JP4335364B2 - 電動弁の弁開度検出装置および電動弁の弁開度制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調・冷凍システムの冷媒流量の調整に使用される電動弁の弁開度を検出する弁開度検出装置、および、弁開度検出量に基づいて脱調を検出するようにした弁開度制御装置、ならびに、検出した脱調量に基づいて弁開度を修正するようにした弁開度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空調・冷凍システムの冷媒流量の調整に使用される電動弁は主にモータによる駆動によって弁の開閉を行っている。弁を駆動するモータの種類は幾つかあるが、その中でもステッビングモータはエンコーダなどフイードバック系なしで位置決め制御ができることから、安価な弁駆動用モータとして電動弁に広く用いられている。
【０００３】
ステッピングモータを用いた電動弁の構造例を模式的に示す図１２を用いて、従来の電動弁の構造を説明する。
電動弁１００は、弁部１と、該弁部を駆動する駆動部３とを備えて構成されている。
弁部１は、弁本体１１と、該弁本体１１に固定された雌ネジ１２と、駆動部３の回転軸に固定されるとともに前記雌ネジ１２に螺合される雄ネジ１３と、該雄ネジ１３の先端に固定された弁１４と、本体に固定され前記弁を受ける弁座１５と、管１６，１７とを有して構成される。
【０００４】
駆動部３は、上下動可能に軸受に支持された回転軸３１と、回転軸３１に固定された回転子３２と、固定子３３とから構成される。回転軸３１と回転子３２は、キャン４内に収容され、外部と遮断されている。
外側にある固定子３３の磁界を回転するように変化させることによりキャン４の内部にある回転子３２を回転させ、回転子３２に連動する弁１４を開閉させる構造になっている。
【０００５】
このようなステッピングモータによって駆動される電動弁は、ステッピングモータの動作原理からフィードバック制御を行わなくてもパルス数に応じた回転角を得て弁開度の十分な精度を得ることができるので、開ループ制御によって使用することができる。しかしながら、開ループ制御を行う場合には、ステッピングモータがなんらかの原因で脱調を生じたときには、十分に対応することが困難である。
【０００６】
電動弁における脱調の発生に対しては、弁の全閉状態あるいは全開状態など明らかに位置が確定している状態を基準点（ゼロステップ点）とし、弁を定期的に基準点に戻すことにより、それ以前の脱調などにより発生した誤差を初期化する方式によって対処している。家庭用エアコンでは、１日に１度は電源がオン−オフされることを利用して、電源をオンする時に上記の初期化を行っている。
【０００７】
しかしながら、大型ビルの空調用などの冷凍装置や冷蔵庫用冷凍装置などの連続使用が前提で初期化をあまり行わない場合や生鮮食料品貯蔵用の冷凍倉庫など、長期に渡り連続的に使用する空調・冷凍システムの場合では上記方式は採用し難いのである。
さらに、短期間で初期化を行う使い方であっても、次の初期化までの間に弁への異物の噛み込みなど重大な不具合が発生した場合、この方式は位置検出手段を持たないため不具合を検出することができず、本体の空調・冷凍システムの制御に支障をきたすおそれが考えられる。例えば、半導体製造ラインにおける温度試験装置など連続使用が前提でしかも精度および信頼性の要求が高い場合には、脱調により生ずる弁開度の誤差は信頼性を低下させる要因となることから避けなければならない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決することを目的とするもので、一般的なエンコーダなどが対応できない冷媒内での設置という特殊な条件下での使用を可能とした電動弁の弁開度を検出する手段を提供することを課題とする。さらに、本発明は、上記電動弁の弁開度検出量に基づいて脱調を検出することを可能にした弁開度制御装置、および、脱調量の検出に対応して弁開度を修正することを可能にした弁開度制御装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明は、ステッピングモータの回転軸に同軸に固定するとともにＮ極およびＳ極を円周上に等分割に着磁した磁気ドラムと、前記磁気ドラムの円周上のＮＳ極に相対するキヤン外側の円周上に設けた、前記磁気ドラムの磁界の変化を検出し磁気ドラムの回転角度を検出する回転角検出用磁気センサと、前記回転軸の端部に設けた磁石と、該磁石に相対するキヤン外側に設けた、該磁石の磁界の変化を検出し回転軸の上下位置を検出する上下位置検出用磁気センサと、前記回転角検出用磁気センサおよび前記上下位置検出用磁気センサの検出値から弁開度を演算する弁開度演算手段とを有して構成した。
【００１０】
本発明は、上記電動弁の弁開度検出装置において、前記弁開度演算手段に、前記回転角検出用磁気センサの前記磁気ドラムのＮＳ極に同期する近似正弦波の検出値から回転角あるいは前記回転角に相当する円周上の位置を演算する手段と、前記上下位置検出用磁気センサの前記回転軸の移動位置に比例する検出値から前記回転軸の上下位置を演算する手段とを設け、前記上下位置検出用磁気センサから得た前記上下位置のデータを前記磁気ドラムのＮＳ極の周期幅で分割し、前記周期幅に前記回転角検出用磁気センサから得られる回転角あるいは前記回転角に相当する円周上の位置のデータを割り当てるようにした。
【００１１】
本発明は、上記電動弁の弁開度検出装置において、上記前記回転角検出用磁気センサを、ホール素子、磁気抵抗素子のいずれかから構成した。
【００１２】
また、本発明は、ステッピングモータの回転軸に同軸に固定するとともにＮ極およびＳ極を円周上に等分割に着磁した上面の円の径と下面の円の径が異なる磁気ドラムと、前記磁気ドラムの円周上のＮＳ極に相対するキヤン外側の円周上に設けた、前記磁気ドラムの磁界の変化を検出し磁気ドラムの回転角度と上下位置を検出する回転角・上下位置検出用磁気センサと、前記回転角・上下位置検出用磁気センサの検出値から磁気ドラムの回転回数と上下位置を演算して弁開度を演算する弁開度演算手段とを有している。
【００１３】
本発明は、上記電動弁の弁開度検出装置において、前記弁開度演算手段に、前記回転角・上下位置検出用磁気センサの前記磁気ドラムのＮＳ極に同期する近似正弦波の検出値から、回転角あるいは前記回転角に相当する円周上の位置と、前記回転軸の上下位置を演算する手段を設け、前記上下位置のデータを前記磁気ドラムのＮＳ極の周期幅で分割し、前記周期幅に前記回転角検出用磁気センサから得られる回転角あるいは前記回転角に相当する円周上の位置のデータを割り当てることを特徴とする。
【００１４】
本発明は、上記電動弁の弁開度検出装置を用いた電動弁の弁開度制御装置において、前記弁開度演算装置が演算した弁開度と外部から入力された弁開度指令値とを比較してステッピングモータの脱調を検出する脱調検出手段を設け、弁開度の指令値と実際の値との誤差を検出するようにした。
【００１５】
本発明は、上記弁開度制御装置において、前記脱調検出手段が検出した脱調の量に基づいて弁開度の修正量を算出する弁開度修正手段を設け、この修正値に基づいて弁開度を制御するようにした。
【００１６】
「作用」
この発明による電動弁の弁開度検出装置を電動弁に取り付け、その検出データを電動弁の制御にフィードバックすることによって、脱調の検出・修正を行い、電動弁の冷媒流量の制御を正確なものとし、空調・冷凍システムの安定性を確実なものにする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる、弁開度検出装置を備えた電動弁の構成の概要を図１を用いて説明する。図１（Ａ）は電動弁の弁開度検出部の構造を示す上方から見た図であり、図１（Ｂ）は上記電動弁の縦断面を示す図である。
本発明にかかる電動弁１００は、弁部１と、駆動部３と、弁開度検出部５とを有している。この実施の形態では、電動弁のステッピングモータは９６ステップで１回転し、弁の全閉から全開まで約５回転するように構成されている。
駆動部３は、駆動回路８からの制御信号によって制御される。弁開度検出部５の出力は制御回路７へ出力される。
【００１８】
弁部１は、弁本体１１と、該弁本体１１に固定された雌ネジ１２と、駆動部３の回転軸に固定されるとともに前記雌ネジ１２に螺合される雄ネジ１３と、該雄ネジ１３の先端に固定された弁１４と、本体に固定され前記弁を受ける弁座１５と、管１６，１７とを有して構成される。
【００１９】
駆動部３は、上下動可能に軸受に支持された回転軸３１と、回転軸３１に固定された回転子３２と、複数の磁極を有する固定子３３とから構成される。回転軸３１と回転子３２は、非磁性体からなるキャン４内に収容され、外部と遮断されている。
【００２０】
弁開度検出部５は、回転軸３１に固定されるとともに円周上を等分割してＮ極およびＳ極を着磁した磁気ドラム５１と、該磁気ドラムに対向してキャン４の外部に例えば９０度の間隔を置いて配置され前記磁気ドラムの磁界の変化を検出する回転角検出用磁気センサ５２Ａ，５２Ｂと、回転軸３１の一端部に設けた磁石５３と、該磁石に対向してキャン４の外部に設けた前記磁石の磁界の変化を検出する上下位置検出用磁気センサ５４とを有して構成される。
【００２１】
電動弁１００は、パルスを印加する固定子３３の磁極の極性を順次変化させて磁界を回転させることによって回転子３２を回転させて回転軸３１を回転させる。この回転によって、回転軸３１は、弁部１にある雌ネジ１２と雄ネジ１３の働きで上下に移動する。
回転軸３１に取り付けられた磁石５３も回転軸３１の回転にともなって同様に上下し、対向する上下位置検出用磁気センサ５４との距離が変化する。上下位置検出用磁気センサ５４は、磁石５３との距離の変化による磁界の強度の変化を検出し、図２に示すような特性値を出力する。
【００２２】
図２は、ステップ数で表した回転子３２の回転角度と上下位置検出用磁気センサ５４の出力の関係を示している。図２に示すように、上下位置検出用磁気センサ５４の出力は、ステップ数が０のとき（弁が全閉のとき）に最小であり、ステップ数が４８０のとき弁が全開のとき）に最大となるように、ステップ数に比例して変化している。
【００２３】
回転軸３１の上部に取り付けた磁石５３と上下位置検出用磁気センサ５４による位置検出方式は、数ｍｍ代の位置検出に適しており、弁のストロークと略同じ大きさであるので、適合性が良い。しかしながら、電動弁１００の稼動ステップ数は、例えば、５００〜４０００ステップもあり、最大の場合では０．０２５％以上の分解能を必要とすることから、この方式のみで高精度の位置検出を行うことは困難である。
【００２４】
磁気ドラム５１にはＮ極及びＳ極が円周方向に等間隔に着磁形成されており、回転することにより円周方向の磁界の大きさおよび極性が変化する。回転角検出用磁気センサ５２Ａおよび５２Ｂは、回転ドラム５１の回転に基づく磁気の変化を検出し、図３に示す余弦波および正弦波の特性値を出力する。なお、回転角検出用磁気センサ５２Ａおよび５２Ｂは、磁気ドラムに設けたＮ極とＳ極が形成する角度の半分の角度の位置を有して設けてある。
【００２５】
図３は、ステップ数で表した磁気ドラム５１の回転角と回転角検出用磁気センサ５２の出力の関係を示した図であり、磁気センサ５２Ａと５２Ｂとは９０度位相差を有する２種の正弦波の信号を出力する。
【００２６】
それぞれの出力波の内、余弦波をＡ、正弦波をＢとすると、回転角θは下記（１）式で算出することができ、回転軸３１のネジのピッチをｐとすると、基準点（例えば、弁の全閉点）からの変位量Ｄは下記（２）式で、演算することができる。
【００２７】
【数１】
【００２８】
回転角検出用磁気センサ５２Ａの出力Ａの値および回転角検出用磁気センサ５２Ｂの出力Ｂの値と、回転角の関係を図４に示す。
すなわち、ａは０，１，２を表わしており、出力Ａが正で出力Ｂが正の間はａ＝０で０°〜９０°の間である。出力Ａが負で出力Ｂが正の間はａ＝１で９０°〜１８０°の間である。出力Ａが負で出力Ｂが負の間はａ＝１で１８０°〜２７０°の間である。出力Ａが正で出力Ｂが負の間はａ＝２で２７０°〜３６０°の間である。
【００２９】
この方式は、式（１），（２）を用いて、回転角を高精度に検出できるのが特徴であり、例えば、０．１°程度の回転角は問題なく検出できる。電動弁１００のステップ角は約３°程度なので十分な出力精度を得ることができる。ただし、この方式はあくまでも１回転内の回転角の検出であるので、（１）式および（２）式を用いてもネジピッチｐ以上の回転角を検出することはできない。
【００３０】
一般に、このような場合、１回転以上の回転角および変位量を検出するには、１回転する度に回転数をカウントする方式を取っている。しかしながら、カウンタを用いる方式は、カウンタ機能を必要とする上に、停電やノイズなどによってカウンタの内容が失われると、復帰時に回転回数が分からなくなるという問題がある。
【００３１】
図２に示した上下位置検出用磁気センサ５４の出力値は、弁の可動範囲全域に渡るが分解能が小さく、図３に示した回転角検出用磁気センサ５２Ａおよび５２Ｂの出力値は、検出範囲が１回転と制限されるが分解能は大きくなりお互いに補完的な性格を持つ。
【００３２】
したがって、演算機能があるマイコンなどに上下位置検出用磁気センサ５４の出力および回転角検出用磁気センサ５２Ａおよび５２Ｂの出力を入力し、上下位置検出用磁気センサ５４の出力値から回転回数を演算し、回転角検出用磁気センサ５２Ａおよび５２Ｂの出力値から得た回転角を足し合わせることによって、弁の可動範囲全域に渡って高分解能の弁開度を検出することが可能となる。
弁開度は、回転角検出用磁気センサ５２Ａおよび５２Ｂの出力値から得た回転角θと、上下位置検出用磁気センサ５４の出力値から得た回転回数ｎとを用いて、下記（３）式で算出することができる。
【００３３】
【数２】
【００３４】
ところで、上記（３）式において、回転角０°付近では、回転回数ｎの誤差がある場合には、回転回数ｎに誤差を含むおそれがある。この誤差を修正する処理手法について、以下に説明する。
【００３５】
上下位置検出用磁気センサ５４の出力をＮとし、磁気ドラム５１の１回転の出力値の変化量をｘとして、出力Ｎを変化量ｘで除算して、整数部ｉと少数部ｄを得る。
次いで、少数部ｄが所定の範囲（例えば、０．１〜０．９）内にあるか否かを判断して、回転回数ｎが変化する回転角０°付近であるか否かを検査する。所定の範囲内に有るときには、回転角は０°から少なくとも±３６°以上離れたところにあるので、整数部ｉをそのまま回転回数ｎとしても誤りはない。
所定の範囲内にないときには、回転角は±３６°以内の個所にあり回転回数を表す整数部ｉに誤差が存在するおそれがあるので、回転角検出用磁気センサ５２の出力を用いて演算した回転角度θを用いて、以下の論理で整数部ｉの正確さを検査し、修正した回転数ｎを得る。
【００３６】
すなわち、少数部ｄが０．１以下であって回転角度θが０°か０°を越えているときは、回転回数ｎを整数部の値ｉとする。
少数部ｄが０．１以下であって回転角度θが０°に達していないときは、上下位置検出用磁気センサ５４の出力Ｎは正しい回転回数よりも大きな値が出力されているので、回転回数ｎを整数部の値ｉ−１とする。
少数部ｄが０．９以上であって回転角度θが０°か０°を越えているときは、上下位置検出用磁気センサ５４の出力Ｎは正しい回転回数よりも小さな値が出力されているので、回転回数ｎを整数部の値ｉ＋１とする。
少数部ｄが０．９以上であって回転角度θが０°に達していないときは、回転回数ｎを整数部の値ｉとする。
【００３７】
上記方法により得られた回転角情報すなわち弁開度情報は、ステッピングモータを制御するマイコンまたはコンピュータに入力され、脱調の監視や回転角の修正に利用する。
【００３８】
図５および図６を用いて、本発明にかかる電動弁１００の制御回路７の構成と、制御の流れを説明する。
制御回路７は、駆動回路制御部７１と、弁開度演算部７２と、脱調判定・修正部７３とを有して構成される。
【００３９】
脱調判定・修正部７３は、外部からの弁開度に関する指令と実際の回転角とを用いて脱調の有無を判定するとともに脱調の量を演算する脱調判定部７３１と、脱調判定部７３１が演算した脱調の量に基づいて弁開度の修正量を演算し修正値を出力する修正値演算部７３２とを有している。
【００４０】
駆動回路制御部７１は、弁開度や駆動ステップ数などの外部からの指令または脱調判定・修正部７３からの修正情報に基づいて、電動弁１００のモータの回転方向と回転量を演算し、電動弁を制御する情報を駆動回路８へ出力する機能を有している。
【００４１】
駆動回路８は、駆動回路制御部７１からの電動弁制御情報に基づいて、電動弁１００のモータを回転させる制御信号（駆動パルス）を作成し電動弁１００へ出力する機能を有している。
【００４２】
弁開度演算部７２は、回転角検出用磁気センサ５２および上下位置検出用磁気センサ５４からの信号に基づいて前記演算手法によって、電動弁１００の実際の回転角（弁開度）を演算し、演算結果を脱調判定・修正部７３へ出力する機能を有している。
【００４３】
脱調判定・修正部７３は、外部からの前記指令値と実際の回転角を比較し、一致するか否かを判定して脱調の有無を判定するとともにその脱調の量を演算し、脱調が有るときには脱調を修正する修正値を演算して駆動回路制御部７１へ出力する機能を有している。
【００４４】
図６を参照して、このような制御回路７を用いて、電動弁の開閉制御と回転角の監視を行う制御の流れを説明する。
電動弁１００の制御の開始に当たって、まず電動弁を全閉または全開として初期化処理を行った（Ｓ１）後、外部からの指令の入力を監視する（Ｓ２）。
外部からの指令があると、駆動回路制御部７１は、外部からの指令に基づいて電動弁１００のモータの回転方向と回転量を演算する（Ｓ３）。
【００４５】
駆動回路８は、駆動回路制御部７１からの制御情報に基づいて、電動弁１００のモータを回転させるパルスを固定子３３へ所定の順序で出力し、電動弁１００を駆動する（Ｓ４）。
駆動回路制御部７１は、パルス数をカウントし（Ｓ５）、パルス出力が終了したか否かを判断する（Ｓ６）。
パルス出力が終了すると、弁開度演算部７２は、回転角検出用磁気センサ５２Ａ，５２Ｂおよび上下位置検出用磁気センサ５４の出力を用いて弁開度を演算して（Ｓ７）、演算結果を脱調判定・修正部７３へ出力する。
【００４６】
脱調判定・修正部７３は、外部からの前記指令値と弁開度演算部７２からの実際の弁開度（回転角）を比較し、一致するか否かを判定して、脱調の有無を判定する（Ｓ８）。
脱調を生じていないときには、ステップＳ２に戻って次の指令を待つ。脱調が生じたときには、脱調判定・修正部７３は、指令値と実際の回転角から修正値を演算して駆動回路制御部７１へ出力し、駆動回路制御部７１は修正方向と修正量を演算して駆動回路８へ制御情報を出力し、駆動回路８は制御情報に基づいて修正パルスを出力して（Ｓ９）、ステップＳ４へ戻り、電動弁を駆動する。
【００４７】
このようにして、電動弁１００に生じた脱調を修正して正しい開弁量に制御することができる。
【００４８】
上記実施の形態では、磁気ドラムのＮ極Ｓ極の分割数は２分割の例を用いたが、特に分割数の制限は設けておらず、分割数を増やすことによってさらに高分解能とすることが可能になる。なお、弁開度の演算をするマイコンは、ステッピングモータを制御するマイコンと同一でも良い。
【００４９】
さらに、上記実施の形態では、初期化処理において、電動弁を全開または全閉として基準値を得たが、初期化に当たって、電動弁の全開時の各センサの出力と、全閉時の各センサの出力を得て、それぞれ最大値と最小値として弁開度を算出しても良い。
【００５０】
図７を用いて第１の実施の形態の変形例を説明する。
この例は、回転角検出用磁気センサ５２Ａ，５２Ｂと、上下位置検出用磁気センサ５４をキャン４の上面に設けた点が第１の実施の形態と異なっている。この例では、磁気ドラム５１の回転角を上面から検出するので、磁気ドラム５１が上下に移動しても回転角を検出できるので、磁器ドラム５１の厚みを薄くすることができ、回転角検出部５の高さを小さくすることができる。この例によれば、第１の実施の形態と同様に回転角に関する信号と上下位置に関する信号を得て、弁開度を検出することができる。
【００５１】
図８を用いて本発明の第２の実施の形態を説明する。図８（Ａ）は第２の実施の形態にかかる電動弁の弁開度検出部の図８（Ｂ）のＡ−Ａ線での断面図であり、図８（Ｂ）は該電動弁の縦断面を示す図である。
この実施の形態にかかる電動弁１００は、弁部１と、駆動部３と、弁開度検出部５とを有している。この実施の形態では、電動弁のステッピングモータは９６ステップで１回転し、弁の全閉から全開まで約５回転する。
【００５２】
弁部１は、弁本体１１と、該弁本体１１に固定された雌ネジ１２と、駆動部３の回転軸に固定されるとともに前記雌ネジ１２に螺合される雄ネジ１３と、該雄ネジ１３の先端に固定された弁１４と、本体に固定され前記弁を受ける弁座１５と、管１６，１７とを有して構成される。
【００５３】
駆動部３は、上下動可能に軸受に支持された回転軸３１と、回転軸３１に固定された回転子３２と、複数の磁極を有する固定子３３とから構成される。回転軸３１と回転子３２は、非磁性体から成るキャン４内に収容され、外部と遮断されている。
【００５４】
弁開度検出部５は、回転軸３１に固定されるとともに円周上を等分割してＮ極およびＳ極を着磁した磁気ドラム５１と、該磁気ドラムに対向してキャン４の外部に例えば９０度の間隔を置いて配置され前記磁気ドラムの磁界の変化を検出する回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａ，５５Ｂとを有して構成される。
この実施の形態においては、第１の実施の形態では円柱状であった磁気ドラム５１の形状を、頂部を切り取った円錐状とした点、および、上下動検出用磁石および上下位置検出用磁気センサをなくした点に特徴を有している。
すなわち、磁気ドラム５１は、上面の円の径と下面の円との径が異なり、周壁は傾斜した曲面として形成されている。
【００５５】
電動弁１００は、パルスを印加する固定子３３の磁極を順次変化することによって回転子３２を回転させて回転軸３１を回転させる。この回転によって、回転軸３１は、弁部１にある雌ネジ１２と雄ネジ１３の働きで上下に移動する。
回転軸３１に取り付けられた磁気ドラム５１も同様に回転にともなって上下し、対向する回転角・上下位置検出用磁気センサ５５との距離Ｘが変化する。回転角・上下位置検出用磁気センサ５５は、磁気ドラム５１との距離の変化による磁界の変化を検出し図９のような特性値を出力する。回転角・上下位置検出用磁気センサ５５の出力は、磁気ドラム５１と磁気センサ５５との距離に反比例する出力とＮＳ磁極による正弦波（余弦波）出力を合成した信号となる。
【００５６】
図９は、ステップ数で表した回転角度と回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａの出力の関係を示している。図９において、曲線Ａ0，Ａ1〜Ａｎは、それぞれ、回転回数が０回（１回目の回転）の曲線、回転回数が１回（１回転した後の２回目の回転）の曲線、回転回数がｎ回（ｎ回転した後のｎ＋１回目の回転）の曲線を表している。
【００５７】
曲線Ａ0，Ａ1〜Ａｎはステップ数に対応して変化する係数ａ0，ａ1〜ａｎを有している。すなわち、曲線Ａ0，Ａ1〜Ａｎの係数ａ0，ａ1〜ａｎは、ステップ数０からステップ数９６にかけて漸減し、ステップ数９６では係数ａ0はステップ数０の係数ａ1に等しく、ステップ数９６の係数ａ1はステップ数０の係数ａ2に等しくなっている。以下同様に係数は連続して減少して行く。
【００５８】
曲線Ａｎ（余弦波）のステップ数（回転角：θ）のときの係数ａｎを“ａ（ｎ，θ）”で表すと、回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａの出力は、ステップ数が０（回転角：０°）のときに“ａ（ｎ，０°）・ｃｏｓ０°”であり、ステップ数が２４（回転角：９０°）のときに“ａ（ｎ，９０°）・ｃｏｓ９０°”であり、ステップ数４８（回転角：１８０°）のときに“ａ（ｎ，１８０°）・ｃｏｓ１８０°”、ステップ数７２（回転角：２７０°）のとき“ａ（ｎ，２７０°）・ｃｏｓ２７０°”であり、ステップ数が９６（回転角：３６０°＝０°）のときに“ａ（ｎ，３６０°）・ｃｏｓ３６０°＝ａ（ｎ＋１，０°）・ｃｏｓ０°”となる。
【００５９】
このことによって、図１０に示すように、曲線Ａ0のステップ数９６は曲線Ａ1のステップ数０につながり、曲線Ａ1のステップ数９６は曲線Ａ2のステップ数０につながる、連続して減衰する余弦曲線となる。
【００６０】
このように、回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａの出力は、回転回数に比例して減少する余弦波状曲線の出力が得られる。同様に、回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａと角度で９０°ずれた位置にある回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ｂの出力は、回転回数に比例して減少する正弦波状曲線の出力が得られる。
【００６１】
それぞれの曲線Ａ0，Ａ1〜Ａｎのステップ数０における値は下記（４）式によって得ることができる。（４）式において、［Ａ0］，［Ａ1］〜［Ａｎ］は、それぞれ回転回数０，１〜ｎ回のステップ数０における出力値であり、αは磁気ドラム５１が１回転する間の出力の減衰量を、ｎは磁気ドラム５２の回転回数を示している。
【００６２】
【数３】
【００６３】
各曲線の初期値［Ａｎ］は、ステップ数０から回転角度に対して正弦波的に変化するとともに減衰量αで減衰し、磁気センサ５２の出力は下記（５）式および（６）式で示される。
【００６４】
【数４】
【００６５】
（６）式から、回転回数ｎは、下記（７）式で示され、Ｋ＝−１／α、Ｌ＝−１／３６０°，Ｍ＝−［Ａ0］／αとすると、回転回数ｎは、（８）式で示される。
回転回数ｎは、例えば減衰量αが一定でないなどの理由により整数にならない場合があるが、その場合は少数部を四捨五入することにより回転回数ｎを求めることができる。
【００６６】
【数５】
【００６７】
回転回数ｎを算出するに当たっては、回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａの回転回数に対応した出力値（余弦波）の変化が小さくなる付近（ゼロクロス近傍）では、演算に誤差を生じるおそれが有るので、出力値の変化の大きい領域の出力、例えば回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ｂの出力（正弦波）に切り替えて演算することによって、誤差の発生を押さえることができる。
【００６８】
以上のように、この実施の形態によれば、磁気ドラム５１と一対の回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａ，５２Ｂを設けることによって、回転角と回転回数を検出することができる。
【００６９】
図１１用いて、本発明の第２の実施の形態の変形例を説明する。
この例は、第１の実施の形態の変形例に用いた扁平な磁気ドラム５１と、回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａ，５５Ｂを用いた点に特徴を有している。この例によれば、磁気ドラム５１の回転角を上面から検出しているので、磁気ドラム５１が上下に移動しても回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａ，５５Ｂによって検出できるので、磁器ドラム５１の厚みを薄くすることができ、回転角検出部５の高さを小さくすることができる。この例によれば、第２の実施の形態と同様に回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａ，５５Ｂを用いて回転角に関する信号と上下位置に関する信号を得て、弁開度を検出することができる。
【００７０】
【発明の効果】
この発明は、磁気センサを利用することによって、キヤン内部の回転軸の回転角と軸方向の移動位置をキヤン外部から検出することを可能にした。さらに、本発明は、磁気エンコーダ（磁気ドラム５１と磁気センサ５２からなるセンサ）とポジションセンサ（磁石５３と磁気センサ５４からなるセンサ）を組み合わせ、双方の出力値を演算することにより安価でありながら高精度な位置検出を可能にした電動弁の弁開度検出装置を提供することができる。したがって、その位置データを電動弁の制御にフイードバックすることによって、脱調の検出・修正を行うことができ、また弁の不具合時には異常信号を出力することによって、電動弁を取り付けた空調・冷凍システムの安全性を高めることができる。
【００７１】
さらに、第２の実施の形態に示した電動弁の弁開度制御装置では、ポジションセンサを用いることなしに、磁気エンコーダのみで、安価でありながら高精度な位置検出を可能にした電動弁の弁開度検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる電動弁の弁開度検出装置の構造の概要を説明する図。
【図２】本発明にかかる電動弁の弁開度検出装置の上下位置検出用磁気センサの出力特性を説明する特性図。
【図３】本発明にかかる電動弁の弁開度検出装置の回転角検出用磁気センサの出力特性を説明する特性図。
【図４】回転角検出用磁気センサの出力値と回転角の関係を示す相関曲線図。
【図５】本発明にかかる電動弁の弁開度検出装置の制御回路の構成を示すブロック図。
【図６】本発明にかかる電動弁の弁開度検出装置の制御回路の動作を説明するフローチャート。
【図７】第１の実施の形態にかかる電動弁の弁開度検出装置の変形例を説明する図。
【図８】本発明の第２の実施の形態にかかる電動弁の弁開度検出装置の構造の概要を説明する図。
【図９】本発明の第２の実施の形態にかかる電動弁の弁開度検出装置の回転角検出用磁気センサの出力特性を説明する特性図。
【図１０】本発明の第２の実施の形態にかかる電動弁の弁開度検出装置の回転角検出用磁気センサの出力特性を説明する特性図。
【図１１】第２の実施の形態にかかる電動弁の弁開度検出装置の変形例を説明する図。
【図１２】従来の電動弁の構造の概要を説明する図。
【符号の説明】
１ 弁部
１１ 弁本体
１２ 雌ネジ
１３ 雄ネジ
１４ 弁
１５ 弁座
１６，１７ 管
３ 駆動部
３１ 回転軸
３２ 回転子
３３ 固定子
４ キャン
５ 回転角検出部
５１ 磁気ドラム
５２ 回転角検出用磁気センサ
５３ 磁石
５４ 上下位置検出用磁気センサ
５５ 回転角・上下位置検出用磁気センサ
７ 制御回路
７１ 駆動回路制御部
７２ 弁開度演算部
７２ 脱調判定・修正部
７３１ 脱調判定部
７３２ 修正値演算部
８ 駆動回路
１００ 電動弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調・冷凍システムの冷媒流量の調整に使用される電動弁の弁開度を検出する弁開度検出装置、および、弁開度検出量に基づいて脱調を検出するようにした弁開度制御装置、ならびに、検出した脱調量に基づいて弁開度を修正するようにした弁開度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空調・冷凍システムの冷媒流量の調整に使用される電動弁は主にモータによる駆動によって弁の開閉を行っている。弁を駆動するモータの種類は幾つかあるが、その中でもステッビングモータはエンコーダなどフイードバック系なしで位置決め制御ができることから、安価な弁駆動用モータとして電動弁に広く用いられている。
【０００３】
ステッピングモータを用いた電動弁の構造例を模式的に示す図１２を用いて、従来の電動弁の構造を説明する。
電動弁１００は、弁部１と、該弁部を駆動する駆動部３とを備えて構成されている。
弁部１は、弁本体１１と、該弁本体１１に固定された雌ネジ１２と、駆動部３の回転軸に固定されるとともに前記雌ネジ１２に螺合される雄ネジ１３と、該雄ネジ１３の先端に固定された弁１４と、本体に固定され前記弁を受ける弁座１５と、管１６，１７とを有して構成される。
【０００４】
駆動部３は、上下動可能に軸受に支持された回転軸３１と、回転軸３１に固定された回転子３２と、固定子３３とから構成される。回転軸３１と回転子３２は、キャン４内に収容され、外部と遮断されている。
外側にある固定子３３の磁界を回転するように変化させることによりキャン４の内部にある回転子３２を回転させ、回転子３２に連動する弁１４を開閉させる構造になっている。
【０００５】
このようなステッピングモータによって駆動される電動弁は、ステッピングモータの動作原理からフィードバック制御を行わなくてもパルス数に応じた回転角を得て弁開度の十分な精度を得ることができるので、開ループ制御によって使用することができる。しかしながら、開ループ制御を行う場合には、ステッピングモータがなんらかの原因で脱調を生じたときには、十分に対応することが困難である。
【０００６】
電動弁における脱調の発生に対しては、弁の全閉状態あるいは全開状態など明らかに位置が確定している状態を基準点（ゼロステップ点）とし、弁を定期的に基準点に戻すことにより、それ以前の脱調などにより発生した誤差を初期化する方式によって対処している。家庭用エアコンでは、１日に１度は電源がオン−オフされることを利用して、電源をオンする時に上記の初期化を行っている。
【０００７】
しかしながら、大型ビルの空調用などの冷凍装置や冷蔵庫用冷凍装置などの連続使用が前提で初期化をあまり行わない場合や生鮮食料品貯蔵用の冷凍倉庫など、長期に渡り連続的に使用する空調・冷凍システムの場合では上記方式は採用し難いのである。
さらに、短期間で初期化を行う使い方であっても、次の初期化までの間に弁への異物の噛み込みなど重大な不具合が発生した場合、この方式は位置検出手段を持たないため不具合を検出することができず、本体の空調・冷凍システムの制御に支障をきたすおそれが考えられる。例えば、半導体製造ラインにおける温度試験装置など連続使用が前提でしかも精度および信頼性の要求が高い場合には、脱調により生ずる弁開度の誤差は信頼性を低下させる要因となることから避けなければならない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決することを目的とするもので、一般的なエンコーダなどが対応できない冷媒内での設置という特殊な条件下での使用を可能とした電動弁の弁開度を検出する手段を提供することを課題とする。さらに、本発明は、上記電動弁の弁開度検出量に基づいて脱調を検出することを可能にした弁開度制御装置、および、脱調量の検出に対応して弁開度を修正することを可能にした弁開度制御装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明は、ステッピングモータの回転軸に同軸に固定するとともにＮ極およびＳ極を円周上に等分割に着磁した磁気ドラムと、前記磁気ドラムの円周上のＮＳ極に相対するキヤン外側の円周上に設けた、前記磁気ドラムの磁界の変化を検出し磁気ドラムの回転角度を検出する回転角検出用磁気センサと、前記回転軸の端部に設けた磁石と、該磁石に相対するキヤン外側に設けた、該磁石の磁界の変化を検出し回転軸の上下位置を検出する上下位置検出用磁気センサと、前記回転角検出用磁気センサおよび前記上下位置検出用磁気センサの検出値から弁開度を演算する弁開度演算手段とを有して構成した。
【００１０】
本発明は、上記電動弁の弁開度検出装置において、前記弁開度演算手段に、前記回転角検出用磁気センサの前記磁気ドラムのＮＳ極に同期する近似正弦波の検出値から回転角あるいは前記回転角に相当する円周上の位置を演算する手段と、前記上下位置検出用磁気センサの前記回転軸の移動位置に比例する検出値から前記回転軸の上下位置を演算する手段とを設け、前記上下位置検出用磁気センサから得た前記上下位置のデータを前記磁気ドラムのＮＳ極の周期幅で分割し、前記周期幅に前記回転角検出用磁気センサから得られる回転角あるいは前記回転角に相当する円周上の位置のデータを割り当てるようにした。
【００１１】
本発明は、上記電動弁の弁開度検出装置において、上記前記回転角検出用磁気センサを、ホール素子、磁気抵抗素子のいずれかから構成した。
【００１２】
また、本発明は、ステッピングモータの回転軸に同軸に固定するとともにＮ極およびＳ極を円周上に等分割に着磁した上面の円の径と下面の円の径が異なる磁気ドラムと、前記磁気ドラムの円周上のＮＳ極に相対するキヤン外側の円周上に設けた、前記磁気ドラムの磁界の変化を検出し磁気ドラムの回転角度と上下位置を検出する回転角・上下位置検出用磁気センサと、前記回転角・上下位置検出用磁気センサの検出値から磁気ドラムの回転回数と上下位置を演算して弁開度を演算する弁開度演算手段とを有している。
【００１３】
本発明は、上記電動弁の弁開度検出装置において、前記弁開度演算手段に、前記回転角・上下位置検出用磁気センサの前記磁気ドラムのＮＳ極に同期する近似正弦波の検出値から、回転角あるいは前記回転角に相当する円周上の位置と、前記回転軸の上下位置を演算する手段を設け、前記上下位置のデータを前記磁気ドラムのＮＳ極の周期幅で分割し、前記周期幅に前記回転角検出用磁気センサから得られる回転角あるいは前記回転角に相当する円周上の位置のデータを割り当てることを特徴とする。
【００１４】
本発明は、上記電動弁の弁開度検出装置を用いた電動弁の弁開度制御装置において、前記弁開度演算装置が演算した弁開度と外部から入力された弁開度指令値とを比較してステッピングモータの脱調を検出する脱調検出手段を設け、弁開度の指令値と実際の値との誤差を検出するようにした。
【００１５】
本発明は、上記弁開度制御装置において、前記脱調検出手段が検出した脱調の量に基づいて弁開度の修正量を算出する弁開度修正手段を設け、この修正値に基づいて弁開度を制御するようにした。
【００１６】
「作用」
この発明による電動弁の弁開度検出装置を電動弁に取り付け、その検出データを電動弁の制御にフィードバックすることによって、脱調の検出・修正を行い、電動弁の冷媒流量の制御を正確なものとし、空調・冷凍システムの安定性を確実なものにする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる、弁開度検出装置を備えた電動弁の構成の概要を図１を用いて説明する。図１（Ａ）は電動弁の弁開度検出部の構造を示す上方から見た図であり、図１（Ｂ）は上記電動弁の縦断面を示す図である。
本発明にかかる電動弁１００は、弁部１と、駆動部３と、弁開度検出部５とを有している。この実施の形態では、電動弁のステッピングモータは９６ステップで１回転し、弁の全閉から全開まで約５回転するように構成されている。
駆動部３は、駆動回路８からの制御信号によって制御される。弁開度検出部５の出力は制御回路７へ出力される。
【００１８】
弁部１は、弁本体１１と、該弁本体１１に固定された雌ネジ１２と、駆動部３の回転軸に固定されるとともに前記雌ネジ１２に螺合される雄ネジ１３と、該雄ネジ１３の先端に固定された弁１４と、本体に固定され前記弁を受ける弁座１５と、管１６，１７とを有して構成される。
【００１９】
駆動部３は、上下動可能に軸受に支持された回転軸３１と、回転軸３１に固定された回転子３２と、複数の磁極を有する固定子３３とから構成される。回転軸３１と回転子３２は、非磁性体からなるキャン４内に収容され、外部と遮断されている。
【００２０】
弁開度検出部５は、回転軸３１に固定されるとともに円周上を等分割してＮ極およびＳ極を着磁した磁気ドラム５１と、該磁気ドラムに対向してキャン４の外部に例えば９０度の間隔を置いて配置され前記磁気ドラムの磁界の変化を検出する回転角検出用磁気センサ５２Ａ，５２Ｂと、回転軸３１の一端部に設けた磁石５３と、該磁石に対向してキャン４の外部に設けた前記磁石の磁界の変化を検出する上下位置検出用磁気センサ５４とを有して構成される。
【００２１】
電動弁１００は、パルスを印加する固定子３３の磁極の極性を順次変化させて磁界を回転させることによって回転子３２を回転させて回転軸３１を回転させる。この回転によって、回転軸３１は、弁部１にある雌ネジ１２と雄ネジ１３の働きで上下に移動する。
回転軸３１に取り付けられた磁石５３も回転軸３１の回転にともなって同様に上下し、対向する上下位置検出用磁気センサ５４との距離が変化する。上下位置検出用磁気センサ５４は、磁石５３との距離の変化による磁界の強度の変化を検出し、図２に示すような特性値を出力する。
【００２２】
図２は、ステップ数で表した回転子３２の回転角度と上下位置検出用磁気センサ５４の出力の関係を示している。図２に示すように、上下位置検出用磁気センサ５４の出力は、ステップ数が０のとき（弁が全閉のとき）に最小であり、ステップ数が４８０のとき弁が全開のとき）に最大となるように、ステップ数に比例して変化している。
【００２３】
回転軸３１の上部に取り付けた磁石５３と上下位置検出用磁気センサ５４による位置検出方式は、数ｍｍ代の位置検出に適しており、弁のストロークと略同じ大きさであるので、適合性が良い。しかしながら、電動弁１００の稼動ステップ数は、例えば、５００〜４０００ステップもあり、最大の場合では０．０２５％以上の分解能を必要とすることから、この方式のみで高精度の位置検出を行うことは困難である。
【００２４】
磁気ドラム５１にはＮ極及びＳ極が円周方向に等間隔に着磁形成されており、回転することにより円周方向の磁界の大きさおよび極性が変化する。回転角検出用磁気センサ５２Ａおよび５２Ｂは、回転ドラム５１の回転に基づく磁気の変化を検出し、図３に示す余弦波および正弦波の特性値を出力する。なお、回転角検出用磁気センサ５２Ａおよび５２Ｂは、磁気ドラムに設けたＮ極とＳ極が形成する角度の半分の角度の位置を有して設けてある。
【００２５】
図３は、ステップ数で表した磁気ドラム５１の回転角と回転角検出用磁気センサ５２の出力の関係を示した図であり、磁気センサ５２Ａと５２Ｂとは９０度位相差を有する２種の正弦波の信号を出力する。
【００２６】
それぞれの出力波の内、余弦波をＡ、正弦波をＢとすると、回転角θは下記（１）式で算出することができ、回転軸３１のネジのピッチをｐとすると、基準点（例えば、弁の全閉点）からの変位量Ｄは下記（２）式で、演算することができる。
【００２７】
【数１】
回転角検出用磁気センサ５２Ａの出力Ａの値および回転角検出用磁気センサ５２Ｂの出力Ｂの値と、回転角の関係を図４に示す。
すなわち、ａは０，１，２を表わしており、出力Ａが正で出力Ｂが正の間はａ＝０で０°〜９０°の間である。出力Ａが負で出力Ｂが正の間はａ＝１で９０°〜１８０°の間である。出力Ａが負で出力Ｂが負の間はａ＝１で１８０°〜２７０°の間である。出力Ａが正で出力Ｂが負の間はａ＝２で２７０°〜３６０°の間である。
【００２９】
この方式は、式（１），（２）を用いて、回転角を高精度に検出できるのが特徴であり、例えば、０．１°程度の回転角は問題なく検出できる。電動弁１００のステップ角は約３°程度なので十分な出力精度を得ることができる。ただし、この方式はあくまでも１回転内の回転角の検出であるので、（１）式および（２）式を用いてもネジピッチｐ以上の回転角を検出することはできない。
【００３０】
一般に、このような場合、１回転以上の回転角および変位量を検出するには、１回転する度に回転数をカウントする方式を取っている。しかしながら、カウンタを用いる方式は、カウンタ機能を必要とする上に、停電やノイズなどによってカウンタの内容が失われると、復帰時に回転回数が分からなくなるという問題がある。
【００３１】
図２に示した上下位置検出用磁気センサ５４の出力値は、弁の可動範囲全域に渡るが分解能が小さく、図３に示した回転角検出用磁気センサ５２Ａおよび５２Ｂの出力値は、検出範囲が１回転と制限されるが分解能は大きくなりお互いに補完的な性格を持つ。
【００３２】
したがって、演算機能があるマイコンなどに上下位置検出用磁気センサ５４の出力および回転角検出用磁気センサ５２Ａおよび５２Ｂの出力を入力し、上下位置検出用磁気センサ５４の出力値から回転回数を演算し、回転角検出用磁気センサ５２Ａおよび５２Ｂの出力値から得た回転角を足し合わせることによって、弁の可動範囲全域に渡って高分解能の弁開度を検出することが可能となる。
弁開度は、回転角検出用磁気センサ５２Ａおよび５２Ｂの出力値から得た回転角θと、上下位置検出用磁気センサ５４の出力値から得た回転回数ｎとを用いて、下記（３）式で算出することができる。
【００３３】
【数２】
ところで、上記（３）式において、回転角０°付近では、回転回数ｎの誤差がある場合には、回転回数ｎに誤差を含むおそれがある。この誤差を修正する処理手法について、以下に説明する。
【００３５】
上下位置検出用磁気センサ５４の出力をＮとし、磁気ドラム５１の１回転の出力値の変化量をｘとして、出力Ｎを変化量ｘで除算して、整数部ｉと少数部ｄを得る。
次いで、少数部ｄが所定の範囲（例えば、０．１〜０．９）内にあるか否かを判断して、回転回数ｎが変化する回転角０°付近であるか否かを検査する。所定の範囲内に有るときには、回転角は０°から少なくとも±３６°以上離れたところにあるので、整数部ｉをそのまま回転回数ｎとしても誤りはない。
所定の範囲内にないときには、回転角は±３６°以内の個所にあり回転回数を表す整数部ｉに誤差が存在するおそれがあるので、回転角検出用磁気センサ５２の出力を用いて演算した回転角度θを用いて、以下の論理で整数部ｉの正確さを検査し、修正した回転数ｎを得る。
【００３６】
すなわち、少数部ｄが０．１以下であって回転角度θが０°か０°を越えているときは、回転回数ｎを整数部の値ｉとする。
少数部ｄが０．１以下であって回転角度θが０°に達していないときは、上下位置検出用磁気センサ５４の出力Ｎは正しい回転回数よりも大きな値が出力されているので、回転回数ｎを整数部の値ｉ−１とする。
少数部ｄが０．９以上であって回転角度θが０°か０°を越えているときは、上下位置検出用磁気センサ５４の出力Ｎは正しい回転回数よりも小さな値が出力されているので、回転回数ｎを整数部の値ｉ＋１とする。
少数部ｄが０．９以上であって回転角度θが０°に達していないときは、回転回数ｎを整数部の値ｉとする。
【００３７】
上記方法により得られた回転角情報すなわち弁開度情報は、ステッピングモータを制御するマイコンまたはコンピュータに入力され、脱調の監視や回転角の修正に利用する。
【００３８】
図５および図６を用いて、本発明にかかる電動弁１００の制御回路７の構成と、制御の流れを説明する。
制御回路７は、駆動回路制御部７１と、弁開度演算部７２と、脱調判定・修正部７３とを有して構成される。
【００３９】
脱調判定・修正部７３は、外部からの弁開度に関する指令と実際の回転角とを用いて脱調の有無を判定するとともに脱調の量を演算する脱調判定部７３１と、脱調判定部７３１が演算した脱調の量に基づいて弁開度の修正量を演算し修正値を出力する修正値演算部７３２とを有している。
【００４０】
駆動回路制御部７１は、弁開度や駆動ステップ数などの外部からの指令または脱調判定・修正部７３からの修正情報に基づいて、電動弁１００のモータの回転方向と回転量を演算し、電動弁を制御する情報を駆動回路８へ出力する機能を有している。
【００４１】
駆動回路８は、駆動回路制御部７１からの電動弁制御情報に基づいて、電動弁１００のモータを回転させる制御信号（駆動パルス）を作成し電動弁１００へ出力する機能を有している。
【００４２】
弁開度演算部７２は、回転角検出用磁気センサ５２および上下位置検出用磁気センサ５４からの信号に基づいて前記演算手法によって、電動弁１００の実際の回転角（弁開度）を演算し、演算結果を脱調判定・修正部７３へ出力する機能を有している。
【００４３】
脱調判定・修正部７３は、外部からの前記指令値と実際の回転角を比較し、一致するか否かを判定して脱調の有無を判定するとともにその脱調の量を演算し、脱調が有るときには脱調を修正する修正値を演算して駆動回路制御部７１へ出力する機能を有している。
【００４４】
図６を参照して、このような制御回路７を用いて、電動弁の開閉制御と回転角の監視を行う制御の流れを説明する。
電動弁１００の制御の開始に当たって、まず電動弁を全閉または全開として初期化処理を行った（Ｓ１）後、外部からの指令の入力を監視する（Ｓ２）。
外部からの指令があると、駆動回路制御部７１は、外部からの指令に基づいて電動弁１００のモータの回転方向と回転量を演算する（Ｓ３）。
【００４５】
駆動回路８は、駆動回路制御部７１からの制御情報に基づいて、電動弁１００のモータを回転させるパルスを固定子３３へ所定の順序で出力し、電動弁１００を駆動する（Ｓ４）。
駆動回路制御部７１は、パルス数をカウントし（Ｓ５）、パルス出力が終了したか否かを判断する（Ｓ６）。
パルス出力が終了すると、弁開度演算部７２は、回転角検出用磁気センサ５２Ａ，５２Ｂおよび上下位置検出用磁気センサ５４の出力を用いて弁開度を演算して（Ｓ７）、演算結果を脱調判定・修正部７３へ出力する。
【００４６】
脱調判定・修正部７３は、外部からの前記指令値と弁開度演算部７２からの実際の弁開度（回転角）を比較し、一致するか否かを判定して、脱調の有無を判定する（Ｓ８）。
脱調を生じていないときには、ステップＳ２に戻って次の指令を待つ。脱調が生じたときには、脱調判定・修正部７３は、指令値と実際の回転角から修正値を演算して駆動回路制御部７１へ出力し、駆動回路制御部７１は修正方向と修正量を演算して駆動回路８へ制御情報を出力し、駆動回路８は制御情報に基づいて修正パルスを出力して（Ｓ９）、ステップＳ４へ戻り、電動弁を駆動する。
【００４７】
このようにして、電動弁１００に生じた脱調を修正して正しい開弁量に制御することができる。
【００４８】
上記実施の形態では、磁気ドラムのＮ極Ｓ極の分割数は２分割の例を用いたが、特に分割数の制限は設けておらず、分割数を増やすことによってさらに高分解能とすることが可能になる。なお、弁開度の演算をするマイコンは、ステッピングモータを制御するマイコンと同一でも良い。
【００４９】
さらに、上記実施の形態では、初期化処理において、電動弁を全開または全閉として基準値を得たが、初期化に当たって、電動弁の全開時の各センサの出力と、全閉時の各センサの出力を得て、それぞれ最大値と最小値として弁開度を算出しても良い。
【００５０】
図７を用いて第１の実施の形態の変形例を説明する。
この例は、回転角検出用磁気センサ５２Ａ，５２Ｂと、上下位置検出用磁気センサ５４をキャン４の上面に設けた点が第１の実施の形態と異なっている。この例では、磁気ドラム５１の回転角を上面から検出するので、磁気ドラム５１が上下に移動しても回転角を検出できるので、磁器ドラム５１の厚みを薄くすることができ、回転角検出部５の高さを小さくすることができる。この例によれば、第１の実施の形態と同様に回転角に関する信号と上下位置に関する信号を得て、弁開度を検出することができる。
【００５１】
図８を用いて本発明の第２の実施の形態を説明する。図８（Ａ）は第２の実施の形態にかかる電動弁の弁開度検出部の図８（Ｂ）のＡ−Ａ線での断面図であり、図８（Ｂ）は該電動弁の縦断面を示す図である。
この実施の形態にかかる電動弁１００は、弁部１と、駆動部３と、弁開度検出部５とを有している。この実施の形態では、電動弁のステッピングモータは９６ステップで１回転し、弁の全閉から全開まで約５回転する。
【００５２】
弁部１は、弁本体１１と、該弁本体１１に固定された雌ネジ１２と、駆動部３の回転軸に固定されるとともに前記雌ネジ１２に螺合される雄ネジ１３と、該雄ネジ１３の先端に固定された弁１４と、本体に固定され前記弁を受ける弁座１５と、管１６，１７とを有して構成される。
【００５３】
駆動部３は、上下動可能に軸受に支持された回転軸３１と、回転軸３１に固定された回転子３２と、複数の磁極を有する固定子３３とから構成される。回転軸３１と回転子３２は、非磁性体から成るキャン４内に収容され、外部と遮断されている。
【００５４】
弁開度検出部５は、回転軸３１に固定されるとともに円周上を等分割してＮ極およびＳ極を着磁した磁気ドラム５１と、該磁気ドラムに対向してキャン４の外部に例えば９０度の間隔を置いて配置され前記磁気ドラムの磁界の変化を検出する回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａ，５５Ｂとを有して構成される。
この実施の形態においては、第１の実施の形態では円柱状であった磁気ドラム５１の形状を、頂部を切り取った円錐状とした点、および、上下動検出用磁石および上下位置検出用磁気センサをなくした点に特徴を有している。
すなわち、磁気ドラム５１は、上面の円の径と下面の円との径が異なり、周壁は傾斜した曲面として形成されている。
【００５５】
電動弁１００は、パルスを印加する固定子３３の磁極を順次変化することによって回転子３２を回転させて回転軸３１を回転させる。この回転によって、回転軸３１は、弁部１にある雌ネジ１２と雄ネジ１３の働きで上下に移動する。
回転軸３１に取り付けられた磁気ドラム５１も同様に回転にともなって上下し、対向する回転角・上下位置検出用磁気センサ５５との距離Ｘが変化する。回転角・上下位置検出用磁気センサ５５は、磁気ドラム５１との距離の変化による磁界の変化を検出し図９のような特性値を出力する。回転角・上下位置検出用磁気センサ５５の出力は、磁気ドラム５１と磁気センサ５５との距離に反比例する出力とＮＳ磁極による正弦波（余弦波）出力を合成した信号となる。
【００５６】
図９は、ステップ数で表した回転角度と回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａの出力の関係を示している。図９において、曲線Ａ0，Ａ1〜Ａｎは、それぞれ、回転回数が０回（１回目の回転）の曲線、回転回数が１回（１回転した後の２回目の回転）の曲線、回転回数がｎ回（ｎ回転した後のｎ＋１回目の回転）の曲線を表している。
【００５７】
曲線Ａ0，Ａ1〜Ａｎはステップ数に対応して変化する係数ａ0，ａ1〜ａｎを有している。すなわち、曲線Ａ0，Ａ1〜Ａｎの係数ａ0，ａ1〜ａｎは、ステップ数０からステップ数９６にかけて漸減し、ステップ数９６では係数ａ0はステップ数０の係数ａ1に等しく、ステップ数９６の係数ａ1はステップ数０の係数ａ2に等しくなっている。以下同様に係数は連続して減少して行く。
【００５８】
曲線Ａｎ（余弦波）のステップ数（回転角：θ）のときの係数ａｎを“ａ（ｎ，θ）”で表すと、回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａの出力は、ステップ数が０（回転角：０°）のときに“ａ（ｎ，０°）・ｃｏｓ０°”であり、ステップ数が２４（回転角：９０°）のときに“ａ（ｎ，９０°）・ｃｏｓ９０°”であり、ステップ数４８（回転角：１８０°）のときに“ａ（ｎ，１８０°）・ｃｏｓ１８０°”、ステップ数７２（回転角：２７０°）のとき“ａ（ｎ，２７０°）・ｃｏｓ２７０°”であり、ステップ数が９６（回転角：３６０°＝０°）のときに“ａ（ｎ，３６０°）・ｃｏｓ３６０°＝ａ（ｎ＋１，０°）・ｃｏｓ０°”となる。
【００５９】
このことによって、図１０に示すように、曲線Ａ0のステップ数９６は曲線Ａ1のステップ数０につながり、曲線Ａ1のステップ数９６は曲線Ａ2のステップ数０につながる、連続して減衰する余弦曲線となる。
【００６０】
このように、回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａの出力は、回転回数に比例して減少する余弦波状曲線の出力が得られる。同様に、回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａと角度で９０°ずれた位置にある回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ｂの出力は、回転回数に比例して減少する正弦波状曲線の出力が得られる。
【００６１】
それぞれの曲線Ａ0，Ａ1〜Ａｎのステップ数０における値は下記（４）式によって得ることができる。（４）式において、［Ａ0］，［Ａ1］〜［Ａｎ］は、それぞれ回転回数０，１〜ｎ回のステップ数０における出力値であり、αは磁気ドラム５１が１回転する間の出力の減衰量を、ｎは磁気ドラム５２の回転回数を示している。
【００６２】
【数３】
各曲線の初期値［Ａｎ］は、ステップ数０から回転角度に対して正弦波的に変化するとともに減衰量αで減衰し、磁気センサ５２の出力は下記（５）式および（６）式で示される。
【００６４】
【数４】
（６）式から、回転回数ｎは、下記（７）式で示され、Ｋ＝−１／α、Ｌ＝−１／３６０°，Ｍ＝−［Ａ0］／αとすると、回転回数ｎは、（８）式で示される。
回転回数ｎは、例えば減衰量αが一定でないなどの理由により整数にならない場合があるが、その場合は少数部を四捨五入することにより回転回数ｎを求めることができる。
【００６６】
【数５】
回転回数ｎを算出するに当たっては、回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａの回転回数に対応した出力値（余弦波）の変化が小さくなる付近（ゼロクロス近傍）では、演算に誤差を生じるおそれが有るので、出力値の変化の大きい領域の出力、例えば回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ｂの出力（正弦波）に切り替えて演算することによって、誤差の発生を押さえることができる。
【００６８】
以上のように、この実施の形態によれば、磁気ドラム５１と一対の回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａ，５２Ｂを設けることによって、回転角と回転回数を検出することができる。
【００６９】
図１１用いて、本発明の第２の実施の形態の変形例を説明する。
この例は、第１の実施の形態の変形例に用いた扁平な磁気ドラム５１と、回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａ，５５Ｂを用いた点に特徴を有している。この例によれば、磁気ドラム５１の回転角を上面から検出しているので、磁気ドラム５１が上下に移動しても回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａ，５５Ｂによって検出できるので、磁器ドラム５１の厚みを薄くすることができ、回転角検出部５の高さを小さくすることができる。この例によれば、第２の実施の形態と同様に回転角・上下位置検出用磁気センサ５５Ａ，５５Ｂを用いて回転角に関する信号と上下位置に関する信号を得て、弁開度を検出することができる。
【００７０】
【発明の効果】
この発明は、磁気センサを利用することによって、キヤン内部の回転軸の回転角と軸方向の移動位置をキヤン外部から検出することを可能にした。さらに、本発明は、磁気エンコーダ（磁気ドラム５１と磁気センサ５２からなるセンサ）とポジションセンサ（磁石５３と磁気センサ５４からなるセンサ）を組み合わせ、双方の出力値を演算することにより安価でありながら高精度な位置検出を可能にした電動弁の弁開度検出装置を提供することができる。したがって、その位置データを電動弁の制御にフイードバックすることによって、脱調の検出・修正を行うことができ、また弁の不具合時には異常信号を出力することによって、電動弁を取り付けた空調・冷凍システムの安全性を高めることができる。
【００７１】
さらに、第２の実施の形態に示した電動弁の弁開度制御装置では、ポジションセンサを用いることなしに、磁気エンコーダのみで、安価でありながら高精度な位置検出を可能にした電動弁の弁開度検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる電動弁の弁開度検出装置の構造の概要を説明する図。
【図２】本発明にかかる電動弁の弁開度検出装置の上下位置検出用磁気センサの出力特性を説明する特性図。
【図３】本発明にかかる電動弁の弁開度検出装置の回転角検出用磁気センサの出力特性を説明する特性図。
【図４】回転角検出用磁気センサの出力値と回転角の関係を示す相関曲線図。
【図５】本発明にかかる電動弁の弁開度検出装置の制御回路の構成を示すブロック図。
【図６】本発明にかかる電動弁の弁開度検出装置の制御回路の動作を説明するフローチャート。
【図７】第１の実施の形態にかかる電動弁の弁開度検出装置の変形例を説明する図。
【図８】本発明の第２の実施の形態にかかる電動弁の弁開度検出装置の構造の概要を説明する図。
【図９】本発明の第２の実施の形態にかかる電動弁の弁開度検出装置の回転角検出用磁気センサの出力特性を説明する特性図。
【図１０】本発明の第２の実施の形態にかかる電動弁の弁開度検出装置の回転角検出用磁気センサの出力特性を説明する特性図。
【図１１】第２の実施の形態にかかる電動弁の弁開度検出装置の変形例を説明する図。
【図１２】従来の電動弁の構造の概要を説明する図。
【符号の説明】
１ 弁部
１１ 弁本体
１２ 雌ネジ
１３ 雄ネジ
１４ 弁
１５ 弁座
１６，１７ 管
３ 駆動部
３１ 回転軸
３２ 回転子
３３ 固定子
４ キャン
５ 回転角検出部
５１ 磁気ドラム
５２ 回転角検出用磁気センサ
５３ 磁石
５４ 上下位置検出用磁気センサ
５５ 回転角・上下位置検出用磁気センサ
７ 制御回路
７１ 駆動回路制御部
７２ 弁開度演算部
７２ 脱調判定・修正部
７３１ 脱調判定部
７３２ 修正値演算部
８ 駆動回路
１００ 電動弁
Claims (7)
- ステッピングモータの回転軸に同軸に固定するとともにＮ極およびＳ極を円周上に等分割に着磁した磁気ドラムと、前記磁気ドラムの円周上のＮＳ極に相対するキヤン外側の円周上に設けた、前記磁気ドラムの磁界の変化を検出し磁気ドラムの回転角度を検出する回転角検出用磁気センサと、前記回転軸の端部に設けた磁石と、該磁石に相対するキヤン外側に設けた、該磁石の磁界の変化を検出し回転軸の上下位置を検出する上下位置検出用磁気センサと、前記回転角検出用磁気センサおよび前記上下位置検出用磁気センサの検出値から弁開度を演算する弁開度演算手段とを有することを特徴とする電動弁の弁開度検出装置。
- 前記弁開度演算手段は、前記回転角検出用磁気センサの前記磁気ドラムのＮＳ極に同期する近似正弦波の検出値から回転角あるいは前記回転角に相当する円周上の位置を演算する手段と、前記上下位置検出用磁気センサの前記回転軸の移動位置に比例する検出値から前記回転軸の上下位置を演算する手段とを有し、前記上下位置検出用磁気センサから得た前記上下位置のデータを前記磁気ドラムのＮＳ極の周期幅で分割し、前記周期幅に前記回転角検出用磁気センサから得られる回転角あるいは前記回転角に相当する円周上の位置のデータを割り当てることを特徴とする請求項１に記載の電動弁の弁開度検出装置。
- 前記回転角検出用磁気センサが、ホール素子、磁気抵抗素子のいずれかから構成された請求項１または請求項２に記載された電動弁の弁開度検出装置。
- ステッピングモータの回転軸に同軸に固定するとともにＮ極およびＳ極を円周上に等分割に着磁した上面の円の径と下面の円の径が異なる磁気ドラムと、前記磁気ドラムの円周上のＮＳ極に相対するキヤン外側の円周上に設けた、前記磁気ドラムの磁界の変化を検出し磁気ドラムの回転角度と上下位置を検出する回転角・上下位置検出用磁気センサと、前記回転角・上下位置検出用磁気センサの検出値から磁気ドラムの回転回数と上下位置を演算して弁開度を演算する弁開度演算手段とを有することを特徴とする電動弁の弁開度検出装置。
- 前記弁開度演算手段は、前記回転角・上下位置検出用磁気センサの前記磁気ドラムのＮＳ極に同期する近似正弦波の検出値から、回転角あるいは前記回転角に相当する円周上の位置と、前記回転軸の上下位置を演算する手段を有し、前記上下位置のデータを前記磁気ドラムのＮＳ極の周期幅で分割し、前記周期幅に前記回転角検出用磁気センサから得られる回転角あるいは前記回転角に相当する円周上の位置のデータを割り当てることを特徴とする請求項４に記載の電動弁の弁開度検出装置。
- 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電動弁の弁開度検出装置を用いた弁開度制御装置において、弁開度演算装置が演算した弁開度と外部から入力された弁開度指令値とを比較してステッピングモータの脱調を検出する脱調検出手段を設けたことを特徴とする電動弁の弁開度制御装置。
- 前記脱調検出手段が検出した脱調の量に基づいて弁開度の修正量を算出する弁開度修正手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載の電動弁の弁開度制御装置。
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