JP2639587B2 - バルブのステッピング駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、エンジンの吸気バルブ及び排気バルブ（以
下、吸排気バルブという。）の軸端部に配設されたリニ
アパルスモータにより該吸排気バルブを開閉駆動するバ
ルブのステッピング駆動装置に関する。

（従来の技術） 従来の吸排気バルブの開閉駆動装置は、１本のシャフ
トに吸気用及び排気用のカムを配したカムシャフトを、
エンジンの上部もしくは側面に配設する。そしてベルト
等の回転伝達手段によりエンジンの出力軸であるクラン
クシャフトと該カムシャフトとを連結し、エンジン回転
位相と同期してカムシャフトを回転駆動する。該回転駆
動により、ロッカーアームやプッシングロッド等のリン
ク機構を介してカムシャフトのカム面が吸排気バルブの
軸端面を押す。該吸排気バルブはスプリングにより常に
閉状態に保持されており、バルブ軸端面を押されること
により開口する。

あるいは、吸気用のカムを配した吸気カムシャフトと
排気用のカムを配した排気カムシャフトをエンジン上部
に配設し、吸気カムシャフトのカム面により吸気バルブ
の軸端面を、そして排気カムシャフトのカム面により排
気バルブの軸端面を直接押すことにより吸排気バルブを
開口させる。

（発明が解決しようとする課題） このような従来の吸排気バルブの開閉駆動装置は、カ
ムシャフト及びリンク機構をエンジンに付設せねばなら
ず、そのためエンジンが大型化する。また該カムシャフ
ト及びリンク機構はエンジンの出力軸により駆動される
ため、該カムシャフト及びリンク機構を駆動する際の摩
擦抵抗等によりエンジン出力の一部が消費され、エンジ
ンの実行出力が低下する。またエンジン運転中に吸排気
バルブの開閉タイミングを変更できず、所定のエンジン
回転数に合わせてバルブ開閉タイミングを調整するた
め、該所定の回転数と異なる回転数での運転時にはエン
ジンの出力及び効率が低下する。

上記問題を解決するために、カムシャフトによらず電
磁石による電磁力により吸排気バルブの開閉駆動を行な
う装置が、特開昭58−183805号公報、あるいは特開昭61
−76713号公報に記載されている。しかし、上記２公報
に記載されている装置において開示された電磁石の構成
では、吸排気バルブの駆動と共に電磁石と磁性体との距
離が変化し、電磁力が急激に変化するため吸排気バルブ
の動作は極めて不安定であるという欠点を有する。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、エンジ
ンの吸排気バルブの開閉駆動を、カムシャフトによらず
に該吸排気バルブの軸端部に配設したリニアパルスモー
タにより開閉駆動を行ない、吸排気バルブの移動に対し
安定した開閉動作を行なうバルブのステッピング駆動装
置を提供しようとするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、エンジンのセラミックスで形成され
た吸排気バルブの軸上部に被覆された磁気通路となる金
属パイプと、該金属パイプの上端部に連結し該吸排気バ
ルブの往復運動方向に配列された対の磁極を有する永久
磁石と、該永久磁石の磁極と対峙しエンジンに固定され
該永久磁石の磁極の間隔と異なる間隔で配列された磁極
を有する電磁石と、該電磁石への通電を個別に制御して
前記永久磁石の磁極を所定方向に移動せしめる電磁石制
御手段と、バルブの移動速度及び移動位置を検知するバ
ルブ位置検知手段と、該バルブ位置検知手段からの信号
を入力し、前記永久磁石の移動速度及び移動位置を可変
とする通電制御手段とを有することを特徴とするバルブ
のステッピング駆動装置を提供できる。

（作用） 本発明のバルブのステッピング駆動装置では、吸排気
バルブの開閉を該吸排気バルブの軸端部に配設したリニ
アパルスモータにより行なうため、該吸排気バルブに対
する駆動力は開閉移動により変化せず、安定した開閉動
作が行なえる作用がある。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面に従って詳細に説明す
る。

第１図は本発明による駆動装置を示す全体概略図であ
る。

６はエンジンであり、該エンジン６の出力軸近傍には
該出力軸の回転数及び回転位相を検知し信号に変換する
回転センサ７が配設されている。エンジン６内には吸排
気口を開閉制御するための吸排気バルブが配設されてい
るが、以下主に吸気バルブについて説明する。

１は高強度軽量材料であるセラミックスで形成された
吸気バルブであり、該吸気バルブ１はバルブガイド８に
より軸部を軸方向に対し自在に軸承されている。吸気管
路の終点である吸気口にはバルブシート９が配設され、
吸気バルブ１の傘部とバルブシート９とが密着し該吸気
口を閉鎖している。また吸気バルブ１の軸上部は、円筒
状の磁性体からなり、磁気通路となる金属パイプ21によ
り被覆されており、該金属パイプ21の軸端側外周には円
形の永久磁石２が嵌合している。該永久磁石２の磁極22
及び23は吸気バルブ１の軸方向に所定間隔Ｐ隔てて並設
されており、軸端側がＮ極22である。

該永久磁石２の磁極22及び23と対向し、（3/2）Ｐの
間隔で、永久磁石２の移動方向に並設された４つの突起
磁極31・32・33・34と、磁気通路21の外周面と対向する
固定磁極35とからなるヨーク部材、及び突起磁極31・32
・33・34の各々に巻設されたコイル36・37・38・39とか
らなる電磁石３が、吸気バルブ１の外周方向に配設され
ている。上部コイル36・37・38・39の内、コイル36とコ
イル38及びコイル37とコイル39とは互いに巻線方向が逆
である。

上記金属パイプ21とバルブガイド８との間にはスプリ
ング11が設けられており、電磁石３の不稼動時における
吸気バルブ１の降下を防止する。また、固定磁極35には
吸気バルブ１の移動位置を検知し、位置信号を出力する
位置センサ４が設置されている。

上記回転センサ７及び位置センサ４の出力信号は入出
力インターフェイス54を介してコントロールユニット５
に入力される。そして、吸気バルブ１の駆動信号が、同
じく入出力インターフェイス54を介してコイル36・37・
38・39へ出力される。但し、コイル36とコイル38へは信
号S1が出力され、コイル37とコイル39へは信号S2が出力
される。上記コントロールユニット５は入出力インター
フェイス54の他に、データ及び演算結果を一時記憶する
RAM53、プログラム及び各種の関係マップを記憶するROM
52、ROM52に記憶されたプログラムの下に演算を行なうC
PU51、コントロールユニット５内部の信号の流れを制御
するコントロールメモリ55などにより構成されている。

次に本発明の作用について説明する。

回転センサ７により検知されるエンジン６の回転位相
が吸気バルブ１の開タイミングになると、コントロール
ユニット５はエンジン６の回転数信号とアクセルペダル
の踏込量信号（図示せず）とから、ROM52に記憶されて
いる関係マップを基にして、吸気バルブ１の開閉速度及
び開度を演算する。該演算結果に基づき信号S1及びS2を
出力する。該信号S1及びS2の出力により、吸気バルブ１
は開方向へと駆動され、演算された所定開度の位置で保
持された後、閉方向へと駆動され吸気口を閉鎖する。そ
して、次の開タイミングになるまで該閉鎖状態を保持す
る。

吸気バルブ１が駆動状態にある時、信号S1及びS2の出
力状態に対応すると位置センサ４からの吸位置信号とを
比較し、出力状態に対応する位置と実際の位置とが相違
する場合には所定の動作により閉状態へ戻り、故障診断
を行なう。

第２図は、吸気バルブの駆動原理を示す図である。

図の（ａ）〜（ｅ）は各々吸気バルブ１の右側を、ス
テップ毎に表わしている。尚、コイル36・37・38・39の
記載は省略している。

尚、コイル36とコイル38及びコイル37とコイル39とは
互いに巻線方向が逆であるので、常に、突起磁極31と突
起磁極33及び突起磁極32と突起磁極34とは互いに異る極
となる。また、固定磁極35と磁気通路21との間隔は微小
であり、かつ吸気バルブ１の移動により変化しないた
め、電磁石３と永久磁石２との間の磁力線損失が少な
く、該電磁石３と永久磁石２との間に作用する吸引及び
反発力が大となるので、吸気バルブ１に対する駆動力が
増大する。

（ａ）は、吸気バルブ１が最上部、すなわち吸気口が
閉塞されている状態を示す。

信号S1及びS2により、突起磁極31と32とにＳ極を発生
させる。すると、永久磁石２のＮ極22と突起磁極31との
間に作用する吸引力と、永久磁石２のＳ極23と突起磁極
31及び32との間に作用する反発力とが釣合う位置で、吸
気バルブ１は保持されている。

次に、信号S2の通電方向を反転させ突起磁極32をＮ極
に変更する。すると、Ｓ極23と突起磁極32との間に作用
していた反発力が吸引力に逆転するため、吸気バルブ１
は（ｂ）に示す位置に移動する。

次に、信号S1の通電方向を反転させ突起磁極31をＮ極
に変更すると、永久磁石２のＮ極22と突起磁極31との間
に作用する吸引力が反発力となり、吸気バルブ１を
（ｃ）に示す位置に移動させる。

次に、信号S2を一旦停止した後、反転することによ
り、吸気バルブ１は（ｄ）に示す位置を経て（ｅ）に示
す位置に移動する。

図に示すように、上記（ａ）〜（ｅ）の各ステップ毎
に吸気バルブ１は（3/8）Ｐ移動する。よって、該ステ
ップ数による吸気バルブ１の移動距離を制御することが
できる。

信号S1及びS2の通電状態を、上記（ａ）〜（ｅ）を含
めて、第３図に示す。

図において、横軸は吸気バルブ１の位置を示し、右方
向が開であり、左方向が閉である。縦軸は信号S1及びS2
の通電方向を示し、突起磁極31及び32にＮ極が発生する
通電方向を正とする。図における実線は信号S1を示し、
破線はS2を示し、（ａ）〜（ｅ）は上記第２図の（ａ）
〜（ｅ）に対応する通電状態を示し、（ｆ）〜（ｉ）は
（ａ）〜（ｅ）に続く通電状態を示す。

（ａ）では信号S1及びS2共に通電方向は逆であり、S2
を正方向に転換し（ｂ）の状態へ移行する。次にS1を正
方向にすると（ｃ）の状態になり、続いてS2を停止する
と（ｄ）の状態に移行する。そして、S2を逆方向に再通
電すると（ｅ）の状態になり、S1も同じく逆方向にする
と（ｆ）の状態となる。該（ｆ）の状態と（ａ）の状態
とでは、信号S1及びS2の通電方向は同一であるが、吸気
バルブ１の位置は距離（15/8）Ｐ分異る。以下同様に、
S2を正方向にすると（ｇ）の状態となり、続いてS1を停
止すれば（ｈ）の状態となり、信号S1及びS2共に正方向
にすることにより（ｉ）の状態となる。

そして、信号S1及びS2の通電状態を（ａ）方向へ順次
変更すると吸気バルブ１は閉方向へ移動し、（ｉ）方向
へ変更すると、吸気バルブ１は開方向へと移動する。

主に吸気バルブについて説明したが、排気バルブにつ
いても同様に本発明による駆動装置が適用できることは
明白である。

以上、本発明の一実施例を説明したが、本発明の精神
から逸れないかぎりで、種々の異なる実施例は容易に構
成できるから、本発明は前記特許請求の範囲において記
載した限定以外、特定の実施例に制約されるものではな
い。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、エンジンの吸
排気バルブの開閉駆動を、カムシャフトによらずに該吸
排気バルブの軸端部に配設したリニアパルスモータによ
り開閉駆動を行なうので吸排気バルブに対する駆動力は
開閉移動により変化せず、安定した開閉動作が行なえる
バルブのステッピング駆動装置を提供できる。

また、吸排気バルブを高強度軽量材料であるセラミッ
クスで形成するとともに、吸排気バルブの軸上部に磁性
体からなり、磁気通路となる金属パイプを被覆したの
で、吸排気バルブ側の磁気通路機能を損うことなくバル
ブの軽量化が図れる効果がある。さらに、往復運動する
吸排気バルブ側に永久磁石を配設したので、永久磁石を
固定磁極側に配設するものに比べて、より大きな駆動力
が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の一実施例を示す全体概略図、第２図
は、吸気バルブの駆動原理を示す図、第３図は、信号S1
及びS2の通電状態を示す図である。 １……吸気バルブ、２……永久磁石、３……電磁石、４
……位置センサ、５……コントロールユニット、６……
エンジン、７……回転センサ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンのセラミックスで形成された吸排
   気バルブの軸上部に被覆された磁気通路となる金属パイ
   プと、該金属パイプの上端部に連結し該吸排気バルブの
   往復運動方向に配列された対の磁極を有する永久磁石
   と、該永久磁石の磁極と対峙しエンジンに固定され該永
   久磁石の磁極の間隔と異なる間隔で配列された磁極を有
   する電磁石と、該電磁石への通電を個別に制御して前記
   永久磁石の磁極を所定方向に移動せしめる電磁石制御手
   段と、バルブの移動速度及び移動位置を検知するバルブ
   位置検知手段と、該バルブ位置検知手段からの信号を入
   力し、前記永久磁石の移動速度及び移動位置を可変とす
   る通電制御手段とを有することを特徴とするバルブのス
   テッピング駆動装置。