特許 7445485 誘導性負荷の駆動回路および電磁ブレーキシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-28

(45)【発行日】2024-03-07

(54)【発明の名称】誘導性負荷の駆動回路および電磁ブレーキシステム

(51)【国際特許分類】

   H03K 17/04 20060101AFI20240229BHJP

   H03K 17/615 20060101ALI20240229BHJP

   H03K 17/64 20060101ALI20240229BHJP

   H01F 7/18 20060101ALI20240229BHJP

   H02P 3/04 20060101ALI20240229BHJP

【ＦＩ】

H03K17/04 J

H03K17/615

H03K17/64

H01F7/18 Z

H02P3/04 B

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020055464

(22)【出願日】2020-03-26

(65)【公開番号】P2021158471

(43)【公開日】2021-10-07

【審査請求日】2022-11-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 正志

【審査官】及川 尚人

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６１－２２０５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６４－０６１９４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１２６０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－００２８０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０３５２５８８３（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開平０５－０２２９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０８１０４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｋ １７／００－１７／７０

Ｈ０１Ｆ ７／１８

Ｈ０２Ｐ ３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘導性負荷が接続される第１出力端子および第２出力端子と、
前記第１出力端子と正極電源ラインの間に設けられる第１トランジスタと、
前記第１出力端子と負極電源ラインの間に設けられる第１ダイオードと、
前記第２出力端子と前記負極電源ラインの間に設けられる第２トランジスタと、
前記第２出力端子と前記正極電源ラインの間に設けられるダーリントン回路と、
前記ダーリントン回路の制御端子と前記第２出力端子の間に設けられるツェナーダイオードと、
を備え、
前記ダーリントン回路は、
ベースが前記ツェナーダイオードのアノードと接続される第３トランジスタと、
ベースが前記第３トランジスタのエミッタと接続される第４トランジスタと、
前記第３トランジスタのコレクタと接続される抵抗と、
を含むことを特徴とする駆動回路。

【請求項2】

誘導性負荷が接続される第１出力端子および第２出力端子と、
前記第１出力端子と正極電源ラインの間に設けられる第１トランジスタと、
前記第１出力端子と負極電源ラインの間に設けられるダーリントン回路と、
前記ダーリントン回路の制御端子と前記第１出力端子の間に設けられるツェナーダイオードと、
前記第２出力端子と前記負極電源ラインの間に設けられる第２トランジスタと、
前記第２出力端子と前記正極電源ラインの間に設けられる第２ダイオードと、
を備え、
前記ダーリントン回路は、
ベースが前記ツェナーダイオードのアノードと接続される第３トランジスタと、
ベースが前記第３トランジスタのエミッタと接続される第４トランジスタと、
前記第３トランジスタのコレクタと接続される抵抗と、
を含むことを特徴とする駆動回路。

【請求項3】

前記誘導性負荷は電磁ブレーキのコイルであることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動回路。

【請求項4】

電磁ブレーキと、
前記電磁ブレーキのコイルを駆動する請求項１から３のいずれかに記載の駆動回路と、
を備えることを特徴とする電磁ブレーキシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、誘導性負荷の駆動回路に関する。

【背景技術】

【0002】

モータの回転を停止させる手段として、電磁ブレーキが広く用いられる。電磁ブレーキは機械ブレーキのひとつである。無励磁作動型の電磁ブレーキにおいて、励磁コイルの無通電状態では、アーマチュアがスプリングコイルによってブレーキハブに押し付けられ、ブレーキが働いた状態（保持状態）となる。励磁コイルに電圧が印加されると、電磁石がアーマチュアを吸引し、ブレーキの開放状態となる。このような特性から、無励磁作動型の電磁ブレーキは、非常事態や停電時の安全性を優先すべき用途で多く用いられている。

【0003】

図１は、モータを備える制御系のブロック図である。整流器１０は、交流電圧を整流する。インバータ２０は、整流器１０が生成した直流電圧Ｖ_ＤＣを交流電圧に変換し、モータ２を駆動する。

【0004】

電磁ブレーキ４およびブレーキ駆動回路４０は、電磁ブレーキシステムを形成する。ブレーキ駆動回路４０は、電磁ブレーキ４の励磁コイルに励磁（通電）、無励磁（非通電）を切り替えることにより、開放および制動を切り替える。

【0005】

図２（ａ）、（ｂ）は、ブレーキ駆動回路４０の構成例を示す回路図である。図２（ａ）のブレーキ駆動回路４０は、トランジスタＴｒ１～Ｔｒ４を含むフルブリッジ回路である。ブレーキ解除（非制動）期間において、トランジスタＴｒ１とＴｒ２のペアをオンとし、電磁ブレーキ４の励磁コイルに、第１極性の電圧を印加する。この状態では、励磁コイルに、保持電流Ｉ_０が流れている。

【0006】

制動時には、ブレーキ駆動回路４０は、トランジスタＴｒ３とＴｒ４のペアをオンとし、励磁コイルに、解除状態と逆極性の電圧を印加し、電磁ブレーキを消弧する。

【0007】

図２（ｂ）のブレーキ駆動回路４０は、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２およびダイオードＤ１，Ｄ２を含む対角ブリッジ回路を含む。ブレーキ解除（非制動）期間において、トランジスタＴｒ１とＴｒ２のペアをオンとし、電磁ブレーキ４の励磁コイルに、第１極性の電圧を印加する。この状態では、励磁コイルに、保持電流Ｉ_０が流れている。

【0008】

電磁ブレーキの消弧時には、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２をオフとする。励磁コイルに流れていた電流は、ダイオードＤ１，Ｄ２を経由して回生し、電磁ブレーキが消弧される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特開平９－６９４３５号公報

【文献】特開２０１８－４３６２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

図２（ａ）のブレーキ駆動回路は、トランジスタの個数が多く、またトランジスタごとにゲート駆動回路を設ける必要があるため、回路規模が大きい。

【0011】

図２（ｂ）のブレーキ駆動回路では、保持電流Ｉ_０が０に低下するのに要する消弧時間τが、式（１）で与えられ、ＤＣ電圧Ｖ_ＰＮによって制限される。
τ＝Ｌ／Ｖ_ＰＮ・Ｉ_０ …（１）

【0012】

なお、同様の問題は、電磁ブレーキの励磁コイルの駆動回路に限定されず、その他の誘導性負荷を対象とする駆動回路にも当てはまる。

【0013】

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、誘導性負荷の電流を短時間で減少させることが可能な駆動回路の提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明のある態様の駆動回路は、誘導性負荷が接続される第１出力端子および第２出力端子と、第１出力端子と正極電源ラインの間に設けられる第１トランジスタと、第１出力端子と負極電源ラインの間に設けられる第１ダイオードと、第２出力端子と負極電源ラインの間に設けられる第２トランジスタと、第２出力端子と正極電源ラインの間に設けられるダーリントン回路と、ダーリントン回路の制御端子と第２出力端子の間に設けられるツェナーダイオードと、を備える。

【0015】

この態様によると、第２出力端子に、正極電源ラインの電圧よりも高い電圧を発生することができ、ブーストされた電圧を、誘導性負荷に印加でき、誘導性負荷の電流を短時間で減少させることができる。

【0016】

本発明の別の態様もまた、駆動回路である。この駆動回路は、誘導性負荷が接続される第１出力端子および第２出力端子と、第１出力端子と正極電源ラインの間に設けられる第１トランジスタと、第１出力端子と負極電源ラインの間に設けられるダーリントン回路と、ダーリントン回路の制御端子と第１出力端子の間に設けられるツェナーダイオードと、第２出力端子と負極電源ラインの間に設けられる第２トランジスタと、第２出力端子と正極電源ラインの間に設けられる第２ダイオードと、を備える。

【0017】

この態様によると、第１出力端子に、負極電源ラインの電圧よりも低い電圧を発生することができ、ブーストされた電圧を誘導性負荷に印加でき、誘導性負荷の電流を短時間で減少させることができる。

【0018】

ダーリントン回路は、ベースがツェナーダイオードのアノードと接続される第３トランジスタと、ベースが第３トランジスタのエミッタと接続される第４トランジスタと、第３トランジスタのコレクタと接続される抵抗と、を含んでもよい。

【0019】

誘導性負荷は無励磁型の電磁ブレーキのコイルであってもよい。これにより、高速な制動が可能となる。

【0020】

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【0021】

さらに、この項目（課題を解決するための手段）の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。

【発明の効果】

【0022】

本発明のある態様によれば、誘導性負荷の電流を短時間で減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】モータを備える制御系のブロック図である。

【図2】図２（ａ）、（ｂ）は、ブレーキ駆動回路の構成例を示す回路図である。

【図3】実施の形態１に係る駆動回路の回路図である。

【図4】図３の駆動回路の動作波形図である。

【図5】実施の形態２に係る駆動回路の回路図である。

【図6】図５の駆動回路の動作波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0025】

図３は、実施の形態１に係る駆動回路１００Ａの回路図である。駆動回路１００Ａは、誘導性負荷であるコイルＬ１を駆動する。誘導性負荷の種類は限定されないが、たとえば電磁ブレーキの励磁コイルでありうる。駆動回路１００Ａは、第１出力端子ＯＵＴ１、第２出力端子ＯＵＴ２、第１トランジスタＴｒ１、第２トランジスタＴｒ２、第１ダイオードＤ１、ダーリントン回路１１０を備える。

【0026】

第１出力端子ＯＵＴ１はコイルＬ１の一端と接続され、第２出力端子ＯＵＴ２はコイルＬ１の他端と接続される。第１トランジスタＴｒ１は、第１出力端子ＯＵＴ１と正極電源ライン１０２の間に設けられる。第１ダイオードＤ１は、第１出力端子ＯＵＴ１と負極電源ライン１０４の間に設けられる。第２トランジスタＴｒ２は、第２出力端子ＯＵＴ２と負極電源ライン１０４の間に設けられる。第１トランジスタＴｒ１および第２トランジスタＴｒ２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

【0027】

ダーリントン回路１１０は、第２出力端子ＯＵＴ２と正極電源ライン１０２の間に設けられる。ツェナーダイオードＺＤ１は、ダーリントン回路１１０のゲート（すなわちベース）と第２出力端子ＯＵＴ２の間に設けられる。

【0028】

ダーリントン回路１１０は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタである第３トランジスタＴｒ３および第４トランジスタＴｒ４と、抵抗Ｒ１を含む。第３トランジスタＴｒ３は、ベースがツェナーダイオードＺＤ１のアノードと接続される。第４トランジスタＴｒ４のエミッタは正極電源ライン１０２と接続され、そのコレクタは第２出力端子ＯＵＴ２と接続され、ベースが第３トランジスタＴｒ３のエミッタと接続される。抵抗Ｒ１は、第３トランジスタＴｒ３のコレクタと第２出力端子ＯＵＴ２の間に設けられる。

【0029】

以上が駆動回路１００Ａの構成である。続いて、コイルＬ１が無励磁型の電磁ブレーキの励磁コイルであるものとして、駆動回路１００Ａと電磁ブレーキを備える電磁ブレーキシステムの動作を説明する。

【0030】

図４は、図３の駆動回路１００Ａの動作波形図である。時刻ｔ_０より前は、ブレーキの解除期間であり、第１トランジスタＴｒ１および第２トランジスタＴｒ２がオンとなり、第１出力端子ＯＵＴ１には、正極電源ライン１０２の電圧Ｖ_ＰＮが発生し、第２出力端子ＯＵＴ２には負極電源ライン１０４の電圧（０Ｖ）が発生している。そのとき、コイルＬ１には、図３の回路図において右向きに、電流量Ｉ_０のコイル電流Ｉ_Ｌが流れている。

【0031】

時刻ｔ_０に、制動指令が発生すると、駆動回路１００Ａの第１トランジスタＴｒ１、第２トランジスタＴｒ２がオフとなる。そうすると、コイル電流Ｉ_Ｌは、第１ダイオードＤ１、コイルＬ１、ダーリントン回路１１０の経路に流れ始める。このときの第１出力端子ＯＵＴ１の電圧は０Ｖとなり、第２出力端子ＯＵＴ２の電圧は、Ｖ_ＰＮ＋Ｖｚ＋２×Ｖｂｅとなる。Ｖｚは、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧であり、Ｖｂｅは、第３トランジスタＴｒ３および第４トランジスタＴｒ４のベースエミッタ間電圧である。Ｖｂｅ≒０とみなせる場合、第２出力端子ＯＵＴ２の電圧は、Ｖ_ＰＮ＋Ｖｚと近似される。このとき、コイルＬ１の両端間には、Ｖ_Ｌ≒Ｖ_ＰＮ＋Ｖｚが印加される。

【0032】

時刻ｔ_０以降のコイル電流Ｉ_Ｌは、式（２）で表され、時間とともに減少していく。
Ｉ_Ｌ＝Ｉ_０－∫（Ｖ_ＰＮ＋Ｖｚ）／Ｌｄｔ
＝Ｉ_０－｛（Ｖ_ＰＮ＋Ｖｚ）／Ｌ｝×ｔ …（２）
コイル電流Ｉ_Ｌが０となるまでの消弧時間τは、式（３）で表される。
τ＝Ｌ・Ｉ_０／（Ｖ_ＰＮ＋Ｖｚ） …（３）

【0033】

図４には、図２（ｂ）の対角ブリッジ回路を用いたときの動作が一点鎖線で示す。このときの消弧時間τ’は、式（１）で与えられ、消弧時間τ’は、実施の形態１における消弧時間τの（Ｖ_ＰＮ＋Ｖｚ）／Ｖ_ＰＮ倍となる。言い換えると、本実施の形態によれば、消弧時間を、Ｖ_ＰＮ／（Ｖ_ＰＮ＋Ｖｚ）に短縮できる。

【0034】

無励磁型の電磁ブレーキでは、消弧時間τによって、制動が開始する時間が規定される。したがって、消弧時間τを短縮することにより、高速な制動が可能となる。

【0035】

また駆動回路１００Ａは、トランジスタＴｒ３やＴｒ４を駆動するためのゲート駆動回路が不要であるため、図２（ａ）のフルブリッジ回路よりも簡素に構成できるという利点がある。

【0036】

図５は、実施の形態２に係る駆動回路１００Ｂの回路図である。駆動回路１００Ｂでは、ダーリントン回路１１０の位置が、第１出力端子ＯＵＴ１と負極電源ライン１０４の間に変更されている。

【0037】

図６は、図５の駆動回路１００Ｂの動作波形図である。時刻ｔ_０より前は、ブレーキの解除期間であり、第１トランジスタＴｒ１および第２トランジスタＴｒ２がオンとなり、第１出力端子ＯＵＴ１には、正極電源ライン１０２の電圧Ｖ_ＰＮが発生し、第２出力端子ＯＵＴ２には負極電源ライン１０４の電圧（０Ｖ）が発生している。そのとき、コイルＬ１には、図５の回路図において右向きに、電流量Ｉ_０のコイル電流Ｉ_Ｌが流れている。

【0038】

時刻ｔ_０に、制動指令が発生すると、駆動回路１００Ｂの第１トランジスタＴｒ１、第２トランジスタＴｒ２がオフとなる。そうすると、コイル電流Ｉ_Ｌは、ダーリントン回路１１０、コイルＬ１、第２ダイオードＤ２の経路に流れ始める。このときの第１出力端子ＯＵＴ１の電圧は－（Ｖｚ＋２×Ｖｂｅ）となり、第２出力端子ＯＵＴ２の電圧はＶ_ＰＮとなる。このとき、コイルＬ１の両端間には、Ｖ_Ｌ≒Ｖ_ＰＮ＋Ｖｚが印加される。

【0039】

実施の形態１と同様に、時刻ｔ_０以降のコイル電流Ｉ_Ｌは、式（２）で表され、時間とともに減少していく。そしてコイル電流Ｉ_Ｌが０となるまでの消弧時間τは、式（３）で表される。

【0040】

このように実施の形態２によっても、消弧時間τを短縮できる。

【0041】

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

【0042】

（第１変形例）
第１トランジスタＴｒ１や第２トランジスタＴｒ２としては、ＩＧＢＴに代えて、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＧａＮ－ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などのパワートランジスタを用いることができる。

【0043】

（第２変形例）
ダーリントン回路１１０の構成は、図示した回路に限定されない。実施の形態では２段のダーリントン回路を示したが、３段以上で構成してもよい。またトランジスタＴｒ３やＴｒ４をＦＥＴで構成してもよい。この場合、図３の構成においては、ダーリントン回路１１０の制御端子であるゲートと、正極電源ライン１０２の間に、抵抗などを含む電流経路を追加してよい。あるいは図５の構成においては、ダーリントン回路１１０の制御端子であるゲートと、負極電源ライン１０４の第１出力端子ＯＵＴ１の間に、抵抗などを含む電流経路を追加してよい。

【0044】

（第３変形例）
図３において、第２出力端子ＯＵＴ２とダーリントン回路１１０の制御端子の間に、ツェナーダイオードＺＤ１と直列に、抵抗やダイオードを追加してもよい。図５においても同様であり、負極電源ライン１０４とダーリントン回路１１０の制御端子の間に、ツェナーダイオードＺＤ１と直列に、抵抗やダイオードを追加してもよい。これにより、さらにブースト量を増やすことができる。

【0045】

（第４変形例）
実施の形態１，２では、コイルＬ１が無励磁型の電磁ブレーキの励磁コイルとしたが、励磁型にも本発明は適用可能である。この場合、消弧時間の短縮により、ブレーキの解除時間を短縮できる。

【0046】

（第５変形例）
駆動回路１００の駆動対象は、電磁ブレーキの励磁対象には限定されず、電磁クラッチの駆動にも利用可能であり、さらには１方向にのみ電流を流せばよい負荷の駆動に広く適用可能である。たとえば駆動回路１００の駆動対象は、１方向にのみ回転するブラシ付きＤＣモータであってもよい。この場合、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２がオンの期間、ＤＣモータを回転させることができ、それらをオフすると、ＤＣモータを停止させることができる。

【0047】

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0048】

１００ 駆動回路
ＯＵＴ１ 第１出力端子
ＯＵＴ２ 第２出力端子
Ｔｒ１ 第１トランジスタ
Ｔｒ２ 第２トランジスタ
Ｔｒ３ 第３トランジスタ
Ｔｒ４ 第４トランジスタ
Ｄ１ 第１ダイオード
Ｄ２ 第２ダイオード
１０２ 正極電源ライン
１０４ 負極電源ライン
１１０ ダーリントン回路
ＺＤ１ ツェナーダイオード
Ｒ１ 抵抗

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】