弁装置

【課題】高速で開閉動作が可能な弁装置を提供する。
【解決手段】弁装置は、流体通路５と、流体通路５内に設けられ、流体の流れを制御可能に設けられた弁体４１と、弁体４１を回動可能に軸支する弁軸４２と、弁軸４２を駆動する駆動軸２２に固定され、駆動軸２２とともに回動する位置決め部材３１と、位置決め部材３１と接触可能に設けられた制動部材６３を有する制動部３２と、駆動軸２２を駆動するためモータ１１及びギア１２と、駆動軸２２とギア１２の出力軸１３とを弾性的に結合するスプリング２１とを備えて構成される。位置決め部材３１に制動部材６３が接触しているときは、モータ１１の回転によりスプリング２１にエネルギが蓄積され、制動部材６３を位置決め部材３１から離すことにより、スプリング２１に蓄積されたエネルギによって弁体４１が回動し、弁装置が開閉する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体通路内の流体の流れを制御する弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、内燃機関の吸気通路を開閉するボールバルブが示されている。このボールバルブは、アクチュエータによって回転駆動される弁軸と、該弁軸に固定された弁体とを有し、弁軸を回転駆動することによって弁体が吸気通路を開閉するように構成されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３４４８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関の吸気通路を開閉する弁は、機関が高速で回転しているときにおいても所期の機能を発揮させるためには、高速で開閉動作をする必要がある。ところが、上記特許文献１に示されたボールバルブは、弁軸が９０度の回転角で往復動作することにより、吸気通路の開閉を行うものであるため、ステップモータ等のアクチュエータの反転動作が必要となり、応答速度に限界があった。
【０００５】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、より高速で開閉動作が可能な弁装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、流体通路（５）と、該流体通路（５）内に設けられ、流体の流れを制御可能に設けられた弁体（４１）と、該弁体（４１）を回動可能に軸支する棒状の支持部材（４２，３３，２２）と、該支持部材（４２，３３，２２）に固定され、該支持部材（４２，３３，２２）とともに回動する位置決め部材（３２）と、前記位置決め部材（３２）と接触可能に設けられた制動部材（６３）を有する制動手段（５１）と、前記支持部材（４２，３３，２２）を駆動するための駆動手段（１）と、前記支持部材（４２，３３，２２）と前記駆動手段（１）とを弾性的に結合する結合部材（２１）とを有することを特徴とする弁装置を提供する。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の弁装置において、前記支持部材（４２，３３，２２）は、前記弁体（４１）の回転を一方向のみに規制する規制手段（３３）を有することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の弁装置において、前記駆動手段（１）と前記支持部材（４２，３３，２２）の相対回転位相を変化させる位相変更手段（１０３）を有することを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の弁装置において、前記制動手段（５１）と対向する位置に第２制動手段（５３）を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、制動部材が位置決め部材に接触した状態で、駆動手段により結合部材を駆動すると、位置決め部材及び支持部材は可動せず、結合部材に駆動エネルギが蓄積される。駆動エネルギが蓄積された状態で制動部材を位置決め部材から離すことにより、位置決め部材、支持部材、及び弁体が回動し、弁体が流体通路を開閉する動作が行われる。結合部材に蓄積された駆動エネルギを放出することにより弁体が比較的高速で回動するので、高速で開閉動作を行うことができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、弁体の回転が一方向のみに規制されるので、結合部材に蓄積された駆動エネルギを放出する際に、弁体が逆方向に回動することを防止することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、駆動手段と支持部材の相対回転位相を変更することにより、例えば弁装置を内燃機関の吸気通路に適用し、駆動手段として内燃機関を用いた場合に、内燃機関のクランク軸の回転位相に対する弁装置の開閉時期を適切に設定するとともに、弁装置の開閉速度あるいは開弁時間を適切に制御することが可能となる。
【００１２】
請求項４に記載の発明によれば、第２制動手段の位置でも位置決め部材を制動部材により止めることができるので、弁体を１８０度単位で回動させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態にかかる弁装置の構成を示す斜視図であり、図２は図１に示す弁装置を分解した状態を示す斜視図であり、図３は図１で省略した流体通路と、弁体との関係を示す断面図である。
【００１４】
この弁装置は、駆動部１と、エネルギ蓄積部２と、バルブ動作スイッチ部３と、バルブ部４と、流体通路５とを備えている。駆動部１は、モータ１１と、ギア１２と、第１駆動軸１３とを備え、第１駆動軸１３がギア１２を介してモータ１１により回転駆動される。
【００１５】
エネルギ蓄積部２は、第１駆動軸１３に連結されたスプリング２１と、スプリング２１に連結された第２駆動軸２２とを備え、バルブ動作スイッチ部３は、第２駆動軸２２に固定された位置決め部材３１と、位置決め部材３１を制動するための制動部３２と、第２駆動軸が入力側に接続された一方向クラッチ３３とを備えている。位置決め部材３１は、突起部３１ａ（図４参照）を有し、突起部３１ａのところで制動部３２により制動される。一方向クラッチ３３は、スプリング２１に蓄積されたエネルギを放出するときの回転方向の駆動力のみを伝達する。
バルブ部４は、一方向クラッチ３３の出力側に接続された弁軸４２と、弁軸４２に回動可能に軸支された弁体４１とをを備えている。
【００１６】
制動部３２は、図４に示すように、４つの電磁ユニット５１〜５４を備えている。第１電磁ユニット５１は、ヨーク６１及びコイル６２（図１，２では図示省略）からなる電磁石と、電磁石により吸引可能なアーマチュア及び制動ピンが一体に構成された制動部材６３とを備えている。第２〜第４電磁ユニット５２〜５４は、第１電磁ユニット５１と同様に構成されている。第１及び第３電磁ユニット５１及び５３は、制動部材６３が垂直方向に移動可能に、かつ互いに対向する位置に設置されている。また第２及び第４電磁ユニット５２及び５４は、制動部材６３が水平方向に移動可能に、かつ互いに対向する位置に設置されている。
【００１７】
また第１電磁ユニット５１の制動部材６３は、図示したように制動部材６３が電磁石に吸引された状態（以下「オン状態」という）で、位置決め部材３１の突起部３１ａに接触するように設けられている。したがって、このオン状態では、モータ１１を回転させ、第１駆動軸１３を回転させても、位置決め部材３１は回動せず、弁体４１も静止状態を維持する。このとき、モータ１１の駆動エネルギはスプリング２１に蓄積される。
【００１８】
電磁石のコイル６２の通電を停止した状態（以下「オフ状態」という）では、制動部材６３による制動状態が解除され、位置決め部材３１はスプリング２１に蓄積されたエネルギにより回動し、弁軸４２及び弁体４１が回動する。第２〜第４電磁ユニット５２〜５４も同様に構成されている。
【００１９】
本実施形態では、図４に示す状態、すなわち第１電磁ユニット５１の制動部材６３で位置決め部材３１が停止しているとき、弁装置が全閉状態となり、第２電磁ユニット５２の制動部材６３で位置決め部材３１が停止しているとき、弁装置が全開状態となり、第３電磁ユニットの制動部材６３で位置決め部材３１が停止しているとき、弁装置が全閉状態となり、第４電磁ユニット５４の制動部材６３で位置決め部材３１が停止しているとき、弁装置が全開状態となるように構成されている。
【００２０】
次に図５及び図６を参照して、制動部３２の動作をより詳細に説明する。
図５（ａ）は、図４と同じ状態、すなわち第１電磁ユニット５１のオン状態を示す。この状態では、モータ１１の回転駆動力により、スプリング２１にエネルギが蓄積される。次に第１電磁ユニット５１をオフ状態とし、第３電磁ユニット５３をオン状態とすると、位置決め部材３１は回動し、図５（ｂ）に示す状態を経由して、同図（ｃ）に示すように第３電磁ユニット５３の制動部材６３により位置決め部材３１の動き止められる。すなわち、この動作において弁体４１は、全閉位置から全開位置を経由してまた全閉位置へ移行し、停止する。
【００２１】
図６は、位置決め部材３１を９０度回動させる例を示す。同図（ａ）は図４と同じ状態を示す。次に第１電磁ユニット５１をオフ状態とし、第２電磁ユニット５２をオン状態とすると、位置決め部材３１は回動し、同図（ｂ）に示すように第２電磁ユニット５２の制動部材６３により位置決め部材３１の動きが止められる。すなわち、この動作において弁体４１は、全閉位置から全開位置に移行して停止する。
【００２２】
図７は、図５に示した弁作動をより詳細に説明するためのタイムチャートである。図７（ａ）〜図７（ｇ）は、それぞれ弁体４１の作動位相θＶ、第３電磁ユニット５３のコイルの電流ＩＤ３、第１電磁ユニット５１のコイルの電流ＩＤ１、モータ１１の回転数ＮＭ、スプリング２１の入出力間の捩れ角θＯＦＦＳＥＴ、制動部材６３に加わる制動トルクＴＲＳＴ、及び一方向クラッチ３３に加わる逆方向トルクＴＲＣＬの推移を示す。
【００２３】
初期状態は、図５（ａ）に示す状態であり、時刻ｔ１より前から第１電磁ユニット５１のコイルには電流が供給され、オン状態となっている。モータ１１は一定回転数で回転しており、時刻ｔ１にギア１２の駆動が開始がされると、スプリング２１が捩られて捩れ角θＯＦＦＳＥＴが減少する（モータ１１の回転方向と逆方向の捩れ角を正の値としている）とともに、制動トルクＴＲＳＴが増加する。
【００２４】
時刻ｔ１の直後から第３電磁ユニット５３のコイルの通電が開始され、第３電磁ユニット５３がオン状態となる。時刻ｔ２において、第１電磁ユニット５１がオフ状態に移行し、スプリング２１に蓄積されたエネルギにより、弁体４１が回動を始める。したがって、制動トルクＴＲＳＴは「０」となり、捩れ角θＯＦＦＳＥＴは急激に増加する。弁体４１が回動している時刻ｔ３においてコイル電流ＩＤ３が若干増加し、時刻ｔ４において制動部材６３が位置決め部材３１を停止させる。したがって、弁体４１の作動位相θＶは１８０度で維持される。このとき一方向クラッチ３３の逆方向トルクＴＲＣＬが急激に増加する。その後モータ１１の回転により、捩れ角θＯＦＦＳＥＴが徐々に減少し、それに伴って逆方向トルクＴＲＣＬが徐々に減少する。このようにして、閉弁位置から開弁位置を経由して閉弁位置で停止する弁作動が行われる。
【００２５】
引き続いて同様の動作を行う場合には、破線で示すように第１電磁ユニット５１をオン状態として、次の開閉動作が行われる。
【００２６】
図８は、他の動作例を説明するためのタイムチャートである。この例では、第１電磁ユニット５１のみがオン、オフ動作を行い、弁体４１は３６０度回動して、開閉動作を２回繰り返す。
時刻ｔ１１にギヤ１２の駆動が開始され、時刻ｔ１２に第１電磁ユニット５１がオフ状態に移行する。これにより弁体４１が３６０度回動し、時刻ｔ１３において制動部材６３が位置決め部材３１を停止させる。以後この動作が繰り返される。
【００２７】
以上のように本実施形態では、電磁ユニット５１等をオン状態として、位置決め部材３１を制動部材６３により停止させることにより、スプリング２１にモータ１１の駆動エネルギを蓄積し、電磁ユニット５１等をオフ状態とすることにより、蓄積したエネルギを放出して弁体４１を回動させ、弁装置の開閉動作を行うようにしたので、高速で開閉動作を行うことができる。したがって、内燃機関の吸気通路内において、吸入空気の流れを制御する場合のように、比較的高速で開閉動作することが必要な用途に適した弁装置を提供することができる。
【００２８】
また本実施形態では、電磁ユニットを４個設けたので、弁体４１が９０度回動する毎に停止させることができ、開弁状態での保持や閉弁状態での保持が可能となる。
【００２９】
本実施形態では、第２駆動軸２２、一方向クラッチ３３、及び弁軸４２が支持部材を構成し、駆動部１及びスプリング２１が、それぞれ駆動手段及び結合部材に相当する。また第１電磁ユニット５１及び第３電磁ユニット５３が、それぞれ制動手段及び第２制動手段に相当する。
【００３０】
（第２の実施形態）
本実施形態は、本発明の弁装置を内燃機関（以下「エンジン」という）の吸気通路に適用したものである。図９は、本発明の弁装置を含むエンジン及びその制御装置の構成を示す図である。
【００３１】
エンジン１０１のクランク軸１０２は、可変タイミング制御装置（以下「ＶＴＣ」という）１０３を介して出力軸１０４に連結され、出力軸１０４はギヤ１０５を介して第１駆動軸１３に連結されている。第１駆動軸１３から弁体４１までの構成は、第１の実施形態と同一である。弁体４１は、エンジン１０１の吸気管１０７を開閉するように設けられている。ＶＴＣ１０３は、クランク軸１０２の回転位相に対する出力軸１０４の相対回転位相を変更する機能を有する公知のものである。
【００３２】
エンジン１０１にはクランク角度位置センサ１０８が設けられており、その検出信号が電子制御ユニット１１０に供給される。クランク角度位置センサ１１０は、エンジン１０１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）でＣＲＫパルスを発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ１１０に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。
【００３３】
ＥＣＵ１１０は、クランク角度位置センサ１０８及び図示しない他のセンサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理回路（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、制動部３２、ＶＴＣ１０３などに駆動信号を供給する出力回路等から構成される。ＥＣＵ５は、各種センサの検出信号に基づいて、制動部３２及びＶＴＣ１０３を制御し、吸気通路１０７内の弁体４１による吸入空気流の制御を行うとともに、燃料噴射制御及び点火時期制御を行う。
【００３４】
図１０は、図７にエンジン１０１のクランク軸１０２の回転角度（以下「クランク角度」という）ＣＡと、エンジン１０１の行程の表示を追加し、モータ回転数ＮＭをエンジン回転数ＮＥに変更するとともに、時刻ｔ１〜ｔ４をクランク角度ＣＡ１〜ＣＡ４に変更した図である。この図には、弁装置の閉−開−閉の一連の動作が吸気行程の後半で実行される例が示されている。
【００３５】
この例で、出力軸１０４と、クランク軸１０２の相対回転位相を固定して、第１電磁ユニット５１のオフタイミングＣＡ２を進角させると、オフタイミングＣＡ２までにスプリング２１に蓄積されるエネルギが減少し、弁体４１の平均回動速度ＷＶが低下する。逆にオフタイミングＣＡ２を遅角させると、オフタイミングＣＡ２までにスプリング２１に蓄積させるエネルギが増加し、弁体４１の平均回動速度ＷＶが上昇する。すなわち、電磁ユニットのオフタイミングのみを変更することにより、弁装置の開閉時期を変更すると、平均回動速度ＷＶが変化し、弁装置の開閉に要する時間（以下「開閉時間」という）ＴＯＣが変化する。また平均回動速度ＷＶが変化すると、第３電磁ユニット５３の制動部材６３に弁体４１が衝突するときの衝突速度ＷＣＬが変化することになり、衝突速度ＷＣＬの増加はノイズの増加をもたらす。
【００３６】
そこで本実施形態では、弁装置の開閉タイミングを変更するときは、ＶＴＣ１０３によりクランク軸１０２と出力軸１０４の相対回転位相を同様に変化させている。これにより、弁装置の開閉タイミングを変化させても、平均回動速度ＷＶ及び開閉時間ＴＯＣを一定に維持することができる。すなわち、弁装置の開閉タイミングを進角／遅角させるときは、出力軸１０４の回転位相も進角／遅角させるように、ＶＴＣ１０３を制御する。これにより、スプリング２１に蓄積されるエネルギを一定とし、弁体４１の平均回動速度ＷＶを一定とすることができる。
【００３７】
またエンジン回転数ＮＥが変化すると、弁体４１の平均回動速度ＷＶも同様に変化するため、開閉時間ＴＯＣも変化することになる。
そこで本実施形態では、図１１に示すように、エンジン回転数ＮＥが高くなるほどスプリング２１の最大捩れ角θＯＳＭＡＸ（電磁ユニットのオフタイミングＣＡ１における捩れ角θＯＦＦＳＥＴの絶対値）を減少させるように、ＶＴＣ１０３を制御するようにしている。図１１の実線Ｌ１は開閉時間ＴＯＣを一定とするための最大捩れ角θＯＳＭＡＸの設定を示し、破線は衝突速度ＷＣＬを一定とするための最大捩れ角θＯＳＭＡＸの設定を示す。
【００３８】
以上のように本実施形態では、クランク軸１０２をＶＴＣ１０３を介して出力軸１０４に接続し、ＶＴＣ１０３によりクランク軸１０２と出力軸１０４の相対回転位相を制御するようにしたので、弁装置の開閉時期をエンジン運転状態に応じて制御する際に、開閉時間ＴＯＣ及び衝突速度ＷＣＬを適切に制御することができる。
【００３９】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第２の実施形態においても、スプリング２１に駆動力を供給する駆動手段としてモータ１１を使用してもよい。その場合には、モータ１１の回転をエンジン１０１の回転と同期させる必要がある。
【００４０】
また上述した実施形態では、４個の電磁ユニット５１〜５４により制動部３２を構成したが、１つの電磁ユニット５１のみあるいは、電磁ユニット５１、及び対向する位置に配置される電磁ユニット５３によって制動部３２を構成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる弁装置を示す斜視図である。
【図２】図１に示す弁装置を分解した状態を示す斜視図である。
【図３】図１に示す弁装置の弁体と流体通路との関係を示す断面図である。
【図４】図１に示す制動部の構成を示す断面図である。
【図５】図４に示す制動部の動作を説明するための図である。
【図６】図４に示す制動部の動作を説明するための図である。
【図７】制動部の動作をより詳細に説明するためのタイムチャートである。
【図８】制動部の動作をより詳細に説明するためのタイムチャートである。
【図９】本発明の第２の実施形態にかかる弁装置を適用した内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図１０】図９に示す弁装置の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図１１】機関回転数（ＮＥ）に応じてスプリングの最大捩れ角（θＯＳＭＡＸ）を設定するためのテーブルを示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１駆動部（駆動手段）
２エネルギ蓄積部
３バルブ動作スイッチ部
４バルブ部
１１モータ（駆動手段）
１３第１駆動軸（駆動手段）
２１スプリング（結合部材）
２２第２駆動軸（支持部材）
３１位置決め部材
３２制動部（制動手段）
３３一方向クラッチ（規制手段）
４１弁体
４２弁軸（支持部材）
１０１内燃機関
１０７吸気通路
１０２クランク軸
１０３可変タイミング制御装置（位相変更手段）

【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体通路と、
該流体通路内に設けられ、流体の流れを制御可能に設けられた弁体と、
該弁体を回動可能に軸支する棒状の支持部材と、
該支持部材に固定され、該支持部材とともに回動する位置決め部材と、
前記位置決め部材と接触可能に設けられた制動部材を有する制動手段と、
前記支持部材を駆動するための駆動手段と、
前記支持部材と前記駆動手段とを弾性的に結合する結合部材とを有することを特徴とする弁装置。
【請求項２】
前記支持部材は、前記弁体の回転を一方向のみに規制する規制手段を有することを特徴とする請求項１に記載の弁装置。
【請求項３】
前記駆動手段と前記支持部材の相対回転位相を変化させる位相変更手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の弁装置。
【請求項４】
前記制動手段と対向する位置に第２制動手段を設けたことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の弁装置。

【図１】