JP5438558B2 - フィードバック機構およびバルブポジショナ - Google Patents

Description

本発明は、フィードバック機構およびこれを備えたバルブポジショナに関する。

直動型の自動調節弁等に用いられるバルブポジショナは、入力信号（電気信号）を空気圧信号に変換する電空変換器と、この空気圧信号を増幅してバルブの操作器に出力空気圧として伝送する増幅器（パイロットリレー）と、バルブの実作動量を電気信号に変換しフィードバック信号として制御演算部にフィードバックするフィードバック機構等を備え、前記制御演算部でフィードバック信号と入力信号とを比較し、その差を電空変換器に送信して操作器を駆動し、バルブを開閉制御するものである（例えば、特許文献１参照）。

従来のフィードバック機構としては、例えば特許文献２に開示されたものが知られている。このフィードバック機構は、図９および図１０に示すように、バルブ１の弁軸４にこれと直交するように突設された連結ピン１２を有している。連結ピン１２は、バルブポジショナ３のフィードバックレバー９に形成した長孔１３に摺動可能に挿通され、かつピン押圧用ばね１４によって長孔１３の長辺側の一側壁１３ａに押し付けられることにより、垂直方向の遊動が阻止されている。フィードバックレバー９は、弁軸４の上下動により連結ピン１２を介して上下方向に回動され、その回動角度がセンサによって検出される。なお、図９において、２は空気圧によって作動軸６を上下動させる操作器、７は弁軸４と作動軸６を連結する連結部材、１５はバルブ１の上部に固定された取付部材である。

このようなフィードバック機構５においては、バルブ１の内部を流れる流体の影響により弁軸４が振動すると、その振動による力をフィーバックレバー９、連結ピン１２およびピン押圧用ばね１４間の点状の接触部Ａ、Ｂが受けることになる。

一般的に、バルブ１の開度制御ではバルブ１を所定角度に保つように制御することが多い。このため、フィードバックレバー９と連結ピン１２、連結ピン１２とピン押圧用ばね１４はそれぞれ略同一点（接触部Ａ、Ｂ）で長期間にわたって接触し続けることになり、振動による力がこれらの接触部Ａ、Ｂに集中して加わることになる。その結果、当該接触部Ａ、Ｂが摩耗したり破損したりする。例えば、連結ピン１２が摩耗するとピン自体の外径が小さくなるため、長孔１３との間の隙間が大きくなり、弁軸４の実作動量を高精度に検出することができなくなる。また、最悪の場合は強度低下に伴って連結ピン１２が破損するおそれもある。

フィードバックレバー９については、長孔１３の一側壁１３ａの連結ピン１２が接触する接触部Ａが摩耗して凹みができるため、この凹み部分に連結ピン１２が入り込んで係止されると、弁軸４とフィードバックレバー９との円滑な作動が得られなくなる。したがって、フィードバックレバー９の摩耗によって同じく弁軸４の実作動量を高精度に検出することができなくなる。また、摩耗によって強度が低下するとレバー自体が破損することがある。

ピン押圧用ばね１４についても連結ピン１２との接触により摩耗すると、連結ピン１２やフィードバックレバー９と同様に破損するおそれがある。

実開昭６２−２８１１８号公報 特開平１１−１２５２０１号公報 特開２００３−２３９９０１号公報

上記したフィードバック機構５を備えた従来のバルブポジショナ３においては、一定期間毎あるいは必要に応じて点検して摩耗した部品を交換する必要があり、交換作業が煩わしいという問題があった。また、交換作業の際にはその対象となるバルブが属するプラントやプロセスの運転を一時停止させなければならないという問題もあった。

一方、このような問題を解決すべく、例えば特許文献３に開示されたフィードバック機構も知られている。このフィードバック機構は、図１１に示すようにバルブの弁軸９０に設けたフィードバックピン（連結ピン）３２とフィードバックシャフト（レバー）３３を連結部材３５によって連結している。連結部材３５は、フィードバックピン３２が摺動自在に挿通される筒状の第１の軸受部３７と、この第１の軸受部３７と直交しフィードバックレバー３３が同じく摺動自在に挿通される筒状の第２の軸受部３８とを有している。

このようなフィードバック機構９５においては、第１、第２の軸受部３７、３８が広い面積でフィードバックピン３２、フィードバックレバー３３をそれぞれ保持しているので、振動が発生しても力を分散させることができる。したがって、図９および図１０に示したフィードバック機構５のように力が略同一点（Ａ、Ｂ）に集中することがなく、フィードバックピン３２、フィードバックレバー３３の摩耗、破損等を軽減ないし防止することができる。また、ばねによるフィードバックピン３２の付勢を必要としないという利点もある。なお、２５はバルブポジショナ、３４はフィードバックレバー３３の回動角度を検出する角度センサである。

しかしながら、フィードバックピン３２やフィードバックレバー３３の耐摩耗性は向上するものの、フィードバックピン３２、フィードバックレバー３３、第１、第２の軸受部３７、３８等の取付精度、すなわちフィードバックピン３２の弁軸９０に対する取付角度、フィードバックレバー３３と弁軸９０との取付角度（平行度）、第１の軸受部３７と第２の軸受部３８との角度等が設計値と異なっていると、フィードバックピン３２やフィードバックレバー３３が第１、第２の軸受部３７、３８に対して円滑に動作せず、折れ曲がったり破損したりするので、要求される各部品の相互間に従来よりも高い加工ないし取付精度が要求され、加工や取付作業に時間を要するという問題があった。

本発明は、上記した従来の問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、部品相互の取付精度に影響されることがなく、フィードバックピンやフィードバックレバーの折れ曲り、破損等を防止でき耐久性を向上させたフィードバック機構およびバルブポジショナを提供することにある。

請求項１に記載の発明に係るフィードバック機構は、駆動軸に回動自在に軸支され、前記駆動軸の移動方向において互いに対向する第１、第２の磁石保持部を有する磁石保持部材と、前記磁石保持部材の第１、第２の磁石保持部に互いに異極どうしを対向させて固定された第１、第２の永久磁石と、前記第１、第２の永久磁石間の空間にこれら磁石と非接触状態で挿入された揺動自在なフィードバックレバーと、前記第１、第２の永久磁石と同極どうしが互いに対向するように前記フィードバックレバーに設けられた第３の永久磁石とを備えたことを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明に係るフィードバック機構は、請求項１に記載の発明ににおいて、前記磁石保持部材は、磁性材料によって形成され、垂直部と、この垂直部の上下端に一体に対設された第１、第２の磁石保持部とからなり、前記第１、第２の磁石保持部は、先端間が磁性材料からなる連結プレートによって連結され、前記磁石保持部材と前記連結プレートと前記第１、第２の永久磁石とにより閉磁路を形成することを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明に係るフィードバック機構は、請求項１または２に記載の発明において、前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石の各々の磁力が互いに異なることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明に係るバルブポジショナは、制御演算部、電空変換器、パイロットリレー等を備え、バルブを駆動制御するバルブポジショナにおいて、請求項１ないし３のいずれかに記載の発明に係るフィードバック機構を具備したことを特徴とするものである。

第１の発明によれば、第１の永久磁石と第３の永久磁石の各々の対向部位が同極性なので、両磁石間に斥力が生じ、両磁石の接触を阻止する。同様に第２、第３の永久磁石間にも斥力が生じ両磁石の接触を阻止する。これにより、フィードバックレバーは、第１、第２の永久磁石間で前記両斥力が釣り合い状態を保つ位置に磁気的に保持される。したがって、フィードバックレバーは、非接触状態で保持されているので、摩耗して折れ曲がったり破損したりすることがなく、耐久性を向上させることができる。磁石保持部材は駆動軸と一体に上下動し、フィードバックレバーを同方向に回動させる。このとき、磁石保持部材も第１、第３の永久磁石間の斥力と、第２、第３の永久磁石間の斥力とが釣り合い状態を保つようにフィードバックレバーと同方向に同角度回動することで、第１〜第３の永久磁石を全て平行に対向させ、これにより第１、第３の磁石間、および第２、第３の磁石間の磁気ギャップを常に一定に保たせる。

第２の発明によれば、磁石保持部材および連結プレートが第１、第２の永久磁石の閉磁路を形成するので、漏れ磁束を少なくすることができ、金属ゴミの吸着を防ぐことができる。

第３の発明によれば、第１の永久磁石と第２の永久磁石の各々の磁力が異なるので、第１、第３の永久磁石間の斥力と、第２、第３の永久磁石間の斥力を異ならせることができる。これにより、第１、第３の永久磁石間の磁気ギャップと、第２、第３の永久磁石間の磁気ギャップとが異なり、フィードバックレバーに磁気ギャップが小さい方への復帰習性を与えているので、第１、第２の永久磁石の各々の磁力が等しく、２つの磁気ギャップを等しくした場合に比べて、外部からの振動によりフィードバックレバーが遊動したり共振したりするのを防止することができる。

第４の発明によれば、上記発明の効果を有するバルブポジショナが得られる。また、フィードバック機構が劣化し難く長持ちするので、ポジショナの制御性を長期間安定した状態に維持できるとともに、フィードバック機構の部品交換によるポジショナの調整の機会を低減することができる。

本発明に係るバルブポジショナの一実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係るフィードバック機構の一実施の形態を示す正面図である。 駆動軸が上昇しフィードバックレバーが回動した状態を示す正面図である。 フィードバック機構の側断面図である。 フィードバック機構の他の実施の形態を示す正面図である。 フィードバック機構の側断面図である。 フィードバック機構のさらに他の実施の形態を示す正面図である。 フィードバック機構の側断面図である。 従来のバルブポジショナの正面図である。 フィードバック機構の正面図である。 従来の他のフィードバック機構の平面図である。

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１〜図４において、１００はバルブポジショナ、１０１は操作器２によって上下動する作動軸、１０２はバルブ１の弁軸、１０３は作動軸１０１と弁軸１０２を連結する連結部材、１０４はバルブ１の上部に固定された取付部材、１０５はバルブポジショナ１００を取付部材１０４に固定するためのブラケットである。なお、本発明においては、操作器２の作動軸１０１とバルブ１の弁軸１０２を総称して呼ぶときは、駆動軸Ａと称する。

図１において、前記バルブポジショナ１００は、筐体１０８から外部に突出して設けられ駆動軸Ａの動きを検出するフィードバック機構１０６と、筐体１０８内に組み込まれた端子台１０７、角度センサ１１０、制御演算部１１１、電空変換器１１２、パイロットリレー１１３等を備えている。

フィードバック機構１０６を構成するフィードバックレバー１０９は、角度センサ１１０の回転軸１１４に取付けられており、駆動軸Ａに後述する磁石の磁力によって非接触状態で連結され、前記駆動軸Ａの上下動に伴いこれと一体的に上下方向に回動するように構成されている。

角度センサ１１０は、フィードバックレバー１０９が回動すると、その回転軸１１４の回動角度を検出して電気信号に変換し、フィードバック信号Ｉ₁ として制御演算部１１１に送信する。制御演算部１１１は、ポジショナ１００への入力信号Ｉ₀ とフィードバック信号Ｉ₁ とを比較しその差が零になるように電空変換器１１２にフィードバックする。電空変換器１１２は、供給電流（入力信号Ｉ₀ ）に比例した空気圧信号Ｐ_N に変換するノズルフラッパ機構１２０を備えている。ノズルフラッパ機構１２０は、空気供給源より供給される供給空気圧Ｐsup によりフラッパ１２１が揺動することにより、ノズル１２２とのギャップＧが変化し、そのノズル背圧Ｐ_N を空気圧信号としてパイロットリレー１１３に出力する。

パイロットリレー１１３は、空気圧信号Ｐ_N を増幅し、出力空気圧Ｐout として操作器２に出力する。なお、このようなバルブポジショナ１００自体は、従来公知である（例えば、特許文献２、３参照）。

図２〜図４において、前記フィードバック機構１０６は、前述したフィードバックレバー１０９と、連結部材１０３に設けられた垂直面内において回動自在な磁石保持部材１３１とを備えている。磁石保持部材１３１は、側面視コ字状に形成されており、垂直部１３１ａと、この垂直部１３１ａの上下端に前方に向かって一体に対設された平行な水平部１３１ｂ、１３１ｃとからなり、垂直部１３１ａの背面中央に突設した軸１３２が前記軸受１３０に設けた軸受１３０によって回転自在に軸支されている。軸１３２の軸線は、駆動軸Ａの軸線と直交している。

水平部１３１ｂ、１３１ｃは、第１、第２の磁石保持部を形成し、その互いに対向する内面に第１、第２の永久磁石１３３、１３４が異極どうし、例えばＮ極とＳ極が互いに対向するようにそれぞれ固定されている。これらの磁石１３３、１３４の磁力は等しい。また、第１の永久磁石１３３と第２の永久磁石１３４との間の空間には、フィードバックレバー１０９が挿入されている。フィードバックレバー１０９の前記第１、第２の永久磁石１３３、１３４に対応する部分には、第３の永久磁石１３５が埋設されている。第３の永久磁石１３５は、磁力が第１、第２の永久磁石１３３、１３４の磁力と等しく、Ｎ極が第１の永久磁石１３３のＮ極と対向し、Ｓ極が第２の永久磁石１３４のＳ極と対向するようにフィードバックレバー１０９に設けられている。すなわち、第３の永久磁石１３５は、第１、第２の永久磁石１３３、１３４に対して同極どうしが互いに対向するように設けられ、そのＮ極どうしの斥力とＳ極どうしの斥力とが釣り合う位置にフィードバックレバー１０９を保持している。この場合、本実施の形態においては、両斥力が等しいため、フィードバックレバー１０９を第１の永久磁石１３３と第２の永久磁石１３４の中点位置に保持している。

このような構造からなるバルブポジショナ１００において、バルブポジショナ１００に入力信号１₀ が供給されていないとき、フラッパ１２１は電空変換器１１２の永久磁石１３６による磁気吸引力とフラッパ１２１を支持している支点ばね１３８のばね力がバランスする所定の位置に保持されている。このとき、供給空気圧Ｐsup は、配管１３７を通ってノズル１２２に供給されているが、そのノズル背圧Ｐ_N は、フラッパ１２１が揺動しないため一定に保持されている。そのため、パイロットリレー１１３の出力空気圧Ｐout も一定である。

バルブポジショナ１００への入力信号Ｉ₀ は、例えば４ｍＡから２０ｍＡの範囲で変化し、４ｍＡの時にバルブ１を全閉状態に保持し、２０ｍＡの時に全開状態に保持する。

バルブ１の全閉状態において、駆動軸Ａは最下位置に保持され、フィードバックレバー１０９は下方に最大角度回動した位置に保持されている。

この状態において、電空変換器１１２の励磁コイル１３９に電流（Ｉ₀ ）を流すと、フラッパ１２１には支点ばね１３８を中心として供給電流に比例した反時計方向回りの回転トルクが発生し、フラッパ１２１を傾けてノズル１２２に近づける。したがって、ノズルギャップＧが減少してノズル背圧が増大し、電流信号に比例した空気圧信号Ｐ_N を発生する。そして、この空気圧信号Ｐ_N は、パイロットリレー１１３によって増幅された後、出力空気圧Ｐout として操作器２に出力され、これにより駆動軸Ａが上方に移動してバルブ１を開く。また、駆動軸Ａの動きは、第１、第３の永久磁石１３３、１３５間の斥力と、第２、第３の永久磁石１３４、１３５間の斥力とによる保持力によってフィードバックレバー１０９を図３に示すように上方へ回動させる。このとき、磁石保持部材１３１も、第１、第３の永久磁石１３３、１３５間の斥力と、第２、第３の永久磁石１３４、１３５間の斥力がバランスするようにフィードバックレバー１０９と同方向に同角度回動し、第１、第２、第３の永久磁石１３３、１３４、１３５を並行に保持する。

フィードバックレバー１０９が回動すると、その回転軸１１４の回動角度を角度センサ１１０が検出して電気信号Ｉ₁ に変換し、制御演算部１１１にフィードバック信号として入力する。制御演算部１１は、電気信号Ｉ₀ とフィードバック信号Ｉ₁ とを比較しその差が零になるように電空変換器１１２にフィードバックすることにより、フラッパ１２１の動きを安定化させる。バルブ１が弁開状態から全閉状態に戻るときは、駆動軸Ａの下降によりフィードバックレバー１０９が下方に回動するため、バルブポジショナ１００は上記と反対の動作をする。したがって、バルブ１を入力信号Ｉ₀ によって自動制御することができる。

このようなフィードバック機構１０６を備えたバルブポジショナ１００においては、第１、第３の永久磁石１３３、１３５間の斥力と、第２、第３の永久磁石１３４、１３５間の斥力とが釣り合い状態を保つ位置にフィードバックレバー１０９を保持しているので、フィードバックレバー１０９が第１、第２の永久磁石１３３、１３４さらには磁石取付部材１３１に対して接触することがなく、したがって接触による摩耗によってフィードバックレバー１０９が折れ曲がったり、破損したりすることがなく、バルブポジショナ１００の耐久性を向上させるとともに、弁軸１０２の実作動量を高精度に検出でき、制御性を長期間にわたって安定した状態に維持することができる。また、フィードバックレバー１０９が非接触状態に保持されて摩耗しなければ、高い取付精度が要求されず、摩耗による部品交換やそれに伴う調整も不要である。

図５および図６は、本発明に係るフィードバック機構の他の実施の形態を示す正面図および側断面図である。なお、図１〜図４と同一構成部品、部分については同一符号をもって示し、その説明を適宜省略する。
磁石保持部材１３１は、磁性材料によって側面視コ字状に形成されることにより、垂直部１３１ａと、この垂直部１３１ａの上下端に一体に対設された駆動軸Ａの移動方向において対向する一対の水平部、言い換えれば第１、第２の磁石保持部１３１ｂ、１３ｃとを一体に備え、連結プレート１４０および第１、第２の永久磁石１３３、１３４とともに閉磁路１４２を形成している。

連結プレート１４０は、同じく磁性材料によって磁石保持部材１３１と同一幅の矩形に形成され、上下端が第１、第２の磁石保持部１３１ｂ、１３１ｃの先端面に固定されることにより、磁石保持部材１３１の前面開放部を塞いでいる。

このような構造からなるフィードバック機構１４１においては、閉磁路１４２によって第１、第２、第３の永久磁石１３３、１３４、１３５の漏れ磁束を少なくすることができ、金属ゴミが磁石保持部材１３１や連結プレート１４０やフィードバックレバー１０９に吸着されるのを防ぐことができる。

図７および図８は、本発明に係るフィードバック機構のさらに他の実施の形態を示す正面図および側断面図である。
本実施の形態は、第１、第３の永久磁石１３３、１３５間の磁気ギャップＧ₁ を第２、第３の永久磁石１３４、１３５間の磁気ギャップＧ₂ よりも大きくしたものである。このため、第１の永久磁石１３３と第２の永久磁石１３４の各々の磁力を互いに異ならせ、第１の永久磁石１３３の磁力を第２の磁石１３４の磁力よりも大きくしている。第３の永久磁石１３５の磁力は、第２の磁石１３４の磁力と略等しく設定されている。これにより、第１の永久磁石１３３と第３の永久磁石１３５間の斥力が、第２の永久磁石１３４と第３の永久磁石１３５間の斥力よりも大きくなり、フィードバックレバー１０９を第１、第２の永久磁石１３３、１３４の中点位置より下方で、第２の永久磁石１３４と非接触状態で上方位置に保持している。

このような構成からなるフィードバック機構１４５においては、フィードバックレバー１０９の遊動を防止することができる。すなわち、第１の永久磁石１３３と第３の永久磁石１３５間の斥力と、第２の永久磁石１３４と第３の永久磁石１３５間の斥力を同じにした図１および図５に示す実施の形態においては、フィードバックレバー１０９が外部振動によって遊動すると、慣性によって遊動し続けようとするため、共振したり中点位置に戻って停止するまでに時間がかかる。これに対して、第１の永久磁石１３３と第３の永久磁石１３５間の斥力を、第２の永久磁石１３４と第３の永久磁石１３５間の斥力より大きくしておくと、両斥力の差によりフィードバックレバー１０９を中点位置より下方の定められた位置に復帰させようとする力が働くため、慣性による遊動が少なく元の位置に速く復帰して停止する。したがって、共振したりすることがない。

なお、上記した実施の形態においては、いずれも作動軸１０１と弁軸１０２とを連結する連結部材１０３に磁石保持部材１３１を取付けた例を示したが、本発明は連結部材１０３に何ら特定されるものではなく、作動軸１０１または弁軸１０２に直接回転自在に取付けることも可能であり、要は、駆動軸Ａのフィードバックレバー１０９に対応する箇所に取付ければよい。

また、図７および図８に示す実施の形態においては、第１の永久磁石１３３の磁力を第２の永久磁石１３４の磁力より大きくしたが、この逆であってもよい。

１…バルブ、２…操作器、１００…バルブポジショナ、１０１…作動軸、１０２…弁軸、１０６…フィードバック機構、１０９…フィードバックレバー、１１０…角度センサ、１１１…制御演算部、１１２…電空変換器、１１３…パイロットリレー、１３１…磁石保持部材、１３１ａ…垂直部、１３１ｂ…第１の磁石保持部、１３１ｃ…第２の磁石保持部、１３３…第１の永久磁石、１３４…第２の永久磁石、１３５…第３の永久磁石、１４０…連結プレート、１４１、１４５…フィードバック機構、１４２…閉磁路、Ａ…駆動軸。

Claims (4)

1. 駆動軸に回動自在に軸支され、前記駆動軸の移動方向において互いに対向する第１、第２の磁石保持部を有する磁石保持部材と、
   前記磁石保持部材の第１、第２の磁石保持部に互いに異極どうしを対向させて固定された第１、第２の永久磁石と、
   前記第１、第２の永久磁石間の空間にこれら磁石と非接触状態で挿入された揺動自在なフィードバックレバーと、
   前記第１、第２の永久磁石と同極どうしが互いに対向するように前記フィードバックレバーに設けられた第３の永久磁石とを備えたことを特徴とするフィードバック機構。
2. 請求項１記載のフィードバック機構において、
   前記磁石保持部材は、磁性材料によって形成され、垂直部と、この垂直部の上下端に一体に対設された第１、第２の磁石保持部とからなり、
   前記第１、第２の磁石保持部は、先端間が磁性材料からなる連結プレートによって連結され、
   前記磁石保持部材と前記連結プレートと前記第１、第２の磁石とにより閉磁路を形成することを特徴とするフィードバック機構。
3. 請求項１または２記載のフィードバック機構において、
   前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石の各々の磁力が互いに異なることを特徴とするフィードバック機構。
4. 制御演算部、電空変換器、パイロットリレー等を備え、バルブを駆動制御するバルブポジショナにおいて、
   請求項１ないし３のうちのいずれか一項記載のフィードバック機構を具備したことを特徴とするバルブポジショナ。

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