JP4349454B2 - バルブタイミング調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、クランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉する吸気弁及び排気弁のうち少なくとも一方のバルブタイミングを調整する内燃機関の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により、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、オンするスイッチング素子をモータ軸の所定の回転角度範囲毎に切換えることで、当該発生磁界の作用するモータ軸を回転駆動している。
特開２００４−３５０４４６号公報

さて、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が、モータ軸の実回転方向と一致している場合には、スイッチング素子のオンによりステータコイルへ印加される電圧に対して、反対方向の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、モータ軸の目標回転方向がモータ軸の実回転方向と相異している場合には、スイッチング素子のオンによりステータコイルへ印加される電圧に対して、同一方向の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して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。尚、オンするスイッチング素子の切換えがモータ軸の回転角度に応じて実現されることから、モータ軸の回転数が高くなるほど、スイッチング素子の熱破損する可能性が高くなるのである。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、破損を抑制す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、クランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉する吸気弁及び排気弁のうち少なくとも一方のバルブタイミングを調整する内燃機関の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、当該発生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として選択する選択素子を、モータ軸の所定の回転角度範囲毎に切換えることにより、電動モータを通電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、モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が一致する場合に通電駆動手段は、回転角度範囲の全域を、選択素子を継続してオンするオン範囲に設定し、モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が相異する場合に通電駆動手段は、回転角度範囲を、オン範囲と、選択素子を継続してオフするオフ範囲とに分割して設定することを特徴とする。

このように、複数のスイッチング素子のうちオンする選択素子を切換えるためにモータ軸について設定される回転角度範囲は、モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が相異する場合、選択素子を継続してオンするオン範囲と、選択素子を継続してオフするオフ範囲とに分割される。これにより、選択素子と接続のステータコイルには、オン範囲においては電圧が印加されるが、オフ範囲においては電圧が印加されなくなる。故に、モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が相異することにより、誘起電圧がステータコイルへの印加電圧と同一方向に発生しても、それら電圧の和に応じた電流が選択素子に流れる時間は、短縮される。したがって、大電流の継続的な流通により選択素子が発熱して熱破損に至る事態を、抑制できるのである。尚、モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が一致する場合には、従来と同様に回転角度範囲の全域がオン範囲に設定されるので、選択素子の継続的なオンにより大きなトルクをモータ軸に発生させて、機関位相の調整応答性を高めることが可能となる。

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と、入力回転体の回転を規制して機関位相を位相端に止めるストッパとを有する。このような構成では、目標回転方向を逆回転方向とすることでモータ軸と共に実現される入力回転体の回転が、機関位相を位相端に止めておくためにストッパによって規制されるときには、クランク軸からのトルク伝達によって入力回転体が、モータ軸と共に正回転することとなる。故に、この場合には、モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が相異することになるが、上述したオフ範囲の設定によって選択素子の熱破損を抑制す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、モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が相異する場合における通電駆動手段は、モータ軸の回転数が設定回転数以上となることにより、回転角度範囲をオン範囲とオフ範囲とに分割して設定し、モータ軸の回転数が設定回転数未満となることにより、回転角度範囲の全域をオン範囲に設定する。これによれば、選択素子の切換えがモータ軸の回転角度に応じて実現されることに起因して選択素子の熱破損する可能性が高くなる、モータ軸の設定回転数以上の高回転時には、上述したオフ範囲の設定によって選択素子の熱破損を確実に抑制できるのである。また一方、選択素子の熱破損する可能性が低くなる、モータ軸の設定回転数未満の低回転時には、従来と同様に回転角度範囲の全域がオン範囲に設定されることによって、機関位相の調整応答性を高めることが可能となるのである。

請求項４に記載の発明によると、オン範囲及びオフ範囲は、それぞれ回転角度範囲の半分に設定される。これによれば、選択素子を切換えるための回転角度範囲を単純に半分に分割することでオン範囲及びオフ範囲を設定できるので、当該設定処理の簡素化が可能となる。

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が選択素子となったアームと異なるアームにおいて、高圧側及び低圧側のうち選択素子と異なる側にあるスイッチング素子を、回転角度範囲の間、パルス幅変調制御によりオンオフする。これによりオン範囲では、選択素子が継続してオンされる中、高圧側及び低圧側のうち選択素子と異なる側にあるスイッチング素子がパルス幅変調制御によってオンオフされるので、ステータコイルに対する通電量を当該制御に従って正確に調整可能となる。これに対してオフ範囲では、選択素子が継続してオフされることになるので、高圧側及び低圧側のうち選択素子と異なる側にあるスイッチング素子のオンオフ状態にかかわらず、選択択素子の熱破損を抑制することができるのである。

請求項６に記載の発明は、クランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉する吸気弁及び排気弁のうち少なくとも一方のバルブタイミングを調整する内燃機関の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、当該発生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として選択する選択素子を、モータ軸の所定の回転角度範囲毎に切換えることにより、電動モータを通電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、モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が一致する場合に通電駆動手段は、回転角度範囲の全域を、選択素子を継続してオンするオン範囲に設定し、モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が相異する場合に通電駆動手段は、回転角度範囲を進角側又は遅角側へ変位させてなる変位範囲の全域をオン範囲に設定することを、特徴とする。

このように、複数のスイッチング素子のうちオンする選択素子を切換えるためにモータ軸について設定される回転角度範囲は、モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が相異する場合、進角側又は遅角側へ変位され、当該変位範囲の全域が選択素子を継続してオンするオン範囲とされる。これにより、選択素子と接続のステータコイルに発生する誘起電圧は、変位範囲と元の回転角度範囲とが重畳する部分においては変わらないが、変位範囲のうち元の回転角度範囲と重畳しない部分においては、元の回転角度範囲のうち変位範囲と重複しない部分におけるよりも小さくなる。故に、モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が相異することにより、誘起電圧がステータコイルへの印加電圧と同一方向に発生しても、それら電圧の和に応じて選択素子に流れる電流の総和は、小さくなる。したがって、大電流の継続的な流通により選択素子が発熱して熱破損に至る事態を、抑制できるのである。尚、モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が一致する場合には、従来と同様に回転角度範囲の全域がオン範囲に設定されるので、選択素子の継続的なオンにより大きなトルクをモータ軸に発生させて、機関位相の調整応答性を高めることが可能となる。

請求項７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と、入力回転体の回転を規制して機関位相を位相端に止めるストッパとを有する。このような構成では、目標回転方向を逆回転方向とすることでモータ軸と共に実現される入力回転体の回転が、機関位相を位相端に止めておくためにストッパによって規制されるときには、クランク軸からのトルク伝達によって入力回転体が、モータ軸と共に正回転することとなる。故に、この場合には、モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が相異することになるが、上述した変位範囲の設定によって選択素子の熱破損を抑制することができるのである。

請求項８に記載の発明によると、モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が相異する場合における通電駆動手段は、モータ軸の回転数が設定回転数以上となることにより、変位範囲の全域をオン範囲に設定し、モータ軸の回転数が設定回転数未満となることにより、回転角度範囲の全域をオン範囲に設定する。これによれば、選択素子の切換えがモータ軸の回転角度に応じて実現されることに起因して、選択素子の熱破損する可能性が高くなる、モータ軸の設定回転数以上の高回転時には、上述した変位範囲の設定によって選択素子の熱破損を確実に抑制できるのである。また一方、選択素子の熱破損する可能性が低くなる、モータ軸の設定回転数未満の低回転時には、従来と同様に回転角度範囲の全域がオン範囲に設定されることによって、機関位相の調整応答性を高めることが可能となるのである。

請求項９に記載の発明によると、回転角度範囲に対する変位範囲の変位量は、回転角度範囲の半分に設定される。これによれば、選択素子を切換えるための回転角度範囲を単純に半分変位させることで変位範囲を設定できるので、当該設定処理の簡素化が可能となるのである。

請求項１０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が選択素子となったアームと異なるアームにおいて、高圧側及び低圧側のうち選択素子と異なる側にあるスイッチング素子を、選択素子がオンされる回転角度範囲又は変位範囲の間、パルス幅変調制御によりオンオフする。これにより、通常の回転角度範囲では、選択素子が継続してオンされる中、高圧側及び低圧側のうち選択素子と異なる側にあるスイッチング素子がパルス幅変調制御によってオンオフされるので、ステータコイルに対する通電量を当該制御に従って正確に調整可能となる。これに対し、回転角度範囲を進角側又は遅角側へ変位させてなる変位範囲において、選択素子が継続してオンされることによれば、高圧側及び低圧側のうち選択素子と異なる側にあるスイッチング素子のオンオフ状態にかかわらず、選択択素子の熱破損を抑制することができるのである。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態を図面に基づいて説明する。

図２は、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。

（基本構成）
以下、バルブタイミング調整装置１の基本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、通電制御系６及び位相調整機構８を組み合わせてなり、クランク軸及びカム軸２の間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。尚、本実施形態においてカム軸２は、内燃機関の吸気弁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。

図２，３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る。具体的に電動モータ４は、ハウジング１０、軸受１２、モータ軸１４、永久磁石１８及びモータステータ１６を備えている。ハウジング１０は、チェーンケース等の内燃機関の固定節９に固定される。ハウジング１０内には、二つの軸受１２及びモータステータ１６が収容固定されている。各軸受１２は、モータ軸１４の軸本体１４ａを正逆回転自在に支持している。モータ軸１４において軸本体１４ａから外周側へ突出するロータ部１４ｂの内部には、その回転方向に等間隔に並ぶ形態で複数の永久磁石１８が埋設されている。回転方向において隣り合う永久磁石１８同士は、相反する極性の磁極をロータ部１４ｂの外周壁側に形成している。モータステータ１６は、ステータコア１６ａ及びステータコイル１６ｂ等から構成されてロータ部１４ｂの外周側に同心的に配置されている。ステータコア１６ａは鉄片を積層して形成され、モータ軸１４の回転方向に等間隔に複数設けられている。各ステータコア１６ａには、それぞれ個別にステータコイル１６ｂが巻装されている。

図２に示すように通電制御系６は、電動モータ４の各ステータコイル１６ｂと電気的に接続されており、それらステータコイル１６ｂへの通電を内燃機関の運転状況等に応じて制御する。この通電制御を受けて電動モータ４は、各永久磁石１８へ作用する磁界をステータコイル１６ｂの励磁により発生することで、当該形成磁界に応じた方向の制御トルクをロータ部１４ｂに作用させてモータ軸１４を回転させる。ここで本実施形態では、モータ軸１４に関して、図３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２に示すように位相調整機構８は、駆動側回転体２２、従動側回転体２４、遊星歯車ユニット３０及びリンクユニット５０を備えている。

駆動側回転体２２は、内燃機関のクランク軸との間にタイミングチェーンが巻き掛けられるタイミングスプロケットである。駆動側回転体２２は、クランク軸から機関トルクが伝達されることにより、図５，６の時計方向へ回転する。従動側回転体２４は、内燃機関のカム軸２に同軸上に連結されており、カム軸２と共に図５，６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１４の正回転方向が内燃機関の回転方向と同一方向に、またモータ軸１４の逆回転方向が内燃機関の回転方向と異なる方向に設定されている。

図２，４に示すように遊星歯車ユニット３０は、太陽歯車３１、「入力回転体」としての遊星キャリア３２、遊星歯車３３及び伝達回転体３４等から構成されている。内歯車からなる太陽歯車３１は、駆動側回転体２２に同軸上に螺子止めされており、駆動側回転体２２と共に正回転する。遊星キャリア３２は、継手３５を介してモータ軸１４の軸本体１４ａと連結されており、モータ軸１４と共に正逆回転する。遊星キャリア３２は、駆動側回転体２２に対して偏心する円筒面状の外周面部により偏心部３６を形成している。外歯車からなる遊星歯車３３は、ベアリング３７を介して偏心部３６に嵌合支持されており、太陽歯車３１に対し偏心して配置されている。遊星歯車３３は太陽歯車３１に内周側から噛合しており、太陽歯車３１に対する遊星キャリア３２の相対回転によって遊星運動する。

伝達回転体３４は、従動側回転体２４の外周側に同心的に嵌合している。伝達回転体３４には、回転方向に等間隔に並ぶ複数の係合孔３８が設けられている。また、これに対応して遊星歯車３３には、各係合孔３８内に突出する複数の係合突起３９が設けられている。そして、それら各係合突起３９が係合孔３８に係合することにより、遊星歯車３３の自転運動が抽出されて伝達回転体３４の回転運動へ変換されるようになっている。

図２，５，６に示すようにリンクユニット５０は、リンク５２，５３、案内部５４及び可動体５６等から構成されている。尚、図５，６では、断面を表すハッチングを省略している。第一リンク５２は、駆動側回転体２２に回り対偶によって連繋している。第二リンク５３は、従動側回転体２４に回り対偶によって連繋していると共に、可動体５６を介した回り対偶によって第一リンク５２に連繋している。図２，６に示すように案内部５４は、伝達回転体３４において遊星歯車３３とは反対側の端面を含む部分により、形成されている。案内部５４には、可動体５６が滑動自在に嵌合する案内溝５８が形成されている。案内溝５８は、案内部５４の回転中心からの距離が長手方向で変化する渦巻溝状に形成されている。

以上の構成により位相調整機構８は、モータ軸１４及び遊星キャリア３２の回転状態に応じて作動することにより、機関位相を調整する。具体的には、モータ軸１４及び遊星キャリア３２が駆動側回転体２２と同速にて正回転することで、遊星キャリア３２が太陽歯車３１に対して相対回転しないときには、遊星歯車３３が遊星運動することなく、回転体２２，３４と一体となって回転する。故に、可動体５６が案内溝５８内を案内されず、それによってリンク５２，５３の相対位置関係が変化しないので、モータ軸１４及び位相調整機構８が連れ回り状態となって機関位相が保持される。

一方、モータ軸１４及び遊星キャリア３２が駆動側回転体２２よりも低速に正回転する又は逆回転することで、遊星キャリア３２が太陽歯車３１に対して相対回転するときには、遊星歯車３３が遊星運動することで、伝達回転体３４が駆動側回転体２２に対する進角側（図６の時計方向）へ相対回転する。その結果、可動体５６が案内溝５８内を案内されてリンク５２，５３の相対位置関係が変化することで、従動側回転体２４が駆動側回転体２２に対する遅角側（図５の反時計方向）へ相対回転することになるので、機関位相は遅角する。

また一方、モータ軸１４及び遊星キャリア３２が駆動側回転体２２よりも高速に正回転することで、遊星キャリア３２が太陽歯車３１に対して相対回転するときには、遊星歯車３３が遊星運動することで、伝達回転体３４が駆動側回転体２２に対する遅角側（図６の反時計方向）へ相対回転する。その結果、可動体５６が案内溝５８内を案内されてリンク５２，５３の相対位置関係が変化することで、従動側回転体２４が駆動側回転体２２に対する進角側（図５の時計方向）へ相対回転することになるので、機関位相は進角する。

（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、リンクユニット５０の特徴的構成を説明する。図６に示すように、本実施形態では一対設けられている案内溝５８のうち、一方の案内溝５８の両端面はストッパ５８ａ，５８ｂをそれぞれ形成している。

ここで、図６に示すようにストッパ５８ａが可動体５６の外周面に当接するときには、駆動側回転体２２に対して伝達回転体３４を進角側へ相対回転させるモータ軸１４及び遊星キャリア３２の回転が規制される。これにより、駆動側回転体２２に対する従動側回転体２４の遅角側への相対回転も規制されるので、機関位相が最遅角側の位相端に止められることとなる。

一方、ストッパ５８ｂが可動体５６の外周面に当接するときには、駆動側回転体２２に対して伝達回転体３４を遅角側へ相対回転させるモータ軸１４及び遊星キャリア３２の回転が規制される。これにより、駆動側回転体２２に対する従動側回転体２４の進角側への相対回転も規制されるので、機関位相が最進角側の位相端に止められることとなる。

次に、電動モータ４の特徴的構成を説明する。図２，７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をさらに備えている。

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１４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１４に装着されたセンサ磁石２０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１４の実回転角度θを表す検出信号を出力する。

次に、通電制御系６の特徴的構成を説明する。図２に示すように通電制御系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、図７に示すようにモータ駆動回路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。

制御回路６０は、モータ駆動回路７０から与えられる電動モータ４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、内燃機関の運転状況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、電動モータ４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１４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、電動モータ４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８に示すように通電ブロック７４は、インバータ部７６及び「通電駆動手段」としての通電駆動部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である。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に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、シャント抵抗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同士がバッテリ８０に対して直列に接続された形となっている。

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１６ｂ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、各ステータコイル１６ｂが所定順序で通電されて、ロータ部１４ｂに作用する制御トルクが発生するので、モータ軸１４が回転駆動されることとなる。

尚、ここで、モータ軸１４の目標回転方向Ｄｔが実回転方向Ｄｒと一致している場合には、通電駆動部７８からの通電によってステータコイル１６ｂへ印加される電圧に対し、反対方向の誘起電圧が当該コイル１６ｂに発生することになる。一方、モータ軸１４の目標回転方向Ｄｔが実回転方向Ｄｒと相異している場合には、通電駆動部７８からの通電によってステータコイル１６ｂへ印加される電圧に対し、同一方向の誘起電圧が当該コイル１６ｂに発生することになる。

（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。

まず、回転角度センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷの特徴的作動を説明する。各回転角度センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷは、個々の感知範囲内にセンサ磁石２０のＮ極が位置するときにオンすることで、検出信号の電圧レベルをハイにする。一方、感知範囲内にセンサ磁石２０のＳ極が位置するときには、各回転角度センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷはオフすることで、検出信号の電圧レベルをローにする。

以上により、各回転角度センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷの検出信号の電圧レベルの組み合わせパターン（以下、「検出信号パターン」という）は、図９にｉ〜ｖｉにて示すように、モータ軸１４についての１５°の回転角度範囲Ｒ_１５毎に切換わることになる。尚、図９及び後述の図１０では、検出信号の電圧レベルがハイになる場合をＨ、検出信号の電圧レベルがローになる場合をＬとして、表している。

次に、通電駆動部７８の特徴的作動を説明する。通電駆動部７８は、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、「駆動信号パターン」という）を、図９，１０の如く切換えることにより、モータ軸１４に作用する制御トルクを調整する。尚、図９，１０では、回転角度範囲Ｒ_１５において駆動信号の電圧レベルを継続的にハイにする場合はＨ、回転角度範囲Ｒ_１５において駆動信号の電圧レベルを継続的にローにする場合はＬ、回転角度範囲Ｒ_１５において駆動信号の電圧レベルをパルス幅変調制御する場合はＰとして、表している。

具体的には、目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒが共に正回転方向の場合に通電駆動部７８は、各回転角度センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷの検出信号パターンｉ〜ｖｉに応じて、図９の（ａ）欄に示す駆動信号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１４へ作用する当該正回転方向の制御トルクを発生させる。また、目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒが共に逆回転方向の場合に通電駆動部７８は、各回転角度センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷの検出信号パターンｉ〜ｖｉに応じて、図１０の（ａ）欄に示す駆動信号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１４に作用する当該逆回転方向の制御トルクを発生させる。

以上により、目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒが一致する場合には、図１１，１２に示すように、上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷのうち３０°の回転角度範囲Ｒ_３０毎に切換選択される一素子（以下、「選択素子」という）が、当該範囲Ｒ_３０の全域で継続してオンされることになる。またこのときには、上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷのうち選択素子と、下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷのうちパルス幅変調制御される素子（以下、「ＰＷＭ素子」という）とは、アームＡＵ，ＡＶ，ＡＷのうち相異なるアームの素子となる。これらのことから、ステータコイル１６ｂに対する通電量を下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷのパルス幅変調制御に従い調整して、例えば大きな制御トルクを発生させることで、機関位相の調整応答性を高めることが可能となるのである。

一方、目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒがそれぞれ正及び逆回転方向の場合に通電駆動部７８は、各回転角度センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷの検出信号パターンｉ〜ｖｉに応じて、図９の（ｂ）欄に示す駆動信号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１４に正回転方向のブレーキをかける制御トルクを発生させる。また、目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒがそれぞれ逆及び正回転方向の場合に通電駆動部７８は、各回転角度センサＳＵ，ＳＶ，ＳＷの検出信号パターンｉ〜ｖｉに応じて、図１０の（ｂ）欄に示す駆動信号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１４に逆回転方向のブレーキをかける制御トルクを発生させる。

以上により、目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒが相異する場合には、図１，１３に示すように上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷのうちの選択素子が、その選択範囲Ｒ_３０の半分の範囲Ｒ_１５では継続してオンされるが、残りの半分の範囲Ｒ_１５では継続してオフされることになる。またこのときにも、上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷのうち選択素子及び下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷのうちＰＷＭ素子は、アームＡＵ，ＡＶ，ＡＷのうち相異なるアームの素子となる。

これらのことから、選択素子及びＰＷＭ素子に接続のステータコイル１６ｂには、回転角度範囲Ｒ_３０のうち選択素子がオンの範囲Ｒ_１５では電圧が印加されるが、選択素子がオフの範囲Ｒ_１５では電圧が印加されなくなる。故に、目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒが相異することに起因して、誘起電圧がステータコイル１６ｂへの印加電圧と同一方向に発生しても、それら電圧の和に応じた電流が選択素子に流れる時間は、短縮される。したがって、大電流の継続的な流通により選択素子が発熱して熱破損に至る事態を、抑制できるのである。

また特に本実施形態では、ストッパ５８ａを可動体５６に当接させたままにして、機関位相を最遅角側の位相端に保持するような場合には、モータ軸１４の正回転中に目標回転方向Ｄｔを逆回転方向として、当該逆回転方向のブレーキをかけ続けることになる。しかし、そのような場合にあっても選択素子の熱破損を抑制できるので、高い耐久性の獲得が可能となるのである。

（第二実施形態）
本発明の第二実施形態は第一実施形態の変形例である。以下では、第一実施形態と異なる内容について説明し、第一実施形態と実質的に同じ内容については説明を省略する。

第二実施形態では、目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒがそれぞれ正及び逆回転方向の場合においてモータ軸１４の実回転数Ｓｒが設定回転数Ｓｓ以上であるときには、通電駆動部７８が、図９の（ｂ）欄に示す駆動信号パターンを逆方向へ切換える。これに対し、目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒがそれぞれ正及び逆回転方向の場合であっても、実回転数Ｓｒが設定回転数Ｓｓ未満であるときに通電駆動部７８は、図９の（ａ）欄に示す駆動信号パターンを逆方向へ切換える。

また、第二実施形態では、目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒがそれぞれ逆及び正回転方向の場合において実回転数Ｓｒが設定回転数Ｓｓ以上であるときには、通電駆動部７８が、図１０の（ｂ）欄に示す駆動信号パターンを順方向へ切換える。これに対し、目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒがそれぞれ逆及び正回転方向の場合であっても、実回転数Ｓｒが設定回転数Ｓｓ未満であるときに通電駆動部７８は、図１０の（ａ）欄に示す駆動信号パターンを順方向へ切換える。

以上により、モータ軸１４の設定回転数Ｓｓ以上での高回転時において目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒに相異が生じる場合には、選択素子としての上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷに懸念される熱破損を、第一実施形態と同様の原理によって抑制できる。但し、モータ軸１４の設定回転数Ｓｓ未満での低回転時において目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒに相異が生じる場合には、選択素子の熱破損の可能性が低くなることから、それらの方向Ｄｔ，Ｄｒが一致する場合に準じて、機関位相の調整応答性を高めることが可能となる。

尚、設定回転数Ｓｓについては、それ以上の回転数範囲において、選択素子の熱破損の抑制を可能にすることと、選択素子のオフに起因した制御トルクの減少によっても機関位相の調整を可能にすることとを両立させる値、例えば１０００ｒｐｍ程度であることが望ましい。

（第三実施形態）
本発明の第三実施形態は第二実施形態の変形例である。以下では、第二実施形態と異なる内容について説明し、第二実施形態と実質的に同じ内容については説明を省略する。

第三実施形態では、目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒがそれぞれ正及び逆回転方向の場合においてモータ軸１４の実回転数Ｓｒが設定回転数Ｓｓ以上であるときには、図１４の（ｂ）欄に示す駆動信号パターンを逆方向へ切換える。ここで図１４（ｂ）欄の駆動信号パターンは、実回転数Ｓｒが設定回転数Ｓｓ未満であるときの図１４（ａ）欄の駆動信号パターンに対し、逆方向の切換えという点で１５°進角したものとなる。

また、第三実施形態では、目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒがそれぞれ逆及び正回転方向の場合においてモータ軸１４の実回転数Ｓｒが設定回転数Ｓｓ以上であるときには、図１５の（ｂ）欄に示す駆動信号パターンを順方向へ切換える。ここで図１５（ｂ）欄の駆動信号パターンは、実回転数Ｓｒが設定回転数Ｓｓ未満であるときの図１５（ａ）欄の駆動信号パターンに対し、順方向の切換えという点で１５°進角したものとなる。

以上により、モータ軸１４の設定回転数Ｓｓ以上での高回転時に方向Ｄｔ，Ｄｒに相異が生じる場合には、図１６，１７に示すように上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷのうちの選択素子が、その選択範囲Ｒ_３０を半分（１５°）だけ進角させた変位範囲Ｍ_３０の全域にて継続的にオンされることとなる。またこのときには、上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷのうち選択素子及び下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷのうちＰＷＭ素子がアームＡＵ，ＡＶ，ＡＷのうち相異なるアームの素子となるように、ＰＷＭ素子の選択範囲も進角される。

これらのことから、選択素子及びＰＷＭ素子に接続のステータコイル１６ｂに発生する誘起電圧は、変位範囲Ｍ_３０のうち元の回転角度範囲Ｒ_３０と重畳しない部分においては、当該範囲Ｒ_３０範囲のうち変位範囲Ｍ_３０と重複しない部分におけるよりも小さくなる。故に、方向Ｄｔ，Ｄｒが相異することに起因して、誘起電圧がステータコイル１６ｂへの印加電圧と同一方向に発生しても、それら電圧の和に応じて選択素子に流れる電流の総和は、小さくなる。したがって、例えばストッパ５８ａの可動体５６への当接により機関位相を最遅角側の位相端に保持する場合等、大電流の継続的流通による選択素子の熱破損が懸念される状況となっても、当該熱破損を抑制することができるのである。

（他の実施形態）
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明はそれらの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、上述したように上段スイッチング素子ＦＵ，ＦＶ，ＦＷを選択素子とすることに代えて、下段スイッチング素子ＧＵ，ＧＶ，ＧＷを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をパルス幅変調制御によってオンオフすることになる。また、回転角度範囲Ｒ_３０のうち、選択素子をオンする範囲及びオフする範囲の分割割合については、上述した範囲Ｒ_３０の半分ずつ以外であってもよい。

目標及び実回転方向Ｄｔ，Ｄｒに相異が生じた場合には、モータ軸１４の実回転数Ｓｒにかかわらず、回転角度範囲Ｒ_３０を変位させてなる変位範囲Ｍ_３０の全域で選択素子をオンするようにしてもよい。また、変位範囲Ｍ_３０の全域で選択素子をオンする場合には、回転角度範囲Ｒ_３０を遅角側へ変位させることにより変位範囲Ｍ_３０を設定するようにしてもよい。さらに、回転角度範囲Ｒ_３０に対する変位範囲Ｍ_３０の変位量については、上述した範囲Ｒ_３０の半分以外であってもよい。

電動モータ４は、本発明の作用効果を得られるものであれば、上述した３相の永久磁石型同期モータ以外のモータであってもよく、またステータコイル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であってもよい。

通電制御系６は、電動モータ４への通電を制御可能な構成であれば、上述した二つの回路６０，７０を組み合わせる構成以外であってもよい。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、その一部の機能（例えば通電駆動部７８）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、モータ駆動回路７０においてインバータ部７６は、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ものであってもよいし、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からアームが構成されるものであってもよい。

位相調整機構８は、機関位相を調整可能な構成であれば、上述した遊星歯車ユニット３０を備える構成以外であってもよい。具体的には、遊星キャリア３２により支持された遊星歯車に噛合する太陽歯車を回転体２２，２４の双方に設けて、当該遊星歯車の遊星運動によって機関位相を変化させる構成の位相調整機構８等を、使用してもよいのである。

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、例えば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。

第一実施形態によるバルブタイミング調整装置の通電ブロックの特徴的作動を説明するための模式図である。 第一実施形態によるバルブタイミング調整装置を示す構成図であって、図５のＩＩ−ＩＩ線断面図に相当する。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図２のＶ−Ｖ線断面図である。 図２のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図２の通電制御系の特徴的構成を示すブロック図である。 図７の通電ブロックの詳細構成を示すブロック図である。 第一及び第二実施形態によるバルブタイミング調整装置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。 第一及び第二実施形態によるバルブタイミング調整装置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。 第一実施形態によるバルブタイミング調整装置の通電ブロックの特徴的作動を説明するための模式図である。 第一実施形態によるバルブタイミング調整装置の通電ブロックの特徴的作動を説明するための模式図である。 第一実施形態によるバルブタイミング調整装置の通電ブロックの特徴的作動を説明するための模式図である。 第三実施形態によるバルブタイミング調整装置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。 第三実施形態によるバルブタイミング調整装置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。 第三実施形態によるバルブタイミング調整装置の通電ブロックの特徴的作動を説明するための模式図である。 第三実施形態によるバルブタイミング調整装置の通電ブロック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 通電制御系、８ 位相調整機構、１４ モータ軸、１４ａ 軸本体、１４ｂ ロータ部、１６ モータステータ、１６ａ ステータコア、１６ｂ ステータコイル、１８ 永久磁石、２０ センサ磁石、２２ 駆動側回転体、２４ 従動側回転体、３０ 遊星歯車ユニット、３２ 遊星キャリア（入力回転体）、５０ リンクユニット、５６ 可動体、５８ 案内溝、５８ａ，５８ｂ ストッパ、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）、ＡＵ，ＡＶ，ＡＷ アーム、ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ 上段スイッチング素子、ＧＵ，ＧＶ，ＧＷ 下段スイッチング素子、ＭＵ，ＭＶ，ＭＷ 中点、ＳＵ，ＳＶ，ＳＷ 回転角度センサ、Ｄｒ 実回転方向、Ｄｔ 目標回転方向、ｉ，ｉｉ，ｉｉｉ，ｉｖ，ｖ，ｖｉ 検出信号パターン、Ｍ_３０ 変位範囲、Ｒ_３０ 回転角度範囲・選択範囲、Ｒ_１５ 回転角度範囲、θ 実回転角度

Claims (10)

1. クランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉する吸気弁及び排気弁のうち少なくとも一方のバルブタイミングを調整する内燃機関の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として選択する選択素子を、前記モータ軸の所定の回転角度範囲毎に切換えることにより、前記電動モータを通電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、
   前記モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が一致する場合に前記通電駆動手段は、前記回転角度範囲の全域を、前記選択素子を継続してオンするオン範囲に設定し、
   前記目標回転方向及び前記実回転方向が相異する場合に前記通電駆動手段は、前記回転角度範囲を、前記オン範囲と、前記選択素子を継続してオフするオフ範囲とに分割して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と、前記入力回転体の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とを有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. 前記目標回転方向及び前記実回転方向が相異する場合における前記通電駆動手段は、前記モータ軸の回転数が設定回転数以上となることにより、前記回転角度範囲を前記オン範囲と前記オフ範囲とに分割して設定し、前記モータ軸の回転数が前記設定回転数未満となることにより、前記回転角度範囲の全域を前記オン範囲に設定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. 前記オン範囲及び前記オフ範囲は、それぞれ前記回転角度範囲の半分に設定され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が前記選択素子となった前記アームと異なる前記アームにおいて、高圧側及び低圧側のうち前記選択素子と異なる側にある前記スイッチング素子を、前記回転角度範囲の間、パルス幅変調制御によりオンオフ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。
6. クランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉する吸気弁及び排気弁のうち少なくとも一方のバルブタイミングを調整する内燃機関の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として選択する選択素子を、前記モータ軸の所定の回転角度範囲毎に切換えることにより、前記電動モータを通電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、
   前記モータ軸の目標回転方向及び実回転方向が一致する場合に前記通電駆動手段は、前記回転角度範囲の全域を、前記選択素子を継続してオンするオン範囲に設定し、
   前記目標回転方向及び前記実回転方向が相異する場合に前記通電駆動手段は、前記回転角度範囲を進角側又は遅角側へ変位させてなる変位範囲の全域を前記オン範囲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。
7. 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と、前記入力回転体の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とを有することを特徴とする請求項６に記載のバルブタイミング調整装置。
8. 前記目標回転方向及び前記実回転方向が相異する場合における前記通電駆動手段は、前記モータ軸の回転数が設定回転数以上となることにより、前記変位範囲の全域を前記オン範囲に設定し、前記モータ軸の回転数が前記設定回転数未満となることにより、前記回転角度範囲の全域を前記オン範囲に設定することを特徴とする請求項６又は７に記載のバルブタイミング調整装置。
9. 前記回転角度範囲に対する前記変位範囲の変位量は、前記回転角度範囲の半分に設定されることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載のバルブタイミング調整装置。
10. 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が前記選択素子となった前記アームと異なる前記アームにおいて、高圧側及び低圧側のうち前記選択素子と異なる側にある前記スイッチング素子を、前記選択素子がオンされる前記回転角度範囲又は前記変位範囲の間、パルス幅変調制御によりオンオフすることを特徴とする請求項６〜９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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