JPH11101110A - 電磁バルブの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】小型かつ軽量の電磁バルブの駆動装置を提供す
る。 【解決手段】バルブ１を開弁および閉弁方向のそれぞれ
に付勢する一対のスプリング５，１７と、電磁コイル１
３への通電により吸引力が生じる電磁石６とを有する電
磁バルブの駆動装置であり、電磁石６は、バルブ１の開
閉移動方向の両端面に、バルブ１の開弁および閉弁方向
のそれぞれに対して同時に吸引力が生じる一対の吸着面
６ａ，６ｂを有し、電磁石６のそれぞれの吸着面６ａ，
６ｂには、バルブ１の移動に連動する一対の可動板１
４，１５が所定の空隙を隔ててそれぞれ設置されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の吸排気
バルブなどに用いられる電磁バルブの駆動装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の内燃機関の吸排気バルブは、従
来よりカム機構による機械的な駆動が主流であったが、
近年これに代えて電気的に駆動する方法が提案されてい
る。内燃機関の吸排気バルブを電気的に駆動すること
で、カムシャフト等の回転機構が省略でき、またバルブ
タイミングを容易に変更できるので、内燃機関の運転状
態に応じた理想的な開閉弁タイミングが任意に設定可能
となって、出力特性および燃費特性を改善することでき
る。

【０００３】内燃機関の吸排気バルブの電気的駆動装置
として、電磁コイルを用いた電磁アクチュエータによる
ものが知られている（たとえば特開昭６１−２４７，８
０７号公報参照）。

【０００４】この電磁アクチュエータは、図７に示すよ
うに、可動子５１をバルブ５２の開弁方向および閉弁方
向に付勢する少なくとも２つのスプリング５３，５４
と、可動子５１をそれぞれバルブ５２の開弁方向と閉弁
方向とに吸引する少なくとも２つの電磁石５５，５６と
を備え、可動子５１とバルブ５２とからなる可動系は、
電磁コイル５７，５８に電流が流れていないときは２つ
のスプリング５３，５４のバネ力により、２つの電磁石
５５，５６の吸着面からそれぞれ所定の位置だけ離間し
た中立位置に保持されている。

【０００５】この状態から、開弁側または閉弁側の何れ
か一方の電磁石（たとえば５５とする）の電磁コイル５
７に電流が流されると、この電磁吸引力がスプリング５
３のバネ力に打ち勝って、可動系５１，５２が一方の電
磁石５５側に引き寄せられる。

【０００６】さらにこの状態で、電磁コイル５７の電流
が遮断されると、スプリング５３のバネ力により可動系
５１，５２は電磁石５５から離れるが、そのときの反動
（慣性力）によって中立位置を一旦通過し、他方の電磁
石５６側に接近する。この瞬間に他方の電磁石５６の電
磁コイル５８に電流を流すと、可動系５１，５２は他方
の電磁石５６側に吸引されることになる。

【０００７】こうした２つの電磁コイル５７，５８への
通電と遮断との繰返しによって、可動子５１は所定の変
位幅だけ変位することができ、この変位を利用してバル
ブ５２の開弁または閉弁状態が切り替わることになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の電磁バルブ駆動装置にあっては、駆動原理
上、開弁用と閉弁用との少なくとも２つの電磁石５５，
５６が必要となり、かつそれらは可動子５１の移動方向
の軸に対して直列に設けられる必要があるので、駆動装
置自体が必然的に大型かつ重くなる。狭小なエンジンル
ームに大きく重いバルブ駆動装置を多数設けることは非
現実的であり、こうした理由から自動車エンジンへの搭
載が躊躇されていた。

【０００９】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、小型かつ軽量の電磁バルブ
の駆動装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の電磁バルブの駆動装置は、バルブを
開弁および閉弁方向のそれぞれに付勢する一対の弾性体
と、電磁コイルへの通電により吸引力が生じる電磁石と
を有する電磁バルブの駆動装置において、前記電磁石
は、前記バルブの開閉移動方向の両端面に、前記バルブ
の開弁および閉弁方向のそれぞれに対して同時に吸引力
が生じる一対の吸着面を有し、前記電磁石のそれぞれの
吸着面には、前記バルブの移動に連動する一対の可動板
が所定の空隙を隔ててそれぞれ設置されていることを特
徴とする。

【００１１】この請求項１記載の電磁バルブの駆動装置
では、電磁石が、バルブの開閉移動方向の両端面に、バ
ルブの開弁および閉弁方向のそれぞれに対して同時に吸
引力が生じる一対の吸着面を有しているので、バルブを
開閉制御するに際しても２つの電磁石をバルブの移動方
向に直列に設ける必要がなくなり、部品点数を削減して
コストダウンを図ることができるとともに、当該バルブ
の移動方向に短い小型の電磁バルブの駆動装置を提供す
ることができる。

【００１２】バルブの開閉制御に際しては、電磁石の電
磁コイルに通電し、その吸着面に吸引力を発生させ、何
れか一方の吸着面に可動板の一方を吸着させる。これに
より、当該可動板と連動するバルブが開弁方向または閉
弁方向の何れかに動作することになるが、何れの方向に
移動させるかは、一対の可動板と一対の吸着面との空隙
寸法の初期設定値により選択することができる。

【００１３】請求項１記載の電磁バルブの駆動装置にお
いて、電磁石へ通電したときの当該バルブの停止位置は
特に限定されないが、請求項２記載の電磁バルブの駆動
装置は、前記電磁コイルへ通電したときは前記バルブが
全開位置または全閉位置の何れか一方で保持され、前記
電磁コイルへの通電を遮断したときは前記バルブが全開
位置から全閉位置に、または全閉位置から全開位置に移
動することを特徴とする。

【００１４】内燃機関の吸排気バルブなどに本発明の電
磁バルブの駆動装置を適用する場合には、バルブの上死
点および下死点は全閉位置および全開位置とすることが
望ましいからである。

【００１５】請求項３記載の電磁バルブの駆動装置は、
前記電磁石は、電磁コイル、内部磁極および外部磁極を
有し、前記両可動板は、電磁石の中心を貫通するシャフ
トによって互いに固定されていることを特徴とする。電
磁石と可動板とをこのように構成することで、幅方向に
も短い小型の電磁バルブの駆動装置が提供される。

【００１６】請求項４記載の電磁バルブの駆動装置は、
前記電磁コイルへの通電を遮断しているときは、閉弁側
の可動板の方が、開弁側の可動板よりも前記電磁石の吸
着面に接近して保持されることを特徴とする。

【００１７】この請求項４記載の電磁バルブの駆動装置
では、初期状態において閉弁側の可動板の方が開弁側の
可動板よりも電磁石の吸着面に接近して保持されている
ので、電磁コイルへの通電を立ち上げた際には、常に閉
弁側の可動板が吸着面に吸着されることになる。したが
って、立ち上がり時には、バルブが常に全閉位置とな
り、内燃機関に適用した場合には、エンジンの始動に適
した動作となる。

【００１８】請求項５記載の電磁バルブの駆動装置は、
前記電磁石には永久磁石が設けられ、前記バルブの全開
または全閉の位置では前記永久磁石の吸引力により前記
バルブを保持することを特徴とする。

【００１９】請求項１〜４記載の電磁バルブの駆動装置
では、バルブを全開位置または全閉位置に保持するため
には電磁石の電磁コイルへ通電し続ける必要があるが、
この請求項５記載の電磁バルブの駆動装置では、電磁石
は永久磁石を有しているので、電磁コイルに通電しなく
ても永久磁石の吸引力によって何れか一方の可動板を吸
着することができ、これによりバルブを全開位置または
全閉位置で保持することができる。そして、バルブの状
態を切り替えるときにのみ、電磁コイルに通電すればよ
いので、消費電力の一層の低減を図ることができる。

【００２０】請求項６記載の電磁バルブの駆動装置は、
前記電磁石に前記永久磁石の磁束を打ち消す方向の磁束
が生じるように、前記電磁コイルに所定のパルス状電流
を流したとき、前記バルブが、全開位置から全閉位置あ
るいは全閉位置から全開位置に移動することを特徴とす
る。

【００２１】請求項５記載の電磁バルブの駆動装置にお
いて、永久磁石に吸着された可動板を引き離してバルブ
を動作させるためには、たとえばこの請求項６記載の電
磁バルブの駆動装置のように、永久磁石の磁束を打ち消
す以上の磁束が電磁石に発生するように電磁コイルへの
通電を制御すればよい。これにより、バルブが、全開位
置から全閉位置あるいは全閉位置から全開位置に移動す
ることになる。

【００２２】

【発明の効果】請求項１および２記載の電磁バルブの駆
動装置によれば、一の電磁石によってバルブの開閉制御
が可能となるので、構成部品が減少するとともに構造が
比較的簡単になり、製造コストが低減できる。また、バ
ルブの移動方向に短い小型の電磁バルブの駆動装置を提
供することができ、この結果、車両への搭載が大いに期
待できる。

【００２３】請求項３記載の電磁バルブの駆動装置によ
れば、幅方向にも短い小型の電磁バルブの駆動装置が提
供される。

【００２４】請求項４記載の電磁バルブの駆動装置によ
れば、立ち上がり時にはバルブが常に全閉位置となるの
で、エンジンの始動に適した動作となり、内燃機関に適
用して好ましい電磁バルブの駆動装置を提供できる。

【００２５】請求項５および６記載の電磁バルブの駆動
装置によれば、電磁コイルに通電しなくても永久磁石に
よりバルブを全開位置または全閉位置で保持することが
できるので、消費電力の一層の低減を図ることができ
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。第１実施形態 図１は本発明の電磁バルブの駆動装置（以下、アクチュ
エータともいう）の第１実施形態を示す断面図であり、
バルブ１は、シリンダヘッド２に設けられた吸気あるい
は排気ポート３を開弁状態か閉弁状態に保持する機能を
司るものである。

【００２７】バルブ１の軸部であるバルブステム１ａの
上部にはリテーナ４が固定されており、このリテーナ４
とシリンダへッド２との間には、バルブスプリング（一
対の弾性体の一方）５が、バルブ１を閉弁方向に付勢す
るよう設けられている。

【００２８】アクチュエータのケース１１は、シリンダ
ヘッド２に固定され、このケース１１の内部には、電磁
石６が固定されている。この電磁石６は、電磁コイル１
３、磁性体からなる内部磁極１２ａおよび外部磁極１２
ｂから構成されている。

【００２９】電磁石６の吸着面６ａ，６ｂ、すなわち電
磁石６の上下の端面には、適当な空隙Ｓ１，Ｓ２を隔て
て磁性体からなる一対の可動板１４，１５が設置されて
おり、これらの可動板１４，１５は電磁石６の中心を貫
通するシャフト１６によって互いに固定されている。こ
れにより、可動板１４が電磁石６の吸着面６ａに吸着し
た場合は、可動板１５が電磁石から離れ、逆に可動板１
５が電磁石６の吸着面６ｂに吸着した場合は、可動板１
４が電磁石６から離れるようになっている。

【００３０】シャフト１６は、バルブ１側の端面がバル
ブステム１ａに接触されて設けられており、他方の端面
は可動板１５を介してスプリング（一対の弾性体の他
方）１７によりバルブ１開弁方向に付勢されている。

【００３１】図２および図３は、図１のＡ−Ａ線に沿う
断面における電磁石６の磁極形状の実施形態を示す図で
あり、特に限定はされないが、たとえば図２に示すよう
な円柱形状あるいは磁極面積を広く採るために図３に示
すような一方向に長い四角柱形状とすることができる。

【００３２】一方、電磁石６の電磁コイル１３は、駆動
回路１８に電気的に接続され、この駆動回路１８は、エ
ンジンの制御装置（ＥＣＵ；エンジンコントロールユニ
ット）２０から出力されるバルブ１の開弁および閉弁の
指令を受け、電磁コイル１３に電流を流したり電流を遮
断したりする。

【００３３】エンジンの制御装置（以下、ＥＣＵともい
う）２０は、クランク角センサを始めとする各種センサ
からの信号を入力し、エンジンにとって最適なバルブ１
の開閉タイミングを演算した上で、それに応じた指令信
号を駆動回路１８へ出力する。

【００３４】次に作用を説明する。図４は本実施形態の
電磁バルブの駆動装置の動作を示すタイミングチャート
であり、まず、駆動回路１８が電磁石６の電磁コイル１
３に電流を流していない場合について説明する。電磁コ
イル１３に電流が流れていないときは、電磁石６に吸引
力は発生しないので、可動板１４，１５およびシャフト
１６からなる可動子は、バルブスプリング５およびスプ
リング１７の作用によって保持されることになる。

【００３５】バルブスプリング５は、リテーナ４を介し
てバルブ１を閉弁方向に付勢しており、またこの付勢力
は、バルブステム１ａの上端を介してシャフト１６をも
上方へ押している。一方、スプリング１７は、可動板１
５を下方へ押しているので、結局、一対の可動板１４，
１５およびシャフト１６からなる可動部は、バルブスプ
リング５およびスプリング１７の力が釣り合った位置に
停止することになるが、本実施形態では、可動板１４，
１５が何れも電磁石６の磁極１２ａ，１２ｂの吸着面６
ａ，６ｂに接触しない、すなわち可動板１４，１５がそ
れぞれ所定の空隙Ｓ１，Ｓ２を隔てて電磁石６の吸着面
６ａ，６ｂに対向することとしている。

【００３６】この状態で、駆動回路１８がＥＣＵ２０か
らの駆動開始の信号を受け、電磁コイル１３に所定の電
流が流されると、電磁石６は可動板１４および１５を吸
引することになる。

【００３７】ここで、それぞれの可動板１４，１５につ
いて、電磁石６の吸着面６ａ，６ｂまでの距離（空隙Ｓ
１，Ｓ２の軸方向寸法）が厳密に同一であると、電磁石
６による吸引力は互いに釣り合い、可動板１４，１５お
よびシャフト１６からなる可動部は全く動作しないこと
になるが、何れか一方の空隙寸法を他方よりも小さくす
ることで、空隙寸法の小さい方の可動板に大きな吸引力
が作用し、こちらの可動板が電磁石６に吸引される。こ
れと同時に他方の可動板は電磁石６から遠ざかるので、
吸引力はより小さくなり、その結果、一方の可動板のみ
が電磁石６に吸着されることになる。

【００３８】電磁石６に通電しない初期状態において、
何れの可動板１４，１５を電磁石６に近づけるかについ
ては特に限定されないが、たとえばエンジンの吸排気バ
ルブの駆動装置として用いる場合には、電磁コイル１３
に電流を流さない初期の状態では、可動板１４の方が可
動板１５よりも電磁石６の吸着面６ａ，６ｂに接近する
よう、バルブスプリング５およびスプリング１７の荷重
を設定しておくことが望ましい。こうすることで、駆動
開始時には必ずバルブ１が閉弁状態に保持され、エンジ
ンの始動に適することとなるからである。

【００３９】次に、ＥＣＵ２０が開弁を指令し、それま
で電磁コイル１３に流れていた電流を駆動回路１８が遮
断した場合について説明する。例えば、それまで可動板
１４が電磁石６の吸着面６ａに吸引されており、バルブ
１が閉弁状態であったとすると、電磁コイル１３の電流
が断たれたことにより、可動板１４，１５およびシャフ
ト１６からなる可動部は、バルブスプリング５およびス
プリング１７の作用により下方向へ付勢される力を受け
ることになる。シャフト１６はバルブステム１ａの頂面
に接しているためバルブ１は全閉状態から開弁状態にな
る。

【００４０】このとき、可動部は、電磁コイル１３に電
流が流れていないときの初期の位置に直ちに停止するわ
けではなく、その慣性力により少なくとも一回は初期位
置を通過し、初期位置よりもさらに可動板１５と電磁石
６が接近することになる。

【００４１】この瞬間に、再び駆動回路１８から電磁コ
イル１３に電流が流されると、今度は可動板１４よりも
可動板１５の方が電磁石６に近い距離にあるため、電磁
石６の吸着面６ｂで可動板１５を吸引し、保持すること
になる。これにより、バルブ１は全開状態となる。

【００４２】次に、ＥＣＵ２０から駆動回路１８にバル
ブ１を閉じる指令が入った場合にも、先ほどと同様に、
ある所定の期間だけ電磁コイル１３の電流を遮断し、そ
の後再度通電を開始することにより、バルブ１を全開状
態から全閉状態に移動させることができる。

【００４３】このような制御、すなわち一の電磁コイル
１３のみに電流を通電、遮断する制御を繰り返すこと
で、内燃機関のバルブ１をエンジンの状態に応じて適宜
駆動制御することができる。

【００４４】第２実施形態 図５は本発明の電磁バルブの駆動装置の他の実施形態を
示す縦断面図であり、本実施形態においては、電磁石６
の内側磁極１２ａおよび外側磁極１２ｂの内部には、そ
れぞれが筒状に形成された永久磁石１９ａ，１９ｂが固
定されている。この点が上述した第１実施形態と相違
し、その他の第１実施形態と同じ構成部材には同一の符
号を付してある。

【００４５】本実施形態の永久磁石１９ａ，１９ｂは、
その軸方向に着磁されており、磁気回路中で同一の方向
となるよう、図示するような相反する方向に着磁されて
いる。

【００４６】図６は本実施形態の電磁バルブの駆動装置
の動作を示すタイミングチャートであり、本実施形態の
電磁バルブの駆動装置では、駆動回路１８が電磁コイル
１３に電流を流していない場合でも、可動板１４，１５
の何れか一方が永久磁石１９ａ，１９ｂの作用によっ
て、吸着面６ａ，６ｂの何れか一方に吸引され保持され
ることになる。以下の説明では、第１実施形態と同様
に、初期状態で可動板１４は可動板１５よりも電磁石６
に近くなるように設定され、すなわち可動板１４の方が
吸着面６ａに吸引して、バルブ１が閉弁状態に保持され
ているものとする。

【００４７】この閉弁状態から、ＥＣＵ２０から駆動回
路１８にバルブ１を開弁する指令が入力されたとする
と、駆動回路１８は、電磁石６中の永久磁石１９ａ，１
９ｂがつくる磁束の向きとは反対の方向の磁束を電磁コ
イル１３が発生するよう、所定の短い期間だけ電流を流
す。すると、永久磁石１９ａ、１９ｂに起因する吸引力
は、電磁コイル１３の電流によって打ち消され、第１実
施形態と同様に、可動板１４，１５およびシャフト１６
からなる可動部は、スプリング１７のバネ力によって移
動し、バルブ１を開弁状態にすることになる。

【００４８】可動板１４，１５およびシャフト１６から
なる可動部が、スプリング１７のバネ力によって変位
し、可動板１５の方が可動板１４よりも電磁石６の吸着
面６ｂに近い状態になったとき、駆動回路１８によって
電磁コイル１３の電流を遮断する。これにより、今度は
可動板１５が永久磁石１９ａ，１９ｂの吸引力により電
磁石６の吸着面６ｂに吸引され保持されることになっ
て、バルブ１は全開状態となる。

【００４９】この状態で、再び所定の期間だけ、永久磁
石１９ａ，１９ｂの磁束を打ち消す方向に磁束を発生さ
せるよう、電磁コイル１３に電流を流すと、今度は可動
板１４が電磁石６の吸着面６ａに吸引され、バルブ１は
全閉状態にもどる。

【００５０】こうした動作の繰り返しにより、バルブ１
は全開状態と全閉状態を切り替えられることになるが、
本実施形態によれば、バルブ１の開閉状態を切り替える
ときにのみ、電磁コイル１３に電流を流せばよいので、
第１実施形態と比べ、消費電力の低減が図れることにな
る。

【００５１】なお、以上説明した実施形態は、本発明の
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電磁バルブの駆動装置の第１実施形態
を示す縦断面図である。

【図２】本発明の電磁バルブの駆動装置における電磁石
の実施形態を示す横断面図である。

【図３】本発明の電磁バルブの駆動装置における電磁石
の他の実施形態を示す横断面図である。

【図４】第１実施形態の動作を示すタイミングチャート
である。

【図５】本発明の電磁バルブの駆動装置の第２実施形態
を示す縦断面図である。

【図６】第２実施形態の動作を示すタイミングチャート
である。

【図７】従来の電磁バルブの駆動装置を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１…バルブ、 １ａ…バルブステム、 ２…シリンダヘッド、 ３…吸気あるいは排気ポート、 ４…リテーナ、 ５…バルブスプリング、 １１…アクチュエータのケース、 １２ａ…内部磁極、 １２ｂ…外部磁極、 １３…電磁コイル、 １４，１５…可動板、 １６…シャフト、 １７…スプリング、 １８…駆動回路、 １９ａ，１９ｂ…永久磁石、 ２０…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バルブを開弁および閉弁方向のそれぞれに
   付勢する一対の弾性体と、電磁コイルへの通電により吸
   引力が生じる電磁石とを有する電磁バルブの駆動装置に
   おいて、 前記電磁石は、前記バルブの開閉移動方向の両端面に、
   前記バルブの開弁および閉弁方向のそれぞれに対して同
   時に吸引力が生じる一対の吸着面を有し、 前記電磁石のそれぞれの吸着面には、前記バルブの移動
   に連動する一対の可動板が所定の空隙を隔ててそれぞれ
   設置されていることを特徴とする電磁バルブの駆動装
   置。
2. 【請求項２】前記電磁コイルへ通電したときは前記バル
   ブが全開位置または全閉位置の何れか一方で保持され、
   前記電磁コイルへの通電を遮断したときは前記バルブが
   全開位置から全閉位置に、または全閉位置から全開位置
   に移動することを特徴とする請求項１記載の電磁バルブ
   の駆動装置。
3. 【請求項３】前記電磁石は、電磁コイル、内部磁極およ
   び外部磁極を有し、前記両可動板は、電磁石の中心を貫
   通するシャフトによって互いに固定されていることを特
   徴とする請求項１または２記載の電磁バルブの駆動装
   置。
4. 【請求項４】前記電磁コイルへの通電を遮断していると
   きは、閉弁側の可動板の方が、開弁側の可動板よりも前
   記電磁石の吸着面に接近して保持されることを特徴とす
   る請求項１〜３何れかに記載の電磁バルブの駆動装置。
5. 【請求項５】前記電磁石には永久磁石が設けられ、前記
   バルブの全開または全閉の位置では前記永久磁石の吸引
   力により前記バルブを保持することを特徴とする請求項
   １に記載の電磁バルブの駆動装置。
6. 【請求項６】前記電磁石に前記永久磁石の磁束を打ち消
   す方向の磁束が生じるように、前記電磁コイルに所定の
   パルス状電流を流したとき、前記バルブが、全開位置か
   ら全閉位置あるいは全閉位置から全開位置に移動するこ
   とを特徴とする請求項５記載の電磁バルブの駆動装置。