JP4636137B2 - スタータ - Google Patents

Description

本発明は、モータ回路のメイン接点を開閉するための電磁スイッチと、ピニオンギヤをエンジン側へ押し出すためのソレノイド装置とを有するスタータに関する。

従来技術として、特許文献１に記載された機関用始動装置が公知である。
この機関用始動装置は、モータ回路のメイン接点を開閉する電磁スイッチと、レバーを介してピニオンギヤをエンジン側へ押し出す働きを有する電磁力手段（電磁石装置）と、ピニオンギヤとリングギヤとの噛合状態を検出する検出器とを備え、電磁力手段によりピニオンギヤがエンジン側へ押し出されてリングギヤに噛み合い、検出器によりピニオンギヤとリングギヤとの噛合状態が検出されると、電磁スイッチが作動してメイン接点が閉成される。その結果、モータの回転力がピニオンギヤからリングギヤに伝達されてエンジンを始動させる。

ところで、自動車用スタータの搭載スペースは、通常、エンジンの横に密接した部位であり、多くの場合、スタータの周囲には、吸気管を初めとするエンジン性能にとって優先度の高い機能部品が配置される。このため、始動機能のみを有するスタータは、その外径寸法の制約を大きく受ける場合が多く、製品自体の市場競争力を確保するためには、小型化による搭載性向上が重要となる。
一方、地球温暖化問題に起因する燃費向上のため、アイドルストップ等の採用が今後増加するものと予測されているが、アイドルストップを採用すると、エンジンの始動回数が飛躍的に増加するため、スタータの耐久性向上が必要となる。具体的には、スタータモータに使用されるブラシの寿命と、ピニオンギヤおよびリングギヤの耐久性向上が主要な項目となる。

モータ用のブラシについては、材質に着目した長寿命のブラシが開発されつつあるが、ピニオンギヤとリングギヤは、無潤滑を前提としたギヤ噛み合いであるため、材質的な改良手段と、それによる効果が少なく、噛み合いの仕方自体の改良が必要となっている。この噛み合いの仕方自体の改良においては、ピニオンギヤの押し出しと、モータへの通電タイミングとを適正に保つことが有効であり、その点について、特許文献１に開示された公知技術は効果があると考えられる。
実公昭５６−４２４３７号公報

ところが、特許文献１に示される公知技術では、モータ回路のメイン接点を開閉する電磁スイッチと、ピニオンギヤをエンジン側へ押し出す働きを有する電磁力手段とが別体であり、且つ、両者がモータの周方向に並列的に配設されている。この構成では、モータの中心軸に対し径方向の二方向において寸法が増加してしまうため、エンジンへの搭載面で大きな寸法上のデメリットが生じる。つまり、一個のモータに対し一個の電磁スイッチを有する通常のスタータでは、エンジンの周囲に配置される他の装着部品との干渉を回避するために、電磁スイッチをモータの中心軸に対して円周方向に適正角度に振ることによる解決方法をとることができる。

しかし、特許文献１に示されるスタータは、モータに対して電磁スイッチと電磁力手段とが並列的に配設されるため、径方向の二方向で他の装着部品との干渉を回避することは困難であることが多いと考えられる。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、モータ回路のメイン接点を開閉する働きと、ピニオンギヤをエンジン側へ押し出す働きとを別々の電磁スイッチで行う構成において、寸法上の制約を最小限に留めることのできるスタータを提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、回転力を発生するモータと、軸方向に移動してエンジンのリングギヤに噛み合い、モータの回転力をリングギヤに伝達するピニオンギヤと、通電により電磁石を形成する第１のコイルを有し、この第１のコイルの吸引力を利用してシフトレバーを駆動し、このシフトレバーを介してピニオンギヤをリングギヤ側へ押し出す働きを有するソレノイド装置と、通電により電磁石を形成する第２のコイルを有し、この第２のコイルの吸引力を利用してモータの通電回路に設けられるメイン接点を開閉する電磁スイッチとを備えるスタータであって、ソレノイド装置と電磁スイッチは、両者を軸方向に直列に並べて一体的に構成されると共に、第１のコイルと第２のコイルとの間に両者の磁気回路の一部を形成する磁性プレートを共用して配置し、第１のコイルに通電した時に磁性プレートを通る磁束の向きと、第２のコイルに通電した時に磁性プレートを通る磁束の向きとが反対方向となることを特徴とする。

上記の構成によれば、ソレノイド装置と電磁スイッチとを軸方向に直列に並べて一体的に構成したことにより、両者をモータの周方向に並列に配置する場合と比較して、軸方向の投影面積を小さくできる。これにより、メイン接点を開閉する働きと、ピニオンギヤを押し出す働きとを一つの電磁スイッチで行う場合と比較しても、殆ど変わらないスペースに搭載できる。
また、ソレノイド装置と電磁スイッチとで、磁性プレートを共用することにより、部品点数を少なくして組み付け工数を低減できるので、安価に製造できる。
さらに、本発明では、第１のコイルに通電した時に磁性プレートを通る磁束の向きと、第２のコイルに通電した時に磁性プレートを通る磁束の向きとが反対方向となるように巻線されているので、例えば、第１のコイルへの通電後、第２のコイルへ通電した時に、磁性プレートにおける磁気飽和が抑制されるため、磁性プレートを薄肉化でき、小型化が可能となる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載したスタータにおいて、第１のコイルに対し軸方向の反磁性プレート側に磁気回路の一部を形成するフレーム部を有し、このフレーム部の板厚（軸方向の厚さ）をＴ１とし、第２のコイルに対し軸方向の反磁性プレート側に磁気回路の一部を形成する第２の磁性プレートを有し、この第２の磁性プレートの板厚をＴ３とし、第１のコイルと第２のコイルとの間に配置される磁性プレートの板厚をＴ２とした場合に、
Ｔ２≦Ｔ１＋Ｔ３……………………（１）
上記（１）の関係が成立することを特徴とする。
本発明によれば、第１のコイルへの通電後、第２のコイルへ通電した時に、磁性プレートにおける磁気飽和が抑制されるので、磁性プレートの板厚Ｔ２を、フレーム部の板厚Ｔ１と第２の磁性プレートの板厚Ｔ３とを合計した厚さ以下まで薄肉化できる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１は電磁スイッチユニットの断面図、図２はスタータ１の電気回路図、図３はスタータ１の全体図である。
本実施例のスタータ１は、図３に示す様に、電機子２ａ（図２参照）に回転力を発生するモータ２と、このモータ２に駆動されて回転する出力軸３と、この出力軸３の外周にクラッチ４と一体に配置されるピニオンギヤ５と、シフトレバー６を介してクラッチ４とピニオンギヤ５を反モータ方向（図示左方向）へ押し出す働きを有するソレノイド装置７と、モータ２の通電回路（モータ回路と呼ぶ）に設けられるメイン接点（後述する）を開閉する電磁スイッチ８等より構成される。

本発明に係るソレノイド装置７と電磁スイッチ８は、図１に示す様に、電磁スイッチユニットとして一体的に構成されている。なお、以下の説明では、図１に示す電磁スイッチユニットの図示右側を軸方向モータ側と呼び、図示左側を軸方向ピニオン側と呼ぶ。
電磁スイッチユニットは、ソレノイド装置７と電磁スイッチ８とで共用するユニットケース９と固定鉄心１０とを有している。
ユニットケース９は、磁気回路の一部を形成するヨークを兼ねており、軸方向ピニオン側に環状の底壁部９ａ（請求項３に記載したフレーム部に相当する）を有する有底円筒状に設けられている。

固定鉄心１０は、円環状に設けられた磁性プレート１０ａと、この磁性プレート１０ａの内周にかしめ固定されるコア部１０ｂとから成り、磁性プレート１０ａの軸方向ピニオン側の外周端部が、ユニットケース９の内周に形成される段差に当接して軸方向ピニオン側の位置が固定される。
ユニットケース９の内部には、ソレノイド装置７に使用される第１のコイル１１とプランジャ１２および電磁スイッチ８に使用される第２のコイル１３とプランジャ１４が収容され、ユニットケース９の開口部側には、樹脂製の接点カバー１５が組み付けられる。
第１のコイル１１は、二つのコイル（吸引コイル１１ａと保持コイル１１ｂ）から成り、樹脂製のボビン１６に二層状態で巻線されて、磁性プレート１０ａの軸方向ピニオン側に配置される。
プランジャ１２は、コア部１０ｂの軸方向ピニオン側の端面に対向して第１のコイル１１の内周側に挿入され、コア部１０ｂとの間に配設されるリターンスプリング１７により軸方向ピニオン側へ付勢されている。

第２のコイル１３は、樹脂製のボビン１８に巻線されて、磁性プレート１０ａの軸方向モータ側に配置される。この第２のコイル１３は、軸方向モータ側に隣接して配置される第２の磁性プレート１９を介して軸方向に位置決めされている。第２の磁性プレート１９は、磁気回路の一部を形成するもので、ボビン１８と一体に設けられた樹脂部材２０にインサート成形されている。
第２のコイル１３の外周には、磁性プレート１０ａと第２の磁性プレート１９との間に磁気回路の一部を形成する円筒形状のスペーサ部材２１が配置され、このスペーサ部材２１を介して第２の磁性プレート１９の軸方向ピニオン側の位置が固定される。
プランジャ１４は、コア部１０ｂの軸方向モータ側の端面に対向して第２のコイル１３の内周側に挿入され、コア部１０ｂとの間に配設されるリターンスプリング２２により軸方向モータ側へ付勢されている。

プランジャ１４には、樹脂製のプランジャロッド２３が取り付けられている。
プランジャロッド２３の軸方向モータ側の先端には、可動接点２４が固定されている。 可動接点２４は、第２のコイル１３が非通電の時に、接点カバー１５に設けられた接点受け面１５ａに押し当てられており、且つ、接点圧スプリング２５により軸方向ピニオン側へ付勢されている。
接点カバー１５は、筒状の脚部１５ｂを有する有底形状に設けられ、脚部１５ｂの軸方向ピニオン側の端面が、第２の磁性プレート１９の軸方向モータ側の端面に当接した状態でユニットケース９の内部に脚部１５ｂが挿入され、その脚部１５ｂの外周部がユニットケース９の端部にかしめ固定されている。接点カバー１５とユニットケース９との間は、例えば、Ｏリング等のシール部材２６によってシールされ、外部からの水等の浸入を防止している。

接点カバー１５には、２本の端子ボルト２７、２８が取り付けられ、それぞれワッシャ２９、３０によりかしめ固定されている。
２本の端子ボルト２７、２８は、バッテリケーブルを介してモータ回路の高電位側（バッテリ側）に接続されるＢ端子ボルト２７と、モータリード線３１（図３参照）を介してモータ回路の低電位側（モータ側）に接続されるＭ端子ボルト２８であり、それぞれ、接点カバー１５の内側に固定接点３２、３３が設けられている。
２本の端子ボルト２７、２８と接点カバー１５との間は、例えば、Ｏリング等のシール部材３４によってシールされ、外部からの水等の浸入を防止している。
メイン接点は、可動接点２４と一組の固定接点３２、３３とで形成され、可動接点２４が一組の固定接点３２、３３に当接して両固定接点間が導通することでメイン接点が閉状態となり、可動接点２４が一組の固定接点３２、３３から離れることによりメイン接点が開状態となる。

次に、第１のコイル１１と第２のコイル１３の結線構造を図２に基づいて説明する。
第１のコイル１１は、吸引コイル１１ａの一方の端部と保持コイル１１ｂの一方の端部が、共に第１の外部接続用端子３５に接続されている。第１の外部接続用端子３５は、スタータリレー３６を介してバッテリ３７に接続され、外部のＥＣＵ３８（エンジン始動に係わる電子制御装置）を介してスタータリレー３６がオン作動すると、バッテリ３７から流れる電流がスタータリレー３６を介して通電される。
吸引コイル１１ａの他方の端部は、第２の外部接続用端子３９に接続され、この第２の外部接続用端子３９が、接続金具（図示せず）を介してＭ端子ボルト２８と電気的に接続されている。

保持コイル１１ｂの他方の端部は、例えば、磁性プレート１０ａの表面に溶接等により固定され、電気的にアースされている。
第２のコイル１３は、一方の端部が第３の外部接続用端子４０を介してＥＣＵ３８に接続され、ＥＣＵ３８を介して所定のタイミングで通電される。
第２のコイル１３の他方の端部は、例えば、第２の磁性プレート１９の表面に溶接等により固定され、電気的にアースされている。
３個の外部接続用端子３５、３９、４０は、それぞれ先端部が接点カバー１５の外部に取り出されている。

次に、電磁スイッチユニットの作動を説明する。
先ず、ＥＣＵ３８を通じてスタータリレー３６がオン作動することにより、バッテリ３７から第１のコイル１１に通電される。これにより、プランジャ１２がコア部１０ｂに吸引されて軸方向モータ側へ移動することで、シフトレバー６を介してピニオンギヤ５がクラッチ４と一体に反モータ方向へ押し出される。
ピニオンギヤ５がエンジンのリングギヤ４１（図２参照）に当接した後、ＥＣＵ３８を通じて第２のコイル１３に通電される。これにより、プランジャ１４がコア部１０ｂに吸引されて軸方向ピニオン側へ移動することで、可動接点２４が一組の固定接点３２、３３に当接してメイン接点が閉成する。その結果、バッテリ３７からモータ２に通電されて、電機子２ａに回転力が発生し、その電機子２ａの回転力が出力軸３に伝達される。この出力軸３の回転を受けてピニオンギヤ５がリングギヤ４１と噛み合い可能な位置まで回転すると、図３に示すドライブスプリング４２の反力を受けて、ピニオンギヤ５がリングギヤ４１に噛み合い、ピニオンギヤ５からリングギヤ４１に回転力が伝達されてエンジンをクランキングする。

（実施例１の効果）
本実施例の電磁スイッチユニットは、第１のコイル１１に通電した後、第２のコイル１３への通電タイミングをＥＣＵ３８により制御することで、ピニオンギヤ５とリングギヤ４１との噛み合いを常に最適な状態で行うことができる。
また、ソレノイド装置７と電磁スイッチ８とを軸方向に直列に並べて一体的に構成したことにより、両者をモータ２の周方向に並列に配置する場合と比較して、軸方向の投影面積を小さくできる。さらに、ソレノイド装置７と電磁スイッチ８は、固定鉄心１０を共用して一体的に構成されているので、固定鉄心１０を別々に設けた場合と比較して軸方向の寸法を短縮できる。その結果、モータ回路のメイン接点を開閉する働きと、ピニオンギヤ５を押し出す働きとを一つの電磁スイッチで行う場合と比較しても、殆ど変わらないスペースに搭載できる。

本実施例は、実施例１に記載した電磁スイッチユニットにおいて、図１に示す様に、ユニットケース９の底壁部９ａの板厚（軸方向の寸法）をＴ１、磁性プレート１０ａの板厚をＴ２、第２の磁性プレート１９の板厚をＴ３とした時に、
Ｔ２≦Ｔ１＋Ｔ３……………………（１）
上記（１）の関係が成立することを特徴とする。
例えば、ソレノイド装置７の磁気回路を設計する際に、最も磁束量が増える時、つまり、プランジャ１２がコア部１０ｂに吸着した時に、磁性プレート１０ａが磁気飽和しないように、磁性プレート１０ａの板厚を確保する必要がある。言い換えると、磁気飽和しない程度に、磁性プレート１０ａを薄肉化するのが常である。
ところで、第１のコイル１１への通電によって発生する磁束が磁性プレート１０ａを通る向きと、第２のコイル１３への通電によって発生する磁束が磁性プレート１０ａを通る向きとが同一方向となる様に、第１のコイル１１および第２のコイル１３を巻線すると、第１のコイル１１への通電によってプランジャ１２がコア部１０ｂに吸着した時点で、すでに磁性プレート１０ａは磁気飽和に近い状態となっている。

このため、第１のコイル１１への通電後、第２のコイル１３に通電した時に、電磁スイッチ８のプランジャ１４がコア部１０ｂに吸着しにくい状況となる。すなわち、電磁スイッチ８を単独で使用した場合（第１のコイル１１に通電しないで第２のコイル１３に通電した場合）と比較して吸引力が低下することになる。実際に、電磁スイッチ８の吸引力を測定すると、図４に示す様に、磁束の向きが同一方向となる様に第１のコイル１１および第２のコイル１３を巻線した場合は、電磁スイッチ８を単独で使用した場合と比較して、吸引力が大きく低下している。なお、図４では、磁束の向きが同一方向となる様に第１のコイル１１および第２のコイル１３を巻線した場合の吸引力特性を一点鎖線のグラフで示し、電磁スイッチ８を単独で使用した場合の吸引力特性を実線のグラフで示している。

そこで、本実施例では、第１のコイル１１に電流が流れる方向と、第２のコイル１３に電流が流れる方向とが同一方向となる様に、第１のコイル１１および第２のコイル１３が巻線されている。言い換えると、第１のコイル１１と第２のコイル１３は、磁性プレート１０ａを通る磁束が互いに打ち消し合うように巻線されている。この構成において、第１のコイル１１への通電後、第２のコイル１３に通電した時の電磁スイッチ８の吸引力を測定すると、図４に破線グラフで示す様に、電磁スイッチ８を単独で使用した場合より吸引力が上昇する結果が得られた。
この様に、第１のコイル１１と第２のコイル１３とに流れる電流の向きが同一方向となるように第１のコイル１１および第２のコイル１３を巻線することで、磁性プレート１０ａの磁気飽和が抑制されるため、上記（１）の関係が成立する。その結果、磁性プレート１０ａを薄肉化でき、電磁スイッチユニットの小型化が可能となる。

電磁スイッチユニットの断面図である。 スタータの電気回路図である。 スタータの全体図である。 電磁スイッチの吸引力特性を示すグラフである。

符号の説明

１ スタータ
２ モータ
５ ピニオンギヤ
６ シフトレバー
７ ソレノイド装置
８ 電磁スイッチ
９ａ ユニットケースの底壁部（フレーム部）
１０ａ 磁性プレート
１１ 第１のコイル
１３ 第２のコイル
１９ 第２の磁性プレート
２４ 可動接点（メイン接点）
３２ 固定接点（メイン接点）
３３ 固定接点（メイン接点）
４１ リングギヤ

Claims (2)

1. 回転力を発生するモータと、
   軸方向に移動してエンジンのリングギヤに噛み合い、前記モータの回転力を前記リングギヤに伝達するピニオンギヤと、
   通電により電磁石を形成する第１のコイルを有し、この第１のコイルの吸引力を利用してシフトレバーを駆動し、このシフトレバーを介して前記ピニオンギヤを前記リングギヤ側へ押し出す働きを有するソレノイド装置と、
   通電により電磁石を形成する第２のコイルを有し、この第２のコイルの吸引力を利用して前記モータの通電回路に設けられるメイン接点を開閉する電磁スイッチとを備えるスタータであって、
   前記ソレノイド装置と前記電磁スイッチは、両者を軸方向に直列に並べて一体的に構成されると共に、前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間に両者の磁気回路の一部を形成する磁性プレートを共用して配置し、
   前記第１のコイルに通電した時に前記磁性プレートを通る磁束の向きと、前記第２のコイルに通電した時に前記磁性プレートを通る磁束の向きとが反対方向となることを特徴とするスタータ。
2. 請求項１に記載したスタータにおいて、
   前記第１のコイルに対し軸方向の反磁性プレート側に磁気回路の一部を形成するフレーム部を有し、このフレーム部の板厚（軸方向の厚さ）をＴ１とし、
   前記第２のコイルに対し軸方向の反磁性プレート側に磁気回路の一部を形成する第２の磁性プレートを有し、この第２の磁性プレートの板厚をＴ３とし、
   前記第１のコイルと前記第２のコイルとの間に配置される前記磁性プレートの板厚をＴ２とした場合に、
   Ｔ２≦Ｔ１＋Ｔ３……………………（１）
   上記（１）の関係が成立することを特徴とするスタータ。

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