JP2006029209A

JP2006029209A - バルブリフト制御装置のアクチュエータ

Info

Publication number: JP2006029209A
Application number: JP2004208986A
Authority: JP
Inventors: Hideo Inaba; 英雄稲葉; Takahisa Ban; 隆央伴; Akitoshi Mizutani; 彰利水谷; Joji Yamaguchi; 錠二山口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】精度の高いバルブリフト量制御とコストの低減とを両立するバルブリフト制御装置のアクチュエータを提供する。
【解決手段】軸方向へ直線運動する制御軸の軸方向位置に応じてバルブリフト量を変化させるバルブリフト制御装置のアクチュエータは、駆動トルクの伝達により回転する回転カム、回転カムと接触し当該接触点における回転カムのカムリフト量に応じて制御軸と共に直線運動する直動従節、回転カムと同期して回転する同期回転体について回転角度を検出する角度センサを備える。角度センサの出力特性は、同期回転体の回転角度を変数θとする第一非線形関数ｆ₁（θ）により表され、回転カムのカムリフト量は、同期回転体の回転角度を変数θとし第一非線形関数ｆ₁（θ）との比が概ね一定である第二非線形関数ｆ₂（θ）により表される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関（以下、エンジンという）の吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方についてバルブリフト量を制御するバルブリフト制御装置のアクチュエータに関する。

従来、アクチュエータによって制御軸を軸方向へ直線駆動し、当該制御軸の軸方向位置に応じてバルブリフト量を変化させるようにしたバルブリフト制御装置が知られている。
こうしたバルブリフト制御装置のアクチュエータとしては、駆動トルクの伝達により回転する回転カムに直動従節を接触させ、当該接触点における回転カムのカムリフト量に応じて直動従節を制御軸と共に直線運動させるものが特許文献１に開示されている。この特許文献１のアクチュエータでは、回転カムと同期して回転する同期回転体の回転角度を角度センサにより検出し、当該角度センサの出力特性に基づいてバルブリフト量を制御するようにしている。

特開２００４−１５０３３２号公報

一般に、検出対象の回転角度を変数とする線形関数によって出力特性が表される角度センサは高価であるため、コストの低減を図る上では、回転角度を変数とする非線形関数により出力特性が表される角度センサを用いることが望ましい。しかし、特許文献１のアクチュエータの如く回転カムの回転角度を変数とする線形関数によって回転カムのカムリフト量が表されるような場合、非線形関数により出力特性が表される角度センサを用いると、角度センサの出力特性と回転カムのカムリフト量との相関は非線形関係となってしまう。そのため、制御軸の軸方向位置を決める回転カムのカムリフト量を角度センサの出力特性に基づいて精確に知ることが難しくなる。このことが、制御軸の軸方向位置に応じて変化するバルブリフト量の制御精度を低下させる要因となっている。
本発明の目的は、精度の高いバルブリフト量制御とコストの低減とを両立するバルブリフト制御装置のアクチュエータを提供することにある。

請求項１に記載の発明によると、回転カム又は同期回転体について回転角度を検出する角度センサの出力特性は、回転角度を変数θとする第一非線形関数ｆ₁（θ）により表される。しかし、回転カムのカムリフト量は、回転角度を変数θとし第一非線形関数ｆ₁（θ）との比が概ね一定である第二非線形関数ｆ₂（θ）により表されるので、角度センサの出力特性と回転カムのカムリフト量との相関は線形関係となる。そのため、制御軸の軸方向位置を決める回転カムのカムリフト量を角度センサの出力特性に基づいて精確に知ることができる。したがって、制御軸の軸方向位置に応じて変化するバルブリフト量を高精度に制御することが可能となる。しかも、上述したように出力特性が非線形関数ｆ₁（θ）により表される角度センサを用いるので、コストの低減を図ることができる。
尚、非線形関数とは、変数の一次結合の形で記述される線形関数以外の関数を意味しており、例えば請求項２に記載の発明のように三角関数であってもよいし、二次以上の多次関数であってもよい。

請求項３に記載の発明によると、回転カムを回転させる駆動トルクを電動モータにより発生するので、当該駆動トルクを制御し易い。したがって、バルブリフト量の制御精度の向上を促進することができる。
尚、駆動トルクを発生する駆動源としては、電動モータの他にも、例えば油圧モータ等を用いてもよい。

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制御装置を図２に示す。バルブリフト制御装置１０は車両のエンジンに設けられ、当該エンジンの吸気バルブ１１についてバルブリフト量を制御する。バルブリフト制御装置１０は、変化機構１２とアクチュエータ２０とから構成されている。

変化機構１２は、例えば特開２００１−２６３０１５号公報等に開示される如き図２の構造を有する。具体的に図２の変化機構１２では、制御軸１３と共に制御軸１３の軸方向へ直線運動可能なスライダギア１４に入力部１５及び揺動カム１６をヘリカルスプライン嵌合させており、制御軸１３の軸方向位置に応じて入力部１５と揺動カム１６との相対位相差が変化する。入力部１５はカム軸１７の吸気カム１８に接触し、また揺動カム１６は吸気バルブ１１のロッカーアーム１９に接触可能に設けられており、入力部１５と揺動カム１６との相対位相差に応じてロッカーアーム１９の揺動角度が変化する。したがって、変化機構１２では、制御軸１３の軸方向位置が変化するのに合わせて吸気バルブ１１のバルブリフト量が変化する。尚、本実施形態において吸気バルブ１１から制御軸１３へと伝達されるバルブ反力は、アクチュエータ２０側へ向かう軸力として制御軸１３に作用する。

アクチュエータ２０は、変化機構１２の制御軸１３を軸方向へ直線駆動する。図３及び図４に示すようにアクチュエータ２０は、ハウジング２１、電動モータ３０、直動従節４０、回転カム５０、角度センサ６０及び制御部７０を備えている。
固定節としてのハウジング２１は、エンジンに対して相対運動不能に位置固定されている。ハウジング２１には、直動従節４０の案内軸４３が嵌挿される案内孔２３が制御軸１３と同軸上に形成されている。

電動モータ３０はＤＣブラシモータであり、ハウジング２１に相対運動不能に固定されたモータカバー３１の内周側にモータ軸３２及び図示しないコイルを収容している。モータ軸３２の出力端部にはモータギア３３が装着されている。コイルには制御部７０が接続されており、制御部７０によるコイルの通電によってモータ軸３２に駆動トルクが発生し当該モータ軸３２がモータギア３３と共に正逆回転する。

直動従節４０は、可動部材４１及び接触子としてのローラ４６を有している。可動部材４１は、案内孔２３に対応する有底円筒状に形成されている。可動部材４１の底部側端部４２は、制御軸１３のスライダギア１４が設けられる端部とは反対側の端部に同軸に連係している。案内軸４３はハウジング２１の案内孔２３に嵌合しており、案内孔２３に対して軸方向へ相対摺動可能である。可動部材４１において外周壁面に開口し軸方向へ延びる溝４４には、ハウジング２１に装着された回り止め部材４５が軸方向へ相対摺動可能に嵌合している。これにより、可動部材４１は周方向への回転を防止されている。ローラ４６は可動部材４１の内部に収容され、可動部材４１により正逆回転可能に支持されている。可動部材４１が軸支するローラ４６の回転軸４７は制御軸１３の軸線に対して垂直である。ローラ４６は可動部材４１の開口側端部４８よりも僅かに突出している。

回転カム５０は板カムであり、ハウジング２１により正逆回転可能に支持されている。ハウジング２１がベアリング２６を介して軸支する回転カム５０のカム軸５１は制御軸１３の軸線に対して垂直である。カム軸５１の両端部には、それぞれカム駆動ギア５２及びセンサ駆動ギア５３が装着されている。カム駆動ギア５２に噛み合う中間ギア５４がモータギア３３に噛み合うことで、電動モータ３０の発生した駆動トルクを増大して回転カム５０へと伝達する減速機構５５が構成されている。カム駆動ギア５２の回転角度範囲は、カム駆動ギア５２に装着されたストッパ部材５６がハウジング２１の図示しない係止部に係止されることによって制限される。

回転カム５０の外周面からなるカム面５７は、ローラ４６において可動部材４１の開口側端部４８から突出する突出部分４９に接触している。これにより回転カム５０は、制御軸１３の軸方向においてローラ４６の制御軸１３とは反対側に位置している。回転カム５０の回転時には、カム面５７においてローラ４６が接触する接触点Ｐのカムリフト量に応じて直動従節４０が制御軸１３の軸方向へ直線運動するため、直動従節４０の可動部材４１に連係している制御軸１３もまた軸方向へ直線運動する。

図３及び図５に示すように角度センサ６０は、センサギア６１、マグネットホルダ６２、マグネット６３及び磁気検出素子６４を有している。センサギア６１はセンサ駆動ギア５３と噛み合うことで、回転カム５０と同期して回転する同期回転体を構成している。マグネットホルダ６２は円筒状に形成され、センサギア６１に同軸に装着されている。マグネットホルダ６２の内周壁において回転中心Ｏを挟む二箇所には、マグネット６３が装着されている。二つのマグネット６３は、相対する面６５側に形成される磁極が互いに逆となるように配置されている。磁気検出素子６４はホール素子であり、マグネット６３から投影される磁束量に基づいてセンサギア６１の回転角度を検出する。磁気検出素子６４は制御部７０に接続されており、検出した回転角度を電圧により表す検出信号を制御部７０へと送信する。

図３に示す制御部７０は磁気検出素子６４の検出信号を受信し、当該検出信号の電圧により表されるセンサギア６１の回転角度に基づいて接触点Ｐにおける回転カム５０のカムリフト量を算定する。さらに制御部７０は、算定されたカムリフト量に対応する制御軸１３の軸方向位置に基づいて実際のバルブリフト量を算定し、当該実際のバルブリフト量と目標のバルブリフト量との差を埋めるように電動モータ３０への通電を制御する。ここで目標のバルブリフト量は、エンジン回転数、アクセル開度等の車両の運転状況に基づいて決定される物理量である。

このようなバルブリフト制御装置１０において、電動モータ３０が制御部７０により通電駆動されると、電動モータ３０の発生した駆動トルクが減速機構５５を通じて回転カム５０へと伝達される。この伝達されら駆動トルクにより回転カム５０が回転すると、制御軸１３と共に直動従節４０は制御軸１３の軸方向へと直線運動する。このとき、変化機構１２が制御軸１３の軸方向位置に応じてバルブリフト量を変化させるため、作用角や最大バルブリフト量等といったエンジンのバルブ特性が調整される。

次に、磁気検出素子６４及び回転カム５０について詳細に説明する。
磁気検出素子６４は、出力特性としての検出信号の電圧が図１（Ａ）に示される如き関数ｆ₁（θ）によって表されるものである。ここで関数ｆ₁（θ）は、センサギア６１の回転角度を変数θとする非線形関数、本実施形態では三角関数としてのＣ₁・ｓｉｎθ（Ｃ₁は定数）に実質的に等しくなる。

回転カム５０のカム面５７は、そのカムリフト量が図１（Ｂ）に示される如き関数ｆ₂（θ）によって表されるように形成されている。ここで関数ｆ₂（θ）は、センサギア６１の回転角度を変数θとする非線形関数、本実施形態では三角関数としてのＣ₂・ｓｉｎθ（Ｃ₂は定数）に実質的に等しくなる。尚、センサ駆動ギア５３とセンサギア６１とのギア比をＣ_g：１（Ｃ_gは定数）とすると、回転カム５０のカムリフト量は、回転カム５０の回転角度を変数θ’とする関数Ｃ₂・ｓｉｎ（θ’／Ｃ_g）によって表されるものでもある。

磁気検出素子５４の検出信号電圧及び回転カム５０のカムリフト量が上述の非線形関数ｆ₁（θ）及びｆ₂（θ）により表されているため、磁気検出素子５４の検出信号電圧と回転カム５０のカムリフト量との相関は、ｆ₁（θ）とｆ₂（θ）との比によって表される。ここで本実施形態においては、ｆ₁（θ）とｆ₂（θ）との比がＣ₁／Ｃ₂に概ね一致する、即ち概ね一定となるので、磁気検出素子５４の検出信号電圧と回転カム５０のカムリフト量との相関は図１（Ｃ）に示す如く線形関係となる。

このように磁気検出素子５４の検出信号電圧と回転カム５０のカムリフト量との相関が線形関係となる本実施形態では、接触点Ｐでのカムリフト量を磁気検出素子５４の検出信号電圧に基づいて精確に知ることが可能となる。したがって、接触点Ｐでのカムリフト量を算定する制御部７０によれば、当該カムリフト量に対応する制御軸１３の軸方向位置に基づいて電動モータ３０への通電を高精度に制御して目標のバルブリフト量を実現することができる。

しかも、磁気検出素子５４の検出信号電圧が非線形関数ｆ₁（θ）により表される本実施形態の角度センサ６０は、比較的安価に製造することができる。
以上、本実施形態によれば、精度の高いバルブリフト量制御とコストの低減とを両立することができる。

尚、上述の実施形態において角度センサ６０は、回転カム５０の回転角度を直接に検出するものであってもよい。
また、上述の実施形態において角度センサ６０の磁気検出素子５４は、ホール素子以外にも、例えば磁気抵抗素子であってもよい。

さらに、上述の実施形態において磁気検出素子５４の検出信号電圧等の出力特性を表す関数は、検出対象の回転角度を変数θとする非線形関数ｆ₁（θ）であれば、三角関数以外にも、例えば二次以上の多次関数であってもよい。また、それに応じて回転カム５０のカムリフト量を表す関数は、検出対象の回転角度を変数θとし磁気検出素子５４の出力特性を表す非線形関数との比が概ね一定となるｆ₂（θ）であれば、三角関数以外にも、例えば二次以上の多次関数であってもよい。

またさらに、上述の実施形態においてアクチュエータ２０と組み合わされる変化機構１２については、制御軸１３の軸方向位置に応じてバルブリフト量を変化させるものであれば、図２以外の構造を有するものであってもよい。
さらにまた、上述の実施形態を含む本発明は、エンジンの排気バルブについてリフト量を制御するリフト制御装置のアクチュエータに適用してもよい。

第一実施形態によるバルブリフト制御装置の構成を説明するための特性図である。第一実施形態によるバルブリフト制御装置を示す部分断面模式図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。第一実施形態によるバルブリフト制御装置のアクチュエータを示す部分断面斜視図である。第一実施形態によるバルブリフト制御装置のアクチュエータを示す断面図である。第一実施形態によるバルブリフト制御装置の角度センサの要部を示す斜視図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。

符号の説明

１０バルブリフト制御装置、１１吸気バルブ、１２変化機構、１３制御軸、２０アクチュエータ、３０電動モータ、４０直動従節、５０回転カム、５３センサ駆動ギア、５７カム面、６０角度センサ、６１センサギア（同期回転体）、６２マグネットホルダ、６３マグネット、６４磁気検出素子、７０制御部、ｆ₁（θ）非線形関数（第一非線形関数）ｆ₂（θ）非線形関数（第二非線形関数）、Ｐ接触点

Claims

内燃機関の吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方についてバルブリフト量を制御するバルブリフト制御装置において、前記バルブリフト量を制御軸の軸方向位置に応じて変化させるために前記制御軸を軸方向へ直線駆動するアクチュエータであって、
駆動トルクの伝達により回転する回転カムと、
前記回転カムと接触し当該接触点における前記回転カムのカムリフト量に応じて前記制御軸と共に直線運動する直動従節と、
前記回転カム又は前記回転カムと同期して回転する同期回転体について回転角度を検出する角度センサとを備え、
前記角度センサの出力特性は、前記回転角度を変数θとする第一非線形関数ｆ₁（θ）により表され、
前記カムリフト量は、前記回転角度を変数θとし前記第一非線形関数ｆ₁（θ）との比が概ね一定である第二非線形関数ｆ₂（θ）により表されることを特徴とするバルブリフト制御装置のアクチュエータ。
前記第一非線形関数及び前記第二非線形関数は三角関数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制御装置のアクチュエータ。
前記駆動トルクを発生する電動モータを備え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制御装置のアクチュエータ。