(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷保持構造に結合し、この負荷保持構造内で電磁的に誘導された振動変位を調整および制御するために、前記振動変位を測定する装置であって、前記振動変位は、駆動分離回路網の一定のインピーダンスを介して一定の周波数および振幅の励磁波をソレノイドコイルに与えることによって形成され、前記装置は、
既定周波数のキャリア信号を発生して前記一定の周波数および振幅の励磁波を提供するキャリア発生器と、
電磁ソレノイドコイルと、
前記電磁ソレノイドコイルに対向して配置された電機子と、
前記電磁ソレノイドコイルに電力を供給するソレノイド駆動手段と、
並列共振回路を形成し、前記キャリア信号を分離すると共に、前記ソレノイドコイルのインダクタンスを変化させるのみで前記キャリア信号の振幅及び位相に影響を与えることを保証する受動構成要素の回路網を有し、共振周波数が前記キャリア信号の既定周波数と等しいキャリア分離回路網と、
前記キャリア信号と前記ソレノイドコイルの両端間に生じる信号との間の位相差に比例する信号を生成する同期検出器とを備え、
前記電機子が前記負荷保持構造に取付けられており、
前記キャリア発生器、前記電磁ソレノイドコイル、前記ソレノイド駆動手段、前記キャリア分離回路網、前記同期検出器および前記駆動分離回路網が協働することにより、前記位相差の関数として前記負荷保持構造の前記振動変位が測定される装置。
【請求項２】
請求項１の装置において、前記駆動分離回路網は、前記電磁ソレノイドコイルと結合し、キャリア入力に結合されたインピーダンスを備え、さらに、電圧分割器を形成する受動構成要素の回路網を備える装置。
【請求項３】
負荷が変動する状況下で、負荷保持構造の振動変位を制御および調整して、前記負荷保持構造を固有周波数で作動することができるようにし、キャリア信号を駆動分離回路網の一定インピーダンスを介してソレノイドコイルに供給する装置であって、
前記ソレノイドコイルを駆動するソレノイド駆動手段と、
並列共振回路を形成し、前記キャリア信号を分離すると共に、前記ソレノイドコイルのインダクタンスを変えるのみで前記キャリア信号の振幅及び位相に影響を与えることを保証する受動構成要素の回路網を有し、共振周波数が前記キャリア信号の既定周波数と等しいキャリア分離回路網と、
前記ソレノイドコイルに結合された駆動分離回路網と、
前記レノイドコイルから離隔されて配置された電機子と、
前記キャリア信号と前記ソレノイドコイルの両端間に生じる信号との間の位相差に比例する信号を生成する同期検出器と、
前記電機子に取付けられた前記負荷保持構造とを備え、
前記ソレノイドコイル、前記ソレノイド駆動手段、前記キャリア分離回路網、前記同期検出器および前記駆動分離回路網が協働することにより、前記位相差の関数として前記負荷保持構造の振動変位の測定および調整を可能とする装置。
【請求項４】
請求項３の装置において、前記キャリア信号は、一定の正弦波の形態で前記ソレノイドコイルへ与えられる装置。
【請求項５】
負荷保持構造に結合し、この負荷保持構造内で電磁的に誘導された振動変位を調整および制御するために、前記振動変位を測定し、その振動変位は、駆動分離回路網の一定のインピーダンスを介して一定の周波数および振幅の励磁波をソレノイドコイルに与えることによって形成される装置を用いて、変動負荷状態を持つ負荷保持構造内の電磁的に誘導された振動変位を測定、制御および調整する方法であって、
既定周波数のキャリア信号を発生して前記一定の周波数および振幅の励磁波を与える工程と、
前記キャリア信号と前記ソレノイドコイルの両端間に生じる信号との間の位相差に比例する第１の出力を生成する工程と、
前記ソレノイドコイルに発生したソレノイド磁化電流を検出する工程と、
第１の出力から前記ソレノイドコイルに生じたソレノイド磁化電流の影響を取り除くことによって、前記変位のみに比例する第２の出力を作り出す工程と、
第２の出力を線形化関数を用いて修正する工程と、
修正された第２の出力に基づき前記振動変位に比例する信号を与える工程と、
この与えられた信号に基づいて、所望の加速および減速のプロフィール内の所望の周波数で前記負荷保持構造を作動するように振動変位を設定する工程とを含む方法。
【請求項６】
請求項５の方法において、変動負荷状態で、前記負荷保持構造の固有共振周波数および前記変動負荷状態と一致するように振動変位を調整することによって、一定の製品流れを維持する工程をさらに含む方法。
【請求項７】
請求項５の方法において、前記振動変位を設定する工程が、フィードバック制御システムに接続された変位ゲージ内での測定を行って、所望の加速および減速プロフィール内の前記所望の周波数に達するように振動周波数ソレノイド駆動装置を設定する工程を含む方法。
【請求項８】
請求項５の方法において、前記振動変位を設定する工程が、さらに、電力を前記負荷保持構造の前記振動変位の逆位相で供給して、前記負荷保持構造の前記振動変位を制動および停止する減衰工程を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本願発明は別のセンサを用いることなく電磁アクチュエータの変位を検出及び制御する方法及び装置に関する。本願発明は制御ループを用いることにより多数のアクチュエータを集中化してモニター及び制御して様々な負荷の状況下で一定変位を与えることができる。他の例においては、本願発明を用いると、手による調整が実行されるような閉鎖ループ制御を用いることなく変位を示すことができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術は電磁振動における振動作用を引き起こすために単相の直接誘引型のＡＣ磁石を用いている。その磁石は一般的には平坦な面の電機子であり、その電機子は保持スプリングによって正しい位置に保持されている。駆動電力が供給されると電機子は変位する。一般的には、この種のシステムにおいては、ソレノイドはトラフ、パン又はボウルに取り付けられていて、電機子によってつくられた振動を用いて材料を運搬又は搬送する。そのような電磁振動装置は通常は開放ループの位相制御されたＳＣＲ又はトライアックによって駆動され、また、操作のために多くの手作業を必要とする。このため、過渡の及び非能率な努力を行わなければならない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明が取り扱う多くの問題の１つは、負荷に適合するように変位を調整することによって、変化する負荷状態の下で一定製品流れを維持する点にある。さらに、本願発明は例えば振動フィーダをその固有共振周波数に維持して最大システム効率を増大させることができる。さらに、固有共振周波数を外れて振動装置を作動させなければならないので、電力を多く消費するという問題と、振動装置が最大効率で作動しないと振動装置が大きくならざるを得ないので材料及び製品コストが高くなるという問題とを解消する。変位信号を発生して、例えば容積変化に敏感な下流の処理システムにも影響を与えることができる。処理システム内の香料及び同様な高価であるとともに容積的に重要な添加剤を、本願発明の変位測定装置によって厳密にモニターすることができる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本願発明の電磁アクチュエータ変位方法及び装置のセンサ不要の測定装置は、一定周波数及び振幅励磁正弦波を、駆動分離ネットワークの一定インピーダンスを通じてソレノイドコイルに与える。励磁信号と比べると、ソレノイドを横切る電圧の振幅及び位相はコイルインダクタンスの変化に比例して変動する。その変化つまりインダクタンスの変化は、ソレノイドコイル電流によって発生した磁束密度の変化と、コイル極面と電機子との間の空間のダイナミック変化（変位）とに依存する。磁化力及び電流の影響を考慮にいれることによって変位の関数である信号を導き出すことができる。磁化力の影響は、コイル電流を検出することにより又は磁化力がゼロのときの変位読み取り値のみを得ることによって説明することができる。コイル電流が検出された後に、その情報が、導出信号と組み合わされて変位のみに比例する信号を発生する。他の例では、磁化電流がゼロのときに変位が記録され、その結果、導出信号への影響を取り除くことができる。
【０００５】
本願発明の特定の進歩点、特徴及び利点は、特定の実施例に関する図面及び以下の説明を検討することによって明白になる。
【０００６】
【実施例】
本願発明は、一定周波数及び電圧振幅励磁正弦波（キャリア）を駆動分離ネットワークの一定インピーダンスを通じてソレノイドに与える方法及び装置に関する。ソレノイドを横切る電圧（出力）の振幅及び位相は、励磁信号（入力）と比べると、コイルインダクタンスに比例して変化する。従って、変位の所望の大きさは制御可能でありソレノイドシステムが負う。
【０００７】
一般的に、本願発明は、電磁アクチュエータの変位の測定及び制御を行うことにより、とりわけ、振動フィニッシャー及びフィーダ、コンベア並びにアクチュエータのような材料取扱い装置が出くわすいくつかの問題を解消する。これらのシステムにおける重要な設計及び性能パラメータの１つは変位の制御である。変位が制御可能になると、集中化モニター回路を容易に組み立てることができる。
【０００８】
本願発明が取り扱う多くの問題の１つは、負荷に適合するように変位を調整することによって、変化する負荷状態の下で一定製品流れを維持する点にある。さらに、本願発明は例えば振動フィーダをその固有共振周波数に維持して最大システム効率を増大させることができる。さらに、固有共振周波数を外れて振動装置を作動させなければならないので、電力を多く消費するという問題と、振動装置が最大効率で作動しないと振動装置が大きくならざるを得ないので材料及び製品コストが高くなるという問題とを解消する。変位信号を発生して、例えば容積変化に敏感な下流の処理システムにも影響を与えることができる。処理システム内の香料及び同様な高価であるとともに容積的に重要な添加剤を、本願発明の変位測定装置によって厳密にモニターすることができる。
【０００９】
図１を参照すると、電磁ソレノイド１０が電機子１２に対向して配置されている。ソレノイド駆動装置１４が駆動力１５を電磁ソレノイド１０に供給する。キャリア分離回路網１６によって、キャリア信号のパラメータ、つまり、振幅及び位相が電磁ソレノイド１０のインダクタンスを変えるだけで影響を受けることが保証される。キャリア分離回路網１６は、例えば並列共振回路を構成する受動回路とすることができ、そこでは共振周波数がキャリア周波数に設定される。ソレノイド１０への電力の接続は駆動電力及びキャリアライン１７を経由して行われる。駆動分離回路網１８がライン１７を介して接続されている。また、駆動分離回路網１８は、クランプダイオードを備える又は備えない電圧分割器を構成する受動要素である。駆動分離回路網１８はキャリア電力増幅器２４に接続されている。キャリア発生器２６はキャリア信号をソレノイド１０に供給するもので、キャリア電力増幅器２４及び駆動分離回路網１８を経由して接続されている。駆動分離回路網２８がソレノイド１０に接続されている。ハイパスフィルタ３０が駆動分離回路網２８及び同期検出器３２に接続されている。キャリア発生器２６も同期検出器３２に接続されている。また、電流検出器４０が駆動電力１５及び差分増幅器４２に接続されている。差分増幅器４２は線形関数４４に接続され、それはさらにローパスフィルタ及び増幅器４６に接続されている。さらに、ローパスフィルタ及び増幅器４６は出力４８及びフィードバック制御システム５０に接続されている。フィードバック制御システム５０をソレノイド駆動装置１４に接続することによって制御ループが完了する。変位ゲージ５３をフィードバック制御システム５０に接続して変位を調整・計測することもできる。以下に説明するように、変位ゲージ５３及び関連する制御を用いて必要な処理システムの所定の加速又は減速を行うことができる。電機子１２は支持スプリング６０を有するフィーダ又はコンベアのような負荷保持構造５８に一体的に取り付けられている。負荷６２はプラットホーム６４に支持されており、構造の機械的変位を「Ｄ」で示す。
【００１０】
図２を参照すると、回路の概念図を示しており、その回路ではキャリア信号が駆動分離回路網を通じてソレノイドに供給される。その図は、本願発明固有のいくつかの重要な面の内のモジュール化してさらに簡略化した実施例を示す。駆動分離回路網インピーダンス６９が、コイルエアギャップ「Ｇ」を持つコイル７２と抵抗７４と接地７６と出力端子８４を持つ回路を形成するキャパシタ７８とからなる回路において、キャリア入力７０に接続されている。入力端子７０と出力端子８４との間の読み取り値は、キャリア入力波形８６と図示するような波形シフト８９を持つモジュールキャリア出力８８とを与える。
【００１１】
図３に移ると、典型的な波形が示しめされている。上昇及び下降波形の波頭９０は一定の振幅の電力ライン波形の一部である。
【００１２】
図４は一定の周波数正弦波９２を示す。この波形はソレノイド１０に伝達されるキャリア信号に似ている。
【００１３】
図５は上昇及び下降波形の波頭９４を持つ典型的な波形である。これは電源及びキャリア信号からの波頭の組み合わせである。
【００１４】
上記の説明は、センサを有しない測定電磁アクチュエータ変位装置の最も重要な構造的特徴及び操作パラメータのいくつかに関連する。
【００１５】
ここで図１を参照すると、ソレノイド駆動装置１４は駆動電力を電磁ソレノイド１０に供給する。それは、通常は、電源ラインから直接操作されるＳＣＲ又は位相制御トライアックである。その駆動装置として、ペンシルバニア州のホーマーシティにあるエフエムシー・エムエイチディー（ＦＭＣ−ＭＨＥＤ）によって作られたモデルＣＣ２コントローラのようなタイプを用いることができる。駆動電力は連続するパルス又は波形からなり、そこでは、先方端又は後方端がソレノイド１０の大きな反作用特性のために丸っている。例えば、図３は一定振幅の５０又は６０ヘルツの電力正弦波の１サイクルの一部の典型的な波形を示す。負荷保持構造５８のような振動フィーダが固有振動数で作動すると、可変周波数ソレノイド駆動装置１４を持つフィードバック制御システム５０からなる閉鎖ループシステムが変位を制御するために必要となる。変位制御は本願発明が与える特徴の１つである。さらに、変位制御において本願発明が与える特徴によると、処理装置のモニター、制御及び検出が所望の加速及び減速特性内の所望の周波数で行える。この特徴は、手作業及び目測による作業をなくすことによって処理装置の仕事量及び効率を高めることができる。フィードバック制御システム５０及びソレノイド駆動装置１４の相互作用は後述する。
【００１６】
結果的に、周波数は振動フィーダ（装置）の固有共鳴振動数に設定され、その振動数はフィーダの負荷に応じて変化する。固有共鳴振動数が、材料の例えば密度及び粘性のような種類及び物理的特性のみならずフィーダの構造的な機構及び構成部品の影響を受ける点には注目すべきである。従って、変位を、様々な負荷及び材料の状態に対して要求される固有共鳴振動数のいずれにも適合させることができる能力は本願発明の重要な要素の１つである。特に、それは処理システムの変位、加速、減速及び制動を制御することによって、実現することができる。さらに、本願発明は、様々な負荷状態でも一定振幅を与え、さらに処理装置において異なるトラフや構造設計を用いても一定振幅を与える。図１に戻ると、駆動電力はキャリア分離回路網１６を通じてソレノイド１０に供給され、これにより、ソレノイド１０のコイルのインダクタンスを変化させるだけで振幅及び位相からなるキャリア信号のパラメータに確実に影響を与えることができる。電磁ソレノイド１０及び電機子１２は、例えば、ペンシルベニア州のホーマーシティーのエフエムシー・エムエイチイーディー（ＦＭＣ−ＭＨＥＤ）によって造られているモデルＦＴ０１フィーダであってもよい。キャリア分離回路網１６を用いないと、キャリア励磁信号が、ソレノイド駆動がオン及びオフに切り替わるときに急激に変化するであろう。キャリア分離回路網１６は、並列共振周波数をつくる受動要素の回路網でよい。従って、共振周波数は、キャリア分離回路網１６を用いて適切な電流を選択することによってキャリア周波数に設定される。キャリア発生器２６はキャリア信号を図４に示すような一定周波数の正弦波の形状でソレノイド１０に供給する。これは、駆動信号と比べると、小さな振幅でかつより高い周波数の信号である。その結果、駆動及びキャリア信号は分離回路網及びフィルタによって容易に分離することができる。その後、キャリア電力増幅器２４が、キャリア発生器２６で発生した信号を、同期検出器３２において適切な信号対ノイズ比を得ることができる程度に増幅する。キャリア電力はそれから駆動分離回路網１８によってソレノイド１０に結合される。このことにより、駆動信号がキャリア電力増幅器２４に戻るように結合されないことを保証し、さらに、そうでなければ発生する可能性のあるダメージを防止する。
【００１７】
駆動分離回路網１８は、クランプダイオードを有するか又は有していない電圧分割器を形成する受動要素の回路網である。他の例においては、並列共振回路を形成する受動要素の回路網を代わりに用いることができる。共振周波数はソレノイド駆動装置１４の周波数に又はその近くに設定される。同期検出器３２はキャリア信号をソレノイド駆動電力から除く。同期検出器３２の出力はキャリア信号とソレノイド１０を横切って発生する信号との間の位相差に比例する。その位相差はソレノイド磁化電流及び磁束密度の関数で、同期検出器３２において電圧出力を与える。差分増幅器４２は、同期検出器３２の出力からソレノイド磁化電流の影響を除いて、変位のみに比例する出力を作り出す。電流検出器４０がソレノイド１０のコイルに発生したソレノイド磁化電流を検出する。ソレノイドコイル電流と磁束密度との間の関係は非線形である。差分増幅器４２の出力に修正が行われ、線形化関数４４がその修正を実行するために用いられる。線形化関数４４は、なかでも非線形関数発生器、マイクロプロセッサ利用のルックアップテーブル又はマイクロプロセッサ利用型のソレノイド１０の態様とすることができる。他の例としては、電流検出器４０をレベルセンサとして用いることができ、また、差分増幅器４２を、駆動電流が変位測定装置に誤差を生じさせるレベルより低いときに作動させることができる。この例を組み込むためには、差分増幅器４２はサンプル・ホールド回路を備え、駆動電流が許容レベルを越えるときには差分増幅器４２の出力を一定に維持する。
【００１８】
駆動分離回路網２８はハイパスフィルタ３０が過負荷になるのを防止するためにソレノイド駆動装置１４からの駆動電力を阻止する。駆動分離回路網２８は駆動分離回路網１８と同じ構成を持つ。ハイパスフィルタ３０は、同期検出器３２の入力に現れるソレノイド駆動装置１４の振幅を減少させることによって同期検出器３２における信号対ノイズ比を改善するようためにも用いられる。ローパスフィルタ４６は変位に比例する信号を提供する。ローパスフィルタ４６からの信号出力は、所定のシステム作動に合致するように作られる多くの重要なパラメータの１つである。例えば、振動フィーダに用いられるときには、信号は制御された変位出力であり、その際にはフィードバック制御システム５０が制御の特徴を与える。フィードバック制御システム５０を用いない場合には、システムは開放ループとなり、表示指示器が変位を示すために必要となる。
【００１９】
図１を参照すると、ソレノイド１０を付勢すると、電機子１２が変位する。結果的には、負荷支持構造５８及び保持スプリング６０が横方向に振れて、プラットホーム６４が図示するように距離「Ｄ」移動する。フィードバック制御システム５０は変位「Ｄ」のモニター及び制御を行うことができ、これにより、負荷支持構造５８及びシステムからなる山と積まれた製品６２を固有振動数で操作することができる。このため、周波数はフィーダ負荷に応じて変化するシステムの固有共鳴振動数に設定される。さらに、変位ゲージ５３で大きさを調整して可変周波数ソレノイド駆動装置を所望の共鳴振動数に設定すると、変位「Ｄ」を必要に応じて調整できるように設定されるので所望の変位を発生させることができる。上述したように、変位ゲージ５３を用いて所望の減速及び加速プロフィールを設定することもできる。さらに、処理装置の加速の変位の逆位相で供給される電力を用いて瞬間的に装置を制動して、能動的な減衰を通じて変位をゼロに抑制することができる。
【００２０】
その結果、本願発明は２つの主たる要素、つまり、トラフ又はパンを持つ電磁駆動ユニットと、関連する制御パネル持つ電子制御装置とからなる。図２に示すように、本願発明の多くの重要な面の１つは、一定周波数及び振幅励磁正弦波（キャリア）を、駆動分離回路網の一定インピーダンスを通じてソレノイドコイルに供給する点にある。これとは明らかに対照的に、現在の技術の状態は電磁振動における振動作用を引き起こすために単相の直接誘引型のＡＣ磁石を用いる。その磁石は一般的には平坦な面の電機子であり、その電機子は保持スプリングによって正しい位置に保持されている。駆動電力が供給されると電機子は変位する。一般的には、この種のシステムにおいては、ソレノイドがトラフ、パン又はボウルに取り付けられていて、電機子によって与えられた振動作用を用いて材料を運搬又は搬送する。そのような電磁振動装置は通常は開放ループの位相制御ＳＣＲ又はトライアックによって駆動され、また、操作のために多くの手作業を必要とする。このため、集中的な及び能率の悪い努力を行わなければならない。
【００２１】
本願発明は閉鎖ループ制御システムを用いて様々な負荷状態で一定変位を与える。上述の通り、手作業を排除してシステムの固有共鳴振動数の近くでシステムを自動的に作動させることにより、より均一な製品流れ及び高効率を達成することができる。変位が、システム周波数に関係なく駆動振幅によって制御される点には注目すべきである。しかし、ローパスフィルタ４６とともに構成されるフィードバック制御システム５０のような二次的な制御ループを用いてシステムをその固有共鳴振動数に維持することができる。さらに、本願発明によると、ホストコンピュータの管理の下で任意の制御装置の特徴を加えることができ、これにより、材料の流れにおける必要な変化を所定の変位、大きさ及び振動数に一致させることができる。この特徴は、操作に重要な融通性を与え、さらにシステム効率を高める。
【００２２】
電磁アクチュエータ変位装置のセンサ不要な測定装置の望ましい実施例を図示して説明したが、特許請求の範囲から画定される発明の本質から逸脱することなく様々な変形及び態様を作り出すことができる点は認識すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に係る装置の相互作用の作動シーケンスを示すブロック図である。
【図２】キャリア信号が駆動分離回路網を通じてソレノイドに供給されたときの位相シフトを示す回路例を示す図である。
【図３】一定の振幅電力ライン正弦波の１サイクルの一部である典型的な波形図である。
【図４】一定周波数の正弦波の例を示す図である。
【図５】駆動電力にキャリア信号を重ね合わせた典型的な合成波形を示す図である。
【符号の説明】
１０  ソレノイド
１２  電機子
１４  ソレノイド駆動装置
１６  キャリア分離回路網
１８  駆動分離回路網
２８  駆動分離回路網
４０  電流検出器
５０  フィードバック制御システム
【図１】
0003851362.tif 000002
【図２】
0003851362.tif 000003
【図３】
0003851362.tif 000004
【図４】
0003851362.tif 000005
【図５】
0003851362.tif 000006