圧力増幅装置
【課題】不感帯を小さくする圧力増幅装置を提供する。
【解決手段】入力流体を受ける第１ダイアフラム４１で仕切られる入力圧室４０と、出力流体を受ける第２ダイアフラム６１で仕切られ、この出力流体を出力する出力圧室６０と、供給流体を受け、出力圧室６０へ供給流体を供給する供給圧室７０と、出力圧室６０から出力流体を排気する排気圧室５０と、第１および第２ダイアフラム４１、６１によって支持される移動体８０と、出力圧室６０および供給圧室７０に亘って位置し、移動体８０によって押される場合、供給圧室７０から出力圧室６０への第１流路Ｒ１を形成し、移動体８０と接触しない場合、出力圧室６０から排気圧室５０への第２流路Ｒ２を形成する弁プラグ９０と、供給圧室７０を仕切り、出力圧室６０と反対方向に供給流体を受ける不感帯補償ダイアフラム１１０と、を備えたことを特徴とする。
【解決手段】入力流体を受ける第１ダイアフラム４１で仕切られる入力圧室４０と、出力流体を受ける第２ダイアフラム６１で仕切られ、この出力流体を出力する出力圧室６０と、供給流体を受け、出力圧室６０へ供給流体を供給する供給圧室７０と、出力圧室６０から出力流体を排気する排気圧室５０と、第１および第２ダイアフラム４１、６１によって支持される移動体８０と、出力圧室６０および供給圧室７０に亘って位置し、移動体８０によって押される場合、供給圧室７０から出力圧室６０への第１流路Ｒ１を形成し、移動体８０と接触しない場合、出力圧室６０から排気圧室５０への第２流路Ｒ２を形成する弁プラグ９０と、供給圧室７０を仕切り、出力圧室６０と反対方向に供給流体を受ける不感帯補償ダイアフラム１１０と、を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、供給流体と入力流体とを受け、この入力流体の圧力の変化に応じて出力流体の圧力を変化させる圧力増幅装置に関し、特に、入力圧／出力圧特性に生じる不感帯を改善する圧力増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、図４に示すような圧力増幅装置１０が知られている。図４は、圧力増幅装置１０の縦断面図であり、これを用いて圧力増幅装置１０の構成および動作について説明する。
【０００３】
圧力増幅装置１０は、本体１１、フィードバック室２０、第３ダイアフラム２１、バイアス室３０、第４ダイアフラム３１、入力圧室４０、第１ダイアフラム４１、排気圧室５０、出力圧室６０、第２ダイアフラム６１、隔壁６２、供給圧室７０、ブリード孔７２、供給口７３、移動体８０、弁プラグ９０、ばね９２、第１流路Ｒ１、第２流路Ｒ２、第３流路Ｒ３および第４流路Ｒ４を備えている。
【０００４】
本体１１は、圧力増幅装置１０の外郭を形成するベース（筐体）であり、この内部にフィードバック室２０、バイアス室３０、入力圧室４０、排気圧室５０、出力圧室６０および供給圧室７０の６つの室が、この順番で上方から下方（Ａ方向）へ形成されている。
【０００５】
フィードバック室２０は、本体１１、第３ダイアフラム２１および移動体８０によって仕切られ、第３流路Ｒ３を介して出力圧室６０と連通している。
【０００６】
バイアス室３０は、第３ダイアフラム２１を介してフィードバック室２０に隣接し、本体１１、第３ダイアフラム２１、第４ダイアフラム３１および移動体８０によって仕切られ、第４流路Ｒ４を介して供給圧室７０と連通している。
【０００７】
入力圧室４０は、第４ダイアフラム３１を介してバイアス室３０に隣接し、本体１１、第４ダイアフラム３１、第１ダイアフラム４１および移動体８０によって仕切られ、入力口から入力流体ＦＩが入力される。
【０００８】
排気圧室５０は、第１ダイアフラム４１を介して入力圧室４０に隣接し、本体１１、第１ダイアフラム４１、第２ダイアフラム６１および移動体８０によって仕切られ、排気口から出力流体が排気流体ＦＸとして外部に排気される。
【０００９】
出力圧室６０は、第２ダイアフラム６１を介して排気圧室５０に隣接し、本体１１、第２ダイアフラム６１、隔壁６２および移動体８０によって仕切られ、出力口から出力流体ＦＯが外部に出力される。
【００１０】
供給圧室７０は、隔壁６２を介して出力圧室６０に隣接し、本体１１および隔壁６２によって仕切られ、供給口７３から供給流体ＦＳが供給される。隔壁６２には、供給圧室７０と出力圧室６０とを連通するブリード孔７２が設けられている。
【００１１】
移動体８０は、第１ダイアフラム４１、第２ダイアフラム６１、第３ダイアフラム２１および第４ダイアフラム３１によって支持され、例えば、第１ダイアフラム４１が受ける入力流体ＦＩの増加または減少によって、Ａ方向またはＢ方向に移動する。
【００１２】
弁プラグ９０は、略半球状の頭部、円柱状の中間部、中間部から円錐状に広がった脚部の各部から構成される。
【００１３】
弁プラグ９０は、出力圧室６０および供給圧室７０に亘って位置する。頭部および中間部は出力圧室６０内に位置し、頭部が移動体８０に接触する。また、脚部は供給圧室７０内に位置し、円錐状の部分が隔壁６２に接触する。
【００１４】
ばね９２は、供給圧室７０内に位置し、一端が供給圧室７０の底面に、他端が弁プラグ９０の底面に接続される。これによって、弁プラグ９０は、ばね９２によって支持される。
【００１５】
つぎに、圧力増幅装置１０の動作について説明する。動作説明は、入出力圧が平衡している状態、入出力圧が増加している状態、入出力圧が減少している状態の３つの状態について説明する。
【００１６】
なお、以下で記載されるＡ方向とは、紙面の上から下へ向かう方向、すなわち、移動体８０から弁プラグ９０へ向かう方向をいう。また、Ｂ方向とは、紙面の下から上へ向かう方向、すなわち、弁プラグ９０から移動体８０へ向かう方向をいう。
【００１７】
（平衡状態）
平衡状態では、移動体８０および弁プラグ９０が以下のように平衡して、入力圧ＰＮおよび出力圧ＰＯがいずれも一定となる平衡状態を保つ。
【００１８】
移動体８０は、支持されている第１乃至第４ダイアフラム４１、６１、２１、３１から受ける力によって平衡する。第１乃至第４ダイアフラム４１、６１、２１、３１は、入力圧ＰＮ、出力圧ＰＯおよび供給圧ＰＳから以下の力を受ける。
【００１９】
第１ダイアフラム４１は、入力圧室４０内の入力圧ＰＮを受けることによってＡ方向の力を生じる。一方、第４ダイアフラム３１は、入力圧ＰＮを受けることによってＢ方向の力を生じる。
【００２０】
第２ダイアフラム６１は、出力圧室６０内の出力圧ＰＯを受けることによってＢ方向の力を生じる。一方、第３ダイアフラム２１は、第３流路Ｒ３によって導かれた出力圧ＰＯを受けることによってＡ方向の力を生じる。
【００２１】
第３ダイアフラム２１は、第４流路Ｒ４によって導かれた供給圧室７０内の供給圧ＰＳを受けることによってＢ方向の力を生じる。一方、第４ダイアフラム３１は、同様の供給圧ＰＳを受けることによってＡ方向の力を生じる。
【００２２】
そして、移動体８０は、第１乃至第４ダイアフラム４１、６１、２１、３１から上記の力を受けて力学的に平衡する。
【００２３】
また、弁プラグ９０は、脚部の円錐状の部分と隔壁６２とが接触している。一方、弁プラグ９０の頭部と移動体８０の一端との間に間隙が生じる。
【００２４】
この間隙はつぎの理由により生じる。隔壁６２に設けられたブリード孔７２を通って、供給圧室７０から出力圧室６０へ僅かな供給流体ＦＳが流れる。出力圧ＰＯを一定にするために、この流れ込んだ供給流体ＦＳを排気する必要がある。
【００２５】
流れ込んだ供給流体ＦＳに押された移動体８０が僅かにＢ方向に移動することで、弁プラグ９０の頭部と移動体８０の一端との間に間隙が生じ、この間隙によって第２流路Ｒ２が形成される。そして、ブリード孔７２から流入した供給流体ＦＳは、第２流路Ｒ２を通って出力圧室６０から排気圧室５０へ流れ（排気）、入力圧ＰＮおよび出力圧ＰＯがいずれも一定となる平衡状態を保つ。
【００２６】
（圧力増加状態）
圧力増加状態では、入力圧ＰＮが増加し、移動体８０および弁プラグ９０が以下のように動くことによって、出力圧ＰＯが増加する。
【００２７】
第１ダイアフラム４１および第４ダイアフラム３１は入力圧ＰＮを受ける。ここで、第１ダイアフラム４１の受圧面積ＳＦ１は、第４ダイアフラム３１の受圧面積ＳＦ４より大きいため、入力圧ＰＮの増加圧力に受圧面積ＳＦ１と受圧面積ＳＦ４との差を乗算した力がＡ方向に生じる。
【００２８】
この力によって移動体８０はＡ方向に移動し、弁プラグ９０の頭部と移動体８０の一端とが接触し、第２流路Ｒ２は閉じられ、移動体８０が弁プラグ９０をＡ方向に押す。
【００２９】
この弁プラグ９０をＡ方向に押す力が、弁プラグ９０の底面をＢ方向に押すばね９２のばね力（付勢力）より大きい場合、弁プラグ９０は移動体８０とともにＡ方向へ移動する。
【００３０】
このとき、弁プラグ９０の脚部の円錐状の部分と隔壁６２との間に間隙が生じ、この間隙によって第１流路Ｒ１が形成される。これによって、供給圧室７０内の供給流体ＦＳが、第１流路Ｒ１を通り供給圧室７０から出力圧室６０へ流れて、出力圧ＰＯが増加する。なお、第２流路Ｒ２は閉じられているので、出力圧室６０から排気は行われない。
【００３１】
出力圧ＰＯの増加に伴い、第２ダイアフラム６１および第３ダイアフラム２１で受ける圧力は増加する。ここで、第２ダイアフラム６１の受圧面積ＳＦ２は、第３ダイアフラム２１の受圧面積ＳＦ３より大きいため、出力圧ＰＯの増加圧力に受圧面積ＳＦ２と受圧面積ＳＦ３との差を乗算した力がＢ方向に生じる。
【００３２】
この力によって、移動体８０および弁プラグ９０はＢ方向に移動し、第１流路Ｒ１が閉じられることによって、出力圧ＰＯの増加は止まり一定の圧力になって平衡状態に落ち着く。
【００３３】
上述したフィードバック室２０および第３ダイアフラム２１が存在せず、第２ダイアフラム６１のみでも、移動体８０および弁プラグ９０をＢ方向に移動させることができる。なお、第３ダイアフラム２１が存在しない場合と比べて、存在する場合の方が、圧力ゲイン（出力圧ＰＯと入力圧ＰＮとの比）を高くすることができる。
【００３４】
（圧力減少状態）
圧力減少状態では、入力圧ＰＮが減少し、移動体８０および弁プラグ９０が以下のように動くことによって、出力圧ＰＯが減少する。
【００３５】
入力圧ＰＮを受ける第１ダイアフラム４１および第４ダイアフラム３１によって、入力圧ＰＮの減少圧力に受圧面積ＳＦ１と受圧面積ＳＦ４との差を乗算した力がＢ方向に生じる。
【００３６】
この力によって移動体８０はＢ方向に移動し、弁プラグ９０の頭部と移動体８０の一端とが離れ、第２流路Ｒ２が形成される。これによって、出力圧室６０内の出力流体ＦＯが、第２流路Ｒ２を通り出力圧室６０から排気圧室５０へ流れて（排気）、出力圧ＰＯが減少する。なお、第１流路Ｒ１は閉じられているので、供給圧室７０からの供給は行われない。
【００３７】
出力圧ＰＯの減少に伴い、第２ダイアフラム６１および第３ダイアフラム２１で受ける圧力は減少するので、出力圧ＰＯの減少圧力に受圧面積ＳＦ２と受圧面積ＳＦ３との差を乗算した力がＡ方向に生じる。
【００３８】
この力によって、移動体８０はＡ方向に移動し、第２流路Ｒ２が閉じられることによって、出力圧ＰＯの減少は止まり一定の圧力になって平衡状態に落ち着く。
【００３９】
ここで、圧力増加状態と同様に、フィードバック室２０および第３ダイアフラム２１が存在せず、第２ダイアフラム６１のみでも、移動体８０をＡ方向に移動させることができる。
【００４０】
なお、バイアス室３０は、平衡状態において、供給圧ＰＳの変動に対する出力圧ＰＯの変動を補償するための動作を行う。
【００４１】
すなわち、供給圧ＰＳが増加した場合、入力圧ＰＮも増加する。そして、第３ダイアフラム２１および第４ダイアフラム３１は、第４流路Ｒ４を介して供給圧ＰＳを受ける。ここで、第３ダイアフラム２１の受圧面積ＳＦ３は、第４ダイアフラム３１の受圧面積ＳＦ４より大きいため、供給圧ＰＳの増加圧力に受圧面積ＳＦ３と受圧面積ＳＦ４との差を乗算した力がＢ方向に生じる。この力によって供給圧変動補償を行うことができる。
【００４２】
なお、特許文献１には、図４で示した構造の圧力増幅器が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４３】
【特許文献１】特開２００３−２０６９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４４】
通常、入力圧ＰＮが増加すると、これに伴いすぐに出力圧ＰＯが増加するのが好ましい。しかし、平衡状態において、弁プラグ９０が隔壁６２に押し付けられているため、入力圧ＰＮが一定値まで増加しないと出力圧ＰＯは変化せず、一定値以上増加して始めて出力圧ＰＯが増加するという問題がある。この出力圧ＰＯが変化しない一定値のことを不感帯という。以下に、不感帯が生じる動作について図５を用いて説明する。
【００４５】
図５は、図４と同じ縦断面であるが、平衡状態における弁プラグ９０に印加される力を追加した図である。なお、以下で説明する力の方向は、Ｂ方向を正、Ａ方向を負とする。
【００４６】
出力圧室６０内において、弁プラグ９０の頭部がＢ方向（排気圧室５０方向）へ出力圧ＰＯ（ｋＰａ）を受ける（矢印Ｃ１参照）。この出力圧ＰＯを受ける弁プラグ９０の面積（以下、「排気弁面積」という）をＡｅ（ｍ２）とし、弁プラグ９０の円柱状の中間部の断面積をＡｖ（ｍ２）とすると、弁プラグ９０はＢ方向へ、（Ａｅ−Ａｖ）×Ｐｏの力を受ける。
【００４７】
また、弁プラグ９０の脚部の円錐状の部分がＡ方向（供給圧室７０方向）へ出力圧ＰＯ（ｋＰａ）を受ける（矢印Ｃ２参照）。この出力圧ＰＯを受ける弁プラグ９０の面積（以下、「給気弁面積」という）をＡｄ（ｍ２）とすると、弁プラグ９０はＡ方向へ、（Ａｄ−Ａｖ）×Ｐｏの力を受ける。
【００４８】
供給圧室７０内において、弁プラグ９０の底面がＢ方向へ供給圧ＰＳ（ｋＰａ）を受ける（矢印Ｃ３参照）。この供給圧ＰＳを受ける弁プラグ９０の面積をＡｄ（ｍ２）と同じとすると、弁プラグ９０はＢ方向へ、Ａｄ×ＰＳの力を受ける。
【００４９】
また、弁プラグ９０の底面は、支持されたばね９２よりＢ方向へばね力ＦＢを受ける。ばね９２が弁プラグ９０によって圧縮された変位量をＤ（ｍ）、ばね定数をｋ（Ｎ／ｍ）とすると、ばね力ＦＢはｋ×Ｄとなる。このように、弁プラグ９０には上記４つの力が印加されている。
【００５０】
平衡状態において、上述したように、弁プラグ９０の頭部と移動体８０の一端との間に間隙が生じている。
【００５１】
一方、弁プラグ９０の脚部の円錐状の部分は、上記４つの力の合成力である下記式（３）の力Ｆｄによって、隔壁６２に押し付けられている（Ｂ方向への押し付け）。
Ｆｄ（Ｎ）＝Ａｄ×ＰＳ−（Ａｄ−Ａｅ）×ＰＯ＋ｋ×Ｄ 式（３）
【００５２】
このＦｄが不感帯を生じさせる力である。すなわち、入力圧ＰＮが増加した場合、移動体８０が弁プラグ９０をＡ方向へ押すが、この押す力がＦｄに達するまで、弁プラグ９０は隔壁６２に押し付けられたままで、第１流路Ｒ１は形成されず供給流体ＦＳが流入しない。このため、出力圧ＰＯは変化せず不感帯を生じる。
【００５３】
本発明は、この不感帯を小さくする圧力増幅装置の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００５４】
このような目的を達成するために、請求項１の発明は、
供給流体と入力流体とを受け、この入力流体の圧力の変化に応じて出力流体の圧力を変化させる圧力増幅装置において、
前記入力流体を受ける第１ダイアフラムで仕切られる入力圧室と、
前記出力流体を受ける第２ダイアフラムで仕切られ、この出力流体を出力する出力圧室と、
前記供給流体を受け、前記出力圧室へ前記供給流体を供給する供給圧室と、
前記出力圧室から前記出力流体を排気する排気圧室と、
前記第１および第２ダイアフラムによって支持される移動体と、
前記出力圧室および前記供給圧室に亘って位置し、前記移動体によって押される場合、前記供給圧室から前記出力圧室への第１流路を形成し、前記移動体と接触しない場合、前記出力圧室から前記排気圧室への第２流路を形成する弁プラグと、
前記供給圧室を仕切り、前記出力圧室と反対方向に前記供給流体を受ける不感帯補償ダイアフラムと、
を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記不感帯補償ダイアフラムは、前記弁プラグの側面、底面または前記側面と前記底面との角に接続されたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載の発明において、
前記不感帯補償ダイアフラムを介して前記供給圧室に隣接し、前記供給流体の圧力より低い圧力を保持する低圧力室と、
この低圧力室の内部に前記弁プラグの底面を支持する弾性体と、
を備えたことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載の発明において、
前記弁プラグの底面に穴を形成し、
前記弾性体の中空部を通って前記穴に挿入される軸部材を備えたことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項３または４に記載の発明において、
前記弾性体の弾性特性は、前記不感帯補償ダイアフラムの受圧面積、前記供給流体の圧力、前記供給圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、前記排気圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、前記弾性体の変位量、および前記圧力増幅装置によって開閉されるバルブのスプリングレンジの上限値の少なくともいずれかによって定まる、ことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５に記載の発明において、
前記弾性体の弾性特性は、下記式（１）によって示される値以上であることを特徴とする。
（Ａｃ×ＰＳ＋（Ａｄ−Ａｅ）×ＰＯＵＰ）÷Ｄ 式（１）
但し、Ａｃは前記不感帯補償ダイアフラムの受圧面積、ＰＳは前記供給流体の圧力、Ａｄは前記供給圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、Ａｅは前記排気圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、Ｄは前記弾性体の変位量、ＰＯＵＰは前記スプリングレンジの上限値である。
請求項７の発明は、請求項５に記載の発明において、
前記弾性体の弾性特性は、前記供給圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積と前記排気圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積とが等しい場合、下記式（２）によって示される値以上であることを特徴とする。
（Ａｃ×ＰＳ）÷Ｄ 式（２）
但し、Ａｃは前記不感帯補償ダイアフラムの受圧面積、ＰＳは前記供給流体の圧力、Ｄは前記弾性体の変位量である。
【発明の効果】
【００５５】
本発明によれば、供給圧室を仕切り、出力圧室と反対方向に供給流体を受ける不感帯補償ダイアフラムによって、圧力増幅装置の不感帯を小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明を適用した圧力増幅装置の縦断面図の例である。
【図２】図１の圧力増幅装置の不感帯を説明するための縦断面図の例である。
【図３】本発明を適用した圧力増幅装置の縦断面図の他の例である。
【図４】背景技術で示した圧力増幅装置の縦断面図の例である。
【図５】図４の圧力増幅装置の不感帯を説明するための縦断面図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
本実施例を適用した圧力増幅装置について、図１を用いて説明する。図１は圧力増幅装置１００の縦断面図である。
【００５８】
図１において、図４と同一のものは同一符号を付し説明を省略し、本実施例の特徴である不感帯補償ダイアフラム１１０を中心に説明する。
【００５９】
圧力増幅装置１００は、図４に示した各部の他に、不感帯補償ダイアフラム１１０、大気圧室１２０、および図４のばね９２の代わりにばね１３０を備える。
【００６０】
不感帯補償ダイアフラム１１０は、弁プラグ９０の脚部の側面と本体１１とに接続される。これによって、供給圧室７０は、不感帯補償ダイアフラム１１０、隔壁６２および本体１１によって仕切られる。
【００６１】
なお、不感帯補償ダイアフラム１１０は、弁プラグ９０の側面の代わりに、弁プラグ９０の底面、または側面と底面との角に接続されてもよい。
【００６２】
大気圧室（低圧力室）１２０は、不感帯補償ダイアフラム１１０を介して供給圧室７０に隣接し、不感帯補償ダイアフラム１１０、本体１１および弁プラグ９０によって仕切られ、大気口から大気ＦＡが流入し、大気圧を保持している。
【００６３】
なお、大気圧室１２０は、供給圧ＰＳより低い圧力を保持する室（低圧力室）であってもよい。
【００６４】
ばね（弾性体）１３０は、大気圧室１２０内に位置し、一端が大気圧室１２０の底面に、他端が弁プラグ９０の底面に接続される。これによって、弁プラグ９０は、ばね１３０によって支持される。
【００６５】
圧力増幅装置１００の動作は、基本的に図４において説明した圧力増幅装置１０と同様であるが、不感帯補償ダイアフラム１１０を備えたことによって、不感帯を小さくすることができるので、図２を用いて圧力増幅装置１００の不感帯について説明する。
【００６６】
図２は、図１と同じ縦断面であるが、平衡状態における弁プラグ９０に印加される力を追加した図である。なお、以下で説明する力の方向は、Ｂ方向を正、Ａ方向を負とする。
【００６７】
図２において、矢印Ｃ１、Ｃ２で示した出力圧ＰＯから受ける力は、図５で説明した力と同じである。
【００６８】
供給圧室７０内において、不感帯補償ダイアフラム１１０が受ける力は、以下のようになる。
【００６９】
供給流体ＦＳが供給される供給口７３の位置は、不感帯補償ダイアフラム１１０の位置に対して出力圧室６０の方向にある。このため、不感帯補償ダイアフラム１１０は、供給口７３からの供給流体ＦＳをＡ方向（供給口７３の位置に対して出力圧室６０と反対の方向）に受ける（矢印Ｃ１０参照）。この不感帯補償ダイアフラム１１０の受圧面積をＡｃ（ｍ２）とすると、不感帯補償ダイアフラム１１０はＡ方向へＡｃ×ＰＳの力を受ける。
【００７０】
また、弁プラグ９０の底面は、支持されたばね１３０からＢ方向へばね力ＦＢを受ける。ばね１３０が弁プラグ９０によって圧縮された変位量をＤ（ｍ）、ばね定数をｋ（Ｎ／ｍ）とすると、ばね力ＦＢはｋ×Ｄとなる。このように、弁プラグ９０には上記４つの力が印加されている。
【００７１】
従って、図５での説明と同様に、不感帯の発生原因となる弁プラグ９０の脚部の円錐状の部分が受ける力Ｆｄｋは、上記４つの力の合成力である下記式（４）の力となり、この力によって、隔壁６２に押し付けられている（Ｂ方向への押し付け）。
Ｆｄｋ（Ｎ）＝−Ａｃ×ＰＳ−（Ａｄ−Ａｅ）×ＰＯ＋ｋ×Ｄ 式（４）
【００７２】
上記式（３）と式（４）とを比較すると、供給圧ＰＳから受ける力が異なる。式（３）はＡｄ×ＰＳ（Ｂ方向）、式（４）は−Ａｃ×ＰＳ（Ａ方向）であり、力の方向が異なる。
【００７３】
すなわち、式（３）では、弁プラグ９０の隔壁６２への押し付けを増大させるように働き、式（４）では、弁プラグ９０の隔壁６２への押し付けを抑えるように働く。このため、本実施例（図２）において、弁プラグ９０を隔壁６２へ押し付ける力は、図５の場合より、（Ａｄ×ＰＳ＋Ａｃ×ＰＳ）の分だけ小さくなる。
【００７４】
従って、この小さくなった力に相当する入力圧ＰＮ分だけ不感帯を小さくすることができる。このように、本実施例によれば、不感帯補償ダイアフラム１１０の上記の動作によって、不感帯を小さくすることができる。
【００７５】
つぎに、ばね１３０のばね定数（弾性特性）ｋは、上記式（４）から定めることができる。しかし、式（４）は、変化する出力圧ＰＯ（変量）を含んでいるため、これを固定値に置き換えてばね定数ｋを求めなければらない。
【００７６】
出力圧ＰＯが変化して平衡状態に達した場合、弁プラグ９０の脚部の円錐状の部分と隔壁６２とが接触して、出力圧室６０への供給流体ＦＳの流入を止めなければならない。接触するためには、上記式（４）のＦｄｋはゼロ以上でなければならず、これによって、弁プラグ９０にＢ方向の力が働き、隔壁６２に接触する。
【００７７】
ここで、出力圧ＰＯが最大の場合、式（４）のＦｄｋは最小になる。従って、出力圧ＰＯが最大の場合に、Ｆｄｋがゼロ以上となるようにばね定数ｋを定めれば、出力圧ＰＯが変化しても弁プラグ９０は隔壁６２に接触する。
【００７８】
出力圧ＰＯの最大値は、圧力増幅装置１００の出力流体ＦＯが印加されて開閉するバルブ（図示しない）のスプリングレンジの上限値ＰＯＵＰ（ｋＰａ）である。バルブ内にはばね（図示しない）があり、出力圧ＰＯはこのばね力に抗してバルブを開閉する。このばね力の範囲はバルブの仕様で定められており、この上限値がスプリングレンジの上限値ＰＯＵＰに相当する。例えば、標準圧において、供給圧ＰＳが１４０ｋＰａのときＰＯＵＰは１００ｋＰａ、倍圧において、供給圧ＰＳが２４０ｋＰａのときＰＯＵＰは２００ｋＰａと定められている。
【００７９】
従って、上記式（４）のＰＯをＰＯＵＰに置き換え、Ｆｄｋをゼロ以上とすると、ばね定数ｋは下記式（５）になる。
ｋ＞＝（Ａｃ×ＰＳ＋（Ａｄ−Ａｅ）×ＰＯＵＰ）÷Ｄ 式（５）
なお、＞＝は「左辺の値は右辺の値以上」を表し、÷は除算を表す。
【００８０】
また、給気弁面積Ａｄと排気弁面積Ａｅとが等しければ、ばね定数ｋは下記式（６）になる。
ｋ＞＝（Ａｃ×ＰＳ）÷Ｄ 式（６）
【００８１】
なお、不感帯を小さくするには、ばね１３０の自由長（伸縮していない場合のばねの長さ）を長くして、ばね定数ｋをなるべく小さくすることが好ましい。
【００８２】
これによって、ばね力ＦＢ（＝ｋ×Ｄ）は小さくなり、第１流路Ｒ１を形成するための力も小さくなって、不感帯を小さくすることができる。
【００８３】
つぎに、弁プラグが動く場合、その動作を安定させるために、弁プラグの横方向への動きを小さくする実施例について、図３を用いて説明する。図３は、図１に対し、軸２３０を追加し、弁プラグ２１０に穴２２０を設けた圧力増幅器２００の縦断面図であり、図１と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。
【００８４】
図３において、弁プラグ２１０が図１の弁プラグ９０と異なる点は、弁プラグ２１０の底面に、後述する軸２３０を挿入する穴２２０を設けた点である。
【００８５】
軸（軸部材）２３０は、一端を大気圧室１２０の底面に対して略垂直に固定し、ばね１３０の中空部を通って、穴２２０に挿入される。なお、図１と同様に、ばね１３０は、弁プラグ２１０の底面に接続され、弁プラグ２１０を支持する。
【００８６】
図１、図２において説明したように、弁プラグが縦方向（ＡまたはＢ方向）に動作することによって、圧力増幅器を安定に動作させることができるので、弁プラグの横方向への動きをなるべく抑える必要がある。
【００８７】
このため、縦方向に立てた軸２３０を弁プラグ２１０の穴２２０に挿入することによって、弁プラグ２１０の横方向への動きを抑え、圧力増幅器２００の動作をより安定にすることができる。
【００８８】
なお、上述した圧力増幅器は、出力が１つの単動型の圧力増幅器について説明したが、出力が２つ以上の複動型の圧力増幅器にも適用することができる。例えば、図１のフィードバック室２０の上方（Ｂ方向）に、もう１つの弁プラグ、不感帯補償ダイアフラム、大気圧室およびばねを設けることによって、２つの出力を有する複動型の圧力増幅器を実現することができる。
【００８９】
なお、本発明は、前述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲で、さらに多くの変更および変形を含む。
【符号の説明】
【００９０】
１０、１００、２００ 圧力増幅装置
１１ 本体
２０ フィードバック室
２１ 第３ダイアフラム
３０ バイアス室
３１ 第４ダイアフラム
４０ 入力圧室
４１ 第１ダイアフラム
５０ 排気圧室
６０ 出力圧室
６１ 第２ダイアフラム
６２ 隔壁
７０ 供給圧室
７２ ブリード孔
７３ 供給口
８０ 移動体
９０、２１０ 弁プラグ
９２、１３０ ばね（弾性体）
１１０ 不感帯補償ダイアフラム
１２０ 大気圧室（低圧力室）
２２０ 穴
２３０ 軸（軸部材）
Ｒ１ 第１流路
Ｒ２ 第２流路
Ｒ３ 第３流路
Ｒ４ 第４流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、供給流体と入力流体とを受け、この入力流体の圧力の変化に応じて出力流体の圧力を変化させる圧力増幅装置に関し、特に、入力圧／出力圧特性に生じる不感帯を改善する圧力増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、図４に示すような圧力増幅装置１０が知られている。図４は、圧力増幅装置１０の縦断面図であり、これを用いて圧力増幅装置１０の構成および動作について説明する。
【０００３】
圧力増幅装置１０は、本体１１、フィードバック室２０、第３ダイアフラム２１、バイアス室３０、第４ダイアフラム３１、入力圧室４０、第１ダイアフラム４１、排気圧室５０、出力圧室６０、第２ダイアフラム６１、隔壁６２、供給圧室７０、ブリード孔７２、供給口７３、移動体８０、弁プラグ９０、ばね９２、第１流路Ｒ１、第２流路Ｒ２、第３流路Ｒ３および第４流路Ｒ４を備えている。
【０００４】
本体１１は、圧力増幅装置１０の外郭を形成するベース（筐体）であり、この内部にフィードバック室２０、バイアス室３０、入力圧室４０、排気圧室５０、出力圧室６０および供給圧室７０の６つの室が、この順番で上方から下方（Ａ方向）へ形成されている。
【０００５】
フィードバック室２０は、本体１１、第３ダイアフラム２１および移動体８０によって仕切られ、第３流路Ｒ３を介して出力圧室６０と連通している。
【０００６】
バイアス室３０は、第３ダイアフラム２１を介してフィードバック室２０に隣接し、本体１１、第３ダイアフラム２１、第４ダイアフラム３１および移動体８０によって仕切られ、第４流路Ｒ４を介して供給圧室７０と連通している。
【０００７】
入力圧室４０は、第４ダイアフラム３１を介してバイアス室３０に隣接し、本体１１、第４ダイアフラム３１、第１ダイアフラム４１および移動体８０によって仕切られ、入力口から入力流体ＦＩが入力される。
【０００８】
排気圧室５０は、第１ダイアフラム４１を介して入力圧室４０に隣接し、本体１１、第１ダイアフラム４１、第２ダイアフラム６１および移動体８０によって仕切られ、排気口から出力流体が排気流体ＦＸとして外部に排気される。
【０００９】
出力圧室６０は、第２ダイアフラム６１を介して排気圧室５０に隣接し、本体１１、第２ダイアフラム６１、隔壁６２および移動体８０によって仕切られ、出力口から出力流体ＦＯが外部に出力される。
【００１０】
供給圧室７０は、隔壁６２を介して出力圧室６０に隣接し、本体１１および隔壁６２によって仕切られ、供給口７３から供給流体ＦＳが供給される。隔壁６２には、供給圧室７０と出力圧室６０とを連通するブリード孔７２が設けられている。
【００１１】
移動体８０は、第１ダイアフラム４１、第２ダイアフラム６１、第３ダイアフラム２１および第４ダイアフラム３１によって支持され、例えば、第１ダイアフラム４１が受ける入力流体ＦＩの増加または減少によって、Ａ方向またはＢ方向に移動する。
【００１２】
弁プラグ９０は、略半球状の頭部、円柱状の中間部、中間部から円錐状に広がった脚部の各部から構成される。
【００１３】
弁プラグ９０は、出力圧室６０および供給圧室７０に亘って位置する。頭部および中間部は出力圧室６０内に位置し、頭部が移動体８０に接触する。また、脚部は供給圧室７０内に位置し、円錐状の部分が隔壁６２に接触する。
【００１４】
ばね９２は、供給圧室７０内に位置し、一端が供給圧室７０の底面に、他端が弁プラグ９０の底面に接続される。これによって、弁プラグ９０は、ばね９２によって支持される。
【００１５】
つぎに、圧力増幅装置１０の動作について説明する。動作説明は、入出力圧が平衡している状態、入出力圧が増加している状態、入出力圧が減少している状態の３つの状態について説明する。
【００１６】
なお、以下で記載されるＡ方向とは、紙面の上から下へ向かう方向、すなわち、移動体８０から弁プラグ９０へ向かう方向をいう。また、Ｂ方向とは、紙面の下から上へ向かう方向、すなわち、弁プラグ９０から移動体８０へ向かう方向をいう。
【００１７】
（平衡状態）
平衡状態では、移動体８０および弁プラグ９０が以下のように平衡して、入力圧ＰＮおよび出力圧ＰＯがいずれも一定となる平衡状態を保つ。
【００１８】
移動体８０は、支持されている第１乃至第４ダイアフラム４１、６１、２１、３１から受ける力によって平衡する。第１乃至第４ダイアフラム４１、６１、２１、３１は、入力圧ＰＮ、出力圧ＰＯおよび供給圧ＰＳから以下の力を受ける。
【００１９】
第１ダイアフラム４１は、入力圧室４０内の入力圧ＰＮを受けることによってＡ方向の力を生じる。一方、第４ダイアフラム３１は、入力圧ＰＮを受けることによってＢ方向の力を生じる。
【００２０】
第２ダイアフラム６１は、出力圧室６０内の出力圧ＰＯを受けることによってＢ方向の力を生じる。一方、第３ダイアフラム２１は、第３流路Ｒ３によって導かれた出力圧ＰＯを受けることによってＡ方向の力を生じる。
【００２１】
第３ダイアフラム２１は、第４流路Ｒ４によって導かれた供給圧室７０内の供給圧ＰＳを受けることによってＢ方向の力を生じる。一方、第４ダイアフラム３１は、同様の供給圧ＰＳを受けることによってＡ方向の力を生じる。
【００２２】
そして、移動体８０は、第１乃至第４ダイアフラム４１、６１、２１、３１から上記の力を受けて力学的に平衡する。
【００２３】
また、弁プラグ９０は、脚部の円錐状の部分と隔壁６２とが接触している。一方、弁プラグ９０の頭部と移動体８０の一端との間に間隙が生じる。
【００２４】
この間隙はつぎの理由により生じる。隔壁６２に設けられたブリード孔７２を通って、供給圧室７０から出力圧室６０へ僅かな供給流体ＦＳが流れる。出力圧ＰＯを一定にするために、この流れ込んだ供給流体ＦＳを排気する必要がある。
【００２５】
流れ込んだ供給流体ＦＳに押された移動体８０が僅かにＢ方向に移動することで、弁プラグ９０の頭部と移動体８０の一端との間に間隙が生じ、この間隙によって第２流路Ｒ２が形成される。そして、ブリード孔７２から流入した供給流体ＦＳは、第２流路Ｒ２を通って出力圧室６０から排気圧室５０へ流れ（排気）、入力圧ＰＮおよび出力圧ＰＯがいずれも一定となる平衡状態を保つ。
【００２６】
（圧力増加状態）
圧力増加状態では、入力圧ＰＮが増加し、移動体８０および弁プラグ９０が以下のように動くことによって、出力圧ＰＯが増加する。
【００２７】
第１ダイアフラム４１および第４ダイアフラム３１は入力圧ＰＮを受ける。ここで、第１ダイアフラム４１の受圧面積ＳＦ１は、第４ダイアフラム３１の受圧面積ＳＦ４より大きいため、入力圧ＰＮの増加圧力に受圧面積ＳＦ１と受圧面積ＳＦ４との差を乗算した力がＡ方向に生じる。
【００２８】
この力によって移動体８０はＡ方向に移動し、弁プラグ９０の頭部と移動体８０の一端とが接触し、第２流路Ｒ２は閉じられ、移動体８０が弁プラグ９０をＡ方向に押す。
【００２９】
この弁プラグ９０をＡ方向に押す力が、弁プラグ９０の底面をＢ方向に押すばね９２のばね力（付勢力）より大きい場合、弁プラグ９０は移動体８０とともにＡ方向へ移動する。
【００３０】
このとき、弁プラグ９０の脚部の円錐状の部分と隔壁６２との間に間隙が生じ、この間隙によって第１流路Ｒ１が形成される。これによって、供給圧室７０内の供給流体ＦＳが、第１流路Ｒ１を通り供給圧室７０から出力圧室６０へ流れて、出力圧ＰＯが増加する。なお、第２流路Ｒ２は閉じられているので、出力圧室６０から排気は行われない。
【００３１】
出力圧ＰＯの増加に伴い、第２ダイアフラム６１および第３ダイアフラム２１で受ける圧力は増加する。ここで、第２ダイアフラム６１の受圧面積ＳＦ２は、第３ダイアフラム２１の受圧面積ＳＦ３より大きいため、出力圧ＰＯの増加圧力に受圧面積ＳＦ２と受圧面積ＳＦ３との差を乗算した力がＢ方向に生じる。
【００３２】
この力によって、移動体８０および弁プラグ９０はＢ方向に移動し、第１流路Ｒ１が閉じられることによって、出力圧ＰＯの増加は止まり一定の圧力になって平衡状態に落ち着く。
【００３３】
上述したフィードバック室２０および第３ダイアフラム２１が存在せず、第２ダイアフラム６１のみでも、移動体８０および弁プラグ９０をＢ方向に移動させることができる。なお、第３ダイアフラム２１が存在しない場合と比べて、存在する場合の方が、圧力ゲイン（出力圧ＰＯと入力圧ＰＮとの比）を高くすることができる。
【００３４】
（圧力減少状態）
圧力減少状態では、入力圧ＰＮが減少し、移動体８０および弁プラグ９０が以下のように動くことによって、出力圧ＰＯが減少する。
【００３５】
入力圧ＰＮを受ける第１ダイアフラム４１および第４ダイアフラム３１によって、入力圧ＰＮの減少圧力に受圧面積ＳＦ１と受圧面積ＳＦ４との差を乗算した力がＢ方向に生じる。
【００３６】
この力によって移動体８０はＢ方向に移動し、弁プラグ９０の頭部と移動体８０の一端とが離れ、第２流路Ｒ２が形成される。これによって、出力圧室６０内の出力流体ＦＯが、第２流路Ｒ２を通り出力圧室６０から排気圧室５０へ流れて（排気）、出力圧ＰＯが減少する。なお、第１流路Ｒ１は閉じられているので、供給圧室７０からの供給は行われない。
【００３７】
出力圧ＰＯの減少に伴い、第２ダイアフラム６１および第３ダイアフラム２１で受ける圧力は減少するので、出力圧ＰＯの減少圧力に受圧面積ＳＦ２と受圧面積ＳＦ３との差を乗算した力がＡ方向に生じる。
【００３８】
この力によって、移動体８０はＡ方向に移動し、第２流路Ｒ２が閉じられることによって、出力圧ＰＯの減少は止まり一定の圧力になって平衡状態に落ち着く。
【００３９】
ここで、圧力増加状態と同様に、フィードバック室２０および第３ダイアフラム２１が存在せず、第２ダイアフラム６１のみでも、移動体８０をＡ方向に移動させることができる。
【００４０】
なお、バイアス室３０は、平衡状態において、供給圧ＰＳの変動に対する出力圧ＰＯの変動を補償するための動作を行う。
【００４１】
すなわち、供給圧ＰＳが増加した場合、入力圧ＰＮも増加する。そして、第３ダイアフラム２１および第４ダイアフラム３１は、第４流路Ｒ４を介して供給圧ＰＳを受ける。ここで、第３ダイアフラム２１の受圧面積ＳＦ３は、第４ダイアフラム３１の受圧面積ＳＦ４より大きいため、供給圧ＰＳの増加圧力に受圧面積ＳＦ３と受圧面積ＳＦ４との差を乗算した力がＢ方向に生じる。この力によって供給圧変動補償を行うことができる。
【００４２】
なお、特許文献１には、図４で示した構造の圧力増幅器が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４３】
【特許文献１】特開２００３−２０６９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４４】
通常、入力圧ＰＮが増加すると、これに伴いすぐに出力圧ＰＯが増加するのが好ましい。しかし、平衡状態において、弁プラグ９０が隔壁６２に押し付けられているため、入力圧ＰＮが一定値まで増加しないと出力圧ＰＯは変化せず、一定値以上増加して始めて出力圧ＰＯが増加するという問題がある。この出力圧ＰＯが変化しない一定値のことを不感帯という。以下に、不感帯が生じる動作について図５を用いて説明する。
【００４５】
図５は、図４と同じ縦断面であるが、平衡状態における弁プラグ９０に印加される力を追加した図である。なお、以下で説明する力の方向は、Ｂ方向を正、Ａ方向を負とする。
【００４６】
出力圧室６０内において、弁プラグ９０の頭部がＢ方向（排気圧室５０方向）へ出力圧ＰＯ（ｋＰａ）を受ける（矢印Ｃ１参照）。この出力圧ＰＯを受ける弁プラグ９０の面積（以下、「排気弁面積」という）をＡｅ（ｍ２）とし、弁プラグ９０の円柱状の中間部の断面積をＡｖ（ｍ２）とすると、弁プラグ９０はＢ方向へ、（Ａｅ−Ａｖ）×Ｐｏの力を受ける。
【００４７】
また、弁プラグ９０の脚部の円錐状の部分がＡ方向（供給圧室７０方向）へ出力圧ＰＯ（ｋＰａ）を受ける（矢印Ｃ２参照）。この出力圧ＰＯを受ける弁プラグ９０の面積（以下、「給気弁面積」という）をＡｄ（ｍ２）とすると、弁プラグ９０はＡ方向へ、（Ａｄ−Ａｖ）×Ｐｏの力を受ける。
【００４８】
供給圧室７０内において、弁プラグ９０の底面がＢ方向へ供給圧ＰＳ（ｋＰａ）を受ける（矢印Ｃ３参照）。この供給圧ＰＳを受ける弁プラグ９０の面積をＡｄ（ｍ２）と同じとすると、弁プラグ９０はＢ方向へ、Ａｄ×ＰＳの力を受ける。
【００４９】
また、弁プラグ９０の底面は、支持されたばね９２よりＢ方向へばね力ＦＢを受ける。ばね９２が弁プラグ９０によって圧縮された変位量をＤ（ｍ）、ばね定数をｋ（Ｎ／ｍ）とすると、ばね力ＦＢはｋ×Ｄとなる。このように、弁プラグ９０には上記４つの力が印加されている。
【００５０】
平衡状態において、上述したように、弁プラグ９０の頭部と移動体８０の一端との間に間隙が生じている。
【００５１】
一方、弁プラグ９０の脚部の円錐状の部分は、上記４つの力の合成力である下記式（３）の力Ｆｄによって、隔壁６２に押し付けられている（Ｂ方向への押し付け）。
Ｆｄ（Ｎ）＝Ａｄ×ＰＳ−（Ａｄ−Ａｅ）×ＰＯ＋ｋ×Ｄ 式（３）
【００５２】
このＦｄが不感帯を生じさせる力である。すなわち、入力圧ＰＮが増加した場合、移動体８０が弁プラグ９０をＡ方向へ押すが、この押す力がＦｄに達するまで、弁プラグ９０は隔壁６２に押し付けられたままで、第１流路Ｒ１は形成されず供給流体ＦＳが流入しない。このため、出力圧ＰＯは変化せず不感帯を生じる。
【００５３】
本発明は、この不感帯を小さくする圧力増幅装置の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００５４】
このような目的を達成するために、請求項１の発明は、
供給流体と入力流体とを受け、この入力流体の圧力の変化に応じて出力流体の圧力を変化させる圧力増幅装置において、
前記入力流体を受ける第１ダイアフラムで仕切られる入力圧室と、
前記出力流体を受ける第２ダイアフラムで仕切られ、この出力流体を出力する出力圧室と、
前記供給流体を受け、前記出力圧室へ前記供給流体を供給する供給圧室と、
前記出力圧室から前記出力流体を排気する排気圧室と、
前記第１および第２ダイアフラムによって支持される移動体と、
前記出力圧室および前記供給圧室に亘って位置し、前記移動体によって押される場合、前記供給圧室から前記出力圧室への第１流路を形成し、前記移動体と接触しない場合、前記出力圧室から前記排気圧室への第２流路を形成する弁プラグと、
前記供給圧室を仕切り、前記出力圧室と反対方向に前記供給流体を受ける不感帯補償ダイアフラムと、
を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記不感帯補償ダイアフラムは、前記弁プラグの側面、底面または前記側面と前記底面との角に接続されたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載の発明において、
前記不感帯補償ダイアフラムを介して前記供給圧室に隣接し、前記供給流体の圧力より低い圧力を保持する低圧力室と、
この低圧力室の内部に前記弁プラグの底面を支持する弾性体と、
を備えたことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載の発明において、
前記弁プラグの底面に穴を形成し、
前記弾性体の中空部を通って前記穴に挿入される軸部材を備えたことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項３または４に記載の発明において、
前記弾性体の弾性特性は、前記不感帯補償ダイアフラムの受圧面積、前記供給流体の圧力、前記供給圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、前記排気圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、前記弾性体の変位量、および前記圧力増幅装置によって開閉されるバルブのスプリングレンジの上限値の少なくともいずれかによって定まる、ことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５に記載の発明において、
前記弾性体の弾性特性は、下記式（１）によって示される値以上であることを特徴とする。
（Ａｃ×ＰＳ＋（Ａｄ−Ａｅ）×ＰＯＵＰ）÷Ｄ 式（１）
但し、Ａｃは前記不感帯補償ダイアフラムの受圧面積、ＰＳは前記供給流体の圧力、Ａｄは前記供給圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、Ａｅは前記排気圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、Ｄは前記弾性体の変位量、ＰＯＵＰは前記スプリングレンジの上限値である。
請求項７の発明は、請求項５に記載の発明において、
前記弾性体の弾性特性は、前記供給圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積と前記排気圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積とが等しい場合、下記式（２）によって示される値以上であることを特徴とする。
（Ａｃ×ＰＳ）÷Ｄ 式（２）
但し、Ａｃは前記不感帯補償ダイアフラムの受圧面積、ＰＳは前記供給流体の圧力、Ｄは前記弾性体の変位量である。
【発明の効果】
【００５５】
本発明によれば、供給圧室を仕切り、出力圧室と反対方向に供給流体を受ける不感帯補償ダイアフラムによって、圧力増幅装置の不感帯を小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明を適用した圧力増幅装置の縦断面図の例である。
【図２】図１の圧力増幅装置の不感帯を説明するための縦断面図の例である。
【図３】本発明を適用した圧力増幅装置の縦断面図の他の例である。
【図４】背景技術で示した圧力増幅装置の縦断面図の例である。
【図５】図４の圧力増幅装置の不感帯を説明するための縦断面図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
本実施例を適用した圧力増幅装置について、図１を用いて説明する。図１は圧力増幅装置１００の縦断面図である。
【００５８】
図１において、図４と同一のものは同一符号を付し説明を省略し、本実施例の特徴である不感帯補償ダイアフラム１１０を中心に説明する。
【００５９】
圧力増幅装置１００は、図４に示した各部の他に、不感帯補償ダイアフラム１１０、大気圧室１２０、および図４のばね９２の代わりにばね１３０を備える。
【００６０】
不感帯補償ダイアフラム１１０は、弁プラグ９０の脚部の側面と本体１１とに接続される。これによって、供給圧室７０は、不感帯補償ダイアフラム１１０、隔壁６２および本体１１によって仕切られる。
【００６１】
なお、不感帯補償ダイアフラム１１０は、弁プラグ９０の側面の代わりに、弁プラグ９０の底面、または側面と底面との角に接続されてもよい。
【００６２】
大気圧室（低圧力室）１２０は、不感帯補償ダイアフラム１１０を介して供給圧室７０に隣接し、不感帯補償ダイアフラム１１０、本体１１および弁プラグ９０によって仕切られ、大気口から大気ＦＡが流入し、大気圧を保持している。
【００６３】
なお、大気圧室１２０は、供給圧ＰＳより低い圧力を保持する室（低圧力室）であってもよい。
【００６４】
ばね（弾性体）１３０は、大気圧室１２０内に位置し、一端が大気圧室１２０の底面に、他端が弁プラグ９０の底面に接続される。これによって、弁プラグ９０は、ばね１３０によって支持される。
【００６５】
圧力増幅装置１００の動作は、基本的に図４において説明した圧力増幅装置１０と同様であるが、不感帯補償ダイアフラム１１０を備えたことによって、不感帯を小さくすることができるので、図２を用いて圧力増幅装置１００の不感帯について説明する。
【００６６】
図２は、図１と同じ縦断面であるが、平衡状態における弁プラグ９０に印加される力を追加した図である。なお、以下で説明する力の方向は、Ｂ方向を正、Ａ方向を負とする。
【００６７】
図２において、矢印Ｃ１、Ｃ２で示した出力圧ＰＯから受ける力は、図５で説明した力と同じである。
【００６８】
供給圧室７０内において、不感帯補償ダイアフラム１１０が受ける力は、以下のようになる。
【００６９】
供給流体ＦＳが供給される供給口７３の位置は、不感帯補償ダイアフラム１１０の位置に対して出力圧室６０の方向にある。このため、不感帯補償ダイアフラム１１０は、供給口７３からの供給流体ＦＳをＡ方向（供給口７３の位置に対して出力圧室６０と反対の方向）に受ける（矢印Ｃ１０参照）。この不感帯補償ダイアフラム１１０の受圧面積をＡｃ（ｍ２）とすると、不感帯補償ダイアフラム１１０はＡ方向へＡｃ×ＰＳの力を受ける。
【００７０】
また、弁プラグ９０の底面は、支持されたばね１３０からＢ方向へばね力ＦＢを受ける。ばね１３０が弁プラグ９０によって圧縮された変位量をＤ（ｍ）、ばね定数をｋ（Ｎ／ｍ）とすると、ばね力ＦＢはｋ×Ｄとなる。このように、弁プラグ９０には上記４つの力が印加されている。
【００７１】
従って、図５での説明と同様に、不感帯の発生原因となる弁プラグ９０の脚部の円錐状の部分が受ける力Ｆｄｋは、上記４つの力の合成力である下記式（４）の力となり、この力によって、隔壁６２に押し付けられている（Ｂ方向への押し付け）。
Ｆｄｋ（Ｎ）＝−Ａｃ×ＰＳ−（Ａｄ−Ａｅ）×ＰＯ＋ｋ×Ｄ 式（４）
【００７２】
上記式（３）と式（４）とを比較すると、供給圧ＰＳから受ける力が異なる。式（３）はＡｄ×ＰＳ（Ｂ方向）、式（４）は−Ａｃ×ＰＳ（Ａ方向）であり、力の方向が異なる。
【００７３】
すなわち、式（３）では、弁プラグ９０の隔壁６２への押し付けを増大させるように働き、式（４）では、弁プラグ９０の隔壁６２への押し付けを抑えるように働く。このため、本実施例（図２）において、弁プラグ９０を隔壁６２へ押し付ける力は、図５の場合より、（Ａｄ×ＰＳ＋Ａｃ×ＰＳ）の分だけ小さくなる。
【００７４】
従って、この小さくなった力に相当する入力圧ＰＮ分だけ不感帯を小さくすることができる。このように、本実施例によれば、不感帯補償ダイアフラム１１０の上記の動作によって、不感帯を小さくすることができる。
【００７５】
つぎに、ばね１３０のばね定数（弾性特性）ｋは、上記式（４）から定めることができる。しかし、式（４）は、変化する出力圧ＰＯ（変量）を含んでいるため、これを固定値に置き換えてばね定数ｋを求めなければらない。
【００７６】
出力圧ＰＯが変化して平衡状態に達した場合、弁プラグ９０の脚部の円錐状の部分と隔壁６２とが接触して、出力圧室６０への供給流体ＦＳの流入を止めなければならない。接触するためには、上記式（４）のＦｄｋはゼロ以上でなければならず、これによって、弁プラグ９０にＢ方向の力が働き、隔壁６２に接触する。
【００７７】
ここで、出力圧ＰＯが最大の場合、式（４）のＦｄｋは最小になる。従って、出力圧ＰＯが最大の場合に、Ｆｄｋがゼロ以上となるようにばね定数ｋを定めれば、出力圧ＰＯが変化しても弁プラグ９０は隔壁６２に接触する。
【００７８】
出力圧ＰＯの最大値は、圧力増幅装置１００の出力流体ＦＯが印加されて開閉するバルブ（図示しない）のスプリングレンジの上限値ＰＯＵＰ（ｋＰａ）である。バルブ内にはばね（図示しない）があり、出力圧ＰＯはこのばね力に抗してバルブを開閉する。このばね力の範囲はバルブの仕様で定められており、この上限値がスプリングレンジの上限値ＰＯＵＰに相当する。例えば、標準圧において、供給圧ＰＳが１４０ｋＰａのときＰＯＵＰは１００ｋＰａ、倍圧において、供給圧ＰＳが２４０ｋＰａのときＰＯＵＰは２００ｋＰａと定められている。
【００７９】
従って、上記式（４）のＰＯをＰＯＵＰに置き換え、Ｆｄｋをゼロ以上とすると、ばね定数ｋは下記式（５）になる。
ｋ＞＝（Ａｃ×ＰＳ＋（Ａｄ−Ａｅ）×ＰＯＵＰ）÷Ｄ 式（５）
なお、＞＝は「左辺の値は右辺の値以上」を表し、÷は除算を表す。
【００８０】
また、給気弁面積Ａｄと排気弁面積Ａｅとが等しければ、ばね定数ｋは下記式（６）になる。
ｋ＞＝（Ａｃ×ＰＳ）÷Ｄ 式（６）
【００８１】
なお、不感帯を小さくするには、ばね１３０の自由長（伸縮していない場合のばねの長さ）を長くして、ばね定数ｋをなるべく小さくすることが好ましい。
【００８２】
これによって、ばね力ＦＢ（＝ｋ×Ｄ）は小さくなり、第１流路Ｒ１を形成するための力も小さくなって、不感帯を小さくすることができる。
【００８３】
つぎに、弁プラグが動く場合、その動作を安定させるために、弁プラグの横方向への動きを小さくする実施例について、図３を用いて説明する。図３は、図１に対し、軸２３０を追加し、弁プラグ２１０に穴２２０を設けた圧力増幅器２００の縦断面図であり、図１と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。
【００８４】
図３において、弁プラグ２１０が図１の弁プラグ９０と異なる点は、弁プラグ２１０の底面に、後述する軸２３０を挿入する穴２２０を設けた点である。
【００８５】
軸（軸部材）２３０は、一端を大気圧室１２０の底面に対して略垂直に固定し、ばね１３０の中空部を通って、穴２２０に挿入される。なお、図１と同様に、ばね１３０は、弁プラグ２１０の底面に接続され、弁プラグ２１０を支持する。
【００８６】
図１、図２において説明したように、弁プラグが縦方向（ＡまたはＢ方向）に動作することによって、圧力増幅器を安定に動作させることができるので、弁プラグの横方向への動きをなるべく抑える必要がある。
【００８７】
このため、縦方向に立てた軸２３０を弁プラグ２１０の穴２２０に挿入することによって、弁プラグ２１０の横方向への動きを抑え、圧力増幅器２００の動作をより安定にすることができる。
【００８８】
なお、上述した圧力増幅器は、出力が１つの単動型の圧力増幅器について説明したが、出力が２つ以上の複動型の圧力増幅器にも適用することができる。例えば、図１のフィードバック室２０の上方（Ｂ方向）に、もう１つの弁プラグ、不感帯補償ダイアフラム、大気圧室およびばねを設けることによって、２つの出力を有する複動型の圧力増幅器を実現することができる。
【００８９】
なお、本発明は、前述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲で、さらに多くの変更および変形を含む。
【符号の説明】
【００９０】
１０、１００、２００ 圧力増幅装置
１１ 本体
２０ フィードバック室
２１ 第３ダイアフラム
３０ バイアス室
３１ 第４ダイアフラム
４０ 入力圧室
４１ 第１ダイアフラム
５０ 排気圧室
６０ 出力圧室
６１ 第２ダイアフラム
６２ 隔壁
７０ 供給圧室
７２ ブリード孔
７３ 供給口
８０ 移動体
９０、２１０ 弁プラグ
９２、１３０ ばね（弾性体）
１１０ 不感帯補償ダイアフラム
１２０ 大気圧室（低圧力室）
２２０ 穴
２３０ 軸（軸部材）
Ｒ１ 第１流路
Ｒ２ 第２流路
Ｒ３ 第３流路
Ｒ４ 第４流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給流体と入力流体とを受け、この入力流体の圧力の変化に応じて出力流体の圧力を変化させる圧力増幅装置において、
前記入力流体を受ける第１ダイアフラムで仕切られる入力圧室と、
前記出力流体を受ける第２ダイアフラムで仕切られ、この出力流体を出力する出力圧室と、
前記供給流体を受け、前記出力圧室へ前記供給流体を供給する供給圧室と、
前記出力圧室から前記出力流体を排気する排気圧室と、
前記第１および第２ダイアフラムによって支持される移動体と、
前記出力圧室および前記供給圧室に亘って位置し、前記移動体によって押される場合、前記供給圧室から前記出力圧室への第１流路を形成し、前記移動体と接触しない場合、前記出力圧室から前記排気圧室への第２流路を形成する弁プラグと、
前記供給圧室を仕切り、前記出力圧室と反対方向に前記供給流体を受ける不感帯補償ダイアフラムと、
を備えたことを特徴とする圧力増幅装置。
【請求項２】
前記不感帯補償ダイアフラムは、前記弁プラグの側面、底面または前記側面と前記底面との角に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力増幅装置。
【請求項３】
前記不感帯補償ダイアフラムを介して前記供給圧室に隣接し、前記供給流体の圧力より低い圧力を保持する低圧力室と、
この低圧力室の内部に前記弁プラグの底面を支持する弾性体と、
を備えたことを特徴とする請求項２に記載の圧力増幅装置。
【請求項４】
前記弁プラグの底面に穴を形成し、
前記弾性体の中空部を通って前記穴に挿入される軸部材を備えたことを特徴とする請求項３に記載の圧力増幅装置。
【請求項５】
前記弾性体の弾性特性は、前記不感帯補償ダイアフラムの受圧面積、前記供給流体の圧力、前記供給圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、前記排気圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、前記弾性体の変位量、および前記圧力増幅装置によって開閉されるバルブのスプリングレンジの上限値の少なくともいずれかによって定まる、ことを特徴とする請求項３または４に記載の圧力増幅装置。
【請求項６】
前記弾性体の弾性特性は、下記式（１）によって示される値以上であることを特徴とする請求項５に記載の圧力増幅装置。
（Ａｃ×ＰＳ＋（Ａｄ−Ａｅ）×ＰＯＵＰ）÷Ｄ 式（１）
但し、Ａｃは前記不感帯補償ダイアフラムの受圧面積、ＰＳは前記供給流体の圧力、Ａｄは前記供給圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、Ａｅは前記排気圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、Ｄは前記弾性体の変位量、ＰＯＵＰは前記スプリングレンジの上限値である。
【請求項７】
前記弾性体の弾性特性は、前記供給圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積と前記排気圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積とが等しい場合、下記式（２）によって示される値以上であることを特徴とする請求項５に記載の圧力増幅装置。
（Ａｃ×ＰＳ）÷Ｄ 式（２）
但し、Ａｃは前記不感帯補償ダイアフラムの受圧面積、ＰＳは前記供給流体の圧力、Ｄは前記弾性体の変位量である。
【請求項１】
供給流体と入力流体とを受け、この入力流体の圧力の変化に応じて出力流体の圧力を変化させる圧力増幅装置において、
前記入力流体を受ける第１ダイアフラムで仕切られる入力圧室と、
前記出力流体を受ける第２ダイアフラムで仕切られ、この出力流体を出力する出力圧室と、
前記供給流体を受け、前記出力圧室へ前記供給流体を供給する供給圧室と、
前記出力圧室から前記出力流体を排気する排気圧室と、
前記第１および第２ダイアフラムによって支持される移動体と、
前記出力圧室および前記供給圧室に亘って位置し、前記移動体によって押される場合、前記供給圧室から前記出力圧室への第１流路を形成し、前記移動体と接触しない場合、前記出力圧室から前記排気圧室への第２流路を形成する弁プラグと、
前記供給圧室を仕切り、前記出力圧室と反対方向に前記供給流体を受ける不感帯補償ダイアフラムと、
を備えたことを特徴とする圧力増幅装置。
【請求項２】
前記不感帯補償ダイアフラムは、前記弁プラグの側面、底面または前記側面と前記底面との角に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の圧力増幅装置。
【請求項３】
前記不感帯補償ダイアフラムを介して前記供給圧室に隣接し、前記供給流体の圧力より低い圧力を保持する低圧力室と、
この低圧力室の内部に前記弁プラグの底面を支持する弾性体と、
を備えたことを特徴とする請求項２に記載の圧力増幅装置。
【請求項４】
前記弁プラグの底面に穴を形成し、
前記弾性体の中空部を通って前記穴に挿入される軸部材を備えたことを特徴とする請求項３に記載の圧力増幅装置。
【請求項５】
前記弾性体の弾性特性は、前記不感帯補償ダイアフラムの受圧面積、前記供給流体の圧力、前記供給圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、前記排気圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、前記弾性体の変位量、および前記圧力増幅装置によって開閉されるバルブのスプリングレンジの上限値の少なくともいずれかによって定まる、ことを特徴とする請求項３または４に記載の圧力増幅装置。
【請求項６】
前記弾性体の弾性特性は、下記式（１）によって示される値以上であることを特徴とする請求項５に記載の圧力増幅装置。
（Ａｃ×ＰＳ＋（Ａｄ−Ａｅ）×ＰＯＵＰ）÷Ｄ 式（１）
但し、Ａｃは前記不感帯補償ダイアフラムの受圧面積、ＰＳは前記供給流体の圧力、Ａｄは前記供給圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、Ａｅは前記排気圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積、Ｄは前記弾性体の変位量、ＰＯＵＰは前記スプリングレンジの上限値である。
【請求項７】
前記弾性体の弾性特性は、前記供給圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積と前記排気圧室方向に前記出力流体を受ける前記弁プラグの面積とが等しい場合、下記式（２）によって示される値以上であることを特徴とする請求項５に記載の圧力増幅装置。
（Ａｃ×ＰＳ）÷Ｄ 式（２）
但し、Ａｃは前記不感帯補償ダイアフラムの受圧面積、ＰＳは前記供給流体の圧力、Ｄは前記弾性体の変位量である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−５７６５０（Ｐ２０１２−５７６５０Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９８８０６（Ｐ２０１０−１９８８０６）
【出願日】平成２２年９月６日（２０１０．９．６）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月６日（２０１０．９．６）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
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