JP2016518103A - コイルインダクタンス決定を採用した装置および装置を動作させるための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、固定子（６）と、電機子、特に回転子（８）と、少なくとも１つのコイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）とを有する電気モータ（４）を含む装置（２）に関し、装置（２）は、モータ（４）の動作の間、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）に関連する少なくとも１つの電気量を測定することにより、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）のインダクタンスＬを決定するように構成された検出手段（１６、１８ａ〜ｃ、１１４）をさらに含む。本発明は、そのような装置（２）を動作させるための方法にさらに関し、装置（２）の検出手段（１６、１８ａ〜ｃ、１１４）は、モータ（４）の動作の間、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）に関連する少なくとも１つの電気量を測定することにより、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）のインダクタンスＬおよび／またはコイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）のインダクタンスＬの関数として電機子の位置を決定する。

Description

本発明は、固定子と、電機子、特に回転子と、少なくとも１つのコイルとを有する電気モータを含む装置に関する。本発明は、そのような装置を動作させるための方法にさらに関する。

電気モータ、特にブラシレス直流モータがアクチュエータとして医療デバイスに使用される。例えば、電気モータを液状薬物送達デバイス内に設けて、薬物送達を作動させることができる。その結果、患者に送達される薬物の用量は、モータ回転に直接依存することがあり、したがって、モータ回転の精密な制御がこれらの適用例にとって極めて重要である。モータ制御用入力信号は、通常、電機子の位置であり、電機子の位置は、当技術分野では、しばしばモータにさらにセンサを加えて光学的にまたは磁気的に評価される。しかし、センサを追加すると、構成部品を追加することが必要となり、したがって、費用が増大する。センサの追加は、余分な構成部品により、機能的故障がさらに生じ得るので、デバイスの堅牢性も損なって誤動作となることがある。

起電力測定を利用する、周知のセンサレスモータ制御システムがある。起電力の測定は、高速（高ｒｐｍ）モータにはうまく働くが、低速（低ｒｐｍ）モータにはあまりうまく働かない。しかし、薬物送達デバイスなど、適用例によっては、低速でもモータを精密に制御することが必要である。

したがって、追加のセンサを必要としない、低速でも精密なモータ制御による電動装置を提供することが本発明の目的である。

この目的は、少なくとも一部、固定子と、電機子、特に回転子と、少なくとも１つのコイルとを有する電気モータを含む装置によって解決され、装置は、モータの動作の間、コイルに関連する少なくとも１つの電気量を測定することによりコイルのインダクタンスＬを決定するように構成された検出手段をさらに含む。そのような検出手段の提供により、コイルインダクタンスＬは、モータの動作の間、決定可能であり、現在の電機子の位置などのモータの動作パラメータをそれから計算することができる。

目的は、さらに、少なくとも一部、そのような装置を動作させるための方法によって解決され、装置の検出手段が、モータの動作の間、コイルに関連する少なくとも１つの電気量を測定することにより、コイルのインダクタンスＬおよび／またはコイルのインダクタンスＬの関数として電機子の位置を決定することができる。

モータの動作の間、コイルインダクタンスＬを決定することにより、例えば、薬物送達デバイスにおける適用例には十分に精密に電機子の位置を決定することができることが分かった。さらに、インダクタンスＬがコイルに関連する電気量を測定することにより、また、普通は、例えば、電機子の位置を制御するのに使用される、例えば、光または磁気センサのような追加の感知手段を利用せずに、動作の間、決定可能であることが分かった。

装置は固定子と、電機子と、少なくとも１つのコイルとを有する電気モータを含む。電気モータは、固定子と回転子とを有する回転モータでよいが、固定子と直線運動電機子とを有するリニアモータでもよい。具体的には、モータは、直流モータ、特にしばしば医療デバイスに使用されるブラシレス直流モータでもよい。モータは、線電流または電池などのモバイル電力モジュールによって電力供給し、例えば、パルス幅変調によって制御することができる。モータのコイルは、モータ内で磁界を発生する働きをし、固定子上または電機子上に位置付けることができる。回転モータの場合、コイルは、例えば、回転子上に位置付けることができる。

モータは、好ましくは、０．０１〜２００００ｒｐｍの間の、好ましくは、０．１〜１０００ｒｐｍの間の、より好ましくは、１〜１０ｒｐｍの間の速度で働くように構成される。このモータ速度は、典型的には、例えば、医療送達デバイスに使用される。

装置は検出手段をさらに含む。これらの検出手段は、例えば、モータを動作させるための回路に接続された回路を含むことができる。例えば、検出手段は、集積回路またはアナログ電子機器またはそれらの組合せを含むことができる。検出手段は、コイルのインダクタンスＬを決定するように構成される。コイルのインダクタンスＬは、一方で、巻線の数、コイル、またはコイルの磁心などの寸法など、所定のコイルパラメータに依存し、他方、特に電機子、永久磁石および／または他の装置の、特にモータの強、常、または反磁性構成部品に対するコイルの相対的空間的定位など、コイル環境の（時間依存性の）磁気特性に依存する。したがって、時間の経過によるインダクタンスＬの変動は、電機子の位置に関する、すなわち、電機子に対するコイルの相対的空間的定位（コイルが固定子上にある場合）に関する、または固定子に対するコイルの相対的空間的定位（コイルが電機子上にある場合）に関する情報を含む。

検出手段は、コイルに関連する少なくとも１つの電気量を測定することにより、コイルのインダクタンスＬを決定するように構成される。電気量は、具体的には、コイルの放電電流（コイル電流）および／またはコイルにわたる電圧（コイル電圧）でよい。例えば、検出手段は、それぞれの電流または電圧を測定するための電流計回路または電圧計回路を含むことができる。少なくとも１つの電気量は、モータの動作の間、測定されることになっている。したがって、検出手段は、モータの動作の間、測定を可能にするように構成されなければならない。具体的には、検出手段は、モータの動作の間、測定を実行するように構成された制御装置を含む。この文脈におけるモータの動作は、電機子が動いていること、例えば、回転モータの回転子が固定子に対して相対的に回転することを特に意味する。

装置および方法の他の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態の特徴および利点は、装置および方法がそれらの一方だけについて説明されていても、装置および方法に同様に適用されると理解される。

装置の実施形態によれば、検出手段は、モータの動作の間、特に電機子が動いているとき、コイルのインダクタンスＬの関数として電機子の位置を決定するようにさらに構成される。コイルインダクタンスＬが特にコイル環境における電機子、磁石、および構成部品に対するコイルの空間的相対的位置の関数であるので、電気モータの電機子の位置は、時間依存性のインダクタンスＬから決定可能である。コイルを固定子上に位置付ける回転モータの場合、回転子の回転が、例えば、固定子上のコイルに対する回転子上の磁石の相対的位置を変化させ、それによって、コイルインダクタンスＬに影響し、したがって、回転子の位置がコイルインダクタンスＬの時間依存性の測定によって決定可能である。

特定のモータの幾何形状に対するコイルインダクタンスＬと電機子の位置との特定の関係は、コンピュータシミュレーション、分析、実験的測定、またはそれらの組合せによって決定することができる。例えば、コイルインダクタンスと電機子の位置との関係は、装置の記憶手段上のルックアップテーブルに記憶することができ、したがって、動作の間、現在の電機子の位置は、ルックアップテーブルを現在のコイルインダクタンス測定と比較することによって推定することができる。

コイルインダクタンスＬの関数として電機子の位置を決定するために、インダクタンスＬの実際の値を、例えば、特定のメモリ位置の変数中に記憶することにより、この値をまず明確に計算しおよび／または出力することは必要でないことが理解される。むしろ、インダクタンＬの決定は、インダクタンスＬの値が式の一部としてのみ現れて、電機子の位置を決定することができるように、電機子の位置の決定に暗黙的であれ、または明示的であれ組み込むことができる。例えば、電気量の関数としてのインダクタンスＬの関係は、コイルインダクタンスＬの関数としての電機子の位置の関係に挿入することができ、電気量の関数としての電機子の位置の関係を生じさせることできる。

装置の実施形態によれば、装置は、電気モータを制御するように構成されたパルス幅変調（ＰＷＭ）回路をさらに含み、パルス幅変調回路は充電時間周期Ｔ_ｏｎの間、コイルを電圧供給部に接続し、放電時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、電圧供給部からコイルを切り離すように構成され、検出手段は、放電時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、コイルからの放電電流を決定するように構成される。

対応する方法の実施形態によれば、電気モータはＰＷＭによって制御され、検出手段が、ＰＷＭの少なくとも１つの放電される時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、コイルからの放電電流を決定する。

ＰＷＭはモータ制御に広く使用されている方法であり、モータ制御では、モータに供給される電圧（および電流）の平均値が１つまたはそれ以上のスイッチを電圧供給とモータとを高速でスイッチオンおよびオフさせることにより制御され、したがって、スイッチオフ周期Ｔ_ｏｆｆに比較してスイッチオン周期Ｔ_ｏｎが長ければ長いほど、モータに供給される電力が高くなる。ＰＷＭは、相対的にエネルギー節減型であり、モータの非常に優れた制御が可能になり、デジタル電子機器に大いに取り入れることができる。ＰＷＭに使用される電子スイッチは、例えば、トランジスタ、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴでよい。

しかし、ＰＷＭの周波数およびその高調波により測定が妨害されるので、ＰＷＭがスイッチをオフからオンにまたはその逆にするＰＷＭの高周波により、動作の間、電気モータに関する情報を決定することは困難である。ＰＷＭの周期、すなわち、オフからオンへの２つの連続するスイッチングの間の時間周期（１つのＴ_ｏｎ周期と１つのＴ_ｏｆｆ周期との和に等しい）は、好ましくは、０．２ｍｓ〜１００ｍｓの間、より好ましくは、０．４ｍｓ〜１０ｍｓの間、例えば、約１ミリ秒である。

ＰＷＭの放電時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、コイルからの放電電流を決定することにより、コイルインダクタンスＬの非常に精密な測定が可能であることが分かった。

Ｔ_ｏｎ時間周期の間、コイルは電圧供給部に接続され、したがって、コイル中を流れる電流は、次第に増加する。ＰＷＭがＴ_ｏｎからＴ_ｏｆｆに切り替わるとき、電圧供給部は、コイルから切り離され、コイルは、代わりに、全抵抗Ｒを有する放電回路に接続され、したがって、コイルが放電し、コイル中を流れる電流がまた次第に減少する。このコイル中を流れる増加するおよび減少する電流は、それぞれ、充電電流および放電電流と呼ばれる。

装置の実施形態によれば、検出手段は、第１の所与の電流値から第２の所与の電流値まで降下するコイルからの放電された電流の時間の長さを決定するように構成される。

対応する方法の実施形態によれば、検出手段は、第１の所与の電流値から第２の所与の電流値まで降下するコイルからの放電電流の時間の長さを決定する。

Ｔ_ｏｆｆ周期の間の電流の減少は、一般に放電電流の式によって与えられる。
Ｉ（ｔ）＝Ｉ_０・ｅｘｐ（−ｔ・Ｒ／Ｌ） （１）
ここで、Ｉ（ｔ）は時間依存性の放電電流であり、Ｉ_０はそれぞれの間隔Ｔ_ｏｆｆの最初におけるコイル電流であり、Ｒはそれを介してコイルが放電する放電回路の抵抗であり、Ｌはコイルインダクタンスであり、ｔはコイルが放電されてから、すなわち、コイルが、具体的には、それぞれの間隔Ｔ_ｏｆｆの最初において放電回路に接続されてから経過した時間である。

値（ｔ_１，Ｉ（ｔ_１））、（ｔ_２，Ｉ（ｔ_２））の２つの所与の対により、インダクタンスＬを以下の式を用いて計算することができる。

ここで、Δｔ＝ｔ_２−ｔ_１であり、Ｒはそれを介してコイルが放電する抵抗である。したがって、放電電流が第１の所与の電流値Ｉ_１から第２の所与の電流値Ｉ_２まで降下する時間間隔Δｔの長さからＬを決定することができる。

第１および第２の電流値Ｉ_１およびＩ_２は、例えば、それぞれの時間周期Ｔ_ｏｎの最初における最大放電電流Ｉ_０の百分率として与えることができる。例えば、第１および第２の電流値は、それぞれＩ_０の１００％および８０％となるように選択することができる。もちろん、Ｉ_１を、例えば、９０％など、Ｉ_０の１００％未満に設定することも可能である。

装置の実施形態によれば、検出手段は、少なくとも１つの抵抗器を含む可変抵抗回路によって提供される可変電気抵抗を通じてコイルから放電電流を排出させるように構成され、可変抵抗回路は、少なくとも２つの異なる電気抵抗値を提供するように調整可能である。具体的には、検出手段は、少なくとも２つの異なる電気抵抗値の各々の１つに対する可変抵抗回路の少なくとも１つの抵抗器を介して電圧を決定するようにさらに構成することができる。

対応する方法の実施形態によれば、検出手段は、少なくとも１つの抵抗器を含む可変抵抗回路によって提供される可変電気抵抗を通じてコイルから放電電流を少なくとも２回排出させ、可変抵抗回路の少なくとも１つの抵抗器を介して電圧を測定し、第１回目に可変抵抗回路が第１の電気抵抗値を提供し、ここで第２回目に可変抵抗回路が異なる第２の電気抵抗値を提供する。

式（２）によるコイルインダクタンスＬの非常に精密な決定には、放電回路の全抵抗は、高精密で知られていなければならない。これは、この抵抗が未知であるかまたは十分に精密には知られていない可能性があるので、問題であることがある。全抵抗Ｒの絶対値が知られていなくても、あらかじめ説明した装置および方法の実施形態により、インダクタンスＬの精密な決定が可能である。

Ｒ_１を第１のおよびＲ_２を第２の、可変抵抗回路によって提供される電気抵抗値とする。それを介してコイルが放電される、放電回路のそれぞれの全抵抗値は、次いで、Ｒ_ａ＝Ｒ＋Ｒ_１およびＲ_ｂ＝Ｒ＋Ｒ_２によって与えられ、ここで、Ｒは可変抵抗回路の第１または第２の抵抗に直列の放電回路の未知の（または不正確に知られている）追加抵抗である。

式（２）によれば、次式が可変抵抗回路の２つの電気抵抗値の各々に対する時間測定に適用される：

Ｌ_ａおよびＬ_ｂが両方ともモータ速度に比較して相対的に短い時間周期内に決定されるとき満たされる、Ｌ_ａ≒Ｌ_ｂという仮定の下に、未知のまたは不正確に知られている抵抗Ｒは、式（３）と（４）とを組み合わせることによって消去することができ、したがって、Ｌは以下の式によって相対的差異ΔＲ＝Ｒ_ｂ−Ｒ_ａから決定可能である：

したがって、式５のインダクタンスＬは、未知の抵抗Ｒに依存しないが、可変抵抗回路の第１の電気抵抗値と第２の電気抵抗値との知られている差ΔＲだけに依存する。

可変抵抗回路は、例えば、電位差計、または異なる抵抗を有する２つの並列サブ回路を含むことができ、２つのサブ回路の一方は、その都度、スイッチによって選択可能である。具体的には、可変抵抗回路は、少なくとも２つの抵抗器の直列接続を含むことができ、これらの抵抗器の一方はスイッチによって短絡させることができる。

可変抵抗回路の２つの異なる電気抵抗値の放電電流および時間周期は、単一のＴ_ｏｆｆ周期または別々のＴ_ｏｆｆ周期、例えば、２つの連続するＴ_ｏｆｆ周期で測定することができる。

方法の実施形態によれば、検出手段は、第１の所与の電流値から第２の所与の電流値まで降下するコイルからの放電電流の第１の時間の長さを決定し、その間、可変抵抗回路は、第１の電気抵抗値を提供し、検出手段は、第３の所与の電流値から第４の所与の電流値まで降下するコイルからの放電された電流から第２の時間の長さを決定し、その間、可変抵抗回路は、第２の電気抵抗値を提供し、検出手段は、コイルのインダクタンスＬおよび／または第１および第２の時間の長さの関数として電機子の位置を決定する。この実施形態により、例えば、単一のＴ_ｏｆｆ周期の間、２つの時間測定値を実行することが可能になり、したがって、コイルインダクタンスＬを非常に短い時間に精密に決定することができる。

装置の実施形態によれば、ＰＷＭ回路は、モータを電圧源に選択的に接続する少なくとも１つの電気スイッチを含み、スイッチは２つのＭＯＳＦＥＴの逆直列接続を含む。

ＭＯＳＦＥＴは、コイルを電圧源に接続し、コイルを電圧源から切り離すためにＰＷＭ制御用電気スイッチとして使用することができる。しかし、ＭＯＳＦＥＴは、寄生ボディダイオード挙動を有し、したがって、放電時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、コイルからの部分的ま
たは完全放電電流は、指定された放電回路の代わりに、開いたＭＯＳＦＥＴスイッチを介して流れることができる。そのようなＭＯＳＦＥＴスイッチを介した寄生放電電流の排出は、一方のスイッチの２つのＭＯＳＦＥＴの逆直列接続を提供することにより低減または防止さえされる。具体的には、２つのＭＯＳＦＥＴの逆直列接続は、ＰＷＭ Ｈブリッジのロー側スイッチに使用することができる。

２つのＭＯＳＦＥＴの逆直列接続とは、２つのＭＯＳＦＥＴが直列に接続され、２つのｎチャネルまたは２つのｐチャネルＭＯＳＦＥＴのそれぞれのソース／ドレーンのいずれかが互いに接続され、またはｎチャネルＭＯＳＦＥＴのソース／ドレーンがそれぞれｐチャネルＭＯＳＦＥＴのドレーン／ソースに直列に接続されることを意味すると理解される。逆直列接続により、ＭＯＳＦＥＴが開いているとき、逆ｐｎ接合がいずれかの方向に提供され、したがって、コイルからの放電電流がブロックされるので、この２つのＭＯＳＦＥＴの組合せにより、寄生ダイオード挙動が取り除かれる。

装置の実施形態によれば、装置は、処理手段と、コマンドを含む記憶手段とを含み、処理手段上のコマンド実行により、上記の実施形態による方法が実行される。

処理手段は、例えば、集積回路、特にプロセッサ、またはアナログもしくはセミアナログ電子機器またはそれらの任意の組合せを含むことができる。記憶手段は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク、フラッシュメモリなどの不揮発性、恒久、または一時的記憶手段を含むことができる。

あらかじめ説明した実施形態により、装置は、所定の方法により動作することができ、所定の方法の利点は、本開示によるおよびその実施形態による方法の文脈で説明され、したがって、それらを参照する。

装置の実施形態によれば、装置は、医療デバイス、特に薬物送達デバイスである。医療デバイスには精密なモータ制御が特に重要であり、薬物送達デバイスにはさらに特に重要であり、その場合い、例えば、患者に送達される薬物の量は、モータ回転に依存する。この実施形態による装置を用いて、モータの電機子の位置によりモータ速度を精密に制御し、それとともに、送達された薬剤の信頼性および精度を改善することが可能である。

装置の実施形態によれば、装置は、ハンドヘルドデバイスである。ハンドヘルドデバイスのモータは、通常、電池によって電力供給され、エネルギー節減型ＰＷＭ制御を使用する。したがって、上記の装置の実施形態は、具体的には、そのようなハンドヘルドデバイスに適している。

装置および方法の他の特徴および利点を例示的な実施形態に関連して次に説明するが、ここで図を参照する。

３対の固定子コイルを有する回転モータを含む装置の例示的な実施形態の概略図である。 図１ａのモータの３つのコイルに対する時間依存性のインダクタンスの概略的グラフである。 装置の実施形態による、一般的回路を有する概略的回路図である。 図２の一般的回路のより特定の実装による概略的回路図である。 図１のモータなど、ＰＷＭ制御電気モータのコイル充電および放電電流を示すグラフである。 図１のモータなど、ＰＷＭ制御電気モータのコイル充電および放電電流を示すグラフである。 ２つの異なる電気抵抗を介したコイル放電電流減衰に対する２つのＰＷＭサイクルにわたる時間の長さ測定を示すグラフである。 ２つの異なる電気抵抗を介したコイル放電電流減衰に対する１つのＰＷＭサイクルにわたる代替の時間の長さ測定を示すグラフである。 本開示による、検出手段の代替実装による概略的回路図である。

図１ａは、本開示による、装置の例示的な実施形態の概略図を示す。装置２は、電気モータ４を含み、電気モータ４は、この例では、固定子６と、電機子として回転子８とを有する回転モータである。コイル１２ａ＋ｄの第１の対、コイル１２ｂ〜ｅの第２の対、およびコイル１２ｃ＋ｆの第３の対が、固定子６上に位置付けられ、永久磁石１４がモータ４の回転子８上に位置付けられる。

コイル１２ａ〜ｆのインダクタンスＬ_ａ〜ｆは、磁石１４に対する相対的空間位置の関数であり、それとともに固定子６に対する回転子８の角度位置の関数であり、角度位置は図１ａに示すように角度φで表される。

図１ｂは、３つの隣接するコイル１２ａ〜ｃに対する角度依存性インダクタンスＬ_ａ〜ｃの概略的グラフを示す。コイルの磁界が磁石１４の磁界の正反対であるとき、すなわち、磁石１４がコイルと一直線にあり、異極性を有し、したがって、２つの磁北極または２つの磁南極のいずれかが互いに対向するとき、コイルのインダクタンスは最も高い。コイル１２ａでは、これは０°、１８０°および３６０°の角度φの場合であり、したがって、図１ｂはこれらの角度におけるＬ_ａのインダクタンスの最大値を示す。Ｌ_ｂおよびＬ_ｃのインダクタンスの最大値は、固定子６上のコイル１２ｃおよび１２ｅの対応する位置により６０°および１２０°だけずれる。

装置２は、動作の間、すなわち、回転子８が動いているとき、コイル１２ａ、１２ｃおよび１２ｅのこれらの角度依存性インダクタンスＬ_ａ〜ｃを決定するように構成された第１、第２および第３のインダクタンス検出手段１８ａ〜ｃを有する検出手段１６を含む。コイルインダクタンスの角度依存性により、現在の回転子の位置φは、測定されたコイルインダクタンスの１つまたはそれ以上の関数として計算することができる。このため、装置２は、処理手段２０と記憶手段２２とをさらに含み、ここで、インダクタンスＬ_ａ〜ｃの角度依存性に関する情報が記憶手段２２にルックアップテーブルの形で記憶され、ここで、処理手段２０がインダクタンス検出手段１８ａ〜ｃによって決定されたインダクタンスＬ_ａ〜ｃをルックアップテーブルと比較して、回転子８の角度位置を決定するように構成される。

したがって、回転子８のこのように決定された現在の角度位置φは、次いで、例えば、モータ４の速度を制御するのに使用することができる。

インダクタンス検出手段１８ａ〜ｃの可能な実装をここで図２を参照して例示する。

図２は、コイルのインダクタンスＬを決定するための一般的回路３２の概略図を示す。回路３２の左側のサブ回路３４は、モータ制御の一部を表し、回路３２の右側のサブ回路３６は、図１のインダクタンス検出手段１８ａ〜ｃのようなインダクタンス検出手段を表す。

サブ回路３４は、電子スイッチ４２を用いて電気モータのコイル４０に接続可能なＤＣ電圧源３８を電圧供給部として含む。コイル４０は、例えば、図１ａの固定子コイル１２ａ〜ｆのうちの１つのように、モータの電機子上または固定子上に位置付けることができる。

モータは、コイル４０が充電時間周期Ｔ_ｏｎの間、電圧源３８に接続され、放電時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、電圧源３８から切り離されるように、ＰＷＭ回路（図示せず）操作スイッチ４２によって制御される。

少なくとも放電時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、コイル４０は、サブ回路３６に接続可能であり、したがって、これらの周期の間、サブ回路３６を用いてコイルに関連する電気量を測定することによってコイル４０のインダクタンスを決定することができる。

図２に示す例において、サブ回路３６は、コイル４０からスイッチ４２を介してサブ回路３６に、コイルに関連する電気量として排出される放電電流を決定するように構成される。そのために、サブ回路３６は、好ましくは、少なくとも２つの異なる電気抵抗値を提供することができる可変抵抗回路４４である抵抗回路と、抵抗回路４４を介して（図２に示すように）または抵抗回路４４の少なくとも１つの抵抗器を介して電圧を決定する電圧測定回路４６とを含む。電圧測定回路４６を用いる電圧測定により、抵抗回路４４を通じて排出される放電電流は、次いで、オームの法則Ｉ＝Ｕ／Ｒにより決定することができ、ここで、それぞれ、Ｉは放電電流であり、Ｕは測定された電圧であり、Ｒは抵抗回路４４または抵抗回路４４の少なくとも１つの抵抗器の抵抗である。

動作の間、時間周期Ｔ_ｏｎの間スイッチ４２がオン位置にあるとき（図２に示すように）、コイル４０は電圧源３８に接続され、したがって、次第に増加する充電電流が電圧源３８からコイル４０に流れる。時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、スイッチ４２がオフ位置にあるとき、次第に減少する放電電流がコイル４０から抵抗回路４４を介して流れる。放電電流Ｉ（ｔ）の時間依存性は、上記の式（１）に対応する。

放電電流Ｉ（ｔ）が第１の所与の値Ｉ_１から第２の所与の値Ｉ_２まで低下する時間の長さΔｔを測定することにより、コイル４０の現在のインダクタンスＬが上記の式（２）により決定可能である。

可変抵抗回路４４（図２に示すように）により、放電回路の絶対電気抵抗値が知られていなくても、または十分に精密に知られていなくても、インダクタンスＬを精密に決定することができる。このために、可変抵抗回路４４は、２つの異なる電気抵抗値Ｒ_ａおよびＲ_ｂを次々に提供するように制御され、各々の場合、放電電流が第１の所与の値Ｉ_１から第２の所与の値Ｉ_２まで低下する、相応の（according）時間の長さΔｔ_ａおよびΔｔ_ｂが測定される。コイル４０のインダクタンスＬが次いで上記の式（５）により決定可能である。

実験により、このようにして、コイルインダクタンスＬを約１％の許容誤差で決定できることが分かっている。インダクタンスＬ＝５００μＨであり、サブ回路３６がΔＲ＝１ΩおよびＩ_２／Ｉ_１＝１．１となるように構成される場合、各抵抗値Ｒ１、Ｒ２に対するＩ_１からＩ_２まで低下する放電電流の時間測定値は、以下の結果を生じた：Δｔ_ａ＝１７．０４μｓ、Δｔ_ｂ＝１２．５２μｓ。式（５）の適用により、約４９５．２μＨのインダクタンスが生じ、それは５００μｍの実際のインダクタンス値からの誤差が１％未満である。

図３は、コイルのインダクタンスＬを決定するための回路５２のより特定の実装の概略的回路図を示す。

回路５２の左側のサブ回路５４は、この場合もモータ制御の一部を表し、回路５２の右側のサブ回路５６は、図１のインダクタンス検出手段１８ａ〜ｃのようなインダクタンス検出手段を表す。

サブ回路５４は、２つの上側電子スイッチ６４ａ〜ｂと２つの下側電子スイッチ６４ｃ〜ｄとを含むＨブリッジ６２を介してＤＣ電圧源６０に結合可能である、電気モータのコイル５８を含む。Ｈブリッジ６２を用いて、コイル５８をＤＣ電圧源６０にいずれかの方向で接続することができる。

例えば、スイッチ６４ａと６４ｄとを閉じ、スイッチ６４ｃと６４ｂとを開くことにより、電圧源６０からの電圧をコイル５８に供給することができ、したがって、充電電流がコイル５８中を流れる。異極性を有する電圧は、スイッチ６４ａと６４ｄとを開き、スイッチ６４ｃと６４ｂとを閉じることにより、コイル５８に供給することができる。コイル５８は、両方の上側スイッチ６４ａと６４ｂとを開くことにより、電圧源６０から切り離すこともできる。

モータは、スイッチ６４ａ〜ｄを動作させることができるＰＷＭ回路（図示せず）によって制御される。具体的には、ＰＷＭ回路は、コイル５８が充電時間周期Ｔ_ｏｎの間、電圧源６０に接続され、放電時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、電圧源６０から切り離され、その間、コイル５８が各々の場合にスイッチ６４ｄを介して接地に接続されるように、スイッチ６４ａを動作させる。モータ回転の逆方向には、ＰＷＭ回路は、コイル５８が充電時間周期Ｔ_ｏｎの間、電圧源６０に接続され、放電時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、電圧源６０から切り離され、その間、コイル５８が各々の場合にスイッチ６４ｃを介して接地に接続されるように、スイッチ６４ｂを交互に動作させることができる。

コイル５８の両方の端子は、例えば、ショットキーＰＮダイオードであり得る２つのダイオード６８ａ〜ｂと検出線６６とを介してサブ回路５６に接続される。放電時間周期Ｔ_ｏｆｆの間（両方の上側電子スイッチ６４ａ〜ｂが開いているとき）、放電電流がコイル５８の一方の端子からダイオード６８ａ〜ｂの一方を介してサブ回路５６まで順方向に流れる。ハイ側スイッチ６４ａ〜ｂおよびこの特定のダイオードの片側のロー側スイッチ６４ｃまたは６４ｄは、開くように制御され、その間、他方のロー側スイッチ６４ｄまたは６４ｃは、コイル５８の対向する端子を接地電位に接続するために閉じられる。このようにして、コイル５８の放電電流は、コイルの極性に無関係にサブ回路５６に排出することができる。ロー側スイッチ６４ｃ〜ｄは、寄生ダイオードを有しないように構成され、したがって、コイルが接地を介して短絡されない。例えば、スイッチ６４ｃ〜ｄは、各々、２つのＭＯＳＦＥＴの逆直列接続として実装することができる。

サブ回路５６は、上記の式（５）により、コイル５８のインダクタンスＬを決定するように構成される。このために、サブ回路５６は、２つの異なる電気抵抗値Ｒ_ａとＲ_ｂとを提供することができる可変抵抗回路７０と、インダクタンス決定回路８０とを含む。このインダクタンス決定回路８０は、Ｒ_ａまたはＲ_ｂを介して排出されるそれぞれの放電電流がそれぞれ第１の所与の値Ｉ_１から第２の所与の値Ｉ_２まで低下するのにかかる時間の長さΔｔ_ａとΔｔ_ｂとを測定するように構成される。

可変抵抗回路７０は、２つの抵抗器７２、７４の直列接続を含み、ここで、スイッチ７６は抵抗器７２に並列に接続される。スイッチ７６が開いているとき、可変抵抗回路７０の全抵抗値Ｒ_ａは、Ｒ_ａ＝Ｒ_１＋Ｒ_２によって与えられ、スイッチ７６が閉じているとき、可変抵抗回路７０の全抵抗値Ｒ_ｂがＲ_ｂ＝Ｒ_２によって与えられる。式（１）から分かるように、放電回路の抵抗が低ければ低いほど、放電電流は早く減少する。したがって、コイル５８からの放電電流は、スイッチ７６が閉じているとき、より早く減少する。

インダクタンス決定回路８０は、２つの抵抗器７２、７４とスイッチ７６との接続点７８に接続され、ここで、この接続点７８における電圧は、オームの法則Ｉ＝Ｕ／Ｒ_２によって放電電流に関連付けられる（インダクタンス決定回路８０は、具体的には、高い内部抵抗を有するように構成され、したがって、放電電流Ｉ（ｔ）は基本的に抵抗器Ｒ_２を通じて完全に排出される）。

インダクタンス決定回路８０は、開始および停止信号をクロック９０に提供して、その後可変抵抗回路７０の両方の抵抗値Ｒ_ａとＲ_ｂとに対する時間の長さΔｔ_ａとΔｔ_ｂとを測定するための比較器８８を含む。

図３に示す例において、比較器８８は、時間周期Ｔ_ｏｆｆの最初において放電電流がサブ回路５６を通じて排出されると、クロック９０をトリガして時間測定値を開始させるように構成される。したがって、この例における第１の電流値Ｉ_１は最大放電電流値Ｉ_０に等しい。第２の電流値Ｉ_２は、２つの抵抗器８４ａ〜ｂの直列接続を含む分圧器８２を用いて画成され、その接続点８６はスイッチ９０を介して比較器８８に接続可能である。スイッチ９０およびコンデンサ９２は、放電電流Ｉ_２に対応する電圧閾値を画成する抵抗器８４ａと８４ｂとによる固定比率で比較器８８にバイアスを与えるサンプルアンドホールド機能を提供する。

次に、図４ａ〜ｂと図５とを参照して図３に示す回路５２の動作を詳細に説明する。

コイル５８を含むモータの動作の間、ＰＷＭ制御は、時間周期Ｔ_ｏｎの間、コイル５８を電圧源６０に接続し、したがって、コイル５８中を流れる電流が次第に増加し（充電電流）、時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、コイル５８を電圧源６０から切り離し、したがって、コイル５８中を流れる電流が可変抵抗回路７０を介して流れ、それによって、次第に減少する（放電電流）。図４ａ〜ｂにおいて、グラフの右側の座標に対応する矩形信号は、時間周期Ｔ_ｏｎとＴ_ｏｆｆとのＰＷＭスイッチングを示す。図４ａは、２０％のＰＷＭデューティサイクルを示し、図４ｂは、９０％のＰＷＭデューティサイクルを示し、その場合、Ｔ_ｏｎの長さがＴ_ｏｎ＋Ｔ_ｏｆｆに相当する１つの全ＰＷＭサイクルのそれぞれ２０％または９０％である。一般に、全ＰＷＭサイクルに占めるＴ_ｏｎの比率が高ければ高いほど、モータに伝達される電力は高くなる。

図４ａ〜ｂは、コイルの充電および放電電流も示す。Ｔ_ｏｎの間、コイルは電圧源に接続され、次第に増加する充電電流がコイル中を流れる。Ｔ_ｏｆｆの間、コイルは、代わりに放電回路に接続され、したがって、放電電流がまた次第に減少する。図４ｂに示す９０％のＰＷＭデューティサイクルの場合、時間周期Ｔ_ｏｆｆは、コイルを完全に放電するには短すぎ、したがって、次のＴ_ｏｎ周期が電流オフセットから開始し、Ｔ_ｏｆｆの最初における最大電流値Ｉ_０が１つのＰＷＭサイクルから別のＰＷＭサイクルへと次第に増加する。

時間周期Ｔ_ｏｆｆは、サブ回路５６を用いてコイル５８のインダクタンスＬを決定するのに使用される。第１の時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、スイッチ７６は、開くように制御され、したがって、放電電流が可変抵抗回路の合計抵抗Ｒ_ａ＝Ｒ_１＋Ｒ_２を介して放電する。それに続く第２の時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、スイッチ７６が閉じるように制御され、したがって、放電電流が合計抵抗Ｒ_ｂ＝０＋Ｒ_２を介して放電する。図５ａは、２つの連続する時間周期Ｔ_{ｏｆｆ，ａ}（図５ａの左側）およびＴ_{ｏｆｆ，ｂ}（図５ａの右側）の間の放電電流を示す。Ｒ_ｂ＜Ｒ_ａなので、放電電流は、第２の時間周期Ｔ_{ｏｆｆ，ｂ}の間、第１の時間周期Ｔ_{ｏｆｆ，ａ}に比較して、より早く減衰する。

各時間周期Ｔ_{ｏｆｆ，ａ}およびＴ_{ｏｆｆ，ｂ}の最初において、クロック９０は、それぞれ時間測定値Δｔ_ａとΔｔ_ｂとを開始するようにトリガされ、したがって、時間測定値の第１の所与の電流値Ｉ_１がこの例において最大放電電流Ｉ_０と等しくなるように設定される。

同時に、スイッチ９０を一瞬だけ閉じて、比較器に電圧バイアスを与え、電圧バイアスは、分圧器８２により、それぞれの時間周期Ｔ_ｏｆｆの最初において接続点７８における電圧の画成された比率に等しい。それぞれの時間周期Ｔ_ｏｆｆの最初において接続点７８における電圧は、最大放電電流Ｉ_０に対応する。比較器８８に与えられた電圧バイアスは、最大放電電流Ｉ_０の相応の比率Ｉ_２に対応する。例えば、抵抗器８４ａの電気抵抗値が抵抗器８４ｂの電気抵抗値の２５％に設定された場合、比較器８８の電圧バイアスは、接続点７８におけるそれぞれの電圧の８０％に設定され、それは最大放電電流Ｉ_０の８０％の放電電流値Ｉ_２に対応する。

固定された電流値を使用するのではなく、現在のＰＷＭサイクルのＩ_０の比率にＩ_１とＩ_２とを設定することが好ましいが、これは、例えば、図４ｂに示すように、１つのＰＷＭサイクルから別のＰＷＭサイクルへの高いＰＷＭデューティサイクルにおけるＩ_０の可能な増加の主な原因となるからである。

接続点７８における放電電流およびそれとともに電圧が比較器８８における電圧バイアスによって得られる閾値より下に降下すると、比較器８８がクロック９０をトリガして、時間測定値を停止させる。

２つの時間の長さΔｔａとΔｔｂとを決定した後、次いで、コイル５８のインダクタンスＬを処理手段（図示せず）を用いて式（５）により計算することができる。式（５）が放電回路の絶対全抵抗値に依存しないが、差ΔＲ＝Ｒｂ−Ｒａ＝−Ｒ１だけに依存するので、コイルインダクタンスＬは、放電回路の全抵抗が未知であるかまたは不正確に知られていても、精密に計算することができる。

図５ｂは、単一のＰＷＭサイクルにわたる時間の長さΔｔ_ａとΔｔ_ｂとの代替測定を例示するグラフを示す。ＰＷＭサイクルの時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、可変抵抗回路７０がまず電気抵抗値Ｒ_ａを提供するように設定され、所与の電流値Ｉ_１，ａからＩ_２，ａまで減少する放電電流のΔｔ_ａの時間測定値が実行される。この時間測定値の終了後、可変抵抗回路７０が電気抵抗値Ｒ_ｂを提供するように切り替えられ、所与の電流値Ｉ_１，ｂからＩ_２，ｂまでさらに減少する放電電流に対してΔｔ_ｂの第２の時間測定値が実行される。

Ｉ_１，ａ／Ｉ_２，ａ＝Ｉ_１，ｂ／Ｉ_２，ｂとなるように、Ｉ_１，ａ、Ｉ_２，ａ、Ｉ_１，ｂおよびＩ_２，ｂを選択することにより、コイルインダクタンスＬは、式（５）によりまだ計算することができる。

図６は、本開示による、検出手段の代替実装による概略的回路図を示す。回路１０２は、電気モータのコイル１０４を含み、ここでコイル１０４は２つのハイ側電子スイッチ１１０ａ〜ｂと２つのロー側電子スイッチ１１０ｃ〜ｄとを有するＨブリッジ１０８を用いてＤＣ電圧源１０６に接続可能である。電子スイッチ１１０ａ〜ｄは、ＰＷＭ回路（図示せず）によって制御される。

ロー側スイッチ１１０ｃ〜ｄは、抵抗器１１２ａ〜ｂによってブリッジされ、Ｈブリッジ１０８のロー側は、マイクロコントローラ１１８によって制御される検出回路１１６を含む検出手段１１４に接続される。

検出回路１１６は、例えば、スイッチ１１０ｃと抵抗器１１２ａ〜ｂとのロー側を接地に接続するための分路、すなわち、１００ミリオーム未満の抵抗値を有する抵抗器を含むことができる。放電電流は、次いで、分路を用いて、例えば、分路を介した電圧降下を測定することにより、決定することができる。あるいは、検出回路１１６は、印刷回路基板（ＰＣＢ）上の互いに非常に近接して位置した２つのトラックまたは配線を含むことができる。放電電流は、次いで、これらのトラックまたは配線の誘導結合によって決定することができる。

ＰＷＭ時間周期Ｔ_ｏｎの間、２つの対角線上の対向するスイッチ（１１０ａ＋ｄまたは１１０ｂ＋ｃ）が閉じられ、残りのスイッチが開かれ、検出回路１１６が小さな抵抗だけを、またはＨブリッジ１０８のロー側と接地との間の直接接続さえも与えるように制御される。このようにして、コイル１０４は、時間周期Ｔ_ｏｎの間、電圧源１０６に接続される。

ＰＷＭ時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、上側スイッチ１１０ａ〜ｂおよび下側スイッチ１１０ｃまたは１１０ｄの少なくとも一方が開かれ、したがって、コイル１０４が電圧源１０６から切り離され、コイル１０４からの放電電流が少なくとも１つの抵抗器１１２ａまたは１１２ｂを通じておよび検出回路１１６を通じて排出される。検出回路１１６は、次いで、放電電流を決定するためにマイクロコントローラ１１８によって制御され、コイル１０４のインダクタンスＬは、前に説明したように、例えば、式（２）および（５）の文脈で説明したように、放電電流の関数として決定することができる。具体的には、マイクロコントローラ１１８のＡＤチャネルは、時間測定値Δｔ_ａとΔｔ_ｂとを実行するのに、およびコイル１０４のインダクタンスＬまたはコイル１０４を上に設けることができる、モータの電機子の位置を計算するのに使用することができる。

Claims (13)

1. 装置（２）であって、
   固定子（６）と、電機子、特に回転子（８）と、少なくとも１つのコイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）とを有する電気モータ（４）を含み、
   ここで、該装置（２）は、モータ（４）の動作の間、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）に関連する少なくとも１つの電気量を測定することにより、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）のインダクタンスＬを決定するように構成された検出手段（１６、１８ａ〜ｃ、１１４）をさらに含み、
   該装置は、電気モータ（４）を制御するように構成されたパルス幅変調（ＰＷＭ）回路をさらに含み、該ＰＷＭ回路は、充電時間周期Ｔ_ｏｎの間、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）を電圧供給部に接続し、放電時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、コイルを電圧供給部から切り離すように構成され、
   検出手段（１６、１８ａ〜ｃ、１１４）は、放電時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）からの放電電流を決定するように構成される、前記装置。
2. 検出手段（１６、１８ａ〜ｃ、１１４）は、モータ（４）の動作の間、特に電機子が動いているとき、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）のインダクタンスＬの関数として、電機子の位置を決定するようにさらに構成されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 検出手段（１６、１８ａ〜ｃ、１１４）は、第１の所与の電流値から第２の所与の電流値まで降下する、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）からの放電電流に対する時間周期の長さを決定するように構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 検出手段（１６、１８ａ〜ｃ、１１４）は、少なくとも１つの抵抗器（７２、１１２ａ〜ｂ）を含む可変抵抗回路（４４、７０）によって提供される可変電気抵抗を通じて、放電電流をコイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）から排出させるように構成され、可変抵抗回路（４４、７０）は、少なくとも２つの異なる電気抵抗値を提供するように調整可能であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 検出手段（１６、１８ａ〜ｃ、１１４）は、少なくとも２つの異なる電気抵抗値の各々の１つに対して、可変抵抗回路（４４、７０）の少なくとも１つの抵抗器（７２、１１２ａ〜ｂ）を介して電圧を決定するように構成されることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. ＰＷＭ回路は、モータ（４）を電圧源に選択的に接続するために少なくとも１つの電気スイッチ（４２、６４ａ〜ｄ、１１０ａ〜ｄ）を含み、該スイッチ（４２、６４ａ〜ｄ、１１０ａ〜ｄ）は、２つのＭＯＳＦＥＴの逆直列接続を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 装置（２）は、処理手段（２０）とコマンドを含む記憶手段（２２）とを含み、処理手段（２０）上のコマンドの実行により、請求項９〜１４のいずれか１項による方法が実行されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 医療デバイス、特に薬物送達デバイスであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 装置（２）の検出手段（１６、１８ａ〜ｃ、１１４）は、モータ（４）の動作の間、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）に関連する少なくとも１つの電気量を測定することにより、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）のインダクタンスＬおよび／またはコイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）のインダクタンスＬの関数として電機子の位置を決定する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置（２）を動作させるための方法。
10. 電気モータ（４）は、パルス幅変調によって制御され、検出手段（１６、１８ａ〜ｃ、１１４）は、ＰＷＭの少なくとも１つの放電時間周期Ｔ_ｏｆｆの間、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）からの放電電流を決定することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 検出手段は、第１の所与の電流値から第２の所与の電流値まで降下する、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）からの放電電流に対する時間の長さを決定することを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
12. 検出手段（１６、１８ａ〜ｃ、１１４）は、少なくとも１つの抵抗器（７２、１１２ａ〜ｂ）を含む可変抵抗回路（４４、７０）によって提供される可変電気抵抗を通じて、少なくとも２回、放電電流をコイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）から排出させ、可変抵抗回路（４４、７０）の少なくとも１つの抵抗器（７２、１１２ａ〜ｂ）を介して電圧を測定し、第１回目に可変抵抗回路（４４、７０）は、第１の電気抵抗値を提供し、第２回目に可変抵抗回路（４４、７０）は、異なる第２の電気抵抗値を提供することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 検出手段（１６、１８ａ〜ｃ、１１４）は、第１の所与の電流値から第２の所与の電流値まで降下する、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）からの放電電流に対する第１の時間の長さを決定し、その間、可変抵抗回路（４４、７０）は、第１の電気抵抗値を提供し、検出手段（１６、１８ａ〜ｃ、１１４）は、第３の所与の電流値から第４の所与の電流値まで降下する放電電流に対して第２の時間の長さを決定し、その間、可変抵抗回路（４４、７０）は、第２の電気抵抗値を提供し、検出手段（１６、１８ａ〜ｃ、１１４）は、コイル（１２ａ〜ｆ、４０、５８、１０４）のインダクタンスＬおよび／または第１および第２の時間の長さの関数として電機子の位置を決定することを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の方法。

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