JP2009030450A - スタータ始動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の低減と共に、回路構成を簡素化することにより、低コスト化を実現できるスタータ始動回路を提供する。
【解決手段】スタータ始動回路は、電機子２に通電するためのモータ回路と、電磁スイッチのスイッチコイル１６に通電するためのスイッチ回路とで構成される。
スイッチ回路は、５０端子１９とＩＧスイッチ２８との間にＥＣＵ２９が接続され、スイッチコイル１６への通電電流が１２Ａ以下となる様に、ＥＣＵ２９により５０端子１９の印加電圧が制御される。また、スイッチコイル１６は、モータ回路と電気的に分離した１コイルで構成されている。この場合、スイッチ回路にスタータリレーを配置する必要はなく、そのスタータリレーの励磁電流をＥＣＵ２９により制御するためのリレー回路を設ける必要もないので、回路構成を簡素化でき、且つ、ＩＧスイッチ２８を１系統に構成できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、スタータを起動するための始動回路に関する。

従来、エンジンを始動するためのスタータは、電機子に通電されて回転力を発生するモータと、バッテリから流れる電流を電機子に通電するためのモータ回路に設けられるメイン接点を開閉する電磁スイッチとを備え、この電磁スイッチのスイッチコイルが発生する吸引力を利用してシフトレバーを駆動し、そのシフトレバーを介してピニオンとクラッチを一体に反モータ方向へ押し出す方式が知られている（特許文献１参照）。
このスタータは、ピニオンとクラッチが一体に移動する構造であり、その移動体質量が大きいため、必然的に、電磁スイッチの吸引力を大きくする必要がある。これに対し、スイッチコイルに吸引コイルと保持コイルとを有する２コイル式の電磁スイッチが採用されている。

この２コイル式の電磁スイッチでは、プランジャを吸引する際に、吸引コイルと保持コイルの両方に通電してスイッチコイルの合成抵抗を減らすことにより、作動電流を増やして吸引力を大きくしている。プランジャが吸引されてメイン接点が閉じた後は、吸引コイルがメイン接点により短絡された状態となり、保持コイルが発生する磁力だけでプランジャが吸引された状態に保持される。従って、吸引コイルは、メイン接点が閉じるまでの短時間だけ通電される。

しかし、２コイル式の電磁スイッチでは、スイッチコイルに通電される作動電流が大きい（４０Ａ程度）ため、ＥＣＵ（電子制御ユニット）により作動電流を直接制御することができない。
そこで、図６に示す様に、スイッチコイル（吸引コイル１００と保持コイル１１０）の通電用端子１２０（一般に５０端子と呼ばれる）とイグニションスイッチ（以下、ＩＧスイッチ１３０と呼ぶ）との間にスタータリレー１４０を配置して、このスタータリレー１４０の励磁電流をＥＣＵ１５０により制御するスタータ始動回路が知られている。
特許第３４７８２１１号公報

ところが、上記のスタータ始動回路では、スタータリレー１４０を介して通電用端子１２０に通電するためのスイッチ回路と、スタータリレー１４０の励磁電流をＥＣＵ１５０により制御するためのリレー回路とを設ける必要があるため、回路構成が複雑になり、車両システムとしてコストアップの要因となっている。また、スイッチ回路とリレー回路とを接続するために、ＩＧスイッチ１３０を２系統に構成する必要があり、ＩＧスイッチ１３０が複雑で高価になる問題もある。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、部品点数の低減と共に、回路構成を簡素化することにより、低コスト化を実現できるスタータ始動回路を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、主接点の閉成によりバッテリから通電されて電機子に回転力を発生するモータと、始動スイッチの閉操作によりバッテリから通電されるスイッチコイルを内蔵し、このスイッチコイルが発生する磁力を利用して主接点を閉操作する電磁スイッチとを搭載したスタータにおいて、主接点を介してバッテリから電機子に電流を流すためのモータ回路と、始動スイッチを介してバッテリからスイッチコイルに電流を流すためのスイッチ回路とを有し、このスイッチ回路には、バッテリから流れる電流をスイッチコイルに通電するための通電用端子が設けられ、この通電用端子と始動スイッチとの間に、スタータの始動を制御するスタータ制御装置を接続し、このスタータ制御装置により通電用端子に印加される電圧を所定値に制御することを特徴とする。

上記の構成によれば、スタータ制御装置が通電用端子の印加電圧を制御しているので、通電用端子よりスイッチコイルに通電される電流をスタータ制御装置の許容電流（スタータ制御装置に流すことのできる最大電流）以下に抑えることができる。これにより、スイッチ回路にスタータリレーを配置する必要はなく、スタータリレーの廃止に伴い、そのスタータリレーの励磁電流を制御するためのリレー回路も廃止できる。また、始動スイッチにリレー回路を接続する必要もないため、始動スイッチを１系統に構成できる。
上記の結果、部品点数を低減でき、且つ、回路構成を簡素化できるので、スタータ始動回路の低コスト化を図ることができる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載したスタータ始動回路において、スタータ制御装置は、スイッチコイルに流れる電流が１２Ａ以下となる様に、通電用端子の印加電圧を制御していることを特徴とする。
従来のスタータ始動回路に使用されるＥＣＵでは、４０Ａ程度の大きな電流を直接制御することはできないが、１２Ａ以下の電流であれば、１回毎のスタータの作動時間が短い（数秒程度）ため、特に問題は生じない。従って、電磁スイッチの作動電流（スイッチコイルに流れる電流）を１２Ａ以下に抑えることで、スイッチコイルに通電する電流をスタータ制御装置により直接制御することが可能である。
また、スイッチ回路に大電流（例えば４０Ａ程度の電流）を流す必要がないので、スイッチ回路に使用される配線を細線化できるメリットも生じる。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載したスタータ始動回路において、スイッチコイルは、一端側の端部が通電用端子に接続され、他端側の端部がアース側に接続されて、モータ回路と電気的に分離した１コイルで構成されていることを特徴とする。
永久磁石を界磁に使用するモータでは、始動スイッチをＯＦＦした後、モータの惰性回転中に逆起電圧が発生する。この場合、吸引コイルと保持コイルとを有する２コイル式の電磁スイッチでは、スイッチ回路とモータ回路とが電気的に繋がっているため、逆起電圧がスイッチ回路に印加される。その結果、５０端子に電圧波形が発生し、この電圧波形をＥＣＵが検出することで、モータが再度ＯＮしたと誤判定する恐れがある。

これに対し、本発明のスタータ始動回路は、電磁スイッチのスイッチコイルを１コイル化したことにより、モータ回路とスイッチ回路とを電気的に分離できる。この場合、界磁に永久磁石を使用したモータであっても、モータの惰性回転中に発生する逆起電圧がスイッチ回路へ回り込むことはないので、通電用端子の印加電圧をスタータ制御装置が検出することにより、スタータの動作状態を正確に判定することが可能である。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１はスタータ１の始動回路図、図２はスタータ１の一部断面を含む側面図である。
本実施例のスタータ１は、図２に示す様に、内蔵する電機子２（図１参照）に回転力を発生するモータ３と、このモータ３の回転を減速する減速装置４と、この減速装置４にクラッチ５を介して連結される出力軸６と、この出力軸６の外周にヘリカルスプライン嵌合するピニオン７と、バッテリ８（図１参照）から電機子２に通電するためのモータ回路に設けられるメイン接点（後述する）を開閉すると共に、シフトレバー９を介してピニオン７を反モータ方向（図示左方向）へ押し出す働きを有する電磁スイッチ１０等より構成される。
モータ３は、界磁に永久磁石（図示せず）を使用し、整流子（図示せず）に摺接するブラシ１１（図１参照）を介して電機子２に通電される磁石界磁式の整流子電動機である。

減速装置４は、モータ３の電機子軸２ａ（図２参照）と出力軸６とを同一軸線上に配置して減速できる周知の遊星歯車減速装置である。
クラッチ５は、減速装置４で増幅されたモータ３の駆動トルクを出力軸６へ伝達する一方、エンジンが始動してオーバラン状態になると、エンジンの回転トルクが減速装置４を介して電機子２に伝わらない様に、出力軸６と減速装置４との間でトルクの伝達を遮断する一方向クラッチ５として構成されている。
出力軸６は、反モータ側（図示左側）の端部が軸受１２を介してハウジング１３に回転自在に支持され、モータ側の端部がクラッチ５と一体に構成されている。
ピニオン７は、図２に示す停止位置から反モータ方向へ移動してエンジン側のリングギヤ１４に噛み合わされ、出力軸６と一体に回転してリングギヤ１４を回転駆動する。本実施例のピニオン７は、質量１００ｇ以下に形成されている。

電磁スイッチ１０は、通電によって電磁石を形成する周知のソレノイドと、このソレノイドに固定される接点カバー１５とを有し、この接点カバー１５の内部にメイン接点が配置される。
ソレノイドは、以下に詳述するスイッチコイル１６と、このスイッチコイル１６の内周を軸方向（図２の左右方向）に可動するプランジャ１７とを有し、スイッチコイル１６への通電により電磁石が形成されてプランジャ１７が吸引されると、そのプランジャ１７の動きに連動してメイン接点を閉操作する。また、スイッチコイル１６への通電が停止して電磁石の磁力が消滅すると、リターンスプリング１８（図２参照）によりプランジャ１７が押し戻されて、メイン接点を開操作する。

スイッチコイル１６は、一端側の端部が接点カバー１５に固定された通電用端子（以下５０端子１９と呼ぶ）に接続され、他端側の端部がソレノイドケースあるいは磁気回路の一部を形成する固定鉄心等に電気的に接続されてアース側に結線され、モータ回路と電気的に分離した１コイルにより構成されている。つまり、メイン接点を閉操作するためにプランジャ１７を吸引する吸引力と、メイン接点の閉状態を維持するためにプランジャ１７を保持する保持力とを１つのスイッチコイル１６により発生している。
プランジャ１７には、軸方向の反接点側（図２の左側）に凹部が形成され、この凹部には、プランジャ１７の動きをシフトレバー９に伝達するレバーフック２０と、ピニオン７をリングギヤ１４に押し込むための反力を蓄えるドライブスプリング２１とが挿入されている。このドライブスプリング２１に蓄えられる反力をスイッチ押出し力と定義した時に、本実施例のスタータ１では、スイッチ押出し力が７０Ｎ以下に設定されている。

メイン接点は、Ｂ端子ボルト２２を介してモータ回路の高電位側（バッテリ側）に接続されるＢ固定接点２３と、Ｍ端子ボルト２４を介してモータ回路の低電位側（モータ側）に接続されるＭ固定接点２５と、プランジャ１７と一体に可動して両固定接点２３、２５間を断続する可動接点２６とで形成され、この可動接点２６が両固定接点２３、２５に当接して両固定接点２３、２５間が導通することによりメイン接点が閉状態となり、可動接点２６が両固定接点２３、２５から離れて両固定接点２３、２５間の導通が遮断されることによりメイン接点が開状態となる。
Ｂ端子ボルト２２とＭ端子ボルト２４は、共に接点カバー１５に固定され、この接点カバー１５より軸方向に突き出るＢ端子ボルト２２の先端側にバッテリケーブルのターミナルが接続され、同様に、接点カバー１５より軸方向に突き出るＭ端子ボルト２４の先端側にモータリード線のターミナル２７が接続される。なお、モータリード線は、モータ３の内部で正極側のブラシ１１（図１参照）に接続されている。

続いて、スタータ１の始動回路について図１を基に説明する。
本実施例の始動回路は、図１に示す様に、上述のモータ回路（バッテリ８から電機子２に通電するための回路）と、バッテリ８から電磁スイッチ１０のスイッチコイル１６に通電するためのスイッチ回路とで構成される。
スイッチ回路は、５０端子１９とＩＧスイッチ２８との間にスタータ１の始動制御に係わるＥＣＵ２９が接続され、このＥＣＵ２９により５０端子１９に印加される電圧が所定値（本実施例では１２Ｖ）に制御されている。

なお、５０端子１９とＥＣＵ２９との間にニュートラルスイッチ３０を配置しても良い。このニュートラルスイッチ３０は、変速機のシフト位置がニュートラルの時にオン状態となり、ニュートラル以外の時はオフ状態となる。従って、ニュートラルスイッチ３０がオフ状態の時は、ＩＧスイッチ２８をオン操作しても、５０端子１９に通電されることはない。すなわち、ニュートラルスイッチ３０がオン状態の時に、ＩＧスイッチ２８がオン操作されると、バッテリ８から流れる電流が、ＥＣＵ２９を介して５０端子１９に通電される。

ところで、バッテリ８から５０端子１９に印加される電圧が１２Ｖの時に、５０端子１９を通じてスイッチコイル１６に流れる電流を作動電流と定義した時、その作動電流は、ＥＣＵ２９により１２Ａ以下に制御される。この作動電流は、ピニオン７の質量を基に決定される。
つまり、本実施例のスタータ１は、電磁スイッチ１０の吸引力を利用してピニオン７だけを押し出す（クラッチ５は移動しない）方式であり、そのピニオン７の質量が１００ｇ以下に設定されている。ここで、例えば、ピニオン７とリングギヤ１４との噛合い寿命を５万回と設定した場合に、この噛合い寿命を１００％満足するためには、図３に示す様に、スイッチ押出し力を７０Ｎ以下、電磁スイッチ１０の作動電流を１２Ａ以下に設定する必要がある。なお、ピニオン７の質量は、歯数を少なくすることで小さくできるが、例えば、歯数が７枚以下になると、歯底強度が不足するため、最低でも４０ｇ以上の質量は必要となる。歯数で言うと、８枚〜１１枚の間で選択できる。

次に、スタータ１の作動を説明する。
ＩＧスイッチ２８のオン操作により、スイッチコイル１６に通電されてプランジャ１７が吸引されると、そのプランジャ１７の動きがシフトレバー９を介してピニオン７に伝達される。これにより、ピニオン７は、出力軸６上をヘリカルスプラインに沿って反モータ方向へ押し出され、ピニオン７の端面がリングギヤ１４の端面に当接して一旦停止する。 その後、ドライブスプリング２１に反力を蓄えながら、プランジャ１７が更に移動してメイン接点を閉じると、バッテリ８からモータ３に通電されて電機子２に回転力が発生する。この電機子２の回転は、減速装置４により減速され、クラッチ５を介して出力軸６に伝達される。

出力軸６の回転により、ピニオン７とリングギヤ１４との端面同士が当接したまま、ピニオン７がリングギヤ１４に噛み合い可能な位置まで回転すると、ドライブスプリング２１に蓄えられた反力（スイッチ押出し力）により、ピニオン７が押し出されてリングギヤ１４に噛み合わされる。これにより、減速装置４で増幅されたモータ３の駆動トルクがピニオン７からリングギヤ１４に伝達されて、エンジンをクランキングする。
クランキングからエンジンが完爆して、エンジン回転数がスタータ回転数を上回ると、クラッチ５が空転することにより、エンジンの回転が減速装置４を介して電機子２に伝達されることはなく、電機子２のオーバランを防止できる。

エンジン始動後、ＩＧスイッチ２８がオフ操作されると、スイッチコイル１６への通電が停止して吸引力が消滅するため、リターンスプリング１８の反力でプランジャ１７が押し戻される。その結果、メイン接点が開いて、バッテリ８からモータ３への通電が停止されるため、電機子２の回転が次第に減速して停止する。
また、プランジャ１７が押し戻されると、エンジン始動時とは反対方向にシフトレバー９が揺動して、ピニオン７を押し出す力が解消されるため、ピニオン７は、ピニオンスプリング３１（図２参照）に付勢されて、リングギヤ１４から離脱した後、図２に示す停止位置まで押し戻される。

（実施例１の効果）
本実施例の電磁スイッチ１０は、１つのスイッチコイル１６でプランジャ１７を吸引する吸引力と、プランジャ１７を保持する保持力とを発生する１コイル式であるため、吸引コイルと保持コイルとを有する２コイル式の従来技術と比較して、コイル数を減らすことができ、且つ、スイッチコイル１６とＭ端子ボルト２４との間を電気的に接続する必要もない。これにより、従来の吸引コイルとＭ端子ボルトとを電気的に接続するための接続用ターミナルを廃止でき、且つ、接続用ターミナルに吸引コイルの端部を溶接等により接続する工程も不要である。その結果、部品点数の削減、および、工数の低減によりコストを低く抑えることができる。

また、本実施例のスタータ１は、クラッチ５とは別にピニオン７だけを押し出す方式であり、且つ、そのピニオン７の質量を１００ｇ以下、スイッチ押出し力を７０Ｎ以下に設定している。これにより、ピニオン７を反モータ方向へ押し出すために必要な電磁スイッチ１０の吸引力、つまり、スイッチコイル１６が発生する磁力を小さくできるので、１コイル式であっても、２コイル式と同等、あるいは、それ以上に電磁スイッチ１０の小型・軽量化が可能である。
また、電磁スイッチ１０の吸引力を小さくできるので、電磁スイッチ１０の作動電流を１２Ａ以下に抑えることができる。これにより、電磁スイッチ１０の作動電流をＥＣＵ２９により直接制御できるため、スイッチ回路にスタータリレーを使用する必要はなく、且つ、ＩＧスイッチ２８を１系統に構成して簡素化できるので、コストダウンを図ることができる。更に、スイッチ回路に大電流（例えば４０Ａ程度の電流）を流す必要がないので、スイッチ回路に使用される配線を細線化できるメリットもある。

また、永久磁石を界磁に使用するモータ３では、ＩＧスイッチ２８をＯＦＦした後、モータ３の惰性回転中に逆起電圧が発生する。この場合、吸引コイルと保持コイルとを有する２コイル式の電磁スイッチでは、スイッチ回路とモータ回路とが電気的に繋がっているため、逆起電圧がスイッチ回路に印加される。その結果、図４に示す様に、５０端子に電圧波形（図中丸で囲む部分）が発生し、この電圧波形をＥＣＵが検出することで、モータが再度ＯＮしたと誤判定する恐れがある。

これに対し、本実施例では、電磁スイッチ１０のスイッチコイル１６を１コイル化したことにより、モータ回路とスイッチ回路とを電気的に分離できる。つまり、スイッチコイル１６がモータ回路に繋がっていないので、逆起電圧がスイッチ回路に回り込むことはない。これにより、図５に示す様に、５０端子１９に逆起電圧が印加されることは無いので、ＥＣＵ２９により５０端子１９への印加電圧が「０Ｖ」になったことを検出して、５０端子１９への通電停止を瞬時に判定することができる。

スタータの始動回路図である。 スタータの一部断面を含む側面図である。 ピニオン質量とスイッチ押出し力とスイッチ電流との相関図である。 従来技術に係る５０端子の電圧波形図である。 本発明に係る５０端子の電圧波形図である。 従来技術に係るスタータの始動回路図である。

符号の説明

１ スタータ
２ 電機子
３ モータ
８ バッテリ
１０ 電磁スイッチ
１６ スイッチコイル
１９ ５０端子（通電用端子）
２３ Ｂ固定接点（主接点）
２５ Ｍ固定接点（主接点）
２６ 可動接点（主接点）
２８ ＩＧスイッチ（始動スイッチ）
２９ ＥＣＵ（スタータ制御装置）

Claims (3)

1. 主接点の閉成によりバッテリから通電されて電機子に回転力を発生するモータと、
   始動スイッチの閉操作により前記バッテリから通電されるスイッチコイルを内蔵し、このスイッチコイルが発生する磁力を利用して前記主接点を閉操作する電磁スイッチとを搭載したスタータにおいて、
   前記主接点を介して前記バッテリから前記電機子に電流を流すためのモータ回路と、
   前記始動スイッチを介して前記バッテリから前記スイッチコイルに電流を流すためのスイッチ回路とを有し、
   このスイッチ回路には、前記バッテリから流れる電流を前記スイッチコイルに通電するための通電用端子が設けられ、この通電用端子と前記始動スイッチとの間に、前記スタータの始動を制御するスタータ制御装置を接続し、このスタータ制御装置により前記通電用端子に印加される電圧を所定値に制御することを特徴とするスタータ始動回路。
2. 請求項１に記載したスタータ始動回路において、
   前記スタータ制御装置は、前記スイッチコイルに流れる電流が１２Ａ以下となる様に、前記通電用端子の印加電圧を制御していることを特徴とするスタータ始動回路。
3. 請求項１または２に記載したスタータ始動回路において、
   前記スイッチコイルは、一端側の端部が前記通電用端子に接続され、他端側の端部がアース側に接続されて、前記モータ回路と電気的に分離した１コイルで構成されていることを特徴とするスタータ始動回路。

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