JPH05106601A - 電気信号−空気圧変換ユニツト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電歪素子とノンブリード型パイロット弁とを効
果的に組み合わせることにより、耐振動性と耐衝撃性を
向上させ、且つ小型、軽量化が容易に図れるとともに精
度の高い電気信号−空気圧変換ユニットを提供すること
を目的とする。 【構成】電気信号−空気圧変換ユニット本体１０は、電
圧の印加によって電歪素子から構成されるフラッパ２２
をノズル１８の吐出口に接近せしめ、ノズル１８の背圧
を増大させる。このため、ダイヤフラム３０、３２と一
体に形成された排気弁３４が下降し、これに連動して内
弁３６が下降し、供給ポート３８と出力ポート５２を連
通させる。その際、バイパス通路７６によって供給ポー
ト３８と出力ポート５２が連通しているため、パイロッ
ト弁部１４を構成する内弁３６が、常時、若干開成状態
となっており、ノズル１８の背圧の変化に感度良く反応
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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、一層詳細にはその変換要素としてのノズルフラッパ
を電歪素子で構成した電気信号−空気圧変換ユニットに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気信号を空気圧に変換する装置
としてはトルクモータが広汎に採用されてきた。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、この電流値に対応する回転力を変位に
変えることにより、ノズルフラッパ、パイロット弁等を
介して空気圧に変換している。この場合、トルクモータ
には通常４ｍＡ乃至２０ｍＡの直流電流が使われてい
る。

【０００３】このようなトルクモータを使って電気−空
気式変換器等の制御機器を構成する場合、トルクモータ
によって発生する力が少しでも大きいほうが機械的振動
等の影響に対しても強くなり、また性能的にも安定した
製品が得られる。

【０００４】ところが、最近、制御機器の小型、軽量化
が要求されるようになってきたため、前記トルクモータ
をいかに小型に製作するかが重要な課題になっている。
つまり、トルクモータを小型化すればするほど一般的に
電流値に対応して発生する力も小さくなるため、前述し
た機械振動等に対して弱くなり、制御機器の使用条件如
何によっては、トルクモータを使用すること自体、技術
的に不可能となる。一方、近年に至り耐振動性、耐衝撃
性を向上して小型、軽量化を図るという課題の下に、従
来とは全く別の角度から電気信号を空気圧に変換する要
素として電歪素子が採用されるに至った。電歪素子には
様々な形状、材質のものがあるが、一般的なものとし
て、薄い板状で矩形型をしており一端を支点として固定
し、他端を自由端として使用するバイモルフ型が良く知
られている。このバイモルフ型の電歪素子は、一端を固
定した状態で電極に電圧を加えると自由端がわずかに変
位する。従って、電歪素子そのものでノズルフラッパを
構成するようにすれば、電圧の変化を容易にノズル背圧
に変換することができる。つまり、従来使用しているト
ルクモータを電歪素子に置き換えることが可能になる。
そして、前記電歪素子の大きさとして、例えば１０ｍｍ
×２０ｍｍで厚さ０．６ｍｍ程度のものを選択すれば、
その質量は前記トルクモータに比べるとほとんど無視で
きるほど小さいため耐振動性、耐衝撃性が著しく向上す
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように電歪素子を
用いることにより耐振動性、耐衝撃性は著しく向上する
が、パイロット弁と組み合わせて電気信号−空気圧変換
器として製品化するにはまだ問題が残されている。

【０００６】すなわち、一般的に電歪素子は電圧の変化
に対応する変位がわずかなものであり、比較的大きな変
位を得ようとすれば、印加する電圧変化を大きくしなけ
ればならず電気回路の簡素化の見地から好ましくない。
また、変位が大きければ性能面並びに素子の寿命の点か
らも好ましくなく実用性のないものになってしまう。従
って、電歪素子の変位量が小さくても大きな出力圧の変
化が得られるようにパイロット弁側においても若干の改
良を施す必要がある。

【０００７】本発明は、このような実情に鑑みて提案さ
れたもので、電歪素子と、高圧で使用しても空気消費量
が少ないノンブリード型パイロット弁とを効果的に組み
合わせることにより、耐振動性と耐衝撃性を向上させ、
且つ小型、軽量化が容易に図れるとともに精度の高い電
気信号−空気圧変換ユニットを提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、ノズル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、前記ノズルフ
ラッパを電気信号の変化に対応して変位する電歪素子で
形成する一方、上部と下部の二つのダイヤフラムで供給
圧力室を画成し、上部ダイヤフラムの上側にノズル背圧
室を画成し、下部ダイヤフラムの下側に大気圧室を画成
するとともに、前記パイロット弁部にバイパス通路を設
け、前記バイパス通路は供給ポートと出力ポートとを連
通するように、あるいは、前記バイパス通路は出力ポー
トと大気圧室に連通する排気ポートとを連通することを
特徴とする。

【０００９】

【作用】電歪素子に電圧を印加するとノズル背圧が変化
する。このノズル背圧の変化はパイロット弁を変位さ
せ、流体が供給ポートから出力ポートへ流れる。下部ダ
イヤフラムは大気圧側に接しているために、出力圧は下
部ダイヤフラムに伝達されず、ノズル背圧と出力圧の圧
力ゲインが極めて大きくとれる。また、供給ポートと出
力ポートを連通させ、あるいは出力ポートと排気ポート
を連通させるバイパス通路を設けたため、パイロット弁
部が常時、供給ポートまたは出力ポートに対して若干開
成している状態となり、ノズル背圧の変化に対して弁体
が感度良く反応する。

【００１０】

【実施例】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。

【００１１】図１において、参照符号１０は電気信号−
空気圧変換ユニット本体を示し、この変換ユニット本体
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とから
構成される。

【００１２】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に通じる所定口径の
ノズル１８と、このノズル１８の前方にノズルフラッパ
機構１２の自由端部において所定の間隔を有して配設さ
れるとともに基端部が変換ユニット本体１０にねじ止め
される板状のフラッパ２２とからなる。前記フラッパ２
２は、図２に示すように、その上面と下面の表面に電極
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
からなるいわゆる電歪素子で形成され、夫々に結線され
たリード線２８、２８を介して所定の電圧が印加される
ようになっている。

【００１３】一方、前記パイロット弁部１４は上下方向
に連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。なお、前記内弁３６は給気弁部５５
と排気弁部５６とを有し且つこの内弁３６は排気弁３４
と軸方向に分離形成されている。

【００１４】次に、前記上部ダイヤフラム３０の上側に
画成されたノズル背圧室１６には、供給ポート３８に通
じる通路４０、４２を介して供給圧力（加圧空気) が導
入される。なお、この際、前記下流側の通路４０には前
記加圧空気の流量を規制する固定オリフィス４４が介設
される。

【００１５】また、前記上部ダイヤフラム３０とこの上
部ダイヤフラム３０より有効面積が若干小さい下部ダイ
ヤフラム３２とで画成された供給圧力室４６には、前記
上流側の通路４２を介して供給ポート３８からの供給圧
力が直接導入される。

【００１６】さらに、下部ダイヤフラム３２の下側には
大気圧室４８が画成され、通路（排気ポート）５０を介
して大気が直接導入される。

【００１７】そして、前記内弁３６は前述した三つの圧
力がバランスした状態の時には供給ポート３８と出力ポ
ート５２とを結ぶ給気口５４を閉じるように配置され
る。しかも、その際、前記内弁３６と一体的に形成され
た排気弁部５６は前記排気弁３４に形成された排気口６
０と係合し、この排気口６０から大気圧室４８に至る排
気通路５８を閉塞する。従って、このパイロット弁部１
４は平衡時には排気が行われないノンブリード型で構成
されることが諒解されよう。

【００１８】さらに、前記排気弁３４が摺動する通路６
２にはＯリング６４が介設され、前述した大気圧室４８
と相俟って出力ポート５２内の出力圧が空気圧の状態で
下部ダイヤフラム３２にフィードバックされない構成と
なっている。

【００１９】一方、前記出力圧は、図３のように圧力を
電気信号に変換する圧力センサ６６を介して入力側に電
気的にフィードバックされる。

【００２０】つまり、パイロット弁部１４からの出力圧
が圧力センサ６６により電気信号として検出された後、
適宜増幅回路６８を介してコントローラ７０にフィード
バックされる。そしてコントローラ７０では前記信号と
電気信号−空気圧変換ユニット本体１０への入力信号と
を比較し、その偏差分が逐次増幅回路７２で増幅される
とともに適宜電圧に変換された後、前記フラッパ２２に
印加される。

【００２１】なお、図１中、参照符号７４は内弁３６を
常時閉成方向に付勢するスプリングを示す。

【００２２】また、変換ユニット本体１０のハウジング
に給気口５４を迂回するようにして通路径の非常に小さ
いバイパス通路７６を形成し、供給ポート３８の加圧空
気を常時微量に出力ポート５２側へ供給している。

【００２３】次に、このように構成された本実施例の作
用を説明する。

【００２４】今、図１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。

【００２５】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。

【００２６】この結果、前記系の平衡状態がくずれ、上
部と下部のダイヤフラム３０、３２の下降に伴って、こ
れと一体の排気弁３４および該排気弁３４に連動する内
弁３６が同じく下降することとなり、給気口５４が開か
れて供給ポート３８からの供給圧力の一部が出力圧とな
って出力ポート５２に供給される。この出力圧が負荷側
に供給されて所期の機能を奏するのである。

【００２７】この際、本実施例では前述したように、排
気弁３４が摺動する通路６２はＯリング６４により気密
的にシールされるとともに下部ダイヤフラム３２の下側
が常時大気に解放されて、前記出力圧が空気圧の状態で
下部ダイヤフラム３２にフィードバックされないように
なっているため、ノズル背圧対出力圧の圧力ゲインは非
常に大きくなっており、ノズル背圧がわずかに変化した
だけで出力圧は大幅に変化する。

【００２８】なお、前記のままでは内弁３６が下方に動
き給気口５４は開いたままになるが、実際には前述した
ように圧力センサ６６（図３参照）により出力圧が電気
信号として入力側にフィードバックされる。従って、入
力信号に見合った出力圧になるとノズル背圧は元に戻
り、これにより内弁３６も元の状態に復帰して給気口５
４および排気口６０を共に閉じて新しい平衡状態が得ら
れる。

【００２９】本実施例によれば、電気信号−空気圧変換
ユニット本体１０にバイパス通路７６を設けているた
め、系の平衡状態においても、出力圧が逐次上昇するこ
とから余剰圧力を逃がすように内弁３６の排気弁部５６
および給気弁部５５が若干開いた状態、換言すれば、浮
いた状態で保持されるため、ノズル背圧の少しの変化に
対しても感応することになり、弁精度が一段と高まる。
つまり、前記バイパス通路７６がない場合には、給気弁
部５５が閉成時においてゴム等のライニング部材を有し
た給気口５４のシート部に強く密着する（くいこむ) 等
して感度が低下することになるのであるが、本実施例で
はそれが回避される。

【００３０】図４は、図１と同様の目的でバイパス通路
７８を内弁３６の内部に形成した例である。

【００３１】図５は図４と同じくバイパス通路８０を内
弁３６の内部に形成するが、給気口５４の代わりに排気
口６０を迂回するように形成した例である。この場合、
図１および図４とは逆に、平衡状態において逐次圧力低
下する出力圧を補償するように内弁３６等を若干開いて
供給圧力を出力側に導入する。また、前記バイパス通路
８０は出力ポート５２と排気ポート５０とを連通するよ
うにハウジングに形成してもよい。

【００３２】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とが変換ユニット
本体１０に一体的に組み込まれているが、ノズルフラッ
パ機構１２とパイロット弁部１４を分離して構成するこ
ともできることは言うまでもない。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ノズルフラッパを電歪素子で形成するようにしたので、
耐振動性、耐衝撃性を向上させて変換ユニットの小型、
軽量化が容易に図れる。

【００３４】また、前記変換ユニットに供給ポートと出
力ポートを連通するバイパス通路、あるいは、出力ポー
トと排気ポートを連通するバイパス通路を設けたため、
系の平衡状態においても内弁が若干開成した状態とな
り、ノズルの背圧の変化に一層精度よく反応する。さら
に、パイロット弁部において出力圧を空気圧の状態でダ
イヤフラムにフィードバックをかけないようにしたの
で、電歪素子のわずかな変位量でも大きな出力圧の変化
を得ることができ、消費電力の節約が図れるとともに電
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できる。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。

【００３５】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。

【００３６】以上、本発明にお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、変換ユニットをパイロットリレーとして使用しコ
ントロールバルブの変位量を制御する電気−空気圧式ポ
ジショナーとして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】

【図１】本発明に係る電気信号−空気圧変換ユニットの
第１実施例の断面図である。

【図２】本発明に係る電気信号−空気圧変換ユニットの
第１実施例の要部正面図である。

【図３】本発明に係る電気信号−空気圧変換ユニットの
第１実施例のフィードバック制御のブロック回路図であ
る。

【図４】本発明に係る電気信号−空気圧変換ユニットの
第２実施例の断面図である。

【図５】本発明に係る電気信号−空気圧変換ユニットの
第３実施例の断面図である。

【符号の説明】

１０…電気信号−空気圧変換ユニット本体 １２…ノズルフラッパ機構 １４…パイロット弁部 １６…ノズル背圧室 １８…ノズル ２２…フラッパ ３０…上部ダイヤフラム ３２…下部ダイヤフラム ３４…排気弁 ３６…内弁 ３８…供給ポート ４６…供給圧力室 ４８…大気圧室 ５２…出力ポート ７６、７８、８０…バイパス通路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ノズル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、 前記ノズルフラッパを電気信号の変化に対応して変位す
   る電歪素子で形成する一方、上部と下部の二つのダイヤ
   フラムで供給圧力室を画成し、上部ダイヤフラムの上側
   にノズル背圧室を画成し、下部ダイヤフラムの下側に大
   気圧室を画成するとともに、前記パイロット弁部にバイ
   パス通路を設け、前記バイパス通路は供給ポートと出力
   ポートとを連通することを特徴とする電気信号−空気圧
   変換ユニット。
2. 【請求項２】ノズル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、 前記ノズルフラッパを電気信号の変化に対応して変位す
   る電歪素子で形成する一方、上部と下部の二つのダイヤ
   フラムで供給圧力室を画成し、上部ダイヤフラムの上側
   にノズル背圧室を画成し、下部ダイヤフラムの下側に大
   気圧室を画成するとともに、前記パイロット弁部にバイ
   パス通路を設け、前記バイパス通路は出力ポートと大気
   圧室に連通する排気ポートとを連通することを特徴とす
   る電気信号−空気圧変換ユニット。
3. 【請求項３】請求項１または２記載の電気信号−空気圧
   変換ユニットにおいて、 前記バイパス通路はパイロット弁部のハウジングに形成
   されることを特徴とする電気信号−空気圧変換ユニッ
   ト。
4. 【請求項４】請求項１または２記載の電気信号−空気圧
   変換ユニットにおいて、前記バイパス通路はパイロット
   弁部を構成する内弁の内部に形成されることを特徴とす
   る電気信号−空気圧変換ユニット。