JP2013044297A - 内燃機関のバルブタイミング制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動モータの回転位置の検出を安価な歪みセンサを用いて価格の高騰を抑制できる内燃機関のバルブタイミング制御装置を提供する。
【解決手段】タイミングスプロケットに対してカムシャフトを相対回転させるための回転力を付与する電動モータ１２は、ハウジング５の内部に設けられたモータ軸１３と、モータ軸の外周に固定され、コイル１８が巻回された鉄心ロータ１８と、ハウジング５の内周側に配置された一対の永久磁石１４，１５と、を備え、一方側永久磁石１４をハウジングに対して切欠空間Ｚを介して回転可能に設けると共に、ハウジングに、一方側永久磁石の一方向の回転位置を規制するマグネットストッパ４０を固定すると共に、該マグネットストッパの下面に一方側永久磁石１４の当接時に受ける歪みを検出する歪みセンサ４２を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の機関弁である吸気弁や排気弁の開閉タイミングを制御する内燃機関のバルブタイミング制御装置に関する。

近時、電動モータの回転力を、減速機構を介してカムシャフトに伝達することによってクランクシャフトとカムシャフトの相対回転位相を変換して吸気弁や排気弁のバルブタイミングを制御するバルブタイミング制御装置が提供されている。

例えば、以下の特許文献１に記載されたバルブタイミング制御装置にあっては、電動モータとしてブラシレスモータを採用し、このブラシレスモータは、モータ軸の回転角を検出するホール素子からなる３つの回転センサが設けられている。これによって、電子コントローラが、モータ軸の回転角度位置から前記カムシャフトの回転位置を演算するようになっている。

また、電動モータとカムシャフトとの間に遊星歯車型の減速機構を設けることにより、カムシャフトの回転角度を検出する際の分解能を高くすることが可能になる。

特開２０１０−１２７１９２号公報

しかしながら、前記公報記載の従来技術にあっては、回転センサとして高価なホール素子を用いているため、装置の高騰が余儀なくされている。

本発明の目的は、電動モータの回転位置の検出を安価な歪みセンサを用いて価格の高騰を抑制できる内燃機関のバルブタイミング制御装置を提供することを目的としている。

本願請求項１に記載の発明は、とりわけ、通電することによって駆動回転体に対して従動回転体を相対回転させるための回転力を付与する電動モータは、通電状態によって磁極が切り換わる電磁石と、該電磁石に対向配置されて、複数の磁極を有する永久磁石と、を備え、該電動モータが出力する回転力を減速して前記従動回転体に伝達する減速機構を設けると共に、前記永久磁石の歪みを、マグネットストッパを介して検出する歪みセンサとを設けたことを特徴としている。

この発明によれば、電動モータの回転位置の検出を安価な歪みセンサを用いることから、装置の価格の高騰を抑制することが可能になる。

本発明に係るバルブタイミング制御装置の実施形態に供されるハウジングと永久磁石を示す断面図である。 本実施形態に供される歪みセンサの一部を示す概略図である。 本実施形態に供される歪みセンサが設けられる測定装置を示す斜視図である。 測定装置の他例を示す平面図である。 本発明に係るバルブタイミング制御装置の一実施形態を示す縦断面図である。 本実施形態における主要な構成部材を示す分解斜視図である。 図５のＡ−Ａ線断面図である。 図５のＢ−Ｂ線断面図である。 図５のＣ−Ｃ線断面図である。 図５のＤ矢視図である。 バルブタイミング制御装置の側面図である。 本実施形態に供される歪みセンサの出力波形図である。 本実施形態に供される鉄心ロータのスロットを介して歪みセンサで検出された歪み変化を回転パルス信号に変換させた波形図である。 測定装置のさらに異なる例を示す概略図である。

以下、本発明に係る内燃機関のバルブタイミング制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態では、内燃機関の吸気側の動弁装置に適用したものであるが、排気側の動弁装置に同様に適用することも可能である。

このバルブタイミング制御装置は、図５及び図６に示すように、内燃機関のクランクシャフトによって回転駆動する駆動回転体であるタイミングスプロケット１と、シリンダヘッド上に図外の軸受を介して回転自在に支持され、前記タイミングスプロケット１から伝達された回転力によって回転するカムシャフト２と、タイミングスプロケット１の前方位置に配置された図外のチェーンカバーに固定されたカバー部材３と、タイミングスプロケット１とカムシャフト２の間に配置されて、機関運転状態に応じて両者１，２の相対回転位相を変更する位相変更機構４と、を備えている。

前記タイミングスプロケット１は、全体が鉄系金属によって環状一体に形成されており、内周面が段差径状のスプロケット本体１ａと、該スプロケット本体１ａの外周に一体に設けられて、巻回された図外のタイミングチェーンを介してクランクシャフトからの回転力を受けるギア歯車１ｂと、前記スプロケット本体１ａの前端側に一体に設けられた環状部材１９と、から構成されている。

また、このタイミングスプロケット１は、スプロケット本体１ａと前記カムシャフト２の前端部に設けられた後述する従動部材９との間に、軸受である１つの大径ボールベアリング４３が介装されており、この大径ボールベアリング４３によって、タイミングスプロケット１と前記カムシャフト２が相対回転自在に支持されている。

前記大径ボールベアリング４３は、図５〜図７に示すように、外輪４３ａと、内輪４３ｂ及び該両輪４３ａ、４３ｂの間に介装されたボール４３ｃと、から構成されている。この大径ボールベアリング４３は、前記外輪４３ａがスプロケット本体１ａの内周側に固定されているのに対して、内輪４３ｂが後述する従動部材９の外周側に固定されている。

前記スプロケット本体１ａは、内周側に、前記カムシャフト２側に開口した円環溝状の外輪固定部６０が切欠形成されている。

この外輪固定部６０は、段差径状に形成されて、カムシャフト軸方向に延びた円環状の内周面６０ａと、該内周面６０ａの前記開口と反対側に一体に有し、径方向に沿って形成された第１固定段差面６０ｂとから構成されている。前記内周面６０ａには、前記大径ボールベアリング４３の外輪４３ａが軸方向から圧入されると共に、前記第１固定段差面６０ｂには、圧入された前記外輪４３ａの軸方向の内端面４３ｄが当接して、該外輪４３ａの軸方向一方側の位置決めをするようになっている。

前記環状部材１９は、図５〜図７に示すように、前記スプロケット本体１ａの前端部外周側に一体に設けられ、位相変更機構４の電動モータ１２方向へ延出した円筒状に形成されていると共に、内周には、波形状の内歯１９ａが形成されている。この内歯１９ａは、円周方向に等間隔で連続的に複数形成されている。また、環状部材１９の前端側には、電動モータ１２の後述するハウジング５と一体の円環状の雌ねじ形成部６が配置されている。

また、スプロケット本体１ａの環状部材１９と反対側の後端部には、円環状の保持プレート６１が配置されている。この保持プレート６１は、比較的薄い金属板材によって一体に形成され、図２に示すように、外径が前記スプロケット本体１ａの外径とほぼ同一に設定されていると共に、内径が前記大径ボールベアリング４３の径方向のほぼ中央付近の径に設定されている。

したがって、保持プレート６１の内周部６１ａは、前記外輪４３ａの軸方向の外端面４３ｅに対して一定の隙間をもって覆うように対向配置されている。また、前記内周部６１ａの内周縁所定位置には、径方向内側、つまり中心軸方向に向かって突出したストッパ凸部６１ｂが一体に設けられている。

このストッパ凸部６１ｂは、図６及び図８に示すように、ほぼ扇状に形成されて、先端縁６１ｃが後述するストッパ溝２ｂの円弧状内周面に沿った円弧状に形成されている。さらに、前記保持プレート６１の外周部には、前記各ボルト７が挿通する６つのボルト挿通孔６１ｄが周方向の等間隔位置に貫通形成されている。

さらに、前記保持プレート６１の内面と該内面に対向する前記大径ボールベアリング４３の外輪４３ａの外端面４３ｅとの間には、円環状のスペーサ６２が介装されている。このスペーサ６２は、前記保持プレート６１を前記各ボルト７によって共締め固定した際に、保持プレート６１の内面から前記外輪４３ａの外端面４３ｅへ僅かな押し付け力を付与するものであるが、この肉厚は外輪４３ａの外端面４３ｅと保持プレート６１との間に、外輪４３ａの軸方向移動許容範囲内の微小隙間が形成される程度の厚さに設定されている。

前記スプロケット本体１ａ（環状部材１９）及び保持プレート６１のそれぞれの外周部には、ボルト挿通孔１ｃ、６１ｄが周方向のほぼ等間隔位置に６つ貫通形成されている。また、前記雌ねじ形成部６には、各ボルト挿通孔１ｃ、６１ｄと対応した位置に６つの雌ねじ孔６ａが形成されており、これらに挿通した６本のボルト７によって前記３者６１、１、６（ハウジング５）が共締め固定されている。

なお、前記スプロケット本体１ａ及び環状部材１９が、後述する減速機構８のケーシングとして構成されている。

また、前記スプロケット本体１ａと前記環状部材１９、保持プレート６１及び雌ねじ形成部６は、それぞれの外径がほぼ同一に設定されている。

前記カバー部材３は、アルミニウム合金材によってカップ状に一体に形成されて、前端部に形成された膨出部３ａが前記ハウジング５の前端部を覆うように設けられていると共に、前記膨出部３ａの外周部側には円筒壁３ｂが軸方向に沿って一体に形成されている。この円筒壁３ｂは、図５、図６にも示すように、内部に保持用孔３ｃが形成されて、この保持用孔３ｃの内周面が後述するブラシ保持体２８のガイド面として構成されている。

また、カバー部材３は、図５に示すように、外周に形成されたフランジ部３ｄに６つのボルト挿通孔３ｅが貫通形成され、この各ボルト挿通孔３ｅに挿通された図外のボルトによって前記チェーンカバーに固定されている。

前記膨出部３ａの外周側の段差部内周面と前記ハウジング５の外周面との間には、図５にも示すように、第２シール部材である大径なオイルシール５０が介装されている。この大径オイルシール５０は、横断面ほぼコ字形状に形成されて、合成ゴムの基材の内部に芯金が埋設されていると共に、外周側の円環状基部が前記カバー部材３の内周面に設けられた段差円環部３ｈに嵌着固定されている。

前記ハウジング５は、鉄系金属材をプレス成形によって有底筒状に形成された筒状部であるハウジング本体５ａと、該ハウジング本体５ａの前端開口を封止する合成樹脂の非磁性材からなる封止プレート１１と、を備えている。

前記ハウジング本体５ａは、後端側に円板状の仕切壁５ｂが設けられていると共に、前端内周に前記封止プレート１１の外周を嵌着固定する円環状の固定用溝が形成されている。

前記仕切壁５ｂは、図５に示すように、ほぼ中央位置に後述の偏心軸部３９が挿通される大径な軸部挿通孔５ｃが貫通形成されていると共に、外周部に前述した雌ねじ形成部６が軸方向から形成されている。また、仕切壁５ｂの前記雌ねじ形成部材６より内側の前端面には、環状凹部５ｄが形成されている。この環状凹部５ｄは、前記雌ねじ形成部６側の外側内周面５ｅが底面に対して拡径状のテーパ面に形成されていると共に、内側内周面５ｆが底面に対して垂直状に形成されている。

前記カムシャフト２は、外周に図外の吸気弁を開作動させる一気筒当たり２つの駆動カムを有していると共に、前端部に前記フランジ部２ａが一体に設けられている。

このフランジ部２ａは、図５に示すように、外径が後述する従動部材９の固定端部９ａの外径よりも僅かに大きく設定されて、各構成部品の組み付け後に、前端面２ｅの外周部が前記大径ボールベアリング４３の内輪４３ｂの軸方向外端面に当接配置されるようになっている。また、前端面２ｅが従動部材９に軸方向から当接した状態でカムボルト１０によって軸方向から結合されている。

また、前記フランジ部２ａの外周には、図８に示すように、前記保持プレート６１のストッパ凸部６１ｂが係入するストッパ凹溝２ｂが円周方向に沿って形成されている。このストッパ凹溝２ｂは、円周方向へ所定長さの円弧状に形成されて、この長さ範囲で回動したストッパ凸部６１ｂの両端縁が周方向の対向縁２ｃ、２ｄにそれぞれ当接することによって、タイミングスプロケット１に対するカムシャフト２の最大進角側あるいは最大遅角側の相対回転位置を規制するようになっている。

なお、前記ストッパ凸部６１ｂは、前記保持プレート６１の大径ボールベアリング４３の外輪４３ａに軸方向外側から対向して固定する部位よりもカムシャフト２側に離間して配置されて、前記従動部材９の固定端部９ａとは非接触状態になっている。したがって、ストッパ凸部６１ｂと固定端部９ａとの干渉を十分抑制できる。

前記ストッパ凸部６１ｂとストッパ凹溝２ｂによってストッパ機構が構成されている。

前記カムボルト１０は、図５に示すように、頭部１０ａの軸部１０ｂ側の端面に円環状のワッシャ部１０ｃが配置されていると共に、軸部１０ｂの外周に前記カムシャフト２の端部から内部軸方向に形成された雌ねじ部に螺着する雄ねじ部１０ｄが形成されている。

前記従動部材９は、鉄系金属材によって一体に形成され、図５に示すように、前端側に形成された円板状の固定端部９ａと、該固定端部９ａの内周前端面から軸方向へ突出した円筒部９ｂと、前記固定端部９ａの外周部に一体に形成されて、複数のローラ４８を保持する円筒状の保持器４１とから構成されている。

前記固定端部９ａは、後端面が前記カムシャフト２のフランジ部２ａの前端面に当接配置されて、前記カムボルト１０の軸力によってフランジ部２ａに軸方向から圧接固定されている。

前記円筒部９ｂは、図５に示すように、中央に前記カムボルト１０の軸部１０ｂが挿通される挿通孔９ｄが貫通形成されていると共に、外周側にニードルベアリング３８が設けられている。

前記保持器４１は、図５〜図７に示すように、前記固定端部９ａの外周部前端から断面ほぼＬ字形状に折曲されて、前記円筒部９ｂと同方向へ突出した有底円筒状に形成されている。この保持器４１の筒状先端部４１ａは、環状の空間部４４を介して仕切壁５ｂ方向へ延出している。また、前記先端部４１ａの周方向のほぼ等間隔位置に、前記複数のローラ４８をそれぞれ転動自在に保持するローラ保持部であるほぼ長方形状の複数のローラ保持孔４１ｂが周方向の等間隔位置に形成されている。このローラ保持孔４１ｂ（ローラ４８）は、その全体の数が前記環状部材１９の内歯１９ａの全体の歯数よりも１つ少なくなっている。

そして、前記固定端部９ａの外周部と保持器４１の底部側結合部との間には、前記大径ボールベアリング４３の内輪４３ｂを固定する内輪固定部６３が切欠形成されている。

この内輪固定部６３は、前記外輪固定部６０と径方向から対向した段差状に切欠形成されて、カムシャフト軸方向に延びた円環状の外周面６３ａと、該外周面６３ａの前記開口と反対に一体に有し、径方向に沿って形成された第２固定段差面６３ｂとから構成されている。前記外周面６３ａには、大径ボールベアリング４３の内輪４３ｂが軸方向から圧入されると共に、前記第２固定段差面６３ｂには、圧入された前記内輪４３ｂの内端面４３ｆが当接して軸方向の位置決めされるようになっている。

前記位相変更機構４は、前記カムシャフト２のほぼ同軸上前端側に配置されたアクチュエータである前記電動モータ１２と、該電動モータ１２の回転速度を減速してカムシャフト２に伝達する前記減速機構８と、から構成されている。

前記電動モータ１２は、図５及び図６に示すように、ブラシ付きのＤＣモータであって、前記タイミングスプロケット１と一体に回転するヨークである前記ハウジング５と、該ハウジング５の内部に回転自在に設けられたモータ軸１３（出力軸）と、ハウジング５の内周面に沿って配置されたステータである半円弧状の一対の永久磁石１４，１５と、前記封止プレート１１に固定された固定子１６と、を備えている。

前記モータ軸１３は、図５に示すように、段差円筒状に形成されてアーマチュアとして機能し、軸方向のほぼ中央位置に形成された段差部１３ｃを介してカムシャフト２側の大径部１３ａと、ブラシ保持体２８側の小径部１３ｂとから構成されている。また、前記大径部１３ａの外周に鉄心ロータ１７が固定されていると共に、該大径部１３ａの内部に偏心軸部３９が軸方向から圧入固定されて、前記段差部１３ｃの内面によって偏心軸部３９の軸方向の位置決めがさせるようになっている。

一方、前記小径部１３ｂの外周には、円環部材２０が圧入固定されていると共に、該円環部材２０の外周面にコミュテータ２１が軸方向から圧入固定されて前記段差部１３ｃの外面によって軸方向の位置決めがなされている。前記円環部材２０は、その外径が前記大径部１３ａの外径とほぼ同一に設定されていると共に、軸方向の長さが小径部１３ｂよりも僅かに短く設定されている。

そして、前記段差部１３ｃの内外面によって前記偏心軸部３９とコミュテータ２１の両方の軸方向の位置決めができるので、組み付け作業が容易になると共に、位置決め精度が向上する。

前記鉄心ロータ１７は、複数の磁極を持つ磁性材によって形成され、外周側が電磁コイル１８のコイル線を巻回させるスロットを有するボビンとして構成されている。このボビンは、図３に示すように、軸方向前後位置にほぼＬ字形状に折曲された第１、第２顎部１７ａ、１７ｂを有している。

この第１、第２顎部１７ａ、１７ｂは、電磁コイル１８のコイル巻線１８ａ、１８ｂをモータ軸１３寄りの内周側に位置決めするものであって、コミュテータ２１側の第１顎部１７ａは、第２顎部１７ｂよりもさらに内周側寄りに配置され、つまり前記大径部１３ａ側に近接配置されていると共に、前端の一部が前記コミュテータ２１の一部に軸方向からオーバーラップしており、この第１顎部１７ａとコミュテータ２１との間に、円環状の環状空間Ｓが形成されている。換言すれば、前記コミュテータ２１の後端側（後述する折り返し部２１ａ）の一部が、軸方向から第１顎部１７ａの内部に入り込んだ状態になって、この第１顎部１７ａの内周面とコミュテータ２１の後端側との間に、環状空間Ｓが形成されている。これに対して、反対側の第２顎部１７ｂは、外周部が前記仕切壁５ｂの環状凹部５ｄ内に嵌入している。

したがって、前記電磁コイル１８は、コミュテータ２１側の一方のコイル巻線１８ａとカムシャフト２側の他方のコイル巻線１８ｂが鉄心ロータ１７を軸とした左右非対称となるように巻回されている。

すなわち、一方のコイル巻線１８ａが第１顎部１７ａを介してモータ軸１３に近接した位置から巻回されている一方、他方のコイル巻線１８ｂが第２顎部１７ｂを介して前記ハウジング５の仕切壁５ｂの環状凹部５ｄ内に収容された形で軸方向から近接配置されている。

一方、前記コミュテータ２１は、導電材によって円環状に形成されて、前記鉄心ロータ１７の極数と同数に分割された各セグメントに前記電磁コイル１８の引き出された図外のコイル線の端末が電気的に接続されている。つまり、内周側に形成された接続部である折り返し部２１ａに、前記環状空間Ｓ内でコイル線の端末先端を挟み込んで電気的に接続されるようになっている。

前記永久磁石１４，１５は、図１に示すように、全体が円筒状に形成されて円周方向に複数の磁極を有していると共に、一方側の永久磁石１４が前記ハウジング５の内周面に沿って回転可能に配置されているのに対して他方側の永久磁石１５はハウジング５の内周面に固定されている。

すなわち、前記それぞれ円弧状の各永久磁石１４，１５は、互いに径方向で対向する部位がＮ極１４ａ、１５ａとＳ極１４ｂ、１５ｂに設定され、一方側永久磁石１４の外周面が前記ハウジング５の内周面と一定の隙間Ｐをもって配置されているのに対して、他方側永久磁石１５の外周面が前記ハウジング５の内周面に圧入あるいは接着剤などによって固定されている。そして、一方側永久磁石１４側は、Ｎ極１４ｂの円周方向の一端部が切欠されて、全体の周方向長さＬが他方側永久磁石１５側のＮ極１５ｂの円周方向長さＬ１よりも短く形成されて、前記切り欠かれた円弧状の切欠空間Ｚの周方向の範囲の長さだけハウジング５に対して相対的な回転が許容されている。

なお、一方側の永久磁石１４が、前記切欠空間Ｚの範囲内で回転するための具体的手段としては、前記隙間Ｐに例えばニードルベアリングなどの軸受を介装するとか、あるいは非磁性材のプレーンベアリングを介装してある。

また、前記ハウジング５の一方側永久磁石１４のＮ極１４ａの一端部の端縁１４ｃに対向する位置、つまり前記切欠空間Ｚの端縁に、規制部材であるマグネットストッパ４０が固定されている。このマグネットストッパ４０は、非磁性材の例えば合成樹脂材によってブロック状に形成されて、ハウジング５の内周面にネジ止めなどによって固定されていると共に、前記切欠空間Ｚと反対側の下面に歪みセンサ４２が取り付けられている。また、一方側永久磁石１４は、図１中、時計方向の最大回転位置は図外の別異のマグネットストッパによって規制されるようになっている。

前記歪みセンサ４２は、例えば、特開２００６−２２０５７４号公報などに記載されたものと構造的に同一のものである。

この歪みセンサ４２は、シリコン単結晶によって形成された一片が数ミクロン〜数ｍｍ角、厚さが１０〜数百ミクロンのチップ形状を有したものを拡散層などの素子形成面（シリコン基板）の裏面全体を前記マグネットストッパ４０の下面に貼り付けて、前記一方側の永久磁石１４が、前記マグネットストッパ４０に周方向から当接した際の歪みを検出するようになっている。

この歪みセンサ４２の構造の一例を図２に基づいて簡単に説明すると、例えばｐ型の拡散抵抗４本を用いてホイートスンブリッジ回路を形成し、このホイートストンブリッジ回路を形成する４本のｐ型不純物拡散層による抵抗１５は、対向する一組の抵抗、１５，１５がシリコン単結晶の〔−１１０〕方向が長手となるように配置されている。残りの一組の抵抗１５、１５は、〔−１１０〕方向に対して９０°回転させた〔１１０〕方向が長手となるように配置されている。すなわち、ホイートストンブリッジ回路を構成する半数の抵抗の各抵抗の両端子１０２を結ぶ直線が半導体単結晶の〔１１０〕方向とほぼ同一となるように形成されていると共に、該半数の抵抗の各抵抗の両端子を結ぶ線に対してほぼ直角が望ましいが、４５°より大きく１３５°より小さい角度で交わるように配置されている。

このように拡散抵抗のレイアウトにすることにより、４本すべての抵抗１５は周囲の影響をすべて等しくすることができることから、４本の抵抗１５のマスク形状を同一にエッチングすることができる。このため、不純物拡散層を形成した際に、４本の抵抗値を均一にすることができ、ホイートストンブリッジ回路のオフセットを小さくことを可能とし、精度の高い歪み量測定を行うことができる。

また、この測定装置としては、図３に示すように、前記歪みセンサ５２が貼り付けられた前記シリコン基板６０上に、電源６１や増幅器６２やＡ／Ｄ変換器、アナログ回路６３、通信制御部６４及びアンテナ６５が設けられて、後述するコントロールユニットとの情報のやり取りを無線形式で行うようになっている。この場合、前記電源６１は、蓄電池であっても良いし、電磁波を用いて自己発電を行うもので合っても良い。このような無線方式でコントロールユニットとの通信を行うことにより、コントロールユニットとの間に配線が必要なくなり、ベーンロータ７の回転を阻害することなく測定を行うことができる。

また、前記アンテナ６５は、図４に示すように、シリコン基板６０の外側に配置することも可能である。このように、アンテナ６５を外部に配置する場合には、アンテナ６５が取り囲む面積を大きくすることができることから、通信距離を長くすることができる。

前記固定子１６は、図９及び図１０に示すように、前記封止プレート１１の内周側に一体的に設けられた円板状の樹脂プレート２２と、該樹脂プレート２２の内側に設けられた一対の樹脂ホルダー２３ａ、２３ｂと、該各樹脂ホルダー２３ａ、２３ｂの内部に径方向に沿って摺動自在に収容配置されて、コイルスプリング２４ａ、２４ｂのばね力で各先端面が前記コミュテータ２１の外周面に径方向から弾接する切換ブラシ（整流子）である一対の第１ブラシ２５ａ、２５ｂと、前記樹脂ホルダー２３ａ、２３ｂの前端面に、各外端面を露出した状態で埋設固定された内外二重の円環状のスリップリング２６ａ、２６ｂと、前記各第１ブラシ２５ａ、２５ｂと各スリップリング２６ａ、２６ｂを電気的に接続するピグテールハーネス２７ａ、２７ｂと、から主として構成されている。なお、前記スリップリング２６ａ、２６ｂと後述する第２ブラシ３０ａ、３０ｂが給電機構として構成され、また、前記第１ブラシ２５ａ、２５ｂやコミュテータ２１、ピグテールハーネス２７ａ、２７ｂなどが通電切換手段として構成されている。

前記封止プレート１１は、前記ハウジング５の前端部内周に形成された凹状段差部にかしめによって位置決め固定されている。また、中央位置には、モータ軸１３の一端部などが挿通される軸挿通孔１１ａが貫通形成されている。

前記膨出部３ａには、合成樹脂材によって一体的にモールドされた給電ブラシユニットであるブラシ保持体２８が固定されている。

このブラシ保持体２８は、図５、図６及び図１１にも示すように、側面視ほぼＬ字形状に形成され、前記保持用孔３ｃに挿入されるほぼ円筒状のブラシ保持部２８ａと、該ブラシ保持部２８ａの上端部に有するコネクタ部２８ｂと、前記ブラシ保持部２８ａの両側に一体に突設されて、前記膨出部３ａに固定される一対のブラケット部２８ｃ、２８ｃと、前記ブラシ保持体２８の内部に大部分が埋設された一対の端子片３１、３１と、から主として構成されている。

前記一対の端子片３１，３１は、上下方向に沿って平行かつクランク状に形成されて、一方側（下端側）の各端子３１ａ、３１ａが前記ブラシ保持部２８ａの底部側に露出状態で配置されている一方、他方側（上端側）の各端子３１ｂ、３１ｂが前記コネクタ部２８ｂの雌型嵌合溝２８ｄ内に突設されている。また、前記他方側端子３１ａ、３１ｂは、図外の雄端子を介してバッテリー電源に電気的に接続されている。

前記ブラシ保持部２８ａは、ほぼ水平方向（軸方向）に延設されて、内部の上下位置に形成された円柱状の貫通孔内にスリーブ状の摺動部２９ａ、２９ｂが固定されていると共に、該各摺動部２９ａ、２９ｂの内部に、各先端面が前記各スリップリング２６ａ、２６ｂに軸方向からそれぞれ当接する第２ブラシ３０ａ、３０ｂが軸方向へ摺動自在に保持されている。

この各第２ブラシ３０ａ、３０ｂは、ほぼ長方体状に形成されて、各貫通孔の底部側に臨む前記一方側端子３１ａ、３１ａとの間に弾装された付勢部材である第２コイルスプリング３２ａ、３２ｂのばね力によってそれぞれ前記各スリップリング２６ａ、２６ｂ方向に付勢されている。

また、前記第２ブラシ３０ａ、３０ｂの後端部と前記一方側端子３１ａ、３１ａとの間には、可撓性を有する一対のピグテールハーネス３３ａ、３３ｂが溶接固定されて、前記両者を電気的に接続している。このピグテールハーネス３３ａ、３３ｂは、その長さが前記第２ブラシ３０ａ、３０ｂが前記各コイルスプリング３２ａ、３２ｂによって最大に進出した際に、前記各摺動部２９ａ、２９ｂから脱落しないように、その最大摺動位置を規制する長さに設定されている。

また、前記ブラシ保持部２８ａの基部側外周に形成された円環状の嵌着溝内に、環状シール部材３４が嵌着保持されており、前記ブラシ保持部２８ａが前記保持用孔３ｃに挿通された際に、前記シールリング３４が前記円筒壁３ｂの先端面に弾接してブラシ保持部２８ａ内をシールするようになっている。

前記コネクタ部２８ｂは、上端部に図外の雄型端子が挿入される前述した嵌合溝２８ｄに臨む前記他方側端子３１ｂ、３１ｂが前記雄型端子を介して図外のコントロールユニットに電気的に接続されている。

前記ブラケット部２８ｃ、２８ｃは、ほぼ三角形状に形成されて、両側部にボルト挿通孔２８ｅ、２８ｅが貫通形成されている。この各ボルト挿通孔２８ｅ、２８ｅには、前記膨出部３ａに形成された一対の雌ねじ孔３ｆ、３ｆに螺着する各ボルト３６、３６が挿通されて各ブラケット部２８ｃ、２８ｃを介して前記ブラシ保持体２８が膨出部３ａに固定されるようになっている。

前記モータ軸１３と偏心軸部３９は、前記カムボルト１０の頭部１０ａ側の軸部１０ｂの外周面に設けられた小径ボールベアリング３７と、前記従動部材９の円筒部９ｂの外周面に設けられて小径ボールベアリング３７の軸方向側部に配置された前記ニードルベアリング３８とによって回転自在に支持されている。この小径ボールベアリング３７とニードルベアリング３８によって軸受機構が構成されている。

前記ニードルベアリング３８は、偏心軸部３９の内周面に圧入された円筒状のリテーナ３８ａと、該リテーナ３８ａの内部に回転自在に保持された複数の転動体であるニードルローラ３８ｂとから構成されている。このニードルローラ３８ｂは、前記従動部材９の円筒部９ｂの外周面を転動している。

前記小径ボールベアリング３７は、内輪が前記従動部材９の円筒部９ｂの前端縁とカムボルト１０のワッシャ１０ｃとの間に挟持状態に固定されている一方、外輪がモータ軸１３の内周に形成された段差部と抜け止めリングであるスナップリング４５との間で軸方向から位置決め支持されている。

また、前記モータ軸１３(偏心軸部３９)の外周面と前記仕切壁５ｂの軸部挿通孔５ｃの内周面との間には、減速機構８の内部から電動モータ１２内への潤滑油のリークを阻止する小径なシール部材である小径オイルシール４６が設けられている。この小径オイルシール４６は、電動モータ１２と減速機構８とを隔成するものであって、内周部が前記モータ軸１３の外周面に弾接していることによって、該モータ軸１３の回転に対して摩擦抵抗を付与するようになっている。

前記減速機構８は、図５及び図６に示すように、偏心回転運動を行う前記偏心軸部３９と、該偏心軸部３９の外周に設けられた中径ボールベアリング４７と、該中径ボールベアリング４７の外周に設けられた前記ローラ４８と、該ローラ４８を転動方向に保持しつつ径方向の移動を許容する前記保持器４１と、該保持器４１と一体の前記従動部材９と、から主として構成されている。

前記偏心軸部３９は、段差径の円筒状に形成されて、前端側の小径部３９ａが前述したモータ軸１３の大径部１３ａの内周面に圧入固定されている共に、後端側の大径部３９ｂの外周面に形成されたカム面の軸心Ｙがモータ軸１３の軸心Ｘから径方向へ僅かに偏心している。なお、前記中径ボールベアリング４７とローラ４８などが遊星噛み合い部として構成されている。

前記中径ボールベアリング４７は、前記ニードルベアリング３８の径方向位置で全体がほぼオーバーラップする状態に配置され、内輪４７ａと外輪４７ｂ及び両輪４７ａ、４７ｂとの間に介装されたボール４７ｃとから構成されている。前記内輪４７ａは、前記偏心軸部３９の外周面に圧入固定されているのに対して、前記外輪４７ｂは、軸方向で固定されることなくフリーな状態になっている。つまり、この外輪４７ｂは、軸方向の電動モータ１２側の一端面がどの部位にも接触せず、また軸方向の他端面４７ｄがこれに対向する保持器４１の内側面との間に微小な第１隙間Ｃが形成されてフリーな状態になっている。また、この外輪４７ｂの外周面には、前記各ローラ４８の外周面が転動自在に当接している。この外輪４７ｂの外周側には、円環状の第２隙間Ｃ１が形成されて、この第２隙間Ｃ１によって中径ボールベアリング４７全体が前記偏心軸部３９の偏心回転に伴って径方向へ移動可能、つまり偏心動可能になっている。

前記各ローラ４８は、前記中径ボールベアリング４７の偏心動に伴って径方向へ移動しつつ前記環状部材１９の内歯１９ａに嵌入すると共に、保持器４１のローラ保持孔４１ｂの両側縁によって周方向にガイドされつつ径方向に揺動運動させるようになっている。

前記減速機構８の内部には、潤滑油供給手段によって潤滑油が供給されるようになっている。この潤滑油供給手段は、前記シリンダヘッドの軸受の内部に形成されて、図外のメインオイルギャラリーから潤滑油が供給される油供給通路と、図５に示すように、前記カムシャフト２の内部軸方向に形成されて、前記油供給通路にグルーブ溝を介して連通した油供給孔５１と、前記従動部材９の内部軸方向に貫通形成されて、一端が該油供給孔５１に開口し、他端が前記ニードルベアリング３８と中径ボールベアリング４７の付近に開口した前記小径なオイル孔５２と、同じく従動部材９に貫通形成された前記大径な３つの図外のオイル排出孔と、から構成されている。

この潤滑油供給手段によって、前記空間部４４に潤滑油が供給されて滞留し、ここから中径ボールベアリング４７や各ローラ４８などの可動部へ十分に潤滑油が供給されるようになっている。なお、この空間部４４内に滞留した潤滑油は、前記小径オイルシール４６によってハウジング５内へのリークが阻止されている。

なお、前記モータ軸１３の前端内部には、図５に示すように、カムボルト１０側の空間部を閉止する断面ほぼコ字形状のキャップ５３が圧入固定されている。

前記コントロールユニットは、内蔵されたマイクロコンピュターが図外のクランク角センサやエアーフローメータ、水温センサ、アクセル開度センサなど各種のセンサ類から情報信号に基づいて現在の機関運転状態を検出して、機関制御を行うと共に、前記電磁コイル１８に通電してモータ軸１３の回転制御を行い、減速機構８を介してカムシャフト２のタイミングスプロケット１に対する相対回転位相を制御するようになっている。

すなわち、このコントロールユニットは、前記歪みセンサ４２が検出したマグネットストッパ４０の歪みの変動出力によって前記電動モータ１２の回転角度を検出すると共に、前記歪みセンサ４２で検出した歪みの変動出力の平均値によって前記電動モータ１２の回転方向を検出するようになっている。

具体的には、前記鉄心ロータ１７が回転駆動した際に発生する永久磁石１４，１５への反力によって一方側永久磁石１４が前記切欠空間Ｚを介して正逆回転し、例えば図１中、反時計方向へ回転して切欠空間Ｚ側の一端縁１４ｃがマグネットストッパ４０の上面に当接して規制される。この状態で前記鉄心ロータ１７の各スロット分だけ歪みが発生する。つまり、スロット分の歪みセンサ４２が歪みとしてカウントして検出し、この歪みの変化を、図１３に示すように、鉄心ロータ１７の回転角度検出用のパルス信号として利用して鉄心ロータ１７の回転角を算出する。この算出された回転角に基づいて前記タイミングスプロケット１とカムシャフト２との相対回転角を算出するようになっている。

また、図１２に示すように、前記歪みセンサ４２から出力された歪みの変動出力（波形）の平均値から前記鉄心ロータ１７の左右回転方向、つまり平均値よりも大きい場合は左回転方向（反時計方向）、平均値よりも小さい場合は右回転方向（時計方向）と判断するようになっている。
〔バルブタイミング制御装置の作動〕
以下、本実施形態のバルブタイミング制御装置の作動について説明する。

まず、機関のクランクシャフトが回転駆動すると図外のタイミングチェーンを介してタイミングスプロケット１が回転して、その回転力が環状部材１９と雌ねじ形成部６を介してハウジング５、つまり電動モータ１２が同期回転する。一方、前記環状部材１９の回転力が、各ローラ４８から保持器４１及び従動部材９を経由してカムシャフト２に伝達される。これによって、カムシャフト２のカムが吸気弁を開閉作動させる。

そして、機関始動後の所定の機関運転時には、前記コントロールユニットから各端子片３１，３１から各ピグテールハーネス３２ａ、３２ｂ、第２ブラシ３０ａ、３０ｂ、各スリップリング２６ａ、２６ｂなどを介して電動モータ１２の電磁コイル１７に通電される。これによって、モータ軸１３が回転駆動され、この回転力が減速機構８を介してカムシャフト２に減速された回転力が伝達される。

すなわち、前記モータ軸１３の回転に伴い偏心軸部３９が偏心回転すると、各ローラ４８がモータ軸１３の１回転毎に保持器４１の各ローラ保持孔４１ｂで径方向へガイドされながら前記環状部材１９の一の内歯１９ａを乗り越えて隣接する他の内歯１９ａに転動しながら移動し、これを順次繰り返しながら円周方向へ転接する。この各ローラ４８の転接によって前記モータ軸１３の回転が減速されつつ前記従動部材９に回転力が伝達される。このときの減速比は、前記ローラ４８の個数などによって任意に設定することが可能である。

これにより、カムシャフト２がタイミングスプロケット１に対して正逆相対回転して相対回転位相が変換されて、吸気弁の開閉タイミングを進角側あるいは遅角側に変換制御するのである。

そして、前記タイミングスプロケット１に対するカムシャフト２の正逆相対回転の最大位置規制(角度位置規制)は、前記ストッパ凸部６１ｂの各側面が前記ストッパ凹溝２ｂの各対向面２ｃ、２ｄのいずれか一方に当接することによって行われる。

すなわち、前記従動部材９が、前記偏心軸部３９の偏心回動に伴ってタイミングスプロケット１の回転方向と同方向に回転することによって、ストッパ凸部６１ｂの一側面がストッパ凹溝２ｂの一方側の対向面１ｃに当接してそれ以上の同方向の回転が規制される。これにより、カムシャフト２は、タイミングスプロケット１に対する相対回転位相が進角側へ最大に変更される。

一方、従動部材９が、タイミングスプロケット１の回転方向と逆方向に回転することによって、ストッパ凸部６１ｂの他側面がストッパ凹溝２ｂの他方側の対向面２ｄに当接してそれ以上の同方向の回転が規制される。これにより、カムシャフト２は、タイミングスプロケット１に対する相対回転位相が遅角側へ最大に変更される。

この結果、吸気弁の開閉タイミングが進角側あるいは遅角側へ最大に変換されて、機関の燃費や出力の向上が図れる。

そして、本実施形態では、コントロールユニットが、前記歪みセンサ４２で検出した歪みの出力を用いて前記電動モータ１２（鉄心ロータ１７）の回転角度と回転方向を算出することから、前記吸気弁のバルブタイミングを高精度に制御することができると共に、検出手段として従来のような高価なホール素子を用いずに、安価な歪みセンサ４２を用いたため装置の低廉化が図れる。

また、本実施形態では、前述したように、電磁コイル１８の一方のコイル巻線１８ａを、第１顎部１７ａを介してコミュテータ２１側（軸方向）に十分に近接した内周側からへ巻回することができるため、コイル巻線１８ａの巻量を多くしても軸方向への突出量を抑制することができる。また、他方のコイル巻線１８ｂを、ハウジング仕切壁５ｂの環状凹部５ｄに軸方向から収容状態に配置できるので、この配置構成によってもコイル巻線１８ｂの巻量を多くしても、これを前記環状凹部５ｄ内に吸収することができるので、装置の軸方向の長さを可及的に小さくすることができる。

このように、両方のコイル巻線１８ａ、１８ｂの巻量を多くして、電動モータ１２の大きな発生トルクを確保できると共に、前記巻量を多くしても、巻量の径方向の拡大と前記環状凹部５ｄへの吸収によって装置全体の軸方向の長さを可及的に短くすることが可能になる。

しかも、前記小径オイルシール４６を、適当な軸方向位置ではなく、あえて仕切壁５ｂの軸部挿通孔５ｃの内周面と偏心軸部３９の外周面との間に配置したことによって、軸方向へ効率良く配置することができることから、この点でも装置の軸方向の長さ寸法を抑制することができる。

この結果、装置の軸方向の長尺化が十分に抑制されることによって、内燃機関への搭載性が向上する。

さらに、本実施形態では、前記永久磁石１４，１５の軸方向の中心Ｐが鉄心ロータ１７の軸方向の中心Ｐ１から前方にオフセット配置されていることから、前記永久磁石１４，１５と鉄心ロータ１７との間に発生する磁力によって、鉄心ロータ１７が、前方（図５中、左方向）に吸引されて、該鉄心ロータ１７とモータ軸１３及び偏心軸部３９が矢印方向へ常時引き付けられる。つまり、永久磁石１４，１５の磁力や鉄心ロータ１７の磁力は、それぞれの軸方向中心Ｐ，Ｐ１で最も大きくなることから、永久磁石１４，１５の中心Ｐ方向への鉄心ロータ１７に対する吸引力が大きくなって矢印方向へ強く引き付けられる。

これに伴って、小径ボールベアリング３７やニードルベアリング３８の他に、前記中径ボールベアリング４７も矢印方向に引き付けられる。

このため、バルブスプリングのばね力などに起因して前記カムシャフト２に発生する交番トルクによる前記各ボールベアリング３７，４７やニードルベアリング３８の軸方向の微振動に伴う異音の発生を抑制することが可能になる。

また、前記永久磁石１４，１５の軸方向の位置をオフセットさせることにより、前端部１４ａ、１５ａを、前記第１ブラシ２５ａ、２５ｂやコミュテータ２１にオーバーラップさせることができるので、装置の軸方向の長さを可及的に小さくすることが可能になる。

さらに、前記歪みセンサ５３を用いた測定装置を、図１４に示すように、前記カムシャフト２の外周側に配置することも可能である。

すなわち、カムシャフト２の外周面には、図３に示した前記歪みセンサ５２や電源６１や増幅器６２やＡ／Ｄ変換器、アナログ回路６３、通信制御部６４が設けられたシリコン基板６０が設けられ、前記カムシャフト２の外周を取り囲むように円環状の受信アンテナ６５が配置されていると共に、該受信アンテナ６５から出力された信号を受ける受信部６６が設けられている。前記歪みセンサ５３からの電磁波はカムシャフト２がどの位置に存在しても受信アンテナ６５で受信できる。したがって、電波が受信できないために、歪み量が測定不能となる領域が存在することがないといった、利点がある。

本発明は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば、前記歪みセンサ４２によって電動モータ１２の回転角と回転方向を検出するにしても、コントロールユニットに電動モータ１２の回転基準位置を予めメモリーしておくことも可能である。

また、ハウジング５の前記一方側の永久磁石１４の両端側に一対のマグネットストッパを配置固定し、この両マグネットストッパの各下面に前記一対の歪みセンサを設けることも可能である。このようにすれば、永久磁石１４の左右の回転位置を、それぞれ別個のマグネットストッパによって規制できると共に、ここに作用する歪みをそれぞれの歪みセンサによって検出することができるので、タイミングスプロケット１とカムシャフト２の相対回転角をより精度良く制御することが可能になる。

１…タイミングスプロケット（駆動回転体）
１ａ…スプロケット本体
１ｂ…ギア部
２…カムシャフト
２ａ…フランジ部
２ｂ…ストッパ凹溝
２ｅ…前端面
３…カバー部材
３ａ…膨出部
３ｂ…円筒壁
３ｃ…保持用孔
４…位相変更機構
５…ハウジング
５ａ…ハウジング本体
５ｂ…仕切壁
７…ボルト
８…減速機構
９…従動部材（従動回転体）
１０…カムボルト
１２…電動モータ
１３…モータ軸（中間回転体）
１４…一方側永久磁石
１４ａ…Ｎ極
１４ｂ…Ｓ極
１５…他方側永久磁石
１５ａ…Ｎ極
１５ｂ…Ｓ極
１７…鉄心ロータ
１８…電磁コイル
２０…円環部材
２１…コミュテータ
２５ａ、２５ｂ…第１ブラシ
３９…偏心軸部
４０…マグネットストッパ（規制部材）
４２…歪みセンサ
４６…小径オイルシール
Ｚ…切欠空間

Claims (5)

1. クランクシャフトから回転力が伝達される駆動回転体と、
   カムシャフトに固定された従動回転体と、
   通電することによって前記駆動回転体に対して前記従動回転体を相対回転させるための回転力を付与すると共に、通電状態によって磁極が切り換わる電磁石と、該電磁石に対向配置されて、複数の磁極を有する永久磁石と、を備えた電動モータと、
   該電動モータが出力する回転力を減速して前記従動回転体に伝達する減速機構と、
   前記電磁石または永久磁石の歪みを検出する歪みセンサと、
   を備えたことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
   前記電磁石または永久磁石は、ヨークの内部に正逆回転可能に設けられていると共に、前記ヨークに設けられた規制部材によって所定の回転位置で規制され、
   該規制部材に前記歪みセンサが設けられていることを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
   前記電磁石または永久磁石は、前記ヨークに対して所定の回転角度範囲のみ回転可能になっていることを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
4. 請求項１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
   前記電動モータは、前記駆動回転体に固定されて、前記永久磁石が設けられた前記ヨークと、前記電磁石が設けられ、前記減速機構に回転力を伝達するロータとから構成され、
   前記歪みセンサは、前記ヨーク側に固定されていると共に、検出した結果を受信機に無線で送信することを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
5. 請求項１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
   前記歪みセンサで検出された歪みの変動出力を前記電動モータの回転角度検出用のパルスとして利用して電動モータの回転角度を検出すると共に、前記歪みセンサで検出された歪みの変動出力の平均値によって前記電動モータの回転方向を検出することを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。

Images