(57)【要約】【課題】  機械的構造に由来する非線形特性やバックラッシュあるいはヒステリシスなどによる特性の不具合を改善して、安定かつ速やかに操作信号に追随して作動するように動特性を向上させることが可能なポジショナー装置およびその駆動方法を提供することを目的とする。【解決手段】  位置測定機構と比較演算増幅回路での通常のフィードバック制御だけではなく、圧力調整部の出力配管を分岐してフィードバックノズルの小孔から少量の空気流を噴流として噴出させてマイナーフィードバック・ループを構成させる。出力配管から分岐されたフィードバックノズルからは、少量の気体が噴出され、トルクモーター部の可動片に衝突する。空気噴流をトルクモーター部にフィードバックさせることで、低コストで簡便に、非線形性の影響を減少させ、ポジショナー装置の動作を安定させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル背圧室の圧力変化に基づいて出力される気体の圧力を調整する圧力調整部と、
電気信号に応じて動作する可動片を有し、前記ノズル背圧室から延長されたノズルと前記可動片の接離状態によって前記ノズル背圧室の圧力を制御する作動制御部と、
前記圧力調整部から出力される前記気体の圧力で動作する駆動部の状態を測定して、位置情報を得る位置測定部と、
前記位置情報に基づいて前記作動制御部に供給される前記電気信号を制御する電気信号制御部と、
前記圧力調整部から出力された気体の一部を噴流として前記可動片に対して衝突させるフィードバックノズルと
を備えることを特徴とするポジショナー装置。
【請求項２】
前記フィードバックノズルから噴出する噴流は、前記可動片の前記電気信号に応じた動作に対抗して増減することを特徴とする請求項１記載のポジショナー装置。
【請求項３】
前記圧力調整部が２種類の気圧を出力する複動型であり、前記フィードバックノズルを二つ備えて、前記２種類それぞれの気圧に対応した気体を噴流として前記可動片の両側に衝突させることを特徴とする請求項１記載のポジショナー装置。
【請求項４】
前記フィードバックノズルと前記可動片とは所定の間隔を空けて配置されていることを特徴とする請求項１記載のポジショナー装置。
【請求項５】
ノズル背圧室の圧力変化に基づいて出力される気体の圧力を調整する圧力調整部と、
電気信号に応じて動作する可動片を有し、前記ノズル背圧室から延長されたノズルと前記可動片の接離状態によって前記ノズル背圧室の圧力を制御する作動制御部と、
前記圧力調整部から出力される前記気体の圧力で動作する駆動部の状態を測定して、位置情報を得る位置測定部と、
前記位置情報に基づいて前記作動制御部に供給される前記電気信号を制御する電気信号制御部とを備えるポジショナー装置の駆動方法であって、
前記出力配管からの気体の出力を分岐して気圧に対応した流速の噴流を前記可動片に対して衝突させ、前記可動片に対して噴流によるフィードバック制御を行うことを特徴とするポジショナー装置の駆動方法。
【請求項６】
前記可動片の前記電気信号に応じた動作に対抗して噴流を増減させることを特徴とする請求項５記載のポジショナー装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブなどを遠隔操作する空気式の駆動部と組み合わせて使用され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】
ポジショナーは、プロセスオートメーションなどに使用される流量調節用バルブなどを遠隔操作するための空気式駆動部に組み合わせて使用され、駆動部の駆動軸位置を操作信号が指示する位置に追随および停止させることを目的とする装置である。ポジショナーを用いた駆動部を有するバルブによる流量調節は、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。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および空気量を調節して、駆動部の追随動作によってバルブの開度を制御する電空ポジショナーは従来から広く産業界において使用されている。
【０００３】
従来から提案されている機械式電空ポジショナーでは、トルクモーターと駆動部の間でのフィードバック機構としてフィードバックレバーやカム、レンジ調整アーム、ベアリング軸およびゼロ調整アームの組み合わせなどを用いる。このような機械式電空ポジショナーと空気式調節弁の駆動部とを組み合わせて、入力操作信号としての電流を、電磁石を用いたトルクモーターに入力して磁力を発生させて、可動片を微小に移動させる。可動片が微小に移動することで、可動片と連動するフラッパーとノズルとの間隙が変化し、絞り抵抗を通過した気体はノズル背圧に変換され、ノズル背圧はパイロットバルブ機構を介して空気式可動部を稼動させる空気圧と流量に変換されて駆動部を操作する。駆動軸の位置は、フィードバックレバーやカムなどを介して電空ポジショナー内のフィードバック・スプリングの張力に変換され、トルクモーターの可動片にフィードバックされて入力信号により発生する磁力と対抗し、両者の力が均衡した時点で駆動軸が保持され、入力信号と駆動軸の位置が適切に対応する位置に駆動軸を保持させることになる。
【０００４】
上述した機械式電空ポジショナーでは、駆動部圧力室の内容積や駆動部での摩擦変化などの多様性により、全体のフィードバックループのゲインを調整するためには、内部の部品を交換する必要があるなど取り扱いが煩雑である。また、微細な動きを必要とするトルクモーターと可動片周辺の構成部品では、機械的な変形や摩擦などによる非線形性によって作動の微細な調整機能に限界があり、予期しないゼロ点移動や、不感帯、ヒステリシスなどを除去しきれない問題があった。そこで、フィードバックループに電子演算回路を用いる電子式電空ポジショナーも提案されており、マイクロプロセッサーなど電子回路をフィードバック機能に採用し、機械式電空ポジショナーの欠点を改善している。
【０００５】
電子式電空ポジショナーでは、空気圧で作動する調節弁駆動部の駆動軸位置は、レバーおよびリンク機構を介して、例えばポテンシオメーターに代表される位置を電気信号に変換する装置によって電気信号に変換され、比較演算増幅を行う電子回路に導かれる。比較演算増幅回路では、操作信号と駆動軸位置に関する信号とが比較演算され、その偏差が常にゼロに近づくように電流が出力される。電流は電磁石を利用したトルクモーターによって力に変換され、ノズルとフラッパーで構成されるノズルフラッパー機構およびパイロットバルブ（圧力調整部）を介して空気圧の出力に変換されて、空気圧は調節弁駆動部に導かれて調節弁を操作する。
【０００６】
従って電子式電空ポジショナーでは、作動空気圧の変動や調節弁駆動部の負荷あるいは摩擦の変動などによる作動上の不確定性は、電子回路によるフィードバック機能によって修正されるため、操作信号に追随して調節弁駆動部が作動し、駆動軸位置を操作信号が指示する所定の位置に保つことができる。この原理では、操作信号に対して調節弁駆動部の駆動軸位置が適切に作動するためには、フラッパーの変位とパイロットバルブの出力圧または空気流量との入出力関係が近似的に線形性が保たれていることと、調節弁駆動部の動きに比べて十分に速く応答することが重要な前提となっている。
【０００７】
上述の電子式電空ポジショナーを実際に作動させた場合、フラッパーの変位とノズル背圧室の空気圧は厳密な線形関係にはなく、また、パイロットバルブのノズル背圧を受けるダイヤフラムは、ダイヤフラム自身の弾性による復元力を持っているが弱い。特に作動中心点の近傍においては弾性による復元力は非常に弱く、ダイヤフラムの変位はノズル背圧の変化に対して線形性を保つことができない。すなわちノズル背圧とそれに対抗する圧力室の圧力による力との大小により、僅かな圧力差でダイヤフラムは凹または凸の形状に変形し、その中間位置は非常に不安定な過渡的な状態となり、ダイヤフラムは一定の変位幅で凹凸に変形し、バックラッシュあるいはヒステリシスを生じさせることになる。
【０００８】
この現象は最も微細な調節機能を求められる平衡点近傍、すなわちパイロットバルブの給気と排気が切り替わる点の近傍で、パイロットバルブのポートが適切な位置を取ることができず、給気側や排気側に過大に移動して微妙な調節動作をすることが困難になることを意味する。そのため、給気又は排気動作での過大な反応によって、駆動部は操作信号が示す目的の位置に対して行き過ぎを生じ、その修正動作が再び過大に作用するために目的位置を中心に往復運動を行うことになる。これは制御工学でハンチングと呼ばれる不安定現象であり、調節弁の流量調節機能などの例では調節の目的を果たせずに、プラント運転の可動が不可能になることもある。この作動の行き過ぎを回避するために、従来技術では電子回路の増幅度を減少させる方法や、出力空気圧と駆動部との間に絞りなど空気の流れを抑制する抵抗を挿入して駆動部の作動速度を抑制する方法を用いていた。しかしその結果として、フィードバック機能の精度が低下して駆動軸の位置が目的の値に達する以前に停止してしまう不感帯を生じるという問題や、駆動部の作動速度が著しく減少して操作が緩慢になるなどの問題が発生していた。
【０００９】
図６は、ノズル背圧の変化とパイロットバルブのダイヤフラムの動きの相関を示すグラフであり、横軸は時間変化を示しており縦軸はそれぞれノズル背圧の変位量とダイヤフラムの変位量を示している。上述した様に、ノズル背圧が中心位置を経過した時点とは時間的にずれてダイヤフラムの変位が起こっていることがわかる。また図７は、ノズル背圧によってダイヤフラムに加わる力の大きさとダイヤフラムの変位量とを示すグラフであり、横軸にダイヤフラムに加わる力の大きさを示し、縦軸にダイヤフラムの変位量を示している。ノズル背圧によってダイヤフラムに加わる力と、圧力室の圧力とがバランスした時点からダイヤフラムの変位量が急激に変化するため、ノズル背圧が増加する方向と減少する方向とでダイヤフラムの変位量にヒステリシスが発生していることがわかる。なお、図６を用いて前述した説明では、動作を簡素化して記述しているが、実際の動作はさらに不確定な要素を含み、より複雑な動作をしている。
【００１０】
この問題は、駆動部スプリングと操作空気圧とに対応して駆動軸位置が決定される単動型駆動部のみならず、圧力値のみでは駆動軸位置が決定されずピストンの双端の空気圧差で駆動軸位置が移動する複動型駆動部においては、さらに顕著な問題となっている。複動型駆動部では、ピストンの双端の空気圧が等しくならない限り停止しないため、ピストンの双端の空気圧差がある限り移動を続け、双端の空気圧が等しくなるまで駆動軸は停止しない。また、従来から提案されている機械式電空ポジショナーとしては、複動型シリンダ駆動部を用いて、出力空気圧の一方を分岐してトルクモーターの偏差比較機構にフィードバックする方式が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−２３９９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したバックラッシュあるいはヒステリシスの問題に対処するために、従来の技術では、ダイヤフラムの位置をスタビライザースプリングと称する剛性の微弱なスプリングでトルクモーター可動部にマイナーフィードバックを行う手法がある。電子回路による主フィードバック機能を持たず、調節弁駆動部の位置信号をフィードバックノズルなどの力によって直接トルクモーターの力と平衡させる機械式ポジショナーにおいては、安定な追随特性を得るために不可欠な手法とされていた。しかし、この機構は、ノズルとフラッパーで構成されるノズルフラッパー機構ユニットと、パイロットバルブ機構ユニットとの間で相対位置を高い精度で保つ必要があり、二つのユニットを空気圧回路によって結合しただけでは機能を発揮しえず、機械的な構造設計の自由度が制限されていた。
【００１３】
しかし特許文献１に記載されている技術では、出力空気圧の一方を分岐しトルクモーターの入出力比較機構にフィードバックするために、主フィードバック機構に力が加算（減算）されるので、ポジショナーとしての精度を保持するためには、出力空気圧に比例した正確なフィードバック量を保持する必要がある。そのため、ゴム製のシール機能を有する受圧キャップや、金属製のキャップやピストン状の受圧機構など、空気圧漏洩を避ける構造を必要としていた。また、空気の漏洩によるフィードバックの力の変動を抑制するためには、高度な機械加工精度や漏洩防止のためのグリースの塗布など、シールの向上に多くの注意を必要とし、このような精度維持を必要とする微妙な機構に誤差なくフィードバック機能を果たすことはきわめて困難である。
【００１４】
また、ノズルとキャップとの間に可動片の動きを妨げる摩擦などが生じるときには、トルクモーターの作動誤差は、フィードバックループの操作信号と駆動軸位置を比較し平衡させる機能の誤差になり、動作原理上ではフィードバックループの制御ループの外にあり、フィードバック機構によって復元することが出来ず微細な位置変化に対して生じる大きな誤差の原因となる。また、空気漏洩量を減少するためにフィードバックノズル上流に、流量を加減するための絞り機構を設けるなどすると、空気の漏洩を生じた際のフィードバック圧力に多大な影響を及ぼすため、それを補正する上位のフィードバック機能を持たない機械式ポジショナーにおいては深刻なゼロドリフトを生じるおそれがある。
【００１５】
また特許文献１に記載された技術では、フィードバックノズルの採用により、従来技術が採用していたスタビライザースプリングは不要になり、組み合わせ駆動部の種類によって、ポジショナーの部品変更は不要になると記載されている。しかし、組み合わせ駆動部の内容積や負荷などの諸元の多様性に対しては、ポジショナーの総合ゲインの調整が不可欠である。したがって、フィードバックノズルの設置によってスタビライザースプリングの変更のようなポジショナゲインの調整が不要になるという効果を実現するためにはかなりの困難が予想される。
【００１６】
またフィードバックに電子回路を使用する電子式電空ポジショナーにおいては、出力空気圧を小型の圧力センサーによって検出し、電気信号に変換した出力信号を比較演算増幅回路の一部にフィードバックして、出力圧がトルクモーターの電流に対して線形性を保つ原理を採用して解決してきたものもある。しかし、圧力検出のためのセンサーおよびその周辺回路を必要とするなど製造コストが上昇してしまい、得られる効果に比べてコストが高くなってしまうという問題を持っていた。
【００１７】
したがって本発明は、機械的構造に由来する非線形特性やバックラッシュあるいはヒステリシスなどによる特性の不具合を改善して、安定かつ速やかに操作信号に追随して作動するように動特性を向上させることが可能なポジショナー装置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】
【００１８】
上記課題を解決するために本発明のポジショナー装置は、ノズル背圧室の圧力変化に基づいて出力される気体の圧力を調整する圧力調整部と、電気信号に応じて動作する可動片を有し、前記ノズル背圧室から延長されたノズルと前記可動片の接離状態によって前記ノズル背圧室の圧力を制御する作動制御部と、前記圧力調整部から出力される前記気体の圧力で動作する駆動部の状態を測定して、位置情報を得る位置測定部と、前記位置情報に基づいて前記作動制御部に供給される前記電気信号を制御する電気信号制御部と、前記圧力調整部から出力された気体の一部を噴流として前記可動片に対して衝突させるフィードバックノズルとを備えることを特徴とする。
【００１９】
圧力調整部から出力される気圧を分岐したフィードバックノズルから、出力気圧に対応した流速の噴流を可動片に対して衝突させることで、可動片に対して噴流によるマイナーフィードバックを作用させることができる。噴流によるマイナーフィードバックは、パイロットバルブ機構の出力圧変化に応じて可動片に作用するため、駆動部軸の位置変化のずれを解消する主フィードバック機能に付加されて働く。この噴流によるマイナーフィードバックの作用により、ノズルフラッパー機構およびパイロットバルブ機構の機械的要素が内包しているヒステリシスやバックラッシュなどの非線形な特性を修正し、主フィードバック機能を目的どおりに作動させることが可能となる。
【００２０】
またフィードバックノズルから噴出する噴流は、可動片の電気信号に応じた動作に対抗して増減する。これにより噴流によるマイナーフィードバックのループ内にあるノズルフラッパー、圧力調整部の伝達特性を線形性に近づけることができ、駆動軸位置による主フィードバックの働きをより適正に作動させることが可能になる。また、圧力調整部が２種類の気圧を出力する複動型であり、フィードバックノズルを二つ備えて、２種類それぞれの気圧に対応した気体を噴流として可動片の両側に衝突させるとしてもよい。複動型の圧力調整部および複動型の駆動部を用いた場合であっても、２種類の気圧に対応した噴流を可動片に衝突させて噴流によるフィードバックを作用させることが可能となる。さらに、フィードバックノズルと可動片とは所定の間隔を空けて配置されていることで、可動片が動作して可動片とフィードバックノズルとの距離が変化した場合でも、噴流の衝突によって可動片に加わる力を略一定に保つことができ、噴流によるフィードバックを良好に作用させることが可能である。
【００２１】
また、上記課題を解決するために本発明のポジショナー装置の駆動方法は、ノズル背圧室の圧力変化に基づいて出力される気体の圧力を調整する圧力調整部と、電気信号に応じて動作する可動片を有し、前記ノズル背圧室から延長されたノズルと前記可動片の接離状態によって前記ノズル背圧室の圧力を制御する作動制御部と、前記圧力調整部から出力される前記気体の圧力で動作する駆動部の状態を測定して、位置情報を得る位置測定部と、前記位置情報に基づいて前記作動制御部に供給される前記電気信号を制御する電気信号制御部とを備えるポジショナー装置の駆動方法であって、前記出力配管からの気体の出力を分岐して気圧に対応した流速の噴流を前記可動片に対して衝突させ、前記可動片に対して噴流によるフィードバック制御を行うことを特徴とする。
【００２２】
圧力調整部から出力される気圧を分岐したフィードバックノズルから、出力気圧に対応した流速の噴流を可動片に対して衝突させることで、可動片に対して噴流によるフィードバックを作用させることができる。噴流よるフィードバックは、圧力調整部の出力気圧の変化に即応して可動片に作用するため、ポジショナー内の主要な機械要素であるノズルフラッパー、圧力調整部の機械的要因によるヒステリシスやバックラッシュの影響を除去して、伝達特性を線形に近づけることが可能になる。
【００２３】
また、前記可動片の前記電気信号に応じた動作に対抗して噴流を増減させることで、噴流によるフィードバックを可動片に作用させた場合の応答特性を向上させることが可能である。
【発明の効果】
【００２４】
トルクモーターや圧力調整部などの作動に含まれていた非線形性や、時間遅れによる動作性の不安定を、簡単な構造によって適切に改良し、僅かなコストでポジショナー装置の性能を向上させることができる。例えば、本発明によるポジショナー装置を産業用の自動調節弁と組み合わせた場合、弁開度は操作信号に対して安定で迅速に追随し、石油精製装置など大型のプラントを、より合理的に運転操業を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を適用したポジショナー装置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、例えば石油精製などのプラントの自動運転のための自動調節弁の遠隔操作において、弁開度を操作信号に応じて調節するために、例えば４−２０ｍＡの操作信号に応じて、空気圧駆動によって駆動される駆動軸の位置を操作信号に対応した位置に保持させるポジショナー装置およびその駆動方法に関するものである。
【００２６】
本発明では、電子回路によるフィードバック機能を持つ電子式電空ポジショナーにおいて、出力空気圧の一部を噴流としてノズルフラッパー機構に噴射し、マイナーループのフィードバック機能を持たせるものである。噴流によるフィードバック機能によって、ポジショナーの機械的構成に起因する非線形特性やバックラッシュあるいはヒステリシスなどによる特性の不具合を改善して、安定かつ速やかに操作信号に追随するよう電空ポジショナーの作動特性を向上させる。
［第一の実施の形態］
【００２７】
図１は、本発明のポジショナー装置の構造を示す模式図である。ポジショナー装置は、トルクモーター部１と、圧力調整部２と、駆動部３と、位置測定機構４と、比較演算増幅回路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駆動軸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で発生したトルクで作動するフラッパーの動きに応じてノズルとフラッパーの間隔が変化し、ノズル背圧の変化を大容量の空気圧の変化に変換して駆動部３に出力する装置である。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駆動軸の位置を動かす装置である。位置測定機構４は、駆動部３が駆動軸の位置を動かした際にその駆動軸の位置を測定して、その位置情報を比較演算増幅回路５に入力する装置である。比較演算増幅回路５は、位置測定機構４が測定した駆動軸の位置情報に応じて、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。
【００２８】
トルクモーター部１は、電磁石１１と、電磁石１１の中心軸位置に配置されたノズル１２と、電磁石１１の前部に設けられた強磁性体の棒状部材である可動片１３とを配置した構造を有している。電磁石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、電流が入力端子に供給されることで、電磁石１１に発生する磁力により磁化された可動片１３と電磁石１１の間で力が発生し、可動片１３に図中矢印Ａ方向やその逆方向へ微小量移動することになる。ここでは、ノズル１２を電磁石１１の中心軸位置に配置した例を示しているが、ノズル１２と可動片１３との接離状態を変化させることが出来る位置であれば、どの位置に配置しても構わない。また図１では、トルクモーター部１として電磁石を用いた例を示しているが、電気的な制御でトルクの制御や変位調整を行うことが可能な装置を用いることができ、例えば半導体素子や圧電素子などを用いることが可能である。
【００２９】
可動片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の一辺は電磁石１１に対して固定して取り付けられている。また、可動片１３のノズル１２側にはフラッパー１５が形成されている。可動片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可動片１３およびフラッパー１５が回転する。また、フラッパー１５には圧力調整部２から供給される気体が流出するノズル１２が当接されており、可動片１３にトルクが加わることでフラッパー１５が動作して、ノズル１２とフラッパー１５との位置関係が変化し、ノズル１２から流出する気体量が変化することになる。
【００３０】
また、可動片１３にはバイアススプリング１６が取り付けられており、可動片１３の回転運動によってバイアススプリング１６に弾性力が発生して、可動片１３に力が加わる。また、可動片１３のノズル１２と反対側には、圧力調整部２から供給される気体を噴出するフィードバックノズル１７が配されている。フィードバックノズル１７の先端は、可動片１３とは当接せずに微小距離をおいて可動片１３に対向している。このため、フィードバックノズル１７から噴出した空気の流れは噴流として可動片１３に衝突し、可動片１３に対してノズル１２方向へ回転する力を加えることになる。トルクモーター部１では、可動片１３の動作によってノズル１２から流出する気体の流量が変化し、圧力調整部２での圧力調整が行われるため、トルクモーター部１は作動制御部として機能することになる。
【００３１】
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１２から気体が流出する。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。出力配管２２は、駆動部３に対して気体の授受を行うだけではなく、一部が分岐されて分岐配管２２ｘとしてトルクモーター部１のフィードバックノズル１７に接続されており、フィードバックノズル１７に対しても気体を供給している。
【００３２】
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内にはバルブポート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１２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。
【００３３】
バルブポート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。
【００３４】
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駆動軸３５が固定して取り付けられており、ダイヤフラム３２の動作に追随して駆動軸３５が移動する。
【００３５】
位置測定機構４は、駆動部３が駆動軸３５の位置を動かした際にその駆動軸３５の位置を測定して、その位置情報を比較演算増幅回路５に入力する装置であり、駆動軸３５の上下運動を回転運動に変換して回転角度に応じて位置情報を測定する。比較演算増幅回路５は、上述したように位置測定機構４が測定した駆動軸の位置情報に応じて、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。この比較演算増幅回路５は、ポジショナー装置と組み合わせる駆動部３の容量、作動速度、駆動部が操作すべき対象の負荷、摩擦力などの多様さに対して、増幅度あるいは積分性の増幅機能の積分ゲインなど、演算のパラメータを電子回路上あるいはソフトウェア上で、上位に変更できるものとする。比較演算増幅回路５では、位置測定機構４で測定した駆動軸３５の位置情報に基づいて、電磁石１１に供給される電流を制御するため、電気信号制御部として機能することになる。
【００３６】
次に、図１に示したポジショナー装置の動作と駆動軸の位置決めメカニズムを説明する。操作信号に対して位置信号に偏差が生じ、その結果としてポジショナー装置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、電磁石１１に発生する磁力が減少し、可動片１３が受ける電磁石１１方向への力は減少し、支点板バネ１４の弾性力およびバイアススプリング１６の弾性力とのバランスが変化する。これにより、支点板バネ１４を中心として図中矢印Ａ方向に可動片１３に働くトルクが増加する。この可動片１３の動きによって、フラッパー１５も図中矢印Ａ方向に動き、フラッパー１５とノズル１２との間隔がわずかに拡がる。
【００３７】
フラッパー１５とノズル１２との間隔が拡がると、ノズル１２から流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はバルブポート３０と当接して排気流路２４が閉じられ、バルブポート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。
【００３８】
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が移動すると駆動軸３５も移動する。同時に、駆動軸３５の動作は位置測定機構４によって位置情報の変化として比較演算増幅回路５に伝達され、比較演算増幅回路５では位置情報に基づいて電磁石１１に流れる電流をフィードバック制御する。
【００３９】
操作信号に対して位置信号に偏差が生じ、その結果として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、電磁石１１に発生する磁力が増加し、可動片１３が受ける電磁石１１方向への力は増加し、支点板バネ１４の弾性力およびバイアススプリング１６の弾性力とのバランスが変化する。これにより、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。この可動片１３の動きによって、フラッパー１５も図中矢印Ａ方向と反対方向に動き、フラッパー１５とノズル１２との間隔がわずかに狭まる。以下、圧力調整部２、駆動部３、位置測定機構４、比較演算増幅回路５では上述した電流減少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、駆動軸３５の位置変化が得られる。
【００４０】
本発明のポジショナー装置では、位置測定機構４と比較演算増幅回路５での通常のフィードバック制御だけではなく、圧力調整部２の出力配管２２を分岐してフィードバックノズル１７の小孔から少量の空気流を噴流として噴出させてマイナーフィードバック・ループを構成させる。出力配管２２から分岐されたフィードバックノズル１７からは、少量の気体が噴出され、トルクモーター部１の可動片１３に衝突する。気体が可動片１３に衝突することで得られる力によって、可動片１３に加わる力は電磁石１１による磁力と、支点板バネ１４の弾性力と、バイアススプリング１６の弾性力と、空気噴流による圧力の４つとなる。本発明のポジショナー装置は、空気噴流をトルクモーター部１にフィードバックさせることで、低コストで簡便に、バックラッシュやヒステリシスなどの非線形性を減少させてポジショナー装置の動作を安定させる。
【００４１】
図１に示した本発明のポジショナー装置では、トルクモーター部１の可動片１３に向けて、一定の距離を保って小孔のあるフィードバックノズル１７を設け、圧力調整部２からの出力配管２２を分岐した気体を噴出させ、この気体の噴流を可動片１３に衝突させて、気体の噴流衝突で生じる力によって可動片１３およびフラッパー１５の動きに、小ループのマイナーフィードバックを構成させている。以下、噴流による小ループのマイナーフィードバックの動作について説明する。
【００４２】
例えばトルクモーター部１に入力される電流出力が減少した場合、バイアススプリング１６の力で、ノズル１２とフラッパー１５の間隔が拡がると、ノズル１２から流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はバルブポート３０と当接して排気流路２４が閉じられ、バルブポート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に導入されるとともに、出力配管２２から分岐されたフィードバックノズル１７から噴出する噴流の速度が増加する。
【００４３】
すると、フィードバックノズル１７から噴出する噴流の衝突によって、図中矢印Ａと逆方向に可動片１３に加わる力が増加し、電磁石１１の磁力の減少で可動片１３に与えられる力の変化に対抗して、ノズル背圧室２８の圧力が上昇する方向に力が作用する。この噴流によるフィードバック力の働きにより、フィードバックノズル１７からの噴流衝突の力と、電磁石１１の磁力の変化により可動片１３に与えられる力とが平衡した位置で可動片１３は静止する。これにより、本発明のポジショナー装置では電磁石１１の磁力の変化に略比例した出力変化を得ることができる。すなわち、ノズル１２とフラッパー１５で構成されるノズルフラッパー機構、及び圧力調整部２がもつ動作の非線形性およびヒステリシスを有する伝達特性を線形に近づけることができる。
【００４４】
反対にトルクモーター部１に入力される電流が増加した場合、上述した動作の逆が進行する。電磁石１１の磁力の増加およびバイアススプリング１６の力で、ノズル１２とフラッパー１５との間隙は狭くなり、ノズル１２から流出する気体の流量が減少してノズル背圧室２８内の圧力が増加し、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がリレースプール圧力室２９側に移動する。このとき、リレースプール２５はバルブポート３０と離れて排気流路２４が開放され、バルブポート３０が移動して供給圧力室２６と出力配管２２との流路が閉じられる。これにより、排気流路２４と出力配管２２が連通して、駆動部圧力室３４に導入される気体の圧力が低下し、フィードバックノズル１７から噴出する噴流の速度が減少する。したがって、フィードバックノズル１７からの噴流衝突によって可動片１３に加わる力が減少し、磁力の増加によって与えられた力はバイアススプリング１６の力で一部引き戻されて、フィードバック効果により出力圧の変化と磁力の変化とが均衡した位置で可動片１３は静止する。
【００４５】
比較演算増幅回路５による主フィードバックでは、駆動部３の駆動軸３５位置は位置測定機構４によって電気信号に変換され、比較演算増幅回路５によって操作信号と比較演算増幅され、噴流によるフィードバック効果に比べて十分に大きいゲインをもって、出力空気圧にフィードバックされる。通常は、比較演算増幅回路５に積分性の増幅機能を持たせることができるので、さらに安定にして高ゲインの主ループゲインを維持することができる。この比較演算増幅回路５による主フィードバックは、操作信号と駆動軸３５位置の信号の偏差がゼロになるよう、すなわち駆動軸３５位置が操作信号によって指定した位置に追随するように機能する。
【００４６】
上述した様に、電磁石１１に入力される電流が増加した場合にはフィードバックノズル１７からの噴流衝突で可動片１３に加わる力も減少し、電磁石１１に入力される電流が減少した場合にはフィードバックノズル１７からの噴流衝突で可動片１３に加わる力も増加する。つまり、フィードバックノズル１７から噴出する噴流は、可動片１３の電気信号に応じた動作に対抗して増減することになる。本発明の噴流によるマイナーフィードバックの効果により、ノズルフラッパー機構やパイロットバルブ機構などの圧力調整部２での機械的要素に起因するヒステリシスなどの非線形性が改善され、その結果として生じていた見かけ上のパイロットバルブ機構の反応の遅れや歪みが改善される。これにより、主フィードバックループに期待されているフィードバック機能が正常に作動し、電子式電空ポジショナーは正常な作動を維持して理想的な追随動作を行うことができる。
【００４７】
したがって、本発明の噴流によるフィードバックを用いることで、図７に示したノズル背圧とダイヤフラム変位とのヒステリシスを解消して、伝達特性を線形に近づけることが可能となる。その結果、主フィードバックの機能によるポジショナーとしての作動を理想的な追随動作に近づけることが可能となる。
【００４８】
本発明の噴流によるフィードバック効果は、後述するように、機械的要素に由来する静特性での多少の変動や可動片１３の不確定性を生じても影響は軽微であり、静特性すなわち操作信号に対応した駆動部３の駆動軸３５位置は、主フィードバックにより修正可能な範囲であり、正確に維持される。この噴流による小ループのフィードバック効果により、可動片１３に電磁石１１から与えられる磁力の変化に対して、圧力調整部２からの出力空気圧の変化は比例性が著しく改善され、課題として挙げた非線形性や、時間的な遅れは著しく軽減され、ポジショナーの作動の動特性改善が得られる。
【００４９】
図１では、圧力調整部２はノズル背圧室２８の圧力が上昇すると出力配管２２から排出される気体の圧力が減少する逆作動型のものを例示しているが、ノズル背圧室２８の圧力が上昇すると出力配管２２から排出される気体の圧力が上昇する正作動型のものを使用する場合には、フィードバックノズル１７の位置を、可動片１３に対して反対側に設けることで、上記説明と同等の噴流によるフィードバックと、電磁石１１の磁力の変化に略比例した出力変化を得ることができる。
【００５０】
トルクモーター部１が作動する際に可動片に加わる力は微小であり、噴流によるフィードバック効果を得るために必要な噴流の流量も少なくてよい。したがって、フィードバックノズル１７の先端に形成される小孔の径は非常に小さくてよく、フィードバックノズル１７から噴出する気体の流量は、圧力調整部２内部で取り扱われる空気処理量に比べて極めて少ない。このため、フィードバックノズル１７からの噴流の噴出によって、駆動部３の操作圧力に対する影響は非常に軽微であり無視することが可能である。また、従来から、圧力調整部２の作動を安定させるために出力配管２２の一部に小孔を設け、少量の空気を大気にブリードさせる技術も実用に供されていることも考え合わせれば、噴流によるフィードバックに要する空気処理量の増加による影響は無視可能と言える。
【００５１】
図２は、本発明のポジショナー装置でのフィードバックノズル１７とその周辺の可動片１３の構造例を拡大して示した部分拡大図である。可動片１３のフィードバックノズル１７と対向する位置に形成された噴流衝突部１８は、通常は平面形状に形成されているが、凹面を有する噴流衝突部１８が形成されているとしてもよい。噴流衝突部１８は、フィードバックノズル１７から噴出された気体の噴流が衝突し、衝突した噴流は噴流衝突部１８の凹面形状に沿ってフィードバックノズル１７方向へと反転していく。噴流衝突部１８の噴流が衝突する面の形状を凹面とすることで、フィードバックノズル１７から噴出された噴流の方向を反転させて、噴流の衝突による力を増加させることができる。
【００５２】
図３は、フィードバックノズル１７と噴流衝突部１８とが微小距離だけ離れた位置に配置された場合での、フィードバックノズル１７と噴流衝突部１８との距離と、噴流衝突部１８に加わる力との関係を示す図であり、フィードバックノズル１７の出力配管２２側の空気圧を変化させて実験により確認した図である。図３（ａ）は、実験に用いたフィードバックノズル１７の形状を示す断面図であり、円筒形状の筒の先端に直径１ｍｍの孔を開口した形状のものを用いている。図３（ｂ）は、実験に用いた噴流衝突部１８の形状を示す断面図および平面図であり、略円盤形状で平坦な形状のものを用いている。図３（ｃ）は、フィードバックノズル１７と噴流衝突部１８の間隔と、噴流衝突部１８に働く力の関係を示すグラフである。図３（ｃ）の横軸はフィードバックノズル１７と噴流衝突部１８との距離を示し、縦軸は噴流衝突部１８に加わる力を示している。
【００５３】
実験では、フィードバックノズル１７と噴流衝突部１８とを対向させ、一定の空気圧をフィードバックノズル１７に供給しながら、フィードバックノズル１７先端と噴流衝突部１８との距離を変化させて、噴流衝突部１８に加わる力を電子式荷重計で測定した。図３（ｃ）に示すように、フィードバックノズル１７に供給される気圧が約２００ｋＰａの場合には、間隔が０．１０ｍｍ以上では０．９０〜０．１０Ｎ程度の力が噴流衝突部１８に加わっている。また、フィードバックノズル１７に供給される気圧が約４００ｋＰａの場合には、間隔が０．１０ｍｍ以上では１．２０〜１．５０Ｎ程度の力が噴流衝突部１８に加わっている。
【００５４】
図３（ｃ）から、噴流衝突部１８に加わる力の大きさは、フィードバックノズル１７と噴流衝突部１８との距離との相関が小さく略一定であり、供給される気圧によって変化することがわかる。したがって、フィードバックノズル１７の小孔の径と、噴流衝突部１８の距離の関係をある所定の範囲内に設計すれば、噴流が衝突して生じる力は出力配管２２から供給される空気圧に依存し、距離の変動の影響は相対的に軽微であると言える。つまり、トルクモーター部１が動作や、機械的な微動により可動片１３が微小距離だけ移動したとしても、フィードバックノズル１７から噴出される噴流によって噴流衝突部１８および可動片１３が受ける力は略一定である。また、本発明の電空ポジショナーでは、駆動部３の駆動軸３５位置は位置測定機構４によって電気信号に変換され、比較演算増幅回路５によって操作信号と比較演算増幅され、噴流によるフィードバック効果に比べて十分に大きいゲインをもって、出力空気圧にフィードバックされる。通常は、比較演算増幅回路５に積分性の増幅機能を持たせることができるので、さらに安定にして高ゲインの主ループゲインを維持することができる。この比較演算増幅回路５による主フィードバックは、噴流によるマイナーフィードバックに僅かな不確定性による誤差が生じても、すなわち駆動軸３５位置が操作信号によって指定した位置に追随するように機能する。
【００５５】
図４は、上述して説明した本発明のポジショナー装置の構造を示すブロック図である。比較演算増幅回路５が操作信号と位置信号に基づいてトルクモーター部１に対して電流を供給し、ノズル１２とフラッパー１５で構成されるノズルフラッパー機構はトルクモーター部１が発生するトルクによって駆動される。ノズルフラッパー機構の動作に応じて圧力調整部２のノズル背圧が変化してバルブポート３０が移動して、圧力調整部２から出力される空気圧が変化して駆動部３が作動して駆動軸３５位置が変化する。位置測定機構４では、駆動部３の駆動軸３５位置を検出して比較演算増幅回路５に対して位置信号を送出する。これらの一連の動作が電子式電空ポジショナーの主フィードバックループを構成している。
【００５６】
一方、圧力調整部２から出力される空気圧の一部は分岐されて、フィードバックノズル１７から噴流として噴出されてノズル１２とフラッパー１５で構成されるノズルフラッパー機構に作用する。フィードバックノズル１７から噴出した噴流によって生じる力は、フラッパー１５に加わっているトルクモーター部１にフィードバックされてノズルフラッパー機構の動作に影響を与え、圧力調整部２でのノズル背圧の変化によるバルブポート３０の移動および出力空気圧に変化を生じさせる。また、圧力調整部２からの出力空気圧の変化によって、フィードバックノズル１７から噴流として噴出される空気圧も変化することになる。この、フィードバックノズル１７からの噴流とノズルフラッパー機構および圧力調整部２での一連の動作は、本発明の噴流によるマイナーフィードバック・ループを構成している。
【００５７】
本発明の電子式電空ポジショナーでは、位置測定機構４と比較演算増幅回路５とを用いた主フィードバックと、フィードバックノズル１７からの噴流によるマイナーフィードバックを併用して、ノズル１２とフラッパー１５で構成されるノズルフラッパー機構を作動させ、駆動部３での駆動軸３０の位置を制御している。噴流によるマイナーフィードバック制御は、ノズルフラッパー機構と圧力調整部に限定され、主フィードバック制御と比較すると著しく短い時定数で作動することが可能である。これにより、ふたつのフィードバックループは相互に干渉することなく、マイナーフィードバック機能はノズルフラッパー機構および圧力調整部２が有している非線形な動作特性を修正し、主フィードバック機能は駆動軸３５位置を正確に操作信号に追随させて、電子式電空ポジショナーを適切に作動させることが可能となる。
【００５８】
この噴流によるフィードバックでは、出力配管２２からフィードバックノズル１７に供給される気体の圧力変化を流速の変化に変換し、その衝突による力に再変換している。したがって、可動片に密着した加圧部材でフィードバックの力を伝達する場合と比較すると、可動片１３とフィードバックノズル１７との間隔に多少のばらつきが生じても影響を受けにくい。また、フィードバックノズル１７の位置を可動片１３の所定の位置に保つための部品の寸法精度も容易であり装置加工が簡便である。また、従来技術とは異なり噴流を用いてフィードバックを行うため、空気圧漏洩を避ける構造としてのゴム製シール機能を有する受圧キャップや、金属製のキャップやピストン状の受圧機構などを必要としない。また、空気の漏洩によるフィードバックの力の変動を抑制するための機械加工精度や漏洩防止のためのグリースの塗布など、シールの向上に多くの注意を必要としない。したがって、本発明の噴流によるフィードバックを用いたポジショナー装置およびその駆動方法では、簡便な構成で良好なフィードバック効果を得られる。
［第二の実施の形態］
【００５９】
次に、本発明のポジショナー装置およびその駆動方法の他の例として、複動シリンダ駆動部に組み合わせる複動用ポジショナー装置について図面を用いて詳細に説明する。本実施の形態は、圧力調整部に複動型の機構を用いて、二つの圧力室の差圧で駆動部のピストンを駆動させる点と、噴流によるフィードバックを可動片の両面に機能させる点とが第一の実施の形態とは異なる。
【００６０】
図５は、第二の実施の形態に係るポジショナー装置の構造を示す模式図である。ポジショナー装置は、トルクモーター部１００と、圧力調整部２００と、駆動部３００と、位置測定機構４００と、比較演算増幅回路５００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１００は、電流が流れることで駆動軸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２００は、トルクモーター部１００で発生したトルクに応じて駆動部３００に供給される気圧を調整する装置である。駆動部３００は、圧力調整部２００から供給される空気圧によって駆動軸の位置を動かす装置である。位置測定機構４００は、駆動部３００が駆動軸の位置を動かした際にその駆動軸の位置を測定して、その位置情報を比較演算増幅回路５００に入力する装置である。比較演算増幅回路５００は、位置測定機構４００が測定した駆動軸の位置情報に応じて、トルクモーター部１００に供給する電流値を制御する電気回路である。
【００６１】
トルクモーター部１００は、電磁石１０１と、電磁石１０１の中心軸位置に配置されたノズル１０２と、電磁石１０１の前部に設けられた強磁性体の棒状部材である可動片１０３とを配置した構造を有している。電磁石１０１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、電流が入力端子に供給されることで、電磁石１０１に発生する磁力により磁化された可動片１０３と電磁石１０１の間で力が発生し、可動片１０３に図中矢印Ａ方向やその逆方向へ微小量移動することになる。ここでは、ノズル１０２を電磁石１０１の中心軸位置に配置した例を示しているが、ノズル１０２と可動片１０３との接離状態を変化させることが出来る位置であれば、どの位置に配置しても構わない。また図５では、トルクモーター部１として電磁石を用いた例を示しているが、電気的な制御でトルクの制御や変位調整を行うことが可能な装置を用いることができ、例えば半導体素子や圧電素子などを用いることが可能である。
【００６２】
可動片１０３の一端にはＬ字形状の弾性体である支点板バネ１０４が取り付けられており、支点板バネ１０４の一辺は電磁石１０１に対して固定して取り付けられている。また、可動片１０３のノズル１０２側にはフラッパー１０５が形成されている。可動片１０３にトルクが加わると、トルクに応じて支点板バネ１０４が弾性変形し、支点板バネ１０４の固定位置を回転中心として可動片１０３およびフラッパー１０５が回転する。また、フラッパー１０５には圧力調整部２００から供給される気体が流出するノズル１０２が当接されており、可動片１０３にトルクが加わることでフラッパー１０５が動作して、ノズル１０２とフラッパー１０５との位置関係が変化し、ノズル１０２から流出する気体量が変化することになる。
【００６３】
また、可動片１０３にはバイアススプリング１０６が取り付けられており、可動片１０３の回転運動によってバイアススプリング１０６に弾性力が発生して、可動片１０３に力が加わる。また、可動片１０３のノズル１０２と反対側には、圧力調整部２００から供給される気体を噴出するフィードバックノズル１０７およびフィードバックノズル１０８が配されている。フィードバックノズル１０７およびフィードバックノズル１０８の先端は、可動片１０３とは当接せずに微小距離をおいて可動片１０３に対向している。このため、フィードバックノズル１０７およびフィードバックノズル１０８から噴出した空気の流れは噴流として可動片１０３に衝突し、それぞれ可動片１０３に対して回転する力を加えることになる。図中では省略しているが、可動片１０３のフィードバックノズル１０７およびフィードバックノズル１０８が対向する位置には、噴流を衝突させるための噴流衝突部が形成されており、噴流の衝突によって効率的に力が可動片１０３に加わる構成としても良い。トルクモーター部１００では、可動片１０３の動作によってノズル１０２から流出する気体の流量が変化し、圧力調整部２００での圧力調整が行われるため、トルクモーター部１００は作動制御部として機能することになる。
【００６４】
圧力調整部２００は、外部から供給配管２０１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２０２ａおよび出力配管２０２ｂを介して駆動部３００との間で気体の授受を行うとともに、ノズル配管２０３を介してノズル１０２から気体が流出する。圧力調整部２００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２０５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２０５の位置が変化する構造となっている。リレースプール２０５の内部には、中心軸付近に排気流路２０４が形成されており、排気流路２０４を介して圧力調整部２００外部に排気が行われる。出力配管２０２ａおよび出力配管２０２ｂは、駆動部３００に対して気体の授受を行うだけではなく、それぞれ一部が分岐されて分岐配管２０２ｘおよび分岐配管２０２ｙとしてトルクモーター部１００のフィードバックノズル１０７およびフィードバックノズル１０８に接続されており、フィードバックノズル１０７およびフィードバックノズル１０８に対しても気体を供給している。
【００６５】
圧力調整部２００の筐体内部には、リレースプール２０５を挟んで供給圧力室２０６ａおよび供給圧力室２０６ｂが形成されるとともに、ノズル背圧室２０８、リレースプール圧力室２０９が形成されており、供給圧力室２０６ａ内にはバルブポート２１０ａが配置され、供給圧力室２０６ｂ内にはバルブポート２１０ｂが配置されている。供給圧力室２０６ａと供給圧力室２０６ｂとリレースプール圧力室２０９には供給配管２０１が接続され、供給圧力室２０６ａおよび供給圧力室２０６ｂ内部とリレースプール圧力室２０９内部に加圧された気体が供給されている。ノズル背圧室２０８は、固定絞り２０７を介して供給圧力室２０６ａと接続されるとともに、ノズル１０２と配管を介して接続されている。ノズル背圧室２０８とリレースプール圧力室２０９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２０８とリレースプール圧力室２０９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２０５が移動可能となっている。
【００６６】
バルブポート２１０ａは、リレースプール２０５の位置に応じて移動可能に配置されており、供給圧力室２０６ａと出力配管２０２ａとの間の流路を閉じているときには供給配管２０１と排気流路２０４との接続を開き、供給圧力室２０６ａと出力配管２０２ａとの間の流路が開いているときには供給配管２０１と排気流路２０４との接続を閉じる機能を実現している。また、バルブポート２１０ｂは、リレースプール２０５の位置に応じて移動可能に配置されており、供給圧力室２０６ｂと出力配管２０２ｂとの間の流路を閉じているときには供給配管２０１と排気流路２０４との接続を開き、供給圧力室２０６ｂと出力配管２０２ｂとの間の流路が開いているときには供給配管２０１と排気流路２０４との接続を閉じる機能を実現している。また、バルブポート２１０ａとバルブポート２１０ｂとは、それぞれリレースプール２０５の排気流路２０４の両端に配されており、一方が排気流路２０４を閉じている場合には他方が開くように、排気流路２０４の開閉を行う。
【００６７】
駆動部３００は、駆動部筐体３０１内部に配されたピストン３０２が配置され、駆動部筐体３０１内部のピストン３０２によって仕切られた一方の空間が駆動部圧力室３０３として形成され、他方の空間が駆動部圧力室３０４として形成されている。駆動部圧力室３０３には、出力配管２０２ａを介して圧力調整部２００から気体が供給され、駆動部圧力室３０４には、出力配管２０２ｂを介して圧力調整部２００から気体が供給される。ピストン３０２は、駆動部圧力室３０３内部の気圧と駆動部圧力室３０４内部の気圧によって受ける力の均衡によって位置が決定される。ピストン３０２には棒状の部材である駆動軸３０５が固定して取り付けられており、ピストン３０２の動作に追随して駆動軸３０５が移動する。また、ピストン３０２および駆動軸３０５は駆動部筐体３０１で摺動可能となっているが、駆動部筐体３０１の内壁との間にはＯリングなどのシール部材が配されていることで、駆動部圧力室３０３と駆動部圧力室３０４との間での気体の移動や駆動部筐体３０１からの気体の漏洩を防止している。
【００６８】
位置測定機構４００は、駆動部３００が駆動軸３０５の位置を動かした際にその駆動軸３０５の位置を測定して、その位置情報を比較演算増幅回路５００に入力する装置であり、駆動軸３０５の上下運動を回転運動に変換して回転角度に応じて位置情報を測定する。比較演算増幅回路５００は、上述したように位置測定機構４００が測定した駆動軸の位置情報と操作信号の偏差に応じて、トルクモーター部１００に供給する電流値を制御する電気回路である。この比較演算増幅回路５００は、ポジショナー装置を組み合わせる駆動部３００の容量、作動速度、駆動部が操作すべき対象の負荷、摩擦力などの多様さに対して、増幅度あるいは積分性の増幅機能の積分ゲインなど、演算のパラメータを電子回路上あるいはソフトウェア上で、上位に変更できるものとする。比較演算増幅回路５００では、位置測定機構４００で測定した駆動軸３０５の位置情報に基づいて、電磁石１０１に供給される電流を制御するため、電気信号制御部として機能することになる。
【００６９】
次に、図５に示したポジショナー装置の動作と駆動軸の位置決めメカニズムを説明する。操作信号に対して位置信号に偏差が生じ、その結果としてポジショナー装置のトルクモーター部１００に入力信号として流れる電流が減少すると、電磁石１０１に発生する磁力が減少し、可動片１０３が受ける電磁石１０１方向への力は減少し、支点板バネ１０４の弾性力およびバイアススプリング１０６の弾性力とのバランスが変化する。これにより、支点板バネ１０４を中心として図中矢印Ａ方向に可動片１０３に働くトルクが増加する。この可動片１０３の動きによって、フラッパー１０５も図中矢印Ａ方向に動き、フラッパー１０５とノズル１０２との間隔がわずかに拡がる。
【００７０】
フラッパー１０５とノズル１０２との間隔が拡がると、ノズル１０２から流出する気体の流量が増加してノズル背圧室２０８内の圧力が低下し、リレースプール圧力室２０９とノズル背圧室２０８の圧力バランスが崩れて、リレースプール２０５がノズル背圧室２０８側に移動する。このとき、リレースプール２０５はバルブポート２１０ａと当接して排気流路２０４とバルブポート２１０ａとの間が閉じられ、バルブポート２１０ａが移動して供給圧力室２０６ａと出力配管２０２ａとの流路が開かれる。これにより、供給配管２０１、供給圧力室２０６ａおよび出力配管２０２ａが連通して、加圧された気体が駆動部３００の駆動部圧力室３０３に導入される。
【００７１】
同時に、バルブポート２１０ｂが移動してリレースプール２０５はバルブポート２１０ｂから離れ、排気流路２０４とバルブポート２１０ｂとの間が開放されて、供給圧力室２０６ｂと出力配管２０２ｂとの流路が閉じる。これにより、供給配管２０１と供給圧力室２０６ｂとは遮断され、出力配管２０２ｂと排気流路２０４が連通して、駆動部３００の駆動部圧力室３０４内の気体が排出流路から排出されて圧力が低下する。
【００７２】
駆動部圧力室３０３の空気圧が上昇し、駆動部圧力室３０４の気圧が下がることで、ピストン３０２は図中矢印Ｃ方向へ移動し、バランスすることなく移動し続ける。比較演算増幅回路５００は、位置測定機構４００が検出する駆動軸３０５の位置を示す信号と、操作信号とが等しいと判断した場合には、電磁石１０１に対する出力を変化させて駆動部圧力室３０３の空気圧と駆動部圧力室３０４の気圧とが等しくなるように制御を行う。
【００７３】
逆にポジショナー装置のトルクモーター部１００に入力信号として流れる電流が増加すると、電磁石１０１に発生する磁力が増加し、可動片１０３が受ける電磁石１０１方向への力は増加し、支点板バネ１０４の弾性力およびバイアススプリング１０６の弾性力とのバランスが変化する。これにより、支点板バネ１０４を中心として図中矢印Ａ方向に働くトルクが減少する。この可動片１０３の動きによって、フラッパー１０５も図中矢印Ａ方向と反対方向に動き、フラッパー１０５とノズル１０２との間隔がわずかに狭まる。以下、圧力調整部２００、駆動部３００、位置測定機構４００、比較演算増幅回路５００では上述した電流減少時と逆の動作が行われて、トルクモーター部１００に流れる入力信号電流の変化量に対応して、駆動軸３０５の位置変化が得られる。
【００７４】
本発明のポジショナー装置では、位置測定機構４００と比較演算増幅回路５００での通常のフィードバック制御だけではなく、圧力調整部２００の出力配管２０２ａを分岐してフィードバックノズル１０７の小孔から少量の空気流を噴流として噴出させてマイナーフィードバック・ループを構成させる。また、出力配管２０２ｂを分岐してフィードバックノズル１０８の小孔から少量の空気流を噴流として噴出させてマイナーフィードバック・ループを構成させる。
【００７５】
出力配管２０２ａから分岐されたフィードバックノズル１０７、および出力配管２０２ｂから分岐されたフィードバックノズル１０８からは、少量の気体が噴出され、トルクモーター部１００の可動片１０３の両側に衝突する。気体が可動片１０３に衝突することで得られる力によって、可動片１０３に加わる力は電磁石１０１による磁力と、支点板バネ１０４の弾性力と、バイアススプリング１０６の弾性力と、フィードバックノズル１０７およびフィードバックノズル１０８からの空気噴流による圧力の５つとなる。本発明のポジショナー装置は、空気噴流をトルクモーター部１００にフィードバックさせることで、低コストで簡便に、バックラッシュやヒステリシスなどの非線形性を減少させて、ポジショナー装置の動作を安定させる。
【００７６】
図５に示した本発明のポジショナー装置では、トルクモーター部１００の可動片１０３の両面に、一定の距離を保って小孔のあるフィードバックノズル１０７およびフィードバックノズル１０８をそれぞれ設け、圧力調整部２００からの出力配管２０２ａおよび出力配管２０２ｂを分岐して気体を噴出させ、この気体の噴流を可動片１０３の両側に衝突させて、ふたつのフィードバックノズルから噴出する気体の噴流衝突で生じる力の差によって、複動型駆動部のピストン両端に加えられる圧力の差に比例する力を可動片１０３およびフラッパー１０５の動きにフィードバックし、小ループのマイナーフィードバックを構成させている。以下、噴流による小ループのマイナーフィードバックの動作について説明する。
【００７７】
例えばトルクモーター部１００に入力される電流出力が減少した場合、バイアススプリング１０６の力で、ノズル１０２とフラッパー１０５の間隔が拡がると、ノズル１０２から流出する気体の流量が増加してノズル背圧室２０８内の圧力が低下し、リレースプール圧力室２０９とノズル背圧室２０８の圧力バランスが崩れて、リレースプール２０５がノズル背圧室２０８側に移動する。このとき、リレースプール２０５はバルブポート２１０ａと当接して排気流路２０４のバルブポート２１０ａ側が閉じられ、バルブポート２１０ａが移動して供給圧力室２０６ａと出力配管２０２ａとの流路が開かれる。これにより、供給配管２０１、供給圧力室２０６ａおよび出力配管２０２ａが連通して、加圧された気体が駆動部３００の駆動部圧力室３０３に導入されるとともに、出力配管２０２ａから分岐されたフィードバックノズル１０７から噴出する噴流の速度が増加する。
【００７８】
同時に、リレースプール２０５はバルブポート２１０ｂから離れて排気流路２０４のバルブポート２１０ｂ側が開放され、バルブポート２１０ｂが移動して供給圧力室２０６ｂと出力配管２０２ｂとの流路が開かれる。これにより、排気流路２０４、供給圧力室２０６ｂおよび出力配管２０２ｂが連通して、駆動部３００の駆動部圧力室３０４に導入されるとともに、出力配管２０２ｂから分岐されたフィードバックノズル１０８から噴出する噴流の速度が減少する。
【００７９】
すると、フィードバックノズル１０７から噴出する噴流の衝突と、フィードバックノズル１０８から噴出する噴流の衝突のバランスが変化し、図中矢印Ａと逆方向に可動片１０３に加わる力が増加し、電磁石１０１の磁力の減少で可動片１０３に与えられる力の変化に対抗して、ノズル背圧室２０８の圧力が上昇する方向に力が作用する。この噴流によるフィードバック力の働きにより、フィードバックノズル１０７およびフィードバックノズル１０８からの噴流衝突の力と、電磁石１０１の磁力の変化により可動片１０３に与えられる力とが平衡した位置で可動片１０３は静止する。これにより、本発明のポジショナー装置では電磁石１０１の磁力の変化に略比例した圧力差をもった二つの出力圧の変化を得ることができる。すなわち、ノズル１０２とフラッパー１０５で構成されるノズルフラッパー機構、及び圧力調整部２００がもつ動作の非線形性およびヒステリシスを有する伝達特性を線形に近づけることができる。
【００８０】
反対にトルクモーター部１００に入力される電流が増加した場合、上述した動作の逆が進行する。電磁石１０１の磁力の増加およびバイアススプリング１０６の力で、ノズル１０２とフラッパー１０５との間隙は狭くなり、ノズル１０２から流出する気体の流量が減少してノズル背圧室２０８内の圧力が増加し、リレースプール圧力室２０９とノズル背圧室２０８の圧力バランスが崩れて、リレースプール２０５がリレースプール圧力室２０９側に移動する。このとき、リレースプール２０５はバルブポート２１０ａと離れて排気流路２０４が開放され、バルブポート２１０ａが移動して供給圧力室２０６ａと出力配管２０２ａとの流路が閉じられる。これにより、排気流路２０４と出力配管２０２ａが連通して、駆動部圧力室３０３に導入される気体の圧力が低下し、フィードバックノズル１０７から噴出する噴流の速度が減少する。
【００８１】
同時に、リレースプール２０５はバルブポート２１０ｂと接触して排気流路２０４のバルブポート２１０ｂ側が閉じられ、バルブポート２１０ｂが移動して供給圧力室２０６ｂと出力配管２０２ｂとの流路が開放される。これにより、排気流路２０４と出力配管２０２ｂとが遮断されて、駆動部３００の駆動部圧力室３０４に供給される気体の圧力が増加するとともに、出力配管２０２ｂから分岐されたフィードバックノズル１０８から噴出する噴流の速度が増加する。
【００８２】
したがって、フィードバックノズル１０７からの噴流衝突によって可動片１０３に図中矢印Ａと反対方向に加わる力が減少し、フィードバックノズル１０８からの噴流衝突によって可動片１０３に図中矢印Ａ方向に加わる力が増加する。可動片１０３に加わる力は、電磁石１０１の磁力の増加と、バイアススプリング１０６の弾性力と、フィードバックノズル１０７からの噴流衝突による力と、フィードバックノズル１０８からの噴流衝突による力である。したがって、電磁石１０１の磁力の変化がフィードバックノズル１０７およびフィードバックノズル１０８からの噴流の流速として、可動片１０３にフィードバックされ、二つの出力圧の圧力差の変化と磁力の変化とが均衡した位置で可動片１０３は静止する。
【００８３】
上述した様に、電磁石１０１に入力される電流が増加して可動片１０３に加わる力が図中矢印Ａ方向へ増加した場合には、フィードバックノズル１０７およびフィードバックノズル１０８からの噴流衝突で可動片１０３に加わる力も図中矢印Ａ方向に増加する。また、電磁石１０１に入力される電流が減少して可動片１０３に加わる力が図中矢印Ａ方向と反対側へ増加した場合には、フィードバックノズル１０７およびフィードバックノズル１０８からの噴流衝突で可動片１０３に加わる力も図中矢印Ａ方向と反対側へ増加する。つまり、フィードバックノズル１０７から噴出する噴流は、可動片１０３の電気信号に応じた動作に対抗して増減することになる。
【００８４】
圧力調整部から出力される気圧を分岐したフィードバックノズルから、出力気圧に対応した流速の噴流を可動片に対して衝突させることで、可動片に対して噴流によるマイナーフィードバックを作用させることができる。噴流によるマイナーフィードバックは、パイロットバルブ機構の出力圧変化に応じて可動片に作用するため、駆動部軸の位置変化と操作信号のずれを解消する主フィードバック機能に付加されて、その働きを補償する。この噴流によるマイナーフィードバックの作用により、ノズルフラッパー機構およびパイロットバルブ機構の機械的要素が内包しているヒステリシスやバックラッシュなどの非線形な特性を修正し、主フィードバック機能を目的どおりに作動させることが可能となる。
【００８５】
本実施の形態では、複動型の駆動部３００に組み合わせる複動型ポジショナー装置に採用した例であり、フィードバックノズル１０７およびフィードバックノズル１０８を可動片１０３の両面に対抗して設けている。これにより、複動型の圧力調整部２００の出力から分岐された噴流は、互いの衝突による力は一部が相殺されて、ふたつ出力の空気圧の差圧に比例した力を受けることになる。したがって、複動型の駆動部３００のピストン３０２の双端に加わる気圧差を可動片１０３への力としてフィードバックし、トルクモーターや圧力調整部などの作動に含まれていた非線形性や、時間遅れによる動作性の不安定を、簡単な構造によって適切に改良し、僅かなコストでポジショナー装置の性能を向上させることができる。例えば、本発明によるポジショナー装置を産業用の自動調節弁と組み合わせた場合、弁開度は操作信号に対して安定で迅速に追随し、石油精製装置など大型のプラントを、より合理的に運転操業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第一の実施の形態にかかる単動型のポジショナー装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第一の実施の形態にかかるポジショナー装置のフィードバックノズルと噴流衝突部とを拡大して示す部分拡大図である。
【図３】本発明の噴流衝突によるフィードバックを説明するための図であり、図３（ａ）は実験に用いるフィードバックノズルの形状を示し、図３（ｂ）は実験に用いるフィードバックノズルの形状を示し、図３（ｃ）はフィードバックノズルと噴流衝突部の距離と噴流衝突部に加わる力の関係を示すグラフである。
【図４】本発明のポジショナー装置の構成と動作を示すブロック図である。
【図５】本発明の第二の実施の形態にかかる複動型のポジショナー装置の構成を示す模式図である。
【図６】従来のポジショナー装置におけるノズル背圧とダイヤフラムの変位との時間的なずれを示すグラフである。
【図７】従来のポジショナー装置におけるノズル背圧とダイヤフラムの変位とのヒステリシスを示すグラフである。
【符号の説明】
【００８７】
１，１００    トルクモーター部
２，２００    圧力調整部
３，３００    駆動部
４，４００    位置測定機構
５，５００    比較演算増幅回路
１１，１０１    電磁石
１２，１０２    ノズル
１３，１０３    可動片
１４，１０４    支点板バネ
１５，１０５    フラッパー
１６，１０６    バイアススプリング
１７，１０７，１０８    フィードバックノズル
１８    噴流衝突部
２１，２０１    供給配管
２２，２０２ａ，２０２ｂ    出力配管
２３，２０３    ノズル配管
２４，２０４    排気流路
２５，２０５    リレースプール
２６，２０６ａ，２０６ｂ    供給圧力室
２８，２０８    ノズル背圧室
２９，２０９    リレースプール圧力室
３０，２１０ａ，２１０ｂ    バルブポート
３１，３０１    駆動部筐体
３２    ダイヤフラム
３３    駆動部スプリング
３４，３０３，３０４    駆動部圧力室
３５，３０５    駆動軸
３０２    ピストン
【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】
2005282718.tif 000008
【図７】
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