(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1の技術では、駆動手段がパルスを出力する周波数は500Hzであるが、この周波数は可聴帯域に含まれる。そのため、弁体が500Hzの周波数で振動することより、耳障りな騒音が発生していた。
【0005】
弁体が発生させる騒音を低減させるために、駆動手段に、可聴帯域より高い非可聴帯域に含まれる周波数(例えば20kHz)でパルスを出力させることが考えられる。しかしながら、この場合、可聴帯域での弁体の振動が抑制されて騒音を低減できる反面、比例弁のヒステリシスが大きくなるという不都合がある。
【0006】
本明細書では、比例弁の弁体の振動による騒音を低減するとともに、比例弁のヒステリシスを抑制することができる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本明細書が開示する比例弁駆動装置は、電流の大きさに応じて弁体と弁座との開度を変化させることによって流体の通過量を制御する比例弁と、比例弁に電力を供給する経路上に設けられている第1スイッチと、可聴帯域の特定の周波数より高く非可聴帯域に含まれる第1の周波数で三角波を出力する三角波生成装置と、第1出力端子、第1プラス入力端子、及び、第1マイナス入力端子を有する第1比較器であって、第1マイナス入力端子は三角波生成装置と接続されており、
第1プラス入力端子は第2比較器の第2出力端子と第1抵抗を介して接続されており、第1出力端子は第1スイッチと接続されている、第1比較器と、比例弁の目標電流に対応した基準電圧を出力する基準電圧生成装置と、第2出力端子、第2プラス入力端子、及び、第2マイナス入力端子を有する第2比較器であって、第2マイナス入力端子は第2抵抗を介してグランドに接続されているとともに、第3抵抗及び第2スイッチを介してグランドに接続されており、第2プラス入力端子は基準電圧生成装置と接続されており、第2出力端子
は第4抵抗及びキャパシタを介して
第2マイナス入力端子に接続されているとともに、第1抵抗を介して第1プラス入力端子に接続されている、第2比較器と、第1比較器の出力端子とグランドの間に接続されている第3スイッチと、第2スイッチと第3スイッチを同タイミングでオンオフするためのパルスを、特定の周波数より低い第2の周波数で出力するパルス生成装置と、を備え
る。第2抵抗の一部は、比例弁に電力を供給する経路上に設けられている。
【0008】
(1)上記の比例弁駆動装置では、第2スイッチがオンすると、その間、第2比較器の第2マイナス入力端子への入力電圧が下がり、それに伴って第2出力端子の出力電圧(即ち、第1比較器の第1プラス入力端子への入力電圧)は上昇していく。ただし、第2スイッチとともに第3スイッチもオンしているため、第2及び第3スイッチがオンの間は、第1スイッチはオフされる。
(2)第2及び第3スイッチのオン期間が終了し、第2及び第3スイッチがオフに戻ると、オン時間が長い(オンデューティが大きい)状態から第1スイッチのオンオフ駆動が開始される。そのため、比例弁を流れる電流が、目標電流よりも大きくなる。
(3)第2及び第3スイッチがオフされたことにより、第2比較器の第2マイナス入力端子への入力電圧が上がり、それに伴って、第2出力端子の出力電圧が比例弁の目標電流に対応した値まで下がっていく。即ち、第1比較器の第1プラス入力端子への入力電圧も下がっていく。その結果、比例弁に流れる電流が目標電流に近づくように、第1スイッチのオン時間が短く(オンデューティが小さく)なっていく。
【0009】
上記の比例弁駆動装置では、第1比較器の第1マイナス入力端子に、三角波生成装置から出力される第1の周波数の三角波が入力され、第1プラス入力端子に、第2比較器の出力端子から出力される電圧が入力される。これにより、第1比較器の第1出力端子から第1の周波数でパルスを出力することができる。そのため、第1スイッチを第1の周波数でオンオフ駆動することができる。これにより、比例弁の弁体が非可聴帯域に含まれる第1の周波数で振動することになり、弁体の振動による騒音を低減することができる。また、パルス生成装置によって、第2及び第3スイッチが第2の周波数でオンされることにより、第2の周波数に従って、比例弁に流れる電流を一時的に目標電流よりも高くすることができる。そのため、第2の周波数に従って弁体を大きく振動させることができる。弁体が第2の周波数で振動しても、第2の周波数は特定の周波数より低いため、騒音がそれほど気になることはない。さらに、第2の周波数で弁体を振動させることにより、比例弁のヒステリシスを抑制することもできる。従って、上記の比例弁駆動装置によると、弁体の振動による騒音を低減するとともに、比例弁のヒステリシスを抑制することができる。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。
【0012】
(特徴1)第1スイッチは、電源と比例弁の間に設けられていることが好ましい。
【0013】
(特徴2)他の例では、第1スイッチは、比例弁とグランドの間に設けられていることが好ましい。
【0014】
(第1実施例)
図1に示すように、本実施例の比例弁駆動装置2は、電源10と、比例弁12と、スイッチ装置20と、第1比較器30と、三角波生成装置40と、基準電圧生成装置50と、第2比較器60と、トランジスタ70、80と、パルス生成装置90とを備えている。
【0015】
電源10は、比例弁12に電力を供給するための電力源である。
【0016】
比例弁12は、流れる電流の大きさに応じて弁体と弁座との開度を変化させることによって流体(例えばガス)の通過量を制御する弁である。比例弁12は、電源10とグランドの間(即ち比例弁12に電力を供給する経路上)に設けられている。比例弁12に流れる電流の値(アンサ値)は、後述の基準電圧生成装置50のCPU52に入力される。また、比例弁12に電力を供給する経路と並列にダイオード14が設けられている。ダイオード14のカソードは、スイッチ装置20と比例弁12の間に接続され、アノードは、比例弁12とグランドの間に接続されている。
【0017】
スイッチ装置20は、スイッチ22と、抵抗24、26と、トランジスタ28とを備える。スイッチ22は、Pチャネル型のFETである。スイッチ22は、電源10と比例弁12の間に設けられている。即ち、スイッチ22は、比例弁12に電力を供給する経路上に設けられている。スイッチ22のゲート端子は、抵抗24を介してトランジスタ28のコレクタ端子と接続されている。スイッチ22のソース端子は、電源10と接続され、ドレイン端子は、比例弁12と接続されている。ゲート端子にオン電圧が印加されると、スイッチ22はオン状態になる。スイッチ22がオン状態の間、比例弁12に電流が流れる。抵抗26は、一端が電源10とスイッチ22のソース端子との間に接続され、他端がスイッチ22のゲート端子と抵抗24の間に接続されている。トランジスタ28は、NPN型のバイポーラトランジスタである。上記の通り、トランジスタ28のコレクタ端子は、抵抗24を介してスイッチ22のゲート端子と接続されている。エミッタ端子は、グランドに接続されている。ベース端子は、第1比較器30の出力端子と接続されている。トランジスタ28のベース端子にオン電圧が印加されると、トランジスタ28はオン状態になる。本実施例では、トランジスタ28がオン状態の間、スイッチ22がオン状態となる。
【0018】
第1比較器30は、プラス入力端子に入力される電圧がマイナス入力端子に入力される電圧よりも大きい場合に、出力端子からオン電圧を出力する。マイナス入力端子は、三角波生成装置40と接続されている。プラス入力端子は、第2比較器60の出力端子と抵抗100を介して接続されている。出力端子は、上述の通り、トランジスタ28のベース端子と接続されている。また、第1比較器30の出力端子は、抵抗102を介して電源101と接続されている。
【0019】
三角波生成装置40は、20kHzで三角波を出力するための装置である。20kHzは、人間の可聴帯域の周波数(例えば500Hz)よりも高い非可聴帯域に含まれる周波数である。三角波生成装置40は、CPU42と、電源43と、抵抗44、46と、キャパシタ48とを備える。CPU42は、20kHzのパルスを出力する制御装置である。CPU42は、抵抗46を介して第1比較器30のマイナス入力端子と接続されている。電源43は、抵抗44を介して、CPU42の出力と抵抗46の間に接続されている。キャパシタ48は、第1比較器30のマイナス入力端子とグランドの間を接続している。CPU42が出力するパルスは、抵抗44、46、及び、キャパシタ48によって三角波に変換されて出力される。三角波生成装置40が出力する三角波は、第1比較器30のマイナス入力端子に入力される。
【0020】
基準電圧生成装置50は、比例弁12の目標電流に対応した基準電圧を出力するための装置である。基準電圧生成装置50は、CPU52と、抵抗54、56と、キャパシタ58とを備える。CPU52は、抵抗54を介して第2比較器60のプラス入力端子と接続されている。抵抗56の一端は、CPU52の出力と抵抗54の間に接続されており、他端はグランドに接続されている。キャパシタ58の一端は、抵抗54と第2比較器60のプラス入力端子の間に接続されており、他端はグランドに接続されている。CPU52は、比例弁12の目標電流に対応したPWM信号を10kHzで出力する。なお、上記の通り、CPU52には、比例弁12を流れている電流の値(アンサ値)が入力されている。CPU52が出力するPWM信号は、抵抗54、56と、キャパシタ58によって、目標電流に対応した大きさの基準電圧に変換される。基準電圧生成装置50が出力する基準電圧は、第2比較器60のプラス入力端子に入力される。
【0021】
第2比較器60は、プラス入力端子に入力される電圧がマイナス入力端子に入力される電圧よりも大きい場合に、出力端子から電圧を出力する。第2比較器60のプラス入力端子は、基準電圧生成装置50と接続されている。マイナス入力端子には、抵抗104の一端が接続されている。抵抗104の他端は、抵抗106の一端に接続されている。抵抗106の一端は、比例弁12に接続しており、抵抗106の他端は、グランドに接続されている。また、第2比較器60のマイナス入力端子は、抵抗108及びトランジスタ70を介してグランドに接続されている。さらに、第2比較器60のマイナス入力端子は、抵抗110とキャパシタ
112を介して第2比較器60の出力端子に接続されている。
【0022】
トランジスタ70は、NPN型のバイポーラトランジスタである。トランジスタ70のコレクタ端子は、抵抗108を介して第2比較器60のマイナス入力端子と接続されている。エミッタ端子は、グランドに接続されている。ベース端子は、パルス生成装置90と接続されている。トランジスタ70のベース端子にオン電圧が印加されると、トランジスタ70はオン状態になる。
【0023】
トランジスタ80は、NPN型のバイポーラトランジスタである。トランジスタ80のコレクタ端子は第1比較器30の出力端子とトランジスタ28のベース端子の間に接続されている。エミッタ端子は、グランドに接続されている。ベース端子は、パルス生成装置90と接続されている。トランジスタ80のベース端子にオン電圧が印加されると、トランジスタ80はオン状態になる。
【0024】
パルス生成装置90は、トランジスタ70、80を同タイミングでオンオフするためのパルスを、125Hzで出力するためのCPUである。125Hzは、人間の可聴帯域の周波数(例えば500Hz)のうちの低周波帯域に含まれる周波数である。パルス生成装置90が出力するパルスは、トランジスタ70のベース端子及びトランジスタ80のベース端子に同タイミングで入力される。
【0025】
図1では、三角波生成装置40のCPU42と、基準電圧生成装置50のCPU52と、パルス生成装置90とを別個のCPUとして図示しているが、CPU42、52、パルス生成装置90は、1個の制御装置として構成されていてもよい。
【0026】
続いて、
図2、
図3を参照して、本実施例の比例弁駆動装置2の動作を説明する。
【0027】
パルス生成装置90は、125Hzの周波数でパルスを出力する(
図2の(A)参照)。即ち、8msのうちの0.4msの間オン電圧を出力する。パルス生成装置90がオン電圧を出力する0.4msの間、トランジスタ70とトランジスタ80はオン状態になる。
【0028】
トランジスタ70がオンすると、第2比較器60のマイナス入力端子への入力電圧が下がる。それに伴って、第2比較器60の出力端子の電圧(即ち、第1比較器30のプラス入力端子への入力電圧)は上昇していく(
図2の(B)参照)。ただし、トランジスタ70とともにトランジスタ80もオンしているため、トランジスタ70、80がオンされている間は、トランジスタ28及びスイッチ22はオフされる。そのため、この間は、比例弁12を流れる電流は目標電流よりも減少していく。
【0029】
トランジスタ70、80のオン期間が終了し、トランジスタ70、80がオフ状態に戻ると、オン時間が長い(即ち、オンデューティが大きい)状態からトランジスタ28及びスイッチ22のオンオフ駆動が開始される。即ち、
図3に示すように、第1比較器30のプラス入力端子に入力される電圧が上昇していることにより(
図3の「上昇時」参照)、第1比較器30のプラス入力端子に入力される電圧が第1比較器30のマイナス入力端子に入力される三角波よりも大きくなる時間が長くなる。その結果、オンデューティが大きくなる。
【0030】
オンデューティが大きい状態でトランジスタ28及びスイッチ22のオンオフ駆動が開始されることにより、比例弁12に流れる電流が上昇し、目標電流よりも大きい値になる(
図2の(C)参照)。
【0031】
トランジスタ70、80がオフされたことにより、第2比較器60のマイナス入力端子への入力電圧が上がる。それに伴って、第2比較器60の出力端子から出力される電圧が比例弁12の目標電流に対応した値まで下がっていく(
図2の(B)参照)。即ち、第1比較器30のプラス入力端子に入力される電圧が比例弁12の目標電流に対応した値まで下がる(
図3の「目標電流対応時」参照)。これにより、第1比較器30のプラス入力端子に入力される電圧が第1比較器30のマイナス入力端子に入力される三角波よりも大きくなる時間が短くなる。その結果、トランジスタ28及びスイッチ22のオンデューティが小さくなっていく。そして、比例弁12に流れる電流が目標電流に近づいていく(
図2の(C)参照)。
【0032】
以上、本実施例の比例弁駆動装置2の構成及び動作について説明した。本実施例の比例弁駆動装置2では、第1比較器30のマイナス入力端子に、三角波生成装置40から出力される20kHzの三角波が入力され、プラス入力端子に、第2比較器60の出力端子から出力される電圧が入力される。これにより、第1比較器30の出力端子から20kHzでパルスを出力することができる。そのため、トランジスタ28及びスイッチ22を20kHzでオンオフ駆動することができる。これにより、比例弁12の弁体が非可聴帯域に含まれる20kHzで振動することになり、弁体の振動による騒音を低減することができる。また、パルス生成装置90によって、トランジスタ70、80が125Hzでオンされることにより、125Hzに従って、比例弁12に流れる電流を一時的に目標電流よりも高くすることができる。そのため、125Hzに従って弁体を大きく振動させることができる。125Hzは可聴帯域に含まれるが、従来技術で用いられている500Hzよりも低周波であり、騒音がそれほど気になることはない。さらに、125Hzで弁体を振動させることにより、比例弁12のヒステリシスを抑制することもできる。従って、本実施例の比例弁駆動装置2によると、弁体の振動による騒音を低減するとともに、比例弁12のヒステリシスを抑制することができる。
【0033】
また、本実施例の比例弁駆動装置2では、スイッチ22はオンオフ駆動するのみであり、オン時にドレイン−ソース間に加わる電圧はほぼゼロである。仮に、スイッチを能動動作させて比例弁に流れる電流を調整する構成(以下「特定の構成」と呼ぶ)を採用すると、スイッチのオン時にスイッチに高い電圧が加わり、エネルギー損失が大きくなる。その結果スイッチが発熱する。そのため、特定の構成を採用しようとする場合、スイッチとして許容損失の大きい部品を採用する必要があるとともに、スイッチに大型のヒートシンクを取り付ける必要がある。これに対し、本実施例のスイッチ22は、オンオフ駆動を行うのみであるため、上記の通り、オン時にドレイン−ソース間に加わる電圧はほぼゼロである。そのため、エネルギー損失はほとんどない。そのため、スイッチ22として、許容損失の大きい部品を採用する必要もなく、ヒートシンクを取り付ける必要もない。
【0034】
ここで、本実施例の記載と請求項の記載との対応関係を説明しておく。スイッチ装置20、トランジスタ70、トランジスタ80が、それぞれ、「第1スイッチ」、「第2スイッチ」、「第3スイッチ」の一例である。20kHz、125Hzが、それぞれ、「第1の周波数」、「第2の周波数」の一例である。500Hzが「特定の周波数」の一例である。抵抗100が「第1抵抗」の一例である。抵抗104、106が「第2抵抗」の一例である。抵抗108が「第3抵抗」の一例である。抵抗110が「第4抵抗」の一例である。
【0035】
(第2実施例)
図4を参照して、本実施例について第1実施例と異なる点を中心に説明する。
図4では、第1実施例と共通する要素は同じ符号を用いて示している。本実施例の比例弁駆動装置202では、スイッチ222が、Nチャネル型のFETであって、比例弁12に電力を供給する経路のうち、比例弁12とグランドの間の位置に設けられている。また、スイッチ装置220が、第1実施例のスイッチ装置20のトランジスタ28及び抵抗24(
図1参照)に相当する部品を備えておらず、スイッチ222のゲート端子が第1比較器30の出力端子と直接接続されている。
【0036】
本実施例の比例弁駆動装置202の動作も、第1実施例の比例弁駆動装置2の動作とほぼ同様である(
図2、
図3参照)ため、詳しい説明は省略する。
【0037】
以上、各実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【0038】
(変形例1)上記の各実施例では、三角波生成装置40のCPU42は20kHzの周波数で三角波を出力する。これに限られず、CPU42は、可聴帯域の周波数よりも高く、非可聴帯域に含まれる周波数であれば、任意の周波数で三角波を出力してもよい。
【0039】
(変形例2)上記の各実施例では、パルス生成装置90は125Hzの周波数でパルスを出力する。これに限られず、パルス生成装置90は、騒音として気にならない程度の低周波数帯域に含まれる周波数であれば、任意の周波数でパルスを出力してもよい。
【0040】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。