JP2007154714A - 電磁駆動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】動作の確実性が向上した電磁駆動弁を提供する。
【解決手段】
電磁駆動弁は、弁軸を有し、弁軸が延びる方向に沿って往復運動する弁８７と、弁８７と連動して動く磁性部材であるディスク７４と、ディスク７４を吸引して閉弁位置に保持する第１の電磁石と、ディスク７４を第１の電磁石から離す力をディスク７４に加える第１の弾性部材であるトーションバー６８とを備える。第１の電磁石は、コイル８０と、電磁コア７２とを含む。この第１の電磁石において、ディスク７４が第１の電磁石に吸引された閉弁位置にある場合に、電磁コア７２とディスク７４により構成される少なくとも１つの磁気回路において少なくとも一部分に間隙が設けられる。第１の電磁石とディスク７４は、ディスク７４が第１の電磁石に吸引された閉弁位置にある場合に、ディスク７４と電磁コア７２の少なくとも一部が非密着状態となる吸着面の構造を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電磁駆動弁に関し、特に内燃機関の吸気弁または排気弁として用いられる電磁駆動弁に関する。

従来の内燃機関の電磁駆動弁に関して、たとえば、特開平１１−１０１１１０号公報（特許文献１）は、１コイル式の電磁駆動弁であって、電磁石の両側に可動板があり、可動板とバルブが一体になっているものを開示している。

この例では、電磁石と両側の可動板との各隙間は、中立位置においてもどちらか一方が狭くなっている。コイルに電流が流れていない初期状態では、バルブは中立位置にあり、電流が流れると電磁石と可動板の隙間が狭い方の可動板が電磁石に吸引される。そして電流が一旦遮断されると、バルブは反対側（たとえば全閉状態から全開状態）方向へバルブスプリングにより押され、慣性力により中立位置を通り過ぎて動く。このとき再び電流が流されると、電磁力により反対側で可動板が保持される。
特開平１１−１０１１１０号公報 米国特許第６４６７４４１号明細書

内燃機関の電磁駆動弁は、例えば４２ボルト程度の電源電圧でコイルを駆動して必要な電磁力を発生させるものが多いが、近年電源電圧１４ボルト程度まで低電圧化することにより、電源系統の構成を簡素なものとしてコストダウンを図る検討がなされている。

低電圧化で電磁駆動弁を駆動する際には、電流立ち上がり応答が低下し所望の吸引電流を得ることができないので、電磁駆動弁の電磁石の応答性を良くする必要がある。

この発明の目的は、動作の確実性が向上した電磁駆動弁を提供することである。

この発明は、要約すると、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弁と、弁と連動して動く磁性部材と、磁性部材を吸引して開弁および閉弁のいずれか一方の所定位置に保持する第１の電磁石と、磁性部材を第１の電磁石から離す力を磁性部材に加える第１の弾性部材とを備え、第１の電磁石は、第１のコイルと、第１の電磁コアとを含み、磁性部材が第１の電磁石に吸引された所定位置にある場合に、第１の電磁コアと磁性部材により構成される少なくとも１つの磁気回路において少なくとも一部分に間隙が設けられる。

好ましくは、第１の電磁石と磁性部材は、磁性部材が第１の電磁石に吸引された所定位置にある場合に、磁性部材と第１の電磁コアの少なくとも一部が非密着状態となる吸着面の構造を有する。

より好ましくは、第１の電磁石は、第１の電磁コアの少なくとも一部を覆い、磁性部材が第１の電磁石に吸引された所定位置にある場合に磁性部材に当接するスペーサをさらに含む。

さらに好ましくは、スペーサは、非磁性体であり、間隙はスペーサの配置された部分である。

さらに好ましくは、スペーサは、磁性部材に対する第１の電磁コアの当接面の一部に設けられた磁性体であり、間隙は、第１の電磁コアの当接面のスペーサが設けられていない部分である。

より好ましくは、間隙は、磁性部材が第１の電磁石に吸引された所定位置にある場合に第１の電磁コアの一部のみが磁性部材に当接することにより形成される。

さらに好ましくは、磁性部材に対する第１の電磁コアの当接面と、第１の電磁コアに対する磁性部材の当接面とは、磁性部材が所定位置にある場合に非平行である。

好ましくは、所定位置は、閉弁位置である。電磁駆動弁は、磁性部材を吸引して開弁位置に保持する第２の電磁石と、弁軸に対して弾性力を加えることにより、磁性部材を第２の電磁石から離す力を磁性部材に加える第２の弾性部材とをさらに備える。

より好ましくは、第２の電磁石は、第１のコイルと結線された第２のコイルを含み、第１、第２のコイルには、等しい電流が流れる。

さらに好ましくは、電磁駆動弁は、第１および第２のコイルに流す電流を所定位置への吸引に必要な所定の電流値の保持電流から零に減じた後に、第２の電磁石に磁性部材を吸引させるための吸引電流を第１および第２のコイルに流すように制御を行なう制御装置をさらに備える。

この発明によれば、たとえば低電圧電源を適用した場合やモノコイル式の場合であっても電磁駆動弁の確実な作動を実現することができる。

以下、本発明について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係る電磁駆動弁の概略構成を示す図である。
内燃機関であるエンジンは、シリンダブロックとシリンダヘッドとシリンダ中を上下するピストンと各気筒の吸気ポートに設けられる電磁駆動式の吸気弁と各気筒の排気ポートに設けられる電磁駆動式の排気弁とを含む。吸気弁および排気弁は、気筒毎にたとえば２個ずつ設けられる。図１においては、代表的に１つの電磁駆動弁が示されている。

図２は、電磁駆動弁の駆動および制御に関する構成を示したブロック図である。
図１、図２を参照して、エンジンのシリンダブロックにはエンジン回転数を検出するクランク角センサ６が取付けられている。クランク角センサ６等の各種センサ出力は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０に入力され、このＥＣＵ３０は、燃料噴射弁の噴射時期や噴射量、点火プラグの点火時期を制御するとともに、電磁駆動ユニット（ＥＤＵ）３２に対して吸気弁または排気弁の開弁時期を指示する。

ＥＤＵ３２には、直流電源１１から電源電圧が供給される。直流電源１１の一例として、１４Ｖの電源電圧を出力するオルタネータや、１２Ｖのバッテリ等が挙げられる。

電磁駆動弁は、弁軸８８を有し、弁軸８８が延びる方向に沿って往復運動する弁８７と、弁８７と連動して動く磁性部材であるディスク７４と、ディスク７４を吸引して閉弁位置に保持する第１の電磁石と、ディスク７４を第１の電磁石から離す力をディスク７４に加える第１の弾性部材であるトーションバー６８とを備える。

第１の電磁石すなわち閉弁用電磁石は、第１のコイル８０と、第１の電磁コア７２とを含む。この第１の電磁石において、ディスク７４が第１の電磁石に吸引された閉弁位置にある場合に、第１の電磁コア７２とディスク７４により構成される少なくとも１つの磁気回路において少なくとも一部分に間隙（ギャップ）Ｇが設けられる。

第１の電磁石とディスク７４は、ディスク７４が第１の電磁石に吸引された閉弁位置にある場合に、ディスク７４と第１の電磁コア７２の少なくとも一部が非密着状態となる吸着面の構造を有する。

電磁駆動弁は、ディスク７４を吸引して開弁位置に保持する第２の電磁石と、弁軸８８に対して弾性力を加えることにより、磁性部材を第２の電磁石から離す力をディスク７４に加える第２の弾性部材であるロアスプリング８６とをさらに備える。第２の電磁石すなわち開弁用電磁石は、第１のコイル８０と結線された第２のコイル８２を含む。第１のコイル８０と第２のコイル８２には、等しい電流が流れる。

電磁駆動弁は、第１のコイル８０および第２のコイル８２に流す電流を閉弁位置への吸引に必要な所定の電流値の保持電流から零に減じた後に、第２の電磁石にディスク７４を吸引させるための吸引電流を、第１のコイル８０および第２のコイル８２に流すように制御を行なう電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０をさらに備える。

ディスク７４は、一方端がハウジング６２に揺動自在に支持され、他方端に弁軸を弁軸が延びる方向に沿って往復運動させる作用部が設けられた揺動部材である。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０は、メモリ３１を含む。メモリ３１にはクランク角センサ６の出力に対応する通電パターンがマップとして記憶されている。

弁８７は、上下に昇降することにより、シリンダヘッド１０に設けられた吸気口または排気口を開閉する。弁８７から上方に延びる弁軸８８の上部には中間ステム７６が設けられる。中間ステム７６の上端にはカムフォロアピンが取付けられている。カムフォロアピンは、ディスク７４のハウジング６２に揺動自在に支持された一方端と反対側の他方端の作用部に当接する。ディスク７４が揺動することに応じて、弁８７は、弁軸８８が延びる方向に沿って往復運動する。

弁軸８８とシリンダヘッド１０との間にはストロークボールベアリング８９が設けられており、弁軸８８が上下方向に可動に支持されている。中間ステム７６の下方にはリテーナ８４が設けられている。弁軸８８の周囲においてリテーナ８４とシリンダヘッド１０との間にはロアスプリング８６が配置されている。

中間ステム７６を往復運動させる電磁アクチュエータは、ハウジング６２に固定された開弁用の電磁石と閉弁用の電磁石とを含む。開弁用電磁石は開弁用の電磁コア７８と、コイル８２とを含む。閉弁用電磁石は閉弁用の電磁コア７２とコイル８０とを含む。コイル８０とコイル８２とは結線されて共用化されているモノコイル構造である。なお、モノコイル構造とせずコイル８０とコイル８２の電流を個別にＥＤＵ３２で制御しても良い。ディスク７４は、これらの開弁用および閉弁用電磁石によって交互に吸着される。

そしてロアスプリング８６と対を成すアッパスプリングであるトーションバー６８の弾性力によって、ディスク７４は下向きすなわち開弁方向の力を中間ステム７６に与える。ディスク７４の他方端は中間ステム７６の上端に固着されているカムフォロアピンと当接し、中間ステム７６に対して下向きすなわち開弁方向の力を与える。

逆に、ロアスプリング８６は、リテーナ８４を押上げることにより、中間ステム７６に対して上向きすなわち閉弁方向の力を与える。

トーションバー６８およびロアスプリング８６の合力として、弁８７が全閉となったときには開く方向に力が発生し、逆に弁８７が全開となったときには閉じる方向に力が発生する。ディスク７４と吸着する電磁石のコイルとの距離が大きくディスク７４を吸着する電磁力が弱いときにこのスプリングによる弾性力を利用することにより、電磁石のサイズを小さくすることができる。

図３は、コイルに流す電流の変化を説明するための波形図である。
近年、コイル駆動のための電源電圧の低電圧化の要求により、電流の立ち上がり応答が低下するので所望の吸引電流が得られにくいといった事情がある。図１、図３を参照して、たとえば電流波形Ｉ２に示すように時刻ｔ０〜ｔ１における保持電流がディスク７４を吸引するには充分であるがあまり大きくない場合についてまず説明する。

この場合、時刻ｔ１〜ｔ２の間でディスク７４を閉弁側電磁石の吸引から開放するためコイル電流を保持電流からゼロに向けて一旦減少させて、その後開弁側電磁石で吸引するために再び増加させる場合には、時刻ｔ２において必要な吸引電流を確保することができないときがある。

これは、コイルにはＬ成分があり、またコイル電源が低電圧化されていると電流の増減の応答性がよくないため、コイル電流を直ちにゼロにすることもまたゼロから直ちに必要な吸引電流に増加させることもできず、電流の増減波形にはある程度の傾きが生じてしまうからである。その結果、バネ定数等によって定まる所定時間内には必要な吸引電流までコイル電流を増加させることができない。そして、波形Ｄ２に示すように開弁時期において弁８７が開弁状態を維持できずバネ力によってリフト量が中立位置付近で振動してしまう。

これに対して、本実施の形態では、図１の間隙Ｇを閉弁状態において設け、かつ、図３の時刻ｔ１〜ｔ２の間、閉弁状態のまま維持するための保持電流を電流波形Ｉ１で示すように消費電力許容範囲内で増加させる。

間隙Ｇを設けずに単に保持電流を増加させることも考えられるが、そうすると閉弁状態において過剰に磁束が発生し、閉弁用電磁石をオフした際の逆起電力が大となり、制御が困難になる。

間隙Ｇを設けつつ保持電流を増加させることで、過剰な磁束を抑制しつつ、時刻ｔ２以降における必要な吸引電流が確保できる。これにより、図１の矢印Ａ１に示す向きの開弁動作を確実に実現できる。

以下に図１のＡ２に示す部分について拡大して、間隙Ｇを設けるいくつかの例を示す。
図４は、図１の間隙Ｇを設けるための第１の構造例を示した図である。

図４を参照して、ディスク７４と電磁コア７２間にスペーサ１００Ａが挟まれている。スペーサ１００Ａは、非磁性体であればどのような材質でもよく、たとえばステンレス鋼、樹脂、コーティング等が好ましい。

スペーサ１００Ａを非磁性体とすることで、スペーサ１００Ａの部分が図１の間隙Ｇになる。

すなわち、閉弁用電磁石は、第１の電磁コア７２の少なくとも一部を覆い、ディスク７４が閉弁用電磁石に吸引された閉弁位置にある場合にディスク７４に当接するスペーサ１００Ａを含む。そして、スペーサ１００Ａは、非磁性体であり、間隙Ｇはスペーサ１００Ａの配置された部分である。

なお、スペーサ１００Ａは、電磁コア７２側またはディスク７４側のいずれか一方に接着させておけばどちら側に接着させても良い。

図５は、図１の間隙Ｇを設けるための第２の構造例を示した図である。
図５を参照して、ディスク７４と電磁コア７２間にスペーサ１００Ｂが挟まれている。すなわち、閉弁用電磁石は、第１の電磁コア７２の少なくとも一部を覆い、ディスク７４が閉弁用電磁石に吸引された閉弁位置にある場合にディスク７４に当接するスペーサ１００Ｂを含む。

そして、スペーサ１００Ｂは非磁性体であり、スペーサ１００Ｂの配置された部分が間隙Ｇに該当する。また、スペーサ１００Ｂが挟まれることによりディスク７４と電磁コア７２の間が密着しなくなった部分に存在する空気の層も間隙Ｇに該当する。スペーサ１００Ｂの位置は、図５ではディスク７４の先端側であるが、ディスク７４の回転中心側にスペーサ１００Ｂを設けるように変形しても良い。

なお、スペーサ１００Ｂを、磁性部材に対する第１の電磁コア７２の当接面の一部に設けられた磁性体としてもよく、その場合、間隙Ｇは、第１の電磁コア７２の当接面のスペーサ１００Ｂが設けられていない部分に存在する空気の層である。

なお、スペーサ１００Ｂは、電磁コア７２側またはディスク７４側のいずれか一方に接着させておけばどちら側に接着させても良い。

さらに、スペーサ１００Ｂを設ける代わりにスペーサ１００Ｂの部分を電磁コア７２が突出するような形状としておいても良い。この場合は、スペーサ１００Ｂが磁性体で電磁コア７２と一体的に形成されていることとなる。逆に、ディスク７４側にスペーサ１００Ｂに相当する突起を設けても良い。

また、電磁コア７２のディスク７４と当接する面に細かな突起を単数または複数設けておくことにより電磁コア７２とディスク７４の密着面積を減らすことでも同様な効果が得られる。

図６は、図１の間隙Ｇを設けるための第３の構造例を示した図である。
図６を参照して、間隙Ｇは、ディスク７４が閉弁用電磁石に吸引された所定位置にある場合に電磁コア７２の一部のみ（図５ではディスク７４の先端側のみ）がディスク７４に当接することにより形成される。図５の例では、ディスク７４に対する電磁コア７２の当接面と、電磁コア７２に対するディスクの当接面とは、ディスクが閉弁位置にある場合に非平行である。

つまり、ディスク７４Ｃの傾きと電磁コア７２の傾きを異なる角度に設定し、ディスク７４Ｃと電磁コア７２とが部分的に接触するように電磁アクチュエータを構成する。図６に示すように間隙Ｇは閉弁位置において必ずしも均一である必要はない。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電磁コアとディスクの間にギャップを設け、保持電流として従来よりも大きな電流を流すことで、低電圧でも電流制御の応答性が向上し、制御の確実性が向上する。

なお、本実施の形態においては、閉弁用の電磁石側に間隙Ｇを設けることについて説明したが、同様に開弁用の電磁石側にも間隙Ｇを設けることで開弁位置から閉弁位置に弁を移動させる際にも同様な効果を得ることができる。

また、本発明は、モノコイル式や揺動式の電磁駆動弁に限らず他の方式の電磁駆動弁にも適用することが可能である。ただし、モノコイル式の電磁駆動弁の場合には、開弁用電磁石と閉弁用電磁石を独立して制御することができない点、コイルのＬ成分を決めるターン数が開弁用電磁石と閉弁用電磁石のコイルの和となる点、開弁用電磁石によってディスクが吸引されるときにも閉弁用電磁石側の吸引力の影響も受ける点などから、モノコイル式電磁駆動弁の場合に特に効果が期待できる。

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。

本発明の実施の形態に係る電磁駆動弁の概略構成を示す図である。 電磁駆動弁の駆動および制御に関する構成を示したブロック図である。 コイルに流す電流の変化を説明するための波形図である。 図１の間隙Ｇを設けるための第１の構造例を示した図である。 図１の間隙Ｇを設けるための第２の構造例を示した図である。 図１の間隙Ｇを設けるための第３の構造例を示した図である。

符号の説明

６ クランク角センサ、１０ シリンダヘッド、１１ 直流電源、３１ メモリ、６２ ハウジング、６８ トーションバー、７２，７８ 電磁コア、７４，７４Ｃ ディスク、７５ カムフォロアピン、７６ 中間ステム、８０，８２ コイル、８４ リテーナ、８６ ロアスプリング、８７ 弁、８８ 弁軸、８９ ストロークボールベアリング、１００Ａ，１００Ｂ スペーサ。

Claims (10)

1. 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弁と、
   前記弁と連動して動く磁性部材と、
   前記磁性部材を吸引して開弁および閉弁のいずれか一方の所定位置に保持する第１の電磁石と、
   前記磁性部材を前記第１の電磁石から離す力を前記磁性部材に加える第１の弾性部材とを備え、
   前記第１の電磁石は、
   第１のコイルと、
   第１の電磁コアとを含み、
   前記磁性部材が前記第１の電磁石に吸引された前記所定位置にある場合に、前記第１の電磁コアと前記磁性部材により構成される少なくとも１つの磁気回路において少なくとも一部分に間隙が設けられる、電磁駆動弁。
2. 前記第１の電磁石と前記磁性部材は、前記磁性部材が前記第１の電磁石に吸引された前記所定位置にある場合に、前記磁性部材と前記第１の電磁コアの少なくとも一部が非密着状態となる吸着面の構造を有する、請求項１に記載の電磁駆動弁。
3. 前記第１の電磁石は、
   前記第１の電磁コアの少なくとも一部を覆い、前記磁性部材が前記第１の電磁石に吸引された前記所定位置にある場合に前記磁性部材に当接するスペーサをさらに含む、請求項２に記載の電磁駆動弁。
4. 前記スペーサは、非磁性体であり、
   前記間隙は前記スペーサの配置された部分である、請求項３に記載の電磁駆動弁。
5. 前記スペーサは、前記磁性部材に対する前記第１の電磁コアの当接面の一部に設けられた磁性体であり、
   前記間隙は、前記第１の電磁コアの前記当接面の前記スペーサが設けられていない部分である、請求項３に記載の電磁駆動弁。
6. 前記間隙は、前記磁性部材が前記第１の電磁石に吸引された前記所定位置にある場合に前記第１の電磁コアの一部のみが前記磁性部材に当接することにより形成される、請求項２に記載の電磁駆動弁。
7. 前記磁性部材に対する前記第１の電磁コアの当接面と、前記第１の電磁コアに対する前記磁性部材の当接面とは、前記磁性部材が前記所定位置にある場合に非平行である、請求項６に記載の電磁駆動弁。
8. 前記所定位置は、閉弁位置であり、
   前記磁性部材を吸引して開弁位置に保持する第２の電磁石と、
   前記弁軸に対して弾性力を加えることにより、前記磁性部材を前記第２の電磁石から離す力を前記磁性部材に加える第２の弾性部材とをさらに備える、請求項１に記載の電磁駆動弁。
9. 前記第２の電磁石は、
   前記第１のコイルと結線された第２のコイルを含み、
   前記第１、第２のコイルには、等しい電流が流れる、請求項８に記載の電磁駆動弁。
10. 前記第１および第２のコイルに流す電流を前記所定位置への吸引に必要な所定の電流値の保持電流から零に減じた後に、前記第２の電磁石に前記磁性部材を吸引させるための吸引電流を前記第１および第２のコイルに流すように制御を行なう制御装置をさらに備える、請求項９に記載の電磁駆動弁。

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