(57)【要約】【課題】省エネを図りながらも、電動モータを用いて可変バルブタイミング等を可能とすることができる動弁機構を提供する。【解決手段】ウォームギヤ機構（２，３）の特性により、コントロールシャフト１０２より強い力が伝達された場合でも、かかる力が電動モータ１に伝達されることが抑制され、それにより電動モータ１に常時通電しなくても、コントロールシャフト１０２の回転位置を維持できるので、省エネが図れる。又、ボールネジ機構（４，５，６）によれば、大リードであるから、ウォームギヤ機構（２，３）と組み合わせても応答性を高く維持でき、一方、ナット幅を小さくできることから、コンパクトな構成を提供できるため、動弁機構に用いるのに最適である。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブの開閉状態を変更可能な動弁機構において、
回転変位することで、バルブの開閉状態を変更するコントロールシャフトと、
電動モータと、
前記電動モータの動力を、前記コントロールシャフトに伝達する動力伝達機構とを備え、
前記動力伝達機構は、ウォームギヤ機構と、外周面にネジ溝を形成したネジ軸、前記ネジ軸の外周に配置され外周面にネジ溝を形成したナット、及び対向する両ネジ溝間に転動自在に配置された複数のボールを含み、前記ネジ軸のリードがネジ山径以上であるボールネジ機構とを有していることを特徴とする動弁機構。
【請求項２】
前記ボールネジ機構は、前記ネジ軸のリードがネジ山径の２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の動弁機構。
【請求項３】
前記ボールネジ機構は、エンドキャップ循環式ボールネジ機構であることを特徴とする請求項１又は２に記載の動弁機構。
【請求項４】
前記ボールネジ機構は、前記ナット及び前記ネジ軸のネジ溝が２以上の条数を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の動弁機構。
【請求項５】
前記ボールネジ機構は、前記ナット及び前記ネジ軸のネジ溝が１巻き未満の巻き数を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の動弁機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動弁機構に関し、特に、バルブの開閉タイミング等を変更できる動弁機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年における車両に搭載される内燃機関においては、エンジン回転数や負荷に応じてバルブの開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング式の動弁機構を用いることが多くなった。かかる動弁機構においては、例えば油圧を付与することで、クランクシャフトに同期するスプロケットとカムシャフトとの位相を変更することができ、それによりバルブタイミングを可変とすることができる。
【０００３】
しかるに、上記従来技術の動弁機構においては、バルブタイミング等を可変とするために油圧が必要となり、従って油圧ポンプを備える必要がある。内燃機関においては、一般的には各部潤滑のための油圧ポンプが設置されているが、可変バルブタイミング等を達成するために油圧を用いるとすると、より大容量の油圧ポンプが必要となり、しかも、その動力はクランクシャフトより取り出されるようになっているので、その分燃費が悪化するという問題がある。
【０００４】
これに対し、電動モータの動力を用いてバルブタイミング等を変更する機構が、例えば以下の非特許文献１に開示されているように公知となっている。かかる技術によれば、電動モータの動力を用いてバルブタイミング等を変更することにより、クランクシャフトより動力を取り出す必要がなくなり、燃費の向上が図れることとなる。
【非特許文献１】
自動車技術会誌Ｖｏｌ．５６，Ｎｏ．２，２００２，Ｐ４４〜４９
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記非特許文献１に開示された機構においては、電動モータの駆動力を、ネジ軸とナットとを介して、バルブタイミング等を可変とするコントロールシャフトに伝達されている。ここで、ネジ軸とナットとを介して、コントロールシャフト側から電動モータ側へと逆方向に力の伝達が成される恐れがあるので、電動モータには常時電力を供給して、コントロールシャフトを所望の回転位置に維持する必要がある。しかしながら、電動モータに常時電力を供給すると、省エネが図れないという問題が生じる。又、別個の電磁ブレーキ等を用いてコントロールシャフトの回転位置を維持すれば、電動モータへの通電は不要になるが、電磁ブレーキへの通電が必要となり、同様に省エネは図れない。
【０００６】
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、省エネを図りながらも、電動モータを用いて可変バルブタイミング等を可能とすることができる動弁機構を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の動弁機構は、
バルブの開閉状態を変更可能な動弁機構において、
回転変位することで、バルブの開閉状態を変更するコントロールシャフトと、
電動モータと、
前記電動モータの動力を、前記コントロールシャフトに伝達する動力伝達機構とを備え、
前記動力伝達機構は、ウォームギヤ機構と、外周面にネジ溝を形成したネジ軸、前記ネジ軸の外周に配置され外周面にネジ溝を形成したナット、及び対向する両ネジ溝間に転動自在に配置された複数のボールを含み、前記ネジ軸のリードがネジ山径以上であるボールネジ機構とを有していることを特徴とする。
【０００８】
【作用】
本発明の動弁機構は、バルブの開閉状態を変更可能な動弁機構において、回転変位することで、バルブの開閉状態を変更するコントロールシャフトと、電動モータと、前記電動モータの動力を、前記コントロールシャフトに伝達する動力伝達機構とを備え、前記動力伝達機構は、ウォームギヤ機構と、外周面にネジ溝を形成したネジ軸、前記ネジ軸の外周に配置され外周面にネジ溝を形成したナット、及び対向する両ネジ溝間に転動自在に配置された複数のボールを含み、前記ネジ軸のリードがネジ山径以上であるボールネジ機構とを有しているので、前記ウォームギヤ機構の特性により、前記コントロールシャフトより強い力が伝達された場合でも、かかる力が前記電動モータに伝達されることが抑制され、それにより電動モータに常時通電しなくても、前記コントロールシャフトの回転位置を維持できるため、省エネが図れる。又、前記ボールネジ機構におけるネジ軸のリードが、そのネジ山径以上であると、そのような大リードのネジ軸を用いることで、比較的大きな減速比となりがちなウォームギヤ機構を用いても、動弁機構の要求する応答速度を満足することができる。尚、「バルブの開閉状態」とは、バルブタイミング、バルブリフト量、位相等をいうが、これに限られない。
【０００９】
更に、前記ボールネジ機構は、前記ネジ軸のリードがネジ山径の２倍以上であると好ましい。
【００１０】
又、前記ボールネジ機構は、エンドキャップ循環式ボールネジ機構であると、１未満の巻き数を採用できるため、前記ナット幅（軸線方向長）を抑えることができる。又、エンドキャップ循環式ボールネジ機構は、コマ循環式ボールネジ機構等に比べ、その構成上、外周面に突起物を形成することがなく、例えばウォームホイール等の他の部品を外周に嵌合させやすいという利点や、回転バランスに優れるという利点がある。尚、「エンドキャップ循環式ボールネジ機構」とは、一端まで転動したボールを、ナット内部の軸方向貫通穴を通して他端に戻す循環方式のボールネジ機構をいう。
【００１１】
更に、前記ボールネジ機構は、前記ナット及び前記ネジ軸のネジ溝が２以上の条数を有すると、その容量が大きくなるため、より大きな力を伝達できる。
【００１２】
又、前記ボールネジ機構は、前記ナット及び前記ネジ軸のネジ溝が１巻き未満の巻き数を有すると、前記ナットの幅（軸線方向）長を抑えることができ、コンパクトな動弁機構を提供できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態であるバルブタイミング及びバルブリフトを変更できる動弁機構の斜視図である。尚、図１においては、理解しやすいように、内燃機関１気筒の吸気側の２本のバルブについて図示している。
【００１４】
図１において、不図示のシリンダヘッドに回転自在に取り付けられたドライブシャフト１０１と、コントロールシャフト１０２とが並行に延在している。ドライブシャフト１０１には円盤状の偏心カム１０１ａが形成されており、コントロールシャフト１０２にも、円盤状の偏心カム１０２ａが形成されている。ドライブシャフト１０１の偏心カム１０１ａに係合する孔１０３ａを備えた第１リンク１０３の上部が、コントロールシャフト１０２側に延在し、コントロールシャフト１０１の偏心カム１０２ａに係合する孔１０４ａを備えたロッカーアーム１０４の一端に枢動可能に取り付けられている。ロッカーアーム１０４の他端には、第２リンク１０５の上端が枢動可能に取り付けられており、第２リンク１０５の下端は、ドライブシャフト１０１に対して揺動自在に取り付けられたアウトプットカム１０６に当接するように配置されている。アウトプットカム１０６は、一対の円筒状のバルブリフタ１０７の上面に当接しており、各バルブリフタ１０７は、バルブ１０８のステム上端に当接している。
【００１５】
コントロールシャフト１０２の一端には、その回転位置を検出するポジションセンサ１０９が取り付けられ、又、第３のリンク１１０を介して、ナット５が取り付けられている。ナット５とネジ軸４とは、回転運動と軸線運動とを変換可能に連結されており、ネジ軸４と電動モータ１とは、ウォームギヤ機構（２，３）を介して所定の減速比を与えるように連結されている。ＥＣＵ１１１は、ポジションセンサ１０９からの信号を受信し、それに応じて電動モータ１を駆動制御するようになっている。
【００１６】
図２は、図１の動弁機構における駆動部を示す部分断面図である。図３は、図２の駆動部を矢印方向から見た図である。図３において、不図示のハウジングに固定された電動モータ１の回転軸１ａの先端には、ウォーム２が形成されている。ウォーム２は、ウォームホイール３に噛合している。ウォームホイール３は、ネジ軸４に連結されており、ネジ軸４の周囲には、ナット５が配置されている。ナット５の外周に、第３のリンク１１０の下端が連結され、その上端は、コントロールシャフト１０２の中心以外の位置に連結されている。尚、ウォーム２とウォームホイール３とで、ウォームギヤ機構を構成する。
【００１７】
ネジ軸４の外周面には２条の外ネジ溝４ａが形成され、ナット５の内周面には２条の内ネジ溝５ａが形成され、外ネジ溝４ａと内ネジ溝５ａとで形成される空間内を、多数のボール６が転動自在に配置されている。尚、ナット５は、両端にキャップ５ｂを有し、キャップ５ｂ内の通路５ｃを介して、ボール６は、ネジ溝４ａ、５ａの一端から他端へと循環されるようになっている。ネジ軸４と、ナット５と、ボール６とで、エンドキャップ循環式ボールネジ機構を構成する。
【００１８】
かかる動弁機構の動作について説明する。ドライブシャフト１０１が、不図示のクランクシャフトに同期して回転すると、偏心カム１０１ａが偏心運動をして第１のリンク１０３を上下に往復動させる。第１のリンク１０３が上下に往復動すると、それに応じてロッカーアーム１０４が揺動運動をする。ロッカーアーム１０４の揺動運動により、第２のリンク１０５が上下に往復動し、アウトプットカム１０６を揺動させる。アウトプットカム１０６の揺動により、それに当接するバルブリフタ１０７を介して、バルブ１０８が往復動するようになっている。
【００１９】
上述したように、ＥＣＵ１１１の駆動制御により、電動モータ１が駆動され、回転軸１ａが回転すると、噛合しているウォーム２とウォームホイール３とが回転し、ネジ軸４に回転力が伝達される。ネジ軸４の回転は、ナット５の軸線方向移動に変換され、第３のリンク１１０の下端が揺動することで、コントロールシャフト１０２が回転変位する。コントロールシャフト１０２の回転位置に応じて偏心カム１０２ａが回転変位し、それによりロッカーアーム１０４が変位するので、それに応じて所望のバルブタイミング等を設定できる。
【００２０】
図４は、ロッカーアーム１０４位置と、バルブ１０８のリフト量の変化を示す図である。例えば、コントロールシャフト１０２を図４（ａ）、（ｂ）の位置に設定した場合における上死点（ａ）と下死点（ｂ）との差であるΔ１（図４（ｂ））は、コントロールシャフト１０２を図４（ｃ）、（ｄ）の位置に設定した場合における上死点（ｃ）と下死点（ｄ）との差であるΔ２（図４（ｄ））に比べ、大きくすることができる。更に、コントロールシャフト１０２をドライブシャフト１０１と同期させて回転させることで、バルブタイミングや位相の変更も可能となる。
【００２１】
本実施の形態によれば、例えばコントロールシャフト１０２を任意の回転位置に設定した後は、ロッカーアーム１０４に大きな力が付与されても、ウォーム機構の特性により、ネジ軸４から電動モータ１側に力が伝達されることが阻止されるので、電動モータ１に常時通電する必要はなく、省エネが図れる。更に、本実施の形態において、ネジ軸４とナット５は、２条のネジ溝４ａ、５ａを有するので負荷容量が大きなものとなっている。又、ネジ溝４ａ、５ａが１巻き未満の巻き数にすると、ナット５の軸線方向長を抑えることができ、コンパクトな動弁機構を提供できる。
【００２２】
特に、ウォームギヤ機構と組み合わせて高い応答性を得るためには、ボールネジ機構のリードを大きくする必要がある。一方で、装置のコンパクト性も要求されるため、ナット幅（軸線方向長）も制限される。これらを両立させる設計を行うと、ネジ溝の巻き数が１未満となり、通常のチューブ循環式ボールネジ機構や、コマ循環式ボールネジ機構では、以下の理由により適用が困難となる。まず、チューブ循環式ボールネジ機構の場合、ネジ溝の巻き数は、１．５巻き、２．５巻き、３．５巻き、というように（整数＋０．５）巻き毎に設定されるが、０．５巻きという巻き数は通常用いられない。それは、１条のネジ溝の場合、ボールの転動路をナットの半周分しかとれないためナットのバランスが悪くなるという問題があるからであり、更にナットのバランス向上のためネジ溝を２条や２列にして、ボール転動路をナット全周に配置するようにしても、それに応じてチューブをナット外周面の両側に設けなくてはならず、ボールネジ機構の大型化を招くことになるからである。又、コマ循環式ボールネジ機構の場合，大リードに対応するコマの設計は困難である上、１条ネジであって且つネジ溝の巻き数は１巻きに限定されるため、負荷容量を稼ぐために列数を増やしてナット幅を拡大せざるを得ない。これに対し，エンドキャップ循環式ボールねじ機構の場合，１未満の巻き数を設定でき（一般に０．７巻き，１．７巻き，２．７巻き，というように（整数＋０．７）で巻き数を設定できる）、しかも条数も増やすことができるため，コンパクトな構成でありながらボールネジ機構の負荷容量を増大できる。またナット外周は障害となる突起のない単純な円筒形状を得られるため、可変バルブタイミング機構の駆動装置であるウォームギヤ機構のウォームホイールをナットに挿入容易であり（図５，７参照）、さらにサポート軸受等のナットへの設置も容易となり、設計上の取りまわしに優れる。加えて、全周にボール転動路を配置できることから、幅が小さいナットでもバランスが良くなり、振動軽減等の観点から有利となる。但し、コマ循環式ボールネジ機構を用いるのは任意である。
【００２３】
図５は、第２の実施の形態にかかる動弁機構の駆動部を示す図である。本実施の形態においては、上述した実施の形態に対し、同様な機能を有する構成は同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００２４】
本実施の形態においては、図５に示すように、ナット５の外周にウォームホイール３を直付けしている。従って、電動モータ１がウォーム２を回転させると、それに応じてナット５が回転し、ネジ軸４が軸線方向に移動して、その端部（図５で右端）に取り付けられた第３のリンク１１０を介して、コントロールシャフト１０２が回転駆動されるようになっている。
【００２５】
図６は、第３の実施の形態にかかる動弁機構の駆動部を示す図である。本実施の形態においては、図２，３の実施の形態に対し、同様な機能を有する構成は同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００２６】
本実施の形態においては、図６に示すように、それぞれ３条であるネジ軸４’のネジ溝４ａ’と、ナット５’のネジ溝５ａ’のリードＬが、ネジ溝４’のネジ山径φｄより大きく（Ｌ＞ｄ）なっている。このように、ネジ溝４ａ’、５ａ’のリードＬがネジ山径φｄ以上に大きいと、比較的大きな減速比となりがちなウォームギヤ機構（２，３）を用いても、動弁機構の要求する応答速度を満足することができる。尚、リードＬはネジ山径φｄの２倍以上であると良い。
【００２７】
図７は、第４の実施の形態にかかる動弁機構の駆動部を示す図である。本実施の形態においては、図６の実施の形態に対し、同様な機能を有する構成は同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００２８】
本実施の形態においては、図７に示すように、ナット５’の外周にウォームホイール３を直付けしている。従って、電動モータ１がウォーム２を回転させると、それに応じてナット５が回転し、ネジ軸４’が軸線方向に移動して、その端部（図７で右端）に取り付けられた第３のリンク１１０を介して、コントロールシャフト１０２が回転駆動されるようになっている。
【００２９】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、バルブタイミング、バルブリフト量、位相等を変更する機構は、図１のタイプにこだわらず、あらゆるタイプを用いることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の動弁機構は、バルブの開閉状態を変更可能な動弁機構において、回転変位することで、バルブの開閉状態を変更するコントロールシャフトと、電動モータと、前記電動モータの動力を、前記コントロールシャフトに伝達する動力伝達機構とを備え、前記動力伝達機構は、ウォームギヤ機構と、外周面にネジ溝を形成したネジ軸、前記ネジ軸の外周に配置され外周面にネジ溝を形成したナット、及び対向する両ネジ溝間に転動自在に配置された複数のボールを含み、前記ネジ軸のリードがネジ山径以上であるボールネジ機構とを有しているので、前記ウォームギヤ機構の特性により、前記コントロールシャフトより強い力が伝達された場合でも、かかる力が前記電動モータに伝達されることが抑制され、それにより電動モータに常時通電しなくても、前記コントロールシャフトの回転位置を維持できるため、省エネが図れる。又、前記ボールネジ機構におけるネジ軸のリードが、そのネジ山径以上であると、そのような大リードのネジ軸を用いることで、比較的大きな減速比となりがちなウォームギヤ機構を用いても、動弁機構の要求する応答速度を満足することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態であるバルブタイミング及びバルブリフトを変更できる動弁機構の斜視図である。
【図２】図１の動弁機構における駆動部を示す部分断面図である。
【図３】図２の駆動部を矢印方向から見た図である。
【図４】ロッカーアーム１０４位置と、バルブ１０８のリフト量の変化を示す図である。
【図５】第２の実施の形態にかかる動弁機構の駆動部を示す図である。
【図６】第３の実施の形態にかかる動弁機構の駆動部を示す図である。
【図７】第４の実施の形態にかかる動弁機構の駆動部を示す図である。
【符号の説明】
１　電動モータ
２　ウォーム
３　ウォームホイール
４、４’　ネジ軸
５，５’　ナット
６　ボール
１０１　ドライブシャフト
１０２　コントロールシャフト
１０４　ロッカーアーム
１０６　アウトプットカム
１０８　バルブ
１１１　ＥＣＵ
【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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【図６】
2004124892.tif 000008
【図７】
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