JP2006524775A - 電磁弁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

ロータ（Ｒ，１５７）がステータ（９０，２６６）内で回転可能であり、ステータが、ステータに関連付けられた少なくとも１本の巻線（１３０）に電流を通電することによって磁化し得る、電磁アクチュエータを記載する。ロータ（Ｒ，１５７）は少なくとも２つの安定した静止位置を有し、その各々は、ロータに作用する磁力とばねの力との組合せによって規定される。ばね手段（８６，２２６）は、ロータの運動の一部の間にエネルギを蓄積し、その後の運動中にロータを加速するための運動エネルギを提供する。該少なくとも１本の巻線（１３０）内に電流が流れると、その静止位置にロータを保持する磁力に打ち勝つのに十分な磁気トルクがロータに加わる。ロータは、ロータの回転運動を実質上線形運動に変換する機械的連結（４０，２３４）により、スラスト部材（７２，２６２）に接続される。連結（４０）は、ロータの回転中に予め規定された態様で変化する機械的特徴を有する。一実施例において、ロータは３６０°回転して連続して回転し得る。別の実施例において、ロータ（Ｒ，１５７）は２つの安定した静止位置のみを有し、第１のばね（２２６）は、ロータが一方の静止位置に向かう運動中にエネルギを蓄積し、第２のばね（２３６）は、ロータがその他方の静止位置に向けて回転する際にエネルギを蓄積する。機械的特徴のプロファイルは、一方の静止位置付近において、ロータの角運動が、スラスト部材（７０，２６２）の線形運動を実質的に生じないようなものである。このことは、ロータとスラスト部材との間の空転接続により得られ、この空転接続においては、ロータの回転の一部の間に空転が生じる。アクチュエータを用いて内燃機関の弁（７０，２６０）を開閉することができる。

Description

発明の分野
この発明は磁気アクチュエータに関し、特に、電磁的に作動する装置に関する。この発明は、ポペット弁を開放および閉鎖するための装置において特に役立つ。

発明の背景
ポペット弁は、流体の流れを制御するために用いられ、刺激的な流体、たとえば流体が高温および高圧を有する場合の流体を、制御および封止する確実な方法を提供することが分かっている。特にポペット弁は、通常、この弁を閉鎖する態様で作動するばねに打ち勝つように作動する回転カムによって作動するものであり、内燃機関の燃焼室内への空気または空気および燃料の混合物の流れを制御し、かつ、内燃機関の燃焼室からの燃焼生成物の排出を制御するために使用されてきた。

カムのプロファイルを慎重に選択することにより、弁が実際に開放および閉鎖される時間とは別に、弁のクロージャが弁座に接近する態様と、クロージャが閉鎖位置から開放位置に、および開放位置から閉鎖位置に動く態様および速度とを僅かに変更することができる。クロージャのこの動作パターンを、弁の動作プロファイルと呼ぶ。

カムがエンジンによって回転する場合、或るエンジン回転速度またはエンジン負荷と、別のエンジン回転速度またはエンジン負荷との間で弁の動作プロファイルを変更することは一般に不可能である。しかしながら、さまざまな回転速度または負荷でさまざまな弁の動作プロファイルを使用すれば、より高い効率が得られることが長い間認識されてきた。しかしながら、機械駆動式カムが定型のカムのプロファイルに関連する場合には、カムのプロファイルを選択して、エンジン回転速度およびエンジン負荷の期待域に折り合った最良の弁の動作プロファイルを提供する必要がある。

カムのプロファイルを規定して、弁のクロージャのランディング速度（landing speed）が確実に弁の最高速度の僅か何分の１かになるようにすることと、弁のクロージャの開放時およびその行程の他の部分において、弁のクロージャの高速動作を提供しながらも、閉鎖時に弁座にかかる衝撃応力を下げることとが一般的である。

エンジンを高速度で稼動させる際に、高レベルの加速および減速を行なってポペット弁を作動させることが必要となる。そして、プッシュロッド、カム、またはばねにより生じる力が、エンジンが稼動し得る回転速度に対する制約要因になっていることがしばしば見受けられる。

内燃機関の入口弁および排気弁の開放および閉鎖をより良好に制御し、特に、さまざまな動作速度において弁の動作プロファイルを変化させるために、コンピュータ制御によるエンジン管理システムからの電流によって駆動される電磁ソレノイドアクチュエータを、カムの代わりに使用することが既に提案されている。しかしながら、これまでに得られた結果は満足できるものではなかった。たとえば、ソレノイドアクチュエータを用いてこのような弁を高速度で開放および閉鎖すると、ソレノイドアクチュエータが高いランディング速度を生じることが分かっており、動作速度の上昇に伴い、制御系は弁の運動エネルギを調整することができなくなる。さらに、電磁ソレノイド式の作動では、高速度で稼動す
るように設計された内燃機関のピストンを含む燃焼室の入口弁および排気弁に対して必要とされる弁の動作速度を達成できない。

この発明の目的は、内燃機関の入口弁および排気弁の開放および閉鎖を制御するのに一層適した磁気アクチュエータを提供することである。

発明の概要
この発明の一局面に従い、電磁アクチュエータを提供する。この電磁アクチュエータにおいては、ロータがステータ内で回転可能であり、このステータは、ステータに関連付けられた少なくとも１本の巻線に電流を通電することによって磁化し得る。ロータは、ロータに作用する磁力および／またはばねの力の組合せにより規定される安定した静止位置の間で回転可能である。ばね手段は、ロータの運動の一部の間にエネルギを蓄積し、或る静止位置から別の静止位置へのその後の運動中にロータを加速するための運動エネルギを提供する。該少なくとも１本の巻線内に電流が流れると、その静止位置にロータを保持する磁力に打ち勝つのに十分な磁気トルクがロータに加えられ、その静止位置から別の静止位置に向かう方向にロータを回転させる。ロータは、ロータの回転運動を実質上直線運動に変換する機械的連結によってスラスト部材に接続される。この連結は、ロータの回転中に予め規定された態様で変化する機械的特徴を有する。

この発明の別の局面に従い、上述のアクチュエータを提供する。このアクチュエータにおいては、ロータが、その各々がロータに作用する磁力および／またはばねの力により規定される２つの安定した静止位置のみを有する。第１のばね手段は、一方の静止位置に向かうロータの運動中にエネルギを蓄積して、その静止位置から他方の静止位置に向けてロータを加速するための運動エネルギを提供する。第２のばね手段は、ロータがその他方の静止位置に向かって回転する際にエネルギを蓄積し、ロータが該他方の静止位置から当初の静止位置に向かって反対方向に動く際に、運動エネルギを提供し、ロータに加速力を与える。

この機械的特徴の変動を、アクチュエータの機械的特徴のプロファイルと称する。このプロファイルは一般に、非線形である。一構成において、この機械的特徴は、ロータの角移動により疑似正弦波状に変化するが、一方の静止位置付近でのロータの角移動が、スラスト部材の線形運動を実質的に生じないように変更される。

さまざまな機械的特徴を用いることにより、ロータとスラスト部材との間の駆動は、ロータの動きとスラスト部材の動きとの間に非線形の関係を生じる。

一般に、ステータは偶数個の磁極を有し、ロータは、永久磁石手段を含むか、または永久磁石手段で構成され、永久磁石手段によってロータの周囲でＮとＳとに交互に磁化される偶数個のノードを有する。

好ましくは、磁気エネルギのみにより静止位置のいずれかにロータを保持するように作用する磁力は、ばね手段により生じる静止位置と一致する。

好ましくは、静止位置は、ノードおよび磁極がアライメントされる位置に対応する。

ステータの各磁極の周囲には、電流によって励磁されるとロータに起磁力を生じる電気巻線が存在する。巻線は、電流パルスにより次々に励磁され、ロータの回転位置および必要なトルクに対応するようにタイミングが取られる。

好ましくは、ステータは、間隔をあけて配置されかつ電磁的に成極し得る８個の磁極を有し、ロータは、間隔をあけて配置されかつ永続的に磁化される４個のノードを有する。好ましくは、磁極およびノードは等間隔に配置される。

内燃機関の入口弁または排気弁を開放および閉鎖するために使用される際に、弁の閉鎖位置に対応する静止位置は、主静止位置と呼ばれる。機械的特徴のプロファイルは、弁が開き始める回転位置において高度な機械的特徴を生じるように構成される。弁が最初に開いた後のプロファイルは、弁が全開するまでに機械的特徴が減少してその後また増大するようなものである。この機械的特徴は、ロータがその当初の主静止位置に向けて回転して弁がその当初の閉鎖位置に接近するのに伴い、別の最小値まで再び減少してから増大する。これによりロータは、その主静止位置に再び戻るまで、弁のさらなる動きを伴わずに回転し続ける。

変化する機械的特徴を有する駆動装置を用いることにより、閉鎖時のランディング速度を低レベルまで下げることができ、弁および弁座の摩耗だけでなく雑音を減らすことができる。

変化する機械的特徴を有する駆動装置を用いることにより、弁に作用する力を最大にすることもできる。弁に作用する力には、エンジンの点火ストロークが完了した後、燃焼室内に残留する気体の圧力によってクロージャに作用する気体の圧力に打ち勝つことが求められる。燃焼室は、排気されて燃料および空気の次の補給に備えることができる。

駆動装置の機械的特徴のプロファイルが、結果的に生じる弁の線形運動を伴わずに生じる、その主静止位置からのロータの回転運動を許容する場合、弁のクロージャへの接続部は、何らかの空転を有するものと考えることができる。この空転により、ロータはまず、僅かな角度の動きに対する抵抗が殆どない状態で回転することができ、その後、弁に作用するスラスト部材に力が加えられる。

駆動装置とスラスト部材との間、またはスラスト部材と弁のクロージャとの間の空転は、初期運動中に生じる。

４サイクルエンジンの作動サイクルを構成する２本のクランクシャフトの旋回中においては、通常、弁の任意の１つがクランクシャフトの回転の２００度から２９０度の間に開き、サイクルのそれ以外の部分では閉じた状態を保つ。それにより、弁は、クランクシャフトの回転の７２０度ごとに開放および閉鎖のシーケンスを１回完了する。

変化する機械的特徴を有する連結と、弁が閉じた状態を保ちながらもロータが自由に動くことのできる一時停止期間または空転期間とを用いることにより、ロータは、弁が開いている期間よりも長い期間にわたって動く。それにより、所定の電磁アクチュエータ、電気駆動トルク、および回転慣性の場合に、弁はより短時間で開閉し、したがって、弁を開放する所定のクランクシャフト角に対し、エンジンがより高速で稼動し得る。

上述の一局面に従って構成されたアクチュエータにおいて、ロータがその主静止位置にあるとき、すなわち弁が閉じているときに、１本のばねが機械的エネルギを蓄積する。このばねは、弾性かつ片持状のばねのアームを含み得、その自由端は、偏心カムの外周を圧する。この偏心カムはロータとともに回転し、その際にアームを撓ませて、その際にエネルギを蓄積する。ロータに対する偏心カムの角度位置は、弁が開くとエネルギがばねから放出されてロータの加速を補助して弁を開き、弁が閉じると偏心カムがばねのアームを再び撓ませて、それによってエネルギが再び中に蓄積され、それによってロータを主静止位置に向けて減速させるようなものである。

ばねがその最も緩んだ位置または撓みの最も少ない位置にあるときに、弁は全開する。この位置のことを副静止位置と呼ぶ。

ロータが回転するのに伴い、永久磁石手段からの蓄積された磁気エネルギの脈動によって生成されるトルクは、いわゆる磁性のコギングトルクを生じる。この磁性のコギングトルクが実質的に大きい場合、ロータおよび弁に対していくつかの副静止位置が存在し得る。

弁が、内燃機関の弁の１つであり、各弁が上述のようにアクチュエータによって作動する場合、巻線内に保持電流を注入することによって、弁をさまざまな角度範囲で回転させて、エンジンのさまざまな動作条件に沿うことができる。

ばね手段が作動することにより、エネルギの再利用を行なうことができる。また、同じ慣性および回転速度で従来のソレノイドアクチュエータを使用した場合に比べ、より少ない電気エネルギの入力でアクチュエータの高速動作が可能になる。

エンジンが高速で作動している際に弁が閉鎖する動作（ポペット）は、中断された振動にたとえることができ、この発明が提供するばね手段は、クロージャの振動およびロータの振動からのエネルギを吸収する。

４サイクルの内燃機関において、弁の開放時に弁のクロージャにかかる気体の力は、エンジンにかかる負荷が変化するのに伴って変化し得る。このことは、弁をその閉鎖位置から開放するためにまず行なわなければならない機械的仕事の量に影響を及ぼす。しかしながら弁が一旦開くと、気体の圧力がすぐに消失し、弁座から離れる方向にクロージャを動かし続けるため、さらなる仕事をほとんど行なう必要がない。

好ましくは、電気エネルギのパルスを巻線に供給するために制御系が設けられる。この制御系は、各電流パルスにおいて要求される瞬間的な電気エネルギを提供するように作動し、変化するエンジン負荷に応答して各パルスの位相（すなわちタイミング）および／または持続期間を制御し、それによって、サイクル中のその時点において弁のクロージャに作用する力に打ち勝つために、弁の開放および閉鎖中において各瞬間に十分な磁気トルクを生成する。また、この磁気トルクは、負荷およびクランク角に応じて、およびサイクルごとに変化し得る。

好ましい実施例において、ステータは、ロータの周囲に等間隔に配置された８個の磁極を有し、ロータは、ロータ内で永久磁石手段により磁化される、等間隔に配置された４個のノードを有する。ロータは通常、ステータの各磁極の円周範囲が各ロータのノードの円周範囲の約半分である場合に、１対の隣接するステータの磁極間でほぼアライメントされて静止する。永久磁石手段によって生じた磁束が最小の抵抗で磁気回路内を通過し得るときに、このシステムにおける最も低い磁気エネルギが生じる。

初期運動は、巻線に対する電流パルスによって生じる。流れの方向は、ノードの一方側（後行側）においてロータのノードを磁極から反発させるのと同時に、ノードの他方側（進行側）において磁極によりロータのノードが引き付けられるようにするようなものである。ロータのノードがステータの磁極とのアライメント地点をちょうど越えたときに電流の方向を逆転することにより、駆動トルクがロータに引続き加わり、それによってロータを加速する。

ロータの動きを制動するために、巻線を短絡させることができる。それにより、誘発さ
れた電流を、起動電流パルスに対する適切な向きで巻線内に通電し、それによってステータの磁極の極性を逆転させて、ロータ、連結、および弁のシステムの運動エネルギを消失させる。この運動エネルギは、巻線において熱として現われる。これに加え、またはこの代わりに、制御系が同じ（逆の）電流を生じてトルクの方向を逆転させ、ロータを減速し、弁を通る流体の流れを制御するのに必要とされる主静止位置または他の静止位置等のいずれかの静止位置にロータを静止させることができる。

この発明の第２の局面に従って構成されたアクチュエータにおいて、ばね手段は、弁のクロージャを動かすのにごく僅かな力しか必要とされないときに、電機子の運動から得られるエネルギを蓄積する。このエネルギは一般に、電機子が行程位置の端部から出るとすぐに放出されて利用され得る。

ロータが、弁の閉鎖時に対応する位置にあるとき、ばね手段に蓄積されたエネルギは、永久磁束によって生じた力により抵抗を受ける。この抵抗を「コギングトルク」と呼び、永久磁石が十分に強力なものである場合、ロータをその位置に保つのに電流は必要とされない。同じ条件を、ロータの行程の他方端にも当てはめることができる。このとき、弁が全開され、ここでもまたコギングトルクが作用し、同じく永久磁石の強度に依存して、ロータをその静止位置に保持するために電流が必要とされない。

したがって、コギングトルクを生じるばねの力と永久磁束との相互作用は、ロータの行程位置の２つの端部においてロータを保持するよう働き、それにより、これらの静止位置のいずれかにロータを保持するのに電力が必要とされないことが考えられ、ロータおよびステータを、２つの位置のみを有するステッピングモータにたとえることができる。永久磁束が不十分なものである場合、この永久磁束を巻線または各巻線内の静止電流により強化することができる。ロータが動いている間は、電流パルスがこの静止電流に取って代わる。

ステータが、対向する２つの対に配置された４個の磁極を有し、ロータが永久磁石である場合、ロータは通常、１対の磁極と部分的にアライメントされて静止する。そして、その部分的にアライメントされた磁極からロータを反発させる電流パルスによって初期運動が生じる。回転運動を補助するために、同じ電流パルスを他方の巻線に印加して、それらの巻線とロータとの間に引力を生じることができ、それによってロータは、磁極の一方の対から反発し、それと同時に磁極の他方の対に引き付けられる。巻線内を流れる電流の方向を逆転することにより、ロータは、磁極の該他方の対とのアライメント地点をちょうど越えたところまで動く。

所望であれば、ロータが同一方向に連続して回転し得るこの発明の一局面の一実施例において、アクチュエータは、
ａ） 円形に配置されて半径方向の内側に方向付けられた８個の磁極を有するステータを備え、各磁極は、絶縁導体で巻き回されて各磁極に電磁石手段を生じ、該アクチュエータはさらに、
ｂ） ２対の正反対の永久磁極を含むロータを備え、磁力の向きはロータの周囲において交互にＮ−Ｓ−Ｎ−Ｓとなり、それによってロータは、適切な態様の引張りによっていずれの方向にも回転可能となり、該アクチュエータはさらに、
ｃ） ロータが主静止位置まで回転すると機械的エネルギを蓄積するばね要素と、
ｄ） 管状のホイール要素に取巻かれ、ロータの回転軸から横方向に、かつ、ロータの回転軸に対して平行に延びるものの、ロータの回転軸からずらされたピンと、
ｅ） ロータの軸に平行な軸の周囲に旋回可能に取付けられた第１のレバーと、
ｆ） 第１のレバー内にアーチ形のスロットとを備え、このスロット内でホイールおよびピンが受けられ、ホイールは、機械的特徴がロータの角度位置に伴って変化するのに伴
い、このスロット内でスロットを基準としてローリングまたは摺動するだけでなく、レバーに回転運動を伝達することもでき、ピンおよびホイールの角運動がレバー内で角運動を生じる角度位置の範囲は、スロットの形状により決定され、該アクチュエータはさらに、
ｇ） アクチュエータの外部に推力を伝達するためのクロスピン接合部を有する第１のレバーと、
ｈ） ロータから延びて第２のレバーに接触するスリーブと、
ｉ） アーチ形の接触面で形成されて、摺動する球状の軸受手段によりばねを動かし、それによってばねの変位がロータの角度位置の関数となるようにする第２のレバーと、
ｊ） 主静止位置を規定し、それにより、主静止位置のいずれかの側におけるロータのわずかな角変位が、ばねの運動を生じないか、または、ばねのさらなる僅かな変形を生じるようにし、かつ、ばねのより大きな動きにより、ロータが主静止位置から実質的に１８０度移動するまでにばねの漸進的な除荷を生じるようにする、第２のレバーのアーチ形の面と、
ｋ） ステータ、巻線、ロータのレバーおよびばねが中に位置付けられる筐体と、
ｌ） ロータ、第１のレバー、および第２のレバーに対する軸受手段を提供する筐体とを備える。

好ましくは、制御された大きさ、方向、およびタイミングを有する電流パルスを各巻線に供給するために、電流制御システムが設けられる。

少なくとも、ロータがその主静止位置から回転を始める間に、および、ロータが主静止位置に戻る前の回転の最終部分において、または、まず或る方向に１８０度回転してから反対方向に同一量だけ回転した後に、または、３６０度の全円にわたって回転した後に、ピンと、ホイールと、第１のレバーのスロットとの接続が、ロータとレバーとの間に空転接続を部分的に設けることができる。

ピンは、ロータの軸を中心として回転するように適合されたハブから延びるクランクアームの外側端部に取付けられるか、または外側端部と一体的に形成され得る。ハブは軸方向に延び、筐体の隣接する端部内の第１の軸受内で回転可能に支持される。ロータの他方端は同軸状に延び、偏心して位置付けられた軸受の形のシーブを形成することができる。このシーブの外輪は、ばねの力が第２のレバーを圧して外輪に接触させると第２のレバーに係合して第２のレバーの接触力に耐える。シーブを越えるロータの軸方向の延長部は、第１の軸受と同様の第２の軸受内に延びる。両方の軸受は、加えられたトルクに応じてロータが回転運動のみを行なうような制約を受けるように、ロータを支持する。第２の軸受は、別の筐体内に位置付けられてよい。

好ましくは、レバーは、剛性のリンクに旋回可能に取付けられ、この剛性のリンク自体は、ポペット弁のクロージャ部材のステムに取付けられる。ポペット弁のクロージャ部材は、内燃機関の燃焼室内に燃焼可能な気体が進入すること、またはこの燃焼室から使用済の気体が排出されること、のいずれかを制御する。

好ましくは、弁の全閉時にロータが静止位置に置かれ、かつ、ステータの巻線に電流を通電しなくてもロータがその位置に留まるように、このような構成が調節される。

ロータ、２つのレバー、ばねおよび弁を備えるシステムの慣性は、主ばねからの力の作用を受ける。この慣性−ばね系は、２つの静止位置、すなわち、弁の閉鎖時にロータが主静止位置にあるときの位置と、弁の開放時にそこから約１８０度離れた別の位置とを有する振動系を形成する。ばねは、第２のレバーのアーチ形の面と協働して、ロータが主静止位置から僅かな角度分動いたときに復元力を与える。ロータは、より大きな角度分動くことにより、ばね内に蓄積されたエネルギの影響を受けて副静止位置まで動く。ロータがこ
の副静止位置のいずれかの側まで動かされる際に、ばねは極めて大きな慣性力を生じる。ばねの力は、ロータの両方の位置において、この慣性に作用して振動を生じる。振動の時間を最小にし、電磁的に生じるトルクのピークを下げ、所望の時間にわたってロータを動かすように、ばねのエネルギが選択される。

この発明の該他の局面に従った一実施例において、アクチュエータは、
ａ） 円形に配置されて半径方向の内側に方向付けられた４個の磁極を有するステータと、
ｂ） １対の正反対の永久磁極を含み、かつ、その行程の２つの端部において或る静止位置から別の静止位置に１８０度まで、ステータの４個の磁極内で回転可能であるロータと、
ｃ） ロータがその行程の２つの端部の各々まで回転すると機械的エネルギを蓄積する第１のばね要素と、
ｄ） ロータの回転軸から横方向に、かつ、ロータの回転軸に対して平行に延びるものの、ロータの回転軸からずらされたピンと、
ｅ） ピンに連結され、かつ、ロータの軸に対して同じく平行な軸を中心とした回転運動のために旋回可能に取付けられて、アクチュエータの外部に推力を加えるためのレバーと、
ｆ） レバー内にアーチ形のスロットとを備え、このスロット内にピンが受けられ、このスロット内において、ピンは、スロットを基準として摺動するだけでなくレバーに回転運動を伝達することもでき、ピンの角運動がレバーの角運動を生じる範囲はスロットの形状によって決定され、該アクチュエータはさらに、
ｇ） レバーがその行程の２つの端部の各々まで回転すると機械的エネルギを蓄積する第２のばね要素と、
ｈ） 電流が流れるとステータの４つの磁極の周囲にＮ極とＳ極とを交互に生じる少なくとも１本の巻線と、
ｉ） ステータ、巻線、ロータ、レバー、およびばねが中に位置付けられ、かつ、その対向する端部が回転可能な部分に対する軸受を設ける筐体とを備え、
ｊ） ロータの行程の一方の端部位置において、その位置から他方の位置に向かうロータの初期回転が、ピンとスロットとの間の相対摺動運動を生じた後に、ロータの連続回転がピンを介してレバーに伝達される、増大する回転駆動を生じ、それによって、その初期の回転運動中における機械的特徴が、ロータの行程の残りの部分における機械的特徴よりも実質的に大きくなるように、スロットの形状が選択される。

好ましくは、制御された大きさ、および／または方向、および／または位相（すなわちタイミング）を有する電流パルスを各巻線または各コイルに供給するために、電流制御システムが設けられる。

ピンとスロットとの接続部は、少なくともロータが回転し始める間に、ロータとレバーとの間に空転接続を部分的に設けることができる。

ピンは、回転軸の周囲を回転するように適合されたハブから延びるクランクアームの外側端部に取付けられるか、またはこの外側端部と一体的に形成され得る。ハブは、筐体の隣接する端部にある軸受内で支持されるように軸方向に延びる。ロータの他方端は同軸状に延びて、第１の軸受と同軸である同様の軸受内に、しかしながら、筐体の対向する端面において受けられ得る。それによってロータは制約を受けるが、２つの軸受によって規定された軸の周囲を自由に回転する。

好ましくは、レバーは、剛性のリンクに旋回可能に取付けられ、この剛性のリンク自体は、ポペット弁のクロージャ部材のステムに取付けられる。ポペット弁のクロージャ部材
のステムは、内燃機関の燃焼室への気体の進入、またはこの燃焼室からの気体の排出を制御する。

好ましくは、弁の全開または全閉時にロータが静止位置に置かれ、巻線内に電流を通電しなくてもその位置に静止した状態を保つように、このような構成体が調節される。このことは、２つのばね要素によってロータに加えられるトルクと、静止位置にあるロータの磁極およびステータの磁極の間の磁気的な引力により生じるトルクとを確実に釣り合わせることによって達成される。

一般に各巻線は、２つの別個のコイル、すなわちステータの各磁極につき１本のコイルを含み、したがって、弁の開放および閉鎖は、各コイルに加えられる一連の適切な電流パルスによって行なわれ得る。

好ましくは、電流パルスは４個のコイルの各々に印加され、その静止位置において電機子を保持する永久磁束に完全に打ち勝ち、その永久磁束に対し反対の磁束を生じ、それによってロータは、ばねによる力と、ロータに作用する電磁力によって生じる力との組合わさったトルクを受けて、他方の静止位置に向けて回転する。

一般に、２つの静止位置は、ステータの磁極の対のいずれか一方とはアライメントされない。それにより、ロータの初期運動は、ステータの磁極の一方の対とのアライメント状態からさらに離れてステータの磁極の他方の対とアライメントする位置まで、電気モータの態様で２つの磁極が動かされる方向をとる。ロータがこの他方の対の磁極とのアライメント位置を一旦通過したところで、４つのコイル内の電流を逆転させると、モータが他方の静止位置まで約１８０°回転するまで同じ向きで回転を継続しようとするロータにモータトルクを生じる。

ロータの回転では、各ばねトルクがゼロにまで減少してロータの回転をもはや補助しなくなる時点に到達する。そこで、慣性および磁気モータトルクによるロータの継続回転は、向きが反対のエネルギを各ばねに蓄積し始める。それによってロータは減速し、結果的にロータはその他方の静止位置において静止する。このエネルギをリターンサイクルで利用して、ロータがその以前の位置に向けて再び回転し始める際にロータの加速を補助することができる。

好ましくは、ゼロトルクの位置は、ロータの各回転中における同じ時点において両方のばねに生じる。

第１の静止位置と同様に、ロータがその第２の静止位置にあるとき、永久磁束によって生じたトルクは、反対の向きに作動する、２つのばねに蓄積されたエネルギによって加えられるトルクと再び釣り合う。したがって、以前と同様に、必要とされる全引力が永久磁石によって提供され得る場合、コイル内に保持電流を通電する必要がない。

適切な電流パルスをコイルに印加してこの釣り合いを崩し、「保持を行なう」磁束に打ち勝ち、反対の磁気トルクをロータに加えると、ばねに蓄積されたエネルギと組合わさることによって、ロータを該第２の静止位置からその第１の静止位置まで再び回転させる正味トルクを生じる。

ロータの磁極がステータの磁極同士の中間部とのアライメント位置を通過すると、適切な大きさおよび位相を有するものの方向が反対の電流パルスがコイルに再び印加され、さらなる電磁性の（モータの）駆動トルクをモータに与える。以前と同様に、ロータがその第１の静止位置に戻る回転は、ばねによって抵抗を受ける。これらのばねは、ロータが戻
ってくる動作の後半部分において、エネルギを放出する代わりにエネルギを再び蓄積する。

ロータの動きは弁のクロージャ（ポペット弁のステム等）に伝達され、可変である機械的特徴の機構によって弁のクロージャを動かす。この機構は、ロータの大きな初期回転中に、スラスト部材の最小限の動き（すなわち、極めて高い機械的特徴）を提供するように構成される。しかしながら、弁が一旦弁座を離れると、この機械的特徴は急激に減少し得る。なぜなら、弁が定位置から離れて気体の圧力が下がると、ポペット弁のクロージャの動きに対する抵抗が著しく減少するためである。ロータがその他方の静止位置まで回転する残りの期間中にロータに作用するモータトルクは、ほぼ、ばねへの蓄積用に用いることができ、弁が閉じる際にロータの逆回転を補助する。

ロータが逆回転して弁を閉じる際に、機構の機械的特徴が低レベルで始まり、この機械的特徴は、ロータがその当初の静止位置に今度は反対の向きで接近するにつれて増大する。したがって、ロータおよび弁のクロージャは減速し、低い「ランディング速度」を生じる。このランディング速度により、ロータ内に残存する慣性エネルギがかなりの量だけ存在するにもかかわらず、弁のクロージャが定位置に収まる際の衝撃力が適度なものとなり、ランディングの際に生じる雑音が減少し、クロージャまたは弁座にかかる損傷が小さくなる。

ピンとスロットとの係合の設計は、弁の閉鎖が生じてから、ロータがその当初の静止位置まで完全に回転することを意味する。（弁が閉じた状態で）ロータがその当初の静止位置に向けて回転し続けるため、ロータのばねは、ロータの残りの運動エネルギを蓄積し続ける。一旦静止すると、蓄積されたかなりの量のエネルギと、ロータをその静止位置から回転させようとするロータのばねによって加えられる反対方向のトルクとが存在するにもかかわらず、ロータを連結する永久磁束により生じたコギングトルクは、ロータをその静止位置に保持する。ロータの磁極がステータの磁極と完全にアライメントされるように接近するにつれて、磁気回路の磁気抵抗（reluctance）が急激に増大し、それらがアライメントされたときに最大となることにも注目されるべきである。これにより、ロータに作用する磁力が高まる。

好ましくは、ピンが円筒形のローラに取囲まれ、ピンとローラとの間に転がり軸受が挟まれる。

２本のばねは、弁の作動時間を短縮することを補助するばね−質量振動機械系を提供するように働く。ロータのばねは、ロータにトルクを加え、ロータがその平衡（静止）位置から動くのに伴って復元トルクを加える。レバーに作用する他方のばねは、レバーがその平衡（静止）位置から動くのに伴ってレバーに復元力を加える。これらの２本のばねの相対強度は、振動時間を最短にするように、また、電磁駆動では通常必要とされる磁気トルクのピークを下げるように選択される。

次に、添付の図面を参照してこの発明を一例として説明する。

図１を参照すると、ロータの強磁性の（一般には軟鉄の）磁極片１４、１６および１８の間に永久磁石１０および１２が挟まれる。この磁気アセンブリは、２つの非磁性エンドキャップ２０および２２の間に位置付けられる。

図２を参照すると、ロータのエンドキャップ２０は、偏心ジャーナル２４を位置決めする。この偏心ジャーナル２４から、筐体２８内に位置付けられる軸受２６を通って、スタ
ブ軸が突出する。偏心ジャーナル２４の周囲には、軸受３２によって支持される中空かつ円筒形のタイヤ３０が延びる。

図３を参照すると、ロータ２２のエンドキャップは先細の穴部３４を有し、クランクピン３６の先細になった端部が、この穴部３４に堅固に固定される。円筒形のクランクピン３６の円筒領域は、ローラ３８を担持する。ローラ３８は、第１のレバー４０内のアーチ形のスロット内で受けられる。クランクピン３６は、レバー４０を越えた外側端部において、円筒形のスタブ軸部分を有するクランクアームを担持する。このスタブ軸部分は、第２の筐体５０に固定される軸受４２内で回転可能に支持される。２つの軸受５４および５６内で回転し、かつ、２つのスラストリング５８および６２により軸方向に制約を受けるスタブシャフト５２に対し、レバー４０が固定される。レバー４０は、剛性リンク７２を介してポペット弁のステム７０に接続される。

閉鎖時に、ポペット弁の頭部１５０は、環状弁座１５２に接して定位置に収まり、アクチュエータにより環状弁座１５２から下方向に押されることによって開く。剛性リンク７２とレバー４０との間、および剛性リンク７２とポペット弁のステム７０との間の旋回接続は、アクチュエータおよび弁の開閉動作中における、さまざまな部分のどのような回転相対運動にも適応する。

図４を参照すると、カップ状の滑り軸受８２および球状の頭部ピン８４により、第２のレバー８０が円筒形のタイヤ３０上に押付けられる。ピン８４は、クランプビーム８８によって筐体５０にクランプされた主ばね８６内に位置付けられる。

図５を参照すると、ロータは、包括的に９０で示されたステータ内に回転可能に位置付けられる。ステータは、ロータの磁極片１４、１６および１８を取巻く８個の磁極１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、および１１４を有する。中央のロータの磁極片は、２つの磁気ノード１２０および１２２を有する。

図６を参照すると、ステータ内の各磁極の周囲に巻線１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、および１４４が存在する。これらの巻線を通って電流が流れ、ロータに対向する磁極をＮ極とＳ極とに交互に磁化することができる。

弁の閉鎖時に任意の大きな力が生じることを防止するために何らかの空転を許容する取付具を介して、筐体２８および５０がエンジンに固定される。この空転は、レバー４０の初期回転中に始まる。

内燃機関の弁を開放および閉鎖するためのアクチュエータに対する要件を考慮した場合、以下のものを基本要件として考えることができる。

・長ストローク
・高速動作
・低いランディング速度
・実質圧力に抗って弁を大きく開放すること
加えて、所望の特徴は以下のようなものである。

・１つ１つが完全に独立した駆動機構
・双方向におけるプログラム可能なタイミング（可変の角比率）
・可変のストローク
これまで、このような弁は、カムシャフトを用いて開放され、ばねを用いて閉鎖されてきた。このような機構は以下のような限界を有する。

・角比率が固定されていること
・ストロークが固定されていること
この発明に従って構成および構成され、かつ、アクチュエータの駆動装置内の１本以上のばねにエネルギが蓄積されたアクチュエータを使用することによって、いわゆるエネルギの再利用を行なうことにより、以下のような利点が得られる。

・双方向に作動する態様で駆動される弁（強制弁（desmodromic valve）のシステムであり、従来の強力な弁閉鎖用のばねは必要とされない）。

・タイミングにおける完全な柔軟性（双方向）。

・ストロークについての何らかの柔軟性。このような柔軟性には、弁がいくつかのエンジン周期にわたって閉鎖状態を保つことを含む。

・低い回転速度においても空気を高速流入すること。これにより、燃焼生成物の望ましくない放出が実質的に減少する。

・個々の弁駆動機構（各弁が完全に独立した駆動装置を有するため、所望しない場合は、各エンジンサイクル中に必ずしもすべての弁を開く必要がない）。

・エンジン管理についての完全な柔軟性。この柔軟性により、必ずしもすべてではなくいくつかの弁が、すべてのシリンダ内または何本かのシリンダ内で作動することができる。

・選択可能なエンジン動作モード。低排気量を維持したまま出力を最大にすることができる、４サイクルまたは２サイクル。

・上述のモード選択は、シリンダのいくつかまたはすべてに適用することができ、実際に、徐々に移行するプロセスを想定することができる。

アクチュエータは、本質的に電気モータの形状で構成され、永久磁石により磁気的に成極するロータと、複数の磁極を有する円形のステータとが備わった、いわゆるステッピングモータにたとえることができる。一般にステータは、ロータの少なくとも２倍の数の磁極を有する。記述すべき双安定性のアクチュエータでは、ロータは２個の磁極を有し、ステータは４個の磁極を有する。一方で、３６０°回転可能なアクチュエータでは、ロータに４個の磁極およびステータに８個の磁極が存在する。１本１本のコイルによってステータの磁極の対が励磁され、エネルギ管理において完全な柔軟性が生じ得る。電流をコイルに送り、いずれの方向にもモータを駆動することができる。逆起電力効果を考慮して、ロータのどのような位置においてもエネルギを消失させることができる。駆動の過程を単純化するために、コイルは対で連結される。１本以上のばねがエネルギの再利用／蓄積を行なう。

双安定性の装置において、ロータの動きは１８０°未満に制限され、ロータはいわゆるスイング動作を生じる。以下に説明するように、この構成は、エネルギ蓄積機構として作用する２本のばねを有し、２極のロータは、２つの安定した位置、すなわち、弁の閉鎖時の一方の位置と、弁の開放時の他方の位置とに置かれた状態を保つのに十分な固定力を有しており、この装置では、一方の安定した位置から他方の位置への変更を生じるために、外部エネルギが必要とされる。

図１から図１０に示す実施例では、ロータの動きが制限されず、ばね機構は全３６０°の回転を許容する。このことは、高い回転速度において有利である。なぜなら、ポペット弁が開いている時にロータを止めてその運動方向を逆転する必要がないためである。弁が開いた状態の持続期間は、ロータの回転の当該部分の間にわたり、ロータを減速させるかまたは加速することによって制御することができる。その結果、速度およびエネルギ保存に関する実質的な利益が生じる。

図１から図１０に示すアクチュエータの場合、中程度および遅い回転速度の間において、両方の種類の動き（全回転およびスイング）を使用することができ、それによってエンジンの管理にさらなる自由度が提供される。この構成では、強力な平ばね（図４の８６）を用いてエネルギの再利用を行なうことができる。このばねは、ロータに取付けられてロータとともに回転する偏心ホイールに作用し、ロータの全回転を妨げない。ばねが最も撓むのは、ロータの「静止状態にある」最上部の位置においてである。このようにして、ロータがいずれかの方向から最上部の位置に到達する際に、運動エネルギが位置エネルギに変換されて、ばねに蓄積される。したがって、この構成は、全回転モードおよびスイングモードのいずれにおいても等しく効果的である。

点火ストロークの最後に存在する実質的なシリンダ圧に抗って排気弁を開くのに十分な強度を有する押力を送出し、かつ、ポペット弁が閉じる際に適度なランディング速度を確保するために、可変の機械的特徴を有する駆動伝達機構が用いられる。開放サイクル中に３つの位相が存在し、閉鎖サイクル中に３つの位相が存在する。

開放サイクルの位相は以下のようなものである。

１．最初にロータを加速してエネルギを蓄積する位相。この位相では線形運動が生じず、推力も生じない。このことは、ロータのこの部分に関連付けられた曲率半径がほとんどまたは全く変化しないカム表面を用いることによって達成される。

２．最初に開放する位相。強力な押力を伴った、緩やかな線形運動。このことは、曲率の緩やかな変化を用いて達成される。図１から図１０のアクチュエータにおいて、この動作は平ばねによって支援される。

３．全開まで高速度で開放する位相。この位相は、適度な押力のみを必要とする高速線形運動に関連付けられ、カム表面の曲率をより急激に変化させることによって達成される。

閉鎖サイクルの位相は次のようなものである。

１．高速度による主な閉鎖位相。この位相は、高速線形運動と、弁のクロージャに対する適度な引張力とに関連付けられ、カムの曲率を極めて急激に変化させることによって達成される。この位相の間に、運動エネルギの再利用が始まる。

２．緩やかなランディングと、最終的な閉鎖の位相。この位相は、カム表面の曲率の緩やかな変化により達成される緩やかな線形運動を生じるロータの減速に関連付けられ、ここでロータは平ばねを押し始める。

３．ロータをその最終静止位置まで最終的に減速させる位相。この位相の間では、再び、弁のクロージャに対し、垂直方向の動きも引張力も生じない。このことは、一定の半径を有するカム表面により達成され、この位相によって、反発のない、弁閉鎖の過程を得ることができる。ロータが停止する過程で或る程度不安定な状態が生じ得るが、この位相中
に線形運動が伝達されないため、このような不安定な状態が弁のクロージャには伝達されない。

ロータの瞬間的な角度位置を認識することが重要であり、このため、高精度の位置センサが設けられる。この位置センサは、図７および図８のアクチュエータの回転部分に取付けられた１５３において図示される。このセンサは、デジタルまたはアナログ形式の信号を生成することができる。ホール（Hall）効果センサ（１５６）付近において、ロータのシャフトに固定された偏心ディスクの２つの半体（１５５ａ，１５５ｂ）に永久磁石（１５４）が取付けられている、１つのアナログ技術を示す。このようなセンサは、ロータの角度位置の、絶対単位表記の正確な読取値を提供する。

駆動方法
図１から図１０に示すアクチュエータは、高精度の角度位置センサが備え付けられた、永久磁石ベースのステッピングモータを含むものと考えることができ、図１１に示すエンジン管理システムと組合せて使用して、さまざまなバルブ開閉方法を実施することができる。これらの方法を例示として以下に示す。

１．半サイクルの運動
・ロータは、クロックパルスの開始によりトリガされると動き始め、センサは、ロータの現在位置に関する連続した情報を提供して、最も効果的なコイル駆動電流のシーケンスを確保し、したがって電子整流子を構成する。初期運動は、ばねに蓄積されたエネルギによって補助および支援される。電磁トルクおよびばねの力を組み合すことにより、実質的な内部シリンダ圧に抗ってポペット弁を開くことができる。

・弁が全開する１８０°の位置にロータが接近すると、駆動電流が引き抜かれ、コイルを短絡させるか、または電流を逆転することによって、電子制動の過程が生じる。それにより、電気モータは発電機へと瞬時に変換される。

この動きは、ロータの回転を逆転することによって完了し、それによってロータはその開始位置に戻る。

２．部分的なサイクルの運動
ここでは、ロータは１８０°の位置に到達する前に停止し、その後逆転する。ロータの速度は、弁を作動させるのに必要な時間間隔の全てをを費やすように調節される。

３．さらなる停止を有する、全サイクルの運動
ここでは、ロータは全３６０°を達成するが、ロータが一定速度で回転し続ける場合よりも長い時間にわたって弁を開いておかなければならない場合、ロータは、１８０°の地点およびその地点付近において、一時停止または減速する。

４．さらなる停止を伴わない全サイクルの運動
ここでは、一時停止を伴わずに全３６０°の回転が行なわれる。

構成上の変形例
基本的な構成を図９に示す。ここでは、ロータ（１５７）、クランク（１５８）、偏心ホイール（３２）、位置センサディスクおよび磁石（１５３）からなる回転アセンブリの全体が、２つの軸受２６および４２によってのみ支持されている。この回転アセンブリは、遠心力によって生じる実質的な応力を受ける。この遠心力は、変化するばねの力が作用する偏心ホイールの回転中に、および、シリンダ圧に抗って弁を開く際に生じる。これらの理由から、回転アセンブリは、これらの力に対抗するためにできるだけ剛性でなくては
ならない。直径を大きくして剛性を高めるのは都合が悪い。なぜなら、これによって角加速度が低下するためである。角慣性を減少させるために、ロータはその直径が小さくなければならない。両方の条件（低慣性および機械的強度）を満たすため、図１０の１６０、１６１、１６２、および１６３に示すように、４個の軸受が提案される。

ロータおよび弁を駆動する延長部が２つの別個の部分として図１０に示されており、回転駆動はカプリング１６４を介して伝達される。

この発明のアクチュエータにより、強制弁の作動システムを、内燃機関で使用することができる。

このようなシステムでは、双方向に（開放および閉鎖方向）に作動する態様で弁が駆動され、従来の弁閉鎖用のばねに有害にも高い応力をかけることなく、開放および閉鎖に対して最短時間を達成する。実際には、強力な弁閉鎖用のばねを使用する必要はなく、その代わりに、適度な強度のばねを使用することができる。この、適度な強度のばねは、既に閉じたポペット弁をその安定した閉鎖位置に保持するのに十分な力のみを提供する。このようにして、生じ得る反発作用が大いに減少する。この「適度な強度の」ばねを、図面の１つにのみ示す。

図１１において、以下の項目を示す。

Ｒは、位置センサＰＳに機械的に結合されたロータである。

Ｐはマイクロプロセッサである。

ＰＳは、位置データを提供する位置センサである。位置データは、アナログまたはデジタル形式であり得る。

ＥＭは、エンジンを管理するコンピュータベースのユニットである。

Ｃは、エンジン管理ユニットからの制御データの供給を示す。

Ｄ０〜Ｄ７は、マイクロプロセッサと駆動装置との間のデジタルリンクである。

Ｈ１〜Ｈ４は、Ｈブリッジ型の双方向性駆動装置である。

Ａ１およびＢ１は、ステータのコイルの第１の対である。

Ａ２およびＢ２は、ステータのコイルの第２の対である。

Ａ３およびＢ３は、ステータのコイルの第３の対である。

Ａ４およびＢ４は、ステータのコイルの第４の対である。

ＰＳは、マイクロプロセッサＰに対し、ロータＲの現在位置を表す情報を提供する。この情報は、デジタル形式またはアナログ形式であり得る。このリンクは常に、絶対単位表記による正確なロータの位置を提供する。

弁を開放または閉鎖する動作は、エンジン管理ユニットＥＭから受取った指令により開始される。

マイクロプロセッサは、これを目標値に変換し、この目標値と現在位置とを比較する。それに基づいて特定の駆動方法が選択され、この駆動方法は、双方向性ブリッジ駆動装置Ｈ１〜Ｈ４に適切な駆動データを与えることによって実行される。駆動装置は、極めて低抵抗の切換ユニットであり、コイルとバッテリＢによって表わされる電流電源との間に時間によって支配される接続（time direct connection）を提供する。

１つの駆動装置は一般に、１対のコイル（並列または直列に接続される）に応対する。

４つの動作モード、すなわち、高速前進、高速後退、制動、自由走行が存在する。

マイクロプロセッサは常に、目標値に対する現在位置を監視し、適切な駆動方法を考案する。このようにして、インテリジェントなブラシレス整流プロセスが実現され、アクチュエータの駆動は、インテリジェントなブラシレス電気モータを含むものと考えることができる。

また、アクチュエータが、ロータの慣性、ばねの力、圧力、弁の慣性、および広範囲の温度により生じる、絶えず変動する負荷に晒されていることにも注意されるべきである。また、アクチュエータは、急激に変化する目標値の下に置かれる。したがって、エンジンの回転速度および／または負荷等が変化するのに伴い、弁を部分的に開くか、全開するか、または全閉することが必要とされ得る。したがって、極めて頻繁な始動−停止指令が用いられる。マイクロプロセッサをインテリジェントかつプログラマブルな意思決定装置として使用しなければならないのは、そのためである。

図１２〜図１７は、スイングモードの弁アクチュエータを示す。

これらの図面では、２つの強磁性の（一般には軟鉄の）磁極片２１２および２１４の間に永久磁石２１０が挟まれている。磁石および磁極は、２つのエンドキャップ２２０および２２２の間に位置付けられており、非磁性の詰め金２１６および２１８が、磁気素子とエンドキャップとの間に挟まれている。磁極片およびエンドキャップが共にロータを形成する。エンドキャップ２２０はスタブ軸２２１を含む。スタブ軸２２１は、筐体の端部２２５内に嵌合されて座金２２７およびボルト２２９により保持される転がり軸受２２４内に受けられる。

渦巻ばね２２６は、その一方端においてスタブ軸２２１に取付けられ、その他方端において筐体の端部２２５に取付けられる。

エンドキャップ２２２は先細の穴部２２３を有しており、ピン２２８の先細の端部が、この穴部２２３に堅固に固定され得る。

ピン２２８の円筒形の領域は、レバー２３４内のアーチ形のスロットまたは溝に受けられるローラ２３０を担持する。レバーを越えたところにおいて、ピン２２８は、円筒形の駆動軸部分を有するクランクアームの外側端部において担持される。円筒形の駆動軸部分は、第２の筐体の端部２５０内に固定されたニードルころ軸受２３２内で回転可能に支持される。

レバー２３４は、ねじり棒ばね２３６に固定され、そうでなければローラ２３０に係合する。ばね２３６は、一方端においてステータの端部２５０内のブシュ２３８内で回転可能に位置付けられ、その反対側の端部においてステータの端部２４８内に堅固に保持される。ねじり棒２３６の軸を中心としたレバー２３４の回転は、ねじり棒２３６がねじれる
のに伴い、そこにエネルギを蓄積する。

図１３において最もよく分かるように、ロータは、包括的に２６６と記されて、かつ、２つの端部２４８および２５０によって形成されたステータ内において、回転可能に位置付けられる。２つの端部２４８および２５０の間には、間に小さなエアギャップが存在する状態で、ロータの磁極２１２および２１４を取囲む４個の磁極２６８、２７０、２７２、および２７４が延びる。各磁極の周囲にそれぞれコイル２７６、２７８、２８０、および２８２が存在し、これらのコイルを通って電流が流れ、ロータに対向する磁極をＮ極とＳ極とに交互に磁化することができる。

レバー２３４は、剛性リンク２６２を介してポペット弁のステム２６０に接続される。弁が閉鎖されると、弁の頭部２６３は環状弁座２６４に接した状態で定位置に収まり、この弁の頭部２６３は、環状弁座２６４から下方に押されることによって開く。リンク２６２とレバー２３４との間、およびリンクとステム２６０との間の旋回接続は、アクチュエータおよび弁のクロージャの開閉動作中における、さまざまな部分のどのような非線形相対運動にも対応する。旋回接続はまた、所望される場合、レバーの初期の回転運動中に生じるわずかな量の空転をも生じ得る。

図１４から図１７は、図１３に示すアクチュエータの簡略図であり、ロータの動きがカム−レバーおよびポペット弁の動きにどのように関連するかを示す。便宜上、図１３から図１７にわたって同じ参照番号を使用した。特に、ステータのコイルおよび磁極は図１４以降に図示していない。

図１４は本質的に図１３に対応する。なぜなら、時計回りにおける最も端の位置に示されており、ローラ２３０が最上部の位置にあるためである。

図１５では、ロータが数度（一般には１０〜１５°）だけ、反時計回りに回転したことが想定される。ロータのこの回転中にローラ２３０が係合するレバー２３４の曲率半径は、本質的に一定であり、ローラ２３０の軸の軌跡に対して平行である。したがって、ロータの回転運動は、この初期運動の間、ポペット弁２６４のリンク２６２またはステム２６０の線形運動に変換されない。

このような、ロータとリンク２６２との間の空転により、ロータはその反時計回りの回転の第１の部分の間において、妨げられることなく加速し得る。その後、レバー２３４のカム表面２３５と、対向する指状突起２３７との形状は、以下のようになる。すなわち、ロータ２１５が引続き反時計回りに回転すると、ロータ２３０が２３５および２３７と係合し、それによってレバー２３０は、ねじり棒ばね２３６によって規定される軸を中心に旋回し、この過程でねじり棒２３６をねじると同時にリンク２６２を下方向に押す。このことが次いで、弁の頭部２６３を弁座２６４から同じく下方向に押して弁を開く。

図１６は、ロータがその完全に反時計回りの位置（図１７に示す）に到達する直前のロータを示しており、図１６および図１７の両方において、弁の頭部２６３は弁座２６４から離れて変位していることが示される。

図１３にのみ示しているが、つる巻ばね２８４が、弁のステム２６０に取付けられた止め２８６と、弁座２６４との間で保持されていることが示される。このばねは、内燃機関のシリンダ頭部の上部に通常見受けられる各ばねと同様であり、これらのばねの各々は、弁の１つを閉じた状態に保つ。

しかしながら、この発明のアクチュエータが、弁に対し開閉の両方向において確実動作
による弁の駆動を行なうため、理論上はばね２８４を省くことができる。しかしながら、弁の頭部をその弁座に接するように信頼可能な態様で確実に閉じるため、図示するように、弁を圧するのに適度な力のみを必要とする圧縮ばねを設けてよい。

ステータのコイルに供給された電流を逆転させることにより、ロータは時計回りに回転し、弁の頭部２６３は再び持ち上がって弁座２６４に接触する。それによって弁が閉じ、ロータは図１４に示す位置に戻る。

図１８は、図１２の線ＹＹにおける断面図であり、渦巻ばね２６６が、その内側端部においてクランプ２８６によりロータ２１５のエンドキャップ２２６にクランプされており、かつ、その外側端部においてクランプ２８８によりステータの筐体端部２２５にクランプされていることを示す。また、レバー２３４に対する旋回軸を提供し、かつ、第２のばねとしても働くねじり棒２３６も見ることができる。

レバー２３４および変形したねじり棒の構成の斜視図を図１８Ａに示す。ねじり棒２３６の両側端部は筐体の両側端部２２５および２５０における軸受内で受けられる（図１２参照）。クランプ２９０は、第２のねじり棒２９２を第１の棒２３６にクランプし、その外側端部においてアンカーブロック２９４により受けられる。レバー２３４はロータ（図１８Ａには図示せず）によって回転する。この回転は、棒２３６の平坦部およびそれに対応するように形作られたレバー２３４内の開口部により、棒２３６の左側端部に伝達される。

クランプ２９０は、棒２３６が、クランプ２９０が棒２３６と係合する地点で回転することを防止するが、棒２９２は、矢印２９６が示すように撓むことができ、その撓み２９２により、レバーアーム２３４の制限された回転が引続き行なわれ得るようにする。

ロータが逆転されると、２９２および２３６に蓄積されたエネルギを利用して、レバー２３４の回転を補助することができる。

クランク端部から見た、ロータの等角図である。 偏心カムの端部から見た、ロータと一方の筐体との分解図である。 クランク端部から見た、ロータ、レバー、弁、および他方の筐体の分解図である。 筐体を取除いて第２のレバーおよび主ばねを露出させた、アクチュエータの偏心カムの端部の図である。 ロータの軸に垂直な面におけるロータの断面図であり、ステータの磁極とロータのノードとを示す図である。 図５と同じ図であるが巻線を示す図である。 組立てられたアクチュエータの斜視図である。 アクチュエータの拡大端面図である。 ポペット弁に接続されていることを示す、アクチュエータの断面図である。 図９と同様の図であり、ロータを補強してより高い回転速度を可能にするために、さらに別の軸受が含まれていることを示す図である。 さまざまなセンサおよびエンジン管理コンピュータから電流パルスがどのように生成されるかを示す概略ブロック図である。 ロータの回転軸に沿って見た、この発明を実現する、ポペット弁に結合された双安定性アクチュエータの垂直断面図であり、この図面内に、ポペット弁のクロージャと、そのポペット弁のクロージャをアクチュエータ内のレバーに接続するリンクとの断面図を含む図である。 ステータの端部を取除いた、図１２のアクチュエータの、ロータの軸に沿った概略端面図である。 一方の静止位置付近にあるロータを示す、図１３と同様の図である。 ロータが一方の静止位置をちょうど離れたところを示す、図１３と同様の図である。 ロータが他方の静止位置にまさに接近していることを示す図である。 ロータが他方の静止位置にあることを示す図である。 渦巻ばねおよびねじり棒ばねを示す別の断面図である。

Claims (44)

1. ロータがステータ内で回転可能であり、ステータが、ステータに関連付けられた少なくとも１本の巻線に電流を通電することによって磁化し得る、電磁アクチュエータであって、ロータは、ロータに作用する磁力および／またはばねの力により規定される安定した静止位置の間で回転可能であり、ばね手段は、ロータの運動の一部の間にエネルギを蓄積し、その後の運動中にロータを１つの静止位置から別の静止位置に加速するための運動エネルギを提供し、前記少なくとも１本の巻線内に電流が流れると、その静止位置にロータを保持する磁力に打ち勝つのに十分な磁気トルクがロータに加えられ、その静止位置から別の静止位置に向かう方向にロータを回転させ、ロータは、ロータの回転運動を実質上線形運動に変換する機械的連結によってスラスト部材に接続され、連結は、ロータの回転中に予め規定された態様で変化する機械的特徴を有する、電磁アクチュエータ。
2. ロータが、その各々がロータに作用する磁力および／またはばねの力により規定される２つの安定した静止位置のみを有し、第１のばね手段は、一方の静止位置に向かうロータの運動中にエネルギを蓄積して、その静止位置から他方の静止位置に向けてロータを加速するための運動エネルギを提供し、第２のばね手段は、ロータがその他方の静止位置に向かって回転する際にエネルギを蓄積し、ロータが前記他方の静止位置からその当初の静止位置に向かって逆向きに動く際に、ロータに作用する加速力を提供する、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. ロータの静止位置に関連付けられたばね手段にエネルギが蓄積されるにつれて、ロータが結果的に減速し、それによってその回転速度が（したがって、スラスト部材および任意の連結の線形速度もまた）、ロータが静止位置に接近するにつれて徐々に下がる、請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 機械的特徴のプロファイルは、一方の静止位置付近でのロータの角運動が、スラスト部材の線形運動を実質的に生じないようなものである、請求項１、２、または３に記載のアクチュエータ。
5. ステータは偶数個の磁極を有し、ロータは、永久磁石手段を含むか、または永久磁石手段で構成され、永久磁石手段によってロータの周囲でＮとＳとに交互に磁化される偶数個のノードを有する、請求項１から４のいずれかに記載のアクチュエータ。
6. 磁界は、単独で作用する場合に、ばね手段が単独で作用する場合と同じ静止位置にロータを静止させて保持するようなものである、請求項１から５のいずれかに記載のアクチュエータ。
7. ステータの各磁極の周囲には、電流によって励磁されるとロータに起磁力を生じる電気巻線が存在し、巻線は、使用時に電流パルスにより次々に励磁され、ロータの回転位置および必要なトルクに対応するようにタイミングが取られる、請求項１から６のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. ステータは、間隔をあけて配置されかつ電磁的に成極し得る８個の磁極を有し、ロータは、間隔をあけて配置されかつ永続的に磁化される４個のノードを有する、請求項１から７のいずれかに記載のアクチュエータ。
9. 機械的連結は、ロータとスラスト部材との間に空転接続を含み、この空転接続は、ロータの回転の一部の間に生じる、請求項２から８のいずれかに記載のアクチュエータ。
10. 空転は、ロータがその静止位置の一方から離れる回転運動の最初の部分の間に生じる、請求項９に記載のアクチュエータ。
11. ロータは、その一方の静止位置から１８０°を超えて回転しないようにされ、ロータの運動は、２つの静止位置の間における振動性の運動である、請求項１から１０のいずれかに記載のアクチュエータ。
12. ロータは、その一方の静止位置から３６０°回転することができ、電流パルスは、ロータが１８０°の位置を通って回転する際にロータを一時停止または減速させるように使用時に制御される、請求項１から１０のいずれかに記載のアクチュエータ。
13. ロータは３つ以上の静止位置を有し、電流パルスは、その当初の静止位置と他の静止位置の任意の１つとの間でロータを振動させるように使用時に制御される、請求項１から１０のいずれかに記載のアクチュエータ。
14. 内燃機関の入口弁または排気弁を開放および閉鎖するために使用される際に、弁の閉鎖位置に対応する静止位置は主静止位置と呼ばれ、機械的特徴のプロファイルは、弁が開き始めるロータの回転位置において高度な機械的特徴を生じるように選択され、弁が最初に開いた後、このプロファイルは、弁が全開するまでに機械的特徴が徐々に減少してその後また徐々に増大するようなものであり、ロータがその主静止位置に接近して弁が再びその当初の閉鎖位置に戻るまで、ロータが反対の向きにまたは同じ向きの回転を継続することのいずれかによってその当初の主静止位置に向けて回転するのに伴い、機械的特徴は最小値まで再び減少してから再び増大し、ロータは、その位置を超えてその主静止位置に到達するまで、空転接続によって運動が弁に伝達されない状態で回転し続ける、請求項１から１３のいずれかに記載のアクチュエータ。
15. 閉鎖時の弁のランディング速度が低レベルにまで下がるようにプロファイルが選択され、このプロファイルは、ばね手段内の任意のエネルギ段階と組合わさって弁および弁座の摩耗だけでなく雑音を減じる、請求項１４に記載のアクチュエータ。
16. プロファイルは、弁に作用する力を最大にするように選択され、弁に作用する力には、エンジンの点火ストロークの後に燃焼室内に残留する気体の圧力によって弁のクロージャに作用する気体の圧力に打ち勝つことが求められ、燃焼室は、排気されて燃料および空気の次の補給に備えることができる、請求項１４または１５のいずれかに記載のアクチュエータ。
17. 連結の機械的特徴のプロファイルは、ロータが依然として自由に運動することができる間に弁が閉じたままである一時停止期間または空転期間が存在するようなものであり、それによってロータは、弁が開いている期間よりも長期間にわたって動き、それにより、所定の電磁アクチュエータ、電気駆動トルク、および回転慣性の場合に、ロータが動く全時間よりも短い時間の間に弁が開放および閉鎖され得、したがって弁を開放する所定のクランクシャフト角に対し、エンジンがより高速度で稼動することが可能になる、請求項１４から１６のいずれかに記載のアクチュエータ。
18. ロータがその主静止位置にあるときにばねが機械的エネルギを蓄積する、請求項１から１７のいずれかに記載のアクチュエータ。
19. ばねは、弾性かつ片持ち状のばねのアームを含み、その自由端は偏心カムの外周を圧し、偏心カムは、ロータとともに回転し、その際にアームを撓ませて、その際にエネルギを蓄積する、請求項１８に記載のアクチュエータ。
20. ロータに対する偏心カムの角度位置は、弁が開くとエネルギがばねから放出されてロータの加速を補助して弁を開き、弁が閉じると偏心カムがばねのアームを再び撓ませて、それによってエネルギが再び中に蓄積され、それによってロータを主静止位置に向けて減速させるようなものである、請求項１４から１７のいずれかに従属している際に請求項１９に記載のアクチュエータ。
21. ばねのアームが緩んだ位置または撓みの最も少ない位置にあるときに弁が全開し、この位置を第２の主静止位置と呼ぶ、請求項２０に記載のアクチュエータ。
22. ロータが回転するにつれて永久磁石手段もまた回転し、ロータのノードがステータの磁極にアライメントされると磁性のコギングトルクを生じ、ロータに対して複数の第２の副静止位置を規定する、請求項４から２０のいずれかに記載のアクチュエータ。
23. ロータがその主静止位置から第２の静止位置の１つに回転して戻ってくるようにするか、または、同一方向に回転し続けている間に第２の主静止位置を通って主静置位置に戻るよう回転させるように電力が制御され、それによって弁は、異なる期間にわたって部分的にまたは完全に開き、エンジンのさまざまな動作条件に沿うことができる、請求項２２に記載のアクチュエータ。
24. 内燃機関の弁を開放および閉鎖するために使用される際に、スラスト部材は弁のクロージャ部材に接続されて、開く方向および閉じる方向の両方に弁のクロージャ部材を確実動作によって動かし、それにより、弁を閉じた状態に保持するための別個のばねが必要ではなくなる、請求項１から２３のいずれかに記載のアクチュエータ。
25. 巻線または各巻線に電気エネルギのパルスを供給するための制御システムと組合わさることにより、変化するエンジン負荷に応答して、各電流パルスにおいて必要とされる瞬間的な電気エネルギを提供し、および／または、各電流パルスの位相（すなわちタイミング）および／または持続期間を制御し、それによって弁の開放および閉鎖中において各瞬間に十分な磁気トルクを生成し、エンジン作動サイクル内の各時点において弁のクロージャに作用し、かつ、負荷およびクランク角度と共に変化してサイクルごとに変化し得る力に打ち勝つ、請求項１から２４のいずれかに記載のアクチュエータ。
26. ステータは、対向する２つの対に配置された４個の磁極を有し、ロータは永久磁石を含み、使用時に、通常は、磁極の一方の対と部分的にアライメントされて静止し、ロータの初期運動は、ステータに連結された少なくとも１本の巻線を通る電流パルスによって生じ、それによってロータは、部分的にアライメントされた磁極から反発する、請求項１から２５のいずれかに記載のアクチュエータ。
27. ステータに連結された別の巻線に電流が供給され、磁極の他方の対とロータとの間に引力を生じ、それによってロータは、磁極の一方の対から反発し、それと同時に磁極の他方の対に引き付けられる、請求項２６に記載のアクチュエータ。
28. ロータが前記磁極の他方の対とのアライメント地点をちょうど越えたときに、巻線または各巻線内を流れる電流の方向が逆転される、請求項２７に記載のアクチュエータ。
29. ａ） 円形に配置されて半径方向の内側に方向付けられた４個の磁極を有するステータと、
    ｂ） １対の正反対の永久磁極を含み、かつ、その行程の２つの端部において或る静止位置から別の静止位置に１８０度まで、ステータの４個の磁極内で回転可能であるロータ
    と、
    ｃ） ロータがその行程の２つの端部の各々まで回転すると機械的エネルギを蓄積する第１のばね要素と、
    ｄ） ロータの回転軸から横方向に、かつ、ロータの回転軸に対して平行に延びるものの、ロータの回転軸からずらされたピンと、
    ｅ） ピンに連結され、かつ、ロータの軸に対してやはり平行な軸を中心とした回転運動のために旋回可能に取付けられて、アクチュエータの外部に推力をかけるためのレバーと、
    ｆ） レバー内にアーチ形のスロットとを備え、このスロット内にピンが受けられ、このスロット内において、ピンはスロットを基準として摺動するだけでなくレバーに回転運動を伝達することもでき、ピンの角運動がレバーの角運動を生じる範囲はスロットの形状によって決定され、さらに、
    ｇ） レバーがその行程の２つの端部の各々まで回転すると機械的エネルギを蓄積する第２のばね要素と、
    ｈ） 電流が流れるとステータの４個の磁極の周囲にＮ極とＳ極とを交互に生じる少なくとも１本の巻線と、
    ｉ） ステータ、巻線、ロータ、レバー、およびばねが中に位置付けられ、かつ、その対向する端部は回転可能な部分に対する軸受を設ける筐体とを備え、
    ｊ） ロータの行程の一方の端部位置において、その位置から他方の位置に向かうロータの初期の回転または運動により、ピンとスロットとの間の相対摺動運動を生じた後に、ロータの連続回転がピンを介してレバーに伝達される、増大する回転駆動を生じ、それによってロータのその初期の回転運動中における機械的特徴が、ロータの行程の残りの部分における機械的特徴よりも実質的に大きくなるように、スロットの形状が選択される、請求項２に記載の双安定性アクチュエータ。
30. ステータは、ロータの周囲に等間隔に配置された８個の磁極を有し、ロータは、ロータ内で永久磁石手段により磁化される、等間隔をあけて配置された４個のノードを有し、ロータは通常、ステータの各磁極の円周範囲が各ロータのノードの円周範囲の約半分である場合に、１対の隣接するステータの磁極の間でほぼアライメントされて静止する、請求項１から２５のいずれかに記載のアクチュエータ。
31. 初期運動は、巻線に対する電流パルスによって生じ、流れの方向は、ノードの一方側（後続側）においてロータのノードをステータの磁極から反発させるのと同時に、ノードの他方側（進行側）においてステータの磁極により引き付けられるようにするようなものであり、電流の方向は、ロータのノードがステータの磁極とのアライメント地点をちょうど越えたときに逆転され、それによって駆動トルクがロータに引続き加わり、それによってロータを加速する、請求項３０に記載のアクチュエータ。
32. 巻線を短絡させて、生じた電流を、起動電流パルスとは反対の向きで巻線内に通電し、それによってステータの磁極の極性を逆転させて、ロータおよびそれに関連付けられた連結の運動エネルギを消失させることにより、ロータの運動が制動される、請求項１から３１のいずれかに記載のアクチュエータ。
33. ロータの制動は、巻線内の電流を逆転してトルクの方向を逆転させ、ロータを減速することによって行なわれる、請求項１から３１のいずれかに記載のアクチュエータ。
34. 制動は、その主静止位置または他の任意の静止位置等の静止位置にロータを停止させるように働く、請求項３２または３３に記載のアクチュエータ。
35. ａ） 円形に配置されて半径方向の内側に方向付けられた８個の磁極を有するステータ
    を備え、各磁極は絶縁導体で巻き回されて各磁極に電磁石手段を生じ、さらに、
    ｂ） ２対の正反対の永久磁極を含むロータを備え、磁力の向きはロータの周囲においてＮ−Ｓ−Ｎ−Ｓと交互に変化し、それによってロータは、適切な引張りにより、３６０°回転可能であるか、または最初に一方方向に、次に反対方向に戻るよう回転可能であり、さらに、
    ｃ） ロータが主静止位置まで回転すると機械的エネルギを蓄積するばね要素と、
    ｄ） 管状のホイール要素により取巻かれ、ロータの回転軸から横方向に、かつ、ロータの回転軸に対して平行に延びるものの、ロータの回転軸からずらされたピンと、
    ｅ） ロータの軸に平行な軸の周囲に旋回可能に取付けられた第１のレバーと、
    ｆ） 第１のレバー内にアーチ形のスロットとを備え、このスロット内で、ホイールおよびピンが受けられ、このスロット内において、ホイールは、機械的特徴がロータの角度位置とともに変化するのに伴い、スロットを基準としてローリングまたは摺動することができるだけでなく、レバーに回転運動を伝達することもでき、ピンおよびホイールの角運動がレバーの角運動を生じる範囲は、スロットの形状により決定され、さらに、
    ｇ） アクチュエータの外部に推力を伝達するためのクロスピン接合部を有する第１のレバーと、
    ｈ） ロータから延びて第２のレバーに接触するスリーブと、
    ｉ） アーチ形の接触面を有して形成され、それによって摺動する球状の軸受手段によりばねを動かし、それによってばねの変位がロータの角度位置の関数となるようにする第２のレバーと、
    ｊ） 主静止位置を規定し、それにより、主静止位置のいずれかの側におけるロータのわずかな角変位が、ばねの運動を生じないか、またはばねのさらなるわずかな変形を生じるようにし、かつ、ばねのより大きな運動により、ロータが主静止位置から実質的に１８０度移動するまでにばねの漸進的な除荷を生じるようにする、第２のレバーのアーチ形の面と、
    ｋ） ステータ、巻線、ロータのレバー、およびばねが中に位置付けられる筐体と、
    ｌ） ロータ、第１のレバー、および第２のレバーに対する軸受手段を設ける筐体とを備える、請求項１に記載のアクチュエータ。
36. 少なくとも、ロータがその主静止位置から回転を始める間に、およびロータが主静止位置に戻る前の回転の最終部分において、または、まず或る方向に１８０度まで回転してから反対方向に同一量だけ回転した後に、または、全３６０度回転した後に、ピンとスロットとの接続が、ロータとレバーとの間に空転接続を提供する、請求項２９から３５のいずれかに記載のアクチュエータ。
37. ピンは、ロータの軸を中心として回転するように適合されたハブから延びるクランクアームの外側端部に取付けられるか、または外側端部と一体的に形成され、ハブは、軸方向に延び、筐体の隣接する端部内の第１の軸受内で回転可能に支持され、ロータの他方端は同軸状に延び、偏心して位置付けられた軸受の形のシーブを形成し、その外輪は、ばねの力が前記第２のレバーを圧して外輪に接触させると前記第２のレバーに係合して前記第２のレバーの接触力に耐え、シーブを越えるロータの軸方向の延長部は、第１の軸受と同様の第２の軸受内に延び、両方の軸受は、加えられたトルクに応じてロータが回転移動のみを行なうような制約を受けるように、ロータを支持する、請求項３６に記載のアクチュエータ。
38. 第２の軸受は、別の筐体内に位置付けられる、請求項３７に記載のアクチュエータ。
39. 第１のレバーは、それ自体がポペット弁のクロージャ部材のステムに取付けられた剛性のリンクに旋回可能に取付けられ、ポペット弁のクロージャ部材は、内燃機関の燃焼室への燃焼可能な気体の流入、または内燃機関の燃焼室からの使用済の気体の排出、のいずれ
    かを制御する、請求項３７または３８に記載のアクチュエータ。
40. 弁が全閉のとき、ロータは静止位置にあり、ステータの巻線に電流を通電する必要なくその位置に留まった状態を保つ、請求項３８に記載の、アクチュエータとポペット弁との組合せ。
41. 弁のクロージャ部材は、弁を開放および閉鎖する両方の方向において確実動作により駆動される、請求項１４から４０のいずれかに記載の、アクチュエータと弁との組合せ。
42. 弁を閉じた状態に保持するためにこれまで使用されてきたばねが省略されるか、または、これまで使用されてきたばねの代わりに、一段と小さなばねの力を有するばねが使用される、請求項４１に記載の、アクチュエータと弁との組合せ。
43. 請求項１から４２のいずれかに記載のアクチュエータと嵌合すると排気弁を開放および閉鎖するための少なくとも１つの排気弁を有する、内燃機関。
44. その各々が請求項１から４２のいずれかに記載の対応する複数のアクチュエータに嵌合されると、関連付けられた弁を別個に開放および閉鎖するための複数の入口弁および排気弁を有する内燃機関。

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