JPH11247630A - エンジンバルブ駆動用電磁バルブの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジンバルブ駆動用電磁バルブの駆動方
法において、電磁バルブの可動子に永久磁石を配設し、
スプリングの装着を省略して、エンジン回転数に応じて
反発・吸引電流を変化させ、消費電力を節減させること
を課題とする。 【解決手段】 永久磁石36が軸線方向に向けて着磁さ
れ、一方の励磁コイル30に反発電流を流すときに他方の
励磁コイル31に吸引電流を流してエンジンバルブ11を開
位置に移動させる。一方の励磁コイル30に吸引電流を流
すときに他方の励磁コイル31に反発電流を流してエンジ
ンバルブ11を閉位置に移動させる。エンジン回転数に応
じて反発・吸引電流を変化させ、低回転域においては高
回転域よりも電流値を小さくし通電時間を長くした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁石及び永久磁
石により発生する電磁力によってエンジンの吸排気バル
ブの開閉駆動を行うエンジンバルブ駆動用電磁バルブの
駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンバルブをカム駆動に代えて電磁
駆動することが知られている。図６は、従来のエンジン
バルブ駆動用電磁バルブ（例えば、特開平７−８３０１
２号公報参照）の全体構造の側面断面図である。エンジ
ンのシリンダヘッド10の吸排気通路（吸気通路又は排気
通路）12にポート45が形成され、吸排気弁（吸気弁又は
排気弁）のバルブヘッド14がポート45に向かって往復運
動自在に配設されてエンジンバルブ11が構成されてい
る。シリンダヘッド10に隣接して電磁バルブ１が配設さ
れており、電磁バルブ１の非磁性体製ケース２内の上下
両端部に断面コ字状で環状かつ磁性体製の第１コア３及
び第２コア４が配設されている。第１コア３と第２コア
４との間には磁性体製吸引鉄板からなる可動子７が配置
され、エンジンバルブ11のバルブステム16の先端に可動
子７が固定されている。第１コア３及び第２コア４の溝
には、それぞれ第１励磁コイル５及び第２励磁コイル６
が組み込まれており、ドライバ回路より所定の電流が供
給されると、その電流値に応じた強度の磁界を発生させ
て第１コア３及び第２コア４内に磁界強度に応じた磁束
を流通させる。

【０００３】第１励磁コイル５及び第２励磁コイル６で
発生した磁束は、第１コア３・第２コア４、可動子７及
びそれらの間のエアギャップを通って戻り、エアギャッ
プが磁気回路の一部を形成する。磁性体からなる第１コ
ア３・第２コア４及び可動子７の磁気抵抗は、エアギャ
ップの磁気抵抗と比べ無視できる水準である。そして、
エアギャップの磁気抵抗はギャップ長さの関数であり、
ギャップが小さいほど磁気抵抗は小さく、磁気回路とし
てより安定な状態となる。ドライバ回路から第１励磁コ
イル５・第２励磁コイル６に向けて交互に電流を流す
と、その電流に伴って電磁引力が発生し、可動子７が第
１励磁コイル５又は第２励磁コイル６に向けて交互に引
き寄せられ、エンジンバルブ11の駆動に必要な駆動力を
得ることができる。

【０００４】電磁バルブ１においては、何ら機構的配慮
もなく、第１励磁コイル５・第２励磁コイル６へ供給す
る電流の切替えのみで可動子７を駆動すると、電流を切
り替えてから可動子７が変位を終了するまでに要する時
間が大幅に変動し、実用的な制御を実現することができ
ない。このため、弁体（バルブヘッド14とバルブステム
16）や可動子７からなる可動系を所定の中立位置に保持
し、この可動系を所定の自由振動で振動させるべくスプ
リングを用いて振動系を構成している。この構成によれ
ば、第１励磁コイル５又は第２励磁コイル６に可動子７
を密着させた状態から電流を遮断すれば、即座に可動子
７は励磁コイルから離間する方向に単振動を開始する。
従って、可動子７を第１励磁コイル５又は第２励磁コイ
ル６に密着保持する時間を制御することで、弁体の開閉
弁周期を精度良く制御することができる。

【０００５】可動子７の上下面とケース２の上下両端と
の間に、中央部を小径とした非線型スプリング８，９が
装着されており、このスプリング８，９のバネ定数は、
変位長が小さい領域で小さく、変位長が大きい領域で大
きい。そのため、中間位置付近では線型スプリングに比
べ生ずるバネ力が小さく駆動に有利であり、またエンジ
ンバルブ11の開閉位置付近ではバネ力が大きい電磁バル
ブ１の応答性を悪化させない。このように可動子７に作
用する電磁引力とスプリング８，９のバネ力が常時整合
し、過剰な電磁引力の発生が排除される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の電磁バルブで
は、エンジンの回転数が変化しても、常に同じ応答時間
で機械的に作動し、駆動に要する消費電力が変わらず、
消費電力の節減には限界がある。本発明は、エンジンバ
ルブ駆動用電磁バルブの駆動方法において、電磁バルブ
の可動子に永久磁石を配設し、スプリングの装着を省略
して、エンジン回転数に応じて反発・吸引電流を変化さ
せ、消費電力を節減させることを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、円筒状で強磁
性体製のケース(20)、２個の固定子(23,24) 、２個の励
磁コイル(30,31) 及び強磁性体製の環状中間板(29)から
固定子が構成され、可動鉄心(35)、永久磁石(36)及び可
動鉄心(34)が順次重ねられて可動子(42)が形成され、可
動子(42)がバルブステム(16)の先端部に固定されてお
り、可動子(42)が各固定子(23,24) の円筒部(23B,24B)
の間で軸方向に移動可能状態に支持され、固定子及び可
動子(42)が軸対称に形成され、励磁コイル(30,31) に電
流を流して固定子と可動子(42)とで形成される磁気回路
を励磁し、電磁力によって可動子(42)が軸方向に駆動さ
れ、エンジンバルブの開閉駆動が行われるエンジンバル
ブ駆動用電磁バルブにおいて、永久磁石(36)が軸線方向
に向けて着磁され、一方の励磁コイル(30)に反発電流を
流すときに他方の励磁コイル(31)に吸引電流を流してエ
ンジンバルブを開位置に移動させ、一方の励磁コイル(3
0)に吸引電流を流すときに他方の励磁コイル(31)に反発
電流を流してエンジンバルブを閉位置に移動させ、エン
ジン回転数に応じて反発・吸引電流を変化させ、低回転
域においては高回転域よりも電流値を小さくし通電時間
を長くしたことを第１の構成とする。本発明は、第１の
構成において、エンジンバルブが閉位置及び開位置に位
置するとき、可動子(42)の永久磁石(36)の磁束により磁
気回路が形成され、この磁気回路の励磁によりエンジン
バルブの閉位置及び開位置が保持されることを第２の構
成とする。本発明は、第１及び第２の構成において、可
動子(42)の可動鉄心(34,35) の端面に円筒状突起(34A,3
5A) が形成され、各固定鉄心(23,24) と可動子(42)の可
動鉄心(34,35) との対向面は、一方の対向面の先端部外
面に先細の傾斜面が形成されるとともに、他方の対向面
の先端部内面に先太の傾斜面が形成され、両傾斜面を磁
束が流れることを第３の構成とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明のエンジンバルブ
駆動用電磁バルブの実施の形態の断面図である。図１の
部材のうち図６の従来例と対応する部材には、同一の符
号を付す。エンジンのシリンダヘッド10の吸排気通路
（吸気通路又は排気通路）12のポートにシートリング13
が配設され、吸排気弁（吸気弁又は排気弁）のバルブヘ
ッド14がシートリング13に向かって往復運動自在に配設
されてエンジンバルブ11が構成されている。吸排気弁は
ＳＵＨ３５（ＪＩＳ）等の耐熱鋼やセラミックス等の非
磁性体材料によって製作され、吸排気弁のバルブステム
16はバルブガイド17に支持されている。

【０００９】シリンダヘッド10に隣接して電磁バルブ19
が配設されており、電磁バルブ19の円筒状で強磁性体製
のケース20の下端のフランジ21がシリンダヘッド10に固
定されている。ケース20の軸方向の一端部（上端部）内
面には段付円筒状の第１固定鉄心23の一端側のフランジ
部23Ａが固定され、ケース20の軸方向の他端部（下端
部）内面には段付円筒状の第２固定鉄心24の他端側のフ
ランジ部24Ａが固定されている。ケース20の上下両端部
に第１環状溝25及び第２環状溝26が形成されており、第
１固定鉄心23のフランジ部23Ａの外周部が第１環状溝25
に嵌合され、かつケース20及びフランジ部23Ａの上面に
プレート27が固定されて、第１固定鉄心23が連結されて
いる。第２固定鉄心24のフランジ部24Ａの外周部が第２
環状溝26に嵌合され、かつケース20及びフランジ部24Ａ
の下面がシリンダヘッド10の表面に当接されて、第２固
定鉄心24が連結されている。第１固定鉄心23の円筒部23
Ｂ及び第２固定鉄心24の円筒部24Ｂはともにケース20の
軸方向の内側に向かって突出しており、円筒部23Ｂの内
孔は上部が下部よりも大径で、円筒部24Ｂの内孔は下部
が上部よりも大径である。

【００１０】ケース20の内面で軸方向（上下方向）の中
央位置に環状中間板29が固定されており、環状中間板29
の内径は第１固定鉄心23の円筒部23Ｂの外径及び第２固
定鉄心24の円筒部24Ｂの外径と同径である。図示されて
いるとおり、円筒部23Ｂ及び円筒部24Ｂの突出端は環状
平面である。第１固定鉄心23のフランジ部23Ａと環状中
間板29との間に第１励磁コイル30が装着され、第２固定
鉄心24のフランジ部24Ａと環状中間板29との間に第２励
磁コイル31が装着されている。このようにしてケース2
0、第１固定鉄心23、第２固定鉄心24、環状中間板29、
第１励磁コイル30及び第２励磁コイル31により電磁バル
ブ19の固定子が構成され、固定子は軸対称に形成されて
いる。

【００１１】第２固定鉄心24の円筒部24Ｂの内孔に非磁
性体製のバルブステム16が非接触状態で挿入され、バル
ブステム16の先端（上端）には小径部33が形成されてい
る。円板状の第１可動鉄心34、永久磁石36及び第２可動
鉄心35が順次重ねられて可動子42が構成され、可動子42
の中心孔がバルブステム16の小径部33に嵌合され、固定
されている。実際には、バルブステム16の小径部33の先
端が可動子42から突出しかつ雄ねじが形成されており、
この小径部33にナットを螺合して固定している。可動子
42は軸対称に形成され、可動子42の外周縁と環状中間板
29の内周縁、第１励磁コイル30の内周縁、第２励磁コイ
ル31の内周縁との間には空隙が存在する。可動子42はバ
ルブステム16とバルブガイド17とによって軸方向に移動
可能状態に支持され、可動子42の上面と第１固定鉄心23
の下端面との間、及び可動子42の下面と第２固定鉄心24
の上端面との間には作用部空隙が存在する。

【００１２】第１励磁コイル30及び第２励磁コイル31は
軸対称な双方向リニアソレノイドとなっており、可動子
42は軸方向にＮＳ極がくるように磁化され、リニアソレ
ノイドバルブを構成している。第１固定鉄心23及び第２
固定鉄心24の軸方向の内側の円筒部23Ｂ，24Ｂ（可動子
42との対向面）の先端部外面に先細の傾斜面（例えば截
頭円錐形の傾斜面。傾斜角は１０〜２０度）が形成され
ている。そして、第１可動鉄心34及び第２可動鉄心35の
軸方向の両端面（第１固定鉄心23及び第２固定鉄心24と
の対向面）には円筒状突起34Ａ，35Ａがそれぞれ形成さ
れ、円筒状突起34Ａ，35Ａの先端部内面に先太の傾斜面
（例えば截頭円錐形の傾斜面。傾斜角は１０〜２０度）
が形成されている。

【００１３】図１に示すように、第１励磁コイル30及び
第２励磁コイル31は、ともに、巻き方向が互いに逆であ
るように巻かれた一対のコイル30Ａ，30Ｂ、31Ａ，31Ｂ
を備えたバイファーラ巻にされている。そして、一対の
コイル30Ａ，30Ｂ、31Ａ，31Ｂに対して一方向だけの電
流を流して励磁させる方法（ユニポーラ駆動）で励磁さ
れる。そして、第１励磁コイル30及び第２励磁コイル31
は、一対のコイル30Ａ，30Ｂ、31Ａ，31Ｂのうちの一方
のコイルに通電すると吸引力が発生し、他方のコイルに
通電すると反発力が発生する。なお、第１励磁コイル30
及び第２励磁コイル31を、一本の巻線を同一方向に巻い
たものとし、これらの励磁コイルに双方向の電流を流し
て極性を交番させる励磁方法（パイポーラ駆動方法）で
励磁してもよい。

【００１４】図２に示すように、永久磁石36は軸線方向
の上がＮ極になり下がＳ極になるように着磁（磁化）さ
れている。そして、永久磁石36の上側に接触する第１可
動鉄心34は、永久磁石36との接触部がＳ極となり、円筒
状突起34Ａの上方部がＮ極となっている。同様に、永久
磁石36の下側に接触する第２可動鉄心35は、永久磁石36
との接触部がＮ極となり、円筒状突起35Ａの下方部がＳ
極となっている。永久磁石36の磁束により形成される磁
気回路と同方向の磁気回路が形成されるように、第１励
磁コイル30及び第２励磁コイル31に励磁電流が流れる
と、励磁電流による磁束と永久磁石36の磁束とが加算さ
れて、可動子７に力が作用する。図６の従来の電磁バル
ブの場合よりも、少ない電磁電流で作動し、応答性もよ
い。

【００１５】図２(a) は、エンジンバルブ11が全閉され
可動子42が上方のストローク端にあるときを示し、円筒
部23Ｂの先端部外面の先細の傾斜面と円筒状突起34Ａの
先端部内面の先太の傾斜面とは、ぴったりと嵌合してい
る。この状態のとき、図３(d) ・図４(d) の最も左の波
形で示すように、第１励磁コイル30の他方のコイルに反
発方向通電し、第２励磁コイル31の一方のコイルに吸引
方向通電して、固定子と可動子42とで形成される上下の
磁気回路を励磁する。この励磁により、第１固定鉄心23
の円筒部23Ｂの先端部がＮ極となり、環状中間板29の内
側がＳ極となり、第２固定鉄心24の円筒部24Ｂの先端部
がＮ極となる。従って、第１固定鉄心23の円筒部23Ｂの
先端部のＮ極と第１可動鉄心34の円筒状突起34Ａの上方
部のＮ極との間には反発力が作用し、第２可動鉄心35の
円筒状突起35Ａの下方部のＳ極と第２固定鉄心24の円筒
部24Ｂの先端部がＮ極との間には吸引力が作用する。可
動子42・エンジンバルブ11は開放方向（下方）に向かっ
て急速に移動し、下方のストローク端（エンジンバルブ
11の開放位置）に到達し、永久磁石36の磁束により形成
される磁気回路の励磁により、その位置に保持される。

【００１６】図２(b) は、エンジンバルブ11が全開され
可動子42が下方のストローク端にあるときを示し、円筒
部24Ｂの先端部外面の先細の傾斜面と円筒状突起35Ａの
先端部内面の先太の傾斜面とは、ぴったりと嵌合してい
る。この状態のとき、図３(d) ・図４(d) の左から２番
目の波形で示すように、第１励磁コイル30の一方のコイ
ルに吸引方向通電し、第２励磁コイル31の他方のコイル
に反発方向通電して、固定子と可動子42とで形成される
上下の磁気回路を励磁する。この励磁により、第１固定
鉄心23の円筒部23Ｂの先端部がＳ極となり、環状中間板
29の内側がＮ極となり、第２固定鉄心24の円筒部24Ｂの
先端部がＳ極となる。従って、第１固定鉄心23の円筒部
23Ｂの先端部のＳ極と第１可動鉄心34の円筒状突起34Ａ
の上方部のＮ極との間には吸引力が作用し、第２可動鉄
心35の円筒状突起35Ａの下方部のＳ極と第２固定鉄心24
の円筒部24Ｂの先端部のＳ極との間には反発力が作用す
る。可動子42・エンジンバルブ11は閉鎖方向（上方）に
向かって急速に移動し、上方のストローク端（エンジン
バルブ11の全閉位置）に到達して着座し、その位置に保
持される。

【００１７】図３は高速回転域の通電パターンを示し、
図４は低速回転域の通電パターンを示す。図３(b) ・図
４(b) の電磁駆動式のバルブリフトは、図３(a) ・図４
(a)のカム式のバルブリフトに対応するものであり、従
来例は図３(c) ・図４(c) に示すように通電していた。
すなわち、エンジンバルブ11が閉のときには、閉の間中
ずっと第１コイル５に通電し、エンジンバルブ11が開の
ときには、開の間中ずっと第２コイル６に通電してい
た。これに対して、図３(d) ・図４(d) の本発明のコイ
ル通電パターンによれば、前述のとおり、開動作のとき
は所定の短時間だけ第１コイル30に反発方向通電し、第
２コイル31に吸引方向通電する。そして、閉動作のとき
は所定の短時間だけ第１コイル30に吸引方向通電し、第
２コイル31に反発方向通電する。

【００１８】図３(d) ・図４(d) に示すように、エンジ
ンの回転数に応じて反発電流・吸引電流を変化させ、低
回転域においては高回転域よりも電流値を小さくしかつ
通電時間を長くする。エンジンの低回転域では、７２０
度のクランク角に要する時間が長く、応答を遅らせても
問題がないので、電流値を小さくしかつ通電時間を長く
したのである。消費電力Ｗは（電流ｉ）² ×（抵抗Ｒ）
×（通電時間ｔ）で表せるので、電流値を小さくしかつ
通電時間を長くしたことにより、消費電力を低減するこ
とができる。図５は、エンジン回転数と消費電力との関
係を示し、二点鎖線の従来例に比べ、電磁バルブの可動
子に永久磁石を配設し、スプリングを省略した永久磁石
タイプは破線で示すように消費電力（エンジンバルブを
開位置及び閉位置に保持する電力等が不要）が少ない。
そして、本発明の実施の形態のように、エンジン回転数
に応じて電流値及び通電時間を変更した場合には、消費
電力が更に少ないことが判明した。

【００１９】

【発明の効果】本発明のエンジンバルブ駆動用電磁バル
ブの駆動方法では、永久磁石が軸線方向に向けて着磁さ
れ、一方の励磁コイルに反発電流を流すときに他方の励
磁コイルに吸引電流を流してエンジンバルブを開位置に
移動させ、一方の励磁コイルに吸引電流を流すときに他
方の励磁コイルに反発電流を流してエンジンバルブを閉
位置に移動させ、エンジン回転数に応じて反発・吸引電
流を変化させ、低回転域においては高回転域よりも電流
値を小さくし通電時間を長くした。電磁バルブの可動子
に永久磁石を配設し、スプリングの装着を省略したこと
により消費電力が少なくなり、さらにエンジン回転数に
応じて反発・吸引電流を変化させ、低回転域においては
高回転域よりも電流値を小さくし通電時間を長くしたこ
とにより、消費電力が節減されることとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエンジンバルブ駆動用電磁バルブの実
施の形態を示す断面図である。

【図２】本発明の実施の形態の作用を説明するための図
であり、図２(a) はエンジンバルブの全閉時を示し、図
２(b) はエンジンバルブの全開時を示す。

【図３】本発明の実施の形態等の高速回転域の通電パタ
ーンを示す図である。

【図４】本発明の実施の形態等の低速回転域の通電パタ
ーンを示す図である。

【図５】各種電磁バルブのエンジン回転数と消費電力と
の関係を示す図である。

【図６】従来のエンジンバルブ駆動用電磁バルブを示す
断面図である。

【符号の説明】

16 バルブステム 20 ケース 23 第１固定鉄心 24 第２固定鉄心 29 環状中間板 30 第１励磁コイル 31 第２励磁コイル 34 第１可動鉄心 35 第２可動鉄心 36 永久磁石 42 可動子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 花井 一生 愛知県大府市共和町一丁目１番地の１ 愛 三工業株式会社内 (72)発明者 木本 順也 愛知県大府市共和町一丁目１番地の１ 愛 三工業株式会社内 (72)発明者 加藤 英介 愛知県大府市共和町一丁目１番地の１ 愛 三工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状で強磁性体製のケース、２個の固
   定鉄心、２個の励磁コイル及び強磁性体製の環状中間板
   から固定子が構成され、可動鉄心、永久磁石及び可動鉄
   心が順次重ねられて可動子が形成され、可動子がバルブ
   ステムの先端部に固定されており、可動子が各固定鉄心
   の円筒部の間で軸方向に移動可能状態に支持され、固定
   子及び可動子が軸対称に形成され、励磁コイルに電流を
   流して固定子と可動子とで形成される磁気回路を励磁
   し、電磁力によって可動子が軸方向に駆動され、エンジ
   ンバルブの開閉駆動が行われるエンジンバルブ駆動用電
   磁バルブにおいて、永久磁石が軸線方向に向けて着磁さ
   れ、一方の励磁コイルに反発電流を流すときに他方の励
   磁コイルに吸引電流を流してエンジンバルブを開位置に
   移動させ、一方の励磁コイルに吸引電流を流すときに他
   方の励磁コイルに反発電流を流してエンジンバルブを閉
   位置に移動させ、エンジン回転数に応じて反発・吸引電
   流を変化させ、低回転域においては高回転域よりも電流
   値を小さくし通電時間を長くしたことを特徴とするエン
   ジンバルブ駆動用電磁バルブの駆動方法。
2. 【請求項２】 エンジンバルブが閉位置及び開位置に位
   置するとき、可動子の永久磁石の磁束により磁気回路が
   形成され、この磁気回路の励磁によりエンジンバルブの
   閉位置及び開位置が保持される請求項１記載のエンジン
   バルブ駆動用電磁バルブの駆動方法。
3. 【請求項３】 可動子の可動鉄心の端面に円筒状突起が
   形成され、各固定鉄心と可動子の可動鉄心との対向面
   は、一方の対向面の先端部外面に先細の傾斜面が形成さ
   れるとともに、他方の対向面の先端部内面に先太の傾斜
   面が形成され、両傾斜面を磁束が流れる請求項１又は２
   のエンジンバルブ駆動用電磁バルブの駆動方法。