JP2007285183A - エンジンの位相可変装置 - Google Patents

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】エンジン（１１０）の吸気弁又は排気弁の開閉タイミングを変化させる位相可変装置において、回転ドラムを減速又は加速する電磁クラッチ（４２）を備える。回転ドラムには径方向に磁化された複数の磁石が固定される、各磁石は、隣接する磁石とは逆方向に磁化される。電磁クラッチは、各磁石の磁極に対向する複数の磁化部を有する鉄心及び該鉄心に巻かれたコイル（１２０）を備える。コントローラ（１０２）及びコイル駆動回路（１０４）は、磁石の磁極を検出する磁気センサ（１０８）から送られてくる磁気信号（ｃ）と、エンジンから送られてくるクランク角信号（ａ）及びカム角信号（ｂ）とに基づいて、コイルへ供給する電流の向きとオンオフを制御する。
【選択図】図５

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。

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１３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１３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１３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にヘリカルスプラインで噛み合う中間部材とを備え、該中間部材を軸方向に移動させることによって、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、前記中間部材に螺合する回転ドラムと、該回転ドラムの周方向に沿って所定間隔で前記回転ドラムに固定された複数の磁石と、該磁石に磁力を及ぼす複数の磁化部を周方向に沿って所定間隔で設けた鉄心及び該鉄心に巻かれたコイルとを備える電磁クラッチと、前記磁化部を磁化させるときに前記コイルに給電するコイル駆動回路と、前記磁石の接近を検出して磁気信号を発生する磁気センサと、前記エンジンから送られてくるクランク角信号及びカム角信号から、カム角とクランク角との間の位相の設定値からの偏差である位相偏差を求め、該位相偏差と前記磁気信号とに基づいて、前記回転ドラムを加速、減速又は定速回転させるときに前記コイルへ供給する電流の向き及びＯＮ、ＯＦＦを指示する駆動信号を前記コイル駆動回路へ送るコントローラとを備え、前記磁石は回転ドラムの径方向に沿って磁化され、かつ隣接する磁石は互いに逆方向に磁化されたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記鉄心は溝を有したＵ字形断面をした環状体であり、前記コイルは前記溝内に配置され、前記磁化部は前記鉄心の同一径方向上の外周側及び内周側に位置し互いに向かい合った外側磁化片及び内側磁化片からなり、前記磁石は前記外側磁化片及び前記内側磁化片の間に配置されたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記鉄心は溝を有したＵ字形断面をした環状体であり、前記コイルは前記溝内に配置され、前記磁化部は前記鉄心の同一径方向上の外周側及び内周側に位置し互いに向かい合った外側磁化片及び内側磁化片からなり、両磁化片の一方の磁化片は他方の磁化片より長くされ、前記磁石の一方の磁極の正面は前記一方の磁化片の側面と対向させ、前記磁石の他方の磁極の側面は前記他方の磁化片の先端面と対向させたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記鉄心は溝を有したＵ字形断面をした環状体であり、前記コイルは前記溝内に配置され、前記磁化部は前記鉄心の外周側と内周側に交互に配置された外側磁化片及び内側磁化片からなり、前記磁石は回転ドラムの周方向に沿うとともに前記磁石は前記外側磁化片及び前記内側磁化片の間に２列に配置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に係る発明において、前記鉄心は溝を有したＵ字形断面をした環状体であり、前記コイルは前記溝内に配置され、前記磁化部は前記鉄心の外周側又は内周側に配置された磁化片であり、隣接する一対の磁石は互いに側面を貼り合わされるとともに磁極の正面を前記磁化片の側面に対向させたことを特徴とする。

請求項６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にヘリカルスプラインで噛み合う中間部材とを備え、該中間部材を軸方向に移動させることによって、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、前記中間部材に螺合する回転ドラムと、該回転ドラムの周方向に沿って所定間隔で前記回転ドラムに固定された複数の磁石と、該磁石に磁力を及ぼす複数の磁化部を周方向に沿って所定間隔で設けた鉄心及び該鉄心に巻かれたコイルとを備える電磁クラッチと、前記磁化部を磁化させるときに前記コイルに給電するコイル駆動回路と、前記磁石の接近を検出して磁気信号を発生する磁気センサと、前記エンジンから送られてくるクランク角信号及びカム角信号から、カム角とクランク角との間の位相の設定値からの偏差である位相偏差を求め、該位相偏差と前記磁気信号とに基づいて、前記回転ドラムを加速、減速又は定速回転させるときに前記コイルへ供給する電流の向き及びＯＮ、ＯＦＦを指示する駆動信号を前記コイル駆動回路へ送るコントローラとを備え、前記鉄心は溝を有したＵ字形断面をした環状体であり、前記コイルは前記溝内に配置され、前記磁石は前記回転ドラムの軸方向に沿って磁化され、かつ隣接する磁石は互いに逆方向に磁化されたことを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項６に係る発明において、前記磁化部は前記鉄心の外周側と内周側に交互に配置された外側磁化片及び内側磁化片からなり、前記磁石は前記外側磁化片及び内側磁化片の先端に対向させたことを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項６に係る発明において、前記磁化部は前記鉄心の同一径方向上の外周側及び内周側に位置し互いに向かい合った外側磁化片及び内側磁化片からなり、前記磁石は前記外側磁化片又は内側磁化片の先端に対向させて前記回転ドラムの周方向に沿って２列に配置されたことを特徴とする。

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の磁化部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、位相可変装置の各部には軸方向の公差が緩いのに対して、径方向には厳しい公差が要求されているので、磁石が回転ドラムの径方向に磁化されていると、磁石の磁極の正面を電磁クラッチの磁化部に充分に近接させることが可能となる。これにより、回転ドラムの磁石と電磁クラッチの磁化部との間に強い電磁力を発生させ、回転ドラムに加速又は減速のトルクを加えることができ、小形で高効率で高トルクが得られ、応答性の良い位相可変装置を得ることができる。

請求項２に係る発明によれば、さらに、磁化部は鉄心の同一径方向上の外周側及び内周側に位置し互いに向かい合った外側磁化片及び内側磁化片からなり、磁石は前記外側磁化片及び内側磁化片の間に配置されたから、内外一対の磁化片と該磁化片の間に位置する４つの磁極との間に働く磁力、すなわち全磁化片と全磁極との間に働く磁力によって、効果的に回転ドラムに加速又は減速のトルクを加えることができ、いっそう小形で高効率で高トルクが得られ、応答性の良い位相可変装置を得ることができる。

請求項３に係る発明によれば、一方の磁化片は他方の磁化片より長くされ、各磁石の一方の磁極の正面は一方の磁化片の側面と対向させ、他方の磁極の側面は他方の磁化片の先端面と対向させたから、内外一対の磁化片と該磁化片の間に位置する４つの磁極との間に働く磁力によって、すなわち全磁化片と全磁極との間に働く磁力によって、効果的に回転ドラムに加速又は減速のトルクを加えることができ、いっそう小形で高効率で高トルクが得られ、応答性のよい可変位相装置が得られる。また、磁石と他方の磁化片の先端面とが重なる分だけ位相可変装置の直径を小さくできる。

請求項４に係る発明によれば、磁化部は鉄心の外周側と内周側に交互に配置された外側磁化片及び内側磁化片からなり、磁石は回転ドラムの周方向に沿うとともに外側磁化片及び前記内側磁化片の間に２列に配置されているから、内外の３つの磁化片と該磁化片の間に位置する４つの磁極との間に働く磁力によって、効果的に回転ドラムに加速又は減速のトルクを加えることができ、いっそう小形で高効率で高トルクが得られ、応答性のよい可変位相装置が得られる。

請求項５に係る発明によれば、磁化部は鉄心の外周側又は内周側に配置された磁化片であり、隣接する一対の磁石は互いに側面を貼り合わされるとともに磁極の正面を磁化片の側面に対向させたから、隣接する２つの磁化片と該磁化片の間に位置する２つの磁極との間に働く磁力によって、効果的に回転ドラムに加速又は減速のトルクを加えることができる。また、鉄心の外周側又は内周側の一方には磁化部を設けないから、鉄心の構造が簡単で製造が容易になるとともに、磁石を鉄心の外周側又は内周側の一方の上に重ねた分だけ位相可変装置の直径を小さくできる。

請求項６に係る発明によれば、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の磁化部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、磁石が回転ドラムの軸方向に磁化されているから、回転ドラムに固定された磁石と電磁クラッチの磁化部とは軸方向に沿って配置することになる。これにより、位相可変装置の各部には径方向には厳しい公差が要求されるのに対して、軸方向には厳しい公差が要求されていないので、磁石の磁極と電磁クラッチの磁化部の形状、寸法及び取付位置に厳しい精度が要求されず、この位相可変装置の製造が容易となる。さらに、位相可変装置の直径を小さくでき、エンジンへの装着も容易になる。

請求項７に係る発明によれば、さらに、磁化部は鉄心の外周側と内周側に交互に配置された外側磁化片及び内側磁化片からなり、磁石は外側磁化片及び内側磁化片の先端に対向させたから、３つの磁化片と該磁化片の間に位置する２つの磁極との間に働く磁力によって、効果的に回転ドラムに加速又は減速のトルクを加えることができ、いっそう小形で高効率で高トルクが得られ、応答性のよい可変位相装置が得られる。

請求項８に係る発明によれば、磁化部は鉄心の同一径方向上の外周側及び内周側に位置し互いに向かい合った外側磁化片及び内側磁化片からなり、磁石は外側磁化片又は内側磁化片の先端に対向させて前記回転ドラムの周方向に沿って２列に配置されたから、内外一対の磁化片と該磁化片の間に位置する４つの磁極との間に働く磁力によって、効果的に回転ドラムに加速又は減速のトルクを加えることができ、いっそう小形で高効率で高トルクが得られ、応答性のよい可変位相装置が得られる。

次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

まず、図１〜図７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の（Ａ）は、この位相可変装置の縦断面図であり、図１の（Ｂ）は、この位相可変装置の回転ドラムの正面図であり、図１の（Ｃ）は、この位相可変装置の電磁クラッチの正面図である。図２は、前記電磁クラッチの斜視図である。図３は、図１の（Ａ）においてIII−III線に沿う断面図である。図４は、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５は、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６は、コイル駆動回路及び各コイルの配線図である。図７は、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４４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省略し、電磁制御手段４０ａとその制御回路について以下に説明する。

この位相可変装置の電磁制御手段４０ａでは、図１の（Ｂ）に示したように、回転ドラム４４には１８個の磁石４５が周方向に沿って等間隔に固定されている。そして、各磁石４５は回転ドラム４４の径方向に磁化され、各磁石４５の磁極４５ａ（Ｎ極又はＳ極）の正面４５ｂは、それぞれ回転ドラム４４の径方向で外方及び中心方向を向いている。しかも、各磁石４５は、隣接する磁石４５と互いに逆方向に磁化されている。

一方、電磁クラッチ４２は、図１の（Ａ）及び図３に示したように、回転ドラム４４の外方側面に近接して配置され、図２に示したように、この電磁クラッチ４２は、底１２２ａと一対の側壁１２２ｂ、１２２ｃからなる溝形断面のリング状の鉄心１２２と、鉄心１２２の溝１２４内に巻かれたコイル１２０とからなり、溝１２４の開口は回転ドラム４４側に向けられている。この鉄心１２２の外側壁１２２ｂと内側壁１２２ｃからは、それぞれ９個の外側磁化片１２６ａと内側磁化片１２６ｂが等間隔で突設されている。外側磁化片１２６ａと内側磁化片１２６ｂとは、同一径方向上で互いに向かい合うようになっている。コイル１２０に通電すると、外側磁化片１２６ａと内側磁化片１２６ｂは、互いに異なる磁極Ｎ、Ｓに磁化される。コイル１２０に流す電流の方向を逆にすると、内外の磁化片１２６ｂ、１２６ａは、それぞれの磁極が反転する。

図１の（Ａ）及び図３に示したように、回転ドラム４４に設けられた磁石４５は、電磁クラッチ４２の鉄心１２２に設けられた内外の磁化片１２６ｂ、１２６ａの間に配置される。磁石４５の各磁極４５ａの正面４５ｂと各磁化片１２６ａ、１２６ｂは、できるだけ近接して対向させて、両者間に強い磁力が働くようにされる。

なお、この電磁制御手段４０ａでは、回転ドラム４４を初期位置に付勢するためのねじりコイルバネを備えておらず、さらに、電磁クラッチ４２は、エンジンケース５８に対して軸方向及び径方向移動可能にされておらず、回転ドラム４４に摺接する摩擦材も備えていない。

図４に基づいて、回転ドラム４４を加減速する原理について説明する。ただし、図４では、回転ドラム４４の磁石４５と電磁クラッチ４２の各磁化片１２６ａ、１２６ｂとの位置関係を理解し易くするため、回転ドラム４４と電磁クラッチ４２を磁石４５及び磁化片１２６ａ、１２６ｂ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４４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。また、対向する磁化片１２６ａ、１２６ｂ（たとえば、１番目）の一方の前端付近には磁気センサ１０８を設けておく。磁気センサ１０８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１０８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。

まず、回転ドラム４４を加速する場合を説明する。図４の（Ａ）に示したように、時刻Ｔ１のとき、磁気センサ１０８からの磁極信号ｃにより、磁気センサ１０８に最も近接しているのがＮ極かＳ極のいずれであるかが分かる。これで、磁石４５と磁化片１２６ａ、１２６ｂは、それぞれに等間隔に配置されているから、全ての磁石４５の磁極４５ａと全ての磁化片１２６ａ、１２６ｂとの位置関係も分かる。この直後の時刻Ｔ２のときには、図４の（Ｂ）に示した位置まで回転ドラム４４が回転する。このとき、回転ドラム４４を加速するためには、時刻Ｔ１のときから、磁気センサ１０８が設けられた側の磁化片１２６ａを、磁極センサ１０８が検出した磁極と同極にするとともに、反対側の磁化片１２６ｂを磁極センサ１０８が検出した磁極と逆極にするようにコイル１２０に通電する。

時刻Ｔ３になったとき、図４の（Ｃ）に示した位置まで回転ドラム４４が回転して、磁気センサ１０８からの磁極信号ｃが反転する。この直後の時刻Ｔ４のときには、図４の（Ｄ）に示した位置まで回転ドラム４４が回転する。このとき、回転ドラム４４を加速するには、時刻Ｔ３のときから、磁気センサ１０８が設けられた側の磁化片１２６ａを磁極センサ１０８が検出した磁極と同極に、反対側の磁化片１２６ｂを磁極センサ１０８が検出した磁極と逆極にするように、コイル１２０に供給する電流の極性を反転させる。

以下同様に、磁気センサ１０８からの磁極信号ｃで検出した極性が反転する度に、コイル１２０に加える電流の向きを反転させて、磁気センサ１０８が設けられた側の磁化片１２６ａを磁極センサ１０８が検出した磁極と同極に、反対側の磁化片１２６ｂを磁極センサ１０８が検出した磁極と逆極にすることによって、回転ドラム４４の加速を続けることができる。

回転ドラム４４の加減速が必要無いときは、コイル１２０への供給電流を遮断する。これで、回転ドラム４４は定速回転を続ける。回転ドラム４４を減速するには、前述した回転ドラム４４を加速する場合と逆向きの電流をコイル１２０に流せばよい。回転ドラム４４を減速するには、コイル１２０に発生した逆起電力を適宜抵抗又はバッテリーに流して、電磁クラッチ４２を電気ブレーキ又は再生ブレーキとしてもよい。

図５に示したように、電磁クラッチ４２のコイル１２０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及び磁気センサ１０８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１０８からの磁極信号ｃとに基づいて、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４４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４４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１２０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１２０に供給する電流をＯＮ・ＯＦＦするとともに電流の方向を変える半導体スイッチ回路である。駆動信号ｄには、スイッチング用トラジスタ８０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１２０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６にコイル駆動回路１０４とコイル１２０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８０とコイル１２０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８０に並列に挿入されたダイオード８４は、コイル１２０に発生する逆起電力がスイッチング用トラジスタ８０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８０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１２０を右向きに電流が流れ、磁化片１２６ａ、１２６ｂを磁化できる。ここで、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１２０を左向きに電流が流れ、磁化片１２６ａ、１２６ｂの極性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１２０に供給する電流の向きを制御して、両磁化片１２６ａ、１２６ｂを適切な磁極にすることにより、回転ドラム４４の加速又は減速を自在に行うことができる。

それでは、図７に基づいて、回転ドラム４４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４４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１２０への給電を停止し、各磁化片１２６ａ、１２６ｂ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４４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４４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４４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４４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１０８からの磁極信号ｃを調べて、磁気センサ１０８に最も接近している磁石４５がＮ極かＳ極のいずれであるかを検出して、コイル１２０に電流を流す方向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１２０に電流を流しす。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４４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４４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４４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１２０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４４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、図１３に示し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４４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４４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。また、この位相可変装置は、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も不要となるうえ、コイル１２０が１つであるから、コイル駆動回路１０４の構成が簡単になるとともに、部品点数を減らすことができて簡単な構造となり、故障しにくく長寿命とできるうえ、安価に製造できる。

特に、本実施例では、回転ドラム４４に設けられた磁石４５は、外側磁化片１２６ａと内側磁化片１２６ｂの間に配置され、各磁石４５の磁極４５ａの正面４５ｂと各磁化片１２６ａ、１２６ｂはできるだけ近接させている。これにより、両者間に強い磁力が働くようにされたから、軽量小型ながら迅速に高精度の位相可変制御が可能となる。磁極４５ａの正面４５ｂと各磁化片１２６ａ、１２６ｂをできるだけ近接させることができるのは、位相可変装置では、軸方向の寸法公差に比べて、径方向の寸法公差が厳しく決められているからである。

次に、図８に基づいて、本発明の第２実施例に係る位相可変装置について説明する。この位相可変装置は、図８に示したように、電磁クラッチ４２において、内側磁化片１２６ｂが外側磁化片１２６ａより短くされ、回転ドラム４４に固定された磁石４５の内側の磁極の側面４５ｃを内側磁化片１２６ｂの先端に対向させている点が前記第１実施例と異なるのみで、これ以外は前記第１実施例と同じである。もちろん、図８に示したものと逆に、内側磁化片１２６ｂが外側磁化片１２６ａより長くされ、回転ドラム４４に固定された磁石４５の外側の磁極の側面が外側磁化片１２６ａの先端に対向するようにしてもよい。本実施例によれば、一方の磁化片が他方の磁化片より長くされ、回転ドラム４４に固定された磁石４５の一方の磁極の正面４５ｂが一方の磁化片に対向し、他方の磁極の側面４５ｃが他方の磁化片の先端に対向しているから、位相可変装置の直径を小さくすることができる。

次に、図９に基づいて、本発明の第３実施例に係る位相可変装置について説明する。この位相可変装置は、図９に示したように、電磁クラッチ４２において、鉄心１２２の外周側の外側壁１２２ｂにのみに外側磁化片１２６ａを突設し、内周側の内側壁１２２ｃには磁化片を設けず、また、回転ドラム４４に固定された磁石４５は、隣接する一対のものどうしの側面が貼り付けられており、磁石４５の内方側の側面４５ｃを内側壁１２２ｃの先端に対向させている。このことが前記第２実施例と異なるのみで、これ以外は前記第２実施例と同じである。本実施例によれば、電磁クラッチ４２において、内側壁１２２ｃからは磁化片を突設させないので、内側壁１２２ｃと磁石４５とを重ねた分だけ位相可変装置の直径を小さくできる他、鉄心１２２の製造が容易になるという効果がある。

本実施例の場合も、図９に示したものと逆に、電磁クラッチ４２において、鉄心１２２の内側壁１２２ｃにのみに磁化片を突設し、外側壁１２２ｂには磁化片を設けないようにしてもよい。外側壁１２２ｂに外側磁化片１２６ａを設けて、外側磁化片１２６ａで回転ドラム４４を加速したほうが大きなトルクが得られるが、内側壁１２２ｃに内側磁化片１２６ｂを設けて、内側磁化片１２６ｂで回転ドラム４４を加速したほうが大きな最大速度を得られる。必要なトルクと最大速度に応じて、内外の側壁１２２ｃ、１２２ｂのどちら側に磁化片１２６ａ、１２６ｂを設けるか決定する。

次に、図１０に基づいて、本発明の第４実施例に係る位相可変装置について説明する。この位相可変装置においては、図１０に示したように、回転ドラム４４に固定された磁石４５は、回転ドラム４４の軸方向に磁化されており、電磁クラッチ４２の鉄心１２２から突設させた外側磁化片１２６ａと内側磁化片１２６ｂとの間に挿入されておらず、両磁化片１２６ａ、１２６ｂの先端に磁極４５ａの正面４５ｂを対向させて、回転ドラム４４の周方向に沿って２列に配置されている。このことを除いては、本実施例は前記第１実施例と同じである。本実施例の位相可変装置によれば、回転ドラム４４に固定された磁石４５が両磁化片１２６ａ、１２６ｂの間に挿入されていないから、両磁化片１２６ａ、１２６ｂと磁石４５の形状、寸法及び取付位置に厳しい精度が要求されず、この位相可変装置の製造が容易となる。

次に、図１１に基づいて、本発明の第５実施例に係る位相可変装置について説明する。この位相可変装置は、図１１に示したように、電磁クラッチ４２の鉄心１２２に設けられた外側磁化片１２６ａと内側磁化片１２６ｂとが、周方向に沿って互い違いに配置されており、回転ドラム４４に固定された磁石４５の磁極の正面４５ｂが、回転ドラム４４の軸方向を向いており、この磁石４５の磁極の正面４５ｂが両磁化片１２６ａ、１２６ｂの先端に対向している。このことを除いて、本実施例は前記第４実施例と同じである。本実施例によれば、２つの磁極と３つの磁化片１２６ａ、１２６ｂによって回転ドラム４４に加速又は減速のトルクを加えることができ、小形で高効率で高トルクが得られ、応答性のよい可変位相装置が得られる。

次に、図１２に基づいて、本発明の第６実施例に係る位相可変装置について説明する。この位相可変装置は、図１２に示したように、電磁クラッチ４２の鉄心１２２に設けられた外側磁化片１２６ａと内側磁化片１２６ｂとが、周方向に沿って互い違いに配置されており、回転ドラム４４に固定された磁石４５は、回転ドラム４４の径方向に沿って磁化されており、隣接するものとは互いに逆方向に磁化されるとともに、両磁化片１２６ａ、１２６ｂの間に回転ドラム４４の周方向に沿って２列に配置されている。このことを除いて、本実施例は前記第１実施例と同じである。本実施例によれば、４つの磁極と３つの磁化片１２６ａ、１２６ｂによって回転ドラム４４に加速又は減速のトルクを加えることができ、小形で高効率で高トルクが得られ、応答性のよい可変位相装置が得られる。

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可能である。

回転ドラム４４に固定する磁石４５及び電磁クラッチ４２の鉄心１２２に設ける磁化片１２６ａ、１２６ｂ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。

また、前記各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、前記各実施例では鉄心１２２に１つのコイル１２０を巻いたが、内外の磁化片１２６ｂ、１２６ａを高速にＮ極とＳ極に切り替えるためには、コイル１２０を複数個並列に接続して、全コイルの合成インダクタンスを小さくするようにしてもよい。

本発明の第１実施例に係る位相可変装置の概略の構造を説明する図である。 この位相可変装置の電磁クラッチの斜視図である。 図１の（Ａ）において、III−III線に沿う断面図である。 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。 この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。 この位相可変装置におけるコイル駆動回路及び各コイルの配線図である。 この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実施例の位相可変装置を説明する図である。 本発明の第３実施例の位相可変装置を説明する図である。 本発明の第４実施例の位相可変装置を説明する図である。 本発明の第５実施例の位相可変装置を説明する図である。 本発明の第６実施例の位相可変装置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
１２ スプロケット
２０ 内筒部
３０ 中間部材
４２ 電磁クラッチ
４４ 回転ドラム
４５ 磁石
１０２ コントローラ
１０４ コイル駆動回路
１０８ 磁気センサ
１２０ コイル
１２２ 鉄心
１２２ｂ、１２２ｃ 側壁
１２４ 溝
１２６ａ、１２６ｂ 磁化片（磁化部）
ａ クランク角信号
ｂ カム角信号
ｃ 磁気信号
ｄ 駆動信号

Claims (8)

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にヘリカルスプラインで噛み合う中間部材とを備え、該中間部材を軸方向に移動させることによって、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、
   前記中間部材に螺合する回転ドラムと、該回転ドラムの周方向に沿って所定間隔で前記回転ドラムに固定された複数の磁石と、該磁石に磁力を及ぼす複数の磁化部を周方向に沿って所定間隔で設けた鉄心及び該鉄心に巻かれたコイルとを備える電磁クラッチと、前記磁化部を磁化させるときに前記コイルに給電するコイル駆動回路と、前記磁石の接近を検出して磁気信号を発生する磁気センサと、前記エンジンから送られてくるクランク角信号及びカム角信号から、カム角とクランク角との間の位相の設定値からの偏差である位相偏差を求め、該位相偏差と前記磁気信号とに基づいて、前記回転ドラムを加速、減速又は定速回転させるときに前記コイルへ供給する電流の向き及びＯＮ、ＯＦＦを指示する駆動信号を前記コイル駆動回路へ送るコントローラとを備え、
   前記磁石は回転ドラムの径方向に沿って磁化され、かつ隣接する磁石は互いに逆方向に磁化されたことを特徴とするエンジンの位相可変装置。
2. 前記鉄心は溝を有したＵ字形断面をした環状体であり、前記コイルは前記溝内に配置され、前記磁化部は前記鉄心の同一径方向上の外周側及び内周側に位置し互いに向かい合った外側磁化片及び内側磁化片からなり、前記磁石は前記外側磁化片及び前記内側磁化片の間に配置された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. 前記鉄心は溝を有したＵ字形断面をした環状体であり、前記コイルは前記溝内に配置され、前記磁化部は前記鉄心の同一径方向上の外周側及び内周側に位置し互いに向かい合った外側磁化片及び内側磁化片からなり、両磁化片の一方の磁化片は他方の磁化片より長くされ、前記磁石の一方の磁極の正面は前記一方の磁化片の側面と対向させ、前記磁石の他方の磁極の側面は前記他方の磁化片の先端面と対向させた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. 前記鉄心は溝を有したＵ字形断面をした環状体であり、前記コイルは前記溝内に配置され、前記磁化部は前記鉄心の外周側と内周側に交互に配置された外側磁化片及び内側磁化片からなり、前記磁石は回転ドラムの周方向に沿うとともに前記磁石は前記外側磁化片及び前記内側磁化片の間に２列に配置された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。
5. 前記鉄心は溝を有したＵ字形断面をした環状体であり、前記コイルは前記溝内に配置され、前記磁化部は前記鉄心の外周側又は内周側に配置された磁化片であり、隣接する一対の磁石は互いに側面を貼り合わされるとともに磁極の正面を前記磁化片の側面に対向させた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。
6. 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にヘリカルスプラインで噛み合う中間部材とを備え、該中間部材を軸方向に移動させることによって、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、
   前記中間部材に螺合する回転ドラムと、該回転ドラムの周方向に沿って所定間隔で前記回転ドラムに固定された複数の磁石と、該磁石に磁力を及ぼす複数の磁化部を周方向に沿って所定間隔で設けた鉄心及び該鉄心に巻かれたコイルとを備える電磁クラッチと、前記磁化部を磁化させるときに前記コイルに給電するコイル駆動回路と、前記磁石の接近を検出して磁気信号を発生する磁気センサと、前記エンジンから送られてくるクランク角信号及びカム角信号から、カム角とクランク角との間の位相の設定値からの偏差である位相偏差を求め、該位相偏差と前記磁気信号とに基づいて、前記回転ドラムを加速、減速又は定速回転させるときに前記コイルへ供給する電流の向き及びＯＮ、ＯＦＦを指示する駆動信号を前記コイル駆動回路へ送るコントローラとを備え、
   前記鉄心は溝を有したＵ字形断面をした環状体であり、前記コイルは前記溝内に配置され、前記磁石は前記回転ドラムの軸方向に沿って磁化され、かつ隣接する磁石は互いに逆方向に磁化されたことを特徴とするエンジンの位相可変装置。
7. 前記磁化部は前記鉄心の外周側と内周側に交互に配置された外側磁化片及び内側磁化片からなり、前記磁石は前記外側磁化片及び内側磁化片の先端に対向させたことを特徴とする請求項６に記載のエンジンの位相可変装置。
8. 前記磁化部は前記鉄心の同一径方向上の外周側及び内周側に位置し互いに向かい合った外側磁化片及び内側磁化片からなり、前記磁石は前記外側磁化片又は内側磁化片の先端に対向させて前記回転ドラムの周方向に沿って２列に配置されたことを特徴とする請求項６に記載のエンジンの位相可変装置。

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