JP3777265B2

JP3777265B2 - 電磁弁

Info

Publication number: JP3777265B2
Application number: JP12567699A
Authority: JP
Inventors: 茂真野; 良一原田
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 1999-01-07
Filing date: 1999-05-06
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2019-05-06
Also published as: JP2000257744A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弁体と一体のプランジャをコアに吸着及び吸着保持させるためにコイルへ流す電流を制御する電磁弁に関し、特に、プランジャ吸着時に吸引力を高めるとともに、吸着保持するために流す電流を低電流にして不要な電力消費を削減した電磁弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁弁に用いられるソレノイドは、駆動電流が直流及び交流に関係なくコイルなどの構造に変化はなく、そのコイルへ通電する際に電源との接続に用いられていた制御回路において変化を有しているのみであった。そのため電磁弁は、従来から交流通電或いは直流通電のための制御回路を組み替えて、各通電方法による弁の開閉駆動が行われていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、交流通電及び直流通電による制御回路が必要であるため、異なる部品点数が多くなることなどによる電磁弁のコストアップとなっていた。
そして、そのような電磁弁にあって、交流通電によって制御するソレノイドの場合、発生する磁界の変動からプランジャとコアとの吸着力に強弱が生じて不安定になる。そのため、特にプランジャとコアとの間にゴミがつまっていたりすると、プランジャがコアから離れてしまってビビリが生じ、それがうなりとなって騒音を発生させていた。一方、このような騒音を抑える静音構造を電磁弁に施すことは困難であった。
また、つまったゴミによって確実にプランジャが固定コアに吸着されずに、電流値が下がらずにコイル焼けを起こしてしまう問題もあった。
また、交流通電の場合にプランジャがコアに吸着されるまでの電流値が吸着保持されたときの１０〜２０倍に達するが、上記のような磁界の変動に伴うロスが多いため、その電流値がすべて有効に作用する訳ではない。
【０００４】
一方、直流通電の場合には、プランジャがコアに吸着されるまで及び吸着保持された際の状態にかかわらず一定であるため、吸着保持の際に不要な電力が消費されていた。
また、直流通電の場合には、プランジャをコイルへ吸着させるための大きな力を得ようとすれば大電流を流す必要がある反面、吸着保持された後も大電流が流されるため、前述したように無駄な電力を消費するのに加え、大電流によってコイルが発熱してしまうためにやけどなどへの注意が必要となるなど取り扱いが不便であった。
更に、交流電源又は直流電源の使い分けによって電磁弁自体をそれぞれに対応した制御回路を備えたものを用意する必要があった。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる問題を解消すべく、交流電源及び直流電源に共通に使用できるものであり、プランジャ吸着時には吸引力を高めるとともに、不要な電力消費を削減した電磁弁を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電磁弁は、弁体が弁座に当接した閉弁状態から、コイルへの通電によって弁体と一体のプランジャをコアに吸着させて弁座から弁体を離間させて開弁させる際、そのコイルへの通電を制御する制御回路を備える電磁弁であって、前記制御回路が、交流通電を直流通電に変える全波整流回路部と、全波整流回路部によって直流化された電源電圧から一定値以上の電圧を取り出して平滑化する電源平滑部と、コイルへの通電・通電遮断を操作する比較演算部と、比較演算部の出力によりコイルへの通電・通電遮断を実行する駆動素子部と、プランジャをコアに吸着させるために必要な電流をコイルに流すように通電時間を比較演算部に指示する吸着電流指示部と、プランジャとコアとの吸着保持に必要な最低保持電流の２倍程度の電流をコイルへ流すようにコイルへの通電・通電遮断の時間を比較演算部に指示する吸着保持電流指示部と、コイルを流れる電流によって比較演算部及び吸着保持電流指示部の動作を実行させる駆動電流検出部とを有することを特徴とする。
【０００８】
よって、本発明の電磁弁では、全波整流回路部による直流通電によって、コイルに対してプランジャをコアに吸着させるために必要な電流が流れ、コイルに発生する磁界により励磁されたコアにプランジャが吸着する。そして、比較演算部からの出力に基づいて駆動素子部によるコイルへの通電・通電遮断が操作され、プランジャがコアに吸着するのに必要な電流が流されて吸着した後、通電遮断が行われて吸着保持に必要な最低保持電流の２倍程度の電流が流されることによって吸着保持が行われる。その際、最初の吸着に必要な電流をコイルへ流す通電時間が吸着電流指示部によって決定され、吸着後の吸着保持に必要な電流をコイルへ通電・通電遮断する時間が吸着保持電流指示部によって決定される。
そのため、本発明の電磁弁によれば、交流電源及び直流電源に共通に使用でき、プランジャがコアに吸着保持された際に、コイルに流れる電流が低電流になって不要な電力消費が削減される。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明にかかる電磁弁の一実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、電磁弁の一例を示す断面図である。電磁弁（以下、単に電磁弁という）１は、弁を駆動させるソレノイド２と、流体の流れる流路を備えた弁部３とから構成されている。ソレノイド２は、円筒形のコイルボビン１１にコイル１２が巻回され、その周りがヨーク１３によって包まれるように画設されている。ソレノイド２は、樹脂ケース１４内に構成され、その樹脂ケース１４にナット１５で固定されたコア１６が、コイルボビン１１内に挿入されている。コイルボビン１１、コイル１２及びヨーク１３は、樹脂ケース１４内にモールド固定されている。
また、コイルボビン１１内には下方からプランジャ１７が挿入され、上下方向に移動自在に設けられている。そしてソレノイド２には、コイル１２への通電を制御するための後述する制御回路を搭載した端子箱１８が、樹脂ケース１４に固定されている。
【００１２】
一方、電磁弁１の弁部３は、ボディ２１がソレノイド２と一体に連結固定されている。ボディ２１には、側面部の対称位置に入力ポート２２と出力ポート２３とが開設され、上面に開口する流路２４，２５に連続されている。そして、流路２５の開口部には弁座２６がボディ２１上面に形成され、プランジャ１７下端に保持された弁体２７が、その弁座２６に当接・離間して弁の開閉を行うよう構成されている。
ところで、この電磁弁１は、プランジャ１７がスプリング２８によって弁座２６側へ付勢されて閉弁されるノーマルクローズ型である。
【００１３】
次に図２は、電磁弁１を駆動させる制御回路の動作概念を示す図である。本実施の形態では、電磁弁１を駆動させるソレノイド２に対し、交流電源５を利用して動作させる場合を例に挙げて説明する。なお、以下に記すソレノイド２の構成部品については適宜図１を参照する。
本実施の形態の制御回路は、交流電源及び直流電源に関わらず使用することができるが、特に交流電源を直流化して通電するように構成したものである。そこで、全波整流回路部３１を介して交流電源５による交流通電を直流通電に変えてコイル１２を通電し、ソレノイド２を動作させる。このときコイル１２に流される電流は、プランジャ１７をコア１６に吸着させるのに必要な電流値である。プランジャ１７をコア１６に引きつけるための吸引力は磁界の大きさに比例し、磁界はコイル１２を流れる電流の大きさに比例するからである。
一方、全波整流回路部３１によって直流化された電圧は、電源平滑部３３によって一定値以上の電圧が取り出されて比較演算部３４にかかる電圧が平滑化されている。
【００１４】
そして、ソレノイド２では、コイル１２への通電によりプランジャ１７がコア１６に吸着するが、吸着が完了する所定のタイミングで吸着電流指示部３５から比較演算部３４へ動作信号が入力される。そして、動作信号の入力により比較演算部３４が駆動素子部３６を動作させてコイル１２の通電遮断が行われる。
ソレノイド２が通電遮断されれば、吸着のために流されていた電流の電流値が、コイル１２のインダクタンスに伴って低下するが、電流値がゼロになってしまえばプランジャ１７が落下してしまう。そこで、続いて吸着保持電流指示部３７から比較演算部３４へ動作信号が入力され、吸着保持に必要な低電流がコイル１２に流される。この低電流駆動は、吸着保持電流指示部３７への動作信号の入力により比較演算部３４が駆動素子部３６を動作させて、吸着保持に必要なだけの電流値を下回らないようにコイル１２の通電・通電遮断が繰り返されて実行される。
このようにソレノイド２の吸着及び吸着保持を実行するためにコイル１２の通電及び通電遮断が行われるが、その際、駆動電流検出部３８がソレノイド２を電流が流れていることによって、比較演算部３４及び吸着保持電流指示部３７の動作を実行させている。
【００１５】
続いて図３は、電磁弁１の端子箱１８内に搭載される制御回路を示す回路図である。
制御回路は、交流成分を直流化させる全波整流回路部３１が交流電源５に接続されている。全波整流回路部３１は、ダイオード５１，５２，５３，５４からなるダイオードブリッジ回路で構成されている。そして、その全波整流回路部３１に接続された電源線５０とグランド線７０との間に、電源平滑部３３及びソレノイド２が並列に接続されている。ソレノイド２には、コイル１２とフライホイールダイオード５５とが並列接続されている。
一方、電源平滑部３３は、電源線５０とグランド線７０との間にダイオード６１、抵抗６２及びツェナーダイオード６３が直列に接続され、更にコンデンサ６４がツェナーダイオード６３と並列に接続されている。そして、そのような電源平滑部３３には、ツェナーダイオード６３の高電圧側に接続された定電圧線６０に吸着電流指示部３５が接続されている。
【００１６】
吸着電流指示部３５は、先ず抵抗６６と、ＲＣ回路を構成する抵抗６７及びコンデンサ６８とが、定電圧線６０とグランド線７０の間に直列に接続されている。そして、エミッタ端子を定電圧線６０に接続したトランジスタ６９が、コレクタ端子に抵抗７３を接続し、ベース端子を抵抗６７に接続して構成されている。また、定電圧線６０とグランド線７０との間には、抵抗７１及び抵抗７２が直列に接続され、その抵抗７１と並列になるようにトランジスタ回路をなす抵抗７３が抵抗７２に接続されている。
続いて、制御回路の比較演算部３４は、オペアンプ７５から構成されたものであり、その非反転入力端子が抵抗７１の低電圧側に接続され、反転入力端子がコンデンサ７６を介してグランド線７０へと接続されている。また、オペアンプ７５の出力端子は、駆動素子部３６である電界効果トランジスタ３２のゲート端子へ接続され、抵抗７７を介して正帰還が施されている。電界効果トランジスタ３２のゲート端子には、定電圧線６０が抵抗７８を介して接続されている。
【００１７】
一方、ソレノイド２は、そのコイル１２が駆動素子部３６及び駆動電流検出部３８を介してグランド線７０に接続されている。駆動素子部３６を構成する電界効果トランジスタ３２は、そのゲート端子が比較演算部３４に接続され、ドレイン端子がコイル１２に、そしてソース端子が駆動電流検出部３８を構成する抵抗７４に接続されている。
また、オペアンプ７５の反転入力端子に接続されたコンデンサ７６には、抵抗７４との間に抵抗８１及びダイオード８２と、抵抗８３との並列回路が接続されている。このコンデンサ７６、抵抗８１、ダイオード８２及び抵抗８３とから吸着保持電流指示部３７が構成されている。
【００１８】
よって、このような構成からなる制御回路は、図２をもって前述した動作に基づいて、電磁弁１の開閉を省電力で操作すべくソレノイド２を駆動させる。
先ず、交流電源５からの交流通電は、全波整流回路部３１のダイオード５１〜５４によって交流から直流に整流されて直流通電となる。従って、全波整流回路部３１を介して供給された直流化電源がコイル１２へ加わる。このとき、オペアンプ７５の非反転入力端子が接続されたｂ接点と、反転入力端子が接続されたｃ接点とは電圧差が生じているため、電界効果トランジスタ３２のゲート端子には電圧がかけられている。そのため、コイル１２には電流が流れ、発生した磁界によってプランジャ１７がコア１６へ引き上げられて吸着が行われる。なお、コイル１２のインダクタンスにより起電力が誘導されるため、フライホイールダイオード５５の働きにより、コイル１２を流れる脈動電流がゼロになることはない。
コイル１２を流れた電流は、駆動電流検出部３８を構成する抵抗７４を流れ、また抵抗８１，８３の並列回路を通ってコンデンサ７６が充電される。従って、オペアンプ７５の反転入力端子が接続されたｃ接点がｄ接点と等電圧となる。
【００１９】
一方、全波整流回路部３１から得た直流成分の電圧は、電源平滑部３３で更に平滑化されて定電圧線６０に発生する。電源平滑部３３では、全波整流回路部３１で直流に変換され脈動する電源電圧は、ツェナーダイオード６３によって所定値以上の定電圧が得られる。また、コンデンサ６４によって脈動電流を充電して負荷側（定電圧線６０）へ流すため、なめらかな直流の電圧及び電流が得られる。
そして、吸着電流指示部３５では、抵抗６７を通ってコンデンサ６８に電流が流れ、ベース端子にバイアス電圧がかけられたトランジスタ６９が作動し、トランジスタ６９のコレクタ及びエミッタ間、そして抵抗７３を通って更に抵抗７２へと電流が流れる。
一方、定電圧線６０とグランド線７０との間で、抵抗７１及び抵抗７２を通って電流が流れ、抵抗７１と吸着電流指示部３５の抵抗７３とで並列回路となっている。そのため、オペアンプ７５の非反転入力端子が接続されたｂ接点の電圧値は、抵抗７１と抵抗７３とで並列回路による電圧降下によって決定される。そして、この状態で生じるｂ接点とｃ接点との電圧差によって、オペアンプ７５から電圧が出力され、電界効果トランジスタ３２を電流が流れ、これによってコイル１２に電流が流れる。
【００２０】
ここで図４は、コイル１２を流れる電流値の変化を示した図である。吸着電流指示部３５では、この吸着電流Ｉ１を流す通電時間Ｔ１が調節される。吸着電流Ｉ１は、プランジャ１７をコア１６に引き上げて吸着させるのに必要な電流値を示し、通電時間Ｔ１は、プランジャ１７をコア１６に吸着させるまでの時間を示している。そこで、このように交流電源５の通電によってコイル１２へは吸着電流Ｉ１がＴ１時間流される。
なお、吸着電流Ｉ１は、プランジャ１７をコア１６側へ引き上げる際の最高使用圧力での直流電流を測定して設定している。プランジャ１７をコア１６に吸着させるのに必要な吸着力を得るための磁界の強さは、コイル１２の巻き数とそこに流れる電流値で決定されるからである。また、通電時間Ｔ１は、２００〜５００ｍｓｅｃ程度である。
【００２１】
この通電時間Ｔ１は、抵抗６７及びコンデンサ６８からなるＲＣ回路の時定数によって設定されている。即ち、コンデンサ６８が充電されるとａ接点の電圧値が上がってトランジスタ６９にバイアス電圧が働かなくなる。そのため、トランジスタ６９のエミッタ・コレクタ間を電流が流れなくなり、ｂ接点の電圧値が抵抗７１，７３の並列回路から抵抗７１のみによる回路の電圧降下に切り替えられる。これによって、ｂ接点とｃ接点との電圧差がなくなり、オペアンプ７５の出力が止められ、電界効果トランジスタ３２の電流の流れが遮断され、コイル１２の通電遮断が実行される。
通電遮断後コイル１２に流れる電流値は、コイル１２の時定数により放電されて図４に示すような曲線を描て減少していく。しかし、コイル１２に電流が流れなくなってしまったのでは、吸着されたプランジャ１７がコア１６から離れて落ちてしまうので、コイル１２には吸着保持に必要なだけの電流を流し続ける必要がある。そこで、本実施の形態の制御回路では、図４のＰ部に示すような低電流をコイル１２へ一定して流すことを行う。ここで、図５は、図４のＰ部に示す保持電流の電流波形を拡大した図である。
【００２２】
駆動電流検出部３８をなす抵抗７４に電流が流れなくなると、充電されたコンデンサ７６から電流が抵抗８３及び抵抗７４を通って流れることとなる。そのため、オペアンプ７５の非反転入力端子（ｂ接点）と反転入力端子（ｃ接点）との電圧差が生じてオペアンプ７５の出力端子から電圧が出力され、電界効果トランジスタ３２に再び電流が流れてコイル１２が通電状態となる。コイル１２へ流される電流は、図５に示すように時間Ｔ２の間に上昇することとなる。
そして、吸着保持電流指示部３７では、電流が抵抗８１，８３の並列回路を流れてコンデンサ７６が充電される。その時間は、図５に示す時間Ｔ２である。そこで、コンデンサ７６が充電されと、再度オペアンプ７５の非反転入力端子（ｂ接点）と反転入力端子（ｃ接点）との電圧差がなくなり、電界効果トランジスタ３２を流れる電流が遮断され、コイル１２の通電が遮断される。そして、充電されたコンデンサ７６から電流が抵抗８３を通って放電される。この時の放電時間は、図５に示す時間Ｔ３である。
【００２３】
このような通電（Ｔ２）及び通電遮断（Ｔ３）は、コイル１２のインダクタンスに応じて設定されている。具体的には、通電が行われる場合には、吸着保持電流指示部３７のコンデンサ７６と抵抗８１及び抵抗８３とからなるＲＣ回路の時定数によって設定され、そして通電遮断の場合には、コンデンサ７６と抵抗８３とからなるＲＣ回路の時定数によって設定されている。なお、通電する時間Ｔ２は約１ｍｓｅｃであり、通電遮断する時間Ｔ３は約５ｍｓｅｃである。また、このような通電は、プランジャ１７をコア１６に吸着保持させるのに必要な最低保持電流の２倍程度である電流Ｉ２になるように設定されている。
よって、コイル１２は、時間Ｔ２及びＴ３で通電及び通電遮断が繰り返えされ、プランジャ１７を吸着保持するための約Ｉ２の低電流が一定して流されることとなる。
【００２４】
よって、本実施の形態の電磁弁１では、プランジャ１７がコア１６へ吸着するまでは吸着電流Ｉ１を流し、吸着後には吸着保持電流Ｉ２の低電流を一定して流すようにしたので、これまで吸着保持時に消費していた不要な電力を削減することができた。具体的には、従来の交流電源による消費電力の３分の１にまで省電力化することができた。
また、吸着保持の場合には低電流とする一方で吸着時の電流を大きくすることができるので、プランジャ１７をコア１６へ吸着させるための大きな磁界を得ることができ、電磁弁１の開閉の応答性を上げることができた。
なお、直流で大電流を流すとコイル１２の発熱量が大きくなるが、吸着保持電流を低電流としたので発熱量は抑えられる。
また、直流通電によってソレノイド２を駆動させるため、従来の交流通電のように吸着力が時間とともに変化することがなく、プランジャ１７とコア１６との間の振動（うなりの発生）が解消された。
また、電磁弁自体の構造は交流と直流とでかわることがなく、また実施の形態では交流電源５をもって説明したが直流電源にも使用できるので、この電磁弁１は、交流電源及び直流電源に共用が可能である。
また、吸着時に電流Ｉ１、吸着保持時に電流Ｉ２の定電流駆動としたため、電源電圧が変動しても電磁弁の省電力化駆動が可能となった。
【００２５】
なお、本発明は、前述した実施の形態のものに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００２６】
次に、上記の実施形態から把握される技術思想をその効果とともに以下に記載する。
（１）その弁座２６の口径（オリフィス）が大径化（従来比）されても、その口径に必要な電流、および通電時間を実測した上、吸着時の電流Ｉ１を設定することにより、コイル１２を交換や大型化することなく、そのプランジャ１７の吸着力を増大するので、増大した流体流量を開閉制御できる電磁弁が得られる。
その吸着時の電流Ｉ１はコイル１２が焼損、または短絡しない範囲で設定できる。しかも、吸着後には吸着保持電流Ｉ２の低電流を一定して流すようにしたので、電力消費が少ない。
（２）また、電磁弁が制御する流体の圧力が高圧化されても、その流体の圧力に必要な電流、および通電時間を実測した上、吸着時の電流Ｉ１を設定することにより、コイル１２の交換や大型化をすることなく、そのプランジャ１７の吸着力を増大するので、高い圧力の流体を開閉制御できる電磁弁が得られる。
（３）また、プランジャ１７を弁座２６に押圧する力を強くするためスプリング２８の弾発力を強化しても、その強化されたスプリング２８に打ち勝つのに必要な電流、および通電時間を実測した上、吸着時の電流Ｉ１を設定することにより、プランジャ１７を吸着操作する。したがって、下流側の出力ポート２３の流体圧力が変動して入力ポート２２側より高くなるような、所謂逆圧の場合が生じても、弁を誤開することのない高信頼性の電磁弁が得られる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、弁体が弁座に当接した閉弁状態から、コイルへの通電によって弁体と一体のプランジャをコアに吸着させて弁座から弁体を離間させて開弁させる際、そのコイルへの通電を制御する制御回路を備える電磁弁であって、前記制御回路は、交流通電を直流通電に変える全波整流回路部と、全波整流回路部によって直流化された電源電圧から一定値以上の電圧を取り出して平滑化する電源平滑部と、コイルへの通電・通電遮断を操作する比較演算部と、比較演算部の出力によりコイルへの通電・通電遮断を実行する駆動素子部と、プランジャをコアに吸着させるために必要な電流をコイルに流すように通電時間を比較演算部に指示する吸着電流指示部と、プランジャとコアとの吸着保持に必要な最低保持電流の２倍程度の電流をコイルへ流すようにコイルへの通電・通電遮断の時間を比較演算部に指示する吸着保持電流指示部と、コイルを流れる電流によって比較演算部及び吸着保持電流指示部の動作を実行させる駆動電流検出部とを有する構成とした。したがって、本発明の電磁弁によれば、コイルへの通電電流を最大限まで増大できるので、電磁弁のコイルを大型化することなく、高圧、または大流量の流量を開閉制御でき、また、圧力変動のある流体でも安定して制御できる。しかも、本発明によれば、交流電源及び直流電源に共通に使用でき、プランジャがコアに吸着保持された際に、コイルに流れる電流が低電流になって不要な電力消費を削減した電磁弁を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる電磁弁の一例を示す断面図である。
【図２】電磁弁１を駆動させる制御回路の動作概念を示す図である。
【図３】電磁弁１の端子箱１８内に搭載される制御回路を示す回路図である。
【図４】コイル１２を流れる電流値の変化を示した図である。
【図５】図４のＰ部に示す保持電流の電流波形を拡大した図である
【符号の説明】
１電磁弁
２ソレノイド
３弁部
５交流電源
１２コイル
１６コア
１７プランジャ
１８端子箱
２６弁座
２７弁体
３１全波整流回路部
３３電源平滑部
３４比較演算部
３５吸着電流指示部
３６駆動素子部
３７吸着保持電流指示部
３８駆動電流検出部

Claims

弁体が弁座に当接した閉弁状態から、コイルへの通電によって弁体と一体のプランジャをコアに吸着させて弁座から弁体を離間させて開弁させる際、そのコイルへの通電を制御する制御回路を備える電磁弁であって、
前記制御回路は、交流通電を直流通電に変える全波整流回路部と、
全波整流回路部によって直流化された電源電圧から一定値以上の電圧を取り出して平滑化する電源平滑部と、
コイルへの通電・通電遮断を操作する比較演算部と、
比較演算部の出力によりコイルへの通電・通電遮断を実行する駆動素子部と、
プランジャをコアに吸着させるために必要な最低保持電流の２倍程度の電流をコイルに流すように通電時間を比較演算部に指示する吸着電流指示部と、
プランジャとコアとの吸着保持に必要な電流をコイルへ流すようにコイルへの通電・通電遮断の時間を比較演算部に指示する吸着保持電流指示部と、
コイルを流れる電流によって比較演算部及び吸着保持電流指示部の動作を実行させる駆動電流検出部とを有することを特徴とする電磁弁。