JP2005201436A - ソレノイドバルブの一部を構成しシャッタ機能を有する可動部材が不活性位相において往復運動終端位置へ到達する瞬時を決定するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ノイズに対する強い感度、及び特定の閾値の較正に依存するという欠点を克服した方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、電子バルブの不活性位相におけるシャッタの往復運動終端の瞬時を決定する方法であって、
名目上の不活性時間を算定し、さらに上記時間から、不活性シャッタが往復運動終端位置に到達する、算定されるべき瞬時を推定する工程と、
コイル不活性状態の後のシャッタ動作の間、算定される名目上の不活性の瞬時を含む時間範囲に調整された電流をソレノイドに適用する工程と、
電流サンプルを取得する工程と、
シャッタが往復運動終端に到達する瞬時の前後で取得されたサンプルの進展を近似する、取得されたデータに対する２つの補間曲線を明らかにする工程と、
交差の瞬時を推定する上記補間曲線の交点を決定する工程と、
上記交差の瞬時により、シャッタ往復運動終端の瞬時を明らかにする工程とを含むことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般的に電子バルブ若しくはソレノイドバルブの制御に関する。そして、ソレノイドの不活性位相の間このバルブのシャッタの往復運動終端の瞬時を決定するための方法に関する。

ソレノイド電子バルブにおいて、適切な案内電流（piloting current）のプロファイルを与えることによって、シャッタとして作用する可動部材を、２つの開口した接触位置と閉口した接触位置（後で第１位置及び第２位置と称する。）との間でシフトさせることができる。

ソレノイドの活性状態のある瞬時とシャッタが第１接触位置に到達する瞬時との間の時間（活性時間）を測定すること、及びソレノイドの不活性状態のある瞬時とシャッタが第２接触位置に到達する瞬時との間の時間（不活性時間）を測定することは、適切なバルブ制御のために非常に重要である。

本発明は、特に、ソレノイドバルブの不活性時間を測定するための方法に関する。

ＷＯ−Ａ−９４１３９９１明細書には、本発明に関連するプロセスに含まれる物理現象に関してすでに開示されている。

一般的に上記物理現象は、バルブの不活性位相の間にアーマチュアの動作によりソレノイドの端部で起こるインダクタンスの変化に関する。上記インダクタンスの変化を、ソレノイド端部における電圧変化として、またソレノイド内に流れる電流の変化として検出することができる。

特に、ＷＯ−Ａ−９４１３９９１明細書には、具体例により次のケースに関連する物理的モデルが示されている。

「理想的な」アーマチュア材料と「現実的な」のアーマチュア材料
アーマチュアが、「測定用」電流若しくは電圧を加えることが必要な「理想的な」磁性材料を有するケースの物理的モデルが示されている。このケースにおいて、「測定用」電流若しくは電圧は、バルブを作動させないように、またインダクタンス変化に起因する、印加電流若しくは電圧の「特徴的な」変化を決定することができるように、加えられる。
さらに、アーマチュアが、測定用シグナルを加えることが必要とされない「現実的な」磁気材料を有するケースの物理的モデルが示されている。測定用シグナルを加えることが必要とされないのは、インダクタンス変化を受ける「測定用」電流若しくは電圧を印加する源として残留磁気を利用することができるからである。
一体として作製されたアーマチュア及びシャッタを有するバルブと２つ別々のボディを有するバルブ
アーマチュア及びシャッタを含む一つのボディからなる可動部を有するバルブのケースであって、不活性位相において、接触位置に到達するシャッタが、磁気アーマチュアにより急激な速度の変化が引き起こされるケース（これは磁気アーマチュアがシャッタと一体となっているからである）の物理的モデルが示されている。
また、シャッタから分離した磁気アーマチュアを備えるバルブのケースであって、接触位置に到達するシャッタが、磁気アーマチュアにより急激な速度の変化が引き起こされるケース（この磁気アーマチュアがそれ自身で動作するとき、その時点から、磁気アーマチュア自身はシャッタから離れる。）の物理的モデルが示されている。

上述の先行技術に関連して、１つの可動部材の場合（速度不連続性）、及びシャッタから分離したアーマチュアの場合（加速度不連続性）において見られる不連続性は、１つの可動部材の場合においては、ソレノイド電圧の一次導関数の電圧及びスパイクによる不連続性に起因し、またシャッタから分離したアーマチュアの場合においては、ソレノイド電圧の二次導関数の電圧及びスパイクによる導関数の不連続性に起因する。

さらに上記既知の解決方法は、ソレノイドの電圧を測定するため、また様々なタイプの電子バルブの様々なケースにおいて、上述の電圧（及びその導関数）が、予め規定された閾値を超えるか否かを検出するための回路を提供する。

上記既知の方法の欠点として、測定から得られるシグナルの導関数（２つの分離したボディのケースにおいては第１導関数及び第２導関数）を分析する必要があること（そのため極端にノイジーである）、また予定された閾値を超えることによりシグナルを分析しなければならないことが含まれる。これらの技術は、識別閾値（decision threshold）（これは作動状況、及びバルブが作動する流体の特性の関数である）を較正する時、一般的に不安定な状況になりやすく、ノイズを測定することにより非常に影響を受ける。このノイズは、シグナル（及びその導関数）にスパイクを形成する傾向にあり、このスパイクは誤った検出へと導く。

ＵＳ−Ａ−５９９５３５６では、不活性位相において、ソレノイド内に流れる電流に関する結果に関して記載している。ソレノイドを再び活性化させる手順はＷＯ−Ａ−９４１３９９１のものと似ている。特に、シャッタが不活性位相において第２接触位置に到達した時、上記電流に「特徴的なエルボーのような変化」が発生する。しかし、上述の特徴的な変化が起こる瞬時を決定するための特定の方法は提案されていない。

本明細書において提案された方法は、ＷＯ−Ａ−９４１３９９１明細書で提案された、ソレノイドに対する電圧シグナル（及びその導関数）を制御することに基づく不活性時間検出方法と全く異なり、バルブの不活性位相におけるソレノイド内を流れる電流を分析することを目的とし、さらにこの導関数プロセスによってノイズに対して強い感度を有するという問題を克服する。

さらに、本発明は、バルブ不活性位相の間のソレノイドにおける電流取得に基づくオリジナルな方法を提供することを目的とする。このバルブの不活性位相により、不活性位相において、シャッタが接触ポイントに到達する瞬時を検出することができる。上記方法は、一体形成された電子バルブ、及びアーマチュアがシャッタから分離した電子バルブ（この場合検出がより不安定である。）の両方に用いることができる。また、上記方法は、バルブを作動させないような付加的な「測定用」電流が加えられるケース、及び逆にアーマチュアを構成する非理想的な磁気材料の残留磁気による渦電流を用いるケースの両方に用いることができる。

本発明に記載の方法は、さらに、ノイズに対する強い感度、及び特定の閾値の較正に依存することに関連する上述の欠点を克服することを目的とする。

本発明に係る方法は、
ａ）名目上の不活性時間を算定し、さらに上記時間から、不活性化されたシャッタが往復運動の終端位置に到達する、算定されるべき瞬時を推定する工程と、
ｂ）ソレノイド不活性状態の後のシャッタ動作の間、算定される名目上の不活性の瞬時を含む時間範囲に調整された感知できる程の電流をソレノイドに適用する工程と、
ｃ）適当な数の電流サンプルを取得する工程と、
ｄ）シャッタが往復運動終端に到達する瞬時の前後においてそれぞれ取得されたサンプルの進展を近似する、取得されたデータに対する二つの補間曲線を明らかにする工程と、
ｅ）交差の瞬時を推定するための上記補間曲線の交点を決定する工程と、
ｆ）上記交差の瞬時により、シャッタの往復運動終端の瞬時を明らかにする工程とを含むことを特徴とする。

特徴的な変化が起こる電流を専用の回路により供給しても良いし、若しくはアーマチュア材料の残留磁気により発生させても良い。そして、両方の場合に適切な回路を介してその電流を測定してもよい。

本発明に係る方法は、既知の方法に対して以下の効果を有する。
まず、測定ノイズに対して感度が低いことである。実際、その交点によりシャッタが往復運動終端に接触する瞬時を決定することができる補間曲線を調査するプロセスが、上記曲線から離れたサンプルを排除する（filtrate）ためである。

さらに、シャッタが極端に細くされたバルブの環境的状況及び操作状況において、一体形成されたソレノイドバルブに対しても、またシャッタから分離された磁気アーマチュアを備えるソレノイドバルブに対しても不活性時間を良好に検出することができることである。実際、２つの分離したボディの場合において、補間曲線による方法を用いて十分に検出することができるように、シャッタの切断の前後のアーマチュアの動作は感知できる程に相違しなければならない（この相違は、バルブの設計パラメータを適切に調整することにより可能である）。

また、不活性時間を決定へと導く較正が簡単であり、そのため、本発明に係る方法を用いてなされる測定を使用して、オペレーティングの分散／偏向（dispersions/drifts）を補償することが可能となることである。これは、制御シグナルを適切に調整することにより可能である。

さらに本発明の特徴及び有利な効果は、添付の図面に関連する次の記載から明らかである。この添付図面は、非限定的な具体例のみにより与えられる。

本発明に係る方法を詳細に説明するため、次に測定装置の特定の実施の形態に関して、また試験を受けるべきバルブの特定の実施の形態に関して言及している。これらの実施の形態は、上記方法の応用を限定するものではない。

特に、磁気アーマチュアから分離したシャッタを備えるソレノイドバルブの場合（この場合不活性時間の検出が最も複雑な状況にある。）を考慮しなければならない。この磁気アーマチュアは、残留磁気を有する現実の磁性材料からなる。

さらに、交点からシャッタ往復運動終端の瞬時を推定する補間曲線が、交差する２つの直線であるというケースを考える。開発された方法を詳細に開示しないわけではないけれども、この特定のケースにより、補間曲線の交点を明らかにするためのプロセスにおいて、制御システムが受けもつ較正を適当に減らすことができる。

バルブの詳細
図１Ａ、１Ｂ、１Ｃに示されるバルブに数字が付されている。これらの数字は、上記図面において、次の部材を示している。
１：フェロ磁性材料により形成された遮壁
２：活性螺旋体（ソレノイド）
３：磁気アーマチュアを含む可動部材
４：シャッタ
５：シャッタのリターンスプリング
６：磁気アーマチュアを含む可動部材のリターンスプリング
７：磁気回路の固定部
８：不活性位相におけるシャッタの往復運動の終端（第２接触位置）
９：活性位相におけるシャッタの往復運動の終端（第１接触位置）
ｔ：磁気回路のギャップ

第１可動部材（部材４）は、シャッタとして作用する。また、これは、予め規定された２つの位置（図１Ａのような活性ソレノイドの状況に関連する「第１接触位置」及び図１Ａ及びＣに示すような不活性ソレノイドの状況に関連する「第２接触位置」）を有する。第２可動部材（部材３）は、第１接触位置に到着するまで（図１Ｂ）、ソレノイド活性位相の間シャッタに動作を伝え、電流が活性化した状態にある全行程の間上記位置にシャッタ４を保持する。この第２可動部材には、活性化されたソレノイドに与えられた電気制御に対して敏感である磁気アーマチュアが組み込まれている。逆に、不活性位相において、反発力（スプリング５）を受けるシャッタ４は、シャッタが第２接触位置に達するまで、第２可動部材３に動作を伝える。一旦上記第２位置に到達すると、磁気アーマチュアを組み込んだ第２可動部材３はシャッタから切り離され、それ自身で動作する。上記動作は、全体としてシャッタ動作から独立している。磁気アーマチュアを有する第２部材の上記独立した動作に反発力が与えられる。上記反発力は、上記部材をシャッタと接触するように戻す。

可動部材３、４の２つのリターンスプリング５、６は、２つの可動部材を相互に接触させ、特にシャッタを第２接触位置に保持する。この時ソレノイドは不活性化される。

バルブ制御のための回路、活性／不活性位相における可動部材の動作、及び不活性位相における電流プロファイルの詳細
図２は、バルブに案内される回路の、可能性として考えられる実施の形態を示している。このバルブは、ソレノイドバルブ制御の必要条件及びソレノイドにおける電流測定の必要条件の両方を満たすことができる。この電流の測定は、シャッタの第２接触位置に到達する瞬時を決定するために必要である。

図１の数字は、次の部材について言及している。
１：「ハイサイド」トランジスタ用ツェナーダイオード
２：循環ダイオード
３：供給電圧
４：「ローサイド」トランジスタ用ツェナーダイオード
５：電流測定のための抵抗
Ａ：「ハイサイド」トランジスタのためのパイロットシグナル
Ｂ：「ローサイド」トランジスタのためのパイロットシグナル
Ｃ：データの取得及び分析システムに対するシグナル
Ｌ１：活性状態のソレノイド

図３ａは、分離したアーマチュア及びシャッタを有するソレノイドバルブの活性及び不活性現象をより一般的に理解するため、次の量に関連する時間経過を示している。次の量とは、ソレノイドの中を流れる電流、位置センサによりまた検査を受けるバルブの近くに配置された加速度センサで第１及び第２接触位置でのそのインパクトを検出することにより取得されるシャッタ位置、さらに位置センサにより取得される磁気アーマチュアの位置である。

図３ａの参照番号は、次の意味を有する。
１：シャッタが活性位相において往復運動終端に接触する（アーマチュアはシャッタに接触している）
２：アーマチュアを備える活性化された電気バルブが活性位相において往復運動終端位置にシャッタを保持している
３：シャッタが不活性位相において往復運動終端に接触する（アーマチュアはシャッタから分離している）

図３ｂは、図３ａにおけるグラフのうちバルブ不活性位相にだけ関連する部分を時間拡張したものを示している。上記図面において、文字Ａは不活性位相において往復運動終端に接触するシャッタに関連する（アーマチュアはシャッタから分離している）。

次に、活性電流の終了後のバルブ不活性位相の間、電流の循環を助けるために使用される技術を詳細に説明している。

図４において、参照番号は、次の意味を有する。
１：電流シグナル
２：シャッタが往復運動の終端に接触するのを検出するための加速度シグナル
ｔ０：バルブの不活性化が始まる瞬時
ｔ１：「ローサイド」トランジスタが、再び近づく瞬時（循環電流の始まり）
ｔ２：散在するキャパシタンスの放出位相の終端
ｔ３：シャッタが不活性位相における接触位置に到達する瞬時
ｔ４：「ローサイド」トランジスタが再び開かれる時の瞬時（循環電流の終端）
Ｔｐｒｅ：予想される接触の瞬時の前をサンプリングするために有益な時間インターバル
Ｔｐｏｓｔ：予想される接触の瞬時の後をサンプリングするために有益な時間インターバル
「プリ」ライン：不活性化位相における接触の前のポイントの補間ライン
「ポスト」ライン：不活性化位相における接触の後のポイントの補間ライン
Ａ：提案した方法により認識された補間ラインの交点が推定される（それは、瞬時ｔ３に対応する）。この方法により、シャッタが不活性化位相における接触ポイントに到達した瞬時が推定される。

図４に関して説明する。電流が通るソレノイドが切り離される時（時間ｔ０）、このソレノイドは所定の残留エネルギーを保有する。この残留エネルギーは、螺旋体及び案内回路（piloting circuit）の散在する抵抗を介して徐々に放出される。２つの螺旋体端部のうち一方が再接続されたならば（時間ｔ１）、電流を循環させることにより残留エネルギーを放出することができる。この電流の循環は、電気バルブ内の可動部材が移動した時に起こる。螺旋体の切断とその再接続間のディレイ（時間インターバルｔ１-ｔ０）をプログラムすることにより、放出エネルギーの量及び電流レベルを修正すべきである。これらは、バルブの不活性期間において、可動部材に過度にブレーキをかけるほど高くないけれども、シャッタ往復運動終端の瞬時が認識できる程充分高いものである。

一旦、再接続が行われたら（時間ｔ１）、回路に存在する散在したキャパシタンスの放出位相を終了するであろう（時間ｔ２）。

その時間の後、電流はアーマチュアを移動させる動作の下増加し（このアーマチュアは、シャッタに作用する反発力により加速される）、上記シャッタの接触までおよそ直線的に増加する。

時間ｔ３において、シャッタは、アーマチュアを移動させることを終える。このアーマチュアは、そのためそれ自身の動作により移動し、アーマチュアに対する反発力により減速され、アーマチュアが移動する媒体の特性により減衰する。そのため、電流は、減少傾向にある曲線を有する。

時間ｔ４において、ソレノイド螺旋体の端部が最終的に切断され電流は零になる。この時間ｔ４においては、アーマチュアの往復運動終端の瞬時から十分離れるようにプログラムされているべきである。

電流シグナルを処理するための方法の開示
提案した方法は、図５のフローチャートに示した次の工程を含む。即ち、
バルブの環境状況及びオペレーション条件（例えば、バルブが作動する流体の温度、圧力及びタイプ等）に依存して、名目上の不活性時間（これは、ソレノイドにおける電流不活性状態とシャッタの往復運動終端の瞬時との間の時間インターバルの「予想された」値であると定義される。）を算定する工程を含む。不活性時間の進展（development）という実験的特徴により（若しくはそれを数学的に表すモデルにより）、上記時間を得ることができる。ここで、不活性時間は、それが依存するパラメータの関数である。時間窓（time window）の適切な「調整」のために、名目上の不活性時間に関する情報を利用する。この時間窓においては、バルブの不活性位相の間適切な電流が利用可能であり、本発明に係る、シャッタが接触する瞬時を検出する方法が用いられる。

また、ソレノイド不活性状態の後のシャッタ動作の間、上述の技術により、ソレノイドに、感知できる程の電流を加える工程を備える。結果として、電流形状が、算定される名目上の不活性の瞬時に調整される。

適切な測定装置により時間インターバルｔ４−ｔ２の間のソレノイドにおける適切な数の電流サンプルを取得する工程を備える（図２ａの回路の場合において、測定抵抗Ｒｓに対する電圧を検出することにより電流を測定する。）。特に、得られる全てのサンプルは、２つのクラスに属すると考えることができる。即ち、第１のクラスは、シャッタが接触する瞬時の前のインターバルＴｐｒｅにおいて必要とされる電流サンプルのクラスであり、第２のクラスは、シャッタが接触する瞬時の後のインターバルＴｐｏｓｔにおいて必要とされる電流サンプルのクラスである。

また、２つの補間ラインを明らかにする工程を備える。この２つの補間ラインは、それぞれ第１クラスのサンプル（これは、時間インターバルＴｐｒｅにおいて必要である。）に属するデータ及び第２クラスのサンプル（これは、時間インターバルＴｐｏｓｔにおいて必要である。）に属するデータを最良に近似している。

また、２つの補間ライン（「プリ（ｐｒｅ）」ライン及び「ポスト（ｐｏｓｔ）」ライン）が交差していることが必要とされる瞬時の時間を較正する工程を備える。

さらに、上記交差の瞬時によりシャッタの往復運動終端の瞬時を明らかにする工程を備える。

上述のように、本発明に係る方法を、アーマチュアと一体に作製されたシャッタにも適用することができる。

特徴的な変化が起こる電流を専用の回路により供給しても良いし、若しくはアーマチュア材料における残留磁気により発生させてもよい。そして両方の場合において、使い勝手の良い回路によりその電流を測定する。

本発明の基本的概念は同じままで、本発明の枠組みを外れない範囲で、設計の詳細及び実施の形態を、具体例により記載し示したものから非常に幅広く変更することができる。

図１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、分離したアーマチュアとシャッタを有する電子バルブの概略図である。図１Ａでは、休止した不活性状態にあり、図１Ｂでは活性化した状態にあり、図１Ｃでは、アーマチュアの動作が自由であり、不活性位相の終端位置にある状態にある。 図２は、バルブを操作する回路を示している。 図３ａは、電流プロファイル、バルブのシャッタ動作とアーマチュアの動作（活性位相及び不活性位相）を示した図面である。また、図３ｂは、バルブの不活性位相に関連する、図３ａの図面の一部を拡大した図である。 図４は、バルブの不活性位相においてソレノイド内を流れる電流を示した図面である。 図５は、本発明に係る方法の様々な工程を示したフローチャートである。

Claims (4)

1. シャッタとして作用し、かつソレノイド電子バルブの一部をなす可動部材が不活性位相において往復運動の終端位置へ到達する瞬時を決定するための方法であって、
   ａ）名目上の不活性時間を算定し、さらに上記時間から、不活性化されたシャッタが往復運動の終端位置に到達する、算定されるべき瞬時を推定する工程と、
   ｂ）ソレノイドの不活性状態の後のシャッタ動作の間、算定される名目上の不活性の瞬時を含む時間範囲に調整された感知できる程の電流をソレノイドに適用する工程と、
   ｃ）適当な数の電流サンプルを取得する工程と、
   ｄ）シャッタが往復運動の終端に到達する瞬時の前後においてそれぞれ取得されたサンプルの進展を近似する、取得されたデータに対する二つの補間曲線を明らかにする工程と、
   ｅ）交差の瞬時を推定する上記補間曲線の交点を決定する工程と、
   ｆ）上記交差の瞬時により、シャッタの往復運動終端の瞬時を明らかにする工程とを含むことを特徴とする方法。
2. 特徴的な変化が起こる電流を専用の回路により供給することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 特徴的な変化が起こる電流をアーマチュア材料内の残留磁気により発生させることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 特徴的な変化が起こる電流を回路を介して測定することを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
   

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