(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁弁（３１）を構成する電磁コイル（５１）に１次遅れ系により増加する電気信号（Ｓ１２）を供給し、
実際に前記電磁コイル（５１）に流れる励磁電流（Ｓ１３）を検出し、
前記励磁電流（Ｓ１３）が前記電気信号（Ｓ１２）に追従できなくなる時点が、前記電磁コイル（５１）によって吸引される可動鉄心（６３）が移動し、この可動鉄心（６３）に直結された弁体（５３）が開放する時点であると同定することを特徴とする電磁弁の駆動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、供給される空気の流量や圧力を電磁弁を用いて制御する空気圧レギュレータに適用して好適な電磁弁の駆動制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気圧機器に一定圧力を供給するための空気圧レギュレータの従来技術が、例えば、特公平７−５０４１８号公報に開示されている。
【０００３】
この空気圧レギュレータは、メインバルブから吐出される吐出圧力を調整する際に吐出圧力を検出し、検出した吐出圧力と設定圧力とを比較し、その比較結果に応じてダイヤフラム室に対して電磁弁から供給される空気圧パルスのパルス幅を調節する。そして、電磁弁から供給される空気圧パルスのパルス幅に応じてパイロット圧力を加減することでダイヤフラムに連結された給気弁体を開閉し、メインバルブから吐出される吐出圧力を設定圧力に調整する装置である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記電磁弁は、周知のように、電磁コイル中の可動鉄心が励磁電流により吸引されたり離されたりすることによって、この可動鉄心に直結した弁体を開閉する装置である。
【０００５】
したがって、上述した従来の空気圧レギュレータでは、空気圧パルスのパルス幅を調節する場合に、この電磁弁の電磁コイルに供給する電気信号のパルス幅を変化させている。
【０００６】
しかしながら、本発明者等は、この電気信号のパルス幅が狭い場合には、発生する励磁電流により可動鉄心を移動させることが可能なほどの磁力が発生しないことがあり、結局、可動鉄心に直結した弁体が動作せず、前記吐出圧力が変化しない場合があることをつきとめた。
【０００７】
その上、電気信号のパルスの立ち上がり時点から実際に可動鉄心が動き始めるまでの時間が、吐出圧力（ポート圧力）や弁体の摺動抵抗等の変化により、いわゆる電磁弁の動作むだ時間がその都度変化するという問題があることも判明した。
【０００８】
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、電磁弁を設定圧力や設定流量に対する最適なパルス幅を有する電気信号で駆動することを可能とする電磁弁の駆動制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明方法は、電磁弁（３１）を構成する電磁コイル（５１）に１次遅れ系により増加する電気信号（Ｓ１２）を供給し、実際に前記電磁コイル（５１）に流れる励磁電流（Ｓ１３）を検出し、前記励磁電流（Ｓ１３）が前記電気信号（Ｓ１２）に追従できなくなる時点が、前記電磁コイル（５１）によって吸引される可動鉄心（６３）が移動し、この可動鉄心（６３）に直結された弁体（５３）が開放する時点であると同定することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、この発明の一実施の形態が適用された空気圧レギュレータ１０の構成例を示している。
【００１７】
この空気圧レギュレータ１０は、図示しない空気圧機器の圧力制御を行うためのメインバルブ１１を有している。このメインバルブ１１のケーシング１２には、図示しない空気圧源に接続される供給ポート１３と、図示しない空気圧機器に接続される吐出ポート１４が形成されている。
【００１８】
供給ポート１３と吐出ポート１４間を結ぶ通路１５内には、ケーシング１２に形成された給気口１６を開閉する給気弁体１７が配設され、この給気弁体１７は、ばね１８の圧縮力によって給気口１６を常時閉じる方向に付勢されている。
【００１９】
ケーシング１２には、排気ポート２１が形成され、この排気ポート２１と吐出ポート１４間を連通する排気口２２には、この排気口２２を開閉する排気弁体２３が摺動可能に嵌合されている。
【００２０】
排気弁体２３の一端側は給気弁体１７に係合され、排気弁体２３と給気弁体１７とは一体的に連動するように構成されている。排気弁体２３の他端側はダイヤフラム２５に一体的に連結されている。
【００２１】
ダイヤフラム２５により区画されたダイヤフラム室２６の流出入口２７には、ダイヤフラム２５に加わるパイロット圧力を制御する空気圧パルス供給用の２ポート電磁弁３１と排気用の２ポート電磁弁３２とが接続されている。
【００２２】
吐出ポート１４には、ケーシング１２内に形成された通路３５を通じて吐出圧力を検出し、これを電気信号に変換して出力する圧力センサ３６が接続されている。
【００２３】
圧力センサ３６で検出された吐出圧力のアナログ電気信号は、Ａ／Ｄ変換器３７を通じてデジタル電気信号に変換されてマイクロコンピュータ４０に供給される。すなわち、吐出圧力情報がマイクロコンピュータ４０に供給される。
【００２４】
マイクロコンピュータ４０は、周知のように、中央処理装置（ＣＰＵ）に対応するマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）と、このマイクロプロセッサに接続される入出力装置としてのＡ／Ｄ変換回路やＤ／Ａ変換回路等、Ｉ／Ｏポート、制御プログラム・システムプログラム等が書き込まれる読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、処理データを一時的に保存等するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭであり、書き込み読み出しメモリ）、タイマ回路および割り込み処理回路等を１チップに集積したＬＳＩデバイスとして提供される。
【００２５】
マイクロコンピュータ４０は、基本的には、Ａ／Ｄ変換器３７から供給される吐出圧力と、図示しない入力装置等により予め設定される設定圧力とを比較し、吐出圧力が設定圧力になるように制御するものである。
【００２６】
この場合、マイクロコンピュータ４０は、方形波パルス電気信号Ｓ１、Ｓ１１を出力し、コイル駆動・鉄心移動検出回路４１、４２を通じて２ポート電磁弁（以下、単に電磁弁ともいう。）３１、３２を構成する電磁コイル５１、５２に励磁電流を供給するとともに、この励磁電流の変化を検出するコイル駆動・鉄心移動検出回路４１、４２からの検出信号Ｓ４、Ｓ１４を受けて、前記方形波パルス電気信号Ｓ１、Ｓ１１の最適パルス幅を決定する。
【００２７】
図２は、電磁弁３１（３２）の一般的な断面構成例を示している。図２から分かるように、電磁弁３１（３２）は、入力ポート６１と出力ポート６２を有し、これら入出力ポート６１、６２間の通路が可動鉄心６３（６４）に直結された弁体５３（５４）の矢印方向への移動により開閉される。可動鉄心６３（６４）の回りには、電磁コイル５１（５２）が配設され、この電磁コイル５１（５２）に励磁電流が供給されることで、可動鉄心６３（６４）が吸引されて弁体５３（５４）が開くように構成されている。
【００２８】
なお、電磁コイル５１（５２）に励磁電流が供給されていない場合には、可動鉄心６３（６４）の一端部とケーシング１２との間に配設されたばね６５（６６）の圧縮力により弁体５３（５４）が常時閉じる方向に付勢されている。
【００２９】
図３は、コイル駆動・鉄心移動検出回路４１（４２）の原理的な構成例を示している。図３において、マイクロコンピュータ４０から供給される方形波パルス電気信号Ｓ１は、入力端子７１、ベース電流制限用の抵抗器７２を通じて電磁コイル５１（５２）駆動用のトランジスタ７３のベース端子に供給される。トランジスタ７３のエミッタ端子と接地間に接続されている抵抗器７４に電磁コイル５１（５２）に流れる励磁電流ｉ０に比例した電圧信号Ｓ２が現れる。
【００３０】
この電圧信号Ｓ２が微分回路７５を通じて微分電圧信号Ｓ３とされる。この微分電圧信号Ｓ３と基準電圧Ｅ１が比較器７６で比較され、その比較結果の２値信号である鉄心移動検出信号Ｓ４が出力端子７７に現れる。この鉄心移動検出信号Ｓ４がマイクロコンピュータ４０に供給される。
【００３１】
次に、上述の実施の形態に係る空気圧レギュレータ１０の要部動作について図４に示す波形図を参照しながら説明する。
【００３２】
まず、マイクロコンピュータ４０から、図４ａの時点ｔ０においてゼロ値から所定電圧値に立ち上がる電圧信号である方形波パルス電気信号Ｓ１が供給されるものとする。この時点ｔ０においては、パルス幅Ｐｗｏは未定である。
【００３３】
この方形波パルス電気信号Ｓ１の反転信号がトランジスタ７３のコレクタ端子を通じて電磁コイル５１に供給されることで、電磁コイル５１には１次遅れ系的に立ち上がる励磁電流ｉ０が流れ、この励磁電流ｉ０の変化に比例する電流が抵抗器７４に流れる。従って、抵抗器７４に励磁電流ｉ０に比例した電圧信号（以下、必要に応じて励磁電流信号ともいう。）Ｓ２（図４ｂ参照）が発生する。
【００３４】
励磁電流信号Ｓ２が１次遅れ系的に増加しているとき、微分回路７５の出力電気信号Ｓ３は、図４ｃに示すようにほぼ正の一定値の信号である。
【００３５】
このとき、比較器７６の負入力端子にはゼロＶ（ボルト）より僅かに高い基準電圧（ゼロ値に近い所定値）Ｅ１が印加されているので、比較器７６の出力信号Ｓ４（図４ｄ参照）はハイレベルに保持される。なお、この基準電圧Ｅ１は、雑音により比較器７６が反転しないような高い電圧値に設定される。
【００３６】
時点ｔ０から励磁電流ｉ０が供給されることで電磁コイル５１が徐々に励磁されると飽和に近づき、結果として、図４ｂの時点ｔ１に示すように、励磁電流信号Ｓ２が急速に減少を開始する。この時点ｔ１において、可動鉄心６３が電磁コイル５１側に吸引され、可動鉄心６３と一体的に形成されている弁体５３が矢印Ｕ方向（図２参照）に移動を開始し、電磁コイル５１のインダクタンスが上昇しているということが分かる。
【００３７】
時点ｔ２においては、可動鉄心６３が電磁コイル５１に完全に吸引され、可動鉄心６３がそれ以上上方に移動しない点に達すると電磁弁３１の弁体５３が完全に開放される。この時点ｔ２において電磁コイル５１のインダクタンスの増加が停止し、再び、電磁電流信号Ｓ２が増加して電磁コイル５１は時点ｔ２から徐々に飽和に至る。
【００３８】
時点ｔ１の直前から微分回路７５の出力信号Ｓ３は、正の値から急激に減少して負の値となり、時点ｔ２が変曲点となって負の値から一気に正の値に上昇する。時点ｔ２以降において、微分信号Ｓ３は、急激にゼロ値に向かう。
【００３９】
したがって、比較器７６の出力信号Ｓ４は、微分信号Ｓ３が基準電圧Ｅ１になった時点ｔ１において、ハイレベルからローレベルのゼロ値になり、微分信号Ｓ３が再び瞬時に正の値に向かう途中の基準電圧Ｅ１を超える時点ｔ２において、ゼロ値からハイレベルになる。
【００４０】
マイクロコンピュータ４０は、時点ｔ１〜時点ｔ２の間で電磁弁３１が開放したこと、言い換えれば、可動鉄心６３が移動したことを検出することができる。そこで、マイクロコンピュータ４０は、この検出時点ｔ１〜ｔ２の間で電磁弁３１の入出力ポート６１、６２が連通したと同定して、その時点ｔ１（または時点ｔ２）を基準に所定のパルス幅Ｐｏ（図４ａ参照）の方形波パルス電気信号Ｓ１をコイル駆動・鉄心移動検出回路４１を通じて電磁コイル５１に供給する。  すなわち、マイクロコンピュータ４０は、この空気圧レギュレータ１０においては、時点ｔ０〜時点ｔ１（または時点ｔ０〜時点ｔ２）の間を、いわゆるむだ時間と判断して、電磁弁３１を、例えば、一定時間ｔ１〜ｔ３（または一定時間ｔ２〜ｔ３）だけ開放したい場合に、この一定時間ｔ１〜ｔ３（または一定時間ｔ２〜ｔ３）に対応するパルス幅Ｐｏ（図４ａ参照）にむだ時間に対応するパルス幅（単に、むだ時間ともいう。）Ｐｕ（図４ｂ参照）とを合計したパルス幅Ｐｗｏが最適なパルス幅であると決定して、対応する方形波パルス電気信号Ｓ１を出力する。
【００４１】
このように、図３例の回路を利用することにより、マイクロコンピュータ４０は、むだ時間Ｐｕを検出した後に、電磁弁３１を開放しようとする設計上の所定時間に対応したパルス幅Ｐｏを有する方形波パルス電気信号Ｓ１を出力することができる。むだ時間Ｐｕは、電磁弁３１からの吐出圧力や弁体５３に係る摺動抵抗によって変化し、また経年変化も存在するので、この実施の形態によれば、むだ時間Ｐｕを検出してから方形波パルス電気信号Ｓ１の全体のパルス幅Ｐｗｏ（Ｐｕ＋Ｐｏ）を決定することができ、電磁弁３１を設定圧力や設定流量に対する最適（正確）なパルス幅Ｐｗｏを有する電気信号で駆動することができるという効果が達成される。
【００４２】
図５は、この発明の他の実施の形態に係るコイル駆動・鉄心移動検出回路４１Ａの構成例を示している。以下に詳しく説明するように、この実施の形態においては、電磁コイル５１を、１次遅れ系により増加する電気信号を供給して駆動することを特徴としている。なお、このコイル駆動・鉄心移動検出回路４１Ａは、図１例中のコイル駆動・鉄心移動検出回路４１に対応する回路であるが、コイル駆動・鉄心移動検出回路４２に対応する回路も同一の構成であるので、以下、繁雑を避けるため、このコイル駆動・鉄心移動検出回路４１Ａについてのみ説明する。また、図５において、上記図１〜図４に示したものと対応するものには同一の符号を付けてその詳細な説明を省略する。
【００４３】
図６は、この図５例のコイル駆動・鉄心移動検出回路４１Ａの動作説明に供される波形図である。
【００４４】
まず、時点ｔ１０において、マイクロコンピュータ４０から図６ａに示す負極性の方形波パルス電気信号Ｓ１１を供給する。この方形波パルス電気信号Ｓ１１は、抵抗器７２を通じてエミッタ接地型のトランジスタ８０のベース端子に供給され、トランジスタ８０はオフ状態にされる。
【００４５】
したがって、トランジスタ８０のコレクタ端子には、図６ｂに示す１次遅れ系により増加する電圧信号Ｓ１２が現れ、差動増幅器８４の正入力端子に供給される。この電圧信号Ｓ１２の波形は、良く知られているように、次の（１）式に従う波形である。
【００４６】
Ｓ１２＝Ｅ２×［  １−ｅｘｐ｛（−１／ＣＲ）ｔ｝］            …（１）
ここで、Ｅ２は、抵抗器８１（抵抗値はＲ１とする。）と抵抗器８２（抵抗値はＲ２とする。）による電源電圧Ｅの分圧値、すなわち、Ｅ２＝Ｅ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）である。また、Ｃは、コンデンサ８３の容量値である。Ｒは、抵抗器８１と抵抗器８２の並列抵抗値｛Ｒ＝Ｒ１×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝である。ｔは時間である。
【００４７】
時点ｔ１０〜時点ｔ１１の間では、電磁コイル５１に電圧信号Ｓ１２に比例した電流信号が流れる。すなわち、電圧信号Ｓ１２が上昇すると差動増幅器８４の出力端子であるトランジスタ８５のベース端子が上昇して、トランジスタ８５のコレクタ端子からエミッタ端子に向かって電流が流れる。この電流がトランジスタ８６のベース電流として供給され、抵抗器８７の端子電圧である電圧信号Ｓ１３（この電圧信号Ｓ１３が電磁コイル５１に流れる電流信号である励磁電流ｉ０に比例するので、必要に応じて電流信号Ｓ１３ともいう。）が上昇し、これが、差動増幅器８４の負入力端子に供給される。
【００４８】
差動増幅器８４とトランジスタ８５、８６と抵抗器８７によるフィードバックループが正常に動作している時点ｔ１０〜時点ｔ１１の期間では、電圧信号Ｓ１２と電圧信号（電流信号）Ｓ１３の波形は同一の波形である。トランジスタ８５のエミッタ端子と接地間に接続されている抵抗器８８に現れる電圧信号Ｓ１４も電圧信号Ｓ１２に比例した波形となる。この電圧信号Ｓ１４が正入力端子に供給され、負入力端子には正の基準電圧信号Ｖｒｅｆ（図６ｃ参照）が供給される比較器７６の出力信号Ｓ１５のレベルは、図６ｃの１点鎖線で示すように、時点ｔ１０〜時点ｔ１１の期間ではローレベル（ゼロレベル）である。
【００４９】
時点ｔ１１〜時点ｔ１２の間では、電磁弁３１を構成する可動鉄心６３が電磁コイル５１の励磁電流ｉ０により吸引され、電磁コイル５１のインダクタンス値が急激に増大する。この間、電磁コイル５１に流れる電流信号Ｓ１３は減少し、この電流信号Ｓ１３は可動鉄心６３が完全に吸引された時点ｔ１２から再び電圧信号Ｓ１２に向かって増加する。
【００５０】
時点ｔ１１において、差動増幅器８４の負入力端子に現れる電圧信号Ｓ１３が下がろうとするので、トランジスタ８５のベース端子に現れる電圧が増加し、トランジスタ８５に急激に電流が流れる。これにより、抵抗器８８の端子に現れる電圧信号Ｓ１４は、図６ｃに示すように、瞬時に増加する。この電圧信号Ｓ１４の増加時には、予め超えるように設定された基準電圧信号Ｖｒｅｆを超えるので、比較器７６の出力信号Ｓ１５が、図６ｃに示すように、ローレベルからハイレベルに移る。
【００５１】
時点ｔ１３において、電圧信号Ｓ１１（図６ａ参照）がローレベルからハイレベルに移ると、トランジスタ８０はオフ状態からオン状態になり、差動増幅器８４の正入力端子は瞬時にローレベルとなり、電磁コイル５１にも電流が流れなくなって、電圧信号Ｓ１３も瞬時にローレベルになる。この場合、抵抗器８７の抵抗値は、前述の（１）式の時定数ＣＲに比較して電磁コイル５１に係る放電電流の時定数が小さくなるように予め小さい値に選定している。
【００５２】
このように、図５に示す回路構成例および図６に示す駆動方法を採用することで、図３例を参照して説明したのと同様に、マイクロコンピュータ４０は、この空気圧レギュレータ１０においては、時点ｔ１０〜時点ｔ１１（または時点ｔ１０〜時点ｔ１２）の間を、いわゆるむだ時間と判断し、電磁弁３１を、例えば、一定時間ｔ１１〜ｔ１３（または一定時間ｔ１２〜ｔ１３）だけ開放したい場合に、この一定時間ｔ１１〜ｔ１３（または一定時間ｔ１２〜ｔ１３）に対応するパルス幅Ｐｏ（図６ａ参照）にむだ時間に対応するパルス幅（むだ時間ともいう。）Ｐｕを合計したパルス幅Ｐｗｏが最適なパルス幅であると決定して、対応する方形波パルス電気信号Ｓ１１を出力するようにすればよい。
【００５３】
このように、上述の図３例、図５例の実施の形態によれば、電磁弁３１をマイクロコンピュータ４０から駆動するときに、コイル駆動・鉄心移動検出回路４１の出力信号Ｓ４、Ｓ１５により、電磁弁３１のむだ時間Ｐｕを検出し、むだ時間Ｐｕ後のパルス幅Ｐｗｏにより空気圧レギュレータ１０の吐出ポート１４の設定圧力や設定流量を正確に制御することができるという効果が達成される。
【００５４】
なお、この発明は上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、電磁弁の電磁コイルに流れる励磁電流の変化を検出することで可動鉄心の移動を検出し、電磁弁のむだ時間を検出して、電磁弁を駆動する方形波パルス電気信号のパルス幅を決定するようにしている。なお、むだ時間の検出は、電磁弁を１次遅れ系により増加する電気信号により駆動して、励磁電流が入力電気信号に追従することができなくなるまでの時間をむだ時間として検出する方法等を採用することができる。このため、電磁弁を、いわゆるパルス幅駆動するときに、圧力が変化するための最適なパルス幅で駆動することが可能となり、確実に圧力や流量を変化させることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。
【図２】電磁弁の構成例を示す断面図である。
【図３】図１例中、コイル駆動・鉄心移動検出回路の構成例を示す回路図である。
【図４】図４ａ〜図４ｄは、図３例の動作説明に供される波形図である。
【図５】コイル駆動・鉄心移動検出回路の他の構成例を示す回路図である。
【図６】図６ａ〜図６ｃは、図５例の動作説明に供される波形図である。
【符号の説明】
１０…空気圧レギュレータ        １１…メインバルブ
１３…供給ポート                １４…吐出ポート
１７…給気弁体                  ２５…ダイヤフラム
３１、３２…電磁弁              ４０…マイクロコンピュータ
４１、４１Ａ、４２…コイル駆動・鉄心移動検出回路
５１、５２…電磁コイル          ５３、５４…弁体
６３、６４…可動鉄心
【図１】
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【図２】
0003634459.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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