JP2005012898A - 電磁駆動式動弁系の制御 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁駆動方式のアクチュエータにおいて、アクチュエータの作動状態を計測するための技術を提供する。
【解決手段】本発明は、電磁駆動方式のアクチュエータである。本アクチュエータは、可動子と、励磁電流に応じて前記可動子を電磁気的に吸引する電機子と、
前記吸引力の反作用として前記電機子に加えられた荷重を計測する電機子荷重センサとを備えることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁駆動式のアクチュエータの制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関のバルブを開閉する動弁機構の駆動に電磁駆動方式を採用することが提案されている。このような提案の中には、たとえば電機子が有するコイルに流れる電流値の一時的な低下に応じて電磁駆動方式の動弁機構（以下、電磁駆動弁と呼ぶ）を制御し、電磁駆動弁の開閉動作を確実にしつつ消費電力を低減させるものもある（特開２０００−４６２３０）。
【特許文献１】特開７−３３２０４４号公報
【特許文献２】特開２００１−３４９４６３号公報
【特許文献３】特開２００１−１５９３３２号公報
【特許文献４】特開２０００−４６２３０号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、コイルに流れる電流値に応じた制御では、電流値の一時的な低下量のばらつきやノイズに起因して制御対象の計測の信頼性が低下する場合があり、これにより制御系の安定性が損なわれるという問題が生じていた。このような計測系の問題は、内燃機関に使用される電磁駆動弁に限られず、一般に、電磁駆動方式で駆動されるアクチュエータに共通する問題でもあった。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、電磁駆動方式のアクチュエータにおいて、アクチュエータの作動状態を計測するための技術を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するために、本発明は、電磁駆動方式のアクチュエータであって、
可動子と、
励磁電流に応じて前記可動子を電磁気的に吸引する電機子と、
前記吸引力の反作用として前記電機子に加えられた荷重を計測する電機子荷重センサと、
を備えることを特徴とする。
【０００６】
本発明のアクチュエータでは、電磁気的な吸引力の反作用として電機子に加えられた荷重を計測することができるので、電磁気的な吸引力を利用して作動するアクチュエータの作動状態を観測することができる。このようなアクチュエータを利用すれば、たとえばアクチュエータが有する電機子の状態量を制御入力として利用することができるので、制御性能の高い制御系を実現することができる。
【０００７】
上記アクチュエータにおいて、さらに、
前記可動子を所定の位置に安定させるように付勢する付勢部を備え、
前記付勢部は、前記吸引された可動子から前記付勢部に加えられた荷重を計測する付勢部荷重センサを備えるようにしても良い。
【０００８】
こうすれば、可動子を所定の位置に安定させるように付勢する付勢部を有するアクチュエータにおいて、吸引された可動子から付勢部に加えられた荷重を計測することができるので、付勢部の作動状態を観測することができる。こうすれば、アクチュエータの主要構成部品の１つである付勢部の状態量を制御入力として利用することができるので、さらに高性能な制御系を実現することができる。
【０００９】
上記アクチュエータにおいて、前記電機子荷重センサは、前記吸引力の反作用として前記電機子に加えられたモーメント荷重を計測することが可能であるようにしても良い。
【００１０】
こうすれば、アクチュエータの作動時において、吸引力の反作用として発生したモーメント荷重を計測することができる。このような計測値を得ることができれば、アクチュエータの制御器は、たとえば故障診断や制御内容の変更といった処理を行うことができる。
【００１１】
上記アクチュエータにおいて、前記電機子は、前記可動子にモーメント荷重を加えるように電磁気的に吸引することが可能であるようにしても良い。
【００１２】
こうすれば、アクチュエータの制御器は、たとえばモーメント荷重を軽減するようにアクチュエータを作動させることができる。
【００１３】
本発明の制御装置は、電磁駆動方式のアクチュエータを制御する制御装置であって、
前記アクチュエータは、可動子と、励磁電流に応じて前記可動子を電磁気的に吸引する電機子と、前記吸引力の反作用として前記電機子に加えられた荷重を計測する電機子荷重センサとを備え、
前記制御装置は、
前記可動子が前記電機子に着座する際における前記荷重に応じて、前記アクチュエータの機械的特性の変動を推定する状態推定部と、
前記推定された機械的特性の変動に応じて、前記機械的特性の変動を補償するように励磁電流を制御する特性変動補償部と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
こうすれば、アクチュエータの径時変化や製造誤差の影響を抑制して安定的に制御することができる。
【００１５】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、たとえば動弁機構等の態様で実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の第１実施例における制御：
Ｂ．本発明の第２実施例における制御：
Ｃ．本発明の第３実施例における制御：
Ｄ．本発明の第４実施例における制御：
Ｅ．変形例：
【００１７】
Ａ．本発明の第１実施例における制御：
図１は、本発明の第１実施例における動弁機構を備えた内燃機関を示す説明図である。この内燃機関は、シリンダヘッド２５１と、ピストン２５０とで燃焼室を形成している。この燃焼室への空気の吸入は、バルブ２０をバルブ軸ＣＬの方向に機械的に駆動することによって制御される。この駆動は、動弁機構によって行われる。この動弁機構は、バルブ２０と、バルブ軸ＣＬの方向に摺動可能に支持するバルブガイド１９と、バルブ２０をバルブ２０の軸方向に機械的に駆動するアクチュエータ１００とを備えている。
【００１８】
図２は、本発明の第１実施例におけるアクチュエータ１００を示す説明図である。アクチュエータ１００は、バルブ２０を開弁方向に付勢する開弁付勢部３０と、バルブ２０を閉弁方向に付勢する閉弁付勢部５０と、バルブ２０を電磁的に駆動する電磁駆動部４０と、これらの部品を収納するハウジング９０とを備えている。図１および図２では、バルブ２０は、開弁位置にある。
【００１９】
電磁駆動部４０は、アーマチャ１０と、アーマチャ１０を開弁方向に駆動する開弁電機子１１と、アーマチャ１０を閉弁方向に駆動する閉弁電機子９と、アーマチャ１０をバルブ軸ＣＬの方向に摺動可能に支持する２つのアーマチャガイド７、１３とを備えている。電磁駆動部４０は、さらに、閉弁電機子９に反作用として加わる電磁的な吸引力を計測する閉弁電機子側ロードセル８と、開弁電機子１１に反作用として加わる電磁的な吸引力を計測する開弁電機子側ロードセル１２と、閉弁電機子側ロードセル８と開弁電機子側ロードセル１２の一端の位置を固定する２つのロードセル固定部１、４を備えている。開弁電機子１１は、開弁電機子１１を励磁するための励磁コイル１１ｃを備えている。閉弁電機子９は、閉弁電機子９を励磁するための励磁コイル９ｃを備えている。なお、アーマチャ１０は、特許請求の範囲における可動子に相当する。
【００２０】
開弁付勢部３０は、開弁するようにアーマチャ１０に付勢力を伝える開弁リテーナ６と、開弁リテーナ６を付勢するスプリング５とを備えている。閉弁付勢部５０は、閉弁するようにアーマチャ１０に付勢力を伝える閉弁リテーナ１４と、閉弁リテーナ１４を付勢するスプリング１５とを備えている。閉弁リテーナ１４は、バルブ２０に回動可能に固定されている。バルブ２０は、閉弁電機子９および開弁電機子１１が励磁されていないときには、開弁付勢部３０と閉弁付勢部５０とによって閉弁位置と開弁位置の中間的な位置で安定するように付勢されている。
【００２１】
荷重計測部２１は、閉弁電機子側ロードセル８と開弁電機子側ロードセル１２から入力した信号に応じて開弁電機子１１と閉弁電機子９に印加されている荷重を計測する。制御部２５は、荷重計測部２１から受信した計測値に応じてアクチュエータ１００の２つの励磁コイル９ｃ、１１ｃに励磁電流を流してアクチュエータ１００を制御する。
【００２２】
図３は、本発明の第１実施例における開弁操作の制御処理の内容を示すフローチャートである。「開弁操作」とは、バルブ２０を閉弁位置から開弁位置に移動させる操作をいう。本明細書では、「閉弁位置」とは、バルブ２０が完全に閉弁されたときのバルブ２０の作動位置を意味し、「開弁位置」とは、バルブ２０が完全に開弁されたときのバルブ２０の作動位置を意味する。
【００２３】
図４は、電磁駆動部４０の開弁操作時における作動状態を示す説明図である。図４（ａ）は、開弁電機子１１と閉弁電機子９が電磁的にアーマチャ１０を吸引する力を示している。図４（ｂ）は、バルブ２０のリフト量を示している。リフト量とは、バルブ２０が閉弁位置から開弁位置の方向にバルブ軸ＣＬに沿って移動した移動量であり、アーマチャ１０の移動量に一致する。図４（ｃ）は、開弁電機子１１と閉弁電機子９のそれぞれが有する励磁コイル９ｃ、１１ｃに流れる励磁電流を示している。実線は、閉弁電機子９の励磁電流や吸引力を示している。点線は、開弁電機子１１の励磁電流や吸引力を示している。
【００２４】
ステップＳ１１０では、制御部２５（図２）は、時刻ｔ０において閉弁電機子９の励磁をオフにする。閉弁電機子９の励磁をオフにするのは、バルブ２０を閉弁位置から移動可能とするためである。閉弁位置で閉弁電機子９が励磁されているのは、バルブ２０を閉弁位置に固定させるためである。
【００２５】
閉弁電機子９の励磁をオフにするとは、図４（ｃ）に示されるように、制御部２５が閉弁電機子９の励磁電流の目標値をゼロにすることを意味する。ただし、閉弁電機子９に実際に流れる電流は、ステップ状にゼロになるわけでなく少し遅れてゼロとなる（レンツの法則）。このため、閉弁電機子９の電磁的な吸引力は、図４（ａ）に示されるように少し遅れてゼロになる。
【００２６】
ステップＳ１２０では、制御部２５は、時刻ｔ１において開弁電機子１１（図２）の励磁をオンにする。励磁をオンにするとは、制御部２５が励磁電流の目標値を電流値Ｉ２（１５アンペア）にすることを意味する。時刻ｔ１は、時刻ｔ０から時間Ｐ１（図４（ａ））だけ経過した後の時刻である。時間Ｐ１は、閉弁電機子９の励磁がオフとなってから閉弁電機子９の電磁的な吸引力が所定の値より小さくなるまでの時間である。開弁電機子１１の励磁がオンにされると、制御部２５は、開弁電機子１１の吸引力の監視を開始する（ステップＳ１３０）。
【００２７】
開弁電機子１１の励磁がオンにされると、開弁電機子１１の励磁電流が目標電流値Ｉ２に向かって増加し始める。開弁電機子１１の励磁電流が増加すると、開弁電機子１１がアーマチャ１０を電磁的に吸引する吸引力が増大する（図４（ａ））。アーマチャ１０は、これに応じて移動を開始する（図４（ｂ））。
【００２８】
一方、アーマチャ１０の移動によって開弁電機子１１とアーマチャ１０の間の距離（以下、クリアランスと呼ぶ。）が小さくなると、これによっても吸引力が大きくなる。この結果、開弁電機子１１の吸引力は、アーマチャ１０の移動と励磁電流の増大に応じて相乗的に大きくなることが分かる。
【００２９】
アーマチャ１０は、アーマチャ１０が図示しないストッパに底付きすることによって停止する。アーマチャ１０が底付きする際には、吸引力の増大速度が低下する。この低下は、アーマチャ１０が開弁電機子１１に接近する際において、励磁電流が一時的に低下するからである。励磁電流が一時的に低下するのは、上記接近によって開弁電機子１１の磁束密度が急激に上昇するため開弁電機子１１に自己誘導逆起電力が発生するからである。なお、閉弁操作時においては、バルブ２０が燃焼室の吸気口に底付きすることによってアーマチャ１０は停止することになる。
【００３０】
図５は、所定の条件における開弁電機子１１や閉弁電機子９の静的吸引力とクリアランスの間の関係の実験結果を示すグラフである。静的吸引力とは、開弁電機子１１や閉弁電機子９がアーマチャ１０を電磁的に吸引する荷重を意味する。クリアランスとは、開弁電機子１１や閉弁電機子９とアーマチャ１０の間の距離である。この図から分かるように、励磁電流が目標値である電流値Ｉ２（１５アンペア）に達してもアーマチャ１０が移動しなければ少なくとも吸引力が４００Ｎを超えることはない。この点に着目して、本実施例では、制御部２５は、吸引力の監視を通じてアーマチャ１０の移動を確認するように構成されている。
【００３１】
たとえば開弁電機子１１の吸引力は、開弁電機子１１に接続された開弁電機子側ロードセル１２（図２）を用いて荷重計測部２１が計測することができる。計測された吸引力は、前述のように吸引力を監視している制御部２５に送られる。制御部２５は、具体的には、吸引力が所定の閾値である８００Ｎを超えたか否かを監視している。吸引力が所定の閾値である８００Ｎを超えると（時刻ｔ２）、時間Ｐ２の計測が開始される。時間Ｐ２は、アーマチャ１０が閉弁電機子９から離れた後に底付きして完全に停止するとともに、励磁電流が安定するまでの時間である。
【００３２】
ステップＳ１４０では、制御部２５は、時刻ｔ２から時間Ｐ２経過後の時刻ｔ３において開弁電機子１１の励磁電流の目標値を低下させる。時刻ｔ３においては、クリアランスが極めて小さいので、励磁電流の目標値を低下させてもアーマチャ１０の停止に要求される吸引力を得ることができるからである。これにより、無駄な電力を削減してエネルギ効率を高めることができる。
【００３３】
図６は、本発明の第１実施例における励磁電流Ｉ１、Ｉ３（図４（ｃ））の設定方法の一例を示す説明図である。図６（ａ）は、開弁電機子１１と閉弁電機子９が電磁的にアーマチャ１０を吸引する力を示している。図６（ｂ）は、バルブ２０のリフト量を示している。図６（ｃ）は、開弁電機子１１と閉弁電機子９のそれぞれに流れる励磁電流を示している。ここで、励磁電流Ｉ１、Ｉ３は、それぞれ閉弁電機子９と開弁電機子１１がアーマチャ１０を固定して保持するための電流である。
【００３４】
励磁電流Ｉ１、Ｉ３は、アクチュエータ１００の作動の安定性と、エネルギ効率や応答速度のトレードオフとして決定される。具体的には、励磁電流Ｉ１、Ｉ３を小さくすればエネルギ効率は高くなり応答速度は速くなるが、作動の安定性は低下するというトレードオフの関係にある。作動の安定性が低下するのは、励磁電流Ｉ１、Ｉ３を小さくすると、アーマチャ１０が不意に移動する可能性が高くなるからである。一方、励磁電流Ｉ１、Ｉ３を大きくすると応答速度が低下するのは、励磁電流の目標値をゼロにしても励磁電流が十分に小さくなるまでの時間が長くなるからである。
【００３５】
このため、励磁電流Ｉ１、Ｉ３は、エネルギ効率と応答速度といった２つの観点から設定することが好ましい。エネルギ効率の観点では、アーマチャ１０を保持する吸引力に基づいて励磁電流Ｉ１、Ｉ３が設定される。具体的には、アーマチャ１０が底付きして励磁電流値が安定しているときに、開弁電機子１１や閉弁電機子９がアーマチャ１０を吸引する力Ｆ２が所定の仕様値を超えているか否かで判断することができる。ここで、励磁電流値が安定しているか否かは、開弁電機子１１や閉弁電機子９の吸引力が所定の値を超えることによりアーマチャ１０の移動が確認されてから所定の時間Ｔ２が経過していることをもって決定される。
【００３６】
一方、応答速度の観点では、励磁電流の目標値がゼロになってから吸引力が所定の値Ｆ１になるまでの時間Ｔ１に応じて設定することができる。具体的には、時間Ｔ１が所定の閾値よりも長いときには、応答速度を速くするために励磁電流Ｉ１、Ｉ３を所定の値だけ小さくすることが好ましい。
【００３７】
なお、励磁電流を電流Ｉ２から電流Ｉ３に低下させるためのタイミングを決定するための時間Ｐ２は、たとえば吸引力が所定の閾値である８００Ｎに２回目に達するまでの時間として設定することが可能である。
【００３８】
このように、第１実施例では、吸引力に基づいてアーマチャ１０の位置を確認することができるので、アーマチャ１０の位置の確認に応じて励磁電流を低下させてエネルギ効率の高い制御を実現することができる。換言すれば、本構成では、電磁的な吸引力に基づいて開弁電機子１１や閉弁電機子９とアーマチャ１０の位置関係といった状態が観測できるので、この観測結果を利用した性能の高い制御系が実現されている。
【００３９】
さらに、本実施例は、特開２０００−４６２３０に開示された技術が有する以下の問題を解決することができる。すなわち、特開２０００−４６２３０に開示された技術では、アーマチャ１０の底付きの際に生ずる励磁電流の一時的な低下に基づいてアーマチャ１０の移動を確認している。しかし、励磁電流の一時的な低下は、前述のようにアーマチャ１０の開弁電機子１１への接近に応じて生ずる磁束密度の急激な増大に起因する自己誘導起電力のよるものである。このため、特に底付き時のショックを和らげるためにアーマチャ１０の底付き時の速度が抑制されているような場合においては、励磁電流の一時的な低下量が小さくなるとともにばらつきが大きくなるので、ノイズとの区別が困難となるという問題がある。
【００４０】
Ｂ．本発明の第２実施例における制御：
図７は、本発明の第２実施例におけるアクチュエータ１００ａを示す説明図である。アクチュエータ１００ａは、開弁付勢部３０ａを開弁付勢部３０の代わりに、閉弁付勢部５０ａを閉弁付勢部５０の代わりに備え、これらの部品がハウジング９０の代わりにハウジング９０ａに収納されている点で第１実施例のアクチュエータ１００と異なる。なお、電磁駆動部４０は、第１実施例のアクチュエータ１００が有する物と同一である。
【００４１】
開弁付勢部３０ａは、開弁付勢部３０ａが有する開弁リテーナ６とスプリング５に加えて、さらにリテーナ４を介して開弁付勢部側ロードセル３を備えている。閉弁付勢部５０ａは、閉弁リテーナ１４とスプリング１５に加えて、さらにリテーナ１６を介して閉弁付勢部側ロードセル１７を備えている。開弁付勢部側ロードセル３は、アーマチャ１０が開弁リテーナ６に加えている荷重を計測する。閉弁付勢部側ロードセル１７は、アーマチャ１０が閉弁リテーナ１４に加えている荷重を計測する。
【００４２】
計測されたこれらの荷重は、開弁付勢部３０ａや閉弁付勢部５０ａの状態観測に利用することができる。計測された荷重から観測可能な開弁付勢部３０ａや閉弁付勢部５０ａの状態量としては、たとえばスプリング５やスプリング１５がアーマチャ１０に加えている荷重やアーマチャ１０のリフト量である。状態観測は、たとえばスプリング５やスプリング１５のバネ係数や粘性係数を利用したモデルに基づいて静的あるいは動的な状態で行うことができる。
【００４３】
さらに、以下の要素を用いた運動方程式を利用して、開弁付勢部３０ａや閉弁付勢部５０ａ、電磁駆動部４０といったアクチュエータ１００ａの主要構成部品をモデル化した状態観測モデルを生成することもできる。
（１）２つのスプリング５、１５がアーマチャ１０に加えている荷重、
（２）開弁電機子１１や閉弁電機子９がアーマチャ１０を吸引する吸引力、および
（３）アーマチャ１０、２つのリテーナ６、１４、および２つのスプリング５、１５の慣性力
このような状態観測モデルを利用すれば、制御対象にたいするモデルの忠実性が高くなるので、アクチュエータ１００ａの作動状態をより正確に観測することができる。
【００４４】
図８は、製造ばらつきや径時変化が表現されたアクチュエータ１００ａの主要部品を示す説明図である。製造ばらつきや径時変化は、たとえば軸の傾きやズレといった形で生じ、たとえば摩擦力の増大の原因となる。本実施例は、状態観測モデルを較正することによって、たとえば制御対象の機械的な特性の変化やばらつきをも補償するように制御系を構成することもできる。
【００４５】
状態観測モデルの較正は、励磁コイル９ｃ、１１ｃやスプリング５、１５の製造ばらつきや径時変化の補償については、たとえばバルブ２０を開弁位置や閉弁位置を固定した状態における開弁電機子１１や閉弁電機子９、開弁付勢部３０、閉弁付勢部５０ａといった要素に加えられている荷重に応じて行うことができる。一方、摩擦力については、たとえば開弁電機子１１や閉弁電機子９がオンにされてから吸引力が所定の閾値に達するまでの時間に応じて観測することができる。
【００４６】
このように、第２実施例では、アクチュエータ１００ａが有する主要構成部品である開弁付勢部３０ａ、閉弁付勢部５０ａ、および電磁駆動部４０の作動状態を観測できるので、これらの観測結果を利用したより高性能の制御系を実現することができる。具体的には、たとえば、これらの構成部品を表現する状態空間モデルを構成することによって状態フィードバックによる制御系を実現することも可能である。
【００４７】
さらに、本実施例では、アーマチャ１０の移動領域の全体でアーマチャ１０のリフト量を計測することができるので、たとえばアーマチャ１０が底付きする時の衝撃を和らげるように励磁電流を制御することも可能である。
【００４８】
Ｃ．本発明の第３実施例における制御：
図９は、本発明の第３実施例におけるアクチュエータ１００ｂを示す説明図である。図９（ａ）は、アクチュエータ１００ｂの断面図を示している。図９（ｂ）は、アクチュエータ１００ｂを所定の方向（Ａ視）から見た外観図を示している。
【００４９】
アクチュエータ１００ｂは、機械的な出力を行うアーマチャ１０ａと、アーマチャガイド１３ａと、アーマチャ１０ａを電磁的に吸引する電機子１１ａと、電機子１１ａの電磁的な吸引力を計測するための４つの電機子側ロードセル１２ａと、ハウジング９０ｂと、スプリング１５ａと、スプリング側ロードセル１７ａと、４つの電機子側ロードセル１２ａを貫通しつつハウジング９０ｂと電機子１１ａを結合する４つのボルト３１とを備えている。電機子１１ａは、コイル１１ａｃを有している。
【００５０】
アクチュエータ１００ｂでは、アーマチャ１０ａの出力荷重を計測することができる。具体的には、アーマチャ１０ａの出力荷重は、電機子１１ａの電磁的な吸引力からスプリング１５ａに加えられた荷重を減ずることにより計測することができる。ここで、電機子１１ａの電磁的な吸引力は、４つの電機子側ロードセル１２ａのそれぞれに加えられた荷重を合計することによって計測することができる。スプリング１５ａに加えられた荷重は、スプリング側ロードセル１７ａに加えられた荷重を計測することによって計測することができる。
【００５１】
アクチュエータ１００ｂを制御する制御系は、５つのロードセル１２ａ、１７ａの出力に応じて荷重を計測して制御部２５ａに送信する荷重計測部２１ａと、受信した荷重に応じてアクチュエータ１００ｂの制御出力を出力する制御部２５ａとを備えている。
【００５２】
このようなアクチュエータ１００ｂは以下のような特徴を有する。すなわち、アーマチャ１０ａを機械的な出力部として利用すれば、既に実現され一般に利用されている位置フィードバック方式でなく、荷重フィードバック方式の制御系を簡易に実現することができる。
【００５３】
このように、第３実施例のアクチュエータは、荷重フィードバック方式の制御系を簡易に実現することができるという利点を有する。
【００５４】
なお、制御方式としては、上記各実施例利用されている状態空間法だけでなく、励磁電流の電流値、スプリング１５ａのバネ定数その他の状態量をパラメータとしたマップを生成し、生成されたマップを参照して制御するようにしても良い。
【００５５】
また、状態空間法は、コンピュータシミュレーションその他のツールの使用によって制御系の開発負担を軽減できるという利点があり、一方、マップを参照して制御する方法は、特に非線形要素が多くモデルの生成が難しい場合においても試行錯誤によって制御系を実現できるという利点がある。
【００５６】
Ｄ．本発明の第４実施例における制御：
図１０は、本発明の第４実施例におけるアクチュエータ１００ｃを示す説明図である。図１０（ａ）は、アクチュエータ１００ｃの断面図を示している。図１０（ｂ）は、アクチュエータ１００ｃを所定の方向（Ａ視）から見た外観図を示している。
【００５７】
アクチュエータ１００ｃは、アーマチャ１０ａに対してモーメント荷重を印可することができる電機子１１ｂを備えている点でアクチュエータ１００ｂと異なる。電機子１１ｂは、独立して励磁可能な２つのコイル２００、２０１を備えている。電機子１１ｂは、２つのコイル２００、２０１のそれぞれに流れる励磁電流の差に応じて磁力線の方向を傾けることができるので、アーマチャ１０ａに対してモーメント荷重を印可することができる。なお、スプリング側ロードセル１７ａは、本構成では削除されいている。
【００５８】
アーマチャ１０ａに印可されたモーメント荷重は、そのモーメント荷重の反作用として電機子１１ｂに加えられたモーメント荷重を計測することによって観測可能である。電機子１１ｂに加えられたモーメント荷重は、２つの電機子側ロードセル３００、３０１のそれぞれで計測された荷重に基づいて算出することができる。
【００５９】
アクチュエータ１００ｃを制御する制御系は、２つのロードセル３００、３０１の出力に応じて荷重を計測して荷重とモーメント荷重を観測する荷重計測部２１ａと、荷重計測部２１ａから受信した荷重とモーメント荷重に応じて２つのコイル２００、２０１の電磁的な吸引力が等しくなるようにアクチュエータ１００ｃの制御出力を出力する制御部２５ａとを備えている。
【００６０】
このように、第４実施例のアクチュエータは、アーマチャ１０ａにバランス良く荷重を加えることができるので、アーマチャ１０ａとアーマチャガイド１３ａの間の摩擦力を小さくすることができるという利点がある。
【００６１】
なお、本実施例では、モーメント荷重を印可することができる電機子１１ｂを備えているが、これを備えず、たとえば電機子１１ｂに加えられたモーメント荷重を計測するための複数の電機子側ロードセルだけを備えるようにしても良い。このような構成は、過大なモーメント荷重に基づくアクチュエータ１００ｃの故障診断等に利用可能である。
【００６２】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６３】
Ｅ−１．上記各実施例では、電機子の吸引力の計測にロードセルが使用されているが、たとえば圧電素子を利用するようにしても良い。一般に、本発明で使用するセンサは、荷重を計測できるものであれば良い。
【００６４】
Ｅ−２．上記各実施例では、計測された開弁電機子や閉弁電機子の吸引力は、アクチュエータの制御に使用されているが、アクチュエータが脱調しているか否かの脱調判定にも利用することができる。これは、前述のように開弁電機子１１や閉弁電機子９の静的吸引力とクリアランスの関係（図５）が予め分かっていることを利用したものである。
【００６５】
図１１は、脱調判定の方法を示す説明図である。図１１（ａ）は、電機子の吸引力と時間の関係を示している。図１１（ｂ）は、アーマチャのリフト量と時間の関係を示している。脱調が発生すると、図１１（ｂ）に示されるようにアーマチャのリフト量が小さくなるが、これに伴って吸引力も小さくなる（図１１（ａ））。このように、電機子の吸引力が計測できれば、吸引力の低下によって脱調が判定できることが分かる。
【００６６】
さらに、可動子が電機子に着座する際における電機子の吸引力に応じて、アクチュエータの機械的特性の変動を推定することもできる。この推定は、たとえば製造誤差や径時変化によって可動子が傾くと、可動子が電機子に着座する際における電機子の吸引力が小さくなることに着目したものである。このような吸引力の低下は、可動子の傾きによって電機子と可動子の間のギャップが大きくなることに起因するものである。ここで、着座とは、可動子が電機子に最も近づく位置に達することをいい、物理的に衝突することも含まれる。
【００６７】
このようなアクチュエータの機械的特性の変動が推定できれば、機械的特性の変動を補償するように励磁電流を制御することも可能である。こうすれば、アクチュエータの径時変化や製造誤差の影響を抑制して安定的に制御することができる。なお、このような推定や制御は、制御部２５（図２）で行われる。
【００６８】
なお、機械的特性の変動を推定するためには、たとえばシステムがオンにされたときに着座テストをすることが望ましい。着座テストは、たとえば開弁電機子（あるいは閉弁電機子）に所定の励磁電流が流れて電流が安定した時点で、閉弁電機子（あるいは開弁電機子）の励磁電流を停止することによって行うことが好ましい。こうすれば、着座時において励磁されている側の電機子の励磁電流のばらつきを小さくすることができるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例における動弁機構を備えた内燃機関を示す説明図。
【図２】本発明の第１実施例におけるアクチュエータ１００を示す説明図。
【図３】本発明の第１実施例における開弁操作の制御処理の内容を示すフローチャート。
【図４】電磁駆動部４０の開弁操作時における作動状態を示す説明図。
【図５】所定の条件における開弁電機子１１や閉弁電機子９の静的吸引力とクリアランスの間の関係の実験結果を示すグラフ。
【図６】本発明の第１実施例における励磁電流Ｉ１、Ｉ３（図４（ｃ））の設定方法の一例を示す説明図。
【図７】本発明の第２実施例におけるアクチュエータ１００ａを示す説明図。
【図８】製造ばらつきや径時変化が表現されたアクチュエータ１００ａの主要部品を示す説明図。
【図９】本発明の第３実施例におけるアクチュエータ１００ｂを示す説明図。
【図１０】本発明の第４実施例におけるアクチュエータ１００ｃを示す説明図。
【図１１】脱調判定の方法を示す説明図。
【符号の説明】
１、４…ロードセル固定部
３…開弁付勢部側ロードセル
５…スプリング
６…開弁リテーナ
７、１３ａ…アーマチャガイド
８…閉弁電機子側ロードセル
９…閉弁電機子
１０、１０ａ…アーマチャ
１１…開弁電機子
１１ａ、１１ｂ…電機子
１２…開弁電機子側ロードセル
１２ａ…電機子側ロードセル
１４…閉弁リテーナ
１５、１５ａ…スプリング
１７…閉弁付勢部側ロードセル
１７ａ…スプリング側ロードセル
１９…バルブガイド
２０…バルブ
２１、２１ａ…荷重計測部
２５、２５ａ…制御部
３０、３０ａ…開弁付勢部
３１…ボルト
４０…電磁駆動部
５０、５０ａ…閉弁付勢部
９０、９０ａ…ハウジング
９０ｂ…ハウジングボディ
９１…ハウジングヘッド
１００…アクチュエータ
１００ａ…アクチュエータ
１００ｂ…アクチュエータ
１００ｃ…アクチュエータ
２００、２０１…コイル
２５０…ピストン
２５１…シリンダヘッド
３００、３０１…コイル側ロードセル

Claims (6)

1. 電磁駆動方式のアクチュエータであって、
   可動子と、
   励磁電流に応じて前記可動子を電磁気的に吸引する電機子と、
   前記吸引力の反作用として前記電機子に加えられた荷重を計測する電機子荷重センサと、
   を備えることを特徴とする、アクチュエータ。
2. 請求項１記載のアクチュエータであって、さらに、
   前記可動子を所定の位置に安定させるように付勢する付勢部を備え、
   前記付勢部は、前記吸引された可動子から前記付勢部に加えられた荷重を計測する付勢部荷重センサを備える、アクチュエータ。
3. 請求項１または２に記載のアクチュエータであって、
   前記電機子荷重センサは、前記吸引力の反作用として前記電機子に加えられたモーメント荷重を計測することが可能である、アクチュエータ。
4. 請求項３記載のアクチュエータであって、
   前記電機子は、前記可動子にモーメント荷重を加えるように電磁気的に吸引することが可能である、アクチュエータ。
5. 内燃機関の吸気と排気の少なくとも一方を制御する動弁機構であって、
   吸気と排気の少なくとも一方を制御するために開閉するバルブと、
   前記バルブを開閉する請求項１ないし４のいずれかに記載のアクチュエータと、
   を備えることを特徴とする、動弁機構。
6. 電磁駆動方式のアクチュエータを制御する制御装置であって、
   前記アクチュエータは、可動子と、励磁電流に応じて前記可動子を電磁気的に吸引する電機子と、前記吸引力の反作用として前記電機子に加えられた荷重を計測する電機子荷重センサとを備え、
   前記制御装置は、
   前記可動子が前記電機子に着座する際における前記荷重に応じて、前記アクチュエータの機械的特性の変動を推定する状態推定部と、
   前記推定された機械的特性の変動に応じて、前記機械的特性の変動を補償するように励磁電流を制御する特性変動補償部と、
   を備えることを特徴とする、制御装置。

Images