JP4803882B2 - 電磁アクチュエータ制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電磁バルブのアクチュエータ制御装置に関し、より具体的には、自動車、船舶等のエンジンにおけるバルブを駆動する電磁アクチュエータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆる電磁バルブと呼ばれる電磁アクチュエータによる動弁機構が提案されている。電磁アクチュエータは、典型的には、対向した電磁石の中間部に、それぞれオフセット荷重を予め与えた状態の一対のばねで挟まれた可動鉄片すなわちアマチャを備える。アマチャにはバルブが連結されている。対向した電磁石に交互に電力を供給すると、アマチャが駆動され、よってバルブが駆動される。このようなバルブ駆動においては、従来、次のような駆動方法が採用されている。
【０００３】
１）一方の電磁石がアマチャに及ぼす磁気吸引力が、一対のばねの反発力に打ち勝ってアマチャを吸引し、着座させる。このアマチャ（バルブ）は、その後の電磁石への電力供給の停止などを契機として着座状態から開放され、一対のばねの作用で余弦関数的に変位を開始する。
２）このアマチャの変位に応じたタイミングで、他方の電磁石に適当な電流を供給して吸引力発生のための磁束を成長させる。
３）アマチャがこの磁束を発生しつつある他方の電磁石に近づくにつれて磁束が急速に成長する。他方の電磁石の吸引力による仕事が、一方の電磁石の残留磁束によるアマチャを引き戻そうとするわずかな仕事と、大部分の仕事である機械的損失との和に打ち勝ち、アマチャが吸引されて他方の電磁石に着座する。
４）アマチャが着座する時期を見計らい、適切なタイミングで他方の電磁石にアマチャを保持するための一定電流を供給し、アマチャを保持し続ける。
【０００４】
このように、アマチャが着座面に近づくにつれて磁気吸引力は急速に大きくなる。また、アマチャの安定的な着座を実現させるために過剰の電力が投入されることがある。これらに起因して、着座速度がたとえば１ｍ／ｓ以上にもなり、着座時の騒音が励起される。この着座速度を抑制するために様々な手法が提案されている。
【０００５】
たとえば特開平１０―２７４０１６号公報には、アマチャ（可動子）を着座させるとき、第１の所定期間にわたって電磁石を通電した後、第２の所定期間の間通電を中止し、その後また電磁石への通電を再開するアクチュエータ駆動回路が開示されている。第１の所定期間経過後に電磁石への通電が停止されると、アマチャを吸引する吸引力は急激に減衰するが、慣性によりアマチャは移動しつづける。その後通電を再開することにより、アマチャを吸引する吸引力が再度増大する。第１の所定期間および第２の所定期間は、アマチャの位置に従って決定され、こうして、アマチャの着座速度を微調整して着座に至らせる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、電磁アクチュエータの電磁石に対し過励磁動作を行うために電力を供給する方式として、一定電流を供給する方式および一定電圧を印加する方式などがある。これらの電力供給方式においては、磁気吸引力の増大カーブが急峻にならざるをえず、その結果、アマチャが着座面に勢いよく衝突する。
【０００７】
具体的な例として、電磁アクチュエータをエンジンの動弁系のように高速で繰り返し動作させる場合であって、過励磁期間において一定電圧を印加し、アマチャの着座速度が小さくなるよう最適化された場合の動作を図１８を参照して説明する。左の縦軸は、アマチャの変位量（ｍｍ）および速度（ｍ／ｓ）を示すとともに、電磁石に供給される電流（Ａ）を示す。右の縦軸は吸引力（Ｎ）を示すとともに電磁石に印加される電圧（Ｖ）を示す。
【０００８】
時刻ｔ１（このときの時刻をゼロとする）において電磁石への通電を停止すると共に、閉弁側に着座していたアマチャが開放される。これに応答して、アマチャの変位が増大し始める。ここで、閉弁側に着座している時の変位が−０．２ｍｍになっているのは、バルブが閉じている時にバルブ軸とアマチャの間に発生する隙間の大きさであり、バルブが完全に閉じるためのクリアランス機構に起因するものである。また、時刻ｔ２（０．８ｍｓ）付近でアマチャ速度が急激に低下しているのは、アマチャ変位が０に達したことでバルブ軸との隙間が０ｍｍとなり、アマチャが、静止しているバルブ軸に衝突して合体し、バルブを押し出すためである。
【０００９】
時刻３．２ｍｓ付近において、電磁石に過励磁電圧を印加する。アマチャが開弁側に近づくにつれて磁気吸引力が急激に増大し、アマチャが開弁側に着座した直後、吸引力は着座を維持するための最小保持吸引力（４００Ｎ）を上回り、よってアマチャは着座する。時刻ｔ３（４．２ｍｓ）付近で過励磁が終了した後、アマチャを保持するための一定電流制御に移行する。図に示されるように、時刻ｔ３における着座時の速度は約０．５ｍ／ｓであり、これは十分小さいとはいえない。過励磁の開始および終了時刻を様々に調整しても、着座速度を十分小さい値に制御することは困難である。
【００１０】
また、このような着座面へのアマチャの衝突を回避するため、上記の特開平１０−２７４０１６号公報のように、着座付近においてアマチャの動きを変位センサで検出し、変位またはアマチャ速度によるフィードバック制御を行う場合には、変位センサに非常な高精度が要求され、実現するのが困難である。
【００１１】
したがって、比較的簡単に実現することができ、アマチャの着座速度を十分小さくしてアマチャが着座面に達するときに騒音が励起されないようにするアクチュエータ制御装置が必要とされている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１の電磁アクチュエータ制御装置は、対向する方向に働く一対のばねと、ばねに連結され非動作状態で該ばねにより与えられる中立位置に支持される機械要素に結合したアマチャと、アマチャを２つの終端位置の間で駆動する一対の電磁石と、アマチャが前記終端位置の一方に吸引されるよう、該一方の終端位置に対応する電磁石に、第１の印加期間にわたって電圧を印加する電圧印加手段と、第１の印加期間において前記電磁石に流れる電流のピーク値を検出するピーク電流検出手段と、ピーク電流検出手段によって検出された前記ピーク電流検出手段によって検出された前記電流のピーク値が高い場合は、前記第１の印加期間経過後に前記電磁石に印加する電圧印加期間の中で、低い電圧を印加する期間を前記電流のピーク値が低い場合よりも短くし、高い電圧を印加する期間を前記電流のピーク値が低い場合よりも長くするように電圧の印加期間を決定する電圧印加期間決定手段と、を備えるという構成をとる。
【００１３】
請求項１の発明によると、電流のピーク値に従ってその後の電圧印加期間が決定されるので、騒音を励起しない着座速度でアマチャを安定的に着座させることができる。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の発明の電磁アクチュエータ制御装置において、電圧印加決定手段は、ピーク電流検出手段によって検出された電流のピーク値に従って、さらに、前記第１の印加期間経過後に前記電磁石に印加する電圧値を決定するという構成をとる。
【００１５】
請求項２の発明によると、電流のピーク値に従って、その後の電圧印加期間だけでなく印加する電圧値をも決定することができるので、騒音を励起しない着座速度でアマチャを安定的に着座させることができる。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１の発明の電磁アクチュエータ制御装置において電圧印加決定手段は、前記ピーク電流検出手段によって検出された電流のピーク値に従って、第２の電圧の第２の印加期間および第３の電圧の第３の印加期間を決定し、電圧印加手段は、前記第１の印加期間経過後に、前記決定された第２の印加期間にわたって第２の電圧を前記電磁石に印加した後、前記決定された第３の電圧の印加期間にわたって第３の電圧を前記電磁石に印加し、前記第２の電圧は前記第１の電圧よりも低く、前記第３の電圧は前記第２の電圧よりも高く設定されるという構成をとる。
【００１７】
請求項３の発明によると、第１の印加期間経過後に低い第２の電圧が印加され、その後に高い第３の電圧が印加されるので、吸引力が抑制され、着座速度を低くしてアマチャを着座させることができる。
【００１８】
請求項４の発明は、対向する方向に働く一対のばねと、ばねに連結され非動作状態で該ばねにより与えられる中立位置に支持される機械要素に結合したアマチャと、アマチャを２つの終端位置の間で駆動する一対の電磁石と、アマチャが前記終端位置の一方に吸引されるよう、該一方の終端位置に対応する電磁石に、第１の印加期間にわたって電圧を印加する電圧印加手段と、第１の印加期間において前記電磁石に流れる電流のピーク値を検出するピーク電流検出手段と、前記アマチャを前記一方の終端位置から他方の終端位置に駆動するとき、該アマチャを吸引動作する方の電磁石が生成する磁束を推定する磁束推定手段と、前記第１の印加期間が経過した後、前記磁束推定手段によって推定された磁束が、前記ピーク電流検出手段によって検出された電流のピーク値に基づいて予め定められた磁束に収束するよう前記電磁石への通電を制御する通電制御手段と、を備える、という構成をとる。
【００１９】
請求項４の発明によると、第１の印加期間経過後に、電磁石から発生する磁束が、電流のピーク値に従って予め定められた磁束に収束するよう制御されるので、アマチャの着座および着座時以降における吸引力が安定し、よって騒音を励起することなくアマチャを着座させて、安定な着座状態を維持することができる。
【００２０】
また、本発明の参考形態では、上記の電磁アクチュエータ制御装置において、アマチャを前記一方の終端位置から他方の終端位置に駆動するとき、該アマチャを吸引動作する方の電磁石が生成する磁束を推定する磁束推定手段と、前記電圧印加期間決定手段によって決定された印加期間にわたって前記電磁石への電圧印加が終了した後、前記磁束推定手段によって推定された磁束が、前記アマチャを前記他方の終端位置に保持するのに必要な磁束に収束するよう、前記電磁石への通電を制御する通電制御手段と、を備えるという構成をとる。
【００２１】
この参考形態によると、電磁石から発生する磁束が、アマチャの保持に必要な磁束に収束するよう制御されるので、アマチャの着座時以降における吸引力が安定させられ、よってアマチャの着座状態を安定的に維持することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、電磁アクチュエータ制御装置の全体的な構成を示すブロック図である。制御装置１は、マイクロコンピュータおよびこれに付随する回路素子で構成される中央演算処理装置２（以下「ＣＰＵ」という）、実行するプログラムおよびデータを格納するＲＯＭ３（読み取り専用メモリ）、実行時の作業領域を提供し演算結果などを記憶するＲＡＭ４（ランダムアクセスメモリ）、および入出力インターフェース５を備える。
【００２３】
入出力インターフェース５には、エンジン回転数（Ｎｅ）、エンジン水温（Ｔｗ）、吸気温（Ｔａ）、バッテリ電圧（ＶＢ）、イグニションスイッチ（IGSW）等を表す各種センサ２５からの信号が入力され、また、要求負荷検出手段２６によって検出された所望のトルクが入力される。要求負荷検出手段２６は、たとえばアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサにより実現することができる。
【００２４】
駆動回路８は、制御装置１からの制御信号に基づいて、定電圧源６から供給される電力を、電磁アクチュエータ１００に設けられた第１の電磁石１１および第２の電磁石１３に供給する。この発明の一実施形態では、アマチャを吸引するための電力は定電圧として供給され、アマチャを着座位置に保持するための電力は定電流として供給される。定電流制御は、たとえば定電圧源６から供給される電圧をパルス幅変調して電磁石に供給するか、もしくは単純に目標電流と実際の電流とをコンパレータで比較して、電圧のオン／オフを繰り返すことにより実行することができる。
【００２５】
駆動回路８には電圧検出器９が接続されており、電圧検出器９は、第１および第２の電磁石１１および１３に供給される電圧の大きさを検出して制御装置１に入力する。また、駆動回路８には電流検出器１０が接続されており、電流検出器１０は、第１および第２の電磁石１１および１３に供給される電流の大きさを検出して制御装置１に入力する。
【００２６】
制御装置１は、上記の各種センサ２５および要求負荷検出手段２６からの入力と、電圧検出器９および電流検出器１０から入力された信号に基づいて、電力供給のタイミング、供給する電圧の大きさ、電圧を供給する期間などのパラメータを、予めＲＯＭ３に格納されている制御プログラムに従って決定する。その後、制御装置１は、電磁アクチュエータ１００を適切に制御する制御信号を入出力インターフェース５を介して駆動回路８に出力する。このように、内燃機関の燃費向上、エミッション低減および出力特性向上のため、駆動回路８は、最適化された電流を第１および第２の電磁石１１および１３に通電させることができる。
【００２７】
図２は、図１の電磁アクチュエータ１００の概略の構造を示す断面図である。バルブ２０は、内燃機関の吸気ポートまたは排気ポート（以下、吸排気ポート３０という）に設けられ、該吸排気ポート３０を開閉する。バルブ２０は、電磁アクチュエータ１００によって上方向に駆動されるとエンジンの吸排気ポート３０に設けられたバルブシート３１に密着して停止し、吸排気ポート３０を閉じる。また、バルブ２０は、電磁アクチュエータ１００によって下方向に駆動されるとバルブシート３１を離れ、バルブシート３１から所定の距離離れた位置まで下降して吸排気ポート３０を開く。
【００２８】
バルブ２０には、その上方に向かってバルブシャフト２１が連設されている。バルブシャフト２１は、バルブガイド２３によって軸方向に運動可能に保持されており、その上端に軟磁性材料で作られた円板状のアマチャ２２が取り付けられている。アマチャ２２は、第１のばね１６および第２のばね１７により上下から付勢されている。
【００２９】
電磁アクチュエータ１００の非磁性材料のハウジング１８内には、アマチャ２２の上方に位置する第１のソレノイド型の電磁石１１、およびアマチャ２２の下方に位置する第２のソレノイド型の電磁石１３が設けられている。第１の電磁石１１は第１の磁気ヨーク１２で囲まれており、第２の電磁石１３は第２の磁気ヨーク１４で囲まれている。第１のばね１６および第２のばね１７は、第１の電磁石１１または第２の電磁石１３のいずれにも励磁電流が通電されていない状態で、アマチャ２２が第１の電磁石１１と第２の電磁石１３の間の中間に位置するようなバランスで設けられている。
【００３０】
駆動回路８（図１）によって第１の電磁石１１に励磁電流が通電すると、第１の電磁石のヨーク１２およびアマチャ２２が磁化されて互いに吸引しあい、アマチャ２２が上方向に引きつけられる。その結果、バルブシャフト２１によりバルブ２０が上方向に駆動され、バルブシート３１に密着して停止し、閉状態になる。
【００３１】
第１の電磁石１１への励磁電流の供給を停止し、第２の電磁石１３に励磁電流を通電すると、第２の電磁石のヨーク１４およびアマチャ２２が磁化されてアマチャ２２を下方向に吸引する力が働き、ばねのポテンシャルエネルギーと相まってアマチャ２２が下方向に駆動され、第２の電磁石のヨーク１４に接触した状態で停止する。その結果、バルブシャフト２１によりバルブ２０が下方向に駆動され、バルブ２０は開状態になる。
【００３２】
図３は、この発明の一実施例に従う、図１の電磁アクチュエータ制御装置１の詳細な機能ブロック図である。この発明の一実施例においては、電磁石のコイル（以下、単に「コイル」というときは、電磁石のコイルを示すとする）への過励磁動作を第１から第３の３つの期間に分けて実行する。
【００３３】
電磁石制御部５０は、アマチャを吸引する過励磁動作中は電磁石のコイルに一定電圧が印加されるよう駆動回路８を制御し、アマチャを保持する保持動作中は電磁石のコイルに一定電流が供給されるよう駆動回路８を制御する。
【００３４】
Ｎｅ、Ｐｂ検出部５１は、エンジン回転数センサの出力からエンジン回転数Ｎｅを検出し、吸気管圧力センサの出力から吸気管圧力Ｐｂを検出する。Ｐｂはエンジンの負荷状態を表すパラメータであり、Ｎｅはエンジンのバルブの動作速度、したがってアマチャの動作速度を表す。アマチャ変位センサ５３は、アマチャの変位（リフト）量を検出する。
【００３５】
第１の印加期間決定部５２は、第１の過励磁動作の開始および終了時刻を、Ｎｅ、Ｐｂに基づいて決定する。具体的には、第１の印加期間決定部５２は、予め用意されＲＯＭ３に格納されているＮｅ、Ｐｂ、電圧の印加開始時刻および印加期間の対応関係を示す第１の過励磁タイミングマップを参照し、現在のＮｅおよびＰｂに基づく第１の印加開始時刻および印加期間を抽出する。第１の印加開始時刻は、アマチャの１ｍｍ変位の時点（アマチャが開放されて１ｍｍだけ変位した時点）から起算される時間で表される。第１の過励磁タイミングマップは、高負荷になるにつれて印加期間が長くなるよう作成されている。
【００３６】
他の実施例においては、過励磁タイミングマップは、Ｎｅ、Ｐｂ、印加電圧の対応関係を示す。この場合、マップは、高負荷になるにつれて印加する電圧が大きくなるよう作成されている。さらに他の実施例では、Ｎｅ、Ｐｂに加え、印加電圧および印加期間の両方を含めた過励磁タイミングマップを用いてもよい。また、過励磁タイミングマップを、吸気管圧力Ｐｂおよびエンジン回転数Ｎｅに加え、またはこれらのパラメータの代わりに、アクセル開度、スロットル開度、コイルの温度のような他のパラメータにも基づくよう作成してもよい。
【００３７】
電磁石制御部５０は、変位センサ５３によって検出されたアマチャの１ｍｍ変位に応答して、第１の印加期間決定部５２から与えられた第１の印加開始時刻において、予め設定された第１の電圧のコイルへの印加を開始し、この電圧印加を、第１の印加期間が経過するまで続ける。
【００３８】
ピーク電流検出部５４は、第１の印加期間決定部５２によって決定された第１の印加期間の間コイルに流れる電流をモニターし、該第１の印加期間におけるピークの電流値を検出する。第２の印加期間決定部５５は、ピーク電流検出部５４によって検出された電流ピーク値に従って、第１の印加期間経過後の過励磁動作について、電圧の印加期間を決定する。
【００３９】
具体的にいうと、第２の印加期間決定部５５は、ピーク電流および第２の印加期間の対応関係を示す「第２の過励磁タイミングマップ」を参照し、検出された電流ピークに基づく第２の印加期間を抽出する。さらに、第２の印加期間決定部５５は、ピーク電流および第３の印加期間の対応関係を示す「第３の過励磁タイミングマップ」を参照し、検出された電流ピークに基づく第３の印加期間を抽出する。
【００４０】
電磁石制御部５０は、第１の印加期間が経過した後、第２の印加期間決定部５５から与えられた第２の印加期間の間、予め設定された第２の電圧をコイルに印加する。さらに、第２の印加期間が経過した後、第２の印加期間決定部５５から与えられた第３の印加期間の間、予め設定された第３の電圧をコイルに印加する。ここで、第２の電圧は、第１の電圧および第３の電圧よりも低く設定される。
【００４１】
他の実施例においては、第２および第３の過励磁タイミングマップは、ピーク電流、印加する電圧および該電圧の印加期間の対応関係を示すマップである。この場合、第２および第３の電圧は、予め固定的に設定されていない。第２の印加期間決定部５５は、第２および第３の過励磁タイミングマップを参照して、電流ピーク値に基づく電圧および印加期間の両方を抽出する。電磁石制御部５０は、第２の印加期間決定部５５から与えられた第２の電圧を、同じく第２の印加期間決定部５５から与えられた第２の印加期間の間、コイルに印加する。第２の印加期間経過後、電磁石制御部５０は、第２の印加期間決定部５５から与えられた第３の電圧を、同じく第２の印加期間決定部５５から与えられた第３の印加期間の間、コイルに印加する。
【００４２】
さらに他の実施例においては、第２および第３の過励磁タイミングマップは、ピーク電流、印加する電圧の対応関係を示すマップである。この場合、第２および第３の印加期間は、予め設定されている。第２の印加期間決定部５５は、第２および第３の過励磁タイミングマップを参照して、電流ピーク値に基づく第２および第３の電圧を抽出する。電磁石制御部５０は、第２の印加期間決定部５５から与えられた第２の電圧を、予め決められた第２の印加期間の間コイルに印加し、その後、第２の印加期間決定部５５から与えられた第３の電圧を、予め決められた第３の印加期間の間コイルに印加する。
【００４３】
次に、図４を参照して、この発明の一実施例に従う、三期間分割過励磁方式の動作例を説明する。時刻３．２ｍｓ付近において、第１の過励磁動作（▲１▼で示されている）が起動される。第１の過励磁動作においては、第１の印加期間にわたって第１の電圧４２Ｖがスイッチング素子を介してコイルに印加される。コイルに電圧が印加されることで電磁アクチュエータに磁気エネルギーが蓄えられ、この磁気エネルギーの一部が、アマチャを引きつける機械仕事に変換される。第１の印加期間が終了した時点におけるアマチャと電磁石のヨーク着座面との間の空隙は０．２７７ｍｍであり、吸引力は１０６Ｎである。
【００４４】
第１の印加期間が経過した後、第２の過励磁動作（▲２▼で示されている）が起動される。第２の過励磁動作においては、第２の印加期間にわたって、第１の電圧よりも低い第２の電圧がスイッチング素子を介してコイルに印加される。この例では、第２の印加電圧は０Ｖであり、そのため、フライホイールダイオードを用いる。低い第２の電圧を印加したことにより、駆動回路側のスイッチング素子などに発生する電圧降下に伴うエネルギーが電磁アクチュエータ側から駆動回路側へ供給され、駆動回路側で損失となる。一方、アマチャはこの期間中にも慣性によって移動を継続しており、よって空隙は徐々に減少していく。それにより、磁気抵抗が低下することと、磁路を流れる磁束が増大することが作用しあって、参照番号７１に示されるように、吸引力の増加が抑制される。第２の印加期間が終了した時点における空隙は０．０６６ｍｍであり、吸引力は１４３Ｎである。
【００４５】
第２の印加期間が経過した後、第３の過励磁動作（▲３▼で示されている）が起動される。第３の過励磁動作においては、第３の印加期間にわたって、第２の印加電圧よりも大きい第３の印加電圧４２Ｖがスイッチング素子を介してコイルに印加される。この例では、第３および第１の印加電圧は同じ大きさであるが、異なる大きさであってもよい。図に示されるように、この第３の印加期間の最初の方は吸引力が小さいために、また終わりの方はアマチャ速度が小さいために、第３の印加期間全体にわたって「吸引力×アマチャ速度」、すなわち吸引力による機械仕事は増大しない。
【００４６】
このように、第１の印加期間によってアマチャを吸引し、その後に第２の印加期間に低い電圧を印加することで、吸引力の増大にブレーキがかかり、かつアマチャの速度も低減される。そのため、第３の印加期間において、吸引力は、アマチャを保持するのに必要な最小保持吸引力を過大に超えることがない。よってアマチャを安定的に着座させることができる。
【００４７】
この実施例においては３期間に分けて過励磁動作を行うが、他の実施例においては、３期間以上に細分して電圧を印加するようにしてもよい。または、第１の印加期間における電流ピーク値に従って第２の印加期間および／または第２の電圧を調整し、第２の印加期間において着座させるよう制御してもよい。
【００４８】
また、この実施例によると、第１の印加期間では４２Ｖ、第２の印加期間では０Ｖ、第３の印加期間では４２Ｖの電圧が、コイルに印加される。しかしながら、これらの電圧の値は、電源電圧などに依存して適切に変更されることのできる値であり、これらの値に限定されるわけではない。
【００４９】
図５は、従来技術および本発明の実施例に従う着座付近の機械仕事の遷移を示す。曲線７３は、従来技術における機械仕事を示し、曲線７４は本発明の一実施例に従う機械仕事を示す。図１８を参照して説明したように、従来技術においては着座付近において吸引力が急激に増加するために、アマチャの運動エネルギーが増えて着座速度が増加する。これに対し、本発明によると、第１の印加期間においてアマチャを吸引した後に、第２の印加期間において低い電圧をコイルに印加するので、着座直前における機械仕事の上昇がなだらかになる。したがって、アマチャの速度上昇が抑制され、騒音をほとんど励起することなく着座に至ることができる。
【００５０】
上記のような複数の期間に分割して過励磁を行う方式の能力を十分引き出すため、何らかの原因でアマチャの変位にばらつきが生じた場合でも安定な動作を実現するのが好ましい。アマチャ変位のばらつきには、位相および振幅の２種類が考えられる。位相ばらつきは、アマチャリフトの変位を示すグラフが時間軸方向へシフトすることであり、振幅ばらつきは、アマチャが自由振動している時の自由振動ピーク位置から着座面までの距離（以下、未到達距離という）に変化が生じることである。原因としては、前者は主に、電磁アクチュエータの吸引力のばらつきなどによるアマチャ開放時刻の変動であり、後者は主に、バルブシャフトのフリクション（摩擦）のばらつきである。
【００５１】
このようなばらつきに対処するため、これらのばらつきを検出する必要がある。位相ばらつきについては、着座面からアマチャが１ｍｍだけ変位した時点を検出することにより、どのくらい位相がシフトしているかを検出することができる。振幅ばらつきについては、コイルに過励磁電圧を印加したときの電流のピーク値によって検出することができる。
【００５２】
図６は、位相ばらつきの検出方法を説明するための図である。実線で示される曲線８１は、位相シフトおよび振幅シフトが生じていない場合の、標準のアマチャ変位波形を示す。破線で示される曲線８２は、対向側の保持吸引力が増加したために、標準波形８１に対して位相がシフトした場合のアマチャ変位波形を示す。２つの曲線の１ｍｍリフト検出時点ｔ５およびｔ６の差、すなわち位相シフトは、０．４５ｍｓである。このように、１ｍｍ変位の時間差を検出することにより、標準波形８１に対してどのくらい位相がシフトしているかを検出することができる。
【００５３】
一方、点線で示される曲線８３は、フリクションが約３倍に達したために着座面までの未到達距離が大きくなった場合の波形を示す。図から明らかなように、曲線８１および８３はほとんど同じ軌跡を有しており、この図からだけでは振幅ばらつきを検出することはできない。
【００５４】
また、実線で示される曲線８５は、標準のアマチャ波形８１に対応するアマチャ速度であり、破線で示される曲線８６は、位相がシフトしたアマチャ変位波形８２に対応するアマチャ速度であり、点線で示される曲線８７は、振幅がシフトしたアマチャ変位波形８３に対応するアマチャ速度である。図から明らかなように、位相シフトは、アマチャ速度の波形からも検出することができる。しかし、曲線８５および８７はほぼ重なり合っており、よってアマチャ速度からは振幅シフトを検出することができない。
【００５５】
図７の（ａ）は、アマチャの自由振動とフリクションの関係を示す図である。
点線で示される曲線８９は、フリクションが標準（１倍）の場合の自由振動時の時間波形を示し、実線で示される曲線８８は、フリクションが標準に対して３倍である場合の自由振動時の時間波形を示す。図から明らかなように、フリクションが大きくなると自由振動の収束が速くなる。したがって、フリクションが大きくなると、アマチャの着座面までの未到達距離が大きくなる。
【００５６】
図７の（ｂ）は、振幅ばらつきを検出する方法を説明するための図である。前述したように、フリクションが増大するにつれて未到達距離は長くなるが、コイルに流れる電流のピーク値も比例して増大する。これは、未到達距離が長くなるにつれて、アマチャと電磁石のヨークとの間の空隙が大きくなり、磁路を流れる総磁束の変化、すなわちコイルの逆起電力が小さくなるのを補償するようにコイルに流れる電流が上昇するからである。したがって、第１の印加期間中における電流ピーク値を検出することにより、振幅ばらつきを検出することができる。
【００５７】
検出された位相および振幅ばらつきに従って、前述した３期間分割過励磁のやり方を制御する。具体的にいうと、
１）位相および振幅に全くばらつきが無い場合：
アマチャの１ｍｍ変位を検出し、これに応答して「第１の過励磁タイミングマップ」を参照し、第１の印加開始時刻および第１の印加期間を決定する。
２）位相変化がある場合：
アマチャの１ｍｍ変位を検出し、これが標準の１ｍｍ変位の時刻と異なる場合は、その差分だけ第１の印加開始時刻をシフトする。したがって、上記１）の場合と同様に、「第１の過励磁タイミングマップ」に基づいて第１の印加開始時刻および第１の印加期間を決定する。
３）振幅変化がある場合：
第１の印加期間における電流のピーク値を検出し、該ピーク値に基づいて予め定められた「第２の過励磁タイミングマップ」から第２の印加期間を決定し、同じくピーク値に基づいて予め定められた「第３の過励磁タイミングマップ」から第３の印加期間を決定する。
【００５８】
図８の（ａ）に、第２の過励磁タイミングマップの例を概略的に示す。また、図８の（ｂ）に、第３の過励磁タイミングマップの例を概略的に示す。フリクションが大きくて未到達距離が大きいということは、着座面までの到達距離が大きいということを示す。また、前述したように、第２の印加期間においては、第１の印加期間に印加される電圧よりも低い第２の電圧がコイルに印加され、第３の印加期間においては、第２の電圧よりも高い第３の電圧が印加される。したがって、第２の過励磁タイミングマップは、電流のピーク値が大きくなるにつれて（すなわち未到達距離が大きくなるにつれて）、第２の印加期間が短くなるよう作成されている。第３の過励磁タイミングマップは、電流のピーク値が大きくなるにつれて、第３の印加期間が長くなるよう作成されている。これらのマップは、予め作成されＲＯＭに格納される。
【００５９】
次に、この発明の第２の実施例を説明する。この実施例によると、コイルへの過励磁動作を終了してアマチャの保持動作を実行するとき、吸引力を目標吸引力に収束させるよう制御して、アマチャの安定した着座を実現する。しかしながら、アマチャが動作している時の吸引力を実測することは困難であるので、電磁アクチュエータのコイルの直流抵抗から総磁束を推定する方法により、吸引力の大きさを見積もる。
【００６０】
電磁石のヨーク部を電力トランスのように積層構造にすると、磁性材の渦電流損失の影響をきわめて小さくすることができ、負荷としては純粋なインダクタンス素子に近くなる。この場合、電磁気回路の方程式は、次のようになる。
【００６１】
【数１】

【００６２】
すなわち、電磁アクチュエータの端子電圧Ｅは、コイルの直流抵抗Ｒと駆動電流Ｉとの積と、総磁束Φ_allの時間変化の和に近い値を示す。実際には渦電流損失の影響があるので、Ｒはコイルの直流抵抗より大きく、しかも時間の関数になるが、この差異を見込んでＲを直流抵抗よりわずかに大きい値に設定することにより、実用上十分な精度を得ることができる。この式に基づいて総磁束Φ_allは、次の式で求めることができる。
【００６３】
【数２】

【００６４】
図1を参照すると、電圧Ｅおよび電流Ｉは、電圧検出器９および電流検出器１０で計測されるので、ある時刻における総磁束Φ_allは、積分値リセット機能を付加した積分器で演算することができる。なお、式（２）におけるΦ_allは総磁束の推定値であり、これを、以降は便宜上「推定総磁束」と呼ぶ。
【００６５】
図９は、第２の実施例の詳細な機能ブロック図である。ここで、図３に示した機能ブロック図と同じ参照番号のものは、図３を参照して説明したものと同じ機能を有するので、説明を省略する。
【００６６】
目標総磁束決定部５６は、Ｎｅ、Ｐｂ検出部５１から検出された現在のＮｅおよびＰｂに基づいて、アマチャを着座させるのに必要な総磁束の目標値を決定する。この決定は、予め用意されＲＯＭ３に格納されているＮｅ、Ｐｂ、および目標総磁束の対応関係を示すマップを参照して行われる。
【００６７】
コイルへの電圧印加が開始されると、積分器５７が、コイルに印加される電圧およびコイルに流れる電流に基づいて、上記の式（２）に従って総磁束の積分計算を開始する。
【００６８】
電磁石制御部５０は、目標総磁束決定部５６から与えられた目標磁束と、積分器５７から与えられた現在の推定総磁束の値とを比較し、現在の推定総磁束と目標総磁束との磁束差を算出する。電磁石制御部５０は、磁束制御部５８から磁束差を受け取り、この磁束差がゼロになるよう、すなわち現在の推定総磁束が目標総磁束に収束するよう、コイルへの通電を制御する。
【００６９】
図１０は、第２の実施例に従って、コイルへの過励磁動作を実行した後に磁束を制御する場合を示す。時刻３．２ｍｓで４２Ｖの電圧の印加を開始すると、この電圧はほぼ一定なので、式（２）で算出される推定総磁束は、曲線９１で示されるようにほぼ直線的に増大する。しかしながら、アマチャが変位を開始した初期の段階ではアマチャに鎖交する磁束はごく少なく、漏れ磁束が大きい。このため、アマチャに鎖交する磁束は、実際には曲線９２のようになる。この曲線９２で示される総磁束が、実際に吸引力に寄与する磁束である。漏れた磁束は、空隙その他の漏れ磁束空間を鎖交する。
【００７０】
アマチャの変位が進み着座が間近になるにつれ、漏れていた磁束もアマチャを鎖交するようになり、鎖交する磁束は急激に大きくなる。この急激な磁束の増大は、アマチャが電磁石のヨークに着座したときに弱まる。曲線９１の最大値と曲線９２の最大値との差は、式（２）のＲを直流抵抗より大きい値に設定したこと、および磁性材の磁気飽和領域にさしかかって漏れ磁束が再び増大したことが原因であると考えられる。
【００７１】
しかし、実際の動作において、磁気吸引力と式（２）で得られる推定総磁束との相関が判明すれば、これに基づいて制御装置を設計することができるので、上記の差は、問題とならない。たとえば、Ｒの値を直流抵抗値の１．８倍程度に設定することで、磁束の最終的な推定値を真の値に一致させることができる。なお、Ｒは動作温度などによっても変化するので、総磁束推定値の曲線９１は、動作温度等を考慮して修正されたものを使用するのが好ましい。
【００７２】
３期間の過励磁動作の終了と同時に、式（２）で逐次計算される推定総磁束の値を、エンジン回転数Ｎｅおよび吸気管圧力Ｐｂに基づいて予め設定された目標総磁束（この例では、曲線９１上の黒い丸印で示される点に対応する磁束であり、３４ｍＷｂである）に収束させるようフィードバック制御が開始される。具体的には、第４の印加期間（▲４▼で示されている）の間、コイルに±１２Ｖの電圧を繰り返し印加することによってスイッチング制御する。式（２）で計算される推定総磁束を目標総磁束に収束させることにより、吸引力に寄与する磁束を、アマチャを着座状態に保持させるのに必要な最小保持総磁束に収束させることができる。図に示される例では、時刻５．０ｍｓ付近で、推定総磁束は目標総磁束に収束する。
【００７３】
図１０の例では、時刻５．０ｍｓ付近で推定総磁束を目標総磁束に収束させた後、最小保持総磁束に対して吸引力寄与磁束に余裕を持たせるため、推定総磁束が少し増大するよう磁束制御を行っている。
【００７４】
このように、吸引動作する側のコイルが生成する磁束を推定して該磁束を目標磁束に収束させることにより、アマチャ着座時以降における吸引力を最適化することができる。こうして、アマチャの着座状態が安定的に維持される。
【００７５】
図１１は、この発明の第３の実施例の動作を示す。図１０に示される第２の実施例においては、現在の総磁束を式（２）に従って推定し、この推定された総磁束を、現在のＮｅおよびＰｂに基づいて算出された目標総磁束に収束させるようコイルへの通電を制御した。それに対し、図１１に示される第３の実施例においては、予め用意され格納された、第１の印加期間における電流のピーク値に基づく、第１の印加期間経過後の目標総磁束の時間波形を参照し、この目標総磁束の時間波形に収束するようコイルへの通電を制御する。この実施例によると、第１の印加期間における電流のピーク値に基づく目標総磁束に現在の推定総磁束を収束させるので、第１の印加期間におけるアマチャの振動方向の変動に応じて吸引力を適切に制御させることができる。したがって、第１の印加期間が経過した後、アマチャを安定的に着座させることができ、かつその後の着座状態を安定的に維持することができる。
【００７６】
図１１においては、第１の印加期間が経過した後、前述した第２および第３の印加期間に相当する期間において、式（２）で推定される総磁束を目標総磁束に速やかに収束させるために±４２Ｖでスイッチング制御する。第３の印加期間が経過した後、第４の印加期間（▲４▼で示されている）において、安定的な着座状態を維持するため、±１２Ｖでスイッチング制御する（しかし、第３の印加期間が経過した後も、±４２Ｖのスイッチング制御を引き続き行うようにしてもよい。）。こうして、現在の推定総磁束を目標総磁束に収束させる。
【００７７】
図１２は、この発明の第１の実施例に従う、電磁アクチュエータ制御の動作を示すフローチャートである。このフローチャートは、一定間隔で繰り返し実行される。ステップ１０１において、アマチャの変位が１ｍｍに達したかどうか判断する。達していなければこのままルーチンを抜け、達したならば、第１の過励磁動作許可フラグに値１を設定して、第１の過励磁動作ルーチンを実行する（１０２）。第１の過励磁動作ルーチンを実行した後、第２の過励磁動作ルーチンを実行し（１０３）、次に第３の過励磁動作ルーチンを実行する（１０４）。３回にわたる過励磁動作が終了した後、アマチャを着座状態に保持するための保持動作ルーチンを実行する（１０５）。すなわち、コイルに流れる電流が、現在のエンジン回転数Ｎｅおよび吸気管圧力Ｐｂに基づいて設定される目標保持電流に維持されるよう、たとえば±１２Ｖの電圧を印加することによりスイッチング制御する。予め設定されたアマチャの開放時刻が到来したならば、ステップ１０６において、アマチャの開放動作を実行する。
【００７８】
図１３は、図１１のステップ１０２で実行される第１の過励磁動作を示すフローチャートである。ステップ１５１に示されるように、第１の過励磁動作許可フラグに値１がセットされたとき、このルーチンに入る。ステップ１５２において、第１の過励磁タイミングマップから、第１の印加開始時刻および第１の印加期間を抽出する。前述したように、第１の過励磁タイミングマップは、エンジン回転数Ｎｅ、吸気管圧力Ｐｂ、電圧印加開始時刻、および印加期間の対応関係を示すマップである。電圧印加開始時刻は、１ｍｍ変位検出時点から起算された値として表される。
【００７９】
ステップ１５３において、ゼロから開始する第１の過励磁タイマ（アップタイマである）を起動する。過励磁タイマが最初に第１の印加開始時刻に達したとき（１５４）、まだ第１の印加期間を経過していないので（１５５）、ステップ１５６に進み、第１の過励磁電圧をコイルに印加する。
【００８０】
ステップ１５５において過励磁タイマが第１の印加期間が経過したことを示すならば、第１の印加期間における電流のピーク値を検出する（１５７）。ステップ１５８において、検出したピーク電流値に基づいて、第２および第３の過励磁タイミングマップを参照し、第２および第３の印加期間をそれぞれ抽出する。前述したように、第２の過励磁タイミングマップは、第１の印加期間のピーク電流値と第２の印加期間の対応関係を示すマップであり、第３の過励磁タイミングマップは、第１の印加期間のピーク電流値と第３の印加期間の対応関係を示すマップである。
【００８１】
第１の印加期間が終了したので、ステップ１５９において、第１の過励磁動作許可フラグにゼロを設定し、第２の過励磁動作ルーチンを起動するために第２の過励磁動作許可フラグに値１をセットする。
【００８２】
図１４は、図１１のステップ１０３で実行される第２の過励磁動作を示すフローチャートである。ステップ１７１において、図１３のステップ１５９でセットされる第２の過励磁動作許可フラグが値１のとき、このルーチンに入る。ステップ１７２において、第２の過励磁タイマに、図１３のステップ１５８で第２の過励磁タイミングマップから抽出された第２の印加期間をセットし、該タイマを起動させる。このタイマはダウンタイマである。
【００８３】
ステップ１７３および１７４において、第２の印加期間が経過するまで、第２の過励磁電圧をコイルに印加する。第２の印加期間が経過したならば、ステップ１７５に進み、第２の過励磁動作許可フラグにゼロをセットし、次の第３の過励磁動作ルーチンを起動するために第３の過励磁動作許可フラグに値１をセットする。
【００８４】
図１５は、図１１のステップ１０４で実行される第３の過励磁動作を示すフローチャートである。ステップ１８１において、図１４のステップ１７５でセットされる第３の過励磁動作許可フラグが値１のとき、このルーチンに入る。ステップ１８２において、第３の過励磁タイマに、図１３のステップ１５８で第３の過励磁タイミングマップから抽出された第３の印加期間をセットし、該タイマを起動させる。このタイマは、ダウンタイマである。
【００８５】
ステップ１８３および１８４において、第３の印加期間が経過するまで、第３の過励磁電圧をコイルに印加する（１８４）。第３の印加期間が経過したならば、ステップ１８５に進み、第３の過励磁動作許可フラグにゼロをセットし、次の保持動作ルーチンを起動するために保持動作許可フラグに値１をセットする。
【００８６】
図１６は、この発明に従う第２の実施例の動作を示すフローチャートである。過励磁動作と保持動作との間に、ステップ２０５で示される磁束制御が実行される点で、図１２に示される第１の実施例と異なる。ステップ２０１〜２０４の過励磁動作、ステップ２０６の保持動作、およびステップ２０７のアマチャ開放動作については、第１の実施例と同様なので、ここでは説明を省略する。
【００８７】
３期間に分割された過励磁動作が終了した後、目標保持電流になるよう電流を制御する前に、ステップ２０５において、所定期間の間（たとえば、１ｍｓ）、推定総磁束を目標総磁束に収束させるようコイルへの通電を制御する。前述したように、目標総磁束は、現在のエンジン回転数Ｎｅおよび吸気管圧力Ｐｂに基づいて予め定められる値であり、推定総磁束は、式（２）に従って、現在のコイルの電流および電圧に基づいて算出される値である。推定総磁束の変化は吸引力の変化と考えることができるので、推定総磁束を目標総磁束に収束させることにより、アマチャに対する吸引力を最適化して、安定した着座状態を実現することができる。ステップ２０５における磁束制御が実行される上記所定期間は予め設定される。しかしながら、代替的に、推定総磁束が目標総磁束に収束するまで磁束制御を継続するようにしてもよい。
【００８８】
図１７は、前述した、この発明に従う第３の実施例の動作を示すフローチャートである。第１の過励磁動作と保持動作との間に、ステップ３０３で示される磁束制御が実行される点で、図１１に示される第１の実施例と異なる。ステップ３０１〜３０２の第１の過励磁動作、ステップ３０４の保持動作、およびステップ３０５のアマチャ開放動作については、第１の実施例と同様なので、ここでは説明を省略する。
【００８９】
第１の過励磁動作が終了した後、目標保持電流になるよう電流を制御する前に、ステップ３０３において、［第２の印加期間＋第３の印加期間＋所定期間］に相当する期間の間、第１の印加期間における電流ピーク値に基づいて予め設定された目標総磁束の時間波形に推定総磁束を収束させるようコイルへの通電を制御する。この所定期間は、たとえば１ｍｓである。前述したように、目標総磁束は、第１の印加期間におけるピーク電流に基づいて予め定められており、推定総磁束は、式（２）に従って、現在のコイルの電流および電圧に基づいて算出される。第２の実施例と同様に、推定総磁束の変化は吸引力の変化と考えることができるので、推定総磁束を目標総磁束に収束させることにより、アマチャの吸引力を最適化して、安定的に着座させることができ、その後の着座状態を安定的に維持することができる。ステップ３０３における上記所定期間は予め設定される。しかしながら、代替的に、推定総磁束が目標総磁束に収束するまで磁束制御を継続するようにしてもよい。
【００９０】
このように、第１の印加期間における電流のピーク値に基づいて、それ以降の過励磁動作の形態を調整することにより、アマチャを安定的に着座させることができる実施形態の例を説明してきた。これまで参照した図に示される印加電圧の値（４２Ｖなど）、スイッチング制御における電圧の値（±１２Ｖなど）は単なる例であり、電源電圧の大きさに従って、他の大きさの電圧を用いることができる。たとえば、保持動作を４２Ｖの電源で実行することも可能である。
【００９１】
【発明の効果】
請求項１の発明によると、電流のピーク値に従ってその後の電圧印加期間が決定されるので、騒音を励起しない着座速度でアマチャを安定的に着座させることができる。
【００９２】
請求項２の発明によると、電流のピーク値に従って、その後の電圧印加期間だけでなく印加する電圧値をも決定することができるので、騒音を励起しない着座速度でアマチャを安定的に着座させることができる。
【００９３】
請求項３の発明によると、第１の印加期間経過後に低い第２の電圧が印加され、その後に高い第３の電圧が印加されるので、吸引力が抑制され、着座速度を低くしてアマチャを着座させることができる。
【００９５】
請求項４の発明によると、第１の印加期間経過後に、電磁石から発生する磁束が、電流のピーク値に従って予め定められた磁束に収束するよう制御されるので、アマチャの着座および着座時以降における吸引力が安定し、よって騒音を励起することなくアマチャを着座させて、安定な着座状態を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例における電磁アクチュエータ制御装置の全体的なブロック図。
【図２】この発明の一実施例における電磁アクチュエータの機械的構造を示す図。
【図３】この発明の一実施例における電磁アクチュエータ制御装置の機能ブロック図。
【図４】この発明の一実施例における、３期間に分割して過励磁動作を実行したときの各パラメータの関係を示す図。
【図５】この発明の一実施例におけるアマチャ吸引による機械仕事の変化と、背景技術におけるアマチャ吸引による機械仕事の変化を示す図。
【図６】この発明の一実施例における、アマチャの通常動作時、位相シフトが生じたとき、振幅シフトが生じたときの各パラメータの関係を示す図。
【図７】この発明の一実施例における、（ａ）アマチャの自由振動の時間波形、および（ｂ）アマチャの未到達距離と、第１の印加期間におけるピーク電流との関係を示す図。
【図８】この発明の一実施例における、（ａ）ピーク電流値と第２の印加期間の対応を示す第２の過励磁タイミングマップの例、および（ｂ）ピーク電流値と第３の印加期間の対応を示す第３の過励磁タイミングマップの例を概略的に示す図。
【図９】この発明の第２および第３の実施例における電磁アクチュエータ制御装置の機能ブロック図。
【図１０】この発明の第２の実施例における、第１から第３の過励磁動作を実行した後に磁束制御を実行した場合の各パラメータの関係を示す図。
【図１１】この発明のさらに第３の実施例における、第１の過励磁動作を実行した後に磁束制御を実行した場合の各パラメータの関係を示す図。
【図１２】この発明の一実施例における、電磁アクチュエータ制御の全体的な動作を示すフローチャート。
【図１３】この発明の一実施例における第１の過励磁動作を示すフローチャート。
【図１４】この発明の一実施例における第２の過励磁動作を示すフローチャート。
【図１５】この発明の一実施例における第３の過励磁動作を示すフローチャート。
【図１６】この発明の第２の実施例における、電磁アクチュエータ制御の全体的な動作を示すフローチャート。
【図１７】この発明の第３の実施例における、電磁アクチュエータ制御の全体的な動作を示すフローチャート。
【図１８】背景技術の電磁アクチュエータ制御における各パラメータの関係を示す図。
【符号の説明】
５０ 電磁石制御部 ５２ 電圧印加決定部
５３ アマチャ変位センサ ５４ ピーク電流検出部
５５ 第２の印加期間決定部 ５６ 目標総磁束決定部
５７ 積分器 ５８ 磁束制御部

Claims (2)

1. 対向する方向に働く一対のばねと、
   前記ばねに連結され非動作状態で該ばねにより与えられる中立位置に支持される機械要素に結合したアマチャと、
   前記アマチャを２つの終端位置の間で駆動する一対の電磁石と、
   前記アマチャが前記終端位置の一方に吸引されるよう、該一方の終端位置に対応する電磁石に、第１の印加期間にわたって第１の電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記第１の印加期間において前記電磁石に流れる電流のピーク値を検出するピーク電流検出手段と、
   前記ピーク電流検出手段によって検出された電流のピーク値に従って、前記第１の印加期間後の、前記第１の電圧より低い第２の電圧の第２の印加期間および当該第２の電圧よりも高い第３の電圧の第３の印加期間を決定し、その決定の際に、当該第２の印加期間は前記電流のピーク値が大きくなるにつれて短くなるように設定し、当該第３の印加期間は前記電流のピーク値が大きくなるにつれて長くなるように設定する、電圧印加期間決定手段と、
   を備える電磁アクチュエータ制御装置。
2. 前記電圧印加期間決定手段は、前記ピーク電流検出手段によって検出された電流のピーク値に従って、前記第２および第３の電圧値を決定する、請求項１に記載の電磁アクチュエータ制御装置。

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