JP2009121292A - バルブタイミング調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブタイミングの適正化と熱破損の抑制とを両立させるバルブタイミング調整装置の提供。
【解決手段】バルブタイミングを決める機関位相が電動モータ４のモータ軸１０２の回転状態に応じて調整される構成下、モータ軸１０２の実回転方向Ｄｒ及び目標回転方向Ｄｔが一致する場合に通電駆動部７８は、オン対象のスイッチング素子として選択した選択素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷのオンオフをデューティ制御することにより、電動モータ４のステータコイル１０９に通電し、実回転方向Ｄｒ及び目標回転方向Ｄｔが相反する場合に通電駆動部７８は、デューティ制御による選択素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷのオンデューティを、ステータコイル１０９への通電によりモータ軸１０２を回転させるための下限値未満に設定する。
【選択図】図６

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調整するバルブタイミング調整装置に関する。

従来、電動モータのモータ軸に連結させた位相調整機構を用いて、モータ軸の回転状態に応じてクランク軸及びカム軸の間の相対位相（以下、「機関位相」という）を調整するようにしたバルブタイミング調整装置が知られている。例えば、特許文献１に開示の装置では、通電により励磁して磁界を発生する電動モータのステータコイルにスイッチング素子を複数接続して、オンするスイッチング素子を切換えることにより、当該発生磁界の作用するモータ軸を回転させている。これによれば、スイッチング素子のオンオフ制御に従うようにしてモータ軸を回転駆動することができるので、機関位相によって決まるバルブタイミングを内燃機関の運転状態に合わせて逐次適正化することが可能となる。
特開２００４−３５０４４６号公報

ところで、特許文献１に開示の装置では、ステータコイルの発生磁界の中でモータ軸が回転することにより、誘起電圧がステータコイルに発生する。このとき、オンするスイッチング素子の切換順を決めるモータ軸の目標回転方向に対してモータ軸の実回転方向が一致する場合には、スイッチング素子のオンによりステータコイルに印加される電圧と反対方向に誘起電圧が発生する。これにより、オン状態のスイッチング素子には、印加電圧と誘起電圧との差に応じた電流が流れることになる。

一方、モータ軸の実回転方向が目標回転方向と相反する場合には、スイッチング素子のオンによりステータコイルに印加される電圧と同一方向に誘起電圧が発生する。これにより、オン状態のスイッチング素子には、印加電圧と誘起電圧との和に応じた大電流が継続的に流れることになるため、当該スイッチング素子が発熱して熱破損するおそれがあった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、バルブタイミングの適正化と熱破損の抑制とを両立させる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調整するバルブタイミング調整装置であって、通電により励磁して磁界を発生するステータコイルと、当該磁界の作用により回転するモータ軸とを有する電動モータと、ステータコイルに接続される複数のスイッチング素子と、オンするスイッチング素子を切換えることにより、ステータコイルに通電してモータ軸を回転駆動する通電駆動手段と、モータ軸の回転状態に応じて機関位相を調整する位相調整機構と、を備えるバルブタイミング調整装置において、モータ軸の実回転方向及び目標回転方向が一致する場合に通電駆動手段は、オン対象のスイッチング素子として選択した選択素子のオンオフをデューティ制御することにより、ステータコイルに通電し、モータ軸の実回転方向及び目標回転方向が相反する場合に通電駆動手段は、デューティ制御による選択素子のオンデューティを、ステータコイルへの通電によりモータ軸を回転させるための下限値未満に設定することを特徴とする。

このような請求項１に記載の発明によると、モータ軸の実回転方向及び目標回転方向が一致する場合、複数のスイッチング素子のうちオン対象として選択された選択素子のオンオフがデューティ制御されることにより、ステータコイルが通電される。これによれば、励磁したステータコイルの発生磁界がモータ軸に作用するため、選択素子のデューティ制御に従うようにしてモータ軸が回転駆動され、その回転状態に応じて機関位相が調整されることになる。またこのときには、ステータコイルに発生する誘起電圧とステータコイルに対する印加電圧との差に応じた電流が、選択素子を含むオン状態のスイッチング素子に流れることとなる。したがって、実回転方向及び目標回転方向が一致する場合には、スイッチング素子に流れる電流の大きさを抑えて熱破損を回避しつつ、内燃機関の運転状態に合わせて逐次的にバルブタイミングを適正化することが可能である。

また、請求項１に記載の発明によると、モータ軸の実回転方向及び目標回転方向が相反する場合、デューティ制御による選択素子のオンデューティは、ステータコイルへの通電によりモータ軸を回転させるための下限値未満に設定される。これによれば、励磁したステータコイルの発生磁界によるモータ軸の回転は生じないが、ステータコイルに誘起電圧が発生することにより、モータ軸が実回転方向とは相反する目標回転方向に制動されて、機関位相が調整されることになる。またこのときには、ステータコイルに対する印加電圧が下限値未満のオンデューティに対応した低電圧に抑えられるので、オン状態のスイッチング素子に印加電圧及び誘起電圧の和に応じて流れる電流が可及的に制限される。したがって、実回転方向及び目標回転方向が相反する場合には、大電流の継続的な流通によりスイッチング素子が発熱して熱破損に至る事態を抑制しつつ、内燃機関の運転状態に対して適正なバルブタイミングを実現することが可能である。

以上、請求項１に記載の発明によれば、バルブタイミングの適正化と熱破損の抑制とを両立させることができるのである。

請求項２に記載の発明によると、位相調整機構は、クランク軸からのトルク伝達により正回転し且つモータ軸と共に正逆回転する入力回転体を有し、それらモータ軸及び入力回転体の回転状態に応じて機関位相を調整し、実回転方向が正回転方向であり且つ目標回転方向が逆回転方向である場合に通電駆動手段は、デューティ制御による選択素子のオンデューティを、ステータコイルへの通電によりモータ軸を回転させるための下限値未満に設定する。

このように、一方向回転のクランク軸からのトルク伝達によって正回転する入力回転体と共にモータ軸が正逆回転し、それらモータ軸及び入力回転体の回転状態に応じて機関位相が調整される構成では、逆回転する頻度よりも、正回転する頻度が多くなる。そこで、モータ軸の実回転方向が正回転方向であり且つ目標回転方向が逆回転方向である場合に、デューティ制御による選択素子のオンデューティが、ステータコイルへの通電によるモータ軸回転のための下限値未満に設定されることによれば、熱破損の可能性を効果的に下げることができるのである。

請求項３に記載の発明によると、位相調整機構は、入力回転体の逆回転を規制して機関位相を位相端に止めるストッパを有する。このような構成では、クランク軸からのトルク伝達により入力回転体がモータ軸と共に正回転しているときに、モータ軸の目標回転方向を逆回転方向として入力回転体の逆回転をストッパにより規制することで、機関位相を位相端に止めることができる。この場合、モータ軸の実回転方向及び目標回転方向が相反することになるが、デューティ制御による選択素子のオンデューティが、ステータコイルへの通電によるモータ軸回転のための下限値未満に設定されるので、スイッチング素子の熱破損を抑制することができるのである。

請求項４に記載の発明によると、モータ軸の実回転方向及び目標回転方向が相反する場合に通電駆動手段は、ステータコイルへの通電によりモータ軸を回転させるための下限値未満となる零値に、デューティ制御による選択素子のオンデューティを設定する。このように、選択素子のオンデューティが零値に設定されることによれば、ステータコイルに対する印加電圧を消失させることができるので、オン状態のスイッチング素子に流れる電流は、実質的に誘起電圧に応じた分に制限される。しかも、オンデューティが零値に設定された選択素子では、オンオフ状態にばらつきが生じ難い。これらのことから、実回転方向及び目標回転方向が相反する場合には、熱破損に対する高い抑制効果を確実に享受することができるのである。

請求項５に記載の発明によると、電源に対してスイッチング素子が直列に接続されてなるアームを複数備え、高圧側のスイッチング素子及び低圧側のスイッチング素子の間となる各アームの中点にステータコイルが接続され、通電駆動手段は、高圧側及び低圧側のうち一方の側のスイッチング素子をオンする期間に、当該一方の側のスイッチング素子が属するアームとは相異なるアームにおいて、高圧側及び低圧側のうち他方の側のスイッチング素子を選択素子とする。これによれば、ステータコイルに接続の中点を挟んで高圧側のスイッチング素子がオンするアームと、当該中点を挟んで低圧側のスイッチング素子がオンするアームとが相異なるので、それらスイッチング素子に大電流が流れて熱破損を招く事態を抑制することができる。しかも、相異なるアームにてオンする高圧側及び低圧側のスイッチング素子のうちのいずれかが選択素子とされるので、これによっても、スイッチング素子に大電流が流れて熱破損を招く事態を抑制することができるのである。

尚、高圧側及び低圧側のうち一方の側のスイッチング素子をオンする期間においては、当該一方の側のスイッチング素子を継続的にオンするようにしてもよいし、当該一方の側のスイッチング素子を断続的にオンするようにしてもよい。

図１は、本発明の一実施形態によるバルブタイミング調整装置１を示している。バルブタイミング調整装置１は車両に搭載され、内燃機関のクランク軸（図示しない）からカム軸２へ機関トルクを伝達する伝達系に設置されている。尚、本実施形態においてカム軸２は、内燃機関の「動弁」のうち吸気弁（図示しない）を開閉するものであり、バルブタイミング調整装置１は当該吸気弁のバルブタイミングを調整する。

（基本的構成）
以下、バルブタイミング調整装置１の基本的構成について説明する。

バルブタイミング調整装置１は、電動モータ４、通電制御回路部６及び位相調整機構８等を組み合わせてなり、クランク軸及びカム軸２の機関位相によって決まるバルブタイミングを調整する。

図１，２に示すように、電動モータ４はブラシレスの永久磁石型同期モータであり、モータケース１００、軸受１０１、モータ軸１０２及びモータステータ１０３を備えている。モータケース１００は、内燃機関の固定節（例えばチェーンケース）に取り付けられる。中空のモータケース１００内には、二つの軸受１０１及びモータステータ１０３が収容固定されている。各軸受１０１は、モータ軸１０２の軸本体１０４を回転自在に支持している。モータ軸１０２においてロータ部１０５は、軸本体１０４から外周側へ突出する円環板状に磁性材によって形成されている。このロータ部１０５には、モータ軸１０２の回転方向に等間隔に並ぶ形態で永久磁石１０６が複数設けられている。これにより各永久磁石１０６は、モータ軸１０２と共に正逆回転可能となっている。回転方向において隣り合う永久磁石１０６同士は、互いに逆極性の磁極をロータ部１０５の外周側に形成している。モータステータ１０３はロータ部１０５の外周側に同心上に配置されており、ステータコア１０８及びステータコイル１０９を有している。ステータコア１０８は金属片を積層して形成され、モータ軸１０２の回転方向に等間隔に複数設けられている。ステータコイル１０９は、各ステータコア１０８に個別に巻装されている。

図１に示す通電制御回路部６は、電動モータ４の各ステータコイル１０９に電気的に接続されており、それらステータコイル１０９への通電を内燃機関の運転状態に応じて制御する。この通電制御を受けて電動モータ４は、各永久磁石１０６に作用する磁界を各ステータコイル１０９の励磁により発生することで、モータ軸１０２を図２の時計方向又は反時計方向へ回転駆動する。ここで本実施形態では、モータ軸１０２に関して、図２の時計方向及び反時計方向をそれぞれ正回転方向及び逆回転方向と定義している。

図１に示すように位相調整機構８は、駆動側回転体１０、従動側回転体２０、遊星キャリア４０及び遊星歯車５０を備えている。

図１，３，４に示すように、駆動側回転体１０は、歯車部材１２及びスプロケット１３を同軸上に螺子止めしてなり、位相調整機構８の他の構成要素２０，４０，５０を内部に収容している。円筒状を呈する歯車部材１２の周壁部は、歯底円の内周側に歯先円を有する駆動側内歯車部１４を形成している。

円筒状を呈するスプロケット１３の周壁部には、径方向外側へ突出する歯１９が回転方向に複数形成されている。スプロケット１３は、それらの歯１９とクランク軸の複数の歯との間で環状のタイミングチェーンが掛け渡されることにより、クランク軸と連繋する。したがって、クランク軸から出力された機関トルクがタイミングチェーンを通じてスプロケット１３へ入力されるときに駆動側回転体１０は、クランク軸と共に図３，４の時計方向へ回転する。

図１，４に示すように、従動側回転体２０は有底円筒状を呈し、駆動側回転体１０の内周側に同心上に嵌合している。従動側回転体２０の底壁部は、螺子止めによってカム軸２に同軸上に連結される連結部２１を形成している。この連結により従動側回転体２０は、カム軸２と共に図３，４の時計方向へ回転する。以上より本実施形態では、モータ軸１０２の正回転方向が内燃機関の回転方向と同一方向、またモータ軸１０２の逆回転方向が内燃機関の回転方向とは相反する方向となっている。

従動側回転体２０の周壁部は、歯底円の内周側に歯先円を有する従動側内歯車部２２を形成している。ここで、従動側内歯車部２２の内径は駆動側内歯車部１４の内径よりも小さく設定され、また従動側内歯車部２２の歯数は駆動側内歯車部１４の歯数よりも少なく設定されている。従動側内歯車部２２は、駆動側内歯車部１４に対して軸方向へずれて配置されている。

図１，３，４に示すように、「入力回転体」としての遊星キャリア４０は、全体として筒状を呈しており、内周面部によって入力部４１を形成している。入力部４１は、回転体１０，２０及びモータ軸１０２に対して同心上に配置されている。入力部４１には、継手４３が嵌合する嵌合溝４２が形成され、当該継手４３を介してモータ軸１０２の軸本体１０４が遊星キャリア４０に連結されている。この連結により遊星キャリア４０は、モータ軸１０２と共に正逆回転する。

遊星キャリア４０はさらに、入力部４１に対して偏心する外周面部によって偏心部４４を形成している。偏心部４４は、遊星歯車５０の中心孔５１の内周側にベアリング４５を介して嵌合している。これにより遊星歯車５０は、駆動側内歯車部１４に対する遊星キャリア４０の相対回転に応じて遊星運動可能に、偏心部４４によって支持されている。ここで遊星運動とは、遊星歯車５０が偏心部４４の偏心中心線周りに自転しつつ、遊星キャリア４０の回転方向へ公転する遊星運動をいう。

遊星歯車５０は段付円筒状に形成され、歯底円の外周側に歯先円を有する駆動側外歯車部５２及び従動側外歯車部５４をそれぞれ大径部分及び小径部分によって形成している。駆動側外歯車部５２及び従動側外歯車部５４の歯数は、それぞれ駆動側内歯車部１４及び従動側内歯車部２２の歯数よりも同数ずつ少なくなるように設定されている。駆動側外歯車部５２は駆動側内歯車部１４の内周側に配置されて、当該歯車部１４と噛み合っている。また、駆動側外歯車部５２よりも連結部２１側の従動側外歯車部５４は従動側内歯車部２２の内周側に配置されて、当該歯車部２２と噛み合っている。

このように回転体１０，２０間を歯車連繋してなる位相調整機構８は、モータ軸１０２及び遊星キャリア４０の回転状態に応じて機関位相を調整することとなる。

具体的には、機関トルクの伝達等によりモータ軸１０２及び遊星キャリア４０が駆動側回転体１０と同速に正回転し、遊星キャリア４０が駆動側内歯車部１４に対して相対回転しないときには、遊星歯車５０が遊星運動せずに回転体１０，２０と共に回転する。したがって、機関位相は保持されることになる。

一方、モータ軸１０２及び遊星キャリア４０が駆動側回転体１０よりも高速に正回転することにより、遊星キャリア４０が駆動側内歯車部１４に対して進角側へ相対回転するときには、遊星歯車５０の遊星運動により従動側回転体２０が駆動側回転体１０に対する進角側へ相対回転する。したがって、機関位相は進角することになる。

また一方、モータ軸１０２及び遊星キャリア４０が駆動側回転体１０よりも低速に正回転又は逆回転することにより、遊星キャリア４０が駆動側内歯車部１４に対して遅角側へ相対回転するときには、遊星歯車５０の遊星運動により従動側回転体２０が駆動側回転体１０に対して遅角側へ相対回転する。したがって、機関位相は遅角することになる。

（特徴的構成）
以下、バルブタイミング調整装置１の特徴的構成について説明する。

まず、位相調整機構８の特徴的構成を説明する。

図１，４に示すように、位相調整機構８は、ストッパ溝１１０及びストッパ突起１２０を「ストッパ」として有している。具体的には、駆動側回転体１０のスプロケット１３には、内周面に開口して回転方向に円弧状に延伸するストッパ溝１１０が形成されている。また、従動側回転体２０には、従動側内歯車部２２の径方向外側へ突出するストッパ突起１２０が形成されている。ストッパ突起１２０は、駆動側回転体１０内においてストッパ溝１１０に挿入されており、回転体１０，２０の回転方向に揺動可能となっている。

ここで、ストッパ突起１２０よりも遅角側にあるストッパ面１１０ａに対して、ストッパ面１２０ａが図４の如く当接するときには、駆動側回転体１０に対して従動側回転体２０を遅角側へ相対回転させるモータ軸１０２及び遊星キャリア４０の逆回転が規制される。これにより機関位相は、最も遅角側の位相端に止められることとなる。

一方、ストッパ突起１２０よりも進角側にあるストッパ面１１０ｂに対して、ストッパ面１２０ｂが当接するときには、駆動側回転体１０に対して従動側回転体２０を進角側へ相対回転させるモータ軸１０２及び遊星キャリア４０の正回転が規制される。これにより機関位相は、最も進角側の位相端に止められることとなるのである。

次に、電動モータ４の特徴的構成を説明する。図１，５に示すように電動モータ４は、三つの回転角度センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷを備えている。

各回転角度センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷは、例えばホール素子等からなり、モータ軸１０２の回転方向に所定間隔をあけて位置決めされている。各回転角度センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷは、モータ軸１０２に装着されたセンサ磁石１０７が磁極Ｎ，Ｓによって発生する磁界を感知することで、モータ軸１０２の実回転角度θを表す検出信号を出力する。

次に、通電制御回路部６の特徴的構成を説明する。図５に示すように通電制御回路部６は、制御回路６０及びモータ駆動回路７０を備えている。本実施形態において制御回路６０は電動モータ４の外部に、またモータ駆動回路７０は電動モータ４の内部に配置されているが、それら回路６０，７０の双方を電動モータ４の外部又は内部に纏めて配置するようにしてもよい。

制御回路６０はマイクロコンピュータを主体に構成されており、モータ駆動回路７０と電気的に接続されている。制御回路６０は、内燃機関を制御する機能と共に、電動モータ４への通電を制御する機能を備えている。具体的に制御回路６０は、モータ駆動回路７０から与えられるモータ軸１０２の実回転方向Ｄｒ及び実回転数Ｓｒ等に基づいて実バルブタイミングを算出すると共に、内燃機関の運転状態等に基づいて目標バルブタイミングを算出する。さらに制御回路６０は、算出した実バルブタイミング及び目標バルブタイミングの間の位相差に基づいて、モータ軸１０２の目標回転方向Ｄｔ及び目標回転数Ｓｔをそれぞれ設定し、それらの設定結果を表す制御信号をモータ駆動回路７０へ出力する。

モータ駆動回路７０には、信号生成ブロック７２及び通電ブロック７４が設けられている。尚、本実施形態において各ブロック７２，７４は、専用の電気回路要素によってハード的に構成されている。

信号生成ブロック７２は、電動モータ４の各回転角度センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷ、制御回路６０及び通電ブロック７４と電気的に接続されている。信号生成ブロック７２は、モータ軸１０２の実回転角度θを表す各回転角度センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷの検出信号に基づいて、モータ軸１０２の実回転方向Ｄｒ及び実回転数Ｓｒをそれぞれ算出し、それらの算出結果を表すモータ回転信号を制御回路６０及び通電ブロック７４へ出力する。

図６に示すように通電ブロック７４は、インバータ部７６及び通電駆動部７８を備えている。

インバータ部７６は、三つのアームＡＵ，ＡＶ，ＡＷを有する三相ブリッジ回路からなる。各アームＡＵ，ＡＶ，ＡＷは、上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷと下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷとを、符号の末尾が同じもの同士で電気的に接続してなる。各アームＡＵ，ＡＶ，ＡＷにおいて上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ側の端部は、高圧側電源ラインＬＨを介して「電源」としての車両のバッテリ８０と電気的に接続されている。一方、各アームＡＵ，ＡＶ，ＡＷにおいて下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷ側の端部は、負荷抵抗素子Ｒ及び低圧側電源ラインＬＬを介して接地されている。以上により各アームＡＵ，ＡＶ，ＡＷは、対応する上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ及び下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷ同士をバッテリ８０に対して直列に接続した形となっている。

各アームＡＵ，ＡＶ，ＡＷを構成するスイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ，ＧＵ，ＧＶ，ＧＷは、本実施形態ではいずれも電界効果トランジスタであり、電圧レベルがハイの駆動信号によってオン且つ電圧レベルがローの駆動信号によってオフされる。各アームＡＵ，ＡＶ，ＡＷにおいて、高圧側の上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ及び低圧側の下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷの間となる中点ＭＵ，ＭＶ，ＭＷには、スター結線されている複数のステータコイル１０９のうち対応するものが電気的に接続されている。

「通電駆動手段」としての通電駆動部７８は、本実施形態ではＩＣからなり、制御回路６０、信号生成ブロック７２及び各スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ，ＧＵ，ＧＶ，ＧＷと電気的に接続されている。通電駆動部７８は、制御回路６０から与えられる目標回転方向Ｄｔ及び目標回転数Ｓｔと、信号生成ブロック７２から与えられる実回転方向Ｄｒ及び実回転数Ｓｒとに基づいて、各スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ，ＧＵ，ＧＶ，ＧＷを個別にオンオフする。その結果、オンするスイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ，ＧＵ，ＧＶ，ＧＷが切り換えられて各ステータコイル１０９が所定順序で通電されることにより、ロータ部１０５に作用するトルク（以下、「モータトルク」という）が発生し、モータ軸１０２が回転することとなる。

（特徴的作動）
以下、バルブタイミング調整装置１の特徴的作動について説明する。

通電駆動部７８は、図７，８に示すように、各スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ，ＧＵ，ＧＶ，ＧＷへ与える駆動信号の電圧レベルの組み合わせパターン（以下、「通電パターン」という）ｉ〜ｖｉを切換えることにより、モータトルクを調整する。尚、図７，８に示す各通電パターンｉ〜ｖｉでは、駆動信号の電圧レベルを継続的にハイにする場合をＨ、駆動信号の電圧レベルを継続的にローにする場合をＬ、駆動信号の電圧レベルをパルス幅変調によりデューティ制御する場合をＰとして、表している。

具体的には、実回転方向Ｄｒ及び目標回転方向Ｄｔが共に正回転方向の場合に通電駆動部７８は、図７に示す通電パターンを順方向へ切換えることにより、正回転中のモータ軸１０２に作用する正回転方向のモータトルクを発生させる。また、実回転方向Ｄｒ及び目標回転方向Ｄｔが共に逆回転方向の場合に通電駆動部７８は、図８に示す通電パターンを逆方向へ切換えることにより、逆回転中のモータ軸１０２に作用する逆回転方向のモータトルクを発生させる。

このように方向Ｄｒ，Ｄｔが一致するいずれの場合においても、図９に示すように通電駆動部７８は、「選択素子」として通電パターンｉ〜ｖｉ毎に選択した下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷへの駆動信号について、オンデューティＤｏｎを回転数Ｓｔ，Ｓｒの差に基づき可変制御する。ここで、図１０に示すようにオンデューティＤｏｎは、駆動信号の一周期Ｔｄｒｖのうち電圧レベルがハイ（Ｈ）となることで下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷが継続してオンする時間Ｔｏｎの割合（％）を、表している。

以上、方向Ｄｒ，Ｄｔが一致する場合には、通電パターンｉ〜ｖｉ毎に選択の下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷに対するデューティ制御に従うようにして、モータ軸１０２が目標回転方向Ｄｔへ回転駆動されるので、その回転状態に応じて機関位相が調整されることとなる。このとき、スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ，ＧＵ，ＧＶ，ＧＷのうちオン状態の素子に流れる電流は、ステータコイル１０９に対する印加電圧と当該コイル１０９に発生する誘起電圧との差に応じた分となる。これらのことから、スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ，ＧＵ，ＧＶ，ＧＷの流通電流を小さく抑えて熱破損を回避しつつも、内燃機関の運転状態に合わせてバルブタイミングを逐次適正化することができるのである。

一方、実回転方向Ｄｒ及び目標回転方向Ｄｔがそれぞれ逆回転方向及び正回転方向の場合に通電駆動部７８は、図７に示す通電パターンを逆方向へ切換えることにより、逆回転中のモータ軸１０２に正回転方向の制動をかけるモータトルクを発生させる。また、実回転方向Ｄｒ及び目標回転方向Ｄｔがそれぞれ正回転方向及び逆回転方向の場合に通電駆動部７８は、図８に示す通電パターンを順方向へ切換えることにより、正回転中のモータ軸１０２に逆回転方向の制動をかけるモータトルクを発生させる。

このように方向Ｄｒ，Ｄｔが相反するいずれの場合においても、図９に示すように通電駆動部７８は、通電パターンｉ〜ｖｉ毎に選択した下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷへの駆動信号について、オンデューティＤｏｎを所定値Ｄｏｎｓに強制制御する。ここで、図１１に示すように値Ｄｏｎｓは、各ステータコイル１０９への通電によってはモータ軸１０２を回転させない値となるように、当該通電によりモータ軸１０２を回転駆動するための下限値Ｄｏｎｌ（例えば５％）未満に設定する。そして、特に好ましくは、下限値Ｄｏｎｌ未満の零値（０％）に値Ｄｏｎｓを設定することになるのである。これは、オンデューティＤｏｎを零値に設定して駆動信号の電圧レベルを継続的にローとすることにより、当該駆動信号を受ける下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷのオンオフ状態にばらつきが生じることを防止できるからである。

以上、方向Ｄｒ，Ｄｔが相反する場合には、通電パターンｉ〜ｖｉ毎に選択の下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷがオンデューティＤｏｎｓにて制御されることにより、誘起電圧がステータコイル１０９に発生する。その結果、誘起電圧が負荷抵抗素子Ｒ、ステータコイル１０９等を通じて消費されることにより、モータ軸１０２が目標回転方向Ｄｔの制動を受けることになるので、機関位相が変化する。このとき、ステータコイル１０９に対する印加電圧はオンデューティＤｏｎｓに対応する低電圧に抑えられるため、スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ，ＧＵ，ＧＶ，ＧＷのうちオン状態の素子を印加電圧及び誘起電圧の和に応じて流れる電流は、可及的に制限される。特にオンデューティＤｏｎｓが零値の場合、ステータコイル１０９に対する印加電圧が消失するので、実質的に誘起電圧に応じた分に制限された電流がオン状態の上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷにのみ流れることとなる。これらのことから、スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ，ＧＵ，ＧＶ，ＧＷに継続的に大電流が流れて熱破損を招く事態を、特別な短絡回路を用いることなく抑制しつつ、内燃機関の運転状態に対して適正なバルブタイミングを実現することができるのである。

ここで本実施形態では、例えば内燃機関の定常運転時等にストッパ溝１１０及びストッパ突起１２０のストッパ面１１０ａ，１２０ａ同士を当接させて、機関位相を最も遅角側の位相端に保持することにより、燃費及び出力の向上を図ることがある。また、本実施形態では、例えば内燃機関の始動直後等にストッパ面１１０ａ，１２０ａ同士を当接させて機関位相を最遅角側の位相端に保持した状態下、当該位相端を機関位相の零点として学習することがある。このように機関位相を最遅角側の位相端に保持する場合、モータ軸１０２の正回転中に目標回転方向Ｄｔを逆回転方向に設定して制動を継続発生させることになるが、この場合にスイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ，ＧＵ，ＧＶ，ＧＷに流れる電流は、上述の如く制限される。したがって、比較的長い時間の電流流通下にあっても、スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ，ＧＵ，ＧＶ，ＧＷの熱破損を抑制することができるのみならず、バッテリ８０の消費電力を低減することもできるのである。

加えて、図７，８に示す通電パターンｉ〜ｖｉの切換により電動モータ４を通電駆動する本実施形態では、アームＡＵ，ＡＶ，ＡＷのうち、上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷのいずれかがオンするアームと、下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷのいずれかがオンするアームとが相異なる。即ち、各上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷがオンする期間において、当該オン素子と同一アームに属する下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷが同時にオンすることはない。したがって、これによっても、大電流がスイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ，ＧＵ，ＧＶ，ＧＷに流れて熱破損を招く事態が、抑制されるのである。

ここまで説明したことから、本実施形態のバルブタイミング調整装置１によれば、バルブタイミングの適正化と熱破損の抑制とを両立させることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、当該実施形態に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。

例えば、下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷを「選択素子」とすることに代えて、上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷを「選択素子」としてもよい。この場合には、上述した上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷの場合に準じて、下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷを継続的にオン制御する。また、下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷと共に、上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷも「選択素子」としてもよい。この場合には、上述した下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷの場合に準じて、上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷをパルス幅変調によりデューティ制御する。

実回転方向Ｄｒ及び目標回転方向Ｄｔがそれぞれ逆回転方向及び正回転方向の場合には、上述したようにオンデューティＤｏｎを所定値Ｄｏｎｓに設定する代わりに、方向Ｄｒ，Ｄｔが一致する場合に準じてオンデューティＤｏｎを可変制御してもよい。即ち、実回転方向Ｄｒ及び目標回転方向Ｄｔがそれぞれ正回転方向及び逆回転方向の場合に限り、オンデューティＤｏｎを所定値Ｄｏｎｓに設定するようにしてもよいのである。また、内燃機関の始動直後等にストッパ溝１１０及びストッパ突起１２０のストッパ面１１０ｂ，１２０ｂ同士を当接させて機関位相を最も進角側の位相端に保持した状態下、当該位相端を機関位相の零点として学習するようにしてもよい。

電動モータ４としては、本発明の作用効果が得られるモータであれば、上述した３相の永久磁石型同期モータ以外のモータを採用してもよく、またステータコイル１０９の結線方式についても、上述したスター結線以外の例えばデルタ結線等を採用してもよい。

通電制御回路部６としては、本発明の作用効果が得られる構成であれば、上述したように二つの回路６０，７０を組み合わせる以外の構成を採用してもよい。具体的には、一つの電気回路によって回路６０，７０の双方の機能を果たすようにしてもよい。また、モータ駆動回路７０において機能の一部（例えば通電駆動部７８の機能）をマイクロコンピュータによって実現するようにしてもよい。さらにまた、モータ駆動回路７０のインバータ部７６について、使用する電動モータ４の相数に応じた数のアームを有するように構成してもよいし、電界効果トランジスタ以外のスイッチング素子、例えばバイポーラトランジスタ等から各アームを構成するようにしてもよい。

位相調整機構８としては、本発明の作用効果が得られる構成であれば、上述したように回転体１０，２０にそれぞれ設けた歯車部１４，２２を遊星歯車５０に噛合させる以外の構成を採用してもよい。具体的には、回転体１０，２０のうち一方に設けた歯車部を遊星歯車に噛合させ、それら回転体１０，２０のうち他方を当該遊星歯車の遊星運動に応じて回転させる構成としてもよい。また、モータ軸１０２が駆動側回転体１０よりも高速に正回転するときに機関位相を遅角させる一方、モータ軸１０２が駆動側回転体１０よりも低速に正回転又は逆回転するときに機関位相を進角させる構成としてもよい。

そして、本発明は、上述した吸気弁のバルブタイミングを調整する装置以外にも、「動弁」としての排気弁のバルブタイミングを調整する装置や、吸気弁及び排気弁の双方のバルブタイミングを調整する装置に適用することができる。

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の基本的構成を示す図であって、図３のＩ−Ｉ線断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図１の通電制御回路部の特徴的構成を示すブロック図である。 図５の通電ブロックの詳細構成を示すブロック図である。 図６の通電駆動部の特徴的作動を説明するための模式図である。 図６の通電駆動部の特徴的作動を説明するための模式図である。 図６の通電駆動部の特徴的作動を説明するための模式図である。 図６の通電駆動部の特徴的作動を説明するための模式図である。 図６の通電駆動部の特徴的作動を説明するための模式図である。

符号の説明

１ バルブタイミング調整装置、２ カム軸、４ 電動モータ、６ 通電制御回路部、８ 位相調整機構、１０ 駆動側回転体、２０ 従動側回転体、４０ 遊星キャリア（入力回転体）、５０ 遊星歯車、６０ 制御回路、７０ モータ駆動回路、７２ 信号生成ブロック、７４ 通電ブロック、７６ インバータ部、７８ 通電駆動部（通電駆動手段）、８０ バッテリ（電源）、１００ モータケース、１０２ モータ軸、１０３ モータステータ、１０４ 軸本体、１０５ ロータ部、１０８ ステータコア、１０９ ステータコイル、１１０ ストッパ溝（ストッパ）、１１０ａ，１１０ｂ ストッパ面、１２０ ストッパ突起（ストッパ）、１２０ａ，１２０ｂ ストッパ面、ＡＵ，ＡＶ，ＡＷ アーム、ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ 上段スイッチング素子（スイッチング素子）、ＧＵ，ＧＶ，ＧＷ 下段スイッチング素子（スイッチング素子）、Ｒ 負荷抵抗素子、ＳＵ，ＳＶ，ＳＷ 回転角度センサ

Claims (5)

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調整するバルブタイミング調整装置であって、
   通電により励磁して磁界を発生するステータコイルと、前記磁界の作用により回転するモータ軸とを有する電動モータと、
   前記ステータコイルに接続される複数のスイッチング素子と、
   オンする前記スイッチング素子を切換えることにより、前記ステータコイルに通電して前記モータ軸を回転駆動する通電駆動手段と、
   前記モータ軸の回転状態に応じて前記クランク軸及び前記カム軸の間の相対位相を調整する位相調整機構と、
   を備えるバルブタイミング調整装置において、
   前記モータ軸の実回転方向及び目標回転方向が一致する場合に前記通電駆動手段は、オン対象の前記スイッチング素子として選択した選択素子のオンオフをデューティ制御することにより、前記ステータコイルに通電し、
   前記実回転方向及び前記目標回転方向が相反する場合に前記通電駆動手段は、前記デューティ制御による前記選択素子のオンデューティを、前記ステータコイルへの通電により前記モータ軸を回転させるための下限値未満に設定することを特徴とするバルブタイミング調整装置。
2. 前記位相調整機構は、前記クランク軸からのトルク伝達により正回転し且つ前記モータ軸と共に正逆回転する入力回転体を有し、それらモータ軸及び入力回転体の回転状態に応じて前記相対位相を調整し、
   前記実回転方向が正回転方向であり且つ前記目標回転方向が逆回転方向である場合に前記通電駆動手段は、前記オンデューティを前記下限値未満に設定す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. 前記位相調整機構は、前記入力回転体の逆回転を規制して前記相対位相を位相端に止めるストッパを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のバルブタイミング調整装置。
4. 前記実回転方向及び前記目標回転方向が相反する場合に前記通電駆動手段は、前記下限値未満となる零値に前記オンデューティを設定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. 電源に対して前記スイッチング素子が直列に接続されてなるアームを複数備え、高圧側の前記スイッチング素子及び低圧側の前記スイッチング素子の間となる各前記アームの中点に前記ステータコイルが接続され、
   前記通電駆動手段は、高圧側及び低圧側のうち一方の側の前記スイッチング素子をオンする期間に、当該一方の側のスイッチング素子が属する前記アームとは相異なる前記アームにおいて、高圧側及び低圧側のうち他方の側の前記スイッチング素子を前記選択素子とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のバルブタイミング調整装置。

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