体外診断システムで使用するソレノイド／バルブの高度な制御方法
主なポイント
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概要
本稿では、まず従来から用いられているソレノイド／バルブの制御方法が抱える課題を指摘します。その上で、よりインテリジェントな駆動／制御を実現するためのICソリューションを紹介します。そのソリューションを採用すれば、高度な電流検出、プランジャの動きの検知、予測的な状態監視の機能を活用できます。
はじめに
体外診断（IVD：In Vitro Diagnostic）システムでは、流体を精密に制御するためにソレノイドやバルブが使用されます。それらの性能は、診断の精度に直接影響を及ぼします。しかし、ソレノイドやバルブを駆動／制御するための従来の方法には、フィードバック機能や高度な診断機能が不足しています。そのため、障害を検出するのが容易ではありません。本稿では、まずソレノイドやバルブの一般的な故障個所について説明します。続いて、高度な診断機能を備えるソレノイド／モーター用のドライバIC「MAX22216」を紹介します。同ICを使用すれば、最新のIVDシステム（分析装置）においてソレノイド／バルブの制御に関する厳しい要件を満たすことができます。同ICは、この用途に最適な高性能の統合ソリューションだと言えます。
IVDシステムで使われるソレノイド／バルブ
ソレノイドは、電気エネルギーを直線運動に変換する電気機械デバイスです。コイルに通電して磁界を発生させ、その磁界によってコイル内部のプランジャを動かします。この仕組みにより、シンプルかつ信頼性の高い動作が実現されます。一方、バルブは、液体や気体の流路を開閉／調整して流れを制御するための機械部品です。ソレノイドは、このバルブを作動させるアクチュエータとして使用されます。各種の診断装置では、ソレノイドとバルブが広く使われています。また、流量を連続的に調整する用途には比例弁（Proportional Valve）が使用されます。比例弁では、供給された電流量に応じて開度が調整されます。それにより、試薬の混合や試料の調製などの用途において、流量を精密に制御することが可能になります。
ソレノイドや比例弁は、IVDシステムの自動化と高精度化の面で極めて重要な役割を果たしています（図1）。例えば、検体を処理するためのロックやカバーの作動、光を利用して測定を行う際の光学シャッターの位置決め、高速動作時の安全性を確保するためのインターロックといった機能を支えています。ソレノイド・バルブは、複雑な化学分析のフローにおいて、流体の経路の制御、試薬の供給、廃棄物の処理、空気やガスの調整などに利用されます。一方、比例弁は、高感度の検査における正確な分注や混合のための微細な制御に用いられます。ソレノイドのもう1つの用途としては、ソレノイド・グリッパが挙げられます。ソレノイド・グリッパは、チューブ、カートリッジ、消耗品などのハンドリングに使用され、ロボットによる自動化を可能にします。それにより、検体のシームレスな移送と選別が実現されます。上記の各技術を組み合わせることで、現代の診断や検査に必要な高い処理能力、精度、安全性が得られます。また、最先端のロボット・システムとのシームレスな連携も可能になります。
ソレノイド／ソレノイド・バルブの制御に関する課題
多くの場合、大規模なIVDシステムでは数十個ものソレノイドやバルブが使用されます。時間の経過に伴い、それらには様々な障害が発生する可能性があります（図2）。例えば、以下のような問題が考えられます。
- プランジャの張り付き／固着：異物、摩耗、汚染などにより、プランジャが固着したり動かなくなったりすることがあります。つまり、作動が不完全になる可能性があります。
- コイルの劣化：連続運転や熱サイクルによってコイルが劣化します。それにより磁力が低下し、動作が不安定になることがあります。
- 電気的な断線／短絡：配線の不具合やコネクタの問題により、断線や短絡の状態が発生する可能性があります。結果として、通電が行われなくなることがあります。
- バルブの摩耗やシール材の劣化：機械的な摩耗やシール材の劣化により、バルブから気体／液体が漏れたり、バルブが完全に閉まらなくなったりします。つまり、流体の制御に支障を来たす可能性があります。
- サイレント故障：ソレノイドにフィードバック機構が存在しない場合、正常に動作しているように見えても、実際にはプランジャを動かせていないことがあります。その結果、流体の処理において表面化しない問題が発生します。
上記のような問題は、単なる技術的な不具合のレベルをはるかに超えて深刻な結果を招く可能性があります。例えば、ソレノイドやバルブが故障すると、重要な流体処理のプロセスが停止し、患者の検体が予定どおりに分析されなくなってしまうかもしれません。それにより、臨床医が治療方針を決定する際に頼りにしている重要な診断結果の提供が遅れてしまう可能性があります。スループットの高い検査室では、たった1つの故障が発生しただけでもワークフローが大きく混乱します。その結果、数百件もの検査に遅れが生じてしまうかもしれません。
上記のような不具合が発生した場合、保守を担当する技術者は、機能の回復に向けて、システムのトラブルシューティングを緊急対応（時には夜通し）で実施しなければならなくなります。しかし、故障している部品を正確に特定できないケースは少なくありません。その結果、予防措置として、高額な費用を投じて複数のソレノイドやバルブを交換することになります。つまり、保守費用が無駄に増大するということです。それだけでなく、試薬の無駄や検体の損失を招き、運用コストが増えたり患者のケアに悪影響が及んだりすることになります。
このような理由から、ソレノイドの故障の検出や予知保全に対応できる高度な制御手法が求められるようになりました。システムの信頼性を確保し、ダウンタイムを削減して、診断に用いる最新のワークフローを完全な状態に維持するためには、そのような制御手法が不可欠だとも言えます。
ソレノイドの代表的な駆動方法
従来、ソレノイドはあらかじめ定められた電流プロファイルに従って駆動されていました（図3）。その電流プロファイルは、励磁、保持、非励磁という3つの明確な段階から成ります。励磁の段階では、プランジャを動かせるだけの十分な磁力を発生させるために、多くの電流が短時間にわたって印加されます。それにより、迅速かつ完全な作動が保証されます。一方、プランジャが終端位置に達すると、システムは電流の量を少なく抑え、その状態を保持するように動作します。つまり、消費電力を抑えながらプランジャの位置を維持します。それにより発熱が抑制され、ソレノイドの寿命を延ばすことが可能になります。ソレノイドへの通電が停止すると、磁界が消失します。その結果、プランジャはばねや重力の助けを借りて初期の位置に戻ります。
上記のような駆動方法は広く用いられています。但し、いくつかの制約があります。まず、引き込み電流から保持電流への切り替えは、通常、時間に基づいて行われます。つまり、機械的な動作が正常に行われるという仮定の下、時間に基づく制御が行われるということです。また、一般的なソレノイドにはプランジャが実際に動いたかどうかを確認するためのフィードバック機構が存在しません。そのため、サイレント故障が生じた状態に陥る可能性があります。加えて、励磁電流が無駄に長い時間にわたって印加され、エネルギーが無駄になる可能性があります。更に、一般的なソレノイドには機械的な故障や摩耗を検出するための診断機能は用意されていません。
プランジャの動きの検出
本稿で紹介するMAX22216を採用すれば、ソレノイドの監視に関する従来の課題を解決できます。同ICは、プランジャの動作を検出するためのDPM（Detection of Plunger Movement）機能を内蔵しています。これにより、外付けのセンサーを使用することなく、機械的な作動を確認することができます。同ICは、通電中のコイルの電流を監視し、プランジャが動く際に生じる逆起電力（BEMF：Back Electromotive Force）による特徴的な電流のディップ（一時的な低下）を検出します（図4）。それにより、バルブが正常に動作している状態と、固着または閉塞している状態を判別します。
DPM機能は、コイルに流れる電流の立ち上がり時にのみ動作します。あらかじめ定義した電流の閾値DPM_STARTとDPM_THLDを用い、ノイズを最小限に抑えて誤検出を回避します。電流量が低下し、DPM_THLDで定めた閾値を下回った場合、MAX22216はプランジャが正常に動作したと認識します。そして、DPM_STATUSというフラグをアサートします。ディップが終了すると、MAX22216はタイミングに関する2つの主要な指標の値を算出します。1つはREACTION_TIME（反応時間）です。この指標は、作動コマンドが発行されてからプランジャの応答が得られるまでの遅延時間を表します。もう1つの指標はTRAVEL_TIME（動作時間）です。これは、プランジャが移動する際にかかる時間を表します。ディップが検出されなかった場合、MAX22216は異常を表すフラグを立てることにより、ユーザに対して警告を発します。
プランジャが正常に動作したことを検知したら、MAX22216は自動的に引き込み電流から保持電流への切り替えを実行します（図4の緑色の線）。それにより、エネルギーの消費量を最適化し、熱的なストレスを低減します。このような動的な調整により、システムの効率と信頼性が向上します。特に多チャンネルの診断装置においてソレノイドが連続して動作する場合、その効果は顕著です。
DPM機能について、もう少し詳しく説明しましょう。図5（上）は、DPM機能を用いてソレノイド・バルブの機械的な動作を検証する方法を表したものです。正常に動作するソレノイド・バルブの場合、コイルに電力を印加すると磁界が発生します。その磁界によって内部のプランジャがオフの位置からオンの位置へと移動し、液体がバルブ内を流れる状態になります。コイルに電力が印加されると、最初は電流量が増えます。ただ、プランジャが動くにつれてコイルのインダクタンスが変化します。その変化により、電流が安定したレベルに落ち着く前に、短時間ながら電流の波形に検出可能なディップが生じます。MAX22216は、この特徴的なディップを検出したら、プランジャが正常に動作したと判断します。つまり、故障は生じておらず、バルブは正常に動作したということを確認できます。
対照的なものとして、図5（下）にはソレノイド・バルブが故障した場合の様子も示しています。この例では、コイルに電力が印加されているのにもかかわらず、固着、閉塞、機械的な摩耗などの理由により、プランジャが動かない状態に陥っています。電力を印加すると電流量は増加しますが、プランジャが物理的に動かないため、コイルのインダクタンスは変化しません。その結果、電流の波形は一時的なディップを伴わず、滑らかに安定したレベルまで上昇します。MAX22216は、プランジャの動きに伴って現れるはずの特徴的なディップを検出できないため、バルブが正常に作動しなかったと判断します。つまり、異常を表すフラグを立てることにより、ユーザに対して警告を発します。
インダクタンスの測定
MAX22216は、基本的な故障検出の機能に加えて、インダクタンスの測定機能も搭載しています。同ICは、ソレノイドのコイルのインダクタンスをリアルタイムに測定することで、プランジャの位置によって生じる磁気回路の変化を推定します。プランジャがコイル内で移動すると、有効なインダクタンスは変化します。プランジャが完全に挿入されていれば値が大きくなり、部分的に引き出されている場合には値が小さくなります（図6）。この仕組みにより、センサーレスで相対位置を推定する手法が実現されます。つまり、外付けのセンサーや複雑なフィードバック機構を追加する必要はありません。
比例弁で流量の精密な制御を実現できるか否かは、プランジャの正確な位置決めにかかっています。そのため、上記の機能は特に有用です。システムは、オープンループの電流制御だけに依存するのではなく、インダクタンスのデータを用いて、弁の開度が指令位置と一致しているか否かを確認することができます。それにより、吐出精度が向上し、キャリブレーションの複雑さが軽減され、高度な流体システムにおけるクローズド・ループ制御にも対応することが可能になります。
バルブの健全性の予測
ソレノイド・バルブが稼働している間、その内部の部品は、摩耗、汚染、材料の疲労の影響を受けます。摩擦が増大し、ばねの張力が弱まり、プランジャや弁座には堆積物が蓄積する可能性があります。バルブは動作し続けるかもしれませんが、それらの変化によってプランジャの応答は遅くなります。このように劣化が徐々に進むと、電気的には反応時間と動作時間のドリフトが現れます（図7）。反応時間が長くなるということは、磁力が摩擦やばねの反力に打ち勝つために、より多くの時間を要するということを意味します。一方、動作時間が長くなると、抵抗の増加や磁気効率の低下によって機械的な動きが遅くなります。
上記の各パラメータを追跡することの最大のメリットは、完全な故障に至るかなり前の段階で劣化を検知できる点にあります。システムは、開／閉という二値的なフィードバックに頼ったり、バルブの固着を待ったりするのではなく、経年劣化に伴うタイミングの微妙な変化を監視します。つまり、正常なバルブにおけるタイミングを基準値として設定し、経時的な変化を監視するということです。これについては、保守の実施を決定するための閾値や、傾向に基づいてアラートを発する条件を定義することができます。反応時間や動作時間が許容範囲を超えた場合、計画的な停止期間中に予防的な保守を実施するよう予定を組むことが可能になります。
上記のアプローチを利用すれば、ソレノイドが作動するたびに自動的に状態の診断を実行できます。反応時間と動作時間の長期的な挙動を監視することで、状態基準保全を実現することが可能になります。その結果、予期せぬ故障の発生を防ぎ、システムの可用性を高め、負荷が大きい用途やミッション・クリティカルな用途におけるバルブの耐用年数を延ばすことができます。
その他の診断機能
MAX22216は、ステータス・レジスタを介して利用できる包括的な保護機能と診断機能を備えています。それらを活用すれば、大型の診断装置など、要件の厳しい環境においても堅牢性の高い動作を保証できます。それらの機能は、一般的な保護機能とチャンネル固有の不具合に対する保護機能（ならびにアラーム機能）という2つのカテゴリに分けられます。以下、各カテゴリの主な機能について説明します。
一般的な保護機能
MAX22216が備える一般的な保護機能としては、以下のようなものがあります。
- 低電圧ロックアウト（UVM）：電源電圧が安全性を確保するための閾値を下回った場合には動作を停止します。それにより、不安定な状態からデバイスとシステムを保護します。
- 過熱保護（OVT）：MAX22216内部の温度を監視し、熱的限界を超えた場合には、ドライバをシャットダウンして過熱による損傷を防ぎます。
- 通信エラー（COMER）：SPI（Serial Peripheral Interface）をベースとする通信リンクの障害を検出し、ドライバとホスト・コントローラの間の確実なデータ交換を保証します。
チャンネル固有の不具合に対する保護機能
MAX22216は、チャンネルの不具合に対応するための保護機能や警告機能（アラームの発出）も備えています。代表的なものとしては、以下のような機能が挙げられます。
- 開放負荷検出（OL）：ソレノイドのコイルの断線や配線の不具合を検出し、無駄な作動の試行を防ぎます。
- 過電流保護（OCP）：電流が安全性を維持するための制限値を超えた場合にはチャンネルをオフにします。それにより、ソレノイドとドライバの両方を保護します。
- ヒット電流未達アラーム（HHF/CDR）：コマンドで指定した引き込み電流（ヒット電流）に達しない場合、フラグを立てることによって、コイルの劣化や機械的な閉塞の可能性を示します。
- 抵抗／インダクタンス・アラーム（RES/IND）：コイルの特性を監視し、層間の短絡や配線の不良といった異常を検出します。それにより、予知保全を支援します。
これらの保護機能の役割は、ハードウェアを保護することだけではありません。システム・レベルの状態監視を実現するために、すぐに使用できる診断データも提供します。上記の各種アラームを活用すれば、スループットの高い医療用機器において、ダウンタイムを最小限に抑えつつ、信頼性を高めることができます。つまり、フォールト・トレラントなアーキテクチャを実現することが可能になります。
IVDシステムの設計者が享受できるメリット
本稿の冒頭で述べたように、大型の診断装置はソレノイドやバルブの制御に関するいくつかの課題を抱えています。また、小型化を図るためには、複雑さを増大させることなく複数のチャンネルを管理できるコンパクトなソリューションが必要になります。ソレノイドを長時間にわたって連続動作させると発熱が生じ、コイルの劣化が加速します。プランジャの固着や変形は、サイレント故障の原因になります。騒音やオン／オフに要する時間の長さも、システムの性能に影響を及ぼします。予知保全を実施しなければ、摩耗に起因する問題は完全な故障に至るまで見過ごされることが少なくありません。高密度の設計においては、エネルギー効率と電磁干渉（EMI）も重要な懸念事項になります。
MAX22216は、従来のドライバの枠を超えた多様な機能を備えています。そのため、同ICを採用すれば、上述した問題を解決できます（図8）。同ICは、電流検出機能とシャント抵抗を備える最大4つのチャンネルに対応します。そのため、プリント基板上の実装スペースを節約できます。また、抵抗とインピーダンスの測定機能により、コイルの健全性を監視できるようになっています。加えて、DPM機能によって作動の検証を実施し、問題があればリアルタイムに警告を発出できます。更に、電流と電圧のランプ制御によって機械的なストレスとノイズを低減することが可能です。高速消磁機能を使えば、オン／オフのサイクルを短縮できます。予知保全については、インピーダンスの監視と動作の検出を組み合わせることによって、初期の摩耗の兆候を特定可能です。2レベルの電流制御を使用できることに加え、引き込みから保持へ自動的に電流を変化させられることから、エネルギー効率を高め、設定が可能なスロープ制御によってEMIを低減することができます。このような多くの機能を備えることから、MAX22216は、最新のバルブ・マニホールドや診断用のプラットフォームに最適な堅牢でインテリジェントなソリューションだと言えるでしょう。
MAX22216についてのまとめ
MAX22216は集積度の高さを1つの特徴とするドライバICです。ソレノイド・バルブ、比例弁、DCモーター、リレーなどの誘導性負荷をターゲットとして設計されています。36Vに対応するプログラマブルなハーフブリッジ回路を4つ内蔵しており、1チャンネル当たり最大3.2Aの電流を供給できます。そのため、IVDシステムにおける要件の厳しい用途に適しています。また、シングルエンドやブリッジ接続負荷（BTL：Bridge-tied Load）を含む柔軟な構成をサポートしています。電圧制御または電流制御に加え、それらを組み合わせた混合制御方式にも対応可能です。
より高度な制御に向けて、次のような機能も備えています。まず、消費電力を抑えるために2レベルの電流シーケンス制御を利用できます。また、ノイズを低減するためのランプ制御も利用可能です。静止摩擦の影響を軽減するためのディザ機能も備えています。更に、オン／オフのサイクルを短縮するための高速消磁機能を内蔵しています。これらの機能により、スループットの高い環境における効率と応答性が向上します。
上記のとおり、MAX22216は数多くのインテリジェントな機能を内蔵しています。コンパクトなパッケージで、優れた性能、高い信頼性、高度な監視機能を提供します。同ICは、最新のソレノイド／バルブの制御に最適な洗練されたソリューションだと言えます（表1）。
| 機能 | MAX22216 |
| 動作電圧 | 36 |
| チャンネル数 | 4 |
| チャンネル当たりの最大電流〔A RMS〕 | 1.7A |
| インターフェース | SPI,I/O |
| 電圧モード | デューティ＋VM補正 |
| 電流駆動のレギュレーション | PI制御 |
| ランプ・ジェネレータ | あり |
| 高度な診断機能 |
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| パッケージのサイズ | 5mm × 5mm |
まとめ
MAX22216は、現代のIVDシステムにおけるソレノイド／バルブの制御の在り方を再定義する製品です。高い性能でソレノイドを作動させることが可能なだけでなく、インテリジェントな診断機能とエネルギー効率の高い動作を提供します。プランジャの動作の検出、インダクタンスの監視、予知保全に対応する各種の機能は、サイレント故障の防止とダウンタイムの低減に貢献します。また、MAX22216は、柔軟な構成が可能であり、高度な保護機能を備え、フットプリントが小さいという特徴を兼ね備えています。そのため、同ICを採用すれば、設計を簡素化しつつ、信頼性とスループットを高められます。次世代の診断装置向けのプラットフォームを構築する上で、MAX22216は、精度、効率、安心感を提供する優れたソリューションだと言えます。