JP2007056777A - 電磁駆動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 高推力化が可能であり、かつ精密な位置制御が可能であり、これにより、例えば自動車エンジンの用途、使用目的に応じた運動特性を獲得したり、燃費を向上させたり、静粛性等を向上させたりするのに最適な動弁リフトプロファイルで動作させることができる電磁駆動弁を提供する。
【解決手段】 弁体１１を有する軸１２を電磁駆動機構によりリニア駆動する電磁駆動弁Ｕであって、電磁駆動機構は、主電磁駆動機構と、主電磁駆動機構の駆動力を増強する駆動力増強機構３とを備え、駆動力増強機構３が、ヨーク２２および駆動力制御部材２３を有する電磁石とされ、ヨーク２２および駆動力制御部材２３の形態が、駆動力増強機構３により生成される磁束が、主電磁駆動機構により生成される磁束と干渉しないようにされてなるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は電磁駆動弁に関する。さらに詳しくは、サイズを大きくすることなく高推力化が達成でき、理想的な動弁リフトプロファイルを得ることが可能な電磁駆動弁に関する。

近年、自動車用エンジンの吸排気弁を電動化するための電磁駆動弁（ＥＭＶ：ElectroMagnetics engine Valve）が注目されている。これは、カムにより弁を駆動する代わりに、電磁的な機構により弁を駆動するものである。そして、この電磁駆動弁に対して種々提案がなされている。

例えば、特許文献１には、図４に示すように、弁体１０１と、スラスト軸（弁棒）１０２と、弁体１０１を往復動させるようにスラスト軸１０２を駆動する駆動機構１０３と、弁体１０１を中立位置に保持するための支えバネ１０４とを備える電磁駆動弁１００が提案されている。

駆動機構１０３は、弁胴１１１に対して固定された二対の電磁要素１１２、１１２および複数のコイル１１３、１１３と、スラスト軸１０２に設けられた電機子要素１１４とを有する。かかる構成の電磁駆動弁１００は、所定のタイミングでコイル１１３、１１３に通電することにより、開弁位置と閉弁位置との間で往復動させるように弁体１０１を駆動するものである。

しかしながら、特許文献１の提案にかかる電磁駆動弁１００には、駆動部の構成要素としてバネを用いていることに起因する様々な問題があった。

本発明者の一人は、特許文献１の提案にかかる電磁駆動弁１００の有する問題を解決した電磁駆動弁を既に提案している（特許文献２参照）。

特許文献２の提案に係る電磁駆動弁２００は、図５に示すように、駆動部２２０と該駆動部２２０に駆動される可動部２３０とを有する電磁式リニア駆動装置２１０を備えてなるものである。

しかしながら、特許文献２の提案に係る電磁駆動弁２００には、着弁時の静粛性、耐摩耗性、耐衝撃性を向上させるための動弁リフトプロファイルによる制御が充分になし得ないといった問題や、エンジンの用途、使用目的に応じた運動特性および燃費性能を得るのに最適な動弁リフトプロファイルによる制御が充分になし得ないといった問題があることが判明した。
特表平８−５１２１７３号公報 特開平２−２５９２１１号公報

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、高推力化が可能であり、かつ精密な位置制御が可能であり、これにより、例えば自動車エンジンの用途、使用目的に応じた運動特性を獲得したり、燃費を向上させたり、静粛性等を向上させたりするのに最適な動弁リフトプロファイルで動作させることができる電磁駆動弁を提供することを目的としている。

本発明の電磁駆動弁は、弁体を有する軸を電磁駆動機構によりリニア駆動する電磁駆動弁であって、前記電磁駆動機構は、主電磁駆動機構と、該主電磁駆動機構の駆動力を増強する駆動力増強機構を備えてなることを特徴とする。

本発明の電磁駆動弁においては、駆動力増強機構が、ヨークおよび駆動力制御部材を有する電磁石とされ、前記ヨークおよび駆動力制御部材の形態が、前記駆動力増強機構により生成される磁束が、主電磁駆動機構により生成される磁束と干渉しないようにされてなるのが好ましい。

また、本発明の電磁駆動弁においては、ヨークが、ボス状体された駆動力制御部材が挿通される透孔を有する中空円板状体とされ、主電磁駆動機構の外ヨークに面する面の透孔の直径が、その反対の面の透孔の直径より大きくされ、前記駆動力制御部材の主電磁駆動機構の可動子側の駆動部側に位置する端部が先細円錐台状に形成されてなるのが好ましい。

さらに、本発明の電磁駆動弁においては、主電磁駆動機構の外ヨークの端面中央部にすり鉢状の凹部が形成されてなるのが好ましい。

さらに、本発明の電磁駆動弁においては、主電磁駆動機構のコイルと駆動力増強機構のコイルとが直列接続されてなるのが好ましい。

本発明によれば、電磁駆動弁を、例えば自動車エンジンの用途、使用目的に応じた運動特性を獲得したり、燃費を向上させたり、静粛性を向上させたりするのに最適な動弁リフトプロファイルで動作させることができるという優れた効果が得られる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

図１に、本発明の一実施形態に係る電磁駆動弁の概略構成を断面図により示す。この電磁駆動弁Ｕは、可動子１および固定子２を有する主電磁駆動機構と、主電磁駆動機構による可動子１の駆動力を増強する駆動力増強機構３、３と、ケース４と、スラスト軸受５、５とを備える。

可動子１は、図示しない自動車エンジン内に配設される、前記エンジンの吸気孔および排気孔（共に不図示である）を開閉するための弁体１１と、弁体１１が一端に設けられ、スラスト軸受５、５を介して、軸方向に往復動自在にケース４により支持されたシャフト１２と、シャフト１２の所定位置において軸方向に所定間隔で配設された３個の永久磁石１３，１３，１３と、永久磁石１３，１３，１３の間に配設された内ヨーク１４、１４とを有してなるものとされる。ここで、３個の永久磁石１３，１３，１３と、永久磁石１３，１３，１３の間に配設された内ヨーク１４、１４とにより、主電磁駆動機構の可動子１側の電磁駆動部が構成される。

図２に、可動子１側の電磁駆動部を構成している永久磁石１３と内ヨーク１４の構成を示す。

図２に示すように、永久磁石１３は、それぞれ、Ｎ極とＳ極とが軸方向に並ぶように、パラレルに着磁された円板状の等方性磁石からなる。ここで、永久磁石１３は、それぞれ、その磁極が、対向する永久磁石１３の磁極と同極となるように、シャフト１２に同軸に配設され、所定の磁場を発生するものとされる。すなわち、各永久磁石１３は、内ヨーク１４を間に挟んで、Ｎ極同士、Ｓ極同士が対向するようにシャフト１２に設けられる。

固定子２は、ケース４に固定され、図示しない制御装置からの制御指令値に応じた印加電流により所定の磁場を発生する複数のコイル１５、１５と、ケース４に固定され、コイル１５の周囲に配設される外ヨーク１６とを有する。

ここで、複数のコイル１５は、永久磁石１３と協働して、ＤＣリニアモータ、ないしはリニア振動アクチュエータ（ＬＯＡ：Linear Oscillation Actuator）を構成するように巻き方および相互の結線が設定される。

駆動力増強機構３、３は、固定子２の軸方向両端、より具体的には外ヨーク１６の軸方向両端面とそれぞれ接するように、固定子２の軸方向外側にケース４に固定して設けられた電磁石であり、コイル２１、２１と、ヨーク２２、２２と、可動子１の駆動を制御する駆動制御部材２３、２３とを有し、主電磁駆動機構により生成される磁束と、駆動力増強機構３により生成される磁束とが干渉しないようにして主電磁駆動機構の駆動力を増強するものとされる。このため、ヨーク２２、２２および駆動制御部材２３、２３の形態は、それにより生成される磁束が、主電磁駆動機構により生成される磁束と干渉しないように調整されている。

具体的には、ヨーク２２は、図１に示すように、内部にコイル２１が収納される空間が形成された中空円板状体とされ、表裏両面中心部に駆動制御部材２３が挿通される透孔２２ａ，２２ｂが形成されてなるものとされる。そして、裏面（外ヨーク１６に面する面）の透孔２２ｂの直径は、表面（外ヨーク１６と反対の面）の透孔２２ａの直径の略倍とされている。このヨーク２２による干渉排除効果を高めるため、外ヨーク１６の両端面中心部には、透孔２２ｂに対応させたすり鉢状の凹部１６ａが形成されている。

駆動制御部材２３は概略中空円柱状とされ、図１に示すように、一端部にヨーク２２表面と当接する鍔２３ａが形成され、可動子１側の電磁駆動部側に位置する他端部が円錐台とされたボス状体とされ、その中心部にシャフト１２が挿通される貫通孔２３ｂが貫通形成されている。

コイル２１は、固定子２のコイル１５と直列に接続されており、例えば弁を開くように固定子２のコイル１５に電流を流した場合、弁が開く方向に推力を増強するようその巻線および結線がさなれてなるものとされる。この構成により、固定子２のコイル１５の印加電流を制御するのと同一の制御指令値（制御入力）により、主電磁駆動機構による駆動力を増強するよう駆動力増強機構３を制御することが可能となる。したがって、制御系が簡素化され、設計が容易となる。

しかして、かかる構成とされた電磁駆動弁Ｕにおいては、可動子１が電磁駆動弁Ｕのストロークの両端に位置するときに、駆動力増強機構３が、可動子１の３個の永久磁石１３、１３、１３のうち、軸方向の外側に配された２つの永久磁石１３Ａ、１３Ｂのいずれかと最も接近する。したがって、最も推力が必要とされるときに最大限の電磁的反発力を生じさせて高速応答を実現することが可能となる。また、可動子１が駆動されて永久磁石１３Ａ、１３Ｂのいずれかが、他方の駆動力増強機構３に接近すると、その吸引力によりその駆動が加速される。そのため、より一層の高速応答性が確保される。

このように、本実施形態においては、可動子１を駆動するための主電磁駆動機構を等方性磁石を用いたリニア振動アクチュエータなどとするととともに、駆動力増強機構３，３を備えることによって、（１）例えばステッピングモータを駆動機構とする場合と比較して、正確な位置決めが可能となる、（２）回転運動を伴わないために、高効率化が容易である、（３）可動子１の構造を簡易化することが容易であり、軽量化が容易である、したがって応答性が向上する、（４）例えば自動車エンジンの用途、使用目的に応じた運動特性が得られ、燃費を向上させたり、静粛性を向上させたりする、という効果が得られる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

実施例および比較例
図３に、駆動力増強機構３を設けた電磁駆動弁Ｕ（実施例）と設けない電磁駆動弁（比較例）とにおける静推力特性のシミュレーション結果を示す。ここで、横軸は、可動子１の位置であり、弁が閉じる位置を原点とし、弁が開く方向を正としている。縦軸は、コイル１５の印加電流を２０アンペアとしたときの推力である。

図３において注目すべき可動子位置の領域は、可動子１の動き始めの位置に相当する領域（０〜４［ｍｍ］）であり、その領域において、実施例は比較例よりも格段に大きな推力を達成している。

図３から明らかなように、リニア振動アクチュエータを駆動機構とする電磁駆動弁に、電磁石からなる駆動力増強機構３を前掲の位置に設けることによって、リニア振動アクチュエータの永久磁石を利用して効果的に推力を増大させ得ることが分かる。

本発明は、電磁駆動弁に適用できる。

本発明の一実施形態に係る電磁駆動弁の概略構成を示す断面図である。 同電磁駆動弁の可動子を構成する永久磁石および内ヨークを示す斜視図である。 駆動力増強機構を設けた場合の実施例と、設けない場合の比較例とにおける推力特性を示すグラフ図である。 特許文献１の提案にかかる電磁駆動弁の図１相当図である。 特許文献２の提案にかかる電磁駆動弁の図１相当図である。

符号の説明

１ 可動子
２ 固定子
３ 駆動力増強機構
１１ 弁体
１２ シャフト
１３ 永久磁石
１５ コイル
２１ コイル
２２ ヨーク
２３ 駆動制御部材
Ｕ 電磁駆動弁

Claims (5)

1. 弁体を有する軸を電磁駆動機構によりリニア駆動する電磁駆動弁であって、
   前記電磁駆動機構は、主電磁駆動機構と、該主電磁駆動機構の駆動力を増強する駆動力増強機構とを備えてなることを特徴とする電磁駆動弁。
2. 駆動力増強機構が、ヨークおよび駆動力制御部材を有する電磁石とされ、
   前記ヨークおよび駆動力制御部材の形態が、前記駆動力増強機構により生成される磁束が、主電磁駆動機構により生成される磁束と干渉しないようにされてなることを特徴とする請求項１記載の電磁駆動弁。
3. ヨークが、ボス状体された駆動力制御部材が挿通される透孔を有する中空円板状体とされ、主電磁駆動機構の外ヨークに面する面の透孔の直径が、その反対の面の透孔の直径より大きくされ、
   前記駆動力制御部材の主電磁駆動機構の可動子側の駆動部側に位置する端部が先細円錐台状に形成されてなる
   ことを特徴とする請求項２記載の電磁駆動弁。
4. 主電磁駆動機構の外ヨークの端面中央部にすり鉢状の凹部が形成されてなることを特徴とする請求項３記載の電磁駆動弁。
5. 主電磁駆動機構のコイルと駆動力増強機構のコイルとが直列接続されてなることを特徴とする請求項１記載の電磁駆動弁。

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