JP2007303408A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の始動性がよいアクチュエータを提供する。
【解決手段】制御軸１２を外力と同じＢ方向に移動させるＸ方向に回転軸４４が回転するとねじられて回転軸４４を逆回転させるねじり応力を蓄積するねじりコイルばね９１を備える。モータ部５０への通電が停止すると、外力がねじ軸４２を介して回転軸４４を回転させるトルクとねじり応力が回転軸４４を逆回転させるトルクとの釣り合いにより、制御軸１２を吸気バルブのリフト量が最小リフト量より大きく且つ最大リフト量より小さい所定のリフト量になる軸方向位置に定位させるので、内燃機関の始動性がよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にバルブリフト制御装置の制御軸を直線駆動するアクチュエータに関する。

従来、例えば制御対象である吸気バルブまたは排気バルブのリフト量を制御軸の軸方向位置に応じて変化させるバルブリフト制御装置のアクチュエータとして、制御軸を直線駆動する各種のアクチュエータが用いられている（例えば特許文献１参照）。こうした制御軸には、吸気バルブあるいは排気バルブのバルブ反力により、アクチュエータとは反対側に向かうスラスト力を外力として常に受けているものがある。

ところで、制御軸を直線駆動するアクチュエータにおいては、効率のよい直動機構を採用することにより、直動運動の応答性を向上できる。しかしながら、効率のよい直動機構を採用すると、アクチュエータへの通電が停止したとき、上述した外力によってバルブのリフト量が最小リフト量または最大リフト量になる軸方向位置まで制御軸が移動してしまう。バルブのリフト量が最小リフト量または最大リフト量になる軸方向位置まで制御軸が移動してしまうと、始動の際にバルブが始動に必要なリフト量までリフトするのを待たなければならず、始動に時間がかかる。その上、始動時には他の補記類にも電力供給する必要があるので、他の補機類に電力を奪われてアクチュエータに十分な電力を供給できず、始動に更に時間がかかる。このため、内燃機関の始動性が悪化するという問題がある。
特開２００４−１５０３３２号公報

本発明は、上述の問題を解決するために創作されたものであって、内燃機関の始動性がよいアクチュエータを提供することを目的とする。

請求項１から４に記載の発明によると、モータ部への通電が停止すると制御軸は吸気バルブ又は排気バルブのリフト量が最小リフト量より大きく且つ最大リフト量より小さい所定のリフト量になる軸方向位置に定位するので、始動時に吸気バルブ又は排気バルブをリフトさせる必要がないかまたはリフトさせる量を少なくできる。これにより、始動の際に吸気バルブ又は排気バルブが始動に必要なリフト量までリフトするのを待つ時間が不要になるかまたはその時間を短縮できる。更に、始動に必要な電力が少なくて済むので始動に必要な電力が供給されるのを待つ時間についても短縮できる。よって、内燃機関の始動性がよい。

請求項２に記載の発明によると、始動時に吸気バルブ又は排気バルブをリフトさせる必要がないので、内燃機関の始動性がよい。
請求項３に記載の発明によると、所定のリフト量になる軸方向位置に制御軸を定位させる場合についてはモータ部への通電は不要なので、最も頻繁に用いられるリフト量を所定のリフト量として設定すると、内燃機関の運転中にアクチュエータに通電する機会を減少でき、消費電力を低減できる。

請求項４に記載の発明によると、回転軸に軸受を固定するナットのねじ締め方向は前記逆回転と同じ方向なので、ナットにはねじり応力によってねじ締め方向の力が作用する。よって、軸受を固定するナットの緩みを防止できる。

以下、本発明の複数の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、本発明の第１実施形態によるバルブリフト制御装置１０の斜視図である。車両に搭載されるバルブリフト制御装置１０は、内燃機関の吸気バルブ２のリフト量を制御する。なお、バルブリフト制御装置１０は排気バルブのリフト量を制御するものであってもよい。バルブリフト制御装置１０は、制御軸１２と、変化機構２０と、アクチュエータ３０とから構成されている。

制御軸１２は、アクチュエータ３０の駆動ねじ軸４２と連結されており、駆動ねじ軸４２により直線方向に往復駆動される。
変化機構２０は、制御軸１２の軸方向に制御軸１２とともに直線運動するスライダギア２２、２４を、ローラ２７を有する入力部２６および揺動カム２８にヘリカルスプライン結合させて構成されている。このヘリカルスプライン結合により、制御軸１２の軸方向位置に応じて入力部２６と揺動カム２８との相対位相差が変化する。入力部２６のローラ２７はカム軸６の吸気カム７に接触し、また揺動カム２８は吸気バルブ２のロッカーアーム４に接触可能に設けられている。揺動カム２８は、ロッカーアーム４を介し、コイルばね３の荷重に抗して吸気バルブ２を開閉駆動する。そして、入力部２６と揺動カム２８との相対位相差に応じてロッカーアーム４の揺動角度が変化する。したがって、変化機構２０では、制御軸１２の軸方向位置が変化するのに応じて吸気バルブ２のリフト量（以下、単にバルブリフト量という）が変化し、それによって吸気バルブ２の作用角や最大バルブリフト量等といったバルブ特性が制御される。コイルばね３の付勢力は、吸気バルブ２から制御軸１２へバルブ反力として伝達される。このバルブ反力はアクチュエータ３０とは反対側の矢印Ｂ方向へ向かう外力として制御軸１２に常に作用する。Ｂ方向は吸気バルブ２のリフト量が小さくなる方向である。

図１は、アクチュエータ３０の断面図である。アクチュエータ３０は、ハウジング本体３２およびカバー３６を有するハウジング内に、送りねじ機構４０、モータ部としてのモータ５０等を収容している。ハウジング本体３２とカバー３６とはボルト３８で結合されている。アクチュエータ３０は、送りねじ機構４０によりモータ５０の回転トルクを駆動ねじ軸４２の矢印Ａ、Ｂ方向への直線運動に変換し、駆動ねじ軸４２と連結している制御軸１２を直線駆動する。アクチュエータ３０は、図１の矢印Ａ、Ｂ方向が略水平方向となるようにして車両に搭載されている。

ハウジング本体３２は有底筒状に形成され、底部３４がエンジンヘッド等に嵌合した状態で内燃機関にボルト固定されている。ハウジング本体３２内には、底部３４を貫通するオイル供給路２００を通じて内燃機関のオイルポンプから潤滑油が供給される。
送りねじ機構４０は、ねじ軸としての駆動ねじ軸４２、回転軸としての円筒状のナット４４、複数のボール８７、およびボール８７を無限循環させる図示しない循環機構を組み合わせてなるボールねじである。駆動ねじ軸４２は、ハウジング本体３２の底部３４に形成された貫通孔３５を通してナット４４内に挿入されている。駆動ねじ軸４２の外周とナット４４の内周とには螺旋状の溝が形成されており、この溝をボールが転動する。このようなボールねじにより、ナット４４が回転することによって駆動ねじ軸４２は軸方向に移動する。すなわち、送りねじ機構４０は、ナット４４の回転運動を駆動ねじ軸４２の直線運動に変換する機構である。駆動ねじ軸４２と制御軸１２とは継ぎ手１４により連結されている。このように駆動ねじ軸４２と制御軸１２とが連結されているので、駆動ねじ軸４２は制御軸１２とともに直線運動する。なお、送りねじ機構４０はボールねじ以外であってもよく、例えば台形ネジや遊星ねじでもよい。

カップ状のナット４６は、ナット４４の軸方向端部にねじ結合しており、ロータコア５２を、ナット４４の外周壁から環状に張り出す段部の段差部４４ａに押し付けている。
モータ５０は、ロータコア５２、永久磁石５４、ステータコア６０、ボビン６２、コイル６４等から構成されている。ロータコア５２は円筒状に形成され、ナット４６がナット４４とねじ結合する軸力により、ナット４４に押し付けられている。ロータコア５２は、ナット４４に向けて押し付けられるナット４６の軸力により、ナット４４に対する回転方向のずれを防止されている。永久磁石５４はロータコア５２の外周に周方向に交互に異なる磁極を形成するように複数設置されている。ロータコア５２および永久磁石５４は、ナット４４とともに正逆方向に回転する。

ステータコア６０は、駆動ねじ軸４２の軸方向に積層された磁性鋼板により構成されており、ボルト６６によりハウジング本体３２に固定されている。ステータコア６０は、永久磁石５４の外周を囲むように環状に形成されており、内側の永久磁石５４に向けて突出するティース６１を周方向に複数設けている。ボビン６２は各ティース６１の外周に嵌合しており、ボビン６２にコイル６４が巻回されている。

永久磁石７２は、環状に形成されており、ナット４４の制御軸１２と反対側の端部に支持部材７０により取り付けられている。したがって、永久磁石７２はナット４４とともに回転する。永久磁石７２は、環状溝を挟んで内周側および外周側にそれぞれ環状部７３を有している。各環状部７３は、回転方向に交互に異なる磁極を形成するように着磁されている。環状部７３同士の磁極数は異なっている。環状部７３の一方はナット４４の回転位置を検出するために使用され、環状部７３の他方は、ナット４４の回転量をカウントするために使用される。ホール素子７４は永久磁石７２の内周側および外周側の環状部７３とそれぞれ向き合うようにカバー３６側に設置されている。ホール素子７４は、ナット４４とともに永久磁石７２が回転することによる磁束密度の変化を検出する。

ナット４４に働くラジアル力を支持する軸受８０は、ナット４４と同軸に設置されており、正逆方向に回転自在にナット４４を支持している。環状の支持部材８２は、ボルト８４がハウジング本体３２にねじ結合することにより、ハウジング本体３２に向けて軸受８０を係止している。また、ナット４４の外周には軸受８０を固定するためのナット８５がねじ結合されており、皿ばね８６は環状部材８２に向けて軸受８０に荷重を加えている。

ねじりコイルばね９１はコイル状のばねであって、内側をナット４４が軸方向に貫通するように設置されている。ねじりコイルばね９１の一端はロータコア５２に固定されている。支持部材８２にはＬ字部材８３が固定されており、ねじりコイルばね９１の他端はＬ字部材８３に固定されている。ねじりコイルばね９１はナット４４がＸ方向に回転するとねじられてねじり応力を蓄積し、ナット４４がＹ方向に逆回転するとねじれが解消されてねじり応力が小さくなる。ねじりコイルばね９１は予めＸ方向にねじられた状態で組み付けられており、ナット４４は制御軸１２が軸方向のいずれの位置にあっても常にねじりコイルばね９１からＹ方向のトルクを受けている。

電子制御装置（以下、ＥＣＵという）１３０は、ホール素子７４の検出信号から、ナット４４の回転位置と、ナット４４の回転量を算出する。そして、各種センサの検出信号から内燃機関の運転状態を判定し、内燃機関の運転状態に最適な吸気バルブ２のリフト量を算出する。そして、算出したリフト量になるようにコイル６４への通電を制御し、駆動ねじ軸４２の直線移動量、すなわちナット４４の正逆方向への回転量を制御する。

次に、外力がナット４４を回転させるトルクと吸気バルブ２のリフト量との関係、およびねじりコイルばね９１のねじり応力がナット４４を逆回転させるトルクと吸気バルブ２のリフト量との関係について説明する。
図１においてＢ方向に作用する外力は、ナット４４にＸ方向の回転トルクとして作用する。モータ５０への通電が停止したとき、仮に何の対策も講じていないとすると、外力から受けるトルクによってナット４４がＸ方向に回転し、制御軸１２がＢ方向に移動する。前述したようにＢ方向は吸気バルブ２のリフト量が小さくなる方向である。従って、制御軸１２は吸気バルブ２のリフト量が最小リフト量になる軸方向位置まで移動してしまうことになる。そこで、本実施形態ではねじりコイルばね９１のねじり応力によってナット４４にＹ方向のトルクを作用させることにより、モータ５０への通電が停止したときに吸気バルブ２のリフト量が最小リフト量になる軸方向位置まで制御軸１２が移動してしまうことを防止する。

図３は、上述した各トルクと吸気バルブ２のリフト量との関係を示すグラフである。外力は制御軸１２を介してナット４４をＸ方向に回転させるトルクＦ１として作用する。図示するようにトルクＦ１は吸気バルブ２のリフト量が大きくなるにつれて大きくなる。一方、ねじりコイルばね９１のねじり応力はナット４４をＹ方向に回転させるトルクＦ２として作用する。図示するようにトルクＦ２は吸気バルブ２のリフト量が大きくなるにつれて小さくなる。

ねじりコイルばね９１は、図示するように吸気バルブ２のリフト量が最小リフト量にあるときはＦ１＜Ｆ２が満たされ、吸気バルブ２のリフト量が最大リフト量にあるときはＦ１＞Ｆ２が満たされるように設計されている。
吸気バルブ２のリフト量が最小リフト量にあるときはトルクＦ１がトルクＦ２を下回るので、この状態でモータ５０への通電が停止するとナット４４はＹ方向に回転する。ナット４４がＹ方向に回転すると吸気バルブ２のリフト量が増大し、それにともなってＦ１が増大するとともに、Ｆ２が減少する。吸気バルブ２のリフト量が「所定のリフト量」に達するとＦ１＝Ｆ２となってナット４４の回転が停止し、制御軸１２はその軸方向位置で定位する。

吸気バルブ２のリフト量が最大リフト量にあるときはトルクＦ１がトルクＦ２を上回るので、この状態でモータ５０への通電が停止するとナット４４はＸ方向に回転する。ナット４４がＸ方向に回転すると吸気バルブ２のリフト量が減少し、それにともなってＦ１が減少するとともに、Ｆ２が増大する。吸気バルブ２のリフト量が「所定のリフト量」に達するとＦ１＝Ｆ２となってナット４４の回転が停止し、制御軸１２はその軸方向位置で定位する。

上述した「所定のリフト量」は、ねじりコイルばね９１によって適宜調整可能である。第１実施形態では内燃機関の始動に必要なリフト量を「所定のリフト量」として設定している。内燃機関の始動に必要なリフト量を「所定のリフト量」として設定すると、始動の際に吸気バルブ２は既に始動に必要なリフト量までリフトしている。このため、始動の際に吸気バルブ２が始動に必要なリフト量までリフトするのを待つ必要がなく、始動時間を短縮できる。また、始動の際に吸気バルブ２を始動に必要なリフト量までリフトさせるためにアクチュエータ３０に電力を供給する必要がなく、電力を車両の他の補機類に奪われても内燃機関を始動できるので、始動時間を短縮できる。

以上説明した第１実施形態によると、モータ５０への通電が停止すると、外力が駆動ねじ軸４２を介してナット４４を回転させるトルクとねじり応力がナット４４を逆回転させるトルクとの釣り合いにより、制御軸１２は吸気バルブ２のリフト量が始動に必要なリフト量になる軸方向位置に定位する。これにより、始動時に吸気バルブ２をリフトさせる必要がない。このため、始動の際に吸気バルブ２が始動に必要なリフト量までリフトするのを待つ時間が不要になる上、始動に必要な電力が供給されるのを待つ時間についても不要になる。よって、内燃機関の始動性がよい。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態によるアクチュエータ１０４の断面図である。ねじりコイルばね１００は、内側をナット４４が軸方向に貫通するようにナット４４と同軸に設置されている。ナット４４の外周には軸受８０を固定するためのナット１０１がねじ結合されており、ねじりコイルばね１００の一端はのナット１０１に固定されている。ハウジング３２には固定部としてのＬ字部材１０２が固定されており、ねじりコイルばね１００の他端はＬ字部材１０２に固定されている。Ｌ字部材１０２はナット４４が回転しても回転しない。

ナット４４には信頼性向上の目的で熱処理が施されている。熱処理を施すと表面硬度が高くなるので、ナット１０１をナット４４に大きいトルクでねじ結合すると遅れ破壊を引き起こす可能性がある。このため、ナット１０１を大きなトルクで締結できない。この場合、ナット１０１の緩みが問題となる。このため、ナット１０１のねじ締め方向は、ナット４４がねじりコイルばね１００のねじり応力によって回転する方向（Ｙ方向）と同じ方向になるように設計されている。ナット１０１のねじ締め方向をＹ方向にすると、ねじり応力によってナット１０１にねじ締め方向の力が作用するので、ナット１０１の緩みを防止できる。

（他の実施形態）
なお、上述した「所定のリフト量」は、最も頻繁に利用されるリフト量であってもよい。「所定のリフト量」はコイル６４に通電しなくても吸気バルブ２をそのリフト量のままで定位させておくことのできる量なので、最も頻繁に利用されるリフト量を「所定のリフト量」として設定すれば、他のリフト量を「所定のリフト量」として設定する場合に比べて電力供給の機会が減少し、消費電力を小さくできる。

なお、上述した実施例では外力が図２に示すＢ方向に作用する場合を例に説明したが、外力はＡ方向に作用してもよい。
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲
で種々の実施形態に適用可能である。

本発明の一実施形態に係るアクチュエータ３０の断面図。 （Ａ）および（Ｂ）は本発明の一実施形態に係るバルブリフト制御装置の斜視図。 本発明の一実施形態に係るトルクと吸気バルブのリフト量との関係を示すグラフ。 本発明の一実施形態に係るアクチュエータの断面図。

符号の説明

２ 吸気バルブ、１０ バルブリフト制御装置、１２ 制御軸、２０ 変化機構、３０ アクチュエータ、４０ 送りねじ機構、４２ 駆動ねじ軸（ねじ軸）、４４ ナット（回転軸）、５０ モータ（モータ部）、８０ 軸受、９１ ねじりコイルばね、１００ ねじりコイルばね、１０１ ナット、１０２ Ｌ字部材（固定部材）、１０４ アクチュエータ

Claims (4)

1. 内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブのリフト量を軸方向位置に応じて変化させる制御軸であって常に軸方向の外力を受けている制御軸を直線駆動するアクチュエータであって、
   前記制御軸と共に軸方向に直線運動するねじ軸、並びに前記ねじ軸と同軸に配置されて回転運動する回転軸を有し、前記回転軸の回転運動を前記ねじ軸の直線運動に変換する送りねじ機構と、
   通電により前記回転軸を回転駆動するモータ部と、
   前記制御軸を前記外力と同じ方向に移動させる方向に前記回転軸が回転するとねじられて前記回転軸を逆回転させるねじり応力を蓄積し、前記モータ部への通電が停止すると、前記外力が前記ねじ軸を介して前記回転軸を回転させるトルクと前記ねじり応力が前記回転軸を逆回転させるトルクとの釣り合いにより、前記制御軸を前記吸気バルブ又は前記排気バルブのリフト量が最小リフト量より大きく且つ最大リフト量より小さい所定のリフト量になる軸方向位置に定位させるねじりコイルばねと、
   を備えることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記所定のリフト量は、内燃機関の始動に必要なリフト量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。
3. 前記所定のリフト量は、最も頻繁に用いられるリフト量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。
4. 前記回転軸に嵌合され前記回転軸に働くラジアル力を支持する軸受と、
   前記回転軸にねじ結合され前記回転軸に前記軸受を固定するナットと、
   を更に備え、前記ねじりコイルばねは前記回転軸と同軸に配置され、一端を前記ナットに固定され、他端を前記回転軸が回転しても回転しない所定の固定部に固定され、前記ナットのねじ締め方向は前記逆回転と同じ方向であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のアクチュエータ。
   
   
   
   

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