JP2007231879A - エンジン始動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン始動装置において、高いエンジン回転速度に迅速に到達することを可能にすることである。
【解決手段】エンジン始動装置１０は、遊星歯車機構３０に接続される始動モータ２１と、遊星減速機ケース３６と筐体との間に設けられるゼンマイ８１と、プランジャ１４によって駆動される作動機構６０と、スタータピニオン４２を一方端に有する始動駆動軸部４８と、遊星減速機ケース３６を一方向にのみ回転できるように規制するラチェット装置８５を含んで構成される。作動機構６０が第１状態にあるときは、始動モータ２１によってゼンマイ８１が巻き上げられ、第２状態にあるときは、ラチェット装置８５が外れ、ゼンマイ８１に蓄えられたエネルギが解放され、始動モータ２１の駆動パワーとゼンマイ８１の駆動パワーとが重畳して、エンジン７０を始動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの始動装置に係り、特に、始動モータを用いるエンジンの始動装置に関する。

エンジンを始動するために、始動用のモータを用いるいわゆる電動スタータにおいては、起動トルクを大きくするために減速機を用いている。このような減速機としては、遊星歯車式と平行２軸方式とが知られている。

遊星歯車式減速機を用いる電動スタータとしては、高速回転型モータを始動モータとして用い、これを遊星歯車式減速機で回転速度を減速し、駆動トルクを増幅して必要なエンジン始動トルクを確保している。遊星歯車式減速機においては、リングギアが減速機ケースに固定されて回転しないようにされ、始動モータの出力軸はサンギアと結合され、ピニオンギアを支持するキャリアに一体化されているキャリア軸からエンジン始動のための駆動トルクが増幅されて取り出される。なお、ピニオンギアは、プラネタリギア、すなわち遊星歯車とも呼ばれる。

なお、キャリア軸から取り出される駆動トルクをエンジンに伝えて始動させるには、ピニオン飛び込み式と呼ばれる機構が用いられる。すなわち、キャリア軸には、キャリア軸の回転は伝えるが、軸方向に移動可能な駆動軸が連結されており、駆動軸は一方向クラッチを介してスタータピニオンと接続される。移動時には、駆動軸が軸方向に移動され、スタータピニオンがエンジンのフライホイール部ギアに飛び込んで噛み合う。このように、遊星歯車式減速機を用いる電動スタータにおいては、ピニオン飛込み式機構を用いて、減速機によって増幅された駆動トルクがエンジンに供給される。

減速機によるトルク増幅にゼンマイを付加することによりエンジンの始動性を改善する電動スタータとしては、特許文献１に開示されるように、リコイルスタータと始動モータとを組み合わせたエンジンの始動装置において、始動モータとエンジンとの係合時の衝撃を吸収するために蓄力ゼンマイを用いるものがある。

ここでは、クランクシャフトと同軸のスタータシャフトと、始動モータの出力軸とが平行２軸に配置され、その間に多段減速機が設けられる。そしてスタータシャフトにリコイルスタータが設けられるとともに、これと直列にドライブカムが配置され、クランクシャフトのプーリとラチェット式ワンウェイクラッチによって接続される。また、ドライブカムのほぼ中間部に多段減速機のファイナルギアが回転自在に緩挿され、その内側にファイナルギアと一体構造のゼンマイケースが配置される。ゼンマイケースには、外端がゼンマイケース、内端がドライブカムと係合する蓄力ゼンマイが内装されている。

リコイルスタータを使用するときは、ロープを引っ張ってリールを回転させ、リールに設けられたラチェットを介してドライブカムを回転させてエンジンを始動する。始動モータを使用するときは、多段減速機を介しファイナルギアが回転し、ドライブカムを回転させてエンジンを始動する。そして、ファイナルギアが回転することで蓄力ゼンマイが蓄力され、ドライブカムを回転させ、エンジンの回転変動により発生する衝撃負荷を吸収する。このように、蓄力ゼンマイを用いることで、エンジンの回転変動により発生する衝撃によりクラッチ部、ファイナルギア、始動モータを損傷することが防止できるとともに、駆動トルクが平滑化されてエンジン始動性が改善される。

特開２００２−２２７７５３号公報

このように一般的な減速機付きエンジン始動装置においては、始動モータにＤＣモータを用い、これにバッテリ電圧を印加するだけの簡単な駆動回路構成を組むため、モータ回転速度の上昇と共にモータトルクが低下する。このため、始動トルクは大きく取れるが、エンジン回転速度をあまり高く取れず、このような構成においては、高いエンジン回転速度に迅速に到達することが困難である。

例えば、車両の運行において燃費性能を向上させるために、車両停止時にエンジンを停止させるエコランモードが用いられる場合には、運転者の意思と関係なくエンジンの停止と再起動とが行なわれるため、運転者に違和感を与えないためには、迅速なエンジン再起動が必要である。

迅速にエンジンを再起動させるには、エンジン回転数を短時間に高い回転速度まで上昇させればよい。しかし、従来技術の遊星歯車機構でトルクを増幅する方式において、始動のための回転速度を上げるには、固定されたリングに対しキャリアの回転速度を上げることになり、そのためにはサンギアの回転速度を上げる必要がある。したがって、サンギアに接続される始動モータが大型化し、消費電力が増加する。

特許文献１では、蓄力ゼンマイを介して始動モータの駆動力をスタータシャフトに伝える構成を取り、これによりエンジン始動時の大きなトルク変動を緩和する。これにより始動モータの負荷トルク変動が小さくなり、エンジンの始動性能が向上する。しかし、駆動トルク変動を蓄力ゼンマイを用いて滑らかにしているだけであり、高いエンジン回転速度に迅速に到達することができない。

このように、従来技術の減速機付きエンジン始動装置においては、高いエンジン回転速度に迅速に到達することに課題がある。

本発明の目的は、高いエンジン回転速度に迅速に到達することを可能にするエンジン始動装置を提供することである。

本発明に係るエンジン始動装置は、遊星歯車機構のサンギアに接続される始動モータと、遊星歯車機構のキャリアに接続される始動駆動軸部と、遊星歯車機構のリングギアと接続され、始動モータの回転方向と逆方向に巻かれることでエネルギを蓄積するゼンマイ機構と、始動駆動軸部とエンジン始動軸との間を接続しあるいは接続を解放する始動接続切換手段と、始動駆動軸部を固定しあるいは回転自在に解放することでキャリアを固定しあるいは回転自在に切り換えるキャリア固定切換手段と、ゼンマイ機構を始動モータの逆回転方向にのみ巻かれるようにするラチェット装置のラチェットを解除する解除機構と、始動動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、解除機構を作動させない状態で、かつキャリア切換手段によりキャリアを固定状態として、始動モータを起動し、ゼンマイにエネルギを蓄積させる始動モータ起動手段と、始動接続切換手段によって始動駆動軸部とエンジン始動軸とを接続状態とし、キャリア固定切換手段によりキャリアを回転自在状態とし、解除機構を作動させてゼンマイの蓄積エネルギを解放し、始動モータの駆動パワーと、解除されたゼンマイの駆動パワーとを重畳させてエンジン始動軸を始動させるエンジン始動手段と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係るエンジン始動装置において、 始動切換手段と、キャリア固定切換手段と、解除機構とを連動して作動させる作動機構であって、始動切換手段の接続解放状態と、キャリア固定切換手段の固定状態と、解除機構が作動していない状態の第１状態と、始動切換手段の接続状態と、キャリア固定切換手段の回転自在状態と、解除機構の作動状態の第２状態との間で作動切換を行なう作動機構を備えることが好ましい。

また、本発明に係るエンジン始動装置において、始動駆動軸部は、キャリアに直結されるキャリア軸と、キャリア軸の回転力を伝えるとともにキャリア軸の軸方向に移動自在の中間機構であって、一方側に作動機構と係合する作動駆動軸を、他方側にキャリア固定切換手段として筐体にかみ合い可能なピニオンを、作動駆動軸とピニオンとの間にワンウェイクラッチを有する中間機構と、を含み、作動機構が第１状態にあるときには、ピニオンが筐体とかみ合って回転拘束状態とされ、ワンウェイクラッチの作用によりキャリア軸が回転拘束状態となり、作動機構が第２状態にあるときには、ピニオンが筐体から解放され回転自在状態とされ、ワンウェイクラッチの作用によりキャリア軸が回転自在となることが好ましい。

また、本発明に係るエンジン始動装置において、作動機構は、作動駆動軸を先端に有する揺動アームと、突出位置と引込位置との間で移動して揺動アームを揺動させるプランジャ軸とを含み、プランジャ軸は、引き込位置にあるときに、ゼンマイ機構に設けられる一方向係合歯とかみ合うラチェット歯を有するラチェット装置を落とし込んでラチェットを解除する解除溝を有し、作動機構が第１状態にあるときには、プランジャ軸を突出位置とし、ラチェット装置を解除溝に落とし込まずに、揺動アームを揺動し作動駆動軸によって中間機構を移動させてピニオンを回転拘束状態とし、作動機構が第２状態にあるときには、プランジャ軸を引込位置とし、ラチェット装置を解除溝に落とし込んでラチェットを解除し、揺動アームを揺動し作動駆動軸によって中間機構を移動させてピニオンを回転自在状態とすることが好ましい。

上記構成により、減速機構として用いる遊星歯車機構において、サンギアに始動モータが接続され、キャリアに始動駆動軸部が接続され、リングギアには、始動モータの回転方向と逆方向に巻かれることでエネルギを蓄積するゼンマイ機構が接続される。さらに、始動駆動軸部とエンジン始動軸との間を接続しあるいは接続を解放する始動接続切換手段と、始動駆動軸部を固定しあるいは回転自在に解放することでキャリアを固定しあるいは回転自在に切り換えるキャリア固定切換手段と、ゼンマイ機構を始動モータの逆回転方向にのみ巻かれるようにするラチェット装置のラチェットを解除する解除機構とが設けられる。そして、始動は、第１段階として、解除機構を作動させない状態で、かつキャリア切換手段によりキャリアを固定状態として、始動モータを起動し、ゼンマイにエネルギを蓄積させ、第２段階として、始動接続切換手段によって始動駆動軸部とエンジン始動軸とを接続状態とし、キャリア固定切換手段によりキャリアを回転自在状態とし、解除機構を作動させてゼンマイの蓄積エネルギを解放し、始動モータの駆動パワーに解放されたゼンマイの駆動パワーとを重畳させてエンジン始動軸を始動させる。

したがって、始動モータを大型化することなく、高いエンジン回転速度に迅速に到達することが可能となる。

また、作動機構は、始動切換手段と、キャリア固定切換手段と、解除機構とを連動して作動させ、第１状態で、始動切換手段を接続解放状態に、キャリア固定切換手段を固定状態に、解除機構を作動していない状態とし、第２状態で、始動切換手段を接続状態に、キャリア固定切換手段を回転自在状態に、解除機構を作動状態とする。このように複数の手段の状態変化を１つの作動機構の操作で行うことができるので、構成が簡単となる。

また、始動駆動軸部は、キャリアに直結されるキャリア軸と、キャリア軸の回転力を伝えるとともにキャリア軸の軸方向に移動自在の中間機構を含んで構成される。そして、中間機構は、作動駆動軸と、ピニオンと、それらの間のワンウェイクラッチを有し、作動機構が第１状態にあるときには、ピニオンが筐体とかみ合って回転拘束状態とされ、ワンウェイクラッチの作用によりキャリア軸が回転拘束状態、すなわち始動駆動軸部が固定状態となり、作動機構が第２状態にあるときには、ピニオンは筐体から解放され回転自在状態とされ、ワンウェイクラッチの作用によりキャリア軸が回転自在、すなわち始動駆動軸部が回転自在となる。この中間機構は、従来技術のピニオン飛込み式機構に対応する機構である。したがって、一部に周知の機構を用いながら、高いエンジン回転速度に迅速に到達することが可能となる。

また、作動機構のプランジャ軸にラチェット装置を落とし込んでラチェットを解除する解除溝が設けられる。そして、作動機構が第１状態にあるときには、プランジャ軸を突出位置とし、ラチェット装置を解除溝に落とし込まずに、揺動アームを揺動し作動駆動軸によって中間機構を移動させてピニオンを回転拘束状態とし、作動機構が第２状態にあるときには、プランジャ軸を引込位置とし、ラチェット装置を解除溝に落とし込んでラチェットを解除し、揺動アームを揺動し作動駆動軸によって中間機構を移動させてピニオンを回転自在状態とする。したがって、周知の構造である中間機構を作動機構によって操作しつつ、同じ作動機構によってラチェットの解除を行なわせることができる。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下において、エンジン始動装置は、ハイブリッド車両に駆動源として駆動用モータと共に搭載されるエンジンの始動のための装置として説明するが、ハイブリッド車両以外の車両用エンジンの始動のための装置であってもよい。また、一般的に始動モータによって始動されるエンジンの始動装置であればよく、車両用以外の用途のエンジンの始動のための装置であってもよい。

図１は、ハイブリッド車両に搭載されるエンジン始動装置１０の構成を説明する図である。ここではエンジン始動装置１０の構成要素ではないが、ハイブリッド車両の駆動源７４であるエンジン７０と駆動用モータ７２と、駆動源７４の動作を制御するＨＶ制御部９４とが図示されている。また、エンジン始動装置１０が係合してエンジン７０を始動するエンジン始動軸とのインタフェースであるフライホイール部ギア７１も図示されている。

エンジン始動装置１０は、図１において断面図で示される機構部９０と、機構部９０を構成する各要素の動作を全体として制御する始動制御部９２とを含んで構成される。始動制御部９２は、ＨＶ制御部９４と協働し、ハイブリッド車両の始動時、及び走行時において、機構部９０を制御してエンジン７０を迅速に始動させる機能を有する。

エンジン始動装置１０の機構部９０は、スタータフロントケース１１、スタータモータケース１２、スタータモータリアケース１３、プランジャケース１４、プランジャリアケース１５から構成される始動装置筐体の中に、始動モータ２１、プランジャ５１、遊星歯車機構３０等を含んで構成される。

始動モータ２１は、スタータモータとも呼ばれ、エンジン７０を始動するための小型モータである。かかる始動モータは、例えば、１２Ｖの電源で回転駆動されるＤＣモータを用いることができる。図２は、始動モータ２１の特性図で、横軸にモータ回転速度、縦軸にモータトルクが取られている。ここで示されるモータ回転速度及びモータトルクは、始動モータ２１の出力軸であるモータ軸２２の回転数及び出力トルクである。図２に示されるように、始動モータ２１は、低速時において高いモータトルクを出力するが、回転速度が上がるにつれてモータトルクが低下する。したがって、そのままでは、始動トルクは高く取ることができるが、高いエンジン速度に迅速に到達することが困難である。

遊星歯車機構３０は、サンギア３１、リングギア３２、ピニオンギア３３と周知の要素を含む。ピニオンギア３３は、プラネタリギアとも呼ばれる。サンギア３１は、遊星歯車機構３０において内周側に配置される外歯歯車で、その中心軸は始動モータ２１のモータ軸２２に直結接続される。リングギア３２は、遊星歯車機構において外周側に配置される内歯歯車で、遊星減速機ケース３６に固定されて接続される。ピニオンギア３３は、リングギア３２とサンギア３１との間に配置される外歯歯車で、同じ形状のものが通常数個用いられる。キャリア３４は、その数個のピニオンギア３３を一体として支持する円環状の部材であり、ピニオンギア３３がサンギア３１の周りを公転するときは、サンギア３１の中心軸の周りに回転する。キャリア軸３５は、キャリア３４の中心軸方向に延伸する軸であり、したがって、サンギア３１の中心軸、すなわち始動モータ２１のモータ軸２２と同軸方向に延伸する軸である。

遊星減速機ケース３６は、遊星歯車機構３０を支持するとともにゼンマイ８１と接続する段付筒状の部材であり、その意味で、巻き上げによってエネルギを蓄え、解放によってエネルギを放出するゼンマイ機構の一部を構成する部材である。段付筒状の部材は、大きな外形部分と小さな外形部分とを有する。段付筒状の中心軸は、サンギア３１の中心軸、すなわちモータ軸２２と同軸である。大きな外形部分の内径側にはリングギア３２が固定され、外周側には、後述するラチェット装置８５のラチェット歯と噛み合う一方向係合歯３７が設けられる。したがって、遊星減速機ケース３６は、ラチェット機構によって規定される回転方向にのみ回転可能である。小さな外形部分は、中央貫通穴を有するフランジで、中央貫通穴には、キャリア軸３５が延伸する。フランジの外周は、ゼンマイ８１の内側端が固定される。

ゼンマイ８１は、らせん状に巻かれたバネ部材で、上記のように内側端は遊星減速機ケース３６の小さい外形部分のフランジに固定され、外側端はスタータフロントケース１１に固定される。そして、遊星減速機ケース３６、すなわちリングギア３２がラチェット機構によって規定される回転方向に回転すると、ゼンマイ８１は巻き込まれてエネルギを蓄えることができ、ラチェット機構が回転規制を解除すると、それまでに蓄えたエネルギを、遊星減速機ケース３６を回転する駆動パワーとして放出することができる。後述するように、ゼンマイ８１が巻かれるときは、キャリア３４が固定で、サンギア３１が入力側、リングギア３２が出力側であるので、サンギア３１の回転方向と逆の方向にリングギア３２が回転する。すなわち、サンギア３１に直結される始動モータ２１の回転方向と逆の方向にリングギア３２が回転するときにゼンマイ８１が巻かれてエネルギを蓄え、エネルギを放出するときは、始動モータ２１の回転方向と同じ方向にリングギア３２を回転させる。かかるゼンマイ８１は、帯板状のバネ鋼をらせん状に巻いて得ることができる。また、帯板状の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）をらせん状に巻いて硬化させて得ることもできる。

作動駆動軸４１と、ワンウェイクラッチ４５とスタータピニオン４２とは、キャリア軸３５の回転力を伝えるとともにキャリア軸３５の軸方向に移動自在の中間機構４０を構成する。キャリア軸３５は上記のようにキャリア３４に直結されるので、キャリア軸３５と中間機構４０とは、遊星歯車機構３０を介して始動モータ２１の駆動力をエンジン７０に伝えるための始動駆動軸部４８を構成する。つまり、図１において、エンジン始動のための駆動力は、単にキャリア軸３５で伝達されるのではなく、キャリア軸３５と中間機構４０とで構成される複合的な始動駆動軸部４８で伝達される。

作動駆動軸４１は、キャリア軸３５の外周に配置される鍔付円筒状の部材であり、鍔の部分が後述の作動機構６０と係合し、円筒状の中央の貫通穴にはキャリア軸３５が通る。貫通穴の一部に軸方向に沿って張り出して設けられる案内部３９は、キャリア軸３５に軸方向に沿って設けられた案内溝３８に案内されるためのものである。この構成において、作動機構６０によって鍔の部分がキャリア軸３５の軸方向に沿って押されると、案内部３９がキャリア軸３５の案内溝３８に沿って案内されて、作動駆動軸４１全体がキャリア軸３５の回転力を伝えるとともにキャリア軸３５の軸方向に移動する。

ワンウェイクラッチ４５は、作動駆動軸４１とスタータピニオン４２との間に設けられるクラッチで、作動駆動軸４１側、すなわち始動モータ２１側からスタータピニオン４２を駆動する場合には回転が伝わるが、エンジン７０が始動してスタータピニオン４２側から始動モータ２１を駆動するようになると空転する機能を有する。例えば、スタータピニオン４２が回転拘束状態に固定されると、ワンウェイクラッチ４５の作用によって作動駆動軸４１、キャリア軸３５も回転拘束され、キャリア３４が回転拘束され固定される。逆にスタータピニオン４２が回転自在状態のときは、キャリア３４も回転可能となる。

スタータピニオン４２は、従来技術で周知のピニオン飛込み式機構のスタータピニオンと同様の機能を有するもので、スタータフロントケース１１に設けられたスタータピニオン回転止め８７と噛み合うときはワンウェイクラッチ４５を介してキャリア３４を回転拘束状態とし、スタータピニオン回転止め８７から外れてフライホイール部ギア７１と係合するときはキャリア３４の回転をエンジン７０に伝えて始動させるものである。

このように、スタータピニオン４２とスタータピニオン回転止め８７とは、相互に噛み合いあるいは噛み合いから外れることで、キャリア３４を固定しあるいは回転自在に切り換えるキャリア固定切換手段としての機能を有する。また、スタータピニオン４２とフライホイール部ギア７１とは、相互に噛み合いあるいは噛み合いから外れることで、始動駆動軸部４８とエンジン７０の始動軸との間を接続しあるいは接続を解放する始動接続切換手段としての機能を有する。スタータピニオン４２がこのような噛み合いを選択できるのは、ワンウェイクラッチ４５を介して作動駆動軸４１がキャリア軸３５に沿って移動するためである。作動駆動軸４１がキャリア軸３５に沿って移動できるのは、次に述べる作動機構６０の作用による。

図１において、プランジャ５１と、プランジャロッド５２と、ドライブレバー６１とは、作動機構６０を構成する。作動機構６０は、上記の作動駆動軸４１をキャリア軸３５の軸方向に沿って左右に移動させてスタータピニオン４２の噛み合い状態を切り替える機能と共に、遊星減速機ケース３６とラチェット装置８５との係合を制御してゼンマイ８１を巻き上げ又は解放する機能を有する。

プランジャ５１は、内部に駆動用ソレノイドを有し、ソレノイドに与える信号に従ってプランジャロッド５２を突き出しあるいは引き込む機能を有する装置である。プランジャロッド５２は、プランジャ５１から突き出す棒状の部材で、プランジャ軸に相当する。プランジャロッド５２の先端にはドライブレバー６１の一方端が接続される。また、プランジャロッド５２の外周の一部に、ラチェット装置８５を落とし込める形状と深さを有する溝５５が設けられる。

ドライブレバー６１は、支点６３の周りに揺動可能に配置される板状の揺動アームで、一方端がピン６２によってプランジャロッド５２の先端に接続され、他方端には作動駆動軸４１の鍔部分と係合する回転リング６４が設けられる。したがって、プランジャロッド５２が引き込み位置にあるときはドライブレバー６１が支点６３の周りに反時計方向に回転して作動駆動軸４１を図１の紙面上で左側に移動させ、逆にプランジャロッド５２が突き出し位置にあるときはドライブレバー６１が支点６３の周りに時計方向に回転して作動駆動軸４１を図１の紙面上で右側に移動させることができる。なお、図１は、プランジャロッド５２が突き出し位置の場合が示されており、したがって作動駆動軸４１が紙面上で右側に移動し、スタータピニオン４２がスタータピニオン回転止め８７と噛み合っている。

ラチェット装置８５は、遊星減速機ケース３６の外周に設けられる一方向係合歯３７に係合するラチェット歯を有し、遊星減速機ケース３６を一方向にのみ回転可能にする機能を有する。回転可能な方向は、サンギア３１の回転と逆方向、すなわち始動モータ２１の回転方向と逆方向である。ラチェット装置８５のラチェット歯は、付勢力を有して遊星減速機ケース３６の一方向係合歯３７に噛み合っており、その付勢力によって、一方向係合歯３７は一歯ごとにラチェット歯によって逆転防止されながら回転することができる。

ラチェット装置８５は、ラチェット歯が設けられる側と反対側の裏面でプランジャロッド５２と接している。そして、プランジャケース１４に設けられる案内部によって、プランジャロッド５２の軸方向と垂直方向に移動可能に案内される。上記のように、プランジャロッド５２には溝５５が設けられ、プランジャロッド５２の移動によって溝５５がちょうどラチェット装置８５の裏面に来ると、ラチェット装置８５はその溝５５に落とし込まれる。そのときには、ラチェット歯が一方向係合歯３７から離れ、もはや遊星減速機ケース３６を一方向にのみ回転規制をすることができなくなり、ゼンマイ８１が巻き上げられ蓄えられているエネルギによって遊星減速機ケース３６が逆方向に回転可能となる。すなわち、始動モータ２１の回転方向と同じ方向に回転可能となる。この意味で、溝５５は、ラチェット装置８５のラチェット解除機構の機能を有する。

このように、プランジャ５１と、プランジャロッド５２と、ドライブレバー６１とで構成される作動機構６０は、プランジャ５１の作動によって、様々な他の要素の状態を変更する機能を有する。ここで、プランジャ５１の作動位置に関連づけて、他の要素の状態変更をまとめる。プランジャ５１の突出状態を作動機構６０の第１状態とし、引込状態を作動機構６０の第２状態とする。

第１状態では、プランジャロッド５２が突き出すので、ドライブレバー６１が支点６３周りに図１の紙面上で時計方向に回転し、その先端で作動駆動軸４１をキャリア軸３５に沿って図１の紙面上で右側に移動させ、スタータピニオン４２がスタータピニオン回転止め８７と噛み合い、フライホイール部ギア７１とは噛み合っていない。これにより、遊星歯車機構においてキャリア３４が固定される。また、このときにプランジャロッド５２における溝５５は、ラチェット装置８５の真下にはないので、ラチェット装置８５のラチェット歯は、遊星減速機ケース３６の一方向係合歯３７と噛み合い、ラチェットが効いている。すなわち、作動機構が第１状態になると、キャリア固定切換手段がキャリア固定状態となり、始動接続切換手段が解放状態となり、ラチェット装置については解除機構が作動しない状態となる。

第２状態では、プランジャロッド５２が引き込むので、ドライブレバー６１が支点６３周りに図１の紙面上で反時計方向に回転し、その先端で作動駆動軸４１をキャリア軸３５に沿って図１の紙面上で左側に移動させ、スタータピニオン４２がスタータピニオン回転止め８７から外れ、フライホイール部ギア７１とは噛み合う。これにより、遊星歯車機構においてキャリア３４が回転可能となる。また、このときにプランジャロッド５２における溝５５がラチェット装置８５の真下に来て、ラチェット装置８５のラチェット歯は、遊星減速機ケース３６の一方向係合歯３７から噛み合いが外れ、ラチェットが解除される。すなわち、作動機構が第２状態になると、キャリア固定切換手段がキャリア回転自在状態となり、始動接続切換手段が接続状態となり、ラチェット装置については解除機構が作動する状態となる。

始動制御部９２は、機構部９０の各要素の動作を制御する機能を有し、具体的にはＨＶ制御部９４と協働し、車両の走行状態に応じて、始動モータ２１とプランジャ５１の作動を制御する。そして、エンジン７０の始動が必要なときに、始動モータ２１を作動させ、さらに所定のタイミングでプランジャ５１を作動させ、作動機構により、キャリア固定切換手段と、始動接続切換手段と、ラチェットの解除機構の状態を変更し、効果的なエンジン７０の始動を実行する。かかる機能は、ソフトウェアで実現でき、具体的には、対応するエンジン始動プログラムを実行することで実現できる。機能の一部をハードウェアで実現してもよい。かかる始動制御部９２は、車両用コンピュータで構成でき、場合によってはＨＶ制御部９４の機能の一部として構成することもできる。

かかるエンジン始動装置１０の動作を、図３のフローチャート等を用いて説明する。なお、以下では図１で説明した要素と同一の要素については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図３は、ハイブリッド車両において、エンジンの始動に関して始動制御部９２の処理手順と、それに対応する機構部９０の各要素の動作を示すものである。図４から図１２は、図３の手順の流れに従って各手順の内容を説明する図である。図４から図６は、作動機構６０が第１状態と第２状態との間にあるときの各要素の状態、遊星歯車機構の状態、遊星歯車機構の共線図をそれぞれ示す。同様に図７から図９は、作動機構６０が第２状態にあるときの各要素の状態、遊星歯車機構の状態、遊星歯車機構の共線図をそれぞれ示す。同様に図１０から図１２は、作動機構６０が第１状態にあるときの各要素の状態、遊星歯車機構の状態、遊星歯車機構の共線図をそれぞれ示す。

図３において、通常状態では始動モータ２１とプランジャ５１は共に非通電状態、すなわち、エンジン始動装置１０は初期状態にあり、そこでは作動機構６０が第１状態になるように初期設定される。すなわち、プランジャ５１が突出状態となり、キャリア３４は回転が止められて固定状態にされ、ラチェット装置８５は溝５５の真上に位置せずラチェットが効いている作動状態とされる（Ｓ１０）。その状態は、図１で説明した状態と同じである。なお、後述するように、車両の減速時に回生電力を用いる等によってゼンマイ８１が巻き上げられるので、この初期状態においては、ゼンマイ８１が巻き上げられた状態とされている。これにより、エンジン始動を迅速に行うことができる。

次に、ＨＶ制御部９４等から始動制御部９２がエンジン始動指令を受け取る（Ｓ１２）と、始動制御部９２はプランジャ５１に通電する（Ｓ１４）。これによってプランジャロッド５２が引き込まれる。上記の説明では、プランジャロッド５２が引き込まれると、作動機構６０の作用により、スタータピニオン４２がフライホイール部ギア７１と噛み合う第２状態になるものとしているが、実際にはその途中の状態がある。図４は、第１状態から第２状態に遷移する途中の状態を示す図である。ここでは、スタータピニオン４２がスタータピニオン回転止め８７から外れ、キャリア止めが解除される（Ｓ１６）。すなわち、キャリア３４が回転可能となるが、まだスタータピニオン４２がフライホイール部ギア７１と噛み合っていない。そして、ラチェット装置８５は溝５５の真上に位置せずラチェットが効いている作動状態のままである。したがって、遊星減速機ケース３６はゼンマイ８１を巻き上げ方向にのみ回転可能である。

ここで始動制御部９２は始動モータ２１に通電する（Ｓ１８）。上記のように遊星減速機ケース３６は、ゼンマイ８１を巻き上げ方向にのみ回転可能になっているが、上記のようにゼンマイ８１はすでに十分巻き上がっているので、始動モータ２１はそれ以上ゼンマイ８１を巻き上げない。それは、遊星歯車機構３０において、始動モータ２１に接続されるサンギア３１の歯数をａとし、ゼンマイ８１を巻き上げる遊星減速機ケース３６に接続されるリングギア３２の歯数をｃとして、ゼンマイ８１の最大巻き上げトルクが、始動モータ２１の最大トルクのｃ／ａになるように設定されているからである。これにより、ゼンマイ８１が巻き上がったところで、それ以上始動モータ２１はゼンマイ８１を巻き上げることをしない。すなわちリングギア３２は回転に対し固定状態とされる。このようにゼンマイ８１の最大巻き上げトルクを設定することで、ゼンマイ８１の過剰な巻き上げが防止され、それと共に、リングギア３２と一体である遊星減速機ケース３６の逆回転を防止するラチェット装置８５のラチェットが外れたときにリングギア３２が逆回転することを防止できる。

図５は、そのときの遊星歯車機構の各要素の様子を模式的に示す図である。ここでは上記のように、リングギア３２が固定状態となる。そして、キャリア３４は回転可能であるので、サンギアの回転方向を例えば時計方向（ＣＷ）としてピニオンギア３３は反時計方向（ＣＣＷ）に回転し、リングギア３２が固定であるので、リングギア３２は時計方向（ＣＷ）に回転する。

図６は、図５の遊星歯車機構の動作を共線図で説明するものである。ここで、サンギア３１の歯数がａ、リングギア３２の歯数がｃである。リングギア３２が回転止めの状態では、サンギア３１の回転数ｘを入力として、キャリア３４の回転数ｙを出力とする共線図によって、ａｘ＝（ａ＋ｃ）ｙの関係になることが知られている。つまり、キャリア３４は、サンギア３１と同じ方向に回転し、その回転速度は、ｙ＝（ａ＋ｃ／ａ）ｘとなる。これにより、スタータピニオン４２が減速し、その分トルクを大きくして、サンギア３１と同じ方向に回転することになる。

ここでは、ゼンマイ８１と、それに関係するラチェット装置８５、その解除機構である溝５５とが全く機能していない。つまり、図４から図６の動作状態は、ゼンマイ等を含まない従来のピニオン飛込み式機構を用いる遊星歯車式減速機を備えるエンジン始動装置と同じである。この従来型のエンジン始動装置では、図６の共線図からわかるように、リングギアが固定されている状態であるので、エンジンの始動の速度を高くするためキャリア軸の回転速度を上げようとするときは、必然的にサンギアの回転速度を上げることが必要になり、始動モータが大型化することになる。上記のように、これが従来型の問題点である。

プランジャ５１への通電を続けることで、プランジャロッド５２はさらに引き込まれ、スタータピニオン４２が、フライホイール部ギア７１に噛み合う（Ｓ２０）。これによって、始動モータ２１によるエンジン７０の駆動が開始する（Ｓ２２）。そして、ラチェット装置８５が溝５５の真上に位置するようになってラチェットが解除される（Ｓ２４）。これによって遊星減速機ケース３６が回転可能となり、ゼンマイ８１の蓄えられていたエネルギが解放され、遊星減速機ケース３６をサンギア３１と同じ回転方向に回転させる。すなわちリングギア３２が始動モータ２１の回転方向と同じ方向に回転する。その様子が図７に示されている。この状態が作動機構６０の第２状態である。

図８は、そのときの遊星歯車機構の各要素の様子を模式的に示す図である。ここでは上記のように、解除機構である溝５５にラチェット装置８５が落ち込んでラチェットが解除され、ゼンマイ８１のエネルギ解放によって、リングギア３２をサンギア３１と同じ方向に回転させる。このゼンマイ８１の巻き戻しによる回転は、ピニオンギア３３を介してキャリア３４をサンギア３１と同じ方向に回転させる。図５で説明したように、キャリア３４は、始動モータ２１によって回転されるサンギア３１とピニオンギア３３によってもサンギア３１と同じ方向に回転させられるので、キャリア３４は、始動モータ２１による駆動パワーに、ゼンマイ８１の解放エネルギによる駆動パワーが重畳して回転される。つまり、ゼンマイによる駆動パワーのアシストが行われる（Ｓ２６）。この重畳された駆動パワーが、スタータピニオン４２とフライホイール部ギア７１との噛み合いで、エンジン７０に伝えられ、エンジン７０が十分なトルクと十分な速度で始動することができる。

図９は、図６と同様に、図８の遊星歯車機構の動作を共線図で説明するものある。ここではリングギア３２が、ゼンマイ８１の巻き戻しエネルギによって、相当の回転速度を有することになる。したがって、サンギア３１の回転速度を上げなくても、キャリア３４の回転速度が上昇することが分かる。図９では、参考のため、図６で説明した共線図を破線で示してある。図６で説明したキャリア３４の回転速度ｙに比べ、ゼンマイアシストのある場合のキャリア３４の回転速度Ｙは高くなる。すなわちＹ＞ｙである。図９の例では図６で説明したサンギア３１の回転速度ｘに比べ、ゼンマイアシストのある場合のサンギア３１の回転速度Ｘを小さくできる。すなわちＸ＜ｘとすることが可能で、キャリア３４の回転数を上げながら始動モータ２１を小型化することも可能となる。

再び図３に戻り、ゼンマイ８１が蓄えたエネルギを解放した後は、ゼンマイ８１が自由に動作できるので、エンジン７０の負荷変動による振動を吸収するダンパとして働く。すなわちゼンマイダンピングを行うことができる（Ｓ２８）。このようにして、エンジン７０の始動が完了（Ｓ３０）し、ゼンマイダンピングの効果によって振動の少ないエンジン走行を行うことができる。

エンジン走行に入ると、始動モータ２１の役割が終わるので、ＨＶ制御部９４からの情報により始動制御部９２は始動モータ２１の通電を止め、始動モータ２１が停止する（Ｓ３２）。そして、プランジャ５１への通電も停止され、図示されていない復帰機構により、プランジャ５１は突出状態となり、作動機構６０が第１状態となって、キャリア３４を回転止めの状態とし、ラチェット装置８５のラチェットが働く状態となる（Ｓ３４）。その状態は、図１で説明した状態と同じであり、作動機構が第１状態にある。そのときの各要素の状態を図１０に示す。そしてエンジン走行が続けられる。

エンジン走行を続けている適当な機会に、ゼンマイ８１の巻き上げが行われる。好ましくは車両の減速時に回生発電電力を用いてゼンマイ８１の巻き上げを行うことがよい。例えば、車両が回生発電を行っている状態である情報をＨＶ制御部９４から始動制御部９２が受け取ると、始動制御部９２は、始動モータ２１を通電する（Ｓ３６）。あるいは、回生発電によってゼンマイ８１を巻き上げる機会がなかったときは、車両停止の情報を受け取ったとき、車両停止に先立ってゼンマイ８１の巻き上げのために、バッテリ電力を用いて始動モータ２１に通電する。

これによって始動モータ２１のモータ軸２２が回転をはじめ、遊星歯車機構のサンギア３１を回転させる。図１１は、そのときの遊星歯車機構の各要素の様子を模式的に示す図である。上記のように、作動機構６０が第１状態にあるときは、キャリア３４が回転止めの状態にある。そして、リングギア３２は、サンギア３１と逆方向のみ回転可能となっている。したがって、図１１に示すように、サンギアの回転方向を例えば時計方向（ＣＷ）とすると、ピニオンギア３３はキャリア３４固定の位置のままで反時計方向（ＣＣＷ）に回転し、それに応じてリングギア３２は反時計方向（ＣＣＷ）に回転する。リングギア３２の反時計方向回転は、ラチェット装置８５の作用によって、ゼンマイ８１を巻き上げる方向にのみ回転させるので、これによりゼンマイ８１は巻き上げられ、エネルギを蓄える（Ｓ３８）。なお、上記のように、ゼンマイ８１が十分巻き上げられると、それ以上には巻き上げが行われず、始動モータ２１が停止する（Ｓ４０）。

図１２は、図１１の遊星歯車機構の動作を共線図で説明するもので、横軸はギアの歯数に応じたサンギア３１、キャリア３４、リングギア３２の位置を示し、縦軸はこれらの要素の回転速度を示す。ここで上記のようにサンギア３１の歯数はａ、リングギア３２の歯数はｃである。キャリア３４が回転止めの状態では、サンギア３１の回転数ｘを入力として、リングギア３２の回転数ｙを出力とする共線図によって、ａｘ＝−ｃｙの関係になることが知られている。つまり、リングギア３２は、サンギア３１と逆方向に回転し、その回転速度は、ｙ＝−（ｃ／ａ）ｘとなる。これにより、ゼンマイ８１がサンギア３１と逆方向に巻き上げられることになる。

再び図３に戻り、車両走行において燃費性能を向上させるためにＨＶ制御部９４からエコラン指令が出される（Ｓ４２）と、これによりエンジン７０が停止し（Ｓ４４）、エコランが実施される（Ｓ４６） 。そして、再びＨＶ制御部からエコラン解除の指令が出されると、エンジン始動のためにＳ１２の工程に戻り、以下、上記の各工程が実行される。

ゼンマイアシストを用いたエンジン始動装置の特性について以下に説明する。図１３は、横軸にエンジン始動指令からの経過時間をとり、縦軸にエンジン回転速度をとって、各種のエンジン始動装置の立ち上がり特性を比較して示す図である。図１以下で説明したゼンマイアシストのエンジン始動装置の特性１００は、ゼンマイアシストのない遊星歯車式減速機を備えるエンジン始動装置の特性１０２に比べ、応答性がよく、立ち上がり特性がきわめて良好であることが分かる。また、特許文献１で説明した、ゼンマイを振動吸収に用いる２軸式減速機を備えるエンジン始動装置の特性１０４に比べても応答性がよく、立ち上がり特性が優れている。特に、ゼンマイアシストを用いるエンジン始動装置の特性１００は、予めエネルギをゼンマイに蓄えておくため他の方式に比べ、すばやいエンジン回転上昇と、最高エンジン回転速度の高さを得ることができる。

図１４は、図１以下で説明したゼンマイアシストのあるエンジン始動装置の特性１００と、従来技術であるゼンマイアシストのない遊星歯車式減速機を備えるエンジン始動装置の特性１０２とを比較して示す図である。図１４（ａ）は図１３と同じ内容のエンジン回転数の立ち上がり特性であり、（ｂ）は、エンジン駆動トルクに対するダンピング特性である。いずれの図も横軸は時間で、縦軸は図１４（ａ）がエンジン回転速度、（ｂ）がエンジン駆動トルクである。両図において、横軸の時間の原点と、時間尺度を同じに揃えてある。図１４（ａ）と（ｂ）とから分かるように、ゼンマイアシスト付きエンジン始動装置の特性１００は、ゼンマイに蓄えたエネルギを放出する最初の短時間に、一気にエンジン回転速度を高め、エネルギ放出後はダンパとして働き、エンジン駆動トルクを平滑化して、始動モータへの負荷を減らしている。これに対し、ゼンマイアシストのないエンジン始動装置の特性１０２は、エンジン回転速度の立ち上がり応答が遅く、また、エンジン駆動トルクの平滑化がほとんど行われず、トルクの変動によって始動モータへの負荷が大きくなる。

図１５は、ゼンマイアシストのあるエンジン始動装置の各要素のギア回転速度を比較したものである。横軸は時間で、縦軸は回転速度である。図１６は、ゼンマイアシストのあるエンジン始動装置において、ゼンマイのトルクと始動モータのトルクとを比較する図である。横軸は時間、縦軸はトルクである。これらの図から、ゼンマイの駆動パワーが、始動モータの駆動パワーを十分にアシストして、始動特性を向上させていることが分かる。

本発明の実施の形態において、ハイブリッド車両に搭載されるエンジン始動装置の構成を説明する図である。 本発明の実施の形態における始動モータの特性図である。 本発明の実施の形態におけるエンジン始動装置の動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態において、作動機構が第１状態と第２状態との間にあるときの各要素の状態を示す図である。 本発明の実施の形態において、作動機構が第１状態と第２状態との間にあるときの遊星歯車機構の状態を示す図である。 本発明の実施の形態において、作動機構が第１状態と第２状態との間にあるときの遊星歯車機構の共線図である。 本発明の実施の形態において、作動機構が第２状態にあるときの各要素の状態を示す図である。 本発明の実施の形態において、作動機構が第２状態にあるときの遊星歯車機構の状態を示す図である。 本発明の実施の形態において、作動機構が第２状態にあるときの遊星歯車機構の共線図である。 本発明の実施の形態において、作動機構が第１状態にあるときの各要素の状態を示す図である。 本発明の実施の形態において、作動機構が第１状態にあるときの遊星歯車機構の状態を示す図である。 本発明の実施の形態において、作動機構が第１状態にあるときの遊星歯車機構の共線図である。 本発明の実施の形態を含んで各種のエンジン始動装置の立ち上がり特性を比較した図である。 本発明の実施の形態におけるゼンマイアシストのあるエンジン始動装置の特性と、従来技術であるゼンマイアシストのない遊星歯車式減速機を備えるエンジン始動装置の特性とを比較した図である。 本発明の実施の形態におけるエンジン始動装置の各要素のギア回転速度を比較した図である。 本発明の実施の形態のエンジン始動装置において、ゼンマイのトルクと始動モータのトルクとを比較する図である。

符号の説明

１０ エンジン始動装置、１１ スタータフロントケース、１２ スタータモータケース、１３ スタータモータリアケース、１４ プランジャケース、１５ プランジャリアケース、２１ 始動モータ、２２ モータ軸、３０ 遊星歯車機構、３１ サンギア、３２ リングギア、３３ ピニオンギア、３４ キャリア、３５ キャリア軸、３６ 遊星減速機ケース、３７ 一方向係合歯、３８ 案内溝、３９ 案内部、４０ 中間機構、４１ 作動駆動軸、４２ スタータピニオン、４５ ワンウェイクラッチ、４８ 始動駆動軸部、５１ プランジャ、５２ プランジャロッド、５５ 溝、６０ 作動機構、６１ ドライブレバー、６２ ピン、６３ 支点、６４ 回転リング、７０ エンジン、７１ フライホイール部ギア、７２ 駆動用モータ、７４ 駆動源、８１ ゼンマイ、８５ ラチェット装置、８７ スタータピニオン回転止め、９０ 機構部、９２ 始動制御部、９４ ＨＶ制御部。

Claims (4)

1. 遊星歯車機構のサンギアに接続される始動モータと、
   遊星歯車機構のキャリアに接続される始動駆動軸部と、
   遊星歯車機構のリングギアと接続され、始動モータの回転方向と逆方向に巻かれることでエネルギを蓄積するゼンマイ機構と、
   始動駆動軸部とエンジン始動軸との間を接続しあるいは接続を解放する始動接続切換手段と、
   始動駆動軸部を固定しあるいは回転自在に解放することでキャリアを固定しあるいは回転自在に切り換えるキャリア固定切換手段と、
   ゼンマイ機構を始動モータの逆回転方向にのみ巻かれるようにするラチェット装置のラチェットを解除する解除機構と、
   始動動作を制御する制御部と、
   を備え、
   制御部は、
   解除機構を作動させない状態で、かつキャリア切換手段によりキャリアを固定状態として、始動モータを起動し、ゼンマイにエネルギを蓄積させる始動モータ起動手段と、
   始動接続切換手段によって始動駆動軸部とエンジン始動軸とを接続状態とし、キャリア固定切換手段によりキャリアを回転自在状態とし、解除機構を作動させてゼンマイの蓄積エネルギを解放し、始動モータの駆動パワーと、解除されたゼンマイの駆動パワーとを重畳させてエンジン始動軸を始動させるエンジン始動手段と、
   を含むことを特徴とするエンジン始動装置。
2. 請求項１に記載のエンジン始動装置において、
   始動切換手段と、キャリア固定切換手段と、解除機構とを連動して作動させる作動機構であって、
   始動切換手段の接続解放状態と、キャリア固定切換手段の固定状態と、解除機構が作動していない状態の第１状態と、
   始動切換手段の接続状態と、キャリア固定切換手段の回転自在状態と、解除機構の作動状態の第２状態との間で作動切換を行なう作動機構を備えることを特徴とするエンジン始動装置。
3. 請求項２に記載のエンジン始動装置において、
   始動駆動軸部は、
   キャリアに直結されるキャリア軸と、
   キャリア軸の回転力を伝えるとともにキャリア軸の軸方向に移動自在の中間機構であって、一方側に作動機構と係合する作動駆動軸を、他方側にキャリア固定切換手段として筐体にかみ合い可能なピニオンを、作動駆動軸とピニオンとの間にワンウェイクラッチを有する中間機構と、
   を含み、
   作動機構が第１状態にあるときには、ピニオンが筐体とかみ合って回転拘束状態とされ、ワンウェイクラッチの作用によりキャリア軸が回転拘束状態となり、
   作動機構が第２状態にあるときには、ピニオンが筐体から解放され回転自在状態とされ、ワンウェイクラッチの作用によりキャリア軸が回転自在となることを特徴とするエンジン始動装置。
4. 請求項３に記載のエンジン始動装置において、
   作動機構は、作動駆動軸を先端に有する揺動アームと、突出位置と引込位置との間で移動して揺動アームを揺動させるプランジャ軸とを含み、
   プランジャ軸は、引込位置にあるときに、ゼンマイ機構に設けられる一方向係合歯とかみ合うラチェット歯を有するラチェット装置を落とし込んでラチェットを解除する解除溝を有し、
   作動機構が第１状態にあるときには、プランジャ軸を突出位置とし、ラチェット装置を解除溝に落とし込まずに、揺動アームを揺動し作動駆動軸によって中間機構を移動させてピニオンを回転拘束状態とし、
   作動機構が第２状態にあるときには、プランジャ軸を引込位置とし、ラチェット装置を解除溝に落とし込んでラチェットを解除し、揺動アームを揺動し作動駆動軸によって中間機構を移動させてピニオンを回転自在状態とすることを特徴とするエンジン始動装置。
   
   

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