JP2000170952A - 電磁駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、内燃機関の電磁駆動装置に関し、
永久磁石による省電力化を図りつつ、応答性の低下を防
止することを目的とする。 【解決手段】 電磁駆動装置１００は、弁体１２と連動
するアーマチャ３８、及び、アーマチャ３８の上下に配
設されたアッパコア４０及びロアコア４２を備える。ア
ッパコア４０及びロアコア４２には、それぞれ、アッパ
コイル４８及びロアコイル５０が保持されると共に、ア
ーマチャ３８を全閉位置及び全開位置に保持するアッパ
磁石５６及びロア磁石５８が設けられる。アーマチャ３
８をアッパコア４０又はロアコア４２から開放させる
際、対応するアッパコイル４８又はロアコイル５０に、
アッパ磁石５６又はロア磁石５８の磁束を打ち消すよう
な開放電流を供給する。開放電流の供給はアーマチャ３
８が変位を開始した後まで継続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁駆動装置に係
り、特に、電磁石が発する電磁力とバネが発するバネ力
とを協働させることにより弁体を開閉駆動する電磁駆動
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば、特開平７−３３５４
３７号に開示される如く、電磁駆動弁が知られている。
電磁駆動弁は、軸方向に変位可能に保持された弁体、弁
体と共に変位するアーマチャ、アーマチャを中立位置に
付勢する一対のバネ、及び、アーマチャの両側に配設さ
れた一対の電磁石を備えている。この電磁駆動弁におい
て、電磁石に励磁電流が供給されると、アーマチャには
電磁石に向かう電磁力が作用する。従って、上記従来の
電磁駆動弁によれば、一対の電磁石に交互に励磁電流を
供給することにより、弁体を開閉駆動することができ
る。

【０００３】上記電磁駆動弁において、電磁駆動弁の省
電力化を図る観点から、電磁石を構成するコアの内部に
永久磁石を設けることが考えられる。コア内に永久磁石
が設けられると、この永久磁石が発する磁束によりアー
マチャと電磁石との間に磁気吸引力が作用する。この磁
気吸引力の分だけ、アーマチャを電磁石に吸引及び保持
するのに必要な通電量が低減されることで、電磁駆動弁
の消費電力を抑制することが可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、コア内に永久
磁石を設ける構成において、アーマチャを電磁石から開
放させる場合には、永久磁石によりアーマチャと電磁石
との間に作用する磁気吸引力が、アーマチャの変位を妨
げる向きに作用することになる。このため、弁体が一方
の変位端から他方の変位端へ変位するまでの時間が長く
なり、応答性が低下してしまう。

【０００５】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
であり、電磁石に永久磁石を設けることにより省電力化
を図りつつ、弁体変位の応答性を向上することが可能な
電磁駆動装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、請求項１
に記載する如く、弁体と、該弁体と連動するアーマチャ
と、該アーマチャに開弁方向及び閉弁方向の電磁力をそ
れぞれ付与する一対の電磁石と、前記アーマチャを前記
一対の電磁石の間の中立位置に向けて付勢する一対のス
プリングと、前記アーマチャが前記電磁石の少なくとも
一方の近傍に達した際に該電磁石と前記アーマチャとの
間に磁気吸引力を作用させる永久磁石と、を備える電磁
駆動装置であって前記アーマチャが前記少なくとも一方
の電磁石から開放される際に、該電磁石に、前記永久磁
石の磁束とは逆方向の磁束を発生させる向きの開放電流
を供給する制御手段を設けた電磁駆動装置により達成さ
れる。

【０００７】請求項１記載の発明において、電磁駆動装
置は、アーマチャが少なくとも一方の電磁石（以下、助
勢付き電磁石と称す）の近傍に達した際に、この電磁石
とアーマチャとの間に磁気吸引力を作用させる永久磁石
を備える。このため、アーマチャを助勢付き電磁石に吸
引するために助勢付き電磁石に供給すべき励磁電流を低
減できる。一方、アーマチャを助勢付き電磁石から開放
する場合には、永久磁石による磁気吸引力は、アーマチ
ャの変位を妨げる向きに作用する。請求項１記載の発明
によれば、制御手段は、アーマチャが助勢付き電磁石か
ら開放される際に、この電磁石に永久磁石の磁束とは逆
方向の磁束を発生させる向きの開放電流を供給する。こ
のため、アーマチャの変位を妨げる向きの磁気吸引力が
低減されることで、弁体が一方の変位端から他方の変位
端へ変位するのに要する時間（以下、バルブ遷移時間と
称す）が短縮され、弁体の応答性が向上する。

【０００８】また、上記の目的は、請求項２に記載する
如く、請求項１記載の電磁駆動装置において、前記弁体
は内燃機関の吸気弁又は排気弁として機能し、前記制御
手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記開放電
流の通電量を制御する電磁駆動装置により達成される。

【０００９】請求項２記載の発明において、開放電流の
通電量が大きくなるほど、永久磁石による磁気吸引力が
低減される度合いが増加することで、バルブ遷移時間は
短くなる。また、開放電流の通電量が大きくなると、開
放電流に伴う消費電力は増加するのに対して、アーマチ
ャを他方の電磁石に吸引するためにその電磁石に供給す
べき吸引電流は小さくなる。このため、電磁駆動弁の消
費電力を最小とする開放電流の通電量は、開放電流に伴
う消費電力と、吸引電流に伴う消費電力との均衡で定ま
る値となる。すなわち、最適なバルブ遷移時間を実現す
る開放電流の通電量と、消費電力を最小とする開放電流
の通電量とは一致しない。従って、請求項２記載の発明
によれば、制御手段が内燃機関の運転状態に応じて開放
電流の通電量を制御することにより、内燃機関の運転状
態により要求されるバルブ遷移時間を実現しつつ電磁駆
動装置の省電力化を図ることができる。

【００１０】また、上記の目的は、請求項３に記載する
如く、請求項１又は２記載の電磁駆動装置において、前
記弁体は内燃機関の排気弁として機能し、前記永久磁石
を、前記アーマチャに開弁方向の電磁力を付与する電磁
石にのみ対応して設けた電磁駆動装置により達成され
る。

【００１１】請求項３記載の発明において、弁体は内燃
機関の排気弁として機能する。弁体を開弁させるには、
高い燃焼残圧に対抗すべく、アーマチャに大きな開弁方
向の電磁力を付与することが必要である。請求項３記載
の発明によれば、アーマチャに開弁方向の電磁力を付与
する電磁石（以下、開弁用電磁石と称す）にのみ対応し
て永久磁石が設けられることで、弁体を開弁させる際の
消費電力が低減される。また、アーマチャに閉弁方向の
電磁力を付与する電磁石（以下、閉弁用電磁石と称す）
については永久磁石が設けられないので、アーマチャを
閉弁用電磁石から開放させる際に、アーマチャにその変
位を妨げる向きの磁気吸引力が作用するのを防止でき
る。このため、弁体を開弁させる場合のバルブ遷移時間
を短縮することができる。更に、開弁用電磁石の消費電
力が低減されることで、開弁用電磁石及び閉弁用電磁石
の発熱量が均衡化される。

【００１２】また、上記の目的は、請求項４に記載する
如く、請求項１又は２記載の電磁駆動装置において、前
記弁体は内燃機関の吸気弁として機能し、前記永久磁石
を、前記アーマチャに閉弁方向の電磁力を付与する電磁
石にのみ対応して設けた電磁駆動装置により達成され
る。

【００１３】請求項４記載の発明において、弁体は内燃
機関の吸気弁として機能する。内燃機関の吸気弁におい
ては、全閉位置に保持される時間が長いため、弁体を全
閉位置に保持するための消費電力が全消費電力の中で大
きな割合を占める。請求項４記載の発明によれば、閉弁
用電磁石にのみ永久磁石が設けられるので、弁体を全閉
位置に保持するための消費電力が低減される。すなわ
ち、全消費電力の中で比較的大きな割合を占める閉弁用
電磁石の消費電力が低減されることで、閉弁用電磁石及
び開弁用電磁石の消費電力が均衡化される。また、開弁
用電磁石に永久磁石が設けられないため、アーマチャを
開弁用電磁石から開放させる際に、アーマチャにその変
位を妨げる向きの磁気吸引力が作用するのを防止でき
る。このため、弁体を閉弁させる場合のバルブ遷移時間
を短縮することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例である電
磁駆動装置１００の構成図である。図１に示す如く、電
磁駆動装置１００は弁体１２を備えている。本実施例に
おいて、弁体１２は内燃機関の吸気弁又は排気弁として
機能する。弁体１２は、内燃機関の燃焼室１４内に露出
するようにシリンダヘッド１６に配設されている。シリ
ンダヘッド１６には弁体１２に対する弁座１８が形成さ
れている。弁体１２は、弁座１８から離座することによ
り開弁状態となり、また、弁座１８に着座することによ
り閉弁状態となる。

【００１５】弁体１２には図１における上方に延びる弁
軸２０が固定されている。弁軸２０は、バルブガイド２
２により軸方向に摺動可能に保持されている。バルブガ
イド２２はシリンダヘッド１６に固定されている。弁軸
２０の上端部にはロアリテーナ２６が固定されている。
ロアリテーナ２６とシリンダヘッド１６に設けられたス
プリング保持面１６ａとの間には、両者を離間させる向
きの付勢力を発生するロアスプリング２８が配設されて
いる。ロアスプリング２８はロアリテーナ２６を介して
弁軸２０及び弁体１２を上向き、すなわち、弁体１２の
閉弁方向に付勢している。

【００１６】弁軸２０の上端面には、アーマチャシャフ
ト３０の下端面が当接している。アーマチャシャフト３
０はロッド状に形成された非磁性部材である。また、ア
ーマチャシャフト３０の上端部には、アッパリテーナ３
２が固定されている。アッパリテーナ３２の上部には、
アッパスプリング３４の下端部が当接している。アッパ
スプリング３４の上端部は、シリンダヘッド１６に保持
されたアッパキャップ３６に当接している。アッパスプ
リング３４はアッパリテーナ３２を介してアーマチャシ
ャフト３０を下向きに付勢している。従って、アッパス
プリング３４は弁軸２０及び弁体１２を下向き、すなわ
ち、弁体１２の開弁方向に付勢している。

【００１７】アーマチャシャフト３０の軸方向中間部の
外周面には、アーマチャ３８が接合されている。アーマ
チャ３８は軟磁性材料から構成された円盤状の部材であ
る。アーマチャ３８の上方にはアッパコア４０が配設さ
れている。また、アーマチャ３８の下方にはロアコア４
２が配設されている。アーマチャシャフト３０は、アッ
パコア４０及びロアコア４２の中央部を貫通し、その貫
通穴に設けられたブッシュ４４、４６により軸方向に摺
動可能に保持されている。

【００１８】アッパコア４０及びロアコア４２のアーマ
チャ３８と対向する側の面には、それぞれ、環状溝４０
ａ及び４２ａが設けられている。環状溝４０ａ及び４２
ａには、それぞれ、アッパコイル４８及びロアコイル５
０が収容されている。アッパコイル４８及びロアコイル
５０は駆動回路５２に接続されている。駆動回路５２に
は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）５４から
供給される制御信号に応じて、アッパコイル４８及びロ
アコイル５０に所定の指令電流を供給する。

【００１９】ＥＣＵ５４には、回転数センサ５５が接続
されている。回転数センサ５５は内燃機関の回転数（以
下、機関回転数ＮＥと称す）に応じた信号をＥＣＵ５４
に向けて出力する。ＥＣＵ５４は回転数センサ５５の出
力信号に基づいて機関回転数ＮＥを検出する。アッパコ
ア４０は、その上底面から環状溝４０ａの底面へ至る環
状スリット４０ｂを備えている。同様に、ロアコア４２
は、その下底面から環状溝４２ａの底面へ至る環状スリ
ット４２ｂを備えている。環状スリット４０ｂ、４２ｂ
には、それぞれ、アッパ磁石５６及びロア磁石５８が収
容されている。アッパ磁石５６及びロア磁石５８は環状
に形成された永久磁石である。

【００２０】アッパ磁石５６及びロア磁石５８は、それ
らの発する磁束がアーマチャ３８を互いに逆方向に通る
ように、径方向に（例えば、アッパ磁石５６については
内径側がＳ極、外径側がＮ極となるように、また、ロア
磁石５８については内径側がＮ極、外径側がＳ極となる
ように）着磁されている。アッパ磁石５６及びロア磁石
５８の発する磁束がアーマチャ３８を互いに逆方向に通
ることで、アーマチャ３８における磁束の集中が軽減さ
れ、これにより、渦電流に伴う電力損失が小さく抑制さ
れている。

【００２１】次に、電磁駆動装置１００の動作について
説明する。電磁駆動装置１００において、アーマチャ３
８がアッパコア４０に当接した状態では、アッパ磁石５
６が発する磁束がアッパコア４０とアーマチャ３８との
間を循環することで、アーマチャ３８とアッパコア４０
との間に磁気吸引力が作用する。アッパ磁石５６は、こ
の磁気吸引力が、アッパスプリング３４の付勢力に抗し
てアーマチャ３８とアッパコア４０とが当接した状態を
維持するのに十分な大きさとなるように着磁されてい
る。このため、アッパコイル４８に通電されることな
く、アーマチャ３８がアッパコア４０に当接した状態が
維持される。この状態では、弁体１２は弁座１８に着座
する。以下、アーマチャ３８がアッパコア４０に当接し
た位置を、アーマチャ３８又は弁体１２の全閉位置と称
す。

【００２２】アーマチャ３８が全閉位置に維持されてい
る状態で、アッパ磁石５６が発する磁束を打ち消すよう
な磁束を生じさせる指令電流がアッパコイル４８に供給
されると、アーマチャ３８とアッパコア４０との間に作
用していた磁気吸引力がアッパスプリング３４の付勢力
より小さくなる。このため、アーマチャ３８は、アッパ
スプリング３４に付勢されることにより図１における下
方へ向けて変位する。アーマチャ３８の変位量が所定値
に達した時点で、ロア磁石５８が発する磁束と同方向の
磁束を生じさせる方向の指令電流がロアコイル５０に供
給されると、今度はアーマチャ３８をロアコア４２側へ
吸引する吸引力、すなわち、弁体１２を図１において下
方へ変位させる吸引力が発生する。

【００２３】アーマチャ３８に対して上記の吸引力が作
用すると、アーマチャ３８は、弁体１２と共に、ロアス
プリング２８の付勢力に抗して図１における下方へ向け
て変位する。この際、上記の如く、ロアコイル５０が発
する磁束とロア磁石５８が発する磁束とが同方向とされ
ていることで、アーマチャ３８がロアロア５０の近傍に
達すると、磁石５８が発する磁束の分だけ、アーマチャ
３８を下方に変位させる吸引力が増加する。弁体１２の
変位は、アーマチャ３８がロアコア４２と当接するまで
継続する。以下、アーマチャ３８がロアコア４２に当接
した位置を、アーマチャ３８又は弁体１２の全開位置と
称す。

【００２４】アーマチャ３８が全開位置に達した時点
で、ロアコイル５０への通電が停止されると、ロアコイ
ル５０による吸引力は消滅し、ロア磁石５８が発する磁
束による磁気吸引力のみがアーマチャ３８とロアコア４
２との間に作用する。ロア磁石５８は、この磁気吸引力
が、ロアスプリング２８の付勢力に抗してアーマチャ３
８とロアコア４２とが当接した状態を維持するのに十分
な大きさとなるように着磁されている。このため、ロア
コイル５０への通電が停止された後も、弁体１２及びア
ーマチャ３８は全開位置に維持される。

【００２５】アーマチャ３８及び弁体１２が全開位置に
維持されている状態で、ロア磁石５８の磁束を打ち消す
ような磁束を生じさせる方向の指令電流がロアコイル５
０に供給されると、アーマチャ３８とロアコア４２との
間に作用する吸引力は、ロアスプリング２８の付勢力よ
り小さくなる。このため、アーマチャ３８はロアスプリ
ング２８に付勢されることにより、図１における上方へ
向けて変位する。アーマチャ３８の変位量が所定値に達
した時点で、アッパ磁石５６が発する磁束と同方向の磁
束を生じさせる方向の指令電流がアッパコイル４８に供
給されると、今度はアーマチャ３８をアッパコア４０側
へ吸引する吸引力、すなわち、弁体１２を図２において
上方へ変位させる吸引力が発生する。

【００２６】アーマチャ３８に対して上記の吸引力が作
用すると、アーマチャ３８は、弁体１２と共に、アッパ
スプリング３４の付勢力に抗して図１における上方へ向
けて変位する。この際、上記の如く、アッパコイル４８
が発する磁束とアッパ磁石５６が発する磁束とが同方向
とされていることで、アーマチャ３８がアッパコア４０
の近傍に達すると、アッパ磁石５６が発する磁束の分だ
け、アーマチャ３８を上方に変位させる吸引力が増加す
る。弁体１２の変位は、アーマチャ３８がアッパコア４
０と当接するまで、すなわち、全閉位置に達するまで継
続する。そして、上記の如く、アッパコイル４８への通
電が停止されると、弁体１２及びアーマチャ３８は全閉
位置に保持される。

【００２７】このように、電磁駆動装置１００によれ
ば、アッパコイル４８及びロアコイル５０に吸引電流及
び開放電流を供給することにより、弁体１２を全開位置
と全閉位置との間で変位させることができる。なお、電
磁駆動装置１００は、弁体１２及びアーマチャ３８が全
閉位置に保持された状態、すなわち、弁体１２が弁座１
８に着座し、かつ、アーマチャ３８がアッパコア４０に
当接した状態で、アーマチャシャフト３０と弁軸２０と
の間に隙間（タペットクリアランス）が生ずるように構
成されている。かかるタペットクリアランスにより、シ
リンダヘッド１６と弁軸２０との熱膨張差や、弁座１８
と弁体１２の着座面の摩耗等に起因する弁軸２０とアー
マチャシャフト３０との相対位置の変化が吸収される。

【００２８】以下の記載において、アーマチャ３８を全
閉位置又は全開位置から開放すべくアッパコイル４８又
はロアコイル５０に供給される指令電流（すなわち、ア
ッパ磁石５６又はロア磁石５８が発する磁束を打ち消す
ような磁束を生じさせる指令電流）を開放電流と称し、
また、アーマチャ３８を全閉位置又は全開位置に向けて
吸引すべくアッパコイル４８又はロアコイル５０に供給
される指令電流（すなわち、アッパ磁石５６又はロア磁
石５８が発する磁束と同方向の磁束を生じさせる方向の
指令電流）を吸引電流と称す。

【００２９】上述の如く、本実施例では、アッパ磁石５
６及びロア磁石５８が発する磁気吸引力によりアッパコ
イル４８及びロアコイル５０に通電することなく、アー
マチャ３８を全開位置又は全閉位置に保持することがで
きる。また、アッパ磁石５６及びロア磁石５８が発する
磁気吸引力が、アーマチャ３８を全閉位置又は全開位置
へ向けて変位させる際にアーマチャ３８へ作用すること
で、アッパコイル４８及びロアコイル５０へ供給すべき
吸引電流が小さく抑制される。このように、本実施例で
は、アッパ磁石５６及びロア磁石５８が設けられている
ことにより、アーマチャ３８を全開位置又は全閉位置に
保持するための電流が不要となり、かつ、吸引電流も抑
制されることで、電磁駆動装置１００の省電力化が図ら
れる。

【００３０】しかしながら、弁体１２が全閉位置又は全
開位置から変位を開始する際には、それぞれアッパ磁石
５６又はロア磁石５８による磁気吸引力はアーマチャ３
８の変位を妨げる向きに作用する。このため、単にアッ
パ磁石５６及びロア磁石５８を設けることのみでは、弁
体１２が全閉位置と全開位置との間を変位するのに要す
る時間、すなわち、バルブ遷移時間が増大し、弁体１２
の変位の応答性が低下してしまう。

【００３１】これに対して、本実施例では、上述の如
く、弁体１２を全閉位置又は全開位置から変位させる際
にアッパコイル４８又はロアコイル５０に開放電流を供
給することにより、アッパ磁石５６及びロア磁石５８に
よる磁気吸引力は速やかに打ち消される。従って、本実
施例によれば、アーマチャ３８にその変位を妨げる向き
の吸引力が作用するのを防止することができ、これによ
り、弁体１２を高い応答性で全閉位置又は全開位置から
変位させることができる。

【００３２】図２は、弁体１２を例えば全閉位置から全
開位置まで変位させる場合の、（Ａ）弁体１２の変位波
形、（Ｂ）アッパコイル４８に供給する開放電流の波
形、（Ｃ）アッパ磁石５６によりアーマチャ３８に作用
する磁気力の時間変化、及び（Ｄ）アッパコイル４８に
供給される開放電流によりアーマチャ３８に作用する電
磁力の時間変化をそれぞれ示す。図２（Ａ）に示す如
く、時刻ｔ１において、弁体１２が全閉位置から変位を
開始し、アーマチャ３８がアッパコア４０から開放され
た後も、アーマチャ３８とアッパコア４０との間にはア
ッパ磁石５６による磁気吸引力が作用し続ける。

【００３３】そこで、本実施例では、図２（Ｂ）及び
（Ｃ）に示す如く、弁体１２が全閉位置から変位を開始
した後も、アッパ磁石５６によりアーマチャ３８とアッ
パコア４０との間に作用する磁気吸引力が十分に小さく
なる程度にアーマチャ３８がアッパコア４０から離間す
る時刻ｔ２まで、アッパコイル４８への開放電流の供給
を継続することとしている。この場合、図２（Ｃ）及び
（Ｄ）からわかるように、アッパ磁石５６による磁気吸
引力は、アッパコイル４８による電磁吸引力によりほぼ
相殺され、弁体１２を高い応答性で全閉位置から全開位
置まで変位させることができる。同様に、弁体１２を全
開位置から変位させる場合にも、アーマチャ３８がロア
コア４２から開放された後もロアコイル５０への開放電
流を供給を継続することにより、弁体１２を高い応答性
で全開位置から全閉位置まで変位させることができる。

【００３４】上述の如く、本実施例では、アーマチャ３
８が全閉位置又は全開位置から変位する際に、アーマチ
ャ３８にその変位を妨げる向きの吸引力が作用するのを
防止することができる。従って、本実施例の電磁駆動装
置１００によれば、弁体１２を高い応答性で変位させる
こと、すなわち、バルブ遷移時間を短縮することができ
る。また、アッパ磁石５６又はロア磁石５８による磁気
吸引力によりアーマチャ３８の運動エネルギーが失われ
ることが防止されるので、その損失分を補償すべく反対
側のロアコイル５０又はアッパコイル４８に供給する吸
引電流を増加させることが不要となる。この点で、本実
施例によれば、電磁駆動装置１００の省電力化を図るこ
ともできる。

【００３５】ところで、上記した開放電流の通電量（以
下、開放電流通電量と称す）を変化させると、弁体１２
のバルブ遷移時間、及び、電磁駆動装置１００の消費電
力も変化する。図３は、開放電流通電量と、バルブ遷移
時間及び電磁駆動装置１００の消費電力との関係を、そ
れぞれ実線及び破線で示す。なお、開放電流通電量は、
開放電流の時間積分値に相当する値であり、開放電流を
供給する時間長及び開放電流の大きさの何れか一方又は
双方が変化すると、開放電流通電量も変化する。

【００３６】開放電流の通電量が大きくなるほど、アッ
パ磁石５６又はロア磁石５８によりアーマチャ３８に作
用する磁気吸引力は大きな度合いで打ち消される。この
ため。図３に実線で示す如く、開放電流通電量の増加に
応じて、バルブ遷移時間は減少する。また、電磁駆動装
置１００の消費電力については、例えばアッパコイル４
８に対する開放電流通電量が増加すると、開放電流に伴
う消費電力は増加する。この場合、上述の如く、アッパ
磁石５６によりアーマチャ３８に作用する電磁吸引力が
大きな度合いで打ち消されることで、ロアコイル５０に
供給すべき吸引電流は小さくなり、ロアコイル５０への
吸引電流に伴う消費電力は減少する。同様に、ロアコイ
ル５０に対する開放電流通電量が増加すると、開放電流
に伴う消費電力は増加するのに対して、アッパコイル４
８への吸引電流に伴う消費電力は減少する。すなわち、
開放電流通電量の変化に対して、開放電流に伴う消費電
力と吸引電力に伴う消費電力とが逆方向に増減するた
め、図３に破線で示す如く、電磁駆動装置１００の消費
電力は、開放電流通電量のある値Ｍにおいて極小となる
ような変化を示す。

【００３７】このように、開放電流通電量に応じて、バ
ルブ遷移時間及び電磁駆動装置１００の消費電力は変化
する。従って、例えば、機関回転数ＮＥが所定回転数を
越えるような内燃機関の高回転運転時には、開放電流通
電量を大きく設定してバルブ遷移時間を短くすることに
より、弁体１２の応答性を確保することができる。ま
た、機関回転数ＮＥが所定回転数以下となるような内燃
機関の低回転運転時には、弁体１２の高い応答性は要求
されないため、開放電流通電量を上記の値Ｍに設定する
ことにより、電磁駆動装置１００の省電力化を図ること
ができる。

【００３８】なお、上述の如く、開放電流通電量は開放
電流の時間積分値に相当する値であり、開放電流の電流
値及び開放電流の通電時間の一方又は双方を変化させる
ことにより、開放電流通電量を変化させることができ
る。以上説明したように、本実施例によれば、アーマチ
ャ３８を全閉位置又は全開位置から変位させる際に、ア
ッパコイル４８又はロアコイル５０に開放電流を供給す
ることで、弁体１２の変位の応答性を向上させることが
できる。その際、弁体１２が全閉位置又は全開位置から
変位を開始した後も、開放電流を供給し続けることによ
り、弁体１２の応答性の更なる向上を図ることができ
る。また、上述の如く、本実施例によれば、開放電流通
電量に応じてバルブ遷移時間及び電磁駆動装置１００の
消費電力を変化させることができる。従って、本実施例
によれば、内燃機関の運転状態に基づいて開放電流通電
量を変化させることのみで、高回転運転時には弁体１２
の高い応答性を実現すると共に、低回転運転時には電磁
駆動装置１００の省電力化を図ることができる。

【００３９】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。図４は、本実施例の電磁駆動装置２００の構成図で
ある。なお、図４において、図１と同様の機能を有する
構成部分については同一の符号を付してその説明を省略
する。図４に示す如く、本実施例の電磁駆動装置２００
は、上記第１実施例の電磁駆動装置１００において、ア
ッパ磁石５６を省略し、ロアコア４２側にのみ永久磁石
（すなわち、ロア磁石５８）を設けることにより実現さ
れる。電磁駆動装置２００が備える弁体１２は、内燃機
関の排気弁として機能する。

【００４０】一般に、排気弁は燃焼室に高い燃焼残圧が
存在する状態で開弁される。このため、弁体１２を開弁
させる際に、アーマチャ３８に開弁方向の大きな電磁力
を付与することが必要となり、ロアコイル５０に対する
吸引電流の通電量が増大する。すなわち、弁体１２が排
気弁として機能する電磁駆動装置２００においては、ロ
アコイル５０の消費電力が電磁駆動装置２００の総消費
電力に占める割合が大きくなる。

【００４１】本実施例では、上述の如く、永久磁石とし
てロア磁石５８のみが設けられ、アッパ磁石５６が省略
されていることにより、弁体１２を開弁させる際に、ア
ーマチャ３８の変位を妨げる向きの磁気吸引力が作用す
ることが防止される。従って、磁気吸引力によりアーマ
チャ３８及び弁体１２の運動エネルギーが失われること
がないので、失われた運動エネルギーを補償すべくロア
コイル５０に対する吸引電流を増加させることは不要で
ある。また、上記第１実施例の電磁駆動装置１００の場
合と同様に、ロアコア４２にはロア磁石５８が設けられ
るため、ロア磁石５８による磁気吸引力がアーマチャ３
８とロアコア４２との間に作用することで、ロアコイル
５０に供給すべき吸引電流は小さく抑制されている。従
って、本実施例によれば、総消費電力において大きな割
合を占めるロアコイル５０の消費電力が低減されること
で、電磁駆動装置２００の省電力化を有効に図ることが
可能となっている。

【００４２】また、アッパ磁石５６が設けられないこと
で、アーマチャ３８を全閉位置から変位させるべくアッ
パコイル４８に供給すべき開放電流の通電量も抑制され
る。この点においても、電磁駆動装置２００の省電力化
が図られる。図５は、排気弁として機能する弁体１２を
全閉位置から全開位置まで変位させる場合の、（Ａ）弁
体１２の変位波形、及び（Ｂ）アッパコイル４８又はロ
アコイル５０に対する指令電流の波形を、ロアコア４２
にのみ永久磁石を設けた構成（すなわち、本実施例の電
磁駆動装置２００）、及び、アッパコア４０及びロアコ
ア４２の双方に永久磁石を設けた構成（すなわち、上記
第１実施例の電磁駆動装置１００と同様の構成；以下、
対比電磁弁と称す）について、それぞれ、実線及び破線
で示す。

【００４３】図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す如く、電磁駆
動装置２００によれば、弁体１２が全閉位置から開弁方
向に変位する際に、アーマチャ３８とアッパコア４０と
の間に永久磁石による磁気吸引力が作用しないため、対
比電磁弁と比較して、高い応答性で開弁方向に変位する
と共に、アッパコイル４８に供給すべき開放電流が低減
されている。また、弁体１２が高い応答性で開弁方向に
変位するので、弁体１２を全開位置まで変位させるべく
ロアコイル５０に供給すべき吸引電流も対比駆動弁と比
較して低減されている。ただし、対比駆動弁では、アッ
パ磁石５６による磁気吸引力により、アッパコイル４８
に通電することなく弁体１２を全閉位置に保持できるの
に対して、電磁駆動装置２００では、弁体１２を全閉位
置に保持するためアッパコイル４８に通電することが必
要である。

【００４４】図６は、電磁駆動装置２００及び対比駆動
弁の消費電力を、アッパコイル４８側及びロアコイル５
０側の配分と共に示す図である。図６に示す如く、本実
施例の電磁駆動装置２００では、ロアコイル５０側の消
費電力が低減されることにより、消費電力を小さく抑制
することが可能となっている。なお、アッパコイル４８
側については、上記したように、開放電流は低減される
が、弁体１２を全閉位置に保持する場合に通電すること
が必要となり、消費電力は対比電磁弁と比較して若干大
きくなる。しかしながら、上述の如く、アッパコイル４
８側に比して大きな割合を占めるロアコイル５０側の消
費電力が低減されることにより、電磁駆動装置２００全
体としての消費電力は小さく抑制されている。

【００４５】また、電磁駆動装置２００によれば、ロア
コイル５０側の消費電力が低減されることで、アッパコ
イル４８側及びロアコイル５０側での発熱量の均衡化が
図られている。このため、電磁駆動装置２００の冷却シ
ステムに要求される冷却性能を低減できると共に、その
冷却能力を一定とした場合に各コイルに通電可能な電力
量の上限値が増加することで、電磁駆動装置２００を内
燃機関の高負荷・高回転運転領域まで作動させることが
できる。

【００４６】更に、上記第１実施例に関連して述べたよ
うに、アッパコア４０及びロアコア４２にそれぞれアッ
パ磁石５６及びロア磁石５８を設ける場合には、渦電流
に起因する電力損失を抑制するため、アッパ磁石５６及
びロア磁石５８の磁束がアーマチャ３８を互いに逆方向
に通るように、各磁石の着磁方向を設定することが要求
される。この場合、アッパ磁石５６とロア磁石５８の着
磁方向が互いに逆向きになり、また、着磁の大きさも相
違するため、構成部品として２種類の磁石が必要とな
る。これに対して、電磁駆動装置２００では、ロア磁石
５８のみが設けられるため、構成部品として必要な永久
磁石の種類を１種類に低減することができる。この点
で、本実施例によれば、電磁駆動装置２００の低コスト
化を図ることも可能となっている。

【００４７】次に、本発明の第３実施例について説明す
る。図７は、本実施例の電磁駆動装置３００の構成図で
ある。なお、図７において、図１と同様の機能を有する
構成部分については同一の符号を付してその説明を省略
する。図７に示す如く、本実施例の電磁駆動装置３００
は、上記第１実施例の電磁駆動装置１００において、ロ
ア磁石５８を省略し、アッパコア４０側にのみ永久磁石
（すなわち、アッパ磁石５６）を設けることにより実現
される。電磁駆動装置３００が備える弁体１２は、内燃
機関の吸気弁として機能する。

【００４８】一般に、吸気弁は、開弁している時間より
も、全閉位置に保持されている時間の方が長い。また、
上述の如く、アーマチャ３８及び弁体１２が全閉位置に
保持された状態では、弁軸２０とアーマチャシャフト３
０との間にタペットクリアランスが形成される。このた
め、ロアスプリング２８の付勢力はアーマチャ３８を全
閉位置に保持する力として寄与せず、その分だけ、弁体
１２を全閉位置に保持するためにアーマチャ３８に付与
すべき吸引力は増大する。一方、内燃機関の吸気弁につ
いては、排気弁と異なり、開弁時に燃焼残圧が作用する
ことはない。これらの理由により、弁体１２が吸気弁と
して機能する電磁駆動装置３００においては、全消費電
力の中で弁体１２を全閉位置に保持するのに要する消費
電力が大きな割合を占めることになる。

【００４９】本実施例の電磁駆動装置３００では、アッ
パコア４０にアッパ磁石５６を設けることにより、弁体
１２を全閉位置に保持するのに必要なアッパコイル４８
への通電量が低減され、これにより、アッパコイル４８
側での消費電力が抑制される。特に、内燃機関の吸入空
気量が小さい状態では一部の吸気弁を休止させて全閉位
置に保持する制御が行われるが、アッパ磁石５６が設け
られることによりアッパコイル４８に通電することなく
上記の制御を実現できる。一方、ロアコア４２には永久
磁石が設けられないため、弁体１２を開弁させる際に、
アーマチャ３８とロアコア４２との間に永久磁石による
磁気吸引力を作用させることはできず、その分だけ、ロ
ア磁石５８を設けた場合と比較してロアコイル５０側で
の消費電力は増大する。

【００５０】すなわち、本実施例の電磁駆動装置３００
においては、全消費電力の中で比較的大きな割合を占め
るアッパコイル４８側での消費電力が抑制され、比較的
小さな割合を占めるロアコイル５０側での消費電力が増
大することで、アッパコイル４８側とロアコイル５０側
における発熱量の均衡化が図られることになる。従っ
て、本実施例の電磁駆動装置３００によれば、上記第２
実施例の電磁駆動装置２００と同様に、電磁駆動装置３
００を冷却する冷却システムに要求される冷却性能を低
減できると共に、電磁駆動装置３００を内燃機関の高負
荷・高回転運転領域まで作動させることができる。

【００５１】また、本実施例の電磁駆動装置３００で
は、ロアコア４２には永久磁石が設けられないことで、
弁体１２を全開位置から閉弁方向に変位させる際に、ア
ーマチャ３８とロアコア４２との間に永久磁石による磁
気吸引力が作用することが防止される。このため、電磁
駆動装置３００によれば、弁体１２を全開位置から高い
応答性で閉弁方向に変位させることができる。

【００５２】更に、永久磁石としてアッパ磁石５６のみ
が設けられるので、上記第２実施例の電磁駆動装置２０
０と同様に、必要な永久磁石の種類を１種類に低減する
ことができる。なお、上記第１〜第３実施例において
は、アッパコイル４８とアッパコア４０、及び、ロアコ
イル５０とロアコア４２が特許請求の範囲に記載した電
磁石に、アッパ磁石５６及びロア磁石５８が特許請求の
範囲に記載した永久磁石に、それぞれ相当し、また、Ｅ
ＣＵ１０が駆動回路５２によってアッパコイル４８又は
ロアコイル５０に開放電流を供給することにより特許請
求の範囲に記載した制御手段が実現されている。

【００５３】

【発明の効果】上述の如く、請求項１記載の発明によれ
ば、永久磁石を設けることにより電磁駆動装置の省電力
化を図りつつ、弁体を高い応答性で変位させることがで
きる。また、請求項２記載の発明によれば、内燃機関の
運転状態に応じて弁体の応答性を確保しつつ、電磁駆動
装置の省電力化を図ることができる。また、請求項３記
載の発明によれば、開弁用電磁石にのみ対応して永久磁
石を設けることにより、内燃機関の排気弁を開弁させる
のに要する消費電力を抑制して排気弁を駆動する電磁駆
動装置の省電力化を図ることができると共に、排気弁が
開弁する際の応答性の低下を防止することができる。ま
た、一対の電磁石の発熱量を均衡化できるため、電磁駆
動装置をより広い範囲で作動させることができると共
に、電磁駆動装置の冷却システムに必要とされる冷却能
力を低減することができる。更に、請求項４記載の発明
によれば、開弁用電磁石にのみ対応して永久磁石を設け
ることにより、内燃機関の吸気弁が閉弁する際の応答性
の低下を防止できる。また、一対の電磁石の発熱量を均
衡化できるため、電磁駆動装置をより広い範囲で作動さ
せることができると共に、電磁駆動装置の冷却システム
に必要とされる冷却能力を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例である電磁駆動弁の構成図
である。

【図２】図２（Ａ）は、弁体が全閉位置から全開位置ま
で変位する場合の弁体の変位波形を示す図である。図２
（Ｂ）は、アッパコイルに供給される開放電流の波形を
示す図である。図２（Ｃ）は、アッパ磁石によりアーマ
チャに作用する磁気力の時間変化を示す図である。図２
（Ｄ）は、アッパコイルに開放電流が供給されることに
よりアーマチャに作用する電磁力の時間変化を示す図で
ある。

【図３】開放電流通電量とバルブ遷移時間及び消費電力
との関係を示す図である。

【図４】本発明の第２実施例である電磁駆動弁の構成図
である。

【図５】図５（Ａ）は、弁体が全閉位置から全開位置ま
で変位する場合の弁体の変位波形を示す図である。図５
（Ｂ）は、アッパコイル及びロアコイルにそれぞれ供給
される開放電流及び吸引電流の波形を示す図である。

【図６】対比駆動弁及び本実施例の電磁駆動弁の消費電
力を、アッパコイル側及びロアコイル側の配分と共に示
す図である。

【図７】本発明の第３実施例である電磁駆動弁の構成図
である。

【符号の説明】

１００、２００、３００ 電磁駆動装置 １２ 弁体 ３８ アーマチャ ４０ アッパコア ４２ ロアコア ４８ アッパコイル ５０ ロアコイル ５４ ＥＣＵ ５６ アッパ磁石 ５８ ロア磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅野 昌彦 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 飯田 達雄 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 新田 彰一郎 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3H106 DA07 DA25 DA26 DB02 DB12 DB26 DB32 DC02 DC17 DD03 EE22 FB43 KK17 5E048 AA08 AB01 AC05 AD07

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弁体と、該弁体と連動するアーマチャ
   と、該アーマチャに開弁方向及び閉弁方向の電磁力をそ
   れぞれ付与する一対の電磁石と、前記アーマチャを前記
   一対の電磁石の間の中立位置に向けて付勢する一対のス
   プリングと、前記アーマチャが前記電磁石の少なくとも
   一方の近傍に達した際に、該電磁石と前記アーマチャと
   の間に磁気吸引力を作用させる永久磁石と、を備える電
   磁駆動装置であって前記アーマチャが前記少なくとも一
   方の電磁石から開放される際に、該電磁石に、前記永久
   磁石の磁束とは逆方向の磁束を発生させる向きの開放電
   流を供給する制御手段を設けたことを特徴とする電磁駆
   動装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電磁駆動装置において、 前記弁体は内燃機関の吸気弁又は排気弁として機能し、 前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて、前
   記開放電流の通電量を制御することを特徴とする電磁駆
   動装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の電磁駆動装置にお
   いて、 前記弁体は内燃機関の排気弁として機能し、 前記永久磁石を、前記アーマチャに開弁方向の電磁力を
   付与する電磁石にのみ対応して設けたことを特徴とする
   電磁駆動装置。
4. 【請求項４】 請求項１又は２記載の電磁駆動装置にお
   いて、 前記弁体は内燃機関の吸気弁として機能し、 前記永久磁石を、前記アーマチャに閉弁方向の電磁力を
   付与する電磁石にのみ対応して設けたことを特徴とする
   電磁駆動装置。