特許 6583792 本質安全電圧クランプ装置及びプロセス制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6583792

(24)【登録日】2019年9月13日

(45)【発行日】2019年10月2日

(54)【発明の名称】本質安全電圧クランプ装置及びプロセス制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02H 9/04 20060101AFI20190919BHJP

   G05B 9/03 20060101ALI20190919BHJP

【ＦＩ】

   H02H9/04 A

   G05B9/03

【請求項の数】9

【外国語出願】

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-198288(P2016-198288)

(22)【出願日】2016年10月6日

(62)【分割の表示】特願2016-512120(P2016-512120)の分割

【原出願日】2014年10月28日

(65)【公開番号】特開2017-42039(P2017-42039A)

(43)【公開日】2017年2月23日

【審査請求日】2017年10月17日

(31)【優先権主張番号】61/896,475

(32)【優先日】2013年10月28日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】14/090,737

(32)【優先日】2013年11月26日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】591055436

【氏名又は名称】フィッシャー コントロールズ インターナショナル リミテッド ライアビリティー カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100107456

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 成人

(74)【代理人】

【識別番号】100162352

【弁理士】

【氏名又は名称】酒巻 順一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100123995

【弁理士】

【氏名又は名称】野田 雅一

(74)【代理人】

【識別番号】100148596

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 和弘

(72)【発明者】

【氏名】ジーバーガー， スティーヴン， ジー．

【審査官】 赤穂 嘉紀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−３５２９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５２５０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２７０４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１０３６４７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 実公昭５２−０５２５９３（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】 特開２０１０−２３３３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５５−１２８４５４（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｈ ９／００−９／０８

Ｇ０５Ｂ ９／０３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

本質安全電圧クランプ装置であって、
安定化レールと、
グラウンドレールと、
前記安定化レールと前記グラウンドレールの双方に接続され、１つ以上の調整トランジスタを含むシャントレギュレータ集成体であって、前記安定化レールと前記グラウンドレールの間に印加される電圧を安全クランプ電圧の値にクランプするように構成されたシャントレギュレータ集成体と、
電力検出部品であって、
前記グラウンドレールに結合された電流検出抵抗であって、電流検出抵抗は、電流検出抵抗に流れる電流が閾値を超えると、前記１つ以上の前記調整トランジスタで消費される電力を１つ以上の制限トランジスタによって減少させるように構成されており、（ｉ）前記１つ以上の調整トランジスタの第１の端子が前記制限トランジスタに結合されており、（ｉｉ）前記１つ以上の調整トランジスタの第２の端子が前記安定化レールに結合されており、（ｉｉｉ）前記１つ以上の調整トランジスタの第３の端子が前記電流検出抵抗に結合されている、電流検出抵抗、を含む電力検出部品と、
を備える本質安全電圧クランプ装置。

【請求項2】

前記安定化レール、前記グラウンドレール、前記シャントレギュレータ集成体、前記電力検出部品及び前記制限トランジスタが、２本のリードを備えた装置パッケージ内に共に一体化されている、請求項１の本質安全電圧クランプ装置。

【請求項3】

前記安定化レール、前記グラウンドレール、前記シャントレギュレータ集成体、前記電力検出部品及び前記制限トランジスタが、２本より多いリードを備えた装置パッケージ内に共に一体化されている、請求項１に記載の本質安全電圧クランプ装置。

【請求項4】

前記装置パッケージが電力トランジスタパッケージである、請求項３に記載の本質安全電圧クランプ装置。

【請求項5】

前記電力検出部品が前記電流検出抵抗であり、前記電流検出抵抗は、前記電流検出抵抗で検出される前記電流が前記閾値を超えると、前記制限トランジスタによって前記調整トランジスタを飽和モードへと移行させるように構成されている、請求項１に記載の本質安全電圧クランプ装置。

【請求項6】

プロセス制御装置であって、
第１端子及び第２端子を備えた装置部品であって、前記装置部品の前記第１端子と前記第２端子の間に電圧が印加されているときにエネルギーを蓄える装置部品と、
前記装置部品に電気的に接続された２つ以上の電圧クランプ装置であって、各電圧クランプ装置が他の前記電圧クランプ装置と並列に配置されていると共に、各電圧クランプ装置が前記装置部品に印加される前記電圧を安全クランプ電圧にクランプするように構成されており、各電圧クランプ装置が、
１つ以上の調整トランジスタを含むシャントレギュレータ集成体、及び
電流が閾値を超えると、１つ以上の前記調整トランジスタで消費される電力を１つ以上の制限トランジスタによって減少させるように構成された電流検出抵抗を備える電圧クランプ装置と、
を備えるプロセス制御装置。

【請求項7】

前記２つ以上の電圧クランプ装置のそれぞれが、２本の外部電気リードを備えた装置パッケージ内に一体化されている、請求項６に記載のプロセス制御装置。

【請求項8】

前記２つ以上の電圧クランプ装置のそれぞれが、２本の主外部電気リード及び１本以上の副外部電気リードを備えた装置パッケージ内に一体化されている、請求項６に記載のプロセス制御装置。

【請求項9】

前記装置パッケージの前記副外部電気リードは、前記装置パッケージの内部のいずれにも電気的に接続されていない、請求項８に記載のプロセス制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連案件の相互参照
[0001]本出願は、「ＶＯＬＴＡＧＥ ＣＬＡＭＰ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＩＮＴＲＩＮＳＩＣ ＳＡＦＥＴＹ」と題する、２０１３年１０月２８日に出願された米国仮特許出願第６１／８９６，４７５号に対する優先権の利点を主張するものであり、ここに本明細書の一部を構成するものとして、あらゆる目的のために本出願全体を援用する。

【0002】

[0002]本開示は、本質安全装置を対象とし、より具体的には、熱制限及び／または電力制限を有する本質安全電圧クランプ装置を対象とする。

【背景技術】

【0003】

[0003]ある工業プロセス（石油工業のプロセスなど）では、有害な雰囲気またはその他の危険な状況において装置を運用することが求められる。こうした装置には、有害な雰囲気中の装置に対して一定条件を指定する「本質安全」規格（ＩＳＡ−６００７９−１１規格など）が適用されることが多い。これらの条件は、（例えば、コンデンサにかかる電圧もしくはインダクタへの電流を制限することによって）装置回路内に蓄えられたエネルギー量を制限すること、または、エネルギーの放電によって点火が起きないように、（例えば、部品間隔を狭めることによって）蓄積エネルギーの放電を制限することのいずれかを求めるものである。さらに、ＩＳＡ−６００７９−１１規格の場合、回路の正常動作中に一定数の故障が発生しても、その回路が安全を維持することが必要である。

【0004】

[0004]一部の規格では、個別の機器（または装置）は、それよりも大きな機器の一部である部品集成体とは異なるように扱われる。ＩＳＡ−６００７９−１１規格では、例えば、個別機器として製造されたシャント安全集成体は、より大きな機器の一部であるシャント安全集成体と比較すると、当該規格の別の項に従っている必要がある。個別機器に対する様々な要件により、製造業者は、有利な特性を備えた装置（物理的に小型のパッケージなど）を生産することができる。しかしながら、こうした内蔵式の電圧クランプ装置では、過熱に関わる故障が問題となって、これらの装置が多くの用途において役に立たなくなる恐れもある。

【発明の概要】

【0005】

[0005]本質安全電圧クランプ装置は、安定化レール、グラウンドレール及びシャントレギュレータ集成体を備える。シャントレギュレータ集成体は、安定化レールとグラウンドレールの双方に接続されており、１つ以上の調整部品を含む。また、シャントレギュレータ集成体は、安定化レールとグラウンドレールの間に印加される電圧を安全クランプ電圧の値にクランプするように構成されている。本質安全電圧クランプ装置は、少なくとも１つの調整部品の温度が閾値を超えると、少なくとも１つの調整部品で消費される電力を１つ以上の制限部品によって減少させるように構成された熱作動部品も含む。

【0006】

[0006]別の実施形態では、プロセス制御装置は、第１端子及び第２端子を備えた装置部品であって、当該装置部品の第１端子と第２端子の間に電圧が印加されているときにエネルギーを蓄える装置部品を備える。プロセス制御装置は、装置部品に電気的に接続された２つ以上の電圧クランプ装置も含む。各電圧クランプ装置は、他の電圧クランプ装置と並列に配置されており、それと共に、各電圧クランプ装置は、装置部品に印加される電圧を安全クランプ電圧にクランプするように構成されている。さらに、各電圧クランプ装置は、１つ以上の調整部品を含むシャントレギュレータ集成体、及び少なくとも１つの調整部品の温度が閾値を超えると、少なくとも１つの調整部品で消費される電力を１つ以上の制限部品によって減少させるように構成された熱作動部品を備える。

【0007】

[0007]別の実施形態において本質安全電圧クランプ装置は、安定化レール、グラウンドレール及びシャントレギュレータ集成体を備える。シャントレギュレータ集成体は、安定化レールとグラウンドレールの双方に接続されており、１つ以上の調整部品を含む。また、シャントレギュレータ集成体は、安定化レールとグラウンドレールの間に印加された電圧を安全クランプ電圧の値にクランプするように構成されている。本質安全電圧クランプ装置は、電流検出抵抗であって、この電流検出抵抗に流れる電流が閾値を超えると、少なくとも１つの調整部品で消費される電力を１つ以上の制限部品によって減少させるように構成された電流検出抵抗も含む。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】[0008]図１は、主たる電圧クランプ装置及び冗長な電圧クランプ装置が実装されている例示的なシステムのブロック図である。

【0009】

【図2A】[0009]図２Ａは、本質安全電圧クランプ装置として一体化され、図１に示した電圧クランプ装置の１つとして実装され得る例示的な回路を示す図である。

【0010】

【図2B】[0010]図２Ｂは、本質安全電圧クランプ装置として一体化され、図１に示した電圧クランプ装置の１つとして実装され得る別の回路を示す図である。

【0011】

【図3A】[0011]図３Ａは、図２に示した回路などの本質安全電圧クランプ装置の一体化が可能な例示的な装置パッケージのブロック図である。

【図3B】[0011]図３Ｂは、図２に示した回路などの本質安全電圧クランプ装置の一体化が可能な例示的な装置パッケージのブロック図である。

【図3C】[0011]図３Ｃは、図２に示した回路などの本質安全電圧クランプ装置の一体化が可能な例示的な装置パッケージのブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

[0012]本開示は、本質安全電圧クランプ装置を対象とし、具体的には、熱制限部品及び／または電力制限部品により、内蔵式の装置パッケージ内にある電圧調整を行う装置部品に対する熱的損傷を防ぐことを対象とする。特に、本開示に係る電圧クランプ装置は、シャント電圧レギュレータの機能的要件に適合し、それと共に、物理的に小型、かつ本質安全のパッケージングを可能とする。各実施形態では、熱制限部品を利用することにより、装置のクランプ電圧を自動的に低下させて、１つ以上の調整部品における電力消費を減少させる。その結果、これらの制限部品により、安全限界最大クランプ電圧を維持しつつ、過熱に関わる損傷から装置の電圧調整部品が保護され得る。

【0013】

[0013]次に、図１を参照すると、本開示の一実施形態に係り構成された例示的なシステム１００は、プロセス制御装置１０６及び電源１０８を含む。主たる電圧クランプ装置１０２ａ及び冗長な電圧クランプ装置１０２ｂは、ある実施態様では、装置部品１１０に印加される電圧をそれぞれの安全クランプ電圧に制限し得る。２つの電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂを搭載することにより、システム１００は、電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂの一方が故障しても電圧クランプが継続されることを要求する本質安全（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃａｌｌｙ ｓａｆｅ：ＩＳ）規格に従うことができる。例示的な電圧クランプ装置については、図２Ａ及び２Ｂを参照してさらに詳しく述べる。

【0014】

[0014]図１ではプロセス制御装置１０６内にあるものとして示されているが、主たる電圧クランプ装置１０２ａ及び冗長な電圧クランプ装置１０２ｂは、プロセス制御装置の内部にあっても外部にあってもよい。電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂは、プロセス制御装置１０６に着脱式で接続可能なモジュール式装置であってもよく、電気リードの任意の組み合わせを通じてプロセス制御装置に電気的に接続され得る独立型装置であってもよい。一般に、電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂは、任意の適切な内部または外部の電気的接続、端子などにより、プロセス制御装置１０６に接続されてもよく、その一部になっていてもよい。

【0015】

[0015]プロセス制御装置１０６は、スイッチ、送信機、熱電対、ソレノイド弁などを含み得るが、特に、装置部品１１０を含み得る。この装置部品１１０は、装置部品１１０に電圧が印加されているときにエネルギーを蓄える任意の種類の回路部品または部品集成体であってよい。例えば、装置部品１１０は、１つ以上のコンデンサまたはインダクタを含み得る。図１には１つの装置部品１１０のみを示しているが、プロセス制御装置は、エネルギーを蓄えることができる任意の数の部品を備え得ることは明らかである。

【0016】

[0016]プロセス制御装置１０６は、製造プラント、オイルまたはガスの抽出用建造物、精製所、暖房・換気・空調（ｈｅａｔｉｎｇ， ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ， ａｎｄ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ：ＨＶＡＣ）システムなどの一部であってよい。これらにおいてプロセス制御装置１０２ａは、有害な環境（有害なガス、化学物質、蒸気、粉塵、繊維などを含む環境など）に曝される。このようにして、プロセス制御装置１０６を本質安全のプロセス制御装置１０６とすることができる。すなわち、プロセス制御装置１０６は、電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂと組み合わせて本質安全を実現することができる。

【0017】

[0017]例示的な電源１０８は、プロセス制御装置に電力を供給し得、プロセス制御装置１０６並びに電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂの双方に対して動作可能に接続され得る。この構成においてプロセス制御装置１０６並びに電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂは、（例えば、プロセス制御装置１０６の２つの端子と電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂの２本のリードによって）並列に接続されている。電源１０８は、様々な部品に電力を供給し、場合によっては、他の回路または部品に動作電圧を提供し得る。例えば、電源１０８は正負の出力電圧を提供し得るが、これらの電圧は、電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂ並びに装置部品１１０の各レールに対して順に印加される。これらの正負電圧は、それぞれ図１において＋Ｖ及び−Ｖと示されているものの、電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂ並びに装置部品１１０の一方のレールに正電圧を印加し、他方のレールを接地してもよいことが理解されている。

【0018】

[0018]例えば、電源１０８は主電源に接続され得る。あるいは、電源１０８はバッテリ電源に接続され得る。また、電源１０８は、場合によっては、電源信号（例えば、２４Ｖ）を特定電圧（例えば、±３．３Ｖ、±１０Ｖ）に変換し得る。この場合、電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂ並びに装置部品１１０の各レールにこれらの特定電圧を印加することができる。

【0019】

[0019]ある実施態様では、電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂは、（ｉ）調整部品１１２ａ及び１１２ｂ（それぞれ、トランジスタ、増幅器、基準電圧といった、シャント電圧調整用集成体の一部である部品など）；（ｉｉ）電力検出部品１１４ａ及び１１４ｂ（それぞれ、サーミスタ、他の温度センサ、電流センサなど）；並びに（ｉｉｉ）１つ以上の制限部品１１６ａ及び１１６ｂ（それぞれ、ダイオード、トランジスタなど）を含み、電力検出部品１１４ａ及び１１４ｂの作動に基づき、調整部品１１２ａ及び１１２ｂにおける電力消費を選択的に減少させるように構成されている。さらに、本明細書では「電力検出」を行うものとして説明されたが、これらの部品１１４ａ及び１１４ｂは、その代わりに、図２Ａ及び２Ｂに関して以下で説明される別のパラメータ値（調整部品１１２ａ及び１１２ｂの温度に関する、またはそれに関連付けられるパラメータ値など）に従って制限部品１１６ａ及び１１６ｂを制御し得る。

【0020】

[0020]調整部品１１２ａ及び１１２ｂには、電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂ内のそれぞれのシャント電圧レギュレータ集成体における任意の部品が含まれ得る。調整部品１１２ａは、例えば、電圧クランプ装置１０２ａの安定化レールとグラウンドレールの間に配置されたトランジスタ、増幅器及び／または基準電圧装置を含み得る。ある場合には、調整部品１１２ａの故障（例えば、過熱による）により、電圧クランプ装置１０２ａは、（例えば、装置部品１１０に印加される）電圧を安全クランプ電圧にクランプする機能を失う場合がある。

【0021】

[0021]過熱による調整部品１１２ａ及び１１２ｂの故障を防ぐため、調整部品１１２ａ及び１１２ｂは、（図２Ａに示すように）電力検出部品１１４ａ及び１１４ｂに接続され得る。調整部品１１２ａと電力検出部品１１４ａ及び調整部品１１２ｂと電力検出部品１１４ｂをそれぞれ接続することにより、部品間の熱結合が生じ得る。例えば、この熱結合は、調整部品１１２ａから電力検出部品１１４ａ及び調整部品１１２ｂから電力検出部品１１４ｂにそれぞれ熱が伝導されるのを促進するための熱パッドまたは熱伝導グリースを含み得る。

【0022】

[0022]調整部品１１２ａから電力検出部品１１４ａ及び調整部品１１２ｂから電力検出部品１１４ｂにそれぞれ熱を伝導させることにより、電力検出部品１１４ａまたは１１４ｂが（例えば、一定の閾温度にて）作動し得る。電力検出部品１１４ａ及び１１４ｂが作動すると、制限部品１１６ａ及び１１６ｂをそれぞれ作動させ得る。制限部品１１６ａ及び１１６ｂは、電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂのシャント電圧調整用集成体に電気的に接続された任意の適切な回路部品（例えば、ダイオード、トランジスタ及び抵抗）を含み得、それにより、制限部品１１６ａ及び１１６ｂは、調整部品１１２ａ及び１１２ｂにおける電力消費を減少させる。調整部品１１２ａ及び１１２ｂで消費される電力を減少させることにより、制限部品１１６ａ及び１１６ｂは、調整部品１１２ａ及び１１２ｂの温度を減少させて過熱を防ぎ得る。

【0023】

[0023]電力検出部品１１４ａ及び１１４ｂによって作動させることの他に、調整部品１１２ａ及び１１２ｂの温度が十分低下したことを電力検出部品１１４ａ及び１１４ｂが検出したときに制限部品１１６ａ及び１１６ｂを非作動にしてもよい。すなわち、（例えば、閾値未満に）調整部品１１２ａ及び１１２ｂの温度が低下した後、対応する電力検出部品１１４ａ及び１１４ｂ並びに制限部品１１６ａ及び１１６ｂを非作動にしてもよい。

【0024】

[0024]他の実施形態では、電力検出部品１１４ａ及び１１４ｂは、調整部品１１２ａ及び１１２ｂと熱的に結合されていないが、その代わりに、調整部品１１２ａ及び１１２ｂで消費される電力に応じて調整部品１１２ａ及び１１２ｂの温度を調整する。一実施形態では、例えば、電力検出部品１１４ａ及び１１４ｂは、調整部品１１２ａ及び１１２ｂ内のトランジスタのトランジスタ接合電圧を検出し得る。電力検出部品１１４ａ及び１１４ｂがトランジスタ接合電圧の減少を検出すると、電力検出部品１１４ａ及び１１４ｂは、調整部品１１２ａ及び１１２ｂによって消費される電力を制限部品１１６ａ及び１１６ｂによって減少させることができる。

【0025】

[0025]別の実施形態では、電力検出部品１１４ａ及び１１４ｂは、それぞれ調整部品１１２ａ及び１１２ｂにかかる電圧と流れる電流を検出するように構成されており、それによって調整部品１１２ａ及び１１２ｂで消費されている電力を算出する。その電力が閾値を超えると、電力検出部品１１４ａ及び１１４ｂは、それぞれ制限部品１１６ａ及び１１６ｂに（例えば、クランプ電圧を低下させることによって）電圧を制限させ、かつ／または電流を制限させ得るが、それによって調整部品１１２ａ及び１１２ｂで消費される電力を減少させ、それに応じて、その電力消費に関わる温度上昇を抑制する。

【0026】

[0026]いずれにしても、調整部品１１２ａ及び１１２ｂの熱を制限することにより、電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂの各部品を小型かつ内蔵式の装置パッケージ内に容易に一体化させることができる。このような小型の装置パッケージにより、電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂによって利用される物理的空間についての懸念がある用途において電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂを使用することが可能となり得る。さらに、電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂは、本質安全規格における個別機器の要件に適合し得る。この要件により、通常であればより複雑な機器に要求される場合に比べると、電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂを実装する際に余分なものを少なくすることができる。

【0027】

[0027]図２Ａは、本質安全電圧クランプ装置（電圧クランプ装置１０２ａ及び１０２ｂの一方など）として一体化され得る例示的な回路２００を示す図である。以下では、一定の部品を参照してこの例示的な回路２００を説明しているが、任意の適切な値及び種類の部品を利用して回路２００の電圧クランプ及び熱制限機能を提供し得ることは明らかである。

【0028】

[0028]例示的な回路２００は、安定化レール２０２とグラウンドレール２０４の間に印加される電圧を安全クランプ電圧にクランプするように構成されたシャントレギュレータ集成体２０１を含む。シャントレギュレータ集成体は、１つ以上の抵抗２０６、増幅器２０８、増幅器２０８の非反転端子に接続された基準電圧２１０、及び増幅器２０８の電圧出力端子に接続されたトランジスタ２１２などの１つ以上の調整部品を含み得る。例示的な回路２００では、増幅器２０８は、基準電圧２１０とシャントされた安定化レール２０２からのフィードバック電圧との差に応じてトランジスタ２１２を駆動する。従って、例示的な回路２００内で消費される電力の大部分はトランジスタ２１２で消費され、場合によっては、このトランジスタ２１２の温度が上昇し得る。

【0029】

[0029]このようにトランジスタ２１２（またはシャントレギュレータ集成体２０１の１つ以上の他の調整部品内）の温度が上昇すると、（囲み２１６によって示すように）トランジスタ２１２と熱的に結合されている熱作動部品２１４が作動し得る。この熱作動部品２１４の作動は、熱作動部品２１４における様々な変化に対応し得る。例えば、熱作動部品２１４は、トランジスタ２１２の温度が上昇すると抵抗が低下するＮＴＣサーミスタであってよい。ただし、熱作動部品２１４は任意の適切な温度センサ（ＰＴＣサーミスタ、集積回路など）を含み得ることが理解されている。あるいは、回路２００は、増幅器を利用して、トランジスタ２１２の実際の温度と目標の最高温度または閾値とを比較してもよい。

【0030】

[0030]作動すると、熱作動部品２１４は、調整部品（トランジスタ２１２など）で消費される電力を１つ以上の制限部品（トランジスタ２１８など）によって減少させる。熱作動部品２１４としてＮＴＣサーミスタが実装されている１つの例示的な事例では、サーミスタ２１４は、安定化レールとグラウンドレールの間に設けられた温度依存性の分圧器の一部として機能し、トランジスタ２１８のベース電圧を変化させ、トランジスタ２１８を「ターンオン」させるのに十分な抵抗に減少し得る（すなわち、トランジスタ２１８のベース電圧は上昇し得る）。すなわち、トランジスタ２１８のベース・エミッタ間の電圧差が増加するため、熱作動部品２１４の電圧降下は減少し得る。

【0031】

[0031]このような増加により、トランジスタ２１２は、増幅器２０８によって左右される場合に比べて「より強く」ターンオンし得る（例えば、トランジスタの電流が増加する）。その結果、安定化レール２０２とグラウンドレール２０４の間のクランプ電圧が低下して、トランジスタ２１２で消費される電力とトランジスタ２１２の温度を共に減少させることができる。

【0032】

[0032]例示的な回路２００は、電流、電圧などの値または定格を調整するための様々な他の部品（例えば、抵抗及びダイオード）をさらに含み得る。ある場合には、回路２００は、４〜２０ｍＡ本質安全回路が使用される用途向けに構成され得る。従って、回路２００の最大電流定格が１３０ｍＡである場合でも、例示的な回路２００に通常流れる電流は２５ｍＡ未満となり得る。正常動作中、回路２００は、２５ｍＡまでをシャントするように動作することができ得る。しかしながら、回路２００は、（例えば、制限部品によって）シャント電圧を低下させて、電流１３０ｍＡまでの異常状態にある調整部品を保護し得る。あるいは、回路２００の定格を１９５ｍＡまでとして、ＩＳ規格に要求される過大評価の安全率に適合させてもよい。

【0033】

[0033]図２Ａにはバイポーラ接合型トランジスタ（ｂｉｐｏｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＢＪＴ）として示されているが、トランジスタ２１２及び２１８はＢＪＴである必要はなく、容易に理解されるであろうが、その代わりに回路２００は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳＦＥＴ）技術を用いて設計されてもよい。

【0034】

[0034]１つの事例では、２５ｍＡをシャントする６Ｖのシャントレギュレータは、１５０ｍＷを消費することになる。このようにして、例示的な回路２００は、熱制限モードへと移行する（例えば、熱作動部品２１４が作動する）ことなく、上記の電力量を消費することができ得る。トランジスタ２１２のダイの最高温度が１５０℃であり、かつ８５℃の環境で装置が動作している場合、ダイから周囲への熱抵抗が２３３℃／Ｗであれば、３０℃の動作余裕を提供するのに十分となる。さらに、回路２００の定格を１９５ｍＡとする場合、回路２００は、上記のような異常動作状態においてダイ温度を１５０℃未満に保つためには、（例えば、トランジスタ２１６などの制限部品によって）安全クランプ電圧を１．４３Ｖ未満に減少させるだけでよい。

【0035】

[0035]図２Ｂは、電流検出を使用して調整部品の熱的負荷を制御する別の実施形態を示している。図２Ｂにおいて例示的な回路２２０は、図２Ａの回路とほぼ同じように機能する。すなわち、回路２２０の正常動作中、増幅器２０８は同様に、基準電圧と安定化レール２０２からのフィードバック電圧との差に応じて調整トランジスタ２２２を駆動する。回路２２０内で消費される電力の大部分は、トランジスタ２２２で消費される。トランジスタ２２２によってシャントされている電流が十分小さい場合（例えば、２５ｍＡ未満）、トランジスタ２２４はカットオフになる。トランジスタ２２４により抵抗２２６を通じてシャントされている電流が十分流れて、トランジスタ２２４をターンオンする程度に抵抗２２６にかかる電圧が降下した場合、トランジスタ２２４はトランジスタ２２２をターンオンして、回路２２０のクランプ電圧を低下させる。このようなトランジスタ２２４による電流駆動の電圧制限動作は、トランジスタ２２４がターンオンしているときのレベルをシャント中の電流が下回るまで、（増幅器２０８とトランジスタ２２２の組み合わせによって提供される）通常のシャント電圧制御に優先する。例えば、回路２２０は、設計されたクランプ電圧６Ｖにおいて２０ｍＡをシャントすることができる。しかしながら、回路２２０に供給される電流を２００ｍＡとした場合、安定化レール２０２の電圧は１．４Ｖを下回ることになる。電流駆動でクランプ電圧を低下させることにより、トランジスタ２２２で消費される電力を制限する効果がある。

【0036】

[0036]他の実施形態では、抵抗２２６にかかる電圧を増幅して、クランプ電圧を低下させるときの電流をより正確に制御してもよい。さらに他の実施形態では、乗算回路を実装して、電力を制限するのに必要な分だけ電圧を低下させることもできる。しかしながら、これらの改良は、意図した熱制限機能を達成するのに必ず必要となるわけではない。

【0037】

[0037]図３Ａ〜３Ｃは、本質安全電圧クランプ装置が一体化され得る装置パッケージの例示的な構成を示している。例えば、電圧クランプ装置１０２ａ及び／もしくは１０２ｂまたは回路２００もしくは２２０は、図３Ａ〜３Ｃに示す方法と同様の方法で一体化され得る。

【0038】

[0038]図３Ａは、本質安全電圧クランプ装置が一体化され得る一例の装置パッケージ３００のブロック図である。装置パッケージ３００は、図２Ａまたは２Ｂに示された一連の部品（例えば、回路２００）などの、電圧クランプ機能及び熱制限機能を提供するように構成された一式の部品３０２を含む。電源（電源１０８など）は、２本のリード３１０及び３１２を通じて部品３０２に電圧を供給し得るが、この２本のリード３１０及び３１２は、この例示的な装置パッケージ３００では、装置パッケージ３００から唯一外に出ている２本のリードであり得る。装置パッケージ３００は、場合によっては、本質安全規格に従った方法で製造され、または組み立てられ得る。装置パッケージ３００は、例えば、防塵であってよく、かつ／または、特定用途向けの離間距離及び機械的要件に適合してもよい。加えて、装置パッケージ３００を構成するのに用いられる材料には、電気的特性に基づいて選択された材料が含まれ得る。具体的には、装置パッケージ３００の材料は、一定の静電条件を満たすことにより、静電荷の蓄積を防止し得る。

【0039】

[0039]装置パッケージ３００などの２本のリードを備えた装置パッケージには、より大きな装置の一部である電圧クランプ回路と比べて、別の本質安全要件を適用してもよい。さらに、本質安全規格に従うために、装置パッケージ３００は、２本のリード３１０及び３１２を介して冗長な電圧クランプ装置と並列に接続されてもよい。冗長な電圧クランプ装置は、装置パッケージ３００と同様の部品を含み得るが、一般に、任意の適切な部品集成体、リード及び接続を含み得る。

【0040】

[0040]図３Ｂは、本質安全電圧クランプ装置が一体化され得る別の例示的な装置パッケージ３２０のブロック図である。装置パッケージ３００と同様に、装置パッケージ３２０は、電圧クランプ機能及び熱制限機能を提供するように構成された一式の部品３２２を含む。ただし、この場合、電源は、３本以上のリード３２４及び３２６（３本のリード、４本のリード、５本のリードなど）を通じて部品３２２に電圧を供給し得る。

【0041】

[0041]装置パッケージ３２０の３本以上のリード３２４及び３２６は、共に短絡され、さもなければ組み合わされ、または接続され得るが、それにより、２本のリード３２８及び３３０のみを装置パッケージ３２０の部品３２２に接続させる。図３Ｂには、リード３２４及び３２６が装置パッケージ３２０の内部で接続されている様子を示しているが、これらの３本以上のリード３２４及び３２６は、装置パッケージ３２０の外部または内部で組み合わされ、または接続され得ることが理解されている。

【0042】

[0042]装置パッケージ（装置パッケージ３２０など）は、２本よりも多くの電気リードを含むことにより、本質安全規格の特定の項に従い得る。このようにして、リード３２４及び３２６は、装置パッケージ３２０の電圧クランプ機能を妨げることなく内部または外部で選択的に共に短絡され、それによって規格への適合を維持し得る。さらに、装置パッケージ３２０を他の電圧クランプ装置と冗長的に組み合わせて、本質安全を維持してもよい。

【0043】

[0043]図３Ｃは、本質安全電圧クランプ装置が一体化され得るさらに別の例示的な装置パッケージ３６０のブロック図である。この装置パッケージ３６０も、電圧クランプ機能及び熱制限機能を提供するように構成された一式の部品３６２を含む。しかしながら、２本のリード３６４及び３６６に加えて、装置パッケージ３６０は、１本以上の余剰リード３６８を含む。この１本以上の余剰リード３６８には、集積回路（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ：ＩＣ）の未使用ピン、電力トランジスタパッケージの未使用リードなどが含まれ得る。

【0044】

[0044]装置パッケージ３６０は余剰リード３６８を含むが、これらの余剰リード３６８は、（図３Ｄの「Ｘ」に示すように）その他の回路部品と電気的に接続されているとは限らない。このようにして、装置パッケージ３６０では、装置パッケージ３６０の電圧クランプ機能を余剰リード３６８が妨げ得ないことが保証され、場合によっては、装置パッケージ３６０が一定の本質安全規格に従うことが保証され得る。例えば、一定の本質安全規格では、集積回路においてその各リードを任意の組み合わせで電気的に短絡しても安全を維持することが求められ得る。

【0045】

[0045]図３Ａ〜３Ｃは、一定数の個別部品、リード及び接続種類を示しているが、任意の数及び組み合わせの部品、リード及び接続種類を装置パッケージが含み得ることは明らかである。例えば、装置パッケージは、安定化レール及びグラウンドレールにそれぞれ接続された２本、３本、５本などのリードを含んでもよく、（例えば、電源に接続された）２本の主要電気リードに加えて、０本、１本、２本などの電気リードを含んでもよい。
［発明の項目］
［項目１］
本質安全電圧クランプ装置であって、
安定化レールと、
グラウンドレールと、
前記安定化レールと前記グラウンドレールの双方に接続され、１つ以上の調整部品を含むシャントレギュレータ集成体であって、前記安定化レールと前記グラウンドレールの間に印加される電圧を安全クランプ電圧の値にクランプするように構成されたシャントレギュレータ集成体と、
電力検出部品であって、
（１）少なくとも１つの前記調整部品の温度が閾値を超えると、前記少なくとも１つの前記調整部品で消費される電力を１つ以上の制限部品によって減少させるように構成された熱作動部品、または
（２）電流検出抵抗であって、前記電流検出抵抗に流れる電流が閾値を超えると、前記少なくとも１つの前記調整部品で消費される電力を１つ以上の制限部品によって減少させるように構成された電流検出抵抗、を含む電力検出部品と、
を備える本質安全電圧クランプ装置。
［項目２］
前記安定化レール、前記グラウンドレール、前記シャントレギュレータ集成体、前記電力検出部品及び前記制限部品が、２本のリードを備えた装置パッケージ内に共に一体化されている、項目１の本質安全電圧クランプ装置。
［項目３］
前記装置パッケージが、前記２本のリードを介し、少なくとも１つの冗長な装置パッケージであって、前記冗長な装置パッケージに印加される前記電圧を冗長な安全クランプ電圧の値にクランプするように構成された少なくとも１つの冗長な装置パッケージに接続されている、項目１または２の本質安全電圧クランプ装置。
［項目４］
前記安定化レール、前記グラウンドレール、前記シャントレギュレータ集成体、前記電力検出部品及び前記制限部品が、２本より多いリードを備えた装置パッケージ内に共に一体化されている、項目１〜３のいずれか１項の本質安全電圧クランプ装置。
［項目５］
前記装置パッケージの２本のリードが前記安定化レールと前記グラウンドレールにそれぞれ電気的に接続されており、余剰なリードは、前記リード間を任意の組み合わせで短絡しても前記本質安全電圧クランプ装置の電圧クランプ機能を妨げないように構成されている、項目１〜４のいずれか１項の本質安全電圧クランプ装置。
［項目６］
前記装置パッケージが電力トランジスタパッケージである、項目１〜５のいずれか１項の本質安全電圧クランプ装置。
［項目７］
前記電力検出部品が前記熱作動部品であり、前記熱作動部品が物理的近接によって前記１つ以上の調整部品と熱的に結合されている、項目１〜６のいずれか１項の本質安全電圧クランプ装置。
［項目８］
前記電力検出部品が前記熱作動部品であり、前記熱作動部品が熱接着剤によって前記１つ以上の調整部品と熱的に結合されている、項目１〜７のいずれか１項の本質安全電圧クランプ装置。
［項目９］
前記１つ以上の調整部品が第１トランジスタを含み、前記１つ以上の制限部品が第２トランジスタを含む、項目１〜８のいずれか１項の本質安全電圧クランプ装置。
［項目１０］
前記少なくとも１つの前記調整部品で消費される前記電力を減少させることは、前記第２トランジスタを作動させて、前記安定化レールと前記グラウンドレールの間に印加される前記電圧を、前記安全クランプ電圧の値よりも絶対値が小さい第２電圧にクランプすることを含む、項目１〜９のいずれか１項の本質安全電圧クランプ装置。
［項目１１］
前記電力検出部品が前記電流検出抵抗であり、前記電流検出抵抗は、前記電流検出抵抗で検出される前記電流が前記閾値を超えると、前記第２トランジスタによって前記第１トランジスタを飽和モードへと移行させるように構成されている、項目１〜１０のいずれか１項の本質安全電圧クランプ装置。
［項目１２］
プロセス制御装置であって、
第１端子及び第２端子を備えた装置部品であって、前記装置部品の前記第１端子と前記第２端子の間に電圧が印加されているときにエネルギーを蓄える装置部品と、
前記装置部品に電気的に接続された２つ以上の電圧クランプ装置であって、各電圧クランプ装置が他の前記電圧クランプ装置と並列に配置されていると共に、各電圧クランプ装置が前記装置部品に印加される前記電圧を安全クランプ電圧にクランプするように構成されており、各電圧クランプ装置が、
１つ以上の調整部品を含むシャントレギュレータ集成体、及び
温度または電流が閾値を超えると、少なくとも１つの前記調整部品で消費される電力を１つ以上の制限部品によって減少させるように構成された電力検出部品を備える電圧クランプ装置と、
を備えるプロセス制御装置。
［項目１３］
前記１つ以上の調整部品が第１トランジスタを含み、前記１つ以上の制限部品が第２トランジスタを含む、項目１２のプロセス制御装置。
［項目１４］
前記少なくとも１つの前記調整部品で消費される前記電力を減少させることは、前記第２トランジスタを作動させて、前記装置部品に印加される前記電圧を、前記安全クランプ電圧の値よりも絶対値が小さい第２電圧にクランプすることを含む、項目１２または１３のプロセス制御装置。
［項目１５］
前記２つ以上の電圧クランプ装置のそれぞれが、２本の外部電気リードを備えた装置パッケージ内に一体化されている、項目１２〜１４のいずれか１項のプロセス制御装置。
［項目１６］
前記２つ以上の電圧クランプ装置のそれぞれが、２本の主外部電気リード及び１本以上の副外部電気リードを備えた装置パッケージ内に一体化されている、項目１２〜１５のいずれか１項のプロセス制御装置。
［項目１７］
前記装置パッケージの前記副外部電気リードは、前記装置パッケージ内部のいずれにも電気的に接続されていない、項目１２〜１６のいずれか１項のプロセス制御装置。
［項目１８］
前記電力検出部品が熱作動部品であり、前記熱作動部品が温度センサ及び増幅器を含む、項目１２〜１７のいずれか１項のプロセス制御装置。
［項目１９］
前記電力検出部品が熱作動部品であり、前記熱作動部品がサーミスタを含む、項目１２〜１８のいずれか１項のプロセス制御装置。
［項目２０］
前記電力検出部品が電流検出抵抗であり、前記電流検出抵抗は、前記電流検出抵抗に流れる電流が閾値を超えると、前記１つ以上の調整部品で消費される電力を前記１つ以上の制限部品によって減少させるように構成されている、項目１２〜１９のいずれか１項のプロセス制御装置。
［項目２１］
電圧クランプ装置であって、
安定化レールと、
グラウンドレールと、
１つ以上の調整部品を含むシャントレギュレータ集成体であって、安定化レールとグラウンドレールの間に印加される電圧を安全クランプ電圧の値にクランプするように構成されたシャントレギュレータ集成体と、
少なくとも１つの前記調整部品で消費される電力を１つ以上の制限部品によって減少させるように構成された電力検出部品と、
を備える電圧クランプ装置。
［項目２２］
前記電力検出部品は、前記少なくとも１つの前記調整部品で消費される電力を１つ以上の制限部品によって減少させるように構成された熱作動部品である、項目２１の電圧クランプ装置。
［項目２３］
前記電力検出部品は、前記少なくとも１つの前記調整部品で消費される電力を１つ以上の制限部品によって減少させるように構成された電流検出抵抗である、項目２１または２２の電圧クランプ装置。
［項目２４］
前記電圧クランプ装置は、本質安全装置用に定められた規格に適合する、項目２１〜２３のいずれか１項の電圧クランプ装置。
［項目２５］
前記１つ以上の調整部品が第１トランジスタを含み、前記１つ以上の制限部品が第２トランジスタを含む、項目２１〜２４のいずれか１項の電圧クランプ装置。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図3C】