JPH0750655B2 - ソレノイド駆動回路 - Google Patents

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適用を可能にしたソ
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じ
るのでソレノイドの適用は困難である。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
かも可動鉄芯と同じ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56-10772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ャ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、振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げているが、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T1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ドの動
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急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を適正に設定すれば、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、ストローク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、プランジャ駆動に要する
負荷即ちコイル電流の大きさに応じて短くしなければな
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
差に応じた第二制御電圧が前記第一制御電圧と合流して
入力されるので、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じ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を詳細に説明する。

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、第二制御電圧発生部５は、
別回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のベ
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、主電源12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V1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T0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、T1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V2は、比較器16の
非反転入力端子16aに入力され、ほぼゼロボルトが入力
されている反転入力端子16b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V1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に入力され、反転
入力端子17bに入力されるしきい電圧VT1との差に応じた
第二制御電圧V4が発生する。第二制御電圧V4は次式で示
される。

V4＝A1・（V1−VT1） 〔A1は係数〕 ………（１） 又、第一制御電圧発生部７では、主電源電圧V0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
V6は次式で示される。

V6＝A2・（V5−VT2） V5＝A3・V0 〔A2は増幅率、A3は分圧比〕 ………（２） こうして得られた第一制御電圧V6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、ピークディテクタ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V3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、並列にツエ
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、ツエナー電圧VZ1に保持される。ここで、ツ
エナー電圧VZ1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V7より小さくなるので比較器20の出力V9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、アンドゲート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10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V0の大きさに応じた最適値が存在する。そし
て、ＴとV0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V0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。

A2＝３、A3＝1/7、VT2＝３ そこで、（２）式に上記設定値及び第１表の実験値を代
入して計算すると、第一制御電圧V6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。

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。

V8＝VZ1・e^{-T ］ τ} ………（３） 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、V7
＝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。

τ＝−T/1n（V7/VZ1） ……（４） ここで、主電源電圧V0が異なっても時定数τ及びツエナ
ー電圧VZ1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VZ1を次のように決定
することができる。

τ＝0.35（ms）、VZ1＝5.26（Ｖ） ………（５） よって例えばコンデンサC1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V0の分圧V5の変動が
第一制御電圧V6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VT1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V6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20
b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の負荷に応じ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VT1と定
数A1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。

以上のように構成したソレノイド駆動回路によると、第
１制御電圧V6と第２制御電圧V4とを加算することによ
り、延滞信号を求めるためのタイマ用制御電圧V7を得る
ことができる。したがって、電源電圧V0の変動およびソ
レノイドコイル２のプランジャ駆動負荷の変動に影響さ
れることなく、プランジャのストロークを正確に制御す
ることができる。このため、例えば自動車のバーテリー
のように著しい電圧変動を伴う電源を用いても、プラン
ジャと磁極との衝突を確実に防止でき、しかも外部仕事
に必要な所定ストロークを正確に得られるので、騒音や
振動の発生を抑止することができる。

〔発明の結果〕

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、電源電圧の変動およびソレノ
イドコイルのプランジャ駆動負荷の変動に影響されるこ
となく、プランジャのストロークを正確に制御すること
ができる。このため、著しい電圧変動を伴う電源を用い
ても、プランジャと磁極との衝突を確実に防止でき、し
かも外部仕事に必要な所定ストロークを正確に得られる
ので、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）は一般的な
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） V1……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 VT1……しきい電圧（基準電圧）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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。