特開 2023-112447 電磁比例弁の駆動装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023112447

(43)【公開日】2023-08-14

(54)【発明の名称】電磁比例弁の駆動装置

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/06 20060101AFI20230804BHJP

   G05D 16/20 20060101ALI20230804BHJP

【ＦＩ】

F16K31/06 310Z

G05D16/20 Z

F16K31/06 325

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022014243

(22)【出願日】2022-02-01

(71)【出願人】

【識別番号】000005197

【氏名又は名称】株式会社不二越

(74)【代理人】

【識別番号】100120400

【弁理士】

【氏名又は名称】飛田 高介

(74)【代理人】

【識別番号】100124110

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 大介

(72)【発明者】

【氏名】丸山 章

(72)【発明者】

【氏名】吉田 圭佑

(72)【発明者】

【氏名】久保 光生

【テーマコード（参考）】

3H106

5H316

【Ｆターム（参考）】

3H106DA02

3H106DA23

3H106EE04

3H106EE48

3H106FB04

3H106FB25

3H106FB45

3H106FB46

3H106KK02

3H106KK05

5H316BB02

5H316BB07

5H316DD15

5H316EE02

5H316EE08

5H316FF01

5H316HH04

5H316HH12

(57)【要約】

【課題】目標の圧力や流量を容易に得ることができる電磁比例弁の駆動装置を提供する。
【解決手段】本発明にかかる電磁比例弁の駆動装置１００は、目標の圧力である指令圧力が入力される圧力入力部１１４と、指令圧力を電流値に変換する圧力電流変換部１１６と、電流値に応じて電磁比例弁１０４に電流を供給する電流制御部１１８と、所定の電磁比例弁ごとに指令圧力と電流値が対応づけられた対応データを書き換え可能に記憶する記憶部１２２と、電磁比例弁の種類が選択されると、電磁比例弁の種類に応じて記憶部から対応データを取得して、対応データを圧力電流変換部に送信する電磁比例弁選択部１２０と、を備え、圧力電流変換部は、電磁比例弁選択部から送信された対応データを用いて、指令圧力を電流値に変換することを特徴とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

目標の圧力である指令圧力が入力される圧力入力部と、
前記指令圧力を電流値に変換する圧力電流変換部と、
前記電流値に応じて電磁比例弁に電流を供給する電流制御部と、
所定の電磁比例弁ごとに指令圧力と電流値が対応づけられた対応データを書き換え可能に記憶する記憶部と、
前記電磁比例弁の種類が選択されると、該電磁比例弁の種類に応じて前記記憶部から対応データを取得して、該対応データを前記圧力電流変換部に送信する電磁比例弁選択部と、を備え、
前記圧力電流変換部は、前記電磁比例弁選択部から送信された対応データを用いて、前記指令圧力を電流値に変換することを特徴とする電磁比例弁の駆動装置。

【請求項2】

前記対応データは、関数のパラメータ、関数全体または変換テーブルであることを特徴とする請求項１に記載の電磁比例弁の駆動装置。

【請求項3】

当該電磁比例弁の駆動装置は、
前記圧力入力部、前記圧力電流変換部および前記電流制御部を備えた組込用コンピュータと、
前記電磁比例弁選択部および前記記憶部を備え、前記組込用コンピュータと別体の設定用コンピュータとから構成されている請求項１または２に記載の電磁比例弁の駆動装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、油圧、空圧や水圧などの流体の圧力や流量を駆動源とする油空水圧装置の圧力調整や流量調整に用いられる電磁比例弁の駆動装置に関する。

【背景技術】

【0002】

油空水圧装置は、その内部に封入された流体の圧力や流量を駆動源とする装置であり、例えば電磁比例弁を用いて流体の圧力調整や流量調整を行うことで各種作業を行う。電磁比例弁は、ソレノイドコイルと、ソレノイドコイルに電流を流すことで発生する電磁力によって開閉する弁とを有する。これにより、電磁比例弁は、電気信号に応じて弁の開閉を自動で行い、流体の圧力や流量を調整することができる。したがって油空水圧装置が適切に設計されていれば、電磁比例弁のソレノイドコイルに流す電流に比例した圧力や流量を発生させることができる。

【0003】

特許文献１には、比例電磁弁の制御装置が記載されている。この制御装置は、比例電磁弁のソレノイドコイルに駆動電流を印加し、ソレノイドコイルに流れる電流値に比例した電磁気力で可動鉄片を吸引し、所定の開度で弁を開閉して流体の流量又は圧力を制御する。

【0004】

具体的には、特許文献１の制御装置では、入力された開度指令値を比例電磁弁の開口量に補正し、開口量に応じた弁開閉時に現れるヒステリシスを取り除くための可動鉄片に作用する静止摩擦力を阻止する力のディザ波形を生成している。さらに制御装置では、開口量にディザ波形を重畳させて比例電磁弁の指示電流値を出力し、指示電流値に相当する供給電流をソレノイドコイルへ印加し、指示電流波形に供給電流波形を一致させた駆動電流でソレノイドコイルを定電流駆動している。

【0005】

特許文献１では、上記のような駆動電流でソレノイドコイルを定電流駆動することにより、比例電磁弁が有するヒステリシス特性、ソレノイドコイルの温度変化、並びに配線の抵抗値変動による影響を低減することができる、としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００９－１０３３００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで電磁比例弁を利用するユーザは、弁の開度を調整して目標とする圧力や流量を得るために、例えば電磁比例弁ごとの特性として事前に測定された電流－圧力特性のグラフを読み取り、その上で、ソレノイドコイルに印加する目標の電流値を指令する必要がある。

【0008】

このため、ユーザは、ソレノイドコイルに印加する電流値を本来意識する必要がないにもかかわらず、電流－圧力特性のグラフを読み取るなど、手間がかかり作業性が損なわれてしまう。なお特許文献１の技術では、ユーザがやはり本来意識する必要のない開度指令値を入力する必要があるため、作業性を向上させる点で改善の余地がある。

【0009】

本発明は、このような課題に鑑み、目標の圧力や流量を容易に得ることができる電磁比例弁の駆動装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、本発明にかかる電磁比例弁の駆動装置の代表的な構成は、目標の圧力である指令圧力が入力される圧力入力部と、指令圧力を電流値に変換する圧力電流変換部と、電流値に応じて電磁比例弁に電流を供給する電流制御部と、所定の電磁比例弁ごとに指令圧力と電流値が対応づけられた対応データを書き換え可能に記憶する記憶部と、電磁比例弁の種類が選択されると、電磁比例弁の種類に応じて記憶部から対応データを取得して、対応データを圧力電流変換部に送信する電磁比例弁選択部と、を備え、圧力電流変換部は、電磁比例弁選択部から送信された対応データを用いて、指令圧力を電流値に変換することを特徴とする。

【0011】

上記構成では、ユーザが目標の圧力である指令圧力を入力し、利用する電磁比例弁の種類を選択すると、自動的に、電磁比例弁選択部が電磁比例弁の種類に応じて記憶部から取得した対応データを圧力電流変換部に送信する。そして送信された対応データを用いて、圧力電流変換部が指令圧力を電流値に変換し、電流制御部が電流値に応じて電磁比例弁に電流を供給する。なお対応データは、所定の電磁比例弁ごとに指令圧力と電流値が対応づけられたデータであり、さらに書き換え可能に記憶部に記憶されている。

【0012】

これにより、ユーザが指令圧力を直接指令し、利用する電磁比例弁の種類を選択するだけで、電磁比例弁に供給される電流すなわちソレノイドコイルの駆動電流が自動的に制御され、指令圧力を発生させることができる。つまり上記構成によれば、ユーザが指令圧力を直接指令できるため、電磁比例弁のソレノイドコイルの駆動電流をユーザが意識することなく、電磁比例弁を制御して指令圧力を容易に得ることができる。

【0013】

上記の対応データは、関数のパラメータ、関数全体または変換テーブルであるとよい。

【0014】

これにより、電流－圧力特性を示す関数の係数や定数などのパラメータや、関数全体（多項式の変数の次数や項数とそれらの係数および定数）、または電流－圧力の対応表である変換テーブル（内挿補間や外挿補間を含む）を、対応データとして記憶部に記憶することができる。そして、ユーザが指令圧力を直接指令し、利用する電磁比例弁の種類を選択するだけで、圧力電流変換部は、電磁比例弁選択部が記憶部から取得した対応データを用いて指令圧力を電流値に変換することができる。

【0015】

上記の電磁比例弁の駆動装置は、圧力入力部、圧力電流変換部および電流制御部を備えた組込用コンピュータと、電磁比例弁選択部および記憶部を備え、組込用コンピュータと別体の設定用コンピュータとから構成されているとよい。

【0016】

ここで、電磁比例弁選択部は、電磁比例弁の設定時のみに利用するため、電磁比例弁の通常の運用では不要な部分である。そこで、電磁比例弁の実際の運用では組込用コンピュータを用いて、設定時に必要なときのみ、組込用コンピュータとは別体の設定用コンピュータを接続して、設定用コンピュータに備えられた電磁比例弁選択部を利用することができ、利便性を高めることができる。なお別体の設定用コンピュータは、組込用コンピュータに一対一で直接接続するものであってもよいが、ネットワークを介して遠隔かつ多対一で接続するものであってもよい。

【0017】

また記憶部は、多くの種類の電磁比例弁のパラメータや、変換テーブルなどのデータベースや、関数実行ファイルをそれぞれ記憶する必要がある。一方、電磁比例弁を駆動するためのコンピュータは組込用コンピュータであるため、サイズやコストの制約により多くのデータを記憶するための十分なメモリ容量を確保することが困難である。一方、設定用コンピュータは汎用コンピュータ（組込用ではない）を用いることができるため、大容量の記憶部を備えることが容易であるから、組込用コンピュータのメモリ容量の制約を受けずに、多くの種類の電磁比例弁ごとの対応データを記憶することができる。

【0018】

さらに記憶部は、新たな種類の電磁比例弁が利用される場合、データベースの更新や、新たな関数ブロックを追加する必要がある。仮に、電磁比例弁を駆動する組込用コンピュータのファームウェアをその都度更新すると、作業が大変となるだけでなく、メモリ容量の制限により、追加すること自体が困難となる場合もある。そこで組込用コンピュータとは別体の設定用コンピュータが記憶部を備えることにより、このような事態を回避することができ、作業性や利便性を高めることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、目標の圧力や流量を容易に得ることができる電磁比例弁の駆動装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施形態における駆動装置が適用されるシステムを説明する図である。

【図2】図１の駆動装置の機能を示すブロック図である。

【図3】図１の電磁比例弁の電流－圧力特性を示すグラフである。

【図4】式（２）を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0022】

図１は、本発明の実施形態における駆動装置１００が適用されるシステム１０２を説明する図である。システム１０２は、駆動装置１００に加え、電磁比例弁１０４と、圧力センサ１０６と、上位指令コンピュータ１０８とを備える。

【0023】

電磁比例弁１０４は、油圧、空圧や水圧などの流体の圧力や流量を駆動源とする油空水圧装置の圧力調整や流量調整に用いられる。電磁比例弁１０４は、ソレノイドコイルと、ソレノイドコイルに電流を流すことで発生する電磁力によって開閉する弁とを有し、電気信号に応じて弁の開閉を自動で行い、流体の圧力や流量を調整する。なお以下では電磁比例弁１０４は、一例として油圧装置に封入された油の圧力を調整するものとするが、これに限られず、油の流量を調整するものであってもよい。

【0024】

駆動装置１００は、電磁比例弁１０４に対して電流すなわちソレノイドコイルの駆動電流を供給することによって電磁比例弁１０４を駆動する装置であって、組込用コンピュータ１１０と設定用コンピュータ１１２とを備える。設定用コンピュータ１１２は、組込用コンピュータ１１０とは別体の汎用コンピュータであり、組込用コンピュータ１１０と比べてサイズやコストの制約が少なく、十分なメモリ容量を確保することができる。

【0025】

上位指令コンピュータ１０８は、産業用コンピュータやプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）などであり、ユーザによって所望の目標の圧力である指令圧力が入力される圧力指令装置である。なお指令圧力の入力は、アナログ信号やデジタル通信など各種方法で行われてよい。また上位指令コンピュータ１０８は、組込用コンピュータ１１０に指令圧力に応じた指令圧力信号を出力する。

【0026】

圧力センサ１０６は、電磁比例弁１０４の実圧力を測定し、駆動装置１００の組込用コンピュータ１１０に実圧力に応じた実圧力信号を出力する。ただしシステム１０２では、圧力センサ１０６を必ずしも利用する必要はなく、圧力センサ１０６を利用しない場合は、組込用コンピュータ１１０に指令圧力信号のみが入力される。

【0027】

図２は、図１の駆動装置１００の機能を示すブロック図である。駆動装置１００の組込用コンピュータ１１０は、圧力入力部１１４、圧力電流変換部１１６および電流制御部１１８を備える。設定用コンピュータ１１２は、電磁比例弁選択部１２０、記憶部１２２および電磁比例弁選択用ユーザインタフェース（以下、ＵＩ１２４）を備える。

【0028】

圧力入力部１１４は、圧力センサ１０６を利用しない場合、上位指令コンピュータ１０８から目標の圧力である指令圧力Ｐｒｅｆのみが入力される。このような場合、圧力入力部１１４は、指令圧力Ｐｒｅｆを圧力電流変換部１１６に出力する。

【0029】

一方、圧力センサ１０６を利用する場合、圧力入力部１１４には、指令圧力Ｐｒｅｆに加え、圧力センサ１０６から実圧力Ｐａｃｔが入力される。そして圧力入力部１１４は、指令圧力Ｐｒｅｆ、実圧力Ｐａｃｔに基づいて、以下の式（１）を用いて、実圧力Ｐａｃｔを指令圧力Ｐｒｅｆに合わせるように補正した指令圧力Ｐｒｅｆｃを算出し、圧力電流変換部１１６に出力する。

【数1】

【0030】

ここで上記の式（１）の右辺の第１項は、指令圧力Ｐｒｅｆのフィードフォワード制御部である。また右辺の第２項から第４項は、ＰＩＤ制御を構成するフィードバック制御部となる。さらに第２項から第４項のＫｐ、Ｋｉ、Ｋｄはそれぞれ、比例、積分、微分のゲインとなり、０以上の値で適切に調整される。Ｋｐ＝Ｋｉ＝Ｋｄ＝０とすれば、フィードバック項が無効となり、オープンでの指令圧力Ｐｒｅｆをそのままスルーする。なお、これらのゲインの決定方法や制御アルゴリズムは、多くの従来技術があり、ここでは一例として、一般的な方式を採用しているが、他の方式を適宜採用してもよい。

【0031】

圧力電流変換部１１６は、圧力入力部１１４から入力された指令圧力Ｐｒｅｆまたは補正された指令圧力Ｐｒｅｆｃを、電流値に変換する。ここで電磁比例弁１０４は、その種類や個体差によって異なるパラメータを有していて、電流－圧力特性も異なっている（図３参照）。

【0032】

図３は、図１の電磁比例弁１０４の電流－圧力特性を示すグラフである。なお横軸は入力電流、縦軸は圧力である。ここでは一例として、３つの個別の電磁比例弁１０４の電流－圧力特性を示している。図３に示すように、３つの個別の電磁比例弁１０４では、ソレノイドコイルに印加される駆動電流に対して得られる圧力が異なっていて、個別の電流－圧力特性を有している。

【0033】

そこで圧力電流変換部１１６は、図３の電流－圧力特性を示すグラフを近似したコンピュータプログラムで計算可能な関数を用いて、電流値を計算する。具体的には、圧力電流変換部１１６は、以下の式（２）を用いて、電流－圧力特性の逆変換を行い、圧力を駆動電流に変換する。

【数2】

【0034】

図４は、式（２）を示すグラフである。図４のグラフに示すように、ここでは、電流－圧力特性として、ある一定電流ｉａまでは圧力が発生せず、そのｉａより大きな電流となると、比例係数α＞０で比例して圧力が上昇する。また流せる電流には限界値があり、それをｉｂとしている。また、これらの電流ｉａ、ｉｂと比例係数αは、個別の電磁比例弁１０４ごとに異なるパラメータ（パラメータ群ともいう）となる。

【0035】

これらの個別の電磁比例弁１０４ごとのパラメータは、設定用コンピュータ１１２の電磁比例弁選択部１２０から組込用コンピュータ１１０の圧力電流変換部１１６に送信される。具体的には、記憶部１２２は、所定の電磁比例弁１０４ごとに指令圧力と電流値が対応づけられた対応データを書き換え可能に記憶している。対応データは、電流－圧力特性を示す関数の係数や定数などのパラメータや、関数全体（多項式の変数の次数や項数とそれらの係数および定数）、または電流－圧力の対応表である変換テーブル（内挿補間や外挿補間を含む）である。またＵＩ１２４は、ユーザが利用する電磁比例弁１０４の種類を選択するためのインタフェースである。

【0036】

電磁比例弁選択部１２０は、ユーザがＵＩ１２４を用いて利用する電磁比例弁１０４の種類を選択すると、選択された電磁比例弁１０４に対応するパラメータを記憶部１２２から読み出して取得する。さらに電磁比例弁選択部１２０は、取得したパラメータを圧力電流変換部１１６にデジタル通信などを利用して送信する。

【0037】

そして圧力電流変換部１１６は、電磁比例弁選択部１２０から送信された対応データを用いて、上記の式（２）に基づいて指令圧力を電流値に変換し、この電流値を電流制御部１１８に出力する。電流制御部１１８は、電流値に応じて電磁比例弁１０４に駆動電流を供給する。

【0038】

このように駆動装置１００では、ユーザが目標の圧力である指令圧力を入力し、利用する電磁比例弁１０４の種類を選択すると、自動的に、電磁比例弁選択部１２０が電磁比例弁１０４の種類に応じて記憶部１２２から取得した対応データを圧力電流変換部１１６に送信する。そして、送信された対応データを用いて、圧力電流変換部１１６が指令圧力を電流値に変換し、電流制御部１１８が電流値に応じて電磁比例弁１０４に電流を供給する。

【0039】

これにより駆動装置１００では、ユーザが指令圧力を直接指令し、利用する電磁比例弁１０４の種類を選択するだけで、電磁比例弁１０４のソレノイドコイルに供給される駆動電流が自動的に制御され、指令圧力を発生させることができる。つまり駆動装置１００によれば、ユーザが指令圧力を直接指令できるため、電磁比例弁１０４のソレノイドコイルの駆動電流をユーザが意識することなく、電磁比例弁１０４を制御して指令圧力を容易に得ることができる。

【0040】

ここでシステム１０２において、電磁比例弁選択部１２０は、電磁比例弁１０４の設定時のみに利用するため、電磁比例弁１０４の通常の運用では不要な部分である。そこで駆動装置１００では、電磁比例弁１０４の実際の運用では低性能な組込用コンピュータ１１０を用いて、設定時に必要なときのみ、組込用コンピュータ１１０とは別体の高性能な設定用コンピュータ１１２を接続することにより、設定用コンピュータ１１２の電磁比例弁選択部１２０を利用することができ、利便性を高めることができる。なお別体の設定用コンピュータ１１２は、組込用コンピュータ１１０に一対一で直接接続するものであってもよいが、ネットワークを介して遠隔かつ多対一で接続するサーバ－クライアント形式のものであってもよい。

【0041】

また記憶部１２２は、多くの種類の電磁比例弁１０４のパラメータや、変換テーブルなどのデータベースや、関数実行ファイルをそれぞれ記憶する必要がある。一方、電磁比例弁１０４を駆動するためのコンピュータは組込用コンピュータ１１０であるため、サイズやコストの制約により多くのデータを記憶するための十分なメモリ容量を確保することが困難である。これに対して駆動装置１００では、設定用コンピュータ１１２は汎用コンピュータ（組込用ではないもの：例えばパーソナルコンピュータやタブレット端末など）を用いることができるため、大容量の記憶部１２２を備えることが容易である。このため、設定用コンピュータ１１２は、組込用コンピュータ１１０のメモリ容量の制約を受けずに、多くの種類の電磁比例弁１０４ごとの対応データを記憶することができる。

【0042】

さらに記憶部１２２は、新たな種類の電磁比例弁１０４が利用される場合、データベースの更新や、新たな関数ブロックを追加する必要がある。仮に、電磁比例弁１０４を駆動する組込用コンピュータ１１０のファームウェアをその都度更新すると、作業が大変となるだけでなく、メモリ容量の制限により、追加すること自体が困難となる場合もある。これに対して駆動装置１００では、組込用コンピュータ１１０とは別体の設定用コンピュータ１１２が記憶部１２２を備えることにより、このような事態を回避することができ、作業性や利便性を高めることができる。

【0043】

また電磁比例弁選択部１２０は、ユーザが選択した電磁比例弁１０４の特性に合わせた対応データである関数全体を記憶部１２２から読み出して、この関数全体を圧力電流変換部１１６に送信してもよい。この場合、選択された電磁比例弁１０４の特性を示す関数を別のライブラリソフトウエアとして記憶部１２２が記憶していて、電磁比例弁選択部１２０は、そのライブラリソフトウエアを選択して、組込用コンピュータ１１０にライブラリソフトウエアを転送する。このため、圧力電流変換部１１６は、転送されたライブラリソフトウエアを用いて指令圧力を電流値に変換することができる。なお電磁比例弁選択部１２０は、関数全体を用いて計算するとき必要なパラメータも圧力電流変換部１１６に送信してよい。

【0044】

さらに電磁比例弁選択部１２０は、ユーザが選択した電磁比例弁１０４の特性に合わせた対応データである変換テーブルを記憶部１２２から読み出して、この変換テーブルを圧力電流変換部１１６に送信してもよい。この場合、圧力電流変換部１１６は、送信された変換テーブルを用いて指令圧力を電流値に変換することができる。

【0045】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明は、油圧、空圧や水圧などの流体の圧力や流量を駆動源とする油空水圧装置の圧力調整や流量調整に用いられる電磁比例弁の駆動装置として利用することができる。

【符号の説明】

【0047】

１００…駆動装置、１０２…システム、１０４…電磁比例弁、１０６…圧力センサ、１０８…上位指令コンピュータ、１１０…組込用コンピュータ、１１２…設定用コンピュータ、１１４…圧力入力部、１１６…圧力電流変換部、１１８…電流制御部、１２０…電磁比例弁選択部、１２２…記憶部、１２４…電磁比例弁選択用ユーザインタフェース

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】