JP2003336509A - 電磁駆動弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アクチュエータの温度を低温に保ち、近接配
置されたセンサアンプの熱破壊を防止することができる
電磁駆動弁を提供すること。 【解決手段】 電磁コイルへの通電によって弁体１２が
駆動される電磁駆動弁において、弁体１２のリフト位置
を検出するリフトセンサ（１３，１５）とこのリフトセ
ンサの出力を増幅するセンサアンプ１８とを備え、セン
サアンプ１８が搭載されリフトセンサ（１３，１５）と
センサアンプ１８とを接続する配線が印刷されている配
線基板１６が、電磁コイルを含むアクチュエータ１７と
内燃機関のシリンダヘッド１１との間に挟まれており、
配線基板１６は、振動減衰機能および高熱伝導性を備え
た樹脂で形成されていることを特徴とする。この電磁駆
動弁によれば、アクチュエータ１７で発生した熱が配線
基板１６を経由してシリンダヘッド１１に吸熱され、ア
クチュエータ１７の温度が低く保持できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の吸気弁
または排気弁として用いられ、電磁コイルへの通電によ
って弁体が駆動される電磁駆動弁に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の電磁駆動弁として、たとえば特
開２０００−１３０１２４号公報に記載されたものがあ
る。

【０００３】電磁駆動弁は弁体のリフト位置を検出する
リフトセンサを備え、リフトセンサの出力はセンサアン
プによって増幅されてから電磁駆動弁制御用の電子制御
装置（ＥＣＵ）に与えられる。ＥＣＵはリフトセンサが
検出したリフト位置に応じて弁体の駆動手段である電磁
コイルに対する電流値を制御する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような電磁駆動弁
においては、高速でオンオフ切り換えされる大電流が電
磁コイルに供給されるため、電磁コイルでの発熱量が大
きく、電磁コイルを含むアクチュエータは高温になる。
一方、センサアンプは配線基板と共にリフトセンサとユ
ニット化することが組み立て容易性およびノイズ対策の
観点から望まれている。しかし、センサアンプをリフト
センサとユニット化すると、どうしてもセンサアンプを
アクチュエータの近傍に配置することになり、アクチュ
エータの熱がセンサアンプを破壊する等の悪影響を与え
てしまう。もちろん、センサアンプだけでなく、リフト
センサおよび電磁コイルを内蔵するアクチュエータ自身
も高温に晒されないようにする必要がある。

【０００５】また、上記従来装置のリフトセンサ（変位
センサ）は、コイルを弁体の駆動軸と同軸に非接触で配
置し、駆動軸の上下移動に伴ってコイルのインダクタン
スが変化することを利用して、リフト変位量を検出する
ものである。この種のリフトセンサは、高周波電流の供
給を受けることによりリフト量の検出が可能となるた
め、高周波電流供給用の発振器を用意する必要があっ
た。そこで、発振器を必要としないリフトセンサが求め
られていた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の電磁駆動弁は、
このような課題を解決するためになされたものであり、
内燃機関の吸気弁または排気弁として用いられ、電磁コ
イルへの通電によって弁体が駆動される電磁駆動弁にお
いて、弁体のリフト位置を検出するリフトセンサとリフ
トセンサの出力を増幅するセンサアンプとを備え、セン
サアンプが搭載されリフトセンサとセンサアンプとを接
続する配線が印刷されている配線基板が、電磁コイルを
含むアクチュエータと内燃機関のシリンダヘッドとの間
に挟まれており、配線基板は、振動減衰機能および高熱
伝導性を備えた樹脂で形成されていることを特徴とす
る。

【０００７】シリンダヘッドの温度は、内燃機関が稼働
中であっても冷却水によって７０〜８０℃以下に保たれ
ている。したがって、アクチュエータから発生する熱
は、高熱伝導性を備えた配線基板を経てシリンダヘッド
に吸収される。すなわち、シリンダヘッドがアクチュエ
ータのヒートシンクとして機能するためアクチュエータ
が低温に維持され、そのために、アクチュエータに隣接
配置されたセンサアンプが高温にさらされることがな
い。

【０００８】また、アクチュエータからシリンダヘッド
へ伝達される振動が、配線基板において減衰される。

【０００９】第２の発明の電磁駆動弁は、内燃機関の吸
気弁または排気弁として用いられ、電磁コイルへの通電
によって弁体が駆動される電磁駆動弁において、弁体の
リフト位置を検出するリフトセンサを備え、そのリフト
センサは、永久磁石と、永久磁石の近傍に配置されたホ
ール素子と、永久磁石と磁気的に連結し弁体の移動中心
軸方向に対してテーパのついた壁面を有する軟磁性材料
からなる第１検出体と、第１検出体の壁面と略平行な壁
面を有し弁体と一体となって上下に移動することにより
第１検出体の壁面との間隔が変化する軟磁性材料からな
る第２検出体とを備えたことを特徴とする。

【００１０】永久磁石、ホール素子、第１検出体、およ
び第２検出体による磁路が形成される。一方、弁体の上
下移動に伴って、第１検出体の壁面と第２検出体の壁面
の間隔が変化する。この壁面間隔が大きくなると磁路を
通る磁束密度が小さくなり、逆に、壁面間隔が小さくな
ると磁束密度が大きくなる。このような磁束密度の変化
をホール素子で検出し、検出結果に基づいて弁体のリフ
ト位置を知ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態である
電磁駆動弁を示す構成図である。この電磁駆動弁は、２
弁一体型となっている。すなわち、２つの弁に対するそ
れぞれのアクチュエータが一つの筐体に収納された構造
となっている。

【００１２】シリンダヘッド１１に形成された吸気口ま
たは排気口には弁体１２が設けられており、弁体１２が
上下に移動することにより、吸気口または排気口を開閉
する。弁体１２の上端には金属材料からなるリテーナ１
３が固定されており、リテーナ１３とシリンダヘッド１
１との間にはスプリング１４が設けられている。

【００１３】リテーナ１３はその上部が円筒形状となっ
ており、円筒形状部１３ａがコイル１５内に非接触で挿
入されている。この円筒形状部１３ａとコイル１５とに
よって、リフトセンサが構成されており、コイル１５の
インダクタンスＬが円筒形上部１３ａの挿入長さによっ
て変化することを利用して、弁体１２のリフト位置検出
を行う。

【００１４】つまり、円筒形状部１３ａの挿入長さが弁
体１２の上下動によって変化するので、逆に、コイル１
５のインダクタンスＬの変化から弁体１２のリフト位置
を検出する。弁体１２が閉じたときに挿入長さは最大と
なり、弁体１２が全開のときに挿入長さは最小となる。

【００１５】コイル１５は、シリンダヘッド１１と２弁
一体型アクチュエータ１７との間に挟持された配線基板
１６の下面に取り付けられている。

【００１６】図２は配線基板１６の形状を示す平面図で
ある。配線基板１６の右端にはリフトセンサの検出出力
を増幅するセンサアンプ１８が連結されており、配線基
板１６の表面にはリフトセンサを構成するコイル１５と
センサアンプ１８とを接続する配線が印刷されている。

【００１７】配線基板１６には、シリコーン系樹脂にセ
ラミックス系高熱伝導体粒子を分散した材料が用いられ
ている。シリコーン系樹脂は、配線基板として一般的に
用いられるエポキシ系樹脂よりも熱伝導性が高く、しか
も柔軟性に富んでいる。このようなシリコーン系樹脂
に、アルミナあるいは窒化アルミといったセラミックス
系高熱伝導体粒子を分散させているので、熱伝導性はさ
らに高いものとなっている。したがって、配線基板１６
は、振動減衰機能および高熱伝導性を備えた樹脂材料と
なっている。

【００１８】図３は、図１に示す２弁一体型電磁駆動弁
のうちの一つについて、その内部構造を示した縦断面図
である。

【００１９】弁体１２は、上下に移動することにより、
シリンダヘッド１１に設けられた吸気口又は排気口を開
閉する。弁体１２から上方にのびる弁軸ＢＳには、図１
では図示を省略したアーマチャシャフトＡＭが連結され
ている。また、リテーナ１３も弁軸ＢＳに固着されてお
り、弁軸ＢＳと共に上下に移動する。リテーナ１３は、
非磁性の高伝導材料、たとえば、銅やアルミニューム等
で形成されている。

【００２０】アーマチャシャフトＡＭの中央部にはプラ
ンジャＰＬＧが固着されており、このプランジャＰＬＧ
はアッパーコアＡＣを含む上部電磁コイルとロアコアＬ
Ｃを含む下部電磁コイルとの間に配置されている。アッ
パーコアＡＣおよびロアコアＬＣはシリンダヘッド１１
に対して相対的に固定されており、上部電磁コイルと下
部電磁コイルのそれぞれの磁力による吸引力によりプラ
ンジャＰＬＧが上下に移動する。このようなプランジャ
ＰＬＧ、アッパーコアＡＣを含む上部電磁コイル、およ
びロアコアＬＣを含む下部電磁コイルからなるアクチュ
エータは、各弁体１２毎に設けられており、一つの筐体
に収められている。

【００２１】アッパーコアＡＣの上方およびロアコアＬ
Ｃの下方において、アーマチャシャフトＡＭには、それ
ぞれ上部リテーナＲＴおよび下部リテーナ１３が固着さ
れている。

【００２２】上部リテーナＲＴと鍔部Ｆとの間にはスプ
リングＳｐが介在しており、下部リテーナ１３とシリン
ダヘッド１１との間には上述したようにスプリング１４
が介在している。スプリングＳｐおよびスプリング１４
は、いずれも中立位置よりも伸びた場合には縮小側へ弾
性力が働き、縮小した場合には拡大側へ弾性力が働く。
スプリングＳｐおよびスプリング１１が中立位置にある
ときに、弁体１２は全開と全閉の中間に位置する。

【００２３】なお、配線基板１６はロアコアＬＣの下面
に接触している。

【００２４】このように構成された電磁駆動弁は、上部
電磁コイルと下部電磁コイルのいずれにも通電がなされ
ていないときには弁体１２が半開となっており、上部電
磁コイルに駆動電流が流れると、その吸引力によりプラ
ンジャＰＬＧが上方に引き上げられ、弁体１２が閉じ
る。逆に下部電磁コイルに駆動電流が流れると、その吸
引力によりプランジャＰＬＧが下方に引き下げられ弁体
１２が開く。

【００２５】プランジャＰＬＧの上下動に伴って、すな
わち弁体１２の開閉に伴って、リテーナ１３の円筒形状
部１３ａのコイル１５に対する挿入長さが変化する。コ
イル１５のインダクタンスは、円筒形状部１３ａの挿入
長さにより変化するため、インダクタンスの変化を知る
ことができれば、円筒形状部１３ａの挿入長さ、すなわ
ち、弁体１２のリフト量を検出することができる。

【００２６】リフトセンサで検出され、センサアンプ１
８で増幅されたリフト位置を示す信号は、図示省略した
制御装置にフィードバックされ、上部電磁コイルと下部
電磁コイルの電流制御に利用される。

【００２７】図４は、本実施形態の２弁一体型アクチュ
エータ１７の外観形状を示す俯瞰図である。アクチュエ
ータ１７をその四隅において、ボルト２０を用いてシリ
ンダヘッド１１に配線基板１６を介して締め付け固定す
る。なお、図４ではシリンダヘッド１１および配線基板
１６の図示は省略されている。

【００２８】この実施形態の電磁駆動弁によれば、配線
基板１６として振動減衰機能および高熱伝導性を備えた
樹脂が用いられているので、アクチュエータ１７で発生
した熱は、冷却水によって７０℃前後に維持されたシリ
ンダヘッドへ配線基板１６を介して放熱される。したが
って、アクチュエータ１７が高温になることを避けるこ
とができ、そのために、アクチュエータ１７の近傍に配
置されたセンサアンプ１８が高温に晒されることがな
い。

【００２９】また、アクチュエータ１７内のプランジャ
ＰＬＧが上下動する際に、アッパーコアＡＣおよびロア
コアＬＣに衝突し、その際に衝撃振動が発生するが、配
線基板１６が振動減衰機能を備えた樹脂でできているた
め、その振動は配線基板１６で減衰されてシリンダヘッ
ド１１に伝達されにくい。

【００３０】なお、本実施形態の配線基板１６には、シ
リコーン系樹脂にセラミックス系高熱伝導体粒子を分散
した材料を用いたが、シリコーン系樹脂のみでも振動減
衰機能および高熱伝導性を備えた樹脂として利用するこ
とができる。また、高熱伝導性のセラミックス基板上に
振動減衰機能をもった樹脂を積層したり、高熱伝導性の
セラミックス基板に複数の穴を穿設し、その穴に振動減
衰機能をもった樹脂を埋め込んだりしたものを用いても
よい。

【００３１】つぎに、本発明の第２実施形態である電磁
駆動弁について説明する。図５は本実施形態の電磁駆動
弁の全体構成を示す構成図であり、図６はリフトセンサ
部分を示す破断斜視図である。

【００３２】第１実施形態では、リフトセンサとしてコ
イルのインダクタンスの変化を利用したものを用いた
が、この実施形態ではホール素子、すなわち、磁界の強
さを電気信号に変換する機能を有する素子を利用してい
る。なお、第１実施形態と同一の要素には同一の符号を
付してその説明を省略する。

【００３３】弁体１２の上部には磁性材料からなるリテ
ーナ５１が設けられており、リテーナ５１は図示省略し
たアーマチャシャフトＡＭと共に弁体１２と一体になっ
て上下動する。なお、利用可能な磁性材料の代表的なも
のとしては、鉄、ニッケル、Ｓ４５Ｃ等がある。もちろ
ん、微弱な磁界で強く磁化する高透磁率材料（軟磁性材
料）、たとえば、けい素鋼、パーマロイ、フェライト等
でもよい。

【００３４】リテーナ５１の上側中央部は、外壁が円錐
台の筒形となっている。すなわち、リテーナ５１の上部
外壁面５１ａは、弁体１２の駆動中心軸に対してテーパ
がつけられている。

【００３５】配線基板１６の下面には、弁体１２の駆動
中心軸を挟んで対向するように、２つの永久磁石５４、
５５が配置されている。一方の永久磁石５４は上がＳ
極、下がＮ極になっており、他方の永久磁石５５は上が
Ｎ極、下がＳ極になっている。

【００３６】永久磁石５４および５５の下側には、軟磁
性材料からなる下がり壁５６および５７が設けられてお
り、それぞれの内側の壁面は、リテーナ５１の上部外壁
面５１ａと平行となるようにテーパが付けられている。
したがって、弁体１２の上下動に伴ってリテーナ５１が
上下すると、リテーナ５１の上部外壁面５１ａと下がり
壁５６および５７との間隔Ｄ１およびＤ２が変化する。
リテーナ５１が上方に移動するにしたがってＤ１および
Ｄ２は小さくなる。

【００３７】永久磁石５４および５５の上側には、磁路
を形成するための軟磁性部材５８および５９が設けられ
ており、軟磁性部材５８および５９との間にホール素子
５３が設けられている。

【００３８】このように構成されたリフトセンサ６０
は、永久磁石５４と５５の間に磁路が形成される。すな
わち、永久磁石５４のＮ極から出た磁束は、下がり壁５
６、間隔Ｄ１、リテーナ５１、間隔Ｄ２、下がり壁５
７、永久磁石５５、軟磁性部材５９、ホール素子５３、
軟磁性部材５８を経て、永久磁石５４のＳ極に戻る。

【００３９】この磁路の磁束密度は、リテーナ５１の上
部外壁面５１ａと下がり壁５６および５７との間隔Ｄ１
およびＤ２によって変化する。間隔Ｄ１およびＤ２が広
がると磁束密度は小さくなり、逆に、狭まると大きくな
る。ホール素子５３は磁束密度に応じた電圧を出力する
素子であるから、間隔Ｄ１およびＤ２の値に応じた電圧
を出力する。したがって、ホール素子５３の出力電圧か
ら、弁体１２のリフト位置を知ることができる。

【００４０】このように、本実施形態のリフトセンサ６
０は、永久磁石５４、５５と磁気的に連結し弁体１２の
移動中心軸方向に対してテーパのついた壁面を有する軟
磁性材料からなる下がり壁５６および５７を第１検出体
として備え、第１検出体の壁面と略平行な壁面５１ａを
有し弁体１２と一体となって上下に移動することにより
第１検出体の壁面との間隔Ｄ１、Ｄ２が変化する軟磁性
材料からなるリテーナ５１を第２検出体として備えるこ
とにより、弁体１２のリフト位置をホール素子５３の出
力電圧から得ることができる。

【００４１】ホール素子５３の出力電圧は、配線基板１
６上に印刷された配線を経由してセンサアンプ５２に与
えられて増幅される。

【００４２】なお、本実施形態においても、配線基板１
６には振動減衰機能および高熱伝導性を備えた樹脂が用
いられているので、アクチュエータ１７で発生した熱
は、冷却水によって７０℃前後に維持されたシリンダヘ
ッド１１へ配線基板１６を介して放熱される。したがっ
て、アクチュエータ１７が高温にならず、アクチュエー
タ１７の近傍に配置されたセンサアンプ５２が高温に晒
されることがない。また、アクチュエータ１７内で発生
する衝撃振動が配線基板１６で減衰されるためシリンダ
ヘッド１１に伝達されにくい。

【００４３】

【発明の効果】以上のように、本発明の電磁駆動弁によ
れば、リフトセンサとセンサアンプとを接続する配線が
印刷されている配線基板が、電磁コイルを含むアクチュ
エータと内燃機関のシリンダヘッドとの間に挟まれてお
り、配線基板は、振動減衰機能および高熱伝導性を備え
た樹脂で形成されているので、アクチュエータで発生す
る熱は、配線基板を経て常時冷却されているシリンダヘ
ッドに吸収される。そのために、アクチュエータに隣接
配置されたセンサアンプが高温にさらされることがな
い。また、アクチュエータからシリンダヘッドへ伝達さ
れる振動が、配線基板において減衰される。

【００４４】また、本発明の他の電磁駆動弁によれば、
永久磁石の近傍に配置されたホール素子と、永久磁石と
磁気的に連結しテーパのついた壁面を有する軟磁性材料
からなる第１検出体と、第１検出体の壁面と略平行な壁
面を有し弁体と一体となって上下に移動する第２検出体
とを備えることにより、弁体のリフト位置をホール素子
の出力電圧から得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である電磁駆動弁の構成を
示す一部破断側面図。

【図２】配線基板の平面形状を示す平面図。

【図３】２弁一体型電磁駆動弁のうちの一つについての
内部構造を示した縦断面図。

【図４】本実施形態の電磁駆動弁の外観を示す俯瞰図。

【図５】本発明の第２実施形態である電磁駆動弁の構成
を示す一部破断側面図。

【図６】そのリフトセンサ部を示す図。

【符号の説明】

１１…シリンダヘッド、１２…弁体、１３，５１…リテ
ーナ、１４…スプリング、１５…コイル、１６…配線基
板、１７…アクチュエータ、１８，５２…センサアン
プ、５３…ホール素子、５４，５５…永久磁石、５６，
５７…下がり壁。

フロントページの続き (72)発明者 前田 岩夫 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 早瀬 雄一郎 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 河崎 高志 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 白谷 和彦 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 河合 寿 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 Ｆターム(参考） 2F077 AA41 AA42 AA49 CC02 JJ08 VV11 VV31 3G018 AB09 AB16 CA12 DA41 GA02 GA17 GA24 3H065 AA01 BA01 BA07 BB16 BC13 CA01

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の吸気弁または排気弁として用
   いられ、電磁コイルへの通電によって弁体が駆動される
   電磁駆動弁において、 前記弁体のリフト位置を検出するリフトセンサと前記リ
   フトセンサの出力を増幅するセンサアンプとを備え、 前記センサアンプが搭載され前記リフトセンサと前記セ
   ンサアンプとを接続する配線が印刷されている配線基板
   が、前記電磁コイルを含むアクチュエータと前記内燃機
   関のシリンダヘッドとの間に挟まれており、 前記配線基板は、振動減衰機能および高熱伝導性を備え
   た樹脂で形成されていることを特徴とする電磁駆動弁。
2. 【請求項２】 前記振動減衰機能および高熱伝導性を備
   えた樹脂は、シリコーン系樹脂であることを特徴とする
   請求項１に記載の電磁駆動弁。
3. 【請求項３】 前記振動減衰機能および高熱伝導性を備
   えた樹脂は、シリコーン系樹脂にセラミックス系高熱伝
   導体粒子を分散したものであることを特徴とする請求項
   １に記載の電磁駆動弁。
4. 【請求項４】 内燃機関の吸気弁または排気弁として用
   いられ、電磁コイルへの通電によって弁体が駆動される
   電磁駆動弁において、 前記弁体のリフト位置を検出するリフトセンサを備え、 前記リフトセンサは、 永久磁石と、 前記永久磁石の近傍に配置されたホール素子と、 前記永久磁石と磁気的に連結し前記弁体の移動中心軸方
   向に対してテーパのついた壁面を有する軟磁性材料から
   なる第１検出体と、 前記第１検出体の壁面と略平行な壁面を有し、前記弁体
   と一体となって上下に移動することにより前記第１検出
   体の壁面との間隔が変化する軟磁性材料からなる第２検
   出体とを備えたことを特徴とする電磁駆動弁。