(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラッチングソレノイドの通電電流に比例する第１の信号が入力され、前記第１の信号の遅延波形である第２の信号を生成する遅延回路と、前記第１の信号と前記第２の信号とを比較し前記ラッチングソレノイド内のプランジャ移動完了を示す第３の信号を出力するコンパレータと、を有するラッチングソレノイドの作動検出回路において、
前記遅延回路は、コンデンサ及び抵抗を含むＣＲフィルタ回路であって、
前記コンデンサを、前記第１の信号として予測される、前記プランジャが移動完了する時の値よりも低い値まで充電する充電手段、
を備えることを特徴とするラッチングソレノイドの作動検出回路。
【請求項２】
請求項１記載のラッチングソレノイドの作動検出回路であって、
前記充電手段は、
電圧源と、
該電圧源と前記コンデンサとを接続する第１のダイオードと、
を備えることを特徴とするラッチングソレノイドの作動検出回路。
【請求項３】
ラッチングソレノイドの通電電流に比例する第１の信号が入力され、前記第１の信号の遅延波形である第２の信号を生成する遅延回路と、前記第１の信号と前記第２の信号とを比較し前記ラッチングソレノイド内のプランジャ移動完了を示す第３の信号を出力するコンパレータと、を有するラッチングソレノイドの作動検出回路において、
前記遅延回路は、コンデンサ及び抵抗を含むＣＲフィルタ回路であって、
前記抵抗と並列に接続される第２のダイオード、
を備え、
前記コンデンサを、前記第１の信号より前記第２のダイオードの順方向電圧だけ下廻る値になるまで充電することを特徴とするラッチングソレノイドの作動検出回路。
【請求項４】
ラッチングソレノイドの通電電流に比例する第１の信号が入力され、前記第１の信号の遅延波形である第２の信号を生成する遅延回路と、前記第１の信号と前記第２の信号とを比較し前記ラッチングソレノイド内のプランジャ移動完了を示す第３の信号を出力するコンパレータと、を有するラッチングソレノイドの作動検出回路において、
前記遅延回路は、コンデンサ及び抵抗を含むＣＲフィルタ回路であって、
電圧源と、
該電圧源と前記コンデンサとを接続する第１のダイオードと、
前記抵抗と並列に接続される第２のダイオードと、
を備え、
前記コンデンサを、前記プランジャが移動完了する時の前記第１の信号として予測される値よりも僅かに低い値と、前記第１の信号より前記第２のダイオードの順方向電圧だけ下廻る値との何れか高い方の値まで充電することを特徴とするラッチングソレノイドの作動検出回路。
【請求項５】
請求項２又は請求項４記載のラッチングソレノイドの作動検出回路において、
前記電圧源は、ラッチングソレノイド通電中のみ電圧を出力することを特徴とするラッチングソレノイドの作動検出回路。
【請求項６】
請求項３又は請求項４記載のラッチングソレノイドの作動検出回路において、
前記第２のダイオードは、ショットキーバリア・ダイオードであることを特徴とするラッチングソレノイドの作動検出回路。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか１項記載のラッチングソレノイドの作動検出回路を備えたことを特徴とするラッチングソレノイド駆動機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水、ガスなどの流体の流路を開閉するラッチングソレノイドバルブを低消費電力で駆動する手法に係り、特にラッチングソレノイドの作動完了を検出して通電を停止する手法に好適なラッチングソレノイドの作動検出回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ラッチングソレノイドバルブは開閉状態の切替時にしか電力を消費しなことから、電池を電源とする機器を中心に、水道、ガス、燃料など流体の流路開閉手段として広く使用されている。その低消費電力の特長を十分に発揮させるため、従来より、ラッチングソレノイドバルブの駆動に要する電力の低減方法は数多く考案されている。
駆動電力の低減が実現すれば、例えば１年毎に電池交換が必要であった機器が２年毎の電池交換で済むようになるなど、機器の性能を向上させることができる。また、ＡＣ電源を使用する場合においても、消費電力の低減により、電源部分を大幅に小型化・低容量化したり、短時間であれば停電時の動作を保証することも可能となる。
【０００３】
ラッチングソレノイドの駆動方法として最も簡単な方法は、一定時間通電するものであり、その一定である通電時間の設定にマージンを含ませるため、必ず無駄が生じる。これに対して最も効率的な駆動方法は、ラッチングソレノイドの作動、すなわち、ソレノイド内のプランジャの移動を検出して即時に通電を終了する方法で、回路の遅れ時間などを除けば、理論的には無駄は全く無い。
プランジャ移動を検出する方法としては、プランジャが移動した際に生じるソレノイド電流の変曲点を検出する方法が知られている。この方法は、電流の変曲点が極小値をとる、すなわちボトムとなることから、「ボトム検出」とも呼ばれ、電流検出と信号処理のみで可能である。その信号処理方法として、特開平１０−１６００３１号が提案されている。
従来例として、特開平１０−１６００３１号の請求項１０乃至請求項１１が、本発明に特に深く関係するので、この内容を詳述する。
【０００４】
図７は従来例となる回路図である。
１は回路を制御するマイコン、２は電源となる電池、３はラッチングソレノイドバルブのソレノイド部分であり、トランジスタ４０１乃至４０４から成るＨ型ブリッジ回路で構成されるソレノイド通電回路４により正逆方向に通電される。マイコン１のポートＰＯ１がＨｉの時、トランジスタ４０１及びトランジスタ４０２がＯＮしてソレノイド３を開方向に通電し、マイコン１のポートＰＯ２がＨｉの時、トランジスタ４０３及びトランジスタ４０４がＯＮしてソレノイド３を閉方向に通電する。
５はソレノイドに流れる電流を電圧に変換する検出抵抗である。６は操作用のスイッチであり、例えばスイッチ６がＯＮするとバルブを開弁し、スイッチ６がＯＦＦするとバルブを閉弁するような仕様が考えられる。
７は抵抗５に発生した電圧から変曲点（ボトム）を検出し、その結果をパルスとしてマイコンに出力するボトム検出回路である。ボトム検出回路７は、ヒステリシス付きのコンパレータ７０１、抵抗７０２、コンデンサ７０３、トランジスタ７０４から成る。抵抗７０２とコンデンサ７０３はＣＲ遅延回路を形成する。
【０００５】
図８はソレノイド３の開駆動時の動作波形である。
マイコン１のポートＰＯ１がＨｉになるとトランジスタ４０１及びトランジスタ４０２がＯＮしてソレノイド３に開弁方向の電流が流れ始める。この電流に比例した電圧が検出抵抗５に発生し、ボトム検出回路７に入力される。
ボトム検出回路７の抵抗７０２とコンデンサ７０３から成るＣＲ遅延回路によりコンパレータ７０１の非反転入力は遅延信号波形となる。しかし、通電開始からボトムが発生すると予測されるタイミングの僅か前まではマイコン１のポートＰＯ３によってトランジスタ７０４がＯＮしているため、この間は遅延回路として機能していない。このため図８の様に、マイコン１のポートＰＯ３がＬｏの状態では、遅延信号波形は原信号波形に追従する。
そして、ボトムの発生するタイミングが近づくとマイコン１のポートＰＯ３によってトランジスタ７０４がＯＦＦし、ＣＲ遅延回路が機能し、原信号波形と遅延信号波形に電圧差が発生して、ボトム検出信号となるパルスを出力する。
ボトム検出のパルス（立ち下がり）がマイコン１のポートＰＩ２に入力されると、バルブが開状態になったと判断され、直ちにポートＰＯ１をＬｏとしてソレノイド３への通電を終了する。なお、マイコン１のポートＰＯ３によってトランジスタ７０４をＯＮしている時間は、実験データを元に決定される。
【０００６】
さて、ここで仮にトランジスタ７０４が無い場合、以下の様な問題が生じる。
ＣＲの遅延回路は、原信号の変化を検出するために比較電圧を設定するものであるため、ＣＲ時定数は比較的大きな値が必要である。トランジスタ７０４が無い場合、図９のようにソレノイド通電初期の電流の立ち上がりのスピードに遅延信号が追従できず、ボトム発生時も遅延信号は原信号を下回ったままとなり、ボトム検出信号が出力されない。
図９のような状況を回避するために、ＣＲの時定数を小さくすると図１０のようになる。通電初期のソレノイド電流の立ち上がり時は、原信号に遅延信号が追従できるが、ボトム検出時も同様に追従してしまうため、原信号波形と遅延信号波形の間に電圧差が生じにくい。この電圧差がコンパレータのオフセット電圧やヒステリシス電圧を十分に超えないと、ボトム検出信号であるパルスが出ない、またはノイズなどによって誤パルスが発生したりする。
【０００７】
図９、図１０のような不具合はＣＲ時定数を適当な値に設定することによって、ある程度改善できるが、ソレノイドの個体差、使用水圧、駆動電圧（特に電池電圧）、周囲温度、水温など様々な条件で動作が変化するため、全ての場合をひとつのＣＲ時定数で満足するのは難しい。根本的な原因は、ボトム検出の瞬間に最適なＣＲ時定数を選ぶと、ソレノイド通電開始時の電流上昇に追随できないという点にある。
この問題の対策として、図７の従来例では、トランジスタ７０４によってＣＲ時定数をソレノイド通電の前半と後半で変更することにより、遅延機能の調整を行っていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法では、動作的には問題無いが、回路の構成として制約があった。すなわち、遅延回路の時定数を変更するトランジスタを回路に使用し、かつマイコンなどの制御ポートを１本使用しなければならなかった。
【０００９】
このような回路は、専用のＩＣに集積するなどの手段が可能な余裕のあるシステムの場合は問題にならないが、汎用的な部品で構成する場合、マイコンの空きポートが無い場合、あるいはマイコンを使用せずハードロジック回路で回路全体を構成する場合など、比較的規模の小さい回路で実施しようとすると大きな負担となる。
特に、マイコンのポートは１本だけ追加するという訳にはいかないので、１本のポートの不足から１ランク上のマイコンへの変更が必要となり、それに付随してタイマーやＡ／Ｄ変換などの機能やＲＯＭ容量まで増えて、大幅なコストアップになることもある。
また、通常の動作とは異なるが、仮にソレノイドが断線した場合などでは、信号は全く変化しないが、コンパレータ７０１のヒステリシス電圧を超えるノイズなどが発生した場合は、ボトム検出パルスが発生して、あたかも正常に動作したように判断してしまうという問題もある。
【００１０】
以上の様に、特開平１０−１６００３１号の考案は、通常の動作においては十分な性能を持っており、回路的に余裕のあるシステムで使用する場合には大きな問題は無いが、簡易的に構成するには適していないという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、簡単かつ汎用的な部品による回路構成で確実なボトム検出を可能とする、ラッチングソレノイドの作動検出回路を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の観点に従うラッチングソレノイドの作動検出回路は、ラッチングソレノイドの通電電流に比例する第１の信号が入力され、上記第１の信号の遅延波形である第２の信号を生成する遅延回路と、上記第１の信号と上記第２の信号とを比較し上記ラッチングソレノイド内のプランジャ移動完了を示す第３の信号を出力するコンパレータと、を有するもので、上記遅延回路は、コンデンサ及び抵抗を含むＣＲフィルタ回路であって、上記コンデンサを、上記第１の信号として予測される、上記プランジャが移動完了する時の値よりも低い値まで充電する充電手段、を備える。
【００１３】
本発明の第１の観点に係る好適な実施形態では、上記充電手段は、電圧源と、その電圧源と上記コンデンサとを接続する第１のダイオードと、を備える。
【００１４】
本発明の第２の観点に従うラッチングソレノイドの作動検出回路は、ラッチングソレノイドの通電電流に比例する第１の信号が入力され、上記第１の信号の遅延波形である第２の信号を生成する遅延回路と、上記第１の信号と上記第２の信号とを比較し上記ラッチングソレノイド内のプランジャ移動完了を示す第３の信号を出力するコンパレータと、を有するもので、上記遅延回路は、コンデンサ及び抵抗を含むＣＲフィルタ回路であって、上記抵抗と並列に接続される第２のダイオード、を備え、上記コンデンサを、上記第１の信号より上記第２のダイオードの順方向電圧だけ下廻る値になるまで充電する。
【００１５】
本発明の第３の観点に従うラッチングソレノイドの作動検出回路は、ラッチングソレノイドの通電電流に比例する第１の信号が入力され、上記第１の信号の遅延波形である第２の信号を生成する遅延回路と、上記第１の信号と上記第２の信号とを比較し上記ラッチングソレノイド内のプランジャ移動完了を示す第３の信号を出力するコンパレータと、を有するもので、上記遅延回路は、コンデンサ及び抵抗を含むＣＲフィルタ回路であって、電圧源と、この電圧源と上記コンデンサとを接続する第１のダイオードと、上記抵抗と並列に接続される第２のダイオードと、を備え、上記コンデンサを、上記プランジャが移動完了する時の上記第１の信号として予測される値よりも僅かに低い値と、上記第１の信号を上記第２のダイオードの順方向電圧だけ下廻る値との何れか高い方の値まで充電する。
【００１６】
本発明の第１、又は第３の観点に係る好適な実施形態では、上記電圧源は、ラッチングソレノイド通電中のみ電圧を出力する。
【００１７】
本発明の第２、又は第３の観点に係る好適な実施形態では、上記第２のダイオードは、ショットキーバリア・ダイオードである。
【００１８】
本発明の第１、第２、又は第３の観点に係る好適な実施形態では、ラッチングソレノイド駆動機器が、ラッチングソレノイドの作動検出回路を備える。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明をより理解しやすくするため、以下に図を用いて詳説する。
【００２２】
【実施例】
図１に本発明の第１の実施例の回路図を示す。従来例の図７に対して、ボトム検出回路７の構成が異なる。
図１のボトム検出回路は、図７のトランジスタ７０４が無く、これをＯＮ／ＯＦＦ制御するマイコン１のポートＰＯ３も不要となる。
図１では、ソレノイド３の開通電を行う際にＨｉレベルとなるマイコン１のポートＰＯ１に、抵抗７０６、抵抗７０７が接続され、ポートＰＯ１の電圧をＧＮＤ（グランド、０Ｖ）に対して分圧している。その分圧された電圧がダイオード７０５を介してコンデンサ７０３に繋がっている。なお、抵抗７０２とコンデンサ７０３の時定数は従来例である図７の場合と同等に設定されている。
【００２３】
この回路の動作を、動作電圧波形である図２を用いて説明する。図２において、ソレノイド３の開通電開始直後、ＣＲ遅延回路のコンデンサ７０３はダイオード７０５の出力電圧まで充電される。その後、ソレノイド電流が増加し、原信号がダイオード７０５の出力電圧を超えると、遅延回路は原信号に追従を始める。
この時、開通電開始直後の短時間であるが、コンパレータ７０１の出力がボトムの検出時と同じくＨｉレベルからＬｏレベルにから変化するため、ボトム検出信号と誤判定してしまう恐れがある。しかし「通電開始から一定時間はボトム検出パルスを受け付けない」「所定時間以上Ｌｏレベルが経過した後でボトム検出パルスを受け付ける」といった簡単な判定処理で誤りを回避できる。
図２に戻り、更にソレノイド電流が上昇して、ソレノイドのつくる磁界がプランジャ移動に必要な値に達したときにプランジャの移動が起こり、ボトム信号が発生する。すなわちプランジャの移動が行われるタイミング付近では、ソレノイド電流はある程度大きな値に達しており、その変化は緩やかになっている。
このため、原信号がダイオード７０５の出力電圧を超えた後の動作では、それからボトムの発生するタイミングまでの時間も短いことも合わせて、遅延信号波形が原信号波形に対して大きく遅れることは無い。
そして、ボトム発生時には遅延回路の時定数が適切に設定されているので、図７の従来例でトランジスタ７０４をＯＮ／ＯＦＦ制御していた場合と同じく、確実にボトム検出信号を出力することができる。
【００２４】
また、追加する部品は僅かであり、図７のようにトランジスタ７０４をＯＮ／ＯＦＦ制御する必要が無いので、全体を制御するマイコン等にも負担をかけない。
また、ソレノイド電流が少ない状態ではボトムパルスが発生しないので、本来ボトムが発生するはずのない電流値で誤ってボトムを検出することが無い。従来例では、例えばソレノイドが断線した場合でも、コンパレータのヒステリシス電圧以上のノイズがあるとボトム信号が出る可能性もあるが、本発明では、そのような誤りはあり得ない。
また、電圧源として、マイコン１のポートＰＯ１を使用しているので、抵抗７０６および７０７は、ソレノイドの開通電時以外で無駄な電力を消費することがない。
なお、ダイオード７０５が出力する電圧は、ボトム信号が発生する時の原信号の値よりも僅かに低い値が理想である。実際には個体バラツキや動作バラツキなどを考慮して、実験値を元に適切な値を選択すればよい。
【００２５】
次に、図３に本発明の第２の実施例の回路図を示す。従来例の図７に対して、ボトム検出回路７の構成が異なる。
図３のボトム検出回路は、図７のトランジスタ７０４が無くなり、ダイオード７０８が抵抗７０２に並列に接続されている。図３ではトランジスタ７０４が無いため、これをＯＮ／ＯＦＦ制御するマイコン１のポートＰＯ３も不要となる。なお、抵抗７０２とコンデンサ７０３の時定数は従来例である図７の場合と同等に設定されている。
【００２６】
その動作を動作電圧波形である図４を用いて説明する。
ソレノイドの通電が開始されるとソレノイド電流が増加し、原信号波形も上昇する。ここで遅延回路を無効とするトランジスタ７０４が無いために遅延信号波形は徐々に原信号波形に対して遅れていく。
しかし、原信号と遅延信号の差がダイオード７０８の順方向電圧ＶＦを越えるとダイオード７０８がＯＮし、コンデンサ７０２を充電して、それ以上電圧差が生じないように動作する。こうして、遅延回路の時定数が比較的大きいにも関わらず、遅延信号波形は原信号波形から大きく離されることは無い。
プランジャが動作するボトム信号付近ではソレノイド電流の上昇スピードが緩やかになり、原信号と遅延信号の差は縮まる。そしてボトムが発生する際には、遅延回路の時定数を比較的大きな値としているので、遅延信号が原信号の変化に追従しすぎることも無く、ボトム検出信号を発生する。
【００２７】
本実施例では、追加する部品はダイオード７０８のみであり、非常に低コストで済む。また、第１の実施例と違って、ボトム信号が発生するときの信号電圧を予想して設定する必要が無いので、ソレノイドの種類、駆動条件などが変化した場合でも柔軟に対応できる。
なお、以上の説明から分かるように、ダイオード７０８の順方向電圧ＶＦが低い方が原信号と遅延信号の差が大きくならないため、ＶＦが低い方が検出回路は高感度で動作する。特に動作電圧が低い回路で有効であり、ショットキーバリアダイオードが適している。
【００２８】
図５に本発明の第３の実施例の回路図を示す。図１の第１の実施例と図３の第２の実施例の両方の充電回路を備えたものである。
第１の実施例では、一定の電圧までコンデンサ７０３を充電するため、この充電電圧の設定を誤ると、ボトム検出動作が確実に行われない。よって、使用するソレノイドの特性や動作条件の設定が必要となる。
一方、第２の実施例では、ダイオード７０８の順方向電圧ＶＦが大きすぎるとその効果が十分とならない。抵抗５の値やコンパレータ７０１のヒステリシス電圧次第では、ダイオード７０８にショットキーダイオードを使用しても十分でない場合もある。
第３の実施例は上記の第１の実施例と第２の実施例のそれぞれの問題点をお互いに補うものである。ぞの動作例を図６に示す。
【００２９】
図６では、ソレノイド電流の値が比較的大きい場合の波形である。例えば、電池が新品の場合、ソレノイド３の抵抗値が小さい場合などに、このような状態となる。
図６において、ソレノイド通電開始後、基本的には図２の様に動作する。しかし、ソレノイド電流が通常より大きい値となるため信号の上昇も速く、コンデンサ７０３がダイオード７０５によって予め充電されていても、遅延信号波形は大きく遅れ始める。しかし、実施例２と同様に、ダイオード７０８が作用して原信号と遅延信号の差はダイオード７０８のＶＦ以上には開かない。
このように、想定以上にソレノイド電流が大きい場合はダイオード７０８によって対応できる。この場合はダイオード７０８のＶＦが比較的大きくても、電流の変化も大きくなるため問題無い。通常はダイオード７０５による充電で十分に作動するため、ダイオード７０８の作用は必要無い。
【００３０】
また、ダイオード７０８が保険として作用するので、ダイオード７０５の出力電圧を比較的低めに設定でき、ソレノイド電流が少な目に動作するソレノイドであってもボトム検出が可能となる。
また、追加する部品も抵抗とダイオードそれぞれ２本ずつしかなく、安価に実現できる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明はＣＲ遅延回路とコンパレータからなるラッチングソレノイドの作動検出回路に、所定の条件でＣＲ遅延回路のコンデンサを充電する充電手段を備えたので、マイコンなどのポートを使用することなく、安価で、様々な動作条件に柔軟に対応し、更にソレノイド電流値が小さい値の場合の誤検出も防止する、検出回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す回路図
【図２】本発明の第１の実施例の動作を示す動作波形図
【図３】本発明の第２の実施例を示す回路図
【図４】本発明の第２の実施例の動作を示す動作波形図
【図５】本発明の第３の実施例を示す回路図
【図６】本発明の第３の実施例の動作を示す動作波形図
【図７】従来例を示す回路図
【図８】従来例の動作を示す動作波形図
【図９】本発明が解決しようとする課題の動作を示す動作波形図
【図１０】本発明が解決しようとする課題の動作を示す動作波形図
【符号の説明】
１…マイコン、２…電池、３…ソレノイド、４…ソレノイド通電回路、
５…検出抵抗、６…スイッチ、７…ボトム検出回路、
１０…ソレノイド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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