JP2018162881A - 電磁弁駆動回路及び駆動回路を有する機器 - Google Patents

Abstract

【課題】第１の期間に電磁弁のソレノイドコイルに対して第１の電圧を印加することにより該電磁弁を起動させ、前記第１の期間に続く第２の期間に前記ソレノイドコイルに対して第２の電圧を印加することにより、前記電磁弁の駆動状態を保持させる電磁弁駆動回路、該電磁弁駆動回路を有する電磁弁、及び、該電磁弁の駆動方法に関する技術を、電気的コイル成分を含む負荷機器まで改良、展開する。
【解決手段】従来の２線を、３線以上とすることで、省エネ、小型化への改良を可能とし、高速化、高信頼性化などの今後の改良への道を探る。
【選択図】図３

Description

本発明は、第１の期間に電磁弁のソレノイドコイルに対して第１の電圧を印加することにより該電磁弁を起動させ、前記第１の期間に続く第２の期間に前記ソレノイドコイルに対して第２の電圧を印加することにより、前記電磁弁の駆動状態を保持させる電磁弁駆動回路、該電磁弁駆動回路を有する電磁弁、及び、該電磁弁の駆動方法に関する技術を、電気的コイル成分を含む負荷機器まで改良、展開する。

従来より、流路の途中に電磁弁を配設して電磁弁駆動回路から前記電磁弁のソレノイドコイルに電圧を印加することにより、前記電磁弁が付勢されて前記流路を開閉させることが広く行われている。この場合、第１の期間（起動時間）において、前記電磁弁駆動回路から前記ソレノイドコイルに第１の電圧を印加することにより前記電磁弁が駆動され、前記第１の期間に続く第２の期間（保持時間）において、前記電磁弁駆動回路から前記ソレノイドコイルに第２の電圧を印加することにより前記電磁弁の駆動状態が保持される。近年、上述した電磁弁について、少ない消費電力で駆動されることが望まれており、特許文献１には、少ない消費電力で駆動できることが提案されている。そして、特許文献２には、さらに少ない消費電力にするために、電磁弁の電流制御が提案されている。一方、電磁弁の起動時間を短くして、消費電力をさらに少なくする技術が提案され、それは、電磁弁起動の動作確認技術としても、特許文献３にて、提案されている。逆に言えば、電磁弁の動作確認技術が、電磁弁の消費電力を減らす技術に使える事を証明している。そして、小型化、省エネ、使いやすさの技術改良が求められていることが背景に有る。

特許第４４８２９１３号 特許第４３５９８５５号 特許第５０１９３０３号

電磁弁の省電力化は、小型化、省エネという要求から、エネルギーマネージメントという時代の要望も有り、電磁弁の消費電力の見える化が高まってきている。これは、電磁弁及び、その駆動回路の消費電力を確認できるようにすることから、さらなる電力削減、及び電力計測技術の向上も要求されている。

さらには、ＩＯＴというモノをインターネットでつなぎ、工場の生産性を高効率化することも、時代の要望で、電磁弁の動作の見える化も高まってきている。電磁弁動作の見える化は、上記特許文献３にて、起動部分について、提案されている。

そこで、電磁弁の起動、保持、停止、起動、という電磁弁の繰り返し動作の中で、その動作の見える化を提案し、電磁弁動作の見える化による工場等での使用時での信頼性を向上させ、メンテナンスを容易にし、工場等での稼働率を向上させるための提案を行うものである。

特に、上記特許文献３では、電磁弁の起動動作は見えるが、停止動作の見える化ができていないという課題が有った。それは、電磁弁 及び駆動回路への２線供給で、電磁弁の電源供給、起動／停止信号も兼ねていたからであり、電源供給が終了してから、電磁弁が停止する構成だったからである。つまり、電源供給が終了してからでは、電源供給が無く停止動作の確認ができないのである。

よって、２線供給を３線の供給として、１線の線を追加し、電源と信号を別々に供給することにより、電源の安定供給をさせて、停止動作の確認ができる構成としたものである。そして、消費電力をさらに少なくするため、起動から停止、さらに起動に至る繰り返し動作での電力の使用効率を向上させる提案も行うものである。

さらには、この消費電力を少なくする技術から発生する電気的ノイズを減らす技術の提案や、電磁弁の高速安定動作を狙う技術の提案も行うものである。そして、本提案技術を、電磁弁のみならず、電気的コイル成分を含む負荷機器まで考慮し、省電力技術の拡張性、発展性をさらに進められることを提案するものである。

時代の要望からの新たな要求に対して、検討していくにも、従来からの互換性問題をクリアしなければ、新技術の浸透性は難しくなる。よって、従来からの２線での機能を保ちつつ、新たな要求に対応するために３線を考案した。

従来の２線から、１線を追加したことにより、２線では、できなかったことが、可能になってくる。例えば、電磁弁の停止動作確認、これは従来の２線では不可能で有った。さらには、１線の追加分を通信線として使えば、電磁弁の起動、停止という動作状態の信号を送受信できることとなり、電磁弁の状態監視が可能となってくる。

第１の期間に電磁弁のソレノイドコイルに対して第１の電圧を印加することにより該電磁弁を起動させ、前記第１の期間に続く第２の期間に前記ソレノイドコイルに対して第２の電圧を印加することにより前記電磁弁の駆動状態を維持させる電磁弁駆動回路において、
前記電磁弁駆動回路に供給される直流電源２線及び信号１線の接続と、前記ソレノイドコイルと電気的に各々接続され、且つ、スイッチ制御部、スイッチ部及び電流検出部を備え、
ソレノイドコイルに流れる電流を検出する電流検出部と、前記電流の時間変化率を算出する時間変化率算出部と、前記時間変化率に基づいて前記第１の期間から前記第２の期間への移行を決定する保持状態移行判定部と、前記時間変化率に基づいて前記第２の期間から停止の期間への移行を決定する停止状態移行判定部と、を有し、前記保持状態移行判定部は、前記ソレノイドコイルに対する前記第１の電圧の印加開始後、前記電流が一旦最大値に到達して前記時間変化率が略ゼロ（０）になった時点を、前記第１の期間から前記第２の期間への移行のタイミングとして選択することを特徴とし、前記停止状態移行判定部は、
前記ソレノイドコイルに対する前記第２の電圧の印加停止後、
前記電流が一旦最小値に到達して前記時間変化率が略ゼロ（０）になった時点を、前記第２の期間から前記停止の期間への移行のタイミングとして選択することを特徴とする。

前記電磁弁の状態監視で、センサーを追加することは容易に考えられる。
しかし、センサー追加は、そのセンサーの信頼性が問われるため、現実的には、別の問題を抱えてしまうことになる。
そこで、従来からの省電力技術における電流検出技術で、状態監視を考案したのが、電流の時間変化率が略ゼロ（０）を確認する技術である。
これは、起動だけでなく、保持から停止に移る期間でも確認可能である。

上記状態監視機能を、活用すると、電磁弁の必要な電流値、電磁弁の停止から起動に至る動作時間、保持から停止に至る動作時間の現状認識から、電磁弁の摩耗による電流、動作時間の変化を確認できるようになってくる。これは、電磁弁を使っているユーザーからすれば、消費電力、動作時間の変化を見れるため、使っている要求仕様に合致しない電磁弁は、寿命に近い電磁弁とも言えることになってくる。つまり、使用状況（使用個数、使用期間、使用環境など）により、寿命が見れるようになってくるので、本技術を使うと、寿命の前に、電磁弁を交換し、動作不良を減らすことが可能になってくる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、消費電力の低減、電磁弁の速やかな駆動制御、動作確認を実現することが可能となる電磁弁駆動回路及び電磁弁を提供することを目的とする。

そして、本発明を、電磁弁のみならず、電気的コイル成分を含む負荷機器まで考慮し、省電力技術の拡張性、発展性も目的とする。

請求項１記載の電磁弁駆動回路において、スイッチ制御部によるパルス発生で、パルス巾をＤｕｔｙ ０％から１００％出力機能を付加したことを特徴とする。

例えば、起動で１００％、保持で０％のパルス巾を考えた場合、電磁弁で、０％のエネルギー印加でも保持可能な電磁弁が考えられる。永久マグネット磁力により保持する構造を持った電磁弁の場合、起動時は、エネルギーを必要とするが、保持時には、エネルギーを必要としない可能性が出てくるからである。よって、さらなる省電力化の電磁弁改良においては、この制御の拡張性は、必要となってくるものであり、各種の電磁弁への対応を可能とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、消費電力の低減、電磁弁の速やかな駆動制御、動作確認を実現することが可能となる。特に、電磁弁の省電力化は、電磁弁の小型化に寄与するため、ソレノイドコイルの最適化、ソレノイドコイルの標準化が可能になってくる。そして、本発明を、電磁弁のみならず、電気的コイル成分を含む負荷機器まで、改良することが可能となる。このように、機械系だけの技術改良だけで無く、電気系との融合により、さらなる技術改良ができるようになることが本発明の効果となる。

図１は、従来の電磁弁コイルのみの図である。 図２は、図１に省電力を追加した図である。 図３は、図２を３線にした図である。 図４は、図３の信号を具体化してみた図である。 図５は、図４の信号を通信に変えた図である。 図６は、図５のコイルを１個にした図である。 図７は、省電力のカーブ特性図である。 図８は、コイル負荷を変えた図である。 図９は、信号を未使用にした図である。 図１０は、ノイズ発生を減らす図である。 図１１は、コンデンサに充電する図である。 図１２は、高速で停止させる図である。 図１３は、ＬＥＤ電流での動作図である。 図１４は、具体化設計をしてみた図である。

本発明に係る好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は、従来からの電磁弁コイルのみのシンプルな回路図である。電源が有り、その電源を入れるスイッチが有り、それが、電磁弁コイルに接続される。このシンプルな回路は、２本の線にて接続されるので、以下、２線式と表現する。図２は、図１に、省電力回路という電磁弁駆動回路を追加したシンプルな回路ブロック図である。図１と図２の共通点は、共に、２線式である事である。これは、電磁弁という製品が、電気的エネルギーを与えられ、動作と停止を繰り返して動く事から、その２線式が最もシンプルな形となっている。図３は、省電力回路に、３線を接続し、電源線２線及び信号線１線の３線式の省電力回路と電磁弁コイルのブロック図である。電源を入れるスイッチが有り、信号を入れるスイッチも有る。電源が入れられ、信号線に、信号を入れると、電磁弁は起動し始める。上記、図２では、停止後、電気的エネルギーが無くなるため、動作後から停止に至る期間の電流確認ができなかった。そこで、回路構成を図３のようにして、動作後から停止に至る期間の電流確認ができるようにしたものである。

図３の構成で、停止状態から起動に至る電流確認もすることで、電磁弁の動作確認及び停止確認が可能となってくる。すなわち、電磁弁の起動と停止の動作確認ができる事になってくる。

図４は、省電力回路の入力が３線式、出力が３線式と、同じ３線にして、信号を４−２０ｍＡインターフェイスとした場合を、例として記載したものである。これで、信号による電磁弁の動作時間が長い場合、省電力機能を働かせることができる。

図５は、信号線を通信線として、動作状態の確認を上位側制御回路に、伝えるようにしたものである。尚、信号線と、通信線を、いっしょに備えても良い。図６は、電磁弁コイルを１個にして、ブロック図をシンプルにしたものである。さらに、回路図にしたものである。

図７は、動作確認することで、より早く省電力できることを示したコイル電流と時間のカーブ特性である。ここで、Ｔ１は、停止から起動までの起動動作時間である。Ｔ２は、保持から停止までの停止動作時間である。

この動作時間を確認できることは、動作の確実性以外に、動作時間の安定性も見れることになる。そして、停止から動作への電流エネルギーである起動電流値を見れるので、起動電流制御の値を、この最小限の値に設定できるので、より省電力化できるようになる。

また、停止電流値も同様に見れるので、この電流値より、設計マージンを取った保持電流値で、電流制御すれば、より最適な省電力が可能となる。さらに、この動作時間、電流データを、上位側制御回路に伝えれば、消費電力の見える化、動作の見える化ができるようになる。

図８は、電磁弁の種類により、省電力の方法を変える必要があるために、パルス巾を自由に変えられる制御方式を考案したものである。そして、コイル負荷を含む負荷、例えば、コイルとＬＥＤにしてみた応用例のブロック図である。

図９は、信号線を未使用時でも、これを可能にしたものである。

図１０は、コイルにパルス印加している時、電源供給側での電流変化によるノイズ発生を減らすための回路である。

図１１は、コイルの発生する逆起電力を、コンデンサに充電し、そのエネルギーを電源に戻し、エネルギーの有効利用をするための回路である。

図１２は、コイルの発生する逆起電力を、ツェナーダイオード、抵抗器にて熱エネルギーに変換させて、高速で停止させるための回路である。

図１３は、省電力回路自体が、省電力動作であり、かつ、ＬＥＤ電流で動作していることを示した回路である。現時点でＬＥＤは、電流１ｍＡ輝度保証品が有るため、省電力回路の消費電流の目標は、１ｍＡである。

電磁弁の動作の見える化は、電磁弁の省電力のみならず、各機器の高信頼性向上にも役に立つものである。前記時間変化率が大きい場合ＬＥＤにて表示し、わかりやすい機能を持たせることは、重要である。

信号を１線としているが信号２線以上でも使用可能なことは明白である。その信号は、通信線、フォトカプラ入力、４−２０ｍＡ、０−１０Ｖ、インターフェイス規格、仕様による、ユ−ザー独自、インターフェイスも有ることも明白である。

ＩＯＴビジネスに展開する場合、通信線を備え、その通信線を経由し、基本ソフトウエアを変えられるようにすれば、フレキシブルな設計が可能となってくる。さらに、基本ソフトウエアを公開し、ユーザーの御意見を取り入れるバージョンアップ体制を構築すると、さらに拡販されると考えられる。また、独自のノウハウを取り入れたソフトウエアにバージョンアップ可能であり、各社の差別化にも寄与できる。また、これにより、マイコンソフトの勉強ができるツールにもなるため、マイコン拡販にもつながる。

図１４は、その具体化設計をしてみたもので、Ａ信号、Ｂ信号を使用する場合、または、Ａ信号、Ｂ信号を使用しない場合の両方で機能有効となるため、共通化できるものである。また、通信信号を使用しない場合でも、Ａ信号、Ｂ信号だけでも機能有効となる。

本発明により、コイルを含む負荷の省エネ化が進み、小型化、高信頼性化への技術改良が行われる。

１ ダイオード
２ スイッチＦＥＴ
３ 転流ダイオード
４ 電流検出抵抗器
５ ノイズ減ＦＥＴ
６ 電流安定化コンデンサ
７ 突入電流防止抵抗器
８ 充電ＦＥＴ
９ 充電コンデンサ
１０ 放電コンデンサ
１１ 高速停止ＦＥＴ
１２ 高速停止ツェナーダイオード
１３ ＬＥＤ抵抗器
１４ 電流検出ＩＣ
１５ 電源 及び 通信ＩＣ
１６ マイコン

Claims (12)

1. 第１の期間に電磁弁のソレノイドコイルに対して第１の電圧を印加することにより該電磁弁を起動させ、前記第１の期間に続く第２の期間に前記ソレノイドコイルに対して第２の電圧を印加することにより前記電磁弁の駆動状態を維持させる電磁弁駆動回路において、
   前記電磁弁駆動回路に供給される直流電源２線及び信号１線の接続と、
   前記ソレノイドコイルと電気的に各々接続され、且つ、スイッチ制御部、スイッチ部及び電流検出部を備え、
   ソレノイドコイルに流れる電流を検出する電流検出部と、前記電流の時間変化率を算出する時間変化率算出部と、前記時間変化率に基づいて前記第１の期間から前記第２の期間への移行を決定する保持状態移行判定部と、前記時間変化率に基づいて前記第２の期間から停止の期間への移行を決定する停止状態移行判定部と、を有し、前記保持状態移行判定部は、前記ソレノイドコイルに対する前記第１の電圧の印加開始後、
   前記電流が一旦最大値に到達して前記時間変化率が略ゼロ（０）になった時点を、前記第１の期間から前記第２の期間への移行のタイミングとして選択することを特徴とし、前記停止状態移行判定部は、前記ソレノイドコイルに対する前記第２の電圧の印加停止後、前記電流が一旦最小値に到達して前記時間変化率が略ゼロ（０）になった時点を、前記第２の期間から前記停止の期間への移行のタイミングとして選択することを特徴とし、
   かつ、前記時間変化率が大きい場合ＬＥＤにて表示し、第１の期間、第２の期間における電流制御機能を付加したことを、特徴とする駆動回路。
2. 第１の期間に電磁弁のソレノイドコイルに対して第１の電圧を印加することにより該電磁弁を起動させ、前記第１の期間に続く第２の期間に前記ソレノイドコイルに対して第２の電圧を印加することにより前記電磁弁の駆動状態を維持させる電磁弁駆動回路において、
   前記電磁弁駆動回路に供給される直流電源２線及び信号１線、通信信号１線の接続と、前記ソレノイドコイルと電気的に各々接続され、
   且つ、スイッチ制御部、スイッチ部及び電流検出部を備え、
   ソレノイドコイルに流れる電流を検出する電流検出部と、前記電流の時間変化率を算出する時間変化率算出部と、前記時間変化率に基づいて前記第１の期間から前記第２の期間への移行を決定する保持状態移行判定部と、前記時間変化率に基づいて前記第２の期間から停止の期間への移行を決定する停止状態移行判定部と、を有し、前記保持状態移行判定部は、前記ソレノイドコイルに対する前記第１の電圧の印加開始後、
   前記電流が一旦最大値に到達して前記時間変化率が略ゼロ（０）になった時点を、前記第１の期間から前記第２の期間への移行のタイミングとして選択することを特徴とし、前記停止状態移行判定部は、前記ソレノイドコイルに対する前記第２の電圧の印加停止後、前記電流が一旦最小値に到達して前記時間変化率が略ゼロ（０）になった時点を、前記第２の期間から前記停止の期間への移行のタイミングとして選択することを特徴とし、
   かつ、前記時間変化率が大きい場合ＬＥＤにて表示し、第１の期間、第２の期間における電流制御機能を付加したことを、特徴とする駆動回路。
3. 第１の期間に電磁弁のソレノイドコイルに対して第１の電圧を印加することにより該電磁弁を起動させ、前記第１の期間に続く第２の期間に前記ソレノイドコイルに対して第２の電圧を印加することにより前記電磁弁の駆動状態を維持させる電磁弁駆動回路において、
   前記電磁弁駆動回路に供給される直流電源２線及び通信信号１線の接続と、前記ソレノイドコイルと電気的に各々接続され、
   且つ、スイッチ制御部、スイッチ部及び電流検出部を備え、
   ソレノイドコイルに流れる電流を検出する電流検出部と、前記電流の時間変化率を算出する時間変化率算出部と、前記時間変化率に基づいて前記第１の期間から前記第２の期間への移行を決定する保持状態移行判定部と、前記時間変化率に基づいて前記第２の期間から停止の期間への移行を決定する停止状態移行判定部と、を有し、前記保持状態移行判定部は、前記ソレノイドコイルに対する前記第１の電圧の印加開始後、
   前記電流が一旦最大値に到達して前記時間変化率が略ゼロ（０）になった時点を、前記第１の期間から前記第２の期間への移行のタイミングとして選択することを特徴とし、前記停止状態移行判定部は、前記ソレノイドコイルに対する前記第２の電圧の印加停止後、前記電流が一旦最小値に到達して前記時間変化率が略ゼロ（０）になった時点を、前記第２の期間から前記停止の期間への移行のタイミングとして選択することを特徴とし、
   かつ、第１の期間、第２の期間における電流制御機能を付加したことを、特徴とする駆動回路。
4. 請求項１〜３記載の電磁弁駆動回路において、第１の期間、第２の期間におけるスイッチ制御部によるパルス発生で、パルス巾をＤｕｔｙ ０％から１００％出力機能を付加したことを特徴とする駆動回路。
5. 請求項１〜４記載の電磁弁駆動回路において、前記直流電源２線のみの供給でも、前記停止状態移行判定部を除く機能を満たすことを特徴とする駆動回路。
6. 請求項１〜４記載の電磁弁駆動回路において、スイッチ制御部によるパルス発生の前記直流電源への電流変化影響をできるだけ減らすコンデンサを備えることを特徴とする駆動回路。
7. 請求項１〜４記載の電磁弁駆動回路において、前記第１及び２の期間から前記停止の期間への移行中に、前記ソレノイドコイルの発生する電流エネルギーをコンデンサに電荷として蓄積可能とすることを特徴とする駆動回路。
8. 請求項１〜４記載の電磁弁駆動回路において、前記第１の期間から前記第２の期間への移行中、もしくは、前記第１及び２の期間から前記停止の期間への移行中に、前記ソレノイドコイルの発生する電流エネルギーを、抵抗器、ツェナーダイオード等にて吸収させることを特徴とする駆動回路。
9. 請求項１〜４記載の電磁弁駆動回路において、電磁弁に電圧印加されていることを確認できるＬＥＤを備え、スイッチ制御部とＬＥＤが、電気的に直列に接続されていることを特徴とする駆動回路。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の駆動回路を有する電磁弁、３線式２個コイル内蔵の電磁弁、コネクタ、ケーブル、電気的コイル成分を含む負荷機器。
11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の駆動回路を有し、その駆動回路を、１つのハイブリッドＩＣモジュールにて構成していることを特徴とする駆動回路、及び、その駆動回路を有する電磁弁、３線式２個コイル内蔵の電磁弁、コネクタ、ケーブル、電気的コイル成分を含む負荷機器。
12. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の駆動回路を有し、信号線を通信線として、その通信線を経由しソフトウエアのバージョンアップが可能であることを特徴とする駆動回路、及び、その駆動回路を有する電磁弁、３線式２個コイル内蔵の電磁弁、コネクタ、ケーブル、電気的コイル成分を含む負荷機器。

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