JP2000291821A - 電磁駆動式バルブ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電磁駆動式バルブ装置において、可動子の動
き始めと、可動子と弁シャフトとの間のクリアランスと
を分離して精度良く検出できるようにする。 【解決手段】 開弁タイミングの少し前から閉側コイル
に流す保持電流を終了して環流電流を流し、この環流電
流の波形の極小点のタイミングｔ1 を検出し、このタイ
ミングｔ1 で可動鉄心が動き始めたと判断する。この時
点で直ちに環流電流を遮断してフライバック電圧を発生
させ、このフライバック電圧の波形に現れる３回目の変
曲点のタイミングｔ2 を検出し、このタイミングｔ2 で
可動鉄心のプランジャが弁シャフトに衝突したと判断す
る。そして、可動鉄心が動き始めてからプランジャが弁
シャフトに衝突するまでの時間（ｔ2 −ｔ1 ）を算出
し、この時間（ｔ2 −ｔ1 ）に基づいて、プランジャと
弁シャフトとの間のクリアランスを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば内燃機関の
吸排気バルブとして用いられる電磁駆動式バルブ装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、内燃機関の吸排気バルブを電磁石
で駆動する電磁駆動式の吸排気バルブ装置が研究されて
いる。この電磁駆動式の吸排気バルブ装置は、例えば米
国特許第５７１１２５９号公報（図８参照）に示すよう
に、エンジンのシリンダヘッド１０に、吸気（排気）ポ
ート１１を開閉するバルブ１２のシャフト１３を組み付
け、閉弁期間中には、バルブ１２を閉側スプリング１４
によって閉弁位置に保持する。そして、弁シャフト１３
の上方には、可動鉄心１５を上下動自在に配置し、この
可動鉄心１５の上下両側に、閉側コイル１６と開側コイ
ル１７を所定間隔を隔てて配置し、閉弁期間中には、上
側の閉側コイル１６に保持電流を流して、図８（ａ）に
示すように、可動鉄心１５を閉弁側（上側）に吸着保持
する。一方、開弁する時には、上側の閉側コイル１６の
保持電流を遮断して、下側の開側コイル１７に駆動電流
を流し、図８（ｂ）に示すように、可動鉄心１５を開弁
側（下側）に移動させることで、弁シャフト１３を閉側
スプリング１４に抗して下側に押してバルブ１２を開弁
させる。

【０００３】エンジン運転中は、弁シャフト１３が高熱
にさらされて熱膨張するため、弁シャフト１３と可動鉄
心１５との間に、弁シャフト１３の熱膨張を吸収するた
めのクリアランス１９を設けることで、バルブ１２が確
実に全閉状態となるように設計されている。従って、閉
弁状態から開弁する時には、まず、可動鉄心１５のみが
クリアランス１９分だけ下方に移動し、可動鉄心１５が
弁シャフト１３の上端に衝突した後に、両者が一体とな
って下方に移動してバルブ１２を開弁させる。この構成
では、バルブ１２の動き始めが可動鉄心１５の動き始め
よりもクリアランス１９分だけ遅れるため、バルブ１２
の開弁タイミングを正確に制御するには、クリアランス
１９による遅れを考慮する必要がある。このクリアラン
ス１９は、エンジン運転中に弁シャフト１３の熱膨張量
の変化（温度変化）に応じて変化するため、クリアラン
ス１９による遅れを考慮するには、エンジン運転中にク
リアランス１９を検出する必要がある。

【０００４】また、閉弁状態から開弁する場合、まず、
上側の閉側コイル１６の保持電流を遮断して、上側の開
側スプリング１８の押し下げ力によって可動鉄心１５の
みをクリアランス１９分だけ下方に移動させ、可動鉄心
１５が弁シャフト１３の上端に衝突して、可動鉄心１５
が下側の開側コイル１７に近付いた時点で、下側の開側
コイル１７に駆動電流を流して、その電磁吸引力により
可動鉄心１５を開側コイル１７側に吸着してバルブ１２
を全開状態に保持する。この際、閉側コイル１６の残留
磁気や可動鉄心１５の軸１５ａと軸受２０とのフリクシ
ョン等によって可動鉄心１５の動き始めのタイミングが
変化するため、その変化に応じて開側コイル１７の通電
開始タイミングを変化させることが好ましい。

【０００５】例えば、開側コイル１７の通電開始タイミ
ングが遅くなり過ぎると、可動鉄心１５を開側コイル１
７側に吸着（キャッチ）できない、いわゆるキャッチミ
スが発生する。このキャッチミスを防ぐために、開側コ
イル１７の通電開始タイミングを早めに設定すると、そ
の分、通電時間を長くしなければならず、消費電力が増
加する（閉弁時にはバルブ１２の着座時の激突音が大き
くなる原因にもなる）。従って、キャッチミス防止と消
費電力低減等を両立させるには、可動鉄心１５の動き始
めのタイミングを基準にして開側コイル１７の通電開始
タイミングを正確に制御する必要があり、そのために
は、可動鉄心１５の動き始めを正確に検出する必要があ
る。

【０００６】そこで、米国特許５７４２４６７号公報で
は、閉側コイル１６の保持電流を遮断した直後に、残留
磁気エネルギによって該閉側コイル１６に誘導される電
圧（フライバック電圧）を検出し、このフライバック電
圧の波形の極小点のタイミングを可動鉄心１５の動き始
めとして検出するようにしている。これは、可動鉄心１
５と閉側コイル１６との間のギャップの変化による磁束
変化によってフライバック電圧の波形が変化する特性に
着目し、フライバック電圧の波形から可動鉄心１５の動
き始めを検出するものである。

【０００７】しかし、この公報の技術では、可動鉄心１
５と弁シャフト１３との間のクリアランス１９を検出で
きないため、クリアランス１９による遅れを考慮した通
電制御を行うことができない。

【０００８】そこで、米国特許５７１１２５９号公報で
は、閉側コイル１６の保持電流を遮断した直後のフライ
バック電圧（図９参照）を検出し、可動動鉄心１５が弁
シャフト１３に衝突した時に可動鉄心１５の動きが急変
することで発生するフライバック電圧の不規則な変化を
検出して、可動鉄心１５が弁シャフト１３に衝突するタ
イミングｔ2 を検出する。この場合、フライバック電圧
の波形の極小点のタイミングｔ1 が可動鉄心１５の動き
始めのタイミングとなるため、ｔ2 −ｔ1 から可動鉄心
１５と弁シャフト１３との間のクリアランス１９を検出
することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、可動鉄心１５
と弁シャフト１３との間のクリアランス１９は、弁シャ
フト１３の熱膨張を吸収するための非常に小さな隙間で
あるため、可動鉄心１５が動き始めるタイミングｔ1
と、弁シャフト１３に衝突するタイミングｔ2 とが非常
に接近して、可動鉄心１５の動き始めによる電圧変化
と、可動鉄心１５と弁シャフト１３との衝突による電圧
変化とを正確に判別することが困難となり、クリアラン
ス１９（ｔ2 −ｔ1 ）を精度良く検出することができな
い。しかも、保持電流を遮断した瞬間に大きなフライバ
ック電圧が発生するため、駆動回路のスイッチング素子
の耐圧を高める必要があり、その分、高価なスイッチン
グ素子を用いる必要があり、駆動回路が高価になってし
まう欠点もある。

【００１０】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たものであり、従ってその目的は、可動子の動き始め
と、可動子と弁シャフトとの間のクリアランスとを分離
して精度良く検出できると共に、駆動回路のスイッチン
グ素子の耐圧を下げることができて、コストダウンする
ことができ、しかも、消費電力を低減することができる
電磁駆動式バルブ装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の電磁駆動式バルブ装置は、還流
電流発生手段により、開弁タイミング及び／又は閉弁タ
イミングの少し前から閉側／開側コイルに保持電流を流
すための電圧印加を終了して該コイルに環流電流を流
し、この環流電流を環流電流検出手段により検出すると
共に、検出した環流電流の波形に基づいて、動作開始タ
イミング検出手段により可動子の動き始めを検出する。
そして、可動子の動き始めが検出された時に、フライバ
ック電圧発生手段により環流電流を遮断して該コイルに
フライバック電圧を発生させ、このフライバック電圧を
フライバック電圧検出手段により検出すると共に、検出
したフライバック電圧の波形に基づいて、クリアランス
検出手段により可動子と弁シャフトとのクリアランスを
検出する。

【００１２】この構成では、環流電流の波形から可動子
の動き始めを検出し、可動子の動き始めを検出した時点
で、環流電流を遮断するため、環流電流の波形には可動
子と弁シャフトとの衝突の影響（クリアランスの影響）
が全く現れない。これにより、環流電流の波形から可動
子の動き始めを精度良く検出することができる。しか
も、可動子が動き始めた後にフライバック電圧を発生さ
せて、そのフライバック電圧の波形からクリアランスを
検出するため、フライバック電圧の波形に可動子の動き
始めによる電圧変化が重畳しない。このため、クリアラ
ンスが微小であっても、可動子の動き始めの影響を全く
受けずに、フライバック電圧からクリアランスを精度良
く検出することができる。これにより、本発明では、環
流電流とフライバック電圧とから可動子の動き始めとク
リアランスとを分離して精度良く検出できる。

【００１３】また、可動子の動き始めが検出されるまで
には、環流電流が環流回路の抵抗分で消費されて減少す
るため、環流電流の遮断により発生するフライバック電
圧は保持電流（環流電流の初期値に相当）の遮断により
発生するフライバック電圧と比較してかなり低くなる。
このため、駆動回路のスイッチング素子の耐圧を従来よ
りも下げることができ、その分、安価なスイッチング素
子を用いることができて、コストダウンの要求も満たす
ことができる。しかも、可動子の動き始めを検出した時
点で、環流電流を遮断するため、環流電流による残留磁
気力により可動子の動きが妨げられることもなく、反対
側のコイルが可動子をキャッチするための電力を少なく
することができ、消費電力も低減できる。

【００１４】ところで、開弁状態から閉弁する時には、
まず、弁シャフトと可動子が当接した状態で両者が一体
に閉弁側に移動し、弁体が弁座に着座した後は、可動子
が弁シャフトから離れて閉側コイル側に吸着保持され
る。従って、閉弁する時には、開弁する時とは異なり、
可動子が弁シャフトと衝突しないため、フライバック電
圧の波形に、閉弁する時のような大きな変化は現れな
い。但し、閉弁する時に、弁体が弁座に着座した後（可
動子が弁シャフトから離れた後）は、弁シャフトを付勢
する閉弁スプリングのばね力が可動子に作用しなくなる
ため、その前後で、可動子の動きが変化してフライバッ
ク電圧の波形に小さな変化が生じるが、このような小さ
な変化を検出するには、非常に高精度な検出回路を用い
る必要があり、コストアップしてしまう。

【００１５】そこで、請求項２のように、閉弁状態から
開弁する時のみにクリアランスを検出するようにすると
良い。つまり、クリアランスの変化は、弁シャフトの熱
膨張量の変化（温度変化）によって生じるものであるか
ら、比較的緩やかな変化となる。従って、内燃機関の吸
排気バルブのように、開弁と閉弁を高速で交互に繰り返
すシステムでは、開弁時のクリアランスと、その直後の
閉弁時のクリアランスとは、実質的に同一となるため、
開弁時にクリアランスを検出すれば、その直後の閉弁時
のクリアランスを検出する必要はなく、開弁時のクリア
ランスの検出値をそのまま閉弁時のクリアランスの情報
として用いることができる。しかも、前述したように、
開弁時のクリアランスは比較的検出しやすいため、比較
的安価な検出回路で精度良くクリアランスを検出するこ
とができる。

【００１６】但し、開弁状態から閉弁する時でも、閉側
コイルの通電開始タイミングがずれると、可動子のキャ
ッチミスが発生するため、請求項３のように、開弁状態
から閉弁する時には、環流電流に基づいて可動子の動き
始めの検出のみを行うことが好ましい。つまり、閉弁す
る時でも、開弁する時と同様に、保持電流の遮断後に環
流電流が発生するため、環流電流から可動子の動き始め
を精度良く検出することができる。

【００１７】更に、請求項４のように、検出した可動子
の動き始めのタイミングに基づいて該可動子を駆動する
側のコイルの通電開始タイミングを通電制御手段によっ
て補正するようにすると良い。このようにすれば、可動
子の動き始めのタイミングが残留磁気やフリクション等
によって変化しても、それに応じてコイルの通電開始タ
イミングを適正化することができ、キャッチミスを防止
することができる。

【００１８】また、請求項５のように、検出したクリア
ランスに基づいて、可動子を開弁側又は閉弁側に移動さ
せるためのコイルの駆動条件を補正するようにすると良
い。このようにすれば、弁シャフトの熱膨張量の変化
（温度変化）によってクリアランスが変化しても、それ
に応じてコイルの駆動条件を適正化することができ、ク
リアランスの変化の影響を受けない高精度な開弁／閉弁
駆動制御が可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を内燃機関の電磁駆
動式吸排気バルブ装置に適用した一実施形態を図１乃至
図７に基づいて説明する。まず、図１及び図２に基づい
て電磁駆動式吸排気バルブ装置全体の構造を説明する。
バルブハウジング２１の下部には、吸気（又は排気）ポ
ート２２が形成され、このポート２２の開口周縁部に円
環状の弁座２３が取り付けられている。バルブハウジン
グ２１の中心部には、バルブ２４（弁体）を支持する弁
シャフト２５が軸受部材２６を介して上下方向に摺動自
在に挿通支持され、その上下動によりバルブ２４がポー
ト２２を開閉する。弁シャフト２５の上部に嵌着固定さ
れたスプリング受け部材２７とバルブハウジング２１内
のスプリング収容室２８の底面部との間に閉側スプリン
グ２９が挟み込まれ、この閉側スプリング２９の押し上
げ力によって弁シャフト２５が閉弁側（上側）に付勢さ
れ、閉弁中は、この閉側スプリング２６の押し上げ力に
よってバルブ２４が閉弁状態に保持される。

【００２０】一方、バルブハウジング２１の上側部に
は、電磁駆動装置３０が組み付けられている。この電磁
駆動装置３０のハウジングは、非磁性の上ハウジング３
１と非磁性の下ハウジング３２とから成り、上下の各ハ
ウジング３１，３２に、閉側コイル３３が装着された閉
側コア３４と、開側コイル３５が装着された開側コア３
６とが所定の間隔を隔てて対向するように組み付けられ
ている。閉側コア３４と開側コア３６との間には、両者
の間隔を一定に保つための非磁性の環状スペーサ３７が
挟み込まれ、この環状スペーサ３７の内側に平板状の可
動鉄心３８が上下動自在に収容されている。この可動鉄
心３８の中心部には、プランジャ３９が上下方向に貫通
固定され、このプランジャ３９がハウジング３１，３２
の中心部に形成された貫通孔４０，４１に上下方向に摺
動自在に挿通支持されている。尚、可動鉄心３８とプラ
ンジャ３９とから特許請求の範囲でいう可動子が構成さ
れている。

【００２１】上ハウジング３１の上面中央部に形成され
た円筒部４２には、開側スプリング４３を収容したスプ
リングケース４４が組み付けられている。このスプリン
グケース４４内には、プランジャ３９の上端部に固定さ
れたスプリング受け部材４５が上下動自在に収容され、
このスプリング受け部材４５とスプリングケース４４の
上面部との間に開側スプリング４３が挟み込まれ、この
開側スプリング４３の押し下げ力によってプランジャ３
９が開弁側（下側）に付勢されている。

【００２２】閉弁時には、上側の閉側コイル３３に駆動
電流を流して、図１に示すように、可動鉄心３８を閉側
コア３４の下面に吸着保持する。この状態では、プラン
ジャ３９と弁シャフト２５との間に、これらの熱膨張を
吸収するためのクリアランス４６が形成され、バルブ２
４の閉弁状態が閉側スプリング２６の押し上げ力のみに
よって保持される。

【００２３】一方、開弁時には、下側の開側コイル３５
に駆動電流を流して、図２に示すように、可動鉄心３８
を開側コア３６の上面に吸着して、プランジャ３９で弁
シャフト２５を閉側スプリング２９に抗して押し下げ、
バルブ２４を開弁状態に保持する。

【００２４】次に、図３に基づいて閉側／開側コイル３
３，３５の通電を制御する駆動制御回路４９の構成を説
明する。閉側／開側コイル３３，３５のプラス端子は、
共にハイサイドスイッチ５０を介して例えば３６Ｖの高
電圧電源５１のプラス端子に接続され、且つ、逆電流防
止ダイオード５２と定電流スイッチ５３を介して例えば
１２Ｖのバッテリ５４のプラス端子に接続されている。
更に、閉側／開側コイル３３，３５のプラス端子は、フ
ライバック用のダイオード５５を介して接地されてい
る。

【００２５】一方、閉側／開側コイル３３，３５のマイ
ナス端子は、それぞれ、閉側／開側駆動スイッチ５６，
５７と閉側／開側検出抵抗５８，５９を介して接地され
ている。各検出抵抗５８，５９の両端の電位が各差動増
幅回路６０，６１の両入力端子に入力され、各差動増幅
回路６０，６１の出力端子から各検出抵抗５８，５９の
両端の電位差に応じた電圧が出力される。閉側／開側コ
イル３３，３５に流れる電流は、各検出抵抗５８，５９
にも流れるため、各検出抵抗５８，５９の両端の電位差
を各検出抵抗５８，５９の抵抗値で除算すれば、閉側／
開側コイル３３，３５に流れる電流（初期駆動電流、保
持電流、環流電流）が求められる。これら検出抵抗５
８，５９と差動増幅回路６０，６１とから、特許請求の
範囲でいう環流電流検出手段が構成されている。各差動
増幅回路６０，６１の出力電圧は、定電流制御回路６２
とフェイル判定回路６３に入力され、更に、入出力回路
６６を介してエンジン制御回路６５にも入力される。

【００２６】定電流制御回路６２は、閉弁／開弁状態を
保持するために、バッテリ５４から閉側／開側コイル３
３，３５にほぼ一定の保持電流（図４参照）を流し続け
るための回路であり、保持電流の検出値（差動増幅回路
６０，６１の出力電圧）が保持電流上限設定値以上にな
った時に、オフ信号を出力し、保持電流下限設定値以下
になった時に、オン信号を出力する。この定電流制御回
路６２の出力信号はドライブ回路６４に入力される。

【００２７】ドライブ回路６４は、定電流制御回路６２
の出力信号とエンジン制御回路６５の出力信号に基づい
て前述した各スイッチ５０，５３，５６，５７を駆動し
て、閉側／開側コイル３３，３５の通電を制御する。こ
の制御の詳細については後述する。尚、各スイッチ５
０，５３，５６，５７は、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチン
グ素子により構成されている。

【００２８】フェイル判定回路６３は、差動増幅回路６
０，６１の出力電圧（閉側／開側コイル３３，３５の電
流の検出値）に基づいて、キャッチミス等の異常（フェ
イル）の有無を判定し、フェイル発生時にフェイル信号
を入出力回路６６を介してエンジン制御回路６５に出力
する。エンジン制御回路６５は、フェイル判定回路６３
からフェイル信号が入力された時に、フェイルが発生し
た気筒の点火や燃料噴射を停止して、バックファイヤ
ー、アフターファイヤー等を防止する。

【００２９】また、閉側／開側コイル３３，３５のマイ
ナス端子側には、後述する環流電流の遮断直後に発生す
るフライバック電圧を検出するフライバック電圧検出回
路６７（フライバック電圧検出手段）が設けられ、この
フライバック電圧検出回路６７の出力信号が入出力回路
６６を介してエンジン制御回路６５に入力される。

【００３０】以上のように構成した駆動制御回路４９と
エンジン制御回路６５は、特許請求の範囲でいう通電制
御手段として機能し、閉側／開側コイル３３，３５の通
電を制御する。以下、この通電制御を図３乃至図５を用
いて説明する。ここで、図４は閉弁状態から開弁し、そ
の後、開弁する時の動作を示すタイムチャート、図５は
閉弁状態から開弁する時の環流電流、フライバック電
圧、クリアランス４６の関係を説明するタイムチャート
である。

【００３１】図３において、高電圧電源５１の通電路を
オン／オフするハイサイドスイッチ５０は、エンジン制
御回路６５から出力されるハイサイドスイッチ信号によ
って制御される。開弁／閉弁を切り換える時に、可動鉄
心３８を閉側／開側コア３４，３６に吸着（キャッチ）
するのに必要な時間Ｔ1 ，Ｔ2 だけ、ハイサイドスイッ
チ５０がオンされ、高電圧電源５１から高電圧（３６
Ｖ）が閉側／開側コイル３３，３５のプラス端子に印加
される。これ以外の時は、このハイサイドスイッチ５０
はオフ状態に維持される。

【００３２】一方、バッテリ５４の通電路をオン／オフ
する定電流スイッチ５３は、閉弁／開弁状態を保持する
ために、バッテリ５４から閉側／開側コイル３３，３５
にほぼ一定の保持電流を流し続けるためのスイッチであ
り、そのオン／オフが定電流制御回路６２の出力信号に
よって制御される。尚、保持電流の終了タイミング（環
流開始タイミング）は、エンジン制御回路６５から出力
される閉側／開側駆動信号のオフタイミングによって制
御される。

【００３３】また、閉側／開側コイル３３，３５のマイ
ナス端子に接続された閉側／開側駆動スイッチ５６，５
７は、エンジン制御回路６５から出力される閉側／開側
駆動スイッチ信号によって制御される。閉側駆動スイッ
チ５６のオン期間中に、閉側コイル３３に電流（初期駆
動電流、保持電流、環流電流）が流れ、開側駆動スイッ
チ５７のオン期間中に、開側コイル３５に電流（初期駆
動電流、保持電流、環流電流）が流れる。

【００３４】次に、図４を用いて閉側／開側コイル３
３，３５の通電制御を詳しく説明する。閉弁状態を保持
し続ける時（図４のｔ0 以前）は、閉側駆動スイッチ５
６がオンで、且つ、ハイサイドスイッチ５０がオフに維
持された状態で、定電流スイッチ５３のオン／オフを小
刻みに繰り返して、バッテリ５４から閉側コイル３３に
ほぼ一定の保持電流を流し続ける。このとき、閉側駆動
信号はオン状態に維持される。

【００３５】この後、開弁タイミングの所定時間前のタ
イミングｔ0 で、閉側駆動信号がオフに切り換えられ
る。これ以後は、定電流スイッチ５３がオフ状態に維持
され、保持電流の供給（バッテリ電圧の印加）が終了す
るが、閉側駆動スイッチ５６は引き続きオン状態に維持
される。このため、保持電流終了後に、それまでに閉側
コイル３３に蓄積された磁気エネルギが、閉側コイル３
３→閉側駆動スイッチ５６→閉側検出抵抗５８→グラン
ド線→ダイオード５５→閉側コイル３３の経路（閉側環
流回路）で環流して閉側コイル３３に環流電流が流れ
る。この機能が特許請求の範囲でいう環流電流発生手段
に相当する役割を果たす。

【００３６】この環流電流のエネルギは、上記閉側環流
回路の抵抗分で徐々に消費されるため、図５に示すよう
に、時間の経過に伴って環流電流が徐々に低下する。こ
の環流電流が閉側コイル３３に流れる間は、閉側コア３
４から可動鉄心３８に閉弁方向の電磁吸引力が作用する
ため、環流電流がある程度低下するまでは、引き続き可
動鉄心３８が閉側コア３４に吸着された状態（閉弁状
態）が維持される。そして、環流電流による閉弁方向の
電磁吸引力が開側スプリング４３の押し下げ力よりも小
さくなった時点で、開側スプリング４３の押し下げ力に
より可動鉄心３８が閉側コア３４から引き離されて下方
に移動する。

【００３７】可動鉄心３８が動き始めると、可動鉄心３
８と閉側コア３４との間のギャップの変化によって磁束
が変化し、この磁束変化が環流電流の変化として現れ
て、環流電流の低下が止まる。これにより、可動鉄心３
８の動き始めのタイミングｔ1で環流電流の波形が極小
点となる。従って、エンジン制御回路６５は、環流電流
の波形が極小点（環流電流の波形の一次微分値が０）と
なるタイミングｔ1 を検出し、このタイミングｔ1 で可
動鉄心３８が動き始めたと判断する。この機能が特許請
求の範囲でいう動作開始タイミング検出手段に相当する
役割を果たす。

【００３８】エンジン制御回路６５は、可動鉄心３８の
動き始めのタイミングｔ1 を検出した時点で、閉側駆動
スイッチ５６をオフさせて環流電流を遮断する。これに
より、図５に示すように、残留磁気エネルギによって閉
側コイル３３にフライバック電圧が発生する。このフラ
イバック電圧は、閉側コイル３３のマイナス端子側でフ
ライバック電圧検出回路６７によって検出され、エンジ
ン制御回路６５に取り込まれる。エンジン制御回路６５
は、このフライバック電圧の波形から可動鉄心３８のプ
ランジャ３９が弁シャフト２５に衝突するタイミングｔ
2 を次のようにして検出する。

【００３９】つまり、閉弁状態から開弁する時には、ま
ず、可動鉄心３８とプランジャ３９のみがクリアランス
４６分だけ下方に移動し、プランジャ３９が弁シャフト
２５の上端に衝突した後に、両者が一体となって下方に
移動してバルブ２４を開弁させる。この際、可動鉄心３
８のプランジャ３９が弁シャフト２５に衝突した時に可
動鉄心３８の動きが急変して磁束が変化するため、その
磁束変化がフライバック電圧の変化として現れる。本発
明者の実験結果によれば、環流電流遮断後のフライバッ
ク電圧の波形に現れる複数回の変曲点のうちの３回目の
変曲点のタイミングｔ2 が、可動鉄心３８のプランジャ
３９が弁シャフト２５に衝突するタイミングｔ2 となる
ことが判明している。

【００４０】従って、エンジン制御回路６５は、環流電
流遮断後のフライバック電圧の波形に現れる３回目の変
曲点（フライバック電圧の波形の２次微分値が０となる
点）のタイミングｔ2 を検出し、このタイミングｔ2 で
プランジャ３９が弁シャフト２５に衝突したと判断す
る。そして、可動鉄心３８が動き始めてからプランジャ
３９が弁シャフト２５に衝突するまでの時間（ｔ2 −ｔ
1 ）を算出し、図５に示すように、この時間（ｔ2 −ｔ
1 ）がクリアランス４６に応じて変化する関係を利用し
て、この時間（ｔ2 −ｔ1 ）からクリアランス４６を算
出する。この機能が特許請求の範囲でいうクリアランス
検出手段に相当する役割を果たす。

【００４１】そして、プランジャ３９が弁シャフト２５
に衝突して、可動鉄心３８が開側コア３６に近付いた時
点ｔ3 （図４参照）で、開側駆動信号をオンに切り換え
て、ハイサイドスイッチ５０をオンすると共に、開側駆
動スイッチ５７をオンする。これにより、高電圧電源５
１から高電圧（３６Ｖ）が開側コイル３５に印加され
て、開側コイル３５に比較的大きな初期駆動電流が流さ
れ、それによって発生する比較的大きな電磁吸引力で可
動鉄心３８が開側コア３６に吸着（キャッチ）される。

【００４２】この場合、可動鉄心３８の動き始めのタイ
ミングが閉側コイル３３の残留磁気やプランジャ３９の
フリクション等によって変化することを考慮し、エンジ
ン制御回路６５は、可動鉄心３８の動き始めのタイミン
グｔ1 に基づいて、マップ又は演算式により開側コイル
３５の通電開始タイミングｔ3 を補正して、可動鉄心３
８のキャッチミスを防止する。

【００４３】また、エンジン制御回路６５は、可動鉄心
３８を開側コア３６に確実に吸着するための初期駆動電
流の通電時間Ｔ1 （ハイサイドスイッチ５０のオン時
間）をエンジン回転数や吸入空気量等のエンジン運転条
件によって設定し、これをクリアランス４６（ｔ2 −ｔ
1 ）に応じてマップ又は演算式により補正する。例え
ば、クリアランス４６（ｔ2 −ｔ1 ）が大きくなるほ
ど、キャッチミスが発生しやすくなるため、クリアラン
ス４６（ｔ2 −ｔ1 ）が大きくなるほど、初期駆動電流
の通電時間Ｔ1 を長くするように補正して、キャッチミ
スを防止する。

【００４４】初期駆動電流の通電時間Ｔ1 が設定時間に
達すると、ハイサイドスイッチ５０がオフされ、開側コ
イル３５への高電圧（３６Ｖ）の印加が停止される。こ
れにより、開側コイル３５に流れる電流が低下し、その
電流値が保持電流下限設定値以下になると、定電流スイ
ッチ５３がオンされて、バッテリ電圧（１２Ｖ）が開側
コイル３５に印加され、開側コイル３５に保持電流が流
される。その後、この保持電流が保持電流上限設定値以
上になった時に、定電流スイッチ５３がオフされ、開側
コイル３５へのバッテリ電圧の印加が停止される。以
後、このような定電流スイッチ５３のオン／オフが小刻
みに繰り返されて、バッテリ５４から開側コイル３５に
ほぼ一定の保持電流が流し続けられ、可動鉄心３８が開
側コア３６に吸着された状態（開弁状態）に保持され
る。

【００４５】その後、閉弁タイミングの所定時間前のタ
イミングｔ4 で、開側駆動信号がオフに切り換えられ
る。これ以後は、定電流スイッチ５３がオフ状態に維持
され、保持電流の供給（バッテリ電圧の印加）が終了す
るが、開側駆動スイッチ５７は引き続きオン状態に維持
される。このため、保持電流終了後に、それまでに開側
コイル３５に蓄積された磁気エネルギが、開側コイル３
５→開側駆動スイッチ５７→開側検出抵抗５９→グラン
ド線→ダイオード５５→開側コイル３５の経路（開側環
流回路）で環流して開側コイル３５に環流電流が流れ
る。

【００４６】この環流電流のエネルギは、上記開側環流
回路の抵抗分で徐々に消費されるため、時間の経過に伴
って環流電流が徐々に低下する。この環流電流が開側コ
イル３５に流れる間は、開側コア３６から可動鉄心３８
に開弁方向の電磁吸引力が作用するため、環流電流があ
る程度低下するまでは、引き続き可動鉄心３８が開側コ
ア３６に吸着された状態（開弁状態）が維持される。そ
して、環流電流による開弁方向の電磁吸引力が閉側スプ
リング２９の押し上げ力よりも小さくなった時点で、閉
側スプリング２９の押し上げ力により可動鉄心３８が開
側コア３６から引き離されて上方に移動する。

【００４７】閉弁する時も、開弁するときと同じく、可
動鉄心３８が動き始めると、可動鉄心３８と開側コア３
６との間のギャップの変化によって磁束が変化し、この
磁束変化が環流電流の変化として現れて、環流電流の低
下が止まる。これにより、可動鉄心３８の動き始めのタ
イミングｔ5 で環流電流の波形が極小点となる。従っ
て、エンジン制御回路６５は、環流電流の波形が極小点
となるタイミングｔ5 を検出し、このタイミングｔ5 で
可動鉄心３８が動き始めたと判断する。

【００４８】エンジン制御回路６５は、可動鉄心３８の
動き始めのタイミングｔ5 を検出した時点で、閉側駆動
スイッチ５６をオフさせて環流電流を遮断する。これに
より、残留磁気エネルギによって開側コイル３５にフラ
イバック電圧が発生する。

【００４９】開弁状態から閉弁する時には、まず、弁シ
ャフト２５と可動鉄心３８のプランジャ３９が当接した
状態で両者が一体に閉弁側（上側）に移動し、バルブ２
４が弁座２３に着座した後は、プランジャ３９が弁シャ
フト２５から離れて閉弁側に移動する。従って、閉弁す
る時には、開弁する時とは異なり、プランジャ３９が弁
シャフト２５と衝突しないため、フライバック電圧の波
形に、閉弁する時のような大きな変化は現れない。従っ
て、閉弁する時には、クリアランス４６の検出は行わな
い。

【００５０】クリアランス４６の変化は、弁シャフト２
５の熱膨張量の変化（温度変化）によって生じるもので
あるから、比較的緩やかな変化となる。従って、内燃機
関の吸排気バルブのように、開弁と閉弁を高速で交互に
繰り返すシステムでは、開弁時のクリアランス４６と、
その直後の閉弁時のクリアランス４６とは、実質的に同
一となるため、開弁時にクリアランス４６を検出すれ
ば、その直後の閉弁時のクリアランス４６を検出する必
要はなく、開弁時のクリアランス４６の検出値をそのま
ま閉弁時のクリアランス４６の情報として用いることが
できる。

【００５１】エンジン制御回路６５は、閉弁する時も、
開弁する時と同じく、可動鉄心３８の動き始めのタイミ
ングｔ5 に基づいて、マップ又は演算式により閉側コイ
ル３３の通電開始タイミングｔ6 を補正する。そして、
この通電開始タイミングｔ6で、閉側駆動信号をオンに
切り換えて、ハイサイドスイッチ５０をオンすると共
に、閉側駆動スイッチ５６をオンする。これにより、高
電圧電源５１から高電圧（３６Ｖ）が閉側コイル３３に
印加されて、閉側コイル３３に比較的大きな初期駆動電
流が流され、それによって発生する比較的大きな電磁吸
引力で可動鉄心３８が閉側コア３４に吸着（キャッチ）
される。

【００５２】閉弁時も、開弁時と同じく、初期駆動電流
の通電時間Ｔ2 （ハイサイドスイッチ５０のオン時間）
をエンジン回転数や吸入空気量等のエンジン運転条件に
よって設定して、これを直前の開弁駆動時に検出したク
リアランス４６（ｔ2 −ｔ1）を用いてマップ又は演算
式により補正する。

【００５３】初期駆動電流の通電時間Ｔ2 が設定時間に
達すると、ハイサイドスイッチ５０がオフされ、閉側コ
イル３３への高電圧（３６Ｖ）の印加が停止される。こ
の後は、定電流スイッチ５３のオン／オフが小刻みに繰
り返されて、バッテリ５４から閉側コイル３３にほぼ一
定の保持電流が流し続けられ、可動鉄心３８が閉側コア
３４に吸着された状態（閉弁状態）に保持される。以上
説明した閉側／開側コイル３３，３５の通電制御は、エ
ンジン制御回路６５によって図６及び図７に従って実行
される。

【００５４】図６は閉弁状態から開弁する時の制御の流
れを示すフローチャートである。本プログラムでは、ま
ずステップ１０１で、開弁タイミングの所定時間前のタ
イミングｔ0 になるまで待機し、このタイミングｔ0 に
なった時点で、ステップ１０２に進み、閉側駆動信号を
オフに切り換えて、定電流スイッチ５３をオフして保持
電流の供給（バッテリ電圧の印加）を終了し、閉側コイ
ル３３に環流電流を流す。

【００５５】この後、ステップ１０３で、環流電流の波
形が極小点になったか否かで、可動鉄心３８が動き始め
たか否かを判定し、可動鉄心３８が動き始めるまで待機
する。そして、環流電流の波形が極小点になった時点ｔ
1 で、可動鉄心３８が動き始めたと判断し、ステップ１
０４に進んで、この可動鉄心３８の動き始めのタイミン
グｔ1 をエンジン制御回路６５のＲＡＭ（図示せず）に
記憶する。

【００５６】そして、次のステップ１０５で、閉側駆動
スイッチ５６をオフさせて環流電流を遮断し、閉側コイ
ル３３にフライバック電圧を発生させる。この後、ステ
ップ１０６で、フライバック電圧の波形に３回目の変曲
点が現れたか否かで、プランジャ３９が弁シャフト２５
に衝突したか否かを判定し、３回目の変曲点が現れるま
で待機する。そして、フライバック電圧の波形に３回目
の変曲点が現れた時点ｔ2 でプランジャ３９が弁シャフ
ト２５に衝突したと判断し、ステップ１０７に進んで、
プランジャ３９が弁シャフト２５に衝突したタイミング
ｔ2 をＲＡＭに記憶する。

【００５７】この後、ステップ１０８で、可動鉄心３８
が動き始めてからプランジャ３９が弁シャフト２５に衝
突するまでの時間（ｔ2 −ｔ1 ）を算出し、この時間
（ｔ2−ｔ1 ）からクリアランス４６を算出する。そし
て、次のステップ１０９で、可動鉄心３８の動き始めの
タイミングｔ1 に基づいて、マップ又は演算式により開
側コイル３５の通電開始タイミングｔ3 を補正すると共
に、開弁駆動時の初期駆動電流の通電時間Ｔ1 （ハイサ
イドスイッチ５０のオン時間）を、クリアランス４６
（ｔ2 −ｔ1 ）に応じてマップ又は演算式により補正す
る。この後、ステップ１１０で、補正後の通電開始タイ
ミングｔ3 で開側コイル３５への高電圧（３６Ｖ）の印
加を開始し、その後、時間Ｔ1 経過後に、高電圧の印加
を停止して開側コイル３５に保持電流を流して、バルブ
２４を開弁状態に保持する。

【００５８】図７は開弁状態から閉弁する時の制御の流
れを示すフローチャートである。本プログラムでは、ス
テップ２０１〜２０５で、上述した開弁駆動時と同じ
く、閉弁タイミングの所定時間前のタイミングｔ4 で、
開側コイル３５に環流電流を流し、この環流電流の波形
が極小点になった時点ｔ5 で、可動鉄心３８が動き始め
たと判断し、このタイミングｔ5 をＲＡＭに記憶する。

【００５９】この後は、開弁駆動時とは異なり、クリア
ランス４６の検出を行わずに、ステップ２０６に進み、
可動鉄心３８の動き始めのタイミングｔ5 に基づいて、
マップ又は演算式により閉側コイル３３の通電開始タイ
ミングｔ6 を補正すると共に、閉弁駆動時の初期駆動電
流の通電時間Ｔ2 （ハイサイドスイッチ５０のオン時
間）を、直前の開弁駆動時に検出したクリアランス４６
（ｔ2 −ｔ1 ）を用いて、マップ又は演算式により補正
する。この後、ステップ２０７で、補正後の通電開始タ
イミングｔ6 で閉側コイル３３への高電圧（３６Ｖ）の
印加を開始し、その後、時間Ｔ2 経過後に、高電圧の印
加を停止して閉側コイル３３に保持電流を流して、バル
ブ２４を閉弁状態に保持する。

【００６０】以上説明した本実施形態では、開弁タイミ
ングの少し前から閉側コイル３３に流す保持電流を終了
して環流電流を流し、この環流電流の波形から可動鉄心
３８の動き始めを検出し、可動鉄心３８の動き始めを検
出した時点で、環流電流を遮断してフライバック電圧を
発生させ、このフライバック電圧の波形からクリアラン
ス４６を検出する。この検出方法では、フライバック電
圧の波形に可動鉄心３８の動き始めによる電圧変化が重
畳しないため、クリアランス４６が微小であっても、可
動鉄心３８の動き始めの影響を全く受けずに、フライバ
ック電圧からクリアランスを精度良く検出することがで
きる。これにより、環流電流とフライバック電圧とから
可動鉄心３８の動き始めとクリアランス４６とを分離し
て精度良く検出できる。

【００６１】しかも、検出した可動鉄心３８の動き始め
に応じて、通電開始タイミングを補正するようにしたの
で、可動鉄心３８の動き始めのタイミングが残留磁気や
フリクション等によって変化しても、それに応じて通電
開始タイミングを適正化することができ、キャッチミス
を防止することができる。更に、検出したクリアランス
４６に応じて初期駆動電流の通電時間を補正するように
したので、弁シャフト２５の熱膨張量の変化（温度変
化）によってクリアランス４６が変化しても、そのクリ
アランス４６の変化の影響を受けない高精度な開弁／閉
弁駆動の制御が可能となり、キャッチミス防止、閉弁時
のバルブ２４の着座時の激突音低減を実現できる。

【００６２】また、可動鉄心３８の動き始めが検出され
るまでには、環流電流が環流回路の抵抗分で消費されて
減少するため、環流電流の遮断により発生するフライバ
ック電圧は、保持電流（環流電流の初期値に相当）の遮
断により発生するフライバック電圧と比較してかなり低
くなる。このため、駆動スイッチ５６，５７等のスイッ
チング素子の耐圧を従来よりも下げることができ、その
分、安価なスイッチング素子を用いることができて、コ
ストダウンの要求も満たすことができる。しかも、可動
鉄心３８の動き始めを検出した時点で、環流電流を遮断
するため、環流電流による残留磁気力により可動鉄心３
８の動きが妨げられることもなく、反対側のコイルが可
動鉄心３８をキャッチするための電力を少なくすること
ができ、消費電力も低減できる。

【００６３】尚、検出した可動鉄心３８の動き始めに応
じて、初期駆動電流の通電時間を補正するようにしても
良く、また、検出したクリアランス４６に応じて通電開
始タイミングを補正するようにしても良く、要は、可動
鉄心３８の動き始めやクリアランス４６に応じて通電開
始タイミングや初期駆動電流の通電時間等の駆動条件を
補正するようにすれば良い。

【００６４】また、本実施形態では、ハイサイドスイッ
チ５０と定電流スイッチ５３を設けて、初期駆動電流の
期間と保持電流の期間とで、電源電圧を高電圧電源５１
とバッテリ５４とで切り換えるようにしたが、定電流ス
イッチ５３を省略して、ハイサイドスイッチ５０を定電
流スイッチとして兼用し、閉側／開側コイル３３，３５
に保持電流を流す際に、ハイサイドスイッチ５０のオン
／オフを小刻みに繰り返して、高電圧電源５１から閉側
／開側コイル３３，３５にほぼ一定の保持電流を流し続
けるようにしても良い。また、高電圧電源５１の電圧も
３６Ｖに限定されず、適宜変更しても良いことは言うま
でもない。

【００６５】ところで、図８に示す従来の電磁駆動式吸
排気バルブ装置は、閉側／開側コイル１６，１７の内周
側に開側／閉側スプリング１８，１４を配置しているた
め、バルブ装置の径方向寸法が大きくなる欠点がある。
このため、１気筒当たりのバルブ数が多くなると、バル
ブ装置の取り付けが困難となり、少ないバルブ数のエン
ジンにしか取り付けることができない。

【００６６】これに対し、本実施形態では、閉側／開側
コイル３３，３５の軸方向両側に、開側／閉側スプリン
グ４３，２９を配置しているため、バルブ装置の径方向
寸法を小さくすることができ、１気筒当たりのバルブ数
が多いエンジンにも取り付けることができる。

【００６７】但し、本発明は、図８の構造のバルブ装置
にも適用して実施しても良く、それによって、本発明の
目的を十分に達成することができる。尚、フライバック
電圧は、本実施形態のように、閉側／開側コイル３３，
３５のマイナス側で検出することが望ましいが、プラス
側で検出するようにしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における電磁駆動式バルブ
装置の閉弁時の状態を示す縦断面図

【図２】電磁駆動式バルブ装置の開弁時の状態を示す縦
断面図

【図３】駆動制御回路の構成を示す回路図

【図４】電磁駆動式バルブ装置の動作を説明するタイム
チャート

【図５】主要部の動作を説明するタイムチャート

【図６】開弁駆動制御プログラムの処理の流れを示すフ
ローチャート

【図７】閉弁駆動制御プログラムの処理の流れを示すフ
ローチャート

【図８】（ａ）は従来の電磁駆動式バルブ装置の閉弁時
の状態を示す縦断面図、（ｂ）は開弁時の状態を示す縦
断面図

【図９】従来のフライバック電圧の波形を示す図

【符号の説明】

２２…ポート、２３…弁座、２４…バルブ（弁体）、２
５…弁シャフト、２９…閉側スプリング、３３…閉側コ
イル、３４…閉側コア、３５…開側コイル、３６…開側
コア、３８…可動鉄心（可動子）、３９…プランジャ
（可動子）、４３…開側スプリング、４６…クリアラン
ス、４９…駆動制御回路（通電制御手段）、５０…ハイ
サイドスイッチ、５１…高電圧電源、５３…定電流スイ
ッチ、５４…バッテリ、５６…閉側駆動スイッチ、５７
…開側駆動スイッチ、５８…閉側検出抵抗（環流電流検
出手段）、５９…開側検出抵抗（環流電流検出手段）、
６０，６１…差動増幅回路（環流電流検出手段）、６２
…定電流制御回路、６３…フェイル判定回路、６５…エ
ンジン制御回路（通電制御手段，動作開始タイミング検
出手段，クリアランス検出手段，環流電流発生手段，フ
ライバック電圧発生手段）、６７…フライバック電圧検
出回路（フライバック電圧検出手段）。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G016 AA18 CA11 CA22 CA48 DA23 DA27 3G092 AA11 DA01 DA02 DA07 DF05 DG02 DG09 EA13 FA49 FA50 HA13X HA13Z HE00X 3H106 DA07 DA13 DA25 DB02 DB12 DB26 DB32 DC02 DD09 EE01 EE22 FA02 FA08 FB04 FB21 KK17

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弁シャフトを有する弁体と、 前記弁体を閉弁位置に保持する閉側スプリングと、 閉弁時に前記弁シャフトの先端からクリアランス分だけ
   離れた位置に移動し、開弁時に前記弁シャフトを前記閉
   側スプリングに抗して開弁方向に押して前記弁体を開弁
   させる可動子と、 前記可動子を閉弁側に駆動する閉側コイルと、 前記可動子を開弁側に駆動する開側コイルと、 閉弁期間中に前記閉側コイルに保持電流を流して前記可
   動子を閉弁側に保持し、開弁期間中に前記開側コイルに
   保持電流を流して前記可動子を開弁側に保持する通電制
   御手段とを備えた電磁駆動式バルブ装置において、 開弁タイミング及び／又は閉弁タイミングの少し前から
   前記保持電流を流すための電圧印加を終了して該コイル
   に環流電流を流す還流電流発生手段と、 前記環流電流を検出する環流電流検出手段と、 前記環流電流検出手段により検出した環流電流の波形に
   基づいて前記可動子の動き始めを検出する動作開始タイ
   ミング検出手段と、 前記動作開始タイミング検出手段により前記可動子の動
   き始めが検出された時に前記環流電流を遮断して該コイ
   ルにフライバック電圧を発生させるフライバック電圧発
   生手段と、 前記フライバック電圧を検出するフライバック電圧検出
   手段と、 前記フライバック電圧検出手段により検出したフライバ
   ック電圧の波形に基づいて前記可動子と前記弁シャフト
   とのクリアランスを検出するクリアランス検出手段とを
   備えていることを特徴とする電磁駆動式バルブ装置。
2. 【請求項２】 前記クリアランス検出手段は、閉弁状態
   から開弁する時のみに前記クリアランスを検出すること
   を特徴とする請求項１に記載の電磁駆動式バルブ装置。
3. 【請求項３】 開弁状態から閉弁する時には、前記動作
   開始タイミング検出手段による前記可動子の動き始めの
   検出のみを行い、前記クリアランス検出手段による前記
   クリアランスの検出を行わないことを特徴とする請求項
   １又は２に記載の電磁駆動式バルブ装置。
4. 【請求項４】 前記通電制御手段は、前記動作開始タイ
   ミング検出手段により検出した前記可動子の動き始めの
   タイミングに基づいて、該可動子を駆動する側のコイル
   の通電開始タイミングを補正することを特徴とする請求
   項１乃至３のいずれかに記載の電磁駆動式バルブ装置。
5. 【請求項５】 前記通電制御手段は、前記クリアランス
   検出手段により検出した前記クリアランスに基づいて、
   前記可動子を開弁側又は閉弁側に移動させるための前記
   コイルの駆動条件を補正することを特徴とする請求項１
   乃至４のいずれかに記載の電磁駆動式バルブ装置。