(57)【要約】  ソレノイドコイルを駆動するための設定変更可能なコネクタ付きの方法及び装置は、エネルギ消費及びソレノイドコイルの発熱を低減し、ソレノイドの状態を検知することができ、ソレノイドへの接続を簡略化する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソレノイドのコイルに電気的に接続された、設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュールを用いて、前記ソレノイドを操作する方法であって、
（ａ）ソレノイド駆動信号が真となるのに応じて、前記モジュールによって起動電圧を接続して前記コイルへの起動電流を確立するステップであって、前記起動電圧及び起動電流によって前記ソレノイドが閉状態又は密閉状態となる、ステップ；
（ｂ）前記ソレノイドが閉状態又は密閉状態となった後で、前記コイルの持続電圧及び持続電流を前記モジュールによって変化させるステップであって、前記持続電圧又は持続電流は前記起動電圧又は起動電流より小さく、前記ソレノイドは閉位置又は密閉位置に維持される、ステップ；並びに
（ｃ）前記持続電圧及び持続電流を前記モジュールによって維持するステップ；
を備え、
前記モジュールは、
少なくとも１つのコンダクタを前記モジュールと前記ソレノイドの間に接続するためのデバイス通信コネクタ装置と、
前記モジュールによって、複数の信号のうちいずれかを前記デバイス通信コネクタ装置の複数のコンタクトのいずれかに配置するための、インターフェース装置と
を含む、方法。
【請求項２】
前記変化させるステップは、前記モジュールによって、前記起動電圧及び起動電流を前記ソレノイドから接続解除して、前記持続電圧及び持続電流を前記ソレノイドに接続することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記変化させるステップは、単一の電源の電圧又は電流レベルを変化させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記持続電圧又は持続電流は、前記起動電圧又は起動電流の５０％未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ソレノイド駆動信号が偽となった場合に、前記ソレノイドから電力を除去するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記モジュールによって、前記コイルの電流をスロットリングするステップと、前記コイルの電圧をクランプするステップとを更に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記スロットリングするステップは、前記コイルが供給できる電圧が前記クランプ下電圧未満に降下するまで続けられる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記スロットリングするステップの後、前記コイルから残留エネルギを散逸させるために、前記モジュールによって前記コイルを固定トランジスタ駆動に接続するステップを更に含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記モジュールは、
前記ソレノイドの両側を同一の電源の高圧側と低圧側とに接続することにより、前記コイルからエネルギを散逸させるための導電経路を提供する、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記コイルからエネルギを散逸させるために、前記モジュールによって前記コイルを固定トランジスタ駆動に接続するステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記モジュールによって前記ソレノイドの状態を決定するステップを更に含み、ここで前記状態は、開状態から閉状態又は密閉状態までを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記決定するステップは、前記モジュールによって前記コイルのインダクタンスを測定することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記決定するステップは、前記ソレノイドが開状態の場合に前記インダクタンスを測定すること、前記ソレノイドが閉状態又は密閉状態の場合に前記インダクタンスを測定すること、及び、前記モジュールのマイクロプロセッサのメモリに前記測定を記憶することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記測定は連続的又は周期的である。請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記測定は、前記モジュールによって前記コイルに正弦波電圧信号を印加することと、前記モジュールによって、前記印加した正弦波電圧に対する前記コイルの電流の相対マグニチュード及び相対段階を測定することとを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記測定は、前記モジュールによって前記コイルに矩形波電圧信号を印加することと、前記モジュールによって、前記印加した矩形波電圧に対する前記コイルの電流の相対マグニチュード及び相対段階を測定することとを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記測定は、前記モジュールによって前記コイルに一連のパルスを印加することと、前記モジュールによって、前記印加した電圧パルスに対する、ある時間にわたる前記コイルの段階的応答を測定することと、前記段階的応答から前記インダクタンスを算出することとを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記ソレノイド駆動信号が真又は偽である場合に、前記ソレノイドの前記状態を連続的又は周期的に決定するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記ソレノイドが閉状態又は密閉状態ではないと決定された場合に、上記接続するステップ、上記起動電圧及び起動電流を維持するステップ、上記持続電圧及び電流を変化させるステップ、並びに上記持続電圧及び電流を維持するステップを繰り返すことを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記持続電圧又は持続電流は、前記繰り返しの間に増大する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記インターフェース装置は、前記コンタクトのうちの特定の１つへの選択可能な相互接続装置を提供する少なくとも１つの集積回路を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記集積回路はＡＳＩＣである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記インターフェース装置は、前記モジュールによって、前記デバイス通信コネクタ装置の前記複数のコンタクトのいずれかに、前記複数の信号のいずれかを配置するための、マイクロプロセッサを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記ソレノイドを操作するための設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュールであって、
少なくとも１つのコンダクタを前記モジュールと前記ソレノイドの間に接続するためのデバイス通信コネクタ装置と、
前記モジュールによって、複数の信号のうちいずれかを前記デバイス通信コネクタ装置の複数のコンタクトのいずれかに配置するための、インターフェース装置と
を備える、モジュールにおいて、
前記インターフェース装置は、コンピュータプログラムを記憶するためのメモリ及び前記プログラムを実行するためのプロセッサを含み、
前記プログラムは、前記プロセッサに
（ａ）ソレノイド駆動信号が真となるのに応じて、前記モジュールによって起動電圧を接続して前記コイルへの起動電流を確立するステップであって、前記起動電圧及び起動電流によって前記ソレノイドが閉状態又は密閉状態となる、ステップ；
（ｂ）前記ソレノイドが閉状態又は密閉状態となった後で、前記コイルの持続電圧及び持続電流を前記モジュールによって変化させるステップであって、前記持続電圧又は持続電流は前記起動電圧又は起動電流より小さく、前記ソレノイドは閉位置又は密閉位置に維持される、ステップ；並びに
（ｃ）前記持続電圧及び持続電流を前記モジュールによって維持するステップ；
を実行させる、モジュール。
【請求項２５】
前記プログラムは、前記プロセッサに前記モジュールよって前記コイルのインダクタンスを測定させて前記ソレノイドの状態を決定し、ここで前記状態は、開状態から閉状態又は密閉状態までを含む、請求項２４に記載のモジュール。
【請求項２６】
ソレノイドを操作するためのシステムであって、前記システムは；
少なくとも１つのコンダクタを前記モジュールと前記ソレノイドの間に接続するためのデバイス通信コネクタ装置と、前記モジュールによって、複数の信号のうちいずれかを前記デバイス通信コネクタ装置の複数のコンタクトのいずれかに配置するための、インターフェース装置と、を備える、設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール；
通信リンクによって前記モジュールに接続されたコントローラであって、前記コントローラは、コンピュータプログラムを記憶するためのメモリ及び前記プログラムを実行するためのプロセッサを含み、前記プログラムは前記プロセッサに、ソレノイド駆動信号を真へと切り替えさせ、前記信号を前記モジュールへ送信し、前記モジュールに以下の：
（ａ）起動電圧を接続して前記コイルへの起動電流を確立することであって、前記起動電圧及びコイル電流によって前記ソレノイドが閉状態又は密閉状態となる、確立すること；
（ｂ）前記ソレノイドが閉状態又は密閉状態となった後で、前記コイルの持続電圧及び持続電流を前記モジュールによって変化させることであって、前記持続電圧又は持続電流は前記起動電圧又は起動電流より小さく、前記ソレノイドは閉位置又は密閉位置に維持されるよう、変化させること；並びに
（ｃ）前記持続電圧及び持続電流を前記モジュールによって維持すること；
を実行させる、システム。
【請求項２７】
前記通信リンクはイーサネットリンクである、請求項２６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１０年１０月２５日に提出された米国仮特許出願第６１／４０６４１４号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、一般にはソレノイドを駆動するための方法及び装置に関し、より詳細には、ソレノイドコイルを駆動するための、設定変更可能なコネクタ付き装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
ソレノイドは世界中で広く使用されている。そして、ソレノイドは、殆どの車の始動モータに動力を印加するリレー又はコンタクタを起動する。ソレノイドは、殆どのキーレスドアシステムのロック機構を起動する。油圧式か液圧式かに関わらず、殆どの自動バルブは、バルブを起動又は操縦するためにソレノイドを使用する。ソレノイドは工場、ビル、車及び家庭で見られる。
【０００４】
図１は、一般的なソレノイド１０を、主要な構成部品を示しつつ描いたものである。２つのリード線２によって電流がソレノイドコイル３へと運ばれ、ソレノイドコイル３は磁場を生成する。上記ソレノイド１０の磁気回路は、金属製ケース４及び空隙６を含む。アーマチュア５は磁場の影響を受け、その力は、アーマチュア５をハードストップ８の方向へ動かしたり又は保持したりしようとする。上記アーマチュア５が上記ハードストップ８に接触してその状態のままである時、アーマチュア５は密閉されていると表現する。上記アーマチュア５には、アーマチュア５にある機構を取り付けてソレノイド機構への機械的連結を完成するための孔７等、様々な特徴がしばしば付加される。バネ等の戻し機構は図示していないが、これは、電流が上記ソレノイド１０から除去された場合に、上記ソレノイド１０を開位置へ戻そうとする。
【０００５】
ソレノイドは電流の流れを、ソレノイドのアーマチュアと呼ばれる可動部分への力を経て、運動に変換する。ソレノイドのアーマチュアは様々な機構に接続してよく、従って、リレーにおいてアーマチュアの運動は電気接触を開閉し、その一方で、ソレノイド操作バルブでは、アーマチュアがバルブシールの片側に直接接続される。より大型のバルブでは、ソレノイドは、ある程度の液圧又は油圧増幅を利用する、より小型のいわゆるパイロットバルブを操作するが、バルブの基本的な操作はソレノイドの働きによって開始される。
【０００６】
従って、ソレノイドは、とりわけ電気スイッチング、ラッチング、制動、クランプ締め、バルブ動作、分岐又は接続を実行する広範な種類の機構において、重要な構成部品である。
【０００７】
ソレノイドを起動するための最も一般的な方法は、コイルにＡＣでもＤＣでもよい定電圧を印加することを伴う。電圧によってコイル内に電流の流れが発生し、その結果として磁場が生成され、この磁場がソレノイドのアーマチュアに力を印加し、ソレノイドが取り付けられた機構を動かす。しかしながら、以下に詳細に説明するように、それ自体は更なる問題を生まない回路構成と共にソレノイドをエネルギ効率の良い様式で駆動するには、大きな困難が存在する。
【０００８】
図２〜４はソレノイドを駆動するために使用する回路の例である。図２は、入力への信号応じて電流を伝導することができるトランジスタ１１を含む、一般的な従来技術によるトランジスタソレノイド駆動回路を示す。上記電流はソレノイド１０を通って流れる。上記トランジスタ１１による入力への信号に応じた電流の伝導が停止された場合、フライバックダイオード１４が電流を伝導し、これにより、上記ソレノイド１０の誘導性構成部品が上記トランジスタ１１に見られる電圧を上昇させて、場合によっては上記トランジスタ１１を破壊するのを回避する。上記ソレノイド１０のエネルギが再循環プロセスによって枯渇すると、上記電流は停止し、上記ソレノイド１０は脱エネルギ化される。
【０００９】
図３は、多数の製造者から市販されているような、供給電圧のパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いてソレノイド１０の保持電流を低下させるソレノイドドライバ集積回路１２を示す。上記ソレノイドドライバ１２に上記ソレノイド１０と、一般に必要とされる外部構成部品、即ち、上記ドライバ集積回路１２の損傷を防止するため、かつＰＷＭスイッチング途中に発生する電波をある程度削減することを目的とする、フライバックダイオード１４及び直列接続ダイオード１３とを接続する。上記ソレノイドドライバ集積回路１２は固定された構成であり、手動で行われる限定的なソレノイド駆動操作に必要なものを除いて、電圧若しくは電流を測定又は生成するといった他の目的のために再構成することはできない。
【００１０】
図４は、ソレノイド１０を駆動することができる、典型的な従来技術の固定構成のシンク出力モジュール１７を示す。従来技術において典型的であるように、上記出力モジュール１７は上記ソレノイド１０を駆動するための電力を供給しないが、そのかわり、外部デバイス電源１８によって供給される電力を接続及び切断することに依存している。その上、上記固定構成出力モジュール１７に関して普通であるように、ターミナルブロック１９を用いて上記ソレノイド１０への配線を行う。その上、上記出力モジュール１７に関して普通であるように、保護用フライバックダイオード１４を設置して、脱エネルギプロセス中に上記ソレノイド１０が生成する電圧を低減する。
【００１１】
ソレノイドで駆動される機構の設計の分野において当業者に公知であるように、所望の移動距離においてソレノイドの十分な力を提供することと、過剰なエネルギ消費及びソレノイドコイルの発熱を生むこととの間には、微妙なバランスが存在する。ソレノイドを閉位置に動かすために必要な電流の量は、ソレノイドを閉状態（即ち当該技術用語では密閉状態）に維持するために必要な電流と比べて大きい。よって、長期間にわたって密閉状態のままであるソレノイドは高温になりがちであり、また、単にソレノイドを密閉状態で保持するために必要な量に比べて大量のエネルギを消費する傾向がある。ソレノイドで駆動される機構の設計者にとっての微妙なバランスは、閉位置への所定の距離を高い信頼性をもって移動し、それと同時に、ソレノイドコイルへの電力の一定の印加にも関わらず過剰な電力を消費したり温度が過度に上昇したりしないようなソレノイドを製作することである。
【００１２】
ソレノイドのこの基本的な設計上の困難が、本発明が解決しようとする問題の背景となっており、従って、本発明の利点を説明するために、この設計上の困難の原因に関するより詳細な記載を提示する。
【００１３】
ソレノイドは電流の流れをアーマチュア上の力へと変換するが、上記力は電流の定数関数ではない。ソレノイドが密閉されている場合、磁気回路には本質的には空隙は存在せず、よって、磁束は所定の電流において比較的高くなる。しかしながら、ソレノイドが完全な開状態である場合、磁気回路に空隙が存在し、これは回路の磁気抵抗を有意に増大させ、上記磁気抵抗は、発生する磁束に対する起磁力（ＭＭＦ）の比である。よって、上記所定の電流において、完全な開状態であるアーマチュア上の力は、アーマチュアが密閉位置にある場合より有意に低くなり得る。従って、アーマチュアを高い信頼性をもって動かすために、ソレノイドが密閉されている場合に必要な電流より多くの電流を供給する必要がある。更に悪いことには、ソレノイドを密閉するための高電流の要求はほんの１秒にも満たない時間しか持続せず、ソレノイドは伝導性の密閉状態に無期限に留まることがある。エネルギは浪費されている。
【００１４】
当業者は、所定のソレノイド電流に関して、アーマチュアが密閉位置又は閉位置に近づくにつれて、空隙が短くなることによって磁気抵抗が低下するため、アーマチュア上の力は増大することを以前から理解している。密閉状態のソレノイドアーマチュアにかかる力は、電流又は電圧が同じ場合、開状態のソレノイド上の力と比べて極めて高いため、当業者は、ソレノイドへの電流又は電圧を変化させることによって、初めにソレノイドを密閉するための高い力を供給し、続いて電流又は電圧を低下させて、ソレノイドを密閉状態に保持することができると推論した。電流又は電圧を変化させるこのような方策を用いることにより、ソレノイドを閉じるために必要な高い力を供給しながら、ソレノイドコイルの発熱を低減させることができる。
【００１５】
特許文献１（「Ｓｕｚｕｋｉ」）では、同文献は、電流制御回路を製作することにより、リレーが閉じた後でリレーコイルへの電流を低下させることができることを教示している。残念ながら、同文献に示される回路は、直列に結線されたトランジスタによってリレーコイルへの電流を供給され、このため熱を生成し、可能なエネルギ節減をかなり低下させてしまう。よって、文献１の発明は、ソレノイドの発熱を幾分低減するものの、これは熱生成の一部をトランジスタに移動させることによるものである。例えば、文献１に開示されたソレノイド電流を初期引き込み電流の１／２に削減すると、このシステムにより、ソレノイドのエネルギ使用は以前のレベルの１／４に低下することになる。残念ながら、上記エネルギの別の１／４は、トランジスタの抵抗損失において消費される。更に、上記文献１は、リレーがオフになっている間のリレーコイルのインダクタンスの影響に対処する方策について言及していない。当該技術分野では、トランジスタを用いてインダクタから電力を除去することにより、大きな電圧振幅が発生することが十分に理解されており、一般には電流の流路を流れに挿入することによってこれを軽減して、回路の電圧の危険なレベルの上昇を回避しなければならない。一般に、オフになっている間リレーコイルの電流を循環させることができるダイオードを使用する。
【００１６】
エネルギ削減の半分の浪費を回避しようと努めた当業者もいる。彼らは、ソレノイド電圧のパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて、トランジスタを迅速にオン及びオフにして線形領域を概ね回避する公知の電力スイッチング技術により、トランジスタにおける損失を低減できると推論した。この方策は、トランジスタを閉じる間最初にわずかしか電流が流れない誘導回路において、上手く機能する。幸い、ソレノイドは高い誘導性を有し、従ってＰＷＭは上手く機能する。しかしながら残念なことに、ＰＷＭは特別に注意を払わない限り、妨害電波を容易に生成し得る。工業的制御システムにおける応用では、ソレノイドのユーザに制限を設けることはほぼ考えられない。
【００１７】
同様に、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製ＤＲＶ１０２ＰＷＭバルブ／ソレノイドドライバ等の類の集積回路は、初めにソレノイドを全電圧及びそれによって全電流で駆動し、その後ソレノイドへの電力信号のＰＷＭを実行することにより、上記電流を低減することができる、固定及び特定目的用電気回路を製造することを目的とするものである。残念ながら、上記集積回路は、上述のような望ましくない電気的干渉を生成し得る。例えば、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製ＤＲＶ１０２の取扱説明書には「ＰＷＭスイッチング電圧及び電流によって電磁放射が発生し得る」と書かれている。更に、この注意書きは、ノイズ低減構成部品の位置の決定は「論理を無視したものとなり得る」、即ち、予想が困難であり、実証的検定を反復して行う必要があり得ることを示唆している。更に、このような集積回路は通常、多くの外部構成部品を追加する必要があり、また、固定構成である：即ち、ソレノイドが取り付けられるコネクタはソレノイドを駆動することしかできない。以下に説明する本発明は、これら従来技術のデバイスを使用して得ることができない更なる応用及び柔軟性を提供する。
【００１８】
従来技術は、ソレノイド駆動における重要な設計上の困難：即ち、ソレノイドが密閉状態であるかどうかをどのように決定するかという問題に十分に対処してこなかった。多くの理由から、ソレノイドは電流を印加する際に閉位置又は密閉位置に到達又は留まることができない。ソレノイドは動かなくなり、最初のうちどちらの方向にも移動することができなくなり得る。ソレノイドコイルは開状態であるか又は電気的に連続でなく、従って所望の磁場を生成できなくなり得る。ソレノイドコイルは短絡し得る。ソレノイドは振動にさらされ得て、この振動は、ソレノイドを非密閉状態にするのに十分な力をソレノイドに与える。又は、電流の瞬間的な損失が起こる場合があり、これにより、ソレノイドを保持する力が一時的に低下する。又は、ソレノイドコイルに印加される電流は、ソレノイドアーマチュアを、環境温度等の全ての物理的変動の下で、高い信頼性をもって密閉状態に保持するために必要な電流よりわずかに少ないことがあり得る。従来技術は、ソレノイドの状態の決定に関するこのようなジレンマに対して１つの解決法しか教示しておらず、それは、ソレノイドが密閉状態である場合に、ソレノイドが電気回路を閉じるようにすることである。図５は、ソレノイドの状態が密閉状態であるか開状態であるかを決定するための、従来技術による装置を示す。この従来技術によるシステムでは、コントローラ９０はソレノイドコイル９１を閉じるよう命令を発する。ソレノイドコイル９１に密閉に十分な時間が与えられた後で、コントローラ９０は、ソレノイド機構に機械的に連結された補助コンタクト９２の状態を感知する。上記補助コンタクト９２の状態に基づいて、上記コントローラ９０はソレノイド９１の状態を推測することができる。しかしながら、ソレノイド１０がリレーではない場合、上記ソレノイド１０は上記補助コンタクト９２に機械的に接続しなければならず、このような接続は問題が多く、またコストがかかる。ソレノイドがリレーの一部である場合でさえ、このような方策には、この監視プロセスのために一揃いのコンタクトを使用する必要がある。この追加のコンタクトを監視するために更なる電気回路が必要となり、保持電流を削減したシステムのために起動シーケンスを繰り返さなければならない。ソレノイドがリレーの一部ではない場合、一揃いのコンタクトをソレノイド機構に追加しなければならない。この要件は、極めて重要なソレノイドシステムを除いては禁止されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第７２６２９５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、ソレノイドを完全な開位置から密閉位置に動かすために十分に高い力を提供することができる、ソレノイドコイルを駆動するための、設定変更可能なコネクタ付きの方法及び装置を提供する。これはまた、消費エネルギ及びソレノイドが密閉状態である場合のソレノイドコイルの発熱を低減することもできる。本発明は、直列スロットリングトランジスタ又はレジスタからの連続的な損失無しにエネルギを削減する。本発明は、開状態又は短絡したソレノイドコイルの検知を容易にし、また、電流を削減することができ、そのために、結果として起こるコイルの過熱を低減するためにアーマチュアを動かなくする。本発明は、駆動方法としてＰＷＭを使用するための要件を削除し、ダイオード等の追加の構成部品を必要とせずに、コイルのオフ動作を統御する。本発明により、１つ以上のリレー又はソレノイドへの接続が外部電源を必要とせず、簡略化される。本発明により、ソレノイドが密閉状態であるかどうかの決定を、補助電気的コンタクトを必要とせずに行うことができ、また、密閉状態でないソレノイドの情報を用いて、ソレノイドアーマチュア上の力を本質的に瞬間的に増大させ、アーマチュアが大きく移動する前にアーマチュアを密閉位置に戻すことができる。
【００２１】
本発明は、米国特許第６８９２２６５号、米国特許第７２１６１９１号及び米国特許第７８２２８９６号、並びに、米国特許出願公開第２００１／０２３１１７６号として公開された米国特許出願第１３／０６９２９２号の教示を拡張するものである。過去の発明では、電圧の測定、電圧の生成、電流の測定、電流の生成、様々な電力レベルの生成、又はシリアル通信データ等の周波数情報の統御に至る、非常に多様な電気的機能のために、システムのいずれのコネクタピンを構成してよい、設定変更可能なコネクタ付きシステムが記載されている。
【００２２】
これらの教示を利用して構築された単一バージョンの製品によって、数多くの工業的制御に関わる問題が解決されてきた。従来の工業的制御入力／出力モジュールと比較すると、設定変更可能なコネクタ付きの入力／出力モジュールは、電源やターミナルブロック等、必要とされる追加の構成部品の数を劇的に削減する。設定変更可能なコネクタ付きの入力／出力システムは、そのコネクタピンの電気的構成を変化させることができるため、多くの異なる固定構成モジュールの必要を排除する。
【００２３】
本発明では、入力／出力モジュールのピン構成を通常動作中に変更することができ、これにより、ソレノイドが２つのこのようなピンの間に接続されている場合、ソレノイドにわたる電圧を、いずれの追加の構成要素を用いずに、又はＰＷＭの使用を必要とせずに、変化させ得る。本発明によってピンの構成を１つの電源から別の電源へと変化させることができる、又はいずれの上記複数の電源の電圧レベルを変化させることができるようになるため、本発明によって、高効率の電源を使用することができるようになる。従って、ソレノイドにわたる電圧を低減するためにスロットリング又はＰＷＭは必要でなくなるが、本発明におけるＰＷＭの使用は、それが何らかの理由で有益であると決定される場合には、排除されるものではない。その上、本発明は、オフ時に誘導性電流を統御する２つの方法も提供する。第一に、設定変更可能なコネクタ付きモジュールは、コイルの電圧を許容可能なレベル内に保持したまま、電流を徐々にスロットリングすることができる。第二に、ソレノイドの２つのピンのうち第１のピンを、第２のピンと同一の電圧に再び再構成することで、ソレノイドコイルの両側を同一の電源の高圧側と低圧側とに接続し得る。この２つの方法によって、回路オフ中のインダクタンスの影響に対処し、また、回路の安全な動作を提供するために追加の要素を必要としない。
【００２４】
その上、本発明は、他の感知及びソース回路要素のコネクタピンへの接続を提供し、これにより、ソレノイドが密閉状態であるかどうかを決定できる。上記決定は、ソレノイドの電気的インダクタンスは電気的磁気抵抗と反比例の関係にあること、及び、上記リラクタンスはソレノイドの空隙がゼロに近づくにつれて減少することに基づいている。上記決定は、ソレノイドにわたる電圧に周期的又は段階的な変化を与えて、その結果発生する電流の周期的又は段階的な変化を測定することによって達成される。上記結果として発生する電流はソレノイドインダクタンスの関数である。又は代替として、上記決定は、ソレノイドを通る電流に段階的変化又は周期的変化を与えて、その結果発生する電圧の変化を測定することによって達成してもよいが、好ましい実施形態は前者の決定方法である。上記決定は、ソレノイドが密閉状態である、開きつつある、又は開いているかどうかを含む。その上、ソレノイドが意図せず密閉状態で無くなる場合、本発明の方法及び装置は、ソレノイドの電流を本質的に同時に増大させてソレノイドを再び密閉し、これによってソレノイドが意図せず開くのを防止することができる。上記再密閉は、本発明に見られるもの以外のいずれの追加の装置も必要とすることなく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、一般的なソレノイドを、主要な構成部品を示しつつ描いたものである。
【図２】図２は、ソレノイドコイルを駆動するための、従来技術による一般的な回路装置であり、特に必要なフライバックダイオードを示す。
【図３】図３は、ソレノイドコイルを駆動するための、パルス幅変調（ＰＷＭ）を用いる従来技術による一般的な回路装置であり、特に必要な直列結線されたダイオード及び追加のフライバックダイオードを示す。
【図４】図４は、プログラマブル論理コントローラ又は工業的な固定構成出力モジュールにおいて一般的な、従来技術による回路を示す。
【図５】図５は、ソレノイドの非密閉状態を検知するための従来技術による装置を示す。
【図６】図６は、本発明の設定変更な装置を示す。
【図７】図７は、本発明の設定変更可能なコネクタ付きモジュールへの、リレー又はソレノイドコイルの接続を示す。
【図８】図８Ａは、ソレノイドの電流がゼロへと減衰するのを能動的に抑制する場合の、本発明の命令の波形を示す。図８Ｂは、ソレノイドの電流がゼロへと減衰するのを能動的に抑制する場合の、本発明の電圧の波形を示す。図８Ｃは、ソレノイドの電流がゼロへと減衰するのを能動的に抑制する場合の、本発明の電流の波形を示す。
【図９】図９Ａは、ソレノイドの電流をゼロへと減衰させる場合の、本発明の命令の波形を示す。図９Ｂは、ソレノイドの電流をゼロへと減衰させる場合の、本発明の電圧の波形を示す。図９Ｃは、ソレノイドの電流をゼロへと減衰させる場合の、本発明の電流の波形を示す。
【図１０】図１０は、ソレノイドの非密閉状態を決定するための本発明の方法及び装置について説明する目的で、ソレノイドの抵抗性及び誘導性構成部品のモデルを示す。
【図１１】図１１Ａは、ソレノイドのインダクタンスを測定して上記ソレノイドの非密閉状態を決定するために用いられる、本発明の電圧の波形を示す。図１１Ｂは、ソレノイドのインダクタンスを測定して上記ソレノイドの非密閉状態を決定するために用いられる、本発明の電流の波形を示す。図１１Ｃは、ソレノイドのインダクタンスを測定して上記ソレノイドの非密閉状態を決定するために用いられる、本発明の電圧の波形を示す。図１１Ｄは、ソレノイドのインダクタンスを測定して上記ソレノイドの非密閉状態を決定するために用いられる、本発明の電流の波形を示す。
【図１２】図１２Ａは、ソレノイドの状態を決定するための本発明の代替方法のための、電圧の波形を示す。図１２Ｂは、ソレノイドの状態を決定するための本発明の代替方法のための、電流の波形を示す。
【図１３−１】本発明のいくつかの実施形態による、ピンドライバインターフェース装置として構成されたＡＳＩＣの例である。
【図１３−２】本発明のいくつかの実施形態による、ピンドライバインターフェース装置として構成されたＡＳＩＣの例である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図６は、本発明の設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５の、機能ブロック図を示す。好ましい実施形態の上記モジュール１５の内部にはマイクロプロセッサ８０が含まれており、これは、複数の信号のいずれを１つ以上のピン１６へ配向することができ、これらピン１６はその後、ソレノイド等の（ただしソレノイドに限定されない）様々なセンサ及びアクチュエータに接続されるものである。特に、上記設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５は１つ以上の電源８１を含み、これは、複数の信号のうち上記以外のものと同様、Ｒ５又はＲ６等のスイッチング手段８２を介してルーティングされて、１つ以上のコネクタピン１６に接続されてよい。ソレノイドが２つのこのようなピン１６の間に接続される場合、設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５は、上記ソレノイドへの複数の電力レベルのうち１つを生成して、ソレノイドを通って流れる電流をＰＷＭを必要とすることなく調整することができる。
【００２７】
設定変更可能な入力／出力モジュール１５は、いずれの数の相互接続装置８３を含んでよい。各相互接続装置８３は１つのデバイスコネクタ１６に接続され、任意に、別の相互接続装置への内部クロスポイントスイッチを通る（図１３及びそれに関連する記載を参照）。図６は極度に定型化されており、本発明のモジュールの本質を伝えることを意図したものである。
【００２８】
図７は、ソレノイド１０に接続されている状態の、本発明の設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５を示す。この構成では、上記モジュール１５は、複数の電力レベルを電源８１から上記モジュール１５のピン１及び２にルーティングするためのマイクロプロセッサ８０によって構成されている。従来技術による固定構成の出力モジュールとは異なり、図７に示す１５個のピンのいずれは、この機能のために構成することができる。外部デバイス電源を必要とする従来技術による固定構成の出力モジュールとは異なり、本発明には外部デバイス電源は必要なく、図７に図示されていない。また、出力モジュールを保護するためにフライバックダイオードを必要とする、従来技術による固定構成の出力モジュールとは異なり、本発明にはフライバックダイオードは必要なく、図示されていない。よって、本発明の設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５は、複数の電圧のうち１つを接続されたソレノイド１０に印加することができ、これにより、本発明の目的を実現することができる。
【００２９】
図８Ａ、８Ｂ及び８Ｃは、減衰を抑制する方法及び装置を用いたソレノイド１０の起動の結果として発生する電圧及び電流の波形を示し、図８Ａではソレノイド駆動信号として示す。以下に説明する電圧の波形には９個の段階がある。図８Ｂでは各段階に２１〜２９の符号が付けられている。
【００３０】
段階２１では、ソレノイドの電圧はゼロであり、これはソレノイドの無作動状態である。ソレノイドには電力供給されておらず、起動準備状態である。
【００３１】
段階２２では、ソレノイド駆動信号が真となるのに応じて、設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５は、起動レベル電圧をソレノイド１０に接続する。この好ましい実施形態では、上記起動レベル電圧は２４Ｖである。印加された電圧に応じて、ソレノイドコイルの電流は急峻に増加し（符号４０）、印加された電圧が好ましくは持続可能な定常状態のコイルの電圧より高いため、ソレノイドは迅速に動く。しかしながら、段階２３の期間を変化させることにより、ソレノイドの起動力を制御することができる。
【００３２】
段階２３では、設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５は、ソレノイドコイルの電圧を引き込みレベルに維持し、コイルの電流は定常状態に漸近的に移動する（符号４１）。段階２３部分の長さは、ソレノイドの起動力を制御するために、上記ソレノイドの電流が定常状態に到達しないよう設定される。段階４１の終わりにおいて、ソレノイドは好ましくは閉位置又は密閉位置となる。
【００３３】
段階２４では、設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５は、ソレノイドから起動レベル電圧の接続を解除して、ソレノイドに持続レベル電圧を接続することを実質的に同時に行う。代替として、単一の電源の電圧レベルを変化させて、同一の目的を達成することができる。持続レベル電圧は、ソレノイドに十分な保持力を供給できるよう選択するが、上記持続レベル電圧は、いかなる条件下においても高い信頼性をもってソレノイドに引き込まれるには不十分なものとする。上記持続レベル電圧は好ましくは、マイクロプロセッサ８０によって調整することができる。段階２４が開始すると、ソレノイドコイルの電流４２は、低い電圧の印加に応じて減少し始める。上記ソレノイドコイルの電流は、ある程度の期間が経過した後で定常状態４３になるまで減少するが、この期間はソレノイドの電気的特性の関数である。
【００３４】
段階２５では、ソレノイドを密閉状態に保持するために、ソレノイドにおいて持続レベル電圧が維持される。制御システムによって、必要なだけ段階２５を維持する。この時間は数ミリ秒から数ヶ月又はそれ以上の範囲とすることができる。
【００３５】
段階２６では、プロセスは、ソレノイド駆動信号が偽３１となり始めるのに応じてソレノイドから電力を除去し始める。ソレノイドのインダクタンス（これは電流の迅速な低下を不可能とする）は、設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュールのピン１６をグランドに対して大きく負とし、スイッチング手段８２に損傷を与えたり、又はこれを破壊したりすることがあるため、設定変更可能なソレノイド駆動回路は、その駆動トランジスタをソレノイドへ開くことは決してできない。ソレノイドコイルがいわゆるフライバックダイオードを備えている場合、上記ソレノイドの電流に経路が提供され、コイルのエネルギが散逸する。しかしながら、フライバックダイオードは存在せず、よってコイルの電圧はゼロを通過して負となる。従って、本発明の設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５は、コイルの電流をスロットリングしてコイルの電圧をある値にクランプし始めるように構成され、この値は、好ましい実施形態ではグランドに対しておよそ−５Ｖである。
【００３６】
段階２７では、コイルが供給できる電圧がクランプされた電圧未満に低下するまで、スロットリングプロセスを続ける。段階２７の間、ソレノイドコイルの電流は線形に減少する（符号４４）。
【００３７】
段階２８では、設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５は、ソレノイドコイルの電流を能動的にスロットリングするのを停止し、その代わりに、固定トランジスタゲート駆動を提供し、ソレノイドコイルから残留エネルギを散逸させる。段階２８の間にソレノイドの電流４５はゼロまで指数関数的に減衰し、ソレノイドコイルは無作動状態に戻る。
【００３８】
段階２９では、ソレノイドコイルは段階２１でそうであったのと同じ状態である：即ち、コイルは作動しておらず、ソレノイドには電力供給されておらず、再び起動準備状態となっている。ソレノイドの電流４６もまたゼロである。
【００３９】
図６及び７を参照すると、インターフェース装置８４は、複数の電源のうち１つを、ソレノイド１０が接続されたデバイスコネクタ１６に接続するよう構成されてよい。例えば、スイッチング手段８２は最初に、ソレノイドの引き込み段階を達成するために、２４ＶＤＣ電源を上記デバイスコネクタ１６に接続させることができる。同様に、上記インターフェース装置８４は続いて、ソレノイドの持続段階を達成するために、５ＶＤＣ電源を上記デバイスコネクタ１６に接続させてよい。
【００４０】
図９Ａ、９Ｂ及び９Ｃは図８Ａ、８Ｂ及び８Ｃとよく似ているが、ソレノイドの電流をスロットリングするのではなく、設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５の、ソレノイド１０に接続された２つのピンを、高圧側又は低圧側の同一の電圧に設定する点で異なる。このようにする際、ソレノイドの電流は上記モジュール１５を通って、ソレノイドの電流が枯渇するまで流れる。よって、図９Ｂの段階２７は０Ｖのままであり、図８Ｂにおけるように−５Ｖではない。そして、図９Ｃの電流は、段階４６においてゼロまで指数関数的に減少する。
【００４１】
上記インダクタンスは、それ自体がソレノイドの空隙の関数である磁気抵抗と反比例の関係にあり：即ち、磁気抵抗は空隙が減少するに従って減少し、ソレノイドが完全に密閉され空隙がほぼ無くなると完全に低下するため、本発明の文脈において、ソレノイドの状態が密閉状態であるか、開きつつあるか、又は完全に開状態であるかの決定は、ソレノイドコイルのインダクタンスの測定により達成される。本発明は、上記インダクタンスを測定するための方法及び装置を多数提供する。２つの方法及び２つの装置について以下に説明するが、これは単に例示を目的としたものである。本発明の特徴を用いたより簡単又はより適切な方法も可能であるが、以下の説明は本発明の本質を伝えることを意図したものである。
【００４２】
図１０は、本発明のインダクタンスの測定を説明するために用いられる、一般的な電気回路モデルを示す。具体的には、ソレノイド１０は２つの構成部品に分割される。抵抗性構成部品９５は、誘導性構成部品９６と直列接続される。このモデルにより、インダクタンス測定システムの説明が容易となる。
【００４３】
図１１Ａは、ソレノイドにわたるＤＣ電圧を示す。上記電圧は、０Ｖ以上のいずれの適切な電圧であってよい。図１１Ｂは、図１１Ａに示す電圧を印加した場合に得られるＤＣ電流を示し、上記得られるＤＣ電流は０以上である。図１１Ｃは、図１１ＡのＤＣ電圧信号に印加される、適切な周波数の正弦波電圧信号であり、上記正弦波電圧は、ソレノイドの動作に影響を与えない程度の、上記ＤＣ電圧の十分に小さい割合であるが、その一方で上記ソレノイド１０内に測定可能な電流を生成するのに十分な大きさである。上記正弦波電圧信号は、本発明の設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５に接続された複数の電源８１のいずれかの電圧の設定値をわずかに変化させることによって確立される。上記正弦波電圧信号は、図１１ＢのＤＣ電流信号の変動を引き起こし、これもまた本質的に正弦波である。ＤＣ電流信号の上記変動を図１１Ｄに示す。図１１Ｃの正弦波電圧信号に対する図１１Ｄの信号の段階は、図１０に示す２つの構成要素、即ち上記ソレノイド１０の抵抗性構成部品９５及び誘導性構成部品９６の相対マグニチュードの関数となる。具体的には、図１０の抵抗性要素９５が大きくなり、かつ図１０の誘導性構成部品９６が小さくなるとすると、図１１Ｃの電圧信号に対する図１１Ｄの電流信号の段階は小さくなり、９０°より０°に近くなる。しかしながら、図１０の抵抗性構成部品９５が小さくなり、かつ図１０の誘導性構成部品９６が大きくなるとすると、図１１Ｃの電圧信号に対する図１１Ｄの電流信号の段階は大きくなり、０°より９０°に近くなる。電流信号の直交成分を抽出することができる、信号処理の公知の方法を用いて、ソレノイド１０の誘導性構成部品を測定することができる。
【００４４】
インダクタンスの測定のために代替の方法及び装置を使用してよく、周期的正弦波励起ではなく周期的矩形波励起等を用いて、同様の結果及び恐らくはより簡単かつ効果的な実施形態とすることができる。更に、電圧又は電流の段階的変化、及びそれに続く電流又は電流の応答の測定によって、使用される電気回路により適切であり得る実施形態において、同様のインダクタンス測定を提供することができる。
【００４５】
ソレノイド状態決定の代替方法は、周期的励起に対する段階及びマグニチュードではなく、段階的応答の観察によるものである。図１２Ａは、ソレノイドが密閉状態であるかどうかを決定するために使用される状態クエリパルスによって、典型的なエネルギ印加及び脱エネルギシーケンスに関するソレノイド電圧を示す。これらのクエリパルスのマグニチュード又は極性、及び期間は、ソレノイドの状態が変化するのを回避できるよう設計される。図１２Ｂは、図１２Ａのシーケンス及びそのクエリパルスに関する電流を示す。本方法においてリレーにわたって印加される、エネルギ印加、保持、及び脱エネルギ化に使用される３つの電圧は、好ましい実施形態では同じレベルであるが、これは本発明の重要な側面ではない。図示したシーケンスにおける事象又は段階の順に従って、本方法を以下に詳細に説明する。
【００４６】
まず、ソレノイドを脱エネルギ化してゼロ電流及び電圧状態とする。この状態では、十分に小さい振幅及び期間のクエリパルスを適用して、ソレノイドのアーマチュアを動かすことなく電流の応答５０を生成することができる。クエリパルスの期間が、その密閉状態若しくは非密閉状態又は中間状態におけるソレノイドのＬ／Ｒ時間定数と比較して短い場合、公知のピークにおいて、即ちクエリパルスの終端において上記電流の応答をサンプリングすることによって、ソレノイドのインダクタンスを、１つのサンプルを用いて推測できる。上述のように、このインダクタンスはソレノイドの状態を示し、これが本発明の目的である。
【００４７】
ある程度時間が経ってから、ソレノイドにエネルギを印加し、電流の応答５１、及びソレノイドのアーマチュアが動くかどうかに応じて電流の応答５２又は５３を生成する。インダクタンスを脱エネルギ状態に関して測定することができるため、及び、応答５１及び５３は共に、上述の既知のインダクタンス及び他の方法から既知の磁気抵抗によって決定される単純な真の指数関数の一部であるため、この動かないピンの応答は、顕著に異なる曲線を呈する応答５１及び５２の対から容易に区別することができる。この区別は、タイムセパレーションがＬ／Ｒ時間定数と比較して短い応答に沿って電流を何度かサンプリングすることによって行ってよく、これにより、マイクロプロセッサ８０による簡単な計算によって、単純な真の指数関数から曲線の起点５２を検知することができ、この起点はソレノイドのアーマチュアの所望の動きを示す。本方法は、ソレノイドのアーマチュアがエネルギ印加過程の終わりに急停止することがない場合に緩和又は削除され得る頂点の二重の微分又は存在に依存するものではないため、応答段階５２の終端における先端の検知に基づく過去の発明である米国特許第３９４６２８５号より進歩したものである。
【００４８】
エネルギ印加が成功すると、ソレノイドの電圧は保持レベルまで減少し、電流の応答５４を生成し、最終的には電流の応答５５の開始点の低電力保持電流に落ち着く。
【００４９】
エネルギ印加中、この応用例に適切ないずれの速度のクエリパルスを印加して、電流の応答５５を生成する。これが電流の応答５０と同じである間は、段階的振幅に対する電流の変化は、密閉状態のソレノイドの相当に高いインダクタンスにより、小さくなる。ここで再び、応答５０の場合と同様に、応答５５のピークの単一のサンプルを用いて、ソレノイドのインダクタンスを推測することができ、従ってソレノイドの密閉状態又は非密閉状態を推測することができる。非密閉状態におけるインダクタンスは、密閉状態のインダクタンスより数倍小さいため、保持電流のベースラインに対する電流の応答５５の振幅によって、容易にソレノイドの状態を区別できる。
【００５０】
ある程度時間が経ってから、ソレノイドを脱エネルギ化し、電流の応答５６、及びソレノイドのアーマチュアが動くかどうかに応じて応答５７又は５８の一方を生成する。これらの条件は、脱エネルギ化の成功を検知する以外は上述のエネルギ印加の成功の検知の基準と同一の基準によって区別することができる。
【００５１】
最終的に、脱エネルギ化された開始状態に到達し、クエリパルスはこの応用例に適切ないずれの速度の電流の応答５９を生成する。
【００５２】
クエリパルスは、電流の曲線を区別することによってアーマチュアの動きを検知するかどうかとは独立に、ソレノイドのアーマチュアの位置を示すことに留意すべきである。多くの応用例について、ソレノイドの不具合を検知するにはクエリパルスのみで十分である。しかしながら、動きの検知によって、クエリパルスを印加できない時間の間に、成功又は不具合をより早く示すことができる。他のシステムの起動がソレノイドの状態の変化に即座に追従するが、このような変化が命令通りに起こった場合のみそれが行われるような応用例において、このような早い検知は重要となり得る。
【００５３】
インダクタンスの上記測定は、本発明による設定変更可能なコネクタ付きシステムによって常に実施することができる。測定はソレノイドの動作に影響しないため、ソレノイドが０を超えるＤＣ電圧によってエネルギ印加される際に最初にこの測定を行うのが好ましい。そして、上記第１の測定を、ソレノイドのインダクタンスのベースラインとして使用する。
【００５４】
設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５の起動によってソレノイドを密閉するよう最初に命令が出されている間、インダクタンスの上記測定を行い続ける。ソレノイドが密閉状態となると、密閉状態において測定したインダクタンスは、上記第１のベースラインのインダクタンスの測定より高くなるが、これは上述のようなソレノイドの電気的特性によるものである。上記密閉状態において測定したインダクタンスを、設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５のマイクロプロセッサ８０によって記憶し、続いて、これを用いてソレノイドの状態が密閉状態であるか、開きつつあるか、又は開状態であるかを決定する。
【００５５】
上記インダクタンスの測定を、ソレノイドを閉状態のままとしようとする間（この間ソレノイドの電圧は低い方の保持レベル２５である）、連続して実施する。何らかの理由によって上記ソレノイドが非密閉状態となった場合、その結果としてインダクタンスは低下する。上記インダクタンスの測定はこのインダクタンスの低下を検知する。これと実質的に同時に、設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５は、ソレノイド１０を再び密閉状態とするために、ソレノイドの電圧を引き込み値２３まで上昇させる。このようにして、本発明は、ソレノイドのアーマチュア５が、ソレノイド１０が接続された機構の機械的状態に影響を与えてしまうほどの距離を動くのを回避することができる。ソレノイド１０が消費したエネルギを再び削減するために、ソレノイド１０が再び密閉状態となった後、設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール１５は、印可したソレノイドの電圧を再び保持電圧２５まで降下させる。任意に、本発明の方法及び装置は、印加するソレノイドの電圧を若干増大させて、ソレノイドの非密閉状態をもたらす影響を補償するためにソレノイドの保持力を若干増大させてよい。
【００５６】
図８Ａ−８Ｃを参照して上述した減衰を抑制する方法、図９Ａ−９Ｃを参照して上述したその変形例、図１０及び図１１Ａ−１１Ｄを参照して上述したソレノイドの状態を決定するための方法、並びにその変形例を、本発明の設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュール及びコンピュータプログラムに全て実装してよい。コンピュータプログラムをモジュール内のメモリに記憶させ、これをモジュール内のマイクロプロセッサで実行してよい。代替として、プログラムをモジュールの外部、例えば制御システム内に記憶させてよく、プロセッサを動作させるためにモジュール内のマイクロプロセッサに指示を送る。更なる代替例では、本発明のプロセスのうちいくつかのためのコンピュータプログラムをモジュールのメモリに記憶させ、その他をモジュールの外部、例えば制御システム内のメモリに記憶させてよい。図７に、モジュール１５に接続されたシステムコントローラ８５の例を示す。システムコントローラとモジュールとの間の接続は、標準的なケーブル又はネットワーク接続（例えばイーサネット（登録商標））であってよい。接続はバックプレーンコネクタであってよく、例えばモジュールをＰＬＣのバックプレーン又は埋め込み式コントローラに差し込んでよい。また、接続は無線接続であってもよい。本発明の教示から逸脱しない限り、設定変更可能なコネクタ付き入力／出力モジュールは：いわゆる埋め込み式コントローラとして動作してよい；より大きなシステムの一部である回路基板であってよい；又は、それ自体がシステムコントローラとして機能してよい。
【００５７】
図６に示したような相互接続装置８３を含むインターフェース装置８４を、集積回路（ＩＣ）として構成してよい。ＩＣは、Ｉ／Ｏモジュール１５内において各デバイスコネクタ１６について繰り返される。よって、２５個のデバイスコネクタ１６がある場合、２５個のＩＣが使用されることになる。モジュール１５は、単にいずれのモジュールがいずれの数のデバイスコネクタ１６を含むかによって、いずれの数のＩＣを含むことができる。別の実施形態では、複数のデバイスコネクタ１６を各ＩＣにおいて統御するか、又は複数のＩＣを用いて１つ以上のデバイスコネクタを統御するような、異なるＩＣのアーキテクチャを使用してよい。ＩＣを用いると、結果として、最新の半導体プロセスによって得られる小型化のおかげで、モジュール１５のサイズ及び作製コストを劇的に削減できる。
【００５８】
図１３は、インターフェース装置８４を実現することができる集積回路のブロック図である。集積回路１９８は、相互接続装置の役割を果たすように特に設計されており、従って、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）と呼び得る。このＡＳＩＣは、相互接続装置８３の機能性を提供するように特に設計される。将来のある時点で、このようなＡＳＩＣは集積回路製造元からの標準的な製品となり得る。従って、ここで使用されるＡＳＩＣという用語は、インターフェース装置として機能するよう設計された標準的な集積回路を含む。更に、ここで使用される集積回路（ＩＣ）という用語は、以下の様々な装置を包含することを意図したものである：ＡＳＩＣ、ハイブリッドＩＣ、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）ハイブリッドＩＣ、マルチチップモジュール（ＭＣＭ）、及びシステムインパッケージ（ＳｉＰ）デバイス。ハイブリッドＩＣは、（モノリシック）ＩＣと同一の機能性を提供する、小型化された電子回路である。ＭＣＭは少なくとも２つのＩＣを備えるものであり；本発明のインターフェース装置は、必要な機能性を複数のＩＣに分割したＭＣＭによって実現してよい。チップスタックＭＣＭとしても知られるＳｉＰは、単一のパッケージ又はモジュールに封入された多数のＩＣである。本発明では、ＭＣＭと同様にＳｉＰを利用することができる。理論上は、プログラマブル論理デバイスを用いて、本発明のインターフェース装置を実現し得る。しかしながら、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）等の現在入手可能なプログラマブル論理デバイスは、例えば電力又はグランドを所定のピンにルーティングできない等の多くの機能的制限を有し、その使用が望ましくない。これらの機能的制限を克服するためにＦＰＧＡが拡張されれば、このような改良されたＦＰＧＡを、インターフェース装置８４を実現するための構成部品として用いてよい。
【００５９】
図１３は、ピンドライバＡＳＩＣ１９８のブロック図を示す。ＳＰＩインターフェース等のシリアル通信バス２０６によってマイクロプロセッサ８０に接続される場合、図６及び７のマイクロプロセッサ８０は、相互接続装置８３の回路の機能を果たすようＡＳＩＣ１９８に命令することができる。図１３の回路構成は相互接続装置８３と異なるように見えるが、ＡＳＩＣは同一又は同様の所望の機能を実行することができる。図６は、本発明のモジュールの本質を伝えることを意図した、若干理想化された図であるが、図１３は１つの回路要素がＡＳＩＣ内部に配置されるより多くの回路要素を含む。それにも関わらず、図１３は図６の回路要素を全て実装する。例えば、図６は、デバイス通信コネクタ１６に接続可能なデジタル／アナログコンバータ（Ｄ／Ａ又はＤＡＣ）を示す。図１３では、デジタル／アナログコンバータ２２６はスイッチ２２０を介して出力ピン２０８に接続されている。本発明はまた、同一又は同様の目的のために、ＡＳＩＣ１９８の他の回路配置も含む。当業者には、このような様々な回路構成を設計する方法は公知であり、これらは本発明に含まれるものとする。
【００６０】
図１３の例示的なＡＳＩＣの特徴を、ここで簡単に説明する。高電流スイッチ２２２ｂを閉じて、供給セレクタ２２７を２４Ｖ、１２Ｖ、５Ｖ、グランド、又は−１２Ｖ等の利用可能な電源電圧のいずれかに設定することにより、電力をピン２０８に印加してよい。上記利用可能な電源電圧は、ソレノイドを駆動するために必要な引き込み電圧レベル及び持続電圧レベルを提供する。
【００６１】
ＡＳＩＣは、低電流スイッチ２２２を閉じて、アナログ／デジタルコンバータ２１６によって変換された電圧を読み取ることにより、ピン２０８における電圧を測定することができる。
【００６２】
ＡＳＩＣは、高電流スイッチ２２２ｂを通して、電流測定装置を含む複数のプログラマブル電流リミッタ２２４を用いて、ピン２０８に供給される電流を測定することができる。上記電流測定を用いて、ソレノイドのインダクタンスを決定し、また、上記ソレノイドが短絡しているか開状態であるかを決定する。
【００６３】
ソレノイドのインダクタンスの決定に使用されるソレノイドへの電圧の周期的変動は、複数の電源８１の電圧を若干変化させることによって極めて容易に達成でき、上記適切な電源は、供給セレクタ２２７によって選択される。ソレノイドのインダクタンスの決定に使用されるソレノイドへの電圧の段階的変化は、ソレノイドのインダクタンスの測定を実行するためにソレノイドの電流を増大又は減少させるために、供給セレクタ２２７を瞬間的に変化させてソレノイドの電圧を増大又は減少させることによって極めて容易に達成できる。
【００６４】
ＡＳＩＣ１９８は、図１３で「Ｐｉｎ」と標識されたノード２０８へ、又はそこから流れる電流の量を測定することができる。この場合のピンドライバ回路１９８は、Ａ／Ｄコンバータ２１６を用いて、ピンノード２０８へ、又はそこから流れる電流の量を測定し、これにより、過剰な電流を検知することができる、又はＰｉｎノード２０８に接続されたデバイスが機能しているかどうか若しくは正しく配線されているかどうかを検知する。
【００６５】
ＡＳＩＣ１９８はまた、ピンノード２０８へ、又はそこから流れる電流を監視して、回路１９８を一方的に接続解除し、これによって、回路の短絡又はその他のあり得る損傷条件による損傷からＡＳＩＣ１９８を保護する。ＡＳＩＣ１９８は、いわゆる「酷使検知回路」２１８を用いて、ＡＳＩＣ１９８に潜在的に損傷を与え得る電流の急峻な変化を監視する。低電流スイッチ２２０、２２１及び２２２並びに高電流スイッチ２２２ｂは、酷使検知回路２１８に応答して、ピン２０８を接続解除する。
【００６６】
ＡＳＩＣ１９８の酷使検知回路２１８は、ピン２０８に関して電流の限界を確立することができ、この電流の限界は、マイクロプロセッサ８０によってプログラムに基づいて設定される。これは選択２２４が必要とするものである。
【００６７】
ピンノードに接続されたデジタル入力の状態をマイクロプロセッサ８０によって決定することができるようにするために、ＡＳＩＣはピンノード２０８における電圧を測定することができる。これにより、デジタル入力の閾値をハードウェアで固定するのではなく、プログラムすることができる。デジタル入力の閾値は、マイクロプロセッサ８０によって、デジタル／アナログコンバータ２２６を用いて設定される。デジタル／アナログコンバータ２２６の出力を、ラッチコンパレータ２２５の一方の側に印加する。ラッチコンパレータ２２５の他方の入力は、ピン２０８からルーティングされ、デジタル入力を表す。従って、ピン２０８のデジタル入力の電圧が、デジタル／アナログコンバータが設定した閾値を通過すると、マイクロプロセッサ８０は入力における変化を決定して、これによってデジタル入力が状態を変化させたことを推測することができる。
【００６８】
ＡＳＩＣ１９８は、ピンノードに存在する電流信号を測定することができ、この電流信号は様々な工業的制御デバイスによって生成される。ＡＳＩＣ１９８は、標準的な４−２０ｍＡ及び０−２０ｍＡの範囲にわたって変化する信号を測定することができる。この電流測定手段は、マイクロプロセッサ８０によって達成することができ、これは、マイクロプロセッサ８０によって、選択可能利得電圧バッファ２３１が出力端子において０Ｖ等の都合のよい電圧を生成するからである。同時に、マイクロプロセッサ８０によって、選択可能なソース抵抗器２２８が工業的制御デバイス及びその電流出力からの電流経路に抵抗をもたらす。この電流はピン２０８を介してＡＳＩＣ１９８に入る。既知の抵抗の一方の側に印加される電圧により、外部デバイスからの未知の電流がピン２０８における電圧を生成し、この電圧は、アナログ／デジタルコンバータ２１６によって、低電流スイッチ２２２を介して測定される。マイクロプロセッサ８０はオームの法則を用いて、工業的制御デバイスによって生成されている未知の電流を求める。
【００６９】
ＡＳＩＣ１９８は、インターフェース装置８４と関連する上述の機能を含む。例えば、ＡＳＩＣ１９８は、デジタル／アナログコンバータ２２６を含む相互接続装置８３を含むことができ、ここでマイクロプロセッサ８０は、マイクロプロセッサ８０からのデジタル信号の受信を配向してこの信号をデジタル／アナログコンバータ２２６によってアナログ信号に変換するため、及びこのアナログ信号の複製をピン２０８に配置するために、プログラム可能である。図６及び１３を参照のこと。
【００７０】
ＡＳＩＣ１９８はまた、アナログ／デジタルコンバータ２１６を含む相互接続装置８３も含むことができ、ここでマイクロプロセッサ８０は、いずれの選択したコンタクト１６のアナログ信号を検知するためにプログラム可能であり、アナログ／デジタルコンバータ２１６によって信号をデジタル信号に変換して、このデジタル信号の複製をマイクロプロセッサ８０に出力する。
【００７１】
ＡＳＩＣ１９８はまた、供給セレクタ２２７も含むことができ、セレクタ２２７とピン２０８の間に高電流スイッチ２２２ｂを配置する。マイクロプロセッサ８０は、供給セレクタ２２７を操作して、電源電圧を第１のコンタクト１６に接続し、電源のリターンを第２のコンタクト１６に接続するようにプログラム可能である。
【００７２】
図１３を参照すると、２つの隣接するデバイス通信コネクタ１６に接続される２つの隣接するピン２０８にセンサを接続する役割を果たす、２×８クロスポイントスイッチ２１０が存在する。クロスポイントスイッチ２１０によって、熱電対等のセンサを精密示差増幅器２１２に接続することができる。精密示差増幅器２１２を、低電流スイッチ２２２及び２×８クロスポイントスイッチ２１０を介して、４ウェイクロスポイントＩ／Ｏ２１４と、それに続いて隣接する集積回路１９（隣接するコンタクト１６用の集積回路）上の別の４ウェイクロスポイントＩ／Ｏ２１４とに接続してよい。
【００７３】
本発明の別の改善形態では、モジュール１５が、モジュール１５に接続されたデバイスの独立制御を実施することができる。例えばソレノイドをモジュール１５に接続した場合、マイクロプロセッサ８０は、ソレノイドの電圧を若干変化させて、結果として発生する電流を、プログラマブル電流リミッタ２２４において電流測定装置を用いて測定することにより、インダクタンスの必要な周期的又は連続的測定を実施することができる。更に、上記マイクロプロセッサ８０は、電流をスロットリングする又は再循環させることにより、ソレノイドをシャットダウンするために必要なステップを実施することができる。これにより、モジュール１５は、ソレノイドを起動し、その状態が密閉状態であるか開状態であるかを確認するために必要なあらゆる機能を実施することができる。
【００７４】
図６及び７を参照すると、マイクロプロセッサ８０は一般に、ソレノイドのインダクタンス等の、選択したデバイスの特定の状態を感知するために、及び／又はソレノイド１０等の選択したデバイスを起動するために、並びに対応するデータをシステムコントローラに供給するために、必要に応じてコントローラから指示を受信するよう、コントローラ８５によって構成／プログラムされる。マイクロプロセッサ８０はまた、選択したいずれの１つ以上のコンタクト１６に特定の信号が印加されるよう、コントローラによってプログラム／命令されてもよい。更に、マイクロプロセッサ８０は選択したタイプの信号をデバイスのうち１つ以上からシステムコントローラへ送信するための命令に応答するようプログラムされる。換言すれば、マイクロプロセッサはインターフェース装置８４の構成を制御し、一般に、マイクロプロセッサはシステムコントローラによって制御される。代替として、インターフェース装置を、モジュール１５のマイクロプロセッサ８０のメモリに記憶したメッセージに応じて構成することができる。
【００７５】
いくつかの実施形態では、マイクロプロセッサ８０は埋め込み式ウェブサーバを有する。イーサネットケーブル又は無線通信デバイスを用いて、パーソナルコンピュータをモジュール１５に、続いてインターネットに接続してよい。ここで、パーソナルコンピュータはシステムコントローラであってもよい。埋め込み式ウェブサーバは、モジュール１５に接続された各デバイスに関する構成ページを提供する。ユーザはマウス又は他のキーボード入力を用いて、デバイスの機能を構成し、入力／出力ピンを割り当てる。ユーザは、コンタクトの各々に対して特定の相互接続装置を決定するために、構成ページ上でアイコンをドラッグ及びドロップするだけでよい。他の実施形態では、マイクロプロセッサ８０はネットワーク接続を用いてインターネット上のサーバにアクセスし、上記サーバから、コンタクトの各々に対して特定の相互接続装置を決定するための指示を受信する。
【００７６】
モジュール１５の動作の例として、例えば上記マイクロプロセッサに接続されたネットワークケーブル上の、上記モジュール１５に接続された特定のソレノイドを起動するための指示を含むイーサネットパケットに含まれる特定の入力データを認識するように、マイクロプロセッサ８０をプログラムしてよい。
【００７７】
回路スイッチング装置（Ｒ１−Ｒ１２）を、電気機械的リレーとして図式的に示す。ある実施形態では、このスイッチング装置は半導体回路で実現される（図１３及びこれに関連する説明を参照のこと）。半導体回路は、電気機械的リレー回路と比べて極めて安価に実現することができ、また迅速に動作することができる。電気機械的リレーを、本発明の本質を示すために用いる。
【００７８】
本発明を説明するために、特定の代表的な実施形態及び詳細を示したが、添付の請求項に定義される本発明の範囲から逸脱しない限りにおいて、ここに説明した方法及び装置に様々な変更を加え得ることは、当業者には明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３−１】
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【図１３−２】
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【国際調査報告】
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