JP5107843B2

JP5107843B2 - プランジャ位置検出装置及び電磁弁

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Publication number: JP5107843B2
Application number: JP2008235956A
Authority: JP
Inventors: 悟藤崎; 一広藤原
Original assignee: Mikuni Corp
Current assignee: Mikuni Corp
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: JP2010073705A

Description

本発明は、ソレノイドの電磁力により往復駆動されるプランジャの位置を検出するプランジャ位置検出装置及びこのプランジャ位置検出装置を備えた電磁弁に関し、特に、流体ポンプ、ガス機器等の流体（水、ガス等）の通路を開閉するために使用されるプランジャ位置検出装置及び電磁弁に関する。

従来のガス燃焼器、ガス給湯器等には、ガス通路を開閉するためにソレノイドのプランジャにより開閉駆動される弁体を備えた電磁弁が使用されており、特にガス漏れを防止するためにも、電磁弁の弁体が完全に通路を閉鎖した状態にあるか否かを検出する必要がある。この検出手法として、電磁弁の弁体の位置を自動的に検出して弁体の状態を診断する自己診断システムの開発が望まれている。

一方、従来のプランジャ位置検出装置としては、直列に配列される一対のソレノイドコイル、一対のソレノイドコイル内に配置されて往復動されるプランジャを備えたソレノイドにおいて、励磁される一方のソレノイドコイルにより誘起される非励磁側のソレノイドコイルの誘導起電力又は誘導起電力により生じる電流に基づいて、プランジャの位置を検出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、この検出手法においては、励磁されるソレノイドコイルの他に、別のソレノイドコイルが必要であり、その分、構造の複雑化、装置の大型化、高コスト化等を招くことになる。

特開２００５−２８６１６３号公報

本発明は、上記従来の装置の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、構造の簡素化、小型化、低コスト化等を図りつつ、プランジャの位置とソレノイドの自己インダクタンスとの間及び逆起電圧の収束時間と自己インダクタンスの間にそれぞれ一定の相関関係が存在することを利用して、プランジャの位置を高精度に検出することのできるプランジャ位置検出装置及びこのプランジャ位置検出装置を備えた電磁弁を提供することにある。

本発明のプランジャ位置検出装置は、励磁用のソレノイドコイル、ソレノイドコイルの励磁により生じる電磁力により駆動されるプランジャを含むソレノイドにおいて、プランジャの位置を検出するプランジャ位置検出装置であって、上記ソレノイドコイルへの通電をオフにした際に生じる逆起電圧が所定の閾値に収束するまでの収束時間を検出する収束時間検出手段と、収束時間検出手段により検出された収束時間に基づいて、ソレノイドコイルの自己インダクタンスを演算する自己インダクタンス演算手段と、自己インダクタンス演算手段により得られた自己インダクタンスの値に基づいて、プランジャの位置を演算する位置演算手段と、を含む。
この構成によれば、収束時間検出手段により、ソレノイドコイルの通電を断った際に生じる逆起電圧の収束時間が検出されると、自己インダクタンス演算手段により、検出された収束時間に基づいて自己インダクタンスの値が演算処理により求められ、位置検出手段により、この求められた自己インダクタンスの値に基づいてプランジャの位置が演算処理により求められる。
このように、プランジャの位置とソレノイドコイルの自己インダクタンスの間に一定の相関関係があり、又、逆起電圧の収束時間と自己インダクタンスの間に一定の相関関係が存在することを利用して、収束時間→自己インダクタンスの値→プランジャの位置という順序で、単なる検出処理及び演算処理を行うだけで、構造の簡素化、小型化、低コスト化等を達成しつつ、プランジャの位置を高精度に検出することができる。

上記構成をなすプランジャ位置検出装置において、収束時間検出手段は、逆起電圧の波形に対して、サンプリングの開始時期を順次遅延させて複数回サンプリングを行う遅延サンプリング回路を含む、構成を採用することができる。
この構成によれば、例えば、逆起電圧のアナログ信号をマイクロコンピュータのＡＤ変換器を用いてサンプリングする場合、特に電池系で動作する低電圧駆動システムでは動作速度に限界があるため、サンプリング速度にも限界がある。そこで、遅延サンプリング回路によりサンプリングの開始時間を順次遅延させて複数回サンプリングを行うことで、処理速度の遅いマイクロコンピュータでも、高速度サンプリングと同等に分解能を高めて高精度に収束時間を検出することができる。

上記構成をなすプランジャ位置検出装置において、遅延サンプリング回路は、サンプリングのレートを可変にする、構成を採用することができる。
この構成によれば、遅延サンプリング回路において、サンプリングのレートを可変にすることにより、サンプリングデータの個数を減らすことができ、メモリを節約することができる。

本発明の電磁弁は、励磁用のソレノイドコイルと、ソレノイドコイルの励磁により生じる電磁力により駆動されるプランジャと、プランジャに連結されて流体の通路を開閉する弁体と、弁体の位置を検出するべくプランジャの位置を検出する検出手段とを備えた電磁弁であって、検出手段は、上記構成をなすプランジャ位置検出装置のいずれか一つである、構成となっている。
この構成によれば、プランジャの位置とソレノイドコイルの自己インダクタンスの間に一定の相関関係及び逆起電圧の収束時間と自己インダクタンスの間に一定の相関関係を利用して、収束時間→自己インダクタンスの値→プランジャの位置という順序で、単なる検出処理及び演算処理を行うだけで、構造の簡素化、小型化、低コスト化等を達成しつつ、プランジャすなわち弁体の位置を高精度に検出することができる。
したがって、流体の開閉を行う弁体が開弁位置又は閉弁位置あるいは中間位置等のどの位置にあるのか弁体の作動状態を高精に検出することができ、電磁弁の状態を自動的に診断する自己診断システムを提供することができる。また、この電磁弁がガス機器（ガスコンロ、ガス給湯器等）に使用された場合、閉弁不良等を高精度に検出することができ、それに基づいて警告信号等を発するようにすることができる。

上記構成をなすプランジャ位置検出装置によれば、構造の簡素化、小型化、低コスト化等を達成しつつ、プランジャの位置とソレノイドの自己インダクタンスとの間に相関関係があることを利用して、プランジャの位置を高精度に検出することのできるプランジャ位置検出装置及びこのプランジャ位置検出装置を備えた電磁弁を得ることができる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１ないし図７は、本発明に係るプランジャ位置検出装置（検出手段）を備えた電磁弁の一実施形態を示すものであり、図１は、オン／オフ駆動されるソレノイドを含む電磁弁のシステム図、図２は電磁弁のソレノイド（ソレノイドコイル及びプランジャ）を空隙付きトロイダルコアでモデル化した図、図３はソレノイドにおけるプランジャの位置とソレノイドコイルの自己インダクタンスとの関係を示す図、図４はソレノイドコイルの自己インダクタンスを求めるための基本回路図、図５はソレノイドコイルにおける逆起電圧と収束時間との関係を示す図、図６及び図７は逆起電圧の収束時間を検出する際のサンプリング手法を説明するための図である。

この電磁弁は、ガス機器のガス通路を開閉するガス電磁弁として使用されるものであり、図１に示すように、ガスの通路１を開閉する弁体１０、弁体１０に結合されて弁体１０を開閉駆動するソレノイドの一部をなす鉄心としてのプランジャ２０、プランジャ２０に対して駆動力としての電磁力を及ぼすソレノイドの一部をなす励磁用のソレノイドコイル３０等を備えている。
また、この電磁弁を駆動するシステムとしては、図１に示すように、乾電池等の電源Ｅ、ソレノイドコイル３０への通電をオン／オフ制御するマイクロコンピュータＭ、トランジスタＴｒ等を備えている。

さらに、マイクロコンピュータＭは、ソレノイドコイル３０への通電をオフにした際に生じる逆起電圧が所定の閾値に収束するまでの収束時間を検出する収束時間検出手段（Ａ／Ｄ変換器、遅延サンプリング回路等）、収束時間検出手段により検出された収束時間に基づいてソレノイドコイル３０の自己インダクタンスを演算する自己インダクタンス演算手段（演算回路）、自己インダクタンス演算手段により得られた自己インダクタンスの値に基づいてプランジャ２０の位置を演算する位置演算手段（演算回路）、種々のデータ等を記憶するメモリ等を備えている。
ここでは、収束時間検出手段、自己インダクタンス演算手段、位置演算手段等により、ソレノイドにおけるプランジャ２０の位置を検出するプランジャ位置検出装置が構成されている。

上記システムにおいては、マイクロコンピュータＭのＰＩＯを操作して、ソレノイドコイル３０への通電が停止（オフ）される。
そして、この通電停止（オフ）により、ソレノイドコイル３０には逆起電圧が生じる。この逆起電圧は、マイクロコンピュータＭのＡ／Ｄ変換器にて監視（逆起電圧のアナログ信号がデジタル信号に変換されて出力）され、マイクロコンピュータＭに含まれる収束時間検出手段としての遅延サンプリング回路（不図示）により、逆起電圧が所定の閾値に収束するまでの収束時間が検出される。

続いて、マイクロコンピュータＭに含まれる自己インダクタンス演算手段としての演算回路（不図示）により、検出された収束時間に基づいて演算処理が施され、その収束時間に対応するソレノイドコイル３０の自己インダクタンスが求められる。
続いて、マイクロコンピュータＭに含まれる位置演算手段としての演算回路（不図示）により、求められた自己インダクタンスの値に基づいて演算処理が施され、その自己インダクタンスの値に対応するプランジャ２０の位置が求められる。

ここでは、プランジャ２０の位置とソレノイドコイル３０の自己インダクタンスとの間に一定の相関関係があり、又、ソレノイドコイル３０への通電をオフにした際に生じる逆起電圧の収束時間とソレノイドコイル３０の自己インダクタンスとの間に一定の相関関係があることを利用して、収束時間→自己インダクタンスの値→プランジャの位置という順序で、単なる検出処理及び演算処理を行うだけで、プランジャ２０（すなわち弁体１０）の位置を高精度に検出するものである。

次に、プランジャ２０の位置とソレノイドコイル３０の自己インダクタンスとの関係について、図２を参照しつつ説明する。
ここでは、電磁弁のプランジャ２０（及びヨーク２０´）とソレノイドコイル３０を、図２に示すように、空隙付きトロイダルコアでモデル化すると、空隙長（空隙磁路長）がプランジャ２０の位置と等価になる。したがって、空隙長を変化させた時の全体の自己インダクタンスを評価すればよい。

ここで、鉄心（プランジャ２０及びヨーク２０´）の透磁率をμ、空隙の透磁率をμ_０、磁路断面積をＳ、鉄心の磁路長をＤｉ、空隙磁路長をＤａ、コイルの巻数をＮ、鉄心の磁気抵抗をＲｉ、空隙の磁気抵抗をＲａ、総合磁気抵抗をＲ、自己インダクタンスをＬ、磁位差をＦ、電流をＩ、磁束をΦとするとき、磁位差Ｆ、磁束Φ、及び総合磁気抵抗Ｒとの間には、次式（１）の関係が成立する。
Ｆ＝ΦＲ・・・（１）
また、磁束Φ、電流Ｉ、及び自己インダクタンスＬの間には、次式（２）の関係が成立する。
Φ＝ＬＩＮターンでは、ＮΦ＝ＬＩ・・・（２）
式（１）、（２）により、次式（３）が得られる。
Ｌ＝Ｎ^２／Ｒ・・・（３）

ここで、鉄心と空隙の領域の磁気抵抗を求めると、
Ｒ＝Ｒｉ＋Ｒａ → Ｒ＝（２Ｄｉ／μＳ）＋（２Ｄａ／μ_０Ｓ）となり、
上記式を式（３）に代入して整理すると、
Ｌ＝ＳＮ^２μμ_０／（２Ｄｉμ_０＋２Ｄａμ）
ここで、変数は、Ｄａだけであるため、定数Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３を用いてまとめると、
Ｌ＝Ｃ_１／（Ｃ_２Ｄａ＋Ｃ_３）となり、
定性評価のためにＤａ＝０のときの値Ｌ＝Ｃ_１／Ｃ_３で正規化しかつＣ_３で割ると、
Ｌ＝１／（Ｃ_４Ｄａ＋１）但し、Ｃ_４＝Ｃ_２／Ｃ_３（定数）
Ｄａ＝（１／Ｃ_４）（１／Ｌ）−（１／Ｃ_４）
Ｄａ＝α／Ｌ−β 但し、α＝１／Ｃ_４（定数）、β＝１／Ｃ_４（定数）・・・（４）
の関係が成立する。

上記式（４）は、空隙長（すなわちプランジャ２０の位置）と自己インダクタンスの関係を示すものであり、この関係をグラフ化すると、図３に示すようになる。尚、図３において、プランジャ位置の閉、中間、開は、それぞれ弁体１０が全閉状態、中間開度状態、全開状態にある場合に対応するものである。
すなわち、空隙長（プランジャ２０の位置）の変化により自己インダクタンスＬが図３のように変化する一定の相関関係が存在するため、演算回路により自己インダクタンスの値Ｌを検出し、この検出された自己インダクタンスの値Ｌを式（４）に代入して演算処理を行うことで、容易にプランジャの位置Ｄａを求め得ることが理解される。

次に、ソレノイドコイル３０への通電をオフにした際に生じる逆起電圧とソレノイドコイル３０の自己インダクタンスとの関係について、図４及び図５を参照しつつ説明する。
図４は、電源Ｅ、抵抗Ｒ、ソレノイドコイル３０の自己インダクタンスＬ、通電をオン／オフするスイッチＳＷを備えた基本回路を示すものである。
ここで、自己インダクタンスＬとソレノイドコイル３０の両端電圧Ｖ（ｔ）との間には、次式（５）の関係が成立する。
Ｖ（ｔ）＝Ｌ・ｄＩ／ｄｔ・・・（５）

ここで、図４に示す回路でＳＷをオフにした際に（ｔ＝０において）逆起電圧Ｖ_０が発生するとした場合、電圧Ｖ（ｔ）は、次式（６）で表される。
Ｖ（ｔ）＝−Ｖ_０ｅ^{（−Ｒｔ／Ｌ）}・・・（６）
式（６）を、自己インダクタンスＬを求める式に変換すると、次式（７）で表される。
Ｌ＝−Ｒｔ／ｌｎ（Ｖ（ｔ）／Ｖ_０）・・・（７）

すなわち、上記式（７）において、時間ｔを逆起電圧Ｖ_０が所定の閾値Ｖｔｈまで収束（減衰）するのに要する収束時間Ｔとすると、収束時間Ｔのときの自己インダクタンスＬ_{（ｔ＝Ｔ）}は、次式（８）で求めることができる。
Ｌ_{（ｔ＝Ｔ）}＝−ＲＴ／ｌｎ（Ｖ（Ｔ）／Ｖ_０）・・・（８）
ここで、収束時間Ｔとしては、例えば、逆起電圧Ｖ_０が９８％減衰する（すなわち、閾値Ｖｔｈ＝０．０２×Ｖ_０に収束する）のに要する時間が適用される。
すなわち、逆起電圧の収束時間と自己インダクタンスの間には、図５に示すような一定の相関関係が存在するため、収束時間検出手段により検出された収束時間Ｔの値を上記式（８）に入力して演算処理を行うことにより、容易に自己インダクタンスＬの値を求めることができる。

上記のように、収束時間検出手段により、ソレノイドコイル３０の通電を断った際に生じる逆起電圧Ｖ_０の収束時間Ｔが検出されると、自己インダクタンス演算手段により、検出された収束時間Ｔに基づいて自己インダクタンスＬの値が演算処理により求められ、位置検出手段により、この求められた自己インダクタンスの値Ｌに基づいてプランジャ２０の位置Ｄａが演算処理により求められる。

このように、プランジャ２０の位置Ｄａとソレノイドコイル３０の自己インダクタンスＬの間に一定の相関関係があり、又、逆起電圧Ｖ_０の収束時間Ｔと自己インダクタンスＬの間に一定の相関関係が存在することを利用して、収束時間Ｔ→自己インダクタンスの値Ｌ→プランジャの位置Ｄａという順序で、単なる検出処理及び演算処理を行うだけで、構造の簡素化、小型化、低コスト化等を達成しつつ、プランジャ２０の位置を高精度に検出することができる。そして、プランジャ２０の位置すなわち弁体１０の位置が検出されることで、電磁弁は正常に作動しているか否かを判断する自己診断システムを提供することができる。

次に、収束時間検出手段（マイクロコンピュータＭに含まれるサンプリング回路）について、図６及び図７を参照しつつ説明する。
一般に、電磁弁を使用するガス機器等では、電源Ｅとして乾電池が使用されるため、低電圧においても性能を満足させることは必要である。一方、マイクロコンピュータＭの一般的な特性として、低電圧駆動させた場合動作周波数が低くなるため、サンプリング周期が長くなり分解能が低下する。

プランジャ２０の位置を高精度に検出するには、サンプリング性能として２μｓｅｃ以下の時間的分解能が必要とされるが、マイクロコンピュータＭがＡ／Ｄ変換に要する時間は２００μｓｅｃ程度であるため、低レートのサンプリングで分解能を高めることが必要となる。
そこで、低レートのサンプリングで分解能を高めるべく、収束時間検出手段として、逆起電圧の波形に対してサンプリングの開始時期を順次遅延させて複数回サンプリングを行う遅延サンプリング回路を採用する。

この遅延サンプリング回路によれば、図６に示すように、サンプリングのレート２００μｓｅｃで、分解能２μｓｅｃを実現する。すなわち、サンプリングの開始時期を順次２μｓｅｃだけ遅延させて、１回目は、（開始ポイント＋０μｓｅｃ）から２００μｓｅｃ後にサンプリングを行い、２回目は、（開始ポイント＋２μｓｅｃ）から２００μｓｅｃ後にサンプリングを行い、３回目は、（開始ポイント＋４μｓｅｃ）から２００μｓｅｃ後にサンプリングを行い、Ｎ回目は、（開始ポイント＋（Ｎ−１）×２μｓｅｃ）から２００μｓｅｃ後にサンプリングを行うというように、順次遅延させて（順次ずらして）複数回（Ｎ回）のサンプリングを行う。例えば、サンプリングを９９回（Ｎ＝９９）行うと、分解能が２μｓｅｃとなる。

このように、サンプリングレートが低い場合でも、時間をかければ、高分解能で逆起電圧のアナログ波形信号をサンプリングすることができ、処理速度の遅いマイクロコンピュータＭでも、高速度サンプリングと同等に分解能を高めて高精度に収束時間Ｔを検出することができる。

一方、上記のように、サンプリングのレートを一定（２００μｓｅｃ）にして複数回サンプリングを行う場合、全領域をサンプリングすると、サンプリングのデータ数が多くなり過ぎて、メモリ消費が大きくなる。例えば、全領域を４ｍｓｅｃとすると、サンプリングのデータ数は２０００個となる。
そこで、図７に示すように、１回目は、サンプリングレート２００μｓｅｃ、２回目は２０μｓｅｃ、３回目は２μｓｅｃというように、サンプリングのレートを可変にする。
これによれば、サンプリングデータの個数を減らすことができ、メモリを節約することができる。

以上述べたように、ソレノイドコイル３０、ソレノイドコイル３０の励磁により生じる電磁力により駆動されるプランジャ２０、プランジャ２０に連結されてガス（流体）の通路１を開閉する弁体１０を含む電磁弁において、弁体１０の位置を検出するべくプランジャ２０の位置を検出するプランジャ位置検出装置を備えたことにより、収束時間Ｔ→自己インダクタンスの値Ｌ→プランジャ２０の位置Ｄａという順序で、単なる検出処理及び演算処理を行うだけで、構造の簡素化、小型化、低コスト化等を達成しつつ、プランジャ２０すなわち弁体１０の位置を高精度に検出することができる。

したがって、流体の開閉を行う弁体１０が開弁位置又は閉弁位置あるいは中間位置等のどの位置にあるのか弁体１０の作動状態を高精度に検出することができ、電磁弁の状態を自動的に診断する自己診断システムを提供することができる。また、この電磁弁がガス機器（ガスコンロ、ガス給湯器等）に使用された場合、閉弁不良等を高精度に検出することができ、それに基づいて警告信号等を発するようにすることができる。

上記実施形態においては、収束時間検出手段として、遅延サンプリング回路を含むものを示したが、これに限定されるものではなく、マイクロコンピュータの性能が許す限り、高分解能のサンプリングを行う通常のサンプリング回路を採用してもよい。

以上述べたように、本発明のプランジャ位置検出装置は、構造の簡素化、小型化、低コスト化等を達成しつつ、プランジャの位置とソレノイドの自己インダクタンスとの間に相関関係があることを利用して、プランジャの位置を高精度に検出することができるため、ガス機器等の電磁弁に適用できるのは勿論のこと、その他の流体ポンプ、流体機器等の電磁弁においても有用である。

本発明に係るプランジャ位置検出装置を備えた電磁弁の一実施形態を示すシステム図である。電磁弁のソレノイド（ソレノイドコイル及びプランジャ）を、空隙付きトロイダルコアでモデル化した模式図である。ソレノイドにおけるプランジャの位置とソレノイドコイルの自己インダクタンスとの関係を示す図である。ソレノイドコイルの自己インダクタンスを求めるための基本回路図である。ソレノイドコイルにおける逆起電圧と収束時間との関係を示す図である。逆起電圧の収束時間を検出する際のサンプリング手法を説明するための図である。逆起電圧の収束時間を検出する際のサンプリング手法を説明するための図である。

符号の説明

１通路
１０弁体
２０プランジャ（ソレノイド）
２０´ ヨーク
３０ソレノイドコイル（ソレノイド）
Ｍマイクロコンピュータ
Ｔｒトランジスタ
Ｅ電源

Claims

励磁用のソレノイドコイルと、前記ソレノイドコイルの励磁により生じる電磁力により駆動されるプランジャとを含むソレノイドにおいて、前記プランジャの位置を検出するプランジャ位置検出装置であって、
前記ソレノイドコイルへの通電をオフにした際に生じる逆起電圧が所定の閾値に収束するまでの収束時間を検出する収束時間検出手段と、
前記収束時間検出手段により検出された収束時間に基づいて、前記ソレノイドコイルの自己インダクタンスを演算する自己インダクタンス演算手段と、
前記自己インダクタンス演算手段により得られた自己インダクタンスの値に基づいて、前記プランジャの位置を演算する位置演算手段と、
を含む、ことを特徴とするプランジャ位置検出装置。
前記収束時間検出手段は、前記逆起電圧の波形に対して、サンプリングの開始時期を順次遅延させて複数回サンプリングを行う遅延サンプリング回路を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のプランッジャ位置検出装置。
前記遅延サンプリング回路は、サンプリングのレートを可変にする、
ことを特徴とする請求項２に記載のプランジャ位置検出装置。
励磁用のソレノイドコイルと、前記ソレノイドコイルの励磁により生じる電磁力により駆動されるプランジャと、前記プランジャに連結されて流体の通路を開閉する弁体と、前前記弁体の位置を検出するべく前記プランジャの位置を検出する検出手段と、を備えた電磁弁であって、
前記検出手段は、請求項１ないし３いずれか一つに記載のプランジャ位置検出装置である、
ことを特徴とする電磁弁。