JP4389773B2 - 直動機構の評価装置 - Google Patents

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本発明は、内燃機関の最大バルブリフト量を変更する可変動弁機構等に適用される直動機構についてその作動特性を評価する評価装置に関する。
従来、入力部と同入力部に螺合された出力部とを備え、入力部に入力される回転トルクを同入力部の回転軸方向の駆動力に変換し、その駆動力によって出力部を前記回転軸方向に変位させるようにした直動機構が知られている。そして、こうした直動機構は、例えば、内燃機関の運転状態に応じて吸気バルブや排気バルブの最大リフト量を変更する可変動弁機構に適用されている(特許文献1参照)。
図4及び図5に示されるように、可変動弁機構は、モータ100に直動機構105を介して駆動連結されたコントロールシャフト101、コントロールシャフト101に連動して水平移動するスライダギア102、スライダギア102にヘリカルスプラインを通じて係合された入力アーム103及び出力アーム104を備えている。入力アーム103のノーズ103aはローラ106を介してカムシャフト107のカム107aに接触し、また、出力アーム104のノーズ104aは吸気バルブ(図示略)のバルブステム109に接触している。こうした可変動弁機構にあっては、直動機構105を通じて、モータ100の回転トルクがコントロールシャフト101の軸方向の駆動力に変換され、その駆動力によってコントロールシャフト101がその軸方向に変位する。このように、コントロールシャフト101がその軸方向に変位すると、それに連動してスライダギア102が変位し、入力アーム103と出力アーム104とがそれぞれ所定量回転する。その結果、出力アーム104のノーズ104aと入力アーム103のノーズ103aとの相対位相差が変更され、吸気バルブの最大リフト量が調節される。
また、吸気バルブの最大リフト量を所定のリフト量に維持する際にも、モータ100に回転トルクを発生させ、コントロールシャフト101をその軸方向における所定位置に停止させる。尚、このようにモータ100に回転トルクを発生させるのは、吸気バルブのバルブ反力によって、入力アーム103のノーズ103aと出力アーム104のノーズ104aとの間の相対位相差が小さくなり、コントロールシャフト101が変位してしまうのを防止するためである。尚、上記直動機構105としては、例えば、図6に示されるように、シャフト(入力部)105aと、これに螺合されたナット(出力部)105bとを有するものが一般的である。
特開2001−263015号公報
こうした可変動弁機構においては、吸気バルブの最大リフト量を変更するに際して、コントロールシャフト101の位置決め精度を高めるといったことの他、同最大リフト量を維持するに際してモータ100の回転トルクを小さく抑え、その消費電力の低減を図ることが要求される。そして、この要求を満たすためには、直動機構105の出力部105bに対してその軸方向の荷重を付与して入力部105aを回転させる際に、同入力部105aが回転し始めるときの荷重の大きさ、即ち、直動機構105を逆作動させる際の最大静止荷重がより大きいことが望ましい。吸気バルブの最大リフト量を維持するに際し、この最大静止荷重が大きいほど、モータ100に発生させる回転トルクを小さく抑えることができるからである。従って、直動機構105にあっては、その作動特性を評価するうえで、上述したような逆作動時における最大静止荷重を適切且つ容易に検出することが望まれていた。
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、内燃機関の最大バルブリフト量を変更する可変動弁機構等に適用される直動機構についてその逆作動時の最大静止荷重を適切且つ容易に検出することのできる直動機構の評価装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、入力部と同入力部に螺合された出力部とを有し、前記入力部に入力される回転トルクを同入力部の回転軸方向の駆動力に変換し該駆動力により前記出力部を前記回転軸方向に変位させる直動機構の評価装置であって、前記直動機構が装着される装着部と、前記出力部に同出力部が前記回転軸方向に変位する際の方向と同方向の荷重を付与可能であり且つその荷重の大きさを調節可能な荷重付与手段と、前記入力部の回転変位を検出する回転変位検出手段と、前記荷重付与手段により前記出力部に付与される荷重を検出する荷重検出手段とを備え、前記荷重付与手段により前記荷重を徐々に増大させるとともに、これにともない前記回転変位検出手段により前記入力部の回転変位が最初に検出されたときに前記荷重検出手段により検出される前記荷重を、前記直動機構を逆作動させる際の最大静止荷重として検出することを要旨とする。
同構成によれば、直動機構の出力部に対して荷重を付与することにより入力部を回転させる際、即ち、直動機構を逆作動させる際に、入力部の回転変位とその回転変位に対応する上記荷重の大きさとを併せて検出することができる。従って、出力部に付与する荷重の大きさを徐々に増大させて入力部が回転し始める際の荷重、即ち、直動機構を逆作動させる際の最大静止荷重を適切且つ容易に検出することができるようになる。
請求項2に記載の発明は、請求項1記載の直動機構の評価装置において、前記荷重付与手段は前記出力部に荷重を付与するスプリングと該スプリングの伸縮量を調節する調節部とを備えてなることを要旨とする。
尚、このような荷重付与手段において、出力部に付与する荷重の大きさを調節可能とするためには、請求項2に記載されるように、前記荷重付与手段は前記出力部に荷重を付与するスプリングと該スプリングの伸縮量を調節する調節部とを備えてなる、といった構成を採用することができる。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2記載の直動機構の評価装置において、前記入力部に回転トルクを付与する回転トルク付与手段と、前記出力部の前記回転軸方向における変位を検出する軸方向変位検出手段と、前記回転トルク付与手段により前記入力部に付与される回転トルクを検出する回転トルク検出手段とを備え、前記回転トルク付与手段により前記回転トルクを徐々に増大させるとともに、これにともない前記軸方向変位検出手段により前記出力部の前記回転軸方向における変位が最初に検出されたときに前記回転トルク検出手段により検出される前記回転トルクを、前記直動機構を正作動させる際の最大静止荷重として検出することを要旨とする。
同構成によれば、直動機構の入力部に対して回転トルクを付与することにより出力部を回転軸方向に変位させる際、即ち、直動機構を正作動させる際に、出力部の変位とその変位に対応する上記回転トルクの大きさとを併せて検出することができる。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のうちいずれか一項に記載の直動機構の評価装置において、前記直動機構は前記出力部の変位に基づいて内燃機関の最大バルブリフト量を変更する可変動弁機構に適用されることを特徴とする動力伝達装置。
内燃機関の最大バルブリフト量を変更する可変動弁機構にあって、最大バルブリフト量を変更しない場合には、同可変動弁機構において大きな保持力が発生することにより、現状態が安定して維持されるのが望ましい。この点、請求項4記載の発明では、こうした可変動弁機構について、その逆作動時における最大静止荷重を検出することにより、同可変動弁機構が内燃機関の最大バルブリフト量を変更する機構として適切な作動特性を有しているか否かを適切且つ容易に評価することができるようになる。
以下、本発明の評価装置を具体化した一実施形態を図1〜図3を参照して説明する。なお、この評価装置において、被評価物としての直動機構105の構成は、先の図6に例示したものを想定しているため、その説明については割愛する。
図1に示されるように、評価装置10は、基台11、装置本体12、回転トルク付与手段としてのトルク機構13、荷重付与手段としてのばね機構14等を備え、これらを一体に組み付けることにより形成されている。装置本体12はその内部に中空部12aを有し、該中空部12aには、直動機構105を装着するための装着部15が設けられている。装置本体12は、装着部15に装着された直動機構105の入力部105aの回転軸方向に延びる形状に形成されている。
装置本体12において、その長手方向の両端部には、前記中空部12aの両端が開口されている。そして、装置本体12に設けられた一方の開口12bを通じて、装着部15に装着された直動機構105の入力部105aに前記トルク機構13が駆動連結され、他方の開口12cを通じて、同直動機構105の出力部105bに前記ばね機構14が駆動連結されている。本実施形態で示す評価装置10は、内燃機関の最大バルブリフト量を変更する可変動弁機構に適用される直動機構105について、これを逆作動させるのに要する最大静止荷重と正作動させるのに要する最大静止荷重とを検出するものとして構成されている。
まず、トルク機構13の構成について図2を参照して説明する。尚、図2(a)は、直動機構105の出力部105bが入力部105aの回転軸方向に変位する前の状態を示している。また、図2(b)は、直動機構105が正作動して出力部105bが前記回転軸方向に所定量変位した後の状態を示している。
図2(a),(b)に示されるように、トルク機構13は、シャフト31と、シャフト31に軸着されたプーリ32と、プーリ32の外周縁に一端が固定された線材33と、線材33の他端に固定された錘34とを備えて構成されている。シャフト31は、装置本体12の一方の開口12bに設けられた軸受35を介して回転可能に支持されている。プーリ32はその外周縁に沿って周溝32aを有し、同周溝32aには、線材33が所定の方向に巻回されている。この場合、線材33の巻回方向は、プーリ32に固定されたシャフト31に対しこれを正回転させる向きに回転トルクが付与されるように設定されている。ここで、正回転する向きとは、直動機構105の正作動時に入力部105aが回転する向きを意味している。因みに、逆回転する向きとは、直動機構105の逆作動時に入力部105aが回転する向きを意味している。
装置本体12内には、シャフト31に対し付与された回転トルクを、装着部15に装着された直動機構105に伝達するための動力伝達部材37が回転可能に配置されている。また、この動力伝達部材37は、上記トルク機構13のシャフト31と一体回転可能に設けられている。動力伝達部材37において、前記シャフト31と反対側には、直動機構105の入力部105aを装着する装着部15を構成する装着穴37aが設けられている。この装着穴37aに入力部105aが装着された状態では、直動機構105の正作動時において、トルク機構13のシャフト31に対し付与された回転トルクが、動力伝達部材37を通じて入力部105aに付与されるようになっている。また、動力伝達部材37付近には、入力部105aに付与されている回転トルクの大きさを検出する回転トルク検出手段としてのトルクセンサ38と、入力部105aが回転する際の回転量(回転変位)を検出する回転変位検出手段としてのエンコーダ39とが配設されている。
次に、ばね機構14の構成について図3を参照にして説明する。尚、図3(a)は、ばね機構14を構成する圧縮スプリング42の伸縮量を変更する前の状態を示している。また、図3(b)は、同圧縮スプリング42の伸縮量を所定量変更した後の状態を示している。
図3(a),(b)に示されるように、ばね機構14は、押圧部材41と、押圧部材41により一端が保持された圧縮スプリング42と、圧縮スプリング42の他端を保持する保持部材43と、圧縮スプリング42の付勢力を調節する調節部としてのねじ式直動機構44とを備えて構成されている。押圧部材41は、圧縮スプリング42を保持する凹部を有した保持部41aと、該保持部41aの中央に突設され装置本体12に向けて延びる延出部41bとを有している。押圧部材41は、その延出部41bが装置本体12に固定された支持部材48の支持孔48aに挿通された状態で、基台11上にて支持されている。
保持部材43は、基部43aと、該基部43aの中央に突設された突出部43bとを有している。保持部材43は、その突出部43bを圧縮スプリング42の中央に挿入した状態で、基台11上にて支持されている。ねじ式直動機構44は、ネジ孔46aを有したハウジング46と、ネジ孔46aに螺合されたネジ軸45とから構成されている。ハウジング46は、基台11の上面に固定されている。また、ネジ軸45は、その先端を保持部材43の基部43aの端面に当接させた状態で、ハウジング46により支持されている。
圧縮スプリング42は、その両端部が押圧部材41と保持部材43とにより支持されることによって、直動機構105の入力部105aの回転軸方向、即ち出力部105bが変位する方向に伸縮可能に配設されている。このため、ばね機構14にあっては、ねじ式直動機構44のネジ軸45をその軸周りに回転させてこれを進退させることにより、同保持部材43の位置を調整し圧縮スプリング42の伸縮量を変更することが可能となっている。つまり、ねじ式直動機構44を用いて、保持部材43の位置を調整することによって、圧縮スプリング42の付勢力を調節することが可能となっている。
また、図1に示されるように、装置本体12内には、上記ばね機構14を構成する圧縮スプリング42の付勢力を、装着部15に装着された直動機構105の出力部105bに伝達するための動力伝達機構50が配設されている。この動力伝達機構50は、ボールスプライン式直動機構52と、ボールスプライン式直動機構52のスプライン軸52aと連動して水平移動する移動部材53とを備えている。ボールスプライン式直動機構52について、スプライン軸52aを摺動保持する外筒52bが、装置本体12の内側に固定されている。この動力伝達機構50は、接続部材51を介して上記ばね機構14に対し駆動連結されている。
移動部材53において、前記ボールスプライン式直動機構52と反対側には、直動機構105の出力部105bを装着する装着部15を構成する装着穴53aが設けられている。この装着穴53aに出力部105bが装着された状態では、直動機構105の逆作動時において、圧縮スプリング42の付勢力が、ばね機構14から接続部材51及び動力伝達機構50を通じて直動機構105の出力部105bに付与されるようになっている。また、スプライン軸52aと移動部材53との間には、出力部105bに付与されている荷重の大きさを検出する荷重検出手段としてのロードセル55が配設されている。また、接続部材51近傍には、出力部105bが回転軸方向に変位する際の変位量を検出する軸方向変位検出手段としての位置検出センサ56が配設されている。
さて、上記のように構成された評価装置10について、直動機構105の逆作動時における最大静止荷重を求める際の動作態様を図2及び図3を参照して説明する。
まず、図2(b)に示されるように、入力部105aを動力伝達部材37の装着穴37aに差し込み、出力部105bを移動部材53の装着穴53aに差し込むことによって、直動機構105を装置本体12内の装着部15に装着する。
次に、図3(b)に示されるように、ねじ式直動機構44のネジ軸45を回転しこれを入力部105aの回転軸方向(図3(b)に示すP方向)に直線移動させることによって、保持部材43の位置を調節し、圧縮スプリング42の伸縮量を徐々に小さくする。すると、該圧縮スプリング42の付勢力が徐々に大きくなるため、直動機構105の出力部105bに付与される荷重の大きさが徐々に増大する。そして、前記荷重が所定値を超えたときに、直動機構105の逆作動が開始される。このとき、入力部105aが逆回転し始めたことをエンコーダ39が検出するとともに、入力部105aが逆回転し始める際、出力部105bに付与されている荷重をロードセル55が検出する。こうしてロードセル55により検出された荷重が、直動機構105を逆作動させるのに要する最大静止荷重として検出されるようになる。
続いて、同評価装置10について、直動機構105の正作動時の最大静止荷重を求める際の動作態様を図2及び図3を参照して説明する。
まず、図2(a)に示されるように、入力部105aを動力伝達部材37の装着穴37aに差し込み、出力部105bを移動部材53の装着穴53aに差し込むことによって、直動機構105を装置本体12内の装着部15に装着する。
次に、例えば錘34の個数を徐々に増やす等して、錘34による荷重を徐々に大きくすることにより、直動機構105の入力部105aに付与される回転トルクの大きさを徐々に増大させる。すると、前記回転トルクが所定値を超えたときに、図2(b)に示されるように、錘34がその荷重によって鉛直下方に下がり、プーリ32とともにシャフト31が正回転し、直動機構105の正作動が開始される。このとき、出力部105bが変位し始めたことを位置検出センサ56が検出するとともに、出力部105bが変位し始める際、入力部105aに付与されている回転トルクをトルクセンサ38が検出する。こうしてトルクセンサ38により検出された回転トルクの値が、直動機構105を正作動させるのに要する最大静止荷重として検出されるようになる。
前記の実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
(1)評価装置10は、直動機構105が装着される装着部15を有した装置本体12、出力部105bが変位する方向に荷重を付与するばね機構14、入力部105aが回転する際の回転量を検出するエンコーダ39、出力部105bに作用する荷重を検出するロードセル55等を備えている。この場合、直動機構105の出力部105bに対して荷重を付与して入力部105aを逆回転させる際、即ち直動機構105を逆作動させる際に、入力部105aの回転変位をエンコーダ39により検出するとともに、その回転変位に対応する上記荷重の大きさをロードセル55により検出することができる。従って、評価装置10においては、出力部105bに付与される荷重の大きさを徐々に増大させて入力部105aが逆回転し始める際の荷重、即ち、直動機構105を逆作動させる際の最大静止荷重を適切且つ容易に検出することができるようになる。
(2)ばね機構14は、圧縮スプリング42と、該圧縮スプリング42の付勢力を調節するためのねじ式直動機構44とを備えて構成されている。このねじ式直動機構44では、ネジ軸45をその軸周りに回転させてこれを進退させることにより、ネジ軸45の先端が保持部材43の基部43aを押圧して、同保持部材43の位置を変更することができ、圧縮スプリング42の伸縮量を変更することができる。つまり、ねじ式直動機構44を用いて、保持部材43の位置を調整することによって、圧縮スプリング42の付勢力を調節することができる。これにより、直動機構105の出力部105bに対して付与される荷重を変更するに際し、ネジ軸45の回転量に応じて保持部材43の位置を木目細かく変更することができ、直動機構105を逆作動させる際の最大静止荷重を精度良く検出することができるようになる。
(3)評価装置10は、直動機構105の入力部105aに回転トルクを付与するトルク機構13、出力部105bが回転軸方向に変位する際の変位量を検出する位置検出センサ56、入力部105aに付与される回転トルクを検出するトルクセンサ38等を備えている。この場合、直動機構105の入力部105aに対して回転トルクを付与して出力部105bを回転軸方向に変位させる際、即ち直動機構105を正作動させる際に、出力部105bの変位を位置検出センサ56により検出するとともに、その変位に対応する上記回転トルクの大きさをトルクセンサ38により検出することができる。従って、評価装置10においては、入力部105aに入力される回転トルクの大きさを徐々に増大させて出力部105bが回転軸方向に変位し始める際の回転トルク、即ち、直動機構105を正作動させる際の最大静止荷重を適切且つ容易に検出することもできるようになる。
(4)内燃機関の最大バルブリフト量を変更する可変動弁機構にあって、最大バルブリフト量を変更しない場合には、同可変動弁機構において大きな保持力が発生することにより、現状態が安定して維持されるのが望ましい。この点、本実施形態で示す評価装置10を用いることによって、上記可変動弁機構についてその逆作動を想定し、直動機構105を逆作動させるのに要する最大静止荷重を検出することにより、同可変動弁機構が内燃機関の最大バルブリフト量を変更する機構として適切な作動性能を有しているか否かを適切且つ容易に評価することができるようになる。
なお、本実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・回転トルク付与手段としてのトルク機構13を省略してもよい。また、トルクセンサ38を省略してもよく、更に、位置検出センサ56を省略してもよい。この場合であっても、ばね機構14、エンコーダ39、ロードセル55等によって、直動機構105を逆作動させる際の最大静止荷重を適切且つ容易に検出することができる。
・トルク機構13を別の構成に変更してもよく、例えば、回転式モータに変更してもよい。この構成によれば、直動機構105の正作動時にあっては、入力部105aに入力される回転トルクの大きさを、回転式モータの駆動電力を変更して容易に調節することができ、最大静止荷重を容易に検出することができるようになる。
・荷重付与手段としてのばね機構14を別の構成に変更してもよく、例えば、空気圧や油圧を用いた直動式の流体アクチュエータ、リニアモータ式の電動アクチュエータ等に変更してもよい。
・圧縮スプリング42の付勢力を変更するねじ式直動機構44を別の構成に変更してもよく、例えば、ボールネジ機構、ボールスプライン機構、直動式の流体アクチュエータ等に変更してもよい。
・動力伝達機構50や接続部材51等を省略し、圧縮スプリング42の付勢力を、ばね機構14から直動機構105の出力部105bに直接付与するようにしてもよい。同様に、動力伝達部材37を省略し、回転トルクを、トルク機構13から直動機構105の入力部105aに直接付与するようにしてもよい。
・直動機構105は、車載用内燃機関に搭載される可変動弁機構に適用されるものに限定されることなく、例えば、各種工作機械や半導体製造装置等に適用されるものであってもよい。
本実施形態における評価装置の概略構成を示す部分断面図。 (a)は直動機構の出力部が入力部の回転軸方向に変位する前の状態を示す拡大部分断面図、(b)は直動機構が正作動して出力部が回転軸方向に所定量変位した後の状態を示す拡大部分断面図。 (a)は圧縮スプリングの伸縮量を変更する前の状態を示す拡大部分断面図、(b)は圧縮スプリングの伸縮量を変更した後の状態を示す拡大部分断面図。 可変動弁機構に搭載された直動機構の搭載位置を示す拡大平面図。 可変動弁機構を側方から見た場合の模式断面図。 直動機構の縦断面図。
符号の説明
10…評価装置、13…トルク機構(回転トルク付与手段)、14…ばね機構(荷重付与手段)、15…装着部、38…トルクセンサ(回転トルク検出手段)、39…エンコーダ(回転変位検出手段)、42…圧縮スプリング、44…ネジ式直動機構(調節部)、55…ロードセル(荷重検出手段)、56…位置検出センサ(軸方向変位検出手段)、105…直動機構、105a…シャフト(入力部)、105b…ナット(出力部)。

Claims (4)

  1. 入力部と同入力部に螺合された出力部とを有し、前記入力部に入力される回転トルクを同入力部の回転軸方向の駆動力に変換し該駆動力により前記出力部を前記回転軸方向に変位させる直動機構の評価装置であって、
    前記直動機構が装着される装着部と、
    前記出力部に同出力部が前記回転軸方向に変位する際の方向と同方向の荷重を付与可能であり且つその荷重の大きさを調節可能な荷重付与手段と、
    前記入力部の回転変位を検出する回転変位検出手段と、
    前記荷重付与手段により前記出力部に付与される荷重を検出する荷重検出手段と、を備え
    前記荷重付与手段により前記荷重を徐々に増大させるとともに、これにともない前記回転変位検出手段により前記入力部の回転変位が最初に検出されたときに前記荷重検出手段により検出される前記荷重を、前記直動機構を逆作動させる際の最大静止荷重として検出す
    ことを特徴とする直動機構の評価装置。
  2. 請求項1記載の直動機構の評価装置において、
    前記荷重付与手段は前記出力部に荷重を付与するスプリングと該スプリングの伸縮量を調節する調節部とを備えてなる
    ことを特徴とする直動機構の評価装置。
  3. 請求項1又は2記載の直動機構の評価装置において、
    前記入力部に回転トルクを付与する回転トルク付与手段と、
    前記出力部の前記回転軸方向における変位を検出する軸方向変位検出手段と、
    前記回転トルク付与手段により前記入力部に付与される回転トルクを検出する回転トルク検出手段と、を備え
    前記回転トルク付与手段により前記回転トルクを徐々に増大させるとともに、これにともない前記軸方向変位検出手段により前記出力部の前記回転軸方向における変位が最初に検出されたときに前記回転トルク検出手段により検出される前記回転トルクを、前記直動機構を正作動させる際の最大静止荷重として検出す
    ことを特徴とする直動機構の評価装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の直動機構の評価装置において、
    前記直動機構は前記出力部の変位に基づいて内燃機関の最大バルブリフト量を変更する可変動弁機構に適用される
    ことを特徴とする直動機構の評価装置。
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