JP2004506826A - 電磁バルブアクチュエータ - Google Patents

Abstract

電磁バルブアクチュエータは、バルブの心棒に固定された強磁性材料からなる電機子（２２）を有し、ばねが設けられて全開位置と閉止位置との間の中間の休止位置にバルブを保持し、単一のコイル（３８）が強磁性回路の上に取付けられる。電機子と組合せられて、磁気回路は２つの安定した磁束経路をもたらし、その両者は小さなサイズのエアギャップに対応する。

Description

【０００１】
【発明の分野】
この発明は、バルブを平行移動させてそれを交互に開放位置および閉止位置にもたらすための電磁アクチュエータに関する。この発明の主な適用は、火花点火または圧縮点火による、内燃機関のバルブの制御に存在する。
【０００２】
【発明の背景】
現在では、大部分の内燃機関のバルブはエンジンによって駆動されるカム軸によって作動される。カム軸によって制御されるバルブの開閉の速度は、エンジンがゆっくりと動いているとき、特に始動の際には小さく、これは燃焼チャンバを満たすには好ましくない。
【０００３】
上述の欠点を減じるのを可能にする電磁アクチュエータに対する提案もなされ（ＵＳ−Ａ−４　６１４　１７０）、すなわちこのアクチュエータは、バルブの心棒に固定された強磁性電機子、全開位置と閉止位置との中間の休止位置にバルブを保持するための弾性戻し手段およびバルブを両方向に交互に移動させるための電磁手段を有する。参考文献ＵＳ−Ａ−４　６１４　１７０に記載された電磁手段は、電機子の一方の側の上に設けられた第１の強磁性コア電磁石を有し、励起されるとこれは電機子を引き寄せてバルブを閉じるようにし、電磁手段はさらに、電機子の他方の側の上に設けられた第２の電磁石を有し、励起されるとこれはバルブをその全開位置にもたらそうとする。
【０００４】
バルブおよびばねのアセンブリは、電磁石に交番に周期的に電力を与えることにより励起される発振システムを構成する。バルブ開放方向に電機子に作用する電磁石には、電機子が電磁石のコアにくっつく場所に近づくときに電力が与えられ始める。
【０００５】
【発明の概要】
この発明は、特にサイズが減じられることおよびより少ない接続しか必要としないことにより、先行技術のものよりも実際的な要件をより十分に満たす電磁アクチュエータを特に提供しようとするものである。
【０００６】
この目的のため、電磁手段は、電機子と組合せられて、磁束のための２つの安定した経路をもたらすような構造の強磁性回路上に取付けられた単一のコイルを含み、磁束の各々は小さなサイズのエアギャップ（一般的にはギャップはない）に対応するものである。
【０００７】
この構成の一方は全開したバルブに対応し、他方は閉じられるバルブに対応する。
【０００８】
その初期状態では、中間位置で、電機子は一般的に位置または磁気回路の不均衡をもたらす。なぜなら、コイルに最初に電力が与えられるときそれが引き寄せられる方向は予め定められているためである。この不均衡は意図的に引起すことができる。たとえば、弾性戻し手段が電機子のそれぞれの側の上に設けられた２つのばねによって構成されるとき、２つのばねは、コイルに電力を与えることにより生じる力が定められた方向に働きかつ、それらが閉止位置と全開位置との両者において圧縮される際に同じ位置エネルギをもたらすような位置を休止の電機子に与えるものであり得る。
【０００９】
上下に作用する磁力を不均衡にする有利な態様は、成層ノッチプロファイルおよび／または電機子プロファイル上で作用することにより中央部分の磁束を非対称にすることである。
【００１０】
非対称をもたらすため、電機子は軸方向の突起を有することができる。非対称をもたらす別の態様は、安定した経路の両者において接触面が異なるような形状を強磁性回路の磁極および電機子に与えることにある。
【００１１】
それは単一のコイルしか有しないため、アクチュエータは先行技術のアクチュエータよりも小型である。その電気回路および制御はより単純かつ安価である。
【００１２】
前述の特徴と関連して有利に用いられるが、独立して用いられ得る上記特徴および他のものは、非制限的な例として与えられる特定の実施例の以下の説明を読むとさらに明らかになる。
【００１３】
【詳細な説明】
図１から３に示されるアクチュエータ１０は、エンジンのシリンダヘッド１２上に取付けるためのアセンブリによって構成される。それは、図示されない手段（たとえばねじ）によってともに積み重ねられかつ組立てられる複数の部分１４および１６からなるハウジングを含む。これらの部分は、非強磁性材料、たとえば軽合金からなる。ハウジングは、同様に非強磁性材料からなる１つのシム２０を介してシリンダヘッド１２に固定することができる。
【００１４】
アクチュエータは強磁性材料からなる電機子２２を有し、これは損失を減じるために有利には成層されかつバルブ２５を駆動するためのロッド２４上に固定される。一般的に、複数のバルブが並べて設けられ、各アクチュエータに対しては、図１の平面に対して垂直方向の少量の幅しか利用可能ではない。その結果、電機子は矩形の形状を与えられる。電機子は部分１６の中で回ることができない。溶接によりロッド２４を電機子に固定することができ、それは部分１６の環状の延長部に固定されたリング２６によって導かれ得る。
【００１５】
示された実施例では、バルブ２５の心棒はロッド２４とは別個のものである。それはシリンダヘッドに固定されるリングによって導かれ、その中で自由に回る。
【００１６】
２つの戻しばね２８ａおよび２８ｂが設けられて、閉止位置と全開位置との実質的に中間の休止位置にバルブを保持する。一方のばね２８ａは、ロッド２４に固定されたプレート３０と部分１６の延長部（ｒｅｍｏｔｅ）との間で圧縮される。他方のばね２８ｂは、バルブ心棒に固定されたプレート３１とシリンダヘッドの中にしっかりと形成されたバルブ底部との間で圧縮される。持上げられたロッドと閉じられたバルブとの間の配置のクリアランスが封止を確実にする。アクチュエータは、牽引および圧縮の役割を果たしかつ、フランス特許第９８／１１６７０号に記載されたように、バルブが閉じられるときの封止を確実にする弾性ダンパと関連付けられる単一のばねとともに同様に好都合に用いられ得た。ロッドはバルブと一体とすることができる。
【００１７】
ハウジングは、有利には成層されかつ電機子と共働する、強磁性材料からなるコア３６およびコアの内側に設けられて強磁性回路を規定するコイル３８を保持する。示されたコアは、平面４０（図２）で互いを支える２つの相補部分からなり得るかまたは一体として作られ得る。コアの各々のハーフを構成する成層体はＥ字型である（図２および図３）。最上部の分岐４２は、それらがフォーマ４４を介して支えるコイル３６に係合する。各ハーフの他方の２つの分岐が電機子の移動空間を規定する。電機子が空間の底部４６上にあるとき、それはバルブの全開位置を規定する。空間の天井４８は、弁座に対して、バルブが閉じられるときにエアギャップが実際に０であるような場所にある。電機子２２の休止位置に対応する中間ノッチ４９は、チャンバの内側に設けられて、電機子の厚みよりもわずかに大きい長さを有し得る。ノッチの上下には、移動空間の壁は移動に十分なだけのクリアランスしか残さない。コアは一体として同様に好都合に構成され、自動機械によって曲げられたコイルをその上に有し、したがってエアギャップが存在しないようにしかつノッチ４９の正確さを確実にする。
【００１８】
図４に示された変形の実施例では、（有利には成層されるかまたは高い電気抵抗を有する材料からなる）電機子２２は、コア３６の磁極と平行に面取りされる端縁を備える（図４）。この配置では、電機子はその動作範囲において磁気的に飽和されず、コアの磁極片の形状を与えられると、磁束は主に電機子を通ることにより閉じられる。電機子２２がその休止位置からスタートして移動する最初の方向を定めるために有利な別の変形では、コアの上部および下部磁極面８０および８２に対して異なる傾斜を有することにより、下部磁束回路に対する上部磁束回路の非対称が強調され、磁極に面する電機子の面の各々はその磁極と平行である。
【００１９】
別のさらなる変形の実施例では、図５に示されたように、電機子は磁気回路の非対称性を増す棒の形の中央の突起８４を有する。電機子２２が図５に示される休止位置にあるときおよび磁束がコイル３８によって生成されるとき、矢印ｆで表わされたように磁束は突起８４を介して通ることにより閉じ、それによりエアギャップのサイズを減じる。電機子がその最上位置でコアにくっつくとき、この突起は短絡されるがくっつく力を弱めるわけではない。この配置は、休止位置での磁気抵抗をかなり減じ、装置を動作の状態にもたらせる容易さを増す。
【００２０】
電機子、バルブおよびばねによって構成されるアセンブリは、共振振動数を有する発振システムを構成する。動作の初期段階の間、バルブおよび電機子によって構成される可動装置は、システムの共振振動数に近い周波数の電気パルスをコイルに与えることにより交互に上下に引き寄せられる。コイル３８は、共振期間の一部に対応する持続時間の間にまず電力を与えられ、それにより電機子を小さな振幅で動かす。システムが非対称ならば、それはすなわち、
−ノッチ４９のための非対称な形、
−電機子の非対称性および／または
−突起の存在（図５）、の結果であるが、
電機子が最初に移動する方向が定められる。
【００２１】
コイル３８によって伝えられる電流は、装置と一体化された位置センサを用いて電機子２２の位置をモニタすることによって制御することができる。電流パルスは瞬時にコイルに送られるため、力が与えられるとき、電機子の速度は与えられた力と同じ方向になる。非対称性のために最初の力が与えられた表示となるため、周期ごとに１つのパルスを与えれば十分である。
【００２２】
図６は起動されている装置を示す図である。まず、電機子は線Ｌに対応する位置にあり、そこではばね２８ａおよび２８ｂによって与えられた力は均衡している。この位置は、コイル３８によってもたらされた磁界により電機子２２に与えられる電磁力が０である位置Ｌ′からオフセットされている。コイル３８の中の第１の電流パルスは、電機子を遠ざかるように移動させ、その後その共振期間とともに、線Ｌ′によってマークされたよりも一般的に上の位置に戻させる。発振の振幅は徐々に増加する。位置信号を追従することにより、２つの連続するゼロ交差の間の最も新しい持続時間Ｔを常に知ることが可能になる。ゼロ交差の瞬間および持続時間Ｔから、終端位置Ａに到達する瞬間ｔＡを導き出すことができる。センサによって与えられるように、その後に続く（線Ｌを横切る）ゼロ交差の瞬間から、電圧を印加して電流を増加させるのに最適な瞬間を導き出すことができる。印加の持続時間はたとえば図６のαＴによって与えられるものであり得る。この期間の終わりに、制御電圧が逆転されて電流を減少させる。電圧を印加する際の遅延およびそれが逆転される瞬間は、コイルの中で迅速に変化する電流の能力の関数として選択される。実際には、極値Ａを通るとすぐに電圧が印加され得ることがしばしばである。時間間隔αＴの後の電圧逆転により、速度が逆転する極値Ｂに達する前に電流を減じることが可能になる。電流はこの瞬間に０に戻って、可動装置を制動しないようにしたであろう。
【００２３】
このプロセスは、移動の振幅が、シリンダヘッドに電機子がくっつくようになるまで続けられる。その瞬間からは、安定した条件下では、可動装置をその終端位置に戻すのに必要な時間の間のみ全出力でコイルに電力を与えれば十分であり、可動装置が反対方向に動かされるまでより低い保持電流がその後に伴う。
【００２４】
図２では、センサ５２は、増幅器５４を介してコイル３８に与えられる電力を制御するプロセッサ５０に接続される。センサ５２はハウジング１６によって保持され、それは下方向に突出して、この目的のために磁気材料からなるプレート３０の接近を検出する。センサ５２による信号出力に基づいて、（エンジンを制御するプロセッサであり得る）プロセッサ５０は、可動装置が到達する位置を定めることができる。
【００２５】
それが伝える信号を変化させることにより、センサ５２は、可動装置の発振の振幅がそれをその終端位置にもたらす瞬間を定めることもできる。
【００２６】
その点から進めて、出願人名の特許出願番号ＦＲ９８／１２９４０に記載された種類の手段によって制御を行うことができる。
【００２７】
より一般的には、位置測定と、制動をもたらす磁力を常に生成しないようにコイルが取る電流を制御する、電機子を動かすためのアルゴリズムとを関連付けることにより、最小の時間の長さで起動を達成することができる。
【００２８】
この発明は多様に実現され得る。ばね２８ａおよび２８ｂは一方を他方の内側に設けて、たとえばハウジングのサイズを減じることができる。各コイルを、並列に電力を与えられる（たとえば２または３の）１よりも大きいＮ個の巻線で構成して、それにより抵抗をＮに分割して最大合計電流を増しかつ、インダクタンスをＮに分割することができる。電気慣性は減じられる。エンジンシステムの動的挙動は改良される。巻線を壊すことが装置を動作不能にするわけではない。動的挙動は改良される。すなわち、抵抗に対するインダクタンスの比は、各々の巻線の抵抗が単一コイルの抵抗の分数（ｆｒａｃｔｉｏｎ）である間は変化しないため、磁界をより迅速に変化させることができる。最大電流はより高くなり、インダクタンスがより低いため、動応答はより速くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を構成するバルブアクチュエータの、バルブの軸を含む平面での断面図である。
【図２】線ＩＩ−ＩＩおよび線ＩＩＩ−ＩＩＩの電磁部分の部分断面図である。
【図３】線ＩＩ−ＩＩおよび線ＩＩＩ−ＩＩＩの電磁部分の部分断面図である。
【図４】図１から３の変形を示す図である。
【図５】図１から３の変形を示す図である。
【図６】装置が起動されるとき電機子の発振がどのように変化するかを示す図である。

Claims (12)

1. 電磁バルブアクチュエータであって、バルブの心棒を駆動するための強磁性材料からなる電機子（２２）、全開位置と閉止位置との間の中間の休止位置にバルブを保持するために設けられた弾性戻し手段（２８ａ、２８ｂ）およびバルブを両方の位置に交互にもたらすのを可能にする電磁手段を有し、
   アクチュエータは、電磁手段が、電機子と組合せられて、２つの安定した磁束経路を与えるような構造の強磁性回路の上に取付けられる単一のコイル（３８）を含み、磁束経路の各々は小さなまたは０であるエアギャップに対応しかつ、一方が全開しているバルブに対応し、他方が閉じられているバルブに対応することを特徴とする、電磁バルブアクチュエータ。
2. 強磁性回路は、小さなエアギャップ値が実質的に０であることを特徴とする、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 強磁性回路は、ストロークの半分のところにノッチ（４９）を設ける、互いを支える２つのハーフからなる成層されたコア（３６）によって構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. コアの各々のハーフを構成する成層体はＥ字型であり、これはコイル（３６）に係合する上部分岐を有しかつ電機子の移動空間を規定する下方分岐を有することを特徴とする、請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 空間は、電機子の休止位置に対応する中間拡大部を備えることを特徴とする、請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 電機子およびバルブによって構成される装置の位置を送るためのセンサ（５２）を有する、請求項１から５のいずれかに記載のアクチュエータ。
7. 弾性戻し手段は、電機子に強磁性回路の中の非対称な位置を与えるように設計されることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 電機子（２２）は、電磁回路内で非対称をもたらすための軸方向の突起（８４）を保持することを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載のアクチュエータ。
9. 強磁性回路および電機子は、接触面が２つの安定した磁束経路に対して異なるような構造であることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載のアクチュエータ。
10. 強磁性回路の中間ノッチ（４９）は、開くまたは閉じる方向にオフセットされて、強磁性回路を非対称にしかつ電機子の最初の移動方向を規定することを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載のアクチュエータ。
11. 強磁性回路は、ストロークの半分のところにノッチ（４９）を有する、一体となったコアで構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のアクチュエータ。
12. コイルはＮ個の平行な巻線で構成され、Ｎは１よりも大きいことを特徴とする、請求項１０または１１に記載のアクチュエータ。

Images