JP2010242556A - スタータ - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンが停止する際に、モータ２の回転力を利用することなく、リングギヤ１８の回転中にピニオンギヤ６をリングギヤ１８に噛み合わせて、その噛み合い状態を維持することにより、エンジンの揺動を抑制できるスタータ１を提供する。
【解決手段】スタータ１は、ピニオンギヤ６をリングギヤ１８側へ押し出すための電磁ソレノイド８と、モータ接点を開閉する電磁スイッチ１０とを備え、両者の作動がＥＣＵにより独立に制御される。ＥＣＵは、例えば、アイドルストップが実施されると、リングギヤ１８の回転中にスタータリレーを閉成する。これにより、電磁ソレノイド８が作動して、ピニオンギヤ６がクラッチ５と一体に反モータ方向へ押し出され、低速で回転しているリングギヤ１８に噛み合わされる。これにより、スタータ１の慣性質量がリングギヤ１８に加算されるので、エンジンの揺動が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの回転力をピニオンギヤからリングギヤに伝達してエンジンを始動させるスタータに関する。

近年、二酸化炭素の削減および燃費向上を目的として、エンジンの停止および再始動を自動制御するアイドルストップ装置を搭載する車両（以下、アイドルストップ車両と呼ぶ）が増加するものと予測されている。アイドルストップ装置は、例えば、交差点での信号停止や渋滞等により車両が一時停止した際に、エンジンへの燃料供給をカットしてエンジンを自動的に停止させ、その後、ユーザにより発進操作（例えば、ブレーキの解除操作、ドライブレンジへのシフト操作等）が行われて再始動条件が成立すると、スタータを自動的に起動してエンジンを再始動させるシステムである。

ところで、アイドルストップが実施されると、燃料カットされたエンジンは、図５に示す様に、回転数が急速に低下してオーバーシュートする（逆回転する）領域が生じ、その後、正回転と逆回転とを繰り返しながら、次第に回転数が低下して停止に至る。このエンジン回転が正回転と逆回転とを繰り返す期間は、エンジンの振動が大きくなるため、そのエンジン振動が車体側に伝わって車体が振動すると、ドライバに違和感を与える恐れがある。なお、エンジン停止時にエンジン回転が正回転と逆回転とを繰り返す動作（エンジンの揺動と呼ぶ）は、アイドルストップが実施された場合に限らず、ＩＧスイッチをオフしてエンジンを停止させる通常のエンジン停止時にも同様に生じる。但し、アイドルストップ車両は、アイドルストップ装置を搭載していない車両と比較して、エンジンを自動停止する機会が多いため、エンジン停止時の揺動に伴って発生する振動が、ドライバに違和感を与えることは否めない。

これに対し、特許文献１の段落番号（００５７）には、エンジンが完全に停止するまでの惰性回転中にピニオンギヤをリングギヤに噛み合わせることが述べられている。この場合、モータを回転させなくても、リングギヤが低速で回転しているので、ピニオンギヤをリングギヤ側へ押し出すだけでリングギヤに噛み合わせることが可能であると記載されている。
同文献１に開示された技術思想を実現できれば、例えば、エンジンが揺動を開始する前に、ピニオンギヤをリングギヤに噛み合わせて、エンジンの回転が完全に停止するまで、その噛み合い状態を維持することにより、スタータの慣性質量がリングギヤに加算されるため、エンジンのオーバーシュートを小さくでき、且つ、揺動期間を短くできることが可能である。

特開２００８−１６３８１８号公報

上記の様に、惰性回転中のリングギヤにピニオンギヤを噛み合わせてエンジンの揺動を抑制するためには、当然ながら、その間（ピニオンギヤをリングギヤに噛み合わせてからエンジンの回転が停止するまでの間）、モータを非通電にする必要がある。しかし、特許文献１に示されるスタータは、シフトレバーを介してピニオンギヤをリングギヤ側へ押し出す働きと、モータ接点を開閉する働きとを１つの電磁スイッチで行っている。この構成では、ピニオンギヤの端面がリングギヤの端面に当接するのと略同時にモータ接点が閉じてモータに回転力が発生するため、モータを回転させることなく、ピニオンギヤだけをリングギヤ側へ押し出してリングギヤに噛み合わせることは出来ない。言い換えると、ピニオンギヤがリングギヤに噛み合う時点でモータ接点が閉じてモータに回転力が発生するため、スタータの慣性質量を利用してエンジンの揺動を抑制することは出来ない。

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、モータの回転力を利用することなく、リングギヤの回転中にピニオンギヤをリングギヤに噛み合わせて、その噛み合い状態を維持することにより、エンジンの揺動を抑制できるスタータを提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、通電により回転力を発生するモータと、このモータの回転力が伝達されて回転する出力軸と、モータの回転力をエンジンのリングギヤに伝達するためのピニオンギヤを有し、このピニオンギヤと一体に出力軸の外周上を軸方向に移動可能に設けられたピニオン移動体と、このピニオン移動体を軸方向（リングギヤ側）へ押し出すために作動する電磁ソレノイドと、モータの通電回路に設けられるモータ接点を開閉する電磁スイッチとを備え、電磁ソレノイドの作動と電磁スイッチの作動とを個々に独立して制御できるスタータであって、エンジンが停止する際に、電磁ソレノイドの作動によりピニオン移動体を軸方向へ押し出して、回転中のリングギヤにピニオンギヤを噛み合わせ、少なくともエンジンの回転が完全に停止するまで、ピニオンギヤをリングギヤに噛み合わせた状態を維持することを特徴とする。

本発明のスタータは、ピニオン移動体を軸方向へ押し出すために作動する電磁ソレノイドと、モータ接点を開閉する電磁スイッチとを備え、その両者の作動を個々に独立して制御できるので、モータの回転力を利用することなく、エンジンが停止する際に、リングギヤの回転中にピニオンギヤをリングギヤに噛み合わせることができる。すなわち、電磁ソレノイドの作動によりピニオン移動体を軸方向へ押し出した時に、ピニオンギヤの端面がリングギヤの端面に当接しても、リングギヤがピニオンギヤと噛み合い可能な位置まで回転することにより、ピニオンギヤとリングギヤとの噛み合いが成立する。
上記の様に、回転中のリングギヤにピニオンギヤを噛み合わせて、その状態を維持することにより、スタータの慣性質量がリングギヤに加算されるので、エンジンのオーバーシュートを小さくでき、且つ、揺動期間を短くできる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載したスタータにおいて、回転中のリングギヤにピニオンギヤを噛み合わせ、少なくともエンジンの回転が完全に停止するまでピニオンギヤをリングギヤに噛み合わせた状態を維持する間、電磁スイッチの作動によってモータ接点が閉じることはなく、モータを非通電にすることを特徴とする。
本発明のスタータは、電磁ソレノイドと電磁スイッチの作動を個々に独立して制御できるので、電磁ソレノイドの作動によってピニオン移動体を軸方向へ押し出す際に、電磁スイッチが連動することはない。つまり、電磁ソレノイドの作動により、ピニオンギヤをリングギヤに噛み合わせ、その状態を維持する間、電磁スイッチを作動させる必要はないので、モータ接点が閉じることはなく、モータに回転力は発生しない。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載したスタータにおいて、モータは、電機子に設けられる整流子と、この整流子の表面（整流子面と呼ぶ）に当接するブラシと、このブラシを整流子面に押圧するブラシスプリングとを有する整流子電動機であることを特徴とする。
本発明のスタータは、回転中のリングギヤにピニオンギヤを噛み合わせるため、リングギヤの回転によってピニオンギヤが回され、さらに、ピニオンギヤの回転が伝達されてモータの電機子が回転する。この時、モータ（整流子電動機）は、ブラシスプリングによって押圧されたブラシと整流子面との間に摺動抵抗が発生し、この摺動抵抗が電機子の回転を停止させようとするブレーキ力として働く。これにより、ピニオンギヤと噛み合ったリングギヤには、スタータの慣性質量に加えて上記のブレーキ力が作用するため、エンジンの揺動を抑制できる効果が大きくなる。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかのスタータにおいて、モータは、ヨークの内周に永久磁石を配置して界磁を形成し、この界磁の内周に電機子を回転可能に配置した永久磁石界磁形電動機であることを特徴とする。
モータが非通電の状態（電機子に通電されていない状態）であれば、永久磁石が形成する磁界によって電機子に静止力が働く。これにより、ピニオンギヤと噛み合ったリングギヤには、スタータの慣性質量に加えて上記の静止力が作用するため、エンジンの揺動を抑制できる効果が大きくなる。

スタータの内部構造を示す半断面図である。 電磁ソレノイドと電磁スイッチの断面図である。 スタータの電気回路図である。 エンジン停止時の揺動を示すエンジン回転数のグラフである（実施例１）。 エンジン停止時の揺動を示すエンジン回転数のグラフである（従来技術）。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

本実施例のスタータ１は、図１に示す様に、回転力を発生するモータ２と、このモータ２の回転を減速する減速装置３と、この減速装置３の出力側に連結される出力軸４と、この出力軸４の外周上にヘリカルスプライン嵌合するクラッチ５と、このクラッチ５と一体に出力軸４の外周上を軸方向に移動可能に設けられたピニオンギヤ６と、シフトレバー７を介してクラッチ５とピニオンギヤ６を反モータ方向（図１の左方向）へ押し出すために作動する電磁ソレノイド８と、バッテリ９（図３参照）からモータ２に電流を流すためのモータ回路に設けられるモータ接点（後述する）を開閉する電磁スイッチ１０等より構成される。

モータ２は、ヨーク１１の内周に複数の永久磁石１２を配置して構成される界磁と、電機子軸１４ａの一方の端部に整流子１３を設けた電機子１４と、整流子１３の外周面（整流子面と呼ぶ）に当接して配置され、且つ、ブラシスプリング１５によって整流子面に押圧されるブラシ１６等を備える永久磁石界磁形の整流子電動機である。
減速装置３は、周知の遊星歯車減速装置であり、摩擦板式の衝撃吸収装置と組み合わされている。衝撃吸収装置は、減速装置３に過大な衝撃が加わった時に、摩擦板１７が滑る（回転する）ことで、過大な衝撃を吸収する働きを有する。
出力軸４は、減速装置３を介して電機子軸１４ａと同一軸線上に配置され、モータ２の回転トルクが減速装置３で増幅されて伝達される。

クラッチ５は、モータ２に駆動されて出力軸４が回転すると、その出力軸４の回転をピニオンギヤ６に伝達する働きを有すると共に、ピニオンギヤ６がエンジンのリングギヤ１８に噛み合ってエンジンにより回された時、つまり、ピニオンギヤ６の回転速度が出力軸４の回転速度を上回ると、ピニオンギヤ６の回転が出力軸４に伝わらない様に、両者間の動力伝達を遮断する一方向クラッチとして構成されている。
ピニオンギヤ６は、クラッチ５の反モータ側に配置されて、クラッチ５のインナ部と一体に設けられ、出力軸４の外周に軸受１９を介して回転自在に支持されている。

電磁ソレノイド８と電磁スイッチ１０は、両者が一体的に構成され、モータ２と並列にスタータハウジング２０に固定されている。
電磁ソレノイド８は、図２に示す様に、ソレノイドケース２１と、このソレノイドケース２１の内部に収容されるソレノイドコイル２２と、このソレノイドコイル２２への通電によって磁化される固定鉄心２３と、この固定鉄心２３に対向して可動するプランジャ２４と、このプランジャ２４の動きをシフトレバー７に伝達するジョイント２５等より構成される。
ソレノイドコイル２２は、図３に示す様に、一方の端部がコネクタ端子２６に接続され、他方の端部が、例えば、固定鉄心２３の表面に溶接等により固定されてアースされている。コネクタ端子２６には、スタータリレー２７に繋がる電気配線が接続される。
スタータリレー２７は、スタータ１の作動を制御するＥＣＵ２８（電子制御装置）によりオン／オフ制御され、このスタータリレー２７がオン制御されると、バッテリ９からスタータリレー２７を通じてソレノイドコイル２２に通電される。

固定鉄心２３は、円環状のプレート部２３ａと、このプレート部２３ａの内周に過締め固定されるコア部２３ｂとに分割して構成され、プレート部２３ａの板厚方向におけるコイル側（図示左側）の外周端面が、ソレノイドケース２１の内周に設けられる段差に当接してコイル側の位置が規制されている。
プランジャ２４は、ソレノイドコイル２２の内周を軸心方向（図示左右方向）に移動可能に配置され、コア部２３ｂとの間に配設されるリターンスプリング２９の反力により反コア部方向（図示左方向）へ付勢されている。このプランジャ２４は、径方向の中央部に円筒孔を有する略円筒状に設けられている。円筒孔は、プランジャ２４の軸方向一端側に開口して、軸方向他端側に底面を有している。

ジョイント２５は、以下に説明するドライブスプリング３０と共にプランジャ２４の円筒孔に挿入されている。このジョイント２５は、棒状に設けられ、プランジャ２４の円筒孔から突き出る一端側の端部にシフトレバー７の一方の端部が係合し、他端側の端部にフランジ部２５ａが設けられている。フランジ部２５ａは、円筒孔の内周に摺動可能な外径を有し、ドライブスプリング３０の荷重を受けて円筒孔の底面に押し付けられている。
ドライブスプリング３０は、プランジャ２４の移動により、シフトレバー７を介して反モータ方向に押し出されたピニオンギヤ６の端面がリングギヤ１８の端面に当接した後、プランジャ２４がコア部２３ｂに吸着されるまで移動する間に圧縮されて、ピニオンギヤ６をリングギヤ１８に噛み込ませるための反力を蓄える。

電磁スイッチ１０は、図２に示す様に、固定鉄心２３を電磁ソレノイド８と共有しており、その固定鉄心２３の他に、ソレノイドケース２１の開口部側を軸方向に延長してソレノイドケース２１と一体に設けられた円筒形状のスイッチヨーク３１と、このスイッチヨーク３１の内周に配置されるスイッチコイル３２と、固定鉄心２３に対向して可動する可動鉄心３３と、スイッチヨーク３１の開口部を塞いで組み付けられる樹脂製の接点カバー３４と、この接点カバー３４に固定される２本の端子ボルト３５、３６と、この２本の端子ボルト３５、３６を介してモータ回路に接続される一組の固定接点３７と、この一組の固定接点３７間を電気的に断続する可動接点３８等より構成される。

スイッチコイル３２は、スイッチヨーク３１の内周で固定鉄心２３のプレート部２３ａより外側（図示右側）に配置されている。つまり、プレート部２３ａを挟んで、軸方向の一端側にソレノイドコイル２２が配置され、軸方向の他端側にスイッチコイル３２が配置されている。このスイッチコイル３２は、図３に示す様に、一方の端部が外部端子３９に接続され、他方の端部が、例えば、固定鉄心２３の表面に溶接等により固定されてアースされている。外部端子３９は、接点カバー３４の端面より外部に突き出て設けられ、ＥＣＵ２８に繋がる電気配線が接続される。
スイッチコイル３２の反プレート部側には、磁気回路の一部を形成する円環状の磁性プレート４０が配置されている。この磁性プレート４０は、コイル側（図示左側）の外周端面が、スイッチヨーク３１の内周に設けられる段差に当接してコイル側の位置が規制されている。
可動鉄心３３は、磁性プレート４０の内周およびスイッチコイル３２の内周を軸心方向に移動可能に配置され、コア部２３ｂとの間に配設されるリターンスプリング４１により反コア部方向（図２の右方向）へ付勢されている。

接点カバー３４は、円筒状の脚部を有し、この脚部がスイッチヨーク３１の内側に挿入されて、脚部の端面が磁性プレート４０の表面に当接した状態で配置され、スイッチヨーク３１に過締め固定されている。２本の端子ボルト３５、３６は、バッテリケーブル４２（図３参照）が接続されるＢ端子ボルト３５と、モータリード線４３（図１、３参照）が接続されるＭ端子ボルト３６である。
一組の固定接点３７は、２本の端子ボルト３５、３６と別体（一体でも可能）に設けられ、接点カバー３４の内側で２本の端子ボルト３５、３６と電気的に接続されている。

可動接点３８は、一組の固定接点３７より反可動鉄心側（図示右側）に配置され、可動鉄心３３に固定された樹脂製のロッド４４の端面に接点圧スプリング４５の荷重を受けて押し付けられている。但し、接点圧スプリング４５の初期荷重よりリターンスプリング４１の初期荷重の方が大きく設定されるので、可動接点３８は、スイッチコイル３２が非通電の時に、接点圧スプリング４５を押し縮めた状態で接点カバー３４の内部座面に着座している。
モータ接点は、一組の固定接点３７と可動接点３８とで形成され、この可動接点３８が接点圧スプリング４５に付勢されて十分な押圧力で一組の固定接点３７に当接して、両固定接点３７間が導通することでモータ接点が閉状態となり、可動接点３８が一組の固定接点３７から離れて、両固定接点３７間の導通が遮断されることによりモータ接点が開状態となる。

次に、スタータ１の作動を説明する。
例えば、アイドルストップが実施された場合、あるいは、ドライバの意思によりエンジンを停止するためにＩＧスイッチがオフ操作されると、ＥＣＵ２８により、リングギヤ１８の回転中（例えば、アイドリング回転数より低い回転数：例えば３００ｒｐｍ以下）にスタータリレー２７が閉成されてソレノイドコイル２２に通電される（図４参照）。これにより、磁化されたコア部２３ｂにプランジャ２４が吸引されるため、シフトレバー７を介してピニオンギヤ６がクラッチ５と一体に反モータ方向へ押し出される。ここで、ピニオンギヤ６の端面がリングギヤ１８の端面に当接しても、リングギヤ１８が低速で回転しているので、ピニオンギヤ６と噛み合い可能な位置までリングギヤ１８が回転した時点で、ドライブスプリング３０に蓄えられた反力によりピニオンギヤ６が押し出されてリングギヤ１８との噛み合いが成立する。以下、エンジンが停止する過程で、リングギヤ１８の回転中に電磁ソレノイド８を作動させて、ピニオンギヤ６をリングギヤ１８に噛み合わせることをピニオンプリセットと呼ぶ。

この後、エンジンの回転が完全に停止すると、ＥＣＵ２８によりスタータリレー２７が開成されて、ソレノイドコイル２２への通電が停止する（図４参照）。この時、リターンスプリング２９の反力でプランジャ２４が戻ろうとするため、シフトレバー７を介してクラッチ５を電機子１４側へ戻そうとする力が作用する。これに対し、クラッチ５は、出力軸４の外周上にヘリカルスプライン嵌合しているので、ヘリカルスプラインの捩じれ角をある程度大きく設定すると、クラッチ５がヘリカルスプラインに沿って出力軸４の外周上を移動する際に生じる移動抵抗が増大するため、クラッチ５の戻りを防止できる。これにより、ピニオンギヤ６とリングギヤ１８とが噛み合った状態を維持できる。

（実施例１の効果）
実施例１に記載したスタータ１は、ピニオンギヤ６をリングギヤ１８側へ押し出す働きと、モータ接点を開閉する働きとを別々の手段（電磁ソレノイド８と電磁スイッチ１０）で行い、且つ、その両者の作動を個々に独立して制御できるので、エンジンが停止する際に、モータ２の回転力を利用することなく（つまり、電磁スイッチ１０を作動させることなく）、ピニオンプリセットを実施でき、且つ、エンジンが停止するまでの間、ピニオンギヤ６とリングギヤ１８とが噛み合った状態を維持できる。特に、リングギヤ１８の回転数が、アイドリング回転数より低い回転数（例えば３００ｒｐｍ以下）でソレノイドコイル２２に通電することにより、確実にピニオンギヤ６をリングギヤ１８に噛み合わせることができる。

上記の様に、エンジンが揺動を開始する前に、ピニオンプリセットを実施して、エンジンが完全に停止するまで、ピニオンギヤ６とリングギヤ１８との噛み合い状態を維持することにより、スタータ１の慣性質量がリングギヤ１８に加算されるので、図４に示す様に、エンジンのオーバーシュートを小さくでき、且つ、揺動期間を短くできる。実験結果によると、ピニオンプリセットを実施しない場合は、エンジンの揺動時間が約０．９ｓであったが、ピニオンプリセットを実施した場合は、エンジンの揺動時間を約５００ｍｓまで低減できた。この結果、エンジン停止時の揺動に伴って発生する振動を大幅に低減できるので、ドライバの違和感を解消できる。

また、回転中のリングギヤ１８にピニオンギヤ６を噛み合わせるため、リングギヤ１８の回転によってピニオンギヤ６が回され、さらに、ピニオンギヤ６の回転がモータ２の電機子軸１４ａに伝達されて電機子１４が回転する。この時、モータ２は、ブラシスプリング１５によって押圧されたブラシ１６と整流子面との間に摺動抵抗が発生し、この摺動抵抗が電機子１４の回転を停止させようとするブレーキ力として働く。
さらに、ピニオンギヤ６がリングギヤ１８に噛み合い、その噛み合い状態が維持される間は、電磁スイッチ１０が作動することはない、つまり、モータ２が非通電の状態（電機子１４に通電されていない状態）であるため、永久磁石１２が形成する磁界によって電機子１４に静止力が働く。これにより、ピニオンギヤ６と噛み合ったリングギヤ１８には、スタータ１の慣性質量に加えて、上記のブレーキ力と静止力が作用するため、エンジンの揺動を抑制できる効果が大きくなる。

（変形例）
実施例１に記載したスタータ１は、電磁ソレノイド８と電磁スイッチ１０とを一体化して構成しているが、両者を分離して別体に構成することもできる。両者を分離して別体に構成した場合、電磁ソレノイド８には、従来（例えば、特許文献１）の電磁スイッチに使用される構成部品の多く利用でき、且つ、電磁スイッチ１０には、汎用の電磁リレーを利用できるので、低コスト化が可能である。

１ スタータ
２ モータ
４ 出力軸
５ クラッチ（ピニオン移動体）
６ ピニオンギヤ（ピニオン移動体）
８ 電磁ソレノイド
１０ 電磁スイッチ
１１ ヨーク
１２ 永久磁石
１３ 整流子
１５ ブラシスプリング
１６ ブラシ
１８ リングギヤ
３７ 固定接点（モータ接点）
３８ 可動接点（モータ接点）

Claims (4)

1. 通電により回転力を発生するモータと、
   このモータの回転力が伝達されて回転する出力軸と、
   前記モータの回転力をエンジンのリングギヤに伝達するためのピニオンギヤを有し、このピニオンギヤと一体に前記出力軸の外周上を軸方向に移動可能に設けられたピニオン移動体と、
   このピニオン移動体を軸方向（前記リングギヤ側）へ押し出すために作動する電磁ソレノイドと、
   前記モータの通電回路に設けられるモータ接点を開閉する電磁スイッチとを備え、
   前記電磁ソレノイドの作動と前記電磁スイッチの作動とを個々に独立して制御できるスタータであって、
   前記エンジンが停止する際に、前記電磁ソレノイドの作動により前記ピニオン移動体を軸方向へ押し出して、回転中の前記リングギヤに前記ピニオンギヤを噛み合わせ、少なくとも前記エンジンの回転が完全に停止するまで、前記ピニオンギヤを前記リングギヤに噛み合わせた状態を維持することを特徴とするスタータ。
2. 請求項１に記載したスタータにおいて、
   回転中の前記リングギヤに前記ピニオンギヤを噛み合わせ、少なくとも前記エンジンの回転が完全に停止するまで前記ピニオンギヤを前記リングギヤに噛み合わせた状態を維持する間、前記電磁スイッチの作動によって前記モータ接点が閉じることはなく、前記モータを非通電にすることを特徴とするスタータ。
3. 請求項１または２に記載したスタータにおいて、
   前記モータは、電機子に設けられる整流子と、この整流子の表面（整流子面と呼ぶ）に当接するブラシと、このブラシを前記整流子面に押圧するブラシスプリングとを有する整流子電動機であることを特徴とするスタータ。
4. 請求項１〜３に記載した何れかのスタータにおいて、
   前記モータは、ヨークの内周に永久磁石を配置して界磁を形成し、この界磁の内周に電機子を回転可能に配置した永久磁石界磁形電動機であることを特徴とするスタータ。

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