JP2007024281A - 電磁弁駆動制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電磁弁の実装スペースの省スペース化並びに低コスト化を実現させる。
【解決手段】駆動指令期間の開始時点から第1期間にわたって、電磁弁の駆動コイル28に、該駆動コイル28内の可動子を移動させるのに十分な定格電圧に基づく定格通電を行い、第1期間の経過後の第2期間にわたって、駆動コイル28に、前記定格通電よりも少ないデユーティ比の通電を繰り返して行う省電力通電とを行って電磁弁を駆動する駆動制御装置10であって、第1期間を設定するタイマー回路44と、第2期間において駆動コイル28に省電力通電を行うための発振回路46と、タイマー回路44からの出力に基づいて第1期間にわたり発振回路46での発振動作を停止して、駆動コイル28に定格通電を行わせる制御回路48とを有する。
【選択図】図2

Description

本発明は電磁弁駆動制御装置に関し、さらに詳細には定格駆動と省電力駆動により電磁弁を駆動する電磁弁駆動制御装置に関する。
一般に、電磁弁駆動制御装置としては、例えば特許文献1〜3に示すような電磁弁駆動制御装置がある。
特許文献1記載の電磁弁駆動制御装置は、直流電源と、スイッチ素子と、電磁弁の駆動コイルと、作動用トランジスタとが直列に接続され、該作動用トランジスタを制御する制御用トランジスタを並列に接続した構成となっている。
これにより、電磁弁の駆動コイルへの通電量の制御を、デジタル制御とすることができ、トランジスタによる制御の欠点、すなわち、温度等の影響を受け易いという欠点を除去できると共に、電磁弁駆動制御装置に汎用性を持たせることができる、という効果を奏することができる。
さらに、この特許文献1では、抵抗で分圧することによって、電磁弁の消費電力を小さくようにしている。
実公平5−47334号公報
特許文献1では、上述したように、電磁弁の低消費電力のために、抵抗で分圧することが開示されている。しかし、電磁弁の駆動コイルの所要電流に応じた抵抗が必要となることと、抵抗の発熱等を考慮して定格を決める必要があるため、通常は、抵抗のサイズが大きくならざるを得ないという問題がある。
近年、電磁弁のサイズが小さくなり、分圧のための抵抗を電磁弁の駆動コイル部に実装することは困難になってきた。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、電磁弁の実装スペースの省スペース化並びに低コスト化を実現させることができる電磁弁駆動制御装置を提供することを目的とする。
本発明に係る電磁弁駆動制御装置は、電磁弁に対する駆動指令信号の印加開始時点から第1期間にわたって、前記電磁弁の駆動コイルに、該駆動コイル内の可動子を移動させるのに十分な定格電圧に基づく定格通電を行い、前記第1期間の経過後の第2期間にわたって、前記駆動コイルに、前記定格通電よりも少ないデユーティ比の通電を繰り返して行う省電力通電とを行って前記電磁弁を駆動する電磁弁駆動制御装置であって、前記第1期間を設定するタイマー回路と、前記第2期間において前記駆動コイルに前記省電力通電を行うための発振回路と、前記タイマー回路からの出力に基づいて前記第1期間にわたり前記発振回路での発振動作を停止して、前記駆動コイルに前記定格通電を行わせる制御回路とを有することを特徴とする。
タイマー回路、発振回路及び制御回路は、安価なゲートICやトランジスタにて構成することができ、電磁弁の実装スペースの省スペース化並びに低コスト化を実現させることができる。
そして、前記構成において、前記駆動コイルを励磁するためのスイッチング素子を有し、前記発振回路は、前記第2期間において、前記駆動コイルに前記省電力通電を行うための間欠パルスを前記スイッチング素子に出力し、前記制御回路は、前記第1期間において、前記駆動コイルに前記定格通電を行わせるためのパルスを前記スイッチング素子に出力するように制御するようにしてもよい。
また、前記構成において、前記タイマー回路は、少なくともコンデンサを有し、前記駆動指令信号の印加開始時点から充電を行う充電回路と、前記充電回路での充電電圧が前記第1期間に前記充電回路に充電される規定電圧に達するまで、前記制御回路に対して、前記発振回路での発振動作を停止させるための信号を与える第1比較回路とを有するようにしてもよい。
前記タイマー回路は、放電用ダイオードを有し、前記コンデンサに蓄積された電荷を、前記駆動指令信号の印加終了時点に、前記放電用ダイオードを通じて放電させる(リセット動作)ようにしてもよい。例えば仕様によっては、第1期間を長く設定する場合があり、コンデンサの容量を大きくとる必要が出てくる。このような場合、コンデンサの自然放電に任せていると、コンデンサが完全に放電するまでに時間がかかり、そのため、駆動指令信号の印加終了時点から次の駆動指令信号の印加開始時点までに長い時間を設定する必要があり、電磁弁に対する駆動が律速されるおそれがある。
しかし、上述のように、放電用ダイオードを設けることで、前記コンデンサに蓄積されていた電荷が短時間に放電されるため、コンデンサの容量を大きくしても速いリセット動作を実現できる。
また、前記構成において、前記第1比較回路は、入力端子にダイオードが接続され、前記コンデンサに蓄積された電荷を、前記駆動指令信号の印加終了時点に、前記第1比較回路内の前記ダイオードを通じて放電させる(リセット動作)ようにしてもよい。この場合、前記コンデンサに蓄積されていた電荷が短時間に放電されるため、コンデンサの容量を大きくしても速いリセット動作を実現できる。しかも、第1比較回路内のダイオードを放電用ダイオードとして兼用するため、回路構成を簡単にすることができ、コストの低廉化を図ることができる。
また、前記構成において、前記発振回路は、シュミットトリガ型の第2比較回路と、前記第2比較回路の入力端子に接続されたコンデンサと、前記第2比較回路の前記入力端子と出力端子間に接続された放電用の第1抵抗と、前記第2比較回路の前記入力端子と出力端子間に接続された充電用の第2抵抗とダイオードとの直列回路とを有するようにしてもよい。
例えば第2比較回路の入力が低レベルで出力が高レベルの場合、該出力から直列回路を介してコンデンサに向けて電流が流れることによって、コンデンサが充電される。このとき、第2抵抗とコンデンサとのCR時定数に従って充電され、その充電電圧が第2比較回路の入力に現れる。そして、第2比較回路の入力が第1閾値を超えた時点で第2比較回路の出力が低レベルとなる。その後、コンデンサに蓄積されていた電荷が今度は第1抵抗を介して第2比較回路の出力及び第2比較回路の低レベル電源を介して放電し、前記コンデンサでの充電電圧、すなわち、第2比較回路の入力が低下する。第2比較回路の入力が第2閾値を下回った時点で第2比較回路の出力が高レベルとなる。そして、上述した一連の動作が繰り返されて駆動コイルに対する省電力通電が行われる。
このように、コンデンサに対する充電時の時定数(第2抵抗とコンデンサとのCR時定数)と放電時の時定数(第1抵抗とコンデンサとの時定数)を異ならせることができ、第2期間における前記定格通電よりも少ないデユーティ比の通電の時間を仕様に応じて自由に設定するすることができ、要求に応じた省電力通電を低コストで実現させることができる。
本発明に係る電磁弁駆動制御装置によれば、電磁弁の実装スペースの省スペース化並びに低コスト化を実現させることができる。
以下、本発明に係る電磁弁駆動制御装置の実施の形態例(以下、実施の形態に係る駆動制御装置と記す)について図1〜図3を参照しながら説明する。
まず、本実施の形態に係る駆動制御装置10を説明する前に、該駆動制御装置10が適用される電磁弁12について図1を参照しながら説明する。
この電磁弁12は、圧力流体供給ポート14、圧力流体導出ポート16、排気ポート18が形成されたバルブボデイ20を有し、バルブボデイ20内には、固定鉄心22と、ばね部材24の弾発力の作用下に固定鉄心22から離間する方向に付勢された可動子26と、固定鉄心22及び可動子26を囲繞する駆動コイル28と、駆動コイル28の励磁作用下に前記固定鉄心22に対して可動子26が吸着されることにより着座部から離間する弁体30とを備える。また、バルブボデイ20とキャップ部材32との間には、本実施の形態に係る駆動制御装置10が組み込まれた基板34が設けられる。
本実施の形態に係る駆動制御装置10は、図2に示すように、電源端子40と、制御入力端子42と、タイマー回路44と、発振回路46と、制御回路48とを備えている。
電源端子40は、逆流防止のための第1ダイオード50と、電磁弁12(図1参照)の駆動コイル28と、該駆動コイル28への通電をオンオフ制御する第1トランジスタ52(例えばnチャネル形MOSトランジスタ)との直列回路を介して制御入力端子42に接続されている。電源端子40には電磁弁12の駆動コイル28の定格電圧、例えばDC24Vの電源電圧+Vが印加され、制御入力端子42には駆動指令期間Td(図3参照)にわたって駆動指令信号Saとして低電位(例えばアース電位Vss)が印加され、駆動指令期間Td以外は、高電位(少なくとも第1トランジスタ52のゲートに印加される電位と同じかそれよりも高い電位:Vdd)が印加される。また、駆動コイル28にはサージ吸収用の第2ダイオード54が並列に接続してある。この第2ダイオード54は、駆動コイル28に蓄積されていた電磁エネルギーを第1トランジスタ52のオフ時において放出させる。
タイマー回路44は、充電回路56と、第1比較回路58とを有する。充電回路56は、駆動指令期間Tdの開始時点t0(図3参照)から充電を行う回路である。第1比較回路58は、充電回路56での充電電圧V2が、規定電圧に達するまで、制御回路48に対して、発振回路46での発振動作を停止させるための信号を与える。なお、規定電圧は、第1期間T1(図3参照)に充電回路56に充電される電圧に相当する。
具体的には、例えば図2に示すように、充電回路56は、第1抵抗60と第1コンデンサ62との直列回路を有する。第1比較回路58は、例えばシュミットトリガ型の第1コンパレータ64を有し、該第1コンパレータ64の入力端子に第1抵抗60と第1コンデンサ62との接点が接続されている。図2の例では、第1比較回路58としてシュミットトリガ型の第1コンパレータ64を用いた場合を示しているが、その他、1つの閾値電圧との比較を行う通常のコンパレータを用いてもよい。
制御回路48は、図2の例では、第2トランジスタ66(例えばnpnトランジスタ)にて構成されている。そして、第2トランジスタ66のベースがタイマー回路44における第1コンパレータ64の出力端子に接続され、第2トランジスタ66のエミッタが制御入力端子42に接続されている。
発振回路46は、例えばシュミットトリガ型の第2コンパレータ68と、該第2コンパレータ68の入力端子と制御入力端子42との間に接続された第2コンデンサ70と、第2コンパレータ68の入力端子と出力端子との間に接続された放電用の第2抵抗72と、第2コンパレータ68の入力端子と出力端子との間に接続され、第2抵抗72と並列に接続された充電用の第3抵抗74と第3ダイオード76との直列回路とを有する。そして、第2コンパレータ68の入力端子が制御回路48における第2トランジスタ66のコレクタに接続され、第2コンパレータ68の出力端子が第1トランジスタ52のゲートに接続されている。
さらに、この実施の形態に係る駆動制御装置10は、第1ダイオード50のカソードと第1抵抗60との間にツェナーダイオード78が接続されている。このツェナーダイオード78のアノードは、タイマー回路44における第1コンパレータ64の+電源端子と発振回路46における第2コンパレータ68の+電源端子にそれぞれ接続され、これにより、第1コンパレータ64の+電源電圧、第2コンパレータ68の+電源電圧、並びに第1抵抗60とツェナーダイオード78との接点の電圧がそれぞれ定電圧Vddに設定されるようになっている。定電圧Vddとしては、例えば論理回路で使用される電圧(3〜5V)を用いることができる。なお、第1コンパレータ64の−電源端子と第2コンパレータ68の−電源端子は、それぞれ制御入力端子42に接続されている。
また、この実施の形態に係る駆動制御装置10は、第1抵抗60に並列に第4ダイオード80が接続されている。すなわち、この第4ダイオード80のアノードが第1抵抗60と第1コンデンサ62との接点に接続され、カソードが第1抵抗60とツェナーダイオード78との接点に接続されている。
上記のように構成された本実施の形態に係る駆動制御装置10の動作を図3の信号波形図を参照しながら説明する。
この駆動制御装置10は、図3に示すように、予め定めた1つの駆動指令期間Tdにおいて、予め定めた第1期間T1に駆動コイル28に対して定格通電を行い、残りの第2期間T2において駆動コイル28に対して省電力通電を行うという処理を行う。
まず、初期段階では、制御入力端子42の電位V1は高電位(例えばVdd)、第1コンパレータ64の出力V3も高レベル(Vdd)、第2コンパレータ68の出力V5も高レベル(Vdd)であるとする。これにより、第1トランジスタ52のゲート−ソース間電圧は0Vであり、第1トランジスタ52はオフの状態を維持している。
そして、時点t0において、制御入力端子42の電位V1が低電位(例えばアース電位Vss)となった時点で駆動指令期間Tdが開始される。この駆動指令期間Tdにおける低電位の信号が駆動指令信号Saである。
駆動指令期間Tdの開始に伴って第1コンデンサ62が充電を開始し、第1抵抗60と第1コンデンサ62のCR時定数に従って充電電圧V2が徐々に上昇する。このとき、第1コンパレータ64の出力V3並びに第2コンパレータ68の出力V5は高レベルVddを維持しているため、特に、第1トランジスタ52は、駆動指令期間Tdが開始時点t0において、ゲート−ソース間の電圧が正電圧となるため、オンとなり、駆動コイル28は励磁することとなる。
その後、第1コンデンサ62の充電電圧V2が第1コンパレータ64の第1閾値電圧Vth1を超えた時点t1で第1コンパレータ64の出力V3が低レベルVddとなり、これによって、第2トランジスタ66がオフとなる。
時点t1において、第2コンパレータ68の入力V4が低レベルVss、出力V5が高レベルVddであることから、第2コンパレータ68の出力端子から直列回路(第3抵抗及び第3ダイオード76)を介して第2コンデンサ70に向けて電流が流れることによって、第2コンデンサ70が充電される。
このとき、第3抵抗74と第2コンデンサ70とのCR時定数に従って充電され、その充電電圧が第2コンパレータ68の入力V4に現れる。そして、第2コンパレータ68の入力V4が第1閾値Vth11を超えた時点t2で第2コンパレータ68の出力V5が低レベルVssとなる。これにより、第1トランジスタ52のゲート−ソース間電圧が0Vとなり、第1トランジスタ52はオフとなる。
時点t0から時点t2までの期間が第1期間T1であり、この実施の形態では、例えば第1期間T1が10msecとなるように、第1抵抗60、第1コンデンサ62及び第1コンパレータ64の第1閾値電圧Vth1が設定されている。
すなわち、この第1期間T1では、発振回路46での発振動作が停止され、第1コンパレータ64の出力V3と第2コンパレータ68の出力V5の高レベル(Vdd)が維持される。
従って、第1期間T1においては、第1トランジスタ52はオン状態に維持され、駆動コイル28には定格電圧が印加されて、駆動コイル28は定格電圧で駆動し、駆動コイル28にはデユーティ100%による定格通電がなされる。ここで、第1期間T1は定格電圧による駆動された駆動コイル28によって駆動コイル28内の可動子26(図1参照)が移動するのに十分な時間に設定されている。これにより、可動子26を移動させるに十分な電力が第1期間T1にわたって供給されることになり、この第1期間T1において、駆動コイル28内部の可動子26は固定鉄心22に向けて移動し、該固定鉄心22に吸着されることとなる。
第1期間T1が終了した時点t2において、第2コンパレータ68の出力V5が低レベルVssになったことにより、第2コンデンサ70に蓄積されていた電荷が今度は第2抵抗72を介して第2コンパレータ68の出力端子及び第2コンパレータ68の−電源端子を介して放電し、第2コンデンサ70での充電電圧、すなわち、第2コンパレータ68の入力V4が低下する。このとき、第2抵抗72と第2コンデンサ70とのCR時定数に従って放電される。
そして、第2コンパレータ68の入力V4が第2閾値Vth12を下回った時点で第2コンパレータ68の出力V5が高レベルVddとなり、再び第1トランジスタ52がオンになる。
第2コンパレータ68の出力V5が高レベルVddになったことにより、上述と同様に、第2コンデンサ70が充電され、第2コンパレータ68の入力V4が第1閾値Vth11を超えた時点で第2コンパレータ68の出力V5が低レベルVssとなって、再び第1トランジスタ52はオフとなる。
このように、第1期間T1を経過した後、第1トランジスタ52がオフしている期間Toffにおいては、駆動コイル28への通電が停止し、駆動コイル28に蓄積された電磁エネルギーが第2ダイオード54を通じて消費される。このオフ期間Toffは、本実施の形態では、短く設定されているため(例えば60μs)、可動子26は、固定鉄心22への吸着が維持されるか、あるいは固定鉄心22からわずかに離間する程度とされる。
一方、第1期間T1を経過した後、第1トランジスタ52がオンしている期間Tonにおいては、駆動コイル28への通電が再開し、可動子26の固定鉄心22への吸着が維持され、又は固定鉄心22からわずかに離間し、あるいは離間しそうになった可動子26が再び固定鉄心22に吸着されることとなる。
上述した一連の動作(オフ期間Toff及びオン期間Ton)が、駆動指令期間Tdが終了するまで繰り返されることによって、駆動コイル28に対する省電力通電が行われる。第1期間T1の終了時点t2から駆動指令期間Tdが終了する時点t3までの期間が第2期間T2であり、この第2期間T2において省電力通電が行われる。なお、この第2期間T2は、制御対象(流体機器)の駆動時間に応じて任意に設定することができる。
そして、制御入力端子42の電位V1が高電位Vddになった時点で、駆動指令期間Tdが終了することになるが、このとき、駆動指令期間Tdにおいて第1コンデンサ62に蓄積されていた電荷が第4ダイオード80、第1コンパレータ64の+電源端子及び−電源端子を通じて放電することとなる(リセット動作)。その後、第1コンデンサ62の両端電圧V2(充電電圧)が第1コンパレータ64の第2閾値電圧Vth2を下回った時点t4で再び第1コンパレータ64の出力V3が高レベルVddとなり、初期状態に戻ることとなる。
このように、本実施の形態に係る駆動制御装置10においては、第1期間T1を設定するタイマー回路44と、第2期間T2において駆動コイル28に省電力通電を行うための発振回路46と、タイマー回路44からの出力に基づいて第1期間T1にわたり発振回路46での発振動作を停止して、駆動コイル28に定格通電を行わせる制御回路48とを有するようにしたので、タイマー回路44、発振回路46及び制御回路48を、安価なゲートICやトランジスタにて構成することができ、電磁弁12の実装スペースの省スペース化並びに低コスト化を実現させることができる。
特に、この実施の形態では、タイマー回路44に放電用ダイオード(第4ダイオード80)を接続するようにしたので、駆動指令期間Tdにわたって第1コンデンサ62に蓄積された電荷を、駆動指令期間Tdの終了時点t3に、放電用ダイオード80を通じて放電させる(リセット動作)ことができる。
例えば仕様によっては、第1期間T1を長く設定する場合があり、第1コンデンサ62の容量を大きくとる必要が出てくる。このような場合、第1コンデンサ62の自然放電に任せていると、第1コンデンサ62が完全に放電するまでに時間がかかり、そのため、駆動指令期間Tdの終了時点t2から次の駆動指令期間Tdの開始時点t0までに長い時間を設定する必要があり、電磁弁12に対する駆動が律速されるおそれがある。
しかし、上述のように、放電用ダイオード80を設けることで、第1コンデンサ62に蓄積されていた電荷が短時間に放電されるため、第1コンデンサ62の容量を大きくしても速いリセット動作を実現できる。
上述の例では、第1コンデンサ62の放電用に第1抵抗60に並列に第4ダイオード80を接続したが、その他、第1コンパレータ64内において、該第1コンパレータ64の入力端子に接続されたダイオードを通じて放電させるようにしてもよい。
この場合、第1コンパレータ64内のダイオードを放電用ダイオードとして兼用することができるため、回路構成を簡単にすることができ、コストの低廉化を図ることができる。
なお、本発明に係る電磁弁駆動制御装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
本実施の形態に係る駆動制御装置が組み込まれた電磁弁の縦断面構造図である。 本実施の形態に係る駆動制御装置の構成を示す回路図である。 本実施の形態に係る駆動制御装置の処理動作を示す信号波形図である。
符号の説明
10…駆動制御装置 12…電磁弁
28…駆動コイル 44…タイマー回路
46…発振回路 48…制御回路
52…第1トランジスタ 56…充電回路
58…第1比較回路 60…第1抵抗
62…第1コンデンサ 64…第1コンパレータ
66…第2トランジスタ 68…第2コンパレータ
70…第2コンデンサ 72…第2抵抗
74…第3抵抗 76…第3ダイオード
80…第4ダイオード

Claims (6)

  1. 電磁弁に対する駆動指令信号の印加開始時点から第1期間にわたって、前記電磁弁の駆動コイルに、該駆動コイル内の可動子を移動させるのに十分な定格電圧に基づく定格通電を行い、前記第1期間の経過後の第2期間にわたって、前記駆動コイルに、前記定格通電よりも少ないデユーティ比の通電を繰り返して行う省電力通電とを行って前記電磁弁を駆動する電磁弁駆動制御装置であって、
    前記第1期間を設定するタイマー回路と、
    前記第2期間において前記駆動コイルに前記省電力通電を行うための発振回路と、
    前記タイマー回路からの出力に基づいて前記第1期間にわたり前記発振回路での発振動作を停止して、前記駆動コイルに前記定格通電を行わせる制御回路とを有することを特徴とする電磁弁駆動制御装置。
  2. 請求項1記載の電磁弁駆動制御装置において、
    前記駆動コイルを励磁するためのスイッチング素子を有し、
    前記発振回路は、前記第2期間において、前記駆動コイルに前記省電力通電を行うための間欠パルスを前記スイッチング素子に出力し、
    前記制御回路は、前記第1期間において、前記駆動コイルに前記定格通電を行わせるためのパルスを前記スイッチング素子に出力するように制御することを特徴とする電磁弁駆動制御装置。
  3. 請求項1又は2記載の電磁弁駆動制御装置において、
    前記タイマー回路は、
    少なくともコンデンサを有し、前記駆動指令信号の印加開始時点から充電を行う充電回路と、
    前記充電回路での充電電圧が前記第1期間に前記充電回路に充電される規定電圧に達するまで、前記制御回路に対して、前記発振回路での発振動作を停止させるための信号を与える第1比較回路とを有することを特徴とする電磁弁駆動制御装置。
  4. 請求項3記載の電磁弁駆動制御装置において、
    前記タイマー回路は、
    放電用ダイオードを有し、
    前記コンデンサに蓄積された電荷を、前記駆動指令信号の印加終了時点に、前記放電用ダイオードを通じて放電することを特徴とする電磁弁駆動制御装置。
  5. 請求項3記載の電磁弁駆動制御装置において、
    前記第1比較回路は、入力端子にダイオードが接続され、
    前記コンデンサに蓄積された電荷を、前記駆動指令信号の印加終了時点に、前記第1比較回路内の前記ダイオードを通じて放電することを特徴とする電磁弁駆動制御装置。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の電磁弁駆動制御装置において、
    前記発振回路は、
    シュミットトリガ型の第2比較回路と、
    前記第2比較回路の入力端子に接続されたコンデンサと、
    前記第2比較回路の前記入力端子と出力端子間に接続された放電用の第1抵抗と、
    前記第2比較回路の前記入力端子と出力端子間に接続された充電用の第2抵抗とダイオードとの直列回路とを有することを特徴とする電磁弁駆動制御装置。
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