JP5616836B2 - ポジショナ - Google Patents

Description

この発明は、上位側システムより一対の電線を介して直流の電流信号を受け、この直流の電流信号から自己の動作電源を生成する一方、その直流の電流信号の値に応じて調節弁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、この種のポジショナは、上位側システムより一対の電線を介して送られてくる４〜２０ｍＡの電流（直流の電流信号）で動作するように設計されている。例えば、上位側システムより４ｍＡの電流が送られてきた場合には調節弁の開度を０％とし、２０ｍＡの電流が送られてきた場合には調節弁の開度を１００％とする。

この場合、上位側システムからの供給電流は４ｍＡ（下限電流値）から２０ｍＡ（上限電流値）の範囲で変化するので、ポジショナの内部回路は上位側システムから供給される電流値として常に確保することの可能な４ｍＡ以下の電流より自己の動作電源を生成する。

ポジショナには上位側システムから調節弁に対する設定開度値が入力される。また、開度センサを介して調節弁の実開度値も得られる。したがって、ポジショナでは、調節弁の設定開度値と実開度値との関係を演算することによって、調節弁の異常診断や自己の異常診断などが可能である。このような異常診断機能をポジショナに設ければ、別途異常診断装置を設けなくてもよく、低コストでシステムの機能アップを図ることが可能となる（例えば、特許文献１参照）。

このような理由から、近年、ポジショナには、調節弁の弁開度制御という本来の機能に加えて、弁開度発信機能や調節弁の異常診断や自己の異常診断などの結果を上位側システムへ送信する機能を有するポジショナが提案されている。このような機能を有するポジショナの一例として、特許文献２に示されたポジショナでは、上位側システムとの間の２線の伝送路（一対の電線）を介して、上位側システムとの間の双方向の通信も同時に行うことが可能とされている。

この特許文献２に示されたポジショナでは、インピーダンスが低いことから、インピーダンス制御回路を組み込み、通信周波数帯にのみインピーダンスを大きくするようにしている。すなわち、上位側システムとポジショナ間で通信を行っておらず、上位側システムから直流の電流信号のみがポジショナに送られているときには（非通信時）、ポジショナの入力インピーダンスは低いことが望ましく、上位側システムとポジショナが通信を行っているときには（通信時）、その通信周波数帯にわたって入力インピーダンスが高いことが望ましい。この場合、通信信号（交流の電流信号）を受信する際に一定のインピーダンスを確保することを目的とするが、通信信号（交流の電流信号）の送信時にも、消費電力の増大を防ぐために、受信時と同様にインピーダンスを大きくする。

このために、特許文献２に示されたポジショナでは、ＦＥＴを可変インピーダンス素子として用い、この可変インピーダンス素子のインピーダンスをインピーダンス制御回路によって、非通信時には低く、通信時にはその通信周波数帯にわたって高くする。図１０にこのポジショナの入力部の概略を示す。

図１０において、１は可変インピーダンス素子、２はインピーダンス制御回路、３は第１の電源回路、４は第２の電源回路、Ｔ１，Ｔ２は上位側システムとの間の２線の伝送路に接続される入力端子である。インピーダンス制御回路２は、差動増幅器２−１や切替スイッチ２−２，２−３を主要な構成要素として備え、これら構成要素に抵抗やコンデンサなどの回路素子を接続することによって構成されている。第２の電源回路４は、入力端子Ｔ１，Ｔ２間に可変インピーダンス素子１と直列に接続され、内部回路用の電源電圧Ｖ２を生成する。以下、第２の電源回路４を回路電源と呼ぶ。第１の電源回路３は、入力端子Ｔ１，Ｔ２間に接続され、電源回路４を含むより大きな電源電圧Ｖ１を生成する。第１の電源回路３が生成する電源電圧Ｖ１はインピーダンス制御回路２を動作させるために用いられる。

インピーダンス制御回路２において、切替スイッチ２−２，２−３は、非通信時にはａ接点側に切り替えられ、通信時にはｂ接点側に切り替えられる。切替スイッチ２−２，２−３がａ接点側に切り替えられている場合には、差動増幅器２−１からの出力によって可変インピーダンス素子１のインピーダンスが小さくなり、切替スイッチ２−２，２−３がｂ接点側に切り替えられている場合には、差動増幅器２−１からの出力によって可変インピーダンス素子１のインピーダンスが通信周波数帯にわたって大きくなる。

特開２００４−１５１９４１号公報 特開平６−２４４８２５号公報（特許第３４２１４０１号） 特開平１１−３０４０３３号公報（特許第３５９６２９３号）

最近、こような通信機能を有するポジショナに対して、２線の伝送路間に直列に２つのポジショナを接続（２連結）したり、他の負荷と連結するというよう使用方法が望まれている。しかしながら、上述したインピーダンス制御回路２を用いたポジショナでは、インピーダンス制御回路２を動作させるための電源電圧Ｖ１を得るために、端子間電圧を大きくとる必要があり、２線の伝送路間に２連結したり、他の負荷と連結するという使用方法を実現することが難しかった。

例えば、２線の伝送路からの供給電圧を１５Ｖとした場合、ポジショナを２連結すると、そのポジショナの端子間電圧は７．５Ｖとなる。この場合、インピーダンス制御回路２を動作させるための電源電圧Ｖ１として７．５Ｖ以上の電圧を必要とする。このため、ポジショナの動作可能な端子間電圧（最小動作端子間電圧）を７．５Ｖ以下とすることができず、ポジショナを２線の伝送路間に２連結することができない。

なお、特許文献３には、能動負荷として、直流の電流信号に対するインピーダンスが低く、交流の電流信号に対するインピーダンスが高い特性を有する可変インピーダンス回路を設ける例が示されている。このような可変インピーダンス回路を設けると、インピーダンス制御回路を不要として、ポジショナの最小動作端子間電圧を小さくすることが可能となる。しかし、この可変インピーダンス回路では、交流の電流信号を受信する受信モード時と交流の電流信号を送信する送信モード時とで、可変インピーダンス回路における交流の電流信号に対するインピーダンスの大きさが同じであり、送信モード時の消費電力の増大をそれ以上防ぐことはできない。

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、最小動作端子間電圧を小さくして、２線の伝送路間への２連結や他の負荷との連結を実現することが可能で、かつ送信モード時の消費電力の増大をさらに防ぐことが可能なポジショナ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、上位側システムより一対の電線を介して直流の電流信号を受け、この直流の電流信号から自己の動作電源を生成する一方、その直流の電流信号の値に応じて調節弁の開度を制御するとともに、上流側システムとの間で直流の電流信号に交流の電流信号を重畳させて通信を行うポジショナにおいて、直流の電流信号に対するインピーダンスが低く、交流の電流信号に対するインピーダンスが直流の電流信号に対するインピーダンスよりも高い特性を有する可変インピーダンス回路と、交流の電流信号を受信する受信モード時と交流の電流信号を送信する送信モード時とで可変インピーダンス回路における交流の電流信号に対するインピーダンスの大きさを切り替える特性切替手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、直流の電流信号に対するインピーダンスが低く、交流の電流信号に対するインピーダンスが高い特性を有する可変インピーダンス回路によって、インピーダンス制御回路を不要とし、ポジショナの最小動作端子間電圧を小さくして、２線の伝送路間への２連結や他の負荷との連結を実現することが可能となる。
また、交流の電流信号を受信する受信モード時と交流の電流信号を送信する送信モード時とで可変インピーダンス回路における交流の電流信号に対するインピーダンスの大きさを切り替える特性切替手段によって、送信モード時の可変インピーダンス回路における交流の電流信号に対するインピーダンスを受信モード時のインピーダンスよりも大きくするようにして、送信モード時の消費電力の増大をさらに防ぐことが可能となる。

本発明に係るポジショナの一実施の形態における入力部の概略を示す図である。 このポジショナにおける可変インピーダンス回路の具体的１を示す図である。 このポジショナにおける可変インピーダンス回路の具体的２を示す図である。 このポジショナにおける可変インピーダンス回路の具体的３を示す図である。 具体的３における可変インピーダンス回路の回路例を示す図である。 具体的３における可変インピーダンス回路の別の回路例を示す図である。 可変インピーダンス回路に対して並列にバイパス回路を設けた例を示す図である。 具体例１においてバイパス回路を設けた例を示す図である。 具体例３においてバイパス回路を設けた例を示す図である。 インピーダンス制御回路を用いた従来のポジショナの入力部の概略を示す図である。

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はこの発明に係るポジショナの一実施の形態における入力部の概略を示す図である。同図において、図１０と同一符号は図１０を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。また、以下の説明では、本発明の権利範囲に含まれないものも実施の形態として記載されているが、ここでは全て実施の形態として説明する。

このポジショナでは、入力端子Ｔ１，Ｔ２間に、回路電源４と直列に可変インピーダンス回路（能動負荷）５を設けている。可変インピーダンス回路５は、直流の電流信号に対するインピーダンスが低く、交流の電流信号に対するインピーダンスが直流の電流信号に対するインピーダンスよりも高い特性を有している。

また、可変インピーダンス回路５は、ＣＰＵ６からの特性切替指令を受けて、交流の電流信号を受信する受信モード時と交流の電流信号を送信する送信モード時とで、交流の電流信号に対するインピーダンスの大きさを切り替える機能を有している。この機能によって、可変インピーダンス回路５における交流の電流信号に対するインピーダンスは、受信モード時には送信モード時よりも小さくされ、送信モード時には受信モード時よりも大きくされる。

なお、７はＣＰＵ６を含む本体回路であり、回路電源４からの電源電圧Ｖ２を受けて動作する。本体回路７は、上位側システムからの直流の電流信号に重畳されている交流の電流信号（通信信号）をコンデンサＣ１を介して受信する機能と、上位側システムへの交流の電流信号（通信信号）をコンデンサＣ２を介し可変インピーダンス回路５を通して送信する機能（可変インピーダンス回路５を流れる直流の電流信号に上位側システムへの交流の電流信号を重畳する機能）とを有している。

このポジショナにおいて、可変インピーダンス回路５は、直流の電流信号に対するインピーダンスが低く、交流の電流信号に対するインピーダンスが直流の電流信号に対するインピーダンスよりも高い特性を有しているので、図１０に示したようなインピーダンス制御回路２が不要であり、また自作の電源生成も必要としない。このため、可変インピーダンス回路５での電圧降下Ｖｚが小さく、ポジショナの最小動作端子間電圧を小さくして、２線の伝送路間への２連結や他の負荷との連結を実現することが可能となる。また、供給電源側の容量を小さくすることもできる。

また、このポジショナにおいて、可変インピーダンス回路５における交流の電流信号に対するインピーダンスは、ＣＰＵ６からの特性切替指令によって、送信モード時には受信モード時よりも大きくされるので、送信モード時の消費電力の増大がさらに防がれるものとなる。なお、この例において、可変インピーダンス回路５における交流の電流信号に対するインピーダンスは、受信モード時には２３０〜６００Ω程度とされ、送信モード時には数ｋΩ〜十数ｋΩ程度とされる。

〔可変インピーダンス回路の具体例１〕
図２に可変インピーダンス回路５の具体的１を示す。この具体例１では、可変インピーダンス回路５を受信用の可変インピーダンス回路５−１と送信用の可変インピーダンス回路５−２とで構成し、この受信用の可変インピーダンス回路５−１と送信用の可変インピーダンス回路５−２とを並列に接続している。また、受信用の可変インピーダンス回路５−１に第１の切替スイッチ５−３を直列に接続し、送信用の可変インピーダンス回路５−２に第２の切替スイッチ５−４を直列に接続している。

また、この具体的１において、送信用の可変インピーダンス回路５−２の交流の電流信号に対するインピーダンスは、受信用の可変インピーダンス回路５−１の交流の電流信号に対するインピーダンスよりも大きくされている。また、ＣＰＵ６は、受信モード時には、第１の切替スイッチ５−３をオンとし、第２の切替スイッチ５−４をオフとし、送信モード時には、第１の切替スイッチ５−３をオフとし、第２の切替スイッチ５−４をオンとする。これにより、受信モード時には、受信用の可変インピーダンス回路５−１のみが使用され、送信モード時には、送信用の可変インピーダンス回路５−２のみが使用される。

〔可変インピーダンス回路の具体例２〕
図３に可変インピーダンス回路５の具体的２を示す。この具体例２では、可変インピーダンス回路５を受信用の可変インピーダンス回路５−１と送信用の可変インピーダンス回路５−２とで構成し、この受信用の可変インピーダンス回路５−１と送信用の可変インピーダンス回路５−２とを直列に接続している。また、受信用の可変インピーダンス回路５−１に第１の切替スイッチ５−３を並列に接続し、送信用の可変インピーダンス回路５−２に第２の切替スイッチ５−４を並列に接続している。

また、この具体的２において、送信用の可変インピーダンス回路５−２の交流の電流信号に対するインピーダンスは、受信用の可変インピーダンス回路５−１の交流の電流信号に対するインピーダンスよりも大きくされている。また、ＣＰＵ６は、受信モード時には、第１の切替スイッチ５−３をオフとし、第２の切替スイッチ５−４をオンとし、送信モード時には、第１の切替スイッチ５−３をオンとし、第２の切替スイッチ５−４をオフとする。これにより、受信モード時には、受信用の可変インピーダンス回路５−１のみが使用され、送信モード時には、送信用の可変インピーダンス回路５−２のみが使用される。この場合、未使用側は短絡される。

〔可変インピーダンス回路の具体例３〕
図４に可変インピーダンス回路５の具体的３を示す。この具体例３では、可変インピーダンス回路５を送受信共用の可変インピーダンス回路５Ａとしている。図５に送受信共用の可変インピーダンス回路５Ａの回路例を示す。

この送受信共用の可変インピーダンス回路５Ａにおいて、トランジスタＱ１は、コレクタがラインＬ１と接続され、エミッタが抵抗Ｒ１を介してラインＬ２に接続されている。トランジスタＱ２は、コレクタがラインＬ１と接続されると共に抵抗Ｒ３を介してベースと接続され、エミッタがトランジスタＱ１のベースに接続されると共に抵抗Ｒ２を介してラインＬ２に接続されている。トランジスタＱ２のベースは、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３，抵抗Ｒ５の並列回路を介してラインＬ２に接続されている。この回路構成において、抵抗Ｒ５とラインＬ２との間には第１の切替スイッチＳＷ１が設けられ、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点とコンデンサＣ２との間には第２の切替スイッチＳＷ２が設けられている。なお、ラインＬ１は入力端子Ｔ１への接続ライン、ラインＬ２は回路電源４への接続ラインである。

この具体例３において、ＣＰＵ６は、受信モード時には、第１の切替スイッチＳＷ１をオンとし、第２の切替スイッチＳＷ２をオフとし、送信モード時には、第１の切替スイッチＳＷ１をオフとし、第２の切替スイッチＳＷ２をオンとする。これにより、送信モード時には、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ５との直列回路の抵抗Ｒ４に対する並列接続が無効とされ、送受信共用の可変インピーダンス回路５Ａの交流の電流信号に対するインピーダンスが受信モード時のインピーダンスよりも大きくなる。

なお、この具体例３において、送受信共用の可変インピーダンス回路５は、図６に示すような送受信共用の可変インピーダンス回路５Ｂとしてもよい。この送受信共用の可変インピーダンス回路５Ｂでは、トランジスタＱ２および抵抗Ｒ２を省略し、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点にトランジスタＱ１のベースをダイレクトに接続している。このような送受信共用の可変インピーダンス回路５Ｂとすることにより、その回路での電圧降下Ｖｚを小さくして、ポジショナの最小動作端子間電圧をさらに低下させることができる。

〔可変インピーダンス回路へのバイパス回路の付設〕
図１に示した可変インピーダンス回路５に対して並列にバイパス回路を設けた例を図７に示す。この例では、可変インピーダンス回路５に対して並列にバイパス回路（短絡回路）８を設け、このバイパス回路８中にバイパス用の切替スイッチ９を設けている。このバイパス用の切替スイッチ９はＣＰＵ６によってそのオン／オフが制御される。

この例において、バイパス用の切替スイッチ９をオンとすると、可変インピーダンス回路５へのバイパス回路８の並列接続が有効とされ、可変インピーダンス回路５に電流が流れなくなる。これにより、通信機能を使用しない場合には、バイパス用の切替スイッチ９をオンとすることで、さらに端子間電圧を低下させることが可能となる。また、通信機能を犠牲にして、さらに端子間電圧を低下させることも可能となる。

なお、ポジショナ動作の中で、通信時はバイパス用の切替スイッチ９をオフとし、可変インピーダンス回路５を活かして通信動作させ、非通信時はバイパス用の切替スイッチ９をオンとし、可変インピーダンス回路５を短絡させて通信動作をさせないようにしてもよい。これにより、ＤＣ動作時の端子間電圧をより低下させた動作が可能となる。また、可変インピーダンス回路５に電流を流さないことで、省エネルギーを図ることも可能となる。

図８に可変インピーダンス回路の具体例１（図２）においてバイパス回路８およびバイパス用の切替スイッチ９を設けた例を示す。図９に可変インピーダンス回路の具体例３（図４）においてバイパス回路８およびバイパス用の切替スイッチ９を設けた例を示す。

なお、可変インピーダンス回路の具体例２（図３）では、第１の切替スイッチ５−３と第２の切替スイッチ５−４を共にオンとすることによって、受信用の可変インピーダンス回路５−１および送信用の可変インピーダンス回路５−２を短絡させて、その両機能を無効とすることができる。この場合、切替スイッチ５−３，５−４がバイパス用の切替スイッチを兼ね、切替スイッチ５−３，５−４が設けられた接続路がバイパス回路を兼ねる。

また、この可変インピーダンス回路の具体例２では、第１の切替スイッチ５−３と第２の切替スイッチ５−４のオン／オフの組み合わせで、(１)送受信使用、（２）送信のみ使用、(３)受信のみ使用、(４)送受信不使用の４つの使用形態でポジショナを使い分けることができる。

本発明のポジショナは、調節弁の開度を制御する機器として、プロセス制御など様々な分野で利用することが可能である。

１…可変インピーダンス素子、２…インピーダンス制御回路、３…第１の電源回路、４…第２の電源回路（回路電源）、５…可変インピーダンス回路、５−１…受信用の可変インピーダンス回路、５−２…送信用の可変インピーダンス回路、５−３…第１の切替スイッチ、５−４…第２の切替スイッチ、５Ａ，５Ｂ…送受信共用の可変インピーダンス回路、６…ＣＰＵ、７…本体回路、８…バイパス回路、９…バイパス用の切替スイッチ、Ｔ１，Ｔ２…入力端子、Ｑ１，Ｑ２…トランジスタ、Ｒ１〜Ｒ５…抵抗、Ｃ１〜Ｃ３…コンデンサ、ＳＷ１…第１の切替スイッチ、ＳＷ２…第２の切替スイッチ。

Claims (5)

1. 上位側システムより一対の電線を介して直流の電流信号を受け、この直流の電流信号から自己の動作電源を生成する一方、その直流の電流信号の値に応じて調節弁の開度を制御するとともに、前記上流側システムとの間で前記直流の電流信号に交流の電流信号を重畳させて通信を行うポジショナにおいて、
   前記直流の電流信号に対するインピーダンスが低く、前記交流の電流信号に対するインピーダンスが前記直流の電流信号に対するインピーダンスよりも高い特性を有する可変インピーダンス回路と、
   前記交流の電流信号を受信する受信モード時と前記交流の電流信号を送信する送信モード時とで前記可変インピーダンス回路における前記交流の電流信号に対するインピーダンスの大きさを切り替える特性切替手段とを備え、
   前記可変インピーダンス回路は、
   並列に接続された受信用の可変インピーダンス回路と送信用の可変インピーダンス回路とされ、
   前記特性切替手段は、
   前記受信用の可変インピーダンス回路に対して直列に接続された第１の切替スイッチと、前記送信用の可変インピーダンス回路に対して直列に接続された第２の切替スイッチとを備え、前記受信モード時には前記第１の切替スイッチをオン，前記第２の切替スイッチをオフとし、前記送信モード時には前記第１の切替スイッチをオフ，前記第２の切替スイッチをオンとする
   ことを特徴とするポジショナ。
2. 上位側システムより一対の電線を介して直流の電流信号を受け、この直流の電流信号から自己の動作電源を生成する一方、その直流の電流信号の値に応じて調節弁の開度を制御するとともに、前記上流側システムとの間で前記直流の電流信号に交流の電流信号を重畳させて通信を行うポジショナにおいて、
   前記直流の電流信号に対するインピーダンスが低く、前記交流の電流信号に対するインピーダンスが前記直流の電流信号に対するインピーダンスよりも高い特性を有する可変インピーダンス回路と、
   前記交流の電流信号を受信する受信モード時と前記交流の電流信号を送信する送信モード時とで前記可変インピーダンス回路における前記交流の電流信号に対するインピーダンスの大きさを切り替える特性切替手段とを備え、
   前記可変インピーダンス回路は、
   直列に接続された受信用の可変インピーダンス回路と送信用の可変インピーダンス回路とされ、
   前記特性切替手段は、
   前記受信用の可変インピーダンス回路に対して並列に接続された第１の切替スイッチと、前記送信用の可変インピーダンス回路に対して並列に接続された第２の切替スイッチとを備え、前記受信モード時には前記第１の切替スイッチをオフ，前記第２の切替スイッチをオンとし、前記送信モード時には前記第１の切替スイッチをオン，前記第２の切替スイッチをオフとする
   ことを特徴とするポジショナ。
3. 上位側システムより一対の電線を介して直流の電流信号を受け、この直流の電流信号から自己の動作電源を生成する一方、その直流の電流信号の値に応じて調節弁の開度を制御するとともに、前記上流側システムとの間で前記直流の電流信号に交流の電流信号を重畳させて通信を行うポジショナにおいて、
   前記直流の電流信号に対するインピーダンスが低く、前記交流の電流信号に対するインピーダンスが前記直流の電流信号に対するインピーダンスよりも高い特性を有する可変インピーダンス回路と、
   前記交流の電流信号を受信する受信モード時と前記交流の電流信号を送信する送信モード時とで前記可変インピーダンス回路における前記交流の電流信号に対するインピーダンスの大きさを切り替える特性切替手段と、
   前記可変インピーダンス回路に対して並列に接続されたバイパス回路と、
   前記バイパス回路の可変インピーダンス回路への並列接続を有効／無効とするバイパス用の切替スイッチと
   を備えることを特徴とするポジショナ。
4. 請求項２に記載されたポジショナにおいて、
   前記特性切替手段は、
   前記交流の電流信号の送受信を行わない送受信不使用時は、前記第１の切替スイッチおよび前記第２の切替スイッチを共にオンとする
   ことを特徴とするポジショナ。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載されたポジショナにおいて、
   前記切替スイッチのオン／オフの状態の切り替えは当該ポジショナの制御部によって行われる
   ことを特徴とするポジショナ。

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