JP7211302B2 - バルブタイミング調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータによりエンジンの吸気バルブまたは排気バルブの開閉タイミングを調整するバルブタイミング調整装置に関する。

この種のバルブタイミング調整装置として、従来、例えば特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１のバルブタイミング調整装置は、モータの回転信号を出力するホール素子と、ホール素子の出力に基づいてモータの回転を制御する制御装置とを備えている。制御装置には駆動回路と制御回路とが設けられ、駆動回路がホール素子の出力に基づいてモータの回転数信号および回転方向信号を生成し、これらを含む駆動信号を制御回路に送信する。

制御回路は、エンジンの実回転数が基準値未満のときに、駆動回路から受信した回転数信号および回転方向信号に基づいて制御指令を作成し、エンジンの実回転数が基準値以上になったときに、エンジンの回転信号（クランク軸またはカム軸の回転信号）に基づいて制御指令を作成して駆動回路に送信する。これにより、エンジンの低回転数領域でモータの回転位置の検出精度を低下させることなく、エンジンの実回転数の高低に応じてバルブタイミングを適切に調整することができる。

特許第４２６９３４１号公報

ところで、ホール素子等のセンサを用いてモータの回転位置を検出する際には、センサのヒステリシスによる影響を考慮する必要がある。ホール素子の出力に応じて電圧レベルが切り替わるモータ駆動信号を生成する駆動回路では、通常、センサの出力が電磁ノイズ等の影響でバタつかないようにヒステリシス領域を設定し、Ｎ極とＳ極の中間領域における特定回転角度範囲内では、ＨｉｇｈまたはＬｏｗの何れか一方の駆動信号が出力されるようヒステリシス設定がなされている。

ところが、例えば、１トリップ中に一度もエンジンが始動されないようなＰＨＥＶ車両車（プラグインハイブリッド車両）の場合、エンジンの停止中に運転者により電源のＯＮ／ＯＦＦが繰り返されると、バルブタイミング調整装置のモータが実際には回転していないにも関わらず、ヒステリシス設定によって駆動信号の電圧レベルがＨｉｇｈからＬｏｗにまたはＬｏｗからＨｉｇｈに切り替わり、それに伴って制御回路がモータの回転位置を誤って認識してしまう可能性がある。

本発明の目的は、エンジン停止中の電源投入によるモータ回転位置の誤認を未然に防止できるバルブタイミング調整装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のバルブタイミング調整装置は、モータ（４）によりエンジン（１０１）の吸気バルブ（１０４）または排気バルブ（１０５）の開閉タイミングを調整するバルブタイミング調整装置であって、モータの回転位置に応じて電圧レベルが２段階に切り替わる検出信号を出力する回転位置センサ（９ｖ，９ｗ，９ｕ）と、検出信号に基づいてモータの回転数信号（ＶＴＳ）および回転方向信号（ＶＴＤ）を生成する回転信号生成部（２６）と、回転数信号および回転方向信号に現れるエッジに基づいてモータの目標回転数および目標回転方向を指示する制御信号を生成する制御回路（２１）と、電源遮断時の回転数信号および回転方向信号の電圧レベルと、電源投入時の回転数信号の電圧レベルと、モータ始動時の回転方向とに基づいて、モータ始動時の回転数信号および回転方向信号に現れるエッジの過不足を補正する信号補正部（３４）とを備える。

本発明のバルブタイミング調整装置では、電源遮断時および電源投入時におけるモータの回転数信号および回転方向信号と始動時のモータの回転方向とに基づいて、回転位置センサのヒステリシス要因でモータ実回転と無関係に出力される信号の過不足パターンが判別される。そして、判別結果に従って、信号補正部がモータ始動時の回転数信号および回転方向信号に現れるエッジの過不足を補正する。したがって、エンジンの停止中に運転者によってモータの電源がＯＮ／ＯＦＦされた場合でも、制御回路はモータの回転位置を正しく認識して、正確な制御信号を出力することができる。

本発明の一実施形態を示すバルブタイミング調整装置の機構図である。 磁石および回転位置センサの配置を示すモータ内部の概略図である。 位相変化機構を示す図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。 制御装置の制御回路および駆動回路を示すブロック図である。 駆動回路の動作説明図であり、（ａ）は回転位置センサの出力と回転信号生成部の出力との相関を示し、（b）はモータの回転位置と信号レベルとの相関を示す。 回転位置センサの動作説明図であり、（ａ）はセンサと磁石との相対位置を示し、（ｂ）はヒステリシス領域でのセンサの挙動を示す。 モータ駆動信号の補正原理を示すタイムチャートである。 信号補正部による駆動信号の補正例を示すタイムチャートである。 モータ制御装置の変形例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、この実施形態のバルブタイミング調整装置１は、車両用エンジン１０１のクランク軸１０２からカム軸１０３までのトルク伝達経路上に設けられている。バルブタイミング調整装置１は、モータ４、位相変化機構１０および制御装置２０を備え、制御装置２０によりモータ４の回転を制御し、モータ４のトルクによって位相変化機構１０を駆動し、カム軸１０３の回転位相を変えて、吸気バルブ１０４または排気バルブ１０５の開閉タイミングを調整するように構成されている。

モータ４には、３相ブラシレスモータが用いられている。モータ４のケーシング５には、モータ軸６が支持されるとともに、モータ軸６と一体に回転するロータおよび回転磁界を形成するステータ（図示略）が内蔵されている。図２に示すように、ロータ７には、例えば８つの磁石８が、Ｎ極およびＳ極を互い違いにした状態で、モータ軸６の周りに４５度の角度をおいて配列されている。磁石８と対向するように、ケーシング５の内側には、モータ４の回転位置を検出する回転位置センサとしての３つのホールセンサ９ｖ，９ｗ，９ｕが１２０度の角度をおいて配置され、モータ４の回転位置に応じて電圧レベルが切り替わる検出信号を出力するようになっている。

図１、図３に示すように、位相変化機構１０は、スプロケット１１、カップ形内歯ギヤ１２、リング形内歯ギヤ１３、遊星ギヤ１４および偏心軸１５を備えている。スプロケット１１は、チェーン１０６を介してクランク軸１０２に連結されるとともに、ボルト１６によりカム軸１０３とカップ形内歯ギヤ１２とに一体回転可能に結合されている。カップ形内歯ギヤ１２は遊星ギヤ１４の小径等半径部１４２に係合し、遊星ギヤ１４の大径偏心部１４１がリング形内歯ギヤ１３に係合している。遊星ギヤ１４はベアリング１７を介して偏心軸１５上に支持され、偏心軸１５が可動軸継手１７を介してモータ軸６に連結されている。

そして、モータ３に電源が供給されていないときには、クランク軸１０２の回転に伴い、カップ形内歯ギヤ１２が遊星ギヤ１４との係合位置を一定に保ってスプロケット１１と一体に回転する。このため、クランク軸１０２に対するカム軸１０３の回転位相、つまり吸気バルブまたは排気バルブの開閉タイミングが一定に保持される。一方、モータ４に電源が投入されると、モータ軸６と一体に偏心軸１５が回転し、遊星ギヤ１４に対するカップ形内歯ギヤ１２およびリング形内歯ギヤ１３の係合位置が変化する。これにより、スプロケット１１およびカム軸１０３が増速または減速され、バルブの開閉タイミングが進角側または遅角側に調整される。

制御装置２０は、モータ４を制御するための制御信号を生成するとともに、エンジン１０１の点火装置や燃料噴射装置（図示略）等の作動を制御する制御回路２１と、制御回路２１が生成した制御信号に従ってモータ４を通電駆動する駆動回路２２とを備えている。図１では、制御回路２１および駆動回路２２がモータ１２のケーシング５の外側に位置するように図示されているが、制御回路２１および駆動回路２２の設置箇所については適宜設定可能である。

図４に示すように、制御回路２１には、カム軸１０３の実回転数を検出する第１回転センサ２３が接続されるとともに、クランク軸の実回転数を検出する第２回転センサ２４が接続されている。そして、制御回路２１は、カム軸１０３およびクランク軸１０２の実回転数と、回転信号生成部２６から受信したモータ４の回転数信号および回転方向信号とに基づいて、モータ４の目標回転数および目標回転方向を指示する制御信号を生成して駆動回路２２に送信する。

駆動回路２２には、ホールセンサ９の出力に基づいてモータ４の回転数信号および回転方向信号を生成する回転信号生成部２６、フィードバック制御部２７、および通電部２８が設けられている。回転信号生成部２６には、２つのＸＯＲゲート２９，３０と１つのインバータゲート３１とが設けられている。第１ＸＯＲゲート２９には、ホールセンサ９ｖ，９ｗの検出信号が入力される。第２ＸＯＲゲート３０には、ホールセンサ９ｕの検出信号と第１ＸＯＲゲート２９の出力信号とが入力される。インバータゲート３１には、第２ＸＯＲゲート３０の出力信号が入力される。

回転信号生成部２６は、３つのホールセンサ９ｖ，９ｗ，９ｕから入力した検出信号にエッジが現れる毎に電圧レベルを切り替え、エッジ間の時間差によりモータ４の実回転数を示す回転数信号ＶＴＳと、エッジが現れる順序によりモータ４の実回転方向を示す回転方向信号ＶＴＤとを生成する。そして、回転信号生成部２６は、生成した回転数信号ＶＴＳおよび回転方向信号ＶＴＤを制御回路２１とフィードバック制御部２７とに送信する。

フィードバック制御部２７は、回転信号生成部２６から回転数信号ＶＴＳおよび回転方向信号ＶＴＤを受信するとともに、制御回路２１から目標回転数および目標回転方向を指示する制御信号を受信し、回転数信号ＶＴＳが示す実回転数を制御信号が指示する目標回転数に一致させるための駆動電圧を決定する。通電部２８は、フィードバック制御部２７から受信した駆動電圧がモータ４のステータに巻かれた巻線（図示略）に印加されるように、インバータ回路（図中「ＩＮＶ」と記す）２８１のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。

次に、回転信号生成部２６が出力した信号の補正処理について説明する。図２に示すように、３つのホールセンサ９ｖ，９ｗ，９ｕは、磁石８の配列角度と同等の検出範囲Ｗθ（Ｗθ＝４５度）を備え、この検出範囲Ｗθに磁石８のＮ極が含まれるときに高レベルの電圧を出力し、検出範囲Ｗθに磁石８のＳ極が含まれるときに低レベルの電圧を出力する。そして、図５（ａ）に示すように、３つのホールセンサ９ｖ，９ｗ，９ｕが、モータ４の回転位置に応じて電圧レベルをＨｉｇｈ（Ｈ）からＬｏｗ（Ｌ）、Ｌｏｗ（Ｌ）からＨｉｇｈ（Ｈ）に２段階に切り替え、モータ４の実回転位置を示す検出信号を駆動回路２２に出力する。

駆動回路２２では、図５（ｂ）に示すように、３つのホールセンサ９ｖ，９ｗ，９ｕうち２つがＨｉｇｈを出力したときに、回転信号生成部２６がＨｉｇｈレベルの信号を出力し、３つのうち２つがＬｏｗを出力したときに、回転信号生成部２６がＬｏｗレベルの信号を生成するように構成されている。したがって、この実施形態では、ＨｉｇｈまたはＬｏｗレベルの信号が、ホールセンサ９の検出範囲Ｗθの１／３に相当する角度範囲Ｘθ（図５（ａ）においてＸθ＝１５度）ごとに出力される。

ところで、上述したように、ＰＨＥＶ車両等においてエンジンが停止した状態で電源のＯＮ／ＯＦＦが繰り返されると、ホールセンサ９のヒステリシス領域において、モータ４の実回転とは無関係に、回転信号生成部２６の出力が切り替わってしまう可能性がある。例えば、図６（ａ）に示すように、磁石８との相対回転に伴い、ホールセンサ９がＳ極とＮ極との中間位置付近に進入すると、図６（ｂ）に示すように、ホールセンサ９の出力電圧がＨｉｇｈとＬｏｗとの間でバタつかないよう、ヒステリシス領域を設定するのが一般的である。

そのため、モータ４への電源供給が遮断されたとき（駆動回路２２の停止時）に、モータが回転していないにも関わらず、ヒステリシス影響で回転信号生成部２６の出力がＨｉｇｈまたはＬｏｗのどちらか一方に切り替わる可能性がある。そこで本実施形態の駆動回路２２では、制御回路２１に信号補正部３４（図４参照）が設けられ、この信号補正部３４が、モータ４の電源遮断時および電源投入時の信号レベルとモータ始動時の回転方向とに基づいて、モータ始動時における回転数信号ＶＴＳおよび回転方向信号ＶＴＤに現れるエッジの過不足を補正するようになっている。

例えば、図７に示すように、エンジン１０１の停止中にモータ４の電源がＯＦＦになると、駆動回路２２がリセットされ、回転信号生成部２６が出力する回転数信号ＶＴＳおよび回転方向信号ＶＴＤの電圧レベルがそれぞれＬｏｗ→Ｈｉｇｈに切り替わる。その後、モータ４の電源がＯＮになり、駆動回路２２の起動時間が終了した後も、信号レベルは変化せずＨｉｇｈのままである。そして、モータ４の始動タイミングが過ぎた後に、信号レベルがＨｉｇｈ→Ｌｏｗに切り替わるが、このとき、モータ４を正転させようとすると、始動時の回転数信号ＶＴＳおよび回転方向信号ＶＴＤが１エッジ分不足する。このため、信号補正部３４は、モータ始動時の信号レベルを補正して、回転数信号ＶＴＳおよび回転方向信号ＶＴＤに１つの立ち上がりエッジを追加する。

このように、モータ始動時の信号補正は、電源遮断時の信号レベル（駆動回路２２の初期設定値）、電源投入時の信号レベルおよび始動時の回転方向の組み合わせに基づいて行われる。図８には、信号補正が必要になる１つの組み合わせパターンが太線で囲まれた状態で示されている。図８の補正例では、回転方向信号ＶＴＤのＨｉｇｈ（Ｈ）はモータ４の正転を示し、回転方向信号ＶＴＤのＬｏｗ（Ｌ）はモータ４の逆転を示す。また、実線波形は回転信号生成部２６で生成された補正前の実波形を示し、破線波形が補正後の仮想波形を示す。

図８の（Ａ）～（Ｄ）は、電源ＯＦＦ（駆動回路リセット）時の回転数信号ＶＴＳおよび回転方向信号ＶＴＤが共にＨｉｇｈに設定されている場合の補正例を示す。（Ａ）に示すように、電源ＯＮ（駆動回路起動開始）時の回転数信号ＶＴＳがＨｉｇｈで、モータ始動時の回転方向が逆転である場合は、始動時の回転数信号ＶＴＳに過不足がないため、信号補正が行われない。（Ｂ）に示すように、電源ＯＮ時の回転数信号ＶＴＳがＨｉｇｈで、モータ始動時の回転方向が正転である場合も、始動時の回転数信号ＶＴＳに過不足がないため、信号補正が行われない。

図８の（Ｃ）に示すように、電源ＯＮ時の回転数信号ＶＴＳがＬｏｗで、モータ始動時の回転方向が逆転である場合は、始動時の回転数信号ＶＴＳが１エッジ分不足するので、信号補正回路３４が１つの立ち下がりエッジを追加する補正を行う。（Ｄ）に示すように、電源ＯＮ時の回転数信号ＶＴＳがＬｏｗで、モータ始動時の回転方向が正転である場合は、始動時の回転数信号ＶＴＳが１エッジ分過剰になるので、信号補正回路３４が１つの立ち上がりエッジを除去する補正を行う。

したがって、この実施形態のバルブタイミング調整装置１によれば、ホールセンサ９のヒステリシス要因でモータの実回転と無関係に出力される信号の過不足パターンを判別し、それに基づいて信号補正回路３４がモータ始動時の回転数信号ＶＴＳおよび回転方向信号ＶＴＤに現れるエッジの過不足を補正するので、エンジン１０１の停止中に運転者によってモータ４の電源がＯＮ／ＯＦＦされた場合でも、制御回路２１はモータ４の回転位置を正しく認識して制御指令を作成することができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば、次の（１）～（５）に例示するように、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各部の形状や構成を任意に変更して実施することも可能である。

（１）上記実施形態では、信号補正部３４が１エッジ分の補正を行っているが、エッジ数は特に限定されず、例えば２つまたそれ以上のエッジを追加または除去してもよい。
（２）上記実施形態では、信号補正部３４が制御回路２１に設けられているが、図９に示すように、信号補正部３４を駆動回路２２に設け、上記実施形態と同様に機能させることもできる。
（３）上記実施形態では、回転位置センサとしてホールセンサ９を使用しているが、ヒステリシスが検出信号の電圧レベルに影響を与えるような各種センサを使用することも可能である。
（４）図１に示された実施例では、制御回路２１と駆動回路２２の両方がモータケーシング５の外側に設置されているが、駆動回路２２をケーシング５の内側に設置し、制御回路２１をケーシング５の外側に設置することもできる。
（５）駆動回路２２の一部をケーシング５の内側に設置し、駆動回路２２の残りの部分と制御回路２１とをケーシング５の外側に設置することも可能である。

１・・・バルブタイミング調整装置、４・・・モータ、９・・・ホールセンサ、
２１・・・制御回路、２２・・・駆動回路、３４・・・信号補正部、
１０１・・・エンジン、１０４・・・吸気バルブ、１０５・・・排気バルブ。

Claims (2)

1. モータ（４）によりエンジン（１０１）の吸気バルブ（１０４）または排気バルブ（１０５）の開閉タイミングを調整するバルブタイミング調整装置であって、
   前記モータの回転位置に応じて電圧レベルが２段階に切り替わる検出信号を出力する回転位置センサ（９ｖ，９ｗ，９ｕ）と、
   前記検出信号に基づいて前記モータの回転数信号（ＶＴＳ）および回転方向信号（ＶＴＤ）を生成する回転信号生成部（２６）と、
   前記回転数信号および前記回転方向信号に現れるエッジに基づいて前記モータの目標回転数および目標回転方向を指示する制御信号を生成する制御回路（２１）と、
   電源遮断時の前記回転数信号および前記回転方向信号の電圧レベルと、電源投入時の前記回転数信号の電圧レベルと、モータ始動時の回転方向とに基づいて、モータ始動時の前記回転数信号および前記回転方向信号に現れるエッジの過不足を補正する信号補正部（３４）と、
   を備えたバルブタイミング調整装置。
2. 前記信号補正部は、モータ始動時の前記回転数信号および前記回転方向信号に１つのエッジを追加または除去する補正を行う請求項１に記載のバルブタイミング調整装置。

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