(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する方向に働く一対のばねと、
前記ばねに連結され非動作状態で該ばねにより与えられる中立位置に支持される、機械要素に結合したアマチャと、
前記アマチャを２つの終端位置の間で駆動する一対の電磁石と、
前記アマチャを前記終端位置の一方に保持するとき、該終端位置に対応する電磁石に保持電流を通電する通電手段と、
前記終端位置に対応する電磁石に前記保持電流が通電されているとき、該保持電流が所定値以上増大したならば、前記アマチャが該終端位置から脱落したと判定するアマチャ脱落判定手段と、
前記アマチャ脱落判定手段によってアマチャの脱落が判定されたことに応答して、前記終端位置に対応する電磁石に電圧を印加し、該アマチャを該終端位置に復帰させる復帰手段と、を備え、
さらに、前記アマチャ脱落判定手段によって判定されたアマチャの脱落の時刻と、前記アマチャの開放動作を開始する予め決められた時刻との差に従って、前記復帰手段による電磁石への電圧印加期間を決定する電圧印加期間決定手段を備える、電磁アクチュエータ制御装置。
【請求項２】
前記復帰手段によって前記終端位置に対応する電磁石への電圧印加が終了した後、前記通電手段は、前記保持電流を所定値大きくして、前記終端位置に対応する電磁石に通電する請求項１に記載の電磁アクチュエータ制御装置。
【請求項３】
前記電圧印加期間設定手段は、前記アマチャ脱落判定手段によって判定されたアマチャの脱落の時刻と、前記アマチャの開放動作を開始する予め決められた時刻との差が所定期間以下ならば、該アマチャの開放動作の開始に遅れが生じないよう前記復帰手段による電磁石への電圧印加期間を短縮する請求項１または２に記載の電磁アクチュエータ制御装置。
【請求項４】
前記アマチャが、連続したサイクルにわたって脱落することなく前記終端位置に保持される回数を計数するカウンタを備え、
前記カウンタによって示される回数が所定値以上に達したならば、前記通電手段は、前記保持電流を所定値小さくして、前記終端位置に対応する電磁石に通電する請求項１から３のいずれかに記載の電磁アクチュエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電磁バルブのアクチュエータ制御装置に関し、より具体的には、自動車、船舶等のエンジンにおけるバルブを駆動する電磁アクチュエータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆる電磁バルブと呼ばれる電磁アクチュエータによる動弁機構が提案されている。電磁アクチュエータは、典型的には、対向した電磁石の中間部に、それぞれオフセット荷重を予め与えた状態の一対のばねで挟まれた可動鉄片すなわちアマチャを備える。アマチャにはバルブが連結されている。対向した電磁石に交互に電力を供給すると、アマチャが駆動され、よってバルブが駆動される。このようなバルブ駆動においては、従来、次のような駆動方法が採用されている。
【０００３】
１）一方の電磁石がアマチャに及ぼす磁気吸引力が、一対のばねの反発力に打ち勝ってアマチャを吸引し、着座させる。このアマチャ（バルブ）は、その後の電磁石への電力供給の停止などを契機として着座状態から開放され、一対のばねの作用で余弦関数的に変位を開始する。
２）このアマチャの変位に応じたタイミングで、他方の電磁石に適当な電流を供給して吸引力発生のための磁束を成長させる。
３）アマチャがこの磁束を発生しつつある他方の電磁石に近づくにつれて磁束が急速に成長する。他方の電磁石の吸引力による仕事が、一方の電磁石の残留磁束によるアマチャを引き戻そうとするわずかな仕事と、大部分の仕事である機械的損失との和に打ち勝ち、アマチャが吸引されて他方の電磁石に着座する。
４）アマチャが着座する時期を見計らい、適切なタイミングで他方の電磁石にアマチャを保持するための一定電流を供給し、アマチャを保持し続ける。
【０００４】
アマチャの着座位置への保持においては、消費電力を極力抑えるために、着座を維持できるだけの最小限の駆動電流を供給するのが望ましい。しかし、限界に近い電流値である場合、アマチャが一旦は着座保持状態に移行したものの、電磁アクチュエータの経時変化や動作ごとのばらつきなどによって、毎回同じ着座保持電流を流すだけではアマチャの保持状態を継続することができなくなり、アマチャが着座位置から脱落するおそれがある。アマチャが脱落した場合は、速やかにアマチャの脱落を検出して電力供給を増大させ、アマチャを着座保持状態に復帰させる必要がある。
【０００５】
アマチャ脱落を検出するためには、従来、アマチャの変位を検出する変位センサからの信号を用いていた。具体的にいうと、アマチャが着座しているべき期間であるにもかかわらずセンサ出力が着座状態を示していない、という状態を検出することにより、アマチャ脱落を判定する。このアマチャ脱落の判定に応答して、速やかに復帰動作を起動するため大電流を電磁石のコイルに供給し、アマチャを引き戻す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにアマチャの変位を検出することによりアマチャ脱落を判定することには、以下のような問題がある。
【０００７】
アマチャが着座している時のアマチャと電磁石のヨークとの間の空隙量が非常に小さく、よって着座時の磁気抵抗が非常に小さく設定されている電磁アクチュエータにおいて、着座保持のための一定電流を流している場合、何らかの原因で着座状態から数１０μｍ以下程度の微小な脱落が生じただけでも吸引力が低下する。しかし、このような微小の脱落を変位センサで検出するのは非常に困難である。たとえば、アマチャが７ｍｍの範囲にわたって変位する場合、変位センサで検出することのできる脱落量は、雑音やセンサ性能等を考慮すると、良くて全変位量の１／１００、すなわち７０μｍ以上の脱落である。しかし、７０μｍ時点での脱落検出では、確実な復帰動作を実現するのに遅すぎる。
【０００８】
また、７０μｍ時点で復帰動作を起動させた場合、復帰させるのにより大きな電流を流す必要が生じ、よって消費電力が増大する。このことは、駆動素子（ＦＥＴなど）の定格容量を大きくする必要が生じ、駆動回路のコスト高を招く。さらに、大電流を流すことおよび脱落により空隙が生じていることにより、特に空隙部に大きな磁気エネルギーが蓄積される。したがって、アマチャが再び吸引されて着座にいたるとき、この磁気エネルギーの大部分がアマチャとバルブの運動エネルギーに変換される。結果としてアマチャの着座速度が大きくなり、アマチャが着座するときに過大な衝突音を励起する。
【０００９】
具体的な例として、電磁アクチュエータをエンジンの動弁系のように高速で繰り返し動作させる場合を、図１５を参照して説明する。左の縦軸は、アマチャの変位量（ｍｍ）を示すとともに電磁石に供給される電流（Ａ）を示す。右の縦軸は、吸引力（Ｎ）を示すとともに電磁石に印加される電圧（Ｖ）を示す。図に示されるように、アマチャが脱落しない最小限の吸引力（以下、脱落限界値という）は、４８５Ｎである。
【００１０】
図１５の（ａ）は、アマチャが正常に着座して、安定した着座状態が維持される場合を示す。時刻０において、アマチャは一方の電磁石から開放されて一対のばねの作用により他方の電磁石に向けて変位を開始する。時刻ＴｅからＴｈの期間、他方の電磁石に一定電圧４２Ｖを印加する（過励磁動作）ことにより、アマチャは該他方の電磁石に着座する。その後、吸引力は脱落限界値をわずかに上回るため、脱落することなく安定な着座状態を維持する。着座した後、電磁石に一定の保持電流が供給されるよう、たとえば＋１２Ｖと０Ｖの電圧によるスイッチング制御が実行される。
【００１１】
図１５の（ｂ）は、アマチャが脱落して、全リフト量（７ｍｍ）の１％である７０μｍにアマチャが達したところを変位センサで検出し、直ちに復帰動作を起動させた場合を示す。アマチャが脱落し始めて、時刻６．３３ｍｓ付近においてアマチャは７０μｍに達する。アマチャが７０μｍに達したことを変位センサで検出し、これに応答して復帰動作が起動する。時刻６．３３ｍｓから０．５ｍｓにわたって過励磁電圧を印加する。この電圧印加期間は、脱落量（７０μｍ）に対応して定められる値である。
【００１２】
電圧印加が終了した後、保持電流値を、通常の予め設定された保持電流値より所定値大きくなるよう新たに設定し（たとえば、この所定値は、通常の保持電流値の１０％である）、この新たに設定された目標保持電流値に収束するまで、±１２Ｖの電圧によるスイッチング制御を実行する。図の例では、このスイッチング制御は期間０．７ｍｓにわたって実行されている。その後、電磁石に流れる電流が目標保持電流値を維持するよう、＋１２Ｖと０Ｖの電圧によるスイッチング制御に移行する。
【００１３】
図１５の（ｂ）に示される例では、アマチャは、約０．２２ｍｍまで脱落が進行した後に復帰している。また、復帰に必要な投入エネルギーは約０．１２Ｊである。復帰時のアマチャの着座速度（図示せず）は約０．６ｍ／ｓに達しており、打撃騒音を励起する。このように、変位センサの出力からアマチャの脱落を検出して復帰動作を起動させると、復帰動作に遅れが生じ、復帰に必要なエネルギーが大きくなる。また、着座速度が大きくなり、騒音を励起してしまう。
【００１４】
したがって、ごく微小の脱落を検出し、脱落が検出されたことに応答して迅速な復帰動作を実現することができる電磁アクチュエータ制御装置が必要とされている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１の電磁アクチュエータ制御装置は、対向する方向に働く一対のばねと、前記ばねに連結され非動作状態で該ばねにより与えられる中立位置に支持される、機械要素に結合したアマチャと、前記アマチャを２つの終端位置の間で駆動する一対の電磁石と、前記アマチャを前記終端位置の一方の保持するとき、該終端位置に対応する電磁石に保持電流を通電する通電手段と、前記終端位置に対応する電磁石に前記保持電流が通電されているとき、該保持電流が所定値以上増大したならば、前記アマチャが該終端位置から脱落したと判定するアマチャ脱落判定手段とを備えるという構成をとる。
【００１６】
請求項１の発明によると、保持電流の変化に基づいてアマチャの脱落を判定することができるので、アマチャの脱落を早期に検出することができる。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１の電磁アクチュエータ制御装置において、アマチャ脱落判定手段によってアマチャの脱落が判定されたことに応答して、前記終端位置に対応する電磁石に電圧を印加し、該アマチャを該終端位置に復帰させる復帰手段を備えるという構成をとる。
【００１８】
請求項２の発明によると、保持電流の変化に基づくアマチャ脱落の判定に応答して復帰動作が起動されるので、迅速な復帰動作を実現することができ、よって小さいエネルギーでアマチャを復帰させることができる。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項２の電磁アクチュエータ制御装置において、復帰手段によって前記終端位置に対応する電磁石への電圧印加が終了した後、通電手段は、前記保持電流を所定値大きくして、前記終端位置に対応する電磁石に通電するという構成をとる。
【００２０】
請求項３の発明によると、アマチャが脱落して復帰した後の保持電流が大きめに設定されるので、以降のアマチャの脱落を回避することができる。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項２の電磁アクチュエータ制御装置において、アマチャ脱落判定手段によって判定されたアマチャの脱落の時刻と、前記アマチャの開放動作を開始する予め決められた時刻との差に従って、前記復帰手段による電磁石への電圧印加期間を決定する電圧印加期間決定手段を備えるという構成をとる。
【００２２】
請求項４の発明によると、アマチャが脱落した場合、アマチャの開放動作のタイミングに合わせて復帰動作の期間を制御することができる。
【００２３】
請求項５の発明は、請求項４の電磁アクチュエータ制御装置において、前記電圧印加期間設定手段は、前記アマチャ脱落判定手段によって判定されたアマチャの脱落の時刻と、前記アマチャの開放動作を開始する予め決められた時刻との差が所定期間以下ならば、該アマチャの開放動作の開始に遅れが生じないよう前記復帰手段による電磁石への電圧印加期間を短縮するという構成をとる。
【００２４】
請求項５の発明によると、アマチャの開放動作の直前でアマチャが脱落した場合には復帰動作の期間が短縮されるので、アマチャの開放動作の遅れを回避することができる。
【００２５】
請求項６の発明は、請求項１の電磁アクチュエータ制御装置において、アマチャが、連続したサイクルにわたって脱落することなく前記終端位置に保持される回数を計数するカウンタを備え、カウンタによって示される回数が所定値以上に達したならば、前記通電手段は、前記保持電流を所定値小さくして、前記終端位置に対応する電磁石に通電するという構成をとる。
【００２６】
請求項６の発明によると、アマチャが連続して着座に成功した場合には保持電流が徐々に小さく設定されていくので、それぞれの電磁アクチュエータに適合するよう電磁石に流れる保持電流を最適化することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、電磁アクチュエータ制御装置の全体的な構成を示すブロック図である。制御装置１は、マイクロコンピュータおよびこれに付随する回路素子で構成される中央演算処理装置２（以下「ＣＰＵ」という）、実行するプログラムおよびデータを格納するＲＯＭ３（読み取り専用メモリ）、実行時の作業領域を提供し演算結果などを記憶するＲＡＭ４（ランダムアクセスメモリ）、および入出力インターフェース５を備える。
【００２８】
入出力インターフェース５には、エンジン回転数（Ｎｅ）、エンジン水温（Ｔｗ）、吸気温（Ｔａ）、バッテリ電圧（ＶＢ）、イグニションスイッチ（IGSW）等を表す各種センサ２５からの信号が入力され、また、要求負荷検出手段２６によって検出された所望のトルクが入力される。要求負荷検出手段２６は、たとえばアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサにより実現することができる。
【００２９】
駆動回路８は、制御装置１からの制御信号に基づいて、定電圧源６から供給される電力を、電磁アクチュエータ１００に設けられた第１の電磁石１１および第２の電磁石１３に供給する。この発明の一実施形態では、アマチャを吸引するための電力は定電圧として供給され、アマチャを着座位置に保持するための電力は定電流として供給される。定電流制御は、たとえば定電圧源６から供給される電圧をパルス幅変調して電磁石に供給することにより実行することができる。
【００３０】
駆動回路８には電圧検出器９が接続されており、電圧検出器９は、第１および第２の電磁石１１および１３に供給される電圧の大きさを検出して制御装置１にフィードバックする。また、駆動回路８には電流検出器１０が接続されており、電流検出器１０は、第１および第２の電磁石１１および１３に供給される電流の大きさを検出して制御装置１にフィードバックする。
【００３１】
制御装置１は、上記の各種センサ２５および要求負荷検出手段２６からの入力と、電圧検出器９および電流検出器１０からフィードバックされた信号に基づいて、電力供給のタイミング、供給する電圧の大きさ、電圧を供給する期間などのパラメータを、予めＲＯＭ３に格納されている制御プログラムに従って決定する。その後、制御装置１は、電磁アクチュエータ１００を適切に制御する制御信号を入出力インターフェース５を介して駆動回路８に出力する。このように、内燃機関の燃費向上、エミッション低減および出力特性向上のため、駆動回路８は、最適化された電流を第１および第２の電磁石１１および１３に通電させることができる。
【００３２】
図２は、図１の電磁アクチュエータ１００の概略の構造を示す断面図である。バルブ２０は、内燃機関の吸気ポートまたは排気ポート（以下、吸排気ポート３０という）に設けられ、該吸排気ポート３０を開閉する。バルブ２０は、電磁アクチュエータ１００によって上方向に駆動されるとエンジンの吸排気ポート３０に設けられたバルブシート３１に密着して停止し、吸排気ポート３０を閉じる。また、バルブ２０は、電磁アクチュエータ１００によって下方向に駆動されるとバルブシート３１を離れ、バルブシート３１から所定の距離離れた位置まで下降して吸排気ポート３０を開く。
【００３３】
バルブ２０には、その上方に向かってバルブシャフト２１が連設されている。バルブシャフト２１は、バルブガイド２３によって軸方向に運動可能に保持されており、その上端に軟磁性材料で作られた円板状のアマチャ２２が取り付けられている。アマチャ２２は、第１のばね１６および第２のばね１７により上下から付勢されている。
【００３４】
電磁アクチュエータ１００の非磁性材料のハウジング１８内には、アマチャ２２の上方に位置する第１のソレノイド型の電磁石１１、およびアマチャ２２の下方に位置する第２のソレノイド型の電磁石１３が設けられている。第１の電磁石１１は第１の電磁石のヨーク１２で囲まれており、第２の電磁石１３は第２の電磁石のヨーク１４で囲まれている。第１のばね１６および第２のばね１７は、第１の電磁石１１または第２の電磁石１３のいずれにも励磁電流が通電されていない状態で、アマチャ２２が第１の電磁石１１と第２の電磁石１３の間の中間に位置するようなバランスで設けられている。
【００３５】
駆動回路８（図１）によって第１の電磁石１１に励磁電流が通電すると、第１の電磁石のヨーク１２およびアマチャ２２が磁化されて互いに吸引しあい、アマチャ２２が上方向に引きつけられる。その結果、バルブシャフト２１によりバルブ２０が上方向に駆動され、バルブシート３１に密着して停止し、閉状態になる。
【００３６】
第１の電磁石１１への励磁電流の供給を停止し、第２の電磁石１３に励磁電流を通電すると、第２の電磁石のヨーク１４およびアマチャ２２が磁化されてアマチャ２２を下方向に吸引する力が働き、ばねのポテンシャルエネルギーと相まってアマチャ２２が下方向に駆動され、第２の電磁石のヨーク１４に接触した状態で停止する。その結果、バルブシャフト２１によりバルブ２０が下方向に駆動され、バルブ２０は開状態になる。
【００３７】
図３は、経年変化、動作ばらつきなどに起因して、アマチャの保持に必要な吸引力を達成するための電流値が増大し、予め設定された目標保持電流値ではアマチャを保持することができずにアマチャが着座位置から脱落する場合を示す。アマチャは時刻３．６ｍｓ付近で着座し、この時の吸引力は、着座を維持するのに必要な脱落限界値４８５Ｎより所定値だけ大きい値となっている。しかし、何らかの原因により、着座を維持する脱落限界吸引力を発生させることができず、吸引力が徐々に低下する。時刻５ｍｓ付近で吸引力が脱落限界値を下回り、その後の５．４ｍｓ付近でアマチャが脱落し始める。
【００３８】
アマチャが脱落すると、アマチャと電磁石のヨークとの間の空隙が増大し、磁気抵抗が増加し始める。磁路を流れる総磁束の変化を抑制しようとして、電磁石のコイル（以下、単にコイルというときは、電磁石のコイルを示す）に流れる電流は、参照番号３１に示されるように急上昇する。アマチャの保持が定電流制御によって実現されている場合、駆動回路はフライホイール動作になるので、電源からの電力供給は行われない。したがって、電磁アクチュエータの磁気エネルギーは、この電流の急上昇に費やされる。その結果、磁気エネルギーはコイルの銅損、渦電流損に費やされ、磁束の減少が加速される。結果としてアマチャの脱落が促進される。
【００３９】
図から明らかなように、吸引力が脱落限界値を下回ってからしばらくは、アマチャ変位の変化は緩やかであり、１．７ｍｓ後でようやく脱落量が０．２ｍｍになる。これに対し、アマチャが脱落し始めてからの電磁石のコイルに流れる電流の変化は急峻であり、吸引力が脱落限界値を下回ってから０．３ｍｓ後付近で増大量が１０％（０．０６Ａ）程度にも達している。したがって、コイルに流れる電流の変化に基づいて、アマチャの脱落を早期に検出することができる。したがって、脱落検出に応答して復帰動作に早く移行することができるので、小さいエネルギーで簡単に復帰動作を完了させることができる。
【００４０】
図４は、図１の電磁アクチュエータ制御装置１の詳細な機能ブロック図である。電磁石制御部５０は、アマチャを吸引する過励磁動作中は電磁石のコイルに一定電圧が印加されるよう駆動回路８を制御し、アマチャを保持する保持動作中は電磁石のコイルに一定電流が供給されるよう駆動回路８を制御する。
【００４１】
Ｎｅ、Ｐｂ検出部５１は、エンジン回転数センサの出力からエンジン回転数Ｎｅを検出し、吸気管圧力センサの出力から吸気管圧力Ｐｂを検出する。Ｐｂはエンジンの負荷状態を表すパラメータであり、Ｎｅは、エンジンのバルブの動作速度、したがってアマチャの動作速度を表す。アマチャ変位センサ５３は、アマチャのヨーク面（着座面）からの変位（リフト）量を検出する。
【００４２】
電圧印加期間決定部５２は、過励磁開始時刻Ｔｅおよび過励磁終了時刻Ｔｈを、Ｎｅ、Ｐｂに基づいて決定する。具体的には、電圧印加期間決定部５２は、予め用意されＲＯＭ３に格納されているＮｅ、Ｐｂ、Ｔｅの対応関係、およびＮｅ、Ｐｂ、Ｔｈの対応関係を示した過励磁タイミングマップを参照し、現在のＮｅおよびＰｂに基づく印加開始時刻Ｔｅおよび過励磁終了時刻Ｔｈを求める。印加開始時刻Ｔｅおよび過励磁終了時刻Ｔｈは、アマチャが着座面から開放されて１ｍｍだけ変位した時点から起算される時刻で表される。過励磁タイミングマップは、高負荷になるにつれて電圧の印加期間が長くなるよう作成されている。
【００４３】
他の実施例においては、過励磁タイミングマップは、Ｎｅ、Ｐｂ、印加電圧の対応関係を示す。この場合、マップは、高負荷になるにつれて印加する電圧が大きくなるよう作成されている。さらに他の実施例では、Ｎｅ、Ｐｂに加え、印加電圧および印加期間の両方を含めた過励磁タイミングマップを用いてもよい。また、過励磁タイミングマップを、吸気管圧力Ｐｂおよびエンジン回転数Ｎｅに加え、またはこれらのパラメータの代わりに、スロットル開度、コイルの温度のような他のパラメータに基づくよう作成してもよい。
【００４４】
電磁石制御部５０は、変位センサ５３から検出されたアマチャの１ｍｍ変位を示す信号に応答して、過励磁動作を起動する。具体的には、電圧印加期間決定部５２から与えられた電圧印加開始時刻Ｔｅにおいてコイルへの電圧印加を開始し、この電圧印加を、電圧印加終了時刻Ｔｈになるまで続ける。
【００４５】
電圧印加終了時刻Ｔｈが経過した後、保持電流設定部５５は、予め用意されＲＯＭ３に格納されている保持電流マップを参照して目標保持電流Ｉobjを求め、これを電磁石制御部５０に渡す。電磁石制御部５０は、コイルに流れる電流が目標保持電流になるようコイルへの通電を制御する。保持電流マップは、Ｎｅ、Ｐｂおよび目標保持電流の対応関係を示すマップであり、高負荷になるにつれて目標保持電流値が大きくなるよう作成されている。
【００４６】
アマチャ状態判定部５４は、過励磁終了時刻Ｔｈが経過した後にコイルに流れる電流をモニターしており、電流が目標保持電流に達したならば、アマチャが着座に成功したことを示すので、着座成功カウンタをインクリメントする。着座成功カウンタは、アマチャが連続して何回着座に成功したかを示すカウンタである。着座成功カウンタは、バルブ１個に対して閉弁側および開弁側のそれぞれについて用意される。
【００４７】
たとえば図２に示される電磁アクチュエータ１００では、第１の電磁石１１について１つ、第２の電磁石１３について１つの着座成功カウンタが設けられる。この場合、第１の電磁石１１についての着座成功カウンタは、バルブ２０の閉弁動作においてアマチャの第１の電磁石のヨーク１２への着座が成功した場合に、インクリメントされる。第２の電磁石１３についての着座成功カウンタは、バルブ２０の開弁動作においてアマチャの第２の電磁石のヨーク１４への着座が成功した場合に、インクリメントされる。
【００４８】
アマチャが着座した後の保持動作中において、コイルに流れる電流が目標保持電流に対して所定値以上増大したとき、アマチャ状態判定部５４は、アマチャが脱落したと判定する。このとき、アマチャ状態判定部５４は、着座成功カウンタをリセットする。
【００４９】
復帰電圧印加期間決定部５８は、アマチャ状態判定部５４によるアマチャ脱落の判定に応答して、アマチャを着座位置に復帰させるための電圧をコイルに印加する期間Ｔγを決定する。この発明の一実施例においては、電圧をコイルに印加する期間Ｔγは予め決められた期間（たとえば、０．１ｍｓ）である。他の実施例においては、期間Ｔγの決定は、復帰過励磁マップを参照することにより行われる。復帰過励磁マップは、アマチャ脱落判定の時刻および予め決められたアマチャ開放予定時刻との差と、復帰のための電圧を印加する期間Ｔγの対応関係を示す。電磁石制御部５０は、復帰電圧印加期間決定部５８から与えられた印加期間Ｔγの間、予め決められた大きさの復帰電圧をコイルに印加するよう駆動回路８を制御する。
【００５０】
保持電流設定部５５は、アマチャ状態判定部５４によるアマチャ脱落の判定に応答して、目標保持電流を新たに所定値だけ大きく設定する。電磁石制御部５０は、これに応答して、復帰電圧印加期間が経過した後、コイルに流れる電流がこの新たに設定された目標保持電流になるよう駆動回路８を制御する。
【００５１】
また、保持電流設定部５５は、着座成功カウンタの値が所定値以上の値を示した場合、すなわちアマチャが脱落することなく着座が所定回数連続して成功した場合、目標保持電流を所定値だけ小さく設定しなおし、これを電磁石制御部５０に渡す。これに応答して、電磁石制御部５０は、コイルに流れる電流がこの新たに設定された目標保持電流になるよう駆動回路８を制御する。
【００５２】
こうして、保持電流を小さくした後も脱落が生じない場合には、徐々に目標保持電流値が小さく設定され、最終的には脱落を生じさせる。その結果、なるべく消費電力が小さくなるような限界の目標保持電流値を、電磁アクチュエータの個別のばらつきや経時変化に合わせて最適化することができる。
【００５３】
次に、図５の（ａ）を参照して、この発明の実施例に従う、アマチャが脱落した時の復帰動作について説明する。時刻０ｍｓにおいて、アマチャが電磁石のヨークから開放され、変位を開始する。アマチャが約２ｍｍに達したところ、すなわち時刻Ｔｅにおいて過励磁動作が起動され、コイルに電圧４２Ｖが印加される。電圧印加は、時刻Ｔｈまで続く。過励磁動作が終了し、アマチャは着座する。その後、何らかの原因により吸引力が脱落限界値４８５Ｎを下回り、時刻５．４ｍｓ付近においてアマチャが脱落し始める。アマチャが脱落すると、前述したように、また参照番号７１に示されるように、電磁石のコイルに流れる電流が増大する。この電流増大の検出に応答して、復帰動作が起動される。
【００５４】
図５の（ｂ）は、図５の（ａ）のアマチャが脱落して復帰動作が実行される期間を拡大して示す。時刻５．４ｍｓ付近においてアマチャが脱落し始め、変位が増加し始める。それに応答して、電磁石のコイルに流れる電流が増大し始める。電流が、目標保持電流に対して所定の割合だけ増大したとき、アマチャ脱落が判定される。図の例では、この判定は時刻５．７２８ｍｓで行われている。上記の所定の割合は任意に設定することができ、たとえば目標保持電流に対して１０％増大したとき、アマチャ脱落と判定することができる、
脱落判定に応答して、復帰のための過励磁動作が起動される。すなわち、所定期間（この例では、０．１ｍｓ）過励磁電圧４２Ｖが印加され、コイルに電力供給が行われる。過励磁動作が行われたことにより、吸引力は脱落限界値を上回り、５３０．０Ｎとなる。このとき、電流も増大する。
【００５５】
時刻５．８２８ｍｓにおいて復帰のための過励磁動作が終了した後、目標保持電流値を１０％増しに再設定する。保持電流を増やすのは、以降のアマチャの脱落を回避するためである。増やす割合は任意に設定することができる。この新たな目標保持電流値に電流を速やかに収束させるため、−１２Ｖを印加する（この期間を、急速電流調整期間と呼ぶ）。時刻５．９９５ｍｓにおいて電流が新たな目標保持電流値に達したならば、ごくわずかな期間（５．９９５〜６．０３ｍｓ）だけ±１２Ｖのスイッチング制御を行う。これは、コイルに流れる電流を、目標保持電流値に速やかに収束させるためである。その後、＋１２Ｖと０Ｖのスイッチング制御に移行し、コイルに流れる電流が目標保持電流値を維持するようにする。ここで、＋１２Ｖと０Ｖのスイッチング制御に移行するのは消費電力を最小にするためであり、代わりに±１２Ｖのスイッチング制御を行うようにしてもよい。
【００５６】
図から明らなように、アマチャの脱落量は微小量（約３．９μｍ）にとどまっており、脱落期間はきわめて短期間（０．５５ｍｓ程度）で終了する。また、復帰時のアマチャの着座速度は０．０６ｍ／ｓにすぎず、騒音はほとんど励起されない。復帰のための過励磁期間は０．１ｍｓであるので、投入エネルギーの増大は０．００４Ｊにとどまっている。
【００５７】
したがって、図１５を参照して前述した、変位センサを使用して復帰動作を起動する場合と比較して明らかなように、この発明によると、アマチャの脱落を早期に検出して復帰動作を速やかに起動させることができる。したがって、アマチャの脱落量は微小となり、復帰に必要なエネルギーは非常に小さい。
【００５８】
次に、この発明の他の実施例による、アマチャ脱落発生時刻に従って復帰動作期間を調整する方法を説明する。
【００５９】
図６は、アマチャが脱落しない場合の、通常のアマチャの着座および開放動作を示す。時刻０ｍｓにおいてアマチャが開放され、変位を開始する。時刻Ｔｅ〜Ｔｈにわたってコイルに電圧４２Ｖが印加され、アマチャは正常に着座する。バルブタイミングおよびエンジン回転数Ｎｅなどに基づいて予め設定されたアマチャ開放予定時刻Ｔｒまで、吸引力は脱落限界値４８５Ｎを上回っており、よってアマチャは脱落することなく安定して着座している。時刻Ｔｒにおいて、アマチャは開放動作を開始する。この例では、アマチャが開放されて１ｍｍ変位したときの時刻Ｔ１が７．２０３３ｍｓである。
【００６０】
図７は、アマチャ開放動作を開始する直前にアマチャが脱落した場合を示す。何らかの原因で吸引力が脱落限界値を下回り（４４７．２４Ｎになっている）、アマチャは、時刻５．４ｍｓ付近で脱落し始めている。開放予定時刻Ｔｒ６．０ｍｓにおいてアマチャはすでに脱落しており、変位が生じている。このため、１ｍｍ変位の時刻Ｔ１が、図６の７．２０３３ｍｓと比べて７．０３５５ｍｓに繰り上がっている。
【００６１】
図８は、図７のアマチャ脱落に対して、前述した復帰動作を起動した場合を示す。アマチャの脱落が時刻Ｔｆ（５．７２８３ｍｓ）で判定されたことに応答して、復帰のための過励磁動作が起動され、コイルに電圧が印加される。この電圧印加によって、参照番号８１に示されるように、吸引力は脱落限界値を上回る。開放予定時刻Ｔｒ（６．０ｍｓ）が到来したとき、吸引力は大きくなったままである。したがって、１ｍｍ変位の時刻Ｔ１が、図６の７．２０３３ｍｓに比べて７．２７８８ｍｓに繰り下がっている。
【００６２】
このように、開放予定時刻の直前でアマチャが脱落して復帰動作が起動されると、アマチャが開放される時点において吸引力が大きくなっているので、アマチャ開放動作に遅れが生じる。これは、バルブタイミングの遅れとなり、エンジン性能に重大な影響を及ぼすおそれがある。したがって、以下のような手順により、この復帰動作時のバルブタイミングの遅れを回避する。
１）アマチャ開放予定時刻Ｔｒおよびアマチャ脱落判定時刻Ｔｆの差を算出する。
２）Ｔｒ−Ｔｆが所定値以上の場合は、復帰動作を最後まで実行する。
３）Ｔｒ−Ｔｆが所定値以下の場合は、復帰のための電圧印加期間を期間Ｔγに短縮する。印加期間が短縮されると、電圧印加に伴う電流の増大が抑制されるので、その後の急速電流調整期間も対応して短くなる。
【００６３】
上記所定値は、復帰のために必要な電圧印加期間および急速電流調整期間を推定して定めるのが好ましい。たとえば、図５の例のように、復帰のための電圧印加期間を１ｍｓと設定し、この場合の急速電流調整に必要な期間を０．１６７ｍｓと予測すると（たとえば、実証データに基づいて予測することができる）、上記所定値を、両期間の和に余裕分を考慮してたとえば０．２８ｍｓと定めることができる。
【００６４】
図９は、復帰過励磁マップの例を概略的に示し、このマップは、アマチャ開放予定時刻Ｔｒおよびアマチャ脱落判定時刻Ｔｆの差と、復帰電圧印加期間Ｔγの対応関係を示す。この図から明らかなように、期間（Ｔｒ−Ｔｆ）が所定値以下の場合は、ＴｒとＴｆの差が小さくなるほど復帰電圧印加期間Ｔγは短縮される。期間（Ｔｒ−Ｔｆ）が所定値以上の場合は、復帰電圧印加期間Ｔγは一定である。この場合、復帰動作は最後まで実行される。
【００６５】
図１０を参照して、バルブタイミングの遅れを回避する方法を具体的に説明する。時刻Ｔｆ（５．７２８３ｍｓ）において、アマチャが脱落したと判定される。時刻Ｔｒは、アマチャ開放予定時刻である。Ｔｒ−Ｔｆ＝６．０００−５．７２８３＝０．２７１７ｍｓである。上記所定値をたとえば０．２８ｍｓに設定すると、Ｔｒ−Ｔｆの値は所定値以下であるので、図９に示されるようなマップを参照し、（Ｔｒ−Ｔｆ）に対応する期間Ｔγを抽出する。その結果、復帰動作期間が短縮され、時刻Ｔｒの時点における吸引力は、図６の時刻Ｔｒの時点の吸引力とほぼ同じである。１ｍｍ変位の時刻Ｔ１は７．２０３３ｍｓであり、これは、図６の通常時のアマチャ開放と同じタイミングである。
【００６６】
このようにアマチャ脱落のタイミングに応じて復帰動作期間を調整することにより、アマチャの開放動作の遅れを回避することができる。
【００６７】
図１１は、この発明の一実施例に従う、電磁アクチュエータの制御動作を示すフローチャートである。このフローチャートは、一定間隔で繰り返し実行される。ステップ１０１において、初期設定が終了したときにセットされる初期設定フラグが値１かどうか判断する。最初にこのルーチンに入ったときはまだ初期設定が実行されていないので、ステップ１０２に進み、初期設定を行う。すなわち、着座成功カウンタＫにゼロを設定する。その後、初期設定終了フラグに値１をセットし、次の過励磁動作の起動を許可することを示す過励磁動作許可フラグに値１をセットする。
【００６８】
次にこのルーチンに入ったとき、初期設定終了フラグの値は１なのでステップ１０３に進み、過励磁動作ルーチンを実行してアマチャを着座させる。過励磁動作ルーチンが終了したならば、ステップ１０４に進んで保持動作ルーチンを実行し、アマチャの着座状態を維持する。その後、ステップ１０５において、アマチャの開放予定時刻になったならば、アマチャを開放するアマチャ開放動作ルーチンを起動する。
【００６９】
図１２は、図１１のステップ１０３において実行される、過励磁動作ルーチンを示すフローチャートである。ステップ１５１において、初期設定が終了したときにセットされる過励磁動作許可フラグに値１が設定されているかどうか判断する。前述したように、初期設定後にこのルーチンに入ったときは値１なので、ステップ１５２に進み、１ｍｍ変位が検出されたかどうか判断する。まだ検出されていなければこのルーチンを抜け、検出されたならば、予め格納された過励磁タイミングマップを参照し、１ｍｍ変位検出時点を基準にして設定された過励磁開始時刻Ｔｅおよび過励磁終了時刻Ｔｈを抽出する（１５３）。ステップ１５４において、ゼロにセットされた過励磁タイマを起動させる。このタイマはアップタイマである。
【００７０】
ステップ１５５において、過励磁タイマが過励磁開始時刻Ｔｅに達していなければそのままこのルーチンを抜け、達していれば、ステップ１５６に進む。１ｍｍ変位検出時点から時間が経過して過励磁開始時刻Ｔｅに最初に達したとき、ステップ１５６の判断はＮｏなので、ステップ１５７に進んで過励磁電圧を印加する。ステップ１５６に示されるように、過励磁電圧の印加は、過励磁タイマが過励磁終了時刻Ｔｈに達するまで行われる。
【００７１】
ステップ１５６において過励磁タイマが過励磁終了時刻Ｔｈに達したならば、電圧印加を終了し、アマチャの保持動作に移行するためのステップ１６１〜１６７を実行して、アマチャを確実に着座させるようにする。ステップ１６１において、予め格納された保持電流マップを参照し、現在のＮｅおよびＰｂに基づく目標保持電流Ｉobjを抽出する。次に、ステップ１６２において、０Ｖを印加する。これは、過励磁動作終了時は、電磁石のコイルに流れる電流が目標保持電流に対して大きいためである。
【００７２】
ステップ１６３において、コイルに流れる電流が単調に減少しているかどうか判断する。電流が単調に減少しているということは、着座が成功していることを示すからである。なぜならば、アマチャが着座に向かっており、着座までの距離が単調に減少している場合は、アマチャと電磁石のヨークとの間の空隙にたまった磁気エネルギーが機械仕事に変換されており、かつ磁路が閉じるため、電流は単調減少する。また、すでに着座に成功している場合も、磁気エネルギーは銅損や渦電流損に変換されるので、電流は単調減少する。電流が単調に減少しているかどうかは、たとえば単位時間あたりの電流値の変化を調べ、所定値以上変化しているならば単調に減少していると判断することができる。
【００７３】
ステップ１６３において電流が単調に減少していなければ、ステップ１５７で実行された電圧印加によってはアマチャが正常に着座していないことを示すので、再度過励磁動作を実行する（１６７）。この再過励磁動作期間は、予め設定された期間（たとえば、１ｍｓ）にわたって実行される。
【００７４】
再過励磁ルーチン終了後、再びこのルーチンに入った時に、ステップ１６３において電流が単調に減少すると判断されたならば、電磁石のコイルに流れる電流が、ステップ１６１において抽出された目標保持電流に達したかどうか判断する（ステップ１６４）。目標保持電流に達していなければこのルーチンを抜け、達したならば、アマチャの着座が成功したことを示すので、着座成功カウンタをインクリメントする（１６５）。その後、過励磁動作が正常に終了したので、過励磁動作許可フラグにゼロをセットし、次の保持動作を行うために、保持動作許可フラグに値１をセットする（１６６）。
【００７５】
図１３は、図１１のステップ１０４で実行される、保持動作ルーチンを示すフローチャートである。ステップ１７１において、過励磁動作ルーチンが終了したときにセットされる保持動作許可フラグが値１かどうか判断する。値１でなければこのルーチンを抜け、値１ならば、ステップ１７２において、保持動作期間の終了時刻かどうか判断する。保持動作期間は、アマチャの開放予定時刻に合わせて予め設定される期間である。最初にこのルーチンに入ったとき、保持動作期間は終了していないのでステップ１７３に進み、「復帰後電流制御」（ステップ１８２、これについては図１４を参照して後述する）が実行中かどうかを示す復帰後電流制御フラグが、値１かどうか判断する。最初にこのルーチンに入ったとき、復帰後電流制御は実行されていないのでこのフラグの値は０であり、よってステップ１７４に進む。
【００７６】
ステップ１７４において、電磁石のコイルに流れる電流が、図１２のステップ１６１で抽出された目標保持電流Ｉobjに維持されるようコイルへの通電を制御するルーチンを実行する。これは、たとえば、０Ｖと＋１２Ｖの電圧によってスイッチング制御を実行することによって行われる。こうして、アマチャは着座位置に保持される。
【００７７】
電流が目標保持電流に維持されるよう制御しているとき、アマチャが脱落すると、自動的にコイルに流れる電流が増大する。したがって、ステップ１７５において、コイルに流れる電流が目標保持電流に対して１０％以上増大したならば、アマチャ脱落と判定し、着座成功カウンタをリセットする（１７６）。その後、目標保持電流を、１０％増やした値に再設定する（１７７）。
【００７８】
図１０を参照して述べたように、アマチャ脱落判定時刻Ｔｆとアマチャ開放予定時刻Ｔｒとの差に基づいて予め定められた復帰のための電圧印加期間Ｔγを、予め格納された復帰過励磁マップから抽出し（１７８）、復帰過励磁タイマ（これは、ダウンタイマである）に期間Ｔγを設定して起動させる。ステップ１７９および１８０において、期間Ｔγが経過するまで、コイルに電圧を印加する。
【００７９】
再びこのルーチンに入った時に、復帰過励磁タイマがゼロに達したならば、ステップ１８２に進み、復帰後電流制御ルーチン（図１４）を実行して、アマチャを確実に着座させるための動作を行う。
【００８０】
ステップ１７５において、コイルに流れる電流が目標保持電流の１０％増大したものに達していなければ、ステップ１８６に進み、着座成功カウンタが所定値（たとえば、１００００）より大きく、かつエンジン回転数Ｎｅが所定値（たとえば、１０００ｒｐｍ）より小さいかどうか判断する。着座成功カウンタが所定値より大きく、かつ回転数Ｎｅが所定値より小さければ、現在の目標保持電流値を５％だけ小さくなるよう再設定する（１８７）。これは、保持電流値を、着座に必要な限界値にまで下方修正するためである。このように、脱落が生じない場合は、徐々に目標保持電流が小さくなり、最終的には脱落を引き起こす。その結果、それぞれの電磁アクチュエータに最適になるよう目標保持電流値を補正することが可能となる。
【００８１】
目標保持電流値の上記補正のための条件に回転数Ｎｅを含めたのは、アマチャの動作速度が高速なときに保持電流値を変更するのは好ましくないからである。しかしながら、この条件に回転数を含めないこともできる。また、着座成功カウンタについての所定値および回転数についての所定値を、任意の値に設定することができる。
【００８２】
時間が経過して、予め設定された保持動作期間が終了するとき、ステップ１７２の判断ステップがＹｅｓとなる。その場合、ステップ１８５に進み、保持動作許可フラグをゼロにセットして、このルーチンを抜ける。
【００８３】
図１４は、図１３のステップ１８２で実行される復帰後電流制御ルーチンのフローチャートを示す。ステップ１９１において、復帰後電流制御ルーチンが実行中であることを示す復帰後電流制御フラグに値１をセットする。図１３のステップ１７３で説明したように、このフラグに値１が設定されている間は、以降の電流制御および復帰過励磁などの動作は実行されない。
【００８４】
ステップ１９２において、０Ｖを印加する。これは、復帰のための過励磁動作終了時には、コイルに流れる電流が目標保持電流より大きいためである。ステップ１９３に進み、電流が単調に減少しているかどうか判断する。電流が単調に減少しているということは、着座が成功していることを示すからである。電流が単調に減少しているかどうかは、たとえば単位時間あたりの電流値の変化を調べ、所定値以上変化しているならば単調に減少していると判断することができる。
【００８５】
ステップ１９３において、電流が単調に減少していなければ、図１３のステップ１８０で実行された電圧印加によってはアマチャがまだ着座状態に復帰していないことを示すので、ステップ１８０と同様の過励磁動作を再度実行する。すなわち、期間Ｔγの間、電磁石のコイルに電圧を印加する。
【００８６】
期間Ｔγにわたる再過励磁動作後、再びこのルーチンに入った時に、ステップ１９３において電流が単調に減少すると判断されたならば、電流が、目標保持電流Ｉobjに達したかどうか判断する（ステップ１９４）。目標保持電流に達していなければこのルーチンを抜け、達したならば、アマチャの着座への復帰が成功したことを示すので、復帰後電流制御フラグにゼロをセットする。
【００８７】
このように、保持動作中に電磁石のコイルに流れる電流を検出することにより、アマチャの着座位置からの脱落を早期に検出して復帰させる実施形態の例を説明してきた。これまで参照した図に示される印加電圧の値（４２Ｖなど）、スイッチング制御における電圧の値（±１２Ｖなど）は単なる例であり、電源電圧の大きさに従って、他の大きさの電圧を用いることができる。たとえば、保持動作を４２Ｖの電源で実行することも可能である。
【００８８】
【発明の効果】
請求項１の発明によると、保持電流の変化に基づいてアマチャの脱落を判定することができるので、アマチャの脱落を早期に検出することができる。
【００８９】
請求項２の発明によると、保持電流の変化に基づくアマチャ脱落の判定に応答して復帰動作が起動されるので、迅速な復帰動作を実現することができ、よって小さいエネルギーでアマチャを復帰させることができる。
【００９０】
請求項３の発明によると、アマチャが脱落して復帰した後の保持電流が大きめに設定されるので、以降のアマチャの脱落を回避することができる。
【００９１】
請求項４の発明によると、アマチャが脱落した場合、アマチャの開放動作のタイミングに合わせて復帰動作の期間を制御することができる。
【００９２】
請求項５の発明によると、アマチャの開放動作の直前でアマチャが脱落した場合には復帰動作の期間が短縮されるので、アマチャの開放動作の遅れを回避することができる。
【００９３】
請求項６の発明によると、アマチャが連続して着座に成功した場合には保持電流が徐々に小さく設定されていくので、それぞれの電磁アクチュエータに適合するよう電磁石に流れる保持電流を最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例における電磁アクチュエータ制御装置の全体的なブロック図。
【図２】この発明の一実施例における電磁アクチュエータの機械的構造を示す図。
【図３】この発明の一実施例における、アマチャが脱落したときの各パラメータの関係を示す図。
【図４】この発明の一実施例における電磁アクチュエータ制御装置の機能ブロック図。
【図５】この発明の一実施例における、アマチャが脱落したときの復帰動作における各パラメータの関係を示す図。
【図６】この発明の一実施例における、アマチャの通常動作時の各パラメータの関係を示す図。
【図７】この発明の一実施例における、アマチャが開放予定時刻近くで脱落したときの各パラメータの関係を示す図。
【図８】この発明の一実施例における、アマチャが開放予定時刻近くで脱落して復帰動作を実行したときの各パラメータの関係を示す図。
【図９】この発明の一実施例における、アマチャ脱落判定時刻とアマチャ開放予定時刻の差と、復帰のための過励磁動作期間との対応関係を概略的に示す図。
【図１０】この発明の一実施例における、アマチャが脱落したときの復帰動作を、アマチャの脱落発生時刻に従って調整した場合の各パラメータの関係を示す図。
【図１１】この発明の一実施例における、電磁アクチュエータの制御の全体的な動作を示すフローチャート。
【図１２】この発明の一実施例における、過励磁動作を示すフローチャート。
【図１３】この発明の一実施例における、保持動作を示すフローチャート。
【図１４】この発明の一実施例における、保持動作における復帰後電流制御の動作を示すフローチャート。
【図１５】（ａ）背景技術のアクチュエータ制御における各パラメータの関係を示す図、および（ｂ）背景技術における、アマチャ変位センサを使用してアマチャの脱落を検出し、復帰動作を実行した場合の各パラメータの関係を示す図。
【符号の説明】
５０      電磁石制御部
５２      電圧印加期間決定部
５３      アマチャ変位センサ
５４      アマチャ状態判定部
５５      保持電流設定部
５７      着座成功カウンタ
５８      復帰電圧印加期間決定部
【図１】
0004642244.tif 000002
【図２】
0004642244.tif 000003
【図３】
0004642244.tif 000004
【図４】
0004642244.tif 000005
【図５】
0004642244.tif 000006
【図６】
0004642244.tif 000007
【図７】
0004642244.tif 000008
【図８】
0004642244.tif 000009
【図９】
0004642244.tif 000010
【図１０】
0004642244.tif 000011
【図１１】
0004642244.tif 000012
【図１２】
0004642244.tif 000013
【図１３】
0004642244.tif 000014
【図１４】
0004642244.tif 000015
【図１５】
0004642244.tif 000016