JPH06300163A - パイロット電磁弁の駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 永久磁石による磁束に基づいてプランジャ弁
体を開弁位置に保持するラッチング式の電磁弁を自動水
栓の主弁操作用パイロット弁として用いた場合におい
て、閉弁動作後のシール不足に基づく微小洩れを防止す
る。 【構成】 ラッチング式パイロット電磁弁１２に対して
オフ通電を行って閉弁動作させた後、これに続く主弁３
４の閉弁後において再度短時間オフ通電を行い、これに
基づく押圧力をプランジャ弁体１４に対して改めて作用
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は水栓の主弁の開閉操作
用等として用いられるパイロット電磁弁の駆動方法に関
し、詳しくはラッチング式パイロット電磁弁の駆動方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、水栓として使用者が手を差し出す
とこれを検知して自動吐水する自動水栓が広く使用され
るようになってきている。乾電池等を電源として作動す
るこの種自動水栓においては、省電力のために主通水路
を開閉する主弁の操作用パイロット弁としてラッチング
式電磁弁を用いることが多い。図６はそのラッチング式
パイロット電磁弁の例を示している。

【０００３】図において１０はパイロット通水回路で、
このうち通水回路１０ａは主通水路を開閉する主弁の背
面側の背圧室に連通し、また通水回路１０ｂは主通水路
の主弁よりも下流側に連通している。通水回路１０が遮
断、つまり閉じられると、主通水路における主弁よりも
上流側と連通状態にある背圧室の水圧が増大して主弁が
閉じられ、また通水回路１０が開かれると背圧室の水圧
が減少して主弁が開かれ、主通水路が連通状態となる。

【０００４】１４はプランジャ弁体であってスリーブ
（案内筒）１６の内周面に摺動可能に嵌合されており、
このプランジャ弁体１４の弁座１５への着座により通水
回路１０が遮断され、また弁座１５からの離間により回
路１０が連通状態となる。

【０００５】スリーブ１６の内部には、プランジャ弁体
１４と所定の間隔をおいて固定コア１８が位置固定に設
けられている。これらプランジャ弁体１４と固定コア１
８との間にはスプリング２０が介装されており、プラン
ジャ弁体１４がこのスプリング２０によって常時上向き
（図中上向き）に弾発されている。

【０００６】スリーブ１６の外側にはリング状の永久磁
石２２と、これを軸方向にサンドイッチ状に挟む状態で
磁性材から成るリング状プレート２４，２６が配設され
ており、またそれらの下側（図中下側）にはコイル２８
が固定コア１８を取り巻くように設けられている。これ
らはヨーク３０を介して水栓本体３２に固定されてい
る。

【０００７】尚永久磁石２２は板厚方向に着磁されてお
り、その磁束はプレート２４，プランジャ弁体１４，固
定コア１８，ヨーク３０，プレート２６を通って永久磁
石２２へと戻っている。

【０００８】このラッチング式パイロット電磁弁１２に
おいては、図６に示す閉弁状態においても永久磁石２２
の磁束によりプランジャ弁体１４に対して固定コア１８
側への吸引力が働いているが、この吸引力は、プランジ
ャ弁体１４と固定コア１８との間のギャップにより弱
く、スプリング２０の弾発力がこの吸引力に打ち勝って
プランジャ弁体１４を弁座１５に押圧した状態にある。

【０００９】この状態で図７（イ）に示しているように
コイル２８に対して永久磁石２２による磁束と同方向の
磁束を発生させるような電流を通ずると（オン通電する
と）、固定コア１８による吸引力がスプリング２０によ
る弾発力に打ち勝ってプランジャ弁体１４が固定コア１
８側に吸い寄せられる。

【００１０】而して一旦プランジャ弁体１４が移動し始
めると、プランジャ弁体１４と固定コア１８との間のギ
ャップが減少するため吸引力はますます増大し、プラン
ジャ弁体１４が固定コア１８に当接して固定コア１８に
より強く吸着保持される。

【００１１】ここにおいてパイロット電磁弁１２は開弁
状態となり、パイロット通水回路１０が連通状態となっ
て主弁が開かれ、主通水路が連通状態となって吐水口か
らの吐水が行われる。

【００１２】上述したようにプランジャ弁体１４と固定
コア１８との間には永久磁石２２の磁束に基づく吸引力
が働いており、この吸引力はそれらの間にギャップのわ
ずかしか存在しない開弁状態ではスプリング２０の弾発
力に打ち勝つ強いものであるから（そのように設定され
ている）、開弁後にコイル２８への通電を停止してもプ
ランジャ弁体１４は固定コア１８により吸着状態に保持
される。即ちパイロット電磁弁１２は開弁状態に保持さ
れ、図７（ロ）に示しているように主通水路の水流は流
れ続ける。

【００１３】次にパイロット通水回路１０を閉じるべ
く、図７（イ）に示しているようにコイル２８に対して
前記とは逆方向の通電（オフ通電）を行うと、永久磁石
２２による磁束が打ち消され、これによりプランジャ弁
体１４がスプリング２０の弾発力によって固定コア１８
から離間させられた上、弁座１５に押し付けられ、パイ
ロット通水回路１０が閉じられる。

【００１４】通水回路１０が閉じられると通水回路１０
ａ及びこれに連通する背圧室の水圧が次第に上昇し、パ
イロット電磁弁１２の閉弁後所定時間経過後（例えば１
〜２秒程度後）に主弁が閉じられて主通水路の水流が停
まる（図７（ロ）中（ａ）のポイント）。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】この形態のパイロット
電磁弁１２を備えた水栓においては、パイロット電磁弁
１２の閉弁後にその上流側の圧力が上昇すると（図７
（ハ）参照）、その上昇した圧力によってパイロット電
磁弁１２を構成する各部品が弾性変形を起こす問題があ
る。

【００１６】この弾性変形はプランジャ弁体１４と弁座
１５とを遠ざける方向に生ずるが、プランジャ弁体１４
はスプリング２０によって常時上向き、つまり弁座１５
側に弾発された状態にあり、従って通常はプランジャ弁
体１４は離間方向への弁座１５の変位に追従してスリー
ブ１６内を摺動し、弁座１５に着座し続ける。従って弁
座１５でのシールは確実に行われる。

【００１７】しかしながら場合によってパイロット電磁
弁１２における弾性変形時にプランジャ弁体１４の追従
運動が円滑になされないことがあり、弁座１５でのシー
ルが不十分となることがある。その原因を調べたところ
以下の理由によるものであることが判明した。

【００１８】水栓を長時間使用すると、プランジャ弁体
１４の摺動運動を案内するスリーブ１６やプランジャ弁
体１４自身に水道水中に含まれるゴミや水垢、更にはプ
ランジャ弁体１４やスリーブ１６の摺動摩耗粉が付着・
堆積する。

【００１９】而してプランジャ弁体１４とスリーブ１６
との摺動面が常に同一であれば良いが、これらの摺動面
は常に同一ではなく徐々に変化していくため、上記異物
の堆積した面が新たな摺動面となることがあり、この場
合摺動面における摩擦係数μが増大する。

【００２０】しかも上記ラッチング式のパイロット電磁
弁１２の場合、永久磁石２２の磁束に基づいて常にプラ
ンジャ弁体１４とその周りにあるプレート２４との間に
磁気的吸引力（Ｎとする）が働いている。この磁気的吸
引力に基づいてプランジャ弁体１４の摺動に対する静摩
擦力（摩擦抵抗力）Ｆ＝μＮは異物堆積面が新たな摺動
面となったとき増大し、これがプランジャ弁体１４の上
記弁座１５への追従運動を阻害することがある。

【００２１】上記弁座１５へのプランジャ弁体１４の押
圧力（シール力）は、スプリング２０による弾発力から
永久磁石２２に基づくプランジャ弁体１４の開弁方向の
吸引力を差し引いた値（ｆ₁とする）となるが、スリー
ブ１６とプランジャ弁体１４との間に上記静摩擦力が存
在すると、シール力は更にこの静摩擦力Ｆを差し引いた
力となる。

【００２２】そしてこのＦは異物の堆積度合によっては
Ｆ＞ｆ₁となることがあり、この場合プランジャ弁体１
４が上記パイロット電磁弁１２の弾性変形に基づく弁座
１５の微小変位に追従出来なくなり、結果的にパイロッ
ト電磁弁１２のシール機能が損なわれてシール力不足に
よる微小漏れにつながり、閉弁状態においても吐水口か
ら水滴がぽたぽたと滴下する現象を起こすことがあるの
である。

【００２３】これを防止する手段として、スプリング２
０の弾発力を大きくしたり、電磁弁１２の部品肉厚を大
きくして電磁弁１２の剛性を高め、弾性変形抵抗力を高
めることが考えられる。しかしながら前者の場合にはオ
ン通電時に大きな吸引力が必要となってコイル２８の大
型化，消費電力の増大をもたらし、また後者の場合には
電磁弁の大型化を招く問題がある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決するためになされたものであり、その要旨は、パ
イロット通水回路の開閉により主弁の背面側に形成した
背圧室の水圧を増大若しくは低下させて該主弁を閉弁若
しくは開弁動作させるためのパイロット弁であって、案
内筒内に摺動可能に嵌合したプランジャ弁体をコイルへ
の通電に基づくコアとの電磁的吸引力にて開弁方向に移
動させ且つ永久磁石の作用により該プランジャ弁体を開
弁位置に保持するように成したラッチング式パイロット
電磁弁の駆動方法にして、前記コイルに該パイロット電
磁弁を閉弁動作させるためのオフ通電を行った後、該パ
イロット電磁弁の閉弁に続く前記主弁の閉弁後において
再度オフ通電を行うことにある。

【００２５】

【作用及び発明の効果】以上のように本発明は、パイロ
ット電磁弁の閉弁動作に続く主弁の閉弁後において再度
パイロット電磁弁の閉弁動作時と同じ向きのパルス状電
流をコイルに通電（オフ通電）するものである。

【００２６】前述したようにラッチング式電磁弁におい
ては、閉弁状態においてもプランジャ弁体に対して永久
磁石の磁束に基づく力が開弁方向、つまりプランジャ弁
体を弁座から引き離す方向に働いており、その分プラン
ジャ弁体の弁座への押圧力は弱まっている。

【００２７】このような閉弁状態で再度コイルにオフ通
電を行うと、永久磁石によるプランジャ弁体の弁座から
の引離し方向の力が打ち消され（又は弱められ）、プラ
ンジャ弁体に対して新たな押圧力（弁座側への）が加わ
る。これによりプランジャ弁体を確実に弁座に着座させ
ることができ、弁座における確実なシール力を確保する
ことができる。

【００２８】本発明によれば、パイロット電磁弁の閉弁
動作後において再びパルス状通電を行うだけでシール性
を確保でき、消費電力を特に増加させるといったことも
ないし、また電磁弁を大型化してしまう不都合も生じな
い。

【００２９】

【実施例】次に本発明の実施例を図面に基づいて詳しく
説明する。図１は自動水栓の要部を示したもので、図中
１２はラッチング式パイロット電磁弁である。この電磁
弁１２は図６に示すものと同様の構成であるので符号の
みを示して詳しい説明を省略する。

【００３０】３４は主通水路３６上に配設されたダイヤ
フラム弁から成る主弁であって、この主弁３４の弁座３
８への着座又は離間により上流側の通水路３６ａ，下流
側の通水路３６ｂが遮断又は連通する。

【００３１】主弁３４の背面側には背圧室４０が形成さ
れている。背圧室４０はパイロット通水回路１０ａに連
通しており、またその内部にはスプリング４２が配設さ
れている。スプリング４２は主弁３４に対して弾発力を
図中右向き、つまり閉弁方向に及ぼしている。

【００３２】この背圧室４０は、主弁３４に設けられた
連通路４４を介して主通水路３６における上流側通水路
３６ａと連通している。尚、下流側通水路３６ｂに流れ
た水は、通水路３６ｃ，３６ｄを経て流出口４６から流
出する。

【００３３】通水路３６ｂから流出口４６に到る通水路
上には発電機４８が設けられている。発電機４８は水流
によって軸５０とともに回転する水車５２を備えてい
る。水車５２には永久磁石５４（周方向にＮ，Ｓ極が交
互となるように着磁されている）が固設されている。一
方水車５２の永久磁石５４の外側にはコイル５６，ヨー
ク５８がこれを取り巻くように設けられている。

【００３４】発電機４８は水流によって水車５２を回転
させ、このとき永久磁石５４の回転による磁束の変化を
妨げる方向にコイル５６に電流を惹起させる。この発電
機４８に発生した電力は端子６０を通じて外部に取り出
される。

【００３５】図２は上記パイロット電磁弁１２を含む水
栓の制御器の回路構成を示したもので、図に示している
ように発電機４８の出力は全波整流器６２にて全波整流
された上、ニッケルカドミウム蓄電池６４に充電され
る。６６はバックアップ用の乾電池である。これらは電
源としてマイクロコンピュータ８４及びＰＮＰ型トラン
ジスタ６８，７０、ＮＰＮ型トランジスタ７２，７４を
含む電磁弁１２駆動のための回路に接続されている。

【００３６】ここでトランジスタ６８，７４は電磁弁１
２を開弁動作させるように働き、またトランジスタ７
０，７２は閉弁動作させるように働く。これらトランジ
スタ６８，７０，７２，７４のコレクタ端子には電磁弁
１２の前記コイル２８が接続されており、またコイル２
８に対して還流回路７８が並列に接続されている。

【００３７】一方各トランジスタ６８，７２及び７０，
７４のベース端子にはドライバ回路８０，８２が接続さ
れている。これらドライバ回路８０，８２は各トランジ
スタを働かせるもので、それぞれマイクロコンピュータ
８４のＯポートに接続されている。

【００３８】尚８６は手動による吐水，止水のためのス
イッチ、８８は差し出された手を検知する検知器で、そ
れぞれマイクロコンピュータ８４に接続されている。こ
こで検知器８８は超音波送波器９０，受波器９２を含ん
でおり、送波器９０より送波した超音波の手による反射
波を受波器９２で受波し、手の存在を検知する。

【００３９】次にパイロット電磁弁１２の動作を図３，
図４に基づいて具体的に説明する。尚、図３は電磁弁１
２におけるプランジャ弁体１４の位置（ストローク）
と、固定コア１８による吸引力及びスプリング２０によ
る弾発力との関係を示したもので、図中Ａは永久磁石２
２による吸引力とプランジャ弁体１４の位置との関係
を、Ｂはコイル２８へのオン通電に基づく吸引力とプラ
ンジャ弁体１４の位置との関係を、Ｃはオフ通電時の吸
引力とプランジャ弁体１４の位置との関係を、Ｄはスプ
リング２０の弾発力とプランジャ弁体１４の位置との関
係をそれぞれ表している。尚、図ではプランジャ弁体１
４が固定コア１８から離れるに従ってストロークが大と
なるように表してある。

【００４０】電磁弁１２は通常時はプランジャ弁体１４
がスプリング２０の弾発力によって弁座１５に押し付け
られた状態にあり、パイロット通水回路１０，主通水路
３６ともに閉鎖された状態にある。このときプランジャ
弁体１４には永久磁石２２による固定コア１８方向への
吸引力（図３中アの吸引力）が働いているが、この吸引
力はスプリング２０の弾発力に比べて小さいため、プラ
ンジャ弁体１４は閉弁状態に保たれる。

【００４１】この状態で水栓使用者の手が差し出される
と検知器８８がこれを検知し、マイクロコンピュータ８
４からの信号によってドライバ回路８０，８２（図２）
が働いてトランジスタ６８，７４をオン動作させる。

【００４２】すると電磁弁１２のコイル２８に図２中左
向きの電流が通電（オン通電）され、プランジャ弁体１
４に大きな吸引力が働く（図３中イのポイント）。この
吸引力は主にスプリング２０による押圧力（プランジャ
弁体１４には水圧の差圧に基づく押圧力も働くがこの押
圧力は小さいため以下これを省略して説明する）よりも
大きいから、プランジャ弁体１４はこの吸引力によって
固定コア１８側に吸い寄せられる。

【００４３】プランジャ弁体１４が固定コア１８側に移
動すると、永久磁石２２の磁束に基づく吸引力はますま
す増大するため、プランジャ弁体１４はより強い力で吸
引されるようになり、最終的に固定コア１８に強い力で
吸着される（図中ウのポイント）。尚このオン通電時の
通電時間は、プランジャ弁体１４の移動時間１０ｍｓｅ
ｃを考慮してここでは１０ｍｓｅｃ＋αの短い時間に設
定されている。

【００４４】さてコイル２８へのオン通電は上記設定時
間後に停止されるが、プランジャ弁体１４には永久磁石
２２による磁束に基づく吸引力が作用し続けるため、プ
ランジャ弁体１４は依然として開弁状態に保持される
（図３中エのポイント）。

【００４５】次に水栓使用者の手が引かれると、マイク
ロコンピュータ８４からの信号によって今度はトランジ
スタ７０，７２がオン動作され、コイル２８に対して上
記とは逆向きの通電（オフ通電）が行われる。

【００４６】このオフ通電により永久磁石２２による磁
束が打ち消されてプランジャ弁体１４に対する吸引力は
ほぼ０に近い値となる（図３中オのポイント）。この状
態ではプランジャ弁体１４に対して実質上スプリング２
０の弾発力のみが作用することとなって、プランジャ弁
体１４は図中上向きに押し出され、弁座１５に着座させ
られる（図中カのポイント）。

【００４７】このときプランジャ弁体１４は、図３及び
図４に示しているようにスプリング２２の弾発力に基づ
く力ｆ₀で弁座１５に押圧される。尚このオフ通電の時
間は、プランジャ弁体１４の移動時間を見込んでこの例
では３０ｍｓｅｃに設定されている（図４（イ）参
照）。

【００４８】上記設定時間後にコイル２８へのオフ通電
を停止すると、プランジャ弁体１４に対して再び永久磁
石２２による固定コア１８側への吸引力が働くようにな
り、プランジャ弁体１４はｆ₀より弱い力ｆ₁で弁座１５
に押圧される。

【００４９】さてこのようにしてプランジャ弁体１４が
閉弁すると、これより上流側の圧力が上昇し、そして主
弁３４の背面側の背圧室４０とスプリング４２とによる
主弁３４への図中右向きの力がこれを左向きの力（押し
開く方向の力）に打ち勝つようになると、主弁３４が閉
弁して主通水路３６が遮断される。これとともにパイロ
ット電磁弁１２の上流側の圧力は一定圧力となる（図４
（ハ）参照）。

【００５０】ところでパイロット電磁弁１２が閉弁され
た後その上流側の圧力が上昇すると、前述したようにこ
の上昇した圧力によって電磁弁１２が弾性変形を起こ
す。このときスリーブ１６とプランジャ弁体１４との摩
擦力が十分小さければ、プランジャ弁体１４は弁座１５
の微小相対変位に対して追従し得、図４（ロ）中破線で
示しているように依然としてほぼｆ₁の力で弁座１５に
押圧され続ける。

【００５１】しかしながら摩擦力が大きい場合には、こ
の摩擦力がプランジャ弁体１４に対してこれを弁座１５
から引離す方向に作用するため、図４（ロ）中実線で示
しているようにプランジャ弁体１４の弁座１５への押圧
力は小さくなり、シール力が低下する。

【００５２】そこで本例では、図４（イ）に示している
ように主弁３４の閉弁後において、マイクロコンピュー
タ８４からの信号により再びコイル２８にオフ通電を行
う。オフ通電が行われるとプランジャ弁体１４に対する
押圧力がｆ₁（若しくはこれより小さい力）からｆ₀へと
大きくなり、これによってプランジャ弁体１４は弁座１
５側に積極的に押し出されて弁座１５に隙間なく着座さ
せられる。

【００５３】このオフ通電は上記のように主弁３４の閉
弁後に行う必要があり、そのタイミングについては１回
目のオフ通電後予め設定した一定時間後（例えば１回目
のオフ通電後３秒経過後）にマイクロコンピュータ８４
からの指令信号によって行っても良いし、また上流圧力
の変化，発電機の発電信号等から主弁３４の閉弁を検出
し、その検出信号に基づくマイクロコンピュータ８４か
ら指令信号により主弁３４の閉弁後に直ちに行うように
しても良い。

【００５４】前者の場合、図４（ロ）中時間Ｔ₁だけパ
イロット電磁弁１２からの微小洩れを確実に防止できな
いことになるが、止水動作後の１〜２秒程度の短い時間
の微小洩れは、通常の閉弁・止水時に起こる水滴の滴下
と区別し得ない目立たないものであり、実用上さしさわ
りはない。

【００５５】本例において、２回目のオフ通電はプラン
ジャ弁体１４の移動時間まで考慮する必要はなく、一瞬
プランジャ弁体１４に力が加わるようにすれば良いか
ら、その通電時間は１回目のそれに比べて短い時間で良
い。

【００５６】一般には図５に示しているようにコイル２
８に流れる電流の立上りの遅れも考慮して、電流の立上
りの時定数τの２倍（２τ）程度の時間で良い。例えば
この時間は時定数４ｍｓｅｃの場合に、２τ＝８ｍｓｅ
ｃ強の１０ｍｓｅｃ程度で足りる。

【００５７】以上本発明の実施例を詳述したがこれはあ
くまで一例示であり、本発明はその主旨を逸脱しない範
囲において、当業者の知識に基づき様々な変更を加えた
態様で実施可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】パイロット電磁弁を含む自動水栓の要部の断面
図である。

【図２】その自動水栓の制御器の回路構成図である。

【図３】図１のパイロット電磁弁におけるプランジャ弁
体の位置と電磁吸引力との関係を示す図である。

【図４】同電磁弁へのオフ通電のタイミングとプランジ
ャ弁体の押付力及び上流圧の変化の関係を示すタイムチ
ャートである。

【図５】同電磁弁のコイルへの通電時の時間と電流量と
の関係を示す図である。

【図６】本発明の適用対象であるパイロット電磁弁の例
を示す図である。

【図７】図６に示すパイロット電磁弁におけるオン又は
オフ通電のタイミングと主通水路の水流及び上流圧の変
化との関係を示すタイムチャートである。

【符号の説明】

１０ パイロット通水回路 １２ パイロット電磁弁 １４ プランジャ弁体 １５ 弁座 １６ スリーブ ２２ 永久磁石 ２４，２６ プレート ２８ コイル ３４ 主弁 ３６ 主通水路 ４０ 背圧室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 増岡 兼太郎 愛知県常滑市鯉江本町５丁目１番地 株式 会社イナックス内 (72)発明者 片岡 修一 愛知県常滑市鯉江本町５丁目１番地 株式 会社イナックス内 (72)発明者 山田 悦史 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 宮田 雅則 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パイロット通水回路の開閉により主弁の
   背面側に形成した背圧室の水圧を増大若しくは低下させ
   て該主弁を閉弁若しくは開弁動作させるためのパイロッ
   ト弁であって、案内筒内に摺動可能に嵌合したプランジ
   ャ弁体をコイルへの通電に基づくコアとの電磁的吸引力
   にて開弁方向に移動させ且つ永久磁石の作用により該プ
   ランジャ弁体を開弁位置に保持するように成したラッチ
   ング式パイロット電磁弁の駆動方法にして前記コイルに
   該パイロット電磁弁を閉弁動作させるためのオフ通電を
   行った後、該パイロット電磁弁の閉弁に続く前記主弁の
   閉弁後において再度オフ通電を行うことを特徴とするラ
   ッチング式パイロット電磁弁の駆動方法。