特許 7472130 電機子ソレノイドの制御方法及び制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-12

(45)【発行日】2024-04-22

(54)【発明の名称】電機子ソレノイドの制御方法及び制御装置

(51)【国際特許分類】

   G06F 3/01 20060101AFI20240415BHJP

   G06F 3/041 20060101ALI20240415BHJP

【ＦＩ】

G06F3/01 560

G06F3/041 480

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021528396

(86)(22)【出願日】2019-11-21

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-20

(86)【国際出願番号】 EP2019082140

(87)【国際公開番号】W WO2020104614

(87)【国際公開日】2020-05-28

【審査請求日】2022-11-11

(31)【優先権主張番号】102018129489.1

(32)【優先日】2018-11-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】508066083

【氏名又は名称】ベーア－ヘラー サーモコントロール ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】100159499

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 義典

(74)【代理人】

【識別番号】100120329

【弁理士】

【氏名又は名称】天野 一規

(72)【発明者】

【氏名】キルシュ，シュテファン

(72)【発明者】

【氏名】バンドロー，バスティアン

【審査官】菅原 浩二

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１３９４０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００４－５２５５９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００９０２５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００１１２９１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０６Ｆ ３／０１

Ｇ０６Ｆ ３／０４１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

触覚フィードバックを備える車両操作ユニットにおいて使用するため、静止状態において変化した可能性のある間隙幅を有する電機子ソレノイドからかかる所定の力を生成するための電機子ソレノイドの制御装置であって、上記装置が、
電機子ソレノイド（１２）の励起コイル（１６）に電力供給するためのＤＣ電源（１４）と、
上記ＤＣ電源（１４）に並列接続され既知の容量（Ｃ）を有する少なくとも１つのバッファコンデンサ（１８）と、
上記ＤＣ電源（１４）と上記バッファコンデンサ（１８）との間に配置されている第１のスイッチ（２８）とを有し、
上記電機子ソレノイド（１２）の上記励起コイル（１６）と、上記励起コイル（１６）に直列の第２のスイッチ（３０）とが、上記バッファコンデンサ（１８）に並列接続されており、
上記装置が、上記第１のスイッチ（２８）及び上記第２のスイッチ（３０）を制御するため、かつ上記励起コイル（１６）で降下する測定電圧（２０）を評価するための制御評価ユニット（２２）をさらに有し、
上記制御評価ユニット（２２）が、上記バッファコンデンサ（１８）の充電時に、上記第１のスイッチ（２８）を開き、上記第２のスイッチ（３０）を閉じ、上記測定電圧（２０）を利用して、上記バッファコンデンサ（１８）の上記容量（Ｃ）と、上記電機子ソレノイド（１２）のインダクタンス（Ｌ）とを有する共振回路の周波数を割り出し、
上記制御評価ユニット（２２）により、割り出された上記周波数を利用して、上記電機子ソレノイド（１２）の上記インダクタンス（Ｌ）を割り出すことが可能であり、
上記制御評価ユニット（２２）により、上記電機子ソレノイド（１２）の割り出された上記インダクタンス（Ｌ）を利用して、上記電機子ソレノイド（１２）の間隙幅（ｈ）を割り出すことが可能であり、
ルックアップテーブル又は上記電機子ソレノイド（１２）の電磁的挙動の数理モデルを利用して、上記制御評価ユニット（２２）から上記第２のスイッチ（３０）にＰＷＭ制御信号を印加可能であり、上記ＰＷＭ制御信号により、上記電機子ソレノイド（１２）から加わる予め規定された力を生成するため、割り出された上記間隙幅（ｈ）を考慮して、上記電機子ソレノイド（１２）が動作可能である装置。

【請求項2】

触覚フィードバックを備える車両操作ユニットにおいて使用するため、静止状態において変化した可能性のある間隙幅を有する電機子ソレノイドからかかる所定の力を生成するための電機子ソレノイドの制御方法であって、
請求項１に記載の装置が用いられており、
上記方法が、
ルックアップテーブル又は電機子ソレノイド（１２）の電磁的挙動の数理モデルを用意する工程を有し、上記ルックアップテーブル又は上記数理モデルを利用して、上記電機子ソレノイド（１２）から加わる予め設定可能な力を生成するため、パルス幅及び／又は継続時間について規定されたいずれのＰＷＭ信号が、異なる仮定の間隙幅（Ｈ）において、上記電機子ソレノイド（１２）の励起コイル（１６）に印可されるのかが求められ、
上記励起コイル（１６）に並列接続されたバッファ容量（Ｃ）を共振回路として、上記電機子ソレノイド（１２）を動作させること、
上記バッファ容量（Ｃ）が既知の状態で、上記励起コイル（１６）での電圧降下から共振回路周波数を割り出すこと、
上記共振回路周波数及び既知の上記バッファ容量（Ｃ）を利用して、上記励起コイル（１６）のインダクタンス（Ｌ）を割り出すこと、及び
上記励起コイル（１６）の巻き数と、上記電機子ソレノイド（１２）の間隙の断面積（Ａ）とを利用して、現時点の間隙幅（ｈ）を割り出すこと
により、上記電機子ソレノイド（１２）の上記間隙幅（ｈ）を割り出す工程と、
かかる力及び割り出された上記間隙幅（ｈ）が与えられた状態で、上記ルックアップテーブル又は上記数理モデルを利用して得られるＰＷＭ信号により、上記励起コイル（１６）を制御する工程とをさらに有する方法。

【請求項3】

車両操作ユニットにおける触覚フィードバックの生成のための、請求項１に記載の装置又は請求項２に記載の方法の使用。

【請求項4】

触覚フィードバックを備える車両操作ユニットであって、
手動で操作可能な操作素子（３２）と、
請求項１に記載の装置（１０）とを有し、
上記装置（１０）の上記電機子ソレノイド（１２）が、触覚フィードバックの生成のため、上記操作素子（３２）に機械的に作用し、上記操作素子（３２）をパルス的に励起する車両操作ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、２０１８年１１月２２日の独国特許出願第１０２０１８１２９４８９１号の優先権を主張し、その内容を本出願の対象を構成するものとして援用する。

【0002】

本発明は、触覚フィードバックを備える車両操作ユニットにおいて使用するため、静止状態において変化した可能性のある間隙幅を有する電機子ソレノイドからかかる所定の力を生成するための電機子ソレノイドの制御方法及び制御装置に関する。本発明は、特に、触覚フィードバックを備える車両用操作ユニットに適用できる装置及び方法に関する。また、本発明は、上記方法及び／又は上記装置を使用する触覚フィードバックを備える車両操作ユニットに関する。

【背景技術】

【0003】

電機子ソレノイドは、例えば、有効な命令入力に対する触覚応答のため、タッチスクリーン等のタッチセンサ式の操作素子をパルス的機械的に励起するために、触覚フィードバックを備える操作ユニットに適用される。このとき、このパルス的機械的励起は、操作ユニットの寿命にわたって、可能な限り一定に保たれることが望ましい。

【0004】

経年劣化及び温度の影響並びに製造起因で、電機子ソレノイドの静止状態における間隙には、最大数百マイクロメートルの公差が生じる。間隙の大きさは、電機子ソレノイドの励起コイルのインダクタンスもしくは電機子ソレノイドのインダクタンスにほぼ反比例するため、励起コイルに印可される単一かつ同一の電気制御信号から、大きく異なる力曲線が生じることになる。

【0005】

実際には、電機子ソレノイドの制御は、リアルタイム制御ループにより行われることが多く、これにより間隙の影響を補償し考慮に入れることができる。このような制御システムの例が、国際公開第２０１７／０４６０２６号に記載されている。しかし、コスト及びリソース（演算時間、割り込み）上の理由から、制御ループは、考慮から外される場合がある。

【0006】

米国特許第８６５７５８７号明細書から、ポンプ効果を生じさせる電機子ソレノイドの間隙が監視される注入ポンプが公知である。

【0007】

米国特許出願公開第２０１８／００９０２５３号明細書に、電機子ソレノイドを使用した操作ユニットが記載されており、操作者から操作素子にかかる押圧を制御するため、電機子ソレノイドの間隙幅が補償される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】国際公開第２０１７／０４６０２６号

【文献】米国特許第８６５７５８７号明細書

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００９０２５３号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、電機子ソレノイドから加わる規定された力を生成するための電機子ソレノイドの制御方法及び制御装置であって、センサ及び制御ループを用いずに機能する方法及び装置を提供することを課題とする。また、本発明は、上記方法もしくは上記装置を用いる操作ユニットを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するため、本発明により提案されるのは、
触覚フィードバックを備える車両操作ユニットにおいて使用するため、静止状態において変化した可能性のある間隙幅を有する電機子ソレノイドからかかる所定の力を生成するための電機子ソレノイドの制御装置であって、上記装置が、
電機子ソレノイドの励起コイルに電力供給するためのＤＣ電源と、
上記ＤＣ電源に並列接続され既知の容量を有する少なくとも１つのバッファコンデンサと、
上記ＤＣ電源と上記バッファコンデンサとの間に配置されている第１のスイッチとを有し、
上記電機子ソレノイドの上記励起コイルと、上記励起コイルに直列の第２のスイッチとが、上記バッファコンデンサに並列接続されており、
上記装置が、上記第１のスイッチ及び上記第２のスイッチを制御するため、かつ上記励起コイルで降下する測定電圧を評価するための制御評価ユニットをさらに有し、
上記制御評価ユニットが、上記バッファコンデンサの充電時に、上記第１のスイッチを開き、上記第２のスイッチを閉じ、上記測定電圧を利用して、上記バッファコンデンサの上記容量と、上記電機子ソレノイドのインダクタンスとを有する共振回路の周波数を割り出し、
上記制御評価ユニットにより、割り出された上記周波数を利用して、上記電機子ソレノイドの上記インダクタンスを割り出すことが可能であり、
上記制御評価ユニットにより、上記電機子ソレノイドの割り出された上記インダクタンスを利用して、上記電機子ソレノイドの間隙幅を割り出すことが可能であり、
ルックアップテーブル又は上記電機子ソレノイドの電磁的挙動の数理モデルを利用して、上記制御評価ユニットから上記第２のスイッチにＰＷＭ制御信号を印加可能であり、上記ＰＷＭ制御信号により、上記電機子ソレノイドから加わる予め規定された力を生成するため、割り出された上記間隙幅を考慮して、上記電機子ソレノイドが動作可能である装置である。

【0011】

また、本発明により提案されるのは、
触覚フィードバックを備える車両操作ユニットにおいて使用するため、静止状態において変化した可能性のある間隙幅を有する電機子ソレノイドからかかる所定の力を生成するための電機子ソレノイドの制御方法であって、上記方法が、
ルックアップテーブル又は電機子ソレノイドの電磁的挙動の数理モデルを用意する工程を有し、上記ルックアップテーブル又は上記数理モデルを利用して、上記電機子ソレノイドから加わる予め設定可能な力を生成するため、パルス幅及び／又は継続時間について規定されたいずれのＰＷＭ信号が、異なる仮定の間隙幅において、上記電機子ソレノイドの励起コイルに印可されるのかが求められ、
上記励起コイルに並列接続されたバッファ容量を共振回路として、上記電機子ソレノイドを動作させること、
上記バッファ容量が既知の状態で、上記励起コイルでの電圧降下から共振回路周波数を割り出すこと、
上記共振回路周波数及び既知の上記バッファ容量を利用して、上記励起コイルのインダクタンスを割り出すこと、及び
上記励起コイルの巻き数と、上記電機子ソレノイドの間隙の断面積とを利用して、現時点の間隙幅を割り出すこと
により、上記電機子ソレノイドの上記間隙幅を割り出す工程と、
かかる力及び割り出された上記間隙幅が与えられた状態で、上記ルックアップテーブル又は上記数理モデルを利用して得られるＰＷＭ信号により、上記励起コイルを制御する工程とをさらに有する方法である。

【0012】

さらに、車両操作ユニットにおける触覚フィードバックを生成するために上記装置又は上記方法を使用することも、上記課題の解決に寄与する。

【0013】

また、上記課題を解決するため、
触覚フィードバックを備える車両操作ユニットであって、
手動で操作可能な操作素子と、
上記態様に係る装置とを有し、
上記装置の上記電機子ソレノイドが、触覚フィードバックの生成のため、上記操作素子に機械的に作用し、上記操作素子をパルス的に励起する車両操作ユニットが提案される。

【0014】

本発明の主要な特徴は、電機子ソレノイドがバッファ容量（バッファコンデンサ）を共振回路として駆動されるとき、電機子ソレノイドの励起コイルで降下する測定電圧を利用して、電機子ソレノイドのインダクタンスを間接的に割り出すことにある。測定電圧から、共振回路の周波数を割り出すことができる。そして、バッファ容量が既知の状態で、電機子ソレノイドのインダクタンスを特定することができる。また、励起コイルの巻き数、間隙の断面積の大きさ、間隙の幅及び空気の透磁率に対するインダクタンスの既知の依存性から、インダクタンスが既知の状態で、間隙幅を計算することができる。さらに、ルックアップテーブル又は電機子ソレノイドの電磁的挙動の数理モデルを用いて、電機子ソレノイドから所望の力がかかるように励起コイルを制御する制御信号の大きさ及び継続時間を割り出す又は読み取ることができる。

【0015】

ここで、本発明が基づいている物理的数学的な基礎及び事実は、次の通りである。

【0016】

十分な寸法で設計され、かつ間隙を有する電機子ソレノイドのインダクタンスは、下記式でよく近似される。

【数1】

【0017】

式中、Ｎはコイルの巻き数、Ａは間隙の断面積、ｈは間隙の長さ、μ_０は空気の透磁率である。他のパラメータが比較的正確に固定され大きく変動しないのに対し、間隙の長さｈは、公差がより大きく、外部の影響を受ける。

【0018】

ここで、間隙の長さを適切なセンサシステムにより測定すること及びインダクタンスに対するその影響を制御して補償することは自明である。または、追加の測定コイルを用いて、磁石の核における電磁流量を測定し、それに基づき制御を行う概念がある（例えば、国際公開第２０１７／０４６０２６号参照）。

【0019】

ハードウェアのコストを削減するため、本発明により、組立部品のインダクタンスを間接的に計測し、そこから上記式に従って間隙幅を導出することが提案される。これは、制御の文脈で行われるべきではなく、大きな温度変化が生じた後など、エンドユーザーの視点で適切に選択されるいくつかのタイミングで行われることが望ましく、これに基づき、間隙が変化したことを推測できる。また、いずれの場合も、装置の起動時に、初回の測定を行うことが望ましい。

【0020】

本発明によれば、電機子ソレノイドのコイルが、スイッチを介して、何らかの充電されたバッファ容量Ｃに接続されることで測定が行われる。同時に、バッファコンデンサが電源から切断される。電流が高くなりすぎて間隙の大幅な変化が生じないように、さらなる手段（接続可能な抵抗等）が必要になる場合がある。そこで、共振周波数ｆが下記で表される電気（ＲＬＣ）共振回路が構成される。

【数2】

【0021】

好ましくは高インピーダンスのＡ／Ｄコンバータを介して、共振回路の電圧を測定し、その周波数についてソフトウェア側で評価することができる。必要なサンプリングレート及び制御評価ユニットのマイクロコントローラの計算能力を抑えるため、上記式の周波数が低くなるように容量Ｃを選択することが有用である。そして、この測定により、既知の容量及び測定された周波数を用いて、インダクタンスが得られ、

【数3】

さらには、間隙幅が得られる。

【数4】

【0022】

既定の力プロファイルを制御なしで生成するため、割り出された間隙幅を利用して、数理モデル又はルックアップテーブルから適切な電気制御信号を割り出すことができる。

【0023】

以下、基本回路図を示す図面を参照して本発明を詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】図１は、基本回路図を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

電機子ソレノイド１２を制御するための回路１０は、電機子ソレノイドの励起コイル１６に電力供給するためのＤＣ電源１４を有する。ＤＣ電源１４に、バッファコンデンサ１８が並列接続されている。励起コイル１６で、測定電圧２０が降下し、評価制御ユニット２２により評価される。評価制御ユニット２２は、例えば、マイクロコントローラと、Ａ／Ｄコンバータと、デジタル信号処理に必要なその他の部品とを有する装置であり、一般に公知である。

【0026】

ｈは、電機子ソレノイド１２のヨーク２４とプランジャ２６との間の間隙幅を示す。プランジャ２６は、例えば、車両操作ユニットの操作素子に機械的に連結されている。操作素子は、例えば、タッチセンサ式の操作面を有する。操作素子の有効な作動の際、触覚応答を与えるため操作素子が機械的に励起される。このため、具体的には半導体スイッチ２８が、評価制御ユニット２２により生成された制御信号により、一定の時間、閉じられる。

【0027】

ここで、例えば、温度起因で間隙幅ｈが変化する際にも、スイッチ２８を閉じることにより、所望の力の生成に必要な電気エネルギーを励起コイル１６に供給するために、時として間隙幅ｈを割り出すことが求められる。このため、スイッチ２８が開けられ、開いていた別のスイッチ、具体的には半導体スイッチ３０が閉じられる。バッファ容量Ｃ及び電機子ソレノイド１２のインダクタンスＬから共振回路の周波数を求めるため、スイッチ３０が閉じた状態で、測定電圧２０が評価される。これにより、バッファ容量Ｃが既知の状態で、電機子ソレノイド１２のインダクタンスＬを割り出すことができ、そこからさらに、励起コイル１６の巻き数及び間隙の断面積Ａが既知の状態で、間隙幅ｈを算出することができる。そして、現時点で割り出された間隙幅ｈにおいて必要もしくは所望の力を電機子ソレノイド１２により生成するために、スイッチ２８を閉じなければならないパルス時間を、例えば、ルックアップテーブル又は電機子ソレノイド１２のモデル化により割り出すことができる。

【0028】

回路１０ひいては本発明に係る装置の重要な利点は、制御ループ及びセンサを用いずに、電機子ソレノイドを所望の力を加えるために制御できることにある。したがって、間接的な間隙幅の測定に基づいて電機子ソレノイドを制御することで、特に触覚フィードバックを備える車両用操作素子の公知の電機子ソレノイドの制御とは対照的に、高価かつ計算集約的なリアルタイム制御ループが不要となる。

【0029】

図中、符号３２は、触覚フィードバックを生成するため、電機子ソレノイド１２によりパルス的機械的に励起される車両操作ユニット３４の操作素子を示す。操作素子３２は、タッチスクリーン又はタッチパッドとすることができる。操作素子３２の有効な操作が検知されると、有効な操作を操作者に触覚的に伝えるため、電機子ソレノイド１２が制御される。

【符号の説明】

【0030】

１０ 回路
１２ 電機子ソレノイド
１４ ＤＣ電源
１６ 励起コイル
１８ バッファコンデンサ
２０ 測定電圧
２２ 評価制御ユニット
２４ ヨーク
２６ プランジャ
２８ 半導体スイッチ
３０ 半導体スイッチ
３２ 操作素子
３４ 操作ユニット
Ａ 断面積
Ｃ バッファ容量
Ｌ インダクタンス
ｈ 間隙幅

【図1】