(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された一定の直流電圧を矩形波の交流電圧に変換することのできるトランジスタブリッジ回路を備えた電磁弁駆動回路であって、前記電磁弁の通電開始時から電磁弁が開き終わるまでの間において一定電圧を電磁弁に印加し、前記電磁弁の開弁状態を維持する間において交流電圧を電磁弁に印加して電流値を低下させる電磁弁駆動回路。
【請求項２】
前記電磁弁の開弁状態を維持する間において１００Ｈｚから２００Ｈｚまでの交流電圧を電磁弁に印加する電磁弁駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電源型の電磁弁を駆動するため電磁弁駆動装置に関し、さらに詳細には電磁弁の開閉動作の応答性、再現性、及び省エネルギー性に優れた電磁弁駆動回路に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
管路に流れる流体を連通遮断する手段として従来から電磁弁が一般的に広く使用されている。電磁弁は環状にコイルを巻いたソレノイドと該ソレノイドの中空部に配された可動鉄心を備えており、該ソレノイドの中空部に可動鉄心が摺動可能に嵌合されて構成されている。そして、該ソレノイドへの通電の切替えによって前記可動鉄心が摺動し、該可動鉄心の端部に形成された弁体（バルブと称することもある）が弁座と当接または離間することにより、電磁弁の中に形成された流体の通路の入力ポートと出力ポートとを連通または遮断する。
【０００３】
交流電源型の電磁弁を駆動するために使用されている従来の一般的な電磁弁駆動回路を図３に示す。図３に示した従来の電磁弁駆動回路は、ソレノイド１０２に流す電流をオンオフ制御するリレー回路４とリレー回路４の動作を制御する制御装置３Ａとからなっている。
【０００４】
電磁弁を駆動して流体を流す場合は、制御装置３Ａによりリレー回路４のスイッチを入れてオン状態として、ソレノイド１０２に通電する。ソレノイド１０２は電流が流れることによって励磁されるため、図示しない可動鉄心が摺動することにより弁体と弁座とが離間する。そして、弁体と弁座とが離間しバルブが開いた状態となることによって、電磁弁１００の中に形成された流体の通路の入力ポートと出力ポートとが連通される。
なお、交流電源１を使用した場合に周期的に電圧が０となるが、電圧が０となるのは一瞬であるためバルブは開いた状態のままである。
【０００５】
流体を止める場合は、制御装置３Ａによりリレー回路４のスイッチを切断して電源オフ状態とすることによってソレノイド１０２に流していた電流を遮断する。電流が遮断されてソレノイド１０２の励磁されなくなると、図示しないスプリング等の働きによって可動鉄心が元の位置に戻るように摺動して、弁体が弁座に当接することによりバルブが閉じた状態となる。
その結果、電磁弁の中に形成された流体の通路が遮断される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の電磁弁駆動回路を用いて交流電源１を使用した際において、リレー回路４による前述したようなオンオフ制御を行った場合は、制御装置４からの指令タイミングにより、指令が出てから弁体と弁座が離間するまでの時間が異なり、バルブ開閉速度の再現性に乏しいという問題を生じた。これは、交流電源の電圧波形のどの位置で指令がでるかによってソレノイド１０２の励磁状態が異なり、その結果として弁体の移動速度が異なることによる。
【０００７】
この現象を以下簡単に説明する。
図４に示したように交流電源の電圧波形がＡの位置で指令を出してソレノイド１０２に通電し始めた場合、ソレノイドバルブ１０２を励磁する電力は図４（１）に２点鎖線で示したようになる。それに比較して、電圧波形がＢの位置で指令を出してソレノイド１０２に通電し始めた場合、ソレノイドバルブ１０２を励磁する電力は図４（２）の２点鎖線で示したようになる。
図４（１）及び図４（２）を比較すると、図４（２）の２点鎖線で示した電力の総和は、図４（１）の２点鎖線で示した電力総和より明らかに小さいことがわかる。
【０００８】
図４（１）及び図４（２）は、周波数６０Ｈｚの交流電源にて１２ｍｓ（０．０１２秒）の間ソレノイド１０２を通電してみた場合を比較したが、前記通電時間より短時間の間ソレノイド１０２を通電した場合において比較すると、さらに斜線部面積の総和に差が開く場合もありうる。
【０００９】
例えば、図４（２）に示したように交流電源の電圧波形がＢの位置で指令を出してソレノイド１０２に通電し始めた場合、最初の数ｍｓの間は電力がほとんど立ち上がっておらず、ソレノイドバルブ１０２を励磁する電力はほとんど０に等しい。言いかえると、最初の数ｍｓの間は電磁弁１００はほとんど開くことができず、電磁弁１００の応答速度低下の一因となる。
【００１０】
交流電源を使用する電磁弁を駆動するための電磁弁駆動回路は、以上のような理由によって、その開閉動作の再現性及び応答性に問題を有していた。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電磁弁を駆動して制御する電磁弁駆動装置に関し、さらに詳細に言えば、電磁弁の開閉動作の再現性及び応答性に優れた電磁弁駆動回路を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明による電磁弁駆動回路は、
（１）入力された一定の直流電圧を矩形波の交流電圧に変換することのできるトランジスタブリッジ回路を備えた電磁弁駆動回路であって、前記電磁弁の通電開始時から電磁弁が開き終わるまでの間において一定電圧を電磁弁に印加し、前記電磁弁の開弁状態を維持する間において交流電圧を電磁弁に印加して電流値を低下させるよう構成した。
【００１２】
（２）  上記（１）記載の電磁弁駆動回路において、前記電磁弁の開弁状態を維持する間において１００Ｈｚから２００Ｈｚまでの交流電圧を電磁弁に印加する構成とした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明による電磁弁駆動回路の実施形態の１例についてその詳細を説明する。図１は本発明に係る実施形態の電磁弁駆動回路の構成を示す回路図であり、図２は本発明の実施形態による電磁弁駆動回路からソレノイドに通電する電圧を示す波形図である。
図３は従来の電磁弁駆動回路の構成を示す回路図であり、図４は従来の電磁弁駆動回路による電圧の波形を示す波形図である。
【００１４】
図１に示した電磁弁駆動回路２は、トランジスタブリッジ回路１２０及び整流回路１０とを備えている。ここで、整流回路１０は一般的に使用されているダイオードブリッジタイプの全波整流回路であって、図１に示すようにダイオードブリッジ回路の出力側にコンデンサと抵抗とを直列接続した平滑回路を配置することによって、入力した交流電源の約１．４１４倍（２の平方根）の電圧で一定電圧の直流電源を得ることができるように構成されている。
【００１５】
図１に示した電磁駆動弁回路２は、整流回路１０を備えることによって元電源として交流電源を使用できるよう回路を構成したが、これに限るものではなく、元電源が直流電源であればその直流電源を入力用の定電圧電源として用いても良い。
【００１６】
ここで、図１に示したトランジスタブリッジ回路１２０は、トランジスタ１２１からトランジスタ１２４まで合計４個のトランジスタをブリッジ接続してなり、交流電源１からの交流電圧を整流回路１０にて整流することによって得られた一定電圧の直流電圧を、図２（１）に示すような矩形波の交流の電圧（交流電圧と称することもある）に変換する。
【００１７】
図１に示したトランジスタブリッジ回路１２０はインバータ回路とも呼ばれるものであり、トランジスタ１２１及びトランジスタ１２２のソース側を接点Ａに接続し、トランジスタ１２３及びトランジスタ１２４のソース側を接点Ｂに接続している。またトランジスタ１２１及びトランジスタ１２３ドレイン側を接点Ｃに接続し、トランジスタ１２２及びトランジスタ１２４のドレイン側を接点Ｄに接続して構成している。
【００１８】
また、それぞれのトランジスタ１２１〜１２４には、マイクロコンピュータ２０３が接続されており、制御装置３からマイクロコンピュータ２０３に制御信号を与えることによって、マイクロコンピュータ２０３はトランジスタ１２１〜１２４を流れる電流を任意に通電遮断することができる。
【００１９】
そして、制御装置３からマイクロコンピュータ２０３に制御信号を与えることによって、トランジスタ１２１及びトランジスタ１２４が通電し、かつトランジスタ１２２及びトランジスタ１２３を流れる電流を遮断した状態と、トランジスタ１２２及びトランジスタ１２３を通電し、かつトランジスタ１２１及びトランジスタ１２４を流れる電流を遮断した状態とを、任意に設定した周期で切替えることにより、任意の周波数の交流を得ることができるよう構成されている。
なお、図１に示した電磁弁駆動回路２は、制御装置３からの指令信号（本実施形態においては２４Ｖ）を電圧レギュレータ２０１によって５Ｖ（ボルト）に下げて使用した。
【００２０】
以下、図１に示した電磁弁駆動回路２の制御方法について説明する。
電磁弁を駆動して流体を流す場合は、前述したように制御装置３からマイクロコンピュータ２０３に制御信号を与えることによって、トランジスタ１２１及びトランジスタ１２４が通電し、かつトランジスタ１２２及びトランジスタ１２３を流れる電流を遮断した状態と、トランジスタ１２２及びトランジスタ１２３を通電し、かつトランジスタ１２１及びトランジスタ１２４を流れる電流を遮断した状態とを、任意に設定した周期で切替えて、矩形波の交流電圧を発生させる。
【００２１】
ソレノイド１０２は交流電圧が流れることによって励磁されるため、図示しない可動鉄心が摺動することにより弁体と弁座とが離間する。弁体と弁座とが離間してバルブが開いた状態となることによって、電磁弁１００の中に形成された流体の通路の入力ポートと出力ポートとが連通される。
なお、矩形波の交流電圧を使用した場合に周期的に電圧が０となるが、電圧が０となるのは一瞬であるためバルブは開いた状態のままである。
【００２２】
電磁弁により流体を止める場合は、制御装置３によってマイクロコンピュータ２０３に指令を与え、トランジスタブリッジ回路１２０に配された全てのトランジスタに流れる電流を遮断した状態とすることによって、ソレノイド１０２に流していた電流を遮断する。電流を遮断すると、図示しないスプリング等の働きによって可動鉄心が元の位置に戻ることにより弁体が弁座に当接して、バルブが閉じた状態となる。そして、電磁弁の中に形成された流体の通路が遮断される。
【００２３】
ここで、本発明の実施形態における電磁弁駆動回路は、ソレノイド１０２の通電開始において、トランジスタ１２１及びトランジスタ１２４が通電し、かつトランジスタ１２２及びトランジスタ１２３を流れる電流を遮断した状態を、電磁弁１００が閉じた状態から電磁弁１００が開き終わるまでの間継続することにより、電磁弁１００が開き終わるまでの間一定の直流電圧をソレノイド１０２に印加することによって、弁体の動作を早くできるという優れた効果を有することができる。
というのは、交流電圧を使用した場合においては周期的に電圧が０となる領域が発生することは避けられない。図４に示したような従来の交流波形電源を使用した場合に比較すれば軽微であるが、本発明のように矩形波の交流電圧を使用した場合においても、ほんの瞬間電圧が０となり、弁を開くまでの間に電圧が０となる領域が発生する。電圧が０となる領域、すなわち電力が０となる領域が発生すると弁の応答性に影響を与える。
従って、弁が開き終わるまでの間はソレノイド１０２に対して一定の電圧を印加し続けることが、弁の応答性を向上させるといった点で優れている。
【００２４】
特に本発明の実施形態による電磁弁駆動回路２においては、入力された一定の直流電圧を矩形波の交流電圧に変換しているので、常に一定の高い電圧でソレノイド１０２に通電することができ、指令タイミングによって弁体と弁座が離間するまでの時間が異なるといったことがなく、バルブ開閉速度の再現性に優れている。また図２（２）に示したように始動時においては商用交流電圧に比べて斜線の部分だけ高い電圧をかけることができるので、弁の応答性を向上させるといった点においても優れている。
【００２５】
なお、本発明の言う電磁弁１００の開き終わる定義は、電磁弁１００に配した弁体と弁座が電磁弁の構造上において最大に離間できる距離まで離間した状態になるまでを意味するのみならず、電磁弁１００に配した弁体と弁座が必要な流量の流体を所望の流速で流せるまで離間した状態をも含んでいる。
例えば、弁体と弁座が１ｍｍ離間できる電磁弁１００を使用した際に、弁体と弁座が０．５ｍｍ離間すれば必要な流量の流体を所望の流速で流せるのであれば、弁体と弁座が０．５ｍｍ離間状態でも電磁弁１００は開き終わった状態であると判断する。
なお、電磁弁１００が完全に開くまでの時間は、電磁弁１００の大きさや種類によって異なるが、１０ｍｓ〜３０ｍｓ（０．０１〜０．０３秒の間）の間が一般的である。
【００２６】
また、弁が開き終わったあとにおいても短時間の間一定の電圧によってソレノイド１０２を通電し続けても本発明の範囲を逸脱するものではないが、長い時間の間、一定の直流電圧をソレノイド１０２に印加するとソレノイド１０２に大量の電流が流れすぎるため、ソレノイド１０２等が加熱して焼損するといった危険性も危惧される。
従って、前記一定の電圧をソレノイド１０２に印加する時間は５０ｍｓ（０．０５秒）を上限とし、特に好ましい時間としては１０ｍｓ〜３０ｍｓ（０．０１〜０．０３秒）である。
【００２７】
また、弁が開き終わる時間が明確に判断しづらい電磁弁１００を使用した場合においては、ソレノイド１０２が焼損をおこさない範囲で一定電圧をかける時間を長くすることが好ましく、そのような実用的技術は、本発明の技術思想の範囲をなんら逸脱するものではない。
【００２８】
電磁弁１００が開いた後、マイクロコンピュータ２０３より指令信号を与えて、トランジスタ１２２及びトランジスタ１２３が通電し、かつトランジスタ１２１及びトランジスタ１２４を流れる電流を遮断した状態とし、その時間を５ｍｓ〜１０ｍｓ（０．００５〜０．０１秒）続ける。
【００２９】
以降、制御装置３からマイクロコンピュータ２０３に制御信号を与えることによって、トランジスタ１２１及びトランジスタ１２４が通電し、かつトランジスタ１２２及びトランジスタ１２３を流れる電流を遮断した状態と、トランジスタ１２２及びトランジスタ１２３を通電し、かつトランジスタ１２１及びトランジスタ１２４を流れる電流を遮断した状態とを、５ｍｓ〜１０ｍｓ（０．００５〜０．０１秒）の周期で繰り返すことによって、ソレノイド１０２に交流電流を流す。なお、これを交流電圧の周波数で表すと５０Ｈｚから１００Ｈｚに相当する電圧波形となる。
【００３０】
電磁弁１００は交流電圧により励磁され続けることによって、電磁弁１００は開いたままの状態で保持される。
詳細な説明は割愛するが、電磁弁１００のソレノイドを励磁する電圧が交流状態になるとインピーダンスが上昇して、ソレノイド１０２を流れる電流は初期の１０％以下にまで低下するので、電磁弁１００のソレノイド１０２を焼損することなく、励磁しつづけることが可能である。
なお、Ｌをコイルのインダクタンスとし、Ｗを角速度とし、Ｒを抵抗とした場合において、インピーダンスＺは下記の▲１▼式に示す式で一般的に表される。
また、電流をＩとし、電圧とＶとし、インピーダンスをＺとした場合においては、下記の▲２▼式に表した関係が成り立つことは周知である。
【００３１】
Ｚ＝√｛Ｒ２＋（Ｗ×Ｌ）２｝…▲１▼
Ｉ＝Ｖ／Ｚ…▲２▼
【００３２】
従って、電磁弁１００の開弁状態を維持する間においては交流電圧をソレノイド１０２に通電するよう構成することによって、インピーダンスを増加させて電流を小さくするといった省エネルギー効果も有している。
【００３３】
さらに、前記電磁弁の開弁状態を維持する間において、インピーダンスを増加させるためには、通常の商用電流である６０Ｈｚよりさらに周波数を高めることが有用であり、特に電磁弁１００の応答特性等を勘案して、１００Ｈｚから２００Ｈｚまでの交流電圧を電磁弁に通電することが電流を小さくするといった省エネルギー効果において優れている。
【００３４】
なお、交流電圧を用いたソレノイド１０２は作動すると、コイル内に鉄心が入ってくることになるため、インダクタンスＬが上昇する。
直流ソレノイドではインダクタンスが大きくなってもインピーダンスに変化はないが、交流ソレノイドではＺが大きくなり電流が減少する。
交流電源を用いたソレノイド１０２は、この性質を利用し、Ｒを減らして初期電流を多く流せるようにし、動作応答性を上げることが可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明による電磁弁駆動回路は、前記電磁弁の通電開始時から電磁弁が開き終わるまでの間において一定電圧を電磁弁に印加することにより、弁体の動作を早く、かつ再現性良くできるといった顕著な効果を有している。そして、また前記電磁弁の開弁状態を維持する間において交流電圧を電磁弁に印加するよう構成することによって、電流を小さくするといった省エネルギー効果を有している。
【００３６】
さらに、前記電磁弁の開弁状態を維持する間においてかける交流電圧を商用電圧より高い周波数である１００Ｈｚから２００Ｈｚまでの間とすることによって、従来の商用交流電圧を使用した電磁駆動弁回路より、電流を小さくするといった省エネルギー効果も有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による電磁弁駆動回路の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施形態による電磁弁駆動回路からソレノイドに通電する電圧を示す波形図である。
【図３】従来の電磁弁駆動回路の構成を示す回路図である。
【図４】従来の電磁弁駆動回路による電圧を示す波形図である。
【符号の説明】
１      交流電源
２      電磁弁駆動回路
３      制御装置
１０    整流回路
１００  電磁弁
１０２  ソレノイド
１２０  トランジスタブリッジ回路
１２１  トランジスタ
１２２  トランジスタ
１２３  トランジスタ
１２４  トランジスタ
２０１  電圧レギュレータ
２０３  マイクロコンピュータ
【図１】
0004103352.tif 000002
【図２】
0004103352.tif 000003
【図３】
0004103352.tif 000004
【図４】
0004103352.tif 000005