JP4443280B2 - ソレノイドのプランジャ位置検出装置および電磁弁および方向切換弁 - Google Patents

Description

この発明は、ソレノイドのプランジャ位置検出装置および電磁弁および方向切換弁に関する。

この種、ソレノイドのプランジャ位置検出装置および方法として、プランジャの位置をモニターする位置センサを設けたものがある。この位置センサは、コイルの漏洩磁束がプランジャの位置により異なることを利用したものであり、プランジャの位置により変化する漏洩磁束によりリードスイッチが開閉する仕組みになっている。しかし、この手の位置センサをソレノイドに取り付けるには、その特性のばらつき等から位置センサの取付位置を微調整しなければならず、必ずしも正確にプランジャ位置を検出することができない場合がある。

そこで、上記調整が難しい位置センサを廃したプランジャ位置検出装置および方法の提案がある。このプランジャ位置検出装置および方法は、たとえば、コイルと、コイル内に挿入したプランジャと、プランジャを駆動する駆動回路と、プランジャ位置を検出するために使用されるパルス回路を含む共振回路とを備えた自己保持型ソレノイド（ラッチソレノイド）として構成されており、プランジャ位置を検出するときには、切換スイッチにて、コイルと駆動回路との接続を断ち換わりにコイルと共振回路とを接続し、さらに、パルス発生回路で作り出したパルス信号でコイルに所定の周波数の電圧を負荷し、共振回路に共振電流を発生させ、この共振電流を検出抵抗によって電圧に変換する。

そして、上記検出抵抗により変換された電圧の値によりプランジャの位置を検出するとしている。

すなわち、従来のプランジャ位置検出装置および方法では、コイルに対するプランジャの位置が変化すると、コイルのインダクタンスが変化するので、このインダクタンスの変化による共振条件の変化を利用するものである。

そして、この共振条件の変化を共振電流によって生じる電圧をモニターすることによって把握し、プランジャ位置を検出することができるのである。つまりコイルインダクタンスの変化を検出してソレノイド等の異常を検出しようとするものである。

また、この装置では、プランジャの位置を判別するための閾値を持ったコンパレータで、検出されるで電圧と、閾値とを比較して、プランジャの位置が吸引、復帰、異常の３つのどの状態であるかを検出できるようにしている（特許文献１参照）。
特開平１１−６７５３６号公報（発明の実施の形態の欄，図１）

しかしながら、上述のプランジャ位置検出装置および方法では、取付位置等の調整困難な位置センサが不要となる点で有利であるが、以下の不具合を招来する可能性があると指摘される恐れがある。

上記のプランジャ位置検出装置および方法では、自己保持型ソレノイドには有効であるが、自己保持型以外のソレノイドでは成立しない可能性がある。すなわち、自己保持型ソレノイド以外では、駆動回路から共振回路に切換えるとコイルの吸引力が消失してしまい、プランジャは非通電位置に復帰するから非通電時におけるソレノイドの異常を検出することはできるが、プランジャを駆動した状態での異常を検出することができない。

つまり、プランジャ位置を検出するためには、位置センサは不要であるが、コイルインダクタンスを測定するために駆動回路から共振回路へ切換る必要があり、ソレノイド非使用時にプランジャ位置を検出することしかできないので、ソレノイド使用中、すなわち、プランジャ駆動中にプランジャ位置の検出をすることができない。

そこで、本発明は、上記した不具合を改善するために創案されたものであって、位置センサを必要とせず、ソレノイド使用中であってもソレノイドにおけるプランジャの位置を検出可能とすることを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明の課題解決手段は、直列に配置される一対のコイルと、これらコイル内に挿入されるプランジャとを備えて、上記コイルのうちいずれか一つを励磁することでプランジャを吸引してプランジャを励磁されたコイル側へ駆動可能なソレノイドのプランジャ位置検出装置において、プランジャを各コイル間の中立位置にセンタリングするセンタリング手段と、パルス電圧もしくはパルス電流でコイルを励磁する励磁手段を備え、パルス電圧もしくはパルス電流によりコイルを励磁してプランジャを駆動する際に、励磁されたコイルによって誘起される非励磁側のコイルに生じる誘導起電力または誘導起電力により生じる電流に基づいてプランジャの位置を検出することを特徴とする。

また、上記した目的を達成するために、本発明の他の課題解決手段は、直列に配置される一対のコイルと、これらコイル内に挿入されるプランジャとを備えて、上記コイルのうちいずれか一つを励磁することでプランジャを吸引してプランジャを励磁されたコイル側へ駆動可能なソレノイドと、プランジャの一端に連結される弁体の移動により開口面積が変化するバルブとを備えた電磁弁において、プランジャを各コイル間の中立位置にセンタリングするセンタリング手段と、パルス電圧もしくはパルス電流でコイルを励磁する励磁手段を備え、パルス電圧もしくはパルス電流によりコイルを励磁して弁体を駆動する際に、励磁されたコイルによって誘起される非励磁側のコイルに生じる誘導起電力または誘導起電力により生じる電流に基づいて弁体の位置を検出する。

さらに、上記した目的を達成するために、本発明のさらに他の課題解決手段は、直列に配置される一対のコイルと、これらコイル内に挿入されるプランジャとを備えて、上記コイルのうちいずれか一つを励磁することでプランジャを吸引してプランジャを励磁されたコイル側へ駆動可能なソレノイドと、ソレノイドに連結されたバルブケースと、バルブケース内に摺動自在に挿入されるとともにプランジャの一端に連結されるスプールと、プランジャを各コイル間の中立位置にセンタリングするセンタリング手段とを備え、スプールの位置により流路を切換える方向切換弁において、パルス電圧もしくはパルス電流でコイルを励磁する励磁手段を備え、パルス電圧もしくはパルス電流によりコイルを励磁してスプールを駆動する際に、励磁されたコイルによって誘起される非励磁側のコイルに生じる誘導起電力または誘導起電力により生じる電流に基づいてスプール位置を検出する。

本発明によれば、プランジャもしくは弁体もしくはスプール（以下、プランジャ等と言う）の位置の検出に際し、非励磁側コイルに生じる誘導起電力を検出するから、ソレノイド使用中、すなわち、プランジャ等を駆動しつつ、プランジャ等の位置を検出することができる。つまり、従来では検出できなかった駆動時のプランジャ等の位置を検出することができる。また、位置センサも不要であり、プランジャ等の位置を連続的に高精度で把握することが可能である。さらに、パルス電圧もしくはパルス電流を用いてコイルを励磁しているから、プランジャをある位置に留めておきつつ、プランジャの位置をひいては弁体やスプールの位置を検出することが可能である。つまり、励磁側コイルに印加される電圧もしくは電流は絶えず変化されながらもプランジャを一定の位置に保持しておくことができ、他方の非励磁側コイルの誘導起電力に励磁側コイルの磁束変化による誘導起電力を生じせしめることができるので、プランジャの位置を一定の位置に保ちつつ、プランジャの位置検出を行うことができるのである。したがって、プランジャが駆動されたことのみならず駆動の状況をも把握することが可能となる。また、プランジャ等がセンタリングされているので、プランジャ等が中立位置に維持されている際には、方向切換弁が駆動状態ではないので、両方のコイルで交互にプランジャ等の位置検出が可能であり、２つのコイルで交互にプランジャ等の位置を検出することで、位置検出の信頼性が向上する。さらに、非励磁側コイルの誘導起電力の変化をモニターすることによりプランジャ等の移動方向をも検出することができ、これにより方向切換弁のプランジャ等の移動不能な状態ばかりでなく、プランジャ等の移動自体が異常であるかも検出が可能となる。

以下、本発明を図に基づいて説明する。図１は、第１の実施の形態における方向切換弁の概念図である。図２は、プランジャのストロークとコイルのインダクタンスとの関係を示す図である。図３は、プランジャが吸引された状態における非励磁側コイルの誘導起電力の波形を示す図である。図４は、プランジャが中立位置にある状態における非励磁側コイルの誘導起電力の波形を示す図である。図５は、第２の実施の形態における電磁弁の概念図である。図６は、第３の実施の形態におけるプランジャ位置検出装置の概念図である。

第1の実施の形態におけるプランジャ位置検出装置は方向切換弁に具現化されており、この方向切換弁は、図1に示すように、有底筒状のバルブケース１と、バルブケース１の開口部に連結される中空なコイルケース５と、バルブケース１内に摺動自在に挿入されたスプール１１と、スプール１１に当接されたピン１２と、ピン１２の外周に嵌合するプランジャ１３と、スプール１１の図１中左端とバルブケース１の図１中左内面との間に介装された附勢バネ１４と、ピン１２の図１中右端面とコイルケース５の図１中右内面との間に介装された附勢バネ１５と、プランジャ１３に対向するようにコイルケース５内に固定され直列に配置された一対のコイル７，８とを備え、いわゆるプッシュプル型の方向切換弁として構成されている。

また、コイル７，８の一端は、それぞれＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路２０，２１およびスイッチング素子２２，２３を介して制御部３０に接続されるとともに、交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換手段ＶＨたる整流回路２５，２６および平滑回路２７，２８を介して制御部３０に接続されている。他方、コイル７，８の他端は、接地されている。

なお、本実施の形態における方向切換弁の構成では、ソレノイドは、プランジャ１３と、一対のコイル７，８と、センタリング手段たる付勢バネ１４，１５により構成されている。

以下、各部について詳細に説明すると、バルブケース１には、５つのポート１６０，１６１，１６２，１６３，１６４が穿設されており、たとえば、ポート１６０とポート１６１は上流側の１つの流路（図示せず）に接続され、ポート１６２は上流側の他の流路（図示せず）に接続され、ポート１６３は下流側の１つ流路（図示せず）に接続され、ポート１６４は下流側の他の流路（図示せず）に接続される。

さらに、スプール１１は、筒状に形成され外周側にはバルブケース１の内周に摺接する４つの大径な遮断部１１１，１１２，１１３，１１４が形成されている。また、スプール１１は左端側から附勢バネ１４によって図１中右方に附勢され、さらにスプール１１の右端側からピン１２を介して附勢バネ１５によって図１中左方に附勢されている。

そして、スプール１１が中立位置、すなわち、コイル７，８を印加せずに上記附勢バネ１４，１５のみの釣り合いが保たれた状態では、スプール１１の遮断部１１２および遮断部１１３は、それぞれポート１６３およびポート１６４に対向してポート１６３，１６４を遮断する。

すなわち、この場合には、方向切換弁は、上記各流路（図示せず）の連通をさえぎる遮断ポジションをとることとなる。すなわち、この場合プランジャ１３およびスプール１１を中立位置にセンタリングするセンタリング手段は、上記附勢バネ１４，１５となる。

他方、コイル７に電流を印加した状態では、プランジャ１３がコイル７に吸引され、その吸引力によって附勢バネ１５は圧縮されると同時に、附勢バネ１４は伸長してスプール１１を図１中右方に移動させる。そうすると、スプール１１の遮断部１１３はポート１６４を開くとともに、遮断部１１２もポート１６３を開く。

そして、ポート１６４とポート１６２とが連通し、ポート１６３とポート１６０とが連通するので、上流側の１つの流路（図示せず）と下流側の１つの流路（図示せず）とを連通し、上流側の他の流路（図示せず）と下流側の他の流路（図示せず）とを連通する連通ポジションとなり、反対にコイル８を印加すると、プランジャ１３がコイル８に吸引され、その吸引力によって附勢バネ１４は圧縮されると同時に、附勢バネ１５は伸長してスプール１１を図１中左方に移動させる。

そうすると、スプール１１の遮断部１１３はポート１６４を開くとともに、遮断部１１２もポート１６３を開く。したがって、ポート１６４とポート１６１とが連通し、ポート１６３とポート１６２とが連通するので、上流側の１つの流路（図示せず）と下流側の他の流路（図示せず）とを連通し、上流側の他の流路（図示せず）と下流側の１つの流路（図示せず）とを連通する連通ポジションとなる。すなわち、本実施の形態の方向切換弁は３位置４ポートの方向切換弁として構成されている。

さらに、コイル７は、上述のように一端がスイッチング素子２２およびＰＷＭ回路２０を介して制御部３０の出力端子側に接続されるとともに、整流回路２５および平滑回路２７を介して制御部３０の入力端子側に接続され、他端は、接地されている。コイル８も同様に、一端がスイッチング素子２３およびＰＷＭ回路２１を介して制御部３０の出力端子側に接続されるとともに、整流回路２６および平滑回路２８を介して制御部３０の入力端子側に接続され、他端は、接地されている。なお、スイッチング素子２２，２３は、ＰＷＭ回路２０，２１が発生するパルス信号によりスイッチング動作をするものであればよく、具体的にたとえば、トランジスタ、ＦＥＴやＭＯＳＦＥＴ等の電界効果トランジスタ等を用いることができる。

また、スイッチング素子２２，２３は、別途設けた電源Ｖｃｃから電圧の供給を受け、ＰＷＭ回路２０，２１のパルス信号により所定のスイッチング動作をして、それぞれコイル７，８を励磁することが可能となっている。

なお、ＰＷＭ回路２０，２１は、周知のものを使用すればよいが、他に、ＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路、ＰＰＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路等の連続変調方式やＰＮＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｎｕｍｂｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路等の不連続変調方式を採用してもよい。さらに、パルス電圧もしくはパルス電流を用いてコイルを励磁するという観点からは、パルス変調回路の他にマルチバイブレータ等のパルス発生回路を使用してもよい。

また、上述したところでは、パルス電圧もしくはパルス電流を発生してコイルを励磁する励磁手段は、上記ＰＷＭ回路２０，２１およびスイッチング素子２２，２３および電源Ｖｃｃということになる。

また、整流回路２５，２６および平滑回路２７，２８としては周知の回路を使用すればよい。

さらに、制御部３０は、コイル７，８を励磁して方向切換弁を動作させるとともに、平滑回路２７，２８から送られてくる電圧信号を処理することができるものであれば良く、具体的には、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ） 、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置、ＲＡＭ、水晶発振子及びこれらを連絡するバスラインとからなるコンピュータシステムで構成され、方向切換弁のプランジャ１３ひいてはプランジャ１３に接続されたスプール１１の位置を特定する為に使用される演算処理手順とコイル７，８への電圧電流供給の制御信号出力手順は、プログラムとしてＲＯＭや他の記憶装置に予め格納されている。

すなわち、制御部３０は、複数の入力端子および出力端子（図示せず）を備え、これらの出力端子を信号線（図示せず）で方向切換弁を駆動するＰＷＭ回路２０，２１と平滑回路２７，２８に結び、当該制御部３で方向切換弁を制御しつつ、スプール１１の位置検出を行えるようになっている。

さて、方向切換弁は以上のように構成されており、つづいて、この方向切換弁の動作について説明する。

まず、方向切換弁のバルブ機能について説明すると、上述したように、どちらか一方のコイル７，８を励磁すると、それに伴ってプランジャ１３が図１中左右のどちらか一方に移動するので、プランジャ１３に連結されたスプール１１も図１中左右のどちらか一方に移動して流路の切換ができ、また、コイル７，８のどちらも励磁しなければスプール１１は付勢バネ１４，１５により中立位置を維持して各流路を遮断する。そして、制御部３０は、たとえば、コイル７を印加する場合には、ＰＷＭ回路２１を介してスイッチング素子２３にスイッチング動作をさせる。したがって、この場合には、電源Ｖｃｃからコイル７へ電圧が印加され、コイル７は励磁されることとなる。なお、制御部３０はＰＷＭ回路２０，２１のパルス変調を調節してコイル７，８を励磁する実効電流を制御できるようになっており、このＰＷＭ回路２０，２１を使用することにより、プランジャ１３の移動初期にはＯｎデューティ比を高めて応答性を良くし、プランジャ１３がコイル７に吸引された後は、プランジャ１３を保持するだけの吸引力を維持可能なＯｎデューティー比まで下げることができるので、コイルの無駄な発熱を防止して省電力を図ることができる。

他方、コイル８を励磁する場合には、制御部３０は、ＰＷＭ回路２０にパルス信号を発生させてスイッチング素子２２にスイッチング動作させるようにする。

そして、コイル７，８を励磁しない場合には、制御部３０は、スイッチング素子２２，２３にＯｎ動作させないようにする。したがって、電源Ｖｃｃからコイル７，８へ電圧が印加されず、コイル７，８は非励磁状態となって、スプール１１は中立状態を保つこととなる。

つづいて、プランジャ位置を検出するには、制御部３０は、たとえば、コイル７を励磁している場合には、非励磁側のコイル８に生じる誘導起電力により判断する。

まず、制御部３０は、方向切換弁のコイル７を上記手順で励磁する。すると、コイル７の励磁は、ＰＷＭ回路２１によって駆動されるスイッチング素子２３を介して行われているので、コイル７を印加する電圧は絶えず変化している。なお、プランジャ位置検出方法においては、励磁ステップとなる。

すなわち、コイル７は過渡的に、あるいは、一定所もしくは変調する周波数をもって励磁されており、コイル７により作られる磁界も変化する。その時、非励磁側のコイル８は、鎖交磁束が変化するので、その変化により誘導起電力が生じることとなる。

そして、この時にコイル８に生じる誘導起電力は、上記コイル８の一端が制御部３０に接続されることにより検出される。この誘導起電力は交流電圧であり、上述の整流回路２５および平滑回路２７によって直流電圧に変換され、この直流電圧が信号となって制御部３０に入力される。なお、プランジャ位置検出方法においては、ここで述べた交流電圧を検出することが検出ステップであり、上記直流電圧への変換が変換ステップに相当する。

ここで、コイル７のインダクタンスの変化について説明すると、励磁側のコイル７のインダクタンスとプランジャ１３のストローク量とは、図２に示すように、励磁側コイル７のインダクタンスは、プランジャ１３のストローク量に比例する。つまり、コイル７がプランジャ１３を吸引して、プランジャ１３がコイル７内に深く侵入すればするほど磁束密度が大きくなるからインダクタンスが大きくなる。そして、コイルのインダクタンスが大きくなればなるほど誘導起電力も大きくなる。

上記のインダクタンスとプランジャ位置との関係から、制御部３０は、誘導起電力の大きさからプランジャ位置を検出することが可能となる。

この時に、出力される誘導起電力は、交流電圧となり、プランジャ１３が吸引された状態では、非励磁側コイル８内からプランジャ１３が遠ざかる方向に吸引されているので、図３に示すような波形となり、もし、プランジャ１３が何らかの原因でコイル７を励磁しても中立位置を維持した場合には、図４に示すような波形となる。この図３および図４に示す波形を比較すると、プランジャ１３が中立位置に維持された場合の方が、非励磁側コイル８に生じる誘導起電力が大きくなることが判る。

すなわち、プランジャ位置により非励磁側コイル８に生じる誘導起電力の大きさが異なるので、誘導起電力の大きさもしくは振幅もしくはこの誘導起電力によって生じる電流の大きさから逆算すればプランジャ１３の位置がどこにあるのかを把握することができるのである。なお、電圧変換手段ＶＨの入力インピーダンスは、コイル抵抗に比較して充分大きいので、駆動回路との切換手段は不要である。

そして、プランジャ１３の位置の把握は、具体的には、以下のように行われる。上記平滑回路２７が出力する直流の電圧信号の大きさと、予めプランジャの位置と誘導起電力を変換した直流電圧との関係をマップ化しておき、このマップを制御部３０の記憶装置に予め格納しておく。

そして、制御部３０のＣＰＵに、非励磁側コイル８に生じる誘導起電力を変換した直流電圧から、プランジャ位置をマップ演算させて、プランジャ位置を算出させる。なお、マップ演算することにより容易にプランジャの位置を検出することができるが、コイル７，８のインダクタンスとプランジャ位置との関係から都度プランジャ位置を演算するとしてもよい。なお、このマップ演算がプランジャ位置検出方法における演算ステップに相当する。

また、このように電圧変換手段ＶＨを設けているので、誘導起電力をアナログレベル値として制御部３０に出力可能となるから、積極的なインダクタンス測定回路が不要となりプランジャ位置検出のための演算が容易となる。また、制御部３０にＣＰＵを搭載しなくとも、アナログ演算回路を用いてプランジャ位置を検出することもできる。

なお、コイル８を励磁する場合には、上記の手順で非励磁側コイル７に生じる誘導起電力を検出すれば良い。

本実施の形態においては、プランジャ位置の検出に際し、非励磁側コイルに生じる誘導起電力を検出するから、プランジャ１３を駆動しつつ、プランジャ１３の位置を検出することができる。つまり、従来では検出できなかった駆動時のプランジャ位置を検出することができる。また、位置センサも不要であり、プランジャ１３の位置を連続的に高精度で把握することが可能である。

さらに、パルス電圧もしくはパルス電流を用いてコイルを励磁しているから、プランジャ１３をある位置に留めておきつつ、プランジャ１３の位置をひいてはスプール１１の位置を検出することが可能である。つまり、励磁側コイルに印加される電圧もしくは電流は絶えず変化されながらもプランジャ１３を一定の位置に保持しておくことができ、他方の非励磁側コイルの誘導起電力に励磁側コイルの磁束変化による誘導起電力を生じせしめることができるので、プランジャ１３の位置を一定の位置に保ちつつ、プランジャ１３の位置検出を行うことができるのである。したがって、プランジャ１３が駆動されたことのみならず駆動の状況をも把握することが可能となる。

なお、中立位置については、センタリング手段にてセンタリングされているプランジャ１３の駆動を最小限に留めるようにコイルを励磁することにより検出することが可能である。

また、ＰＷＭ回路を使用しているので、パルス信号により非励磁側コイルに一定の周期等で誘導起電力を生じさせることが可能であるので、精度よく誘導起電力の大きさ、振幅等をモニターできるが、ＰＷＭ回路を使用しない場合には、励磁側のコイルを過渡的に励磁して、非励磁側コイルに生じる誘導起電力を検出するようにしてもプランジャ位置を検出することが可能である。なお、ＰＷＭ回路を使用しない場合には、コイルへ電流投入後の断電時にも、非励磁側コイルに誘導起電力が生じるので、それをのみを異常か否かの判断材料にしてもよいことは無論である。

そしてまた、従来のプランジャ位置検出装置ではインダクタンス検出は共振回路を使用して行われており、その周波数に応じたスイッチングが必要であり、共振回路およびスイッチングによるノイズ、異音発生の懸念があるが、本実施の形態ではＰＷＭ回路として問題がなければ、ノイズ、異音等の問題は発生しない。

したがって、上述のように、プランジャの位置を高精度に検出することができるから、プランジャの位置をもとに方向切換弁に異常があるか否かを判断することができ、また、プランジャ位置を正確に把握することができるので、このプランジャ位置をフィードバックとして方向切換弁を制御すれば、その制御性が向上する。なお、方向切換弁の異常検出にあたっては、センタリング手段を設けているので、コイルへの励磁が比例的に行われない場合、すなわち、ＯＮ−ＯＦＦタイプの励磁方式にあっても、２つの吸引位置および中立位置の３つのプランジャおよびスプールの位置を検出することができるので、このような励磁方式を採用しても異常を検出することが可能である。

また、スプール１１、プランジャ１３がセンタリングされているので、スプール１１およびプランジャ１３が中立位置に維持されている際には、方向切換弁が駆動状態ではないので、両方のコイル７，８で交互にプランジャ位置検出が可能であり、２つのコイルで交互にプランジャ位置を検出することで、位置検出の信頼性が向上する。さらに、非励磁側コイルの誘導起電力の変化をモニターすることによりプランジャ１３の移動方向をも検出することができ、これにより方向切換弁のプランジャ１３が移動不能な状態ばかりでなく、プランジャ１３の移動自体が異常であるかも検出が可能となる。

因みに、異常の判断であるが、プランジャ１３もしくはスプール１１を駆動するべく、プランジャ１３をある位置に駆動するために一方のコイルを励磁する駆動指令に対しプランジャ１３の位置が追随しないことをもって判断すればよい。具体的には、たとえば、駆動指令に対しプランジャ位置に閾値を設け、閾値からはずれる場合には異常と判断される等とすればよく、一般的に使用される手法を用いればよい。なお、異常を判断するだけであれば、誘導起電力の大きさと正常値（正常な状態下での駆動指令に対する誘導起電力の大きさ）とを比較するだけでよいので、制御部３０にＣＰＵ等の演算ＵＮＩＴを省略しアナログ演算回路を使用して判断することもできるので装置自体を安価にすることも可能である。また、異常を検出した際には、警告灯を点灯させたり警報音を発生したりする警報装置を別途設けてユーザーに注意を喚起することもできる。

特に、方向切換弁は、油空圧システムの回路中に設けられ流路を切換える重要な役割を果たすバルブであり、上述のように正確な異常検出が可能となるので、異常検出時には油空圧システムの作動自体を停止するなどフェールセーフにも使用することができ、油空圧システムの安全性を高めることが可能である。

つづいて、図５に示した第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態のプランジャ位置検出装置は、流量調整が可能な電磁弁に具現化されている。

なお、第１の実施の形態と同様の部材については、説明が重複するので同一の符号を付するのみとして、その詳しい説明を省略することとする。

この電磁弁は、図５に示すように、有底筒状のバルブケース４１と、バルブケース４１の開口部に連結される中空なコイルケース５と、バルブケース１内およびコイルケース５内に設けた一対のコイル７，８内に移動自在に挿入された弁体４２と、弁体４２の外周に嵌合するプランジャ１３と、弁体４２の図５中右端面とコイルケース５の図５中右内面との間に介装された附勢バネ４５とを備えて構成されている。また、コイル７，８の一端は、それぞれＰＷＭ回路２０，２１およびスイッチング素子２２，２３を介して制御部３０に接続されることは第１の実施の形態と同様であるが、第２の実施の形態は、電圧変換手段ＶＨに換えてそれぞれ増幅器４６，４７およびＡ／Ｄ変換器４８，４９を介して制御部３０に接続されている。また、コイル７，８の他端は、接地されている。

以下、各部について詳細に説明すると、バルブケース４１には、２つのポート４１０，４１１が穿設されており、弁体４２の先端は、付勢バネ４５に付勢されてポート４１０を閉塞している。

そして、弁体４２が復帰位置、すなわち、コイル７，８を印加せずに上記附勢バネ４５のみの付勢力で付勢されている状態では、弁体４２の先端、図５中左端のテーパ部（付示せず）がポート４１０を閉塞する遮断ポジションをとる。他方、コイル７に電流を印加した状態では、プランジャ１３がコイル７に吸引され、その吸引力によって附勢バネ１５は圧縮され、弁体４２を図１中右方に移動させる。そうすると、弁体４２の先端がポート４１０から離れてポート４１０を開き、ポート４１０とポート４１１とを連通する連通ポジションを採る。すなわち、バルブは、上記バルブケース４１と弁体４２とで構成されている。

また、ＰＷＭ回路２０，２１は、パルス信号をスイッチング素子２２，２３だけでなく、制御部３０に対しても出力できるように制御部３０に接続されている。さらに、コイル７，８の一端に接続された増幅器４６，４７およびＡ／Ｄ変換器４８，４９は、非励磁側のコイル７，８の出力する誘導起電力としての電圧信号を増幅するとともに、アナログ信号をデジタル信号に変換して制御部３０に出力する。なお、増幅器４６，４７としては電圧ホロア回路や負帰還がかけられたオペアンプ等を使用すればよい。

そして、制御部３０は、上記ＰＷＭ回路２０，２１が出力するパルス信号をトリガとして上記Ａ／Ｄ変換器４８，４９が出力するデジタル信号を丁度誘導起電力が最大となる所定のタイミングで取り込み、この取り込まれた電圧信号を第１の実施の形態と同様にマップ演算してプランジャ１３の位置、ひいては弁体４２の位置を演算する。すなわち、上記ＰＷＭ回路２０，２１および増幅器４８，４９およびＡ／Ｄ変換器４８，４９で検出手段を構成しており、また、プランジャ位置検出方法においては、上記の誘導起電力を検出する手順が検出ステップとなる。

つまり、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に高精度のプランジャ位置検出が行えることは無論であるが、第１の実施の形態の作用効果に加えて、電圧変換手段ＶＨを介さないでプランジャ１３の位置を検出することが可能である。

したがって、わざわざ電圧変換手段ＶＨを設ける必要もないので、もともと油空圧システムに備えている制御装置、たとえば、車両であれば車両に搭載されているＥＣＵに上記プランジャ位置を演算する演算プログラムを格納しおておけば、システム統合も可能である。

さらに、本実施の形態における電磁弁にあっては、弁体４２の位置によりポート４１０の開口面積を変化させることができるので、コイル７へ印加電圧もしくは電流を比例制御する際に、弁体４２の位置を検出してフィードバック制御を行えば、バラツキのない精密な流量制御を行うことが可能である。

また、さらに、本実施の形態においては、コイル８はプランジャ１３の位置ひいては弁体４２の位置を検出するためだけに設けられているが、コイル８を励磁して、非励磁側コイル７の誘導起電力を検出するとすれば、プランジャ１３および弁体４２の復帰位置が正常か否かも正確に検出することが可能である。すなわち、そもそもプランジャ１３および弁体４２が復帰位置にいる場合には、弁体４２は付勢バネ４５によりポート４１０の開口端に当接している状態であるが、上記位置検出により、本当に弁体４２がポート４１０に当接してポート４１０を閉塞しているかを把握することが可能になるのである。

なお、第１の実施の形態のように、コイル８側の誘導起電力のみをモニターすることによっても、微弱な電圧をコイル７に印加することによっても弁体４２が復帰位置にいるか否かを判断できなくもないが、コイル７側の誘導起電力をもモニターすることによって位置検出の信頼度が増すこととなる。

また、何らかの理由で弁体４２が復帰位置に復元できない場合には、電磁弁は連通ポジションを採りつづける状態となるので、コイル８を励磁してプランジャ１３を吸引して弁体４２を移動させ、遮断ポジションに復帰させることも可能である。

ちなみに、本実施の形態の場合、コイル８側を常に非励磁側とすると、コイル８側のＰＷＭ回路２０およびスイッチング素子２２およびコイル７側の増幅器４７およびＡ／Ｄ変換器４９を省略するとしてもよい。

また、図示するところでは、弁体４２をポペット型にしているが、スプールとしてもよく、その場合には、バルブケース４１の側部にポートを設けるとすればよい。さらに、スプールとする場合にはセンタリング手段を設けるとしてもよく、その場合には、センタリング手段を設ける場合の作用効果をも奏することとなる。

最後に、第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態のプランジャ位置検出装置は、ソレノイドの詳しい構成は、図示はしないが第２の実施の形態と同様であり、また、第２の実施の形態と異なるのは、コイル７，８を励磁する電源Ｖｃｃの電圧を制御部３０でモニターしていることである。具体的には、図６に示すように、電源Ｖｃｃの電圧を分圧用抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧して、この分圧された電圧をＡ／Ｄ変換器５０を介して制御部３０で読み込むようにしてある。

そして、第２の実施の形態と同様に、たとえば、コイル７を励磁する場合、非励磁側コイル８の誘導起電力の大きさを検出し、演算処理することによってプランジャ位置を演算するが、このとき、制御部３０は、電源Ｖｃｃの電圧により補正演算を行う。

電源Ｖｃｃが正常に機能していない、すなわち、出力電圧が安定しなかったり、所定の電圧を出力できなかったりする場合等には、コイルを励磁する励磁電圧値たる電源Ｖｃｃの正確な電圧を制御部３０で把握できるので、この正確な電圧をもとに、非励磁側コイルの発生する誘導起電力を補正する。具体的には、非励磁側コイルの発生する誘導起電力を電源Ｖｃｃの正常値と正確な電圧値との比により補正して、電源Ｖｃｃが正常であるときに出力されるべき非励磁側コイルの誘導起電力を算出し、この算出結果から第１もしくは第２の実施の形態と同様にマップ演算を行うか、マップ自体を電源Ｖｃｃの正常値と正確な電圧値との比により補正して非励磁側コイルが出力した誘導起電力からマップ演算を行うか、または、マップ演算することなしに、補正を加味して都度演算を行うかして正確なプランジャ１３の位置を演算する。

したがって、第３の実施の形態においては、電源Ｖｃｃの電圧変化の影響をも加味してプランジャ位置を検出することが可能であるので、より正確なプランジャ１３の位置を検出することが可能である。すなわち、この第３の実施の形態におけるプランジャ位置検出手段および方法では、第２の実施の形態と同様の作用効果が得られるだけでなく、プランジャ位置検出精度の悪化を防止することができ、バルブ制御に使用される場合には、制御精度の悪化を防止できる。そして、電源Ｖｃｃに安定した電圧供給を可能とするための回路等を設置する必要がないので、簡易かつ安価である。

また、この第３のプランジャ位置検出装置および方法にあっては、特に、電源Ｖｃｃが自動車等のオルタネータやバッテリーであって、自動車等の走行状態や経年劣化により電圧が安定しない環境下での使用に耐えうるようになる。

なお、上記した各実施の形態においては、非励磁側コイルに生じる誘導起電力の大きさを検出することでプランジャの位置、ひいては弁体やスプールの位置を検出するとしているが、非励磁側コイルに誘導起電力により生じる電流を検出して、この電流の大きさからプランジャ等の位置を検出するとしてもよい。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

第１の実施の形態における方向切換弁の概念図である。 プランジャのストロークとコイルのインダクタンスとの関係を示す図である。 プランジャが吸引された状態における非励磁側コイルの誘導起電力の波形を示す図である。 プランジャが中立位置にある状態における非励磁側コイルの誘導起電力の波形を示す図である。 第２の実施の形態における電磁弁の概念図である。 第３の実施の形態におけるプランジャ位置検出装置の概念図である。

符号の説明

１，４１ バルブケース
５ コイルケース
７，８ コイル
１１ スプール
１２ ピン
１３ プランジャ
１４，１５，４５ 附勢バネ
２０，２１ ＰＷＭ回路
２２，２３ スイッチング素子
２５，２６ 整流回路
２７，２８ 平滑回路
３０ 制御部
４２ 弁体
４６，４７ 増幅器
４８，４９，５０ Ａ／Ｄ変換器
１１１，１１２，１１３，１１４ 遮断部
１６０，１６１，１６２，１６３，１６４，４１０，４１１ ポート
Ｖｃｃ 電源
ＶＨ 電圧変換手段

Claims (18)

1. 直列に配置される一対のコイルと、これらコイル内に挿入されるプランジャとを備えて、上記コイルのうちいずれか一つを励磁することでプランジャを吸引してプランジャを励磁されたコイル側へ駆動可能なソレノイドのプランジャ位置検出装置において、プランジャを各コイル間の中立位置にセンタリングするセンタリング手段と、パルス電圧もしくはパルス電流でコイルを励磁する励磁手段を備え、パルス電圧もしくはパルス電流によりコイルを励磁してプランジャを駆動する際に、励磁されたコイルによって誘起される非励磁側のコイルに生じる誘導起電力または誘導起電力により生じる電流に基づいてプランジャの位置を検出することを特徴とするソレノイドのプランジャ位置検出装置。
2. 交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換手段を備え、非励磁側のコイルに発生する誘導起電力を当該電圧変換手段により直流電圧に変換し、当該直流電圧に基づいてプランジャの位置を検出することを特徴とする請求項１に記載のソレノイドのプランジャ位置検出装置。
3. 励磁手段が発生するパルス信号をトリガとして非励磁側のコイルに生じる誘導起電力の最大振幅時の電圧値を検出する検出手段を備え、当該電圧値に基づいてプランジャの位置を検出することを特徴とする請求項１に記載のソレノイドのプランジャ位置検出装置。
4. プランジャの位置をマップ演算する演算手段を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のソレノイドのプランジャ位置検出装置。
5. コイルを励磁する励磁電圧値に基づいてプランジャの位置を補正演算する補正演算手段を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のソレノイドのプランジャ位置検出装置。
6. 直列に配置される一対のコイルと、これらコイル内に挿入されるプランジャとを備えて、上記コイルのうちいずれか一つを励磁することでプランジャを吸引してプランジャを励磁されたコイル側へ駆動可能なソレノイドと、プランジャの一端に連結される弁体の移動により開口面積が変化するバルブとを備えた電磁弁において、プランジャを各コイル間の中立位置にセンタリングするセンタリング手段と、パルス電圧もしくはパルス電流でコイルを励磁する励磁手段を備え、パルス電圧もしくはパルス電流によりコイルを励磁して弁体を駆動する際に、励磁されたコイルによって誘起される非励磁側のコイルに生じる誘導起電力または誘導起電力により生じる電流に基づいて弁体の位置を検出する電磁弁。
7. 交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換手段を備え、非励磁側のコイルに発生する誘導起電力を当該電圧変換手段により直流電圧に変換し、当該直流電圧に基づいて弁体の位置を検出することを特徴とする請求項６に記載の電磁弁。
8. 励磁手段が発生するパルス信号をトリガとして非励磁側のコイルに生じる誘導起電力の最大振幅時の電圧値を検出する検出手段を備え、当該電圧値に基づいて弁体の位置を検出することを特徴とする請求項６に記載の電磁弁。
9. 弁体の位置をマップ演算する演算手段を備えたことを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の電磁弁。
10. コイルを励磁する励磁電圧値に基づいて弁体の位置を補正演算する補正演算手段を備えたことを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の電磁弁。
11. 弁体位置の検出結果に基づいて流量制御を行うことを特徴とする請求項６から１０のいずれかに記載の電磁弁。
12. 弁体位置の検出結果に基づいて異常か否かを検出することを特徴とする請求項６から１１のいずれかに記載の電磁弁。
13. 直列に配置される一対のコイルと、これらコイル内に挿入されるプランジャとを備えて、上記コイルのうちいずれか一つを励磁することでプランジャを吸引してプランジャを励磁されたコイル側へ駆動可能なソレノイドと、ソレノイドに連結されたバルブケースと、バルブケース内に摺動自在に挿入されるとともにプランジャの一端に連結されるスプールと、プランジャを各コイル間の中立位置にセンタリングするセンタリング手段とを備え、スプールの位置により流路を切換える方向切換弁において、パルス電圧もしくはパルス電流でコイルを励磁する励磁手段を備え、パルス電圧もしくはパルス電流によりコイルを励磁してスプールを駆動する際に、励磁されたコイルによって誘起される非励磁側のコイルに生じる誘導起電力または誘導起電力により生じる電流に基づいてスプール位置を検出する方向切換弁。
14. 交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換手段を備え、非励磁側のコイルに発生する誘導起電力を当該電圧変換手段により直流電圧に変換し、当該直流電圧に基づいてスプールの位置を検出することを特徴とする請求項１３に記載の方向切換弁。
15. 励磁手段が発生するパルス信号をトリガとして非励磁側のコイルに生じる誘導起電力の最大振幅時の電圧値を検出する検出手段を備え、当該電圧値に基づいてスプールの位置を検出することを特徴とする請求項１３に記載の方向切換弁。
16. スプールの位置をマップ演算する演算手段を備えたことを特徴とする請求項１３から１５のいずれかに記載の方向切換弁。
17. コイルを励磁する励磁電圧値に基づいてスプールの位置を補正演算する補正演算手段を備えたことを特徴とする請求項１３から１６のいずれかに記載の方向切換弁。
18. スプール位置の検出結果に基づいて異常か否かを検出することを特徴とする請求項１３から１７のいずれかに記載の方向切換弁。

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