JPH043904A - ソレノイド駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ソレノイド作動時、即ちプランジャの磁化
吸引時における前部磁極との衝突を解消したソレノイド
駆動回路に関し、油圧ポンプやコンプレッサなど作動頻
度の高い機器分野へのソレノイドの通用を可能にしたソ
レノイド駆動回路に関するものである。

〔従来の技術〕

ソレノイドは、一般に継鉄を兼ねた円筒状のケースの内
部に鉄芯となるプランジャをケースの軸方向に進退し得
るように配置し、該鉄芯の周りのケースとの間にコイル
を設置すると共に、ケースの前・後部に磁極を設けて構
成されており、鉄芯は後部側へ向う方向に付勢された復
帰用ばね等によってケースの後部に引き寄せられている
。

このようなソレノイドの作動はコイルへの電流のオンオ
フによって行なわれている。即ち、コイルに通電すると
、鉄芯に磁化吸引力が働いて前部磁極側に吸引され、引
き続き一定時間コイルに通電して前部磁極に接触するま
で鉄芯を前進させることにより外界への作動力を得るこ
とができる。

そして鉄芯を復帰させるべくコイルへの電流を遮断する
と、磁気吸引力が解消されて復帰用ばねの力で鉄芯は元
の位置まで復帰する。

上記のようなソレノイドの動作においては、従来、コイ
ルへの通電をオンオフするだけで特別な制御を行なって
おらず、鉄芯の前進完了時点及び復帰完了時点では夫々
鉄芯と前・後部磁極との衝突により騒音が発生していた
。こうした騒音の発生は、好ましいことではないが、作
動頻度が低く、ある程度の騒音が許されている分野では
問題は小さいのでこのようなソレノイドを利用すること
ができる。

しかしながら、油圧ポンプやコンプレッサーのような作
動頻度の高い機器分野では、上記騒音が激しくなると共
に、高頻度の衝突は機器の耐久性の点からも問題を生し
るのでソレノイドの通用は困難である。そこで、これら
の分野では、例えばリニア振動アクチュエータのような
機構的に衝突部分がない作動装置が採用されている。し
かるに、この場合には、可動鉄芯の運動方向と直交する
方向に固定磁極を配置するので推力が小さく、言い換え
れば、所望の推力を得ようとすると装置が大型化すると
いう欠点があった。

これに対し、ソレノイドは単純な構造で安価であり、し
かも可動鉄芯と同し方向に発生する磁化吸引力を利用し
ているので装置が寸法的に小型になるという長所があり
、構造や制御方式を工夫することによってプランジャの
衝突を押えることができれば、高頻度作動機器の分野に
おいても利用の拡大を期待することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ソレノイドにおける騒音防止手段については、かねてよ
り検討が進められており、例えば、特公昭５６−１０７
７２号や特公昭５９−１９４５４号などが提案されてい
る。

即ち、特公昭５６−１０７７２号は、継鉄の両端部に、
夫々相反する磁化方向となるように永久磁石を取付けた
ものであり、永久磁石の補助磁界とコイル電流によって
発生する主磁界との重畳によりプランジ中を往復運動さ
せている。

又、特公昭５９−１９４５４号は、ソレノイドコイルの
電流制御回路に可変抵抗器や摺動抵抗器等を組込んでソ
レノイドコイルの吸引力と復帰用スプリングの張力の均
衡位置を制御することによりプランジャの停止位置を制
御するものである。そして、この提案では、ソレノイド
コイル電流の制御電圧を、摺動抵抗器の出力側に負帰還
させる回路に抵抗とコンデンサよりなる直列回路を組込
んでプランジャ停止時の振動を素早く減衰させている。

さらに、特公昭６０−１６０８９号は、プランジャの根
元側に凹部を設けることにより、プランジャと固定磁極
との隙間を変化させて吸着時の吸引力を低下させるよう
に工夫している。

又、特公昭６１−２２８４４号は、励磁コイルにより吸
引される可動体を残留磁束の多い材料で形成し、可動体
の最大移動部付近に、その可動体の近接を検出する検出
体を設け、この検出体からの信号により前記励磁コイル
への通電方向を切換えて可動体の動きに伴う衝撃音の発
生を防止している。

上記のように、ソレノイドコイルにおけるプランジャと
磁極との衝突防止手段に関しては、種々の提案があり、
衝突の回避という点では相応の効果を上けているが、未
だ十分なものではない。特に、これらの提案では、外乱
要因についての考慮が殆ど為されていない。

即ち、プランジャ形ソレノイドにあっては、上記提案に
もあるように、プランジャの衝突回避に一応の対策が立
てられており、理論的には衝突を確実に回避できるはず
であるが、実状は、制御電圧の変動やプランジャ駆動負
荷の変動といった外乱要因がある為に、理論通りに作動
せず、上記衝突を確実に回避するには至っていない。

この発明は、こうした事情に着目してなされたものであ
って、プランジャ形ソレノイドにおけるプランジャと磁
極の衝突を確実に回避し〜且つプランジャによって外部
仕事を行う上で必要な所定のストロークを正確に得るこ
とを解決課題とするものであり、特に、制御電圧やプラ
ンジャ駆動負荷の変動といった外乱要因がある場合でも
上記課題を確実に達成し得るような手段の提供を目的と
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

しかして上記目的を達成した、この発明のソレノイド駆
動回路は、プランジャ形ソレノイドの駆動回路において
、ソレノイドコイルに供給される電流に応じた電圧を得
る電圧検出手段と、該検出電圧のピーク点を検知してピ
ーク検知信号を発生するピークディテクタと、ソレノイ
ドコイルに供給される電圧に応じた第一制御電圧を発生
する第一制御電圧発生部と、上記検出電圧とある基準電
圧との差に応じた第二制御電圧を発生する第二制御電圧
発生部と、第一制御電圧と第二制御電圧を加算してタイ
マ用制御電圧を発生する加算部と、ピーク検知信号を受
けてタイマ用制御電圧の大きさに逆比例する長さの遅延
時間を発生する遅延信号発生部と、遅延信号発生部の出
力を受けて一定時間の間、ソレノイドコイルへの供給電
流を遮断する信号を発生するオフタイマ部とを備えた点
に要旨を有するものである。

〔作用〕

第３図は、駆動指令とソレノイド動作中のコイル電流及
び可動鉄芯であるプランジャのストロークとの関係を示
すグラフで、ソレノイドに駆動指令を発すると、コイル
電流は、コイルのインダクタンスの為に指数関数的に増
加し、時刻ＴＩの一定値に達すると、吸引力がプランジ
ャ駆動負荷を上回ってプランジャが移動を開始する。プ
ランジャが移動するとコイルに逆起電力が作用するので
コイル電流の増加率が大きく減少し始め、時刻Ｔ２にお
いてコイル電流はピークに達し、これ以降はプランジャ
が移動を停止する時刻Ｔ４までの間、コイル電流は実線
で示されるように、減少していく。

そして上記ソレノイＦの動作では、プランジャ衝突防止
の為の処置を施していないので、プランジャはフルスト
ロークまで前進し、前部磁極に衝突する。このときプラ
ンジャと前部磁極の間の距離が小さくなるにつれて吸引
力が惣激に増大するのに加えて、慣性力が作用するので
前部磁極との衝突は激しいものとなる。

この発明の出願人は、このようなソレノイド動作中のコ
イル電流及びプランジャストロークの変化を考察した結
果、次のような着想を得るに至った。

即ち、コイル電流をプランジャ前進中のある時点で遮断
すれば、遮断時点でコイル電流による磁化吸引力が消失
し、慣性力によって僅かに前進することはあるが、復帰
用ばねの力が専ら作用するので遮断時点からはプランジ
ャは殆ど前進しない。

この結果、プランジャと前部磁極との衝突を回避するこ
とができ、プランジャを初期ストローク位置まで復帰さ
せることができる。そして衝突を回避するだけでなく、
ソレノイドに外部仕事をさせる為の所定ストロークを得
ることができる。このようなコイル電流を遮断すべき最
適の時刻Ｔ３は必ずピーク時刻Ｔ２と衝突時刻Ｔ４の間
に存在するので、ピーク時刻Ｔ２と最適遮断時刻Ｔ３ま
での時間を遅延時間Ｔとし、ピーク時刻Ｔ２を検知する
と共に、各ソレノイドの特性に応じた遅延時間Ｔを通正
に設定すれば、衝突の回避並びに所定ストロークの確保
を達成することができる。

しかしながら上記適正遅延時間Ｔは、コイルへ供給され
る電源電圧やプランジャ駆動に要する負荷が一定である
という条件の下で成立するものであり、これらが変動す
ると、その変動に対応して適正遅延時間Ｔを変化させる
必要がある。例えば、自動車のバッテリーのように大き
な電圧変動を伴う電源をソレノイドの電源として使用す
る場合等には、その影響が大きく、このときの遅延時間
Ｔは、電源電圧の大きさに逆比例する性質がある。

又、プランジャ駆動負荷が小さい範囲では、一定の遅延
時間でも所定のストロークを得ることができるが、負荷
がある大きさ以上になると、ストロ−りは増大する傾向
があり、プランジャが前部磁極に衝突する事態を招く。

これを回避するには遅延時間Ｔを、プランジ中駆動に要
する負荷即ちコイル電流の大きさに応じて短（しなけれ
ばならない。

この発明のソレノイド駆動回路は、上記のような外乱要
因にも対応してプランジャと磁極の衝突を回避するもの
であり、前記構成を採用することにより、電源電圧や負
荷に変動がある場合でも、衝突を起こすことなく、しか
も外部仕事を行う上で必要なプランジャのストロークの
確保を達成しようとするものである。

即ち、前記構成によれば、電圧検出手段によってソレノ
イドコイルに供給される電流に応じた電圧を検出する。

そして該検出電圧のピーク点をピークディテクタで検出
すると共に、ピークディテクタからはピーク点の検出に
伴ない、定められた出力のピーク検知信号を遅延信号発
生部へ発信する。一方、電源電圧、即ちソレノイドコイ
ルへの供給電圧に基いて第一制御電圧を発生させ、これ
を加算部に入力してタイマ用制御電圧を発生させ、遅延
信号発生部へ入力する。遅延信号発生部では上記ピーク
検知信号とタイマ用制御電圧を対比してタイマ用制御電
圧の大きさに逆比例する長さの遅延時間を発生する。即
ち、タイマ用制御電圧が高くなると、ピーク検知信号側
の出力がピークを検知した後、減衰してタイマ用制御電
圧と均衡するまでの遅延時間が短縮されることになる。

そしてオフタイマ部では、遅延信号発生部からの遅延信
号を受けてオフタイマが作動し、供給電流遮断信号がソ
レノイドコイルへ発信される。次いで、オフタイマに設
定された時間が経過すると、オフタイマが復帰し、ソレ
ノイドコイルへの供給電流遮断信号は停止し、ソレノイ
ドコイルを再起動させることができる。

上記のように、ピークディテクタと遅延信号発生部の働
きによって遅延信号を発生し、プランジャを衝突させる
ことなく外部仕事を行う最適の時刻Ｔ３にコイル供給電
流を遮断することができる。

また、遅延信号発生部における対比電圧であるタイマ制
御電圧は、電源電圧の変動を反映した第一制御電圧に基
いて決定されているので上記遅延信号は電源電圧の変動
を反映したものとなる。

さらに、タイマ用制御電圧を発生する加算部には、電圧
検出手段によって得られる検出電圧とある基準電圧との
差に応した第二制御電圧が前記第一制御電圧と合流して
人力されるので、タイマ制御用電圧には、第二制御電圧
による補正が加えられる。即ち、ソレノイドコイルへの
供給電流は、ソレノイドコイルにかかる負荷に応じて変
化するものであるから、該供給電流に対応して得られる
検出電圧の変動を第二制御電圧発生部で把握してタイマ
制御用電圧に反映させることによりプランジャ駆動負荷
の変動に応じた遅延信号を発生させることができる。こ
のとき、第二制御電圧発生部では、上記検出電圧とある
基準電圧との差に応して第二制御電圧を発生させており
、上記検出電圧が基準電圧より低い場合、即ちプランジ
ャ駆動負荷が小さい場合には第二制御電圧による補正が
働かないように構成している。

〔実施例〕

以下、実施例図面に基いてこの発明の詳細な説明する。

第１図は、実施例に係るソレノイド駆動回路を示す回路
図、第２図は第１図のソレノイド駆動回路における各部
の信号波形図である。尚、第２図は、ある主電源電圧の
下で作動の度に負荷が増加する場合の信号波形図であり
、１回目と２回目の波形は、負荷即ちコイルに流れる電
流が小さい場合を示し、３回目の波形は大きい場合のも
のである。

ソレノイド駆動回路１は、ソレノイドコイル２の供給電
流を制御するトランジスタ３から、ピークディテクタ４
及び第二制御電圧発生部５が分岐され、ピークディテク
タ４は遅延信号発生部６に、第二制御信号発生部５は、
別画路からなる第一制御電圧発生部７と合流して加算部
８に接続され、加算部８はさらに遅延信号発生部６に接
続されている。そして、遅延信号発生部６は、オフタイ
マ部９、アンドゲート１０を経て上記トランジスタ３の
ヘースに接続されている。

上記ソレノイド駆動回路１において、アンドゲート１０
の端子１１に駆動指令が与えられると、非作動状態にあ
るオフタイマ部９の出力はハイレベルにあるのでアンド
ゲート１０の出力がハイレベルとなってトランジスタ３
が導通し、主型−ａ１２からソレノイドコイル２に電流
が供給され、抵抗器（電圧検出手段）１３の両端に、第
２図（Ｂ）に示されるように、供給電流に対応した検出
電圧ｖ１が発生する。この検出電圧ｖｌは、分岐されて
ピークディテクタ４及び第二制御電圧発生部５に夫々入
力される。

ピークディテクタ４では、上記検出電圧ｖ１を増幅回路
１４及び微分回路１５で夫々増幅して微分する。得られ
た微分電圧ｖ２は、第２図（Ｃ）に示されるように、起
動時ＴＯから可動鉄芯が移動を開始する時刻Ｔ１までは
、正の電圧であるが、ＴＩを過ぎると減少し、検出電圧
５がピークになる時刻Ｔ２ではゼロになる。この微分電
圧■２は、比較器１６の非反転入力端子１６ａに入力さ
れ、はぼゼロボルトが入力されている反転入力端子１６
ｂとの間で比較がなされ、ピーク検知信号ｖ３を発生し
、遅延信号発生部６へ入力される。尚、比較器１６のピ
ーク検知信号ｖ３は、第２図（Ｄ）に示されるように、
起動の瞬間にハイレベルとなり、検出電圧νｌのピーク
を検知するとロウレベルとなる。

一方、第二制御電圧発生部５では、分岐された検出電圧
ｖ１が、比較器１７の非反転入力端子１７ａに人力され
、反転入力端子１７ｂに入力されるしきい電圧ＶＴＩと
の差に応した第二制御電圧シ４が発生する。第二制御電
圧ｖ４は次式で示される。

Ｖ４＝ＡＩ・（シ１−ＶＴＩ　） （Ａｔは係数〕　　　　　　　　　　・・・・・・・・
・（１）又、第一制御電圧発生部７では、主電源電圧Ｖ
Ｏを分圧して得られた電圧ｖ５を、比較器１８の非反転
入力端子１８ａに入力し、反転入力端子１８ｂに入力さ
れるしきい電圧ＶＴ２との差に応じた第一制御電圧ｖ６
を発生する。第一制御電圧ν６は次式で示される。

Ｖ６＝Ａ２・（Ｖ５−ＶＴ２　） Ｖ５　＝Ａ３　・νＯ 〔行は増幅率、Ａ３は分圧比〕　　・・・・・・・・・
（２）こうして得られた第一制御電圧■６と第二制御電
圧ｖ４は、加算器８に入力されて加算され、タイマ制御
電圧ｖ７を発生し、遅延信号発生部６へ入力される。こ
のタイマ制御電圧ｖ７は、第２図（Ｅ）に破線で示され
る。

次に、遅延信号発生部６の作用を説明すると、ソレノイ
ドコイル２に電流が流れて、ピークデテクタ４からハイ
レベルのピーク検知信号ｖ３が遅延信号発生部６に入力
されると、該ピーク検知信号ν３は、抵抗Ｒ１を通して
コンデンサＣ１に充電される。

コンデンサＣ１には、並列にツェナーダイオード１９が
接続されており、コンデンサＣ１の充電電圧は、ツェナ
ー電圧ＶＺＩに保持される。ここで、ツェナー電圧ＶＺ
Ｉは、タイマ制御電圧より大きくなるように設定されて
いるので、遅延信号発生部６の比較器２０では、加算部
８を経て反転入力端子２０ｂに入力されるタイマ制御電
圧ｖ７より非反転入力端子２０ａの電圧ｖ８の方が大き
く、比較器２０の出力ｖ９はハイレベルとなり、オフタ
イマ部９は非作動状態となり、ハイレベルの出力を発生
する。

次いで、ピークディテクタ４が検出電圧ｖ１のピークを
検知すると、そのピーク検知信号ｖ３がロウレベルとな
るから、コンデンサＣ１の電圧及び比較器２０の非反転
入力端子２０ａの電圧ｖ８は、抵抗Ｒ１を通して放電し
、やがてタイマ制御電圧シフより小さくなるので比較器
２０の出力■９はロウレベルとなる。

オフタイマ部９は、このハイレベルからロウレベルとな
る比較器２０の出力ｖ９の立ち下がり変化を受けて作動
し、一定時間ロウレベルの信号を出力する。この結果、
アンドケート１０の出力がロウレベルとなってトランジ
スタ３が同じ時間の間、非導電状態となり、ソレノイド
コイル２への電流が遮断される。この間に可動鉄芯であ
るプランジャは、復帰用ばねによって元の位置へ復帰す
る。

そして、オフタイマ部９は、一定時間の後、復帰して再
びハイレベルの出力をアンドゲート１ｏに送るのでアン
ドゲート１０の端子１１に駆動指令がある限り同様の動
作が繰り返される。

ところで、ピークディテクタ４が検出電圧ｖ１のピーク
値を検出した後、比較器２０の出力がハイレベルからロ
ウレベルに反転するまでの時間即ち遅延時間Ｔは、主と
して主電源電圧ｖＯの大きさに応じた最適値が存在する
。そして、ＴとｖＯの関係は実験的に求めることができ
る。

即ち、前記（２）式の定数を次のように設定すると共に
、ＴとｖＯの関係値を実験的に求めたところ、第１表に
示す値が得られた。

を代入して計算すると、第一制御電圧シ６即ちタイマ制
御電圧ｖ７は第２表に示す通りとなった。尚、上記計算
では、ソレノイドコイル２の負荷が小さく、第二制御電
圧ｖ４は発生しないものとする。

第２表 Ａ２−３　、　八３＝１／７　　、　νＴ２　＝　３第
１表 ところで、コンデンサＣ１の放電電圧即ち電圧ｖ８は、
次式で示される。

ＶＢ＝ＶＺ１　　・ｅ Ｖ℃ ・・・・・・・・・（３） そこで、（２）式に上記設定値及び第１表の実験値そし
て、電圧ｖ８の大きさがタイマ制御電圧ｖ７と一致する
までの時間が第１表に示す遅延時間Ｔに等しいので、Ｖ
７　＝　Ｖ８を（３）式に代入して変形すると、時定数
τは次式で表すことができる。

ｒ　−−Ｔ／　ｉ　ｎ　（Ｖ７／シＺ１）・・・・・・
・・・（４）ここで、主電源電圧νＯが異なっても時定
数τ及びツェナー電圧ＶＺＩは定数であるから（４）式
を用いて第２表の値を代入して計算を行うとτ及びＶＺ
Ｉを次のように決定することができる。

ｒ−０，３５（ｍｓ）　　、ＶＺＩ　　＝５．　２６　
　（Ｖ）・・・・・・・・・（５） よって例えばコンデンサＣＩの容量を０．０１（μＦ）
とするとき、抵抗Ｒ１の値は３５　（ｋΩ）となる。

上記のように、遅延信号発生部６の回路条件は実験値を
基に決定することができ、この回路条件下で第一制御電
圧発生部７に入力された主電源電圧νＯの分圧ｖ５の変
動が第一制御電圧ｖＯひいてはタイマ制御電圧ｖ７に反
映されて遅延時間Ｔを適正に制御することができる。

次に、ソレノイドコイル２の負荷が遅延時間Ｔに与える
影響については、第２図（Ｂ）の３回目の電圧変動波形
に見られるように、検出電圧ｖ１が第二制御電圧発生部
５におけるしきい電圧ＶＴＩを越える場合には、（１）
式で示される第二制御電圧ｖ４が第一制御電圧ｖＯに加
算されてタイマ制御電圧ｖ７を発生し、比較器２０の反
転入力端子２０ｂに入力される。この結果、遅延時間Ｔ
は小さく設定されるのでプランジャのストロークが過大
とならず、ソレノイドコイル２の負荷に応した適正なス
トロークを得ることができる。ここで、（１）式のしき
い電圧ＶＴＩ　と定数ＡＩは、主電源電圧の大きさに影
響されないので任意の駆動状態で簡単に調整することが
できる。

〔発明の効果〕

この発明は以上のように構成されており、コイル電流の
ピーク即ちコイル電流に応じた検出電圧のピークを検知
し、検知時点から、主電源電圧の大きさ及び負荷の大き
さに逆比例する遅延時間が経過した後に、コイル電流を
遮断するようにしたので、主電源電圧や負荷が変化する
ような使用状態となってもプランジャの前進時の衝突を
なくすことができ、且つ外部仕事に必要な所定のストロ
ークを得ることができる。従って、騒音や振動の発生を
抑止することができる。また、オーバーストロークにな
らないように、コイル電流を遮断しているので、消費電
力を節減し且つ発熱を抑止することができ、ソレノイド
の切換頻度を多くすることができるので例えば油圧ポン
プに適用した場合には大きな流量を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例に係るソレノイド駆動回路を示す回路図
、第２図（Ａ）〜（Ｉ）は第１′図の回路の動作を説明
する為の信号波形図、第３図（Ａ）〜（Ｃ）は−船釣な
ソレノイドの動作を説明する為の変化特性図である。 ２・・・ソレノイドコイル ４・・・ピークディテクタ ５・・・第二制御電圧発生部 ６・・・遅延信号発生部 ７・・・第一制御電圧発生部 ８・・・加算部 ９・・・オフタイマ部 １３・・・抵抗（電圧検出手段） ν１・・・検出電圧 ｖ３・・・ピーク検知信号 ｖ４・・・第二制御電圧 ｖ６・・・第一制御電圧 ｖ７・・・タイマ用制御電圧 νＴ１・・・しきい電圧（基準電圧）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）プランジャ形ソレノイドの駆動回路において、ソ
   レノイドコイルに供給される電流に応じた電圧を得る電
   圧検出手段と、該検出電圧のピーク点を検知してピーク
   検知信号を発生するピークデテクタと、ソレノイドコイ
   ルに供給される電圧に応じた第一制御電圧を発生する第
   一制御電圧発生部と、上記検出電圧とある基準電圧との
   差に応じた第二制御電圧を発生する第二制御電圧発生部
   と、第一制御電圧と第二制御電圧を加算してタイマ用制
   御電圧を発生する加算部と、ピーク検知信号を受けてタ
   イマ用制御電圧の大きさに逆比例する長さの遅延時間を
   発生する遅延信号発生部と、遅延信号発生部の出力を受
   けて一定時間の間、ソレノイドコイルへの供給電流を遮
   断する信号を発生するオフタイマ部とを備えたことを特
   徴とするソレノイド駆動回路。