メカトロニクス情報誌

2018 年 1 月 1 日 発行

新電元メカトロニクス株式会社

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吸着保持Shindengen Mechatronics Co.,Ltd.

プッシュ・プルソレノイド
可動磁極・エアギャップ
スペーサ

コイル

ソレノイドは磁極の形状で性質が大きく異なります。

固定磁極

平坦な磁極形状を有す
るフラット型は「押さえる」「保 持 す る」と い った用途に適しています。

コニカル型

フラット型

＜ 吸着・保持＞ソレノイドの機能は一定のストロークを往復する動作です

える」という使い方を考えてみます。
「押さえる」「保持する」が、それ以外にもさまざまな用途で使用されており、前回はといった使い方に適したソレノイドの構造、それを使いこな「叩く」という使い方をご紹介いたしました。今回は「押さすための方法について考え、検証してみます。

■１. ソレノイドの特徴
ソレノイドはシンプルな構造が特徴のアクチュエータですとが可能です。今回のテーマである「押さえる」「保持する」

が、その力を発生する部分である磁極形状などを変更することいった用途では作動最終点で大きな推力が必要となりますとで大幅に性格が変化します。そのため、磁極形状の変更にが、その位置で長時間保持することも考えられるので、効率よって多様なアプリケーションに合わせた特徴を持たせるこの良さも求められます。

■２. 吸着・保持に適した磁極デザイン
ソレノイドの磁極形状として代表的なもののひとつであくすることは効率向上に効果があります。また、推力を発生る、磁極先端が平坦なフラット型は今回のテーマの用途に適するギャップの方向が推力の方向と直交するため、無駄なくしています。ストロークの最終点付近で大きな推力が得られ磁力を推力に変換できます。当社の標準形式でいえば、形状るからです。ソレノイドコイルの形状は一般的には円筒型がはチューブラソレノイドやオープンフレームソレノイドより多いと思いますが、吸着時の力を得るためには磁極の面積をも、プッシュ・プルソレノイドがこの用途には適しています。

大きくしたいので、円盤型が適しています。コイルの発生すプッシュ・プルソレノイドの断面形状を見ると、コイルの巻る磁束は磁極をめぐる形で流れるので、この経路の長さを短線部分が正方形に近く、磁気効率の良いことが分かります。

■３. 使いこなしテクニック＜３.１.

フラット型の問題＞

小ギャップにおける効率の高いフラット型ですが、作動初期のギャップが大きい領域においては、大きな推力を得ることができません。これをどのように解決するかが使いこなしの上でのポイントのひとつです。

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＜吸着・保持＞源を用いる、などの方法があります。

その対策として、・極めて大きなストロークであれば、モータなどのアクチュエータで保持位置まで駆動し、ソレ

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ノイドでその位置を保持する。

（図１上）
もうひとつは、起動時に必要な推力が確保できる短時間定格仕様のコイルを選択する方法です。このままです・短時間定格の大きな電力を作動時に加え、作動と連続で通電できないので、作動後、PWM（通電率制御）終了後の保持位置で連続定格電力以下に低下さにより平均電力を下げることで連続通電可能とします。

せて保持する。

（図１下）といった方法がよく使われます。

＜３.２.

電流遮断時の問題＞

もうひとつ忘れてはいけない問題があります。ソレノイドは通常、最小ギャップ位置付近で保持して使用されますが、解放時には電源を遮断して電流を絶ち、発生推力が失われることで解放、復帰します。ソレノイドコイ
ルは大きなインダクタンスを持つので、電流の遮断時にいずれの方法でも同じ結果が得られますが、PWM による電圧の垂下は比較的簡単に実現できます。昇圧電源はコスト的に負担が大きいでしょうが、2 種類の電源が用意できるのなら、回路的にはこれが最も簡単です。
これらの方法で保持時に必要以上の電力を印加しないようにすることは、電流遮断時の電流垂下遅れ、残留磁気の低減にも効果があり、応答速度の上昇が期待できます。

は逆起電力に注意が必要なことはよく知られています。

S1S0

一般的にはコイルと並列にダイオードを挿入することでS0

このときに発生する電圧を抑制し対策します。ダイオー

D1ド挿入法では、電流遮断時にコイル内に蓄えられていたエネルギーが放出される経路として、ダイオードを用意

S1
HV

HVFRD

SVSV
Sol Coil

します。簡単で効果的に対策が出来る半面、応答性に問題を生じることがあります。エネルギーの放出にはある程度の時間がかかり、この間は電流が流れ続けますから、吸着力の発生が継続し復帰が遅れることがあります。

＜３.３.

磁気的な遅れ＞

吸引期間

FRD

応答の遅れは磁気的にも生じます。使用位置での推力は磁気ギャップの大きさに依存し、小さなギャップの方が大きな力を発生します。

Sol CoilSV

FET

後でも磁力が残留し復帰不良を生じることがあります。

図１

これは磁極を構成する鉄の磁気的な性質から生じるものれる素材においては避けられない現象です。このため、通常は力の減少には目をつむり、ギャップがある程度以下にならないように非磁性体のワッシャを挟み込んだ形

SVPP

ところが、ギャップを小さくすると、電流を遮断したで、磁極の材質によって変化しますが、一般的に使用さ保持期間

＜３.５.

駆動回路

電流遮断時の対策＞

電流遮断時の対策についていくつかご紹介します。
まずは、ダイオードの代わりにバリスタを挿入する方で使用します。

法です。バリスタは ZNR や TNR などといった商品名で供＜３.４.

度を早くする効果がありますが、駆動用の半導体素子や給され入手は容易です。この設定電圧は高いほど復帰速駆動＞

具体的にこれらの問題に配慮した駆動の方法についてご紹介しましょう。起動時の推力確保にはふたつの方法が考えられます。
ひとつは、保持時に連続定格が可能なコイル定格を選択する方法です。この仕様ですと起動力が不足しますので、通電開始後に短時間定格仕様の大きな電圧を印加し、通電後にタイマなどで保持電圧に切り替えます。起動電圧の確保には、２系統の電源を用意する、または昇圧電近接した回路への影響も大きくなりますので、周辺の条件を考慮して決めます。
他には、ダイオードに直列に抵抗器を挿入する方法で、これも確実な効果があります。抵抗値が高いほど効果が大きくなるのはバリスタと同じですが、同様の問題を生じます。また通電頻度が高くなるとこの抵抗器の電力消費が大きくなりますので、駆動条件をよく考えながら決めてください。

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＜ 吸着・保持＞25VS +22012VSW

15C180uF 100V

1.5R10Ω 5W

0.5-10Sol Coil
R=8Ω-15電圧（消磁回路）＜３.６.

効果計測回路

残留磁気を低減する駆動回路＞

時間/ mS

図3

動作波形-0.5電流（消磁回路）

100

80

604020電流（通常）-25-20図2

電圧（通常）

0-20

D
D1N60VS --5/ A

01電流/ VZNRERZV07D4705

駆動電圧

100SW

め、逆方向に電流を流せばこれがキャンセルできます。この方法を用いた駆動回路の例を図２に示します。通電期間にコ残留磁気による復帰遅延・障害についての対策はなかなかンデンサに充電しておいた電荷を、電流遮断時にコイルに対面倒ですが、駆動回路の工夫で低減が可能です。

して逆方向に放電することで脱磁します。接点に障害を生じ磁性体に残留した磁気を取り除くには、交流を流してそのないようにするためバリスタを挿入しています。ソレノイド

振幅を徐々に下げていくのが確実で、この原理で脱磁器は働の大きさによって消磁に要する時間が変わりますので、コンいています。しかし、このような回路を駆動回路に組み込むデンサの容量で調整することが必要です。この回路の効果をのは面倒ですから、復帰するのに支障のない程度に残留磁気図３の動作波形に示します。ここでは駆動終了点で逆方向にを下げる方法を考えます。できるだけ短時間で終わらせない電流が流れています。電流の垂下速度が速くなり、復帰の改と復帰時間の短縮が出来ないわけですから、作動期間にも注善が期待できることがお分かり頂けると思います。

意します。ソレノイドは直流電流で駆動するので、磁極にはこの駆動電流の方向に磁化された磁気が残留します。そのた0.1uF

C40.1uF

51113
U24011

6R43k
R51k

U1555

R110k

R61k

VBB 1
VBB 18IN111Diag

8OCP̲REF

9PWM̲REF

C100.1uF

C12100uF

OA 2OA 3

IN2

106TH

CNT

OUT

U24011

512RES
47DCH
TRG
238VDD
1GND

0.1uF

46C2C150.01uF

C3T1

C60.1uF

Sens1

U24011

VR1250k
R21k

9U24011

ソレノイド電源

C90.1uF

Sens2

2

C80.1uF

104R31k
D2
D1N60

D3
S2L40U

83C1110uF

15H->on L->oﬀ

GND

C70.1uF

CP2 12CP 14

信号入力

17U24011

GND

D1
D1N60

VCC

VDD 7
CP1 13

C50.1uF

Vcc 5V

14OB 16
OB 17

ZNR
ERZV07D470
L1Sol CoilU3
R7 STA6940M
0.1Ω

ON

信号

OFF

駆動電流の遮断時に消磁電流を流すことで高速復帰を行う。
消磁時間はタイマＴ１で設定し、時間はＶＲ１で調整する。
Ｄ３はフライホイル電流の阻止用に挿入。
ＰＷＭは動作しない設定。

＋

出力電圧0−

T1

図４

Ｈブリッジによる消磁機能付き駆動回路

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＜ 吸着・保持＞＜３.７.

Ｈブリッジによる方法＞

善にも効果のある回路が図５に示すものです。こコンデンサを使用しない方法もあります。DC モータの駆動素子（モータドライバ）は通電する極性を切り替えることが可能です。これを利用すると同じような効果を得ることが可能です。図４をご参照ください。
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ただし、今回のような目的に使用する場合には若干の工夫が必要になります。通常のモータドライバに使用されているＨブリッジ回路は、フライホイル回路を内蔵していますので、これの働きを止める必要があります。例に示したものではモータ電源端子にダイオード（D3）を挿入することで対策できました。ただし、発生電圧の抑制のためにバリスタの挿入が必要です。使用する素子の等価回路をよく見て判断する必要があります。
消磁に要する時間はソレノイドのサイズや通電電流によって異なります。この回路を使用すると、遮断時のキャれは図２と同等の復帰時残留磁気対策に加え、通電時の電流上昇率改善のために準定電流駆動用の抵抗を直列に接続してあります。これらの効果で往動作、複動作ともに速度改善効果が望めます。しかしこの回路は、確実な効果がある反面、直列抵抗での電力損失が大きいのが問題で、あまり現実的ではないかもしれません。原理の理解用とお考えください。図４と同様にＨブリッジを用いて極性反転で消磁を行い、駆動時に PWM による定電流通電を行うことで、直列抵抗器と同等以上の電流上昇率の向上が可能となります。この方法によれば効果を犠牲にせずに電力損失の低減が可能となり、実用的に使用できます。モータ駆動用のＨブリッジにはこのような用途に用いることが可能な PWM 機能を内蔵したものもあります。

ンセル時間はタイマによって調整することが可能です。

VS +実際に作動させ、効果を確認しながら時間を決めてください。図４の回路例ではアナログタイマを用いましたが、Rマイコン等で駆動する場合には、このキャンセル時間もマイコンで生成することが可能で、回路はシンプルになるでしょう。なお、ドライバメーカの推薦以外の使用法

SWCとなる可能性があり、動作をご理解の上、必要であればドライバメーカにご相談の上でご検討ください。なお、実施結果については、当社が責任を負うものではありまZNRSol Coil

せん。

＜３.８.

高速化回路＞

もうひとつ実用的な回路をご紹介します。図２は復帰SW

VS -時間を大幅に改善できる回路です。ただ、動作に関しては効果がありません。復帰の改善に加えて動作時間の改

図５

高速化回路

■４. 応用復帰時の電流垂下遅れや残留磁気による復帰不良は、度の違いはありますが同じように生じます。今回ご紹介

フラット型に限ったことではなく、もうひとつのプッした対策は同様に適用できますので、速度向上のためにシュ・プルソレノイドの標準形であるコニカル型でも程お悩みの方はご参考にしてください。

■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「ǊƔƱǖᡫ̮」に関するお問い合わせは ᖺ  ᭶⌧ᅾ

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本

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