JP2023131472A - ポジショナ - Google Patents

Abstract

【課題】ポジショナ本体の姿勢を変えることなく制御対象のバルブの動作形式に対応する。【解決手段】ポジショナは、ハウジング１３に装着されたシャフトホルダ１４と、ハウジング１３の内部に設けられ、シャフトホルダ１４によって回転自在に軸支されたシャフト９の回転角度を測定する角度センサ１００ａと、ハウジング１３の外部に設けられ、バルブステムの動きに連動してシャフト９を回転させるフィードバックレバー１８とを備える。ハウジング１３には、軸方向が異なる複数の開口部である複数のポート１５－１，１５－２が形成されている。シャフトホルダ１４は、複数のポート１５－１，１５－２のうちいずれか１つに装着される。【選択図】 図６

Description

本発明は、バルブの開度を制御するポジショナ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バルブに対してポジショナを設け、ポジショナによってバルブの開度を制御するようにしている。例えば図８に示すコントロールバルブ１１０は、バルブ本体１０１と、ポジショナ１０２と、操作器１０３とを備えている。操作器１０３は、ポジショナ１０２から供給される出力空気圧に応じてバルブステム（弁棒）１０４を上下動させて、バルブの開度を調節する。

ポジショナ１０２は、上位装置から送られてくる設定開度とバルブ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、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、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操作器１０３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（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

ポジショナ１０２では、バルブの実開度をバルブステム１０４の上下動の変位量として検出する変位検出部として角度センサ１００が用いられている。角度センサ１００は、フィードバックレバー１０６を介してバルブステム１０４の変位量に応じて回転する回転体を有している。この角度センサ１００の回転体の回転角度に応じた電気信号がバルブの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。

図９は角度センサ１００の構成を示す図である。角度センサ１００は、回転体２に取り付けられた磁石３，４による磁界の回転角度を測定する。角度測定には、磁気抵抗効果素子やホール素子などを用いたセンサ回路１が使用される。図９の５は磁石３，４による磁界の向きを示し、６はセンサ回路１の測定面を示している。一般的には、図９に示すようにセンサ回路１の測定面と磁界の回転面とが平行となるように設置される。

バルブは、直動式弁と回転弁に大別できる。図８に示したコントロールバルブ１１０は直動式弁である。直動式弁の場合、ポジショナの角度センサは、バルブステムの変位量に応じて回転する回転体の鉛直面上での回転角度を測定する。回転弁の場合、ポジショナの角度センサは、水平面上でのバルブステムの回転角度を測定する。

例えばアズビル株式会社製のポジショナＡＶＰ３００は、鉛直面上での回転角度を測定をする前提の構造となっている。このため、水平面上での回転角度測定のためにはポジショナ全体を横転させる必要があった。しかしながら、ポジショナを横転させると、ポジショナの表示器の向きも変わってしまうため、表示器の向きのみを元の向きに戻せるような工夫が必要となり、ポジショナの構造が複雑化するという課題があった。また、ポジショナを横転させると、内部の空気回路や圧力ゲージの部品にかかる重力の向きが変わるため、これら空気回路や圧力ゲージに特性が変化し、再調整が必要になる場合があった。

また、ポジショナを横転させることなく、水平面上での回転角度を測定するために角度センサの向きを変更する方法が考えられる。しかしながら、角度センサはポジショナ内部に固定されているため、ポジショナのカバーを開けて角度センサの向きを変える作業をする必要があった。

特開２０１３－１０４４５４号公報 特開２００３－１３９５６１号公報 特開２０１７－０２０６３１号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ポジショナ本体の姿勢を変えることなく制御対象のバルブの動作形式に容易に対応することが可能なポジショナを提供することを目的とする。

本発明のポジショナは、ポジショナのハウジングに装着されたシャフトホルダと、前記ハウジングの内部に設けられ、前記シャフトホルダによって回転自在に軸支されたシャフトの回転角度を測定するように構成された角度センサと、前記ハウジングの外部に設けられ、バルブステムの動きに連動して前記シャフトを回転させるように構成されたフィードバック機構とを備え、前記ハウジングは、軸方向が異なる複数の開口部である複数のポートが形成され、前記シャフトホルダは、前記複数のポートのうちいずれか１つに装着されることを特徴とするものである。

また、本発明のポジショナの１構成例は、前記複数のポートとして、第１のポートと、前記第１のポートと軸方向が直交する第２のポートの２つが前記ハウジングに形成されていることを特徴とするものである。
また、本発明のポジショナの１構成例は、前記複数のポートのうち前記シャフトホルダが装着されていないポートを閉鎖するように装着された防爆キャップをさらに備えることを特徴とするものである。

また、本発明のポジショナの１構成例において、前記角度センサは、磁気抵抗効果素子を含むセンサ回路と、前記ハウジングの内部の前記シャフトの先端に固定され、発生する磁界が前記シャフトの回転軸を中心として前記シャフトと連動して回転するように構成された磁界発生部と、前記センサ回路の出力電圧を検出するように構成された電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出された電圧に基づいて前記磁界の回転角度を算出するように構成された回転角度算出部とを備え、前記磁気抵抗効果素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面に対する前記磁界の回転面の傾斜角度が４５°の整数倍となるように、前記センサ回路が配置されることを特徴とするものである。
また、本発明のポジショナの１構成例は、前記回転角度によらず前記磁界が前記センサ回路の磁気抵抗効果素子に対して飽和している状態であることを特徴とするものである。

本発明によれば、ポジショナのハウジングに、軸方向が異なる複数のポートを形成しておくことにより、制御対象のバルブの動作形式に応じてシャフト（フィードバック機構）の回転軸の方向を変更することが容易になるので、シャフトホルダとフィードバック機構の取り付けを変更するだけで、ポジショナ本体の姿勢を変えることなく、制御対象のバルブの動作形式に容易に対応することができる。

図１は、ＡＭＲ素子で構成されたブリッジ回路の回路図である。 図２は、本発明の実施例に係るポジショナの構造を示す模式図である。 図３は、本発明の実施例に係るポジショナの構造を示す模式図である。 図４は、角度センサにおける回転体の回転に伴う磁石の軌道の例を示す図である。 図５は、磁界の回転方向の反転を説明する図である。 図６は、本発明の実施例に係る角度センサを配置したポジショナの要部断面図である。 図７は、本発明の実施例に係る角度センサを実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。 図８は、コントロールバルブの１例を示す図である。 図９は、従来の角度センサの構成を示す図である。

［従来例］
まず、本発明の実施例について説明する前に、従来の角度センサについて詳細に説明する。磁界によって電気抵抗が変化する異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ：Anisotropic Magneto Resistive effect）素子で構成されたセンサ回路であるブリッジ回路１ａを図１に示す。ブリッジ回路１ａは、第１のＡＭＲ素子１０－１と第２のＡＭＲ素子１０－２とを直列に接続した第１の直列回路１０－５と、第３のＡＭＲ素子１０－３と第４のＡＭＲ素子１０－４とを直列に接続した第２の直列回路１０－６とを並列に接続したものである。

図１の両向き矢印で示すように、向かい合うＡＭＲ素子１０－１と１０－４の感磁方向（抵抗値が最小になる磁界の方向）が同一であり、向かい合うＡＭＲ素子１０－２と１０－３の感磁方向が同一である。また、隣り合うＡＭＲ素子の感磁方向は直交する。

角度センサの磁石による磁界の回転面と、４つのＡＭＲ素子１０－１～１０－４の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面（ＡＭＲ素子１０－１～１０－４の感磁方向と平行な面であり、図１の紙面と平行な面）とが平行な場合、図示しない電源からブリッジ回路１ａに一定の電流Ｉを流すと、中点電位差（第１の直列回路１０－５の中点と第２の直列回路１０－６の中点との電位差）Ｖ（θ）は、磁界の回転角度θによって式（１）のようになる。

式（１）から中点電位差Ｖ（θ）は、振幅がＶ₀で、磁界が１回転する間に２周期となる周期関数となる。磁界の回転角度θは、中点電位差Ｖ（θ）から式（２）のように求まる。

半周期を超えると、中点電位差Ｖ（θ）に対し回転角度θが一意に決まらなくなるため、従来の角度センサの角度測定範囲は９０度以内となる。

［実施例］
図２（Ａ）は本発明の実施例に係るポジショナの構造を示す断面模式図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のポジショナを矢印Ｂの方向から見た模式図である。ただし、図２（Ｂ）では、構造を見易くするために回転体２の内部を透視して記載している。

本実施例では、図示しないフィードバックレバーの一端が角度センサ１００ａのシャフト９に固定されている。磁石３，４（磁界発生部）は、シャフト９の先端に固定された回転体２に取り付けられ、シャフト９と回転体２の回転に伴って回転軸Ａを中心として回転する。角度センサ１００ａのブリッジ回路１ａ（センサ回路）は、センサホルダ１１に固定されている。

そして、本実施例では、ＡＭＲ素子１０－１～１０－４の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面６ａに対する磁界の回転面７の傾斜角度αが４５°の整数倍となるように、ブリッジ回路１ａ（センサ回路）と回転体２と磁石３，４とシャフト９とセンサホルダ１１とを配置する。回転軸Ａの延長線は、図１に示す菱形（正方形）のブリッジ回路１ａの中心を通る。

図２（Ａ）の１２はポジショナの表示部を示している。図２（Ａ）、図２（Ｂ）の例では、回転軸Ａが水平方向、すなわち直動式弁に使用されるポジショナのようにフィードバックレバーの回転軸が水平方向であり、角度センサ１００ａはシャフト９および回転体２の鉛直面上での回転角度を測定する。

回転軸Ａが鉛直方向、すなわち回転弁に使用されるポジショナのようにフィードバックレバーの回転軸が鉛直方向の場合の本実施例のポジショナの断面模式図を図３（Ａ）に示し、図３（Ａ）のポジショナを矢印Ｂの方向から見た模式図を図３（Ｂ）に示す。図３（Ａ）、図３（Ｂ）の例では、角度センサ１００ａはシャフト９および回転体２の水平面上での回転角度を測定する。

図２（Ａ）、図３（Ａ）によれば、回転軸Ａが水平方向、鉛直方向のいずれの場合でも、表示部１２の向きが同じであることが分かる。このように、本実施例では、回転軸Ａの方向を容易に９０°変更できることを特徴とする。

ここで、本実施例のようにセンサ面６ａと磁界の回転面７とが平行でない場合の磁界の回転角度の求め方について説明する。ＡＭＲ素子１０－１～１０－４の出力は、磁気飽和状態では磁石３，４との距離によらず不変で、磁界の角度のみに依存する。したがって、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図３（Ａ）、図３（Ｂ）のようにセンサ面６ａに対して磁界の回転面７が傾く場合、測定範囲中で磁石３，４が最もＡＭＲ素子１０－１～１０－４から離れる位置でもＡＭＲ素子１０－１～１０－４が磁気飽和状態となるだけの磁界強度を保っていれば、磁石３，４の回転軌道による距離の変化を考慮しなくて良い。

回転体２の回転に伴って磁石３，４は、磁界の回転面７の面内において真円の軌道を描く。ここで、磁界の回転角度をφ、磁界の回転面７とセンサ面６ａとのなす角をα、センサ面６ａ上での磁界の回転角度をθとすると、上述のとおり磁石３，４との距離を考慮する必要が無いため、磁石３，４の回転を真円ではなく楕円軌道として考えることができる。具体的には、磁石３，４の軌道は、磁石３，４の回転半径をＲとすると、短径Ｒ、長径Ｒ／ｃｏｓαとなる図４の楕円８の軌道として考えることができる。

、ブリッジ回路１ａと回転体２と磁石３，４とシャフト９とセンサホルダ１１とは、ブリッジ回路１ａの中点電位差Ｖ（θ）がゼロとなる方向（基準位置）が、磁界の回転面７（図４の軌道８の面）とセンサ面６ａとの交線（図４のＬ）と一致するように配置される。図１、図４では基準位置をθ₀で示している。図１の例では、基準位置θ₀は、ＡＭＲ素子１０－２，１０－３の感磁方向と平行で、ＡＭＲ素子１０－１，１０－４の感磁方向と直交する方向である。

図４より、式（３）～式（６）が得られる。
ｃｏｓφ＝ｃｏｓθ ・・・（３）
ｓｉｎφ＝ｓｉｎθ／ｃｏｓα ・・・（４）
ｔａｎφ＝ｓｉｎφ／ｃｏｓφ＝（ｓｉｎθ／ｃｏｓα）／ｃｏｓθ
＝ｔａｎθ／ｃｏｓα ・・・（５）
φ＝ｔａｎ^-1（ｔａｎθ／ｃｏｓα） ・・・（６）

ここで、式（７）より、式（８）が得られる。

また、ｓｉｎ２θ＝Ｖ（θ）／Ｖ₀なので、式（９）が得られる。

したがって、ブリッジ回路１ａの出力から磁界の回転角度φを求めることができる。ここでα＝－４５°またはα＝４５°なので、ｃｏｓ（４５°）＝ｃｏｓ（－４５°）＝１／√２であり、回転軸Ａの方向の変更によって磁界の回転角度φとセンサ出力Ｖ（θ）／Ｖ₀との関係は変化しない。

ただし、例えばα＝－４５°とα＝１３５°の場合、磁界の回転方向が反転するので注意が必要である。例えば図５の例のように、α＝１３５°（シャフト９がブリッジ回路１ａの上側にある状態）のときの磁界の回転面７を上方から見たときの磁界の回転方向が半時計回りだとすると、α＝－４５°（シャフト９がブリッジ回路１ａの下側にある状態）のときの磁界の回転面７を同じく上方から見たときの磁界の回転方向は時計回りである。

図５の例で言えば、α＝（２ｎ－１／４）πはシャフト９がブリッジ回路１ａの下側にある状態、α＝（２ｎ＋１／４）πはシャフト９がブリッジ回路１ａの右側にある状態、α＝（２ｎ＋１＋１／４）πはシャフト９がブリッジ回路１ａの左側にある状態、α＝（２ｎ＋１－１／４）πはシャフト９がブリッジ回路１ａの上側にある状態である。

図２（Ｂ）、図３（Ｂ）に示す角度センサ１００ａの電源２３は、ブリッジ回路１ａに一定の電流Ｉを供給する。角度センサ１００ａの電圧検出部２１は、ブリッジ回路１ａの中点電位差Ｖ（θ）を検出する。

角度センサ１００ａの回転角度算出部２２は、電圧検出部２１によって検出された中点電位差Ｖ（θ）に基づいて、センサ面６ａ上での磁界の回転角度θを算出し、回転角度θと既知の角度αとに基づいて、式（８）により磁界の回転角度φ（回転体２およびシャフト９の回転角度）を算出する。この際、回転角度算出部２２は、予め登録されている、中点電位差Ｖ（θ）と磁界の回転角度θとの関係を示す近似関数を用いて、中点電位差Ｖ（θ）から磁界の回転角度θを算出すればよい。

角度センサ１００ａをポジショナに使用する場合、回転角度算出部２２は、磁界の回転角度φに応じた信号を、バルブの実開度を示す信号としてポジショナの制御演算部に渡すようにすればよい。

次に、フィードバックレバーの回転軸Ａの方向を変更可能な本実施例のポジショナの構造について説明する。図６（Ａ）、図６（Ｂ）は本実施例の角度センサ１００ａを配置したポジショナの要部断面図であり、図６（Ａ）は回転軸Ａが水平方向の場合を示し、図６（Ｂ）は回転軸Ａが鉛直方向の場合を示している。

上記のとおり、角度センサ１００ａのブリッジ回路１ａは、センサホルダ１１に固定されている。センサホルダ１１は、ベース１７を介してポジショナのハウジング１３に固定される。センサホルダ１１とベース１７には、ブリッジ回路１ａと電源２３または電圧検出部２１との間を接続するための配線（不図示）が設けられている。

また、ポジショナのハウジング１３には、シャフト９を回転自在に軸支するシャフトホルダ１４を装着するための開口部であるポート１５－１，１５－２が少なくとも２つ設けられている。図６（Ａ）、図６（Ｂ）の例では、ポート１５－１は回転軸Ａを水平方向にする場合の開口部、ポート１５－２は回転軸Ａを鉛直方向にする場合の開口部である。シャフトホルダ１４は、ポート１５－１またはポート１５－２に装着され、ねじ留めされる。

ポート１５－１とポート１５－２は、互いの中心軸Ｃ１，Ｃ２が直交するようにハウジング１３に形成されている。これら中心軸Ｃ１，Ｃ２の交点に、ブリッジ回路１ａの中心が位置するようにブリッジ回路１ａが配置される。

図６（Ａ）のように、ポート１５－１にシャフトホルダ１４を装着したとき、ポート１５－１の中心軸Ｃ１とシャフト９の回転軸Ａとが一致し、回転軸Ａの延長線がブリッジ回路１ａの中心を通る。シャフトホルダ１４を装着しないポート１５－２には、防爆キャップ１６が装着され閉鎖される。

一方、図６（Ｂ）のように、ポート１５－２にシャフトホルダ１４を装着したとき、ポート１５－２の中心軸Ｃ２とシャフト９の回転軸Ａとが一致し、回転軸Ａの延長線がブリッジ回路１ａの中心を通る。シャフトホルダ１４を装着しないポート１５－１には、防爆キャップ１６が装着され閉鎖される。

シャフト９の先端には回転体２が固定され、回転体２には磁石３，４が取り付けられている。一方、回転体２と反対側のシャフト９の端にはフィードバックレバー１８（フィードバック機構）が取り付けられる。

ポジショナの制御対象のバルブが直動式弁の場合、バルブステムの上下動は回転軸Ａを中心とするフィードバックレバー１８の回転運動に変換されて、シャフトホルダ１４によって軸支されたシャフト９の回転に伴って回転体２がシャフトホルダ１４内で回転し、磁石３，４がブリッジ回路１ａの周囲を回転する。ポジショナの制御対象のバルブが回転弁の場合には、バルブステムの回転運動は回転軸Ａを中心とするフィードバックレバー１８の回転運動に変換される。

以上のように、本実施例では、フィードバックレバー１８の回転軸Ａの方向を、ブリッジ回路１ａのセンサ面６ａの法線と平行な面（図６（Ａ）、図６（Ｂ）の紙面）上で９０°変更することが容易になるので、シャフトホルダ１４とフィードバックレバー１８の取り付けを変更するだけで、ポジショナ本体の取付姿勢を変えることなく、１つの角度センサ１００ａによって磁界の回転角度φ（シャフト９とフィードバックレバー１８の回転角度）を測定することができる。本実施例では、ポジショナの表示器やブリッジ回路１ａの向きを変える必要がなく、またポジショナを横転させる必要がないので、ポジショナの再調整も不要となる。

本実施例で説明した回転角度算出部２２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置および外部とのインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図７に示す。コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、電圧検出部２１のハードウェア等が接続される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、ポジショナに適用することができる。

１ａ…ブリッジ回路、２…回転体、３，４…磁石、９…シャフト、１０－１～１０－４…ＡＭＲ素子、１１…センサホルダ、１２…表示部、１３…ハウジング、１４…シャフトホルダ、１５－１，１５－２…ポート、１６…防爆キャップ、１７…ベース、１８，１０６…フィードバックレバー、２１…電圧検出部、２２…回転角度算出部、２３…電源、１００ａ…角度センサ。

Claims (5)

1. ポジショナのハウジングに装着されたシャフトホルダと、
   前記ハウジングの内部に設けられ、前記シャフトホルダによって回転自在に軸支されたシャフトの回転角度を測定するように構成された角度センサと、
   前記ハウジングの外部に設けられ、バルブステムの動きに連動して前記シャフトを回転させるように構成されたフィードバック機構とを備え、
   前記ハウジングは、軸方向が異なる複数の開口部である複数のポートが形成され、
   前記シャフトホルダは、前記複数のポートのうちいずれか１つに装着されることを特徴とするポジショナ。
2. 請求項１記載のポジショナにおいて、
   前記複数のポートとして、第１のポートと、前記第１のポートと軸方向が直交する第２のポートの２つが前記ハウジングに形成されていることを特徴とするポジショナ。
3. 請求項１または２記載のポジショナにおいて、
   前記複数のポートのうち前記シャフトホルダが装着されていないポートを閉鎖するように装着された防爆キャップをさらに備えることを特徴とするポジショナ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のポジショナにおいて、
   前記角度センサは、
   磁気抵抗効果素子を含むセンサ回路と、
   前記ハウジングの内部の前記シャフトの先端に固定され、発生する磁界が前記シャフトの回転軸を中心として前記シャフトと連動して回転するように構成された磁界発生部と、
   前記センサ回路の出力電圧を検出するように構成された電圧検出部と、
   前記電圧検出部によって検出された電圧に基づいて前記磁界の回転角度を算出するように構成された回転角度算出部とを備え、
   前記磁気抵抗効果素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面に対する前記磁界の回転面の傾斜角度が４５°の整数倍となるように、前記センサ回路が配置されることを特徴とするポジショナ。
5. 請求項４記載のポジショナにおいて、
   前記回転角度によらず前記磁界が前記センサ回路の磁気抵抗効果素子に対して飽和している状態であることを特徴とするポジショナ。

Images