JP2004019631A - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動アクチュエータによるシャフトの軸方向への変位に基づいて機関バルブの動弁特性を変更せしめる機構を採用しつつも、同機構における電力消費の好適な抑制を図ることのできる内燃機関の可変動弁装置を提供する。
【解決手段】三次元カム１８を有するカムシャフト１７は、その回転により内燃機関の燃焼室に連通するポートを開閉するバルブ１２の往復動を駆動する。電動アクチュエータ２０は、軸方向に変位する出力軸２７を有し、軸受２８を介して連結されたカムシャフト１７をその軸方向に変位させてバルブ１２の動弁特性を可変とする。電動アクチュエータ２０は、フレーム２１内に装着された励磁コイル２２とその内周側に回転自在に支持された回転子２４を有する。回転子２４は、励磁コイル２２への通電に応じて回動してボールねじ２６を軸方向に変位させるとともに、ボールねじ２６のボールの移動を拘束する拘束機構２９を備える。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機関バルブの動弁特性を可変とする内燃機関の可変動弁装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の動弁装置として、該機関の機関バルブ（吸排気バルブ）のリフト量や作用角等、その動弁特性を変化させることのできる可変動弁装置が知られている。こうした可変動弁装置は、たとえばカムシャフトが軸方向に変位するとバルブを開閉駆動するカムのプロフィールが変化する三次元カムを用いることにより実現される。また、たとえば、カムシャフトとともに回転するカムの回転運動を揺動カムを介して機関バルブに伝達するとともに、それらカムおよび機関バルブと揺動カムとの相互の作動態様をコントロールシャフトの軸方向の変位によって変更する構成の可変動弁装置も知られている（たとえば、特開２００１−２６３０１５号公報参照）。そして、上記各構成の可変動弁装置を備えた内燃機関では、機関バルブの動弁特性を変更することができるため、機関燃焼室に送り込む空気量等をきめ細かく調整して、機関の稼働状態を自由度高く制御することが可能になる。
【０００３】
なお従来、上記動弁特性を変化させるためのシャフトの軸方向への変位機構としては、油圧装置を用いたものが知られているが、電気モータ等を用いて構成された電動アクチュエータによるものも提案されている（たとえば特開平７−２６９３１９号公報参照）。こうした電動アクチュエータを利用してシャフトを軸方向に変位させる機構は、該電動アクチュエータへの給電態様を通じて上記カムシャフトやコントロールシャフトの軸方向の位置を制御できるため、油圧装置を利用したものと比較して制御性や応答性に優れている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記シャフトを軸方向に変位させる機構を有して構成された可変動弁装置にあって、機関バルブの動弁特性を所望に維持すべく同シャフトの軸方向における位置を保持するためには、電動アクチュエータに対する持続的な通電が必要となる。
【０００５】
ところが、こうした電動アクチュエータに対して持続的な通電を行うと、その通電を行っている期間にわたって、所定量の電力消費が余儀なくされることにもなる。この電力は通常、バッテリや発電機などから供給されるため、上記電動アクチュエータに対する持続的な通電はバッテリの蓄電量を消耗させたり、発電機に負荷をかけたりする。したがって、発電機の駆動（バッテリの充電）のための動力源として内燃機関が用いられる場合には、該内燃機関の燃費の悪化を招いてしまうことになる。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電動アクチュエータによるシャフトの軸方向への変位に基づいて機関バルブの動弁特性を変更せしめる機構を採用しつつも、同機構における電力消費の好適な抑制を図ることのできる内燃機関の可変動弁装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段およびその作用効果について記載する。請求項１に記載の発明は、内燃機関の吸、排気ポートを開閉する機関バルブのうちの少なくとも一方の動弁特性を、電動アクチュエータによってシャフトをその軸方向に変位させることで可変とする内燃機関の可変動弁装置として、前記シャフトの軸方向への変位を任意の位置で機械的に保持する保持機構を備えることをその要旨とする。
【０００８】
上記構成によれば、上記機関バルブの動弁特性を可変とするシャフトの軸方向の位置を機械的に保持することができるため、上記保持機構によってシャフトの保持が行われている期間には、上記電動アクチュエータによる保持が不要となる。このため、この期間にわたっての電動アクチュエータに対する給電の停止が可能になる。これにより、上記保持機構による保持期間には、電力を消費することなく上記機関バルブの動弁特性を所望に維持することができるようになる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置において、前記電動アクチュエータは、ボールねじに螺合される回転子を有し、該回転子の電磁的な回転に基づいて前記シャフトを軸方向に変位せしめるものであり、前記保持機構は、前記ボールねじに対する前記回転子の回転を選択的に拘束する拘束機構として構成されてなることをその要旨とする。
【００１０】
上記構成によれば、上記ボールねじとこれに螺合される回転子との相対回転に基づいて上記シャフトが軸方向に変位されるとともに、そのボールねじに対する回転子の回転が上記拘束機構によって選択的に拘束される。このため、シャフトの軸方向の位置が、より小さな保持力によって選択的に保持される。これにより、上記保持機構が、寸法的により小さく具現化されるようになる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の可変動弁装置において、前記拘束機構が、前記回転子側から前記ボールねじに設けられたボール溝に突出して該ボール溝内でのボールの移動を阻止するストッパを備えて構成されることをその要旨とする。
【００１２】
上記構成によれば、上記拘束機構として上記ボールねじに対する回転子の回転を確実に拘束することができるようになる。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置において、前記電動アクチュエータは、ジャーナル軸受に軸支された出力軸の軸方向への駆動にともなって前記シャフトをその軸方向に変位せしめるものであり、前記保持機構は、前記ジャーナル軸受に配されて前記出力軸の軸方向への駆動を拘束する拘束機構として構成されてなることをその要旨とする。
【００１３】
上記構成によれば、上記保持機構が、上記電動アクチュエータの出力軸を軸支するジャーナル軸受に配されて該出力軸の軸方向への変位を拘束する拘束機構として構成される。このため、上記保持機構が、簡素な構成により実現されるようになる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の内燃機関の可変動弁装置において、前記拘束機構は、前記ジャーナル軸受にあって前記出力軸との対向面に埋設されたストッパと、該ストッパによる前記出力軸の拘束および解放を切り替える切替手段とを備えて構成されることをその要旨とする。
【００１５】
上記構成によれば、上記拘束機構として上記出力軸の拘束および開放を的確に切り替えることができるようになる。
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の内燃機関の可変動弁装置において、前記切替手段はピエゾ素子を有して構成され、該ピエゾ素子への印加電圧に応じたピエゾ素子の伸張と縮退とによって前記ストッパによる前記出力軸の拘束および解放を切り替えることをその要旨とする。
【００１６】
上記構成によれば、上記ストッパによる出力軸の拘束および開放の切り替えが応答性よくかつ制御性よく行われるようになる。
また、請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置において、前記保持機構によって前記シャフトの保持が行われている期間は、前記電動アクチュエータに対する給電を停止するようにしたことをその要旨とする。
【００１７】
上記構成によれば、上記保持機構による保持が必要最小限の電力消費にて実現されるようになる。
そして、請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置において、前記保持機構による保持の解除に際し、該保持の解除に先だって前記電動アクチュエータに対する前記シャフトの変位指令が出力されることをその要旨とする。
【００１８】
上記構成によれば、上記保持機構による保持の解除に際し、シャフトの変位が機関バルブのストロークに及ぼす影響を軽減することができるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明にかかる内燃機関の可変動弁装置を車載内燃機関の可変動弁装置に具体化した第１の実施の形態について図１〜図４を使って説明する。
【００２０】
上記内燃機関は、シリンダヘッドに燃焼室へと連通する吸気用および排気用のポートを備えている。そして、それら吸排気の各ポートに対応して上下方向に往復動可能にバルブが支持されている。これら各バルブの動弁特性は各々に対応したカムの形状により決定されそのカムの取り付けられているカムシャフトの回転にともなって上記ポートの開閉が行われる。本実施の形態に例示する可変動弁装置はそのカムシャフトに連結されて、上記動弁特性を可変とするものである。
【００２１】
図１は、上記可変動弁装置を上記バルブ周辺の駆動機構とともに例示する部分断面図である。図１に示されるように、シリンダヘッド１１にはバルブ１２が上下方向へ往復動可能に支持されている。バルブ１２の上端部にはリテーナ１３が装着されており、このリテーナ１３をバルブスプリング１４が図１における上方に付勢している。そして、バルブ１２の上部には直打式のバルブリフタ１５が配設されて、そのバルブリフタ１５の頂部に形成された隆起部１５ａには、半割り円柱状をなすカムフォロア１６が揺動可能に嵌合されている。
【００２２】
さらに、シリンダヘッド１１において、バルブ１２の上方には、カムを有するカムシャフト１７が、回転可能かつ軸方向（図１の左右方向）へ往復動可能に支持されている。ここで、このカムの少なくとも一部は、カムシャフト１７の軸方向にカムプロフィールが変化する三次元カム１８として構成されている。この三次元カム１８は、カム軸方向についての一端（図１の左端）から他端（図１の右端）にかけて最大バルブリフト量を順次増加させるカムプロフィールを有して、上述したカムフォロア１６に当接している。
【００２３】
上記バルブ１２の往復動を駆動するために、カムシャフト１７の一方の端部（図示しない左端）には、タイミングベルト（図示略）により内燃機関のクランク軸に駆動連結されたタイミングプーリ（図示略）が設けられてカムシャフト１７を駆動している。この駆動力によりカムシャフト１７が回転すると、カムによる押圧力がバルブスプリング１４の付勢力に抗してカムフォロア１６を押し下げ、バルブ１２が開弁されてポートが開く。このときのバルブの押し下げ量は、三次元カム１８において、カムフォロア１６が当接する箇所のカムプロフィールに応じて変化する。このため、バルブ１２の動弁特性を可変とすることができる。
【００２４】
上記三次元カム１８を用いたバルブ１２の動弁特性を可変とするために、カムシャフト１７の他方の端部（右端）にはカムシャフト１７を軸方向に変位させる電動アクチュエータ２０が設けられている。そして、図示しない電子制御装置が内燃機関の回転速度等の稼働状態に応じた変位指令をこの電動アクチュエータ２０に対して出力することにより、上記動弁特性が所望に制御される。
【００２５】
上記電動アクチュエータ２０にあっては、フレーム２１がシリンダヘッド１１に固定され、そのフレーム２１の内壁に励磁コイル２２が装着されている。それに対応して励磁コイル２２の内周部には、永久磁石２３を備えた回転子２４が軸受２５によって回動可能に支持されている。この回転子２４はその中心軸部分にボールねじ２６および該ボールねじ２６と螺合してこれを支持するナット３１を有している。そして、そのボールねじ２６の一方の端部（右端）が軸受部３３を介してフレーム２１に固定されて、他方の端部（左端）が電動アクチュエータ２０としての出力軸２７を構成している。
【００２６】
上記構成の電動アクチュエータ２０にあって、励磁コイル２２に流れる励磁電流の変化に応じて回転子２４が回動すると、その回転子２４の回動がボールねじ２６の軸方向の変位として出力軸２７を駆動する。そして、出力軸２７の端部が軸受２８を介してカムシャフト１７に連結されてカムシャフト１７の自由回転が許可されるとともに、同出力軸２７の軸方向への変位を可能としている。
【００２７】
ところで、本実施の形態において、上記電動アクチュエータ２０の回転子２４には、ボールねじ２６を拘束する拘束機構２９が埋設されている。この拘束機構２９は、ボールねじ２６に設けられたボール溝２６ａ内でのボールの移動を阻止する。そして、この拘束機構２９によってボールの移動が阻止されている場合にはボールねじ２６が回動することができず、したがって出力軸２７の軸方向の位置も固定される。以下、上記動作について、拘束機構２９とその周辺部の構成を拡大して例示する図２および図３を使って説明する。
【００２８】
図２は、ボールねじ２６が拘束機構２９に拘束されることなく自由に回動して軸方向に変位できる状態を示している。図２に示されるように、拘束機構２９は、ボールねじ２６およびこれと螺合されるナット３１の間のボール３０の移動を阻止するストッパ４１と、そのストッパ４１の突出動作に対応して動作するストッパ掛止部４２とを有して構成されている。これらストッパ４１およびストッパ掛止部４２は、回転子２４のボールねじ２６側に形成された溝４３ａおよび溝４３ｂにそれぞれ埋設されている。また、ボールねじ２６に設けられたボール溝２６ａとともにボール３０の移動を案内するナット３１には、ボール３０を隣接するピッチ間で移動させる案内通路３４が設けられている。これにより、ボール３０は、ボールねじ２６の外周に沿った終端のないボール溝２６ａおよび案内通路３４に留まってナット３１から脱落することなく移動可能になるとともに、ボールねじ２６が軸方向に移動する。
【００２９】
上記ストッパ４１は、電磁石５１、スプリング５２、および突出部材５３が、溝４３ａの深さ方向にこの順に収容されて構成される。ここで、突出部材５３は磁性体により構成されており、溝４３ａおよびスプリング５２の形状に対応して形成された部材がボールねじ２６と対向する部分に、板状の部材（じゃま板）やピン状の部材が突出部５３ａとして設けられてなる。上記突出部材５３は、ボール３０の移動を阻止すべく、ナット３１のボール溝２６ａに対応する部分に設けられた孔３２に突出部５３ａが挿入されるようにしている。そして、この突出部材５３によるボール３０の移動の阻止動作を切り替えるために、スプリング５２がこの突出部材５３をボールねじ２６側に常時付勢する一方、電磁石５１はそのコイル（図示略）への励磁電流に応じて突出部材５３を吸引してこれをボール溝２６ａから引き抜く。なお、突出部材５３の上端部５３ｂはその上端部に向けて末広がりの形状を有し、電磁石５１による吸引力が突出部材５３に対して十分作用するようにしている。
【００３０】
上記構成において、電磁石５１のコイルに対する通電がなされると、突出部材５３が電磁石５１に吸引されて突出部５３ａが引き上げられ、ボールねじ２６のボール３０がボール溝２６ａに沿って移動できるようになる。このため、励磁コイル２２の励磁状態に対応して回転子２４が回転可能となり、ボールねじ２６の軸方向の変位が許可される。また、電磁石５１のコイルに対する通電が遮断されると、突出部材５３の突出部５３ａがボール溝２６ａに突出してボール３０の移動を阻止する。このため、回転子２４が拘束されて回転不能になり、ボールねじ２６の軸方向の位置が保持される。
【００３１】
また、上記ストッパ４１による突出動作に対応して動作するストッパ掛止部４２は、電磁石６１、スプリング６２、および磁性体からなる爪状部材６３が、溝４３ｂの水平方向に収容されて構成される。そして、スプリング６２が爪状部材６３を突出部材５３側に常時付勢する一方、電磁石６１のコイル（図示略）に対して励磁電流が通電されると、爪状部材６３が電磁石６１に吸引されてその先端部６３ａが溝４３ａから引き抜かれ、突出部材５３の突出動作を許可する。また、電磁石６１のコイルに対する通電が遮断されると、爪状部材６３がその先端部６３ａを溝４３ａに突き出す。このとき、突出部材５３が電磁石５１に吸引された状態にあると、爪状部材６３の先端部６３ａが突出部５３ａのつけ根部分５３ｃを掛止して突出部材５３によるボール溝２６ａに対する突出動作が禁止される。
【００３２】
図２においては、爪状部材６３の先端部６３ａが突出部材５３を掛止してボール３０の移動の阻止を禁止し、回転子２４の回転すなわちボールねじ２６の軸方向の移動を許可している状態を例示している。この状態において、突出部材５３と爪状部材６３とは互いに掛止し合った態様となるため、電磁石５１のコイルおよび電磁石６１のコイルのいずれに対しても通電する必要はない。
【００３３】
一方、図３においては、爪状部材６３の先端部６３ａが突出部材５３を掛止しておらず、突出部５３ａがボール溝２６ａに突き出してボール３０の移動を阻止するため、回転子２４が回動することができない。したがってボールねじ２６が拘束されて出力軸２７の位置が保持される（図１参照）。この状態においても、上記図２に例示した状態と同様、電磁石５１および電磁石６１はそれぞれ突出部材５３および爪状部材６３を吸引しなくてもよいためそれらに対応するコイルのいずれに対しても通電する必要はない。
【００３４】
このようなストッパ４１とストッパ掛止部４２とを有して構成される拘束機構２９が、図４に例示するタイミングチャートにしたがって動作されて、カムシャフト１７の軸方向への変位、ひいてはバルブ１２の動弁特性の変更が行われる。なお、以下に示す処理は内燃機関の稼働状態等を制御する上述の電子制御装置およびその指令を受けた駆動回路によってなされる（いずれも図示略）。
【００３５】
図４に示されるように、まず、拘束機構２９は初期状態として図３に示した状態にあり、拘束機構２９による拘束動作によって保持されたカムシャフト１７の位置に対応した動弁特性にてバルブ１２がポートの開閉動作を行っている。この状態においては、上述したように励磁コイル２２、電磁石５１のコイル、および電磁石６１のコイルのいずれに対しても通電されていない（図４（ｂ）〜（ｄ）の時刻ｔ１０以前）。ここで、時刻ｔ１０において、バルブ１２の動弁特性の変更を指示する作動指令が出される（図４（ａ））。これに応じてボールねじ２６の位置を決定する励磁電流が励磁コイル２２に対して出力される（図４（ｂ））。さらに、電磁石６１のコイルおよび電磁石５１のコイルに対してこの順に励磁電流が出力される（順に図４（ｃ）、（ｄ））。これにより、爪状部材６３の先端部６３ａが突出部材５３から離隔するとともに、突出部材５３がボール溝２６ａから引き抜かれ、ボールねじ２６の軸方向の移動が許可された状態となる。こうして、軸方向に移動の許可されたボールねじ２６は、上記励磁コイル２２への励磁電流に応じた回転子２４の回動にともなって移動し、カムシャフト１７が所望の位置に変位する（図４（ｅ））。そののち、時刻ｔ１０から所定時間が経過した時刻ｔ１１に、電磁石６１のコイルおよび電磁石５１のコイルへの励磁電流がこの順に遮断される（順に図４（ｃ）、（ｄ））。これにより、突出部材５３が、爪状部材６３の先端部６３ａによって掛止されてボールねじ２６から離隔した態様に維持されて、図２に示した状態となる。なお、この期間Ｔ１２にもカムシャフト１７の所望の位置への変位は行われている（図４（ｅ））。
【００３６】
つぎに、上記カムシャフト１７の所望の位置への変位が完了するに十分な時間が経過した時刻ｔ１２において、上記バルブ１２の動弁特性の変更を指示する作動指令がクリアされる（図４（ａ））。これに応じて、電磁石５１のコイルおよび電磁石６１のコイルへの励磁電流がこの順に遮断される（順に図４（ｄ）、（ｃ））。そののち、時刻ｔ１２から所定時間が経過した時刻ｔ１３において、電磁石５１のコイルおよび電磁石６１のコイルへの励磁電流がこの順に遮断される（順に図４（ｄ）、（ｃ））。これにより、突出部材５３の突出部５３ａがボール溝に突き出してボール３０の移動を阻止する。したがって、回転子２４が回転できず、ボールねじ２６が拘束される（図３参照）。すなわちカムシャフト１７は所望された新たな位置に変位してその位置が機械的に保持される。また一方で、励磁コイル２２への励磁電流も遮断される（図４（ｂ））。
【００３７】
以上説明したように、この第１の実施の形態にかかる内燃機関の可変動弁装置によれば、以下のような効果を得ることができるようになる。
（１）カムシャフト１７の軸方向における位置を保持する保持手段を設けている。このため、カムシャフト１７の位置を変位させる電動アクチュエータ２０について、同カムシャフト１７の位置を保持するために必要な励磁コイル２２への通電を遮断することができる（図４（ｂ）の期間Ｔ１０およびＴ１４）。これにより、可変動弁装置として動作するために必要となる電力を抑制することができるようになる。
【００３８】
（２）カムシャフト１７の軸方向における位置を保持する保持手段を、電動アクチュエータ２０が備えるボールねじ２６のボール３０の移動を阻止するストッパ４１を有する拘束機構２９として構成している。このため、カムシャフト１７の位置を比較的小さい力にて確実に保持することができるようになる。また、拘束機構２９がより小さな寸法にて具現化されるようになる。
【００３９】
（３）ストッパ４１を構成する突出部材５３は、ボールねじ２６のボール溝２６ａに突出部５３ａを突出してボール３０の移動を阻止する。このため、ボールねじ２６を確実に拘束することができる。
【００４０】
（４）上記拘束機構２９は、ストッパ４１を構成する突出部材５３のボール溝２６ａへの突出動作を禁止するストッパ掛止部４２を有する。これにより、ボールねじ２６を拘束する期間Ｔ１０および期間Ｔ１４（図４参照）にくわえて、解放すべき期間Ｔ１２にあってもその期間に突出部材５３を電磁石５１側に吸引するための励磁電流を遮断することができる（図４（ｃ）および（ｄ）の期間Ｔ１２）。したがって、可変動弁装置を動作するために必要となる電力消費をいっそう抑制することができるようになる。
【００４１】
（５）カムシャフト１７をその軸方向に変位させる指令、すなわち回転子２４を回転させる励磁コイル２２への励磁電流が、拘束機構２９によるボールねじ２６の解放に先だって出力される。このため、カムシャフト１７の変位動作がより円滑に行われ、同変位動作に起因するバルブ１２のストローク（往復動）の妨げが低減される。
【００４２】
（６）可変動弁装置を駆動する電動アクチュエータ２０における電力消費が抑制されるため、車両としての燃費の向上が図られる。
（第２の実施の形態）
以下、本発明にかかる内燃機関の可変動弁装置を同じく車載内燃機関の可変動弁装置に具体化した第２の実施の形態について、上述の第１の実施の形態と相違する部分を中心に図５〜図７を使って説明する。
【００４３】
この第２の実施の形態においても、内燃機関の燃焼室に連通する吸排気ポートがシリンダヘッドに設けられ、それら吸排気の各ポートに対応して上下方向に往復動可能にバルブが支持されている。そして、これら各バルブに付与される動弁特性に対応した形状のカムがカムシャフトに設けられ、そのカムシャフトの回転によりバルブの往復動が駆動されて上記ポートの開閉が行われる。本実施の形態に例示する可変動弁装置についても、上記カムシャフトに連結されて動弁特性を可変とすることは、先の第１の実施の形態と同様である。また、カムシャフトの回転にともない３次元カムが回転してバルブが往復動する機構、およびカムシャフトが電動アクチュエータによりその軸方向に変位せしめられてバルブの動弁特性が変更される機構についても第１の実施の形態と同様であるため、ここではそれら動作についての説明を割愛する。
【００４４】
図５は、本実施の形態の可変動弁装置を上記バルブ周辺の駆動機構とともに部分的に例示する断面図である。この図５に示される電動アクチュエータ７０も、フレーム２１に励磁コイル２２が装着されるとともに、軸受２５を介してフレーム２１に支持される回転子３５の中心軸にボールねじ２６を有している。そしてこれらが、基本的には第１の実施の形態にて例示した電動アクチュエータ２０と同様に動作して、出力軸７１に軸受２８を介して連結されたカムシャフト１７を軸方向に変位させる。ただし、この電動アクチュエータ７０の回転子３５には上述した拘束機構２９が埋設されていない。それに代わって、この電動アクチュエータ７０には、出力軸７１がその軸方向の位置を保持できるように、出力軸７１を直接拘束する拘束機構７２が設けられている。
【００４５】
本実施の形態においては、拘束機構７２がジャーナル軸受７３に埋設されて構成されている。このジャーナル軸受７３の上記出力軸７１との対向面には溝７４が形成され、この溝７４にピエゾ素子７５およびストッパ７６がこの順に埋設されて構成されている。図６は、図５のＡ−Ａ’線を通り出力軸７１の軸方向に垂直な断面を示しており、ストッパ７６の出力軸７１との対向面は同出力軸７１表面の曲率に対応した形状を有している。また、ピエゾ素子７５は、図示しない電子制御装置からの指令に応じて同素子７５に電圧を印加する駆動電源が接続されており（図示略）、所定電圧の印加により溝７４の深さ方向に縮退するとともにその電圧の印加を遮断すると同方向に伸張する。
【００４６】
上記構成にあって、ピエゾ素子７５に所定電圧が印加されていない状態においては、ピエゾ素子７５が伸張してストッパ７６を出力軸７１に押圧して、出力軸７１を拘束する。また、ピエゾ素子７５に所定電圧を印加すると、ピエゾ素子７５が縮退して出力軸７１が解放されて軸方向への変位が可能となる。このとき、電動アクチュエータ７０が動作するとそれに応じて出力軸７１に連結されたカムシャフト１７が軸方向に変位する。
【００４７】
このようなピエゾ素子７５とストッパ７６とを有して構成される拘束機構７２が、図７に例示するタイミングチャートにしたがって動作されてカムシャフト１７の軸方向への変位、ひいてはバルブ１２の動弁特性の変更が行われる。なお、以下に示す処理が内燃機関の稼働状態等を制御する上述の電子制御装置およびその指令を受けた駆動回路によってなされる（いずれも図示略）ことは、先の第１の実施の形態と同じである。
【００４８】
図７に示されるように、まず、拘束機構７２は初期状態として出力軸７１を拘束した状態にあり、拘束機構７２の拘束動作により軸方向の位置が保持されたカムシャフト１７の位置に対応して、バルブ１２が所定の動弁特性にて動作している。この状態においては、ピエゾ素子７５に対する電圧印加はなされておらず、同素子７５が伸張してストッパ７６がカムシャフト１７に押圧されている（時刻ｔ２０以前）。ここで、時刻ｔ２０において、バルブ１２の開閉特性の変更を指示する作動指令が出される（図７（ａ））。これに応じてボールねじ２６の位置を決定する励磁コイル２２に対して励磁電流が出力される（図７（ｂ））。ひきつづき、ピエゾ素子７５に所定電圧が印加される（図７（ｃ））。これにより、ピエゾ素子７５が縮退してカムシャフト１７に対するストッパ７６の押圧が解除されて、ボールねじ２６の軸方向の移動が許可された状態となる。こうして、軸方向に移動の許可されたボールねじ２６は、上記励磁コイル２２への励磁電流に応じた回転子３５の回動にともなって変位し、これによりカムシャフト１７が所望の位置に変位する（図７（ｄ））。
【００４９】
つぎに、上記カムシャフト１７の所望の位置への変位が完了するに十分な時間が経過した時刻ｔ２１において、上記バルブ１２の開閉特性の変更を指示する作動指令がクリアされる（図７（ａ））。これに応じて、ピエゾ素子７５に印加されている電圧が遮断される（図７（ｃ））。これにより、ピエゾ素子７５が伸張してストッパ７６がカムシャフト１７を押圧して、ボールねじ２６が拘束される。すなわちカムシャフト１７は所望された新たな位置に変位したまま保持される。そして、励磁コイル２２への励磁電流が遮断される（図７（ｂ））。
【００５０】
以上説明したように、この第２の実施の形態にかかる内燃機関の可変動弁装置によれば、以下のような効果を得ることができるようになる。
（７）カムシャフト１７の軸方向における位置を保持する保持手段を設けている。このため、カムシャフト１７の位置を変位させる電動アクチュエータ７０について、同カムシャフト１７の位置を保持するために必要な励磁コイル２２への通電を遮断することができる（図７（ｂ）の期間Ｔ２０およびＴ２２）。これにより、可変動弁装置として動作するために必要となる電力消費を抑制することができるようになる。
【００５１】
（８）電動アクチュエータ７０の出力軸７１を直接拘束するために、出力軸７１を軸支するジャーナル軸受７３に、ピエゾ素子７５を用いて出力軸７１に対する押圧態様を変化させるストッパが設けられている。このため、電動アクチュエータ７０の出力軸７１に対する拘束機構７２を簡素な構成にて実現することができる。また、カムシャフト１７の軸方向における変位の禁止と許可とがピエゾ素子７５を用いて応答性よく切り替えられるため、カムシャフト１７の変位動作がより円滑に行われてバルブ１２のストローク（往復動）の妨げとなる要因が低減される。
【００５２】
（９）カムシャフト１７をその軸方向に変位させる指令、すなわち回転子３５を回転させる励磁コイル２２への励磁電流が、拘束機構７２による出力軸７１の解放に先だって出力される。このため、出力軸７１に連結されたカムシャフト１７の変位動作がより円滑に行われ、バルブ１２のストローク（往復動）の妨げとなる要因が低減される。
【００５３】
（１０）可変動弁装置を駆動する電動アクチュエータ７０における電力消費が抑制されるため、車両としての燃費の向上が図られる。
（その他の実施の形態）
なお、上記各実施の形態は以下のように変更して実施してもよい。
【００５４】
・上記第１の実施の形態においては、拘束機構２９が、ストッパ４１のボール溝２６ａに対する突出を掛止するストッパ掛止部４２を備える場合について例示したが、必ずしもこの構成に限定されるものではない。ストッパ掛止部４２は必ずしも必要ではなく、拘束機構２９がストッパ掛止部４２を備えない構成にあっても第１の実施の形態に準じた電力消費の抑制効果を得ることができる。この場合、電磁石５１のコイルに対する励磁電流の通電タイミングは、たとえば第２の実施の形態の図７において例示したピエゾ素子７５に対する電圧印加タイミングに準じたものとすればよい。
【００５５】
・上記第２の実施の形態においては、ストッパ７６と電動アクチュエータ７０の出力軸７１との接触面の少なくとも一方に適宜、凹凸を設けてもよい。これにより、拘束機構７２として出力軸７１に対する拘束力が増大し、カムシャフト１７の位置をより確実に保持することできるようになる。
【００５６】
・上記第２の実施の形態においては、電動アクチュエータ７０がボールねじ２６を有して構成されたものである場合について例示したが、必ずしもこの構成に限定されるものではない。同電動アクチュエータ７０がカムシャフト１７を軸方向に変位させる機構は他の構成により具現化されていてもよい。
【００５７】
・上記各実施の形態においては、各出力軸を拘束する拘束機構が一箇所に設けられる場合について例示したが、必ずしもこの構成に限定されるものではなく、適宜、任意数の拘束機構がそれぞれ適切な箇所に設られる構成であってもよい。
【００５８】
・上記各実施の形態においては、カムシャフト１７をその軸方向に変位させる指令が、カムシャフト位置の保持の解除に先だって出力される場合について説明したが、必ずしもこの構成に限定されるものではない。カムシャフト１７の位置の変位に際して、バルブ１２のストロークの妨げが問題とならない場合等にあっては、必ずしも上記手順によらなくともよい。
【００５９】
・上記各実施の形態においては、カムシャフト１７の軸方向の保持位置が連続的に変更可能な場合について例示したが、必ずしもこの構成に限定されるものではなく、カムシャフト１７の保持位置が段階的に変更可能な構成であってもよい。
【００６０】
・上記各実施の形態においては、バルブ１２の動弁特性を変更する機構として三次元カム１８を利用する場合について例示したが、本発明は必ずしもこの構成に限定されるものではない。三次元カム１８に限らず、たとえば揺動カムを有して構成される可変動弁装置によって機関バルブの動弁特性が変更される機構であってもよい。
【００６１】
図８は、上記揺動カムを有して構成される可変動弁装置の概略構成を部分的に例示する断面図である。図８に示されるように、この可変動弁装置は、内燃機関１０２のシリンダヘッド１０８に配設されて、吸気ポート１１４ａを開閉する吸気バルブ１１２ａを駆動する。この吸気バルブ１１２ａを駆動するために、内燃機関から動力を受けるカムシャフト１４５には所定形状のカム１４５ａが取り付けられて、その回転により支持パイプ１３０に軸支された仲介駆動機構１２０の揺動運動が駆動される。この揺動運動がロッカアーム１１３を介してバルブ１１２ａの往復運動として伝達される。仲介駆動機構１２０は、カム１４５ａにその周面が着接されつつ回転するローラ１２２ｆを軸支して揺動するローラ部１２２と、これと所定の相対角度を保ちながら連動して揺動する揺動カム１２６とが、各々後述のスライダギアを介してシリンダヘッド１０８に固定された支持パイプ１３０に支持されている。バルブ１１２ａの動弁特性は、これらローラ部１２２と揺動カム１２６とがなす相対角度を変更することによって可変とされる。
【００６２】
図９は、上記ローラ部１２２と揺動カム１２６との相対角度を変更する機構を拡大して例示する斜視図である。図９に示されるように、ローラ部１２２および揺動カム１２６は、その内周に各々ヘリカルスプライン１２２ｂおよび１２６ｂが互いに逆向きとなるように形成されている。そしてそれらが、それら各々に対応して配設されたスライダギア１２８と咬合する。これらは互いに咬合された態様にて支持パイプ１３０に回動自在に軸支されている。また、支持パイプ１３０には、コントロールシャフト１３２が貫通する。コントロールシャフト１３２は係止ピン１３２ａを有し、その係止ピン１３２ａが支持パイプ１３０に軸方向に形成された長孔１３０ａとスライダギア１２８に周方向に形成された長孔１２８ｇとに掛合するように組み立てられている。すなわち、コントロールシャフト１３２が長孔１３０ａに沿って軸方向に摺動すると、スライダギア１２８が長孔１２８ｇに沿って回動する。これにより、ローラ部１２２およびこれと逆向きのヘリカルスプラインに咬合された揺動カム１２６が互いに逆向きに回動して、ローラ部１２２と揺動カム１２６との相対角度が変更される。こうして、コントロールシャフト１３２が、支持パイプ１３０に対して回動も回転もすることなく軸方向に摺動することによって、ローラ部１２２と揺動カム１２６との相対角度が変更され、ひいてはバルブ１１２ａの動弁特性が可変とされる。
【００６３】
なお、このようなコントロールシャフトの軸方向の摺動動作に基づき揺動カムの揺動量を変更することによって機能する可変動弁装置については、上述した特開２００１−２６３０１５号公報において詳しい。
【００６４】
上述した説明から明らかなように、上記コントロールシャフトは回動をともなうことなく動作する。このため、このコントロールシャフトを有して構成される可変動弁装置にあっては、シャフトの自由回転を許可する連結機構を介することなく上記各実施の形態に例示した保持機構を連結することができる。
【００６５】
さらに、上述の三次元カムや揺動カムを有して構成された可変動弁装置に限らず、内燃機関の吸排気ポートを開閉する機関バルブのうちの少なくとも一方の動弁特性が、電動アクチュエータによってシャフトをその軸方向に変位させることで可変とされる他の可変動弁装置に対しても、本発明を広く適用することができる。
【００６６】
・上記各実施の形態においては、本発明を車載内燃機関の可変動弁装置に具体化する場合について例示したが、必ずしもこの構成に限定されるものではない。上記（６）や（１０）に記載の効果を特に必要としない場合にあっては、車載内燃機関に限らず他の内燃機関についても本発明を広く適用することができる。
【００６７】
このほか、上記第１および第２の実施の形態およびその変形例から把握することができる技術思想を、その技術思想から得られる作用効果とともに以下に記載する。
【００６８】
（１）前記シャフトが同シャフトの軸線方向にカムプロフィールの変化する三次元カムが組み付けられたカムシャフトであり、前記電動アクチュエータは、ボールねじに螺合される回転子を有し、該回転子の電磁的な回転に基づいて前記カムシャフトを軸方向に変位せしめるようにカムシャフトの自由回転を許容する連結機構を介して同カムシャフトに連結されており、前記保持機構は、前記ボールねじに対する前記回転子の回転を選択的に拘束する拘束機構として構成されてなる請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
【００６９】
前記（１）の構成によれば、上記ボールねじとこれに螺合される回転子との相対回転に基づいて、カムシャフトの自由回転が許容されつつ同カムシャフトが軸方向に変位されるとともに、そのボールねじに対する回転子の回転が上記拘束機構によって選択的に拘束される。このため、カムシャフトの軸方向の位置が、より小さな保持力によって選択的に保持される。これにより、上記保持機構が、寸法的により小さく具現化されるようになる。
【００７０】
（２）前記シャフトが、前記機関バルブを駆動する揺動カムの揺動量をその軸線方向の変位量に応じて変更するコントロールシャフトであり、前記電動アクチュエータは、ボールねじに螺合される回転子を有し、該回転子の電磁的な回転に基づいて前記コントロールシャフトを軸方向に変位せしめるように同コントロールシャフトに連結されており、前記保持機構は、前記ボールねじに対する前記回転子の回転を選択的に拘束する拘束機構として構成されてなる請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
【００７１】
前記（２）の構成によれば、上記ボールねじとこれに螺合される回転子との相対回転に基づいてコントロールシャフトが軸方向に変位されるとともに、そのボールねじに対する回転子の回転が上記拘束機構によって選択的に拘束される。このため、コントロールシャフトの軸方向の位置が、より小さな保持力によって選択的に保持される。これにより、上記保持機構が、寸法的により小さく具現化されるようになる。
【００７２】
（３）前記拘束機構が、前記回転子側から前記ボールねじに設けられたボール溝に突出して該ボール溝内でのボールの移動を阻止するストッパを備えて構成される前記（１）または（２）に記載の内燃機関の可変動弁装置。
【００７３】
前記（３）の構成によれば、上記拘束機構として上記ボールねじに対する回転子の回転を確実に拘束することができるようになる。
（４）前記シャフトが同シャフトの軸線方向にカムプロフィールの変化する三次元カムが組み付けられたカムシャフトであり、前記電動アクチュエータは、ジャーナル軸受に軸支された出力軸がカムシャフトの自由回転を許容する連結機構を介して同カムシャフトに連結されるとともに、前記出力軸の軸方向への駆動にともなって前記カムシャフトをその軸方向に変位せしめるものであり、前記保持機構は、前記ジャーナル軸受に配されて前記出力軸の軸方向への駆動を拘束する拘束機構として構成されてなる請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
【００７４】
前記（４）の構成によれば、上記保持機構が、カムシャフトの自由回転が許容される電動アクチュエータの出力軸を軸支するジャーナル軸受に配されて、該出力軸の軸方向への変位を拘束する拘束機構として構成される。このため、上記保持機構が、簡素な構成により実現されるようになる。
【００７５】
（５）前記シャフトが、前記機関バルブを駆動する揺動カムの揺動量をその軸線方向の変位量に応じて変更するコントロールシャフトであり、前記電動アクチュエータは、ジャーナル軸受に軸支された出力軸が前記コントロールシャフトに連結されるとともに、前記出力軸の軸方向への駆動にともなって前記コントロールシャフトをその軸方向に変位せしめるものであり、前記保持機構は、前記ジャーナル軸受に配されて前記出力軸の軸方向への駆動を拘束する拘束機構として構成されてなる請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
【００７６】
前記（５）の構成によれば、上記保持機構が、電動アクチュエータの出力軸を軸支するジャーナル軸受に配されて、該出力軸の軸方向への変位を拘束する拘束機構として構成される。このため、上記保持機構が、簡素な構成により実現されるようになる。
【００７７】
（６）前記拘束機構は、前記ジャーナル軸受にあって前記出力軸との対向面に埋設されたストッパと、該ストッパによる前記出力軸の拘束および解放を切り替える切替手段とを備えて構成される前記（４）または（５）に記載の内燃機関の可変動弁装置。
【００７８】
前記（６）の構成によれば、上記拘束機構として上記出力軸の拘束および開放を的確に切り替えることができるようになる。
（７）前記切替手段はピエゾ素子を有して構成され、該ピエゾ素子への印加電圧に応じたピエゾ素子の伸張と縮退とによって前記ストッパによる前記出力軸の拘束および解放を切り替える前記（６）に記載の内燃機関の可変動弁装置。
【００７９】
前記（７）の構成によれば、上記ストッパによる出力軸の拘束および開放の切り替えが応答性よくかつ制御性よく行われるようになる。
（８）前記保持機構によって前記シャフトの保持が行われている期間は、前記電動アクチュエータに対する給電を停止するようにした請求項１、または前記（１）〜（７）のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
【００８０】
前記（８）の構成によれば、上記保持機構による保持が必要最小限の電力消費にて実現されるようになる。
（９）前記保持機構による保持の解除に際し、該保持の解除に先だって前記電動アクチュエータに対する前記シャフトの変位指令が出力される請求項１、または前記（１）〜（８）のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
【００８１】
前記（９）の構成によれば、上記保持機構による保持の解除に際し、シャフトの変位が機関バルブのストロークに及ぼす影響を軽減することができるようになる。
【００８２】
（１０）前記拘束機構は、前記ストッパの突出動作を行わないように掛止するストッパ掛止機構を有し、前記ストッパの突出動作を制御する第１の電磁石と前記ストッパ掛止機構の掛止動作を制御する第２の電磁石とを備えて構成される請求項３または前記（３）に記載の内燃機関の可変動弁装置。
【００８３】
前記（１０）の構成によれば、ボール溝に対するストッパの突出動作を行わないように掛止することがストッパ掛止機構により可能となる。このため、ストッパがボール溝から引き抜かれている期間、ストッパ掛止機構がストッパの突出動作を行わないようにすることで、ボール溝にストッパが突出されている期間のみならず、ストッパが引き抜かれている期間にも上記第１および第２の電磁石に対する給電が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる内燃機関の可変動弁装置の第１の実施の形態について、これをバルブ周辺の駆動機構とともに例示する部分断面図。
【図２】上記第１の実施の形態について、可変動弁装置に設けられる拘束機構をその周辺部とともに拡大して例示する断面図。
【図３】上記可変動弁装置に設けられる拘束機構をその周辺部とともに拡大して例示する断面図。
【図４】上記可変動弁装置を動作させる手順を例示するタイミングチャート。
【図５】本発明にかかる内燃機関の可変動弁装置の第２の実施の形態について、これをバルブ周辺の駆動機構とともに例示する部分断面図。
【図６】上記第２の実施の形態について、拘束機構を拡大して例示する断面図。
【図７】上記可変動弁装置を動作させる手順を例示するタイミングチャート。
【図８】揺動カムを用いて構成される可変動弁装置について、その概略構成を部分的に例示する断面図。
【図９】上記可変動弁装置に用いられるコントロールシャフトとその周辺部について、その構成を部分的に破断して例示する斜視図。
【符号の説明】
１１…シリンダヘッド、１２…バルブ、１３…リテーナ、１４…バルブスプリング、１５…バルブリフタ、１６…カムフォロア、１７…カムシャフト、１８…三次元カム、２０…電動アクチュエータ、２１…フレーム、２２…励磁コイル、２３…永久磁石、２４…回転子、２５…軸受、２６…ボールねじ、２６ａ…ボール溝、２７…出力軸、２８…軸受、２９…拘束機構、３０…ボール、３１…ナット、３２…孔、３３…軸受部、３４…案内通路、３５…回転子、４１…ストッパ、４２…ストッパ掛止部、４３ａ、４３ｂ…溝、５１…電磁石、５２…スプリング、５３…突出部材、６１…電磁石、６２…スプリング、６３…爪状部材、７０…電動アクチュエータ、７１…出力軸、７２…拘束機構、７３…ジャーナル軸受、７４…溝、７５…ピエゾ素子、７６…ストッパ。

Claims (8)

1. 内燃機関の吸、排気ポートを開閉する機関バルブのうちの少なくとも一方の動弁特性を、電動アクチュエータによってシャフトをその軸方向に変位させることで可変とする内燃機関の可変動弁装置において、
   前記シャフトの軸方向への変位を任意の位置で機械的に保持する保持機構を備える
   ことを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
2. 前記電動アクチュエータは、ボールねじに螺合される回転子を有し、該回転子の電磁的な回転に基づいて前記シャフトを軸方向に変位せしめるものであり、前記保持機構は、前記ボールねじに対する前記回転子の回転を選択的に拘束する拘束機構として構成されてなる
   請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
3. 前記拘束機構が、前記回転子側から前記ボールねじに設けられたボール溝に突出して該ボール溝内でのボールの移動を阻止するストッパを備えて構成される
   請求項２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
4. 前記電動アクチュエータは、ジャーナル軸受に軸支された出力軸の軸方向への駆動にともなって前記シャフトをその軸方向に変位せしめるものであり、前記保持機構は、前記ジャーナル軸受に配されて前記出力軸の軸方向への駆動を拘束する拘束機構として構成されてなる
   請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
5. 前記拘束機構は、前記ジャーナル軸受にあって前記出力軸との対向面に埋設されたストッパと、該ストッパによる前記出力軸の拘束および解放を切り替える切替手段とを備えて構成される
   請求項４に記載の内燃機関の可変動弁装置。
6. 前記切替手段はピエゾ素子を有して構成され、該ピエゾ素子への印加電圧に応じたピエゾ素子の伸張と縮退とによって前記ストッパによる前記出力軸の拘束および解放を切り替える
   請求項５に記載の内燃機関の可変動弁装置。
7. 前記保持機構によって前記シャフトの保持が行われている期間は、前記電動アクチュエータに対する給電を停止するようにした
   請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
8. 前記保持機構による保持の解除に際し、該保持の解除に先だって前記電動アクチュエータに対する前記シャフトの変位指令が出力される
   請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。

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