JP4830469B2

JP4830469B2 - 電磁弁の制御装置

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Publication number: JP4830469B2
Application number: JP2005347994A
Authority: JP
Inventors: 大喜福田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2011-12-07
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Also published as: JP2007157830A

Description

本発明は、コイルに通電することで得られる電磁力の作用により流路を開閉可能な電磁弁の制御装置に関するものである。

電磁弁のコイルの構成として、２系統のコイルを備えた構成が検討されている。

例えば、種類の異なる２系統のコイルによって構成された２重コイルを備える電磁弁が考えられる。これは、コイルの１系統を電磁弁開弁後に電磁弁を開弁状態に維持するための保持コイルとし、もう１系統を電磁弁を開弁する際に大きな電磁力を発生させるための吸引コイルに特化した構成である。一般に、電磁弁の開弁動作には大きな電磁力が要求されるが、一旦開弁動作が完了した後、電磁弁を開弁状態に維持するためには大きな電磁力は必要とされない。そのため、開弁動作時にのみ吸引コイルに大電流を通電することで大きな電磁力を発生させ、開弁後は吸引コイルの通電を停止するとともに保持コイルに少ない電流を通電することで電磁弁の開弁状態を維持するものである。

また、別の構成として、同一種類の２つのコイルによって冗長構成とした２重コイルを備える電磁弁が考えられる。これは、１系統のコイルだけでも電磁弁の開閉動作を行うのに十分な電磁力を発生できるように設計されたコイルを２系統備え、２系統のコイルに対して同一の制御を行うものである。航空用途などの高い信頼性が要求される場合においては、たとえ１系統のコイルが故障したとしても残りの１系統のコイルによって電磁弁としての機能を維持することが要求されるため、このような冗長構成が有効である。

なお、関連する技術として、特許文献１に記載の電磁弁を挙げることができる。
特開平４−３５１３８５号公報

異なる種類のコイルによって構成された２重コイルを備える電磁弁の場合、２系統のうちいずれか１系統のコイルが故障すると電磁弁としての機能を果たすことができなくなる。すなわち、このような２重コイルは冗長性を有しておらず、高い信頼性の要求に応えることができない場合がある。

逆に、同一種類の２つのコイルによって冗長構成とされた２重コイルを備える電磁弁の場合、１系統のコイルだけでも電磁弁としての機能を果たすことが可能なため、２系統のコイルとも正常な場合には１系統分の通電は余分な電力消費であり、この電力消費に伴う発熱やコイルの劣化が問題になる場合がある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、２重コイルを備える電磁弁において、電磁弁の駆動に際してコイル正常時及び１系統故障時のいずれの場合においても電磁弁としての機能を維持するとともに、電磁弁の信頼性・耐久性を高め、消費電力を低減することを可能にする技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明の電磁弁の制御装置は、
電磁力が作用することによって駆動される弁体と、
通電されることにより前記弁体に作用し弁体を駆動可能な電磁力を発生する第１のコイルと、
通電されることにより前記第１のコイルが発生する電磁力と同等の大きさの前記弁体に作用する電磁力を発生する第２のコイルと、
前記第１のコイル及び第２のコイルの双方に通電することで前記弁体に電磁力を作用させ前記弁体を開弁及び／又は閉弁させる駆動手段と、
前記第１のコイル又は第２のコイルのいずれか一方にのみ通電することで前記弁体を開弁位置又は閉弁位置に保持する保持手段と、
前記保持手段が通電対象とするコイルを前記保持手段が前回通電したコイルとは異なるコイルに切り替える切替手段と、
を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、第１のコイル及び第２のコイルはともに弁体を駆動可能な電磁力を発生することができるので、たとえ２系統のコイルのいずれか一方が故障したとしても、残りの１系統のコイルのみを使用して弁体を開閉駆動することができる。すなわち、このように構成された電磁弁は冗長性を有するため、高い信頼性を要求される用途にも使用することが可能である。

また、２系統のコイルは弁体を開閉駆動する時には双方とも通電状態となるが、弁体の開閉駆動が完了した後は２系統のうちいずれか１系統のコイルの通電を停止し、残りの１系統のコイルが発生する電磁力のみによって弁体を開弁位置又は閉弁位置に維持するように制御される。このため、コイルの消費電流を低く抑えることができる。その結果、特に比較的短い周期で電磁弁を開閉動作させるような用途において、コイルの耐久性・信頼性を向上させることができるとともに、電磁弁の低消費電力化が可能となる。

さらに、上記の構成によれば、弁体の開閉駆動完了後に通電が停止される１系統のコイルは、２系統のコイルから交互に選択されるように切り替え制御されるため、２系統のコイルにおいて通電による発熱が分散されるようになる。その結果、コイルの状態が均等に保たれ、２系統のコイルによる冗長性がより確実なものとなる。

また、この電磁弁のコイル部は第１のコイル及び第２のコイルによって冗長構成となっているので、本来１系統のコイルのみを使用して電磁弁としての機能を果たすことが可能であるが、弁体の開閉駆動時に２系統のコイルに通電して双方のコイルの発生する電磁力を利用して弁体を開閉駆動するようにしているため、弁体の開閉動作の応答性をより速くすることができる。これにより、弁体の開閉動作をより確実に行うことが可能となっている。

このように、２系統のコイルを完全に交互に通電するのではなく、弁体を開弁駆動する際には双方のコイルに通電するようにしているため、例えば、各コイルの通電回路にコイルの異常を検知する回路を組み込むことによって、電磁弁の開閉動作時に同時に各コイルの状態を把握することができる。これにより、コイルに故障が発生した場合に、いち早くコイルの故障を検知することが可能になり、次回の電磁弁動作時においてコイル故障に対応した制御に移行することが可能になる。その結果、電磁弁としての信頼性を向上させることができる。

本発明に係る電磁弁とその制御装置は高い信頼性と耐久性を有するため、例えば航空機などの信頼性要求が厳しい用途にも使用することが可能である。例えば、圧縮空気を噴出することで姿勢及び／又は推力を制御する航空機の圧縮空気噴出ノズルに備えられ圧縮空気の流量を調節する電磁弁に使用することもできる。

本発明の電磁弁の制御装置により、２重コイルを備える電磁弁において、電磁弁の駆動
に際してコイル正常時及び１系統故障時のいずれの場合においても電磁弁としての機能を維持するとともに、電磁弁の信頼性・耐久性を高め、消費電力を低減することが可能になる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この最良の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本実施例に係る電磁弁の概略構成を示す図である。電磁弁１０は、装置外装となるケース１１の内部に、コイル部１２が巻き回されたボビン１３や、プランジャースプリング５を有するプランジャー３等の各部品が収容された構造となっている。

ボビン１３に巻き回されているコイル部１２は、第１のコイル１と第２のコイル２との同種類の２系統のコイルを組み合わせた２重コイル構成となっている。第１のコイル１と第２のコイル２はそれぞれ独立に通電制御可能な電気的に独立のコイルである。ボビン１３の中央部にはプランジャー３が挿入されており、ボビン１３の軸線方向に移動することができる。

図２は、電磁弁１０の動作を制御する電磁弁制御装置の回路構成を示す図である。この電磁弁制御装置には、電磁弁１０の動作を制御する電子制御コンピュータであるＥＣＵ２０が備えられており、第１のコイル１及び第２のコイル２に対する通電タイミングの制御や故障判定処理などを実行する。ＥＣＵ２０の第１のＩ／Ｏポート２１ａには、第１のインバータ２５ａ及びＰＮＰ型の第１のトランジスタ２２ａを介して電磁弁１０の第１のコイル１が接続されている。また、ＥＣＵ２０の第２のＩ／Ｏポート２１ｂには、第２のインバータ２５ｂ及びＰＮＰ型の第２のトランジスタ２２ｂを介して電磁弁１０の第２のコイル２が接続されている。

具体的には、第１のコイル１の一端（−）は抵抗Ｒ１を介して接地され、他端（＋）は第１のトランジスタ２２ａのコレクタに接続されている。第１のトランジスタ２２ａのエミッタは電源２４に接続され、ベースは抵抗及びインバータ２５ａを介してＥＣＵ２０の第１のＩ／Ｏポート２１ａに接続されている。また、第２のコイル２の一端（−）は抵抗Ｒ２を介して接地され、他端（＋）は第２のトランジスタ２２ｂのコレクタに接続されている。第２のトランジスタ２２ｂのエミッタは電源２４に接続され、ベースは抵抗及びインバータ２５ｂを介してＥＣＵ２０の第２のＩ／Ｏポート２１ｂに接続されている。

このような構成により、ＥＣＵ２０の第１のＩ／Ｏポート２１ａからの制御信号Ｓ１の状態がＨｉｇｈになると、後段のインバータ２５ａの出力はＬｏｗ状態となるので、第１のトランジスタ２２ａのエミッタ端子とコレクタ端子が導通状態となる。すると、エミッタ端子に接続された電源２４から第１のコイル１の（＋）端子に電流が供給される。これにより、第１のコイル１に通電が行われてプランジャ３の近傍に通電電流に応じた磁束が発生し、プランジャー３を駆動する電磁力が発生する。電磁力がプランジャースプリング５の反発力を超えると、プランジャー３が図１の上方に移動し、電磁弁１０は開弁状態となる。逆に、ＥＣＵ２０の第１のＩ／Ｏポート２１ａからの制御信号Ｓ１の状態がＬｏｗになると、第１のコイル１に対する通電が停止し、電磁力が発生しなくなるので、プランジャースプリング５の反発力により電磁弁１０は閉弁状態となる。

第２のコイル２についても、上記の第１のコイル１の場合と同様に、ＥＣＵ２０の第２
のＩ／Ｏポート２１ｂからの制御信号Ｓ２の状態に応じて通電制御され、電磁弁１０を開閉駆動することができる。

このように、第１のコイル１及び第２のコイル２はそれぞれ単独で電磁弁１０を開閉駆動し得るように構成されている。そのため、本実施例に係る電磁弁１０は、第１のコイル１或いは第２のコイル２のいずれか一方が故障したとしても、残りのコイルのみを使用して電磁弁としての機能を果たすことが可能であり、コイルに関して冗長性を有している。

また、この電磁弁制御装置では、第１のコイル１の（−）端子と抵抗Ｒ１の間において回路が分岐され、ＥＣＵ２０の第３のＩ／Ｏポート２３ａに接続されている。また、第２のコイル２の（−）端子と抵抗Ｒ２の間において回路が分岐され、ＥＣＵ２０の第４のＩ／Ｏポート２３ｂに接続されている。

このような構成により、制御信号Ｓ１がＨｉｇｈ状態になった時、すなわち第１のコイル１に対する通電制御が行われた時に、抵抗Ｒ１の両端に発生する電圧Ｖ１をＥＣＵ２０によって監視することができる。この時、第１のコイル１に正常な大きさの電流Ｉｃ１が流れれば、抵抗Ｒ１の両端にはＲ１×Ｉｃ１の大きさの電圧が発生するはずであるから、通電制御時に抵抗Ｒ１の両端に発生する電圧を監視することによって第１のコイル１の故障（断線など）を検知することが可能になる。すなわち、第１のコイルが断線している場合は、制御信号Ｓ１がＨｉｇｈ状態になっても、抵抗Ｒ１に電流が流れないため、抵抗Ｒ１における電圧降下が発生せず、ＥＣＵ２０の第３のＩ／Ｏポート２３ａに入力される電圧は０Ｖとなる。

第２のコイルに関しても上記の第１のコイルと同様に、抵抗Ｒ２の両端に発生する電圧Ｖ２をＥＣＵ２０によって監視することで、第２のコイルの故障を検知することが可能になる。

以下、図３を用いて本実施例の電磁弁制御装置による電磁弁１０の制御法について説明する。

図３は、ＥＣＵ２０の第１のＩ／Ｏポート２１ａ及び第２のＩ／Ｏポート２１ｂから出力される制御信号Ｓ１及びＳ２の状態と、その状態に対応する第１のコイル１及び第２のコイル２の通電状態、電磁弁１０の開閉状態の時間変化を示すタイムチャートである。

電磁弁１０を開弁する時には大きな電磁力が必要となるため、ＥＣＵ２０は制御信号Ｓ１及びＳ２を両方ともＨｉｇｈ状態とし、第１のコイル１及び第２のコイル２の双方に通電する（図３のＡ１、Ａ２）。第１のコイル１及び第２のコイルはそれぞれ単独でも電磁弁１０を開閉駆動しうるように構成されているが、このように双方のコイルの発生する電磁力によって電磁弁１０を開弁駆動することによって、制御信号Ｓ１及びＳ２がＨｉｇｈｔ状態になってから実際に電磁弁１０の開弁動作が完了するまでに要する時間を短縮することができ、電磁弁１０の応答性を向上させることができる。

電磁弁１０の開弁動作が完了した後、電磁弁１０を開弁状態に維持するためにはそれほど大きな電磁力は必要とされないため、ＥＣＵ２０は制御信号Ｓ１又はＳ２のいずれか一方をＬｏｗ状態とし、第１のコイル１又は第２のコイル２のいずれか一方の通電を停止し、残りのコイルにのみ通電する（図３のＢ１、Ｂ２）。本実施例では、電磁弁１０を開弁状態に維持する際に通電を停止されるコイル（以下、「吸引コイル」という）を第１のコイル１と第２のコイル２から交互に選択するようにしている。すなわち、電磁弁１０を開弁状態を維持するためにＥＣＵ２０が制御信号Ｓ１をＨｉｇｈ状態かつ制御信号Ｓ２をＬｏｗ状態にして第２のコイル２を吸引コイルとした場合（図３のＢ２）、次回の電磁弁１
０の開弁制御時に電磁弁１０を開弁状態に維持する際には、ＥＣＵ２０は制御信号Ｓ１をＬｏｗ状態かつ制御信号Ｓ２をＨｉｇｈ状態にして第１のコイル１を吸引コイルとする（図３のＢ１）。こうすることにより、第１のコイル１又は第２のコイル２のいずれか一方の使用頻度が高くなることが抑制され、２系統のコイルの状態を均等に保つことが可能になる。その結果、電磁弁１０のコイルに関する冗長性を向上させることができる。以下では、電磁弁１０を開弁状態に維持するために通電されるコイルを「保持コイル」という。

電磁弁１０を閉弁する時には、ＥＣＵ２０は制御信号Ｓ１及びＳ２を両方ともＬｏｗ状態とし、第１のコイル１及び第２のコイル２の両方の通電を停止する（図３のＣ）。これによりプランジャー３に作用する電磁力が無くなるため、プランジャースプリング５の反発力により電磁弁１０は閉弁する。

以下、ＥＣＵ２０によって行われる電磁弁１０の開閉制御について、図４のフローチャートに基づいて説明する。図４のフローチャートは電磁弁１０の開閉制御を行うためのルーチンを示すフローチャートであり、このルーチンはＥＣＵ２０によって所定期間毎に繰り返し実行される。

まず、ステップ４０１では、ＥＣＵ２０は、電磁弁開弁コマンドを確認する。すなわち、ＥＣＵ２０は、電磁弁開弁コマンドの状態を格納する電磁弁開弁フラグＶＡＬＶＥ＿Ｃが１であるか否かを確認する。電磁弁開弁フラグＶＡＬＶＥ＿Ｃは、電磁弁１０を開弁すべき時に１がセットされ、閉弁すべき時に０がセットされる変数である。ステップ４０１で肯定判定された場合（ＶＡＬＶＥ＿Ｃ＝１）、ＥＣＵ２０は、電磁弁１０を開弁すべきと判定してステップ４０９以降の電磁弁開弁制御に移る。一方、ステップ４０１で否定判定された場合（ＶＡＬＶＥ＿Ｃ＝０）、ＥＣＵ２０は、電磁弁１０を閉弁すべきと判定してステップ４０２の電磁弁閉弁制御を実行した後、本ルーチンの実行を終了する。電磁弁閉弁制御については後述する。

ステップ４０９では、ＥＣＵ２０は、第１のコイル１及び第２のコイル２の故障判定を行う。具体的には、ＥＣＵ２０は、第１のコイル１の故障判定フラグＣＯＩＬ１＿Ｆが０であるか否か、さらに、第２のコイル２の故障判定フラグＣＯＩＬ２＿Ｆが０であるか否かを判定する。故障判定フラグＣＯＩＬ１＿Ｆは第１のコイル１が故障している場合に１がセットされ、正常である場合に０がセットされる変数である。同様に、故障判定フラグＣＯＩＬ２＿Ｆは第２のコイル２が故障している場合に１がセットされ、正常である場合に０がセットされる変数である。ステップ４０９において、第１のコイル１と第２のコイル２の双方とも正常であると判定された場合（ＣＯＩＬ１＿Ｆ＝０かつＣＯＩＬ２＿Ｆ＝０）、ＥＣＵ２０は、ステップ４１０以降の両コイル正常時の開弁制御を実行する。一方、ステップ４０９において、第１のコイル１又は第２のコイル２のどちらか一方が故障していると判定された場合（ＣＯＩＬ１＿Ｆ＝１又はＣＯＩＬ２＿Ｆ＝１）、ＥＣＵ２０は、ステップ４２６の故障時開弁制御を実行する。ステップ４２６の故障時開弁制御については後述する。

ステップ４１０では、ＥＣＵ２０は、コイル切り替えフラグＣＮＧ＿Ｆに０をセットする。コイル切り替えフラグＣＮＧ＿Ｆは、電磁弁閉弁制御において後述するコイル切り替え処理を実施するか否かを判定する基準となる変数である。コイル切り替えフラグＣＮＧ＿Ｆが０の場合、コイル切り替え処理が実施され、コイル切り替えフラグＣＮＧ＿Ｆが１の場合コイル切り替え処理は実施されない。これは、本実施例の電磁弁制御装置では、電磁弁１０の開弁制御が行われる毎に、吸引コイルが２系統のコイルから交互に選択されることに対応している。すなわち、ステップ４１１以降の両コイル正常時の開弁制御が実行された場合、次回の開弁制御時において吸引コイルとして選択されるコイルを今回吸引コイルとして選択されたコイルとは別のコイルに切り替えるべくコイル切り替え処理を実施
するために、コイル切り替えフラグＣＮＧ＿Ｆが０にセットされる。

ステップ４１１では、ＥＣＵ２０は、吸引コイルを選択する。具体的には、吸引コイルフラグＣＯＩＬ＿Ｎの値が１であるか否かを判定する。吸引コイルフラグＣＯＩＬ＿Ｎは、吸引コイルとして第１のコイル１が使用される場合には１がセットされ、吸引コイルとして第２のコイル２が使用される場合にはその他の値がセットされる変数である。ステップ４１１で肯定判定された場合（ＣＯＩＬ＿Ｎ＝１）、ＥＣＵ２０は、第１のコイル１を吸引コイルとし、第２のコイル２を保持コイルとして選定し、次のステップ４１２に進む。一方、ステップ４１１で否定判定された場合（ＣＯＩＬ＿Ｎ≠１）、ＥＣＵ２０は、第２のコイル２を吸引コイルとし、第１のコイル１を保持コイルとして選定し、次のステップ４１７に進む。

ステップ４１２では、ＥＣＵ２０は、保持コイルである第２のコイル２に通電する。具体的には、ＥＣＵ２０は、制御信号Ｓ２をＨｉｇｈ状態にする。

ステップ４１３では、ＥＣＵ２０は、吸引コイルの通電時間が終了したか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ２０は、タイマーカウンタＴ１が所定値ＴＳ以上の値になったか否かを判定する。ここで、所定値ＴＳは、電磁弁１０の開弁動作が完了するまでの時間であり、予め求められている。

ステップ４１３で否定判定された場合（Ｔ１＜ＴＳ）、ＥＣＵ２０は、吸引コイルの通電時間は終了していないと判定し、吸引コイルである第１のコイル１に通電すべく次のステップ４１４において制御信号Ｓ１をＨｉｇｈ状態とする。これにより第１のコイル１及び第２のコイル２の双方が通電状態となり、２系統のコイルの双方の発生する電磁力が電磁弁１０のプランジャー３に作用することによって電磁弁１０が開弁駆動される。次のステップ４１５で、ＥＣＵ２０は、タイマーカウンタＴ１の値を増加させる。

一方、ステップ４１３で肯定判定された場合（Ｔ１≧ＴＳ）、ＥＣＵ２０は、吸引コイルの通電時間は終了したと判定し、吸引コイルである第１のコイル１の通電を停止すべく次のステップ４１６において制御信号Ｓ１をＬｏｗ状態とする。これにより第２のコイル２の発生する電磁力のみで電磁弁１０の開弁状態が維持されるようになる。

さて、ステップ４１１で否定判定された場合（ＣＯＩＬ＿Ｎ≠１）、ＥＣＵ２０は、ステップ４１７に進み、保持コイルである第１のコイル１に通電する。具体的には、ＥＣＵ２０は、制御信号Ｓ１をＨｉｇｈ状態にする。

ステップ４１８では、ＥＣＵ２０は、吸引コイルの通電時間が終了したか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ２０は、タイマーカウンタＴ１が所定値ＴＳ以上の値になったか否かを判定する。ここで、所定値ＴＳは、電磁弁１０の開弁動作が完了するまでの時間であり、予め求められている。

ステップ４１８で否定判定された場合（Ｔ１＜ＴＳ）、ＥＣＵ２０は、吸引コイルの通電時間は終了していないと判定し、吸引コイルである第２のコイル２に通電すべく次のステップ４１９において制御信号Ｓ２をＨｉｇｈ状態とする。これにより第１のコイル１及び第２のコイル２の双方が通電状態となり、２系統のコイルの双方の発生する電磁力が電磁弁１０のプランジャー３に作用することによって電磁弁１０が開弁駆動される。次のステップ４２０で、ＥＣＵ２０は、タイマーカウンタＴ１の値を増加させる。

一方、ステップ４１８で肯定判定された場合（Ｔ１≧ＴＳ）、ＥＣＵ２０は、吸引コイルの通電時間は終了したと判定し、吸引コイルである第２のコイル２の通電を停止すべく
次のステップ４２１において制御信号Ｓ２をＬｏｗ状態とする。これにより第１のコイル１の発生する電磁力のみで電磁弁１０の開弁状態が維持されるようになる。

ステップ４２２では、ＥＣＵ２０は、第１のコイル１及び第２のコイル２の故障判定処理を行う。この故障判定処理の結果は、後述する故障判定処理サブルーチンを実行することによって故障判定フラグＣＯＩＬ１＿Ｆ及びＣＯＩＬ２＿Ｆに格納される。

ステップ４２３では、ＥＣＵ２０は、電磁弁１０の開弁時間が終了したか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ２０は、タイマーカウンタＴ２が所定値ＴＲ以上の値になったか否かを判定する。ここで、所定値ＴＲは、電磁弁１０を開弁してから閉弁するまでの時間である。ステップ４２３で否定判定された場合（Ｔ２＜ＴＲ）、ＥＣＵ２０は、電磁弁１０の開弁時間は終了していないと判定し、本ルーチンの実行を一旦終了する。一方、ステップ４２３で肯定判定された場合（Ｔ２≧ＴＲ）、ＥＣＵ２０は、電磁弁１０の開弁時間が終了したと判定し、次回の本ルーチンの実行時に電磁弁１０の閉弁処理を実行すべく次のステップ４２４にて電磁弁開弁フラグＶＡＬＶＥ＿Ｃに０をセットし、本ルーチンの実行を一旦終了する。

図５は、上記の電磁弁１０の開閉制御ルーチンの中のステップ４２２で実行される故障判定処理サブルーチンを示すフローチャートである。

まず、ステップ５０１では、ＥＣＵ２０は、第１のコイル１に通電が行われているか否かを判定する。具体的には、制御信号Ｓ１がＨｉｇｈ状態であるか否かを判定する。ステップ５０１で肯定判定された場合（Ｓ１＝Ｈ）、ＥＣＵ２０は、第１のコイルに通電が行われていると判定して、ステップ５０２に進む。一方、ステップ５０１で否定判定された場合（Ｓ１＝Ｌ）、ＥＣＵ２０は、第１のコイル１に通電は行われていないと判定して、ステップ５０４に進む。

ステップ５０２では、ＥＣＵ２０は、第１のコイル１が故障しているか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ２０は、第１のコイル１の（−）端子に接続された抵抗Ｒ１の両端に発生する電圧Ｖ１が所定の基準値Ｋ１より大きいか否かを判定することによって、第１のコイル１に通電している電流が正常なレベルであるか否かを判定する。これは、第１のコイル１が正常であれば、制御信号Ｓ１がＨｉｇｈ状態の時には第１のコイル１が通電状態となり、それによって第１のコイル１の（−）端子に接続された抵抗Ｒ１にも電流Ｉｃ１が流れるため、抵抗Ｒ１の両端にはＲ１×Ｉｃ１の電圧が生じるのに対し、第１のコイル１に断線などの故障が生じている場合は、制御信号Ｓ１がＨｉｇｈ状態であっても第１のコイル１が通電状態にならず、そのため抵抗Ｒ１に流れる電流は小さくなり、従って抵抗Ｒ１の両端に生じる電圧も小さくなるからである。基準値Ｋ１は第１のコイル１が正常であるとみなすことが可能な通電電流Ｉｃ１の下限値に対応した抵抗Ｒ１における電圧降下に基づいて予め定められている。

ステップ５０２で肯定判定された場合（Ｖ１＞Ｋ１）、ＥＣＵ２０は、第１のコイル１は正常であると判定して、ステップ５０４に進む。一方、ステップ５０２で否定判定された場合（Ｖ１≦Ｋ１）、ＥＣＵ２０は、第１のコイルは故障していると判定して、続くステップ５０３において故障判定フラグＣＯＩＬ１＿Ｆに１をセットし、ステップ５０４に進む。

ステップ５０４〜ステップ５０６では、上記の第１のコイル１の故障判定と同様にして第２のコイル２の故障判定を行う。

第１のコイル１及び第２のコイル２の故障判定を実行して、ＥＣＵ２０は、本サブルー
チンの実行を終了する。

図６は、上記の電磁弁１０の開閉制御ルーチンの中のステップ４０２で実行される電磁弁１０の閉弁制御サブルーチンを示すフローチャートである。

まず、ステップ６０１では、ＥＣＵ２０は、電磁弁１０を閉弁すべく第１のコイル１及び第２のコイル２の通電を双方とも停止する。具体的には、ＥＣＵ２０は、制御信号Ｓ１及びＳ２を双方ともＬｏｗ状態にする。これにより、電磁弁１０のプランジャー３に作用する電磁力が発生しなくなるため、プランジャースプリング５の反発力により電磁弁１０が閉弁する。

ステップ６０２では、ＥＣＵ２０は、タイマーカウンタＴ１及びＴ２をリセットする。

ステップ６０３では、ＥＣＵ２０は、コイル切り替え処理を実行するか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ２０は、コイル切り替えフラグＣＮＧ＿Ｆが０であるか否かを判定する。ステップ６０３で肯定判定された場合（ＣＮＧ＿Ｆ＝０）、ＥＣＵ２０は、ステップ６０４以降のコイル切り替え処理を実行する。一方、ステップ６０３で否定判定された場合（ＣＮＧ＿Ｆ＝１）、ＥＣＵ２０は、本サブルーチンの実行を終了する。

ステップ６０４では、ＥＣＵ２０は、前回の電磁弁１０の開弁制御実施時に吸引コイルとして選択されたコイルを確認する。具体的には、ＥＣＵ２０は、吸引コイルフラグＣＯＩＬ＿Ｎが１であるか否かを確認する。ステップ６０４で肯定判定された場合（ＣＯＩＬ＿Ｎ＝１）、ＥＣＵ２０は、前回の電磁弁１０の開弁制御実施時に吸引コイルとして選択されたのは第１のコイルであると判定し、次回の開弁制御時に第２のコイルを吸引コイルとして選択すべく、続くステップ６０５において吸引コイルフラグＣＯＩＬ＿Ｎに２をセットする。一方、ステップ６０４で否定判定された場合（ＣＯＩＬ＿Ｎ≠１）、ＥＣＵ２０は、前回の電磁弁１０の開弁制御実施時に吸引コイルとして選択されたのは第２のコイルであると判定し、次回の開弁制御時に第１のコイルを吸引コイルとして選択すべく、続くステップ６０６において吸引コイルフラグＣＯＩＬ＿Ｎに１をセットする。

ステップ６０７では、ＥＣＵ２０は、次回の電磁弁１０の開弁制御実施時まで上記のコイル切り替え処理を実行しないように、コイル切り替えフラグＣＮＧ＿Ｆに１をセットして、本サブルーチンの実行を終了する。

図７は、上記の電磁弁１０の開閉制御ルーチンの中のステップ４２６で実行されるコイル故障時の電磁弁１０の開弁制御サブルーチンを示すフローチャートである。

まず、ステップ７０１では、ＥＣＵ２０は、第１のコイルの故障判定を行う。具体的には、ＥＣＵ２０は、故障判定フラグＣＯＩＬ１＿Ｆが１であるか否かを判定する。ステップ７０１で肯定判定された場合（ＣＯＩＬ１＝１）、ＥＣＵ２０は、第１のコイル１は故障していると判定して、ステップ７０２に進む。一方、ステップ７０１で否定判定された場合（ＣＯＩＬ１≠１）、ＥＣＵ２０は、第１のコイルは正常であると判定して、ステップ７０４に進む。

ステップ７０２では、ＥＣＵ２０は、第２のコイルの故障判定を行う。具体的には、ＥＣＵ２０は、故障判定フラグＣＯＩＬ２＿Ｆが１であるか否かを判定する。ステップ７０２で肯定判定された場合（ＣＯＩＬ２＝１）、ＥＣＵ２０は、第２のコイル２も故障していると判定して、ステップ７０５に進む。一方、ステップ７０２で否定判定された場合（ＣＯＩＬ２≠１）、ＥＣＵ２０は、第２のコイルは正常であると判定して、ステップ７０３に進む。

ステップ７０３では、ＥＣＵ２０は、正常な第２のコイルのみを用いて電磁弁１０の開弁制御を実行する。具体的には、制御信号Ｓ１をＬｏｗ状態にするとともに、制御信号Ｓ２をＨｉｇｈ状態にする。これにより、第２のコイル２にのみ通電が行われ、第２のコイル２の発生する電磁力によって電磁弁１０の開弁動作及び開弁状態の維持が実行されることになる。

ステップ７０４では、ＥＣＵ２０は、正常な第１のコイルのみを用いて電磁弁１０の開弁制御を実行する。具体的には、制御信号Ｓ１をＨｉｇｈ状態にするとともに、制御信号Ｓ２をＬｏｗ状態にする。これにより、第１のコイル１にのみ通電が行われ、第１のコイル１の発生する電磁力によって電磁弁１０の開弁動作及び開弁状態の維持が実行されることになる。

このように、２系統のコイルのうちいずれか一方が故障した場合であっても、本実施例の第１のコイル１及び第２のコイル２はそれぞれ単独でも電磁弁１０を開弁駆動可能な電磁力を発生し得るように構成されているため、電磁弁１０は電磁弁としての機能を失うことなく開閉制御可能となる。

ステップ７０５では、ＥＣＵ２０は、第１のコイル１及び第２のコイル２に対する通電を停止する。これは双方のコイルともに故障していると判定されたためである。

以上のステップを実行して、ＥＣＵ２０は本サブルーチンの実行を終了する。

図８は、第１のコイル１の故障時に上記のコイル故障時の電磁弁１０の開弁制御サブルーチンが実行された場合の、ＥＣＵ２０の制御信号Ｓ１及びＳ２の状態と、その状態に対応する第２のコイル２の通電状態、電磁弁１０の開閉状態を示すタイムチャートである。

図８に示すように、第１のコイル１が故障している場合には、電磁弁１０の開弁動作時（図３のＡ１，Ａ２に相当する期間）及び電磁弁１０の開弁状態を維持する期間（図３のＢ１，Ｂ２に相当する期間）ともに、第２のコイル２にのみ通電される。これにより、第２のコイル２の発生する電磁力によって電磁弁１０の開弁駆動及び開弁状態の維持が行われる。

このように、第１のコイル１が故障していない場合と比較して電磁弁１０の開弁駆動の応答性は若干低下する可能性もあるが、電磁弁としての機能を失うことなく開閉制御を継続することが可能になっている。すなわち、本実施例の電磁弁１０はコイルに関して冗長性を有し、信頼性が向上している。

図９は、第２のコイル２の故障時に上記のコイル故障時の電磁弁１０の開弁制御サブルーチンが実行された場合の、ＥＣＵ２０の制御信号Ｓ１及びＳ２の状態と、その状態に対応する第１のコイル１の通電状態、電磁弁１０の開閉状態を示すタイムチャートである。

図９に示すように、第２のコイル２が故障している場合には、電磁弁１０の開弁動作時（図３のＡ１，Ａ２に相当する期間）及び電磁弁１０の開弁状態を維持する期間（図３のＢ１，Ｂ２に相当する期間）ともに、第１のコイル１にのみ通電される。これにより、第１のコイル１の発生する電磁力によって電磁弁１０の開弁駆動及び開弁状態の維持が行われる。

このように、第２のコイル２が故障していない場合と比較して電磁弁１０の開弁駆動の応答性は若干低下する可能性もあるが、電磁弁としての機能を失うことなく開閉制御を継
続することが可能になっている。すなわち、本実施例の電磁弁１０はコイルに関して冗長性を有し、信頼性が向上している。

ＥＣＵ２０が上記のルーチンを実行することにより、本発明の開弁手段、保持手段、及び切り替え手段が実現される。これにより、２系統のコイルによって冗長構成とされた電磁弁において、電磁弁の駆動に際して各コイルが正常な場合も、１系統が故障している場合も、電磁弁としての機能を維持するとともに、電磁弁の信頼性・耐久性を高め、消費電力を低減することができる。

これにより、高い信頼性を要求される航空機用途などに本実施例に係る制御装置によって制御される電磁弁を使用することが可能になる。例えば、ガスタービンエンジンによって生成される圧縮空気によって姿勢や推力を制御する垂直離着陸機では、機体に設けられたノズルから複数の方向に圧縮空気を噴出することで機体姿勢をロール、ピッチ、ヨー方向に制御するものが考えられるが、このようなノズルからの圧縮空気の噴出量を調製する流量調整弁として本実施例の電磁弁を使用することができる。

次に、上記の実施例１とは異なる本発明の実施形態について、図１０に基づいて説明する。

図１０は、電磁弁１０の動作を制御する電磁弁制御装置の回路構成を示す図である。この電磁弁制御装置には、電磁弁１０の動作を制御する電子制御コンピュータであるＥＣＵ２０が備えられており、第１のコイル１及び第２のコイル２に対する通電タイミングの制御や故障判定処理などを実行する。ＥＣＵ２０の第１のＩ／Ｏポート２１ａには、ＮＰＮ型の第１のトランジスタ２６ａを介して電磁弁１０の第１のコイル１が接続されている。また、ＥＣＵ２０の第２のＩ／Ｏポート２１ｂには、ＮＰＮ型の第２のトランジスタ２６ｂを介して電磁弁１０の第２のコイル２が接続されている。

具体的には、第１のコイル１の一端（＋）は電源２４に接続され、他端（−）は第１のトランジスタ２６ａのコレクタに接続されている。第１のトランジスタ２６ａのエミッタは抵抗Ｒ１を介して接地され、ベースは抵抗を介してＥＣＵ２０の第１のＩ／Ｏポート２１ａに接続されている。また、第２のコイル２の一端（＋）は電源２４に接続され、他端（−）は第２のトランジスタ２６ｂのコレクタに接続されている。第２のトランジスタ２６ｂのエミッタは抵抗Ｒ２を介して接地され、ベースは抵抗を介してＥＣＵ２０の第２のＩ／Ｏポート２１ｂに接続されている。

このような構成により、ＥＣＵ２０の第１のＩ／Ｏポート２１ａからの制御信号Ｓ１の状態がＨｉｇｈになると、第１のトランジスタ２６ａのエミッタ端子とコレクタ端子が導通状態となる。すると、電源２４から第１のコイル１の（＋）端子に電流が供給され、第１のコイルに通電が行われる。これによりプランジャ３の近傍に通電電流に応じた磁束が発生し、プランジャー３を駆動する電磁力が発生する。電磁力がプランジャースプリング５の反発力を超えると、プランジャー３が図１の上方に移動し、電磁弁１０は開弁状態となる。逆に、ＥＣＵ２０の第１のＩ／Ｏポート２１ａからの制御信号Ｓ１の状態がＬｏｗになると、第１のコイル１に対する通電が停止し、電磁力が発生しなくなるので、プランジャースプリング５の反発力により電磁弁１０は閉弁状態となる。

第２のコイル２についても、上記の第１のコイル１の場合と同様に、ＥＣＵ２０の第２のＩ／Ｏポート２１ｂからの制御信号Ｓ２の状態に応じて通電制御され、電磁弁１０を開閉駆動することができる。

また、この電磁弁制御装置では、第１のトランジスタ２６ａのエミッタ端子と抵抗Ｒ１の間において回路が分岐され、ＥＣＵ２０の第３のＩ／Ｏポート２３ａに接続されている。また、第２のトランジスタ２６ｂのエミッタ端子と抵抗Ｒ２の間において回路が分岐され、ＥＣＵ２０の第４のＩ／Ｏポート２３ｂに接続されている。

このような構成により、制御信号Ｓ１がＨｉｇｈ状態になった時、すなわち第１のコイル１に対する通電制御が行われた時に、抵抗Ｒ１の両端に発生する電圧Ｖ１をＥＣＵ２０によって監視することができる。この時、第１のコイル１に正常な大きさの電流Ｉｃ１が流れれば、抵抗Ｒ１の両端にはＲ１×Ｉｃ１の大きさの電圧が発生するはずであるから、通電制御時に抵抗Ｒ１の両端に発生する電圧を監視することによって第１のコイルの故障（断線など）を検知することが可能になる。すなわち、第１のコイルが断線している場合は、制御信号Ｓ１がＨｉｇｈ状態になっても、抵抗Ｒ１に電流が流れないため、抵抗Ｒ１における電圧降下が発生せず、ＥＣＵ２０の第３のＩ／Ｏポート２３ａに入力される電圧は０Ｖとなる。

本実施例の電磁制御弁制御装置における具体的な通電制御については上記実施例１と同様であるので説明を省略する。

なお、以上述べた実施の形態は本発明を説明するための一例であって、本発明の本旨を逸脱しない範囲内において上記の実施形態には種々の変更を加え得る。

本発明の実施例１における電磁弁の概略構成を示す図である。本発明の実施例１における電磁弁制御装置の回路構成を示す図である。本発明の実施例における電磁弁の開閉制御が実行された時の制御信号、コイルの通電状態、電磁弁の開閉状態の時間変化を示すタイムチャートである。本発明の実施例における電磁弁の開閉制御を行うためのルーチンを示すフローチャートである。本発明の実施例における故障判定処理サブルーチンを示すフローチャートである。本発明の実施例における電磁弁の閉弁制御サブルーチンを示すフローチャートである。本発明の実施例におけるコイル故障時の開弁制御サブルーチンを示すフローチャートである。本発明の実施例におけるコイル故障時の電磁弁の開閉制御が実行された時の制御信号、コイルの通電状態、電磁弁の開閉状態の時間変化を示すタイムチャートである。本発明の実施例におけるコイル故障時の電磁弁の開閉制御が実行された時の制御信号、コイルの通電状態、電磁弁の開閉状態の時間変化を示すタイムチャートである。本発明の実施例２における電磁弁制御装置の回路構成を示す図である。

符号の説明

１・・・第１のコイル
２・・・第２のコイル
３・・・プランジャー
４・・・バルブ本体
５・・・プランジャースプリング
１０・・・電磁弁
１１・・・ケース
１２・・・コイル部
１３・・・ボビン
２０・・・ＥＣＵ
２１ａ・・・第１Ｉ／Ｏポート
２１ｂ・・・第２Ｉ／Ｏポート
２２ａ・・・第１トランジスタ
２２ｂ・・・第２トランジスタ
２３ａ・・・第３Ｉ／Ｏポート
２３ｂ・・・第４Ｉ／Ｏポート
２４・・・電源
２５ａ・・・第１インバータ
２５ｂ・・・第２インバータ
２６ａ・・・第１トランジスタ
２６ｂ・・・第２トランジスタ

Claims

電磁力が作用することによって駆動される弁体と、
通電されることにより前記弁体に作用し弁体を駆動可能な電磁力を発生する第１のコイルと、
通電されることにより前記第１のコイルが発生する電磁力と同等の大きさの前記弁体に作用する電磁力を発生する第２のコイルと、
前記第１のコイル及び第２のコイルの双方に通電することで前記弁体に電磁力を作用させ前記弁体を開弁及び／又は閉弁させる駆動手段と、
前記第１のコイル又は第２のコイルのいずれか一方にのみ通電することで前記弁体を開弁位置又は閉弁位置に保持する保持手段と、
前記保持手段が通電対象とするコイルを前記保持手段が前回通電したコイルとは異なるコイルに切り替える切替手段と、
を備えることを特徴とする電磁弁の制御装置。
前記電磁弁は、圧縮空気を噴出することで姿勢及び／又は推力を制御する航空機の圧縮空気噴出ノズルに備えられ圧縮空気の流量を調節する電磁弁であることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁の制御装置。
前記第１のコイル及び前記第２のコイルの各々の通電回路に組み込まれコイルの異常を検知する回路と、
前記回路により前記弁体の開閉動作時に前記第１のコイル及び前記第２のコイルの故障を検知する手段と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁弁の制御装置。