JP3871616B2 - ソレノイドアクチュエータ駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

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を特徴とするソレノイドアクチュエータ駆動装置。
2. 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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