JP2004144125A

JP2004144125A - ボールねじ機構及び動弁機構

Info

Publication number: JP2004144125A
Application number: JP2002306900A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Otaki; 大滝　　亮一
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】コンパクトながら高い応答性を有するボールねじ機構、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】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。更に、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（４ａ（Ａ））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を、別のネジ溝（４ａ（Ｃ））に戻す通路５ｃ、５ｄが設けられているので、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。
【選択図】　図２

Description

【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、コントロールシャフトに高い応答性を与えるためには、ボールねじ機構のネジ溝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、ナットのネジ溝の巻き数が１未満となり、通常のチューブ循環式ボールねじ機構や、コマ循環式ボールねじ機構では、以下の理由により適用が困難となる。
【０００６】
まず、チューブ循環式ボールねじ機構の場合、ナットのネジ溝の巻き数は、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理由によるものである。更に、コマ循環式ボールねじ機構の場合、ナットのネジ溝の巻き数は、１．０巻き、２．０巻き、３．０巻き、というように（整数）巻き毎に設定され、従ってナットのネジ溝の巻き数が１未満では通常用いることができない。
【０００７】
更に、従来技術においては、ボールねじ機構を介して、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。
【０００８】
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、コンパクトながら高い応答性を有するボールねじ機構、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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の動弁機構は、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、
前記ネジ軸及び前記ナットのネジ溝が２以上の条数を有し、更に前記ネジ軸と前記ナットとの相対回転に応じて１条のネジ溝に沿って前記ナットの一端側から他端側へと転動したボールを、別のネジ溝に戻す通路が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
【作用】
本発明の動弁機構によれば、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、前記ネジ軸及び前記ナットのネジ溝が２以上の条数を有し、更に前記ネジ軸と前記ナットとの相対回転に応じて１条のネジ溝に沿って前記ナットの一端側から他端側へと転動したボールを、別のネジ溝に戻す通路が設けられているので、ナットのネジ溝の巻き数として１巻き未満の例えば０．５巻き等を採用することで、前記ナットの軸線方向長を抑えることができると共に、複数のネジ溝を周方向に等間隔に配置することで、ナットのバランス状態も良好としている。
【００１１】
又、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、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）を有効に抑えることができる。又、エンドキャップ循環式ボールねじ機構は、コマ循環式ボールねじ機構等に比べ、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ことに加え、前記ナットのネジ溝端部まで転動した前記ボールを緩やかな曲線状の転動路ですくい上げることが可能なため、より円滑な動作が可能であるという利点もある。尚、「エンドキャップ循環式ボールねじ機構」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ねじ機構をいう。
【００１２】
以上より、前記ボールねじ機構が、前記ナットのネジ溝が１巻き未満の巻き数を有していても、本発明により円滑な動作が可能となり、しかも前記ナットの軸線方向長をより短縮することが可能となる。
【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。又、前記ボールねじ機構において、前記ネジ軸及び前記ナットのネジ溝が２以上の条数を有し、１条のネジ溝に沿って前記ナットの一端側から他端側へと転動したボールを、別のネジ溝に戻す通路が設けられているので、前記ナットの軸線方向長を短くすることができ、動弁機構の構成をよりコンパクトにできる。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。
【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ネジ機構を含む、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。
【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、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、不図示のハウジングに対し軸線方向の移動を制限された状態で回転自在に支持されたナット５の周囲に、一体的に形成されている。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。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】
ネジ軸４の外周面には４条の外ネジ溝４ａ（図２の例ではＡが１条目、Ｂが２条目、Ｃが３条目、Ｄが４条目を示すものとする）形成され、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。
【００１９】
このとき、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条目のネジ溝４ａ（Ａ）、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（Ｅ）でエンドキャップ５ｂの通路（図２で不図示）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（不図示）を通って、ナット５の他端側の位置（Ｇ）で第３条目のネジ溝４ａ（Ｃ）、５ａに戻される。
【００２０】
又、第２条目のネジ溝４ａ（Ｂ）、５ａに沿ってナット５の約１／２周分転動してきたボール６は、ナット５の一端側の位置（Ｆ）でエンドキャップ５ｂの通路５ｃ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５ｄを通って、ナット５の他端側の位置（不図示）で第４条のネジ溝４ａ（Ｄ）、５ａに戻される。
【００２１】
更に、第３条目のネジ溝４ａ（Ｃ）、５ａに沿ってナット５の約１／２周分転動してきたボール６は、図２では不図示であるナット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（不図示）を通って、ナット５の他端側の位置（不図示）一端側の第１条目のネジ溝４ａ（Ａ）、５ａに戻される。
【００２２】
又、第４条目のネジ溝４ａ（Ｄ）、５ａに沿ってナット５の約１／２周分転動してきたボール６は、同様にして第２条のネジ溝４ａ（Ｂ）、５ａに戻されるようになっている。
【００２３】
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。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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、ボールねじ機構のネジ溝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、ナットのネジ溝の巻き数が１未満となり、通常のチューブ循環式ボールねじ機構や、コマ循環式ボールねじ機構では、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ねじ機構の場合、ナットのネジ溝の巻き数は、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４条にして、ボールの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、ナット外周形状の複雑化やボールネジ機構の大型化を招くことになるからである。これに対し、本実施の形態では、１巻き未満でも４条のネジ溝を周方向に等間隔に配置することで、ナットのバランス状態も良好としている。
【００２９】
図５は、比較例として示す、４条のネジ溝を有し、且つ同じネジ溝にボールを循環させるエンドキャップ循環式ボールねじ機構の断面図である。本比較例は、ナット５’以外は、図２に示すエンドキャップ循環式ボールねじ機構と構成が同一である。本比較例においては、例えば同じネジ溝４ａ（Ｂ）にボール６を戻すようにしているため、図５から明らかなように、ナット５’の軸線方向長（ネジ溝の１リード必要）は、本実施の形態のナット５（図２）の軸線方向長の約２倍となっている。
【００３０】
更に、コマ循環式ボールねじ機構の場合、ナットのネジ溝の巻き数は、１．０巻き、２．０巻き、３．０巻き、というように（整数）巻き毎に設定され、従ってナットのネジ溝の巻き数が１未満では通常用いることができない。これに対し、本発明のエンドキャップ循環式ボールねじ機構の場合、２条以上のネジ溝を設けることで、１未満の条数から巻き数を自由に設定でき、しかも条数を増やすことでボールねじ機構の負荷容量を増大でき、更に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。
【００３１】
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、上述した実施の形態では、４条の各ネジ溝を１／２周分巻き回した後、一つおいて隣のネジ溝に戻すように循環させているが、４条の各ネジ溝を１／４周分巻き回した後、すぐ隣のネジ溝に戻すように循環させてもよいし、４条の各ネジ溝を３／４周分巻き回した後、３つ隣のネジ溝に戻すように循環させることもできる。以上の場合、回路はそれぞれ１つとなるが、１つの回路があまりに長くなると、回路のいずれかでボール詰まりなどが生じた場合、全てのボールの転動不良を招く恐れが生じるため、複数の回路を設けた方が望ましい。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。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の動弁機構によれば、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、前記ネジ軸及びナットのネジ溝が２以上の条数を有し、更に前記ネジ軸と前記ナットとの相対回転に応じて１条のネジ溝に沿って前記ナットの一端側から他端側へと転動したボールを、別のネジ溝に戻す通路が設けられているので、ナットのネジ溝の巻き数として１巻き未満の例えば０．５巻き等を採用することで、前記ナットの軸線方向長を抑えることができると共に、複数のネジ溝を周方向に等間隔に配置することで、ナットのバランス状態も良好としている。
【００３３】
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。又、前記ボールねじ機構において、前記ネジ軸及び前記ナットのネジ溝が２以上の条数を有し、１条のネジ溝に沿って前記ナットの一端側から他端側へと転動したボールを、別のネジ溝に戻す通路が設けられているので、前記ナットの軸線方向長を短くすることができ、動弁機構の構成をよりコンパクトにできる。
【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（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。
【図５】比較例にかかるボールねじ機構を示す図である。
【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
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

Claims

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、
前記ネジ軸及び前記ナットのネジ溝が２以上の条数を有し、更に前記ネジ軸と前記ナットとの相対回転に応じて１条のネジ溝に沿って前記ナットの一端側から他端側へと転動したボールを、別のネジ溝に戻す通路が設けられていることを特徴とするボールねじ機構。
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に記載のボールねじ機構。
前記ナットのネジ溝が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又は２に記載のボールねじ機構。
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３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。