| 【発明の名称】 |
バルブポジショナ及び電空変換器 |
| 【発明者】 |
【氏名】齋藤 洋二
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| 【要約】 |
【課題】空変換モジュールに対する電流配分を大きくしつつ部品点数が少なく回路構成の簡単なバルブポジショナ及び電空変換器を提供することを目的とする。
【解決手段】入力端子を介して設定値情報を含む電流信号を入力し、この設定値と一致するように空気圧信号の制御演算を行うデジタル演算回路と、このデジタル演算回路の制御出力を空気圧信号に変換する電空変換モジュールとを有するバルブポジショナにおいて、前記電流信号から内部電源電圧を生成する電源電圧発生手段と、前記電源電圧発生手段と直列接続された可変インピーダンス回路と、前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを制御する可変インピーダンス制御回路と、前記可変インピーダンス回路と並列接続された前記電空変換モジュールとを備えた。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】入力端子を介して設定値情報を含む電流信号を入力し、この設定値と一致するように弁開度を制御する制御演算を行うデジタル演算回路と、このデジタル演算回路の制御出力を空気圧信号に変換する電空変換モジュールとを有するバルブポジショナにおいて、前記電流信号から内部電源電圧を生成する電源電圧発生手段と、前記電源電圧発生手段と直列接続された可変インピーダンス回路と、前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを制御する可変インピーダンス制御回路と、前記可変インピーダンス回路と並列接続された前記電空変換モジュールと、を備えることを特徴とするバルブポジショナ。
【請求項２】前記インピーダンス制御回路は、前記入力端子から入力される電流信号の電流値から前記電空変換モジュールを駆動するために必要な大きさの電流を減算した大きさの電流が流れるように前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを制御し、前記入力端子間の電圧を一定に保持するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のバルブポジショナ。
【請求項３】前記インピーダンス制御回路は、起動時の入力端子間電圧の増加を抑止するタイミング回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載のバルブポジショナ。
【請求項４】入力端子を介して設定値情報を含む電流信号を入力し、この設定値と一致するように弁開度を制御する制御演算を行うデジタル演算回路と、このデジタル演算回路の制御出力を空気圧信号に変換する電空変換モジュールとを有すると共に、前記電流信号の送られる伝送路を用いてデジタル通信を行うデジタル通信回路を有するバルブポジショナにおいて、前記電流信号から内部電源電圧を生成する電源電圧発生手段と、前記電源電圧発生手段と直列接続された直流領域でのインピーダンスが低く、デジタル通信の周波数帯域でのインピーダンスが高い可変インピーダンス回路と、前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを制御する可変インピーダンス制御回路と、前記可変インピーダンス回路と並列接続された前記電空変換モジュールと、を備えることを特徴とするバルブポジショナ。
【請求項５】前記インピーダンス制御回路は、前記入力端子から入力される電流信号の電流値から前記電空変換モジュールを駆動するために必要な大きさの電流を減算した大きさの電流が流れるように前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを制御し、前記入力端子間の電圧を一定に保持するように構成されたことを特徴とする請求項４に記載のバルブポジショナ。
【請求項６】前記インピーダンス制御回路は、起動時の入力端子間電圧の増加を抑止するタイミング回路を備えたことを特徴とする請求項４に記載のバルブポジショナ。
【請求項７】入力端子を介して設定値情報を含む電流信号を入力し、この設定値と一致するように空気圧信号の制御演算を行うデジタル演算回路と、このデジタル演算回路の制御出力を空気圧信号に変換する電空変換モジュールとを有する電空変換器において、前記電流信号から内部電源電圧を生成する電源電圧発生手段と、前記電源電圧発生手段と直列接続された可変インピーダンス回路と、前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを制御する可変インピーダンス制御回路と、前記可変インピーダンス回路と並列接続された前記電空変換モジュールと、を備えることを特徴とする電空変換器。
【請求項８】前記インピーダンス制御回路は、前記入力端子から入力される電流信号の電流値から前記電空変換モジュールを駆動するために必要な大きさの電流を減算した大きさの電流が流れるように前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを制御し、前記入力端子間の電圧を一定に保持するように構成されたことを特徴とする請求項７に記載の電空変換器。
【請求項９】前記インピーダンス制御回路は、起動時の入力端子間電圧の増加を抑止するタイミング回路を備えたことを特徴とする請求項７に記載の電空変換器。
【請求項１０】入力端子を介して設定値情報を含む電流信号を入力し、この設定値と一致するように空気圧信号の制御演算を行うデジタル演算回路と、このデジタル演算回路の制御出力を空気圧信号に変換する電空変換モジュールとを有すると共に、前記電流信号の送られる伝送路を用いてデジタル通信を行うデジタル通信回路を有する電空変換器において、前記電流信号から内部電源電圧を生成する電源電圧発生手段と、前記電源電圧発生手段と直列接続された直流領域でのインピーダンスが低く、デジタル通信の周波数帯域でのインピーダンスが高い可変インピーダンス回路と、前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを制御する可変インピーダンス制御回路と、前記可変インピーダンス回路と並列接続された前記電空変換モジュールと、を備えることを特徴とする電空変換器。
【請求項１１】前記インピーダンス制御回路は、前記入力端子から入力される電流信号の電流値から前記電空変換モジュールを駆動するために必要な大きさの電流を減算した大きさの電流が流れるように前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを制御し、前記入力端子間の電圧を一定に保持するように構成されたことを特徴とする請求項１０に記載の電空変換器。
【請求項１２】前記インピーダンス制御回路は、起動時の入力端子間電圧の増加を抑止するタイミング回路を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の電空変換器。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、デジタル通信を行う機能を有するマイクロプロセッサを搭載したバルブポジショナに関わり、特に限られた電流でありながら電空変換モジュールに割り当てる電流を増加できる改良に関する。また、本発明は電気信号を空気信号に変換する電空変換器にも適用される。
【０００２】
【従来の技術】バルブポジショナは、バルブの弁開度を直接制御するもので、フィードバック信号はバルブ開度信号やステムの位置信号となっている。電空変換器は、例えば４−２０ｍＡ等の電気信号を０．２−１．０［kgf/cm2］等の空気圧信号に変換するものである。バルブポジショナは、例えば本出願人の提案に掛かる特開平９−１４４７０３号に開示されている。
【０００３】図９は、従来のバルブポジショナの全体構成図である。同図において、入力端子Ｔ１、Ｔ２には、バルブポジショナ１００に対する、例えば４−２０ｍＡ等電流信号を用いた操作信号が入力される。
【０００４】直列接続された可変インピーダンス回路（Variable Impedance）３とシャントレギュレータ（Shunt Regulator）４は入力端子Ｔ１、Ｔ２に接続されており、シャントレギュレータ４のプラス側にはバルブポジショナの内部回路を駆動する内部電源電圧Ｖ２が発生する。シャントレギュレータ４はツェナーダイオードや集積回路及びその周辺素子によって実現するもの等が用いられる。
【０００５】また、インピーダンス制御回路（Impedance Control Circuit）１は、入力端子Ｔ１、Ｔ２に接続され、可変インピーダンス回路３のインピーダンスを調整して、入力端子Ｔ１、Ｔ２の端子間電圧を通常１２Ｖ以下のほぼ一定の電圧に制御する。この動作によって、操作信号の直流領域では、入力端子Ｔ１、Ｔ２の端子間は低インピーダンス状態に保持される。尚、一般的に、可変インピーダンス回路３に用いる可変インピーダンス素子は、npnやpnpトランジスタ、またはＦＥＴ（電解効果トランジスタ）が用いられる。
【０００６】シャントレギュレータ４に並列接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ（DC-DC Converter）５は、シャントレギュレータ４から供給される内部電源電圧Ｖ２を降圧して電流容量を増加させるために用いるもので、消費電流の大きい電空変換モジュール１４やマイクロコントローラ９に動作用電圧Ｖ３を供給する。図９のようなバルブポジショナは、入力信号の電流の制限により、少なくとも４ｍＡ以下、一般的に３．６ｍＡ以下で動作する必要があるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を用いて電流容量を稼いでいる。尚、一般的に、このような用途に用いるＤＣ−ＤＣコンバータは、チャージポンプ方式やスイッチングレギュレータ方式の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータが用いられる。
【０００７】電流検出素子（Current Sens）２及び電流検出回路（Current Detector）７は、入力端子Ｔ１、Ｔ２に入力された電流信号を検知するもので、この検知した信号はＡ／Ｄ変換器（ADC）８に送られる。尚、一般的に、電流検出素子２は抵抗であり、電流検出回路７は演算増幅器を用いた増幅器である。
【０００８】送受信回路（Transmit and Receive Circuits）６は、相手機器（図示せず。）から送られたリクエスト信号を受信すると共に相手機器に対するレスポンス信号をデジタル通信により送信する。ここで、相手機器は、２線の送信路を介して入力端子Ｔ１、Ｔ２と接続されている。
【０００９】マイクロコントローラ（Micro-Controller）９は、デジタル通信とバルブ１６の位置制御を行うものでマイクロプロセッサとメモリ等の周辺回路から構成され、リクエスト信号やレスポンス信号等の通信処理プログラム、並びにＰＩＤ制御やファジー制御等の制御プログラムが格納されている。Ｄ／Ａ変換器（DＡC）１０は、マイクロコントローラ９の制御出力がデジタル信号であるのをアナログ信号に変換する。駆動回路（Driver）１３は、Ｄ／Ａ変換器１０から送られたアナログ信号を増幅やインピーダンス変換して電空変換モジュール（E/P Module）１４に送る。センサーインタフェース部（Sensor Interface）１１は、位置センサ（Position Sensor）１２の信号を処理して、Ａ／Ｄ変換器８に送る。Ａ／Ｄ変換器８は、電流検出回路７から送られる入力電流信号と、センサーインタフェース部１１から送られるバルブ１６の位置信号をデジタル信号化してマイクロコントローラ９に送る。
【００１０】次に空気系について説明する。電空変換モジュール（E/P Module）１４は、入力された駆動電流を空気圧信号に変換するもので、例えばトルクモータによりノズルの空気圧を制御している。コントロールリレー（Control Relay）１５は、空気圧信号を増幅するもので、例えば０．２−１．０［kgf/cm2］の空気圧信号によってバルブ１６を開閉駆動する。バルブ１６の弁開度は、バルブ１６のステムの位置変動と相関があるので、このステムの位置を位置センサ１２で検出する。
【００１１】このように構成された装置においては、４−２０ｍＡ等の操作信号を授受する２線式伝送路に、所定のプロトコルに従ったデジタル信号を重畳させることによって相手機器とバルブポジショナとの間でデジタル通信が行える。また、相手機器とのデジタル通信を行うためには、相手機器から送られたデジタル通信信号の波形を入力端子Ｔ１、Ｔ２の端子間に発生させるために、通信周波数帯域内では入力端子Ｔ１、Ｔ２の端子間のインピーダンスを一定の高い値に保つ必要がある。従って、インピーダンス制御回路１は、可変インピーダンス回路３のインピーダンスを通信帯域内では例えば２３０から１１００Ωの高い値となるように制御する。
【００１２】バルブ位置制御は、位置センサ１２の位置信号をセンサインターフェース部１１とＡ／Ｄ変換器８を介してマイクロコントローラ９に送り、マイクロコントローラ９で制御演算を行い、制御出力をＤ／Ａ変換器１０を介して駆動回路１３に送る。そして、駆動回路１３→電空変換モジュール１４→コントロールリレー１５→バルブ１６の順路で、バルブ１６を駆動して弁開度を目標値に制御している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】上述のデジタル通信機能を備えたバルブポジショナの典型的な動作仕様は次のようになっている。
最小動作端子間電圧：１２Ｖｄｃ（入力端子Ｔ１、Ｔ１）
最小動作電流：３．６ｍＡ【００１４】即ち、デジタル通信機能とバルブ位置制御は、入力端子Ｔ１、Ｔ２に供給される４ｍＡの範囲内で機能させる必要がある。他方、マイクロコントローラ９にマイクロプロセッサを用いる場合、省エネ技術の進歩により電子デバイスの消費電力は年々減少しているものの、尚、マイクロプロセッサを用いない回路に比較すると、電空変換モジュール１４に対する電流は制限される。しかし、電空変換モジュール１４の多くは電流で動作するデバイスなので、電空変換モジュール１４に対する電流配分を減らすとバルブの応答性が悪くなったり、温度等の外乱に対する安定性のマージンがなくなるという課題があった。
【００１５】また、マイクロプロセッサ自身も、バルブ位置制御の安定性を得るためにできるだけクロック周波数を上げて制御演算の制御周期を短くする必要があるが、クロック周波数を上げるためにはマイクロプロセッサ自身の消費電流が増大してしまうという課題があった。
【００１６】そこで、バルブポジショナに操作信号として与えられた電力を有効に利用するために、図９に示したような電源電圧を降圧するＤＣ−ＤＣコンバータ５を用いて、電空変換モジュール１４を含む内部回路への供給電流を稼ぐ手法が考えられる。このＤＣ−ＤＣコンバータ５の実現方式としてコンデンサを用いたチャージポンプ方式、またはインダクタンスを用いた降圧型スイッチングレギュレータが一般的であるが、これらの方式は、実装面積や部品点数の増大を招くため製作コストが増加するという課題があった。更に、降圧型スイッチングレギュレータを用いた場合、スイッチングノイズによる他の回路への悪影響が問題となる場合がある。
【００１７】また、バルブポジショナに操作信号として与えられた電力を有効に利用するための他の手法として米国特許５４３１１８２号に開示されたものがある。これによると、２個の電源回路と上下に直列に接続し、一方の電源をデジタル回路への電力供給用とし、他方の電源をその他の回路への電力供給用とするものである。しかし、二つの電源回路に接続された回路間の信号のやりとりには、電源系の違いを吸収するレベルシフト回路が必要となり、回路が複雑化するという課題があった。上述の各種の事情は、電空変換器についても同様である。
【００１８】本発明は、上述の課題を解決したもので、電空変換モジュールに対する電流配分を大きくしつつ、部品点数が少なく回路構成の簡単なバルブポジショナ及び電空変換器を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成するために請求項１に記載の発明では、入力端子を介して設定値情報を含む電流信号を入力し、この設定値と一致するように弁開度を制御する制御演算を行うデジタル演算回路と、このデジタル演算回路の制御出力を空気圧信号に変換する電空変換モジュールとを有するバルブポジショナにおいて、前記入力端子と回路コモン電位間に直列接続された、前記電流信号から内部電源電圧を生成する電源電圧発生手段と、直流領域でのインピーダンスが低く、デジタル通信の周波数帯域でのインピーダンスが高い可変インピーダンス回路と、前記可変インピーダンス回路と並列接続された電空変換モジュールと、前記可変インピーダンスを制御するインピーダンス制御回路を備えたことを特徴とするものである。
【００２０】このような構成によれば、前記可変インピーダンス回路に流れる電流を制御することが可能となり、前記電空変換モジュールを駆動するために必要な電流を優先的に配分することが可能となる。
【００２１】これは、請求項２のように、インピーダンス制御回路を用いて、入力端子から入力される電流信号の電流値から電空変換モジュールを駆動するために必要な大きさの電流を減算した大きさの電流が流れるように前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを制御することによって実現できる。
【００２２】更に請求項３のように、インピーダンス制御回路に起動時の入力端子間電圧の増加を抑止するタイミング回路を備えることによって、バルブポジショナの起動を円滑に行うことが可能となる。
【００２３】請求項４に記載の発明では、入力端子を介して設定値情報を含む電流信号を入力し、この設定値と一致するように弁開度を制御する制御演算を行うデジタル演算回路と、このデジタル演算回路の制御出力を空気圧信号に変換する電空変換モジュールとを有すると共に、前記電流信号の送られる伝送路を用いてデジタル通信を行うデジタル通信回路を有するバルブポジショナにおいて、前記電流信号から内部電源電圧を生成する電源電圧発生手段と、前記電源電圧発生手段と直列接続された直流領域でのインピーダンスが低く、デジタル通信の周波数帯域でのインピーダンスが高い可変インピーダンス回路と、前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを制御する可変インピーダンス制御回路と、前記可変インピーダンス回路と並列接続された前記電空変換モジュールと、を備えることを特徴とするものである。
【００２４】このような構成によれば、前記電流信号の送られる伝送路に接続された相手機器とのデジタル通信が可能となると共に前記可変インピーダンス回路に流れる電流を制御することが可能となり、前記電空変換モジュールを駆動するために必要な電流を優先的に配分することが可能となる。
【００２５】これは、請求項５のように、インピーダンス制御回路を用いて、入力端子から入力される電流信号の電流値から電空変換モジュールを駆動するために必要な大きさの電流を減算した大きさの電流が流れるように前記可変インピーダンス回路を制御することによって実現できる。
【００２６】更に請求項６のように、インピーダンス制御回路に起動時の入力端子間電圧の増加を抑止するタイミング回路を備えることによって、バルブポジショナの起動を円滑の行うことが可能となる。
【００２７】このような目的を達成するために請求項７に記載の発明では、入力端子を介して設定値情報を含む電流信号を入力し、この設定値と一致するように空気圧信号の制御演算を行うデジタル演算回路と、このデジタル演算回路の制御出力を空気圧信号に変換する電空変換モジュールとを有する電空変換器において、前記入力端子と回路コモン電位間に直列接続された、前記電流信号から内部電源電圧を生成する電源電圧発生手段と、直流領域でのインピーダンスが低く、デジタル通信の周波数帯域でのインピーダンスが高い可変インピーダンス回路と、前記可変インピーダンス回路と並列接続された電空変換モジュールと、前記可変インピーダンスを制御するインピーダンス制御回路を備えたことを特徴とするものである。
【００２８】このような構成によれば、前記可変インピーダンス回路に流れる電流を制御することが可能となり、前記電空変換モジュールを駆動するために必要な電流を優先的に配分することが可能となる。
【００２９】これは、請求項８のように、インピーダンス制御回路を用いて、入力端子から入力される電流信号の電流値から電空変換モジュールを駆動するために必要な大きさの電流を減算した大きさの電流が流れるように前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを制御することによって実現できる。
【００３０】更に請求項９のように、インピーダンス制御回路に起動時の入力端子間電圧の増加を抑止するタイミング回路を備えることによって、電空変換器の起動を円滑に行うことが可能となる。
【００３１】請求項１０に記載の発明では、入力端子を介して設定値情報を含む電流信号を入力し、この設定値と一致するように空気圧信号の制御演算を行うデジタル演算回路と、このデジタル演算回路の制御出力を空気圧信号に変換する電空変換モジュールとを有すると共に、前記電流信号の送られる伝送路を用いてデジタル通信を行うデジタル通信回路を有する電空変換器において、前記電流信号から内部電源電圧を生成する電源電圧発生手段と、前記電源電圧発生手段と直列接続された直流領域でのインピーダンスが低く、デジタル通信の周波数帯域でのインピーダンスが高い可変インピーダンス回路と、前記可変インピーダンス回路のインピーダンスを制御する可変インピーダンス制御回路と、前記可変インピーダンス回路と並列接続された前記電空変換モジュールと、を備えることを特徴とするものである。
【００３２】このような構成によれば、前記電流信号の送られる伝送路に接続された相手機器とのデジタル通信が可能となると共に前記可変インピーダンス回路に流れる電流を制御することが可能となり、前記電空変換モジュールを駆動するために必要な電流を優先的に配分することが可能となる。
【００３３】これは、請求項１１のように、インピーダンス制御回路を用いて、入力端子から入力される電流信号の電流値から電空変換モジュールを駆動するために必要な大きさの電流を減算した大きさの電流が流れるように前記可変インピーダンス回路を制御することによって実現できる。
【００３４】更に請求項１２のように、インピーダンス制御回路に起動時の入力端子間電圧の増加を抑止するタイミング回路を備えることによって、電空変換器の起動を円滑の行うことが可能となる。
【００３５】
【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成図である。同図において、従来例として説明した図９と同一作用をするものには同一符号を付し、特に必要なもの以外はその説明を省略する。
【００３６】図１において、直列接続された可変インピーダンス回路３とシャントレギュレータ４は従来例と同様に入力端子Ｔ１、Ｔ２に接続されており、インピーダンス制御回路１は、入力端子Ｔ１、Ｔ２の端子間電圧を通常１２Ｖ以下のほぼ一定の電圧に制御する。また、操作信号の直流領域では入力端子Ｔ１、Ｔ２の端子間を低インピーダンス状態に保持し、通信周波数帯域内では入力端子Ｔ１、Ｔ２の端子間のインピーダンスを一定の高い値に保持している。シャントレギュレータ４は、内部回路を駆動する内部電源電圧Ｖ２を発生している。
【００３７】図２は、可変インピーダンス回路３とシャントレギュレータ４及びインピーダンス制御回路１を実現する回路例である。入力端子Ｔ１は、並列接続された抵抗Ｒ２とコンデンサＣ１を介して差動増幅器Ｕ１のプラス端子に接続されると共に、可変インピーダンス回路３として用いられたｎチャンネルＪＦＥＴＱ１のドレインに接続される。入力端子Ｔ２は、直列接続されたコンデンサＣ２と抵抗Ｒ３を介して差動増幅器Ｕ１のプラス端子に接続されると共に、電流検出素子２として用いられた抵抗Ｒｉｎの一端に接続される。抵抗Ｒｉｎの他の一端は抵抗Ｒ１を介して差動増幅器Ｕ１のプラス端子に接続されると共に、回路コモン電位に接続されている。ｎチャンネルＪＦＥＴＱ１のソースは、一端を回路コモン電位に接続されたシャントレギュレータ４の他の一端に接続され、ゲートはレベルシフト用ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３を介して差動増幅器Ｕ１の出力に接続されている。直列接続された抵抗Ｒ５とＲ６は、シャントレギュレータ４に並列接続され、抵抗Ｒ５とＲ６の接続点は差動増幅器Ｕ１のマイナス端子に接続される。また、ｎチャンネルＪＦＥＴＱ１のゲートとソースは、ダイオードバイアス用抵抗Ｒ７によって接続され、コンデンサＣ４は、シャントレギュレータ４に並列接続されている。更に、送受信回路６の出力Ｔｘｓｉｇｎａｌは、直列接続されたコンデンサＣ３と抵抗Ｒ４を介して差動増幅器Ｕ１のマイナス端子に接続される。従って、同図において、可変インピーダンス回路２３として用いられたｎチャンネルＪＦＥＴＱ１と電流検出素子２として用いられた抵抗Ｒｉｎとシャントレギュレータ４を除く部分が図１におけるインピーダンス制御回路１である。
【００３８】このような構成の回路における直流領域での入力端子Ｔ１、Ｔ２の端子間電圧Ｖｔは、入力端子Ｔ１より流れ込む電流をＩｉｎ、差動増幅器Ｕ１のマイナス端子に印加される電圧をＶｒ、可変インピーダンス３によって生成される電圧をＶ１とすると、Ｖｔ＝Ｖ１＋Ｉｉｎ×Ｒｉｎ＝（１＋Ｒ２／Ｒ１）×Ｖｒ＋Ｉｉｎ×Ｒｉｎと、表され、この領域では低インピーダンスとなる。
【００３９】また、このような構成の回路におけるデジタル通信帯域内での入力端子Ｔ１、Ｔ２の端子間インピーダンス｜Ｚ｜及び周波数帯域ｆｌｚ〜ｆｈｚは、｜Ｚ｜＝Ｒ２／Ｒ３×Ｒｉｎｆｌｚ＝１／（２π×Ｒ３×Ｃ２）
ｆｈｚ＝１／（２π×Ｒ２×Ｃ１）
と、表され、この領域では高インピーダンスとなる。但し、差動増幅器Ｕ１は、上記の制御を行うために充分な周波数帯域をもつものを使用する。
【００４０】ここで、相手機器に送信される通信信号の送信振幅Ｔｘ周波数帯域ｆｌｔｘ〜ｆｈｔｘは、Ｔｘ＝Ｒ２／Ｒ４×（Ｔｘｓｉｇｎａｌ）
ｆｌｔｘ＝１／（２π×Ｒ４×Ｃ３）
ｆｈｔｘ＝１／（２π×Ｒ２×Ｃ１）
である。尚、送受信回路６の出力Ｔｘｓｉｇｎａｌは、不要な高調波を送信しないように一次遅れ回路等によって予め高調波を除去することが望ましい。
【００４１】図１の構成図では、直列接続された電流レギュレータ回路３３と電空変換モジュール１４が上記のように構成された可変インピーダンス回路３と並列接続されている。電流レギュレータ回路３３は、Ｄ／Ａ変換器１０から出力されるアナログ信号を電流信号に変換して電空変換モジュール１４に入力するものである。
【００４２】図３は電流レギュレータ回路３３を実現する回路例である。電流可変素子として用いられるｎチャンネルＪＦＥＴＱ１０はドレインが電空変換モジュール１４に接続され、ソースが抵抗Ｒｆを介して内部電源電圧Ｖ２に接続されている。分圧抵抗Ｒ１０とＲ１１は内部電源電圧Ｖ２とＤ／Ａ変換器１０が出力するアナログ信号ＤＡＣｓｉｇｎａｌの差電圧を分圧して差動増幅器Ｕ１０のプラス端子に入力している。分圧抵抗Ｒ１３とＲ１２はＪＦＥＴＱ１０のソース電圧と回路コモン電位の差電圧を分圧して差動増幅器Ｕ１０のマイナス端子に入力している。差動増幅器Ｕ１０はＪＦＥＴＱ１０のゲートにレベルシフト用ダイオードＤ１０、Ｄ１１、Ｄ１２を介して制御信号を送り、ＪＦＥＴＱ１０を可変抵抗として動作させて電空変換モジュール１４の供給電流Ｉ１４を定めている。また、ＪＦＥＴＱ１０のゲートとソースに接続された抵抗Ｒ１４とレベルシフト用ダイオードＤ１０、Ｄ１１、Ｄ１２はＪＦＥＴＱ１０のゲートを駆動するためのものである。抵抗Ｒｆは、電空変換モジュール１４の供給電流Ｉ１４を検出するための抵抗で、ここで電空変換モジュール１４に流れる供給電流Ｉ１４は、Ｒ１１＝Ｒ１３、Ｒ１０＝Ｒ１２の関係がある時、Ｉ１４＝ＤＡｓｉｇｎａｌ×（Ｒ１１／Ｒ１０）／Ｒｆである。
【００４３】このような構成の回路によって、バルブ１６の位置は入力端子Ｔ１、Ｔ２から入力された操作信号に従ってマイクロコントローラ９によって制御される。その間、電空変換モジュール１４に流れる供給電流Ｉ１４はダイナミックに変化するが、インピーダンス制御回路１は、可変インピーダンス回路３に流れる電流をＩ３とすると、Ｉ３＝Ｉｉｎ−Ｉ１４となるように可変インピーダンス回路３を調整して、入力端子Ｔ１、Ｔ２の端子間電圧を一定の電圧に制御するため、電空変換モジュール１４と可変インピーダンス回路３は並列に共存することが可能である。
【００４４】つまり、本発明のバルブポジショナでは、電流消費量の大きい電空変換モジュール１４と可変インピーダンス回路３を並列に共存させることによって、電空変換モジュール１４が必要とする電流を優先的に電空変換モジュール１４に配分することが可能である。
【００４５】図４は、本発明を電空変換器に適用する実施例の全体構成図である。図１と異なる点は、位置センサ１２に代えて圧力センサ（Pressure Sensor）３７を備えた点である。圧力センサ３７はコントロールリレー１５の出力空気圧信号を入力とする。このように構成すると、制御対象がバルブ１６の入力空気圧なので、電空変換器にそのまま適用できる。この場合、電空変換器においてもバルブポジショナで得られたと同様の効果が得られる。
【００４６】また、本発明はバルブの位置制御を主な目的としたバルブポジショナだけでなく、米国特許５６８４４５１号や米国特許５４５１９２３号に開示されたようなフィールドコントローラ機能付きのバルブポジショナにも適用することが可能である。
【００４７】図５は、本発明をフィールドコントローラ機能付きのバルブポジショナに適用する実施例の全体構成図である。図１と異なる点は、マイクロコントローラ９にフィールドコントローラ用演算プログラムを具備すると共にプロセス入力端子Ｔ３、Ｔ４及び電流検出素子（Current Sens）４０及び電流検出回路（CurrentDetector）４１を備えた点である。プロセス入力端子Ｔ３、Ｔ４から入力されたプロセス信号は電流検出素子４０及び電流検出回路４１で電流信号を検出され、この電流信号はＡ／Ｄ変換器８を介してマイクロコントローラ９のフィールドコントローラ用演算プログラムに取得される。このように構成された装置において、フィールドコントローラへの設定値信号を入力端子Ｔ１、Ｔ２に入力し、例えば流量計から出力される４−２０ｍＡのプロセス信号を入力端子Ｔ３、Ｔ４に入力することによって、流量計を流れる流量をバルブ１６によって入力端子Ｔ１、Ｔ２に入力された設定値に保つことが可能である。尚、ここで得られた効果はフィールドコントローラ付電空変換器に適用できることは言うまでもない。
【００４８】また、図６は、本発明のバルブポジショナにおけるインピーダンス制御回路１にタイミング回路５０を付加して起動特性を改善した実施例である。本発明のバルブポジショナは、例えばコンピュータシステムを利用した中央監視システムや分散制御システム（以下、ＤＣＳという。）から出力される操作信号を入力端子Ｔ１、Ｔ２に入力してバルブの制御を行うが、一般的にＤＣＳでは、ＤＣＳ自身が出力した操作信号を常に監視し、例えば、ＤＣＳ自身が出力した操作信号の電流に対する端子間電圧が一定値を超えた場合、ＤＣＳでは操作信号を送る信号線が断線したと判断し、断線警報を発する場合がある。
【００４９】図１の回路では、例えばＤＣＳから入力端子Ｔ１に入力された操作信号がゼロの状態からステップ的に立ち上がった場合、内部回路が立ち上がる際に、過渡的にインピーダンス制御回路１の制御出力信号ＩＵ１がカットオフし、入力端子Ｔ１、Ｔ２の端子間電圧が定常値を大きく超える場合が有り得る。この時、ＤＣＳは、断線警報を出力する場合がある。
【００５０】この現象を回避する目的で付加された回路がタイミング回路５０である。具体的な回路例を図７に示す。同図は、図２で説明した可変インピーダンス回路３とシャントレギュレータ４及びインピーダンス制御回路１を実現する回路例にタイミング回路５０を付加した場合の回路例である。
【００５１】同図において、図２の回路例と異なる点は、差動増幅器Ｕ１のマイナス端子に抵抗Ｒ６と並列接続されたコンデンサＣ５０を付加し、抵抗Ｒ６と共に遅れ回路を形成することで、回路が立ち上がる際に差動増幅器Ｕ１をプラス電源側に振り切らせるようにした点である。
【００５２】図８は、本発明のバルブポジショナの入力端子Ｔ１、Ｔ２の端子間電圧の波形図である。同図において６１はステップ状に入力された操作信号Ｉｉｎであり、６２はタイミング回路５０を用いない場合のバルブポジショナの端子間電圧であり、６３はタイミング回路５０を用た場合のバルブポジショナの端子間電圧である。同図より明らかなように、本発明のバルブポジショナにタイミング回路５０を付加することによって、操作信号がステップ状に入力された場合であっても円滑にバルブポジショナを起動することが可能となる。尚、ここで得られた効果は、上述の電空変換器やフィールドコントローラ付バルブポジショナ及び電空変換器においても適用できることは言うまでもない。
【００５３】なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。つまり本発明は、電流を外部からの入力信号とし、それを内部回路への動力源として使用する電空変換要素を具備するすべての装置に適用することが可能である。
【００５４】また、図２で可変インピーダンス回路３は、ｎチャンネルＪＦＥＴに限らず例えば、npn及びpnpトランジスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ、またはこれらを組み合わせて構成された電子回路等、電流値を変化させることが可能なものであれば置きかえることが可能である。このことは、図３で用いられたｎチャンネルＪＦＥＴＱ１０においても同様である。
【００５５】図１では、入力端子Ｔ１からＴ２に向かって可変インピーダンス回路３、シャントレギュレータ４、電流検出素子２の順で接続されているが、この順序は変更しても差し支えない。つまり、本発明の趣旨は、電流検出素子２によって入力端子Ｔ１から入力されるほぼすべての電流値が検出可能であり、且つ、可変インピーダンス回路２と電空変換モジュール１４が並列接続されていれば達成される。
【００５６】また、図１では内部回路を駆動する内部電源電圧Ｖ２はシャントレギュレータ４のみによって発生しているが、従来例と同様に内部電源電圧Ｖ２からＤＣ−ＤＣコンバータを用いて更に電流容量を稼ぐことも可能である。これによって更に大きな内部回路への供給電流が確保できる。
【００５７】また、電空変換モジュール１４は入力された電流信号を空気圧信号に変換するものについて説明したが、その他の原理、例えば電圧から力を発生させる圧電素子の原理を利用したものを用いても良い。この場合、図１の電空変換モジュールにはＤ／Ａ変換器１０から電流信号でなく電圧信号が入力され、電流レギュレータ３３は不要となるが、可変インピーダンス回路２と電空変換モジュール１４が並列接続された構成となっていれば、本発明の範囲である。
【００５８】
【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。請求項１から３に記載の発明では、電流消費量の大きな電空変換モジュールに対する電流配分を大きくしつつ、部品点数が少なく回路構成の簡単なバルブポジショナを提供することが可能となる。また、本発明によれば、電源電圧を降圧するＤＣ−ＤＣコンバータや特別な電源回路を用いず、内部回路の電流配分を変化させて電流消費量の大きな電空変換モジュールに必要な電流を供給するため、電流の利用効率がよく、結果的にマイクロコントローラに、より多くの電流を与えることが可能となる。
【００５９】請求項４から６に記載の発明では、電流消費量の大きな電空変換モジュールに対する電流配分を大きくしつつ、部品点数が少なく回路構成の簡単な相手機器とのデジタル通信が可能なバルブポジショナを提供することが可能となる。また、本発明によれば、電源電圧を降圧するＤＣ−ＤＣコンバータや特別な電源回路を用いず、内部回路の電流配分を変化させて電流消費量の大きな電空変換モジュールに必要な電流を供給するため、電流の利用効率がよく、結果的にマイクロコントローラに、より多くの電流を与えることが可能となる。
【００６０】請求項７から９に記載の発明では、電流消費量の大きな電空変換モジュールに対する電流配分を大きくしつつ、部品点数が少なく回路構成の簡単な電空変換器を提供することが可能となる。また、本発明によれば、電源電圧を降圧するＤＣ−ＤＣコンバータや特別な電源回路を用いず、内部回路の電流配分を変化させて電流消費量の大きな電空変換モジュールに必要な電流を供給するため、電流の利用効率がよく、結果的にマイクロコントローラに、より多くの電流を与えることが可能となる。
【００６１】請求項１０から１２に記載の発明では、電流消費量の大きな電空変換モジュールに対する電流配分を大きくしつつ、部品点数が少なく回路構成の簡単な相手機器とのデジタル通信が可能な電空変換器を提供することが可能となる。また、本発明によれば、電源電圧を降圧するＤＣ−ＤＣコンバータや特別な電源回路を用いず、内部回路の電流配分を変化させて電流消費量の大きな電空変換モジュールに必要な電流を供給するため、電流の利用効率がよく、結果的にマイクロコントローラに、より多くの電流を与えることが可能となる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６５０７
【氏名又は名称】横河電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年４月１９日（１９９９．４．１９） |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３０４１４８（Ｐ２０００−３０４１４８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１１月２日（２０００．１１．２） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１１０７７９ |
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