WO2002041333A1

WO2002041333A1 - Dispositif a fonctionnement electromagnetique

Info

Publication number: WO2002041333A1
Application number: PCT/JP2000/008021
Authority: WO
Inventors: Taku Nagano; Koichi Ohba; Yasuyuki Shingu; Kenichi Hirano
Original assignee: Yuken Kogyo Kabushiki Kaisha
Priority date: 1999-05-14
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2002-05-23
Also published as: CN1479929A; EP1343180A4; KR100686448B1; EP1343180A1; CN1235239C; EP1343180B1; KR20030091939A

Description

明細書技術分野

本発明は電磁操作装置に関し、更に詳しくはソレノィドコイルによる電磁石装置で構成された電気一機械変換器として電磁弁や比例電磁制御弁の弁体をバネカに抗して機械的出力で駆動操作するための特に省電力化或いは動作の高速化又は応答性の改善に好適な電磁操作装置に関するものである。

背景技術

切換弁や比例弁を始めとする各種電磁操作弁における電磁操作装置として、バネ力に対抗する機械的出力を弁体に作用させるための電気一機械変換器には種々の形式のものが知られている。このうち、電磁操作弁にはソレノイドコイルを利用した電磁石装置、一般にはソレノィド装置と呼ばれる電磁プランジャー装置が広く利用されており、その省電力化と小型軽量化の工夫が従来から種々提案されている。

この種のソレノィド装置では、主に固定鉄心と可動鉄心及ぴヨークからなる鉄心構体にソレノィドコイルが装備されており、励磁されたソレノィドコイルから生じる磁束が鉄心構体で形成される磁路中を流れることにより、固定鉄心に対して磁路中で空隙を形成している可動鉄心が固定鉄心に磁気吸引され、このときの可動鉄心の変位に基づく機械的出力を例えばプッシュロッドゃコイルパネを介して弁体に伝達するようになっている。

従来から、このようなソレノィド装置による電磁操作弁の動作を高速ィ匕して応答性を改善するための種々の実験及ぴ研究がなされてきているが、その多くは電気的時定数 ( l ^ L / R) の小さなコイル仕様の選定や、比較的高い電源電圧での駆動に対応させるためのコィルの設計に関連し、この見地からみた場合は現在のソレノィド装置の仕様は或る意味で成熟の域にあると言っても過言ではない。切換弁などの単なるオン ·オフ動作または比例弁のように比例励磁動作を行う各種の電磁操作弁において、応答性の向上を目的としてソレノィド装置のコイル時定数を小さくするには卷数を少なくすることで実現できるが、このコイルが元のコイルと同じ磁気吸引力を発生するためにはアンペア .ターン（A T) —定の原則に従って励磁電流を増加しなければならない。例えば、コイル卷数 1 0 0 0 ターンのソレノィドコイルを想定した場合、これを均等に 1 / 2の卷数 5 0 0ターンの二つの分割コィルで構成し、これら分割コイルを並列接続して動作させれば応答性が改善されるが、元の卷数 1 0 0 0ターンのソレノィドコイルの場合と同じ吸引力を得るには並列合成コイルに供給する電源電流は 2倍必要となり、ソレノィド装置の駆動回路及び電源が担うべき電力負担が増加するだけでなく、配線やコイル内での電力損失および電磁誘導ノイズも増加する。従って、卷数の少ないソレノィドコイルの使用は動作の高速化および応答性の改善には有効である力過度に駆動電流が大きくなるコイルは実用上の面で現実的ではないとされている。

また特に切換弁などのオン ·オフ動作用のソレノィド装置では、励磁初期の状態で固定鉄心から離反している可動鉄心に充分な磁気吸引力を作用させるために比較的大きな励磁電流を供給する必要があるが、弁が切換わつた後には可動鉄心を吸着状態に保持するだけの比較的低い電流値しか必要ではなく、同じ励磁電流で励磁を継続していると電力の無駄が無視できなくなる。このため、従来より或る時限が経過したときにコイルに直列に抵抗を揷入して励磁電流を下げる工夫が知られているが、抵抗で消費される電力は熱として逃がしているので、電源側からみた省電力の効果はさほど得られず、またこの時限動作をトランジスタなどの半導体素子を利用して行う場合には電力容量の大きな素子を必要とする難点もあつ丁。

発明の開示

本発明の主要な目的は、上述のように励磁開始初期の限定された短期間にのみ比較的大きな電流を必要とするソレノィド型の電磁操作装置として、ソレノィドコィルを分割コィルで構成しながらも駆動回路及ぴ電源の電力負担を過重にすることが無く、励磁開始時の高速化及び応答性の改善を果たすことのできる電磁操作装置を提供することである。本発明の別の目的は、同様の構成で省電力化に効果的に対応可能な電磁操作装置を提供することである。また、これらの電磁操作装置を弁体駆動用の電気一機械変換器として備えた電磁操作弁を提供することも本発明の更に別の目的である。本発明による電磁操作装置は、上述各目的を達成するために、パネ力に対抗して機械的出力を弁体に作用させる電気一機械変換器としての電磁操作装置において、互いに電気的に独立した複数の分割コイルからなるソレノイドコイルと、各分割コィルから生じる磁束が共通に流れる磁路ループを形成するようにソレノィドコィルに組み合わされた固定鉄心、可動鉄心及びヨークからなる鉄心構体と、個々の分割コイルに対する通電を選択的に切換制御する励磁制御器と、いずれか一つ以上の分割コィルが励磁されたときに固定鉄心に磁気吸引される可動鉄心の変位に基づく機械的出力を弁体に伝える伝達機構とを備えたことを特徴とするものである。

即ち、本発明の電磁操作装置では、複数の分割コイルのいずれが励磁されても共通の鉄心構体に磁束が流れ、可動鉄心に作用する磁気吸引力を機械的出力として弁体に伝えることができるので、励磁制御器によって例えば同時に励磁する分割コイルの数を選択的に変更したり、或いは異なる時定数の分割コイルに励磁を切り換えたりすることができ、そのときどきの励磁電流の大きさを適宜設定することにより励磁開始時の動作の高速化及ぴ応答性の改善を果たしたり、或いは切換り後の省電力化を果たしたりすることができ、その際、励磁開始初期の期間を経過した後に電源電流を少なくするための操作は、励磁コイル数を少なくすること又は励磁すべきコイルを切り換えることで行うことができるので、直列抵抗の挿入による場合に比べて無駄に消費される電力を低減することもでき、また励磁コィルの切換を半導体スイツチング素子で行うにしても、このスィッチング素子は短時間の導通期間の後に遮断する動作を行うことになるので、あまり電力損失の大きな素子を用いる必要はなく、従つてそれを収納する電装ボックスもソレノイドコイルのケース上に搭載可能な通常の小型端子ポックスで充分である。本発明の電磁操作装置はオン ·オフ動作および比例動作のいずれにも適用可能であり、その好ましい一態様によれば分割コイルはソレノィドコイルの卷層の厚さ方向に分割された複数層の分割コイル層によつて構成され、また別の好適な態様によれば分割コィルはソレノイドコィルの軸方向に互!/、に重ねて配置された複数の短尺ソレノイドによって構成される。尚、これ以外にも、例えば二芯以上の多芯導体でコイルを卷回することにより各芯線導体によって個々の分割コイルを構成することも可能である。更に本発明において各分割コイルは電気的に互いにほぼ等しい同一仕様を有していてもよく、或いは互いに異なる電気的仕様の複数の分割コイルを含んでいてもよい。例えば比例制御の場合、個々の分割コイルを時分割で順次励磁し、各分割コイルの転流動作による駆動エネルギーを利用して結果として分割コイル合計の駆動力を維持するようにすれば良く、またオン ·ォフ制御の場合は、励磁当初に定格推力を獲得するために複数の分割コイルを同時に並列励磁し、その後の保持電流による励磁は、保持すべき電力レベルに見合つた少ないアンペアターン数に相当するコイル数だけの分割励磁として省エネルギ一化を図ることができる。

本発明の一態様によれば、励磁制御器は、各分割コイルを順に時分割励磁する切換回路を含んでいる。これにより、特に定格動作時において各分割コイルを時分割励磁して比較的少ない電力消費で定格推力を獲得し、定格推力発生時における電源の過重負担を回避することができる。この場合、好ましくは励磁制御器によって励磁開始初期の限定された期間に！:つて複数の分割コイルを同時に並列励磁してもよく、それにより励磁開始初期の短時間のみ高い応答性で高推力を獲得することができる。

本発明の別の一態様によれば、励磁制御器は、励磁開始初期の限定された期間に亘つて複数の分割コイルを同時に並列励磁し、その後、そのうちの少なくとも一つの分割コィルの励磁を実質的に遮断して残りの分割コィルの励磁状態を保持する時限回路を含んでいる。これにより並列励磁時にはソレノィドコイルの時定数を実効的に小さくして、例えば電磁弁の電磁操作装置として利用する際に励磁初期の大きな力が要求される期間には比較的時定数の小さな並列分割コイルを励磁して電磁弁の切換を高速に行わせ、切換完了後は分割コイルを単独または直列状態で切換状態保持のための比較的少ない電流で励磁して省電力化を果たすことが可能となる。

特に比例制御を対象とする場合、励磁制御器は、外部から与えられる指令電流値に応じた大きさの励磁電流を生じる電流増幅回路を含むことができる。

本努明の別の一態様による比例制御動作用の電磁操作装置においては、好ましくは各分割コイルは互いに電気的な仕様が実質的に同じものであり、励磁制御器は、各分割コイル毎に個々に励磁電流をスィツチングする複数の半導体スィツチング素子と、同期信号に従って分割コイルの数に応じた位相差で各半導体スィッチング素子を周期的に順次パルス転流制御でスィツチング駆動するパルス幅変調回路と、外部から与えられる指令電流値に応じた大きさの励磁電流を生じる電流増幅回路とを含み、指令電流値に応じて電流増幅回路の出力によりパルス幅変調回路の出力パルス幅を変化させ、各半導体スィツチング素子の動作時間幅を前記出力パルス幅に応じて変化させるように構成されている。

これにより、励磁開始初期の限定された期間において比例制御のための定常推力指令電流値より大きな最大推力指令電流値を与えるとパルス幅変調回路の出力パルス幅が広がるので各半導体スィツチング素子の動作時間が重なり、結果として各分割コィルが同時に並列励磁されることになるのでコィル抵抗と卷数の少なぃソレノィドコイルと同等の高い応答性を得ることができ、励磁開始に対する電磁操作装置の応答性が向上する。

上記限定期間の経過後に指令電流修を本来の比例制御の設定値である定常推力指令電流値に低下させるとパルス幅変調回路の出力パルス幅も短くなり、従って各半導体スィツチング素子の動作時間の重なりが減少もしくは無くなるので、このときの各分割コイルの励磁タイミング、即ち各半導体スィツチング素子の動作周期と位相差を、各分割コイルに順に流れる励磁電流が電源側からみて「非分割コイル構成の等価的なソレノィドコイル」に流れるべき励磁電流と同等となるように予め設計しておくことにより、ソレノィドコイル全体の電流の平均化と電源電流の平均化を果たして電流ピークを非分割時と同等に維持することができ、いずれにせよコイル駆動回路や電源の負担を過重にすることなく応答性を効果的に向上することが可能となる。，

この場合、指令電流値が励磁開始初期の最大推力指令電流値に対応するときには各半導体スィツチング素子の動作時間の重なりを最大とするように、また指令電流値が比例制御のための定常推力指令電流値に対応するときには各半導体スィツチング素子相互の動作時間の重なりを実質的に無くすように、励磁制御器にはパルス幅変調回路の転流周期と位相差を制御する同期回路を更に含んでいてもよい。本発明の更に別の一態様においては、分割コイルは互いに電気的仕様の異なる第 1分割コイル第 2分割コイルとを含んでおり、この第 1分割コイルと第 2分割コィルは互!/、にコィル時定数が異なつている。

第 2分割コイルのコィル時定数を第 1分割コイルのコィル時定数よりも小さくした場合、ソレノイドコイルは、第 2分割コイルの線径が第 1分割コイルの線径よりも太いという特徴、或いは第 2分割コィルの卷数が第 1分割コイルの巻数より少ないという特徴、或いはそれら両方の特徴を備えることができ、いずれの場合もこれら分割コイルの卷層を同心状に積層する事ができ、特に好ましくは励磁条件によって発熱量が大きくなる方の分割コイルの卷層の外周に他方の分割コィルの卷層を積層するとよい。

このように電気的に仕様の異なる分割コイルを含む場合、励磁制御器は、励磁開始初期の限定された期間に亘つて第 2分割コイルを第 1の電流値で励磁し、その後、第 2分割コイルの励磁を実質的に遮断すると共に第 1分割コイルを第 1の電流値より低い第 2の電流値で励磁する電流切換回路を含むことができ、これによって例えば電磁弁の電磁操作装置として利用する際に励磁初期の大きな力が要求される期間には比較的卷数が少なく時定数の小さな第 2分割コィルを大電流で励磁して電磁弁の切換を高速に行わせ、切換完了後は第 2分割コイルの励磁を遮断して第 1分割コイルを切換状態保持のための比較的低い電流値で励磁し、無駄な電力消費を生じる抵抗を用いることなく省電力化を果たすことができる。また、電流切換回路に加えて、外部から与えられる指令電流値に応じた大きさの励磁電流を生じる電流増幅回路を更に備えることもでき、これによつて例えば比例電磁制御弁の電磁操作装置として利用する場合にも比例制御動作に加えて同様な応答性の改善を果たすことができる。

本発明において、特に比例制御用の電磁操作装置の場合は、ソレノイドコイルに流れる負荷電流の大きさを検出する電流検出手段と、前記電流増幅回路に前記電流検出手段の検出電流値によつて帰還をかける電流フィ一ドパック回路とを更に備えていてもよい。

同様に比例制御用の電磁操作装置の場合、ソレノィドコイルから生じる磁界の強度を検出する磁気センサーと、前記電流増幅回路に磁気センサーの検出出力によって帰還をかける磁気フィードパック回路とを更に備えていてもよい。

また同様に比例制御用の電磁操作装置の場合、可動鉄心の変位量を検出する変位センサーと、前記電流増幅回路に変位センサ一の検出出力によって帰還をかける位置フィードバック回路とを更に備えることも可能である。

本発明はまた、以上に述べた本発明による電磁操作装置を備えた電磁操作弁も提供し、この場合、本発明による電磁操作弁は、流体圧力又は流量の制御、流体の流れ方向の切換え、或いは流路の開閉を制御するための弁体に対し、バネ力に対抗して電磁操作装置の機械的出力を作用させ、その弁体作動の応答性の向上及び Zまたは省電力化を果たすものである。

本発明の上述おょぴそれ以外の特徴と利点は、幾つかの好適な実施例を示す添付図面を参照して以下に詳述する実施形態の説明から明らかである。

図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施例に係る電磁操作装置の概略構成を示す説明図である。図 2は、励磁制御器の構成例を示す概略回路図である。

図 3は、分割コイルの電流ステップ応答特性を示す線図で、縦軸は電流 I [A]、横軸は時間 T [msec]を示す。

図 4は、励磁制御器の別の構成例を示す概略回路図である。

図 5は、励磁制御器の更に別の構成例を示す概略回路図である。

図 6は、パルス幅変調回路の動作を説明するための経時的な PWMパルス波形線図である。

図 7は、 PWM出力パルスでスィツチング制御される分割コイルに流れる電流の変化を模式的に示す説明図で、縦軸は電流 I、横軸は時間 τである。

図 8は、本発明の別の実施例に係る電磁操作装置の概略構成を示す説明図である。

発明を実施するための最良の形態

本発明の好適な実施形態を図面と共に説明すると、図 1は本発明の一実施例に係る電磁操作装置の概略構成を示す説明図であり、本実施例は比例電磁制御弁のスプール弁体 Vをバネ力に対抗して駆動する比例動作型の場合である。

図示のように、この電磁操作装置は、互いに電気的に独立した複数の分割コィル 1 0 a〜l 0 dからなるソレノィドコイル 1 0と、各分割コイルから生じる磁束が共通に流れる磁路ループを形成するようにソレノィドコイル 1 0に組み合わされた固定鉄心 1 1、可動鉄心 1 2及びヨーク 1 3からなる鉄心構体と、個々の分割コイルに対する通電を選択的に切換制御する励磁制御器 1 4と、いずれか一つ以上の分割コイルが励磁されたときに固定鉄心 1 1に磁気吸引される可動鉄心 1 2の変位に基づく機械的出力を弁体 Vに伝える伝達プッシュロッド 1 5とを備えた比例ソレノィド装置を構成している。

励磁制御器 1 4は種々の回路構成をとることができ、図 1の例ではソレノィドコイル 1 0のケース上に搭載された電装ボックス 1 6内に収納されている。またプッシュロッド 1 5の尾端に連結されているのは可動鉄心 1 2の変位量または位置を検出して励磁制御器にフィードバック信号を与える差動トランス式の変位センサー 1 7である。

ソレノィドコイル 1 0は本例においては 4つの短尺ソレノィドからなる分割コィル 1 O a〜l 0 dをソレノィド軸方向に重ねて配置してなり、各分割コイルはいずれも同一エネルギーで駆動されるので同一の電気的仕様のものである。例えば、定格電圧 2 4 V、定格コイル抵抗 1 Ο Ωで定格推力 5 4 Nのソレノイドコィル（以下、この非分割の等価ソレノイドコイルを標準コイルと称す）を構成する場合、分割数 4の場合の各分割コイル 1 0 a〜1 0 dは各々コィル抵抗 2 . 5 Ω の短尺ソレノィドで構成し、これを全て同時に並列励磁すると電源側から見た合成コイル抵抗は 0 . 6 2 5 Ωとなる。

勿論、分割コイルは卷層で分割してもよく、また分割数も 4に限定されるものではない。例えば均等分割の場合、同一定格の標準コイルを 2分割する場合は各分割コイルのコィル抵抗は 5 Ωで並列合成コィル抵抗は 2 . 5 Ω、 6分割の場合は各分割コィルのコィル抵抗は 1 . 6 6 7 Ωで並列合成コィル抵抗は 0 . 2 7 8 Ωとなる。

このような分割コイルは、定格動作時には励磁制御器 1 4による制御で全ての分割コイルが直列接続状態にて励磁される。例えば標準コィルの定格推力発生時の電流値を基準電流とした場合、直列励磁状態において個々の分割コイルに流れる電流値はこの基準電流に等しく、電源電流も基準電流のままである。一方、励磁開始初期には、各分割コイルは励磁制御器 1 4による制御で励磁開始後の限定された期間に亘つて並列接続状態で励磁される。このときの個々の分割コイルに流れる電流値も基準電流に等しくされ、従ってこの場合の電源電流は基準電流のコイル分割数倍になる。このように、励磁開始初期において分割コィルを並列励磁することによりソレノィドコイル 1 0の時定数を一時的に小さくして駆動の高速化を果たし、高応答性を獲得する。

この場合の励磁制御器 1 4は、図 2に示すように、励磁開始初期の限定された期間に亘つて複数の分割コイルを同時に並列励磁し、その後、全ての分割コイルを直列励磁する並列一直列切換回路 2 1を含んでいる。これにより、定格動作時は全ての分割コィルを直列励磁して定格推力を獲得し、励磁開始初期の短時間のみ複数の分割コイルを並列励磁して高い応答性で高推力を獲得することができ、定格推力発生時における電源の負担過金を回避することができる。

尚、図 2に示した励磁制御器 1 4は、変位センサー 1 7からの位置フィードバック信号 V f を受け取ると共に比例制御のための電流指令 I sを受けて対応する大きさの励磁電流を生じる電流増幅器 2 2と、個々の分割コイルに流れる負荷電流を検出して電流増幅器 2 2の入力側に負帰還量としてフィードバックする電流検出抵抗 2 3も含んでいる。

一般的なソレノイドコイルの電流ステップ応答性は、下記の式（1 ) で表される。

V

( 1一 e X p—七ハ） … ( 1 )

R

ここで、 Iはコイル電流 [A]、 Vは電源電圧 [V]、 Rはコイル抵抗 ί Ω]、 Lはインダクタンス [Η]であり、コイル時定数 τ = L / R [sec]で表される。

分割コィルの並列励磁による応答性の改善効果を種々の卷数 tの標準コイルとの対比でコイル分割数ごとに比較した結果を表 1に示す。尚、表中で「ti«i_e」とあるのは、それぞれの場合に電源投入から定格推力を発生する電流値に達するまでの立ち上り時間を標準コイルにおける立ち上り時間との比で表し、例えば標準コイルでこの電流値が 1 Aの場合は分割数 2では 2 A、分割数 4では 4 Aに達するまでの相対時間比を意味する。また「_ratio」とあるのは、立ち上り時間の短縮によって達成された応答速度の高速化の比率を表している _c 表 1

図 3に電源電圧 2 4 V印加時の分割コイルと標準コイルとの電流ステップ応答特性の測定結果を示す。縦軸は負荷電流 I [A]、横軸は電圧印加時点からの経過時間 T [msec]である。いずれの分割数においても、分割コイルの並列構成からなるコイルと標準コイルとで総巻数は同一である。標準コイル L sでは負荷電流が定格電流 I r 1 A) に達するまでの立ち上り時間は約 1 8 msecであるが、分割数 2のコイル L 2 (並列励磁）では負荷電流が上記定格電流に対応する基準電流値 2 Aに達するまでの立ち上り時間は約 7 . 7 msec, また、分割数 4のコイル L 4 (並列励磁）では対応する基準電流値 4 Aに達するまでの立ち上り時間は約 3 . 6 msecと短縮されている。

このようにして、僅か 1 0 msec未満のオーダーの限定された期間内で複数の分割コイルを同時に並列励磁することで高速の立ち上りを果たし、応答性を改善する。この期間の後は励磁制御器 1 4で直列励磁に切換え、全ての分割コイルを直列接続状態で励磁するが、標準コイルと同じ定格推力を生じるための電流値は各分割コイルに標準コイルの基準電流値、例えば 1 Aを流せばよく、従って電源側の負担が標準コイル使用時よりも過重になることはなく、また励磁開始初期の限定期間中も定格動作期間中も個々の分割コイルに流れる電流値は同じであるので、比例制御に際して同一特性の各分割コイルのうちのいずれか一つに流れる電流を電流検出抵抗 2 3で検出してフィードバックをかけることにより安定した制御が可能である。 .

図 4は励磁制御器の別の構成例を示しており、この場合のコイル分割数は 2であって、励磁制御器 1 4 aは励磁開始初期の限定された期間に亘つて二つの分割コイル 1 0 Aと 1 0 Bを同時に並列励磁し、その後、そのうちの一方の分割コィル 1 0 Bの励磁を実質的に遮断して残りの分割コイル 1 O Aの励磁状態を保持する時限回路 4 1を含んでいる。勿論コイル割数は 2以外でもよく、並列励磁する分割コィル数およびその後遮断する分割コィル数も適宜選ぶことができる。また時限回路 4 1は、図 4に示したように抵抗 Rとコンデンサー Cによるタイマー回路をスィツチングトランジスタ T rに組み合わせてなる回路構成に限定されるものではなく、種々のアナログまたはデジタル回路技術による変形が可能であることは述べるまでもない。

図 4において、トランジスタ T rは、電源スィッチ S Wの閉成によって分割コィル 1 0 Bに流れる電流をオン ·オフするスィツチングトランジスタであり、電源投入直後にはコンデンサ Cには電荷が蓄積されていないのでベース 'ェミッタ間電圧が高く、従ってトランジスタ T rは導通状態となって分割コイル 1 0 Aと 1 0 Bは同時に並列励磁される。トランジスタ T rの導通によってベース電流によりコンデンサ Cが充電され、その充電電位が R C時定数で定まる時間の経過後に電源電圧近傍まで上昇するとトランジスタ T rが遮断して分割コイル 1 O Bの通電を実質的に断つことになる。電源が遮断されるとコンデンサ Cの充電電荷はダイオード Dを通過して放電され、タイマー回路が初期状態に復帰する。

このようにして、励磁開始初期の短時間のみ二つの分割コイル 1 0 A， 1 0 B を並列励磁して高い応答性で高推力を獲得し、その後は一方の分割コイル 1 0 B の励磁を遮断して残りの分割コイル 1 O Aのみの励磁で必要な推力を獲得することができる。この場合、並列励磁状態で定格推力を発生するように各分割コイルの電気的仕様と電源、特性を選べば、励磁開始と同時に両方の分割コイルによって充分な推力および高速な立ち上り特性で可動鉄心を駆動し、可動鉄心移動完了後はその状態を維持するための保持電流として一方の分割コイルのみの負荷電流に相当する低電流にることができ、高応答化と省電力化の目的を達成することができる。

尚、図 4に示した励磁制御器 1 4 aの考え方はオン ·オフ動作のみならず比例動作にも利用でき、その場合は、図 2の場合と同様に、比例制御のための電流指令を受けて対応する大きさの励磁電流を生じる電流増幅器と、必要に応じて分割コイル 1 O Aに流れる負荷電流を検出して電流増幅器の入力側に負帰還量としてフィードバックする電流検出手段を設ければよい。この場合、一方の分割コイル

1 O Aのみの励磁によって定格推力を発生するようにコイル仕様を選ぴ、励磁開始初期の比較的大きな瞬時電流に対応できる電源容量とすれば立ち上りの高速化も達成することができる。

図 5は励磁制御器の更に別の実施例を示している。この例では、分割コイルは図 1に示したような 4つの均等分割された分割コイル 1 0 a〜l 0 bであり、励磁制御器 1 4 bは比例動作用のものである。尚、端子 V +には駆動電源から直流電力が供給される。

すなわち、図 5に示す励磁制御器 1 4 aは、各分割コイル毎に個々に励磁電流をスィツチングする複数のスィツチングトランジスタ T r 1〜T r 4と、同期回路（SYNC) 5 4から与えられる同期信号に従って分割コイルの数に応じた位相差で各スィツチングトランジスタを周期的に順次パルス転流制御でスィツチング駆動するパルス幅変調回路（PWM) 5 1と、変位センサー 1 7からの位置フィードバック信号 V f を受け取ると共に外部から与えられる電流指令 I sに応じた励磁電流を生じる電流増幅回路 5 2と、ソレノィドコイルに流れる負荷電流を検出して電流増幅器 5 2の入力側に負帰還量としてフィードバックする電流検出抵抗 5 3とを含み、電流指令の値に応じて電流増幅回路 5 2の出力によりパルス幅変調回路 5 1の PWM出力パルス幅を変化させ、各スイッチングトランジスタの動作時間幅を前記出力パルス幅に応じて変化させるようにしてある。

尚、同期回路 5 4は、電流指令が励磁開始初期の最大推力指令電流値に対応するときは各スイッチングトランジスタの動作時間の重なりを最大とするように、また電流指令が比例制御のための定常推力指令電流値に対応するときは各スィッチングトランジスタ相互の動作時間の重なりを実質的に無くすようにパルス幅変調回路 5 1の転流周期と位相差を制御する。

この励磁制御器 1 4 bによる比例制御動作では、例えば外部のプログラマブルコントローラから所望の励磁電流変化パタ一ンの電流指令が与えられる。この場合、分割コイル数 N = 4であるから、電流指令は励磁開始初期の限定された期間に亘って定常最大推力発生時の最大 4倍の電流値を指令し、その後は比例制御のための定常推力発生用の電流値に下げた指令を与える。この場合も、励磁制御器 1 4 aは、高推力高速動作時には分割コイルを同時に並列励磁して合成並列コィル抵抗を分割数の二乗分の一にして駆動し、吸引力を維持するためにアンペアターンは変化させず、一つの分割コイルに流れる電流は常に変わらないという原則を保つものとする。

パルス幅変調回路 5 1は、図 6に示すように分割コイル数 N = 4に応じて 9 0 度ずつの位相差で同期した 4相の PWM出力パルスを生じ、この出力パルスで各スイッチングトランジスタ T r 1〜T r 4をスイッチング制御する。この各相の PWM出力パルスの単位周期は図 6中に P sで示されている。各相の出力パルス幅は電流指令に応じて変調され、図中に矢印 Bで示すように電流指令が大電流のときはパルス幅は広くなり、電流指令が小電流になればパルス幅は狭くなる。電流指令が最大電流のときは各相のパルス出力のパルス幅は周期に等しく 1 0 0 % ノルスとなり、従ってこの状態では全てのトランジスタが同時に導通して分割コィル 1 0 a〜 l 0 dが同時に並列励磁されることになる。励磁開始初期の限定された期間では過度的にこのような大電流の電流指令が与えられ、それにより電源側から見た負荷電流は各分割コイルに流れる電流の総和となるが、並列合成コィルの形成により起動時の高応答化が果たされることになる。

電流指令が定常推力発生のための霉流値に下げられると各分割コイルはパルス幅変調回路 5 1の P WM出力パルスによつて上記 4相周期で時分割励磁されることになり、平均電源電流は定格推力発生のための電流値に抑えられる。この様子を図 7に模式的に示す。図 7に示すように、期間 Mでは比較的大きな電流で装置が瞬時最大推力を発生しており、それに引き続く期間 Nでは、装置は定常時に要求される定格推力を比較的低い電流で生じている。

尚、以上に述べた比例制御の各実施例において、更に安定な励磁制御のために固定鉄心 1 1内に例えばホール素子のような磁気センサーを配置し、ソレノイドコイルから生じる磁界の強度を検出して、これを励磁制御器内の電流増幅器の入力側へフィードバックすることは好ましいことである。

図 8は本発明の更に別の実施例による電磁操作装置の概略構成を示す説明図であり、本実施例は電磁弁の弁体 Vをバネ力に対抗して駆動するオン ·オフ動作型の場合である。

図 8に示すように、この電磁操作装置は、互いに電気的に独立した第 1分割コィノレ 8 0 aと第 2分割コイル 8 0 bからなるソレノィドコイル 8 0と、各分割コィルから生じる磁束が共通に流れる磁路ループを形成するようにソレノィドコィル 8 0に組み合わされた固定鉄心 8 1、可動鉄心 8 2及びヨーク 8 3からなる鉄心構体と、個々の分割コイルに対する通電を選択的に切換制御する励磁制御器 8 4と、いずれか一つ以上の分割コイルが励磁されたときに固定鉄心 8 1に磁気吸引される可動鉄心 8 2の変位に基づく機械的出力を弁体 Vに伝える伝達プッシュロッド 8 5とを備えている。

励磁制御器 8 4は種々の回路構成をとることができ、図 8の例ではソレノィドコィノレ 8 0のケース上に搭載された電装ボックス 8 6内に収納されている。またプッシュロッド 8 5の尾端側には手動で可動鉄心 8 2を移動させるためのピン 8 8が配置されている。

分割コイル 8 0 aと 8 0 bは、本例においては卷層の厚さ方向に分割された 2 層のコイル層を形成しており、第 1分割コイル 8 0 aに比べて第 2分割コイル 8 O bは卷線の線径が太く、また卷数も少なく、従ってコイル時定数は第 2分割コィル 8 0 bのほうが小さくなつている。即ち第 2分割コイル 8 0 bは励磁開始初期の限定された期間に亘つて比較的大きな電流を流すほうのコイルであり、大電流による発熱を考慮して第 1分割コイル 8 0 aの外周上に卷層を重ねている。勿論、ヒートシンク以外についてはどちらの分割コイルを外周側にしても同様の機能が得られることは述べるまでもない。

この場合の励磁制御器 8 4の構成としては、例えば図 4に示したのと同様の時限回路 4 1による励磁切換回路が適用可能である。即ち、励磁開始初期の短時間のみ第 1と第 2の二つの分割コイル 8 0 a , 8 0 bを並列励磁して高い応答 14で高推力を獲得し、その後は一方の第 2分割コイル 8 0 bの励磁を遮断して残りの第 1分割コイル 8 0 aのみの励磁で必要な推力を獲得する。第 2分割コイル 8 0 bは時定数が小さく、従って初期の応答性は格段に改善される。

尚、この実施例では第 1分割コイル 8 0 aを定常動作用、第 2分割コイル 8 0 bを高速起動用のコイルとし、それぞれ一つずつの分割コイルで構成した場合を示したが、例えば高速起動用分割コィルを複数の並列接続された分割コィルで構成したり、定常動作用分割コイルを互いに電気的仕様の異なる複数の分割コイルで構成して組み合わせたりしても良いことは述べるまでもない。

また、以上の各実施例及び変形例は本発明の典型的な実施形態を示すだけのものであり、例えば個々の実施例に開示された本発明による種々の技術的思想の抽出を交叉的に組み合わせたり、その他、当業者に自明な変形はいずれも本発明の技術的範疇に属するものと理解すべきである。

以上に述べたように、本発明による電磁操作装置では、複数の分割コイルのいずれが励磁されても共通の鉄心構体に磁束が流れ、可動鉄心に作用する磁気吸引力を機械的出力として弁体に伝えることができるので、励磁制御器によって例えば同時に励磁する分割コイルの数を選択的に変更したり、或いは異なる時定数の分割コイルに励磁を切り換えたりすることができ、そのときどきの励磁電流の大きさを適宜設定することにより励磁開始時の動作の高速化及び応答性の改善を果たしたり、或いは切換り後の省電力化を果たしたりすることができ、その際、励磁開始初期の期間を経過した後に電源電流を少なくするための操作は励磁コイル数を少なくしたりコイルを切り換えたりすることで行うことができるので、直列抵抗の揷入による場合に比べて無駄に消費される電力を低減することもでき、また励磁コイルの切換を半導体スィツチング素子で行うにしても、このスィッチング素子は短時間の導通期間の後に遮断する動作を行うことになるので電力損失の大きな素子を用いる必要はなく、従ってそれを収納する電装ボックスもソレノィドコィルのケース上に搭載可能な通常の小型端子ポックスで充分であるなど、顕著な効果を奏することが可能である。 '

Claims

請求の範囲

1 . パネ力に対抗して機械的出力を弁体に作用させる電気一機械変換器としての電磁操作装置において、互いに電気的に独立した複数の分割コイルからなるソレノィドコイルと、各分割コイルから生じる磁束が共通に流れる磁路ループを形成するようにソレノィドコイルに組み合わされた固定鉄心、可動鉄心及ぴヨークからなる鉄心構体と、個々の分割コイルに対する通電を選択的に切換制御する励磁制御器と、、ずれか一つ以上の分割コィルが励磁されたときに固定鉄心に磁気吸引される可動鉄心の変位に基づく機械的出力を弁体に伝える伝達機構とを備えたことを特徴とする電磁操作装置。

2 . 分割コイルが、ソレノイドコイルの卷層の厚さ方向に分割された複数層の分割コイル層からなることを特徴とする請求項 1に記載の電磁操作装置。

3 '. 分割コイルが、ソレノイドコイルの軸方向に互いに重ねて配置された複数の短尺ソレノィドからなることを特徴とする請求項 1に記載の電磁操作装置。

4 . 各分割コイルが電気的に互いにほぼ等しい同一仕様を有することを特徴とする請求項 2または 3に記載の電磁操作装置。

5 . 励磁制御器が、各分割コイルを順に時分割励磁する切換回路を含むことを特徴とする請求項 1〜 4のいずれか 1項に記載の電磁操作装置。

6 . 励磁制御器が、励磁開始初期の限定された期間に 1つて複数の分割コイルを同時に並列励磁し、その後、そのうちの少なくとも一つの分割コイルの励磁を実質的に遮断して残りの分割コイルの励磁状態を保持する時限回路を含むことを特徴とする請求項 1〜 4のいずれか 1項に記載の電磁操作装置。

7 . 励磁制御器が、外部から与えられる指令電流値に応じた大きさの励磁電流を生じる電流増幅回路を含むことを特徴とする請求項 1〜 6のいずれか 1項に記載の電磁操作装置。

8 . 励磁制御器が、各分割コイル毎に個々に励磁電流をスイッチングする複数の半導体スィツチング素子と、同期信号に従って分割コイルの数に応じた位相差で各半導体スィツチング素子を周期的に順次パルス転流制御でスィツチング駆動するパルス幅変調回路と、外部から与えられる指令電流値に応じた大きさの励磁電流を生じる電流增幅回路とを含み、指令電流値に応じて電流増幅回路の出力によりパルス幅変調回路の出力パルス幅を変化させ、各半導体スィツチング素子の動作時間幅を前記出力パルス幅に応じて変化させるようにしたことを特徴とする請求項 5に記載の電磁操作装置。

9 . 励磁制御器が、指令電流値が励磁開始初期の最大推力指令電流値に対応するときには各半導体スィツチング素子の動作時間の重なりを最大とするように、また指令電流値が比例制御のための定常推力指令電流値に対応するときには各半導体スィツチング素子相互の動作時間の重なりを実質的に無くすようにパルス幅変調回路の転流周期と位相差を制御する同期回路を更に含むことを特徴とする請求項 8に記載の電磁操作装置。 ■

10. 分割コイルが第 1分割コイルと第 2分割コイルとを含み、第 1分割コイルのコイル時定数と第 2分割コイルのコイル時定数とが互いに異なっていることを特徴とする請求項 2または 3に記載の電磁操作装置。

11. 第 2分割コイルのコィル時定数が第 1分割コィルの時定数より小さいことを特徴とする請求項 1 0に記載の電磁操作装置。

12. 第 2分割コイルの線径が第 1分割コイルの線径より太いことを特徴とする請求項 1 1に記載の電磁操作装置。

13. 第 1分害 ijコィノレと第 2分割コイルとの、ずれか一方のコィルの卷層の外周に他方のコイルの卷層が同心状に積層されていることを特徴とする請求項 1 0〜 1 2のいずれか 1項に記載の電磁操作装置。

14. 励磁制御器が、励磁開始初期の限定された期間に亘つて第 2分割コイルを第 1の電流値で励磁し、その後、第 2分割コイルの励磁を実質的に遮断すると共に第 1分割コイルを第 1の電流値より低い第 2の電流値で励磁する電流切換回路を含むことを特徴とする請求項 1 1〜1 3のいずれか 1項に記載の電磁操作装置。

15. 外部から与えられる指令電流値に応じた大きさの励磁電流を生じる電流増幅回路を更に備えたことを特徴とする請求項 1 4に記載の電磁操作装置。

16. 励磁制御器が、ソレノイドコイルに流れる負荷電流の大きさを検出する電流検出手段と、電流増幅回路に前記電流検出手段の検出電流値によって負帰還をかける電流フィードバック回路とを更に備えたことを特徴とする請求項 7 , 8，

9， 1 5のいずれか 1項に記載の電磁操作装置。

17. ソレノイドコイルから生じる磁界の強度を検出する磁気センサーと、電流增幅回路に磁気センサーの検出出力によって負帰還をかける磁気フィードバック回路とを更に備えたことを特徴とする請求項 7， 8， 9， 1 5， 1 6のいずれか 1項に記載の電磁操作装置。

18. 可動鉄心の変位量を検出する変位センサーと、電流増幅回路に変位センサ一の検出出力によって負帰還をかける位置フィードパック回路とを更に備えたことを特徴とする請求項 7， 8， 9， 1 5， 1 6， 1 7のいずれか 1項に記載の電磁操作装置。

19. 流体圧力又は流量の制御、流体の流れ方向の切換え、または流路の開閉のいずれかを制御するための弁体に対してパネ力に対抗する機械的出力を作用させる電気一機械変換器として、請求項 1〜1 8のいずれか 1項に記載の電磁操作装置を備えたことを特徴とする電磁操作弁。