JP2007046499A

JP2007046499A - 電磁駆動弁

Info

Publication number: JP2007046499A
Application number: JP2005229605A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Asano; 昌彦浅野; Yutaka Sugie; 豊杉江
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-08-08
Filing date: 2005-08-08
Publication date: 2007-02-22
Also published as: EP1752624A1; EP1840341A2; CN1912357A; EP1840341A3; EP1840341B1; DE602006004303D1; US20070028873A1

Abstract

【課題】制御性が向上した電磁駆動弁を提供する。
【解決手段】電磁駆動弁１は、バルブステム１２を有し、バルブステム１２が延びる方向に沿って往復運動する駆動弁１４と、駆動弁１４と連動する一方端３２から他方端３３へ延び、他方端３３で延びる中心軸３５を中心に揺動するディスク３０と、ディスク３０を揺動させるコイル６２と、コイル６２に電流を供給する電源２００と、電源２００からコイル６２への通電を制御するＥＣＵ１００とを備える。ディスク３０の初期駆動時には、電源２００からコイル６２へ周期的に電流が供給されるようにＥＣＵ１００が通電を制御し、ＥＣＵ１００は、電圧と温度に応じて初期駆動時の電流の周期の数、周期の長さおよび電流値を制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般的には、電磁駆動弁に関し、より特定的には、内燃機関に用いられ、電磁力と弾性力とによって駆動する回転式の電磁駆動弁に関するものである。

従来、電磁駆動弁は、たとえば米国特許第６，４６７，４４１号（特許文献１）に開示されている。
米国特許第６，４６７，４４１号

従来の技術では、低温時と高温時で摺動抵抗が異なり、制御性が異なるという問題があった。さらに、リフト可変制御でディスクをコアから浮かせて保持する場合に、負荷によるバッテリ電圧変動の影響を受けてコイル電流が変化すると安定して保持制御できないという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、安定した駆動が可能な電磁駆動弁を提供することを目的とする。

この発明の１つの局面に従った電磁駆動弁は、電磁力と弾性力との協働により作動する電磁駆動弁であって、弁軸を有し、弁軸が延びる方向に沿って往復運動する駆動弁と、駆動弁と連動する一方端から他方端へ延び、他方端で延びる中心軸を中心に揺動する揺動部材と、揺動部材を揺動させるコイルと、コイルに電流を供給する電源と、電源からコイルへの通電を制御する制御部とを備える。揺動部材の初期駆動時には、電源からコイルへ周期的に電流が供給されるように制御部が通電を制御し、制御部は電圧と温度に応じて初期駆動時の電流の周期の数、周期の長さおよび電流値を制御する。

このように構成された電磁駆動弁では、制御部は電圧と温度に応じて初期駆動時の電流の周期の数、周期の長さおよび電流値を制御するため、摺動抵抗の大きい低温時に大きな電流を流すことにより発熱を早めて制御性を向上させることができる。

この発明の別の局面に従った電磁駆動弁は、電磁力と弾性力との協働により作動する電磁駆動弁であって、弁軸を有し、弁軸が延びる方向に沿って往復運動する駆動弁と、駆動弁と連動する一方端から他方端へ延び、他方端で延びる中心軸を中心に揺動する揺動部材と、揺動部材を揺動させる電磁石のコアと、揺動部材の外周側に設けられて揺動部材とコアとを通る磁束が大きくなる位置に配置された永久磁石とを備える。

このように構成された電磁駆動弁では揺動部材とコアを通る磁束が大きくなるので、中間リフト固定時の消費電力を小さくでき、電圧の影響を受けにくくなる。その結果、制御性が向上し安定した動作を確保できる電磁駆動弁を提供することができる。

この発明に従えば安定した動作を確保することができる電磁駆動弁を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。

（実施の形態１）
図１はこの発明の実施の形態１に従った電磁駆動弁の断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１に従った電磁駆動弁１は、電磁力と弾性力との協働により作動する電磁駆動弁であって、弁軸としてのバルブステム１２を有し、バルブステム１２が延びる方向（矢印１０）に沿って往復運動する駆動弁１４と、駆動弁１４と連動する一方端３２から他方端３３へ延び、他方端３３で延びる中心軸３５を中心に揺動する揺動部材としてのディスク３０と、ディスク３０を揺動させる上側電磁石６０および下側電磁石１６０のコイル６２，１６２と、コイル６２，１６２に電流を供給する電源２００と、電源２００からコイル６２，１６２への通電を制御する制御部としてのＥＣＵ（電子制御ユニット）１００とを備える。ディスク３０の初期駆動時には、電源２００からコイル６２，１６２へ周期的に電流が供給されるようにＥＣＵ１００が通電を制御し、ＥＣＵ１００は、電圧と温度に応じて初期駆動時の電流の周期の数、周期の長さおよび電流値を制御する。

「コ」の字型のハウジング５１はベース部材であり、ハウジング５１にさまざまな要素が取付けられる。上側電磁石６０および下側電磁石１６０の各々は、磁性体からなるコア６１，１６１と、そのコア６１，１６１に巻付けられたコイル６２，１６２とを有する。コイル６２，１６２に通電されることで磁界が発生し、この磁界によりディスク３０を駆動させることができる。ディスク３０は上側電磁石６０および下側電磁石１６０の間に配置されて上側電磁石６０および下側電磁石１６０の吸引力により、いずれか一方に吸引される。これにより、上側電磁石６０および下側電磁石１６０の間でディスク３０が往復運動する。ディスク３０の往復運動は長孔２２およびピン２１を介してステム４６に伝えられる。

本実施の形態における電磁駆動弁１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関の吸排気バルブ（吸気弁または排気弁）を構成している。この実施の形態では、吸気ポート１８に設けられる吸気弁としての駆動弁の場合を説明するが、排気弁としての駆動弁に本発明を適用してもよい。

図１で示す電磁駆動弁１は、回転駆動式の電磁駆動弁であり、その駆動機構としてディスク３０を用いている。ハウジング５１はシリンダヘッド４１上に設けられ、シリンダヘッド４１に近い側に下側電磁石１６０が配置され、シリンダヘッド４１から遠い側に上側電磁石６０が配置される。上側電磁石６０を構成するコイル６２と下側電磁石１６０を構成するコイル１６２とは配線２０２により接続されている。さらに、コイル６２は電源２００に配線２０１により接続され、コイル１６２は配線２０３により電源２００に接続されている。すなわち、電源２００に対して直列的にコイル６２，１６２が接続されている。

ディスク３０は、アーム部３１と軸受部３８とを有し、アーム部３１が一方端３２から他方端３３へ延びている。アーム部３１は上側電磁石６０および上側電磁石６０により吸引されて矢印３０ａで示す方向に揺動（回動）する部材である。アーム部３１の端部に軸受部３８が取付けられ、アーム部３１は軸受部３８を中心として回動する。アーム部３１の上側の表面は上側電磁石６０と当接可能であり、下側の表面は下側電磁石１６０と当接可能である。

軸受部３８は円筒形状であり、その内部にはトーションバー３６が収納されている。トーションバー３６の第１の端部はハウジング５１にスプライン嵌合で嵌め合わされ、他方の端部は軸受部３８に嵌め合わせられる。これにより、軸受部３８が回動しようとすると、この回動に逆らう力がトーションバー３６から軸受部３８へ加えられる。そのため、軸受部３８は常に中立状態に位置決めされる。一方端３２ではディスク３０から力を受けるようにステム４６が設けられ、ステム４６はステムガイド４５により案内される。ステム４６およびディスク３０は矢印３０ａで示す方向に揺動運動することが可能である。

他方端３３側では、ハウジング５１に凸部５２が設けられ、凸部５２内に他方端３３が収納されている。軸受部３８とハウジング５１の凸部５２との間にはベアリング５９が配置されている。

シリンダヘッド４１の下部には吸気ポート１８が設けられ、吸気ポート１８は吸気を燃焼室へ導入するための経路であり、吸気ポート１８内を混合気または空気が通過する。吸気ポート１８と燃焼室との間にはバルブシート４２が設けられ、バルブシート４２により駆動弁１４の密閉性を高めることができる。

シリンダヘッド４１には、吸気バルブとしての駆動弁１４が取付けられている。駆動弁１４は長手方向に延びるバルブステム１２と、バルブステム１２の端部に取付けられた傘部１３とを有する。バルブステム１２はステムガイド４３により案内される。バルブステム１２にはスプリングリテーナ１９が嵌め合わせられている。スプリングリテーナ１９はバルブスプリング１７により上方向に付勢されている。このため、スプリングリテーナ１９およびバルブステム１２はバルブスプリング１７により付勢される。

電源２００からコイル６２，１６２への通電はＥＣＵ１００により制御される。ＥＣＵ１００は温度センサ１０２および電圧センサ１０１から温度情報および電圧情報を得る。電圧センサ１０１は電源２００の電圧をモニタする。温度センサ１０２は温度（水温、外気温または電磁駆動弁１の温度）を検出する。ＥＣＵ１００には記憶部１０４が接続され、記憶部１０４では、コイル６２，１６２に流す電流の周期、電流の大きさなどに関するさまざまなマップデータが収納されている。

図２は、図１で示す電磁駆動弁の回路図である。図２を参照して、電源２００に対して直列的に２つのコイル６２，１６２が接続されている。なお、この実施の形態では２つの上側および下側電磁石６０，１６０が設けられる例を示したが、これに限られるものではなく、さらに多くの電磁石が設けられていてもよい。

図３は、初期駆動時の弁リフトと電流との関係を示すグラフである。図４は、中立位置を示す電磁駆動弁の断面図である。図５は、閉弁状態を示す電磁駆動弁の断面図である。図１から図５を参照して、まず中立状態では、図４で示すようにディスク３０のアーム部３１は上側電磁石６０と下側電磁石１６０の中間に位置している。この状態で図３の時間ｔ１０となり、コイル６２，１６２に電流Ｉを時間ｔ１１まで流す。すると、アーム部３１と上側電磁石６０との間の距離がアーム部３１と下側電磁石１６０との距離よりも若干短いため、アーム部３１と上側電磁石６０との間に大きな力が働き、時間ｔ１１では、駆動弁１４は図３の「中立」から「閉弁」へ向かって移動する。

時間ｔ１１となれば電流を減少させる。一旦上側へ移動したアーム部３１にはトーションバー３６により下向きの捩り力が加わっている。そのためアーム部３１は下方向へ移動し、中立点から下へ移動した時点で停止してさらに上方向へ向かう。上方向の移動が開始したときに再度コイル６２，１６２に通電され、アーム部３１は上方向へ大きく引付けられる。この往復運動を周期１から３にわたって繰り返す。このようにして駆動弁１４は徐々に大きく振幅し、最後には閉弁状態となる。このときの初期駆動における電流の周期（図３中の周期１から周期３）が制御される。

図５で示す閉弁状態となった後には少ない保持電流をコイル６２に流すことにより上側電磁石６０でアーム部３１を保持することができる。

図３で示す周期は、電圧と温度により適宜変更される。図６は、温度と電圧が変化した場合の電流マップのグラフである。図７は、温度と電圧が変化した場合の周期長さマップのグラフである。図８は、温度と電圧が変化した場合の周期数マップのグラフである。図６を参照して、温度と電圧が図１中の温度センサ１０２および電圧センサ１０１で測定される。この温度と電圧とに基づきＥＣＵ１００は記憶部１０４に収納された図６の電流マップから初期駆動に適切な電流値を計算する。たとえば、初期駆動時の温度がＴ２とＴ３の間でかつ電圧がＶ３とＶ４の間の値であれば、初期駆動の電流は、Ｉ２３、Ｉ３３、Ｉ２４およびＩ３４の４つの電流値から必要な電流値を算出する。図７を参照して、ＥＣＵ１００は、それぞれの周期の長さを図７の周期長さマップから測定する。上述の温度および電圧の条件の場合には、周期マップ長さから周期長さＬ２３、Ｌ３３、Ｌ２４およびＬ３４をもとに周期長さをＥＣＵ１００が計算する。

また、ＥＣＵ１００は図８の周期数マップから周期数を算出する。上述の温度および電圧条件の場合には周期数Ｎ２３、Ｎ３３、Ｎ２４およびＮ３４から周期数をＥＣＵ１００が算出する。図６から図８で示すマップデータは記憶部１０４に記憶されており、ＥＣＵ１００は常に記憶部１０４にアクセスすることが可能である。

すなわち、本発明では初期駆動の電流、周期および周期数を温度と電圧によりマップ化し、温度および電圧の各センサのモニタ値を入力してマップ適合制御を行なう。特に、摺動抵抗の高い極低温時は、通常の過電流設定値を瞬間的に嵩上げする。この嵩上げ量は、コイル６２，１６２の発熱限界までの温度差が極低温時には通常運転時より大きくなる。その増加した温度差と、嵩上げ電流値によるコイル発熱温度が等しくなるように設定する。また、極低温時の初期駆動の回数は高い摺動抵抗をほぼ通常運転時の摺動抵抗レベルまで下げるべくアクチュエータの温度が十分に上昇する温度とする。すなわち、上側および下側電磁石６０，１６０をヒーティングする通電制御とする。このように構成された電磁駆動弁では、摺動抵抗の大きい低温時において電磁駆動弁１の発熱を早めて制御性を向上させることができる。

（実施の形態２）
図９はこの発明の実施の形態２に従った電磁駆動弁の断面図である。図９を参照して、この発明の実施の形態２に従った電磁駆動弁１ではアーム部３１の一方端３２側に永久磁石３００が設けられている。永久磁石３００はコア６１から離れて位置決めされており、これによりアーム部３１もコア６１に直接接触しない位置に保持される。すなわち、実施の形態２に従った電磁駆動弁１は電磁力と弾性力との協働により作動する電磁駆動弁であって、バルブステム１２を有し、バルブステム１２が延びる方向に沿って往復運動する駆動弁１４と、駆動弁１４と連動する一方端３２から他方端３３へ延び、他方端３３で延びる中心軸３５を中心に揺動するディスク３０と、ディスク３０を揺動させる上側電磁石６０のコア６１と、ディスク３０の外周側に設けられてディスク３０とコア６１とを通る矢印３０１で示す方向の磁束が大きくなる位置に配置された永久磁石３００とを備える。この実施の形態では、駆動弁１４のリフト量を可変とし、ディスク３０をコア６１から浮かせて保持する際に、電流（消費電力）を低減するためにディスク３０外周部に永久磁石３００を配置している。永久磁石３００の位置はコア６１から離れた位置であって、かつアーム部３１の一方端３２に近接するが、アーム部３１と直接接触しない位置とされる。このような永久磁石３００を設けることにより、矢印３０１で示す永久磁石による磁束の流れが増加する。その結果、中間リフト固定時の消費電力を低減することができ、電圧の影響を受けにくくなり制御性の高い電磁駆動弁１を提供することができる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形することが可能である。本発明で示した電磁駆動弁は１枚のディスクが駆動するものに限られず、平行な２枚のディスクを設け、その間に電磁石を配置してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば車両に搭載される内燃機関の電磁駆動弁の分野で用いることができる。

この発明の実施の形態１に従った電磁駆動弁の断面図である。図１で示す電磁駆動弁の回路図である。初期駆動時の電流と弁リフトとの関係を示すグラフである。中立位置を示す電磁駆動弁の断面図である。閉弁状態を示す電磁駆動弁の断面図である。温度と電圧が変化した場合の電流マップのグラフである。温度と電圧が変化した場合の周期長さマップのグラフである。温度と電圧が変化した場合の周期数マップのグラフであるこの発明の実施の形態２に従った電磁駆動弁の断面図である。

符号の説明

１電磁駆動弁、１２ステム、１３傘部、１４駆動弁、３０ディスク、３２一方端、３３他方端、３５中心軸、１００ＥＣＵ、２００電源。

Claims

電磁力と弾性力との協働により作動する電磁駆動弁であって、
弁軸を有し、前記弁軸が延びる方向に沿って往復運動する駆動弁と、
前記駆動弁と連動する一方端から他方端へ延び、前記他方端で延びる中心軸を中心に揺動する揺動部材と、
前記揺動部材を揺動させるコイルと、
前記コイルに電流を供給する電源と、
前記電源から前記コイルへの通電を制御する制御部とを備え、
前記揺動部材の初期駆動時には、前記電源から前記コイルへ周期的に電流が供給されるように前記制御部が通電を制御し、前記制御部は、電圧と温度に応じて初期駆動時の電流の周期の数、周期の長さおよび電流値を制御する、電磁駆動弁。
電磁力と弾性力との協働により作動する電磁駆動弁であって、
弁軸を有し、前記弁軸が延びる方向に沿って往復運動する駆動弁と、
前記駆動弁と連動する一方端から他方端へ延び、前記他方端で延びる中心軸を中心に揺動する揺動部材と、
前記揺動部材を揺動させる電磁石のコアと、
前記揺動部材の外周側に設けられて前記揺動部材と前記コアとを通る磁束が大きくなる位置に配置された永久磁石とを備えた、電磁駆動弁。