(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁石と、該電磁石により駆動される可動子と、該可動子により駆動される弁とを備えた電磁駆動弁を制御する電磁駆動弁の制御装置であって、
前記可動子または弁である可動部の位置を検出する位置検出手段と、
前記可動部の速度を検出または推定する速度検出手段と、
前記可動部の位置に応じて前記可動部の速度目標値を生成する速度目標値生成手段と、
前記検出された速度と前記生成された速度目標値とを比較する比較手段と、
該比較手段の比較結果に応じて前記電磁石に通電する電流値を制御する電流制御手段と、を備え、
前記電流制御手段は、前記電磁石と前記可動子との距離が前記可動部の自由運動の速度減少範囲内に設定された所定の距離まで近づいたときに前記電磁石への通電を開始する
ことを特徴とする電磁駆動弁の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁駆動弁の制御装置に係り、特に、可動子または弁の位置に応じて速度制御を行う電磁駆動弁の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の吸排気弁の駆動方式において、従来のカムにより弁体を駆動するカム駆動方式に代えて、電磁力により弁体を駆動する電磁駆動弁が提案されている。この電磁駆動弁によれば、弁体駆動用のカム機構が不要となることに加えて、内燃機関の動作状態に応じて吸排気弁の開閉時期を容易に最適化することができ、内燃機関の出力向上及び燃費の向上を図ることができる。
【０００３】
このような電磁駆動弁の従来技術としては、特開平１０−２０５３１４号公報記載の「ガス交換弁の電磁弁駆動部を制御する方法」（以下、第１従来技術）、特開平１０−２２０６２２号公報記載の「幅の狭い構造の電磁式アクチュエータ」（以下、第２従来技術）が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に電磁駆動弁では、弁もしくは可動部の一部が閉弁時および最大開弁時に電磁石と衝突する。そのため衝突時に騒音が発生する。また可動部や電磁石部分の強度を衝突に耐えるものとすると、電磁駆動弁として重量が増加したり、大きな駆動電力を必要としたりする。
【０００５】
このため第１従来技術、第２従来技術では電磁石の形状を変え、可動部と電磁石とが接触しない位置で磁力が最大となり、可動部が電磁石と衝突する前に停止保持される電磁駆動弁が開示されている。
【０００６】
しかしながら、第１従来技術、第２従来技術の方法で、可動部を電磁石と衝突する前に停止保持するには大きな磁力を発生させることが必要であり、電磁石磁気回路の大型化や駆動電力の大電力化を招きやすいという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電磁駆動弁の開閉弁時の可動部と電磁石との衝突を無くし騒音を低減するとともに、電磁石磁気回路を小型化し、その駆動電力を低減することのできる電磁駆動弁の制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、上記課題を解決するため、電磁石と、該電磁石により駆動される可動子と、該可動子により駆動される弁とを備えた電磁駆動弁を制御する電磁駆動弁の制御装置であって、前記可動子または弁である可動部の位置を検出する位置検出手段と、前記可動部の速度を検出または推定する速度検出手段と、前記可動部の位置に応じて前記可動部の速度目標値を生成する速度目標値生成手段と、前記検出された速度と前記生成された速度目標値とを比較する比較手段と、該比較手段の比較結果に応じて前記電磁石に通電する電流値を制御する電流制御手段と、を備え、前記電流制御手段は、前記電磁石と前記可動子との距離が前記可動部の自由運動の速度減少範囲内に設定された所定の距離まで近づいたときに前記電磁石への通電を開始することを要旨とする電磁駆動弁の制御装置である。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、位置検出手段が検出した可動部の位置に応じて速度目標値生成手段が生成した速度目標値と、速度検出手段が検出した可動部の速度目標値との比較結果に応じて、電磁石に通電する電流値を電流制御手段により制御し、さらに、前記電磁石と前記可動子との距離が前記可動部の自由運動の速度減少範囲内に設定された所定の距離まで近づいたときに前記電磁石への通電を開始することができるので、可動部の変位端における衝突を回避し騒音を低減することができるとともに電磁石磁気回路の大型化を回避し駆動電力の削減を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図２は、本発明に係る電磁駆動弁の制御装置を車両用内燃機関に適用した全体構成を示す図である。
【００１８】
同図に示すように、エンジンのシリンダ５１の上部に固定されたシリンダヘッド５２には、吸気弁または排気弁となる弁５４（図２では単一の弁のみを示す）が設けられている。弁５４から上方に伸延する弁軸５４ａの上部には、スプリングリテーナ５５が固定され、スプリングリテーナ５５とシリンダヘッド５２との間には弁５４を閉弁側に付勢するコイルスプリング５６が設けられている。
【００１９】
またシリンダヘッド５２の上部には電磁弁のケースとなるハウジング６０が立設されている。ハウジング６０の内部には、閉弁側電磁石１１と、開弁側電磁石１２とが所定の間隔をあけて上下に対向する位置に固定されている。これら閉弁側電磁石１１と開弁側電磁石１２との間には、軟磁性体の可動子（アーマチュア）５７が可動子軸部材５７ａにより上下に滑動可能に支持されている。
【００２０】
閉弁側電磁石１１より上部の位置には、可動子軸部材５７ａにスプリングリテーナ５８が固定され、ハウジング６０の天井内面とスプリングリテーナ５８との間には、可動子５７を開弁側に付勢するコイルスプリング５９が設けられている。
【００２１】
またハウジング６０の天井部には、可動部の速度を検出し速度信号を出力する可動部速度センサ２、可動部の位置を検出し位置信号を出力する可動部位置センサ３が設けられ、これらの速度信号及び位置信号は、電磁駆動弁の制御装置である制御装置１に伝えられるようになっている。
【００２２】
さらに制御装置１は、エンジン制御ＥＣＵ８から開弁指令／閉弁指令が伝達され、制御装置１は閉弁側電磁石電流制御部９及び開弁側電磁石電流制御部１０に対して電流目標値を出力するようになっている。
【００２３】
閉弁側電磁石電流制御部９及び開弁側電磁石電流制御部１０は、それぞれ入力された電流目標値に応じたＰＷＭ制御により電源部１３から各電磁石１１、１２へ電流を供給することにより電磁力を制御できるようになっている。
【００２４】
図１は、本発明に係る電磁駆動弁の制御装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
同図において、制御装置１は、可動子５７の速度を検出し速度信号を出力する可動部速度センサ２と、可動子５７の位置を検出し位置信号を出力する可動部位置センサ３と、可動部位置センサが出力する位置信号に基づいて可動部の速度目標値を生成する速度目標値生成部５と、可動部速度センサ２が出力する速度信号と速度目標値とを比較する比較部４と、比較部４の比較結果に応じて閉弁側電磁石１１または開弁側電磁石１２に通電すべき電流目標値を生成する電流目標値生成部６と、閉弁側電磁石電流制御部９または開弁側電磁石電流制御部１０のいずれに電流目標値を供給するかを切り換える切替器７を備えている。エンジン制御ＥＣＵ８、閉弁側電磁石電流制御部９、開弁側電磁石電流制御部１０、閉弁側電磁石１１、開弁側電磁石１２は、図２で説明した構成要素と同じ構成要素である。
【００２５】
特許請求範囲の請求項１と図１の構成要素との対応は、以下の通りである。可動子または弁である可動部の位置を検出する位置検出手段は可動部位置センサ３、可動部の速度を検出または推定する速度検出手段は可動部速度センサ２、可動部の位置に応じて可動部の速度目標値を生成する速度目標値生成手段は速度目標値生成部５、検出された速度と生成された速度目標値とを比較する比較手段は比較部４、にそれぞれ相当する。さらに、比較手段の比較結果に応じて電磁石に通電する電流値を制御する電流制御手段（図１中に符号１３で示す）は、電流目標値生成部６、切替器７、閉弁側電磁石電流制御部９及び開弁側電磁石電流制御部１０に相当する。
【００２６】
次に、電磁駆動弁および電磁駆動弁の制御装置の動作を説明する。
可動子５７はコイルスプリング５６、５９に懸吊されており、閉弁側電磁石１１および開弁側電磁石１２が通電していないとき、閉弁側電磁石１１と開弁側電磁石１２の概略中央に位置するように、それそれのコイルスプリング５６、５９の寸法及びバネ定数が設定されている。
【００２７】
ここで、コイルスプリング５６、５９と、弁５４及び可動子５７を含む可動部とで構成されるバネ・マス系の固有振動数ｆｏは、合成バネ定数をＫ、合計慣性質量をｍとすると、ｆｏ＝√（Ｋ／ｍ）であることが知られている。
【００２８】
さてエンジン始動前の初期動作において、上記固有振動数ｆｏに対応する周期で閉弁側電磁石１１と開弁側電磁石１２に交互に通電する。そして、可動部を共振させることにより徐々に可動部の振幅を増大させ、初期動作の最終段階で、例えば閉弁側電磁石１１に可動子が吸着され、この吸着状態が保持される。
【００２９】
次に、エンジンの始動時または通常の稼働時には、例えば弁を開く時はまず閉弁側電磁石１１の電流が切られ、可動部はコイルスプリングのバネ力により下方に移動を開始する。摩擦力などによるエネルギー損失のため、バネ力だけで弁全開位置まで可動子５７を移動させることはできない。そこで、可動子５７が開弁側電磁石１２に十分近づき、電磁力が有効となる位置で開弁側電磁石１２が通電され、可動子５７の運動を助勢する。
【００３０】
このとき制御装置１は可動部位置センサ３及び可動部速度センサ２から、可動子５７の位置及び速度を入力し、可動部の速度が速度目標値を追従するように開弁側電磁石電流制御部１０に指令値を発する。制御装置の指令値に応じて開弁側電磁石１２の電流が制御された結果（開弁側電磁石１２の電磁力が制御された結果）、可動子５７と開弁側電磁石１２は所定の速度以下（例えば０．１［ｍ／ｓ］以下）で当接し、そこで可動部が停止する。もしくは、可動部の速度は開弁側電磁石１２と可動子５７のギャップが例えば数百ミクロンになる位置で停止する。
【００３１】
図３は、上記の可動子の位置／速度位相面における軌跡を示すグラフである。同図において、Ｘ軸は開弁側電磁石と可動部との距離ｘ（ギャップ）であり、Ｙ軸はｘの時間微分である速度ｖ（＝ｄｘ／ｄｔ）を示す。可動子は可動部動作開始点１０１から出発し、自由運動軌跡１０２に沿ってｘ1 へ向かって運動する。
【００３２】
そしてｘ＝ｘ1 に達した時点から、可動子の速度制御が開始され、例えば直線による速度目標関数１０３に沿った運動となる。この速度目標関数は、ｘ＝ｘ1 における目標値ｒ1 を、そのときに検出された速度ｖ（ｘ1 ）に一致させている。そして可動子は速度制御により速度を減少させながらｘ＝ｘ2 である可動部動作終了点１０４に到達するとともに、ｘ＝ｘ2 では速度目標値ｒ2 ＝０となり、可動子が可動部動作終了点１０４で停止するように電磁石の電磁力が制御される。
【００３３】
弁を閉じるときは開弁側電磁石１２の電流は切られる。可動子５７と弁５４はコイルスプリング５９およびコイルスプリング５６の力により上方へ移動するが、摩擦力などによるエネルギー損失のため、バネ力だけで閉弁位置まで可動子５７を移動させることはできない。
【００３４】
そこで、可動子５７が閉弁側電磁石１１に十分近づき、電磁力が有効となる位置で閉弁側電磁石１１が通電され、可動子５７の運動を助勢する。まず、弁が閉位置となり、一体化して移動していた弁と可動子５７が分離する。可動子５７は電磁力に助勢されてそのまま閉弁側電磁石１１に接近する。
【００３５】
制御装置は弁５４と弁座５２ａとが衝突することがないよう、また、可動子５７と電磁石１１、１２とが衝突することがないよう可動部位置センサ３もしくは可動部速度センサ２が可動部の運動を検出し、閉弁側電磁石電流制御部９により閉弁側電磁石１１の電流を調節する。
【００３６】
このとき弁と弁座５２ａ、もしくは可動子５７と閉弁側電磁石１１とが当接する速度は、例えば０．１［ｍ／ｓ］以下になるよう可動部の速度が制御される。あるいは、可動子５７と閉弁側電磁石１１とのギャップが数百ミクロン以下となったとき、可動子５７の目標速度がゼロとなり、可動子５７は閉弁側電磁石１１とのギャップが数百ミクロンの位置で停止するように制御されるので、衝突することがなくなり、騒音発生が防止され、電磁駆動弁の寿命が伸延する。
【００３７】
制御装置１はエンジン制御ＥＣＵ８より開弁指令または閉弁指令を入力する。開弁指令であれば開弁側電磁石電流制御部１０、閉弁指令であれば閉弁側電磁石電流制御部９をそれぞれ切替器７で選択し、選択された側に電流目標値生成部６が生成する電流目標値が出力される。
【００３８】
電流目標値生成部６は可動部の位置および速度を入力し、次のように電流目標値を生成する。
まず速度目標値ｒは、
【数１】
0004320885.tif 000002
式（１）に示すように発生される。
【００３９】
ここで、ｘは可動部位置センサ３の出力から演算される可動子５７と可動子５７を引きつけている電磁石と距離（ギャップ）、ｔは時刻である。ｖは可動部速度センサ２が検出した可動部の速度、または可動部位置センサ３が検出した位置信号の出力から演算されるｘの時間微分値である。ｒ（ｘ）はギャップの関数として与えられる速度目標関数であり、ギャップが次第に小さくなりｘが第１の所定値ｘ1 になった時点ｔ1 で決定される。ｘ1 はギャップが小さくなり電磁力が有効になるギャップ長を基準に選ばれ、実際には１〜３［ｍｍ］程度である。
【００４０】
ｒ（ｘ）は次の条件を満たすように決定される。
【００４１】
【数２】
ｒ（ｘ1 ）＝ｒ1 ＝ｖ（ｔ1 ）            （２）
【数３】
ｒ（ｘ2 ）＝ｒ2                         （３）
あるいは（請求項４）
【数４】
ｒ（ｘ）＝ｒ2 （ｘ＜ｘ2 ）              （４）
【００４２】
ここでｘ2 は第２の所定値、ｒ2 は可動子５７と電磁石１１または１２の当接速度を設計するパラメータであり、概略０または０を選択し、衝突を避けることができる。例えば、可動子５７を０．０５［ｍ／ｓ］で電磁石に当接させるのであれば、
【数５】
ｘ2 ＝０，  ｒ2 ＝０．０５［ｍ／ｓ］    （５）
とする。
【００４３】
あるいは可動子５７を電磁石の寸前（実際には２００［μｍ］程度）で停止保持するのであれば
【数６】
ｘ2 ＝２００［μｍ］，ｒ2 ＝０［ｍ／ｓ］    （６）
とする。
【００４４】
ｘ2 ＜ｘ＜ｘ1 の区間ではｘ1 のとき及びｘ2 のときの関数値を内挿する。例えば、直線で内挿する場合は、
【数７】
0004320885.tif 000003
となる。勿論、２次、３次曲線等の曲線で内挿してもよい。
【００４５】
速度目標値ｒ（ｘ）は可動部速度ｖと比較部４により比較され、比較信号（ｖ−ｒ（ｘ））が電流目標値生成部６に出力される。電流目標値生成部６では、電流目標値ｉ*（ｔ）は次に示す式（８）のように発生される。
【００４６】
【数８】
0004320885.tif 000004
ここでｋは適当に決める正の定数（フィードバックゲイン）である。ｘ＜ｘ1の区間ではｒ（ｘ）＝ｖであるから速度制御は発生しない。
【００４７】
この電流目標値を電磁石の通電電流として、切替器７を介して閉弁側電磁石電流制御部９または開弁側電磁石電流制御部１０に伝達される。そして、閉弁側電磁石電流制御部９または開弁側電磁石電流制御部１０がＰＷＭ制御により電源部１３から供給される電流のＯＮ／ＯＦＦ比を制御することにより通電電流の大きさが制御され、結果として可動子に作用する電磁力が制御され、可動部の速度が制御される。
【００４８】
図４は、以上の制御装置１の動作をフローチャートとして図示したものである。図４において、所定時間毎に可動部の位置と速度とを読み込んで、速度目標関数の算出、電流目標値の算出及び出力を行う第１のフローと、エンジン制御ＥＣＵからの弁開閉指令により閉弁側電磁石電流制御部９と開弁側電磁石電流制御部１０とを選択切換する第２のフローとが並列に処理可能である。
【００４９】
すなわち、制御の開始と共に制御フローは２分岐され、ステップＳ１０以下の処理とステップＳ２２以下の処理とが並列に実行可能であるが、直列に実行する場合には、時間待ちを含まないステップＳ２２〜Ｓ３０を先に実行するのが好ましい。
【００５０】
ステップＳ１０では、制御装置１に内蔵される図示されないタイマーから時間読み込みが行われ、次いで所定間隔の制御時刻が到来しているか否かを判定する（ステップＳ１２）。制御時刻が到来していなければステップＳ１０に戻り、制御時刻が到来していれば可動部位置センサ３及び可動部速度センサ２から位置信号ｘ及び速度信号ｖを読み込む（ステップＳ１４）。
【００５１】
次いで位置信号ｘが制御対象範囲にあれば、速度目標値生成部５で速度目標関数ｒ（ｘ）を算出し（ステップＳ１６）、次いで比較部４及び電流目標値生成部６の協動により電磁石に通電すべき電流目標値ｉ* を算出し（ステップＳ１８）、この電流目標値を切替器７により選択された閉弁側電磁石電流制御部９または開弁側電磁石電流制御部１０のいずれか一方に供給して終了する（ステップＳ２０）。
【００５２】
ステップＳ１０と分岐したステップＳ２２では、エンジン制御ＥＣＵ８から弁開閉指令を読み込み、次いで開弁指令か否かを判定し（ステップＳ２４）、開弁指令であれば、開弁側電磁石電流制御部１０を電流目標値生成部６に接続するよう切替器７を切り替え（ステップＳ２６）て終了する。ステップＳ２４で開弁指令でなければ、次いで閉弁指令か否かを判定し（ステップＳ２８）、閉弁指令であれば、閉弁側電磁石電流制御部９を電流目標値生成部６に接続するよう切替器７を切り替え（ステップＳ３０）て終了する。
【００５３】
電磁駆動弁では、ギャップｘが大きいときは電磁石に通電しても可動子に作用する力は極めて小さく、流した電流は制御結果への効果が少なく、無駄な電力消費となる。本実施形態ではｘ＝ｘ1 となり電磁力が可動子に有効に作用する位置から可動部の速度制御を開始し、電磁力が可動子に有効に作用しない位置においては電磁石に通電しないため、無駄な電力消費を避けることができる。
【００５４】
また電磁駆動弁では、バネ・マス系が固有振動数を持つと雖もエンジンの筒内圧や摩擦力などの弁にかかる力が動作条件や経年変化により変化するため、通電を停止された一方の電磁石の近傍から他方の電磁石の電磁力が有効になる距離（ｘ＝ｘ1 ）に可動子が到達するまで時間は一定ではない。このような場合にも本発明によれば可動子の速度制御が不能となることはない。
【００５５】
図５は、本発明における速度目標値が位置の関数として生成されることによる効果を説明する図である。
同図に示すように、本発明では一般の制御系に見られるように速度目標値又は電流目標値を時間の関数１１０として発生するのでなく、位置（ギャップ）ｘの関数１１３としたため、正確なタイミングで制御を開始することができる。
【００５６】
電磁駆動弁では、例えば突発的な不整燃焼の影響で弁の動きが遅れる（途中で一時的に停留する）ことがある。
図５（ａ）に示すように、弁の動作が正常な場合の速度１１１を基準に時刻に対し速度目標値１１０をたてると、弁の動作に時間的遅れが生じた場合の速度１１２がある時刻以降恒に目標値１１０を上回ることになる。電磁力では可動子を減速させることはできないから、このような場合は速度制御不能に陥る。
【００５７】
本発明では、図５（ｂ）の符号１１２に示すように、弁の動作に時間的に遅れが生じたとしても、位置の関数として速度目標値１１３が生成されるので、時間領域で見ると、正常なときの速度目標値１１３が、可動部の遅れに応じて遅延された１１３ａとして発生され、速度制御可能の状態が継続する。
【００５８】
本発明では、速度制御を開始する時点（ｔ1 ）では、速度目標値の可動部の速度ｖと（概略）等しく選ばれる。そのため、制御開始時点において制御誤差は概略ゼロであり、ｖをｒ（ｘ）に一致させるのに過大な電流（電磁力）の応答を必要としない。そのため比較的小規模な電気・磁気回路、及び比較的低電圧の電源電圧で可動部の速度を制御することができる。
【００５９】
尚、本実施形態の変形例として、可動部速度センサ２に代えて可動部位置センサ３の出力信号を時間微分して速度信号を得る微分手段を用いても良いことは、明らかである。
【００６０】
（第２の実施形態）
図６は、本発明に係る電磁駆動弁の制御装置の第２実施形態の構成を説明するブロック図である。
本実施形態においては、第１実施形態の可動部速度センサ２に代えて、閉弁側電磁石１１または開弁側電磁石１２に通電される電流値を検出する電磁石電流センサ１６と、可動子速度推定部（オブザーバ）１７とを備えた制御装置１５が用いられている。その他の構成は第１実施形態と同様である。この電磁石電流センサ１６は、閉弁側電磁石電流制御部９または開弁側電磁石電流制御部１０の出力電流を直列低抵抗により検出してもよいし、電磁石１１、１２の磁束を検出して電流に換算する形式でも良い。
【００６１】
本実施形態の特徴は、可動部の速度を直接検出する代わりに、電磁石電流センサ１６が検出した電磁石１１、１２の通電電流と、可動部位置センサ３が検出した可動部の位置とに基づいて、可動子速度推定部１７が可動子の速度を推定することである。
【００６２】
可動部の質量ｍ、可動部に関わるバネ定数ｋ、可動部に関わる粘性定数ｃ、電磁力をＦとすると、可動部の運動は、
【数９】
0004320885.tif 000005
式（９）〜（１３）で表される。
【００６３】
ここでＦ(ｘ，ｉ）は磁気回路の形状や材質などにより決まる関数であり、磁場解析などの手段によりあらかじめ知ることができる。γはバネ力のうち、オフセット加重成分である。これらの式を元に、可動部の速度は直接可動部速度センサ２で検出する代わりに、位置ｘと電流ｉから以下の式（１４）〜（１６）を用いる可動子速度推定部１７で推定することができる。
【００６４】
【数１０】
0004320885.tif 000006
ここでｖｅは速度ｖの推定値である。推定された可動子の速度は、第１実施形態と同様に比較部４へ入力され、以下の処理内容は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電磁駆動弁の制御装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明が適用される電磁駆動弁の構成を示す概念図である。
【図３】実施形態における速度目標関数の生成法を説明する位置／速度位相面における可動部の軌跡を示すグラフである。
【図４】本発明に係る電磁駆動弁の制御装置の動作を説明するフローチャートである。
【図５】速度目標値として位置関数を用いる場合と、時間関数を用いる場合との比較を説明するグラフである。
【図６】本発明に係る電磁駆動弁の制御装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  制御装置
２  可動部速度センサ
３  可動部位置センサ
４  比較部
５  速度目標値生成部
６  電流目標値生成部
７  切替器
８  エンジン制御ＥＣＵ
９  閉弁側電磁石電流制御部
１０  開弁側電磁石電流制御部
１１  閉弁側電磁石
１２  開弁側電磁石
【図１】
0004320885.tif 000007
【図２】
0004320885.tif 000008
【図３】
0004320885.tif 000009
【図４】
0004320885.tif 000010
【図５】
0004320885.tif 000011
【図６】
0004320885.tif 000012