JP4225321B2 - 可変動弁機構 - Google Patents

Description

この発明は、可変動弁機構に係り、特に、カムシャフトの回転と同期して開閉する弁の作用角およびまたはリフト量を変化させることのできる内燃機関の可変動弁機構に関する。

従来から、カムシャフトの回転と同期して開閉する弁体のリフト量を変化させる機能を有する可変動弁機構が開示されている。このような可変動弁機構において、日本特開平７−６３０２３号公報には、偏心軸の回転位置に応じて弁体のリフト量を変更可能とする可変動弁機構において、偏心軸の回転位置に応じてカムとの当接位置が可変するローラをカムに押し当てておくため、ローラが設けられたロッカーレバーを圧縮バネ（ロストモーションスプリング）で付勢する構成が開示されている。この可変動弁機構によれば、圧縮バネの作用により、常に、カムとローラとが機械的に接した状態を維持することができる。
しかしながら、日本特開平７−６３０２３号公報に開示された従来の機構において、圧縮バネは、バルブスプリングとともにローラをカム側に付勢しており、この結果、偏心軸は一定方向に作用する力を受けている。このため、偏心軸を回転させる際のアクチュエータの要求駆動トルクが増加し、可変動弁の応答性が低下したり、消費電力が増加するといった問題が生じる。
また、例えば日本特開平７−２９３２１６号公報には、内燃機関の弁体のリフト量を変化させることのできる可変動弁機構が開示されている。この可変動弁機構は、具体的には、弁体とカムとの間にリフト量を可変とするための機械的機構を備えている。そして、この機械的機構は、制御軸が一の方向に回転すると弁体のリフト量が増大するようにその状態を変化させ、また、制御軸が他の方向に回転すると弁体のリフト量が減少するように構成されている。このような機構によれば、制御軸を適当に回転させることにより、弁体のリフト量を任意に変化させることができる。
ところで、内燃機関の弁体には、通常、弁体を閉弁方向に付勢するバルブスプリングが装着されている。このため、従来の可変動弁機構が弁体を開弁させる際には、弁体とカムとの間に介在する機械的機構に、そのバルブスプリングの反力が作用する。そして、この反力は、弁体に大きなリフトが生ずるほど大きなものとなる。
上述した機械的機構にとっては、弁体のリフトに伴って大きな反力を受ける状態より、その反力が小さい状態の方が力学的に安定である。このため、この機械的機構には、通常、発生させるリフト量を小さくする方向への状態変化が生じ易い。つまり、上述した制御軸には、機械的機構を、小さなリフトに対応する状態に変化させる方向の反力が伝達され易い。
このような反力の伝達をうけて制御軸の状態が変化するとすれば、弁体のリフト量を適正に維持しておくことはできない。このため、この種の可変動弁機構には、バルブスプリングの反力に関わらず、制御軸の状態を一定に維持しておくための機構が要求される。
ところで、日本特開平７−２９３２１６号公報に開示された従来の可変動弁機構において、制御軸は、ギヤ機構を介してモータにより駆動されている。そして、そのギヤ機構には、モータの回転軸に装着されたウォームギヤと、このウォームギヤと噛み合うウォームホイールとが含まれている。ウォームギヤとウォームホイールとの組み合わせからなるギヤ機構は、両者間に働く大きな摩擦力と、それら両者の大きなギヤ比とに起因して、高い正効率と低い逆効率を実現する。
このようなギヤ機構によれば、モータの発するトルクを高い効率で制御軸に伝達し、かつ、制御軸への入力がモータに伝達されるのを十分に阻止することができる。このため、上記従来の可変動弁機構によれば、バルブスプリングの影響を受けることなく制御軸の状態を精度良く制御することが可能であり、また、その結果として、弁体のリフト量を精度良く制御することが可能である。
しかしながら、日本特開平７−２９３２１６号公報に開示された従来の可変動弁機構において、弁体のリフト量を大きくしようとする場合には、そのリフト量を小さくしようとする反力に抗って制御軸を回転させる必要が生ずる。より具体的には、この場合には、リフト量を小さくしようとするバルブスプリングの反力に抗って、リフト量が大きくなる方向に制御軸を回転させることが必要である。
このような要求を満たすためには、モータに大きな駆動力を発生させることが必要となる。その結果、モータのコスト上昇、モータによる消費電力の増大、体格増加によるモータの搭載性悪化等の問題が生ずる。また、制御軸にこのような大きな力が作用するとすれば、制御軸に大きなねじれが生ずることにもなる。加えて、このような大きな力の伝達は、個々のギヤ間の接触加重を増加させ、それらの摩耗を促進するという不都合も生じさせる。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、カムシャフトの回転と同期して開閉する弁のリフト量及び作用角を変化させることのできる内燃機関の可変動弁機構において、可変動弁の際に要求される負荷を低減することを目的とする。

第１の発明は、内燃機関の弁体のリフト量及び作用角を変化させる可変動弁機構であって、クランクの回転に応じて回転する第１のカムと、前記第１のカムの回転と同期して揺動し、前記第１のカムによる作用力を前記弁体に伝達する第２のカムを有する伝達部材と、所定の回転位置に調整される制御軸と、前記制御軸の回転位置に応じて前記伝達部材の揺動範囲を変化させて、前記弁体のリフト量及び作用角を変化させる可変機構と、前記伝達部材と前記第１のカムとの連結が維持されるように、前記伝達部材を前記第１のカムに向けて付勢するロストモーションスプリングと、前記ロストモーションスプリングの付勢力に対抗して前記伝達部材を付勢するアシストスプリングと、を備えた可変動弁機構である。
ロストモーションスプリングに対抗して伝達部材を付勢するアシストスプリングを設けたため、伝達部材に作用するロストモーションスプリングの付勢力を低減することができる。従って、伝達部材の揺動範囲を容易に可変することが可能となり、揺動範囲を可変する際の制御軸の駆動トルクを低減することが可能となる。これにより、可変動弁の応答性を向上させることが可能となり、リフト量、作用角を瞬時に可変することが可能となる。また、制御軸の駆動トルクを低減できるため、制御軸を駆動するアクチュエータを小型化することが可能となり、アクチュエータの消費電流を最小限に抑えることが可能となる。
第２の発明は、上述の改良された可変動弁機構において、前記ロストモーションスプリングは、前記弁体のリフト量及び作用角が大リフト・大作用角側から小リフト・小作用角側に変化する方向に前記伝達部材を付勢し、前記弁体のリフト量及び作用角が小リフト・小作用角側に設定されるほど、前記伝達部材に作用する前記アシストスプリングの付勢力を大きくしたものである。
伝達部材へのロストモーションスプリングの付勢力が大リフト・大作用角側から小リフト・小作用角側に作用している場合に、小リフト・小作用角側に設定されるほど伝達部材に作用するアシストスプリングの付勢力を大きくしたため、特に小リフト・小作用角側で可変動弁を行う際の制御軸の駆動トルクを低減することが可能となる。
第３の発明は、上述の改良された可変動弁機構において、前記弁体を前記伝達部材に向けて付勢するバルブスプリングを備え、前記アシストスプリングは、前記弁体を介して前記伝達部材に作用する前記バルブスプリングの付勢力に対抗して前記伝達部材を付勢するものである。
アシストスプリングの付勢力がバルブスプリングの付勢力に対抗するため、伝達部材に作用するバルブスプリングの付勢力を低減することができる。従って、伝達部材の揺動範囲を容易に可変することが可能となり、揺動範囲を可変する際の制御軸の駆動トルクを低減することが可能となる。
第４の発明は、上述の改良された可変動弁機構において、前記制御軸の回転位置を変化させるための駆動力を発生するアクチュエータと、前記アクチュエータと前記制御軸との間に介在するギヤ機構と、を備え、各気筒の前記弁体に対応して設けられた複数の前記伝達部材が、共通の前記制御軸と連結され、前記ロストモーションスプリング、前記アシストスプリング、及び前記バルブスプリングの付勢力は、前記伝達部材及び前記可変機構を介して前記制御軸の回転方向へ伝達され、前記制御軸の長手方向において、前記ギヤ機構から離れるほど、前記ロストモーションスプリング、前記アシストスプリング、および前記バルブスプリングの付勢力によって前記制御軸の回転方向にかかる力の合力を小さくしたものである。
ギヤ機構から離れるほど、制御軸の回転方向にかかる力の合力を小さくしたため、制御軸の剛性が低くなる部分ほど制御軸にかかる力の合力を小さくすることができ、制御軸の捻れを抑制することができる。
第５の発明は、上述の改良された可変動弁機構において、前記制御軸の長手方向において、前記ギヤ機構から離れるほど、前記伝達部材を付勢する前記アシストスプリングの付勢力を大きくしたものである。
ギヤ機構から離れるほど、伝達部材を付勢するアシストスプリングの付勢力を大きくしたため、制御軸の剛性が低くなる部分ほどアシストスプリング荷重が大きくなる。制御軸においてギヤ機構から離間した部位では、ロストモーションスプリングやバルブスプリングから受ける付勢力によって捻れ等が生じ易いが、ロストモーションスプリングやバルブスプリングから制御軸へ作用する付勢力がアシストスプリングによって低減されるため、制御軸の捻れを抑制することができる。
第６の発明は、上述の改良された可変動弁機構において、前記制御軸の長手方向において、前記ギヤ機構から離れるほど、前記伝達部材を付勢する前記ロストモーションスプリングの付勢力を小さくしたものである。
ギヤ機構から離れるほど、伝達部材を付勢するロストモーションスプリングの付勢力を小さくしたため、制御軸の剛性が低くなる部分ほどロストモーションスプリング荷重が小さくなる。制御軸においてギヤ機構から離間した部位では、ロストモーションスプリングやバルブスプリングから受ける付勢力によって捻れ等が生じ易いが、ギヤ機構から離れるほど、伝達部材を付勢するロストモーションスプリングの付勢力を小さくしたため、制御軸の捻れを抑制することができる。
第７の発明は、内燃機関の弁体の作用角およびまたはリフト量を変化させる機能を有する可変動弁機構であって、前記作用角およびまたはリフト量を変化させるべくその状態が制御される制御軸と、カムと弁体との間に介在しカムの回転と同期して揺動することにより当該カムの作用力を前記弁体に伝達する揺動アームと、前記制御軸の状態に応じて、前記弁体に対する前記揺動アームの基本相対角を変化させる可変機構と、前記制御軸の状態を変化させるための駆動力を発生するアクチュエータと、前記アクチュエータと前記制御軸との間に介在するギヤ機構と、前記ギヤ機構に対して、作用角およびまたはリフト量を増大させる方向のアシスト力を加えるアシスト力発生手段と、を備えた可変動弁機構である。
制御軸の状態を制御することで、弁体に対する揺動アームの基本相対角を変化させ、その結果、弁体の作用角およびまたはリフト量を変化させることができる。そして、本発明によれば、アクチュエータと制御軸との間に介在するギヤ機構に、作用角およびまたはリフト量を増大させる方向のアシスト力を加えることができる。つまり、本発明によれば、作用角およびまたはリフト量を小さくする方向に作用する必然的な力を相殺する方向のアシスト力をギヤ機構に加えることができる。このため、本発明によれば、そのアシスト力の分だけ、作用角およびまたはリフト量を増大させるときにアクチュエータが発生すべき出力を小さくすることができる。
第８の発明は、上述の改良された可変動弁機構において、前記ギヤ機構は、ウォームギヤが前記アクチュエータ側に位置し、かつ、ウォームホイールが前記制御軸側に位置するように互いに連結したウォームホイールとウォームギヤとを含み、前記アシスト力は、前記ウォームホイール、または前記ウォームホイールと一体化された構造物に加えられるものである。
ギヤ機構に加えるアシスト力を、ウォームホイールに与えることができる。この場合、ウォームギヤを作用角およびまたはリフトを大きくする方向に回転させようとする際に、ウォームギヤとウォームホイールとの間に作用する摩擦力を小さくすることができる。そして、ウォームギヤとウォームホイールの組み合わせからなるギヤ機構は、静止摩擦係数が小さいほど、静止状態から高い正効率を示す。このため、本発明によれば、アクチュエータの始動時点から十分に小さな力で制御軸を作用角およびまたはリフトを大きくする方向に作動させることが可能である。
第９の発明は、上述の改良された可変動弁機構において、前記揺動アームと前記カムとの機械的な連結が維持されるように前記揺動アームを前記カムに向けて付勢するロストモーションスプリングを備え、前記揺動アームは、大きな作用角およびまたはリフト量の発生が要求されるほど、前記ロストモーションスプリングの変形量を増大させる方向に移動するものである。
ロストモーションスプリングの発する付勢力により、揺動アームとカムとの機械的な連結を維持することができる。このロストモーションスプリングは、揺動アームが作用角およびまたはリフトを大きくする方向に移動するのを妨げる方向に付勢力を発生する。本発明において、ギヤ機構に作用するアシスト力は、そのロストモーションスプリングの発する付勢力をも相殺する力として機能する。このため、本発明によれば、上記の特性を有するロストモーションスプリングを用いつつ、制御軸を小さな力で作用角およびまたはリフトを大きくする方向に変化させることが可能である。
第１０の発明は、上述の改良された可変動弁機構において、各気筒の前記弁体に対応して設けられた複数の前記揺動アームが、共通の前記制御軸と連結され、前記制御軸の長手方向において、前記ギヤ機構から離れるほど、前記ロストモーションスプリングの付勢力を小さくしたものである。
ギヤ機構から離れるほど、伝達部材を付勢するロストモーションスプリングの付勢力を小さくしたため、制御軸の剛性が低くなる部分ほどロストモーションスプリング荷重が小さくなる。制御軸においてギヤ機構から離間した部位では、ロストモーションスプリングやバルブスプリングから受ける付勢力によって捻れ等が生じ易いが、ギヤ機構から離れるほど、伝達部材を付勢するロストモーションスプリングの付勢力を小さくしたため、制御軸の捻れを抑制することができる。
第１１の発明は、内燃機関の弁体のリフト量及び作用角を変化させる可変動弁機構であって、クランクの回転に応じて回転する第１のカムと、前記カムの回転と同期して揺動し、前記第１のカムによる作用力を前記弁体に伝達する第２のカムを有する伝達部材と、所定の回転位置に調整される制御軸と、前記制御軸の回転位置に応じて前記伝達部材の揺動範囲を変化させて、前記弁体のリフト量及び作用角を変化させる可変機構と、前記伝達部材と前記第１のカムとの連結が維持されるように、前記伝達部材を前記第１のカムに向けて付勢するロストモーションスプリングと、前記ロストモーションスプリングの付勢力に対抗する付勢力を生じさせるアシストスプリングと、を備えた可変動弁機構である。
ロストモーションスプリングに対抗する付勢力を生じさせるアシストスプリングを設けたため、ロストモーションスプリングの付勢力を低減することができる。従って、伝達部材の揺動範囲を可変する際の制御軸の駆動トルクを低減することが可能となる。これにより、可変動弁の応答性を向上させることが可能となり、リフト量、作用角を瞬時に可変することが可能となる。また、制御軸の駆動トルクを低減できるため、制御軸を駆動するアクチュエータを小型化することが可能となり、アクチュエータの消費電流を最小限に抑えることが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１の可変動弁機構の主要部の斜視図である。
図２は、図１に示す可変動弁機構の構成要素である第１アーム部材と第２アーム部材の分解斜視図である。
図３は、本発明の実施の形態１の可変動弁機構が小リフト動作を行う場合の様子を示す図である。
図４は、本発明の実施の形態１の可変動弁機構が大リフト動作を行う場合の様子を示す図である。
図５は、本発明の実施の形態１にかかる可変動弁機構の主要部を示す模式図である。
図６は、制御軸回転角θ_Ｃを可変した場合のアシストスプリングの状態を示す模式図である。
図７は、アシストスプリングの配設状態と、制御軸を回転させる機構を説明するための模式図である。
図８は、アシストスプリングを設けたことによるモータの駆動トルクの低減効果を示す特性図である。
図９は、本発明の実施の形態２の可変動弁機構を説明するための模式図である。
図１０は、トーションスプリングによってロストモーションスプリングを構成した例を示す模式図である。
図１１は、本発明の実施の形態３の可変動弁機構の全体構成を説明するための図である。
図１２は、本発明の実施の形態３において用いられるウォームギヤとウォームホイールとの組み合わせからなるギヤ機構の正効率と、それらの瞬時回転数との関係を表した図である。
図１３は、本発明の実施の形態４の可変動弁機構において用いられる潤滑油の流通経路を説明するための図である。

本発明をより詳細に説述するために、この発明のいくつかの実施の形態について添付の図面に従って説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の可変動弁機構１０の主要部の斜視図である。図１に示す可変動弁機構は、内燃機関の弁体を駆動するための機構である。ここでは、内燃機関の個々の気筒に２つの吸気弁と２つの排気弁とが備わっているものとする。そして、図１に示す構成は、単一の気筒に配設された２つの吸気弁、或いは２つの排気弁を駆動する機構として機能するものとする。
図１に示す構成は、吸気弁または排気弁として機能する２つの弁体１２を備えている。弁体１２には、それぞれ弁軸１４が固定されている。弁軸１４の端部は、ロッカーアーム１６の一端に設けられたピボットに接している。弁軸１４には、後述するバルブスプリング６２の付勢力が作用しており、ロッカーアーム１６は、その付勢力を受けた弁軸１４により上方に付勢されている。ロッカーアーム１６の他端は、油圧ラッシュアジャスタ１８により回動可能に支持されている。油圧ラッシュアジャスタ１８によれば、ロッカーアーム１６の高さ方向の位置を油圧により自動調整することにより、タペットクリアランスを自動調整することができる。
ロッカーアーム１６の中央部には、ローラ２０が配設されている。ローラ２０の上部には、揺動アーム２２が配置されている。以下、揺動アーム２２の周辺の構造を、図２を参照して説明する。
図２は、第１アーム部材２４と第２アーム部材２６の分解斜視図である。第１アーム部材２４および第２アーム部材２６は、何れも図１に示す構成における主要な構成部材である。既述した揺動アーム２２は、図２に示すように、第１アーム部材２４の一部である。
すなわち、第１アーム部材２４は、図２に示すように、２つの揺動アーム２２と、それらに挟まれたローラ当接面２８とを一体に備える部材である。２つの揺動アーム２２は、２つの弁体１２のそれぞれに対応して設けられたものであり、それぞれ既述したローラ２０（図１参照）に接している。
第１アーム部材２４には、２つの揺動アーム２２を貫通するように開口した軸受け部３０が設けられている。また、揺動アーム２２には、それぞれ、ローラ２０と接する面に同心円部３２と押圧部３４とが設けられている。同心円部３２は、ローラ２０との接触面が軸受け部３０と同心円を構成するように設けられている。一方、押圧部３４は、その先端側の部分ほど軸受け部３０の中心からの距離が遠くなるように設けられている。
第２アーム部材２６は、非揺動部３６と揺動ローラ部３８を備えている。非揺動部３６には貫通孔が設けられており、その貫通孔には制御軸４０が挿入される。更に、非揺動部３６および制御軸４０には、両者の相対位置を固定するための固定ピン４２が挿入されている。このため、非揺動部３６と制御軸４０とは、一体の構造物として機能する。
揺動ローラ部３８は、２つの側壁４４を備えている。これらの側壁４４は、回転軸４６を介して回動自在に非揺動部３６に連結されている。また、２つの側壁４４の間には、カム当接ローラ４８と、スライドローラ５０が配設されている。カム当接ローラ４８およびスライドローラ５０は、それぞれ側壁４４に挟まれた状態で自由に回動することができる。
上述した制御軸４０は、第１アーム部材２４の軸受け部３０により回転可能に保持される部材である。つまり、制御軸４０は、軸受け部３０に回転可能に保持された状態で非揺動部３６と一体化されるべき部材である。この要求を満たすべく、非揺動部３６（つまり第２アーム部材２６）は、制御軸４０と固定される前に、第１アーム部材２４の２つの揺動アーム２２の間に位置合わせされる。制御軸４０は、この位置合わせがなされた状態で、２つの軸受け部３０および非揺動部３６を貫通するように挿入される。その後、制御軸４０と非揺動部３６とを固定すべく固定ピン４２が装着される。その結果、第１アーム部材２４が制御軸４０回りを自由に回動することができ、非揺動部３６が制御軸４０と一体化され、かつ、揺動ローラ部３８が非揺動部３６に対して揺動し得る機構が実現される。
第１アーム部材２４と第２アーム部材２６とが、以上のように組み付けられた場合、第１アーム部材２４と制御軸４０との相対角、つまり、第１アーム部材２４と非揺動部３６との相対角が所定の条件を満たす範囲では、揺動ローラ部３８のスライドローラ５０が、第１アーム部材２４のローラ当接面２８と接することができる。そして、それら両者の接触を維持しながら、上記の所定の条件を満たす範囲で第１アーム部材２４を制御軸４０回りで回動させると、スライドローラ５０は、ローラ当接面２８に沿って転動することができる。本実施形態の可変動弁機構は、その転動を伴いながら弁体１２を開閉動作させる。尚、その動作については、後に図４および図５を参照して詳細に説明する。
図１は、第１アーム部材２４、第２アーム部材２６、および制御軸４０が、上記の手順で組み付けられた状態を示している。この状態において、第１アーム部材２４および第２アーム部材２６の位置は制御軸４０の位置により規制される。制御軸４０は、図示しない軸受けを介して、既述した条件がみたされるように、つまり、ロッカーアーム１６のローラ２０が揺動アーム２２に当接するようにシリンダヘッド等の固定部材に固定されている。
制御軸４０には、後述するようにアクチュエータ（モータ６６）が連結されている。このアクチュエータは、制御軸４０を所定の角度範囲内で回動させることができる。図１に示す状態は、そのアクチュエータにより、スライドローラ５０がローラ当接面２８に当接するように、制御軸４０の回転角を上述した所定の条件を満たす範囲に調整した状態を示している。
本実施形態の可変動弁機構１０は、また、クランクシャフトと同期して回転するカムシャフト５２を備えている。カムシャフト５２には、内燃機関の気筒毎に設けられたカム５４が固定されている。図１に示す状態において、カム５４は、カム当接ローラ４８に接しており、揺動ローラ部３８の上方への移動を規制している。つまり、図１に示す状態では、揺動ローラ部３８のカム当接ローラ４８およびスライドローラ５０を介して、第１アーム部材２４のローラ当接面２８がカム５４と機械的に連結された状態が実現されている。
上述した状態によれば、カム５４の回転に伴ってカムノーズがカム当接ローラ４８を押圧すると、その力はスライドローラ５０を介してローラ当接面２８に伝達される。スライドローラ５０は、ローラ当接面２８の上を転動しながらカム５４の作用力を第１アーム部材２４に伝え続けることができる。その結果、第１アーム部材２４に、制御軸４０を中心とする回転が生じ、揺動アーム２２によりロッカーアーム１６が押し下げられ、弁体１２に開弁方向の動きが与えられる。可変動弁機構１０は、以上説明したように、カム５４の作用力を、カ厶当接ローラ４８およびスライドローラ５０を介してローラ当接面２８に伝達することで弁体１２を作動させることができる。
次に、図３および図４を参照して、本発明の実施の形態１の可変動弁機構１０の動作を説明する。可変動弁機構３０は、上述した通り、カム５４の作用力を機械的にローラ当接面２８に伝えることで弁体１２を駆動する。このため、可変動弁機構１０が弁体１２を適正に作動させるためには、カム５４とローラ当接面２８とが、カム当接ローラ４８およびスライドローラ５０を介して機械的に連結された状態を維持することが必要である。そして、この要求を満たすためには、ローラ当接面２８を、つまり、第１アーム部材２４を、カム５４の方向に付勢することが必要である。図３および図４に示すロストモーションスプリング６０は、その付勢を実現するためのスプリングである。また、図３および図４に示すバルブスプリング６２は、既述した通り、弁体１２およびロッカーアーム１６を閉弁方向に付勢するためのスプリングである。
ロストモーションスプリング６０は、その上端がシリンダヘッド等に固定されている。そして、ロストモーションスプリング６０の下端は、揺動アーム２２のローラ当接面２８が設けられた側と反対側の後端部を付勢している。従って、この状態において、ロストモーションスプリング６０は、揺動アーム２２のローラ当接面２８を上方に引き上げる方向（図３及び図４において、制御軸４０を中心として揺動アーム２２が左回りに回転する方向）の付勢力を発生する。この付勢力は、ローラ当接面２８がスライドローラ５０を上方に付勢する力として、更には、カム当接ローラ４８をカム５４に押し当てる力として作用する（図１および図２参照）。その結果、可変動弁機構１０は、図１に示すように、カム５４とローラ当接面２８とが機械的に連結された状態を維持することができる。
図３は、可変動弁機構１０が弁体１２に対して小さなリフトを与えるように動作している様子を示す。以下、この動作を「小リフト動作」と称す。より具体的には、図３（Ａ）は、小リフト動作の過程で弁体１２が閉弁している様子を、また、図３（Ｂ）は小リフト動作の過程で弁体１２が開弁している様子を、それぞれ表している。
図３（Ａ）において、符号θ_Ｃは、制御軸４０の回転位置を表すパラメータである。以下、そのパラメータを「制御軸回転角θ_Ｃ」とする。ここでは、便宜上、制御軸４０の中心と回転軸４６の中心を結ぶ直線と、鉛直方向とのなす角を制御軸回転角θ_Ｃと定義することとする。また、図４（Ａ）において、符号θ_Ａは、揺動アーム２２の回転位置を表すパラメータである。以下、そのパラメータを「アーム回転角θ_Ａ」とする。ここでは、便宜上、揺動アーム２２の先端部と制御軸４０の中心とを結ぶ直線と水平方向とのなす角をアーム回転角θ_Ａと定義することとする。
可変動弁機構１０において、揺動アーム２２の回転位置、つまり、アーム回転角θ_Ａは、スライドローラ５０の位置により決定される。また、スライドローラ５０の位置は、揺動ローラ部３８の回転軸４６の位置と、カム当接ローラ４８の位置とで決定される。そして、カム当接ローラ４８とカム５４との接触が維持される範囲では、回転軸４６が図４における左回り方向に回転するほど、つまり、制御軸回転角θ_Ｃが小さくなるほど、スライドローラ５０の位置は上方に変化する。このため、可変動弁機構１０においては、制御軸回転角θ_Ｃが小さくなるほど、アーム回転角θ_Ａが小さくなるという現象が生ずる。
図３（Ａ）に示す状態において、制御軸回転角θ_Ｃは、カム当接ローラ４８がカム５４との接触を保てる範囲で、つまり、カム５４がカム当接ローラ４８の上方への移動を規制し得る範囲でほぼ最小の値とされている。従って、図３（Ａ）に示す状態において、アーム回転角θ_Ａは、ほぼ最小の値となっている。可変動弁機構１０は、この場合において、揺動アーム２２の同心円部３２のほぼ中央がロッカーアーム１６のローラ２０に接し、その結果、弁体１２が閉弁状態となるように構成されている。以下、この場合のアーム回転角θ_Ａを、「小リフト時の基準アーム回転角θ_Ａ０」と称す。後述するように、制御軸４０の回転角はアクチュエータによって設定された値にロックされる。
図３（Ａ）に示す状態からカム５４が回転すると、図３（Ｂ）に示すように、カム当接ローラ４８がカムノーズにより押圧され、制御軸４０の方向に移動する。揺動ローラ部３８の回転軸４６からスライドローラ５０までの距離は変化しないため、カム当接ローラ４８が制御軸４０に近づく際には、ローラ当接面２８が、その面上を転動するスライドローラ５０により押し下げられる。その結果、アーム回転角θ_Ａが大きくなる方向に揺動アーム２２が回転し、揺動アーム２２とローラ２０との接触点が、同心円部３２から押圧部３４に移行する。
揺動アーム４２の回転に伴い、押圧部５４がローラ４０に接するようになると、バルブスプリング６２の付勢力に抗って弁体１２が開弁方向に移動する。そして、アーム回転角θ_Ａが最大値となる時点で弁体１２には最大リフト量が生ずる。小リフト動作の際には、上記の如く基準アーム回転角θ_Ａ０が小さな値とされる。このため、カム５４の回転に伴うアーム回転角θ_Ａの最大値も、小リフト動作の場合には比較的小さな値となる。以下、その最大値を「小リフト時の最大アーム回転角θ_ＡＭＡＸ」とする。弁体１２には、アーム回転角θ_Ａが最大アーム回転角θ_ＡＭＡＸとなる時点で最大のリフトが生ずる。可変動弁機構１０は、図３（Ｂ）に示すように、小リフト時の最大アーム回転角θ_ＡＭＡＸが生じた際に、ローラ２０と揺動アーム２２との接触点が僅かに押圧部３４に入り込み、その結果、僅かなリフトが弁体１２に生ずるように構成されている。このため、可変動弁機構１０によれば、上述した小リフト動作を行うことで、カム５４の回転と同期して、小さなリフトを弁体１２に与えることができる。
また、この場合、カム５４の作用力が現実に弁体１２を押し下げる期間、つまり、カム５４の回転に伴って弁体１２が非閉弁状態とされる期間（クランク角幅）も比較的小さなものとなる（以下、この期間を「作用角」と称す）。従って、可変動弁機構１０によれば、小リフト動作を行うことで、弁体１２のリフト量を小さくすると共に、その作用角も小さくすることができる。そして、この場合、揺動アーム２２には、弁体１２の開弁に伴って、比較的小さなバルブスプリング反力が作用する。
図４は、可変動弁機構１０が弁体１２に対して大きなリフトを与えるように動作している様子を示す。以下、この動作を「大リフト動作」と称す。より具体的には、図４（Ａ）は、大リフト動作の過程で弁体１２が閉弁している様子を、また、図４（Ｂ）は大リフト動作の過程で弁体１２が開弁している様子を、それぞれ表している。
大リフト動作を行う場合は、図４（Ａ）に示すように、制御軸回転角θ_Ｃが十分に大きな値に調整される。その結果、大リフト動作の実行時には、スライドローラ５０がローラ当接部２８から脱落しない範囲で、非リフト時におけるアーム回転角θ_Ａ、つまり、基準アーム回転角_Ａ０が十分に大きな値とされる。可変動弁機構１０は、その基準アーム回転角θ_Ａ０において、揺動アーム２２とローラ２０との接触点が、同心円部３２の端部に位置するように構成されている。このため、大リフト動作の場合にも、弁体１２は閉弁状態に維持される。
図４（Ａ）に示す状態からカム５４が回転すると、図４（Ｂ）に示すように、カム当接ローラ４８がカムノーズに押圧されることにより、アーム回転角θ_Ａが大きくなる方向に揺動アーム２２が回転する。その結果、揺動アーム２２とローラ２０との接触点が、同心円部３２から押圧部３４に移行し、バルブスプリング６２の反力に抗って弁体１２が開弁方向に移動する。大リフト動作の際には、上記の如く基準アーム回転角θ_Ａ０が大きな値とされているため、カム５４の回転に伴って生ずる最大アーム回転角θ_ＡＭＡＸも大きな値となる。可変動弁機構１０は、図４（Ｂ）に示すように、そのような最大アーム回転角θ_ＡＭＡＸが生じた際に、ローラ２０と揺動アーム２２との接触点が、十分に押圧部３４に入り込んだ位置となるように構成されている。このため、可変動弁機構１０によれば、上述した大リフト動作の実行中は、図４（Ｂ）に示すように、カム５４の回転と同期して、大きなリフトと大きな作用角を弁体１２に与えることができる。そして、この場合は、弁体１２のリフト量が大きいことから、弁体１２の開弁に伴って、揺動アーム２２に比較的大きなバルブスプリング反力が作用する。
弁体１２の開弁に伴って発生するバルブスプリング６２の反力は、揺動アーム２２を、アーム回転角θ_Ａが小さくなる方向に付勢する。換言すると、この反力は、制御軸４０を、制御軸回転角θ_Ｃが小さくなる方向に作用する。つまり、可変動弁機構１０において、バルブスプリング６２の発生する反力は、制御軸４０を、作用角およびリフト量を小さくする方向に回転させる力として作用する。
可変動弁機構１０において、制御軸４０には、上述したバルブスプリング６２の反力に加えてロストモーションスプリング６０の付勢力が作用している。そして、その付勢力も、バルブスプリング６２の反力と同様、制御軸回転角θ_Ｃを小さくする方向に、すなわち、弁体１２の作用角およびリフト量を小さくしようとする方向に作用する。
ロストモーションスプリング６２の発する付勢力は、その変形量が大きいほど大きなものとなる。本実施形態において、その変形量は、第１アーム部材２４が、アーム回転角θ_Ａが大きくなる方向に回転するほど大きなものとなる。そして、本実施形態の構造によれば、アーム回転角θ_Ａは、弁体１２に生ずるリフト量が大きいほど大きな角度となる。このため、可変動弁機構１０においては、大リフト運転の過程で弁体１２が最大リフトを示す際に、ロストモーションスプリング６２が特に大きな付勢力を発生し（図４（Ｂ）におけるロストモーションスプリング６０の状態参照）、その結果、制御軸４０に対してリフト量小の方向に特に大きなトルクが作用する。
以上説明した通り、本実施形態の可変動弁機構１０は、制御軸回転角θ_Ｃを変化させることにより、基準アーム回転角θ_Ａ０を変化させ、その結果として弁体１２に与える作用角およびリフト量を変化させることができる。
次に、図５に基づいて、本実施形態にかかる可変動弁機構１０の主要部について説明する。上述したように、ロストモーションスプリング６０は、揺動アーム２２のローラ当接面２８を上方に引き上げる方向の付勢力を発生する。また、図５に示すように、弁軸１４には、バルブスプリング６２による上向きの付勢力が作用しており、ロッカーアーム１６は、バルブスプリング６２の付勢力を受けた弁軸１４により上方に付勢されている。そして、カム５４の回転位置によりロッカーアーム１６のローラ２０が押圧部３４と接しているときは、バルブスプリング６２の付勢力もローラ当接面２８を上方に引き上げる方向に作用する。
従って、ロストモーションスプリング６０の付勢力とバルブスプリング６２の付勢力は、共に揺動アーム２２の回転方向に対して同一方向に作用し、これらの２つのスプリングによって、揺動アーム２２にはローラ当接面２８を上方に引き上げる方向（図５において揺動アーム２２が左回りに回転する方向）の付勢力が作用する。そして、ローラ当接面２８を上方に引き上げる方向の付勢力は、スライドローラ５０、揺動ローラ部３８、回転軸４６を介して非揺動部３６に伝達される。これにより、非揺動部３６、および非揺動部３６と一体化された制御軸４０は、制御軸４０を回転中心として図５において左回りに回転する方向の力を受ける。
このため、制御軸回転角θ_Ｃが小さくなる方向に制御軸４０を回転させる場合、すなわち大リフト動作側から小リフト動作側へ制御軸４０を回転させる場合は、ロストモーションスプリング６０およびバルブスプリング６２の付勢力が制御軸４０の回転に対して作用する方向と、制御軸４０の回転方向とが同一となるため、制御軸４０を回転させるためのトルクは比較的小さいものとなる。
一方、小リフト動作側から大リフト動作側へ制御軸４０を回転させる場合は、ロストモーションスプリング６０およびバルブスプリング６２の付勢力が制御軸４０の回転に対して作用する方向と、制御軸４０の回転方向とが反対になるため、制御軸４０を回転させるために大きなトルクが必要となる。
このため本実施形態の可変動弁機構１０では、図５に示すように、ロストモーションスプリング６０およびバルブスプリング６２の付勢力に対して反対方向に付勢力を作用させるアシストスプリング６４を設けている。アシストスプリング６４は省スペース化に有利なトーションスプリングから構成され、圧縮された状態で一端が非揺動部３６の回転軸４６近傍の上面と当接し、他端は固定されている。これにより、アシストスプリング６４の付勢力は図５において制御軸４０が右回りに回転する方向に作用する。従って、アシストスプリング６４によれば、ロストモーションスプリング６０およびバルブスプリング６２による付勢力が制御軸４０の回転に対して作用する方向と反対向きの力を制御軸４０に作用させることができる。
これにより、図５において制御軸４０を右回りに回転させる際に必要となるトルクを低減することができる。従って、特に小リフト動作側から大リフト動作側へ移行させる際に必要となる制御軸４０の駆動トルクを低減することができ、制御軸４０を瞬時に駆動することが可能となる。また駆動トルク低減により、制御軸４０を駆動するためのアクチュエータの消費電力を最小限に抑えることが可能となる。
図６は、制御軸回転角θ_Ｃを可変した場合のアシストスプリング６４の状態を示す模式図である。ここで、図６（Ａ）は制御軸回転角θ_Ｃを小リフト動作側（小作用角側）に設定した状態を、図６（Ｂ）は制御軸回転角θ_Ｃを大リフト動作側（大作用角側）に設定した場合をそれぞれ示している。
図６（Ａ）に示すように、制御軸回転角θ_Ｃを小リフト動作側に設定した場合は、制御軸回転角θ_Ｃが最も小さくなり、アシストスプリング６４が最も圧縮された状態となる。この状態では、アシストスプリング６４の付勢力が最大となり、制御軸４０を右回りに回転させる方向に作用するため、ロストモーションスプリング６０およびバルブスプリング６２の付勢力が相殺される。従って、制御軸４０を大リフト動作側（大作用角側）へ回転させる際の駆動トルクを低減でき、アイドル運転状態や定常運転状態から発進又は加速する際に、小作用角・小リフト状態から大作用角・大リフト状態へ素早く移行することが可能となり、発進時又は加速時のドライバビリティを向上させることができる。
一方、図６（Ｂ）に示すように、制御軸回転角θ_Ｃを大リフト動作側に設定した場合は、制御軸回転角θ_Ｃが最も大きくなるため、制御軸４０に作用するアシストスプリング６４の付勢力は小さくなる。そして、ロストモーションスプリング６０およびバルブスプリング６２の付勢力が制御軸４０を左回りに回転させる方向に作用しているため、この状態から小リフト動作側へ可変する際の制御軸４０の駆動トルクは最小限に抑えられている。従って、大リフト動作側においても少ない駆動トルクで素早く作用角・リフト量を変更することが可能である。
図７は、アシストスプリング６４の配設状態と、制御軸４０を回転させる機構を説明するための模式図である。図７に示すように、可変動弁機構１０は制御軸４０を回転させる機構を含んでいる。図７では、＃１と＃２の２つの気筒を示しており、各気筒は吸気弁または排気弁としての２つの弁体１２を備えている。
図７に示すように、制御軸４０上には、アシストスプリング６４を保持するためのスプリングガイド６６が設けられている。スプリングガイド６６は隣接する２気筒で共用される１本の棒材、筒材からなり、スプリングガイドヘッド６８に固定されている。スプリングガイドヘッド６８は、シリンダヘッドまたは制御軸４０を回転可能に支持するキャップ等に固定されている。
スプリングガイド６６には隣接する２つの気筒のアシストスプリング６４が巻き付けられ、各アシストスプリング６４の一端はスプリングガイドキャップ６８に設けられた孔に挿入されて固定されている。そして、アシストスプリング６４の他端は第２アーム部材２６の非揺動部３６に当接し、非揺動部３６を付勢している。
スプリングガイドキャップ６８にはスリット６８ａが設けられ、ボルト７０が挿通している。ボルト７０は、シリンダヘッドまたは制御軸４０を回動可能に支持するキャップ等に締め付けられる。これにより、スプリングガイドキャップ６８がシリンダヘッド等に固定されるとともに、スプリングガイド６６がスプリングガイドキャップ６８に固定される。
制御軸４０の端部には、ウォームホイール７２が設けられている。ウォームホイール７２の近傍には、制御軸４０を駆動するためのモータ６６が配設されている。モータ６６のモータ軸７４にはウォームギヤ７６が設けられ、ウォームホイール７２とウォームギヤ７６は噛み合い状態にある。従って、モータ軸７４を回転させると、ウォームギヤ７６とウォームホイール７２の噛み合いによって制御軸４０を回転させることができる。制御軸４０の端部には、制御軸４０の回転角を検出するための位置センサ７８が配設されている。
図７のように、ウォームホイール７２とウォームギヤ７６の噛み合いによって制御軸４０を回転させる機構では、ウォームギヤ機構のセルフロック機能により制御軸４０の回転角が所定の角度に保持される。このようなウォームギヤ機構においては、歯面同士が摺動するため、歯面における静止摩擦係数が大きく、歯面同士の接触荷重が駆動トルクに与える影響が大きい。このため、ロストモーションスプリング６０およびバルブスプリング６２の付勢力のみが制御軸４０の回転方向に作用すると、歯面同士の接触荷重の増加によってウォームギヤ７６を駆動するためのトルクが増大してしまう。本実施形態では、アシストスプリング６４を設けたことにより、ウォームホイール７２とウォームギヤ７６の歯面同士の接触荷重を最小限に抑えることができるため、制御軸４０の駆動トルク、特に起動トルクを大幅に低減することができる。
図８は、アシストスプリング６４を設けたことによるモータ６６の駆動トルクの低減効果を示す特性図であって、横軸は制御軸回転角θ_Ｃ（ｄｅｇ）を、縦軸はモータ６６の駆動トルクを示している。ここで、図８は小リフト動作側から大リフト動作側へ制御軸４０を回転させた場合の特性を示している。
図８中、点線で示す特性は、アシストスプリング６４を設けていない場合の特性を示している。この状態では、ロストモーションスプリング６０とバルブスプリング６２の付勢力のみが制御軸４０の回転方向に作用するため、小リフト動作側から大リフト動作側へ制御軸４０を回転させる際の駆動トルクは大きくなる。
図８中に実線で示す特性は、アシストスプリング６４を設けた場合の特性を示している。このように、アシストスプリング６４を設けたことによってロストモーションスプリング６０およびバルブスプリング６２の付勢力を相殺できるため、制御軸４０の駆動トルクを１／３〜１／２程度まで低減することが可能となる。なお、アシストスプリング６４を設けた場合であっても、大リフト動作側から小リフト動作側への駆動トルクは殆ど増加しない。これは、アシストスプリング６４を設けたことによる駆動トルクの低減が、主としてウォームギヤ機構の歯面同士の接触荷重の低下に起因しているためである。従って、アシストスプリング６４の付勢力は、ウォームギヤ機構の歯面同士の接触荷重を低減できる程度が好適である。
以上説明したように実施の形態１によれば、ロストモーションスプリング６０およびバルブスプリング６２の付勢力に対抗して、反対向きに付勢力を作用させるアシストスプリング６４を設けたため、制御軸４０を回転させるための駆動力を大幅に低下させることができる。これにより、制御軸４０を駆動する際の応答性を高めることが可能となり、運転条件に応じてバルブリフト量、作用角を瞬時に可変することが可能となる。また、制御軸４０を駆動するウォームギヤ機構の歯面同士の接触荷重を大幅に低減することができるため、歯面の磨耗を抑えることができる。更に、制御軸４０を駆動するモータ７６を小型化することが可能となり、モータ７６の消費電流を最小限に抑えることが可能となる。
尚、上述した実施の形態１においては、第１アーム部材２４および揺動ローラ部３８が前記第１又は第１１の発明における「伝達部材」に、非揺動部３６および揺動ローラ部３８が前記第１又は第１１の発明における「可変機構」に、カム５４が前記第１又は第１１の発明における「第１のカム」に、同心円部３２および押圧部３４が前記第１又は第１１の発明における「第２のカム」に、それぞれ該当している。
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図９は、実施の形態２の可変動弁機構１０を説明するための模式図である。実施の形態２の可変動弁機構１０の基本的な構成は、実施の形態１と同様である。
実施の形態１と同様に、各気筒＃１〜＃４には、制御軸４０の駆動トルクを低減するためのアシストスプリング６４が設けられている。実施の形態２は、制御軸４０の変形を考慮して、各アシストスプリング６４の付勢力をそれぞれ異なる値に設定したものである。
実施の形態１で説明したように、制御軸４０には、ロストモーションスプリング６０およびバルブスプリング６２の付勢力が同一の回転方向に作用している。１気筒に対してロストモーションスプリング６０は１個、バルブスプリング６２は２個設けられるため、各気筒で共用される制御軸４０には、これらのスプリングによる荷重がかかることになる。
従って、制御軸４０を中空の細いパイプで構成した場合等においては、ロストモーションスプリング６０およびバルブスプリング６２の付勢力によって制御軸４０が捻れ、制御軸４０が回転方向に変形する場合がある。このとき、制御軸４０の回転はウォームギヤ機構によってロックされており、ウォームギヤ機構から離れるほど制御軸４０の剛性が低下するため、制御軸４０の変形量はウォームホイール７２から離れるほど大きくなる。
このため、実施の形態２では、ウォームホイール７２から離れるほどアシストスプリング６４の付勢力を大きくしている。すなわち、図９に示す各気筒＃１〜＃４のアシストスプリング６４の付勢力をそれぞれＰ＃１〜Ｐ＃４とした場合、Ｐ＃１＞Ｐ＃２＞Ｐ＃３＞Ｐ＃４となるように各アシストスプリング６４の付勢力を設定している。この際、各アシストスプリング６４の線径、巻数、コイル径などを相違させることで、各アシストスプリング６４の付勢力を可変できる。また、各気筒におけるアシストスプリング６４の取付角を相違させることで、アシストスプリング６４自体の設計を変更することなく各アシストスプリング６４の付勢力を可変できる。
アシストスプリング６４はロストモーションスプリング６０およびバルブスプリング６２の付勢力に対抗する付勢力を発生させるため、ウォームホイール７２からの距離が遠く、回転方向の変形に対する剛性が低くなる部位ほどアシストスプリング６４の付勢力を大きくすることで、制御軸４０の捻れを抑制することができる。これにより、制御軸４０の変形に起因して各気筒での弁体１２のリフト量、開弁・閉弁タイミングにバラツキが生じてしまうことを抑止できる。なお、制御軸４０の変形を抑えるため、ロストモーションスプリング６０の荷重を気筒毎に可変し、ウォームホイール７２から離れるほどロストモーションスプリング６０の付勢力を小さくしてもよい。
なお、図９では４気筒の機関において制御軸４０の端部にウォーム機構を配置した例を示したが、＃２気筒と＃３気筒の間にウォーム機構を配置した場合であっても、ウォーム機構から離れるほどアシストスプリング６４の付勢力を大きくすることで、制御軸４０の変形を抑止することができる。
以上説明したように実施の形態２によれば、ロストモーションスプリング６０およびバルブスプリング６２の付勢力に対抗して、反対向きに付勢力を作用させるアシストスプリング６４を設けることで、実施の形態１と同様に制御軸４０を回転させるための駆動力を大幅に低下させることができる。そして、制御軸４０の回転位置を規制するウォームホイール７２からの距離が大きくなるほどアシストスプリング６４の付勢力を大きくしたため、ロストモーションスプリング６０およびバルブスプリング６２の荷重によって制御軸４０が変形してしまうことを抑止できる。従って、気筒毎のリフト量、作用角のバラツキを抑えることができ、各気筒毎の吸入空気量を均一にすることが可能となる。これにより、ドライバビリティの悪化、出力低下を抑止することが可能となる。
また、制御軸４０の変形を抑えることができるため、制御軸４０を細径化、薄肉化することも可能となる。これにより、モータ６６の駆動トルクを低減することができ、また機関の小型化を図ることも可能となる。
図１０は、上述した実施の形態１，２において、コイルスプリングからなるロストモーションスプリング６０の代わりに、トーションスプリングからなるロストモーションスプリング６１を設けた例を示す模式図である。
図１０の構成では、揺動アーム２２の側部に、制御軸４０に貫通するようにロストモーションスプリング６１を配置している。ロストモーションスプリング６１の一端は揺動アーム２２の側部に設けられた突起２２ａに係合しており、ロストモーションスプリング６１の他端は制御軸４０に設けられた係合部４０ａに係合している。
そして、ロストモーションスプリング６１の付勢力によって、揺動アーム２２にはローラ当接面２８を上方に引き上げる方向（図１０において揺動アーム２２が左回りに回転する方向）の力が作用している。従って、図１０の構成によれば、コイルスプリングからなるロストモーションスプリング６０と同じ機能をロストモーションスプリング６１に発揮させることができる。すなわち、ロストモーションスプリング６１によって、カム５４とローラ当接面２８とが、カム当接ローラ４８およびスライドローラ５０を介して機械的に連結された状態を維持することが可能である。
ところで、上述したように実施の形態２では、制御軸４０の回転位置を規制するウォームホイール７２からの距離に応じてアシストスプリング６４の付勢力を可変することで、制御軸４０の変形を抑止することとしているが、制御軸４０の変形はバルブスプリング６２、ロストモーションスプリング６０、アシストスプリング６４による制御軸の回転方向の合力に起因して生じるため、この合力を各気筒別にウォームホイール７２からの距離に応じて可変すれば、制御軸４０の変形を抑止することが可能である。すなわち、ウォームホイール７２からの距離が長い部位ほど、バルブスプリング６２、ロストモーションスプリング６０、アシストスプリング６４による制御軸４０の回転方向の合力を小さくすることで、スプリングの付勢力に起因した制御軸４０の回転方向の変形を抑えることが可能である。
具体的には、ロストモーションスプリング６０の付勢力を、制御軸４０の回転位置を規制するウォームホイール７２からの距離に応じて可変することで、制御軸４０の変形を抑止することが可能である。この場合、ウォームホイール７２からの距離が大きくなるほどロストモーションスプリング６０の付勢力が小さくなるように、各気筒の可変動弁機構１０におけるロストモーションスプリング６０の付勢力を設定する。上述したように、制御軸４０には、バルブスプリング６２およびロストモーションスプリング６０の付勢力が同一の回転方向に作用しており、バルブスプリング６２およびロストモーションスプリング６０の付勢力による制御軸４０の変形量はウォームホイール７２から離れるほど大きくなる。従って、ウォームホイール７２からの距離が長くなるほどロストモーションスプリング６０の付勢力を小さくすることで、制御軸４０における捻れ等の変形を抑えることが可能となる。
また、バルブスプリング６２の付勢力を、制御軸４０の回転位置を規制するウォームホイール７２からの距離に応じて可変することで、制御軸４０の変形を抑止することが可能である。この場合、ウォームホイール７２からの距離が大きくなるほどバルブスプリング６２の付勢力が小さくなるように、各気筒のバルブスプリング６２の付勢力を設定する。バルブスプリング６２およびロストモーションスプリング６０の付勢力による制御軸４０の変形量はウォームホイール７２から離れるほど大きくなるため、ウォームホイール７２からの距離が大きくなるほどバルブスプリング６２の付勢力を小さくすることで、制御軸４０における捻れ等の変形を抑えることが可能となる。
ロストモーションスプリング６０の付勢力を可変する場合、各気筒において線径、巻数、コイル径などを相違させることで、各ロストモーションスプリング６０の付勢力を可変できる。また、各気筒においてロストモーションスプリング６０の圧縮量が異なるように、ロストモーションスプリング６０の取り付け部を構成することで、各ロストモーションスプリング６０の付勢力を可変できる。また、図１０のようにトーションスプリングからロストモーションスプリング６１を構成した場合は、係合部４０ａの延在方向と水平方向とのなす角度（図１０中にθ１で示す）を各ロストモーションスプリング６１毎に変えることで、各ロストモーションスプリング６１の付勢力を可変することができる。より具体的には、図１０においてロストモーションスプリング６１の付勢力は揺動アーム２２を左回りに回転させる方向に作用しているため、各ロストモーションスプリング６１が係合する係合部４０ａの位置を示す角度θ１の値を、制御軸４０の長手方向に沿ってウォームホイール７２からの距離が長くなるほど大きくすることで、ウォームホイール７２からの距離が長くなるほどロストモーションスプリング６１の付勢力を小さくすることができる。このように、係合部４０ａの位置を可変した場合は、ロストモーションスプリング６１自体の設計を変更することなく各ロストモーションスプリング６１の付勢力を可変できる。このように、各気筒においてロストモーションスプリング６０の圧縮量を可変した場合、または係合部４０ｂの位置を可変した場合は、付勢力を変更したロストモーションスプリング６０，６１を複数用意する必要がなくなり、部品点数を削減できる。また、ロストモーションスプリング６０，６１の組み付け時に、付勢力の異なるロストモーションスプリング６０，６１から選別を行う作業等が不要となる。
また、バルブスプリング６２の付勢力を可変する場合も、各気筒において線径、巻数、コイル径などを相違させることで、各バルブスプリング６２の付勢力を可変できる。また、図１０に示すように、バルブスプリング６２の下端に、各バルブスプリング毎に異なる厚さのバルブスプリングシート６３を挿入することによってもバルブスプリング６２の付勢力を可変することができる。この場合、制御軸４０の長手方向に沿ってウォームホイール７２からの距離が長くなるほどバルブスプリングシート６３の厚さを薄くすることで、ウォームホイール７２からの距離が長くなるほどバルブスプリング６２の付勢力を小さくすることができる。このように、バルブスプリングシート６３によってバルブスプリング６２の付勢力を可変した場合は、バルブスプリング６２自体の設計を変更することなく、各バルブスプリング６２の付勢力を可変できる。従って、付勢力を変更したバルブスプリング６２を複数用意する必要がなくなり、部品点数を削減できる。また、バルブスプリング６２の組み付け時に、付勢力の異なるバルブスプリング６２から選別を行う作業等が不要となる。
このように、ロストモーションスプリング６０、バルブスプリング６２、アシストスプリング６４の少なくとも１つの付勢力を制御軸４０の長手方向に沿って可変し、ウォームホイール７２からの距離が長い部位ほど、バルブスプリング６２、ロストモーションスプリング６０、アシストスプリング６４による制御軸４０の回転方向の合力を小さくすることで、スプリングの付勢力に起因した制御軸４０の回転方向の変形を抑えることが可能である。
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３の可変動弁機構１０の基本的な構成およびその動作は、図１〜図４で説明した実施の形態１と同様である。
図１１は、本発明の実施の形態３に係る可変動弁機構１０を説明するための図である。より具体的には、図１１（Ａ）は、可変動弁機構１０を表した平面図であり、図１１（Ｂ）はその機構を図１１（Ａ）に示すＢ矢視で表した側面図である。また、図１１（Ｃ）は、可変動弁機構の主要部を図１１（Ｂ）に示すＣ−Ｃ断面で切断することにより得られた断面図である。
図１１に示す構成は、内燃機関のシリンダヘッド８０を含んでいる。シリンダへッド８０は、図示しない制御軸軸受けを介して、制御軸４０を回転可能に保持している。図１１では図示を省略するが、図１および図２で説明した可変動弁機構１０の主要部の構成は、シリンダヘッド８０の近傍に設けられている。本実施形態に係る内燃機関も複数の気筒（以下、４気筒とする）を直列に備えており、制御軸４０は、それら４つの気筒の上方を縦断するように設けられている。
制御軸４０の端部には、平歯状の第１ギヤ８４が固定されている。第１ギヤ８４には、同じく平歯状の第２ギヤ８６が噛み合わされている。第２ギヤ８６の中心には、回転軸８８が固定されている。また、回転軸８８には、図１１（Ｂ）に示すように、第２ギヤ８６と重なるように半円状のウォームホイール９０が固定されている。そして、回転軸８８は、回転可能な状態でシリンダヘッド８０に保持されている。このような構成によれば、半円状のウォームホイール９０と平歯状の第２ギヤ８６とは、両者の相対回転角を一定としたまま、回転軸８８を回転軸として回転することができる。
シリンダヘッド８０の側方には、制御軸４０を回転させるためのアクチュエータとして機能するモータ６６が配置されている。モータ６６の回転軸には、上述したウォームホイール９０と噛み合わされるウォームギヤ９４が固定されている。ウォームギヤ９４は、図示されるように、その側面に螺旋状のギヤ溝を備えている。一方、ウォームホイール９０には、その螺旋状のギヤ溝と噛み合うような、傾斜のあるギヤ溝が形成されている。
モータ６６の回転軸と、ウォームホイール９０の回転軸８８とは、その方向が９０度異なっている。ウォームギヤ９４およびウォームホイール９０によれば、その回転軸のずれに関わらず、モータ９２の出力トルクを回転軸８８に伝えることができる。そして、図１１に示す構成によれば、回転軸８８に伝達されたトルクは、第１ギヤ８６および第１ギヤ８４を介して制御軸４０に伝達される。このため、この構成によれば、モータ６６の回転を制御することで、制御軸４０の回転を制御することができる。
ところで、本実施形態の可変動弁機構において、制御軸４０の回転位置は、所定の角度範囲の中で調整される。このため、制御軸４０につながるギヤ機構は、その角度範囲の中で制御軸４０を動かせるものであれば良い。本実施形態の構成において、そのような角度範囲は、ウォームホイール９０を１８０度回転させることにより十分にカバーすることができる。そこで、本実施形態では、上記の如くウォームホイール９０を半円状態として、ギヤ機構に含まれる不要部分をできるだけ小さくすることとしている。
また、本実施形態の可変動弁機構は、図１１（Ｃ）に示すように、モータ６６のトルクを制御軸４０に伝えるギヤ機構の中に、アシストスプリング９６を備えている。アシストスプリング９６は、具体的には、ウォームホイール９０の回転軸８８を取り巻くように配置されたコイルスプリングで構成されており、その一端が第２ギヤ８６に、また、その他端がシリンダヘッド８０にそれぞれ固定されている。
アシストスプリング９６は、その中心軸回りにアシストトルクを発生することができる。上記の構成によれば、アシストスプリング９６は、第２ギヤ８６、回転軸８８およびウォームギヤ９０に対して、所定方向の回転トルクを与えることができる。回転軸８８の回転は制御軸４０に伝達されて吸気弁のリフト量に変化を与える。そして、その回転が一の方向に生ずるとリフト量は増加し、また、他の方向に生ずるとリフト量が減少する。本実施形態において、アシストスプリング９６は、リフト量を増加させる方向にアシストトルクを発生するように設けられている。
このように、本実施形態の可変動弁機構は、制御軸４０を、ウォームホイール９０とウォームギヤ９４とを含むギヤ機構を介してモータ６６により駆動することとしている。そして、そのギヤ機構には、制御軸４０に対して大リフト方向のアシストトルクを与えるアシストスプリング９６が組み込まれており、更に、そのアシストトルクは、ウォームホイール９０に対して直接的に加えられている。
ウォームホイール９０とウォームギヤ９４との組み合わせによれば、高い正効率と低い逆効率を実現することができる。このため、本実施形態の可変動弁機構によれば、モータ６６の発するトルクを高い効率で制御軸４０に伝達することができ、一方、制御軸４０に入力されるトルクがモータ６６に伝達されるのを阻止することができる。このため、この可変動弁機構によれば、モータ６６を制御することにより、制御軸４０の回転位置を精度良く制御することができる。
また、本実施形態の可変動弁機構では、制御軸４０を小リフト方向に回転させようとする外力の影響、つまり、バルブスプリング６２の反力やロストモーションスプリング６０の付勢力の影響を、上記のアシストトルクにより緩和することができる。このようなアシストトルクが存在しない場合には、制御軸４０を大リフト方向に回転させる際に、各種の機械的な摩擦力とバルブスプリング６２の反力等とに抗って、その回転を生じさせることが必要となる。この場合、モータ６６に大きなトルクが要求され、その駆動に多大な電力が必要となり、また、ギヤ機構や制御軸４０にねじれが生じ易くなるといった不都合が生ずる。
これに対して、バルブスプリング６２の反力等の影響をアシストトルクで緩和することができれば、より小さなモータトルクで制御軸４０を大リフト方向に回転させることが可能となる。このため、本実施形態の可変動弁機構によれば、アシストスプリング９６が存在しない場合に比して、モータ６６の小型化、制御軸４０の駆動に要する消費電力の低減、制御軸４０等のねじれ量の低減などの利益を得ることができる。
更に、本実施形態の構成によれば、アシストトルクがウォームホイール９０に直接加えられているため、静止している制御軸４０を円滑に回転させ始めることができる。以下、図１２を参照してその理由を説明する。図１２は、ウォームギヤ９４とウォームホイール９０との組み合わせからなるギヤ機構の正効率（ウォームギヤ９４からウォームホイール９６へ向かうトルクの伝達効率）と、それらの瞬時回転数との関係を表した図である。より具体的には、図１２中に一点鎖線で示す曲線は、ウォームホイール９０にアシストトルクが加えられていない場合の正効率を、また、図１２中に実線で示す曲線は、ウォームホイール９０に、回転を補助する方向のアシストトルクが加えられている場合の正効率を示す。
ウォームギヤ９４とウォームホイール９０との間の静摩擦係数は、平歯間のそれに比して十分に大きな値となる。また、制御軸４０に小リフト方向に向かう力が作用している場合に、モータ６６が大リフト方向へのトルクを発生すると、ウォームギヤ９４とウォームホイール９０の間には、それらが重なり合うことにより大きな荷重が作用する。このため、ウォームギヤ９４とウォームホイール９０との間には、アシストトルクが存在しない場合は、大きな静摩擦力が発生する。その結果、図１２中に一点鎖線で示すように、瞬時回転数がゼロ付近の領域では、正効率が著しく低い値となる。そして、瞬時回転数が大きくなり、静摩擦係数の影響がなくなると、その正効率は高い値で安定する。
ウォームホイール９０に大リフト方向のアシストトルクが作用していると、制御軸４０に入力される小リフト方向の力を、そのアシストトルクで打ち消すことができ、その結果、ウォームホイール９０とウォームギヤ９４との間に作用する静止時の荷重を小さな値とすることができる。その荷重が小さな値となれば、ウォームホイール９０とウォームギヤ９４の間に発生する静摩擦力も小さな値となり、図１２中に実線で示すように、瞬時回転数が低い領域での正効率が著しく改善される。そして、その領域での正効率が改善されると、制御軸４０を大リフト方向に回転させる際の動き出しを滑らかにすることができ、その制御精度を高めることができる。
以上説明した通り、本実施形態の可変動弁機構によれば、アシストスプリング９６の作用により、制御軸４０を、小さなモータトルクで円滑に大リフト方向に回転させることができる。また、制御軸４０には、元来小リフト方向の外力が作用しているため、制御軸４０を小リフト方向に移動させる際には、必然的に良好な作動特性が実現される。このため、本実施形態の可変動弁機構によれば、制御軸４０を、何れの方向にも小さな力で円滑に回転させることができる。
ところで、上述した実施の形態３においては、制御軸４０を回転させることにより弁体１２の作用角およびリフト量を変化させる機構を用い、その回転を生じさせるギヤ機構の中にアシストスプリング９６を組み込むこととしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、制御軸４０を軸方向に移動させることにより弁体１２の作用角およびリフト量を変化させる機構を用いて、制御軸４０に駆動力を伝えるギヤ機構中に大リフト方向に向かうアシストトルクを発するアシストスプリングを組み込むこととしてもよい。
また、上述した実施の形態３においては、実施の形態１と同様に、ロストモーションスプリング６０がバルブスプリング６２と同様に、可変動弁機構１０を小リフト方向に変化させる付勢力を発することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、ロストモーションスプリングが、大リフト方向に向かう付勢力を発生する機構に対しても有効である。
また、上述した実施の形態３では、可変動弁機構１０が、制御軸４０の回転位置に応じて作用角およびリフト量の双方を変化させることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、可変動弁機構は、作用角およびリフト量の一方のみを変化させるものであってもよい。この場合、弁体の作用角のみを変化させる制御軸を大作用角方向に付勢する力、或いは、弁体のリフト量のみを変化させる制御軸を大リフト方向に付勢する力が生ずるようにアシストスプリングを設けることで、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
尚、上述した実施の形態３においては、第１アーム部材２４および第２アーム部材２６が前記第７の発明における「可変機構」に、モータ６６が前記第７の発明における「アクチュエータ」に、ウォームギヤ９４、ウォームホイール９０、第２ギヤ８６および第１ギヤ８４が、前記第７の発明における「ギヤ機構」に、アシストスプリング９６が前記第７の発明における「アシスト力発生手段」に、それぞれ相当している。
なお、実施の形態２と同様に、実施の形態３においても、ロストモーションスプリング６０またはバルブスプリング６２の付勢力を制御軸４０の長手方向で可変し、第１ギヤ８４からの距離が長い部位ほど、バルブスプリング６２およびロストモーションスプリング６０による制御軸４０の回転方向の合力を小さくすることで、これらのスプリングの付勢力に起因した制御軸４０の回転方向の変形を抑えることが可能である。例えば、第１ギヤ８４からの距離が長い位置ほど、ロストモーションスプリング６０の付勢力を小さくすることで、制御軸の捻れを抑えることができる。
実施の形態４．
次に、図１３を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。図１３は、本発明の実施の形態３の可変動弁機構の潤滑油流通経路を説明するための図である。より具体的には、図１３（Ｂ）は、ウォームギヤ９４とウォームホイール９０との噛み合い部分の周辺を拡大して表した断面図である。また、図１３（Ａ）は、本実施形態における可変動弁機構を、図１３（Ｂ）に示すＡ−Ａ矢視に沿って切断することで得られる断面図である。尚、図１３に示す上下の配置は、内燃機関を車載した際に実現される関係と一致しているものとする。
本実施形態の可変動弁機構は、以下に説明する潤滑油流通経路を備える点を除き、実施の形態３の可変動弁機構と実質的に同様である。すなわち、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）においては、便宜上、ウォームホイール９０を全円状のものとし、また、ウォームホイール９０を制御軸４０に直接固定することとしているが、これらの点は発明の本質部分ではなく、実施の形態４の機構は、以下に説明する潤滑油流通経路において特徴を有するものである。以下、図１３において、先に説明した構成要素と同一のものまたは対応するものについては、共通する符号を付して、その説明を省略または簡略する。
図１３（Ｂ）に示すように、本実施形態の可変動弁機構において、モータ６６は、シリンダヘッド８０に固定されている。シリンダヘッド８０の内部空間は、その上に組み付けられたヘッドカバー１００により密閉されている。シリンダヘッド１００の内部には、ウォームギヤ９４の外形に倣った空間１０２と、ウォームホイール９０の外形に倣った空間１０４とが形成されている。これらの空間１０２，１０４は互いに一体化されており、それらの中には、ウォームホイール９４とウォームホイール９０とが無駄なく収納されている。
ウォームホイール９０を収納する空間１０４には、その上部において、オイル供給通路１０６が連通している。オイル供給通路１０６は、内燃機関の運転中に、オイルポンプにより圧送された潤滑油の一部を、空間１０２および１０４内に導くための通路である。モータ６６の回転軸には、その周囲を取り巻き、空間１０２を外部空間から遮断するオイルシール１０８が装着されている。また、図１３（Ａ）に示すように、制御軸４０には、その周囲を取り巻き、空間１０２，１０４を外部空間から遮断するオイルシール１１０が装着されている。このため、内燃機関の運転中に、空間１０２および１０４の内部は、潤滑油で満たされた状態となる。
図１３（Ａ）に示すように、制御軸４０の内部には、軸方向に延在するオイル流通路１１２が形成されている。オイル流通路１１２の端部は、封止プラグ１１４により封止されている。更に、制御軸４０には、空間１０２，１０４とオイル流通路９２とを連通させるオイル供給孔１１６が設けられている。このため、内燃機関の運転中は、空間１０２，１０４に満たされた潤滑油がオイル供給孔１１６を通ってオイル流通路１１２に供給される。
シリンダヘッド８０は、内燃機関の各気筒の両側に、制御軸４０を保持するための軸受け１１８を備えている。制御軸４０は、それらの軸受け１１８により回転可能に保持されている。そして、各気筒に対応する可変動弁機構１０の主要部は、２つの軸受け１１８に挟まれる位置において制御軸４０に組み付けられている。つまり、可変動弁機構１０が備える２つの揺動アーム２２、および一つの非揺動部３６は、それら２つの軸受け１１８に挟まれる位置において、制御軸４０に組み付けられている。
制御軸４０には、個々の軸受け１１８、個々の揺動アーム２２、および個々の非揺動部３６に対応する位置に、オイル流通路１１２に開口するオイル供給孔１２０を備えている。また、非揺動部３６には、一端がそのオイル供給孔１２０に開口し、その他端が揺動ローラ部３８の回転軸４６の測方に開口するオイル流通路１２２が設けられている。このため、制御軸４０の内部を流通する潤滑油は、オイル供給孔１２０やオイル流通路１２２等を通って各潤滑点に供給される。
本実施形態の可変動弁機構において、空間１０２，１０４から制御軸４０のオイル流通路１１２に流出した潤滑油は、その後、各部の潤滑点等を経由して内燃機関内部のオイル溜まりに回収される。そして、内燃機関が停止し、オイル供給通路１０６から空間１０２，１０４への新たな潤滑油の供給が停止されると、やがてはオイル流通路１１２へも潤滑油が流出しなくなり、潤滑油の循環が終了する。
ところで、図１３に示す潤滑油の流通経路において、空間１０２，１０４に流入した潤滑油は、オイル供給孔１１６を通り、オイル流通路１１２に流れ込むことによってのみ空間１０２，１０４の外部に流出する。そして、そのオイル供給孔１１６は、ウォームギヤ９４とウォームホイール９０との噛み合わせ部分より高い位置に設けられている。このため、空間１０２，１０４内の潤滑油の油面は、内燃機関の停止時においても、ウォームギヤ９４とウォームホイール９０の噛み合わせ部分より高い位置に維持される。
上記の条件の下では、ウォームギヤ９４とウォームホイール９０の間に、潤滑油を常に潤沢に供給しておくことができる。このため、本実施形態の可変動弁機構によれば、内燃機関の始動直後など、潤滑油の循環が十分に行われないような状況下でも、モータ６６の出力トルクを効率的に制御軸４０に伝達することが可能である。

以上のように、この発明にかかる可変動弁装置は、弁体のリフト量及び作用角を変化させる制御軸の駆動負荷低減を可能としたものであり、内燃機関に設けられる多種の可変動弁装置に有用である。

Claims (7)

1. 内燃機関の弁体のリフト量及び作用角を変化させる可変動弁機構であって、
   クランクの回転に応じて回転する第１のカムと、
   前記第１のカムの回転と同期して揺動し、前記第１のカムによる作用力を前記弁体に伝達する第２のカムを有する伝達部材と、
   所定の回転位置に調整される制御軸と、
   前記制御軸の回転位置に応じて前記伝達部材の揺動範囲を変化させて、前記弁体のリフト量及び作用角を変化させる可変機構と、
   前記伝達部材と前記第１のカムとの連結が維持されるように、前記伝達部材を前記第１のカムに向けて付勢するロストモーションスプリングと、
   前記ロストモーションスプリングの付勢力に対抗して前記伝達部材を付勢するアシストスプリングと、
   を備えたことを特徴とする可変動弁機構。
2. 前記ロストモーションスプリングは、前記弁体のリフト量及び作用角が大リフト・大作用角側から小リフト・小作用角側に変化する方向に前記伝達部材を付勢し、
   前記弁体のリフト量及び作用角が小リフト・小作用角側に設定されるほど、前記伝達部材に作用する前記アシストスプリングの付勢力を大きくしたことを特徴とする請求項１記載の可変動弁機構。
3. 前記弁体を前記伝達部材に向けて付勢するバルブスプリングを備え、
   前記アシストスプリングは、前記弁体を介して前記伝達部材に作用する前記バルブスプリングの付勢力に対抗して前記伝達部材を付勢することを特徴とする請求項１又は２記載の可変動弁機構。
4. 前記制御軸の回転位置を変化させるための駆動力を発生するアクチュエータと、
   前記アクチュエータと前記制御軸との間に介在するギヤ機構と、を備え、
   各気筒の前記弁体に対応して設けられた複数の前記伝達部材が、共通の前記制御軸と連結され、
   前記ロストモーションスプリング、前記アシストスプリング、及び前記バルブスプリングの付勢力は、前記伝達部材及び前記可変機構を介して前記制御軸の回転方向へ伝達され、
   前記制御軸の長手方向において、前記ギヤ機構から離れるほど、前記ロストモーションスプリング、前記アシストスプリング、および前記バルブスプリングの付勢力によって前記制御軸の回転方向にかかる力の合力を小さくしたことを特徴とする請求項３記載の可変動弁機構。
5. 前記制御軸の長手方向において、前記ギヤ機構から離れるほど、前記伝達部材を付勢する前記アシストスプリングの付勢力を大きくしたことを特徴とする請求項４記載の可変動弁機構。
6. 前記制御軸の長手方向において、前記ギヤ機構から離れるほど、前記伝達部材を付勢する前記ロストモーションスプリングの付勢力を小さくしたことを特徴とする請求項４記載の可変動弁機構。
7. 内燃機関の弁体のリフト量及び作用角を変化させる可変動弁機構であって、
   クランクの回転に応じて回転する第１のカムと、
   前記第１のカムの回転と同期して揺動し、前記第１のカムによる作用力を前記弁体に伝達する第２のカムを有する伝達部材と、
   所定の回転位置に調整される制御軸と、
   前記制御軸の回転位置に応じて前記伝達部材の揺動範囲を変化させて、前記弁体のリフト量及び作用角を変化させる可変機構と、
   前記伝達部材と前記第１のカムとの連結が維持されるように、前記伝達部材を前記第１ のカムに向けて付勢するロストモーションスプリングと、
   前記ロストモーションスプリングの付勢力に対抗する付勢力を生じさせるアシストスプリングと、
   を備えたことを特徴とする可変動弁機構。

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