(57)【要約】【課題】バルブポジショナのパイロットバルブの従来のパイロットバルブの有する欠点を除去して、性能の優れたものを経済的に得ることを課題とする。【解決手段】バルブポジショナのパイロットバルブ内に、ノズルフラッパ機構からの空気圧信号（ノズル背圧）を受圧する受圧部（ノズル背圧室）の力に対抗して、出力圧力をフィードバックする出力圧フィードバック受圧部を有する構造のパイロットバルブを採用することにより、駆動部に供給される圧力が適正な位置に対して行き過ぎを生じない圧力制御形のポジショナ。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブポジショナのパイロットバルブ内に、ノズルフラッパ機構からの空気圧信号（ノズル背圧）を受圧する受圧部（ノズル背圧室）の力に対抗して、出力圧力をフィードバックする出力圧フィードバック受圧部を有するバルブポジショナのパイロットバルブ。
【請求項２】
請求項１のポジショナのパイロットバルブにおいて、出力圧フィードバック受圧部に出力圧力を導く空気圧回路に微細な絞り機構を設けて、フィードバック信号に一次遅れをもたせ、その結果として作動全体に微分作動機能をもたせ、急速な操作信号の変化によりよい追随性を持たせたことを特徴とするバルブポジショナのパイロットバルブ。
【請求項３】
請求項２の微細な絞り機構において、可変式にすることにより使用駆動部の容量及び摩擦などの条件に合わせた、より適切な微分作動の働きが得られるよう調整可能になることを特徴とするバルブポジショナのパイロットバルブ。
【請求項４】
請求項１のポジショナのパイロットバルブにおいて、駆動部に送る空気圧の給排気を行なって駆動部の弁軸の位置を操作する弁体の反対側にバランス圧力室（弁体均圧室）を設け、給気圧が弁体を給排気弁に押しつける力が作動に不円滑な不感帯を生じることを減少させることを特徴としたバルブポジショナのパイロットバルブ。
【請求項５】
請求項１又は４のポジショナのパイロットバルブにおいて、ノズルフラッパ機構からの空気圧信号（ノズル背圧）と出力圧力を対抗させてフィードバックを行なう際に、このふたつの力の不衡点において駆動操作に適切な出力圧力を得る為に、シリンダピストン機構による受圧部（対抗圧力室）を設け、供給圧力を加圧することにより、供給圧力の変化に対応し、適切な力のバイアスを与えることを特徴とするバルブポジショナのパイロットバルブ。
【請求項６】
請求項１又は４のポジショナのパイロットバルブにおいて、ノズルフラッパ機構からの空気圧信号（ノズル背圧）と出力圧力を対抗させてフィードバックを行なう際に、このふたつの力の不衡点において駆動操作に適切な出力圧力を得る為に、ダイヤフラムによる受圧部（対抗圧力室）を設け、供給圧力を加圧することにより、供給圧力の変化に対応し、適切な力のバイアスを与えることを特徴とするバルブポジショナのパイロットバルブ。
【請求項７】
請求項５又は６のポジショナのパイロットバルブにおいて、シリンダピストン機構、あるいはダイヤフラムによる受圧部に上述の供給圧力に代わりノズル背圧を加圧することにより、適切な力のバイアスを与えることと同時にノズル背圧の受圧面積が増加して感度を上昇させることを特徴とするバルブポジショナのパイロットバルブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学工業、製紙、製鉄工業など種々の装置産業のプラントのオートメーション装置に用いられる空気圧駆動式の自動調節弁の駆動部の弁軸を操作信号に応じた位置に制御する為に用いられるバルブポジショナのパイロットバルブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
バルブポジショナは、操作信号と駆動部の弁軸の位置度の関係を常に正確に保つ為、弁軸位置を検出して操作信号と比較して、駆動部を操作する空気圧を加減するサーボ機構の一種である。
【０００３】
図１の構成図によってバルブポジショナとしての動作を説明する。
バルブポジショナのトルクモーター１に操作信号電流が増加されると、アーマチュア２が支点板ばね３を中心に、矢印Ａ方向に動く。このアーマチュア２の動きによって、フラッパ４が動きノズル５との間隔が広がることにより、ノズル背圧室６の圧力が低下し、圧力室７とのバランスがくずれて、リレースプール（排気弁座）８が弁体９の給気弁９ａを押し開き供給圧力２２は給気弁座２１からの出力口１０を通過し、駆動部圧力室１１へ導入され、駆動部のダイヤフラムに発生した力は、対抗する駆動部スプリング４１の反力に抗して弁軸を押し下げ、駆動部圧力室１１の力と駆動部スプリング４１が平衡する位置まで移動する。弁軸１２の動きはフィードバックレバー１３、１４を介してカム１５を矢印Ｃのように回転させ、カム１５の変位量をレンジ調節アーム１６を通して矢印Ｄ方向に伝達し、ベアリング軸１７を介してゼロ調整アーム１８の先端とフラッパアーム１９の間にあるフィードバックスプリング２０の張力とトルクモーター１の吸引力とが平衡するまで動く。このようにして、入力信号電流の変化量に比例した弁軸１２の位置の変化が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする問題点】
励磁コイル、アーマチュア、ノズルフラッパ機構（ノズル５とフラッパ４）などからなる電空変換機構によって電気信号を空気圧信号に変換し、この空気圧信号をパイロットバルブと称する空気増幅器によって増幅するのである。パイロットバルブに印加される空気圧信号は、ノズルフラッパ機構（ノズル５とフラッパ４）から供給される空気圧（この空気圧のことをノズル背圧と称する）の圧力変化によりダイヤフラム５８がリレースプール８を動かし、弁体９と給気弁座２１又は排気弁座４２の開閉を交互に行なうことにより、駆動部圧力室１１への給気及び排気を行なう。
【０００５】
従来のパイロットバルブでは駆動部の弁軸１２の動きを制御するのには、ノズル背圧の圧力変化でパイロットバルブの給気弁９ａ又は排気弁９ｂの開度を加減し、リレースプール８の動きに応じて、給気又は排気の流量を増減させ、駆動部の弁軸１２の作動速度を加減する原理である。このためフィードバック機構が働き、フラッパ４とノズル５の間隔が変化し、ノズル背圧が動きと反対方向に上昇又は下降することにより、給気弁９ａ又は排気弁９ｂの開度が小さくなり、駆動部圧力室１１に給気又は排気される流量は減少し、トルクモーター１のアーマチュア２の吸引力とフィードバックスプリング２０の張力とが平衡した点で給気又は排気は停止する。
【０００６】
駆動部圧力室１１の容量が大きい場合や、駆動部の弁軸１２の持つ摩擦が大きい場合などでは出力圧力の給気又は排気に対しての駆動部の弁軸１２の動きに遅れを生じ、フィードバック機構を通した動きの伝達が遅れ、トルクモーター１の吸引力とフィードバックスプリング２０の張力が平衡して、パイロットバルブの給気又は排気が停止した時には、出力圧力が弁軸１２を目的の位置を保つ適正な圧力に行き過ぎを生じ、出力圧力か過大又は過少になり、改めてフィードバック機構が行き過ぎを修復する動きをするため、動作は反復往復するなど不安定になる。この現象を避けるため、パイロットバルブの出力口１０に絞りを入れ、駆動部の弁軸１２の作動速度を抑えるなどの対策をとっているが、そのため駆動部の弁軸の作動速度が遅くなるなどの問題点があった。この問題点を解決するのも本発明の目的の一つである。
【０００７】
本発明は、前述の〔０００３〕の説明において、リレースプール８の位置に応じて給気弁９ａ又は排気弁９ｂの流量を加減する従来の方式に換えて、出力圧力の変化がノズル背圧の変化に比例する構造のパイロットバルブを採用することにより駆動部に供給される圧力が適正な位置に対して行き過ぎを生じない圧力制御形のポジショナーである。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するため、バルブポジショナのパイロットバルブ内に、ノズルフラッパ機構（ノズル５とフラッパ４）からの空気圧信号（ノズル背圧）を受圧する受圧部（ノズル背圧室）の力に対抗して、出力圧力をフィードバックする出力圧フィードバック受圧部２７を有するバルブポジショナのパイロットバルブの構成となしたのである。
【０００９】
而して、前記のポジショナのパイロットバルブにおいて、出力圧フィードバック受圧部２７に出力圧力を導く空気圧回路に「微細な絞り機構」２８を設けて、フィードバック信号に一次遅れをもたせ、その結果として作動全体に「微分作動」機能をもたせ、急速な操作信号の変化によりよい追随性を持たせるバルブポジショナのパイロットバルブとなすのである。
この「微細な絞り機構」に関し、次の説明を加える。
【００１０】
タンクの空気圧の調節をしている時、圧力が勢いよく急速に上昇してくると、一定の圧力に達していなくても、少し手前でこのままでは圧力が上昇し過ぎてしまうという判断が働いて、ハンドルを反対に切り返すことがあるが、実際の圧力ではなく、圧力が上昇したり、下降したりするの速度も見ていて、残りの偏差が少なくなったのに、一定の圧力に接近する速度が余り速いとき反対に操作することを「微分制御」と云うのであって、本発明に係るパイロットバルブの出力圧フィードバック受圧部に導く「微細な絞り機構」が「微分制御」に関与するのである。
【００１１】
而して、前記の微細な絞り機構２８において、図６に図示のように可変式にすることにより使用駆動部の容量及び摩擦などの条件に合わせた、より適切な微分作動の働きが得られるよう調整可能になるようにすることが好ましい。
【００１２】
前述のポジショナのパイロットバルブにおいて、駆動部に送る空気圧の給排気を行なって駆動部の弁軸１２の位置を操作する弁体の反対側にバランス圧力室（弁体均圧室）を設け、給気圧が弁体を給排気弁に押しつける力が作動に不円滑な不感帯を生じることを減少させるものとする。
【００１３】
前記のポジショナのパイロットバルフにおいて、ノズルフラッパ機構（ノズル５トフラッパ４）からの空気圧信号（ノズル背圧）と出力圧力を対抗させてフィードバックを行なう際に、このふたつの力の平衡点において駆動部操作に適切な出力圧力を得る為に、図２に図示のようにシリンダピストン機構（シリンダ３７とピストン３４）あるいは図８に図示のように、ダイヤフラム４０による受圧部３３，４３（対抗圧力室）を設け、供給圧力２２を加圧することにより、供給圧力２２の変化に対応し、適切な力のバイアスを与えるものとする。
【００１４】
前記のポジショナのパイロットバルブにおいて、シリンダピストン機構（シリンダ３７とピストン３４）、あるいは図８に図示のようにダイヤフラム４０による受圧部３３，４３に上述の供給圧力２２に代わりノズル背圧を加圧することにより、適切な力のバイアスを与えることと同時にノズル背圧の受圧面積が増加して感度を上昇させることもできるのである。
【００１５】
前述のことを図面につき説明する。図５に図示のようにパイロットバルブ内に出力圧力をノズル背圧に対してフィードバックさせる、出力圧フィードバック受圧部とフィードバックダイヤフラムを設け、出力圧力の空気圧を出力圧フィードバック受圧部にも導くことにより、ノズル背圧に対抗する力が発生し、出力圧力がノズル背圧の変化に比例した圧力変化を生じた点で安定するようなバルブポジショナのパイロットバルブとなしたのである。
【００１６】
これにより、操作信号が変化し、トルクモーター１の力の力の変化を介して、ノズル背圧が変化し、その変化に比例した出力圧力変化が駆動部に供給される。駆動部は出力圧力に対応する位置に移動し、その位置はフィードバック機構を介して、ノズルフラッパ機構（ノズル５とフラッパ４）にフィードバックされ、駆動部が目的の位置に達した時、出力圧力の変化は停止し、駆動部の弁軸１２の動きも停止する。
【００１７】
更に、出力圧力を出力圧フィードバック受圧部２７に導く空気回路に微細な絞り機構２８を設け、出力圧力の変化に対して出力圧フィードバック受圧部の圧力の変化に一次遅れを持たせることにより、ノズル背圧の変化と出力圧の変化の時間的関係に進み要素（微分動作）を持たせることができ、急速な操作信号変化に対してもより安定した追随性を持たせることができる。
【００１８】
図６に図示のように微細な絞り機構を可変式にし、上述の一次遅れの時定数を変化させ、使用する駆動部の条件に合わせて、適正な微分動作機能を得ることができる。
【００１９】
本発明のパイロットバルブにおいて、ノズル背圧の変化と出力圧力の変化の関係はバックラッシュ、不感帯などによって、相互の直線性が損なわれないことが必要である。
【００２０】
図３に図示のように、従来パイロットバルブの弁体９は、給気側弁体の給気側と出力圧力側の圧力差により、給気弁９ａを閉じる方向に外力が加わる。出力圧フィードバック受圧部２７を設けたパイロットバルブにおいて、従来の弁体９のままでは給気状態の時、出力圧フィードバック受圧部２７に給気圧力２２と出力圧力の差に弁座面積を乗じた力が加算され、ノズル背圧が変化して給気状態と排気状態が切り替わる時、この力の分だけノズル背圧と出力圧フィードバック受圧部２７の力の平衡に段差を生じる。
【００２１】
この平衡点における作動の段差はパイロットバルブのノズル背圧と出力圧力の関係に不感帯を生じ、結果として入力信号と駆動部の位置関係に不感帯を生じせしめる一因となる。
【００２２】
この問題を解決するために、図４に図示のように給気弁座２１の反対側に弁体均圧室３０を設け、弁体４９側にはバランスピストン３９を設け、弁体均圧室３０には出力圧力を導き出力圧力が弁体４９側に押す力と、バランスピストン３９を押す力をバランスさせ、上述の不感帯の原因となった不平衡力を相殺して減少させる。
【００２３】
ノズルフラッパ機構（ノズル５トフラッパ４）とパイロットバルブの空気源は通常、共通の空気源から空気圧を供給するので、出力圧力の必要作動範囲とノズル背圧の必要作動範囲の相互の力を平衡させるために、一定の力をバイアス加算する必要がある。圧縮スプリングなどで、力を加算する方法もあるが、種々の給気圧力を使用する場合、圧縮スプリングの圧縮力を変更せねばならない。又、使用期間中に給気圧力が変動すると、それが出力圧力変動および駆動部の位置変動になる。そのため本発明は図７に図示のように、バイアス力を加算するシリンダピストン機構（シリンダ３７とピストン３４）を別に設け（Ａ案）、共通の給気源の圧力によって力の加算を行なう。
【００２４】
出力圧力の必要作動範囲とノズル背圧の必要作動範囲の相互の力を平衡させるために、一定の力をバイアス加算する方法として、図８に図示のようにダイヤフラム４０を用いる方法（Ｂ案）がある。この方法も、共通の給気源の圧力によって力の加算を行なうため、給気圧力の変動により、出力圧力変動及び駆動部の位置変動することなく、一定の力のバイアス加算を行なう。
【００２５】
図９に図示のように、前述のバイアス力を加算するために設けられた、シリンダピストン機構（シリンダ３７とピストン３４）、又は、ダイヤフラム５５に給気圧に代えてノズル背圧を加圧することにより（Ｃ案）、バイアス力を加算するだけでなくノズル背圧受圧部６の有効面積が増えるため、パイロットバルブの感度も上昇させることが可能になる。組み合わせる駆動部の特性によりＡ，Ｂ案とＣ案を配管回路を切り替えるだけで、使い分けることができる。
【００２６】
【作用】
従来の方式がノズル背圧の変化によって、給気又は排気する空気流量を加減していたのに対し、本発明ではノズル背圧の変化に比例する出力圧力を得る圧力制御形を採用することにより、駆動部圧力室１１の容量が大きい場合や、駆動部の弁軸１２の持つ摩擦が大きい場合、駆動部の弁軸１２の作動が高速の場合においても、安定した作動を得ることができる。
【００２７】
パイロットバルブ内の出力圧力を、出力圧フィードバック受圧室２７に導く空気回路に微細な可変式絞り機構２８を設けることにより一次遅れを発生させ、微分作動機能を持たせることができ、操作信号の急速な変化に対してもより安定した追随性を持たせることができる。
【００２８】
更に、このパイロットバルブにおいて、給気圧力が弁体４９を給気弁座２２、排気弁座４２方向に押しつける外力を軽減し、力の平衡点の段差を大幅に減少した作動を得るものである。
【００２９】
上述のパイロットバルブにおいて、出力圧力の必要作動範囲とノズル背圧の必要作動の相互の力を平衡させるために、一定の力をバイアス加算するのに共通の空気源の圧力を用いることにより、給気圧力の変動に対応したバイアス力を得るものである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、前記のようにしてポジショナー装置（位置制御装置並びにこれに付随するブースター）のパイロットバルブにおける従来のものの欠点を充分に除去して、性能の優れたものを経済的に得たと云う大きな効果を齎したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】バルブポジショナの従来の技術の装置のものの単動型電空ポジショナの構造説明図
【図２】本発明に係るバルブポジショナの出力圧フィードバック受圧部装置を装架した単動型電空ポジショナの構造説明図
【図３】従来のパイロットバルブの弁体部の構造説明図図
【図４】本発明に係る「作動に無関係な力の平衡点の段差を生じることを防止させるための対策」を施したもののパイロットバルブの弁体部の構造説明図
【図５】本発明に係るバルブポジショナの出力圧フィードバック受圧部を設けた構造説明図
【図６】本発明に係るバルブポジショナの出力圧フィードバック受圧部に導く微細な可変式絞り機構の拡大構造説明図
【図７】本発明に係るパイロットバルブ内の力の平衡点を得るための対策（Ａ案）を施したものの構造説明図
【図８】本発明に係るパイロットバルブ内の力の平衡点を得るための対策（Ｂ案）を施したものの構造説明図
【図９】本発明に係るパイロットバルブ内の力の平衡点を得ることと同時に、パイロットバルブの感度を上昇させるための対策（Ｃ案）を施したものの構造説明図
【符号の説明】
１　トルクモーター
２　アーマチェア
３　支点板バネ
４　フラッパー
５　ノズル
６　ノズル背圧室
７　圧力室
８　リレースプールＡ
８ａ　Ｏリング
９　弁体Ａ
９ａ　給気弁Ａ
９ｂ　排気弁Ａ
１０　出力口
１１　駆動部圧力室
１２　弁軸
１３　フィードバックレバーＡ
１４　フィードバックレバーＢ
１５　カム
１６　レンジ調整アーム
１７　ベアリング軸
１８　ゼロ調節アーム
１９　フラッパーアーム
２０　フィードバックスプリング
２１　給気弁座部
２２　供給圧力
２３　バルブポジショナのベース
２４　バルブポジショナのブリーダー取付部
２５　ブリーダー（可変型ブリーダー）
２６　ケース
２７　出力圧フィードバック受圧部
２８　微細な絞り機構
２９　バイパス小穴
３０　弁体均圧室
３１　ＶリングＡ
３２　ＯリングＢ
３３　対抗圧力室Ａ
３４　ピストン
３５　ＶリングＢ
３６　固定絞り
３７　シリンダ部
３８　シリンダ内蔵ボディ
３９　バランスピストン
４０　ダイヤフラム
４１　駆動部スプリング
４２　排気弁座部
４３　対抗圧力室Ｂ
４８　リレースプールＢ
４８ａ　ＯリングＡ
４９　弁体Ｂ
４９ａ　給気弁Ｂ
４９ｂ　排気弁Ｂ
５０　絞り弁座
５２　調整絞り弁
５３　ＯリングＣ
５４　連結ノズル背圧室
５５　ダイヤフラム
５６　フィードバックダイヤフラム
５７　励磁コイル
５８　ノズル背圧ダイヤフラム
【図１】
2004125151.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004125151.tif 000008
【図７】
2004125151.tif 000009
【図８】
2004125151.tif 000010
【図９】
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