JP3148252U - 駆動回路付きラッチ式電磁弁 - Google Patents

Abstract

【課題】マイコンを使わずに電源電圧のＯＮ／ＯＦＦを検知して電磁弁を開／閉動作させる駆動回路を付けたことで通常の電磁弁と同様に使用することができる安価なラッチ式電磁弁を提供する。【解決手段】流体の流れを制御するラッチ式電磁弁において、電磁ソレノイドへの印加電圧を正逆に反転させる通電回路をトランジスタ３個とダイオード１個で構成し、電磁弁の開時動作にはマイコンに比べ安価なＩＣタイマーを使用し、電源電圧のＯＦＦの検知にはツェナーダイオードとトランジスタを使用した駆動回路をつけた。【選択図】図３

Description

本考案は、電磁力により弁体を動作させることで流体の制御をおこなう電磁弁に関し、特に開閉に際し弁体の駆動時のみに電力を必要とする１コイルのラッチ式電磁弁に関する。

流体の流量を制御するバルブには電磁弁が広く使用されている。電磁弁は応答速度が速いという特徴から流路の切換弁や方向制御弁として使用される。

電磁弁の中でもラッチ式電磁弁は、開／閉動作の切り替えの際に電力を瞬間的に消費するのみであり、開または閉の状態を保持するのに通常の電磁弁では電力を必要とするのに対し、ラッチ式電磁弁は電力を必要としないという利点がある。こういった利点から、一般に多用され、また家庭用燃料電池システムをはじめとする他の使用も試みられている。

しかし、１コイルのラッチ式電磁弁を電源一つで制御するためには開動作時に正電圧を印加し、閉動作時に逆電圧を電磁ソレノイドに印加する駆動回路が必要となる。また電源２つを使用する場合は、電源２つを開動作と閉動作に分けて使用し３線式にすることで制御する方法もある。一方、ラッチ式電磁弁自体のコイルを開動作用コイルと閉動作用コイルに分けて２コイルのラッチ式電磁弁とすることで駆動回路を簡単なものにする方法もある。

前記のように１コイルのラッチ式電磁弁を電源２つで制御する３線式の場合、電磁ソレノイドへの接続端子の１つは＋電源、もう１つは−電源に接続しスイッチで切換える。電磁ソレノイドのもう１つの接続端子はこの２電源の反対側端子を共通端子として接続する。この電源２つの使い分けにより電磁ソレノイドへ正逆の電圧を印加することができる。

１コイルのラッチ式電磁弁を駆動回路で制御する場合、電磁ソレノイドへの印加電圧を正逆に反転させる必要があり、従来では印加電圧を反転させるためにドライブトランジスタ４個を使用したＨ型ブリッジ回路（図４）を使用している。また、Ｈ型ブリッジ回路はＤＣモータの制御にも使用されている。

これに対し前記２コイルのラッチ式電磁弁の場合、電源１つとスイッチを２つ使用するだけで開／閉動作させることができる。印加電圧を正逆に反転させるＨ型ブリッジ回路などを使用する必要はないため、駆動回路は簡単なものになるが、２コイルを使用するため、ラッチ式電磁弁の寸法も大きくなり、電磁弁部分がコスト高となる欠点がある。

以上のように、２コイルのラッチ式電磁弁を制御する場合、駆動回路は単純になるが、電磁弁が高コストになる一方、１コイルのラッチ式電磁弁を制御する場合、ドライブトランジスタ４個を使用したＨ型ブリッジ回路やマイコンを使用するため、駆動回路が高コストになる。

然るに、１つの用途として考えられ、経済産業省が提示している家庭用燃料電池システムの目標スペックで見られるように電磁弁の目標コストがあることを考えると、電磁弁はもちろん駆動回路のコストを下げることは現状の課題である。

本考案の課題はマイコンを使わずに電源電圧のＯＮ／ＯＦＦを検知して開／閉動作の電流を流す駆動回路を付けたラッチ式電磁弁であって、通常の電磁弁と同様に電源ＯＮ時またはＯＦＦ時に開または閉動作をさせることができる安価なラッチ式電磁弁を提供することである。

そこで本考案では、流体の流れを制御するラッチ式電磁弁であって、電磁弁の動作を制御する駆動回路を有し、その駆動回路は電源およびＧＮＤの２線で制御されることを特徴とするラッチ式電磁弁において、駆動回路内の通電回路がトランジスタ３個とダイオード１個により形成されたブリッジ回路で電磁ソレノイドへの電流を制御すると共に、コンデンサを有し、コンデンサの下流側に抵抗を置くことで電磁ソレノイドに抵抗の損失がなく通電させ、電磁弁開時の突入電流を抑えることを特徴とするラッチ式電磁弁とした。

また本考案に係るラッチ式電磁弁は、トランジスタにツェナーダイオードを介して接続することで、例えば故障等で瞬間にＯＦＦにならない緩やかな電源電圧低下に対しても電磁弁を閉動作できることを特徴とするラッチ式電磁弁とした。

一般的なＨブリッジ回路において、ドライブトランジスタ４個使用する箇所を、本考案ではドライブトランジスタ３個とダイオード１個にすることでラッチ式電磁弁のコストダウンにつながる。コンデンサの後に抵抗を置くことで電磁ソレノイドに抵抗の損失なく通電させ、突入電流を抑えることができ、ドライブトランジスタが破損した場合の短絡を防止する。電源電圧ＯＦＦによる電磁弁閉時にコンデンサの電力使用しているため、電源およびＧＮＤ側に電流は流れず、電源電圧ＯＦＦ時のサージ電流を抑えることができる。

また本考案では、電源端子とＧＮＤの間にツェナーダイオード、トランジスタを接続している。このため、トラシジスタのコレクタ電流の有無は電源電圧とツェナー電圧の関係により決まり、電源電圧がツェナー電圧を下回った場合に電源電圧のＯＦＦを検知し、トランジスタのベース電流は流れなくなる。それに伴い、コレクタ電流も流れなくなり、電源電圧低下時もラッチ式電磁弁を閉動作することができる。

本考案に係る実施例を図面に基づいて説明する。図１と図２は本考案の一実施例を示すラッチ式電磁弁であり電磁ソレノイドに接続される駆動回路も含めて図示している。図１ではラッチ式電磁弁１１が閉弁状態にある場合、図２ではラッチ式電磁弁１１の開弁状態にある場合を示している。矢印は流体が電磁弁に取込まれる方向を示している。

図１及び図２によれば、ラッチ式電磁弁１１は本体１２、電磁ソレノイド４２、固定コア１７、その下にある移動コア１５、これらの固定コアと移動コアの間に設け移動コア１５を軸線に沿って下方に付勢するためのスプリング１６、移動コア１５の下部先端頭部に当たる弁体１３、磁気回路を構成させるグランド１４、コイルフレーム１９及び移動コア１５を開弁状態でラッチする永久磁石１８等で構成される。なおラッチ式電磁弁１１の本体１２には流体の流入孔及び流出孔を有する。

図１ではラッチ式電磁弁１１が閉弁状態であり、移動コア１５はスプリング１６により軸線に沿って下方向に付勢されている。移動コア１５の下部の先端頭部に当たる弁体１３は軸方向下向きに付勢され本体１２に押し付けられているので流体の流路が閉じられている状態で流体は流れない。このとき電磁ソレノイド４２に電流を通電すると、発生する電磁力により移動コア１５は固定コア１７側に吸引力を受け軸線に沿って上方に移動する。前記の通り、移動コア１５と一体になっている弁体１３は電磁弁の軸線方向の上方に移動し、開口部が開く。移動コア１５と固定コア１７が吸着したことで、グランド１４、移動コア１５、固定コア１７、コイルフレーム１９及び永久磁石１８により磁気抵抗の小さい磁気回路が形成される。電磁ソレノイド４２に通電を止めた状態でも移動コア１５は固定コア１７との吸着状態を保つ。これにより図２に示すように流路が開通して本体１２の流入孔から開口部を経由して流体が流入し、さらに弁体１５の下部に開通した流路を通り弁本体１の流出孔を経て流出する。

図２のラッチ式電磁弁１１の開弁状態において、電磁ソレノイド４２に逆電流を通電すると電磁力が発生し、グランド１４、移動コア１５、固定コア１７、コイルフレーム１９及び永久磁石１８により形成された磁気抵抗の小さい磁気回路は消磁され、移動コア１５、固定コア１７はスプリング１６の力により軸方向下向きに付勢され、弁体１３は本体１２に押し付けられる。これにより図１に示すように閉弁状態になり流体は流れなくなる。

図３及び図５は本考案のラッチ式電磁弁の駆動回路を示している。その構成は後で述べる。また図４はトランジスタのＨ型ブリッジ回路であり、本考案に対応し、従来使用されている通電回路を示している。本考案に係る図３に対応する従来の駆動回路は図示していないが、図３に対応させることとして、電源端子５１とＧＮＤの間にトランジスタ３５とトランジスタ３４が接続され、トランジスタ３５とトラシジスタ３４の間に電磁ソレノイド４２の＋側が接続されている。また、電源端子５１とＧＮＤ５２の間にトランジスタ３２とトランジスタ３３が接続され、トランジスタ３２とトランジスタ３３の間に電磁ソレノイドのもう一方が接続されている。

図５は、図３で示す本考案に係る駆動回路のうち通電回路部のみを抜き出し図示したものである。電源端子５１とＧＮＤ５２の間に接続されたダイオード３７、コンデンサ３９、抵抗３６のコンデンサ３９、抵抗３６の間がトランジスタ３４のエミッタに接続されている。電源端子５１とトランジスタ３４のエミッタは接続され、その間は電磁ソレノイド４２の＋側が接続されている。ダイオード３７、コンデンサ３９の間にトランジスタ３２のエミッタ、トランジスタ３３のコレクタを介してＧＮＤ５２に接続されている。トランジスタ３２コレクタ、トランジスタ３３のコレクタの間には電磁ソレノイド４２のもう一方が接続されている。

図６は電源電圧と電磁ソレノイドに流れる電流の関係であって、本考案の駆動回路付きのラッチ式電磁弁と通常の電磁弁との電源電圧と電磁ソレノイドに流れる電流の比較を示している。

図４の従来のトランジスタのＨ型ブリッジ回路ではドライブトランジスタ３３，３５にベース電流が流れることで電源端子５１、ドライブトランジスタ３５、電磁ソレノイド４２、ドライブトランジスタ３３、ＧＮＤ５２の順に電流が流れ、電磁ソレノイド４２に正電圧が印加される。また、ドライブトランジスタ３２、３４にベース電流が流れることで、電源端子５１、ドライブトランジスタ３２、電磁ソレノイド４２、ドライブトランジスタ３４、ＧＮＤ５２の順に電流が流れ、電磁ソレノイド４２に逆電圧が印加される。

図３に示す本考案の駆動回路では、電源電圧をＯＮするとツェナーダイオード４０により低下した電圧がＩＣタイマー４１に印加され、抵抗４３およびコンデンサ４４の時定数により決まる１パルスの信号がＩＣタイマー４１からドライブトランジスタ３３のベースに出力される。それにより、ドライブトランジスタ３３のコレクタ電流は流れ、電源端子５１からダイオード３８、電磁ソレノイド４２、およびドライブトランジスタ３３を通じＧＮＤ５２に電流が通電される。電磁ソレノイド４２に正電流が流れたことで発生する電磁力により移動コア１５が固定コア１７側に吸引動作する。移動コア１５と固定コア１７が吸着することにより、永久磁石１８は磁気回路を形成する。磁気回路を形成することで吸着状態を保持でき、電磁弁の開状態を保持できる。

電源電圧ＯＦＦ時または電源電圧低下時、電源電圧がツェナーダイオード４０のツェナー電圧以下になると、トランジスタ３１のベース電流は流れなくなり、コレクタ電流も流れなくなる。そのため、コンデンサ３９から放電された電力はドライブトランジスタ３４のベース電流に流れ、コレクタ電流も流れるようになる。ドライブトランジスタ３４が通電されることで、ドライブトランジスタ３２にベース電流が流れ、コレクタ電流も流れる。ドライブトランジスタ３２，３４が通電されることで、コンデンサ３９から放電された電力はドライブトランジスタ３２、電磁ソレノイド４２、ドライブトランジスタ３４に流れる。電磁ソレノイド４２に逆電流が流れたことで発生する電磁力によりグランド１４、移動コア１５、固定コア１７、コイルフレーム１９、永久磁石１８で形成された磁気回路は消磁され、移動コア１５と固定コア１７はスプリング１６の力により閉動作される。このことにより、電磁弁は閉弁状態となる。

以上述べた通り、本考案ではドライブトランジスタ３２〜３４の３個とダイオード３７の１個にすることでラッチ式電磁弁のコストダウンにつながる。コンデンサ３９の後に抵抗３６を置くことで電磁ソレノイド３５に抵抗の損失なく通電させ、突入電流を抑えることができ、ドライブトランジスタ３４が破損した場合の短絡を防止する。電源電圧ＯＦＦによる電磁弁閉時にコンデンサ３９の電力使用しているため、電源およびＧＮＤ側に電流は流れず、電源電圧ＯＦＦ時のサージ電流を抑えることができる。

更に本考案では、電源端子５１とＧＮＤ５２の間にツェナーダイオード４０、トランジスタ３１を接続している。このため、トランジスタ３１のコレクタ電流の有無は電源電圧とツェナー電圧の関係により決まり、電源電圧がツェナー電圧を下回った場合に電源電圧のＯＦＦを検知し、トランジスタ３１のベース電流は流れなくなる。それに伴い、コレクタ電流も流れなくなり、電源電圧低下時もラッチ式電磁弁を閉動作することができる。

図６は電源電圧と電磁ソレノイドに流れる電流の関係であって、本考案の駆動回路付きのラッチ式電磁弁と通常の電磁弁との電源電圧と電磁ソレノイドに流れる電流の比較を示している。通常の電磁弁の場合では電圧を印加しコイルに電流を流している場合のみ電磁弁は開弁状態になり、電圧をＯＦＦした場合に電磁弁を閉弁状態になる。本考案のラッチ式電磁弁では電源に電圧を印加することで、電磁ソレノイド４２に電流が瞬間的に流れ、電磁弁は開動作される。その後、電圧を印加している間は電磁ソレノイド４２に電流は流れず、グランド１４、移動コア１５、固定コア１７、コイルフレーム１９、永久磁石１８により形成された磁気抵抗の小さい磁気回路により開弁状態を保持したままとなる。電源をＯＦＦした場合、コンデンサから電流が電磁ソレノイド４２に瞬間的に流れ、電磁弁は閉動作される。これらのことから電磁弁ＯＮ時に使用する消費電力を抑えながらも、通常の電磁弁と同様に電源ＯＮ時に電磁弁ＯＮ状態、電源ＯＦＦ時に電磁弁ＯＦＦ状態とすることができる。

本考案の一実施例を示すラッチ式電磁弁の閉状態の断面図 本考案の一実施例を示すラッチ式電磁弁の開状態の断面図 本考案のラッチ式電磁弁の駆動回路図 図３の駆動回路の通電回路部 従来のトランジスタのＨ型ブリッジ回路 電源電圧とコイル電流の関係

符号の説明

１１：ラッチ式電磁弁
１２：本体
１３：弁体
１４：グランド
１５：移動コア
１６：スプリング
１７：固定コア
１８：永久磁石
１９：コイルフレーム
３１：トランジスタ
３２〜３５：ドライブトランジスタ
３６：抵抗
３７〜３８：整流ダイオード
３９：コンデンサ
４０：ツェナーダイオード
４１：ＩＣタイマー
４２：電磁ソレノイド
４３：抵抗
４４：コンデンサ
５１：電源端子
５２：ＧＮＤ

Claims (2)

1. 流入孔と流出孔を有し、流体の流れを制御するラッチ式電磁弁であって、電磁弁の動作を制御する駆動回路を有し、その駆動回路は電源およびＧＮＤの２線で制御されることを特徴とするラッチ式電磁弁において、駆動回路内の通電回路がトランジスタ３個とダイオード１個により形成されたブリッジ回路で電磁ソレノイドへの電流を制御すると共に、コンデンサを有し、コンデンサの下流側に抵抗を置くことで電磁ソレノイドに抵抗の損失がなく通電させ、電磁弁開時の突入電流を抑えることを特徴とするラッチ式電磁弁
2. 請求項１において、トランジスタのベースにツェナーダイオードを介して接続することで、ツェナー電圧に応じて電源電圧のＯＦＦを検知し、トランジスタの動作を制御することを特徴とするラッチ式電磁弁

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