| 【発明の名称】 |
電磁駆動装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】服部 宏之
【氏名】出尾 隆志
【氏名】浅野 昌彦
【氏名】飯田 達雄
【氏名】新田 彰一郎
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| 【要約】 |
【課題】本発明は、内燃機関の電磁駆動装置に関し、永久磁石による省電力化を図りつつ、応答性の低下を防止することを目的とする。
【解決手段】電磁駆動装置１００は、弁体１２と連動するアーマチャ３８、及び、アーマチャ３８の上下に配設されたアッパコア４０及びロアコア４２を備える。アッパコア４０及びロアコア４２には、それぞれ、アッパコイル４８及びロアコイル５０が保持されると共に、アーマチャ３８を全閉位置及び全開位置に保持するアッパ磁石５６及びロア磁石５８が設けられる。アーマチャ３８をアッパコア４０又はロアコア４２から開放させる際、対応するアッパコイル４８又はロアコイル５０に、アッパ磁石５６又はロア磁石５８の磁束を打ち消すような開放電流を供給する。開放電流の供給はアーマチャ３８が変位を開始した後まで継続する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 弁体と、該弁体と連動するアーマチャと、該アーマチャに開弁方向及び閉弁方向の電磁力をそれぞれ付与する一対の電磁石と、前記アーマチャを前記一対の電磁石の間の中立位置に向けて付勢する一対のスプリングと、前記アーマチャが前記電磁石の少なくとも一方の近傍に達した際に、該電磁石と前記アーマチャとの間に磁気吸引力を作用させる永久磁石と、を備える電磁駆動装置であって前記アーマチャが前記少なくとも一方の電磁石から開放される際に、該電磁石に、前記永久磁石の磁束とは逆方向の磁束を発生させる向きの開放電流を供給する制御手段を設けたことを特徴とする電磁駆動装置。
【請求項２】 請求項１記載の電磁駆動装置において、前記弁体は内燃機関の吸気弁又は排気弁として機能し、前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記開放電流の通電量を制御することを特徴とする電磁駆動装置。
【請求項３】 請求項１又は２記載の電磁駆動装置において、前記弁体は内燃機関の排気弁として機能し、前記永久磁石を、前記アーマチャに開弁方向の電磁力を付与する電磁石にのみ対応して設けたことを特徴とする電磁駆動装置。
【請求項４】 請求項１又は２記載の電磁駆動装置において、前記弁体は内燃機関の吸気弁として機能し、前記永久磁石を、前記アーマチャに閉弁方向の電磁力を付与する電磁石にのみ対応して設けたことを特徴とする電磁駆動装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電磁駆動装置に係り、特に、電磁石が発する電磁力とバネが発するバネ力とを協働させることにより弁体を開閉駆動する電磁駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、例えば、特開平７−３３５４３７号に開示される如く、電磁駆動弁が知られている。電磁駆動弁は、軸方向に変位可能に保持された弁体、弁体と共に変位するアーマチャ、アーマチャを中立位置に付勢する一対のバネ、及び、アーマチャの両側に配設された一対の電磁石を備えている。この電磁駆動弁において、電磁石に励磁電流が供給されると、アーマチャには電磁石に向かう電磁力が作用する。従って、上記従来の電磁駆動弁によれば、一対の電磁石に交互に励磁電流を供給することにより、弁体を開閉駆動することができる。
【０００３】上記電磁駆動弁において、電磁駆動弁の省電力化を図る観点から、電磁石を構成するコアの内部に永久磁石を設けることが考えられる。コア内に永久磁石が設けられると、この永久磁石が発する磁束によりアーマチャと電磁石との間に磁気吸引力が作用する。この磁気吸引力の分だけ、アーマチャを電磁石に吸引及び保持するのに必要な通電量が低減されることで、電磁駆動弁の消費電力を抑制することが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、コア内に永久磁石を設ける構成において、アーマチャを電磁石から開放させる場合には、永久磁石によりアーマチャと電磁石との間に作用する磁気吸引力が、アーマチャの変位を妨げる向きに作用することになる。このため、弁体が一方の変位端から他方の変位端へ変位するまでの時間が長くなり、応答性が低下してしまう。
【０００５】本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、電磁石に永久磁石を設けることにより省電力化を図りつつ、弁体変位の応答性を向上することが可能な電磁駆動装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、請求項１に記載する如く、弁体と、該弁体と連動するアーマチャと、該アーマチャに開弁方向及び閉弁方向の電磁力をそれぞれ付与する一対の電磁石と、前記アーマチャを前記一対の電磁石の間の中立位置に向けて付勢する一対のスプリングと、前記アーマチャが前記電磁石の少なくとも一方の近傍に達した際に該電磁石と前記アーマチャとの間に磁気吸引力を作用させる永久磁石と、を備える電磁駆動装置であって前記アーマチャが前記少なくとも一方の電磁石から開放される際に、該電磁石に、前記永久磁石の磁束とは逆方向の磁束を発生させる向きの開放電流を供給する制御手段を設けた電磁駆動装置により達成される。
【０００７】請求項１記載の発明において、電磁駆動装置は、アーマチャが少なくとも一方の電磁石（以下、助勢付き電磁石と称す）の近傍に達した際に、この電磁石とアーマチャとの間に磁気吸引力を作用させる永久磁石を備える。このため、アーマチャを助勢付き電磁石に吸引するために助勢付き電磁石に供給すべき励磁電流を低減できる。一方、アーマチャを助勢付き電磁石から開放する場合には、永久磁石による磁気吸引力は、アーマチャの変位を妨げる向きに作用する。請求項１記載の発明によれば、制御手段は、アーマチャが助勢付き電磁石から開放される際に、この電磁石に永久磁石の磁束とは逆方向の磁束を発生させる向きの開放電流を供給する。このため、アーマチャの変位を妨げる向きの磁気吸引力が低減されることで、弁体が一方の変位端から他方の変位端へ変位するのに要する時間（以下、バルブ遷移時間と称す）が短縮され、弁体の応答性が向上する。
【０００８】また、上記の目的は、請求項２に記載する如く、請求項１記載の電磁駆動装置において、前記弁体は内燃機関の吸気弁又は排気弁として機能し、前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記開放電流の通電量を制御する電磁駆動装置により達成される。
【０００９】請求項２記載の発明において、開放電流の通電量が大きくなるほど、永久磁石による磁気吸引力が低減される度合いが増加することで、バルブ遷移時間は短くなる。また、開放電流の通電量が大きくなると、開放電流に伴う消費電力は増加するのに対して、アーマチャを他方の電磁石に吸引するためにその電磁石に供給すべき吸引電流は小さくなる。このため、電磁駆動弁の消費電力を最小とする開放電流の通電量は、開放電流に伴う消費電力と、吸引電流に伴う消費電力との均衡で定まる値となる。すなわち、最適なバルブ遷移時間を実現する開放電流の通電量と、消費電力を最小とする開放電流の通電量とは一致しない。従って、請求項２記載の発明によれば、制御手段が内燃機関の運転状態に応じて開放電流の通電量を制御することにより、内燃機関の運転状態により要求されるバルブ遷移時間を実現しつつ電磁駆動装置の省電力化を図ることができる。
【００１０】また、上記の目的は、請求項３に記載する如く、請求項１又は２記載の電磁駆動装置において、前記弁体は内燃機関の排気弁として機能し、前記永久磁石を、前記アーマチャに開弁方向の電磁力を付与する電磁石にのみ対応して設けた電磁駆動装置により達成される。
【００１１】請求項３記載の発明において、弁体は内燃機関の排気弁として機能する。弁体を開弁させるには、高い燃焼残圧に対抗すべく、アーマチャに大きな開弁方向の電磁力を付与することが必要である。請求項３記載の発明によれば、アーマチャに開弁方向の電磁力を付与する電磁石（以下、開弁用電磁石と称す）にのみ対応して永久磁石が設けられることで、弁体を開弁させる際の消費電力が低減される。また、アーマチャに閉弁方向の電磁力を付与する電磁石（以下、閉弁用電磁石と称す）については永久磁石が設けられないので、アーマチャを閉弁用電磁石から開放させる際に、アーマチャにその変位を妨げる向きの磁気吸引力が作用するのを防止できる。このため、弁体を開弁させる場合のバルブ遷移時間を短縮することができる。更に、開弁用電磁石の消費電力が低減されることで、開弁用電磁石及び閉弁用電磁石の発熱量が均衡化される。
【００１２】また、上記の目的は、請求項４に記載する如く、請求項１又は２記載の電磁駆動装置において、前記弁体は内燃機関の吸気弁として機能し、前記永久磁石を、前記アーマチャに閉弁方向の電磁力を付与する電磁石にのみ対応して設けた電磁駆動装置により達成される。
【００１３】請求項４記載の発明において、弁体は内燃機関の吸気弁として機能する。内燃機関の吸気弁においては、全閉位置に保持される時間が長いため、弁体を全閉位置に保持するための消費電力が全消費電力の中で大きな割合を占める。請求項４記載の発明によれば、閉弁用電磁石にのみ永久磁石が設けられるので、弁体を全閉位置に保持するための消費電力が低減される。すなわち、全消費電力の中で比較的大きな割合を占める閉弁用電磁石の消費電力が低減されることで、閉弁用電磁石及び開弁用電磁石の消費電力が均衡化される。また、開弁用電磁石に永久磁石が設けられないため、アーマチャを開弁用電磁石から開放させる際に、アーマチャにその変位を妨げる向きの磁気吸引力が作用するのを防止できる。このため、弁体を閉弁させる場合のバルブ遷移時間を短縮することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例である電磁駆動装置１００の構成図である。図１に示す如く、電磁駆動装置１００は弁体１２を備えている。本実施例において、弁体１２は内燃機関の吸気弁又は排気弁として機能する。弁体１２は、内燃機関の燃焼室１４内に露出するようにシリンダヘッド１６に配設されている。シリンダヘッド１６には弁体１２に対する弁座１８が形成されている。弁体１２は、弁座１８から離座することにより開弁状態となり、また、弁座１８に着座することにより閉弁状態となる。
【００１５】弁体１２には図１における上方に延びる弁軸２０が固定されている。弁軸２０は、バルブガイド２２により軸方向に摺動可能に保持されている。バルブガイド２２はシリンダヘッド１６に固定されている。弁軸２０の上端部にはロアリテーナ２６が固定されている。ロアリテーナ２６とシリンダヘッド１６に設けられたスプリング保持面１６ａとの間には、両者を離間させる向きの付勢力を発生するロアスプリング２８が配設されている。ロアスプリング２８はロアリテーナ２６を介して弁軸２０及び弁体１２を上向き、すなわち、弁体１２の閉弁方向に付勢している。
【００１６】弁軸２０の上端面には、アーマチャシャフト３０の下端面が当接している。アーマチャシャフト３０はロッド状に形成された非磁性部材である。また、アーマチャシャフト３０の上端部には、アッパリテーナ３２が固定されている。アッパリテーナ３２の上部には、アッパスプリング３４の下端部が当接している。アッパスプリング３４の上端部は、シリンダヘッド１６に保持されたアッパキャップ３６に当接している。アッパスプリング３４はアッパリテーナ３２を介してアーマチャシャフト３０を下向きに付勢している。従って、アッパスプリング３４は弁軸２０及び弁体１２を下向き、すなわち、弁体１２の開弁方向に付勢している。
【００１７】アーマチャシャフト３０の軸方向中間部の外周面には、アーマチャ３８が接合されている。アーマチャ３８は軟磁性材料から構成された円盤状の部材である。アーマチャ３８の上方にはアッパコア４０が配設されている。また、アーマチャ３８の下方にはロアコア４２が配設されている。アーマチャシャフト３０は、アッパコア４０及びロアコア４２の中央部を貫通し、その貫通穴に設けられたブッシュ４４、４６により軸方向に摺動可能に保持されている。
【００１８】アッパコア４０及びロアコア４２のアーマチャ３８と対向する側の面には、それぞれ、環状溝４０ａ及び４２ａが設けられている。環状溝４０ａ及び４２ａには、それぞれ、アッパコイル４８及びロアコイル５０が収容されている。アッパコイル４８及びロアコイル５０は駆動回路５２に接続されている。駆動回路５２には、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）５４から供給される制御信号に応じて、アッパコイル４８及びロアコイル５０に所定の指令電流を供給する。
【００１９】ＥＣＵ５４には、回転数センサ５５が接続されている。回転数センサ５５は内燃機関の回転数（以下、機関回転数ＮＥと称す）に応じた信号をＥＣＵ５４に向けて出力する。ＥＣＵ５４は回転数センサ５５の出力信号に基づいて機関回転数ＮＥを検出する。アッパコア４０は、その上底面から環状溝４０ａの底面へ至る環状スリット４０ｂを備えている。同様に、ロアコア４２は、その下底面から環状溝４２ａの底面へ至る環状スリット４２ｂを備えている。環状スリット４０ｂ、４２ｂには、それぞれ、アッパ磁石５６及びロア磁石５８が収容されている。アッパ磁石５６及びロア磁石５８は環状に形成された永久磁石である。
【００２０】アッパ磁石５６及びロア磁石５８は、それらの発する磁束がアーマチャ３８を互いに逆方向に通るように、径方向に（例えば、アッパ磁石５６については内径側がＳ極、外径側がＮ極となるように、また、ロア磁石５８については内径側がＮ極、外径側がＳ極となるように）着磁されている。アッパ磁石５６及びロア磁石５８の発する磁束がアーマチャ３８を互いに逆方向に通ることで、アーマチャ３８における磁束の集中が軽減され、これにより、渦電流に伴う電力損失が小さく抑制されている。
【００２１】次に、電磁駆動装置１００の動作について説明する。電磁駆動装置１００において、アーマチャ３８がアッパコア４０に当接した状態では、アッパ磁石５６が発する磁束がアッパコア４０とアーマチャ３８との間を循環することで、アーマチャ３８とアッパコア４０との間に磁気吸引力が作用する。アッパ磁石５６は、この磁気吸引力が、アッパスプリング３４の付勢力に抗してアーマチャ３８とアッパコア４０とが当接した状態を維持するのに十分な大きさとなるように着磁されている。このため、アッパコイル４８に通電されることなく、アーマチャ３８がアッパコア４０に当接した状態が維持される。この状態では、弁体１２は弁座１８に着座する。以下、アーマチャ３８がアッパコア４０に当接した位置を、アーマチャ３８又は弁体１２の全閉位置と称す。
【００２２】アーマチャ３８が全閉位置に維持されている状態で、アッパ磁石５６が発する磁束を打ち消すような磁束を生じさせる指令電流がアッパコイル４８に供給されると、アーマチャ３８とアッパコア４０との間に作用していた磁気吸引力がアッパスプリング３４の付勢力より小さくなる。このため、アーマチャ３８は、アッパスプリング３４に付勢されることにより図１における下方へ向けて変位する。アーマチャ３８の変位量が所定値に達した時点で、ロア磁石５８が発する磁束と同方向の磁束を生じさせる方向の指令電流がロアコイル５０に供給されると、今度はアーマチャ３８をロアコア４２側へ吸引する吸引力、すなわち、弁体１２を図１において下方へ変位させる吸引力が発生する。
【００２３】アーマチャ３８に対して上記の吸引力が作用すると、アーマチャ３８は、弁体１２と共に、ロアスプリング２８の付勢力に抗して図１における下方へ向けて変位する。この際、上記の如く、ロアコイル５０が発する磁束とロア磁石５８が発する磁束とが同方向とされていることで、アーマチャ３８がロアロア５０の近傍に達すると、磁石５８が発する磁束の分だけ、アーマチャ３８を下方に変位させる吸引力が増加する。弁体１２の変位は、アーマチャ３８がロアコア４２と当接するまで継続する。以下、アーマチャ３８がロアコア４２に当接した位置を、アーマチャ３８又は弁体１２の全開位置と称す。
【００２４】アーマチャ３８が全開位置に達した時点で、ロアコイル５０への通電が停止されると、ロアコイル５０による吸引力は消滅し、ロア磁石５８が発する磁束による磁気吸引力のみがアーマチャ３８とロアコア４２との間に作用する。ロア磁石５８は、この磁気吸引力が、ロアスプリング２８の付勢力に抗してアーマチャ３８とロアコア４２とが当接した状態を維持するのに十分な大きさとなるように着磁されている。このため、ロアコイル５０への通電が停止された後も、弁体１２及びアーマチャ３８は全開位置に維持される。
【００２５】アーマチャ３８及び弁体１２が全開位置に維持されている状態で、ロア磁石５８の磁束を打ち消すような磁束を生じさせる方向の指令電流がロアコイル５０に供給されると、アーマチャ３８とロアコア４２との間に作用する吸引力は、ロアスプリング２８の付勢力より小さくなる。このため、アーマチャ３８はロアスプリング２８に付勢されることにより、図１における上方へ向けて変位する。アーマチャ３８の変位量が所定値に達した時点で、アッパ磁石５６が発する磁束と同方向の磁束を生じさせる方向の指令電流がアッパコイル４８に供給されると、今度はアーマチャ３８をアッパコア４０側へ吸引する吸引力、すなわち、弁体１２を図２において上方へ変位させる吸引力が発生する。
【００２６】アーマチャ３８に対して上記の吸引力が作用すると、アーマチャ３８は、弁体１２と共に、アッパスプリング３４の付勢力に抗して図１における上方へ向けて変位する。この際、上記の如く、アッパコイル４８が発する磁束とアッパ磁石５６が発する磁束とが同方向とされていることで、アーマチャ３８がアッパコア４０の近傍に達すると、アッパ磁石５６が発する磁束の分だけ、アーマチャ３８を上方に変位させる吸引力が増加する。弁体１２の変位は、アーマチャ３８がアッパコア４０と当接するまで、すなわち、全閉位置に達するまで継続する。そして、上記の如く、アッパコイル４８への通電が停止されると、弁体１２及びアーマチャ３８は全閉位置に保持される。
【００２７】このように、電磁駆動装置１００によれば、アッパコイル４８及びロアコイル５０に吸引電流及び開放電流を供給することにより、弁体１２を全開位置と全閉位置との間で変位させることができる。なお、電磁駆動装置１００は、弁体１２及びアーマチャ３８が全閉位置に保持された状態、すなわち、弁体１２が弁座１８に着座し、かつ、アーマチャ３８がアッパコア４０に当接した状態で、アーマチャシャフト３０と弁軸２０との間に隙間（タペットクリアランス）が生ずるように構成されている。かかるタペットクリアランスにより、シリンダヘッド１６と弁軸２０との熱膨張差や、弁座１８と弁体１２の着座面の摩耗等に起因する弁軸２０とアーマチャシャフト３０との相対位置の変化が吸収される。
【００２８】以下の記載において、アーマチャ３８を全閉位置又は全開位置から開放すべくアッパコイル４８又はロアコイル５０に供給される指令電流（すなわち、アッパ磁石５６又はロア磁石５８が発する磁束を打ち消すような磁束を生じさせる指令電流）を開放電流と称し、また、アーマチャ３８を全閉位置又は全開位置に向けて吸引すべくアッパコイル４８又はロアコイル５０に供給される指令電流（すなわち、アッパ磁石５６又はロア磁石５８が発する磁束と同方向の磁束を生じさせる方向の指令電流）を吸引電流と称す。
【００２９】上述の如く、本実施例では、アッパ磁石５６及びロア磁石５８が発する磁気吸引力によりアッパコイル４８及びロアコイル５０に通電することなく、アーマチャ３８を全開位置又は全閉位置に保持することができる。また、アッパ磁石５６及びロア磁石５８が発する磁気吸引力が、アーマチャ３８を全閉位置又は全開位置へ向けて変位させる際にアーマチャ３８へ作用することで、アッパコイル４８及びロアコイル５０へ供給すべき吸引電流が小さく抑制される。このように、本実施例では、アッパ磁石５６及びロア磁石５８が設けられていることにより、アーマチャ３８を全開位置又は全閉位置に保持するための電流が不要となり、かつ、吸引電流も抑制されることで、電磁駆動装置１００の省電力化が図られる。
【００３０】しかしながら、弁体１２が全閉位置又は全開位置から変位を開始する際には、それぞれアッパ磁石５６又はロア磁石５８による磁気吸引力はアーマチャ３８の変位を妨げる向きに作用する。このため、単にアッパ磁石５６及びロア磁石５８を設けることのみでは、弁体１２が全閉位置と全開位置との間を変位するのに要する時間、すなわち、バルブ遷移時間が増大し、弁体１２の変位の応答性が低下してしまう。
【００３１】これに対して、本実施例では、上述の如く、弁体１２を全閉位置又は全開位置から変位させる際にアッパコイル４８又はロアコイル５０に開放電流を供給することにより、アッパ磁石５６及びロア磁石５８による磁気吸引力は速やかに打ち消される。従って、本実施例によれば、アーマチャ３８にその変位を妨げる向きの吸引力が作用するのを防止することができ、これにより、弁体１２を高い応答性で全閉位置又は全開位置から変位させることができる。
【００３２】図２は、弁体１２を例えば全閉位置から全開位置まで変位させる場合の、（Ａ）弁体１２の変位波形、（Ｂ）アッパコイル４８に供給する開放電流の波形、（Ｃ）アッパ磁石５６によりアーマチャ３８に作用する磁気力の時間変化、及び（Ｄ）アッパコイル４８に供給される開放電流によりアーマチャ３８に作用する電磁力の時間変化をそれぞれ示す。図２（Ａ）に示す如く、時刻ｔ１において、弁体１２が全閉位置から変位を開始し、アーマチャ３８がアッパコア４０から開放された後も、アーマチャ３８とアッパコア４０との間にはアッパ磁石５６による磁気吸引力が作用し続ける。
【００３３】そこで、本実施例では、図２（Ｂ）及び（Ｃ）に示す如く、弁体１２が全閉位置から変位を開始した後も、アッパ磁石５６によりアーマチャ３８とアッパコア４０との間に作用する磁気吸引力が十分に小さくなる程度にアーマチャ３８がアッパコア４０から離間する時刻ｔ２まで、アッパコイル４８への開放電流の供給を継続することとしている。この場合、図２（Ｃ）及び（Ｄ）からわかるように、アッパ磁石５６による磁気吸引力は、アッパコイル４８による電磁吸引力によりほぼ相殺され、弁体１２を高い応答性で全閉位置から全開位置まで変位させることができる。同様に、弁体１２を全開位置から変位させる場合にも、アーマチャ３８がロアコア４２から開放された後もロアコイル５０への開放電流を供給を継続することにより、弁体１２を高い応答性で全開位置から全閉位置まで変位させることができる。
【００３４】上述の如く、本実施例では、アーマチャ３８が全閉位置又は全開位置から変位する際に、アーマチャ３８にその変位を妨げる向きの吸引力が作用するのを防止することができる。従って、本実施例の電磁駆動装置１００によれば、弁体１２を高い応答性で変位させること、すなわち、バルブ遷移時間を短縮することができる。また、アッパ磁石５６又はロア磁石５８による磁気吸引力によりアーマチャ３８の運動エネルギーが失われることが防止されるので、その損失分を補償すべく反対側のロアコイル５０又はアッパコイル４８に供給する吸引電流を増加させることが不要となる。この点で、本実施例によれば、電磁駆動装置１００の省電力化を図ることもできる。
【００３５】ところで、上記した開放電流の通電量（以下、開放電流通電量と称す）を変化させると、弁体１２のバルブ遷移時間、及び、電磁駆動装置１００の消費電力も変化する。図３は、開放電流通電量と、バルブ遷移時間及び電磁駆動装置１００の消費電力との関係を、それぞれ実線及び破線で示す。なお、開放電流通電量は、開放電流の時間積分値に相当する値であり、開放電流を供給する時間長及び開放電流の大きさの何れか一方又は双方が変化すると、開放電流通電量も変化する。
【００３６】開放電流の通電量が大きくなるほど、アッパ磁石５６又はロア磁石５８によりアーマチャ３８に作用する磁気吸引力は大きな度合いで打ち消される。このため。図３に実線で示す如く、開放電流通電量の増加に応じて、バルブ遷移時間は減少する。また、電磁駆動装置１００の消費電力については、例えばアッパコイル４８に対する開放電流通電量が増加すると、開放電流に伴う消費電力は増加する。この場合、上述の如く、アッパ磁石５６によりアーマチャ３８に作用する電磁吸引力が大きな度合いで打ち消されることで、ロアコイル５０に供給すべき吸引電流は小さくなり、ロアコイル５０への吸引電流に伴う消費電力は減少する。同様に、ロアコイル５０に対する開放電流通電量が増加すると、開放電流に伴う消費電力は増加するのに対して、アッパコイル４８への吸引電流に伴う消費電力は減少する。すなわち、開放電流通電量の変化に対して、開放電流に伴う消費電力と吸引電力に伴う消費電力とが逆方向に増減するため、図３に破線で示す如く、電磁駆動装置１００の消費電力は、開放電流通電量のある値Ｍにおいて極小となるような変化を示す。
【００３７】このように、開放電流通電量に応じて、バルブ遷移時間及び電磁駆動装置１００の消費電力は変化する。従って、例えば、機関回転数ＮＥが所定回転数を越えるような内燃機関の高回転運転時には、開放電流通電量を大きく設定してバルブ遷移時間を短くすることにより、弁体１２の応答性を確保することができる。また、機関回転数ＮＥが所定回転数以下となるような内燃機関の低回転運転時には、弁体１２の高い応答性は要求されないため、開放電流通電量を上記の値Ｍに設定することにより、電磁駆動装置１００の省電力化を図ることができる。
【００３８】なお、上述の如く、開放電流通電量は開放電流の時間積分値に相当する値であり、開放電流の電流値及び開放電流の通電時間の一方又は双方を変化させることにより、開放電流通電量を変化させることができる。以上説明したように、本実施例によれば、アーマチャ３８を全閉位置又は全開位置から変位させる際に、アッパコイル４８又はロアコイル５０に開放電流を供給することで、弁体１２の変位の応答性を向上させることができる。その際、弁体１２が全閉位置又は全開位置から変位を開始した後も、開放電流を供給し続けることにより、弁体１２の応答性の更なる向上を図ることができる。また、上述の如く、本実施例によれば、開放電流通電量に応じてバルブ遷移時間及び電磁駆動装置１００の消費電力を変化させることができる。従って、本実施例によれば、内燃機関の運転状態に基づいて開放電流通電量を変化させることのみで、高回転運転時には弁体１２の高い応答性を実現すると共に、低回転運転時には電磁駆動装置１００の省電力化を図ることができる。
【００３９】次に、本発明の第２実施例について説明する。図４は、本実施例の電磁駆動装置２００の構成図である。なお、図４において、図１と同様の機能を有する構成部分については同一の符号を付してその説明を省略する。図４に示す如く、本実施例の電磁駆動装置２００は、上記第１実施例の電磁駆動装置１００において、アッパ磁石５６を省略し、ロアコア４２側にのみ永久磁石（すなわち、ロア磁石５８）を設けることにより実現される。電磁駆動装置２００が備える弁体１２は、内燃機関の排気弁として機能する。
【００４０】一般に、排気弁は燃焼室に高い燃焼残圧が存在する状態で開弁される。このため、弁体１２を開弁させる際に、アーマチャ３８に開弁方向の大きな電磁力を付与することが必要となり、ロアコイル５０に対する吸引電流の通電量が増大する。すなわち、弁体１２が排気弁として機能する電磁駆動装置２００においては、ロアコイル５０の消費電力が電磁駆動装置２００の総消費電力に占める割合が大きくなる。
【００４１】本実施例では、上述の如く、永久磁石としてロア磁石５８のみが設けられ、アッパ磁石５６が省略されていることにより、弁体１２を開弁させる際に、アーマチャ３８の変位を妨げる向きの磁気吸引力が作用することが防止される。従って、磁気吸引力によりアーマチャ３８及び弁体１２の運動エネルギーが失われることがないので、失われた運動エネルギーを補償すべくロアコイル５０に対する吸引電流を増加させることは不要である。また、上記第１実施例の電磁駆動装置１００の場合と同様に、ロアコア４２にはロア磁石５８が設けられるため、ロア磁石５８による磁気吸引力がアーマチャ３８とロアコア４２との間に作用することで、ロアコイル５０に供給すべき吸引電流は小さく抑制されている。従って、本実施例によれば、総消費電力において大きな割合を占めるロアコイル５０の消費電力が低減されることで、電磁駆動装置２００の省電力化を有効に図ることが可能となっている。
【００４２】また、アッパ磁石５６が設けられないことで、アーマチャ３８を全閉位置から変位させるべくアッパコイル４８に供給すべき開放電流の通電量も抑制される。この点においても、電磁駆動装置２００の省電力化が図られる。図５は、排気弁として機能する弁体１２を全閉位置から全開位置まで変位させる場合の、（Ａ）弁体１２の変位波形、及び（Ｂ）アッパコイル４８又はロアコイル５０に対する指令電流の波形を、ロアコア４２にのみ永久磁石を設けた構成（すなわち、本実施例の電磁駆動装置２００）、及び、アッパコア４０及びロアコア４２の双方に永久磁石を設けた構成（すなわち、上記第１実施例の電磁駆動装置１００と同様の構成；以下、対比電磁弁と称す）について、それぞれ、実線及び破線で示す。
【００４３】図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す如く、電磁駆動装置２００によれば、弁体１２が全閉位置から開弁方向に変位する際に、アーマチャ３８とアッパコア４０との間に永久磁石による磁気吸引力が作用しないため、対比電磁弁と比較して、高い応答性で開弁方向に変位すると共に、アッパコイル４８に供給すべき開放電流が低減されている。また、弁体１２が高い応答性で開弁方向に変位するので、弁体１２を全開位置まで変位させるべくロアコイル５０に供給すべき吸引電流も対比駆動弁と比較して低減されている。ただし、対比駆動弁では、アッパ磁石５６による磁気吸引力により、アッパコイル４８に通電することなく弁体１２を全閉位置に保持できるのに対して、電磁駆動装置２００では、弁体１２を全閉位置に保持するためアッパコイル４８に通電することが必要である。
【００４４】図６は、電磁駆動装置２００及び対比駆動弁の消費電力を、アッパコイル４８側及びロアコイル５０側の配分と共に示す図である。図６に示す如く、本実施例の電磁駆動装置２００では、ロアコイル５０側の消費電力が低減されることにより、消費電力を小さく抑制することが可能となっている。なお、アッパコイル４８側については、上記したように、開放電流は低減されるが、弁体１２を全閉位置に保持する場合に通電することが必要となり、消費電力は対比電磁弁と比較して若干大きくなる。しかしながら、上述の如く、アッパコイル４８側に比して大きな割合を占めるロアコイル５０側の消費電力が低減されることにより、電磁駆動装置２００全体としての消費電力は小さく抑制されている。
【００４５】また、電磁駆動装置２００によれば、ロアコイル５０側の消費電力が低減されることで、アッパコイル４８側及びロアコイル５０側での発熱量の均衡化が図られている。このため、電磁駆動装置２００の冷却システムに要求される冷却性能を低減できると共に、その冷却能力を一定とした場合に各コイルに通電可能な電力量の上限値が増加することで、電磁駆動装置２００を内燃機関の高負荷・高回転運転領域まで作動させることができる。
【００４６】更に、上記第１実施例に関連して述べたように、アッパコア４０及びロアコア４２にそれぞれアッパ磁石５６及びロア磁石５８を設ける場合には、渦電流に起因する電力損失を抑制するため、アッパ磁石５６及びロア磁石５８の磁束がアーマチャ３８を互いに逆方向に通るように、各磁石の着磁方向を設定することが要求される。この場合、アッパ磁石５６とロア磁石５８の着磁方向が互いに逆向きになり、また、着磁の大きさも相違するため、構成部品として２種類の磁石が必要となる。これに対して、電磁駆動装置２００では、ロア磁石５８のみが設けられるため、構成部品として必要な永久磁石の種類を１種類に低減することができる。この点で、本実施例によれば、電磁駆動装置２００の低コスト化を図ることも可能となっている。
【００４７】次に、本発明の第３実施例について説明する。図７は、本実施例の電磁駆動装置３００の構成図である。なお、図７において、図１と同様の機能を有する構成部分については同一の符号を付してその説明を省略する。図７に示す如く、本実施例の電磁駆動装置３００は、上記第１実施例の電磁駆動装置１００において、ロア磁石５８を省略し、アッパコア４０側にのみ永久磁石（すなわち、アッパ磁石５６）を設けることにより実現される。電磁駆動装置３００が備える弁体１２は、内燃機関の吸気弁として機能する。
【００４８】一般に、吸気弁は、開弁している時間よりも、全閉位置に保持されている時間の方が長い。また、上述の如く、アーマチャ３８及び弁体１２が全閉位置に保持された状態では、弁軸２０とアーマチャシャフト３０との間にタペットクリアランスが形成される。このため、ロアスプリング２８の付勢力はアーマチャ３８を全閉位置に保持する力として寄与せず、その分だけ、弁体１２を全閉位置に保持するためにアーマチャ３８に付与すべき吸引力は増大する。一方、内燃機関の吸気弁については、排気弁と異なり、開弁時に燃焼残圧が作用することはない。これらの理由により、弁体１２が吸気弁として機能する電磁駆動装置３００においては、全消費電力の中で弁体１２を全閉位置に保持するのに要する消費電力が大きな割合を占めることになる。
【００４９】本実施例の電磁駆動装置３００では、アッパコア４０にアッパ磁石５６を設けることにより、弁体１２を全閉位置に保持するのに必要なアッパコイル４８への通電量が低減され、これにより、アッパコイル４８側での消費電力が抑制される。特に、内燃機関の吸入空気量が小さい状態では一部の吸気弁を休止させて全閉位置に保持する制御が行われるが、アッパ磁石５６が設けられることによりアッパコイル４８に通電することなく上記の制御を実現できる。一方、ロアコア４２には永久磁石が設けられないため、弁体１２を開弁させる際に、アーマチャ３８とロアコア４２との間に永久磁石による磁気吸引力を作用させることはできず、その分だけ、ロア磁石５８を設けた場合と比較してロアコイル５０側での消費電力は増大する。
【００５０】すなわち、本実施例の電磁駆動装置３００においては、全消費電力の中で比較的大きな割合を占めるアッパコイル４８側での消費電力が抑制され、比較的小さな割合を占めるロアコイル５０側での消費電力が増大することで、アッパコイル４８側とロアコイル５０側における発熱量の均衡化が図られることになる。従って、本実施例の電磁駆動装置３００によれば、上記第２実施例の電磁駆動装置２００と同様に、電磁駆動装置３００を冷却する冷却システムに要求される冷却性能を低減できると共に、電磁駆動装置３００を内燃機関の高負荷・高回転運転領域まで作動させることができる。
【００５１】また、本実施例の電磁駆動装置３００では、ロアコア４２には永久磁石が設けられないことで、弁体１２を全開位置から閉弁方向に変位させる際に、アーマチャ３８とロアコア４２との間に永久磁石による磁気吸引力が作用することが防止される。このため、電磁駆動装置３００によれば、弁体１２を全開位置から高い応答性で閉弁方向に変位させることができる。
【００５２】更に、永久磁石としてアッパ磁石５６のみが設けられるので、上記第２実施例の電磁駆動装置２００と同様に、必要な永久磁石の種類を１種類に低減することができる。なお、上記第１〜第３実施例においては、アッパコイル４８とアッパコア４０、及び、ロアコイル５０とロアコア４２が特許請求の範囲に記載した電磁石に、アッパ磁石５６及びロア磁石５８が特許請求の範囲に記載した永久磁石に、それぞれ相当し、また、ＥＣＵ１０が駆動回路５２によってアッパコイル４８又はロアコイル５０に開放電流を供給することにより特許請求の範囲に記載した制御手段が実現されている。
【００５３】
【発明の効果】上述の如く、請求項１記載の発明によれば、永久磁石を設けることにより電磁駆動装置の省電力化を図りつつ、弁体を高い応答性で変位させることができる。また、請求項２記載の発明によれば、内燃機関の運転状態に応じて弁体の応答性を確保しつつ、電磁駆動装置の省電力化を図ることができる。また、請求項３記載の発明によれば、開弁用電磁石にのみ対応して永久磁石を設けることにより、内燃機関の排気弁を開弁させるのに要する消費電力を抑制して排気弁を駆動する電磁駆動装置の省電力化を図ることができると共に、排気弁が開弁する際の応答性の低下を防止することができる。また、一対の電磁石の発熱量を均衡化できるため、電磁駆動装置をより広い範囲で作動させることができると共に、電磁駆動装置の冷却システムに必要とされる冷却能力を低減することができる。更に、請求項４記載の発明によれば、開弁用電磁石にのみ対応して永久磁石を設けることにより、内燃機関の吸気弁が閉弁する際の応答性の低下を防止できる。また、一対の電磁石の発熱量を均衡化できるため、電磁駆動装置をより広い範囲で作動させることができると共に、電磁駆動装置の冷却システムに必要とされる冷却能力を低減することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１２月７日（１９９８．１２．７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７０１５０
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１７０９５２（Ｐ２０００−１７０９５２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年６月２３日（２０００．６．２３） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３４７４０５ |
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