メカトロニクス情報誌
2018 年 5 月 1 日 発行

新電元メカトロニクス株式会社

Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.

＜ 比例ソレノイド＞

油圧バルブ制御用比例ソレノイド

電子ホビーに詳しい方なら「サーボ」をご存知と思います。
ラジコンでの遠隔操作や、マイコンと組み合わせて様々なものを動かすのに使用されます。最近はロボットに使われた例制御が可能になるものです。
「DC モータ」は通電により回転させることが出来ますが、「サーボ」は位置制御が可能です。

をよく見かけます。またラジコンでは飛行機の各操作舵面のソレノイドは通電することによって予め定められたスト駆動や、自動車のステアリング操作などに使われます。これローク範囲を往復動作します。このような一般型に加え、一は DC モータの回転力を減速機を通して出力として取り出す

定の範囲内で任意の位置または推力を得ることが出来る、とともに、位置検出用のポテンショメータでフィードバック「サーボ」のような機能を持つのが比例ソレノイドです。

しながら任意の位置に制御を行うものです。PWM 信号による指令が可能なのでマイコンとも相性が良く、リニアに位置■１. 比例ソレノイドの磁極構成
マグネットを鉄板に近づけていくと吸着直前で急激に吸引状により特性が大きく異なります。パイプの端面の形状を斜力が大きくなることを感じられるでしょう。これは平坦な対めにすることで特性をチューニングしたシリンダ型と対向磁向磁極を持つ一般的なソレノイドと同じです。吸着時が最も極型を組み合わせて合成すると、図 1 に示すような特性を得大きくなる傾向の推力特性を持っています。これに対してパることが出来ます。この特性図から、一定の領域で平坦な特イプ状の磁極を持つシリンダ型は、磁極に可動子が入り込む性を示していることが分かると思います。ストッパ等を使用位置が推力最大になる傾向を持ち、対向磁極型よりもブローしてこの領域のみに限定して使用可能なように構成すると平ドで広い範囲で推力が得られます。対向磁極型は大きな推力

坦な特性を持つ、比例ソレノイドとして使用することが出来が得られるとともに効率も高くよく使われますが、長い作動ます。ただし、このように合成で平坦になる領域はそれほど距離を得ることが出来ません。シリンダ型は、大きな推力は広いわけではなく、長いストロークはあまり得意ではありま得られませんが、長めの作動距離での使用が可能です。ただし、せん。図 2 に代表的な比例ソレノイドの内部構造を示します。

変換効率はあまり高いとは言えません。このように磁極の形

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■ 2 . 比例動作

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ソレノイドの推力特性

推力特性の合成で平坦な特性を有するソレノイドが出7来ました。では、これをどのように使用すると比例制御6ができるのでしょうか。
推力を制御する使い方があります。
ソレノイドは原理的に発生する推力がコイルに流した電流に比例します。磁極の形状は特殊でも基本的には変5推力

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比例制御には、位置を制御する位置制御と、発生する4比例領域3わりません。これは平坦な推力特性の場合、電流を一定値としておけば、位置が変わっても発生推力が変わらないということを意味します。逆に言えばどの位置であっても、流した電流によって推力が決まります。負荷に対する押圧力を電流で決めることが出来、負荷からの反力

シリンダ型
2合成型
100で位置が変化しても押圧力が変わらないことになります。
位置を制御したい場合は対抗ばねを使用します。対抗2「サーボ」は大きな減速比を持つ減速機をモータと出力

磁束
推力 / 吸着力
磁束012345678910シリンダ型
円筒型固定磁極

磁束

シンプルな構造が大きなメリットです。このため高速な吸着力動作が可能で、信頼性の高い応用が期待できます。

推力

可動磁極
吸着力

■ 3 . 原理的な利点・問題点力の方向が一致しています。これに対して、シリンダ型

10可動磁極することが出来るわけです。この様子を図３に示します。

平坦な対向磁極を持つソレノイドは主磁束の方向と推8対向磁極型

流で任意に制御できますので、結果的に電流で位置ぎめ機構が全く必要なく、出力軸が直接制御可能です。この6作動ストローク

ばね力と発生推力でバランス点が得られます。推力は電軸の間に配置しています。比例ソレノイドはこのような

4平坦型固定磁極

ばねのばね定数を適当に選ぶと、平坦な特性の範囲内で対向磁極型

磁束円筒型固定磁極0123454567891078910

合成型（比例ソレノイド）

かって流れています。発生する吸引力の方向も同じ向きです。しかし、推力として取り出される成分は移動可能可動磁極が入り込んでいき、磁束は内側の可動磁極から外側に向ストッパ

平坦型固定磁極のソレノイドはシリンダ状の固定磁極の内側に可動磁極に支持された方向のみです。このため、横方向の損失成0分が発生します。この成分は支持軸の抵抗として働くこ

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図1とになります。この結果、作動時の機械抵抗が大きくな

6各種ソレノイドの磁極と特性ることで、往復させた際の推力差であるヒステリシスを生じる原因となります。このほかに、磁極を構成する磁リード線
ケース

可動磁極性材料に磁気的なヒステリシスがあり、これも結果的に固定磁極ソレノイドのヒステリシスとなって現れます。この特性を改善した磁性材料も存在しますが、価格の高さや、加工しにくさなどから使用は限定的です。
油圧機器は作動油に高い圧力を加えて使用されます
が、ソレノイドはその可動部を高い圧力に耐える圧力容える必要がありません。このため、油圧機器への応用が広く進んでいます。

軸受

コイル巻線

出力シャフト
図2

比例ソレノイドの構造

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比例ソレノイド位置制御説明図

Force

横軸は作動ストローク、ソレノイドの作動方向

I3F3は左向き、ばねによる復帰は右方向です。
縦軸は推力およびばね力を示し、ソレノイドの発生推力は上方向で、負荷ばねはこれと対抗する

I2F2ように逆方向の下向きに設置されています。
比例ソレノイドは制御領域内で発生推力が一定

I1F10の値を示すように設計されており、大きさを変えた電流 I1、I2、I3 を流すと図示のような特性を示します。

B3

ここで、I1 を流した時には、発生推力とばね荷重の絶対値の等しい点 S1 で推力とばね荷B2B1重が拮抗し B1 にて静止します。同様に I2 で B2、Stroke

I3 で B3 で静止することになり、駆動電流で位置制御が可能となります。
カタログ等に記載している特性図においては、

S1

絶対値の交点が分かりやすいように軸反転して仮想負荷線の表記を用いることが多いので注意してください。

S2

また、ばねを取り去り、B3 付近で負荷に接触させた状態において、電流を I1、I2、I3 と変化させたとき、推力は F1、F2、F3 と変化します。このとき、

S3Force

位置が B2 まで移動しても、電流と発生推力の関係
図3比例ソレノイドの位置制御は変化せず、負荷に与える荷重は変わりません。

■ 4. 駆動テクニック
一般のソレノイドと構造が異なっても、特別な駆動方法が必ることで実現します。振動成分の付加には電流指令値に振動成要なわけではなく、電流値が制御できる電源であれば問題なく分を加算する方法と、電流制御の為に使う PWM の周波数を低使用できます。制御対象が電圧でなく、電流なのは、原理的にめに設定し、故意に脈動を発生させる方法があります。ディザ発生推力はコイルの巻き回数とそこに流す電流の積で決定されの周波数は出力シャフトを振動させるのが目的ですから、負荷ることによります。コイルは銅線を巻いて作られており、銅線の性質によって最適値は異なります。周波数も振動振幅も異なの抵抗温度係数はかなり大きな値を示します。このため電圧をります。実際に使用される環境での確認が必要となります。目一定に保っても、周囲の温度変化や自身の発熱によって抵抗値安としては 100 〜 200Hz 前後、定格電流の 10 〜 20％程度の振が変化し、電流が変化してしまいます。結果として推力の変化幅とします。ディザは大きい方が改善効果は大きくなりますが、を招きます。このため、制御するには電流を制御してやる必要負荷への影響、寿命への配慮などから決定します。

があるのです。一般の ON/OFF ソレノイドなら、温度変化によ

なお、ヒステリシスの原因には磁極の材質による磁気特性由る電流の低下分を見込んで少々オーバドライブしておけば事足来のものもあります。駆動電流に加える脈動は磁気ヒステリシりますが、比例ソレノイドではそれが許されないのです。

スの低減にも効果があります。

具体的な電流の制御方法には電圧を変化させる方法、スイッ

ヒステリシスは駆動電流と発生推力の関係が、上昇時と下降チングにより PWM で制御する方法があります。効率の高さか時で異なることであり、ちょっと詳しい方なら結果をフィード

ら PWM による方法が良く用いられます。

バックさせれば問題ないはずだと思われるかもしれません。冒

比例ソレノイドの駆動は電流が制御できれば問題なく使用で頭に引き合いに出した「サーボ」は出力シャフトの位置をポテきるわけですが、ヒステリシスという原理的な問題を持っていンショメータで検出し、その位置を指令値と比較する形の制御ることを前述しました。ヒステリシスは制御精度を高めようとを行っています。これと同じ形の制御を行えば問題ないのでは、したとき大きな障害となります。このために対策が必要です。というものです。結果的にはその通りです。ただし、応答性にヒステリシスは軸受の機械的な摩擦によって生じます。これ差が生じます。安定性の確保にも影響があるでしょう。ソレノに対しては可動部に微振動を与える方法が効果があります。微イドのメリットはシンプルで応答が良いことですから、そのメリットを生かすためには適切な対策を講じる必要があるでしょ

ディザと呼びます。ディザの発生は駆動電流に振動成分を加えう。

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■ 5. 代表的な応用例● 流量制御弁・油圧機器・位置制御

圧による発生力と通電電流で決まる推力とのバランスで動作します。位置はほとんど動きません。

油圧を使用して駆動される装置では、油圧シリンダ等で駆動される機構を作動油の流量や方向を制御することでそ● 燃料制御・内燃機関・位置制御

Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.の操作を行います。建設機械などがその代表です。従来は機械的なレバーやハンドル等で流量制御弁の位置を操作しディーゼルエンジンの燃料の制御に使われています。

たり、方向切換え弁で作動方向を切り替えたりすることで、ディーゼルエンジンはその運転状況に応じて必要な燃料のその制御を行っていました。流量制御弁の動作は、水道の供給量が刻々と変化します。この変化に応じて供給量を自蛇口の開度で水の吐出量を制御するイメージです。蛇口で動調整する仕組みをガバナといい、従来から機械的な仕組はハンドルの回転をねじ機構で絞り弁の開度を調整していみのものが使用されてきました。制御精度や燃料消費効率ます。この制御弁を比例ソレノイドで駆動して位置制御すの向上を目指して比例ソレノイドを燃料の供給制御に用いることで、電気的に操作が可能になります。操作者はジョて電子制御化したものが電子ガバナです。大幅な性能向上

イスティック等の操作レバーを動かすことで作動指令を行を果たし、建機、農機などの産業用ディーゼルエンジンとうことが出来ます。電気的な接続が保たれればいいので、して広く用いられています。ここに使用される比例ソレノ

容易に遠隔制御が可能になります。また、制御用にコンイドはエンジンの性能に直接影響するため、性能要求はかピュータを使用、併用することで様々な自動化や省力化がなり高いものです。応答速度、設定精度に加えて、大きな可能になりました。

作動距離が要求され、さらに直接エンジンに取り付けられるため、温度、振動など極めて過酷な環境に耐える必要が● 圧力制御弁・油圧機器・推力制御あります。昨今の排気ガス規制からも不可欠な仕組みとして重要性が増しています。

油圧機器はポンプで作られた高圧の作動油によって作動します。この圧力によって、シリンダ等の発生推力は異な● ミシン糸張力制御・ミシン・推力制御

りますし、制御対象によって最適値が異なります。このため、油圧ポンプで発生した高圧を目的圧まで減圧する調整

縫製用ミシンの糸の供給機構はその張力の管理が仕上り弁が必要となります。この用途に用いられる圧力調整弁（リに大きく影響することから、適切に管理することが求めらリーフ弁）はバルブ内のシート面をスプリングの押圧力でれます。これは、糸取ばねの加圧力を調節ダイアルで機械塞いでおき、油圧がこのばね力を越えて大きくなったとき、的に設定して行われています。現在、縫製の対象となる布作動油が逃げて圧力の上昇を抑えます。従ってこのばね力や、糸は極めて多様化しており、それぞれ縫製条件が異なを任意に変更することで、目的の圧力を得ることが出来まるため、その管理は煩雑で大変です。この機構中のばねのす。このばねを比例ソレノイドに変えることで通電電流に加圧力を比例ソレノイドに置き換えれば、通電電流で加圧よって押圧力を調整できます。結果的に通電電流で、圧力力を制御できるようになります。これにより素材ごとに記を調整することが出来ます。この場合、比例ソレノイドは、憶させた最適条件を設定することで、作業性や再現性の向対抗ばねとのバランスで位置を制御するわけではなく、油上に大きな効果があります。

■ 6. 終わりに
比例ソレノイドは油圧機器の制御手段としてはごく当たたれているようです。今回は基本的なところり前のアクチュエータです。ただし、油圧業界以外においについて説明してみました。何か新しい応用が見つかるこては知名度が高いとは言えないようです。使い方が一般のとを期待しています。疑問点につきましてはご遠慮なくおソレノイドと異なるところがあるせいか、難しい印象も持問い合わせください。
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