JPH0712101A - 電空変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広範囲のフラッパ変位において、ノズル背圧
変化の線形性が良好で、かつ、フラッパの変位に対して
ゲインの高い電空変換器を提供する。 【構成】 二次圧が高くなりすぎるとフラッパ２６２が
ノズル２４２から離れる方向に移動するので、ノズル背
圧室２８４のノズル背圧が下げられる。すると、絞り２
４１を通過する空気の流速が上り、該空気流速が一定以
上になるとジェットポンプ作用により、ノズル背圧室２
８４の圧力が低下する。すると、ダイアフラム２３４が
引き上げられ、バネ２１５により制御弁２１１は上方に
付勢されて排気弁が閉じ、平衡状態に向かう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体圧力を電気信号に
よって制御する電空変換器に係り、特にノズルフラッパ
機構を用いて制御弁を駆動し、出力側の気体圧力を制御
する電空変換器の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般空気圧計装やプロセス制御に
おける気体圧力を調整する電空変換器（電気信号−気体
圧変換器）として、いくつかの提案がされている。

【０００３】この種の電空変換器としては、ノズルフラ
ッパ機構に圧電素子（圧電バイモルフ）を利用したタイ
プのものがあり、ここに、ノズルフラッパ機構とは、ノ
ズルとフラッパとが対向配置され、該フラッパのノズル
に対する間隔量に応じてノズル背圧が変化する機構をい
う。

【０００４】そして、ノズルフラッパ機構を用いた電空
変換器としては、図５に示すものがある。図５に示すよ
うに、電空変換器１００は、内部上方に設けられたノズ
ルフラッパ機構部Ｎと、内部下方に設けられた制御弁部
Ｂとを備えている。

【０００５】前記ノズルフラッパ機構部Ｎは、ノズル背
圧室１８４に連通された所定口径のノズル１４２と、該
ノズル１４２に対向配置され基端部が電空変換器１００
本体に固定された板状の圧電バイモルフからなるフラッ
パ１６２とを備え、該フラッパ１６２には電圧を印加す
る駆動回路１６３が接続されている。

【０００６】前記制御弁部Ｂは、上下方向に並設された
２枚のダイアフラム１３４，１３５と、これらダイアフ
ラム１３４，１３５に連動される排気弁１３３が含まれ
る。前記ダイアフラム１３５と１３４との間隔はセンタ
ディスク１３２により一定に保持され、該センタディス
ク１３２の下面には円筒体１３３ａが形成されている。
そして、前記円筒体１３３ａの下端面が、略円柱状の制
御弁１１１の上端面に設けられたパッキン１１３に着座
可能に構成されている。前記センタディスク１３２，排
気弁１３３等はバネ１２３により上方に付勢されてい
る。前記制御弁１１１は、電空変換器１００本体に形成
された丸孔部１００ｂに摺動可能に配設され、該制御弁
１１１の下方にはフランジ１１１ａが形成されている。
該フランジ１１１ａの上面にはパッキン１１２が配設さ
れ、前記丸孔部１００ｂを形成する周壁の下端面１００
ａが前記パッキン１１２に当接されている。前記フラン
ジ１１１ａの下面と下蓋１１４との間にはバネ１１５が
介装され、該バネ１１５により制御弁１１１は上方に付
勢されている。なお、符号１１６はリングであり、符号
１１８，１２１はＯリングであり、符号１１７はパッキ
ンであり、符号１３０は中子である。

【０００７】また、前記２枚のダイアフラム１３５と１
３４との間には中間室（フィードバック室）１８３が形
成され、該中間室１８３は図示しない通路により二次圧
ポート１８１又は一次圧ポート１８０に連通されてい
る。前記ダイアフラム１３４の下面側には経路１８２ａ
により大気に連結されている大気圧室１８２が形成され
ている。

【０００８】また、図中下方には、気体の「供給口」で
ある一次圧ポート１８０と気体の「出力口」である前記
二次圧ポート１８１とが、開口１９０で連通され、この
開口１９０が前記制御弁１１１により開閉される。一次
圧ポート１８０は、通路１８０ａ，絞り１４１，ノズル
背圧室１８４を経由して前記ノズル１４２に連通されて
いる。

【０００９】また、二次圧ポート１８１は、通路１８１
ａを介して圧力センサ１５０に連通され、該圧力センサ
１５０は前記駆動回路１６３に接続されている。次に、
前記電空変換器１００の動作を、平衡状態の場合の動
作と、非平衡状態の動作とに分けて説明する。平衡状態の場合の動作 図５は、電空変換器１００の系が平衡状態に保たれてい
る場合を示し、ノズル背圧による力が、中間室１８３の
内圧による力、バネ１２３，１１５による力、制御弁１
１１にかかる一次圧，二次圧による力と平衡している。非平衡状態の場合の動作 (i) 二次圧が設定値に対して低すぎる場合の動作 二次圧ポート１８１の圧力は通路１８１ａを介して圧力
センサ１５０により検出され、この圧力検出により駆動
回路１６３からフラッパ１６２を下方へ下げる信号が出
力され、フラッパ１６２がノズル１４２の噴出口に近付
く。すると、ノズル背圧室１８４の圧力が上昇され、排
気弁１３３は下方に押し下げられる。この排気弁１３３
の下降により制御弁１１１が下降され、丸孔部１００ｂ
を形成する周壁の下端面１００ａとパッキン１１２との
間に隙間が形成される。この隙間を介して一次圧が二次
圧側に供給され、二次圧が高くなり、平衡状態へと向か
う。 (ii)二次圧が設定値に対して高すぎる場合の動作 二次圧ポート１８１の圧力は通路１８１ａを介して圧力
センサ１５０により検出され、この圧力検出により駆動
回路１６３からフラッパ１６２を上方へ上げる信号が出
力され、フラッパ１６２がノズル１４２の噴出口から離
れる。すると、ノズル背圧室１８４の圧力が下降され、
排気弁１３３は上昇される。この排気弁１３３の上昇に
より円筒体１３３ａの下端面とパッキン１１３との間に
隙間が形成される。この隙間を介して二次圧が、［前記
隙間→円筒体１３３ａの内部→大気圧室１８２→経路１
８２ａ→大気］の経路で外部に開放され、二次圧が低く
なり、平衡状態へと向かう。

【００１０】なお、中間室１８３が一次圧ポート１８０
に連通している場合には、二次圧の変化に対応してセン
タディスク１３２を上方へ持ち上げようとする力は変化
しないが、中間室１８３が二次圧ポート１８１に連通し
ている場合には二次圧の変化がセンタディスク１３２を
持ち上げようとする力を変化せしめ、二次圧の変化がセ
ンタディスク１３２の上昇力を機械的にフィードバック
制御することになり、これに対して圧力センサ１５０
は、ノズル背圧室１８４の圧力を電気的にフィードバッ
ク制御することとなる。

【００１１】ここで、前記従来のノズルフラッパ機構部
を模式的に示した場合を図６に示す。図６において、符
号５０１はフラッパであり（図５のフラッパ１６２に相
当する）、符号５０２はノズルであり、符号５０３はノ
ズル背圧室であり、符号Ｐ_{su p} は常時一定圧力で供給さ
れる気体であり、符号Ｐout はノズル背圧室５０３の内
圧出力である。図７に、前記図６に示すノズルフラッパ
機構部の「フラッパの変位とノズル背圧の関係」を示
す。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７か
ら明らかなように、前記ノズルフラッパ機構部におい
て、Ｙ軸方向に示すノズル背圧が低い領域では、フラッ
パ変位に対してノズル背圧変化が小さい。そのため、大
きなノズル背圧の変化を得るためには大きなフラッパ変
位が必要になり、大きなフラッパ変位のためにはフラッ
パ駆動用の大きな電気回路が必要となってしまい、アク
チュエータ，電気回路の小形化，簡素化の面から好まし
くない。

【００１３】また、従来は２枚のダイヤフラムにより中
間室１８３を形成し、この中間室１８３の圧力をセンタ
ディスク１３２を上下動させるための力として利用して
いた。そのため、構造が複雑になり、重量も大きく、高
価となっていた。

【００１４】更に、図７において、一定のフラッパ変位
Ｅに対してノズル背圧が比例して変化する領域（符号Ｃ
の部分）が狭い。そこで、本発明は上記課題を解決する
ためになされたものであり、アクチュエータ，電気回路
の簡素化，小形化、シンプルな構造で安価な電空変換器
を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、ノズルと、該ノズルに近接対向して配設さ
れたフラッパと、前記ノズルの背圧を受ける背圧室と、
前記フラッパの変位に伴う前記背圧室のノズル背圧の変
化を受けて応動するダイヤフラムと、該ダイヤフラムと
連動して気体供給口と気体出力口とを結ぶ給気口の開閉
を行う制御弁とを備えた電空変換器において、前記背圧
室側に絞りを前記ノズルと同軸上に配設し、圧力気体を
前記絞りを通してノズル内に供給するように構成した。

【００１６】

【作用】ノズルとフラッパとの間隔が大きくなると、前
記ノズルからの空気噴出量が増加する。やがて、前記空
気噴出により空気の流速が一定値以上になると、前記ノ
ズルと絞りの近傍でジェットポンプ作用が開始され、図
３に示すように、それまで「正圧」であったノズル背圧
室が「負圧」となる。この負圧にされることにより、ノ
ズル背圧の出力範囲（ノズル背圧出力範囲）が広げら
れ、符号４０１で示す範囲でフラッパ変位とノズル背圧
変化が比例に近い領域が広がる。即ち、符号４０１で示
すフラッパ変位に対して従来は符号４０２のノズル背圧
変化であったが、本発明によれば符号４０３で示すよう
に、比例に近い領域（直線に近い領域）が広がる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。図１に本発明の電空変換器の実施例の全体構成の
側断面図を示し、図２に本発明の要旨に係るノズルフラ
ッパ機構部３００の原理図を示す。(1) ノズルフラッパ機構部 先ず、図２に基づいて前記ノズルフラッパ機構部３００
を説明する。

【００１８】図２に示すように、背圧室３０５の上面中
央には底部に斜面部３０２ａを有するノズル３０２が配
設され、該ノズル３０２の先端に対向して基端部が支持
されたフラッパ３０１が配設されている。前記ノズル３
０２の下方同軸上に先端の尖った気体供給用の絞り３０
３が配設されている。そして、前記絞り３０３の下方に
は供給口３０６が形成され、該供給口３０６からは常時
一定圧力の気体Ｐ_supが供給され、前記背圧室３０５の
側面に設けられた出力口３０７からは背圧室３０５の内
圧変化が出力されている。

【００１９】そして、かかる構成のノズルフラッパ機構
部３００において、フラッパ３０１に対して駆動手段
（図示せず）により変位が与えられ、ノズル３０２との
「間隔が狭められる」と背圧室３０５の内圧が上昇す
る。このように「ノズル背圧が高い場合」には、図３に
符号Ｅ₁ の範囲においては、従来例ｃ曲線および本発明
ｄ曲線で、僅かのフラッパ変位に対して大きなノズル背
圧の変化が得られる。

【００２０】逆に、ノズル３０２とフラッパ３０１との
「間隔が広がる」と、背圧室３０５の内圧が下降する。
更に、該間隔が広がるようにフラッパ３０１が変位され
ると、ノズル３０２より流出する気体流量が増え、その
結果空間３０４近傍の流速が上り該流速が「一定速度以
上」に達したとき、絞り３０３からノズル３０２に向か
う気体の流れは、周囲の気体を引き込んで、所謂ジェッ
トポンプとしての動作を開始する。このジェットポンプ
作用の結果、背圧室３０５のノズル背圧を更に下げ、負
圧になるため（図３の符号Ｅ₂ 参照）、背圧出力範囲が
広くなる。

【００２１】即ち、図３に示すように、曲線ｃで示す従
来の特性と、曲線ｄで示す本発明による特性を比較する
と、フラッパ３０１に与えられる一定量の入力変位（符
号４０１で示す）に対して、従来は符号４０２で示すノ
ズル背圧出力範囲を示すのに対して、本発明では符号４
０３で示すノズル背圧出力範囲を示す。つまり、本発明
によれば、一定量の入力変位（符号４０１で示す）に対
して従来のノズルフラッパ機構より大きな背圧変化を出
力することができ、かつ、フラッパ変位に対するノズル
背圧変化の直線性を改善することができる。また、ノズ
ル背圧の変化を負圧領域まで拡大できたので、ノズル背
圧を全体として低く抑えることができる。(2) 電空変換器の全体構成 次に、図１に基づいて前記原理に基づくノズルフラッパ
機構部を使用した電空変換器２００を説明する。

【００２２】図１に示すように、電空変換器２００は、
全体としては四角柱状をなし、下方に金属製の本体２１
０が配設され、中間部に金属製の上ブロック２４０が配
設され、該上ブロック２４０の上部には合成樹脂からな
るケース２７０が密封用のパッキン２７１を介して配設
されている。ケース２７０内と経路２８２ａは、図示し
ない経路でつながっており、ノズル２４２から排出され
る気体はケース２７０内に留まることなく、経路２８２
ａより大気へ開放される。そして、前記上ブロック２４
０の上面側にノズルフラッパ機構部Ｎ₀ が配設され、前
記上ブロック２４０の下面側および前記本体２１０内に
制御弁部Ｂ₀ が配設されている。

【００２３】前記ノズルフラッパ機構部Ｎ₀ は、ノズル
背圧室２８４に連通された所定口径のノズル２４２と、
該ノズル２４２に対向配置され基端部が前記上ブロック
２４０に支持台２６０と押え２６１とにより固定された
板状の圧電バイモルフ２６２とを備え、圧電バイモルフ
よりなるフラッパ２６２には電圧を印加する駆動回路２
６３が接続されている。なお、符号２４４は密封用のＯ
リングであり、符号２４３はノズル２４２およびＯリン
グ２４４を押える押えである。

【００２４】前記制御弁部Ｂ0 は、１枚のダイアフラム
２３４と、該ダイアフラム２３４を支持しているセンタ
ディスク２３３を含み、該センタディスク２３３の下面
は円筒状の制御弁２１１の上端面に当接され、この部分
が二次圧を大気に開放する排気弁をなしている。前記制
御弁２１１は、その側面に連通孔２１１ｃを有し、弁本
体２１０に形成された丸孔部２１０ｂに摺動可能に配設
され、該制御弁２１１の中央部やや下方にはフランジｆ
ｌが形成され、このフランジｆｌの上面２１１ａが弁面
を形成している。該弁面２１１ａは、前記丸孔部２１０
ｂの下端面に形成された弁座２１０ｃに当接されるよう
になっている。前記本体２１０の底部中央には丸穴状の
圧力室２２０を有する下蓋２１４が、リング２１６によ
り支持されている。また、前記制御弁２１１の下部には
バネ収納筒２１１ｄが形成され、この中にバネ２１５が
介装される。該バネ収納筒２１１ｄと下蓋２１４との間
に介装された前記バネ２１５により制御弁２１１は上方
に付勢されている。前記制御弁２１１のバネ収納筒２１
１ｄは、前記圧力室２２０にＯリング２１８を介して摺
動可能に挿入されている。なお、符号２１７は密封用の
パッキンであり、符号２２１は密封用のＯリングであ
る。

【００２５】また、前記ダイアフラム２３４の下面側に
は大気室２８２が形成され、該大気室２８２は通路２８
２ａにより大気に連結されている。また、図中下方に
は、気体の「供給口」である一次圧ポート２８０と気体
の「出力口」である前記二次圧ポート２８１とが、開口
２９０の開閉を行う前記制御弁２１１により仕切られて
いる。一次圧ポート２８０は、通路２８０ａ，絞り２４
１，ノズル背圧室２８４を経由して前記ノズル２４２に
連通されている。

【００２６】また、二次圧ポート２８１は、通路２８１
ａを介して圧力センサ２５０に連通され、該圧力センサ
２５０は前記駆動回路２６３に接続されている。なお、
符号２５１は密封用のＯリングであり、符号２５２はワ
ッシャであり、符号２５３は前記ワッシャ２５２を介し
て圧力センサ２５０を支持するピンである。

【００２７】次に、前記電空変換器２００の動作を、
平衡状態の場合の動作と、非平衡状態の場合の動作と
に分けて説明する。平衡状態の場合の動作 図１は、電空変換器２００の系が平衡状態に保たれてい
る場合を示し、この場合は、次式（１）の力バランスが
成立している。なお、図４に前記次式（１）の成立に関
する要部拡大図を示す。

【００２８】ノズル背圧による力Ｆ₁＝［連通孔２１１
ｃを介してセンタディスク２３３の下面（パッキン２３
３ａ）に加わる二次圧による力Ｆ₂ ］＋［バネ２１５に
よる上方への付勢力Ｆ₃ ］＋［連通孔２１１ｃを介して
制御弁２１１の円筒体２１１ｅの肉厚の横向断面積に加
わる二次圧による力Ｆ₄ ］・・・・・・・・・（１）非平衡状態の場合の動作 (i) 二次圧が設定値に対して低すぎる場合の動作 二次圧ポート２８１の圧力は通路２８１ａを介して圧力
センサ２５０により検出され、この圧力検出により駆動
回路２６３からフラッパ２６２を下方へ下げる信号が出
力され、フラッパ２６２がノズル２４２の噴出口に近付
く。すると、ノズル背圧室２８４の圧力が上昇し、排気
弁が閉じた状態でセンタディスク２３３は下方に押し下
げられる。このセンタディスク２３３の下降により制御
弁２１１が下降され、弁座２１０ｃと該弁座２１０ｃに
対応した弁面２１１ａとの間に隙間が形成され、制御弁
２１１が開く。この隙間を介して一次圧が二次圧側に供
給され、二次圧が高くなり、平衡状態（前記（１）式の
状態）に向かっていく。(ii)二次圧が設定値に対して高すぎる場合の動作 (a) ノズル背圧が正圧の場合（図３におけるＹ軸方向の
０から上の部分） 二次圧ポート２８１の圧力は通路２８１ａを介して圧力
センサ２５０により検出され、この圧力検出により駆動
回路２６３からフラッパ２６２を上方へ上げる信号が出
力され、フラッパ２６２がノズル２４２の噴出口から離
れる。すると、ノズル背圧室２８４の圧力が下降する。

【００２９】このとき、高い二次圧は制御弁２１１の円
筒体２１１ｅを介してセンタディスク２３３のパッキン
２３３ａに作用し、該センタディスク２３３を上方に僅
かに押し上げ、しかもバネ２１５により制御弁２１１は
上方に付勢されて弁座２１０ｃと弁面２１１ａとが当接
して制御弁２１１の上方移動が制約されるので、前記円
筒体２１１ｅの上端面とパッキン２３３ａとの間に僅か
に隙間が形成され、排気弁が開く。この隙間を介して二
次圧が、［円筒体２１１ｅの内部→前記隙間→大気室２
８２→経路２８２ａ→大気］の経路で外部に開放され、
二次圧が低くなり、平衡状態（前記（１）式の状態）に
向かっていく。

【００３０】(b) ノズル背圧が負圧の場合（図３におけ
るＹ軸方向の０から下の部分） 前記(a) の状態より更にフラッパ２６２がノズル２４２
の噴出口から離れた場合には、絞り２４１を通過する空
気の流速が上り、流速が一定以上になったとき、絞り２
４１とノズル２４２間でジェットポンプの作用がなされ
る。その結果、周囲の空気を引き込み、ノズル背圧室２
８２の内圧が素早く降下され、このノズル背圧降下によ
りダイアフラム２３４，センタディスク２３３が引き上
げられ、前記円筒体２１１ｅの上端面とパッキン２３３
ａとの間に前記隙間より大きい隙間が形成され、排気弁
が開く。この大きい隙間を介して二次圧が、［円筒体２
１１ｅの内部→前記大きい隙間→大気室２８２→経路２
８２ａ→大気］の経路で外部に一気に開放され、二次圧
が一気に低くなり、平衡状態（前記（１）式の状態）に
向かっていく。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、ノズルとノズル背圧室
内部に気体を供給する絞りとを同軸上に配置し、空気の
流速が一定速度以上になった場合にはジェットポンプ作
用をなすようにしたので、大きなノズル背圧変化を出力
すると共に、一定のフラッパ変位の範囲において、ノズ
ル背圧変化が大きく、且つ、フラッパ変位とノズル背圧
が比例関係を示す。これにより、小さなフラッパ変位に
より大きなノズル背圧変化が得られる。

【００３２】また、フラッパ変位が小さくて済むので、
アクチュエータ，電気回路の小形化，簡素化が可能とな
った。更に、ノズル背圧室を、正圧，負圧にコントロー
ル可能なため、一枚のダイアフラムで上下双方向に制御
が可能となり、シンプルな構造で軽量，安価な電空変換
器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の電空変換器の側断面図であ
る。

【図２】本発明の要部の原理説明図である。

【図３】本発明および従来例におけるフラッパの変位と
ノズル背圧の関係の差を説明する図である。

【図４】前記実施例における制御弁に一次圧による力と
二次圧による力が作用する場合を説明する図である。

【図５】従来の電空変換器の側断面図である。

【図６】従来の電空変換器の要部の原理説明図である。

【図７】従来の電空変換器におけるフラッパの変位とノ
ズル背圧の関係を説明する図である。

【符号の説明】

Ｆ₁ 〜Ｆ₄ …センタディスクおよび制御弁に作用する力 ２００…電空変換器 ２１０…本体 ２１０ｂ…丸孔部 ２１０ｃ…弁座 ２１１…制御弁 ２１１ａ…弁面 ２１１ｃ…連通孔 ２１１ｄ…バネ収納筒 ２１１ｅ…制御弁の円筒体 ２１５…制御弁を上方に付勢するバネ ２１８…Ｏリング ２２０…圧力室 ２３３…センタディスク ２３３ａ…パッキン ２３４…ダイアフラム ２４２…ノズル ２５０…圧力センサ ２６２…フラッパ ２６３…駆動回路 ２８０…一次圧ポート ２８１…二次圧ポート ２８２…中間室 ２８４…ノズル背圧室 ２９０…開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤 幸三 東京都大田区東馬込１−30−４ 株式会社 長野計器製作所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズルと、該ノズルに近接対向して配設
   されたフラッパと、前記ノズルの背圧を受ける背圧室
   と、前記フラッパの変位に伴う前記背圧室のノズル背圧
   の変化を受けて応動するダイヤフラムと、該ダイヤフラ
   ムと連動して流体供給口と流体出力口とを結ぶ給気口の
   開閉を行う制御弁とを備えた電空変換器において、 前記背圧室側に絞りを前記ノズルと同軸上に配設し、圧
   力気体を前記絞りを通してノズル内に供給するようにし
   たことを特徴とする電空変換器。