(57)【要約】  駆動メカニズム(16A,  16B)は、非常に大きな開始トルクを有するアクチュエータを駆動する双安定モーター(18)を有し、アクチュエータが運動範囲を動く場合に、低速に制御される速度を持たせる。これは、有利なことに、低速における大きなトルクマージンを維持し、終端速度(Wm)を制限して穏やかな停止を行うことにより、運動の終了時に双安定アクチュエータの運動エネルギを小さくする。一形態ではソレノイドが使用されてもよい。モーターの正確な制御を維持するために、モーターコイルの抵抗及びインダクタンス等のような実際の双安定モーターの値が、動作の直前に取得される。例えば、双安定モーター(46)は停止部(50,52)まで駆動され、コイル抵抗(Rm)は較正電圧(Vd)に関連する検出電流(Im)により算出されてもよい。インダクタンス(Lm)は、低レベルAC電流を印加することにより同様に測定されてもよい。逆起電力は、抵抗を通じて検出され、推定されたモーター回転速度がフィードバックループ(68)に送信され、所望の速度を維持する。
2016521960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モーターコイル及びモーター部材を有する双安定モーターであって、第１モーター位置及び第２モーター位置の間で前記モーター部材を駆動するように構成される双安定モーター；
前記第１モーター位置から前記第２モーター位置への前記モーター部材の動きに応答するアクチュエータ；及び
前記双安定モーターを制御し、前記モーター部材が前記第２モーター位置に接近する際に前記モーター部材の速度を制御するように構成されるコントローラ；
を有する装置。
【請求項２】
前記コントローラは、前記第１モーター位置から前記第２モーター位置へ前記モーター部材を駆動する前に、前記双安定モーターの少なくとも１つのパラメータを測定するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記コントローラは、前記モーターコイルの抵抗を測定し、測定されたコイル抵抗に応じて前記モーター部材の速度を制御するように構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記コントローラは、前記モーターコイルのインダクタンスを測定し、測定されたモーターコイルのインダクタンスに応じて前記モーター部材の速度を制御するように構成される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記コントローラは、測定された少なくとも１つのパラメータに応じて前記モーター部材の速度を制御するように構成されるフィードバックループを有する、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記双安定モーターは、回転ソレノイドを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記コントローラは、前記第１モーター位置から前記第２モーター位置へ前記モーター部材を駆動する直前に前記モーターコイルの抵抗を測定するように構成される、請求項３に記載の装置。
【請求項８】
前記コントローラは、前記モーターコイルの抵抗を判定するために、前記双安定モーターの逆起電力を測定するように構成される、請求項３に記載の装置。
【請求項９】
前記コントローラは、前記双安定モーターに電圧を印加して前記双安定モーターを停止部まで駆動し、測定される逆起電力の関数として前記モーターコイルの抵抗を判定するように構成される、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記コントローラは、印加される電圧に応じるモーター電流を測定し、印加される電圧及びモーター電流の関数として前記モーターコイルの抵抗を判定するように構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記コントローラは、前記双安定モーターにＡＣ電流を印加して前記双安定モーターを停止部まで駆動し、前記モーターコイルのインダクタンスを判定するように構成される、請求項４に記載の装置。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記第１モーター位置から前記第２モーター位置への遷移中の前記モーター部材の回転速度を計算するように構成されるモーター速度推定回路を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記コントローラは、前記第１モーター位置から前記第２モーター位置への遷移中の前記モーター部材の回転速度を計算するように構成されるモーター速度推定回路を有し、前記モーター速度推定回路は、測定されるモーターコイルの抵抗、並びに、前記双安定モーターに提供される電圧及び電流の関数として、前記モーター部材の回転速度を計算するように構成される、請求項３に記載の装置。
【請求項１４】
前記モーター部材に結合されるアームであって、前記双安定モーターを停止部まで駆動させるアームを更に有する、請求項９に記載の装置。
【請求項１５】
前記モーター部材に結合され応答するシャッターを更に有し、前記シャッターは、前記モーター部材が前記第１モーター位置にある場合には第１シャッター位置にあり及び前記モーター部材が前記第２モーター位置にある場合には第２シャッター位置にあるように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
モーターコイル及びモーター部材を有する双安定モーターであって、第１モーター位置及び第２モーター位置の間で前記モーター部材を駆動するように構成される双安定モーター；
前記第１モーター位置から前記第２モーター位置への前記モーター部材の動きに応答するアクチュエータ；
前記双安定モーターを制御し、前記モーター部材が前記第２モーター位置に接近する際に前記モーター部材の速度を制御するように構成されるコントローラ；及び
前記モーター部材に結合され応答するシャッターであって、前記モーター部材が前記第１モーター位置にある場合には第１シャッター位置にあり及び前記モーター部材が前記第２モーター位置にある場合には第２シャッター位置にあるように構成される、シャッター；
を有する装置。
【請求項１７】
前記コントローラは、前記モーターコイルの抵抗を測定し、測定されたコイル抵抗に応じて前記モーター部材の速度を制御するように構成される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記コントローラは、測定された前記モーターコイルの抵抗を判定するために、前記双安定モーターの逆起電力を測定するように構成される、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記コントローラは、前記第１モーター位置から前記第２モーター位置への遷移中の前記モーター部材の回転速度を計算するように構成されるモーター速度推定回路を有する、請求項１６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に駆動メカニズム及びアクチュエータに関連し、特に、双安定システム(例えば、運動終了時の大きな運動エネルギ及び大きな末端速度を有するアクチュエータを含み、IRイメージングシャッターに使用されるそのようなアクチュエータを含むが、これに限定されない)に使用される双安定アクチュエータに関連する。
【背景技術】
【０００２】
アクチュエータを含む駆動メカニズムは、従来、システムの1つ以上の部材の選択的な位置を制御するために使用される。システム設計条件は、アプリケーションに相応しい具体的な設計を決定付け、しばしばそれを制限する。場合によっては、双安定アクチュエータ(bi-stable  actuators)のような不安定なアクチュエータ(unstable  actuators)が使用されるが、これに限定されない。
【０００３】
回転ソレノイドアクチュエータは、有利なことに、大きな開始トルクを提供するが、運動する長さに沿って継続的に加速し、運動の終点で衝撃をもたらす。一般に、回転ソレノイドに関してフィードバックループは使用されないので、運動の終点での速度は、一般に、必要とされるものよりかなり大きい。ポジションフィードバックセンサを追加することは、ソレノイドを利用するパッケージングの利点を損なう。
【０００４】
アクチュエータが双安定式であり、運動の終点においてアクチュエータを保持する大きな戻り止め力を停止する場合に、問題は更に顕在化する。この構成は電力消費の観点からは非常に望ましいが、運動の開始時に大きなトルクの印加を必要とし、運動の終わりに大きな速度をもたらす。
【０００５】
従来のアプリケーションは、アクチュエータがパワーオンされる期間を制限することによって、衝突速度を抑制しようとしている。この方法は、短期間(タイミング)に限って電流を印加すること、及び、近接センサを通過した後にアクチュエータを止めることを含む。これらの方法は、電力が除去された後にアクチュエータが自由に惰性で動けるような静的なニュートラルなアクチュエータについては良好に動作する。これらの方法は、運動条件に合致するために必要な時間及びトルクの量を推定する必要があり、特に、パラメータが動作環境に応じて可変である場合に必要となる。更に、タイミングは双安定アクチュエータに関して部分的にしか有効でなく、その理由は、アクチュエータが、戻り止め位置を通過すると自由に加速し、運動の終わりに大きな速度になるからである。更に、時期尚早に電力を除去すると、アクチュエータが戻り止め力を克服せず、指示したとおりに別の位置へ移動することに失敗してしまう。
【０００６】
大きな開始トルクを有するが、運動範囲の中でアクチュエータが動く際に規制された速度を有する双安定アクチュエータを、ポジションフィードバックトランスデューサの重量及び嵩を増やすことなく提供する手段が望まれる。
［発明の概要］
従来技術の上記の問題の1つ以上に退所するため、本開示により説明される一形態は、大きな開始トルクを有するアクチュエータを駆動する双安定モーターを有し、アクチュエータが運動範囲内で動く場合に、低速に制御される速度を持たせる駆動メカニズムを有する。これは、有利なことに、低速における大きなトルクマージンを維持し、終端速度を制限して穏やかな停止を行うことにより、運動の終了時に双安定アクチュエータの運動エネルギを小さくする。一形態ではソレノイドが使用されてもよい。モーターの正確な制御を維持するために、モーターコイルの抵抗及びインダクタンス等のような実際の双安定モーターの値が、動作の直前に取得される。例えば、双安定モーターは停止部まで駆動され、コイル抵抗は較正電圧に関連する検出電流により算出されてもよい。インダクタンスは、低レベルAC電流を印加することにより同様に測定されてもよい。逆起電力は、抵抗を通じて検出され、推定されたモーター回転速度が、所望の速度を維持するためにフィードバックループに送信される。
好ましい一形態では、IRイメージングデバイスのシャッターは、アクチュエータに応じて位置決めされ、シャッターはモーター及びアームから熱的に分離されたままである。双安定アクチュエータを含む他のシステムが本開示による恩恵を受けてもよい。具体的な利点が上記に列挙されているが、様々な実施形態は列挙された利点の全部又は一部を含んでよく、全く含まなくてもよい。更に、以下の説明及び図面を学んだ当業者にとって他の技術的利点も明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本開示及びその利点の更なる理解を促すため、添付図面に関連してなされる以下の詳細な説明が参照される。図中、同様な参照番号は同様な部分を表す。
【０００８】
【図１】図1は、シャッターとシャッターを位置決めするように構成される熱分離駆動システムとを含む本開示の一形態によるサーマルイメージングデバイスを示す。
【０００９】
【図２】図2はシャッターが取り外された図1の熱分離駆動システムを示す。
【００１０】
【図３】図3は1つの駆動メカニズムの斜視図を示す。
【００１１】
【図４】図4は駆動システムの部分分解図を示し、シャッタースライダ部材の駆動ピン及びローラーを受ける開口として構成される細長い陥凹部(elongated  recess)を有する駆動アームを示す。
【００１２】
【図５】図5は、シャッタースライダ部材が対応する第1位置にある場合において第1の「フルオープン」位置にある駆動アームを示す。
【００１３】
【図６】図6は、シャッタースライダ部材が対応する第2位置にある場合において第2の「フルクローズ」位置にある駆動アームを示す。
【００１４】
【図７】図7は、第1及び第2位置におけるスライダーピン及びローラーを受ける(ただし、物理的及び熱的に分離されている)アーム及び細長い開口の平面図を示す。
【００１５】
【図８】図8は、スライダーピン及びローラーからのアームの非対称なクリアランスを示す第1位置のアームの平面図を示し、アームはこのクリアランスに匹敵するアクチュエータの半径方向の遊びを含む。
【００１６】
【図９】図9は、アームを含む駆動クランクの斜視図を示す。
【００１７】
【図１０】図10は、駆動アセンブリを制御するように構成されるコントローラ回路を示す。
【００１８】
【図１１】図11は、速度制御を行うモーターコントローラ回路の詳細な電気ブロック図を示す。
【００１９】
【図１２】図12は、モーター速度とモーター角度との公称応答を示す。
【００２０】
【図１３】図13は、25％の検出された抵抗増加の場合の応答を示す。
【００２１】
【図１４】図14は、25％の検出された抵抗増加、及び、10％の非検出のインダクタンス増加の場合の応答を示す。
【００２２】
【図１５】図15は、25％の検出された抵抗増加、及び、10％の非検出のインダクタンス減少の場合の応答を示す。
【００２３】
【図１６】図16は、非制御応答を示す5％の非検出の抵抗増加を示す。
【００２４】
【図１７】図17は、3％の非検出の増加を示す。
【００２５】
【図１８】図18は、1％の非検出の減少を示す。
【００２６】
【図１９】図19は、時間の関数として駆動クランクのクランク角を示し、各方向におけるポジション1及びポジション2の間の遷移時間を示す。
【００２７】
【図２０】図20は、本発明による速度制御をしない場合のクランクストップ衝撃トルクを示す。
【００２８】
【図２１】図21は、本発明による速度制御をする場合のクランクストップ衝撃トルクを示す。
【００２９】
【図２２】図22は、駆動クランクのそれぞれの遷移に対するクランクの速度を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
実施例が以下に説明されるが、本発明は、現在知られているか否かによらず任意の様々な技術を用いて実現されてよいことが、先ず理解されるべきである。本発明は、例示的な手段、図面、及び、以下に説明される技術に決して限定されるべきでない。更に、図面は必ずしも寸法を描いているわけではない。
【００３１】
図1は、IRサーマルイメージングシャッター装置10の上方斜視図であり、装置10は、16A及び16Bにより全体的に示される一対の駆動メカニズムにより駆動されるように構成されるスライディング開口ブレード14及びプレート12を有するシャッターメカニズムを含む。各々の駆動メカニズム16A及び16Bは、バランスがとれた回転可能な駆動クランク22に結合されてそれを駆動する回転可能なアクチュエータピン20を有する回転モーター18(図3)を有する。各々の駆動クランク22は、半径方向に長く伸びるアーム24(図2)を有し、間もなく説明されるように、図5及び図6に示されるような第1の「フルオープン」位置及び第2の「フルクローズ」位置の間でアーム24を選択的に回転させるように構成される。各々のアーム24は図2に示されるように凹部(リセス)26を有する遠方端を有し、凹部26は、好ましくは、図示されるような好適な実施形態では引き延ばされた開口を有する。凹部26は、必要ならばスロット又はその他の開放端構造を有することが可能であり、開口に対する限定は考えるべきではない。各々のアームの凹部26は、各自の作動可能な部材30とその周りに回転可能に配置されるローター34(図4)とを受け入れるように(ただし、離間して受けるように)構成される。各々の部材30は、好ましくは、図4に示されるような開口ブレード14の各自の一方端に堅固に結合されるシャッターピンを有する。各々の部材30は、各自のスライド可能な磁性戻り止めラッチ32に堅固に固定され、そちら側に向かって下方に伸び、各々の戻り止めラッチ32は、フレーム36内で規定される各自の蟻継ぎスロット(dovetail  slot)35(図2)内で堅固にかつ滑動可能に受け入れられる。各々の戻り止めラッチ32は、好ましくは、フレーム36内の対応する蟻継ぎスロット35の内側で、マニュアルで調整される場合に各自のシャッターピン30及びローラー34に沿って、直線的にスライドするように構成される蟻継ぎプラグにより構成され、蟻継ぎスロット35内でプラグ37を上方に押圧する設定ネジ37によって、最終的な所望の位置に配置される場合にその位置にロックされ、アクセス可能な固定特性を提供する一方、最小の追加的な線形運動をもたらす。アーム24が回転する場合に、各自の開口26は、各自のシャッターピン30を包囲する各自のローター34にかみ合い、第1フルオープンポジション及び第2クローズドポジションの間で開口ブレード14を直線的に動かし、この場合において、ローター34は、遷移の最中に開口26の中で回転し、遷移の終了の際にそこから離間される。
【００３２】
図2は、シャッター装置12及び開口ブレード14が取り外された装置10を示し、開口26を有する個々のアーム24と、シャッターピン30が無い状態の磁性戻り止めラッチ32と、アームの最終的な位置を示す近接センサの対40(図3)(好ましくは、ホール効果センサにより形成される)とを含む駆動機構16A及び16Bを示す。各々の駆動クランク22は近接指示アーム42を有し、近接指示アーム42は、その遠方端に配置される磁石44を含み、アーム24の位置に応じて、何れかの近接センサ40の上方に選択的に伸びる。アーム24が図5に示されるように第1フルオープンポジションにある場合、第1近接センサ40は、駆動クランク22がオープンポジションの位置にあることを示し、アーム24が図6に示されるように第2フルクローズドポジションにある場合、第2近接センサ40は、駆動クランク22がクローズドポジションの位置にあることを示す。アクチュエータ18に対して及び磁性戻り止めラッチ32において内的に生じる磁性コギングは、ストップ部50及び52の設定ネジ54に対してアーム42及び46を強制し、運動の終わりに如何なる遊びも防止する。
【００３３】
図3は、アーム24が第1及び第2ポジションの間に位置する場合の一方の駆動機構16の斜視図を示し、例えば24度の範囲内のようなアームの運動経路を示すが、この経路に対する限定は考えられるべきでない。
【００３４】
図4は、駆動メカニズムの位置に応じて配置されるように構成されるシャッタープレート14の一方端と1つの駆動メカニズム16の分解図を示す。シャッターピン30は、端部スロット26に沿ってスライドすることを防止するようにローラー34を捕らえる円柱状ポストにより構成され、磁石は、シャッターピン30の近辺で戻り止め磁性ラッチ32のアームに近接する場合に(ただし、接触はしない)、戻り止め力を下方に提供する。
【００３５】
各々の駆動クランク22は半径方向に伸びるアーム46を更に有し、各々のアーム42及び46は、図5及び6並びに図9に示されるように、長く伸びるアーム24よりも短い。各々のアーム24、42及び46は、駆動クランク22の中心に対して釣り合っており(バランスが保たれており)、個々のアクチュエータピン20に結合される場合に、駆動クランク22の重心が釣り合うようにする。これは、非常に大きな衝撃条件に対してシステム10を非常に鈍感にする。各々のアーム42及び46は、ストップ部材50及び52を有する進行停止制限部をそれぞれ有し、ストップ部材50及び52の各々は、調整可能な進行制限設定ネジ54を含む。ストップ部材制限ネジ54は、正確な進行経路及びアーム24の限界を設定し、ひいては駆動シャッタープレート14の正確な抑止位置を設定する。更に、近接センサ40は、駆動クランク22そしてひいてはアーム24及びシャッタープレート14が、2つのポジションの内の何れにあるかを示す。
【００３６】
シャッタープレート14がフルオープンポジションにある場合、駆動メカニズム16Aのアーム24はフルオープンポジションにあり、駆動メカニズム16Aのシャッターピン30は、図5に示されるように、プレート12の一方端に規定されるスロット60の遠方端に位置付けられる。これに対応して、駆動メカニズム16Bのアーム24はフルオープンポジションにあり、駆動メカニズム16Bのシャッターピン30は、プレート12の反対側の端部に規定される反対側のスロット60の中で外方に進められる。シャッタープレート14がクローズドポジションにある場合、図1及び図6に見受けられるように逆の事柄が成り立つ。
【００３７】
有利なことに、図7及び図8に示されるように、第1ポジション及び第2ポジションにある場合に、双方のポジションにおける部材間に形成されるスペース(隙間)(spacing)に起因して、各々のシャッターピン30及び対応するローラー34は個々のアーム24から物理的かつ熱的に分離されたままであり、熱障壁(サーマルアイソレーションとも言及される)を形成する。アーム24は、一方のポジションから他方へのシャッタープレート14の運動/作用の間の非常に短い時間期間の間に、シャッターピン30の周りに配置されるローラー34に関わり合うのみである。従って、操作可能なフルオープン又はフルクローズドポジションにある場合に、駆動メカニズム16A及び16B並びにそれらの全てのパーツは駆動シャッタープレート14から熱的に分離される。プレート12及びシャッタープレート14を含むシャッターメカニズムは、好ましくは、真赤外デュワー低温環境(true  IR  Dewar  cryogenic  environment)を有する真空内で構成される。
【００３８】
更に、ローラー34からのアーム24の隙間は、各自の第1静止位置又は第2静止位置から加速するための時間を、モーター18及び個々のアーム24に提供し、そのような時間の提供は、有利なことに、個々のローラー34に系合して駆動する前にアーム24に運動量(又は推進力)を築き上げ、作動する仕組みを、エネルギのトルク転送からモーメント転送に変換する。この追加的な運動量は、シャッターピン30に対して作用し、停止ポスト50又は52に対してアーム42又は46を保持する磁気的な戻り止めラッチ32の磁気的な戻り止め力を克服することを支援する。回転の最中にローラー34に関与するアーム24の衝撃(impact)は、存在し得る何らかの摩擦力(stiction)を克服することを支援する。この隙間(スペース)は、必要な力マージンを25％ないし900％増やす。隙間は、比較的多くの量の遊びを有し従ってアーム24を直接的に駆動するには比較的相応しくない高精度でないソレノイドモーター18を、利用することを許容する。各々のアーム開口26は個々のシャッターピン30及びローラー34に関してルーズな(緩い)適合性を提供し、モーターのルーズな遊びがシャッター開口の動作を損なわないようにする。逆に、アーム開口26のルーズなトレランス(許容耐性)は、不慮のリバウンドによるリスクを緩和する。開口ブレード14は、保持アーム42又は46が各自のストップ部に接触する前に係合する内的なストップ部を有する。シャッターピン30は端部スロット26の中で堅固には系合されないので、開口ブレードは、アーム42又は46が停止設定ネジ54に接触して跳ね返る前に、跳ね返る(リバウンドする)ことが可能である。アームは開口ブレードよりも非常に大きな慣性を有しそれに応じてゆっくりと跳ね返る事実により、更なるマージンが提供される。18内のアクチュエータベアリングによる高いレベルの減衰は、アームのリバウンドの大きさを縮小する。これらの特徴は、リバウンドするアーム24がシャッターピン30及びローラー34に衝突して反対方向に進行してしまう状況を防ぐ。そのような衝突は、アームの非常に大きな慣性に起因して、シャッターピン30に非常に大きな力を及ぼす可能性がある。
【００３９】
図8に示されるように、個々のローラー34とアーム開口26との間のクリアランス(隙間)は僅かに非対称であるが、必要であれば対称的であってもよい。好ましい一実施形態では、デッドゾーンと言及されてもよい約1.4度のクリアランスが存在し、これは約.011インチのクリアランスと等価であるが、この角度間隔又はクリアランスに関する限定は考えられるべきでない。ネジ54により設定されるアーム進行制限設定ストップ部は、好ましくは、デッドゾーンの1/5(約.28度)の範囲内で戻り止めがなされるように設定される。
【００４０】
好ましい一実施形態では、一貫した信頼性及び調整可能なストロークを提供するように、モーター18として回転ソレノイドが使用され、これは例えばコネチカット州リッジフィールドのブランドストームインスツルメンツ(Brandstrom  Instruments)により製造されるようなものである。固定モーター搭載式のストップ制限部材50及び52において進行制限ネジ54を用いる駆動クランク22の微調整機能は、そのストロークを設定する。この設計は、機能的には許容可能であるが本質的に信頼性に欠けるピエゾ駆動モーターよりも、優れている。代替的な回転モーターは、DCステッパモーターを有することが可能であるが、特定の回転モーターに限定することは考えられるべきでない。本発明は、モーターが過剰に動いて駆動部分に過度の負担をかけるおそれがあるリンク及びモーターを上回る利点を有する。
【００４１】
図9は、4つの均衡したアームを含む駆動クランク22の斜視図を示す。
【００４２】
図10は、各々のモーター18を選択的に駆動し、アーム24の位置を制御し、従って、第1及び第2ポジションの間でシャッタープレート14を駆動するように構成される制御回路60を示す。制御回路は、駆動メカニズム16A及び16Bのモーター18とのインタフェースをなす駆動エレクトロニクス64を制御するように構成されるプロセッサを有するコントローラ62を含む。
【００４３】
図11に関し、各々の双安定モーター18及び各自の駆動クランク22が、ある運動範囲の中で動く場合に、大きな開始トルク(ただし、低速である)及び規制された速度を有するように、各々の駆動メカニズム16A及び16Bの各々の双安定モーター18をシミュレーション及び制御するように構成される詳細なシミュレーションシステム60が図示されている。それに応じて、各々の固定アームは、それぞれ、第1戻り止め位置を設定する各自のホール効果センサ40から解放されるために、運動の開始時に大きな駆動力を有する。更に、各々の制限アーム46は、終端速度を制限することにより運動の終了時に小さな運動エネルギを持たせ、各自の停止制限部50、52と係合する場合に穏やかな停止をもたらす。アクチュエータの運動経路の終端部で運動エネルギを下げることにより、リバウンドが大幅に削減される。
【００４４】
各々のモーター18は、モーターの回転がモーターの速度に比例する逆起電力(back-emf)を生成する場合、タコメーターとして動作する。駆動モーターにおいて、逆起電力は、モーターコイルインピーダンスにかかる電圧降下によりマスクされる。しかしながら、モーター18の速度は、逆起電力定数Ke、モーターコイル抵抗Rm、モーター入力電圧Vd及びモーター電流Imの知識から、以下の数式に従って算出されることが可能である：
Wm=1/Ke(Vd-ImRm)
【００４５】
逆起電力制御ループの利点は、モーターコイルの抵抗が使用される場合にトランスデューサを要しないことを含む。更に、モーターの開始トルクの減少がない。このアプローチは、エネルギ散逸部(energy  dissipators)よりも効率的である。一形態において、制限アーム46の衝突速度は、143rad/secから20rad/secまで低減され、この低減は衝突エネルギを大幅に98％も減らす。
【００４６】
不安定なシステムにおけるモーターの制御を適切に維持するために、コントローラ60は、モーターを駆動する直前の測定により、双安定モーター18のパラメータの値を取得する。例えば、個々のモーターコイルの抵抗Rm及びインダクタンスImが測定される。一形態において、各々のアクチュエーターモーター18は、モーター制御回路62により提供される例えば5ないし10msの短い0.1Vパルスのような小さなキャリブレーション電圧Vdにより、アーム46を制限停止部50内に駆動する。コイル抵抗Rmは、キャリブレーション電圧Vdに関連する検出電流Imの相関をとる抵抗推定回路64により算出される。推定部64は、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)であってもよい。インダクタンスImは、低レベルAC電流をモーターに提供する制御回路60により同様に測定されてもよい。有利なことに、モーターの逆起電力はコイル抵抗により検出され、モーター速度推定回路66は逆起電力の関数としてモーター速度を判定し、所望のモーター速度を維持するように、フィードバックループ接点68に、モーター速度を示すフィードバック信号を送信する。
【００４７】
マトラボ(Matlab)でモデル化されるように示されるシステムは、逆起電力の動作に関する基礎を提供する。初期化の際に、先ず、システムは何れの停止部に関連しているかを識別する必要があり、これは2つのホール効果近接センサからの応答を観測することにより達成される。システムは、指示された動きが適切な方向におけるものであるか否かを判断しなければならない。動かすためのコマンドがアーム位置とつじつまが合っている場合、システムは抵抗測定シーケンスを開始する。このシーケンスの間に、アームは、低電圧コマンドレベルで、直接的に停止部の方に、反対向きに動くように指示される。検出抵抗器又はその他の手段を用いて、電流が測定される。検出抵抗器が、モーター内の銅巻き線よりもかなり優れた抵抗安定性を示す条件の下で、モーターの抵抗は、システムの全体的な抵抗を判定し、その後に検出抵抗を減算することにより、推測されることが可能である。望まれるならば、検出抵抗の熱変化を補償するために、ルックアップテーブルが使用されてもよい。理論的には、システムは温度センサ及びルックアップテーブルのみを用いて動作することが可能であるが、モーターの温度は動作中に変化する可能性があり、公称温度における以後の動きは、モーターの抵抗と大きく異なって振る舞う可能性がある。
抵抗が測定されると、測定値は利得を設定するために速度推定部に送られ、適切な方向に動かすためのコマンドが発行される。モーターのコマンドは補償部に送られる。この実施形態では、補償部は伝達関数により記述される：
【数１】
2016521960.tif 000003
そして、補償されるコマンドは、本実施形態では次の伝達関数により記述されるプラントモデルに送られる：
【数２】
2016521960.tif 000004
正の領域に位置する極(s-507.2)は、システムの本来的な不安定性の直接的な結果である。正の領域にゼロを付加することにより不安定極をキャンセルしようとしていないことは、言及に値する(不安定極キャンセル)。システムのクローズドループ伝達関数は、次のように記述される：
【数３】
2016521960.tif 000005
【００４８】
不安定極キャンセルは試みられないので、閉ループ極の1つ(s-0.048)は不安定なままである。しかしながら、不安定な極は、原点付近まで引っ張り込まれ、その極の時定数は今の例では近似的に21秒である。運動が100ミリ秒より短い間に終了する条件の下では、この極の応答は、運動が終わる前に不安定な挙動が出現するほど十分な時間を有しない程度に十分に遅い。他のアクチュエータ及びシステムは、異なる補償を必要としてもよい。当業者は、不安定極が有害な仕方で登場しないように十分遅くなるように、所与のプラント及びアクチュエータの組み合わせについて補償器を適合させることが予想可能である。補償されたコマンドがモーターに送られると、検出抵抗器から取り出される電圧を測定することにより、モーター速度(motor  rate)が推定される。モーターコマンド及び検出された速度は、モーターのインダクタンスにより生成される位相シフトを考慮するようにリードラグ及びラグ補償(lead-lag  and  lag  compensation)により供給される。推定速度が生成されると、それはモーターコマンドを調整するためにフィードバックされる。
【００４９】
シミュレーションでは、トルク外乱をアクチュエータアームに印加した。これらの外乱は、開口における磁性ラッチによるアームに作用する戻り止めトルクや、モーターの内的なコギングを表現する。これらのトルクは、運動距離の両端においてアームに最も強く作用した。外乱は、アクチュエータの不安定な挙動を捕らえている。他のプラントシミュレーション形態では、摩擦、粘性減衰、及び、空気抵抗などのような他のトルク外乱が包含されてもよい。
【００５０】
この実施形態では、アームが、運動距離の端部に最も近いホール効果近接センサを通過する場合に、動かすコマンドは終了する。ストップ部(停止部)に当たる前に、駆動電流がアクチュエータから取り除かれる場合、整定時間(沈静時間)が削減されることを、シミュレーションの反復は示している。別の形態では、停止部と最初に接触するまで又はその後にアクチュエータに電力を印加することが好ましい。
【００５１】
ソレノイドの速度制御は、それらが不安定なので一般的ではない。双安定ソレノイドの速度制御は、これらの装置を利用するシステムがたとえクローズドフィードバックループを伴ったとしても本質的に不安定であるので、一般的ではない。モーターコイル抵抗の正確な測定は、制御を維持するためには極めて重要であり、モーターの信頼できる安定な制御のためには、+3％/-1％の範囲内にあるように正確であるべきである。これらのレベルよりも大きなモーターコイル抵抗のエラー(誤差)は、停止部同士の間で振動を引き起こし、及び/又は、停止位置で沈静化する。約20％の非検出インダクタンス変化は許容範囲内にあり、10％であることが好ましい。有利なことに、これらのモーター値の計算は、温度から独立しており、例えば銅の巻き線のようなモーターコイルの抵抗は動作温度に関して非常に変化し得るので、温度からの独立性は重要である。例えば、軍用規格の温度範囲に関し、銅の抵抗は25％以上変化し得る。
【００５２】
図12は、Rm=7.3及びLm=0.0036である場合におけるモーター速度とモーター角度との公称応答(nominal    response)を示す。
【００５３】
図13は、Rm=9.125及びLm=0.0036である場合における25％の検出された抵抗増加の場合の応答を示す。
【００５４】
図14は、Rm=9.125及びLm=0.00396である場合における25％の検出された抵抗増加、及び、10％の非検出(unsensed)のインダクタンス増加の場合の応答を示す。
【００５５】
図15は、Rm=9.125及びLm=0.00324である場合における25％の検出された抵抗増加、及び、10％の非検出のインダクタンス減少の場合の応答を示す。
【００５６】
図16は、Rm=7.3、Lm=0.0036及びRm  hat=7.665である場合における非制御応答を示す5％の非検出の抵抗増加を示す。
【００５７】
図17は、Rm=7.3、Lm=0.0036及びRm  hat=7.519である場合における3％の非検出の抵抗増加を示す。
【００５８】
図18は、Rm=7.3、Lm=0.0036及びRm  hat=7.227である場合における1％の非検出の抵抗減少を示す。
【００５９】
図19は、時間の関数として駆動クランク22のクランク角を示し、各方向におけるポジション1及びポジション2の間の遷移時間を示す。
【００６０】
図20は、本発明による速度制御をしない場合のクランク停止衝撃トルクを示す。
【００６１】
図21は、本発明によるV=20rad/secの速度制御をする場合のクランク停止衝撃トルクを示す。
【００６２】
図22は、駆動クランクのそれぞれの遷移に対するクランク22の速度を示す。
【００６３】
本発明の範囲から逸脱することなく、本願に記述されるシステム、装置及び方法に対して、変形、追加又は省略がなされてよい。システム及び装置のコンポーネントは統合されてもよいし、或いは、分離されてもよい。更に、システム及び装置の動作は、より多い、より少ない又は他のコンポーネントにより実行されてもよい。本方法は、より多い、より少ない又は他のステップを含んでもよい。更に、ステップは適切な任意の順序で実行されてよい。この文書で使用されるように、「各々」は、ある集合のメンバの各々、又は、ある集合の部分集合のメンバの各々を指す。
【００６４】
添付の特許請求の範囲を解釈する際に本願により生じる任意の特許についての任意の読者及び特許庁の理解を促す観点から言及すると、「〜する手段(means  for)」又は「〜するステップ(step  for)」という言葉が特定の請求項で明示的に使用されない限り、本願の出願日に存在するものに関し、任意の請求項又は請求項の要素に35U.S.C.セクション112のパラグラフ6を係わらせるように出願人は意図してはいない。
【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】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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