JP4130447B2 - 低電力ソレノイド駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、ソレノイド駆動回路に関する。

ソレノイドは電気エネルギーを機械的な動きに変換するために広く使用され、それらの有用性のおかげで、自動車のロックを作動させる時間が重要なバルブから単純な呼び鈴までの広範囲の用途に使用される。

簡単に言うと、ソレノイドは電線から成り、コイルを作り出すために一般に環状に巻かれる。磁器伝導性ロッドが、コイルの内側に配置される。電流がコイルを通過するとき、磁場が作り出され、磁場がロッドをコイルに対して移動させる。多くの実施例では、電流がコイルを通過しなくなったときに、バイアス部材（例えば、スプリング）がロッドをイナクティブ状態に戻すために使用される。

ソレノイドの簡単な例は、伝統的な呼び鈴である。ユーザが呼び鈴を作動させるとき、その動作が巻かれた電線を電源に接続し、それにより磁場を巻かれた電線の内部に作り出す。この磁場が磁器伝導性プランジャを動かして、一般に金属チューニング・プレートを打ち、金属チューニング・プレートが第１の「ジャン」と一般に聞こえる音を作り出す。呼び鈴が解除された後、バイアス部材（例えば、スプリング）がプランジャをイナクティブな位置に戻す。呼び鈴の中には、プランジャが第２の金属チューニング・プレートを打ち、第２の「ドーン」という音を作り出すものもある。これらの同じ原理は、更に複雑な用途（例えば、バルブ）に適用される。その実施例では、プランジャの動きは通常はプランジャによって塞がれる開口部を一般に露出させ、従って、バルブを開く。

色々な用途のために、これらのソレノイドを駆動する多数の異なる方法が存在する。場合によっては、コストが最も重要な要因であり、他の場合には、電力消費またはスピードが最も重要な要因である。

ソレノイド駆動回路の多数の異なる実施例が市販されている。実際、複数の製造業者が、この機能を単一チップで実行する集積回路を製造している。電力を節約するために、実施例の中には、巻かれた電線を通して流される電流の総量を規制するものもある。これを行うために使用される１つの一般的な技術は、「チョッピング」として知られる技術を使用してソレノイドに供給される電圧を変化させ、電流が変わらないままであることを保証することである。一般に電圧はのこぎり波パターンで変化し、電流を予め定められた値に制限する。

他の実施例では、２重エネルギー・レベル駆動システムが使用される。ソレノイドを起動してロッドの移動を引き起こすために必要なエネルギーが、ロッドをこのアクティブ状態に保持するために必要なエネルギーよりも大きいことは、ソレノイドの既知の特性である。その結果、回路の中には、２つの異なるレベルの電流または電圧をソレノイドを駆動するために利用するものがあり、第１の（または、高い）レベルはソレノイドを「設定」するために必要であり、第２の（または、低い）レベルはソレノイドを「保持」するために必要である。

しかし、現在の実施例では、これらの節電機構は、不確定性またはジッタをソレノイドのタイミングで作り出す。例えば、アプリケーションの中には、エネルギーがコイルに供給される時間とソレノイドが起動される時間の正確な関係を必要とするものもある。（特定のイネーブル信号がアサートされると直ぐに電圧を供給する）簡単な回路を使用することにより、この予測可能性が得られるが、電力効率ではない。

電圧を「チョッピング」することにより電流を制御する回路は全体的な電力消費を減少させるが、ソレノイドに供給される「チョッピング」された電圧における変化のために、ソレノイドへの給電を許可する時間とそのソレノイドの起動に対するほど予測可能ではない。

同様に、２つの異なる電圧または電流レベルを実施する回路も同様に、タイミングの変化を経験する。一般に、これらの回路は、イネーブル信号を使用して「設定」電圧が加えられるべきであることを表示する。従来のタイミング遅延機構を使用して、レベルは後で低い「保持」電圧に切り替えられる。しかし、高いレベルは回路がイネーブルされているときに加えられるので、競合条件が回路のイネーブルの順序で発生し、高い電圧の適用が不定になる。場合によっては、回路がイネーブルされるときに高い電圧が存在し、早いターンオン時間をもたらす。他の場合には、回路がイネーブルされるときに高い電圧は存在しないが、その後は存在することもあり、少し遅いターンオン時間をもたらす。

アプリケーションの中には、ソレノイドがオフ・ポジションにある間に、キャパシタが充電されるものもある。ソレノイドが起動されなければならないとき、キャパシタの電荷が利用可能な供給電圧に加えられて、高いピーク電流を作り出すことによるソレノイドの素早い切替を保証する。この方法に対して、ソレノイドのタイミングは、起動の間のポーズがキャパシタ充電率に対して長いときだけ予測可能である。

多くのアプリケーションでは、これらの節電機構によって起こされるタイミングの小さな違いは、ソレノイドが使用されているシステムの運用に影響しない。しかし、回路のイネーブルおよびソレノイドの起動の間に予測可能な時間帯が存在することが必須であるアプリケーション（例えば、集積回路の組み立てにおける時間が重要なバルブ制御）が存在する。これらのアプリケーションでは、結果として生じる容認できないタイミングのジッタのために、一般に回路は節電技術を利用しない。

従って、本発明の目的は、回路のイネーブルおよびソレノイドの起動の間のジッタを最小化し、一方、２重エネルギー・レベル駆動方式を実施して電力消費を減少させるソレノイドを制御するためのシステムおよび方法を提供することである。

従来技術の問題は本発明により克服され、本発明は、正確なタイミングを保証して、同時に２重エネルギー・レベル駆動方式を提供して電力消費を減少させるソレノイドを制御するためのシステムおよび方法を提供する。本発明はイネーブル信号を利用して、ソレノイドに２つの異なるエネルギー・レベル（高い方が「設定」レベル、低い方が「保持」レベル）を供給する。これら２つのレベルの発生はイネーブル信号に基づき、高い「設定」レベルはソレノイドが起動されるときに存在することを保証し、それによりタイミング・ジッタを最小化する。

実施例１
図１は、本発明の好ましい実施例の回路図である。この回路の変形が、本発明の精神から逸脱することなく実施可能である。回路の好ましい実施例は、入力電圧１１、入力信号１２、および出力信号１３を有する。

入力電圧１１は、電圧を回路１０の複数の構成要素およびソレノイド２０に供給する。任意の適切な電源（図示されない）が、必要な電力入力を回路１０に供給するために使用できる。また、供給される電圧の総量は特に制限されず、２４，１２，および５ボルトを含むことができるが、１２ボルトが好ましい。

回路は、ソレノイド２０をイネーブルするために使用される単一の入力信号１２を有する。この実施例では、イネーブル信号１２が論理的にハイであるとき、回路１０は電圧がソレノイド２０に出力信号１３を介して伝わることを可能にする。或いは、当業者は、イネーブル信号１２が論理的にロウであるときにソレノイド２０が駆動されるように回路が設計されることを評価するであろう。

回路１０は、ソレノイド２０と連通する単一の出力信号１３を有する。この出力信号１３における電圧の存在はソレノイド２０が閉じることを可能にし、一方、信号１３における電圧の存在はソレノイド２０が開くことを可能にする。

この実施例では、入力電圧１１は電圧を電圧レギュレータＵ１に供給する。このレギュレータＵ１は、ソレノイド２０を閉じた位置に保持するためにソレノイド２０によって使用される第２の低電圧１０１を発生する。キャパシタＣ１は電圧レギュレータの出力と連通して、出力電圧の安定性を向上させる。好ましい電圧レギュレータＵ１は電力損および発熱を最小化するために高い効率を有する５Ｖのスイッチング・レギュレータであるが、他の実施例も本発明の範囲内である。例えば、第２の低電圧１０１は線形レギュレータを使用して発生されるが、発生した熱が著しく高い。或いは、回路１０は（設計の他の場所で作り出された）第２の電力入力を有し、第２の電力入力は低電圧を（回路の内部で発生する必要なしに）供給する。

ダイオードＤ２は電圧レギュレータＵ１の出力と電源スイッチＱ２の入力の間で直列であり、ダイオードＤ２のアノードは電圧レギュレータＵ１と連通し、ダイオードＤ２のカソードは電源スイッチＱ２と連通している。また、ダイオードＤ２のカソードも、電源スイッチＱ１の出力１０４と連通している。電源スイッチＱ１，Ｑ２は好ましい実施例を示すが、他の実施例も実施可能である。例えば、（関連する保護回路を有する）ディスクリートのＦＥＴが、同じ機能を実施するために利用される。この実施例では、ダイオードＤ２は順方向電圧降下を最小化するショットキー・ダイオードであるが、この回路を実施するために任意のダイオードが使用できる。

また、入力電圧１１も、電源スイッチＱ１入力、および抵抗器Ｒ２の一方のリード線と連通している。抵抗器Ｒ２の他方のリード線１０２は、抵抗器Ｒ１の一方のリード線、キャパシタＣ２、および（シュミット・トリガ型入力を有することが好ましい）インバータＵ２への入力と連通している。

シュミット・トリガ型入力を有するインバータは、出力が一方向に切り替わる入力電圧が、出力が他方向に切り替わる電圧よりも多少は高いことを保証される。換言すれば、入力がおよそ７．０ボルトより高くなるとき、１２ボルト電源を使用する一般的なシュミット・トリガ型インバータは、出力をロウ状態に切り替える。しかし、入力が４．７ボルトより低くなるまで、出力はハイ状態に戻らない。これらの値の差は、入力電圧がゆっくりと上昇または下降している間は、デバイスの出力が発振しないことを保証する。

キャパシタＣ２の他方のリード線は接地される。抵抗器Ｒ１の他方のリード線は、ダイオードＤ１のアノードと連通している。

インバータＵ２の出力１０３は、抵抗器Ｒ３の一方のリード線と連通している。抵抗器Ｒ３の他方のリード線は、電源スイッチＱ１のイネーブル入力と連通している。

最後に、ダイオードＤ１のカソードは、入力信号１２、および抵抗器Ｒ４の一方のリード線と連通している。抵抗器Ｒ４の他方のリード線は、電源スイッチＱ２のイネーブル入力と連通している。電源スイッチＱ２の出力は、ソレノイド２０と連通している。

回路の電気的オペレーションが、上記の接続形態に対して記載される。

入力信号１２が（電圧が０ボルト、または０ボルト付近である）ロウ状態であると仮定する。この低い電圧は電源スイッチＱ２をディスエーブルにして、出力から入力を効果的に切断する。この状態で、出力信号１３はディスエーブルされて、回路１０によって電圧は加えられない。加えて、入力信号１２のロウ状態はダイオードＤ１および抵抗器Ｒ１に電流を流し、それにより電荷をキャパシタＣ２から排出させる。定常状態において、インバータＵ２への入力における電圧は次のように表される。
Ｖ＝０．７Ｖ＋（１２Ｖ−０．７Ｖ）＊Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）
ここで、０．７Ｖは、ダイオードＤ１の両端の順方向電圧降下である。

インバータの入力におけるこの電圧１０２は、インバータＵ２の出力が（電源スイッチＱ２をイネーブルにする）ハイ状態であることを保証するのに十分なだけ低く、それにより入力における電圧（１２Ｖ）を出力に伝える。この電圧は電圧レギュレータＵ１の出力よりも非常に高いので、ダイオードＤ２は導通しない。従って、電源スイッチＱ２はディスエーブルされるが、オフ状態の間に入力は１２Ｖを給電される。このポイントにおける回路の種々の電圧の状態が、図２の時間２００で示される。

入力信号１２が０ボルトから１２ボルトに切り替わるとき、電源スイッチＱ２がイネーブルされ、それにより入力における電圧を出力に伝える。上記のように、電源スイッチが最初にイネーブルされるとき、入力は１２ボルトである。これは、図２の時間２０１で示される。

入力信号１２の高い電圧はダイオードＤ１に電流の導通を止めさせ、それによりキャパシタＣ２に対する放電路を除去する。もはやダイオードＤ１が導通していないので、電流を入力電圧から抵抗器Ｒ２を介して受け取るとき、キャパシタＣ２は充電を開始する。キャパシタが充電されるにつれて、インバータＵ２への入力における電圧は、Ｒ２およびＣ２の値によって決定される率で上昇する。高い電圧がソレノイドに充分長く加えられてソレノイドを完全に（考えられる機械的はね返り、および他の現象を含む）「設定」位置にすることを保証するように、充電率は充分長くなるように計算される。この値以上の充電率が好ましい。電圧が充分高いレベルを達成するとき、インバータＵ２の出力はロウになり、それにより電源スイッチＱ１をディスエーブルする。電源スイッチＱ１がディスエーブルされるので、もはや電源スイッチＱ１は１２ボルト信号を出力に供給しない。もはやこの電圧は存在しないので、ダイオードＤ２は導通して、電圧レギュレータＵ１の出力が電源スイッチＱ２の入力に配置されることを許容する。電源スイッチＱ２がイネーブルされるので、この低い電圧は直接的にソレノイド２０に伝わる。これは、図２の時間２０２で示される。

入力信号１２が再び変化するまで、回路はこの状態のままである。入力信号１２がロウ状態に戻るとき、図２の時間２０３で示されるように電源スイッチＱ２はディスエーブルされるので、電源スイッチＱ２は直ちに切れる。ダイオードＤ１は電流の導通を開始し、それによりキャパシタＣ２を放電させる。放電率はＲ１およびＣ２の値により決定され、入力電圧１１を駆動しているデバイスの最大負荷定格電流を遵守している間はキャパシタの急速放電を可能にするように一般に選択される。キャパシタが充分に放電されるとき、インバータＵ２の入力は充分に低くてインバータＵ２の出力をハイ状態に変化させ、それにより電源スイッチＱ１をイネーブルする。これは、入力信号１２の次の変化に備えて、入力電圧１１が電源スイッチＱ２の入力に加えられることを可能にする。これは、図２の時間２０４で示される。

この実施例は２つの異なる電圧レベルを利用してソレノイドを設定および保持するが、本発明はこの実施例に限定されない。例えば、２つの電圧レベルを２つの異なる電流源に置き換えることは当該技術分野の範囲であって、同じ結果を達成するであろう。

実施例２
ここに記載される本発明は、高精度で減菌液が計量および供給される薬液計量分配システムで使用される。代表的なシステムが、図３に示される。このシステムは、１組のピンチ・バルブを使用して液体体積を使い捨ての構成要素の中で計量する。これらのピンチ・バルブは、ソレノイドにより駆動される。液体体積を決定するので、ピンチ・バルブのタイミングはアプリケーションに対して極めて重要である。小さな変動でさえ、供給される体積を狂わせる。ソレノイドのタイミングが印加電圧に敏感なので、一定の公称電圧を加えてバルブ・ソレノイドを駆動しなければならない。しかし、温度もソレノイドのタイミングに影響するので、アクティブ状態にあるときは、バルブの自己加熱を最小化しなければならない。従って、２重電圧オペレーションが必要になる。

ソレノイドによるバルブ駆動の精度が最優先規準なので、必要なときに安定した供給電圧が存在することが絶対必要である。遅延の増加は許容されない。

本発明の実施例では、電圧切替によるバルブのタイミングへの悪影響なしに、バルブ加熱が充分に低いレベルに維持できることが実証される。

図３を参照すると、薬液計量分配システム１１０が示される。システム１１０は液体チャンバ１１２を含み、液体チャンバ１１２は液体源１１８から供給ライン１１６を介して満たされる。レベル制御装置１２２がチャンバ１１２の液体のレベルをモニタして、もしレベルが予め定められたしきい値より低くなったら、（図示されない）制御装置が供給ソレノイド１２１を駆動することにより供給バルブ１２０を開く。

チャンバ１１２は、排出口１２４および注入口１３８を含む。（図示されない）制御装置がソレノイド１３１を駆動し、次にソレノイド１３１が排出口ソレノイド１３０を開く。ドレイン管１２６は、充填管１３６およびドレイン・バルブ１２８と連通している。充填管１３６は閉ループを注入口１３８、チャンバ１１２、および排出口１２４の間に形成し、従って、ガス抜きの必要性を除去する。ドレイン・バルブ１２８は薬液の正確な放出を制御し、（（図示されない）制御装置により駆動される）ドレイン・ソレノイド１２９に制御される。必要な正確さのレベルのために、ドレイン・ソレノイド１２９および供給ソレノイド１３１は、図１を参照して記載される本発明により駆動される。好ましい実施例では、供給バルブ１３０およびドレイン・バルブ１２８は、各々が供給ソレノイド１３１およびドレイン・ソレノイド１２９と電気駆動バルブの形態で一体化する。

実施例では、本発明は最高８個のバルブを別々に駆動するために使用され、１つの電源および１つのレギュレータだけを必要とする。複数のソレノイドを動作させるときに電圧切替のタイミングが各回路に対して独立であることは、本発明の特徴である。従って、回路を増やすことにより、任意の数のソレノイドを駆動できる。

関連する特許は米国特許第5,680,960号、および米国特許第5,480,063号であり、液体計量分配装置を開示する。

本発明の１実施例を示す回路図である。 本発明の電気的オペレーションを示すタイミング図である。 本発明の薬液計量分配システムを示す系統図である。

符号の説明

１０ 回路
１１ 入力電圧
１２ 入力信号
１３ 出力信号
２０ ソレノイド
１０１ 低電圧
１０２ リード線
１０３ 出力
１０４ 出力
１１０ システム
１１８ 液体源
１２１ 供給ソレノイド
１２２ レベル制御装置
１２４ 排出口
１３０ 排出口ソレノイド
１３１ 供給ソレノイド
１３６ 充填管

Claims (3)

1. ソレノイドを駆動するためのシステムであって、
   前記ソレノイドをアクティブ状態に設定する第１の電圧レベル、および前記ソレノイドを前記アクティブ状態に保持する第２の低い電圧レベルを提供するように適合された中間出力信号、
   前記中間出力信号が前記ソレノイドと連通している第１のイネーブル状態、および前記中間出力信号が前記ソレノイドから電気的に絶縁されて、それにより前記ソレノイドをイナクティブ状態にする第２の状態を提供するように適合された前記ソレノイドと連通している出力信号、
   そのアサートが前記中間出力信号を前記出力信号を介して前記ソレノイドに加えられるようにし、そのアサート停止が前記中間出力信号を前記ソレノイドから絶縁させて、それにより前記ソレノイドをイナクティブ状態にする入力信号、ならびに
   前記入力信号の前記アサートの後の予め定められた時間に、前記中間出力信号を前記第１の電圧レベルから前記第２の電圧レベルに変化させるように適合され、前記入力信号の前記アサート停止の後に、前記中間出力信号を前記第２の電圧レベルから前記第１の電圧レベルに変化させるように更に適合される制御ロジックから成ることを特徴とするシステム。
2. ソレノイドを駆動するためのシステムであって、
   前記ソレノイドをアクティブ状態に設定する第１の電流レベル、および前記ソレノイドを前記アクティブ状態に保持する第２の低い電流レベルを提供するように適合された中間出力信号、
   前記中間出力信号が前記ソレノイドと連通している第１のイネーブル状態、および前記中間出力信号が前記ソレノイドから電気的に絶縁されて、それにより前記ソレノイドをイナクティブ状態にする第２の状態を提供するように適合された前記ソレノイドと連通している出力信号、
   そのアサートが前記中間出力信号を前記出力信号を介して前記ソレノイドに加えられるようにし、そのアサート停止が前記中間出力信号を前記ソレノイドから絶縁させて、それにより前記ソレノイドをイナクティブ状態にする入力信号、ならびに
   前記入力信号の前記アサートの後の予め定められた時間に、前記中間出力信号を前記第１の電流レベルから前記第２の電流レベルに変化させるように適合され、前記入力信号の前記アサート停止の後に、前記中間出力信号を前記第２の電流レベルから前記第１の電流レベルに変化させるように更に適合される制御ロジックから成ることを特徴とするシステム。
3. 薬液計量分配システムであって、ソレノイドの動作に応答して薬液が分配され、そのタイミングが前記ソレノイドに印加される電圧および前記ソレノイドの温度により影響され、前記ソレノイドが１つのシステムによって制御される薬液計量分配システムであり、
   前記ソレノイドをアクティブ状態に設定する第１の電圧レベル、および前記ソレノイドを前記アクティブ状態に保持する第２の低い電圧レベルを提供するように適合された中間出力信号、
   前記中間出力信号が前記ソレノイドと連通している第１のイネーブル状態、および前記中間出力信号が前記ソレノイドから電気的に絶縁されて、それにより前記ソレノイドをイナクティブ状態にする第２の状態を提供するように適合された前記ソレノイドと連通している出力信号、
   そのアサートが前記中間出力信号を前記出力信号を介して前記ソレノイドに加えられるようにし、そのアサート停止が前記中間出力信号を前記ソレノイドから絶縁させて、それにより前記ソレノイドをイナクティブ状態にする入力信号、ならびに
   前記入力信号の前記アサートの後の予め定められた時間に、前記中間出力信号を前記第１の電圧レベルから前記第２の電圧レベルに変化させるように適合され、前記入力信号の前記アサート停止の後に、前記中間出力信号を前記第２の電圧レベルから前記第１の電圧レベルに変化させるように更に適合される制御ロジックから成ることを特徴とする薬液計量分配システム。

Images