JP5047193B2

JP5047193B2 - エンジンの位相可変装置

Info

Publication number: JP5047193B2
Application number: JP2008549133A
Authority: JP
Inventors: 弘一本間; 実椎野; 直哉石原
Original assignee: Nittan Valve Co Ltd
Current assignee: Nittan Valve Co Ltd
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2026-12-11
Also published as: KR101273389B1; US7992531B2; KR20090098784A; US20100000481A1; WO2008072298A1; JPWO2008072298A1; EP2093387B1; EP2093387A4; EP2093387A1

Description

本発明は、自動車用エンジンのクランクシャフトの回転をエンジンの吸気弁又は排気弁を開閉させるためのカムシャフトに伝達するとともに、エンジンの負荷や回転数等の運転状態によって吸気弁又は排気弁の開閉タイミングを変化させる自動車用エンジンの位相可変装置に関する。

従来の技術

このような位相可変装置としては、下記特許文献１に開示されたようなものが知られている。これを図１２に示す。

この位相可変装置は、吸気弁又は排気弁を開閉するため、図示しないエンジンケース（位相可変装置用カバー）に組み付けた形態で用いられ、エンジンのクランクシャフトの駆動力が、図示しないチェーンによって伝達されるスプロケット１２を有する円環状の外筒部１０と、この外筒部１０と同軸に配置されて外筒部１０に対し相対回動可能で、カムシャフト２の一部を構成する従動側の円環状の内筒部２０と、外筒部１０と内筒部２０にそれぞれヘリカルスプライン係合して外筒部１０と内筒部２０間に介装され、軸方向に移動して外筒部１０に対する内筒部２０の位相を変える中間部材３０と、内筒部２０のカムシャフト２の配設された側と反対側に設けられて、中間部材３０を軸方向に移動させる電磁制御手段である電磁ブレーキ４０とを備えている。このカムシャフト２には、吸気弁又は排気弁の一方を開閉するためのカム２ａが設けられる。

外筒部１０は、内周縁にリング状の凹部１３が設けられたスプロケット１２と、スプロケット１２の側面に密着し、凹部１３と協働してフランジ係合溝１３Ａを画成する内フランジプレート１４と、内フランジプレート１４をスプロケット１２に共締め固定し、中間部材３０とのスプライン係合部１７が内周に形成されたスプラインケース１６とから構成されている。外筒部１０の凹部１３の開口側の大径凹部１３ａ、凹部１３の奧側の小径凹部１３ｂで、両凹部１３ａ，１３ｂ間には、内筒部２０側のフランジ２４の外周縁と正対する段差部１３ｃが設けられている。スプロケット１２と内フランジプレート１４とスプラインケース１６は、締結ねじ１１によって一体化されているので、フランジ係合溝１３Ａと、スプラインケース１６におけるスプライン係合部１７の形成が容易になっている。

なお、外筒部１０には小径スプロケット１２Ａが固着されているが、この小径スプロケット１２Ａは、図示省略するが、吸気弁又は排気弁の他方を開閉するための位相可変装置のスプロケットとチェーンで連結されて、吸気弁と排気弁の両方を開閉制御するためのものである。

ところで、中間部材３０の内外周面には雌雄のヘリカルスプライン３２、３３が設けられ、内筒部２０の外周面には雄ヘリカルスプライン２３が設けられ、スプラインケース１６の内周面のスプライン係合部１７には雌ヘリカルスプラインが形成されている。そして、中間部材３０の内外のスプライン３２，３３は逆方向のヘリカルスプラインとされていて、中間部材３０の軸方向への僅かな移動で、外筒部１０に対し内筒部２０の位相を大きく変化させることができるようになっている。中間部材３０の外周面には雄ねじ部３１が形成されている。

電磁ブレーキ４０は、クラッチケース６０内に電磁石（電磁コイル）６２を備え、クラッチケース表面に摩擦材６６を固着した電磁クラッチ４２と、電磁クラッチ４２の摩擦材６６から制動力を受けるため強磁性体からなる回転ドラム４４と、回転ドラム４４と外筒部１０間に軸方向に介装されたねじりコイルばね４６とから構成される。電磁クラッチ４２は、ピン６８がエンジンケースに設けた孔に係合していて、軸方向に移動可能だが回転不能にエンジンケースに支持される。回転ドラム４４は、ベアリング２２によって内筒部２０に回転可能に支承され、中間部材３０の雄ねじ部３１に螺合する雌ねじ部４５が形成されている。回転ドラム４４が外筒部１０に対して相対回転すると、両ねじ部４５，３１の働きによって中間部材３０は軸方向に移動する。

電磁クラッチ４２がＯＦＦのときは、回転ドラム４４には制動力が働かないため、回転ドラム４４と外筒部１０とは、ねじりコイルばね４６によって初期位置に固定され、外筒部１０，内筒部２０，中間部材３０および回転ドラム４４は一体に回転し、外筒部１０と内筒部２０には位相差を生じない。すると、内筒部２０はカムシャフト２に連結され、外筒部１０はクランクシャフトに設けられたクランクプーリとチェーンで連結されているので、クランクシャフトの回転に応じて、通常のタイミングで吸気弁又は排気弁を開閉することができる。

電磁クラッチ４２をＯＮにすると、電磁クラッチ４２に設けた摩擦材６６と回転ドラム４４には摩擦による制動力が作用する。制動力が回転ドラム４４に作用すると、回転ドラム４４が外筒部１０に対して回転遅れが生じ、中間部材３０がねじ部３１，４５の働きによって図１２で右方向に移動し、中間部材３０の内外ヘリカルスプライン３２，３３によって、内筒部２０が外筒部１０に対し回動して、両者の位相差が変わる。そして、回転ドラム４４は、制動力とねじりコイルばね４６のばね力とがバランスする位置に保持される。電磁クラッチ４２の電磁石に供給する電流を制御すると、内筒部２０と外筒部１０とを所望の位相差に制御できる。これにより、吸気弁又は排気弁の開閉タイミングを適切に変化させることができる。

再び、電磁クラッチ４２をＯＦＦにすると、制動力が回転ドラム４４に働かなくなり、ねじりコイルばね４６の作用により中間部材３０は、初期位置まで回転し、ねじ部３１，４５の働きによって図１２で左方向に初期位置まで移動する。すると、内筒部２０が外筒部１０に対し逆方向に初期位置まで回動して、両者の位相差がなくなり、通常のタイミングで吸気弁又は排気弁を開閉するようになる。

ところで、内筒部２０のフランジ２４と、外筒部１０のフランジ係合溝１３Ａの側面間に摩擦トルク付加部材５１，５５が介装されて、外筒部１０と内筒部２０間の相対摺動部の摩擦トルクを高めるとともに、中間部材３０と外筒部１０および内筒部２０間のヘリカルスプライン係合部２３，３２、３３，１７における歯部同士がぶつかる打音の発生が抑制している。

また、この位相可変装置内部には、エンジンオイルが、カムシャフト２の入口７３ａ、カムシャフト２内のオイル通路、出口７３ｂを経て供給される。出口７３ｂから出たエンジンオイルは、電磁クラッチ４２表面に設けた摩擦材６６と回転ドラム４４間の摺動面との間に供給されて、摩擦材６６と回転ドラム４４との摩擦による過熱を防止するようになっている（詳細は下記特許文献１参照）。
特開２００２−３７１８１４号公報

前述したように、前記位相可変装置では、摩擦材６６と回転ドラム４４の相対摺動面では、摩擦熱により摺動面温度が高温となると、エンジンオイル中に分散している酸化防止剤や摩擦調整剤、清浄分散剤等の添加剤の反応物や不溶解分により、一般に多孔質材で構成されている摩擦材の表面が目詰まりし、摩擦材６６と回転ドラム４４に発生する摩擦トルクが低下する可能性があり、摩擦材６６と回転ドラム４４との間にエンジンオイルを流すための冷却機構が必須なものとなる。この冷却機構を構成するために、位相可変装置は、複雑な構造となって高価になるという問題があった。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、自動車用のエンジンの可変位相装置を摩擦による発熱を生じないようにするとともに、簡単な構造で安価にすることを課題とする。

前記課題を達成するために、請求項１に係る発明は、エンジンのクランクシャフトの回転が伝達される外筒部と、該外筒部に相対回転可能でエンジンの吸気弁又は排気弁を開閉させるカムシャフトに連結された内筒部と、前記外筒部及び内筒部の間に介在させた中間部材とを備え、該中間部材の作用によって前記外筒部と前記内筒部の間に相対回転を生じさせて、前記吸気弁又は排気弁の開閉タイミングを変化させるエンジンの位相可変装置において、前記中間部材を駆動する回転ドラムと、該回転ドラムの周方向に沿って所定間隔で固定されるとともに交互に逆向きに磁化された複数の磁石と、鉄心に巻かれたコイルとを備える電磁クラッチと、前記磁石の磁極に近接する複数の爪を有するとともに前記鉄心との間にわずかな隙間を有して、前記鉄心及び前記磁石とで磁路を形成する強磁性体からなる磁束誘導体とを備え、前記鉄心は、同心の外壁部と内壁部と前記外壁部と内壁部とを連結する底部とを有したＵ字形断面をした環状体であり、前記コイルは前記内壁部に巻かれており、前記磁束誘導体は、前記外筒部又は内筒部に固定されており、かつ、非磁性体のスペーサを介して連結された外側磁束誘導体と内側磁束誘導体の２つの磁束誘導体からなり、前記外側磁束誘導体は、前記外壁部の先端に近接した環状の外壁部と、前記磁石の一端に発生する一方の磁極に近接した複数の爪を有し、前記内側誘導体は、前記内壁部の先端に近接した環状部と、前記磁石の他端に発生する他方の磁極に近接した複数の爪とを有し、前記コイルへ供給する電流のＯＮ、ＯＦＦ及び向きを制御して、前記爪が前記磁石に及ぼす磁力によって前記回転ドラムを加減速させ、前記中間部材を駆動することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、エンジンのクランクシャフトの回転が伝達される外筒部と、該外筒部に相対回転可能でエンジンの吸気弁又は排気弁を開閉させるカムシャフトに連結された内筒部と、前記外筒部及び内筒部の間に介在させた中間部材とを備え、該中間部材の作用によって前記外筒部と前記内筒部の間に相対回転を生じさせて、前記吸気弁又は排気弁の開閉タイミングを変化させるエンジンの位相可変装置において、
前記中間部材を駆動する回転ドラムと、該回転ドラムの周方向に沿って所定間隔で固定されるとともに交互に逆向きに磁化された複数の磁石と、鉄心に巻かれたコイルとを備える電磁クラッチと、前記磁石の磁極に近接する複数の爪を有するとともに前記鉄心との間にわずかな隙間を有して、前記鉄心及び前記磁石とで磁路を形成する強磁性体からなる磁束誘導体とを備え、前記鉄心は、前記磁石の外方に位置し、一対の側壁部と該側壁部とを連結する底部とを有したＵ字形断面をしていて、開口部が前記磁石に向いた環状体であり、前記磁束誘導体は、前記一対の側壁部のそれぞれの先端に周縁部を近接させた一対の環状磁束誘導体からなり、前記一対の環状磁束誘導体の一方は、前記磁石の一端に発生する一方の磁極に近接した複数の爪を有し、前記一対の環状磁束誘導体の他方は、前記磁石の他端に発生する他方の磁極に近接した複数の爪を有し、前記コイルへ供給する電流のＯＮ、ＯＦＦ及び向きを制御して、前記爪が前記磁石に及ぼす磁力によって前記回転ドラムを加減速させ、前記中間部材を駆動することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、前記電磁クラッチには、最も接近した前記爪の位置を検出する位置センサと、最も接近した前記磁石の磁極を検出する磁気センサとを備えたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１、２、又は３に係る発明において、前記コイルへ供給する電流の大きさも制御することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１、２、３又は４に係る発明において、前記電磁クラッチには、最も接近した前記爪の位置を検出する位置センサと、最も接近した前記磁石の磁極を検出する磁気センサとを備えたことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１、２、３、４,又は５に係る発明において、前記コイルへ供給する電流の大きさも制御することを特徴とする。

請求項１及び請求項２に係る発明の位相可変装置によれば、回転ドラムを従来のように電磁クラッチの摩擦材で制動するのではなく、回転ドラムに固定された磁石と電磁クラッチにより磁化される磁束誘導体の各爪との間に働く電磁力によって回転ドラムを加速又は減速することによって、吸気弁又は排気弁の開閉タイミングを変化させるようにしたから、電磁クラッチの摩擦材と回転ドラムとの接触による摩擦熱によって高温になることがない。このため、エンジンオイル劣化による不都合が生じないうえ、摩擦材や回転ドラムを初期位置に戻すねじりコイルばねや電磁クラッチと回転ドラムに対する冷却機構が不要となって構造が簡単となるので、故障しにくく長寿命で安価となる。また、磁束誘導体が外筒部又は内筒部側に固定されているから、各磁石が各爪に対して高速の相対運動しないので、容易に高精度の位相制御が可能である。さらに、各磁石から各爪及び磁束誘導体を経て鉄心へ入る磁束の変化速度が小さく、鉄心に巻かれたコイルに大きな逆起電力が発生しないので、低電圧でコイルを励磁することができて実用性が高い。

また、請求項１に係る発明によれば、磁束誘導体が外側磁束誘導体と外側磁束誘導体とからなり、外側磁束誘導体が鉄心の外壁部の先端に近接した環状の外壁部と各磁石の一方の磁極に近接した複数の爪を有し、内側磁束誘導体が鉄心の内壁部の先端に近接した環状部と各磁石の他方の磁極に近接した複数の爪を有するので、磁石、内側磁束誘導体、鉄心及び外側磁束誘導体で磁束がほとんど漏れないような磁路が形成できる。これにより、外側磁束誘導体の爪と内側磁束誘導体の爪を強く磁化して、各磁石の両極に強い磁力を及ぼすことができるので、軽量小型の位相可変装置ながら高速で高精度の位相可変制御が可能となる。しかも、電磁クラッチは、鉄心が同心の外壁部と内壁部と前記外壁部と内壁部とを連結する底部とを有したＵ字形断面をした環状体であり、コイルが内壁部に巻かれているから、従来の電磁クラッチがそのまま使えて経済的である。

また、請求項２に係る発明によれば、磁束誘導体は、鉄心の一対の側壁部のそれぞれの先端に周縁部を近接させた一対の環状磁束誘導体からなり、前記一対の環状磁束誘導体の一方は、前記磁石の一方の磁極に近接した複数の爪を有し、前記一対の環状磁束誘導体の他方は、前記磁石の他方の磁極に近接した複数の爪を有するから、磁石、一対の磁束誘導体及び鉄心で磁束がほとんど漏れないような磁路が形成でき、請求項２に係る発明と同じ効果を奏する。さらに、鉄心が、磁石の外方に位置し、一対の側壁部と該側壁部とを連結する底部とを有したＵ字形断面をしていて、開口部が前記磁石に向いた環状体であるから、この位相可変装置の軸方向長さを短縮できる。

また、請求項１及び請求項２に係る発明によれば、一対の磁束誘導体は非磁性体のスペーサを介して連結されたから、一対の磁束誘導体の間を磁路が短絡することがない。これにより、一対の磁束誘導体の各爪をいっそう強く磁化することができ、各磁石にいっそう強い磁力が働き、軽量小型の位相可変装置ながらいっそう高速で高精度の位相可変制御が可能となる。

請求項３に係る発明によれば、電磁クラッチには、最も接近した前記爪の位置を検出する位置センサと、最も接近した前記磁石の磁極を検出する磁気センサとを備えたから、全ての磁石の極性と全ての爪との位置関係が分かる。これにより、各爪を適切に磁化して磁石に磁力を及ぼし、回転ドラムを加減速して、位相可変制御を自在にできる。

請求項４に係る発明によれば、コイルへ供給する電流の大きさも制御するから、いっそう高精度で速い応答性を有する位相制御が可能になる。

発明の実施の形態

本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。まず、図１〜図６に基づいて、本発明の第１実施例に係る位相可変装置について説明する。図１は、この位相可変装置の縦断面図である。図２は、この位相可変装置の磁束誘導体の斜視図である。図３は、この位相可変装置の回転ドラムを加減速する原理について説明する図である。図４は、この位相可変装置の電磁クラッチのコイルへ流す電流を制御する制御回路のブロック図である。図５は、この位相可変装置のコイル駆動回路の配線図である。図６は、前記回転ドラムの加減速制御を行うための手順を説明するフローチャートである。

この位相可変装置は、図１に示したように、回転ドラム４４Ａと電磁クラッチ４２とからなる電磁制御手段４０ａと、電磁制御手段４０ａの制御回路以外は、前記従来の位相可変装置と同じである。そこで、本実施例については、従来と同じ部分については説明を極力省略し、従来と異なる部分と特に説明を要する部分についてのみ以下に説明する。

この位相可変装置の電磁クラッチ４２は、図１に示したように、外壁部６０Ａと、外壁部６０Ａと同心の内壁部６０Ｂと、外壁部６０Ａと内壁部６０Ｂとを連結する底部６０ＣとからなるＵ字形断面のリング状の鉄心と、内壁部６０Ｂに巻かれたコイル６２とからなる。鉄心は、強磁性体からなり、クラッチケース６０を兼ねる。コイル６２に通電すると、外壁部６０Ａと内壁部６０Ｂの各先端は、互いに異なる磁極Ｎ、Ｓに磁化される。コイル６２に流す電流の方向を逆にすると、外壁部６０Ａと内壁部６０Ｂの各先端は、それぞれの磁極が反転する。

回転ドラム４４Ａは、ベアリング２２によって内筒部２０に回転可能に支承され、雌ねじ部４５によって中間部材３０の雄ねじ部３１に螺合する。また、回転ドラム４４Ａは、電磁クラッチ４２に面する部分がない円筒形をしており、外周面に周方向に沿って１８個の磁石８０が等間隔に固定されている。この際、磁石８０は、回転ドラム４４Ａにワッシャ８１Ｂとナット８１Ｃによって固定された磁石固定板８１Ａの固定孔内に固着される。また、各磁石８０は、図２に示したように、回転ドラム４４の軸方向に磁化されており、隣接するものとは磁化方向が交互に逆向きになっている。

外筒部１０の一部を構成するスプラインケース１６は、スプライン係合部１７で中間部材３０の外周面の雄ヘリカルスプライン３３に係合するとともに、外側磁束誘導体８２と内側磁束誘導体８４とを固定している。外側磁束誘導体８２と内側磁束誘導体８４は、ともに強磁性体であり、両者の間に非磁性体のスペーサ８６を挟んで、ボルト８８Ａ、８８Ｂによってスプラインケース１６に固定される。

外側磁束誘導体８２は、図２に示したように、スプラインケース１６に当接する基部８２Ａと、基部８２Ａの内周端から磁石８０の一方の磁極に向かって伸びる爪８２Ｂと、基部８２Ａの外周端から電磁クラッチ４２のクラッチケース６０の外壁部６０Ａの先端に向かって伸びる環状の外壁部８２Ｃとからなる。両外壁部６０Ａ、８２Ｃの間には、極めてわずかの隙間ｄを開ける。スペーサ８６と基部８２Ａは、ボルト８８Ａ等の連結具でスプラインケース１６に連結される。

内側磁束誘導体８４は、クラッチケース６０の内壁部６０Ｂの先端に極めてわずかの隙間ｄを開けて近接させた環状部８４Ａと、環状部８４Ａから磁石８０の他方の磁極に向かって伸びる爪８４Ｂと、スペーサ８６との連結部８４Ｃとからなる。スペーサ８６と連結部８４Ｃは、ボルト８８Ｂ等の連結具で連結される。外側磁束誘導体８２の爪８２Ｂと内側磁束誘導体８４の爪８４Ｂは、それぞれ互いに向き合う位置で等間隔に１２個設けられ、各磁極８０Ａ、８０Ｂに極めて近接させる。

ここで、外側磁束誘導体８２と内側磁束誘導体８４の間に非磁性体のスペーサ８６を挟むことと、外側磁束誘導体８２と内側磁束誘導体８４とを一本のボルトでもってスプラインケース１６に固定しない理由は、磁石８０、内側磁束誘導体８４、クラッチケース６０及び外側磁束誘導体８２により形成される磁路８５がボルトによって短絡しないようにするためである。こうして、磁石８０、内側磁束誘導体８４、クラッチケース６０及び外側磁束誘導体８２からなる磁路８５は磁束漏れが少なく、外側磁束誘導体８２の爪８２Ｂと内側磁束誘導体８４の爪８４Ｂを強く磁化することができる。

電磁クラッチ４２のコイル６２に通電して、内外の磁束誘導体８２、８４の各爪８２Ｂ、８４Ｂを磁化させると、各爪８２Ｂ、８４Ｂが磁石８０に磁力を及ぼして、回転ドラム４４Ａを磁束誘導体８２、８４に対して加減速することができる。すると、回転ドラム４４Ａの雌ねじ部４５が中間部材３０の雄ねじ部３１に螺合しているから、中間部材３０が軸方向に移動し、これにより中間部材３０とスプライン結合している外筒部１０と内筒部２０の間の位相を変えることができる。

なお、この電磁制御手段４０ａでは、図１２に示した従来のものと異なり、回転ドラム４４Ａを初期位置に付勢するためのねじりコイルバネと、回転ドラム４４Ａに摺接する摩擦材を備えていない。

図３に基づいて、回転ドラム４４Ａを加減速させる原理について説明する。ただし、図３では、回転ドラム４４Ａに固定された磁石８０と磁束誘導体８２、８４の各爪８２Ｂ、８４Ｂとの位置関係を理解し易くするため、回転ドラム４４Ａと磁束誘導体を磁石８０及び各爪８２Ｂ、８４Ｂの位置で平面状に展開して説明している。ここでは、回転ドラム４４Ａの回転方向を右方向とし、この右方向を前とし、逆の左方向を後とする。

電磁クラッチ４２には、最も接近した磁石８０の外側磁束誘導体８２の爪８２ｂ又は内側磁束誘導体８４の爪８４ｂに面する側の磁極を検出するため、外側磁束誘導体８２の爪８２ｂ又は内側磁束誘導体８４の爪８４ｂの一方側に寄せて磁気センサ９０が設けられる。また、電磁クラッチ４２には、最も接近した爪８２Ｂ、８４Ｂの接近を検出する位置センサ９１も設けておく。

磁気センサ９０としては、例えば、一方の磁極Ｎ（又はＳ）が接近するとＨ信号（＋１）を出力し、他方の磁極Ｓ（又はＮ）が接近するとＬ信号（０）を出力するようなものを使用する。このような磁気センサ９０としては、ホール素子が用いられる。もちろん、サーチコイル等、適宜磁気センサを使用することも可能である。位置センサ９１には、光センサ又は近接センサ等の適宜位置センサが使用できる。

まず、回転ドラム４４Ａを加速する場合を説明する。図３の（Ａ）に示したように、時刻Ｔ１のとき、位置センサ９１からの位置信号により、位置センサ９１に最も接近した磁束誘導体８２、８４の爪８２Ｂ、８４Ｂが所定位置に位置したときを検出する。同時に、磁気センサ９０からの磁気信号により、磁気センサ９０に最も近接している磁石８０の磁極がＮ極かＳ極かも分かる。これで、各磁石８０と各爪８２Ｂ、８４Ｂは、それぞれに等間隔に配置されているから、全ての磁石８０の極性と全ての爪８２Ｂ、８４Ｂとの位置関係も分かる。このとき、回転ドラム４４Ａを加速するためには、磁気センサ９０が設けられた側の各爪８２Ｂを、磁気センサ９０が検出した磁極と同極にするとともに、反対側の各爪８４Ｂを磁気センサ９０が検出した磁極と逆極にするようにコイル６２に通電する。

この後の時刻Ｔ２のとき、位置センサ９１に最も接近した爪８２Ｂ、８４Ｂが所定位置に位置したときを検出する。このとき、図３の（Ｂ）に示したように、各磁石８０は各爪８２Ｂ、８４Ｂに対して相対移動しており、回転ドラム４４Ａには加減速を生じなくなるとともに、磁気センサ９０からの磁極信号が反転する。

この後の時刻Ｔ３のとき、位置センサ９１に最も接近した爪８２Ｂ、８４Ｂが所定位置に位置したときを検出する。このとき、図３の（Ｃ）に示したように、各磁石８０は各爪８２Ｂ、８４Ｂに対して相対移動する。ここで、回転ドラム４４Ａを加速し続けるには、時刻Ｔ２になったときから、磁気センサ９０が設けられた側の各爪８２Ｂを磁気センサ９０が検出した磁極と同極に、反対側の各爪８４Bを磁気センサ９０が検出した磁極と逆極に磁化するように、コイル６２に供給する電流の極性を反転させる。

この後の時刻Ｔ４のとき、位置センサ９１に最も接近した爪８２Ｂ、８４Ｂが所定位置に位置したときを検出する。このとき、図３の（Ｄ）に示した位置まで、各磁石８０は各爪８２Ｂ、８４Ｂに対して相対移動しており、回転ドラム４４Ａには加減速を生じなくなるとともに、磁気センサ９０からの磁極信号が再び反転する。ここで、コイル６２に供給する電流の極性を反転させると、回転ドラム４４Ａの加速を続けることができる。

以下同様に、磁気センサ９０からの磁極信号で判定した極性が反転する度に、コイル６２に加える電流の向きを反転させて、磁気センサ９０が設けられた側の爪８２Ｂを磁気センサ９０が検出した磁極と同極に、反対側の爪８４Ｂを磁気センサ９０が検出した磁極と逆極にすると、回転ドラム４４Ａの加速を続けることができる。

回転ドラム４４Ａの加減速が必要無いときは、コイル６２への供給電流を遮断する。これで、回転ドラム４４Ａは定速回転を続ける。回転ドラム４４Ａを減速する必要があるときは、前述した回転ドラム４４Ａを加速する場合と逆向きの電流をコイル６２に流せばよい。

図４に示したように、電磁クラッチ４２のコイル６２へ流す電流を制御する制御回路１００は、コントローラ（マイクロコンピュータ）１０２、コイル駆動回路１０４、可変電圧電源１０６、磁気センサ９０及び位置センサ９１とからなる。

コントローラ１０２は、エンジン１１０から送られてくるクランク角信号ａ及びカム角信号ｂと、磁気センサ９０からの磁極信号ｃと、位置センサ９１からの位置信号ｃ’に基づいて、クランク角に対するカム角の位相角の設定値からの偏差、すなわち位相偏差が無くなるように、回転ドラム４４Ａの加速又は減速制御するための駆動信号ｄをコイル駆動回路１０４に送るものである。回転ドラム４４Ａの加減速を停止するには、駆動信号ｄを停止すればよい。また、コントローラ１０２は、位相偏差の絶対値に応じて、コイル６２に加える電圧を変化させるための電源制御信号ｅを可変電圧電源１０６へ送って、よりきめ細かな位相制御を可能にしている。

コイル駆動回路１０４は、コントローラ１０２から送られてくる駆動信号ｄに応じて、コイル６２に供給する電流をＯＮ・ＯＦＦするとともに電流の向きを変える半導体スイッチ回路である。駆動信号ｄには、コイル駆動回路１０４のスイッチング用トラジスタをＯＮ・ＯＦＦするためのＨ１信号とＨ２信号が含まれる。Ｈ１信号とＨ２信号としては、それぞれＨ（高電位）信号又はＬ（低電位）信号が出される。

可変電圧電源１０６は、コントローラ１０２から送られてくる電源制御信号ｅに応じて出力電圧を昇圧又は降圧させコイル駆動回路１０４へ送るものである。本実施例では、位相偏差の絶対値が小さい場合、電源制御信号ｅに応じてパルス幅変調（ＰＷＭ）することにより、出力電圧を下げる。一方、位相偏差の絶対値が大きい場合は、コイル６２に充分な電流を流すために、適宜昇圧手段によって可変電圧電源１０６の出力電圧を上げる。

図５にコイル駆動回路１０４の配線図の一例を示す。コイル駆動回路１０４は、４つのスイッチング用トラジスタ９２と１つのコイル６２とからなるブリッジ回路である。なお、スイッチング用トラジスタ９２に並列に挿入されたダイオード９４は、コイル６２に発生する逆起電力がスイッチング用トラジスタ９２にかかるのを防止するためのものである。

コントローラ１０２からは駆動信号ｄとして、スイッチング用トラジスタ９２をＯＮ・ＯＦＦするためのＨ１信号とＨ２信号が送られてくる。Ｈ１信号がＨ信号（Ｈ１＝１）でＨ２信号がＬ信号（Ｈ２＝０）であれば、コイル９２を右向きに電流が流れるので、各爪８２Ｂ、８４Ｂを磁化できる。逆に、Ｈ１信号がＬ信号（Ｈ１＝０）でＨ２信号がＨ信号（Ｈ２＝１）にそれぞれ反転すれば、コイル６２を左向きに電流が流れるので、各爪８２Ｂ、８４Ｂの磁化を反転させることができる。こうして、コントローラ１０２からＨ１信号又はＨ２信号をコイル駆動回路１０４へ送ることにより、コイル６２に供給する電流の向きを制御して、各爪８２Ｂ、８４Ｂを適切な磁極にすることにより、回転ドラム４４Ａの加速又は減速を自在に行うことができる。

それでは、図６に基づいて、回転ドラム４４Ａの加減速制御を行うために、この位相可変装置のコントローラ１０２の行う制御手順を説明する。この位相可変装置が動作をスタートすると、まず、ステップＳ１に進んで、エンジン１１０から送られてくるクランク角信号ａ及びカム角信号ｂとから、クランク角に対するカム角の位相角の設定値からの偏差、すなわち位相偏差の絶対値が所定値Ｋ１以上か否かを判断する。位相偏差の絶対値が所定値Ｋ１未満のときは、回転ドラム４４Ａの加減速制御は必要ないので、ステップＳ２に進んで、コイル駆動回路１０４への駆動信号ｄを停止（Ｈ１＝０、Ｈ２＝０）して、コイル６２への給電を停止し、各爪８２Ｂ、８４Ｂを非励磁状態として、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ１で位相偏差の絶対値が所定値Ｋ１以上のときは、回転ドラム４４Ａの加減速制御が必要なので、ステップＳ３に進んで、位相偏差の正負から回転ドラム４４Ａを加速するか減速するか判断する。例えば、位相偏差が負のときは回転ドラム４４Ａを減速することに決定して、ステップＳ４〜Ｓ６を実行する。ただし、中間部材３０の内外ヘリカルスプライン３２、３３（図１２参照）の方向によっては、回転ドラム４４Ａを逆に加速することになる。

ステップＳ４に進むと、磁気センサ９０からの磁極信号ｃを調べて、磁気センサ９０に最も接近している磁石８０がＮ極かＳ極のいずれであるかを判定して、コイル６２に電流を流す方向と通電を指示する駆動信号ｄ（Ｈ１信号及びＨ２信号）を決定する。

次にステップＳ５に進んで、位相偏差の絶対値から電源制御信号ｅを決定する。位相偏差の絶対値が所定値Ｋ２（ただし、Ｋ２＞Ｋ１）以上のときは、可変電圧電源１０６は、位相偏差の絶対値に応じて出力電圧を電源（バッテリー）電圧より上げるが、位相偏差の絶対値が所定値Ｋ２未満のときは、位相偏差の絶対値に応じて出力電圧を電源電圧より下げる。

さらに、ステップＳ６に進んで、電源制御信号ｅを可変電圧電源１０６に送るとともに、駆動信号ｄをコイル駆動回路１０４へ送って、電磁クラッチ４２のコイル６２に電流を流す。この後、ステップＳ１に戻る。こうして、ステップＳ１、Ｓ３〜Ｓ６を繰り返して、回転ドラム４４Ａを減速して、位相偏差の絶対値が所定値Ｋ１以内になるまで、位相偏差を小さくしていく。

ステップＳ３で、位相偏差が正で回転ドラム４４Ａを増速することに決定したときは、ステップＳ７〜Ｓ９を実行する。ステップＳ７では、前述したステップＳ４と同じく駆動信号ｄを決定するのであるが、回転ドラム４４Ａを増速させるため、駆動信号ｄを構成するＨ１信号及びＨ２信号は、前記ステップＳ４のときとは反転している。ステップＳ８とＳ９は、前述したステップＳ５とＳ６と同じである。結局、ステップＳ７〜Ｓ９が実行されると、ステップＳ４〜Ｓ６が実行された場合とは、コイル６２に流す電流の方向は逆向きになる。この後、ステップＳ１に戻り、以下、ステップＳ１、Ｓ３、Ｓ７〜Ｓ９を繰り返して、回転ドラム４４Ａを加速して、位相偏差の絶対値が所定値Ｋ１以内になるまで、位相偏差を小さくしていく。

以上のように、ステップＳ１〜Ｓ９を実行することにより、この位相可変装置では常に位相偏差を所定値Ｋ１以内に保つことができる。

本実施例によれば、電磁クラッチ４２は、外側磁束誘導体８２と内側磁束誘導体８４を介して、各磁石８０の磁極に近接した各爪８２Ｂ、８４Ｂを磁化させるから、各磁石に強い磁力が働き、回転ドラム４４Ａを加減速できるから、図１２に示した従来のものと同様に位相制御が可能となる。また、従来のもののように、電磁クラッチ４２表面に設けた摩擦材６６と回転ドラム４４Ａとの摩擦による発熱を生じないので、エンジンオイル中に分散している酸化防止剤や摩擦調整剤、清浄分散剤等の添加剤の反応物や不溶解分により摩擦材の表面が目詰まりし、摩擦材６６と回転ドラム４４Ａに発生する摩擦トルクが低下することもなくなり、この位相可変装置の信頼性が高まる。さらに、この位相可変装置は、発熱を生じないので、摩擦材６６と回転ドラム４４Ａとの間にエンジンオイルを流すための冷却機構も不要となるため、部品点数を減らすことができる。これにより、簡単な構造となり、故障しにくく長寿命にでき、しかも安価に製造できる。

特に、本実施例では、外側磁束誘導体８２と内側磁束誘導体８４が外筒体１０を構成するスプラインケース１６に固定されているから、各爪８２Ｂ、８４Ｂと磁石８０とが高速の相対移動しない。これにより、容易に高精度の位相制御が可能となるうえ、各爪８２Ｂ、８４Ｂから磁束誘導体８２、８４及びクラッチカバー６０へ入る磁束の変化速度が小さく、クラッチカバー６０の内壁部６０Ｂに巻かれたコイル６２に大きな逆起電力が発生しないので、低電圧でコイル６２を励磁して、位相制御することができて実用性が高い。しかも、従来の電磁クラッチ４２が、そのまま使えて経済的である。

次に、図７に基づいて、本発明の第２実施例について説明する。本実施例では、内側磁束誘導体８４が内筒体２０に連結されており、外側磁束誘導体８２が外筒体１０に連結されていない。この他は、両磁束誘導体８２、８４とスペーサ８６の形状がいくらか相違するが、前記第１実施例と略同じである。そして、本実施例も前記第１実施例と略同じ効果を奏する。

次に、図８に基づいて、本発明の第３実施例について説明する。本実施例では、磁石８０が回転ドラム４４Ａの半径方向に磁化されており、回転ドラム４４Ａには半径方向に伸びる磁石取付部４４Ｄが設けられている。この他は、回転ドラム４４Ａ、両磁束誘導体８２、８４及びスペーサ８６の形状と配置がいくらか相違するが、前記第１実施例と略同じである。そして、本実施例も前記第１実施例と略同じ効果を奏する。

次に、図９に基づいて、本発明の第４実施例について説明する。本実施例では、前記第３実施例において、内側磁束誘導体８４を内筒体２０に連結し、外側磁束誘導体８２を外筒体１０に連結しない。この他は、回転ドラム４４Ａ、両磁束誘導体８２、８４及びスペーサ８６の形状と配置がいくらか相違するだけで、第３実施例と略同じである。そして、本実施例も前記第１実施例と略同じ効果を奏する。
次に、図１０に基づいて、本発明の第５実施例について説明する。本実施例では、電磁クラッチ４２と磁石８０とを回転ドラム４４Ａの半径方向に沿って配置し、電磁クラッチ４２の鉄心６０Ｔは、磁石８０の外方に位置し、一対の側壁部６０Ｓと該側壁部６０Ｓとを連結する底部６０Ｕとを有したＵ字形断面をしていて、開口部６０Ｖが内方の磁石８０を向いた環状体である。鉄心６０の一対の側壁部６０Ｓのそれぞれの先端に周縁部を近接させた一対の環状磁束誘導体８３が配置される。環状磁束誘導体８３の一方は、磁石８０の一方の磁極に近接した複数の爪８３Ｂを有し、環状磁束誘導体８３の他方は、磁石８０の他方の磁極に近接した複数の爪８３Ｂを有する。一対の環状磁束誘導体８３は、間にスペーサ８６を挟むとともに外筒体１０との間にもスペーサ８６を挟んで、図示しない連結具で外筒体１０に固定される。この他は、前記第１実施例と略同じである。本実施例によれば、電磁クラッチ４２と磁石８０とを半径方向に沿って配置したから、この位相可変装置の軸方向長さを短縮できる。もちろん、一対の環状磁束誘導体８３は、内筒体２０に固定することも可能である。また、本実施例は前記第１実施例と略同じ効果も奏する。

ところで、本発明は前記実施例に限るものではなく、例えば、次のように種々の変形が可能である。前記各実施例では、中間部材３０を軸方向に移動させて、中間部材３０にスプライン結合された外筒部と内筒部（２０）とを相対回転させたが、外筒部１０及び内筒部２０の間に適宜中間部材を介在させ、該中間部材を回転ドラム４４の加減速によって前記中間部材を適宜駆動して、外筒部１０と内筒部２０の間に相対回転を生じさせてもよい。また、回転ドラム４４Ａに固定する磁石８０及び磁束誘導体８２、８４の各爪８２Ｂ、８４Ｂの数は、前記各実施例の数と同じにする必要はなく、必要な精度やトルクやコスト等に応じて適宜増減してもよい。さらに、前記各実施例では、前記各実施例では２つの磁束誘導体８２、８４、８３を設けたが、図１１に示したように、外側磁束誘導体８４のみでもよい。

この他、前記実施例では位相偏差に応じて、可変電圧電源１０６の出力電圧を制御しているが、特に高精度で速い応答性が要求されない限り、電源電圧の制御をしなくても実用上問題ない。さらに、前記実施例では、位置センサ９１と磁気センサ９０の２つのセンサを設けたが、磁束誘導体８２、８４、８３に磁気センサ９０を設ければ、位置センサ９１は不要となる。ただし、磁束誘導体８２、８４、８３は回転しているため、磁気センサ９０と非回転部分に設けられているコントローラ１０２との間は、スリップリング等の適宜接続手段を介して接続する必要がある。

本発明の一実施例に係る位相可変装置の縦断面図である。前記位相可変装置の磁束誘導体の斜視図である。前記位相可変装置の回転ドラムを加減速する原理について説明する図である。前記位相可変装置における電磁クラッチの制御回路のブロック図である。前記位相可変装置におけるコイル駆動回路の配線図である。前記位相可変装置の動作を説明するフローチャートである。本発明の第２実施例を説明する図である。本発明の第３実施例を説明する図である。本発明の第４実施例を説明する図である。本発明の第５実施例を説明する図である。本発明のさらに別の実施例を説明する図である。従来の位相可変装置の構造を説明する図である。

符号の説明

２カムシャフト
１０外筒部
２０内筒部
３０中間部材
４２電磁クラッチ
４４Ａ回転ドラム
６０クラッチケース（鉄心）
６２コイル
８０磁石
８２外側磁束誘導体
８３環状磁束誘導体
８４内側磁束誘導体
８２Ｂ、８３Ｂ、８４Ｂ爪
８５磁路
８６スペーサ

Claims

エンジンのクランクシャフトの回転が伝達される外筒部と、該外筒部に相対回転可能でエンジンの吸気弁又は排気弁を開閉させるカムシャフトに連結された内筒部と、前記外筒部及び内筒部の間に介在させた中間部材とを備え、該中間部材の作用によって前記外筒部と前記内筒部の間に相対回転を生じさせて、前記吸気弁又は排気弁の開閉タイミングを変化させるエンジンの位相可変装置において、前記中間部材を駆動する回転ドラムと、該回転ドラムの周方向に沿って所定間隔で固定されるとともに交互に逆向きに磁化された複数の磁石と、鉄心に巻かれたコイルとを備える電磁クラッチと、前記磁石の磁極に近接する複数の爪を有するとともに前記鉄心との間にわずかな隙間を有して、前記鉄心及び前記磁石とで磁路を形成する強磁性体からなる磁束誘導体とを備え、
前記鉄心は、同心の外壁部と内壁部と前記外壁部と内壁部とを連結する底部とを有したＵ字形断面をした環状体であり、
前記コイルは前記内壁部に巻かれており、
前記磁束誘導体は、前記外筒部又は内筒部に固定されており、かつ、非磁性体のスペーサを介して連結された外側磁束誘導体と内側磁束誘導体の２つの磁束誘導体からなり、前記外側磁束誘導体は、前記外壁部の先端に近接した環状の外壁部と、前記磁石の一端に発生する一方の磁極に近接した複数の爪を有し、前記内側誘導体は、前記内壁部の先端に近接した環状部と、前記磁石の他端に発生する他方の磁極に近接した複数の爪とを有し、
前記コイルへ供給する電流のＯＮ、ＯＦＦ及び向きを制御して、前記爪が前記磁石に及ぼす磁力によって前記回転ドラムを加減速させ、前記中間部材を駆動することを特徴とするエンジンの位相可変装置。
エンジンのクランクシャフトの回転が伝達される外筒部と、該外筒部に相対回転可能でエンジンの吸気弁又は排気弁を開閉させるカムシャフトに連結された内筒部と、前記外筒部及び内筒部の間に介在させた中間部材とを備え、該中間部材の作用によって前記外筒部と前記内筒部の間に相対回転を生じさせて、前記吸気弁又は排気弁の開閉タイミングを変化させるエンジンの位相可変装置において、
前記中間部材を駆動する回転ドラムと、該回転ドラムの周方向に沿って所定間隔で固定されるとともに交互に逆向きに磁化された複数の磁石と、鉄心に巻かれたコイルとを備える電磁クラッチと、前記磁石の磁極に近接する複数の爪を有するとともに前記鉄心との間にわずかな隙間を有して、前記鉄心及び前記磁石とで磁路を形成する強磁性体からなる磁束誘導体とを備え、
前記鉄心は、前記磁石の外方に位置し、一対の側壁部と該側壁部とを連結する底部とを有したＵ字形断面をしていて、開口部が前記磁石に向いた環状体であり、
前記磁束誘導体は、前記外筒部又は内筒部に固定されており、かつ前記一対の側壁部のそれぞれの先端に周縁部を近接させた一対の環状磁束誘導体からなり、前記一対の環状磁束誘導体の一方は、前記磁石の一端に発生する一方の磁極に近接した複数の爪を有し、前記一対の環状磁束誘導体の他方は、前記磁石の他端に発生する他方の磁極に近接した複数の爪を有し、
前記コイルへ供給する電流のＯＮ、ＯＦＦ及び向きを制御して、前記爪が前記磁石に及ぼす磁力によって前記回転ドラムを加減速させ、前記中間部材を駆動することを特徴とするエンジンの位相可変装置。
前記電磁クラッチには、最も接近した前記爪の位置を検出する位置センサと、最も接近した前記磁石の磁極を検出する磁気センサとを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの位相可変装置。
前記コイルへ供給する電流の大きさも制御することを特徴とする請求項１、２、又は３に記載のエンジンの位相可変装置。