JP2005299465A - バルブリフト調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 制御応答性の高いバルブリフト調整装置を提供する。
【解決手段】 パルス幅変調信号によりスイッチング素子をスイッチングしてモータを通電駆動する駆動回路を備え、モータの回転トルクを利用して内燃機関における最大バルブリフト量を調整するバルブリフト調整装置であって、駆動回路は、制御信号を受信する受信手段と、前記制御信号が表す指令デューティ比が１００％となったときパルス幅変調信号のデューティ比を０％に設定する第一設定手段と、制御信号の表す指令デューティ比が９５％以上且つ１００％未満の値となったときパルス幅変調信号のデューティ比を１００％に設定する第二設定手段とを有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータの回転トルクを利用して内燃機関（以下、「内燃機関」をエンジンという）における最大バルブリフト量を調整するバルブリフト調整装置に関する。

例えば特許文献１に開示されるようにバルブリフト調整装置では、パルス幅変調（以下、「パルス幅変調」をＰＷＭと略記する）方式によりモータを制御する方法が考えられている。この制御方法では、駆動回路のスイッチング素子をＰＷＭ信号によりスイッチングしてモータを通電駆動するが、ＰＷＭ信号のデューティ比については、例えば制御回路から駆動回路へ与えられる制御信号のデューティ比と一致するように変化させている。そのため、制御信号を駆動回路へ伝達する信号線のショート等といった外乱により制御信号のデューティ比が１００％にロックされると、ＰＷＭ信号のデューティ比もまた１００％にロックされてしまう。この場合、バルブリフト調整装置の故障等が惹起されるため、望ましくない。そこで、従来、制御信号のデューティ比が１００％にロックされた場合には異常が生じたと判断し、ＰＷＭ信号のデューティ比を強制的に０％とするようにしている。

特開２００２−１６１７６４号公報

しかし、制御信号のデューティ比が１００％にロックされた場合にＰＷＭ信号のデューティ比を０％に強制設定してしまうと、１００％という最大のデューティ比を持ったＰＷＭ信号を継続して得ることができなくなる。そのため、モータ本来の性能によっては実現可能なバルブリフト量の最高変化速度が達成困難となる。このことが、バルブリフト調整装置の制御応答性を高める上でネックとなっている。
本発明の目的は、制御応答性の高いバルブリフト調整装置を提供することにある。

請求項１〜７に記載の発明によると、受信手段が受信した制御信号の表す指令デューティ比が第一閾値以上の値となったとき第一設定手段が、スイッチング素子をスイッチングするＰＷＭ信号のデューティ比を第一閾値未満の最小値に設定する。これにより、指令デューティ比が第一閾値以上の大きな値にロックされても、ＰＷＭ信号のデューティ比は第一閾値未満の最小値に強制設定されるため、バルブリフト調整装置の故障を回避できる。しかも、請求項１〜７に記載の発明によると、制御信号の表す指令デューティ比が第二閾値以上且つ第一閾値未満の値となったとき第二設定手段が、ＰＷＭ信号のデューティ比を第一閾値以上の最大値に設定する。これにより、最大のデューティ比を持ったＰＷＭ信号が継続して得られるので、モータ本来の性能を最大限に引き出してバルブリフト量を高速に変化させることができる。したがって、バルブリフト調整装置の制御応答性を高めることが可能となる。

尚、指令デューティ比が第二閾値以上且つ第一閾値未満の値となったときＰＷＭ信号のデューティ比として設定される最大値は、モータの性能等に応じて決まるものであり、例えば請求項２に記載の発明の如く１００％とすることができる。最大値を１００％とする場合、第一閾値として成立する値も１００％となるので、ＰＷＭ信号のデューティ比を最小値にする指令デューティ比の範囲が一点に絞られる。換言すれば、ロック対策としてＰＷＭ信号のデューティ比を最小値にする条件が絞られるので、耐外乱性が向上する。

また、指令デューティ比が第一閾値以上の値となったときＰＷＭ信号のデューティ比として設定される最小値は、モータの性能等に応じて決まるものであり、例えば請求項３に記載の発明の如く０％とすることができる。最小値を０％とする場合にはモータが停止するので、バルブリフト調整装置の故障を確実に回避できる。

請求項４に記載の発明によると、制御信号の指令デューティ比に関する分解能以上の差を第一閾値と第二閾値とは有するので、ＰＷＭ信号のデューティ比を最小値に設定するのか最大値に設定するのかを正確に判断可能となる。
請求項５に記載の発明によると、制御信号のデューティ比により指令デューティ比が表されるので、駆動回路における信号処理を簡素化できる。例えば請求項６に記載のように制御信号の表す指令デューティ比が第二閾値未満の値となったときＰＷＭ信号のデューティ比を指令デューティ比に従って変化させるような場合には、制御信号からＰＷＭ信号を容易に生成できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明の一実施形態によるバルブリフト調整装置の要部を図２〜図４に示す。このバルブリフト調整装置２は、モータ駆動装置７０により駆動されるモータ２０の回転トルクを利用して、エンジンにおける最大バルブリフト量を吸気バルブについて調整する。

バルブリフト調整装置２は、制御軸３０を軸方向に直線駆動するアクチュエータ１０と、対象とする最大バルブリフト量を制御軸３０の軸方向位置に基づいて変化させるリフト量変化機構（図示しない）とから構成される。
図２に示すようにアクチュエータ１０は、モータ２０、制御軸３０、伝達部４０、駆動カム５０（図４参照）、角度センサ６０及びモータ駆動装置７０を備えている。

モータ２０はＤＣブラシモータであり、コイルが巻回されている回転子２２と、回転子２２の外縁を覆っている永久磁石２４とを有している。モータ２０において回転子２２と共に回転する回転軸２６の端部には、モータギア２８が一体回転可能に固定されている。
制御軸３０は、一方側の端部で伝達部４０の支持枠４１と結合し、他方側でリフト量変化機構と結合している。制御軸３０の軸方向は、モータ２０の回転軸２６と直交する方向に設定されている。図３及び図４に示すように、制御軸３０の一方の端部に設けられた結合部３２は、制御軸３０と直交する方向で支持枠４１の結合部４２と重なり嵌合している。結合部３２，４２はクリップ４６によって相互の離脱を防止されている。

伝達部４０は、箱形の支持枠４１と、制御軸３０とは反対側で支持枠４１に正逆転自在に支持されているローラ４４とを有している。
駆動カム５０のカム軸５２は、モータ２０の回転軸２６に対し平行となるようにして支持枠４１の内側に正逆転自在に挿入されている。駆動カム５０の外周面には、ローラ４４に摺接するカム面５３が形成されている。図２に示すようにカム軸５２の両端部には、それぞれカムギア５４，５６が一体回転可能に固定されている。モータギア２８とカムギア５４とは互いに噛み合うことで減速機構を構成している。カムギア５４の回転角度範囲は、当該カムギア５４に設けられた二つの突起（図示しない）がそれぞれ係止部材５８，５９に係止されることにより制限される。

角度センサ６０は、カムギア５６と噛み合うセンサギア６２を有している。角度センサ６０は、センサギア６２と共に回転するセンサ回転部材（図示しない）の回転角度をホール素子等により検出する。角度センサ６０はモータ駆動装置７０に接続されており、回転角度の検出信号をモータ駆動装置７０へ送信する。

モータ駆動装置７０は、制御回路としてのＥＣＵ７２並びに駆動回路としてのＥＤＵ８０等から構成されている。ＥＣＵ７２は角度センサ６０の検出信号を始め、エンジン回転数、アクセル開度等の各種の検出信号を受信し、受信した検出信号に基づいて制御信号を生成する。ＥＤＵ８０はＥＣＵ７２の生成した制御信号を受信し、受信した制御信号に基づいてモータ２０を通電駆動する。

次に、バルブリフト調整装置２の作動について説明する。
ＥＤＵ８０からの通電によりモータ２０が回転すると、モータギア２８及びカムギア５４を通じてモータ２０の回転トルクが駆動カム５０に伝達される。駆動カム５０がローラ４４と摺接しつつ回転すると、ローラ４４を支持する支持枠４１が制御軸３０の軸方向へ制御軸３０と共に往復直線移動する。このときリフト量変化機構は、駆動カム５０のカム面５３のカムプロフィールに従って移動する制御軸３０の軸方向位置に応じて最大バルブリフト量を変化させる。

次に、モータ駆動装置７０について詳細に説明する。尚、以下の説明では、各種デジタル信号の電圧について、高側の電圧をＨレベル、また低側の電圧をＬレベルという。
モータ駆動装置７０において図５に示すＥＣＵ７２は、例えばマイクロコンピュータ等の電気回路で構成されている。ＥＣＵ７２は、ＥＤＵ８０に与える制御信号を複数生成する。具体的に制御信号の一つは、指令デューティ比を表す第一制御信号である。ここで指令デューティ比とは、ＥＤＵ８０においてＰＷＭ信号のデューティ比を設定する際に基準となるデューティ比であって、当該ＥＤＵ８０の作動によって実現させたい回転軸２６の回転数に応じて設定される値である。本実施形態の第一制御信号は、それ自身のデューティ比によって指令デューティ比を表すように生成される。即ち、図６に示すように第一制御信号の一周期ＴのうちＨレベルとなる時間ｔ_Ｈの割合が、指令デューティ比として表される。制御信号の別の一つは、指令方向を表す第二制御信号である。ここで指令方向とは、ＥＤＵ８０の作動によって実現させたい回転軸２６の回転方向である。第二制御信号は、例えば指令方向として正転方向を表すときＨレベル、指令方向として逆転方向を表すときＬレベルとなるように生成される。

モータ駆動装置７０のＥＤＵ８０は、図５に示すように、ブリッジ回路８１と、信号処理回路８２とを有している。ブリッジ回路８１は、モータ２０を負荷とするＨブリッジ回路である。ブリッジ回路８１は、第一及び第二の各アーム８４ａ，８４ｂの一端を直流電源８３に接続され、各アーム８４ａ，８４ｂの他端を接地されている。

各アーム８４ａ，８４ｂにおいて、モータ２０の端子２９ａ，２９ｂに接続された接続点８５ａ，８５ｂを挟む両側にはそれぞれスイッチング素子８６とスイッチング素子８７が設けられている。各アーム８４ａ，８４ｂにおいて、直流電源８３側となる上段スイッチング素子８６と、接地側となる下段スイッチング素子８７とは共に、ＭＯＳ型の電界効果トランジスタで構成されている。各アーム８４ａ，８４ｂのスイッチング素子８６，８７にはそれぞれ、図示しないが、寄生ダイオードが並列に存在している。各アーム８４ａ，８４ｂのスイッチング素子８６，８７はそれぞれのゲートを信号処理回路８２に接続されており、信号処理回路８２から入力されるＰＷＭ信号によってオンオフをスイッチングされる。本実施形態において各アーム８４ａ，８４ｂのスイッチング素子８６，８７は、ＰＷＭ信号がＨレベルとなるときオン状態となり、ＰＷＭ信号がＬレベルとなるときオフ状態となる。

以下、第一アーム８４ａの上段スイッチング素子８６及び下段スイッチング素子８７をそれぞれ、第一上段素子８６ａ及び第一下段素子８７ａといい、第二アーム８４ｂの上段スイッチング素子８６及び下段スイッチング素子８７をそれぞれ、第二上段素子８６ｂ及び第二下段素子８７ｂというものとする。ブリッジ回路８１において、第一上段素子８６ａ及び第二下段素子８７ｂがオンされ、第一下段素子８７ａ及び第二上段素子８６ｂがオフされるときには、回転軸２６に正転方向の回転トルクを与える通電がモータ２０のコイルに実施される。第一下段素子８７ａ及び第二上段素子８６ｂがオンされ、第一上段素子８６ａ及び第二下段素子８７ｂがオフされるときには、回転軸２６に逆転方向の回転トルクを与える通電がモータ２０のコイルに実施される。第一下段素子８７ａ及び第二下段素子８７ｂがオンされ、第一上段素子８６ａ及び第二上段素子８６ｂがオフされるときには、モータ２０のコイルの残留電圧が減少するように環流電流が流れる。全ての素子８６ａ，８７ａ，８６ｂ，８７ｂがオフされるときには、モータ２０のコイルに電流が流れない。そのため、回転軸２６が停止する。

信号処理回路８２は複数の信号線７３を介してＥＣＵ７２と接続されており、ＥＣＵ７２の生成した複数の制御信号をそれぞれ対応する信号線７３を通じて受信する。即ち本実施形態では、信号処理回路８２が受信手段に相当している。信号処理回路８２は、受信した複数の制御信号を濾波するフィルタ部８８と、フィルタ部８８を通過した複数の制御信号に基づきＰＷＭ信号を生成する信号生成部８９とを有している。

本実施形態の信号生成部８９は、第二制御信号の表す指令方向が正転方向であるときに下記（１）〜（３）の処理のいずれかを実施する。
（１）第一制御信号の表す指令デューティ比が第二閾値としての９５％未満となるときには、図１及び図７に示すように、第一上段素子８６ａへ入力するＰＷＭ信号のデューティ比を指令デューティ比とほぼ同一値に設定し、且つ指令デューティ比より時間τだけ遅らせる。このとき、図７に示すように、第二下段素子８７ｂへ入力するＰＷＭ信号のデューティ比を１００％に設定することで、第一上段素子８６ａへのＰＷＭ信号がＨレベルとなる毎に正転方向の回転トルクが回転軸２６に与えられる。またこのときには、図７に示すように、第二上段素子８６ｂ及び第一下段素子８７ａへ入力するＰＷＭ信号について、同一アームの素子８６ａ，８６ｂへのＰＷＭ信号と同時にＨレベルとならないようにデューティ比を設定する。具体的に、第二上段素子８６ｂへのＰＷＭ信号のデューティ比については、０％に設定する。また、第一下段素子８７ａへのＰＷＭ信号のデューティ比については、当該ＰＷＭ信号が第一上段素子８６ａへのＰＷＭ信号の立上がりより時間τだけ早く立下がり且つ第一上段素子８６ａへのＰＷＭ信号の立下がりより時間τだけ遅れて立上がるように、指令デューティ比を補正した値とする。尚、本実施形態において上記の時間τは、例えば２５μｓ程度とされる。

（２）第一制御信号の表す指令デューティ比が９５％以上且つ第一閾値としての１００％未満となるときには、指令デューティ比を無視する。そして、図１及び図８に示すように、第一上段素子８６ａへ入力するＰＷＭ信号のデューティ比を最大値としての１００％に強制設定する。このとき図８に示すように、第二下段素子８７ｂ及び第二上段素子８６ｂへ入力するＰＷＭ信号のデューティ比を上記（１）の場合と同様に設定することで、同一アームの素子８７ｂ，８６ｂが同時にＨレベルとなるのを回避しつつ、正転方向の回転トルクを回転軸２６に与えることができる。またこのときには、図８に示すように、第一下段素子８７ａへ入力するＰＷＭ信号について、同一アームの素子８６ａへのＰＷＭ信号と同時にＨレベルとならないようにデューティ比を０％に設定する。

（３）第一制御信号の表す指令デューティ比が実質的に１００％となるときには、指令デューティ比を無視する。そして、図１及び図９に示すように、第一上段素子８６ａへ入力するＰＷＭ信号のデューティ比を最小値としての０％に強制設定する。このとき、図９に示すように、第二下段素子８７ｂ、第二上段素子８６ｂ及び第一下段素子８７ａへ入力するＰＷＭ信号のデューティ比について全て０％に設定する。以上により、各素子８６ａ，８７ａ，８６ｂ，８７ｂに入力されるＰＷＭ信号が全てＬレベルとなるため、回転軸２６が停止する。

第二制御信号の表す指令方向が逆転方向であるときの信号生成部８９は、上記（１）〜（３）において「第一上段素子８６ａ」、「第一下段素子８７ａ」、「第二上段素子８６ｂ」、「第二下段素子８７ｂ」及び「正転方向」をそれぞれ、「第二上段素子８６ｂ」、「第二下段素子８７ｂ」、「第一上段素子８６ａ」、「第一下段素子８７ａ」及び「逆転方向」と読み替えた処理のいずれかを実施する。
以上、本実施形態では、信号生成部８９が第一設定手段、第二設定手段及び第三設定手段に相当している。

このように本実施形態によると、第一制御信号の表す指令デューティ比が実質的に１００％となったとき、各素子８６ａ，８７ａ，８６ｂ，８７ｂへのＰＷＭ信号のデューティ比を０％とし、回転軸２６を停止させる。そのため、第一制御信号を伝達する信号線７３のショート等といった外乱によって第一制御信号の表す指令デューティ比が１００％にロックされても、回転軸２６は高速で回転し続けることがない。したがって、アクチュエータ１０やリフト量変化機構の故障が確実に回避される。しかも、このようなロック対策は指令デューティ比が実質的に１００％となったときに限定して実施されるので、耐外乱性が向上する。

また、本実施形態によると、第一制御信号の表す指令デューティ比が９５％以上且つ１００％未満となったとき、素子８６ａ，８７ｂへのＰＷＭ信号のデューティ比又は素子８６ｂ，８７ａへのＰＷＭ信号のデューティ比を１００％とする。これにより素子８６ａ，８７ｂ又は素子８６ｂ，８７ａには、最大のデューティ比を持ったＰＷＭ信号を継続して入力できるので、モータ２０本来の性能を最大限に引き出して制御軸３０、ひいては吸気バルブのリフト量を高速に変化させることができる。したがって、バルブリフト調整装置２の制御応答性が高められる。尚、本実施形態では、このような応答性対策を実施するための条件範囲、即ち指令デューティ比９５％と１００％との差について、フィルタ部８８の濾波分解能等、第一制御信号のデューティ比に関するモータ駆動装置７０の処理分解能よりも大きくしている。ここで第一制御信号のデューティ比は指令デューティ比を表すものであるので、指令デューティ比が９５％以上となったときには、ロック対策をするのか応答性対策をするのかを当該指令デューティ比に基づき正確に判断できる。

さらに本実施形態によると、第一制御信号の表す指令デューティ比が９５％未満となったとき、素子８６ａ，８７ａへのＰＷＭ信号のデューティ比又は素子８６ｂ，８７ｂへのＰＷＭ信号のデューティ比を指令デューティ比に従って変化させる。ここで指令デューティ比は制御信号のデューティ比により表されるものであるので、素子８６ａ，８７ａへのＰＷＭ信号又は素子８６ｂ，８７ｂへのＰＷＭ信号を制御信号から容易に生成できる。したがって、モータ駆動装置７０における信号処理時間が短縮される。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はそのような実施形態に限定して解釈されるものではない。
例えば上述の実施形態では、ＰＷＭ信号のデューティ比の最大値を１００％としているが、モータ２０の性能等に応じて当該最大値を１００％未満の値としてもよい。また、上述の実施形態では、ＰＷＭ信号のデューティ比の最小値を０％としているが、モータ２０の性能等に応じて当該最小値を０％より大きな値としてもよい。

さらに上述の実施形態では、第一閾値として１００％、第二閾値として９５％をそれぞれ採用しているが、第一閾値はＰＷＭ信号のデューティ比の最大値以下であればよく、また第二閾値は第一閾値未満であればよい。尚、第一閾値として１００％未満の値を採用する場合には、第一制御信号の表す指令デューティ比が当該１００％未満の第一閾値以上となるときに上述のロック対策を実施する。

またさらに上述の実施形態では、自身のデューティ比により指令デューティ比を表す第一制御信号を生成しているが、例えば電圧により指令デューティ比を表す第一制御信号を生成してもよい。
さらにまた上述の実施形態では、スイッチング素子８６，８７としてＭＯＳ型の電界効果トランジスタを用いたが、例えばスイッチング素子８６，８７として接合形の電界効果トランジスタ又はバイポーラトランジスタを用いてもよい。

加えて上述の実施形態では、ＤＣブラシモータ２０を通電駆動するＥＤＵ８０を駆動回路として備えたバルブリフト調整装置２に本発明を適用した例について説明した。これに対し、ブラシレスモータ等といったＰＷＭ方式により制御可能な公知のモータを通電駆動する駆動回路を備えたバルブリフト調整装置に本発明を適用してもよい。
さらに加えて上述の実施形態では、吸気バルブについて最大バルブリフト量を調整するバルブリフト調整装置２に本発明を適用した例について説明した。これに対し、排気バルブについて最大バルブリフト量を調整するバルブリフト調整装置に本発明を適用してもよい。

本発明の一実施形態によるモータ駆動装置の作動を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態によるバルブリフト調整装置の要部を示す部分断面斜視図である。 本発明の一実施形態によるアクチュエータの要部を示す斜視図である。 本発明の一実施形態によるアクチュエータの要部を示す側面図である。 本発明の一実施形態によるモータ駆動装置を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるモータ駆動装置の作動を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態によるモータ駆動装置の作動を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態によるモータ駆動装置の作動を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態によるモータ駆動装置の作動を説明するための模式図である。

符号の説明

２ バルブリフト調整装置、１０ アクチュエータ、２０ モータ、２６ 回転軸、３０ 制御軸、４０ 伝達部、５０ 駆動カム、６０ 角度センサ、７０ モータ駆動装置、７２ ＥＣＵ（制御回路）、７３ 信号線、８０ ＥＤＵ（駆動回路）、８１ ブリッジ回路、８２ 信号処理回路（受信手段）、８４ａ，８４ｂ アーム、８６（８６ａ，８６ｂ），８７（８７ａ，８７ｂ） スイッチング素子、８８ フィルタ部、８９ 信号生成部（第一設定手段、第二設定手段、第三設定手段）

Claims (7)

1. パルス幅変調信号によりスイッチング素子をスイッチングしてモータを通電駆動する駆動回路を備え、前記モータの回転トルクを利用して内燃機関における最大バルブリフト量を調整するバルブリフト調整装置であって、
   前記駆動回路は、制御信号を受信する受信手段と、前記制御信号が表す指令デューティ比が第一閾値以上の値となったとき前記パルス幅変調信号のデューティ比を前記第一閾値未満の最小値に設定する第一設定手段と、前記指令デューティ比が第二閾値以上且つ前記第一閾値未満の値となったとき前記パルス幅変調信号のデューティ比を前記第一閾値以上の最大値に設定する第二設定手段とを有することを特徴とするバルブリフト調整装置。
2. 前記最大値は１００％であることを特徴とする請求項１に記載のバルブリフト調整装置。
3. 前記最小値は０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載のバルブリフト調整装置。
4. 前記第一閾値と前記第二閾値とは、前記制御信号の前記指令デューティ比に関する分解能以上の差を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のバルブリフト調整装置。
5. 前記指令デューティ比は、前記制御信号のデューティ比により表されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のバルブリフト調整装置。
6. 前記駆動回路は、前記指令デューティ比が前記第二閾値未満の値となったとき前記パルス幅変調信号のデューティ比を前記指令デューティ比に従って変化させる第三設定手段をさらに有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のバルブリフト調整装置。
7. 前記制御信号を生成する制御回路を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のバルブリフト調整装置。

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