JP2000110593A

JP2000110593A - 電磁駆動吸排気弁の駆動回路

Info

Publication number: JP2000110593A
Application number: JP10282974A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Yonekura; 光一郎米倉; Masami Negishi; 正美根岸
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2000-04-18

Abstract

(57)【要約】【課題】可動部が変位端に近接すると、駆動電流を急
激に減少させ、可動部の衝突速度を低減させるととも
に、エネルギーを回生して消費電力を削減する。【解決手段】バルブコントロールＣＰＵ３２の制御に
より、下流ＦＥＴ駆動回路３０−１はＦＥＴ２４−１
を、上流ＦＥＴ駆動回路３１−１はＦＥＴ２３−１をそ
れぞれ駆動する。電磁コイル９ａが図外のプランジャを
吸引する場合、ＦＥＴ２４−１はｏｎ、ＦＥＴ２３−１
はＰＷＭ制御により、電磁コイル９ａにキャッチング電
流が供給される。可動部が変位端に近接した場合、ＦＥ
Ｔ２４−１をｏｆｆし、電磁コイル９ａの電流をコンデ
ンサ２８−１に電荷として蓄積させ、急峻にキャッチン
グ電流から保持電流へ電流値を低減させる。コンデンサ
２８−１に蓄積されたエネルギーは、次回の電磁コイル
８ａの励磁開始時に利用される。この逆にコンデンサ２
８−２のエネルギーは電磁コイル９ａで利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関に用いて
好適な電磁駆動吸排気弁の駆動回路に係り、特に電磁コ
イルのエネルギーを回生するコンデンサを設けた電磁駆
動吸排気弁の駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、内燃機関の吸排気バルブを現
在主流であるカム駆動に変えて電動で駆動する構成が提
案されている。吸排気バルブを電動駆動する構成によれ
ば、カムシャフト等の回転機構を省略することができる
と共に、バルブタイミングの変更が容易であることか
ら、内燃機関の運転状態に応じた理想的な開閉弁タイミ
ングを任意に設定可能となり、出力特性、及び燃費特性
を改善することが可能となる。

【０００３】そして、吸排気バルブの電動駆動装置とし
ては電磁コイルを用いた電磁アクチュエータによる構成
が提案されている。この構成は例えば特開昭６１−２４
７８０７号公報で知られている。この構成のアクチュエ
ータにおいては、可動部をバルブの開弁方向に付勢する
スプリングと可動部を閉弁方向に付勢するスプリングの
２つのスプリングを有し、さらに可動部をそれぞれバル
ブの開弁方向と閉弁方向とに吸引する２つの電磁石を有
している。

【０００４】この場合、可動部とバルブからなる可動系
は、電磁コイルに電流が流れていない場合には２つのス
プリングのバネ力により、２つの電磁石の吸着面からそ
れぞれ所定の位置だけ離間した中立位置に保持され、ま
た開弁側または閉弁側のどちらか一方の電磁石の電磁コ
イルに電流が通電すると、その際に生じる電磁吸引力に
より、吸引力がスプリングのばね力に打ち勝って一方の
電磁石側に引き寄せられることになる。

【０００５】この状態で電磁コイルの電流を遮断する
と、今度はスプリングのばね力により可動系は中立位置
を一旦通過して他方の電磁石に接近する。このとき他方
の電磁コイルに電流を流しておくと可動系は他方の電磁
石に吸引されることになる。

【０００６】このようにして２つの電磁石の電磁コイル
の電流の通電、遮断動作に従って可動部を所定の変位幅
だけ変位させることを可能にしており、この変位を利用
してバルブの開弁または閉弁状態を切り替えているので
ある。

【０００７】一方、本装置の駆動回路に着目すると、例
えば特開平８−２８４６２６号公報で知られているよう
な構成がある。該公報では、弁体および可動部が変位端
に向けて勢い良く変位してしまい、静粛性および弁体の
耐久性が阻害されるのを、変位端付近で電流を減少させ
始めるとともに、フライホイル回路の抵抗値を増大さ
せ、電流の減少を急激にすることで、抑制することが可
能になっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで上記従来の駆
動回路では、電流を減少させる際、フライホイル回路内
の抵抗値を増大させ、電流の消費を早め結果として急峻
な電流の減少を得ているわけであるが、このように抵抗
により電流を消費させる動作は、回路内を流れている電
気エネルギーを熱エネルギーに変換し、捨てていること
に他ならず、回路の発熱が大きいと共に駆動回路の効率
が悪いという問題点があった。

【０００９】本発明はこのような従来の問題点に鑑みて
なされたものであり、その課題は、弁体が変位端に近接
した際、抵抗によりエネルギーを消費することなく、電
磁コイルの電磁力を弱める、即ち電流を減少させること
ができる駆動回路を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記課題を解決するため、吸気弁又は排気弁の各弁軸に
連接されたプランジャと、該プランジャの両作用面に対
向して配設された２つの電磁コイルと、前記弁軸を開弁
側と閉弁側とに付勢する２つの付勢手段を備え、吸気弁
又は排気弁をこれら電磁コイルと付勢手段との協働によ
り電磁的に開閉するようにした電磁駆動吸排気弁の駆動
回路であって、前記吸気弁又は排気弁の位置に同期して
前記電磁コイルに電流を供給する電流制御手段と、前記
電磁コイルの電流を吸収、蓄電するコンデンサとを有
し、前記吸気弁又は排気弁が変位端に近接または当接し
た際に、前記コンデンサを用いて前記電磁コイルの電流
値を減少させるとともに、前記コンデンサに充電するこ
とを要旨とする。

【００１１】請求項２記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１に記載の電磁駆動吸排気弁の駆動回路
において、前記駆動回路は、前記電磁コイルに流れる電
流値を検出する電流検出手段を備え、前記電流検出手段
が検出した電流値に基づいて前記コンデンサの充電を停
止するタイミングを決定することを要旨とする。

【００１２】請求項３記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１または２に記載の電磁駆動吸排気弁の
駆動回路において、前記駆動回路は、前記電磁コイルの
一方の電流値を減少させる際に前記コンデンサに充電さ
れた電圧を用いて、前記一方の電磁コイルと対を成す他
方の電磁コイルの次回の励磁開始時の電流を供給するこ
とを要旨とする。

【００１３】請求項４記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１または２に記載の電磁駆動吸排気弁の
駆動回路において、前記駆動回路は、前記電磁コイルの
電流値を減少させる際に前記コンデンサに充電された電
圧を用いて、前記電磁コイルの次回の励磁開始時の電流
を供給することを要旨とする。

【００１４】請求項５記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１または２に記載の電磁駆動吸排気弁の
駆動回路において、前記駆動回路は、前記コンデンサに
充電された電圧を用いて次回の励磁を行う際、前記コン
デンサを充電したときの充電開始時と充電終了時の各電
流値に基づいて、励磁開始のタイミングを所定タイミン
グよりも時間的に遅らせることを要旨とする。

【００１５】請求項６記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１または２に記載の電磁駆動吸排気弁の
駆動回路において、前記駆動回路は、前記コンデンサの
端子間電圧をモニタする機能を有し、前記電磁コイルに
通電を開始しようとする際には、前記コンデンサの端子
間電圧に応じてその励磁開始タイミングを所定タイミン
グよりも遅らせることを要旨とする。

【００１６】請求項７記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１または２に記載の電磁駆動吸排気弁の
駆動回路において、前記駆動回路は、電源と並列に前記
コンデンサよりも静電容量の大きい第２のコンデンサ
と、前記第１のコンデンサを前記第２のコンデンサと接
続するスイッチング素子とを有し、前記第１のコンデン
サにエネルギーが充電された後、前記第１のコンデンサ
と第２のコンデンサを接続し、第１のコンデンサに充電
されたエネルギーを第２のコンデンサに移動して、以降
の前記電磁コイルの励磁に利用することを要旨とする。

【００１７】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、吸気弁
又は排気弁が変位端に近接または当接した際に、コンデ
ンサを用いて電磁コイルの電流値を減少させるととも
に、前記コンデンサに充電することにより、電磁コイル
の電流値を急峻に減少させることができるので、弁体ま
たはプランジャが変位端に当接する際の衝撃を緩和し、
騒音・振動を低減することができるとともに、電磁駆動
吸排気弁装置の磨耗・劣化を低減して内燃機関の寿命を
延ばすことができるという効果がある。

【００１８】請求項２記載の発明によれば、電磁コイル
に流れる電流値を検出する電流検出手段を更に備えるこ
とにより、請求項１記載の発明の効果に加えて、この電
流検出手段が検出した電流値に基づいてコンデンサの充
電を停止するタイミングを決定することができるので、
電磁コイルに流れる電流を正確に保持電流まで低減する
ころができるという効果がある。

【００１９】請求項３記載の発明によれば、駆動回路
は、電磁コイルの一方の電流値を減少させる際に前記コ
ンデンサに充電された電圧を用いて、前記一方の電磁コ
イルと対を成す他方の電磁コイルの次回の励磁開始時の
電流を供給することにより、請求項１又は２記載の発明
の効果に加えて、電磁コイルのエネルギーを回生し、消
費電力を削減することができるという効果がある。

【００２０】請求項４記載の発明によれば、駆動回路
は、電磁コイルの電流値を減少させる際に前記コンデン
サに充電された電圧を用いて、該電磁コイルの次回の励
磁開始時の電流を供給することにより、請求項１又は２
記載の発明の効果に加えて、電磁コイルのエネルギーを
回生し、消費電力を削減することができるという効果が
ある。

【００２１】請求項５記載の発明によれば、駆動回路
は、コンデンサに充電された電圧を用いて次回の励磁を
行う際、コンデンサを充電したときの充電開始時と充電
終了時の各電流値に基づいて、励磁開始のタイミングを
所定タイミングよりも時間的に遅らせることにより、請
求項１又は２記載の発明の効果に加えて、電磁コイルの
エネルギーを回生利用する際にもバルブの開閉タイミン
グを適切なタイミングに保持することができるという効
果がある。

【００２２】請求項６記載の発明によれば、駆動回路
は、コンデンサの端子間電圧をモニタする機能を有し、
前記電磁コイルに通電を開始しようとする際には、前記
コンデンサの端子間電圧に応じてその励磁開始タイミン
グを所定タイミングよりも遅らせることにより、請求項
１又は２記載の発明の効果に加えて、電磁コイルのエネ
ルギーを回生利用する際にもバルブの開閉タイミングを
さらに正確なタイミングに保持することができるという
効果がある。

【００２３】請求項７記載の発明によれば、駆動回路
は、電源と並列に前記コンデンサよりも静電容量の大き
い第２のコンデンサと、前記第１のコンデンサを前記第
２のコンデンサと接続するスイッチング素子とを有し、
前記第１のコンデンサにエネルギーが充電された後、前
記第１のコンデンサと第２のコンデンサを接続し、第１
のコンデンサに充電されたエネルギーを第２のコンデン
サに移動して、以降の前記電磁コイルの励磁に利用する
ことにより、請求項１又は２記載の発明の効果に加え
て、電磁コイルのエネルギーを回生し、消費電力を削減
することができるという効果がある。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいて説
明する。図１は、本発明に係る電磁駆動吸排気弁の駆動
回路の第１の実施形態の構成を示す回路図であり、請求
項１から３までに記載の発明に対応する。また図２は、
本発明に係る電磁駆動吸排気弁の駆動回路が適用される
電磁駆動吸排気弁装置の一例を示す断面図である。以下
の説明において、吸気弁又は排気弁を単にバルブと呼ぶ
こととする。

【００２５】図２において、電磁駆動吸排気弁装置は、
エンジンのシリンダヘッド１、バルブ２、バルブリテー
ナ３、付勢手段としての閉弁側のバルブスプリング４、
装置の筐体５、６、７、開弁側の電磁石８、閉弁側の電
磁石９、シャフト１０、プランジャ（可動板）１１、ス
プリングシート１４、付勢手段としての開弁側のスプリ
ング１５、スプリングカバー１６を備えている。

【００２６】バルブ２の弁軸２ａは、シリンダヘッド１
に埋め込まれた円筒形のバルブガイド１ｃの内部を上下
に摺動可能になっている。また弁軸２ａにはバルブリテ
ーナ３が固定されている。バルブリテーナ３とシリンダ
ヘッド１の間にはコイルスプリングを用いたバルブスプ
リング４が圧縮されて装着されており、このためバルブ
２はシリンダヘッド１のポート１ａを閉じる方向（閉弁
方向）に付勢されることになる。

【００２７】シリンダヘッド１には装置の筐体である
５，６および７が固定されている。筐体内には電磁石８
および９が設けられている。電磁石８および９は直接筐
体６および７に固定されて設置されている。

【００２８】電磁石８，９にはそれぞれ電磁コイル８
ａ，９ａが設けられており、各電磁コイル８ａ，９ａに
は図１の駆動回路２０により電流が流れる。その場合に
は、電磁石の吸引面８ｂ，９ｂが吸引力を発生すること
になる。

【００２９】電磁石８および９の中心部には、弁軸２ａ
に連接されたシャフト１０が摺動可能に設置されてい
る。シャフト１０の中間部分には電磁石８の吸引面８ｂ
と電磁石９の吸引面９ｂとの間に磁性体からなるプラン
ジャ１１が固定されている。

【００３０】また、シャフト１０のシリンダヘッド１と
反対側の端部にはスプリングシート１４が固定されてお
り、筐体に固定されたスプリングカバー１６との間に圧
縮されて設置されたコイルバネである開弁側スプリング
１５の作用により、シャフト１０は開弁方向に付勢され
ている。

【００３１】シャフト１０はバルブ２の軸部と同軸上に
設けられており、シャフト１０のシリンダヘッド側の端
部は、弁軸２ａの頂面２ｃと対向している。そのためシ
ャフト１０に開弁方向（図の下向き）の力が作用した場
合には、シャフト１０がバルブ２を押してバルブ２を開
弁し、逆にシャフト１０が閉弁方向（図の上向き）に移
動した場合には、バルブ２はバルブ傘部２ｂがバルブシ
ート１ｂに当接してポート１ａを塞ぐまで閉弁方向に変
位することになる。このようにして、電磁石８，９の吸
引動作により、バルブ２の開閉を可能にしている。

【００３２】次に、図１を参照して、駆動回路２０の構
成について説明する。図１は、前記電磁コイル９ａおよ
び８ａを駆動する駆動回路の構成を示す回路図である
が、各々の電磁コイルを駆動するための回路構成は同一
であり、そのため、ここでは電磁コイル９ａの側を用い
てその構成を説明する。

【００３３】図１において、電磁駆動吸排気弁の駆動回
路は、電磁コイル９ａ、９ｂに駆動電流を供給する駆動
回路２０と、マイクロプロセッサ等を用いたバルブコン
トロールＣＰＵ３２とを備えている。

【００３４】エンジンコントロールＥＣＵ３３は、クラ
ンク角やエンジン回転数を検知するためのクランク角セ
ンサ信号、エンジンの各種運転条件を検知するためのス
ロットル開度信号、冷却水温度信号、車速信号、吸入空
気量信号、Ｏ２センサ信号等を入力し、これらの信号に
基づいて運転条件に応じて、通常の燃料噴射タイミング
信号を生成して図外の燃料噴射制御部に出力するととも
に、クランク角及び運転条件に応じた標準バルブ開閉タ
イミング信号を生成し、バルブコントロールＣＰＵ３２
へ出力する。

【００３５】バルブコントロールＣＰＵ３２は、エンジ
ンコントロールＥＣＵ３３から送られる標準バルブ開閉
タイミング信号に基づいて駆動回路２０を制御し、電磁
コイル８ａ，９ａによりバルブを開閉する。

【００３６】駆動回路２０は、ダイオード２２−１、２
５−１，２７−１，３４−１，３５−１、電磁コイル９
ａの上流側スイッチング素子であるｐチャンネルＭＯＳ
−ＦＥＴ（以下、単にＦＥＴと呼ぶ）２３−１、電磁コ
イル９ａの下流側スイッチング素子であるｎチャンネル
ＭＯＳ−ＦＥＴ（以下、単にＦＥＴと呼ぶ）２４−１、
電流検出用の抵抗２６−１、ＦＥＴ２３−１を駆動する
上流ＦＥＴ駆動回路３１−１、ＦＥＴ２４−１を駆動す
る下流ＦＥＴ駆動回路３０−１、電流検出・比較回路２
９−１を備え、これらで構成される回路により電磁コイ
ル９ａを駆動するとともに、上記の回路と同等の回路を
備え、これにより電磁コイル８ａを駆動するものであ
る。

【００３７】駆動回路２０には、直流の電源２１が接続
され、通常１２Ｖ〜２００Ｖ程度の電圧が電磁コイル８
ａ，９ａに通電を行うために供給されている。電源２１
からは、ダイオード２２−１を介して上流のＦＥＴ２３
−１のソース（以下、Ｓと略す）が接続されている。Ｆ
ＥＴ２３−１のドレイン（以下、Ｄと略す）には、駆動
回路２０の外部へ端子を介して前述の電磁コイル９ａの
一端が接続されており、電磁コイル９ａの他端は、駆動
回路２０内に戻り、下流のＦＥＴ２４−１のＤに接続さ
れている。

【００３８】ＦＥＴ２４−１のＳには電流検出抵抗２６
−１が接続され、その後接地される。電流検出抵抗２６
−１はその部分に流れる電流値を電圧値に変換する機能
を持っており、その電圧値に変換された電流値の情報は
電流検出・比較回路２９−１に伝達される。

【００３９】一方、ＦＥＴ２３−１のＤと電磁コイル９
ａの電源側端子との接続部には還流ダイオード２５−１
のカソード（以下、Ｋと略す）が接続され、還流ダイオ
ード２５−１のアノード（以下、Ａと略す）は、接地さ
れている。さらにＦＥＴ２４−１のＤと電磁コイル９ａ
の接地側端子との接続部には、ダイオード２７−１を介
して高電圧吸収用のコンデンサ２８−１が、ＦＥＴ２４
−１と並列に、電流検出抵抗２６−１の上流に接続され
ている。さらにコンデンサ２８−１の下流と電流検出抵
抗２６−１間とコンデンサ２８−１の接地側にも逆流防
止用のダイオード３４−１，３５−１が設けられてい
る。

【００４０】このような回路構成により、電磁コイル９
ａには、ＦＥＴ２３−１および２４−１の両方がＯＮと
なったとき、電源２１からダイオード２２−１，ＦＥＴ
２３−１を介して電磁コイル９ａ，ＦＥＴ２４−１，電
流検出抵抗２６−１へと至る回路が構成され、電磁コイ
ル９ａに電圧が印加される。

【００４１】また、ＦＥＴ２３−１がｏｆｆでなおかつ
ＦＥＴ２４−１がｏｎの場合には、還流ダイオード２５
−１から電磁コイル９ａ，ＦＥＴ２４−１を経て電流検
出抵抗２６−１に至る閉ループが構成され、それ以前の
段階で電磁コイル９ａに電流が流れていた場合には上記
ループを電流が還流、減衰することになる。

【００４２】さらに、ＦＥＴ２３−１および２４−１の
両方がｏｆｆしている場合には、還流ダイオード２５−
１から電磁コイル９ａ，ダイオード２７−１，コンデン
サ２８−１，ダイオード３４−１を通り電流検出抵抗２
６−１へ至るループが構成され、それまでの段階で電磁
コイル９ａを流れていた電流は、コンデンサ２８−１に
静電エネルギーとして蓄えられることになる。

【００４３】そしてこのコンデンサ２８−１の下流がダ
イオード３４−１を介して電流検出抵抗２６−１へ接続
されていることにより、電磁コイル９ａの電流が、コン
デンサ２８−１に充電されているその間も、電磁コイル
を流れる電流値は電流検出抵抗２６−１によって検出で
きるようになっているのである。

【００４４】エンジンコントロールＥＣＵ３３は、エン
ジンの運転状況に応じてバルブ駆動信号をバルブコント
ロールＣＰＵ３２に出力する。バルブコントロールＣＰ
Ｕ３２はそれを受けて、各ＦＥＴの駆動時間幅を決定
し、ＦＥＴ駆動回路３１−１，３０−１に出力する。こ
こでバルブコントロールＣＰＵ３２は、もう一つの電磁
コイル８ａ用の駆動回路系にもそれぞれ必要な駆動信号
を出力している。

【００４５】上流ＦＥＴ駆動回路３１−１は、前述のバ
ルブコントロールＣＰＵ３２からの信号と、電流検出・
比較回路２９−１からの信号により、電磁コイル９ａの
電流が、所定の値よりも小さいときにはｏｎし、大きい
ときにはｏｆｆするよう、ＦＥＴ２３−１を駆動する。
ここで電流検出・比較回路２９−１は、電流検出抵抗２
６−１上流の電圧から、回路内を流れている電流の値を
検出し、その値がバルブコントロールＣＰＵ３２から送
られる電流指令値に対して大きいか否かを上流ＦＥＴ駆
動回路３１−１およびバルブコントロールＣＰＵ３２に
出力している。

【００４６】一方、下流ＦＥＴ駆動回路３０−１は、前
述のバルブコントロールＣＰＵ３２からの信号により、
電磁コイル９ａに通電を行う期間中、ＦＥＴ２４−１が
ｏｎするよう駆動している。

【００４７】次に本実施形態の動作を図３の波形図を用
いて説明する。説明を簡単にするため、バルブが全開状
態にあるときから説明する。まず、バルブが全開状態に
あるときには、電磁コイル８ａに電流が通電されてお
り、そのため電磁コイル８ａの電流が発生する磁界の作
用により、電磁石８がプランジャ１１を吸引、電磁石８
の吸引面８ｂとプランジャ１１の下面１１ａが当接した
状態で保持されている。

【００４８】一般に、電磁石とプランジャの距離、即ち
エアギャップに対して作用する電磁力は極めて非線形性
が強く、コイルに流れる電流値が一定であってもエアギ
ャップが小さくなると急激に吸引力が強くなる傾向にあ
る。そのためこの場合、電磁石とプランジャが接触して
いるので、その状態を保持するための電流値は比較的小
さな値でよいことになる。便宜上このプランジャ保持に
必要な比較的小さな電流の値を保持電流Ｉｈとする。

【００４９】いま、エンジンコントロールＥＣＵ３３が
バルブコントロールＣＰＵ３２に対して、バルブを開弁
するよう、指令を出力したとすると、まずバルブコント
ロールＣＰＵ３２は電磁コイル８ａの駆動回路に対し
て、通電を停止するよう信号を出す。すると、電磁コイ
ル８ａの電流は減衰、消滅し、従って電磁石８とプラン
ジャ１１間にそれまで作用していた電磁吸引力が減少す
ることになる。

【００５０】そして、電磁石８がプランジャ１１を吸引
する電磁力の値が、バルブスプリング４と閉弁スプリン
グ１５の合力がプランジャ１１を中立位置に戻そうとす
る力を下回ったとき、プランジャ１１は中立位置、即
ち、電磁石８と電磁石９の中立位置に向けて移動し始め
ることになる。

【００５１】ここでプランジャ１１は中立位置に向けて
移動し、その後直ちに中立位置で停止するわけではな
く、実際にはバルブスプリング４および閉弁スプリング
１５と、プランジャ１１を始めとする可動部分全体の質
量とで決まる共振周波数にて、自由振動を行うことにな
る。即ち、開弁状態から閉弁方向へ移動を開始したプラ
ンジャは、一旦中立位置を通過し、今度は電磁石９の吸
引面９ｂに接近することになる。

【００５２】このとき、バルブコントロールＣＰＵ３２
は、電磁コイル９ａに電流を流すよう、駆動回路２０に
対して指令を与えておくことで、電磁石９がプランジャ
１１を吸引し、バルブを閉弁状態とすることができるの
である。

【００５３】ところで、このようにプランジャ１１の上
面１１ｂと、電磁石９の吸引面９ｂとの間にエアギャッ
プが存在する場合には、前述のような電磁石吸引力の非
線形性により、吸引力が比較的小さいものとなってしま
う。そのため、プランジャ１１を電磁石９に当接させ
る、即ち、バルブを閉弁状帯へ引き込むためには、先ほ
どの保持電流Ｉｈよりも大きい値の電流を電磁コイル９
ａに流す必要が生じる。この電流の値をキャッチング電
流Ｉｃとする。コイル９ａの電流値をキャッチング電流
Ｉｃとするため、具体的には駆動回路２０内で以下のよ
うな動作が行われる。

【００５４】まず、下流ＦＥＴ駆動回路３０−１が、Ｆ
ＥＴ２４−１をｏｎすると同時に、上流ＦＥＴ駆動回路
３１−１がＦＥＴ２３−１をｏｎする。すると、前述の
ような回路が構成され、電源２１からの電圧が、電磁コ
イル９ａに印加される。電磁コイル９ａの電流が次第に
増大し、所定の値即ちキャッチング電流Ｉｃよりもわず
かに大きい値（Ｉｃ＋ΔＩ）よりも大きくなると、電流
検出・比較回路２９−１からの出力が反転し、上流ＦＥ
Ｔ駆動回路３１はそれを受けてＦＥＴ２３−１をｏｆｆ
する。その場合、ダイオード２５−１，電磁コイル９
ａ，スイッチング２４−１，電流検出抵抗２６−１とい
う還流回路が構成されるため、電磁コイル９ａの電流は
次第に減少することになる。

【００５５】そして電磁コイル９ａの電流値がＩｃより
もわずかに小さい値（Ｉｃ−ΔＩ）を下回ると、電流検
出・比較回路の出力がさらに反転し、上流ＦＥＴ３１−
１は再度ＦＥＴ２３−１をｏｎすることになる。このよ
うな動作を繰り返すことで、電磁コイル９ａを流れる電
流は（Ｉｃ−ΔＩ）と（Ｉｃ＋ΔＩ）の間を上下するこ
とになり、平均的に見てほぼ所定の電流値Ｉｃに制御さ
れることになるのである。

【００５６】ここで、プランジャ１１が電磁石９に当接
し、電流値がＩＣよりも小さいＩｈでプランジャ保持が
可能になる場合、上記手法の電流制御において、所定の
電流指令値をＩｈからＩｃに切換えることにより、電磁
コイル９ａに流れる電流は（Ｉｈ−ΔＩ）と（Ｉｈ＋Δ
Ｉ）の間を上下することになり、平均的にほぼＩｈに制
御される。

【００５７】しかしながら、この手法によると、プラン
ジャ１１が電磁石９に当接するまで、電磁コイル９ａに
比較的大きなキャッチング電流Ｉｃが流れていることに
なる。さらに、プランジャ１１と電磁石９間のエアギャ
ップが小さくなるに連れて、前述のように電磁力は急激
に大きくなるため、プランジャ１１が電磁石９に当接す
る際には、プランジャ１１の速度が極めて大きく、よっ
て両者が衝突する際の音が大きい、あるいはプランジャ
１１を始めとする可動部や電磁石９の耐久性が低下する
というような問題がある。

【００５８】そこで、上記のような現象を回避するため
の手段として、プランジャ１１が電磁石９に当接する直
前に、電磁石９の電磁力を急激に低下させ、プランジャ
１１が電磁石９に衝突する際の速度を低減する手法が知
られている。

【００５９】しかしながら、電磁コイル９ａの電流値を
キャッチング電流Ｉｃから保持電流Ｉｈに減少させる
際、前述のように指令値をＩｃからＩｈに変更しただけ
では、電流の減少は、ダイオード２５−１から電磁コイ
ル９ａ，ＦＥＴ２４−１を経て電流検出抵抗２６−１に
至る還流ループにおいて、電磁コイル９ａのインダクタ
ンス成分と回路内の直流抵抗成分とで決定される時定数
で電流が徐々に減衰することになるので、図３の破線で
示す如く、比較的長い時間がかかってしまい、プランジ
ャ１１の衝突速度を効果的に低減することは極めて困難
である。

【００６０】そこで、本実施形態では、電気的コイル９
ａの電流値を、キャッチング電流Ｉｃから保持電流Ｉｈ
に減少させる際、一時的にＦＥＴ２４−１をｏｆｆする
ことで、電流の減少を急峻にさせている。

【００６１】具体的には、電磁コイル９ａに通電する電
流の指令値が、キャッチング電流Ｉｃから保持電流Ｉｈ
に変化すると、下流ＦＥＴ駆動回路３０−１はバルブコ
ントロールＣＰＵ３２からの指令により、一時的にＦＥ
Ｔ２４−１をｏｆｆに転じる。ここで、指令値が低くな
ったのであるから、現在の電流値は新たな指令値Ｉｈよ
りも高いため、ＦＥＴ２３−１はｏｆｆになっている。

【００６２】すると、それまで電磁コイル９ａを流れて
いた電流はダイオード２７−１を介してコンデンサ２８
−１に充電されることになる。その時のコンデンサ２８
−１が充電される、即ち電磁コイル９ａの電流が減少す
る速度は、コンデンサ２８−１の静電容量が小さいほど
高速になる。しかしながらコンデンサ２８−１の容量が
小さいと、その分充電電圧も高くなってしまうため、実
際には、駆動回路構成部品の耐圧性能を考慮して、コン
デンサ２８−１の静電容量は適当に設定される。

【００６３】一方、コンデンサ２８−１の下流にはダイ
オード３４−１を介して電流検出抵抗２６−１が接続さ
れているため、コンデンサ２８−１に充電を行っている
その間も電流値は電流検出・比較回路２９−１に伝達さ
れていることになる。そのため、電磁コイル９ａを流れ
る電流が急激に減少し、指令値、即ち保持電流Ｉｈより
も僅かに小さい値（Ｉｈ−ΔＩ）を下回った場合には、
下流ＦＥＴ駆動回路３０−１はバルブコントロールＣＰ
Ｕ３２の指令により、直ちにＦＥＴ２４−１をｏｎに復
帰し、上流ＦＥＴ駆動回路３１−１が前述のように電磁
コイル９ａの電流値を保持電流Ｉｈに制御するのであ
る。このような動作を行うことにより、電流が減少し過
ぎてプランジャ１１が電磁石９から離間してしまうこと
を防止している。

【００６４】このようにして本実施形態では、電磁コイ
ル９ａの電流を、比較的大きなキャッチング電流Ｉｃか
ら比較的小さな保持電流Ｉｃへ切換える動作を高速でか
つ正確に行うことを可能にしている。

【００６５】ここで請求項３記載の発明の構成として、
コンデンサ２８−１の上流側端子は、電磁コイル８ａ側
の回路のＦＥＴ２３−２のＳ（上流側）に接続されてい
る。本発明の駆動回路が駆動する電磁駆動吸排気弁装置
では、前述のように、プランジャの両作用面にそれぞれ
対向する２つの電磁コイルが必ず交互に通電を繰り返す
ようになっている。よってこのように構成することで、
一方の電磁コイル９ａの電流を低減する際にコンデンサ
２８−１に充電されたエネルギーは、次回、他方の電磁
コイル８ａの励磁が開始されるまで保持されており、電
磁コイル８ａの励磁開始時には、負荷である電磁コイル
８ａにとって電源と並列に接続されることになる。

【００６６】即ち、コンデンサ２８−１には電源電圧よ
りも高い電圧が充電されているので、ＦＥＴ２３−２が
ｏｎになると、電磁コイル８ａの電流は電源２１からで
はなく、まずコンデンサ２８−１から供給されるのであ
る。それはコンデンサ２８−１の電圧が電源電圧と同電
圧になるまで継続し、コンデンサ２８−１の電圧が電源
２１の電圧と同じになるとその後電源２１が供給される
ことになる。この様子を図４に示す。

【００６７】よって本構成では、電磁コイルに流れる電
流をキャッチング電流Ｉｃから保持電流Ｉｈに低下させ
る際に、その差分の（Ｉｃ−Ｉｈ）である余分な電流を
コンデンサに吸収して、それをもう一方の電磁コイルの
次回の励磁に再利用することで、電源から供給されるエ
ネルギーを抑え、駆動回路効率の向上を図ることが可能
になっているのである。

【００６８】（第２の実施形態）また、請求項５記載の
発明によれば、図１の前述の実施形態において、コンデ
ンサ２８−１または２８−２に充電が行われている場
合、電磁コイル９ａ、８ａの通電開始タイミングを所定
時間遅らせている。

【００６９】具体的に説明すると、インダクタンスＬ
（Ｈ）の電磁コイル９ａの電流値がＩｃからＩｈに変化
する場合、電磁コイル９ａの持つエネルギーの減少量Δ
Ｅは、次に示す式（１）で表せることが知られている。

【００７０】

【数１】 ΔＥ＝（１／２）Ｌ（Ｉｃ²−Ｉｈ²） …（１）このエネルギーΔＥは、キャパシタンスＣ（Ｆ）のコン
デンサ２８−１を充電し、その電圧をＶ0 からＶ1 に上
昇させたとすると、回路抵抗を無視して、次の式（２）
が成立する。

【００７１】

【数２】 ΔＥ＝（１／２）Ｃ（Ｖ1 ²−Ｖ0 ²）＝（１／２）Ｌ（Ｉｃ²−Ｉｈ²） …（２）式（２）より、充電後のコンデンサ２８−１の電圧Ｖ1
は、次に示す式（３）となる。

【００７２】

【数３】Ｖ1 ＝√（（Ｌ／Ｃ）（Ｉｃ²−Ｉｈ²）＋Ｖ0 ²） …（３）ここで式中のキャッチング電流Ｉｃ、保持電流Ｉｈは内
燃機関の運転状態、即ち、回転数や負荷状態により、マ
ップ等の手段を用いて可変制御される。そのため、コン
デンサ２８−１に蓄えられるエネルギーも、式（２）か
ら明らかなように、内燃機関の運転状態により常に変動
することになる。

【００７３】一方、図４に示したように、コンデンサ２
８−１に充電されているエネルギー（電圧）が大きい
と、電磁コイル８ａの電流値の上昇が急峻になる傾向が
ある。そのため、回生が無い、即ち電源２１のみで駆動
する場合に比較して、電磁コイル８ａの電流は、コンデ
ンサ２８−１の電圧が高いほど、所定の電流値Ｉｃに到
達する時刻が早くなることになる。このため実際には、
電流の立上がりが早くなる分、余分なエネルギーを電磁
コイル８ａに与えてしまうことになる。

【００７４】そこで、バルブコントロールＣＰＵ３２
は、コンデンサ２８−１を充電したときの電磁コイル９
ａのキャッチング電流Ｉｃと保持電流Ｉｈを記憶してお
き、それらの２乗の差（Ｉｃ²−Ｉｈ²）が大きくなる
ほど、電磁コイル８ａの通電開始のタイミングを遅らせ
るよう、上流ＦＥＴ駆動回路３１，および下流ＦＥＴ駆
動回路３０に指示するのである。

【００７５】ここで基準の通電開始のタイミングｔ０
を、回生が無い、即ち電源２１のみで駆動する場合と
し、実際に通電開始を遅らせる時間をΔｔとすると、Δ
ｔは例えば図５に示すようなマップにより決定されるこ
とになる。またこれらの動作を図６に示す。

【００７６】このような動作は、電磁コイル９ａに通電
を開始する際も同様に、コンデンサ２８−２に充電を行
ったときの電磁コイル８ａの電流値にて、タイミングの
補正が行われることになる。このようにして、回生した
エネルギーをより効率よく利用することが可能になって
いる。

【００７７】（第３の実施形態）次に、本発明に係る電
磁駆動吸排気弁の駆動回路の第３の実施形態について説
明する。本実施形態は、請求項６記載の発明に対応し、
コンデンサの充電電圧を検出する電圧検出手段を有し、
電磁コイルに通電を開始しようとする際には、前記電圧
検出手段の検出した電圧に応じてその励磁開始タイミン
グを所定タイミングよりも遅らせるものである。

【００７８】このため、例えば図１の回路中のダイオー
ド２７−１のＫとコンデンサ２８−１との接続点の電圧
を検出する電圧検出回路を設け、この電圧検出回路によ
り検出電圧をアナログ／デジタル変換してデジタル信号
としてバルブコントロールＣＰＵ３２に伝え、バルブコ
ントロールＣＰＵ３２で、デジタル電圧値に基づいて、
所定タイミングから励磁開始タイミングを遅らせる遅延
時間を計算する構成とする。

【００７９】即ち、前述の請求項５記載の発明に対応す
る第２の実施形態が、電磁コイル８ａの通電開始を遅ら
せる時間幅Δｔを、コンデンサ２８−１への充電開始時
の電磁コイル９ａの電流Ｉｃと充電終了時のコイル電流
Ｉｈとで決定しているのに対して、本第３実施形態で
は、コンデンサ２８−１の充電電圧を実際にバルブコン
トロールＣＰＵ３２がモニタしており、その値に応じ
て、例えば図７に示すような相関図より、コンデンサ２
８−１の充電電圧が高い場合には、Δｔを大きくし、逆
に充電電圧が低い場合にはΔｔを小さくするように、演
算を行っている。

【００８０】このような動作を行うことにより、コンデ
ンサ２８−１に充電を行ってから次回電磁コイル８ａの
通電が開始されるまでの時間の変動等により、予測した
コンデンサ２８−１のエネルギーと実際との誤差を抑制
し、効率のよい制御が精度よく行われるようになってい
る。

【００８１】（第４の実施形態）また、図８は本発明に
係る電磁駆動吸排気弁の駆動回路の第４実施形態を示す
回路図であり、請求項７記載の発明に対応する。

【００８２】本実施形態の構成では、電源２１と並列に
第２のコンデンサ４０−１と、第１のコンデンサ２８−
１からスイッチング素子としてのＳＣＲ４１−１を介し
てコンデンサ４０−１へと接続される経路が設けられて
いる点と、バルブコントロールＣＰＵ３２からの指示に
よりＳＣＲ４１−１をトリガするＳＣＲ駆動回路４２−
１が設けられている点の他は、全て図１の第１の実施形
態と同様の構成である。ここで第２のコンデンサ４０−
１はコンデンサ２８−１と比較して十分に静電容量が大
きいものが使用されているものとする。また、ＳＣＲ４
１−１はバルブコントロールＣＰＵ３２の指令により、
ｏｎされるものとする。

【００８３】第１の実施形態において、電磁コイル９ａ
の電流値を急峻に低減するため、コンデンサ２８−１は
比較的小さな容量とする必要があった。そのため、コン
デンサ２８−１の電圧は、充電時に比較的高電圧となら
ざるを得なかった。

【００８４】一方、本構成では、上述の実施形態と同様
にコンデンサ２８−１を充電した後、次回駆動開始まで
の間の適当なタイミングでバルブコントロールＣＰＵ３
２が、ＳＣＲ４１−１をｏｎすることにより、コンデン
サ２８−１に蓄えられたエネルギーを、比較的容量が大
きく、また電源電圧まで充電された第２のコンデンサ４
０−１に移動させることになる。

【００８５】第２のコンデンサ４０−１は、十分に静電
容量が大きいので、その電圧は、電源２１−１の供給す
る電圧よりも僅かに高い値までしか上昇しない。この状
態で、次回の駆動開始タイミングになると、まず僅かで
あるが相対的に電圧の高い第２のコンデンサ４０−１か
ら電流が電磁コイル９ａに供給され、その後、コンデン
サ４０−１の電圧が電源２１の電圧と等しい値まで低下
すると、電源２１から電流が流れ始めることになる。

【００８６】このとき、電磁コイル９ａにとっては、コ
ンデンサ４０−１の電圧が電源２１の電圧よりも僅かに
高いだけなので、回生が無い場合とある場合で、その立
上がり波形に殆ど違いが発生しない。

【００８７】そのため、本構成では、前述の実施形態の
効果で得られるような、電流の急峻な立上がりが必要と
されず、電流の立下りのみが急峻であればよい場合に、
請求項５および６のような、通電開始タイミングをΔｔ
だけ遅らせるような機構が必要無く、極めて簡単な構成
で駆動効率の向上が図られている。

【００８８】尚、本実施形態においては、電磁コイル９
ａから回生されたエネルギーは、電磁コイル９ａの次回
の励磁開始時に利用され、電磁コイル８ａから回生され
たエネルギーは、電磁コイル８ａの次回の励磁開始時に
利用されるというように、それぞれ同じ電磁コイルで回
生エネルギーか利用されるので、請求項４記載の発明と
もなっている。

【００８９】尚、本第４実施形態の変形例として、図８
において、電磁コイル９ａの駆動用回路２０ａにおける
コンデンサ４０−１と、電磁コイル８ａの駆動用回路２
０ｂにおけるコンデンサ４０−２とを一つのコンデンサ
で共用することもできる。この場合、一方の電磁コイル
から共用コンデンサに蓄積されたエネルギーは、他方の
電磁コイルの励磁開始時に利用されることとなる。

【００９０】以上好ましい実施形態について説明した
が、これらは本発明を限定するものではない。例えば、
スイッチング素子としてＭＯＳ−ＦＥＴを用いたが、こ
れに代えて絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢ
Ｔ）等のスイッチング素子を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電磁駆動吸排気弁の駆動回路の第
１の実施形態を説明する回路図である。

【図２】本発明で駆動される電磁駆動吸排気弁装置の例
を示す断面図である。

【図３】第１実施形態の動作を説明する波形図である。

【図４】第１実施形態の動作を説明する波形図である。

【図５】キャッチング電流及び保持電流に対する励磁開
始遅延時間Δｔの変化を示すマップ図である。

【図６】エネルギー回生を行う場合の励磁開始遅延時間
Δｔの説明図である。

【図７】コンデンサの充電電圧と励磁開始遅延時間Δｔ
との関係を示すグラフである。

【図８】本発明に係る電磁駆動吸排気弁の駆動回路の第
４実施形態を説明する回路図である。

【符号の説明】

８ａ、９ａ…電磁コイル、２０…駆動回路、２１…電
源、２２−１，２２−２，２５−１，２５−２，２７−
１，２７−２，３４−１、３４ー２、３５ー１、３５ー
２…ダイオード、２３−１，２３−２…ＰチャンネルＭ
ＯＳＦＥＴ、２４−１，２４−２…ＮチャンネルＭＯＳ
ＦＥＴ、２６−１，２６−２…電流検出抵抗、２９−
１，２９−２…電流検出・比較回路、３０−１，３０−
２…下流ＦＥＴ駆動回路、３１−１，３１−２…上流Ｆ
ＥＴ駆動回路、３２…バルブコントロールＣＰＵ、３３
…エンジンコントロールＥＣＵ。

フロントページの続きＦターム(参考） 3G092 AA11 DA01 DA02 DA07 DF05 DG02 DG09 EA02 EA08 EA11 EA14 EA16 EA27 EB08 FA00 FA13 FA36 HA12Z HA13X HA13Z 3G301 HA19 JA00 JA15 LA07 LC01 LC10 NA08 NB06 NB11 NB20 NE06 NE16 NE22 PA01Z PA11Z PD02Z PE01Z PE03Z PE10Z PF01Z PG00Z PG02Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸気弁又は排気弁の各弁軸に連接された
プランジャと、該プランジャの両作用面に対向して配設
された２つの電磁コイルと、前記弁軸又は前記プランジ
ャを開弁側と閉弁側とに付勢する２つの付勢手段を備
え、前記吸気弁又は排気弁をこれら電磁コイルと付勢手
段との協働により電磁的に開閉するようにした電磁駆動
吸排気弁の駆動回路であって、前記吸気弁又は排気弁の位置に同期して前記電磁コイル
に電流を供給する電流制御手段と、前記電磁コイルの電流を吸収、蓄電するコンデンサとを
有し、前記吸気弁又は排気弁が変位端に近接または当接した際
に、前記コンデンサを用いて前記電磁コイルの電流値を
減少させるとともに、前記コンデンサに充電することを
特徴とする電磁駆動吸排気弁の駆動回路。
【請求項２】前記駆動回路は、前記電磁コイルに流れ
る電流値を検出する電流検出手段を備え、該電流検出手
段が検出した電流値に基づいて前記コンデンサの充電を
停止するタイミングを決定することを特徴とする請求項
１に記載の電磁駆動吸排気弁の駆動回路。
【請求項３】前記駆動回路は、前記電磁コイルの一方
の電流値を減少させる際に前記コンデンサに充電された
電圧を用いて、前記一方の電磁コイルと対を成す他方の
電磁コイルの次回の励磁開始時の電流を供給することを
特徴とする請求項１または２に記載の電磁駆動吸排気弁
の駆動回路。
【請求項４】前記駆動回路は、前記電磁コイルの電流
値を減少させる際に前記コンデンサに充電された電圧を
用いて、前記電磁コイルの次回の励磁開始時の電流を供
給することを特徴とする請求項１または２に記載の電磁
駆動吸排気弁の駆動回路。
【請求項５】前記駆動回路は、前記コンデンサに充電
された電圧を用いて次回の励磁を行う際、前記コンデン
サを充電したときの充電開始時と充電終了時の各電流値
に基づいて、励磁開始のタイミングを所定タイミングよ
りも時間的に遅らせることを特徴とする請求項１または
２に記載の電磁駆動吸排気弁の駆動回路。
【請求項６】前記駆動回路は、前記コンデンサの端子
間電圧を検出する電圧検出手段を有し、前記電磁コイル
に通電を開始しようとする際には、前記電圧検出手段の
検出した電圧に応じてその励磁開始タイミングを所定タ
イミングよりも遅らせることを特徴とする請求項１また
は２に記載の電磁駆動吸排気弁の駆動回路。
【請求項７】前記駆動回路は、電源と並列に前記コン
デンサよりも静電容量の大きい第２のコンデンサと、前
記第１のコンデンサを前記第２のコンデンサと接続する
スイッチング素子とを有し、前記第１のコンデンサにエ
ネルギーが充電された後、前記第１のコンデンサと第２
のコンデンサを接続し、第１のコンデンサに充電された
エネルギーを第２のコンデンサに移動して、以降の前記
電磁コイルの励磁に利用することを特徴とする請求項１
または２に記載の電磁駆動吸排気弁の駆動回路。