(57)【要約】【課題】コンパクトながら組み付け性に優れるボールねじ機構、及び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】ハウジング１０と、ナット５との間に、複数のころ１１ｂを有するころ軸受１１を配置しており、ナット５の外周面は、ころ軸受１１のころの転動面となっていて、ナット５はころ軸受１１に対して軸線方向に相対移動させることで組み付けられるようになっているので、前記ハウジングに前記軸受を組み付けた後に、前記ナットを組み付けることが可能となり、ころ軸受１１の内輪を省略することでコンパクトな構成を達成しながらも、組み付け性が良好となっている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面にネジ溝を形成したネジ軸と、前記ネジ軸を包囲するように配置され且つ内周面にネジ溝を形成したナットと、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とを有するボールねじ機構において、
ハウジングと、前記ナットとの間に、複数の転動体を有する軸受を配置しており、前記ナットの外周面は、円筒状又はテーパ状である前記軸受の転動体の転動面を有しており、前記ナットは前記軸受に対して軸線方向に相対移動させることで組み付けられることを特徴とするボールねじ機構。
【請求項２】
前記ナットの外周面には、駆動力伝達用のギヤが取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ機構。
【請求項３】
前記ギヤはウォームホイールであることを特徴とする請求項２に記載のボールねじ機構。
【請求項４】
エンドキャップ循環式ボールねじ機構であ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ボールねじ機構。
【請求項５】
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、請求項１乃至４のいずれかに記載のボールねじ機構とを有することを特徴とする動弁機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボールねじ機構及び動弁機構に関し、特に、バルブの開閉タイミング等を変更できる動弁機構及びそれに用いられると好適なボールねじ機構に関する。
【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動弁機構が、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直接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】
ところで、上記非特許文献１に開示された動弁機構においては、電動モータの駆動力を、ネジ軸とナットとを含むボールねじ機構を介して、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している。ここで内燃機関に、かかる動弁機構を組み込むためには、各部品をよりコンパクトに組み込む必要がある。しかるに、例えばチューブ循環式ボールねじ機構におけるナットは、ネジ軸とナットとの間の転動路に沿って移動するボールを戻すためのチューブを、その外周に設けているために、一般的にナット外周が非円形となっているため、周囲の空間の有効利用を図れないという問題がある。そこで、以下の特許文献１においては、エンドキャップ循環式ボールねじ機構を用いることで、ナット外形を円形とし、更にナット外周面に軸受の内輪軌道面を直接形成して、ナット半径方向の寸法を抑えたコンパクトな構成を提供している。
【特許文献１】
特開２０００−３１０３１０号公報
【０００６】
ところが、上記特許文献１に記載のエンドキャップ式ボールねじ機構を、上述の動弁機構に用いる場合には、ナット及び軸受のハウジングに対する組み込み上の問題がある。より具体的には、ナットに軸受を組み付けた後、ハウジング内に挿入するが、軸受の内輪を兼ねるナットは、軸線方向に長く且つ完全な円筒形でないため、ボールと外輪とを、通常の軸受の内輪に組み付ける場合に比べると組み込みに手間がかかる。又、軸受と組み合わされてアッセンブリとなったナットをハウジングに挿入するときに、外輪とハウジングとの間がしまり嵌めであるならば、治具を用いて挿入しなくてはならず手間がかかりコストが増大する。尚、例えば外輪を軸線方向に二分し、ナットの内輪軌道面に整列させたボールを、二分した外輪でナットの軸線方向両側から挟むようにすれば、ナット外周への玉軸受の組付をより容易に行えるようになるが、かかるナットと玉軸受のアッセンブリを、ハウジングに組み込む際の困難性は依然として残存する。
【０００７】
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、コンパクトながら組み付け性に優れるボールねじ機構、及び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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のボールねじ機構は、外周面にネジ溝を形成したネジ軸と、前記ネジ軸を包囲するように配置され且つ内周面にネジ溝を形成したナットと、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とを有するボールねじ機構において、
ハウジングと、前記ナットとの間に、複数の転動体を有する軸受を配置しており、前記ナットの外周面は、円筒状又はテーパ状である前記軸受の転動体の転動面を有しており、前記ナットは前記軸受に対して軸線方向に相対移動させることで組み付けられることを特徴とする。
【０００９】
【作用】
本発明のボールねじ機構において、ハウジングと、前記ナットとの間に、複数の転動体を有する軸受を配置しており、前記ナットの外周面は、円筒状又はテーパ状である前記軸受の転動体の転動面を有しており、前記ナットは前記軸受に対して軸線方向に相対移動させることで組み付けられるようになっているので、前記ハウジングに前記軸受を組み付けた後に、前記ナットを組み付けることが可能となり、前記軸受の内輪を省略することでコンパクトな構成を達成しながらも、組み付け性が良好となっている。尚、前記ナットを前記軸受に対して軸線方向に相対移動させることで組み付けるために、前記軸受はころ軸受であると、前記ナット外周を精度の良い円筒状面とするだけで足り、コストが低減して好ましいが、アンギュラ玉軸受でも良い。
【００１０】
更に、前記ナットの外周面には、駆動力伝達用のギヤが取り付けられていると好ましい。
【００１１】
又、前記ギヤはウォームホイールであると好ましい。
【００１２】
更に、前記ボールねじ機構は、エンドキャップ循環式ボールねじ機構であると好ましい。
【００１３】
又、バルブの開閉状態を変更可能な動弁機構が、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、上述したボールねじ機構とを有するので、前記ウォームギヤ機構のウォームのリードを適切に設定することにより、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。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。
【００１４】
【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ボールねじ機構を含む、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。
【００１５】
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１０２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。
【００１６】
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、ネジ軸４に連結されている。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、更にネジ軸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。
【００１７】
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ＩＩＩ方向から見た図である。図３において、ハウジング１０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。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。
【００１８】
図２に示すように、駆動力伝達用のギヤであるウォームホイール３は、円筒上面であるナット５の第１外周面５ｆに圧入嵌合されて、一体的に回転するようになっている。ナット５は、第１外周面５ｆより大径の円筒状面である第２外周面５ｇにより、ハウジング１０の開口１０ａに対し、ころ軸受１１を介在させた状態で回転自在に支持されている。ころ軸受１１は、開口１０ａに嵌め込まれた外輪１１ａと、複数の転動体であるころ１１ｂと、不図示の保持器とを有するが、ころ軸受１１の内輪軌道面（転動面ともいう）は、ナット５の第２外周面５ｇとなっている。従って、内輪が存在しない分、ころ軸受１１の外径は小さくなっており、本実施の形態のコンパクト化に貢献する。
【００１９】
ナット５を貫通するネジ軸４の端部に連結された第３のリンク１１０は、コントロールシャフト１０２の中心以外の位置にピン結合されている。ネジ軸４の外周面には４条の外ネジ溝４ａが形成され（簡略化して図示）、ネジ軸４を包囲するナット５の内周面には４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（転動路）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及びナット５の内部に形成された通路５ｄとを介して、ボール６は、ネジ溝４ａ、５ａの一端側から他端側へと循環されるようになっている。
【００２０】
ネジ軸４が相対回転するナット５に応じて図２で左方に移動するものとすると、第１条目と第２条目のネジ溝４ａ、５ａに沿ってナット５の約１／２周（０．５巻き）分転動してきたボール６は、ナット５の一端側の位置でエンドキャップ５ｂの通路によりすくい上げられ、ナット５内を軸線方向に伸びる通路を通って、ナット５の他端側の位置で第３条目と第４条目のネジ溝４ａ、５ａに、それぞれ戻されるようになっている。
【００２１】
すなわち、本実施の形態の場合、ナット５内における第１条目のネジ溝から構成される転動路と、第３条目のネジ溝から構成される転動路とは、それぞれ両端が連結されて閉回路となっており、ナット５内における第２条目のネジ溝から構成される転動路と、第４条目のネジ溝から構成される転動路とは、それぞれ両端が連結されて閉回路となっているが、閉回路のパターンは以上に限られない。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ねじ機構を構成する。又、エンドキャップ循環式ボールねじ機構と、上述したウォームギヤ機構とで動力伝達機構を構成する。
【００２２】
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。
【００２３】
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が軸線に沿って移動することで、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。
【００２４】
図４は、ロッカーアーム１０４の位置と、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。
【００２５】
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及びナット５のネジ溝４ａ、５ａが４条であり、且つ１条のネジ溝に沿ってナット５の一端側から他端側へと転動したボール６が、別のネジ溝に戻されるようになっているので、ナット５の軸線方向長を短くすることができ、コンパクトな動弁機構を提供できる。
【００２６】
ナット５をハウジング１０に組み付ける際には、まずころ軸受１１をハウジング１０の開口１０ａ内に装着し（不図示の保持器でころ１１ｂは等間隔に保持されている状態）、次に、ころ軸受１１の内部にナット５を軸線方向に相対移動させて組み付ける。本実施の形態によれば、ころ１１ｂの転動面である第２外周面５ｇが円筒状であるから、ハウジング１０にころ軸受１１を組み付けた状態でも、その内側へのナット５の軸線方向の円滑な挿入が許容されるため、容易にナット５の組付けを行えるようになっている。
【００２７】
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、ナット５の第２外周面５ｇは円筒状でなく、一方向に傾斜したテーパ状であっても良い。この場合、ころ軸受１１は、円筒ころ軸受でなく、テーパころ軸受となる。又、ネジ溝の条数や巻き数は、以上に限らず種々の組み合わせが考えられる。更に、本発明はチューブ循環式ボールねじ機構にも適用できるが、エンドキャップ循環式ボールねじ機構がより効果を発揮する。加えて、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。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のボールねじ機構において、ハウジングと、前記ナットとの間に、複数の転動体を有する軸受を配置しており、前記ナットの外周面は、円筒状又はテーパ状である前記軸受の転動体の転動面を有しており、前記ナットは前記軸受に対して軸線方向に相対移動させることで組み付けられるようになっているので、前記ハウジングに前記軸受を組み付けた後に、前記ナットを組み付けることが可能となり、前記軸受の内輪を省略することでコンパクトな構成を達成しながらも、組み付け性が良好となっている。
【００２９】
又、バルブの開閉状態を変更可能な動弁機構が、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、上述したボールねじ機構とを有するので、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。
【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（動力伝達機構を含む）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。
【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  ネジ軸
５  ナット
６  ボール
１０  ハウジング
１１  ころ軸受
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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