JPWO2008072298A1 - エンジンの位相可変装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】自動車用のエンジンの可変位相装置において、摩擦による発熱を生じないようにする。【解決手段】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、中間部材(30)に螺合する回転ドラム(44A)と、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(80)と、鉄心(60)に巻かれたコイルとを備える電磁クラッチ(42)と、磁石の磁極に近接する複数の爪(82B、84B)を有するとともに、鉄心との間にわずかな隙間を有して、鉄心及び磁石とで磁路(85)を形成する強磁性体からなる磁束誘導体(82、84)とを備える。そして、磁束誘導体は外筒部(10)又は内筒部(20)に固定される。コイルへ供給する電流を制御して、爪が磁石に及ぼす磁力によって回転ドラムを加減速させ、中間部材にスプライン結合された外筒部と内筒部(20)とを相対回転させる。【選択図】図1

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と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、前記磁束誘導体は前記外筒部又は内筒部に固定されており、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、請求項1に係る発明において、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、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、前記磁石の他方の磁極に近接した複数の爪とを有することを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項1に係る発明において、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ことを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項2又は3に係る発明において、前記一対の磁束誘導体が非磁性体のスペーサを介して連結されたことを特徴とする。
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。
請求項2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。
請求項3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。
請求項4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5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6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 (6)

  1. 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、
    前記磁束誘導体は前記外筒部又は内筒部に固定されており、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。
  2. 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、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、前記磁石の他方の磁極に近接した複数の爪とを有することを特徴とする請求項1に記載のエンジンの位相可変装置。
  3. 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ことを特徴とする請求項1に記載のエンジンの位相可変装置。
  4. 前記一対の磁束誘導体が非磁性体のスペーサを介して連結されたことを特徴とする請求項2又は3に記載のエンジンの位相可変装置。
  5. 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、2、3,又は4に記載のエンジンの位相可変装置。
  6. 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、3、4,又は5に記載のエンジンの位相可変装置。

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