JP2007056780A - 電磁駆動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 大型化することなく高推力化しかつストロークを長くすることが可能であり、これにより例えばエンジンの幅広い回転数に適応した、より望ましい動弁リフトプロファイルで動作させることができる電磁駆動弁を提供する。
【解決手段】 弁体１１を有するシャフト１２を電磁駆動機構によりリニア駆動する電磁駆動弁Ｕであって、前記電磁駆動機構の可動子１は、が、対向面が同極とされた永久磁石１３，１３間に介装され、しかもそろばん玉状に形成された推力調整空洞１４ａが設けられた内ヨーク１４を有してなるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は電磁駆動弁に関する。さらに詳しくは、サイズを大きくすることなく高推力化が達成でき、理想的な動弁リフトプロファイルを得ることが可能とされた電磁駆動弁に関する。

近年、自動車用エンジンの吸排気弁を電動化するための電磁駆動弁（ＥＭＶ：ElectroMagnetics engine Valve）が注目されている。これは、カムにより弁を駆動する代わりに、リニアモータによって直接、弁を駆動するものである。そして、この電磁駆動弁に対して種々提案がなされている（例えば、特許文献１ないし７参照）。

図６に、従来の電磁駆動弁の一例を簡略化して示す。この電磁駆動弁１００は、弁体１０１と、シャフト１０２と、シャフト１０２を軸方向に往復動自在に支持するスラスト軸受１０３を有するケース１０４と、ケース１０４に収納され、シャフト１０２を往復動させるためのリニアモータ１０５とを備えてなるものとされる。

このような電磁駆動弁を自動車に搭載すると、吸排気弁をエンジン回転数に応じて最適な軌跡（動弁リフトプロファイルともいう）で開閉することが可能となり、燃費の向上や排気ガスのクリーン化などを図る上で、非常に有利である。

すなわち、エンジン回転数に応じて弁が開閉する軌跡を変えるような機構を従来のカムを使って実現しようとすると、機構が非常に複雑になる上に、リフト量および開閉タイミングをエンジン回転数に応じて自在に設定することはできない。これに対して、電磁駆動弁であれば、エンジン回転数に応じて最適なリフト量および開閉タイミングを自在に設定できるために、従来のカム機構と比較して１５％もの燃費の改善が期待できるといった試算もある。このため、電磁駆動弁による吸排気弁の早期の実現が期待されている。

しかしながら、電磁駆動弁の実現には、現状では、（１）自動車エンジンへの搭載を可能とする小型化の要求との兼ね合いで、推力を高めることが困難であり、高い回転数のエンジンに適用できない、（２）推力が低いために、エンジンの低回転時に目的に応じた運動、燃費性能に最適な動弁リフトプロファイルを実現することができない、（３）吸排気弁の開閉のために要求される十分なストロークを確保しようとすると、大型化を招く、といった問題点が指摘されている。
特開平６−２９９８１８号公報 特表平８−５１２１７３号公報 特開平１１−２４７６３１号公報 特開２０００−４５７５号公報 特開２００２−１３０５０９号公報 特開２００３−３１０９７号公報 特開２００３−３３６７５９号公報

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、大型化することなく高推力化し、かつストロークを長くすることが可能であり、これにより例えばエンジンの幅広い回転数に適応した、より望ましい動弁リフトプロファイルで動作させることができる電磁駆動弁を提供することを目的としている。

本発明の電磁駆動弁は、弁体を有する軸を電磁駆動機構によりリニア駆動する電磁駆動弁であって、前記電磁駆動機構の可動子は、推力調整空洞が設けられた内ヨークを有してなることを特徴とする。

本発明の電磁駆動弁においては、前記推力調整空洞が、そろばん玉状に形成されてなるのが好ましい。

また、本発明の電磁駆動弁においては、内ヨークが、軸方向に所定形状とされた貫通孔を有する円柱状内ヨーク分割体を接合してなるものであるのが好ましい。

さらに、本発明の電磁駆動弁においては、内ヨークが、対向面が同極とされた永久磁石間に介装されてなるのが好ましい。

本発明の電磁駆動弁は、前記の如く構成されているので、電磁駆動機構の大型化を防止して軽量化を図りながら、所望の推力特性が得られるという優れた効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

図１に、本発明の一実施形態に係る電磁駆動弁の概略構成を断面図により示す。この電磁駆動弁Ｕは、可動子１および固定子２を有する電磁駆動機構と、ケース３と、スラスト軸受４、４とを備える。

可動子１は、図示しない自動車エンジン内に配設される、前記エンジンの吸気孔および排気孔（共に不図示である）を開閉するための弁体１１と、弁体１１が一端に設けられ、スラスト軸受４、４を介して、軸方向に往復動自在にケース３により支持されたシャフト１２と、シャフト１２の所定位置において軸方向に所定間隔で配設された３個の永久磁石１３，１３，１３と、永久磁石１３，１３，１３の間に配設された、内部に空洞１４ａを有する内ヨーク１４、１４とを有してなるものとされる。ここで、３個の永久磁石１３，１３，１３と、永久磁石１３，１３，１３の間に配設された内ヨーク１４、１４とにより、主電磁駆動機構の可動子１側の電磁駆動部が構成される。

固定子２は、ケース３に固定され、図示しない制御装置からの制御指令値に応じた印加電流により所定の磁場を発生する複数のコイル１５、１５、１５、１５と、ケース３に固定され、コイル１５の周囲に配設される外ヨーク１６とを有する。

ここで、複数のコイル１５は、永久磁石１３と協働して、ＤＣリニアモータ、ないしはリニア振動アクチュエータ（ＬＯＡ：Linear Oscillation Actuator）を構成するように巻き方および相互の結線が設定される。このように、可動子１を駆動するための電磁駆動機構をＤＣリニアモータなどとすることによって、（１）例えばステッピングモータを駆動機構とする場合と比較して、正確な位置決めが可能となる、（２）回転運動を伴わないために、高効率化が容易である、（３）可動子１の構造を簡易化することが容易であり、軽量化が容易であるので、応答性が向上する、という効果を奏する。

図２に、可動子１側の電磁駆動部を構成している永久磁石１３と内ヨーク１４の構成を示す。

図２に示すように、永久磁石１３は、それぞれ、Ｎ極とＳ極とが軸方向に並ぶように着磁された円板状の等方性磁石からなる。ここで、永久磁石１３は、それぞれ、その磁極が、対向する永久磁石１３の磁極と同極となるように、シャフト１２に同軸に配設され、所定の磁場を発生するものとされる。すなわち、各永久磁石１３は、内ヨーク１４を間に挟んで、Ｎ極同士、Ｓ極同士が対向するようにシャフト１２に設けられる。

図３に、内ヨーク１４の詳細を示す。

内ヨーク１４は、飽和磁束密度の高い例えばパーメンジュールからなり、永久磁石１３と後掲のコイル１５とが発生する磁場に応じた磁束を流すものとされ、図３に示すように、前記空洞１４ａを有し、かつ前記空洞１４ａと連通されシャフト１２が嵌装される中心孔１４ｂが形成された、永久磁石１３と同径の中空円柱形状とされる。

内ヨーク１４内部の空洞１４ａは、図３に示すように、内ヨーク１４両端の永久磁石１３との接続面１４ｃ、１４ｃにおいて深さが値０で最小であり、その位置から各永久磁石１３，１３，１３の中間部分に向かって直線的に深さが大きくなるように形成される。すなわち、空洞１４ａは、そろばん玉形状とされる。

なお、符号１４ｄにより示される箇所は、軸方向にすり鉢状とされた孔が形成された、円柱状内ヨーク分割体を接合して内ヨーク１４を製造する場合の接着面である。

ここで、空洞１４ａの深さは、軸方向各位置における空洞１４ａの表面と中心孔１４ｂに嵌装されるシャフト１２の外周面との距離により表すものとする。なお、後述するように、空洞１４ａは、電磁駆動弁Ｕの推力特性を所望の推力特性とするために設けられるものであるために、推力特性と空洞１４ａの形状との関係を調べる場合には、空洞１４ａの形状を表すパラメータの一つとして、空洞１４ａの最大深さＬを用いるのが適切である。

このように、空洞１４ａを内ヨーク１４に設けるのは、空洞１４ａ内の空気層と内ヨーク１４の実体部分との間の磁気抵抗の差を利用して、磁束が流れる方向を制御し、これによって電磁駆動弁Ｕの推力特性を適切に調整するためである。つまり、そろばん玉形状の空洞１４ａを内ヨーク１４に設けることによって、磁束が流れる方向を操作し、後述するように、電磁駆動弁Ｕを大型化することなく可動子１のストロークを大きくしたり、高推力化を達成したり、することが可能となる。かかる空洞１４ａの機能から、本明細書では空洞１４ａを「推力調整空洞」ということにする。

なお、図３に示すような空洞１４ａの形状は、本発明者らが磁場解析を繰り返し実行した結果、得られたものであり、本発明者らは、現状では、前掲のようなそろばん玉形状が最適なものであるとの結論を得ている。しかしながら、本明細書の記載から明らかなように、本発明は、電磁駆動弁Ｕの推力特性を所望の推力特性に調整するために内ヨーク１４に空洞１４ａを設ける全ての場合を包含するものであり、本発明の範囲は空洞１４ａの形状がそろばん玉形状に一致する場合に限定されるものではない。例えば、径一定の部分を適当に設けたりすることは、本発明に当然に包含されるものである。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

実施例１および比較例１
図４に、内ヨーク１４に空洞１４ａを設けた電磁駆動弁Ｕ（実施例１）と、設けない電磁駆動弁（比較例１）とにおける静推力特性のシミュレーション結果を示す。ここで、横軸は、可動子１の位置であり、弁が閉じる位置を原点とし、弁が開く方向を正としている。縦軸は、コイル１５の印加電流を２０アンペアとしたときの推力である。

図４に示すように、比較例１では、可動子位置に応じて推力が変化するのは、可動子位置の狭い領域（２〜６［ｍｍ］）だけである。このため、その領域でのみ可動子１の位置決め制御を実行することが可能であり、他の領域（０〜２［ｍｍ］、６〜８［ｍｍ］）では可動子１の位置決め制御を実行することはできない。したがって、この場合のストロークは前記狭い領域（２〜６［ｍｍ］）に限定される。

これに対して、実施例１では、可動子位置の広い領域（０〜８［ｍｍ］）にわたって可動子位置に応じて推力が変化するために、その広い領域で可動子１の位置決め制御を行うことができる。したがって、自動車エンジンの吸排気弁に電磁駆動弁を適用する場合にも、電磁駆動弁を大型化することなく、要求されるストロークを確保することが容易となる。

実施例２および比較例２
図５に、内ヨーク１４に空洞１４ａを設けた、他の例の電磁駆動弁Ｕ（実施例２）と、設けない、他の例（比較例２）とにおける静推力特性のシミュレーション結果を示す。ここで、横軸および縦軸は、図４と同様である。

図５に示すように、実施例２は比較例２と比べ、可動子位置（０〜３［ｍｍ］）の範囲で推力が高くなり、可動子位置（０〜８［ｍｍ］）の範囲での推力平均も高くなっている。

また、可動子位置（０［ｍｍ］）で推力が２倍以上となっているので、高速な応答も実現可能である。というのは、可動子位置（０［ｍｍ］）の位置は弁が閉じている原点を表し、静止状態からまさに動きだそうとする点であり、この点では最も高い加速度を発生させるために高推力が必要となるからである。

図５において、特に重要な可動子位置の領域は、１〜４［ｍｍ］の領域であり、この領域が実機では可動子１の往復動作の高速応答を実現するのに重要な可動子位置の領域に対応している。すなわち、この重要な領域において推力を大きくすることができれば、高推力化が実質的に達成されたことになる。図５により明らかなように、実施例２では、比較例２よりもその重要な領域において格段に高い推力が得られている。したがって、内ヨーク１４に適切な形状の空洞（推力調整空洞）１４ａを設けることによって、所望の推力特性を得ることが可能であり、それにより高推力化を達成し得ることが分かる。

以上述べたとおり、空洞（推力調整空洞）１４ａを内ヨーク１４に設けることによって、（１）可動子１の軸方向長さの拡大を招くことなく、より長い可動子１のストロークを確保することができ、これによりサイズの拡大を抑えつつ、自動車エンジン用の電磁駆動弁として必要とされるストロークを容易に確保することができる、（２）可動子１の往復動作の高速応答を実現するのに重要な可動子位置の領域で大きな推力が得られるよう推力特性を調整することができ、これにより実質的に電磁駆動弁Ｕの高推力化を実現することができる、（３）内ヨーク１４が軽量になり、これにより可動子１が軽量化されて、応答性が向上する、といった効果を奏する。

このように、本実施形態の電磁駆動弁Ｕは、可動子１を構成する内ヨーク１４に推力調整空洞１４ａを設けることによって、大型化することなく自動車エンジン用の電磁駆動弁として要求されるストロークを容易に確保することができるとともに、高推力化を達成し、かつ軽量化を達成することが可能となる。

高推力化および軽量化が達成されることにより、バルブ位置の急峻な変位が要求される場合の矩形リフトプロファイルの実施も容易となる。

また、高推力化により、幅広いエンジン回転数において、より適切な動弁リフトプロファイルを適用して電磁駆動弁Ｕを制御することが可能となる。これにより、印加電流のみの制御により、エンジン回転数に応じたより適切なリフト量およびタイミングで吸排気弁を開閉することができ、燃費を大幅に改善したり、エンジンの排気に含まれる有害物質を大幅に低減したりすることが可能となる。

本発明は、電磁駆動弁に適用できる。

本発明の一実施形態に係る電磁駆動弁の概略構成を示す断面図である。 同電磁駆動弁の可動子を構成する永久磁石および内ヨークを示す斜視図である。 同内ヨークの詳細を示す斜視図である。 内ヨークに空洞を設けた場合の実施例１と、設けない場合の比較例１とにおける推力特性を示すグラフ図である。 内ヨークに空洞を設けた他の場合の実施例２と、設けない他の場合の比較例２とにおける推力特性を示すグラフ図である。 従来の電磁駆動弁の一例の図１相当図である。

符号の説明

１ 可動子
２ 固定子
１１ 弁体
１２ シャフト
１３ 永久磁石
１４ 内ヨーク
１４ａ 空洞（推力調整空洞）
１５ コイル
１６ 外ヨーク
Ｕ 電磁駆動弁

Claims (4)

1. 弁体を有する軸を電磁駆動機構によりリニア駆動する電磁駆動弁であって、
   前記電磁駆動機構の可動子は、推力調整空洞が設けられた内ヨークを有してなることを特徴とする電磁駆動弁。
2. 前記推力調整空洞が、そろばん玉状に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の電磁駆動弁。
3. 内ヨークが、所定形状とされた貫通孔を有する内ヨーク分割体を接合してなるものであることを特徴とする請求項１記載の電磁駆動弁。
4. 内ヨークが、対向面が同極とされた永久磁石間に介装されてなることを特徴とする請求項１記載の電磁駆動弁。

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