JP5333544B2 - 液圧式バルブタイミング調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関においてクランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉する動弁のバルブタイミングを、作動液により調整する液圧式バルブタイミング調整装置に関する。

従来、クランク軸と連動回転するアウタロータの内部において、カム軸と連動回転するインナロータにより、複数の作動室を回転周方向に区画してなる液圧式バルブタイミング調整装置が、知られている。このような液圧式バルブタイミング調整装置によると、各作動室に対する作動液の入出により、アウタロータに対してインナロータが回転周方向の一方又は他方へと相対回転することで、それらロータ間の回転位相に応じてバルブタイミングが調整されることになる。

さて、液圧式バルブタイミング調整装置の一種として特許文献１に開示される装置では、渦巻ばねの最外周巻部及び最内周巻部がそれぞれアウタロータ及びインナロータに係止されている。ここで、回転周方向の一方及び他方をそれぞれ変形方向及び付勢方向とすると、渦巻ばねは、アウタロータに対するインナロータの変形方向への相対回転に応じてねじれ変形することにより、アウタロータに対してインナロータを付勢方向へと付勢する。こうした付勢形態によれば、例えば内燃機関の停止時等、作動室への作動液の導入が止められるときに、アウタロータに対してインナロータを付勢方向へと相対回転させて、内燃機関の始動に適したタイミング等、所期のバルブタイミングを強制的に実現可能となる。

特開２０１１−６９３１６号公報

一般に、回転に伴って振動が発生する内燃機関では、エンジン回転数（回転速度）が増大するのに追従して、エンジン振動数も増大する。故に特許文献１の開示装置では、エンジン振動数が増大して渦巻ばねの一次固有振動数と一致すると、当該ばねに共振が発生する。その結果、応力振幅の急増する渦巻ばねには、曲げや折れ等の破損が生じ易くなるので、耐久性の低下が懸念される。

ここで特に、特許文献１の開示装置の渦巻ばねにおいて、最外周巻部のうちアウタロータにより係止される箇所と、最内周巻部のうちインナロータにより直接支持される箇所との間では、径方向に隣合う素線同士が唯一箇所にて接触している。しかし、この接触箇所において素線は、インナロータの径方向のうち接触箇所と反対方向に自由に変位可能となっているため、渦巻ばねのねじれ変形時には、素線同士が離間し易くなっている。こうして素線同士が離間した場合、渦巻ばねの一次固有振動数が減少側へ変化するため、エンジン回転数に追従して増大したエンジン振動数に当該固有振動数が一致して、共振による破損を渦巻ばねに生じさせるおそれがあった。

本発明は、以上説明した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、高耐久性の液圧式バルブタイミング調整装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、内燃機関においてクランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉する動弁のバルブタイミングを、作動液により調整する液圧式バルブタイミング調整装置であって、クランク軸と連動回転するアウタロータと、カム軸と連動回転し、アウタロータの内部において複数の作動室を回転周方向に区画し、それら各作動室に対する作動液の入出によりアウタロータに対して回転周方向の一方又は他方へ相対回転するインナロータと、最外周巻部及び最内周巻部がそれぞれアウタロータ及びインナロータに係止され、回転周方向の一方及び他方をそれぞれ変形方向及び付勢方向として、アウタロータに対するインナロータの変形方向への相対回転に応じてねじれ変形することにより、アウタロータに対してインナロータを付勢方向へ付勢する渦巻ばねとを、備えるバルブタイミング調整装置において、
インナロータは、径方向の内側から最内周巻部を直接支持する支持部を、回転周方向の特定角度位置上に有し、アウタロータによる係止箇所と支持部による直接支持箇所との間において渦巻ばねを形成する素線は、特定角度位置上のうち素線同士が径方向に隣合う複数箇所の全てにおいて、当該隣合う素線と接触し、特定角度位置から回転周方向に外れた箇所において、径方向に隣合う素線とは離間する。

この発明の渦巻ばねでは、最外周巻部のうちアウタロータによる係止箇所（以下、解決手段の欄では、アウタロータによる係止箇所を「係止箇所」という）と、最内周巻部のうちインナーロータの支持部による直接支持箇所との間の素線が、特定角度位置上のうち径方向に隣合う複数箇所の全てにて、当該隣合う素線と接触する。ここで特に最内周巻部は、特定角度位置上の支持部により径方向内側から直接支持されるので、同特定角度位置上の各接触箇所にて支持部により間接支持される状態となる素線は、隣合う素線との離間を、当該間接支持の作用を受ける径方向に抑制され得る。これによれば、支持部による直接又は間接支持箇所の相互間に、直接支持箇所及び係止箇所の間よりも短い素線長を確実に確保して、渦巻ばねの一次固有振動数を増大させることができる。したがって、内燃機関においてエンジン振動数がエンジン回転数に追従して増大したとしても、渦巻ばねでは、当該エンジン振動数よりも大きな一次固有振動数を設定して共振の発生を回避することが、可能となる。しかも、渦巻ばねにおいて素線同士が接触する特定角度位置から回転周方向に外れた箇所では、径方向に隣合う素線同士が互いに離間して、ねじれ変形を許容する空間が確保され得る。故に、渦巻ばねのねじれ変形によるインナロータの付勢作用を妨げずに、共振の発生回避効果を発揮可能なのである。

請求項２に記載の発明によると、ハウジングの内部から外部へ向かって軸方向に突出する軸部を、径方向の外側から前記最内周巻部に囲まれる箇所に有し、支持部は、軸部のうち径方向の外側へ突出して最大外径となる部分により、特定角度位置上に形成される。

この発明では、インナロータのうちハウジングの内部から外部へ向かう軸方向に突出して径方向外側から最内周巻部に囲まれる軸部は、特定角度位置上にて径方向外側へと突出する最大外径の支持部により、最内周巻部を径方向内側から直接支持する。かかる支持形態によれば、渦巻ばねの素線同士が接触する特定角度位置上にて最大外径の支持部が自身の突出側へと素線を押圧する状態となるので、当該特定角度位置上では、径方向内側の素線が径方向外側の素線に対して押し当てられ得る。故に、特定角度位置上における素線同士の離間抑制作用を確実に発揮して、共振の発生回避効果の信頼性を高めることが可能である。

請求項３に記載の発明によると、最内周巻部は、支持部から変形方向へ向かって軸部に巻装されることによりインナロータに係止され、支持部よりも付勢方向において軸部から離間する。

この発明において渦巻ばねの最内周巻部は、軸部のうち最大外径に形成される支持部から変形方向へと向かう箇所に巻装される一方、当該支持部よりも付勢方向では軸部から離間することになる。これにより渦巻ばねでは、軸部による径方向外側への素線の押圧作用につき、支持部の形成される特定角度位置上に限定して生じさせ得るのみならず、特定角度位置から外れた箇所にて最内周巻部をなす素線部分との軸部との間では、ねじれ変形の許容空間を確実に確保し得る。したがって、信頼性が高い共振の発生回避効果を、ねじれ変形によるインナロータの付勢作用を妨げずに発揮可能となる。

請求項４に記載の発明によると、インナロータは、特定角度位置上に配置される上記支持部としての第一支持部、並びに特定角度位置から回転周方向に外れた箇所において素線間に配置され、渦巻ばねを直接支持する第二支持部を、有する。

この発明のインナロータでは、特定角度位置上に配置される第一支持部が、渦巻ばねを直接支持又は間接支持するだけでなく、同特定角度位置から回転周方向に外れた箇所にて素線間に配置される第二支持部が、渦巻ばねを直接支持することになる。これにより渦巻ばねでは、第一支持部による直接又は間接支持箇所と、第二支持部による直接支持箇所との間にて、一次固有振動数を決める短い素線長が確保され得る。このような渦巻ばねでは、インナロータに与える復原力（付勢力）の増大等を目的として、第一支持部による直接支持箇所と係止箇所との間の素線長が長く設計される場合にあっても、エンジン振動数よりも大きな一次固有振動数を設定して共振の発生回避効果を発揮可能となる。

請求項５に記載の発明によると、第二支持部は、第一支持部を径方向に通過する特定径線上に、配置される。

この発明の第二支持部は、特定角度位置の第一支持部を径方向に通過する特定径線上にて、当該特定角度位置から回転周方向に外れて配置されることになる。これにより渦巻ばねでは、第一支持部による直接又は間接支持箇所と、第二支持部による直接支持箇所とが、実質１８０度の角度をもって回転周方向にずれる。このような渦巻ばねでは、第二支持部を採用しない場合に第一支持部による直接又は間接支持箇所間ので伝播が想定される一次モード振動のうち、腹部分の振幅を第二支持部により抑えて、一次固有振動数を確実に増大させることができる。これによれば、エンジン振動数よりも大きな一次固有振動数の設定により渦巻ばねが発揮し得る共振の発生回避効果につき、信頼性を高めることが可能である。

請求項６に記載の発明によると、第二支持部は、特定径線上のうち少なくとも一箇所の素線間を除いて、配置される。

この発明の渦巻ばねでは、特定角度位置から回転周方向に外れた箇所にて特定径線上に位置する素線間のうち、第二支持部が配置される素線間を除いた少なくとも一箇所の素線間に、ねじれ変形を許容する空間が確保され得る。したがって、信頼性が高い共振の発生回避効果につき、ねじれ変形によるインナロータの付勢作用を妨げずに発揮可能である。

請求項７に記載の発明によると、素線の径方向の厚さをＴとし、特定角度位置上における素線の巻数をＮとし、渦巻中心がインナロータの回転中心と心合わせされて最外周巻部及び最内周巻部がそれぞれアウタロータ及びインナロータに係止されたセット状態の渦巻ばねにおいて、最内周巻部のうち特定角度位置上の支持部による直接支持箇所から渦巻中心に至る径方向の距離をＲｓｉとし、最外周巻部及び最内周巻部がそれぞれアウタロータ及びインナロータから離脱した無荷重状態の渦巻ばねにおいて、最外周巻部のうちセット状態の特定角度位置に対応する外周縁箇所から渦巻中心に至る径方向の距離をＲｎｏとしたとき、Ｒｎｏ＞Ｔ×Ｎ＋Ｒｓｉの関係式を満たす。

この発明の渦巻ばねについては、最外周巻部及び最内周巻部がそれぞれアウタロータ及びインナロータに係止されたセット状態下、渦巻中心がインナロータの回転中心と心合わせされる。ここで、関係式の右辺Ｔ×Ｎ＋Ｒｓｉは、かかるセット状態における渦巻ばねの最外周巻部のうち特定角度位置上の外周縁箇所から、渦巻中心に至る径方向距離を表すものとなる。一方で関係式の左辺Ｒｎｏは、無荷重状態における渦巻ばねの最外周巻部のうちセット状態の特定角度位置に対応する外周縁箇所から、渦巻中心に至る径方向距離であるので、左辺＞右辺を満たすセット状態では、渦巻ばねの素線が径方向内側へと押圧されることになる。故に特定角度位置上では、関係式を満たすことによる径方向内側への押圧作用と、支持部（第一支持部）による径方向内側からの支持作用とが、係止箇所及び直接支持箇所間の素線に確実に与えられ得る。これにより特定角度位置上の全接触箇所では、素線同士の離間抑制作用の発揮を確実なものとして、共振の発生回避効果の信頼性を高めることが可能となる。

請求項８に記載の発明によると、セット状態においてアウタロータによる最外周巻部の係止箇所は、特定角度位置から変形方向へ９０度外れた角度範囲内に収まる。

この発明の渦巻ばねについて上記関係式を満たすセット状態を実現する際には、特定角度位置から付勢方向に９０度外れた角度範囲内にて最外周巻部をアウタロータに係止させることで、最外周巻部のうち当該特定角度位置上の素線部分を径方向内側へ押圧し易くなる。これによれば、特定角度位置上の径方向内側に押圧される素線同士の離間抑制作用の確実性、ひいては共振の発生回避効果の信頼性につき、高めることが可能となる。

請求項９に記載の発明によると、最外周巻部は、アウタロータに対するインナロータの回転位相に応じてアウタロータによる係止状態からインナロータによる係止状態へ切替わることにより、渦巻ばねによるインナロータの付勢を禁止し、インナロータによる係止箇所と支持部による直接支持箇所との間において渦巻ばねを形成する素線は、特定角度位置上のうち素線同士が径方向に隣り合う複数箇所の全てにおいて、当該隣合う素線と接触し、特定角度位置から回転周方向に外れた箇所において、径方向に隣合う素線とは離間する。

この発明の渦巻ばねは、アウタロータに対するインナロータの回転位相に応じて最外周巻部がアウタロータによる係止状態からインナロータによる係止状態へ切替わることで、一部の回転位相領域でインナロータの付勢を禁止する、所謂ロストモーション機能を発揮する。ここで、後者の係止状態の渦巻ばねでは、最外周巻部のうちインナロータによる係止箇所と、最内周巻部のうち同ロータの支持部による直接支持箇所との間の素線が、特定角度位置上のうち径方向に隣合う全箇所にて、当該隣合う素線と接触することになる。そして、この場合にも最内周巻部は、特定角度位置上の支持部により径方向内側から直接支持されるので、アウタロータによる係止状態の場合と同様な原理により、渦巻ばねの固有振動数を増大させることができる。したがって、インナロータを付勢するときだけでなく、当該付勢を禁止するときにあっても、渦巻ばねでは、エンジン振動数よりも大きな一次固有振動数の設定により、共振の発生を回避可能となる。しかも、インナロータによる係止状態の渦巻ばねにあっても、素線同士が接触する特定角度位置から回転周方向に外れた箇所では、径方向に隣合う素線同士が互いに離間して、ねじれ変形を許容する空間が確保され得る。故に、最外周巻部の係止状態がインナロータによる係止状態からアウタロータによる係止状態へ切替わるとき、ねじれ変形によるインナロータの付勢作用を確実に発揮可能となる。

本発明の第一実施形態によるバルブタイミング調整装置を示す図であって、図２，５のI−I線縦断面図である。 図１のII−II線横断面図である。 図２とは異なる作動状態を示す横断面図である。 図２，３とは異なる作動状態を示す横断面図である。 図１に示すバルブタイミング調整装置の正面図である。 図５とは異なる作動状態を示す正面図である。 図５，６とは異なる作動状態を示す正面図である。 図５に示す付勢構造の特徴部分について説明するための図であって、図１のVIII−VIII線横断面図である。 図５に示す渦巻ばねのセット状態（ａ）及び無負荷状態（ｂ）を示す正面図である。 図５に示す付勢構造の特性について説明するための模式図である。 本発明の第二実施形態によるバルブタイミング調整装置を示す図であって、図８に対応する横断面図である。 図１１に示す付勢構造の特性について説明するための模式図である。 本発明の第一実施形態の変形例によるバルブタイミング調整装置を示す図であって、図８に対応する横断面図である。 本発明の第一実施形態の変形例によるバルブタイミング調整装置を示す図であって、図８に対応する横断面図である。 本発明の第二実施形態の変形例によるバルブタイミング調整装置を示す図であって、図１１に対応する横断面図である。 本発明の第一実施形態の変形例によるバルブタイミング調整装置を示す図であって、図６に対応する正面図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態による液圧式バルブタイミング調整装置１につき、車両の内燃機関に適用した例を示している。装置１は、内燃機関においてカム軸２を駆動するための機関トルクがクランク軸（図示しない）から伝達される伝達系に、設置される。かかる機関トルクの伝達により装置１は、カム軸２が開閉する動弁としての吸気弁のバルブタイミングを、作動液としての作動油により調整する。

（基本構成）
まず、装置１の基本構成を説明する。図１，２〜４に示すように装置１は、アウタロータ１０に対するインナロータ２０の回転位相を変化させることにより、バルブタイミングを調整する。ここで、アウタロータ１０及びインナロータ２０の回転周方向、径方向及び軸方向はいずれも共通となっており、それらの方向を以下では単に、「回転周方向」、「径方向」及び「軸方向」と表記する。また、アウタロータ１０に対するインナロータ２０の回転位相を、以下では単に、「ロータ１０，２０間の回転位相」と表記する。

アウタロータ１０は、シューハウジング１２の軸方向両端部にそれぞれスプロケットプレート１３及びロックプレート１４が締結されてなる、所謂スプロケットハウジングである。シューハウジング１２は、収容本体１２０及び複数のシュー１２２を有している。各シュー１２２は、円筒状の収容本体１２０において回転周方向に所定間隔ずつあけた箇所から径方向内側へ突出している。回転周方向において隣合うシュー１２２の間には、それぞれ収容室３０が形成されている。スプロケットプレート１３は、タイミングチェーン（図示しない）を介してクランク軸と連繋するスプロケット１３０を、有している。かかる連繋により内燃機関の回転中は、クランク軸からスプロケット１３０へ機関トルクが伝達されることで、アウタロータ１０がクランク軸と連動して一定方向（図２〜４の時計方向）に回転する。

インナロータ２０は、アウタロータ１０の内部のうちプレート１３，１４間に同軸上に挟持される、所謂ベーンロータである。インナロータ２０は、回転軸２００及び複数のベーン２０２を有している。全体として円筒状の回転軸２００は、軸本体２００ａのうちロックプレート１４側の軸方向端部に回転ブッシュ２００ｂが締結されてなる。アウタロータ１０の内部に収容される軸本体２００ａは、軸方向両端部をそれぞれプレート１３，１４に摺接させると共に、外周部を各シュー１２２の突出側端部に摺接させる。図１に示すように軸本体２００ａは、スプロケットプレート１３の中心孔１３２を貫通するカム軸２に対して、回転ブッシュ２００ｂと共に同軸上に締結されている。かかる締結によりインナロータ２０は、カム軸２と連動して回転周方向の一方（図２〜４の時計方向）に回転しつつ、アウタロータ１０に対して相対回転可能となっている。軸部としての回転ブッシュ２００ｂは、ロックプレート１４の中心孔１４２を同軸上に貫通することにより、アウタロータ１０の内部から外部へ向かって軸方向に突出している。

図１，２〜４に示すように各ベーン２０２は、回転軸２００において回転周方向に所定間隔ずつあけた箇所から径方向外側へ突出して、それぞれ対応する収容室３０に収容されている。各ベーン２０２は、軸方向両端部をそれぞれプレート１３，１４に摺接させると共に、突出側端部をシューハウジング１２の内周部に摺接させる。各ベーン２０２は、それぞれ対応収容室３０を回転周方向に区画することにより、作動油が入出する複数の作動室３２，３３を形成している。ここで、回転軸２００及びカム軸２を貫通する進角通路３４を通じて作動油が各進角作動室３２に導入されると、回転周方向のうちアウタロータ１０に対する進角方向Ｄａへインナロータ２０を相対回転させる回転トルクが、発生する。一方、回転軸２００及びカム軸２を貫通する遅角通路３５を通じて作動油が各遅角作動室３３に導入されると、回転周方向のうちアウタロータ１０に対する遅角方向Ｄｒへインナロータ２０を相対回転させる回転トルクが、発生する。

複数のベーン２０２のうち特定の一ベーン２０２ａには、ロック部材２２及びロックスプリング２４が内蔵されている。円柱ピン状のロック部材２２は、ロックスプリング２４により付勢されて、図１の如くロックプレート１４に円筒孔状に設けられたロック孔１４０へと嵌入することで、アウタロータ１０に対してインナロータ２０を相対回転不能にロックする。一方でロック部材２２は、ベーン２０２ａを回転周方向に挟む作動室３２，３３のうち少なくとも一方の作動油の油圧を受けてロック孔１４０から離脱することで、アウタロータ１０に対するインナロータ２０の相対回転ロックを解除する。

かかる相対回転ロックの解除下、各進角作動室３２への作動油の導入と各遅角作動室３３からの作動油の排出とが実現されるときには、アウタロータ１０に対してインナロータ２０が進角方向Ｄａに相対回転する。その結果、ロータ１０，２０間の回転位相が進角側へと変化して、バルブタイミングが進角することになる。一方、相対回転ロックの解除下、各遅角作動室３３への作動油の導入と各進角作動室３２からの作動油の排出とが実現されるときには、アウタロータ１０に対してインナロータ２０が遅角方向Ｄｒに相対回転する。その結果、ロータ１０，２０間の回転位相が遅角側へと変化して、バルブタイミングが遅角することになる。

こうしたバルブタイミング調整においてロータ１０，２０間の回転位相の可変領域のうち、相対回転ロックが実現されるときのロータ１０，２０間の回転位相として、図３の最遅角位相及び図４の最進角位相の間となる図２の中間ロック位相が、設定されている。この中間ロック位相は、本実施形態では内燃機関の停止時に実現されることで、例えば内燃機関の始動時に気筒への吸入空気量が吸気弁の閉弁遅延により過度に減少する事態を抑制して、内燃機関の始動性を最適化し得る回転位相である。

（付勢構造）
次に、インナロータ２０を中間ロック位相に向かって付勢するために図１，５〜７の如く設けられる付勢構造５につき、説明する。尚、以下の説明では、尚、インナロータ２０に対するアウタロータ１０の進角方向Ｄａ及び遅角方向Ｄｒをそれぞれ、「進角方向Ｄａ」と「遅角方向Ｄｒ」と単に表記する。

金属製のアウタロータ１０は、ロックプレート１４からシューハウジング１２とは軸方向反対側へ突出するアウタストッパ１８を、有している。このアウタストッパ１８は、ロータ１０，２０の共通の回転中心Ｃｒから所定距離だけ径方向に偏心した箇所に、円柱ピン状に形成されている。

金属製のインナロータ２０において回転軸２００をなす回転ブッシュ２００ｂは、図５〜８に示す軸方向視での輪郭が七角形を呈する外周部を、有している。かかる回転ブッシュ２００ｂの外周部は、一つの角部が他の角部よりも径方向外側へと突出することにより、当該ブッシュ２００ｂにて最大外径の支持部２０４を形成している。ここで本実施形態では、回転ブッシュ２００ｂにおける回転周方向の任意の角度位置のうち支持部２０４が形成される角度位置は、図８に示す如く特定角度位置ＳＡとして設定されている。

図１，５〜７に示すようにインナロータ２０は、回転軸２００の回転ブッシュ２００ｂからアウタロータ１０の外部にて径方向外側へと広がる平板状の回転アーム２０６、並びに当該アーム２０６から軸方向のロックプレート１４側へと突出するインナストッパ２０８を、有している。ここでインナストッパ２０８は、ロータ１０，２０の回転中心Ｃｒに対してアウタストッパ１８の場合と実質同一距離だけ径方向に偏心し且つ回転周方向にて回転軌跡がアウタストッパ１８と重ならない箇所に、円柱ピン状に形成されている。

図１，５〜８に示すように回転ブッシュ２００ｂの周囲には、渦巻ばね５０が配置されている。渦巻ばね５０は、金属製の素線５２が実質同一平面内にて渦巻状に湾曲してなる、所謂ねじりばねである。渦巻ばね５０は、その渦巻中心Ｃｓがロータ１０，２０の回転中心Ｃｒと心合わせされた状態で、ロックプレート１４と回転アーム２０６との間の軸方向隙間５００（図１参照）に配置されている。

渦巻ばね５０において、最内周の周回をなすことにより回転ブッシュ２００ｂを径方向外側から囲む素線部分５２０は、回転周方向の五箇所が屈曲されてなる最内周巻部５２０を、形成している。図５〜８に示すように最内周巻部５２０は、回転ブッシュ２００ｂの外周部に巻装されて、五つの屈曲部５２０ａをそれぞれ対応するブッシュ２００ｂの角部に嵌合させている。ここで本実施形態の最内周巻部５２０は、その先端部５２０ｂから進角方向Ｄａに最も離間した屈曲部５２０ａを、角部としての支持部２０４に嵌合させている。これにより、特定角度位置ＳＡ上の支持部２０４により径方向内側から直接的に支持される最内周巻部５２０は、同支持部２０４から遅角方向Ｄｒへと向かって回転ブッシュ２００ｂの外周部に巻装されることで、当該支持箇所Ｐｉにてインナロータ２０に常に係止されている。それと共に最内周巻部５２０は、支持部２０４よりも進角方向Ｄａでは、回転ブッシュ２００ｂの外周部から径方向外側に離間することで、当該ブッシュ２００ｂとの間に空間５６を形成している。尚、最内周巻部５２０については、各屈曲部５２０ａの対応角部への嵌合により、溶着や接着等による回転ブッシュ２００ｂへの固着は不要となっているが、そうした固着形態が採用されていてもよい。

渦巻ばね５０において最外周の周回をなす素線部分５２２は、進角方向の先端部５２２ａがＵ字状に屈曲されてなる最外周巻部５２２を、形成している。最外周巻部５２２の先端部５２２ａは、アウタストッパ１８及びインナストッパ２０８の回転軌跡上に配置（図１も参照）されていることにより、それらストッパ１８，２０８のうちロータ１０，２０間の回転位相に応じた少なくとも一方によって係止される。ここで本実施形態の先端部５２２ａは、ロータ１０，２０間の回転位相の可変領域にてストッパ１８，２０８の少なくとも一方に係止されることで、図８の如く特定角度位置ＳＡから進角方向Ｄａへ９０度外れた角度範囲ΔＡ内に、当該係止箇所Ｐｏが収まるようになっている。尚、以下の説明では、渦巻中心Ｃｓがロータ１０，２０の回転中心Ｃｒと心合わせされて、最外周巻部５２２と最内周巻部５２０とがそれぞれストッパ１８，２０８の少なくとも一方と回転ブッシュ２００ｂとにより係止された図５〜８及び図９（ａ）の変形状態を、渦巻ばね５０のセット状態というものとする。また、以下の説明では、最外周巻部５２２と最内周巻部５２０とがそれぞれストッパ１８，２０８と回転ブッシュ２００ｂとから離脱されて、素線５２間が全て非接触となった図９（ｂ）の自然長の状態を、渦巻ばね５０の無荷重状態というものとする。

そして、本実施形態の渦巻ばね５０については、下記の関係式を満たすように設計されている。ここで図９（ａ）に示すように、関係式のうち右辺のＴは、渦巻ばね５０において実質一定値に設定される素線５２の径方向厚さを、表している。また、関係式のうち右辺のＮは、渦巻ばね５０において特定角度位置ＳＡ上での素線５２の巻数（例えば図９（ａ）では、巻数３）を、表している。さらに、関係式のうち右辺のＲｓｉは、図９（ａ）のセット状態の渦巻ばね５０において、最内周巻部５２０のうち特定角度位置ＳＡ上の支持部２０４による直接支持箇所Ｐｉから、渦巻中心Ｃｓに至る径方向距離を、表している。またさらに、関係式のうち左辺のＲｎｏは、図９（ｂ）の無荷重状態の渦巻ばね５０において、セット状態の特定角度位置ＳＡに対応する最外周巻部５２２の外周縁箇所Ｐａ（図９（ａ）も参照）から、渦巻中心Ｃｓに至る径方向距離を、表している。ここで特に、外周縁箇所Ｐａについて本実施形態では、図８に実線で示すように、セット状態の中でも渦巻ばね５０が最も復原した状態（具体的には、図５の中間ロック位相となる状態並びに図７の如く中間ロック位相よりも進角側の回転位相となる状態）で特定角度位置ＳＡ上となる箇所に、設定されている。
Ｒｎｏ＞Ｔ×Ｎ＋Ｒｓｉ ・・・ （関係式）

この関係式を満たすセット状態の渦巻ばね５０では、ストッパ１８，２０８による係止箇所Ｐｏと支持部２０４による支持箇所Ｐｉとの間の素線５２が、特定角度位置ＳＡ上のうち素線５２同士が隣合う全箇所Ｐｃ１，Ｐｃ２にて、当該隣合う素線５２と常に径方向接触する。それと共に、セット状態の渦巻ばね５０において係止箇所Ｐｏと支持箇所Ｐｉとの間の素線５２は、特定角度位置ＳＡから回転周方向の両方向Ｄａ，Ｄｒへと外れた箇所では、隣合う素線５２と径方向に離間して空間５８を常に形成するのである。

以上の如き渦巻ばね５０を利用した付勢構造５では、ロータ１０，２０間の回転位相が中間ロック位相よりも遅角側へ変化するとき、図６に示すように、渦巻ばね５０のうち最外周巻部５２２の先端部５２２ａがアウタストッパ１８に係止される。このとき、インナロータ２０のインナストッパ２０８は、最外周巻部５２２の先端部５２２ａから遅角方向Ｄｒに離間するので、当該相対回転に応じたねじれ変形が渦巻ばね５０に生じる。その結果、渦巻ばね５０の最内周巻部５２０を回転ブッシュ２００ｂにより係止しているインナロータ２０は、ねじれ変形に応じて当該ばね５０に発生する復原力を、進角方向Ｄａへの付勢力として受ける。即ち、中間ロック位相よりも遅角側の回転位相領域では、アウタロータ１０に対してインナロータ２０が変形方向としての遅角方向Ｄｒへ相対回転するのに応じて、渦巻ばね５０がねじれ変形することで、付勢方向としての進角方向Ｄａへとインナロータ２０が付勢される。

一方、ロータ１０，２０間の回転位相が中間ロック位相よりも進角側へ変化するときには、図７に示すように、渦巻ばね５０のうち最外周巻部５２２の先端部５２２ａがインナストッパ２０８に係止される。このときアウタロータ１０のアウタストッパ１８は、最外周巻部５２２の先端部５２２ａから遅角方向Ｄｒに離間するので、渦巻ばね５０の復原力がインナロータ２０に作用しなくなる。即ち、中間ロック位相よりも進角側の回転位相領域では、アウタロータ１０に対するインナロータ２０の相対回転に拘らず、渦巻ばね５０によるインナロータ２０の付勢が禁止されることになる。

尚、図５に示す中間ロック位相では、インナロータ２０の付勢とその禁止とを正しく切替えるため、アウタストッパ１８による最外周巻部５２２の係止状態と、インナストッパ２０８による最外周巻部５２２の係止状態との双方が実現されるようになっている。

（作用効果）
ここまで説明した付勢構造５の作用効果を、以下に説明する。上述した付勢構造５の渦巻ばね５０において最外周巻部５２２の係止状態は、アウタロータ１０のアウタストッパ１８による係止状態と、インナロータ２０のインナストッパ２０８による係止状態とのいずれか一方へ、ロータ１０，２０間の回転位相に応じて切替わる。その結果、渦巻ばね５０によるインナロータ２０の付勢と、当該付勢の禁止とが、中間ロック位相を境に実現されることになる。こうした所謂ロストモーション機能を発揮する構成の下、渦巻ばね５０において径方向に隣合う素線５２同士の接触は、本実施形態では、図８の如く特徴的なものとなっている。

即ち、ストッパ１８，２０８による最外周巻部５２２の係止箇所Ｐｏと、支持部２０４による最内周巻部５２０の直接支持箇所Ｐｉとの間の素線５２は、特定角度位置ＳＡ上のうち径方向に隣り合う複数箇所Ｐｃ１，Ｐｃ２の全てにて、当該隣合う素線５２に接触する。ここで特に最内周巻部５２０は、回転ブッシュ２００ｂのうち径方向外側へ突出して最大外径となっている支持部２０４により、特定角度位置ＳＡ上にて径方向内側から直接支持されている。また特に最内周巻部５２０は、支持部２０４から遅角方向Ｄｒへ向かって回転ブッシュ２００ｂに巻装されている一方、支持部２０４よりも進角方向Ｄａにて回転ブッシュ２００ｂから離間している。これら特徴的な形態により最大外径の支持部２０４は、自身の突出側となる径方向外側に限定して素線５２を押圧し得るので、当該位置ＳＡ上の各接触箇所Ｐｃ１，Ｐｃ２では、径方向内側の素線５２が径方向外側の素線５２に押し当てられ得る。その結果、各接触箇所Ｐｃ１，Ｐｃ２にて素線５２が支持部２０４に間接的に支持された状態となるので、隣合う素線５２同士の離間は、全ての接触箇所Ｐｃ１，Ｐｃ２にて当該間接支持の作用を受ける径方向に、抑制され得る。

また特に、Ｒｎｏ＞Ｔ×Ｎ＋Ｒｓｉの関係式を満たす渦巻ばね５０では、セット状態の最外周巻部５２２のうち特定角度位置ＳＡ上の外周縁箇所Ｐａから、渦巻中心Ｃｓに至る図９（ａ）の径方向距離Ｒｓｏを、当該式の右辺Ｔ×Ｎ＋Ｒｓｉが表すものとなる。一方で関係式の左辺Ｒｎｏは、図９（ｂ）の無荷重状態の最外周巻部５２２のうち特定角度位置ＳＡに対応した外周縁箇所Ｐａから、渦巻中心Ｃｓに至る径方向距離であるので、左辺＞右辺を満たすセット状態では、素線５２が径方向内側へと押圧され得る。ここで、かかるセット状態を実現する際には、特定角度位置ＳＡからインナロータ２０の付勢方向Ｄａへ９０度外れた角度範囲ΔＡ内の係止箇所Ｐｏにて、図８の如く最外周巻部５２２を係止させることにより、径方向内側への素線５２の押圧が容易となる。こうしたことから特定角度位置ＳＡ上では、上記関係式を満たすことによる径方向内側への押圧作用と、支持部２０４による径方向外側への押圧作用とが、係止箇所Ｐｏ及び直接支持箇所Ｐｉ間の素線５２に確実に与えられ得る。

以上の如き渦巻ばね５０によれば、図１０に模式的に示すように、支持部２０４による直接又は間接支持箇所Ｐｉ，Ｐｃ１，Ｐｃ２間に、ストッパ１８，２０８による係止箇所Ｐｏ及び当該直接支持箇所Ｐｉ間よりも十分に短い素線長Ｌ１，Ｌ２を、確実に確保し得る。故に、各支持箇所Ｐｉ，Ｐｃ１，Ｐｃ２間を伝播する一次モード振動を図１０の如く想定した場合に、当該振動の一次固有振動数を増大させることができる。したがって、内燃機関においてエンジン振動数がエンジン回転数に追従して増大したとしても、渦巻ばね５０では、当該エンジン振動数の想定最大値よりも大きな一次固有振動数を容易に設定して、共振の発生回避効果を高い信頼性にて発揮することが、可能である。

しかも渦巻ばね５０において、図８の如く素線５２同士が接触する特定角度位置ＳＡから回転周方向に外れた箇所では、径方向に隣合う素線５２同士が互いに離間することにより、ねじれ変形を許容する空間５８が確保され得ている。それと共に、特定角度位置ＳＡから回転周方向に外れた箇所では、渦巻ばね５０の最内周巻部５２０と回転ブッシュ２００ｂとが互いに離間することにより、ねじれ変形を許容する空間５６が確保され得ている。このような空間５６，５８の確保によれば、アウタストッパ１８による係止時や、インナストッパ２０８による係止状態からアウタストッパ１８による係止状態への切替時には、ねじれ変形の許容された渦巻ばね５０によってインナロータ２０が確実に付勢され得る。したがって、信頼性が高い共振の発生回避効果を、渦巻ばね５０のねじれ変形によるインナロータ２０の付勢作用を妨げずに発揮可能なのである。

（第二実施形態）
図１１に示すように、本発明の第二実施形態は第一実施形態の変形例である。第二実施形態の付勢構造２００５では、第一実施形態の支持部２０４と実質同一構成の第一支持部２０４に加えて、当該第一支持部２０４とは異なる第二支持部２２０４により、渦巻ばね５０の素線５２が支持されている。

具体的に第二支持部２２０４は、インナロータ２０の回転アーム２０６（本実施形態では、図示しない）からロックプレート１４側へ突出する円柱ピン状に、形成されている。第二支持部２２０４は、特定角度位置ＳＡの第一支持部２０４を径方向に通過する特定径線ＳＬ上にて、当該位置ＳＡから回転周方向に外れて配置されている。即ち第二支持部２２０４は、特定角度位置ＳＡから実質１８０度の角度をもって回転周方向にずれた箇所に、配置されている。それと共に第二支持部２２０４は、特定径線ＳＬ上の素線５２間のうち、最内周巻部５２０とその径方向外側の素線部分２５２４とが間に挟む空間５８を除いて、最外周巻部５２２とその径方向内側の素線部分２５２４とが間に挟む空間５８に、配置されている。

このような配置形態の第二支持部２２０４は、渦巻ばね５０の最外周巻部５２２及び素線部分２５２４を直接支持する直接支持箇所Ｐｓ１，Ｐｓ２を、形成している。これにより、図１２に模式的に示すように渦巻ばね５０では、第二支持部２２０４による直接支持箇所Ｐｓ１，Ｐｓ２と、第一支持部２０４による直接又は間接支持箇所Ｐｉ，Ｐｃ１，Ｐｃ２との間にて、一次固有振動数を決める短い素線長Ｌ１〜Ｌ４が確保され得る。ここで特に、特定角度位置ＳＡから実質１８０度外れている第二支持部２２０４によれば、当該支持部２０４を採用しない場合に支持箇所Ｐｉ，Ｐｃ１，Ｐｃ２間での伝播が図１２の二点鎖線の如く想定される一次モード振動のうち、腹部分Ｖの振幅が抑えられ得る。

以上より付勢構造２００５の渦巻ばね５０では、インナロータ２０に与える復原力（付勢力）の増大等を目的として、係止箇所Ｐｏ及び直接支持箇所Ｐｉ間の素線長が長く設計される場合でも、エンジン振動数の想定最大値よりも確実に大きな一次固有振動数を設定し得る。しかも付勢構造２００５の渦巻ばね５０では、第二支持部２２０４の配置されない最内周巻部５２０及び素線部分２５２４の間に、ねじれ変形の許容空間５８が確実に確保され得る。これらのことから、信頼性が高い共振の発生回避効果を、渦巻ばね５０のねじれ変形によるインナロータ２０の付勢作用を妨げずに発揮可能となるのである。

（他の実施形態）
ここまで、本発明の複数の実施形態について説明してきたが、本発明は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。

具体的に、第一及び第二実施形態の渦巻ばね５０については、特定角度位置ＳＡ上における素線５２同士の接触箇所（支持部２０４による間接支持箇所）を、ばね全体の巻数増加により増大させてもよい。例えば、図１３に示す変形例（同図は第一実施形態の変形例）では、接触箇所Ｐｃ１，Ｐｃ２に加えて、接触箇所Ｐｃ３が設けられている。

また、第一実施形態の支持部２０４及び第二実施形態の第一支持部２０４については、図１４に変形例（同図は第一実施形態の変形例）を示すように、軸部としての回転ブッシュ２００ｂにおいて最大外径に形成する代わりに、例えばインナロータ２０の回転アーム２０６から円柱ピン状に突出させる等して形成してもよい。さらに、図１５に変形例を示すように第二実施形態の第二支持部２２０４については、特定径線ＳＬ上の素線５２間のうち、最外周巻部５２２とその径方向内側の素線部分２５２４とが間に挟む空間５８を除いて、最内周巻部５２０とその径方向外側の素線部分２５２４とが間に挟む空間５８に、配置してもよい。この場合、例えば図１５の如く特定径線ＳＬ上の一箇所Ｐｓ１にて、素線５２を第二支持部２２０４に直接支持させてもよい。

加えて、第一及び第二実施形態の付勢構造５，２００５については、図１６に変形例（同図は第一実施形態の変形例）を示すように、インナストッパ２０８を設けずに、ロータ１０，２０の回転位相の可変領域全域にて渦巻ばね５０がインナロータ２０を付勢する構成としてもよい。この場合、例えば排気弁のバルブタイミング調整装置に装置１を適用して、図１６の如く方向Ｄａ，Ｄｒ等についての「進角」及び「遅角」の関係を、説明のものとは逆に実施してもよい。

１ 液圧式バルブタイミング調整装置、２ カム軸、５，２００５ 付勢構造、１０ アウタロータ、１４ ロックプレート、１８ アウタストッパ、２０ インナロータ、２２ ロック部材、３２ 進角作動室、３３ 遅角作動室、５０ 渦巻ばね、５２ 素線、５６，５８ 空間、１４０ ロック孔、２００ 回転軸、２００ａ 軸本体、２００ｂ 回転ブッシュ（軸部）、２０２，２０２ａ ベーン、２０６ 回転アーム、２０８ インナストッパ、５００ 軸方向隙間、５２０ 最内周巻部・素線部分、５２０ａ 屈曲部、５２０ｂ 先端部、５２２ 最外周巻部・素線部分、５２２ａ 先端部、２２０４ 第二支持部、２５２４ 素線部分、Ｃｒ 回転中心、Ｃｓ 渦巻中心、Ｄａ 進角方向・付勢方向、Ｄｒ 遅角方向（変形方向）、Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２ 素線長、Ｎ 巻数、Ｐａ 外周縁箇所、Ｐｃ１，Ｐｃ２，Ｐｃ３ 接触箇所・間接支持箇所、Ｐｉ 直接支持箇所、Ｐｏ 係止箇所、Ｐｓ１，Ｐｓ２ 直接支持箇所、Ｒｎｏ，Ｒｓｉ，Ｒｓｏ 径方向距離、ＳＡ 特定角度位置、ＳＬ 特定径線、Ｔ 径方向厚さ、Ｖ 腹部分、ΔＡ 角度範囲

Claims (9)

1. 内燃機関においてクランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉する動弁のバルブタイミングを、作動液により調整する液圧式バルブタイミング調整装置であって、
   前記クランク軸と連動回転するアウタロータと、
   前記カム軸と連動回転し、前記アウタロータの内部において複数の作動室を回転周方向に区画し、それら各作動室に対する作動液の入出により前記アウタロータに対して前記回転周方向の一方又は他方へ相対回転するインナロータと、
   最外周巻部及び最内周巻部がそれぞれ前記アウタロータ及び前記インナロータに係止され、前記回転周方向の一方及び他方をそれぞれ変形方向及び付勢方向として、前記アウタロータに対する前記インナロータの前記変形方向への相対回転に応じてねじれ変形することにより、前記アウタロータに対して前記インナロータを前記付勢方向へ付勢する渦巻ばねとを、備えるバルブタイミング調整装置において、
   前記インナロータは、径方向の内側から前記最内周巻部を直接支持する支持部を、前記回転周方向の特定角度位置上に有し、
   前記アウタロータによる係止箇所と前記支持部による直接支持箇所との間において前記渦巻ばねを形成する素線は、前記特定角度位置上のうち前記素線同士が径方向に隣り合う複数箇所の全てにおいて、当該隣合う素線と接触し、前記特定角度位置から前記回転周方向に外れた箇所において、径方向に隣合う素線とは離間することを特徴とするバルブタイミング調整装置。
2. 前記インナロータは、前記ハウジングの内部から外部へ向かって軸方向に突出する軸部を、前記径方向の外側から前記最内周巻部に囲まれる箇所に有し、
   前記支持部は、前記軸部のうち前記径方向の外側へ突出して最大外径となる部分により、前記特定角度位置上に形成されることを特徴とする請求項１に記載のバルブタイミング調整装置。
3. 前記最内周巻部は、前記支持部から前記変形方向へ向かって前記軸部に巻装されることにより前記インナロータに係止され、前記支持部よりも前記付勢方向において前記軸部から離間することを特徴とする請求項２に記載のバルブタイミング調整装置。
4. 前記インナロータは、前記特定角度位置上に配置される前記支持部としての第一支持部、並びに前記特定角度位置から前記回転周方向に外れた箇所において前記素線間に配置され、前記渦巻ばねを直接支持する第二支持部を、有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のバルブタイミング調整装置。
5. 前記第二支持部は、前記第一支持部を前記径方向に通過する特定径線上に、配置されることを特徴とする請求項４に記載のバルブタイミング調整装置。
6. 前記第二支持部は、前記特定径線上のうち少なくとも一箇所の前記素線間を除いて、配置されることを特徴とする請求項５に記載のバルブタイミング調整装置。
7. 前記素線の前記径方向の厚さをＴとし、
   前記特定角度位置上における前記素線の巻数をＮとし、
   渦巻中心が前記インナロータの回転中心と心合わせされて前記最外周巻部及び前記最内周巻部がそれぞれ前記アウタロータ及び前記インナロータに係止されたセット状態の前記渦巻ばねにおいて、前記最内周巻部のうち前記特定角度位置上の前記支持部による直接支持箇所から前記渦巻中心に至る前記径方向の距離をＲｓｉとし、
   前記最外周巻部及び前記最内周巻部がそれぞれ前記アウタロータ及び前記インナロータから離脱した無荷重状態の前記渦巻ばねにおいて、前記最外周巻部のうち前記セット状態の前記特定角度位置に対応する外周縁箇所から前記渦巻中心に至る前記径方向の距離をＲｎｏとしたとき、
   Ｒｎｏ＞Ｔ×Ｎ＋Ｒｓｉの関係式を満たすことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のバルブタイミング調整装置。
8. 前記セット状態において前記アウタロータによる前記最外周巻部の係止箇所は、前記特定角度位置から前記付勢方向へ９０度外れた角度範囲内に収まることを特徴とする請求項７に記載のバルブタイミング調整装置。
9. 前記最外周巻部は、前記アウタロータに対する前記インナロータの回転位相に応じて前記アウタロータによる係止状態から前記インナロータによる係止状態へ切替わることにより、前記渦巻ばねによる前記インナロータの付勢を禁止し、
   前記インナロータによる係止箇所と前記支持部による直接支持箇所との間において前記渦巻ばねを形成する素線は、前記特定角度位置上のうち前記素線同士が径方向に隣り合う複数箇所の全てにおいて、当該隣合う素線と接触し、前記特定角度位置から前記回転周方向に外れた箇所において、径方向に隣合う素線とは離間することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のバルブタイミング調整装置。

Images