JP2006508365A - 移動部材用速度センサー - Google Patents

Abstract

移動部材８用速度センサーは、移動部材の一部に磁気的単一体を構成する手段２７、３４と、前記一部を感知する滑動可能なスリーブとを備え、前記スリーブは、少なくとも１個の環状のコイル２０、２１と、複数の環状の磁極片２４、２５の間で共通の軸上に配置された環状の永久磁石２２、２３とを含む。

Description

本発明は、移動部材に使用される速度センサーに関するものであり、この速度センサーは、エンジンバルブにおいて、これらのエンジンバルブの移動速度および上記エンジンバルブを駆動する移動部材の移動速度の少なくとも一方を測定する際に使用するのに特に好適である。より特定的には、本発明は、電磁手段によって駆動されるバルブに使用される速度センサーに関するものである。

電磁バルブのステムに接続されているロッドに固定されている、可動鉄片を具備する移動部材を、移動させるための電磁手段を有している電磁バルブアクチュエータが、知られている。このような構成の電磁バルブアクチュエータでは、電磁バルブが閉じた位置と電磁バルブが開いた位置との間を、移動部材が移動することになる。

電磁手段は、サーボ制御システムにより制御される。このサーボ制御システムは、特に移動部材の位置の関数として動作し、移動部材の速度を考慮に入れている。

移動部材の速度は、ホール効果センサーのような位置センサーにより、上記移動部材の位置をディジタル的に微分することによって得ることができる。

このようなタイプの位置センサーは、ステムに取り付けられた永久磁石の作用によって動作する。

それにもかかわらず、上記のような永久磁石を設置するのは非常に難しい。

上記の位置センサーの複雑性は、また当該位置センサーの信頼性に制限を与える。

さらに、このような位置センサーは、動作するために電力を必要とするような能動的なセンサーを含む。

本発明の目的は、移動部材の速度を評価する方法として、簡単でかつ高信頼性で、電力をほとんど消費しないような方法を提供することにある。

上記目的のため、本発明では、移動部材の速度センサーを提供するが、移動部材の一部に磁気的単一体を構成する手段と、上記の一部を感知する機能を有する滑動可能なスリーブとを備えており、このスリーブは、少なくとも１個の環状のコイルと、複数の環状の磁極片の間で軸上に配置された環状の永久磁石とを有している。

“磁気的単一体”という用語は、移動部材の磁気特性を部分的に変化させることを意味するものとして使用される。

永久磁石により提供される磁束は、直接的には磁気的単一体の位置と磁石との位置関係に依存する。この場合、スレーブ内の上記磁気的単一体の移動は、永久磁石によって発生している磁界に変化を起こさせる。

上記の磁界の変化による磁束の変化が、コイル内に電圧を発生させる。このようにして発生した電圧は、スレーブ内の磁気的単一体の移動速度にほぼ比例する。

そして、本発明の速度センサーは比較的簡単な構造を有し、どのような電力の供給も必要としない。

さらに、従来技術では、一般にホール効果によって提供される位置信号に基づいて得られるディジタル的な微分が、２点の時刻にて、それぞれ測定される２つの位置の差を求め、この２つの位置の差を、上記２点の時刻の差に相当する時間間隔により割ることによって遂行され、速度測定の機能を果たしていた。

残念ながら、測定される時間間隔は非常に小さいため、上記時間間隔で割ることは、位置の測定における誤差を増幅させることになり、このため、速度計算に際して、重大な変動をもたらすことになる。

上記の事実が、計算による速度測定法を利用することを困難にし、そして、比較的複雑で費用がかかるような大規模な処理を使用することを必要としていた。

好ましくは、磁気的単一体、コイルおよび永久磁石は、コイルが移動部材の位置とは無関係に線形信号を提供することができるように配置される。

換言すれば、磁気的単一体、永久磁石およびコイルは、以下のように配置され、即ち移動部材の位置（即ち、全動作範囲において）とは無関係に、移動部材の速度の関数がほぼ一定であり、また一方で、磁束の変化（移動部材の速度に対応して）と比例する形で特に電圧でもって情報を提供するコイルにとっては、移動部材の全動作範囲で磁束変化がほぼ一定になっている。

上記の移動部材の速度を得るために遂行することを必要とする処理は、比較的簡単であり、特別に大量の計算機の資源も必要としない。

好ましくは、スリーブは２個のコイルと管状の胴体とを有しており、この管状の胴体には２個の磁気アセンブリが同じ軸上の相反する位置に実装されていて、各々の磁気アセンブリは、スペーサーにより分離された１個のコイルとスペーサーから離れた１個の磁極片を含む。このため、スペーサー、コイルおよび磁極片は、磁気的単一体を提供する移動部材のその部分を滑動可能に感知するためのハウジングを形成している。

上記のような構成によって、移動部材の全動作範囲における、比較的良好な線形性を得ることが可能となり、さらに、一方でコンパクトなセンサーを保有することも可能になる。

さらに、好ましくは、スリーブは２個の永久磁石を有し、１個の磁気アセンブリは２個の永久磁石の一方を含み、各々の永久磁石はコイルの周囲に装着される。

磁気的単一体の第１の実施例では、磁気的単一体を構成する手段は、移動部材の非磁性部分に取り付けられた強磁性体の挿入物を有する。

この第１の実施例では、センサーが比較的良好な感度を維持することが可能である。

磁気的単一体の第２の実施例では、磁気的単一体を構成する手段は、移動部材の強磁性部分に形成された溝部を有する。

この第２の実施例は、特に簡単である。本発明の他の特徴および本発明の利点は、本発明の特定の発明であって、それに限定されることのない実施形態に関する、明細書の記述を読むことにより現れる。

図１の実施例において、本発明を、全体が参照番号２で表されるエンジン内のバルブ１を駆動する適用例で説明する。

バルブ１は、ステム３を有する。このステム３は、エンジン２のシリンダーヘッド４の中に組み込まれており、閉じる位置から開く位置まで滑動する。閉じる位置では、バルブ１は、シリンダーヘッド４のシート部５に対して押し付けられる。開く位置では、バルブ１は、シリンダーヘッド４のシート５とは離れる。

バルブ１は、全体が参照番号６で表されるアクチュエータによって、上記の２つの位置の間で駆動され、エンジン２のシリンダーヘッド４の上部に実装されている。

アクチュエータ６は、内部において滑動可能に実装された移動部材を有する胴体７を具備しており、８に移動部材の全体を示す。この移動部材は、非磁性材料のロッド９から構成され、第１の端部は、バルブ１の細長い部分３の自由端に対して押すように配置され、第２の端部は、ロッド９に平行して滑動するようにするために、胴体７内のハウジング１１に受け入れられる可動鉄片１０に固定されている。

公知の方法では、胴体７が、移動部材８を駆動するための電磁手段を組み込んでいる。

電磁手段は、最初の位置として、バルブ１を閉じる位置に対応させるべく、可動鉄片１０を保持するための電磁石１２とバルブ１の開く位置に対応させるべく可動鉄片１０を保持するための電磁石１３とを有する。

電磁石１２、１３は、胴体７の中にあるハウジング１１の相対した２つの面に離れて配置され、上記電磁石は移動部材８の基準電流、移動速度、位置等に関して、公知のサーボ制御に基づく手段（図示はしていない）により、制御される。

この例では、それ自身が公知のサーボ制御の構成として、一般にバルブ制御ユニットと呼ばれる専用ユニットにより提供されるものとする。このバルブ制御ユニットは、エンジン制御ユニットから開閉の指示を受けるものである。

変形例では、エンジン制御ユニットが電磁駆動装置をサーボ制御することも可能である。

一般的な方式では、アクチュエータ６は、さらに移動部材８を変位させる弾性手段を有することがある。

一般的な方式では、弾性手段は、バルブ１を閉じる方向に強制的に移動させる第１の戻りバネ１４と可動鉄片１０を第２の位置に強制的に移動させる第２の戻りバネ１５とを有する。

全体が参照番号１６で表されるセンサーは、シリンダーヘッド４の上に搭載される。もしそうでなければ、アクチュエータ６の胴体７に固定される。

センサー１６は、移動部材８のロッド９を滑動可能に感知するスリーブを形成する。

図２の実施例において、センサー１６は、非磁性材料からなる管状体１７を有しており、この管状体１７は、アクチュエータ６の胴体７に固定化することを可能にするための基部となる。

全体を参照番号１８、１９で表される２つの磁気アセンブリは、管状体１７の内側の共通の軸上に対称に配置され、軟鋼のような強磁性体の環状のスペーサー２８が共通の軸上の他の側にある。

各々の磁気アセンブリ１８、１９は、参照番号２０、２１として図に示す環状のコイルを有する。そして、環状の永久磁石２２、２３はコイル２０、２１の周囲に実装される。環状の永久磁石２２、２３は、コイル２０、２１の周囲に同軸上に配置され、そして、環状の磁極片２４、２５は、スペーサー２８から離れた位置に配置される。

永久磁石２２、２３は、センサーの中央軸に沿って反対方向の磁界が作用するような位置に配置される。

図２に、これらの磁界をライン３０、３１として表示する。

図２に示すように、コイル２０、２１は電気的に互いに直列に接続されているので、コイル２０の一方の端子はコイル２１の反対極性の一方の端子に接続されている。コイル２０、２１の他方の端子は、伝導体２９を経由して、バルブ制御ユニット３２のデータ収集モジュール３３に接続されている。

これらの端子は、エンジン制御ユニットのデータ収集モジュールに接続されることも可能である。

コイル２０およびコイル２１は、以下のように配置され、かつ寸法が規定される（特に、コイル巻数、ワイヤ直径等が関係する）。即ち、特に信号として継続的に使用するのに充分であるような分解能および信号対雑音比を提供することができるように配置され、かつ寸法が規定される。

例えば、１秒当たり０．０５ｍ（ｍ/ｓ）の速度分解能では、１ｍ/ｓに対し、コイルは５ボルトの電圧を供給することができるように調整される。

磁気アセンブリ１８、１９は、したがって、相反する位置に実装される。

スペーサー２８、コイル２０、２１および磁極片２４、２５は、移動部材８のロッド９を滑動可能に感知するためのハウジング２６を形成する。

この実施例では、強磁性体の挿入物２７は、強磁性体金属のリングであり、移動部材８のロッド９の上に搭載される。

強磁性体の挿入物２７は、磁気的単一体を構成している。即ち、この磁気的単一体は、移動部材８のロッド９の磁気特性において部分的な変化をもたらす。

強磁性体の挿入物２７、コイル２０、２１および永久磁石２２、２３は、コイル２０、２１が移動部材８の位置とは無関係に、線形性の信号を供給することができるように配置される。

換言すれば、強磁性体の挿入物２７、コイル２０、２１および永久磁石２２、２３は、移動部材８の速度の関数としての磁束変化の割合が、移動部材８の位置（即ち、全動作範囲で）とは無関係に、ほぼ一定になるように配置され、このために、コイル２０、２１は、移動部材が移動する全動作範囲でほぼ一定の比率でもって、磁束の変化の割合（または、移動部材の速度）に比例した電圧を発生させる。

エンジンが動作している間は、移動部材８の滑動の動作は、開く位置から開じる位置との間を移動するように、バルブ１に作用する。

移動部材８のロッド９に固定されている強磁性体の挿入物２７は、接近している永久磁石２２、２３からの磁界（即ち、両方の磁石からの磁界）を妨げる動作をする。このため、強磁性体の挿入物２７の移動は、永久磁石２２、２３によって誘起された磁束に変化を起こさせることになる。

この磁束の変化は、コイル２０、２１で強磁性体の挿入物２７の移動速度に比例した値の電圧変化を起こさせる。それは、移動部材８の移動速度に対応したものである。

コイルを互いに接続することにより、コイル２０での交差電圧とコイル２１での逆方向の交差電圧との間の電圧差が、上記の電圧変化として得られ、データ収集モジュールに伝達される。

上記の電圧は、データ収集モジュールにより決定された一定の時間間隔で周期的に測定されるので、バルブ制御ユニットにより継続的に使用され得る。このバルブ制御ユニットでは、移動部材８の速度として使用することができるように、上記の電圧が変換される（比例係数で掛け算が行われる）。

線形性をより良くするためには、コイル２０，２１、磁極片２２、２３およびスペーサー２８および強磁性体の挿入物２７等の軸上の寸法を工夫すれば可能となる。

例えば、上記の各要素の軸上の寸法は、次のように規定され得る。
6.75 ｍｍ コイル２０、２１
1 ｍｍ 各々の端部の磁極片２２、２３
4.5 ｍｍ スペーサー２８
7 ｍｍ 強磁性体の挿入物２７

移動部材８の位置は、その移動速度から得られる。

上記の位置が、どのようにして得られるかを説明するために、次のように仮定する。時刻ｔ_nの時間に連続して速度を測定すると仮定する。移動部材８が既知の場所からスタートして、Δｔの決められた時間間隔で、移動したとする。このように、スタートした場所および移動した後の場所を、それぞれ最初の位置および２番目の位置とする。

例えば、時刻ｔ₀で、移動部材８が最初の位置にあるとする。即ち、位置ｘ₀にあり、その時点での速度ｖ₀が０であることがわかっている。

時刻ｔ₁で、移動部材８の速度ｖ₁が測定されるとする。

時刻ｔ₁での移動部材８の位置ｘ₁は、時間間隔Δｔの間に移動部材８が移動した距離を、最初の位置ｘ₀に加算して求められる。即ち、上記の距離は、速度ｘ₁と時間間隔Δｔとの積になる。それゆえに、時刻ｔ₁での移動部材８の位置ｘ₁は、次の式の計算式により表される。

ここに、式１の計算式を記載する。

新しく知られた位置ｘ₁および時刻ｔ₂での速度ｖ₂から、時刻ｔ₂での移動部材８の位置ｘ₂は、次の式２の計算式を適用することで得ることができる。

さらに、次の式３の計算式により、一般式として適用することができる。

時間の関数として、速度を積分した形の対応で求めることが可能であり、既知または、計算から求めた位置ｘ_nから開始した計算式となる。

このような位置計算方法は、１個でのセンサーの使用を可能にし、移動部材８の速度を正確に測定することを可能にし、比較的簡単で信頼性の高い方法によって、移動部材８の位置を計算することができる。

ここで得られた速度および位置は、継続して、エンジン制御ユニットにより使用され、アクチュエータ６の電磁手段によって制御する際に、特に使用される。

図３の変形例では、移動部材８のロッド９は、強磁性材料で作製されており、外側の溝部３４を有している。この外側の溝部３４は、磁気的単一体、即ち、移動部材８のロッド９の磁気特性の部分的な変化を形成することになる。

既に記述したように、外側の溝部３４は、近くに配置された（即ち、両方の磁石からの磁界の近くに配置された）永久磁石２２、２３からの磁界を妨げることになるので、このような方法で、外側の溝部３４の動作が、永久磁石２２、２３によって誘起される磁界を変化させることになる。

これらの磁界変化に基づく磁束の変化は、コイル２０、２１に外側の溝部３４の移動速度に比例した電圧を誘起させることになり、それは移動部材８の移動速度に比例した電圧となる。

当然ながら、本発明は記述した範囲に限定されるものではない。特許請求の範囲によって表現された発明の範囲を超えること無く、変形例が適用され得る。

特に、本発明のセンサーは１個の電磁石しか持っていないような電磁気的なアクチュエータにも使用することができるので、例えばロッキング形（rocking）の可動鉄片にも使用され得る。

これに加えて、センサーを、電磁バルブアクチュエータの移動部材の速度測定の適用について記述したが、このセンサーは、バルブ自身の速度測定にも使用することができるし、細長い移動部材、さらには一般的には任意の装置の移動部材にも、また自動車産業にも使用することができる。

これに加えて、構成要素の軸方向の形状を変更することができる。例えば、センサーの感度を変更するとか、または与えられた空間の自由度に適合させることで、センサーを使用することができる。

移動部材は、磁気的単一体を実現するために、強磁性部分と非磁性部分とを有することが可能である。

ここでは、センサーは２個の永久磁石を有すると記述しているが、このセンサーは１個の環状の永久磁石を有することでも実現され得る。後者のセンサーでは、１個の環状の永久磁石は、放射状に磁気分極がなされ、スペーサーの周囲に配置されている。さらに、後者のセンサーは、上記永久磁石と上記スペーサーの両側に配置された２個の環状のコイルと、永久磁石から離れた位置の上記コイルの側に配置された環状の磁極片とを有する。

さらに、軸方向に磁気分極がなされている単一の環状の永久磁石を、環状コイルの周囲に配置することにより、センサーを構成してもよい。

移動部材の全動作範囲の測定で線形性を拡張させるためには、色々な手段を用いることが可能である。例えば、移動部材の動作範囲に関連して、コイル、磁石および磁気的単一体に対して軸方向に寸法を定めておくことが可能である。ここで、センサーの領域において速度計測が行われる場合に、センサーの領域内で、速度の関数としての磁界の変化の割合および単一のコイルまたは複数のコイルの応答が相対的に一定になるようにしておく。あるいは、エッジ効果を避けるために、コイルは特別な形状を定めておくことが可能である。

センサーによって提供される速度計測に基づいて、移動部材の位置を得るのに、他の積分方法を使ってもよい。

例えば、積分は、検討した時間間隔の平均時間を掛けることにより求めてもよい。この場合、次式の式４が計算式として使用される。

４ストローク式エンジンのシリンダーヘッドを、部分的に断面にして示す図である。 本発明の実施例に使用される速度センサーを、部分的に断面にして示す図である。 磁気的単一体の変形例を部分的に断面にして示す図である。

Claims (6)

1. 移動部材（８）の一部（９）に磁気的単一体を構成する手段（２７、３４）と前記一部を感知する滑動可能なスリーブとを備え、前記スリーブは、少なくとも１個の環状のコイル（２０、２１）と、複数の環状の磁極片（２４，２５）の間で共通の軸上に配置された環状の永久磁石（２２、２３）とを含むことを特徴とする移動部材用速度センサー。
2. 前記移動部材（８）の位置とは無関係にコイルが線形信号を提供するように、前記磁気的単一体（２７、３４）、前記コイル（２０、２１）および前記永久磁石（２２、２３）が配置されていることを特徴とする請求項１記載の速度センサー。
3. 前記スリーブが２個のコイル（２０、２１）を有し、管状の胴体（１７）は、共通の軸上の相反する位置に装着された２個の磁気アセンブリ（１８、１９）を有し、前記磁気アセンブリは、スペーサー（２８）により分離され、各々の前記磁気アセンブリは、前記２個のコイルの一方を有すると共に、前記スペーサーから離れた側で、前記磁極片（２４、２５）の一方を有しており、これによって、前記スペーサー、前記コイルおよび前記磁極片は、前記磁気的単一体を提供する前記移動部材（８）の一部（９）を滑動可能に感知するためのハウジング（２６）を形成することを特徴とする請求項２記載の速度センサー。
4. 前記スリーブが２個の永久磁石（２２、２３）を有しており、各々の磁気アセンブリ（１８、１９）が、前記コイル（２０、２１）の周囲に装着された永久磁石と一緒に、前記２個の永久磁石の一方を有することを特徴とする請求項３記載の速度センサー。
5. 前記磁気的単一体を構成する手段が、前記移動部材（８）の非磁性部分に取り付けられた強磁性体の挿入物（２７）を有することを特徴とする請求項１の速度センサー。
6. 前記磁気的単一体を構成する手段が、移動部材（８）の強磁性部分に形成された外側の溝部を有することを特徴とする請求項１記載の速度センサー。

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