保持回路、電磁弁、バルブセレクタ及び流体移送装置
【課題】 電磁弁として用いられるソレノイドにおいて、従来の回路構成を維持しつつ、ソレノイドにおける逆起電力の発生を抑制し、さらに、磁束密度の消滅防止を可能とする保持回路等を提供する。
【解決手段】 ソレノイド３に直列に接続された抵抗９に対して、並列にコンデンサ１３を接続し、第１スイッチ７及び第２スイッチ１１をオンにしてソレノイド３を定格電圧で駆動した後、第１スイッチ７をオフにしてソレノイド３に保持電圧を保持させる場合に、コンデンサ１３によりソレノイド３に印加される電圧が定格電圧から保持電圧へ移行する速度を緩和してソレノイド１３における逆起電力を吸収し、磁束密度の消滅を防止する。
【解決手段】 ソレノイド３に直列に接続された抵抗９に対して、並列にコンデンサ１３を接続し、第１スイッチ７及び第２スイッチ１１をオンにしてソレノイド３を定格電圧で駆動した後、第１スイッチ７をオフにしてソレノイド３に保持電圧を保持させる場合に、コンデンサ１３によりソレノイド３に印加される電圧が定格電圧から保持電圧へ移行する速度を緩和してソレノイド１３における逆起電力を吸収し、磁束密度の消滅を防止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、保持回路、電磁弁、バルブセレクタ及び流体移送装置に関し、特に、ソレノイドに対して、定格電圧で駆動した後、定格電圧よりも低い保持電圧を印加して駆動状態を保持させる保持回路等を用いた省発熱、省電力に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
電磁弁の発熱は、一般に望ましくない。そのため、従来より、電磁弁の発熱低減・省電力が図られてきた。例えば、図７に示す従来の保持回路５１では、ソレノイド５３と直列に抵抗５９を接続することにより定格電圧を保持電圧に低下させる。また、図８は、図７のソレノイド５３における電圧の経時変化を示し、図９は、ソレノイド５３の印加電圧−磁束密度の関係を示すグラフである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
インダクタンスを有するソレノイドは、急激な電流変化に伴い、過渡現象として自己誘電作用による大きな逆起電力を生じる。逆起電力の大きさは、電流の変化速度に比例する。
【０００４】
図８の曲線Ａ´―ｂ−Ｂ´に示すように、ソレノイドに印加される電圧が定格電圧Ｖｒから保持電圧Ｖｈへと低下する際の電流変化の際に逆起電力が生じ、ソレノイドへの印加電圧が電磁弁としての機能を保持するのに必要な電圧（最低保持電圧）Ｖｈｍｉｎを下回る恐れがある。そのため、保持電圧Ｖｈを高めに設定して、逆起電力によって過渡的に電圧が大きく低下しても最低保持電圧を下回らせないようにしている。
【０００５】
しかしながら、保持電圧を高めに設定するため、電磁弁の発熱低減も省電力も不十分となっていた。さらに、発熱低減が不十分であるため、例えば、バルブセレクタ又は流体移送装置に用いられる電磁弁の発熱が移送流体中の抗体を死滅させないように、電磁弁に短時間だけ通電する運用がなされていた。このように、電磁弁に継続的に通電する運用ができないことで、バルブセレクタ又は流体移送装置の活用が制限されていた。
【０００６】
さらに、図９に示すように、ソレノイド５３に生じた逆起電力のためにいったんｂ点まで磁束密度が減少してしまう。そこから電圧が保持電圧Ｖｈに回復するのに伴って磁束密度もＢ点まで回復しようとするが、実際にはＢ´点でとどまってしまう。このように、消滅した磁束密度は完全には回復せずに、電磁弁の保持力が低下してしまっていた。
【０００７】
ゆえに、本願発明は、従来の回路構成を維持しつつ、ソレノイドにおける逆起電力の発生を抑制し、さらに、磁束密度の消滅防止を可能とする保持回路等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、直列に接続されたソレノイド及び抵抗を備え、前記ソレノイドに対して、定格電圧で駆動した後、前記定格電圧よりも低い保持電圧を印加して駆動状態を保持させる保持回路であって、前記ソレノイド及び前記抵抗に直列に接続され、前記ソレノイドを駆動するか否かを切り替える第１切替手段と、前記抵抗に並列に接続され、前記第１切替手段により前記定格電圧で駆動されてから所定の時間経過後に、オン状態からオフ状態となる第２切替手段と、前記抵抗に並列に接続され、前記ソレノイドの時定数よりも大きな時定数を有し、前記第２切替手段がオフ状態となった後に、前記ソレノイドに印加される電圧が前記定格電圧から前記保持電圧へ移行する速度を緩和して前記ソレノイドにおける逆起電力を吸収するコンデンサを備える。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の保持回路であって、前記コンデンサの容量Ｃは、前記コンデンサの等価抵抗成分ｒＣ、前記ソレノイドの等価抵抗成分ｒＬ及び前記ソレノイドのインダクタンスＬに対して、式（１）を満たすことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項２記載の保持回路であって、前記第２切替手段は、前記コンデンサと並列に接続されたコンデンサである第２コンデンサであって、前記第２コンデンサの容量Ｃ２は、前記コンデンサの容量Ｃよりも大きいことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項３記載の保持回路であって、前記第１切替手段は、３つの接点を有するコンタクタであって、前記３つの接点のうち、第１接点は、前記第２コンデンサに接続され、第２接点は、前記定格電圧を印加する電源に接続され、第３接点は、前記ソレノイドに接続され、前記コンタクタは、前記第１接点と前記第２接点を接続することにより、前記第２コンデンサの充電を開始し、前記第１接点と前記第３接点を接続することにより、前記電源を含まずに、前記第２コンデンサ及び前記ソレノイドを含む閉回路を形成するものであり、前記閉回路の前記第３接点と前記ソレノイドとの間に、前記抵抗とは異なる放電抵抗を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項４記載の保持回路であって、前記電源の印加方向に対して逆方向に電流を流すダイオードをさらに備え、前記ダイオードは、前記放電抵抗とは直列に接続され、かつ、前記ソレノイドとは並列に接続され、前記放電抵抗の抵抗値は、前記抵抗の抵抗値よりも小さいことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明は、請求項１から５のいずれかに記載の保持回路を用いて制御される電磁弁である。
【００１４】
請求項７に係る発明は、請求項６記載の電磁弁を備えるバルブセレクタである。
【００１５】
請求項８に係る発明は、請求項６記載の電磁弁又は請求項７記載のバルブセレクタを備える流体移送装置である。
【００１６】
【数１】
【発明の効果】
【００１７】
本願各請求項に係る発明によれば、抵抗と並列に存在するコンデンサがソレノイドに生じる逆起電力を吸収し、ソレノイドに印加される電圧を定格電圧から保持電圧へとなだらかに減少させる。このため、例えば、ソレノイドに印加される電圧を最低保持電圧の値以上に保ちつつ保持電圧を下げることが可能となり、保持電圧を最低保持電圧にまで低減することも可能となる。また、逆起電力の発生が抑制されるため、磁束密度の減少は電磁弁の機能を安定に保持できる点でとどまり、磁束密度の消滅は生じない。
【００１８】
なお、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているように、単に、ソレノイドと並列にダイオードを備え、抵抗と並列にコンデンサを備える回路は知られている。
【００１９】
しかしながら、特許文献１において、コンデンサＣ１はタイマー機能を実現するためのものである。コンデンサＣ２は、特許文献１の明細書中に記載の通り、異常発振を防止して、トランジスタＱ１を保護するためのものである。そのため、通常は１μＦ以下程度の小容量のコンデンサが用いられる。このように、特許文献１のコンデンサＣ１及びＣ２の容量は、ソレノイドのインダクタンスとは無関係に決定されるものである。一方、本願発明のコンデンサは、特許文献１記載のコンデンサとは回路における役割が異なるものであり、その容量は、ソレノイドが発生させる過渡的な大規模逆起電力を吸収するため、ソレノイド及び抵抗との関係で決定されるものである。
【００２０】
また、特許文献２は、作動のスピードアップを達成するためのものであり（すなわち、特許文献２における第３図の曲線ａ、ｂを曲線ｃに近づけるためのものであり）、本願発明の目的であるソレノイドにおける逆起電力の抑制という課題解決には直接的な関連性がないものである。
【００２１】
特許文献２の第３図曲線ｃでは、逆起電力が生じていないようにも見える。しかし、これは、ソレノイドに並列に接続されるダイオードにより生じるものである。特許文献２記載のコンデンサは、特許文献１のコンデンサＣ１と同様に、遅延回路として、トランジスタを制御するものである。よって、特許文献２記載のコンデンサは、ソレノイドに印加される電圧を制御するためのものではない。特許文献２記載のコンデンサもまた、本願発明のコンデンサとは回路における役割が異なるものである。
【００２２】
本願各請求項に係る発明によれば、大幅な回路構成の変更を要せずに、逆起電力の抑制を可能とすることができる。
【００２３】
また、本願請求項２に係る発明によれば、式（１）に基づいてソレノイドの逆起電力を抑制するコンデンサの値を定めることが可能となる。
【００２４】
さらに、本願請求項３に係る発明によれば、第２切替手段としてコンデンサよりも容量の大きな第２コンデンサを用いる。そのため、電磁弁を駆動させるために十分な時間を確保することができ、タイマー回路なしにタイマー機能を実現することが可能となる。したがって、タイマー回路を要する場合と比べて、保持回路の回路サイズ、故障確率、製作コストを低減させることがさらに容易となる。
【００２５】
さらに、本願請求項４に係る発明によれば、電源を切ったときに第２コンデンサ及びソレノイドを含む閉回路が形成される。したがって、定格電圧から保持電圧に下げる際に加えて、電源を切った際にもソレノイドに発生する逆起電力を緩和することが可能となる。
【００２６】
ここで、コンデンサ及び第２コンデンサが完全に放電される前に、再び電磁弁を駆動するために第１接点及び第２接点が接続されると、第２コンデンサが第２スイッチに代わる役割を果たせない。したがって、電源を切った際にはコンデンサ及び第２コンデンサが速やかに放電されることが重要である。
【００２７】
そこで、本願請求項４に係る発明によれば、コンタクタが電源による電圧印加を停止させたときに、第２コンデンサ及び抵抗を含む閉回路だけでなく、第２コンデンサ及びソレノイドを含む閉回路も形成されることとなる。このため、第２コンデンサを速やかに放電させることが容易となる。
【００２８】
さらに、本願請求項５に係る発明によれば、第２接点に接続された放電抵抗の抵抗値は、第１接点に接続された抵抗の抵抗値よりも小さい。しかも、ダイオードが、放電の際に流れる電流にできるだけソレノイドを迂回させる。したがって、コンデンサ及び第２コンデンサに蓄積した電荷を速やかに放電させることがさらに容易となる。
【００２９】
さらに、本願請求項６に係る発明によれば、保持電圧が従来よりも低い電磁弁が実現可能となる。また、本願請求項７及び８によれば、そのような電磁弁を用いたバルブセレクタ及び流体移送装置がそれぞれ実現可能となる。したがって、本願請求項８に係る発明によれば、電磁弁の発熱を低減することにより、移送される流体が加熱されることを抑制でき、長時間通電することも可能な電磁弁を備えたバルブセレクタ又は流体移送装置を実現できる。このため、バルブセレクタ又は流体移送装置の活用の幅が広がり、例えば抗体を含む流体のような熱に弱い流体へのダメージを低減しつつ移送することが容易となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】特開平３−２７７８８４号公報
【特許文献２】特開昭４９−７８２２５号公報
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本願発明の実施の形態に係る保持回路を示す回路図である。
【図２】図１の保持回路において、電圧の経時変化を示すグラフである。
【図３】図１の保持回路において、ソレノイドの印加電圧−磁束密度の関係を示すグラフである。
【図４】本願発明の別の実施の形態に係る保持回路を示す回路図である。
【図５】図４の保持回路において、電圧及び電流の経時変化を示すグラフである。
【図６】図１又は図４の保持回路を備えた流体移送装置の概要を示すブロック図である。
【図７】従来の保持回路を示す回路図である。
【図８】図７の保持回路において、電圧の経時変化を示すグラフである。
【図９】図７の保持回路において、ソレノイドの印加電圧−磁束密度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明は、実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３３】
図１は、本願発明の実施例に係る保持回路１を示す回路図である。図２は、図１の保持回路１において、電圧の経時変化を示すグラフである。
【００３４】
流体を移送する流体移送装置には、一般に、流体を種類ごとに移送するために用いるバルブセレクタが備えられている。バルブセレクタにおいては、流体を通す管での開閉制御に電磁弁が広く用いられている。図１の保持回路１におけるソレノイド３は、例えば、電磁弁として用いられるものである。電磁弁として用いられるソレノイドは、弁として駆動させるための定格電圧が印加された後、電磁弁の開閉を保持するための保持電圧として、定格電圧よりも小さい電圧が印加される。ソレノイドは、例えば消費電力１Ｗのものであれば、定格電圧で１分半ほど通電すると８０℃程度の高温となってしまう。抗体を含む流体を流体移送装置で移送する場合、このような電磁弁を用いたとすれば、電磁弁の発熱によってバルブセレクタが高温となり、移送される抗体が死滅する恐れがある。バルブセレクタの加熱を招くほかにも、電磁弁の発熱は一般に望ましくない。したがって、ソレノイドへの印加電圧を低減する保持回路が開発されてきたが、ソレノイドに発生する逆起電力が印加電圧の低減を妨げていた。
【００３５】
図１の保持回路１において、ソレノイド３（本願請求項の「ソレノイド」の一例）と直列に、電源電圧がＶであり直流電流を供給する直流電源５（本願請求項の「電源」の一例）と、導通状態（本願請求項の「オン状態」の一例）と非導通状態（本願請求項の「オフ状態」の一例）を切り換えてソレノイド３に流れる電流の有無を切り替える第１スイッチ７（本願請求項の「第１切替手段」の一例）と、抵抗９（本願請求項の「抵抗」の一例）とが接続されている。抵抗９と並列に第２スイッチ１１（本願請求項の「第２切替手段」の一例）及びコンデンサ１３（本願請求項の「コンデンサ」の一例）が接続されている。第２スイッチ１１は、第１スイッチ７が導通状態になってから（オンしてから）一定時間後に導通状態（オン）から非導通状態（オフ）となる。コンデンサ１３は、第２スイッチ１１が非導通状態となった後に、ソレノイド３に印加される電圧が定格電圧から保持電圧へ移行する速度を緩和してソレノイド３における逆起電力を吸収する。また、ソレノイド３と並列にダイオード１５が接続されている。
【００３６】
なお、ダイオード１５は、ソレノイド３の逆起電力に起因する第１スイッチ７及び第２スイッチ１１の故障を防止するためのものである。ただし、接続しないとすることもできる。
【００３７】
図１のコンデンサ１３の動作を具体的に説明するため、まず、これが存在しない場合である図７の従来の保持回路５１の動作について具体的に説明する。図７の保持回路５１において、ソレノイド５３、直流電源５５、第１スイッチ５７、抵抗５９、第２スイッチ６１及びダイオード６３は、それぞれ、図１のソレノイド３、直流電源５、第１スイッチ７、抵抗９、第２スイッチ１１、ダイオード１５に対応する。
【００３８】
図８及び図９を参照して、図７の従来の保持回路５１の動作について具体的に説明する。図８のグラフは、保持回路５１において、電圧の経時変化を示すグラフである。横軸は経過時間、縦軸は電圧の大きさを示す。図９のグラフは、保持回路５１において、ソレノイド５３の印加電圧−磁束密度の関係を示すグラフである。
【００３９】
図８において、時刻ｔ00において第１スイッチ５７がオン（Ｄ点）となった時に、第２スイッチ６１がオンであり、ソレノイド５３に直流電源５５の全電圧Ｖが印加される。このとき、ソレノイド５３には定格電圧Ｖｒが印加されて、電磁弁として駆動する（Ａ点）。時刻ｔ01において、第２スイッチ６１がタイマー機能によりオフとなり（Ａ´点）、電源電圧Ｖが抵抗５９にも分散して印加される。このとき、ソレノイド５３に流れる電流の急激な減少に伴い、ソレノイド５３に逆起電力が生じる。その結果、ソレノイド５３に印加される電圧は保持電圧Ｖｈよりも大きく減少する（ｂ点）。その後、時刻ｔ02において、電圧は保持電圧Ｖｈまで回復する（Ｂ´点）。時刻ｔ03において、第１スイッチ５７をオフとすると（Ｃ点）、再びソレノイド３３に逆起電力が生じ（Ｃ´点）、その後ソレノイドへの印加電圧はゼロとなる（Ｄ´点）。
【００４０】
図９は、この駆動サイクルにおけるソレノイド５３の磁束密度変化を示す。定格電圧が印加されて励磁された（Ａ（Ａ´）点）後、第２スイッチ６１がオフとなる。ここで、本来なら電磁弁としての機能を安定に保持できるＢ点にとどまることが理想的だが、ソレノイド５３に生じた逆起電力のためにいったんｂ点まで磁束密度が減少してしまう。そこから電圧がＶｈに回復するのに伴って磁束密度もＢ点まで回復しようとするが、実際にはＢ´点でとどまってしまう。すなわち、消滅した磁束密度は完全には回復しない。
【００４１】
このように、図７の従来の保持回路５１では、図８のＡ´―ｂ−Ｂ´に示すように、第２スイッチ６１の非導通状態への移行時にソレノイド５３において逆起電力が発生する。そして、図９に示すように、消滅した磁束密度は完全には回復せず、電磁弁の保持力が低下してしまっていた。
【００４２】
続いて、図１の本願発明の実施例に係る保持回路１について、保持回路１の特徴であるコンデンサ１３を中心に説明する。
【００４３】
コンデンサ１３は、第１スイッチ７及び第２スイッチ１１の導通状態では、電荷が全く充電されていない。第２スイッチ１１がオフとなった瞬間には抵抗ゼロで充電が開始され、フル充電されると抵抗無限大となる。すなわち、コンデンサ１３は、抵抗ゼロから無限大まで抵抗値が徐々に増大する可変抵抗とみることができる。第２スイッチ１１が非導通状態となった後に、抵抗ゼロから十分大きくなるまでの変化により、ソレノイド３に印加される電圧が定格電圧から保持電圧へ移行する速度を緩和してソレノイド３における逆起電力を吸収する。
【００４４】
コンデンサ１３の容量は、ソレノイド３における大規模な逆起電力をコンデンサ１３が吸収するために、ソレノイド３のインダクタンスに見合う容量が必要不可欠である。ソレノイド３の逆起電力によって生じる電流ＩLは、式（２）で表される。ここで、ＴLはソレノイド３の時定数であり、定数Ｉ０、ソレノイド３のインダクタンスＬ及びソレノイド３に固有の等価抵抗成分ｒＬを用いて式（３）で表される。
【００４５】
また、コンデンサ１３が吸収する電流は、式（４）で表される。ここで、ＴCはコンデンサ１３の時定数であり、定数Ｉ１、コンデンサ１３の容量Ｃ及びコンデンサ１３に固有の等価抵抗成分ｒＣを用いて式（５）で表される。
【００４６】
【数２】
【００４７】
ソレノイド３の逆起電力をコンデンサ１３が吸収するには、コンデンサ１３の時定数Ｔｃがソレノイド３の時定数ＴＬよりも大きいことが必要である。すなわち、式（６）を満たす必要がある。式（３）、式（５）及び式（６）より、式（７）が成立する。そして、式（７）をＣについて整理すると、式（８）が成立する。
【００４８】
【数３】
【００４９】
実務上、コンデンサ１３の容量を決定するためには、例えば、使用するソレノイド３のインダクタンス、等価抵抗成分ｒＣ、等価抵抗成分ｒＬをテスターなどで計測し、得られたインダクタンスに見合ったコンデンサを用意すればよい。
【００５０】
以下では、コンデンサ１３の動作など、図７の保持回路５１の動作とは異なる点を中心に、図２及び図３を参照して説明する。図２の上のグラフは、第１切替手段７のオン・オフの経時変化を示す。図２の下のグラフは、ソレノイド３に印加される電圧を示す。横軸は経過時間、縦軸は電圧の大きさを示す。図３は、図１の保持回路において、ソレノイドの印加電圧−磁束密度の関係を示すグラフである。
【００５１】
＜電磁弁の駆動＞
図２を参照して、電磁弁の駆動時である時刻ｔ0において、第１スイッチ７がオン（Ｄ点）となった時に、第２スイッチ１１がオンであり、ソレノイド３に電源電圧Ｖが全て定格電圧として印加される。このとき、ソレノイド３には定格電圧Ｖｒが印加されて、電磁弁として駆動する（Ａ点）。
【００５２】
＜電磁弁の保持＞
その後、時刻ｔ1において、第２スイッチ１１がタイマー機能によりオフになると（Ａ´）、抵抗９にも電圧が分散して印加され、保持電圧は定格電圧よりも小さくなる。ソレノイド３に印加される電圧が定格電圧から保持電圧へと減少する際の動作について説明する。
【００５３】
第２スイッチ１１がタイマー機能によりオフになると、抵抗９及びコンデンサ１３にも電圧が印加されることにより、コンデンサ１３に充電され始める。コンデンサ１３が充電される間は、電流にとってのコンデンサ１３の抵抗値は緩やかに上昇する。そのため、並列に接続されている抵抗９及びコンデンサ１３への分圧は緩やかに上昇する。その間、ソレノイド３への分圧は緩やかに減少し、電流の減少は緩やかなものとなる。
【００５４】
ソレノイド３において生じうる逆起電力は一般に大きい。しかし、コンデンサ１３の容量は、式（８）に基づいて決定されており、ソレノイド３の逆起電力を吸収するのに十分な容量である。
【００５５】
結果として、逆起電力が抑制されてソレノイド３に印加される電圧は、時刻ｔ1から時刻ｔ2にかけて、Ａ´からＢへとゆるやかに減少する。そのため、保持回路１においては、保持電圧Ｖｈを小さくでき、電磁弁からの発熱を抑えるとともに省電力を図ることが容易となる。保持電圧Ｖｈを最低保持電圧にまで低減して設定することも可能である。
【００５６】
さらに、図３は、保持回路１を用いた駆動サイクルにおけるソレノイド３の磁束密度変化を示すグラフである。定格電圧Ｖｒが印加されて励磁された（Ａ（Ａ´）点）後、第２切替手段１１がオフとなる。保持回路１においては、ソレノイド３で逆起電力の発生が抑制されるため、磁束密度の減少は電磁弁の機能を安定に保持できるＢ点でとどまる。このように、図１の保持回路１では、磁束密度の消滅は生じない。
【００５７】
保持回路１と保持回路５１の比較のために、一例として、図７における直流電源５５として２４Ｖの直流電源、ソレノイド５３として高砂電気株式会社のＳＴＶ−２−Ｍ６ＫＧ ＤＣ２４Ｖのソレノイドを用いて、抵抗５９を変化させたときにソレノイド５３が電磁弁としての機能を保持できるか否かのテストを行った。その結果、抵抗５９として８２０Ωの抵抗を用いた場合、通常印加される５．７Ｖ程度の電圧が図８における保持電圧Ｖｈとしてソレノイド５３に印加され、電磁弁としての機能が確実に保持された。１６４０Ωの抵抗を用いた場合には、保持電圧として３．２８Ｖがソレノイド５３に印加され、かろうじて保持されていた。しかし、１６９０Ωの抵抗を用いた場合、保持電圧として３．１８Ｖがソレノイド５３に印加されたが、ソレノイド５３は電磁弁としての機能を保持できなかった。また、１７４０Ωの抵抗を用いた場合、保持電圧として３．１０Ｖが印加され、やはり保持できなかった。
【００５８】
一方、図１において、直流電源５として２４Ｖの直流電源、ソレノイド３として高砂電気株式会社のＳＴＶ−２−Ｍ６ＫＧ ＤＣ２４Ｖのソレノイド、さらにコンデンサ１３として１０００μＦのコンデンサを用いて、同様のテストを行った。その結果、抵抗９として１６９０Ωの抵抗を用いた場合にも、ソレノイド３の保持電圧Ｖｈは緩やかに３．１８Ｖに落ち着き、電磁弁としての機能を保持した。さらに、抵抗９として１７４０Ωの抵抗を用いた場合にも、ソレノイド３の保持電圧は緩やかに３．０９Ｖに落ち着き、同じく電磁弁としての機能を保持した。
【実施例２】
【００５９】
続いて、本願発明に係る保持回路の別の実施例について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、本願発明の別の実施の形態に係る保持回路７１を示す回路図である。図５は、保持回路７１において、電圧及び電流の経時変化を示すグラフである。以下、保持回路７１について、保持回路１とは異なる点を中心に説明する。
【００６０】
保持回路７１は、第２スイッチ１１の代わりにコンデンサ８１（本願請求項の「第２コンデンサ」の一例）を備える。コンデンサ８１は、コンデンサ１３に対応するコンデンサ８３（本願請求項の「コンデンサ」の別の一例）とは異なるものであり、コンデンサ８３と並列に接続されている。また、コンデンサ８１の容量は、コンデンサ８３の容量よりも大きいものである。
【００６１】
また、保持回路７１は、第１スイッチ７に対応するスイッチの代わりにコンタクタ７７（本願請求項の「コンタクタ」の一例）を備える。コンタクタ７７は、３つの接点を有しており、それぞれ、コンデンサ８１に接続された第１接点８９（本願請求項の「第１接点」の一例）と、直流電源７５（本願請求項の「電源」の別の一例）に接続された第２接点９１（本願請求項の「第２接点」の一例）と、ソレノイド７３（本願請求項の「ソレノイド」の別の一例）に接続された第３接点９３（本願請求項の「第３接点」の一例）である。コモン接点である第１接点８９は、直流電源７５が電圧を印加する際には第２接点９１に接続される。また、第１接点８９は、直流電源７５が電圧を印加しない際には、第３接点９３に接続される。
【００６２】
さらに、保持回路７１は、第３接点９３とソレノイド７３との間に抵抗８７（本願請求項の「放電抵抗」の一例）を備える。抵抗８７は、コンデンサ８１を速やかに放電させるための抵抗である。
【００６３】
続いて、保持回路７１の動作について説明する。
【００６４】
＜電磁弁の駆動＞
時刻ｔ１０にコンタクタ７７が第１接点８９と第２接点９１を接続すると、その直後にソレノイド７３に定格電圧が印加されて、時刻ｔ１１にかけて電磁弁が駆動する（Ａ点―Ａ´点）。ここで、ｔ１０からｔ１１は、非常に短い時間である。この間、コンデンサ８１及びコンデンサ８３は、電流を抵抗なく流す状態（本願請求項の「オン状態」の別の一例）であり、コンデンサ８１及びコンデンサ８３に流れる電流の和ｉＣは、ソレノイド７３の定格電流である。
【００６５】
＜電磁弁の保持＞
時刻ｔ１１の後、コンデンサ８１及びコンデンサ８３に電荷が充電され始め、コンデンサ８１及びコンデンサ８３は、電流に対する可変抵抗として機能し始める。逆起電力が吸収されながらソレノイド７３に印加される電圧は緩やかに減少する（Ａ´点―Ｂ点）。コンデンサ８１及びコンデンサ８３が完全に充電された時刻ｔ１２以後は、コンデンサ８１及びコンデンサ８３に電流は全く流れない状態となる（本願請求項の「オフ状態」の別の一例）。このとき、ソレノイド７３には保持電圧Ｖｈにより電磁弁が保持される。
【００６６】
＜電磁弁の復帰〜放電＞
時刻ｔ１３にコンタクタ７７が第１接点８９と第２接点９３を接続すると、直流電源７５を含まずに、コンデンサ８１及びソレノイド７３を含む閉回路が形成される。この閉回路では、ソレノイド７３、コンデンサ８１、第１接点８９、第３接点９３、抵抗８７が順に接続されている。したがって、コンデンサ８１及びコンデンサ８３に充電された電荷が閉回路に放電される。時刻ｔ１２以後にコンデンサ８１及びコンデンサ８３に印加されていた電圧（Ｖｒ−Ｖｈ）は、ソレノイド７３に印加されていた保持電圧Ｖｈよりも十分に大きい。そのため、ソレノイド７３の逆起電力は緩和され、ソレノイド７３に印加されていた電圧は緩やかに減少し、電磁弁は元の状態に戻る（Ｃ点―Ｄ´点）。
【００６７】
ここで、コンデンサ８１及びコンデンサ８３が完全に放電される前に、再び電磁弁を駆動するために第１接点８９及び第２接点９１が接続されると、コンデンサ８３がスイッチ１１に代わる役割を果たせない。したがって、これらのコンデンサが速やかに放電されることが重要である。
【００６８】
そこで、第３接点９３とソレノイド７３の間に、放電抵抗８７を設置した。放電抵抗８７は、抵抗７９よりも抵抗値が小さいものを用いる。すると、放電抵抗８７を含む閉回路に大きな放電電流が流れる。このため、コンデンサ８１又はコンデンサ８３と抵抗７９とを含む閉回路のみで放電される場合と比べて、コンデンサ８１及びコンデンサ８３に蓄積された電荷の放電が促進される。
【００６９】
ここで、ソレノイド７３は、放電を減速してしまう。そこで、ダイオード８５が放電抵抗８７に直列に、かつ、ソレノイド７３と並列に接続されていることが有益となる。ダイオード８５は、直流電源７５の印加方向に対して逆方向に電流を流すように設置されており、放電電流の大部分をソレノイド７３を経由させないように迂回させるためである。したがって、保持回路１に比べて保持回路７１では、ダイオード８５は、さらに重要な役割を担っている。
【００７０】
ここで、コンデンサ８１の容量は保持回路７１の良好な動作のために重要な値である。容量が小さいと電磁弁が駆動する前にソレノイド７３への印加電圧が定格電圧Ｖｒを下回って不安定な動作となってしまう。一方、容量が大きいと保持電圧に減少するまでに要する時間（時刻ｔ１１からｔ１２まで）が増大し、ソレノイド７３の発熱量が増加してしまう。出願人は、コンデンサ８１の容量がコンデンサ８３の容量の３倍であれば極めて良好に動作することを実験により確認した。なお、コンデンサ８１とコンデンサ８３は、実装上は１つのコンデンサとして実現されてもよい。
【００７１】
また、出願人は、放電抵抗８７の抵抗値は、コンデンサの放電を開始した時にソレノイド７３の定格電流の２倍の電流が流れる抵抗値であれば極めて良好に動作することも実験により確認した。
【００７２】
保持回路７１は、タイマー機能を要する第２スイッチ１１をコンデンサ８１に置き換え、時刻ｔ１０から時刻ｔ１１は第２スイッチ１１がオンである状態に対応する。また、時刻ｔ１１以後は、第２スイッチ１１がオフである状態に対応する。この結果、タイマー回路が不要となる。このため、保持回路の回路サイズ、故障確率、製作コストを低減させることが可能となる。
【００７３】
なお、実施例１及び２において、上記の個々の回路素子の値は、保持回路の保持機能を確認するための一例であり、実際の値を決める上では、適宜、装置設計に合わせて別の値とすればよい。
【実施例３】
【００７４】
続いて、図６を参照して、図１の保持回路１又は図４の保持回路７１を用いた流体移送装置について説明する。図６は、図１の保持回路１を備えた流体移送装置３１の概要を示すブロック図である。
【００７５】
流体移送装置３１は、流体を移送する流体移送部３３と、流体移送部３３の流体移送動作を制御する流体移送制御部３５とを備える。流体移送部３３は、バルブセレクタ３７と流路３９とを備える。バルブセレクタ３７は、複数の流体の流路３９への流入及び流路３９からの流出を制御する。また、バルブセレクタ３７は、図１に示される保持回路１１と、電磁弁４１１とを備える。保持回路１１は、電磁弁４１１を制御し、低い保持電圧によって電磁弁としての動作を保持させる。ここで、保持回路１１の代わりに、保持回路７１１を用いるものであってもよい。
【００７６】
また、流体移送部３３は、バルブセレクタ３７部分以外にも保持回路１２及び電磁弁４１２を有するものであってもよい。保持回路１２は、電磁弁４１２を制御し、低い保持電圧によって電磁弁としての動作を保持させる。ここで、保持回路１２の代わりに、保持回路７１２を用いるものであってもよい。
【００７７】
このように発熱が抑制された電磁弁を用いたバルブセレクタ又は流体移送装置において、電磁弁に１日中通電していても電磁弁は体温程度にしか温度が上昇しない。したがって、流体中の抗体にダメージを与えずに流体を移送することが可能となった。
【符号の説明】
【００７８】
１ 保持回路、３ ソレノイド、５ 電源、７ 第１スイッチ、９ 抵抗、１１ 第２スイッチ、１３ コンデンサ、１５ ダイオード、３１ 流体移送装置、３７ バルブセレクタ、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、保持回路、電磁弁、バルブセレクタ及び流体移送装置に関し、特に、ソレノイドに対して、定格電圧で駆動した後、定格電圧よりも低い保持電圧を印加して駆動状態を保持させる保持回路等を用いた省発熱、省電力に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
電磁弁の発熱は、一般に望ましくない。そのため、従来より、電磁弁の発熱低減・省電力が図られてきた。例えば、図７に示す従来の保持回路５１では、ソレノイド５３と直列に抵抗５９を接続することにより定格電圧を保持電圧に低下させる。また、図８は、図７のソレノイド５３における電圧の経時変化を示し、図９は、ソレノイド５３の印加電圧−磁束密度の関係を示すグラフである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
インダクタンスを有するソレノイドは、急激な電流変化に伴い、過渡現象として自己誘電作用による大きな逆起電力を生じる。逆起電力の大きさは、電流の変化速度に比例する。
【０００４】
図８の曲線Ａ´―ｂ−Ｂ´に示すように、ソレノイドに印加される電圧が定格電圧Ｖｒから保持電圧Ｖｈへと低下する際の電流変化の際に逆起電力が生じ、ソレノイドへの印加電圧が電磁弁としての機能を保持するのに必要な電圧（最低保持電圧）Ｖｈｍｉｎを下回る恐れがある。そのため、保持電圧Ｖｈを高めに設定して、逆起電力によって過渡的に電圧が大きく低下しても最低保持電圧を下回らせないようにしている。
【０００５】
しかしながら、保持電圧を高めに設定するため、電磁弁の発熱低減も省電力も不十分となっていた。さらに、発熱低減が不十分であるため、例えば、バルブセレクタ又は流体移送装置に用いられる電磁弁の発熱が移送流体中の抗体を死滅させないように、電磁弁に短時間だけ通電する運用がなされていた。このように、電磁弁に継続的に通電する運用ができないことで、バルブセレクタ又は流体移送装置の活用が制限されていた。
【０００６】
さらに、図９に示すように、ソレノイド５３に生じた逆起電力のためにいったんｂ点まで磁束密度が減少してしまう。そこから電圧が保持電圧Ｖｈに回復するのに伴って磁束密度もＢ点まで回復しようとするが、実際にはＢ´点でとどまってしまう。このように、消滅した磁束密度は完全には回復せずに、電磁弁の保持力が低下してしまっていた。
【０００７】
ゆえに、本願発明は、従来の回路構成を維持しつつ、ソレノイドにおける逆起電力の発生を抑制し、さらに、磁束密度の消滅防止を可能とする保持回路等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、直列に接続されたソレノイド及び抵抗を備え、前記ソレノイドに対して、定格電圧で駆動した後、前記定格電圧よりも低い保持電圧を印加して駆動状態を保持させる保持回路であって、前記ソレノイド及び前記抵抗に直列に接続され、前記ソレノイドを駆動するか否かを切り替える第１切替手段と、前記抵抗に並列に接続され、前記第１切替手段により前記定格電圧で駆動されてから所定の時間経過後に、オン状態からオフ状態となる第２切替手段と、前記抵抗に並列に接続され、前記ソレノイドの時定数よりも大きな時定数を有し、前記第２切替手段がオフ状態となった後に、前記ソレノイドに印加される電圧が前記定格電圧から前記保持電圧へ移行する速度を緩和して前記ソレノイドにおける逆起電力を吸収するコンデンサを備える。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の保持回路であって、前記コンデンサの容量Ｃは、前記コンデンサの等価抵抗成分ｒＣ、前記ソレノイドの等価抵抗成分ｒＬ及び前記ソレノイドのインダクタンスＬに対して、式（１）を満たすことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項２記載の保持回路であって、前記第２切替手段は、前記コンデンサと並列に接続されたコンデンサである第２コンデンサであって、前記第２コンデンサの容量Ｃ２は、前記コンデンサの容量Ｃよりも大きいことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明は、請求項３記載の保持回路であって、前記第１切替手段は、３つの接点を有するコンタクタであって、前記３つの接点のうち、第１接点は、前記第２コンデンサに接続され、第２接点は、前記定格電圧を印加する電源に接続され、第３接点は、前記ソレノイドに接続され、前記コンタクタは、前記第１接点と前記第２接点を接続することにより、前記第２コンデンサの充電を開始し、前記第１接点と前記第３接点を接続することにより、前記電源を含まずに、前記第２コンデンサ及び前記ソレノイドを含む閉回路を形成するものであり、前記閉回路の前記第３接点と前記ソレノイドとの間に、前記抵抗とは異なる放電抵抗を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項４記載の保持回路であって、前記電源の印加方向に対して逆方向に電流を流すダイオードをさらに備え、前記ダイオードは、前記放電抵抗とは直列に接続され、かつ、前記ソレノイドとは並列に接続され、前記放電抵抗の抵抗値は、前記抵抗の抵抗値よりも小さいことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明は、請求項１から５のいずれかに記載の保持回路を用いて制御される電磁弁である。
【００１４】
請求項７に係る発明は、請求項６記載の電磁弁を備えるバルブセレクタである。
【００１５】
請求項８に係る発明は、請求項６記載の電磁弁又は請求項７記載のバルブセレクタを備える流体移送装置である。
【００１６】
【数１】
【発明の効果】
【００１７】
本願各請求項に係る発明によれば、抵抗と並列に存在するコンデンサがソレノイドに生じる逆起電力を吸収し、ソレノイドに印加される電圧を定格電圧から保持電圧へとなだらかに減少させる。このため、例えば、ソレノイドに印加される電圧を最低保持電圧の値以上に保ちつつ保持電圧を下げることが可能となり、保持電圧を最低保持電圧にまで低減することも可能となる。また、逆起電力の発生が抑制されるため、磁束密度の減少は電磁弁の機能を安定に保持できる点でとどまり、磁束密度の消滅は生じない。
【００１８】
なお、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているように、単に、ソレノイドと並列にダイオードを備え、抵抗と並列にコンデンサを備える回路は知られている。
【００１９】
しかしながら、特許文献１において、コンデンサＣ１はタイマー機能を実現するためのものである。コンデンサＣ２は、特許文献１の明細書中に記載の通り、異常発振を防止して、トランジスタＱ１を保護するためのものである。そのため、通常は１μＦ以下程度の小容量のコンデンサが用いられる。このように、特許文献１のコンデンサＣ１及びＣ２の容量は、ソレノイドのインダクタンスとは無関係に決定されるものである。一方、本願発明のコンデンサは、特許文献１記載のコンデンサとは回路における役割が異なるものであり、その容量は、ソレノイドが発生させる過渡的な大規模逆起電力を吸収するため、ソレノイド及び抵抗との関係で決定されるものである。
【００２０】
また、特許文献２は、作動のスピードアップを達成するためのものであり（すなわち、特許文献２における第３図の曲線ａ、ｂを曲線ｃに近づけるためのものであり）、本願発明の目的であるソレノイドにおける逆起電力の抑制という課題解決には直接的な関連性がないものである。
【００２１】
特許文献２の第３図曲線ｃでは、逆起電力が生じていないようにも見える。しかし、これは、ソレノイドに並列に接続されるダイオードにより生じるものである。特許文献２記載のコンデンサは、特許文献１のコンデンサＣ１と同様に、遅延回路として、トランジスタを制御するものである。よって、特許文献２記載のコンデンサは、ソレノイドに印加される電圧を制御するためのものではない。特許文献２記載のコンデンサもまた、本願発明のコンデンサとは回路における役割が異なるものである。
【００２２】
本願各請求項に係る発明によれば、大幅な回路構成の変更を要せずに、逆起電力の抑制を可能とすることができる。
【００２３】
また、本願請求項２に係る発明によれば、式（１）に基づいてソレノイドの逆起電力を抑制するコンデンサの値を定めることが可能となる。
【００２４】
さらに、本願請求項３に係る発明によれば、第２切替手段としてコンデンサよりも容量の大きな第２コンデンサを用いる。そのため、電磁弁を駆動させるために十分な時間を確保することができ、タイマー回路なしにタイマー機能を実現することが可能となる。したがって、タイマー回路を要する場合と比べて、保持回路の回路サイズ、故障確率、製作コストを低減させることがさらに容易となる。
【００２５】
さらに、本願請求項４に係る発明によれば、電源を切ったときに第２コンデンサ及びソレノイドを含む閉回路が形成される。したがって、定格電圧から保持電圧に下げる際に加えて、電源を切った際にもソレノイドに発生する逆起電力を緩和することが可能となる。
【００２６】
ここで、コンデンサ及び第２コンデンサが完全に放電される前に、再び電磁弁を駆動するために第１接点及び第２接点が接続されると、第２コンデンサが第２スイッチに代わる役割を果たせない。したがって、電源を切った際にはコンデンサ及び第２コンデンサが速やかに放電されることが重要である。
【００２７】
そこで、本願請求項４に係る発明によれば、コンタクタが電源による電圧印加を停止させたときに、第２コンデンサ及び抵抗を含む閉回路だけでなく、第２コンデンサ及びソレノイドを含む閉回路も形成されることとなる。このため、第２コンデンサを速やかに放電させることが容易となる。
【００２８】
さらに、本願請求項５に係る発明によれば、第２接点に接続された放電抵抗の抵抗値は、第１接点に接続された抵抗の抵抗値よりも小さい。しかも、ダイオードが、放電の際に流れる電流にできるだけソレノイドを迂回させる。したがって、コンデンサ及び第２コンデンサに蓄積した電荷を速やかに放電させることがさらに容易となる。
【００２９】
さらに、本願請求項６に係る発明によれば、保持電圧が従来よりも低い電磁弁が実現可能となる。また、本願請求項７及び８によれば、そのような電磁弁を用いたバルブセレクタ及び流体移送装置がそれぞれ実現可能となる。したがって、本願請求項８に係る発明によれば、電磁弁の発熱を低減することにより、移送される流体が加熱されることを抑制でき、長時間通電することも可能な電磁弁を備えたバルブセレクタ又は流体移送装置を実現できる。このため、バルブセレクタ又は流体移送装置の活用の幅が広がり、例えば抗体を含む流体のような熱に弱い流体へのダメージを低減しつつ移送することが容易となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】特開平３−２７７８８４号公報
【特許文献２】特開昭４９−７８２２５号公報
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本願発明の実施の形態に係る保持回路を示す回路図である。
【図２】図１の保持回路において、電圧の経時変化を示すグラフである。
【図３】図１の保持回路において、ソレノイドの印加電圧−磁束密度の関係を示すグラフである。
【図４】本願発明の別の実施の形態に係る保持回路を示す回路図である。
【図５】図４の保持回路において、電圧及び電流の経時変化を示すグラフである。
【図６】図１又は図４の保持回路を備えた流体移送装置の概要を示すブロック図である。
【図７】従来の保持回路を示す回路図である。
【図８】図７の保持回路において、電圧の経時変化を示すグラフである。
【図９】図７の保持回路において、ソレノイドの印加電圧−磁束密度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明は、実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３３】
図１は、本願発明の実施例に係る保持回路１を示す回路図である。図２は、図１の保持回路１において、電圧の経時変化を示すグラフである。
【００３４】
流体を移送する流体移送装置には、一般に、流体を種類ごとに移送するために用いるバルブセレクタが備えられている。バルブセレクタにおいては、流体を通す管での開閉制御に電磁弁が広く用いられている。図１の保持回路１におけるソレノイド３は、例えば、電磁弁として用いられるものである。電磁弁として用いられるソレノイドは、弁として駆動させるための定格電圧が印加された後、電磁弁の開閉を保持するための保持電圧として、定格電圧よりも小さい電圧が印加される。ソレノイドは、例えば消費電力１Ｗのものであれば、定格電圧で１分半ほど通電すると８０℃程度の高温となってしまう。抗体を含む流体を流体移送装置で移送する場合、このような電磁弁を用いたとすれば、電磁弁の発熱によってバルブセレクタが高温となり、移送される抗体が死滅する恐れがある。バルブセレクタの加熱を招くほかにも、電磁弁の発熱は一般に望ましくない。したがって、ソレノイドへの印加電圧を低減する保持回路が開発されてきたが、ソレノイドに発生する逆起電力が印加電圧の低減を妨げていた。
【００３５】
図１の保持回路１において、ソレノイド３（本願請求項の「ソレノイド」の一例）と直列に、電源電圧がＶであり直流電流を供給する直流電源５（本願請求項の「電源」の一例）と、導通状態（本願請求項の「オン状態」の一例）と非導通状態（本願請求項の「オフ状態」の一例）を切り換えてソレノイド３に流れる電流の有無を切り替える第１スイッチ７（本願請求項の「第１切替手段」の一例）と、抵抗９（本願請求項の「抵抗」の一例）とが接続されている。抵抗９と並列に第２スイッチ１１（本願請求項の「第２切替手段」の一例）及びコンデンサ１３（本願請求項の「コンデンサ」の一例）が接続されている。第２スイッチ１１は、第１スイッチ７が導通状態になってから（オンしてから）一定時間後に導通状態（オン）から非導通状態（オフ）となる。コンデンサ１３は、第２スイッチ１１が非導通状態となった後に、ソレノイド３に印加される電圧が定格電圧から保持電圧へ移行する速度を緩和してソレノイド３における逆起電力を吸収する。また、ソレノイド３と並列にダイオード１５が接続されている。
【００３６】
なお、ダイオード１５は、ソレノイド３の逆起電力に起因する第１スイッチ７及び第２スイッチ１１の故障を防止するためのものである。ただし、接続しないとすることもできる。
【００３７】
図１のコンデンサ１３の動作を具体的に説明するため、まず、これが存在しない場合である図７の従来の保持回路５１の動作について具体的に説明する。図７の保持回路５１において、ソレノイド５３、直流電源５５、第１スイッチ５７、抵抗５９、第２スイッチ６１及びダイオード６３は、それぞれ、図１のソレノイド３、直流電源５、第１スイッチ７、抵抗９、第２スイッチ１１、ダイオード１５に対応する。
【００３８】
図８及び図９を参照して、図７の従来の保持回路５１の動作について具体的に説明する。図８のグラフは、保持回路５１において、電圧の経時変化を示すグラフである。横軸は経過時間、縦軸は電圧の大きさを示す。図９のグラフは、保持回路５１において、ソレノイド５３の印加電圧−磁束密度の関係を示すグラフである。
【００３９】
図８において、時刻ｔ00において第１スイッチ５７がオン（Ｄ点）となった時に、第２スイッチ６１がオンであり、ソレノイド５３に直流電源５５の全電圧Ｖが印加される。このとき、ソレノイド５３には定格電圧Ｖｒが印加されて、電磁弁として駆動する（Ａ点）。時刻ｔ01において、第２スイッチ６１がタイマー機能によりオフとなり（Ａ´点）、電源電圧Ｖが抵抗５９にも分散して印加される。このとき、ソレノイド５３に流れる電流の急激な減少に伴い、ソレノイド５３に逆起電力が生じる。その結果、ソレノイド５３に印加される電圧は保持電圧Ｖｈよりも大きく減少する（ｂ点）。その後、時刻ｔ02において、電圧は保持電圧Ｖｈまで回復する（Ｂ´点）。時刻ｔ03において、第１スイッチ５７をオフとすると（Ｃ点）、再びソレノイド３３に逆起電力が生じ（Ｃ´点）、その後ソレノイドへの印加電圧はゼロとなる（Ｄ´点）。
【００４０】
図９は、この駆動サイクルにおけるソレノイド５３の磁束密度変化を示す。定格電圧が印加されて励磁された（Ａ（Ａ´）点）後、第２スイッチ６１がオフとなる。ここで、本来なら電磁弁としての機能を安定に保持できるＢ点にとどまることが理想的だが、ソレノイド５３に生じた逆起電力のためにいったんｂ点まで磁束密度が減少してしまう。そこから電圧がＶｈに回復するのに伴って磁束密度もＢ点まで回復しようとするが、実際にはＢ´点でとどまってしまう。すなわち、消滅した磁束密度は完全には回復しない。
【００４１】
このように、図７の従来の保持回路５１では、図８のＡ´―ｂ−Ｂ´に示すように、第２スイッチ６１の非導通状態への移行時にソレノイド５３において逆起電力が発生する。そして、図９に示すように、消滅した磁束密度は完全には回復せず、電磁弁の保持力が低下してしまっていた。
【００４２】
続いて、図１の本願発明の実施例に係る保持回路１について、保持回路１の特徴であるコンデンサ１３を中心に説明する。
【００４３】
コンデンサ１３は、第１スイッチ７及び第２スイッチ１１の導通状態では、電荷が全く充電されていない。第２スイッチ１１がオフとなった瞬間には抵抗ゼロで充電が開始され、フル充電されると抵抗無限大となる。すなわち、コンデンサ１３は、抵抗ゼロから無限大まで抵抗値が徐々に増大する可変抵抗とみることができる。第２スイッチ１１が非導通状態となった後に、抵抗ゼロから十分大きくなるまでの変化により、ソレノイド３に印加される電圧が定格電圧から保持電圧へ移行する速度を緩和してソレノイド３における逆起電力を吸収する。
【００４４】
コンデンサ１３の容量は、ソレノイド３における大規模な逆起電力をコンデンサ１３が吸収するために、ソレノイド３のインダクタンスに見合う容量が必要不可欠である。ソレノイド３の逆起電力によって生じる電流ＩLは、式（２）で表される。ここで、ＴLはソレノイド３の時定数であり、定数Ｉ０、ソレノイド３のインダクタンスＬ及びソレノイド３に固有の等価抵抗成分ｒＬを用いて式（３）で表される。
【００４５】
また、コンデンサ１３が吸収する電流は、式（４）で表される。ここで、ＴCはコンデンサ１３の時定数であり、定数Ｉ１、コンデンサ１３の容量Ｃ及びコンデンサ１３に固有の等価抵抗成分ｒＣを用いて式（５）で表される。
【００４６】
【数２】
【００４７】
ソレノイド３の逆起電力をコンデンサ１３が吸収するには、コンデンサ１３の時定数Ｔｃがソレノイド３の時定数ＴＬよりも大きいことが必要である。すなわち、式（６）を満たす必要がある。式（３）、式（５）及び式（６）より、式（７）が成立する。そして、式（７）をＣについて整理すると、式（８）が成立する。
【００４８】
【数３】
【００４９】
実務上、コンデンサ１３の容量を決定するためには、例えば、使用するソレノイド３のインダクタンス、等価抵抗成分ｒＣ、等価抵抗成分ｒＬをテスターなどで計測し、得られたインダクタンスに見合ったコンデンサを用意すればよい。
【００５０】
以下では、コンデンサ１３の動作など、図７の保持回路５１の動作とは異なる点を中心に、図２及び図３を参照して説明する。図２の上のグラフは、第１切替手段７のオン・オフの経時変化を示す。図２の下のグラフは、ソレノイド３に印加される電圧を示す。横軸は経過時間、縦軸は電圧の大きさを示す。図３は、図１の保持回路において、ソレノイドの印加電圧−磁束密度の関係を示すグラフである。
【００５１】
＜電磁弁の駆動＞
図２を参照して、電磁弁の駆動時である時刻ｔ0において、第１スイッチ７がオン（Ｄ点）となった時に、第２スイッチ１１がオンであり、ソレノイド３に電源電圧Ｖが全て定格電圧として印加される。このとき、ソレノイド３には定格電圧Ｖｒが印加されて、電磁弁として駆動する（Ａ点）。
【００５２】
＜電磁弁の保持＞
その後、時刻ｔ1において、第２スイッチ１１がタイマー機能によりオフになると（Ａ´）、抵抗９にも電圧が分散して印加され、保持電圧は定格電圧よりも小さくなる。ソレノイド３に印加される電圧が定格電圧から保持電圧へと減少する際の動作について説明する。
【００５３】
第２スイッチ１１がタイマー機能によりオフになると、抵抗９及びコンデンサ１３にも電圧が印加されることにより、コンデンサ１３に充電され始める。コンデンサ１３が充電される間は、電流にとってのコンデンサ１３の抵抗値は緩やかに上昇する。そのため、並列に接続されている抵抗９及びコンデンサ１３への分圧は緩やかに上昇する。その間、ソレノイド３への分圧は緩やかに減少し、電流の減少は緩やかなものとなる。
【００５４】
ソレノイド３において生じうる逆起電力は一般に大きい。しかし、コンデンサ１３の容量は、式（８）に基づいて決定されており、ソレノイド３の逆起電力を吸収するのに十分な容量である。
【００５５】
結果として、逆起電力が抑制されてソレノイド３に印加される電圧は、時刻ｔ1から時刻ｔ2にかけて、Ａ´からＢへとゆるやかに減少する。そのため、保持回路１においては、保持電圧Ｖｈを小さくでき、電磁弁からの発熱を抑えるとともに省電力を図ることが容易となる。保持電圧Ｖｈを最低保持電圧にまで低減して設定することも可能である。
【００５６】
さらに、図３は、保持回路１を用いた駆動サイクルにおけるソレノイド３の磁束密度変化を示すグラフである。定格電圧Ｖｒが印加されて励磁された（Ａ（Ａ´）点）後、第２切替手段１１がオフとなる。保持回路１においては、ソレノイド３で逆起電力の発生が抑制されるため、磁束密度の減少は電磁弁の機能を安定に保持できるＢ点でとどまる。このように、図１の保持回路１では、磁束密度の消滅は生じない。
【００５７】
保持回路１と保持回路５１の比較のために、一例として、図７における直流電源５５として２４Ｖの直流電源、ソレノイド５３として高砂電気株式会社のＳＴＶ−２−Ｍ６ＫＧ ＤＣ２４Ｖのソレノイドを用いて、抵抗５９を変化させたときにソレノイド５３が電磁弁としての機能を保持できるか否かのテストを行った。その結果、抵抗５９として８２０Ωの抵抗を用いた場合、通常印加される５．７Ｖ程度の電圧が図８における保持電圧Ｖｈとしてソレノイド５３に印加され、電磁弁としての機能が確実に保持された。１６４０Ωの抵抗を用いた場合には、保持電圧として３．２８Ｖがソレノイド５３に印加され、かろうじて保持されていた。しかし、１６９０Ωの抵抗を用いた場合、保持電圧として３．１８Ｖがソレノイド５３に印加されたが、ソレノイド５３は電磁弁としての機能を保持できなかった。また、１７４０Ωの抵抗を用いた場合、保持電圧として３．１０Ｖが印加され、やはり保持できなかった。
【００５８】
一方、図１において、直流電源５として２４Ｖの直流電源、ソレノイド３として高砂電気株式会社のＳＴＶ−２−Ｍ６ＫＧ ＤＣ２４Ｖのソレノイド、さらにコンデンサ１３として１０００μＦのコンデンサを用いて、同様のテストを行った。その結果、抵抗９として１６９０Ωの抵抗を用いた場合にも、ソレノイド３の保持電圧Ｖｈは緩やかに３．１８Ｖに落ち着き、電磁弁としての機能を保持した。さらに、抵抗９として１７４０Ωの抵抗を用いた場合にも、ソレノイド３の保持電圧は緩やかに３．０９Ｖに落ち着き、同じく電磁弁としての機能を保持した。
【実施例２】
【００５９】
続いて、本願発明に係る保持回路の別の実施例について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、本願発明の別の実施の形態に係る保持回路７１を示す回路図である。図５は、保持回路７１において、電圧及び電流の経時変化を示すグラフである。以下、保持回路７１について、保持回路１とは異なる点を中心に説明する。
【００６０】
保持回路７１は、第２スイッチ１１の代わりにコンデンサ８１（本願請求項の「第２コンデンサ」の一例）を備える。コンデンサ８１は、コンデンサ１３に対応するコンデンサ８３（本願請求項の「コンデンサ」の別の一例）とは異なるものであり、コンデンサ８３と並列に接続されている。また、コンデンサ８１の容量は、コンデンサ８３の容量よりも大きいものである。
【００６１】
また、保持回路７１は、第１スイッチ７に対応するスイッチの代わりにコンタクタ７７（本願請求項の「コンタクタ」の一例）を備える。コンタクタ７７は、３つの接点を有しており、それぞれ、コンデンサ８１に接続された第１接点８９（本願請求項の「第１接点」の一例）と、直流電源７５（本願請求項の「電源」の別の一例）に接続された第２接点９１（本願請求項の「第２接点」の一例）と、ソレノイド７３（本願請求項の「ソレノイド」の別の一例）に接続された第３接点９３（本願請求項の「第３接点」の一例）である。コモン接点である第１接点８９は、直流電源７５が電圧を印加する際には第２接点９１に接続される。また、第１接点８９は、直流電源７５が電圧を印加しない際には、第３接点９３に接続される。
【００６２】
さらに、保持回路７１は、第３接点９３とソレノイド７３との間に抵抗８７（本願請求項の「放電抵抗」の一例）を備える。抵抗８７は、コンデンサ８１を速やかに放電させるための抵抗である。
【００６３】
続いて、保持回路７１の動作について説明する。
【００６４】
＜電磁弁の駆動＞
時刻ｔ１０にコンタクタ７７が第１接点８９と第２接点９１を接続すると、その直後にソレノイド７３に定格電圧が印加されて、時刻ｔ１１にかけて電磁弁が駆動する（Ａ点―Ａ´点）。ここで、ｔ１０からｔ１１は、非常に短い時間である。この間、コンデンサ８１及びコンデンサ８３は、電流を抵抗なく流す状態（本願請求項の「オン状態」の別の一例）であり、コンデンサ８１及びコンデンサ８３に流れる電流の和ｉＣは、ソレノイド７３の定格電流である。
【００６５】
＜電磁弁の保持＞
時刻ｔ１１の後、コンデンサ８１及びコンデンサ８３に電荷が充電され始め、コンデンサ８１及びコンデンサ８３は、電流に対する可変抵抗として機能し始める。逆起電力が吸収されながらソレノイド７３に印加される電圧は緩やかに減少する（Ａ´点―Ｂ点）。コンデンサ８１及びコンデンサ８３が完全に充電された時刻ｔ１２以後は、コンデンサ８１及びコンデンサ８３に電流は全く流れない状態となる（本願請求項の「オフ状態」の別の一例）。このとき、ソレノイド７３には保持電圧Ｖｈにより電磁弁が保持される。
【００６６】
＜電磁弁の復帰〜放電＞
時刻ｔ１３にコンタクタ７７が第１接点８９と第２接点９３を接続すると、直流電源７５を含まずに、コンデンサ８１及びソレノイド７３を含む閉回路が形成される。この閉回路では、ソレノイド７３、コンデンサ８１、第１接点８９、第３接点９３、抵抗８７が順に接続されている。したがって、コンデンサ８１及びコンデンサ８３に充電された電荷が閉回路に放電される。時刻ｔ１２以後にコンデンサ８１及びコンデンサ８３に印加されていた電圧（Ｖｒ−Ｖｈ）は、ソレノイド７３に印加されていた保持電圧Ｖｈよりも十分に大きい。そのため、ソレノイド７３の逆起電力は緩和され、ソレノイド７３に印加されていた電圧は緩やかに減少し、電磁弁は元の状態に戻る（Ｃ点―Ｄ´点）。
【００６７】
ここで、コンデンサ８１及びコンデンサ８３が完全に放電される前に、再び電磁弁を駆動するために第１接点８９及び第２接点９１が接続されると、コンデンサ８３がスイッチ１１に代わる役割を果たせない。したがって、これらのコンデンサが速やかに放電されることが重要である。
【００６８】
そこで、第３接点９３とソレノイド７３の間に、放電抵抗８７を設置した。放電抵抗８７は、抵抗７９よりも抵抗値が小さいものを用いる。すると、放電抵抗８７を含む閉回路に大きな放電電流が流れる。このため、コンデンサ８１又はコンデンサ８３と抵抗７９とを含む閉回路のみで放電される場合と比べて、コンデンサ８１及びコンデンサ８３に蓄積された電荷の放電が促進される。
【００６９】
ここで、ソレノイド７３は、放電を減速してしまう。そこで、ダイオード８５が放電抵抗８７に直列に、かつ、ソレノイド７３と並列に接続されていることが有益となる。ダイオード８５は、直流電源７５の印加方向に対して逆方向に電流を流すように設置されており、放電電流の大部分をソレノイド７３を経由させないように迂回させるためである。したがって、保持回路１に比べて保持回路７１では、ダイオード８５は、さらに重要な役割を担っている。
【００７０】
ここで、コンデンサ８１の容量は保持回路７１の良好な動作のために重要な値である。容量が小さいと電磁弁が駆動する前にソレノイド７３への印加電圧が定格電圧Ｖｒを下回って不安定な動作となってしまう。一方、容量が大きいと保持電圧に減少するまでに要する時間（時刻ｔ１１からｔ１２まで）が増大し、ソレノイド７３の発熱量が増加してしまう。出願人は、コンデンサ８１の容量がコンデンサ８３の容量の３倍であれば極めて良好に動作することを実験により確認した。なお、コンデンサ８１とコンデンサ８３は、実装上は１つのコンデンサとして実現されてもよい。
【００７１】
また、出願人は、放電抵抗８７の抵抗値は、コンデンサの放電を開始した時にソレノイド７３の定格電流の２倍の電流が流れる抵抗値であれば極めて良好に動作することも実験により確認した。
【００７２】
保持回路７１は、タイマー機能を要する第２スイッチ１１をコンデンサ８１に置き換え、時刻ｔ１０から時刻ｔ１１は第２スイッチ１１がオンである状態に対応する。また、時刻ｔ１１以後は、第２スイッチ１１がオフである状態に対応する。この結果、タイマー回路が不要となる。このため、保持回路の回路サイズ、故障確率、製作コストを低減させることが可能となる。
【００７３】
なお、実施例１及び２において、上記の個々の回路素子の値は、保持回路の保持機能を確認するための一例であり、実際の値を決める上では、適宜、装置設計に合わせて別の値とすればよい。
【実施例３】
【００７４】
続いて、図６を参照して、図１の保持回路１又は図４の保持回路７１を用いた流体移送装置について説明する。図６は、図１の保持回路１を備えた流体移送装置３１の概要を示すブロック図である。
【００７５】
流体移送装置３１は、流体を移送する流体移送部３３と、流体移送部３３の流体移送動作を制御する流体移送制御部３５とを備える。流体移送部３３は、バルブセレクタ３７と流路３９とを備える。バルブセレクタ３７は、複数の流体の流路３９への流入及び流路３９からの流出を制御する。また、バルブセレクタ３７は、図１に示される保持回路１１と、電磁弁４１１とを備える。保持回路１１は、電磁弁４１１を制御し、低い保持電圧によって電磁弁としての動作を保持させる。ここで、保持回路１１の代わりに、保持回路７１１を用いるものであってもよい。
【００７６】
また、流体移送部３３は、バルブセレクタ３７部分以外にも保持回路１２及び電磁弁４１２を有するものであってもよい。保持回路１２は、電磁弁４１２を制御し、低い保持電圧によって電磁弁としての動作を保持させる。ここで、保持回路１２の代わりに、保持回路７１２を用いるものであってもよい。
【００７７】
このように発熱が抑制された電磁弁を用いたバルブセレクタ又は流体移送装置において、電磁弁に１日中通電していても電磁弁は体温程度にしか温度が上昇しない。したがって、流体中の抗体にダメージを与えずに流体を移送することが可能となった。
【符号の説明】
【００７８】
１ 保持回路、３ ソレノイド、５ 電源、７ 第１スイッチ、９ 抵抗、１１ 第２スイッチ、１３ コンデンサ、１５ ダイオード、３１ 流体移送装置、３７ バルブセレクタ、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続されたソレノイド及び抵抗を備え、前記ソレノイドに対して、定格電圧で駆動した後、前記定格電圧よりも低い保持電圧を印加して駆動状態を保持させる保持回路であって、
前記ソレノイド及び前記抵抗に直列に接続され、前記ソレノイドを駆動するか否かを切り替える第１切替手段と、
前記抵抗に並列に接続され、前記第１切替手段により前記定格電圧で駆動されてから所定の時間経過後に、オン状態からオフ状態となる第２切替手段と、
前記抵抗に並列に接続され、前記ソレノイドの時定数よりも大きな時定数を有し、前記第２切替手段がオフ状態となった後に、前記ソレノイドに印加される電圧が前記定格電圧から前記保持電圧へ移行する速度を緩和して前記ソレノイドにおける逆起電力を吸収するコンデンサを備える保持回路。
【請求項２】
前記コンデンサの容量Ｃは、前記コンデンサの等価抵抗成分ｒＣ、前記ソレノイドの等価抵抗成分ｒＬ及び前記ソレノイドのインダクタンスＬに対して、式（１）を満たすことを特徴とする、請求項１記載の保持回路。
【数１】
【請求項３】
前記第２切替手段は、前記コンデンサと並列に接続されたコンデンサである第２コンデンサであって、
前記第２コンデンサの容量Ｃ２は、前記コンデンサの容量Ｃよりも大きいことを特徴とする、請求項２記載の保持回路。
【請求項４】
前記第１切替手段は、３つの接点を有するコンタクタであって、
前記３つの接点のうち、
第１接点は、前記第２コンデンサに接続され、
第２接点は、前記定格電圧を印加する電源に接続され、
第３接点は、前記ソレノイドに接続され、
前記コンタクタは、
前記第１接点と前記第２接点を接続することにより、前記第２コンデンサの充電を開始し、
前記第１接点と前記第３接点を接続することにより、前記電源を含まずに、前記第２コンデンサ及び前記ソレノイドを含む閉回路を形成するものであり、
前記閉回路の前記第３接点と前記ソレノイドとの間に、前記抵抗とは異なる放電抵抗を備えることを特徴とする、請求項３記載の保持回路。
【請求項５】
前記電源の印加方向に対して逆方向に電流を流すダイオードをさらに備え、
前記ダイオードは、前記放電抵抗とは直列に接続され、かつ、前記ソレノイドとは並列に接続され、
前記放電抵抗の抵抗値は、前記抵抗の抵抗値よりも小さいことを特徴とする、請求項４記載の保持回路。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の保持回路を用いて制御される電磁弁。
【請求項７】
請求項６記載の電磁弁を備えるバルブセレクタ。
【請求項８】
請求項６記載の電磁弁又は請求項７記載のバルブセレクタを備える流体移送装置。
【請求項１】
直列に接続されたソレノイド及び抵抗を備え、前記ソレノイドに対して、定格電圧で駆動した後、前記定格電圧よりも低い保持電圧を印加して駆動状態を保持させる保持回路であって、
前記ソレノイド及び前記抵抗に直列に接続され、前記ソレノイドを駆動するか否かを切り替える第１切替手段と、
前記抵抗に並列に接続され、前記第１切替手段により前記定格電圧で駆動されてから所定の時間経過後に、オン状態からオフ状態となる第２切替手段と、
前記抵抗に並列に接続され、前記ソレノイドの時定数よりも大きな時定数を有し、前記第２切替手段がオフ状態となった後に、前記ソレノイドに印加される電圧が前記定格電圧から前記保持電圧へ移行する速度を緩和して前記ソレノイドにおける逆起電力を吸収するコンデンサを備える保持回路。
【請求項２】
前記コンデンサの容量Ｃは、前記コンデンサの等価抵抗成分ｒＣ、前記ソレノイドの等価抵抗成分ｒＬ及び前記ソレノイドのインダクタンスＬに対して、式（１）を満たすことを特徴とする、請求項１記載の保持回路。
【数１】
【請求項３】
前記第２切替手段は、前記コンデンサと並列に接続されたコンデンサである第２コンデンサであって、
前記第２コンデンサの容量Ｃ２は、前記コンデンサの容量Ｃよりも大きいことを特徴とする、請求項２記載の保持回路。
【請求項４】
前記第１切替手段は、３つの接点を有するコンタクタであって、
前記３つの接点のうち、
第１接点は、前記第２コンデンサに接続され、
第２接点は、前記定格電圧を印加する電源に接続され、
第３接点は、前記ソレノイドに接続され、
前記コンタクタは、
前記第１接点と前記第２接点を接続することにより、前記第２コンデンサの充電を開始し、
前記第１接点と前記第３接点を接続することにより、前記電源を含まずに、前記第２コンデンサ及び前記ソレノイドを含む閉回路を形成するものであり、
前記閉回路の前記第３接点と前記ソレノイドとの間に、前記抵抗とは異なる放電抵抗を備えることを特徴とする、請求項３記載の保持回路。
【請求項５】
前記電源の印加方向に対して逆方向に電流を流すダイオードをさらに備え、
前記ダイオードは、前記放電抵抗とは直列に接続され、かつ、前記ソレノイドとは並列に接続され、
前記放電抵抗の抵抗値は、前記抵抗の抵抗値よりも小さいことを特徴とする、請求項４記載の保持回路。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の保持回路を用いて制御される電磁弁。
【請求項７】
請求項６記載の電磁弁を備えるバルブセレクタ。
【請求項８】
請求項６記載の電磁弁又は請求項７記載のバルブセレクタを備える流体移送装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１４６６８８（Ｐ２０１１−１４６６８８Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５５６７９（Ｐ２０１０−２５５６７９）
【出願日】平成２２年１１月１６日（２０１０．１１．１６）
【出願人】（５０９０３１８９９）矢部川電気工業株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１６日（２０１０．１１．１６）
【出願人】（５０９０３１８９９）矢部川電気工業株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
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