JP2001159505A

JP2001159505A - 変位検出装置

Info

Publication number: JP2001159505A
Application number: JP34248499A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Shimizu; 康雄清水; Koichi Ikoma; 浩一生駒; Minoru Nakamura; 稔中村
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-12-01
Filing date: 1999-12-01
Publication date: 2001-06-12

Abstract

(57)【要約】【課題】機械要素の変位をより正確に検出する。【解決手段】変位することのできる機械要素と、機械要
素に連結して設けられ、該機械要素の変位方向に磁化さ
れた磁石と、直列接続された第１のコイル部分および第
２のコイル部分であって、機械要素の検出すべき変位量
および磁石の変位方向の長さの和に対応する距離だけ少
なくとも離れて、磁石を変位方向で挟むよう配置された
第１のコイル部分および第２のコイル部分を含むサーチ
コイルと、磁石の変位に応じてサーチコイルに誘起され
た電圧を積分した値に基づいて、前記機械要素の変位を
算出する変位算出手段とを備える変位検出装置を提供す
る。サーチコイルの誘起電圧は２つのコイル部分の磁束
の和に対して線形な関係を持ち、該磁束の和は変位に対
して線形な関係を持つので、サーチコイルの誘起電圧か
ら変位を容易かつ正確に検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、機械要素の変位
を検出する装置に関し、より具体的には、アクチュエー
タにより駆動される機械要素の変位を、変位方向に磁化
された磁石からの磁束に基づいて検出する装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】変位を検出する様々な方法が提案されて
いる。特公２７４９７４８号には、電磁石と可動磁石部
材の間にある空隙の磁束密度を測定して可動磁石部材の
変位を検出方法が記載されている。また同公報の別の実
施形態として、電磁石と可動磁石部材の間にある空隙の
キャパシタンスを測定することにより、可動磁石部材の
変位を検出する方法が記載されている。

【０００３】また、特開７−２２４６２４号公報には、
可動子の変位に伴って電磁力を発生する電磁コイルの自
己インダクタンスが変化することに着目して可動子の変
位量を検出するアクチュエータが記載されている。すな
わち、この検出方式は過電流による検出方式であり、高
周波での磁気回路の状態変化をインダクタンスとして検
出する方式である。

【０００４】一方、従来からサーチコイルを磁気センサ
として使用し、磁束を検知することにより変位を検出す
る方法が提案されている。この方法を、自動車のエンジ
ンの吸排気バルブを駆動するアクチュエータに適用する
と、図１０に示されるように、アーマチャーのガイドシ
ャフト（伝達軸）に磁石１０１を取り付け、磁石１０１
の変位方向に沿うよう磁石１０１の片側にサーチコイル
１０２を配置する。磁石１０１の変位に応じてサーチコ
イル１０２に誘起される電圧を測定し、測定された誘起
電圧を時間で積分することにより磁石１０１の変位を算
出する。以下に、このような場合の変位の出力特性を説
明する。

【０００５】図１０において、磁石１０１の磁軸の延長
線上にある任意の点Ｐの磁界Ｈ［AT・m］は、以下の式
（１）で表される。

【０００６】

【数１】Ｈ＝２・Ｐｍ／（（４・π・μ₀・ｒ³）式（１）

【０００７】ここで、Ｐｍは磁石１０１の磁気モーメン
ト［Wb/m²］、μ₀は真空の透磁率（＝４π×１０^−７Wb
/Am）、ｒは磁石の磁軸の中心から点Ｐまでの距離
（ｍ）を示す。したがって、サーチコイル１０２と鎖交
する磁束φ［Ｗｂ］は、以下の式（２）のように表され
る。

【０００８】

【数２】 φ ＝Ｓ・μ₀・Ｈ＝Ｓ・Ｐｍ／（２・π・ｒ³）式（２）

【０００９】ここで、Ｓはサーチコイルの断面積
（ｍ²）を示す。式（２）から明らかなように、点Ｐに
おける磁束φは、磁石１０１からの距離ｒの３乗に反比
例する。

【００１０】したがって、図１１の（ａ）に示すよう
に、磁石１０１の磁軸の延長線上にサーチコイル１０２
を配置し、磁軸に沿ってサーチコイル１０２から遠ざか
るよう磁石１０１を移動させると、距離ｒに対するサー
チコイル１０２の磁束φは、グラフ１０３に示されるよ
うに１／ｒ^３の特性を持つ曲線で表される。また、図１
１の（ｂ）に示すように、磁石の極を反対にして、図１
１の（ａ）と同様に磁石１０１の磁軸に沿ってサーチコ
イル１０２から遠ざかるよう磁石１０１を移動させる
と、鎖交する磁束φの出力が反転し、距離ｒに対する磁
束φは、グラフ１０４に示されるように（−１／ｒ^３）
の特性を持つ曲線で表される。

【００１１】一方、コイルに誘起される電圧Ｖと、磁石
からの磁束がコイルと鎖交する磁束φの間には、式
（３）のような関係があることが知られている。ここ
で、ｔは時間を示し、ｎはコイルの巻数を示す。

【００１２】

【数３】Ｖ＝ｎ・ｄΦ/ｄｔ式（３）

【００１３】したがって、式（３）を時間で積分するこ
とにより磁束φを求めることができる。

【００１４】

【数４】 Φ＝１／ｎ・∫Ｖｄｔ式（４）

【００１５】式（２）および式（４）から、サーチコイ
ル１０２に誘起される電圧の積分値は、磁石１０１およ
びサーチコイル１０２間の距離ｒの３乗に反比例すると
いう特性を持つ。

【００１６】図１２のグラフは、図１０のように磁石１
０１の片側にサーチコイル１０２を配置し、磁石１０１
の変位に応じてサーチコイル１０２に誘起された電圧を
積分した値と、磁石１０１の変位との関係を示す。横軸
の変位は、サーチコイル１０２の位置を基準とした磁石
１０１の変位であり、サーチコイル１０２からの距離を
示す。曲線１００に示されるように、サーチコイルの誘
起電圧の積分値は、変位の３乗に反比例して減少してい
ることを示しており、変位が大きくなるに従って、サー
チコイル１０２に誘起される電圧積分値の変位あたりの
変化が急速に小さくなっている。とりわけ、変位が４ｍ
ｍを超えると、変位の分解能が悪化していることが明ら
かである。したがって、６〜８ｍｍに及ぶ比較的大きな
変位量を検出する必要があるアクチュエータの場合に、
このようなサーチコイルの誘起電圧積分値を使用して変
位を検出すると、精度が低下するという問題点があっ
た。

【００１７】また、一般に機械要素を駆動するアクチュ
エータにおいて、カム、ロットなどの連結による機械的
駆動によって機械要素を駆動することの他に、電磁的に
駆動することが行われている。電磁アクチュエータによ
る駆動は、電気信号によって電磁コイルを励磁して発生
する電磁石の吸引力によって機械要素を駆動するもの
で、電気信号を制御することによって駆動のタイミング
および駆動力をいかようにも変えることができるので、
精密なタイミング制御および可変制御が望まれる分野で
多く利用されている。

【００１８】車両においてもエンジンのアイドル制御
弁、燃料噴射弁、ＥＧＲ制御弁等の開閉制御をはじめと
してさまざまな箇所でアクチュエータが使用されてい
る。とりわけ、今後の可能性としてエンジン吸排気バル
ブには、電磁アクチュエータを適用することが望まれて
いる。機械的な構造によりエンジンの吸排気バルブのタ
イミングをエンジン回転域により変える方式が実用化さ
れているが、電磁アクチュエータによって吸排気バルブ
を駆動すれば、バルブタイミングを多様に制御すること
が可能になり、エンジンの出力特性および燃費の改善が
可能となる。

【００１９】車両におけるエンジンの吸排気バルブの開
閉は、機械的駆動および電磁的駆動のいずれの場合にお
いても、高速かつ正確なタイミングで行うことが要求さ
れている。したがって、適切にバルブタイミングを制御
できるよう、アクチュエータが駆動する機械要素の変位
を正確に検出する必要がある。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記の問
題点を解決するものであり、その目的は、磁石およびサ
ーチコイルの距離が遠くなっても変位の分解能が低下せ
ず、変位を線形に出力することのできるサーチコイル式
の変位検出装置を提供することである。

【００２１】さらに、従来から、電磁バルブを搭載した
内燃機関はヘッド部が大きくなる可能性が高く、スペー
ス的な余裕が少ない。したがって、この発明の他の目的
は、現在の電磁バルブ搭載の内燃機関の占有スペースを
増大させることなく、磁石およびサーチコイルを配置し
たサーチコイル式の変位検出装置を提供することであ
る。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１の変位検出装置は、変位することのできる
機械要素と、機械要素に連結して設けられ、該機械要素
の変位方向に磁化された磁石と、直列接続された第１の
コイル部分および第２のコイル部分であって、機械要素
の検出すべき変位量および前記磁石の変位方向の長さの
和に対応する距離だけ少なくとも離れて、磁石を変位方
向で挟むよう配置された第１のコイル部分および第２の
コイル部分を含むサーチコイルと、磁石の変位に応じて
前記サーチコイルに誘起された電圧を時間で積分する積
分手段とを備え、該積分された値に基づいて、前記機械
要素の変位を検出する。

【００２３】磁石の変位に応じて前記サーチコイルに誘
起された電圧を積分した値に基づいて、前記機械要素の
変位量を算出する変位算出手段とを備える。

【００２４】請求項１の発明によると、２つのコイル部
分を使用してその間を変位する磁石からの磁束に基づい
て変位を検出するので、変位に対して線形な関係を持つ
出力に基づいて、変位を容易かつ正確に検出することが
できる。

【００２５】請求項２の発明は、請求項１の変位検出装
置において、第１のコイル部分および第２のコイル部分
が、同じ面積を持ち、同じ向きに同じ回数巻かれている
という構成をとる。

【００２６】請求項２の発明によると、同じ仕様のコイ
ル部分を用いて検知された磁束に基づいて変位を検出す
るので、簡単な計算で変位を検出することができる。

【００２７】請求項３の発明は、請求項１または請求項
２に記載の変位検出装置において、磁石が、機械要素に
非磁性体の部材を介して連結されるという構成をとる。

【００２８】請求項３の発明によると、磁石が非磁性部
材を介して機械要素に連結されるので、磁場が乱される
ことなく磁石からの磁束に基づいて正確に変位を検出す
ることができる。

【００２９】請求項４の発明は、請求項１から請求項３
のいずれかに記載の変位検出装置において、機械要素
が、エンジンの吸排気バルブであるという構成をとる。

【００３０】請求項４の発明によると、エンジンの吸排
気のバルブの変位を検出することができるので、アクチ
ュエータによるバルブタイミングの精度を向上させるこ
とができる。

【００３１】請求項５の発明は、請求項４の変位検出装
置において、磁石が、円筒形状の永久磁石であるという
構成をとる。

【００３２】請求項５の発明によると、アクチュエータ
の伝達軸に連結するよう磁石を簡単に取り付けて固定す
ることができるので、簡単な構造で磁束を検知して変位
を検出することができる。

【００３３】請求項６の発明は、請求項４または請求項
５に記載の変位検出装置において、非磁性部材が前記バ
ルブのスプリングシートであり、該スプリングシートを
介して磁石が前記機械要素に連結されるという構成をと
る。

【００３４】請求項６の発明によると、スプリングシー
トが非磁性部材で構成されるので、磁場が乱されること
なく磁石からの磁束を検知して、吸排気バルブの変位を
正確に検出することができる。

【００３５】

【発明の実施の形態】次に図面を参照してこの発明の実
施の形態を、エンジンのバルブを駆動する電磁アクチュ
エータを例にとって説明する。しかし、この発明は、エ
ンジンのバルブを駆動する電磁アクチュエータに限定さ
れるものではなく、広く機械要素を駆動する装置に適用
することができる。

【００３６】図１は、この発明の変位検出装置が搭載さ
れた電磁アクチュエータ６０およびその制御装置５０の
全体的な構成を示すブロック図である。制御装置５０
は、マイクロコンピュータおよびこれに付随する回路素
子で構成され、各種センサからの信号を受け取る入力イ
ンターフェース５１、中央演算処理装置５３（以下「Ｃ
ＰＵ」という）、実行するプログラムおよびデータを格
納するＲＯＭ５４（読み取り専用メモリ）、実行時の作
業領域を提供し演算結果などを記憶するＲＡＭ５５（ラ
ンダムアクセスメモリ）、およびエンジン各部に制御信
号を送る出力インターフェース５２を備える。

【００３７】制御装置５０の入力インターフェース５１
には、変位検出装置６５のサーチコイル６７から、サー
チコイル６７に誘起された電圧値を表す信号が入力され
る。また、エンジン回転数（Ｎｅ）、エンジン水温（Ｔ
ｗ）、吸気温（Ｔａ）、バッテリ電圧（ＶＢ）、イグニ
ションスイッチ（IGSW）を表す各種センサからの信号７
９が入力され、さらに要求負荷検出手段７８によって検
出された所望のトルクが入力される。これらの入力に基
づいて、制御装置５０は、電力供給のタイミング、供給
する電圧の大きさ、電圧を供給する時間などのパラメー
タを、予めＲＯＭ５４に格納されている制御プログラム
に従って決定し、電磁アクチュエータ６０を適切に制御
する制御信号を出力インターフェース５２を介して出力
する。要求負荷検出手段７８は、たとえばアクセルペダ
ルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサにより
実現することができる。

【００３８】ドライバ７７は、制御装置５０からの制御
信号に従って、定電圧源７５から供給される電圧（たと
えば、１２Ｖ）を所定の電流になるようスイッチング
し、電磁アクチュエータ６０の電磁石６３に供給する。

【００３９】電磁アクチュエータ６０は、バルブ６１、
０アーマチャー６２、電磁石６３および変位検出装置６
５を備える。電磁石６３に印加された電圧により、電磁
石６３に電流が流れ、これによりアーマチャー６２に変
位が生じる。アーマチャー６２の変位に応じて、バルブ
６１は開いたり閉じたりされる。

【００４０】変位検出装置６５は、永久磁石６６および
サーチコイル６７を備える。永久磁石６６は、アーマチ
ャー６２の変位に応じて連動する。サーチコイル６７
は、永久磁石６６の変位によって生じた時間あたりの磁
束密度の変化に応じて、誘起電圧を出力する。サーチコ
イル６７の出力端子のうち一方は制御装置５０に接続さ
れており、サーチコイル６７から発生した誘起電圧を表
す信号が、入力インターフェース５１を介して変位算出
回路５７に送られる。サーチコイル６７の出力端子のう
ち他方は接地されている（図の７３）。

【００４１】変位算出回路５７は制御装置５０に含ま
れ、サーチコイル６７から受け取った誘起電圧を時間で
積分し、アーマチャー６２の変位を検出する。制御装置
５０は、検出された変位に応じて、電磁アクチュエータ
６０を駆動する電圧およびタイミングなどを示す制御信
号を出力インターフェース５２を介して出力し、電磁ア
クチュエータ６０を適切に制御する。

【００４２】この実施例では、１台の自動車に吸気バル
ブ８個および排気バルブ８個の計１６個のバルブを搭載
しており、したがって電磁アクチュエータ６０が１６個
存在し、それぞれについて変位検出装置６５が搭載され
る。上記のサーチコイル６７のアース線７３をすべての
電磁アクチュエータ６０について共通化することで、信
号線の数を減らすことができる。

【００４３】図２は、図１に示されたこの発明の変位検
出装置６５が搭載される電磁アクチュエータ６０の全体
的な概略構造の断面図を示す。電磁アクチュエータ６０
は、バルブ開閉部３０、駆動部３１および変位検出搭載
部３２から構成されている。またこの実施例では、バル
ブ開閉部３０、駆動部３１および変位検出搭載部３２に
わたって伸長する伝達軸８は、アーマチャーの挙動の振
れを防止してバルブの開閉動作を円滑に行うことができ
るよう、伝達軸８ａ、８ｂおよび８ｃに分割されて構成
されている。

【００４４】バルブ開閉部３０は、内燃機関の吸気通路
または排気通路２（以下、吸排気通路という）に設けら
れて該吸排気通路２を開閉するバルブ６１を備える。バ
ルブ６１は、電磁アクチュエータ６０によって上方向に
駆動されるとエンジンの吸排気通路２に設けられたバル
ブシート７に密着して停止し、吸排気通路２を閉じる。
バルブ６１は、電磁アクチュエータ６０によって下方向
に駆動されるとバルブシート７を離れ、バルブシート７
から所定の距離離れた位置まで下降して吸排気通路２を
開く。

【００４５】バルブ６１には、その上方に向かって伝達
軸８が連設されている。伝達軸８ａの下端がバルブ６１
に一体に連結され、吸排気通路２の上壁部に設けられた
バルブガイド９によって軸方向に運動可能に保持されて
いる。さらに、伝達軸８ａは、バルブガイド９の周りに
設けられた下部スプリングシート１０および上部スプリ
ングシート１１の間に設けられた第１のスプリング部材
１２によって上方に付勢されている。こうして、伝達軸
８ａは、常に上方に向かって第１のスプリング部材１２
により付勢力が付与される。

【００４６】駆動部３１は、バルブ６１を駆動するため
の機構を備える。駆動部３１における非磁性材料のハウ
ジング１８内には、上方位置に設けられたソレノイド型
の第１の電磁石５、下方位置に設けられたソレノイド型
の第２の電磁石６が設けられている。図１に示した電磁
石６３は、この第１の電磁石５または第２の電磁石６に
対応する。第１の電磁石５は磁気ヨーク１５で、第２の
電磁石６は磁気ヨーク１６で囲まれている。さらに、第
１の電磁石５および第２の電磁石６の間には、アーマチ
ャー６２が配置される。アーマチャー６２は円盤状の磁
性金属によって形成されており、第１の電磁石５および
第２の電磁石６の磁気的吸引力により上下に変位するよ
う構成されている。以下、アーマチャー６２の変位する
方向を単に変位方向という。

【００４７】駆動部３１における伝達軸８ｂは、伝達軸
８ａの上端にキャップ部材２０を介して連結され、第２
の電磁石６の内側を貫通し、非磁性材料による円筒状の
ガイド１３を介して軸方向に運動可能なように支持され
ている。伝達軸８ｂの上端は、アーマチャー６２を下方
から支持する。

【００４８】駆動部３１における伝達軸８ｃの下端は、
アーマチャー６２を上方から支持し、伝達軸８ｂの延長
線上を上方に伸長し、第１の電磁石５の内側を貫通し、
非磁性材料による円筒状のガイド１４を介して軸方向に
運動可能なように支持されている。伝達軸８ｃの上端
は、スプリングシート２５の下側に連結される。

【００４９】スプリングシート２５の上方には、固定部
材２４を介して設けられた上部スプリングシート１７が
あり、下部スプリングシート２５および上部スプリング
シート１７の間の第２のスプリング部材１９により、伝
達軸８ｃは下方に付勢されている。こうして、伝達軸８
ｃは、常に下方に向かって第２のスプリング部材１９に
より付勢力が付与される。したがって、第１のスプリン
グ部材１２の上方への付勢力および第２のスプリング部
材１９の下方への付勢力により、アーマチャー６２は伝
達軸８ｂおよび８ｃによって上下に支持され、第１の電
磁石５および第２の電磁石６のいずれにも駆動電流が印
加されない状態では、第１の電磁石５および第２の電磁
石６の間の中央にくるようなバランスで保持される。

【００５０】変位検出搭載部３２は、スプリングシート
２５およびセンサハウジング２２を備え、ここに、この
発明による変位検出装置６５が搭載される。スプリング
シート２５は伝達軸８の延長線上を上方に突出してお
り、その突出部分に永久磁石６６（図示せず）が設けら
れる。センサハウジング２２は、スプリングシート２５
の突出部分に対向するようスプリングシート２５の上方
に設けられ、上部スプリングシート１７の固定部材２４
を貫通して固定される。センサハウジング２２には、ス
プリングシート２５の突出部分に設けられた永久磁石６
６を収容することができるよう、下向きに円筒状のガイ
ド穴２３が設けられている。ガイド穴２３の上部および
下部の周壁には、サーチコイル６７を構成する第１のコ
イル部分および第２のコイル部分（図示せず）がそれぞ
れはめこまれる。

【００５１】第１の電磁石５に電流が供給されると、第
１の磁気ヨーク１５およびアーマチャー６２が磁化され
て互いに吸引しあい、アーマチャー６２が上方向に引き
つけられる。その結果、伝達軸８によりバルブ６１が上
方向に駆動され、バルブシート７に密着して停止し、閉
状態になる。第１の電磁石５への電流供給を停止し、第
２の電磁石６に電流を流すと、第２の磁気ヨーク１６お
よびアーマチャー６２が磁化されてアーマチャー６２を
下方向に吸引する力が働き、重力の作用と相まってアー
マチャー６２が下方向に駆動され、第２の磁気ヨーク１
６に接触した状態で停止する。その結果、伝達軸８によ
りバルブ６１が下方向に駆動され、バルブ６１は開状態
になる。

【００５２】図３は、図２に示された電磁アクチュエー
タ６０の変位検出搭載部３２を拡大した内部の断面構造
の概略を示す。前述したように、変位検出搭載部３２
は、スプリングシート２５およびセンサハウジング２２
を備えており、これらを介して変位検出装置６５が取り
付けられる。変位検出装置６５は、永久磁石６６および
サーチコイル６７を備える。永久磁石６６は、変位方向
に磁化された円筒形状の磁石である。スプリングシート
２５の上方に突出した部分は円柱形状をしており、ここ
に永久磁石６６が磁石止め２１によって規制され、動か
ないようスプリングシート２５に固定される。

【００５３】サーチコイル６７は、直列接続された第１
のコイル部分６８および第２のコイル部分６９を含む。
第１のコイル部分６８および第２のコイル部分６９は、
１または複数のサーチコイルから構成することができ
る。第１のコイル部分６８および第２のコイル部分６９
は、センサハウジング２２のガイド穴２３の周壁に設け
られたドーナツ状の溝にそれぞれはめこまれ、「アーマ
チャー６２の検出すべき最大変位量＋永久磁石６６の軸
方向の長さ＋α」の距離を隔てて変位方向に配置され
る。ここで、αは余裕分を示す。したがって、ガイド穴
２３の変位方向の長さは、２つのコイル部分間の距離に
適合するよう設計される。こうして、永久磁石６６は、
第１のコイル部分６８および第２のコイル部分６９の間
を変位することができる。図２に示されるように、永久
磁石６６が、磁石止め２１およびスプリングシート２５
を介して、伝達軸８ｃつまりはアーマチャー６２に連結
されるので、永久磁石６６の変位を検出することによ
り、アーマチャー６２の変位を検出することができる。

【００５４】なお、図３に示される、永久磁石６６を規
制する磁石止め１２も含め、スプリングシート２５は非
磁性材または非磁性材の特性に近い材料であるのが好ま
しい（たとえば、ＳＵＨ６６０のような合金）。磁性材
とすると磁気的なバランスが崩れ、サーチコイル６７に
誘起される電圧に影響が生じることがあるからである。

【００５５】図４の（ａ）は、図３に示された磁石止め
２１によってスプリングシート２５の突出部分に規制さ
れた永久磁石６６の形状を示し、図４の（ｂ）は、磁石
止め２１によって規制された永久磁石６６を上方から見
た図を示す。図４の（ｂ）に示されるように、磁石止め
２１は、開口部分を有するＣ型形状をしており、スプリ
ングシート２５をはめこむことができるよう構成されて
いる。図４の（ａ）に示されるように、スプリングシー
ト２５の突出部分に上から永久磁石６６をはめた後、ス
プリングシート２５にかませるよう横から磁石止め２１
をはめこみ、こうして永久磁石６６はスプリングシート
２５に規制される。

【００５６】永久磁石６６は、外径が８ｍｍおよび内径
が６ｍｍの円筒形状であり、ｙ軸方向の長さは７ｍｍで
ある。また、永久磁石６６は、上部がＮ極および下部が
Ｓ極に磁化されている。これらの形状および磁石の磁化
の強さは、センサハウジング２２のガイド穴２３の大き
さ、および検出される磁束の大きさを考慮して最適化さ
れる。

【００５７】永久磁石６６は、他の実施例では上記とは
逆の方向に磁化することもできる。また、永久磁石６６
の代わりに電磁石を用いることもでき、さらに円筒形状
とは別の他の形状の磁石を用いることもできる。

【００５８】図５は、図１に示される変位検出装置６５
に含まれる永久磁石６６およびサーチコイル６７と、制
御装置５０に実装される変位算出回路５７を示す。

【００５９】サーチコイル６７は第１のコイル部分６８
および第２のコイル部分６９を有し、直列接続されてい
る。また、第１のコイル部分６８および第２のコイル部
分６９は同じ仕様で作られており、同じ断面積を持ち、
同じ回数だけ同じ向きに巻かれている。第１のコイル部
分６８の下端の出力端子は第２のコイル部分６９に接続
され、上端の出力端子は変位算出回路５７に接続され
る。第２のコイル部分６９の下端の出力端子は接地され
ており（図の９６）、上端の出力端子は第１のコイル部
分６８に接続される。永久磁石６６は、上がＮ極および
下がＳ極に変位方向に磁化されており、第１のコイル部
分６８および第２のコイル部分６９の間をアーマチャー
６２の変位に連動して上下に変位する。

【００６０】アーマチャー６２の変位により永久磁石６
６が変位すると、永久磁石６６から発生する磁束が第１
のコイル部分６８および第２のコイル部分６９とそれぞ
れ鎖交し、第１のコイル部分６８および第２のコイル部
分６９のそれぞれ電流が流れる。その結果、以下の式
（５）および（６）に従って、第１のコイル部分６８お
よび第２のコイル部分６９のそれぞれに電圧Ｖ１および
Ｖ２が誘起される。第１のコイル部分６８および第２の
コイル部分６９との鎖交磁束をそれぞれΦ１およびΦ２
とすると、誘起電圧Ｖ１およびＶ２は、鎖交磁束Φ１お
よびΦ２の時間あたりの変化量に比例する。ここで時間
をｔで表し、第１および第２のコイル部分の巻数をｎで
表す。

【００６１】

【数５】Ｖ１＝ｎ・ｄΦ１／ｄｔ式（５）Ｖ２＝ｎ・ｄΦ２／ｄｔ式（６）

【００６２】第１のコイル部分６８および第２のコイル
部分６９は直列接続されており、直列接続の一方の端子
は接地されている（図５の９６）ので、それぞれの誘起
電圧Ｖ１およびＶ２を加算した電圧（以下、サーチコイ
ル６７の誘起電圧という）Ｖｔ＝Ｖ１＋Ｖ２が変位算出
回路５７に入力される。

【００６３】変位算出回路５７は、入力保護回路９１、
低域フィルタ（ＬＰＦ）９２、積分器９３、ドリフト補
償回路９４およびバッファアンプ９５を備えるアナログ
回路である。低域フィルタ９２は、この実施例に示され
る電磁バルブ機構のようなアクチュエータが周辺にある
場合には、スイッチングノイズがサーチコイルに誘導さ
れてしまうので、そのようなノイズを除去するのに使用
される。また、ドリフト補償回路９４は、温度などの影
響によるドリフトを補正する。なお、変位算出回路５７
は、サーチコイル６７の誘起電圧ＶｔをＡ／Ｄ変換器に
よりデジタル信号に変換し、デジタル回路で構成するよ
うにしても良い。さらに、積分器９３を、ハードウェア
ではなくソフトウェアで実現することもできる。

【００６４】サーチコイル６７の誘起電圧Ｖｔは、入力
保護回路９１を経て低域フィルタ９２でノイズを除去さ
れ、積分器９３に送られる。積分器は、誘起電圧Ｖｔを
時間で積分する。

【００６５】

【数６】

【００６６】式（７）に示されるように、サーチコイル
６７の誘起電圧Ｖｔを時間で積分した値は、第１のコイ
ル部分６８の磁束Φ１および第２のコイル部分６９の磁
束Φ２を加算した値Φｔ（以下、Φｔをサーチコイル６
７の磁束という）に比例した値で表すことができる。し
たがって、積分器９３は、サーチコイル６７の磁束Φｔ
に比例した値を出力する。

【００６７】次に図６を参照して、サーチコイル６７の
磁束Φｔの、永久磁石６６の変位に対する関係を説明す
る。図６の（ａ）は、同じ断面積、同じ巻数を持ち、同
じ向きに巻かれている第１のコイル部分６８および第２
のコイル部分６９と、両方のコイル部分の間を変位する
永久磁石６６を示す。永久磁石６６は、第１のコイル部
分６８の側がＮ極および第２のコイル部分６９の側がＳ
極に磁化されている。第１のコイル部分６８および第２
のコイル部分６９は、距離ｄｍｍ隔てて配置されてお
り、距離ｄの中心を原点としてＮ極側をマイナス、Ｓ極
側をプラスとしてｙ軸を図のように設定し、永久磁石６
６の位置をｙで表す。

【００６８】永久磁石６６が、第１のコイル部分６８が
ある側のｙ＝−４ｍｍの位置から、第２のコイル部分６
９がある側のｙ＝＋４ｍｍの位置まで移動すると想定す
る。第１のコイル部分６８から永久磁石６６までの距離
をｒとすると、永久磁石６６から第２のコイル部分６９
までの距離は（ｄ−ｒ）で表される。

【００６９】図６の（ｂ）の曲線１１１は、永久磁石６
６の位置ｙに対する第１のコイル部分６８の磁束Φ１の
変化を示し、曲線１１２は、位置ｙに対する第２のコイ
ル部分６９の磁束Φ２の変化を示し、曲線１１０は、位
置ｙに対するサーチコイル６７の磁束Φｔの変化を示
す。

【００７０】図９および図１０を参照して前述したよう
に、磁石から距離ｒにおける磁束は、距離ｒの３乗に反
比例する。したがって、曲線１１１は、（１／ｒ^３）の
関数を表す曲線で示される。一方、曲線１１２は、距離
｛−１／（ｄ−ｒ）³｝の関数を表す曲線で示される。
こうして、永久磁石６６が第１のコイル部分６８から第
２のコイル部分６９へと移動するにつれ、曲線１１１に
示されるように、第１のコイル部分６８の磁束Φ１は正
の領域で減少する。反対に、第２のコイル部分６９の磁
束Φ２は、第２のコイル部分６９が永久磁石６６のＳ極
側にあるので、曲線１１２に示されるように負の領域で
増加する（この増加は、絶対値としての磁束量、すなわ
ち｜Φ２｜が増加することを意味する）。

【００７１】曲線１１０は、曲線１１１および曲線１１
２を加算した曲線であり、サーチコイル６７の磁束Φｔ
の変化を示す。曲線１１０から明らかなように、サーチ
コイル６７の磁束Φｔは、永久磁石６６の変位に対して
ほぼ線形な関係を持つ。このように、２つのコイル部分
間で磁石を変位させることにより、２つのコイル部分の
磁束の和が、磁石の変位に対して線形な関係を持つ。

【００７２】図７の曲線１２５は、第１のコイル部分６
８がｙ＝０の位置に配置され、第２のコイル部分６９が
ｙ＝８の位置に配置された場合の、時間ｔに対する永久
磁石６６の変位ｙの変化を示す。変位ｙは、第１のコイ
ル部分６８があるｙ＝０の位置を基準としている。曲線
１２１は、時間ｔに対する第１のコイル部分６８の磁束
Φ１の変化を示し、曲線１１２は、時間ｔに対する第２
のコイル部分６９の磁束Φ２の変化を示し、曲線１２０
は、時間ｔに対するサーチコイル６７の磁束Φｔの変化
を示す。

【００７３】曲線１２５から、永久磁石６６が、ｔ＝０
〜５の間にｙ＝０の位置からｙ＝１０の位置に移動し、
ｔ＝５〜１５の間停止し、ｔ＝１５〜２０の間にｙ＝１
０の位置からｙ＝０の位置へと移動したことがわかる。

【００７４】曲線１２１は、図６の（ｂ）の曲線１１１
に対応する。永久磁石６６がｙ＝０からｙ＝１０に変位
するにつれて第１のコイル部分６８から遠ざかるので、
磁束Φ１は正の領域で減少する。反対に、永久磁石６６
がｙ＝１０からｙ＝０に変位するにつれて第１のコイル
部分６８に近づくので、磁束Φ１は正の領域で増加す
る。ｔ＝５〜１５の間は永久磁石６６が停止しているの
で磁束Φ１は変化しない。

【００７５】同様に、曲線１２２は、図６の（ｂ）の曲
線１１２に対応する。永久磁石６６がｙ＝０からｙ＝１
０に変位するにつれて第２のコイル部分６９に近づくの
で、磁束Φ２が負の領域で増加し、永久磁石６６がｙ＝
１０からｙ＝０に変位するにつれて第２のコイル部分６
９から遠ざかるので、磁束Φ２が負の領域で減少する。
ｔ＝５〜１５の間は永久磁石６６が停止しているので、
磁束Φ２は変化しない。

【００７６】曲線１２０は、図６の（ｂ）の曲線１１０
に対応し、曲線１２１および曲線１２２を加算した曲線
である。ｔ＝０〜５の間は、第１のコイル部分６８の磁
束Φ１が正の領域で減少し、第２のコイル部分６９の磁
束Φ２が負の領域で増加するので、結果的にサーチコイ
ル６７の磁束Φｔは正から負へと減少する。反対に、ｔ
＝１５〜２０の間は、第１のコイル部分６８の磁束Φ１
が正の領域で増加し、第２のコイル部分６９の磁束Φ２
が負の領域で減少するので、結果的に磁束Φｔは負から
正へと増加する。

【００７７】曲線１２０から明らかなように、磁束Φｔ
は、永久磁石６６の変位ｙに対して線形な関係を持って
変化することがわかる。さらに、曲線１２０の変位ｙに
対する線形性は、曲線１２１および１２２が変位ｙに対
して持つ線形性よりも良好であることがわかる。こうし
て、サーチコイル６７の磁束Φｔに基づいて、変位を正
確かつ容易に検出することができる。

【００７８】このように、サーチコイル６７の誘起電圧
Ｖｔの積分値はサーチコイルの磁束Φｔに比例し、サー
チコイルの磁束Φｔは変位に対して線形な関係を持つの
で、サーチコイル６７の誘起電圧Ｖｔの積分値を測定す
ることにより、永久磁石６６の変位を容易かつ正確に検
出することができる。

【００７９】図８は、図５の変位算出回路５７のそれぞ
れの出力段の出力波形を表す。図８の（ａ）は、図７の
曲線１２５に対応し、永久磁石６６の変位を示す。図８
の（ｂ）は、サーチコイル６７の出力段の出力波形を示
し、図８の（ｃ）は、低域フィルタ９２の出力段の出力
波形を示す。図８の（ｄ）は、図７の曲線１２０に対応
し、積分器９３の出力段の出力波形を示す。図８の横軸
は時間ｔの遷移を示し、ｔ＝０〜ｔ７に分割して表す。

【００８０】図７を参照して前述したように、図８の
（ｄ）に示される積分器９３の出力波形は、図８の
（ａ）に示される永久磁石６６の変位に対して線形に変
化している。

【００８１】図８の（ｂ）および（ｃ）は、サーチコイ
ル６７の誘起電圧Ｖｔの変化を示す。前述した式（５）
および（６）に示されるように、第１のコイル部分６８
の誘起電圧Ｖ１および第２のコイル部分６９の誘起電圧
Ｖ２は、時間あたりの磁束Φ１およびΦ２の変化の関数
であるので、永久磁石６６の変位速度にも依存する。し
たがって、永久磁石６６が停止するｔ＝０、ｔ＝ｔ２〜
ｔ５およびｔ＝ｔ７では、誘起電圧Ｖｔがゼロとなる。
また、永久磁石６６が、ｙ＝０の位置からｙ＝８の位置
に向けて変位するときはサーチコイル６７の磁束Φｔが
減少し、ｙ＝８の位置からｙ＝０の位置に向けて変位す
るときは増加するので、サーチコイル６７に流れる電流
の向きが逆になり、ｔ＝０〜ｔ２の間の誘起電圧Ｖｔ
と、ｔ＝ｔ５〜ｔ７の誘起電圧Ｖｔとは位相が逆になっ
て現れる。

【００８２】図９のグラフは、積分器９３から出力され
たサーチコイル６７の誘起電圧積分値の、変位に対する
関係を示す。横軸の変位は、第１のコイル部分６８の位
置を基準とした磁石１０１の変位であり、サーチコイル
１０２からの距離を示す。

【００８３】曲線１００は、従来技術の図１２の曲線１
００に対応し、前述したように、変位する磁石の片側に
のみサーチコイルを配置した場合のサーチコイルの誘起
電圧積分値の変位に対する変化を示す。曲線１３０は、
この発明に従う、磁石の変位方向に沿って磁石の両側に
２つのコイル部分を配置した場合の、２つのコイル部分
に誘起された電圧積分値の変位に対する変化を示す。こ
れら２つの曲線から明らかなように、この発明による曲
線１３０は、従来における曲線１００と比較して変位に
対し良好な線形性を持つ。したがって、永久磁石６６の
変位すなわちアーマチャー６２の変位をより正確に検出
することができる。

【００８４】こうして、積分器９３から出力されたサー
チコイルの誘起電圧Ｖｔの積分値を表す信号に基づい
て、図１における制御装置５０はアーマチャー６２の変
位を検出する。制御装置５０は、検出された変位を使用
して、電磁アクチュエータ６０を適切に制御するよう制
御信号を出力することができる。

【００８５】この実施例では、第１のコイル部分６８お
よび第２のコイル部分６９に、全く同じ仕様で作られた
コイルを使用したけれども、異なる仕様のコイルを使用
してもよい。その場合、どちらかのコイルの仕様に合わ
せて磁束を換算することにより、上記と同じ方法で変位
を検出することができる。たとえば、第１のコイル部分
６８の巻数がｎ１で、第２のコイル部分６９の巻数がｎ
２である場合、第２のコイル部分６９の磁束Φ２を（ｎ
１／ｎ２）倍して、第１のコイル部分６８の磁束Φ１お
よび第２のコイル部分６９の磁束（ｎ１／ｎ２・Φ２）
を加算したものをサーチコイル６７の磁束Φｔとして変
位を検出することができる。また、たとえば、上記の実
施例とは逆向きに第２のコイル部分６９が巻かれている
場合、第２のコイル部分６９に誘起される電圧の極性が
反転する。したがって、第２のコイル部分６９の誘起電
圧の極性を反転する手段を回路に加えることにより、や
はり上記と同じ方法で変位を検出することができる。

【００８６】

【発明の効果】請求項１の発明によると、２つのコイル
部分を使用してその間を変位する磁石からの磁束に基づ
いて変位を検出するので、変位に対して線形な関係を持
つ出力に基づいて、変位を容易かつ正確に検出すること
ができる。

【００８７】請求項２の発明によると、同じ仕様のコイ
ル部分を用いて検知された磁束に基づいて変位を検出す
るので、簡単な計算で変位を検出することができる。

【００８８】請求項３の発明によると、磁石が非磁性部
材を介して機械要素に連結されるので、磁場が乱される
ことなく磁石からの磁束に基づいて正確に変位を検出す
ることができる。

【００８９】請求項４の発明によると、エンジンの吸排
気のバルブの変位を検出することができるので、アクチ
ュエータによるバルブタイミングの精度を向上させるこ
とができる。

【００９０】請求項５の発明によると、アクチュエータ
の伝達軸に連結するよう磁石を簡単に取り付けて固定す
ることができるので、簡単な構造で磁束を検知して変位
を検出することができる。

【００９１】請求項６の発明によると、スプリングシー
トが非磁性部材で構成されるので、磁場が乱されること
なく磁石からの磁束を検知して、吸排気バルブの変位を
正確に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例における電磁アクチュエー
タおよびその制御装置の全体を示すブロック図。

【図２】この発明の一実施例における電磁アクチュエー
タの機械的構造を示す図。

【図３】この発明の一実施例における変位検出装置の機
械的構造を示す図。

【図４】この発明の一実施例における永久磁石の形状を
示す図。

【図５】この発明の一実施例における永久磁石、サーチ
コイルおよび変位量算出回路の概略的な構成を示す図。

【図６】この発明の一実施例における、（ａ）２つのコ
イル部分の間を変位する永久磁石、および（ｂ）それぞ
れのコイル部分の磁束および２つのコイル部分の合成磁
束の、永久磁石の変位に対する変化を示す図。

【図７】この発明の一実施例における、永久磁石の変位
と、２つのコイル部分の合成磁束の関係を示す図。

【図８】この発明の一実施例における、時間に対する
（ａ）変位、（ｂ）２つのコイル部分の出力段の誘起電
圧、（ｃ）低域フィルタ出力段の電圧および（ｄ）積分
器出力段の電圧の変化を示すグラフ。

【図９】サーチコイルに誘起される電圧積分値の、この
発明の一実施例における変位に対する変化と、従来技術
による変位量に対する変化を比較するためのグラフ。

【図１０】磁石から所定距離にある磁束について説明す
るための図。

【図１１】磁石からの距離に対する磁束の変化を説明す
るための図。

【図１２】従来技術による、サーチコイルに誘起される
電圧積分値の変位量に対する変化を示すグラフ。

【符号の説明】

５０制御装置６０電磁アクチュエータ６１バルブ６２アーマチャー６６永久磁石６７サーチコイル６８第１のコイル部分６９第２のコイル部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ１６Ｋ 37/00 Ｆ１６Ｋ 37/00 Ｄ３Ｈ０６５Ｇ０１Ｄ 5/20 Ｇ０１Ｄ 5/20 Ｄ３Ｈ１０６ (72)発明者中村稔埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内Ｆターム(参考） 2F063 AA02 BA06 DA05 GA01 GA29 KA01 LA13 2F077 CC02 FF03 TT00 3G016 AA06 CA11 CA16 CA41 CA48 DA01 DA23 EA22 3G018 AB09 BA16 BA38 CA12 DA24 DA36 DA39 DA41 DA44 DA66 DA83 EA22 FA07 GA40 3G092 AA11 DA01 DA02 DA07 DF05 DG02 DG09 EB03 FA06 HA11Z HA13Z HF08Z 3H065 AA01 BB16 CA01 CA03 3H106 DA07 DA25 DB02 DB13 DB26 DB32 DC02 DC17 DD09 FB07 FB09 GC29 KK17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】変位することのできる機械要素と、前記機械要素に連結して設けられ、該機械要素の変位方
向に磁化された磁石と、直列接続された第１のコイル部分および第２のコイル部
分であって、前記機械要素の検出すべき変位量および前
記磁石の変位方向の長さの和に対応する距離だけ少なく
とも離れて、前記磁石を変位方向で挟むよう配置された
第１のコイル部分および第２のコイル部分を含むサーチ
コイルと、前記磁石の変位に応じて前記サーチコイルに誘起された
電圧を時間で積分する積分手段とを備え、前記積分された値に基づいて、前記機械要素の変位を検
出するようにした変位検出装置。
【請求項２】前記第１のコイル部分および第２のコイル
部分が、同じ断面積を持ち、同じ向きに同じ回数巻かれ
ている請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】前記磁石が、前記機械要素に非磁性体の部
材を介して連結される請求項１または請求項２に記載の
変位検出装置。
【請求項４】前記機械要素が、エンジンの吸排気バルブ
である請求項１から請求項３のいずれかに記載の変位検
出装置。
【請求項５】前記磁石が、円筒形状の永久磁石である請
求項４に記載の変位検出装置。
【請求項６】前記非磁性部材が前記吸排気バルブのスプ
リングシートであり、該スプリングシートを介して前記
磁石が前記機械要素に連結される請求項４または請求項
５に記載の変位検出装置。