WO2016121884A1

WO2016121884A1 - 変位検出装置

Info

Publication number: WO2016121884A1
Application number: PCT/JP2016/052527
Authority: WO
Inventors: 拓海吉谷
Original assignee: メレキシステクノロジーズエヌヴィ; 株式会社メレキシス・ジャパン・テクニカルリサーチセンター
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2016-08-04
Also published as: US20180017369A1; US10352681B2; JP2016138851A; JP6367724B2; EP3252426A1; EP3252426B1; EP3252426A4

Abstract

【課題】筐体の設計を変更することなく又は筐体の設計変更を抑制して、筐体内に収容される測定対象の変位を検出する変位検出装置を提供する。【解決手段】変位検出装置２は、ニードル１１が収容されたインジェクタボディ１０外であって、間隔を設けて配置され、当該間隔に磁場を形成する一対の磁石１４ａ及び１４ｂと、インジェクタボディ１０内部のニードル１１に接続されてニードル１１の変位に応じて変位し、一対の磁石１４ａ及び１４ｂの形成する磁場内に配置される軟磁性体１２と、インジェクタボディ１０外であって、一対の磁石１４ａ及び１４ｂの形成する磁場内に配置され、軟磁性体１２の変位に伴う磁束密度の変化を検出するセンサ１３とを有する。

Description

変位検出装置

　本発明は、変位検出装置に関する。

　従来の技術として、インジェクタのニードルの変位を検出する変位検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

　特許文献１に開示された変位検出装置は、インジェクタのインジェクタボディ内部に設けられ、ニードルの変位を検出するリフトセンサである。インジェクタは、内部に燃料の通路を有するインジェクタボディと、インジェクタボディの通路に設けられるニードルと、当該ニードルを押し引きする力を加えるソレノイドコイルとを有し、ニードルの先端部がインジェクタボディの内壁のうち燃料の噴口付近のシームに接することで噴口を閉じ、シームから離れることで噴口を開く。変位検出装置は、ニードルとともに移動するセンサ板と、センサ板とのギャップを検出するギャップセンサとを有し、ギャップセンサによってセンサ板とのギャップを検出することでニードルの変位を検出する。

特開２００３－１２０３９３号公報

　しかし、特許文献１に示す変位検出装置は、インジェクタ内部に組み込む必要があり、専用のインジェクタボディを設計する必要があった。仮にギャップセンサやセンサ板をインジェクタボディの外側に設けたとしても、センサ板をニードルとともに移動するようにするためには、少なくともセンサ板とニードルとの接続部の形状に合わせてインジェクタボディを設計する必要があり、既成のインジェクタボディには取り付けられないという問題があった。

　従って、本発明の目的は、筐体の設計を変更することなく又は筐体の設計変更を抑制して、筐体内に収容される測定対象の変位を検出する変位検出装置を提供することにある。

　本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の変位検出装置を提供する。

［１］測定対象が収容された筐体外であって、前記筐体内に磁場を形成する磁石と、
　前記筐体内部の前記測定対象に接続されて前記測定対象の変位に応じて変位し、前記磁石の形成する磁場内に配置される軟磁性体と、
　前記筐体外であって、前記磁石の形成する磁場内に配置され、前記軟磁性体の変位に伴う磁束密度の変化を検出するセンサとを有する変位検出装置。
［２］前記筐体は、非磁性体である前記［１］に記載の変位検出装置。
［３］前記軟磁性体は、透過する磁束が変化しない範囲で変位する前記［１］又は［２］に記載の変位検出装置。
［４］筐体内部に収容された測定対象に接続されて変位する磁石と、
　前記筐体外であって、前記磁石の変位に伴う磁束密度の変化を検出するセンサとを有する変位検出装置。
［５］前記測定対象はインジェクタのニードルであり、前記筐体はインジェクタのボディである前記［１］－［４］のいずれかに記載の変位検出装置。

　請求項１又は４に係る発明によれば、筐体の設計を変更することなく又は筐体の設計変更を抑制して、筐体内に収容される測定対象の変位を検出することができる。
　請求項２に係る発明によれば、非磁性体の筐体について、筐体の設計を変更することなく又は筐体の設計変更を抑制して、筐体内に収容される測定対象の変位を検出することができる。
　請求項３に係る発明によれば、軟磁性体のヒステレシスを抑制することができる。
　請求項５に係る発明によれば、インジェクタボディの設計を変更することなく又はインジェクタボディの設計変更を抑制して、インジェクタボディ内のニードルの変位を検出することができる。

図１は、第１の実施の形態に係るインジェクタ及び変位検出装置の構成例を示す斜視図である。図２は、第１の実施の形態に係るインジェクタ及び変位検出装置の構成例を示す断面図である。図３Ａは、変位検出装置の動作を説明するための概略図である。図３Ｂは、変位検出装置の動作を説明するための概略図である。図３Ｃは、変位検出装置の動作を説明するための概略図である。図４は、軟磁性体の変位とセンサの検出する磁束密度との関係を表すグラフ図である。図５は、第２の実施の形態に係る変位検出装置の構成例を示す斜視図である。図６Ａは、変位検出装置の動作を説明するための概略図である。図６Ｂは、変位検出装置の動作を説明するための概略図である。図６Ｃは、変位検出装置の動作を説明するための概略図である。図７Ａは、磁石の変位との検出する磁束密度との関係及び磁石の変位とセンサの出力との関係を表すグラフ図である。図７Ｂは、磁石の変位との検出する磁束密度との関係及び磁石の変位とセンサの出力との関係を表すグラフ図である。図８は、第３の実施の形態に係る変位検出装置の構成例を示す斜視図である。図９Ａは、変位検出装置の動作を説明するための概略図である。図９Ｂは、変位検出装置の動作を説明するための概略図である。図９Ｃは、変位検出装置の動作を説明するための概略図である。図１０は、軟磁性体の変位とセンサの検出する磁束密度との関係を表すグラフ図である。図１１Ａは、ニードルの変形例を示す断面図である。図１１Ｂは、ニードルの変形例を示す断面図である。図１２Ａは、軟磁性体の形状の変形例を示す斜視図である。図１２Ｂは、軟磁性体の形状の変形例を示す斜視図である。図１３は、磁石の変形例の構成を示す概略図である。図１４Ａは、センサの構成例を示す斜視図である。図１４Ｂは、センサの構成例を示す斜視図である。図１４Ｃは、センサの構成例を示す斜視図である。図１４Ｄは、センサの構成例を示す斜視図である。

［第１の実施の形態］
（インジェクタの構成）
　図１は、第１の実施の形態に係るインジェクタ及び変位検出装置の構成例を示す斜視図である。図２は、第１の実施の形態に係るインジェクタ及び変位検出装置の構成例を示す断面図である。なお、図２の垂直方向をｚ軸方向、水平方向をｘ軸方向、奥行き方向をｙ軸方向とし、ｚｘ平面に平行な面であってニードル１１の軸中心を通る面におけるインジェクタの断面図である。また、図１４Ａ－図１４Ｄは、センサの構成例を示す斜視図である。

　インジェクタ１は、内部に燃料の流路を有する筐体としてのインジェクタボディ１０と、インジェクタボディ１０の燃料流路に設けられる測定対象としてのニードル１１とを有する。インジェクタボディ１０は、先端に向かって径が小さくなるノズル部１０ａとし、ノズル部１０ａの先端に内部から燃料を噴出する噴口１０ｂを有する。また、インジェクタボディ１０のシーム部１０ｃは、インジェクタボディ１０の内壁のうちノズル部１０ａに相当する部分であって円錐状に形成される。

　ニードル１１は、円柱上に形成される円柱部１１ａと、円柱部１１ａから連続的に先端に向かって円錐状に形成される先端部１１ｂとを有する。なお、インジェクタボディ１０のシーム部１０ｃと、ニードル１１の先端部１１ｂとはそれぞれが密着するように形状を合わせて加工されているものとする。また、ニードル１１の先端部１１ｂと反対側の他端には磁石及びソレノイドコイルが設けられ（図示せず）、ｘ軸方向にニードル１１を押し引きする力が加えられてｘ方向のストロークで変位する。

　ニードル１１の他端に設けられたソレノイドコイルの電流を制御し、ニードル１１の先端部１１ａがシーム部１０ｃに接するようにすることで噴口１０ｂを閉じ、シーム部１０ｃから離れることで噴口１０ｂを開く。インジェクタボディ１０の内部に充填された燃料には予め定められた圧力が加えられ、噴口１０ｂが開かれた場合に、開き具合に応じてインジェクタボディ１０の外部に燃料が噴口１０ｂから噴出される。

　変位検出装置２は、ニードル１１とともにｘ軸方向に移動する軟磁性体１２と、軟磁性体１２の変位に基づいて変化する磁束密度を検出方向Ｄ_ｓｘで検出して磁束密度に応じた電圧を出力するセンサ１３と、検出方向Ｄ_ｓｘと直交する着磁方向Ｄ_ｍｚに着磁されインジェクタボディ１０を挟むように設けられた一対の磁石１４ａ及び１４ｂと、磁石１４ａ及び１４ｂの間に一様な磁界を形成するために設けられたヨーク１５とを有する。センサ１３の出力は図示しないＥＣＵ等に接続され、出力値はニードル１１のストローク制御のフィードバック等の用途に用いる。

　センサ１３は、図１４Ａに示すように、一例として、ｚ方向に厚みを有する平板状であって、ｘｙ面に平行な検出面を有し、磁気検出素子として検出方向Ｄ_ｓｚとする少なくとも一対のホール素子１３０ｌ、１３０ｒと、一対のホール素子１３０ｌ、１３０ｒ上に設けられてｘ方向の磁束をｚ方向に変換してホール素子１３０ｌ、１３０ｒに検出させる磁気コンセントレータ１３１を有し、検出方向Ｄ_ｓｘの磁気を検出するホールＩＣである（例えば、ＭＬＸ９１２０８ＣＡＨ等を用いることができ、ホール素子１３０ｌ、１３０ｒの出力の差分をとることでＤ_ｓｘの磁束密度に比例した出力を得ることができる）。なお、センサ１３は、検出方向がＤ_ｓｘであればＭＲ素子等の他の種類の素子を用いてもよいし、検出方向Ｄ_ｓｘを含めば複数の軸方向にそれぞれ磁気検出素子を配置した多軸磁気検出ＩＣを用いてもよい。また、図１４Ｄに示すように、ホール素子１３０ｌ、１３０ｒの間隔を狭くし、両端に磁気磁気コンセントレータ１３１ｌ、１３１ｒを設けたセンサ１３ｄを採用することで、センサ１３に比べて感度を向上することができる。また、図１４Ｂに示すセンサ１３ｂのように、センサ１３から磁気コンセントレータ１３１を廃し、一対のホール素子１３０ｌ、１３０ｒのそれぞれの出力の差から軟磁性体１２の位置又は変位を検出してもよい。

　軟磁性体１２は、ｘ方向に厚みを有する鉄等の軟磁性体材料を用いた平板であり、一対の磁石１４ａ及び１４ｂの間に配置されるとともに、軟磁性体１２が誘引する磁束がセンサ１３で検出されるような範囲で変位するものとする。

　また、軟磁性体１２は、ニードル１１が移動すると、変位に伴いｘ方向に変位する。なお、変位量ｓ_ｎは数ｍｍ程度（一例として±０．５ｍｍ）の微小な変位であるとする。なお、軟磁性体１２は、ニードル１１と一体に形成されるものであってもよい。

　一対の磁石１４ａ及び１４ｂは、フェライト、サマリウムコバルト、ネオジウム等の材料を用いて形成された永久磁石で、少なくとも軟磁性体１２の可動域においては一様な磁界を形成し、軟磁性体１２が誘引する磁束が正負に振れたり、ヒステレシスの影響が出るほどに大幅に数値が変化したりしないものとする。一例として、軟磁性体１２が誘引する磁束密度の変化幅は±１０ｍＴ程度とする。

　ヨーク１５は、一例として鉄を用い、その他パーマロイ等の軟磁性体材料を用いることができる。なお、磁石１４ａ及び１４ｂのみで条件を満たすことができる場合はヨーク１５を省略してもよい。なお、インジェクタボディ１０は、一例としてステンレスを用い、アルミニウムや真鍮等の非磁性体を用いることができる。

　インジェクタ１のサイズは一例として以下の通りであるが適宜設計に応じて変更可能である。インジェクタボディ１０の外形は１５ｍｍ、内径は１２ｍｍ、噴口１０ｂの直径は１ｍｍである。また、ニードルの直径ｄ_ｎは３ｍｍ、ストロークｓ_ｎは±０．５ｍｍである。

　また、変位検出装置２のサイズは一例として以下の通りであるが適宜設計に応じて変更可能である。軟磁性体１２の厚みｔ_ｓは２ｍｍ、直径ｄ_ｓは５ｍｍであり、軟磁性体１２とセンサ１３の検出面とのエアギャップｌ_ｇは１ｍｍである。また、磁石１４ａ及び１４ｂのｘ方向の幅は１０ｍｍ、ｙ方向の奥行は５ｍｍ、ｚ方向の厚みは５ｍｍであり、ヨーク１５は少なくとも磁石１４ａ及び１４ｂを覆うようなサイズで設けられ、ｘ方向の幅は１０ｍｍ、ｙ方向の奥行は１７ｍｍ、ｚ方向の厚みは２ｍｍであって、ｚ方向の間隔は２７ｍｍである。

（変位検出装置の動作）
　次に、第１の実施の形態の作用を、図１－図４を用いて説明する。

　図３Ａ－図３Ｃは、変位検出装置２の動作を説明するための概略図である。

　燃料を噴口１０ｂから噴出するためにニードル１１がｘ方向の正の方向に変位すると、軟磁性体１２が同様に変位し、図３Ａに示すように、センサ１３のホール素子を貫く磁束密度Ｂのうち検出方向Ｄ_ｓｘの磁束密度Ｂ_ｘはｘ方向と磁束とのなす角度をα_１とするとＢ_ｘ＝Ｂ_０・ｃｏｓα_１＞０となり正の値をとる。

　次に、図３Ａに示す状態から、噴口１０ｂから噴出される燃料の量を抑制するためにニードル１１がｘ方向の負の方向に変位すると、ある地点において、図３Ｂに示すように、センサ１３と軟磁性体１２とが互いに最も接近する。この状態においてセンサ１３のホール素子を貫く磁束密度Ｂのうち検出方向Ｄ_ｓｘの磁束密度は、Ｂ_ｘ＝Ｂ_０・ｃｏｓ９０°＝０である。

　次に、図３Ｂに示す状態から、噴口１０ｂから燃料が噴出されないようにするためにニードル１１がｘの負の方向に変位すると、図３Ｃに示すように、センサ１３のホール素子を貫く磁束密度Ｂのうち検出方向Ｄ_ｓｘの磁束密度Ｂ_ｘはｘ方向と磁束とのなす角度をα_２とするとＢ_ｘ＝Ｂ_０・ｃｏｓα_２＜０となり負の値をとる。

　これらの軟磁性体１２の変位とセンサ１３の検出する磁束密度との関係は、以下に説明する図４のように表される。なお、センサ１３の検出する磁束密度とセンサ１３の出力は比例関係にあるため、軟磁性体１２の変位とセンサ１３の出力との関係も図４と同様となる。

　図４は、軟磁性体１２の変位とセンサ１３の検出する磁束密度との関係を表すグラフ図である。

　ニードル１１の先端部１１ｂがインジェクタボディ１０のシーム部１０ｃに接している状態（図３Ｃの状態）をストローク０．５ｍｍであるとすると、ニードル１１の先端部１１ｂがインジェクタボディ１０のシーム部１０ｃから離れるに従ってさらにストロークが増加する。軟磁性体１２の変位とセンサ１３の検出する磁束密度との関係は、図４に示すように、ストロークが正に増加するに従い磁束密度が増加するものであり、ストローク０．５～１．５ｍｍの間では直線性（ダイナミックレンジが２５ｍＴ）が確保されたものとなる。

（第１の実施の形態の効果）
　上記した第１の実施の形態によれば、変位検出装置２のうち軟磁性体１２をインジェクタボディ１０の中（流路）に設け、その他の構成（センサ１３、磁石１４ａ、１４ｂ、ヨーク１５）をインジェクタボディ１０の外に設けたため、インジェクタボディ１０の設計を変更することなく又はインジェクタボディ１０の設計変更を抑制して、インジェクタボディ１０内のニードル１１の変位を検出することができる。

　また、多くの磁束を誘引する必要がないため、軟磁性体１２を大きくする必要がなく、その結果として軟磁性体１２の重量の増加を抑制することができ、重量増加による軟磁性体１２と接続するニードル１１の変位に対する感度の低下を抑制することができる。

　また、磁石１４ａ、１４ｂ間の磁界を一様なものとし、軟磁性体１２を透過する磁束が大きく変動しない設計としたため、軟磁性体１２に生じるヒステレシスの影響が少なく、第１の実施の形態の構成を採用しない場合に比べて、精度の低下を抑制することができる。

　また、軟磁性体１２を円盤状としたため、ニードル１１が回転しても変位を検出することができる。従って、ニードル１１を変位させる構成としてソレノイドを用いず、ニードル１１の変位の際にニードル１１が回転するようなネジ機構及びニードル１１を回転させるためのモータを用いる場合であっても、ニードル１１の変位を検出することができる。また、センサ１３としてＭＬＸ９１２０８ＣＡＨを採用した場合、上記した条件において３μｓｅｃの応答性が得られる。

［第２の実施の形態］
　第２の実施の形態は、第１の実施の形態の軟磁性体１２の代わりに同様の形状の磁石を用い、ニードル１１の変位に基づいて当該磁石が変位し、変位した磁界をセンサで検出する点で第１の実施の形態と異なる。なお、以下において、第１の実施の形態と共通する構成については同様の符号を用いる。

　図５は、第２の実施の形態に係る変位検出装置の構成例を示す斜視図である。

　変位検出装置２ａは、着磁方向Ｄ_ｍｘに着磁されニードル１１とともにｘ軸方向に移動する磁石１４ｃと、磁石１４ｃの変位に基づいて変化する磁束密度を検出方向Ｄ_ｓｘ及びＤ_ｓｚで検出して磁束密度に応じた電圧を出力するセンサ１３ａとを有する。センサ１３ａの出力は図示しないＥＣＵ等に接続され、出力値はニードル１１のストローク制御のフィードバック等の用途に用いる。

　センサ１３ａは、図１４Ａに示すように、一例として、ｚ方向に厚みを有する平板状であって、ｘｙ面に平行な検出面を有し、磁気検出素子として検出方向Ｄ_ｓｚとする少なくとも一対のホール素子１３０ｌ、１３０ｒと、一対のホール素子１３０ｌ、１３０ｒ上に設けられてｘ方向の磁束をｚ方向に変換してホール素子１３０ｌ、１３０ｒに検出させる磁気コンセントレータ１３１を有し、検出方向Ｄ_ｓｘ及びＤ_ｓｚの磁気を検出するホールＩＣである（例えば、ＭＬＸ９０３６５等を用いることができ、ホール素子１３０ｌ、１３０ｒの出力の差分をとることでＤ_ｓｘの磁束密度に比例した出力を得ることができ、ホール素子１３０ｌ、１３０ｒの出力の和をとることでＤ_ｓｚの磁束密度に比例した出力を得ることができる）。なお、センサ１３ａは、検出方向がＤ_ｓｘ及びＤ_ｓｚであればＭＲ素子等の他の種類の素子を用いてもよいし、検出方向Ｄ_ｓｘ及びＤ_ｓｚを含めば複数の軸方向にそれぞれ磁気検出素子を配置した多軸磁気検出ＩＣを用いてもよい。

　磁石１４ｃは、ｘ方向に厚みを有する平板であり、フェライト、サマリウムコバルト、ネオジウム等の材料を用いて形成された永久磁石である。

　また、磁石１４ｃは、ニードル１１が移動すると、変位に伴いｘ方向に変位する。なお、変位量ｓ_ｎは数ｍｍ程度（一例として±０．５ｍｍ）の微小な変位であるとする。

　インジェクタ１のサイズは一例として以下の通りであるが適宜設計に応じて変更可能である。インジェクタボディ１０の外形は１６ｍｍ、内径は１２ｍｍ、噴口１０ｂの直径は１ｍｍである。また、ニードルの直径ｄｎは３ｍｍ、ストロークｓ_ｎは±０．５ｍｍである。

　また、変位検出装置２ａのサイズは一例として以下の通りであるが適宜設計に応じて変更可能である。磁石１４ｃの厚みｔ_ｓは０．５ｍｍ、直径ｄ_ｓは１０ｍｍであり、磁石１４ｃとセンサ１３ａの検出面とのエアギャップｌ_ｇは１．５ｍｍである。

（変位検出装置の動作）
　次に、第２の実施の形態の作用を、図５－図７を用いて説明する。

　図６Ａ－図６Ｃは、変位検出装置２ａの動作を説明するための概略図である。

　燃料を噴口１０ｂから噴出するためにニードル１１がｘ方向の正の方向に変位すると、磁石１４ｃが同様に変位し、図６Ａに示すように、センサ１３ａのホール素子を貫く磁束密度Ｂのうち検出方向Ｄ_ｓｘ及びＤ_ｓｚの磁束密度Ｂ_ｘ及びＢ_ｚは、ｘ方向と磁束とのなす角度をβ_１とすると、Ｂ_ｘ＝Ｂ_０・ｃｏｓβ_１＜０となり負の値を、Ｂ_ｚ＝Ｂ_０・ｓｉｎβ_１＞０となり正の値をとる。

　次に、図６Ａに示す状態から、噴口１０ｂから噴出される燃料の量を抑制するためにニードル１１がｘ方向の負の方向に変位すると、ある地点において、図６Ｂに示すように、センサ１３ａと磁石１４ｃとが互いに最も接近する。この状態においてセンサ１３ａのホール素子を貫く磁束密度Ｂのうち検出方向Ｄ_ｓｘ及びＤ_ｓｚの磁束密度は、Ｂ_ｘ＝Ｂ_０・ｃｏｓ０°＝Ｂ_０であり、Ｂ_ｚ＝Ｂ_０・ｓｉｎ０°＝０である。

　次に、図６Ｂに示す状態から、噴口１０ｂから燃料が噴出されないようにするためにニードル１１がｘの負の方向に変位すると、図６Ｃに示すように、センサ１３ａのホール素子を貫く磁束密度Ｂのうち検出方向Ｄ_ｓｘ及びＤ_ｓｚの磁束密度Ｂ_ｘ及びＢ_ｚは、ｘ方向と磁束とのなす角度をβ_２とすると、Ｂ_ｘ＝Ｂ_０・ｃｏｓβ_２＜０となり負の値を、Ｂ_ｚ＝Ｂ_０・ｓｉｎβ_２＜０となり負の値をとる。

　これらの磁石１４ｃの変位とセンサ１３ａの検出する磁束密度との関係は、以下に説明する図７Ａのように表される。また、センサ１３ａの出力は、Ａｒｃｔａｎ（Ｂ_ｘ／Ｂ_ｚ）として出力され、磁石１４ｃの変位とセンサ１３ａの出力との関係は図７Ｂのように表される。

　図７Ａ及び図７Ｂは、磁石１４ｃの変位とセンサ１３ａの検出する磁束密度との関係及び磁石１４ｃの変位とセンサ１３ａの出力との関係を表すグラフ図である。

　ニードル１１の先端部１１ｂがインジェクタボディ１０のシーム部１０ｃに接している状態（図６Ｃの状態）をストローク０．５ｍｍであるとすると、ニードル１１の先端部１１ｂがインジェクタボディ１０のシーム部１０ｃから離れるに従ってさらにストロークが増加する。磁石１４ｃの変位とセンサ１３ａの検出する２方向（Ｄ_ｓｘ、Ｄ_ｓｚ）の磁束密度との関係は、図７Ａに示すようになる。また、磁石１４ｃの変位とセンサ１３ａの出力との関係は、図７Ｂに示すように、ストロークが正に増加するに従い磁束密度が増加するものであり、ストローク０．５～１．５ｍｍの間では直線性（ダイナミックレンジが８０ｄｅｇ）が確保されたものとなる。

（第２の実施の形態の効果）
　上記した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、インジェクタボディ１０の外にセンサ１３ａを配置するのみであるため、インジェクタボディ１０の設計又は配置の自由度が向上する。

　また、センサ１３ａとしてＭＬＸ９０３６５を採用した場合、上記した条件において３μｓｅｃの応答性が得られる。

［第３の実施の形態］
　第３の実施の形態は、軟磁性体が２つ設けられている点及びセンサの配置の点で第１の実施の形態と異なる。

　図８は、第３の実施の形態に係る変位検出装置の構成例を示す斜視図である。

　変位検出装置２ｂは、ニードル１１とともにｘ軸方向に移動する軟磁性体１２ａ及び１２ｂと、軟磁性体１２ａ及び１２ｂの変位に基づいて変化する磁束密度を検出方向Ｄ_ｓｘで検出して磁束密度に応じた電圧を出力するセンサ１３ｂと、検出方向Ｄ_ｓｘと直交する着磁方向Ｄ_ｍｚに着磁されインジェクタボディ１０を挟むように設けられた一対の磁石１４ａ及び１４ｂと、磁石１４ａ及び１４ｂの間に一様な磁界を形成するために設けられたヨーク１５とを有する。センサ１３ｂの出力は図示しないＥＣＵ等に接続され、出力値はニードル１１のストローク制御のフィードバック等の用途に用いる。

　センサ１３ｂは、図１４Ｂに示すように一例として、ｘ方向に厚みを有する平板状であって、ｙｚ面に平行な検出面を有し、磁気検出素子として検出方向Ｄ_ｓｘとするホール素子１３０ｌ、１３０ｒ（いずれか１つだけでもよい）を有して、検出方向Ｄ_ｓｘの磁気を検出するホールＩＣである（例えば、ＭＬＸ９１２０９等を用いることができる）。なお、センサ１３ｂは、検出方向がＤ_ｓｘであればＭＲ素子等の他の種類の素子を用いてもよいし、検出方向Ｄ_ｓｘを含めば複数の軸方向にそれぞれ磁気検出素子を配置した多軸磁気検出ＩＣを用いてもよい。

　軟磁性体１２ａ及び１２ｂは、ｘ方向に厚みを有する鉄等の軟磁性体材料を用いた平板であり、一対の磁石１４ａ及び１４ｂの間に配置されるとともに、軟磁性体１２ａ及び１２ｂが誘引する磁束がセンサ１３ｂで検出されるような範囲で変位するものとする。また、ニードル１１は軟磁性体１２ａ及び１２ｂと同じ軟磁性体材料を用いてもよい。

　また、軟磁性体１２ａ及び１２ｂは、ニードル１１が移動すると、変位に伴いｘ方向に変位する。なお、変位量ｓ_ｎは数ｍｍ程度（一例として±０．５ｍｍ）の微小な変位であるとする。なお、軟磁性体１２ａ及び１２ｂは、ニードル１１と一体に形成されるものであってもよい。

　一対の磁石１４ａ及び１４ｂは、フェライト、サマリウムコバルト、ネオジウム等の材料を用いて形成された永久磁石で、少なくとも軟磁性体１２ａ及び１２ｂの可動域においては一様な磁界を形成し、軟磁性体１２ａ及び１２ｂが誘引する磁束が正負に振れたり、ヒステレシスの影響が出るほどに大幅に数値が変化したりしないものとする。一例として、軟磁性体１２ａ及び１２ｂが誘引する磁束密度の変化幅は±１０ｍＴ程度とする。

　ヨーク１５は、一例として鉄を用い、その他パーマロイ等の軟磁性体材料を用いることができる。なお、磁石１４ａ及び１４ｂのみで条件を満たすことができる場合はヨーク１５を省略してもよい。また、インジェクタボディ１０は、一例としてステンレスを用い、アルミニウムや真鍮等の非磁性体を用いることができる。

　インジェクタ１のサイズは一例として以下の通りであるが適宜設計に応じて変更可能である。インジェクタボディ１０の外形は１６ｍｍ、内径は１２ｍｍ、噴口１０ｂの直径は１ｍｍである。また、ニードルの直径ｄ_ｎは３ｍｍ、ストロークｓ_ｎは±０．５ｍｍである。

　また、変位検出装置２ｂのサイズは一例として以下の通りであるが適宜設計に応じて変更可能である。軟磁性体１２ａ及び１２ｂの厚みｔ_ｓは１ｍｍ、直径ｄ_ｓは７ｍｍ、間隔Ｉ_ｓは４ｍｍであり、軟磁性体１２ａ及び１２ｂとセンサ１３ｂの検出面とのエアギャップｌ_ｇは３ｍｍである。また、磁石１４ａ及び１４ｂのｘ方向の幅は２０ｍｍ、ｙ方向の奥行は５ｍｍ、ｚ方向の厚みは５ｍｍであり、ヨーク１５は少なくとも磁石１４ａ及び１４ｂを覆うようなサイズで設けられ、ｘ方向の幅は２０ｍｍ、ｙ方向の奥行は１７ｍｍ、ｚ方向の厚みは２ｍｍであって、ｚ方向の間隔は２７ｍｍである。

（変位検出装置の動作）
　次に、第３の実施の形態の作用を、図８－図１０を用いて説明する。

　図９Ａ－図９Ｃは、変位検出装置２の動作を説明するための概略図である。

　燃料を噴口１０ｂから噴出するためにニードル１１がｘ方向の正の方向に変位すると、軟磁性体１２ａ及び１２ｂが同様に変位し、図９Ａに示すように、センサ１３ｂのホール素子を貫く磁束密度Ｂのうち検出方向Ｄ_ｓｘの磁束密度Ｂ_ｘはｘ方向と磁束とのなす角度をγ_１とするとＢ_ｘ＝Ｂ_０・ｃｏｓγ_１＜０となり負の値をとる。

　次に、図９Ａに示す状態から、噴口１０ｂから噴出される燃料の量を抑制するためにニードル１１がｘ方向の負の方向に変位すると、ある地点において、図９Ｂに示すように、センサ１３ｂと軟磁性体１２ａ及び１２ｂとの距離がそれぞれ等間隔になる。この状態においてセンサ１３ｂのホール素子を貫く磁束密度Ｂのうち検出方向Ｄ_ｓｘの磁束密度は、Ｂ_ｘ＝Ｂ_０・ｃｏｓ９０°＝０である。

　次に、図９Ｂに示す状態から、噴口１０ｂから燃料が噴出されないようにするためにニードル１１がｘの負の方向に変位すると、図９Ｃに示すように、センサ１３ｂのホール素子を貫く磁束密度Ｂのうち検出方向Ｄ_ｓｘの磁束密度Ｂ_ｘはｘ方向と磁束とのなす角度をγ_２とするとＢ_ｘ＝Ｂ_０・ｃｏｓα_２＞０となり正の値をとる。

　これらの軟磁性体１２ａ及び１２ｂの変位とセンサ１３ｂの検出する磁束密度との関係は、以下に説明する図１０のように表される。なお、センサ１３ｂの検出する磁束密度とセンサ１３ｂの出力は比例関係にあるため、軟磁性体１２ａ及び１２ｂの変位とセンサ１３ｂの出力との関係も図１０と同様となる。

　図１０は、軟磁性体１２ａ及び１２ｂの変位とセンサ１３ｂの検出する磁束密度との関係を表すグラフ図である。

　ニードル１１の先端部１１ｂがインジェクタボディ１０のシーム部１０ｃに接している状態（図９Ｃの状態）をストローク０．５ｍｍであるとすると、ニードル１１の先端部１１ｂがインジェクタボディ１０のシーム部１０ｃから離れるに従ってさらにストロークが増加する。軟磁性体１２ａ及び１２ｂの変位とセンサ１３ｂの検出する磁束密度との関係は、図１０に示すように、ストロークが正に増加するに従い磁束密度が減少するものであり、ストローク０．５～１．５ｍｍの間では直線性（ダイナミックレンジが８０ｍＴ）が確保されたものとなる。

（第３の実施の形態の効果）
　上記した第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態に比べてインジェクタボディ１０の設計を変更する必要があるものの、軟磁性体１２ａ及び１２ｂとセンサ１３ｂとの距離を小さくしたため、より大きなダイナミックレンジを実現することができる。

　また、多くの磁束を誘引する必要がないため、軟磁性体１２ａ及び１２ｂを大きくする必要がなく、その結果として軟磁性体１２ａ及び１２ｂの重量の増加を抑制することができ、重量増加による軟磁性体１２ａ及び１２ｂと接続するニードル１１の変位に対する感度の低下を抑制することができる。

　また、磁石１４ａ、１４ｂ間の磁界を一様なものとし、軟磁性体１２ａ及び１２ｂを透過する磁束が大きく変動しない設計としたため、軟磁性体１２ａ及び１２ｂに生じるヒステレシスの影響が少なく、第３の実施の形態の構成を採用しない場合に比べて、精度の低下を抑制することができる。

　また、軟磁性体１２ａ及び１２ｂを円盤状としたため、ニードル１１が回転しても変位を検出することができる。また、センサ１３としてＭＬＸ９１２０９を採用した場合、上記した条件において３μｓｅｃの応答性が得られる。

　なお、ニードル１１と軟磁性体１２ａ及び１２ｂとを一体に形成する場合、以下のように形成してもよい。

　図１１Ａ及び図１１Ｂは、ニードルの変形例を示す断面図である。

　図１１Ａに示すように、ニードル１１ａは軟磁性体材料を用いて形成され、上記した軟磁性体１２ａ及び１２ｂと同様に磁束を誘引するくぼみ形状１１０ａを有する。

　また、図１１Ｂに示すように、ニードル１１ｂは軟磁性体材料を用いて形成され、上記した軟磁性体１２ａ及び１２ｂと同様に磁束を誘引するボビン形状１１０ｂを有する。

　上記したくぼみ形状１１０ａ及びボビン形状１１０ｂを用いた変位検出装置２ｃ及び２ｄは、上記した第３の実施の形態と同様の効果を奏する。

［他の実施の形態］
　なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々な変形が可能である。上記実施の形態では、変位検出装置をインジェクタ内のニードルのリフトセンサとして用いる例を示したが、インジェクタに限らずボディの内部と外部に分けられる構成の装置であって、微小な変位を伴うものであれば同様に適用できる。他の装置としては、油圧シリンダー内のオイルの油圧を歪み（微小な変位）で検出する装置、腐食性のある気体や液体を充填した筐体の中の圧力を歪み（微小な変位）で検出する装置及び気密性の高い筐体の中の圧力を歪み（微小な変位）で検出する装置等が挙げられる。いずれも非接触で変位を検出することができる。

　また、上記した第１～第３の実施の形態のセンサ、軟磁性体、磁石の組み合わせは例示であって、位置検出の機能が損なわれず、本発明の要旨を変更しない範囲内で、これらをそれぞれ適宜選択して新たな組み合わせに変更して用いてもよい。また、軟磁性体は以下に示す形状のものを用いてもよい。

　図１２Ａ及び図１２Ｂは、軟磁性体の形状の変形例を示す斜視図である。

　図１２Ａに示すように、軟磁性体１２ｃは、軟磁性体１２と同様の直径及び厚みを有し、さらに燃料の流路となる孔１２０を有する。孔１２０を設けることにより、孔１２０を設けない場合に比べて、燃料の流れをよりスムーズにすることができる。また、燃料の流路を確保することができるため、軟磁性体１２ｃの直径をより大きくすることができる。

　図１２Ｂに示すように、軟磁性体１２ｄは、軟磁性体１２と同様の直径及び厚みを有し、対向するように円周の一部を残した形状を有する。なお、軟磁性体１２ｄは対向するうちの一片がセンサに最も近づくように配置する。当該形状を採用することにより、上記した孔１２０に比べて、燃料の流れをよりスムーズにすることができる。また、燃料の流路を確保することができるため、軟磁性体１２ｄの直径をより大きくすることができる。

　また、磁石は以下に示す形状のものを用いてもよい。

　図１３は、磁石の変形例の構成を示す概略図である。

　変位検出装置２ｅは、第１の実施の形態の変位検出装置２の磁石１４ａ、１４ｂ及びヨーク１５を磁石１４ｄに置き換えたものである。

　磁石１４ｄは、円筒形状を有し、内側にインジェクタボディ１０及びセンサ１３を配置できるだけの内径を有し、着磁方向Ｄｍｚに着磁される。

　また、磁石１４ｄは、フェライト、サマリウムコバルト、ネオジウム等の材料を用いて形成された永久磁石で、少なくとも軟磁性体１２の可動域においては一様な磁界を形成し、軟磁性体１２が誘引する磁束が正負に振れたり、ヒステレシスの影響が出るほどに大幅に数値が変化したりしないものとする。一例として、軟磁性体１２が誘引する磁束密度の変化幅は±１０ｍＴ程度とする。

　また、センサは以下に示すものを用いてもよい。

　センサ１３ｃは、図１４Ｃに示すように、一列に配されたホール素子１３０ｌ、１３０ｒ、１３０ｃを有する。ホール素子１３０ｌ、１３０ｒの出力の差分をとり、ホール素子１３０ｃの出力とのＡｒｃｔａｎをとることで第２の実施の形態と同様の出力を得ることができる。

　また、ホール素子１３０ｌ、１３０ｒの出力の差分をとり、かつ、別処理でホール素子１３０ｌ、１３０ｒの出力の平均をとる。ホール素子１３０ｌ、１３０ｒの出力の平均は、ホール素子１３０ｃの出力と同様となるため、第２の実施の形態と同様の出力を得ることができる。

　筐体の設計を変更することなく又は筐体の設計変更を抑制して、筐体内に収容される測定対象の変位を検出する変位検出装置を提供する。

１     インジェクタ
２、２ａ、２ｂ、２ｃ変位検出装置
１０   インジェクタボディ
１０ａノズル部
１０ｂ噴口
１０ｃシーム部
１１、１１Ａ、１１Ｂニードル
１１ａ円柱部
１１ｂ先端部
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ      軟磁性体
１３、１３ａ、１３ｂセンサ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ      磁石
１５   ヨーク
１１０ａ      くぼみ形状
１１０ｂ      ボビン形状
１２０孔

Claims

　測定対象が収容された筐体外であって、前記筐体内に磁場を形成する磁石と、
　前記筐体内部の前記測定対象に接続されて前記測定対象の変位に応じて変位し、前記磁石の形成する磁場内に配置される軟磁性体と、
　前記筐体外であって、前記磁石の形成する磁場内に配置され、前記軟磁性体の変位に伴う磁束密度の変化を検出するセンサとを有する変位検出装置。
　前記筐体は、非磁性体である請求項１に記載の変位検出装置。
　前記軟磁性体は、透過する磁束が変化しない範囲で変位する請求項１又は２に記載の変位検出装置。
　筐体内部に収容された測定対象に接続されて変位する磁石と、
　前記筐体外であって、前記磁石の変位に伴う磁束密度の変化を検出するセンサとを有する変位検出装置。
　前記測定対象はインジェクタのニードルであり、前記筐体はインジェクタのボディである請求項１－４のいずれか１項に記載の変位検出装置。