JPH0599364A - 双安定空気動作液圧ラツチアクチユエータ機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 空気動作複動シリンダ−ピストンの空気圧縮
減衰及び膨張反転機能によりピストンの駆動力を得ると
ともに、液圧保持機能を加えることにより、いずれか一
方の極限位置にピストンを保持して極限位置での安定状
態をうるアクチュエータをうる。 【構成】 アクチュエータのステム23にパワーピストン
１とラッチピストン２を設け、パワーピストン１の両側
に可変容積空気減衰室6、17を設け、ラッチピストン２の
両側に液圧室14、18を設け、空気減衰室６と液圧室14と
の間に空気−液圧ピストン15を設け、空気減衰室６内の
空気圧力を液圧室14又は18内の液圧に変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２つの位置間で直線的
に移動するアクチュエータに関するものであり、例え
ば、内燃機関のポペットバルブを動作させるのに使用す
るアクチュエータ、特に双安定動作するアクチュエータ
に関するものである。更に、本発明は特に、蓄積した空
気エネルギにより両方向に推進力を発生する空気動作液
圧ラッチアクチュエータに関する。流体変換ラッチの力
は、空気−液圧変換装置により２つの安定位置のうちの
一方で強調され、この一方の位置に液圧ラッチのグリッ
プ力を強くする。

【０００２】

【従来の技術】従来技術では、内燃機関の普通の機械的
カム作動バルブ装置を、エンジン速度並びにエンジンク
ランクシャフト角度位置又は他のエンジンパラメータの
関数として制御するたのタイプのバルブ開放機構に置き
換えることにより大きな利点が得られることが認識され
ていた。

【０００３】例えば、1988年７月29日出願されたウイリ
アム イー リチェッソン(WilliamE. Richeson) によ
る「車両管理コンピュータ(VEHICLEMANAGEMENT COMPUTE
R)」と称する米国特許出願第226,418 号においては、複
数個のエンジン動作センサ入力を受け、点火時期、特に
各サイクルにおける吸気バルブ及び排気バルブの開閉時
期を含む複数個のエンジン動作パラメータを制御するコ
ンピュータ制御装置が記載されている。

【０００４】米国特許第4,009,695 号には、多数のエン
ジン動作パラメータをモニタするダッシュボードコンピ
ュータにより制御するスプールバルブによって制御する
液圧動作バルブが記載されている。この特許はこのよう
な独立したバルブ制御により得られる多くの利点につい
て記載されているが、比較的緩慢な液圧動作のためこの
ような利点を得ることはできない。この特許の装置は、
リアルタイムでバルブを制御しようとしており、従っ
て、装置全体はフィードバック付きの装置であり、これ
に関連する振動挙動を受けることになる。

【０００５】米国特許第4,700,684 号は、吸気バルブ及
び排気バルブのための自由に調整自在な開閉時期が得る
ことができると、シリンダ内の排気ガス残留量を制御す
ることによって制限されない負荷制御が得られることを
示唆している。

【０００６】普通のカム動作バルブに対する代替物又は
改良は長い間の目的であった。リチェッソン氏の「電磁
弁アクチュエータ(ELECTROMAGNETIC VALVE ACTUATOR)」
と題する米国特許第4,794,890 号には、開放位置及び閉
鎖位置にラッチする永久磁石を有するバルブアクチュエ
ータについて記載している。この場合、電磁的反発力を
利用してバルブを一方の位置から他方の位置に移動させ
る。また幾つかの減衰及びエネルギ回収の対策が施され
ている。

【０００７】1988年２月８日にウイリアム イー リチ
ェッソン氏及びフレデリック エルエリックソン(Frede
rick L. Erickson) 氏の名義で出願され、本願人に譲渡
された「空気−電子バルブアクチュエータ(PNEUMATIC E
LECTRONIC VALVE ACTUATOR) 」と題する米国特許第153,
257 号には、上述の米国特許に記載の反発力以外の釈放
タイプ機構を使用する若干類似のバルブアクチュエータ
装置について記載している。この出願に開示された装置
は、高圧空気供給及び制御バルブ作用を行う空気動作及
び電磁動作の組み合わせのバルブであり、減衰及び起動
力の双方に空気を使用する。電磁起動力は、釈放されて
いる電磁ラッチとは反対側の電磁ラッチから供給され、
この電磁力は、第１ラッチの磁界が減少状態である限
り、装置のアーマチュアを引き付ける。アーマチュアが
反対側のラッチで閉鎖するとき、電磁牽引力は増加し、
磁界が減少状態にあるか否かに無関係に第１ラッチの牽
引力に勝る。

【０００８】ウイリアム イー リチェッソン氏単独又
はウイリアム イー リチェッソン氏及びフレデリック
エル エリックソン氏の共同名義で出願され、本願人
に譲渡された上述の並びに多数の関連出願については、
1989年１月６日にリチェッソン氏及びエリックソン氏の
共同名義による「効率を改善したバルブアクチュエータ
(ENHANCED EFFICIENCY VALVE ACTUATOR)」と題する米国
特許出願第07/297,728号の導入部分に要約されている。

【０００９】上述のケース以後に出願された多くのもの
は、エンジンバルブを駆動し、次に圧縮された空気によ
り駆動されるメイン又は作動ピストンについて記載して
いる。開放位置と閉鎖位置との間でエンジンバルブを移
動させるパワーピストン又は作動ピストンはラッチング
構成部材及び若干の制御弁作用構体から分離しており、
従って、移動すべき質量は相当減少し、迅速な動作が得
られる。このためラッチング及び釈放力も減少する。メ
インピストンから分離している弁作用構体は、ピストン
行程の全長を移動する必要はなく、効率の改善に寄与す
る。圧縮した空気は１対の制御バルブにより作動ピスト
ンに供給され、この圧縮した空気によりピストンを一方
の位置から他方の位置に駆動するとともに、制御バルブ
が再び動作するまでピストンを所定位置に保持するのが
一般的である。制御バルブは永久磁石により閉鎖状態に
保持され、永久磁石の近傍のコイルに供給される電気的
パルスにより磁石の牽引力を相殺するとき制御バルブに
加わる空気力により開放する。

【００１０】米国特許第4,825,528 号に記載の電子制御
空気動作アクチュエータは、移行時間に迅速であり、極
めて正確な制御可能性があることが説明されている。こ
の特許による構成の装置は、任意の選択可能なクランク
シャフト角度でポペットバルブを開放し、次に独立的に
閉鎖する能力を有するため内燃機関において最適の性能
が得られる。この従来の特許装置においては、バルブの
開放及び閉鎖の双方に高圧空気源を必要とする。更に、
このような装置は、対称的な推進、排気空気釈放及び調
整ラッチ圧力（減衰空気）装置が必要な構体を幾つか対
にして設ける。必要がある。この従来技術の形態におい
ては、バルブを閉鎖するのにバルブを開放したのとほぼ
同量の空気を使用することが必要になる。

【００１１】これらの用途のうちの若干の装置において
は、空気をピストン動作により圧縮して行程の端部の近
傍でピストンを減速し（ピストン移動の減衰動作）、次
にこの空気を大気に急激に通気する。ピストンが減速又
は減衰するとき、ピストンの運動エネルギを他の形式の
エネルギこの場合、減衰中に圧縮された空気に変換して
大気に排気するが、これはエネルギの損失となる。米国
特許第4,883,025 及び同第4,831,973 号には、圧縮空気
を蓄積したり、蓄積したエネルギを使用してピストンを
復帰行程で駆動するなどしてピストンの運動エネルギの
若干を回収しようとする対称的双安定アクチュエータが
記載されている。いずれの特許においても、エネルギ蓄
積装置は対称的であり、ピストンの各並進移動の前半中
にピストンを駆動するのにそのエネルギを釈放し、ピス
トン移動の方向に無関係にこの偏心移動の後半中にピス
トンの運動エネルギを消費する。更に、いずれにせよ、
エネルギ蓄積装置により供給されるものの他に、ピスト
ンを駆動するためのエネルギ源を設ける必要がある。

【００１２】1990年７月24日に出願された「エネルギ回
収リターンを有するアクチュエータ(ACTUATOR WITH ENE
RGYRECOVERY RETURN)」と題する本願人によっての米国
特許第07/557,370号の場合、アクチュエータピストンを
バルブ閉鎖位置からバルブ開放位置に向けて駆動し、減
衰プロセス中に圧縮された空気を利用してアクチュエー
タを初期位置即ち、バルブ閉鎖位置に復帰駆動する。更
に、アクチュエータ捕捉又はラッチング装置例えば、液
圧ラッチを使用してアクチュエータが直ぐにリバウンド
せずに、初期位置に復帰させるコマンドがあるまでバル
ブ開放位置に維持するのを確実にすることが、この最近
の出願に記載されている。この最近の出願におけるアク
チュエータピストンの初期並進移動は、空気ポンプの空
気エネルギにより駆動し、比較的大きなソースポンプ並
びに比較的大きな個別のバルブアクチュエータを使用と
する。

【００１３】1990年７月24日に本願人により出願された
「液圧推進空気復帰バルブアクチュエータ(HYDRAULICAL
LY PROPELLED PNEUMATICALLY RETURNED VALVE ACTUATO
R) 」と題する米国特許第07/557,369号の場合、上述の
同日米国特許出願第07/557,370号に記載の開発品の多く
を利用するとともに、初期駆動並進を空気エネルギより
も液圧ポンプからの液圧エネルギから得ている。液圧エ
ネルギ推進力はアクチュエータの寸法を減少するという
利点が得られ、従って、パッケージが容易であり、また
液圧ポンプが車両フードの下方に占める空間を減少でき
るという利点がある。更に、寸法縮小の目的の他に、ラ
ッチング空気の圧縮及び空気エネルギ回収が上述の米国
特許第07/557,370号よりも緊密により小さい室内で得ら
れる。この寸法減少は、圧縮空気のピーク圧力を相対的
に増加することによって達成することができる。ラッチ
ング圧力は増加させねばならず、特に、ピストンの直径
を従来の半分に減少すると、同じ総ラッチング力を維持
するのに４倍圧力増加を必要とする。

【００１４】本願の優先権主張の基礎である米国特許出
願の出願日と同一の日に出願した本願人の米国特許出願
の「空気圧予負荷アクチュエータ(PNEUMATIC PRELOADED
ACTUATOR)」と題する本願人の出願においては、ピスト
ンが各移動の端部に接近するにつれて次にピストンを反
対方向に復帰駆動させる準備ができる空気ばねによりピ
ストンの移動の各極限位置に液圧ラッチするアクチュエ
ータが記載されている。摩擦等のシステム損失を補うた
めの補助動力は、ピストンの一方の方向への移動の端部
の近傍のラッチング室にバルブ操作される補充液圧によ
り得られる。

【００１５】本願の優先権主張の基礎である米国特許出
願の出願日と同一の日に出願した本願人の米国特許出願
の「ばね駆動液圧アクチュエータ(SPRING DRIVEN HYDRA
ULICACTUATOR)」と称する本願人の出願においては、上
述の米国特許第4,974,495 号に記載の機構に類似の構造
であるが、個別のラッチングピストンに補充圧力を時限
送給することにより各方向の移動の次の移行の準備のた
めにばねを十分リコックしてエンジンポペットバルブを
往復駆動する圧縮流体ばねについて記載している。

【００１６】上述の係属中の出願及び特許のすべての記
載は参考のため本明細書中に組み込むことができる。

【００１７】本発明においては、本願人による従来の発
明の幾つかと同様に、液圧ラッチによりパワーピストン
を第２位置（エンジンバルブ開放位置）にロックするパ
ワーピストンが初期位置（エンジンバルブ着座位置）か
ら移動して空気を圧縮した後、液圧ラッチによりパワー
ピストンを第２位置（エンジンバルブ開放位置）にロッ
クする。本発明は、第１位置即ちポペットバルブ閉鎖位
置でもラッチング及び空気エネルギ蓄積機能が付け加わ
る変更したラッチを使用する点で従来技術とは大きく異
なる。このダブルラッチングの特徴は、第２チャンネル
で動作する第２の組の制御バルブを必要とする。初期移
行中に捕捉される圧縮エネルギのほとんどすべては、初
期位置にアクチュエータを復帰させるのに使用すること
ができ、また復帰行程の第２ラッチで圧縮エネルギの大
部分を捕捉することができるため、このアクチュエータ
の設計は、上述の他の方法よりも理論的効率が改善され
ることを示す。本願人による先願の多くのものに共通の
永久磁石ラッチ方法は、米国特許出願第07/557,370号及
び同第07/557,370号と同様に排除され、コスト及び重量
が低減されている。

【００１８】本発明は、特に極めて高い空気使用効率が
えられるよう構成した改善された空気アクチュエータを
提供する。このことを実現する方法論は、第１の移行中
に僅かなスラスト空気のみ消失するだけでアクチュエー
タを駆動し、圧縮エネルギを使用してピストンを停止す
るようピストンを第２位置で自動ラッチにより「キャッ
チ」する。コマンドに基づいてラッチを釈放し、アクチ
ュエータピストンを第１位置に復帰させる。空気手段を
使用して運動エネルギをポテンシャルエネルギに変換す
る間に、ポテンシャルエネルギは２つの部分、即ち圧力
−容積変化及び温度変化として含まれる。第１の変化は
漏れを受け、第２の変化は当該ガスの熱伝導を受けてこ
のガス圧に影響を及ぼす。これら損失の双方は、特別な
状態が維持される時間の関数である。この起こりうる可
変ロスは、アクチュエータに生ずる次の移行中の運動エ
ネルギに影響を与え、移行の短部における減衰にも影響
を与える。本発明の他の特徴は、パワーピストンの移行
の短部でパワーピストンによって動作する一方向バルブ
によって少量の補充空気を導入することである。このバ
ルブは自動的にパワーピストンを予加圧するに十分な空
気を作動ソース源に付加し、減衰及び後続の推進エネル
ギを安定化する。このようにピストンは、自動的に加圧
され、「動作」信号をうけるときに次の転回移行を始め
る準備状態にラッチされる。使用される空気エネルギの
みが、復帰ピストンの圧力をソース圧力にするのに使用
される空気量である。バルブは、ピストンが次の移行に
利用される常に同一のポテンシャルエネルギを有するの
を確実にする。即ち、バルブ作用により流入する作動圧
力が固定の圧力基準になるためである。この特徴がない
と、漏れや、空気は再圧縮されるとき再加熱されるた
め、最終圧縮圧力が熱が壁に伝達するときの差（壁が冷
たいか又は熱いかによる）によって、また熱伝導の時間
がエンジン速度によって変化するという事実から、可変
圧力（又はエネルギ）状態が存在することになる。本発
明の他の特徴は、パワーピストンを極限位置のいずれか
にラッチするのに、パワーピストンを複動ラッチに直接
連結する設計を組み込んだ点である。このラッチング方
法は、ピストンをその時点の位置に単に加圧して強制的
に保持するというよりも他方の方向にピストンを移動さ
せるように維持することを意図している。従ってこのラ
ッチは、米国特許第4,872,425号に記載のようにピスト
ンを反対方向に加圧して反対方向に押圧するよりも米国
特許第4,942,852 号に記載のコンセプトのようにパワー
ピストンを逆転方向に保持する設計である。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、改善
された設計であり、効率が向上した双安定バルブアクチ
ュエータ；いずれかの極限位置に液圧的にラッチされる
空気復帰バルブアクチュエータ；バルブ開放位置及びバ
ルブ閉鎖位置のいずれか一方から他方へのバルブ復帰を
一時的に遅延させる液圧捕捉装置；アーマチャが捕捉さ
れたとき、捕捉位置にアーマチャを保持する力を一方向
に強調するアクチュエータのアーマチャのための液圧ラ
ッチ；可変行程空気動作アクチュエータ；及びアクチュ
エータをラッチ位置のうちの一方に捕捉及び引っ張ろう
とするアクチュエータのためのラッチ装置を得るにあ
る。

【００２０】本発明の他の目的は、動作信号を受ける直
前にピストンを確実に加圧するにある。このラッチの設
計は、1990年７月24日に出願された米国特許第07/557,3
69号に記載の単独の液圧ラッチに類似であるが、本発明
のラッチは、複動保持装置として設計し、パワーピスト
ンを２つの極限位置の各々に保持する。本発明の他の目
的は、単独のコンパクトなユニットにおいてデュアルラ
ッチング能力をもたせることにある。これにより、この
アクチュエータを動作させる制御方法は、時限信号によ
り２個のラッチのいずれか一方を釈放するだけとなる。

【００２１】従来の設計におけるようにピストンを駆動
する加圧流体を釈放又は印加するのに対向するラッチに
より保持する加圧ピストンを使用する場合、ピストンは
僅かなラッチのコンプライアンスによって前方にわずか
にクリープする恐れがある。このことは、相互連結した
ポペットバルブの閉鎖中、この前方移動によってポペッ
トバルブがバルブシートに制御接触するのを妨げること
になる。本発明の他の目的は、パワーピストンにたいし
て液圧をブーストし、ポペットバルブを較正及び制御し
た状態でシートに引き付ける空気装置を組み込むことに
ある。

【００２２】本発明の上述の並びに他の目的及び利点は
以下に述べる説明で明らかになるであろう。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明による電子制御空
気動作アクチュエータ機構には、内燃機関のポペットバ
ルブに連結することができ軸線方向に往復移動自在のパ
ワーピストンを設ける。このピストンを駆動するための
空気起動装置を設け、エンジンバルブをバルブステムの
方向にバルブ開放位置とバルブ閉鎖位置との間で移動さ
せる。更に、エンジンバルブがバルブ開放位置及びバル
ブ閉鎖位置のうちの一方に接近するにつれて空気を圧縮
して減速力を連続的に増加していく空気減衰装置を設け
る。圧縮した空気容積を利用してピストンをバルブ開放
位置及びバルブ閉鎖位置のうちの他方に復帰駆動させる
ソレノイドをコマンドに基づいて動作するようにする。
パワーピストンが往復移動し、このパワーピストンの両
側にそれぞれ一対の可変容積室を生ずるシリンダを設
け、エンジンバルブのバルブ閉鎖位置からバルブ開放位
置への移動中には、空気起動装置が１対の可変容積室の
うちの第１室を構成し、空気減衰装置が１対の可変容積
室のうちの第２室を構成し、エンジンバルブのバルブ開
放位置からバルブ閉鎖位置への移動中には、空気減衰装
置が１対の可変容積室のうちの第１室を構成し、空気起
動装置が１対の可変容積室のうちの第２室を構成するよ
うにする。可変容積室の第２室における圧力をプリセッ
トするための可変圧力流入口により、バルブ閉鎖位置に
対するバルブ開放位置の位置を変化させることができ
る。

【００２４】本発明による内燃機関ポペットバルブのた
めの電子制御アクチュエータにおいては、初期位置と第
２位置との間でともに往復移動するパワーピストン及び
ラッチピストンを有する往復自在機構部分を設けてエン
ジンバルブの閉鎖を穏やかかつ確実にする装置と、ピス
トンを移動させてバルブ閉鎖位置とバルブ開放位置との
間でバルブステムの長さ方向にエンジンバルブを移動さ
せる空気起動装置とを設ける。機構部分の一方の方向へ
の並進移動中にパワーピストンにより空気を圧縮する減
衰室を設け、空気の圧縮により機構の並進移動を減速
し、パワーピストンの次の反対方向への推進のためのエ
ネルギを蓄積する。更に、減衰室の空気圧力をラッチピ
ストンに加わる液圧に変換し、ピストンを減衰室の空気
圧力に応答させてピストンが空気を圧縮する移動の方向
と同一方向に往復自在部分を押圧する空気−液圧ピスト
ンを設ける。

【００２５】更に、本発明による双安定往復自在アーマ
チャアクチュエータのアーマチャを安定位置のうちの一
方に固定するアーマチャ保持方法は、一方の方向へのア
ーマチュア移動の運動エネルギを圧縮可能な媒体の圧力
の形式のポテンシャルエネルギに変換する変換ステップ
と、前記圧縮可能媒体圧力を圧縮不可能媒体の圧力に伝
達する伝達ステップと、圧縮不可能媒体圧力を前記アー
マチュアの前記一方の方向に加える圧縮不可能媒体圧力
付与ステップとよりなることを特徴とする。

【００２６】

【実施例】次に、図面につき本発明の好適な実施例を説
明する。

【００２７】図１〜図６につき本発明による好適な実施
例のアクチュエータの順次の作動状態を示し、図１は加
圧機能及びデラッチ機能を示す休止状態にある初期位置
を示す。図１の初期位置は、エンジンポペットバルブが
着座する又は閉鎖する状態である。図２は、予加圧力に
対するラッチ力を増加する圧力ブーストピストン装置を
強調して示す。図３においては、パワーピストンがデラ
ッチされ、初期位置から第２位置に移行し始める状態を
示す。図４においては、アクチュエータは、ピストンの
前方のエアを圧縮した後の第２位置に達しており、この
第２位置にラッチされた状態を示す。図５においては、
アクチュエータが第２位置から釈放され、初期位置に復
帰しつつエアを圧縮する状態を示す。図６においては、
アクチュエータは初期位置に復帰しつつある状態を示
し、このときパワーピストンは予加圧され、ラッチピス
トンがブースト圧力を受けてエンジンポペットバルブを
シートに引きつけようとする。

【００２８】図面は、パワーピストン１及びラッチピス
トン２よりなる往復自在部分を有する双安定空気動作液
圧ラッチアクチュエータ機構を示し、これらピストンは
初期位置（図１）と第２位置（図４）との間を一緒に往
復移動することができる。高圧エア源26は、機構の往復
自在部分の移動中に消費されるエアを再補給する。減衰
室６はピストン１の推進面により形成され、この減衰室
６においてエアが圧縮され、機構部分の移動を減速さ
せ、またその後パワーピストンを反対方向に推進するた
めのエネルギを蓄積する。ラッチピストン２は、ピスト
ンの動作が停止するとき、機構部分即ち、アーマチュア
（ピストン１、２とともにシャフト23を含む）の並進移
動の方向の逆転を一時的に阻止する液圧装置の一部を示
す。ソレノイド７は、コマンドに基づいて動作してボー
ルバルブ４を開放し、これにより一時的阻止装置の不能
にし、減衰室６において圧縮されたエアの押圧力の下で
自由に移動できるようにする。同様のソレノイド10は、
エンジンバルブを閉鎖位置又は着座位置に復帰させるた
めのボールバルブ９を開放する。空気−液圧ピストン15
（図２参照）は、減衰室６の空気圧力を液圧室16の液圧
圧力に変換し、この液圧圧力をラッチピストンに加えて
往復自在部分をバルブ着座位置により一層強固に押圧す
る。第２位置（エンジンバルブ開放位置）の位置は初期
位置に対して変化させることができる。機構部分の反対
方向即ち、バルブ開放第２位置に向かう方向への並進移
動中にパワーピストン１によりエアが圧縮される第２減
衰室17を設ける。室17内のエアの圧縮は、アーマチュア
の並進移動を減速し、その後パワーピストンを第１方向
に推進するためのエネルギを蓄積する。第２減衰室17に
おける初期空気圧力は、この室内の空気を圧縮する並進
移動に先立って、第２方向への並進行程を決定する。

【００２９】液圧ラッチは、ラッチピストン２が往復移
動する液圧流体充填シリンダを有し、ラッチピストンの
両側には第１流体室14及び第２流体室18（図５参照）を
生ずる。第１室14から第２室18への第１流体移送経路に
は一方向チェックバルブ５を設け、流体が第１室14から
第２室18に通過できるようにするとともに、第２室18か
ら第１室14への流れを阻止し、また通常第１室14から第
２室18への流体の流れを阻止する制御バルブ４を設け
る。バルブ４は、ソレノイド７が動作するとき作用し、
流体を第１室14から第２室18に通過させる。同様の第２
室18から第１室14への第２流体移送経路には一方向チェ
ックバルブ８と、通常第２室18から第１室14への流体の
流れを阻止し、ソレノイドが動作するとき作用して流体
を第２室18から第１室14に通過させる制御バルブ９を設
ける。

【００３０】図１につき詳細に説明すると、アクチュエ
ータは第１位置即ち、エンジンバルブ閉鎖位置にある状
態を示す。エンジンバルブ（図示せず）は、シャフト23
に固着するか、又はシャフト23の軸線方向移動により動
作するようにする。アクチュエータは、パワーピストン
１の左側面を押圧する室６の圧縮空気により「装備」さ
れる。相互連結したラッチピストン２はパワーピストン
が右方に移動するのを阻止するよう保持する。即ち、制
御バルブ４が開放するまで室14内の流体が逃げることが
できないためである。このエンジンバルブ閉鎖位置で
は、パワーピストンにはポペットバルブを離座させよう
とする方向に予圧力が加わっているため、ポペットバル
ブを確実に着座させることは特に望ましい。図２に示す
ように、ポペットバルブの着座を確実にするための付加
的な構成は、サブピストン15の形式として設ける。サブ
ピストン15の右側面には室６内の空気により圧力が加わ
り、この空気圧力は、減少直径ピストン部分24によりチ
ャンネル16内の液圧に変換される。サブピストンは、大
きい表面に加わる空気圧を、ピストン２の右側面25に作
用し、パワーピストン１に加わる圧力に反作用を与えて
シャフト23を左方に引っ張り、従って、ポペットバルブ
をシートに引き付けるに十分な小さい表面での液圧に変
換する。サブピストン15は、ばね29により各サイクル毎
に最右側位置にリセットする。サブピストン15の２個の
面の直径比は、ラッチ圧力の大きさを決定し、ラッチ圧
力からの力が加わり、またパワーピストンには空気圧力
よりも高い適正量の圧力が加わり、ポペットバルブの適
正保持力がポペットバルブのシートに生ずるようにす
る。サブピストン15の行程は、特別に大きくする必要は
なく、液圧流体を圧縮可能性のための移動ができるに十
分な大きさでよい。

【００３１】特に、サブピストン15の機能は、室６の空
気圧を室16内の液圧ブーストに変換するものである。こ
の上昇した液圧はラッチピストン２に左方に向かう大き
な力を与える。正味の合成力は、エンジンポペットバル
ブをそのシートに確実に着座させる左方に向かう力であ
る。この圧力ブーストがないと、例えば、室16内の流体
の僅かな圧縮可能性によりバルブが僅かに開くドリフト
を生ずる恐れがあり、エンジンバルブは適正に着座しな
くなる。この保持力を発生させるには、サブピストン15
の小さい表面の面積に対する大きい表面（右側面）の面
積の比を、ラッチピストン２の右側面の面積に対するピ
ストン１の進行面（左側面）の面積の比よりも大きいか
又は等しくする。

【００３２】図３においては、アクチュエータをトリガ
して第１位置から第２位置に移行し始める状態を示す。
エンジンポペットバルブを開放する初期移行は、バルブ
４を開放して室14内の面25に加わる流体を釈放すること
により開始され、この流体は一方向バルブ５から右方に
進行するラッチピストン２の背面側の空所に流入するこ
とができる。バルブ４を開放すると、ラッチピストン２
に加わる圧力は逃げてパワーピストン１の左側面の室６
内の圧縮されたガスが膨張してこのパワーピストンを右
方に向けて駆動する。図３においては、ボールバルブ３
は、高圧源流入口26からのソース空気が室６に流入する
のを防止するよう着座している。しかし、遅延バルブ11
はボールバルブ３の背面における容積を最充填するよう
開放している。ピストン１が室６内の膨張ガスにより駆
動されるとき、移動ピストンの前面の室17の空気を圧縮
し始める。室17内の初期圧力は、ポート13を経て外部圧
力レギュレータによりセットされる。この圧力は、最終
圧縮容積、従って、ピストン１が移動する総距離を調整
するために調整自在にする。室17内の初期圧力が大きけ
れば大きい程、ピストンの移動距離は小さくなる。

【００３３】図４は、パワーピストンが第２位置、即
ち、初期位置から最も遠い位置に達した状態を示す。こ
の位置の正確な位置を決定するのに幾つかのファクタを
考慮しなければならない。室６における初期空気圧力
は、この圧力が大きければ大きい程ピストンを駆動して
室17における空気をより高く圧縮する力が大きくなるた
め、一つの大きなファクタである。ポート13における空
気の圧力は第２のファクタである。室17における初期圧
力が高いと、ピストン１の行程の長さが短くなる。いず
れにせよ、移動距離は、摩擦が少なく従って、摩擦損失
が少ない圧縮エネルギの大きさが推進エネルギの大きさ
に等しい点に対応する。図４において、ピストンは室17
内の圧縮空気の力によって生ずる後方移動に対して自動
的にラッチされる。室18内の液圧流体の圧力がラッチピ
ストン２を最右側位置に保持する。このとき、アクチュ
エータは復帰移動のトリガの準備が整う。

【００３４】図５において、アクチュエータはデラッチ
又は釈放され、第２位置から初期位置に復帰する。この
デラッチは、ボールバルブ９を開放して室18内の圧力を
逃がし、液圧流体を一方向バルブ８により室14に帰還さ
せる。図５においては、ピストン１がエンジンバルブ閉
鎖位置に向かう復帰経路の中間位置にある状態を示す。
室17内の圧縮空気は膨張し、このポテンシャルエネルギ
がパワーピストン及びパワーピストンの関連の可動部分
の運動エネルギに逆変換する。室６は容積が即座に減少
し、室内の空気を圧縮し、ピストンを減速し、左方極限
に接近するにつれてピストンをほとんど停止させる。室
６内の圧縮空気により生ずる減衰の程度は、ピストン１
のシール27によりポート12が閉鎖されるときにポート12
により室に加わえられる圧力に依存する。

【００３５】図６において、アクチュエータは初期位置
にほとんど復帰している状態を示す。バルブ３は、丁度
開き始め、室６に若干のソース空気を最充填することが
できる。シャフト23のアンダーカット領域28は、室６か
らの空気がサブピストン15の大きい表面に通過できこの
表面を加圧するよう形成する。ピストン１がボールバル
ブ３に完全に着座するとき、加圧の遅延を生ずるために
使用する空気流入バルブ11が開放し、室６を完全に加圧
する。バルブ11を使用して空気流入を遅延させ、パワー
ピストン１の初期減衰が生じてから高圧を使用し、圧力
ブーストをラッチピストンに加えてポペットバルブをシ
ートに保持する。小さい供給ライン11ａにより空気流入
バルブ11をバイパスし、ソース圧が常にボールバルブ３
の背面に加わるようにする。

【００３６】図６は、アーマチュアが初期（エンジンバ
ルブ閉鎖）位置に接近するにつれ、ラッチピストン２の
延長コーン19が内部円錐形の受け部20に掛合する減衰制
御の補助的な方法を示す。最終減速又は減衰は、２個の
互いに整合する円錐形表面が運動の極限端部で液圧流体
を絞り出す結果として生ずる。内部コーン部材20をアク
チュエータの本体にねじ部21で螺合させ、コーン20の軸
線方向位置の回転調整及び最終減衰の微調整を行うこと
ができるようにする。このような調整は、図５の状態と
図６の状態との間で生ずるようにし、図６においては、
ギャップ31が生ずる。

【００３７】上述したことから、新規な双安定アクチュ
エータ装置が上述の目的及び利点に合致すること明らか
であり、上述したところは、本発明の好適な実施例を説
明したに過ぎず、請求の範囲において種々の変更を加え
ることができること勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による空気作動液圧ラッチアクチュエー
タの初期休止状態の図７のＩ−Ｉ線上の断面図である。

【図２】圧力ブーストピストン構成を示す図７のII−II
線上の図１と同様の断面図である。

【図３】パワーピストンがラッチを外されて初期位置か
ら第２位置に移行し始める状態を示す図１と同様の断面
図である。

【図４】アクチュエータが第２位置にラッチされた状態
を示す図１及び図３と同様の断面図である。

【図５】アクチュエータが第２位置からのラッチが外さ
れ、初期位置に向かう復帰行程で空気を圧縮する状態を
示す図２と同様の断面図である。

【図６】アクチュエータが初期位置に接近するときの状
態を示す図２及び図５と同様の断面図である。

【図７】図１〜図６の左方端部からみた一部端面とする
端面図である。

【符号の説明】

1 パワーピストン 2 ラッチピストン 3,4,5,8,9 ボールバルブ 6 減衰室 7,10 ソレノイド 11 空気流入バルブ 11ａ 供給ライン 12,13 ポート 14 第１流体室 15 空気−液圧ピストン（サブピストン） 16 液圧室 17 第２減衰室 18 第２流体室 19 延長コーン 20 内部コーン部材 21 ねじ部 23 シャフト 24 減少直径ピストン部分 25 右側面 26 高圧エア源 28 アンダーカット領域 29 ばね 31 ギャップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウイリアム イー リチエツソン アメリカ合衆国 インデイアナ州 46825 フオート ウエイン アーチウツド レ イン 5121

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】双安定空気動作液圧ラッチアクチュエータ
   機構において、 初期位置と第２位置との間でともに往復移動自在のパワ
   ーピストン及びラッチピストンを有する往復自在部分
   と、 機構の往復自在部分の移動中に消費される空気を再補給
   する高圧空気源と、 機構の前記往復自在部分の一方向への並進移動中パワー
   ピストンにより空気が圧縮され、この空気の圧縮により
   機構の往復自在部分の並進移動を減速させ、パワーピス
   トンの反対方向への次の推進のためのエネルギを蓄積す
   る減衰室と、 前記往復自在部分の移動が停止まで減速するとき、機構
   の往復部分の並進移動方向の逆転を一時的に阻止するよ
   うラッチピストンに設けた一時的阻止液圧手段とを具え
   たことを特徴とする双安定空気動作液圧ラッチアクチュ
   エータ機構。
2. 【請求項２】コマンドにより動作して前記一時的阻止手
   段を不能にし、減衰室の空気圧力に応答して前記往復自
   在部分を前記減衰室内に圧縮された空気の押圧力の下に
   自由に前記一方の方向とは反対側の方向に移動させる手
   段を設けた請求項１記載の双安定空気動作液圧ラッチア
   クチュエータ機構。
3. 【請求項３】コマンドにより動作して前記一時的阻止手
   段を不能にし、減衰室の空気圧力に応答して前記往復自
   在部分を前記一方向に押圧する手段を設けた請求項１記
   載の双安定空気動作液圧ラッチアクチュエータ機構。
4. 【請求項４】前記減衰室の空気圧力に応答する手段は、
   減衰室内の空気圧力をラッチピストンに加わる液圧圧力
   に変換する空気−液圧ピストンを有するものとして構成
   した請求項３記載の双安定空気動作液圧ラッチアクチュ
   エータ機構。
5. 【請求項５】初期位置に対する第２位置の位置を変化さ
   せる第２位置変化手段を設けた請求項１記載の双安定空
   気動作液圧ラッチアクチュエータ機構。
6. 【請求項６】前記第２位置変化手段は、前記機構の往復
   自在部分の前記反対方向への並進移動中に前記パワーピ
   ストンにより空気が圧縮され、この空気圧縮により機構
   の往復自在部分の並進移動を減速しかつパワーピストン
   を次に前記一方の方向に復帰推進するためのエネルギを
   蓄積する第２減衰室と、第２方向に並進移動するに先立
   って前記第２減衰室内の空気圧力に調整可能にし、この
   調整した圧力が第２方向に向かう並進移動量を形成する
   ようにするバルブ手段とを有するものとして構成した請
   求項５記載の双安定空気動作液圧ラッチアクチュエータ
   機構。
7. 【請求項７】前記液圧手段は、 ラッチピストンが内部で往復移動し、このラッチピスト
   ンの両側に第１流体室及び第２流体室を生ずる液圧流体
   充填シリンダと、 前記第１流体室から前記第２流体室に前記流体を通過さ
   せるが、前記第２室から前記第２室への流体の流れを阻
   止する一方向チェックバルブ、及び前記第１室から前記
   第２室への流体の流れを通常は阻止するが動作するとき
   前記第１室から前記第２室に流体を流すよう動作する制
   御バルブを有する前記第１室から前記第２室への第１流
   体移送経路と、 前記第２流体室から前記第１流体室に前記流体を通過さ
   せるが、前記第１室から前記第１室への流体の流れを阻
   止する一方向チェックバルブ、及び前記第２室から前記
   第１室への流体の流れを通常は阻止するが動作するとき
   前記第２室から前記第１室に流体を流すよう動作する制
   御バルブを有する前記第２室から前記第１室への第２流
   体移送経路とを有するものとして構成した請求項１記載
   の双安定空気動作液圧ラッチアクチュエータ機構。
8. 【請求項８】細長のバルブステムを設けたエンジン吸気
   及び排気バルブを有するタイプの内燃機関に使用する電
   子制御空気動作バルブアクチュエータ機構において、 軸線に沿って往復移動自在であり、エンジンバルブに連
   結しうるパワーピストンと、 ピストンを移動し、従って、エンジンバルブをステムの
   軸線方向にバルブ閉鎖位置とバルブ開放位置との間で移
   動させる空気起動手段と、 空気の容積を圧縮し、エンジンバルブがバルブ開放位置
   及びバルブ閉鎖位置の一方に接近するとき連続的に減速
   力を増加させる空気減衰手段と、 コマンドにより動作し、空気の圧縮容積を使用して前記
   ピストンを前記バルブ開放位置及びバルブ閉鎖位置の他
   方に復帰移動させるコマンド動作手段とを具えたことを
   特徴とする電子制御空気動作バルブアクチュエータ機
   構。
9. 【請求項９】前記バルブ閉鎖位置に対するバルブ開放位
   置の位置を変化させる位置変化手段を設けた請求項８記
   載の電子制御空気動作バルブアクチュエータ機構。
10. 【請求項１０】パワーピストンが内部で往復移動し、こ
    のパワーピストンの両側の各々に１対の可変容積室を生
    ずるシリンダを設け、エンジンバルブのバルブ閉鎖位置
    からバルブ開放位置への移動中に前記空気起動手段が前
    記可変容積室のうちの一方を構成し、前記空気減衰手段
    が前記可変容積室のうちの他方を構成し、エンジンバル
    ブのバルブ開放位置からバルブ閉鎖位置への移動中に前
    記空気起動手段が前記可変容積室のうちの他方を構成
    し、前記空気減衰手段が前記可変容積室のうちの一方を
    構成するようにし、前記可変容積室の他方の圧力をプリ
    セットする可変圧力流入口を有する可変手段を設けた請
    求項９記載の電子制御空気動作バルブアクチュエータ機
    構。
11. 【請求項１１】穏やかではあるが確実なエンジンバルブ
    閉鎖を行う内燃機関ポペットバルブのための電子制御ア
    クチュエータにおいて、 初期位置と第２位置との間でともに往復移動自在のパワ
    ーピストン及びラッチピストンを有する往復移動自在機
    構部分と、 ピストンを移動してエンジンバルブをバルブ閉鎖位置と
    バルブ開放位置との間で細長のステムの方向に移動させ
    る空気起動手段と、 前記機構部分の並進移動中にパワーピストンにより空気
    が圧縮され、この空気圧縮により機構部分の並進移動を
    減速させ、かつパワーピストンの反対方向へのつぎの推
    進のためのエネルギを蓄積する減衰室と、 減衰室圧力に応答して前記往復自在部分の前記一方の方
    向に押圧する押圧手段とを具えたことを特徴とする電子
    制御アクチュエータ。
12. 【請求項１２】前記減衰室圧力に応答する手段は、前記
    減衰室内の空気圧力をラッチピストンに加わる液圧圧力
    に変換する空気−液圧ピストンを有するものとして構成
    した請求項11記載の電子制御アクチュエータ。
13. 【請求項１３】双安定往復移動アーマチュアアクチュエ
    ータのアーマチュアを安定位置の一方に固定するアーマ
    チュア保持方法において、 一方の方向へのアーマチュア移動の運動エネルギを圧縮
    可能な媒体の圧力の形式のポテンシャルエネルギに変換
    する変換ステップと、 前記圧縮可能媒体圧力を圧縮不可能媒体の圧力に伝達す
    る伝達ステップと、 圧縮不可能媒体圧力を前記アーマチュアの前記一方の方
    向に加える圧縮不可能媒体圧力付与ステップとよりなる
    ことを特徴とするアーマチュア保持方法。
14. 【請求項１４】前記アクチュエータアーマチュアは、初
    期安定位置と第２安定位置との間でともに往復移動自在
    のパワーピストン及びラッチピストンと、機構部分の一
    方の方向への並進移動中にパワーピストンにより空気が
    圧縮され、空気の圧縮によりアーマチュアの移動を減速
    し、パワーピストンの次の反対方向への推進エネルギを
    蓄積する減衰室とを有するものとして構成し、前記変換
    ステップは前記減衰室内の空気を圧縮するものとした請
    求項13記載のアーマチュア保持方法。
15. 【請求項１５】前記アクチュエータアーマチュアは、初
    期安定位置と第２安定位置との間でともに往復移動自在
    のパワーピストン及びラッチピストンと、前記ラッチピ
    ストンに設け、前記アーマチュアが停止するまで減速す
    るときアーマチュアの並進移動の方向の逆転を一時的に
    阻止する液圧装置とを有するものとして構成し、前記圧
    縮不可能媒体圧力付与ステップは、前記ラッチピストン
    に加わる力を増加し、このアーマチュアを初期位置に固
    定保持するステップを含むものとした請求項13記載のア
    ーマチュア保持方法。
16. 【請求項１６】前記ラッチピストンをシリンダ内で往復
    移動させ、このラッチピストンの両側に第１流体室及び
    第２流体室を生ずる構成とし、前記第１室から第２室へ
    の流体移送経路を生じ、制御バルブを選択的に動作させ
    て流体を通過させるステップを設けた請求項15記載のア
    ーマチュア保持方法。
17. 【請求項１７】２つの安定位置の各々の間で往復自在の
    機構部分を有する双安定アクチュエータにおいて、 補充可能な高圧液圧流体源と、 安定位置の各々で動作することができ、１対の互いに対
    向する表面を有し、高圧流体源に隣接配置したラッチピ
    ストン、及び前記ラッチピストンの表面のうちの一方に
    選択的に高圧を供給して前記ラッチピストンを含む機構
    の部分の並進移動を阻止する制御バルブを設けた機構部
    分の並進移動を一時的に阻止する一時的阻止手段と、 前記機構部分の並進移動中に空気を圧縮し、この空気圧
    縮により前記機構部分の前記一方の方向への並進移動を
    減速し、前記機構部分を前記一方の方向とは反対側の方
    向に復帰駆動するために圧縮した空気を保留する第１可
    変容積室と、 前記機構部分の前記反対方向への並進移動中に空気を圧
    縮し、この空気圧縮により前記機構部分の前記反対方向
    への並進移動を減速し、前記機構部分を前記一方の方向
    に復帰駆動するためにこの圧縮空気を保留する第２可変
    容積室と、 前記第１可変容積室及び第２可変容積室内の最小空気圧
    を所定レベルに維持する高圧空気源とを具えたことを特
    徴とする双安定アクチュエータ。
18. 【請求項１８】細長のバルブステムを設けたエンジン吸
    気及び排気バルブを有するタイプの内燃機関に使用する
    電子制御空気動作バルブアクチュエータ機構において、 軸線に沿って往復移動自在であり、エンジンバルブに連
    結しうるパワーピストンと、 前記パワーピストンに設け、エンジンバルブがバルブ開
    放位置及びバルブ閉鎖位置のいずれかに接近するとき連
    続的に増加する減速力を前記パワーピストンに与える弾
    性減衰手段と、 コマンドに基づいて動作し、前記パワーピストン及びエ
    ンジンバルブを安定位置の各々に保持し、コマンドに基
    づいて前記弾性減衰手段により前記ピストンを前記バル
    ブ開放位置及びバルブ閉鎖位置のいずれか一方の位置か
    ら他方の位置に復帰駆動させる液圧手段とを具えたこと
    を特徴とする電子制御空気動作バルブアクチュエータ機
    構。
19. 【請求項１９】第１位置及び第２位置との間で往復自在
    のアーマチュアと、前記アーマチュアを前記第１位置及
    び第２位置の各々で保持するため、安定状態のうちの一
    方で動作して高圧液圧流体を供給して前記アーマチュア
    を一方の方向に駆動し、他方の安定状態で高圧液圧流体
    を供給して前記アーマチュアを反対方向に駆動する双安
    定制御バルブを有する液圧手段と、前記アーマチュアの
    第１位置から第２位置への移動中に空気を圧縮し、この
    空気圧縮により第２位置に接近するにつれてアーマチュ
    アの移動を減速する第１室と、前記アーマチュアの第２
    位置から第１位置への移動中に空気を圧縮し、この空気
    圧縮により第１位置に接近するにつれてアーマチュアの
    移動を減速する第２室とを具え、前記制御バルブが前記
    一方の安定状態を維持して、前記アーマチュアの移動が
    停止するまで減速するときアーマチュアの移動の逆転を
    一時的に阻止し、またコマンドに基づいて前記制御バル
    ブが他方の安定状態に復帰して室内で圧縮された空気に
    より前記アーマチュアを前記第１位置に復帰させる構成
    とした双安定電子制御空気駆動液圧ラッチトランスデュ
    ーサ。
20. 【請求項２０】第１位置と第２位置との間で往復移動自
    在のアーマチュアと、このアーマチュアを前記第１位置
    から前記第２位置に駆動する第１空気手段と、前記アー
    マチュアを前記第２位置から前記第１位置に駆動する第
    ２空気手段と、前記アーマチュアの前記第１位置から前
    記第２位置への移動中に圧縮され、この圧縮により前記
    アーマチュアが前記第２位置に接近するにつれてこのア
    ーマチュアの移動を減速する第１空気ばねと、前記アー
    マチュアの移動が停止するまで減速するときアーマチュ
    アの移動の逆転を一時的に阻止するようアーマチュアに
    加わる圧力を維持し、コマンドに基づいて不能になって
    圧縮された第１空気ばねにより前記アーマチュアを前記
    第１位置に復帰させる液圧手段とを具えたことを特徴と
    する双安定電子制御トランスデューサ。
21. 【請求項２１】第１位置と第２位置との間で往復移動自
    在のアーマチュアと、前記アーマチュアを前記第１位置
    から前記第２位置に駆動する第１駆動手段と、前記アー
    マチュアを前記第２位置から前記第１位置に復帰駆動す
    る第２駆動手段と、前記アーマチュアの前記第１位置か
    ら前記第２位置への移動中に圧縮され、この圧縮により
    前記アーマチュアが前記第２位置に接近するにつれて前
    記アーマチュアを減速する少なくとも１個の空気ばね
    と、前記アーマチュアの移動が停止するまで減速すると
    きアーマチュアの移動の逆転を一時的に阻止し、またコ
    マンドに基づいて動作して前記圧縮した空気ばねにより
    前記アーマチュアを前記第１位置に復帰させるよう前記
    アーマチュアに加わる圧力を維持する圧力維持手段と、
    アーマチュアの移動中の圧縮される空気ばねのための初
    期空気圧力を生ぜしめる初期圧力発生手段とを具えたこ
    とを特徴とする双安定電子制御トランスデューサ。