(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームに固定されて所定方向の磁界を発生するステータと、前記磁界に交叉する巻線を有しこの巻線の軸線方向に進退自在に支持されたムービングコイルと、このムービングコイルに連結され前記軸線方向への移動により流路を切り換えるスプールとを備えた切換弁に付設され、前記ムービングコイルへ供給する電流を制御する切換弁制御装置において、
前記ムービングコイルの巻線に駆動電流を供給し、この巻線を流れる駆動電流と前記磁界との相互作用によって前記ムービングコイルおよび前記スプールを駆動する駆動手段と、
この駆動手段による前記ムービングコイルおよび前記スプールの駆動中、前記ムービングコイルと前記スプールとを連結するシャフトに取り付けられている磁性体に形成されたノッチの位置に基づいて移動開始地点と停止目標地点との間のほゞ中央に前記スプールが位置したことを検出し、前記ムービングコイルの巻線への前記駆動電流を遮断する駆動電流遮断手段と、
前記駆動電流を遮断した後に前記軸線に沿って直線運動する前記ムービングコイルと前記磁界との相互作用によって前記巻線に流れる電流を回生電流として形成する回生手段と
を有することを特徴とする切換弁制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載された切換弁制御装置において、
前記駆動手段および前記回生手段は、それぞれ前記駆動電流および前記回生電流を一定とすることを特徴とする切換弁制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ムービングコイルを用いた切換弁（高速度切換弁）に付設される切換弁制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
〔ソレノイドバルブ〕
一般に、油圧バルブとしては、ソレノイドバルブが用いられている。ソレノイドバルブは、ソレノイドの付勢によって可動鉄芯を作動させ、この可動鉄芯によってプランジャの一端を打撃することにより、プランジャを軸方向へ移動させて油路を切り換える。このため、ソレノイドバルブでは、高頻度に反復作動を行う場合、可動鉄芯の衝撃による騒音，振動が大となる。また、可動鉄芯を介するために、作動遅れが避けられず、高速度で油路の切り換えを行うことができない。
【０００３】
〔高速度切換弁（ムービングバルブ）〕
そこで、高頻度反復高速作動に適する切換弁として、特公昭４５−３４３５１号公報（文献１）などにより、ムービングコイルを用いた高速度切換弁（以下、ムービングバルブと呼ぶ）が提案されている。図９に従来のムービングバルブの概略を示す。同図において、１０１はバルブ本体、１０２はサブブロック、１０３はコーンフランジ、１０４は外側ヨーク、１０５はセンタヨークであり、これらは止めねじによって一体的に組み合わされている。
【０００４】
バルブ本体１０１内にはスプール１０７が組み込まれている。スプール１０７は、両側に設けられたスプリングアダプタ１０８，１０８との間に介装されたスプリング１０９，１０９によって、軸方向へ移動可能にバルブ本体１０１内に保持されている。また、スプール１０７の一端には、ムービングコイル１１２が止めねじ１１０により一体的に連結されている。ムービングコイル１１２はボビン１１２−１とボビン１１２−１に巻かれた巻線１１２−２とによって構成されている。外側ヨーク１０４とセンタヨーク１０５との間には励磁コイル１１３が設けられている。
【０００５】
１１４は励磁コイル１１３への電源供給用の端子、１１５はムービングコイル１１２への電源供給用の端子、１１６は冷却用オイルの入口、１１７は冷却用オイルの出口、１１９〜１２４は外部への漏油を防ぐＯリング、１２５は油圧回路の圧力入口（Ａポート）、１２６，１２７は油圧回路の圧力出口（Ｂポート，Ｃポート）である。
【０００６】
〔動作原理〕
端子１１４を介して励磁コイル１１３へ電源を供給する。これにより、励磁コイル１１３へ電流が流れ、この電流によって励磁コイル１１３が磁界を発生し、センタヨーク１０５および外側ヨーク１０４を磁路とする磁気回路が形成され、この磁気回路中の磁界がムービングコイル１１２の巻線１１２−２と直交する。この状態で、端子１１５を介してムービングコイル１１２に電源を供給すると、ムービングコイル１１２の巻線１１２−２に駆動電流が流れ、このムービングコイル１１２の巻線１１２−２を流れる駆動電流と直交する磁界との相互作用によって力（ローレンツ力）が発生する。このローレンツ力によってムービングコイル１１２およびこのムービングコイル１１２に連結されたスプール１０７が移動する。ローレンツ力の方向はムービングコイル１１２の巻線１１２−２を流れる電流の方向によって異なる。
【０００７】
例えば、ムービングコイル１１２の巻線１１２−２に図示Ａ方向への駆動電流を流すと、このＡ方向への駆動電流と直交する磁界との相互作用によって発生するローレンツ力によりスプール１０７がムービングコイル１１２とともに図示左方向へ移動し、Ａポート１２５とＣポート１２７とが連通状態となる。ムービングコイル１１２の巻線１１２−２に図示Ｂ方向への駆動電流を流すと、このＢ方向への駆動電流と直交する磁界との相互作用によって発生するローレンツ力によりスプール１０７がムービングコイル１１２とともに図示右方向へ移動し、Ａポート１２５とＢポート１２６とが連通状態となる。
【０００８】
このムービングバルブ１００では、その動作原理から分かるように、ムービングコイル１１２で直接スプール１０７が駆動されるので、ソレノイドバルブのような可動鉄芯の衝撃による騒音，振動などがなく、また作動遅れも生じず、高速度で油路を切り換えることが可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このムービングバルブ１００において、油路の切り換え動作の開始から実際に切り換えられるまでの期間に着目した場合、すなわちスプール１０７の移動を開始してから移動を終了するまでの移動期間に着目した場合、その移動期間の全てにおいてムービングコイル１１２の巻線１１２−２に駆動電流を供給するようにしているため、消費電力が大きいという問題があった。最近では、ムービングバルブをメインバルブとして用いることも考えられており、メインバルブではさらに大電力を必要とする。
【００１０】
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、その目的とするところは、理想的には電力エネルギーを使用せず、高効率で、ムービングバルブを駆動することの可能な切換弁制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、ムービングコイルの巻線に駆動電流を供給し、この巻線を流れる駆動電流と交叉する磁界との相互作用によってムービングコイルおよびスプールを駆動する駆動手段と、この駆動手段によるムービングコイルおよびスプールの駆動中、ムービングコイルとスプールとを連結するシャフトに取り付けられている磁性体に形成されたノッチの位置に基づいて移動開始地点と停止目標地点との間のほゞ中央にスプールが位置したことを検出し、ムービングコイルの巻線への駆動電流を遮断する駆動電流遮断手段と、駆動電流を遮断した後に軸線に沿って直線運動するムービングコイルと交叉する磁界との相互作用によってムービングコイルの巻線に流れる電流を回生電流として形成する回生手段とを設けたものである。
【００１２】
この発明によれば、ムービングコイルの巻線に駆動電流を流すと、この巻線を流れる駆動電流と交叉する磁界との相互作用によって力（ローレンツ力）が発生し、このローレンツ力によってムービングコイルおよびこのムービングコイルに連結されたスプールが加速移動する。そして、ムービングコイルとスプールとを連結するシャフトに取り付けられている磁性体に形成されたノッチの位置に基づいて移動開始地点と停止目標地点との間のほゞ中央にスプールが位置したことが検出され、ムービングコイルの巻線への駆動電流が遮断される。
駆動電流を遮断した後もムービングコイルおよびスプールは慣性によって軸線に沿って運動するが、ムービングコイルと交叉する磁界との相互作用によってムービングコイルの巻線に誘導電流（回生電流）が流れる。
その結果、駆動電流によってムービングコイルおよびスプールに与えられた運動エネルギーが電気エネルギーとして電源等へ還元されるとともに、直線運動を続けるムービングコイルおよびスプールは回生制動によって減速する。
【００１３】
なお、駆動電流を一定の電流とすれば、回路抵抗の電力損失を最小限に抑え、ムービングコイルおよびスプールを効率良く駆動することができる。また、回生電流を一定の電流とすれば、回路抵抗の電力損失を最小限に抑え、効率の良い回生が実現される。
また、駆動電流の遮断のタイミングをスプールの移動開始地点と停止目標地点との間のほゞ中央とすることにより、最短の時間でスプールを停止目標地点まで移動させると同時に、理想的には電力エネルギーを使用せず、高効率で、ムービングバルブを駆動することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る切換弁制御装置の一実施の形態が付設されるムービングバルブの概略を示す側断面図である。同図において、１はバルブ本体、２はサブブロック、３はカバー、４は上蓋、５はセンターヨーク、６は外側ヨーク、７はセンタヨーク５と外側ヨーク６との間に設けられた永久磁石（マグネット）であり、これらは止めねじによって一体的に組み合わされている。
【００１５】
バルブ本体１内にはスプール８が組み込まれている。スプール８はシャフト９に４本のスプリングカップラ９−１を介して取り付けられている。シャフト９の先端はサブブロック２に設けられた貫通孔２−１に挿通されている。貫通孔２−１の内壁面とシャフト９の外周面との間にはＯリング１０が設けられている。貫通孔２−１の一端側の開口２−１ａは大気に開放されている。この開口２−１の大気への開放により、スプール８の移動に伴う内部の油圧圧力の変化が是正され、急峻な圧力変化が生じなくなる。
【００１６】
また、シャフト９の後端部はセンタヨーク５の中央部に設けられた貫通孔５−１を通してセンタヨーク５と上蓋４との間の中空部１１に位置している。シャフト９の外周面と貫通孔５−１の内壁面との間にはＯリング１２が設けられている。また、中空部１１に位置するシャフト９の後端部にはムービングコイル１３が固定されている。ムービングコイル１３は、ボビン１３−１とボビン１３−１に巻かれた巻線１３−２とによって構成されている。
【００１７】
本実施の形態では、センタヨーク５と外側ヨーク６とマグネット７とでステータが構成されており、マグネット７を磁界の発生源とし、センタヨーク５および外側ヨーク６を磁路とする磁気回路が形成されている。そして、この磁気回路中の磁界とその巻線１３−２が直交するように、ムービングコイル１３が設けられている。また、ムービングコイル１３の巻線１３−２の軸線方向に移動可能にスプール８がバルブ本体１内に保持されており、ムービングコイル１３はシャフト９を介してスプール８に連結されている。
【００１８】
シャフト９の後端には円筒状の磁性体１５が嵌入されている。この磁性体１５の長さはスプール８の移動ストローク長Ｌ（後述）と等しくされている。磁性体１５の長さ方向の中央位置（Ｌ／２の位置）にはノッチ１５−１が形成されている（図２参照）。また、センタヨーク５と上蓋４との間の中空部１１にはセンサコネクタ１６が上蓋４側から挿入セットされており、このセンサコネクタ１６の中央部に設けられたガイド孔１６−１に、磁性体１５が嵌入されたシャフト９の後端が挿入されている。センサコネクタ１６には磁気センサ（例えば、磁気抵抗素子）Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が設けられている。
【００１９】
１７はムービングコイル１３への電源供給用の端子、１８は磁気センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３からの検出信号取出用の端子、１９は油圧回路の圧力入口（Ａポート）、２０は油圧回路の圧力出口（Ｂポート）、２１はドレインポート（タンクポート）である。
【００２０】
図１に示した状態は、スプール８の図示矢印Ｒ方向（リバース方向）への移動（後述）によってＡポート１９とＢポート２０とを連通させた状態（第１の切換状態）を示しており、この第１の切換状態においてシャフト９の後端に嵌入された磁性体１５の左端に対向位置するように磁気センサＳ２が、右端に対向位置するように磁気センサＳ３が配置されている。
【００２１】
また、この第１の切換状態からのスプール８の図示矢印Ｆ方向（フォワード方向）への移動（後述）によってＡポート１９とＢポート２０とを非連通状態（第２の切換状態）としたとき、この第２の切換状態においてシャフト９の後端に嵌入された磁性体１５の左端に対向位置するように磁気センサＳ１が、右端に対向位置するように磁気センサＳ２が配置されている。
【００２２】
このムービングバルブ２００には制御回路３００（図２参照）が付設されている。制御回路３００は、直流電源３０１と、コントローラ（双方向電流制御部）３０２と、切り替えスイッチ部３０３と、センス信号処理部３０４と、主制御部３０５と、電流センサ３０６とを備えている。
【００２３】
コントローラ３０２は、昇降圧双方向コンバータとして電気回路では一般的に使用されているものであり、ａ点，ｂ点の電圧に依存せずａ→ｂ又はｂ→ａ方向に定電流を供給できる電流制御回路である。本実施の形態において、コントローラ３０２は、主制御部３０５からの指示に従い選択的に双方向の定電流制御を行う。切り替えスイッチ部３０３は、Ｈブリッジにより構成され、主制御部３０５からの指示に従いムービングコイル１３に印加する電圧方向を切り替える。
【００２４】
電流センサ３０６はムービングコイル１３に流れる電流を検出する。センス信号処理部３０４は、電流センサ３０６からの検出電流を入力とし、コントローラ３０２を定電流動作させるための電流センスを行い、主制御部３０５へ状態通知を行う。また、センス信号処理部３０４は、磁気センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３からの検出信号に基づいてスプール８の位置を検出し、主制御部３０５へ通知する。主制御部３０５は、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ，ＲＡＭ）、Ｉ／Ｏより構成され、定電流制御、スプール駆動制御を行う。
【００２５】
なお、ムービングバルブ２００において、磁気センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３と磁性体１５とによってスプール位置検出部４００が構成されている。本実施の形態の切換弁制御装置は、このスプール位置検出部４００と制御回路３００とを構成要素とし、図３にスプール８の移動速度ｖ（特性Ｉ）、ムービングコイル１３に流れる電流ｉ（特性II）、スプール８のストローク位置Ｓ（特性III ）を示すような制御方式で動作する。以下、この図３に従う制御動作について説明する。
【００２６】
図１に示した第１の切換状態でのスプール８の移動位置をストローク位置Ｓ＝０とする。この第１の切換状態において、主制御部３０５へ第２の切換状態への切換指令（フォワード制御指令）を送ると、主制御部３０５はコントローラ３０２へａ→ｂ方向への定電流制御指令を送ると共に、切り替えスイッチ部３０３をｃ点を＋、ｄ点を−とする直流電源３０１からの電圧印加モードとする。すなわち、ｃ→ｄ方向への電流供給モードとする。
【００２７】
これにより、コントローラ３０２における定電流制御が開始され、切り替えスイッチ部３０３を介してムービングコイル１３の巻線１３−２へ定電流（＋ｉ）が供給される。なお、この定電流制御に際して、主制御部３０５はセンス信号処理部３０４を介してムービングコイル１３の巻線１３−２に流れる電流（＋ｉ）を監視し、この電流（＋ｉ）が予め定められた一定値となるようにコントローラ３０２へ制御指令を送る。
【００２８】
ムービングコイル１３へ定電流（＋ｉ）が供給されると、すなわちムービングコイル１３の巻線１３−２へ駆動電流（＋ｉ）が流れると、この巻線１３−２を流れる駆動電流と直交する磁界（マグネット７を発生源とする磁界）との相互作用によりローレンツ力が発生する。このローレンツ力によってムービングコイル１３がマグネット７側へ移動し、シャフト９を介してスプール８がＦ方向へ加速移動し始める（図３に示すｔ０点）。
【００２９】
ここで、可動部（スプール，ムービングコイル，シャフトなど共に動く部分）の質量をＭ（ｋｇ）、加速度をα（ｍ／ｓ2 ）としたとき、運動部の力Ｆは、
Ｆ＝Ｍ・α（Ｎ）      ・・・・（１）
と表される。
次に、ムービングコイル１３に一定電流Ｉ（Ａ）を流したとき、磁束密度をＢ（Ｔ），線材長をＬ（ｍ）とすると、電磁力は、
Ｆ＝Ｂ・Ｌ・Ｉ（Ｎ）  ・・・・（２）
と表される。
したがって、上記（１）および（２）式により、加速度αは、
α＝Ｆ／Ｍ＝Ｂ・Ｌ・Ｉ／Ｍ（ｍ／ｓ2 ）    ・・・・（３）
と表される。
【００３０】
また、可動部の速度ｖはｖ＝αｔ、可動部の移動距離Ｘは速度を時間ｔで積分した値となることから、
Ｘ＝∫αｔｄｔ＝（１／２）・αｔ2 ＋Ｃ    ・・・・（４）
と表される。
この場合、停止位置からのスタートであるから、Ｃ＝０となり、
Ｘ＝（１／２）・αｔ2   ・・・・（５）
となる。
【００３１】
スプール８が加速移動し、そのストローク位置Ｓが第１の切換状態（移動開始地点）から第２の切換状態（停止目標地点）までの移動ストローク長Ｌの１／２（Ｓ＝Ｌ／２）に達すると（図３に示すｔ１点）、磁気センサＳ２が磁性体１５のノッチ１５−１を検出し、その検出信号をセンス信号処理部３０４を介して主制御部３０５へ送る。
【００３２】
この磁気センサＳ２からの検出信号を受けて、主制御部３０５は、コントローラ３０２へ、それまでのａ→ｂ方向への定電流制御指令に代えて、ｂ→ａ方向への定電流制御指令を送る。なお、この時、切り替えスイッチ部３０３は、ｃ点を＋、ｄ点を−とする直流電源３０１からの電圧印加モードとしたままとする。
【００３３】
コントローラ３０２は、ｂ→ａ方向への定電流制御指令が与えられると、ムービングコイル１３への駆動電流（＋ｉ）の供給を遮断する。ムービングコイル１３は、駆動電流（＋ｉ）の供給が断たれた後も、スプール８とともに慣性によって軸線方向に沿って直線運動する。この時、ムービングコイル１３と直交する磁界（マグネット７を発生源とする磁界）との相互作用によりムービングコイル１３の巻線１３−２にそれまでとは逆方向の誘導電流（−ｉ）が流れ、この誘導電流（−ｉ）が切り替えスイッチ部３０３→コントローラ３０２の経路で直流電源３０１に回生される。
【００３４】
この際、コントローラ３０２は、直流電源３０１へ回生する誘導電流すなわち回生電流（−ｉ）を定電流とする。なお、この定電流制御に際して、主制御部３０５はセンス信号処理部３０４を介してムービングコイル１３に流れる回生電流（−ｉ）を監視し、この回生電流（−ｉ）が予め定められた一定値となるようにコントローラ３０２へ制御指令を送る。
【００３５】
この結果、駆動電流（＋ｉ）によってムービングコイル１３およびスプール８に与えられた運動エネルギーが電気エネルギーとして直流電源３０１へ還元されるとともに、直線運動を続けるムービングコイル１３およびスプール８は回生制動によって減速する。
【００３６】
この場合、スプール８のストローク位置ＳがＬ／２に達したときにムービングコイル１３への駆動電流（＋ｉ）の供給が遮断されるので、理想状態では（半導体素子、コイル抵抗等のロスを無視）、加速時にムービングコイル１３に与えられた運動エネルギーと減速時に直流電源３０１に回生される電気エネルギーとが等しくなる。
【００３７】
これにより、スプール８はムービングコイル１３への駆動電流（＋ｉ）の供給が遮断された位置からＬ／２移動した位置、すなわちストローク位置Ｓ＝０から移動ストローク長Ｌだけ移動した位置（停止目標地点）に停止し（図３に示すｔ２点）、Ａポート１９とＢポート２０とがスプール８によって非連通状態とされる。
【００３８】
このスプール８の移動過程において、加速時にムービングコイル１３に与えられた運動エネルギーは減速時に電気エネルギーとして直流電源３０１に回生されるので、理想的には電力エネルギーが消費されることがなく、高効率で、ムービングバルブ２００の駆動が行われるものとなる。
【００３９】
また、本実施の形態では、駆動電流（＋ｉ）を一定の電流としているので、回路抵抗の電力損失を最小限に抑え、ムービングコイル１３およびスプール８を効率良く駆動することができる。すなわち、回路抵抗をＲとし、流れる電流をＩとした場合、電力損失はＩ2 Ｒとなることから、電流Ｉが変動すると電力損失が大きく変化し、電力損失が大きくなる。このため、本実施の形態では、駆動電流（＋ｉ）を一定の電流とすることによって、電力損失を最小限に抑えている。また、回生電流（−ｉ）についても一定の電流としているので、回路抵抗の電力損失が最小限に抑えられ、効率の良い回生が実現される。
【００４０】
また、前述した（３）式から分かるように、加速度αはムービングコイル１３の巻線１３−２に流れる駆動電流（＋ｉ）の大きさによって変化する。したがって、駆動電流（＋ｉ）の設定によって、加速度αを適切な値として定めることができる。なお、駆動電流（＋ｉ）の設定値を可変とすれば、加速度αを自由に調整することが可能である。
【００４１】
また、本実施の形態において、スプール８が停止目標地点に停止した状態では、ムービングコイル１３に流れる電流は零となり、電力は消費されない。また、実際のバルブ制御においては電気的、メカ的損失を伴うためスプール８の停止位置はサーボ制御等による調整が必要となる。すなわち、主制御部３０５は、センス信号処理部３０４を介する磁気センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３からの検出信号に基づき、スプール８が停止目標地点からずれないように停止位置決めサーボ制御を行う。
【００４２】
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に磁気センサＳ３，Ｓ２，Ｓ１からの検出信号を電圧値に変換した波形（電圧波形）を示す。スプール８のストローク位置ＳがＬ／２に達するｔ１点では、磁気センサＳ２に磁性体１５のノッチ１５−１が対向するので、磁気センサＳ２からの電圧波形が窪む。この磁気センサＳ２からの電圧波形の変化から主制御部３０５はスプール８のストローク位置ＳがＬ／２に達したことを知る。スプール８のストローク位置ＳがＬ（停止目標地点）に達するｔ２点では、磁気センサＳ２からの出力電圧が低下し、磁気センサＳ１からの出力電圧が上昇する。
【００４３】
スプール８が停止目標地点に停止した状態では、磁気センサＳ２からの電圧波形の値と磁気センサＳ１からの電圧波形の値とは等しくなる。この状態から、何らかの要因により、スプール８がストローク位置Ｓ＝０の方向へ動くと、磁気センサＳ１からの出力が小さくなり、磁気センサＳ２からの出力が大きくなる。また、スプール８が停止目標地点からストローク位置Ｓ＝０の方向とは反対の方向へ動くと、磁気センサＳ１からの出力が大きくなり、磁気センサＳ２からの出力が小さくなる。
【００４４】
主制御部３０５は、この磁気センサＳ１，Ｓ２からの出力が予め定められた一定値となるように、ムービングコイル１３へ電流を供給する。スプール８が停止目標地点の手前で停止したり、停止目標地点をオーバして停止した場合にも、同様にして停止位置決めサーボ制御が行われる。この停止位置決めサーボ制御については後述する制御回路３００の具体例でより詳細に説明する。
【００４５】
なお、この実施の形態では、スプール８のストローク位置ＳがＬ／２に達したときにムービングコイル１３の巻線１３−２への駆動電流（＋ｉ）の供給を遮断するようにしたが、必ずしもＬ／２に達したときでなくてもよい。例えば、エネルギーのロスを考慮し、スプール８のストローク位置ＳがＳ＝（Ｌ／２）＋ΔＬに達したときに、ムービングコイル１３の巻線１３−２への駆動電流（＋ｉ）の供給を遮断するようにしてもよい。また、駆動電流（＋ｉ）や回生電流（−ｉ）は、必ずしも一定電流としなくてもよい。
【００４６】
また、この実施の形態では、スプール８を第１の切換状態から第２の切換状態へ移動させる場合（フォワード制御）について説明したが、スプール８を第２の切換状態から第１の切換状態へ移動させる場合（リバース制御）についてもフォワード制御と同様の制御が行われる。
【００４７】
すなわち、ストローク位置ＳがＳ＝ＬからＳ＝Ｌ／２に達するまでの間は駆動電流（＋ｉ）を供給し、ムービングコイル１３およびスプール８を加速移動させる。そして、Ｓ＝Ｌ／２に達した時点で駆動電流（＋ｉ）を遮断し、ストローク位置ＳがＳ＝Ｌ／２からＳ＝０に達するまでの間は回生電流（−ｉ）を流し、ムービングコイル１３およびスプール８に与えられた運動エネルギーを電気エネルギーとして直流電源３０１へ還元するともにスプール８を減速させる。
【００４８】
また、この実施の形態では、マグネット７からの磁界とムービングコイル１３の巻線１３−２とを直交させるようにしたが、ローレンツ力や誘導電流が得られればよく、必ずしも直交させなくてもよい。
また、この実施の形態では、電流（−ｉ）を直流電源３０１に回生するようにしたが、他の負荷へ回生するようにしてもよい。
【００４９】
〔制御回路３００の具体例〕
図５に図２に示した制御回路３００の具体例を示す。この制御回路３００において、コントローラ（双方向電流制御部）３０２は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）１およびＦＥＴ２と、コイルＬ１と、コンデンサＣ１と、ＦＥＴ１，ＦＥＴ２に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２とから構成されている。
切り替えスイッチ部（Ｈブリッジ）３０３はＦＥＴＡ，ＦＥＴＢ，ＦＥＴＣ，ＦＥＴＤと、それぞれのＦＥＴに接続されたフライホイーリングダイオードＤA ，ＤB ，ＤC ，ＤD とから構成されている。
【００５０】
主制御部３０５は、ＣＰＵ３０５−１と、ＲＯＭ３０５−２と、ＲＡＭ３０５−３と、ＰＷＭデューティ制御部３０５−４と、入出力部（Ｉ／Ｏ）３０５−５と、スイッチング素子駆動回路３０５−６とから構成されている。
センス信号処理部３０４はＡＤ変換器３０４−１とセンサ入力部３０４−２とから構成されている。ＡＤ変換器３０４−１には、電流センサ３０６が検出するムービングコイル１３に流れる電流と、センサ入力部３０４−２を介する磁気センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３からの検出信号とが与えられる。
【００５１】
図６にこの制御回路３００における定電流制御／Ｈブリッジ制御の真理値表を示す。図７にフォワード制御に際する各部の出力波形を示す。図７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は入出力部３０５−５のポートＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄからの出力波形、図７（ｅ）は電流センサ３０６からの出力波形（Ｐ１端子からの出力波形）、図７（ｆ）はスイッチング素子駆動回路３０５−６からのＦＥＴ１のゲートへの出力波形（Ｐ２端子からの出力波形）、図７（ｇ）はスイッチング素子駆動回路３０５−６からのＦＥＴ２のゲートへの出力波形（Ｐ３端子からの出力波形）、図７（ｈ）はＦＥＴ１のソース電圧波形（Ｐ４点の電圧波形）、図７（ｉ）はコンデンサＣ１の電圧波形（Ｐ５点の電圧波形）である。
【００５２】
〔フォワード制御：加速〕
図１に示した第１の切換状態でのスプール８の移動位置をストローク位置Ｓ＝０とする。この第１の切換状態において、主制御部３０５のＣＰＵ３０５−１へフォワード制御指令を送ると、ＣＰＵ３０５−１は入出力部３０５−５のＦＷ制御ポートＰａを「Ｈ」レベルとするとともに（図７（ａ）に示すｔ１点）、加速制御ポートＰｃを「Ｈ」レベルとする（図７（ｃ）に示すｔ２点）。
【００５３】
ＦＷ制御ポートＰａが「Ｈ」レベルとなると、スイッチング素子駆動回路３０５−６は、Ｈブリッジ３０３のＦＥＴＡとＦＥＴＢをＯＮとする。加速制御ポートＰｃが「Ｈ」レベルとなると、スイッチング素子駆動回路３０５−６は、ＰＷＭデューティ制御部３０５−４からのＰＷＭ信号をＦＥＴ１のゲートへ与え、ＦＥＴ１をチョッピング制御し始める（図７（ｆ）のｔ３点）。
【００５４】
これにより、ＦＥＴ１がＯＮの期間は、直流電源３０１の正極性側→ＦＥＴ１→コイルＬ１→ＦＥＴＡ→ムービングコイル１３→ＦＥＴＢ→直流電源３０１の負極性側の経路で電流が流れ、ＦＥＴ１がＯＦＦの期間は、コイルＬ１→ＦＥＴＡ→ムービングコイル１３→ＦＥＴＢ→ダイオードＤ２の経路で電流が流れる。この際、ムービングコイル１３に流れる電流は電流センサ３０６により検出され、ＡＤ変換器３０４−１を介してＣＰＵ３０５−１へ与えられる。ＣＰＵ３０５−１は、電流センサ３０６によって検出される電流が予め定められている一定値となるように、ＰＷＭデューティ制御部３０５−４からのＰＷＭ信号のデューティ比を調整する。
【００５５】
これにより、ムービングコイル１３の巻線１３−２へ定電流（＋ｉ）、すなわち駆動電流（＋ｉ）が供給されるようになる。ムービングコイル１３の巻線１３−２へ駆動電流（＋ｉ）が流れると、ローレンツ力が発生し、ムービングコイル１３とともにスプール８がフォワード方向へ加速移動し始める。
【００５６】
〔フォワード制御：減速〕
スプール８が加速移動し、そのストローク位置Ｓが第１の切換状態（移動開始地点）から第２の切換状態（停止目標地点）までの移動ストローク長Ｌの１／２（Ｓ＝Ｌ／２）に達すると、磁気センサＳ２が磁性体１５のノッチ１５−１を検出し、その検出信号をセンス信号処理部３０４へ与える。センス信号処理部３０４では、磁気センサＳ２からの検出信号をセンサ入力部３０４−２を介して取り込み、ＡＤ変換器３０４−１によりデジタル値に変換したうえ、ＣＰＵ３０５−１へ送る。
【００５７】
ＣＰＵ３０５−１は、センス信号処理部３０４を介する磁気センサＳ２からの検出信号を受けて、入出力部３０５−５のＦＷ制御ポートＰａを「Ｈ」レベルに維持したまま、加速制御ポートＰｃを「Ｌ」レベルとするとともに（図７（ｃ）に示すｔ４点）、減速制御ポートＰｄを「Ｈ」レベルとする（図７（ｄ）に示すｔ５点）。加速制御ポートＰｃが「Ｌ」レベルとなると、スイッチング素子駆動回路３０５−６は、ＦＥＴ１のチョッピング制御を停止する（図７（ｆ）に示すｔ４点）。減速制御ポートＰｄが「Ｈ」レベルとなると、スイッチング素子駆動回路３０５−６は、ＰＷＭデューティ制御部３０５−４からのＰＷＭ信号をＦＥＴ２のゲートへ与え、ＦＥＴ２をチョッピング制御し始める（図７（ｇ）のｔ５点）。
【００５８】
ＦＥＴ１のチョッピング制御が停止されると、すなわちＦＥＴ１がＯＦＦとされると、ムービングコイル１３の巻線１３−２への駆動電流（＋ｉ）の供給が遮断される。ムービングコイル１３は、駆動電流（＋ｉ）の供給が断たれた後も、スプール８とともに慣性によって軸線方向に沿って直線運動する。この時、ムービングコイル１３の巻線１３−２には、それまでとは逆方向の誘導電流（−ｉ）が流れる。
【００５９】
この誘導電流（−ｉ）は、ＦＥＴ２がＯＦＦの期間は、ムービングコイル１３→ＦＥＴＡ→コイルＬ１→ダイオードＤ１→直流電源３０１の正極性側→直流電源３０１の負極性側→ＦＥＴＢ→ムービングコイル１３の経路で直流電源３０１に回生され、ＦＥＴ２がＯＮの期間はムービングコイル１３→ＦＥＴＡ→コイルＬ１→ＦＥＴ２→ＦＥＴＢ→ムービングコイル１３の経路で流れる。
【００６０】
この際、ムービングコイル１３に流れる電流は電流センサ３０６により検出され、ＡＤ変換器３０４−１を介してＣＰＵ３０５−１へ与えられる。ＣＰＵ３０５−１は、電流センサ３０６によって検出される電流が予め定められている一定値となるように、ＰＷＭデューティ制御部３０５−４からのＰＷＭ信号のデューティ比を調整する。これにより、直流電源３０１に回生される誘導電流、すなわち回生電流（−ｉ）が定電流とされる。
【００６１】
この結果、駆動電流（＋ｉ）によってムービングコイル１３およびスプール８に与えられた運動エネルギーが電気エネルギーとして直流電源３０１へ還元されるとともに、直線運動を続けるムービングコイル１３およびスプール８は回生制動によって減速する。
【００６２】
この場合、スプール８のストローク位置ＳがＬ／２に達したときにムービングコイル１３への駆動電流（＋ｉ）の供給が遮断されるので、理想状態では（半導体素子、コイル抵抗等のロスを無視）、加速時にムービングコイル１３に与えられた運動エネルギーと減速時に直流電源３０１に回生される電気エネルギーとが等しくなる。
【００６３】
これにより、スプール８はムービングコイル１３への駆動電流（＋ｉ）の供給が遮断された位置からＬ／２移動した位置、すなわちストローク位置Ｓ＝０から移動ストローク長Ｌだけ移動した位置（停止目標地点）に停止する。この状態では、コンデンサＣ１の充電電圧が０Ｖとなり（図７（ｉ）に示すｔ６点）、ムービングコイル１３に流れる電流は零となる。したがって、スプール８が停止目標地点に停止した状態では、電力は消費されない。
【００６４】
また、ＣＰＵ３０５−１は、停止目標地点に停止したことを磁気センサＳ１，Ｓ２からの検出信号に基づいて認識し、入出力部３０５−５のＦＷ制御ポートＰａ、減速制御ポートＰｄをともに「Ｌ」レベルとする。これにより、Ｈブリッジ３０３におけるＦＥＴＡ，ＦＥＴＢがＯＦＦとされ、ＦＥＴＡ，ＦＥＴＢ，ＦＥＴＣ，ＦＥＴＤの全てがＯＦＦ状態とされる。また、ＦＥＴ２のチョッピング制御が停止され、ＦＥＴ１，ＦＥＴ２がＯＦＦ状態とされる。
【００６５】
〔リバース制御：加速〕
リバース制御においても、すなわちスプール８を第２の切換状態から第１の切換状態へ移動させる場合においても、フォワード制御と同様の制御が行われる。第２の切換状態において、主制御部３０５のＣＰＵ３０５−１へリバース制御指令を送ると、ＣＰＵ３０５−１は入出力部３０５−５のＲＶ制御ポートＰｂを「Ｈ」レベルとし、加速制御ポートＰｃを「Ｈ」レベルとする。
【００６６】
ＲＶ制御ポートＰｂが「Ｈ」レベルとなると、スイッチング素子駆動回路３０５−６は、Ｈブリッジ３０３のＦＥＴＣとＦＥＴＤをＯＮとする。加速制御ポートＰｃが「Ｈ」レベルとなると、スイッチング素子駆動回路３０５−６は、ＰＷＭデューティ制御部３０５−４からのＰＷＭ信号をＦＥＴ１のゲートへ与え、ＦＥＴ１をチョッピング制御し始める。
【００６７】
これにより、ＦＥＴ１がＯＮの期間は、直流電源３０１の正極性側→ＦＥＴ１→コイルＬ１→ＦＥＴＣ→ムービングコイル１３→ＦＥＴＤ→直流電源３０１の負極性側の経路で電流が流れ、ＦＥＴ１がＯＦＦの期間は、コイルＬ１→ＦＥＴＣ→ムービングコイル１３→ＦＥＴＤ→ダイオードＤ２の経路で電流が流れる。この際、ムービングコイル１３に流れる電流は電流センサ３０６により検出され、ＡＤ変換器３０４−１を介してＣＰＵ３０５−１へ与えられる。ＣＰＵ３０５−１は、電流センサ３０６によって検出される電流が予め定められている一定値となるように、ＰＷＭデューティ制御部３０５−４からのＰＷＭ信号のデューティ比を調整する。
【００６８】
これにより、ムービングコイル１３の巻線１３−２へ定電流（＋ｉ）、すなわち駆動電流（＋ｉ）が供給されるようになる。ムービングコイル１３の巻線１３−２へ駆動電流（＋ｉ）が流れると、ローレンツ力が発生し、ムービングコイル１３とともにスプール８がリバース方向へ加速移動し始める。
【００６９】
〔リバース制御：減速〕
スプール８が加速移動し、そのストローク位置Ｓが第２の切換状態（移動開始地点）から第１の切換状態（停止目標地点）までの移動ストローク長Ｌの１／２（Ｓ＝Ｌ／２）に達すると、磁気センサＳ２が磁性体１５のノッチ１５−１を検出し、その検出信号をセンス信号処理部３０４へ与える。センス信号処理部３０４では、磁気センサＳ２からの検出信号をセンサ入力部３０４−２を介して取り込み、ＡＤ変換器３０４−１によりデジタル値に変換したうえ、ＣＰＵ３０５−１へ送る。
【００７０】
ＣＰＵ３０５−１は、センス信号処理部３０４を介する磁気センサＳ２からの検出信号を受けて、入出力部３０５−５のＲＶ制御ポートＰｂを「Ｈ」レベルに維持したまま、加速制御ポートＰｃを「Ｌ」レベルとし、減速制御ポートＰｄを「Ｈ」レベルとする。加速制御ポートＰｃが「Ｌ」レベルとなると、スイッチング素子駆動回路３０５−６は、ＦＥＴ１のチョッピング制御を停止する。減速制御ポートＰｄが「Ｈ」レベルとなると、スイッチング素子駆動回路３０５−６は、ＰＷＭデューティ制御部３０５−４からのＰＷＭ信号をＦＥＴ２のゲートへ与え、ＦＥＴ２をチョッピング制御し始める。
【００７１】
ＦＥＴ１のチョッピング制御が停止されると、すなわちＦＥＴ１がＯＦＦとされると、ムービングコイル１３の巻線１３−２への駆動電流（＋ｉ）の供給が遮断される。ムービングコイル１３は、駆動電流（＋ｉ）の供給が断たれた後も、スプール８とともに慣性によって軸線方向に沿って直線運動する。この時、ムービングコイル１３の巻線１３−２には、それまでとは逆方向の誘導電流（−ｉ）が流れる。
【００７２】
この誘導電流（−ｉ）は、ＦＥＴ２がＯＦＦの期間は、ムービングコイル１３→ＦＥＴＣ→コイルＬ１→ダイオードＤ１→直流電源３０１の正極性側→直流電源３０１の負極性側→ＦＥＴＤ→ムービングコイル１３の経路で直流電源３０１に回生され、ＦＥＴ２がＯＮの期間はムービングコイル１３→ＦＥＴＣ→コイルＬ１→ＦＥＴ２→ＦＥＴＤ→ムービングコイル１３の経路で流れる。
【００７３】
この際、ムービングコイル１３に流れる電流は電流センサ３０６により検出され、ＡＤ変換器３０４−１を介してＣＰＵ３０５−１へ与えられる。ＣＰＵ３０５−１は、電流センサ３０６によって検出される電流が予め定められている一定値となるように、ＰＷＭデューティ制御部３０５−４からのＰＷＭ信号のデューティ比を調整する。これにより、直流電源３０１に回生される誘導電流、すなわち回生電流（−ｉ）が定電流とされる。
【００７４】
この結果、駆動電流（＋ｉ）によってムービングコイル１３およびスプール８に与えられた運動エネルギーが電気エネルギーとして直流電源３０１へ還元されるとともに、直線運動を続けるムービングコイル１３およびスプール８は回生制動によって減速する。
【００７５】
なお、本実施の形態において、スイッチング素子駆動回路３０５−６は、負荷ドライブ系と定電流制御部との分離に加えて、ＦＥＴのゲートソース間電位の安定化を図る機能を有している。すなわち、ＦＥＴ１，ＦＥＴＡ，ＦＥＴＣの駆動時は、ソース電位が変動するためＧＮＤを基準とした信号では制御できない。このた、ＦＥＴ１，ＦＥＴＡ，ＦＥＴＣについては、そのソース電圧をスイッチング素子駆動回路３０５−６へ与え、ゲートソース間電位の安定化を図るようにしている。
【００７６】
〔停止位置決めサーボ制御〕
スプール８は、ＣＰＵ３０５−１による停止位置決めサーボ制御によって、停止目標地点にとどめられる。また、スプール８が停止目標地点の手前で停止したり、停止目標地点をオーバして停止した場合にも、同様にして停止位置決めサーボ制御が行われる。
【００７７】
例えば、フォワード制御によりスプール８を第１の切換状態から第２の切換状態まで移動させる際、電気的損失、メカ的損失などによって停止目標地点の手前でスプール８が停止してしまうことがある。この場合、ＣＰＵ３０５−１は、磁気センサＳ１と磁気センサＳ２の出力状態をＡＤ変換器３０４−１によりモニタし、Ｈブリッジ３０３を制御しつつ停止目標地点までスプール８を移動させる。
【００７８】
磁気センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３の出力電圧は、周囲温度、センサ印加電圧および磁性体１５の検出位置に対して等しく出力され、図４のＡ部に示すように、磁気センサＳ２は磁性体１５が停止目標地点に近づくにつれ出力電圧は低下し、一方、磁気センサＳ１の出力電圧は上昇する。停止目標地点での電圧値は予め規定でき、磁気センサＳ１，Ｓ２ともに等しい規定値をとるため、その規定値が得られるようにスプール８の位置を微調整する。この時、本実施の形態では、Ｈブリッジ３０３を加速／ブレーキとして制御する。
【００７９】
図８（ａ）に磁気センサＳ１およびＳ２の出力電圧の変化を、図８（ｂ）にＨブリッジ３０３におけるＦＥＴＡ，ＦＥＴＢのＯＮ／ＯＦＦ制御状況を、図８（ｃ）にＨブリッジ３０３におけるＦＥＴＣ，ＦＥＴＤのＯＮ／ＯＦＦ制御状況を示す。
【００８０】
ＣＰＵ３０５−１は、フォワード制御に際し、停止目標地点の手前でスプール８が停止してしまった場合、ＦＥＴＡとＦＥＴＢとを短時間の間ＯＮとし、ムービングコイル１３に直流電源３０１からの電流を流す。これにより、スプール８が加速移動し、停止目標地点へ向かう。
【００８１】
次に、ＣＰＵ３０５−１は、ＦＥＴＣとＦＥＴＤとを短時間の間ＯＮとし、ムービングコイル１３に直流電源３０１からの逆方向への電流を流す。これにより、スプール８にブレーキ（モータ制御における一般的な逆転ブレーキ）がかかり、スプール８が減速する。
【００８２】
この加速・減速を繰り返し、磁気センサＳ１およびＳ２の出力電圧が共に規定電圧に達する地点で停止させるようにする。なお、サーボ制御については、過去の制御過程を順次、次のサーボ制御にフィードするようなソフトウェアとしてもよい。
【００８３】
なお、上述した実施の形態では、駆動電流（＋ｉ）の遮断のタイミング（加速／減速の切り替え点）を磁気センサＳ２からの検出信号より求めるようにした。これに対し、本発明の権利範囲からは外れるが、駆動電流（＋ｉ）の遮断のタイミングをムービングコイル１３の移動時に生じる逆起電力の大きさより求めるような方式とすることも考えられる。
【００８４】
ムービングコイル１３への印加電圧をＥ、ムービングコイル１３の巻線抵抗をＲ、ムービングコイル１３に流れる電流をＩ、ムービングコイル１３に生じる逆起電力をＥｃとしたとき、
Ｅ＝Ｒ・Ｉ＋Ｅｃ    ・・・・（６）
と表される。
【００８５】
ここで、（６）式のＲおよびＩは既知であり、ムービングコイル１３の速度ｖと逆起電力Ｅｃは比例関係にある。ムービングコイル１３の移動距離Ｘは速度を時間ｔで積分した値となることから、逆起電力Ｅｃを時間ｔで積分した値に換算することができる。
Ｘ＝∫Ｅｃｄｔ  ・・・・（７）
【００８６】
上記（７）式における距離Ｘは、ムービングコイル１３の端子電圧に生じる電圧をＡ／Ｄ変換した結果より演算（面積）にて求められる。スプール８の移動距離Ｌは一定であり、加速／減速の切り替え点までの距離Ｌ／２も既知であることから、予め求めたＬ／２位置の積分値期待値とスプール８の加速時随時求められる演算結果とを比較することによりＬ／２位置を検出できる。
【００８７】
このような方式とすると、加速／減速の切り替え点を演算より求めることができ、磁性体１５にノッチ１５−１を設ける必要がなくなる。また、磁気センサＳ２を省略することが可能となる。なお、この場合、停止位置決めサーボ制御は、磁気センサＳ１，Ｓ３の出力電圧のみでも行うことが可能である。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように本発明によれば、ムービングコイルの巻線に駆動電流を供給し、この巻線を流れる駆動電流と交叉する磁界との相互作用によってムービングコイルおよびスプールを駆動する駆動手段と、この駆動手段によるムービングコイルおよびスプールの駆動中、ムービングコイルとスプールとを連結するシャフトに取り付けられている磁性体に形成されたノッチの位置に基づいて移動開始地点と停止目標地点との間のほゞ中央にスプールが位置したことを検出し、ムービングコイルの巻線への駆動電流を遮断する駆動電流遮断手段と、駆動電流を遮断した後に軸線に沿って直線運動するムービングコイルと交叉する磁界との相互作用によってムービングコイルの巻線に流れる電流を回生電流として形成する回生手段とを設けたので、駆動電流によってムービングコイルおよびスプールに与えられた運動エネルギーが電気エネルギーとして電源等へ還元されるとともに、直線運動を続けるムービングコイルおよびスプールが回生制動によって減速するものとなり、最短の時間でスプールを停止目標地点まで移動させると同時に、理想的には電力エネルギーを使用せず、高効率で、ムービングバルブを駆動することが可能となる。
【００８９】
また、駆動電流を一定の電流とすることにより、回路抵抗の電力損失を最小限に抑え、ムービングコイルおよびスプールを効率良く駆動することが可能となる。また、回生電流を一定の電流とすることにより、回路抵抗の電力損失を最小限に抑え、効率の良い回生を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る切換弁制御装置の一実施の形態が付設されるムービングバルブの概略を示す側断面図である。
【図２】  このムービングバルブに付設される制御回路を示す図である。
【図３】  スプールの移動速度ｖ（特性Ｉ）、ムービングコイルに流れる電流ｉ（特性II）、スプールのストローク位置Ｓ（特性III ）の時間変化を示す図である。
【図４】  磁気センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３からの検出信号を電圧値に変換した波形（電圧波形）を示す図である。
【図５】  図２に示した制御回路の具体例を示す図である。
【図６】  この制御回路における定電流制御／Ｈブリッジ制御の真理値表を示す図である。
【図７】  この制御回路におけるフォワード制御に際する各部の出力波形を示す図である。
【図８】  この制御回路における停止位置決めサーボ制御の一例を説明する図である。
【図９】  従来のムービングバルブの概略を示す側断面図である。
【符号の説明】
５…センタヨーク、６…外側ヨーク、７…永久磁石（マグネット）、８…スプール、９…シャフト、１３…ムービングコイル、１３−１…ボビン、１３−２…巻線、１５…磁性体、１５−１…ノッチ、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…磁気センサ、２００…ムービングバルブ、３００…制御回路、３０１…直流電源、３０２…コントローラ（双方向電流制御部）、３０３…切り替えスイッチ部（Ｈブリッジ）、３０４…センス信号処理部、３０５…主制御部、３０６…電流センサ、４００…スプール位置検出部。
【図１】
0004104307.tif 000002
【図２】
0004104307.tif 000003
【図３】
0004104307.tif 000004
【図４】
0004104307.tif 000005
【図５】
0004104307.tif 000006
【図６】
0004104307.tif 000007
【図７】
0004104307.tif 000008
【図８】
0004104307.tif 000009
【図９】
0004104307.tif 000010