JP2001194104A - 変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 変位部材の変位を実時間で検出する。 【解決手段】 磁性材料でできた変位部材の変位を検出
する変位検出装置であって、変位部材が変位する領域に
磁界を生成するよう配置され、所定の周波数の電圧が供
給される一次コイルと、一次コイルが生成する磁界に応
じて電圧を発生するよう配置され、一方向に巻かれた第
１部分、およびこれとは逆向きに巻かれた第２部分を有
する二次コイルと、を備え、二次コイルの出力に応じて
変位部材の変位量を検出する。第１部分に発生する電圧
と第２部分に発生する電圧とは逆極性になるから、磁性
材料の変位部材が磁界内を移動するとき、二次コイルの
両端に生じる電圧の変化の幅が大きくなる。変位部材が
変位すると、第１部分に生じる電圧と第２部分に生じる
電圧とのバランスがくずれるので、二次コイルの両端に
はその和として変位部材の変位を反映する電圧が発生す
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、変位する部材の
変位を検出する装置に関し、より具体的には電磁石を用
いたアクチュエータのアマチャの変位を検出する装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】いわゆる電磁バルブと呼ばれる電磁アク
チュエータによるバルブ駆動機構のなかで、対向した電
磁石に交互に電力を供給し、その中間部に、それぞれに
オフセット荷重を予め与えた状態の一対のばねで挟んだ
可動鉄片すなわちアマチャ（armature）を駆動すること
で、アマチャに連結したバルブを駆動するような形式の
機構においては、従来、おおよそ次のような基本的な電
磁石（以下、ソレノイドアクチュエータ、もしくは単に
アクチュエータと呼ぶことがある。）の駆動方法が採ら
れている。

【０００３】一方のアクチュエータがアマチャに及ぼす
電磁石としての磁気吸引力が、一対のばねの反発力に打
ち勝ち、このアクチュエータに磁気吸引され着座してい
るアマチャ（バルブ）が、その後のアクチュエータへの
電力供給の停止などを契機として、着座状態から開放さ
れ、余弦関数的に変位を開始する。

【０００４】このアマチャ変位に応じたタイミングでも
う一方のアクチュエータに適当な電流（catch curren
t）を供給し、吸引力発生の為の磁束を成長させる。ア
マチャが、この磁束を発生しつつあるアクチュエータに
近づくにつれ、磁束が急激に成長し、このアクチュエー
タの吸引力による仕事が、一方のアクチュエータの残留
磁束によるアマチャを引き戻そうとするわずかな仕事
と、大部分の仕事である機械的損失の和に打ち勝って、
アマチャが着座位置に到達する。

【０００５】こうして着座する時期を見計らい、着座し
ているアクチュエータにアマチャを保持するための保持
電流（hold current）を供給し、然るべき期間アマチャ
を着座位置に保持する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように電磁アクチ
ュエータの動作方式において、アクチュエータ動作の各
段階で、アマチャの位置の情報が極めて重要な役割を担
う。また、より進んだ制御、すなわち、アマチャの変
位、速度などを状態変数として、消費電力の最小化や、
アマチャの着座音の最小化、また動作の安定化などを目
指す現代制御では、アマチャの変位に関する情報が必要
不可欠となる。このように、アマチャの変位を実時間で
良好に検出する技術に対する必要性が存在する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上に述べた課題を解説す
るため、この発明は、磁性材料でできた変位部材の変位
を検出する変位検出装置であって、前記変位部材が変位
する領域に磁界を生成するよう配置され、所定の周波数
の電圧が供給される一次コイルと、前記一次コイルが生
成する磁界に応じて電圧を発生するよう配置され、一方
向に巻かれた第１部分、および該第１部分に関し逆向き
に巻かれた第２部分を有する二次コイルと、を備え、前
記二次コイルの出力に応じて前記変位部材の変位量を検
出するという構成をとる。

【０００８】この発明によると、二次コイルが第１部分
とこれとは逆向きに巻かれた第２部分とをもっている。
第１部分に発生する電圧と第２部分に発生する電圧とは
逆極性になるから、磁性材料の変位部材が磁界内を移動
するとき、二次コイルの両端に生じる電圧の変化の幅が
大きくなる。たとえば、第１部分が二次コイルの半分を
占め、第２部分が残りの半分を占める形態では、変位部
材が二次コイルの領域に完全に入っている状態では、二
次コイルの第１部分に生じる電圧と第２部分に生じる電
圧とが打ち消し合って、二次コイルの両端に生じる電圧
はほぼゼロになる。この状態から変位部材が変位する
と、第１部分に生じる電圧と第２部分に生じる電圧との
バランスがくずれるので、二次コイルの両端にはその和
として変位部材の変位を反映する電圧が発生する。こう
して、変圧器の原理を応用した簡単な構成により、小さ
な変位部材の変位量を検出することができる。

【０００９】また、請求項２の発明は、請求項１の発明
において、一次コイルおよび二次コイルは同軸に設けら
れており、変位部材は、電磁石を用いたアクチュエータ
のアマチャに接続された棒状の形状を持ち、一次および
二次コイルの軸心に沿って変位するという構成をとる。

【００１０】請求項２の発明によると、電磁石を用いた
アクチュエータのアマチャの変位を実時間で検出するこ
とができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】まずこの発明の変位検出装置の動
作原理を図１を参照して説明する。エンジンの吸気バル
ブまたは排気バルブを駆動する電磁石アクチュエータの
アマチャに連結された磁性材の棒１１（変位部材に対
応、以下磁性材の棒１１という）は、円筒状に構成され
た差動変圧コイル１２の内部を移動する。簡単のため
に、この磁性材の棒１１の長さが変圧コイル１２の長さ
と同じ21mmで、棒１１がコイル１２の中を図のように移
動するとする。

【００１２】図２は、変圧コイル１２の断面の拡大図で
ある。変圧コイル１２は、円筒状のコイルボビン１８に
巻かれた二次側コイル１４，１５とこの二次側コイルの
上に同軸に巻かれた一次側コイル１３とからなる。二次
側コイルは、中心から左側半分の第１部分１４と第１部
分とは逆向きに巻かれた右側半分の第２部分とから構成
されている。従って、一次側コイル１３が交流電圧によ
り励起されると、二次側コイルの第１部分１４と第２部
分１５にそれぞれ反対の位相の電圧が生じる。

【００１３】コイルボビン１８は、コイルを巻いて支持
する部分であり、具体的には、図２に示すように、コイ
ルボビン１８をごく薄い（たとえば1.5mm未満の厚さ
の）非磁性材料やプラスチック等の構造とし、変圧コイ
ルの内周から棒１１までの距離を、たとえば1.5mm以下
とする。磁性材の棒１１は、たとえばＳＣＭ４１８や鉄
系の材料で作られており、その径は、たとえば3mm程度
である。変圧コイル１２の長さは、たとえば21mmとす
る。巻き線径は、たとえば0.11mmとし、巻き数はたとえ
ば一次側および二次側ともに200とする。

【００１４】図１(i)に示されるように磁性材の棒１１
が、二次側コイルの第１部分１４に位置している状態で
は、一次側コイル１３でつくられる磁束は、ほとんど二
次側コイルの第１部分１４に鎖交する。一次側コイル１
３は、二次側コイルの第２部分１５に対応する部分でも
磁束を発生するが、その多くの部分は、二次側コイルの
第２部分１５とは鎖交しないで漏れ磁束となり、そのう
ちのかなりの部分が磁性材の棒１１を通る。こうして、
二次側コイルの第２部分１５にはわずかな電圧しか発生
しない。したがって、この状態では、二次側コイルの出
力は、ほとんど第１部分１４で生成される。

【００１５】アマチャが変位し、図１(ii)に示すよう
に、磁性材の棒１１が変圧コイル１２と完全に重なると
きには、二次側の第１部分１４および第２部分１５それ
ぞれが二次電圧を誘起する。第１部分１４と第２部分１
５とでは、コイルの巻き方が逆であるため、第１部分１
４と第２部分１５とでは発生する電圧の位相が正反対と
なる。したがって、変圧コイル１２の二次電圧はほぼゼ
ロとなる。

【００１６】次に、図１(iii)に示すように、磁性材の
棒１１が二次側コイルの第２部分１５に位置すると、図
１(i)の状態と逆で、一次側コイルでつくられる磁束の
ほとんどは二次側コイルの第２部分１５に鎖交し、二次
側の出力は、ほとんど第２部分１５で生成される。図１
の(i)の状態と(iii)の状態では二次側出力の位相が180
度異なる。このように、変圧コイル１２の二次電圧は、
磁性材の棒１１の位置、すなわち電磁石アクチュエータ
のアマチャの位置および変位量を反映している。したが
って、変圧コイル１２の二次電圧をローパスフィルタに
とおし、さらに一次電圧に対する位相を検出することに
より、電磁石アクチュエータのアマチャ変位をアマチャ
の中立点からの正負も含めて判断することができる。

【００１７】図３は、この発明を車のエンジンの吸気バ
ルブおよび排気バルブを電磁石で駆動する機構に適用し
た実施例の全体的な構成を示す。電子制御ユニット（Ｅ
ＣＵ）３０は、エンジン系統の働きを制御するユニット
で、エンジン系統の様々な箇所から送られてくるデータ
に基づいて、演算を行いエンジンの燃料噴射装置、点火
プラグ、電磁バルブ・アクチュエータなどに制御信号を
送る。図では、電磁バルブ・アクチュエータだけが示さ
れている。

【００１８】ＥＣＵ３０は、演算を実行するプロセッサ
３１、プロセッサ３１が実行するプログラムおよび演算
に用いる基礎となるデータを格納する読み取り専用メモ
リ３２、データおよびプログラムを一次記憶し、プロセ
ッサ３１による演算の作業領域を提供するランダム・ア
クセス・メモリ（ＲＡＭ）３３、エンジン系統各部から
のデータを受け取り信号処理をしてプロセッサ３１によ
る処理に渡し、プロセッサ３１による演算の結果生成さ
れる制御信号をエンジン系統各部のアクチュエータに送
る入出力インターフェイス３４を備える。

【００１９】図３において、入出力インターフェイスへ
の入力として示されているのは、クランク角度および
回転数センサからのパルス信号、電磁石５１、５２の
動作電流、電磁石５１，５２の動作電圧、電磁石５
１，５２の動作環境の温度センサ出力、アマチャ変位
センサの出力である。このほかに入出力インターフェイ
ス３４には、エンジンの運転状態を判定するためのデー
タとして、吸気管圧力センサの出力、エンジン水温など
が入力される。ＥＣＵ３０は、これらのデータから判断
される運転状態に基づいて燃料噴射量、点火時期などを
制御する。

【００２０】バルブ４１は、エンジンの吸気バルブおよ
び排気バルブの一つであり、バルブシャフト４２にはア
マチャ４３が設けられている。電磁石５１および５２が
駆動されていない状態において、アマチャ４３は、電磁
石５１と５２の中間点でバランスするようばね４５およ
び４６によってバイアスされている。

【００２１】ＰＷＭドライバ３７は、ＥＣＵ３０から渡
される制御信号に応じて、電磁石５１および５２を駆動
するパルス幅変調（Pulse Width Modulation）信号を生
成する。電磁石５１に信号が加えられると、電磁石の作
用でアマチャ４３が電磁石５１に吸引され、したがって
バルブ４１が図の上方向に移動し、ついにはこの気筒の
吸気口（または排気口）を閉じる。ついで、電磁石５１
には弱い保持電流が供給され、バルブ４１は閉じた状態
に保持される。電磁石５１への電流供給が停止され電磁
石５２が駆動されると、アマチャ４３は図の下方向に駆
動され、気筒の吸気口（排気口）を開く。ＰＷＭドライ
バ３７は、定電圧源３８から電力を供給されている。

【００２２】この発明の一実施例では、バルブシャフト
４２の先端４４付近は磁性材で形成されており、同軸構
造の変圧コイル１２の円筒状コイルボビンの中を変位す
る。変圧コイル１２は、アマチャ変位センサとして機能
し、その一次側コイルにはアンプ・フィルタ３６から高
周波電圧が加えられている。また、二次側コイルの出力
は、アンプ・フィルタ３６でローバスフィルタをとお
り、バルブシャフトの変位を表す出力になる。

【００２３】図４は、変位センサ構造の詳細を示し、バ
ルブシャフト４２の先端部４４には磁性材の軸４７が取
り付けられている。この実施例で軸４７に使用する磁性
体材は、減磁しやすく、ヒステリシス損失の少ない軟磁
性体である。軸４７の下端部は、ばね４５を受ける下部
スプリングシートの形状に作られている。

【００２４】ハウジング６１は、ばね４５および上部ス
プリングシート６２を収容する空間を提供するための部
材でエンジンに固定されている。ハウジング６１の上方
に設けられた開口に固定部材６４がはめ込まれている。
固定部材の下端部は、スプリングシート６２を収容する
形に作られている。この実施例ではハウジング６１の開
口部および固定部材６４の外周部にはねじが切られてお
り、固定部材６４は、ハウジング６１の開口部にねじ構
造で取り付けられている。さらに固定部材６４は、振動
によって緩むことがないようにナット６３によって固定
されている。

【００２５】変圧コイル１２は、変位センサ・ベース６
５の先端に設けられた円筒状コイルボビン部６６に設け
られている。変位センサ・ベース６５は、コイルボビン
部６６に変圧コイル１２を巻いた後、円筒状の固定部材
６４の内側にはめ込まれる。変位センサ・ベース６５の
外周および固定部材６４の内周にねじを切っておき、変
位センサ・ベース６５を固定部材６４にねじ構造で取り
付けるのが好ましい。変位センサ・ベース６６の軸心部
には、変圧コイル１２の一次側巻き線の端子および二次
側巻き線の端子を取り出すための穴６７が設けられてい
る。

【００２６】図５は、磁性材の棒１１を変圧コイル１２
内で変位させた場合の変圧比の静特性を示す。曲線Ａ
は、変圧コイル１２に対してほぼ同じ長さの磁性材の棒
１１を図１に示すような相対位置で変位させたときの変
圧コイル１２の変圧比を示す。変圧コイルの一次側コイ
ルには100kHzの電圧を加え、二次側コイルの高周波出力
をローパスフィルターに通して直流出力を得た。曲線Ａ
の極小点は、棒１１のセンターが二次側コイルの第１部
分１４と第２部分１５の切り替えポイントに一致する状
態、すなわち図１(ii)の状態に対応する。この位置を変
位ゼロとして棒１１を右方向（正の変位）移動させるに
つれて変圧比が上昇し、図１(iii)に対応する位置で変
圧比が最大になる。同様に変位ゼロの中心位置から棒１
１を左方向（負の変位）に移動させると変圧比が上昇
し、図１(i)に対応する位置で変圧比が最大になる。

【００２７】曲線Ｂは、変圧コイル１２の長さ（この実
施例では21mm）よりも長い磁性材の棒１１を用いた場合
の静特性を示す。ここでの変圧コイル１２と磁性材の棒
１１との関係は、図４の変圧コイル１２と磁性材の軸４
７との関係に相当し、磁性材の軸４７（変位部材に対応
する）は、変圧コイル１２の上端位置（図１(ii)に対
応）と変圧コイル１２の中間位置（図１(iii)に対応）
との間で変位する。図５の曲線Ｂからわかるように変位
が2.5mmから9.5mmの部分ではほぼ線形の変位―変圧比特
性が得られる。エンジンの電磁バルブ機構ではバルブの
変位は一般的に7mm（±3.5mm）であるので、図５の曲線
Ｂの線形特性を利用することができる。

【００２８】図６は、図４に示すようなこの発明の一実
施例の変位センサを電磁バルブ機構に組み込んで動作さ
せた場合のセンサの応答特性を示す。一次側コイルに10
0kHz、５Vの高周波電圧を加える。電磁石５１，５２が
交互に駆動されてアマチャが±3.5mmの往復動作を繰り
返すと、アマチャに接続された磁性材の軸４７が変圧コ
イル１２内を往復運動する。この時発生する二次側電圧
を包絡線検波し、オペアンプでオフセット調整および増
幅を行い、25kHzのカットオフ周波数をもつローパスフ
ィルターを通すと図６の曲線Ａのような応答特性が得ら
れる。曲線Ｂは、高精度のレーザ変位計を用いて変位を
測定した場合の応答特性である。図から見られるように
この実施例では、高精度のレーザ変位計を用いたのと同
程度の精度でアマチャの変位を検出することができる。

【００２９】こうして得られるアマチャの変位を示す情
報を用いてフィードバック制御またはフィードフォーワ
ード制御することにより、安定したバルブ動作を得るこ
とができる。以上にこの発明を特定の実施例について説
明したが、この発明はこのような実施例に限定されるも
のではない。

【００３０】

【発明の効果】請求項１の発明によると、変圧作用を利
用した簡単な構成により、小さな変位部材の変位量を検
出することができる。また、請求項２の発明によると、
電磁石を用いたアクチュエータのアマチャの変位を実時
間で検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の原理を説明するための概念図。

【図２】この発明の一実施例の変圧コイルの構造を示す
断面図。

【図３】 この発明を応用した電磁バルブアクチュエー
タの全体的な構成を示す図。

【図４】この発明を応用した電磁バルブアクチュエータ
の変位センサ部分の詳細を示す断面図。

【図５】この発明に基づく変位センサの静特性を示す
図。

【図６】この発明に基づく変位センサをエンジンの電磁
バルブアクチュエータに応用したときの応答特性を示す
図。

【符号の説明】

１１ 磁性材の棒（変位部材） １２ 変圧コイル（変位センサ） １３ 一次側コイル １４ 二次側コイルの第１部分 １５ 二次側コイルの第２部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 生駒 浩一 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 BB03 BC04 CA40 DA01 DB04 DD03 GA15 GA33 KA01 KA05 LA01 LA02 LA06 LA29 2F077 AA49 FF04 FF12 FF26 TT06 TT51 UU22 3G018 AB09 BA38 CA12 DA41 DA66 EA22 3H106 EE48 FB07 GC29 KK17

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁性材料よりなる変位部材の変位を検出す
   る変位検出装置であって、 前記変位部材が変位する領域に磁界を生成するよう配置
   され、所定の周波数の電圧が供給される一次コイルと、 前記一次コイルが生成する磁界に応じて電圧を発生する
   よう配置され、一方向に巻かれた第１部分、および該第
   １部分に関し逆向きに巻かれた第２部分を有する二次コ
   イルと、を備え、 前記二次コイルの出力に応じて前記変位部材の変位量を
   検出するようにした変位検出装置。
2. 【請求項２】前記一次コイルおよび二次コイルは同軸に
   設けられており、前記変位部材は、電磁石を用いたアク
   チュエータのアマチャに接続された棒状の形状を持ち、
   前記一次および二次コイルの軸心に沿って変位する請求
   項１に記載の変位検出装置。