気圧変換器は、電気信号をノズ
ル背圧に変換することによつて空気圧信号に変換
していた。たとえば、特公昭59−25962号公報に
開示の発明ではノズルフラツパに圧電素子を用
い、ノズル口に当接するように配置されたこのノ
ズルフラツパを入力信号に応じて変位させること
によりノズル口とノズルフラツパとの間隙の開度
を制御しノズル背圧を変化させている。また、実
開昭58−130105号公報に開示の考案ではノズルフ
ラツパとノズル口との間隙の開度を制御するので
はなく、ノズルフラツパをその共振周波数付近で
振動させると共に入力信号に応じて一周期におけ
る全開時間と全閉時間との比率を制御しノズル背
圧を変化させている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、上述したいずれの方式であつても、
電気信号をノズル背圧に変換する方式であるので
入力信号に対して十分なゲインを得ることができ
ないという問題点があつた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の電気−空気圧変換器は上記問題点に鑑
みてなされたものであり、密閉室４３内に片持ち
支持され電圧印加により先端部が揺動する板状圧
電素子４５，６１、この板状圧電素子の揺動変位
により第１の電圧Ｈが印加されたとき開となり第
１の電圧と極性の異なる第２の電圧Ｌが印加され
たとき閉となる導圧用ノズル５０、密閉室と大気
とを連通する流体通路４８に設けられ第１の電圧
が印加されたとき閉となり第２の電圧が印加され
たとき開となる大気制御手段４４，６１，４７、
および密閉室内から外部に導出される出力用通孔
５３を有し、第１の電圧印加により導圧用ノズル
から密閉室内に供給空気圧を加え、第２の電圧印
加により密閉室内を大気圧にする切換弁９を有
し、この切換弁の板状圧電素子に対して入力信号
とフイードバツク信号との偏差を両側電圧のパル
ス幅変調した信号を与えることにより、電気信号
を空気圧信号に変換するものである。

〔作用〕

切換弁において、供給空気圧Psが導かれる導
圧用ノズルと大気と連通する流体通路とを板状圧
電素子と大気制御手段とによりそれぞれ開閉制御
すると、密閉室内の空気圧が変化し更に出力空気
圧Poが大きく変化する。

〔実施例〕

以下、実施例と共に本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図で
ある。入力回路１は入力端子２および３から４〜
20mAの電流信号を入力して電圧信号に変換する
回路であると共に、他の回路の電源回路としても
機能する。第２図は入力回路１の具体的な回路を
示すものであり、演算増幅器２３、トランジスタ
Tr１、抵抗Ｒ３、定電圧源Ｅ１から定電流回路
２１が構成され、演算増幅器２４、トランジスタ
Tr２、抵抗Ｒ１，Ｒ２、および定電圧源Ｅ２か
ら定電圧回路２２が構成されている。２５は演算
増幅器、Ｒ４〜Ｒ８は抵抗、２６は出力端子であ
る。

作動増幅器４は入力回路１からの入力信号Va
と後述する増幅手段５からのフイードバツク信号
Vbとの偏差を電圧値として出力するものであり、
その出力信号線はコンパレータ６の反転入力端子
に延びている。また、コンパレータ６の非反転入
力端子には安定した三角波信号を発生するレフア
レンス波形発生回路７の出力信号線が接続されて
おり、このコンパレータ６は２つの入力信号電圧
を比較してその結果に応じて所定の正電圧（たと
えば＋5V）または所定の負電圧（たとえば−
5V）のいずれか一方の電圧値を出力する。すな
わち、このコンパレータ６とレフアレンス波形発
生回路７とで両側電圧のパルス幅変調手段８が構
成されている。

レフアレンス波形発生回路７は上述したように
安定した三角波信号を発生する回路であり、その
具体的な回路を第３図に示す。同図において、３
１は演算増幅器であり、コンデンサ３２と共に積
分器を構成している。３３は比較器を構成する演
算増幅器であり、Ｒ１，Ｒ２およびＲ３，Ｒ４は
それぞれ分圧器を構成する抵抗、Ｒ０は抵抗であ
る。演算増幅器３３の出力によつてスイツチ３４
が制御され、演算増幅器３１の反転入力に対して
基準電圧電源３５と共通端子側３６とが切替接続
される構成となつている。このように構成するこ
とにより、周期および振幅の極めて安定した三角
波信号を得ることができる。

切換弁９はパルス幅変調手段８の出力信号に応
じて空気の流れを切換制御する装置であり、その
具体的な構成を第４図の断面図に示す。

切換弁９は、筐体４１内に大気圧４２および密
閉室４３を有し、各室４２，４３の内部にそれぞ
れバイモルフ型圧電素子４４，４５が片持ち支持
された状態で取り付けられている。大気室４２に
は大気孔４６が穿設されており、この大気孔４６
により大気室４２の内部は常時大気と連通状態に
ある。また、大気室４２と密閉室４３とは流体通
路４８により連通されており、この流体通路４８
の大気室４２側には導圧用ノズル４７が形成され
ている。この導圧用ノズル４７はバイモルフ型圧
電素子４４の可動端４４Ａと対向する位置に設け
られており、可動端４４Ａが矢印Ａの如く揺動す
ることにより導圧用ノズル４７が開閉される。

密閉室４３において、バイモルフ型圧電素子４
５の可動端４５Ａに対向する位置には流体通路４
９に連通する導圧用ノズル５０が設けられてい
る。この導圧用ノズル５０は可動端４５Ａが矢印
Ｂの如く揺動することにより開閉される。なお、
流体通路４９は固定部５７に形成された空気圧供
給路５１に連通しており、ここには供給空気圧
Psが常時与えられている。また、密閉室４３に
は同じく固定部５７に形成された空気圧出力路５
２に連通する出力用通孔５３が設けられている。
なお、図中５４は密閉室４３をシールするガスケ
ツト、５５，５６はそれぞれ筐体４１と固定部５
７とをシールするＯリングである。

バイモルフ型圧電素子４４および４５は入力端
子５８，５９への電圧印加により互いに相反する
方向に駆動する。すなわち入力端子５９を接地
し、入力端子５８にパルス幅変調手段８の出力信
号を印加することにより可動端４４Ａが導圧用ノ
ズル４７を開放する時には可動端４５Ａが導圧用
ノズル５０を閉塞し、逆に可動端４４Ａが導圧用
ノズル４７を閉塞する時には可動端４５Ａが導圧
用ノズル５０を開放するように駆動する。

このように構成された切換弁９が出力する空気
圧Poはパイロツトリレー１０に与えられる。パ
イロツトリレー１０は入力した空気圧信号を増幅
して標準空気圧信号に変換する既存の手段であ
る。このパイロツトリレー１０の出力は出入口１
１に導かれており、ここでの空気圧が最終的に取
り出そうとする出力空気圧となる。

また、パイロツトリレー１０の出力は圧力セン
サ１２にも導かれている。圧力センサ１２は空気
圧を電気信号に変換する手段であり、その出力電
気信号は増幅手段５で増幅されて作動増幅器４の
プラス端子に入力されている。

つぎに、このように構成された本実施例の動作
を説明する。

端子２および３から４〜20mA内で変化する電
流信号が入力されると、入力回路１において電圧
信号Vaに変換される。この信号Vaは作動増幅器
４において、現在の出力空気圧を電気信号に変換
した値である増幅手段５の出力信号Vbと比較さ
れる。すなわち、作動増幅器４は両信号の偏差
Va−Vbを出力する。第５図ａの波形ａは作動増
幅器４の出力である偏差信号Va−Vbを示してい
る。

この偏差信号Va−Vbはコンパレータ６に入力
されて、レフアレンス波形発生回路７の出力する
三角波形のレフアレンス信号（第５図ａ波形ｂ）
と比較される。コンパレータ６では、レフアレン
ス信号が偏差信号Va−Vbよりも大きい値の時に
は出力が“Ｈ（正）”となり、小さい時には“Ｌ
（負）”となる。すなわち、コンパレータ６の出力
において、第５図ｂに示すようなパルス幅変調さ
れた信号を得る。

同図から判るように偏差信号Va−Vbが零点付
近にあるときにはコンパレータ６の出力パルスの
デユーテイレシオは１対１となり、偏差信号Va
−Vbが正のときには“Ｈ”の状態が長くなり、
負のときには“Ｌ”の状態が長くなる。

切換弁９においてコンパレータ６の出力パルス
が“Ｈ”の時にはノズル５０が“開”、ノズル４
７が“閉”の状態となり、供給空気圧Psが密閉
室４３に加えられ、切換弁９はオン状態となる。
逆にコンパレータ６の出力パルスが“Ｌ”の時に
はノズル５０が“閉”、ノズル４７が“開”の状
態となり、供給空気圧Psが遮断されると共に密
閉室４３内の空気がノズル４７を介して大気と連
通した大気室４２に流出し、切換弁９はオフ状態
となる。

したがつて、コンパレータ６から第５図ｂに示
すようなパルス幅変調信号が入力されると、密閉
室４３内の空気圧が変化し、空気圧出力路５２に
おける出力空気圧Poが変化する。すなわち、偏
差信号Va−Vbが正のときには切換弁９のオン状
態がオフ状態に比べて長くなり、空気圧出力路５
２からの出力空気圧Poが増加する。逆に偏差信
号Va−Vbが負のときにはオフ状態が長くなり、
出力空気圧Poが低下する。

なお、密閉室４３は出力空気圧Poを平滑化す
るボリユーム室として機能し、パルス幅変調によ
る脈流を緩和している。また、パルス幅変調手段
８の出力信号電圧が正・負両側に振れているので
バイモルフ型圧電素子４４および４５にはそれぞ
れ正・負の電圧が交互に印加されることになり、
該素子の分極劣化が生じ難く、しかも、動作点が
ずれるといつたドリフトの問題も生じない。

この出力空気圧Poは圧力センサ１２により検
出されており、電気信号に変換されて増幅手段５
を介して作動増幅器４にフイードバツクされてい
る。すなわち、このフイードバツク信号は偏差信
号Va−Vbが零となる方向に作用する。このよう
なフイードバツク制御によつて、入力信号に応じ
た安定した出力空気圧Poを得ることができる。

第６図は切換弁９の他の実施例を示す断面図で
あり、第４図に示した切換弁と同一もしくは相当
部分には同一の符号を付してその詳細な説明は省
略する。

本実施例では単一のバイモルフ型圧電素子６１
を用いて流体の切換を行なうものである。密閉室
４３内には供給空気圧Psが導かれるノズル５０
と大気と連通するノズル４７とが互いに離隔して
対向するように設けられており、両者の間には片
持ち支持されたバイモルフ型圧電素子６１の可動
端６１Ａが介在している。更に密閉室４３の上部
には出力用通孔５３が穿設されている。なお、５
８，５９はコンパレータ６の出力パルスが印加さ
れる入力端子、６２はバイモルフ型圧電素子６１
の基部を絶縁状態で保持する絶縁シール材であ
る。

このように構成された切換弁９において、コン
パレータ６の出力パルスが“Ｈ”のときにはバイ
モルフ型圧電素子６１の可動端６１Ａは図に示す
ようにノズル４７を閉塞するように変位する。し
たがつて、ノズル５０は開放され密閉室４３に供
給空気圧Psが供給される。逆に、コンパレータ
６の出力パルスが“Ｌ”のときには可動端６１Ａ
はノズル５０を閉塞するように変位し、ノズル４
７が開放される。したがつて、供給空気圧Psが
遮断されると同時に密閉室４３は大気と連通状態
となる。この動作から、この切換弁９の出力空気
圧Poは第４図に示す切換弁と入出力関係が同じ
となることが判る。

〔発明の効果〕 以上説明したように本発明の電気−空気圧変換
器によれば、切換弁において供給空気圧Psが導
かれる導圧用ノズルと大気と連通する流体通路と
を板状圧電素子と大気制御手段とによりそれぞれ
開閉制御させることにより出力空気圧Poを変化
させるので、ノズル背圧による電気−空気圧変換
方式に比べて電気−空気圧ゲインを大幅に大きく
することができる。

また、本発明では板状圧電素子を極性の異なる
両側電圧すなわち正・負に振れるパルス幅変調信
号によつて駆動するので、板状圧電素子における
ドリフトの影響が極めて小さく、ドリフトを補償
するための高電圧電源が不要である。さらに、圧
電素子を両側電圧のパルス幅変調信号によつて駆
動しているということは、当該圧電素子の分極劣
化を抑止できるという効果ももたらし、装置の長
寿命化に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、
第２図は第１図における入力回路１の一例を示す
回路図、第３図は第１図におけるレフアレンス波
形発生回路７の一例を示す回路図、第４図は第１
図の切換弁９を示す断面図、第５図は第１図の実
施例の動作を示す信号波形図、第６図は第１図の
切換弁９の別の例を示す断面図である。 １…入力回路、４…作動増幅器、６…コンパレ
ータ、７…レフアレンス波形発生回路、８…パル
ス幅変調手段、９…切換弁、１０…パイロツトリ
レー、１１…出力口、１２…圧力センサ、４４，
４５…バイモルフ型圧電素子、４７，５０…導圧
用ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 密閉室内に片持ち支持され電圧印加により先
   端部が揺動する板状圧電素子、この板状圧電素子
   の揺動変位により第１の電圧が印加されたとき開
   となり第１の電圧とは極性の異なる第２の電圧が
   印加されたとき閉となる導圧用ノズル、前記密閉
   室と大気とを連通する流体通路に設けられ前記第
   １の電圧が印加されたとき閉となり前記第２の電
   圧が印加されたとき開となる大気制御手段、およ
   び前記密閉室内から外部に導出される出力用通孔
   を有し、前記第１の電圧印加により前記導圧用ノ
   ズルから前記密閉室内に供給空気圧を加え、前記
   第２の電圧印加により前記密閉室内を大気圧にす
   る切換弁と、 前記出力用通孔からの空気圧信号を標準空気圧
   信号に変換するパイロツトリレーと、 このパイロツトリレーの出力圧を電気信号に変
   換する圧力センサと、 この圧力センサからの電気信号と外部入力信号
   との偏差に対応し前記第１と第２の電圧を有する
   パルス幅変調信号を前記切換弁に与えるパルス幅
   変調手段と を具備したことを特徴とする電気−空気圧変換
   器。