JP2012017669A - 携帯作業機用のエンジン及びそれを備えた携帯作業機 - Google Patents

Abstract

【課題】スタータモータの大型化を抑制してコンパクトな携帯作業機用のエンジンを提供する。
【解決手段】携帯作業機用のエンジン１は、イグニッションコイル７とマグネトロータ５によって構成される点火装置３３により点火プラグ８を放電させてシリンダボア１１内の混合気を燃焼させるエンジン１であって、周方向に環状に配置される永久磁石１７を有するクランクシャフト４に接続されるマグネトロータ５と、クランクシャフト４の軸１８方向に永久磁石１７と対向するよう周方向に環状に配置される複数の駆動コイル１９を有する扁平型のステータ２０と、バッテリ２２と、エンジン１の回転数を検出する回転数検出部２６と、回転数検出部２６の出力に基づいてバッテリ２２から駆動コイル１９への通電を制御する制御回路２１を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、チェンソーや刈払機等の携帯作業機用のエンジン、特にスタータを備えた携帯作業機用のエンジン及びそれを備えた携帯作業機に関する。

従来から、携帯エンジン作業機には例えば特許文献１に示すように、エンジンの始動を容易に行うために、スタータモータをエンジンに搭載したものがある。

特開平９−１４１１２号公報

ところで、上述のスタータモータは、出力軸の軸方向に円柱状に延びる鉄心にコイルを巻いた回転子と回転子を覆う円筒状の固定子から構成されている。したがって、回転子および固定子がモータ出力軸の軸方向に長くなり、スタータモータが大型化して設置に大きなスペースが必要になるという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、スタータモータの大型化を抑制してコンパクトな携帯作業機用のエンジン及びそれを備えた携帯作業機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点にかかる携帯作業機用のエンジンは、
イグニッションコイルとマグネトロータによって構成される点火装置により点火プラグを放電させてシリンダボア内の混合気を燃焼させる携帯作業機用のエンジンであって、
周方向に環状に配置される永久磁石を有するクランクシャフトに接続される前記マグネトロータと、
前記クランクシャフトの軸方向に前記永久磁石と対向するよう周方向に環状に配置される複数のコイルを有する扁平型のステータと、
バッテリと、
前記エンジンの回転数を検出する回転数検出手段と、
該回転数検出手段の出力に基づいて前記バッテリから前記コイルへの通電を制御する制御手段と、を備える、
ことを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記回転数検出手段の出力が第１の所定値を越えた場合に、前記マグネトロータに制動力を発生するよう前記コイルへの通電を制御してもよい。

さらに、前記制御手段は、前記回転数検出手段の出力に基づいて通電を行う前記コイルの数を変更してもよい。

また、前記制御手段は、前記エンジンの回転数が上昇するにつれて、通電を行う前記コイルの数を減らしてもよい。

さらに、前記制御手段は、前記回転数検出手段の出力が第２の所定値を越えた場合に、前記バッテリから前記コイルへの通電を停止してもよい。

また、前記クランクシャフトの角度を検出するクランク角検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記エンジンの始動を行う前に、前記クランク角検出手段の出力に基づいて、前記マグネトロータを回転駆動して前記クランクシャフトが所定角度になるよう、前記バッテリから前記コイルへの通電を制御してもよい。

さらに、前記制御手段は、前記回転数検出手段の出力が第３の所定値を越えた場合に、前記バッテリに充電を行うよう前記コイルに生じる電流を前記バッテリに供給してもよい。

また、前記バッテリは、着脱可能に取付けられてもよい。

さらに、前記点火プラグへの通電を停止するストップスイッチを更に備え、
前記制御手段は、前記ストップスイッチ作動時に、前記マグネトロータに制動力を発生するよう前記コイルへの通電を制御してもよい。

本発明の第２の観点にかかる携帯作業機は、上述のエンジンを備えることを特徴とする。

本発明によれば、周方向に離間して環状に配置される複数の永久磁石を有するクランクシャフトに接続されたマグネトロータと、クランクシャフトの軸方向に永久磁石と対向するよう周方向に環状に配置される複数のコイルを有する扁平型のステータとを備えるので、スタータモータの小型化が可能となり、携帯作業機用のエンジンをコンパクトにすることができる。

本発明に係る携帯作業機用のエンジンを搭載した刈払機の斜視図。 図１の背負式刈払機に搭載したエンジンの断面図。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。 図２のＩＶ−ＩＶ線断面図。 図１のエンジンの制御ブロック図。 図１のエンジンのスタータモータ駆動前における制御フローチャート。 図１のエンジンのスタータモータ駆動後における制御フローチャート。 （Ａ）はエンジン回転数が１０００ｒｐｍまでのある時点でのステータのコイルへの通電状態を示す図、（Ｂ）は（Ａ）から所定時間経過後のコイルへの通電状態を示す図。 （Ａ）はエンジン回転数が１０００ｒｐｍ以上におけるある時点でのステータのコイルへの通電状態を示す図、（Ｂ）は（Ａ）から所定時間経過後のコイルへの通電状態を示す図。 図１のエンジンのストップスイッチ操作時における制御フローチャート。

以下、本発明の実施形態を添付の図１乃至図１０に沿って説明する。図１に示すように、携帯作業用の小型の２サイクルエンジン１（以下エンジン）を搭載した刈払機１００１は、操作桿１００２の先端に回転刃１００３が取り付けられ、操作桿１００２の後端にエンジン１が取り付けられている。エンジン１の出力は、操作桿１００２内に挿通させたドライブシャフトを介して回転刃１００３に供給される。操作者は操作桿１００２に取り付けられエンジン１の出力を調整するスロットルスイッチ１００４とエンジン１を停止するストップスイッチ１００５とエンジン１を始動するスタータモータを駆動するスタータスイッチ１００６とが設けられたハンドル１００７を把持して刈払機１００１を操作する。

図２に示すように、エンジンカバー２内に収容されたエンジン１は、クランクケース３に回転可能に支持されたクランクシャフト４の一方の端部に固定されたマグネトロータ５と、エンジン１のシリンダブロック６に固定されマグネトロータ５の回転により高電圧を発生させるイグニッションコイル７とから構成される点火装置３３のイグニッションコイル７に接続された点火プラグ８を備える。クランクシャフト４のマグネトロータ５が取付けられた側とは異なる側の端部には遠心クラッチ９が設けられ、エンジン１の出力は遠心クラッチ９を介してドライブシャフト１０に伝達され、回転刃１００３（図１参照）を回転させる。また、シリンダブロック５に形成されたシリンダボア１１内にはピストン１２が往復同可能に収容される。ピストン１２はピストンピン１３、コンロッド１４、クランクピン１５を介してクランクシャフト４に接続される。

図２に示すように、マグネトロータ５のエンジン１に対向する内側側面（図２の左側の側面）にはファン１６が形成され、ファン１６は、エンジン１が駆動してマグネトロータ５が回転するとエンジン１に冷却風を送る。また、マグネトロータ５のエンジン１から離れる側を向く外側側面（図２の右側の側面）には、複数の永久磁石１７が埋設される。図３に示すように、永久磁石１７は、マグネトロータ５の側面にマグネトロータ５の回転軸（クランクシャフト４の回転軸(軸））１８を中心とする円周上に周方向に略等間隔に離間して環状に、隣接する永久磁石１７のマグネトロータ５の表面に現れる極性が異なるように配置される。なお、図３では４個の永久磁石１７を配置した例を示しているが、例えば永久磁石１７の数を６個、８個、またはそれ以上に増やして周方向に略等間隔に配置してもよい。また、永久磁石１７は、複数配置される構成以外に、円環状に形成され、異なる極性が隣接して周方向に現れるよう着磁された一つのものであってもよい。

図２に示すように、エンジンカバー２には、永久磁石１７を環状に埋設したマグネトロータ５の外側側面に対向するように、複数の駆動コイル（コイル）１９を備えた扁平状のステータ２０が取付けられる。図２、図４に示すように、複数の駆動コイル１９は、それぞれのコイルの環の開口がクランクシャフト４の軸１８方向を向いて永久磁石１７と対向するようにクランクシャフト４の軸１８を中心とする円周上の周方向に環状に隣接してステータ２０に配置される。図２に示すように、駆動コイル１９はそれぞれ制御回路（制御手段）２１に接続され、制御回路２１は駆動コイル１９へのバッテリ２２から電力の供給または駆動コイル１９からバッテリ２２または抵抗２３への電力の供給を制御する。そして、永久磁石１７が外側側面に設けられたマグネトロータ５と、クランクシャフト４の軸方向にマグネトロータ５の外側側面と対向するように駆動コイル１９を備えたステータ２０は、面対向型の直流ブラシレスモータータイプのスタータモータ２４を構成する。なお、バッテリ２２はエンジン１を収容したエンジンカバー２に対して着脱可能に取付けられる。

図５に示すように、制御回路２１には、ストップスイッチ１００５、スタータスイッチ１００６、バッテリ２２、抵抗２３、電流検出部２５、エンジン１の回転数を検出する回転数検出部（回転数検出手段）２６が接続される。電流検出部２５は駆動コイル１９に流れる電流を検出し、回転数検出部２６はイグニッションコイル７から点火プラグ８に伝わるイグニッションパルスに基づいて回転数を検出する。ストップスイッチ１００５、スタータスイッチ１００６、電流検出部２５、回転数検出部２６の出力は制御回路２１の演算部２７に入力される。そして、演算部２７は後述する制御回路２１の電流制御部２８、充電量制御部２９、正逆切替制御部３０、ステータポール制御部３１に信号を出力し、正逆切替制御部３０およびステータポール制御部３１の出力信号に基づいて制御回路２１の制御信号出力回路３２はステータ２０の各駆動コイル１９への通電を制御する。なお、各駆動コイル１９に流れる電流は、電流制御部２８および充電量制御部２９により制御される。そして、制御回路２１は、スタータスイッチ１００６のオン時（操作時）はスタータモータ２４の駆動用の電力をバッテリ２２からステータ２０の各駆動コイル１９に供給してスタータモータ２４のマグネトロータ５を回転させてエンジン１を始動する。また、スタータスイッチ１００６のオフ時（非操作時）はマグネトロータ５の回転により、スタータモータ２４の駆動コイル１９に発生する電流でバッテリ２２の充電を行う。

スタータモータ２４によるエンジン１の始動前には、図６に示すように、制御回路２１はステップＳ１でスタータスイッチ１００６の状態を検出する。そして、ステップＳ２でスタータスイッチ１００６が操作（オン操作）されているか否かを判別し、条件を満たすＹＥＳの場合にはステップＳ３に進んで制御回路２１の正逆切替制御部３０によりスタータモータ２４をエンジン１の始動時の回転方向と逆方向に駆動（逆転駆動）する。一方、条件を満たさないＮＯの場合には、ステップＳ１に戻る。ステップＳ３でスタータモータ２４の逆回転駆動を行った場合には、ステップＳ４で電流検出部（クランク角検出手段）２５によりスタータモータ２４のステータ２０の駆動コイル１９に流れる電流を検出する。これは、ピストン１２が上死点付近に近づいてシリンダボア１１内の圧力が上昇してスタータモータ２４の負荷が増すことを駆動コイル１９に流れる電流値の上昇を利用して検出する。これにより、ピストン１２が上死点付近の所定位置にあること、つまり、クランクシャフト４が所定角度に近づくことを電流検出部２５により検出する。そして、ステップＳ５で電流検出部２５により検出される電流が所定値以上か、つまり、ピストン１２が上死点付近の所定位置近傍にあるか（クランクシャフト４が所定角度近傍にあるか）否かが判断される。ステップＳ５で条件を満たすＹＥＳの場合には、スタータモータ２４の逆転駆動を停止する。そして、ステップＳ７で、スタータモータ２４によりエンジン１を駆動するために正方向に回転駆動して、制御回路２１は後述する正回転駆動時の制御を開始する。なお、電流検出部５を用いてピストン１２の位置あるいはクランクシャフト４の角度を検出する上述の構成の代わりに、公知のクランク角センサを設けてもよい。この場合には、クランク角センサによりクランクシャフト４の角度を直接検出し、検出したクランクシャフト４の角度に基づいてピストン１２が上死点近傍の所定位置つまり所定のクランク角となるようスタータモータ２４を回転角度が少なくなる方向に正転あるいは逆転駆動する構成としてもよい。

正回転駆動が開始されると、図７に示すように、ステップＳ８で制御回路２１の回転数検出部２６はエンジン１の回転数を検出する。そして、ステップＳ９で回転数が例えば１０００ｒｐｍより低いか否かを判別し、条件を満たすＹＥＳの場合にはステップＳ１０に進み、制御回路２１のステータポール制御部３１により、ステータ２０の全ての駆動コイル１９に通電を行いマグネトロータ５つまりクランクシャフト４を高トルクで駆動する。ステータ２０の駆動コイル１９への通電は、図８（Ａ）に示すように、隣接する駆動コイル１９のポール（極性）が反転するように行われ、次の制御タイミングでは図８（Ａ）に示す状態から図８（Ｂ）で示すように駆動コイル１９のそれぞれのポール（極性）が反転する。そして、制御回路２１は、駆動コイル１９への通電を、図８（Ａ）の状態と図８（Ｂ）の状態とを交互に周期を短くしながら繰り返すことでマグネトロータ５の回転つまりクランクシャフト４の回転を上昇させる。ステップＳ９において条件を満たさないＮＯの場合には、ステップＳ１１に進み、回転数が１０００ｒｐｍ以上で例えばアイドリング回転数となる３０００ｒｐｍより低いか否かを判別する。そしてステップＳ１１の条件を満たすＹＥＳの場合にはステップＳ１２に進み、制御回路２１のステータポール制御部３１により、ステータ２０の所定の駆動コイル１９に通電を行う。ステータ２０の駆動コイル１９への通電は、図９（Ａ）に示すように一つおきに、つまり半分の駆動コイル１９のみに、隣接する駆動コイル１９のポール（極性）が反転するように行わる。そして、次の制御タイミングでは図９（Ａ）に示す状態から図９（Ｂ）で示すように、通電される駆動コイル１９のそれぞれのポール（極性）が反転する。そして、制御回路２１は、駆動コイル１９への通電を、図９（Ａ）の状態と図９（Ｂ）の状態とを交互に周期を短くしながら繰り返すことでマグネトロータ５の回転つまりクランクシャフト４の回転を上昇させる。ステップＳ１１において条件を満たさないＮＯの場合には、ステップＳ１３に進み、回転数がアイドリング回転数である３０００ｒｐｍ以上で例えば過回転となる１００００ｒｐｍより低いか否かを判別する。そして、ステップＳ１３の条件を満たすＹＥＳの場合には、制御回路２１は、エンジン１がアイドリング回転数（３０００ｒｐｍ）を超えて始動したと判断してステップＳ１４に進み、制御回路２１の電流制御部２８はバッテリ２２からスタータモータ２４のステータ２０の駆動コイルへの電流の供給を停止する。そして、ステップＳ１５に進み、制御回路２１はスタータモータ２４を発電機として作動させ、電流制御部２８は駆動コイル１９で発生する電力でバッテリ２２の充電を行う。ステップＳ１３において条件を満たさないＮＯの場合には、ステップＳ１６に進み、回転数が１００００ｒｐｍ以上であるか否かを判別する。そして、ステップＳ１６の条件を満たすＹＥＳの場合には、制御回路２１は、エンジン１が過回転状態にあると判断してステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、エンジン１の回転数を低下させるために、制御回路２１の充電量制御部２９はスタータモータ２４による充電量を増やす、あるいは抵抗２４で熱を発生させることでスタータモータ２４に電気的な負荷を発生させ、マグネトロータ５つまりクランクシャフト４に制動力を与えてエンジン１の回転数を低下させる。なお、制御回路２１は、ステップＳ１０、Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１５、Ｓ１７での制御中、所定周期毎にステップＳ８に戻り回転数の検出を常に行う。なお、上述の１０００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍ、１００００ｒｐｍ等の回転数は一例を示したものであり、適宜変更可能である。

また、制御回路２１は上述の制御と独立に、図１０に示すように、ステップＳ１８においてストップスイッチ１００５の状態を検出する。そして、ステップＳ１９でストップスイッチ１００５が操作（オン操作）されているか否かを判別し、条件を満たすＹＥＳの場合にはステップＳ２０に進む。ステップＳ２０では、エンジン１の回転数を低下させるために、制御回路２１の充電量制御部２９はスタータモータ２４による充電量を増やす、あるいは抵抗２４で熱を発生させることでスタータモータ２４に電気的な負荷を発生させ、マグネトロータ５つまりクランクシャフト４に制動力を与えてエンジン１の回転数を低下させる。一方、条件を満たさないＮＯの場合には、ステップＳ１８に戻る。

このように構成されたエンジン１によれば、スタータモータ２４は周方向に離間して環状に配置される複数の永久磁石１７を有するクランクシャフト４に接続されたマグネトロータ５と、クランクシャフト４の軸１８方向に永久磁石１７と対向するよう周方向に環状に配置される複数の駆動コイル１９を有する扁平型のステータ２０を備える。このため、スタータモータ２４をコンパクトにしてエンジン１をコンパクトにすることができる。

また、スタータモータ２４によるエンジン１の始動前に、スタータモータ２４を逆転駆動してピストン１２を上死点付近のシリンダ内の圧力がかかり始める位置に移動する。このため、エンジン１の始動のためにスタータモータ２４を正転させた場合にシリンダ内の圧力が最大になる上死点をピストン１２が越えることを避けることができ、ピストン１２はシリンダ内の圧力が低下する方向に長い距離を移動させて無駄の無い慣性始動を利用することが可能となる。したがって、エンジン１の始動時にスタータモータ２４に必要とされるトルクを抑えると同時に必要な電力も抑えることができ、スタータモータ２４やバッテリ２２をコンパクトにしてエンジン１をコンパクトにすることが可能となる。

さらに、スタータモータ２４によるエンジン１の始動は、始動開始時は全てのステータ２０の駆動コイル１９に通電を行うため、高トルクでエンジン１を回転させることができる。そして、回転数の上昇により通電させる駆動コイル１９の数を減らすことで、スタータモータ２４の最大回転速度をアイドリング回転速度附近まで上昇させるため、確実なエンジン１の始動が可能となる。

また、エンジン１が始動して回転数が所定値以上になると、制御回路２１はバッテリ２２からステータ２０の駆動コイル１９への電流の供給を遮断する。そして、スタータモータ２４を発電機として作動させてバッテリ２２の充電を行う。このため、作業者がエンジン１の始動後もスタータスイッチ１００６をＯＮ操作し続けることによるバッテリ２２の減少を抑制することができるうえ、バッテリ２２はスタータモータ２４の発電機としての駆動により充電されるので、バッテリ２２の減少を抑制することができ、バッテリ２２の容量を大きくする必要が無く、バッテリ２２を小型化して、エンジン１をコンパクトにすることができる。

さらに、エンジン１の回転数が空ぶかし等に過度に上昇した場合には、スタータモータ２４に負荷を与えてマグネトロータ５に制動力を与えてエンジン１の回転数を低下させるので、エンジン１の過回転を抑制してエンジン１の寿命を延ばすことができる。また、制御回路２１は、エンジン１の最大出力となる回転数前後にスタータモータ２４が負荷を付与するように制御することにより、容易にそのエンジン１のパワーバンドを使用することが可能となる。これにより、効率のよい作業を行うことができ、使用する燃料を減少させ、作業時間が短縮でき、作業者の疲労軽減を図ることも可能である。

また、ストップスイッチ１００５の作動時には、スタータモータ２４の電気的な負荷を最大にすることでエンジン１のマグネトロータ５に制動力を発生させるので、ストップスイッチ１００５作動後の惰性で回転するエンジン１の停止時間を短縮することができる。

さらに、バッテリ２２がエンジン１（エンジン１を収容したエンジンカバー２に）に対して、着脱可能に取付けられるため、バッテリ２２の放電時には予備のバッテリ２２に簡単に交換することができる。したがって、常に充電済みのバッテリ２２を用いることでスタータモータ２４が確実に利用できるようになるうえ、エンジン１の作動中にバッテリ２２を取り外すことにより、エンジン１およびエンジン１を搭載した刈払機１００１を小型かつ軽量にすることもでき、操作性を向上させることもできる。

なお、本発明の携帯作業機用のエンジン１は、上述の実施の形態で説明した刈払機１００１への適用に限定されるものでは無く、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、上述のエンジン１を例えばチェンソーに適用する場合には、上述の制御に加えて、チェンブレーキ作動時に上述のストップスイッチ１００５作動時と同様にスタータモータ２４に電気的な負荷を発生させ、マグネトロータ５つまりクランクシャフト４に制動力を与えてエンジン１の回転数を低下させるように構成してもよい。

１ エンジン
２ エンジンカバー
４ クランクシャフト
５ マグネトロータ
７ イグニッションコイル
９ 遠心クラッチ
１２ ピストン
１７ 永久磁石
１９ 駆動コイル
２０ ステータ
２１ 制御回路
２２ バッテリ
２３ 抵抗
２４ スタータモータ
２５ 電流検出部
２６ 回転数検出部
２７ 演算部
２８ 電流制御部
２９ 充電量制御部
３０ 正逆切替制御部
３１ ステータポール制御部
３２ 制御信号出力回路
３３ 点火装置

Claims (10)

1. イグニッションコイルとマグネトロータによって構成される点火装置により点火プラグを放電させてシリンダボア内の混合気を燃焼させる携帯作業機用のエンジンであって、
   周方向に環状に配置される永久磁石を有するクランクシャフトに接続される前記マグネトロータと、
   前記クランクシャフトの軸方向に前記永久磁石と対向するよう周方向に環状に配置される複数のコイルを有する扁平型のステータと、
   バッテリと、
   前記エンジンの回転数を検出する回転数検出手段と、
   該回転数検出手段の出力に基づいて前記バッテリから前記コイルへの通電を制御する制御手段と、を備える、
   ことを特徴とする携帯作業機用のエンジン。
2. 前記制御手段は、前記回転数検出手段の出力が第１の所定値を越えた場合に、前記マグネトロータに制動力を発生するよう前記コイルへの通電を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の携帯作業機用のエンジン。
3. 前記制御手段は、前記回転数検出手段の出力に基づいて通電を行う前記コイルの数を変更する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の携帯作業機用のエンジン。
4. 前記制御手段は、前記エンジンの回転数が上昇するにつれて、通電を行う前記コイルの数を減らす、
   ことを特徴とする請求項３に記載の携帯作業機用のエンジン。
5. 前記制御手段は、前記回転数検出手段の出力が第２の所定値を越えた場合に、前記バッテリから前記コイルへの通電を停止する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の携帯作業機用のエンジン。
6. 前記クランクシャフトの角度を検出するクランク角検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記エンジンの始動を行う前に、前記クランク角検出手段の出力に基づいて、前記マグネトロータを回転駆動して前記クランクシャフトが所定角度になるよう、前記バッテリから前記コイルへの通電を制御する、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の携帯作業機用のエンジン。
7. 前記制御手段は、前記回転数検出手段の出力が第３の所定値を越えた場合に、前記バッテリに充電を行うよう前記コイルに生じる電流を前記バッテリに供給する、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の携帯作業機用のエンジン。
8. 前記バッテリが、着脱可能に取付けられる、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の携帯作業機用のエンジン。
9. 前記点火プラグへの通電を停止するストップスイッチを更に備え、
   前記制御手段は、前記ストップスイッチ作動時に、前記マグネトロータに制動力を発生するよう前記コイルへの通電を制御する、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の携帯作業機用のエンジン。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のエンジンを備える、
    ことを特徴とする携帯作業機。

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