(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、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。
【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。
【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。
【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７−８３０１２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（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，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。
【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。
【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
【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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