JP2005520320A

JP2005520320A - 位置に依存しない力によるソレノイド・アクチュエータ

Info

Publication number: JP2005520320A
Application number: JP2003507840A
Authority: JP
Inventors: フォアマン，ドナルド・エス
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2001-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2005-07-07
Also published as: EP1428236A4; EP1428236A1; WO2003001547A1

Abstract

コイル（１３）、エア・ギャップ（２５）及び移動する要素（１５）を有するソレノイドの移動する要素（１５）を移動の全体範囲に渡って制御するデバイス及び方法。センサ（１７）は、エア・ギャップ（２５）内の磁束密度の瞬間的な値を検知するために用いられ、また、その値の強さに比例する電圧に変換される。その値は、単極の駆動電流に変換される。好ましいセンサ（１７）は、ホール効果半導体磁場センサである。ソレノイド（１０）は、移動する要素（１５）を抑えるバイアス（２３）を含んでもよい。

Description

本発明は、アクチュエータとして用いられる電気磁気ソレノイドに関連する。より詳細には、本発明は、線形な動きが達成される動く要素の位置又は比例する動きが制御されている電気磁気ソレノイドに関連する。

現在、電気磁気ソレノイドは、安価で効率のよい電気機械的なアクチュエータとして、広く用いられている。それらの用途の例には、バルブの作動、ドアの締め、及び２つの位置即ちオンとオフが適している多くの他のアプリケーションが含まれる。

以前は、しかしながら、ソレノイドは、従来のソレノイドの高い非線形の振る舞いのため、位置又は比例する動きの制御が必要とされるアプリケーションに対して、適していなかった。その代わりとして、強い永久磁石を用いる「ボイスコイル」アクチュエータ及び動くコイルが、用いられていた。もう１つの可能な選択は、線形な動きを達成するためにリードスクリューを駆動させて、電気モータのような回転アクチュエータを使用することである。しかしながら、アクチュエータは、特にソレノイドと比較して、一定のサイズのユニット内に適切な力を生成せず、また、リードスクリュー・アクチュエータは、一般に、低速度の状況で最適に使用される。両者は、ソレノイドよりもかなり高価である。

ソレノイドは、強磁性材料、一般的には鋼鉄で作られた移動可能な要素の上の磁気力の使用によって、動作する。引力は、磁束密度Ｂの二乗に比例する。次に、磁束密度は、コイル内を流れる電流と移動する要素の位置との双方の関数である。

コイル内を流れる電流は、強磁性体、移動する要素の内とそれらの間のエア（ａｉｒ）・ギャップの内とに磁場を生成する。強磁性構造の透磁率μは、空気のものよりも非常に大きい（一般的には１０００倍又はそれ以上）ので、その結果生じる磁束密度は、エア・ギャップの長さに、従って、移動する要素の位置に、強く依存する。これは、Ｆ＝Ｂ²Ａとして表すことができ、ここで、Ｆは、力であり、Ｂは、エア・ギャップ内の磁束密度であり、Ａは、エア・ギャップの断面積である。

Ｂ＝μＮＩ／ｌ_effであり、ここで、Ｎは、コイル内の巻き数であり、Ｉは、コイルを流れる電流であり、ｌ_effは、磁気回路の全体の有効磁気長であり、強磁性材料を通る磁束路の長さとエア・ギャップの長さとを含む。強磁性材料は、空気の透磁率のμ倍の値を持つので、ｌ_effは、おおよそｌ_iron＋μｌ_airである。項を結合し、再整理すると、Ｂ＝ＮＩ／（（ｌ_iron／μ）＋ｌ_air）。移動可能な要素の左側の端を取り囲む半径方向のエア・ギャップの効果は、ここでは省略されている。なぜならば、それは、要素の動きで変化しないので、その効果が、ｌ_ironへの一定の増加として説明できるからである。

この非線形な振る舞いは、変位対電流をグラフ表すとき、電流なしの条件下でソレノイドを「オープン」に引くような、磁気力に反対に作用する方向に動く変位の関数としてバネの力に対する直線と比較して、一連の曲線を生成する。これは、従来のソレノイド動作の説明である。

動作の唯一の安定した複数の点は、バネの線形な曲線と、様々な電流に対する複数の磁気力の曲線との交わりである。磁気力が大きければ、要素は、クローズ・ポジションに向かって引かれる。バネの力が大きければ、要素は、オープン・ポジションに向かって引かれる。

どれもソレノイドの線形な制御に関係しないのだが、ホール効果センサを用いる様々な従来技術の試みが、提案された。Ｓｔｕｐａｋの米国特許第４，６５５，３４８号は、制御力磁気抵抗アクチュエータを開示し、ソレノイド内の電流が、可変磁気抵抗アクチュエータの磁気回路内の磁束密度を表す信号によって制御される。Ｓｔｕｐａｋは、磁気回路内の磁束密度を教授し、ほぼ一定の磁束密度を維持するために制御回路へのホール効果の出力を得ることによって、電流を制御する。

Ｇｅｎｎｅｓｓｅａｕｘの米国特許第５，６２１，２９３号は、可変磁気抵抗線形モータを開示し、図５ａ、５ｂ及び５ｃに関して説明されるように、リニアライザ（ｌｉｎｅａｒｉｓｅｒ）が、使用される。Ｐａｉｌｔｈｏｒｐの米国特許第４，６５６，４００号は、ソレノイドを開示し、場は、位置の検知によって変化する。Ｂａｎｉｃｋらの米国特許第５，０３２，８１２号もまた、センサを使用して、プラグナット（ｐｌｕｇｎｕｔ）に関してコアの位置を示す。Ｌｏｖｅｔｔらの米国特許第６，２２５，７６７号は、所望の力を与える目的のために一般的なマトリックス方程式を開示する。これらの文献のどれも、中間のポジションにおけるソレノイドの動作の制御に関係しない。

オープン・ポジションとクローズ・ポジションとの間でソレノイドを機能させる又は動作させるようにソレノイドを開発すると、従来技術において大きな利点になるであろう。
移動可能な要素の位置が、完全なオープンから完全なクローズまで、その間の任意の場所で止まりながら制御されるように、ソレノイドが動作すれば、従来技術においてもう１つの大きな利点になるであろう。

位置に独立して、制御電圧に線形に比例する力を生成するように、ソレノイドが作られると、従来技術において更なる大きな利点になるであろう。
他の利点は、以下に、明らかになるであろう。

（発明の概要）
本発明の上述目的及び他の目的は、以下の手法で実施され得ることが、ここに表される。特に、本発明は、移動する要素の全体の範囲に渡るソレノイドの制御を提供する。

エア・ギャップ内の磁束密度の値は、好ましくは磁力制限要素例えばホール効果半導体磁場センサで、検知され、磁束の強さに比例する電圧を生成することができる。磁束センサの出力は、二乗され、その値は、コマンド信号から減算され、その結果は、増幅され、例えば電圧・電流変換器で電流に変換される。

その後、ソレノイド・コイルは、その結果として生じる電流で駆動される。永久磁石のないソレノイドは、単に引きつけることができるので、結果として生じる電流は、単極であることが必要である。コマンド信号は、それに加えられるバイアスを有するべきであり、又は、バイアスは、制御ループ内に加えてもよい。単極信号を生成するすべての手段は、安定であり、バイアス電圧の使用は、非常に有効であり容易である。

ソレノイドはまた、移動する要素を抑えるバイアス手段、例えばコイル・バネ又は同様なものを含み、この場合、移動する要素の位置は、その後、コマンド電圧に直接比例する。なぜならば、バネの伸び又は縮みは、力に直接比例するからである。二乗機能は、デジタル・マイクロコンピュータ、又は、例えば、容易に利用可能で安価なアナログ乗算集積回路で、実行されてもよい。

なお、発明の更なる完全な理解のために、図面は参照される。

典型的なソレノイド・デバイスは、概して、図１において１０として示されており、また、鉄を含む材料１１とコイル１３とを含み、通常の手法で、移動する要素１５を動かすように動作する。これらのデバイスは、上述のように、多くの最終用途を有し、容易で安価なオン・オフ動作が必要とされている。図１に示されるように、本発明はさらに、プランジャ止め１９の直近に位置する磁束センサ１７を含む。移動する要素１５の他方の端１６は、概要的に示され、例えば、接し止め２１としての目的を持ち、また、コイル１３内の電流の動きによって位置づけられる移動する要素に対して反対する力として働くバネ２３を含む。

コイル１３内の電流がないとき、バネ２３は、ソレノイドの移動する要素１５をオープン・ポジションまで引く。図２に示されるものは、バネ２３の力の下での典型的なソレノイドの変位であり、これは、線形な移動を生成する。もちろん、他のバイアス手段を用いてもよく、例えば、例示であって限定されない、エラストマー要素、板バネ、及び同様のものである。ソレノイドは、電流がコイル１３を流れるときに動作し、移動する要素１５の上に磁気力を生成する。また、図２は、電流１、電流２及び電流３で確認される３つの任意の電流に対する非線形な変位を図示する。

唯一の安定する複数の動作点は、バネ曲線と複数の磁気力との交わりである。なぜならば、それらは、力が釣り合う唯一の複数の場所だからである。磁気力が大きければ、その後、移動する要素１５は、クローズ・ポジションに向かって引かれる。図２に示されるように、電流は、クローズ・ポジションから０．２５単位よりも近くに要素１５を動かすために、電流３のレベルまで引き上げられなければならない。その条件が存在するとき、移動する要素１５は、止め１９に大して、ずっとクローズで移動する。なぜならば、磁気力とバネの力との差が、変位に関して、バネの力よりも早く大きくなるからである。止め１９が、要素１５を０．０５単位よりも小さい変位まで移動することを妨げるときでさえ、例えば、磁気力は、まだ、バネの力よりも非常に大きい。電流３よりはむしろ電流１又は電流２がその後に加えられると、例えば、バネは、安定したポジションを示しながら電流曲線をバネの曲線が交差するまで図２の右側へ要素１５を引くであろう。この移動は、高いヒステリシスであり、「スナップ・アクション（ｓｎａｐａｃｔｉｏｎ）」の振る舞いとして、知られている。

本発明に従って、センサ１７は、強磁性材料１１と移動する要素１５との間のエア・ギャップ２５内の磁束密度の瞬間的な値を検知する。好ましいセンサ１７は、ホール効果半導体磁場センサである。このようなセンサは、安価であり、また、Ｍｉｃｒｏｓｗｉｔｈ、Ｍｉｃｒｏｎｓ、Ｐａｎａｓｏｎｉｃその他のメーカーから入手できる。ホール効果センサは、センサ内を流れる磁束の強さに比例する電圧を生成する。それは、非常に小さいパッケージであり、例えば、ＭｉｃｒｏｎｓのＨＡＬ−４００であり、これの厚さは、測定される磁束の方向において１．５ｍｍであり、他の寸法は、２．５ｍｍ×４．５ｍｍである。

図３に戻ると、本発明の動作が示される。センサ１７は、出力３１を生成し、次に、これは、乗算器３３によって、二乗され又はそれ自身と乗算される。乗算器３３の出力３５は、減算器３７に入り、減算器３７は、正味の出力４１を生成するために、コマンド電圧３９から出力３５を減算し、その出力４１は、アンプ４３内で増幅され、コイル１３用の電流を生成するために、電圧・電流変換器４５内で電流に変換される。電圧を二乗又は乗算するための様々な電子デバイスが存在し、例えば、デジタル・マイクロコンピュータ及びアナログ乗算集積回路がある。

コマンド電圧入力から力の出力までの正確な変換のため、本発明は、コマンド信号の忠実な再現を持つ振動トランスデューサとして役に立つソレノイド・アクチュエータを作るために使用することができ、強くて高価な永久磁石を持つボイスコイル・トランスデューサなどの高価で大きいデバイスの代わりとなる。振動の実施形態において、制御電圧は、正弦波の形で変化する波形であり、例えば、ｖ_c＝ｖ_maxｓｉｎｗｔである。

図３において、バイアス電圧４９は、加算機５１によって正味の出力４１に加えられ、電流４７が単極であることを補償することができる。図３は、電圧ｖ_b＋ｖ_maxｓｉｎ（ｗｔ）を生成する。ｖ_bは、バイアスである。移動する要素１５上の力は、要素の瞬間的な位置に拘わらず、コマンド信号の大きさに、直接比例する。図１において、移動する要素１５がバネ２３によって抑えられるとき、移動する要素１５の位置は、コマンド電圧に直接比例する。なぜならば、バネの伸び（又は縮み）が、力に直接比例するからである。

図１及び図３において例示されるように、本発明は、一定の変換機能（電圧ｉｎ当たり力ｏｕｔ）を持つ線形デバイスを備え、これは、他の制御システム内への包含に適切である。例えば、外部のループは、コマンド信号からポジション・センサの出力を減算する算出器を備えることができ、この算出器の結果は、その後、増幅され、本システム用のコマンド電圧として使用できる。本実施形態の有用なアプリケーションは、ポケット・バルブ、ダンパー及びその他の同様なものを含む。１例は、電気的に調整された、冷却用の膨張バルブである。

本発明のソレノイドが、かたまりを駆動するとき、その後、このデバイスは、適切な振動センサ及び制御電子機器とともに、外部から引き起こされる振動を処理しなければならない、例えば洗濯器具又は空輸状態、海運状態、光学的状態又は輸送状態内の、能動的な振動の取り消しに用いることができる。

本発明は、コマンド電圧としてフィード・バックされる速度センサの、適切に条件付けられた出力を用いながら、振動アプリケーション用の自己駆動振動器として有用である。このようなシステムは、駆動されるかたまり及びバネの自然共鳴周波数において、純粋なサイン波で振動するであろう。デバイスは、例えば振動フィーダー内の負荷の変化を自己調節するであろう。

図１及び図３で例として示されるように、力が変位に依存しない、バネで制限されるソレノイドは、線形な動作を有する。図４内で注意すべきように、図２の非線形な曲線と対比して、例えば力１、力２及び力３のような力は、変位ではなく、制御信号入力で変化する。図４で見られるように、バネの制限力がコマンドの力に釣り合う単一の位置を捜しながら、制御信号入力に応答して変位は、線形に変化する。それは、図２の従来のバネ負荷ソレノイドのオン・オフ振る舞いが完全にない。

ホール効果センサ又は他の磁場センサが、ここに記述される電子制御回路を備えるモノリシック集積回路で共同パッケージされてもよいことが、意図されている。この実施形態において、一般的なソレノイド制御デバイスが生成された。この一般的なソレノイド制御デバイスは、製品の一部としてソレノイド・アクチュエータ内に組み込むことができる。ソレノイドは、磁束レベルの同一の一般的な大きさで動作するので、一般的な設計が可能である。なお、磁束レベルは、強磁性材料の磁気の性質によってある程度まで決定される。図３内のパワー駆動回路４５は、エネルギ散逸の考慮のため、及び特定のアプリケーションの電圧及び電流要求に対応するために、依然として外部にあってもよい。

本発明の好ましい実施形態は、シリコンのホール効果センサ及びシリコン内に容易に配置し易い他の信号処理回路（線形又はデジタルの何れか一方）を採用するので、一般的なシリコン・チップを生成することができる。ソレノイド・アクチュエータ設計で組み込まれるとき、このようなチップは、制御電圧に比例する力を提供するであろう。特定のチップ設計を使用して、広く変化する複数のサイズ、複数の規格及び複数の設計の複数のソレノイドを制御することができる。

本発明の特定の実施形態が図示され、説明される一方、添付の特許請求の範囲によって規定される以外、本発明を制限することは、意図されていない。

本発明で用いるための典型的なソレノイドの概略的な断面図である。様々な電流による図１のソレノイドの移動する要素の変位のグラフを表示し、また、そこに用いられるバネの反対する力の線形を示す。バネが含まれる図１のソレノイドで用いるための本発明を実行する電気回路を示す概略図である。本発明に従って生成される様々な力による図１のソレノイドの移動する要素の変位のグラフを表示し、また、そこに用いられるバネの反対する力の線形を示す。

Claims

コイル、エア・ギャップ及び移動する要素を有するソレノイドの移動する要素を、前記要素の移動の全体範囲に渡って制御するデバイスであって、
エア・ギャップ内の磁束密度の瞬間的な値を検知する手段と、
前記値を、前記値の強さに比例する電圧に変換する手段と、
前記値を二乗する手段と、
コマンド信号電圧を生成する手段と、
前記コマンド信号電圧から前記二乗された値を減算して、単極である減算値を生成する手段と、
前記減算値を増幅する手段と、
前記減算値を単極駆動電流に変換する手段と、
前記駆動電流でソレノイドを駆動する手段と、
を備えるデバイス。
請求項１に記載のデバイスであって、前記検知手段が、磁気抵抗センサである、デバイス。
請求項１に記載のデバイスであって、前記検知手段が、ホール効果半導体磁場センサである、デバイス。
請求項１に記載のデバイスであって、前記ソレノイドは、
前記移動する要素の位置が前記コマンド電圧に直接比例するように、前記移動する要素を制限するバイアス手段を含む、デバイス。
請求項１に記載のデバイスであって、前記バイアス手段が、バネである、デバイス。
請求項１に記載のデバイスであって、前記値を二乗する前記手段が、デジタル・マイクロコンピュータ及びアナログ乗算集積回路のグループから選択される、デバイス。
請求項１に記載のデバイスであって、該デバイスはさらに、
前記駆動電流を前記単極駆動電流として維持するために、バイアス電圧を加えるバイアス手段を、
備えるデバイス。
コイル、エア・ギャップ及び移動する要素を有するソレノイドの移動する要素を、前記要素の移動の全体範囲に渡って制御するデバイスであって、
エア・ギャップ内の磁束密度の瞬間的な値を検知し、また、前記値を、前記値の強さに比例する電圧に変換するセンサと、
前記値を二乗する回路と、
コマンド信号電圧を生成する電圧ソースと、
前記コマンド信号電圧から前記二乗された値を減算して、減算値を生成する回路と、
前記減算値を増幅するアンプと、
前記減算値を、前記ソレノイド・コイルの駆動電流に変換する電圧・電流変換器と、
を備えるデバイス。
請求項８に記載のデバイスであって、前記センサが、磁気抵抗センサである、デバイス。
請求項８に記載のデバイスであって、前記センサが、ホール効果半導体磁場センサである、デバイス。
請求項８に記載のデバイスであって、前記ソレノイドは、
前記移動する要素の位置が前記コマンド電圧に直接比例するように、前記移動する要素を制限するバイアス要素を含む、デバイス。
請求項１１に記載のデバイスであって、前記バイアス要素が、バネである、デバイス。
請求項８に記載のデバイスであって、前記値を二乗する前記回路が、デジタル・マイクロコンピュータ及びアナログ乗算集積回路のグループから選択される、デバイス。
請求項８に記載のデバイスであって、該デバイスはさらに、
前記駆動電流を前記単極駆動電流として維持するために、前記コマンド電圧に加えられるバイアス電圧ソースを、
備えるデバイス。
ソレノイドであって、
コイル及び磁性材料であって、それらの間にエア・ギャップを有し、また、コイルを通る電流の通過によって要素を移動の範囲に渡って動かすコイル及び磁性材料と、
エア・ギャップ内の磁束密度の瞬間的な値を検知し、また、前記値を、前記値の強さに比例する電圧に変換するセンサと、
前記値を二乗する回路と、
コマンド信号電圧を生成する電圧ソースと、
前記コマンド信号電圧から前記二乗された値を減算して、減算値を生成する回路と、
前記減算値を増幅するアンプと、
前記減算値を、前記ソレノイド・コイルの駆動電流に変換する電圧・電流変換器と、
を備えるソレノイド。
請求項１５に記載のデバイスであって、前記センサ手段が、磁気抵抗センサである、デバイス。
請求項１５に記載のデバイスであって、前記センサが、ホール効果半導体磁場センサである、デバイス。
請求項１５に記載のデバイスであって、前記ソレノイドは、
前記移動する要素の位置が前記コマンド電圧に直接比例するように、前記移動する要素を制限するバイアス要素を含む、デバイス。
請求項１８に記載のデバイスであって、前記バイアス要素が、バネである、デバイス。
請求項１５に記載のデバイスであって、前記値を二乗する前記回路が、デジタル・マイクロコンピュータ及びアナログ乗算集積回路のグループから選択される、デバイス。
請求項１５に記載のデバイスであって、該デバイスはさらに、
前記駆動電流を前記単極駆動電流として維持するために、前記コマンド電圧に加えられるバイアス電圧ソースを、
備えるデバイス。
ソレノイドであって、
コイル及び磁性材料手段であって、それらの間にエア・ギャップを有し、また、コイルを通る電流の通過によって要素を移動の範囲に渡って動かすコイル及び磁性材料手段と、
エア・ギャップ内の磁束密度の瞬間的な値を検知する手段と、
前記値を、前記値の強さに比例する電圧に変換する手段と、
前記値を二乗する手段と、
コマンド信号電圧を生成する手段と、
前記コマンド信号電圧から前記二乗された値を減算して、減算値を生成する手段と、
前記減算値を増幅する手段と、
前記減算値を駆動電流に変換する手段と、
前記駆動電流でソレノイドを駆動する手段と、
を備えるソレノイド。
請求項２２に記載のソレノイドであって、前記検知手段が、磁気抵抗センサである、ソレノイド。
請求項２２に記載のソレノイドであって、前記検知手段が、ホール効果半導体磁場センサである、ソレノイド。
請求項２２に記載のデバイスであって、前記ソレノイドは、
前記移動する要素の位置が前記コマンド電圧に直接比例するように、前記移動する要素を制限するバイアス手段を含む、デバイス。
請求項２５に記載のデバイスであって、前記バイアス手段が、バネである、デバイス。
請求項２２に記載のデバイスであって、前記値を二乗する前記手段が、デジタル・マイクロコンピュータ及びアナログ乗算集積回路のグループから選択される、デバイス。
請求項２２に記載のデバイスであって、該デバイスはさらに、
前記駆動電流を前記単極駆動電流として維持するために、バイアス電圧を加えるバイアス手段を、
備えるデバイス。
コイル、エア・ギャップ及び移動する要素を有するソレノイドの移動する要素を制御する方法であって、
エア・ギャップ内の磁束密度の瞬間的な値を検知し、また、前記値を、前記値の強さに比例する電圧に変換するステップと、
前記値を二乗するステップと、
コマンド信号電圧を生成するステップと、
前記コマンド信号電圧から前記二乗された値を減算して、減算値を生成するステップと、
前記減算値を増幅するステップと、
前記減算値を、前記ソレノイド・コイルの駆動電流に変換するステップと、
を含む方法。
請求項２９に記載の方法であって、前記センサが、磁気抵抗センサである、方法。
請求項２９に記載の方法であって、前記センサが、ホール効果半導体磁場センサである、方法。
請求項２９に記載の方法であって、該方法は、
前記移動する要素の位置が前記コマンド電圧に直接比例するように、前記移動する要素をバイアスするステップを含む、方法。
請求項３２に記載の方法であって、前記バイアスするステップが、バネによる、方法。
請求項２９に記載の方法であって、前記値を二乗する前記ステップが、デジタル・マイクロコンピュータ及びアナログ乗算集積回路のグループから選択される回路要素によって実行される、方法。
請求項２９に記載の方法であって、該方法はさらに、
前記駆動電流を前記単極駆動電流として維持するために、バイアス電圧を加えるステップを、
含む方法。