JP2018010969A

JP2018010969A - サーボモータのブレーキ用ソレノイド駆動回路

Info

Publication number: JP2018010969A
Application number: JP2016138826A
Authority: JP
Inventors: 亮太高場; Ryota Takaba; 崇幸酒井; Takayuki Sakai; 裕治上垣内; Yuji Kamigaichi
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2016-07-13
Filing date: 2016-07-13
Publication date: 2018-01-18

Abstract

【課題】ソレノイドの駆動用の電源の種類を選ばず、どのような電源であっても利用でき、安価にかつ確実にソレノイドの断線を検出することができるサーボモータのブレーキ用ソレノイドの駆動回路を提供する。【解決手段】ソレノイド（２）と、一方向に電流を供給する電源（４、５）と、電源（４、５）とソレノイド（２）の間に介装されているスイッチ（６）と、電源（４、５）によって供給される電流と逆向きにソレノイド（２）と並列に設けられているフライ・ホイール・ダイオード（８）と、からソレノイド駆動回路（１）を構成する。ソレノイド（２）と電源（４、５）の間には、第１の抵抗（１５）を設ける。また、直列に接続された第２の抵抗（１６）とフォトカプラ（１８）を、第１の抵抗（１５）に並列に接続する。【選択図】図１

Description

本発明は、サーボモータのブレーキ機構を駆動するソレノイドの駆動回路に関するものであり、限定するものではないが、射出成形機等に設けられているサーボモータのブレーキ機構のソレノイドに適用すると好適な、ソレノイドの駆動回路に関するものである。

多くのサーボモータには、サーボモータを安全に停止させておくためのブレーキ機構が設けられている。例えば、電動射出成形機を構成している型締装置、射出装置等の各装置はサーボモータ等によって駆動されるようになっているが、これらのサーボモータにもブレーキ機構が設けられている。ブレーキ機構はソレノイドによって駆動され、ソレノイドにはスイッチを介して直流電源が接続されている。スイッチを例えばパルス幅変調方式すなわちＰＷＭによって駆動すると、直流電圧がパルス状に供給されるようになっている。一般的にソレノイドを駆動する回路にはソレノイドと並列にフライ・ホイール・ダイオードが接続されているので、パルス状に直流電圧がソレノイドに供給されると、換言すると直流電圧が所定の周期でＯＮ／ＯＦＦされると、ＯＮのときにソレノイドに蓄積された磁気エネルギーによってＯＦＦのときに起電力が生じてフライ・ホイール・ダイオードを経由して電流が流れる。すなわち、ソレノイドには所定の電流が安定的に流れることになる。つまりブレーキ機構を駆動することができる。一般的にブレーキ機構は、フェールセーフの思想によって設計され、停電時に作動するようになっている。つまりソレノイドに電力が供給されていないときにブレーキが作動し、電力を供給するとブレーキが解除されるようになっている。

ところでソレノイドは経年劣化等によって断線することがある。ソレノイドの断線に気付かずに装置を駆動すると、ブレーキが解除されずにサーボモータが駆動されてブレーキの摩耗や焼損事故が発生してしまう。そこでソレノイドの断線を確実に検出する必要がある。ソレノイドに直列に変流器つまりＣＴからなる電流検出センサを設け、電流検出センサによってソレノイドに電流が流れているか否かを検出し、ソレノイドの断線を判定する方法が周知である。

特開２０１３−２１９５１２号公報

特許文献１には、ソレノイドの断線を検出することができるソレノイド駆動回路５０が記載されている。ソレノイド駆動回路５０は、図３に示されているように、ソレノイド５２、これに直流電圧を供給する直流電源５１、ソレノイド５２に並列に設けられているフライ・ホイール・ダイオード５６、トランジスタからなるスイッチ５８、等から構成されている。スイッチ５８を高速でＯＮ／ＯＦＦすると、ＯＮのときにコレクタＣとエミッタＥが導通し、ソレノイド５２に直流電流が流れ、ＯＦＦのときにソレノイド５２に貯蔵された磁気エネルギーによって起電力が生じてソレノイド５２とフライ・ホイール・ダイオード５６とで電流が流れる。つまりソレノイド５２を駆動することができる。このようなソレノイド５２には、並列に第１の抵抗６０が接続されている。つまり第１の抵抗６０が一方の端子５２ａと他方の端子５２ｂに接続されている。またソレノイドの他の端子５２ｂは、抵抗値が大きい第２の抵抗６１を介して接地されている。スイッチ５８を駆動していないときにソレノイド５２と第１の抵抗６０とから第２の抵抗６１に電流が流れるが、抵抗値が大きいので電流は小さい。ところで、このとき端子６２の電位は、直流電源５１の直流電圧がこれらの抵抗によって分圧された値になる。つまり第１の抵抗６０とソレノイド５２の抵抗５２ｄとからなる合成抵抗と、第２の抵抗６１とにより直流電源５１の直流電圧が分圧された電位となる。もしソレノイド５２が断線すると、端子６２の電位は、第１の抵抗６０と第２の抵抗６１とによって分圧された電位になる。ところで、第１の抵抗６０とソレノイド５２の抵抗５２ｄとからなる合成抵抗は、第１の抵抗６０より小さい。そうすると端子６２の電位は、ソレノイド５２が正常なときには高く、断線すると低くなるはずである。つまり、このソレノイド駆動回路５０はスイッチ５８を駆動していないときに端子６２の電位を監視することによって、ソレノイド５２の断線を検出できるようになっている。

従来のＣＴからなる電流検出センサによっても、あるいは特許文献１に記載のソレノイド駆動回路５０によってもソレノイドの断線を検出することができ、それぞれ優れてはいる。しかしながら解決すべき課題も見受けられる。まず、従来の電流検出センサについては、直流電圧が一般的にソレノイドの駆動用に対して利用されている２４Ｖであれば比較的電流も小さいので小型の汎用品を利用することができる。しかしながらソレノイドの駆動用に高い直流電圧を利用する場合には、流れる電流も必然的に大きくなるので、対応可能な電流検出センサを用意しなければならない。このような電流検出センサは大型になるので、装置全体が大きくなるという問題がある。つまりソレノイドの駆動用の電源の電圧が大きい場合に問題がある。一方、特許文献１に記載のソレノイド駆動回路５０は、直流電源５１の直流電圧が一定であることが、ソレノイド５２の断線を検出できる条件になっている。直流電圧が一定でないと、電位を監視してソレノイド５２の断線を検出している端子６２の電位が安定しないからである。そうすると電圧が安定している直流電源５１を格別に用意しなければならない。ソレノイド５２を駆動するだけであれば、例えば電源として交流電源を利用し、これをダイオードによって半波整流したものを供給しても問題ないはずである。このように構成すると電源はシンプルになりソレノイド駆動回路５０を安価に提供できる。しかしながら特許文献１に記載のソレノイド駆動回路５０は、このような半波整流により整流した電圧は利用できない。電圧が一定でないからである。電圧が一定でないので端子６２で電圧の変化を正確に判定できず、ソレノイド５２の断線の検出が確実にできる保証がない。

本発明は、上記したような問題点を解決した、サーボモータのブレーキ用ソレノイドの駆動回路を提供することを目的としており、具体的にはソレノイドの駆動用の電圧が大きくても、あるいは電圧が一定でなく変化するようになっていても、格別に大型の電気部品を使用したり高価な電気部品を使用することなく、確実にソレノイドの断線を検出することができるサーボモータのブレーキ用ソレノイドの駆動回路を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、サーボモータのブレーキ機構を駆動するソレノイドと、該ソレノイドに対して一方向に電流を供給する電源と、電源とソレノイドの間に介装されているスイッチと、電源によって供給される電流と逆向きになるようにソレノイドと並列に設けられているフライ・ホイール・ダイオードと、からなるソレノイド駆動回路として構成される。そしてソレノイドと電源の間には、ソレノイドとフライ・ホイール・ダイオードとからなる閉回路の外側において第１の抵抗を設ける。また、直列に接続された第２の抵抗とフォトカプラを、第１の抵抗に並列に接続する。

かくして、請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、サーボモータのブレーキ機構を駆動するソレノイドと、該ソレノイドに対して一方向に電流を供給する電源と、前記電源と前記ソレノイドの間に介装されているスイッチと、前記電源によって供給される電流と逆向きになるように前記ソレノイドと並列に設けられているフライ・ホイール・ダイオードと、からなるソレノイド駆動回路において、前記ソレノイドと前記電源の間には、前記ソレノイドと前記フライ・ホイール・ダイオードとからなる閉回路の外側において第１の抵抗が設けられ、直列に接続された第２の抵抗とフォトカプラが、前記第１の抵抗に並列に接続されていることを特徴とする、サーボモータのブレーキ用のソレノイド駆動回路として構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のソレノイド駆動回路において、前記電源は交流電源と整流用ダイオードとからなり半波整流により整流された直流電流が供給されるようになっていることを特徴とする、サーボモータのブレーキ用のソレノイド駆動回路として構成される。

以上のように、本願発明によると、サーボモータのブレーキ機構を駆動するソレノイドと、該ソレノイドに対して一方向に電流を供給する電源と、電源とソレノイドの間に介装されているスイッチと、電源によって供給される電流と逆向きになるようにソレノイドと並列に設けられているフライ・ホイール・ダイオードと、からなるソレノイド駆動回路を対象としている。この駆動回路は、ＰＷＭ等によってスイッチを高速でＯＮ／ＯＦＦすると、ＯＮのときにソレノイドに電流が流れ、ＯＦＦのときにソレノイドに蓄積された磁気エネルギーによってソレノイドとフライ・ホイール・ダイオードの閉回路を電流が流れ、これが繰り返されてソレノイドが駆動されるようになっている。つまり一般的なソレノイド駆動回路であると言える。そして本発明によると、ソレノイドと電源の間には、ソレノイドとフライ・ホイール・ダイオードとからなる閉回路の外側において第１の抵抗が設けられ、直列に接続された第２の抵抗とフォトカプラが、第１の抵抗に並列に接続されている。このように構成されているので、ソレノイドが断線していなければ、スイッチをＯＮしているときにソレノイドを電流が流れ、この電流は、第１の抵抗と、第２の抵抗とフォトカプラと、に分配されて流れる。そうするとフォトカプラが作動してソレノイドが正常であることを判定できる。一方ソレノイドが断線していたらソレノイドに電流が流れないのでフォトカプラにも電流は流れず、フォトカプラは作動しない。これによってソレノイドの断線を検出できることになる。そして本発明によると、ソレノイドが正常であるか断線しているかの判定は、単にフォトカプラが作動するかどうかをチェックすればよい。電源から供給される電流の電圧は、一定である必要はなく、またその大きさも問わない。つまりどのような電源であっても、ソレノイドの断線を検出することができることになる。なお、電源の電圧が大きいときにはソレノイドに流れる電流が大きくなりフォトカプラに影響することも考えられるが、第２の抵抗を第１の抵抗より抵抗値が十分に大きくなるように選定すれば、フォトカプラを確実に保護できることになる。他の発明によると、電源は交流電源と整流用ダイオードとからなり半波整流により整流された直流電流が供給されるようになっている。そうするとソレノイドを駆動するために格別に独立した電源を用意する必要はなく、交流電源を利用できることになるし、電気素子も整流用ダイオードだけであり安価に実施できる。

本発明の実施の形態に係るソレノイド駆動回路を示す回路図である。本発明の実施の形態に係るソレノイド駆動回路の作用を示す図であり、その（ア）〜（エ）はソレノイド駆動回路のそれぞれの状態を示す回路図である。従来例に係るソレノイド駆動回路を示す回路図である。

以下、本実施の形態について説明する。本実施の形態に係るソレノイド駆動回路１は、電動射出成形機のサーボモータのブレーキ機構に設けられている。ブレーキ機構はソレノイド２によって駆動されるようになっており、このソレノイド２を駆動するための回路となっている。ソレノイド駆動回路１は、図１に示されているように、インダクタンス要素１１と抵抗要素１２とを備えたソレノイド２、このソレノイド２に電流を供給する交流電源４、交流を整流する整流用ダイオード５、トランジスタ等のスイッチ６、等から概略構成されている。交流電源４からは交流電流が供給されるが、スイッチ６がＯＮ状態のとき交流電流は整流用ダイオード５によっていわゆる半波整流されるので、ソレノイド２の一方の端子２ａには他方の端子２ｂよりも高い正の電圧が印加されることになる。これによってソレノイド２を流れる電流は、一方の端子２ａから他方の端子２ｂの一方向になる。本実施の形態においては交流電源４からは２２０Ｖの交流電圧が供給されて半波整流されるので、スイッチ６がＯＮしているとき、ソレノイド２には最大で約３１０Ｖの、平均で約１００Ｖの直流電圧が印加されることになる。このようなソレノイド２には、ソレノイド２と並列にフライ・ホイール・ダイオード８が接続されている。フライ・ホイール・ダイオード８は、ソレノイド２の他方の端子２ｂから一方の端子２ａに向かって電流が流れるように設けられている。ソレノイド２とフライ・ホイール・ダイオー８とからなる閉回路には、閉回路を流れる電流が過大にならないように制限すると共に電流を減衰させるための保護用抵抗１０が設けられている。

本実施の形態に係るソレノイド駆動回路１は、ソレノイド２の断線を検出するための回路が設けられている点に特徴がある。すなわち、第１の抵抗１５と、第２の抵抗１６と、フォトカプラ１８と、保護用ダイオード１９とからなる回路である。第１の抵抗１５は、交流電源４とソレノイド２の間に介装されている。ただし、介装されている位置は、ソレノイド２とフライ・ホイール・ダイオー８とからなる閉回路の外側になっている。つまり第１の抵抗１５の位置は、スイッチ６がＯＮでソレノイド２に電流が流れるときに電流が流れる位置であって、ソレノイド２とフライ・ホイール・ダイオー８とからなる閉回路において電流が流れているときには、電流が流れない位置になっている。このように設けられている第１の抵抗１５には、並列に第２の抵抗１６とフォトカプラ１８が接続されている。詳しくは、これらの第２の抵抗１６とフォトカプラ１８は直列に接続された状態で第１の抵抗１５に並列に接続されている。フォトカプラ１８は、発光ダイオードとフォトトランジスタとから構成されているが、発光ダイオードは整流用ダイオード５によって半波整流された電流が流れる方向と同じ向きに設けられている。フォトカプラ１８は、発光ダイオードに電流が流れるとフォトトランジスタの端子１８ａ、１８ｂ間が導通する。端子１８ａ、１８ｂは、ソレノイド駆動回路１と絶縁されているので、ソレノイド駆動回路１において異常な電圧が発生しても影響を及ぼすことがない。従って、これらの端子１８ａ、１８ｂは制御基板等に接続してもよいし、あるいはこれらの端子１８ａ、１８ｂ間にＬＥＤと電源とを接続しておけば、ＬＥＤの発光の有無からフォトカプラ１８に電流が導通したか否かを判断することができる。保護用ダイオード１９はこの回路における必須の電気素子ではないが、フォトカプラ１８を保護するためのものでありフォトカプラ１８と並列に設けられている。なお、保護用ダイオード１９の向きはフォトカプラ１８の発光ダイオードと逆向きになっている。

本実施の形態に係るソレノイド駆動回路１において、第１の抵抗１５と第２の抵抗１６は、フォトカプラ１８が過大な電流によって破壊されないように、その抵抗値が選定されている。つまりフォトカプラ１８を流れる電流が比較的小さい範囲になるように抵抗値が選定されている。第１の抵抗１５と第２の抵抗１６のそれぞれに流れる電流は、ソレノイド２を流れる電流をそれぞれの抵抗値を逆にした比、つまり逆比で分配した大きさになる。従って、第２の抵抗１６は第１の抵抗１５より抵抗値が十分に大きくなるように選定され、電流の大部分が第１の手項１５を流れるようにしてフォトカプラ１８を流れる電流が小さくなるようになっている。また、第１の抵抗１５は、ソレノイド２の抵抗要素１２や保護用抵抗１０に比して十分に小さい抵抗値になるように選定されており、ソレノイド駆動回路１において第１の抵抗１５において消費される電力が小さくなるように考慮されている。

本実施の形態に係るソレノイド駆動回路１の作用を説明する。サーボモータのブレーキ機構を駆動してロックしたいとき、ソレノイド２を停止する。すなわち、ソレノイド駆動回路１において、スイッチ６を図２の（ア）に示されているようにＯＦＦする。スイッチ６がＯＦＦになっているとソレノイド駆動回路１に電流は流れないので、フォトカプラ１８にも電流は流れない。サーボモータのブレーキ機構のロックを解除するときは、スイッチ６をＰＷＭ等により高速でＯＮ／ＯＦＦする。高速でＯＮ／ＯＦＦすると次のようになる。まずスイッチ６がＯＮのとき、図２の（イ）に示されているように、交流電源４からの交流電流が整流用ダイオード５によって半波整流により直流電流に整流され、矢印Ｙ１で示されているようにソレノイド２を流れる。この電流は矢印Ｙ２、Ｙ３で示されているように、第１の抵抗１５と第２の抵抗１６のそれぞれを流れる電流に分岐し、その後合流して交流電源４に戻る。矢印Ｙ３のように流れる電流によってフォトカプラ１８が作動し、端子１８ａ、１８ｂ間が導通する。端子１８ａ、１８ｂ間に所定の電圧が印加されているとき、矢印Ｙ４のように電流が流れる。この電流を検出して、ソレノイド２に正常に電流が流れていると判定する。スイッチ６がＯＮの直後にＯＦＦされると、ＯＮのときに溜められていた磁気エネルギーによってソレノイド２に起電力が生じて、図２の（ウ）において矢印Ｙ５で示されているように、ソレノイド２とフライ・ホイール・ダイオード８と保護用抵抗１０とからなる閉回路に電流が流れる。このとき、第１、２の抵抗１５、１６、そしてフォトカプラ１８には電流が流れない。スイッチ６を高速でＯＮ／ＯＦＦを繰り返すと、図２の（イ）（ウ）の状態が繰り返されることになり、ソレノイド２を連続的に駆動することができる。ソレノイド２が正常であることを判定するのは、スイッチ６がＯＮのときである。

ソレノイド２が断線しているとき、スイッチ６をＯＮしても、図２の（エ）に示されているようにソレノイド駆動回路１には電流は流れない。フォトカプラ１８にも電流が流れないので、端子１８ａ、１８ｂ間は導通しない。スイッチ６がＯＮにもかかわらず端子１８ａ、１８ｂ間が導通しないことを検出したらソレノイド２が断線していると判定する。なお、ソレノイド２が断線しているとき、ソレノイド２に磁気エネルギーは蓄積されないので、その後スイッチ６をＯＦＦしてもソレノイド駆動回路１に電流は流れない。

本実施の形態に係るソレノイド駆動回路１は色々な変形が可能である。例えば、この実施の形態において電源は交流電源４からなり１個の整流用ダイオード５によって半波整流された直流電流が供給されるように説明したが、４個のダイオードをブリッジ接続して、交流電流を全波整流してもよい。さらには直流電源を設け、電圧が一定の直流電流を供給するようにしてもよい。

１ソレノイドの駆動回路２ソレノイド
２ａ一方の端子２ｂ他方の端子
４交流電源５整流用ダイオード
６スイッチ８フライ・ホイール・ダイオード
１５第１の抵抗１６第２の抵抗
１８フォトカプラ

Claims

サーボモータのブレーキ機構を駆動するソレノイドと、該ソレノイドに対して一方向に電流を供給する電源と、前記電源と前記ソレノイドの間に介装されているスイッチと、前記電源によって供給される電流と逆向きになるように前記ソレノイドと並列に設けられているフライ・ホイール・ダイオードと、からなるソレノイド駆動回路において、
前記ソレノイドと前記電源の間には、前記ソレノイドと前記フライ・ホイール・ダイオードとからなる閉回路の外側において第１の抵抗が設けられ、
直列に接続された第２の抵抗とフォトカプラが、前記第１の抵抗に並列に接続されていることを特徴とする、サーボモータのブレーキ用のソレノイド駆動回路。
請求項１に記載のソレノイド駆動回路において、前記電源は交流電源と整流用ダイオードとからなり半波整流により整流された直流電流が供給されるようになっていることを特徴とする、サーボモータのブレーキ用のソレノイド駆動回路。