JP2007200978A - ソレノイド駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消音ゴムなどの部材を備え付けることなく可動鉄芯と固定鉄芯の衝突音の発生を確実に防ぐことができ、且つ可動鉄芯の摺動速度や停止位置などを自在に制御し得るような仕組みを提供すること。
【解決手段】永久磁石、孔を貫通させたボビン、そのボビンの外周に巻回されたコイル、及び前記孔へ挿入された鉄芯を備えたソレノイドのコイルへ電流を供給して励磁させる際、永久磁石が自ら発生する磁界と同方向の磁路を前記鉄芯の周囲に形成する第１の向きの電流とその逆の第２の向きの電流とを交互に切替えながら供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ソレノイドの駆動方法に係り、特に、吸着保持部材として永久磁石を用いた自己保持型ソレノイドの駆動方法に関する。

図１は、各種アクチエータ等の駆動機構として搭載されるソレノイドの要部構成を示す図である。このソレノイドは、底部に固定鉄芯８０を設けた磁機ヨーク８１に、コイルを巻回させた図示しないボビンを収容してその上側開口部に貫通孔を有する補助ヨーク８２を備え付け、貫通孔からボビン内にかけて可動鉄芯８３を一部挿入させてなる。そして、可動鉄芯８３を一部挿入した状態でコイルに電流を供給すると、ボビン内の可動鉄芯８３、磁機ヨーク８１、補助ヨーク８２より電流の向きに応じた閉磁路が形成され、ボビン内を可動鉄芯８３が摺動する。

ここで、図に示すように、この種のソレノイドは、摺動する可動鉄芯８３の固定鉄芯８０への衝突による金属音の発生を防ぐための仕組みとして、補助ヨーク８２の貫通孔の周辺に消音ゴム８４を、可動鉄芯８３に鍔８５をそれぞれ備え付けることが多い。この仕組みによると、可動鉄芯８３が固定鉄芯８０側に摺動して両者の距離が図に示すエアーギャップＣよりも近づく前に、補助ヨーク８２の消音ゴム８４に可動鉄芯８３の鍔８５が係止されてそれ以上の移動が阻止されるため、金属音の発生を回避できる。しかしながら、この仕組みを採用する場合、消音ゴム８４並びに鍔８５という余計な部材を取り付けることになるため、コストが大きくなるという問題があった。

また、特許文献１には、機械的な構造により衝突音の発生を防ぐのではなく、コイル駆動部品の励磁をパルス的に制御して緩やかに駆動させることによって連結部品との衝突音の発生を防ぐ仕組みも開示されている。しかしながら、この仕組みは励磁が一方向にのみ行われるようになっており、可動鉄芯の停止時の制御を意図的に制御できず、可動鉄芯と固定鉄芯の衝突音の発生を防ぐ仕組みとしては不十分なものであった。
特開平０５−２６５１０２号公報

本発明は、このような背景の下に案出されたものであり、消音ゴムなどの部材を備え付けることなく可動鉄芯と固定鉄芯の衝突音の発生を確実に防ぐことができ、且つ可動鉄芯の摺動速度や停止位置などを自在に制御し得るような仕組みを提供することを目的とする。

本発明の好適な態様であるソレノイド駆動方法は、永久磁石、孔を貫通させたボビン、そのボビンの外周に巻回されたコイル、及び前記孔へ挿入された鉄芯を備えたソレノイドと、そのソレノイドのコイルに電流を供給する電流供給装置とを用いたソレノイド駆動方法であって、前記電流供給装置が、前記永久磁石が自ら発生する磁界と同方向の磁路を前記鉄芯の周囲に形成する第１の向きの電流とその逆の第２の向きの電流とを交互に切替えながら前記コイルへ供給する電流供給工程を有する。

この態様において、前記電流供給工程では、前記電流供給装置が、前記コイルへ前記第１の向きの電流を供給する時間長と前記第２の向きの電流を供給する時間長の割合を違えるようにしてもよい。

また、前記ソレノイドは、前記鉄芯を永久磁石から引き離す向きに付勢する付勢部を更に備え、前記電流供給工程では、前記電流供給装置が、自身の周囲に磁路が形成された鉄芯が前記付勢部の付勢力に抗って所定量だけ移動する時間長の間だけ前記第１の向きの電流を供給してから、電流の向きを前記第２の向きへと切替えるようにしてもよい。

前記電流供給装置は、直流電源と、前記直流電源と前記コイルの一端の間に介挿された第１のスイッチング素子と、前記直流電源と前記コイルの他端の間に介挿された第２のスイッチング素子と、前記コイルの一端とグランドの間に介挿された第３のスイッチング素子と、前記コイルの他端とグランドの間に介挿された第４のスイッチング素子と、所定のデューティ比でハイレベルとローレベルの間を遷移するパルス信号を発生する信号発生手段と、前記第１乃至第４の各スイッチング素子のオンとオフの切り換えを制御する切換制御手段とを備え、前記電流供給工程では、前記切換制御手段が、前記信号発生手段がハイレベルのパルス信号を発生している間は前記第１及び第４のスイッチング素子をオンにすると共に第２及び第３のスイッチング素子をオフにすることによって前記直流電源から前記コイルへ前記第１の向きの電源を供給させる一方、前記信号発生手段がローレベルのパルス信号を発生している間は前記第１及び第４のスイッチング素子をオフにすると共に第２及び第３のスイッチング素子をオンにすることによって前記直流電源から前記コイルへ前記第２の向きの電源を供給させるようにしてもよい。

前記鉄芯の目標位置への到達を検出する検出手段を更に備え、前記切換制御手段は、前記鉄芯が目標位置へ到達したことを前記検出手段が検出すると、前記第１乃至第４のスイッチング素子のすべてをオフにするようにしてもよい。

パルス信号のデューティー比およびこのデューティー比を出力させるパルス数を指定するプロファイルデータを記録したメモリを更に備え、前記信号発生手段は、前記メモリに記憶されたプロファイルデータを基に自らが発生するパルス信号のデューティー比および指定デューティー比を出力させるパルスの数を特定するようにしてもよい。

本発明によると、消音ゴムなどの部材を備え付けることなく可動鉄芯と固定鉄芯の衝突音の発生を確実に防ぐことができる。また、可動鉄芯の摺動速度や停止位置などを自在に制御し得るような仕組みを提供することができる。

（第１実施形態）
本願発明の第１実施形態について説明する。
図２は、本実施形態にかかるソレノイドの物理的構成を示す図であり、図３は、ソレノイドを駆動する駆動回路の電気的構成を示す図である。
図２に示すように、このソレノイドは、底部に固定鉄芯１１を設け、各々の内部に孔を設けたボビン１２と永久磁石１３とを収容した磁機ヨーク１４の上面開口部に、ボビン１２及び永久磁石１３と同径の孔を略中央に設けた補助ヨーク１５を備え付けてなる。そして、補助ヨーク１５から永久磁石１３を経由してボビン１２へと略一直線状に連なる孔には、可動鉄芯１６が挿入されおり、その可動鉄芯１６は、復帰ばね１７によって固定鉄芯１１と逆方向に付勢されている。更に、ボビン１２の外周には、図３の回路により電流の供給を受けるコイル１８が巻回されている。

図３において、ソレノイドの駆動回路は、Ｈブリッジスイッチング素子群２２乃至２５と、パルス幅変調制御部２６と、スイッチング切換部２８とを備える。
Ｈブリッジスイッチング素子群２２乃至２５は、直流電源２１とコイル１８の一方の端の間の第１スイッチング素子２２、直流電源２１とコイル１８の他方の端の間の第２スイッチング素子２３、コイル１８の一方の端とグランドの間の第３スイッチング素子２４、コイル１８の他方の端とグランドの間の第４スイッチング素子２５からなる。
パルス幅変調制御部２６は、メモリ２７に記憶されたデューティー比プロファイルに従ったデューティー比でハイレベルとローレベルの間を遷移するパルス信号を発生する。

スイッチング切換部２８は、第１アンドゲート２９、第２アンドゲート３０、及びインバータ３１を組み合わせてなる。第１アンドゲート２９には、パルス幅変調制御部２６にて発生されたパルス信号とハイレベルに固定されたオン信号とが入力される。第１アンドゲート２９は、自身に入力されるパルス信号とオン信号が共にハイレベルである間、第１スイッチング素子２２と第４スイッチング素子２５とにスイッチオンの信号を供給する。第２アンドゲート３０には、パルス幅変調制御部２６にて発生されたパルス信号がインバータ３１を経由する際にハイレベルとローレベルとが反転され、オン信号と共に入力される。第２アンドゲート３０は、自身に入力されるパルス信号とオン信号が共にハイレベルである間、第２スイッチング素子２３と第３スイッチング素子２４とにスイッチオンの信号を供給する。よって、パルス幅変調制御部２６が発生するパルス信号がハイレベルの間は、第１スイッチング素子２２と第４スイッチング素子２５とがオンになってＡの向きの電流が直流電源２１からコイル１８へ供給される一方、パルス幅変調制御部２６が発生するパルス信号がローレベルの間は、第２スイッチング素子２３と第３スイッチング素子２４とがオンになってＢの向きの電流が直流電源２１からコイル１８へ供給されることになる。

図２の説明に戻り、直流電源２１からコイル１８に供給される電流の向きとボビン１２に挿入された可動鉄芯１６の移動の関係について説明する。本実施形態においては、図３に示すＡの向きの電流がコイル１８へ供給されると、永久磁石１３自らが発生している磁界と同方向の磁界がコイル１８によって発生され、可動鉄芯１６、補助ヨーク１５、磁機ヨーク１４よりなる閉磁路が形成され、この閉磁路を流れる磁束の作用により可動鉄芯１６が復帰ばね１７の付勢力に打ち勝ってその反対の固定鉄芯１１の方向へ摺動する。反対に、図３に示すＢの向きの電流がコイル１８へ供給されると、永久磁石１３自らが発生している磁界と逆方向の磁界がコイル１８によって発生されるため両者が干渉し合う結果、可動鉄芯１６は復帰ばね１７の付勢力に抗いきれずにその方向へと摺動することになる。

よって、メモリ２７に記憶させるデューティー比プロファイルのデューティー比を高くすればするほど、図３のＡの向きの電流の供給時間長がＢの向きの電流の供給時間長よりも相対的に長くなるため、復帰ばね１７の付勢力に抗って可動鉄芯１６を摺動させる速度を急峻にすることができる。一方、デューティー比を低くすればするほど、Ａの向きの電流の供給時間長がＢの向きの電流の供給時間長よりも相対的に短くなるため、可動鉄芯１６を摺動させる速度を緩やかにさせることができる。また、プロファイルデータにパルス出力数も記憶させて、あるパルス数が出力された後、デューティー比を変更することができる。これにより、可動鉄芯１６が目標位置にしたがって、その摺動速度を徐々に遅くしていくといった制御も可能となる。

（第２実施形態）
本願発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態においては、可動鉄芯１６の目標位置（固定鉄芯１１と衝突する直前の位置）への到達を検出するセンサを更に備える。そして、このセンサが可動鉄芯１６の目標位置への到達を検出すると、スイッチング切換部２８の第１アンドゲート２９と第２アンドゲート３０に入力されるオン信号をハイレベルからローレベルに遷移させる。これにより、第１乃至第４スイッチング素子２２乃至２５のすべてがオフとなり、コイル１８への電流の供給が停止される。コイル１８への電流の供給が止まると、コイル１８により発生されていた磁界が消磁して永久磁石１３自らが発生している磁界だけが残存することになり、その永久磁石１３に吸引されて可動鉄芯１６が静止する、いわゆる自己保持状態となる。
本実施形態によると、可動鉄芯１６が目標位置に到達した時点でコイル１８への電流の供給が停止されて自己保持状態となるので、余分な電力を消費することなく可動鉄芯１６を目的の位置で静止させておくことができる。

（他の実施形態）
本願発明は、種々の変形実施が可能である。
例えば、上記実施形態では、Ａの向きの電流がコイル１８へ供給されたときに可動鉄芯１６が固定鉄芯１１の方向へ移動し、Ｂの向きの電流がコイル１８へ供給されたときに復帰ばね１７の方向へ移動するようになってたが、この向きはコイル１８の巻方向に依存するものであり、コイル１８の巻方向が逆になれば両者の関係は逆転する。
また、上記実施形態では、可動鉄芯１６に付勢力を与える部材としてばねを用いたが、ゴムやその他の弾性体でこれを代用してもよい。
上記実施系形態において、電流の供給開始から数クロックカウントした時点でデューティー比を小さくするといったようにシーケンス的な制御を行わせるようにしてもよい。この変形例によれば、可動鉄芯１６が目標位置に近づくに従ってその摺動速度を徐々に遅くしていくといった制御も可能となり、衝撃音の発生を確実に防ぎつつも目標位置に到達させる時間を早めることができる。

従来のソレノイドの要部構成を示す図である。 実施形態にかかるソレノイドの物理的構成を示す図である。 ソレノイドを駆動する駆動回路の電気的構成を示す図である。

符号の説明

１２…ボビン、１３…永久磁石、１４…磁機ヨーク、１５…補助ヨーク、１６…可動鉄芯、１８…コイル、２１…直流電源、２２〜２５スイッチング素子、２６…パルス幅変調制御部、２７…メモリ、２８…スイッチング切換部、３１…インバータ

Claims (6)

1. 永久磁石、孔を貫通させたボビン、そのボビンの外周に巻回されたコイル、及び前記孔へ挿入された鉄芯を備えたソレノイドと、そのソレノイドのコイルに電流を供給する電流供給装置とを用いたソレノイド駆動方法であって、
   前記電流供給装置が、
   前記永久磁石が自ら発生する磁界と同方向の磁路を前記鉄芯の周囲に形成する第１の向きの電流とその逆の第２の向きの電流とを交互に切替えながら前記コイルへ供給する電流供給工程
   を有するソレノイド駆動方法。
2. 請求項１に記載のソレノイド駆動方法において、
   前記電流供給工程では、
   前記電流供給装置が、
   前記コイルへ前記第１の向きの電流を供給する時間長と前記第２の向きの電流を供給する時間長の割合を違える
   ソレノイド駆動方法。
3. 請求項１又は２に記載のソレノイド駆動方法において、
   前記ソレノイドは、
   前記鉄芯を永久磁石から引き離す向きに付勢する付勢部
   を更に備え、
   前記電流供給工程では、
   前記電流供給装置が、
   自身の周囲に磁路が形成された鉄芯が前記付勢部の付勢力に抗って所定量だけ移動する時間長の間だけ前記第１の向きの電流を供給してから、電流の向きを前記第２の向きへと切替える
   ソレノイド駆動方法。
4. 請求項１乃至３に記載のソレノイド駆動方法において、
   前記電流供給装置は、
   直流電源と、
   前記直流電源と前記コイルの一端の間に介挿された第１のスイッチング素子と、
   前記直流電源と前記コイルの他端の間に介挿された第２のスイッチング素子と、
   前記コイルの一端とグランドの間に介挿された第３のスイッチング素子と、
   前記コイルの他端とグランドの間に介挿された第４のスイッチング素子と、
   所定のデューティ比でハイレベルとローレベルの間を遷移するパルス信号を発生する信号発生手段と、
   前記第１乃至第４の各スイッチング素子のオンとオフの切り換えを制御する切換制御手段と
   を備え、
   前記電流供給工程では、
   前記切換制御手段が、
   前記信号発生手段がハイレベルのパルス信号を発生している間は前記第１及び第４のスイッチング素子をオンにすると共に第２及び第３のスイッチング素子をオフにすることによって前記直流電源から前記コイルへ前記第１の向きの電源を供給させる一方、前記信号発生手段がローレベルのパルス信号を発生している間は前記第１及び第４のスイッチング素子をオフにすると共に第２及び第３のスイッチング素子をオンにすることによって前記直流電源から前記コイルへ前記第２の向きの電源を供給させる
   ソレノイド駆動方法。
5. 請求項４に記載のソレノイド駆動方法において、
   前記鉄芯の目標位置への到達を検出する検出手段
   を更に備え、
   前記切換制御手段は、
   前記鉄芯が目標位置へ到達したことを前記検出手段が検出すると、前記第１乃至第４のスイッチング素子のすべてをオフにする
   ソレノイド駆動方法。
6. 請求項４又は５に記載のソレノイド駆動方法において、
   パルス信号のデューティー比およびこのデューティー比を出力させるパルス数を指定するプロファイルデータを記録したメモリ
   を更に備え、
   前記信号発生手段は、
   前記メモリに記憶されたプロファイルデータを基に自らが発生するパルス信号のデューティー比および指定デューティー比を出力させるパルスの数を特定する
   ソレノイド駆動方法。
   

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