KR20040068853A

KR20040068853A - 액추에이터 구동장치 및 구동방법

Info

Publication number: KR20040068853A
Application number: KR1020030100104A
Authority: KR
Inventors: 타쯔오 미야시따; 아키오 마도코로; 시게오 야마다
Original assignee: 교와 덴끼 고교 주식회사; 쓰다고마 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-12-30
Publication date: 2004-08-02
Also published as: EP1441372A2; CN1548597A; JP2004225229A; EP1441372A3; CN100414652C; JP4401084B2

Abstract

본 발명에 따른 액추에이터 구동장치 및 구동방법은, 액추에이터를 구동 정지명령에 의해 신속하게 OFF시킬 수 있음과 동시에, 구동장치를 저렴하게 하기 위한 것이다. 액추에이터 구동장치는, 여자 코일과 직류 전원과의 사이에 배치되어 있음과 동시에, 소정의 구동기간 중의 과여자 기간 및 상기 과여자 기간 이후의 유지기간에 대응하여 발생되는 펄스폭 변조신호에 따라 개폐되는 제1 개폐기와, 상기 여자 코일에 병렬로 접속되어 있음과 동시에, 환류 다이오드와 이것에 직렬로 접속되어 있는 제2 개폐기를 갖는 환류부와, 상기 구동기간 종료 후의 소정의 기간에 걸쳐 분리신호를 상기 제2 개폐기에 출력하는 분리신호 발생기를 포함하는 처리회로를 1 이상 포함하고, 상기 제2 개폐기는 상기 분리신호의 입력에 의해 열림 상태가 되어 상기 여자 코일로의 전류의 환류를 저지한다.

Description

액추에이터 구동장치 및 구동방법{Actuator Driving Apparatus and Method}

발명의 분야

본 발명은 솔레노이드와 같은 액추에이터의 구동장치 및 방법에 관한 것으로, 액추에이터를 효율적으로 구동시키는 기술에 관한 것이다.

발명의 배경

예를 들어, 유체 분사식 직기에 이용되는 구동장치에 있어서, 유도 부하로서 작용하는 솔레노이드와 같은 액추에이터를 구동시키는 구동장치의 하나로서, 일본 실용신안공보 실공평3-49367호, 일본 공개실용신안공보 실개평7-31884호 및 일본공개특허공보 소60-9945호에 기재된 기술이 알려져 있다.

실공평3-49367호 공보(도1, 2쪽 4란 28행∼2쪽 4란 31행, 3쪽 5란 13행∼3쪽 5란 18행)에 기재된 기술은, 직기의 전자밸브 등의 여자 회로가 나타내어져 있고, 보다 상세하게는 과여자용 전원에 접속되고 여자 개시부터 소정의 여자 시간 동안 닫히는 제1 개폐기와, 유지용 전원에 접속되고 동작지령 신호에 의해 제어되는 제2 개폐기를 갖추고, 여자 코일을 양 개폐기의 출력신호의 논리합 신호에 의해 여자한다.

이 기술에 있어서는, 과여자 전원으로부터 공급되는 정격(定格) 이상의 전압을 소정 시간 여자 코일에 인가하여 솔레노이드를 급속하게 동작시키고, 그 후 유지 전원으로부터 공급되는 정격 전압 이하의 전압을 여자 코일에 인가함으로써 여자 코일의 발열을 억제한다.

실개평7-31884호 공보(단락번호 0002) 및 특개소60-9945호 공보에 기재된 기술은, 솔레노이드의 여자 코일의 전원회로에 전환 스위치를 개재(介在)시킴과 동시에, 동작지령 신호에 대한 솔레노이드의 응답성을 높이기 위해 여자 코일을 펄스폭 변조신호(PWM 신호)에 의해 제어한다.

실공평3-49367호 공보에 기재된 기술에서는, 과여자용 및 유지용 전원, 및 2개의 개폐소자를 구동장치에 갖출 필요가 있어, 구동장치의 제조비용이 많아진다. 특히, 에어 제트 직기의 위사 삽입 장치와 같이, 복수의 위사 삽입 노즐용 전자밸브 등을 구동하기 위한 복수의 구동장치를 갖춘 직기에 있어서는, 그와 같은 제조비용의 문제를 무시할 수 없다.

실개평7-31884호 공보 및 특개소60-9945호 공보에 기재된 기술에서는, 과여자 구동에 대해서 고려하고 있지 않기 때문에, 솔레노이드의 응답이 늦는 문제를 갖고 있다. 특히, 상기 위사 삽입 장치와 같이, 액추에이터의 빠른 응답성이 요구되는 직기에 있어서는, 그와 같은 응답 늦음의 문제를 무시할 수는 없다.

본 발명의 목적은 액추에이터의 응답성을 유지하면서, 액추에이터를 구동하는 구동장치를 저렴하게 하는데 있다.

본 발명의 상기의 목적 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 이하 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 구동장치의 개략 회로도이다.

도2는 도1에 나타낸 구동장치의 과전류 검출기의 개략 회로도이다.

도3은 도1에 나타낸 구동장치의 타이밍 차트이다.

* 도면의 주요부호에 대한 설명 *

S1: 구동신호 S2: 펄스 신호

S3: 과여자(過勵磁) 신호 S4: 펄스폭 변조신호

S5: 분리신호 T1: 구동기간

T2: 과여자 기간 T3: 유지기간

T4: 기간 10: 구동장치

12: 처리회로 14: 솔레노이드(solenoid) 소자

16: 플러스 전극 18: 어스 전극

20: 서지(surge) 흡수소자 22, 24: 서지 흡수소자의 단자

26: 과(過)전류 검출기 28: 펄스 발생기

30: 과여자 신호 발생기 32: FET(제1 개폐기)

34: 펄스폭 변조신호 발생기 36: 환류부(還流部)

38: 분리신호 발생기 40: 다이오드

42: FET(제2 개폐기) 44: 환류 다이오드

46, 48: 솔레노이드 소자의 단자 50: 환류 제어부

52: 제너 다이오드(Zener diode) 54: 저항소자

56: 스위칭 회로

본 발명에 따른 액추에이터 구동장치는, 액추에이터의 여자 코일과 직류 전원과의 사이에 배치되어 있음과 동시에, 구동기간 중의 과여자 기간 및 상기 과여자 기간 이후의 유지기간에 대응하여 발생되는 펄스폭 변조신호에 따라 개폐되는 제1 개폐기와, 상기 여자 코일과 병렬로 접속된 환류부로서 환류 다이오드 및 이것에 직렬로 접속된 제2 개폐기를 갖는 환류부와, 상기 구동기간 종료 후의 소정의 기간에 걸쳐 분리신호를 상기 제2 개폐기에 출력하는 분리신호 발생기를 갖춘 최소한 하나의 처리회로를 포함한다. 상기 환류 다이오드는, 상기 제1 개폐기의 열림동작 시에 상기 여자 코일의 한쪽 끝에서 다른쪽 끝을 향해 발생되는 전류를 환류 가능하게 설치되어 있고, 상기 제2 개폐기는 상기 구동기간의 종료에 따라 발생되는 상기 분리신호의 입력에 의해 열림 상태가 되어 상기 환류를 저지한다.

본 발명에 따른 액추에이터의 구동방법은, 액추에이터의 여자 코일과 직류 전원과의 사이에 배치되어 있음과 동시에, 구동기간 중의 과여자 기간 및 상기 과여자 기간 이후의 유지기간에 각각 대응하여 발생되는 펄스폭 변조신호에 따라 개폐되는 제1 개폐기와, 상기 여자 코일과 병렬로 접속되고 환류 다이오드 및 이것에 직렬로 접속된 제2 개폐기를 갖는 환류부를 갖춘 최소한 하나의 처리회로를 포함하는 구동장치로서, 상기 환류 다이오드가 상기 제1 개폐기의 열림 동작 시에 상기 여자 코일의 한쪽 끝에서 다른쪽 끝을 향해 발생되는 전류를 환류 가능하게 설치되어 있는 구동장치에 의한 액추에이터의 구동방법으로, 상기 제2 개폐기를, 상기 구동기간에 걸쳐 상기 펄스폭 변조신호의 출력이 OFF일 때에 최소한 닫힘 상태로 하여 상기 환류를 허락하고, 상기 구동기간 종료 시에 열림 상태로 하여 상기 환류를 저지하는 것을 포함한다.

제1 개폐기는 액추에이터의 구동기간 중의 과여자 기간 및 이 이후의 유지기간에 대응하여 발생되는 펄스폭 변조신호에 의해 개폐 구동되고, 액추에이터의 여자 코일은 펄스폭 변조신호에 대응하여 직류 전원에 전기적으로 접속된다.

보다 상세하게는, 유지기간에 있어서의 펄스폭 변조신호는, 과여자 기간에 대하여 듀티(duty)비가 작기 때문에, 과여자 기간에서는 직류 전원으로부터의 전압이 긴 기간 여자 코일에 공급되고, 또한 유지기간에서는 짧은 기간 공급된다. 한편, 구동기간 중에는, 상기 펄스폭 변조신호의 OFF에 따라, 여자 코일로부터 발생되는 역(逆) 기전력(起電力)에 의한 전류가 제2 개폐기 및 환류 다이오드를 경유하여 여자 코일에 환류되는 것이 허락된다. 따라서, 구동기간에 있어서의 전기 공급기간이 짧은 유지기간에서는, 여자 코일에는 직류 전원으로부터의 전기 공급이 차단된 후에도 여자 코일 스스로 발생되는 전류가 환류되어, 과여자 기간에 비해 전류를 억제한 전기 공급이 행해진다. 이와 같이 하여, 과여자 및 유지를 위한 전원을 공통의 직류 전원으로 하고, 게다가 개폐기의 수를 억제한 회로에 의해 과여자 구동 및 유지구동을 실현하는 것이 가능해져, 구동장치 전체가 싸진다.

또한, 액추에이터의 신속한 응답이 요구되는 산업기계에서는, OFF 동작이 늦는 것이 문제가 되기 때문에, 본건 발명에서는, 제2 개폐기를 구동기간 종료 후의 소정기간 열림 상태로 하여 여자 코일로의 전류의 환류를 저지하도록 하고 있다.

구동기간 종료 시에, 제1 개폐기가 열림 상태가 되어 여자 코일로의 전기 공급이 차단되고, 이에 따른 유도 기전력(이하, 「역 기전력」이라 한다)이 여자 코일로부터 발생해도, 제2 개폐기가 열림 상태가 되기 때문에, 환류 다이오드에 의한 여자 코일로의 전류의 환류가 저지된다. 그 결과, 여자 코일의 구동을 신속하게 OFF 상태로 할 수 있다. 이와 같이 하여, 구동 지령을 받고 있는 동안, 과여자 상태 및 유지상태로 구동되기 때문에, 액추에이터를 최적으로 온(ON)·오프(OFF)시킬 수 있다.

환류 다이오드의 한쪽 끝과 여자 코일의 한쪽 끝이 접속되어 있고, 환류 다이오드의 다른쪽 끝이 제2 개폐기만을 사이에 두고 여자 코일의 다른쪽 끝에 접속되어 있어도 좋다.

보다 바람직하게는, 제2 개폐기는 N채널 FET로 구성되어 있고, 구동기간 종료 시에 상기 전기공급 차단 시의 역 기전력이 발생하는 여자 코일의 단자는, FET의 드레인쪽 단자에 접속되어 있음과 동시에, 저항소자를 사이에 두고 FET의 게이트쪽 단자에 접속된다. 이와 같이 하면, FET를 구동시키기 위한 회로소자의 수를 보다 삭감할 수 있게 된다.

게다가, 구동장치는 상기 여자 코일의 양단에 접속되고, 상기 구동기간 종료 시에 있어서의 역 기전력을 내부 소비하는 서지 흡수소자를 포함할 수 있다. 그와 같이 하면, 구동기간 종료에 의해, 여자 코일로의 전기 공급을 차단했을 때에 발생하는 노이즈를 저감시킬 수 있다.

상기 구동장치는, 복수의 상기 여자 코일에 대응하여 설치되는 복수의 상기 처리회로를 포함하고, 상기 여자 코일의 상기 역 기전력이 발생하는 단자는 각 처리회로마다 설치되는 다이오드를 사이에 두고 상기 서지 흡수소자의 한쪽 끝에 전기적으로 접속되어 있고, 상기 여자 코일의 다른쪽 끝은 상기 서지 흡수소자의 다른쪽 끝에 전기적으로 접속되어 있다. 그와 같은 접속에 의해, 서지 흡수소자를 복수의 처리회로에서의 공유화가 가능해지고, 서지 흡수소자를 보다 유효하게 활용할 수 있다.

상기 구동장치는 유체 분사식 직기에 있어서의 위사 삽입 장치용 액추에이터의 구동에 이용되고 있어도 좋다. 그와 같이 하면, 구동정지 지령을 받은 때부터 액추에이터의 구동이 OFF될 때까지의 시간 늦음(구동기간)이 단축된다. 이에 의해,예를 들어 직기의 메인 노즐의 개폐 밸브에 적용한 경우에는, 불필요한 분사에 의해, 위사에 손상을 주고, 위사 삽입용 유체를 낭비하는 등의 부적합함을 방지할 수 있다. 또한, 위사 길이측정 저장장치의 액추에이터(정지 핀 솔레노이드 등)에 적용한 경우에는, 동작 늦음에 의한 길이측정 미스의 발생을 미연에 방지할 수 있다.

발명의 실시형태

도1 내지 도3을 참조하면, 구동장치(10)는 1 이상의 처리회로(12)를 포함한다. 각 처리회로(12)에는, 1 이상의 여자 코일(14)이 접속되어 있다. 여자 코일(14)은, 유도 부하로서 작용하는 솔레노이드와 같은 액추에이터의 구동 코일이고, 도시한 예에서는 솔레노이드 소자로서 작용한다.

이하, 액추에이터로서, 전자밸브를 예를 들어 설명한다. 따라서, 여자 코일(14)은 전자밸브의 구동 코일이다.

직류 전원의 플러스 전극(16)과, 마이너스 전극으로서 작용하는 어스 전극(18)은, 각 처리회로(12)에 전기적으로 접속되어 있다. 서지 흡수소자(20)는, 복수의 처리회로(12)에서 공통으로 사용되고 있고, 또한 각 여자 코일(14)과 병렬로 접속되어 있다. 직류 전원의 출력전압은 여자 코일(14)의 정격 전압값에 대해, 수배(예를 들어 1.5배∼5배의 범위 내)로 되어 있다.

서지 흡수소자(20)의 단자(22 및 24)는, 각각 플러스 전극(16) 및 각 처리회로(12)에 전기적으로 접속되어 있다. 본 실시예에서는, 과전류 검출기(26)가 플러스 전극(16)과 단자(22)와의 사이에 배치되어, 양자에 전기적으로 접속되어 있다.

서지 흡수소자(20)로는, 예를 들어 바리스터(varister), CR 회로(소위 스너버(snubber) 회로) 등, 전기 에너지를 내부에서 소비함과 동시에, 소비된 전기 에너지를 열로 변환하여 방출하는 소자가 이용된다. 서지 흡수소자(20)로서 바리스터를 이용하면, 서지가 발생했을 때에만 전기 에너지가 소비되기 때문에, 전기를 절약하는 효과가 커진다.

도시하지 않은 직기 제어장치는, 각 처리회로(12)에 대응한 도3(A)에 나타낸 구동신호(S1)를 처리회로(12)마다 출력한다. 예를 들어, 에어 제트 직기의 메인 노즐과 경사 개구 내에 나란히 설치되는 복수의 서브 노즐을 포함하고, 각 노즐을 릴레이 분사하여 위사 삽입하는 위사 삽입 장치의 경우, 각 노즐에 대하여 정해지는 분사 타이밍에 따라 각 구동신호(S1)가 각 처리회로를 향해 출력된다.

펄스 발생기(28)는, 일정 주파수를 갖는 펄스신호(S2)를 발생하고, 그 펄스신호(S2)를 복수의 처리회로(12)에 출력한다. 펄스신호(S2)는, 도3(C)에 나타낸 바와 같이, 구동신호(S1)의 온(ON) 및 오프(OFF)에 관계없이 소정의 주기로 ON, OFF를 반복한다.

각 구동신호(S1)는, 직접 처리회로(12)마다 갖추어진 과여자 신호 발생기(30)에 공급된다. 각 과여자 신호 발생기(30)는, 구동신호(S1)의 시작 때부터 일정기간(예를 들어 5ms에서 10ms) 사이에 ON이 되는 도3(B)에 나타낸 바와 같이 과여자 신호(S3)를 출력한다. 따라서, 각 처리회로(12)에는, 구동신호(S1), 구동신호(S1)에 대응한 과여자 신호(S3) 및 펄스신호(S2)가 입력된다.

처리회로(12)는, 스위칭용 N채널의 전계(電界) 효과형 트랜지스터(이하,「FET」라 한다)(32)와, 입력신호(구동신호, 펄스신호, 과여자 신호)(S1, S2, S3)를 기초로 펄스폭 변조(PWM)된 펄스폭 변조신호(PWM 신호)(S4)를 발생하는 펄스폭 변조신호 발생기(PWM 신호 발생기)(34)와, FET(32)에 대해 직렬로 접속된 환류부(36)와, 구동신호(S1)를 기초로 환류부(36)를 여자 코일(14)로부터 전기적으로 분리하는 분리신호 발생기(38)와, 역류 방지용 다이오드(40)를 포함한다.

여자 코일(14)의 단자(46) 및 단자(48)는, 각각 서지 흡수소자(20)의 단자(22) 및 다이오드(40)를 사이에 두고 서지 흡수소자(20)의 단자(24)에 전기적으로 접속되어 있다. 다이오드(40)는 여자 코일(14)의 역 기전력이 발생하는 단자(48)와 서지 흡수소자(20)의 단자(22)와의 사이에 전기적으로 접속되어 있다. 보다 상세하게는, 다이오드(40)의 애노드 단자는 여자 코일(14)의 단자(48)에, 또한 캐소드 단자는 서지 흡수소자(20)의 단자(24)에 접속되어 있다.

FET(32)의 드레인 단자 및 소스 단자는, FET(32)가 여자 코일(14)과 직렬 접속되도록 각각 여자 코일(14)의 단자(48) 및 어스 전극(18)에 전기적으로 접속되어 있다.

보다 상세하게는, 도시한 회로에서는 FET(32)의 드레인 단자(D)는 여자 코일(14)의 단자(48)에, 또한 소스 단자(S)는 어스 전극(18)에 접속되어 있다. 또한 후술하는 바와 같이, 펄스폭 변조신호 발생기(34)로부터의 펄스폭 변조신호(S4)는 제1 개폐기인 FET(32)의 게이트 단자(G)에 입력된다. 따라서, 펄스폭 변조신호 발생기(34)로부터의 펄스폭 변조신호(S4)가 ON이 됨으로써, FET(32)가 동작 ON 상태(즉 드레인 단자(D)와 소스 단자(S) 사이를 닫힘 상태)가 되고, 도시하지 않은직류 전원은 여자 코일(14)에 전력을 공급한다.

펄스폭 변조신호 발생기(34)는, 구동신호(S1)가 ON되어 있는 기간에 걸쳐 과여자 신호(S3) 및 펄스 신호(S2) 쌍방의 논리합 출력을 펄스폭 변조신호(S4)로서 출력한다. 펄스폭 변조신호(S4)는, FET(32)의 게이트쪽 단자에 입력되어, FET(32)를 개폐시킨다. 이에 의해, 여자 코일(14)의 단자(48)와 어스 전극(18) 사이는 전기적으로 개폐된다.

펄스 발생기(28)로부터 출력되는 펄스 신호의 듀티비는, 후술하는 실시예에서는 50%로 되어 있지만, 과여자 구동 후, 유지상태가 유지되는 정도로 낮은 듀티비로 정할 수 있고, 예를 들어 20%∼60%의 범위로 정할 수 있다. 이에 대해, 과여자 신호 발생기(30)로부터의 과여자 신호(S3)는, 바람직하게는 상기 일정기간 ON이 되는 듀티비 100%의 펄스신호로 되어 있지만, 이 이하의 듀티비로, 유지 구동 시에 있어서의 듀티비보다도 높은 값으로 정할 수도 있어, 예를 들어 70%∼100%의 범위로 정할 수 있다. 이들 듀티비는, 액추에이터의 응답성, 유지동작 상황, 여자 코일의 발열 등을 고려하여 결정하면 좋다.

환류부(36)는, 여자 코일(14)에서 발생되는 역 기전력을 여자 코일(14)에 환류시키는 회로이고, FET(42)와 환류 다이오드(44)를 직렬로 접속하고, 그 직렬 접속회로를 여자 코일(14)과 병렬로 접속하고 있다.

보다 상세하게는, 도시한 회로에서는, 환류 다이오드(44)의 애노드 단자는 여자 코일(14)의 단자(48)에 접속되고, 또한 캐소드 단자는 FET(42)의 드레인 단자(D)에 접속된다. 한편, FET(42)의 소스 단자(S)는, 여자 코일(14)의 단자(46)에 접속되어 있고, 환류부(36)는 여자 코일(14)에서 전류 OFF에 따른 유도 기전력으로 단자(48)로부터 바깥쪽으로의 전류가 발생하고, 그리고 FET(42)가 동작 ON 상태에 있을 때, 단자(48)쪽에서 단자(46)쪽을 향해 전류의 흐름을 허용하도록 되어 있다.

분리신호 발생기(38)는 구동신호(S1)가 OFF일 때 ON이 되고, ON일 때 OFF가 되는 도3(E)에 나타낸 분리신호(S5)를 환류 제어부(50)의 스위칭 회로(56)에 출력한다.

환류 제어부(50)는, 여자 코일(14)에 의해 발생되는 역 기전력을 여자 코일(14)에 환류시키는 것을 제어하는 회로이고, 제너 다이오드(52)와, 제너 다이오드(52)에 직렬로 접속된 저항 소자(54)와, 제너 다이오드(52)에 병렬로 접속된 스위칭 회로(56)를 포함한다.

제너 다이오드(52)와 저항 소자(54)와의 직렬 접속회로는, FET(42) 및 환류 다이오드(44)와의 직렬 접속회로와, 여자 코일(14)에 병렬로 접속되어 있다. 제너 다이오드(52)와 저항 소자(54)와의 접속점은 FET(42)의 게이트에 전기적으로 접속되어 있다.

스위칭 회로(56)는 FET(42)의 소스 및 게이트 및 제너 다이오드(52)의 양단에 전기적으로 접속되어 있다. 보다 상세하게는, 제너 다이오드(52)의 애노드 단자는 FET(42)의 소스 단자(S)에, 또한 제너 다이오드(52)의 캐소드 단자는 FET(42)의 게이트 단자(G)에 접속되어 있다. 또한, 스위칭 회로(56)는 예를 들어 유접점 회로 또는 무접점 회로로 구성되고, 분리신호(S5)에 따라 출력단자 사이를 도통(導通)상태 또는 비도통 상태로 전환할 수 있다.

스위칭 회로(56)는, 분리신호(S5)를 받고, 받은 분리신호(S5)가 ON일 때, FET(42)의 소스 및 게이트와 제너 다이오드(52)의 양단을 전기적으로 닫힘 상태로 하고, OFF일 때, FET(42)의 소스 및 게이트와 제너 다이오드(52)의 양단을 전기적으로 열림 상태로 한다.

저항 소자(54)의 저항값은 수 ㏀로 설정할 수 있다. 저항 소자(54)는 FET(42)의 드레인 단자 및 소스 단자 사이에 전압을 발생시키는 소자로서 갖추어져 있다.

여자 코일(14)의 단자(48)는 FET(42)의 드레인 단자에 환류 다이오드(44)를 사이에 두고 전기적으로 접속되어 있음과 동시에, 저항 소자(54)를 사이에 두고 FET(42)의 게이트쪽 단자에 전기적으로 접속되어 있다. 환류 다이오드(44)의 캐소드 쪽은, FET(42)만을 사이에 두고 여자 코일(14)의 단자(46)에 전기적으로 접속되어 있다.

제너 다이오드(52)는, FET(42)에 병렬로 접속되어 있다. 제너 다이오드(52)의 애노드 단자는 여자 코일(14)의 단자(48)에, 또한 제너 다이오드(52)의 캐소드 단자는 FET(42)의 게이트 단자쪽 저항 소자(54)에 전기적으로 접속되어 있다.

FET(32)로의 전류를 OFF로 했을 때에 생기는 유도 기전력이 여자 코일(14)에 생기고, 이 유도 기전력에 의한 전류가 단자(48)에서 바깥쪽으로 흐르면, 단자(48)의 전위가 급격하게 상승하고, 이것에 접속되어 있는 제너 다이오드(52)에 있어서 제너 항복이 발생한다. 이 때문에, FET(42)의 게이트 단자(G)의 전위가 소스단자(S)의 전위보다도 높은 상태가 되어, FET(42)가 동작 ON 상태(즉 드레인 단자(D)∼소스 단자(S) 사이가 닫힘 상태)가 되고, 환류부(36)는 단자(48)로부터의 상기 유도 기전력에 의한 전류를 환류 다이오드(44)를 사이에 두고 단자(46)로 환류시킬 수 있다.

한편, 분리신호(S5)에 의해 스위칭 회로(56)가 출력단자를 도통상태로 했을 때, 만약 여자 코일(14)에서 전류 OFF에 따른 유도 기전력으로 단자(48)에서 바깥쪽으로 전류가 발생되었다고 해도, FET(42)의 게이트 단자(G)의 전위는 소스 단자(S)의 전위와 동일하다. 따라서, FET(42)가 동작 OFF 상태(즉 드레인 단자(D)∼소스 단자(S) 사이가 열림 상태)가 되고, 또한 환류부(36)는 단자(48)로부터의 상기 유도 기전력에 의한 전류를, 환류 다이오드(44)를 경유하여 단자(46)로 환류시키지 않는다. 이와 같이 하여, 환류 제어부(50)는 FET(42)의 개폐동작에 필요한 전력을 전류 OFF에 따른 여자 코일로부터의 유도 기전력(역 기전력)을 이용함과 동시에 분리신호(S5)에 의해, 후단의 환류부(36)의 동작, 즉 여자 코일(14)에서 전류 OFF에 따른 유도 기전력에 의한 전류의 환류를 제어할 수 있다.

구동장치(10)에서는, 복수의 여자 코일(14)이 1대1의 관계로 복수의 처리회로(12)에 갖추어져, 각 여자 코일(14)이 독립하여 구동 가능하게 되어 있다. 바람직하게는, 각 처리회로(12)에는, 다이오드(40)를 갖추고, 복수의 처리회로(12)에 대해 서지 흡수소자(20)를 공유화(겸용화)하도록 회로 구성된다.

보다 상세하게는, 도시한 회로에서는, 복수의 처리회로에 대해, 서지 흡수소자(20)가 하나 설치되어 있고, 서지 흡수소자(20)의 한쪽 끝은 과전류 검출기(26)의 출력단인 단자(22)에 접속되어 있다. 각 다이오드(40)의 애노드 단자는 여자 코일(14)의 단자(48)에 접속되고, 다른쪽 각 캐소드 단자는 합쳐서 단자(24)에 접속되고, 그리고 단자(24)를 경유하여 서지 흡수소자(20)의 상기 다른쪽 끝에 접속되어 있다.

따라서, 각 다이오드(40)는 각 여자 코일(14)의 단자(48)쪽에서 단자(24)(즉 서지 흡수소자(20)의 상기 다른쪽 끝)로의 전류의 흐름만을 허용하도록 되어 있다. 이와 같이 서지 흡수소자(20)를 공유화함으로써, 구동장치 전체의 서지 흡수소자의 수를 삭감할 수 있고, 보다 낮은 비용의 회로를 실현할 수 있다.

과전류 검출기(26)는 전류 보호기능도 갖추고 있다. 그와 같은 과전류 검출기(26)는 공지의 전류 검출회로나 전류 보호회로를 이용하여 형성할 수 있다.

과전류 검출기(26)는 예를 들어 도2에 나타낸 바와 같이, 전류 감시 및 フ자형 한류(限流) 동작을 하는 제한회로(58)와, FET(60)를 이용한 개폐회로와, 전압 검출용 저항소자(62)와, 저항소자(62)에서 발생되는 전압을 근거로 과전류를 검출하는 검출회로(64)를 포함할 수 있다.

과전류 검출기(26)는 검출회로(64)의 과전류 검출신호를 도시하지 않은 직기 제어장치의 CPU에 출력한다. 직기 제어장치의 CPU는 과전류 검출신호가 입력되면, FET(60)를 여는 신호를 FET(60)의 게이트에 출력하고, 각 처리회로(12)로의 전기 공급을 중지한다.

과전류 검출기(26)는, 과전류 신호에 의해 FET(32)를 열고, 펄스폭 변조신호(S4)를 강제적으로 OFF하도록 내부 회로를 구성해도 좋다. 또한, 그와 같은 회로를 과전류 검출기(26)의 외부에 설치하는 것으로 하여 과전류 신호를 외부로 출력하고 이 출력에 의해 직류 전원이 출력을 OFF하도록 구성해도 좋고, 과전류가 검출된 것을 작업자에게 알리는 경보 출력수단을 갖추고 있어도 좋다.

도1 및 도3을 참조하여 구동장치(10)의 동작을 설명한다.

먼저, 여자 코일(14)을 여자시키지 않을 때, 직기 제어장치는 그 여자 코일(14)에 대응하는 처리회로(12)에 OFF의 구동신호(S1)를 출력한다.

구동신호(S1)가 OFF이면, 펄스폭 변조신호 발생기(34)가 OFF이기 때문에, FET(32)는 열림 상태로 유지된다. 이 때문에, 직류 전류를 여자 코일(14)에 공급할 수 없어, 여자 코일(14)은 여자되지 않는다.

또한, 구동신호(S1)가 OFF이면, 분리신호 발생기(38)는 ON의 분리신호(S5)를 스위칭 회로(56)에 출력하고 있다. 이 때문에, 스위칭 회로(56)는 닫힘 상태가 되고, 제너 다이오드(52)의 양단 간, 나아가서는 FET(42)의 소스·게이트 사이를 전기적으로 단락(短絡)시키고 있다.

계속해서, 직기 제어장치는 여자 코일(14)을 구동시킬 때, 그 여자 코일(14)에 대응하는 처리회로(12)에 ON의 구동신호(S1)를 출력한다. 이에 의해, 펄스폭 변조신호 발생기(34)가 ON이 됨과 동시에, 과여자 신호(S3)가 발생되기 때문에, 구동기간(T1)이 개시됨과 동시에, 과여자 기간(T2)이 개시된다.

또한, 구동신호(S1)가 ON이 되면, 분리신호(S5)가 OFF가 되기 때문에, 스위칭 회로(56)는 열림 상태가 되고, 제너 다이오드(52)의 양단 간의 전기적 단락을 해제한다.

또한, 직류 전원 전압이 여자 코일(14)에 인가되면, 여자 코일(14)에 전류가 흐르기 때문에, 여자 코일의 단자(48)의 전위는, 단자(46)의 전위보다도 낮은 상태가 된다. 이 전압 하강에 따라, 제너 다이오드(52)의 애노드 쪽에서 캐소드 쪽으로 전류가 흐르고, FET(42)의 게이트 단자(G)의 전위가 소스 단자(S)의 전위보다도 낮아지기 때문에, FET(42)는 열림 상태가 되고, 환류 다이오드(44)의 캐소드 단자는 단자(46)에 전기적으로 접속되지 않는 상태가 된다.

구동기간(T1) 사이, FET(32)는 펄스폭 변조신호(S4)가 ON이 될 때마다 닫힌다. 따라서, 여자 코일(14)의 단자(48)가 어스 전극(18)에 전기적으로 접속됨으로써, 여자 코일(14)에 전기가 통하고, 이에 의해 화살표 A로 나타낸 방향으로 전류가 흐른다. 그러나, 펄스폭 변조신호(S4)는 과여자 기간(T2) 사이 ON을 계속하기 때문에, 과여자 기간(T2) 사이는 여자 코일(14)에 연속하여 전기가 통한다. 이에 의해, 여자 코일(14)의 전압 사양값에 대해 수배의 전압이 일정 기간 직류 전원으로부터 공급되고, 여자 코일(14)은 과여자 상태가 되어, 액추에이터는 신속하게 동작된다.

본 실시예에서는, 여자 코일(14)은 전자밸브로서 설명하고 있다. 따라서, 여자 코일(14)에 전류가 흐르면, 밸브본체가 밸브상자 내에서 닫힘 위치에서 열림 위치까지 이동한다. 게다가, 도3(G)에 나타낸 과여자 기간(T2)에 있어서의 여자 전류는, 임피던스가 밸브본체의 이동에 따라 변화함으로써 떨어질 수 있지만, 여자 전류가 여자 코일(14)에 계속 공급됨으로써, 여자 코일(14)의 전자 밸브는 동작상태(열림 상태)가 된다.

과여자 기간(T2)이 경과하면, 펄스폭 변조신호(S4)는 OFF 및 ON을 반복하는 펄스 신호가 된다. 이에 의해, 과여자 기간(T2)이 종료하고, 유지기간(T3)이 개시된다.

유지기간(T3)에 있어서, 펄스폭 변조신호 발생기(34)는 ON 및 OFF를 반복하는 펄스 신호(S2)와 함께 ON 및 OFF를 반복하는 펄스폭 변조신호(S4)를 출력한다. 따라서, FET(32)는 펄스폭 변조신호(S4)에 따라 개폐된다. 유지기간(T3)에 있어서의 펄스폭 변조신호(S4)의 ON 및 OFF 기간을 각각 도3에 부호 a 및 b로 나타낸다.

FET(32)가 닫힘 상태에서 열림 상태로 변화했을 때, 통전(通電) OFF에 따른 역 기전력이 여자 코일(14)의 단자(48)쪽에 발생한다. 이에 대해, 환류 다이오드(44)는, FET(42)의 열림 상태에서 보다 단자(46)에 대해 전기적으로 열림 상태에 있기 때문에, 단자(48)의 전위가 급속하게 상승하여 역 기전력이 된다. 이 역 기전력은, 저항소자(54) 및 제너 다이오드(52)를 이 순서로 경유한다. 이에 의해, FET(42)의 게이트쪽 단자의 전압이 소스쪽 단자의 전압보다도 높아지기 때문에, FET(42)가 닫힘 상태가 되고, 도1에 화살표 B로 나타낸 바와 같이, 역 기전력이 환류 다이오드(44) 및 FET(42)를 사이에 두고 여자 코일(14)에 환류된다.

상기의 결과, 도3의 기간 b에 나타낸 바와 같이, 여자 코일(14)에 흐르는 여자 전류는 급격하게 감소하지 않고, 시간이 경과함에 따라 감소한다.

기간 b에서 기간 a로 이동하면, 펄스폭 변조신호(S4)가 ON이 되기 때문에, FET(32)가 열리고, 도1에 나타낸 화살표 A와 같이 여자 코일(14)에 전류가 흐른다. 이에 의해, 여자 코일(14)에 흐르는 전류는 도3의 기간 a에 나타낸 바와 같이, 점차 많아진다.

직기 제어장치는, 구동기간(T1) 종료 직후부터 다음 구동 개시 때까지, 환언하면, 소정의 기간(T4) 사이, OFF의 구동신호(S1)를 출력한다. 이에 의해, 분리신호 발생기(38)는 ON의 분리신호(S5)를 출력하고, 펄스폭 변조신호 발생기(34)는 OFF의 펄스폭 변조신호(S4)를 출력한다.

이에 의해, 스위칭 회로(56)는 OFF의 분리신호(S5)에 의해, 제너 다이오드(52)의 양단 간, 나아가서는 FET(42)의 소스·드레인 단자간의 전기적 단락을 해제시킨다. 또한, 펄스폭 변조신호 발생기(34)는 신호를 출력시키지 않고, FET(32)를 열림 상태로 유지한다.

이들에 의해, 구동기간(T1) 종료 시, 여자 코일(14)로부터의 통전 OFF에 따른 유도 전력(소위 역 기전력)에 따른 전류는 도1에 나타낸 화살표 C와 같이, 다이오드(40)를 사이에 두고 서지 흡수소자(20)에 흐른다.

이에 의해, 여자 코일(14)의 역 기전력은 단기간(도3에 있어서 기간 c)에 서지 흡수소자(20)에 의해 내부 소비되고, 여자 코일(14)에 흐르는 전류도 단기간에 적어진다. 비교를 위해, 분리신호 발생기(38)는 ON의 분리신호(S5)를 발생시키지 않고, 환류 다이오드(44)에 의한 환류가 계속된 경우, 여자 코일(14)의 전압 및 여자 코일(14)에 흐르는 전류를 도3(F) 및 도3(G)에 점선으로 나타낸다.

본 발명은, 위사 삽입 장치의 전자밸브뿐만 아니라, 위사 삽입 장치의 전자밸브 이외의 다른 액추에이터, 위사 삽입 장치 이외의 액추에이터, 직기 또는 그 주변기기에 사용되는 솔레노이드, 모터 등의 유도성 부하 등, 다른 액추에이터용구동장치에도 적용할 수 있다.

위사 삽입 장치로는 예를 들어, 메인 노즐이나 서브 노즐 등의 위사 삽입 노즐의 기류 분사 제어용 전자밸브나, 위사 길이측정 저장장치의 정지 핀이나 그 크램퍼의 구동 솔레노이드 등이 있고, 이들 액추에이터의 구동장치에도 본 발명을 적용할 수 있다.

위사 삽입 장치와 함께 구동되는 장치로는 예를 들어, 비주(飛走) 위사를 굴곡시켜 그 위사에 제동을 거는 위사 브레이크 장치의 구동 솔레노이드나 모터 등, 기류에 의해 위사 유지(장력 부여) 또는 기류에 의해 터크 인(tuck in) 동작을 행하는 장치의 분사 제어용 전자밸브, 부재간의 접압이나 위사에의 굴곡 동작에 의해 위사 장력 부여하는 장치의 구동 솔레노이드나 모터가 있고, 이들 액추에이터의 구동장치에도 본 발명을 적용할 수 있다. 게다가, 직기 이외의 산업기계에도 넓게 적용할 수도 있다.

위사 삽입 장치 이외로는 예를 들어, 주축을 제동하는 제동 브레이크 등, 직기상의 용도, 직기의 위사 삽입에 관련하여 구동되는 액추에이터가 있고, 이들 액추에이터의 구동장치에도 본 발명을 적용할 수 있다.

구동장치(10)가 각 여자 코일(14)의 구동을 정지시켰을 때에 생기는 노이즈에 의한 회로적으로 문제가 생기지 않는 경우, 서지 흡수소자(20)를 생략할 수도 있다. 또한, 서지 흡수소자(20)는, 상기한 바와 같이 공유화시키지 않고, 각 여자 코일(14)마다 갖추고 있어도 좋다. 보다 구체적으로는, 다이오드(40)를 삭제함과 동시에, 각 여자 코일(14)의 양단에 서지 흡수소자를 병렬로 접속한다.

과전류 검출기를 처리회로마다 갖추고 있어도 좋다. 게다가, 제2 개폐기의 구동전력을 상기 직류 전원으로부터 공급하도록 해도 좋고, OFF의 펄스폭 변조신호(S4)에 따른 여자 코일(14)의 역 기전력을 공급하도록 해도 좋다.

상기 실시예에 대해서, 하기와 같이 변형할 수 있다. 제1 및 제2 개폐기인 FET(32, 42)는 함께 N채널 FET를 이용하고 있지만, 이에 한정되지 않고 다른 타입의 FET, 즉 P채널 FET를 이용하여 회로 구성하는 것도 가능하다. 그러나, 반도체 시장에서는, N채널 FET 쪽이 P채널에 비해 종류가 많고, 게다가 저렴하게 입수할 수 있다. 또한, 게이트 단자 등의 주변회로를 구성하는 구성부품(저항·다이오드) 등의 부품수는 P채널을 사용하는 경우에 비해 보다 삭감할 수 있고, 또한 부품수가 적어지는 만큼, 회로의 고장 위험이 적어지고, 게다가 구동장치 전체를 보다 저렴하게 할 수 있다.

또한, 제1 및 제2 개폐기는 상기 FET 대신에 유접점 소자(릴레이 접점), 무접점 소자(트랜지스터 등의 반도체)여도 좋다.

또한, 제1 개폐기의 배치 장소에 대해서, 도1에 나타낸 바와 같은 로우 사이드 스위치, 즉 여자 코일(14)의 어스 쪽에 제1 개폐기를 배치하는 대신에, 하이 사이드 스위치, 즉 직류 전원의 플러스 쪽에 배치하는 구성도 가능하다. 이 경우, 제1 개폐기에는, N채널 FET 이외의 반도체 소자(트랜지스터), 또는 고속 스위칭 가능한 유접점 소자를 이용할 수 있다.

도1에 나타낸 회로는, 여자 코일(14)로의 전기공급 차단에 따른 유도 기전력(역 기전력)을 이용하여 FET(42)의 개폐동작에 필요한 전위차를 환류부(36)에 발생시키기 위하여, 구동기간 종료 시의 역 기전력을 유효하게 이용하고 있기 때문에, 그 회로 전체의 소비전력을 억제하는 점에서는 보다 바람직한 회로이다. 그러나, 그와 같이 하지 않고, 구동신호(S1)에 따라 발생되는 게이트 전압을 FET(42)의 게이트 단자(G)∼소스 단자(S) 사이에 공급하도록 회로 구성할 수도 있다.

상기 실시예에서는, 구동기간(T1) 종료 시, 환류부(36)에 의한 전류의 환류를 저지하는 기간에 대해서, 도1 및 도3 실시예에서는 그 종점을 다음 구동개시 시까지 늦게 하고 있지만, 반드시 그와 같이 늦게 할 필요도 없고, 회로적으로 영향을 주지 않는 시점까지 앞당긴 실시형태도 가능하다. 보다 구체적으로는, 분리신호 발생기(38)에 대해서, 구동기간(T1) 종료 후부터의 경과 시간을 계측하도록 구성하고, 상기 구동기간(T1)이 경과하고 나서, 소정시간(즉 역 기전력에 의한 전류의 환류가 종료해 있다고 예상되는 시간)이 경과함으로써, 분리신호(S5)의 출력을 OFF로 하도록 내부 구성하는 것도 가능하다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 그 취지를 벗어나지 않는 한, 각종 변경이 가능하다.

본 발명에 따른 액추에이터 구동장치 및 구동방법은 액추에이터의 응답성을 유지하면서, 액추에이터를 구동하는 구동장치를 저렴하게 할 수 있는 발명의 효과를 갖는다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

액추에이터의 여자(勵磁) 코일과 직류 전원과의 사이에 배치되어 있음과 동시에 구동기간 중의 과여자 기간 및 상기 과여자 기간 이후의 유지기간에 대응하여 발생되는 펄스폭 변조신호에 따라 개폐되는 제1 개폐기;

상기 여자 코일과 병렬로 접속된 환류부로서 환류 다이오드 및 상기 환류 다이오드에 직렬로 접속된 제2 개폐기를 갖는 환류부;

상기 구동기간 종료 후의 소정의 기간에 걸쳐 분리신호를 상기 제2 개폐기에 출력하는 분리신호 발생기;

를 갖춘 최소한 하나의 처리회로를 포함하고,

상기 환류 다이오드는 상기 제1 개폐기의 열림 동작 시에 상기 여자 코일의 한쪽 끝에서 다른쪽 끝을 향해 발생되는 전류를 환류 가능하게 설치되어 있고, 상기 제2 개폐기는, 상기 구동기간의 종료에 따라 발생되는 상기 분리신호의 입력에 의해 열림 상태가 되어 상기 환류를 저지하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 구동장치.
제1항에 있어서, 상기 환류 다이오드의 한쪽 끝과 상기 여자 코일의 한쪽 끝이 접속되어 있고, 상기 환류 다이오드의 다른쪽 끝이 상기 제2 개폐기만을 사이에 두고 상기 여자 코일의 다른쪽 끝에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 액추에이터구동장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 개폐기는 N 채널 FET에 의해 형성되어 있고, 상기 구동기간 종료 시에 역 기전력이 발생하는 상기 여자 코일의 단자는 상기 FET의 드레인쪽 단자에 접속되어 있음과 동시에 저항소자를 사이에 두고 상기 FET의 게이트쪽 단자에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 액추에이터 구동장치.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서, 상기 여자 코일의 양단에 접속된 서지 흡수소자로서 상기 구동기간 종료 시에 있어서의 역 기전력을 내부 소비하는 서지 흡수소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 구동장치.
제4항에 있어서, 상기 구동장치는 복수의 상기 여자 코일에 대응하여 설치된 복수의 상기 처리회로를 포함하고,

상기 여자 코일의 상기 역 기전력이 발생하는 단자는 상기 처리회로마다 설치된 다이오드를 사이에 두고 상기 서지 흡수소자의 한쪽 끝에 전기적으로 접속되고, 상기 여자 코일의 다른쪽 끝은 상기 서지 흡수소자의 다른쪽 끝에 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 액추에이터 구동장치.
제1항 내지 제5항의 어느 한 항에 있어서, 상기 구동장치는 유체 분사식 직기의 위사 삽입장치용 액추에이터의 구동에 이용되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 구동장치.
액추에이터의 여자 코일과 직류 전원과의 사이에 배치되어 있음과 동시에 구동기간 중의 과여자 기간 및 상기 과여자 기간 이후의 유지기간에 각각 대응하여 발생되는 펄스폭 변조신호에 따라 개폐되는 제1 개폐기와, 상기 여자 코일과 병렬로 접속된 환류부로서 환류 다이오드 및 이것에 직렬로 접속된 제2 개폐기를 갖는 환류부를 갖춘 최소한 하나의 처리회로를 포함하는 구동장치로서, 상기 환류 다이오드가 상기 제1 개폐기의 열림 동작 시에 상기 여자 코일의 한쪽 끝에서 다른쪽 끝으로 향해 발생되는 전류를 환류 가능하게 설치되어 있는 구동장치에 의한 액추에이터 구동방법에 있어서, 상기 제2 개폐기를 상기 구동기간에 걸쳐 상기 펄스폭 변조신호의 출력이 OFF일 때에 최소한 닫힘 상태로 하여 상기 환류를 허락하고, 상기 구동기간의 종료 시에 열림 상태로 하여 상기 환류를 저지하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 구동방법.