JP3476022B2 - 電気／空気圧変換器 - Google Patents
電気／空気圧変換器Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電気信号をこれに対応
する空気圧信号に変換する電気／空気圧変換器に係り、
特に高い安定性と小形化と低コスト化が実現できるよう
に改良した電気／空気圧変換器に関する。 【０００２】 【従来の技術】図８は従来の電気／空気圧変換器の構成
を示す構成図である。図８（Ａ）は縦断面、図８（Ｂ）
はその右側面を示している。この構成は特開平４−７３
４０１号「発明の名称：電気／空気圧変換器」に開示さ
れており、ここではこれを改良のベースとするので、こ
の概要を説明をする。 【０００３】１０はＵ字形の永久磁石であり、この永久
磁石１０は上方の脚部１１がＮ極、下方の脚部１２がＳ
極になっている。これ等の脚部１１、１２には、コの字
形の軟磁性材で出来た一対のヨーク１３、１４の側面１
５、１６が互いに等しい間隔ＬMを保持して固定されて
いる。この結果、ヨーク１３、１４の脚部には、これら
の間に等しい空間部Ａ1、Ａ2が形成されている。 【０００４】これらの空間部Ａ1とＡ2の間には軟磁性材
で出来た可動片１７がこれらの空間部Ａ1とＡ2を貫通し
てその中央に配置されており、この可動片１７はその一
端の近傍でヨーク１３の側面１５に、例えばベリリウム
銅などの非磁性材で出来たバネ材１８で固定され、この
点を支点として回動するようになっている。 【０００５】従って、可動片１７は中心非対称の構成で
あり、力学的バランスを欠くので、ヨーク１３の一端に
カウンタウエイト１９が固定されている。一対のコの字
形のヨーク１３と１４とが対向して形成された内部空間
には、可動片１７を取り囲むようにこの可動片１７とは
間隔を保ってコイル２０が保持されている。 【０００６】可動片１７の他端の一方の側面はバネ材２
１を介して固定ピン２２で固定され、可動片１７の他端
の他方の端面には、ノズル２３が僅かな間隙を隔てて対
向配置されている。 【０００７】このノズル２３には、給気圧ＰSが絞り２
４を介して供給され、絞り２４とノズル２３との間から
導管２５を介してノズル背圧として出力空気圧Ｐ0を得
ている。 【０００８】次に、以上のように構成された従来の電気
／空気圧変換器の動作について図９に示す動作説明図を
用いて説明する。空間部Ａ1にはヨーク１３の一方の脚
部と可動片１７との間に空隙長Lg11、ヨーク１４の一方
の脚部と可動片１７との間に空隙長Lg12が形成され、空
間部Ａ2には、ヨーク１３の他方の脚部と可動片１７と
の間に空隙長Lg21、ヨーク１４の他方の脚部と可動片１
７との間に空隙長Lg22がそれそれ形成されている。 【０００９】これらの空隙長Lg11、Lg12、Lg21、Lg22で
形成された空隙部Ａg11、Ａg12、Ａ g21、Ａg22には、そ
れぞれ永久磁石１１により形成された磁束Φdと入力電
流Ｉがコイル２０に流れることにより生じる磁束ΦEと
が存在する。 【００１０】磁束Φdは、永久磁石１０のＮ極からＳ極
に各空隙部Ａg11、Ａg12、Ａg21、Ａ g22を通って流れ、
これに対して磁束ΦEは、例えば矢印で示すように空隙
部Ａg1 1、Ａg12、可動片１７を通って流れる磁束と、空
隙部Ａg21、Ａg22、可動片１７を通って流れる磁束との
和となる。 【００１１】この結果、入力電流Ｉがゼロのときは、空
隙部Ａg21、Ａg22に形成される磁場は、永久磁石１０に
よる磁束Φdのみであるので、これ等は同一の磁場の強
さである。空隙内での磁気吸引力は磁場の強さの２乗に
比例するので、可動片１７は間隔ＬMの中央部に位置す
る。 【００１２】一方、可動片１７の一端の近傍は、バネ材
１８で固定されているので、可動片１７はこの点を支点
として移動する。従って、コイル２０に入力電流Ｉが流
れると、この入力電流Ｉによる磁束ΦEが空隙部Ａg21で
は磁束Φdに加算（Φd＋ΦE）され、空隙部Ａg22では磁
束Φdから減算（Φd−ΦE）されるので、この空隙では
図示のように可動片１７に上向きの力Ｆ2が加わる。 【００１３】また、空隙部Ａg11における磁束は（Φd−
ΦE）、空隙部Ａg12における磁束は（Φd＋ΦE）となる
ので、この支点よりの空隙では図示のように可動片１７
に下向きの力Ｆ1が加わる。 【００１４】従って、各空隙の長さは、Lg11＝Lg12＝L
g21＝Lg22であるので、力Ｆ1とＦ2は大きさが同じで方
向が逆向きの力となり、そして各空隙部での力は磁束の
２乗に比例するので、 Ｆ1＝Ｆ2∝（Φd＋ΦE）2−（Φd−ΦE）2 （１） となる。 【００１５】よって、 Ｆ1＝Ｆ2＝ＫMΦdΦE （２） の力が生じる。但し、ＫMは比例定数である。 【００１６】ここで、入力電流Ｉが流れると、可動片１
７は若干変位するが、この変位は通常５〜５０μｍ程度
であり、またLgは通常１〜２ｍｍ程度であるので、ここ
ではこの変位を無視してある。 【００１７】このため、可動片１７にはバネ材１８を中
心として回転トルクＴが Ｔ＝Ｆ2・L2−Ｆ1・L1＝Ｆ（L2−L1）＝Ｆ・L （３） のように反時計方向に発生し、可動片１７はヨーク１３
側に移動する。但し、Ｆ＝Ｆ1＝Ｆ2、L＝L2＝L1として
ある。 【００１８】ヨーク１３側に可動片１７が移動すると、
ノズル２３と可動片１７との間隔が大きくなり、ノズル
背圧が低くなって出力空気圧Ｐ0が小さくなる。従っ
て、入力電流Ｉに対応する出力空気圧Ｐ0が得られる。 【００１９】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような電気／空気圧変換器には以下に説明するような問
題点がある。 （ａ）先ず、発生トルクＴは、次式で表わされる。 Ｔ＝ＫM・ΦE・Φd・L （４） 【００２０】さらに、コイル２０による磁束ΦEは、ＲL
gを空隙の磁気抵抗、Ｒy0をヨーク１３の磁気抵抗、Ｒm
を可動片１７の磁気抵抗、Ｎをコイル２０の巻数とすれ
ば、 ΦE＝Ｎ・Ｉ／（ＲLg＋Ｒy0＋Ｒm） ＝(Ｎ・Ｉ／ＲLg)／［１＋（Ｒy0＋Ｒm）／ＲLg］ （５） となる。 【００２１】ここで、ＮとＲLgは一定であるが、可動片
１７の磁気抵抗Ｒmとヨーク１３の磁気抵抗Ｒy0は、こ
れを構成する軟磁性材料が、非直線性、ヒステリシスを
持つので、入力電流Ｉに対して誤差を持つことになる。 【００２２】可動片１７中には、コイル２０による磁束
ΦEが図中の一点鎖線で示す方向、つまりコイル２０の
中心軸と平行な方向に流れるので、その方向に垂直な可
動片１７の断面積Ｓ（＝ｔ・ｗ）を小さくすると、可動
片１７の内部の磁気抵抗Ｒmが大きくなる。 【００２３】このため、（５）式から判るように、磁束
ΦEに対する磁気抵抗Ｒmの占める割合が増加し、軟磁性
材料である可動片１７の非直線性・ヒステリシスの影響
が大きくなり、入力電流Ｉに対して発生するトルクの誤
差を大きくする結果となる。 【００２４】また、一定以下に断面積Ｓを小さくする
と、磁束密度ＢE＝ΦE／Ｓが軟磁性材料の飽和磁束密度
に近くなり、入力電流Ｉに対する出力発生トルクＴとの
直線関係は、全く成り立たなくなる。 【００２５】さらに、可動片２０の幅ｗを小さくする
と、各空隙部の磁気抵抗ＲLgが増加し、コイル２０と永
久磁石１０が同じ起磁力であるとすると、ΦE、Φdが減
少する結果となり、変換効率＝（発生トルク／入力電
流）が小さくなる。したがって、外乱に弱く、安定性が
悪くなる。 【００２６】以上のような理由から、可動片１７の断面
積Ｓを一定以下に小さくすることができず、当然のこと
ながら、一定以下に低質量化することも困難である。こ
のため、全体の大きさを小さくすることができず、かつ
耐振性、耐衝撃性も悪い。 【００２７】さらに、共振周波数を一定以上に大きくす
ることができず、しかも慣性能の大きな可動部を一定以
下の力で制御するので、制御性能も悪く、したがって、
安定な動作が困難である。 【００２８】（ｂ）各空隙部の周囲や空隙以外のヨーク
１３、１４の側面部には、多くの漏洩磁束が流れる磁路
が形成されており、さらに全体が切れ目なく磁性材で覆
われていないので、外部に他の磁性材が接近された場合
や、外部に磁界が存在する場合などに、その出力は大き
な影響を受けやすいという問題がある。 【００２９】この影響を低減する目的で、変換器全体を
磁性材で覆い、磁気シールドをするためには、空隙部の
磁束に影響を与えぬように本体に対して充分な距離を設
ける必要があるので、全体が大形化すると同時に部品点
数の増加を招き、小形低コストでかつ磁気的な外乱に対
して安定性を確保することが困難である。 【００３０】（ｃ）可動片１７はヨーク１３に対してバ
ネ材１８を介して固定されこれを中心に回転する。ま
た、可動片１７の他方の端面は、全体のバネ定数を所定
値以上確保することと、可動片１７の一対のヨーク１
３、１４に対する位置を調整するために、バネ材２１と
調整用の固定ピン２２が設けられている。 【００３１】ここで、可動片１７とヨーク１３、１４
は、軟磁性材料で構成され、またバネ材１８と２１は、
ベリリウム銅などの非磁性か、オーステナイトステンレ
ス系のバネ材など若干磁性は持つが透磁率が低く、かつ
保持力の小さい材料で構成する必要がある。 【００３２】このため、バネ材１８と可動片１７、バネ
材１８とヨーク１３、１４、可動片１７とバネ材２１に
は、それぞれ異種材料間の固定個所が必要となるので、
これらの個所の位置ずれは、可動片１７に直接外乱トル
クを与えると同時に、ずれ方向とノズル２３の変位方向
とが一致するので出力の安定性を著しく損なう原因とな
る。 【００３３】したがって、溶接などの確実な方法で固定
することが望ましいが、異種材料であることと、バネ特
性や磁気特性を低下させるような熱影響を加えないこと
とを考慮して、一般的にネジ止めや半田などで固定され
る。しかし、異種材料であり、熱膨張係数が異なるの
で、温度変化により位置ずれが生じやすく、高い安定性
を確保するのが困難である。 【００３４】（ｄ）一対のヨーク１３、１４、可動片１
７、バネ材１８、２１は、それぞれ別部品で構成される
ので、各部品の位置を正確に決めることが困難である。
特に、図８における上下方向の位置精度、つまりヨーク
１３、１４と可動片１７間の距離Lg11、Lg12、Lg21、L
g22がそれぞれ等しく構成されるよう位置決めすること
が重要である。 【００３５】しかし、ヨーク１３、１４はそれぞれ空間
を隔てて配置され、さらに可動片１７はその間に支点と
なるバネ材１８、２１にて回動可能なように配置される
ので、それぞれの位置関係は部品の加工精度のみで決め
ることが難しく、このため、組み立てに時間がかかりコ
スト高となる。 【００３６】（ｅ）可動片１７を一定以下に小さくする
ことができず、かつ支点を中心に回動するので、支点に
対する両端のバランスをとるためのカウンタウエイト１
２を支点を隔てて反対側に設ける必要があり、このため
全体に大形化することとなり、低コスト化が困難であ
る。 【００３７】このことは、従来より一般的に使用されて
いる４〜２０ｍＡの入力電流を直接コイル２０に入力す
る力平衡式の電空変換器、或いは電空ポジショナの電気
／空気圧変換要素に使用する上でも問題があった。 【００３８】さらに、電空ポジショナを例にとって説明
すると、図１０に示す従来の構成の場合は、特に、問題
が拡大される。以下、この構成について説明する。入力
／電源回路部２６には４〜２０ｍＡの電流信号Ｉ0が入
力され、ここでこの電流信号Ｉ0を用いて回路電源を作
ると共にこの電流信号Ｉ0に比例する制御電圧ＶCを分離
して制御演算回路部２７に出力する。 【００３９】制御演算回路部２７は、この制御電圧ＶC
とポテンショメータなどで構成された弁変位センサ２８
から出力される帰還信号Ｖfとの偏差を演算して電気／
空気圧変換部２９に出力する。 【００４０】この電気／空気圧変換部２９には、給気圧
ＰSが供給され、図８に示す電気／空気圧変換器が使用
されている。このノズル背圧は、給気圧ＰSが供給され
たパイロットリレー３０で増幅されて調節弁３１に空気
圧信号Ｐ0´として出力される。 【００４１】この空気圧信号Ｐ0´に対応して調節弁３
１が駆動され、弁開度を規定するステムの変位が弁変位
として弁変位センサ２８で検出され、帰還信号Ｖfとし
て制御演算回路部２７に負帰還される。このようにし
て、制御演算回路部２７は制御電圧ＶCと帰還信号Ｖfと
が一致するように制御し、これによって電流信号Ｉ0に
比例する弁開度を得る。 【００４２】しかしながら、このように帰還信号Ｖfを
電気信号として帰還する構成の場合は、制御演算回路部
２７、弁変位センサ２８などでも電流を消費するので、
電気／空気圧変換部２９に配分出来る電流が制限を受け
る。このため、このような構成では、外乱による諸変動
を、特に入力の小さい４ｍＡ付近のときに補正しきれ
ず、出力異常を起こすなどの問題がある。 【００４３】 【課題を解決するため手段】本発明は、以上のような様
々の課題を解決するための構成として、中央部にポール
ピースが互いに空隙を保って対向して設けられ外周部が
筒状に形成された軟磁性材の一対のハウジングと、前記
ポールピースを囲んで前記ハウジングの一方に一端が固
定された永久磁石と、この永久磁石の他端に固定され前
記空隙の中で前記ポールピースに対向して配置されたバ
ネ特性と飽和磁束密度の高い特性との両方の特性を持っ
た磁性バネ材料からなる可動部材と、前記ハウジングの
他方に前記ポールピースを囲んで巻かれたコイルと、前
記ポールピースの何れかの中心付近で前記可動部材に対
向して配置されたノズルと、このノズルに発生したノズ
ル背圧を空気圧信号として出力することを特徴としたも
のである。 【００４４】 【作 用】軟磁性材で出来た一対のハウジングの一方に
設けられたポールピースの回りに巻かれたコイルに電流
信号が流され、これによって発生された磁束によりハウ
ジングの他方の側に永久磁石を介して固定された可動部
材を例えば吸引する。 【００４５】この吸引により、ポールピースの中心付近
で先の可動部材に対向して配置されたノズルとの間隔が
変化して、そのノズル背圧が変化する。このノズル背圧
は先の電流信号に比例する関係にあるので、このノズル
背圧から先の電流信号を知ることができる。 【００４６】 【実施例】以下、本発明の実施例について図を用いて説
明する。図１は本発明の１実施例の構成を示す縦断面図
である。３２は上部側のハウジング、３３は下部側のハ
ウジングである。これらのハウジング３２、３３は何れ
も純鉄、フエライト系のステンレス、パーマロイなどの
軟磁性の材料で出来ている。 【００４７】ハウジング３２は、その外径部が円筒状を
なしており、その中心部に軟磁性の材料で出来た円柱状
のポールピース３４が内側に向かって形成されている。
さらに、このポールピース３４の中央部には内外部に貫
通するノズル３５が形成されている。 【００４８】このポールピース３４を囲んでドーナツ状
の永久磁石３６が、ハウジング３２の内面に形成され、
永久磁石３６はその軸方向に、例えばハウジング３２と
固着される側がＮ極、その反対側がＳ極に磁化されてい
る。 【００４９】この永久磁石３６は、磁化方向の長さをあ
まり長くとる必要がないように、エネルギー積の大きな
サマリウム−コバルト磁石、或いは鉄−ネオジウム磁石
などが適している。 【００５０】永久磁石３６のハウジング３２と固着され
た側とは反対側には、ダイアフラム状の可動部材３７が
ポールピース３４とは所定の間隙長Lg1´を保持して、
例えば永久磁石３６の吸引力により固定されており、外
部からの力により上下方向に撓む。 【００５１】この可動部材３７は、例えば析出硬化系の
ステンレス鋼、鉄−ニッケル合金、鉄−クロム−コバル
ト合金などのバネ特性と、特に飽和磁束密度の高い磁気
特性との両方の特性を持った磁性バネ材料で構成され、
永久磁石３６によりＳ極又はＮ極のみの片極に磁化され
ている。 【００５２】さらに、可動部材３７の形状は、撓みが生
じているときに、外径部付近の固定部分に大きな力が発
生しないように、図２に示すように、複数のスパイラル
状のスリット３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄを有する
構成とするか、或いは同心状の波形をプレス成形して作
る。 【００５３】このノズル３５は、配管３８を介して絞り
３９と接続され、この絞り３９には外部から給気圧ＰS
が供給され、絞り３９で生じたノズル背圧を導管４０を
介して取り出す。さらに、ハウジング３２には外部と連
通する排気孔４１が形成されている。 【００５４】下部側のハウジング３３は、その外径部が
円筒状をなしており、ハウジング３２の外径部と一体に
固定されている。その中心部には軟磁性の材料で出来た
円柱状のポールピース４２が可動部材３７と所定の間隙
長Lg2´を保持して固定されている。そして、このポー
ルピース４２の回りには電流信号Ｉを流すコイル４３が
巻かれている。 【００５５】次に、以上のように構成された図１に示す
実施例の動作について、図３〜図５に示す動作原理図と
等価磁気回路図を用いて説明する。図３において、コイ
ル４３による磁束ΦEは、一点鎖線４８で示す経路で、
上下のハウジング３２、３３及びポールピース３４、４
２に流れる。 【００５６】詳細には、ポールピース３４から出た磁束
は、空隙Ａg1´を通り、可動部材３７の板厚方向を経
て、さらに空隙Ａg2´、ポールピース４２、ハウジング
３３、３２、ポールピース３４を経由して流れる。した
がって、空隙Ａg1´、Ａg2´のどちらにも同一方向（こ
の例では、上から下へ）の磁束ΦEが形成されることと
なる。 【００５７】これは、可動部材３７が永久磁石３６によ
って磁化され、その板厚が上下方向に容易に撓むことが
可能なように０．０５〜０．５ｍｍ程度と充分に薄くし
てあるので、面に対して平行な横方向にはほぼ飽和して
いることと、ハウジング３２とは永久磁石３６を介して
接続されており可動部材３７の横方向の距離が空隙Ａ g1
´、Ａg2´に比較して充分に大きいためである。 【００５８】このコイル４３による磁束ΦEに対する等
価磁気回路図を図４に示す。図においてＮはコイル４３
の巻数、Ｉは入力電流、Ｒg1´は空隙Ａg1´の磁気抵
抗、Ｒ g2´は空隙Ａg2´の磁気抵抗、Ｒd1は可動部材３
７の厚み方向の磁気抵抗、Ｒh1、Ｒh2はそれぞれハウジ
ング３２、３３の磁気抵抗を示す。 【００５９】このときの磁束ΦEは、次式で示される。 ΦE＝ＮＩ／（Ｒg1´＋Ｒg2´＋Ｒd1＋Ｒh1＋Ｒh2） （６） ここで、Ｒg´＝Ｒg1´＝Ｒg2´、Ｒh＝Ｒh1＝Ｒh2であ
り、また、可動部材３７とハウジング３２、３３は、比
透磁率が１０3〜１０4のオーダであり、可動部材３７は
厚み方向に磁束ΦEが流れるので、Ｒg´≫Ｒd1、Ｒg´
≫Ｒhの関係にあることを考慮すると、磁束ΦEは ΦE＝ＮＩ／２Ｒg´ （７） となる。 【００６０】したがって、磁束ΦEは空隙抵抗にほとん
ど支配され、ハウジング３２、３３、ポールピース３
４、４２、可動部材３７を構成する軟磁性材のもつ非直
線性、ヒステリシスの影響をほとんど受けることなく、
入力電流Ｉに比例する。 【００６１】次に、永久磁石３６が図３に示すようにハ
ウジング３２側に接する面がＮ極、可動部材３７に接す
る面がＳ極になるように配置されたとすると、永久磁石
３６による磁束Φdは点線４９で示す経路でハウジング
３２、３３及びポールピース３４、４２、可動部材３７
に流れる。 【００６２】つまり、空隙Ａg1´には、上から下へ、ま
た空隙Ａg2´には下から上へ、それぞれ逆向きの磁束Φ
dが流れることとなる。ここで、空隙Ａg1´、Ａg2´へ
の磁束の経路中、ハウジング３２、３３とポールピース
３４、４２内の磁路長はそれぞれ異なるが、どちらの経
路とも磁気抵抗は空隙部と可動部材３７によってほとん
ど決まるため、それぞれの空隙には大きさが同じで方向
の異なる磁束Φdが流れる。 【００６３】この永久磁石３６による磁束Φdに対する
等価磁気回路図を図５に示す。Ｇは永久磁石３６による
起磁力、Ｒd2は可動部材３７の面に平行な方向の磁気抵
抗である。このとき、それぞれの空隙に流れる磁束
Φd1、Φd2は次式で示される。 Φd1＝Ｇ（Ｒg2´＋Ｒh2）／［Ｒd2（Ｒg1´＋Ｒh1） ＋Ｒd2（Ｒg2´＋Ｒh2） ＋（Ｒg1´＋Ｒh1）（Ｒg2´＋Ｒh2）］ （８） 【００６４】 Φd2＝Ｇ（Ｒg1´＋Ｒh1）／［Ｒd2（Ｒg1´＋Ｒh1） ＋Ｒd2（Ｒg2´＋Ｒh2） ＋（Ｒg1´＋Ｒh1）（Ｒg2´＋Ｒh2）］ （９） 【００６５】ここで、Ｒg´＝Ｒg1´＝Ｒg2´として右
辺の分子分母をＲg´2で除して、Ｒh1／Ｒg´≪１、Ｒ
h2／Ｒg´≪１として整理すると、 Φd1＝Φd2＝Φd＝Ｇ／（２Ｒd2＋Ｒg´） （１０） となる。 【００６６】したがって、磁束Φdは可動部材３７の上
下の空隙Ａg1´、Ａg2´に方向が逆で同じ大きさのほぼ
一定の磁束として流れる。以上のことから、全体とし
て、可動部材３７の上側の空隙Ａg1´には（ΦE＋Φd）
の和磁束が、下側の空隙Ａg2´には（ΦE−Φd）の差磁
束が、それぞれ流れる。 【００６７】ここで、磁化された磁性体の間に働く力Ｆ
は、磁束の２乗に比例するので、可動部材３７は上向き
の力を受けることとなり、 Ｆ∝（ΦE＋Φd）2−（ΦE−Φd）2 ＝ＫM・ΦE・Φd （１１） となる。 【００６８】次に、可動部材３７は上下方向に力を受け
ることにより、その力に比例して上下方向に撓むように
構成されているので、上下方向にバネ定数Ｋを持つ。こ
のため、力Ｆを受けると次式で示す変位δが生じる。 【００６９】 δ＝Ｆ／Ｋ＝ＫM・ΦE・Φd／Ｋ （１２） この式で、ＫM、Ｋは定数、また永久磁石３６の磁束Φd
は空隙Ａg1´、Ａg2´の長さに対して、変位δが充分に
小さいために、ほぼ一定となり、またコイル４３による
磁束ΦEは入力電流Ｉに比例するので、変位δ、つまり
ノズル３５と可動部材３７との間隙は入力電流Ｉに比例
する。したがって、出力圧であるノズル背圧Ｐ0は入力
電流Ｉに比例する結果となる。 【００７０】このようにして、図１に示す実施例では、
可動部材３７の厚さ方向のみにコイル４３による磁束Φ
Eが流れるので、可動部である可動部材３７を極めて低
質量化でき、さらに可動部材３７自体が磁気力により変
形可能としたのでバランスを保つためのウエイトも不要
となる。 【００７１】また、可動部材３７の固定個所が少なく、
単純確実にでき、磁気力を発生する個所を全体的に軟磁
性材で覆うことが容易なので、小形低コストでかつ高い
安定性を有する電気／空気圧変換器が実現できる。 【００７２】そして、この電気／空気圧変換器は、図１
０に示すような帰還信号を電気信号に変換して負帰還す
る構成の電空ポジショナ、或いは電空変換器の電気／空
気圧変換要素に適用すると大きな効果が得られる。 【００７３】なお、図１に示す実施例では、ハウジング
３２、３３は外径部が円筒状のものとして説明したが、
これに限らず、例えば矩形状など内部に空間が形成でき
るものであれば、他の構成でもよい。 【００７４】また、ハウジング３２、３３は完全に内外
部を隔絶するように磁性材で構成しなくても、ハウジン
グ３２、３３の軟磁性材部が一定以上の面積で接続され
ていれば、部分的に非磁性材で構成されたり、空隙部分
があってもよい。 【００７５】さらに、ノズル３５はハウジング３２とは
別体として構成されたものとして説明されているが、こ
れに限らず一体のものとして構成してもよい。また、ノ
ズル３５は、ポールピース３４に設ける構成として説明
したが、これに限らず、例えばポールピース４２側に設
けても良い。 【００７６】排気孔４１はハウジング３２に設ける構成
として説明したが、これはハウジング３３、或いはハウ
ジング３２と３３との間の接合部などに設ける構成とし
てもよい。永久磁石３６は、ドーナツ状のものとして説
明したが、これに限らず、上下方向に磁化された複数の
永久磁石を環状に並べた構成としても良い。 【００７７】図６は可動部材の固定構造を変更した部分
断面図である。図１に示す構造では、永久磁石３６の吸
引力により可動部材３７が固定される構造としたが、こ
こでは、さらに可動部材３７の外径部を非磁性材で出来
た環状の固定部材４４で押さえてハウジング４５の外部
からボルト４６、４７を用いて固定する構成としたもの
である。 【００７８】図７は図１に示す実施例の他の変形実施例
である。なお、図１に示す構成要素と同一の機能を有す
る部分については、同一の符号を付して適宜にその説明
を省略する。 【００７９】この実施例は、環状の永久磁石４８の磁化
方向が上下方向ではなく、径方向（図中の横方向）にな
っている点が異なる。可動部材３７は軟磁性材でてきた
環状部材４９に取り付けられ、この環状部材３７はオー
ステナイト系ステンレス、銅合金、アルミニウム合金な
どの非磁性材でできた環状部材５０を介してハウジング
３２の上面の内面に固定されている。 【００８０】また、永久磁石４８の外則面には、軟磁性
材でできた部材５１が取り付けられ、この部材５１の端
面は上部のハウジング３２に固定され、永久磁石４８に
よる磁束がハウジング３２、３３に流れるように構成さ
れている。 【００８１】このような構成においても、図１に示す場
合と同様に、上下の空隙間には、方向が逆で、大きさが
ほぼ同じである磁束が永久磁石４８によって形成される
こととなり、同様な効果が得られる。 【００８２】また、可動部材３７を金属によって挟み込
む構造にできるので、固定がより確実となる上に、金属
に比べると若干加工が困難な永久磁石４８の高精度な加
工が不要となるメリットがある。 【００８３】 【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに本発明によれば、以下に説明するような効果があ
る。 【００８４】（Ａ）コイルによる磁束が可動部材の厚み
方向にのみ流れるので可動部材の板厚を薄くすることが
でき、このため低質量化が可能になり、耐振性、耐衝撃
性、及び制御性能のすぐれた安定性の良い電気／空気圧
変換器が実現できる。 【００８５】（Ｂ）コイルによる磁束、及び永久磁石に
よる磁束の流れる磁気回路が外部に対して閉じており、
かつ力を発生する空隙部が全体的に磁性材で覆われる構
成となっているので、外部に対する磁気シールド部材を
新たに設ける必要がなく、小形低コストで外部の磁気的
な外乱に対しても安定性のよい電気／空気圧変換器が実
現できる。 【００８６】（Ｃ）可動部材の固定個所が１個所だけで
あり、またその固定面が熱膨張係数などの影響で位置ず
れを起こしても、その方向がノズルの間隙方向と垂直な
のでその影響を低減させることができ、温度変化などに
対しても高い安定性を有する電気／空気圧変換器が実現
できる。 【００８７】（Ｄ）ハウジング、ポールピース、永久磁
石、及び可動部材は、組み立て軸に対して横方向にずれ
を生じる可能性があるが、特性に大きく影響する上下方
向の位置はそれぞれの部品加工精度で決めることができ
る。このため、組み立てが容易で時間がかからないの
で、低コストな電気／空気圧変換器が実現できる。 【００８８】（Ｅ）可動部材を極めて低質量化できるの
で、共振点が一般に電気／空気圧変換器が使用される環
境ではほとんど発生することのない５００Ｈｚ〜１５０
０Ｈｚ程度まで高くすることが可能である。 【００８９】（Ｆ）可動部材は回動ではなく上下方向の
直線変位をする構成のため、バランスをとるためのウエ
イトが不要になると同時に可動部材自体も小形化でき、
全体として小形化が可能である。
する空気圧信号に変換する電気／空気圧変換器に係り、
特に高い安定性と小形化と低コスト化が実現できるよう
に改良した電気／空気圧変換器に関する。 【０００２】 【従来の技術】図８は従来の電気／空気圧変換器の構成
を示す構成図である。図８（Ａ）は縦断面、図８（Ｂ）
はその右側面を示している。この構成は特開平４−７３
４０１号「発明の名称：電気／空気圧変換器」に開示さ
れており、ここではこれを改良のベースとするので、こ
の概要を説明をする。 【０００３】１０はＵ字形の永久磁石であり、この永久
磁石１０は上方の脚部１１がＮ極、下方の脚部１２がＳ
極になっている。これ等の脚部１１、１２には、コの字
形の軟磁性材で出来た一対のヨーク１３、１４の側面１
５、１６が互いに等しい間隔ＬMを保持して固定されて
いる。この結果、ヨーク１３、１４の脚部には、これら
の間に等しい空間部Ａ1、Ａ2が形成されている。 【０００４】これらの空間部Ａ1とＡ2の間には軟磁性材
で出来た可動片１７がこれらの空間部Ａ1とＡ2を貫通し
てその中央に配置されており、この可動片１７はその一
端の近傍でヨーク１３の側面１５に、例えばベリリウム
銅などの非磁性材で出来たバネ材１８で固定され、この
点を支点として回動するようになっている。 【０００５】従って、可動片１７は中心非対称の構成で
あり、力学的バランスを欠くので、ヨーク１３の一端に
カウンタウエイト１９が固定されている。一対のコの字
形のヨーク１３と１４とが対向して形成された内部空間
には、可動片１７を取り囲むようにこの可動片１７とは
間隔を保ってコイル２０が保持されている。 【０００６】可動片１７の他端の一方の側面はバネ材２
１を介して固定ピン２２で固定され、可動片１７の他端
の他方の端面には、ノズル２３が僅かな間隙を隔てて対
向配置されている。 【０００７】このノズル２３には、給気圧ＰSが絞り２
４を介して供給され、絞り２４とノズル２３との間から
導管２５を介してノズル背圧として出力空気圧Ｐ0を得
ている。 【０００８】次に、以上のように構成された従来の電気
／空気圧変換器の動作について図９に示す動作説明図を
用いて説明する。空間部Ａ1にはヨーク１３の一方の脚
部と可動片１７との間に空隙長Lg11、ヨーク１４の一方
の脚部と可動片１７との間に空隙長Lg12が形成され、空
間部Ａ2には、ヨーク１３の他方の脚部と可動片１７と
の間に空隙長Lg21、ヨーク１４の他方の脚部と可動片１
７との間に空隙長Lg22がそれそれ形成されている。 【０００９】これらの空隙長Lg11、Lg12、Lg21、Lg22で
形成された空隙部Ａg11、Ａg12、Ａ g21、Ａg22には、そ
れぞれ永久磁石１１により形成された磁束Φdと入力電
流Ｉがコイル２０に流れることにより生じる磁束ΦEと
が存在する。 【００１０】磁束Φdは、永久磁石１０のＮ極からＳ極
に各空隙部Ａg11、Ａg12、Ａg21、Ａ g22を通って流れ、
これに対して磁束ΦEは、例えば矢印で示すように空隙
部Ａg1 1、Ａg12、可動片１７を通って流れる磁束と、空
隙部Ａg21、Ａg22、可動片１７を通って流れる磁束との
和となる。 【００１１】この結果、入力電流Ｉがゼロのときは、空
隙部Ａg21、Ａg22に形成される磁場は、永久磁石１０に
よる磁束Φdのみであるので、これ等は同一の磁場の強
さである。空隙内での磁気吸引力は磁場の強さの２乗に
比例するので、可動片１７は間隔ＬMの中央部に位置す
る。 【００１２】一方、可動片１７の一端の近傍は、バネ材
１８で固定されているので、可動片１７はこの点を支点
として移動する。従って、コイル２０に入力電流Ｉが流
れると、この入力電流Ｉによる磁束ΦEが空隙部Ａg21で
は磁束Φdに加算（Φd＋ΦE）され、空隙部Ａg22では磁
束Φdから減算（Φd−ΦE）されるので、この空隙では
図示のように可動片１７に上向きの力Ｆ2が加わる。 【００１３】また、空隙部Ａg11における磁束は（Φd−
ΦE）、空隙部Ａg12における磁束は（Φd＋ΦE）となる
ので、この支点よりの空隙では図示のように可動片１７
に下向きの力Ｆ1が加わる。 【００１４】従って、各空隙の長さは、Lg11＝Lg12＝L
g21＝Lg22であるので、力Ｆ1とＦ2は大きさが同じで方
向が逆向きの力となり、そして各空隙部での力は磁束の
２乗に比例するので、 Ｆ1＝Ｆ2∝（Φd＋ΦE）2−（Φd−ΦE）2 （１） となる。 【００１５】よって、 Ｆ1＝Ｆ2＝ＫMΦdΦE （２） の力が生じる。但し、ＫMは比例定数である。 【００１６】ここで、入力電流Ｉが流れると、可動片１
７は若干変位するが、この変位は通常５〜５０μｍ程度
であり、またLgは通常１〜２ｍｍ程度であるので、ここ
ではこの変位を無視してある。 【００１７】このため、可動片１７にはバネ材１８を中
心として回転トルクＴが Ｔ＝Ｆ2・L2−Ｆ1・L1＝Ｆ（L2−L1）＝Ｆ・L （３） のように反時計方向に発生し、可動片１７はヨーク１３
側に移動する。但し、Ｆ＝Ｆ1＝Ｆ2、L＝L2＝L1として
ある。 【００１８】ヨーク１３側に可動片１７が移動すると、
ノズル２３と可動片１７との間隔が大きくなり、ノズル
背圧が低くなって出力空気圧Ｐ0が小さくなる。従っ
て、入力電流Ｉに対応する出力空気圧Ｐ0が得られる。 【００１９】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような電気／空気圧変換器には以下に説明するような問
題点がある。 （ａ）先ず、発生トルクＴは、次式で表わされる。 Ｔ＝ＫM・ΦE・Φd・L （４） 【００２０】さらに、コイル２０による磁束ΦEは、ＲL
gを空隙の磁気抵抗、Ｒy0をヨーク１３の磁気抵抗、Ｒm
を可動片１７の磁気抵抗、Ｎをコイル２０の巻数とすれ
ば、 ΦE＝Ｎ・Ｉ／（ＲLg＋Ｒy0＋Ｒm） ＝(Ｎ・Ｉ／ＲLg)／［１＋（Ｒy0＋Ｒm）／ＲLg］ （５） となる。 【００２１】ここで、ＮとＲLgは一定であるが、可動片
１７の磁気抵抗Ｒmとヨーク１３の磁気抵抗Ｒy0は、こ
れを構成する軟磁性材料が、非直線性、ヒステリシスを
持つので、入力電流Ｉに対して誤差を持つことになる。 【００２２】可動片１７中には、コイル２０による磁束
ΦEが図中の一点鎖線で示す方向、つまりコイル２０の
中心軸と平行な方向に流れるので、その方向に垂直な可
動片１７の断面積Ｓ（＝ｔ・ｗ）を小さくすると、可動
片１７の内部の磁気抵抗Ｒmが大きくなる。 【００２３】このため、（５）式から判るように、磁束
ΦEに対する磁気抵抗Ｒmの占める割合が増加し、軟磁性
材料である可動片１７の非直線性・ヒステリシスの影響
が大きくなり、入力電流Ｉに対して発生するトルクの誤
差を大きくする結果となる。 【００２４】また、一定以下に断面積Ｓを小さくする
と、磁束密度ＢE＝ΦE／Ｓが軟磁性材料の飽和磁束密度
に近くなり、入力電流Ｉに対する出力発生トルクＴとの
直線関係は、全く成り立たなくなる。 【００２５】さらに、可動片２０の幅ｗを小さくする
と、各空隙部の磁気抵抗ＲLgが増加し、コイル２０と永
久磁石１０が同じ起磁力であるとすると、ΦE、Φdが減
少する結果となり、変換効率＝（発生トルク／入力電
流）が小さくなる。したがって、外乱に弱く、安定性が
悪くなる。 【００２６】以上のような理由から、可動片１７の断面
積Ｓを一定以下に小さくすることができず、当然のこと
ながら、一定以下に低質量化することも困難である。こ
のため、全体の大きさを小さくすることができず、かつ
耐振性、耐衝撃性も悪い。 【００２７】さらに、共振周波数を一定以上に大きくす
ることができず、しかも慣性能の大きな可動部を一定以
下の力で制御するので、制御性能も悪く、したがって、
安定な動作が困難である。 【００２８】（ｂ）各空隙部の周囲や空隙以外のヨーク
１３、１４の側面部には、多くの漏洩磁束が流れる磁路
が形成されており、さらに全体が切れ目なく磁性材で覆
われていないので、外部に他の磁性材が接近された場合
や、外部に磁界が存在する場合などに、その出力は大き
な影響を受けやすいという問題がある。 【００２９】この影響を低減する目的で、変換器全体を
磁性材で覆い、磁気シールドをするためには、空隙部の
磁束に影響を与えぬように本体に対して充分な距離を設
ける必要があるので、全体が大形化すると同時に部品点
数の増加を招き、小形低コストでかつ磁気的な外乱に対
して安定性を確保することが困難である。 【００３０】（ｃ）可動片１７はヨーク１３に対してバ
ネ材１８を介して固定されこれを中心に回転する。ま
た、可動片１７の他方の端面は、全体のバネ定数を所定
値以上確保することと、可動片１７の一対のヨーク１
３、１４に対する位置を調整するために、バネ材２１と
調整用の固定ピン２２が設けられている。 【００３１】ここで、可動片１７とヨーク１３、１４
は、軟磁性材料で構成され、またバネ材１８と２１は、
ベリリウム銅などの非磁性か、オーステナイトステンレ
ス系のバネ材など若干磁性は持つが透磁率が低く、かつ
保持力の小さい材料で構成する必要がある。 【００３２】このため、バネ材１８と可動片１７、バネ
材１８とヨーク１３、１４、可動片１７とバネ材２１に
は、それぞれ異種材料間の固定個所が必要となるので、
これらの個所の位置ずれは、可動片１７に直接外乱トル
クを与えると同時に、ずれ方向とノズル２３の変位方向
とが一致するので出力の安定性を著しく損なう原因とな
る。 【００３３】したがって、溶接などの確実な方法で固定
することが望ましいが、異種材料であることと、バネ特
性や磁気特性を低下させるような熱影響を加えないこと
とを考慮して、一般的にネジ止めや半田などで固定され
る。しかし、異種材料であり、熱膨張係数が異なるの
で、温度変化により位置ずれが生じやすく、高い安定性
を確保するのが困難である。 【００３４】（ｄ）一対のヨーク１３、１４、可動片１
７、バネ材１８、２１は、それぞれ別部品で構成される
ので、各部品の位置を正確に決めることが困難である。
特に、図８における上下方向の位置精度、つまりヨーク
１３、１４と可動片１７間の距離Lg11、Lg12、Lg21、L
g22がそれぞれ等しく構成されるよう位置決めすること
が重要である。 【００３５】しかし、ヨーク１３、１４はそれぞれ空間
を隔てて配置され、さらに可動片１７はその間に支点と
なるバネ材１８、２１にて回動可能なように配置される
ので、それぞれの位置関係は部品の加工精度のみで決め
ることが難しく、このため、組み立てに時間がかかりコ
スト高となる。 【００３６】（ｅ）可動片１７を一定以下に小さくする
ことができず、かつ支点を中心に回動するので、支点に
対する両端のバランスをとるためのカウンタウエイト１
２を支点を隔てて反対側に設ける必要があり、このため
全体に大形化することとなり、低コスト化が困難であ
る。 【００３７】このことは、従来より一般的に使用されて
いる４〜２０ｍＡの入力電流を直接コイル２０に入力す
る力平衡式の電空変換器、或いは電空ポジショナの電気
／空気圧変換要素に使用する上でも問題があった。 【００３８】さらに、電空ポジショナを例にとって説明
すると、図１０に示す従来の構成の場合は、特に、問題
が拡大される。以下、この構成について説明する。入力
／電源回路部２６には４〜２０ｍＡの電流信号Ｉ0が入
力され、ここでこの電流信号Ｉ0を用いて回路電源を作
ると共にこの電流信号Ｉ0に比例する制御電圧ＶCを分離
して制御演算回路部２７に出力する。 【００３９】制御演算回路部２７は、この制御電圧ＶC
とポテンショメータなどで構成された弁変位センサ２８
から出力される帰還信号Ｖfとの偏差を演算して電気／
空気圧変換部２９に出力する。 【００４０】この電気／空気圧変換部２９には、給気圧
ＰSが供給され、図８に示す電気／空気圧変換器が使用
されている。このノズル背圧は、給気圧ＰSが供給され
たパイロットリレー３０で増幅されて調節弁３１に空気
圧信号Ｐ0´として出力される。 【００４１】この空気圧信号Ｐ0´に対応して調節弁３
１が駆動され、弁開度を規定するステムの変位が弁変位
として弁変位センサ２８で検出され、帰還信号Ｖfとし
て制御演算回路部２７に負帰還される。このようにし
て、制御演算回路部２７は制御電圧ＶCと帰還信号Ｖfと
が一致するように制御し、これによって電流信号Ｉ0に
比例する弁開度を得る。 【００４２】しかしながら、このように帰還信号Ｖfを
電気信号として帰還する構成の場合は、制御演算回路部
２７、弁変位センサ２８などでも電流を消費するので、
電気／空気圧変換部２９に配分出来る電流が制限を受け
る。このため、このような構成では、外乱による諸変動
を、特に入力の小さい４ｍＡ付近のときに補正しきれ
ず、出力異常を起こすなどの問題がある。 【００４３】 【課題を解決するため手段】本発明は、以上のような様
々の課題を解決するための構成として、中央部にポール
ピースが互いに空隙を保って対向して設けられ外周部が
筒状に形成された軟磁性材の一対のハウジングと、前記
ポールピースを囲んで前記ハウジングの一方に一端が固
定された永久磁石と、この永久磁石の他端に固定され前
記空隙の中で前記ポールピースに対向して配置されたバ
ネ特性と飽和磁束密度の高い特性との両方の特性を持っ
た磁性バネ材料からなる可動部材と、前記ハウジングの
他方に前記ポールピースを囲んで巻かれたコイルと、前
記ポールピースの何れかの中心付近で前記可動部材に対
向して配置されたノズルと、このノズルに発生したノズ
ル背圧を空気圧信号として出力することを特徴としたも
のである。 【００４４】 【作 用】軟磁性材で出来た一対のハウジングの一方に
設けられたポールピースの回りに巻かれたコイルに電流
信号が流され、これによって発生された磁束によりハウ
ジングの他方の側に永久磁石を介して固定された可動部
材を例えば吸引する。 【００４５】この吸引により、ポールピースの中心付近
で先の可動部材に対向して配置されたノズルとの間隔が
変化して、そのノズル背圧が変化する。このノズル背圧
は先の電流信号に比例する関係にあるので、このノズル
背圧から先の電流信号を知ることができる。 【００４６】 【実施例】以下、本発明の実施例について図を用いて説
明する。図１は本発明の１実施例の構成を示す縦断面図
である。３２は上部側のハウジング、３３は下部側のハ
ウジングである。これらのハウジング３２、３３は何れ
も純鉄、フエライト系のステンレス、パーマロイなどの
軟磁性の材料で出来ている。 【００４７】ハウジング３２は、その外径部が円筒状を
なしており、その中心部に軟磁性の材料で出来た円柱状
のポールピース３４が内側に向かって形成されている。
さらに、このポールピース３４の中央部には内外部に貫
通するノズル３５が形成されている。 【００４８】このポールピース３４を囲んでドーナツ状
の永久磁石３６が、ハウジング３２の内面に形成され、
永久磁石３６はその軸方向に、例えばハウジング３２と
固着される側がＮ極、その反対側がＳ極に磁化されてい
る。 【００４９】この永久磁石３６は、磁化方向の長さをあ
まり長くとる必要がないように、エネルギー積の大きな
サマリウム−コバルト磁石、或いは鉄−ネオジウム磁石
などが適している。 【００５０】永久磁石３６のハウジング３２と固着され
た側とは反対側には、ダイアフラム状の可動部材３７が
ポールピース３４とは所定の間隙長Lg1´を保持して、
例えば永久磁石３６の吸引力により固定されており、外
部からの力により上下方向に撓む。 【００５１】この可動部材３７は、例えば析出硬化系の
ステンレス鋼、鉄−ニッケル合金、鉄−クロム−コバル
ト合金などのバネ特性と、特に飽和磁束密度の高い磁気
特性との両方の特性を持った磁性バネ材料で構成され、
永久磁石３６によりＳ極又はＮ極のみの片極に磁化され
ている。 【００５２】さらに、可動部材３７の形状は、撓みが生
じているときに、外径部付近の固定部分に大きな力が発
生しないように、図２に示すように、複数のスパイラル
状のスリット３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄを有する
構成とするか、或いは同心状の波形をプレス成形して作
る。 【００５３】このノズル３５は、配管３８を介して絞り
３９と接続され、この絞り３９には外部から給気圧ＰS
が供給され、絞り３９で生じたノズル背圧を導管４０を
介して取り出す。さらに、ハウジング３２には外部と連
通する排気孔４１が形成されている。 【００５４】下部側のハウジング３３は、その外径部が
円筒状をなしており、ハウジング３２の外径部と一体に
固定されている。その中心部には軟磁性の材料で出来た
円柱状のポールピース４２が可動部材３７と所定の間隙
長Lg2´を保持して固定されている。そして、このポー
ルピース４２の回りには電流信号Ｉを流すコイル４３が
巻かれている。 【００５５】次に、以上のように構成された図１に示す
実施例の動作について、図３〜図５に示す動作原理図と
等価磁気回路図を用いて説明する。図３において、コイ
ル４３による磁束ΦEは、一点鎖線４８で示す経路で、
上下のハウジング３２、３３及びポールピース３４、４
２に流れる。 【００５６】詳細には、ポールピース３４から出た磁束
は、空隙Ａg1´を通り、可動部材３７の板厚方向を経
て、さらに空隙Ａg2´、ポールピース４２、ハウジング
３３、３２、ポールピース３４を経由して流れる。した
がって、空隙Ａg1´、Ａg2´のどちらにも同一方向（こ
の例では、上から下へ）の磁束ΦEが形成されることと
なる。 【００５７】これは、可動部材３７が永久磁石３６によ
って磁化され、その板厚が上下方向に容易に撓むことが
可能なように０．０５〜０．５ｍｍ程度と充分に薄くし
てあるので、面に対して平行な横方向にはほぼ飽和して
いることと、ハウジング３２とは永久磁石３６を介して
接続されており可動部材３７の横方向の距離が空隙Ａ g1
´、Ａg2´に比較して充分に大きいためである。 【００５８】このコイル４３による磁束ΦEに対する等
価磁気回路図を図４に示す。図においてＮはコイル４３
の巻数、Ｉは入力電流、Ｒg1´は空隙Ａg1´の磁気抵
抗、Ｒ g2´は空隙Ａg2´の磁気抵抗、Ｒd1は可動部材３
７の厚み方向の磁気抵抗、Ｒh1、Ｒh2はそれぞれハウジ
ング３２、３３の磁気抵抗を示す。 【００５９】このときの磁束ΦEは、次式で示される。 ΦE＝ＮＩ／（Ｒg1´＋Ｒg2´＋Ｒd1＋Ｒh1＋Ｒh2） （６） ここで、Ｒg´＝Ｒg1´＝Ｒg2´、Ｒh＝Ｒh1＝Ｒh2であ
り、また、可動部材３７とハウジング３２、３３は、比
透磁率が１０3〜１０4のオーダであり、可動部材３７は
厚み方向に磁束ΦEが流れるので、Ｒg´≫Ｒd1、Ｒg´
≫Ｒhの関係にあることを考慮すると、磁束ΦEは ΦE＝ＮＩ／２Ｒg´ （７） となる。 【００６０】したがって、磁束ΦEは空隙抵抗にほとん
ど支配され、ハウジング３２、３３、ポールピース３
４、４２、可動部材３７を構成する軟磁性材のもつ非直
線性、ヒステリシスの影響をほとんど受けることなく、
入力電流Ｉに比例する。 【００６１】次に、永久磁石３６が図３に示すようにハ
ウジング３２側に接する面がＮ極、可動部材３７に接す
る面がＳ極になるように配置されたとすると、永久磁石
３６による磁束Φdは点線４９で示す経路でハウジング
３２、３３及びポールピース３４、４２、可動部材３７
に流れる。 【００６２】つまり、空隙Ａg1´には、上から下へ、ま
た空隙Ａg2´には下から上へ、それぞれ逆向きの磁束Φ
dが流れることとなる。ここで、空隙Ａg1´、Ａg2´へ
の磁束の経路中、ハウジング３２、３３とポールピース
３４、４２内の磁路長はそれぞれ異なるが、どちらの経
路とも磁気抵抗は空隙部と可動部材３７によってほとん
ど決まるため、それぞれの空隙には大きさが同じで方向
の異なる磁束Φdが流れる。 【００６３】この永久磁石３６による磁束Φdに対する
等価磁気回路図を図５に示す。Ｇは永久磁石３６による
起磁力、Ｒd2は可動部材３７の面に平行な方向の磁気抵
抗である。このとき、それぞれの空隙に流れる磁束
Φd1、Φd2は次式で示される。 Φd1＝Ｇ（Ｒg2´＋Ｒh2）／［Ｒd2（Ｒg1´＋Ｒh1） ＋Ｒd2（Ｒg2´＋Ｒh2） ＋（Ｒg1´＋Ｒh1）（Ｒg2´＋Ｒh2）］ （８） 【００６４】 Φd2＝Ｇ（Ｒg1´＋Ｒh1）／［Ｒd2（Ｒg1´＋Ｒh1） ＋Ｒd2（Ｒg2´＋Ｒh2） ＋（Ｒg1´＋Ｒh1）（Ｒg2´＋Ｒh2）］ （９） 【００６５】ここで、Ｒg´＝Ｒg1´＝Ｒg2´として右
辺の分子分母をＲg´2で除して、Ｒh1／Ｒg´≪１、Ｒ
h2／Ｒg´≪１として整理すると、 Φd1＝Φd2＝Φd＝Ｇ／（２Ｒd2＋Ｒg´） （１０） となる。 【００６６】したがって、磁束Φdは可動部材３７の上
下の空隙Ａg1´、Ａg2´に方向が逆で同じ大きさのほぼ
一定の磁束として流れる。以上のことから、全体とし
て、可動部材３７の上側の空隙Ａg1´には（ΦE＋Φd）
の和磁束が、下側の空隙Ａg2´には（ΦE−Φd）の差磁
束が、それぞれ流れる。 【００６７】ここで、磁化された磁性体の間に働く力Ｆ
は、磁束の２乗に比例するので、可動部材３７は上向き
の力を受けることとなり、 Ｆ∝（ΦE＋Φd）2−（ΦE−Φd）2 ＝ＫM・ΦE・Φd （１１） となる。 【００６８】次に、可動部材３７は上下方向に力を受け
ることにより、その力に比例して上下方向に撓むように
構成されているので、上下方向にバネ定数Ｋを持つ。こ
のため、力Ｆを受けると次式で示す変位δが生じる。 【００６９】 δ＝Ｆ／Ｋ＝ＫM・ΦE・Φd／Ｋ （１２） この式で、ＫM、Ｋは定数、また永久磁石３６の磁束Φd
は空隙Ａg1´、Ａg2´の長さに対して、変位δが充分に
小さいために、ほぼ一定となり、またコイル４３による
磁束ΦEは入力電流Ｉに比例するので、変位δ、つまり
ノズル３５と可動部材３７との間隙は入力電流Ｉに比例
する。したがって、出力圧であるノズル背圧Ｐ0は入力
電流Ｉに比例する結果となる。 【００７０】このようにして、図１に示す実施例では、
可動部材３７の厚さ方向のみにコイル４３による磁束Φ
Eが流れるので、可動部である可動部材３７を極めて低
質量化でき、さらに可動部材３７自体が磁気力により変
形可能としたのでバランスを保つためのウエイトも不要
となる。 【００７１】また、可動部材３７の固定個所が少なく、
単純確実にでき、磁気力を発生する個所を全体的に軟磁
性材で覆うことが容易なので、小形低コストでかつ高い
安定性を有する電気／空気圧変換器が実現できる。 【００７２】そして、この電気／空気圧変換器は、図１
０に示すような帰還信号を電気信号に変換して負帰還す
る構成の電空ポジショナ、或いは電空変換器の電気／空
気圧変換要素に適用すると大きな効果が得られる。 【００７３】なお、図１に示す実施例では、ハウジング
３２、３３は外径部が円筒状のものとして説明したが、
これに限らず、例えば矩形状など内部に空間が形成でき
るものであれば、他の構成でもよい。 【００７４】また、ハウジング３２、３３は完全に内外
部を隔絶するように磁性材で構成しなくても、ハウジン
グ３２、３３の軟磁性材部が一定以上の面積で接続され
ていれば、部分的に非磁性材で構成されたり、空隙部分
があってもよい。 【００７５】さらに、ノズル３５はハウジング３２とは
別体として構成されたものとして説明されているが、こ
れに限らず一体のものとして構成してもよい。また、ノ
ズル３５は、ポールピース３４に設ける構成として説明
したが、これに限らず、例えばポールピース４２側に設
けても良い。 【００７６】排気孔４１はハウジング３２に設ける構成
として説明したが、これはハウジング３３、或いはハウ
ジング３２と３３との間の接合部などに設ける構成とし
てもよい。永久磁石３６は、ドーナツ状のものとして説
明したが、これに限らず、上下方向に磁化された複数の
永久磁石を環状に並べた構成としても良い。 【００７７】図６は可動部材の固定構造を変更した部分
断面図である。図１に示す構造では、永久磁石３６の吸
引力により可動部材３７が固定される構造としたが、こ
こでは、さらに可動部材３７の外径部を非磁性材で出来
た環状の固定部材４４で押さえてハウジング４５の外部
からボルト４６、４７を用いて固定する構成としたもの
である。 【００７８】図７は図１に示す実施例の他の変形実施例
である。なお、図１に示す構成要素と同一の機能を有す
る部分については、同一の符号を付して適宜にその説明
を省略する。 【００７９】この実施例は、環状の永久磁石４８の磁化
方向が上下方向ではなく、径方向（図中の横方向）にな
っている点が異なる。可動部材３７は軟磁性材でてきた
環状部材４９に取り付けられ、この環状部材３７はオー
ステナイト系ステンレス、銅合金、アルミニウム合金な
どの非磁性材でできた環状部材５０を介してハウジング
３２の上面の内面に固定されている。 【００８０】また、永久磁石４８の外則面には、軟磁性
材でできた部材５１が取り付けられ、この部材５１の端
面は上部のハウジング３２に固定され、永久磁石４８に
よる磁束がハウジング３２、３３に流れるように構成さ
れている。 【００８１】このような構成においても、図１に示す場
合と同様に、上下の空隙間には、方向が逆で、大きさが
ほぼ同じである磁束が永久磁石４８によって形成される
こととなり、同様な効果が得られる。 【００８２】また、可動部材３７を金属によって挟み込
む構造にできるので、固定がより確実となる上に、金属
に比べると若干加工が困難な永久磁石４８の高精度な加
工が不要となるメリットがある。 【００８３】 【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに本発明によれば、以下に説明するような効果があ
る。 【００８４】（Ａ）コイルによる磁束が可動部材の厚み
方向にのみ流れるので可動部材の板厚を薄くすることが
でき、このため低質量化が可能になり、耐振性、耐衝撃
性、及び制御性能のすぐれた安定性の良い電気／空気圧
変換器が実現できる。 【００８５】（Ｂ）コイルによる磁束、及び永久磁石に
よる磁束の流れる磁気回路が外部に対して閉じており、
かつ力を発生する空隙部が全体的に磁性材で覆われる構
成となっているので、外部に対する磁気シールド部材を
新たに設ける必要がなく、小形低コストで外部の磁気的
な外乱に対しても安定性のよい電気／空気圧変換器が実
現できる。 【００８６】（Ｃ）可動部材の固定個所が１個所だけで
あり、またその固定面が熱膨張係数などの影響で位置ず
れを起こしても、その方向がノズルの間隙方向と垂直な
のでその影響を低減させることができ、温度変化などに
対しても高い安定性を有する電気／空気圧変換器が実現
できる。 【００８７】（Ｄ）ハウジング、ポールピース、永久磁
石、及び可動部材は、組み立て軸に対して横方向にずれ
を生じる可能性があるが、特性に大きく影響する上下方
向の位置はそれぞれの部品加工精度で決めることができ
る。このため、組み立てが容易で時間がかからないの
で、低コストな電気／空気圧変換器が実現できる。 【００８８】（Ｅ）可動部材を極めて低質量化できるの
で、共振点が一般に電気／空気圧変換器が使用される環
境ではほとんど発生することのない５００Ｈｚ〜１５０
０Ｈｚ程度まで高くすることが可能である。 【００８９】（Ｆ）可動部材は回動ではなく上下方向の
直線変位をする構成のため、バランスをとるためのウエ
イトが不要になると同時に可動部材自体も小形化でき、
全体として小形化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例の構成を示す縦断面図であ
る。 【図２】図１に示す実施例の構成の一部を説明する平面
図である。 【図３】図１に示す実施例の動作を説明する原理説明図
である。 【図４】図１に示す実施例の動作を説明する磁気等価回
路図である。 【図５】図１に示す実施例の動作を説明する他の磁気等
価回路図である。 【図６】図１に示す実施例の構成の一部を変更した変形
実施例の縦断面図である。 【図７】図１に示す実施例の構成の一部を変更した他の
変形実施例の縦断面図である。 【図８】従来の電気／空気圧変換器の構成を示す縦断面
図である。 【図９】図８に示す電気／空気圧変換器の動作を説明す
る原理説明図である。 【図１０】図８に示す電気／空気圧変換器を電空ポジシ
ョナの一部に用いたシステム構成図である。 【符号の説明】 １０、３６ 永久磁石 １２ カウンタウエイト １３、１４ ヨーク １７ 可動片 １８、２１ バネ材 ２０、４３ コイル ３２、３３ ハウジング ３４、４２ ポールピース ３５ ノズル ３７ 可動部材
る。 【図２】図１に示す実施例の構成の一部を説明する平面
図である。 【図３】図１に示す実施例の動作を説明する原理説明図
である。 【図４】図１に示す実施例の動作を説明する磁気等価回
路図である。 【図５】図１に示す実施例の動作を説明する他の磁気等
価回路図である。 【図６】図１に示す実施例の構成の一部を変更した変形
実施例の縦断面図である。 【図７】図１に示す実施例の構成の一部を変更した他の
変形実施例の縦断面図である。 【図８】従来の電気／空気圧変換器の構成を示す縦断面
図である。 【図９】図８に示す電気／空気圧変換器の動作を説明す
る原理説明図である。 【図１０】図８に示す電気／空気圧変換器を電空ポジシ
ョナの一部に用いたシステム構成図である。 【符号の説明】 １０、３６ 永久磁石 １２ カウンタウエイト １３、１４ ヨーク １７ 可動片 １８、２１ バネ材 ２０、４３ コイル ３２、３３ ハウジング ３４、４２ ポールピース ３５ ノズル ３７ 可動部材
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平１−250601（ＪＰ，Ａ)
特開 昭46−4416（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−84201（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−88001（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−252803（ＪＰ，Ａ)
実開 昭57−99115（ＪＰ，Ｕ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F15B 5/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】中央部にポールピースが互いに空隙を保っ
て対向して設けられ外周部が筒状に形成された軟磁性材
の一対のハウジングと、前記ポールピースを囲んで前記
ハウジングの一方に一端が固定された永久磁石と、この
永久磁石の他端に固定され前記空隙の中で前記ポールピ
ースに対向して配置されたバネ特性と飽和磁束密度の高
い特性との両方の特性を持った磁性バネ材料からなる可
動部材と、前記ハウジングの他方に前記ポールピースを
囲んで巻かれたコイルと、前記ポールピースの何れかの
中心付近で前記可動部材に対向して配置されたノズル
と、このノズルに発生したノズル背圧を空気圧信号とし
て出力することを特徴とする電気／空気圧変換器。
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|---|---|---|---|
| JP25741993A JP3476022B2 (ja) | 1993-10-15 | 1993-10-15 | 電気／空気圧変換器 |
| US08/302,125 US5474100A (en) | 1993-10-15 | 1994-09-07 | Electricity/air pressure converter |
| CN941170942A CN1065030C (zh) | 1993-10-15 | 1994-10-12 | 电/空气压力转换器 |
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1993
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1994
- 1994-09-07 US US08/302,125 patent/US5474100A/en not_active Expired - Lifetime
- 1994-10-12 CN CN941170942A patent/CN1065030C/zh not_active Expired - Lifetime
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