JP2000027615A - 電磁アクチュエータの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 消費電力を節約しながら電磁アクチュエータ
の応答性を向上させる。 【解決手段】電磁コイルによって機械要素を駆動する電
磁アクチュエータの制御装置であって、電磁コイルに供
給される電流を還流させる還流回路と、還流回路に設け
られ、該還流回路を流れる電流により充電されるコンデ
ンサと、電磁コイルへの電流の供給を停止するとき、前
記コンデンサを放電させ電磁コイルに逆方向の電流を流
す放電路を形成する手段とを備える。電磁コイルに供給
される電流がコンデンサに蓄積され、電流の供給が停止
されるときにこのコンデンサを放電させて電磁コイルに
逆方向の電流を流すので、電流供給停止によって生じる
誘導起電力による電流を打ち消し、速やかに電磁コイル
の消磁を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、機械要素を駆動
する電磁アクチュエータの制御装置に関し、より具体的
にはエンジンの吸気ポートおよび排気ポートを開閉する
バルブなどの機械要素を駆動する電磁アクチュエータの
制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】機械要素をカム、ロッドなどの連結によ
る機械的駆動に変えて電磁アクチュエータにより電気的
に駆動することが行われている。電磁アクチュエータに
よる駆動は、電気信号によって電磁コイルを励磁して電
磁石の吸引力によって機械要素を駆動するもので、電気
信号を制御することによって、駆動のタイミングおよび
駆動力をいかようにでも変えられるので、精密なタイミ
ング制御および可変制御が望まれる分野で多く利用され
ている。

【０００３】車両においてもエンジンの吸気弁の開閉制
御をはじめとしてさまざまな箇所で電磁アクチュエータ
が使用されている。電磁アクチュエータの利用が望まれ
る用途の一つにエンジンの吸排気バルブがある。機械的
な構造によりエンジンの吸排気バルブのタイミングをエ
ンジンの回転域により変える方式が実用化されている
が、電磁アクチュエータによって吸排気バルブを駆動す
ればバルブ・タイミングを多様に制御することが可能に
なり、エンジンの出力特性および燃費の改善が可能にな
る。

【０００４】電磁アクチュエータで吸排気バルブを駆動
する場合、先ずバルブを停止状態から動かし始めるため
のエネルギーを生成するため大きな過励磁電流を第１の
電磁コイルに流し、次いでバルブを開位置または閉位置
に保持するための比較的小さい保持電流を流すことが行
われる。開位置または閉位置に駆動されたバルブは、続
いて第１の電磁コイルとは反対方向の駆動力を生成する
第２の電磁コイルによって、第１の電磁コイルの励磁と
同様の励磁操作により閉位置または開位置に向けて駆動
される。これらの電磁コイルに印加される過励磁電流お
よび保持電流を遮断すると電磁コイルのインダクタンス
により誘導起電力が発生しバルブを現在位置に吸引し続
ける方向の電流が流れ続ける。このため、速やかに電流
を切ることができず、バルブの応答性を阻害する。

【０００５】特開平８−２８４６２６号公報には、電磁
コイルへの印加電流を切る際に生じる誘導起電力による
電流を流すフライホイル回路に可変抵抗装置を入れ、コ
イルに流れる電流を切るべきときには抵抗を増大させて
誘導起電力による電流を抵抗で急速に消費させて減少さ
せることが記載されている。

【０００６】また、同公報には別の実施例として、電磁
コイルに関してＨブリッジを構成し、上記の誘導起電力
による電流を制限するため電源から逆方向の電流をコイ
ルに供給することが示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来技術の抵抗による電力消費によって誘導電流を
減少させる手法では、誘導起電力によって生じたエネル
ギーを無駄に消費することになる。また、逆方向の電流
を電源から供給する手法では、電源のエネルギーを余分
に消費することになる。さらに、逆方向の電流を供給す
る手法では、逆方向の通電のタイミングを過励磁電流お
よび保持電流の通電タイミングと重ならないようにする
必要があり、重なった場合には、制御回路のスイッチ素
子の性能を低下させることがある。

【０００８】したがって、この発明は、消費電力を節約
しながら電磁アクチュエータの応答性を向上させること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１の発明は、電磁コイルによって機械要素を
駆動する電磁アクチュエータの制御装置であって、電磁
コイルに供給される電流を還流させる還流回路と、還流
回路に設けられ、該還流回路を流れる電流により充電さ
れるコンデンサと、電磁コイルへの電流の供給を停止す
るとき、前記コンデンサを放電させ前記電磁コイルに逆
方向の電流を流す放電路を形成する手段とを備える構成
をとる。

【００１０】この発明によると、電磁コイルに供給され
る電流がコンデンサに蓄積され、電流の供給が停止され
るときにこのコンデンサを放電させて電磁コイルに逆方
向の電流を流すので、電流供給停止によって生じる誘導
起電力による電流を打ち消し、速やかに電磁コイルの消
磁を行うことができる。こうして消費電力を節約しなが
ら制御信号に対する電磁アクチュエータの応答性を向上
させることができる。

【００１１】また、請求項２の発明は、請求項１の制御
装置において、還流回路は、前記コンデンサに直列に設
けられた、電流を還流させるダイオードを備え、前記放
電路を形成する手段は、前記ダイオードと並列に設けら
れ、前記電磁コイルへの電流の供給が停止されるとき
に、オンに切り替えられるスイッチ素子を備えるという
構成をとる。

【００１２】この発明によると、並列接続の還流ダイオ
ードおよびスイッチ素子にコンデンサを直列接続した簡
単な構成で請求項１の制御装置の還流路を実現すること
ができる。

【００１３】請求項３の発明は、請求項２の制御装置に
おいて、前記電磁コイルのマイナス側の端子と直列に前
記電磁コイルに駆動電流を流すための第２のスイッチ素
子が設けられ、該第２のスイッチ素子と並列に前記コン
デンサの放電路を形成する第２のダイオードが設けられ
ているという構成をとる。

【００１４】この発明によると、第２のスイッチ素子と
第２のダイオードとの並列接続という簡単な構成で電磁
コイルの電流路および前記コンデンサの放電路を形成す
ることができる。

【００１５】請求項４の発明は、請求項１の制御装置に
おいて、駆動対象がエンジンのバルブであるという構成
をとる。この発明によると、エンジンのバルブが応答性
の優れた電磁アクチュエータで駆動されるので、バルブ
の応答性が向上する。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に図面を参照してこの発明の実
施の形態を、エンジンのバルブを駆動する電磁アクチュ
エータを例にとって説明する。この発明は、エンジンの
バルブを駆動する電磁アクチュエータに限定されるもの
ではなく、広く電磁アクチュエータ一般に適用すること
ができる。

【００１７】図１は、この発明の制御装置の一実施例の
回路図で、図２は、この発明の駆動制御装置によって駆
動される電磁アクチュエータの概略の構造を示す断面図
である。先ず図２を参照すると、バルブ２０は、電磁ア
クチュエータ１０によって上方向に駆動されるとエンジ
ンの吸気ポートまたは排気ポート（以下、吸排気ポート
という）３０に設けられたバルブシート３１に密着して
停止し、吸排気ポート３０を閉じる。バルブ２０は、電
磁アクチュエータ１０によって下方向に駆動されるとバ
ルブシート３１を離れ、バルブシート３１から所定の距
離離れた位置まで下降して吸排気ポートを開く。

【００１８】バルブ２０のバルブシャフト２１は、バル
ブガイド２３によって軸方向に運動可能に保持されてお
り、その上端に軟磁性材料で作られた円板状のプランジ
ャ２２が取り付けられている。プランジャ２２は、第１
のスプリング１６および第２のスプリング１７により上
下から支持されている。

【００１９】電磁アクチュエータ１０の非磁性材料のハ
ウジング１８内には、プランジャ２２の上方に位置する
第１のソレノイド型の電磁コイル１１、およびプランジ
ャの下方に位置する第２のソレノイド型の電磁コイル１
３が設けられている。第１の電磁コイル１１は第１の磁
気コア１２で、第２の電磁コイル１３は第２の磁気コア
１４で囲まれている。

【００２０】第１のスプリング１６および第２のスプリ
ング１７は、第１の電磁コイル１１または第２の電磁コ
イル１３のいずれにも駆動電流が印加されていない状態
で、プランジャ２２が第１の電磁コイル１１と第２の電
磁コイル１３との間の間隔の中間にくるようなバランス
で設けられている。

【００２１】第１の電磁コイル１１に電流が供給される
と、第１の磁気コア１２およびプランジャ２２が磁化さ
れ互いに吸引し合い、プランジャ２２が上方向に引きつ
けられる。こうしてバルブ２０が上方向に駆動されバル
ブシート３１に密着して停止し、閉状態になる。第１の
電磁コイル１３への電流の供給を停止し、第２の電磁コ
イル１３に電流を流すと、第２の磁気コア１４およびプ
ランジャ２２が磁化されてプランジャ２２を下方向に吸
引する力が働き、重力の作用と相まってプランジャ２２
が下方向に駆動され、プランジャ２２が第２の磁気コア
１４に接触した状態で停止する。こうして、バルブ２０
は開状態になる。

【００２２】次に第１図を参照してこの発明の一実施例
であるエンジンのバルブを駆動する電磁アクチュエータ
の制御回路を説明する。Ｖ１は車載の１２ボルトの電源
電圧をたとえば１００Ｖに昇圧させた電圧であり、Ｖ２
は１２ボルト電源電圧そのまままたはこれを若干昇圧さ
せて電圧である。タイミング回路１は、エンジンの運転
を制御するエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit:
電子制御装置）からの制御信号に基づいてバルブ駆動制
御回路の各部の動作を制御する回路であり、エンジンＥ
ＣＵの一部であってもよく、これとは別個に設けられて
いてもよい。

【００２３】電圧Ｖ１は、タイミング回路１からの信号
によってスイッチＳＷ１がオンにされるとき電磁コイル
２に印加される。ここでは、電磁コイル２は、電磁アク
チュエータ１０の第１の電磁コイル１１であるとする
が、第２の電磁コイル１３にも別の制御回路から駆動電
圧が供給される。スイッチＳＷ１は典型的にはバイポー
ラ・トランジスタまたはＦＥＴ（電界効果トランジス
タ）で構成されるスイッチ回路で、タイミング回路１か
らの制御信号がベースまたはゲートに印加されるとオン
になり、制御信号がオフになるとオフになる。スイッチ
ＳＷ２もスイッチＳＷ１と同様のスイッチ回路で、タイ
ミング回路１からの制御信号によってオンオフ制御され
る。

【００２４】電磁コイル２の他端は図１にＦＥＴとして
示すスイッチＳＷ３および電流検出器３に直列に接続さ
れている。スイッチＳＷ３は、タイミング回路１から制
御信号がゲートに加えられるとオンになり、電磁コイル
２の電流路を完成させる。スイッチＳＷ３は、この実施
例ではｎチャネルＦＥＴで、ダイオードＤ１は、ｐ型の
半導体基板とｎ型のドレイン領域とのｐｎ接合で形成さ
れるダイオードで、ｎチャネルＦＥＴに本来的に含まれ
る寄生ダイオードである。このような寄生ダイオードを
含まないスイッチ素子を使用するときは、別にダイオー
ドをスイッチＳＷ３と並列に接続する必要がある。ダイ
オードＤ１は、後で説明するコンデンサＣ１の放電路を
形成する。

【００２５】電流検出器３は、電磁コイル２に流れる電
流を検出し、検出信号をタイミング回路１に送る。タイ
ミング回路１はこの検出信号を用いて電磁コイルに供給
中の電力のフィードバック制御を行う。

【００２６】電磁コイル２の電源側の端子にはスイッチ
ＳＷ４およびコンデンサＣ１が直列に接続され還流路を
形成している。スイッチＳＷ４は、スイッチＳＷ３と同
じくｎチャネルのＦＥＴで構成され、本来的に寄生ダイ
オードＤ２を備えている。寄生ダイオードＤ２を備えな
いスイッチ素子を使用するときには、別にダイオードを
スイッチＳＷ４と並列に接続する。

【００２７】次に図３のタイミング図および図１を参照
して、この発明の実施例の電磁アクチュエータ制御回路
の働きを説明する。エンジンＥＣＵから制御信号が図３
（ａ）に示すように加えられると、図３（ｂ）および図
３（ｄ）に示す制御信号がスイッチＳＷ１およびＳＷ３
にそれぞれ加えられ、これらのスイッチがオンにされ
る。これにより、図３（ｅ）に示すようにたとえば１０
０Ｖの電圧Ｖ１が電磁コイル２に加えられ、図３（ｆ）
に示すように駆動電流が電磁コイル２、スイッチＳＷ
３、電流検出器３を通って流れ始める。駆動電流は、電
磁コイルのインダクタンスによってややなだらかに立ち
上がる。電磁コイル２を流れる電流は、コンデンサＣ
１、ダイオードＤ２を通って電磁コイルに還流する。こ
うしてコンデンサＣ１は、電磁コイル２に駆動電流が流
れる際に充電される。

【００２８】スイッチＳＷ１は駆動電流を立ち上げるに
十分な時間オンにされた後は、間欠的にオンオフに制御
され（図３（ａ））、図３（ｅ）に示されるように電圧
Ｖ１が間欠的に電磁コイルに加えられる。スイッチＳＷ
１の断続のタイミングは、電流検出器３からの信号に基
づいて電磁コイルに流れる電流が予め設定された値にな
るようタイミング回路１で制御される。すなわち、いわ
ゆるフィードバックによるデューティ制御が行われる。
バルブ２０を移動させるに十分な駆動力を与える時間Ｔ
１（図３（ｅ））が経過すると、スイッチＳＷ１がオフ
にされて電圧Ｖ１の供給が停止され、これに代わってス
イッチＳＷ２が間欠的にオンにされて（図３（ｃ））、
Ｖ１より低い電圧Ｖ２が時間Ｔ２の間、間欠的に電磁コ
イルに加えられる。この場合も、電流検出器３からの信
号に基づいて供給電力のフィードバック制御が電圧Ｖ２
のデューティ制御の形で行われる。

【００２９】このようにして、バルブ２０は、高電圧Ｖ
１による電力によってたとえば開位置から閉位置に駆動
され、電圧Ｖ２による電力によって移動位置、たとえば
閉位置に保持される。上の説明では、スイッチＳＷ１お
よびＳＷ２のオンオフ制御により供給電力を制御すると
したが、要はフィードバックによるデューティ制御で電
力を制御するものであればよい。また、必ずしもデュー
ティ制御による必要はなく、フィードバックにより供給
電圧の振幅を可変制御する手法を用いてもよい。

【００３０】エンジンＥＣＵからの制御信号がオフにな
るタイミングでスイッチＳＷ２への制御信号がオフにさ
れると同時に駆動電流を流す回路を形成していたスイッ
チＳＷ３がオフにされ、代わってスイッチＳＷ４がオン
にされる。コンデンサＣ１には、電磁コイル２の駆動中
に還流する電流によって電源電圧とは逆極性の電荷が蓄
積されているので、スイッチＳＷ４がオンになると、コ
ンデンサＣ１のアース側の電極から電流検出器３、ダイ
オードＤ１電磁コイル２スイッチ、ＳＷ４を通ってコン
デンサ１の他方の電極に至る放電路が形成され放電電流
が流れる。

【００３１】図３（ｆ）は、電磁コイルに流れる電流波
形を模式的に示しており、電圧Ｖ１の印加によって電流
が流れはじめ規定値に達した後は、フィードバックによ
るデューティ制御によって時間Ｔ３の間、一定値に保た
れる。この時間Ｔ３は、バルブを開位置から閉位置に駆
動するのに要する時間である。時間Ｔ３の経過後前述の
ようにして印加電圧がＶ２に切り替えられ、電磁コイル
２に流れる電流がバルブを移動位置に保持するのに必要
な値まで減少される。スイッチＳＷ２およびＳＷ３がオ
フにされ、スイッチＳＷ４がオンにされると、コンデン
サＣ１の放電がはじまり、時間Ｔ４の間、逆方向の放電
電流が流れる。

【００３２】この放電電流は、電磁コイル２に印加され
ていた保持電圧Ｖ２の供給が停止されるときに電磁コイ
ルに発生する誘導起電力による、順方向の電流を打ち消
して電磁コイル２を速やかに消磁するので、電磁コイル
２の電磁作用を速やかに減衰させプランジャ２２の速や
かな解放を可能にする。

【００３３】図４（ａ）は、電磁コイル２に流れる電流
の観測波形であり、図３（ｆ）の波形に対応する。図４
（ｂ）は、コンデンサＣ１の電圧の観測波形であり、電
磁コイルに流れる電流によって充電され、その放電によ
って電磁コイルに逆方向の電流が流れる様子が観測され
る。

【００３４】以上にこの発明をエンジンのバルブを駆動
する電磁アクチュエータの実施例について説明したが、
この発明はこの実施例に限定されるものではなく、広く
電磁アクチュエータ一般に適用することができる。

【００３５】

【発明の効果】請求項１の発明によると、電磁コイルに
供給される電流がコンデンサに蓄積され、電流の供給が
停止されるときにこのコンデンサを放電させて電磁コイ
ルに逆方向の電流を流すので、電流供給停止によって生
じる誘導起電力による電流を打ち消し、速やかに電磁コ
イルの消磁を行うことができる。こうして消費電力を節
約しながら制御信号に対する電磁アクチュエータの応答
性を向上させることができる。

【００３６】請求項２の発明によると、並列接続の還流
ダイオードおよびスイッチ素子にコンデンサを直列接続
した簡単な構成で電磁アクチュエータの制御装置を実現
することができ、請求項３の発明によると、第２のスイ
ッチ素子と第２のダイオードとの並列接続という簡単な
構成で電磁コイルの電流路および前記コンデンサの放電
路を形成することができる。

【００３７】また、請求項４の発明によると、エンジン
のバルブが応答性の優れた電磁アクチュエータで駆動さ
れるので、バルブの応答性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の電磁アクチュエータ制御
装置の回路図。

【図２】エンジンのバルブを駆動する電磁アクチュエー
タの断面を模式的に示す図。

【図３】図１の回路の各部の信号を示す波形図。

【図４】図１の回路による波形の実測波形を示す図。

【符号の説明】

１０ 電磁アクチュエータ ２、１１、１３ 電磁コイル ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４ スイッチ Ｄ１、Ｄ２ ダイオード Ｃ１ コンデンサ ２０ バルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 稔 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 3H106 DA07 DA25 DB02 DB13 DB26 DB32 DC02 DC17 DD09 EE04 EE22 FB14 FB43 GA30 KK17

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電磁コイルによって機械要素を駆動する電
   磁アクチュエータの制御装置であって、 前記電磁コイルに供給される電流を還流させる還流回路
   と、 前記還流回路に設けられ、該還流回路を流れる電流によ
   り充電されるコンデンサと、 前記電磁コイルへの電流の供給を停止するとき、前記コ
   ンデンサを放電させ前記電磁コイルに逆方向の電流を流
   す放電路を形成する手段と、 を備える制御装置。
2. 【請求項２】前記還流回路は、前記コンデンサに直列に
   設けられた、電流を還流させるダイオードを備え、前記
   放電路を形成する手段は、前記ダイオードと並列に設け
   られた、前記電磁コイルへの電流の供給が停止されると
   きに、オンに切り替えられるスイッチ素子を備える請求
   項１に記載の制御装置。
3. 【請求項３】前記電磁コイルのマイナス側の端子と直列
   に前記電磁コイルに駆動電流を流すための第２のスイッ
   チ素子が設けられ、該第２のスイッチ素子と並列に前記
   コンデンサの放電路を形成する第２のダイオードが設け
   られている請求項２に記載の制御装置。
4. 【請求項４】前記機械要素はエンジンのバルブである請
   求項１に記載の制御装置。