JP2005057911A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】
電動モータへの通電の頻度を減らして省エネを図ることができるアクチュエータを提供する。
【解決手段】
最も使用頻度の高いバルブリフト量が得られるカムシャフト１７の軸線方向位置では、コイルスプリング２２の付勢力に抗して、係合したボール２１を凹部１４ａ外に追い出すために、大きな軸線方向力を要することになるので、バルブスプリング２０の付勢力に基づくカムシャフト１７の水平方向分力が、それより小さければ、電動モータ１２に通電する必要がなくなり、省エネが図れることとなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アクチュエータに関し、例えばバルブのリフト量や開閉タイミング等を変更できるような動弁機構に用いられると好適なアクチュエータに関する。

近年における車両に搭載される内燃機関においては、エンジン回転数や負荷に応じてバルブのリフト量や開閉タイミングを変更する可変式の動弁機構を用いることが多くなった。かかる動弁機構においては、例えば油圧を付与することで、クランクシャフトに同期するスプロケットとカムシャフトとの位相を変更することができ、それによりバルブタイミングを可変とすることができる。

しかるに、上記従来技術の動弁機構においては、バルブタイミング等を可変とするために油圧が必要となり、従って油圧ポンプを備える必要がある。内燃機関においては、一般的には各部潤滑のための油圧ポンプが設置されているが、可変バルブタイミング等を達成するために油圧を用いるとすると、より大容量の油圧ポンプが必要となり、しかも、その動力はクランクシャフトより取り出されるようになっているので、その分燃費が悪化するという問題がある。

これに対し、電動モータの動力を用いてバルブタイミング等を変更する動弁機構が、例えば以下の特許文献１に開示されているように公知となっている。かかる技術によれば、電動モータの動力を用いてバルブのリフト量を変更することにより、クランクシャフトより直接動力を取り出す必要がなくなり、燃費の向上が図れることとなる。
特開２００２−１６１７６４号公報

ところで、上記特許文献１に開示された動弁機構においては、電動モータを用いて、テーパ状のカム部を有するカム軸を軸線方向に移動させることで、カム部とバルブとの位置関係を変更し、それによりバルブリフト量を変更するようになっている。しかるに、特許文献１の技術では、電動モータから出力される回転力をボールスクリュー機構を用いてカム軸の軸線方向力に変換しているため、低フリクションで高効率の動力伝達ができる反面、バルブスプリング等よりカム軸が受ける軸線方向力を回転力に変換してしまうという問題がある。従って、カム軸を一定の位置に保持するためには、電動モータの回転軸を回転させないよう絶えず電力を供給しなくてはならず、省エネが図れないという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、電動モータへの通電の頻度を減らして省エネを図ることができるアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明のアクチュエータは、
ハウジングと、
前記ハウジングに取り付けられた電動モータと、
前記電動モータの回転軸に連結された回転要素と、被駆動部材を移動させる軸線方向移動要素と、前記回転要素と前記軸線方向移動要素との間に配置された転動体とを含み、前記回転要素の回転運動を、前記軸線方向移動要素の軸線方向運動に変換するボールスクリュー機構と、
付勢部材と、
前記付勢部材の付勢力により、前記回転要素又は前記軸線方向移動要素の外周に形成された凹部に向かって付勢される係合部材とを有し、
前記係合部材が前記凹部に係合した後で、前記回転要素が回転するとき又は前記軸線方向移動要素が移動するときは、前記付勢部材の付勢力に抗して、前記係合部材が前記凹部外へと移動するようになっていることを特徴とする。

本発明のアクチュエータは、ハウジングと、前記ハウジングに取り付けられた電動モータと、前記電動モータの回転軸に連結された回転要素と、被駆動部材を移動させる軸線方向移動要素と、前記回転要素と前記軸線方向移動要素との間に配置された転動体とを含み、前記回転要素の回転運動を、前記軸線方向移動要素の軸線方向運動に変換するボールスクリュー機構と、付勢部材と、前記付勢部材の付勢力により、前記回転要素又は前記軸線方向移動要素の外周に形成された凹部に向かって付勢される係合部材とを有し、前記係合部材が前記凹部に係合した後で、前記回転要素が回転するとき又は前記軸線方向移動要素が移動するときは、前記付勢部材の付勢力に抗して、前記係合部材が前記凹部外へと移動するようになっているため、例えば被駆動部材として内燃機関の動弁系の要素を駆動する用途に用いる場合に、前記凹部に前記係合部材が係合した状態では、前記電動モータに通電することなく、かかる動弁系の要素を所定の状態に維持でき、それにより省エネを図ることができる。

従って、前記被駆動部材は、内燃機関の動弁系の要素（カムシャフト、コントロールシャフト等）であると好ましいが、それに限られることはない。

更に、前記凹部は複数個設けられていると、複数の位置で前記係合部材が係合できることとなり、例えば動弁系の要素を複数の状態のいずれかにおいても、前記電動モータに通電しないようにできる。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるアクチュエータ１０の断面図である。図１においては、理解しやすいように、内燃機関１本のバルブについて図示している。図１において、略円筒状のハウジング１１は、不図示のシリンダヘッドに取り付けられている。ハウジング１１の一端には、電動モータ１２が取り付けられている。電動モータ１２の回転軸はねじ軸１３と一体となっており、ねじ軸１３はハウジング１１内を延在している。

ねじ軸１３の外周面には、雄ねじ溝１３ａが形成されており、一方、ねじ軸１３を包囲するように配置されたナット１４の内周面には、雄ねじ溝１３ａに対向して雌ねじ溝１４ａが形成され、両ねじ溝１３ａ、１４ａによって形成される螺旋状の空間（転送路）には、転動体である多数のボール１５が転動自在に配置されている。尚、ナット１４は、不図示の回り止めによりハウジング１１に対して回転せず、軸線方向にのみ移動するようになっている。本実施の形態では軸線方向移動要素であるナット１４と、本実施の形態では回転要素であるねじ軸１３と、ボール１５とでボールスクリュー機構を構成する。

ナット１４の図１で中空の左方端は、隔壁１６を介して延在しており、その内部においてスナップリングＳにより固定された軸受１８を介して、カムシャフト１７の一端が回転自在に支持され、且つ軸線方向に一体的に移動するようになっている。カムシャフト１７のカム部１７ａは、軸線方向に向かうにつれて長径が徐々に変化するテーパ状の外周面を有しており、この外周面にバルブ１９の上端が当接している。バルブ１９は、バルブスプリング２０によりシリンダヘッド２１に対して上方に付勢されている。

本実施の形態においては、ナット１４の外周面には、円錐状の浅い凹部１４ａが形成されている。ハウジング１１は、その軸線に直交する方向に円筒状のバネ室１１ａを形成しており、その内部には、係合部材であるボール２１と、付勢部材であるコイルスプリング２２とが配置され、更にバネ室１１ａの上端はキャップ２３により閉止されており、コイルスプリング２２は、ハウジング１１に固定されたキャップ２３に対して、ボール２１をナット１４に向かって付勢している。

本実施の形態の動作について説明する。内燃機関の回転数と負荷とが不図示の制御装置に入力され、最適なバルブリフト量が演算され、それに応じて電動モータ１２がねじ軸１３を回転させる。ねじ軸１３が回転すると、その回転量に応じてナット１４が軸線方向に移動し、回転するカムシャフト１７を軸線方向へと移動させる。カムシャフト１７が軸線方向に移動すると、バルブ２０の上端に当接するカム部１７ａの外周面の位置が連続的に変わり（一点鎖線参照）、それにより動作中にバルブリフト量の調整を連続的に行うことができる。

ここで、カム部１７ａは、バルブスプリング２０より付勢されているので、その外周面には、図１に示すような押圧力Ｆが生じる。この水平方向分力が、ナット１４を図で右方に押し返す力となるが、ボールスクリュー機構は高効率であるため、カムシャフト１７からの押圧力が伝達されることでねじ軸１３が回転する恐れがある。これを防止するためには、押圧力に抗するように電動モータ１２に常時通電することが考えられるが、それでは省エネが図れない。

そこで、本実施の形態においては、最も使用頻度の高いバルブリフト量が得られる位置にカムシャフト１７即ちナット１４がきたときに、ボール２１が係合するように凹部１４ａを形成している。かかる構成によれば、最も使用頻度の高いバルブリフト量が得られるカムシャフト１７の軸線方向位置では、コイルスプリング２２の付勢力に抗して、係合したボール２１を凹部１４ａ外に追い出すために、大きな軸線方向力を要することになるので、バルブスプリング２０の付勢力に基づくカムシャフト１７の水平方向分力Ｆｈが、それより小さければ、電動モータ１２に通電する必要がなくなり、省エネが図れることとなる。尚、使用頻度の高いバルブリフト量が得られる位置が複数ある場合、それに応じて凹部１４ａを複数形成すればよい。

図２は、第２の実施の形態にかかるアクチュエータ１１０の断面図である。本実施の形態においては、図１の実施の形態に対し、ボールスクリュー機構のねじ軸とナットの関係が逆となっている。より具体的には、電動モータ１２の回転軸１２ａが、回転要素であるナット１１３に接続されており、カムシャフト１７は軸線方向移動要素であるねじ軸１１４に連結されている。ナット１１３の外周の凹部１１３ｂに、ボール２２が係合するようになっている。その他の構成については、上述した実施の形態と同様であるので、同様な構成については同じ符号を付すことで、説明を省略する。

図３（ａ）は、第３の実施の形態にかかるアクチュエータ１１０の断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の矢印Ｂで示す部位を拡大した図である。本実施の形態においては、図１の実施の形態に対し、ハウジングでなくナットに付勢部材及び係合部材を設けた点が主として異なる。より具体的には、異なる点を説明する。

電動モータ１２は、ハウジング２１１に取り付けられている。図３（ｂ）に示すように、回転要素であるねじ軸２１３の外周面には、ねじ溝２１３ａと、円錐状の浅い凹部２１３ｂとが形成されている。一方、軸線方向移動要素であるナット２１４は、半径方向に貫通した孔２１４ｂを有している。孔２１４ｂ内には、係合部材であるボール２１と、付勢部材であるコイルスプリング２２とが配置され、更に孔２１４ｂの上端はキャップ２３により閉止されており、コイルスプリング２２は、ナット２１４に固定されたキャップ２３に対して、ボール２１をねじ軸２１３に向かって付勢している。

本実施の形態においても、最も使用頻度の高いバルブリフト量が得られる位置にカムシャフト１７即ちナット２１４がきたときに、ボール２１が係合するように凹部２１３ｂを形成しているので、その際には電動モータ１２に通電する必要がなくなり、省エネが図れることとなる。

図４は、第４の実施の形態のアクチュエータ３００を含む、バルブタイミング及びバルブリフトを変更できる動弁機構の斜視図である。尚、図４においては、理解しやすいように、内燃機関１気筒の吸気側の２本のバルブについて図示している。

図４において、不図示のシリンダヘッドに回転自在に取り付けられたドライブシャフト１０１と、コントロールシャフト１０２とが並行に延在している。ドライブシャフト１０１には円盤状の偏心カム１０１ａが形成されており、コントロールシャフト１０２にも、円盤状の偏心カム１０２ａが形成されている。ドライブシャフト１０１の偏心カム１０１ａに係合する孔１０３ａを備えた第１リンク１０３の上部が、コントロールシャフト１０２側に延在し、コントロールシャフト１０２の偏心カム１０２ａに係合する孔１０４ａを備えたロッカーアーム１０４の一端に枢動可能に取り付けられている。ロッカーアーム１０４の他端には、第２リンク１０５の上端が枢動可能に取り付けられており、第２リンク１０５の下端は、ドライブシャフト１０１に対して揺動自在に取り付けられたアウトプットカム１０６に当接するように配置されている。アウトプットカム１０６は、一対の円筒状のバルブリフタ１０７の上面に当接しており、各バルブリフタ１０７は、バルブ１０８のステム上端に当接している。

コントロールシャフト１０２の一端には、その回転位置を検出するポジションセンサ１０９が取り付けられ、又、第３のリンク１１０を介して、ねじ軸３０４に連結されている。回転要素であるナット３０５と軸線方向移動要素であるねじ軸３０４とは、回転運動と軸線運動とを変換可能に連結されており、更にねじ軸３０４と電動モータ３０１とは、ウォームギヤ機構（３０２，３０３）を介して所定の減速比を与えるように連結されている。ＥＣＵ１１１は、ポジションセンサ１０９からの信号を受信し、それに応じて電動モータ３０１を駆動制御するようになっている。

図５は、図４の動弁機構における駆動部を示す部分断面図である。図６は、図５の駆動部を矢印VI方向から見た図である。図６において、ハウジング３１０に固定された電動モータ３０１の回転軸３０１ａの先端には、ウォーム３０２が形成されている。ウォーム３０２は、ウォームホイール３０３に噛合している。尚、ウォーム３０２とウォームホイール３０３とで、ウォームギヤ機構を構成する。

図５に示すように、駆動力伝達用のギヤであるウォームホイール３０３は、円筒状面であるナット３０５の第１外周面３０５ｆに圧入嵌合されて、一体的に回転するようになっている。ナット３０５は、第１外周面３０５ｆより大径の円筒状面である第２外周面３０５ｇと、ハウジング３１０との間に配置された玉軸受３１１により回転自在に支持されている。玉軸受３１１は、ハウジング３１０の開口の段部３１０ａに嵌め込まれた外輪３１１ａと、複数の転動体である玉３１１ｂと、ナット３０５の外周面３０５ｇの段部に嵌め込まれた内輪３１１ｃと、不図示の保持器とを有する。

ナット３０５を貫通するねじ軸３０４の端部に連結された第３のリンク１１０は長孔１１０ａを有し、この長孔１１０ａを介して被駆動部材であるコントロールシャフト１０２の中心以外の位置にピン結合されている。ねじ軸３０４の外周面には４条の外ネジ溝４ａが形成され（簡略化して図示）、ねじ軸３０４を包囲するナット３０５の内周面には４条の内ネジ溝３０５ａが形成され、外ネジ溝３０４ａと内ネジ溝３０５ａとで形成される空間（転動路）内を、多数のボール３０６が転動自在に配置されている。尚、ナット３０５は、両端にキャップ３０５ｂを有し、キャップ３０５ｂ内の通路３０５ｃ及びナット３０５の内部に形成された通路３０５ｄとを介して、ボール３０６は、ネジ溝３０４ａ、３０５ａの一端側から他端側へと循環されるようになっている。

ねじ軸３０４が相対回転するナット３０５に応じて図５で左方に移動するものとすると、第１条目と第２条目のネジ溝３０４ａ、３０５ａに沿ってナット３０５の約１／２周（０．５巻き）分転動してきたボール３０６は、ナット３０５の一端側の位置でエンドキャップ３０５ｂの通路によりすくい上げられ、ナット３０５内を軸線方向に伸びる通路を通って、ナット３０５の他端側の位置で第３条目と第４条目のネジ溝３０４ａ、３０５ａに、それぞれ戻されるようになっている。

すなわち、本実施の形態の場合、ナット３０５内における第１条目のネジ溝から構成される転動路と、第３条目のネジ溝から構成される転動路とは、それぞれ両端が連結されて閉回路となっており、ナット３０５内における第２条目のネジ溝から構成される転動路と、第４条目のネジ溝から構成される転動路とは、それぞれ両端が連結されて閉回路となっているが、閉回路のパターンは以上に限られない。ねじ軸３０４と、ナット３０５と、ボール３０６とで、エンドキャップ循環式ボールスクリュー機構を構成する。

更に、本実施の形態においては、ねじ軸３０４の外周面には、円錐状の浅い凹部３０４ｂが形成されている。ナット３０５は、その軸線に直交する方向に貫通孔３０５ｈを形成しており、その内部には、係合部材であるボール２１と、付勢部材であるコイルスプリング２２とが配置され、更にバネ室１１ａの上端はキャップ２３により閉止されており、コイルスプリング２２は、ナット３０５に固定されたキャップ２３に対して、ボール２１をねじ軸３０４に向かって付勢している。

かかる動弁機構の動作について説明する。ドライブシャフト１０１が、不図示のクランクシャフトに同期して回転すると、偏心カム１０１ａが偏心運動をして第１のリンク１０３を上下に往復動させる。第１のリンク１０３が上下に往復動すると、それに応じてロッカーアーム１０４が揺動運動をする。ロッカーアーム１０４の揺動運動により、第２のリンク１０５が上下に往復動し、アウトプットカム１０６を揺動させる。アウトプットカム１０６の揺動により、それに当接するバルブリフタ１０７を介して、バルブ１０８が往復動するようになっている。

上述したように、ＥＣＵ１１１の駆動制御により、電動モータ３０１が駆動され、回転軸３０１ａが回転すると、噛合しているウォーム３０２とウォームホイール３０３とが回転し、ねじ軸３０４に回転力が伝達される。ねじ軸３０４の回転は、ナット３０５の軸線方向移動に変換され、第３のリンク１１０が軸線に沿って移動することで、コントロールシャフト１０２が回転変位する。コントロールシャフト１０２の回転位置に応じて偏心カム１０２ａが回転変位し、それによりロッカーアーム１０４が変位するので、それに応じて所望のバルブタイミング等を設定できる。

図７は、ロッカーアーム１０４の位置と、バルブ１０８のリフト量の変化を示す図である。例えば、コントロールシャフト１０２を図７（ａ）、（ｂ）の位置に設定した場合における上死点（ａ）と下死点（ｂ）との差であるΔ１（図７（ｂ））は、コントロールシャフト１０２を図７（ｃ）、（ｄ）の位置に設定した場合における上死点（ｃ）と下死点（ｄ）との差であるΔ２（図７（ｄ））に比べ、大きくすることができる。更に、コントロールシャフト１０２をドライブシャフト１０１と同期させて回転させることで、バルブタイミングや位相の変更も可能となる。

本実施の形態においても、最も使用頻度の高い位置にコントロールシャフト１０２が回転したときに、ボール２１が係合するように凹部３０４ｂを形成しているので、その際には電動モータ３０１に通電する必要がなくなり、省エネが図れることとなる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

第１の実施の形態にかかるアクチュエータ１０の断面図である。 第２の実施の形態にかかるアクチュエータ１１０の断面図である。 第３の実施の形態にかかるアクチュエータ２１０の断面図である。 第４の実施の形態にかかるアクチュエータを含む、バルブタイミング及びバルブリフトを変更できる動弁機構の斜視図である。 図４の動弁機構における駆動部（動力伝達機構を含む）を示す部分断面図である。 図５の駆動部を矢印VI方向から見た図である。 ロッカーアーム１０４位置と、バルブ１０８のリフト量の変化を示す図である。

符号の説明

１１、２１１ ハウジング
１２，３０１ 電動モータ
１３、１１４，２１３、３０４ ねじ軸
１４，１１３，２１４，３０５ ナット
１７ カムシャフト
２０，１０８ バルブ
２１ ボール
２２ コイルスプリング
２３ キャップ
１０１ ドライブシャフト
１０２ コントロールシャフト
１０４ ロッカーアーム
１０６ アウトプットカム
１１１ ＥＣＵ

Claims (2)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに取り付けられた電動モータと、
   前記電動モータの回転軸に連結された回転要素と、被駆動部材を移動させる軸線方向移動要素と、前記回転要素と前記軸線方向移動要素との間に配置された転動体とを含み、前記回転要素の回転運動を、前記軸線方向移動要素の軸線方向運動に変換するボールスクリュー機構と、
   付勢部材と、
   前記付勢部材の付勢力により、前記回転要素又は前記軸線方向移動要素の外周に形成された凹部に向かって付勢される係合部材とを有し、
   前記係合部材が前記凹部に係合した後で、前記回転要素が回転するとき又は前記軸線方向移動要素が移動するときは、前記付勢部材の付勢力に抗して、前記係合部材が前記凹部外へと移動するようになっていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記被駆動部材は、内燃機関の動弁系の要素であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
   

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