JP3871616B2 - ソレノイドアクチュエータ駆動装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ソレノイドアクチュエータの制御方法に関し、さらに詳細には、ソレノイドアクチュエータを高頻度で繰り返し作動させるときに、各作動における動作時間を高精度で一定とする制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、電磁石でプランジャを直線駆動するソレノイドアクチュエータが広く使用されている。例えば、注射器型の液体充填装置のスピンドルの駆動にソレノイドアクチュエータを用いる場合がある。ここで、1秒間に数十回ソレノイドアクチュエータを駆動している。このとき、各移動量が正確に一定であることが求められる。ソレノイドアクチュエータの移動量が直接、液体の吐出量のバラツキになるからである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のソレノイドアクチュエータでは、時間経過と共に、移動量が変化する問題があった。ここで、ソレノイドアクチュエータの移動量のバラツキは、ソレノイドアクチュエータを連続的に使用することにより電磁石が高温になり、プランジャの動作の遅れが出ることが原因であることを、本発明者らは確認した。すなわち、使用開始時と連続使用後とでは、プランジャの動作開始に、0.5ms以上の遅れが発生することを実験により確認している。
そして、始動時と少し時間が経過した後とでは、ソレノイドアクチュエータの作動に遅れが発生するため、液体の供給量が徐々に減少してしまう問題がある。
【0004】
その問題の第1の解決策として、本発明者らは、ソレノイドアクチュエータの電磁石に事前に通電を行い、電磁石のコイルに予熱を与える方法を考えた。すなわち、ソレノイドアクチュエータの作動の20分前から、コイルに通電して予熱を与える実験を行った。
しかし、この方法では、従来の遅れ時間0.5msが、0.2msに短縮はされたが、必要なバラツキ範囲を超えており、液体の供給量のバラツキを必要限度内に抑えることができなかった。
【0005】
第2の解決策として、本発明者らは次の方法を考えた。まず、バラツキ発生の原因として、コイルの温度が高くなるとコイルの抵抗値が高くなり、同じ電圧を与えていたのでは、オームの法則により電流値が小さくなりプランジャが駆動できないのであると考察した。
この解決策としては、コイルの温度が高くなり抵抗値が高くなることを予想して、その予想した抵抗値において、始動時と同じ電流が流れるようにオームの法則に基づいて電圧を上げる方法を考え実験した。
しかし、この方法では、コイルのインダクタンス分により発生する過渡特性領域での電流値変化のため、単純なオームの法則に基づく補正では、満足できるだけの均一な応答特性を得ることができないことがわかった。
【0006】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、応答性のバラツキの極めて少ないソレノイドアクチュエータ駆動装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のソレノイドアクチュエータ駆動装置は、次の構成を有している。
(1)中空部の外側にコイルが巻かれた電磁石と、該中空部に摺動可能に保持されるプランジャとを有し、長時間使用したときに前記コイルの温度上昇により前記プランジャに動作開始遅れが発生するソレノイドアクチュエータを駆動するためのソレノイドアクチュエータ駆動装置において、非駆動時に、前記コイルに前記プランジャが作動しない範囲の低電流を流すことにより、前記コイルの抵抗値を検出するコイル抵抗値検出手段と、 前記コイル抵抗検出手段が検出した抵抗値に基づいて、前記コイルに供給する電圧を算出する電圧算出手段と、前記電圧算出手段が算出した電圧を前記コイルに供給する電圧供給手段とを有し、前記電圧供給手段は、長時間使用したときの前記プランジャの動作開始遅れを想定して、使用開始時に前記コイルに供給する初期電圧を、前記コイルの抵抗変化により前記プランジャを動作させるのに必要な電流値が得られる電圧より低くし、前記プランジャの初期における応答時間を遅くすることにより、前記コイルの温度が上昇する前と上昇した後とで前記プランジャの動き始めるタイミングがほぼ同じとなるようにすること。
(2)(1)に記載するソレノイドアクチュエータ駆動装置において、前記コイル抵抗値検出手段と、前記電圧算出手段とが、電気的に絶縁され、フォトカプラ等の光学素子により信号伝達することを特徴とする。
【0008】
本発明のソレノイドアクチュエータ駆動装置は、上記構成を有することにより、次のように作用する。
例えば、ソレノイドアクチュエータを、注射器型の液体吐出装置に利用する場合、コイルに通電を開始した後、電流が所定値を越えたときにプランジャが駆動し始める。全体の機械を始動させたとき、コイルは室温である。所定の電圧を与え始めたとき、徐々に電圧が上がり、それに対応してコイルの抵抗値により、電流が徐々に増加する。そして、電流値が所定値を越えたときに、プランジャが駆動を開始する。
そして、ソレノイドアクチュエータを数時間駆動し続けた場合、コイルが加熱されるため、コイルの抵抗値が増加する。
【0009】
そのときに、従来のように、始動時と同じ電圧を与えていると、コイルの抵抗値が増加した分だけ電流値が減少し、電流値が所定値を越えるタイミングに遅れが発生する問題があった。しかし、本発明では、そのときにソレノイドアクチュエータが駆動しない範囲、すなわち、プランジャが動かない範囲で、電流を流してコイルの抵抗値を測定し、測定したコイル抵抗値に基づいて電流値が所定値を越えるタイミングが機械始動時と変化しないように、コイルに対して電圧を供給している。
ここで、コイルは、インピーダンスを持つため、温度上昇分からのみで抵抗値の変化を算出すると、実際の抵抗値の変化と異なりが生じ、タイミングに少し遅れが生じる問題がある。本発明では、そのときの実際の抵抗値を測定しているので、正確にコイルの抵抗値の変化を把握することができるため、タイミングの遅れを最小限とすることができる。
【0010】
また、コイルにソレノイドアクチュエータが始動しない範囲の低電流を流して抵抗値を検出するコイル抵抗値検出手段で検出した抵抗値が、フォトカプラを介して電圧算出手段に接続されているので、コイル側でノイズが発生しても、電圧算出手段側にノイズが伝わらないため、常に正確なタイミングでソレノイドアクチュエータを駆動させることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
次に、本発明のソレノイドアクチュエータの駆動装置の一実施の形態について説明する。図1に駆動装置の構成をブロック図で示す。CPU、ROM、RAM等から成るマイクロコンピュータ11には、コイル抵抗検出回路12、無接点接続回路14、24V制御用スイッチング回路16、48V系のコイル通電用スイッチング回路18、48V補正回路17が接続されている。
また、コイル抵抗検出回路には、コイル15が接続されている。コイル15にはその他に、24V制御用スイッチング回路16、48V系のコイル通電用スイッチング回路18が接続されている。また、無接点接続回路14には、低定電流回路13が接続されている。また、48V補正回路17には、48V系のコイル通電用スイッチング回路18が接続されている。
【0012】
次に、図2にコイル抵抗検出回路12の内容を示す。図1と同じ構成要素については、名称及び番号を同じにしている。低定電流回路13とコイル15の一方の端子とは、無接点接続の端子である第1接点21を介して接続されている。また、コイル15の他方の端子とマイコン側グランドとは、無接点接続の端子である第2接点22を介して接続されている。また、第1接点21及び第2接点22は、無接点接続回路20によりオン・オフが制御されている。無接点接続回路20は、マイクロコンピュータ11に接続されている。第1接点21及び第2接点22とは、無接続接点回路20により、マイクロコンピュータ11からのオン信号を受けて、接続状態に変化する。
【0013】
次に、図3に48V補正回路17の詳細を示す。マイクロコンピュータ11は、フォトカプラ14を介して、定電圧回路25に接続している。定電圧回路25には、外部電源である48V電源26が接続している。また、定電圧回路25には、48V系のコイル通電用スイッチング回路18が接続している。48V系のコイル通電用スイッチング回路18は、マイクロコンピュータ11とコイル15とに接続している。
【0014】
次に、上記構成を有するソレノイドアクチュエータ駆動装置の作用について説明する。図4に作用説明のためのフローチャートを示す。
ソレノイドアクチュエータの動作開始指令であるトリガー信号を受け付けると(S1)、コイル抵抗検出回路12を接続させる(S2)。具体的には、マイクロコンピュータ11が無接点接続回路20に信号を与えて、第1接点21と第2接点22とを閉じる。これにより、コイル15の1端子が低定電流回路13と接続し、コイル15の他端子がマイコン側グランドに接続する。そして、コイル15にソレノイドアクチュエータが作動しない範囲の低電流が、低定電流回路13により流される。この低電流の範囲とは、コイル15に電流を流してもプランジャが全く動かない電流であることを意味する。
【0015】
コイル15に電流を流すことにより、そのときのコイル15の実際の抵抗値を測定する。コイル15の抵抗値Rは、コイル15自体の温度の変化及びインピーダンスの変化により、時間の経過に伴って変化している。
本実施の形態では、10mAの電流を5msecのブランク時間の後、5回流している。すなわち、コイル15の抵抗値Rを5回測定し、その平均値を求めて、そのときのコイル15の抵抗値Rとしている(S3)。
次に、求めたコイル15の抵抗値Rに基づいて、マイクロコンピュータ11は、次の式により目標電圧Eを算出する(S4)。
【0016】
E=(i*R)/(1−exp(−R*t/L))
ここで、iは、プランジャを駆動する電流値、すなわち、プランジャが移動を開始するのに必要な電流値である。本実施の形態では、0.6Aである。tは、時間遅れの時定数である。
本実施の形態では、次に示す近似式を用いて簡略化している。
E=(0.461*R)+27.565
ここで、Rは、検出した抵抗値である。
【0017】
本実施の形態では、定電圧制御を行うため、初期印可電圧、すなわち、コイルが高温になっていないときに与える初期電圧を、必要な電流値0.6Aが得られる電圧より約5V低くしている。これにより、初期において、応答時間が約1msec遅くなっている。
本発明は、液体供給装置に使用されるソレノイドアクチュエータにおいて、長い時間使用することによりソレノイドのコイル温度が上昇し、プランジャの動きに遅れが発生して、液体の供給量にバラツキが発生することを問題として、それを解決することを目的としている。
【0018】
本実施の形態では、その解決策として、長い時間ソレノイドアクチュエータを使用したときのコイルの温度上昇によるプランジャの動作開始の遅れ、すなわち、コイルの抵抗変化によりプランジャを動作させるのに必要な電流値、本実施の形態のソレノイドアクチュエータでは、0.6Aになるまでの時間遅れを想定して、使用開始時にコイルに供給する電圧を初期目標電圧としている。具体的には、コイルが高温になっていないときに与える初期電圧を、必要な電流値0.6Aが得られる電圧より約5V低くしている。これにより、初期において、応答時間が約1msec遅くしている。
この制御は、上述した近似式により、測定した抵抗値の単純な一次関数として計算される。
初期のプランジャの動きを遅らせて、コイル温度が上昇した後では通常の目標電圧を与えているので、コイルの温度が室温のときと、コイルの温度が高温になった時とで、プランジャの動き始めるタイミングがほぼ同じとなり、液体の供給量のバラツキを抑えることができる。
【0019】
次に、マイクロコンピュータ11は、算出した目標電圧に基づき、目標電圧用周波数変調周期を算出する(S5)。すなわち、電圧をデューティ制御するためのデューティ比を算出する。そして、マイクロコンピュータ11は、変調パルスをフォトカプラ14、及び図示しないコンデンサーを介して、定電圧回路25に出力する。ここで、コンデンサーにより、パルス出力の平滑化が行われる。
フォトカプラ14を介しているのは、耐ノイズ性を高くするためであり、信号線と電源線とを直接接続することを避けるためである。
ここで、フォトカプラ14により、信号線と電源線とを分離しているため、フィードバック制御ができなくなる。そのため、コンデンサー等のバラツキ補正は、最終調整時にマイクロコンピュータ11にデータとして取り込ませて、バラツキによる誤差補正を行っている。
【0020】
本実施の形態では、電圧として、48V系と24V系の2種類を用いている。それは、プランジャの駆動時には仕事量が大きいため、48V系電源を使用し、プランジャを定位置で保持しているときは、仕事量が少なくかつコイルでの無駄な発熱を避けるために、24V系電源を使用している。
【0021】
図5及び図6に、従来のソレノイドアクチュエータの動作タイミングを示す実測データを示す。図5が始動時すなわちコイルが室温の時のデータであり、図6が長い時間使用した後コイルが80度以上の高温になっている時のデータである。横軸は時間である。Eは供給する電圧値、Aは電流値、Mはアクチュエータの移動量を示している。
図5において、供給電圧Eを与えたときに電流Aが、プランジャが始動する電流値0.6Aになるのに、1.4msecかかっている。そして、プランジャの移動量Mが3mmとなるのに、6.4msecかかっている。これに対して、図6において、供給電圧Eを与えたときに電流Aが、プランジャが始動する電流値0.6Aになるのに、1.8msecかかっている。そして、プランジャの移動量Mが3mmとなるのに、7.8msecかかっている。
【0022】
次に、図7及び図8に、本実施の形態のソレノイドアクチュエータの実験結果データを示す。図7が始動時すなわちコイルが室温の時のデータであり、図8が長い時間使用した後コイルが80度以上の高温になっている時のデータである。横軸は時間である。Eは供給する電圧値、Aは電流値、Mはアクチュエータの移動量を示している。
図7において、供給電圧Eを与えたときに電流Aが、プランジャが始動する電流値0.6Aになるのに、1.7msecかかっている。そして、プランジャの移動量Mが3mmとなるのに、7.4msecかかっている。これに対して、図8において、供給電圧Eを与えたときに電流Aが、プランジャが始動する電流値0.6Aになるのに、1.7msecかかっている。そして、プランジャの移動量Mが3mmとなるのに、7.8msecかかっている。
【0023】
従来と、本実施の形態とのデータの比較を図9に示す。従来の装置では、プランジャの移動量において、始動時と長い時間使用後とでは、22%の相違があった。それに対して、本実施の形態では、プランジャの移動量において、始動時と長い時間使用後とでは、5%の相違になっている。すなわち、プランジャの移動量のバラツキを4分の1以下とすることができる。これにより、液体の充填量のバラツキも4分の1以下とすることができる。
本実施の形態では、始動時のプランジャの動き始めるタイミングを0.3msec遅らせているが、この程度の遅れは全く問題とならない。液体供給装置においては、それよりも液体の充填量のバラツキを小さくすることが重要なのである。
【0024】
以上詳細に説明したように、本実施の形態のソレノイドアクチュエータによれば、非駆動時にコイルにソレノイドアクチュエータが作動しない範囲の低電流を流すことによりコイルの抵抗値を検出するコイル抵抗値検出手段と、コイル抵抗検出手段が検出した抵抗値に基づいてコイルに供給する電圧を算出する電圧算出手段と、電圧算出手段が算出した電圧をコイルに供給する電圧供給手段とを有するので、ソレノイドアクチュエータが駆動しない範囲、すなわち、プランジャが動かない範囲で、電流を流してコイルの抵抗値を測定し、測定したコイル抵抗値に基づいて電流値が所定値を越えるタイミングが機械始動時と変化しないように、コイルに対して電圧を供給し、実際の抵抗値を測定しているので、インピーダンスの変化も含めて、正確にコイルの抵抗値の変化を把握することができるため、タイミングの遅れを最小限とすることができる。
【0025】
また、本実施の形態のソレノイドアクチュエータは、コイル抵抗値検出手段と、電圧算出手段とが、フォトカプラを介して信号伝達しているので、コイルにソレノイドアクチュエータが始動しない範囲の低電流を流して抵抗値を検出するコイル抵抗値検出手段で検出した抵抗値が、フォトカプラーを介して電圧算出手段に接続されているので、コイル側でノイズが発生しても、電圧算出手段側にノイズが伝わらないため、常に正確なタイミングでソレノイドアクチュエータを駆動させることができる。
【0026】
以上、本発明に係るソレノイドアクチュエータの一実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、本実施の形態では、始動時にプランジャの動作タイミングを遅らせることにより、プランジャの移動のバラツキを減少させているが、長い時間使用した後におけるプランジャの動作タイミングを早めるように、供給する電圧を高く与えても同様である。
【0027】
【発明の効果】
本発明のソレノイドアクチュエータによれば、非駆動時にコイルにソレノイドアクチュエータが作動しない範囲の低電流を流すことによりコイルの抵抗値を検出するコイル抵抗値検出手段と、コイル抵抗検出手段が検出した抵抗値に基づいてコイルに供給する電圧を算出する電圧算出手段と、電圧算出手段が算出した電圧をコイルに供給する電圧供給手段とを有するので、ソレノイドアクチュエータが駆動しない範囲、すなわち、プランジャが動かない範囲で、電流を流してコイルの抵抗値を測定し、測定したコイル抵抗値に基づいて電流値が所定値を越えるタイミングが機械始動時と変化しないように、コイルに対して電圧を供給し、実際の抵抗値を測定しているので、インピーダンスの変化も含めて、正確にコイルの抵抗値の変化を把握することができるため、タイミングの遅れを最小限とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の1実施の形態であるソレノイドアクチュエータ駆動装置の全体制御構成を示すブロック図である。
【図2】 コイル抵抗検出部のブロック図である。
【図3】 48V系の補正回路のブロック図である。
【図4】 本発明の作用を示すフローチャートである。
【図5】 従来の始動時のデータ図である。
【図6】 従来の長時間使用後のデータ図である。
【図7】 本発明の始動時のデータ図である。
【図8】 本発明の長時間使用後のデータ図である。
【図9】 本発明と従来との比較を示す比較表図である。
【符号の説明】
11 マイクロコンピュータ
12 コイル抵抗検出回路
14 無接点接続回路
15 コイル
16 24V制御用スイッチング回路
17 48V補正回路
18 48V系のコイル通電用スイッチング回路
20 無接点接続回路
21 第1接点
22 第2接点
Claims (2)
- 中空部の外側にコイルが巻かれた電磁石と、該中空部に摺動可能に保持されるプランジャとを有し、長時間使用したときに前記コイルの温度上昇により前記プランジャに動作開始遅れが発生するソレノイドアクチュエータを駆動するためのソレノイドアクチュエータ駆動装置において、非駆動時に、前記コイルに前記プランジャが作動しない範囲の低電流を流すことにより、前記コイルの抵抗値を検出するコイル抵抗値検出手段と、前記コイル抵抗検出手段が検出した抵抗値に基づいて、前記コイルに供給する電圧を算出する電圧算出手段と、前記電圧算出手段が算出した電圧を前記コイルに供給する電圧供給手段とを有し、前記電圧供給手段は、長時間使用したときの前記プランジャの動作開始遅れを想定して、使用開始時に前記コイルに供給する初期電圧を、前記コイルの抵抗変化により前記プランジャを動作させるのに必要な電流値が得られる電圧より低くし、前記プランジャの初期における応答時間を遅くすることにより、前記コイルの温度が上昇する前と上昇した後とで前記プランジャの動き始めるタイミングがほぼ同じとなるようにすることを特徴とするソレノイドアクチュエータ駆動装置。
- 請求項1に記載するソレノイドアクチュエータ駆動装置において、
前記コイル抵抗値検出手段と、前記電圧算出手段とが、電気的に絶縁され光学素子により信号伝達することを特徴とするソレノイドアクチュエータ駆動装置。
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