JP4376215B2 - エンジン始動装置およびエンジン始動方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンを始動するエンジン始動装置に関する。

〔従来の技術〕
従来から、エンジン始動装置（以下、始動装置と呼ぶ）は、電機子コイルと界磁コイルとの相互作用により出力トルクを発生させるモータ回路、および、モータ回路への通電を断続するスイッチ回路とを備える。そして、スイッチ回路に含まれる電磁スイッチが閉成することで、モータ回路に通電が行われて出力トルクが発生し、この出力トルクにより、始動装置側のピニオンギヤがエンジン側のリングギヤに噛み合うとともにエンジンが回されて始動する。

しかし、電磁スイッチ単独でモータ回路への通電を断続する場合、大電流の通電、非通電の繰り返しによる接点の損傷や、接点同士の当接による作動音の発生等の問題がある。また、電磁スイッチがオン故障、オフ故障のいずれの側で故障しても、始動装置の機能に障害が発生する（ここで、オン故障とは、電磁スイッチや制御素子が電気信号等の入力を受けていなくてもオン状態になることを意味するものとし、オフ故障とは、電磁スイッチや制御素子が電気信号等の入力を受けてもオンしないことを意味するものとする）。さらに、大電流の通電に伴い、発生する出力トルクも大きいためギヤの損傷も著しい。

そこで、これらの中でギヤの損傷の問題に対し、出力トルクを調節できるようにするためスイッチ回路に制御素子を組み込み、モータ回路への通電量をＰＷＭ制御により可変できるようにした始動装置が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。

〔従来技術の不具合〕
しかし、この技術では、モータ回路に対し電磁スイッチと制御素子とが直列に配置されているため、モータ回路に通電するには電磁スイッチを閉成する必要がある。このため、接点の損傷や接点同士の当接による作動音の問題は残る。さらに、電磁スイッチや制御素子のいずれか一方がオフ故障してしまうと、モータ回路への通電が不能になり始動装置が作動しなくなる。このため、始動装置の信頼性も改善の余地がある。
特開２００３−１３９０２９号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、電磁スイッチの閉成による問題点を解決するとともに、スイッチ回路の制御素子や電磁スイッチの故障により始動装置の機能に障害が発生する虞を低減し、始動装置の信頼性を向上することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の始動装置は、電機子コイルと界磁コイルとの相互作用により出力トルクを発生させるモータ回路と、少なくとも２つの制御素子がモータ回路に対し直列に接続されて組み込まれ、所定の電源からモータ回路への通電を断続するスイッチ回路とを備える。
これにより、スイッチ回路は、電磁スイッチを介さずにモータ回路に通電することができる。このため、始動装置において、モータ回路への通電量をＰＷＭ制御により可変できるようにしたまま、電磁スイッチを閉成することによる問題、つまり大電流の通電、非通電の繰り返しによる接点の損傷や、接点同士の当接による作動音の発生等の問題を解消することができる。さらに、２つの制御素子の内、一方がオン故障した場合には他方をオンオフすることで始動装置の機能を果たせるため、制御素子を１つだけ用いる場合よりも始動装置の信頼性を向上することができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の始動装置は、２つの制御素子の内、一方の制御素子に電気信号を入力することで、他方の制御素子にオン故障が発生したか否かを判定するオン故障判定手段を備える。
これにより、制御素子にオン故障が発生したことを、簡便に検出できる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の始動装置によれば、オン故障判定手段は、モータ回路に通電が開始される前、またはモータ回路に通電が開始される時に、一方の制御素子に電気信号を入力するとともに、スイッチ回路の端子電圧または端子電流を監視することで、他方の制御素子にオン故障が発生したか否かを判定する。
これにより、エンジンの始動前に、制御素子のオン故障を検出することができる。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の始動装置によれば、２つの制御素子の内、一方の制御素子は、低速スイッチング回路から電気信号の入力を受け、他方の制御素子は、高速スイッチング回路から電気信号の入力を受ける。
これにより、２つの制御素子の内、１つの制御素子のみを高速スイッチングすれば、モータ回路への通電量をＰＷＭ制御により可変できる。このため、もう１つの制御素子には、簡単な低速スイッチングを行わせるだけで、始動装置の機能を果たすことができる。

〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の始動装置によれば、モータ回路は、スイッチ回路よりも電源の側に組み込まれている。
この手段は、始動装置を、モータ回路をスイッチ回路よりも電源側に組み込んだ構成（ローサイドドライブ構成）とすることを特徴とするものである。始動装置をローサイドドライブ構成とすると、例えば、Ｎｃｈ型のＦＥＴを制御素子として用いる場合、ソース電位はＧＮＤになるため、制御素子をオンするための作動電圧は、ＧＮＤ基準になる。このため、電源電圧を増加しても制御素子の作動電圧は変わらないので、始動装置の高出力化等のために電源電圧を増加することが容易である。

〔請求項６の手段〕
請求項６に記載の始動装置によれば、電源の電圧は、制御素子の作動電圧よりも高い。
この手段は、請求項５に記載の手段において、電源電圧を制御素子の作動電圧よりも高くしたものである。ローサイドドライブ構成を採用していれば、電源電圧が制御素子の作動電圧より高くても、制御素子をオンすることができる。

〔請求項７の手段〕
請求項７に記載の始動装置によれば、ノイズを除去するノイズ除去素子が、２つの制御素子の内の少なくとも１つの制御素子と直列に接続されている。
例えば、ノイズ除去素子を、２つの制御素子のいずれとも直列配置にならないように、電源とＧＮＤとの間に、直接、組み込むと、ノイズ除去素子には、制御素子のオンオフとは係わりなく電源電圧が負荷されてしまう。これに対し、ノイズ除去素子を、２つの制御素子の内の少なくとも１つの制御素子と直列に接続すれば、この直列に接続された制御素子をオフすると、ノイズ除去素子に負荷される電源電圧を緩和することができる。このため、ノイズ除去素子の寿命を延ばすことができる。

〔請求項８の手段〕
請求項８に記載の始動装置によれば、スイッチ回路は、２つの制御素子と並列に接続された別の制御素子、または２つの制御素子と並列に接続された電磁スイッチを有する。
２つの制御素子の１つがオフ故障すると、モータ回路への通電が不能になり始動装置が作動しなくなる。これに対し、２つの制御素子と並列に別の制御素子または電磁スイッチを接続すれば、２つの制御素子の１つがオフ故障しても、別の制御素子または電磁スイッチをオンすることで、始動装置を作動させることができる。このため、始動装置の信頼性を向上することができる。また、２つの制御素子と並列に接続するものを電磁スイッチとする場合、この電磁スイッチは、従来に比べてオンオフの頻度が低下するので、耐久性の低いものを用いることができる。

〔請求項９の手段〕
請求項９に記載の始動装置は、２つの制御素子に電気信号を入力することで、２つの制御素子の少なくとも１つにオフ故障が発生したか否かを判定するオフ故障判定手段を備える。
これにより、２つの制御素子の少なくとも１つにオフ故障が発生したことを、簡便に検出できる。

〔請求項１０の手段〕
請求項１０に記載のエンジン始動方法によれば、２つの制御素子の少なくとも１つにオフ故障が発生したと判定されたら、別の制御素子または電磁スイッチにより、電源からモータ回路への通電を断続する。
この手段は、２つの制御素子の少なくとも１つにオフ故障が発生したときの処理を具体的に示すものである。

〔請求項１１の手段〕
請求項１１に記載のエンジン始動方法によれば、２つの制御素子をオンした後に、別の制御素子または電磁スイッチをオンする。
２つの制御素子が両方とも故障していなくても、別の制御素子または電磁スイッチにより始動装置を作動させる必要が生じる場合がある。この場合、上記のように、先に２つの制御素子をオンし、２つの制御素子に通電が行われている状態で別の制御素子または電磁スイッチをオンすれば、２つの制御素子と、別の制御素子または電磁スイッチとに並列に通電が行われる。このため、別の制御素子または電磁スイッチへの突入電流を低減することができる。なお、電磁スイッチを用いている場合、突入電流の低減により接点の磨耗を抑えることができるので、この始動方法を採用する効果が顕著である。

〔請求項１２の手段〕
請求項１２に記載の始動装置によれば、界磁コイルは、少なくとも２つ以上の小コイルに分割されて直列に接続され、２つの小コイルの接続点と２つの制御素子の接続点との間に、別の制御素子または電磁スイッチが接続されている。
始動装置の特性によれば、界磁磁束が強いほど出力トルクは大きくなり、界磁磁束が弱いほどモータ回転数が高くなる。これに対し、実際の始動装置の使用では、モータの回転開始の初期（回転初期）に大きな出力トルクを必要とする。しかし、モータ回転数が高くなると出力トルクは小さくてもよい。そこで、上記の構成を採用すれば、回転初期の経過後に別の制御素子をオンすることで、２つの小コイルの内の１つの小コイルのみに通電することができる。このため、大きな出力トルクが必要な回転初期のみ、２つの小コイルに通電させて強い界磁磁束を発生させ、回転初期よりも後の期間、つまりモータ回転数が高く大きな出力トルクを必要としない期間では、１つの小コイルのみに通電させて界磁磁束を低減することができる。この結果、回転初期よりも後の期間において、モータ回転数をより早く高めることができるので、エンジンの始動をさらに早期化することができる。

〔請求項１３の手段〕
請求項１３に記載の始動装置は、別の制御素子または電磁スイッチをオンする時期を、モータ回路への通電量、モータ回路への印加電圧、モータ回路への通電開始からの経過時間、およびモータ回転数の中から選択された１つ以上のパラメータに基づき指令する界磁低減時期指令手段を備える。

〔請求項１４の手段〕
請求項１４に記載のエンジン始動方法によれば、別の制御素子または電磁スイッチがオンしている時、２つの制御素子の内で別の制御素子または電磁スイッチと並列に接続された制御素子をオフに保つ。
別の制御素子または電磁スイッチがオンしている時（以下、電磁スイッチが接続されているとして説明する）、電磁スイッチと並列に接続された制御素子をオンにしておくと、配線抵抗等により、主に通電が行われる小コイルと別の小コイルの両端に電位差が発生する。このため、別の小コイルにも微弱な電流が流れ余分な界磁磁束が発生する。そこで、
電磁スイッチがオンしている時に、電磁スイッチと並列に接続された制御素子をオフに保つことで、余分な界磁磁束の発生を防止することができる。このため、最も効果的に界磁磁束を低減することができる。

最良の形態１のエンジン始動装置は、電機子コイルと界磁コイルとの相互作用により出力トルクを発生させるモータ回路と、少なくとも２つの制御素子がモータ回路に対し直列に接続されて組み込まれ、所定の電源からモータ回路への通電を断続するスイッチ回路とを備える。

また、エンジン始動装置は、２つの制御素子の内、一方の制御素子に電気信号を入力することで、他方の制御素子にオン故障が発生したか否かを判定するオン故障判定手段を備える。オン故障判定手段は、モータ回路に通電が開始される前、またはモータ回路に通電が開始される時に、一方の制御素子に電気信号を入力するとともに、スイッチ回路の端子電圧または端子電流を監視することで、他方の制御素子にオン故障が発生したか否かを判定する。

２つの制御素子の内、一方の制御素子は、低速スイッチング回路から電気信号の入力を受け、他方の制御素子は、高速スイッチング回路から電気信号の入力を受ける。
また、モータ回路は、スイッチ回路よりも電源の側に組み込まれている。
また、電源の電圧は、制御素子の作動電圧よりも高い。
また、ノイズを除去するノイズ除去素子が、２つの制御素子の内の少なくとも１つの制御素子と直列に接続されている。
また、スイッチ回路は、２つの制御素子と並列に接続された別の制御素子、または２つの制御素子と並列に接続された電磁スイッチを有する。

また、エンジン始動装置は、２つの制御素子に電気信号を入力することで、２つの制御素子の少なくとも１つにオフ故障が発生したか否かを判定するオフ故障判定手段を備える。そして、このエンジン始動装置を用いたエンジン始動方法によれば、２つの制御素子の少なくとも１つにオフ故障が発生したと判定されたら、別の制御素子または電磁スイッチにより、電源からモータ回路への通電を断続する。さらに、このエンジン始動装置を用いたエンジン始動方法によれば、２つの制御素子をオンした後に、別の制御素子または電磁スイッチをオンすることもできる。

また、界磁コイルは、少なくとも２つ以上の小コイルに分割されて直列に接続され、２つの小コイルの接続点と２つの制御素子の接続点との間に、別の制御素子または電磁スイッチが接続されている。そして、エンジン始動装置は、別の制御素子または電磁スイッチをオンする時期を、モータ回路への通電量、モータ回路への印加電圧、モータ回路への通電開始からの経過時間、およびモータ回転数の中から選択された１つ以上のパラメータに基づき指令する界磁低減時期指令手段を備える。そして、このエンジン始動装置を用いたエンジン始動方法によれば、別の制御素子または電磁スイッチがオンしている時、２つの制御素子の内で別の制御素子または電磁スイッチと並列に接続された制御素子をオフに保つ。

〔実施例１の構成〕
実施例１のエンジン始動装置１（以下、始動装置１と呼ぶ）の構成を、図１を用いて説明する。
始動装置１は、電機子コイル２と界磁コイル３との相互作用により出力トルクを発生させるモータ回路４、所定の電源５からモータ回路４への通電を断続するスイッチ回路６、スイッチ回路６に電気信号等を出力する各種のドライブ回路８、９、１０、１１、ドライブ回路８、９、１０、１１に指令を送り電気信号等の出力を行わせる電子制御装置（ＥＣＵ）１３、ノイズを除去するノイズ除去素子１４等を備える。

そして、スイッチ回路６に組み込まれた各種のスイッチがオンすることで、モータ回路４に通電が行われて出力トルクが発生し、この出力トルクにより、始動装置１の側のピニオンギヤがエンジンの側のリングギヤに噛み合うとともに、エンジンが回されて始動する。

モータ回路４は、ロータ側に装着された電機子コイル２と、ステータ側に装着された界磁コイル３を有し、始動装置１のモータをなす。電機子コイル２と界磁コイル３とは、電機子コイル２の側に設けられたコンミテータと、界磁コイル３の側に設けられたブラシとが摺接することにより導通する。ここで、界磁コイル３は、２つの小コイル１６、１７に分割されて直列に接続されている。

スイッチ回路６には、モータ回路４に対し直列に接続された２つの制御素子１９、２０、制御素子１９、２０と並列に接続された電磁スイッチ２１、小コイル１６、１７の接続点Ａと制御素子１９、２０の接続点Ｂとの間に接続された制御素子２２を有する。

また、スイッチ回路６は、モータ回路４よりもＧＮＤの側に組み込まれている。つまり、始動装置１は、モータ回路４がスイッチ回路６よりも電源５の側に組み込まれた構成（ローサイドドライブ構成）を採用するものである。ここで、制御素子１９、２０、２２は、Ｎｃｈ型のＦＥＴである。よって、始動装置１がローサイドドライブ構成を採ることにより、制御素子１９、２０、２２のソース電位はＧＮＤになる。

ドライブ回路８、９、１１は、それぞれ制御素子１９、２０、２２に電気信号を出力して制御素子１９、２０、２２をオンするものである。つまり、制御素子１９、２０、２２は、各々、ドライブ回路８、９、１１から電気信号の入力を受けることでゲートに電圧の印加を受ける。そして、このゲートの電圧が所定の作動電圧を超えると、制御素子１９、２０、２２がオンする。なお、制御素子１９、２０、２２の作動電圧は、ソース電位がＧＮＤであるためＧＮＤ基準になる。また、電源５の電圧は、この作動電圧よりも高い。

ドライブ回路８は高速スイッチング回路として構成され、ドライブ回路９、１１は、低速スイッチング回路として構成されている。このため、ドライブ回路８は、電気信号としてＰＷＭ信号を出力することができるので、モータ回路４への通電量をＰＷＭ制御により可変できる。なお、ＰＷＭ制御による誘導起電圧はフライホールダイオード２４で吸収される。
ドライブ回路１０は、電磁スイッチ２１のソレノイドコイルに通電させる電流を出力するものである。

ＥＣＵ１３は、ドライブ回路８、９、１０、１１に指令信号を出力し、制御素子１９、２０、２２や電磁スイッチ２１へ電気信号等を出力させるものである。つまり、ＥＣＵ１３は、ドライブ回路８、９、１０、１１に指令を送り、ドライブ回路８、９、１０、１１は、ＥＣＵ１３からの指令に応じて制御素子１９、２０、２２や電磁スイッチ２１へ電気信号等を出力して、制御素子１９、２０、２２や電磁スイッチ２１をオンする。なお、ＥＣＵ１３は、制御処理および演算処理を行うＣＰＵ、各種プログラムおよびデータ等を記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶回路、入力回路、出力回路等により構成される周知構造のコンピュータである。

また、ＥＣＵ１３は、ドライブ回路８または９に指令して制御素子１９、２０の内の一方に電気信号を入力することで、他方にオン故障が発生したか否かを判定するオン故障判定手段として機能する。ここで、オン故障とは、制御素子１９、２０、２２や電磁スイッチ２１が電気信号等の入力を受けていなくてもオン状態になることを意味するものとする。

オン故障判定手段は、モータ回路４に通電が開始される時に、制御素子２０に電気信号を入力するとともに、スイッチ回路６の端子電圧（つまり、接続点Ｃの電位）を監視する。これにより、オン故障判定手段は、制御素子１９にオン故障が発生したか否かを判定する。

また、ＥＣＵ１３は、ドライブ回路８、９に指令して制御素子１９、２０に電気信号を入力することで、制御素子１９、２０の少なくとも１つにオフ故障が発生したか否かを判定するオフ故障判定手段として機能する。ここで、オフ故障とは、制御素子１９、２０、２２や電磁スイッチ２１が電気信号等の入力を受けてもオンしないことを意味するものとする。

そして、ＥＣＵ１３は、制御素子１９、２０の少なくとも１つにオフ故障が発生したと判定したら、ドライブ回路８、９に指令して制御素子１９、２０への電気信号の出力を停止させ、ドライブ回路１０に指令して電磁スイッチ２１へ電流を出力させる。これにより、ＥＣＵ１３は、制御素子１９、２０の少なくとも１つにオフ故障が発生した場合、電磁スイッチ２１により電源５からモータ回路４への通電を断続する。

また、ＥＣＵ１３は、制御素子１９、２０にオフ故障が発生していない時でも、電磁スイッチ２１により電源５からモータ回路４への通電を断続しなければならない場合がある。このような場合、ＥＣＵ１３は、ドライブ回路８、９に指令して制御素子１９、２０をオンした後に、ドライブ回路１０に指令して電磁スイッチ２１をオンする。

また、ＥＣＵ１３は、ドライブ回路１１に指令して制御素子２２をオンする時期を、モータ回路４への通電量、モータ回路４への印加電圧、モータ回路４への通電開始からの経過時間、およびモータ回転数の中から選択された１つ以上のパラメータに基づき指令する界磁低減時期指令手段として機能する。

この界磁低減時期指令手段により、ＥＣＵ１３は、大きな出力トルク（つまり、強い界磁磁束）が必要なモータの回転開始初期（回転初期）が経過したら、ドライブ回路１１に指令して制御素子２２をオンする。これにより、２つの小コイル１６、１７に通電が行われ界磁磁束が強い状態から、１つの小コイル１６にのみ通電が行われ界磁磁束が弱い状態へと移行する。

そして、ＥＣＵ１３は、この通電状態の移行に際し、ドライブ回路１１に指令して制御素子２２をオンするとともに、ドライブ回路８への指令を停止して制御素子１９をオフし、以降、制御素子１９をオフに保つ。

ノイズ除去素子１４は、例えば、電解コンデンサであり、制御素子１９によるＰＷＭ制御に伴い発生するイッチングノイズ等のノイズを吸収するものである。このノイズ除去素子１４は、制御素子２０と直列に接続され、制御素子１９と並列に接続されている。

〔実施例１の作用〕
実施例１の始動装置１の作用を、図２ないし図５を用いて説明する。
まず、図２を用いて、制御素子１９、２０が故障していない場合の作用を説明する。
エンジンが停止している状態を初期状態とすると、初期状態では、制御素子１９、２０、２２および電磁スイッチ２１が、全てオフである。そして、例えば、乗員のキー操作により、イグニッションスイッチがオンすると、ＥＣＵ１３は、まず、ドライブ回路９に指令して制御素子２０をオンする（時間ｔ０）。

次に、ＥＣＵ１３は、ドライブ回路８に指令してＰＷＭ信号を出力させ、制御素子１９によるモータ回路４の通電量に対するＰＷＭ制御を開始する（時間ｔ１）。これにより、モータ回路４の通電量が所定値に維持され、モータ回転数が上昇する。なお、接続点Ｃの電位は、制御素子１９によるＰＷＭ制御の開始とともに、電源電圧からＧＮＤへ変化する。

そして、ＥＣＵ１３は、モータ回転数が所定の閾値に到達したら（時間ｔ２）、ドライブ回路８への指令を停止して制御素子１９をオフするとともに、ドライブ回路１１に指令して制御素子２２をオンする。これにより、２つの小コイル１６、１７に通電が行われ界磁磁束が強い状態から、１つの小コイル１６にのみ通電が行われ界磁磁束が弱い状態へと移行する。この結果、モータ回転数の上昇率が増加する。

やがて、ピニオンギヤがリングギヤに噛み合うとともに、エンジンが始動装置１のモータにより回される。そして、エンジンで点火が開始されると（時間ｔ３）、ＥＣＵ１３は、ドライブ回路１１への指令を停止して制御素子２２をオフする（時間ｔ４）。これにより、モータ回路４における通電量がゼロになるとともに、モータ回転数が低下を開始する。また、接続点Ｃの電位は、制御素子２２がオフになるとともに、ＧＮＤから電源電圧へ変化する。そして、最後に、ＥＣＵ１３は、ドライブ回路９への指令を停止して制御素子２０をオフさせる。

次に、図３を用いて、制御素子１９にオン故障が発生している場合の作用を説明する。
初期状態において、乗員のキー操作によりイグニッションスイッチがオンすると、ＥＣＵ１３は、ドライブ回路９に指令して制御素子２０をオンする（時間ｔ０）。このとき、制御素子１９はオン故障のために、常時、オン状態であるから、制御素子２０がオンすると直ちに接続点Ｃの電位が電源電圧からＧＮＤへ変化する。

ここで、ＥＣＵ１３は、接続点Ｃの電位を監視しているので、この電源電圧からＧＮＤへの変化を検出することができる。そして、ＥＣＵ１３は、この変化を検出すると制御素子１９にオン故障が発生していると判定し、直ちにドライブ回路９への指令を停止して制御素子２０をオフする（時間ｔｅ）。これにより、接続点Ｃの電位は、ＧＮＤから電源電圧に戻る。

そして、ＥＣＵ１３は、ドライブ回路１０に指令して電磁スイッチ２１をオンし（時間ｔｒ）、電磁スイッチ２１によりモータ回路４への通電を行う。そして、エンジンで点火が開始されると（時間ｔ３）、ＥＣＵ１３は、ドライブ回路１０への指令を停止して電磁スイッチ２１をオフする（時間ｔ４）。

次に、図４を用いて、制御素子１９、２０のいずれか１つにオフ故障が発生する場合の作用を説明する。なお、本実施例では、初期状態において制御素子１９、２０のいずれにもオフ故障が発生しておらず、一旦、制御素子１９、２０がオンしモータ回路４に通電が開始されてから、オフ故障が発生する場合を想定して説明する。

まず、制御素子１９、２０が、一旦、オンすると（時間ｔ０、ｔ１）、ＰＷＭ制御によりモータ回路４の通電量が所定値に維持され、モータ回転数が上昇を開始する。そして、モータ回転数が上昇しているときに、制御素子１９、２０のいずれか１つにオフ故障が発生すると（時間ｔｅ）、ドライブ回路８、９から制御素子１９、２０に電気信号が出力されているにもかかわらず、モータ回路４の通電量がゼロになりモータ回転数が低下を開始する。なお、接続点Ｃの電位は、制御素子１９、２０が、一旦、オンすることで電源電圧からＧＮＤに変化し（時間ｔ１）、オフ故障の発生とともにＧＮＤから電源電圧に変化する（時間ｔｅ）。

ここで、ＥＣＵ１３は、このＧＮＤから電源電圧への変化を検出して、制御素子１９、２０のいずれか１つにオフ故障が発生していると判定する。そして、ＥＣＵ１３は、ドライブ回路８、９への指令を停止して制御素子１９、２０をオフさせるとともに、ドライブ回路１０に指令して電磁スイッチ２１をオンする（時間ｔｒ）。これにより、モータ回路４への通電が再開されるとともに、モータ回転数が、再度、上昇を開始する。なお、接続点Ｃの電位は、再度、電源電圧からＧＮＤに変化する。

このように、ＥＣＵ１３は、電磁スイッチ２１によりモータ回路４への通電を行う。そして、エンジンで点火が開始されると（時間ｔ３）、ＥＣＵ１３は、ドライブ回路１０への指令を停止して電磁スイッチ２１をオフする（時間ｔ４）。

次に、図５を用いて、制御素子１９、２０に全く故障が発生していないにも係わらず電磁スイッチ２１によりモータ回路４への通電を行う場合の作用を説明する。
このような場合、ＥＣＵ１３は、まず、ドライブ回路８、９に指令して制御素子１９、２０をオンし、モータ回路４に通電させる（時間ｔ０）。そして、ＥＣＵ１３は、制御素子１９、２０をオンしたまま、ドライブ回路１０に指令して電磁スイッチ２１をオンする（時間ｔｒ）。そして、ＥＣＵ１３は、ドライブ回路８、９への指令を停止して制御素子１９、２０をオフする（時間ｔｂ）。

これにより、ＥＣＵ１３は、モータ回路４に通電される電流を、一旦、制御素子１９、２０の側にバイパスさせておき、その後、電磁スイッチ２１の側と制御素子１９、２０の側との両方に流し、最終的に制御素子１９、２０をオフし、電磁スイッチ２１の側にのみ流すようにする。

〔実施例１の効果〕
実施例１のスイッチ回路６には、制御素子１９、２０がモータ回路４に対し直列に接続されて組み込まれている。
これにより、始動装置１は、電磁スイッチ２１を介さずにモータ回路４に通電することができる。このため、始動装置１において、電磁スイッチ２１を頻繁に閉成することによる問題、つまり電磁スイッチ２１における大電流の通電、非通電の繰り返しによる接点の損傷や、接点同士の当接による作動音の発生等の問題を解消することができる。さらに、制御素子１９、２０の内、一方がオン故障した場合には他方をオンオフすることで始動装置１の機能を果たせるため、制御素子１９、２０の一方だけをモータ回路４に対し直列に接続する場合よりも始動装置１の信頼性を向上することができる。

また、ＥＣＵ１３は、イグニッションスイッチがオンした後、制御素子１９に電気信号が入力していない状態で制御素子２０に電気信号を入力することで、制御素子１９にオン故障が発生したか否かを判定するオン故障判定手段として機能する。そして、オン故障判定手段は、接続点Ｃの電位を監視することで、制御素子１９にオン故障が発生したか否かを判定する。
これにより、エンジンの始動前に、制御素子１９にオン故障が発生したことを簡便に検出することができる。

また、制御素子１９に電気信号を出力するドライブ回路８は、高速スイッチング回路として構成され、制御素子２０に電気信号を出力するドライブ回路９は、低速スイッチング回路として構成されている。
このように、一方のドライブ回路８を高速スイッチング回路として構成することで、モータ回路４への通電量をＰＷＭ制御により可変できる。

モータ回路４は、スイッチ回路６よりも電源５の側に組み込まれている。つまり、始動装置１は、ローサイドドライブ構成を採る。
これにより、制御素子１９、２０、２２のソース電位はＧＮＤになるため、制御素子１９、２０、２２の作動電圧はＧＮＤ基準になる。このため、電源５の電圧を増加しても制御素子１９、２０、２２の作動電圧は変わらないので、始動装置１の高出力化等のために電源５の電圧を容易に増加することができる。

また、電源５の電圧は、制御素子１９、２０、２２の作動電圧よりも高い。
すなわち、始動装置１は、ローサイドドライブ構成を採るので、電源５の電圧が制御素子１９、２０、２２の作動電圧より高くても、制御素子１９、２０、２２をオンすることができる。このため、電源５を高電圧化して始動装置１を高出力化することができる。

また、ノイズ除去素子１４は、制御素子２０と直列に接続されている。
例えば、ノイズ除去素子１４を、制御素子１９、２０のいずれとも直列にならないように、電源５とＧＮＤとの間に、直接、組み込むと、ノイズ除去素子１４には、制御素子１９、２０のオンオフとは係わりなく電源５の電圧が負荷されてしまう。これに対し、ノイズ除去素子１４を、制御素子１９、２０の内の少なくとも一方と直列に接続すれば（本実施例では、制御素子２０をノイズ除去素子１４と直列に接続している）、この直列に接続された制御素子２０をオフすると、ノイズ除去素子１４に負荷される電源５の電圧が緩和される。このため、ノイズ除去素子１４の寿命を延ばすことができる。

また、スイッチ回路６は、制御素子１９、２０と並列に接続された電磁スイッチ２１を有する。
制御素子１９、２０の１つがオフ故障すると、モータ回路４への通電が不能になり始動装置１が作動しなくなる。これに対し、制御素子１９、２０と並列に電磁スイッチ２１を接続すれば、制御素子１９、２０の１つがオフ故障しても、電磁スイッチ２１をオンすることで、始動装置１を作動させることができる。このため、始動装置１の信頼性を向上することができる。

また、電磁スイッチ２１は、従来に比べてオンオフの頻度が低下するので、耐久性の低いものを用いることができる。

また、ＥＣＵ１３は、制御素子１９、２０に電気信号を入力することで、制御素子１９、２０の少なくとも１つにオフ故障が発生したか否かを判定するオフ故障判定手段として機能する。
これにより、制御素子１９、２０の少なくとも１つにオフ故障が発生したことを、簡便に検出できる。

また、ＥＣＵ１３は、制御素子１９、２０をオンした後に、電磁スイッチ２１をオンすることができる。
制御素子１９、２０が両方とも故障していなくても電磁スイッチ２１により始動装置１を作動させなければならない場合、上記のように、先に制御素子１９、２０をオンし、制御素子１９、２０がオンしている状態で電磁スイッチ２１をオンすれば、制御素子１９、２０と、電磁スイッチ２１とに並列に通電が行われる。このため、電磁スイッチ２１への突入電流を、図３（ｆ）に示すＩｒ３や図４（ｆ）に示すＩｒ４よりも、図５（ｃ）に示す値Ｉｒ５のように低減することができる。

また、界磁コイル３は、２つの小コイル１６、１７に分割されて直列に接続され、小コイル１６、１７の接続点Ａと制御素子１９、２０の接続点Ｂとの間に、別の制御素子２２が接続されている。
始動装置１の特性は、界磁磁束が強いほど出力トルクは大きくなり、界磁磁束が弱いほどモータ回転数が高くなるというものである。これに対し、実際の始動装置１の使用では、モータの回転開始の初期（回転初期）に大きな出力トルクを必要とする。しかし、モータ回転数が高くなると出力トルクは小さくてもよい。そこで、上記の構成を採用し、回転初期の経過後に制御素子２２をオンすることで、小コイル１６、１７の内の小コイル１６のみに通電することができる。このため、大きな出力トルクが必要な回転初期のみ、２つの小コイル１６、１７に通電させて強い界磁磁束を発生させ、回転初期よりも後の期間、つまりモータ回転数が高く大きな出力トルクを必要としない期間では、１つの小コイル１６のみに通電させて界磁磁束を低減することができる。この結果、回転初期よりも後の期間において、モータ回転数をより早く高めることができるので、エンジンの始動をさらに早期化することができる。

また、制御素子２２を接続点Ｂに接続することにより、制御素子２０を、２つの小コイル１６、１７に通電させる場合と、１つの小コイル１６にのみ通電させる場合とで共用することができる。この結果、制御素子１９、２２のいずれがオン故障しても、制御素子２０により、電源５からモータ回路４への通電を断続することができる。

また、制御素子２２がオンしている時、制御素子１９はオフに保たれる。
制御素子２２がオンしている時、制御素子１９をオンにしておくと、配線抵抗等により小コイル１７の両端にも電位差が発生する。このため、小コイル１７にも微弱な電流が流れ余分な界磁磁束が発生する。そこで、制御素子２２がオンしている時に、制御素子１９をオフに保つことで、余分な界磁磁束の発生を防止することができる。このため、最も効果的に界磁磁束を低減することができる。

〔変形例〕
実施例１では、制御素子１９、２０と並列に接続されるものは電磁スイッチ２１であったが、制御素子１９、２０と同様のＮｃｈ型のＦＥＴ等を接続してもよい。
また、実施例１では、小コイル１６、１７の接続点Ａと制御素子１９、２０の接続点Ｂとの間に、制御素子２２が接続されていたが、電磁スイッチ２１を接続してもよい。
また、実施例１の始動装置１は、ローサイドドライブ構成を採用するものであったが、図６に示すように、スイッチ回路６をモータ回路４よりも電源５の側に組み込むハイサイドドライブ構成を採用してもよい。ハイサイドドライブ構成を採用する場合、ドライブ回路８、９、１１には昇圧回路を設けるのが好ましい。

実施例１のオン故障判定手段は、モータ回路４に通電が開始される時に、制御素子２０に電気信号を入力するとともに、接続点Ｃの電位を監視することで、制御素子１９にオン故障が発生したか否かを判定していたが、制御素子１９に電気信号を入力するとともに、接続点Ｃの電位を監視すれば、制御素子２０にオン故障が発生したか否かを判定することができる。

また、実施例１のオン故障判定手段は、モータ回路４に通電が開始される時にオン故障の判定を行っていたが、モータ回路４に通電が開始される前、つまりエンジンが停止している時にも、ＥＣＵ１３を作動させてオン故障の判定を行うことができる。
また、実施例１のオン故障判定手段は、接続点Ｃの電位を監視することでオン故障の判定を行ったが、接続点Ｃの電流（つまり、スイッチ回路６の端子電流）を監視することで、オン故障の判定を行うことができる。

実施例１のオフ故障の判定の説明では、一旦、モータ回路４に通電が開始されてからオフ故障が発生する場合を想定していたが、モータ回路４への通電開始前に発生したオフ故障についても、同様にオフ故障の判定をすることができる。
また、実施例１のオフ故障判定手段は、モータ回路４に通電が開始される時にオフ故障の判定を行っていたが、モータ回路４に通電が開始される前、つまりエンジンが停止している時にも、ＥＣＵ１３を作動させてオフ故障の判定を行うことができる。

実施例１の始動装置１では、制御素子１９、２０に全く故障が発生していなくても電磁スイッチ２１によりモータ回路４への通電を行う場合に、電磁スイッチ２１における突入電流を低減するため、予め制御素子１９、２０に電流をバイパスさせたが、制御素子１９、２０の少なくとも一方にオン故障が発生している場合にも、予め制御素子１９、２０に電流をバイパスさせ、突入電流を低減することができる。

エンジン始動装置の回路図である（実施例）。 エンジン始動装置の作用（制御素子が故障していない場合）を示すタイムチャートである（実施例）。 エンジン始動装置の作用（制御素子にオン故障が発生している場合）を示すタイムチャートである（実施例）。 エンジン始動装置の作用（制御素子にオフ故障が発生する場合）を示すタイムチャートである（実施例）。 エンジン始動装置の作用（制御素子が故障していない時に、電磁スイッチによりモータ回路への通電を行う場合）を示すタイムチャートである（実施例）。 エンジン始動装置の回路図である（変形例）。

符号の説明

１ エンジン始動装置
２ 電機子コイル
３ 界磁コイル
４ モータ回路
５ 電源
６ スイッチ回路
８ ドライブ回路（高速スイッチング回路）
９ ドライブ回路（低速スイッチング回路）
１１ ドライブ回路（低速スイッチング回路）
１３ ＥＣＵ（オン故障判定手段、オフ故障判定手段、界磁低減時期指令手段）
１４ ノイズ除去素子
１６、１７ 小コイル
１９、２０ ２つの制御素子
２１ 電磁スイッチ
２２ 別の制御素子
Ａ、Ｂ 接続点

Claims (14)

1. 電機子コイルと界磁コイルとの相互作用により出力トルクを発生させるモータ回路と、
   少なくとも２つの制御素子が前記モータ回路に対し直列に接続されて組み込まれ、所定の電源から前記モータ回路への通電を断続するスイッチ回路と
   を備えるエンジン始動装置。
2. 請求項１に記載のエンジン始動装置において、
   前記２つの制御素子の内、一方の制御素子に電気信号を入力することで、他方の制御素子にオン故障が発生したか否かを判定するオン故障判定手段を備えることを特徴とするエンジン始動装置。
3. 請求項２に記載のエンジン始動装置において、
   前記オン故障判定手段は、前記モータ回路に通電が開始される前、または前記モータ回路に通電が開始される時に、前記一方の制御素子に電気信号を入力するとともに、前記スイッチ回路の端子電圧または端子電流を監視することで、前記他方の制御素子にオン故障が発生したか否かを判定することを特徴とするエンジン始動装置。
4. 請求項１に記載のエンジン始動装置において、
   前記２つの制御素子の内、一方の制御素子は、低速スイッチング回路から電気信号の入力を受け、他方の制御素子は、高速スイッチング回路から電気信号の入力を受けることを特徴とするエンジン始動装置。
5. 請求項１に記載のエンジン始動装置において、
   前記モータ回路は、前記スイッチ回路よりも前記電源の側に組み込まれていることを特徴とするエンジン始動装置。
6. 請求項５に記載のエンジン始動装置において、
   前記電源の電圧は、前記制御素子の作動電圧よりも高いことを特徴とするエンジン始動装置。
7. 請求項１に記載のエンジン始動装置において、
   ノイズを除去するノイズ除去素子が、前記２つの制御素子の内の少なくとも１つの制御素子と直列に接続されていることを特徴とするエンジン始動装置。
8. 請求項１に記載のエンジン始動装置において、
   前記スイッチ回路は、前記２つの制御素子と並列に接続された別の制御素子、または前記２つの制御素子と並列に接続された電磁スイッチを有することを特徴とするエンジン始動装置。
9. 請求項８に記載のエンジン始動装置において、
   前記２つの制御素子に電気信号を入力することで、前記２つの制御素子の少なくとも１つにオフ故障が発生したか否かを判定するオフ故障判定手段を備えることを特徴とするエンジン始動装置。
10. 請求項９に記載のエンジン始動装置を用いたエンジン始動方法であって、
    前記２つの制御素子の少なくとも１つにオフ故障が発生したと判定されたら、前記別の制御素子または前記電磁スイッチにより、前記電源から前記モータ回路への通電を断続することを特徴とするエンジン始動方法。
11. 請求項８に記載のエンジン始動装置を用いたエンジン始動方法であって、
    前記２つの制御素子をオンした後に、前記別の制御素子または前記電磁スイッチをオンすることを特徴とするエンジン始動方法。
12. 請求項１に記載のエンジン始動装置において、
    前記界磁コイルは、少なくとも２つ以上の小コイルに分割されて直列に接続され、
    ２つの小コイルの接続点と前記２つの制御素子の接続点との間に、別の制御素子または電磁スイッチが接続されていることを特徴とするエンジン始動装置。
13. 請求項１２に記載のエンジン始動装置において、
    前記別の制御素子または前記電磁スイッチをオンする時期を、前記モータ回路への通電量、前記モータ回路への印加電圧、前記モータ回路への通電開始からの経過時間、およびモータ回転数の中から選択された１つ以上のパラメータに基づき指令する界磁低減時期指令手段を備えることを特徴とするエンジン始動装置。
14. 請求項１３に記載のエンジン始動装置を用いたエンジン始動方法であって、
    前記別の制御素子または前記電磁スイッチがオンしている時、前記２つの制御素子の内で前記別の制御素子または前記電磁スイッチと並列に接続された制御素子をオフに保つことを特徴とするエンジン始動方法。

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