JP2013130237A - 角度センサの回転軸の固着検知方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】角度センサの回転軸の固着を簡単に検知する。
【解決手段】フィードバックレバー２３の長孔２３ａの他側壁（上側の側壁）２３ａ２にケーブル状の感圧センサ２８を設ける。フィードバックレバー２３には、調節弁２００の弁軸２０に設けられた連結ピン２２を長孔２３ａの一側壁（下側の側壁）２３ａ１に圧接させるピン押圧用ばね２６が設けられている。角度センサ４の回転軸が回転不能に陥いると、弁軸２０の移動に伴って、連結ピン２２がピン押圧用バネ２６の付勢力に抗して他側壁２３ａ２側へ移動し、感圧センサ２８に圧接する。この連結ピン２２の感圧センサ２８への圧接を検知して固着と判断する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、調節弁の開度を制御するポジショナに用いて好適な角度センサの回転軸の固着検知方法および装置に関するものである。

従来より、化学プラント等においては、その流量プロセスに用いられる調節弁に対してポジショナを設け、このポジショナによって調節弁の開度を制御するようにしている。このポジショナは、上位装置から送られてくる設定開度と調節弁からフィードバックされてくる実開度との偏差を求め、この偏差に応じた電気信号を制御信号として生成する制御演算部と、この制御演算部が生成した制御信号を空気圧信号に変換する電空変換部と、この電空変換部からの空気圧信号を増幅し出力空気圧として調節弁の操作器に供給する空気圧信号増幅部（パイロットリレー）とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

このポジショナでは、調節弁の実開度を弁軸の変位量として検出する変位検出部として角度センサが用いられており、この角度センサはフィードバックレバーを介して弁軸の変位量に応じて回転する回転軸を有している。この角度センサの回転軸の回転量に応じた電気信号が実開度を示す信号として制御演算部にフィードバックされる。

例えば、特許文献２に示されたポジショナでは、フィードバックレバーの中央にフィードバックレバーの長手方向に沿って長孔を形成し、この長孔に調節弁の弁軸（作動軸）に設けられた連結ピンを摺動自在に挿通し、このフィードバックレバーの端部を角度センサの回転軸に連結している。これにより、フィードバックレバーが弁軸の上下動に応じて回動し、すなわち連結ピンの上下動に応じて回動し、このフィードバックレバーの回動に伴って角度センサの回転軸が回転する。また、フィードバックレバーには、連結ピンを長孔の長手方向に延びる一側壁に圧接させるピン押圧用ばねが、その両端部をフィードバックレバーの壁面部に掛止させて装着されている。これにより、弁軸の上下動に応じ、弁軸に設けられた連結ピンがフィードバックレバーの長孔内を、短手方向への移動を規制されながら、長手方向へ摺動移動する。したがって、正常状態であれば、調節弁の弁軸の変位量に応じた分、角度センサの回転軸が回転し、調節弁の実開度がポジショナに正しくフィードバックされ、ポジショナによる適切な弁開度制御が行われるものとなる。

このような角度センサを有するポジショナは爆発の虞がある雰囲気中で使用される場合がある。この場合、ポジショナは防爆構造を有していなければならない。例えば、角度センサを単体で防爆構造とする場合、軸受の内周面と回転軸の外周面との隙間をＴＩＩＳ（産業安全技術協会）で規定されたｄ（隙間）×Ｉ（奥行）の防爆すきとする。例えば、ｄ＝０．１５ｍｍ以下、Ｉ＝１２．５ｍｍ以上とした場合、回転軸の両側に位置する隙間の合計（軸受の内径と回転軸の外径との差）を０．１５ｍｍ以下とする。

実開昭６２−２８１１８号公報 特開平１１−１２５２０１号公報 実開昭６２−３００７３号公報 特開２００９−１４５１９３号公報

しかしながら、角度センサを単体で防爆構造とする場合、軸受の内周面と回転軸の外周面との隙間を防爆すきとするために、回転軸を軸受の内周面にオイルレスで軸支させると共に、軸受および回転軸として耐摩耗性の高い材料（剛性の高い材料）を使う必要がある。また、防爆すきは金属で構成しなければならないという規定があるため、軸受の材料として含油焼結金属などを用いてオイルレスとする（外からの注油を不要とする）が、この軸受に含まれる油にゴミなどが吸着されて、回転軸と軸受との間で固着が発生することがある。回転軸と軸受との間で固着が発生すると、回転軸が回転できなくなり、調節弁の弁軸の変位量に応じた電気信号をポジショナ送れなくなり、その結果、ポジショナによる適切な弁開度制御が不能となってしまう。

なお、内部にＣＰＵを備え、ポジショナからの制御出力とフィードバックされた調節弁の実開度との偏差を調べて固着が生じたかどうかを判断する自己診断機能を有するインテリジェント型のポジショナとすれば、固着の自動検知が可能とはなるが、このようなインテリジェント型のポジショナでは処理が複雑となる、という問題が生じる。

また、内部にＣＰＵを有さない、例えば力平衡式のポジショナ（例えば、特許文献３参照）では、自己診断機能を設けて固着の自動検知を行わせるというようなことはできない。このため、固着が生じてもしばらく気づかずに放置されてしまう、という問題が生じる。このようなＣＰＵを有さないタイプのポジショナであっても、固着の発生を簡単に検知・表示する機能が望まれている。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、角度センサの回転軸の固着を簡単に検知することが可能な角度センサの回転軸の固着検知方法および装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、調節弁の作動軸に設けられた連結ピンが摺動自在に挿通される長孔を有し作動軸の上下動に応じて回動するフィードバックレバーと、このフィードバックレバーの回動に伴ってその回転軸が回転する角度センサと、フィードバックレバーに両端部を掛止されて装着され、連結ピンを長孔の長手方向に延びる一側壁に圧接させるピン押圧用ばねとを備えたフィードバック機構における角度センサの回転軸の固着検知方法であって、ピン押圧用ばねによってフィードバックレバーの長孔の一側壁に圧接されている連結ピンが一側壁と対向する反対側の他側壁に圧接したことを検知する圧接検知ステップと、連結ピンがフィードバックレバーの長孔の他側壁に圧接したことが検知された場合を角度センサの回転軸の固着と判断する固着判断ステップとを備えることを特徴とする。

この発明において、角度センサの回転軸が回転可能のときには、調節弁の作動軸に設けられた連結ピンがピン押圧用ばねによって、フィードバックレバーの長孔の一側壁（例えば、下側の側壁）に圧接されている。これに対し、角度センサの回転軸が回転不能に陥ると、調節弁の作動軸の移動に伴って、連結ピンがピン押圧用バネの付勢力に抗して、フィードバックレバーの長孔の一側壁と対向する反対側の他側壁（例えば、上側の側壁）側へ移動し、ついには、フィードバックレバーの長孔の他側壁に圧接するようになる。本発明では、この連結ピンのフィードバックレバーの長孔の他側壁への圧接を検知し、角度センサの回転軸の固着と判断する。

本発明では、連結ピンがフィードバックレバーの長孔の他側壁に圧接したことを検知するが、その一例として、フィードバックレバーの長孔の他側壁に感圧センサを設けるようにすることが考えられる。また、本発明は、上述した角度センサの回転軸の固着検知方法を適用した装置として構成することもできる。

一般に、回転軸と軸受間で固着が生じ始める初期段階においては、更に大きな回転力が加わるとその固着が解消して再び動くようになるが、その大きな回転力が消失すると再び回転軸と軸受間が固着する現象が知られている。本発明でいう回転軸の固着には、完全に固着した場合だけではなく、このような固着も含まれる。

本発明によれば、ピン押圧用ばねによってフィードバックレバーの長孔の一側壁に圧接されている連結ピンが反対側の他側壁に圧接したことを検知して、角度センサの回転軸の固着と判断するようにしたので、複雑な処理を伴う自己診断機能を設けることなく、角度センサの回転軸の固着を簡単に検知することが可能となる。

本発明に係る角度センサの回転軸の固着検知方法を適用したポジショナの一実施の形態を示すブロック図である。 このポジショナの角度センサのフィードバックレバーとの連結状況（角度センサの回転軸が回転可能な場合）を示す正面図である。 角度センサへのケーブルの引き込み部の断面図である。 角度センサの内部の構成を示す断面図である。 調節弁の弁軸に設けられた連結ピンがフィードバックレバーの長孔の他側壁に設けられた圧力センサに圧接した状態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る角度センサの回転軸の固着検知方法を適用したポジショナの一実施の形態を示すブロック図である。同図において、１００はポジショナ、２００はこのポジショナ１００によってその弁開度が制御される調節弁である。

調節弁２００は、弁軸（作動軸）２０を駆動する操作器２１を有しており、弁軸２０には連結ピン２２が設けられ、この連結ピン２２にその長孔２３ａを摺動自在に挿通させてフィードバックレバー２３が設けられている。フィードバックレバー２３は、弁軸２０の上下動に応じて、すなわち連結ピン２２の上下動に応じて、支点Ｐ１を中心として回動する。

ポジショナ１００は、上位装置（図示せず）から送られてくる調節弁２００に対する設定開度θｓｐと調節弁２００からフィードバックされてくる実開度θｐｖとの偏差を求め、この偏差に応じた電気信号を制御信号として生成する制御演算部１と、空気圧の供給源４００から供給される空気圧Ｐｓを受けて、制御演算部１が生成した制御信号を空気圧信号（ノズル背圧）Ｐｎに変換する電空変換部２と、電空変換部２が変換した空気圧信号Ｐｎを増幅し出力空気圧Ｐｏｕｔとして調節弁２００の操作器２１へ出力する空気圧信号増幅部（パイロットリレー）３と、調節弁２００の弁軸２０の変位量を検出する角度センサ（変位検出部）４と、角度センサ４の回転軸の固着を判断する固着判断部１１と、固着判断部１１での判断結果を表示する表示部１２とを備えている。

このポジショナ１００において、角度センサ４は、調節弁２００のヨーク２４（図２参照）にブラケット２５を介して固定され、その回転軸４１（図３参照）がフィードバックレバー２３と連結されている。これにより、支点Ｐ１を中心とするフィードバックレバー２３の回動に伴って角度センサ４の回転軸４１が回転し、弁軸２０の変位量に応じた電気信号が調節弁２００の実開度θｐｖとして制御演算部１へフィードバックされる。

また、フィードバックレバー２３には、連結ピン２２を長孔２３ａの長手方向に延びる一側壁（この例では、下側の側壁）２３ａ１に圧接させるピン押圧用ばね２６が、その両端部をフィードバックレバー２６の壁面部に掛止させて装着されている。この例では、ピン押圧用ばね２６の一端２６ａおよび他端２６ｂをフック状とし、フック状とした一端２６ａをフィードバックレバー２３の角度センサ４側の壁面部に設けられた丸孔２３ｂに挿通して掛止させ、フック状とした他端２６ｂをフィードバックレバー２３の先端側の壁面部にその上方から圧嵌させるようにして掛止させている。これにより、弁軸２０の上下動に応じ、弁軸２０に設けられた連結ピン２２がフィードバックレバー２３の長孔２３ａ内を、短手方向への移動を規制されながら、長手方向へ摺動移動する。

また、このポジショナ１００において、制御演算部１、電空変換部２、空気圧信号増幅部３、固着判断部１１および表示部１２は防爆構造とされたケース５内に収容されている。また、角度センサ４からの電気信号および後述する感圧センサ２８からの感圧信号は、ケーブル６を介してケース５内の制御演算部１および固着判断部１１に導かれている。

図３に角度センサ４へのケーブル６の引き込み部の断面図を示す。ケーブル６は角度センサ４が収容されたケース７内にブッシング８を介して引き込まれている。ブッシング８はナット９によってケース７に締め付け付けられている。ケース７内において、ケーブル６から引き出されたリード線群６１は、絶縁スリーブ１０によって、角度センサ４からのリード線と圧着接続されている。

図４は角度センサ４の内部の構成を示す断面図である。角度センサ４は、円筒状の軸受用シリンダ４２を収納固定したケース４３内に、ヨーク４４をその下端に固定した回転軸４１を下方から挿入して、回転軸４１の上端をケース４３上面の挿通孔４５から突出させ、さらに磁気センサ４６を取り付けた蓋４７によってケース４３の下面の開口４８を塞いで構成されている。回転軸４１に固定されたヨーク４４内には２つの永久磁石４９，５０が収納されており、磁気センサ４６は支持台５１の上面に固定されている。

なお、５２はケース４３の上面に突出した回転軸４１のリング溝に取り付けられた係止リング、５３はヨーク４４と軸受用シリンダ４２との間に挿入されたリング、５４，５５はパッキン、５６はフランジ、５７はキャップ、５８はフィードバックレバー２３を回転軸４１に連結するボルト、５９は磁気センサ４６からの電気信号を取り出す基板である。

この角度センサ４において、回転軸４１は、軸受用シリンダ４２の内周面４２ａを軸受面として、ヨーク４４と一体となって回転する。これにより、磁気センサ４６の表面における磁石４９，５０が作る磁力線の方向が変化し、磁気センサ４６の出力抵抗値が変化して、回転軸４１の回転量に応じた電気信号が生成される。

なお、軸受用シリンダ４２の内周面４２ａと回転軸４１の外周面４１ａとの間の隙間ｈ１は、ｄ（隙間）×Ｉ（奥行）の防爆すきとされている。例えば、ｄ＝０．１５ｍｍ以下、Ｉ＝１２．５ｍｍ以上とした場合、回転軸４１の両側に位置する隙間ｈ１の合計（軸受用シリンダ４２の内径と回転軸４１の外径との差）が０．１５ｍｍ以下とされている。

このような構成において、弁軸２０の上下動に応じて回動するフィードバックレバー２３と、このフィードバックレバー２３の回動に伴ってその回転軸４１が回転する角度センサ４と、フィードバックレバー２３にその両端部が掛止されて装着されたピン押圧用バネ２６とによってフィードバック機構３００が構成されており、ピン押圧用バネ２６の他端２６ｂにつながる根元部（以下、可動部と呼ぶ）２６ｃには固着標識部材２７が取り付けられている。また、フィードバックレバー２３の長孔２３ａの一側壁（下側の側壁）２３ａ１と対向する反対側の他側壁（上側の側壁）２３ａ２には、感圧センサ２８が設けられている。

感圧センサ２８は、ケーブル状とされ、中心電極と圧電体と外側電極と被覆層の４層から成り可撓性を有する同軸状の圧電センサと、圧電センサの外側を保持する支持部とから構成されている。このケーブル状の感圧センサ２８をフィードバックレバー２３の長孔２３ａの他側壁（上側の側壁）２３ａ２に敷設している。このようなケーブル状の感圧センサについては、例えば特許文献４などにその使用例が示されているので、ここでの詳細な説明は省略する。

このフィードバック機構３００において、ピン押圧用バネ２６は、その可動部２６ｃがフィードバックレバー２３の背面に位置するようにフィードバックレバー２３に掛止されている。これにより、固着標識部材２７は、ピン押圧用バネ２６の正常な取り付け状態において、フィードバックレバー２３の背面に位置する。また、固着標識部材２７の前面には、角度センサ４の回転軸４１の固着を知らせる標識として、例えば×印のマークが印されている。

〔角度センサの回転軸が回転可能な場合〕
この実施の形態において、軸受用シリンダ４２の内周面４２ａと回転軸４１の外周面４１ａとの間に固着が生じていない場合、すなわち角度センサ４の回転軸４１が回転可能な場合、ピン押圧用バネ２６はその正常な取り付け状態を維持し、フィードバックレバー２３の長孔２３ａの一側壁（下側の側壁）２３ａ１に連結ピン２２を圧接させ続ける。

このため、ピン押圧用バネ２６の可動部２６ｃに取り付けられている固着標識部材２７がフィードバックレバー２３の背面に隠された状態を維持し続ける。すなわち、固着標識部材２７がフィードバックレバー２３の背面に隠された視認不能位置に部位し続ける。これにより、固着標識部材２７に印されている×印のマークがフィードバックレバー２３の背面に隠れて見えず、角度センサ４の回転軸４１に固着が生じていないことが分かる。

また、ピン押圧用バネ２６がフィードバックレバー２３の長孔２３ａの一側壁（下側の側壁）２３ａ１に連結ピン２２を圧接させ続けるために、感圧センサ２８には圧力が加わらず、感圧センサ２８は感圧信号を固着判断部１１へ送らない。このため、固着判断部１１は角度センサ４の回転軸４１に固着が生じていないと判断する。この固着判断部１１での判断結果は表示部１２に表示される。

〔角度センサの回転軸が回転不能な場合〕
これに対し、軸受用シリンダ４２の内周面４２ａと回転軸４１の外周面４１ａとの間に固着が生じると、すなわち角度センサ４の回転軸４１が回転不能に陥ると、弁軸２０の移動に伴う連結ピン２２のピン押圧用バネ２６の付勢力に抗する長孔２３ａの一側壁（下側の側壁）２３ａ１と対向する反対側の他側壁（上側の側壁）２３ａ２側への移動によって、ピン押圧用バネ２６の可動部２６ｃが押し上げられる（図５参照）。

このため、ピン押圧用バネ２６の可動部２６ｃに取り付けられている固着標識部材２７がフィードバックレバー２３の背面から露出する。すなわち、固着標識部材２７がフィードバックレバー２３の背面から露出した視認可能位置に部位する。これにより、固着標識部材２７に印されている×印のマークが見えるようになり、角度センサ４の回転軸４１に固着が生じたことが分かる。

また、連結ピン２２のピン押圧用バネ２６の付勢力に抗する長孔２３ａの他側壁（上側の側壁）２３ａ２側への移動によって、連結ピン２２が長孔２３ａの他側壁（上側の側壁）２３ａ２に敷設されたケーブル状の感圧センサ２８に圧接すると、この感圧センサ２８がその圧接を検知して固着判断部１１へ感圧信号を送るようになる。これにより、固着判断部１１が角度センサ４の回転軸４１に固着が生じたと判断する。この固着判断部１１での判断結果は表示部１２に表示される。

このようにして、本実施の形態では、フィードバックレバー２３の長孔２３ａの他側壁２３ａ２に敷設されたケーブル状の感圧センサ２８からの感圧信号に基づいて角度センサ４の回転軸４１に固着が生じたか否かが判断されるものとなり、複雑な処理を伴う自己診断機能をポジショナ１００に設けることなく、角度センサ４の回転軸４１の固着を簡単に検知することができるようになる。

また、本実施の形態では、固着標識部材２７がフィードバックレバー２３の背面に隠れて見えない場合には、角度センサ４の回転軸４１に固着が生じていないことが分かり、固着標識部材２７がフィードバックレバー２３の背面から露出して見える場合には角度センサ４の回転軸４１に固着が生じていることが分かり、感圧センサ２８からの感圧信号に基づく固着判断部１１での判断結果だけではなく、固着標識部材２７によっても、角度センサ４の回転軸４１の固着の発生の有無を確認することが可能となる。

なお、上述した実施の形態では、ポジショナ１００に固着判断部１１と表示部１２を設けるようにしたが、調節弁２００側に感圧センサ２８からの感圧信号を受けて、ランプを点灯させるというような回路部を設けるようにしてもよい。この場合、その回路部が本発明でいう固着判断部を構成するものとなる。また、感圧センサ２８からの感圧信号をポジショナ１００の上位装置に送るようにして判断させるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、フィードバックレバー２３の長孔２３ａの他側壁２３ａ２にケーブル状の感圧センサ２８を敷設するものしたが、他側壁２３ａ２に段差を設け、この段差にケーブル状の感圧センサ２８を敷設して、感圧センサ２８の感圧面と本来の他側壁２３ａ２の壁面との高さを合わせるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、連結ピン２２の長孔２３ａの他側壁２３への圧接をケーブル状の感圧センサ２８で検知すようにしたが、リミットスイッチなどによって検知するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、固着標識部材２７に設ける標識を×印のマークとしたが、必ずしもこのようなマークでなくてもよく、固着標識部材２７の色を赤色とするなどしてもよい。

また、上述した実施の形態では、ピン押圧用ばね２６によって連結ピン２２をフィードバックレバーの長孔２３ａの下側の側壁２３ａ１に圧接させるようにしたタイプで説明したが、上側の側壁２３ａ２に圧接させるようにしたタイプでも、同様にして構成することが可能である。この場合、長孔２３ａの上側の側壁２３ａ２が本発明でいう一側壁、長孔２３ａの下側の側壁２３ａ１が本発明でいう他側壁となる。

また、上述した実施の形態では、角度センサ４をポジショナ１００のケース５から出した分離型のポジショナを例にとって説明したが、角度センサ４をポジショナ１００のケース５内に収納した一体型のポジショナでも、同様の構成をとるようにすることが可能であることは言うまでもない。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

４…角度センサ、４１…回転軸、４２…軸受用シリンダ、２０…弁軸、２２…連結ピン、２３…フィードバックレバー、２３ａ…長孔、２３ａ１…一側壁（下側の側壁）、２３ａ２…他側壁（上側の側壁）、２６…ピン押圧用ばね、２６ａ…一端、２６ｂ…他端、２６ｃ…可動部、２７…固着標識部材、２８…感圧センサ、１１…固着判断部、１２…表示部、１００…ポジショナ、２００…調節弁、３００…フィードバック機構。

Claims (4)

1. 調節弁の作動軸に設けられた連結ピンが摺動自在に挿通される長孔を有し前記作動軸の上下動に応じて回動するフィードバックレバーと、このフィードバックレバーの回動に伴ってその回転軸が回転する角度センサと、前記フィードバックレバーに両端部を掛止されて装着され、前記連結ピンを前記長孔の長手方向に延びる一側壁に圧接させるピン押圧用ばねとを備えたフィードバック機構における角度センサの回転軸の固着検知方法であって、
   前記ピン押圧用ばねによって前記フィードバックレバーの長孔の一側壁に圧接されている前記連結ピンが前記一側壁と対向する反対側の他側壁に圧接したことを検知する圧接検知ステップと、
   前記連結ピンが前記フィードバックレバーの長孔の他側壁に圧接したことが検知された場合を前記角度センサの回転軸の固着と判断する固着判断ステップと
   を備えることを特徴とする角度センサの回転軸の固着検知方法。
2. 請求項１に記載された角度センサの回転軸の固着検知方法において、
   前記圧接検知ステップは、前記連結ピンが前記フィードバックレバーの長孔の他側壁に圧接したことをその他側壁に設けられた感圧センサによって検知する
   ことを特徴とする角度センサの回転軸の固着検知方法。
3. 調節弁の作動軸に設けられた連結ピンが摺動自在に挿通される長孔を有し前記作動軸の上下動に応じて回動するフィードバックレバーと、このフィードバックレバーの回動に伴ってその回転軸が回転する角度センサと、前記フィードバックレバーに両端部を掛止されて装着され、前記連結ピンを前記長孔の長手方向に延びる一側壁に圧接させるピン押圧用ばねとを備えたフィードバック機構における角度センサの回転軸の固着検知装置であって、
   前記ピン押圧用ばねによって前記フィードバックレバーの長孔の一側壁に圧接されている前記連結ピンが前記一側壁と対向する反対側の他側壁に圧接したことを検知する圧接検知部と、
   前記連結ピンが前記フィードバックレバーの長孔の他側壁に圧接したことが検知された場合を前記角度センサの回転軸の固着と判断する固着判断部と
   備えることを特徴とする角度センサの回転軸の固着検知装置。
4. 請求項３に記載された角度センサの回転軸の固着検知装置において、
   前記圧接検知部は、前記フィードバックレバーの長孔の他側壁に設けられた感圧センサである
   ことを特徴とする角度センサの回転軸の固着検知装置。

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