JP7125876B2

JP7125876B2 - 電磁切換弁

Info

Publication number: JP7125876B2
Application number: JP2018140352A
Authority: JP
Inventors: 卓永野
Original assignee: Yuken Kogyo Co Ltd
Current assignee: Yuken Kogyo Co Ltd
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2022-08-25
Anticipated expiration: 2038-07-26
Also published as: JP2020016301A

Description

本発明は、直流ソレノイドの磁路にある消磁スペーサを無くしても、ソレノイド停止時の残留磁気の減少を可能とし、可動鉄心吸着時の吸引力を増加させて省エネ効率を向上させることができる電磁切換弁に関し、詳しくは直流ソレノイドの駆動回路に関するものである。

例えば、電磁切換弁の駆動部として用いられているソレノイドは、通電されたソレノイドコイルによって可動鉄心を固定鉄心に吸着させるものである。通常、直流ソレノイドは、発生する磁界の方向が常に一定であり、ソレノイドコイルに流れる電流を遮断した際に残留磁気が残りやすく、残留磁気による保持力で可動鉄心が固定鉄心から離れ難い場合がある。そこで、鉄心が吸着した際の磁路内に、残留磁気を減らすための非磁性材からなる消磁スペーサを設けて可動鉄心が固定鉄心から離れやすくしている（例えば、特許文献１を参照。）。

例えば、図３に示すようなスプリングオフセット型の電磁切換弁用ソレノイドにおいては、ソレノイドコイルＣｏに通電して発生する吸引力で可動鉄心ＭＣが固定鉄心ＦＣへ吸着移動され、プッシュロッドｐｒを介してスプール等の駆動負荷Ｌを対向バネＳの付勢力に抗して押すことで、所定の流路接続状態へ弁切換が行われる。固定鉄心ＦＣの吸着面には、消磁スペーサｄｓが配置されている。

スプリングオフセット型電磁切換弁の直流ソレノイドでは、ソレノイドへの電流供給をオフにしてコイルへの通電を遮断すると、可動鉄心は固定鉄心の吸着から開放され、対向バネの付勢力によって初期位置へ戻り、これに伴って可動鉄心にスプールが押し戻されて弁が切り換えられる。この時、消磁スペーサによって残留磁気が減らされ、可動鉄心が固定鉄心から速やかに離れることができ、弁切換も速やかに行われる。

特開平０７－３０２７０９号公報

上記のような消磁スペーサの存在は、直流ソレノイドの駆動負荷の駆動において、可動鉄心が固定鉄心に最も吸着された際の吸引力にも制限がかかってしまう。

一方、電磁切換弁においては、可動鉄心が吸着保持状態にある時にコイル電流を減らして吸着保持状態を維持しつつ保持電力を低減させる省エネ駆動方式が好適である。この場合、さらに省エネ効率を上げるために、ソレノイドの磁路にある消磁スペーサを無くして、ソレノイドの可動鉄心吸着時の吸引力を増加させることが考えられる。

しかしながら、電磁切換弁の直流ソレノイドにおいて消磁スペーサを無くした場合、通電を遮断しても残留磁気による保持力が残るため、その保持力が対向バネの付勢力を上回ると、可動鉄心が戻らず弁の切換不良が発生する。

このような弁切換不良を防止する方法として、まず考えられるのは、図４に示すようなソレノイドへ電流供給する駆動回路において、ソレノイド停止時に発生する逆起電力を蓄えるコンデンサＣをソレノイドコイルＣｏに並列に挿入することである。

このコンデンサＣは、駆動回路がスイッチオン状態（図４（ａ））における可動鉄心の吸着保持状態から、スイッチオフにされた直後（図４（ｂ））に、ソレノイドコイルＣｏからの転流される逆起電力で充電される。その後（図４（ｃ））、コンデンサＣは、この蓄えられた逆起電力を放電してソレノイドコイルＣｏへ逆向きに電流を流す。これによって残留磁気による保持力を相殺できる。

しかしながら、ソレノイドのエネルギーは相対的に非常に大きいため、上記駆動回路のコンデンサＣにソレノイドエネルギーを全て蓄積させるためには、コンデンサＣ自体を非常に大型化するか、高電圧にするしかなく、現実的な対応策ではない。

他の方法としては、ソレノイド駆動回路をＨブリッジ回路などの両極性駆動回路で構成することが考えられるが、回路が複雑になり、これは現実的な対応策とならない。このように、現状においては、消磁スペーサを無くした場合、残留磁気の保持力による切換不良を現実的に防止できる方法は考えられていない。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、可動鉄心吸着時の吸引力を増加させて省エネ効率を向上させるために直流ソレノイドの磁路にある消磁スペーサを無くしても、ソレノイド停止時の残留磁気を減少させて可動鉄心保持力を速やか低減して弁の切換不良を防止できる駆動回路を備えた電磁切換弁を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る電磁切換弁は、磁路内に消磁スペーサが設けられていない直流ソレノイド用の駆動回路を備えた電磁切換弁であって、
前記駆動回路は、
電源側から供給される直流をパルス信号発生装置からのパルス信号に基づいた周期での一次側スイッチング素子のオン・オフスイッチングによってパルス波の交流に変換されたものを予め定められた交流電圧へ変圧して一次側から二次側へ伝達するスイッチングトランスと、
二次側に伝達された交流をソレノイドへ直流として供給する二次側回路と、
指令信号に基づいて電流指令を出力する電流指令部と、
前記電流指令と前記ソレノイドへの出力側の検出結果とから得られる電流偏差に基づいて決定される前記パルス信号発生装置によるパルス信号の周期で前記一次側スイッチング素子のオン・オフスイッチングを制御する電流指令回路と、を備え、
前記二次側回路は、
前記スイッチングトランスの一次側コイルと同じ極性の二次側コイルからの交流を整流する二次側整流ダイオードと、
前記ソレノイドと並列に配置された二次側平滑コンデンサと、
転流回路を形成するチョークコイル及び前記二次側平滑コンデンサと並列な第１転流ダイオードと、
前記転流回路を遮断可能に配置された第１転流スイッチング素子と、を備えており、
前記電流指令部は、
ソレノイド駆動の指令信号を受けて出力する大電流供給の電流指令によって、ソレノイドの立ち上がり駆動を高速化させる高速モードと、
前記ソレノイドの高速駆動により可動鉄心の固定鉄心に対する吸着状態が得られた後に出力する供給電流減少の電流指令によって、可動鉄心の固定鉄心に対する吸着保持状態を維持しつつ保持電力を低減させる省エネモードと、
前記省エネモードの状態からソレノイド停止の指令信号を受けて出力する電流供給停止の電流指令によって、電流供給を遮断すると共に、前記第１転流スイッチング素子をオフにして前記転流回路を遮断し、前記ソレノイドに発生する逆起電力を前記二次側平滑コンデンサに充電させた後に該二次側平滑コンデンサから前記ソレノイドへ逆向きの電流を流させて吸着している前記可動鉄心の残留磁気を相殺させるソレノイド消磁モードと、を備えていることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明に係る電磁切換弁は、請求項１に記載の電磁切換弁において、前記第１転流スイッチング素子は、前記転流回路のみを遮断可能に配置されたものであり、
前記二次側回路は、
該二次側回路の前記誘導負荷への電流供給をオン・オフする二次側スイッチング素子と、
前記チョークコイルと並列な第２の転流回路を形成する第２転流ダイオードおよび前記第２の転流回路をオン・オフする第２転流スイッチング素子と、を備え、
前記二次側回路に配置された前記二次側スイッチング素子又は前記第１転流スイッチング素子に対して前記電流指令と出力側の検出結果から得られる電流偏差に基づいて決定される第２のパルス信号発生装置によるパルス信号の周期でオン・オフスイッチング制御を行うと共に、前記電流偏差がマイナスになった際に前記第１転流スイッチング素子をオフにして前記第１転流ダイオードへの電流供給を遮断させる転流制御回路を更に備え、
前記スイッチングトランスは、電源側からの電流供給がなく前記一次側スイッチング素子がオフであると共に前記転流制御回路によって前記二次側スイッチング素子がオンにされた際に、前記ソレノイドで発生する逆起電力を二次側コイルを介して回収するエネルギー回収用コイルを一次側に備えているものである。

請求項３に記載の発明に係る電磁切換弁は、請求項１又は２に記載の電磁切換弁において、前記ソレノイドとして、駆動方向が互いに対向する第１ソレノイドと第２ソレノイドとの一対のソレノイドを備え、
前記スイッチングトランスは、二次側コイルとして第１の二次側コイルと第２の二次側コイルとの二個を有するものであり、
前記二次側回路は、第１と第２の二次側コイルからの交流をそれぞれ直流にして第１ソレノイドと第２ソレノイドとへ供給する第１と第２との二次側回路とを備え、
前記第１と第２との二次側回路は、二次側整流ダイオードと、二次側平滑コンデンサと、転流回路を形成するチョークコイル及び前記二次側平滑コンデンサと並列な第１転流ダイオードと、前記転流回路を遮断可能に配置された第１転流スイッチング素子と、をそれぞれ備え、
指令信号に基づいて第１と第２との二次側回路のそれぞれに配置されているスイッチング素子のオン・オフを制御し、第１の二次側回路による電流供給と第２の二次側回路による電流供給とを選択して第１ソレノイドの駆動と第２ソレノイドの駆動とを切換制御するソレノイド切換回路を更に備えているものである。

請求項４に記載の発明に係る電磁切換弁は、請求項１～３のいずれか１項に記載の電磁切換弁において、前記ソレノイドの弁スプール位置検出機構を更に備え、
前記弁スプール位置検出機構は、電流指令の信号波に位置検出用の高周波搬送波を重畳させる搬送波発生装置を備えているものであり、
前記ソレノイドの出力側で検出された帰還信号から前記位置検出用の搬送波周波数成分を抽出し、その抽出結果と予め設定された判定基準値とに基づいて前記弁スプールの位置を検出する位置検出部を更に有するものである。

本発明の電磁切換弁においては、可動鉄心の吸着保持時に電流を減じる省エネ駆動方式であると共に、直流ソレノイドの磁路にある消磁スペーサが無くてもソレノイド停止時の残留磁気を減少させて可動鉄心保持力を速やか低減できるソレノイド駆動回路を備えているため、可動鉄心吸着時の吸引力を増加させながらも弁の切換不良を防止でき、省エネ効率のさらなる向上を実現可能とするという効果がある。また、可動鉄心の位置変化に応じたインダクタンス変化に相当する検出信号変化量に基づいて弁スプール位置検出を行う際には、消磁スペーサを無くすことによって可動鉄心の吸着位置における吸引力が大きくなることで、インダクタンス変化、即ち検出信号の変化量も大きくなり、位置検出が容易に且つより高精度に行える。

発明の一実施例によるダブルソレノイド型電磁切換弁の消磁スペーサを無くした直流ソレノイド用のフォワードコンバータ式駆動回路の構成を示す回路図である。消磁スペーサ有り・無しにおける可動鉄心の位置に対するソレノイド吸引力及びバネ付勢力の関係を示す線図である。従来の直流ソレノイドの構成を示す概略断面図である。ソレノイド駆動回路に並列にコンデンサを備えた場合のスイッチオン・オフにおける電流の流れる状態の変化を示す説明図であり、（ａ）はスイッチオン状態、（ｂ）はスイッチオフ直後の転流状態、（ｃ）はスイッチオフ後の放電状態、をそれぞれ示す概略回路図である。

本発明の電磁切換弁は、磁路内に消磁スペーサが設けられていない直流ソレノイド用の駆動回路を備えた電磁切換弁であって、前記駆動回路は、電源側から供給される直流をパルス信号発生装置からのパルス信号に基づいた周期での一次側スイッチング素子のオン・オフスイッチングによってパルス波の交流に変換されたものを予め定められた交流電圧へ変圧して一次側から二次側へ伝達するスイッチングトランスと、二次側に伝達された交流をソレノイドへ直流として供給する二次側回路と、指令信号に基づいて電流指令を出力する電流指令部と、前記電流指令と前記ソレノイドの出力側の検出結果とから得られる電流偏差に基づいて決定される前記パルス信号発生装置によるパルス信号の周期で前記一次側スイッチング素子のオン・オフスイッチングを制御する電流指令回路と、を備え、前記二次側回路は、前記スイッチングトランスの一次側コイルと同じ極性の二次側コイルからの交流を整流する二次側整流ダイオードと、前記ソレノイドと並列に配置された二次側平滑コンデンサと、転流回路を形成するチョークコイル及び前記二次側平滑コンデンサと並列な第１転流ダイオードと、前記転流回路を遮断可能に配置された第１転流スイッチング素子と、を備えており、前記電流指令部は、ソレノイド駆動の指令信号を受けて出力する大電流供給の電流指令によって、ソレノイドの立ち上がり駆動を高速化させる高速モードと、前記ソレノイドの高速駆動により可動鉄心の固定鉄心に対する吸着状態が得られた後に出力する駆動電流減少の電流指令によって、可動鉄心の固定鉄心に対する吸着保持状態を維持しつつ保持電力を低減させる省エネモードと、前記省エネモードの状態からソレノイド停止の指令信号を受けて出力する電流供給停止の電流指令によって、電流供給を遮断すると共に、前記第１転流スイッチング素子をオフにして前記転流回路を遮断し、前記ソレノイドに発生する逆起電力を前記二次側平滑コンデンサに充電させた後に該二次側平滑コンデンサから前記ソレノイドへ逆向きの電流を流させて吸着している前記可動鉄心の残留磁気を相殺させるソレノイド消磁モードと、を備えているものである。

以上の構成により、本発明の電磁切換弁では、スイッチングトランスによるフォワードコンバータ駆動回路が形成されており、ソレノイド停止時においては、電流指令部のソレノイド消磁モードによって、二次側回路の第１転流スイッチング素子がオフにされて転流回路が遮断されるため、ソレノイドに発生する逆起電力が二次側平滑コンデンサを充電した後、該二次側平滑コンデンサからソレノイドへ逆向きの電流が流される。これによって、ソレノイドの残留磁気は消磁スペーサが無くても相殺され、固定鉄心に吸着されていた可動鉄心は速やかに離れることができ、弁の切換不良は防止される。

しかも、本発明の電磁切換弁は、省エネ駆動方式により、ソレノイド駆動開始後に可動鉄心の固定鉄心に対する吸着保持状態が得られれば、電流指令部は省エネモードへ移行してソレノイドへの供給電流を減少させて吸着保持状態を維持できるだけの保持電力に低減させるため、ソレノイドの磁化力は小さく抑えられている。

このため、この省エネモードからソレノイドを停止した際には、残留磁気による解除すべき吸着保持力も小さいため、保持力をキャンセルするのに必要な逆電流も小さくて済む。さらに、本発明の電磁切換弁がスプリングオフセット型、或いはスプリングセンタリング型であれば、ソレノイド停止後の弁スプール等の駆動部の戻りは残留する吸着保持力を対向バネの付勢力が勝る程度に減少させれば可動鉄心は速やかに固定鉄心から離れることができるため、実際にはソレノイドの残留磁気を完全にゼロにする必要はなく、吸着保持力がバネ付勢力に劣る程度に減少させるのに必要なだけの小さな逆電流を流せば良い。

従って、ソレノイド停止時に逆起電力を蓄積する二次側平滑コンデンサは、省エネモードからのソレノイド停止時の残留磁気が小さく、必要な逆電流エネルギーも小さくて済むため、相応に小さい容量のもので済む。特にスプリングオフセット型或いはスプリングセンタリング型では、上記のようにバネ付勢力に残留保持力が劣るようになるのに必要な程度の小さな逆電流エネルギーを蓄えることができる小容量のコンデンサで済む。

以上のように、本発明の電磁切換弁では、直流ソレノイドに消磁スペーサを設けなくても、ソレノイド停止時の残留磁気による弁切換不良は防止される。そして、消磁スペーサを無くしたことにより、可動鉄心の吸着力は増加され、結果的に省エネ効率を上げることができる。

即ち、可動鉄心位置に対する吸引力・バネ力の関係を示した図２の線図に示すように、ソレノイド吸引力は、固定鉄心に対する可動鉄心の距離の２乗に反比例するため、対向バネが同じであれば、異なる吸着位置でバネ付勢力と吸引力との差も異なる。消磁スペーサが固定鉄心の吸着面に有る場合の可動鉄心の吸着位置Ｐ１に対して、消磁スペーサを無くした場合の可動鉄心の吸着位置Ｐ０は固定鉄心に消磁スペーサ幅分近くなって距離は短くなり、バネ付勢力と吸引力との差は大きくなる。この結果、可動鉄心の吸着保持状態を得るためのソレノイド駆動電流をより大きく低減することが可能になるため、省エネ効果は大きくなる。

また、可動鉄心の吸着位置が固定鉄心に近くなることによってインダクタンスも大きくなるため、可動鉄心の位置変化に対応するインダクタンスの変化も大きくなる。従って、電流指令の信号波に位置検出用搬送波を重畳させて、出力側で検出された帰還信号から検出成分を抽出して位置変化に応じた検出信号変化量に基づいて弁スプールの位置検出を行う場合、検出信号変化量も大きくなるため、位置検出をより容易に且つ高精度に行うことが可能となる。

また、本発明の電磁切換弁の構成を実現するためには、現状のソレノイドから部品（消磁スペーサ）を取り除くだけで済むため、装置構成の改良は作業が簡便であると共にコストダウンもできる。

なお、上記のように、ソレノイドの駆動電流を小さく抑えた省エネモードからのソレノイド停止の際に発生する逆起電力は小さいが、例えば、何らかの状況において、ソレノイド駆動電流が大きい状態からのソレノイド停止では、大きな逆起電力が発生する。このソレノイド負荷エネルギーに対して二次側平滑コンデンサの容量が小さい場合に、該コンデンサの他に大きな余剰エネルギーを吸収し、またチョークコイルのエネルギーも処理できるエネルギー回収手段を備えることが望まれる。

そこで、スイッチングトランスの一次側にエネルギー回収用コイルを備えて余剰エネルギーを回収させることが考えられる。一次側からの電流供給がない場合、即ち、一次側スイッチング素子がオフの場合、ソレノイドに発生する逆起電力は、転流回路がなければ、交流に変換してスイッチングトランスを介して一次側へ返すことができる。

よって、二次側回路には、転流回路のみを遮断可能に配置された第１転流スイッチング素子の他に、二次側回路を遮断可能に配置された二次側スイッチング素子を配置し、転流制御回路によってソレノイド停止時の電流偏差がマイナスの際にこの二次側スイッチング素子を第２のパルス信号発生装置によってＰＷＭ制御を行う構成とする。さらに、チョークコイルに並列に配置された第２転流ダイオードと第２転流スイッチング素子とを備えた第２の転流回路も形成する回路構成とすれば良い。

このような回路構成によって、ソレノイド停止時の電流偏差がマイナスになった場合に、二次側スイッチング素子のオフ状態にて、第１転流スイッチング素子のオフによって転流回路を遮断すると共に第２転流スイッチング素子のオンによって、ソレノイドに発生した逆起電力は二次側平滑化コンデンサを充電し、チョークコイルのエネルギーは第２の転流回路で転流させることができる。そして二次側平滑化コンデンサからの余剰エネルギーは、二次側スイッチング素子のオン状態にて、スイッチングトランスへ送られる。同時に二次側スイッチング素子のＰＷＭ制御でのオンスイッチング制御によって二次側平滑化コンデンサからの直流は交流へ変換され、スイッチングトランスで二次側コイルから一次側のエネルギー回収用コイルへ伝達されて一次側回路へ回収される。よって、余剰エネルギーが大きくても、発熱の無い短時間での効率的なソレノイド停止を実現できる。

なお、本発明における電磁切換弁がダブルソレノイド型であり、第１ソレノイドと第２ソレノイドとの一対のソレノイドを備えたものである場合には、駆動回路のスイッチングトランスは、二次側コイルとして第１の二次側コイルと第２の二次側コイルとの二個を有するものとする。また二次側回路は、第１と第２との二次側コイルからの交流をそれぞれ直流にして第１ソレノイドと第２ソレノイドへ供給する第１と第２の二次側回路とを備えるものとする。

これら第１と第２との二次側回路は、二次側整流ダイオードと、二次側平滑コンデンサと、転流回路を形成するチョークコイル及び二次側平滑コンデンサと並列な第１転流ダイオードと、転流回路を遮断可能に配置された第転流スイッチング素子と、をそれぞれ有する構成とすれば良い。そして、ソレノイド切換回路によって、指令信号に基づいて第１と第２の二次側回路のそれぞれに配置されているスイッチング素子のオン・オフを制御し、第１の二次側回路による電流供給と第２の二次側回路による電流供給とを選択して第１ソレノイドの駆動と第２ソレノイドの駆動とを切換制御することができる。

さらに、ソレノイドの弁スプールの位置検出を行う場合には、位置検出機構として、電流指令の信号波に位置検出用の高周波搬送波を重畳させる搬送波発生装置を備え、ソレノイドの出力側で検出された帰還信号から位置検出用の搬送波周波数成分を抽出し、その抽出結果から、弁スプール位置、即ち可動鉄心の位置に応じたインダクタンス変化に相当する変化量、例えば電流振幅や電圧振幅の変化量と、予め設定された判定基準値とに基づいて駆動部の位置を検出する位置検出部を更に備えた構成とする。

この位置検出機構により、ソレノイド停止時の可動鉄心の位置に対応する弁スプールの位置を検出する際には、前述のように、本発明では消磁スペーサが無い分、可動鉄心の吸着位置が固定鉄心からより近い距離であることから、吸着位置からの変化に応じたインダクタンス変化も大きく、検出信号変化量も大きいため、位置検出がより容易に行える。

本発明の一実施例として、ダブルソレノイド電磁切換弁の消磁スペーサを無くした直流ソレノイド用のフォワードコンバータ式駆動回路を図１に示す。本実施例による直流ソレノイド用駆動回路１は、一次側で電源２から供給される電流を平滑化された直流とすると共に交流に変換し、該交流をスイッチングトランス６によって一次側から二次側へ予め定められた交流電圧へ変圧して伝達し、二次側へ伝達された交流を整流、平滑化された直流として一対の第１ソレノイド（ＳＯＬＡ）と第２ソレノイド（ＳＯＬＢ）とへ切換供給する回路構成を備えている。

この回路構成においては、一次側に、一次側コンデンサ４と、パルス信号発生装置８からのパルス信号に基づいた周期でのオン・オフスイッチングによって直流をパルス波の交流に変換してスイッチングトランス６の一次側コイルへ送るＭＯＳＦＥＴの一次側スイッチング素子５とを備えている。

スイッチングトランス６は、一次側コイルＬｐ１に対してコイル極性が同じ二個の二次側コイル（Ｌｓ１，Ｌｓ２）備えたものである。なお、フォワードコンバータでも、多少はコアに磁化エネルギーが蓄えられるため、一般的な場合と同様に、一次側にはこのコアエネルギーを電源に戻すためのコイルＬｐ２と一次側ダイオード３も配置されている。また、二次側には、各二次側コイル（Ｌｓ１，Ｌｓ２）から第１ソレノイド（ＳＯＬＡ）と第２ソレノイド（ＳＯＬＢ）とのそれぞれに対して対応する二つの二次側回路（２０ａ，２０ｂ）によって電流が供給される。即ち、第１の二次側コイルＬｓ１が第１の二次側回路２０ａによって第１ソレノイド（ＳＯＬＡ）に接続され、第２の二次側コイルＬｓ２が第２の二次側回路２０ｂによって第２ソレノイド（ＳＯＬＢ）に接続されている。

各二次側回路（２０ａ，２０ｂ）は、それぞれ、二次側コイル（Ｌｓ１，Ｌｓ２）へ伝達された交流を整流する二次側整流ダイオード（２１ａ，２１ｂ）と、さらに平滑化された直流としてソレノイド（ＳＯＬＡ，ＳＯＬＢ）へ送る二次側平滑コンデンサ（２２ａ，２２ｂ）とを備えたものである。また、転流回路を形成するチョークコイル（２４ａ，２４ｂ）および第１転流ダイオード（２３ａ，２３ｂ）を備え、フォワードコンバータが構成されている。

電流指令部５０は、指令信号に基づいて電流指令Ｒを出力し、電源２からの電流をソレノイド（ＳＯＬＡ，ＳＯＬＢ）へ供給する。即ち、電流指令回路３０において、電流指令Ｒと検出抵抗器等の電流センサ９からの出力側検出結果による電流フィードバック信号Ｉとに基づいた目標値との偏差から、ＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御部７を介して実際の操作量が求められ、該操作量に相当する振幅信号が生成されてパルス信号発生装置８へ出力される。そして一次側スイッチング素子５は、電流偏差に基づいて決定されるパルス信号発生装置８からのパルス信号によってオン・オフスイッチング制御が行われるものであり、即ち、スイッチングトランス６の一次側はＰＷＭ制御される。

また、電流指令部５０は、ソレノイド（ＳＯＬＡ又はＳＯＬＢ）駆動のＯＮ信号を受けて出力する大電流供給の電流指令Ｒによって、ソレノイド（ＳＯＬＡ又はＳＯＬＢ）の立ち上がり駆動を高速化させる高速モードと、ソレノイド（ＳＯＬＡ又はＳＯＬＢ）の高速駆動後に可動鉄心の固定鉄心に対する吸着状態が得られた後に出力する駆動電流減少の電流指令Ｒによって、可動鉄心の固定鉄心に対する吸着保持状態を維持しつつ保持電力を低減させる省エネモードと、省エネモード状態からソレノイド（ＳＯＬＡ又はＳＯＬＢ）停止の指令信号を受けて出力する電流供給停止の電流指令Ｒによって、電流供給を遮断すると共に、前記第１転流スイッチング素子（２５ａ，２５ｂ）をオフにして二次側回路（２０ａ，２０ｂ）の転流回路を遮断し、ソレノイド（ＳＯＬＡ又はＳＯＬＢ）に発生する逆起電力を二次側平滑コンデンサ（２２ａ，２２ｂ）に充電させた後に該二次側平滑コンデンサ（２２ａ，２２ｂ）からソレノイド（ＳＯＬＡ又はＳＯＬＢ）へ逆向きの電流を流させて吸着している可動鉄心の残留磁気を相殺させるソレノイド消磁モードと、と備えている。

上記のように、ソレノイド（ＳＯＬＡ，ＳＯＬＢ）に並列に配置された二次側平滑コンデンサ（２２ａ，２２ｂ）は、電流指令部５０における省エネモードからのソレノイド消磁モードへの移行によって、従来の消磁スペーサによるソレノイド停止時の残留磁気減少作用に換わって、ソレノイド停止時の逆起電力を蓄えた後にソレノイドへ逆向き電流を流して残留磁気をキャンセルする機能を有するものである。

但し、残留磁気による保持力が対向バネの付勢力に劣る程度に減少すれば、そのバネ付勢力によって可動鉄心は固定鉄心から速やかに離れることができるため、実際にキャンセルに必要な二次側平滑コンデンサ（２２ａ，２２ｂ）による逆電流は、残留磁気を完全にゼロにするまでのものは必要ない。しかも、省エネモードによってソレノイド駆動電流は立ち上がり時よりも小さく抑えられていたため、発生する残留磁気自体も小さく、この相対的に小さい残留磁気から、該残留磁気による保持力が対向バネの付勢力に劣るようになる程度の非常に小さな逆電流のみが必要とされる。

従って、二次側平滑コンデンサ（２２ａ，２２ｂ）としては、残留磁気をキャンセルさせるのに必要なだけの小さな逆電流相当の逆起電力を蓄えることができる程度の容量である定格電圧、例えば５０～２００Ｖの容量のものを適宜選定すれば良い。

また、本実施例においては、第１と第２との二次側回路（２０ａ，２０ｂ）のそれぞれには、これら二次側回路を遮断可能に配置されたＭＯＥＦＥＴの二次側スイッチング素子（２９ａ，２９ｂ）と、転流回路のみを遮断可能に配置されたＭＯＳＦＥＴの第１転流スイッチング素子（２５ａ，２５ｂ）とが備えられている。

二次側スイッチング素子（２９ａ，２９ｂ）は、ソレノイド切換回路３１によって指令信号の極性信号に基づいてオン・オフ切換制御されることにより、第１と第２の二次側回路（２０ａ、２０ｂ）による第１ソレノイド（ＳＯＬＡ）と第２ソレノイド（ＳＯＬＢ）とへの電流供給と駆動が切換制御される。

そして、ソレノイド停止時には、第１転流スイッチング素子（２５ａ又は２５ｂ）が、ソレノイド停止信号に基づいて転流制御回路３４によってオフにされ、転流回路を遮断する。そして、ソレノイド（ＳＯＬＡ又はＳＯＬＢ）に発生した逆起電力が、転流回路の遮断直後には二次側平滑コンデンサ（２２ａ又は２２ｂ）に蓄積され、その後、ソレノイド（ＳＯＬＡ又はＳＯＬＢ）の残留磁気をキャンセルするための逆電流として、この二次側平滑コンデンサ（２２ａ又は２２ｂ）からソレノイド（ＳＯＬＡ又はＳＯＬＢ）へ逆向きに流される。

さらに、本実施例においては、第１と第２との二次側回路（２０ａ，２０ｂ）には、それぞれ、チョークコイル（２４ａ，２４ｂ）と並列な第２の転流回路を形成する第２転流ダイオード（２６ａ，２６ｂ）と、この第２の転流回路を遮断可能に配置されたＭＯＳＦＥＴの第２転流スイッチング素子（２８ａ，２８ｂ）が備えられている。また、二次側スイッチング素子（２９ａ，２９ｂ）は、電流偏差に基づいて決定される第２のパルス信号発生装置３８によるパルス信号の周期でオン・オフスイッチング制御（ＰＷＭ制御）される。

以上の回路構成においては、例えば上記省エネモードではなく、ソレノイド（ＳＯＬＡ又はＳＯＬＢ）に比較的大きな電流が供給されていた状態からの停止によって、ソレノイド（ＳＯＬＡ又はＳＯＬＢ）に大きな逆起電力が発生した場合、まず第１転流スイッチング素子（２５ａ又は２５ｂ）が、転流制御回路３４によってオフにされると共に、二次側スイッチング素子（２９ａ又は２９ｂ）をオフ状態で第２転流スイッチング素子（２８ａ又は２８ｂ）がオン状態にされると、ソレノイド（ＳＯＬＡ又はＳＯＬＢ）に発生した逆起電力はまず二次側平滑コンデンサ（２２ａ又は２２ｂ）に蓄積され、チョークコイル（２４ａ又は２４ｂ）のエネルギーは第２の転流回路で転流される。

しかしソレノイドに発生した逆起電力が大きく、処理すべき負荷エネルギーに対して二次側平滑コンデンサ（２２ａ，２２ｂ）の容量が小さい場合、二次側スイッチング素子（２９ａ又は２９ｂ）のオン状態にて二次側平滑コンデンサ（２２ａ，２２ｂ）からの余剰エネルギーは、二次側コイル（Ｌｓ１又はＬｓ２）へ流れる。

この二次側コイル（Ｌｓ１又はＬｓ２）へ流れる電流は、二次側スイッチング素子（２９ａ又は２９ｂ）のＰＷＭ制御によって交流に変換されているため、二次側コイル（Ｌｓ１又はＬｓ２）に発生する逆起電力に対して、一次側の回収用コイルＬｐ２に誘導起電力が発生される。よって、余剰エネルギーは、スイッチングトランス６を介して二次側から一次側へ伝達され、一次側ダイオード３を介して電源側へ回収される。本実施例では、コアエネルギーを電源に戻すために一次側に設けられているコアエネルギー回収用コイルＬｐ２を、二次側エネルギーの回収用コイルとして利用するものである。

本実施例では、更に、電磁切換弁のソレノイド（ＳＯＬＡ又はＳＯＬＢ）オフ時の弁スプール位置を検出するための位置検出機構を備えている。即ち、電流指令Ｒの信号波に、搬送波発生装置４１からの位置検出用の搬送波（正弦波または三角波）ｆ１を重畳させるものである。そして電流指令部５０に設けられた位置検出部４０にて、帰還信号Ｉから搬送波周波数成分を抽出し、その抽出結果と予め定められた位置判定基準値とに基づいて弁スプール位置を検出する。

本実施例における位置検出機構においては、上記のようにソレノイド磁路に消磁スペーサが無い分、可動鉄心の吸着位置が固定鉄心からより近い距離であるため、吸着位置からの変化に応じたインダクタンス変化も大きく、検出信号変化量も大きくなり、位置検出がより容易に且つ高精度に行うことができる。

１：直流ソレノイド用駆動回路
２：電源
３：一次側ダイオード
４：一次側コンデンサ
５：一次側スイッチング素子
６：スイッチングトランス
Ｌｐ１：一次側コイル
Ｌｐ２：一次側コイル（コアエネルギー回収用，二次側エネルギー回収用）
Ｌｓ１，Ｌｓ２：二次側コイル
７：ＰＩＤ制御部
８：パルス信号発生装置
９：電流センサ
２０ａ：第１の二次側回路
２０ｂ：第２の二次側回路
２１ａ，２１ｂ：二次側整流ダイオード
２２ａ，２２ｂ：二次側平滑コンデンサ
２３ａ，２３ｂ：第１転流ダイオード
２４ａ，２４ｂ：チョークコイル
２５ａ，２５ｂ：第１転流スイッチング素子
２６ａ，２６ｂ：第２転流ダイオード
２７ａ，２７ｂ：抵抗
２８ａ，２８ｂ：第２転流スイッチング素子
２９ａ，２９ｂ：二次側スイッチング素子
ＳＯＬＡ：第１ソレノイド
ＳＯＬＢ：第２ソレノイド
３０：電流指令回路
３１：ソレノイド切換回路
３４：転流制御回路
３８：第２のパルス信号発生装置
４０：位置検出部
４１：搬送波発生装置
５０：電流指令部
Ｒ：電流指令
ＭＣ：可動鉄心
ＦＣ：固定鉄心
Ｃｏ：ソレノイドコイル
ｐｒ：プッシュロッド
Ｌ：駆動負荷
Ｓ：対向バネ
ｄｓ：消磁スペーサ
Ｃ：コンデンサ

Claims

磁路内に消磁スペーサが設けられていない直流ソレノイド用の駆動回路を備えた電磁切換弁であって、
前記駆動回路は、
電源側から供給される直流をパルス信号発生装置からのパルス信号に基づいた周期での一次側スイッチング素子のオン・オフスイッチングによってパルス波の交流に変換されたものを予め定められた交流電圧へ変圧して一次側から二次側へ伝達するスイッチングトランスと、
二次側に伝達された交流をソレノイドへ直流として供給する二次側回路と、
指令信号に基づいて電流指令を出力する電流指令部と、
前記電流指令と前記ソレノイドの出力側の検出結果とから得られる電流偏差に基づいて決定される前記パルス信号発生装置によるパルス信号の周期で前記一次側スイッチング素子のオン・オフスイッチングを制御する電流指令回路と、を備え、
前記二次側回路は、
前記スイッチングトランスの一次側コイルと同じ極性の二次側コイルからの交流を整流する二次側整流ダイオードと、
前記ソレノイドと並列に配置された二次側平滑コンデンサと、
転流回路を形成するチョークコイル及び前記二次側平滑コンデンサと並列な第１転流ダイオードと、
前記転流回路を遮断可能に配置された第１転流スイッチング素子と、を備えており、
前記電流指令部は、
ソレノイド駆動の指令信号を受けて出力する大電流供給の電流指令によって、ソレノイドの立ち上がり駆動を高速化させる高速モードと、
前記ソレノイドの高速駆動により可動鉄心の固定鉄心に対する吸着状態が得られた後に出力する駆動電流減少の電流指令によって、可動鉄心の固定鉄心に対する吸着保持状態を維持しつつ保持電力を低減させる省エネモードと、
前記省エネモードの状態からソレノイド停止の指令信号を受けて出力する電流供給停止の電流指令によって、電流供給を遮断すると共に、前記第１転流スイッチング素子をオフにして前記転流回路を遮断し、前記ソレノイドに発生する逆起電力を前記二次側平滑コンデンサに充電させた後に該二次側平滑コンデンサから前記ソレノイドへ逆向きの電流を流させて吸着している前記可動鉄心の残留磁気を相殺させるソレノイド消磁モードと、を備えていることを特徴とする電磁切換弁。
前記第１転流スイッチング素子は、前記転流回路のみを遮断可能に配置されたものであり、
前記二次側回路は、
該二次側回路の前記ソレノイドへの電流供給をオン・オフする二次側スイッチング素子と、
前記チョークコイルと並列な第２の転流回路を形成する第２転流ダイオードおよび前記第２の転流回路をオン・オフする第２転流スイッチング素子と、を備え、
前記二次側回路に配置された前記二次側スイッチング素子又は前記第１転流スイッチング素子に対して前記電流指令と出力側の検出結果から得られる電流偏差に基づいて決定される第２のパルス信号発生装置によるパルス信号の周期でオン・オフスイッチング制御を行うと共に、前記電流偏差がマイナスになった際に前記第１転流スイッチング素子をオフにして前記第１転流ダイオードへの電流供給を遮断させる転流制御回路を更に備え、
前記スイッチングトランスは、電源側からの電流供給がなく前記一次側スイッチング素子がオフであると共に前記転流制御回路によって前記二次側スイッチング素子がオンにされた際に、前記ソレノイドで発生する逆起電力を二次側コイルを介して回収するエネルギー回収用コイルを一次側に備えていることを特徴とする請求項１に記載の電磁切換弁。
前記ソレノイドとして、駆動方向が互いに対向する第１ソレノイドと第２ソレノイドとの一対のソレノイドを備え、
前記スイッチングトランスは、二次側コイルとして第１の二次側コイルと第２の二次側コイルとの二個を有するものであり、
前記二次側回路は、第１と第２の二次側コイルからの交流をそれぞれ直流にして第１ソレノイドと第２ソレノイドとへ供給する第１と第２との二次側回路とを備え、
前記第１と第２の二次側回路は、二次側整流ダイオードと、二次側平滑コンデンサと、転流回路を形成するチョークコイル及び前記二次側平滑コンデンサと並列な第１転流ダイオードと、前記転流回路を遮断可能に配置された第１転流スイッチング素子と、をそれぞれ備え、
指令信号に基づいて第１と第２との二次側回路のそれぞれに配置されているスイッチング素子のオン・オフを制御し、第１の二次側回路による電流供給と第２の二次側回路による電流供給とを選択して第１ソレノイドの駆動と第２ソレノイドの駆動とを切換制御するソレノイド切換回路を更に備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁切換弁。
前記ソレノイドの弁スプール位置検出機構を更に備え、
前記弁スプール位置検出機構は、電流指令の信号波に位置検出用の高周波搬送波を重畳させる搬送波発生装置を備えているものであり、
前記ソレノイドの出力側で検出された帰還信号から前記位置検出用の搬送波周波数成分を抽出し、その抽出結果と予め設定された判定基準値とに基づいて前記弁スプールの位置を検出する位置検出部を更に備えていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の電磁切換弁。