JP6589784B2 - スタータ - Google Patents

Description

本発明は、エンジン始動用のスタータに関する。

現状、多くの自動車に搭載されている低電圧スタータにおいて、ピニオンギヤ（以下、ピニオンと呼ぶ）の押し出しは、ソレノイドの電磁吸引力を活用する方式が一般的である。しかし、ソレノイドはスタータの体格に占める割合が大きく、小型化の観点からソレノイドレス化が進められている。そこで、本出願人は、遊星歯車装置を用いた動力分割機構と、ピニオンに軸方向の前後運動を与える円筒カム機構とを組み合わせたスタータ（特許文献１参照）を提案した。このスタータは、従来のソレノイドを使用することなく、モータの回転力を利用してピニオンの押し出しを行うことができる。また、遊星キャリアに連結されるクラッチ板とモータ軸に連結されるモータ回転板とを磁気的に結合できる電磁クラッチ装置を採用することで、ピニオンの押し出し時と引き戻し時とでモータの回転方向を逆転することなく、同一方向にできる技術を開示している。

特許文献１のスタータは、クランキング時にエンジンのトルク変動によってリングギヤの相対回転速度がピニオンより速くなると、円筒カム機構を介してピニオンに戻し力が加わるため、ピニオンがリングギヤから離脱する恐れがある。これに対し、本出願人は、クランキング時に円筒カム機構の回転を規制することでリングギヤからのピニオンの離脱を防止できる回転規制装置を搭載したスタータ（特許文献２参照）を提案している。

特願２０１６−２３４６１号公報 特願２０１６−１１９９４０号公報

ところが、特許文献２に開示されたスタータは、ピニオンを押し出す際に使用される第１の電磁装置と、クランキング時に使用される第２の電磁装置と、ピニオンを引き戻す際に使用される第３の電磁装置とを備える。なお、特許文献２では、第１の電磁装置を電磁ブレーキ装置、第２の電磁装置を回転規制装置、第３の電磁装置を電磁クラッチ装置と呼んでいる。つまり、ピニオンの押出し、ピニオンの離脱防止、およびピニオンの引き戻しの三つの異なる動作を実現するために三つの電磁装置を備えるため、構造が複雑になることでコストが高くなる上に、ソレノイドレス化にも関わらず、十分な小型化が成されないという問題がある。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、ピニオンの押出し、離脱防止、引き戻しの三つの異なる動作をより簡易な構成で実現することにより、低コスト化および小型化が可能なスタータを提供することにある。

請求項１に係る本発明のスタータは、電力の供給を受けてトルクを発生するモータと、 このモータの回転軸に設けられる太陽歯車、この太陽歯車の回転中心と同心に配置されて回転可能に設けられる内歯車、および前記太陽歯車と前記内歯車とに噛み合って自転運動と公転運動が可能な遊星歯車を含んで構成される遊星歯車装置と、前記遊星歯車の公転運動が伝達されて回転する出力軸と、この出力軸の外周にスプライン嵌合して前記出力軸の軸上を移動可能に設けられるピニオンと、前記内歯車に連結されるカムシリンダを有し、このカムシリンダの回転運動を軸方向の直線運動に変換して前記ピニオンに伝達するピニオン移動機構と、通電により磁力を発生する第１コイルを有し、前記ピニオンをエンジンのリングギヤに向けて押し出す際に前記第１コイルが発生する磁力を利用して前記遊星歯車の公転運動を規制する第１電磁装置と、通電により磁力を発生する第２コイルを有し、クランキング時に前記第２コイルが発生する磁力を利用して前記内歯車の回転を規制する第２電磁装置と、前記ピニオンを前記リングギヤから離脱させて引き戻す際に前記第１コイルおよび前記第２コイルが発生する磁力を利用して前記遊星歯車と前記内歯車との相対回転を規制する相対回転規制装置とを備え、前記第１電磁装置と前記第２電磁装置は、前記第１コイルと前記第２コイルとの間に両者の固定磁路部の一部を共有している。

本発明のスタータは、第１電磁装置により遊星歯車の公転運動が規制され、モータの回転が内歯車に伝達されてカムシリンダが回転することでピニオンがリングギヤに向けて押し出される。ピニオンがリングギヤに噛み合った後、第２電磁装置により内歯車の回転およびカムシリンダの回転が規制されることで、クランキング時にピニオンがリングギヤから離脱することが防止される。エンジンが始動した後、相対回転規制装置により遊星歯車と内歯車との相対回転が規制されると、モータの回転を受けて遊星歯車と内歯車とが一体に回転する。この時、内歯車の回転方向は、ピニオンをリングギヤに向けて押し出す時と反対方向に回転する、つまりモータの回転方向と同一方向に回転するため、ピニオン移動機構よりピニオンに戻し力が加わり、ピニオンがリングギヤから離脱して引き戻される。
上記のように、相対回転規制装置は、独自のコイルを持つことなく、第１コイルおよび第２コイルを第１電磁装置および第２電磁装置と兼用して構成される。これにより、ピニオンの押し出し、リングギヤからの離脱防止、および引き戻しの三つの異なる動作を二つの電磁装置（第１電磁装置と第２電磁装置）のみで実現できる。

実施例１に係るスタータの断面図である。 実施例１に係る遊星歯車装置の軸方向正面図である。 実施例１に係るピニオン移動機構の構成を示す分解斜視図である。 実施例１に係る第１電磁装置を含む断面図（図１に示すＡ部断面図）である。 実施例１に係る第２電磁装置を含む断面図（図１に示すＡ部断面図）である。 実施例１に係る相対回転規制装置を含む断面図（図１に示すＡ部断面図）である。 実施例２に係る相対回転規制装置の構成を説明する断面図である。 実施例３に係る相対回転規制装置の構成を説明する断面図である。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１〕
実施例１のスタータ１（図１参照）は、以下に説明するモータ２、遊星歯車装置、出力軸３、クラッチ、ピニオン４、ピニオン移動機構、第１電磁装置、第２電磁装置、および相対回転規制装置などを含んで構成される。
モータ２は、磁界を形成する界磁子５と、モータ軸２ａの端部に整流子（図示せず）を有する電機子６と、この電機子６の回転に伴って整流子の外周上を摺動するブラシ（図示せず）等より構成される直流整流子モータである。
遊星歯車装置は、図２に示すように、モータ軸２ａに設けられる太陽歯車７と、太陽歯車７の回転中心と同心に配置されて回転可能に設けられる内歯車８と、太陽歯車７と内歯車８とに噛み合って自転運動と公転運動が可能な遊星歯車９と、自転軸１０を介して遊星歯車９を回転自在に支持する遊星キャリア１１とを含んで構成される。

クラッチは、図１に示すように、遊星キャリア１１と一体に構成されるアウタ１２と、出力軸３のモータ側（図１の右側）の端部に設けられるインナ１３と、カム室に配置されるローラ１４等を含んで構成され、ローラ１４を介してアウタ１２からインナ１３へトルクを伝達する一方、インナ１３からアウタ１２へのトルク伝達を遮断する周知の一方向クラッチである。
出力軸３は、モータ軸２ａと同一軸線上に配置されて回転可能に支持され、軸方向の略中央部に雄側の捩れスプライン３ａが形成されている。
ピニオン４は、図３に示すように、内周に雌側の捩れスプライン４ａが形成され、この捩れスプライン４ａが出力軸３の捩れスプライン３ａに噛み合って出力軸３の軸上を移動可能に配置される。

ピニオン移動機構は、カム溝１５を有するカムシリンダ１６と、カム溝１５と軸方向に交差するストレート溝１７を有する固定部材（後述する）と、ピニオン４に組み付けられる押出カラー１８と、この押出カラー１８に保持されてカム溝１５とストレート溝１７とに嵌合するカムピン１９等を備える。
カムシリンダ１６は、ピニオン４の外周を軸方向に延びて配置される円筒形状を有し、スタータハウジング２０に形成される円筒内周面に回転可能に保持される。カム溝１５は、カムシリンダ１６の径方向に対向する２カ所に形成され、それぞれ、モータ側の始端と反モータ側の終端とがカムシリンダ１６の周方向で異なる位置に有し、始端から終端に向かってカムシリンダ１６の周方向に捩れて形成される。このカムシリンダ１６は、以下に説明する係合プレート２１を介して内歯車８に連結され、内歯車８と一体に回転可能に構成される。

係合プレート２１は、内歯車８に係合する大径筒部２１ａと、カムシリンダ１６に係合する小径筒部２１ｂとを有し、この小径筒部２１ｂの外周が軸受２２（図１参照）を介してセンタケース２３に回転可能に支持される。
大径筒部２１ａには、周方向の複数個所に位置決め溝２１ｃが形成され、内歯車８に設けられる位置決め突起８ａが位置決め溝２１ｃに嵌合して内歯車８と係合プレート２１との相対回転が規制される。
小径筒部２１ｂには、凹凸形状２１ｄが全周に設けられ、この凹凸形状２１ｄとカムシリンダ１６の底面１６ａに設けられる凹凸形状１６ｂとが嵌合して係合プレート２１とカムシリンダ１６との相対回転が規制される。

上記の固定部材はスタータハウジング２０であり、図３に示すように、円筒内周面の径方向に対向する２カ所にストレート溝１７が形成される。このストレート溝１７は、軸方向のモータ側が開放され、反モータ側が閉じている。
押出カラー１８は、ピニオン４のモータ側端部に配置されてピニオン４との相対回転が規制され、且つ、軸方向へ移動不能に組み付けられる。この押出カラー１８は、カムシリンダ１６の内周に挿入されてカムシリンダ１６に対し相対回転可能かつ軸方向へ摺動可能に設けられ、径方向に対向する２カ所にピン挿入孔１８ａが形成される。
カムピン１９は、一端側がピン挿入孔１８ａに挿入され、他端側がピン挿入孔１８ａより径方向の外側へ突出してカム溝１５とストレート溝１７とに嵌合している。

第１電磁装置は、図４に示すように、遊星キャリア１１に設けられるダミーピン２４（図２参照）または自転軸１０にボルト２５で固定されて遊星キャリア１１と一体に回転する第１磁性部材２６と、この第１磁性部材２６と非接触に対向して配置される第１固定磁路部２７と、通電により磁力を発生する第１コイル２８とを含んで構成される。
第１磁性部材２６は、例えば、鉄などの強磁性材料によって中空円盤状に形成され、軸方向のモータ側端面に凹凸形状が周方向に連続して設けられている。
第１固定磁路部２７は、第１磁性部材２６と同じく鉄などの強磁性材料によって形成され、第１磁性部材２６と軸方向に対向する対向面に凹凸形状が周方向に連続して設けられている。以下、第１磁性部材２６に設けられる凹凸形状の凸部を第１突歯２６ａと呼び、第１固定磁路部２７に設けられる凹凸形状の凸部を第１突歯２７ａと呼ぶ。

第２電磁装置は、図５に示すように、内歯車８のモータ側端面にボルト等で固定されて内歯車８と一体に回転する第２磁性部材２９と、この第２磁性部材２９と非接触に対向して配置される第２固定磁路部３０と、通電により磁力を発生する第２コイル３１とを含んで構成される。
第２磁性部材２９は、例えば、鉄などの強磁性材料によってリング状に形成され、軸方向のモータ側端面に凹凸形状が周方向に連続して設けられている。
第２固定磁路部３０は、第２磁性部材２９と同じく鉄などの強磁性材料によって形成され、第２磁性部材２９と軸方向に対向する対向面に凹凸形状が周方向に連続して設けられている。以下、第２磁性部材２９に設けられる凹凸形状の凸部を第２突歯２９ａと呼び、第２固定磁路部３０に設けられる凹凸形状の凸部を第２突歯３０ａと呼ぶ。
なお、第１電磁装置と第２電磁装置は、両者の第１固定磁路部２７と第２固定磁路部３０とが一体に設けられて、第１コイル２８と第２コイル３１との間に共有磁路部を形成している。

相対回転規制装置は、図６に示すように、第１磁性部材２６と第２磁性部材２９との間で径方向に非接触に対向して配置される一対の対向部を有し、互いの対向部にそれぞれ凹凸形状が全周に連続して設けられている。以下、第１磁性部材２６の対向部に設けられる凹凸形状の凸部を第３突歯２６ｂと呼び、第２磁性部材２９の対向部に設けられる凹凸形状の凸部を第３突歯２９ｂと呼ぶ。つまり、第１磁性部材２６には、第１突歯２６ａと第３突歯２６ｂとが設けられ、第２磁性部材２９には、第１突歯２９ａと第３突歯２９ｂとが設けられる。
この相対回転規制装置は、第１コイル２８および前記第２コイル３１への通電により発生する磁束が第１磁性部材２６の第３突歯２６ｂと第２磁性部材２９の第３突歯２９ｂとの間を同一方向に流れることで互いの第３突歯２６ｂ、２９ｂ同士の間に磁気吸引力が働くように構成される。

続いて、スタータ１の作動を説明する。
エンジンの始動要求に応答して第１コイル２８に通電される。第１コイル２８への通電により第１コイル２８の周囲に磁場が発生すると、図４に示すように、第１磁性部材２６と第１固定磁路部２７との間を磁束ΦＡが還流する磁束ループが形成される。この磁束ループを還流する磁束ΦＡは、第１磁性部材２６と第１固定磁路部２７との間で磁気抵抗が最も小さくなる互いの第１突歯２６ａ、２７ａ同士の間を流れようとするため、互いの第１突歯２６ａ、２７ａ同士の間に磁気吸引力が働く。この磁気吸引力により第１磁性部材２６と第１固定磁路部２７とが磁気的に結合されることで第１磁性部材２６の回転が規制され、さらに第１磁性部材２６が固定される遊星キャリア１１の回転が規制される。

遊星キャリア１１の回転が規制された状態でモータ２に通電されると、モータ軸２ａの回転が太陽歯車７から遊星歯車９に伝達され、遊星歯車９が自転軸１０を中心に回転（自転）する。これにより、内歯車８が太陽歯車７の回転方向と逆向き、つまりモータ２の回転方向と逆向きに回転して、内歯車８の回転が係合プレート２１を介してカムシリンダ１６に伝達される。カムシリンダ１６が回転すると、ピニオン移動機構により回転運動が軸方向の直線運動に変換されてピニオン４に伝達されることでピニオン４が軸方向に押し出される。その結果、ピニオン４が出力軸３上を捩れスプライン３ａに沿って回転しながらエンジンのクランク軸に取り付けられるリングギヤ（図示せず）に向かって移動する。

ピニオン４がリングギヤに噛み合った後、第１コイル２８への通電が停止され、第２コイル３１に通電される。第１コイル２８への通電が停止されると、第１磁性部材２６と第１固定磁路部２７との間に働く磁気的な結合力が消失するため、遊星キャリア１１の回転規制が解除される。また、第２コイル３１への通電により第２コイル３１の周囲に磁場が発生すると、図５に示すように、第２磁性部材２９と第２固定磁路部３０との間を磁束ΦＢが還流する磁束ループが形成される。この磁束ループを還流する磁束ΦＢは、第２磁性部材２９と第２固定磁路部３０との間で磁気抵抗が最も小さくなる互いの第２突歯２９ａ、３０ａ同士の間を流れようとするため、互いの第２突歯２９ａ、３０ａ同士の間に磁気吸引力が働く。この磁気吸引力により第２磁性部材２９と第２固定磁路部３０とが磁気的に結合されることで第２磁性部材２９の回転が規制される。

第２磁性部材２９の回転が規制されることで、第２磁性部材２９が固定される内歯車８の回転が規制される。内歯車８の回転が規制され、且つ、遊星キャリア１１の回転規制が解除されると、モータ２のトルクが遊星キャリア１１に取り出されて、遊星キャリア１１がモータ２の回転方向と同一方向に回転する。遊星キャリア１１の回転は、クラッチを介して出力軸３に伝達され、出力軸３と一体にピニオン４が回転してリングギヤを回転駆動することでクランキングが行われる。このクランキング時には、係合プレート２１を介して内歯車８に連結されるカムシリンダ１６の回転が規制されるので、エンジンのトルク変動に伴ってリングギヤの相対回転速度がピニオン４より速くなった場合でも、ピニオン４がリングギヤから離脱することを防止できる。

クランキングを経てエンジンが始動した後、再度、第１コイル２８に通電される。この時、第２コイル３１への通電は維持される。第１コイル２８と第２コイル３１の両方に通電されると、第１電磁装置と第２電磁装置の共有磁路部で互いの磁束が打ち消し合う方向に磁場が形成されるため、第１コイル２８と第２コイル３１を包囲するように合成磁場が発生する。これにより、図６に示すように、第１固定磁路部２７、第１磁性部材２６、第２磁性部材２９、および第２固定磁路部３０の間を磁束ΦＣが還流する磁束ループが形成される。この磁束ループを還流する磁束ΦＣは、第１磁性部材２６と第２磁性部材２９との間で磁気抵抗が最も小さくなる互いの第３突歯２６ｂ、２９ｂ同士の間を流れようとするため、互いの第３突歯２６ｂ、２９ｂ同士の間に磁気吸引力が働く。

この磁気吸引力により第１磁性部材２６と第２磁性部材２９とが磁気的に結合されることで両者の相対回転が規制されるため、太陽歯車７の回転に応じて遊星歯車９と内歯車８とが一体に回転する。この時、内歯車８の回転方向は、ピニオン４をリングギヤに向けて押し出す時と反対方向、つまりモータ２の回転方向と同一方向に回転する。この内歯車８の回転が係合プレート２１を介してカムシリンダ１６に伝達され、ピニオン移動機構よりピニオン４に戻し力が加わることで、ピニオン４がリングギヤから離脱して静止位置（図１に示す位置）まで引き戻される。このピニオン４を引き戻す行程では、相対回転規制装置により第１磁性部材２６と第２磁性部材２９との相対回転が規制されて遊星歯車９と内歯車８とが一体に回転するため、モータ２をクランキング時と逆方向に回転させる必要はない。すなわち、ピニオン４を押し出す時と引き戻す時とでモータ２の回転方向を切り換える必要がないので、直流整流子モータ２を採用できる。

〔実施例１の効果〕
実施例１のスタータ１は、エンジンが始動した後、ピニオン４を引き戻す際に、第１磁性部材２６と第２磁性部材２９との相対回転を規制する相対回転規制装置を備える。この相対回転規制装置は、独自のコイルを持つことなく、第１電磁装置が持つ第１コイル２８および第２電磁装置が持つ第２コイル３１を利用して構成される。すなわち、相対回転規制装置として独自に備える構成部は、第１磁性部材２６に設けられる第３突歯２６ｂと、第２磁性部材２９に設けられる第３突歯２９ｂだけであり、ピニオン４の押し出し、リングギヤからの離脱防止、および引き戻しの三つの異なる動作を二つのコイル（第１コイル２８と第２コイル３１）のオンとオフを切り替えることで実現できる。その結果、特許文献２の従来技術と比較して、より簡易に構成できるので、コストの低減および小型化が可能である。

以下、本発明に係る他の実施例について説明する。
なお、実施例１と共通する部品および構成を示すものは、実施例１と同一の符号を付与し、詳細な説明は省略（実施例１を参照）する。
〔実施例２〕
実施例２の相対回転規制装置は、図７に示すように、第１磁性部材２６に設けられる第３突歯２６ｂと第２磁性部材２９に設けられる第３突歯２９ｂとを軸方向に対向して配置した一例である。この構成でも、実施例１と同様の効果を得ることができる。

〔実施例３〕
実施例３の相対回転規制装置は、図８に示すように、第２磁性部材２９に設けられる第３突歯２９ｂを内歯車８のギヤ部（太陽歯車７のギヤ部と噛み合う部分）によって構成する一例である。すなわち、内歯車８の全体を鉄などの強磁性材料によって構成し、その内歯車８のギヤ部を第３突歯２９ｂとして利用する。この構成でも、実施例１と同様の効果を得ることができる。

〔変形例〕
実施例１、２では、第２磁性部材２９を内歯車８と別体に構成してボルト等で内歯車８に固定する構成を例示したが、例えば、実施例３と同様に、内歯車８を鉄などの強磁性材料で構成して、その内歯車８の一部（ギヤ部以外の肉部）に第２突歯２９ａおよび第３突歯２９ｂを設けることもできる。
実施例１では、カムシリンダ１６にカム溝１５を形成し、スタータハウジング２０の円筒内周面にストレート溝１７を形成する事例を記載したが、カムシリンダ１６にストレート溝１７を形成し、スタータハウジング２０の円筒内周面にカム溝１５を形成する構成でも良い。

１ スタータ ２ モータ
３ 出力軸 ４ ピニオン
７ 太陽歯車（遊星歯車装置） ８ 内歯車（遊星歯車装置）
９ 遊星歯車（遊星歯車装置）
１６ カムシリンダ（ピニオン移動機構）
２６ 第１磁性部材 ２６ａ 第１磁性部材の第１突歯
２６ｂ 第１磁性部材の第３突歯（相対回転規制装置）
２７ 第１固定磁路部 ２７ａ 第１固定磁路部の第１突歯
２８ 第１コイル（第１電磁装置） ２９ 第２磁性部材
２９ａ 第２磁性部材の第２突歯
２９ｂ 第２磁性部材の第３突歯（相対回転規制装置）
３０ 第２固定磁路部 ３０ａ 第２固定磁路部の第２突歯
３１ 第２コイル（第２電磁装置）

Claims (4)

1. 電力の供給を受けてトルクを発生するモータ（２）と、
   このモータの回転軸に設けられる太陽歯車（７）、この太陽歯車の回転中心と同心に配置されて回転可能に設けられる内歯車（８）、および前記太陽歯車と前記内歯車とに噛み合って自転運動と公転運動が可能な遊星歯車（９）を含んで構成される遊星歯車装置と、
   前記遊星歯車の公転運動が伝達されて回転する出力軸（３）と、
   この出力軸の外周にスプライン嵌合して前記出力軸の軸上を移動可能に設けられるピニオン（４）と、
   前記内歯車に連結されるカムシリンダ（１６）を有し、このカムシリンダの回転運動を軸方向の直線運動に変換して前記ピニオンに伝達するピニオン移動機構と、
   通電により磁力を発生する第１コイル（２８）を有し、前記ピニオンをエンジンのリングギヤに向けて押し出す際に前記第１コイルが発生する磁力を利用して前記遊星歯車の公転運動を規制する第１電磁装置と、
   通電により磁力を発生する第２コイル（３１）を有し、クランキング時に前記第２コイルが発生する磁力を利用して前記内歯車の回転を規制する第２電磁装置と、
   前記ピニオンを前記リングギヤから離脱させて引き戻す際に前記第１コイルおよび前記第２コイルが発生する磁力を利用して前記遊星歯車と前記内歯車との相対回転を規制する相対回転規制装置とを備え、
   前記第１電磁装置と前記第２電磁装置は、前記第１コイルと前記第２コイルとの間に両者の固定磁路部（２７、３０）の一部を共有しているスタータ（１）。
2. 請求項１に記載したスタータにおいて、
   前記第１電磁装置は、前記遊星歯車の公転運動に連動して回転する第１磁性部材（２６）と、この第１磁性部材と非接触に対向して配置される第１固定磁路部（２７）とを有し、前記第１磁性部材および前記第１固定磁路部は、互いの対向面にそれぞれ複数の第１突歯（２６ａ、２７ａ）が設けられ、前記第１コイルへの通電により互いの前記第１突歯同士の間を磁束が流れることで前記第１磁性部材と前記第１固定磁路部との間に磁気的な結合力が働き、
   前記第２電磁装置は、前記内歯車と一体に回転する第２磁性部材（２９）と、この第２磁性部材と非接触に対向して配置される第２固定磁路部（３０）とを有し、
   前記第２磁性部材および前記第２固定磁路部は、互いの対向面にそれぞれ複数の第２突歯（２９ａ、３０ａ）が設けられ、前記第２コイルへの通電により互いの前記第２突歯同士の間を磁束が流れることで前記第２磁性部材と前記第２固定磁路部との間に磁気的な結合力が働き、
   前記相対回転規制装置は、前記第１磁性部材と前記第２磁性部材との間で非接触に対向して配置される一対の対向部を有すると共に、互いの前記対向部にそれぞれ複数の第３突歯が設けられ、前記第１コイルおよび前記第２コイルへの通電により発生する磁束が互いの前記第３突歯同士の間を同一方向に流れることで前記第１磁性部材と前記第２磁性部材との間に磁気的な結合力が働くことを特徴とするスタータ。
3. 請求項２に記載したスタータにおいて、
   前記第２磁性部材に設けられる前記第３突歯は、前記内歯車のギヤ部によって構成されることを特徴とするスタータ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載したスタータにおいて、
   前記モータは、直流整流子モータであることを特徴とするスタータ。
   

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