JP2018511939A - 電磁アクチュエータにおける誘導ベースの位置感知 - Google Patents

Abstract

本発明は、電流感知パルスを使用する追加センサと、コイルが消磁された後に残留磁気に起因して係合し続けることができるソレノイドとを必要とせずに、ソレノイドの温度を決定し、アーマチャの位置を間接的に決定するようにコントローラを使用してソレノイドのアーマチャの位置を決定するための方法およびシステムに関する。

Description

[関連出願の相互参照] 本願は、２０１５年３月２０日に出願された米国仮出願第６２／１３６，２１３号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、ソレノイドのアーマチャの位置を決定するための方法およびシステムに関する。具体的には、本発明は、追加センサを必要とせずに、ソレノイドの温度を決定し、間接的にアーマチャの位置を決定するコントローラを用いることに関する。

ソレノイドは、周知であり、ラッチング、制動、切り替え、締め付け、接続などを含む広い範囲の機能を実行するために使用される。自動車産業において、具体的には、ソレノイドは、ロック機構、バルブなどを含む様々な機構を作動させるために使用される。

電流がソレノイドに供給された場合、ソレノイドは電流フローを、ソレノイドの可動部分、すなわちアーマチャ／プランジャの機械的な変位を引き起こし得る磁力に変換する。通常、アーマチャの変位を維持すべく、ソレノイドは、継続的に励磁される必要がある。ソレノイドの部分をどれから製造すべきかにつき正しい材料を選択することにより、係合位置にアーマチャを保持するためのソレノイドの励磁後に、継続的にソレノイドを励磁する必要なく、ソレノイド部分の残留磁気を人が利用することできることは、以前より発見されている。言い換えれば、ソレノイドのコイルが消磁された場合、ソレノイド部分の残留磁気は単独で、アーマチャを係合位置に保持するのに十分である。

ソレノイドにより動作される機構の位置、またはソレノイドアーマチャそれ自身の配置を決定することが、多くの場合望ましいか、または必要である。従来技術は、ソレノイドの位置を決定するために多くのシステムを含む。通常、これらのシステムは、ソレノイドが励磁された後、その機構が所望の機械的な状態を達成したことを検証する様々なセンサを用いて何らかの形式の位置フィードバックを使用する。これらのシステムは、複数のセンサ、大幅なコストを付加するセンサおよびコネクタのための配線、および回避される必要がある付加的な故障モードを含み得る。

また、アーマチャの位置を感知するための他の以前の試みは、システムが電流変化を監視し、当該変化をアーマチャの位置変化に相互に関連付けることを可能にすべく、電流レベルを変化させるために電源の中断を必要とした。これらのシステムにおいて、ソレノイド材料は、励磁ソレノイドにより既に高度に磁気的に飽和されており、従って、これらの高い電流レベルでの電流立ち上がり時間の変動は大きくなく、検出するのが困難である。

従来技術のシステムと関連した不利な点を考慮すると、システムは、システムのコストを低下させ、可能性のあるシステム故障モードを取り除くべく、追加センサ、配線およびコネクタを回避することが有利であろう。

本発明は、ソレノイドと、ソレノイドがコイル、筐体およびアーマチャを含むコントローラとを含むアーマチャの位置を感知するための方法およびシステムに関する。コントローラは、アーマチャを移動させるべく、コイルに電流を印加する。電流が終了され、コントローラは、抵抗感知電圧パルスを利用し、抵抗を計算するために電流を測定することによりコイルの温度を決定する。コントローラは、インダクタンス感知電圧パルスを利用し、インダクタンスを計算するために電流を測定することによりアーマチャの位置を間接的に決定する。

このインダクタンスベースの位置感知は、フェイルセーフオープンタイプのソレノイドを必要としない多くの用途において使用される可能性を有する。

本発明の上記ならびに他の利点は、添付の図面に鑑みて考慮されれば、以下の詳細な説明から当業者には容易に明らかとなるであろう。
係合位置にあるアーマチャを有するソレノイドの好ましい実施形態の概略断面図を示す。 係合解除位置にあるアーマチャを有するソレノイドの好ましい実施形態の概略断面図を示す。 消磁ソレノイドにおける温度関数として電流測定を示すグラフである。 定常電流に対する温度効果を示すグラフである。

別の明示的な指定がある場合を除き、本発明には各種の代替的な方向および一連の段階があり得ることを理解すべきである。また、添付図面に図示され、以下の明細書において説明される具体的なデバイスおよび工程は、本明細書にて定義された発明概念の例示的な実施形態に過ぎないことを理解すべきである。従って、開示された実施形態に関連した具体的な寸法、方向、またはその他の物理的特徴は、そうでないということが明示的に述べられていない限り、限定的とみなされるべきではない。

ここで図１を参照すると、ポッティングまたはオーバモールド１１０に包み込まれたコイル１００を有するソレノイド１０の好ましい実施形態が、示される。コイル１００は、銅、アルミニウム、鋼、ニッケル、鉄、または任意の他の適切な金属もしくは金属合金を含む任意のタイプの金属導体製のワイヤ巻線を含むことができる。ワイヤ巻線は、コイル１００を介した電流通過と関連した磁場を誘導するために使用され得る。ワイヤ巻線は、電源（図示せず）に接続される。ポッティングまたはオーバモールド１１０は、プラスチック製であり得るが、他の材料が使用され得る。コイル１００およびオーバモールド１１０は、中空の筐体２０に少なくとも部分的に含まれる。図１および図２に示されるように、筐体２０は、カバー５０を含むことができる。

アーマチャ４０は、図１に示されるようにカバー５０に選択的に結合される。アーマチャ４０は、軸方向（矢印により示される）において、係合位置から非係合位置に、または係合位置と非係合位置との間のどこにでも、選択的に移動することができる。図１において、アーマチャ４０は、係合位置に示される。別の実施形態において、アーマチャ４０は、カバーの代わりに筐体２０に選択的に結合される。

ソレノイド１０の部分、例えば、それに限定されないが、筐体２０、アーマチャ４０および／またはカバー５０は、ソレノイド１０が励磁および消磁された後に残留磁気を有するべく設計された材料から構成される。材料中の残留磁気は、ソレノイド１０に供給される常時電力を必要とすることなく、アーマチャ４０が係合状態であることを可能にする。

アーマチャ４０は、ソレノイド１０が連続磁気回路を有するように、カバー５０または筐体２０と直接接触することができる。ソレノイド１０が励磁された場合、アーマチャ４０、カバー５０および／または筐体２０の表面がかみ合い、任意の残留磁気が連続経路または回路を作り出すことを可能にするのに十分な接触をもたらす。図１に示されるように、筐体２０、カバー５０および／またはアーマチャ４０の磁気回路を介して伝わる磁束が遮断されず、ソレノイド１０がラッチされ続けるのに十分に強い限り、最小または部分的なギャップが許容可能である。ソレノイド１０が用いられるシステムに、アーマチャ４０に作用する他の力、例えば、これに限定されないが、戻しばね（図示せず）の引っ張りなどがある場合、ソレノイド１０の磁気回路における残留磁気は、それらの反力を克服するのに十分に強い必要があるであろうことに留意することが重要である。

アーマチャ４０、筐体２０および／またはカバー５０は、励磁ソレノイド１０により生成される磁束により作用され得るべく、例えば、スチールなどの強磁性材料で構成される。残留磁気は、利用可能な普通のスチール間で異なる。しかしながら、スチールのグレードを適切に選択することにより、保持力は、所与のソレノイド設計について規定され得る。１つの非限定例は、例えば、これに限定されないが、１０６５スチールなどの高炭素鋼であり得る。アーマチャ４０用に用いられる、例えば、鉄材料などの他の材料は、当技術分野において既知のものであろう。

ソレノイド１０は、コントローラ（図示せず）を含むシステムの一部である。コントローラは、ソレノイド１０に動作可能に接続される。コントローラは、アーマチャ４０を移動させるべくコイル１００に供給される励磁電流を調整することができ、および／またはソレノイド１０に感知パルスを送信することができる。コントローラはまた、１または複数の態様のソレノイド１０を監視または測定するように構成され得る。例えば、コントローラは、電流感知パルスがコイルに印加された場合、電流立ち上がり、減衰時間または推移、および／または抵抗を測定するように構成され得る。電流は、コントローラおよび／または別個のソースにより供給され得る。

アーマチャ４０が、図２に示されるように、係合解除位置にあり、アーマチャ４０を係合位置に移動させることが望ましい場合、コントローラは、電流がコイル１００に供給されるようにする。コイル巻線の電流は、磁束を作り出す。磁束は、筐体２０、アーマチャ４０、カバー５０およびコイル１００に広がる。コイル１００が励磁中である数ミリ秒以内に、図１および図２の矢印に示されるように、磁束が軸方向にアーマチャ４０を移動させ、カバー５０と係合するようになる。筐体２０がカバー５０を含まない場合、アーマチャ４０は筐体２０と係合すべく軸方向に移動する。

次に、電流は、アーマチャ４０が図１に示されるように係合位置に到達した場合、コイル１００から除去され得る。磁束が、筐体２０、アーマチャ４０および／またはカバー５０に広がって、筐体２０、アーマチャ４０および／またはカバー５０の１または複数において残留磁気を作り出しているので、アーマチャ４０は、電流が除去されたときの係合位置に維持される。これらの１または複数における残留磁気は、係合位置にアーマチャ４０を保持するのに十分強い。

アーマチャ４０の位置を検出すべく、コントローラは、コイル温度を感知するために抵抗感知電圧パルスをコイル１００へ独立して送信することができる。コイル温度は、方程式Ｖ＝ＩＲ（Ｖ＝電圧、Ｉ＝電流およびＲ＝抵抗の場合）により感知され得る。既知の電圧で既知の電流が提供された場合、抵抗は、コントローラにより決定され得る。コイルの温度は、コイルにおいて測定される抵抗と比例する。従って、測定抵抗は、温度を決定すべく変換され得る。

抵抗感知電圧パルスの継続時間は、電流を安定させるのに必要とされる程度に長くなければならない。これは、使用されるコイルのインダクタンスに応じて変化し得るが、通常、１００ミリ秒（ｍｓ）と１秒（ｓ）との間である。制限電流の感知パルスは、感知パルスが磁束を変化させず、アーマチャ位置の変更という結果にならない、またはシステムに感知できる量の熱を加えないので、好適には使用される。抵抗感知電圧パルスは、様々な異なる機構から生成され得る。そのような１つの機構は、印加電圧にてコイル１００を介して最大電流容量の１０％を供給する電流源である。電圧が次に測定され、コイル１００の抵抗は、測定抵抗から計算される。

現発明の１つの好ましい実施形態において、コントローラは、電流がどのくらい早くコイル１００において立ち上がるかに基づき、アーマチャ４０が係合されたか、または係合解除されたかを識別すべく、抵抗感知電圧パルスより短い継続時間のインダクタンス感知電圧パルスを送ることができる。抵抗感知電圧パルスの継続時間は、定常状態を達成するのに十分に長い。抵抗感知電圧パルスは、十分な電流に到達するのに必要とされるより低い電力を使用し、より速く定常状態を達成すべく、コントローラにより管理され得る。１つの方法は、ＰＷＭを使用することであろう。インダクタンス感知電圧パルスは、当該パルスがその電流源から可能であるいかなる電流をも引き出すように許容される。

図３から理解され得るように、電流測定値の差は、係合しているソレノイドと係合が解除されているソレノイドとの間で著しく、温度に依存する。従って、アーマチャ４０の位置を決定する場合、コイルの温度を考慮に入れることが有益である。係合しているソレノイドと係合が解除されているソレノイドの場合には、電流は、温度上昇と共に減少する。図３に示されるように、低い温度（グラフの左側）にて、係合位置にあるアーマチャ４０と係合が解除された位置にあるアーマチャ４０との間での電流の差は、高い温度（グラフの右側）での電流の差よりも大きい。温度と比較した定常電流が、図４に示される。

アーマチャ４０がその係合位置および係合解除位置に移動するにつれて、ソレノイド１０のインダクタンスが変化する。このインダクタンスの変化は、ソレノイド１０を横切る電流の電流立ち上がり、減衰または推移の測定から計算され得る。コイル１００を横切る電流の立ち上がり、減衰および／または推移は、ソレノイド１０のインダクタンスの関数として変化する。ソレノイド１０のインダクタンスは、ソレノイドに対するアーマチャ４０の位置の関数として順に変化する。それで、アーマチャ４０の位置は、励起パルスまたは感知パルスに対するソレノイド１０の応答の測定に基づき決定される。ソレノイド１０における電流の表示は、以下の式で計算される。

インダクタンス（Ｌ）の変化は、固定電圧（Ｖ）での固定時間量（ｔ）にわたって異なる電流（Ｉ）という結果となるだろう。抵抗（Ｒ）は、温度に対して著しく変化する場合があるが、定常状態の抵抗を測定することにより除外され得る。

様々なコイル温度での電流立ち上がりは、アーマチャの位置を決定すべく、予め決められたまたは推定された電流立ち上がりと比較され得る。例えば、図３に関して、温度が低い場合、第１の電流範囲が予期され得る。第１の電流範囲は、アーマチャ４０が係合位置にあることを示す。温度が高い場合、第２の電流範囲が予期され得る。第２の電流範囲は、アーマチャ４０が係合位置にあることを示す。

同様に、温度が低い場合、第３の電流範囲が予期され得る。第３の電流範囲は、アーマチャ４０が係合解除位置にあることを示す。温度が高い場合、第４の電流範囲が予期され得る。第４の電流範囲は、アーマチャ４０が係合解除位置にあることを示す。

コントローラは、アーマチャ４０のソレノイド１０に対する位置を計算すべく、インダクタンス感知電圧パルスからの電流の測定された電流立ち上がり、減衰または推移を予め決められた値と比較するように構成され得る。予め決められた値は、これに限定されないが、アーマチャ４０がコイル１００の決定温度にて係合されたときにソレノイド１０に供給される電流立ち上がり、減衰または推移、および／またはアーマチャ４０が係合解除されたときにソレノイド１０に供給される電流立ち上がり、減衰または推移であり得る。

１つの実施形態において、コントローラは、アーマチャ４０の位置を継続的に監視すべく、システムに追加のインダクタンス感知電圧パルスを送信することができる。

電圧パルスの方向および継続時間は、個別の用途に適合すべく最適化され得る。１つの好ましい実施形態において、アーマチャ４０は、コントローラがコイル１００を励磁するために使用される最初の電流とは反対方向に電流を送らせることにより、所望するときに解放または係合解除され得る。このパルスは、保持される磁気からの磁束を打ち消すのに十分な磁束を生成するには十分な継続時間のものであり、再係合を生じさせないように十分に短いものであるべきである。このタイプの動作は、双方向（Ｈブリッジ）の電流を駆動する能力を有するコントローラを必要とするだろう。インダクタンス感知電圧パルスの方向がソレノイドを解放させる方向にある場合、金属中の磁束密度を維持し、感知精度に対して磁気状態を一貫した状態に保つべく、即座の再励磁パルスでインダクタンス感知電圧パルスを追従することが必要であり得ることに留意されたい。選択材料および磁気回路部分の形状に起因した最適化が、達成され得る。

加えて、ソレノイド１０が用いられるシステムは、アーマチャ４０に作用する他の力、例えば、これに限定されないが、戻しばねの引っ張りなどがある場合、コイル１００、筐体２０および／またはカバー５０の磁気回路の残留磁気は、それらの反力を克服するのに十分に強い必要があるであろう。

例えば、差動装置または動力取出し装置などの自動車用途に用いられるソレノイドは、この発明の範囲内である。システムは、動力取出し装置、差動装置、車軸連結／連結解除システム、および動力伝達装置を含むデバイスに適用され得る。自動車用途におけるソレノイドは、分離して使用されないものなので、インダクタンスおよび、それがどのように測定または計算されるかは、近くの部品（例えば、内部車軸など）または他の筐体（例えば、キャリアなど）の影響の理由を説明するために、本明細書で説明されていることを少し変更する場合がある。また、調整は、自動車の電源システム（電池／オルタネータ）の影響の理由を説明するために、調整が成される必要があり得る。増大された負荷に起因する感知中の電圧降下は、測定に影響し得る。

特許法の規定に従い、本発明は、その好ましい実施形態を示すと考えられるものにおいて説明されてきた。しかしながら、本発明は、その思想または範囲を逸脱することなく、具体的に図示および説明された方法とは異なる方法で実施され得ることに注意するべきである。

Claims (10)

1. ソレノイドにおけるアーマチャの位置を感知するための方法であって、
   コイル、筐体およびアーマチャを有するソレノイドを提供する段階と、
   係合および係合解除位置を含む様々な位置へと前記アーマチャを移動させるべく、前記コイルに電流を印加する段階と、
   前記アーマチャを移動させるべく使用された前記電流を終了する段階と、
   前記コイルに抵抗感知電圧パルスを印加する段階であって、前記抵抗感知電圧パルスが前記アーマチャを移動させるのに不十分である、段階と、
   前記抵抗感知電圧パルスから抵抗を測定する段階と、
   測定された前記抵抗から前記コイルの温度を決定する段階と、
   前記コイルにインダクタンス感知電圧パルスを印加する段階であって、前記インダクタンス感知電圧パルスが前記アーマチャを移動させるのに不十分である、段階と、
   前記インダクタンス感知電圧パルスから電流立ち上がり／立ち下がりを測定する段階と、
   測定された前記電流立ち上がり／立ち下がりを予め決められた値と比較する段階と
   を備え、
   前記予め決められた値は、前記ソレノイドに対する前記アーマチャの位置を決定すべく、（ｉ）前記アーマチャが、決定された前記温度で前記ソレノイドと係合しているときの前記ソレノイドの電流立ち上がり／立ち下がりであるか、（ｉｉ）前記アーマチャが、決定された前記温度で前記ソレノイドと非係合であるときの前記ソレノイドの電流立ち上がり／立ち下がりであるかのどちらかである、
   方法。
2. 前記アーマチャを解放すべく、前記アーマチャを移動させるために使用される前記電流の反対方向に、前記コイルへの電流を印加する段階をさらに備える、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記インダクタンス感知電圧パルスは、前記抵抗感知電圧パルスより継続時間が長い、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記抵抗感知電圧パルスの継続時間は、およそ１０ミリ秒から１秒までである、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記コイルに少なくとも１つの追加のインダクタンス感知電圧パルスを印加する段階であって、前記追加のインダクタンス感知電圧パルスが前記アーマチャを移動させるのに不十分である、段階と、
   前記追加のインダクタンス感知電圧パルスから前記電流立ち上がり／立ち下がりを測定する段階と、
   測定された前記電流立ち上がり／立ち下がりを予め決められた値と比較する段階と
   をさらに備え、
   前記予め決められた値は、前記ソレノイドに対する前記アーマチャの位置を決定すべく、（ｉ）前記アーマチャが、決定された前記温度で前記ソレノイドと係合しているときの前記ソレノイドの電流立ち上がり／立ち下がりであること、および（ｉｉ）前記アーマチャが、決定された前記温度で前記ソレノイドと非係合であるときの前記ソレノイドの電流立ち上がり／立ち下がりであることのうちの少なくとも１つである、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. ソレノイドにおけるアーマチャの位置を決定するためのシステムであって、前記システムは、
   コイル、アーマチャおよび筐体を有するソレノイドであって、前記コイルは前記筐体に少なくとも部分的に包囲され、前記アーマチャは、前記筐体に選択的に結合される、ソレノイドと、
   前記コイルに磁化電流を提供し、前記コイルの電流立ち上がり時間および／または抵抗を検出すべく、前記ソレノイドと通信するコントローラと
   を備え、
   前記アーマチャおよび前記筐体は、残留磁力を保持することができる強磁性材料から構成される、
   システム。
7. 前記筐体は、カバーを含む、請求項６に記載のシステム。
8. 前記強磁性材料は、高炭素鋼である、請求項６または７に記載のシステム。
9. 前記コントローラは、１つの方向からその反対方向に、前記コイルに供給される前記磁化電流の極性を変更することできる、請求項６から８までのいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記ソレノイドは、ラッチングソレノイドである、請求項６から９までのいずれか一項に記載のシステム。