(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方が電源に接続の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、
前記ソレノイドコイルには、カソードが電源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、その十側に直列に接続の抵抗器からなる直列回路が並列に接続され、また前記コンデンサと抵抗器の直列回路には、発光ダイオードと、そのアノード側に直列に接続の抵抗器からなる直列回路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て成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乃至３のいずれか一つに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乃至３のいずれか一つに記載のソレノイド駆動回路。
【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Ｄ１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Ｃ１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、一方が電源に接続の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、前記ソレノイドコイルには、カソードが電源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その十側に直列に接続の抵抗器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、前記コンデンサと抵抗器の直列回路には、発光ダイオードと、そのアノード側に直列に接続の抵抗器からなる直列回路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。さらにまた、両抵抗器の抵抗値により、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。
【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て成ることにある（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。
【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４）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５）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（ＬＥＤ）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２０ｍＡ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２ｍｓ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８０Ｈｚ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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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