JP2000323324A - 電磁操作装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 励磁開始初期の限定された短期間にのみ比較
的大きな電流を必要とするソレノイド型の電磁操作装置
として、駆動回路及び電源の電力負担を過重にすること
が無く、励磁開始時の高速化及び応答性の改善を果たす
ことができ、省電力化にも対応可能な分割コイル構成の
電磁操作装置を提供する。 【解決手段】 バネ力に抗して機械的出力を弁体に作用
させる電磁操作装置。互いに電気的に独立した複数の分
割コイルからなるソレノイドコイルと、各分割コイルか
ら生じる磁束が共通に流れる磁路ループを形成するよう
にソレノイドコイルに組み合わされた固定鉄心、可動鉄
心及びヨークからなる鉄心構体と、個々の分割コイルに
対する通電を選択的に切換制御する励磁制御器と、いず
れか一つ以上の分割コイルが励磁されたときに固定鉄心
に磁気吸引される可動鉄心の変位に基づく機械的出力を
弁体に伝える伝達機構とを備える。
的大きな電流を必要とするソレノイド型の電磁操作装置
として、駆動回路及び電源の電力負担を過重にすること
が無く、励磁開始時の高速化及び応答性の改善を果たす
ことができ、省電力化にも対応可能な分割コイル構成の
電磁操作装置を提供する。 【解決手段】 バネ力に抗して機械的出力を弁体に作用
させる電磁操作装置。互いに電気的に独立した複数の分
割コイルからなるソレノイドコイルと、各分割コイルか
ら生じる磁束が共通に流れる磁路ループを形成するよう
にソレノイドコイルに組み合わされた固定鉄心、可動鉄
心及びヨークからなる鉄心構体と、個々の分割コイルに
対する通電を選択的に切換制御する励磁制御器と、いず
れか一つ以上の分割コイルが励磁されたときに固定鉄心
に磁気吸引される可動鉄心の変位に基づく機械的出力を
弁体に伝える伝達機構とを備える。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電磁操作装置に関
し、更に詳しくはソレノイドコイルによる電磁石装置で
構成された電気−機械変換器として電磁弁や比例電磁制
御弁の弁体をバネ力に抗して機械的出力で駆動操作する
ための特に省電力化或いは動作の高速化又は応答性の改
善に好適な電磁操作装置に関するものである。
し、更に詳しくはソレノイドコイルによる電磁石装置で
構成された電気−機械変換器として電磁弁や比例電磁制
御弁の弁体をバネ力に抗して機械的出力で駆動操作する
ための特に省電力化或いは動作の高速化又は応答性の改
善に好適な電磁操作装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】切換弁や比例弁を始めとする各種電磁操
作弁における電磁操作装置として、バネ力に対抗する機
械的出力を弁体に作用させるための電気−機械変換器に
は種々の形式のものが知られている。このうち、電磁操
作弁にはソレノイドコイルを利用した電磁石装置、一般
にはソレノイド装置と呼ばれる電磁プランジャー装置が
広く利用されており、その省電力化と小型軽量化の工夫
が従来から種々提案されている。
作弁における電磁操作装置として、バネ力に対抗する機
械的出力を弁体に作用させるための電気−機械変換器に
は種々の形式のものが知られている。このうち、電磁操
作弁にはソレノイドコイルを利用した電磁石装置、一般
にはソレノイド装置と呼ばれる電磁プランジャー装置が
広く利用されており、その省電力化と小型軽量化の工夫
が従来から種々提案されている。
【０００３】この種のソレノイド装置では、主に固定鉄
心と可動鉄心及びヨークからなる鉄心構体にソレノイド
コイルが装備されており、励磁されたソレノイドコイル
から生じる磁束が鉄心構体で形成される磁路中を流れる
ことにより、固定鉄心に対して磁路中で空隙を形成して
いる可動鉄心が固定鉄心に磁気吸引され、このときの可
動鉄心の変位に基づく機械的出力を例えばプッシュロッ
ドやコイルバネを介して弁体に伝達するようになってい
る。
心と可動鉄心及びヨークからなる鉄心構体にソレノイド
コイルが装備されており、励磁されたソレノイドコイル
から生じる磁束が鉄心構体で形成される磁路中を流れる
ことにより、固定鉄心に対して磁路中で空隙を形成して
いる可動鉄心が固定鉄心に磁気吸引され、このときの可
動鉄心の変位に基づく機械的出力を例えばプッシュロッ
ドやコイルバネを介して弁体に伝達するようになってい
る。
【０００４】従来から、このような電磁操作弁のソレノ
イド装置による動作を高速化して応答性を改善するため
の実験及び研究がなされてきているが、その多くは電気
的時定数（λ＝Ｌ／Ｒ）の小さなコイル仕様の選定や、
比較的高い電源電圧での駆動に対応させるためのコイル
の設計に関連し、この見地からみた場合は現在のソレノ
イド装置の仕様は或る意味で成熟の域にあると言っても
過言ではない。
イド装置による動作を高速化して応答性を改善するため
の実験及び研究がなされてきているが、その多くは電気
的時定数（λ＝Ｌ／Ｒ）の小さなコイル仕様の選定や、
比較的高い電源電圧での駆動に対応させるためのコイル
の設計に関連し、この見地からみた場合は現在のソレノ
イド装置の仕様は或る意味で成熟の域にあると言っても
過言ではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】切換弁などの単なるオ
ン・オフ動作または比例弁のように比例励磁動作を行う
各種の電磁操作弁において、応答性の向上を目的として
ソレノイド装置のコイル時定数を小さくするには巻数を
少なくすることで実現できるが、このコイルが元のコイ
ルと同じ磁気吸引力を発生するためにはアンペア・ター
ン（ＡＴ）一定の原則に従って励磁電流を増加しなけれ
ばならない。例えば、コイル巻数１０００Ｔのソレノイ
ドコイルを想定した場合、これを均等に１／２の巻数５
００Ｔの二つの分割コイルで構成し、これら分割コイル
を並列接続して動作させれば応答性が改善されるが、元
の巻数１０００Ｔのソレノイドコイルの場合と同じ吸引
力を得るには並列合成コイルに供給する電源電流は２倍
必要となり、ソレノイド装置の駆動回路及び電源が担う
べき電力負担が増加するだけでなく、配線やコイル内で
の電力損失および電磁誘導ノイズも増加する。従って、
巻数の少ないソレノイドコイルの使用は動作の高速化お
よび応答性の改善には有効であるが、過度に駆動電流が
大きくなるコイルは実用上の面で現実的ではないとされ
ている。
ン・オフ動作または比例弁のように比例励磁動作を行う
各種の電磁操作弁において、応答性の向上を目的として
ソレノイド装置のコイル時定数を小さくするには巻数を
少なくすることで実現できるが、このコイルが元のコイ
ルと同じ磁気吸引力を発生するためにはアンペア・ター
ン（ＡＴ）一定の原則に従って励磁電流を増加しなけれ
ばならない。例えば、コイル巻数１０００Ｔのソレノイ
ドコイルを想定した場合、これを均等に１／２の巻数５
００Ｔの二つの分割コイルで構成し、これら分割コイル
を並列接続して動作させれば応答性が改善されるが、元
の巻数１０００Ｔのソレノイドコイルの場合と同じ吸引
力を得るには並列合成コイルに供給する電源電流は２倍
必要となり、ソレノイド装置の駆動回路及び電源が担う
べき電力負担が増加するだけでなく、配線やコイル内で
の電力損失および電磁誘導ノイズも増加する。従って、
巻数の少ないソレノイドコイルの使用は動作の高速化お
よび応答性の改善には有効であるが、過度に駆動電流が
大きくなるコイルは実用上の面で現実的ではないとされ
ている。
【０００６】また特に切換弁などのオン・オフ動作用の
ソレノイド装置では、励磁初期の状態で固定鉄心から離
反している可動鉄心に充分な磁気吸引力を作用させるた
めに比較的大きな励磁電流を供給する必要があるが、弁
が切換わった後には可動鉄心を吸着状態に保持するだけ
の比較的低い電流値しか必要ではなく、同じ励磁電流で
励磁を継続していると電力の無駄が無視できなくなる。
このため、従来より或る時限が経過したときにコイルに
直列に抵抗を挿入して励磁電流を下げる工夫が知られて
いるが、抵抗で消費される電力は熱として逃がしている
ので、電源側からみた省電力の効果はさほど得られず、
またこの時限動作をトランジスタなどの半導体素子を利
用して行う場合には電力容量の大きな素子を必要とする
難点もあった。
ソレノイド装置では、励磁初期の状態で固定鉄心から離
反している可動鉄心に充分な磁気吸引力を作用させるた
めに比較的大きな励磁電流を供給する必要があるが、弁
が切換わった後には可動鉄心を吸着状態に保持するだけ
の比較的低い電流値しか必要ではなく、同じ励磁電流で
励磁を継続していると電力の無駄が無視できなくなる。
このため、従来より或る時限が経過したときにコイルに
直列に抵抗を挿入して励磁電流を下げる工夫が知られて
いるが、抵抗で消費される電力は熱として逃がしている
ので、電源側からみた省電力の効果はさほど得られず、
またこの時限動作をトランジスタなどの半導体素子を利
用して行う場合には電力容量の大きな素子を必要とする
難点もあった。
【０００７】本発明の主要な目的は、上述のように励磁
開始初期の限定された短期間にのみ比較的大きな電流を
必要とするソレノイド型の電磁操作装置として、ソレノ
イドコイルを分割コイルで構成しながらも駆動回路及び
電源の電力負担を過重にすることが無く、励磁開始時の
高速化及び応答性の改善を果たすことのできる電磁操作
装置を提供することである。本発明の別の目的は、同様
の構成で省電力化に効果的に対応可能な電磁操作装置を
提供することである。また、これらの電磁操作装置を弁
体駆動用の電気−機械変換器として備えた電磁操作弁を
提供することも本発明の更に別の目的である。
開始初期の限定された短期間にのみ比較的大きな電流を
必要とするソレノイド型の電磁操作装置として、ソレノ
イドコイルを分割コイルで構成しながらも駆動回路及び
電源の電力負担を過重にすることが無く、励磁開始時の
高速化及び応答性の改善を果たすことのできる電磁操作
装置を提供することである。本発明の別の目的は、同様
の構成で省電力化に効果的に対応可能な電磁操作装置を
提供することである。また、これらの電磁操作装置を弁
体駆動用の電気−機械変換器として備えた電磁操作弁を
提供することも本発明の更に別の目的である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よる電磁操作装置は、上述各目的を達成するために、バ
ネ力に対抗して機械的出力を弁体に作用させる電気−機
械変換器としての電磁操作装置において、互いに電気的
に独立した複数の分割コイルからなるソレノイドコイル
と、各分割コイルから生じる磁束が共通に流れる磁路ル
ープを形成するようにソレノイドコイルに組み合わされ
た固定鉄心、可動鉄心及びヨークからなる鉄心構体と、
個々の分割コイルに対する通電を選択的に切換制御する
励磁制御器と、いずれか一つ以上の分割コイルが励磁さ
れたときに固定鉄心に磁気吸引される可動鉄心の変位に
基づく機械的出力を弁体に伝える伝達機構とを備えたこ
とを特徴とするものである。
よる電磁操作装置は、上述各目的を達成するために、バ
ネ力に対抗して機械的出力を弁体に作用させる電気−機
械変換器としての電磁操作装置において、互いに電気的
に独立した複数の分割コイルからなるソレノイドコイル
と、各分割コイルから生じる磁束が共通に流れる磁路ル
ープを形成するようにソレノイドコイルに組み合わされ
た固定鉄心、可動鉄心及びヨークからなる鉄心構体と、
個々の分割コイルに対する通電を選択的に切換制御する
励磁制御器と、いずれか一つ以上の分割コイルが励磁さ
れたときに固定鉄心に磁気吸引される可動鉄心の変位に
基づく機械的出力を弁体に伝える伝達機構とを備えたこ
とを特徴とするものである。
【０００９】即ち、本発明の電磁操作装置では、複数の
分割コイルのいずれが励磁されても共通の鉄心構体に磁
束が流れ、可動鉄心に作用する磁気吸引力を機械的出力
として弁体に伝えることができるので、励磁制御器によ
って例えば同時に励磁する分割コイルの数を選択的に変
更したり、或いは異なる時定数の分割コイルに励磁を切
り換えたりすることができ、そのときどきの励磁電流の
大きさを適宜設定することにより励磁開始時の動作の高
速化及び応答性の改善を果たしたり、或いは切換り後の
省電力化を果たしたりすることができ、その際、励磁開
始初期の期間を経過した後に電源電流を少なくするため
の操作は、励磁コイル数を少なくすること又は励磁すべ
きコイルを切り換えることで行うことができるので、直
列抵抗の挿入による場合に比べて無駄に消費される電力
を低減することもでき、また励磁コイルの切換を半導体
スイッチング素子で行うにしても、このスイッチング素
子は短時間の導通期間の後に遮断する動作を行うことに
なるので、あまり電力損失の大きな素子を用いる必要は
なく、従ってそれを収納する電装ボックスもソレノイド
コイルのケース上に搭載可能な通常の小型端子ボックス
で充分である。
分割コイルのいずれが励磁されても共通の鉄心構体に磁
束が流れ、可動鉄心に作用する磁気吸引力を機械的出力
として弁体に伝えることができるので、励磁制御器によ
って例えば同時に励磁する分割コイルの数を選択的に変
更したり、或いは異なる時定数の分割コイルに励磁を切
り換えたりすることができ、そのときどきの励磁電流の
大きさを適宜設定することにより励磁開始時の動作の高
速化及び応答性の改善を果たしたり、或いは切換り後の
省電力化を果たしたりすることができ、その際、励磁開
始初期の期間を経過した後に電源電流を少なくするため
の操作は、励磁コイル数を少なくすること又は励磁すべ
きコイルを切り換えることで行うことができるので、直
列抵抗の挿入による場合に比べて無駄に消費される電力
を低減することもでき、また励磁コイルの切換を半導体
スイッチング素子で行うにしても、このスイッチング素
子は短時間の導通期間の後に遮断する動作を行うことに
なるので、あまり電力損失の大きな素子を用いる必要は
なく、従ってそれを収納する電装ボックスもソレノイド
コイルのケース上に搭載可能な通常の小型端子ボックス
で充分である。
【００１０】本発明の電磁操作装置はオン・オフ動作お
よび比例動作のいずれにも適用可能であり、その好まし
い一態様によれば分割コイルはソレノイドコイルの巻層
の厚さ方向に分割された複数層の分割コイル層によって
構成され、また別の好適な態様によれば分割コイルはソ
レノイドコイルの軸方向に互いに重ねて配置された複数
の短尺ソレノイドによって構成される。尚、これ以外に
も、例えば二芯以上の多芯導体でコイルを巻回すること
により各芯線導体によって個々の分割コイルを構成する
ことも可能である。更に本発明において各分割コイルは
電気的に互いにほぼ等しい同一仕様を有していてもよ
く、或いは互いに異なる電気的仕様の複数の分割コイル
を含んでいてもよい。例えば比例制御の場合、個々の分
割コイルを時分割で順次励磁し、各分割コイルの転流動
作による駆動エネルギーを利用して結果として分割コイ
ル合計の駆動力を維持するようにすれば良く、またオン
・オフ制御の場合は、励磁当初に定格推力を獲得するた
めに複数の分割コイルを同時に並列励磁し、その後の保
持電流による励磁は、保持すべき電力レベルに見合った
少ないアンペアターン数に相当するコイル数だけの分割
励磁として省エネルギー化を図ることができる。
よび比例動作のいずれにも適用可能であり、その好まし
い一態様によれば分割コイルはソレノイドコイルの巻層
の厚さ方向に分割された複数層の分割コイル層によって
構成され、また別の好適な態様によれば分割コイルはソ
レノイドコイルの軸方向に互いに重ねて配置された複数
の短尺ソレノイドによって構成される。尚、これ以外に
も、例えば二芯以上の多芯導体でコイルを巻回すること
により各芯線導体によって個々の分割コイルを構成する
ことも可能である。更に本発明において各分割コイルは
電気的に互いにほぼ等しい同一仕様を有していてもよ
く、或いは互いに異なる電気的仕様の複数の分割コイル
を含んでいてもよい。例えば比例制御の場合、個々の分
割コイルを時分割で順次励磁し、各分割コイルの転流動
作による駆動エネルギーを利用して結果として分割コイ
ル合計の駆動力を維持するようにすれば良く、またオン
・オフ制御の場合は、励磁当初に定格推力を獲得するた
めに複数の分割コイルを同時に並列励磁し、その後の保
持電流による励磁は、保持すべき電力レベルに見合った
少ないアンペアターン数に相当するコイル数だけの分割
励磁として省エネルギー化を図ることができる。
【００１１】本発明の一態様によれば、励磁制御器は、
励磁開始初期の限定された期間に亘って複数の分割コイ
ルを同時に並列励磁し、その後、各分割コイルを順に時
分割励磁する切換回路を含んでいる。これにより、定格
動作時は各分割コイルを時分割励磁して定格推力を獲得
し、励磁開始初期の短時間のみ複数の分割コイルを並列
励磁して高い応答性で高推力を獲得することができ、定
格推力発生時における電源の負担過重を回避することが
できる。
励磁開始初期の限定された期間に亘って複数の分割コイ
ルを同時に並列励磁し、その後、各分割コイルを順に時
分割励磁する切換回路を含んでいる。これにより、定格
動作時は各分割コイルを時分割励磁して定格推力を獲得
し、励磁開始初期の短時間のみ複数の分割コイルを並列
励磁して高い応答性で高推力を獲得することができ、定
格推力発生時における電源の負担過重を回避することが
できる。
【００１２】本発明の別の一態様によれば、励磁制御器
は、励磁開始初期の限定された期間に亘って複数の分割
コイルを同時に並列励磁し、その後、そのうちの少なく
とも一つの分割コイルの励磁を実質的に遮断して残りの
分割コイルの励磁状態を保持する時限回路を含んでい
る。これにより並列励磁時にはソレノイドコイルの時定
数を実効的に小さくして、例えば電磁弁の電磁操作装置
として利用する際に励磁初期の大きな力が要求される期
間には比較的時定数の小さな並列分割コイルを励磁して
電磁弁の切換を高速に行わせ、切換完了後は分割コイル
を単独または直列状態で切換状態保持のための比較的少
ない電流で励磁して省電力化を果たすことが可能とな
る。
は、励磁開始初期の限定された期間に亘って複数の分割
コイルを同時に並列励磁し、その後、そのうちの少なく
とも一つの分割コイルの励磁を実質的に遮断して残りの
分割コイルの励磁状態を保持する時限回路を含んでい
る。これにより並列励磁時にはソレノイドコイルの時定
数を実効的に小さくして、例えば電磁弁の電磁操作装置
として利用する際に励磁初期の大きな力が要求される期
間には比較的時定数の小さな並列分割コイルを励磁して
電磁弁の切換を高速に行わせ、切換完了後は分割コイル
を単独または直列状態で切換状態保持のための比較的少
ない電流で励磁して省電力化を果たすことが可能とな
る。
【００１３】特に比例制御を対象とする場合、励磁制御
器は、外部から与えられる指令電流値に応じた大きさの
励磁電流を生じる電流増幅回路を含むことができる。
器は、外部から与えられる指令電流値に応じた大きさの
励磁電流を生じる電流増幅回路を含むことができる。
【００１４】本発明の別の一態様による比例制御動作用
の電磁操作装置においては、好ましくは各分割コイルは
互いに電気的な仕様が実質的に同じものであり、励磁制
御器は、各分割コイル毎に個々に励磁電流をスイッチン
グする複数の半導体スイッチング素子と、同期信号に従
って分割コイルの数に応じた位相差で各半導体スイッチ
ング素子を周期的に順次パルス転流制御でスイッチング
駆動するパルス幅変調回路と、外部から与えられる指令
電流値に応じた大きさの励磁電流を生じる電流増幅回路
とを含み、指令電流値に応じて電流増幅回路の出力によ
りパルス幅変調回路の出力パルス幅を変化させ、各半導
体スイッチング素子の動作時間幅を前記出力パルス幅に
応じて変化させるように構成されている。
の電磁操作装置においては、好ましくは各分割コイルは
互いに電気的な仕様が実質的に同じものであり、励磁制
御器は、各分割コイル毎に個々に励磁電流をスイッチン
グする複数の半導体スイッチング素子と、同期信号に従
って分割コイルの数に応じた位相差で各半導体スイッチ
ング素子を周期的に順次パルス転流制御でスイッチング
駆動するパルス幅変調回路と、外部から与えられる指令
電流値に応じた大きさの励磁電流を生じる電流増幅回路
とを含み、指令電流値に応じて電流増幅回路の出力によ
りパルス幅変調回路の出力パルス幅を変化させ、各半導
体スイッチング素子の動作時間幅を前記出力パルス幅に
応じて変化させるように構成されている。
【００１５】これにより、励磁開始初期の限定された期
間において比例制御のための定常推力指令電流値より大
きな最大推力指令電流値を与えるとパルス幅変調回路の
出力パルス幅が広がるので各半導体スイッチング素子の
動作時間が重なり、結果として各分割コイルが同時に並
列励磁されることになるのでコイル抵抗と巻数の少ない
ソレノイドコイルと同等の高い応答性を得ることがで
き、励磁開始に対する電磁操作装置の応答性が向上す
る。
間において比例制御のための定常推力指令電流値より大
きな最大推力指令電流値を与えるとパルス幅変調回路の
出力パルス幅が広がるので各半導体スイッチング素子の
動作時間が重なり、結果として各分割コイルが同時に並
列励磁されることになるのでコイル抵抗と巻数の少ない
ソレノイドコイルと同等の高い応答性を得ることがで
き、励磁開始に対する電磁操作装置の応答性が向上す
る。
【００１６】上記限定期間の経過後に指令電流値を本来
の比例制御の設定値である定常推力指令電流値に低下さ
せるとパルス幅変調回路の出力パルス幅も短くなり、従
って各半導体スイッチング素子の動作時間の重なりが減
少もしくは無くなるので、このときの各分割コイルの励
磁タイミング、即ち各半導体スイッチング素子の動作周
期と位相差を、各分割コイルに順に流れる励磁電流が電
源側からみて「非分割コイル構成の等価的なソレノイド
コイル」に流れるべき励磁電流と同等となるように予め
設計しておくことにより、ソレノイドコイル全体の電流
の平均化と電源電流の平均化を果たして電流ピークを非
分割時と同等に維持することができ、いずれにせよコイ
ル駆動回路や電源の負担を過重にすることなく応答性を
効果的に向上することが可能となる。
の比例制御の設定値である定常推力指令電流値に低下さ
せるとパルス幅変調回路の出力パルス幅も短くなり、従
って各半導体スイッチング素子の動作時間の重なりが減
少もしくは無くなるので、このときの各分割コイルの励
磁タイミング、即ち各半導体スイッチング素子の動作周
期と位相差を、各分割コイルに順に流れる励磁電流が電
源側からみて「非分割コイル構成の等価的なソレノイド
コイル」に流れるべき励磁電流と同等となるように予め
設計しておくことにより、ソレノイドコイル全体の電流
の平均化と電源電流の平均化を果たして電流ピークを非
分割時と同等に維持することができ、いずれにせよコイ
ル駆動回路や電源の負担を過重にすることなく応答性を
効果的に向上することが可能となる。
【００１７】この場合、指令電流値が励磁開始初期の最
大推力指令電流値に対応するときには各半導体スイッチ
ング素子の動作時間の重なりを最大とするように、また
指令電流値が比例制御のための定常推力指令電流値に対
応するときには各半導体スイッチング素子相互の動作時
間の重なりを実質的に無くすように、励磁制御器にはパ
ルス幅変調回路の転流周期と位相差を制御する同期回路
を更に含んでいてもよい。
大推力指令電流値に対応するときには各半導体スイッチ
ング素子の動作時間の重なりを最大とするように、また
指令電流値が比例制御のための定常推力指令電流値に対
応するときには各半導体スイッチング素子相互の動作時
間の重なりを実質的に無くすように、励磁制御器にはパ
ルス幅変調回路の転流周期と位相差を制御する同期回路
を更に含んでいてもよい。
【００１８】本発明の更に別の一態様においては、分割
コイルは互いに電気的仕様の異なる第１分割コイルと第
２分割コイルとを含んでおり、この第１分割コイルと第
２分割コイルは互いにコイル時定数が異なっている。
コイルは互いに電気的仕様の異なる第１分割コイルと第
２分割コイルとを含んでおり、この第１分割コイルと第
２分割コイルは互いにコイル時定数が異なっている。
【００１９】第２分割コイルのコイル時定数を第１分割
コイルのコイル時定数よりも小さくした場合、ソレノイ
ドコイルは、第２分割コイルの線径が第１分割コイルの
線径よりも太いという特徴、或いは第２分割コイルの巻
数が第１分割コイルの巻数より少ないという特徴、或い
はそれら両方の特徴を備えることができ、いずれの場合
もこれら分割コイルの巻層を同心状に積層する事がで
き、特に好ましくは励磁条件によって発熱量が大きくな
る方の分割コイルの巻層の外周に他方の分割コイルの巻
層を積層するとよい。
コイルのコイル時定数よりも小さくした場合、ソレノイ
ドコイルは、第２分割コイルの線径が第１分割コイルの
線径よりも太いという特徴、或いは第２分割コイルの巻
数が第１分割コイルの巻数より少ないという特徴、或い
はそれら両方の特徴を備えることができ、いずれの場合
もこれら分割コイルの巻層を同心状に積層する事がで
き、特に好ましくは励磁条件によって発熱量が大きくな
る方の分割コイルの巻層の外周に他方の分割コイルの巻
層を積層するとよい。
【００２０】このように電気的に仕様の異なる分割コイ
ルを含む場合、励磁制御器は、励磁開始初期の限定され
た期間に亘って第２分割コイルを第１の電流値で励磁
し、その後、第２分割コイルの励磁を実質的に遮断する
と共に第１分割コイルを第１の電流値より低い第２の電
流値で励磁する電流切換回路を含むことができ、これに
よって例えば電磁弁の電磁操作装置として利用する際に
励磁初期の大きな力が要求される期間には比較的巻数が
少なく時定数の小さな第２分割コイルを大電流で励磁し
て電磁弁の切換を高速に行わせ、切換完了後は第２分割
コイルの励磁を遮断して第１分割コイルを切換状態保持
のための比較的低い電流値で励磁し、無駄な電力消費を
生じる抵抗を用いることなく省電力化を果たすことがで
きる。
ルを含む場合、励磁制御器は、励磁開始初期の限定され
た期間に亘って第２分割コイルを第１の電流値で励磁
し、その後、第２分割コイルの励磁を実質的に遮断する
と共に第１分割コイルを第１の電流値より低い第２の電
流値で励磁する電流切換回路を含むことができ、これに
よって例えば電磁弁の電磁操作装置として利用する際に
励磁初期の大きな力が要求される期間には比較的巻数が
少なく時定数の小さな第２分割コイルを大電流で励磁し
て電磁弁の切換を高速に行わせ、切換完了後は第２分割
コイルの励磁を遮断して第１分割コイルを切換状態保持
のための比較的低い電流値で励磁し、無駄な電力消費を
生じる抵抗を用いることなく省電力化を果たすことがで
きる。
【００２１】また、電流切換回路に加えて、外部から与
えられる指令電流値に応じた大きさの励磁電流を生じる
電流増幅回路を更に備えることもでき、これによって例
えば比例電磁制御弁の電磁操作装置として利用する場合
にも比例制御動作に加えて同様な応答性の改善を果たす
ことができる。
えられる指令電流値に応じた大きさの励磁電流を生じる
電流増幅回路を更に備えることもでき、これによって例
えば比例電磁制御弁の電磁操作装置として利用する場合
にも比例制御動作に加えて同様な応答性の改善を果たす
ことができる。
【００２２】本発明において、特に比例制御用の電磁操
作装置の場合は、ソレノイドコイルに流れる負荷電流の
大きさを検出する電流検出手段と、前記電流増幅回路に
前記電流検出手段の検出電流値によって帰還をかける電
流フィードバック回路とを更に備えていてもよい。
作装置の場合は、ソレノイドコイルに流れる負荷電流の
大きさを検出する電流検出手段と、前記電流増幅回路に
前記電流検出手段の検出電流値によって帰還をかける電
流フィードバック回路とを更に備えていてもよい。
【００２３】同様に比例制御用の電磁操作装置の場合、
ソレノイドコイルから生じる磁界の強度を検出する磁気
センサーと、前記電流増幅回路に磁気センサーの検出出
力によって帰還をかける磁気フィードバック回路とを更
に備えていてもよい。
ソレノイドコイルから生じる磁界の強度を検出する磁気
センサーと、前記電流増幅回路に磁気センサーの検出出
力によって帰還をかける磁気フィードバック回路とを更
に備えていてもよい。
【００２４】また同様に比例制御用の電磁操作装置の場
合、可動鉄心の変位量を検出する変位センサーと、前記
電流増幅回路に変位センサーの検出出力によって帰還を
かける位置フィードバック回路とを更に備えることも可
能である。
合、可動鉄心の変位量を検出する変位センサーと、前記
電流増幅回路に変位センサーの検出出力によって帰還を
かける位置フィードバック回路とを更に備えることも可
能である。
【００２５】本発明はまた、以上に述べた本発明による
電磁操作装置を備えた電磁操作弁も提供し、この場合、
本発明による電磁操作弁は、流体圧力又は流量の制御、
流体の流れ方向の切換え、或いは流路の開閉を制御する
ための弁体に対し、バネ力に対抗して電磁操作装置の機
械的出力を作用させ、その弁体作動の応答性の向上及び
／または省電力化を果たすものである。
電磁操作装置を備えた電磁操作弁も提供し、この場合、
本発明による電磁操作弁は、流体圧力又は流量の制御、
流体の流れ方向の切換え、或いは流路の開閉を制御する
ための弁体に対し、バネ力に対抗して電磁操作装置の機
械的出力を作用させ、その弁体作動の応答性の向上及び
／または省電力化を果たすものである。
【００２６】本発明の上述およびそれ以外の特徴と利点
は、幾つかの好適な実施例を示す添付図面を参照して以
下に詳述する実施形態の説明から明らかである。
は、幾つかの好適な実施例を示す添付図面を参照して以
下に詳述する実施形態の説明から明らかである。
【００２７】
【発明の実施の形態】本発明の好適な実施形態を図面と
共に説明すると、図１は本発明の一実施例に係る電磁操
作装置の概略構成を示す説明図であり、本実施例は比例
電磁制御弁のスプール弁体Ｖをバネ力に対抗して駆動す
る比例動作型の場合である。
共に説明すると、図１は本発明の一実施例に係る電磁操
作装置の概略構成を示す説明図であり、本実施例は比例
電磁制御弁のスプール弁体Ｖをバネ力に対抗して駆動す
る比例動作型の場合である。
【００２８】図示のように、この電磁操作装置は、互い
に電気的に独立した複数の分割コイル１０ａ〜１０ｄか
らなるソレノイドコイル１０と、各分割コイルから生じ
る磁束が共通に流れる磁路ループを形成するようにソレ
ノイドコイル１０に組み合わされた固定鉄心１１、可動
鉄心１２及びヨーク１３からなる鉄心構体と、個々の分
割コイルに対する通電を選択的に切換制御する励磁制御
器１４と、いずれか一つ以上の分割コイルが励磁された
ときに固定鉄心１１に磁気吸引される可動鉄心１２の変
位に基づく機械的出力を弁体Ｖに伝える伝達プッシュロ
ッド１５とを備えた比例ソレノイド装置を構成してい
る。
に電気的に独立した複数の分割コイル１０ａ〜１０ｄか
らなるソレノイドコイル１０と、各分割コイルから生じ
る磁束が共通に流れる磁路ループを形成するようにソレ
ノイドコイル１０に組み合わされた固定鉄心１１、可動
鉄心１２及びヨーク１３からなる鉄心構体と、個々の分
割コイルに対する通電を選択的に切換制御する励磁制御
器１４と、いずれか一つ以上の分割コイルが励磁された
ときに固定鉄心１１に磁気吸引される可動鉄心１２の変
位に基づく機械的出力を弁体Ｖに伝える伝達プッシュロ
ッド１５とを備えた比例ソレノイド装置を構成してい
る。
【００２９】励磁制御器１４は種々の回路構成をとるこ
とができ、図１の例ではソレノイドコイル１０のケース
上に搭載された電装ボックス１６内に収納されている。
またプッシュロッド１５の尾端に連結されているのは可
動鉄心１２の変位量または位置を検出して励磁制御器に
フィードバック信号を与える差動トランス式の変位セン
サー１７である。
とができ、図１の例ではソレノイドコイル１０のケース
上に搭載された電装ボックス１６内に収納されている。
またプッシュロッド１５の尾端に連結されているのは可
動鉄心１２の変位量または位置を検出して励磁制御器に
フィードバック信号を与える差動トランス式の変位セン
サー１７である。
【００３０】ソレノイドコイル１０は本例においては４
つの短尺ソレノイドからなる分割コイル１０ａ〜１０ｄ
をソレノイド軸方向に重ねて配置してなり、各分割コイ
ルはいずれも同一エネルギーで駆動されるので同一の電
気的仕様のものである。例えば、定格電圧２４Ｖ、定格
コイル抵抗１０Ωで定格推力５．５ｋｇｆのソレノイド
コイル（以下、この非分割の等価ソレノイドコイルを標
準コイルと称す）を構成する場合、分割数４の場合の各
分割コイル１０ａ〜１０ｄはそれぞれコイル抵抗２．５
Ωの短尺ソレノイドで構成し、これを全て同時に並列励
磁すると電源側から見た合成コイル抵抗は０．６２５Ω
となる。
つの短尺ソレノイドからなる分割コイル１０ａ〜１０ｄ
をソレノイド軸方向に重ねて配置してなり、各分割コイ
ルはいずれも同一エネルギーで駆動されるので同一の電
気的仕様のものである。例えば、定格電圧２４Ｖ、定格
コイル抵抗１０Ωで定格推力５．５ｋｇｆのソレノイド
コイル（以下、この非分割の等価ソレノイドコイルを標
準コイルと称す）を構成する場合、分割数４の場合の各
分割コイル１０ａ〜１０ｄはそれぞれコイル抵抗２．５
Ωの短尺ソレノイドで構成し、これを全て同時に並列励
磁すると電源側から見た合成コイル抵抗は０．６２５Ω
となる。
【００３１】勿論、分割コイルは巻層で分割してもよ
く、また分割数も４に限定されるものではない。例えば
均等分割の場合、同一定格の標準コイルを２分割する場
合は各分割コイルのコイル抵抗は５Ωで並列合成コイル
抵抗は２．５Ω、６分割の場合は各分割コイルのコイル
抵抗は１．６６７Ωで並列合成コイル抵抗は０．２７８
Ωとなる。
く、また分割数も４に限定されるものではない。例えば
均等分割の場合、同一定格の標準コイルを２分割する場
合は各分割コイルのコイル抵抗は５Ωで並列合成コイル
抵抗は２．５Ω、６分割の場合は各分割コイルのコイル
抵抗は１．６６７Ωで並列合成コイル抵抗は０．２７８
Ωとなる。
【００３２】このような分割コイルは、定格動作時には
励磁制御器１４による制御で全ての分割コイルが直列接
続状態にて励磁される。例えば標準コイルの定格推力発
生時の電流値を基準電流とした場合、直列励磁状態にお
いて個々の分割コイルに流れる電流値はこの基準電流に
等しく、電源電流も基準電流のままである。
励磁制御器１４による制御で全ての分割コイルが直列接
続状態にて励磁される。例えば標準コイルの定格推力発
生時の電流値を基準電流とした場合、直列励磁状態にお
いて個々の分割コイルに流れる電流値はこの基準電流に
等しく、電源電流も基準電流のままである。
【００３３】一方、励磁開始初期には、各分割コイルは
励磁制御器１４による制御で励磁開始後の限定された期
間に亘って並列接続状態で励磁される。このときの個々
の分割コイルに流れる電流値も基準電流に等しくされ、
従ってこの場合の電源電流は基準電流のコイル分割数倍
になる。このように、励磁開始初期において分割コイル
を並列励磁することによりソレノイドコイル１０の時定
数を一時的に小さくして駆動の高速化を果たし、高応答
性を獲得する。
励磁制御器１４による制御で励磁開始後の限定された期
間に亘って並列接続状態で励磁される。このときの個々
の分割コイルに流れる電流値も基準電流に等しくされ、
従ってこの場合の電源電流は基準電流のコイル分割数倍
になる。このように、励磁開始初期において分割コイル
を並列励磁することによりソレノイドコイル１０の時定
数を一時的に小さくして駆動の高速化を果たし、高応答
性を獲得する。
【００３４】この場合の励磁制御器１４は、図２に示す
ように、励磁開始初期の限定された期間に亘って複数の
分割コイルを同時に並列励磁し、その後、全ての分割コ
イルを直列励磁する並列−直列切換回路２１を含んでい
る。これにより、定格動作時は全ての分割コイルを直列
励磁して定格推力を獲得し、励磁開始初期の短時間のみ
複数の分割コイルを並列励磁して高い応答性で高推力を
獲得することができ、定格推力発生時における電源の負
担過重を回避することができる。
ように、励磁開始初期の限定された期間に亘って複数の
分割コイルを同時に並列励磁し、その後、全ての分割コ
イルを直列励磁する並列−直列切換回路２１を含んでい
る。これにより、定格動作時は全ての分割コイルを直列
励磁して定格推力を獲得し、励磁開始初期の短時間のみ
複数の分割コイルを並列励磁して高い応答性で高推力を
獲得することができ、定格推力発生時における電源の負
担過重を回避することができる。
【００３５】尚、図２に示した励磁制御器１４は、変位
センサー１７からの位置フィードバック信号Ｖｆを受け
取ると共に比例制御のための電流指令Ｉｓを受けて対応
する大きさの励磁電流を生じる電流増幅器２２と、個々
の分割コイルに流れる負荷電流を検出して電流増幅器２
２の入力側に負帰還量としてフィードバックする電流検
出抵抗２３も含んでいる。
センサー１７からの位置フィードバック信号Ｖｆを受け
取ると共に比例制御のための電流指令Ｉｓを受けて対応
する大きさの励磁電流を生じる電流増幅器２２と、個々
の分割コイルに流れる負荷電流を検出して電流増幅器２
２の入力側に負帰還量としてフィードバックする電流検
出抵抗２３も含んでいる。
【００３６】一般的なソレノイドコイルの電流ステップ
応答性は、下記の式で表される。
応答性は、下記の式で表される。
【００３７】
【数１】
【００３８】ここで、Ｉはコイル電流[Ａ]、Ｖは電源電
圧[Ｖ]、Ｒはコイル抵抗[Ω]、Ｌはインダクタンス[Ｈ]
であり、コイル時定数τ＝Ｌ／Ｒ[sec]で表される。
圧[Ｖ]、Ｒはコイル抵抗[Ω]、Ｌはインダクタンス[Ｈ]
であり、コイル時定数τ＝Ｌ／Ｒ[sec]で表される。
【００３９】分割コイルの並列励磁による応答性の改善
効果を種々の巻数ｔの標準コイルとの対比でコイル分割
数ごとに比較した結果を表１に示す。尚、表中で時間と
あるのは、それぞれの場合に電源投入から定格推力を発
生する電流値に達するまでの立ち上り時間を標準コイル
における立ち上り時間との比で表し、例えば標準コイル
でこの電流値が１Ａの場合は分割数２では２Ａ、分割数
４では４Ａに達するまでの相対時間比を意味する。ま
た、倍率とあるのは、立ち上り時間の短縮による高速化
の倍率を表している。
効果を種々の巻数ｔの標準コイルとの対比でコイル分割
数ごとに比較した結果を表１に示す。尚、表中で時間と
あるのは、それぞれの場合に電源投入から定格推力を発
生する電流値に達するまでの立ち上り時間を標準コイル
における立ち上り時間との比で表し、例えば標準コイル
でこの電流値が１Ａの場合は分割数２では２Ａ、分割数
４では４Ａに達するまでの相対時間比を意味する。ま
た、倍率とあるのは、立ち上り時間の短縮による高速化
の倍率を表している。
【００４０】
【表１】
【００４１】図３に電源電圧２４Ｖ印加時の分割コイル
と標準コイルとの電流ステップ応答特性の測定結果を示
す。いずの分割数においても分割コイルの並列構成コイ
ルと標準コイルとでは総巻数は同一である。標準コイル
では定格電流１Ａに達するまでの立ち上り時間は約１８
ｍｓｅｃであるが、分割数２の場合の並列励磁では対応
する基準電流値２Ａに達するまでの立ち上り時間は約
７．７ｍｓｅｃ、分割数４の場合の並列励磁では対応す
る基準電流値４Ａに達するまでの立ち上り時間は約３．
６ｍｓｅｃと短縮されている。
と標準コイルとの電流ステップ応答特性の測定結果を示
す。いずの分割数においても分割コイルの並列構成コイ
ルと標準コイルとでは総巻数は同一である。標準コイル
では定格電流１Ａに達するまでの立ち上り時間は約１８
ｍｓｅｃであるが、分割数２の場合の並列励磁では対応
する基準電流値２Ａに達するまでの立ち上り時間は約
７．７ｍｓｅｃ、分割数４の場合の並列励磁では対応す
る基準電流値４Ａに達するまでの立ち上り時間は約３．
６ｍｓｅｃと短縮されている。
【００４２】このようにして、僅か十ｍｓｅｃ未満の限
定された期間内で複数の分割コイルを同時に並列励磁す
ることで高速の立ち上りを果たし、応答性を改善する。
この期間の後は励磁制御器１４で直列励磁に切換え、全
ての分割コイルを直列接続状態で励磁するが、標準コイ
ルと同じ定格推力を生じるための電流値は各分割コイル
に標準コイルの基準電流値、例えば１Ａを流せばよく、
従って電源側の負担が標準コイル使用時よりも過重にな
ることはなく、また励磁開始初期の限定期間中も定格動
作期間中も個々の分割コイルに流れる電流値は同じであ
るので、比例制御に際して同一特性の各分割コイルのう
ちのいずれか一つに流れる電流を電流検出抵抗２３で検
出してフィードバックをかけることにより安定した制御
が可能である。
定された期間内で複数の分割コイルを同時に並列励磁す
ることで高速の立ち上りを果たし、応答性を改善する。
この期間の後は励磁制御器１４で直列励磁に切換え、全
ての分割コイルを直列接続状態で励磁するが、標準コイ
ルと同じ定格推力を生じるための電流値は各分割コイル
に標準コイルの基準電流値、例えば１Ａを流せばよく、
従って電源側の負担が標準コイル使用時よりも過重にな
ることはなく、また励磁開始初期の限定期間中も定格動
作期間中も個々の分割コイルに流れる電流値は同じであ
るので、比例制御に際して同一特性の各分割コイルのう
ちのいずれか一つに流れる電流を電流検出抵抗２３で検
出してフィードバックをかけることにより安定した制御
が可能である。
【００４３】図４は励磁制御器の別の構成例を示してお
り、この場合のコイル分割数は２であって、励磁制御器
１４ａは励磁開始初期の限定された期間に亘って二つの
分割コイル１０Ａと１０Ｂを同時に並列励磁し、その
後、そのうちの一方の分割コイル１０Ｂの励磁を実質的
に遮断して残りの分割コイル１０Ａの励磁状態を保持す
る時限回路４１を含んでいる。勿論コイル割数は２以外
でもよく、並列励磁する分割コイル数およびその後遮断
する分割コイル数も適宜選ぶことができる。また時限回
路４１は、図４に示したように抵抗ＲとコンデンサーＣ
によるタイマー回路をスイッチングトランジスタＴｒに
組み合わせてなる回路構成に限定されるものではなく、
種々のアナログまたはデジタル回路技術による変形が可
能であることは述べるまでもない。
り、この場合のコイル分割数は２であって、励磁制御器
１４ａは励磁開始初期の限定された期間に亘って二つの
分割コイル１０Ａと１０Ｂを同時に並列励磁し、その
後、そのうちの一方の分割コイル１０Ｂの励磁を実質的
に遮断して残りの分割コイル１０Ａの励磁状態を保持す
る時限回路４１を含んでいる。勿論コイル割数は２以外
でもよく、並列励磁する分割コイル数およびその後遮断
する分割コイル数も適宜選ぶことができる。また時限回
路４１は、図４に示したように抵抗ＲとコンデンサーＣ
によるタイマー回路をスイッチングトランジスタＴｒに
組み合わせてなる回路構成に限定されるものではなく、
種々のアナログまたはデジタル回路技術による変形が可
能であることは述べるまでもない。
【００４４】図４において、トランジスタＴｒは分割コ
イル１０Ｂに流れる電流をオン・オフするスイッチング
トランジスタであり、電源投入直後にはコンデンサＣに
は電荷が蓄積されていないのでベース・エミッタ間電圧
が高く、従ってトランジスタＴｒは導通状態となって分
割コイル１０Ａと１０Ｂは同時に並列励磁される。トラ
ンジスタＴｒの導通によってベース電流によりコンデン
サＣが充電され、その充電電位がＲＣ時定数で定まる時
間の経過後に電源電圧近傍まで上昇するとトランジスタ
Ｔｒが遮断して分割コイル１０Ｂの通電を実質的に断つ
ことになる。電源が遮断されるとコンデンサＣの充電電
荷はダイオードＤを通過して放電され、タイマー回路が
初期状態に復帰する。
イル１０Ｂに流れる電流をオン・オフするスイッチング
トランジスタであり、電源投入直後にはコンデンサＣに
は電荷が蓄積されていないのでベース・エミッタ間電圧
が高く、従ってトランジスタＴｒは導通状態となって分
割コイル１０Ａと１０Ｂは同時に並列励磁される。トラ
ンジスタＴｒの導通によってベース電流によりコンデン
サＣが充電され、その充電電位がＲＣ時定数で定まる時
間の経過後に電源電圧近傍まで上昇するとトランジスタ
Ｔｒが遮断して分割コイル１０Ｂの通電を実質的に断つ
ことになる。電源が遮断されるとコンデンサＣの充電電
荷はダイオードＤを通過して放電され、タイマー回路が
初期状態に復帰する。
【００４５】このようにして、励磁開始初期の短時間の
み二つの分割コイル１０Ａ，１０Ｂを並列励磁して高い
応答性で高推力を獲得し、その後は一方の分割コイル１
０Ｂの励磁を遮断して残りの分割コイル１０Ａのみの励
磁で必要な推力を獲得することができる。この場合、並
列励磁状態で定格推力を発生するように各分割コイルの
電気的仕様と電源特性を選べば、励磁開始と同時に両方
の分割コイルによって充分な推力および高速な立ち上り
特性で可動鉄心を駆動し、可動鉄心移動完了後はその状
態を維持するための保持電流として一方の分割コイルの
みの負荷電流に相当する低電流にることができ、高応答
化と省電力化の目的を達成することができる。
み二つの分割コイル１０Ａ，１０Ｂを並列励磁して高い
応答性で高推力を獲得し、その後は一方の分割コイル１
０Ｂの励磁を遮断して残りの分割コイル１０Ａのみの励
磁で必要な推力を獲得することができる。この場合、並
列励磁状態で定格推力を発生するように各分割コイルの
電気的仕様と電源特性を選べば、励磁開始と同時に両方
の分割コイルによって充分な推力および高速な立ち上り
特性で可動鉄心を駆動し、可動鉄心移動完了後はその状
態を維持するための保持電流として一方の分割コイルの
みの負荷電流に相当する低電流にることができ、高応答
化と省電力化の目的を達成することができる。
【００４６】尚、図４に示した励磁制御器１４ａの考え
方はオン・オフ動作のみならず比例動作にも利用でき、
その場合は、図２の場合と同様に、比例制御のための電
流指令を受けて対応する大きさの励磁電流を生じる電流
増幅器と、必要に応じて分割コイル１０Ａに流れる負荷
電流を検出して電流増幅器の入力側に負帰還量としてフ
ィードバックする電流検出手段を設ければよい。この場
合、一方の分割コイル１０Ａのみの励磁によって定格推
力を発生するようにコイル仕様を選び、励磁開始初期の
比較的大きな瞬時電流に対応できる電源容量とすれば立
ち上りの高速化も達成することができる。
方はオン・オフ動作のみならず比例動作にも利用でき、
その場合は、図２の場合と同様に、比例制御のための電
流指令を受けて対応する大きさの励磁電流を生じる電流
増幅器と、必要に応じて分割コイル１０Ａに流れる負荷
電流を検出して電流増幅器の入力側に負帰還量としてフ
ィードバックする電流検出手段を設ければよい。この場
合、一方の分割コイル１０Ａのみの励磁によって定格推
力を発生するようにコイル仕様を選び、励磁開始初期の
比較的大きな瞬時電流に対応できる電源容量とすれば立
ち上りの高速化も達成することができる。
【００４７】図５は励磁制御器の更に別の実施例を示し
ている。この例では、分割コイルは図１に示したような
４つの均等分割された分割コイル１０ａ〜１０ｂであ
り、励磁制御器１４ｂは比例動作用のものである。
ている。この例では、分割コイルは図１に示したような
４つの均等分割された分割コイル１０ａ〜１０ｂであ
り、励磁制御器１４ｂは比例動作用のものである。
【００４８】即ち、図５に示す励磁制御器１４ａは、各
分割コイル毎に個々に励磁電流をスイッチングする複数
のスイッチングトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４と、同期回
路５４から与えられる同期信号に従って分割コイルの数
に応じた位相差で各スイッチングトランジスタを周期的
に順次パルス転流制御でスイッチング駆動するパルス幅
変調回路５１と、変位センサー１７からの位置フィード
バック信号Ｖｆを受け取ると共に外部から与えられる電
流指令Ｉｓに応じた励磁電流を生じる電流増幅回路５２
と、ソレノイドコイルに流れる負荷電流を検出して電流
増幅器５２の入力側に負帰還量としてフィードバックす
る電流検出抵抗５３とを含み、電流指令の値に応じて電
流増幅回路５２の出力によりパルス幅変調回路５１のＰ
ＷＭ出力パルス幅を変化させ、各スイッチングトランジ
スタの動作時間幅を前記出力パルス幅に応じて変化させ
るようにしてある。
分割コイル毎に個々に励磁電流をスイッチングする複数
のスイッチングトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４と、同期回
路５４から与えられる同期信号に従って分割コイルの数
に応じた位相差で各スイッチングトランジスタを周期的
に順次パルス転流制御でスイッチング駆動するパルス幅
変調回路５１と、変位センサー１７からの位置フィード
バック信号Ｖｆを受け取ると共に外部から与えられる電
流指令Ｉｓに応じた励磁電流を生じる電流増幅回路５２
と、ソレノイドコイルに流れる負荷電流を検出して電流
増幅器５２の入力側に負帰還量としてフィードバックす
る電流検出抵抗５３とを含み、電流指令の値に応じて電
流増幅回路５２の出力によりパルス幅変調回路５１のＰ
ＷＭ出力パルス幅を変化させ、各スイッチングトランジ
スタの動作時間幅を前記出力パルス幅に応じて変化させ
るようにしてある。
【００４９】尚、同期回路５４は、電流指令が励磁開始
初期の最大推力指令電流値に対応するときは各スイッチ
ングトランジスタの動作時間の重なりを最大とするよう
に、また電流指令が比例制御のための定常推力指令電流
値に対応するときは各スイッチングトランジスタ相互の
動作時間の重なりを実質的に無くすようにパルス幅変調
回路５１の転流周期と位相差を制御する。
初期の最大推力指令電流値に対応するときは各スイッチ
ングトランジスタの動作時間の重なりを最大とするよう
に、また電流指令が比例制御のための定常推力指令電流
値に対応するときは各スイッチングトランジスタ相互の
動作時間の重なりを実質的に無くすようにパルス幅変調
回路５１の転流周期と位相差を制御する。
【００５０】この励磁制御器１４ｂによる比例制御動作
では、例えば外部のプログラマブルコントローラから所
望の励磁電流変化パターンの電流指令が与えられる。こ
の場合、分割コイル数が４であるから、電流指令は励磁
開始初期の限定された期間に亘って定常最大推力発生時
の最大４倍の電流値を指令し、その後は比例制御のため
の定常推力発生用の電流値に下げた指令を与える。この
場合も、励磁制御器１４ａは、高推力高速動作時には分
割コイルを同時に並列励磁して合成並列コイル抵抗を分
割数の二乗分の一にして駆動し、吸引力を維持するため
にアンペアターンは変化させず、一つの分割コイルに流
れる電流は常に変わらないという原則を保つものとす
る。
では、例えば外部のプログラマブルコントローラから所
望の励磁電流変化パターンの電流指令が与えられる。こ
の場合、分割コイル数が４であるから、電流指令は励磁
開始初期の限定された期間に亘って定常最大推力発生時
の最大４倍の電流値を指令し、その後は比例制御のため
の定常推力発生用の電流値に下げた指令を与える。この
場合も、励磁制御器１４ａは、高推力高速動作時には分
割コイルを同時に並列励磁して合成並列コイル抵抗を分
割数の二乗分の一にして駆動し、吸引力を維持するため
にアンペアターンは変化させず、一つの分割コイルに流
れる電流は常に変わらないという原則を保つものとす
る。
【００５１】パルス幅変調回路５１は、図６に示すよう
に分割コイル数４に応じて９０度ずつの位相差で同期し
た４相のＰＷＭ出力パルスを生じ、この出力パルスで各
スイッチングトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４をスイッチン
グ制御する。各相の出力パルス幅は電流指令に応じて変
調され、電流指令が大電流のときはパルス幅は長くな
り、電流指令が小電流になればパルス幅は短くなる。電
流指令が最大電流のときは各相のパルス出力のパルス幅
は周期に等しく１００％パルスとなり、従ってこの状態
では全てのトランジスタが同時に導通して分割コイル１
０ａ〜１０ｄが同時に並列励磁されることになる。励磁
開始初期の限定された期間では過度的にこのような大電
流の電流指令が与えられ、それにより電源側から見た負
荷電流は各分割コイルに流れる電流の総和となるが、並
列合成コイルの形成により起動時の高応答化が果たされ
ることになる。
に分割コイル数４に応じて９０度ずつの位相差で同期し
た４相のＰＷＭ出力パルスを生じ、この出力パルスで各
スイッチングトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４をスイッチン
グ制御する。各相の出力パルス幅は電流指令に応じて変
調され、電流指令が大電流のときはパルス幅は長くな
り、電流指令が小電流になればパルス幅は短くなる。電
流指令が最大電流のときは各相のパルス出力のパルス幅
は周期に等しく１００％パルスとなり、従ってこの状態
では全てのトランジスタが同時に導通して分割コイル１
０ａ〜１０ｄが同時に並列励磁されることになる。励磁
開始初期の限定された期間では過度的にこのような大電
流の電流指令が与えられ、それにより電源側から見た負
荷電流は各分割コイルに流れる電流の総和となるが、並
列合成コイルの形成により起動時の高応答化が果たされ
ることになる。
【００５２】電流指令が定常推力発生のための電流値に
下げられると各分割コイルはパルス幅変調回路５１のＰ
ＷＭ出力パルスによって上記４相周期で時分割励磁され
ることになり、平均電源電流は定格推力発生のための電
流値に抑えられる。この様子を図７に模式的に示す。
下げられると各分割コイルはパルス幅変調回路５１のＰ
ＷＭ出力パルスによって上記４相周期で時分割励磁され
ることになり、平均電源電流は定格推力発生のための電
流値に抑えられる。この様子を図７に模式的に示す。
【００５３】尚、以上に述べた比例制御の各実施例にお
いて、更に安定な励磁制御のために固定鉄心１１内に例
えばホール素子のような磁気センサーを配置し、ソレノ
イドコイルから生じる磁界の強度を検出して、これを励
磁制御器内の電流増幅器の入力側へフィードバックする
ことは好ましいことである。
いて、更に安定な励磁制御のために固定鉄心１１内に例
えばホール素子のような磁気センサーを配置し、ソレノ
イドコイルから生じる磁界の強度を検出して、これを励
磁制御器内の電流増幅器の入力側へフィードバックする
ことは好ましいことである。
【００５４】図８は本発明の更に別の実施例による電磁
操作装置の概略構成を示す説明図であり、本実施例は電
磁弁の弁体Ｖをバネ力に対抗して駆動するオン・オフ動
作型の場合である。
操作装置の概略構成を示す説明図であり、本実施例は電
磁弁の弁体Ｖをバネ力に対抗して駆動するオン・オフ動
作型の場合である。
【００５５】図８に示すように、この電磁操作装置は、
互いに電気的に独立した第１分割コイル８０ａと第２分
割コイル８０ｂからなるソレノイドコイル８０と、各分
割コイルから生じる磁束が共通に流れる磁路ループを形
成するようにソレノイドコイル８０に組み合わされた固
定鉄心８１、可動鉄心８２及びヨーク８３からなる鉄心
構体と、個々の分割コイルに対する通電を選択的に切換
制御する励磁制御器８４と、いずれか一つ以上の分割コ
イルが励磁されたときに固定鉄心８１に磁気吸引される
可動鉄心８２の変位に基づく機械的出力を弁体Ｖに伝え
る伝達プッシュロッド８５とを備えている。
互いに電気的に独立した第１分割コイル８０ａと第２分
割コイル８０ｂからなるソレノイドコイル８０と、各分
割コイルから生じる磁束が共通に流れる磁路ループを形
成するようにソレノイドコイル８０に組み合わされた固
定鉄心８１、可動鉄心８２及びヨーク８３からなる鉄心
構体と、個々の分割コイルに対する通電を選択的に切換
制御する励磁制御器８４と、いずれか一つ以上の分割コ
イルが励磁されたときに固定鉄心８１に磁気吸引される
可動鉄心８２の変位に基づく機械的出力を弁体Ｖに伝え
る伝達プッシュロッド８５とを備えている。
【００５６】励磁制御器８４は種々の回路構成をとるこ
とができ、図８の例ではソレノイドコイル８０のケース
上に搭載された電装ボックス８６内に収納されている。
またプッシュロッド８５の尾端側には手動で可動鉄心８
２を移動させるためのピン８８が配置されている。
とができ、図８の例ではソレノイドコイル８０のケース
上に搭載された電装ボックス８６内に収納されている。
またプッシュロッド８５の尾端側には手動で可動鉄心８
２を移動させるためのピン８８が配置されている。
【００５７】分割コイル８０ａと８０ｂは、本例におい
ては巻層の厚さ方向に分割された２層のコイル層を形成
しており、第１分割コイル８０ａに比べて第２分割コイ
ル８０ｂは巻線の線径が太く、また巻数も少なく、従っ
てコイル時定数は第２分割コイル８０ｂのほうが小さく
なっている。即ち第２分割コイル８０ｂは励磁開始初期
の限定された期間に亘って比較的大きな電流を流すほう
のコイルであり、大電流による発熱を考慮して第１分割
コイル８０ａの外周上に巻層を重ねている。勿論、ヒー
トシンク以外についてはどちらの分割コイルを外周側に
しても同様の機能が得られることは述べるまでもない。
ては巻層の厚さ方向に分割された２層のコイル層を形成
しており、第１分割コイル８０ａに比べて第２分割コイ
ル８０ｂは巻線の線径が太く、また巻数も少なく、従っ
てコイル時定数は第２分割コイル８０ｂのほうが小さく
なっている。即ち第２分割コイル８０ｂは励磁開始初期
の限定された期間に亘って比較的大きな電流を流すほう
のコイルであり、大電流による発熱を考慮して第１分割
コイル８０ａの外周上に巻層を重ねている。勿論、ヒー
トシンク以外についてはどちらの分割コイルを外周側に
しても同様の機能が得られることは述べるまでもない。
【００５８】この場合の励磁制御器８４の構成として
は、例えば図４に示したのと同様の時限回路４１による
励磁切換回路が適用可能である。即ち、励磁開始初期の
短時間のみ第１と第２の二つの分割コイル８０ａ，８０
ｂを並列励磁して高い応答性で高推力を獲得し、その後
は一方の第２分割コイル８０ｂの励磁を遮断して残りの
第１分割コイル８０ａのみの励磁で必要な推力を獲得す
る。第２分割コイル８０ｂは時定数が小さく、従って初
期の応答性は格段に改善される。
は、例えば図４に示したのと同様の時限回路４１による
励磁切換回路が適用可能である。即ち、励磁開始初期の
短時間のみ第１と第２の二つの分割コイル８０ａ，８０
ｂを並列励磁して高い応答性で高推力を獲得し、その後
は一方の第２分割コイル８０ｂの励磁を遮断して残りの
第１分割コイル８０ａのみの励磁で必要な推力を獲得す
る。第２分割コイル８０ｂは時定数が小さく、従って初
期の応答性は格段に改善される。
【００５９】尚、この実施例では第１分割コイル８０ａ
を定常動作用、第２分割コイル８０ｂを高速起動用のコ
イルとし、それぞれ一つずつの分割コイルで構成した場
合を示したが、例えば高速起動用分割コイルを複数の並
列接続された分割コイルで構成したり、定常動作用分割
コイルを互いに電気的仕様の異なる複数の分割コイルで
構成して組み合わせたりしても良いことは述べるまでも
ない。
を定常動作用、第２分割コイル８０ｂを高速起動用のコ
イルとし、それぞれ一つずつの分割コイルで構成した場
合を示したが、例えば高速起動用分割コイルを複数の並
列接続された分割コイルで構成したり、定常動作用分割
コイルを互いに電気的仕様の異なる複数の分割コイルで
構成して組み合わせたりしても良いことは述べるまでも
ない。
【００６０】また、以上の各実施例及び変形例は本発明
の典型的な実施形態を示すだけのものであり、例えば個
々の実施例に開示された本発明による種々の技術的思想
の抽出を交叉的に組み合わせたり、その他、当業者に自
明な変形はいずれも本発明の技術的範疇に属するものと
理解すべきである。
の典型的な実施形態を示すだけのものであり、例えば個
々の実施例に開示された本発明による種々の技術的思想
の抽出を交叉的に組み合わせたり、その他、当業者に自
明な変形はいずれも本発明の技術的範疇に属するものと
理解すべきである。
【００６１】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明による電磁
操作装置では、複数の分割コイルのいずれが励磁されて
も共通の鉄心構体に磁束が流れ、可動鉄心に作用する磁
気吸引力を機械的出力として弁体に伝えることができる
ので、励磁制御器によって例えば同時に励磁する分割コ
イルの数を選択的に変更したり、或いは異なる時定数の
分割コイルに励磁を切り換えたりすることができ、その
ときどきの励磁電流の大きさを適宜設定することにより
励磁開始時の動作の高速化及び応答性の改善を果たした
り、或いは切換り後の省電力化を果たしたりすることが
でき、その際、励磁開始初期の期間を経過した後に電源
電流を少なくするための操作は励磁コイル数を少なくし
たりコイルを切り換えたりすることで行うことができる
ので、直列抵抗の挿入による場合に比べて無駄に消費さ
れる電力を低減することもでき、また励磁コイルの切換
を半導体スイッチング素子で行うにしても、このスイッ
チング素子は短時間の導通期間の後に遮断する動作を行
うことになるので電力損失の大きな素子を用いる必要は
なく、従ってそれを収納する電装ボックスもソレノイド
コイルのケース上に搭載可能な通常の小型端子ボックス
で充分であるなど、顕著な効果を奏することが可能であ
る。
操作装置では、複数の分割コイルのいずれが励磁されて
も共通の鉄心構体に磁束が流れ、可動鉄心に作用する磁
気吸引力を機械的出力として弁体に伝えることができる
ので、励磁制御器によって例えば同時に励磁する分割コ
イルの数を選択的に変更したり、或いは異なる時定数の
分割コイルに励磁を切り換えたりすることができ、その
ときどきの励磁電流の大きさを適宜設定することにより
励磁開始時の動作の高速化及び応答性の改善を果たした
り、或いは切換り後の省電力化を果たしたりすることが
でき、その際、励磁開始初期の期間を経過した後に電源
電流を少なくするための操作は励磁コイル数を少なくし
たりコイルを切り換えたりすることで行うことができる
ので、直列抵抗の挿入による場合に比べて無駄に消費さ
れる電力を低減することもでき、また励磁コイルの切換
を半導体スイッチング素子で行うにしても、このスイッ
チング素子は短時間の導通期間の後に遮断する動作を行
うことになるので電力損失の大きな素子を用いる必要は
なく、従ってそれを収納する電装ボックスもソレノイド
コイルのケース上に搭載可能な通常の小型端子ボックス
で充分であるなど、顕著な効果を奏することが可能であ
る。
【図１】本発明の一実施例に係る電磁操作装置の概略構
成を示す説明図である。
成を示す説明図である。
【図２】励磁制御器の構成例を示す概略路図図である。
【図３】分割コイルの電流ステップ応答特性を示す線図
である。
である。
【図４】励磁制御器の別の構成例を示す概略回路図であ
る。
る。
【図５】励磁制御器の更に別の構成例を示す概略回路図
である。
である。
【図６】パルス幅変調回路の動作を説明するためのＰＷ
Ｍパルス波形線図である。
Ｍパルス波形線図である。
【図７】ＰＷＭ出力パルスでスイッチング制御される分
割コイルに流れる電流の変化を模式的に示す説明図であ
る。
割コイルに流れる電流の変化を模式的に示す説明図であ
る。
【図８】本発明の別の実施例に係る電磁操作装置の概略
構成を示す説明図である。
構成を示す説明図である。
１０：ソレノイドコイル １０ａ〜１０ｄ：分割コイル １１：固定鉄心 １２：可動鉄心 １３：ヨーク １４：励磁制御器 １５：プッシュロッド（伝達機構） １７：変位センサー ２１：切換回路 ２２：電流増幅器 ２３：電流検出抵抗 ４１：時限回路 ５１：パルス幅変調回路 ５２：電流増幅器 ５３：電流検出抵抗 ５４：同期回路 ８０：ソレノイドコイル ８０ａ：第１分割コイル ８０ｂ：第２分割コイル ８１：固定鉄心 ８２：可動鉄心 ８３：ヨーク ８４：励磁制御器 ８５：プッシュロッド
Claims (19)
- 【請求項１】 バネ力に対抗して機械的出力を弁体に作
用させる電気−機械変換器としての電磁操作装置におい
て、互いに電気的に独立した複数の分割コイルからなる
ソレノイドコイルと、各分割コイルから生じる磁束が共
通に流れる磁路ループを形成するようにソレノイドコイ
ルに組み合わされた固定鉄心、可動鉄心及びヨークから
なる鉄心構体と、個々の分割コイルに対する通電を選択
的に切換制御する励磁制御器と、いずれか一つ以上の分
割コイルが励磁されたときに固定鉄心に磁気吸引される
可動鉄心の変位に基づく機械的出力を弁体に伝える伝達
機構とを備えたことを特徴とする電磁操作装置。 - 【請求項２】 分割コイルが、ソレノイドコイルの巻層
の厚さ方向に分割された複数層の分割コイル層からなる
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁操作装置。 - 【請求項３】 分割コイルが、ソレノイドコイルの軸方
向に互いに重ねて配置された複数の短尺ソレノイドから
なることを特徴とする請求項１に記載の電磁操作装置。 - 【請求項４】 各分割コイルが電気的に互いにほぼ等し
い同一仕様を有することを特徴とする請求項２または３
に記載の電磁操作装置。 - 【請求項５】 励磁制御器が、励磁開始初期の限定され
た期間に亘って複数の分割コイルを同時に並列励磁し、
その後、各分割コイルを順に時分割励磁する切換回路を
含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記
載の電磁操作装置。 - 【請求項６】 励磁制御器が、励磁開始初期の限定され
た期間に亘って複数の分割コイルを同時に並列励磁し、
その後、そのうちの少なくとも一つの分割コイルの励磁
を実質的に遮断して残りの分割コイルの励磁状態を保持
する時限回路を含むことを特徴とする請求項１〜４のい
ずれか１項に記載の電磁操作装置。 - 【請求項７】 励磁制御器が、外部から与えられる指令
電流値に応じた大きさの励磁電流を生じる電流増幅回路
を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に
記載の電磁操作装置。 - 【請求項８】 励磁制御器が、各分割コイル毎に個々に
励磁電流をスイッチングする複数の半導体スイッチング
素子と、同期信号に従って分割コイルの数に応じた位相
差で各半導体スイッチング素子を周期的に順次パルス転
流制御でスイッチング駆動するパルス幅変調回路と、外
部から与えられる指令電流値に応じた大きさの励磁電流
を生じる電流増幅回路とを含み、指令電流値に応じて電
流増幅回路の出力によりパルス幅変調回路の出力パルス
幅を変化させ、各半導体スイッチング素子の動作時間幅
を前記出力パルス幅に応じて変化させるようにしたこと
を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁
操作装置。 - 【請求項９】 励磁制御器が、指令電流値が励磁開始初
期の最大推力指令電流値に対応するときには各半導体ス
イッチング素子の動作時間の重なりを最大とするよう
に、また指令電流値が比例制御のための定常推力指令電
流値に対応するときには各半導体スイッチング素子相互
の動作時間の重なりを実質的に無くすようにパルス幅変
調回路の転流周期と位相差を制御する同期回路を更に含
むことを特徴とする請求項８に記載の電磁操作装置。 - 【請求項１０】 分割コイルが第１分割コイルと第２分
割コイルとを含み、第１分割コイルのコイル時定数と第
２分割コイルのコイル時定数とが互いに異なっているこ
とを特徴とする請求項２または３に記載の電磁操作装
置。 - 【請求項１１】 第２分割コイルのコイル時定数が第１
分割コイルの時定数より小さいことを特徴とする請求項
１０に記載の電磁操作装置。 - 【請求項１２】 第２分割コイルの線径が第１分割コイ
ルの線径より太いことを特徴とする請求項１１に記載の
電磁操作装置。 - 【請求項１３】 第１分割コイルと第２分割コイルとの
いずれか一方のコイルの巻層の外周に他方のコイルの巻
層が同心状に積層されていることを特徴とする請求項１
０〜１２のいずれか１項に記載の電磁操作装置。 - 【請求項１４】 励磁制御器が、励磁開始初期の限定さ
れた期間に亘って第２分割コイルを第１の電流値で励磁
し、その後、第２分割コイルの励磁を実質的に遮断する
と共に第１分割コイルを第１の電流値より低い第２の電
流値で励磁する電流切換回路を含むことを特徴とする請
求項１１〜１３のいずれか１項に記載の電磁操作装置。 - 【請求項１５】 外部から与えられる指令電流値に応じ
た大きさの励磁電流を生じる電流増幅回路を更に備えた
ことを特徴とする請求項１４に記載の電磁操作装置。 - 【請求項１６】 励磁制御器が、ソレノイドコイルに流
れる負荷電流の大きさを検出する電流検出手段と、電流
増幅回路に前記電流検出手段の検出電流値によって負帰
還をかける電流フィードバック回路とを更に備えたこと
を特徴とする請求項７，８，９，１５のいずれか１項に
記載の電磁操作装置。 - 【請求項１７】 ソレノイドコイルから生じる磁界の強
度を検出する磁気センサーと、電流増幅回路に磁気セン
サーの検出出力によって負帰還をかける磁気フィードバ
ック回路とを更に備えたことを特徴とする請求項７，
８，９，１５，１６のいずれか１項に記載の電磁操作装
置。 - 【請求項１８】 可動鉄心の変位量を検出する変位セン
サーと、電流増幅回路に変位センサーの検出出力によっ
て負帰還をかける位置フィードバック回路とを更に備え
たことを特徴とする請求項７，８，９，１５，１６，１
７のいずれか１項に記載の電磁操作装置。 - 【請求項１９】 流体圧力又は流量の制御、流体の流れ
方向の切換え、または流路の開閉のいずれかを制御する
ための弁体に対してバネ力に対抗する機械的出力を作用
させる電気−機械変換器として、請求項１〜１８のいず
れか１項に記載の電磁操作装置を備えたことを特徴とす
る電磁操作弁。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13417999A JP4390231B2 (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | 電磁操作装置 |
| PCT/JP2000/008021 WO2002041333A1 (fr) | 1999-05-14 | 2000-11-14 | Dispositif a fonctionnement electromagnetique |
| US10/416,063 US6968859B1 (en) | 1999-05-14 | 2000-11-14 | Electromagnetic operating device |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13417999A JP4390231B2 (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | 電磁操作装置 |
| PCT/JP2000/008021 WO2002041333A1 (fr) | 1999-05-14 | 2000-11-14 | Dispositif a fonctionnement electromagnetique |
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|---|---|
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