JP6592340B2 - ポジショナ - Google Patents

Description

本発明は、調節弁の弁開度を制御するポジショナに関する。

化学プラント等において流量のプロセス制御に用いられる調節弁の弁開度を制御するための機器として、ポジショナが用いられている（特許文献１参照）。ポジショナは、上位装置から指示された調節弁の弁開度の設定値と当該調節弁の弁開度の実測値との偏差を算出し、その偏差に基づいて生成した制御信号を調節弁の開閉を操作するための操作器に供給することにより、調節弁の弁開度を制御するものである。

一般に、ポジショナは、調節弁の実開度を調節弁の弁軸の変位量として検出する角度センサや磁気センサ等の変位量検出器と、上記変位量検出器からの出力信号等に基づいて信号処理を行うマイコン等から成るコントローラと、コントローラによって生成された電気信号を空気信号に変換する電空変換部と、電空変換部によって生成された空気信号を増幅して操作器に供給する流量増幅部（パイロットリレー）とが、金属から成る筐体内に収められた構造を有している（特許文献１参照）。

特開２０１２−２０７７５６号公報

上述したように、ポジショナは、コントローラや電空変換部等の電気回路を備えた電気機器である。また、化学プラント等において、可燃性ガスが充満した爆発性雰囲気の環境下で使用される場合がある。そのため、ポジショナには、本質安全防爆構造が求められる。

ポジショナが本質安全防爆構造として認められるための一つの要件として、ポジショナ内部の電気回路に蓄えられる電気エネルギーの総量を所定値以下に抑える必要がある（規格ＩＥＣ６００７９−１１）。

ここで、電気エネルギーの総量は、電気回路を構成する夫々の回路素子に蓄積される電気エネルギーの総和であり、各回路素子の電気エネルギーは、主に、回路素子の回路定数（コイルのインダクタンスやコンデンサのキャパシタンス等）とその電気回路における最大電圧との積に基づいて決まる。そのため、電気回路のエネルギーの総量を下げるためには、電気回路を構成する回路素子の回路定数および電気回路の最大電圧の何れかを下げる必要がある。

一方、ポジショナにおける電気回路の動作の安定性（ノイズ耐性等）を高めるためには、コンデンサのキャパシタンス等の回路定数を大きくしたり、コンデンサの数を増やしたりする必要があり、回路設計の自由度が高い方が望ましい。

そこで、本願発明者は、本質安全防爆構造の要件を満たしつつ、ポジショナ内部の電気回路の設計の自由度を確保するために、ポジショナの電空変換部の構成を見直すことを検討した。その検討の結果、以下に示す問題があることが明らかとなった。以下、詳細に説明する。

図１２は、従来のポジショナの電空変換部の構成を示す図である。
図１２に示すように、ポジショナの電空変換部５２は、ノズル５２３と、フラッパ５２２と、電流生成回路５２０、コイルＬ０、および鉄心５２５から成る磁気発生部５２１とから構成されている。電空変換部５２は、電流生成回路５２０がコントローラからの制御信号に応じた電流をコイルに流すことにより、コイルＬ０および鉄心５２５から発生する磁束を変化させ、永久磁石５２４を搭載したフラッパ５２２を揺動させる。これにより、ノズル５２３の噴出口５２３Ｂとフラッパ５２２との距離が変化し、ノズル５２３から排出される空気圧信号の圧力が変化する。この空気圧信号は、後段に設けられた流量増幅部（パイロットリレー）によって流量が増幅されて、調節弁を操作するための操作器に供給される。

また、図１２に示すように、電流生成回路５２０とコイルＬ０との間には、本質安全防爆構造の要件を満たすための過電圧保護用のツェナーダイオードＺＤａ，ＺＤｂが接続されている。

上述したように、電空変換部５２は、コイルＬ０に励磁電流を流すことにより、空気圧信号の圧力を変化させる。コイルＬ０に電流を流した場合、定常状態においては、コイルＬ０の両端の電圧は理想的には０Ｖとなるが、実際には、コイルＬ０の巻線の抵抗成分に基づく巻線抵抗（等価直列抵抗）による電圧降下が発生する。この電圧降下は、コイルＬ０の巻線抵抗が大きくなるほど大きくなる。

コイルＬ０の両端に発生する電圧が大きくなると、電空変換部の通常動作時に、コイルＬ０と並列に接続されているツェナーダイオードＺＤａ，ＺＤｂに印加される電圧が大きくなる。そのため、本質安全防爆構造の要件を満たすためには、より大きなツェナー電圧を有するツェナーダイオードが必要となり、コイルＬ０には、故障時に、より大きな電気エネルギーが蓄積されることになる。

上述したように、本質安全防爆構造の要件を満たすためには、電気回路の総エネルギーを所定値以下に抑える必要がある。そのため、ツェナー電圧の大きいツェナーダイオードを用いた場合、電気回路の最大電圧が増加するので、その分だけコンデンサやコイル等の回路素子の回路定数を小さくしなければならない。すなわち、コイル（ツェナーダイオード）の電圧の増加は、ツェナーダイオード以外の回路素子の回路定数の上限値を引き下げる一因となり、回路設計の自由度を低下させる一因となる。
以上のように、電空変換部のコイルの電圧の上昇は、本質安全防爆および回路設計の自由度の点で不利となるため、上記コイルの電圧を下げることが望ましい。

そこで、本願発明者は、電空変換部のコイルの電圧を下げることを検討した。
上述したように、コイルの電圧はコイルの巻線抵抗に依存するので、コイルの電圧を下げるためには、コイルの巻線抵抗を小さくする必要がある。コイルの巻線抵抗を小さくする方法としては、コイルの巻線を太くすることが考えられる。

しかしながら、この方法ではコイルのサイズが大きくなってしまう。特に、電空変換部において磁気発生部を構成するコイルは、ポジショナの内部に配置される他の部品に比べて部品サイズが大きいため、コイルの大型化はポジショナの大型化につながり、ポジショナの耐圧防爆構造や製造コストの点において不利となるという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ポジショナにおいて、本質安全防爆構造の要件を満たしつつ、ポジショナ内部の電気回路の設計の自由度を高めることにある。

本発明に係るポジショナ（１）は、制御対象の調節弁（３）の弁開度の設定値（ＳＰ）と調節弁の弁開度の実測値（ＰＶ）との偏差に応じた電流に基づいて磁気を発生する磁気発生部（１２１，２２１，３２１）を含み、磁気発生部によって発生した磁気に基づいて空気圧を調整した空気圧信号（Ｓｏ）を生成し、調節弁の操作器（２）に供給する空気回路（１１）を有し、磁気発生部は、電気的に並列に接続され、且つ磁気的に和動接続された複数のコイル（Ｌ１，Ｌ２）を含むことを特徴とする。

上記ポジショナにおいて、磁気発生部（１２１）は、複数のコイルを貫通する鉄心（１２５）を更に含み、複数のコイルは、鉄心の延在方向に互いに離間して配置されていてもよい。

上記ポジショナにおいて、磁気発生部（２２１）を構成する複数のコイルは、同心円状に配置されていてもよい。

上記ポジショナにおいて、磁気発生部は、電流が供給される主配線（ＬＰ，ＬＮ）と、複数のコイル毎に設けられ、主配線から分岐した複数の分岐配線（Ｌｐ１，Ｌｎ１，Ｌｐ２，Ｌｎ２）と、複数のコイル毎に設けられた複数のツェナーダイオード（ＺＤ１，ＺＤ２，ＺＤ３，ＺＤ４）とを更に有し、夫々の分岐配線には、対応するコイルとツェナーダイオードとが並列に接続されていてもよい。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の参照符号を括弧を付して記載している。

以上説明したことにより、本発明によれば、ポジショナにおいて、本質安全防爆構造の要件を満たしつつ、ポジショナ内部の電気回路の設計の自由度を高めることができる。

図１は、実施の形態１に係るポジショナを含むバルブ制御システムの構成を示す図である。 図２は、実施の形態１に係るポジショナにおける電空変換部の構成を模式的に示す図である。 図３は、実施の形態１に係るポジショナにおける電空変換部を構成する各機能ブロック間の関係を示す図である。 図４は、電空変換部の動作を説明するための図である。 図５は、電空変換部の動作を説明するための図である。 図６は、実施の形態１に係るポジショナの電空変換部における各コイルの電気的な接続関係を示す図である。 図７は、従来のポジショナの電空変換部におけるコイルの電気的な接続関係を示す図である。 図８は、実施の形態２に係るポジショナにおける電空変換部の構成を模式的に示す図である。 図９は、実施の形態２に係るポジショナの電空変換部における各コイルの位置関係を示す図である。 図１０は、実施の形態３に係るポジショナにおける電空変換部の構成を模式的に示す図である。 図１１は、実施の形態３に係るポジショナの電空変換部における各コイルの電気的な接続関係を示す図である。 図１２は、従来のポジショナにおける電空変換部の構成を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

≪実施の形態１≫
図１は、本発明の一実施の形態に係るポジショナを含むバルブ制御システムの構成を示す図である。
図１に示されるバルブ制御システム２００は、調節弁３、操作器２、上位装置４、およびポジショナ１を備えている。

調節弁（バルブ）３は、一方の流路から他方の流路への流体の流れを制御する装置であり、例えば空気圧式調節弁である。操作器２は、例えば空気式のバルブアクチュエータであり、後述するポジショナ１から供給される出力空気圧信号Ｓｏに応じて調節弁３の弁軸を操作することにより、調節弁３の開閉動作を制御する。なお、操作器２は、２つの出力空気圧信号の圧力差に応じて調節弁３の弁軸の操作量が決まる構造を有する複動式の操作器でもよいし、一つの出力空気圧信号に応じて調節弁３の弁軸の操作量が決まる構造を有する単動式の操作器でもよく、操作器２の種類は特に限定されない。

上位装置４は、ポジショナ１に対して調節弁３の開閉を指示する上位側の機器であり、調節弁３の弁開度の設定値ＳＰをポジショナ１に対して与える。

ポジショナ１は、操作器２を操作することにより調節弁３の開閉を制御する装置である。具体的に、ポジショナ１は、上位装置４から与えられた調節弁３の弁開度の設定値ＳＰと調節弁３の弁開度の実測値ＰＶとの偏差を算出し、その偏差に応じた出力空気圧信号Ｓｏを生成して操作器２に与えることにより、調節弁３の弁開度を制御する。

ここで、ポジショナ１の具体的な構成について説明する。
図１に示すように、ポジショナ１は、コントローラ１０、空気回路１１、および弁開度検出部１４等の機能部を備えている。これらの機能部は、例えば金属材料から成る筐体内部に収容される。なお、ポジショナ１は、調節弁３の弁開度等の各種情報をユーザに提示するための表示部（例えば液晶ディスプレイ）等を有していてもよい。

弁開度検出部１４は、調節弁３の弁開度を調節弁３の弁軸の変位量として検出し、その変位量に応じた検出信号ＳＥＮを生成する変位量検出器である。弁開度検出部１４としては、角度センサや磁気センサ等を例示することができる。

コントローラ１０は、調節弁３の弁開度の制御に関する各種データ処理を行う電子回路である。例えば、コントローラ１０は、ＣＰＵやＲＡＭおよびＲＯＭ等の各種メモリを搭載したマイクロコントローラ（ＭＣＵ）等のプログラム処理装置と、外部に対する信号の入力および出力を実現するための各種インターフェース回路と、外部から入力される各種のアナログ信号をディジタル信号に変換して上記プログラム処理装置に入力するためのＡ／Ｄ変換回路等を含む電子回路によって実現されている。

具体的に、コントローラ１０は、弁開度検出部１４から出力された検出信号ＳＥＮに基づいて調節弁３の弁開度の実測値ＰＶを算出するとともに、算出した弁開度の実測値ＰＶと上位装置４から与えられた調節弁３の弁開度の設定値ＳＰとの偏差を算出する。更に、コントローラ１０は、その偏差に基づいて、弁開度の実測値ＰＶが設定値ＳＰと等しくなるように操作器２を操作するための操作量（ＭＶ）を算出し、その操作量に応じた電気信号を制御信号ＣＮＴとして出力する。

空気回路１１は、コントローラ１０によって生成された電気信号である制御信号ＣＮＴを空気信号に変換する機能部である。具体的に、空気回路１１は、制御信号ＣＮＴに応じた電流に基づいて磁気を発生させる磁気発生部を含み、磁気発生部によって発生した磁気に基づいて空気圧を調整した出力空気圧信号Ｓｏを生成する。

より具体的には、図１に示すように、空気回路１１は、電空変換部１２と空気圧増幅部１３とから構成されている。
電空変換部１２は、ポジショナ１の外部に設けられた減圧弁等の空気圧供給源（図示せず）からポジショナ１に供給される空気（エアー）５の圧力（以下、「供給空気圧」と称する。）Ｐｓを制御信号ＣＮＴに応じて変化させることにより、制御信号ＣＮＴに応じた圧力Ｐｎの空気圧信号Ｓｃを生成する。なお、電空変換部１２の詳細については後述する。

流量増幅部１３は、電空変換部１２によって生成された空気圧信号Ｓｃを増幅することにより、操作器２を駆動するための出力空気圧信号Ｓｏを生成する機能部である。流量増幅部１３は、よく知られたパイロットリレーであり、供給空気圧Ｐｓの空気５を電空変換部１２から出力された空気圧信号Ｓｃの圧力Ｐｎに応じて調圧することにより、出力空気圧信号Ｓｏを生成する。例えば、流量増幅部１３が単動型のパイロットリレーである場合には、出力空気圧信号Ｓｏとして１つの空気信号を生成して操作器２に供給し、流量増幅部１３が複動型のパイロットリレーである場合には、出力空気圧信号Ｓｏとして２つの空気信号を生成して操作器２に供給する。

ここで、本実施の形態に係る電空変換部１２について詳細に説明する。
図２は、実施の形態１に係るポジショナにおける電空変換部の構成を模式的に示す図である。
図２に示すように、電空変換部１２は、磁気発生部を構成するコイルが分割されている点において従来のポジショナにおける電空変換部と相違する。
具体的に、電空変換部１２は、磁気発生部１２１、フラッパ１２２、およびノズル１２３を備えている。

磁気発生部１２１は、制御信号ＣＮＴに応じた電流（励磁電流）に基づく磁界を発生させる機能部である。具体的に、磁気発生部１２１は、制御信号ＣＮＴに応じた電流を生成する電流生成回路１２０と、電流生成回路１２０から供給された電流に応じて磁界を発生させるコイルＬ１，Ｌ２と、コイルＬ１，Ｌ２の中心部分をコイルＬ１，Ｌ２の軸線方向に貫いて配置された鉄心１２５と、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２とを含む。

ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２は、ポジショナ１が本質安全防爆構造の要件を満たすために必要な素子であり、コイルＬ１，Ｌ２から放出されるエネルギーを吸収し、電空変換部１２の最大電圧を規定するための保護素子である。ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２は、電流生成回路１２０からコイルＬ１，Ｌ２に励磁電流を供給する信号線に、コイルＬ１，Ｌ２と並列に接続される。

コイルＬ１，Ｌ２と並列に接続されるツェナーダイオードの個数は、本質安全防爆構造の要件に応じて決定される。本実施の形態では、図２に示すように２つのツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２を設けた場合を一例として示すが、ツェナーダイオードの個数はこれに限定されるものではない。

フラッパ１２２は、磁気発生部１２１による磁界の変化に応じて、上記ノズル１２３から出力される空気圧信号Ｓｃの圧力を変化させる機能部である。具体的に、フラッパ１２２には、永久磁石１２４が取り付けられており、永久磁石１２４と、コイルＬ１，Ｌ２および鉄心１２５とは磁気回路を構成する。この磁気回路における磁束が変化することにより、フラッパ１２２が回転する。

ノズル１２３は、例えば図示されていない固定絞りを介して供給空気圧Ｐｓの空気５が供給され、供給された空気５の噴出量がフラッパ１２２によって制御されることにより、圧力が調整された空気圧力信号Ｓｃを排出口１２３Ａから排出する機能部である。以下、空気圧信号Ｓｃの圧力Ｐｎを「ノズル背圧Ｐｎ」と称する。

ここで、電空変換部１２の動作について簡単に説明する。
図３は、電空変換部１２９を構成する各機能ブロック間の関係を示す図である。
図３に示すように、電流生成回路１２０に制御信号ＣＮＴが供給されると、電流生成回路１２０は制御信号ＣＮＴに応じた電流（励磁電流）を生成し、コイルＬ１，Ｌ２に供給する。コイルＬ１，Ｌ２および鉄心１２５は、コイルＬ１，Ｌ２に供給された電流に応じた磁界を発生する。これにより、コイルＬ１，Ｌ２および鉄心１２５と永久磁石１２４との間に磁界が変化し、フラッパ１２２に回転力が発生する。

フラッパ１２２が回転すると、フラッパ１２２とノズル１２３の噴出口１２３Ｂとの間の距離が変化し、ノズルの噴出口１２３Ｂからの空気の噴出量が変化する。例えば、図４に示すように、コイルＬ１，Ｌ２に励磁電流が流れていない場合には、ノズル１２３の噴出口１２３Ｂとフラッパ１２２との距離が離れ、図５に示すように、コイルＬ１，Ｌ２に励磁電流が流れている場合には、ノズル１２３の噴出口１２３Ｂとフラッパ１２２との距離が近くなる。このように、ノズル１２３の噴出口１２３Ｂとフラッパ１２２との距離を変化させることにより、ノズル１２３の排出口１２３Ａから出力される空気圧力信号Ｓｃのノズル背圧Ｐｎを変化させることができる。

ここで、コイルＬ１，Ｌ２について詳細に説明する。
コイルＬ１とコイルＬ２とは、コイルＬ１，Ｌ２に電流を流したとき、夫々のコイルＬ１，Ｌ２から発生する磁束の向きが同一方向となる磁気的な接続関係を有している。すなわち、コイルＬ１とコイルＬ２とは、和動接続されている。また、コイルＬ１とコイルＬ２とは、電気的に並列に接続されている。
具体的には、図２に示すように、コイルＬ１とコイルＬ２とは、共通の鉄心１２５によって貫かれ、鉄心１２５の延在方向に互いに離間して配置されている。

このように、電気的に並列に接続され、且つ磁気的に和動接続されたコイルＬ１，Ｌ２を電空変換部１２の磁気発生部１２１に適用することにより、本質安全防爆構造の要件を満たしつつ、ポジショナ内の電気回路の設計の自由度を高めることが可能となる。以下、詳細に説明する。

図６は、本実施の形態に係るポジショナ１の電空変換部１２における磁気発生部１２１のコイルＬ１，Ｌ２の電気的な接続関係を示す図である。
図７は、図１２に示した従来のポジショナの電空変換部５２における磁気発生部５２１のコイルＬ０の電気的な接続関係を示す図である。

図６に示されるように、本実施の形態に係るポジショナ１の電空変換部１２を構成するコイルＬ１およびコイルＬ２は、電流生成回路１２０から電流が供給される２つの信号線ＬＰ，ＬＮの間に並列に接続されている。

ここで、コイルＬ１，Ｌ２は、上述したように、各コイルの巻線の抵抗成分に基づく等価直列抵抗を有する。したがって、図６では、コイルＬ１，Ｌ２の夫々の等価直列抵抗を巻線抵抗Ｒ１，Ｒ２とし、コイルＬ１，Ｌ２に対して夫々直列に接続している。
また、図６に示されるように、信号線ＬＰ，ＬＮには、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２がコイルＬ１，Ｌ２と並列に接続されている。

これに対して、従来の電空変換部５２における磁気発生部５２１は、図７に示されるように、一つのコイルＬ０から構成され、コイルＬ０には巻線抵抗Ｒ０が直列接続される。また、コイルＬ０に対して並列にツェナーダイオードＺＤａ，ＺＤｂが接続されている。

ここで、図７に示す従来の磁気発生部５２１において、磁束Φ、ツェナーダイオードＺＤａ，ＺＤｂに印加される電圧、およびコイルＬ０に蓄積されるエネルギーは以下のように表される。
電流生成回路５２０からコイルＬ０に対して電流Ｉを供給したとき、コイルＬ０のインダクタンスをＬとすると、コイルＬ０から発生する磁束Φは“Φ＝ＬＩ”と表される。また、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２の両端の電圧Ｖは、コイルＬ０の等価直列抵抗である抵抗Ｒ０と電流Ｉとに基づいて、“Ｖ＝ＲＩ”と表される。また、コイルＬ０に蓄積されるエネルギーＥ０は、“Ｅ０＝ＬＩ²／２”と表される。

したがって、従来の磁気発生部５２１において、コイルＬ０と並列に接続されるツェナーダイオードＺＤａ，ＺＤｂは、“Ｖ＝ＲＩ”よりも大きいツェナー電圧を有し、且つポジショナの故障時においてコイルＬ０からエネルギーＥ０が放出されたときに、そのエネルギー量Ｅ０（＝ＬＩ²／２）を吸収できるだけの定格電力を有している必要がある。

次に、図６に示す本実施の形態に係る磁気発生部１２１において、図７の磁気発生部５２１と同じ大きさの磁束Φを発生させる場合について考える。
この場合、コイルＬ１，Ｌ２の巻数をコイルＬ０の巻数の半分とすると、コイルＬ１，Ｌ２のインダクタンスは夫々“Ｌ／２”となり、等価直線抵抗も夫々Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ／２となる。このとき、電流生成回路１２０からコイル側に電流２Ｉを供給すると、各コイルＬ１，Ｌ２に流れる電流は、夫々“Ｉ”となる。

このとき、コイルＬ１，Ｌ２から夫々発生する磁束Φ１、Φ２は、“Φ１＝Φ２＝ＬＩ／２”となる。上述したように、コイルＬ１とコイルＬ２とは和動接続されているので、磁気発生部１２１から発生する磁束Φは、コイルＬ１，Ｌ２の夫々の磁束を重ね合わせたものとなり、“Φ＝Φ１＋Φ２＝ＬＩ／２＋ＬＩ／２＝ＬＩ”と表される。
また、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２の両端の電圧Ｖは、コイルＬ１，Ｌ２の等価直列抵抗である抵抗Ｒ１，Ｒ２と夫々の抵抗Ｒ１，Ｒ２に流れる電流Ｉによって決まり、“Ｖ＝ＲＩ／２”と表される。更に、コイルＬ１，Ｌ２に蓄積される合計のエネルギーＥは、“Ｅ＝１／２×ＬＩ²／２＋１／２×ＬＩ²／２＝ＬＩ²／２”と表される。

したがって、実施の形態１に係る磁気発生部１２１に接続されるツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２は、“Ｖ＝ＲＩ／２”よりも大きいツェナー電圧を有し、且つポジショナの故障時においてコイルＬ０からエネルギーＥ０が放出されたときに、そのエネルギー量Ｅ０（＝ＬＩ²／２）を吸収できるだけの定格電力を有している必要がある。

以上のことから、従来の磁気発生部５２１と本発明に係る磁気発生部１２１とにおいて同じ磁束Φを発生させた場合、磁気発生部を構成するコイルの両端の電圧は、本発明に係る磁気発生部１２１の方が小さくなることが理解される。

以上、本発明に係るポジショナ１によれば、電空変換部の磁気発生部を構成するコイルを複数に分割したので、従来のポジショナに比べて、電空変換部の磁気発生部を構成するコイルＬ１，Ｌ２の等価直列抵抗（Ｒ１，Ｒ２）が小さくなり、コイルＬ１，Ｌ２に電流を流したときに夫々のコイルＬ１，Ｌ２の両端に発生する電圧を小さくすることができる。
これにより、従来に比べて、コイルＬ１，Ｌ２に並列に接続されるツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２に印加される電圧が小さくなるので、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２としてツェナー電圧の低い素子を用いることができ、電空変換部を構成する電気回路の最大電圧を下げることができる。これにより、本質安全防爆構造の要件を満たすための、電空変換部を構成する回路素子の回路定数の許容値を上げることができる。

すなわち、本実施の形態に係るポジショナ１によれば、本質安全防爆構造の要件を満たしつつ、ポジショナ１内の電気回路におけるコンデンサのキャパシタンスやコイルのインダクタンス等の回路定数を大きくすることが可能となり、従来のポジショナよりも電気回路の設計の自由度が高くなる。

また、本実施の形態に係るポジショナによれば、コイルを複数に分割したことにより、ポジショナ１の筐体内におけるコイルのレイアウトの自由度が増すので、ポジショナの小型化が可能となる。また、従来のようにコイルの等価直列抵抗を減らすためにコイルの巻線を太くする必要がないので、コイルの大型化によるポジショナの大型化を防ぐことができる。すなわち、本実施の形態に係るポジショナ１によれば、ポジショナの小型化が可能となるので、耐圧防爆構造の要件を満たし易くなり、また、製造コストの抑制が可能となる。

≪実施の形態２≫
図８は、実施の形態２に係るポジショナにおける電空変換部の構成を模式的に示す図である。
図８に示される電空変換部２２は、磁気発生部を構成する２つのコイルが同心円上に配置される点において、実施の形態１に係る電空変換部１２と相違し、その他の点においては実施の形態１に係る電空変換部１２と同様である。なお、図８において、実施の形態１に係る電空変換部１２と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図９は、実施の形態２に係る電空変換部２２におけるコイルＬ１とコイルＬ２の位置関係を示す図である。同図には、コイルＬ１、Ｌ２を図８におけるＸ−Ｘ断面、すなわちコイルＬ１，Ｌ２の軸線（鉄心１２５が貫く方向）と垂直方向に切ったときのコイルＬ１、Ｌ２の断面形状が模式的に示されている。
図９に示されるように、磁気発生部２２１におけるコイルＬ１とコイルＬ２とは、同心円上に配置される。具体的には、筒状のコイルＬ１の内部に、コイルＬ１の軸線方向に筒状のコイルＬ２が挿入され、コイルＬ１とコイルＬ２とが同軸となるように配置される。また、コイルＬ２の内部には、鉄心１２５がコイルＬ１，Ｌ２の軸線方向に貫通して配置されている。なお、コイルＬ１とコイルＬ２の電気的な接続関係は、実施の形態１と同様である（図６参照）。

以上のように、実施の形態１に係るポジショナと同様に、磁気発生部を構成するコイルをコイルＬ１とコイルＬ２に分割して配置することにより、本質安全防爆構造の要件を満たしつつ、ポジショナ内部の電気回路の設計の自由度を高めることができる。

また、上記のようにコイルＬ１とコイルＬ２とを同心円上に配置することにより、ポジショナ内部においてコイルＬ１，Ｌ２が占めるスペースを更に小さくすることが可能となるので、ポジショナの更なる小型化が可能となる。

≪実施の形態３≫
図１０は、実施の形態３に係るポジショナにおける電空変換部の構成を模式的に示す図である。
図１０に示される電空変換部３２は、電流生成回路からコイルに対して電流を供給するための配線を複数分岐し、分岐した配線毎にコイルとツェナーダイオードを一組ずつ接続する点において、実施の形態１に係る電空変換部１２と相違する。

図１１に、電空変換部３２におけるコイルＬ１，Ｌ２の電気的な接続関係を示す。
同図に示されるように、電流生成回路１２０とコイルＬ１，Ｌ２とは、電流生成回路２０から電流が供給される主配線ＬＰ，ＬＮと、主配線ＬＰから分岐した分岐配線Ｌｐ１，ＬＰ２と、主配線ＬＮから分岐した分岐配線Ｌｎ１，Ｌｎ２とによって接続されている。

分岐配線Ｌｐ１と分岐配線Ｌｎ１との間には、コイルＬ１とツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２とが接続される。また、分岐配線Ｌｐ２と分岐配線Ｌｎ２との間には、コイルＬ２とツェナーダイオードＺＤ３、ＺＤ４とが接続される。

ここで、図１１に示す磁気発生部３２１において、図７に示した従来の磁気発生部５２１と同じ磁束Φを発生させる場合を考える。
図１１において、実施の形態１に係る磁気発生部１２１と同様に、コイルＬ１，Ｌ２のインダクタンスを夫々“Ｌ／２”とし、電流生成回路１２０から主配線ＬＰ，ＬＮに対して“２Ｉ”の電流を供給したとき、磁気発生部３２１から発生する磁束Φは、実施の形態１に係る磁気発生部１２１と同様に、“Φ＝Φ１＋Φ２＝ＬＩ／２＋ＬＩ／２＝ＬＩ”と表される。

また、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２の両端の電圧Ｖ１およびツェナーダイオードＺＤ３，ＺＤ４の両端の電圧Ｖ２は、実施の形態１に係る磁気発生部１２１と同様に、“Ｖ１＝Ｖ２＝ＲＩ／２”と表される。更に、コイルＬ１に蓄積されるエネルギーＥ１は、“Ｅ１＝１／２×ＬＩ²／２＝ＬＩ²／４”と表され、コイルＬ２に蓄積されるエネルギーＥ２は、“Ｅ２＝１／２×ＬＩ²／２＝ＬＩ²／４”と表される。

ここで、コイルＬ１とコイルＬ２とは、上述したように、共通の配線ではなく主配線ＬＰ，ＬＮから分岐した分岐配線Ｌｐ１，Ｌｎ１と分岐配線Ｌｐ２，Ｌｎ２に夫々別々に接続されている。また、コイルＬ１，Ｌ２が接続される分岐配線毎に、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２とツェナーダイオードＺＤ３，ＺＤ４が接続されている。

したがって、分岐配線Ｌｐ１，Ｌｎ１接続されるツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２は、“Ｖ＝ＲＩ／２”よりも大きいツェナー電圧を有し、且つポジショナの故障時においてコイルＬ１からエネルギーＥ１が放出されたときに、そのエネルギー量Ｅ１（＝ＬＩ²／４＝Ｅ０／２）を吸収できるだけの定格電力を有していればよい。同様に、分岐配線Ｌｐ２，Ｌｎ２に接続されるツェナーダイオードＺＤ３，ＺＤ４は、“Ｖ＝ＲＩ／２”よりも大きいツェナー電圧を有し、且つポジショナの故障時においてコイルＬ２からエネルギーＥ２が放出されたときに、そのエネルギー量Ｅ２（＝ＬＩ²／４＝Ｅ０／２）を吸収できるだけの定格電力を有していればよい。すなわち、一つのツェナーダイオードが吸収すべきコイルのエネルギーは、従来の磁気発生部５２１におけるツェナーダイオードが吸収すべきコイルのエネルギーの半分となる。

以上のように、コイルに励磁電流を供給する配線を複数に分岐させ、夫々の分岐配線に、コイルとツェナーダイオードを一組ずつ接続することにより、従来のポジショナに比べて、ツェナーダイオードが吸収すべきコイルのエネルギーの半分となるので、夫々のツェナーダイオードに要求される定格電力を下げることができる。具体的には、磁気発生部３２１におけるツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２，ＺＤ３，ＺＤ４として、従来の磁気発生部５２１におけるツェナーダイオードＺＤａ，ＺＤｂよりも定格電力の小さい素子を用いることができる。これにより、ツェナーダイオードの選択の幅が広がり、ポジショナの製造コストの低減に資する。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、実施の形態１，２，３において、磁気発生部を構成するコイルをコイルＬ１とコイルＬ２の２つに分割する場合を例示したが、コイルの分割数はこれに限定されるものではない。例えば、上記コイルを３つ以上に分割してもよい。

また、実施の形態１において、コイルＬ１とコイルＬ２とが並んで配置される場合を例示したが、コイルＬ１，Ｌ２が和動接続となるように配置されていればよく、上記の例に限定されるものではない。

また、実施の形態３において、コイルＬ１とコイルＬ２とが共通の鉄心１２５によって貫かれ、鉄心１２５の延在方向に互いに離間して配置される場合を例示したが、実施の形態２に示したように、コイルＬ１とコイルＬ２とが同心円上に配置されていてもよい。

２００…バルブ制御システム、１…ポジショナ、２…操作器、３…調節弁、４…上位装置、５…空気（エアー）、１０…コントローラ、１１…空気回路、１２，２２，３２…電空変換部、１３…流量増幅部、１４…弁開度検出部、１２０…電流生成回路、１２１，２２１，３２１…磁気発生部、１２２…フラッパ、１２３…ノズル、１２４…永久磁石、１２５…鉄心、Ｌ１，Ｌ２…コイル、ＺＤ１，ＺＤ２，ＺＤ３，ＺＤ４…ツェナーダイオードＳＰ…弁開度の設定値、ＰＶ…弁開度の実測値、ＣＮＴ…制御信号、Ｓｃ…空気圧信号、Ｓｏ…出力空気圧信号、Ｐｓ…供給空気圧、Ｐｎ…ノズル背圧、ＳＥＮ…検出信号、ＬＰ，ＬＮ…主配線、Ｌｐ１，Ｌｐ２，Ｌｎ１，Ｌｎ２…分岐配線。

Claims (2)

1. 制御対象の調節弁の弁開度の設定値と前記調節弁の弁開度の実測値との偏差に応じた電流に基づいて磁気を発生する磁気発生部を含み、前記磁気発生部によって発生した磁気に基づいて空気圧を調整した空気圧信号を生成し、前記調節弁の操作器に供給する空気回路を有し、
   前記磁気発生部は、電気的に並列に接続され、且つ磁気的に和動接続された複数のコイルを含み、
   前記複数のコイルは、同心円状に配置されている
   ことを特徴とするポジショナ。
2. 請求項１に記載のポジショナにおいて、
   前記磁気発生部は、
   前記電流が供給される主配線と、
   前記複数のコイル毎に設けられ、前記主配線から分岐した複数の分岐配線と、
   前記複数のコイル毎に設けられた複数のツェナーダイオードと、を更に有し、
   夫々の前記分岐配線には、対応する前記コイルと前記ツェナーダイオードとが並列に接続されている
   ことを特徴とするポジショナ。

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