JPH11173126A - 電磁駆動式バルブ駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可動部が電磁石に接触した際の跳ね返りを抑
制して、小さな電流でバルブを駆動可能にする。 【解決手段】 バルブを閉弁方向に付勢する第一のスプ
リング４と、可動部をバルブの開弁方向に付勢する第二
のスプリング１５と、電磁コイルに所定の電流を流すこ
とによって、可動部に対して吸引力を発生する少なくと
も２つの電磁石８，９と、電磁石８，９の電磁コイルに
電流を所定のタイミングで通電する機能を有する駆動回
路を有し、それらの作用によってバルブを全開位置と全
閉位置との間で駆動する電磁駆動式バルブ駆動装置にお
いて、前記電磁石８，９のうち、少なくとも１つの電磁
石は、装置内をバルブ軸方向に摺動可能に設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電磁駆動式バルブに
係わり、特に内燃機関の吸排気バルブを電動で駆動する
際に使用する電磁駆動式バルブ駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、内燃機関の吸排気バルブを現
在主流であるカム駆動に変えて電動で駆動する構成が提
案されている。吸排気バルブを電動駆動する構成によれ
ば、カムシャフト等の回転機構を省略することができる
とともに、バルブタイミングの変更が容易であることか
ら、内燃機関の運転状態に応じた理想的な開閉弁タイミ
ングを任意に設定可能となり、出力特性、及び燃費特性
を改善することが可能となる。

【０００３】そして、吸排気バルブの電動駆動装置とし
ては電磁コイルを用いた電磁アクチュエータによる構成
が提案されている。この構成は例えば特開昭６１−２４
７８０７号公報で知られている。この構成のアクチュエ
ータにおいては、可動部をバルブの開弁方向に付勢する
スプリングと可動部を閉弁方向に付勢するスプリングの
少なくとも２つのスプリングを有し、さらに可動部をそ
れぞれバルブの開弁方向と閉弁方向とに吸引する少なく
とも２つの電磁石を有している。

【０００４】この場合、可動部は電磁コイルに電流が流
れていない場合には２つのスプリングのバネ力により、
２つの電磁石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、また開弁側または閉弁側のど
ちらか一方の電磁石の電磁コイルに電流が通電すると、
その際に生じる電磁吸引力により、可動部はスプリング
のバネ力に打ち勝って電磁石側に引き寄せられることに
なる。この状態で電磁コイルの電流を遮断すると、今度
はスプリングのバネ力により、可動部は中立位置を一旦
通過しもう一方の電磁石に接近する。このとき先ほどと
は別のもう一方の電磁コイルに電流を流しておくと、可
動部は先ほどとは逆側の電磁石に吸引されることにな
る。

【０００５】このようにして２つの電磁石の電磁コイル
の電流の通電、遮断動作に従って可動部を所定の変位幅
だけ変位させることを可能にしており、この変位を利用
してバルブの開弁または閉弁状態を切り替えているので
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の電磁
バルブ駆動装置にあっては、可動部を電磁石が吸引する
際、可動部が電磁石の吸着面と接触してその移動量が規
制されるわけであるが、このとき可動部がバウンドする
現象が発生することがあった。このバウンドの大きさは
電磁石および可動部の材料、質量および衝突時の可動部
の速度等に依存し、バウンド変位量がある値以上になる
と電磁石の吸引力をバネ力が上回り、可動部が中立位置
に向かって移動してしまい、バルブを駆動できなくなっ
てしまう。この様子を図８および図９に示す。図８によ
れば、電磁石と可動部との距離がｘ１以下になれば、バ
ネ力を電磁力が上回り、吸引可能となるわけであるが、
図９に示すように、可動部と電磁石が衝突するときの跳
ね返り量がｘ１以上になると、バネ力が電磁力を上回
り、可動部が中立位置へ戻って行ってしまうのである。

【０００７】そこで、このような現象を避けるために
は、可動部のバウンド変位量を小さくするために電磁石
の電磁コイルに流す電流値を大きくし、電磁石が可動部
を吸引する力を大きくする必要があった。

【０００８】しかしながら、このような手法によると電
磁石の発熱が大きくなり、また電磁石の寸法も大吸引力
を発生可能にするため予め大きく設計しておく必要があ
り、このことは装置の効率の悪化、および装置の大型化
を招くことになる、という問題点があった。

【０００９】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、電磁石をバネあるいは弾性ゴ
ム等により可動部側に付勢して、支持する構造とするこ
とにより、可動部が電磁石の吸着面に衝突した際の衝撃
を吸収し可動部のバウンド量を小さくすることを可能に
することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、バルブを
閉弁方向に付勢する第一のスプリングと、前記バルブと
同軸上に設置されて、バルブに当接しバルブを駆動する
機能を有する可動部と、前記可動部をバルブの開弁方向
に付勢する第二のスプリングと、電磁コイルに所定の電
流を流すことによって、前記可動部に対して吸引力を発
生する少なくとも２つの電磁石と、前記電磁石の電磁コ
イルに電流を所定のタイミングで通電する機能を有する
駆動回路を有し、それらの作用によってバルブを全開位
置と全閉位置との間で駆動する電磁駆動式バルブ駆動装
置において、前記電磁石のうち、少なくとも１つの電磁
石は、装置内をバルブ軸方向に摺動可能に設置される。

【００１１】第２の発明は、第１の発明において、バル
ブ軸方向に摺動可能な電磁石は、バネ機構により所定の
位置に支持される。

【００１２】第３の発明は、第１の発明において、バル
ブ軸方向に摺動可能な電磁石は、底面を弾性部材を介し
て装置の筐体に固定される。

【００１３】第４の発明は、バルブを閉弁方向に付勢す
る第一のスプリングと、前記バルブと同軸上に設置され
て、バルブに当接しバルブを駆動する機能を有する可動
部と、前記可動部をバルブの開弁方向に付勢する第二の
スプリングと、電磁コイルに所定の電流を流すことによ
って、前記可動部に対して吸引力を発生する少なくとも
２つの電磁石と、前記電磁石の電磁コイルに電流を所定
のタイミングで通電する機能を有する駆動回路を有し、
それらの作用によってバルブを全開位置と全閉位置との
間で駆動する電磁駆動式バルブ駆動装置において、前記
電磁石のうち、少なくとも１つの電磁石は、該電磁石を
構成する部材が装置内をバルブ軸方向に摺動可能に設置
される。

【００１４】第５の発明は、第４の発明において、電磁
石のヨークがバネ機構により所定の位置に支持された内
側ヨークと、装置の筐体に固定されたそれ以外のヨーク
とに分割され、電磁石に吸引される可動部の可動板が電
磁石に接触する際、固定されたヨークの磁極部分よりも
先に、バネ支持された内側ヨークの磁極部分に接触する
ように構成されている。

【００１５】第６の発明は、第４の発明において、電磁
石のヨークが弾性部材により所定の位置に支持された内
側ヨークと、装置の筐体に固定されたそれ以外のヨーク
とに分割され、電磁石に吸引される可動部の可動板が電
磁石に接触する際、固定されたヨークの磁極部分よりも
先に、弾性支持された内側ヨークの磁極部分に接触する
ように構成されている。

【００１６】

【発明の効果】第１〜第３の発明によれば、可動部を吸
引する電磁石をバネあるいは弾性体にて支持する構造と
することにより、大きな電磁石を用いることなく、可動
部が電磁石に接触した際の跳ね返りを抑えることがで
き、小さな電流でバルブを駆動可能になる。

【００１７】第４〜第６の発明によれば、可動部が電磁
石に段階的に接触して、跳ね返りを十分に抑えることが
できる。また、電磁石の変位も小さく抑えることができ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１９】図１に示すように、１はエンジンのシリン
ダヘッド、２はバルブ（吸気バルブまたは排気バルブ）
である。バルブ２はバルブガイド２０を介してシリンダ
ヘッド１に対して摺動可能に設けられている。バルブ２
の軸部にはバルブリテーナ３が固定されている。バルブ
リテーナ３とシリンダヘッド１の間にはバルブスプリン
グ４が圧縮されて装着されており、このためバルブ２は
シリンダヘッド１のポート１ａを閉じる方向（閉弁方
向）に付勢されることになる。

【００２０】シリンダヘッド１には装置の筐体である
５，６および７が固定されている。筐体５，６，７内に
は電磁石８および９がバルブ２の軸方向に摺動変位可能
に設けられている。電磁石８および９は直接筐体５，
６，７に固定されておらず、その底面をそれぞれ皿バネ
１２および１３を介して設置されるとともに、電磁石
８，９の肩部８ｃ，９ｃが筐体５の突部５ａ，５ｂに押
し付けられることによって所定の位置に保持されてい
る。

【００２１】電磁石８，９にはそれぞれ電磁コイル８
ａ，９ａが設けられており、図示しない駆動回路により
該電磁コイル８ａ，９ａに電流が流された場合には、電
磁石８，９の吸引面８ｂ，９ｂが吸引力を発生すること
になる。

【００２２】電磁石８および９の中心部にはシャフト１
０が摺動可能に設置されている。シャフト１０の中間部
分には電磁石８の吸引面８ｂと電磁石９の吸引面９ｂと
の間に磁性体からなる可動板１１が固定されている。ま
た、シャフト１０のシリンダヘッド１と反対側の端部に
はスプリングシート１４が固定されており、筐体７に固
定されたスプリングカバー１６との間に圧縮されて設置
された開弁スプリング１５の作用により、シャフト１０
は開弁方向（図の下向き）に付勢されている。

【００２３】シャフト１０はバルブ２の軸部と同軸上に
設けられており、シャフト１０のシリンダヘッド１側の
端部はバルブ２の軸の頂面２ａと対向している。そのた
めシャフト１０に開弁方向（図の下向き）の力が作用し
た場合には、シャフト１０がバルブ２を押し、バルブ２
を開弁せしめることになる。

【００２４】次に、作用について説明する。

【００２５】始めに、電磁石８，９の電磁コイル８ａ，
９ａに電流が流れていない場合、即ちバルブ非駆動状態
について説明する。

【００２６】シャフト１０、可動板１１、スプリングシ
ート１４からなる可動部は開弁スプリング１５の作用に
より開弁方向（図の下向き）に付勢されている。一方、
バルブ２はバルブスプリング４の作用により閉弁方向
（図の上向き）に付勢されている。バルブ２の軸の頂面
２ａはシャフト１０の端部と当接しているため、上記可
動部とバルブ２は、バルブスプリング４と開弁スプリン
グ１５の双方の力が釣り合う場所で静止することにな
る。通常、このときの可動板１１の位置は、電磁石８の
吸引面８ｂと、電磁石９の吸引面９ｂからほぼ等距離、
即ち両電磁石８，９の中間位置付近としておく。

【００２７】次に、エンジンのイグニッションキーがｏ
ｎされ、バルブ２を閉弁する場合について説明する。

【００２８】このとき、閉弁側の電磁石９の電磁コイル
９ａには所定の電流が図示しない駆動回路により通電さ
れる。すると可動板１１には電磁石９の電磁作用により
閉弁方向（図の上向き）の力が作用する。この閉弁方向
の力が、上述のバルブスプリング４と開弁スプリング１
５の合成力、即ち可動板１１を中立位置に保持しようと
する力を上回ると、可動板１１は閉弁方向へ移動し、電
磁石９の吸引面９ｂと、可動板１１の上面１１ｂが当接
した位置で静止する。ここで、バルブ２はバルブスプリ
ング４の作用により、軸の頂面２ａをシャフト１０の端
部に当接したまま閉弁方向へ移動するわけであるが、バ
ルブ２がポート１ａを閉じる際、そのシール性を向上す
るために、可動板１１の上面１１ｂが電磁石９の吸引面
９ｂに当接するよりも先に、バルブ傘部２ｂがバルブシ
ート１ｂに当たるようになっている。そのためバルブ閉
弁動作完了時には、シャフト１０の端部とバルブ２の軸
の頂面２ａとの間には微少な空隙、バルブクリアランス
Ｘ０が生じることになるのである。このバルブ閉弁状態
のようすを図２に示す。また、可動部の変位に対するバ
ルブスプリング４と開弁スプリング１５の合成バネ力を
図３に示す。

【００２９】この状態で、電磁石９の電磁コイル９ａの
電流を遮断すると、可動板１１を上方へ吸引する力がな
くなるため、シャフト１０、可動板１１からなる可動部
は、開弁スプリング１５のバネ力の作用により、下方に
移動しはじめる。ここで、可動部はバルブクリアランス
Ｘ０だけ移動したところでシャフト１０の端部がバルブ
２の軸の頂面２ａに接触することになるため、シャフト
１０はバルブ２を押し、バルブ２を開弁せしめることに
なる。

【００３０】この際、可動部は、バルブスプリング４と
開弁スプリング１５の合成バネ力による中立点、即ち可
動板１１が電磁石８と電磁石９の中間位置になる位置に
直ちに静止するわけではなく、図４の（ａ）に示すよう
な、振動をすることは明らかである。そこで、可動部が
最も電磁石８に近くなる位置、即ち図４のＡの位置に移
動するまでの間に、電磁石８の電磁コイル８ａに所定の
電流を流しておく。これにより、可動板１１を電磁石８
の吸引面８ｂに吸引することが可能になっている。

【００３１】ここで本形態によれば、可動板１１の下面
１１ａが電磁石８の吸引面８ｂに接触した瞬間、可動板
１１は跳ね返りを生じてそれまでとは逆の方向に移動し
ようとするが、それとともに可動部が有していた運動エ
ネルギの一部により、電磁石８を支持している皿バネ１
２が圧縮されることになる。皿バネ１２は電磁石８の移
動速度を低下させるとともに、その機械的損失も作用
し、結果として、電磁石８の吸引面８ｂと可動板１１の
下面１１ａとの相対速度は、電磁石８が固定されている
場合と比較して小さくなる。

【００３２】このため、バルブスプリング４と開弁スプ
リング１５の合成バネ力を、電磁石８の吸引力が常に上
回ることが可能になり、図４の（ｂ）に示す如く可動部
を電磁石８の吸引面８ｂと可動板１１の下面１１ａの距
離をほとんど離すことなく保持することが可能になって
いる。厳密には、可動部が電磁石８に接触した瞬間に、
本来の変位量よりも皿バネ１２の変形分だけ余計にバル
ブ２が変位してしまうことになるが、皿バネ１２の変形
分は極めて小さく、またその時間も極めて短い瞬間的な
動作であることから、その変位量がエンジン性能に及ぼ
す影響は十分無視できる。

【００３３】また、この開弁状態で、前述の動作とは反
対に、電磁石８の電磁コイル８ａの電流を遮断し、その
後適当なタイミングで電磁石９の電磁コイル９ａに電流
を流したとすると、同様の動作により、バルブ２は開弁
状態から閉弁状態へと移行する。このときにも電磁石９
を支持している皿バネ１３の作用により、可動部の跳ね
返りを抑制することが可能になっている。この場合の電
磁石９と可動板１１がともに皿バネ１３を圧縮して変位
する際の変位量は、バルブ２の軸の頂面２ａとシャフト
１０の端部が離間している（バルブクリアランスＸ０）
ため、バルブ２の変位には影響せず、エンジン性能に対
しても何ら影響を及ぼすことはない。

【００３４】このような構成によって、大きな電磁石を
用いることなく、可動板１１が電磁石８に接触した際の
跳ね返りを抑えることができ、比較的小さな電流でバル
ブ２を駆動することができるのである。

【００３５】図５は、本発明の第２の実施の形態を示す
ものである。本構成では、前記第１の形態における皿バ
ネ１２および１３の部位に、ゴム等に代表されるような
弾性体１７および１８を使用している以外は、前記第１
の形態と同じである。

【００３６】本形態の弾性体１７，１８は、それぞれ圧
縮されて、電磁石８，９と筐体６，７との間に設置さ
れ、そのため電磁石８，９は所定の位置に静止してい
る。

【００３７】一般にゴム等の弾性体は、第１の形態で示
した皿バネ等と比較して力の減衰が大きい。そのため本
形態によれば、可動板１１が電磁石８または９に接触し
た際、第１の形態における皿バネよりも力の減衰を大き
くすることができるため、可動板１１の跳ね返りをより
効果的に抑制できるとともに、可動板１１が電磁石８，
９に接触する際の、衝突音を減少させ、更には衝突に伴
う振動が筐体５，６，７およびシリンダヘッド１に伝わ
るのを防止することが可能になっている。

【００３８】図６は、本発明の第３の実施の形態を示す
ものである。本構成では、電磁石８のヨークは内側の一
部分のヨーク８１とそれ以外のヨーク８２とに分割され
ている。ヨーク８２と電磁コイル８ａは共に固定され、
筐体６に取り付けられている。ヨーク８１はヨーク８２
内をバルブ２の軸方向に摺動可能に設置され、下面底部
を皿バネ１２により上方向に付勢されるとともに、上部
段面をヨーク８２の突部８２ｂに突き当てられ、所定の
位置に保持されている。この状態でヨーク８１の吸引面
８１ａ（磁極部）とヨーク８２の吸引面８２ａ（磁極
部）とはほぼ同じ高さ、即ち同一面上に構成されている
ものとする。

【００３９】一方、可動板１１はヨーク８１に対向する
部分１１ｃとヨーク８２に対向する部分１１ｄとで段違
いになっており、ヨーク８１に対向する部分１１ｃの方
がより電磁石８に近い距離になっているものとする。

【００４０】本形態によれば、電磁コイル８ａに電流が
通電され、電磁石８が可動板１１を吸引する際、まず可
動板１１のヨーク８１に対向する部分１１ｃがヨーク８
１の吸引面８１ａに接触する。このとき前記第１の形態
と同様の作用により、可動板１１の運動エネルギが、皿
バネ１２とヨーク８１の運動により吸収されることにな
る。ここで可動板１１がヨーク８１に接触した状態にお
いても可動板１１のヨーク８２に対向する部分１１ｄと
ヨーク８２の吸引面８２ａとの間にはわずかな空隙が形
成されているため、可動板１１にはさらに下向きの吸引
力が作用する。そして、可動板１１の１１ｄと吸引面８
２ａが接触し、皿バネ１２が初期の状態よりもわずかに
圧縮された状態で可動板１１は静止するのである。

【００４１】これらの動作により、可動板１１の運動エ
ネルギは２回の衝突時に分散されることになり、それぞ
れの衝突時の跳ね返り量を小さくすることが可能になる
のである。さらには、第１の形態で見られたような所定
の変位量よりも一時的に大きく変位してしまうような現
象も避けることが可能になっているのである。

【００４２】図７は本発明の第４の実施の形態を示すも
のであり、本構成では前記第３の形態における皿バネ１
２の代わりにゴム等の弾性部材１７を用いている。作用
等は前記第３の実施例と同様であるが、ゴム等に代表さ
れる弾性部材は一般に力の減衰を大きくできるため、よ
り効果的な作用が行える。

【００４３】なお、第３、第４の形態は電磁石８の例を
示したが、電磁石９にも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態を示す断面図である。

【図２】動作説明図である。

【図３】動作特性図である。

【図４】バルブ開時の可動部の動作特性図である。

【図５】第２の実施の形態を示す断面図である。

【図６】第３の実施の形態を示す部分断面図である。

【図７】第４の実施の形態を示す部分断面図である。

【図８】バネ力と電磁力との特性図である。

【図９】従来例のバルブ開時の動作特性図である。

【符号の説明】

１ シリンダヘッド ２ バルブ ２ａ 頂面 ２ｂ バルブ傘部 ３ バルブリテーナ ４ バルブスプリング ５，６，７ 筐体 ５ａ，５ｂ 突部 ８，９ 電磁石 ８ａ，９ａ 電磁コイル ８ｂ，９ｂ 吸引面 ８ｃ，９ｃ 肩部 １０ シャフト １１ 可動板 １１ａ 下面 １１ｂ 上面 １２，１３ 皿バネ １４ スプリングシート １５ スプリング １７，１８ 弾性体 ８１，８２ ヨーク ８１ａ，８２ａ 吸引面 ８１ｂ 突部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バルブを閉弁方向に付勢する第一のスプ
   リングと、前記バルブと同軸上に設置されて、バルブに
   当接しバルブを駆動する機能を有する可動部と、前記可
   動部をバルブの開弁方向に付勢する第二のスプリング
   と、電磁コイルに所定の電流を流すことによって、前記
   可動部に対して吸引力を発生する少なくとも２つの電磁
   石と、前記電磁石の電磁コイルに電流を所定のタイミン
   グで通電する機能を有する駆動回路を有し、それらの作
   用によってバルブを全開位置と全閉位置との間で駆動す
   る電磁駆動式バルブ駆動装置において、 前記電磁石のうち、少なくとも１つの電磁石は、装置内
   をバルブ軸方向に摺動可能に設置されていることを特徴
   とする電磁駆動式バルブ駆動装置。
2. 【請求項２】 バルブ軸方向に摺動可能な電磁石は、バ
   ネ機構により所定の位置に支持されることを特徴とする
   請求項１に記載の電磁駆動式バルブ駆動装置。
3. 【請求項３】 バルブ軸方向に摺動可能な電磁石は、底
   面を弾性部材を介して装置の筐体に固定されることを特
   徴とする請求項１に記載の電磁駆動式バルブ駆動装置。
4. 【請求項４】 バルブを閉弁方向に付勢する第一のスプ
   リングと、前記バルブと同軸上に設置されて、バルブに
   当接しバルブを駆動する機能を有する可動部と、前記可
   動部をバルブの開弁方向に付勢する第二のスプリング
   と、電磁コイルに所定の電流を流すことによって、前記
   可動部に対して吸引力を発生する少なくとも２つの電磁
   石と、前記電磁石の電磁コイルに電流を所定のタイミン
   グで通電する機能を有する駆動回路を有し、それらの作
   用によってバルブを全開位置と全閉位置との間で駆動す
   る電磁駆動式バルブ駆動装置において、 前記電磁石のうち、少なくとも１つの電磁石は、該電磁
   石を構成する部材が装置内をバルブ軸方向に摺動可能に
   設置されていることを特徴とする電磁駆動式バルブ駆動
   装置。
5. 【請求項５】 電磁石のヨークがバネ機構により所定の
   位置に支持された内側ヨークと、装置の筐体に固定され
   たそれ以外のヨークとに分割され、電磁石に吸引される
   可動部の可動板が電磁石に接触する際、固定されたヨー
   クの磁極部分よりも先に、バネ支持された内側ヨークの
   磁極部分に接触するように構成されていることを特徴と
   する請求項４に記載の電磁駆動式バルブ駆動装置。
6. 【請求項６】 電磁石のヨークが弾性部材により所定の
   位置に支持された内側ヨークと、装置の筐体に固定され
   たそれ以外のヨークとに分割され、電磁石に吸引される
   可動部の可動板が電磁石に接触する際、固定されたヨー
   クの磁極部分よりも先に、弾性支持された内側ヨークの
   磁極部分に接触するように構成されていることを特徴と
   する請求項４に記載の電磁駆動式バルブ駆動装置。