(57)【要約】【課題】電源電圧が変化した場合でも電流の立ち上がりのばらつきを抑制することができる電流制御装置を提供する。【解決手段】電流制御装置１００は、電源（ＶＢ）から電力が供給される負荷５と、電源（ＶＢ）と負荷５との間に直列に接続されパルス幅変調された信号によって制御するスイッチング素子１と、スイッチング素子１を制御する制御部４と、負荷５とグランドとの間に直列に接続され、負荷５に流れる電流を可変的に制限する電流制限素子２と、負荷５に流れる電流を検出する電流検出部３と、を有し、電流検出部３は、負荷５に流れる電流を検出した結果に基づいて電流制限素子２を駆動し、制御部４は、通電開始時に電源（ＶＢ）の電圧に基づいて、スイッチング素子１を制御する。【選択図】図１
2015130610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から電力が供給される負荷と、
電源と前記負荷との間に直列に接続されパルス幅変調された信号によって制御するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子を制御する制御部と、
前記負荷とグランドとの間に直列に接続され、前記負荷に流れる電流を可変的に制限する電流制限素子と、
前記負荷に流れる電流を検出する電流検出部と、を有し、
前記電流検出部は、前記負荷に流れる電流を検出した結果に基づいて前記電流制限素子を駆動し、
前記制御部は、通電開始時に前記電源の電圧に基づいて、前記スイッチング素子を制御することを特徴とする電流制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷に供給する電流を一定の範囲内に制限する電流制御装置に関し、特に、電源投入時の電流の立ち上がりが安定な電流制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、モータや電磁石を用いたアクチュエータなどの誘導性の負荷を駆動する場合の応答特性を改善するために電流制限回路を用いた駆動装置が数多く提案されている。
【０００３】
特許文献１（従来例）に記載の制御装置（電流制御装置）９００では、図４に示すように、スイッチング素子９３１を有するＤ級アンプ９０３と、電磁石９０２のコイル９０２ｃと、可変抵抗器９０６とを備えている。
【０００４】
スイッチング素子９３１はパルス幅変調された信号によって制御され、電磁石９０２のコイル９０２ｃには、スイッチング素子９３１を介して電力が供給される。また、可変抵抗器９０６は電流制限素子としてコイル９０２ｃと直列に接続され、電流を可変的に制限する。
【０００５】
可変抵抗器９０６を用いることで、負荷の抵抗値にあわせてスイッチング素子９３１に流れる電流を一定値以下の範囲で変更することによって、異なる負荷に対して汎用的に使用することができる制御装置の技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４２１８３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来例では、スイッチング素子に流れる電流を制限することができ、また、設定を変更することができるが、電源電圧の変化による電流値の立ち上がり時間の変動については考慮されていないという課題があった。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するもので、電源電圧が変化した場合でも電流の立ち上がりのばらつきを抑制することができる電流制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題を解決するために、本発明の電流制御装置は、電源から電力が供給される負荷と、電源と前記負荷との間に直列に接続されパルス幅変調された信号によって制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御する制御部と、前記負荷とグランドとの間に直列に接続され、前記負荷に流れる電流を可変的に制限する電流制限素子と、前記負荷に流れる電流を検出する電流検出部と、を有し、前記電流検出部は、前記負荷に流れる電流を検出した結果に基づいて前記電流制限素子を駆動し、前記制御部は、通電開始時に前記電源の電圧に基づいて、前記スイッチング素子を制御することを特徴とする。
【００１０】
これによれば、通電開始時に電源の電圧に基づいて、スイッチング素子を制御するので、電源電圧が変化した場合でも電流の立ち上がりのばらつきを抑制することができる電流制御装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電源電圧が変化した場合でも電流の立ち上がりのばらつきを抑制することができる電流制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る電流制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】制御部から出力されるＰＷＭ信号を説明する図である。
【図３】電流制御装置が負荷に対して通電開始する前の状態を説明する図である。
【図４】従来例の制御装置（電流制御装置）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第１実施形態］
以下に本発明の実施形態に係る電流制御装置１００について説明する。
【００１４】
まず始めに本実施形態に係る電流制御装置１００の構成について図１を用いて説明する。図１は電流制御装置１００の構成を示すブロック図である。
【００１５】
電流制御装置１００は、図１に示すように、スイッチング素子１と、電流制限素子２と、電流検出部３と、制御部４と、負荷５と、を備えており、また分圧回路６を有している。電流制御装置１００には蓄電池等から直接供給される電源（ＶＢ）と、電源（ＶＢ）をレギュレータによって安定化させた安定化電源（Ｖｃｃ）とが供給されている。
【００１６】
スイッチング素子１は図１に示すようにＰチャネルのＭＯＳ‐ＦＥＴで、ゲート（Ｇ）とドレイン（Ｄ）とソース（Ｓ）の３つの電極を有している。スイッチング素子１のソース（Ｓ）は電源（ＶＢ）に、ドレイン（Ｄ）は負荷５の一端に、またゲート（Ｇ）は制御部４に、それぞれ接続されている。従って、スイッチング素子１は、電源（ＶＢ）と負荷５との間に直列に接続されていることになる。
【００１７】
電流制限素子２は図１に示すようにＮチャネルのＭＯＳ‐ＦＥＴで、ゲート（Ｇ）とドレイン（Ｄ）とソース（Ｓ）の３つの電極を有している。電流制限素子２のドレイン（Ｄ）は負荷５の他端に、ソース（Ｓ）は電流検出部３に備えられた抵抗Ｒ１の一端と増幅器３ａの一方の入力とに、ゲート（Ｇ）は電流検出部３の増幅器３ａの出力に、それぞれ接続され、抵抗Ｒ１の他端はグランドに接続されている。従って、電流制限素子２は負荷５とグランドとの間に直列に接続されていることになる。
【００１８】
電流検出部３は図１に示すように、増幅器３ａと、３つの抵抗（Ｒ１，Ｒ２、Ｒ３）とで構成されている。抵抗Ｒ１は、一端が増幅器３ａの一方の入力と電流制限素子２のソース（Ｓ）とに接続され、他端がグランドに接続されている。抵抗Ｒ２は一端が安定化電源（Ｖｃｃ）に接続され他端が増幅器３ａの他方の入力と抵抗Ｒ３の一端とに接続されており、抵抗Ｒ３の他端はグランドに接続されている。増幅器３ａは、２つの入力と１つの出力とを有しており、一方の入力は電流制限素子２のソース（Ｓ）と抵抗Ｒ１の一端とに接続されている。また、増幅器３ａの他方の入力は抵抗Ｒ２の他端と抵抗Ｒ３の一端とに接続されている。
【００１９】
制御部４は図１に示すように、アナログ電圧信号が入力される入力ポートＰＩと、パルス幅変調された信号（以下、ＰＷＭと記す）を出力する出力ポートＰＯと、を備えている。入力ポートＰＩは抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５とが直列に接続されて構成される分圧回路６に接続されており、出力ポートＰＯは、スイッチング素子１のゲート（Ｇ）に接続されている。制御部４は、入力ポートＰＩに入力されたアナログ電圧信号をアナログ‐デジタル変換（以下、ＡＤ変換と記す）しデジタル信号の電圧データとして演算処理を行ない、演算処理の結果に基づいてＰＷＭ信号を出力ポートＰＯから出力する。
【００２０】
負荷５は、アクチュエータに備えられたソレノイド等、電源から電力が供給されることで動作し、一端がスイッチング素子１のドレイン（Ｄ）に接続されており、他端が電流制限素子２のドレイン（Ｄ）に接続されている。
【００２１】
分圧回路６は、２つの抵抗（Ｒ４，Ｒ５）が直列に接続されて構成されている。抵抗Ｒ４の一端は電源（ＶＢ）に接続され他端が抵抗Ｒ５の一端と制御部４の入力ポートＰＩに接続されており、抵抗Ｒ５の他端はグランドに接続されている。このため、電源（ＶＢ）の電圧が抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５で分圧された電圧が、制御部４の入力ポートＰＩに入力される。
【００２２】
次に、定常状態での電流制御装置１００の動作について図１及び図２を用いて説明する。図２は制御部４の出力ポートＰＯから出力されるＰＷＭ信号を説明する図である。図２（ａ）は出力信号のデューティが５０％の場合の波形を示す図であり、図２（ｂ）は出力信号のデューティが７５％の場合の波形を示す図であり、図２（ｃ）は出力信号のデューティが２５％の場合の波形を示す図である。
【００２３】
制御部４は、図２に示すＰＷＭ信号を出力ポートＰＯから出力することでスイッチング素子１を制御する。ＰＷＭ信号は、図２（ａ）に示すように、ＰＷＭ信号の電圧がほぼ制御部４に供給されている安定化電源（Ｖｃｃ）の電圧となる”Ｈ”レベルの信号を出力する期間と、０（Ｖ）となる”Ｌ”レベルの信号を出力する期間の合計が１周期（Ｔ）となる信号である。本実施形態では、ＰＷＭ信号のデューティは１周期のうち出力が”Ｌ”レベルとなる機関の割合とする。従って、図２（ｂ）の信号ではデューティは７５％となり、図２（ｃ）の信号では、デューティは２５％となる。
【００２４】
スイッチング素子１のゲート（Ｇ）にＰＷＭ信号が入力されると、スイッチング素子１は、ＰＷＭ信号によって制御され入力されたＰＷＭ信号に従ってＯＮ／ＯＦＦを繰り返すよう動作する。
【００２５】
ＰＷＭ信号が”Ｈ”レベルの期間にはスイッチング素子１のゲート‐ソース間電圧（ＶＧＳ）が電源（ＶＢ）と安定化電源（Ｖｃｃ）との差となり、小さくなるため、スイッチング素子１はＯＦＦ状態となる。ＰＷＭ信号が”Ｌ”レベルの期間にはスイッチング素子１のゲート‐ソース間電圧（ＶＧＳ）に電源（ＶＢ）の電圧となるため、スイッチング素子１はＯＮ状態となる。この結果、スイッチング素子１が断続的にＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことによって、負荷５に対して電源電圧が断続的に加わることになる。
【００２６】
制御部４は、出力ポートＰＯに出力するＰＷＭ信号のデューティを変えることで、スイッチング素子１がＯＮしている期間とＯＦＦしている期間の比率を制御することができる。
【００２７】
スイッチング素子１と、負荷５と、電流制限素子２と、抵抗Ｒ１と、は直列に接続されているので、抵抗Ｒ１に流れる電流は、負荷５に流れる電流及び電流制限素子２に流れるドレイン電流（ＩＤ）は同じ値となる。
【００２８】
電流検出部３は、抵抗Ｒ１に電流が流れることによって生じる電圧（Ｖｒ１）で負荷５に流れる電流を検出し、抵抗Ｒ１に電流が流れることによって生じる電圧（Ｖｒ１）が基準電圧（Ｖ０）と等しくなるように駆動する。
【００２９】
電流検出部３に備えられた増幅器３ａの一方の入力には、抵抗Ｒ１に電流が流れることによって生じる電圧（Ｖｒ１）が入力される。また増幅器３ａの他方の入力には、安定化電源（Ｖｃｃ）の電圧が抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３とによって分圧された電圧が基準電圧（Ｖ０）として入力される。増幅器３ａは、抵抗Ｒ１に生じる電圧（Ｖｒ１）と基準電圧（Ｖ０）との差を増幅して出力する。基準電圧（Ｖ０）に対して抵抗Ｒ１に生じる電圧（Ｖｒ１）が低い場合、出力電圧が上昇し、基準電圧（Ｖ０）に対して抵抗Ｒ１に生じる電圧（Ｖｒ１）が高い場合、出力電圧が下降する。
【００３０】
電流検出部３に備えられた増幅器３ａの出力は電流制限素子２のゲート（Ｇ）に接続されているので、抵抗Ｒ１に流れる電流の大きさに応じて出力される電圧が電流制限素子２のゲート（Ｇ）に入力される。
【００３１】
電流制限素子２は主としてリニア領域で使用され、そのゲート（Ｇ）には電流検出部３に備えられた増幅器３ａの出力電圧が入力され、ソース（Ｓ）には抵抗Ｒ１に生じる電圧（Ｖｒ１）が加わっている。この電圧の差によってゲート‐ソース間電圧（ＶＧＳ）が決定し、電流制限素子２に加えられるゲート‐ソース間電圧（ＶＧＳ）によってＭＯＳ‐ＦＥＴのＶＧＳ−ＩＤ特性に応じてドレイン電流（ＩＤ）が流れる状態となる。すなわち、ゲート‐ソース間電圧（ＶＧＳ）に応じたＭＯＳＦＥＴのチャネル抵抗が与えられ、この抵抗値によって負荷５に流れる電流を可変的に制限するので、負荷５に流れる電流を一定値以下に制限することができる。このように、電流制限素子２は、電流検出部３が負荷５に流れる電流を抵抗Ｒ１に生じる電圧（Ｖｒ１）によって検出した結果に基づいて駆動される。
【００３２】
次に、負荷５に対して通電を開始する際の電流制御装置１００の動作について図１から図３を用いて説明する。図３は電流制御装置１００が負荷５に対して通電開始する前の状態を説明する図である。
【００３３】
通電開始する前の状態では、制御部４の出力ポートＰＯからはＰＷＭ信号が出力されておらず、図３に示すように”Ｈ”の電圧が出力されている。このためスイッチング素子１はＯＦＦとなっている。
【００３４】
スイッチング素子１がＯＦＦとなっているので、負荷５に対して電源が供給されず、当然電流も流れない。このため電流検出部３に備えられた抵抗Ｒ１に電圧が発生していないため、電流検出部３の出力電圧が最大となって、電流制限素子２のゲートに加わっている状態となっている。
【００３５】
制御部４は、負荷５に通電を開始する前に、入力ポートＰＩに分圧回路６から入力されている電圧をＡＤ変換し電圧データを取得する。電源（ＶＢ）の電圧が高い場合には取得した電圧データの値は大きくなり、低い場合には電圧データは小さくなる。制御部４は、取得した電圧データに対し、第１の閾値と、第１の閾値より値の小さい第２の閾値と、の２つの閾値と順次比較を行なう。
【００３６】
取得した電圧データが、第１の閾値より大きい場合、制御部４はＰＷＭ信号のデューティが小さくなるように設定する。本実施例では、図２（ｃ）に示すデューティ２５％が設定されるものとする。
【００３７】
取得した電圧データが、第２の閾値以下の場合、制御部４はＰＷＭ信号のデューティが大きくなるように設定する。本実施例では、図２（ｂ）に示すデューティ７５％が設定されるものとする。
【００３８】
取得した電圧データが、第１の閾値以下で第２の閾値より大きい場合、制御部４はＰＷＭ信号のデューティが中間の値となるように設定する。本実施例では、図２（ａ）に示すデューティ５０％が設定されるものとする。
【００３９】
制御部４は、ＰＷＭ信号のデューティを設定した後に、ＰＷＭ信号を出力するように制御し、通電を開始する。
【００４０】
電源（ＶＢ）の電圧が低い場合にはスイッチング素子１がＯＮになる期間が長くなるようにＰＷＭ信号のデューティを大きく設定するので、負荷５に流れる電流の立ち上がりを早くすることができる。
【００４１】
電源（ＶＢ）の電圧が高い場合にはスイッチング素子１がＯＮになる期間が短くなるようにＰＷＭ信号のデューティを小さく設定するので、負荷５に流れる電流の立ち上がりが早すぎないように抑制することができる。
【００４２】
以上のように制御部４は通電開始時に、電源（ＶＢ）の電圧に基づいてスイッチング素子１を制御するので電源（ＶＢ）の電圧が変化した場合でも電流の立ち上がりのばらつきを抑制することができる。
【００４３】
負荷５に電流が流れ始めると、電流検出部３に備えられた抵抗Ｒ１に生じる電圧（Ｖｒ１）が上昇し、電流検出部３の出力が下がるように動作するため、電流制限素子２が負荷５に流れる電流を一定値以下に制限する。
【００４４】
制御部４は、負荷５への通電開始から一定時間経過後に、ＰＷＭ信号のデューティが中間の値となるように設定し、定常の動作状態へ移行する。
【００４５】
以下、本実施形態としたことによる効果について説明する。
【００４６】
本実施形態の電流制御装置１００では、電源（ＶＢ）から電力が供給される負荷５と、電源（ＶＢ）と負荷５との間に直列に接続されパルス幅変調された信号によって制御するスイッチング素子１と、スイッチング素子１を制御する制御部４と、負荷５とグランドとの間に直列に接続され、負荷５に流れる電流を可変的に制限する電流制限素子２と、負荷５に流れる電流を検出する電流検出部３と、を有し、電流検出部３は、負荷５に流れる電流を検出した結果に基づいて電流制限素子２を駆動し、制御部４は、通電開始時に電源（ＶＢ）の電圧に基づいて、スイッチング素子１を制御するよう構成した。
【００４７】
これにより、通電開始時に電源（ＶＢ）の電圧に基づいて、スイッチング素子１を制御するので、電源電圧が変化した場合でも電流の立ち上がりのばらつきを抑制することができる電流制御装置を提供することができる。
【００４８】
以上のように、本発明の実施形態に係る電流制御装置を具体的に説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能である。例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。
【００４９】
（１）本実施形態において、制御部４は取得した電圧データと閾値とを比較した結果ＰＷＭ信号のデューティを設定する例を示して説明を行ったが、電圧データから直接ＰＷＭ信号のデューティを算出設定するように変形して実施しても良い。
【００５０】
（２）本実施形態において、制御部４が設定するＰＷＭ信号のデューティを２５％，５０％，７５％の３段階で設定する例を示して説明を行ったが、電源（ＶＢ）の電圧に応じて５％ごと等の小さな可変幅で多くの設定値が設定できるように変形して実施しても良い。
【００５１】
（３）本実施形態において、電流検出部３の基準電圧は、安定化電源（Ｖｃｃ）の電圧を抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３で分圧して設定する例を示して説明を行ったが、アナログ電圧信号が出力可能な出力ポートを備えた制御部を用いて、制御部から供給するようにしても良い。
【００５２】
（４）本実施形態において、制御部４の出力ポートＰＯとスイッチング素子１のゲート（Ｇ）とが直接接続される例を示して説明を行ったが、電源（ＶＢ）の電圧と安定化電源（Ｖｃｃ）の電圧の差を変換して接続する電圧変換素子を介して接続しても良い。このように変形することで、電源（ＶＢ）と安定化電源（Ｖｃｃ）との電圧の差が大きい場合でも確実に動作させることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１      スイッチング素子
２      電流制限素子
３      電流検出部
３ａ    増幅器
４      制御部
５      負荷
６      分圧回路
１００  電流制御装置
【図１】
2015130610.tif 000003
【図２】
2015130610.tif 000004
【図３】
2015130610.tif 000005
【図４】
2015130610.tif 000006