メカトロニクス情報誌

2024 年 8 月 1 日 発行

新電元メカトロニクス株式会社

めかとろ通信第 38 号

Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.

＜ フライホイルダイオード＞
直流ソレノイドを駆動、通電する際に並列にダイオードを動きに連想を得ているようです。フリーホイルというのは自挿入してください、といわれています。このダイオードは、由に回転する様を表わすのに対して、フライホイルは、そのフライホイルダイオード慣性力によって回転を継続し、回転抵抗により徐々に回転数フリーホイルダイオードが低下して、やがて停止する動作を連想できます。これはダクランプダイオード

イオードを経由して流れる循環電流が損失により減少していフライバックダイオード

き、消滅する様と似ているように見えます。還流ダイオード

還流ダイオードというのは動作をかなり的確に表現していると思われます。など、色々な呼び方があるようですが、どの呼び方が正しい

フライホイルという呼び方は正しくないといわれる方もいかは分かりません。スイッチング電源にはフライバック型とらっしゃるようですが、ネット上を検索してもかなりの数呼ばれる回路方式があります。ソレノイドに適用するのはヒットすることもあり、ここではフライホイルダイオードと少々無理を感じます。クランプダイオードというのは動作的呼ぶことにします。に疑問を感じます。フライホイルとフリーホイルは機械的な■1. 必要性
1-1. なぜ必要？
コイル電流を操作するスイッチとして、機械的な操作スイッチやリレー、半導体スイッチとしてはトランジスタや焼き付きなどを起こします。このときに発生する電圧は数百V から数千 V に達します。

FET、これらを組み込んだ SSR などが用いられます。これら接点やトランジスタの損傷は短絡側で壊れることが多いのは取り扱える電圧には限りがあり、その限界を超えると壊れも問題で、この場合スイッチが機能を失い、電流が流れたまてしまいます。インダクタンスを含むソレノイドを使用したまになります。ソレノイドは連続通電となり、仕様によってとき、高電圧が発生するといわれています。この電圧は周辺はコイルの焼損に至ります。作動状態でロックされますので、に様々な影響を及ぼします。特に半導体スイッチは過電圧に場合によってはシステム的に危険な状態も考えられます。こ弱く、多くの場合、短絡状態となり機能を失うことになりまのため何らかの対策が必須となります。

す。リレーなどの機械的スイッチでは、火花を生じて損傷し、Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.

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＜ フライホイルダイオード＞
1.2. そもそもフライホイル電流はなぜ生じる？
ソレノイドのコイルはインダクタスを持っています。こShindengen Mechatronics Co.,Ltd.

こに電流を流した時、コイルにはエネルギが蓄積されます。

きな電圧が生じます。この電圧は接点に火花を生じるほど高くなり、一気に放電してエネルギを消費します。

このエネルギは電流の遮断時に放出されます。回路を開き、発生のメカニズムをもう少し詳しく説明すると、インダ電流を遮断しようとしたとき、その電流が継続して流れよ

クタンスを有するソレノイドコイルに電流を流した時、電うとする方向に電圧が生じます。この電圧は電源とは逆の磁誘導によって誘導電流が生じます。また、この電流を取方向となります。逆起電圧と呼ばれるのはこのためでです。

り去ろうとしたとき、誘導電流は減少します。この誘導電フライホイルダイオードはこの逆方向に生じた電圧による流の発生方向は「レンツの法則」によって決まります。そ電流を流す方向に接続されています。このとき流れる電流の方向は、電流が増加して誘導電流が増加しようとするとは、コイルの直流抵抗分による損失と、ダイオードの順方

きには増加を妨げる方向、電流を減少させると、減少しに向電圧降下による損失によって蓄積されたエネルギが消滅くくなる方向となります。常に変化を妨げる方向に発生しするまで継続します。エネルギはこの電力損失が大きいほます。このときに生じる誘導起電力の大きさは、磁界の変ど早く消滅することになります。

化率で決まり、これを「ファラデーの法則」といいます。

この対策なしにソレノイド電流を遮断すると、蓄積されたエネルギは電流を継続させようとします。接点を開いてインダクタンスはかなりあまのじゃくな性格の持ち主のようです。

電流を遮断しますが、電流が継続する方向にこの両端に大1.2.1 レンツの法則
コイル

磁石
S

磁石

磁束N

コイル

S

磁束N

離れる

近づく
電流電流

図 1 レンツの法則
コイルの磁束が強くなる方向に変化すると、コイルには磁束を弱める方向の電流が流れるように電圧が発生する
コイルの磁束が弱くなる方向に変化すると、コイルには磁束を強める方向の電流が流れるように電圧が発生する
磁束の変化は、外部から与えられても、自身に流れる電流で発生するものでも同様になる。
したがって、通電電流を増していくと、磁束の上昇を妨げる方向に電圧が生じ、減少させると、減少を妨げる方向に電圧が生じる。
このため、電流を上昇させると上昇が遅れ、減少させたときには下降が遅れる。

1.2.2 ファラデーの法則
磁束の変化により生じる電圧はファラデーの法則によって定まる
V= ーＮ

⊿Φ⊿ｔ

時間当たりの磁束の変化によって発生する電圧を表す。
ここで ー がついているのはレンツの法則により、変化の方向と逆に発生するため。

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1.3. 発生する電圧が逆極性なのはなぜ？
コイル電流遮断時に発生する電圧が逆になるのはレンツの法流の変化を妨げる方向に電圧を発生します。この様子はフライ則によりますが、今一つわかりにくいのも確かです。そこで、ホイルダイオードを挿入した回路で電流を観測するとよくわか以下のように考えてみるとわかりやすくなります。

ります。この様子を等価回路で表わすと図 2 のようになります。

コイルに電圧を加えると電流が流れ、電圧を取り去ると電流電源の極性が逆になっていることが分かると思います。これがは流れなくなります。このとき、コイルのインダクタンスは電電流遮断時に逆電圧を生じる理由です。

通電期間

SW
CLOSE＋

FRD

−

V−

L−

SW
OPEN＋

V

フライホイル電流が流れる期間

×

FRD

L＋

電源から電流が供給される
コイルを流れる電流の向きは同じ等価的な電源がL内部に発生
その極性は逆図 2 逆電圧の発生

1.4. 高電圧が生じるのはなぜか
仮にコイル抵抗 3.5Ω、駆動電圧 10V、これを閉時 0.1Ω、少し乱暴な計算ですが、このような電圧が生じたとき、こ開時 1MΩの駆動スイッチで通電した時を考えると、の接点がこの電圧に耐えられるはずがなく、放電すること

Is＝10V/（3.5＋0.1）Ω＝2.78A の電流が流れます。スイッチで電圧は抑えられます。ここで一瞬にしてエネルギを失いを開くと、このときインダクタンスが発生する電圧の大き電圧は消滅します。

さは 直前に流れていた電流を維持しようとするので、
e＝1MΩ*2.78A＝2.78*10e6 V ＝278 万 V!!

操作SWが開かれたとき
RはSW OFF時の等価抵抗

SW

R−E̲SW=R(SW)*I=10e6Ω*2.78A=2780,000V
SW に発生する電圧

3.5Ω

1M

電源10V

I=10V/3.5Ω=2.78(A)ILE＋SW OFF直後はVからの通電電流と同じ電流電流が継続する方向にEが生じる
図 3 高電圧の発生

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＜ フライホイルダイオード＞■2. フライホイルダイオードの挿入

ダイオードに流れる電流

この逆起電力の対策として最も効果的で、簡単確実なのコイルがフライホイルダイオードの挿入です。対象コイルと並列ドは極性がありませんが、ダイオードを入れると極性が生じますのでご注意ください。
フライホイルダイオードに流れる電流は、ソレノイドに流れていた電流が引き継がれ、エネルギの消費に従って徐々コイル＋ダイオードに減少することになります。つまり、ソレノイド電流を遮断したときに流れていた電流がダイオードに流れる最大値で、これより大きくなることはありません。突入電流のような形にはなりません。この様子を図 5 に示します。この0ダイオード0OFFときに生じる電圧を図 7 に示します。
ダイオードの静特性を見ていただくと、順方向に電流を流した時、電流の変化 ( 縦軸 ) に対して、電圧 ( 横軸 ) の変

図 5 ダイオードの電流ダイオードの順方向特性(VF)化が小さいことが分かります。その電圧は約 0.8V から 1.0V2程度でです。これをダイオードの VF( 順方向電圧 ) といい、1.8

この大きさにコイルの発生電圧が抑え込まれることになり1.6ます。このとき、スイッチに加わる値は、電源電圧にこの1.4

電 圧 降 下 を 加 え た 値 に な り ま す。例 え ば ソ レ ノ イ ド

電流（4EC#25 3.5Ω) を 10V の電源で通電した後に遮断した時、電源電圧の 10V に発生電圧の 0.8V を加えた 10.8V がスイッチに加わり、電磁エネルギの放出が終了すると、10V に収1.210.80.6束します。この様子を表したのが図 7 です。

0.40.2000.20.4

0.60.81電圧

フライホイルダイオードの挿入

図 6 ダイオードの順方向特性

操作スイッチフライホイルダイオードの効果−26420

図 4 ダイオードの挿入-200.1

0.20.31.5電流

コイル

8電源 + (VF)ソレノイド

2.5SW に加わる電圧

電源

ダイオード

10制限した電圧

フライホイル3フライホイルダイオードが＋12電圧

Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.に挿入し、極性はカソードを＋側にします。直流ソレノイ

10.5

00.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1-0.5時間
コイル電圧

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コイル電流

図 7 ダイオードの効果

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＜ フライホイルダイオード＞■3. フライホイルダイオードの選定
ソレノイドのフライホイルダイオードとして使用するダイShindengen Mechatronics Co.,Ltd.

オードの選定について考えてみます。

元工業の提供している技術資料に次のように記載があります。
「サージ順電流 IFSM は、50Hz 正弦波 1 サイクルでの非ダイオードの電流定格は連続して流れる平均順電流と 瞬間

繰返し最大許容順電流値であり、温度が指定条件に戻る前の的に流れるサージ順電流で定義されています。このサージ順再投入などの繰返し動作には適用できません。」ここでいう、電流は、非繰り返しという条件付きです。

ソレノイドのフ温度が指定条件に戻るという時間はダイオードの実装されたライホイルダイオードとして使用する場合にはソレノイド電放熱条件によって変化しますので定義が難しいのですが、流を遮断した際にのみ流れるサージ電流となります。ただし、

D1NK60 という品種の定格表を見ると、基板実装状態におけ多くの場合非繰り返しではなく繰り返されることが多いものる過渡熱抵抗が提示されており、これによれば、100 秒ほどと思います。サージ順電流の非繰り返しという定義は、新電でほぼ飽和するカーブとなります。この時間を定義内の「温図8ダイオードの技術資料ダイオード定格の例（D1NK60）

https://www.shindengen.co.jp/products/semi/assets̲mps/docs/TechDoc(Diodes)j.pdf

度が指定条件に戻る前の・・・」とする時間とします。他の

電期間 100 秒の平均値を求めます。こうして求めた 100 秒間

型式の場合にはその資料により判断してください。時間をの平均値を 10mS のパルスに換算し定格と比較します。ダイ100 秒としたとき、この間に流れるフライホイル電流を計測

オードの定格表に記載されたサージ順電流は 50Hz 半波波形できればそれが定格に収まるかの判断に使えそうです。所定で定義されています。これが 10mS の根拠です。D1NK60 のの条件でソレノイドに通電した後に遮断した時のフライホイサージ順電流はピーク値で定義されていますので、平均値にル電流を計測、記録し、これの平均値を求めます。これを実換算します。IFSMｘ2 / πで算出した値を用います。この値測するには電流プローブで直接計測するか、図 12 のようにはダイオードの設置環境温度によってディレーティングする抵抗を挿入してこの電圧降下で計測して算出することが可能必要があります。ディレーティングカーブがカタログに記載です。代表的な通電条件、通電パターンにおいて 100 秒間にされていますのでこれから求めます。こうして求めた値と実通電後遮断される回数を求め、平均値とこの数を積算し、通測値から求めた値を比較すれば使用可能かの判断ができま

図9ダイオードの過渡熱抵抗の例（D1NK60）

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＜ フライホイルダイオード＞■3. フライホイルダイオードの選定
す。なお、この考え方は当社の考察結果であり、採用に当たっ

サージ順電流のディレーティングカーブの例（D1NK60K)ては、ご使用を検討するダイオードのメーカーにご確認いただ
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きますようお願いします。新電元工業製であれば、D1NK60 型が広範囲のソレノイドに対応が可能でお勧めできます。ここに記載した方法は単純な ON/OFF で通電する場合で、比例ソレノイドを PWM で電流を平均値制御するような場合には適用できません。また、ON/OFF 型で通電後に PWM 制御により電流を下げるような場合にも同様に適用できませんのでご注意ください。
PWM 制御の場合には、OFF 期間（フライホイル電流の流れている期間）の平均値を求めて、平均順電流から判断すればいいので比較的簡単です。ここでダイオードの熱時定数をカタログの過渡熱抵抗から求めましたが、ダイオードがソレノイドに組み込まれる場合にはソレノイドも含んでの熱時定数とすることが必要です。ソレノイドを代表的な条件で通電した際に温度上昇が飽和するまでの時間と、その際のダイオード実装部分の温度を求めて判断の基準とします。ダイオードの放熱条件なので、基板に実装した場合には足の長さ、パターンの面積などで異なります。できるだけ放熱のよい条件で実装したほうが大きな電流が流せます。

図 10

ソレノイド電流Is n-1

Is 1

ディレーティングカーブ

Is nダイオード電流Id 1

Id n-10

Id nt0t0 はダイオードの過渡熱抵抗から求める

Id(Average)

Id＝Id１ ＊ｎ

サージ順電流IFSM
尖頭値

Ifd＝Id / 10mS

Id1：一回あたりの平均値

規格がピーク値 ( 尖頭値 ) の場合には平均値に換算する

10mS に換算

IFSM（尖頭値） x

Ifd

平均値
比較

2/π ＝平均値

IFSM は温度によるディレーティングを考慮する※サージ順電流が 50Hz 正弦波尖頭値で定義されている場合、10mS で比較する

10mS

10mS

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図 11

ダイオードの選定

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https://smt.shindengen.co.jp＜ フライホイルダイオード＞■3. フライホイルダイオードの選定
電圧定格については、接続された回路を見ていただければ明オシロスコープ

らかなように、ソレノイドに印加される電圧以上の電圧が加わSW
Trigger

格を選択するように書かれた文献を見かけることがありますが、電源

DiodeV

これは明らかに誤りで、そもそも挿入したダイオードが、エネルギを吸収してしまい電圧を生じることがありません。ソレノ

フライホイル電流

イド用の電源電圧に余裕を持たせた値でいいことになります。

Solenoid

電源ラインに重畳するノイズなどを考慮して決定すればよいでCurrent

しょう。

電流信号e/R [A}

なお、この用途では耐圧が高く、漏れ電流の少ないファストリカバリ型が適しています。

R

このように、フライホイルダイオードの定格の判断は少々面倒です。

■4. 問題4EC Stroke-Force

フライホイルダイオードはほぼ完全に逆起電力を吸収し、構成も単に並列に接続するだけで極めて簡単です。ただし、場合り、高速性を要求するアプリケーションに好んで採用されています。このような時、フライホイルダイオードが問題となることがあります。復帰動作に遅れを生じるのです。電流の低下にForce /N

によっては動作上で問題を生じる場合があります。
ソレノイドのメリットのひとつに動作時間が短いことがあ時間がかかるので、この分遅れることになります。遅れるのは復帰動作に入るまでの復帰動作遅れです。
図 13 にソレノイドの代表的な推力特性を示します。これに90807060504030201000

よると、ストローク 0mm 付近の吸着位置でソレノイドの推力

12

こ こ で 図 に 記 載 し た よ う な 負 荷 を 駆 動 す る と し ま す。

50%

LoadLine と記載した負荷線をご参照ください。駆動開始のす。ソレノイドの吸着力は起動位置で 25N、動作終了位置で電流を遮断すると吸着力が低下し復帰動作を行います。このと120き、電流はいきなり 0A とはならず、フライホイル電流となり

100

垂 下 し て い き ま す。こ の と き の 電 流 と 吸 着 力 と の 関 係 は、で駆動しています。この位置で負荷が 40N ですから、400AT以下に低下しないと負荷値を下回らないので復帰動作を開始しないことになります。電流はフライホイル電流で垂下に時間が67LoadLine

ソレノイド

ストローク - 吸引力806040200かかります。この値に到達するまでの時間が復帰遅れ時間になります。

54EC AT-Force

80N の力を発生します。作動後、0mm 位置にて保持した後、照ください。例に挙げた 4EC#25 では 384Turns で、1000AT

43mm

図 133mm 位置にて 20N、吸着後の 0mm にて 40N の負荷になりま巻き数の積になります。巻き数はソレノイドのカタログをご参

3Stroke /mm

は最大値を示します。これは吸着位置で発生する吸着力です。

AT-Force グラフで表わされます。横軸は電流と対象コイルのCommon

0.01～0.1Ω
図12 フライホイル電流観測回路

Force /N

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ることはありません。発生する逆サージに耐えるだけの電圧定

0500

1000

1500

2000

2500

AT /AT
ストローク0mm

ストローク1mm50%50N

図 14

ソレノイド

AT- 吸引力

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＜ フライホイルダイオード＞
4.1. 復帰遅れの短縮
復帰の遅れは電流垂下の遅れによって生じます。電流はSWフライホイルダイオードを経由して、コイルに蓄積したエShindengen Mechatronics Co.,Ltd.

ネルギが消滅するまでの間流れ続けます。エネルギは、コD

イルの抵抗成分、ダイオードの損失で消費されます。具体

ソレノイド

電源的に外部にエネルギを消費させることで垂下を早める方法

コイル抵抗Eをご紹介します。

RsR

4.1.1. 抵抗の挿入ダイオードに直列に抵抗器を挿入します。挿入した抵抗器で電力を消費し電流の垂下を早めることが可能です。抵抗値が大きいほど垂下を早める効果は大きくなりますが、遮断時発生電圧＝(E / Rs) x R + VF
SW に加わる電圧＝(E / Rs) x R + E + VF

ここに生じる電圧が大きくなります。また、通電の繰り返

VF＝D の順方向電圧

し頻度が大きいと抵抗器の電力定格の大きなものが必要と

図 15 抵抗の挿入なります。

4.1.2. ツェナーダイオードの挿入
ダイオードでの損失は、流れる電流 Is とダイオードの順SW

方向電圧降下 VF で決まります。
P=IsｘVFD

この VF を大きくすれば損失が大きくなります。ダイオー

ソレノイド

電源

ドと直列にツェナーダイオードを挿入すると同様の効果がEあります。ツェナーダイオードの定格電圧が大きいほど効コイル抵抗

ZD

Rs

果は大きくなります。通電頻度によりツェナーダイオードの消費電力が大きくなりますので注意して選択します。

4.1.3. バリスタを使用する
バリスタは設定電圧を超えると抵抗値が急変して電圧を抑える機能を持ち、ツェナーダイオードと同じ効果があります。ツェナーダイオードより大きな電力を扱えるので小

Vz＝ZD の定格電圧遮断時発生電圧＝Vz + VF
SW に加わる電圧＝Vz + VF + E

図 16 ツェナーダイオードの挿入型化が可能です。これについての詳細は「めかとろ通信 21号」をご参照ください。

SW

電源
E

ソレノイド

VR

コイル抵抗

Rs

VR＝バリスタの遮断時発生電圧 ※1
遮断時発生電圧＝VR
SW に加わる電圧＝VR + E※ 1「めかとろ通信 21 号」参照

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図 17 バリスタの挿入

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4.2. 波形比較
ここでご紹介した電流垂下対策の効果を電流波形から確認してください。
だけると思います。

電流遮断時電流垂下

電流遮断時推力垂下32Force /NCurrent /A

2.51.510.500.45

0.50.55

0.60.65

0.7Time /S

抵抗 10Ω、ZD 24V

Ic(D)Ic(D+R)

Ic(D+Z)

0.450.5

Force(D)

電流垂下曲線

0.55

0.60.65

0.7Time /Sを挿入した例

Force(D+R)

Force(D+Z)
図 19

推力垂下曲線

前掲の Stroke-Force で定義した負荷ラインを 0mm におい

電流遮断時発生電圧
4540353025201510509080706050403020100

抵抗 10Ω、ZD 24Vを挿入した例

図 18

Voltage /VShindengen Mechatronics Co.,Ltd.

電流の変化に従って、吸引力も変化することが確認いたて 40N として、0mm で 40N を発生するのに必要な AT は
AT-Force 曲線から約 400AT と読める。このコイルの巻き数は4EC#25 で 384Turns な の で、400AT は 1.04A で 発 生 す る。
1.04A まで電流が垂下する時間は、ダイオードのみで約 50ｍ
S、ZD と R 挿入時で約 10 〜 15mS となっている。この時間が復帰遅れ時間となる。
ZD または抵抗の挿入で約 1/5 〜 1/3 に短縮されている。

0.450.50.55

抵抗 10Ω、ZD 24V

Vd(D)0.60.65

Time /S0.7を挿入した例

Vd(D+R)

Vd(D+Z)
図 20

発生電圧

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4.3. 他の方法による対策
ソレノイドの吸着力はその作動ストロークによって大きく変化します。特にギャップが小さくなる 0mm 付近では変化率が大きくなります。ストロークー吸引力特性を見ていただくと、0mm 付近で急上昇しています。先の例をでは吸着時に 40N 必要なところ 80N もの吸引力を生じています。つまり、この位置を 0.5mm ほど大きくしても 70Nほどの吸引力がありますから負荷の保持に問題はありません。このとき、復帰側では有利に働きます。ギャップが大きくなると、インダクタンスが小さくなるので、蓄積エネルギが少なくなる。エネルギが小さければ垂下に要する時間は短くなります。復帰開始の目安となる 40N に近いところからのスタートなので遅れ時間が短縮される。このように、機械的な作動範囲の検討も有効な検討材料となります。

■5. おわりにソレノイドを使用するにあたり必須となるキックバック対策、その基本となるフライホイルダイオードについて考察してみました。ネット上には様々な情報が存在しますが、改めてフライホイルダイオードについて検索してみると、分かりにくく誤解を生みそうなものが目につきました。また、具体的な選定について明確にしたものはありませんでした。ソレノイドを使用していただく側からして少々気になりましたので説明してみることとしました。また、採用に当たって問題となることが多い、復帰時間の対策についても触れてみました。何かの参考にしていただけると幸いです。誤り、希望などありましたらご連絡下さい。

■この資料の内容は改良の為、お断り無く変更することがありますのでご了承ください

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