JPH06129218A - バルブ開閉装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 弁体が弁座に対して着座するときに発生する
バウンスを防止する。 【構成】 弁体を開弁させる超磁歪アクチュエータは、
制御パルスが印加されることにより磁界を発生するコイ
ルと、このコイルの磁界により伸長する複数の超磁歪シ
ャフトとからなり、自由端の超磁歪シャフトは伝達シャ
フトを介して弁体に当接する。そして、コイルに印加さ
れる制御パルスは、その立下がり特性時に終端付近で徐
々に減少するようにな徐減波分ｂを形成する。これによ
り、弁ばねによる弁体の閉弁速度を緩衝し、弁体が弁座
に叩きつけられるのを緩和し、バウンスを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば自動車用エンジ
ンの吸，排気バルブに用いて好適なバルブ開閉装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、自動車用エンジンのシリンダ内
に画成された燃焼室へ混合気を供給する吸気バルブ，燃
焼後の燃焼ガスを排出する排気バルブは、軸の径方向に
凹凸部を有するカムの回転によりバルブを開閉弁する機
械的なバルブ開閉装置を用いていた。

【０００３】しかし今日では、エンジンの高性能化に伴
って、回転数が高回転になりつつあり、機械的なバルブ
開閉装置ではピストンの往復動に対してバルブの開閉動
作が追従できなくなって燃焼室に供給される混合気の流
入量および排出量を正確に得ることができなくなる。こ
のため、バルブの開閉速度を速くして、バルブの開閉を
確実に行なわせるためには、例えば特開平２−１４２９
７９号公報に示すような、超磁歪アクチュエータを用い
たバルブ開閉機構が知られている。

【０００４】まず、図３および図４に基づいて、従来技
術として駆動機構に超磁歪アクチュエータを用いたバル
ブ開閉装置を示し説明する。

【０００５】図中、１はエンジン本体のシリンダ（いず
れも図示せず）上に設けられた弁座部材としてのシリン
ダヘッドを示し、該シリンダヘッド１の下側には、シリ
ンダ内に位置したピストン（いずれも図示せず）との間
に燃焼室２が画成され、該シリンダヘッド１には前記燃
焼室２と連通する弁座３を有する開口部４が形成されて
いる。

【０００６】５はシリンダヘッド１の開口部４を開閉す
べく、前記弁座３に離着座する弁体を示し、該弁体５は
軸部５Ａと、該軸部５Ａの先端側に形成された傘状の弁
部５Ｂと、前記軸部５Ａの基端側に形成された円板状の
弁ばね受部５Ｃとから構成される。

【０００７】６は弁ばねを示し、該弁ばね６は前記弁体
５の弁ばね受部５Ｃとシリンダヘッド１の開口部４の外
側との間に保持され、該弁ばね６は弁体５を常時閉弁す
る方向に付勢している。

【０００８】７は駆動機構をなす超磁歪アクチュエー
タ、８は前記超磁歪アクチュエータ７を構成するケーシ
ングを示し、該ケーシング８内には後述する制御パルス
発生装置１５からの制御パルスにより励磁されるコイル
９と、正の磁歪材料からなる複数本（例えば６本）の超
磁歪シャフト１０Ａ〜１０Ｆと、該超磁歪シャフト１０
Ａ〜１０Ｆの各端面に位置して設けられ、長さの比率が
例えば１：２の関係となる５個のてこ１１Ａ〜１１Ｅ
と、前記超磁歪シャフト１０Ａ〜１０Ｆのうち、終点に
位置した超磁歪シャフト１０Ｆに当接された伝達シャフ
ト１２とから大略構成されている。

【０００９】ここで、前記超磁歪シャフト１０Ａ〜１０
Ｆの始点となる超磁歪シャフト１０Ａの一方の端面はケ
ーシング８内に形成された固定端となる固定部８Ａに固
着され、他方の端面はてこ１１Ａの短手部に当接し、次
の超磁歪シャフト１０Ｂの一方の端面はてこ１１Ａの長
手部に当接し、他方の端面はてこ１１Ｂの短手部に当接
する。このように、てこ１１Ａ〜１１Ｅの間には超磁歪
シャフト１０Ａ〜１０Ｆが順次配設されている。

【００１０】そして、終点の超磁歪シャフト１０Ｆにお
いては、一方の端面をてこ１１Ｅの長手部に当接させ、
他方の端面は自由端となって伝達シャフト１２に当接し
ている。ここで、該伝達シャフト１２はケーシング８の
挿通穴８Ｂ内を挿通して外部に突出し、弁体５の軸部５
Ａに固着された緩衝部材１３に当接している。

【００１１】なお、１４は予荷重ばねを示し、該予荷重
ばね１４は挿通穴８Ｂ内側と伝達シャフト１２のばね保
持部１２Ａとの間に保持され、てこ１１Ａ〜１１Ｅを介
して前記ケーシング８内に配設された超磁歪シャフト１
０Ａ〜１０Ｆに予荷重を与えている。

【００１２】１５は制御パルス発生手段としての制御パ
ルス発生装置を示し、該制御パルス発生装置１５は図４
中の上側に示すように、ピーク値Ｉ0 ，パルス幅ｔの制
御パルスを電流値とし超磁歪アクチュエータ７のコイル
９に印加する。

【００１３】ここで、超磁歪アクチュエータ７および制
御パルス発生装置１５は弁体５を駆動する駆動機構とし
て構成され、超磁歪アクチュエータ７のコイル９に制御
パルス発生装置１５から制御パルスが印加されると、該
コイル９により磁界が発生し、この磁界によって超磁歪
シャフト１０Ａ〜１０Ｆが伸長する。

【００１４】このとき、一方が固定端となる超磁歪シャ
フト１０Ａの伸長分は、てこ１１Ａにより倍の伸びとし
て超磁歪シャフト１０Ｂに伝わり、該超磁歪シャフト１
０Ｂでは自身の伸長分および超磁歪シャフト１０Ａから
の伸びをてこ１１Ｂにより倍の伸びとして超磁歪シャフ
ト１０Ｃに伝える。このように、超磁歪シャフト１０Ａ
〜１０Ｆおよびてこ１１Ａ〜１１Ｅにより該超磁歪シャ
フト１０Ａ〜１０Ｆの伸長分は積算，加算され、自由端
となる伝達シャフト１２における伸長分を大きくするこ
とができる。

【００１５】このように構成される従来技術によるバル
ブ開閉装置においては、超磁歪アクチュエータ７のコイ
ル９に制御パルス発生装置１５からの制御パルスが印加
されると、該コイル９により磁界が発生し、この磁界に
応じて超磁歪シャフト１０Ａ〜１０Ｆが伸長し、自由端
の伝達シャフト１２を矢示Ａ方向に移動させる。

【００１６】そして、伝達シャフト１２は緩衝部材１３
を介して弁体５の軸部５Ａを押動し、弁体５を弁ばね６
に抗して弁座３から離座して開弁させる。なお、この弁
体５の開弁状態は図４の下側に示すようになり、制御パ
ルスの立上りよりも若干遅れて開弁する。また、弁体５
が弁座３から離座する離間寸法は制御パルスのピーク値
Ｉ0 に対応するものである。

【００１７】一方、制御パルス発生装置１５から制御パ
ルスの印加が中止されると、コイル９による磁界が消去
され、超磁歪シャフト１０Ａ〜１０Ｆが縮小し、伝達シ
ャフト１２を矢示Ｂ方向に移動させる。

【００１８】そして、弁体５は弁ばね６のばね力によ
り、弁部５Ｂを弁座３に着座させて閉弁させる。なお、
この弁体５の閉弁状態は図４の下側に示すようになり、
制御パルスの立下がりよりも遅れて閉弁する。

【００１９】ここで、図４について説明すれば、上側は
制御パルス発生装置１５から超磁歪アクチュエータ７の
コイル９に印加される制御パルスを示し、下側は弁体５
と弁座３の弁特性を示すものである。そして、下側の特
性は、縦軸が弁体５の開弁量（弁体５が弁座３から離座
する離間寸法）を示しているから、図４中の斜線部の面
積Ｓは開弁時の流量を示し、吸気バルブとして機能させ
た場合を考えると、この斜線部の面積Ｓは燃焼室２内に
供給される混合気の流量を表している。

【００２０】さらに、この斜線部の面積Ｓは図４中の上
側に示す制御パルスのパルス面積（ピーク値Ｉ0 ×パル
ス幅ｔ）に比例するものであり、パルス面積によって流
量が設定されている。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術では、閉弁動作においては、コイル９に印加する
制御パルスを停止し、弁体５を弁座３に着座させるが、
超磁歪アクチュエータ７内の各超磁歪シャフト１０Ａ〜
１０Ｆの縮小速度の方が弁ばね６の付勢力による弁体５
の戻り速度よりも速いため、超磁歪アクチュエータ７の
伝達シャフト１２の縮み速度に対して弁体５が追従でき
ず、該伝達シャフト１２と緩衝部材１３との間が一時的
に離間し、図４の矢示ａに示すように、弁体５の弁部５
Ｂが弁座３に着座する瞬間に、弁部５Ｂが弁座３に叩き
つけられるという現象（以下「バウンス」という）が発
生し、確実に閉弁できなくなるという問題がある。

【００２２】また、このバウンスのために、閉弁動作時
に確実に閉弁できなくなることで、例えば混合気を燃焼
室２内に供給する吸気バルブとして考えた場合には、混
合気の流量を正確に供給することができないという問題
がある。

【００２３】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、本発明は閉弁時に弁体が弁座に対してバ
ウンスするのを防止できるをバルブ開閉装置を提供する
ことを目的としている。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために本発明が採用する構成は、開口部に弁座が形成さ
れた弁座部材と、該弁座部材の開口部を開，閉すべく、
前記弁座に離着座する弁体と、該弁体と前記弁座部材と
の間に設けられ、該弁体を閉弁方向に常時付勢した弁ば
ねと、該弁ばねに抗して前記弁体を開弁方向に駆動する
駆動機構とからなるバルブ開，閉装置において、前記駆
動機構は、コイルを制御パルスで励磁して超磁歪シャフ
トを伸縮させることにより、前記弁体を駆動する超磁歪
アクチュエータと、該超磁歪アクチュエータのコイルに
制御パルスを印加する制御パルス発生手段とから構成
し、該制御パルス発生手段は、前記制御パルスの立下が
り特性を終端付近で徐々に減少する波形としたことを特
徴としたことにある。

【００２５】また、前記制御パルス発生手段から発生す
る制御パルスのピーク値，パルス幅の積と、補正以前の
制御パルスのピーク値，パルス幅の積とが等しくなるよ
うにピーク値を補正することが望ましい。

【００２６】

【作用】上記構成により、超磁歪アクチュエータの超磁
歪シャフトの縮小時の速度を、弁体が弁座に着座する寸
前で徐々に減少するようにして、弁体が弁座に着座する
瞬間の緩衝作用を行なうことができる。

【００２７】また、補正前にコイルに加わる制御パルス
のピーク値，開弁時間の積と、補正後のピーク値，開弁
時間の積とを等しくするから、弁体の開弁状態における
吸，排流体の流量を等しくすることができる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１および図２に基
づき説明する。なお、実施例では前述した従来技術と同
一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略する
ものとする。

【００２９】図中、２１は本発明の実施例による制御パ
ルス発生手段となる制御パルス発生装置を示し、該制御
パルス発生装置２１は従来技術の制御パルス発生装置１
５とほぼ同様に、超磁歪アクチュエータ７のコイル９に
接続され、図２の上側に示すような制御パルスを前記コ
イル９に印加するようになっている。

【００３０】ここで、図２中の上側に示す制御パルスは
ピーク値Ｉ0 ′，パルス幅ｔ′の基本波と、該基本波の
立下がり時に電流値ＩA ，傾斜ＩA ／ｔA の減少特性を
有する三角形状の徐減波分ｂと、基本波に含まれる波高
補正分ｃとから構成されている。なお、基本波のパルス
幅ｔ′は従来技術による制御パルスのパルス幅ｔに対し
て、ｔ′＜ｔの関係となり、ピーク値Ｉ0 ′は従来技術
の制御パルスのピーク値Ｉ0 に対して、Ｉ0 ′＞Ｉ0 と
なり、ピーク値Ｉ0 ′は次の数１により設定されるもの
である。

【００３１】

【数１】

【００３２】さらに、前記電流値ＩA は、この電流値Ｉ
A を超磁歪アクチュエータ７のコイル９に印加しておく
ことで、各超磁歪シャフト１０Ａ〜１０Ｆが若干伸長す
るようにな値に設定されている。

【００３３】本実施例によるバルブ開閉装置は上述の如
き構成を有するもので、その基本的作動については従来
技術によるものと格別差異はない。

【００３４】然るに、本実施例では、上述した如くの図
２の上側に示す制御パルスを超磁歪アクチュエータ７の
コイル９に印加することにより、弁体５は弁座３に対し
て図２中の下側に示すような弁特性となる。

【００３５】即ち、本実施例による制御パルス発生装置
２１から超磁歪アクチュエータ７のコイルに印加される
制御パルスは図２中の上側に示すような波形となるか
ら、閉弁時においては、まず制御パルスの立下がりによ
りコイル９の磁界が減少し、この磁界の減少に伴って、
超磁歪シャフト１０Ａ〜１０Ｆが縮小し、このとき伝達
シャフト１２の縮小速度は弁ばね６が弁体５を弁座３に
着座させようとする速度よりも速いから、緩衝部材１３
と伝達シャフト１２との間に隙間が発生する。

【００３６】そして、弁体５が弁座３に着座する寸前
（パルス立上りからｔ′後）に制御パルスの徐減波分ｂ
により、コイル９に印加される電流を、電流値ＩA から
徐々に減少するようにしているから、超磁歪シャフト１
０Ａ〜１０Ｆの縮小速度を低下させて伝達シャフト１２
の縮小速度を遅くする。これにより、弁ばね６による弁
体５の速度よりも伝達シャフト１２の縮小速度を遅くす
ることができ、緩衝部材１３が該伝達シャフト１２に当
接し、伝達シャフト１２の縮小速度に準じて弁体５が弁
座３に着座するようになり、弁体５を弁座３に緩やかに
着座させ、バウンスを防止する。

【００３７】さらに、前記数１により、波高補正分ｃを
関与したピーク値Ｉ0 ′に設定することにで、従来技術
の制御パルスのパルス面積（ピーク値Ｉ0 ×パルス幅
ｔ）と本実施例の制御パルスのパルス面積（ピーク値Ｉ
0 ×パルス幅ｔ）とを等しくすることができる。そし
て、本実施例による弁体５の弁特性による開弁時の流量
（即ち、図２中の下側に示す斜線部の面積Ｓ）と、従来
技術の開弁時の流量（図４中の下側に示す斜線部の面積
Ｓ）とは同一面積を有するようにしている。これによ
り、本実施例のバルブ開閉装置を吸気バルブとして機能
させた場合には、従来技術と同量の混合気を燃焼室２内
に供給することができる。

【００３８】かくして、本実施例によれば、弁体５の
開，閉弁動作を行なわせる超磁歪アクチュエータ７のコ
イル９に印加する制御パルスに立下がり特性の終端付近
で徐々に減少する徐減波分ｂを発生させるようにしたか
ら、弁体５が弁座３に対して着座する寸前に、超磁歪ア
クチュエータ７の伝達シャフト１２の縮小速度が弁ばね
６による弁体５の着座方向の速度よりも遅くすることが
でき、この伝達シャフト１２の縮小速度に応じて弁体５
を弁座３に緩やかに着座させることができる。そして、
従来技術発生していたバウンスを防止し、弁体５の弁座
３に対する開，閉弁を正確に行なうことができる。そし
て、流量の漏れを確実に防止できる。

【００３９】なお、前記実施例では、制御パルスの基本
波に加える徐減波分ｂを電流値ＩA，傾斜ＩA ／ｔA の
三角形状にして、線形的に電流値が減少するものとして
述べたが、これに替えて、徐減波分ｂを曲線的に減少す
るように形成してもよい。

【００４０】また、前記実施例では、エンジン本体の高
回転に対応するために、制御パルスのパルス幅を短く
し、波高補正分ｃによってピーク値を高くするようにし
て補正したが、本発明はこれに限らず、パルス幅を長く
し、ピーク値を低くするように補正してもよい。

【００４１】さらに、前記実施例では、バルブ開閉装置
を、エンジンの燃焼室に混合気を供給する吸気バルブに
ついて述べたが、本発明はこれに限らず、エンジンの燃
焼ガスを排出する排気バルブまたは工業用機械のバルブ
開閉装置等に用いることもできる。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述した如く、本発明によれば、弁
体の開，閉弁動作を行なわせる超磁歪アクチュエータの
コイルに印加する制御パルスを、立下がり特性の終端付
近で徐々に減少する波形を有するようにしたから、弁体
が弁座に対して着座する寸前に、超磁歪アクチュエータ
の超磁歪シャフトの縮小速度が弁ばねによる弁体の着座
方向の速度よりも遅くすることができ、この超磁歪シャ
フトの縮小速度に応じて弁体を弁座に緩やかに着座させ
ることができる。そして、閉弁時に弁体が弁座に叩きつ
けられて発生していたバウンスを確実に防止することが
できる。

【００４３】また、補正前にコイルに加わる制御パルス
のピーク値，開弁時間の積と、補正後のピーク値，開弁
時間の積とを等しくすることにより、弁体の開弁状態に
おける吸，排流体の流量を補正前と等しい流量にするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるバルブ開閉装置の全体構
成図である。

【図２】実施例による制御パルス発生装置からの制御パ
ルス波形および弁特性を示す説明図である。

【図３】従来技術によるバルブ開閉装置の全体構成図で
ある。

【図４】従来技術による制御パルス発生装置からの制御
パルスの波形および弁特性を示す説明図である。

【符号の説明】 １ シリンダヘッド（弁座部材） ３ 弁座 ４ 開口部 ５ 弁体 ６ 弁ばね ７ 超磁歪アクチュエータ ９ コイル １０Ａ〜１０Ｆ 超磁歪シャフト １１Ａ〜１１Ｅ てこ １２ 伝達シャフト ２１ 制御パルス発生装置（制御パルス発生手段） Ｉ0 ′ ピーク値 ｔ′ パルス幅 ｂ 徐減波分 ｃ 波高補正分

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 開口部に弁座が形成された弁座部材と、
   該弁座部材の開口部を開，閉すべく、前記弁座に離着座
   する弁体と、該弁体と前記弁座部材との間に設けられ、
   該弁体を閉弁方向に常時付勢した弁ばねと、該弁ばねに
   抗して前記弁体を開弁方向に駆動する駆動機構とからな
   るバルブ開，閉装置において、前記駆動機構は、コイル
   を制御パルスで励磁して超磁歪シャフトを伸縮させるこ
   とにより、前記弁体を駆動する超磁歪アクチュエータ
   と、該超磁歪アクチュエータのコイルに制御パルスを印
   加する制御パルス発生手段とから構成し、該制御パルス
   発生手段は、前記制御パルスの立下がり特性を終端付近
   で徐々に減少する波形としたことを特徴とするバルブ開
   閉装置。
2. 【請求項２】 前記制御パルス発生手段から発生する制
   御パルスのピーク値，パルス幅の積と、補正以前の制御
   パルスのピーク値，パルス幅の積とが等しくなるように
   ピーク値を補正してなる請求項１記載のバルブ開閉装
   置。