JP3837725B2 - 回転位相制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用可変バルブタイミング機構などに適用可能な回転位相制御装置に関し、特に、無段階に位相を変更し得る回転位相制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの高出力化のためにＶＶＴ（可変バルブタイミング装置）が提案されている。
例えば、特開平３−２０６３０７号は、透磁率の高いプーリとスリーブとを同軸状に配し、プーリには内側に向いて複数の歯を形成し、スリーブには外側に向いて複数の歯を形成している。プーリの個々の歯には磁気コイルが設けられ、このコイルに通電されると、プーリの歯は磁気を導通する磁気回路となる。別途設けられた制御装置は、これらのコイルに対して異なる位相関係を有する励磁信号を送ることができる。即ち、励磁信号に応じて、２つの異なる磁気回路が形成される。そのために、２つの位置において、プーリとスリーブとは安定した位相関係を保ちながら回転可能になる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の特開平５−３２１６７８号は、２つの位置においてのみ磁気回路が形成されるようになっており、従って、２つの位相関係しか実現できないために、全ての運転状態において、運転状態に即したクランク軸回転とカム軸回転の位相関係を実現できるものではない。
【０００４】
そこで、本発明は斯かる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、無段階で位相角度を制御可能な回転位相制御装置を提案することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成すべく、本発明の、位相制御装置は、個々に自転自在な複数のプラネタリギヤの全体が第１の回転軸の周りに公転するように設けられたプラネタリギヤ機構を有し、前記第１の回転軸に回転トルクを入力する入力部と、前記第１の回転軸と同軸の第２の回転軸を有し、前記複数のプラネタリギヤと外側から歯合するところのリングギヤの回転を出力する出力部と、前記プラネタリギヤと内側から歯合し、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸と同軸の第３の回転軸を有するサンギヤを有する位相調整部とを具備し、前記位相調整部の前記サンギヤの前記第３の回転軸に負荷トルクを印加することにより、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸の回転の角度位相差を制御し、前記位相調整部は、前記第３の回転軸に負荷トルクを伝達する発電機を有することを特徴とする。
上記構成の装置によれば、負荷トルクの量を制御することにより位相差を任意の角度で調整することができる。発電機は負荷トルクを発生するので、外部からエネルギを与えなくて済む。
【０００７】
また、上記の目的を達成すべく、本発明の、位相制御装置は、個々に自転自在な複数のプラネタリギヤの全体が第１の回転軸の周りに公転するように設けられたプラネタリギヤ機構を有し、前記第１の回転軸に回転トルクを入力する入力部と、前記第１の回転軸と同軸の第２の回転軸を有し、前記複数のプラネタリギヤと外側から歯合するところのリングギヤの回転を出力する出力部と、前記プラネタリギヤと内側から歯合し、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸と同軸の第３の回転軸を有するサンギヤを有する位相調整部とを具備し、前記位相調整部の前記サンギヤの前記第３の回転軸に駆動トルクを印加することにより、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸の回転の角度位相差を制御し、前記位相調整部は、前記第３の回転軸に駆動トルクを伝達する同期電動機を有することを特徴とする。
上記構成の装置によれば、駆動トルクの量を制御することにより位相差を任意の角度で調整することができる。同期電動機は、駆動も発電も可能である。
【０００９】
本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相調整部が負荷トルクか駆動トルクの一方のみを前記第３の回転軸に印加する場合に、その印加トルクと反対方向の回転トルクを付与するために、前記プラネタリギヤと、前記サンギヤもしくは前記リングギヤとの間に設けられた部材をさらに有することを特徴とする。この構成にすることにより、出力部側からの反動トルクが与える影響を小さくすることができる。
【００１０】
本発明の好適な一態様に拠れば、前記部材はリターンスプリングである。
本発明の好適な一態様に拠れば、前記リングギヤの第２の回転軸は、複数のリフト期間が設定されたカムのためのカムシャフトに結合されている。
本発明の好適な一態様に拠れば、位相角度の可変範囲をリミットするための機構を、前記リングギヤ、プラネタリギヤ、サンギヤのいずれか２つの間に設けたことを特徴とする。位相角度が不必要に大きく変更されることが防止される。
【００１１】
本発明の好適な一態様に拠れば、前記リターンスプリングはプラネタリギヤとサンギヤとの間に配設されたことを特徴とする。スプリング力を小さく設定できる。
本発明の好適な一態様に拠れば、前記リターンスプリングは多段スプリングであって、そのバネ定数が入力トルクの回転数が零であるときに中間付勢状態にあるように設定されていることを特徴とする。出力側が所定の回転数状態にあるときに、その反力を利用して、最適な位相角度（例えば、エンジン回転数が低いときの最遅角角度）を得ることができる。
【００１２】
本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相調整部は負荷トルクもしくは駆動トルクを発生するために、デューティ制御を前記発電機、又は、前記同期電動機に行うことを特徴とする。位相角度を調整するための制御が簡便になる。本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相調整部は発電機を有する場合において、デューティ比を所定回転数以上において回転数に応じて小さくする。発電機は負荷トルクを発生するからデューティ比を所定回転数以上において回転数に応じて小さくする。
【００１３】
本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相調整部は同期電導機を有する場合において、デューティ比を所定回転数以上において回転数に応じて大きくする。同期電導機は駆動トルクを発生するからデューティ比を所定回転数以上において回転数に応じて大きくする。本発明の好適な一態様に拠れば、エンジンのカム機構に外づけ可能に接続する機構を有する。既存のエンジンに適用可能となる。
【００１４】
本発明の好適な一態様に拠れば、前記発電機は発電された電力を消費する抵抗に電流を流すためのスイッチング素子を複数有する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
〈原理〉
以下、添付図面に基づき、本発明を４サイクルＤＯＨＣエンジン用の回転位相制御装置に適用した実施形態を３つ（第１実施形態と第２実施形態と第３実施形態）挙げて詳細に説明する。
【００１６】
第１図，第２図は、上記３つの実施形態に共通な動作原理を説明する。
第１図において、１０は自転自在なリングギヤであり、その内周に歯が形成されている。２０ａ，２０ｂ，２０ｃは個々に自転自在なプラネタリギヤであり、フレーム２１により支持される。３つプラネタリギヤの各々の外側の歯はリングギヤ１０の内周の歯に歯合している。また、３つのプラネタリギヤの各々の内側の歯はサンギヤ３０に歯合している。
【００１７】
リングギヤ１０は半径Ｌ1で速度Ｍ2で回転し、サンギヤ３０の半径はＬ2で速度Ｍ1で回転とするとする。速度Ｍ1の符号を反時計回り方向を正とし、速度Ｍ2については時計回り方向を正とすると、半径Ｌ1，Ｌ2と速度Ｍ1，Ｍ2の間には、第２Ａ図に示したような関係が存在し、プラネタリギヤ２０の公転速度は、
Ｍ1＋Ｍ2
となる。換言すれば、リングギヤ１０，プラネタリギヤ２０，サンギヤ３０の内の、いずれか２つを入力及び出力とし、他を制御入力とすると、制御入力の回転速度（トルク）を制御することにより、出力の回転速度を変更することができる。即ち、入力トルクの回転に対して出力トルクの回転の位相を制御するためには、制御入力の回転を制御して出力トルクの回転速度を変更することにより、出力回転トルクの入力回転に対する位相を進め或いは遅らせて、その進め或いは遅らせた位置で入力トルクの回転速度と出力トルクの回転速度を一致させれば、その後は、その進んだ或いは遅れた位相を保って回転を継続することとなる。
【００１８】
第２Ｂ図は位相調整の動作原理を説明する。
第２Ｂ図において、入力回転トルク（プラネタリギヤ２０）は周期Ｔ1で回転しているとすると、出力トルク（リングギヤ１０）は目的の周期Ｔ2で（即ち目標の回転速度で）位相遅れδを有して回転している。もし位相遅れが更にεだけ遅らせる必要があるときは、サンギヤ３０に制御トルクを入力して、リングギヤ１０の回転を遅らせる。これにより位相が更にεだけ遅れたならば、サンギヤ３０への入力トルクを元に戻す。すると、リングギヤの出力トルクの回転周期はＴ2に戻り、こうして、入力トルク（プラネタリギヤ２０）と出力トルク（リングギヤ１０）とは目標の回転周期で回転するも、位相周期はδ＋εと変更されたことになる。
【００１９】
尚、入力トルクの回転速度と出力トルクの回転速度は半径Ｌ1，Ｌ2を適当に設定することにより、目標の回転速度を得ることができる。本明細書は本発明を自動車の４サイクルエンジンのカムシャフトの位相調整に適用した実施形態を説明するものであるから、
２Ｔ1 ＝ Ｔ2
となるように半径Ｌ1，Ｌ2を設定した。
【００２０】
後に説明する３つの実施形態では、プラネタリギヤ２０に入力トルク（エンジンの出力）を入力し、リングギヤ１０から出力トルク（カムシャフトの回転）を取り出すように構成し、サンギヤ３０に制御トルクを入力することにより、プラネタリギヤ２０の回転に対するリングギヤ１０の回転速度を制御する。
第１図に示した原理形態の位相制御装置は、リングギヤ１０、プラネタリギヤ２０、サンギヤ３０を有する。第３図は、それらギヤへのトルクの入出力関係を模式的に示す。即ち、リングギヤ１０からは出力を取り出し、プラネタリギヤ２０にはエンジン出力トルクを入力し、サンギヤ３０には制御トルクを入力する。
【００２１】
〈第１実施形態〉
第４図は本発明の第１実施形態の原理を説明する。この実施形態は、サンギヤ３０に入力する制御トルクとして、外部に設けたオルタネータにおいて発生する負荷トルクを利用するものである。
第４図において、リングギヤ１０は、その自転軸にカムシャフトが接続されている。入力トルクとしては、不図示のエンジンの出力軸（不図示）に設けられた歯車に巻回されたベルト４２によって伝達されるエンジン出力トルクがプラネタリギヤ２０に入力される。一方、プラネタリギヤ２０と歯合するサンギヤ３０の自転軸はプーリ４０に接続され、プーリ４０はベルト４１によってオルタネータに接続される。
【００２２】
オルタネータはコントローラによって制御され、換言すれば、オルタネータによって発電される電力に消費される回転トルクがサンギヤ３０に対する負荷トルクとなる。従って、オルタネータにおいて発電される電力を制御すれば、リングギヤ１０の回転速度、つまりカムシャフトの回転速度は制御される。
即ち、オルタネータが発電を行えば、電気エネルギに変換されるトルクはサンギヤ３０に対して負荷トルクとして機能するから、発電量が増加すればするほど、サンギヤ３０の回転速度は減少する。すると、リングギヤ１０の回転速度は早くなり、カムシャフトの進角はより進む。即ち、オルタネータを負荷に用いれば、
発電量増加 → 進角化
発電量減少 → 遅角化
となる。
【００２３】
尚、オルタネータによって発電された電力は図示のバッテリに充電しても良い。
第５図は、第４図のオルタネータをベルト駆動ではなく、サンギヤ３０の自転軸に直結した構成を示す。
第４図のベルト駆動に比して第５図の直結タイプの優れている点は、第７図に示すように、後付けでエンジンに（即ち、車両に既に組み込まれた既存のエンジンに）本制御装置を取り付けることが可能になる点である。
【００２４】
尚、オルタネータの代わりに、第６図に示すように、ＤＣモータを用いても良い。ＤＣモータを用いれば、サンギヤ３０への入力トルクとして、負荷トルクではなく駆動トルクとなる。即ち、
モータへの電力大 → サンギヤ高回転化 → 遅角化
モータへの電力小 → サンギヤ低回転化 → 進角化
となる。
【００２５】
〈第２実施形態〉
第４図，第５図に示した実施形態は、プラネタリギヤ２０に入力トルクを入力し、リングギヤ１０から出力トルクを取り出し、サンギヤ３０へは制御トルクを入力するものであった。これらの図に示された実施形態では、オルタネータ内の界磁電流を制御すれば、原理的に、カムシャフトの位相角を任意に設定することができ、また、任意の位相角度に保持することも可能である。しかしこのような制御は制御手順が複雑で、コストの増大を招く。
【００２６】
第２実施形態の位相制御装置１０００は、出力回転トルク（即ち、リングギヤ１０の回転速度）を、入力回転トルクの回転速度（即ち、プラネタリギヤ２０の回転速度）に一致させる動作をスプリングの反発力を利用するというものである。
第８図に、第２実施形態の位相制御装置１０００の構成を示す。即ち、第２実施形態の位相制御装置はより実際の実施形態に近い構成を有し、更に、第７図に示すように、エンジンに外づけ可能になっている。
【００２７】
図中、５００はカバーであり、エンジン本体にこの制御装置１０００を取り付け固定する。１００１はカムシャフトであり、制御装置１０００のメインシャフト１００２に直結している。カバー５００とメインシャフト１００２との間はボールベアリング５０１が介在し、シャフト１００２の自在な回転を許す。
カバー５００には複数のヨーク６０１ａ，６０１ｂ…が配設され、第１０図に示すように、個々のヨークにはコイル６００ａ，６００ｂ…が巻回されている。ヨーク６０１とコイル６００と後述のマグネット３０４とにより発電機（オルタネータ）が構成される。
【００２８】
第８図において、複数の（ヨーク６０１ａ，６０１ｂ…の個数の同数の）マグネット３０４ａ，３０４ｂ…は、円形のプレート３００上にヨーク６０１ａ，６０１ｂ…のピッチと同じピッチで配列されている。円形プレート３００は、メインシャフト１００２に対して不図示のベアリングによってサポートされ、従って、カムシャフト１００１の回転と独立して回転自在である。プレート３００の回転軸近傍にはシャフト１００２の軸方向に沿って伸びる柱状のリッジ３０１が設けられ、このリッジ３０１の周囲には複数のギヤ歯３０３が設けられている。
【００２９】
かくして、円形プレート３００、リッジ３０１、ギヤ歯３０３は、第４図，第５図で説明したサンギヤ３０に相当する。尚、プレート３００とリッジ３０１の概略を第９図に示す。
サンギヤ３０に相当するプレートアッセンブリ３００のリッジ３０１に設けられたギヤ歯３０３は、プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂに設けられたギヤ歯２０３ａ，２０３ｂそれぞれと歯合する。プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂは第９図に示すように円形プレート２１０に支持され、支持された位置において自転自在である。プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂの各々に円周上に設けられたギヤ歯２０３ａ，２０３ｂは、前述したように、リッジ３０１に設けられたギヤ歯３０３を挟むようにしてギヤ歯３０３と歯合する。かくして、プレート２１０，プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂ、ギヤ歯２０３ａ，２０３ｂは、第５図などで説明したプラネタリギヤ２０に相当する。
【００３０】
尚、プレート２１０の背面はプレート３００の背面と摺動自在となるように離間されるべく、プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂは、それらがシャフト１００２回りに公転自在となるものの、シャフト１００２の軸方向には移動しないように不図示のストッパで固定されている。
プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂのギヤ歯２０３ａ，２０３ｂは、それぞれ、円形プレート１００の周囲に設けられた円柱状リッジ１０２の内周に設けられたギヤ歯１０１と歯合する。ここで、円形プレート１００はカムシャフト１００１に固定され、従って、円形プレート１００が回転すればカムシャフト１００２が同速度、同位相で回転する。かくして、円形プレート１００、円柱リッジ１０２、ギヤ歯１０１は、第５図などで説明したリングギヤ１０を構成する。
【００３１】
第８図において、円形プレート２１０には、柱状のリッジ２００がメインシャフト方向に設けられている。そして、リッジ２００の外周に、タイミングベルト（不図示）の歯と歯合する歯２２０が設けられている。
従って、エンジンが回転すると、第７図に示すように、第８図では不図示のベルトが回転してプレート２１０（第４図のプラネタリギヤ２０に相当）を回転させる。プレート２１０がシャフト１０１２の回りに回転すると、ギヤ歯１０１と歯合するギギヤ歯２０３ａ，２０３ｂを有するプラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂが公転する。プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂの公転によって、ギヤ歯２０３ａ，２０３ｂとギヤ歯１０１によって歯合するプレート１００が回転する。
【００３２】
プレート１００の回転速度は、前述したように、サンギヤとして機能するプレート３００の回転速度、換言すれば、ギヤ歯３０３に伝達される負荷トルクによって制御される。
第８図において、サンギヤとして動作するプレート３００の外周に多段スプリング３０２が巻回されている。この多段スプリング３０２は更にプレート２１０の外周上をも巻回する。第１１Ａ図は、スプリング３０２の、プレート３００及びプレート２１０上への巻回の様子を説明する。即ち、一本の多段コイルスプリング３０２は、プレート３００とプレート２１０の外周上を巻回し、一方の端部はサンギヤとして機能するプレート３００に固定され、他方の端部はプラネタリギヤとして機能するプレート２００と一緒に回転するリッジ２００に固定されている。
【００３３】
一本のスプリング３０２で２つのプレートを張設することにより、プラネタリギヤとして機能するプレート２１０とリングギヤとして機能するプレート１００とが、オルタネータが発電機能を発揮しないときにおいて、同一回転速度で回転しようとする保持機能を発揮するようにしている。
第１１Ｂ図は、プレート２１０の外周に設けられたリッジ２１０がストッパとして機能する様子を説明する。即ち、同図に示すように、リッジ２１０の一部は切り欠き２１１が設けられ、この切り欠き部２１１の間を、サンギヤ側のプレート３００の一部が第１１Ｂ図に示すように移動可能に設けられている。即ち、サンギヤとして機能するプレート３００とリングギヤとして機能するプレート２１０とは互いに独立してシャフト１００２回りに回動自在に設けられているけれども、両プレートの回転位相のズレ限界は上記切り欠き２１１の移動可能範囲内に抑えられているということである。その理由は、本位相制御装置がエンジンのカムシャフト軸の位相切換に用いられるのであるならば、位相角度の進角量及び遅角量に自ずと限界を課すべきであるからである。
【００３４】
従って、この切り欠き２１１及び上記スプリング３０２を設けたことによるプレート２１０，３００の動作を模式的に表すと、第１２図のようになる。即ち、プレート３００は、プレート２１０に対して、エンジンが停止している状態（即ち、プレート２１０にトルクが入力されていない状態）で、プレート３００がプレート２１０に設けられた切り欠き部２１１の中間位置にあるように、多段スプリング３０２のバネ係数、巻き線数等が調整されている。
【００３５】
〈発電機の動作〉
第１０図は、カバー５００上に設けられたヨーク６０１ａ，６０１ｂ…の配置を示す。第８図，第１０図を参照しながら、本位相制御装置１０００に設けられた発電機の動作を説明する。
第１１Ｂ図及び第１２図を用いて説明したように、プレート２１０，３００との間のズレは一定角度以内に限定されているから、プラネタリギヤとして機能するプレート２１０がエンジン回転によって回転されると、プレート３００も強制的に回転せしめられる。
【００３６】
カバー５００に設けられたヨーク６０１及びコイル６００は固定されているので、サンギヤとして機能するプレート３００が回転すると、プレート３００に固定されたマグネット３０４ａ，３０４ｂが発生する磁力線はヨーク６０１内を通過するときに、変化する磁界をコイル６００内に生成する。この磁界変化がコイル６００内に誘起電圧を発生せしめて、その電圧はコイル６００の両端に現れる。第１０図に示すように、各コイルの両端は、一方はアースに、他方はスイッチング回路に入力されている。従って、このスイッチング回路がＯＮすると、誘起電力は抵抗Ｒによって消費される。一方、回路がＯＦＦであれば、誘起電力は熱として消費されない。
【００３７】
コイル６００に発電された誘起電力が消費されないと、ヨーク６０１とマグネット３０４との間の磁気エネルギーは飽和するので、固定されているヨーク６０１はマグネット３０４に対する吸引力は低下し、従って、ヨーク６０１は、サンギヤとして機能するプレート３００に対して負荷トルクを発生するものとはならない。
【００３８】
反対に誘起電力が抵抗Ｒによって熱として放散されると、ヨーク６０１とマグネット３０４ａ，３０４ｂとの間に吸引力が働き、サンギヤとして機能するプレート３００には負荷トルクが印加されることになる。
〈スプリングの機能〉
第１３図は、スプリング３０２に設定されたバネ係数と、出力を産むプレート１００に対して、カムシャフト１００２から伝わってくるカム反力との関係を示す。ここで、カム反力とは、カムシャフトが回転することによりカム（不図示）が吸気バルブ（及び排気バルブ）のタペットを叩くことによって、それらバルブのスプリングから反力として伝達されてくる力のことであり、この反力は、プレート１００，２１０，３００に対して負荷として機能する。
【００３９】
第１３図において、このカム反力は当然のことながらカムシャフト回転数によって変化する。即ち、カム反力はカムシャフト回転数が低いほど（即ち、エンジン回転数が低いほど）大きい。第２実施形態のスプリング３０２のバネ係数は、エンジン回転数が極低回点数のとき（第１３図の例ではエンジン回転数で７００ｒｐｍ（カムシャフト回転数で３５０ｒｐｍ）以下）において、スプリング３０２がカム反力に負けるように設定する。スプリング３０２がカム反力に負けるエンジン回転数領域では、このカム反力が、リングギヤとして機能するプレート１００に負荷として働き、その結果、プレート１００の回転位相がプラネタリギヤとして機能するプレート２１０（エンジン回転に同期する）の回転よりも大きく遅れるようになり、即ち、最大遅角となることが予想される。
【００４０】
エンジン回転数が極低い領域（７００ｒｐｍ以下）でとはエンジンの始動時にあることから、着火性や燃焼性を向上させることが要求されるが、そのような運転領域では前述したように、スプリング３０２がカム反力に負けるために、カムの位相角がクランク軸の回転に対して最大遅れとなるので、良好な着火性や燃焼性が維持されるのである。
【００４１】
第２実施形態では、スプリング３０２をサンギヤとして機能するプレート３００とプラネタリギヤとして機能するプレート２１０との間に介在させていた。この理由は以下による。
即ち、サンギヤのギヤ歯として機能するリッジ３０１の内径とプラネタリギヤとして機能するプラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂの内径とを適当に設定すると、例えば減速比５：１が得られ、サンギヤとして機能するプレート３００に働く反力が極めて小さくなる。このために、スプリング３０２のバネ係数を小さなものに設定できるので、スプリング３０２のコイル線の太さを細くすることができる。即ち、カムシャフト側で発生したトルク変動は１／５に減衰されて、サンギヤとして機能するプレート３００に伝達され、さらには発電機に伝達される。換言すれば、スプリング３０２をプレート３００とプレート２１０との間に介在させることにより、
▲１▼： 出力（リングギヤ）としてのプレート１００の回転を、入力（即ちプラネタリギヤ）としてのプレート２１０の回転に同期させるのに必要となる発電機に発生させるべき電力を少なくすることができるという効果と、
▲２▼： 出力（リングギヤ）としてのプレート１００の回転の、入力（即ちプラネタリギヤ）として機能するプレート２１０の回転に対する位相を所望の角度だけ進め或いは遅らせるのに必要となる発電機に発生させるべき電力を少なくすることができるという効果を生む。
【００４２】
〈位相角の制御〉
第１４図は、本位相制御装置１０００の位相角制御を行うコントローラの構成を示す。即ち、ＣＰＵは、同図に示すクランク角センサからクランク軸の回転位置を示す信号Ｎaと、カム角度センサ（シャフト１００２に設けられ、シャフト１００２の回転位置を検出する）からの信号ＣAを入力する。ＣＰＵは、信号Ｎaに基づいてエンジン回転数を演算する。また、Ｃaに基づいてカムシャフト回転数を演算する。これらの回転数に基づいてスイッチング回路に入力すべき信号DUTYのデューティ比を演算する。この信号DUTYの特性を第１５図に示す。信号DUTYは、スイッチング回路をＯＮさせる時間とＯＦＦさせる時間との比を規定する。デューティ比が大きくなればなるほどスイッチング回路をオンさせる時間が長くなり、従って、サンギヤとして機能するプレート３００にはより大きな負荷トルクがかかり、結果的に、カムシャフトの位相角は進角方向により進む。反対に、デューティ比が小さくなればなるほどスイッチング回路をＯＦＦさせる時間が長くなり、従って、サンギヤとして機能するプレート３００にかかる負荷トルクはより小さくなり、結果的に、カムシャフトの位相角は遅角方向により進む。
【００４３】
第２実施形態の位相制御装置のコントローラに設定された信号DUTYの特性は同図に示すように、カムシャフト回転数が３５０ｒｐｍ以上の領域においては、エンジン回転数が高くなればなるほど、デューティ比を下げる、即ち、位相角をより遅らせる方向にする。また、前述したように、エンジン回転数が７００ｒｐｍ以下（カムシャフト回転数が３５０ｒｐｍ以下）の領域では遅角量を最大にする必要があるからデューティ比を零、即ち、スイッチング回路は全くオンさせないこととする。従って、同特性は、
DUTY＝０ （０ｒｐｍ＜Ｃa＜３５０ｒｐｍ）
DUTY＝−ｋ・Ｃa ＋ ｍ （Ｃa≧３５０ｒｐｍ）
とする。ここで、ｋは正の定数、ｍも所定の定数である。
【００４４】
第１６図は上記制御を実行したときに、進角方向性に制御した場合と遅角方向に制御した場合の実験結果の例を示す。進角方向の制御では、進角量零の状態から目標進角量１０度に設定して制御したときに、約０．３秒後に進角量２０度に達し、その後目標量１０度に収束していった。
一方、遅角方向の制御では、遅角量零の状態から目標着目量１０度に設定して制御したときに、約０．３秒後に遅角量が１０度強に達し、その後、目標量１０度に収束していった。
【００４５】
尚、実際のエンジンでは、アクセルの操作によってエンジン回転数が大きく変化する場合があり、本位相制御装置もその変化に追随してカムシャフトの進角量をダイナミックに制御しなければならない。前述の第１５図に示したような回転数Ｃaに基づいたオープン制御による制御信号DUTYの決定では実際のエンジン回転数の回転数変化に追随できなくなる場合があるかも知れないが、その場合には、信号DUTYの演算をフィードバック制御に変更する必要がある。この場合、クランク軸角度に対するカムシャフト軸１００２の位相角度δを実際に演算し、そのときの回転数に対する目標位相角度との偏差に基づいて信号DUTYをフィードバック制御を行うようにする。このフィードバック制御（信号をDUTY-FDとする）は従であり、前述の第１５図の特性に基づいたオープン制御によるDUTYの決定（信号量をDUTY-OPENとする）を主とする。即ち、
DUTY＝ｐ1・DUTY-OPEN ＋ ｐ2・DUTY-FD
とする。ここで、ｐ1，ｐ2はｐ1＞ｐ2である定数である。
【００４６】
〈第３実施形態〉
第２実施形態にかかる位相制御装置１０００はオルタネータを用いてオルタネータを付勢したときにサンギヤに負荷トルクがかかる構成とした。従って、オルタネータを積極的に制御するといっても、進角量のみを積極的に制御できるだけのこととなり、遅角量を積極的に制御することは難しい。一方、第１実施形態に関連して説明した第６図のＤＣモータを用いた例では逆に積極的に進角制御を行うことが難しくなる。第３実施形態は、進角方向制御も遅角方向制御も積極的に行うことのできる位相制御装置２０００を開示する。したがって、第３実施形態はこの目的のために正逆両方向に回転可能なステッピングモータ（或いは多極ＤＣモータあるいは多極ブラシレスＤＣモータ）を用いる。
【００４７】
第１７図に第３実施形態の原理形態を示す。
この第３実施形態は、回転可能なコイルとマグネットとを有するモータを用いる。そして、第１実施形態，第２実施形態と同じように、リングギヤ１０，プラネタリギヤ２０，サンギヤ３０の構成を有する。第３実施形態に特徴的な構成は、コイルはプラネタリギヤ２０に同期して回転し、マグネットはサンギヤ３０の回転に同期するということである。そして、コイルに流す電流の方向及び電流値を制御することにより、サンギヤ３０に正トルク又は負のトルクを印加することにより、リングギヤの回転位相角度を進角方向又は遅角方向に積極的に制御するものである。
【００４８】
第１７図の「モータ」は種々のモータを使用することが可能である。「モータ」として、第１８Ａ図はステッピングモータの使用例を、第１８Ｂ図は多極ＤＣモータの使用例を、第１８Ｃ図は多極ブラシレスモータの使用例を示している。第１９図は、第３実施形態の位相制御装置２０００に、ステッピングモータを用いたものである。尚、第１９図中の要素番号について、第８図の（第２実施形態）の要素番号と同じものは同じ形状の同じ部品或いは類似機能を発揮する部品を表す。
【００４９】
第１９図の第３実施形態に特徴的なことは、ステップモータの一部であるコイル３５０ａ，３５０ｂが、プラネタリギヤとして機能するプレート２１０に固定され、ステッピングモータの一部であるマグネット７０１ａ，７１０ｂが、サンギヤとして機能するプレート３００に固定されているということである。このために、コイル３５０して，３５０ｂはプラネタリギヤと一緒に回り、マグネット７０１ａ，７０１ｂはサンギヤと一緒に回る。
【００５０】
コイル３５０ａ，３５０ｂに流すべき制御信号は、通常のステッピングモータと同様に、時計回り方向に１ステップ進行させる（或いは反時計回り方向に１ステップ進行させる）ものである。換言すれば、ステッピングモータの１つの回転方向（例えば時計回り方向）はサンギヤに駆動力を与える回転方向であり、他の回転方向（反時計回り方向）はサンギヤに負荷トルクを与えることになる。
【００５１】
このような制御信号をコイル３５０ａ，３５０ｂに流すことにより、第３実施形態の位相制御装置２０００では、位相角を積極的に進角化し、或いは遅角化することができる。そのために、第２実施形態では必要であったスプリングは第３実施形態では不要となる。
〈変形〉
本発明は上記実施形態に限られることなく色々と修正が可能である。
【００５２】
例えば、本発明の位相制御装置はカムシャフトの位相機構のみに適用されるのではなく、およそ位相角度の調整が必要なものであるならば適用可能である。それは本発明が本質的に無段階で位相角度を調整できるためである。
また、本発明はＤＯＨＣエンジンのみならず、ＳＯＨＣエンジンなどのエンジンにも適用可能である。
【００５３】
また、プラネタリギヤ機構２０は、プラネタリギヤが２つのものと３つのものを説明したが、これらの限られず、用途に応じて、装置の大きさ、入力トルクの容量等を勘案して、これ以上の数のギヤを使うことを考えるべきである。
また、発電機と電動機の機能を合わせ持つ同期電動機を用いることも可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の位相制御装置によれば、位相角度を任意に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を３ギヤ構成のプラネタリギヤを有する実施形態（第１実施形態）の原理を説明する図。
【図２Ａ】 第１図の実施形態の動作原理を説明する図。
【図２Ｂ】 第１図の実施形態の動作を説明するタイミングチャート。
【図３】 第１実施形態における入力されるトルクと出力されるトルクとの関係を説明する図。
【図４】 第１実施形態の具体例を説明する図。
【図５】 第１実施形態の具体例を説明する図。
【図６】 第５図装置の変形例を説明する図。
【図７】 本発明の位相制御装置が特に自動車のエンジンに外づけ或いは後付けが可能であることを示す図。
【図８】 第２実施形態の位相制御装置１０００の構成を示す図。
【図９】 第２実施形態の構成を示す分解図。
【図１０】 第２実施形態の装置に用いられている発電機の一部を示す図。
【図１１Ａ】 第２実施形態に用いられるスプリングの巻回の様子を説明する図。
【図１１Ｂ】 第２実施形態の制御装置における位相角度リミット機構を説明する図。
【図１２】 第２実施形態におけるスプリング３０２の動作を説明する図。
【図１３】 第２実施形態におけるスプリング３０２の動作を説明する図。
【図１４】 第２実施形態等に用いられる位相制御のためのコントローラの構成を説明するブロック図。
【図１５】 図１４の制御動作を説明する図。
【図１６】 図１５の制御の実験結果を示すタイミングチャート。
【図１７】 第３実施形態の構成を説明する図。
【図１８Ａ】 第３実施形態の変形例を説明する図。
【図１８Ｂ】 第３実施形態の変形例を説明する図。
【図１８Ｃ】 第３実施形態の変形例を説明する図。
【図１９】 第３実施形態の具体的構成を示す図。
【符号の説明】
１０…リングギヤ
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…プラネタリギヤ
２１…支持フレーム
３０…サンギヤ
４０…プーリ
４１，４２…ベルト
１００，２１０，３００…プレート
１０１…ギヤ歯
１０２，３０１…リッジ
２０１ａ，２０１ｂ…プラネタリギヤ、
２０２，２０３ａ，２０３ｂ，３０３…ギヤ歯
２１１…切り欠き
３０２…スプリング
３０４ａ，３０４ｂ，７０１ａ，７０１ｂ…マグネット
５００…カバー
６００，３５０ａ，３５０ｂ…コイル
６０１ａ，６０１ｂ…ヨーク
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用可変バルブタイミング機構などに適用可能な回転位相制御装置に関し、特に、無段階に位相を変更し得る回転位相制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの高出力化のためにＶＶＴ（可変バルブタイミング装置）が提案されている。
例えば、特開平３−２０６３０７号は、透磁率の高いプーリとスリーブとを同軸状に配し、プーリには内側に向いて複数の歯を形成し、スリーブには外側に向いて複数の歯を形成している。プーリの個々の歯には磁気コイルが設けられ、このコイルに通電されると、プーリの歯は磁気を導通する磁気回路となる。別途設けられた制御装置は、これらのコイルに対して異なる位相関係を有する励磁信号を送ることができる。即ち、励磁信号に応じて、２つの異なる磁気回路が形成される。そのために、２つの位置において、プーリとスリーブとは安定した位相関係を保ちながら回転可能になる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の特開平５−３２１６７８号は、２つの位置においてのみ磁気回路が形成されるようになっており、従って、２つの位相関係しか実現できないために、全ての運転状態において、運転状態に即したクランク軸回転とカム軸回転の位相関係を実現できるものではない。
【０００４】
そこで、本発明は斯かる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、無段階で位相角度を制御可能な回転位相制御装置を提案することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成すべく、本発明の、位相制御装置は、個々に自転自在な複数のプラネタリギヤの全体が第１の回転軸の周りに公転するように設けられたプラネタリギヤ機構を有し、前記第１の回転軸に回転トルクを入力する入力部と、前記第１の回転軸と同軸の第２の回転軸を有し、前記複数のプラネタリギヤと外側から歯合するところのリングギヤの回転を出力する出力部と、前記プラネタリギヤと内側から歯合し、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸と同軸の第３の回転軸を有するサンギヤを有する位相調整部とを具備し、前記位相調整部の前記サンギヤの前記第３の回転軸に負荷トルクを印加することにより、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸の回転の角度位相差を制御し、前記位相調整部は、前記第３の回転軸に負荷トルクを伝達する発電機を有することを特徴とする。
上記構成の装置によれば、負荷トルクの量を制御することにより位相差を任意の角度で調整することができる。発電機は負荷トルクを発生するので、外部からエネルギを与えなくて済む。
【０００７】
また、上記の目的を達成すべく、本発明の、位相制御装置は、個々に自転自在な複数のプラネタリギヤの全体が第１の回転軸の周りに公転するように設けられたプラネタリギヤ機構を有し、前記第１の回転軸に回転トルクを入力する入力部と、前記第１の回転軸と同軸の第２の回転軸を有し、前記複数のプラネタリギヤと外側から歯合するところのリングギヤの回転を出力する出力部と、前記プラネタリギヤと内側から歯合し、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸と同軸の第３の回転軸を有するサンギヤを有する位相調整部とを具備し、前記位相調整部の前記サンギヤの前記第３の回転軸に駆動トルクを印加することにより、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸の回転の角度位相差を制御し、前記位相調整部は、前記第３の回転軸に駆動トルクを伝達する同期電動機を有することを特徴とする。
上記構成の装置によれば、駆動トルクの量を制御することにより位相差を任意の角度で調整することができる。同期電動機は、駆動も発電も可能である。
【０００９】
本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相調整部が負荷トルクか駆動トルクの一方のみを前記第３の回転軸に印加する場合に、その印加トルクと反対方向の回転トルクを付与するために、前記プラネタリギヤと、前記サンギヤもしくは前記リングギヤとの間に設けられた部材をさらに有することを特徴とする。この構成にすることにより、出力部側からの反動トルクが与える影響を小さくすることができる。
【００１０】
本発明の好適な一態様に拠れば、前記部材はリターンスプリングである。
本発明の好適な一態様に拠れば、前記リングギヤの第２の回転軸は、複数のリフト期間が設定されたカムのためのカムシャフトに結合されている。
本発明の好適な一態様に拠れば、位相角度の可変範囲をリミットするための機構を、前記リングギヤ、プラネタリギヤ、サンギヤのいずれか２つの間に設けたことを特徴とする。位相角度が不必要に大きく変更されることが防止される。
【００１１】
本発明の好適な一態様に拠れば、前記リターンスプリングはプラネタリギヤとサンギヤとの間に配設されたことを特徴とする。スプリング力を小さく設定できる。
本発明の好適な一態様に拠れば、前記リターンスプリングは多段スプリングであって、そのバネ定数が入力トルクの回転数が零であるときに中間付勢状態にあるように設定されていることを特徴とする。出力側が所定の回転数状態にあるときに、その反力を利用して、最適な位相角度（例えば、エンジン回転数が低いときの最遅角角度）を得ることができる。
【００１２】
本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相調整部は負荷トルクもしくは駆動トルクを発生するために、デューティ制御を前記発電機、又は、前記同期電動機に行うことを特徴とする。位相角度を調整するための制御が簡便になる。本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相調整部は発電機を有する場合において、デューティ比を所定回転数以上において回転数に応じて小さくする。発電機は負荷トルクを発生するからデューティ比を所定回転数以上において回転数に応じて小さくする。
【００１３】
本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相調整部は同期電導機を有する場合において、デューティ比を所定回転数以上において回転数に応じて大きくする。同期電導機は駆動トルクを発生するからデューティ比を所定回転数以上において回転数に応じて大きくする。本発明の好適な一態様に拠れば、エンジンのカム機構に外づけ可能に接続する機構を有する。既存のエンジンに適用可能となる。
【００１４】
本発明の好適な一態様に拠れば、前記発電機は発電された電力を消費する抵抗に電流を流すためのスイッチング素子を複数有する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
〈原理〉
以下、添付図面に基づき、本発明を４サイクルＤＯＨＣエンジン用の回転位相制御装置に適用した実施形態を３つ（第１実施形態と第２実施形態と第３実施形態）挙げて詳細に説明する。
【００１６】
第１図，第２図は、上記３つの実施形態に共通な動作原理を説明する。
第１図において、１０は自転自在なリングギヤであり、その内周に歯が形成されている。２０ａ，２０ｂ，２０ｃは個々に自転自在なプラネタリギヤであり、フレーム２１により支持される。３つプラネタリギヤの各々の外側の歯はリングギヤ１０の内周の歯に歯合している。また、３つのプラネタリギヤの各々の内側の歯はサンギヤ３０に歯合している。
【００１７】
リングギヤ１０は半径Ｌ1で速度Ｍ2で回転し、サンギヤ３０の半径はＬ2で速度Ｍ1で回転とするとする。速度Ｍ1の符号を反時計回り方向を正とし、速度Ｍ2については時計回り方向を正とすると、半径Ｌ1，Ｌ2と速度Ｍ1，Ｍ2の間には、第２Ａ図に示したような関係が存在し、プラネタリギヤ２０の公転速度は、
Ｍ1＋Ｍ2
となる。換言すれば、リングギヤ１０，プラネタリギヤ２０，サンギヤ３０の内の、いずれか２つを入力及び出力とし、他を制御入力とすると、制御入力の回転速度（トルク）を制御することにより、出力の回転速度を変更することができる。即ち、入力トルクの回転に対して出力トルクの回転の位相を制御するためには、制御入力の回転を制御して出力トルクの回転速度を変更することにより、出力回転トルクの入力回転に対する位相を進め或いは遅らせて、その進め或いは遅らせた位置で入力トルクの回転速度と出力トルクの回転速度を一致させれば、その後は、その進んだ或いは遅れた位相を保って回転を継続することとなる。
【００１８】
第２Ｂ図は位相調整の動作原理を説明する。
第２Ｂ図において、入力回転トルク（プラネタリギヤ２０）は周期Ｔ1で回転しているとすると、出力トルク（リングギヤ１０）は目的の周期Ｔ2で（即ち目標の回転速度で）位相遅れδを有して回転している。もし位相遅れが更にεだけ遅らせる必要があるときは、サンギヤ３０に制御トルクを入力して、リングギヤ１０の回転を遅らせる。これにより位相が更にεだけ遅れたならば、サンギヤ３０への入力トルクを元に戻す。すると、リングギヤの出力トルクの回転周期はＴ2に戻り、こうして、入力トルク（プラネタリギヤ２０）と出力トルク（リングギヤ１０）とは目標の回転周期で回転するも、位相周期はδ＋εと変更されたことになる。
【００１９】
尚、入力トルクの回転速度と出力トルクの回転速度は半径Ｌ1，Ｌ2を適当に設定することにより、目標の回転速度を得ることができる。本明細書は本発明を自動車の４サイクルエンジンのカムシャフトの位相調整に適用した実施形態を説明するものであるから、
２Ｔ1 ＝ Ｔ2
となるように半径Ｌ1，Ｌ2を設定した。
【００２０】
後に説明する３つの実施形態では、プラネタリギヤ２０に入力トルク（エンジンの出力）を入力し、リングギヤ１０から出力トルク（カムシャフトの回転）を取り出すように構成し、サンギヤ３０に制御トルクを入力することにより、プラネタリギヤ２０の回転に対するリングギヤ１０の回転速度を制御する。
第１図に示した原理形態の位相制御装置は、リングギヤ１０、プラネタリギヤ２０、サンギヤ３０を有する。第３図は、それらギヤへのトルクの入出力関係を模式的に示す。即ち、リングギヤ１０からは出力を取り出し、プラネタリギヤ２０にはエンジン出力トルクを入力し、サンギヤ３０には制御トルクを入力する。
【００２１】
〈第１実施形態〉
第４図は本発明の第１実施形態の原理を説明する。この実施形態は、サンギヤ３０に入力する制御トルクとして、外部に設けたオルタネータにおいて発生する負荷トルクを利用するものである。
第４図において、リングギヤ１０は、その自転軸にカムシャフトが接続されている。入力トルクとしては、不図示のエンジンの出力軸（不図示）に設けられた歯車に巻回されたベルト４２によって伝達されるエンジン出力トルクがプラネタリギヤ２０に入力される。一方、プラネタリギヤ２０と歯合するサンギヤ３０の自転軸はプーリ４０に接続され、プーリ４０はベルト４１によってオルタネータに接続される。
【００２２】
オルタネータはコントローラによって制御され、換言すれば、オルタネータによって発電される電力に消費される回転トルクがサンギヤ３０に対する負荷トルクとなる。従って、オルタネータにおいて発電される電力を制御すれば、リングギヤ１０の回転速度、つまりカムシャフトの回転速度は制御される。
即ち、オルタネータが発電を行えば、電気エネルギに変換されるトルクはサンギヤ３０に対して負荷トルクとして機能するから、発電量が増加すればするほど、サンギヤ３０の回転速度は減少する。すると、リングギヤ１０の回転速度は早くなり、カムシャフトの進角はより進む。即ち、オルタネータを負荷に用いれば、
発電量増加 → 進角化
発電量減少 → 遅角化
となる。
【００２３】
尚、オルタネータによって発電された電力は図示のバッテリに充電しても良い。
第５図は、第４図のオルタネータをベルト駆動ではなく、サンギヤ３０の自転軸に直結した構成を示す。
第４図のベルト駆動に比して第５図の直結タイプの優れている点は、第７図に示すように、後付けでエンジンに（即ち、車両に既に組み込まれた既存のエンジンに）本制御装置を取り付けることが可能になる点である。
【００２４】
尚、オルタネータの代わりに、第６図に示すように、ＤＣモータを用いても良い。ＤＣモータを用いれば、サンギヤ３０への入力トルクとして、負荷トルクではなく駆動トルクとなる。即ち、
モータへの電力大 → サンギヤ高回転化 → 遅角化
モータへの電力小 → サンギヤ低回転化 → 進角化
となる。
【００２５】
〈第２実施形態〉
第４図，第５図に示した実施形態は、プラネタリギヤ２０に入力トルクを入力し、リングギヤ１０から出力トルクを取り出し、サンギヤ３０へは制御トルクを入力するものであった。これらの図に示された実施形態では、オルタネータ内の界磁電流を制御すれば、原理的に、カムシャフトの位相角を任意に設定することができ、また、任意の位相角度に保持することも可能である。しかしこのような制御は制御手順が複雑で、コストの増大を招く。
【００２６】
第２実施形態の位相制御装置１０００は、出力回転トルク（即ち、リングギヤ１０の回転速度）を、入力回転トルクの回転速度（即ち、プラネタリギヤ２０の回転速度）に一致させる動作をスプリングの反発力を利用するというものである。
第８図に、第２実施形態の位相制御装置１０００の構成を示す。即ち、第２実施形態の位相制御装置はより実際の実施形態に近い構成を有し、更に、第７図に示すように、エンジンに外づけ可能になっている。
【００２７】
図中、５００はカバーであり、エンジン本体にこの制御装置１０００を取り付け固定する。１００１はカムシャフトであり、制御装置１０００のメインシャフト１００２に直結している。カバー５００とメインシャフト１００２との間はボールベアリング５０１が介在し、シャフト１００２の自在な回転を許す。
カバー５００には複数のヨーク６０１ａ，６０１ｂ…が配設され、第１０図に示すように、個々のヨークにはコイル６００ａ，６００ｂ…が巻回されている。ヨーク６０１とコイル６００と後述のマグネット３０４とにより発電機（オルタネータ）が構成される。
【００２８】
第８図において、複数の（ヨーク６０１ａ，６０１ｂ…の個数の同数の）マグネット３０４ａ，３０４ｂ…は、円形のプレート３００上にヨーク６０１ａ，６０１ｂ…のピッチと同じピッチで配列されている。円形プレート３００は、メインシャフト１００２に対して不図示のベアリングによってサポートされ、従って、カムシャフト１００１の回転と独立して回転自在である。プレート３００の回転軸近傍にはシャフト１００２の軸方向に沿って伸びる柱状のリッジ３０１が設けられ、このリッジ３０１の周囲には複数のギヤ歯３０３が設けられている。
【００２９】
かくして、円形プレート３００、リッジ３０１、ギヤ歯３０３は、第４図，第５図で説明したサンギヤ３０に相当する。尚、プレート３００とリッジ３０１の概略を第９図に示す。
サンギヤ３０に相当するプレートアッセンブリ３００のリッジ３０１に設けられたギヤ歯３０３は、プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂに設けられたギヤ歯２０３ａ，２０３ｂそれぞれと歯合する。プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂは第９図に示すように円形プレート２１０に支持され、支持された位置において自転自在である。プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂの各々に円周上に設けられたギヤ歯２０３ａ，２０３ｂは、前述したように、リッジ３０１に設けられたギヤ歯３０３を挟むようにしてギヤ歯３０３と歯合する。かくして、プレート２１０，プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂ、ギヤ歯２０３ａ，２０３ｂは、第５図などで説明したプラネタリギヤ２０に相当する。
【００３０】
尚、プレート２１０の背面はプレート３００の背面と摺動自在となるように離間されるべく、プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂは、それらがシャフト１００２回りに公転自在となるものの、シャフト１００２の軸方向には移動しないように不図示のストッパで固定されている。
プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂのギヤ歯２０３ａ，２０３ｂは、それぞれ、円形プレート１００の周囲に設けられた円柱状リッジ１０２の内周に設けられたギヤ歯１０１と歯合する。ここで、円形プレート１００はカムシャフト１００１に固定され、従って、円形プレート１００が回転すればカムシャフト１００２が同速度、同位相で回転する。かくして、円形プレート１００、円柱リッジ１０２、ギヤ歯１０１は、第５図などで説明したリングギヤ１０を構成する。
【００３１】
第８図において、円形プレート２１０には、柱状のリッジ２００がメインシャフト方向に設けられている。そして、リッジ２００の外周に、タイミングベルト（不図示）の歯と歯合する歯２２０が設けられている。
従って、エンジンが回転すると、第７図に示すように、第８図では不図示のベルトが回転してプレート２１０（第４図のプラネタリギヤ２０に相当）を回転させる。プレート２１０がシャフト１０１２の回りに回転すると、ギヤ歯１０１と歯合するギギヤ歯２０３ａ，２０３ｂを有するプラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂが公転する。プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂの公転によって、ギヤ歯２０３ａ，２０３ｂとギヤ歯１０１によって歯合するプレート１００が回転する。
【００３２】
プレート１００の回転速度は、前述したように、サンギヤとして機能するプレート３００の回転速度、換言すれば、ギヤ歯３０３に伝達される負荷トルクによって制御される。
第８図において、サンギヤとして動作するプレート３００の外周に多段スプリング３０２が巻回されている。この多段スプリング３０２は更にプレート２１０の外周上をも巻回する。第１１Ａ図は、スプリング３０２の、プレート３００及びプレート２１０上への巻回の様子を説明する。即ち、一本の多段コイルスプリング３０２は、プレート３００とプレート２１０の外周上を巻回し、一方の端部はサンギヤとして機能するプレート３００に固定され、他方の端部はプラネタリギヤとして機能するプレート２００と一緒に回転するリッジ２００に固定されている。
【００３３】
一本のスプリング３０２で２つのプレートを張設することにより、プラネタリギヤとして機能するプレート２１０とリングギヤとして機能するプレート１００とが、オルタネータが発電機能を発揮しないときにおいて、同一回転速度で回転しようとする保持機能を発揮するようにしている。
第１１Ｂ図は、プレート２１０の外周に設けられたリッジ２１０がストッパとして機能する様子を説明する。即ち、同図に示すように、リッジ２１０の一部は切り欠き２１１が設けられ、この切り欠き部２１１の間を、サンギヤ側のプレート３００の一部が第１１Ｂ図に示すように移動可能に設けられている。即ち、サンギヤとして機能するプレート３００とリングギヤとして機能するプレート２１０とは互いに独立してシャフト１００２回りに回動自在に設けられているけれども、両プレートの回転位相のズレ限界は上記切り欠き２１１の移動可能範囲内に抑えられているということである。その理由は、本位相制御装置がエンジンのカムシャフト軸の位相切換に用いられるのであるならば、位相角度の進角量及び遅角量に自ずと限界を課すべきであるからである。
【００３４】
従って、この切り欠き２１１及び上記スプリング３０２を設けたことによるプレート２１０，３００の動作を模式的に表すと、第１２図のようになる。即ち、プレート３００は、プレート２１０に対して、エンジンが停止している状態（即ち、プレート２１０にトルクが入力されていない状態）で、プレート３００がプレート２１０に設けられた切り欠き部２１１の中間位置にあるように、多段スプリング３０２のバネ係数、巻き線数等が調整されている。
【００３５】
〈発電機の動作〉
第１０図は、カバー５００上に設けられたヨーク６０１ａ，６０１ｂ…の配置を示す。第８図，第１０図を参照しながら、本位相制御装置１０００に設けられた発電機の動作を説明する。
第１１Ｂ図及び第１２図を用いて説明したように、プレート２１０，３００との間のズレは一定角度以内に限定されているから、プラネタリギヤとして機能するプレート２１０がエンジン回転によって回転されると、プレート３００も強制的に回転せしめられる。
【００３６】
カバー５００に設けられたヨーク６０１及びコイル６００は固定されているので、サンギヤとして機能するプレート３００が回転すると、プレート３００に固定されたマグネット３０４ａ，３０４ｂが発生する磁力線はヨーク６０１内を通過するときに、変化する磁界をコイル６００内に生成する。この磁界変化がコイル６００内に誘起電圧を発生せしめて、その電圧はコイル６００の両端に現れる。第１０図に示すように、各コイルの両端は、一方はアースに、他方はスイッチング回路に入力されている。従って、このスイッチング回路がＯＮすると、誘起電力は抵抗Ｒによって消費される。一方、回路がＯＦＦであれば、誘起電力は熱として消費されない。
【００３７】
コイル６００に発電された誘起電力が消費されないと、ヨーク６０１とマグネット３０４との間の磁気エネルギーは飽和するので、固定されているヨーク６０１はマグネット３０４に対する吸引力は低下し、従って、ヨーク６０１は、サンギヤとして機能するプレート３００に対して負荷トルクを発生するものとはならない。
【００３８】
反対に誘起電力が抵抗Ｒによって熱として放散されると、ヨーク６０１とマグネット３０４ａ，３０４ｂとの間に吸引力が働き、サンギヤとして機能するプレート３００には負荷トルクが印加されることになる。
〈スプリングの機能〉
第１３図は、スプリング３０２に設定されたバネ係数と、出力を産むプレート１００に対して、カムシャフト１００２から伝わってくるカム反力との関係を示す。ここで、カム反力とは、カムシャフトが回転することによりカム（不図示）が吸気バルブ（及び排気バルブ）のタペットを叩くことによって、それらバルブのスプリングから反力として伝達されてくる力のことであり、この反力は、プレート１００，２１０，３００に対して負荷として機能する。
【００３９】
第１３図において、このカム反力は当然のことながらカムシャフト回転数によって変化する。即ち、カム反力はカムシャフト回転数が低いほど（即ち、エンジン回転数が低いほど）大きい。第２実施形態のスプリング３０２のバネ係数は、エンジン回転数が極低回点数のとき（第１３図の例ではエンジン回転数で７００ｒｐｍ（カムシャフト回転数で３５０ｒｐｍ）以下）において、スプリング３０２がカム反力に負けるように設定する。スプリング３０２がカム反力に負けるエンジン回転数領域では、このカム反力が、リングギヤとして機能するプレート１００に負荷として働き、その結果、プレート１００の回転位相がプラネタリギヤとして機能するプレート２１０（エンジン回転に同期する）の回転よりも大きく遅れるようになり、即ち、最大遅角となることが予想される。
【００４０】
エンジン回転数が極低い領域（７００ｒｐｍ以下）でとはエンジンの始動時にあることから、着火性や燃焼性を向上させることが要求されるが、そのような運転領域では前述したように、スプリング３０２がカム反力に負けるために、カムの位相角がクランク軸の回転に対して最大遅れとなるので、良好な着火性や燃焼性が維持されるのである。
【００４１】
第２実施形態では、スプリング３０２をサンギヤとして機能するプレート３００とプラネタリギヤとして機能するプレート２１０との間に介在させていた。この理由は以下による。
即ち、サンギヤのギヤ歯として機能するリッジ３０１の内径とプラネタリギヤとして機能するプラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂの内径とを適当に設定すると、例えば減速比５：１が得られ、サンギヤとして機能するプレート３００に働く反力が極めて小さくなる。このために、スプリング３０２のバネ係数を小さなものに設定できるので、スプリング３０２のコイル線の太さを細くすることができる。即ち、カムシャフト側で発生したトルク変動は１／５に減衰されて、サンギヤとして機能するプレート３００に伝達され、さらには発電機に伝達される。換言すれば、スプリング３０２をプレート３００とプレート２１０との間に介在させることにより、
▲１▼： 出力（リングギヤ）としてのプレート１００の回転を、入力（即ちプラネタリギヤ）としてのプレート２１０の回転に同期させるのに必要となる発電機に発生させるべき電力を少なくすることができるという効果と、
▲２▼： 出力（リングギヤ）としてのプレート１００の回転の、入力（即ちプラネタリギヤ）として機能するプレート２１０の回転に対する位相を所望の角度だけ進め或いは遅らせるのに必要となる発電機に発生させるべき電力を少なくすることができるという効果を生む。
【００４２】
〈位相角の制御〉
第１４図は、本位相制御装置１０００の位相角制御を行うコントローラの構成を示す。即ち、ＣＰＵは、同図に示すクランク角センサからクランク軸の回転位置を示す信号Ｎaと、カム角度センサ（シャフト１００２に設けられ、シャフト１００２の回転位置を検出する）からの信号ＣAを入力する。ＣＰＵは、信号Ｎaに基づいてエンジン回転数を演算する。また、Ｃaに基づいてカムシャフト回転数を演算する。これらの回転数に基づいてスイッチング回路に入力すべき信号DUTYのデューティ比を演算する。この信号DUTYの特性を第１５図に示す。信号DUTYは、スイッチング回路をＯＮさせる時間とＯＦＦさせる時間との比を規定する。デューティ比が大きくなればなるほどスイッチング回路をオンさせる時間が長くなり、従って、サンギヤとして機能するプレート３００にはより大きな負荷トルクがかかり、結果的に、カムシャフトの位相角は進角方向により進む。反対に、デューティ比が小さくなればなるほどスイッチング回路をＯＦＦさせる時間が長くなり、従って、サンギヤとして機能するプレート３００にかかる負荷トルクはより小さくなり、結果的に、カムシャフトの位相角は遅角方向により進む。
【００４３】
第２実施形態の位相制御装置のコントローラに設定された信号DUTYの特性は同図に示すように、カムシャフト回転数が３５０ｒｐｍ以上の領域においては、エンジン回転数が高くなればなるほど、デューティ比を下げる、即ち、位相角をより遅らせる方向にする。また、前述したように、エンジン回転数が７００ｒｐｍ以下（カムシャフト回転数が３５０ｒｐｍ以下）の領域では遅角量を最大にする必要があるからデューティ比を零、即ち、スイッチング回路は全くオンさせないこととする。従って、同特性は、
DUTY＝０ （０ｒｐｍ＜Ｃa＜３５０ｒｐｍ）
DUTY＝−ｋ・Ｃa ＋ ｍ （Ｃa≧３５０ｒｐｍ）
とする。ここで、ｋは正の定数、ｍも所定の定数である。
【００４４】
第１６図は上記制御を実行したときに、進角方向性に制御した場合と遅角方向に制御した場合の実験結果の例を示す。進角方向の制御では、進角量零の状態から目標進角量１０度に設定して制御したときに、約０．３秒後に進角量２０度に達し、その後目標量１０度に収束していった。
一方、遅角方向の制御では、遅角量零の状態から目標着目量１０度に設定して制御したときに、約０．３秒後に遅角量が１０度強に達し、その後、目標量１０度に収束していった。
【００４５】
尚、実際のエンジンでは、アクセルの操作によってエンジン回転数が大きく変化する場合があり、本位相制御装置もその変化に追随してカムシャフトの進角量をダイナミックに制御しなければならない。前述の第１５図に示したような回転数Ｃaに基づいたオープン制御による制御信号DUTYの決定では実際のエンジン回転数の回転数変化に追随できなくなる場合があるかも知れないが、その場合には、信号DUTYの演算をフィードバック制御に変更する必要がある。この場合、クランク軸角度に対するカムシャフト軸１００２の位相角度δを実際に演算し、そのときの回転数に対する目標位相角度との偏差に基づいて信号DUTYをフィードバック制御を行うようにする。このフィードバック制御（信号をDUTY-FDとする）は従であり、前述の第１５図の特性に基づいたオープン制御によるDUTYの決定（信号量をDUTY-OPENとする）を主とする。即ち、
DUTY＝ｐ1・DUTY-OPEN ＋ ｐ2・DUTY-FD
とする。ここで、ｐ1，ｐ2はｐ1＞ｐ2である定数である。
【００４６】
〈第３実施形態〉
第２実施形態にかかる位相制御装置１０００はオルタネータを用いてオルタネータを付勢したときにサンギヤに負荷トルクがかかる構成とした。従って、オルタネータを積極的に制御するといっても、進角量のみを積極的に制御できるだけのこととなり、遅角量を積極的に制御することは難しい。一方、第１実施形態に関連して説明した第６図のＤＣモータを用いた例では逆に積極的に進角制御を行うことが難しくなる。第３実施形態は、進角方向制御も遅角方向制御も積極的に行うことのできる位相制御装置２０００を開示する。したがって、第３実施形態はこの目的のために正逆両方向に回転可能なステッピングモータ（或いは多極ＤＣモータあるいは多極ブラシレスＤＣモータ）を用いる。
【００４７】
第１７図に第３実施形態の原理形態を示す。
この第３実施形態は、回転可能なコイルとマグネットとを有するモータを用いる。そして、第１実施形態，第２実施形態と同じように、リングギヤ１０，プラネタリギヤ２０，サンギヤ３０の構成を有する。第３実施形態に特徴的な構成は、コイルはプラネタリギヤ２０に同期して回転し、マグネットはサンギヤ３０の回転に同期するということである。そして、コイルに流す電流の方向及び電流値を制御することにより、サンギヤ３０に正トルク又は負のトルクを印加することにより、リングギヤの回転位相角度を進角方向又は遅角方向に積極的に制御するものである。
【００４８】
第１７図の「モータ」は種々のモータを使用することが可能である。「モータ」として、第１８Ａ図はステッピングモータの使用例を、第１８Ｂ図は多極ＤＣモータの使用例を、第１８Ｃ図は多極ブラシレスモータの使用例を示している。第１９図は、第３実施形態の位相制御装置２０００に、ステッピングモータを用いたものである。尚、第１９図中の要素番号について、第８図の（第２実施形態）の要素番号と同じものは同じ形状の同じ部品或いは類似機能を発揮する部品を表す。
【００４９】
第１９図の第３実施形態に特徴的なことは、ステップモータの一部であるコイル３５０ａ，３５０ｂが、プラネタリギヤとして機能するプレート２１０に固定され、ステッピングモータの一部であるマグネット７０１ａ，７１０ｂが、サンギヤとして機能するプレート３００に固定されているということである。このために、コイル３５０して，３５０ｂはプラネタリギヤと一緒に回り、マグネット７０１ａ，７０１ｂはサンギヤと一緒に回る。
【００５０】
コイル３５０ａ，３５０ｂに流すべき制御信号は、通常のステッピングモータと同様に、時計回り方向に１ステップ進行させる（或いは反時計回り方向に１ステップ進行させる）ものである。換言すれば、ステッピングモータの１つの回転方向（例えば時計回り方向）はサンギヤに駆動力を与える回転方向であり、他の回転方向（反時計回り方向）はサンギヤに負荷トルクを与えることになる。
【００５１】
このような制御信号をコイル３５０ａ，３５０ｂに流すことにより、第３実施形態の位相制御装置２０００では、位相角を積極的に進角化し、或いは遅角化することができる。そのために、第２実施形態では必要であったスプリングは第３実施形態では不要となる。
〈変形〉
本発明は上記実施形態に限られることなく色々と修正が可能である。
【００５２】
例えば、本発明の位相制御装置はカムシャフトの位相機構のみに適用されるのではなく、およそ位相角度の調整が必要なものであるならば適用可能である。それは本発明が本質的に無段階で位相角度を調整できるためである。
また、本発明はＤＯＨＣエンジンのみならず、ＳＯＨＣエンジンなどのエンジンにも適用可能である。
【００５３】
また、プラネタリギヤ機構２０は、プラネタリギヤが２つのものと３つのものを説明したが、これらの限られず、用途に応じて、装置の大きさ、入力トルクの容量等を勘案して、これ以上の数のギヤを使うことを考えるべきである。
また、発電機と電動機の機能を合わせ持つ同期電動機を用いることも可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の位相制御装置によれば、位相角度を任意に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を３ギヤ構成のプラネタリギヤを有する実施形態（第１実施形態）の原理を説明する図。
【図２Ａ】 第１図の実施形態の動作原理を説明する図。
【図２Ｂ】 第１図の実施形態の動作を説明するタイミングチャート。
【図３】 第１実施形態における入力されるトルクと出力されるトルクとの関係を説明する図。
【図４】 第１実施形態の具体例を説明する図。
【図５】 第１実施形態の具体例を説明する図。
【図６】 第５図装置の変形例を説明する図。
【図７】 本発明の位相制御装置が特に自動車のエンジンに外づけ或いは後付けが可能であることを示す図。
【図８】 第２実施形態の位相制御装置１０００の構成を示す図。
【図９】 第２実施形態の構成を示す分解図。
【図１０】 第２実施形態の装置に用いられている発電機の一部を示す図。
【図１１Ａ】 第２実施形態に用いられるスプリングの巻回の様子を説明する図。
【図１１Ｂ】 第２実施形態の制御装置における位相角度リミット機構を説明する図。
【図１２】 第２実施形態におけるスプリング３０２の動作を説明する図。
【図１３】 第２実施形態におけるスプリング３０２の動作を説明する図。
【図１４】 第２実施形態等に用いられる位相制御のためのコントローラの構成を説明するブロック図。
【図１５】 図１４の制御動作を説明する図。
【図１６】 図１５の制御の実験結果を示すタイミングチャート。
【図１７】 第３実施形態の構成を説明する図。
【図１８Ａ】 第３実施形態の変形例を説明する図。
【図１８Ｂ】 第３実施形態の変形例を説明する図。
【図１８Ｃ】 第３実施形態の変形例を説明する図。
【図１９】 第３実施形態の具体的構成を示す図。
【符号の説明】
１０…リングギヤ
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…プラネタリギヤ
２１…支持フレーム
３０…サンギヤ
４０…プーリ
４１，４２…ベルト
１００，２１０，３００…プレート
１０１…ギヤ歯
１０２，３０１…リッジ
２０１ａ，２０１ｂ…プラネタリギヤ、
２０２，２０３ａ，２０３ｂ，３０３…ギヤ歯
２１１…切り欠き
３０２…スプリング
３０４ａ，３０４ｂ，７０１ａ，７０１ｂ…マグネット
５００…カバー
６００，３５０ａ，３５０ｂ…コイル
６０１ａ，６０１ｂ…ヨーク
Claims (14)
- 個々に自転自在な複数のプラネタリギヤの全体が第１の回転軸の周りに公転するように設けられたプラネタリギヤ機構を有し、前記第１の回転軸に回転トルクを入力する入力部と、
前記第１の回転軸と同軸の第２の回転軸を有し、前記複数のプラネタリギヤと外側から歯合するところのリングギヤの回転を出力する出力部と、
前記プラネタリギヤと内側から歯合し、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸と同軸の第３の回転軸を有するサンギヤを有する位相調整部とを具備し、
前記位相調整部の前記サンギヤの前記第３の回転軸に負荷トルクを印加することにより、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸の回転の角度位相差を制御し、
前記位相調整部は、前記第３の回転軸に負荷トルクを伝達する発電機を有することを特徴とする回転位相制御装置。 - 個々に自転自在な複数のプラネタリギヤの全体が第１の回転軸の周りに公転するように設けられたプラネタリギヤ機構を有し、前記第１の回転軸に回転トルクを入力する入力部と、
前記第１の回転軸と同軸の第２の回転軸を有し、前記複数のプラネタリギヤと外側から歯合するところのリングギヤの回転を出力する出力部と、
前記プラネタリギヤと内側から歯合し、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸と同軸の第３の回転軸を有するサンギヤを有する位相調整部とを具備し、
前記位相調整部の前記サンギヤの前記第３の回転軸に駆動トルクを印加することにより、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸の回転の角度位相差を制御し、
前記位相調整部は、前記第３の回転軸に駆動トルクを伝達する同期電動機を有することを特徴とする回転位相制御装置。 - 前記位相調整部が負荷トルクを前記第３の回転軸に印加する場合に、その印加トルクと反対方向の回転トルクを付与するために、前記プラネタリギヤと、前記サンギヤもしくは前記リングギヤとの間に設けられた部材をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の回転位相制御装置。
- 前記位相調整部が駆動トルクを前記第３の回転軸に印加する場合に、その印加トルクと反対方向の回転トルクを付与するために、前記プラネタリギヤと、前記サンギヤもしくは前記リングギヤとの間に設けられた部材をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の回転位相制御装置。
- 前記部材はリターンスプリングであることを特徴とする請求項３又は４に記載の回転位相制御装置。
- 前記リングギヤの第２の回転軸は、複数のリフト期間が設定されたカムのためのカムシャフトに結合されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の回転位相制御装置。
- 位相角度の可変範囲をリミットするための機構を、前記リングギヤ、プラネタリギヤ、サンギヤのいずれか２つの間に設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の回転位相制御装置。
- 前記リターンスプリングはプラネタリギヤとサンギヤとの間に配設されたことを特徴とする請求項５に記載の回転位相制御装置。
- 前記リターンスプリングは多段スプリングであって、そのバネ定数が入力トルクの回転数が零であるときに中間付勢状態にあるように設定されていることを特徴とする請求項８に記載の回転位相制御装置。
- 前記位相調整部は負荷トルクを発生するために、デューティ制御を前記発電機に行い、デューティ比を所定回転数以上において回転数に応じて小さくすることを特徴とする請求項１に記載の回転位相制御装置。
- 前記位相調整部は駆動トルクを発生するために、デューティ制御を前記同期電動機に行い、デューティ比を所定回転数以上において回転数に応じて大きくすることを特徴とする請求項２に記載の回転位相制御装置。
- 前記位相調整部は、前記第３の回転軸に直結する前記発電機を有し、エンジンのカム機構に外づけ可能に接続する機構を有することを特徴とする請求項１に記載の回転位相制御装置。
- 前記位相調整部は、前記第３の回転軸に直結する前記同期電動機を有し、エンジンのカム機構に外づけ可能に接続する機構を有することを特徴とする請求項２に記載の回転位相制御装置。
- 前記発電機は発電された電力を消費する抵抗に電流を流すためのスイッチング素子を複数有することを特徴とする請求項１に記載の回転位相制御装置。
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