(57)【特許請求の範囲】
【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、各励磁コイルは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を備えたバイファーラ巻きにされており、各励磁コイルは一対のコイルに対してそれぞれ一方向だけの電流を流すユニポーラ駆動方式により励磁されるように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。
【請求項２】
可動子の各ストロークの所定位置から終端にわたって、各励磁コイルの一対のコイルの内の一つに電流を流し、可動子に制動用反発力を作用させるようにした請求項１のエンジンバルブ駆動用電磁バルブ。
【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。
【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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３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７−３７４６１号公報参照）の断面図である。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の吸排気口にシートリング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。
【０００３】
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の下面にシリンダヘッド10の表面が当接されて、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23Ｂ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。
【０００４】
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20、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により電磁バルブの固定子が構成され、固定子は軸対称に形成されている。
【０００５】
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、図２のものと同様に、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の下端面との間には第１作用部空隙が存在し、可動子42の下面と第２固定鉄心24の上端面との間には第２作用部空隙が存在する。
【０００６】
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。図３及び図６(a) 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、一本の巻線を同一方向に巻いたもので、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（バイポーラ駆動方法）で励磁される。例えば、図４に示すように、第１励磁コイル30には吸引力が作用するように励磁し、第２励磁コイル31には反発力作用するように励磁する。このとき、可動子42に吸引力と反発力が作用して、可動子42が上方へ移動し始め、徐々に加速され、ストローク端でバルブヘッド14がシートリング13に着座する時に、可動子42は最大速度に達している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
エンジンバルブ11の着座（バルブ閉）により、着座時に大きな着座音を発生し、着座面に衝撃を与え、着座面の耐久性が低下し、また閉弁時のシール性が悪化する（図７(a) 参照）。着座時の衝撃を少なくするため、着座の直前に逆方向の磁界をつくりたいが、バイポーラ駆動のため磁界を逆方向にするためにタイムラグが必要であり、衝撃防止が困難である。次に、第１励磁コイル30には反発力が作用するように励磁し、第２励磁コイル31には吸引力作用するように励磁すると、可動子42が下方へ移動し、エンジンバルブ11が開く。このときは第２可動鉄心35が第２固定鉄心24に衝突し、電磁バルブ19が振動する。
本発明は、エンジンバルブ駆動用電磁バルブにおいて、着座時の衝撃を少なくし、着座音が静かで、エンジンバルブの耐久性を向上させることを第１の課題とし、可動子の各ストロークの所定位置から制動力を作用させて各ストロークの終端で衝撃や振動や音の発生を少なくすることを第２の課題とする。
【０００８】
【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、各励磁コイル(30,31) は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きにされており、各励磁コイル(30,31) は一対のコイル(30A,30B;31A,31B) に対してそれぞれ一方向だけの電流を流すユニポーラ駆動方式により励磁されるようにしたことを第１の構成とする。
本発明は、第１の構成において、可動子(42)の各ストロークの所定位置から終端にわたって、各励磁コイル(30,31) の一対のコイル(30A,30B;31A,31B) の内の一つに電流を流し、可動子(42)に制動用反発力を作用させるようにしたことを第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,35A) 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。
【０００９】
【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を示す断面図である。図１の説明において、図３の従来例と同一の部材には図３と同一の符号を付し、その説明は省略する。
本発明の実施の形態では、図１(a) に示すように、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。
【００１０】
前記両傾斜面として、截頭円錐形の他に球帯形（球面を平行な二平面で切ったとき、この間に挟まれる球面の帯状部分の形）、楕円体表面の部分の形（楕円体表面を長軸に垂直な二平面で切ったとき、この間に挟まれる楕円体表面の帯状部分の形）、回転放物体表面の部分の形（回転放物体表面を軸に垂直な二平面で切ったとき、この間に挟まれる回転放物体表面の帯状部分の形）のうちのいずれか一つにすることができる。前記両傾斜面は軸線の垂直平面に関して対称であり、可動子42の両ストローク端において、円筒部23Ｂ，24Ｂの先端部外面の先細の傾斜面と突起34Ａ，35Ａの先端部内面の先太の傾斜面とは、ぴったりと嵌合するように形成されている。
【００１１】
図１(b) に示すように、先細の傾斜面と先太の傾斜面とを図１(a) とは逆にすることがきる。すなわち、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）の先端部内面に先太の傾斜面（例えば截頭円錐形の傾斜面）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）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）が形成されている。前記両傾斜面は軸線の垂直平面に関して対称であり、可動子42の両ストローク端において、第１可動鉄心34及び第２可動鉄心35の先端部外面の先細の傾斜面と第１固定鉄心23及び第２固定鉄心24の先端部内面の先太の傾斜面とは、ぴったりと嵌合するように形成されている。
【００１２】
図１(a) 及び図６(b) 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。例えば、図６(b) のスイッチ44をオンにするとコイル30Ｂに実線の矢印方向に電流が流れ、スイッチ45をオンにするとコイル30Ａに破線の矢印方向に電流が流れる。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。
【００１３】
本発明の実施の形態の作用について説明する。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。
【００１４】
図２(a) 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５(a),(b) に示すように、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の上方部が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の先端部がＳ極との間には反発力が作用する。
【００１５】
図５(c) に示すように、可動子42・エンジンバルブ11は閉鎖方向（上方）に向かって始動し、徐々に加速される。図５(a) 〜(d) に示すように、閉鎖方向のストロークの所定位置に達したとき、不図示の位置検知センサの出力信号に基づいて制御回路を作動させ、第１励磁コイル30の他方のコイルに反発方向通電（ストロークの所定位置から終端まで）すると、可動子42に制動用反発力（制動力）が作用して可動子42が減速される。そして、可動子42は最高速度時よりも減速された状態で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。図７(b) に示すように、可動子42が減速して着座したので、エンジンバルブ11の着座時の衝撃が非常に小さくなって振動も少なくなり、着座音が静かになった。
【００１６】
図２(b) 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、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。
【００１７】
可動子42・エンジンバルブ11は開放方向（下方）に向かって始動し、徐々に加速される。開放方向のストロークの所定位置に達したとき、不図示の位置検知センサの出力信号に基づいて制御回路を作動させ、第２励磁コイル31の他方のコイルに反発方向通電すると、可動子42に制動用反発力が作用して可動子42が減速される。可動子42は最高速度時よりも減速された状態で下方のストローク端（エンジンバルブ11の開放位置）に到達して、第２可動鉄心35の円筒状突起35Ａが第２固定鉄心24の円筒部24Ｂに当接し、その位置に保持される。図７(b) に示すように、可動子42が減速して停止したので、エンジンバルブ11の開放時の振動が少なくなり、着座音も静かになった。
【００１８】
図８(a) は本発明の実施の形態（図１）の可動子42が移動するときの作用部空隙の最大値ｌmax.を示し、図８(b) は従来例（図３）の可動子42が移動するときの作用部空隙の最大値Ｌmax.を示す。従来例の作用部空隙の最大値Ｌmax.はストロークの長さと同一であるのに対して、本発明の実施の形態の作用部空隙の最大値ｌmax.は従来例の約２５％に過ぎない。また、本発明の実施の形態の作用部対向面積は、従来例のそれよりも相当大きく、ストロークがゼロのときは従来例の２倍である。従って、本発明の実施の形態では、ストロークが従来例と同一で、作用部空隙が従来例よりも遙かに小さく、また作用部対向面積は従来例よりも大きい。従って、本発明の実施の形態では、可動子42がストロークの所定位置に達し、制動力を発生させるための反発方向通電すると、可動子42に必要な制動力が可動子42に確実に作用して減速され、制動のための電磁力が不足することは生じない。
【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では、永久磁石が軸線方向に向けて着磁され、各励磁コイルは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を備えたバイファーラ巻きにされており、各励磁コイルは一対のコイルに対してそれぞれ一方向だけの電流を流すユニポーラ駆動方式により励磁されるようにした。そして、エンジンバルブの着座前に可動子に制動力を作用させ、この制動力により可動子が減速されて、着座時の衝撃が少なくなり、着座音が静かで、エンジンバルブの耐久性が向上する。
また、本発明では、可動子の各ストロークの所定位置から終端にわたって、各励磁コイルの一対のコイルの内の一つに電流を流し、可動子に制動用反発力を作用させるようにした。この制動用反発力により可動子が減速されて、エンジンバルブ閉弁のストローク及び開弁のストロークの終端で振動や衝撃や音の発生が少なくなる。
本発明では、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。従って、可動子に必要な制動力が可動子に確実に作用して減速され、制動のための力が不足することは生じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１(a) 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を示す断面図であり、図１(b) は図１(a) の要部の変更例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開時を示し、図２(b) はエンジンバルブの全閉時を示す。
【図３】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。
【図４】従来例の通電と可動子の挙動を示す図であり、図４(a) は第１励磁コイル30と第２励磁コイル31の通電時を示す図であり、図４(b) は可動子のストロークと速度との関係を示す図であり、図４(c) は吸引力と作用状態を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態の通電と可動子の挙動を示す図であり、図５(a) は第１励磁コイル30の一対のコイルの通電時を示す図であり、図５(b) は第２励磁コイル31の一対のコイルの通電時を示す図であり、図５(c) は可動子のストロークと速度との関係を示す図であり、図５(d) は吸引力と作用状態を示す図である。
【図６】図６(a) は従来例の第１励磁コイルの結線と通電方法を示す図であり、図６(b) は本発明の実施の形態の第１励磁コイルの一対のコイルの結線と通電方法を示す図である。
【図７】図７(a) は従来例のエンジンバルブのリフト挙動を示す図であり、図７(b) は本発明の実施の形態のエンジンバルブのリフト挙動を示す図である。
【図８】図８(a) は本発明の実施の形態の作用部空隙を示す断面図であり、図８(b) は従来例の作用部空隙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
23Ｂ  円筒部
24  第２固定鉄心
24Ｂ  円筒部
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
42  可動子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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