(57)【要約】【課題】  調節弁の完全締め切りとその後の調節弁開放動作において過大なヒステリシスを生じさせず、調節弁の完全締め切り条件を容易に変更することが可能な電空ポジショナーおよびその駆動方法を提供する。【解決手段】  トルクモーター部に対して供給される電流値を制御する電流入力回路を備え、電流入力回路は、検出した電流が調節弁の全閉状態を示す場合には、調節弁が全閉位置で平衡状態となる電流よりも調節弁が閉じる方向に、トルクモーター部に供給される電流を変化させる。調節弁を全閉状態での完全締め切りから通常の平衡状態での開度調整に変化させる際には、調節弁を全閉位置で平衡状態とするのに必要な電流をトルクモーター部に供給する。【選択図】図１
2005106096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルクモーター部で発生するトルクと調節弁の位置とをフィードバック制御して調節弁の開度調節を行う電空ポジショナーであって、
前記トルクモーター部に対して供給される電流値を制御する電流入力回路を備え、
前記電流入力回路は、検出した電流が前記調節弁の全閉状態を示す場合には、前記調節弁が全閉位置で平衡状態となる電流よりも前記調節弁が閉じる方向に、前記トルクモーター部に供給される電流を変化させること
を特徴とする電空ポジショナー。
【請求項２】
前記電流入力回路は、前記調節弁を全閉状態での完全締め切りから通常の平衡状態での開度調整に変化させる際に、前記調節弁を全閉位置で平衡状態とするのに必要な電流を前記トルクモーター部に供給することを特徴とする請求項１記載の電空ポジショナー。
【請求項３】
前記電流入力回路は、前記調節弁の全閉状態を示す閾値電流まで電流値が降下した場合には、前記トルクモーター部への電流供給を止めることを特徴とする請求項１記載の電空ポジショナー。
【請求項４】
電空ポジショナーのトルクモーター部で発生するトルクと調節弁の位置とをフィードバック制御して調節弁の開度調節を行う電空ポジショナーの駆動方法であって、
前記調節弁が全閉状態であるときには、前記調節弁が全閉位置で平衡状態となる電流よりも前記調節弁が閉じる方向に、前記トルクモーター部に供給される電流を変化させ、前記調節弁の完全締め切りを行うこと
を特徴とする電空ポジショナーの駆動方法。
【請求項５】
前記調節弁を全閉状態での完全締め切りから通常の平衡状態での開度調整に変化させる際に、前記調節弁を全閉位置で平衡状態とするのに必要な電流を前記トルクモーター部に供給することを特徴とする請求項４記載の電空ポジショナーの駆動方法。
【請求項６】
前記トルクモーター部に供給される電流値を測定し、前記調節弁の全閉状態を示す閾値電流まで電流値が降下した場合には、前記トルクモーター部への電流供給を止めることを特徴とする請求項４記載の電空ポジショナーの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブの位置調整を行うための電空ポジショナーおよびその駆動方法に関し、特に空気圧作動の調節弁を機械的にフィードバック制御する電空ポジショナーおよびその駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ポジショナー装置は、バルブ駆動制御やプロセスオートメーションなどの一般産業用機器の駆動制御に用いられる位置制御装置であり、調節弁に取り付けられて調節弁の開度を調整することで配管中を流れる流体量を調節する用途にも用いられる。ポジショナーを用いた流体の流量調節では、流体の圧力や流量に影響されずに精密かつ定常的に調節弁の開度を制御することが重要である。
【０００３】
このようなポジショナー装置として、トルクモーターに電流を流して発生する磁力によってアーマチュア（可動片）にトルクを発生させ、アーマチュアの動作に応じて駆動部に供給される空気圧を調整し、駆動部に供給される空気圧によって調節弁の移動を行って調節弁の開度を制御する電空ポジショナーが従来から提案されている。電空ポジショナーでは、アーマチュアの動作と調節弁の動作を拮抗させて、調節弁の開度をフィードバック制御によって調節することで、配管中の流体による影響に対抗して調節弁の開度が保持される。
【０００４】
調節弁の作動は、トルクモーターに入力される電流が増加したときに空気圧が上昇して調節弁を全閉するものと、電流が減少したときに空気圧が下降して調節弁が全閉するものがある。通常は、駆動部への空気圧供給が停止した場合などの異常が発生したときに、プラント操業の安全確保するために、空気圧供給が停止した場合に調節弁が全開または全閉のどちらとなるかを選んで採用する。トルクモーターへ入力される電流が減少、すなわち駆動部へ供給される空気圧が低下したときに全閉される調節弁は、閉止することをもって安全とする用途に使われるので、異常発生時に限らず通常の操業においても、特に全閉時の締め切りの完全さを要求される。
【０００５】
図５は駆動部に供給される空気圧とトルクモーターに入力される電流の関係を示したグラフの一例である。調節弁が全閉状態の時にトルクモーターに入力される電流値は４ｍAで入力信号０％であり、調節弁が全開状態の時の電流値は２０ｍAで入力信号１００％とする。トルクモーターに入力される電流値が、４ｍAすなわち入力信号０％近傍まで低下すると、駆動部に送られる空気圧は減少して、調節弁は閉止位置まで下降する。しかし、調節弁の開度は常に電空ポジショナーのフィードバック機構によってバランスを保ちながら作動するので、調節弁の弁体は弁座に接触しても、面圧をもって弁座に押しつけられることはない。このため、調節弁が全閉位置に保持されていたとしても、弁体と弁座との間を流れる流体を完全に締め切ることは困難である。
【０００６】
また駆動部の作動空気圧範囲は、大気圧と同程度の圧力を使用すると排気の速度が遅くなり駆動速度が悪化するので、通常は図５に示したように、入力信号が０％すなわち調節弁の弁体が弁座に接触する位置では、駆動部には最大使用圧力の２０〜４０％程度の圧力が供給されている。したがって、調節弁を完全に閉止して流体を完全に締め切るためには、駆動部内に残存している空気圧を完全に放出して、弁体が十分な力を持って弁座に押しつけられて、流体を締め切る必要がある。
【０００７】
そこで従来の電空ポジショナーでは、駆動部に供給される空気圧を大気圧程度まで下げて調節弁を完全に閉止させるために、駆動部とトルクモーターとの間のフィードバック機構を改良して、入力信号が０％あるいはその近傍まで下降した際に駆動部の空気圧が低下するようにしている。このフィードバック機構の改良は、例えばカムの形状を一部変形させて、調節弁の締め切り位置近傍でのフィードバック情報を変化させるものがある。このようなフィードバック機構では、調節弁が全閉位置近傍になったとしても、弁体が弁座に到達していないかのように意図的にフィードバック機構の力の釣り合いを不均衡にして、調節弁の位置が変化しない状態でも、駆動部に供給される空気圧の圧力が低下するようにしている。駆動部に供給される圧力が大気圧程度まで低下されることで、調節弁の弁体が弁座に圧力を持って密着させて調節弁の完全な締め切りを達成してきた。（例えば特許文献１および特許文献２参照）
【０００８】
【特許文献１】特開平５―１２６１０１号公報
【特許文献２】特開平７―１５８６０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、トルクモーターと駆動部の間でのフィードバック機構をカムの変形などで機械的に調整する方法では、フィードバック機構内の弁軸位置情報の伝達特性を変化させている。このため、調節弁を締め切っているときには、フィードバック機構はバランス状態ではなく偏差を生じた状態を保ち続けている。したがって、閉じている調節弁を再び開いて作動させるように入力信号を上昇させたとしても、所定の入力信号より大幅に大きな信号を入力して、駆動部に供給される空気圧が上昇し、締め切った調節弁が開きはじめてカムの形状変更した部分を経過して、通常の位置に戻るまでは正常な作動に復帰しない。
【００１０】
これは図６に示すように、調節弁の完全な締め切りとその後の調節弁の開放動作に際して、入力信号と調節弁開度の伝達特性にいわゆるヒステリシスを生じることとなる。このヒステリシスの幅が過大となる場合には、調節弁の位置調整が精密に行えなくなるため、電空ポジショナーと調節弁を用いたプラントで操業上の不具合が生じることがあった。また、機械構造的にフィードバック機構の調整を行っているために、駆動部に供給される空気圧の低下を行って調節弁の完全締め切りを達成するための条件を微細に調整して変更することができず不便であった。
【００１１】
したがって本願発明は、調節弁の完全締め切りとその後の調節弁開放動作において過大なヒステリシスを生じさせず、調節弁の完全締め切り条件を容易に変更することが可能な電空ポジショナーおよびその駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために本願発明の電空ポジショナーは、トルクモーター部で発生するトルクと調節弁の位置とをフィードバック制御して調節弁の開度調節を行う電空ポジショナーであって、前記トルクモーター部に対して供給される電流値を制御する電流入力回路を備え、前記電流入力回路は、検出した電流が前記調節弁の全閉状態を示す場合には、前記調節弁が全閉位置で平衡状態となる電流よりも前記調節弁が閉じる方向に、前記トルクモーター部に供給される電流を変化させることを特徴とする。
【００１３】
調節弁の全閉状態を示す電流値が入力された場合に、調整弁が全閉である状態よりもさらに調節弁が閉まる方向にトルクモーターに供給される電流を変化させることにより、調節弁は圧力が加えられた状態での全閉状態となる。これにより、調節弁を完全に締め切ることができ、調節弁による流体の遮断を行うことが可能となる。また、電流入力回路によってトルクモーター部に供給される電流を制御することにより、調節弁の完全締め切りを実現するため、機械的なフィードバック機構に完全締め切りを実行するための要素を形成する必要が無く、簡便な構成によって調節弁の完全締め切りを実現することができる。また、調節弁の完全締め切りを行う入力信号の作動点およびスイッチングのヒステリシス幅は、可変抵抗および回路内の抵抗値によって容易かつ高精度に任意の値に設定することができる。
【００１４】
また電流入力回路は、調節弁を全閉状態での完全締め切りから通常の平衡状態での開度調整に変化させる際に、調節弁を全閉位置で平衡状態とするのに必要な電流をトルクモーター部に供給する。調節弁の完全締め切りは、トルクモーター部に流れる電流を調節弁が全閉である状態よりもさらに調節弁が閉まる方向に変化させることによって行われるため、調節弁を開放していく動作に入る際には、調節弁を全閉状態で圧力が加わっていない状態にまでトルクモーター部に流れる電流を戻す必要がある。トルクモーター部に流れる電流を変化させるだけで、調節弁の完全締め切りと平衡状態での全閉状態を切り替えることができるため、機械的なフィードバック機構で完全締め切りを行うよりもヒステリシス幅を小さくして精度良く調節弁の開度調整を行うことが可能となる。
【００１５】
また電流入力回路は、調節弁の全閉状態を示す閾値電流まで電流値が降下した場合には、トルクモーターへの電流供給を止める。外部から電空ポジショナーに入力される電流が調節弁の全閉状態を示す閾値になった場合に、電流入力回路が回路を短絡してトルクモーター部への電流供給を止めることにより、調節弁の全閉での平衡状態を示す電流値が外部から供給され続けたとしても、トルクモーター部に流れる電流は完全締め切り状態を実現するためのものとなる。したがって、外部から入力される信号や電空ポジショナーの機械的なフィードバック機構に変更を加えることなく、簡便に調節弁の完全締め切りを実現することが可能となる。
【００１６】
また、上記課題を解決するために本願発明の電空ポジショナーの駆動方法は、電空ポジショナーのトルクモーター部で発生するトルクと調節弁の位置とをフィードバック制御して調節弁の開度調節を行う電空ポジショナーの駆動方法であって、前記調節弁が全閉状態であるときには、前記調節弁が全閉位置で平衡状態となる電流よりも前記調節弁が閉じる方向に、前記トルクモーター部に供給される電流を変化させ、前記調節弁の完全締め切りを行うことを特徴とする。
【００１７】
調節弁の全閉状態を示す電流値が入力された場合に、調整弁が全閉である状態よりもさらに調節弁が閉まる方向にトルクモーターに供給される電流を変化させることにより、調節弁は圧力が加えられた状態での全閉状態となる。これにより、調節弁を完全に締め切ることができ、調節弁による流体の遮断を行うことが可能となる。また、電流入力回路によってトルクモーター部に供給される電流を制御することにより、調節弁の完全締め切りを実現するため、機械的なフィードバック機構に完全締め切りを実行するための要素を形成する必要が無く、簡便な構成によって調節弁の完全締め切りを実現することができる。また、調節弁の完全締め切りを行う入力信号の作動点およびスイッチングのヒステリシス幅は、可変抵抗および回路内の抵抗値によって容易かつ高精度に任意の値に設定することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、トルクモーターに入力される電流を動作電力とする電子回路の働きによって、機械式電空ポジショナーの内部機構を変更することなく、調節弁を全閉させる入力信号が与えられたとき、駆動部に供給される空気圧を完全に解放することができる。駆動部に供給される空気圧を開放することで、調節弁の弁体をオフセット圧力に相当する力をもって弁座に密着させ、調節弁の完全な締め切りを行うことが出来る。また、調節弁の完全締め切りを行う入力信号の作動点およびスイッチングのヒステリシス幅は、可変抵抗および回路内の抵抗値によって容易かつ高精度に任意の値に設定することができる。
【００１９】
また、トルクモーターに供給される電流である入力信号から電空ポジショナーの回路にいわゆるフィードフォワード制御を行うことで、調節弁の完全締め切りとその後の開放動作に際してもヒステリシス幅は電子回路上のみで処理でき、機械構造的な方法に比べて実用上十分な幅にヒステリシス幅を狭くすることができる。また、回路定数を変更することでヒステリシス幅を任意に調整することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本願発明を適用した電空ポジショナーおよびその駆動方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。本発明は、電空ポジショナーのトルクモーターに入力される電流値が減少したときに、調節弁を全閉にするためのゼロ落ち機能、および入力信号値を微細に調整し変更する機能を電子回路によって行うものである。なお以下の説明においては、トルクモーターに流れる電流を小さくすることで調節弁が閉じる方向に変化するため、完全締め切りを実現するためにトルクモーターに流れる電流をゼロまたは小さくする。したがって、トルクモーターに流れる電流が大きくすることで調節弁が閉じる方向に変化する場合には、完全締め切りを実現するためにトルクモーターに流れる電流を大きくすることになる。
【００２１】
図１は、本発明の電空ポジショナーの構造を示す模式断面図である。電空ポジショナーは、トルクモーター部１と、圧力調整部２と、駆動部３と、フィードバック機構４と、電流入力回路５とが組み合わされた構造を有している。トルクモーター部１は、電流が流れることで調節弁の位置制御に必要なトルクを発生させる装置である。圧力調整部２は、トルクモーター部１で発生したトルクに応じて駆動部３に供給される気圧を調整する装置である。駆動部３は、圧力調整部２から供給される空気圧によって調節弁の位置を動かす装置である。フィードバック機構４は、駆動部３が調節弁の位置を動かした際にその動作をトルクモーター部１に伝達して、トルクモーター部１の動作と駆動部３の動作をフィードバック制御する装置である。電流入力回路５は、トルクモーター部１に供給する電流値を制御する電気回路である。
【００２２】
トルクモーター部１は、導電材を巻いたコイル１１を取り囲むように馬蹄形の磁石１２を配置し、コイル１１の中心軸位置に強磁性体の棒状部材であるアーマチュア１３を配置した構造を有している。コイル１１に巻かれた導電材の両端は外部に延長されて電流の入力端子が形成されており、入力信号である電流が入力端子に供給されることで、コイル１１に発生する磁力により磁化されたアーマチュア１３と磁石１２の間で力が発生し、アーマチュア１３に図中矢印Ａ方向やその逆方向へのトルクが発生することになる。
【００２３】
アーマチュア１３の一端にはＬ字形状の弾性体である支点板バネ１４が取り付けられており、支点板バネ１４の一辺は磁石１２に対して固定して取り付けられている。また、支点板バネ１４にはフラッパ１５とフラッパアーム１６とが一体に形成されている。アーマチュア１３にトルクが加わると、トルクに応じて支点板バネ１４が弾性変形し、支点板バネ１４の固定位置を回転中心としてフラッパ１５およびフラッパアーム１６が回転する。
【００２４】
また、フラッパ１５には圧力調整部２から供給される気体を噴出するノズル１７が当接されており、アーマチュア１３にトルクが加わることでフラッパ１５が動作して、ノズル１７とフラッパ１５との位置関係が変化し、ノズル１７から噴出する気体量が変化することになる。
【００２５】
圧力調整部２は、外部から供給配管２１を介して大気圧よりも高い気圧の気体が供給され、出力配管２２を介して駆動部３との間で気体の授受を行うとともに、ノズル配管２３を介してノズル１７から気体を噴出する。圧力調整部２は、外形を形成している筐体内部に摺動可能にリレースプール２５が配置され、筐体内部に形成された気体の流路に気体が流れることで、気密を保持しながらリレースプール２５の位置が変化する構造となっている。リレースプール２５の内部には、中心軸付近に排気流路２４が形成されており、排気流路２４を介して圧力調整部２外部に排気が行われる。
【００２６】
圧力調整部２の筐体内部には、供給圧力室２６、ノズル背圧室２８およびリレースプール圧力室２９が形成されており、供給圧力室２６内にはパイロット弁３０が配置されている。供給圧力室２６とリレースプール圧力室２９には供給配管２１が接続され、供給圧力室２６内部とリレースプール圧力室２９内部に加圧された気体が供給されている。ノズル背圧室２８は、固定絞り２７を介して供給圧力室２６と接続されるとともに、ノズル１７と配管を介して接続されている。ノズル背圧室２８とリレースプール圧力室２９とは、変形可能な隔壁を隔てて隣接しており、ノズル背圧室２８とリレースプール圧力室２９に導入されている気体の圧力差に応じてリレースプール２５が移動可能となっている。
【００２７】
パイロット弁３０は、リレースプール２５の位置に応じて移動可能に配置されており、供給圧力室２６と出力配管２２との間の流路を閉じているときには供給配管２１と排気流路２４との接続を開き、供給圧力室２６と出力配管２２との間の流路が開いているときには供給配管２１と排気流路２４との接続を閉じる機能を実現している。
【００２８】
駆動部３は、駆動部筐体３１内部に配されたダイヤフラム３２が配置され、ダイヤフラム３２によって仕切られた駆動部筐体３１内部の一方の空間に反発力を生じる駆動部スプリング３３が配され、他方の空間が駆動部圧力室３４として形成されている。駆動部圧力室３４には、出力配管２２を介して圧力調整部２から気体が供給され、駆動部スプリング３３の力と駆動部圧力室３４内部の気圧による力の均衡によって、ダイヤフラム３２の位置が決定される。ダイヤフラム３２には棒状の部材である弁軸３５が固定して取り付けられており、ダイヤフラム３２の動作に追随して弁軸３５が移動する。弁軸３５の先端には弁体３６が取り付けられており、ダイヤフラム３２と弁軸３５の移動によって弁体３６と弁座３７との位置関係が変化する。弁体３６と弁座３７はプラントなどで用いられている流量制御が必要な流体の配管内に配置されており、弁体３６と弁座３７の間隙を流体が流れていくため、弁体３６と弁座３７の位置関係によって流体の流量が制御されることになる。
【００２９】
フィードバック機構４は、フィードバックレバー４１，４２、カム４３、レンジ調整アーム４４、ベアリング軸４５、ゼロ調整アーム４６およびフィードバックスプリング４７が組み合わされて、弁軸３５の動作をフラッパアーム１６に伝達する。フィードバックレバー４１は、弁軸３５の中間位置付近に固定して取り付けられており、弁軸３５の移動に応じてフィードバックレバー４１も動作する。フィードバックレバー４２は、カム４３に固定して取り付けられ、フィードバックレバー４１の動作を受けてカム４３とともに回転運動を行う。カム４３は略楕円形状の部材であり、回転軸を中心としてフィードバックレバー４２の動きと一致した回転運動を行う。
【００３０】
レンジ調整アーム４４は、Ｌ字形状若しくはレの字形状の折れ曲がった部材であり、屈折部分を回転軸として回転可能になっている。またレンジ調整アーム４４はＬ字の二辺がカム４３の外周に当接するように配置され、カム４３の回転運動に応じてレンジ調整アーム４４も回転軸を中心とした回転運動を行う。ベアリング軸４５はレンジ調整アーム４４に形成されたガイド内を摺動し、カム４３にレンジ調整アーム４４を当接させるとともに、レンジ調整アーム４４の運動をゼロ調整アーム４６に伝達する。
【００３１】
ゼロ調整アーム４６は、一端に回転軸が形成された棒状部材であり、ベアリング軸４５から伝達されたレンジ調整アーム４４の動きに従って回転運動を行う。フィードバックスプリング４７は、ゼロ調整アーム４６の先端とフラッパアーム１６とを結ぶ弾性部材であり、ゼロ調整アーム４６の回転運動をフラッパアーム１６に伝達する。
【００３２】
次に、図１に示した電空ポジショナーの動作と調節弁の位置決めメカニズムを説明する。電空ポジショナーのトルクモーター部１に入力信号として流れる電流が増加すると、コイル１１に発生する磁力が増え、アーマチュア１３の磁化が大きくなり支点板バネ１４を中心として図中矢印A方向に働くトルクが増加する。このアーマチュア１３の動きによって、フラッパ１５も図中矢印Ａ方向に動き、フラッパ１５とノズル１７との間隔がわずかに拡がる。
【００３３】
フラッパ１５とノズル１７との間隔が拡がると、ノズル１７から噴出する気体の流量が増加してノズル背圧室２８内の圧力が低下し、リレースプール圧力室２９とノズル背圧室２８の圧力バランスが崩れて、リレースプール２５がノズル背圧室２８側に移動する。このとき、リレースプール２５はパイロット弁３０と当接して排気流路２４が閉じられ、パイロット弁３０が移動して供給圧力室２６と出力配管２２との流路が開かれる。これにより、供給配管２１、供給圧力室２６および出力配管２２が連通して、加圧された気体が駆動部３の駆動部圧力室３４に導入される。
【００３４】
駆動部圧力室３４に気体が導入されることで、ダイヤフラム３２は駆動部スプリング３３の反発力と駆動部圧力室３４の気圧がバランスを取る位置まで移動する。ダイヤフラム３２が移動すると弁軸３５および弁体３６も移動して、弁体３６と弁座３７の間隙が拡がって流体の流量が増加する。同時に、弁軸３５の動作はフィードバックレバー４１、４２を介してカム４３に伝達し、カム４３を図中矢印Ｃ方向に回転させる。カム４３の回転によって、レンジ調整アーム４４は図中矢印Ｄ方向に回転し、ベアリング軸４５を介してゼロ調整アーム４６が図中矢印E方向に回転する。ゼロ調整アーム４６の先端とフラッパアーム１６の間には、フィードバックスプリング４７が配されているので、ゼロ調整アーム４６の回転はフラッパアーム１６に伝達される。
【００３５】
フィードバックスプリング４７の張力とアーマチュア１３に発生したトルクは互いに反対方向に加わるため、コイル１１に発生している磁力によるトルクとフラッパアーム１６に加わる力が平衡になるまで、フラッパ１５が移動する。このようにして、トルクモーター部１に流れる入力信号電流の変化量に対応して、調節弁の弁体３６の位置変化が得られる。
【００３６】
電流入力回路５は、トルクモーター部１のコイル１１に対して電流値を制御しながら入力信号として電流を供給する装置である。トルクモーター部１でアーマチュア１３に加わるトルクの大きさは、コイル１１に発生する磁力の大きさに依存するので、コイル１１に流れる電流値をもってトルクモーター部１の動作を制御して調節弁の開度を制御する必要がある。
【００３７】
図２は電流入力回路５の一例を示す回路図である。電流入力回路５は制御回路部５１とスイッチング回路部５２とによって構成されており、電流入力回路５に入力された駆動電流は制御回路部５１とスイッチング回路部５２の働きによって制御されて、トルクモーター部１のコイル１１に対して出力される。制御回路部５１では、基準抵抗Ｒに流れる電流の電圧降下を測定することで、電流入力回路５からトルクモーター部１に流れる電流値を検出し、電流値が所定の閾値となった場合にはスイッチング回路部５２のスイッチ切り替えを行う。スイッチング回路部５２は、制御回路部５１からの制御にしたがって電流の流れる方向を切り替える回路であり、図中Ａ位置を接続してコイル１１側に電流を流すか、図中Ｂ位置を接続して電流を電流入力回路５内部で短絡させるかが決定される。スイッチング回路部５２としては、図示したように物理的に電気配線の接続を切り替える装置を用いるとしても良いが、半導体スイッチなどをもちいて電気的に接続方向を切り替えるとしても良い。
【００３８】
制御回路部５１では、入力信号として入力される電流値が調節弁の全閉位置を示す４ｍＡより大きな場合には、スイッチング回路部５２のＡ位置を接続してコイル１１に電流を流す。しかし、入力信号として入力される電流値が調節弁の全閉位置を示す４ｍＡである場合には、スイッチング回路部５２のＢ位置を接続して電流入力回路５内で短絡を行い、コイル１１には電流を供給しない。ここでは、スイッチング回路部５２で短絡を行ってコイル１１に流れる電流をゼロとする例を示しているが、コイル１１に流れる電流を４ｍＡよりも小さくするように電流を分岐して、コイル１１に発生する磁力を小さくする構成としても良い。制御回路部５１がスイッチの切り替えを行う電流値として、調節弁の全閉位置を示す４ｍＡを例として挙げたが任意の閾値電流であってよく、また、閾値電流近傍であれば閾値電流よりも大きな電流値でスイッチの切り替えを行うとしても良い。
【００３９】
本発明の電空ポジショナーおよびその駆動方法では、トルクモーター部１に流す電流値を電流入力回路５によって制御し、調節弁の弁体３６が全閉位置にあるときに弁体３６を弁座３７に対して所定の圧力で押し付けを行って、調節弁の完全締め切りを実現する。以下に全閉位置での調節弁の完全締め切り動作について説明する。
【００４０】
電空ポジショナーのトルクモーター部１に入力信号として流れる電流が減少すると、コイル１１に発生する磁力が減少し、アーマチュア１３の磁化が小さくなり支点板バネ１４を中心として図中矢印A方向に働くトルクが減少する。このアーマチュア１３の動きによって、フラッパ１５も図中矢印Ａ方向と反対方向に動き、フラッパ１５とノズル１７との間隔がわずかに狭まる。以下、圧力調整部２、駆動部３、フィードバック機構４では上述した電流増加時と逆の動作が行われて、トルクモーター部１に流れる入力信号電流の変化量に対応して、調節弁の弁体３６の位置変化が得られる。したがって、コイル１１に流れる電流が４ｍＡの時には、弁体３６と弁座３７とは接触して全閉状態となる。ただし、このときの弁体３６は駆動部スプリング３３の力と駆動部圧力室３４内部の気圧による力の均衡によって静止しているため、弁体３６と弁座３７との間には互いに圧力が加わっていない状態である。
【００４１】
制御回路部５１が閾値電流である４ｍＡ近傍でスイッチング回路部５２の切り替えを行ってコイル１１に流れる電流を減少させると、コイル１１が発生する磁力は４ｍＡの電流が流れていたときよりも小さくなり、フラッパアーム１６とフィードバックスプリング４７との力の均衡が崩れ、フラッパ１５が支点板バネ１４を中心に矢印Aと逆方向に動く。
【００４２】
するとフラッパ１５がノズル１７に近づき、ノズル１７から噴出する気体量が減少するためにノズル背圧室２８の圧力が上昇し、リレースプール圧力室２９との圧力バランスが崩れ、リレースプール２５がパイロット弁３０から離れる。これにより、駆動部圧力室３４に残されている圧縮気体は、出力配管２２を通過してリレースプール２５の排気流路２４から外部へと放出される。その結果として、駆動部圧力室３４内部の気圧は大気圧と同程度まで減少し、ダイヤフラム３２には駆動部スプリング３３によって押し下げられる方向に力が加わることになる。したがって、弁軸３５を介して弁体３６にも押し下げられる力が伝達されて、弁体３６が弁座３７に押しつけられた状態となるため、調節弁の完全締め切りを達成することができる。ここでは、駆動部圧力室３４内部の気圧が大気圧と同程度まで減少するとしているが、調節弁の全閉位置で駆動部スプリング３３と駆動部圧力室３４内部の気圧の圧力バランスを崩す程度まで圧力を減少させることで、弁体３６と弁座３７とが圧力が加わった状態で接触する完全締め切り状態を達成できる。
【００４３】
逆に、調節弁を完全締め切り状態から開放状態へと変化させる際には、制御回路部５１が基準抵抗Ｒに流れる電流値の増加を検知してスイッチング回路部５２を切り替え、電流入力回路５に入力された電流が全てコイル１１に流れるようにする。コイル１１に流れている電流はゼロまたは閾値電流以下の状態から、電流入力回路５に入力されている電流値と等しくなるため、コイル１１に発生する磁力は増加して、アーマチュア１３に加わるトルクが増加し、フラッパ１５とノズル１７の間隔は調節弁の全閉位置に対応したものとなる。
【００４４】
すると、ノズル１７から噴出する気体量が増加してノズル背圧室２８の圧力が下降し、リレースプール圧力室２９との圧力バランスが全閉状態に復帰し、リレースプール２５がパイロット弁３０と接触する。これにより、リレースプール２５の排気流路２４と出力配管２２とが閉じられ、パイロット弁３０が移動することで供給圧力室２６から出力配管２２とが連通し、駆動部圧力室３４内には圧縮気体が供給されることになる。コイル１１に流れる電流が閾値電流である場合には、駆動部圧力室３４内の気圧は調節弁を全閉位置とする程度まで上昇するため、弁軸３５および弁体３６の位置は変化しない。しかし、駆動部圧力室３４内部の気圧と駆動部スプリング３３からダイヤフラム３２に加わる力は均衡状態となるため、弁体３６と弁座３７とは圧力が加わらない状態での全閉状態となる。
【００４５】
したがって、コイル１１に流れる電流が閾値電流から上昇する場合には、フラッパアーム１６に加わるフィードバックスプリング４７からの力と、アーマチュア１３に加わるトルクが均衡状態となっているため、通常の調節弁の開度調整と同様にして弁体３６の位置調整を行うことが可能となる。
【００４６】
以上説明したように、本発明の電空ポジショナーおよびその駆動方法によれば、調節弁の全閉位置を示す閾値電流が供給された場合に、電流入力回路５によってコイル１１に流れる電流を減少させることで、機械式電空ポジショナーのフィードバック機構を変更することなく、駆動部３を作動させる空気圧を大気圧程度に解放して、オフセット圧力に相当する力をもって弁体３６を弁座３７に密着させて完全な締め切りを行うことが出来る。
【００４７】
図３は、上述して説明した電空ポジショナーの駆動方法を説明するフローチャートであり、電流入力回路５で行われる動作を説明するものである。なお、本手順はコンピュータープログラムとして定期的に呼び出されて実行されるとしてもよく、所定の回路構成によって物理的に電気回路上で手順を実行するとしてもよい。
【００４８】
ステップ１は電流検出を行う手順であり、電流入力回路５に流れる電流値Ｉを制御回路部５１によって検出する。電流値Ｉの検出方法はどのようなものであっても良く、例えば図２で説明したような基準抵抗での電圧降下を測定するものである。電流値Ｉの検出が終了した時点で手順はステップ２に移行する。
【００４９】
ステップ２は電流値Ｉに基づいて条件分岐を行う手順であり、ステップ１で検出した電流値Ｉが調節弁の全閉位置を示す閾値電流以上か否かを判断する。電流値Ｉが例えば閾値電流である４ｍＡ以上である場合には、調節弁は完全締め切り状態ではないと判断して手順はステップ３に移行する。電流値Ｉが例えば閾値電流である４ｍＡより小さい場合には、調節弁は完全締め切り状態にすると判断して手順はステップ４に移行する。
【００５０】
ステップ３は電流入力回路５に供給される電流を全てコイル１１に対して流すようにする手順である。電流値Ｉが閾値以上である場合には、調節弁は完全締め切り状態ではなく弁体３６と弁座３７との間で圧力が加わっていない状態であるので、通常の調節弁位置調整を行うために、電流入力回路５に供給される電流が全てコイル１１に対して流れるようにする。コイル１１にすべての電流を流す方法は、上述して説明したように電流入力回路５のスイッチング回路部５２の接続位置を切り替えることや、半導体スイッチでの接続切り替えを行うことにより行われる。
【００５１】
ステップ３が実行される以前からコイル１１に対して全ての電流が流れる状態である場合には、その状態が保持されることになる。ステップ３が実行される以前には、コイル１１に対して全ての電流が流れていない場合には、ステップ３が実行されることで電流入力回路５に供給される電流がコイル１１に全て流れることになり、調節弁は完全締め切り状態から通常の位置調整に切替わることになる。ステップ３の実行後、手順はリターンステップに移行し、再度一連の手順がステップ１から実行される。
【００５２】
ステップ４はコイル１１に流れる電流を減少させる手順である。電流値Ｉが閾値より小さい場合には、調節弁を完全締め切り状態として弁体３６と弁座３７とが圧力を加えられて接触する状態であるので、電流入力回路５に供給された電流の一部または全部を短絡させて、電流入力回路５に供給された電流の一部だけがコイル１１に流れるか、コイル１１に電流がまったく流れないようにする。電流入力回路５に対しては、調節弁の全閉状態を示す電流が供給され続けるが、コイル１１に流れる電流は小さくなるため、上述した様に弁体３６と弁座３７とは圧力が加えられた状態で接触し、調節弁の完全締め切りが実現される。ステップ４の実行後、手順はリターンステップに移行し、再度一連の手順がステップ１から実行される。
【００５３】
図４に、電流入力回路５を実現するための具体的な電子回路の一例を示す。この電流入力回路５は抵抗Ｒ１〜Ｒ１０、トランジスタＱ１〜Ｑ４、ダイオードＤ１、Ｄ２、キャパシタＣを備えており、一方の端子対である入力端子から電流を供給されて他方の端子対である出力端子から電流を流し、トルクモーター部１に電流を供給するものである。
【００５４】
図４に示しているように、入力端子のプラス極側から出力端子のプラス極側に抵抗Ｒ１、Ｒ２、トランジスタＱ２のコレクタ、エミッタの順に直列に接続されている。また、抵抗Ｒ２に並列に可変抵抗Ｒ４が接続されている。入力端子のプラス極と抵抗Ｒ１の間にトランジスタＱ１のエミッタが接続され、トランジスタＱ１のコレクタは抵抗Ｒ７を介してトランジスタＱ２のベースに接続され、トランジスタＱ１のベースは抵抗Ｒ５を介して可変抵抗Ｒ４に接続されている。また、トランジスタＱ２のベースとエミッタには抵抗Ｒ６が接続されている。
【００５５】
トランジスタＱ３とトランジスタＱ４とはダーリントン接続されており、トランジスタＱ４のベースがトランジスタＱ３のエミッタに接続されている。また、トランジスタＱ４のエミッタとトランジスタＱ３のエミッタとの間に抵抗Ｒ８が接続されている。また、トランジスタＱ３、Ｑ４のコレクタは、ともに抵抗Ｒ３を介してトランジスタＱ１のベースに接続されるとともに、抵抗Ｒ１０を介して入力端子のマイナス極と出力端子のマイナス極を結ぶ導電線に接続されている。さらに、キャパシタＣがトランジスタＱ３、Ｑ４のコレクタとトランジスタＱ３のベースの間に接続され、トランジスタＱ３のベースは抵抗Ｒ９を介してトランジスタＱ２のエミッタに接続されている。
【００５６】
ダイオードＤ１は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、トランジスタＱ２に並列に接続されており、電流入力回路５に電流が供給されるときにプラス極とマイナス極が逆に接続された場合に、電流入力回路５が破壊されることを防止するためのものである。またダイオードＤ２は、トランジスタＱ１のベースとトランジスタＱ２のコレクタを接続しており、電流入力回路５に供給される電流が大きくなった場合に、電流入力回路５自体が不要に大きな電圧降下を発生させないためのものである。
【００５７】
Ｒ１およびＲ２は、電流検出のための基準抵抗であり、抵抗Ｒ２に並列に接続された可変抵抗Ｒ４は、スイッチング回路部を作動してトルクモーター部１のコイル１１に流れる電流をゼロにする閾値電流を設定するためのものである。電流入力回路５に供給力された電流によって抵抗Ｒ１、Ｒ２の両端では電圧降下が起こり、その電圧降下がトランジスタＱ１への入力となる。電流入力回路５に供給される電流が可変抵抗Ｒ４で設定される閾値以上においては、抵抗Ｒ１、Ｒ２における電圧降下はトランジスタＱ１のエミッタ・ベース間に電流が流れるのに必要な電位差を有している。このためトランジスタＱ１がオン動作し、トランジスタＱ１のエミッタ・コレクタ間がオンとなる。
【００５８】
これにより、トランジスタＱ２にベース電流が流れてトランジスタＱ２がオン動作し、トランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間がオンとなる。このとき、トランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間の電圧降下は、ダーリントン接続されたトランジスタＱ３、Ｑ４の２つのエミッタ・ベース間に電流を流す閾値を下回り、トランジスタＱ３、Ｑ４はオフ状態となる。このため、電流入力回路５に供給された電流は全てコイル１１に流れることになる。
【００５９】
電流入力回路５に供給される電流が可変抵抗Ｒ４で設定される閾値より小さい場合においては、抵抗Ｒ１、Ｒ２における電圧降下が小さくなり、トランジスタＱ１のエミッタ・ベース間の電位差が減少してベース電流が流れなくなり、トランジスタＱ１のエミッタ・コレクタ間がオフとなる。このため、トランジスタＱ２にベース電流が流れず、トランジスタＱ２がオフ動作となるため、トランジスタＱ２のエミッタ・コレクタ間はオフになり、コイル１１には電流が流れなくなる。同時に、トランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間には電位差が生じ、この電位差はダーリントン接続されたトランジスタＱ３、Ｑ４の２つのエミッタ・ベース間に電流を流す閾値を上回り、トランジスタＱ３、Ｑ４はオンとなる。したがって、トランジスタＱ２がオフになることでコイル１１に対して流れなくなった電流は、トランジスタＱ３、Ｑ４側に流れることになり電流入力回路５を短絡して、コイル１１に流れる電流を遮断することができる。
【００６０】
電流入力回路５に供給される電流が可変抵抗Ｒ４で設定される閾値以下から増加してくる場合には、上述した説明とは逆に、抵抗Ｒ１、Ｒ２の両端における電圧降下が増加し、トランジスタＱ１のエミッタ・ベース間の電位差が上昇してベース電流が流れ始め、トランジスタＱ１がオン動作してエミッタ・コレクタ間に電流が流れる。このため、トランジスタＱ２にベース電流が流れて、トランジスタＱ２がオン動作してコレクタ・エミッタ間に電流が流れてオンになる。トランジスタＱ３、Ｑ４では二つのベース・エミッタ間の電位差が閾値を割り込んでオフになり、コイル１１には全ての電流が流れることになる。
【００６１】
このとき、トランジスタＱ３、Ｑ４のコレクタからトランジスタＱ１のベースに抵抗Ｒ３を介し電圧がフィードバックされるため、トランジスタＱ１の動作点が変わり、トランジスタＱ１のオン動作とオフ動作のスイッチングにおいて電気的に適正なヒステリシス幅を与えることができる。これにより、可変抵抗Ｒ４で設定される閾値付近でトランジスタＱ１がオンとオフの間を往復して不安定になるのを防止することができる。また、この抵抗Ｒ３の値を変えることによりヒステリシスの幅を変化させることができる。また、調節弁の完全締め切りを行う閾値電流の設定と、スイッチングのヒステリシス幅は可変抵抗Ｒ４および回路内の抵抗値Ｒ３によって容易かつ高精度に任意の値に設定することができる。
【００６２】
入力信号から電空ポジショナーの電流入力回路にいわゆるフィードフォワード制御を行っているので、締め切りと再稼働の切り替えを行う際のヒステリシス幅を電子回路上の抵抗値を変更することで任意に設定できる。また、機械構造的な方法と比較して実用上十分な幅にヒステリシス幅を狭くすることができるため、調節弁を完全締め切り状態から通常の開度調整に切り替える際の精度を向上させて、調節弁の開度調整能力を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の電空ポジショナーの構造を示す模式断面図である。
【図２】電流入力回路５の一例を示す回路図である。
【図３】本発明の電空ポジショナーの駆動方法を説明するフローチャートである。
【図４】電流入力回路５を実現するための具体的な電子回路の構成例を示す回路図である。
【図５】駆動部に供給される空気圧とトルクモーターに入力される電流の関係を示したグラフの一例である。
【図６】調節弁の完全な締め切りとその後の調節弁の開放動作に際して、入力信号と調節弁開度の伝達特性に生じるヒステリシスを説明するグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１    トルクモーター部
２    圧力調整部
３    駆動部
４    フィードバック機構
５    電流入力回路
１１    コイル
１２    磁石
１３    アーマチュア
１４    支点板バネ
１５    フラッパ
１６    フラッパアーム
１７    ノズル
２１    供給配管
２２    出力配管
２３    ノズル配管
２４    排気流路
２５    リレースプール
２６    供給圧力室
２８    ノズル背圧室
２９    リレースプール圧力室
３０    パイロット弁
３１    駆動部筐体
３２    ダイヤフラム
３３    駆動部スプリング
３４    駆動部圧力室
３５    弁軸
３６    弁体
３７    弁座
４１，４２    フィードバックレバー
４３    カム
４４    レンジ調整アーム
４５    ベアリング軸
４６    ゼロ調整アーム
４７    フィードバックスプリング
５１    制御回路部
５２    スイッチング回路部
【図１】
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【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】
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