JP2002237412A

JP2002237412A - ソレノイド駆動回路

Info

Publication number: JP2002237412A
Application number: JP2001008891A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Shikamata; 和雄鹿又; Teruya Sawada; 輝也澤田; Takashi Nakamura; 敬中村
Original assignee: Nippon Control Ind Co Ltd
Current assignee: Nippon Control Ind Co Ltd
Priority date: 2000-10-11
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2002-08-23
Anticipated expiration: 2021-01-17
Also published as: US20020041478A1; US6657845B2; JP3619959B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ソレノイドコイルに発生する誘導起電力によ
ってソレノイドコイルの両端に生じる負の電圧を減衰さ
せると共に、ソレノイドコイルに流れる電流の立下り時
間を早める。【解決手段】ソレノイドコイルに、還流用ダイオード
とコンデンサからなる直列回路を並列に接続し、さらに
このコンデンサに発光ダイオードを並列に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、モータや電磁ポ
ンプに用いられるソレノイドコイルにパルスを印加して
駆動する際に、ソレノイドコイルに発生する誘導起電力
の処理を早め、ソレノイドコイルへの流入電流の立ち下
り時間を早めるソレノイド駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ソレノイドコイルに通電して得ら
れる磁気力を利用して運動するモータや電磁ポンプにお
ける直流パルス駆動の基本的な回路が図４に示される。
この回路は、スイッチング用のトランジスタＴｒ１のコ
レクタ側に電磁ポンプのソレノイドコイルＰが接続さ
れ、ソレノイドコイルＰに逆方向に並列に還流用ダイオ
ードＤ１が接続されるもので、前記トランジスタＴｒ１
のベースに入力電圧（図５（ａ））が印加された場合
に、前記トランジスタＴｒ１がオンとなって前記ソレノ
イドコイルＰに電流Ｉｐが流れる。この時、トランジス
タＴｒ１のコレクタ電圧Ｖｃは、Ｖｃｃから略０ボルト
まで低下すると共に、ソレノイドコイルＰを流れる電流
Ｉｐは過渡的に上昇し（図５（ｃ）参照）、またソレノ
イドコイルＰには電流Ｉｐによって電磁エネルギーが蓄
積される。また、前記トランジスタＴｒ１のベースの入
力電圧が零になると、前記電磁エネルギーによる自己誘
導起電力（ｅ＝Ｌ・ΔＩｐ／Δｔ）によって、磁束の変
化を妨げる方向に電流を流そうとする力が働き、Ｖｃの
電位は上昇する。言い換えると、ソレノイドコイルＰの
両端には、逆方向に大きな電圧がかかることとなる。こ
のソレノイドコイルＰの両端に発生する大きな電圧は、
前記ソレノイドコイルＰに対し並列に接続したダイオー
ドＤ１に電流を流すことによって消滅する。

【０００３】したがって、図５（ｃ）で示すように、こ
の従来の回路では、トランジスタＴｒ１がオンになる
と、ソレノイドコイルＰに流れる電流はある時定数を持
って立ち上り増加することになる。また、トランジスタ
Ｔｒ１がオフになると、インダクタンスを有するソレノ
イドコイルＰに流れる電流が零となってソレノイドコイ
ルＰの磁束が減少することによって誘導起電力が発生
し、還流用ダイオードＤ１に電流Ｉｄが流れ、この電流
Ｉｄは誘導起電力の減少に伴って比較的長い時定数をも
って所定時間ｔｆ後に電流がゼロとなる。

【０００４】前記ソレノイドコイルＰに流れる電流Ｉｐ
の立ち下がりは、コイル両端に何も接続しない時が一番
早いが、何も接続しない場合にはスイッチング素子であ
るトランジスタや電界効果トランジスタの定格電圧の数
倍から数十倍程度の電圧が発生することから、スイッチ
ング素子が破壊されてしまうので、スイッチング素子の
保護のために、前記した図４に示すように、還流用ダイ
オードＤ１を接続する必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法においても、入力電圧の駆動周波数がより高くな
ったり、通電時間のオフ時間が短くなったりすると、電
流Ｉｐがゼロに戻るまでの時間ｔｆが短くなるため、電
流が完全に零になる前に入力電圧が立ち上がって電流が
増加することとなり、電流の有効振幅値（図５（ｃ）参
照）が減少するという不具合が生じる。この結果、電磁
ポンプの場合で説明すると、プランジャが完全に元の位
置に復帰しないうちに次の動作が始まってしまうため、
プランジャの有効ストローク（振幅の減少）が減少する
という不具合が生じる。そのため、還流用ダイオードＤ
１に抵抗を直列接続する方法やツェナーダイオード（図
示せず）を用いて電流の立下り時間を減少させる方法が
提示されているが、これらの方法では、抵抗やツェナー
ダイオードの発熱が大きな問題となる。

【０００６】このため、図６に示すように、還流用ダイ
オードＤ１のアノード側にコンデンサＣ１を直列に接続
すると共に、前記還流用ダイオードＤ１とコンデンサＣ
１に並列にダイオードＤ２とトランジスタＴｒ２を接続
した前記コンデンサＣ１の放電回路を設けるものが提案
されている。しかしながら、このような回路側では、コ
ンデンサに充電された電荷を速やかに放電することが要
求され、トランジスタＴｒ２による放電タイミング等を
考慮すると、大変複雑な回路となる恐れがある。

【０００７】このため、この発明は、簡易な構造で、ソ
レノイドコイルの両端に発生する負の電圧を減衰させる
と同時に、ソレノイドコイルに流れる電流の立ち下り時
間を早めるソレノイド駆動回路を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、ソレノイド
コイルに直列に接続され、所定のパルス幅を有する入力
電圧によってオンオフされるスイッチング素子を具備
し、前記ソレノイドコイルに磁気を断続的に発生させる
ソレノイド駆動回路において、カソードが電源ラインに
接続されるダイオードと、該ダイオードのアノード側に
直列に接続されたコンデンサとからなる直列回路が前記
ソレノイドコイルに並列に接続され、前記コンデンサに
は発光ダイオードが並列に接続されることにある（請求
項１）。

【０００９】これにより、スイッチング素子がオンから
オフに移行した時に、ソレノイドコイルに発生する誘導
起電力によってソレノイドコイル両端に大きな負の電圧
が生じる。このソレノイドコイル両端に生じる負の電圧
により前記ダイオードが順方向となることから、コンデ
ンサ及び発光ダイオードに電流が流れ、コンデンサが充
電される。そして、ソレノイドコイル両端の電位差が零
になった場合、充電されたコンデンサの放電により該コ
ンデンサの電位がゼロになるまで前記発光ダイオードに
電流が流れる。これによって、ソレノイドコイルの両端
に生じる負の電位差を抑制できると同時に、電流を速や
かに還流できるので、従来の方式に比してソレノイドコ
イルに流れる電流の立ち下り時間を早くすることができ
る。さらに、発光ダイオードを用いることによって、発
光ダイオードを通過する電流が熱ではなく光に変換させ
るので、回路自体の発熱を防止できると共に、従来ソレ
ノイドコイルで熱に変換されていた電流が発光ダイオー
ドによって光に変換されるので、ソレノイドコイル自体
の発熱を防止できるという効果も得ることができるもの
である。

【００１０】また、前記発光ダイオードは、複数個の発
光ダイオードが並列接続されることにある（請求項
２）。これにより、定格電流（アノード側からカソード
側に流す電流の許容値）の小さい安価な発光ダイオード
を使用することができて、コスト的に有利となる。

【００１１】さらに、前記発光ダイオードには、保護用
のダイオードが逆方向に並列に接続される（請求項
３）。これによって、発光ダイオードの所定以上の電圧
がかかった場合、保護用のダイオードに電流が流れるの
で、発光ダイオードを保護することができ、容量の小さ
い安価な発光ダイオードを使用できる。

【００１２】さらに、前記コンデンサには、所定の抵抗
値を有する抵抗器が直列に接続されること（請求項４）
が望ましく、また前記発光ダイオードには、所定の抵抗
値を有する抵抗器が直列に接続されること（請求項５）
が望ましい。これによって、コンデンサへの充電時間及
び放電時間を調整することが可能となり、且つそれぞれ
の前記還流用ダイオードや発光ダイオードにかかる電圧
を調整することができるものである。

【００１３】さらにまた、前記発光ダイオードは、可視
型の発光ダイオードであること（請求項６）が望まし
く、前記発光ダイオードは、赤外線発光ダイオードであ
ること（請求項７）が望ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面にもとずいて説明する。

【００１５】図１において、この発明に係るソレノイド
駆動回路が示されている。このソレノイド駆動回路にお
いて、ソレノイドコイル１は、モータや電磁ポンプなど
に用いられているものである。電磁ポンプに採用された
例を持って説明すると、ソレノイドコイル１はトランジ
スタ等のスイッチング素子２のコレクタ側に接続され、
所定の印加時間（パルス幅）を有する入力電圧が前記ト
ランジスタ２のベースに入力されることで、コレクター
エミッタ間が導通状態となり、前記ソレノイドコイル１
に入力電圧に対応して断続する電流Ｉｐが流れるもので
ある。

【００１６】このソレノイドコイル１には、カソードが
電源ラインに接続される還流用ダイオード３、このダイ
オード３のアノードに接続されるコンデンサ４、このコ
ンデンサ４に直列に接続される抵抗器５からなる直列回
路が、並列に接続される。そして、カソードが前記ダイ
オード３のアノードに接続される発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）６と抵抗７からなる直列回路が、前記コンデンサ４
及び抵抗５に並列に接続される。さらに、前記発光ダイ
オード６には、この発光ダイオード６と逆方向にダイオ
ード８が並列に接続される。尚、このダイオード８は、
発光ダイオード６の最大定格電圧が３〜６Ｖ程度である
ため、万一のために接続される保護用のダイオードであ
る。具体的には、この実施の形態においては、前記ソレ
ノイドコイル１の直流抵抗は７．５Ω、電源（Ｖｃｃ）
は１２Ｖ、コンデンサ４は１０μＦ、抵抗５は１０Ω、
抵抗７は５１０Ω、発光ダイオード６は定格電流が２０
ｍＡである。

【００１７】上述の構成において、スイッチング素子と
してのトランジスタ２に所定のパルス幅を有する入力電
圧（図２の（ａ））がそのベースに入力され、所定の入
力電圧がベースに印加されると、コレクターエミッタ間
が導通してトランジスタ２がオン状態となり、前記ソレ
ノイドコイル１に電流Ｉｐが流れる。この時、前記ソレ
ノイドコイル１には、電流の上昇に伴って磁束の増加を
抑制する方向に誘導起電力が働くため、電流Ｉｐは図２
（ｂ）で示すように漸次上昇する。

【００１８】また、ベースに印加される入力電圧がゼロ
になると前記トランジスタ２がオフとなり、瞬間的にソ
レノイドコイル１の両端にかかる電圧が零となることか
ら急激に電流が減少し、これに伴って磁束の減少を抑制
する方向に誘導起電力（ｅ＝−Ｌ・ΔＩ／Δｔ）が発生
する。この誘導起電力により前記トランジスタ２のコレ
クタ電圧は電源電圧Ｖｃｃよりも高くなり、ソレノイド
コイル１の両端には（図２（ｃ））で示すような大きな
負の電圧が発生する。この負の電圧に対して前記ダイオ
ード３が順方向となることから電流Ｉｒが流れ、前記ダ
イオード３から電源ラインを介して前記ソレノイドコイ
ル１に還流して前記負の電圧を減衰する。さらに、前記
電流Ｉｒは、抵抗器５を介してコンデンサ４を充電する
電流Ｉａ（図２の（ｄ））と、抵抗器７を介して発光ダ
イオード６を発光させる電流Ｉｂ（図２の（ｅ））とに
分流され、コンデンサ４の充電時においては、発光ダイ
オード６を流れる電流のみがダイオード３を介してソレ
ノイドコイル１に還流して前記負の電圧を減少させると
共に、負の電圧の低下と共にコンデンサの充電終了後に
は、コンデンサに充電された電荷がコンデンサの電位が
ゼロになるまで抵抗５及び抵抗７を介して前記発光ダイ
オード６に放電されることから、ダイオード３及びソレ
ノイドコイル１には還流しないことから、ソレノイドコ
イル１に流れる電流の立下り時間ｔｆを図２（ｂ）で示
すように早めることができるものである。

【００１９】尚、従来例として、図５（ｃ）に示される
ように、周期が２５ｍｓ、パルス幅が１０ｍｓの場合、
入力電圧の立下りから次の入力電圧の立ち上がりまでの
時間ｔｆは１５ｍｓであり、ソレノイドコイルに流れる
電流の立ち下り状態はすでに電流の有効振幅値の限界に
きている。つまり、これ以上入力電圧のパルス数を増加
させたり又はパルス幅を増加することは電流値が零に到
達する前に次の入力電圧が立ち上がることとなるため、
電磁ポンプにあっては、電磁プランジャが初期状態に復
帰する前に作動することとなるため、所定の振幅を保つ
ことができないという不具合があった。

【００２０】しかし、本願発明では、電磁ポンプへの駆
動流入電流の立ち下り時間ｔｆが同じ条件であっても２
ｍｓとすることができるので、充分に入力電圧のパルス
数を増加させたり又はパルス幅の増加（通電時間の増
加）が可能であり、同一のパルス幅では、２倍強の８０
Ｈｚまでパルス数を増加することができる。即ち、高い
周波数まで追従できる高性能の電磁ポンプを提供できる
ものである。

【００２１】図３において、この発明の他の実施の形態
が示される。この実施の形態では、電源電圧（Ｖｃｃ）
が高くなれば、必然的に誘導起電力も大きくなり、それ
に対応して還流する電流も大きくなる。このため、電流
を還流させるダイオード３と直列接続のコンデンサ４に
対し、複数の発光ダイオード６−１，６−２，６−３を
並列接続し、大きな誘導起電力による大きな還流電流に
対応するようにしたものである。当然ながら、それぞれ
の発光ダイオード６−１，６−２，６−３には、保護用
ダイオード８−１，８−２，８−３と抵抗７−１，７−
２，７−３が前述した実施の形態と同様に装備される。

【００２２】尚、複数の発光ダイオード６−１，６−
２，６−３を使用することによって、大電流に対応する
ことは、定格電流の小さい安価な発光ダイオードを複数
使用することとなるので、定格電流の大きい１個の発光
ダイオードを使用するよりもコスト的に有利となってい
る。即ち、大きな定格電流（例えば５０ｍＡ）を持つダ
イオード（１００円前後）にあっては、小さな定格電流
（１０〜３０ｍＡ）を持つダイオード（１０〜１５円）
に比して１０倍ぐらいの価格差があることからである。

【００２３】尚、この発明に係る発光ダイオード６とし
ては、可視光ダイオード（可視光ＬＥＤ）であっても、
赤外線発光ダイオード（赤外線ＬＥＤ）であっても良
い。この発明では、どちらを採用しても全く同じ作用効
果を発揮する。赤外線発光ダイオードの場合には、発光
しても人間の眼では見えないが、受光回路（赤外線用）
を設けることによって、可視光ダイオードと同様に扱う
ことができる。さらに、受光回路（可視光又は赤外線
用）を設けることによって、誘導起電力による還流状態
を把握できると共に、電磁ポンプ等の制御因子の一つと
して取り込むことも可能となる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、この発明によればソレノ
イドコイルに発生する誘導起電力により生じる電流を還
流させるためのダイオードと直列に接続されるコンデン
サに、発光ダイオードを並列に接続したことにより、誘
導起電力による生じる大きな負の電圧を減衰することが
できると共にソレノイドコイルに流れる電流の立下りを
早めることができるので、安全性が高く且つ高周波数に
耐える高性能の電磁ポンプを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態を示すソレノイド駆動回
路の回路図である。

【図２】同上のソレノイド駆動回路の各部の特性を表わ
す特性線図である。

【図３】この発明の他の実施の形態を示すソレノイド駆
動回路の回路図である。

【図４】従来のソレノイド駆動回路の回路図である。

【図５】同上のソレノイド駆動回路の各部の特性を表わ
す特性線図である。

【図６】従来の他の例のソレノイド駆動回路の回路図で
ある。

【符号の説明】

１ソレノイドコイル２スイッチング素子３還流用ダイオード４コンデンサ５抵抗器６発光ダイオード７抵抗器８ダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村敬埼玉県坂戸市千代田５丁目１番16号日本コントロール工業株式会社内Ｆターム(参考） 5J055 AX04 AX56 BX16 CX13 CX21 DX04 DX10 DX52 EX06 EX12 EY01 EY10 EY12 EY14 EZ63 EZ68 FX13 FX27 FX32 FX33 GX01 GX06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ソレノイドコイルに直列に接続され、所
定のパルス幅を有する入力電圧によってオンオフされる
スイッチング素子を具備し、前記ソレノイドコイルに磁
気を断続的に発生させるソレノイド駆動回路において、カソードが電源ラインに接続されるダイオードと、該ダ
イオードのアノード側に直列に接続されたコンデンサと
からなる直列回路が前記ソレノイドコイルに並列に接続
され、前記コンデンサには発光ダイオードが並列に接続
されることを特徴とするソレノイド駆動回路。
【請求項２】前記発光ダイオードは、複数個の発光ダ
イオードが並列接続されることを特徴とする請求項１記
載のソレノイド駆動回路。
【請求項３】前記発光ダイオードには、保護用のダイ
オードが逆方向に並列に接続されることを特徴とする請
求項１又は２記載のソレノイド駆動回路。
【請求項４】前記コンデンサには、所定の抵抗値を有
する抵抗器が直列に接続されることを特徴とする請求項
１，２又は３記載のソレノイド駆動回路。
【請求項５】前記発光ダイオードには、所定の抵抗値
を有する抵抗器が直列に接続されることを特徴とする請
求項１〜４のいずれか一つに記載のソレノイド駆動回
路。
【請求項６】前記発光ダイオードは、可視型の発光ダ
イオードであることを特徴とする請求項１〜５のいずれ
か一つに記載のソレノイド駆動回路。
【請求項７】前記発光ダイオードは、赤外線発光ダイ
オードであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか
一つに記載のソレノイド駆動回路。