JP2010024905A - アクチュエータ装置及びこのアクチュエータ装置が適用される内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動モータの総回転数を大きくして負荷トルクを低減化することにより、所定のリフト位置での消費エネルギーを低減できると共に、保持安定性が図れるアクチュエータ装置を提供する。
【解決手段】機関運転状態に応じて制御軸６が軸方向に移動して吸気弁のバルブリフト量及び作動角を可変制御する可変機構と、前記制御軸の移動を制御するアクチュエータ装置８とを備えている。アクチュエータ装置は、螺子軸２０と、該螺子軸に回転力を付与する電動モータ２１と、螺子軸の雄ねじ部に螺合して、螺子軸の回転に伴い軸方向へ移動する螺子ナット２２と、螺子ナットと制御軸との間を連係する第２伝達機構２３と、該第２伝達機構から回転力が伝達される伝達軸１８と、該伝達軸の回転力を直線運動に変換して前記制御軸に伝達する第１伝達機構１９と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動トルクの低減化を図りつつ消費エネルギーを低減できるアクチュエータ装置及びこのアクチュエータ装置が適用され、機関弁である吸気弁や排気弁のリフト量や開閉時期などの作動特性を機関運転状態に応じて可変にする内燃機関の可変動弁装置に関する。

この種の従来のアクチュエータ装置としては、バルブリフト可変機構に適用された以下の特許文献１などに記載されたものがある。

前記バルブリフト可変機構は、一方向に延びる駆動軸(制御軸)と、該駆動軸の外周面を覆う支持パイプ(ロッカシャフト)と、該支持パイプの外周面上で前記駆動軸の軸方向に並んで配置された入力アーム及び揺動カムとを備え、前記駆動軸をアクチュエータ装置によって軸方向へ移動させてスライダーギアを軸方向に移動させることによって、ヘリカルスプラインを介して前記入力アーム及び揺動カムの相対位相差が変化して吸気弁のバルブリフト量を変更させるようになっている。

アクチュエータ装置は、前記駆動軸に接続されたボールねじと、駆動軸の軸心を中心に回転自在に設けられた直動機構ナットと、電動モータを構成するコイルとを備え、該電動モータのコイルへの通電によって前記直動機構ナットが回転運動すると、その回転運動がボールねじを介して駆動軸に伝達されて該駆動軸を軸方向へ直線運動させるようになっている。
特開２００５−３３０９４２号公報

前記従来のアクチュエータ装置のように、駆動軸(制御軸)を軸方向に移動するものにあっては、内燃機関の各気筒間のスペースが比較的小さいことから支持パイプ(ロッカシャフト)のジャーナル間隔も狭く、前記スライダーギアを軸方向に大きく移動させることができず、駆動軸の軸方向の移動量を、例えば約７ｍｍ程度の小さな移動量としている。

このため、吸気弁のバルブリフト量を最小リフトと最大リフトとの間をフル変換する場合の電動モータの総回転数を大きく設定することが困難になる、つまり、電動モータの減速比を大きくすることが困難になる。

これによって、前記電動モータに過大な負荷トルクが発生して、所定のバルブリフト特性に保持する場合の消費電力が増加すると共に、保持安定性が悪化し易くなるといった技術的課題を招いている。

本発明は、前記従来のアクチュエータ装置の技術的課題に鑑みて案出されたもので、請求項１に記載の発明は、軸方向の移動に伴って機関弁の作動特性を可変させる制御軸にほぼ直交するように配置されて、回動可能に設けられた伝達軸と、該伝達軸の回転運動を軸方向の移動に変換して前記制御軸に伝達する第１伝達機構と、回転可能に設けられ、前記伝達軸にほぼ直交するように配置された螺子軸と、該螺子軸を回転駆動する駆動機構と、前記螺子軸の回転に伴って軸方向に移動する移動部材と、該移動部材の軸方向の移動を回転運動に変換して前記伝達軸に伝達する第２伝達機構と、を備えたことを特徴としている。

請求項２０に記載の発明は、前記アクチュエータ装置が適用される内燃機関の可変動弁装置に関し、制御軸を軸方向に移動させることにより機関弁の作動特性を可変にする可変機構と、前記制御軸とほぼ直交する方向に配置され、回転可能に設けられた伝達軸と、該伝達軸の回転に対して減速比が変化するように軸方向の移動に変換して前記制御軸に伝達する第１伝達機構と、回転可能に設けられて、前記伝達軸にほぼ直交する方向に配置された螺子軸と、該螺子軸を回転駆動させる駆動機構と、前記螺子軸の回転に伴って軸方向へ移動する移動部材と、該移動部材の軸方向への直線移動に対して減速比が変化するように回転運動に変換して前記伝達軸に伝達する第２伝達機構と、を備えたことを特徴としている。

この発明によれば、制御軸から移動部材までの動力伝達経路中に、第１伝達機構や伝達軸及び第２伝達機構を介在させて前記移動部材の移動量を大きくすることができるため、前記移動部材を軸方向へ最大に移動させてフル変換させた場合の螺子軸の回転、つまり駆動機構の総回転数を大きくすることが可能になる。このため、駆動機構の負荷トルクを低減化でき、所定のリフト特性に保持する場合の消費エネルギーを低減できると共に、該所定のリフト位置での保持安定性が図れる。

以下、本発明に係るアクチュエータ装置を内燃機関の可変動弁装置に適用した各実施形態を図面に基づいて詳述する。

この実施形態では、可変動弁装置を吸気弁側に適用したものであって、１気筒当たり２つの吸気弁を備え、かつ吸気弁のバルリフト量及び作動角を機関運転状態に応じて可変にするようになっている。

前記可変動弁装置は、基本構成は特開２００８−３１９５２号公報に記載されたものであるから図１〜図２Ａ、Ｂに基づいて簡単に説明すると、シリンダヘッド１に図外のバルブガイドを介して摺動自在に設けられて、バルブスプリング３，３によって閉方向に付勢された一気筒当たり２つの吸気弁２と、該各吸気弁２のバルブリフト量及び作動角を可変制御する可変機構４を備えている。

この可変機構４は、シリンダヘッド１の上部に一定間隔ごとに設けられた多数の隔壁に軸方向並びに周方向に不動となるように支持された内部中空状のロッカシャフト５と、該ロッカシャフト５の中心孔内に軸方向へ変位可能に挿入された制御軸６と、前記ロッカシャフト５の外周に設けられて、気筒数と同数に配置されたアーム組立体７と、前記制御軸６を軸方向に進退駆動させるアクチュエータ装置８と、を備えている。

前記制御軸６は、図１に示すように、機関の前後方向に配設されていると共に、外径が比較的小径に形成され、前記アクチュエータ装置８側の一端部６ａの両側面が二面幅状の切欠面に形成されている、また、この一端部６ａの先端部には、後述する第１伝達機構１９の一部を構成する突起である連繋ピン１９ｅが径方向に沿って両側に貫通状態に突設されている。

前記アーム組立体７は、ロッカシャフト５に対して各気筒に対応するように配置され、吸気側のカムシャフト９の外周に有する駆動カム９ａ及び一端部が前記各吸気弁２のステムエンドに当接したロッカアーム１０の中央に有するローラ１０ａとの間に配設されて、入力アーム１１と２つの揺動カム１２並びにスライダーギア１３と、を備えている。

前記入力アーム１１は、ロッカシャフト５の外周面から離れる方向に突出するアーム部と、該アーム部の先端に回転自在に設けられて、前記駆動カム１１ａの外周面に転動するローラ部１１ａと、を備えている。

前記各揺動カム１２は、ロッカシャフト５の外周面から離れるように突出するほぼ三角形状に形成されたノーズ部１２ａをそれぞれ有している。このノーズ部１２ａの下面に形成された凹状のカム面１２ｂに、前記バルブスプリング３のばね力によって前記ロッカアーム１０のローラ１０ａが押し付けられている。

前記入力アーム１１と各揺動カム１２は、一体となって制御軸６(ロッカシャフト５)の軸心を中心として揺動し、前記カムシャフト９が回転すると、駆動カム９ａに当接された入力アーム１１がローラ部１１ａを介して揺動することに伴ってそれぞれ揺動する。各揺動カム１２の揺動力がロッカアーム１０を介して各吸気弁２に伝達されて開閉作動するようになっている。

前記スライダーギア１３は、図１に示すように、ロッカシャフト５の外周面に対して回転可能でかつ軸方向へ摺動自在に支持され、その軸方向の中央部には右ねじ螺旋状のヘリカルギア１４が設けられていると共に、ヘリカルギア１４の両側に位置して、ヘリカルギア１４とは逆に左ねじ螺旋状の２つのヘリカルギア１５、１５がそれぞれ設けられている。

一方、スライダーギア１３を収容する空間を規定する前記入力アーム１１及び２つの揺動カム１２の内周面には、前記ヘリカルギア１４，１５，１５にそれぞれ対応する右ねじ、左ねじ螺旋状のヘリカルスプラインがそれぞれ形成されて、各ヘリカルギア１４，１５，１５に噛み合っている。

前記スライダーギア１３には、ヘリカルギア１４と一方のヘリカルギア１５との間に位置して円周方向に伸びる長孔１６が形成されている一方、ロッカシャフト５には、前記長孔１６の一部と重なるように軸方向に伸びる図外の長孔が形成されている。前記制御軸６には、前記両長孔の重なった部分を通じて突出する係止ピン１７が一体に設けられている。

したがって、制御軸６がアクチュエータ装置８によって軸方向へ移動すると、スライダーギア１３が係止ピン１７により押されてヘリカルギア１４，１５、１５が同時に制御軸６の軸方向に移動する。このようなヘリカルギア１４，１５の軸方向の移動に対してこれらにスプライン係合された入力アーム１１及び揺動カム１２は、軸方向に移動しないため、ヘリカルスプラインの噛み合いを通じて制御軸６の軸心回りに回動する。

このとき、入力アーム１１と揺動カム１２は、形成されたヘリカルスプラインの向きが逆であるため、回動方向が互いに逆方向になる。これにより、入力アーム１１及び揺動カム１２との相対位相差が変化して、前記吸気弁２のリフト量と作動角は変更されるようになっている。

前記アクチュエータ装置８は、図１に示すように、前記制御軸６と直交する方向へ配置されて回動可能に設けられた伝達軸１８と、該伝達軸１８と制御軸６との間に介装されて、伝達軸１８の回転運動を軸方向の直線運動に変換して前記制御軸６に伝達する第１伝達機構１９と、ハウジング２４内に回転可能に設けられて、前記伝達軸１８の端部にほぼ直交する方向へ配置された螺子軸２０と、該螺子軸２０を正逆回転駆動させる駆動機構である電動モータ２１と、前記螺子軸２０の回転に伴って該螺子軸２０上を軸方向に移動する移動部材である螺子ナット２２と、該螺子ナット２２の軸方向の移動を回転運動に変換して前記伝達軸１８に伝達する第２伝達機構２３と、を備えている。

前記伝達軸１８は、機関幅方向に延設されて、前記第１伝達機構１９が配置された部位の両側部に軸受用のジャーナル部１８ａ、１８ａが形成されている。

前記第１伝達機構１９は、図１及び図５に示すように、側面からみてほぼ雨滴状に形成されたリンクレバー１９ａと、前記制御軸６の先端部６ａに形成された貫通孔６ｂに回転自在に支持されて、リンクレバー１９ａに連係する前記連繋ピン１９ｅと、を備えている。

前記リンクレバー１９ａは、円筒状の基部の内部軸方向に前記伝達軸１８が圧入される圧入用孔１９ｂが形成されていると共に、前記基部から径方向に突出した突出部に前記伝達軸１８と直交する方向へ前記制御軸６の先端部６ａが挿通されるスリット状の係入溝１９ｃが形成されている。また、前記突出部の伝達軸１８の軸方向に前記連繋ピン１９ｅが係合する係合溝１９ｄがそれぞれ形成されている。

前記連繋ピン１９ｅは、前記貫通孔６ｂ内に中央の円柱部が回転自在に支持されていると共に、先端部６ａの両側から突出した両端部の外面が二面幅状に切欠されて、この平坦な両側面１９ｆ、１９ｆが前記係合溝１９ｄ、１９ｄの対向両側面に摺動自在に当接している。

なお、第１伝達機構１９の他例としては、図６に示すように、リンクレバー１９ａの幅厚さが小さく設定されていると共に、細長いＵ字形状の前記係合溝１９ｄの一方のみが形成されている。一方、連繋ピン１９ｅは、制御軸６の貫通孔６ｂに回転自在に支持される円柱部の軸方向の一端部のみが形成され、この外面に二面幅状の平坦な両側面１９ｆ、１９ｆが形成されている。したがって、この他例では、構造が簡素化されて製造作業や組付作業が容易になる。

前記ハウジング２４は、シリンダヘッド１の端部に固定されていると共に、前記伝達軸１８の軸方向とほぼ直角方向に沿って配置され、前記螺子軸２０などが収容された円筒部２４ａと、該円筒部２４ａの上端部中央に上方へ突出して、内部に前記伝達軸１８の一端部が臨む膨出部２４ｂと、から主として構成されている。

前記電動モ−タ２１は、比例型のＤＣモータによって構成され、ほぼ円筒状のモータケーシングの先端小径部が前記円筒部２４ａの一端開口部に圧入固定されている。また、電動モ−タ２１のモータ軸２１ａは、モータケーシングの先端小径部内に設けられたボールベアリング２５によって軸受されている。

また、電動モータ２１は、機関の運転状態を検出するコントローラ４１からの制御信号によって駆動するようになっている。このコントローラ４１は、機関回転数を検出するクランク角センサ４２や吸入空気量を検出するエアーフローメータ４３、機関の水温を検出する水温センサ４４及び前記伝達軸１８の回転位置を検出するポテンショメータ２６等の各種のセンサからの検出信号をフィードバックして現在の機関運転状態を演算などにより検出して、前記電動モータ２１に制御信号を出力している。

前記螺子軸２０は、ハウジング２４の円筒部２４ａ内で前記制御軸６とほぼ平行でかつ前記電動モータ２１の駆モータ軸２１ａとほぼ同軸上に配置されて、両端部を除く外周面全体に螺合部である雄ねじ部２７が連続して形成されていると共に、円筒部２４ａの一端開口部と他端開口部にそれぞれ臨んだ両端部２０ａ、２０ｂがボールベアリング２８、２９によって回転自在に軸受けされている。

また、螺子軸２０の他端部２０ｂの先端部には、螺子軸２０を円筒部２４ａ内に保持するナット３０が螺着されており、このナット３０は、一端側の突起部が一方側ボールベアリング２９の内輪を螺子軸２０の他端部２０ｂ側に有する段差部に押し付けて固定すると共に、螺子軸２０と一体的に回転するようになっている。

さらに、螺子軸２０は、一端部２０ａの先端小径軸と電動モータ２１のモータ軸２１ａの先端小径部が円筒状の連結部材３１によって同軸上で軸方向移動可能にセレーション結合されている。

前記螺子ナット２２は、ほぼ円筒状に形成され、内周面全体に前記雄ねじ部２７に螺合して螺子軸２０の回転力を軸方向への移動力に変換する雌ねじ部３２が形成されていると共に、軸方向のほぼ中央位置の両端部にピン穴が直径方向に沿って形成されている。そして、前記螺子ナット２２は、図３に示す最大左方向の移動位置で前記伝達軸１８などを介して制御軸６を図１の黒抜き矢印方向へ移動させて吸気弁２を最小リフト側に制御し、図４に示す最大右方向の移動位置で前記伝達軸１８などを介して制御軸６を第１の白抜き矢印方向へ移動させて吸気弁２を最大リフト側に制御するようになっている。

前記第２伝達機構２３は、ハウジング２４内で前記伝達軸１８の一端部の外周に固定された連係アーム３３と、該連係アーム３３と前記螺子ナット２２とを連係するリンク部材３４とから主として構成されている。

前記連係アーム３３は、図１及び図３に示すように、ほぼ雨滴状に形成され、大径基部に貫通形成された固定用孔３３ａ内に伝達軸１８の一端部１８ｂが圧入固定されていると共に、先細り状の先端部３３ｂの幅方向の中央位置にスリット３３ｃが形成されている。また、前記先端部３３ｂには、伝達軸１８方向に沿って連続して貫通形成された２つのピン孔にピン３５が挿通固定されている。

前記リンク部材３４は、ほぼＹ字形状に形成され、平板状の一端部３４ａと二股状の他端部３４ｂとからなり、前記一端部３４ａは、前記連係アーム３３のスリット３３ｃ内に挿通配置されて、連係アーム３３の前記ピン孔と自身のピン孔に貫通したピン３５によって連係アーム３３の先端部３３ｂに回転自在に連結されている。一方、二股状の他端部３４ｂは、螺子ナット２２の両側に配置されて、それぞれ対向して貫通形成されたピン孔と螺子ナット２２のピン穴にそれぞれ挿通された２つのピン軸３６によって螺子ナット２２に対して回転自在に連結されている。

また、前記ハウジング２４の側壁の内側には、図３及び図４に示すように、前記連係アーム３３を介して伝達軸１８の左右の最大回転位置を規制する２つの第１、第２ストッパピン３７、３８が設けられている。

すなわち、前記第１ストッパピン３７は、前記伝達軸１８が図３に示す時計方向へ最大に回転して前記可変機構４(制御軸６)によって吸気弁２，２のバルブリフト量を最小リフトとする側壁位置に固定されている。一方、第２ストッパピン３８は、伝達軸１８が図４に示すように反時計方向へ最大に回転して前記バルブリフト量を最大リフトとする側壁位置に固定されており、これら第１，第２ストッパピン３７，３８によって伝達軸１８の左右の最大回転位置が規制されるようになっている。

また、前記ハウジング円筒部２４ａの各開口部の各内側に、段差部がそれぞれ形成されていると共に、該各段差部に金属ばね部材であるコイルスプリング３９、４０がそれぞれ設けられている。

この各コイルスプリング３９，４０は、ほぼ截頭円錐状に形成され、図３及び図４に示すように、前記連係アーム３３が左右方向へ最大に回転して第１、第２ストッパピン３７、３８に当接する直前に先端側の小径部が螺子ナット２２の各前後端面に当接して該螺子ナット２２にばね力を付与するようになっている。したがって、この各コイルスプリング３９，４０は、螺子ナット２２の左右方向側の最大移動付近位置以外の通常の移動位置では、該螺子ナット２２とは離間してなんらばね付勢力を付与しないようになっている。

以下、本実施形態の作用を説明すれば、まず、機関の始動から機関のアイドリング運転時を含む低回転運転領域には、コントローラ４１から出力された制御電流によって電動モータ２１が回転し、このトルクが螺子軸２０に伝達されて一方向へ回転すると、この回転に伴って螺子ナット２２が図３に示すように、最大左方向位置に移動し、連係アーム３３の先端部３３ｂの一側面が第１ストッパピン３７に当接してそれ以上の回転が規制される。このとき、螺子ナット２２の一端面が第１コイルスプリング３９の小径部に押圧して圧縮変形する。

これによって、前記伝達軸１８は、リンク部材３４及び連係アーム３３を介して時計方向に回転駆動され、この回転力が第１伝達機構１９のリンクレバー１９ａに伝達されて該リンクレバー１９ａが図中時計方向へ回転すると、図５Ａに示すように、連繋ピン１９ｅを介して制御軸６を最大左軸方向ΔＬへ移動させる。

そうすると、前記係止ピン１７を介して各ヘリカルギア１４，１５、１５も制御軸６と同じ軸方向へ移動して入力アーム１と揺動カム１２のなす角度βが変化する。すなわち、揺動カム１２が、図２の時計方向へ回動してベースサークル側に回動してβ角度が最小になって最小リフト側に制御される。

したがって、ロッカアーム１０の揺動角度が小さくなって、各吸気弁２のピークバルブリフト量が図７に示すように最小リフト量Ｌ１となるように制御される。

これにより、かかる機関の低回転領域では、バルブリフト量が最も小さくなることにより、各吸気弁２の開時期が遅くなり、排気弁とのバルブオーバラップが小さくなる。このため、燃費の向上と機関の安定した回転が得られる。

そして、前記連係アーム３３が第１ストッパピン３７に当接される直前には、第１コイルスプリング３９の小径部が螺子ナット２２の一端面に当接してばね反力を付与する。このため、第１ストッパピン３７に対する連係アーム３３の十分な緩衝作用が得られ、両者の衝突を確実に回避することができる。

また、機関低回転領域から定常運転の中回転域に移行した場合は、コントローラ４１から出力された制御電流によって電動モータ２１が反対方向へ回転して、螺子軸２０が他方向へ回転する。この回転に伴って螺子ナット２２が、最大左方向位置から右方向のほぼ中間位置に移動し、これに伴いリンク部材３４を介して連係アーム３３も図３の位置から反時計方向へ所定角度まで回転する。

これによって、前記伝達軸１８は、リンク部材３４及び連係アーム３３を介して反時計方向へ所定角度だけ回転駆動され、この回転力が第１伝達機構１９を介して制御軸６を図５Ｂに示す位置まで右軸方向へ移動させる。

そうすると、前記係止ピン１７を介して各ヘリカルギア１４，１５、１５も制御軸６と同じ軸方向へ移動して入力アーム１と揺動カム１２のなす角度βが前記最小角度よりも大きくなるように変化する。

したがって、ロッカアーム１０の揺動角度が最小よりも大きくなって、各吸気弁２のピークバルブリフト量が図７に示すように中間リフト量Ｌ２になるように制御される。

したがって、かかる機関の中回転領域では、バルブリフト量が中程度の大きさになることにより、バルブオーバーラップが僅かに大きくなって燃費の向上と機関トルクの向上が図れる。

次に、機関が高回転域に移行した場合は、コントローラ４１からの制御信号によって電動モータ２１がさらに逆回転して螺子軸２０を同方向へさらに回転させると、この回転に伴って螺子ナット２２が図４に示すように、右方向へ大きく移動する。このとき、連係アーム３３が第２ストッパピン３８に突き当たった位置でそれ以上の移動が規制され、螺子ナット２２が第２コイルスプリング４０を圧縮変形させながらそれ以上の移動も規制される。

これによって、前記伝達軸１８は、図５Ｃに示すようにさらに反時計方向へ回転駆動され、この回転力が第１伝達機構１９に伝達されてリンクレバー１９ａを図中時計方向へ回転させると、図５Ｃの示すように、連繋ピン１９ｅを介して制御軸６を最大右方向へΔＬの長さだけ移動させる。

そうすると、前記係止ピン１７を介して各ヘリカルギア１４，１５、１５も制御軸６と同じ軸方向へさらに移動して入力アーム１と揺動カム１２のなす角度βが最大に変化する。すなわち、揺動カム１２が、図２Ａ、Ｂに示すように、反時計方向へさらに回動してリフト側(ノーズ部１２ａ側)に回動して入力アーム１１との相対的なβ角度が最大になる。

したがって、ロッカアーム１０の揺動角度が大きくなって、各吸気弁２のピークバルブリフト量及び作動角が図７に示すように中間リフトＬ２よりもさらに大きくなって最大リフトＬ３となるように制御される。

よって、かかる高回転領域では、各吸気弁２の開時期が早くなると共に、閉時期が遅くなり、排気弁とのバルブオーバーラップが大きくなる。この結果、吸気充填効率が向上して十分な出力が確保できる。

そして、本実施の形態は、前記制御軸６の最大軸方向の移動長さΔＬを、第１伝達機構１９を介して伝達軸１８の比較的大きな回転角Δαに変換でき、さらには、第２伝達機構２３を介して移動部材２２の大きな軸方向の移動量に変換できることから、電動モータ２１の負荷トルクなどの低減化が図れる。

すなわち、一般に、前記制御軸６の軸方向の移動長さΔＬ(Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ)はあまり大きく取れず、例えば約５ｍｍ〜２０ｍｍ程度しか取れない。なぜなら、隣接する各気筒のそれぞれのアーム組立体７も軸方向の両側に近接して配置されており、また、ロッカシャフト５を支持する図外の軸受も気筒間に必要である結果、各アーム組立体７の軸方向の長さはあまり長くすることができない。したがって、スライダーギア１３の軸方向の移動量もあまり長く取れないのである。

そして、前記短い移動量ΔＬの間で制御軸６を電動モータ２１によってフルに移動させる場合を考えると、なるだけ電動モータ２１の総回転数を大きくする方が負荷トルクを小さくすることができるのである。

つまり、必要な変換仕事をＷとし、電動モータ２１の平均負荷トルクをＴ、総回転数をＮとした場合に、以下の式が成立する。

Ｗ＝２π×Ｎ×Ｔ…式
したがって、この式からＮが大きい方が負荷トルクＴを下げられることが理解できる。

ところで、電動モータ２１の回転運動を制御軸６の軸方向移動(直線運動)に変換する方法としては、例えば、ボール螺子機構を用いてボール螺子ナットを電動モータで回転させ、ボール螺子軸を軸方向に移動させ、直接制御軸６を軸方向に移動させる方法も考えられるが、ボール螺子軸は構造的に３ｍｍ程度のリード長さが必要になるため、前記ΔＬが５〜２０ｍｍであれば、Ｎは３で割ればよく、１．７〜６．７回転位しか取れず、したがって負荷トルクＴが過大にならざるを得なかった。これにより、所定バルブリフト特性に保持する場合、前記負荷トルクＴが過大となることから、保持安定性の悪化や保持消費電力の過大を招いていた。

本実施形態では、前述のように、ΔＬを第１伝達機構１９を介して伝達軸１８の比較的大きな回転角Δαに変換し、さらにこのΔαを第２伝達機構２３を介して螺子軸２０上の螺子ナット２２の大きな軸方向の移動量ΔＳに変換するようになっている。このΔＳは、例えば４０〜６０ｍｍと大きく、リード長さ３ｍｍのねじを用いた場合には、１３．３〜２０回転と大きく取ることができる。したがって、電動モータ２１の負荷トルクＴを半減以下に大幅に低減させることが可能になる。よって、所定バルブリフト特性に保持する場合、この負荷トルクＴの減少によって制御軸６に対する保持安定性が向上して保持消費電力も低減するのである。

また、本実施の形態では以下の作用効果も奏せられる。すなわち、図８Ａ〜Ｃは電動モータ２１の回転が制御軸６の軸方向の移動に変換されるまでの変換特性を示し、図８Ａは電動モータ２１の回転が伝達軸１８の回転角αに変換される場合の特性指標として、電動モータ２１の回転当たりの伝達軸１８の回転変換角(ｄα／ｄθ)を示している。ここで、θは、電動モータ２１の回転角であり、螺子軸２０の回転角とも一致する。

図４から分かるように最大リフト制御位置の付近では、第２伝達機構２３のリンク部材３４が螺子軸２０に対してほぼ垂直方向へ立ち上がるため、螺子ナット２２が移動しても伝達軸１８の回転として有効に変換されなくなる。つまり、ｄα／ｄθが相対的に小さくなるのである。

図８Ｂは伝達軸１８の回転角αが第１伝達機構１９を介して制御軸６の軸方向の移動量Ｌに変換される場合の特性指標として伝達軸１８の回転角α当たりの制御軸６の軸方向の移動量(ｄＬ／ｄα)を示している。図５の記載内容からわかるように、中間リフトでない最大リフト制御位置の付近あるいは最小リフト制御位置の付近ではリンクレバー１９ａの方向が制御軸６の方向に近づくので、制御軸６の軸方向の移動量として有効に伝達されなくなる。つまり、ｄＬ／ｄαが中間リフトに対して相対的に小さくなるのである。

前記図８Ａ、Ｂの指標を合成すると、図８Ｃに示す特性となる。つまり、図８Ｃは横軸に制御軸６の移動量(リフト)をとり、電動モータ２１の回転当たりの制御軸６の軸方向の移動量(ｄＬ／ｄθ)を示している。この図から分かるように、ｄＬ／ｄθは、中間リフト位置に比較して最小リフト側の端部、最大リフト側の端部で小さくなっている。したがって、同じ電動モータ２１の回転速度に対して、この両端部、つまり変換終了付近では軸移動速度が減速するため、滑らかな変換終了が可能になり、いわゆるオーバシュートなども発生しにくくなる。特に、入力の大きな最大リフト付近で、このｄＬ／ｄθが最も小さいので、前記効果が大きくなる。

一方、中間リフト量の領域では、ｄＬ／ｄθが大きくなるので、変換応答性を高めることができる。

以下、前記作用効果の説明を補足すると、図１に示すように実際のバルブリフト特性は伝達軸１８に装着された前記回転型ポテンショメータ２６によって検出するが、これによれば、制御軸６の軸方向の距離を測定するのではなく、単に伝達軸１８の回転角を検出すればよいので、前記回転型ポテンショメータ２６によってバルブリフト特性を容易に検出することができる。

また、図１に示すように、前記伝達軸１８における第１伝達機構１９を挟む両側にジャーナル部１８ａ、１８ａを設けていることから、第１伝達機構１９の支持剛性が向上して、バルブリフト特性の制御精度が向上する。

さらに、図１に示すように、制御軸６及び螺子軸２０を気筒配列方向に沿って配置して両軸６，２０が機関の長手方向に配設されることから、機関への搭載性が良好になる。

また、前記両軸６，２０を全く平行に配置することも可能であり、この場合は、アライメントの管理がし易くなる。また、前記第１伝達機構１９によって制御軸６を軸方向の一方向あるいは他方向へ強制的に移動させるようになっており、ばねによる復帰力に頼らず機械的に強制駆動するので、速やかに制御軸６を移動させる場合でも正確に切り換え作動を行うことができる。

〔第２の実施形態〕
前述した第１の実施形態では、図３、図４に示すように、螺子ナット２２が最大左方向の移動位置で最小リフト量(最小作動角)Ｌ１に制御され、最大右方向の移動位置で最大リフト量(最大作動角)Ｌ３に制御されるようになっているが、第２の実施形態ではこれを逆に設定した、つまり、図３，図４を各々鏡に写した配置としている。すなわち、最大左方向の移動位置で最大リフト量Ｌ３となり、最大右方向の移動位置で最小リフト量Ｌ１となるように設定したものである。また、電動モータ２１も鏡配置によって図３，図４の場合と左右逆に配置されている。

この場合は、電動モータ２１の回転当たりの制御軸６の移動特性が、図９Ａ〜Ｃに示すように、前記図８Ａ〜Ｃに示した特性と反対になる。すなわち、図９Ｃに示すように最小リフト時の端部の方をｄＬ／ｄθを最小としている。

これによれば、小リフト量の領域において細やかな制御が可能となる。

また、電動モータ２１が、機関本体の前後方向の後端側あるいは前端側に張り出さずに配置できるので、機関の全長の増加が抑制できる。

〔第３の実施形態〕
第３の実施形態として、例えば特開２０００−８０９０７号公報に記載された技術のように、前記制御軸を軸方向に移動させて三次元カムの軸方向位置を変更することによってリフト量を制御するリフト可変装置に適用することも可能である。このようなリフト可変装置の前記制御軸を軸方向へ駆動するものとして、前記アクチュエータ装置８である螺子軸２０や螺子ナット２２、第２伝達機構２３、伝達軸１８及び第１伝達機構１９を適用することによって第１の実施の形態と同様な作用効果が得られる。

〔第４の実施形態〕
図１０は第４の実施形態を示し、これは特開２００３−３５１１５号公報に記載されたバルブタイミング制御装置に本発明のアクチュエータ装置８を適用したものである。

構造を簡単に説明すると、クランクシャフトから回転力が伝達されるタイミングスプロケット５１の円筒状のハウジング５２の内部に、カムシャフト５３の一端部５３ａにボルト５４固定されたスリーブ５５が配置されていると共に、該スリーブ５５の外周側に円環状のピストン５６が軸方向へ移動可能に収容されている。

前記ピストン５６は、内外周面に前記ハウジング５２の内周面に形成されたはす歯５２ａとスリーブ５５の外周面に形成されたはす歯５５ａにそれぞれ噛合するヘリカル歯５６ａ、５６ｂが形成されていると共に、凹状端部と端壁５７との間に弾装されたコイルスプリング５８のばね力によって図中右方向へ付勢されている。

また、前記ピストン５６は、ハウジング５２の内部に軸方向へ摺動可能に配置された円盤状の押圧部材５９によって前記コイルスプリング５８のばね力に抗して図中左方向に押圧されるようになっている。

前記押圧部材５９は、ほぼ中央に形成された凹部５９ａ内に先端部７０ａが横断面コ字形の制御軸７０が収容保持されている。

この制御軸７０は、前記第１の実施形態と同じくアクチュエータ装置８、つまり第１伝達機構１９によって伝達軸１８に連繋していると共に、該伝達軸１８が図外の前記第２伝達機構２３や螺子ナット２２、螺子軸２０及び電動モータ２１を介して軸方向へ移動するようになっている。

そして、制御軸７０が図中左方向へ移動して押圧部材５９を介してピストン５６をコイルスプリング５８のばね力に抗して左方向へ移動させると、前記各はす歯５２ａ、５５ａ及びヘリカル歯５６ａ、５６ｂを介してタイミングスプロケット５１とカムシャフト５３との相対回転位相を変換して吸気弁２の開閉タイミングを進角側に制御する。

一方、制御軸７０が図中右方向へ移動してピストン５６をコイルスプリング５８のばね力と共に右方向へ移動させると、各歯５２ａ、５５ａ、５６ａ、５６ｂを介してタイミングスプロケット５１とカムシャフト５３との相対回転位相を逆に変換して吸気弁２の開閉タイミングを遅角側へ制御するようになっている。

したがって、この実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な作用効果、例えば保持消費電力の低減などが得られると共に、吸気弁２と排気弁のバルブオーバーラップを大きく変化させることができるので、内部ＥＧＲ制御によって燃費を低減することなどが可能になる。

なお、各歯５２ａ、５５ａ、５６ａ、５６ｂの歯筋の向きを逆に設定すれば、前記制御軸７０が左方向へ移動することによって遅角制御し、右方向へ移動することによって進角制御させることができる。

〔第５の実施形態〕
図１１及び図１２は第５の実施形態を示し、本発明を、例えば特開２００１−２４８４１０号公報に記載された遊星歯車を用いたバルブタイミング制御装置を改造して、前述した構造のアクチュエータ装置８を適用したものである。

構造を簡単に説明すると、外周側に配置された円環状のプーリ７１は、外周にタイミングベルトの歯７１ａを有すると共に、内周にヘリカル歯７１ｂが形成されている。このヘリカル歯７１ｂには、キャリア７２に軸７２ａを介して取り付けられた２個の遊星歯車７３が噛み合わされていると共に、この各遊星歯車７３には、中央に位置するサンギア７４が噛み合わされている。

前記キャリア７２は出力軸７５に結合されている一方、前記サンギア７４は制御軸７６が軸方向から結合されている。前記出力軸７５は、外周に一気筒当たり２つの駆動カム７７ａが設けられたカムシャフト７７が軸方向から結合されている。

前記各遊星歯車７３は、外周にはす歯７３ａが形成されている一方、前記サンギア７４の外周には、前記はす歯７３ａに噛み合うヘリカル歯７４ａが形成されている。

また、このサンギア７４は、前記各歯７３ａ、７４ａを介して軸方向へ移動可能に設けられている。

したがって、前記プーリ７１が図外のタイミングベルトによってクランクシャフトから回転力が伝達されて回転すると、各遊星歯車７３がはす歯７３ａに噛み合ったヘリカル歯７１ｂとサンギア７４のヘリカル歯７４ａの噛み合いに拘束されつつ回転して、前記キャリア７２を回転させる。このキャリア７２の回転に伴い出力軸７５を介してカムシャフト７７(駆動カム７７ａ)が回転して吸気弁２を開閉作動させる。

前記制御軸７６は、前記アクチュエータ装置８によって軸方向へ移動されるようになっており、図１２の左方向へ移動すると、各歯７３ａ、７４ａのねじれ角度によって進角側に制御され、右方向へ移動すると、遅角側に制御されるようになっている。

したがって、第１の実施形態と同様な作用効果が得られると共に、前記制御軸７６を一方向に移動させる場合と他方向へ移動させる場合の両方を第１伝達機構１９の係合溝１９ｄと連繋ピン１９ｅによって強制駆動によって行うため、該制御軸７６を速やかに移動させる場合であっても正確な切り換え作動が得られる。また、各ヘリカル歯のねじれの向きも逆にすれば、制御軸７６の左移動を遅角側に、右移動を進角側にすることも可能である。

〔第６の実施形態〕
また、前記螺子軸２０と螺子ナット２２の構造を、例えば特開２００７−２８５３０６号公報の図９に記載されているようなボール螺子軸とボールナットの間に複数のボールを介在させて、この各ボールを用いてボールナットをボール螺子軸上で軸方向に移動させるものに変更することも可能である。

この構造を用いれば、フリクションが低下して伝達効率も高くなるため、ボールナットの移動切り換え、つまりリフトの変換応答性を高められると共に、消費電力を低減できる。

また、ボール螺子軸の外周に形成された螺旋溝のリードはボール径の制約からあまり小さくすることができないが、ボールナットの移動距離(ΔＳ)を大きく取ることによって、制御軸の移動距離（ΔＬ）が小さくとも十分に電動モータの総回転数を高めることができるので、第１の実施形態と同様の保持安定性も得られる。

〔第７の実施形態〕
また、第２伝達機構の構造として、例えば特開２００７−２８５３０８号公報の図９に記載されているもののように変更することも可能である。すなわち、前記伝達軸１８の端部１８ｂに固定された第２伝達機構の連係アーム３３の先端部が、螺子ナット２２の側部まで延出され、該先端部の中央に螺子ナット２２の側部から突出したピンに係合する細長いスリットが形成されている。

したがって、この場合も前記螺子ナット２２の移動距離(ΔＳ)を大きくすることが可能になるため、第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。

〔第８の実施形態〕
図１３Ａ、Ｂは第８の実施形態を示し、第１の実施形態を基本構造として、前記制御軸６の先端部６ａと前記第１伝達機構１９のリンクレバー１９ａの先端部とを、別異のリンクロッド８０によって連結して２リンク方式としたものである。

前記制御軸６は、先端部６ａも丸棒状に形成されて、その先端側にピン挿通孔６ｃが径方向に沿って貫通形成されている一方、前記リンクレバー１９ａは、先端部側に前述のような係合溝などがなく、単に先端先細り状に形成されて、その先端側にピン挿通孔１９ｇが穿設されている。

前記伝達軸１８に連結された前記リンクロッド８０は、図１３Ｂに示すように、中央に有するほぼ円柱状の連結部８０ａと、該連結部８０ａの軸方向の両端側に平行に設けられた細長い一対のリンクプレート８０ｂ、８０ｂとから構成され、該各リンクプレート８０ｂの前後両端部にピン孔８０ｃがそれぞれ貫通形成されている。

また、前記両リンクプレート８０ｂの両端部に形成された隙間内に前記制御軸６の先端部６ａとリンクレバー１９ａの先端部を介装すると共に、該各先端部に形成されたピン挿通孔６ｃ、１９ｇと前記各ピン孔８０ｃとに挿通した２つの連結ピン８１，８２を介して前記制御軸６とリンクレバー１９ａが回転自在に連結されている。

さらに、前記伝達軸１８の第２伝達機構２３と反対側の一端側に、回転位置を検出するポテンショメータ２６が設けられている。

このように、２リンク方式にしたことによって、第１実施形態のスリットとピン方式のような大きな摺動作用がないことから耐摩耗性が向上する。

本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、アクチュエータ装置が適用される対象装置としては、前記制御軸が軸方向に移動するものであればいずれのものでも良い。また、第１伝達機構１９と制御軸６の連結構造も各実施形態の構造に限定されるものではなく、仕様や大きさなどに応じて任意に変更できる。

また、回転型ポテンショメータ２６を伝達軸１８の一端側に設けたことによって、第１実施形態の場合と比較して伝達軸１８のねじれ変形を抑制することができるので、より高精度なバルブリフト特性位置の検出が可能になる。

本発明に係るアクチュエータ装置の第１の実施形態を示す斜視図である。 本実施形態の可変動弁装置を示し、Ａは最大リフト制御時の閉弁状態を示す部分断面図、Ｂは同じく最大リフト制御時の開弁状態を示す部分断面図である。 本実施形態における螺子軸と螺子ナットによる最小リフト制御時の作動状態を示す縦断面図である。 本実施形態における螺子軸と螺子ナットによる最大リフト制御時の作動状態を示す縦断面図である。 本実施形態における第１伝達機構と制御軸の作動を示し、Ａは最小リフト制御時、Ｂは中リフト制御時、Ｃは最大リフト制御時をそれぞれ示している。 本実施形態に供される第１伝達機構の他例を示す斜視図である。 本実施形態におけるバルブリフト特性図である。 本実施形態における電動モータの回転と伝達軸の回転変換角及び制御軸の移動量との関係を示す特性図である。 本発明の第２の実施形態における電動モータの回転と伝達軸の回転変換角及び制御軸の移動量との関係を示す特性図である。 本発明の第４の実施形態を示す要部縦断面である。 本発明の第５の実施形態を示す要部正面図である。 図１１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第８の実施形態を示し、Ａは第１伝達機構と制御軸との連結状態を示す側面図、Ｂは同平面図である。

符号の説明

１…シリンダヘッド
２…吸気弁（機関弁）
４…可変機構
６・７０・７６…制御軸
８…アクチュエータ装置
１８…伝達軸
１８ａ…ジャーナル部(軸受部)
１９…第１伝達機構
１９ａ…リンクレバー
１９ｃ…係入溝
１９ｄ…係合溝
１９ｅ…連繋ピン(突起)
１９ｆ…両側面(切欠面)
２０…螺子軸
２１…電動モータ(駆動機構)
２２…螺子ナット
２３…第２伝達機構
３３…連係アーム
３４…リンク部材

Claims (20)

1. 軸方向の移動に伴って機関弁の作動特性を可変させる制御軸にほぼ直交するように配置されて、回動可能に設けられた伝達軸と、
   該伝達軸の回転運動を軸方向の移動に変換して前記制御軸に伝達する第１伝達機構と、
   回転可能に設けられ、前記伝達軸にほぼ直交するように配置された螺子軸と、
   該螺子軸を回転駆動する駆動機構と、
   前記螺子軸の回転に伴って軸方向に移動する移動部材と、
   該移動部材の軸方向の移動を回転運動に変換して前記伝達軸に伝達する第２伝達機構と、
   を備えたことを特徴とするアクチュエータ装置。
2. 請求項１に記載のアクチュエータ装置において、
   前記螺子軸の回転角に対する前記制御軸の軸方向の移動量を、前記制御軸の位置によって変化させたことを特徴とするアクチュエータ装置。
3. 請求項２に記載のアクチュエータ装置において、
   前記螺子軸の回転角に対する前記制御軸の軸方向の移動量が移動範囲の端部側において小さくなるように構成したことを特徴とするアクチュエータ装置。
4. 請求項１に記載のアクチュエータ装置において、
   前記伝達軸の回転角度を検出する位置検出機構が設けられ、該位置検出機構から出力された検出信号に応じて前記駆動機構が制御されることを特徴とするアクチュエータ装置。
5. 請求項１に記載のアクチュエータ装置において、
   前記制御軸は、軸方向の移動に伴って機関弁のリフト量を変化させるものであることを特徴とするアクチュエータ装置。
6. 請求項５に記載のアクチュエータ装置において、
   前記制御軸は、機関弁の最大リフト制御時において前記螺子軸の回転角に対する軸方向の移動量が最も小さくなるように構成したことを特徴とするアクチュエータ装置。
7. 請求項５に記載のアクチュエータ装置において、
   前記制御軸は、最小リフト制御時において前記螺子軸の回転角に対する軸方向の移動量が最も小さくなるように構成したことを特徴とするアクチュエータ装置。
8. 請求項５に記載のアクチュエータ装置において、
   前記制御軸は、最大リフト量と最小リフト量との間の制御位置において前記螺子軸の回転角に対する前記制御軸の軸方向の移動量が最も大きくなるように構成したことを特徴とするアクチュエータ装置。
9. 請求項１に記載のアクチュエータ装置において、
   前記制御軸は、軸方向の移動に伴って機関弁の開閉時期を変化させるものであることを特徴とするアクチュエータ装置。
10. 請求項１に記載のアクチュエータ装置において、
    前記螺子軸と前記移動部材との間には、複数のボールが介装されていることを特徴とするアクチュエータ装置。
11. 請求項１に記載のアクチュエータ装置において、
    前記第２伝達機構は、前記伝達軸の回転中心から径方向に離間した位置に設けられた第１連結軸と前記移動部材に設けられた第２連結軸とをリンクによって連結したことを特徴とするアクチュエータ装置。
12. 請求項１に記載のアクチュエータ装置において、
    前記第１伝達機構は、前記伝達軸から径方向へ延びる係合溝内に、前記制御軸の一端部に設けられた突起が係合して連係するように構成したことを特徴とするアクチュエータ装置。
13. 請求項１２に記載のアクチュエータ装置において、
    前記突起は外周面に二面幅状の切欠面が形成され、該両切欠面が前記係合溝の対向両側面に摺接可能に対向配置されていることを特徴とするアクチュエータ装置。
14. 請求項１に記載のアクチュエータ装置において、
    前記伝達軸の前記第１伝達機構を挟んだ両側に軸受部が設けられていることを特徴とするアクチュエータ装置。
15. 請求項１に記載のアクチュエータ装置において、
    前記制御軸と螺子軸は内燃機関の気筒配列方向とほぼ平行に配置されていることを特徴とするアクチュエータ装置。
16. 請求項１５に記載のアクチュエータ装置において、
    前記駆動機構は電動モータによって構成され、該電動モータは前記伝達軸よりも内燃機関の内側に配置されていることを特徴とするアクチュエータ装置。
17. 軸方向の移動に伴って機関弁の作動特性を可変にさせる制御軸を軸方向に作動させるアクチュエータ装置であって、
    動力を出力する駆動機構と、
    該駆動機構から前記制御軸への動力伝達経路に設けられた第１伝達機構と第２伝達機構とを備え、
    前記第１伝達機構と第２伝達機構は、入力に対する出力の特性がそれぞれ異なることを特徴とするアクチュエータ装置。
18. 請求項１７に記載のアクチュエータ装置において、
    前記制御軸は、軸方向の移動に伴って機関弁のリフト量を変化させるように構成され、
    前記第２伝達機構は、前記制御軸が最小リフトに制御する軸方向の位置から最大リフトに制御する軸方向の位置に移動する際に、前記螺子軸の回転角に対する前記制御軸の軸方向の移動量が連続的に小さくなる特性となり、
    前記第１伝達機構は、前記制御軸が最小リフトに制御する軸方向の位置から最大リフトに制御する軸方向の位置に移動する際に、前記螺子軸の回転角に対する前記制御軸の軸方向の移動量が小さい状態から大きくなり、続いて小さくなる特性であることを特徴とするアクチュエータ装置。
19. 請求項１７に記載のアクチュエータ装置において、
    前記制御軸は、軸方向の移動に伴って機関弁のリフト量を変化させるものであり、
    前記第２伝達機構は、前記制御軸が最小リフト制御位置から最大リフト制御位置に移動する際に、前記螺子軸の回転角に対する前記制御軸の軸方向の移動量が連続的に大きくなる特性を有し、
    前記第１伝達機構は、前記制御軸が最小リフトの制御位置から最大リフトの制御位置に移動する際に、前記螺子軸の回転角に対する前記制御軸の軸方向の移動量が小さい状態から大きくなり、続いて小さくなる特性を有することを特徴とするアクチュエータ装置。
20. 制御軸を軸方向に移動させることにより機関弁の作動特性を可変にする可変機構と、
    前記制御軸とほぼ直交する方向に配置され、回転可能に設けられた伝達軸と、
    該伝達軸の回転に対して減速比が変化するように軸方向の移動に変換して前記制御軸に伝達する第１伝達機構と、
    回転可能に設けられて、前記伝達軸にほぼ直交する方向に配置された螺子軸と、
    該螺子軸を回転駆動させる駆動機構と、
    前記螺子軸の回転に伴って軸方向へ移動する移動部材と、
    該移動部材の軸方向への直線移動に対して減速比が変化するように回転運動に変換して前記伝達軸に伝達する第２伝達機構と、
    を備えたことを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。

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