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【発明の名称】 変位検出装置
【発明者】 【氏名】小沢 英隆

【氏名】中村 稔

【氏名】生駒 浩一
【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。
【特許請求の範囲】
【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。
【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。
【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 current）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１３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１５とでは、コイルの巻き方が逆であるため、第１部分１４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（ＥＣＵ）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５１，５２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６５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１１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４７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100kHz、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。
【出願人】 【識別番号】０００００５３２６
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
【出願日】 平成１２年１月５日（２０００．１．５）
【代理人】 【識別番号】１０００８１７２１
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 次生
【公開番号】 特開２００１−１９４１０４（Ｐ２００１−１９４１０４Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】 特願２０００−３１０（Ｐ２０００−３１０）