专利名称：致动器的位置检测设备和内燃机的可变气门升降机构的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及用于致动器的位置检测设备和包括此位置检测设备的用于内燃机的可变气门升降机构。更具体而言，本发明涉及用于将旋转移动转换成直线运动并且输出该直线运动的致动器的位置检测设备，和包括此位置检测设备的用于内燃机的可变气门升降机构。
背景技术：
对于用于致动器的位置检测设备，例如日本专利申请公开No.JP(A)2004-48875公开了一种用于电机驱动系统的异常检测设备，其可以利用简单的构造检测传感器的异常。在日本专利申请公开No.JP(A)2004-48875中公开的电机驱动系统包括驱动轴，此驱动轴通过多个齿轮和滚珠丝杠立即到电机的输出轴，并且其响应于输出轴的旋转而直线运动。在电机驱动系统中，设置有检测驱动轴在轴向方向上的位移量的位移量传感器。
此外，日本专利申请公开No.JP(A)2002-213219公开了一种用于内燃机的可变气门驱动设备，其构造成增大电动机的有效期限。此外，日本专利申请公开No.JP(A)2002-206423公开了一种用于内燃机的进气控制设备，其构造成抑制电动机温度的提供，并且在进气量的控制中维持高水平的响应。
在日本专利申请公开No.JP(A)2004-48875中公开的用于电机驱动系统的异常检测设备中，由位移量传感器检测到的驱动轴的实际位移量与由发动机的电子控制单元计算的驱动轴的目标位移量进行比较，并且进行对驱动轴的位移量的反馈控制，使得实际位移量变得等于目标位移量。
但是，当这样的位移量传感器被用来控制电机驱动系统时，需要新提供转用于该传感器的部件，例如其位置由传感器检测的部件。所以，部件的数量增大，并且设备的制造成本提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于致动器的位置检测设备和用于内燃机的可变气门升降机构，其使得可以减小部件的数量和制造成本。
本发明的一个方面涉及一种用于致动器的位置检测设备。此用于致动器的位置检测设备包括其中设置有磁体的转子；线圈，其被设置成面对所述磁体使得在所述线圈和所述磁体之间形成磁场；和通过将旋转运动转换成直线运动的运动转换机构连接到所述转子并且响应于所述转子(25)的旋转运动而直线运动的轴，所述旋转运动通过对所述线圈通电而产生；和传感器部分，其检测所述磁体的磁通量的变化，所述变化由所述转子的所述旋转运动产生。所述传感器部分基于所述检测到的所述磁通量的变化来获取所述轴的直线运动的量。
在如此构造的用于致动器的位置检测设备中，基于转子的旋转运动的量直接获取轴的直线运动的量，由此检测轴的位置。使用磁体来获取转子的旋转运动的量，该磁体被设置成使得在磁体和通电线圈之间形成磁场并且转子被旋转。由此，根据本发明，不需要新提供用于直接检测轴的运动量的传感器，或者其位置被传感器检测的部件。所以，可以减小部件的数量和位置检测设备的制造成本。
所述线圈和所述磁体可以在从靠近所述传感器部分的位置到远离所述传感器部分的位置的预定方向上延伸，并且与靠近所述线圈在所述预定方向上的中心位置相比所述传感器部分更靠近所述磁体在所述预定方向上的中心位置。在如此构造的用于致动器的位置检测设备中，磁体被设置成靠近检测器部分。所以，可以以高精确度检测磁体的磁通量的变化。
此外，所述线圈和所述磁体可以在所述轴运动的第一方向上延伸，并且与靠近所述线圈在所述第一方向上的中心位置相比所述传感器部分更靠近所述磁体在所述第一方向上的中心位置。
此外，所述磁体可以被埋入所述转子中以在所述转子的一侧上被暴露，所述一侧面对所述传感器部分。在如此构造的用于致动器的位置检测设备中，磁体和传感器部分之间没有阻隔。所以可以以高精确度检测磁体的磁通量的变化。
此外，当所述转子被旋转时，单位时间内设置有所述磁体的位置的运动量大于单位时间内所述轴的运动量。在如此构造的用于致动器的位置检测设备中，因为被移动达相对很大程度的磁体的磁通量密度被检测，所以与直接测量轴的运动量的情况相比，可以精确地进行位置检测。此外，因为不需要检测轴的小运动量，可以在不使用具有优良精度的传感器的情况下进行期望的位置检测。由此，可以降低传感器部分的成本。
此外，所述运动转换机构可以是滚珠丝杠和进给丝杠之一。利用如此构造的用于致动器的位置检测设备，可以容易地使用简单紧凑的机构实现大的减速比。此外，因为可以将齿隙的影响减小到相对很小，可以提高位置检测的精确度。
此外，所述磁体可以具有条形形状，所述传感器部分可以与所述磁体分开，并且所述传感器部分可以设置成当所述转子旋转时面对所述磁体。因为传感器部分设置成当所述转子旋转时面对所述磁体，传感器部分可以尽可能靠近磁体。所以，传感器部分可以精确度测量磁体的磁通量的变化。
根据本发明的一种用于内燃机的可变气门升降机构包括上述用于致动器的所述位置检测设备之一。在如此构造的用于内燃机的可变气门升降机构中，可以使用少量部件精确地控制气门升程。
如上所述，根据本发明，可以提供用于致动器的位置检测设备和用于内燃机的可变气门升降机构，其使得可以减小部件的数量和制造成本。
从通过参照附图对优选实施例的以下说明，本发明的上述和其他目的、特性和优点将变得清楚，附图中相似的标号被用来表示相似的元件并且其中图1是示出其中使用根据本发明实施例的位置检测设备的可变气门升降机构的主视图；图2是部分示出图1中可变气门升降机构的立体图；
图3是示出根据本发明实施例用于电机致动器的位置检测设备的剖视图；图4是沿着图3中线IV-IV所取的示出直线运动机构螺母的主视图；图5是沿着图3中线V-V所取的示出导电条壳体的主视图；图6是示出图3所示用于电机致动器的位置检测设备的控制系统的示意图；和图7是示出由图6中ECU所执行操作的逻辑概要的解释图。
具体实施例方式
下面将参照
本发明的实施例。
图1是示出其中使用根据本发明实施例的位置检测设备的可变气门升降机构的主视图。图2是部分示出图1中可变气门升降机构的立体图。在图2中，可变气门升降机构的一部分被除去使得内部结构清楚地表示出来。如图1和图2所示，可变气门升降机构100改变内燃机的气门(在此实施例中为进气门)的气门升程。在图1和图2中电机致动器连接到驱动轴20的末端，虽然在图1和图2中电机致动器未示出。根据此实施例的位置检测设备设置在电机致动器中。
可变气门升降机构100设置在内燃机的缸盖中。在缸盖中，设置有凸轮轴102、摇臂106和进气门101。在凸轮轴102上形成凸轮103。摇臂106被支撑使得摇臂106可以摆动。进气门101根据摇臂106的摆动运动被打开/关闭。可变气门升降机构100包括驱动轴20、支撑管108、输入臂104和摆动凸轮105。驱动轴20在一个方向上延伸。支撑管108覆盖驱动轴20的外周表面。输入臂104和摆动凸轮105形成在支撑管108的外周表面上，并且布置成与驱动轴20的轴线方向平行。
在此内燃机中，为每个气缸设置一对进气门101和一对摇臂106。该对进气门101被一个凸轮103打开/关闭。在可变气门升降机构100中，一个输入臂被设置为与为每个气缸设置的一个凸轮103相对应。两个摆动凸轮105设置在输入臂104的两侧上使得两个摆动凸轮105中的每一个与为每个气缸设置的该对进气门101中的每一个相对应。
支撑管108被形成为具有中空圆筒形状。支撑管108与凸轮轴102平行地布置。支撑管108被固定到缸盖上使得防止支撑管108在轴线方向上运动或者被旋转。驱动轴20插入被插入支撑管108中以在驱动轴20的轴线方向上可滑动。输入臂104和两个摆动凸轮105被设置在支撑管108的外周表面上，使得输入臂104和摆动凸轮105可以绕驱动轴20的中心摆动，并且不在驱动轴20的轴线方向上运动。
输入臂104包括向外突出的臂部分104a，和可旋转地连接到臂部分104a的末端的滚子部分104b。输入臂104定位成滚子部分104b可以接触凸轮103。
摆动凸轮105包括向外突出并且基本上为三角形的突起部分。在突起部分的一侧(在图2中突起部分的下侧)中形成被弯曲以具有凹入形状的凸轮表面105b。在进气门101中设置气门弹簧。通过气门弹簧的作用力，可旋转地装配到摇臂106的滚子106a被压靠在凸轮表面105b上。
输入臂104和摆动凸轮105绕着驱动轴102的中心一体地摆动。所以，当凸轮轴102旋转时，与凸轮103接触的输入臂104摆动。摆动凸轮105也与输入臂104的运动相关联地摆动。摆动凸轮105的运动通过摇臂106被传递到进气门101，由此进气门101被打开/关闭。
可变气门升降机构100还包括改变输入臂104和摆动凸轮104之间的相对相位差的机构。使用此机构来恰当地改变进气门101的气门升程。也就是说，当输入臂104和摆动凸轮104之间的相对相位差增大时，摇臂106的摆动角响应于此相对相位差的增大而增大。结果，进气门101的气门升程增大。当输入臂104和摆动凸轮105之间的相对相位差减小时，摇臂106的摆动角响应于此相对相位差的减小而减小。结果，进气门101的气门升程减小。
下面，将更详细地说明改变上述相对相位差的机构。具体而言，如图2所示，滑动齿轮107容纳在输入臂104和两个摆动凸轮105以及支撑管108的外周表面之间的空间中。滑动齿轮107被支撑管108支撑，使得可旋转并在轴线方向上可滑动。
在滑动齿轮107中，螺旋齿轮107b设置在滑动齿轮107的轴线方向上的中间位置处。螺旋齿轮107b是用作螺旋花键的右向螺旋齿轮。此外，在滑动齿轮107中，在螺旋齿轮107b的两侧上设置螺旋齿轮107c。每个螺旋齿轮107c是用作螺旋花键的左向螺旋齿轮。
同时，在输入臂104和两个摆动凸轮105的表面上形成与杠杆螺旋齿轮107b和107c相对应的螺旋花键，该表面界定出容纳滑动齿轮107的空间。也就是说，在输入臂104中形成右向螺旋花键，并且此螺旋花键与螺旋齿轮107b啮合。而且，在每个摆动凸轮105中形成左向螺旋花键，并且此螺旋花键与螺旋齿轮107c的每一个啮合。
此外，在滑动齿轮107中，在螺旋齿轮107c之一和螺旋齿轮107b之间形成长孔107a。长孔107a在圆周方向上延伸。此外，在支撑管108中形成场108a。长孔108a在轴向方向上延伸以与长孔107a的一部分重叠。在被插入支撑管108中的驱动轴20上一体地形成保持销20a。保持销20a通过两个长孔107a和108a彼此重叠的部分突出。
当驱动轴20在其轴线方向上运动时，滑动齿轮107被保持销20a推动。所以，螺旋齿轮107b和107c同时在驱动轴20的轴线方向上运动。当螺旋齿轮107b和107c以此方式运动时，通过螺旋花键与螺旋齿轮107b和107c啮合的输入臂104和摆动凸轮105绕着驱动轴20的中心摆动，因为输入臂104和摆动凸轮105不在轴线方向上运动。此时，因为在输入臂104中形成的螺旋花键的方向与在每个摆动凸轮105中形成的螺旋花键的方向相反，所以输入臂104在与摆动凸轮105摆动的方向相反的方向上摆动。由此，改变了输入臂104和摆动凸轮105之间的相对相位差。结果，进气门101的气门升程被如上所述地改变。
图3是示出根据本发明实施例用于电机致动器的位置检测设备的剖视图。如图3所示，电机致动器10被设置在驱动轴20的末端侧以在其轴线方向上(即，在箭头41所示的方向上)直线移动驱动轴20。电机致动器10包括驱动轴20；直线运动机构螺母25，其通过滚珠丝杠30连接到驱动轴20并且其设置成可绕驱动轴20的中心旋转；和线圈23，其绕着直线运动机构螺母25设置并且其构成定子组件。电机致动器10还包括设置在直线运动机构螺母25中的磁体24；和检测磁体24的磁通量变换的磁通量检测转角传感器28，该变换是由直线运动机构螺母25的旋转造成的。
在驱动轴20的末端侧设置有座套19和框架21。轴承22n装配到座套19。轴承22m装配到框架21，并且框架21固定到座套19。直线运动机构螺母25被设置成在其两端由轴承22m和22n支撑的同时可绕驱动轴20旋转。直线运动机构螺母25被形成为具有圆筒形状。直线运动机构螺母25包括内周表面25b，和位于内周表面25b的相反侧上的外周表面25a。驱动轴20被插入直线运动机构螺母25中。内周表面25b面对驱动轴20的外周表面。线圈23具有环形形状，并且被设置在直线运动机构螺母25周围使得在线圈23和外周表面25a之间形成间隔。连接器26被装配到座套29的外周表面。
在直线运动机构螺母25的内周表面25b上形成螺旋形状的凹槽33。在驱动轴20的面对内周表而25b的外周表面上形成螺旋形状的凹槽31。在直线运动机构螺母25的内周表面上形成的凹槽、在驱动轴20的外周表面上形成的凹槽和多个滚珠32构成滚珠丝杠30。利用此构造，当直线运动机构螺母25旋转时，直线运动机构螺母25的旋转运动通过滚珠丝杠30被传递到驱动轴20，并且驱动轴20在箭头41所示的预定方向上直线运动。
图4是沿着图3中线IV-IV所取的示出直线运动机构螺母的主视图。如图3和4所示，在直线运动机构螺母25中，多个磁体24相对于外周表面25a被埋在预定深度处。磁体24以预定角度的间隔设置在以驱动轴20的中心为其中心的预定节圆上。在此实施例中，十二个磁体24以30度的间隔被设置。多个磁体24被设置在外周表面25a的圆周方向上以面对线圈23。
图5是沿着图3中线V-V所取的示出导电条壳体的主视图。如图3和图5所示，由树脂制成的导电条壳体27在由座套29和框架21包围的空间中固定到座套29。具有环形形状的导电条壳体27被设置成面对线圈23。多个导电条44被装配到导电条壳体27。从线圈23延伸出来的电缆连接到导电条44。在每个导电条44的末端部分处设置电线连接部分46。从外部延伸来的电线被连接到电线连接部分46。电流通过此电线连接部分46被供应到线圈23。当电流被供应到线圈23时，在线圈23和磁体24之间产生磁场，并且直线运动机构螺母25被旋转。
由此，在此实施例中，电机基本上构造为内转子式无刷电机。此外，其中形成滚珠丝杠30的凹槽33的直线运动机构螺母25用作电机的转子。所以，可以减小电机致动器10的转动惯量(转动力矩)，并且提高其响应性。此外，可以减小部件的数量，并降低电机致动器10的制造成本。此外，仅通过改变滚珠丝杠的导程，就可以在其进气门的气门升程彼此不同的各种内燃机中采用此电机致动器10。
磁通量检测转角传感器28被压入在导电条壳体27中形成的装配孔42中。磁通量检测转角传感器28被构造成包括霍耳元件和磁阻元件(MRE)。用于检测磁通量的上述元件在面对直线运动机构螺母25的一侧上被设置在磁通量检测转角传感器28中。此外，用于检测磁通量的上述元件被设置成面对其上埋入磁体24的节圆部分。从磁通量检测转角传感器28延伸出的电缆36通过设置在导电条壳体27中的传感器端子37连接到从外部延伸来的信号线等。利用此构造，用于电机和传感器的电缆密集地连接到导电条壳体27。
每个磁体24具有条形形状，并且平行于驱动轴20的中心延伸。磁体24被埋入直线运动机构螺母25中，使得与靠近线圈23在磁体24延伸的方向上的中心位置相比，磁通量检测转角传感器28更靠近磁体24在相同方向上的中心位置。结果，磁体24在直线运动机构螺母25的侧表面25c处被暴露，该侧表面25c面对磁通量检测转角传感器28。在磁通量检测转角传感器28和磁体24之间没有阻隔。利用此构造，磁通量检测转角传感器28可以更精确地检测磁体24的磁通量的变化。此外，磁通量检测转角传感器28被设置成在直线运动机构螺母25被旋转时面对磁体24。由此，直线运动机构螺母25尽可能最接近磁体24。所以，直线运动机构螺母25可以精确地检测磁通量的变化。
图6是示出图3所示用于电机致动器的位置检测设备的控制系统的示意图。图7是示出由图6中ECU(发动机控制单元)所执行操作的逻辑概要的解释图。在图7中，涉及从磁通量检测转角传感器28接收信息的部分用双点划线61包围。如图6和图7所示，当磁通量检测转角传感器28检测到磁体24的磁通量的变化(其由直线运动机构螺母25的旋转所导致)时，基于磁通量变化的关于直线运动机构螺母25的工作角(转角)的信息和关于直线运动机构螺母25的相位的信息被传递到ECU(发动机控制单元)51。
ECU51基于使用传递来的信息，基于滚珠丝杠30的导程等来计算驱动轴20的直线运动的量。此外，ECU51基于直线运动的量来计算进气门101的实际气门升程。用于驱动电机的驱动电流的值被确定，使得计算的气门升程变得等于由发动机输出控制设备所指示的气门升程。用于驱动电机的驱动电流的值作为负载指令传递到电机驱动器52。基于此指令，预定的驱动电流从蓄电池64供应到线圈23。此外，ECU51向设置在蓄电池64和电机驱动器52之间的继电器53发出用于接通/断开继电器的继电器接通/断开指令。
因为在发动机工作时此控制被重复地执行，图1所示的进气门101的气门升程被不断地调节到最优值。
根据本发明实施例的用于电机致动器10的位置检测设备包括直线运动机构螺母25、线圈23、驱动轴20和磁通量检测转角传感器28。直线运动机构螺母25用作其中设置有磁体24的转子。线圈23被设置成面对磁体24使得在线圈23和磁体24之间形成磁场。驱动轴20用于通过滚珠丝杠30连接到直线运动机构螺母25并且响应于直线运动机构螺母25的旋转运动而直线运动的轴，滚珠丝杠30用作将旋转运动转换成直线运动的运动转换机构，通过对线圈23通电而产生旋转运动。磁通量检测转角传感器28用作传感器部分，其检测磁体24的磁通量的变化(此变化由直线运动机构螺母25的旋转而产生)，并且其基于检测到的磁通量变化获得驱动轴20的直线运动的量。
单位时间内设置有磁体24的位置的运动量大于单位时间内驱动轴20的运动量。在此实施例中，例如，在直线运动机构螺母25的转速是10rpm、滚珠丝杠30的导程是10mm而其上设置有磁体24的节圆的直径是50mm的情况下，1秒的单位时间内设置有磁体24的位置的运动量约为26.2mm，而1秒的单位时间内驱动轴20的运动量约为1.7mm。由此，磁通量检测转角传感器28检测设置在直线运动机构螺母25中的其运动量大于驱动轴20运动量的磁体24的磁通量变化，而非直接检测驱动轴20的运动量。所以，即使磁通量检测转角传感器28具有粗略的精度，也可以精确地进行位置检测。
在此实施例中，已经对根据本发明的位置检测设备被应用到内燃机的可变气门升降机构的情况进行了说明。但是，本发明不限于此情况。本发明可以被应用到将旋转运动转换成直线运动的各种致动器。此外，在此实施例中，采用了滚珠丝杠30用作运动转换机构。但是，本发明不限于此丝杠。例如，可以使用诸如梯形进给丝杠的进给丝杠或者其他机构。此外，其中使用根据本发明的位置检测设备的内燃机可以是汽油机或者柴油机。
在根据本发明实施例而如上构造的用于电机致动器10的位置检测设备和可变气门升降机构100中，使用磁体24检测驱动轴20的位置，磁体24被埋入用作转子的直线运动机构螺母25中，并且其与线圈23一起构成电机。所以，不需要新提供其他磁体、其他转子等来检测驱动轴20的位置。由此，可以减小电机驱动器10的部件数量。所以，可以降低可变气门升降机构100的制造成本。
由此，在此说明书中已经公开的本发明实施例应当在所有方面都被视为举例说明性的而非限制性的。本发明的技术范围由权利要求限定，并且在权利要求的等价方案的意义和范围内的所有变化因此都意欲被包括在其中。
权利要求
1.一种用于致动器的位置检测设备，其包括其中设置有磁体(24)的转子(25)；线圈(23)，其被设置成面对所述磁体(24)使得在所述线圈(23)和所述磁体(24)之间形成磁场；和通过将旋转运动转换成直线运动的运动转换机构(30)连接到所述转子(25)并且响应于所述转子(25)的旋转运动而直线运动的轴(20)，所述旋转运动通过对所述线圈(23)通电而产生，所述位置检测设备的特征在于包括传感器部分(28)，所述传感器部分(28)检测所述磁体(24)的磁通量的变化，所述变化由所述转子(25)的所述旋转运动产生，并且所述传感器部分(28)基于所述检测到的所述磁通量的变化来获取所述轴(20)的直线运动的量。
2.如权利要求1所述的位置检测设备，其中所述线圈(23)和所述磁体(24)在从靠近所述传感器部分(28)的位置到远离所述传感器部分(28)的位置的预定方向上延伸，并且与靠近所述线圈(23)在所述预定方向上的中心位置相比所述传感器部分(28)更靠近所述磁体(24)在所述预定方向上的中心位置。
3.如权利要求1所述的位置检测设备，其中所述线圈(23)和所述磁体(24)在所述轴(20)运动的第一方向上延伸，并且与靠近所述线圈(23)在所述第一方向上的中心位置相比所述传感器部分(28)更靠近所述磁体(24)在所述第一方向上的中心位置。
4.如权利要求1至3中任一项所述的位置检测设备，其中所述磁体(24)被埋入所述转子(25)中以在所述转子的一侧上被暴露，所述一侧面对所述传感器部分(28)。
5.如权利要求1至3中任一项所述的位置检测设备，其中当所述转子(25)被旋转时，单位时间内设置有所述磁体(24)的位置的运动量大于单位时间内所述轴(24)的运动量。
6.如权利要求1至3中任一项所述的位置检测设备，其中所述运动转换机构(30)是滚珠丝杠和进给丝杠之一。
7.如权利要求1至3中任一项所述的位置检测设备，其中所述磁体(24)具有条形形状，所述传感器部分(28)与所述磁体(24)分开，并且所述传感器部分(28)设置成当所述转子(25)旋转时面对所述磁体(24)。
8.一种用于内燃机的可变气门升降机构，其特征在于包括如权利要求1至3中任一项所述的所述位置检测设备。
全文摘要
本发明公开了一种用于致动器(10)的位置检测设备，其包括其中设置有磁体(24)的直线运动机构(25)；线圈(23)，其被设置成面对所述磁体(24)使得在所述线圈(23)和所述磁体(24)之间形成磁场；和通过滚珠丝杠(30)连接到所述直线运动机构(25)并且响应于所述直线运动机构(25)的旋转运动而直线运动的驱动轴(20)，所述旋转运动通过对所述线圈(23)通电而产生；和磁通量检测传感器(28)，所述磁通量检测传感器(28)检测所述磁体(24)的磁通量的变化，所述变化由所述直线运动机构(25)的所述旋转运动产生，并且所述磁通量检测传感器(28)基于所述检测到的所述磁通量的变化来获取所述驱动轴(20)的直线运动的量。
文档编号F01L1/34GK1699911SQ200510070820
公开日2005年11月23日 申请日期2005年5月19日 优先权日2004年5月21日
发明者木下靖朗 申请人:丰田自动车株式会社