JP2011075497A - 電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法およびその検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気飽和が生じることにより、コイルのインダクタンスが等しくプランジャとステータの底とのエアギャップが異なる２点が存在しても、プランジャの位置を正確に検出できる電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法およびその検出装置を提供する。
【解決手段】コイル５に変動電圧を印加する第１工程と、変動電圧の印加によって生じるコイル５に流れる電流の立ち上がりまたは立ち下がりの状態を、立ち上がりまたは立ち下がりの間に複数回測定を行う第２工程と、第２工程で得られた複数の測定値と、基準となる測定値または計算値とをそれぞれ比較して可動子６の位置を求める第３工程と、を備える。
【選択図】 図３

Description

この発明は、コイルと可動子を備え、例えば開閉弁や切替弁などの作動に使用される電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法およびその検出装置に関するものである。

従来の電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法では、コイル内に挿入されるプランジャを備えたソレノイドにおいて、コイルのインダクタンスがプランジャのストローク量によって変化することと、コイルに一定周波数の電圧を印加したときにコイルに流れる電流の振幅がコイルのインダクタンスによって変化することを利用していた。即ち、コイルに一定周波数の電圧を印加したときにコイルに流れる電流の振幅の大きさが、プランジャのストローク量によって変化することを利用して、コイルに流れる電流の振幅を測定することによりプランジャの位置を検出していた。（例えば、特許文献１参照）

特開２００５−３１７６１２号公報（第７〜８頁、図２および図３）

このような電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法にあっては、可動子であるプランジャと、コイルの励磁によってプランジャが吸引されるステータの底とのエアギャップが小さくなればなるほどコイルのインダクタンスが大きくなるとしている。つまり、プランジャとステータの底とのエアギャップと、コイルのインダクタンスとの間に一対一の関係があることを想定している。しかし、実際には、エアギャップが充分大きい範囲では、エアギャップが小さくなるにつれてインダクタンスは大きくなるが、エアギャップがある一定距離より小さくなると磁気飽和が生じ、逆にインダクタンスは小さくなっていく。つまり、インダクタンスは磁気飽和が生じ始める点で極大値を取ることとなる。よって、インダクタンスが等しくエアギャップが異なる２点が存在することとなり、プランジャの位置を正確に検出できないという問題点があった。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、磁気飽和が生じることにより、コイルのインダクタンスが等しくプランジャとステータの底とのエアギャップが異なる２点が存在しても、プランジャの位置を正確に検出できる電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法およびその検出装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法は、コイルに変動電圧を印加する第１工程と、変動電圧の印加によって生じるコイルに流れる電流の立ち上がりまたは立ち下がりの状態を、立ち上がりまたは立ち下がりの間に複数回測定を行う第２工程と、第２工程で得られた複数の測定値と、基準となる測定値または計算値とをそれぞれ比較して可動子の位置を求める第３工程と、を備えたものである。

また、この発明に係る電磁アクチュエータの可動子の位置検出装置は、コイルに変動電圧を印加する電源と、コイルに流れる電流を検出する電流検出部と、変動電圧の印加によって生じるコイルに流れる電流の立ち上がりまたは立ち下がりが始まってからの時間を計測する時間計測部と、電流検出部または時間計測部で得られた複数の測定値と、基準となる測定値または計算値とを比較して可動子の位置を求める位置検出部と、を備えたものである。

この発明に係る電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法によれば、コイルに変動電圧を印加する第１工程と、コイルに流れる電流の立ち上がりまたは立ち下がりの状態を、立ち上がりまたは立ち下がりの間に複数回測定を行う第２工程と、第２工程で得られた複数の測定値と、基準となる測定値または計算値とをそれぞれ比較して可動子の位置を求める第３工程と、を備えたことにより、磁気飽和が生じることによって、コイルのインダクタンスが等しく可動子とステータの底とのエアギャップが異なる２点が存在しても、可動子の位置を正確に検出できる。

また、この発明に係る電磁アクチュエータの可動子の位置検出装置によれば、コイルに変動電圧を印加する電源と、コイルに流れる電流を検出する電流検出部と、コイルに流れる電流の立ち上がりまたは立ち下がりが始まってからの時間を計測する時間計測部と、電流検出部または時間計測部で得られた複数の測定値と、基準となる測定値または計算値とを比較して可動子の位置を求める位置検出部と、を備えたことにより、磁気飽和が生じることによって、コイルのインダクタンスが等しく可動子とステータの底とのエアギャップが異なる２点が存在しても、可動子の位置を正確に検出できる。

この発明の実施の形態１における位置検出装置を備えた電磁アクチュエータの構成示す一部断面図である。 この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータにおけるエアギャップとコイルのインダクタンスの関係を示す図である。 この発明の実施の形態１における位置検出装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１におけるコイルに矩形波電圧を印加した場合の電圧と電流の波形を示す図であり、（ａ）はコイルに印加される電圧波形を示す図、（ｂ）はコイルに流れる電流波形を示す図である。 この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータにおけるエアギャップが固定時のコイルに流れる電流とコイルのインダクタンスの関係を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるコイルに矩形波電圧を印加した場合のコイルに流れる電流波形を示す図である。 この発明の実施の形態１における時間計測部での測定値とエアギャップとの関係を示すテーブルを示す図であり、（ａ）は第１テーブルを示す図、（ｂ）は第２テーブルを示す図である。 この発明の実施の形態２における位置検出装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３における位置検出装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３におけるコイルに矩形波電圧を印加した場合の電圧と電流の波形を示す図であり、（ａ）はコイルに印加される電圧波形を示す図、（ｂ）はコイルに流れる電流波形を示す図、（ｃ）はコイルモデルから得られる参照電流波形を示す図である。 この発明の実施の形態３におけるコイルに流れる電流波形とコイルモデルから得られる参照電流波形を示す図であり、（ａ）はｘ＝Ｐａ＝０に可動子が存在する場合を示す図、（ｂ）はｘ＝Ｐｃに可動子が存在する場合を示す図である。 この発明の実施の形態４における位置検出装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４におけるコイルに矩形波電圧を印加した場合の電圧と電流の波形を示す図であり、（ａ）はコイルに印加される電圧波形を示す図、（ｂ）はコイルに流れる電流波形を示す図、（ｃ）はコイルに流れる電流の立ち上がり波形を示す図、（ｄ）はコイルに流れる電流の立ち下がり波形を反転して示す図である。 この発明の実施の形態４におけるコイルに流れる電流の立ち上がり波形と立ち下がり波形を示す図であり、（ａ）はｘ＝Ｐａ＝０に可動子が存在する場合を示す図、（ｂ）はｘ＝Ｐｃに可動子が存在する場合を示す図である。

以下、添付図面を参照して、この発明に係る電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法に従って、電磁アクチュエータの可動子の位置を検出可能に構成された電磁アクチュエータの可動子の位置検出装置の好適な実施の形態について説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における位置検出装置１ａを備えた電磁アクチュエータ２の構成を示す一部断面図である。まず、この発明の実施の形態１における位置検出装置１ａを備えた電磁アクチュエータ２の構成の概略を説明する。

図１において、電磁アクチュエータ２は、コイル５と、このコイル５内に挿入された可動子６を備え、可動子６は、例えば鉄などの磁性体で形成されている。コイル５には電源７が接続され、コイル５にＤＣ電圧および矩形波や三角波などの変動電圧が印加可能である。そして、位置検出装置１ａが電源７とコイル５に接続され、電源７からコイル５に印加される電圧およびコイル５に流れる電流を検出できるようになっている。尚、ここでは、電源７はＤＣ電圧と変動電圧の両方を印加できるものとしたが、電源７はＤＣ電圧のみ印加可能なものとして、変動電圧を印加可能な電源を位置検出装置１ａに別途備えてもよい。

可動子６には、ばね１０が取り付けられており、コイル５に電圧を印加しない状態では、可動子６は、可動子６とステータ１１の底とのエアギャップｘが広がった状態の初期位置に存在する。電源７によってコイル５にＤＣ電圧を印加すると、コイル５に電流が流れて磁束が発生し、可動子６は、可動子６とステータ１１の底とのエアギャップｘが狭まる方向に力を受け、磁束による吸引力とばね１０の弾性力とが釣り合うエアギャップｘで静止する。コイル５に印加する電圧を調整することによって、可動子６は、初期位置からエアギャップｘ＝０となる位置までの任意の位置を取ることができる。

次に、上述の電磁アクチュエータ２におけるエアギャップｘとコイル５のインダクタンスＬの関係について説明する。図２は、この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータ２におけるエアギャップｘとコイル５のインダクタンスＬの関係を示す図である。図２において、横軸は可動子６とステータ１１の底とのエアギャップｘを示し、縦軸はコイル５のインダクタンスＬを示す。

図２において、エアギャップｘが充分大きい範囲では、エアギャップｘが小さくなるにつれて磁気抵抗が低下するため、磁束密度が大きくなり、インダクタンスＬは単調に大きくなっていく。しかし、磁束密度は無限に大きくなる訳ではなく、エアギャップｘがＰｂより小さくなると磁気飽和が生じ、逆にエアギャップｘが小さくなるにつれてインダクタンスＬも小さくなる。つまり、インダクタンスＬは、ｘ＝Ｐｂで極大値を取る。

尚、コイル５に流す電流を大きくすると、磁気飽和が生じ始める点Ｐｂ、即ちインダクタンスＬが極大値を取る点Ｐｂは大きくなり、電流を小さくするとＰｂは小さくなる。また、電流の大きさによりインダクタンスＬの極大値も変化する。このように、コイル５に流す電流の大きさを変えるとエアギャップｘとインダクタンスＬの関係は変わるが、電流の大きさを一定にするとエアギャップｘとインダクタンスＬの関係は一意に決まる。

以上のように、エアギャップｘの変化に対してインダクタンスＬは極大値を取るので、例えばｘ＝Ｐａ＝０とｘ＝Ｐｃの２点においてインダクタンスＬが等しくなってしまう。このため、従来のようにコイル５に印加した変動電圧によって流れる電流の振幅を測定する方法では、これら２点の区別ができない。

次に、上述のようなインダクタンスＬが等しくエアギャップｘが異なる２点を判別することができる、この発明の実施の形態１における位置検出装置１ａの構成を説明する。図３は、この発明の実施の形態１における位置検出装置１ａの構成を示すブロック図である。

図３において、電源７によってコイル５に変動電圧が印加されると、コイル５に流れる電流に立ち上がりが生じ、この電流を電流検出部１２により検出する。電流検出部１２からの信号と電源７からの印加電圧の信号は、時間計測部１５に入力され、時間計測部１５からの信号は位置検出部１６ａの比較部１７に入力される。位置検出部１６ａは、時間計測部１５での測定値とエアギャップｘとの関係をインダクタンスＬを介して関係付けた第１テーブル２０ａおよび第２テーブル２１ａを備え、比較部１７では、時間計測部１５からの信号と第１テーブル２０ａおよび第２テーブル２１ａとを比較してエアギャップｘを、即ち可動子６の位置を求める。

ここで、第１テーブル２０ａおよび第２テーブル２１ａは、事前に時間計測部１５での測定値とエアギャップｘとの関係を実際に測定により求めておいたものである。

次に、この発明の実施の形態１における位置検出装置１ａの動作について説明する。ここでは一例として、可動子６が図２におけるｘ＝Ｐａ＝０とｘ＝Ｐｃのいずれかに存在するときに、可動子６の位置を求める場合について説明する。

まず、可動子６はｘ＝Ｐａ＝０とｘ＝Ｐｃのいずれかに存在し、コイル５には、可動子６の位置を保持できるだけの電流が流れるＤＣ電圧が印加されている。

次に、第１工程として、コイル５に矩形波や三角波、のこぎり波などの変動電圧を印加する。この変動電圧は、可動子６の位置を保持できるだけの電流がコイル５に流れるＤＣオフセットを有し、その振幅は可動子６の位置が変動しない程度の大きさである。ここでは、変動電圧として矩形波電圧を印加した場合について説明する。

図４は、この発明の実施の形態１におけるコイル５に矩形波電圧を印加した場合の電圧と電流の波形を示す図であり、（ａ）はコイル５に印加される電圧波形を示す図、（ｂ）はコイル５に流れる電流波形を示す図である。（ａ）、（ｂ）において横軸は時間を示し、（ａ）において縦軸は電圧、（ｂ）において縦軸は電流を示す。

第１工程において、図４（ａ）に示す矩形波電圧をコイル５に印加すると、コイル５に流れる電流には図４（ｂ）に示すように、インダクタンスＬと抵抗によって決まる時定数に応じた立ち上がりが生じる。

次に、第２工程について説明する。電流検出部１２では、コイル５に流れる電流を検出し、その電流値が、矩形波電圧印加時から、あらかじめ規定した電流変化量Δｉｌ、Δｉｈだけ変化したときに時間計測部１５へ信号を出力する。

時間計測部１５では、矩形波電圧を印加したという信号を電源７から受けると時間計測を開始する。そして、コイル５に流れる電流が、Δｉｌ、Δｉｈだけ変化したという信号を電流検出部１２から受け取ると、それぞれの時間計測を止める。即ち、時間計測部１５では、電流がΔｉｌ変化するまでにかかった時間ｔｌと、Δｉｈ変化するまでにかかった時間ｔｈをそれぞれ測定する。時間計測部１５で得られた測定値である時間ｔｌおよび時間ｔｈの情報は、位置検出部１６ａの比較部１７へ入力される。

次に、第３工程について説明する。比較部１７では、それぞれの測定値を第１テーブル２０ａおよび第２テーブル２１ａと比較しエアギャップｘを、即ち可動子６の位置を求める。

次に、第３工程における位置検出部１６ａでの可動子６の位置の求め方について説明する。図５は、この発明の実施の形態１における電磁アクチュエータ２におけるエアギャップｘが固定時のコイル５に流れる電流とコイル５のインダクタンスＬの関係を示す図である。図５において、横軸はコイル５に流れる電流を示し、縦軸はコイル５のインダクタンスＬを示す。ｘ＝Ｐａ＝０における電流とインダクタンスＬの関係を実線で示し、ｘ＝Ｐｃにおける電流とインダクタンスＬの関係を破線で示す。

ｘ＝Ｐａ＝０では、磁気飽和が生じるため、電流が大きくなるにつれてインダクタンスＬは小さくなって行く。しかし、ｘ＝Ｐｃでは、磁気飽和は生じないため、電流によらずインダクタンスＬは一定である。

つまり、磁気飽和が生じているｘ＝Ｐａ＝０では、コイル５に矩形波電圧を印加した場合のコイル５に流れる電流の立ち上がりにおける時定数は、電流の値によって刻々と変化していく。その一方で、磁気飽和が生じないｘ＝Ｐｃでは、電流は一定の時定数で立ち上がることとなる。

図６は、この発明の実施の形態１におけるコイル５に矩形波電圧を印加した場合のコイル５に流れる電流波形を示す図である。図６において、横軸はコイル５に矩形波電圧を印加してからの時間を示し、縦軸はコイル５に流れる電流の矩形波電圧を印加してからの変化量を示す。ｘ＝Ｐａ＝０における電流波形を実線で示し、ｘ＝Ｐｃにおける電流波形を破線で示す。

上述のように、磁気飽和が生じているｘ＝Ｐａ＝０では、電流の立ち上がりにおける時定数は、電流の値によって刻々と変化するが、磁気飽和が生じないｘ＝Ｐｃでは、時定数は一定である。このため、図６に示すように、ｘ＝Ｐｃのときの電流がΔｉｈ変化するまでにかかった時間ｔｈ１と、ｘ＝Ｐａのときの電流がΔｉｈ変化するまでにかかった時間ｔｈ２が等しい、即ち平均のインダクタンスＬが等しかったとしても、両者の電流の立ち上がり波形全体としては一致しない。

よって、ｘ＝Ｐｃのときの電流がΔｉｌ変化するまでにかかった時間ｔｌ１と、ｘ＝Ｐａのときの電流がΔｉｌ変化するまでにかかった時間ｔｌ２は両者で一致しない。逆に、ｔｌ１＝ｔｌ２であってもｔｈ１とｔｈ２は一致しない。このことを利用して、測定値ｔｈおよびｔｌと、第１テーブル２０ａおよび第２テーブル２１ａとを比較することにより、インダクタンスＬが等しいｘ＝Ｐａ＝０とｘ＝Ｐｃとを判別することができる。

図７は、この発明の実施の形態１における時間計測部１５での測定値とエアギャップｘとの関係を示すテーブルを示す図であり、（ａ）は第１テーブル２０ａを示す図、（ｂ）は第２テーブル２１ａを示す図である。（ａ）、（ｂ）において横軸はエアギャップｘを示し、（ａ）において縦軸は電流がΔｉｈ変化するまでにかかった時間ｔｈ、（ｂ）において縦軸は電流がΔｉｌ変化するまでにかかった時間ｔｌを示す。

ここで、ｔｈ＝ｔｈａである場合を考える。比較部１７において、時間計測部１５での測定値ｔｈａと、図７（ａ）に示す第１テーブル２０ａとを比較することにより、可動子６がｘ＝Ｐａ＝０またはｘ＝Ｐｃに存在することが分かる。

ここで、ｔｌ＝ｔｌａである場合は、比較部１７において、測定値ｔｌａと、図７（ｂ）に示す第２テーブル２１ａとを比較することにより、可動子６がｘ＝Ｐａ＝０またはｘ＝Ｐｄに存在することが分かる。

よって、測定値ｔｈａと第１テーブル２０ａとの比較、測定値ｔｌａと第２テーブル２１ａとの比較の結果から、可動子６がｘ＝Ｐａに存在することが分かる。

ｔｌ＝ｔｌｃである場合は、測定値ｔｌｃと、図７（ｂ）に示す第２テーブル２１ａとを比較することにより、可動子６がｘ＝Ｐｃに存在することが分かる。

この発明の実施の形態１では、以上のような構成としたことにより、磁気飽和が生じることによってコイル５のインダクタンスＬが等しく可動子６とステータ１１の底とのエアギャップｘが異なる２点が存在しても、これら２点を判別可能となり、可動子６の位置を一意に判定することができる。また、可動子６を一定の位置に保持したままで可動子６の位置を検出できるため、たとえ何らかのノイズの影響によって位置を検出できなかった場合でも、何度でも繰り返し検出を試みることができるので、検出の信頼性が向上する。さらに、測定値として時間ｔｌおよびｔｈを測定するだけでよいので、複雑な構成を必要とせず、容易に可動子６の位置を検出することができる。

尚、この発明の実施の形態１では、電流変化量をあらかじめ２つの値を規定し、コイル５の電流の立ち上がりの間に、その２つの値に対応する時間をそれぞれ時間計測部１５によって測定した。しかし、あらかじめ規定する電流変化量の数は２つに限ることはなく、より多くの値を規定して、それぞれに対応する時間を測定してもよい。より多くの測定値を得ることによって信頼性が向上する。より多くの測定値を得る場合は、それぞれに対応するテーブルもさらに備えておく必要がある。

また、この発明の実施の形態１では、変動電圧印加時のコイル５の電流の立ち上がりの間に測定を行った。しかし、コイル５の電流の立ち下がりの間に測定を行ってもよい。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２における位置検出装置１ｂの構成を示すブロック図である。図８において、図３と同じ符号を付けたものは、同一または相当の構成を示しており、その説明を省略する。この発明の実施の形態１とは、第２工程において時間計測部１５からの信号によって電流検出部１２がコイル５に流れる電流を測定する点、位置検出部１６ｂが、電流検出部１２での測定値とエアギャップｘとの関係をインダクタンスＬを介して関係付けた第１テーブル２０ｂおよび第２テーブル２１ｂを備えた構成が相違している。

次に、このような構成の位置検出装置１ｂの動作について説明する。第１工程において図４（ａ）に示す矩形波電圧をコイル５に印加すると、コイル５に流れる電流には、図４（ｂ）に示すように、インダクタンスＬと抵抗によって決まる時定数に応じた立ち上がりが生じる。

次に、第２工程について説明する。時間計測部１５は、矩形波電圧を印加したという信号を電源７から受けると時間計測を開始し、あらかじめ規定した時間ｔｌ、ｔｈだけ時間が経過すると電流検出部１２へ信号をそれぞれ出力する。

電流検出部１２は、時間計測部１５からの信号を受けたときにコイル５に流れる電流の測定を行う。即ち、電流検出部１２では、時間ｔｌの間の電流変化量Δｉｌと、時間ｔｈの間の電流変化量Δｉｈをそれぞれ測定する。

次に、第３工程について説明する。電流検出部１２で得られた測定値である電流変化量ΔｉｌおよびΔｉｈの情報は、位置検出部１６ｂの比較部１７へ入力される。比較部１７では、それぞれの測定値を第１テーブル２０ｂおよび第２テーブル２１ｂと比較し、エアギャップｘを、即ち可動子６の位置を求める。

この発明の実施の形態２では、以上のような構成としたことにより、磁気飽和が生じることによってコイル５のインダクタンスＬが等しく可動子６とステータ１１の底とのエアギャップｘが異なる２点が存在しても、これら２点を判別可能となり、可動子６の位置を一意に判定することができる。また、可動子６を一定の位置に保持したままで可動子６の位置を検出できるため、たとえ何らかのノイズの影響によって位置を検出できなかった場合でも、何度でも繰り返し検出を試みることができ、検出の信頼性が向上する。さらに、測定値として電流変化量ΔｉｌおよびΔｉｈを測定するだけでよいので、複雑な構成を必要とせず、容易に可動子６の位置を検出することができる。

実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３における位置検出装置１ｃの構成を示すブロック図である。図９において、図３と同じ符号を付けたものは、同一または相当の構成を示しており、その説明を省略する。この発明の実施の形態１とは、位置検出部１６ｃにコイルモデル２５を備え、第２テーブル２１ａを省略した構成が相違している。

次に、このような構成の位置検出装置１ｃの動作について説明する。ここでは、可動子６が図２におけるｘ＝Ｐａ＝０とｘ＝Ｐｃのいずれかに存在するときに、可動子６の位置を求める場合について説明する。図１０は、この発明の実施の形態３におけるコイル５に矩形波電圧を印加した場合の電圧と電流の波形を示す図であり、（ａ）はコイル５に印加される電圧波形を示す図、（ｂ）はコイル５に流れる電流波形を示す図、（ｃ）はコイルモデル２５から得られる参照電流波形を示す図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において横軸は時間を示し、（ａ）において縦軸は電圧、（ｂ）において縦軸は電流、（ｃ）において縦軸は参照電流を示す。

第１工程において、図１０（ａ）に示す矩形波電圧をコイル５に印加すると、コイル５に流れる電流には図１０（ｂ）に示すように、インダクタンスＬと抵抗によって決まる時定数に応じた立ち上がりが生じる。

次に、第２工程について説明する。電流検出部１２では、コイル５に流れる電流を検出し、その電流値が、矩形波電圧印加時から、あらかじめ規定した電流変化量Δｉｌ、Δｉｈだけ変化したときに時間計測部１５へ信号を出力する。

時間計測部１５では、電流検出部１２からの信号を受けて、電流がΔｉｌ変化するまでにかかった時間ｔｌと、Δｉｈ変化するまでにかかった時間ｔｈをそれぞれ測定する。時間計測部１５で得られた測定値である時間ｔｌおよび時間ｔｈの情報は、位置検出部１６ｃの比較部１７へ入力される。

次に、第３工程について説明する。比較部１７では、それぞれの測定値を第１テーブル２０ａおよび図１０（ｃ）に示すコイルモデル２５から得られる参照電流と比較して可動子６の位置を求める。

次に、第３工程における位置検出部１６ｃでの可動子６の位置の求め方について説明する。

まず、コイルモデル２５について説明する。コイルの回路方程式は、コイルに印加する電圧をＥ、コイルの抵抗をＲ、コイルに流れる電流をｉ、コイルのインダクタンスをＬとすると、一般的に次の数１で表せる。

コイルモデル２５としては、数１から得られるコイルの印加する電圧Ｅからコイルに流れる電流ｉまでの伝達関数である次の数２を用いる。

このとき、抵抗Ｒとしては、矩形波電圧を印加する前のＤＣ電圧印加時の印加電圧と、そのときにコイル５に流れる電流から求めた値を用いる。

次に、数２においてインダクタンスＬとして用いる値の決め方について説明する。時間計測部１５で得られた測定値である、電流がΔｉｈ変化するまでにかかった時間ｔｈ＝ｔｈａを比較部１７において図７（ａ）に示す第１テーブル２０ａと比較することにより、可動子６がｘ＝Ｐａ＝０またはｘ＝Ｐｃに存在することが分かる。

比較部１７は、得られた２点、ｘ＝Ｐａ＝０とｘ＝Ｐｃのうち、磁気飽和を生じていないｘ＝Ｐｃに可動子６が存在する場合のインダクタンスＬの情報をコイルモデル２５へ出力する。これは、磁気飽和を生じていないためにインダクタンスＬに電流依存性がなく一定であるからである。

コイルモデル２５では、比較部１７から出力されたインダクタンスＬの情報を受け取り、このインダクタンスＬの値を採用する。

このようにしてインダクタンスＬを決定したコイルモデル２５からは、図１０（ｃ）に示すような参照電流波形が得られる。そして、コイルモデル２５は、この参照電流がΔｉｌ変化するまでにかかった時間ｔｒｌと、Δｉｈ変化するまでにかかった時間ｔｒｈをそれぞれ比較部１７へ出力する。

図１１は、この発明の実施の形態３におけるコイル５に流れる電流波形とコイルモデル２５から得られる参照電流波形を示す図であり、（ａ）はｘ＝Ｐａ＝０に可動子６が存在する場合を示す図、（ｂ）はｘ＝Ｐｃに可動子６が存在する場合を示す図である。（ａ）、（ｂ）において横軸は時間を示し、縦軸は電流変化量を示す。コイル５に流れる電流波形を実線で示し、コイルモデル２５から得られる参照電流波形を破線で示す。

磁気飽和が生じているｘ＝Ｐａ＝０では、電流の立ち上がりにおける時定数は、電流の値によって刻々と変化するが、磁気飽和が生じないｘ＝Ｐｃでは、時定数は一定である。コイルモデル２５のインダクタンスＬは、ｘ＝Ｐｃに可動子６が存在する場合のコイル５のインダクタンスＬと等しくなるように設定されているため、図１１（ａ）に示すように、ｘ＝Ｐａ＝０に可動子６が存在する場合は、コイル５に流れる電流波形とコイルモデル２５から得られる参照電流波形は一致しない。即ち、コイル５に流れる電流がΔｉｈ変化するまでにかかった時間ｔｈと、コイルモデル２５から得られる参照電流がΔｉｈ変化するまでにかかった時間ｔｒｈは一致するが、コイル５に流れる電流がΔｉｌ変化するまでにかかった時間ｔｌと、コイルモデル２５から得られる参照電流がΔｉｌ変化するまでにかかった時間ｔｒｌは一致しない。

一方、図１１（ｂ）に示すように、ｘ＝Ｐｃに可動子６が存在する場合は、コイル５に流れる電流波形とコイルモデル２５から得られる参照電流波形は一致する。即ち、ｔｈ＝ｔｒｈ、ｔｌ＝ｔｒｌとなる。

よって、比較部１７において、ｔｈとｔｒｈ、ｔｌとｔｒｌを比較することにより、エアギャップｘ、即ち可動子６の位置を求めることができる。

この発明の実施の形態３では、以上のような構成としたことにより、コイルモデル２５で使用するコイルの抵抗Ｒとして、位置検出装置１ｃの動作前に実際に計測した値を適用することができ、環境変化や経年変化にも対応することができる。

実施の形態４．
図１２は、この発明の実施の形態４における位置検出装置１ｄの構成を示すブロック図である。図１２において、図３と同じ符号を付けたものは、同一または相当の構成を示しており、その説明を省略する。この発明の実施の形態１とは、第２工程において矩形波電圧印加時のコイル５に流れる電流の立ち上がりと立ち下がりの両方において測定を行う点、第２テーブル２１ａを省略した構成が相違している。

次に、このような構成の位置検出装置１ｄの動作について説明する。ここでは、可動子６が図２におけるｘ＝Ｐａ＝０とｘ＝Ｐｃのいずれかに存在するときに、可動子６の位置を求める場合について説明する。

図１３は、この発明の実施の形態４におけるコイル５に矩形波電圧を印加した場合の電圧と電流の波形を示す図であり、（ａ）はコイル５に印加される電圧波形を示す図、（ｂ）はコイル５に流れる電流波形を示す図、（ｃ）はコイル５に流れる電流の立ち上がり波形を示す図、（ｄ）はコイル５に流れる電流の立ち下がり波形を反転して示す図である。（ａ）〜（ｄ）において横軸は時間を示し、（ａ）において縦軸は電圧、（ｂ）〜（ｄ）において縦軸は電流を示す。

第１工程において、図１３（ａ）に示す矩形波電圧をコイル５に印加すると、コイル５に流れる電流は図１３（ｂ）に示すように、インダクタンスＬと抵抗によって決まる時定数に応じた立ち上がりと立ち下がりが生じる。

次に、第２工程について説明する。電流検出部１２では、コイル５に流れる電流を検出し、その電流値が、矩形波電圧印加時から、あらかじめ規定した電流変化量Δｉｌ、Δｉｈだけ変化したときに時間計測部１５へ信号を出力する。さらに、コイル５に流れる電流の立ち下がり開始時から、その電流値があらかじめ規定した電流変化量Δｉｌ、Δｉｈだけ変化したときに時間計測部１５へ信号を出力する。

時間計測部１５では、電流検出部１２からの信号を受けて、コイル５に流れる電流の立ち上がりにおいて、電流がΔｉｌ変化するまでにかかった時間ｔｕｌと、Δｉｈ変化するまでにかかった時間ｔｕｈをそれぞれ測定する。さらに、コイル５に流れる電流の立ち下がりにおいて、電流がΔｉｌ変化するまでにかかった時間ｔｄｌと、Δｉｈ変化するまでにかかった時間ｔｄｈをそれぞれ測定する。時間計測部１５で得られた測定値である時間ｔｕｌおよび時間ｔｕｈ、時間ｔｄｌおよび時間ｔｄｈの情報は、位置検出部１６ｄの比較部１７へ入力される。

第３工程において、比較部１７では、測定値と第１テーブル２０ａ、測定値同士を比較して可動子６の位置を求める。

次に、第３工程における、位置検出部１６ｄでの可動子６の位置の求め方について説明する。時間計測部１５で得られた測定値である、立ち上がり時において電流がΔｉｈ変化するまでにかかった時間ｔｕｈ＝ｔｈａを比較部１７において図７（ａ）に示す第１テーブル２０ａと比較することにより、可動子６がｘ＝Ｐａ＝０またはｘ＝Ｐｃに存在することが分かる。

図１４は、この発明の実施の形態４におけるコイル５に流れる電流の立ち上がり波形と立ち下がり波形を示す図であり、（ａ）はｘ＝Ｐａ＝０に可動子６が存在する場合を示す図、（ｂ）はｘ＝Ｐｃに可動子６が存在する場合を示す図である。（ａ）、（ｂ）において横軸は時間を示し、縦軸は電流変化量を示す。立ち上がり波形を実線で示し、立ち下がり波形を破線で示す。

磁気飽和が生じているｘ＝Ｐａ＝０では、図５に示すように、流れる電流が増加するに従ってコイル５のインダクタンスＬは減少していく。よって、立ち上がりにおけるインダクタンスＬは、電流の増加に従って減少していくが、立ち下がりにおけるインダクタンスＬは、電流の減少に従って増加していく。つまり、立ち上がり時と立ち下がり時ではインダクタンスＬの変化が異なるため、図１４（ａ）に示すように、立ち上がり波形と立ち下がり波形とは一致しない。このため、たとえｔｕｈ＝ｔｄｈであってもｔｕｌとｔｄｌは一致せず、ｔｕｌ＝ｔｄｌであってもｔｕｈとｔｄｈは一致しない。

一方、図１４（ｂ）に示すように、ｘ＝Ｐｃに可動子６が存在する場合は、磁気飽和が生じていないためインダクタンスＬは一定であり、立ち上がり波形と立ち下がり波形は一致する。即ち、ｔｕｈ＝ｔｄｈ、ｔｕｌ＝ｔｄｌとなる。

このように、比較部１７においてｔｕｈとｔｄｈ、ｔｕｌとｔｄｌを比較することにより、磁気飽和が生じているか否かを判別することができる。よって、この比較結果と、ｔｕｈと第１テーブル２０ａとの比較結果から、エアギャップｘ、即ち可動子６の位置を求めることができる。

この発明の実施の形態４では、以上のような構成としたことにより、測定値とエアギャップｘとの関係を示すテーブルを複数必要とせず第１テーブル２０ａのみでよく、コイルモデル２５も必要としない。よって、簡易な構成で、磁気飽和が生じる場合であっても可動子６の位置を一意に判定することができる。

尚、この発明の実施の形態４では、立ち上がり時において電流がΔｉｈ変化するまでにかかった時間ｔｕｈを第１テーブル２０ａと比較することにより、可動子６がｘ＝Ｐａ＝０またはｘ＝Ｐｃに存在することを求めた。しかし、これに限ることはなく、他の測定値であるｔｕｌ、ｔｄｈ、ｔｄｌを用いてもよい。他の測定値を用いる場合は、用いる測定値に対応するテーブルを備えておけばよい。

以上、この発明の実施の形態１〜４について説明した。これらの、この発明の実施の形態１〜４で説明した構成は互いに組合せることができる。

１ａ〜１ｄ 位置検出装置
２ 電磁アクチュエータ
５ コイル
６ 可動子
７ 電源
１２ 電流検出部
１５ 時間計測部
１６ａ〜１６ｄ 位置検出部
２０ａ、２０ｂ 第１テーブル
２１ａ、２１ｂ 第２テーブル
２５ コイルモデル

Claims (10)

1. コイルと可動子とを備えた電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法であって、
   前記コイルに変動電圧を印加する第１工程と、
   前記変動電圧の印加によって生じる前記コイルに流れる電流の立ち上がりまたは立ち下がりの状態を、前記立ち上がりまたは前記立ち下がりの間に複数回測定を行う第２工程と、
   前記第２工程で得られた複数の測定値と、基準となる測定値または計算値とをそれぞれ比較して前記可動子の位置を求める第３工程と、
   を備えた電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法。
2. 第２工程では、コイルに流れる電流の立ち上がりまたは立ち下がりが始まってから電流値が所定量だけ変化するまでにかかる時間を、複数の前記所定量についてそれぞれ測定することを特徴とする請求項１記載の電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法。
3. 第２工程では、コイルに流れる電流の立ち上がりまたは立ち下がりが始まってから所定時間経過後までの電流変化量を、複数の前記所定時間経過後についてそれぞれ測定することを特徴とする請求項１記載の電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法。
4. 第３工程において基準となる測定値は、第２工程で得られた測定値と可動子の位置との関係を示した複数のテーブルを形成していることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法。
5. 第３工程において基準となる計算値は、所定位置に可動子が存在する場合のコイルのインダクタンスと同じインダクタンスに設定されたコイルモデルにおいて、第１工程と第２工程と同様の条件で得られた複数の計算値であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法。
6. 第２工程では、コイルに流れる電流の立ち上がりと立ち下がりの両方について測定を行い、
   第３工程において比較を行う複数の測定値は、前記立ち上がりの間に得られた複数の測定値または前記立ち下がりの間に得られた複数の測定値であり、基準となる測定値は、前記立ち上がりの間に得られた測定値または前記立ち下がりの間に得られた測定値と可動子の位置との関係を示した少なくとも１つのテーブルと、前記立ち下がりの間に得られた複数の測定値または前記立ち上がりの間に得られた複数の測定値であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータの可動子の位置検出方法。
7. コイルと可動子とを備えた電磁アクチュエータの可動子の位置検出装置であって、
   前記コイルに変動電圧を印加する電源と、
   前記コイルに流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記変動電圧の印加によって生じる前記コイルに流れる電流の立ち上がりまたは立ち下がりが始まってからの時間を計測する時間計測部と、
   前記電流検出部または前記時間計測部で得られた複数の測定値と、基準となる測定値または計算値とを比較して前記可動子の位置を求める位置検出部と、
   を備えた電磁アクチュエータの可動子の位置検出装置。
8. 位置検出部は、電流検出部または時間計測部で得られた測定値と可動子の位置との関係を示す複数のテーブルを備え、複数の前記測定値と前記複数のテーブルとを比較することにより可動子の位置を求めることを特徴とする請求項７記載の電磁アクチュエータの可動子の位置検出装置。
9. 位置検出部は、所定位置に可動子が存在する場合のコイルのインダクタンスと同じインダクタンスに設定されたコイルモデルを備え、電流検出部または時間計測部で得られた複数の測定値と前記コイルモデルから得られた複数の計算値とを比較することにより可動子の位置を求めることを特徴とする請求項７記載の電磁アクチュエータの可動子の位置検出装置。
10. 位置検出部は、電流検出部または時間計測部で、コイルに流れる電流の立ち上がりの間に得られた測定値または立ち下がりの間に得られた測定値と可動子の位置との関係を示す少なくとも１つのテーブルを備え、前記測定値と前記テーブルとを比較し、前記立ち上がりの間に得られた複数の測定値と前記立ち下がりの間に得られた複数の測定値とを比較することにより可動子の位置を求めることを特徴とする請求項７記載の電磁アクチュエータの可動子の位置検出装置。

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