JP4228254B2 - 電磁駆動式バルブ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば内燃機関の吸排気バルブとして用いられる電磁駆動式バルブ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関の吸排気バルブを電磁石で駆動する電磁駆動式の吸排気バルブ装置が研究されている。この電磁駆動式の吸排気バルブ装置は、例えば米国特許第５７１１２５９号公報（図８参照）に示すように、エンジンのシリンダヘッド１０に、吸気（排気）ポート１１を開閉するバルブ１２のシャフト１３を組み付け、閉弁期間中には、バルブ１２を閉側スプリング１４によって閉弁位置に保持する。そして、弁シャフト１３の上方には、可動鉄心１５を上下動自在に配置し、この可動鉄心１５の上下両側に、閉側コイル１６と開側コイル１７を所定間隔を隔てて配置し、閉弁期間中には、上側の閉側コイル１６に保持電流を流して、図８（ａ）に示すように、可動鉄心１５を閉弁側（上側）に吸着保持する。一方、開弁する時には、上側の閉側コイル１６の保持電流を遮断して、下側の開側コイル１７に駆動電流を流し、図８（ｂ）に示すように、可動鉄心１５を開弁側（下側）に移動させることで、弁シャフト１３を閉側スプリング１４に抗して下側に押してバルブ１２を開弁させる。
【０００３】
エンジン運転中は、弁シャフト１３が高熱にさらされて熱膨張するため、弁シャフト１３と可動鉄心１５との間に、弁シャフト１３の熱膨張を吸収するためのクリアランス１９を設けることで、バルブ１２が確実に全閉状態となるように設計されている。従って、閉弁状態から開弁する時には、まず、可動鉄心１５のみがクリアランス１９分だけ下方に移動し、可動鉄心１５が弁シャフト１３の上端に衝突した後に、両者が一体となって下方に移動してバルブ１２を開弁させる。この構成では、バルブ１２の動き始めが可動鉄心１５の動き始めよりもクリアランス１９分だけ遅れるため、バルブ１２の開弁タイミングを正確に制御するには、クリアランス１９による遅れを考慮する必要がある。このクリアランス１９は、エンジン運転中に弁シャフト１３の熱膨張量の変化（温度変化）に応じて変化するため、クリアランス１９による遅れを考慮するには、エンジン運転中にクリアランス１９を検出する必要がある。
【０００４】
また、閉弁状態から開弁する場合、まず、上側の閉側コイル１６の保持電流を遮断して、上側の開側スプリング１８の押し下げ力によって可動鉄心１５のみをクリアランス１９分だけ下方に移動させ、可動鉄心１５が弁シャフト１３の上端に衝突して、可動鉄心１５が下側の開側コイル１７に近付いた時点で、下側の開側コイル１７に駆動電流を流して、その電磁吸引力により可動鉄心１５を開側コイル１７側に吸着してバルブ１２を全開状態に保持する。この際、閉側コイル１６の残留磁気や可動鉄心１５の軸１５ａと軸受２０とのフリクション等によって可動鉄心１５の動き始めのタイミングが変化するため、その変化に応じて開側コイル１７の通電開始タイミングを変化させることが好ましい。
【０００５】
例えば、開側コイル１７の通電開始タイミングが遅くなり過ぎると、可動鉄心１５を開側コイル１７側に吸着（キャッチ）できない、いわゆるキャッチミスが発生する。このキャッチミスを防ぐために、開側コイル１７の通電開始タイミングを早めに設定すると、その分、通電時間を長くしなければならず、消費電力が増加する（閉弁時にはバルブ１２の着座時の激突音が大きくなる原因にもなる）。従って、キャッチミス防止と消費電力低減等を両立させるには、可動鉄心１５の動き始めのタイミングを基準にして開側コイル１７の通電開始タイミングを正確に制御する必要があり、そのためには、可動鉄心１５の動き始めを正確に検出する必要がある。
【０００６】
そこで、米国特許５７４２４６７号公報では、閉側コイル１６の保持電流を遮断した直後に、残留磁気エネルギによって該閉側コイル１６に誘導される電圧（フライバック電圧）を検出し、このフライバック電圧の波形の極小点のタイミングを可動鉄心１５の動き始めとして検出するようにしている。これは、可動鉄心１５と閉側コイル１６との間のギャップの変化による磁束変化によってフライバック電圧の波形が変化する特性に着目し、フライバック電圧の波形から可動鉄心１５の動き始めを検出するものである。
【０００７】
しかし、この公報の技術では、可動鉄心１５と弁シャフト１３との間のクリアランス１９を検出できないため、クリアランス１９による遅れを考慮した通電制御を行うことができない。
【０００８】
そこで、米国特許５７１１２５９号公報では、閉側コイル１６の保持電流を遮断した直後のフライバック電圧（図９参照）を検出し、可動動鉄心１５が弁シャフト１３に衝突した時に可動鉄心１５の動きが急変することで発生するフライバック電圧の不規則な変化を検出して、可動鉄心１５が弁シャフト１３に衝突するタイミングｔ2 を検出する。この場合、フライバック電圧の波形の極小点のタイミングｔ1 が可動鉄心１５の動き始めのタイミングとなるため、ｔ2 −ｔ1 から可動鉄心１５と弁シャフト１３との間のクリアランス１９を検出することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、可動鉄心１５と弁シャフト１３との間のクリアランス１９は、弁シャフト１３の熱膨張を吸収するための非常に小さな隙間であるため、可動鉄心１５が動き始めるタイミングｔ1 と、弁シャフト１３に衝突するタイミングｔ2 とが非常に接近して、可動鉄心１５の動き始めによる電圧変化と、可動鉄心１５と弁シャフト１３との衝突による電圧変化とを正確に判別することが困難となり、クリアランス１９（ｔ2 −ｔ1 ）を精度良く検出することができない。しかも、保持電流を遮断した瞬間に大きなフライバック電圧が発生するため、駆動回路のスイッチング素子の耐圧を高める必要があり、その分、高価なスイッチング素子を用いる必要があり、駆動回路が高価になってしまう欠点もある。
【００１０】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、可動子の動き始めと、可動子と弁シャフトとの間のクリアランスとを分離して精度良く検出できると共に、駆動回路のスイッチング素子の耐圧を下げることができて、コストダウンすることができ、しかも、消費電力を低減することができる電磁駆動式バルブ装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の電磁駆動式バルブ装置は、還流電流発生手段により、開弁タイミング及び／又は閉弁タイミングの少し前から閉側／開側コイルに保持電流を流すための電圧印加を終了して該コイルに環流電流を流し、この環流電流を環流電流検出手段により検出すると共に、検出した環流電流の波形に基づいて、動作開始タイミング検出手段により可動子の動き始めを検出する。そして、可動子の動き始めが検出された時に、フライバック電圧発生手段により環流電流を遮断して該コイルにフライバック電圧を発生させ、このフライバック電圧をフライバック電圧検出手段により検出すると共に、検出したフライバック電圧の波形に基づいて、クリアランス検出手段により可動子と弁シャフトとのクリアランスを検出する。
【００１２】
この構成では、環流電流の波形から可動子の動き始めを検出し、可動子の動き始めを検出した時点で、環流電流を遮断するため、環流電流の波形には可動子と弁シャフトとの衝突の影響（クリアランスの影響）が全く現れない。これにより、環流電流の波形から可動子の動き始めを精度良く検出することができる。しかも、可動子が動き始めた後にフライバック電圧を発生させて、そのフライバック電圧の波形からクリアランスを検出するため、フライバック電圧の波形に可動子の動き始めによる電圧変化が重畳しない。このため、クリアランスが微小であっても、可動子の動き始めの影響を全く受けずに、フライバック電圧からクリアランスを精度良く検出することができる。これにより、本発明では、環流電流とフライバック電圧とから可動子の動き始めとクリアランスとを分離して精度良く検出できる。
【００１３】
また、可動子の動き始めが検出されるまでには、環流電流が環流回路の抵抗分で消費されて減少するため、環流電流の遮断により発生するフライバック電圧は保持電流（環流電流の初期値に相当）の遮断により発生するフライバック電圧と比較してかなり低くなる。このため、駆動回路のスイッチング素子の耐圧を従来よりも下げることができ、その分、安価なスイッチング素子を用いることができて、コストダウンの要求も満たすことができる。しかも、可動子の動き始めを検出した時点で、環流電流を遮断するため、環流電流による残留磁気力により可動子の動きが妨げられることもなく、反対側のコイルが可動子をキャッチするための電力を少なくすることができ、消費電力も低減できる。
【００１４】
ところで、開弁状態から閉弁する時には、まず、弁シャフトと可動子が当接した状態で両者が一体に閉弁側に移動し、弁体が弁座に着座した後は、可動子が弁シャフトから離れて閉側コイル側に吸着保持される。従って、閉弁する時には、開弁する時とは異なり、可動子が弁シャフトと衝突しないため、フライバック電圧の波形に、閉弁する時のような大きな変化は現れない。但し、閉弁する時に、弁体が弁座に着座した後（可動子が弁シャフトから離れた後）は、弁シャフトを付勢する閉弁スプリングのばね力が可動子に作用しなくなるため、その前後で、可動子の動きが変化してフライバック電圧の波形に小さな変化が生じるが、このような小さな変化を検出するには、非常に高精度な検出回路を用いる必要があり、コストアップしてしまう。
【００１５】
そこで、請求項２のように、閉弁状態から開弁する時のみにクリアランスを検出するようにすると良い。つまり、クリアランスの変化は、弁シャフトの熱膨張量の変化（温度変化）によって生じるものであるから、比較的緩やかな変化となる。従って、内燃機関の吸排気バルブのように、開弁と閉弁を高速で交互に繰り返すシステムでは、開弁時のクリアランスと、その直後の閉弁時のクリアランスとは、実質的に同一となるため、開弁時にクリアランスを検出すれば、その直後の閉弁時のクリアランスを検出する必要はなく、開弁時のクリアランスの検出値をそのまま閉弁時のクリアランスの情報として用いることができる。しかも、前述したように、開弁時のクリアランスは比較的検出しやすいため、比較的安価な検出回路で精度良くクリアランスを検出することができる。
【００１６】
但し、開弁状態から閉弁する時でも、閉側コイルの通電開始タイミングがずれると、可動子のキャッチミスが発生するため、請求項３のように、開弁状態から閉弁する時には、環流電流に基づいて可動子の動き始めの検出のみを行うことが好ましい。つまり、閉弁する時でも、開弁する時と同様に、保持電流の遮断後に環流電流が発生するため、環流電流から可動子の動き始めを精度良く検出することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を内燃機関の電磁駆動式吸排気バルブ装置に適用した一実施形態を図１乃至図７に基づいて説明する。まず、図１及び図２に基づいて電磁駆動式吸排気バルブ装置全体の構造を説明する。バルブハウジング２１の下部には、吸気（又は排気）ポート２２が形成され、このポート２２の開口周縁部に円環状の弁座２３が取り付けられている。バルブハウジング２１の中心部には、バルブ２４（弁体）を支持する弁シャフト２５が軸受部材２６を介して上下方向に摺動自在に挿通支持され、その上下動によりバルブ２４がポート２２を開閉する。弁シャフト２５の上部に嵌着固定されたスプリング受け部材２７とバルブハウジング２１内のスプリング収容室２８の底面部との間に閉側スプリング２９が挟み込まれ、この閉側スプリング２９の押し上げ力によって弁シャフト２５が閉弁側（上側）に付勢され、閉弁中は、この閉側スプリング２６の押し上げ力によってバルブ２４が閉弁状態に保持される。
【００２０】
一方、バルブハウジング２１の上側部には、電磁駆動装置３０が組み付けられている。この電磁駆動装置３０のハウジングは、非磁性の上ハウジング３１と非磁性の下ハウジング３２とから成り、上下の各ハウジング３１，３２に、閉側コイル３３が装着された閉側コア３４と、開側コイル３５が装着された開側コア３６とが所定の間隔を隔てて対向するように組み付けられている。閉側コア３４と開側コア３６との間には、両者の間隔を一定に保つための非磁性の環状スペーサ３７が挟み込まれ、この環状スペーサ３７の内側に平板状の可動鉄心３８が上下動自在に収容されている。この可動鉄心３８の中心部には、プランジャ３９が上下方向に貫通固定され、このプランジャ３９がハウジング３１，３２の中心部に形成された貫通孔４０，４１に上下方向に摺動自在に挿通支持されている。尚、可動鉄心３８とプランジャ３９とから特許請求の範囲でいう可動子が構成されている。
【００２１】
上ハウジング３１の上面中央部に形成された円筒部４２には、開側スプリング４３を収容したスプリングケース４４が組み付けられている。このスプリングケース４４内には、プランジャ３９の上端部に固定されたスプリング受け部材４５が上下動自在に収容され、このスプリング受け部材４５とスプリングケース４４の上面部との間に開側スプリング４３が挟み込まれ、この開側スプリング４３の押し下げ力によってプランジャ３９が開弁側（下側）に付勢されている。
【００２２】
閉弁時には、上側の閉側コイル３３に駆動電流を流して、図１に示すように、可動鉄心３８を閉側コア３４の下面に吸着保持する。この状態では、プランジャ３９と弁シャフト２５との間に、これらの熱膨張を吸収するためのクリアランス４６が形成され、バルブ２４の閉弁状態が閉側スプリング２６の押し上げ力のみによって保持される。
【００２３】
一方、開弁時には、下側の開側コイル３５に駆動電流を流して、図２に示すように、可動鉄心３８を開側コア３６の上面に吸着して、プランジャ３９で弁シャフト２５を閉側スプリング２９に抗して押し下げ、バルブ２４を開弁状態に保持する。
【００２４】
次に、図３に基づいて閉側／開側コイル３３，３５の通電を制御する駆動制御回路４９の構成を説明する。閉側／開側コイル３３，３５のプラス端子は、共にハイサイドスイッチ５０を介して例えば３６Ｖの高電圧電源５１のプラス端子に接続され、且つ、逆電流防止ダイオード５２と定電流スイッチ５３を介して例えば１２Ｖのバッテリ５４のプラス端子に接続されている。更に、閉側／開側コイル３３，３５のプラス端子は、フライバック用のダイオード５５を介して接地されている。
【００２５】
一方、閉側／開側コイル３３，３５のマイナス端子は、それぞれ、閉側／開側駆動スイッチ５６，５７と閉側／開側検出抵抗５８，５９を介して接地されている。各検出抵抗５８，５９の両端の電位が各差動増幅回路６０，６１の両入力端子に入力され、各差動増幅回路６０，６１の出力端子から各検出抵抗５８，５９の両端の電位差に応じた電圧が出力される。閉側／開側コイル３３，３５に流れる電流は、各検出抵抗５８，５９にも流れるため、各検出抵抗５８，５９の両端の電位差を各検出抵抗５８，５９の抵抗値で除算すれば、閉側／開側コイル３３，３５に流れる電流（初期駆動電流、保持電流、環流電流）が求められる。これら検出抵抗５８，５９と差動増幅回路６０，６１とから、特許請求の範囲でいう環流電流検出手段が構成されている。各差動増幅回路６０，６１の出力電圧は、定電流制御回路６２とフェイル判定回路６３に入力され、更に、入出力回路６６を介してエンジン制御回路６５にも入力される。
【００２６】
定電流制御回路６２は、閉弁／開弁状態を保持するために、バッテリ５４から閉側／開側コイル３３，３５にほぼ一定の保持電流（図４参照）を流し続けるための回路であり、保持電流の検出値（差動増幅回路６０，６１の出力電圧）が保持電流上限設定値以上になった時に、オフ信号を出力し、保持電流下限設定値以下になった時に、オン信号を出力する。この定電流制御回路６２の出力信号はドライブ回路６４に入力される。
【００２７】
ドライブ回路６４は、定電流制御回路６２の出力信号とエンジン制御回路６５の出力信号に基づいて前述した各スイッチ５０，５３，５６，５７を駆動して、閉側／開側コイル３３，３５の通電を制御する。この制御の詳細については後述する。尚、各スイッチ５０，５３，５６，５７は、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子により構成されている。
【００２８】
フェイル判定回路６３は、差動増幅回路６０，６１の出力電圧（閉側／開側コイル３３，３５の電流の検出値）に基づいて、キャッチミス等の異常（フェイル）の有無を判定し、フェイル発生時にフェイル信号を入出力回路６６を介してエンジン制御回路６５に出力する。エンジン制御回路６５は、フェイル判定回路６３からフェイル信号が入力された時に、フェイルが発生した気筒の点火や燃料噴射を停止して、バックファイヤー、アフターファイヤー等を防止する。
【００２９】
また、閉側／開側コイル３３，３５のマイナス端子側には、後述する環流電流の遮断直後に発生するフライバック電圧を検出するフライバック電圧検出回路６７（フライバック電圧検出手段）が設けられ、このフライバック電圧検出回路６７の出力信号が入出力回路６６を介してエンジン制御回路６５に入力される。
【００３０】
以上のように構成した駆動制御回路４９とエンジン制御回路６５は、特許請求の範囲でいう通電制御手段として機能し、閉側／開側コイル３３，３５の通電を制御する。以下、この通電制御を図３乃至図５を用いて説明する。ここで、図４は閉弁状態から開弁し、その後、開弁する時の動作を示すタイムチャート、図５は閉弁状態から開弁する時の環流電流、フライバック電圧、クリアランス４６の関係を説明するタイムチャートである。
【００３１】
図３において、高電圧電源５１の通電路をオン／オフするハイサイドスイッチ５０は、エンジン制御回路６５から出力されるハイサイドスイッチ信号によって制御される。開弁／閉弁を切り換える時に、可動鉄心３８を閉側／開側コア３４，３６に吸着（キャッチ）するのに必要な時間Ｔ1 ，Ｔ2 だけ、ハイサイドスイッチ５０がオンされ、高電圧電源５１から高電圧（３６Ｖ）が閉側／開側コイル３３，３５のプラス端子に印加される。これ以外の時は、このハイサイドスイッチ５０はオフ状態に維持される。
【００３２】
一方、バッテリ５４の通電路をオン／オフする定電流スイッチ５３は、閉弁／開弁状態を保持するために、バッテリ５４から閉側／開側コイル３３，３５にほぼ一定の保持電流を流し続けるためのスイッチであり、そのオン／オフが定電流制御回路６２の出力信号によって制御される。尚、保持電流の終了タイミング（環流開始タイミング）は、エンジン制御回路６５から出力される閉側／開側駆動信号のオフタイミングによって制御される。
【００３３】
また、閉側／開側コイル３３，３５のマイナス端子に接続された閉側／開側駆動スイッチ５６，５７は、エンジン制御回路６５から出力される閉側／開側駆動スイッチ信号によって制御される。閉側駆動スイッチ５６のオン期間中に、閉側コイル３３に電流（初期駆動電流、保持電流、環流電流）が流れ、開側駆動スイッチ５７のオン期間中に、開側コイル３５に電流（初期駆動電流、保持電流、環流電流）が流れる。
【００３４】
次に、図４を用いて閉側／開側コイル３３，３５の通電制御を詳しく説明する。閉弁状態を保持し続ける時（図４のｔ0 以前）は、閉側駆動スイッチ５６がオンで、且つ、ハイサイドスイッチ５０がオフに維持された状態で、定電流スイッチ５３のオン／オフを小刻みに繰り返して、バッテリ５４から閉側コイル３３にほぼ一定の保持電流を流し続ける。このとき、閉側駆動信号はオン状態に維持される。
【００３５】
この後、開弁タイミングの所定時間前のタイミングｔ0 で、閉側駆動信号がオフに切り換えられる。これ以後は、定電流スイッチ５３がオフ状態に維持され、保持電流の供給（バッテリ電圧の印加）が終了するが、閉側駆動スイッチ５６は引き続きオン状態に維持される。このため、保持電流終了後に、それまでに閉側コイル３３に蓄積された磁気エネルギが、閉側コイル３３→閉側駆動スイッチ５６→閉側検出抵抗５８→グランド線→ダイオード５５→閉側コイル３３の経路（閉側環流回路）で環流して閉側コイル３３に環流電流が流れる。この機能が特許請求の範囲でいう環流電流発生手段に相当する役割を果たす。
【００３６】
この環流電流のエネルギは、上記閉側環流回路の抵抗分で徐々に消費されるため、図５に示すように、時間の経過に伴って環流電流が徐々に低下する。この環流電流が閉側コイル３３に流れる間は、閉側コア３４から可動鉄心３８に閉弁方向の電磁吸引力が作用するため、環流電流がある程度低下するまでは、引き続き可動鉄心３８が閉側コア３４に吸着された状態（閉弁状態）が維持される。そして、環流電流による閉弁方向の電磁吸引力が開側スプリング４３の押し下げ力よりも小さくなった時点で、開側スプリング４３の押し下げ力により可動鉄心３８が閉側コア３４から引き離されて下方に移動する。
【００３７】
可動鉄心３８が動き始めると、可動鉄心３８と閉側コア３４との間のギャップの変化によって磁束が変化し、この磁束変化が環流電流の変化として現れて、環流電流の低下が止まる。これにより、可動鉄心３８の動き始めのタイミングｔ1 で環流電流の波形が極小点となる。従って、エンジン制御回路６５は、環流電流の波形が極小点（環流電流の波形の一次微分値が０）となるタイミングｔ1 を検出し、このタイミングｔ1 で可動鉄心３８が動き始めたと判断する。この機能が特許請求の範囲でいう動作開始タイミング検出手段に相当する役割を果たす。
【００３８】
エンジン制御回路６５は、可動鉄心３８の動き始めのタイミングｔ1 を検出した時点で、閉側駆動スイッチ５６をオフさせて環流電流を遮断する。これにより、図５に示すように、残留磁気エネルギによって閉側コイル３３にフライバック電圧が発生する。このフライバック電圧は、閉側コイル３３のマイナス端子側でフライバック電圧検出回路６７によって検出され、エンジン制御回路６５に取り込まれる。エンジン制御回路６５は、このフライバック電圧の波形から可動鉄心３８のプランジャ３９が弁シャフト２５に衝突するタイミングｔ2 を次のようにして検出する。
【００３９】
つまり、閉弁状態から開弁する時には、まず、可動鉄心３８とプランジャ３９のみがクリアランス４６分だけ下方に移動し、プランジャ３９が弁シャフト２５の上端に衝突した後に、両者が一体となって下方に移動してバルブ２４を開弁させる。この際、可動鉄心３８のプランジャ３９が弁シャフト２５に衝突した時に可動鉄心３８の動きが急変して磁束が変化するため、その磁束変化がフライバック電圧の変化として現れる。本発明者の実験結果によれば、環流電流遮断後のフライバック電圧の波形に現れる複数回の変曲点のうちの３回目の変曲点のタイミングｔ2 が、可動鉄心３８のプランジャ３９が弁シャフト２５に衝突するタイミングｔ2 となることが判明している。
【００４０】
従って、エンジン制御回路６５は、環流電流遮断後のフライバック電圧の波形に現れる３回目の変曲点（フライバック電圧の波形の２次微分値が０となる点）のタイミングｔ2 を検出し、このタイミングｔ2 でプランジャ３９が弁シャフト２５に衝突したと判断する。そして、可動鉄心３８が動き始めてからプランジャ３９が弁シャフト２５に衝突するまでの時間（ｔ2 −ｔ1 ）を算出し、図５に示すように、この時間（ｔ2 −ｔ1 ）がクリアランス４６に応じて変化する関係を利用して、この時間（ｔ2 −ｔ1 ）からクリアランス４６を算出する。この機能が特許請求の範囲でいうクリアランス検出手段に相当する役割を果たす。
【００４１】
そして、プランジャ３９が弁シャフト２５に衝突して、可動鉄心３８が開側コア３６に近付いた時点ｔ3 （図４参照）で、開側駆動信号をオンに切り換えて、ハイサイドスイッチ５０をオンすると共に、開側駆動スイッチ５７をオンする。これにより、高電圧電源５１から高電圧（３６Ｖ）が開側コイル３５に印加されて、開側コイル３５に比較的大きな初期駆動電流が流され、それによって発生する比較的大きな電磁吸引力で可動鉄心３８が開側コア３６に吸着（キャッチ）される。
【００４２】
この場合、可動鉄心３８の動き始めのタイミングが閉側コイル３３の残留磁気やプランジャ３９のフリクション等によって変化することを考慮し、エンジン制御回路６５は、可動鉄心３８の動き始めのタイミングｔ1 に基づいて、マップ又は演算式により開側コイル３５の通電開始タイミングｔ3 を補正して、可動鉄心３８のキャッチミスを防止する。
【００４３】
また、エンジン制御回路６５は、可動鉄心３８を開側コア３６に確実に吸着するための初期駆動電流の通電時間Ｔ1 （ハイサイドスイッチ５０のオン時間）をエンジン回転数や吸入空気量等のエンジン運転条件によって設定し、これをクリアランス４６（ｔ2 −ｔ1 ）に応じてマップ又は演算式により補正する。例えば、クリアランス４６（ｔ2 −ｔ1 ）が大きくなるほど、キャッチミスが発生しやすくなるため、クリアランス４６（ｔ2 −ｔ1 ）が大きくなるほど、初期駆動電流の通電時間Ｔ1 を長くするように補正して、キャッチミスを防止する。
【００４４】
初期駆動電流の通電時間Ｔ1 が設定時間に達すると、ハイサイドスイッチ５０がオフされ、開側コイル３５への高電圧（３６Ｖ）の印加が停止される。これにより、開側コイル３５に流れる電流が低下し、その電流値が保持電流下限設定値以下になると、定電流スイッチ５３がオンされて、バッテリ電圧（１２Ｖ）が開側コイル３５に印加され、開側コイル３５に保持電流が流される。その後、この保持電流が保持電流上限設定値以上になった時に、定電流スイッチ５３がオフされ、開側コイル３５へのバッテリ電圧の印加が停止される。以後、このような定電流スイッチ５３のオン／オフが小刻みに繰り返されて、バッテリ５４から開側コイル３５にほぼ一定の保持電流が流し続けられ、可動鉄心３８が開側コア３６に吸着された状態（開弁状態）に保持される。
【００４５】
その後、閉弁タイミングの所定時間前のタイミングｔ4 で、開側駆動信号がオフに切り換えられる。これ以後は、定電流スイッチ５３がオフ状態に維持され、保持電流の供給（バッテリ電圧の印加）が終了するが、開側駆動スイッチ５７は引き続きオン状態に維持される。このため、保持電流終了後に、それまでに開側コイル３５に蓄積された磁気エネルギが、開側コイル３５→開側駆動スイッチ５７→開側検出抵抗５９→グランド線→ダイオード５５→開側コイル３５の経路（開側環流回路）で環流して開側コイル３５に環流電流が流れる。
【００４６】
この環流電流のエネルギは、上記開側環流回路の抵抗分で徐々に消費されるため、時間の経過に伴って環流電流が徐々に低下する。この環流電流が開側コイル３５に流れる間は、開側コア３６から可動鉄心３８に開弁方向の電磁吸引力が作用するため、環流電流がある程度低下するまでは、引き続き可動鉄心３８が開側コア３６に吸着された状態（開弁状態）が維持される。そして、環流電流による開弁方向の電磁吸引力が閉側スプリング２９の押し上げ力よりも小さくなった時点で、閉側スプリング２９の押し上げ力により可動鉄心３８が開側コア３６から引き離されて上方に移動する。
【００４７】
閉弁する時も、開弁するときと同じく、可動鉄心３８が動き始めると、可動鉄心３８と開側コア３６との間のギャップの変化によって磁束が変化し、この磁束変化が環流電流の変化として現れて、環流電流の低下が止まる。これにより、可動鉄心３８の動き始めのタイミングｔ5 で環流電流の波形が極小点となる。従って、エンジン制御回路６５は、環流電流の波形が極小点となるタイミングｔ5 を検出し、このタイミングｔ5 で可動鉄心３８が動き始めたと判断する。
【００４８】
エンジン制御回路６５は、可動鉄心３８の動き始めのタイミングｔ5 を検出した時点で、閉側駆動スイッチ５６をオフさせて環流電流を遮断する。これにより、残留磁気エネルギによって開側コイル３５にフライバック電圧が発生する。
【００４９】
開弁状態から閉弁する時には、まず、弁シャフト２５と可動鉄心３８のプランジャ３９が当接した状態で両者が一体に閉弁側（上側）に移動し、バルブ２４が弁座２３に着座した後は、プランジャ３９が弁シャフト２５から離れて閉弁側に移動する。従って、閉弁する時には、開弁する時とは異なり、プランジャ３９が弁シャフト２５と衝突しないため、フライバック電圧の波形に、閉弁する時のような大きな変化は現れない。従って、閉弁する時には、クリアランス４６の検出は行わない。
【００５０】
クリアランス４６の変化は、弁シャフト２５の熱膨張量の変化（温度変化）によって生じるものであるから、比較的緩やかな変化となる。従って、内燃機関の吸排気バルブのように、開弁と閉弁を高速で交互に繰り返すシステムでは、開弁時のクリアランス４６と、その直後の閉弁時のクリアランス４６とは、実質的に同一となるため、開弁時にクリアランス４６を検出すれば、その直後の閉弁時のクリアランス４６を検出する必要はなく、開弁時のクリアランス４６の検出値をそのまま閉弁時のクリアランス４６の情報として用いることができる。
【００５１】
エンジン制御回路６５は、閉弁する時も、開弁する時と同じく、可動鉄心３８の動き始めのタイミングｔ5 に基づいて、マップ又は演算式により閉側コイル３３の通電開始タイミングｔ6 を補正する。そして、この通電開始タイミングｔ6 で、閉側駆動信号をオンに切り換えて、ハイサイドスイッチ５０をオンすると共に、閉側駆動スイッチ５６をオンする。これにより、高電圧電源５１から高電圧（３６Ｖ）が閉側コイル３３に印加されて、閉側コイル３３に比較的大きな初期駆動電流が流され、それによって発生する比較的大きな電磁吸引力で可動鉄心３８が閉側コア３４に吸着（キャッチ）される。
【００５２】
閉弁時も、開弁時と同じく、初期駆動電流の通電時間Ｔ2 （ハイサイドスイッチ５０のオン時間）をエンジン回転数や吸入空気量等のエンジン運転条件によって設定して、これを直前の開弁駆動時に検出したクリアランス４６（ｔ2 −ｔ1 ）を用いてマップ又は演算式により補正する。
【００５３】
初期駆動電流の通電時間Ｔ2 が設定時間に達すると、ハイサイドスイッチ５０がオフされ、閉側コイル３３への高電圧（３６Ｖ）の印加が停止される。この後は、定電流スイッチ５３のオン／オフが小刻みに繰り返されて、バッテリ５４から閉側コイル３３にほぼ一定の保持電流が流し続けられ、可動鉄心３８が閉側コア３４に吸着された状態（閉弁状態）に保持される。
以上説明した閉側／開側コイル３３，３５の通電制御は、エンジン制御回路６５によって図６及び図７に従って実行される。
【００５４】
図６は閉弁状態から開弁する時の制御の流れを示すフローチャートである。本プログラムでは、まずステップ１０１で、開弁タイミングの所定時間前のタイミングｔ0 になるまで待機し、このタイミングｔ0 になった時点で、ステップ１０２に進み、閉側駆動信号をオフに切り換えて、定電流スイッチ５３をオフして保持電流の供給（バッテリ電圧の印加）を終了し、閉側コイル３３に環流電流を流す。
【００５５】
この後、ステップ１０３で、環流電流の波形が極小点になったか否かで、可動鉄心３８が動き始めたか否かを判定し、可動鉄心３８が動き始めるまで待機する。そして、環流電流の波形が極小点になった時点ｔ1 で、可動鉄心３８が動き始めたと判断し、ステップ１０４に進んで、この可動鉄心３８の動き始めのタイミングｔ1 をエンジン制御回路６５のＲＡＭ（図示せず）に記憶する。
【００５６】
そして、次のステップ１０５で、閉側駆動スイッチ５６をオフさせて環流電流を遮断し、閉側コイル３３にフライバック電圧を発生させる。この後、ステップ１０６で、フライバック電圧の波形に３回目の変曲点が現れたか否かで、プランジャ３９が弁シャフト２５に衝突したか否かを判定し、３回目の変曲点が現れるまで待機する。そして、フライバック電圧の波形に３回目の変曲点が現れた時点ｔ2 でプランジャ３９が弁シャフト２５に衝突したと判断し、ステップ１０７に進んで、プランジャ３９が弁シャフト２５に衝突したタイミングｔ2 をＲＡＭに記憶する。
【００５７】
この後、ステップ１０８で、可動鉄心３８が動き始めてからプランジャ３９が弁シャフト２５に衝突するまでの時間（ｔ2 −ｔ1 ）を算出し、この時間（ｔ2 −ｔ1 ）からクリアランス４６を算出する。そして、次のステップ１０９で、可動鉄心３８の動き始めのタイミングｔ1 に基づいて、マップ又は演算式により開側コイル３５の通電開始タイミングｔ3 を補正すると共に、開弁駆動時の初期駆動電流の通電時間Ｔ1 （ハイサイドスイッチ５０のオン時間）を、クリアランス４６（ｔ2 −ｔ1 ）に応じてマップ又は演算式により補正する。この後、ステップ１１０で、補正後の通電開始タイミングｔ3 で開側コイル３５への高電圧（３６Ｖ）の印加を開始し、その後、時間Ｔ1 経過後に、高電圧の印加を停止して開側コイル３５に保持電流を流して、バルブ２４を開弁状態に保持する。
【００５８】
図７は開弁状態から閉弁する時の制御の流れを示すフローチャートである。本プログラムでは、ステップ２０１〜２０５で、上述した開弁駆動時と同じく、閉弁タイミングの所定時間前のタイミングｔ4 で、開側コイル３５に環流電流を流し、この環流電流の波形が極小点になった時点ｔ5 で、可動鉄心３８が動き始めたと判断し、このタイミングｔ5 をＲＡＭに記憶する。
【００５９】
この後は、開弁駆動時とは異なり、クリアランス４６の検出を行わずに、ステップ２０６に進み、可動鉄心３８の動き始めのタイミングｔ5 に基づいて、マップ又は演算式により閉側コイル３３の通電開始タイミングｔ6 を補正すると共に、閉弁駆動時の初期駆動電流の通電時間Ｔ2 （ハイサイドスイッチ５０のオン時間）を、直前の開弁駆動時に検出したクリアランス４６（ｔ2 −ｔ1 ）を用いて、マップ又は演算式により補正する。この後、ステップ２０７で、補正後の通電開始タイミングｔ6 で閉側コイル３３への高電圧（３６Ｖ）の印加を開始し、その後、時間Ｔ2 経過後に、高電圧の印加を停止して閉側コイル３３に保持電流を流して、バルブ２４を閉弁状態に保持する。
【００６０】
以上説明した本実施形態では、開弁タイミングの少し前から閉側コイル３３に流す保持電流を終了して環流電流を流し、この環流電流の波形から可動鉄心３８の動き始めを検出し、可動鉄心３８の動き始めを検出した時点で、環流電流を遮断してフライバック電圧を発生させ、このフライバック電圧の波形からクリアランス４６を検出する。この検出方法では、フライバック電圧の波形に可動鉄心３８の動き始めによる電圧変化が重畳しないため、クリアランス４６が微小であっても、可動鉄心３８の動き始めの影響を全く受けずに、フライバック電圧からクリアランスを精度良く検出することができる。これにより、環流電流とフライバック電圧とから可動鉄心３８の動き始めとクリアランス４６とを分離して精度良く検出できる。
【００６１】
しかも、検出した可動鉄心３８の動き始めに応じて、通電開始タイミングを補正するようにしたので、可動鉄心３８の動き始めのタイミングが残留磁気やフリクション等によって変化しても、それに応じて通電開始タイミングを適正化することができ、キャッチミスを防止することができる。更に、検出したクリアランス４６に応じて初期駆動電流の通電時間を補正するようにしたので、弁シャフト２５の熱膨張量の変化（温度変化）によってクリアランス４６が変化しても、そのクリアランス４６の変化の影響を受けない高精度な開弁／閉弁駆動の制御が可能となり、キャッチミス防止、閉弁時のバルブ２４の着座時の激突音低減を実現できる。
【００６２】
また、可動鉄心３８の動き始めが検出されるまでには、環流電流が環流回路の抵抗分で消費されて減少するため、環流電流の遮断により発生するフライバック電圧は、保持電流（環流電流の初期値に相当）の遮断により発生するフライバック電圧と比較してかなり低くなる。このため、駆動スイッチ５６，５７等のスイッチング素子の耐圧を従来よりも下げることができ、その分、安価なスイッチング素子を用いることができて、コストダウンの要求も満たすことができる。しかも、可動鉄心３８の動き始めを検出した時点で、環流電流を遮断するため、環流電流による残留磁気力により可動鉄心３８の動きが妨げられることもなく、反対側のコイルが可動鉄心３８をキャッチするための電力を少なくすることができ、消費電力も低減できる。
【００６３】
尚、検出した可動鉄心３８の動き始めに応じて、初期駆動電流の通電時間を補正するようにしても良く、また、検出したクリアランス４６に応じて通電開始タイミングを補正するようにしても良く、要は、可動鉄心３８の動き始めやクリアランス４６に応じて通電開始タイミングや初期駆動電流の通電時間等の駆動条件を補正するようにすれば良い。
【００６４】
また、本実施形態では、ハイサイドスイッチ５０と定電流スイッチ５３を設けて、初期駆動電流の期間と保持電流の期間とで、電源電圧を高電圧電源５１とバッテリ５４とで切り換えるようにしたが、定電流スイッチ５３を省略して、ハイサイドスイッチ５０を定電流スイッチとして兼用し、閉側／開側コイル３３，３５に保持電流を流す際に、ハイサイドスイッチ５０のオン／オフを小刻みに繰り返して、高電圧電源５１から閉側／開側コイル３３，３５にほぼ一定の保持電流を流し続けるようにしても良い。また、高電圧電源５１の電圧も３６Ｖに限定されず、適宜変更しても良いことは言うまでもない。
【００６５】
ところで、図８に示す従来の電磁駆動式吸排気バルブ装置は、閉側／開側コイル１６，１７の内周側に開側／閉側スプリング１８，１４を配置しているため、バルブ装置の径方向寸法が大きくなる欠点がある。このため、１気筒当たりのバルブ数が多くなると、バルブ装置の取り付けが困難となり、少ないバルブ数のエンジンにしか取り付けることができない。
【００６６】
これに対し、本実施形態では、閉側／開側コイル３３，３５の軸方向両側に、開側／閉側スプリング４３，２９を配置しているため、バルブ装置の径方向寸法を小さくすることができ、１気筒当たりのバルブ数が多いエンジンにも取り付けることができる。
【００６７】
但し、本発明は、図８の構造のバルブ装置にも適用して実施しても良く、それによって、本発明の目的を十分に達成することができる。
尚、フライバック電圧は、本実施形態のように、閉側／開側コイル３３，３５のマイナス側で検出することが望ましいが、プラス側で検出するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における電磁駆動式バルブ装置の閉弁時の状態を示す縦断面図
【図２】電磁駆動式バルブ装置の開弁時の状態を示す縦断面図
【図３】駆動制御回路の構成を示す回路図
【図４】電磁駆動式バルブ装置の動作を説明するタイムチャート
【図５】主要部の動作を説明するタイムチャート
【図６】開弁駆動制御プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図７】閉弁駆動制御プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図８】（ａ）は従来の電磁駆動式バルブ装置の閉弁時の状態を示す縦断面図、（ｂ）は開弁時の状態を示す縦断面図
【図９】従来のフライバック電圧の波形を示す図
【符号の説明】
２２…ポート、２３…弁座、２４…バルブ（弁体）、２５…弁シャフト、２９…閉側スプリング、３３…閉側コイル、３４…閉側コア、３５…開側コイル、３６…開側コア、３８…可動鉄心（可動子）、３９…プランジャ（可動子）、４３…開側スプリング、４６…クリアランス、４９…駆動制御回路（通電制御手段）、５０…ハイサイドスイッチ、５１…高電圧電源、５３…定電流スイッチ、５４…バッテリ、５６…閉側駆動スイッチ、５７…開側駆動スイッチ、５８…閉側検出抵抗（環流電流検出手段）、５９…開側検出抵抗（環流電流検出手段）、６０，６１…差動増幅回路（環流電流検出手段）、６２…定電流制御回路、６３…フェイル判定回路、６５…エンジン制御回路（通電制御手段，動作開始タイミング検出手段，クリアランス検出手段，環流電流発生手段，フライバック電圧発生手段）、６７…フライバック電圧検出回路（フライバック電圧検出手段）。

Claims (3)

1. 弁シャフトを有する弁体と、
   前記弁体を閉弁位置に保持する閉側スプリングと、
   閉弁時に前記弁シャフトの先端からクリアランス分だけ離れた位置に移動し、開弁時に前記弁シャフトを前記閉側スプリングに抗して開弁方向に押して前記弁体を開弁させる可動子と、
   前記可動子を閉弁側に駆動する閉側コイルと、
   前記可動子を開弁側に駆動する開側コイルと、
   閉弁期間中に前記閉側コイルに保持電流を流して前記可動子を閉弁側に保持し、開弁期間中に前記開側コイルに保持電流を流して前記可動子を開弁側に保持する通電制御手段と を備えた電磁駆動式バルブ装置において、
   開弁タイミング及び／又は閉弁タイミングの少し前から前記保持電流を流すための電圧印加を終了して該コイルに環流電流を流す還流電流発生手段と、
   前記環流電流を検出する環流電流検出手段と、
   前記環流電流検出手段により検出した環流電流の波形に基づいて前記可動子の動き始めを検出する動作開始タイミング検出手段と、
   前記動作開始タイミング検出手段により前記可動子の動き始めが検出された時に前記環流電流を遮断して該コイルにフライバック電圧を発生させるフライバック電圧発生手段と、
   前記フライバック電圧を検出するフライバック電圧検出手段と、
   前記フライバック電圧検出手段により検出したフライバック電圧の波形に基づいて前記可動子と前記弁シャフトとのクリアランスを検出するクリアランス検出手段と
   を備えていることを特徴とする電磁駆動式バルブ装置。
2. 前記クリアランス検出手段は、閉弁状態から開弁する時のみに前記クリアランスを検出することを特徴とする請求項１に記載の電磁駆動式バルブ装置。
3. 開弁状態から閉弁する時には、前記動作開始タイミング検出手段による前記可動子の動き始めの検出のみを行い、前記クリアランス検出手段による前記クリアランスの検出を行わないことを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁駆動式バルブ装置。

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