JP2009074520A - バルブリフト調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、制御軸を回転させるのに十分なトルクを確保しつつ、モータを小型化することを目的とする。
【解決手段】可変動弁機構１０の制御軸１２には、減速機構１８を介してモータ１４を連結する。モータ１４は、制御軸１２の回転角に応じてバルブのリフト量を制御する。また、噛合位置Ｐでのウォームギヤ２０とウォームホイール２２のギヤ径Ｒ1，Ｒ2の比率（Ｒ1／Ｒ2）は、制御軸１２をリフト増大方向Ｂに回転させるにつれて小さくなるように形成する。これにより、例えばモータ１４の出力トルクを一定とした状態でも、小リフト量から大リフト量に至る広い作動領域において、バルブ反力に応じた適度な大きさの回転トルクを制御軸１２に付加することができる。従って、モータ１４の仕様を大リフト量側での要求に合わせて決定する必要がないから、出力の小さなモータを採用することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば内燃機関の吸気バルブ、排気バルブ等のリフト量を可変に設定するためのバルブリフト調整装置に関し、特に、モータによって可変動弁機構の制御軸を回転させる構成としたバルブリフト調整装置に関する。

従来、例えば特許文献１（特開２００５−２５６７６７号公報）に開示されているように、可変動弁機構の制御軸をモータによって回転させ、その回転角に応じてバルブのリフト量を可変に設定する構成としたバルブリフト調整装置が知られている。

この種の従来技術によるバルブリフト調整装置において、制御軸には、バルブを閉弁方向に付勢するバルブスプリングの反力（バルブ反力）が作用する。このため、モータは、バルブのリフト量を増大させるときに、バルブ反力に抗して制御軸を所望の回転角まで回転駆動することにより、必要なリフト量を実現する構成となっている。

特開２００５−２５６７６７号公報

上述した従来技術では、バルブのリフト量を増大させるときに、バルブ反力に抗して制御軸を回転させる必要がある。この場合、バルブ反力は、リフト量が大きくなるにつれて増大する傾向がある。このため、モータには、最大リフト量でのバルブ反力に抗して制御軸を回転（または、最大リフト量の位置で制御軸を静止）させることが可能な出力トルクが要求される。

しかしながら、バルブのリフト量が小〜中程度のときには、最大リフト量の場合と比較してバルブ反力が小さい分だけ、モータの出力トルクは小さくもよい。このため、従来技術では、最大リフト量側での要求に合わせてモータの仕様（出力トルク）を決定すると、小〜中程度のリフト量のときにモータの出力が過剰となり、その消費電力が無駄になるという問題がある。また、出力トルクの大きなモータを用いることにより、モータが大型化するという問題もある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、十分なトルクを確保しつつ、モータの消費電力を抑えて作動効率を高めることができ、また小型化を促進することが可能なバルブリフト調整装置を提供することを目的としている。

第１の発明は、バルブのリフト量を可変に設定するための制御軸を有し、前記制御軸をリフト増大方向に回転させることによって前記リフト量が増大し、前記制御軸をリフト減少方向に回転させることによって前記リフト量が減少する可変動弁機構と、
前記可変動弁機構の制御軸を回転させるためのモータと、
前記モータの出力軸に取付けられ、前記出力軸と一緒に回転する第１ギヤと、
前記可変動弁機構の制御軸に取付けられた状態で前記第１ギヤと噛合し、前記第１ギヤによって前記制御軸と一緒に回転駆動される第２ギヤと、を備え、
前記第１ギヤと前記第２ギヤとの噛合位置における前記第１ギヤのギヤ径Ｒ1と、前記噛合位置における前記第２ギヤのギヤ径Ｒ2との比率（Ｒ1／Ｒ2）は、前記制御軸をリフト増大方向に回転させるにつれて小さくなるように形成したことを特徴とする。

第２の発明によると、前記第１ギヤは、前記制御軸をリフト増大方向に回転させるにつれて前記噛合位置でのギヤ径Ｒ1が小さくなるように形成している。

第３の発明によると、前記第２ギヤは、前記制御軸をリフト増大方向に回転させるにつれて前記噛合位置でのギヤ径Ｒ2が大きくなるように形成している。

第４の発明によると、前記第１ギヤは、長さ方向の一側から他側に向けて徐々に縮径した円錐状のウォームギヤであり、前記第２ギヤは、回転方向の一側から他側に向けて径方向寸法が徐々に長くなったウォームホイールである構成としている。

第５の発明によると、前記ウォームギヤは、前記ウォームホイールを回転させるときに、当該ウォームギヤの軸方向に移動可能に構成している。

第１の発明によれば、モータの作動時には、第１ギヤ，第２ギヤを介して可変動弁機構の制御軸を回転させることができる。そして、制御軸の回転角に応じてバルブのリフト量を小リフト量〜大リフト量の範囲で制御することができる。この場合、噛合位置におけるギヤ径の比率（Ｒ1／Ｒ2）は、制御軸がリフト増大方向に回転されるにつれて、小さくなるように形成することができる。これにより、バルブ反力が大きくなる大リフト量側の回転角では、第１ギヤ，第２ギヤを介して制御軸に加わる回転トルクを増大させることができる。

このため、大リフト量側では、比較的大きなバルブ反力に抗して制御軸を円滑に回転させることができる。また、小リフト量側では、制御軸に加わる回転トルクをギヤ径の比率（Ｒ1／Ｒ2）に応じて小さくすることができる。この場合、小リフト量側の回転角では、大リフト量側と比較してバルブ反力が小さくなるから、制御軸を回転するのに十分な回転トルクを発生することができる。

従って、例えばモータの出力トルクを一定とした状態でも、制御軸に加わる回転トルクをギヤ径の比率（Ｒ1／Ｒ2）に応じて適切に変化させることができる。つまり、小リフト量から大リフト量に至る広い作動領域において、バルブ反力に応じた適度な大きさの回転トルクを制御軸に付加することができ、バルブを安定的に作動させることができる。

これにより、バルブリフト調整装置の設計時には、モータの仕様（出力トルク）を大リフト量側での要求に合わせて決定する必要がないから、比較的出力の小さなモータを採用することができる。このため、モータを含めて装置全体を小型化することができる。また、大型のモータを採用する必要がないから、可変動弁機構を小〜中程度のリフト量で作動させるときには、モータの出力がバルブ反力に対して過剰となるのを回避することができ、モータの消費電力を抑えて作動効率を高めることができる。

第２の発明によれば、第１ギヤのギヤ径Ｒ1は、制御軸がリフト増大方向に回転されるにつれて、小さくなるように形成することができる。この結果、制御軸に加わる回転トルクを第１ギヤのギヤ径Ｒ1に応じて適切に変化させることができ、大リフト量側で回転トルクを増大させることができる。また、例えば第２ギヤのギヤ径Ｒ2も変化させる場合には、この寸法変化をギヤ径Ｒ1の寸法変化によって吸収することができ、２つのギヤを安定した噛合状態に保持することができる。

第３の発明によれば、第２ギヤのギヤ径Ｒ2は、制御軸がリフト増大方向に回転されるにつれて、大きくなるように形成することができる。この結果、制御軸に加わる回転トルクを第２ギヤのギヤ径Ｒ2に応じて適切に変化させることができ、大リフト量側で回転トルクを増大させることができる。また、例えば第１ギヤのギヤ径Ｒ1も変化させる場合には、この寸法変化をギヤ径Ｒ2の寸法変化によって吸収することができ、２つのギヤを安定した噛合状態に保持することができる。

第４の発明によれば、第１ギヤ，第２ギヤとしてウォームギヤとウォームホイールとを用いることができる。これにより、噛合位置でのギヤ径が制御軸の回転角に応じて変化するようなギヤ構造を容易に実現することができる。

第５の発明によれば、ウォームギヤによってウォームホイールを回転させるときには、ウォームギヤを軸方向に移動させることができる。これにより、ウォームギヤとウォームホイールのギヤ径が変化しても、ウォームギヤが軸方向に移動することによって両者の位置関係を適切に調整することができ、２つのギヤを安定した噛合状態に保持することができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図３を参照しつつ、本発明の実施の形態１について説明する。まず、図１は、実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図を示している。本実施形態のシステムは、可変動弁機構１０を備えている。

可変動弁機構１０は、例えば内燃機関の吸気バルブ、排気バルブ等に用いられ、このようなバルブ（図示せず）が開弁するときのリフト量を可変に設定するものである。この場合、可変動弁機構１０は、例えば特開２００５−２５６７６７号公報等に記載されているような公知の技術を用いて構成されている。

また、可変動弁機構１０は、図１中の軸線Ｏ2−Ｏ2（軸心Ｏ2）を中心として回転する制御軸１２を有している。制御軸１２は、後述のモータ１４により減速機構１８を介して回転駆動される。バルブのリフト量は、この制御軸１２の回転角に応じて最小リフト量と最大リフト量との間で変化する。

この場合、例えば制御軸１２が図１中のリフト減少方向Ａに回転したときには、バルブのリフト量が最大リフト量から最小リフト量に向けて徐々に減少する。図２(ａ)は、制御軸１２をリフト減少方向Ａに回転させることにより、バルブが最小リフト量となった状態を示している。また、制御軸１２がリフト増大方向Ｂに回転したときには、バルブのリフト量が徐々に増大する。図２(ｂ)は、制御軸１２をリフト増大方向Ｂに回転させることにより、バルブが最大リフト量となった状態を示している。

ここで、バルブは、例えば内燃機関のシリンダヘッド等に開，閉可能に取付けられ、バルブスプリング（図示せず）によって閉弁方向に常時付勢されている。そして、内燃機関の作動時には、バルブ駆動用のカムが機関回転数に同期して回転しつつ、バルブスプリングのばね力に抗してバルブを周期的に押動し、これによってバルブが開，閉される。このため、バルブの開弁時には、バルブスプリングのばね力が反力（バルブ反力）となってカムに付加される。

一方、可変動弁機構１０は、制御軸１２の回転角に応じてカムの姿勢を変化させる可動部を備えており、この可動部は制御軸１２とカムとの間に連結されている。このため、リフト量を増大させるときには、カムから制御軸１２にバルブ反力が伝達される。このバルブ反力は、リフト減少方向Ａへの回転トルクとなって制御軸１２に作用する。また、バルブ反力は、バルブのリフト量が大きいほど（即ち、制御軸１２が大リフト量側の回転角であるほど）、増大するものである。

また、可変動弁機構１０には、制御軸１２を回転駆動するために電動式のモータ１４が付設されている。モータ１４は、通電状態に応じて正，逆回転可能な出力軸１６を備えている。この出力軸１６は、図２に示すように軸線Ｏ1−Ｏ1を中心として回転しつつ、軸方向に伸縮する構成となっている。また、出力軸１６の軸線Ｏ1−Ｏ1は、制御軸１２の軸線Ｏ2−Ｏ2と垂直な平面上に配置されている。

さらに、本実施の形態のシステムは、可変動弁機構１０とモータ１４との間に介在する減速機構１８を備えている。減速機構１８は、モータ１４の回転出力を減速しつつ、制御軸１２に大きな回転トルクを伝達するものである。そして、減速機構１８は、出力軸１６の先端側に固定された第１ギヤとしてのウォームギヤ２０と、制御軸１２の外周側に固定された第２ギヤとしてのウォームホイール２２とによって構成されている。また、出力軸１６の外周側には、ウォームギヤ２０とウォームホイール２２との間のがたつきを抑制するスプリング２４が設けられている。

ここで、ウォームギヤ２０は、モータ１４の出力軸１６と同軸に配置され、軸線Ｏ1−Ｏ1を中心として出力軸１６と一緒に回転するものである。また、ウォームギヤ２０は、図１中に示す噛合位置Ｐでウォームホイール２２と噛合した状態に保持されている。さらに、ウォームギヤ２０は、例えば略円錐状のギヤ部品として形成され、長さ方向の一側から他側に向けて徐々に縮径している。

即ち、ウォームギヤ２０の径方向寸法は、図１中に実線で示す位置から点線で示す位置に向けて徐々に短くなるように形成されている。この場合、ウォームギヤ２０の径方向寸法とは、軸線Ｏ1−Ｏ1から歯部まで垂直に延ばした直線の寸法である。従って、噛合位置Ｐにおけるウォームギヤ２０の径方向寸法をギヤ径Ｒ1と定義すれば、このギヤ径Ｒ1は、図２に示すように、ウォームホイール２２（制御軸１２）をリフト増大方向Ｂに回転させるにつれて、徐々に小さくなるように形成されている。

一方、ウォームホイール２２は、例えば略扇形をなす平板状のギヤ部品として形成され、制御軸１２から径方向外向きに突出している。そして、ウォームホイール２２は、モータ１４によりウォームギヤ２０を介して回転駆動され、軸心Ｏ2を中心として制御軸１２と一緒に回転するものである。

また、ウォームホイール２２の外形は、例えば図１中の左，右方向（横方向）に広がった横長の略楕円形状に形成されている。このため、ウォームホイール２２の中心（軸心Ｏ2）と外周側の歯部とを結ぶ直線の寸法（径方向寸法）は、図１中に実線で示す位置（回転方向の一側）から点線で示す位置（回転方向の他側）に向けて徐々に長くなっている。

つまり、ウォームギヤ２０との噛合位置Ｐと、軸心Ｏ2とを結ぶ直線の寸法をウォームホイール２２のギヤ径Ｒ2と定義すれば、このギヤ径Ｒ2は、制御軸１２をリフト増大方向Ｂに回転させるにつれて、徐々に大きくなるように形成されている。従って、ウォームギヤ２０とウォームホイール２２のギヤ径Ｒ1，Ｒ2の比率（Ｒ1／Ｒ2）は、制御軸１２をリフト増大方向Ｂに回転させるにつれて、徐々に小さくなるように構成されている。

［実施の形態１の動作］
次に、図２を参照して、本実施の形態によるバルブリフト調整装置の動作について説明する。
（リフト量の減少動作）
まず、バルブのリフト量を減少させるときには、モータ１４を作動させることにより、出力軸１６をリフト量の減少方向に回転させる。出力軸１６の回転は、ウォームギヤ２０を介してウォームホイール２２に伝達される。これにより、可変動弁機構１０の制御軸１２は、図２(ａ)に示すように、ウォームホイール２２と一緒にリフト減少方向Ａに回転駆動され、バルブのリフト量は制御軸１２の回転角に応じて減少する。

（リフト量の増大動作）
バルブのリフト量を増大させるときには、モータ１４の出力軸１６をリフト量の増大方向に回転させる。この結果、可変動弁機構１０の制御軸１２は、図２(ｂ)に示すように、減速機構１８を介してリフト増大方向Ｂに回転駆動され、バルブのリフト量は制御軸１２の回転角に応じて増大する。

また、上述したリフト量の減少動作及び増大動作において、ウォームギヤ２０は、軸線Ｏ1−Ｏ1に沿って出力軸１６と一緒に移動する。この構成により、ウォームギヤ２０とウォームホイール２２のギヤ径Ｒ1，Ｒ2が変化しても、ウォームギヤ２０が軸方向に移動することによって両者の位置関係を適切に調整することができ、２つのギヤを安定した噛合状態に保持することができる。

（バルブ反力）
リフト量の増大時には、前述したバルブ反力がリフト減少方向Ａへの回転トルクとなって制御軸１２に作用し、このバルブ反力はリフト量が大きくなるにつれて増大する。このため、制御軸１２が小リフト量側の回転角であるときには、比較的小さな回転トルクでも制御軸１２を回転させることができるのに対し、大リフト量側の回転角となったときには、大きな回転トルクによって制御軸１２を駆動する必要がある。

このため、本実施の形態では、制御軸１２をリフト増大方向Ｂに回転させるにつれて、ウォームホイール２２のギヤ径Ｒ2が大きくなるように形成し、制御軸１２に加わる回転トルクを増大させる構成としている。図３は、モータ１４の出力トルクと、制御軸１２に加わる回転トルクとが制御軸１２の回転角に応じて変化する状態を示している。

この図３に示すように、モータ１４の出力トルクは、制御軸１２の回転角に関係なく、ほぼ一定の大きさとなる。また、モータ１４が作動することにより、噛合位置Ｐでウォームギヤ２０からウォームホイール２２に回転力が伝達されると、この回転力は、ウォームホイール２２のギヤ径Ｒ2に応じた回転トルクとなって制御軸１２に付加される。

このため、制御軸１２に加わる回転トルクは、ウォームホイール２２のギヤ径Ｒ2が大きくなるにつれて（即ち、制御軸１２が大リフト量側に回転されるにつれて）、徐々に増大する。従って、可変動弁機構１０を大リフト量側で作動させるときには、モータ１４の出力トルクをギヤ径Ｒ2に応じて十分に増大させることができ、制御軸１２に大きな回転トルクを付加することができる。これにより、大リフト量側では、比較的大きなバルブ反力に抗して制御軸１２を円滑に回転させることができる。

また、ウォームホイール２２のギヤ径Ｒ2は、制御軸１２が小リフト量側に回転されるにつれて、徐々に小さくなる。このため、小リフト量側では、制御軸１２に加わる回転トルクが大リフト量側と比較して小さなものとなる。しかし、この場合にも、モータ１４の出力トルクは減速機構１８によって適度に増幅されているので、比較的小さなバルブ反力に抗して制御軸１２を回転するのに十分な回転トルクを発生することができる。

一方、ウォームギヤ２０のギヤ径Ｒ1は、制御軸１２をリフト増大方向Ｂに回転させるにつれて、徐々に小さくなるから、これによってもウォームホイール２２とほぼ同様の作用効果を得ることができる。即ち、仮りにウォームホイール２２のギヤ径Ｒ2が一定寸法であったとしても、大リフト量側の回転角では、ウォームギヤ２０のギヤ径Ｒ1が小さくなるので、これによって制御軸１２に加える回転トルクを増大させることができる。

従って、ウォームギヤ２０とウォームホイール２２のうち何れか一方または両方のギヤ径を変化させ、ギヤ径Ｒ1，Ｒ2の比率（Ｒ1／Ｒ2）が制御軸１２をリフト増大方向Ｂに回転させるにつれて小さくなる構成とすることにより、本実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。

また、ウォームギヤ２０とウォームホイール２２のギヤ径Ｒ1，Ｒ2がそれぞれ変化することにより、一方のギヤ径の寸法変化を他方のギヤ径の寸法変化によって相互に吸収することができる。このため、ウォームギヤ２０とウォームホイール２２との噛合状態を安定的に維持することができる。

従って、本実施の形態によれば、例えばモータ１４の出力トルクを一定とした状態でも、制御軸１２に加わる回転トルクをギヤ径Ｒ1，Ｒ2の比率（Ｒ1／Ｒ2）に応じて適切に変化させることができる。つまり、減速機構１８は、小リフト量から大リフト量に至る広い作動領域において、バルブ反力に応じた適度な大きさの回転トルクを制御軸１２に付加することができ、バルブを安定的に作動させることができる。

これにより、バルブリフト調整装置の設計時には、モータ１４の仕様（出力トルク）を大リフト量側での要求に合わせて決定する必要がないから、比較的出力の小さなモータを採用することができる。このため、モータ１４を含めて装置全体を小型化することができる。また、大型のモータを採用する必要がないから、可変動弁機構１０を小〜中程度のリフト量で作動させるときには、モータ１４の出力がバルブ反力に対して過剰となるのを回避することができ、モータの消費電力を抑えて作動効率を高めることができる。

また、本実施の形態で例示したように、ウォームギヤ２０とウォームホイール２２とを用いることにより、噛合位置Ｐでのギヤ径Ｒ1，Ｒ2が制御軸１２の回転角に応じて変化するようなギヤ構造を容易に実現することができる。

なお、前記実施の形態１では、第１ギヤ，第２ギヤとしてウォームギヤ２０とウォームホイール２２を例に挙げて述べた。しかし、本発明はこれに限らず、ギヤ径が変化するものであれば、他の種類のギヤを用いる構成としてもよい。

また、実施の形態１では、制御軸１２の回転角に応じてウォームギヤ２０とウォームホイール２２のギヤ径Ｒ1，Ｒ2を両方とも変化させる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、ギヤ径Ｒ1，Ｒ2のうち何れか一方のみを変化させる構成としてもよい。

また、実施の形態１では、バルブリフト調整装置を、内燃機関の吸気バルブ、排気バルブ等に用いる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、バルブを備えた装置であれば、内燃機関以外の装置にも適用することができる。

本発明の実施の形態１によるバルブリフト調整装置を示す全体図である。 可変動弁機構の制御軸が最小リフト量及び最大リフト量に対応する位置にそれぞれ回動された状態を示す説明図である。 モータの出力トルクと制御軸の回転トルクとが制御軸の回転角に応じて変化する状態を示す特性線図である。

符号の説明

１０ 可変動弁機構
１２ 制御軸
１４ モータ
１６ 出力軸
１８ 減速機構
２０ ウォームギヤ（第１ギヤ）
２２ ウォームホイール（第２ギヤ）
２４ スプリング
Ｒ1，Ｒ2 ギヤ径
Ｐ 噛合位置
Ａ リフト減少方向
Ｂ リフト増大方向

Claims (5)

1. バルブのリフト量を可変に設定するための制御軸を有し、前記制御軸をリフト増大方向に回転させることによって前記リフト量が増大し、前記制御軸をリフト減少方向に回転させることによって前記リフト量が減少する可変動弁機構と、
   前記可変動弁機構の制御軸を回転させるためのモータと、
   前記モータの出力軸に取付けられ、前記出力軸と一緒に回転する第１ギヤと、
   前記可変動弁機構の制御軸に取付けられた状態で前記第１ギヤと噛合し、前記第１ギヤによって前記制御軸と一緒に回転駆動される第２ギヤと、を備え、
   前記第１ギヤと前記第２ギヤとの噛合位置における前記第１ギヤのギヤ径Ｒ1と、前記噛合位置における前記第２ギヤのギヤ径Ｒ2との比率（Ｒ1／Ｒ2）は、前記制御軸をリフト増大方向に回転させるにつれて小さくなるように形成したことを特徴とするバルブリフト調整装置。
2. 前記第１ギヤは、前記制御軸をリフト増大方向に回転させるにつれて前記噛合位置でのギヤ径Ｒ1が小さくなるように形成してなる請求項１に記載のバルブリフト調整装置。
3. 前記第２ギヤは、前記制御軸をリフト増大方向に回転させるにつれて前記噛合位置でのギヤ径Ｒ2が大きくなるように形成してなる請求項１または２に記載のバルブリフト調整装置。
4. 前記第１ギヤは、長さ方向の一側から他側に向けて徐々に縮径した円錐状のウォームギヤであり、前記第２ギヤは、回転方向の一側から他側に向けて径方向寸法が徐々に長くなったウォームホイールである請求項１，２または３に記載のバルブリフト調整装置。
5. 前記ウォームギヤは、前記ウォームホイールを回転させるときに、当該ウォームギヤの軸方向に移動可能に構成してなる請求項４に記載のバルブリフト調整装置。

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