CN104487809B - 电磁致动器的可动元件位置检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

向线圈施加多级阶梯状的电压，求出基于施加各级电压时的线圈电流变化的多个测定值，对各测定值与和线圈的电感的变化相关联的第1表、第2表进行比较，唯一地求出电磁致动器的可动元件位置，由此，能够判别出由磁饱和造成的电感下降时的可动元件吸附位置和由可动元件与定子底部之间的气隙增大造成的电感下降时的可动元件分离位置。

Description

电磁致动器的可动元件位置检测装置和方法

技术领域

本发明涉及例如在各种驱动控制设备的开/关工作部(开闭阀或切换阀等)中使用的电磁致动器的动作确认技术，尤其涉及具有线圈和可动元件的电磁致动器的可动元件位置检测装置和方法。

背景技术

通常，在各种驱动控制设备的顺序控制中，在确认开闭阀或切换阀等开/关动作后转入下一控制动作，因此，需要在各控制阶段确认开闭阀或切换阀的动作(可动元件位置)。

以往，公知有如下技术：为了检测在线圈内插入有柱塞(可动元件)的电磁致动器(电磁阀)的柱塞位置，利用了线圈的电感随柱塞位置而变化的现象以及在向线圈施加一定频率的电压时线圈电流的变化幅度随线圈的电感而变化的现象(例如，参照专利文献1)。

即，在专利文献1所述的电磁致动器的可动元件位置检测装置和方法中，在向线圈施加一定频率的电压时，利用线圈电流的变化幅度的大小随可动元件(柱塞)的位置而变化的现象，通过测定线圈电流的变化幅度，来检测可动元件位置。

在该情况下，前提条件是，假定随着可动元件(柱塞)与在线圈励磁时吸引可动元件的定子底部之间的气隙变小，线圈的电感变大(单调增加)的情况，可动元件与定子底部之间的气隙和线圈的电感之间为1对1的关系。

此外，作为其它现有技术，公知有如下技术：施加1级阶梯状的电压(阶梯电压)，在1次上升期间多次测定流过线圈的电流的上升的状态，分别对测定出的多个测定值与作为基准的测定值进行比较，由此检测可动元件位置(例如，参照专利文献2)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-317612号公报

专利文献2：日本特开2011-75497号公报

发明内容

发明要解决的问题

在现有的专利文献1那样的电磁致动器的可动元件位置检测装置和方法中，以可动元件和定子底部之间的气隙与线圈的电感之间为1对1的关系为前提，不过，实际电磁致动器的线圈的电感在气隙足够大的范围内，随着气隙变小而单调增加，而在气隙小于一定距离时，发生磁饱和，电感反而减小，在磁饱和开始点的气隙处，电感成为极大值，因此，针对相同的电感值，存在不同的两个点的气隙值，从而存在不能准确地检测出可动元件的位置的问题。

此外，在专利文献2记载的现有技术中，针对上述相对于相同电感值存在不同的两个点的气隙值这样的问题而利用了如下特性：气隙较小的范围内产生的磁饱和导致的电感下降和气隙足够大的范围内的电感下降不同且随线圈电流的值而变化。具体而言，在1级阶梯电压的施加导致的线圈电流的上升中，进行多次电流测定，由此检测出不同电流区域中的电感，根据检测出的电感有无电流关联性，来判别两个点的气隙值。

但是，由于在施加相同的阶梯电压导致的电流变化中进行多次测定，因此，对各电感进行检测的电流区域有一部分重复。而且，这样的情况下，检测出的各电感中表现出的差异非常小，因此，难以准确地判别有无电流关联性。因此，存在有可能不能根据检测出的电感有无电流关联性而准确地判别两个点的气隙值的问题。

本发明是为了解决上述那样的问题而完成的，其目的在于，得到一种电磁致动器的可动元件位置检测装置和方法，即使在因气隙较小的区域中发生磁饱和而存在虽然线圈的电感为相同值但可动元件与定子底部之间的气隙不同的两个点的状况下，也能够准确地判别这两个点，从而准确地检测出柱塞位置。

用于解决问题的手段

在本发明的电磁致动器的可动元件位置检测装置中，电磁致动器具有线圈和可动元件，其中，该可动元件位置检测装置具有：电源，其以可动元件不进行动作的范围内的电压值，向线圈施加多级阶梯状的电压；电流检测部，其检测流过线圈的线圈电流；时间计测部，其计测与阶梯状的各级电压的施加对应的、从线圈电流开始变化起的经过时间；以及位置检测部，其针对阶梯状的各级电压中的每一级电压的施加，对由电流检测部或时间计测部得到的多个测定值与和线圈的电感变化相关联的基准值进行比较，由此求出可动元件的位置。

发明效果

根据本发明，通过施加多级阶梯电压，对由电流检测部或时间计测部得到的、与各级阶梯电压对应的多个测定值与基准值进行比较，由此，能够判别出由磁饱和造成的电感下降时的可动元件吸附位置和由可动元件与定子底部的气隙增大造成的电感下降时的可动元件分离位置，即使在因发生磁饱和而相对于相等的电感值存在不同的两个点的气隙值(可动元件位置)的状况下，也能够准确地判别这两个点，从而准确地检测出可动元件的位置。

附图说明

图1是以局部剖视图示出本发明的实施方式1的电磁致动器的可动元件位置检测装置的概略结构的框图。

图2是示出图1内的电磁致动器中的气隙与线圈的电感之间的关系的说明图。

图3是示出本发明的实施方式1的电磁致动器的可动元件位置检测装置的具体功能结构的框图。

图4是示出向本发明的实施方式1的电磁致动器的线圈施加多级阶梯状的电压时的电压与线圈电流之间的关系的波形图。

图5是示出图1内的电磁致动器中的气隙固定时的线圈电流与线圈的电感之间的关系的说明图。

图6是示出图1内的电磁致动器中的线圈电流的上升波形的说明图。

图7是示出图3内的位置检测部中保存的、由时间计测部的测定值与气隙之间的关系构成的表内容的说明图。

图8是示出专利文献2中记载的位置检测装置向电磁致动器的线圈施加1级阶梯状的电压时的电压与线圈电流之间的关系的波形图。

图9是示出分别使用本发明的实施方式1的位置检测装置和专利文献2中记载的位置检测装置的情况下、电磁致动器中的气隙固定时的线圈电流与线圈的电感之间的关系的说明图。

图10是对本发明的实施方式1的位置检测装置向线圈施加电压的情况下的线圈电流和专利文献2中记载的位置检测装置向线圈施加电压的情况下的线圈电流进行比较的说明图。

图11是示出分别使用本发明的实施方式1的位置检测装置和专利文献2中记载的位置检测装置的情况下的、电磁致动器中的气隙固定时的线圈电流与线圈的电感L之间的关系的一例的说明图。

图12是示出使用专利文献2中记载的位置检测装置的情况下的、电磁致动器中的线圈电流的上升波形的一例的说明图。

图13是示出使用本发明的实施方式1的位置检测装置的情况下的、电磁致动器中的线圈电流的上升波形的一例的说明图。

图14是示出本发明的实施方式2的电磁致动器的可动元件位置检测装置的具体功能结构的框图。

图15是示出向本发明的实施方式2的电磁致动器的线圈施加多级阶梯状的电压时的电压与线圈电流之间的关系的波形图。

图16是示出本发明的实施方式3的电磁致动器的可动元件位置检测装置的具体功能结构的框图。

图17是示出向本发明的实施方式4的电磁致动器的线圈施加不连续的多级阶梯状的电压时的电压与线圈电流之间的关系的波形图。

具体实施方式

实施方式1.

以下，参照附图，对本发明的实施方式1进行说明。

图1是以局部剖视图示出本发明的实施方式1的电磁致动器的可动元件位置检测装置的概略结构的框图。

在图1中，位置检测装置1与电磁致动器2连接，电磁致动器2利用从电源3供电的电压E进行动作。

电磁致动器2具有：线圈20，其卷绕于定子21，构成电磁铁；可动元件22，其由移动自如地插入到线圈20内的磁体(例如铁)构成；以及拉簧23(以下，简单称作“弹簧”)，其朝突出方向(图中上方向)对可动元件22施力。

构成为：通过向线圈20施加来自电源3的电压E而使线圈20被励磁，朝吸引方向(箭头y方向)驱动可动元件22。

位置检测装置1构成为连接电磁致动器2的线圈20和电源3，检测从电源3向线圈20施加的电压E和流过线圈20的线圈电流i。

电源3响应于来自外部的电磁致动器驱动指令，生成电压E并施加给位置检测装置1和电磁致动器2的线圈20。

电压E包含用于使电磁致动器2的可动元件22动作的动作电压、保持动作状态的保持电压以及叠加于保持电压的位置检测用的多级阶梯电压(后述的电压E1、E2)。多级阶梯电压(E1、E2)是不会使可动元件22进行动作的范围内的电压值。

在未向线圈20施加电压E的非励磁状态下，可动元件22由于弹簧23的作用力而位于与定子21的底部21a之间的气隙x扩展为最大的状态的初始位置(参照图1)。

另一方面，在从电源3向线圈20施加了电压E时，电流流过线圈20而产生磁通，由此，可动元件22朝向与定子21的底部21a之间的气隙x变窄的方向(箭头y方向)受到吸引力，并被保持在作为气隙x关闭状态(例如，切换阀的导通(ON)状态)的吸附位置(x＝Pa)。

此外，在从电源3向线圈20施加的电压E被切断时，可动元件22因弹簧23的作用力而离开线圈20，回归到初始位置(参照图1)。

接下来，参照图2的说明图，对电磁致动器2中的气隙x与线圈20的电感L之间的关系进行说明。

在图2中，横轴表示可动元件22与定子21的底部21a之间的气隙x，纵轴表示线圈20的电感L。

根据图2可知晓，在气隙x足够大的范围内，随着气隙x变小(靠近吸附位置Pa侧)，可动元件22在线圈20内占据的实质体积增大，因而磁阻下降，在施加电压E时，所产生的磁通密度变大，因此，电感L单调增加。

但是，从线圈20产生的磁通密度不会无限地变大，在气隙x小于饱和临界间隙Pb时，发生磁饱和，相反地，随着气隙x变小，电感L也变小，电感L在x＝Pb处为极大值Lp。

如图2所示，实际的线圈20的电感L相对于气隙x的变化，在x＝Pb处为极大值Lp，因此，例如如x＝Pa、x＝Pc(参照两个黑圆点)所示，针对不同的两个点Pa、Pc的气隙x，电感L为相同值。

此时，如上述(现有装置)那样，在假定气隙x与电感L为1对1对应的情况下，不能区别上述两个点Pa、Pc的气隙x，而如后述那样，图1内的位置检测装置1能够检测出两个点中的哪一个点为实际的气隙x(可动元件位置)。

此外，饱和临界间隙Pb的大小根据线圈电流i的大小而变化，在将线圈电流i设定得较大时，与开始发生磁饱和的点(电感L变为极大值Lp的点)对应的饱和临界间隙Pb变大，在将线圈电流i设定得较小时，饱和临界间隙Pb变小。

此外，电感L的极大值Lp自身也根据线圈电流i的大小而变化。

这样，电磁致动器2中的磁饱和状态随线圈电流i的值而变化，因此，在改变线圈电流i的大小时，气隙x与电感L之间的关系也发生变化。

图3是示出本发明的实施方式1的电磁致动器的可动元件位置检测装置的具体功能结构的框图，其示出了位置检测装置1和电源3的功能结构。

此外，在图3中，作为电磁致动器2的结构，仅代表性地示出了线圈20。此外，此处，以在进行位置检测时施加阶梯状的2级电压E1、E2(E1＜E2)的情况为例进行说明。

在图3中，位置检测装置1具有位置检测部10、时间计测部13和电流检测部14。

此外，电源3具有电压控制部30，该电压控制部30响应于电磁致动器驱动指令而决定电压E的值。

在位置检测装置1内的位置检测部10中，作为预先设定的多个表，具有与基于2级电压E1、E2的测定值对应的第1表11和第2表12，并基于来自时间计测部13的两个测定值(时间tl、th)与第1表11和第2表12内的各表值的两个比较结果而输出位置检测结果(实际的气隙x的值)。

在从电源3向线圈20施加2级(多级)的阶梯状的电压E1、E2时，与各电压E1、E2对应地，线圈电流i发生上升变化，因此，电流检测部14检测发生上升变化的线圈电流i，在从线圈电流i开始变化起变化了规定量Δio的时刻，将检测信号输入到时间计测部13。

时间计测部13将来自电流检测部14的检测信号和来自电源3的电压E(E1、E2)作为输入信息，计测从线圈电流i开始变化(电压E1、E2的上升)起的经过时间tl、th，将其作为时间测定值输入到位置检测部10。

即，时间计测部13计测从电源3施加的2级(多级)电压E1、E2的各阶梯的经过时间tl、th。

位置检测部10具有第1表11和第2表12，在第1表11和第2表12中，通过线圈20的电感L将来自时间计测部13的测定值(时间tl、th)与气隙x(可动元件22的位置)之间的关系关联起来，通过对由时间计测部13计测出的时间tl、th与各表11、12进行比较，由此求出与可动元件22的实际位置对应的气隙x(位置检测结果)。

此外，第1表11和第2表12由事先实际测量时间计测部13的测定值与气隙x之间的关系而得到的数据图构成。

接下来，参照图1～图3以及图4～图7，对本发明的实施方式1的位置检测装置1的具体动作进行说明。

此处，作为一例，对如下情况进行说明：在可动元件22位于线圈励磁时的接通动作位置(x＝Pa)或线圈非励磁时的断开动作位置(x＝Pc)中的任意一个时，基于时间tl、th与第1表11、第2表12的比较，求出可动元件22的位置。

首先，参照图4，对位置检测装置1内的时间计测部13和电流检测部14的动作进行说明。

图4是示出向电磁致动器2的线圈20施加2级阶梯状的电压E1、E2时的电压E与线圈电流i之间的关系的波形图。

在图4中，横轴表示时间，图4的(a)示出向线圈20施加的电压E1、E2的波形，图4的(b)示出施加电压E1、E2时的线圈电流i的波形，图4的(c)仅示出第1级的电压E1导致的线圈电流i的电流变化量il的波形，图4的(d)仅示出第2级的电压E2(＞E1)导致的线圈电流i的电流变化量ih的波形。

设为在可动元件22的位置检测动作开始之前(施加电压E1、E2之前)，可动元件22位于x＝Pa、x＝Pc中的任意一个位置，线圈20被施加了用于流过能够保持可动元件22的位置的线圈电流i的保持电压。

接下来，作为位置检测动作的第1步骤，电源3向线圈20施加2级的电压E1、E2(参照图4的(a))。

如上所述，电压E1、E2具有使能够保持可动元件22的位置的线圈电流i流过线圈20的偏移，其大小为不会使可动元件22的位置发生变化的程度的大小。

在第1步骤中，在向线圈20施加2级电压E1、E2时，如图4的(b)所示，线圈电流i产生与由线圈20的电感L和电阻决定的时间常数对应的上升。

接下来，作为第2步骤，电流检测部14检测线圈电流i，在该电流值从施加第1级的电压E1时起变化了预先规定的规定量Δio的时刻t1(参照图4的(c))，将检测信号输入到时间计测部13。

同样，电流检测部14在线圈电流i从施加第2级的电压E2时起变化了规定量Δio的时刻t2(参照图4的(d))，将检测信号输入到时间计测部13。

另一方面，在第2步骤中，时间计测部13在从电源3接收到向线圈20施加了第1级的电压E1的信号时，开始时间计测，在从电流检测部14接收到线圈电流i变化了规定量Δio的检测信号时，结束时间计测。

同样，时间计测部13在从电源3接收到施加了第2级的电压E2的信号时，开始另外的时间计测，在从电流检测部14接收线圈电流i变化了规定量Δio的检测信号时，结束时间计测。

即，时间计测部13分别测定：在施加第1级的电压E1时，到线圈电流i变化规定量Δio为止所需的时间tl；以及在施加第2级的电压E2时，到线圈电流i变化规定量Δio为止所需的时间th。

由时间计测部13得到的测定值(时间tl、th)的信息被输入到位置检测部10。

接下来，作为第3步骤，位置检测部10对来自时间计测部13的测定值(时间tl、th)与第1表11和第2表12进行比较，求出气隙x(可动元件22的位置)。

以下，参照图5～图7，对第3步骤中的位置检测部10对可动元件22的位置决定动作进行说明。

图5是示出电磁致动器2中的气隙固定时的线圈电流i与线圈20的电感L之间的关系的说明图。

图6是示出电磁致动器2中的线圈电流i的上升波形的说明图。

图7是示出位置检测部10中保存的、时间计测部13的测定值与气隙x之间的关系构成的各表11、12的内容的说明图。

在图5中，横轴表示线圈电流i，纵轴表示线圈20的电感L。

此外，由实线示出x＝Pa(接通动作位置)处的线圈电流i与电感L之间的关系，由虚线示出x＝Pc(断开动作位置)处的线圈电流i与电感L之间的关系。

如上所述，在x＝Pa(实线)处发生磁饱和，因此，随着线圈电流i变大，电感L变小，但在x＝Pc(虚线)处，没有发生磁饱和，因此，电感L与线圈电流i无关地为固定值。

即，在发生磁饱和的x＝Pa的可动元件位置处，在向线圈20施加有阶梯状的电压E1、E2的情况下，线圈电流i上升的时间常数随线圈电流i的值而变化，而在没有发生磁饱和的x＝Pc的可动元件位置处，线圈电流i与线圈电流i的值无关，而以固定的时间常数上升。

图6是示出施加电压E1、E2后的线圈电流i的电流变化量Δi，其中，图6的(a)示出了可动元件22位于x＝Pa的位置的情况下的上升波形，图6的(b)示出了可动元件22位于x＝Pc的位置的情况下的上升波形。

在图6中，横轴表示从施加电压E1、E2起的经过时间，纵轴表示电流变化量Δi。

此外，在图6的(a)、图6的(b)中，由虚线示出第1级的电压E1导致的电流变化量il的波形，由实线示出第2级的电压E2导致的电流变化量ih的波形。

在发生磁饱和的可动元件位置(x＝Pa)处，线圈20的电感L(图5内的实线)随线圈电流i的值而变化，因此，线圈电流i上升处的时间常数随线圈电流i的值而变化。

因此，如图6的(a)所示，在施加第1级的电压E1时线圈电流i变化规定的规定量Δio所需的时间tl与在施加第2级的电压E2时线圈电流i变化规定量Δio所需的时间th不一致。

另一方面，在没有发生磁饱和的可动元件位置(x＝Pc)处，与线圈电流i的值无关地，线圈20的电感L(图5内的虚线)为固定值，因此，即使线圈电流i的值发生变化，线圈电流i上升处的时间常数也为固定值。

因此，如图6的(b)所示，在施加第1级的电压E1时线圈电流i变化规定的规定量Δio所需的时间tl与在施加第2级的电压E2时线圈电流i变化规定量Δio所需的时间th一致。

即，在图6的(a)(x＝Pa)和图6的(b)(x＝Pc)中，如果对施加各电压时的波形进行比较，则即使在施加第2级的电压E2时线圈电流i变化规定量Δio所需的时间th相等，在施加第1级的电压E1时线圈电流i变化规定量Δio所需的时间tl也不一致。

相反，即使在图6的(a)和图6的(b)中时间tl相等的情况下，时间th也有可能不一致。

利用上述(图5、图6)的现象，对时间计测部13的测定值(时间tl、th)与第1表11(对应于时间tl)和第2表12(对应于时间th)进行比较，由此，能够根据表示电感L相等的时间th(或时间tl)判别出是x＝Pa的可动元件位置还是x＝Pc的可动元件位置。

图7示出了第1表11和第2表12的内容，示出了气隙x与时间计测部13的测定值(时间tl、th)之间的关系。

在图7中，横轴表示气隙x，纵轴表示测定值，图7的(a)表示与时间tl对应的第1表11，图7的(b)表示与时间th对应的第2表12。

即，在图7的(a)中，示出了在施加第1级的电压E1时线圈电流i变化规定量Δio所需的时间tl的对气隙特性(air-gap related characteristic)，在图7的(b)中，示出了在施加第2级的电压E2时线圈电流i变化规定量Δio所需的时间th的对气隙特性。

在图7的(a)中，考虑施加第1级的电压E1时的测定值(tl)为tl＝tla的情况，位置检测部10对时间计测部13的计测时间tl(＝tla)与第1表11进行比较，由此可知晓可动元件22位于x＝Pa或x＝Pc(参照两个黑圆点)的位置。

此外，此时，在图7的(b)中，考虑施加第2级的电压E2时的测定值(th)为th＝tha的情况，位置检测部10对时间计测部13的计测时间th(＝tha)和第2表12进行比较，由此可知晓可动元件22位于x＝Pa或x＝Pd(参照两个黑圆点)的位置。

因此，位置检测部10根据测定值tl＝tla与第1表11(图7的(a))的比较结果以及测定值th＝tha与第2表12(图7(b))的比较结果，可知晓可动元件22位于x＝Pa的位置。

另一方面，在图7的(b)中，在施加第2级的电压E2时的测定值为th＝thc的情况下也同样，根据测定值tla与第1表11(图7的(a))的比较结果以及测定值thc与第2表12(图7的(a))的比较结果，可知晓可动元件22位于x＝Pc的位置。

此外，在上述说明中，在进行位置检测时施加了2级电压E1、E2，但阶梯状的电压不限于为2级，也可以施加3级以上的电压，测定与各级对应的时间，得到多个测定值，由此提高可靠性。不过，在该情况下，不言而喻，需要进一步追加与各级对应的表。

此外，在施加阶梯状的电压E1、E2(E1＜E2)时，在线圈电流i的上升期间取得测定值，但也可以施加使线圈电流i依次降低的阶梯状电压，在线圈电流i下降期间取得测定值。

如上所述，本发明的实施方式1(图1～图7)的电磁致动器的可动元件位置检测装置为了检测具有线圈20和可动元件22的电磁致动器2的可动元件位置，具有：电源3，其以可动元件22不进行动作的范围内的电压值向线圈20施加多级阶梯状的电压E1、E2；电流检测部14，其检测线圈电流i；时间计测部13，其计测与阶梯状的各级电压E1、E2的施加对应的、从线圈电流i开始变化起的经过时间tl、th；以及位置检测部10，其针对阶梯状的各级电压E1、E2的每一级的施加，对由电流检测部14或由时间计测部13得到的多个测定值与和线圈20的电感L的变化相关联的基准值(第1表11、第2表12)进行比较，由此求出可动元件22的位置。

时间计测部13针对阶梯状的各级电压E1、E2，分别测定与阶梯状的各级电压E1、E2的施加对应的、从线圈电流i开始变化起到电流值变化规定量Δio所需的时间tl、th。

位置检测部10具有表示由时间计测部13得到的多个测定值(时间tl、th)与可动元件22的位置(气隙x)之间的关系的多个表(第1表11、第2表12)，通过对多个测定值与多个表进行比较，由此求出可动元件22的位置。

此外，本发明的实施方式1的电磁致动器的可动元件位置检测方法为了检测具有线圈20和可动元件22的电磁致动器2的可动元件位置，具有如下步骤：第1步骤，以可动元件22不进行动作的范围内的电压值向线圈20施加多级阶梯状的电压E1、E2；第2步骤，针对阶梯状的各级电压E1、E2，分别测定与阶梯状的各级电压E1、E2的施加对应的、线圈电流i的变化状态；以及，第3步骤，对在第2步骤中得到的多个测定值与规定的基准值(第1表11、第2表12)进行比较，由此求出可动元件22的位置。

这样，由于能够根据多个线圈电流i的测定来判定线圈20的电感L的电流关联性，因此，能够唯一地检测出可动元件22的位置。

尤其是，通过使用基于多个表(第1表11、第2表12)的多个比较结果，能够唯一地检测出可动元件22的位置。

因此，即使因发生磁饱和而存在线圈20的电感L相等但可动元件22与定子21的底部21a之间的气隙x不同的两个点(Pa、Pc)，也能够判别出这两个点中的哪一个点是正确的位置，从而能够唯一地判定出可动元件22的位置。

此外，由于能够在使可动元件22保持固定位置的状态下检测可动元件22的位置，因此，即使在因某些噪声的影响而未能检测出位置的情况下，也能够反复多次地尝试位置检测动作，因此，提高了检测的可靠性。

此外，由于仅需计测从施加各级电压E1、E2时起到线圈电流i变化规定量Δio为止的时间tl、th即可得到测定值，因此，无需复杂的电路结构，能够容易地检测出可动元件22的位置。

接下来，参照图8、图9，对比上述专利文献2中记载的现有技术，对本发明的技术特征进一步进行说明。

图8是示出专利文献2中记载的位置检测装置向电磁致动器2的线圈20施加1级阶梯状的电压时的电压E与线圈电流i之间的关系的波形图。

图9是示出分别使用本发明的实施方式1的位置检测装置1和专利文献2中记载的位置检测装置的情况下的、电磁致动器2中的气隙固定时的线圈电流i与线圈20的电感L之间的关系的说明图。

在图8中，横轴表示时间，其中，图8的(a)示出向线圈20施加的电压E1的波形，图8的(b)示出施加电压E1时的线圈电流i的波形。此外，在专利文献2中，与本发明不同，使用在1级电压E1的施加导致的线圈电流i的上升时线圈电流i变化规定量Δiul、Δiuh所需的时间tul、tuh，来检测可动元件22的位置。

此外，如图9所示，在可动元件22位于x＝Pa的位置时(即，在气隙x较小时)，电感L随线圈电流i而变化。这样，在电感L取决于电流的情况下，电感L相对于电流的变化而时刻变动。

因此，作为线圈电流变化规定量所需的时间而检测出的电感L的值与线圈电流i发生变化的区域中的平均电感是对应的。

此处，如图8所示，专利文献2中记载的位置检测装置在同一施加电压E1下的线圈电流i的变化中计测多处，因此，电流变化的开始位置相同。因此，如图9所示，检测电感的电流变化区域有一部分重复。因此，由电流关联性表现出的电感的差异较小，因此，难以判别有无电流关联性(磁饱和)。换言之，有可能不能根据检测出的电感有无电流关联性而准确地判别两个点的气隙值。

与此相对，本发明的实施方式1的位置检测装置1不是施加1级而是施加多级阶梯状的电压来测定与各级电压施加对应的线圈电流i的变化状态。因此，不会产生图8所示那样的检测电感的电流变化区域的重复。因此，由电流关联性表现出的电感的差异相比专利文献2的情况非常明显，由此，能够可靠地判别有无电流关联性(磁饱和)。换言之，与专利文献2的情况相比，能够根据检测出的电感有无电流关联性，来准确地判别出两个点的气隙值。

接下来，参照图10～图13，使用具体数值例，对比专利文献2中记载的现有技术，对本发明的效果进行说明。

图10是对本发明的实施方式1的位置检测装置1向线圈20施加电压E的情况下的线圈电流i与专利文献2中记载的位置检测装置向线圈20施加电压E的情况下的线圈电流i进行比较的说明图。

图11是示出分别使用本发明的实施方式1的位置检测装置1和专利文献2中记载的位置检测装置的情况下的、电磁致动器2中的气隙固定时的线圈电流i与线圈20的电感L之间的关系的一例的说明图。

图12是示出使用专利文献2中记载的位置检测装置的情况下的、电磁致动器2中的线圈电流i的上升波形的一例的说明图。

图13是示出使用本发明的实施方式1的位置检测装置1的情况下的、电磁致动器2中的线圈电流i的上升波形的一例的说明图。

在可动元件22被保持在吸附位置(x＝Pa)的情况下，本实施方式1和专利文献2的各自的线圈电流i的变化如图10所示。

此处，如图11所示，在专利文献2中，在线圈电流i变化了规定量Δiul、Δiuh时的平均电感分别为L＝0.15[H]、L＝0.11[H]。与此相对，在本实施方式1中，2级阶梯电压各自变化了Δio时的平均电感分别为L＝0.15[H]、L＝0.04[H]。

此外，在这样的情况下，专利文献2和本实施方式1的各自的电流变化量Δi的波形如图12、图13所示。

此处，根据图12，如果对与x＝Pa和x＝Pc分别对应的波形进行比较，则在专利文献2中，线圈电流i变化Δiul所需的时间tul在x＝Pa和x＝Pc处相等。

但是，线圈电流i变化Δiuh所需的时间tuh在x＝Pa和x＝Pc处不相等。此时，在x＝Pa和x＝Pc处，到线圈电流i变化Δiuh为止所需的时间tuh之差为10[ms]。

与此相对，根据图13，如果对与x＝Pa和x＝Pc分别对应的波形进行比较，则在本实施方式1中，在x＝Pc时，电感L不随线圈电流i而变化，因此，与第1级的电压E1和第2级的电压E2分别对应的电流变化量Δi的波形一致。

此外，根据图13，如果对与x＝Pa和x＝Pc分别对应的波形进行比较，则在本实施方式1中，在第1级的电压E1导致的电流变化量il的波形(x＝Pa(il))中，线圈电流i变化Δio所需的时间tl在x＝Pa(il)和x＝Pc处相等。

但是，关于第2级的电压E2导致的电流变化量ih的波形(x＝Pa(ih))，线圈电流i变化Δio所需的时间th在x＝Pa(ih)和x＝Pc处不相等。此时，在x＝Pa(il)、x＝Pc处到线圈电流i变化Δio为止所需的时间tl与在x＝Pa(ih)处到线圈电流i变化Δio为止所需的时间th之差为30[ms]。

这样，在本实施方式1中，能够使计测值的差异在x＝Pa和x＝Pc处较大，因此，能够可靠地判别有无电流关联性(磁饱和)。换言之，在本实施方式1中，施加多级阶梯状的电压，通过检测与各级电压施加对应的线圈电流i的变化而在不重复的电流区域中进行电感检测，由此，即使在处于可动元件吸附位置的情况下，也能够使测定值中表现出的电流关联性导致的电感差较大。其结果是，能够可靠地判别有无电流关联性(磁饱和)。进而，能够根据有无电流关联性准确地判别出两个点的气隙值，从而能够准确地检测可动元件22的位置。

实施方式2.

此外，在上述实施方式1(图3～图7)中，使用从线圈电流i开始变化起变化了规定量Δio的时刻的时间计测部13的测定时间来检测可动元件22的位置，但也可以如图14那样，使用从线圈电流i开始变化起经过了规定时间to的时刻的电流检测部14A的测定值(电流变化量Δil、Δih)，来检测可动元件22的位置。

图14是示出本发明的实施方式2的电磁致动器的可动元件位置检测装置的具体功能结构的框图，针对与上述(参照图3)相同的部分，标注与上述相同的标号或在标号后面标注“A”，并省略详细记述。

此外，未图示的整体结构如图1所示那样。

在图14中，位置检测装置1A具有位置检测部10A、时间计测部13A和电流检测部14A。

位置检测部10A具有：作为针对施加第1级的电压E1时的电流变化量Δil的比较基准的第1表11；以及作为针对施加第2级的电压E2(＞E1)时的电流变化量Δih的比较基准的第2表12。

时间计测部13A在从线圈电流i开始变化起经过了规定时间to的时刻，向电流检测部14A输入检测信号。

电流检测部14A将施加第1级的电压E1时的从线圈电流i开始变化起经过了规定时间to的时刻的电流变化量Δil和施加第2级的电压E2时的从线圈电流i开始变化起经过了规定时间to的时刻的电流变化量Δih输入到位置检测部10A。

在该情况下，与实施方式1(图3)的不同之处仅在于：在第2步骤中，电流检测部14A根据来自时间计测部13A的检测信号，测定线圈电流i；以及位置检测部10A具有第1表11A和第2表12，在该第1表11A和第2表12中，通过电感L将电流检测部14A的测定值与气隙x之间的关系关联起来。

接下来，参照图1、图14以及图15，对本发明的实施方式2的位置检测装置1A的动作进行说明。

此处，与上述同样地，对在进行位置检测时施加2级电压E1、E2的情况进行说明。

图15是示出向本发明的实施方式2的电磁致动器的线圈施加多级电压E1、E2时的电压与线圈电流i之间的关系的波形图。

在图15中，横轴表示时间，图15的(a)示出施加于线圈20的电压E1、E2的波形，图15的(b)示出了施加电压E1、E2时的线圈电流i的波形，图15的(c)仅示出第1级的电压E1导致的线圈电流i的电流变化量il的波形，图15的(d)仅示出第2级的电压E2(＞E1)导致的线圈电流i的电流变化量ih的波形。

首先，在第1步骤中，如图15的(a)所示，在向线圈20施加2级电压E1、E2时，如图15的(b)所示，在线圈电流i中产生与由线圈20的电感L和电阻决定的时间常数对应的上升。

接下来，在第2步骤中，时间计测部13A在从电源3接收到施加了第1级的电压E1和第2级的电压E2的各个信号时，分别对应地开始时间计测，在经过了预先规定的规定时间to时间的时刻，将各检测信号输入到电流检测部14A。

电流检测部14A检测接收到来自时间计测部13A的检测信号的时刻的线圈电流i，分别测定从施加各阶梯状的电压E1、E2时的线圈电流i起到规定时间to期间的电流变化量Δil、Δih。

接下来，在第3步骤中，电流检测部14A将从施加各电压E1、E2时起的电流变化量Δil、Δih(各测定值)输入到位置检测部10A。

位置检测部10A对各测定值与第1表11A和第2表12A进行比较，求出气隙x(可动元件22的位置)。

此时，与上述(图6)同样地，在x＝Pa的可动元件位置处，电流变化量Δil与电流变化量Δih不一致，在x＝Pc的可动元件位置处，电流变化量Δil与电流变化量Δih一致，因此，能够根据两个比较结果唯一地求出气隙x(可动元件22的位置)。

如上所述，在本发明的实施方式2(图1、图14、图15)的电流检测部14A中，针对阶梯状的各级电压E1、E2，分别测定从线圈电流i因根据阶梯状的各级电压E1、E2而开始变化起到经过了规定时间to后的电流变化量Δil、Δih。

位置检测部10A具有表示由电流检测部14A得到的多个测定值(电流变化量Δil、Δih)与可动元件22的位置(气隙x)之间的关系的多个表(第1表11A、第2表12A)，通过对多个测定值与多个表进行比较，由此求出可动元件22的位置。

这样，通过使用基于多个线圈电流i的测定值(电流变化量Δil、Δih)，能够判定出线圈20的电感L的电流关联性，因此，能够唯一地检测出可动元件22的位置。

此外，作为测定值，仅需计测从施加各级电压E1、E2时起经过了规定时间to的时刻的电流变化量Δil、Δih即可，因此，无需复杂的电路结构，能够容易地检测可动元件22的位置。

此外，根据使用了多个表(第1表11A、第2表12)的多个比较结果，能够唯一地检测出可动元件位置。

因此，即使因发生磁饱和而存在虽然线圈20的电感L相等但可动元件22与定子21的底部21a之间的气隙x不同的两个点，也能够判别出这两个点中的哪一个点是正确的位置，从而能够唯一地判定出可动元件22的位置。

此外，由于能够在使可动元件22保持固定位置的状态下检测可动元件22的位置，因此，即使在因某些噪声的影响而未能检测出位置的情况下，也能够反复多次地尝试位置检测动作，因此，提高了检测的可靠性。

实施方式3.

此外，在上述实施方式1(图3～图7)中，使用多个表(第1表11、第2表12)来检测可动元件22的位置，但也可以如图16所示那样，仅使用单个表(第1表11)来检测可动元件22的位置。

图16是示出本发明的实施方式3的电磁致动器的可动元件位置检测装置的具体功能结构的框图，针对与上述(参照图3)相同的部分，标注与上述相同的标号或在标号后面标注“B”，并省略详细记述。

此外，未图示的整体结构如图1所示那样。

在图16中，位置检测装置1B具有位置检测部10B、时间计测部13和电流检测部14。

位置检测部10B仅具有作为针对施加第1级的电压E1时的计测时间tl的比较基准的第1表11，并根据时间tl与第1表11的比较结果和时间tl与时间th的比较结果来检测可动元件22的位置。

在该情况下，与实施方式1(图3)的不同之处仅在于，位置检测部10B仅具有第1表11而省略了第2表12，其中，在第1表11中，通过电感L将时间计测部13的测定值(时间tl)与气隙x之间的关系关联起来。

接下来，参照图16、图1、图4～图6以及图7的(a)，对本发明的实施方式3的位置检测装置1B的动作进行说明。

此处，与上述同样地，对在进行位置检测时施加2级电压E1、E2的情况进行说明。

首先，在第1步骤中，如图4的(a)所示，在向线圈20施加2级电压E1、E2时，如图4的(b)所示，在线圈电流i中产生与由线圈20的电感L和电阻决定的时间常数对应的上升。

接下来，在第2步骤中，电流检测部14检测线圈电流i，在从施加第1级的电压E1时起到该电流值变化了规定量Δio的时刻t1，将检测信号输入到时间计测部13。

同样，在从施加第2级的电压E2时起线圈电流i变化了规定量Δio的时刻t2，将检测信号输入到时间计测部13。

时间计测部13在从电源3接收到施加了第1级的电压E1的信号时，开始时间计测，在从电流检测部14接收到线圈电流i变化了规定量Δio的时刻t1的检测信号时，结束时间计测。

此外，在从电源3接收到施加了第2级的电压E2的信号时，开始另外的时间计测，在从电流检测部14接收到线圈电流i变化了规定量Δio的时刻t2的检测信号时，结束时间计测。

即，时间计测部13分别测定在第1级的电压E1下到线圈电流i变化规定量Δio为止所需的时间tl和在第2级的电压E2下到线圈电流i变化规定量Δio为止所需的时间th，并将测定时间tl、th的信息输入到位置检测部10B。

接下来，在第3步骤中，位置检测部10B对时间计测部13的测定值(时间tl)与第1表11进行比较，并对测定值彼此(时间tl与时间th)进行比较，从而求出可动元件22的位置。

以下，对第3步骤中的位置检测部10B的可动元件位置检测动作进行具体说明。

在图7的(a)中，考虑由时间计测部13得到的测定值(时间tl)为tl＝tla的情况，位置检测部10B对时间计测部13的测定值tla与第1表11进行比较，由此可知晓可动元件22位于x＝Pa或x＝Pc的位置。

如图5所示，在发生磁饱和的可动元件位置(x＝Pa)处，线圈20的电感L随着线圈电流i的增加而减小。

即，在施加第1级的电压E1时的线圈电流i的上升时刻和施加第2级的电压E2时的线圈电流i的上升时刻中，线圈20的电感L不同。

因此，如图6的(a)所示，在可动元件22位于x＝Pa的位置的情况下，施加第1级的电压E1时的电流变化量il与施加第2级的电压E2时的电流变化量ih不一致，因此，根据第1级的电压E1和第2级的电压E2，线圈电流i变化规定量Δio所需的时间tl、th不一致。

另一方面，如图6的(b)所示，在可动元件22位于x＝Pc的位置的情况下，没有发生磁饱和，因此，电感L为固定值，施加第1级的电压E1时的电流变化量il与施加第2级的电压E2时的电流变化量ih一致(tl＝th)。

这样，在位置检测部10B中，通过对时间tl、th进行比较来判定两者的一致/不一致，由此，能够判别出是否发生了磁饱和。

因此，根据时间tl、th的比较结果以及时间tl与第1表11的比较结果，能够求出气隙x(可动元件22的位置)。

此外，此处对位置检测部10B仅具有第1表11的情况进行了说明，但如上述的实施方式2(图14)那样，在使用来自电流检测部14A的测定值(电流变化量Δil、Δih)来进行位置检测的情况下，位置检测部10B仅具有第2表12即可。

如上所述，本发明的实施方式3(图1、图4～图6、图7的(a)、图16)的位置检测部10B具有至少1个表(第1表11)，该表示出由时间计测部13(或电流检测部14A)得到的多个测定值(时间tl、th)与可动元件22的位置之间的关系，通过对和第1表11对应的测定值(时间tl)与第1表11进行比较，并对多个测定值彼此(时间tl与时间th)进行比较，由此求出可动元件22的位置。

由此，作为表示测定值与气隙x之间的关系的表，无需使用多个表，仅使用第1表11即可判定出线圈20的电感L的电流关联性，因此，除了与上述相同的效果以外，利用更简易的结构，即使在发生磁饱和的情况下，也能够唯一地判定出可动元件22的位置。

此外，在图16中，对在施加第1级的电压E1时线圈电流i变化规定量Δio所需的时间tl与第1表11进行比较，但不限于此，也可以是，对在施加第2级的电压E2时线圈电流i变化规定量Δio所需的时间th与第2表12进行比较。

在该情况下，不需要第1表11，因此，仅使用第2表12即可判定出可动元件22是位于x＝Pa的位置还是位于x＝Pc的位置。

此外，在使用其它测定值的情况下，具有与所使用的测定值对应的表即可。

即，作为位置检测用的测定值，使用了电压施加后的经过时间tl、th，但也可以如上述实施方式2(图14)所示那样，使用来自电流检测部14A的电流变化量Δil、Δih。在该情况下，使用第1表11A或第2表12A中的任意一方即可唯一地判定出可动元件22的位置。

实施方式4.

此外，在实施方式1(图3～图7)中，使用连续的多级阶梯状的电压来检测可动元件22的位置，但也可以如图17所示那样，使用使线圈电流i在不同的电流范围内变动那样的不连续的多级阶梯状的电压来检测可动元件22的位置。

图17是示出向本发明的实施方式4的电磁致动器2的线圈20施加不连续的多级阶梯状的电压E1、E2时的电压E与线圈电流i之间的关系的波形图。

在图17中，横轴表示时间，图17的(a)示出施加于线圈20的电压E1、E2、E3的波形，图17的(b)示出施加电压E1、E2、E3时的线圈电流i的波形。

接下来，参照图17，该实施方式4的位置检测装置1的动作进行说明。此处，作为与上述相同地在可动元件22的位置检测中使用的阶梯状的电压，不是连续地施加电压E1、E2，而是以电压E1和电压E2不连续的方式，在向线圈20施加了电压E1后，施加电压E3，然后施加电压E2，其中，电压E3具有可动元件22不进行动作的范围内的电压值，且不被用于可动元件22的位置检测。

首先，如图17的(a)所示，在第1步骤中，向线圈20施加第1级的电压E1。然后，不是直接向线圈20施加电压E2，而是在施加电压E3之后向线圈20施加电压E2。此外，在图17中，作为电压E3，例示了阶梯状的电压，但，从电压E1变化到电压E3时，不限于阶梯形状，也可以施加斜坡形状等其它形状的电压。

这样，如图17的(b)所示，在向线圈20施加电压E1、E2、E3时，线圈电流i产生与由线圈20的电感L和电阻决定的时间常数对应的上升。

接下来，在第2步骤中，与之前的实施方式1同样地，在时间计测部13从电源3接收到向线圈20施加了电压E1和电压E2的各信号时，分别对应地开始时间计测，在从电流检测部14接收到线圈电流i变化了预先规定的规定量Δio的各检测信号时，结束时间计测。

即，时间计测部13分别测定在施加电压E1时到线圈电流i变化规定量Δio为止所需的时间tl和在施加电压E2时到线圈电流i变化规定量Δio为止所需的时间th。

接下来，在第3步骤中，时间计测部13将与各电压E1、E2对应的测定值(时间tl、时间th)输入到位置检测部10。进而，位置检测部10对各测定值与第1表11和第2表12进行比较，求出气隙x(可动元件22的位置)。

此时，与上述(图6)同样地，仅通过时间tl与第1表11的比较不能判别x＝Pa和x＝Pc时的可动元件22，但结合时间th与第2表的比较结果，能够判别出x＝Pa和x＝Pc时的可动元件22。因此，根据与时间tl和时间th分别对应的各表的比较结果，能够唯一地求出间隙x(可动元件22的位置)。

如上所述，本发明的实施方式4(图17)的电源3施加不连续的多级阶梯状的电压，时间计测部13针对阶梯状的各级电压，分别测定到线圈电流i因阶梯状的各级电压而变化规定量Δio为止的时间。并且，位置检测部10具有表示由时间计测部13得到的多个测定值与可动元件22的位置(气隙x)之间的关系的多个表，通过对多个测定值与多个表进行比较，由此求出可动元件22的位置。

这样，在用于求出可动元件22的位置的多级阶梯状的电压中，使第1阶梯状的电压和第2阶梯状的电压变得不连续，由此，能够使各阶梯电压分离。因此，能够使在计测中使用的线圈电流i的变化区域分离，由此，在电感L具有电流关联性的情况下，与之前的实施方式1相比，能够使检测出的电感L的差异变大。因此，能够使x＝Pa和x＝Pc的情况下的测定值的差异变大，因此，能够使x＝Pa和x＝Pc的判别变得容易，从而更准确地检测可动元件22的位置。

此外，如上述那样，对本发明的实施方式1～4(图1～图17)独立地进行了说明，但上述实施方式1～4的结构可以任意组合，在该情况下，不言而喻，可叠加地得到各实施方式的效果。

Claims (8)

1.一种电磁致动器的可动元件位置检测装置，该电磁致动器具有线圈和可动元件，其中，所述电磁致动器的可动元件位置检测装置具有：

电源，其以所述可动元件不进行动作的范围内的电压值向所述线圈施加多级阶梯状的电压，所述电源具有电压控制部，所述电压控制部响应于来自外部的电磁致动器驱动指令而决定所述多级阶梯状的电压的所述电压值；

电流检测部，其检测流过所述线圈的线圈电流；以及

时间计测部，其计测与所述阶梯状的各级电压的施加对应的、从所述线圈电流开始变化起的经过时间；以及

位置检测部，其通过针对所述阶梯状的各级电压中的每一级的施加，将由所述电流检测部或所述时间计测部得到的多个测定值与和所述线圈的电感变化相关联的基准值进行比较，而求出所述可动元件的位置。

2.根据权利要求1所述的电磁致动器的可动元件位置检测装置，其中，

所述时间计测部针对所述阶梯状的各级电压，分别测定与所述阶梯状的各级电压的施加对应的、从所述线圈电流开始变化起到电流值变化规定量所需的时间。

3.根据权利要求1所述的电磁致动器的可动元件位置检测装置，其中，

所述电流检测部针对所述阶梯状的各级电压，分别测定从所述线圈电流根据所述阶梯状的各级电压开始变化起到经过规定时间为止的电流变化量。

4.根据权利要求2或3所述的电磁致动器的可动元件位置检测装置，其中，

所述位置检测部具有多个表，该多个表示出了由所述时间计测部或所述电流检测部得到的多个测定值与所述可动元件的位置之间的关系，

通过对所述多个测定值与所述多个表进行比较，而求出所述可动元件的位置。

5.根据权利要求2或3所述的电磁致动器的可动元件位置检测装置，其中，

所述位置检测部具有至少1个表，该表示出了由所述时间计测部或所述电流检测部得到的多个测定值与所述可动元件的位置之间的关系，

通过对和所述表对应的测定值与所述表进行比较，并对所述多个测定值彼此进行比较，而求出所述可动元件的位置。

6.根据权利要求4所述的电磁致动器的可动元件位置检测装置，其中，

所述电源向所述线圈施加的所述多个阶梯状的电压构成为，包含在所述可动元件的位置检测中使用的第1阶梯状的电压和第2阶梯状的电压，

所述电源在施加了所述第1阶梯状的电压之后，施加电压值在所述可动元件不进行动作的范围内且不被用于所述可动元件的位置检测的电压，然后施加所述第2阶梯状的电压。

7.根据权利要求5所述的电磁致动器的可动元件位置检测装置，其中，

所述电源向所述线圈施加的所述多个阶梯状的电压构成为，包含在所述可动元件的位置检测中使用的第1阶梯状的电压和第2阶梯状的电压，

所述电源在施加了所述第1阶梯状的电压之后，施加电压值在所述可动元件不进行动作的范围内且不被用于所述可动元件的位置检测的电压，然后施加所述第2阶梯状的电压。

8.一种电磁致动器的可动元件位置检测方法，该电磁致动器具有线圈和可动元件，其中，所述电磁致动器的可动元件位置检测方法包括如下步骤：

第1步骤，以所述可动元件不进行动作的范围内的电压值向所述线圈施加多级阶梯状的电压，其中，所述多级阶梯状的电压的所述电压值响应于来自外部的电磁致动器驱动指令而被决定；

第2步骤，针对阶梯状的各级电压，分别测定与所述阶梯状的各级电压的施加对应的所述线圈电流的变化状态；以及

第3步骤，通过对在所述第2步骤中得到的多个测定值与和所述线圈的电感变化相关联的基准值进行比较，而求出所述可动元件的位置。