(57)【要約】【課題】形状を大型化することなくこの立ち上がりが急峻なカム機構を実現することをその課題とした。【解決手段】一個のカムとこれと線対称（カムを立体として考えた場合には面対称）に作られた対称カムをたがいに向かい合わせて逆方向に回転させ、両者の対応する位置に接するようにカムフォロアを設け、それぞれのカムによる側圧を打ち消し荷重方向に対する力のみを残すことによって課題を解決せんとするものである。カムフォロアにはそれぞれのカムとの接触点で逆向きの側圧が働き、これらの側圧が互いに打ち消し合うため荷重方向に対する力だけが残り、カムフォロアはたわみや永久変形をもたらすことなく急峻に立ち上がるカム機構が実現出来ることになる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
目的とするカム曲線に対応する輪郭曲線をもった基本カムを回転させ、これと面対称な形状をした対称カムを基本カムと対称状態を保ちつつ基本カムとは逆の方向に回転させ、１個のカムフォロアをそれぞれのカムの対応する位置に接触するように設けることによってカムフォロアに発生する側圧を打ち消すように構成したカム機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は立ち上がりが急峻なカム機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、内燃機関の吸気弁や排気弁その他においてカム機構は広く用いられている。このカム機構は複雑な運動を実現するための唯一の手段と言われているが、任意の運動に対応しうるものではなく、カム機構に関する一般的な参考書たとえば〔非特許文献１〕にもあるように、カムの圧力角が３０度以下になるように設計しなければならないという制約のあるものである。この角度が大きくなりすぎると加重による側圧が大きくなりカムフォロアのたわみや永久変形が生ずるためである。
【０００３】
溝案内カムやリブ案内カムの場合には立下りの急峻さにも注意しなければならないが、通常の尖端カムやローラーカムの場合には立ち下がりは重力やスプリングにより駆動されており、カムフォロアに対する圧力角の影響が問題になることは少ない。従ってここでは立ち上がりが急峻な場合を主体に説明を進めるが、急峻な立下りをカム機構によって実現しなければならない場合にも同様な考え方が適用できる。
【０００４】
カムを考える場合基礎円が大切である。同じカムリフトであっても基礎円を大きくすると基礎円に対するカムリフトの比率が小さくなり、圧力角を小さくすることが出来るので無理なく立ち上げることが出来るようになる。しかしこの方法では全体の形状が大きくなりあまり現実的とはいえないものである。このため通常の大きさのカムであって急峻な立ち上がりをするカムを作ることが要求されるわけである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】藤田勝久著「機械運動学」第１版第3刷  ２００８年９月発行  森北出版株式会社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者が先に一般的にＨＣＣＩ方式といわれる点火方式の一方法として出願した「内燃機関の点火機構」（特願２０１２−２７６５９６）に使用するカム機構のように立ち上がりが急峻なカム機構を必要とすることがしばしば発生する。形状を大型化することなくこの立ち上がりが急峻なカム機構を実現することをその課題とした。勿論、このカム機構は点火用ピストンの駆動以外の用途に対しても適用可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は上記の課題を実現するための手段として側圧を打ち消し荷重方向に対する力のみを残す方法について検討し、これによってカムフォロアにたわみや永久変形をもたらすことなく急峻に立ち上がるカム機構を実現できないかと考え、この具体化方法について研究を進め本発明を完成するに至ったものである。
【０００８】
側圧を打ち消す具体的な方法として、一個のカムとこれと線対称（カムを立体として考えた場合には面対称）に作られた対称カムをたがいに向かい合わせて逆方向に回転させ、この間にカムフォロアを置くことによって課題を解決せんとするものである。このようにすることでカムフォロアにはそれぞれのカムとの接触点で逆向きの側圧が働き、これらの側圧が互いに打ち消し合うため荷重方向に対する力だけが残り、カムフォロアはたわみや永久変形を発生することなく円滑に動くことが出来ることになる。なお、対称カムとは一般的にはカム曲線或いは輪郭曲線が対称になっているものを指すようであるが、ここでいう対称カムの意味はこれとは若干異なり、一個のカム（基本カム）に対してこれと対称な形をしたカムという意味で用いるものとし、カム曲線或いは輪郭曲線自体は必ずしも対称でない場合がある点に注意願いたい。
【０００９】
対称カムというと非常に難しいもののように聞こえるが、一個のカムに対してそれを裏返しにしたものが対称カムになるわけでそれ程難しいものではない。基本カムと対称カムの二つのカムを反対方向に回転させ、一個のカムフォロアをそれぞれのカムの対応する位置に接触するように設けることによってカムフォロアに働く側圧が打ち消され、カムフォロアは無理なく荷重方向に動くことになる。この機構はある意味では共役カムに似たところがあるが、共役カムはカムフォロアがカム面から離れないように拘束するもので、その形状や機能及び目的が本発明とはまったく異なるものである。
【００１０】
二つのカムはどちらを基本カムと考えても良いわけであるが以下の説明では正方向（反時計回りの方向）に回転する方を基本カム、これと反対方向に回転するものを対称カムと考えるものとする。
互いに反対方向に回転する二つのカムの回転軸は、同一直線上にあっても良いし平行軸であっても良く、またカムフォロアを安定化させるため基本カム１個に対して対称カム２個としたほうが安定化するが、詳細については〔発明を実施するための形態〕のところで説明する。
【発明の効果】
【００１１】
従来、実現することが困難であった立ち上がりが急峻なカム機構を、形状を大型化することなく実現することが可能になった。これによりＨＣＣＩ方式の内燃機関の点火機構用としての用途を初め、従来使用することが出来なかった多くの分野でカム機構を使用することが可能になるものと思われる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】基本カムによるカム機構を示す図である。
【図２】基本カムと対称カムからなるカム機構を示す斜視図である。
【図３】基本カムと対称カムからなる平行軸方式のカム機構を示す図である。
【図４】基本カムと２個の対称カムによる同軸方式のカム機構を示す斜視図である。
【図５】基本カムと２個の対称カムによる平行軸方式のカム機構を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明になる立ち上がりが急峻なカム機構の具体的な実施の形態を図面およびこれに付した符号を引用して説明する。
今、図１に示されたカム機構を作ったものとする。しかしながら、図１に示されたような構造ではカムフォロア１０３を駆動することは殆ど不可能と思われる。なぜならばカムの立ち上がりが急峻過ぎるため圧力角α１０２が３０度を超えており、カムの回転によってカムフォロア１０３が回転方向に押し曲げられるためである。本発明ではこのように通常の設計では実現が困難な立ち上がりが急峻なカム機構を、図１に示すような基本カム１０１とこれと対称な形状の対称カムとを組み合わせて用いることによって実現するものである。
【００１４】
〔実施の形態１〕
図２は本発明になる立ち上がりが急峻なカム機構の一形態を示したものであり、その構造と動作について説明する。なお、これ以降のすべての図について言えることであるが、回転部分におけるボールベアリングやローラーベアリング等の転がり軸受けや駆動部分における歯車やベルト等の駆動装置は、図が複雑になって理解しづらくなるため表記を省略することとしたが適宜用いられているものである。
【００１５】
ここに示した例はカムフォロアの変形を避けるため１個の基本カム１１１と１個の対称カム１１２を用いて負荷荷重によって発生する側圧を打ち消すようにしたものである。基本カムのカムシャフト１１３と対称カムのカムシャフト１１４の中心線を同一直線上に設け２個のカムの側面が向き合うように並べた構造としたものである。図では分かりづらいが基本カムのカムシャフト１１３と対称カムのカムシャフト１１４の中心軸は同一直線上にあるが両者はつながっておらず、それぞれのカムシャフトは反対方向に同一速度で回転するように駆動されている。２個のカムは反対方向に回転するため側面が接触して摩擦が生じることがないようにしなければならないが、接触しない範囲で出来るだけ接近している方が良い。これはカムフォロア１１５に剪断応力が働きカムフォロア１１５が変形する危険性を出来るだけ小さくするためである。
【００１６】
但し、カムフォロア１１５に発生する剪断応力は２個のカムを近づけることである程度小さくすることは可能であるといっても、この方法で剪断応力による悪影響を完全になくすことは困難である。これに対しては、後ほど説明する〔実施の形態２〕や〔実施の形態４〕に示すようにそれぞれのカムシャフトを離して平行に設けるか、〔実施の形態３〕に示すようにカムを３個にして、中央の基本カム（又は対称カム）の両側に対称カム（又は基本カム）をおいて基本カム（又は対称カム）を両側から挟むようにすることが必要である。詳しくはそれぞれの項において説明する。
【００１７】
このカム機構に使用するカムフォロア１１５としてローラカムフォロアを使用する場合には、カムの回転方向が逆になっているため基本カムと接触するローラ１１６と対称カムと接触するローラ１１６はそれぞれ独立して回転できるようになっていることが必要である。１個のカムフォロア１１５に付けられているローラ１１６が基本カム１１１と対称カム１１２の双方の対応する位置に接触して跨るように置かれ、カムの回転によって両側から絞り上げられるようにして上昇することになり、カムフォロア１１５にたわみや永久変形をもたらすことなく急峻な立ち上がりが可能となるわけである。ただこの方式はカムフォロア１１５に働く力のバランスが悪く、上記のように剪断応力による若干の悪影響は避けることが出来ないものである。
【００１８】
〔実施の形態２〕
図３はカムフォロア１２５に働く力のバランスを良くし剪断応力の影響を軽減するようにしたカム機構を示した正面図である。ここでは基本カムのカムシャフト１２３と対称カムのカムシャフト１２４を基本カム１２１と対称カム１２２とが衝突しないように一定の間隔を持たせて平行に配備し、基本カム１２１と対称カム１２２の回転面が同一平面上に来るようにしてカムフォロア１２５に剪断応力が発生しないようにしたものである。これを具体的に示したものが図３であるが、基本カム１２１と対称カム１２２を向かい合うように並べ、その間に逆Ｔ字型のカムフォロア１２５を基本カム１２１と対称カム１２２の対応する位置に橋を架けるように置いたものである。カムシャフトの駆動機構は図示していないが基本カム１２１と対称カム１２２が常に対称状態を保つように同一速度で、矢印で示すようにそれぞれ反対方向に回転するようになっている。カムフォロア１２５はカムの回転によって両側から押されて持ち上げられることになる。
【００１９】
これに使用されるカムフォロア１２５には〔実施の形態１〕と同様に摩擦抵抗を小さくするためローラ１２６が逆Ｔ字型をしたカムフォロア１２５のブリッジ１２７の両端に取り付けられている。１個のカムの場合に問題となる側圧は両側から同じ大きさで反対方向にかかるため打ち消され、カムフォロア１２５にたわみや永久変形が発生して変形することはない。また〔実施の形態１〕のようにカムフォロア１２５に剪断応力が掛かることもなくカムフォロア１２５に捩れが発生する心配もない。
ガイド１２８はカムフォロア１２５がずれて傾かないようにするためのものである。この方式は２個のカムが衝突しないようにするためカムフォロア１２５にあるブリッジ１２７のスパンが長くなり、カムフォロア１２５のブリッジ１２７が変形することがないように頑丈な構造にすることが必要であるといえる。
【００２０】
〔実施の形態３〕
この例は小型で、しかもカムフォロアに作用する捩れをなくすため、３個のカムを使って構成したカム機構であり図４はこの斜視図である。３個のカムとしては、１個の基本カム１３１と２個の対称カム１３２が用いられている。これらのカムを図４に示すように共通の中心線を軸として２個の対称カム１３２が基本カム１３１を挟むようにし、対称カム１３２と基本カム１３１とが互いに反対方向に回転するように配備する。このようにするためには、外側にある対称カムのカムシャフト１３４の内部を中央にある基本カムのカムシャフト１３３が貫通するようにしなければならない。
【００２１】
中央の基本カム１３１の回転速度と両外にある対称カム１３２の回転速度は同じであるが回転方向は基本カムとは逆の方向に回転するようにする。さらに、基本カム１３１と対称カム１３２は常に対称の位相関係を保つようにする。それぞれのカムは出来るだけ近づけた方が良いが〔実施の形態１〕ほどには神経質になる必要はない。逆に近づけすぎて接触して摩擦が生じるようではだめである。なお、この図では基本カム１３１を中央に置き対称カム１３２を両外に置いているが、対称カム１３２を中央に置きその両外に基本カム１３１を置いて対称カムを挟むようにしても効果は同じである。この場合は対称カムのカムシャフトが基本カムのカムシャフトを貫通することになる。
【００２２】
このカム機構に使用されるカムフォロア１３５は〔実施の形態１〕や〔実施の形態２〕と同じく、カムフォロアとカムとの間の摩擦を出来る限り小さくするためカムフォロア１３５の先端にはローラ１３６が取り付けてある。両側面のカムと中央のカムとでは回転方向が異なるためこのローラ１３６は３個に分かれている。カムフォロア１３５はガイド１３８によってずれないように保持されている。
この構造は基本カム１３１が１個に対し対称カム１３２は２個でありカムに発生する側圧は対称カム１３２の方が２倍になりカムフォロア１３５は基本カム１３１の方に押し曲げられるのではないかと思われるかもしれないが、側圧は負荷荷重によって発生するものであり対称カム１３２の方は１個に作用する負荷荷重が基本カム１３１の負荷荷重の半分になるため側圧も半分になりそのような事態が起こることはない。
【００２３】
このカム機構は小型で場所をとらずカムフォロア１３５に大きな剪断応力がかかることもなく性能は優れているが、カムシャフトの構造が複雑になるのが難点である。
【００２４】
〔実施の形態４〕
図５は単純な構造のカムシャフトを使用して〔実施の形態３〕に近い機能を実現したものである。図５（Ａ）は側面図、図５（Ｂ）は上面図である。
上記〔実施の形態３〕では中央に置くカムのカムシャフトが両外に置くカムのカムシャフトを貫通するようになっているためカムシャフトの構造が複雑であるが、この〔実施の形態４〕は〔実施の形態２〕と同様、基本カムのカムシャフト１４３と対称カムのカムシャフト１４４を平行に配備することによってシャフトの構造を単純化したものである。カムフォロア１４５のブリッジ１４７にはローラ１４６が３個付いておりカムとは３箇所で接触する。
【００２５】
基本カム１４１と対称カム１４２が対称関係を保ちつつ反対方向に回転するところは同じであるが、前記〔実施の形態２〕の場合と違って対称カム１４２が２個付いており中央の基本カム１４１がその両外にある対称カム１４２の間を通って回転するようになっている。このためカム同士が衝突する心配はなく、２本のカムシャフトの間隔は〔実施の形態２〕の場合の約半分にすることが出来る。これによって小型化が可能になると共に〔実施の形態２〕のようにカムフォロアのブリッジが変形する危険性も低減される。勿論、カムフォロア１４５やブリッジ１４７の形状、ローラ１４６の位置等は図５に示すような形状に変更することが必要である。また〔実施の形態１〕及び〔実施の形態４〕ではガイドは図示していないが、ガイドの機能を果たすものは当然必要である。
【符号の説明】
【００２６】
１０１  基本カム
１０２  圧力角α
１０３  カムフォロア
１１１  基本カム
１１２  対称カム
１１３  基本カムのカムシャフト
１１４  対称カムのカムシャフト
１１５  カムフォロア
１１６  ローラ
１２１  基本カム
１２２  対称カム
１２３  基本カムのカムシャフト
１２４  対称カムのカムシャフト
１２５  カムフォロア
１２６  ローラ
１２７  ブリッジ
１２８  ガイド
１３１  基本カム
１３２  対称カム
１３３  基本カムのカムシャフト
１３４  対称カムのカムシャフト
１３５  カムフォロア
１３６  ローラ
１３８  ガイド
１４１  基本カム
１４２  対称カム
１４３  基本カムのカムシャフト
１４４  対称カムのカムシャフト
１４５  カムフォロア
１４６  ローラ
１４７  ブリッジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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