| 【発明の名称】 |
電磁石アクチュエータ駆動装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】小沢 英隆
【氏名】藤本 二朗
【氏名】八巻 利宏
【氏名】清水 康雄
【氏名】中村 稔
【氏名】杉本 千早
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| 【要約】 |
【課題】アマチャを安定して着座させることができる電磁石アクチュエータを提供する。
【解決手段】電磁石アクチュエータ駆動装置は、対向する方向に働く２つのバネと、前記バネに連結され非動作状態で該２つのバネ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、前記アマチャを第１の終端位置と第２の終端位置との間で駆動する一対の電磁石と、前記アマチャを一方の終端位置から他方の終端位置に駆動するとき、該アマチャを吸引する方の前記電磁石に印加する電圧を実質的に一定に制御する電力供給装置とを備える。電磁石に供給される電圧が一定に保たれるから、フリクションの増大によってアマチャとヨークとの間隙が大きくなり逆起電力が小さい状態を生じると、電流が大きくなり、電源から電磁コイルへの電力の流入が増大する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】対向する方向に働く２つのバネと、前記バネに連結され非動作状態で該２つのバネ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、前記アマチャを第１の終端位置と第２の終端位置との間で駆動する一対の電磁石と、前記アマチャを一方の終端位置から他方の終端位置に駆動するとき、該アマチャを吸引する方の前記電磁石に供給する電圧を一定に制御する電力供給装置と、を備える電磁石アクチュエータ駆動装置。
【請求項２】対向する方向に働く２つのバネと、前記バネに連結され非動作状態で該２つのバネ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、前記アマチャを第１の終端位置と第２の終端位置との間で駆動する一対の電磁石と、前記一対の電磁石に選択的に可変デューティ比の電圧パルスを供給するパルス変調ドライバと、前記アマチャを一方の終端位置から他方の終端位置に駆動するとき、該アマチャを吸引する方の前記電磁石が十分な吸引力を発生するのに必要な電力を供給するよう前記デューティ比を制御する制御装置と、を備える電磁石アクチュエータ駆動装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、機械要素を駆動する電磁石アクチュエータに関し、より具体的には自動車、船舶などのエンジンの吸排気弁を駆動する電磁石アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】対向する一対のバネに挟まれたアマチャ（可動鉄片）を、対向する一対の電磁石に交互に電力を供給して一方の終端位置と他方の終端位置との間で駆動する、自動車の吸排気弁駆動用の電磁石アクチュエータが特公昭64-9827号公報、特開平8-284626号公報などで知られている。
【０００３】一般的な電磁バルブにおいては、電磁石に吸引され着座しているアマチャ（バルブ）が電磁石への電力供給が停止されることによって、着座状態から解放され、対向する一対のバネの力がバランスする中立位置に向かって変位を開始する。この変位に同期して、あるタイミングで他方の電磁石に電流を供給しアマチャを吸引する力を発生させる。
【０００４】アマチャが他方の電磁石に近づくにつれ、磁束が急激に成長し、この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機械的損失の和に打ち勝って、アマチャが着座位置に到達し、着座する。この着座時期を見計らい、適切なタイミングで、アマチャを着座位置に保持するための保持電流を供給する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】通常の自動車エンジンの動弁系では、対向する一対の電磁石の間に位置するアマチャが変位する振幅は、６から８mmに及ぶ。電磁石の吸引力とアマチャ／ヨーク間の空隙の関係は非線形性が強く、安定動作が相当に難しい。
【０００６】実際のバルブ動作では、エンジン負荷の変動その他の原因で機械損失が変動し、アマチャ着座に要する機械仕事の大きさが変動する（空間軸方向の変動）。また、アマチャ保持時の磁気吸引力の管理が難しく、アマチャを解放するときの残留磁束にばらつきが生じる結果、電磁石への電力供給を停止してから実際にアマチャが離れるまでの無効時間（delay：空走時間、遅延時間）が変動する（時間軸方向の変動）。
【０００７】従来の電磁石アクチュエータの駆動方法は、このような空間軸方向の変動および時間軸方向の変動に対して本質的に安定でない。
【０００８】従来の一般的な電磁石アクチュエータにおけるアマチャの駆動状態を図４（Ａ）を参照して説明する。曲線ａは、アマチャの動きを示し、左の軸の０mmの箇所が一方の終端位置を示し、他方の終端位置はこれから７mmの位置にある。一方の終端位置から他方の終端位置に向けてアマチャを駆動するとき、まず一方の終端位置にアマチャを保持している電磁石の保持電流を切ると、アマチャは対向する一対のバネの力がバランスする中立位置に向けて移動を始める。この図では、約３msでアマチャが中立位置に達する。アマチャがほぼ中立位置に達するとき、他方の電磁石に一定電流ｂ（この例では２アンペア）が供給され、アマチャを他方の終端位置に吸引する吸引力ｄが生成される。吸引力（曲線ｄ）は、着座時には６００ニュートンに及び、着座に必要な最小吸引力３００ニュートンを大きく上回っている。曲線ｆは、着座維持に必要な最小の吸引力のレベルを示す（以下の図面において同じ）。
【０００９】電磁石に印加される電圧は曲線ｃのようになる。一定電流を維持するために１００Ｖの電源からパルス幅変調（ＰＷＭ）によってベース周波数が２０ｋＨｚ以上の矩形電圧を印加するが、図では移動平均による平均電圧で示してある。アマチャが着座すると、コイルに供給される電流が０．５アンペア程度の保持電流に切り替えられる。
【００１０】何らかの原因でフリクションが増大すると吸引力が低下する。図４（Ｂ）はフリクションが基準フリクションの1.5倍になったときに一定電流による制御によって得られる吸引力（曲線ｄ）を示す。この場合、ピーク吸引力が着座に必要なレベル（曲線ｆ）に到達しなくなっている。こうしてアマチャは、電磁石に着座することができなくなり、一対のバネの作用で２つの電磁石の間を振動するようになる（曲線ａ）。
【００１１】この原因は、次のとおりであると考えられる。
【００１２】1)アマチャは、解放されるとバネの位置エネルギーによって対向する電磁石に向かって押し出されるが、フリクションの増大でバネの位置エネルギーがアマチャやバルブの運動エネルギーに変換される割合が低下する。つまり、吸引側の電磁石に電力を投入しない場合のアマチャの到達距離が小さくなる。
【００１３】2)すると、時間軸上では同じタイミングで電流を流しているが、着座直前のある時刻では基準フリクション時よりもアマチャとヨーク間の空隙が大きくなる。空隙が大きいので、磁束の立ち上がりが鈍り、従って駆動コイルに誘起される逆起電力も小さくなる。したがって、同じ電流を流すのに要する電圧は小さくすむことになり、電圧の山が低くなる。こうして電源から電磁石への電力の流入（端子電圧 x 電流）が低下するため、ますます磁束の増加が鈍化し、吸引力が成長しにくくなる。こうしてあるフリクションを境に突然、着座しなくなる。
【００１４】したがって、この発明は、アマチャを安定して着座させることができる電磁石アクチュエータを提供することを目的とする。
【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の電磁石アクチュエータ駆動装置は、対向する方向に働く２つのバネと、前記バネに連結され非動作状態で該２つのバネ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、前記アマチャを第１の終端位置と第２の終端位置との間で駆動する一対の電磁石と、前記アマチャを一方の終端位置から他方の終端位置に駆動するとき、該アマチャを吸引する方の前記電磁石に印加する電圧を一定に制御する電力供給装置とを備える。
【００１６】アマチャが着座から解放されてバネの位置エネルギーで反対側の電磁石に向けて変位する場合の到達距離が、フリクションに増大によって小さくなりアマチャとヨーク間の空隙が大きくなったとき、前述のようにして逆起電力が小さくなる。この発明によると、電磁石に供給される電圧が一定に保たれるから逆起電力が小さくなれば電流が大きくなり、電源から電磁石への電力の流入（端子電圧 x電流）が増大する。このため、磁束の増大の鈍化が阻止され、吸引力の成長が進む。したがって、フリクションが増大しても従来のような不安定な動作に陥りにくくなる。
【００１７】また、請求項２に記載の電磁石アクチュエータ駆動装置は、対向する方向に働く２つのバネと、前記バネに連結され非動作状態で該２つのバネ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、前記アマチャを第１の終端位置と第２の終端位置との間で駆動する一対の電磁石と、前記一対の電磁石に選択的に可変デューティ比の電圧パルスを供給するパルス変調ドライバと、前記アマチャを一方の終端位置から他方の終端位置に駆動するとき、該アマチャを吸引する方の前記電磁石が十分な吸引力を発生するに必要な電力を供給するよう前記デューティ比を制御する制御装置とを備える。
【００１８】請求項２の発明によると、投入電力を予め設定することができるので、アマチャが着座する際の速度を低下させるなどの制御を積極的に行うことが可能になる。
【００１９】
【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、この発明の電磁石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、制御装置１は、演算装置（ＣＰＵ）２、制御プログラムおよびデータを格納する読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）３、データを一時記憶し、ＣＰＵ２の演算作業領域を提供するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）４および入出力インターフェイス５を備えている。
【００２０】電磁石１０は、図２に示す電磁石アクチュエータ１００の第１の電磁石１１または第２の電磁石１３を示す。ＰＷＭ（パルス幅変調）ドライバ７は、制御装置１からの制御信号に従って定電圧電源６から供給される電圧をパルス幅変調し、電磁石１０に供給する。電磁石１０に供給される電圧は、電圧検出器８で検出され、電流は電流検出器９で検出される。定電圧電源６は、車載のバッテリから提供される１２Ｖの電圧を昇圧してたとえば３０Ｖから１００Ｖの定電圧を供給する電源である。
【００２１】制御装置１の入出力インターフェイス５には、電圧検出器８からの電圧検出信号、電流検出器９からの電流検出信号、クランク角度および回転数センサからのエンジンの回転数を示すパルス信号、電磁石アクチュエータ１００の温度センサからの信号が入力される。これらの入力に基づいて制御装置は、電力供給のタイミング、供給する電圧の大きさ、電圧を供給する時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。
【００２２】ＰＷＭドライバ７は、図３（Ａ）に示すように、内部クロックから提供されるたとえばベース周波数が１００kHzのクロックパルスＣｐを０から９までカウントするカウンタ４１と、これと同じビット数のプリセット可能なダウンカウンタ４２を備えている。ＰＷＭドライバ７は、クロックパルスＣｐをカウンタ４１がフルカウントする時間Ｔ１を周期とし、ダウンカウンタ２のプログラム入力端子Ｐ１からＰ４に設定された値に相当する時間Ｔ２のパルス幅を持つパルスを発生する。
【００２３】図３（Ｂ）を参照すると、カウンタ４１がクロックパルスＣｐを１０数えるごとにＣＯ１出力が出てフリップフロップ４３をセットする。ダウンカウンタ４２はＣＯ１出力と同時に制御装置１からのプログラム入力、たとえば０１００がセットされ、ダウンカウントを開始する。ダウンカウンタ４２は、カウンタの内容が０になるとＣＯ２出力を出し、フリップフロップ４３をリセットする。こうして、フリップフロップ４３のＱ出力にはプログラム入力に比例したパルス幅のパルスが得られる。
【００２４】ＰＷＭドライバは、定電圧電源６から供給されるたとえば１００Ｖの電圧をフリップフロップの出力Ｑでスイッチングし、周期Ｔ２の幅の１００Ｖの矩形パルスを電磁石１０の端子に供給する。この例では、矩形パルスは、クロックパルス１０個に相当する周期Ｔ１に対しクロックパルス４個に相当する周期Ｔ２のパルス幅になる。Ｔ２はＴ１の40%であるから、この矩形パルスのデューティ比は40%である。この矩形パルスを電磁石１０に供給する。
【００２５】制御装置１は、ＲＯＭ３に格納されている制御プログラムにしたがって所定のタイミングでＰＷＭドライバ７を駆動し、電圧検出器８から送られてくる電圧値をモニタして電圧が一定値より低下するときは、ＰＷＭドライバ７のダウンカウンタ４２にセットするプログラム入力の値を増加させて電圧パルスのデューティ比を増加させる。また、制御装置１は、電圧検出器８から送られてくる電圧値が一定値より大きくなるときは、ＰＷＭドライバ４２にセットするプログラム入力の値を小さくして電圧パルスのデューティ比を低下させる。このようにして電圧の変動に対応することで、電磁石１０を駆動する電圧は一定に制御される。
【００２６】この発明の一実施形態では、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。この動作モードにおいては、制御装置１は、ＰＷＭドライバ７に制御信号を送って定電圧電源６を１２Ｖの電源に切り替えて波高値１２Ｖの電圧パルスを電磁石１０に供給する。制御装置１は、電流検出器９から送られてくる電流値をモニタして、電磁石１０の端子に一定電流が供給されるよう電圧パルスのデューティ比を制御する。
【００２７】図２は、この発明の制御装置によって駆動される電磁石アクチュエータの概略の構造を示す断面図である。この電磁石アクチュエータ自体の構造は従来技術に属する。バルブ２０は、電磁石アクチュエータ１００によって上方向に駆動されるとエンジンの吸気ポートまたは排気ポート（以下、吸排気ポートという）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。バルブ２０は、電磁石アクチュエータ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を開く。
【００２８】バルブ２０のバルブシャフト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のバネ１６および第２のバネ１７により上下から支持されている。
【００２９】電磁石アクチュエータ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の磁気ヨーク１２で、第２の電磁石１３は第２の磁気ヨーク１４で囲まれている。
【００３０】第１のバネ１６および第２のバネ１７は、第１の電磁石１１または第２の電磁石１３のいずれにも駆動電流が印加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との間の間隔の中間にくるようなバランスで設けられている。
【００３１】図５を参照して、この発明の制御装置による電磁石アクチュエータ１００の駆動制御を説明する。図５（Ａ）は、基準フリクション状態でのアマチャ２２の動きを表すアマチャリフト（曲線ａ）と電磁石に供給される電流（曲線ｂ）、電磁石に供給される電圧（曲線ｃ）および電磁石が発生する吸引力（曲線ｄ）の関係を示す。
【００３２】いま、アマチャ２２が第２のヨーク１４に着座してバルブ２０が開いている状態で、第２の電磁石１３に供給されていた保持電流が停止されたとすると、アマチャ２２は、第２のヨーク１４から解放され、第１のバネ１６および第２のバネ１７の位置エネルギーによって第１の電磁石に向けて移動を開始する。アマチャが第１のバネと第２のバネの力がバランスする中立位置に達した付近（移動を開始してから３ms後）で、制御装置１がＰＷＭドライバ７に制御信号を送り、第１の電磁石１１に一定電圧（曲線ｃ）を供給する。
【００３３】電圧供給の開始当初、アマチャとヨークとの間の空隙が大きいため、第１の電磁石に生じる逆起電力が小さい。電磁石に供給される電圧は一定に保たれるよう制御されるから電気負荷が軽くなればＰＷＭドライバ７から供給される電流が曲線ｂに見られるように大きくなり、電源から電磁石への電力の流入（端子電圧 x電流）が増大する。このため、第１の電磁石が発生する磁束が増大し、曲線ｄに示されるように吸引力の成長が進む。
【００３４】アマチャ２２が着座するとき、定電圧の供給を停止し、1.5アンペア程度の保持電流を供給する定電流モードに移行する。図５（Ａ）および（Ｂ）では、5.2ms付近で定電流モードに切り替えられている。アマチャ２２が着座した状態で保持電流を電磁石に供給することは従来から行われている周知の事項である。
【００３５】図５（Ａ）は、基準フリクションの条件での特性を示す。図５（Ｂ）は、アマチャのフリクションが基準フリクションの1.5倍になったときの特性を示す。この場合、アマチャのフリクションが大きいため、第２の電磁石１３から解放された後、アマチャがバネのエネルギーによって移動する距離は、基準フリクションのときよりも小さくなり、従って一定電圧が第１の電磁石に供給されるとき、アマチャと第１の電磁石との間の空隙は、基準フリクション条件のときよりも大きい。このため、第１の電磁石に生成される逆起電力は、基準フリクション条件のときより小さくなる。第１の電磁石に供給される電圧（曲線ｃ）は、ＰＷＭドライバによって一定の形になるように制御されるから、逆起電力が小さければそれだけ大きな電流（曲線ｂ）が第１の電磁石に供給される。こうして第１の電磁石は十分な吸引力（曲線ｄ）を発生し、アマチャを第１のヨークに吸着させる。したがって、フリクションが増大しても図４に関連して前述したような従来の駆動方法による場合のように不安定な動作に陥りにくくなる。
【００３６】アマチャ２２が第１のヨークに着座するとき、またはその直前に第１の電磁石の端子に供給していた定電圧の供給を停止し、0.5アンペア程度の保持電流の供給に切り替える。
【００３７】この発明のもう一つの実施形態では、電磁石に供給される電力の時間変化を予め設定しておき、供給電力がこの予め設定された時間変化に従うよう、電磁石に供給される定電圧パルスのデューティ比を制御する。具体的には、図１を再び参照して、制御装置１は、電流検出器９で検出されるコイル電流と、電圧検出器８で検出される平均電圧との積で得られる供給電力が、予め設定した電力供給パターンにおける対応する電力の値より小さければ、デューティ比を増すようＰＷＭドライバ７を制御し、供給電力が、予め設定した電力供給パターンにおける対応する電力の値より大きければ、デューティ比を小さくするようＰＷＭドライバ７を制御する。この実施形態では、電圧パルスのデューティ比を大きく変化させるので、電磁石に供給される平均電圧は時間とともに変化する。
【００３８】図６は、この実施形態におけるアマチャリフト（曲線ａ）、電流（曲線ｂ）、電圧（曲線ｃ）、吸引力（曲線ｄ）および電力（曲線ｐ）の関係を示す。電圧は、可変デューティ比の定電圧パルスの形で供給されるが、図ではその平均値で示してある。この例では、アマチャが中立位置に達したとき、曲線ｐに示すようなパターンの電力を電磁石に投入するよう制御装置がプログラムされている。
【００３９】この実施形態によると、アマチャを終端位置に着座させるに必要な電力の供給パターンを予めプログラムしておき、このパターンに従った電力が電磁石に供給されるので従来技術で経験されたようなフリクション変化によって不安定な動作が生じにくくなる。また、アマチャがヨークに過度にぶつかることなくスムーズに着座するよう供給電力のパターンを予めプログラムすることによって、滑らかな着座を実現することができる。
【００４０】アマチャが着座するとき、またはその直前に電磁石への電力供給は、0.5アンペア程度の保持電流の供給モードに切り替えられる。
【００４１】以上にこの発明を具体的な実施態様について説明したが、この発明はこのような実施態様に限定されるものではない。
【００４２】
【発明の効果】請求項１の発明によると、フリクションが増大しても安定した動作を行う電磁石アクチュエータが得られる。
【００４３】また、請求項２の発明によると、電磁石アクチュエータへの投入電力を制御することが可能になる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５３２６
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年４月１９日（１９９９．４．１９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８１７２１
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 次生
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３０４１５３（Ｐ２０００−３０４１５３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１１月２日（２０００．１１．２） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１１０９６３ |
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