JPH10274011A - 回転位相制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 入力トルクと出力トルク間の回転位相差を任
意の角度で調整する位相制御装置を提案する。 【解決手段】 入力トルクを入力するプラネタリギヤ機
構（２０ａ，２０ｂ）と、制御トルクを入力するサンギ
ヤ機構（３０）と、出力トルクをカムシャフトに伝達す
るリングギヤ機構（１０）とを有する。プラネタリギヤ
機構（２０ａ，２０ｂ）は、個々に自転自在な複数のプ
ラネタリギヤの全体が第１の回転軸の周りに公転するよ
うに設けられ、この第１の回転軸に回転トルクを入力す
る。また、リングギヤ機構（１０）は、第１の回転軸と
同軸の第２の回転軸を有し、前記プラネタリギヤと外側
から歯合する。サンギヤ（３０）は、プラネタリギヤと
内側から歯合し、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸
と同軸の第３の回転軸を有する。サンギヤ（３０）の第
３の回転軸に負荷トルクを印加することにより、前記第
１の回転軸並びに第２の回転軸の回転の角度位相差を制
御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車用可
変バルブタイミング機構などに適用可能な回転位相制御
装置に関し、特に、無段階に位相を変更し得る回転位相
制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの高出力化のためにＶＶＴ（可
変バルブタイミング装置）が提案されている。例えば、
特開平３−２０６３０７号は、透磁率の高いプーリとス
リーブとを同軸状に配し、プーリには内側に向いて複数
の歯を形成し、スリーブには外側に向いて複数の歯を形
成している。プーリの個々の歯には磁気コイルが設けら
れ、このコイルに通電されると、プーリの歯は磁気を導
通する磁気回路となる。別途設けられた制御装置は、こ
れらのコイルに対して異なる位相関係を有する励磁信号
を送ることができる。即ち、励磁信号に応じて、２つの
異なる磁気回路が形成される。そのために、２つの位置
において、プーリとスリーブとは安定した位相関係を保
ちながら回転可能になる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の特開
平５−３２１６７８号は、２つの位置においてのみ磁気
回路が形成されるようになっており、従って、２つの位
相関係しか実現できないために、全ての運転状態におい
て、運転状態に即したクランク軸回転とカム軸回転の位
相関係を実現できるものではない。

【０００４】そこで、本発明は斯かる従来技術の問題点
に鑑みてなされたもので、その目的は、無段階で位相角
度を制御可能な回転位相制御装置を提案することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成すべ
く、本発明の、位相制御装置は、個々に自転自在な複数
のプラネタリギヤの全体が第１の回転軸の周りに公転す
るように設けられたプラネタリギヤ機構を有し、前記第
１の回転軸に回転トルクを入力する入力部と、前記第１
の回転軸と同軸の第２の回転軸を有し、前記複数のプラ
ネタリギヤと外側から歯合するところのリングギヤの回
転を出力する出力部と、前記プラネタリギヤと内側から
歯合し、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸と同軸の
第３の回転軸を有するサンギヤを有する位相調整部とを
具備し、前記位相調整部の前記サンギヤの前記第３の回
転軸に負荷トルクもしくは駆動トルクを印加することに
より、前記第１の回転軸並びに第２の回転軸の回転の角
度位相差を制御することを特徴とする。

【０００６】上記構成の装置によれば、負荷トルクもし
くは駆動トルクの量を制御することにより位相差を任意
の角度で調整することができる。本発明の好適な一態様
に拠れば、前記出力部は前記第２の回転軸から回転トル
クを出力する。本発明の好適な一態様に拠れば、前記位
相調整部は、前記第３の回転軸に負荷トルクを伝達する
発電機を有する。発電機は負荷トルクを発生するので、
外部からエネルギを与えなくて済む。

【０００７】本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相
調整部は、前記第３の回転軸に駆動トルクを伝達する電
動モータを有する。本発明の好適な一態様に拠れば、前
記位相調整部は、前記第３の回転軸に駆動トルクを伝達
する同期電動機を有する。同期電動機は、駆動も発電も
可能である。

【０００８】本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相
調整部は、前記第３の回転軸に直結する発電機または電
動機を有する。直結により、コンパクト化及び後付けが
可能となる。本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相
調整部は、前記第３の回転軸をベルト駆動する電動機或
いは発電機を有する。

【０００９】本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相
調整部が負荷トルクか駆動トルクの一方のみを前記第３
の回転軸に印加する場合に、その印加トルクと反対方向
の回転トルクを付与するために、前記プラネタリギヤ
と、前記リングギヤもしくは前記リングギヤとの間に設
けられた部材をさらに有することを特徴とする。この構
成にすることにより、出力部側からの反動トルクが与え
る影響を小さくすることができる。

【００１０】本発明の好適な一態様に拠れば、前記部材
はリターンスプリングである。本発明の好適な一態様に
拠れば、前記リングギヤの第２の回転軸は、複数のリフ
ト期間が設定されたカムのためのカムシャフトに結合さ
れている。本発明の好適な一態様に拠れば、位相角度の
可変範囲をリミットするための機構を、前記リングギ
ヤ、プラネタリギヤ、サンギヤのいずれか２つの間に設
けたことを特徴とする。位相角度が不必要に大きく変更
されることが防止される。

【００１１】本発明の好適な一態様に拠れば、前記リタ
ーンスプリングはプラネタリギヤとサンギヤとの間に配
設されたことを特徴とする。スプリング力を小さく設定
できる。本発明の好適な一態様に拠れば、前記リターン
スプリングは多段スプリングであって、そのバネ定数が
入力トルクの回転数が零であるときに中間付勢状態にあ
るように設定されていることを特徴とする。出力側が所
定の回転数状態にあるときに、その反力を利用して、最
適な位相角度（例えば、エンジン回転数が低いときの最
遅角角度）を得ることができる。

【００１２】本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相
調整部は負荷トルクもしくは駆動トルクを発生するため
に、デューティ制御を電動機もしくは発電機に行うこと
を特徴とする。位相角度を調整するための制御が簡便に
なる。本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相調整部
は発電機を有する場合において、デューティ比を所定回
転数以上において回転数に応じて小さくする。発電機は
負荷トルクを発生するからデューティ比を所定回転数以
上において回転数に応じて小さくする。

【００１３】本発明の好適な一態様に拠れば、前記位相
調整部は電導機を有する場合において、デューティ比を
所定回転数以上において回転数に応じて大きくする。電
動機は駆動トルクを発生するからデューティ比を所定回
転数以上において回転数に応じて大きくする。本発明の
好適な一態様に拠れば、エンジンのカム機構に外づけ可
能に接続する機構を有する。既存のエンジンに適用可能
となる。

【００１４】本発明の好適な一態様に拠れば、前記出力
部の前記第２の回転軸の回転数を検出するセンサを有す
る。センサ信号を使うことにより位相角制御が確実に行
うことができる。本発明の好適な一態様に拠れば、前記
発電機は発電された電力を消費する抵抗に電流を流すた
めのスイッチング素子を複数有する。

【００１５】

【発明の実施の形態】

〈原理〉以下、添付図面に基づき、本発明を４サイクル
ＤＯＨＣエンジン用の回転位相制御装置に適用した実施
形態を３つ（第１実施形態と第２実施形態と第３実施形
態）挙げて詳細に説明する。

【００１６】第１図，第２図は、上記３つの実施形態に
共通な動作原理を説明する。第１図において、１０は自
転自在なリングギヤであり、その内周に歯が形成されて
いる。２０ａ，２０ｂ，２０ｃは個々に自転自在なプラ
ネタリギヤであり、フレーム２１により支持される。３
つプラネタリギヤの各々の外側の歯はリングギヤ１０の
内周の歯に歯合している。また、３つのプラネタリギヤ
の各々の内側の歯はサンギヤ３０に歯合している。

【００１７】リングギヤ１０は半径Ｌ₁で速度Ｍ₂で回転
し、サンギヤ３０の半径はＬ₂で速度Ｍ₁で回転とすると
する。速度Ｍ₁の符号を反時計回り方向を正とし、速度
Ｍ₂については時計回り方向を正とすると、半径Ｌ₁，Ｌ
₂と速度Ｍ₁，Ｍ₂の間には、第２Ａ図に示したような関
係が存在し、プラネタリギヤ２０の公転速度は、 Ｍ₁＋Ｍ₂ となる。換言すれば、リングギヤ１０，プラネタリギヤ
２０，サンギヤ３０の内の、いずれか２つを入力及び出
力とし、他を制御入力とすると、制御入力の回転速度
（トルク）を制御することにより、出力の回転速度を変
更することができる。即ち、入力トルクの回転に対して
出力トルクの回転の位相を制御するためには、制御入力
の回転を制御して出力トルクの回転速度を変更すること
により、出力回転トルクの入力回転に対する位相を進め
或いは遅らせて、その進め或いは遅らせた位置で入力ト
ルクの回転速度と出力トルクの回転速度を一致させれ
ば、その後は、その進んだ或いは遅れた位相を保って回
転を継続することとなる。

【００１８】第２Ｂ図は位相調整の動作原理を説明す
る。第２Ｂ図において、入力回転トルク（プラネタリギ
ヤ２０）は周期Ｔ₁で回転しているとすると、出力トル
ク（リングギヤ１０）は目的の周期Ｔ₂で（即ち目標の
回転速度で）位相遅れδを有して回転している。もし位
相遅れが更にεだけ遅らせる必要があるときは、サンギ
ヤ３０に制御トルクを入力して、リングギヤ１０の回転
を遅らせる。これにより位相が更にεだけ遅れたなら
ば、サンギヤ３０への入力トルクを元に戻す。すると、
リングギヤの出力トルクの回転周期はＴ ₂に戻り、こう
して、入力トルク（プラネタリギヤ２０）と出力トルク
（リングギヤ１０）とは目標の回転周期で回転するも、
位相周期はδ＋εと変更されたことになる。

【００１９】尚、入力トルクの回転速度と出力トルクの
回転速度は半径Ｌ₁，Ｌ₂を適当に設定することにより、
目標の回転速度を得ることができる。本明細書は本発明
を自動車の４サイクルエンジンのカムシャフトの位相調
整に適用した実施形態を説明するものであるから、 ２Ｔ₁ ＝ Ｔ₂ となるように半径Ｌ₁，Ｌ₂を設定した。

【００２０】後に説明する３つの実施形態では、プラネ
タリギヤ２０に入力トルク（エンジンの出力）を入力
し、リングギヤ１０から出力トルク（カムシャフトの回
転）を取り出すように構成し、サンギヤ３０に制御トル
クを入力することにより、プラネタリギヤ２０の回転に
対するリングギヤ１０の回転速度を制御する。第１図に
示した原理形態の位相制御装置は、リングギヤ１０、プ
ラネタリギヤ２０、サンギヤ３０を有する。第３図は、
それらギヤへのトルクの入出力関係を模式的に示す。即
ち、リングギヤ１０からは出力を取り出し、プラネタリ
ギヤ２０にはエンジン出力トルクを入力し、サンギヤ３
０には制御トルクを入力する。

【００２１】〈第１実施形態〉第４図は本発明の第１実
施形態の原理を説明する。この実施形態は、サンギヤ３
０に入力する制御トルクとして、外部に設けたオルタネ
ータにおいて発生する負荷トルクを利用するものであ
る。第４図において、リングギヤ１０は、その自転軸に
カムシャフトが接続されている。入力トルクとしては、
不図示のエンジンの出力軸（不図示）に設けられた歯車
に巻回されたベルト４２によって伝達されるエンジン出
力トルクがプラネタリギヤ２０に入力される。一方、プ
ラネタリギヤ２０と歯合するサンギヤ３０の自転軸はプ
ーリ４０に接続され、プーリ４０はベルト４１によって
オルタネータに接続される。

【００２２】オルタネータはコントローラによって制御
され、換言すれば、オルタネータによって発電される電
力に消費される回転トルクがサンギヤ３０に対する負荷
トルクとなる。従って、オルタネータにおいて発電され
る電力を制御すれば、リングギヤ１０の回転速度、つま
りカムシャフトの回転速度は制御される。即ち、オルタ
ネータが発電を行えば、電気エネルギに変換されるトル
クはサンギヤ３０に対して負荷トルクとして機能するか
ら、発電量が増加すればするほど、サンギヤ３０の回転
速度は減少する。すると、リングギヤ１０の回転速度は
早くなり、カムシャフトの進角はより進む。即ち、オル
タネータを負荷に用いれば、 発電量増加 → 進角化 発電量減少 → 遅角化 となる。

【００２３】尚、オルタネータによって発電された電力
は図示のバッテリに充電しても良い。第５図は、第４図
のオルタネータをベルト駆動ではなく、サンギヤ３０の
自転軸に直結した構成を示す。第４図のベルト駆動に比
して第５図の直結タイプの優れている点は、第７図に示
すように、後付けでエンジンに（即ち、車両に既に組み
込まれた既存のエンジンに）本制御装置を取り付けるこ
とが可能になる点である。

【００２４】尚、オルタネータの代わりに、第６図に示
すように、ＤＣモータを用いても良い。ＤＣモータを用
いれば、サンギヤ３０への入力トルクとして、負荷トル
クではなく駆動トルクとなる。即ち、 モータへの電力大 → サンギヤ高回転化 → 遅角化 モータへの電力小 → サンギヤ低回転化 → 進角化 となる。

【００２５】〈第２実施形態〉第４図，第５図に示した
実施形態は、プラネタリギヤ２０に入力トルクを入力
し、リングギヤ１０から出力トルクを取り出し、サンギ
ヤ３０へは制御トルクを入力するものであった。これら
の図に示された実施形態では、オルタネータ内の界磁電
流を制御すれば、原理的に、カムシャフトの位相角を任
意に設定することができ、また、任意の位相角度に保持
することも可能である。しかしこのような制御は制御手
順が複雑で、コストの増大を招く。

【００２６】第２実施形態の位相制御装置１０００は、
出力回転トルク（即ち、リングギヤ１０の回転速度）
を、入力回転トルクの回転速度（即ち、プラネタリギヤ
２０の回転速度）に一致させる動作をスプリングの反発
力を利用するというものである。第８図に、第２実施形
態の位相制御装置１０００の構成を示す。即ち、第２実
施形態の位相制御装置はより実際の実施形態に近い構成
を有し、更に、第７図に示すように、エンジンに外づけ
可能になっている。

【００２７】図中、５００はカバーであり、エンジン本
体にこの制御装置１０００を取り付け固定する。１００
１はカムシャフトであり、制御装置１０００のメインシ
ャフト１００２に直結している。カバー５００とメイン
シャフト１００２との間はボールベアリング５０１が介
在し、シャフト１００２の自在な回転を許す。カバー５
００には複数のヨーク６０１ａ，６０１ｂ…が配設さ
れ、第１０図に示すように、個々のヨークにはコイル６
００ａ，６００ｂ…が巻回されている。ヨーク６０１と
コイル６００と後述のマグネット３０４とにより発電機
（オルタネータ）が構成される。

【００２８】第８図において、複数の（ヨーク６０１
ａ，６０１ｂ…の個数の同数の）マグネット３０４ａ，
３０４ｂ…は、円形のプレート３００上にヨーク６０１
ａ，６０１ｂ…のピッチと同じピッチで配列されてい
る。円形プレート３００は、メインシャフト１００２に
対して不図示のベアリングによってサポートされ、従っ
て、カムシャフト１００１の回転と独立して回転自在で
ある。プレート３００の回転軸近傍にはシャフト１００
２の軸方向に沿って伸びる柱状のリッジ３０１が設けら
れ、このリッジ３０１の周囲には複数のギヤ歯３０３が
設けられている。

【００２９】かくして、円形プレート３００、リッジ３
０１、ギヤ歯３０３は、第４図，第５図で説明したサン
ギヤ３０に相当する。尚、プレート３００とリッジ３０
１の概略を第９図に示す。サンギヤ３０に相当するプレ
ートアッセンブリ３００のリッジ３０１に設けられたギ
ヤ歯３０３は、プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂに設
けられたギヤ歯２０３ａ，２０３ｂそれぞれと歯合す
る。プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂは第９図に示す
ように円形プレート２１０に支持され、支持された位置
において自転自在である。プラネタリギヤ２０１ａ，２
０１ｂの各々に円周上に設けられたギヤ歯２０３ａ，２
０３ｂは、前述したように、リッジ３０１に設けられた
ギヤ歯３０３を挟むようにしてギヤ歯３０３と歯合す
る。かくして、プレート２１０，プラネタリギヤ２０１
ａ，２０１ｂ、ギヤ歯２０３ａ，２０３ｂは、第５図な
どで説明したプラネタリギヤ２０に相当する。

【００３０】尚、プレート２１０の背面はプレート３０
０の背面と摺動自在となるように離間されるべく、プラ
ネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂは、それらがシャフト１
００２回りに公転自在となるものの、シャフト１００２
の軸方向には移動しないように不図示のストッパで固定
されている。プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂのギヤ
歯２０３ａ，２０３ｂは、それぞれ、円形プレート１０
０の周囲に設けられた円柱状リッジ１０２の内周に設け
られたギヤ歯１０１と歯合する。ここで、円形プレート
１００はカムシャフト１００１に固定され、従って、円
形プレート１００が回転すればカムシャフト１００２が
同速度、同位相で回転する。かくして、円形プレート１
００、円柱リッジ１０２、ギヤ歯１０１は、第５図など
で説明したリングギヤ１０を構成する。

【００３１】第８図において、円形プレート２１０に
は、柱状のリッジ２００がメインシャフト方向に設けら
れている。そして、リッジ２００の外周に、タイミング
ベルト（不図示）の歯と歯合する歯２２０が設けられて
いる。従って、エンジンが回転すると、第７図に示すよ
うに、第８図では不図示のベルトが回転してプレート２
１０（第４図のプラネタリギヤ２０に相当）を回転させ
る。プレート２１０がシャフト１０１２の回りに回転す
ると、ギヤ歯１０１と歯合するギギヤ歯２０３ａ，２０
３ｂを有するプラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂが公転
する。プラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂの公転によっ
て、ギヤ歯２０３ａ，２０３ｂとギヤ歯１０１によって
歯合するプレート１００が回転する。

【００３２】プレート１００の回転速度は、前述したよ
うに、サンギヤとして機能するプレート３００の回転速
度、換言すれば、ギヤ歯３０３に伝達される負荷トルク
によって制御される。第８図において、サンギヤとして
動作するプレート３００の外周に多段スプリング３０２
が巻回されている。この多段スプリング３０２は更にプ
レート２１０の外周上をも巻回する。第１１Ａ図は、ス
プリング３０２の、プレート３００及びプレート２１０
上への巻回の様子を説明する。即ち、一本の多段コイル
スプリング３０２は、プレート３００とプレート２１０
の外周上を巻回し、一方の端部はサンギヤとして機能す
るプレート３００に固定され、他方の端部はプラネタリ
ギヤとして機能するプレート２００と一緒に回転するリ
ッジ２００に固定されている。

【００３３】一本のスプリング３０２で２つのプレート
を張設することにより、プラネタリギヤとして機能する
プレート２１０とリングギヤとして機能するプレート１
００とが、オルタネータが発電機能を発揮しないときに
おいて、同一回転速度で回転しようとする保持機能を発
揮するようにしている。第１１Ｂ図は、プレート２１０
の外周に設けられたリッジ２１０がストッパとして機能
する様子を説明する。即ち、同図に示すように、リッジ
２１０の一部は切り欠き２１１が設けられ、この切り欠
き部２１１の間を、サンギヤ側のプレート３００の一部
が第１１Ｂ図に示すように移動可能に設けられている。
即ち、サンギヤとして機能するプレート３００とリング
ギヤとして機能するプレート２１０とは互いに独立して
シャフト１００２回りに回動自在に設けられているけれ
ども、両プレートの回転位相のズレ限界は上記切り欠き
２１１の移動可能範囲内に抑えられているということで
ある。その理由は、本位相制御装置がエンジンのカムシ
ャフト軸の位相切換に用いられるのであるならば、位相
角度の進角量及び遅角量に自ずと限界を課すべきである
からである。

【００３４】従って、この切り欠き２１１及び上記スプ
リング３０２を設けたことによるプレート２１０，３０
０の動作を模式的に表すと、第１２図のようになる。即
ち、プレート３００は、プレート２１０に対して、エン
ジンが停止している状態（即ち、プレート２１０にトル
クが入力されていない状態）で、プレート３００がプレ
ート２１０に設けられた切り欠き部２１１の中間位置に
あるように、多段スプリング３０２のバネ係数、巻き線
数等が調整されている。

【００３５】〈発電機の動作〉第１０図は、カバー５０
０上に設けられたヨーク６０１ａ，６０１ｂ…の配置を
示す。第８図，第１０図を参照しながら、本位相制御装
置１０００に設けられた発電機の動作を説明する。第１
１Ｂ図及び第１２図を用いて説明したように、プレート
２１０，３００との間のズレは一定角度以内に限定され
ているから、プラネタリギヤとして機能するプレート２
１０がエンジン回転によって回転されると、プレート３
００も強制的に回転せしめられる。

【００３６】カバー５００に設けられたヨーク６０１及
びコイル６００は固定されているので、サンギヤとして
機能するプレート３００が回転すると、プレート３００
に固定されたマグネット３０４ａ，３０４ｂが発生する
磁力線はヨーク６０１内を通過するときに、変化する磁
界をコイル６００内に生成する。この磁界変化がコイル
６００内に誘起電圧を発生せしめて、その電圧はコイル
６００の両端に現れる。第１０図に示すように、各コイ
ルの両端は、一方はアースに、他方はスイッチング回路
に入力されている。従って、このスイッチング回路がＯ
Ｎすると、誘起電力は抵抗Ｒによって消費される。一
方、回路がＯＦＦであれば、誘起電力は熱として消費さ
れない。

【００３７】コイル６００に発電された誘起電力が消費
されないと、ヨーク６０１とマグネット３０４との間の
磁気エネルギーは飽和するので、固定されているヨーク
６０１はマグネット３０４に対する吸引力は低下し、従
って、ヨーク６０１は、サンギヤとして機能するプレー
ト３００に対して負荷トルクを発生するものとはならな
い。

【００３８】反対に誘起電力が抵抗Ｒによって熱として
放散されると、ヨーク６０１とマグネット３０４ａ，３
０４ｂとの間に吸引力が働き、サンギヤとして機能する
プレート３００には負荷トルクが印加されることにな
る。〈スプリングの機能〉第１３図は、スプリング３０
２に設定されたバネ係数と、出力を産むプレート１００
に対して、カムシャフト１００２から伝わってくるカム
反力との関係を示す。ここで、カム反力とは、カムシャ
フトが回転することによりカム（不図示）が吸気バルブ
（及び排気バルブ）のタペットを叩くことによって、そ
れらバルブのスプリングから反力として伝達されてくる
力のことであり、この反力は、プレート１００，２１
０，３００に対して負荷として機能する。

【００３９】第１３図において、このカム反力は当然の
ことながらカムシャフト回転数によって変化する。即
ち、カム反力はカムシャフト回転数が低いほど（即ち、
エンジン回転数が低いほど）大きい。第２実施形態のス
プリング３０２のバネ係数は、エンジン回転数が極低回
点数のとき（第１３図の例ではエンジン回転数で７００
ｒｐｍ（カムシャフト回転数で３５０ｒｐｍ）以下）に
おいて、スプリング３０２がカム反力に負けるように設
定する。スプリング３０２がカム反力に負けるエンジン
回転数領域では、このカム反力が、リングギヤとして機
能するプレート１００に負荷として働き、その結果、プ
レート１００の回転位相がプラネタリギヤとして機能す
るプレート２１０（エンジン回転に同期する）の回転よ
りも大きく遅れるようになり、即ち、最大遅角となるこ
とが予想される。

【００４０】エンジン回転数が極低い領域（７００ｒｐ
ｍ以下）でとはエンジンの始動時にあることから、着火
性や燃焼性を向上させることが要求されるが、そのよう
な運転領域では前述したように、スプリング３０２がカ
ム反力に負けるために、カムの位相角がクランク軸の回
転に対して最大遅れとなるので、良好な着火性や燃焼性
が維持されるのである。

【００４１】第２実施形態では、スプリング３０２をサ
ンギヤとして機能するプレート３００とプラネタリギヤ
として機能するプレート２１０との間に介在させてい
た。この理由は以下による。即ち、サンギヤのギヤ歯と
して機能するリッジ３０１の内径とプラネタリギヤとし
て機能するプラネタリギヤ２０１ａ，２０１ｂの内径と
を適当に設定すると、例えば減速比５：１が得られ、サ
ンギヤとして機能するプレート３００に働く反力が極め
て小さくなる。このために、スプリング３０２のバネ係
数を小さなものに設定できるので、スプリング３０２の
コイル線の太さを細くすることができる。即ち、カムシ
ャフト側で発生したトルク変動は１／５に減衰されて、
サンギヤとして機能するプレート３００に伝達され、さ
らには発電機に伝達される。換言すれば、スプリング３
０２をプレート３００とプレート２１０との間に介在さ
せることにより、 ： 出力（リングギヤ）としてのプレート１００の回
転を、入力（即ちプラネタリギヤ）としてのプレート２
１０の回転に同期させるのに必要となる発電機に発生さ
せるべき電力を少なくすることができるという効果と、 ： 出力（リングギヤ）としてのプレート１００の回
転の、入力（即ちプラネタリギヤ）として機能するプレ
ート２１０の回転に対する位相を所望の角度だけ進め或
いは遅らせるのに必要となる発電機に発生させるべき電
力を少なくすることができるという効果を生む。

【００４２】〈位相角の制御〉第１４図は、本位相制御
装置１０００の位相角制御を行うコントローラの構成を
示す。即ち、ＣＰＵは、同図に示すクランク角センサか
らクランク軸の回転位置を示す信号Ｎ_aと、カム角度セ
ンサ（シャフト１００２に設けられ、シャフト１００２
の回転位置を検出する）からの信号ＣAを入力する。Ｃ
ＰＵは、信号Ｎ_aに基づいてエンジン回転数を演算す
る。また、Ｃ_aに基づいてカムシャフト回転数を演算す
る。これらの回転数に基づいてスイッチング回路に入力
すべき信号DUTYのデューティ比を演算する。この信号DU
TYの特性を第１５図に示す。信号DUTYは、スイッチング
回路をＯＮさせる時間とＯＦＦさせる時間との比を規定
する。デューティ比が大きくなればなるほどスイッチン
グ回路をオンさせる時間が長くなり、従って、サンギヤ
として機能するプレート３００にはより大きな負荷トル
クがかかり、結果的に、カムシャフトの位相角は進角方
向により進む。反対に、デューティ比が小さくなればな
るほどスイッチング回路をＯＦＦさせる時間が長くな
り、従って、サンギヤとして機能するプレート３００に
かかる負荷トルクはより小さくなり、結果的に、カムシ
ャフトの位相角は遅角方向により進む。

【００４３】第２実施形態の位相制御装置のコントロー
ラに設定された信号DUTYの特性は同図に示すように、カ
ムシャフト回転数が３５０ｒｐｍ以上の領域において
は、エンジン回転数が高くなればなるほど、デューティ
比を下げる、即ち、位相角をより遅らせる方向にする。
また、前述したように、エンジン回転数が７００ｒｐｍ
以下（カムシャフト回転数が３５０ｒｐｍ以下）の領域
では遅角量を最大にする必要があるからデューティ比を
零、即ち、スイッチング回路は全くオンさせないことと
する。従って、同特性は、 DUTY＝０ （０ｒｐｍ＜Ｃ_a＜３５０ｒｐｍ） DUTY＝−ｋ・Ｃ_a ＋ ｍ （Ｃ_a≧３５０ｒｐｍ） とする。ここで、ｋは正の定数、ｍも所定の定数であ
る。

【００４４】第１６図は上記制御を実行したときに、進
角方向性に制御した場合と遅角方向に制御した場合の実
験結果の例を示す。進角方向の制御では、進角量零の状
態から目標進角量１０度に設定して制御したときに、約
０．３秒後に進角量２０度に達し、その後目標量１０度
に収束していった。一方、遅角方向の制御では、遅角量
零の状態から目標着目量１０度に設定して制御したとき
に、約０．３秒後に遅角量が１０度強に達し、その後、
目標量１０度に収束していった。

【００４５】尚、実際のエンジンでは、アクセルの操作
によってエンジン回転数が大きく変化する場合があり、
本位相制御装置もその変化に追随してカムシャフトの進
角量をダイナミックに制御しなければならない。前述の
第１５図に示したような回転数Ｃ_aに基づいたオープン
制御による制御信号DUTYの決定では実際のエンジン回転
数の回転数変化に追随できなくなる場合があるかも知れ
ないが、その場合には、信号DUTYの演算をフィードバッ
ク制御に変更する必要がある。この場合、クランク軸角
度に対するカムシャフト軸１００２の位相角度δを実際
に演算し、そのときの回転数に対する目標位相角度との
偏差に基づいて信号DUTYをフィードバック制御を行うよ
うにする。このフィードバック制御（信号をDUTY-FDと
する）は従であり、前述の第１５図の特性に基づいたオ
ープン制御によるDUTYの決定（信号量をDUTY-OPENとす
る）を主とする。即ち、 DUTY＝ｐ1・DUTY-OPEN ＋ ｐ2・DUTY-FD とする。ここで、ｐ1，ｐ2はｐ1＞ｐ2である定数であ
る。

【００４６】〈第３実施形態〉第２実施形態にかかる位
相制御装置１０００はオルタネータを用いてオルタネー
タを付勢したときにサンギヤに負荷トルクがかかる構成
とした。従って、オルタネータを積極的に制御するとい
っても、進角量のみを積極的に制御できるだけのことと
なり、遅角量を積極的に制御することは難しい。一方、
第１実施形態に関連して説明した第６図のＤＣモータを
用いた例では逆に積極的に進角制御を行うことが難しく
なる。第３実施形態は、進角方向制御も遅角方向制御も
積極的に行うことのできる位相制御装置２０００を開示
する。したがって、第３実施形態はこの目的のために正
逆両方向に回転可能なステッピングモータ（或いは多極
ＤＣモータあるいは多極ブラシレスＤＣモータ）を用い
る。

【００４７】第１７図に第３実施形態の原理形態を示
す。この第３実施形態は、回転可能なコイルとマグネッ
トとを有するモータを用いる。そして、第１実施形態，
第２実施形態と同じように、リングギヤ１０，プラネタ
リギヤ２０，サンギヤ３０の構成を有する。第３実施形
態に特徴的な構成は、コイルはプラネタリギヤ２０に同
期して回転し、マグネットはサンギヤ３０の回転に同期
するということである。そして、コイルに流す電流の方
向及び電流値を制御することにより、サンギヤ３０に正
トルク又は負のトルクを印加することにより、リングギ
ヤの回転位相角度を進角方向又は遅角方向に積極的に制
御するものである。

【００４８】第１７図の「モータ」は種々のモータを使
用することが可能である。「モータ」として、第１８Ａ
図はステッピングモータの使用例を、第１８Ｂ図は多極
ＤＣモータの使用例を、第１８Ｃ図は多極ブラシレスモ
ータの使用例を示している。第１９図は、第３実施形態
の位相制御装置２０００に、ステッピングモータを用い
たものである。尚、第１９図中の要素番号について、第
８図の（第２実施形態）の要素番号と同じものは同じ形
状の同じ部品或いは類似機能を発揮する部品を表す。

【００４９】第１９図の第３実施形態に特徴的なこと
は、ステップモータの一部であるコイル３５０ａ，３５
０ｂが、プラネタリギヤとして機能するプレート２１０
に固定され、ステッピングモータの一部であるマグネッ
ト７０１ａ，７１０ｂが、サンギヤとして機能するプレ
ート３００に固定されているということである。このた
めに、コイル３５０して，３５０ｂはプラネタリギヤと
一緒に回り、マグネット７０１ａ，７０１ｂはサンギヤ
と一緒に回る。

【００５０】コイル３５０ａ，３５０ｂに流すべき制御
信号は、通常のステッピングモータと同様に、時計回り
方向に１ステップ進行させる（或いは反時計回り方向に
１ステップ進行させる）ものである。換言すれば、ステ
ッピングモータの１つの回転方向（例えば時計回り方
向）はサンギヤに駆動力を与える回転方向であり、他の
回転方向（反時計回り方向）はサンギヤに負荷トルクを
与えることになる。

【００５１】このような制御信号をコイル３５０ａ，３
５０ｂに流すことにより、第３実施形態の位相制御装置
２０００では、位相角を積極的に進角化し、或いは遅角
化することができる。そのために、第２実施形態では必
要であったスプリングは第３実施形態では不要となる。 〈変形〉本発明は上記実施形態に限られることなく色々
と修正が可能である。

【００５２】例えば、本発明の位相制御装置はカムシャ
フトの位相機構のみに適用されるのではなく、およそ位
相角度の調整が必要なものであるならば適用可能であ
る。それは本発明が本質的に無段階で位相角度を調整で
きるためである。また、本発明はＤＯＨＣエンジンのみ
ならず、ＳＯＨＣエンジンなどのエンジンにも適用可能
である。

【００５３】また、プラネタリギヤ機構２０は、プラネ
タリギヤが２つのものと３つのものを説明したが、これ
らの限られず、用途に応じて、装置の大きさ、入力トル
クの容量等を勘案して、これ以上の数のギヤを使うこと
を考えるべきである。また、発電機と電動機の機能を合
わせ持つ同期電動機を用いることも可能である。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の位相制御
装置によれば、位相角度を任意に調整することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を３ギヤ構成のプラネタリギヤを有す
る実施形態（第１実施形態）の原理を説明する図。

【図２Ａ】 第１図の実施形態の動作原理を説明する
図。

【図２Ｂ】 第１図の実施形態の動作を説明するタイミ
ングチャート。

【図３】 第１実施形態における入力されるトルクと出
力されるトルクとの関係を説明する図。

【図４】 第１実施形態の具体例を説明する図。

【図５】 第１実施形態の具体例を説明する図。

【図６】 第５図装置の変形例を説明する図。

【図７】 本発明の位相制御装置が特に自動車のエンジ
ンに外づけ或いは後付けが可能であることを示す図。

【図８】 第２実施形態の位相制御装置１０００の構成
を示す図。

【図９】 第２実施形態の構成を示す分解図。

【図１０】 第２実施形態の装置に用いられている発電
機の一部を示す図。

【図１１Ａ】 第２実施形態に用いられるスプリングの
巻回の様子を説明する図。

【図１１Ｂ】 第２実施形態の制御装置における位相角
度リミット機構を説明する図。

【図１２】 第２実施形態におけるスプリング３０２の
動作を説明する図。

【図１３】 第２実施形態におけるスプリング３０２の
動作を説明する図。

【図１４】 第２実施形態等に用いられる位相制御のた
めのコントローラの構成を説明するブロック図。

【図１５】 図１４の制御動作を説明する図。

【図１６】 図１５の制御の実験結果を示すタイミング
チャート。

【図１７】 第３実施形態の構成を説明する図。

【図１８Ａ】 第３実施形態の変形例を説明する図。

【図１８Ｂ】 第３実施形態の変形例を説明する図。

【図１８Ｃ】 第３実施形態の変形例を説明する図。

【図１９】 第３実施形態の具体的構成を示す図。

【符号の説明】

１０…リングギヤ ２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…プラネタリギヤ ２１…支持フレーム ３０…サンギヤ ４０…プーリ ４１，４２…ベルト １００，２１０，３００…プレート １０１…ギヤ歯 １０２，３０１…リッジ ２０１ａ，２０１ｂ…プラネタリギヤ、 ２０２，２０３ａ，２０３ｂ，３０３…ギヤ歯 ２１１…切り欠き ３０２…スプリング ３０４ａ，３０４ｂ，７０１ａ，７０１ｂ…マグネット ５００…カバー ６００，３５０ａ，３５０ｂ…コイル ６０１ａ，６０１ｂ…ヨーク

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 個々に自転自在な複数のプラネタリギヤ
   の全体が第１の回転軸の周りに公転するように設けられ
   たプラネタリギヤ機構を有し、前記第１の回転軸に回転
   トルクを入力する入力部と、 前記第１の回転軸と同軸の第２の回転軸を有し、前記複
   数のプラネタリギヤと外側から歯合するところのリング
   ギヤの回転を出力する出力部と、 前記プラネタリギヤと内側から歯合し、前記第１の回転
   軸並びに第２の回転軸と同軸の第３の回転軸を有するサ
   ンギヤを有する位相調整部とを具備し、 前記位相調整部の前記サンギヤの前記第３の回転軸に負
   荷トルクもしくは駆動トルクを印加することにより、前
   記第１の回転軸並びに第２の回転軸の回転の角度位相差
   を制御することを特徴とする回転位相制御装置。
2. 【請求項２】 前記出力部は前記第２の回転軸から回転
   トルクを出力することを特徴とする請求項１に記載の回
   転位相制御装置。
3. 【請求項３】 前記位相調整部は、前記第３の回転軸に
   負荷トルクを伝達する発電機を有することを特徴とする
   請求項１に記載の回転位相制御装置。
4. 【請求項４】 前記位相調整部は、前記第３の回転軸に
   駆動トルクを伝達する電動モータを有することを特徴と
   する請求項１に記載の回転位相制御装置。
5. 【請求項５】 前記位相調整部は、前記第３の回転軸に
   駆動トルクを伝達する同期電動機を有することを特徴と
   する請求項１に記載の回転位相制御装置。
6. 【請求項６】 前記位相調整部は、前記第３の回転軸に
   直結する発電機または電動機を有することを特徴とする
   請求項１乃至５に記載の回転位相制御装置。
7. 【請求項７】 前記位相調整部は、前記第３の回転軸を
   ベルト駆動する電動機或いは発電機を有することを特徴
   とする請求項１乃至５に記載の回転位相制御装置。
8. 【請求項８】 前記位相調整部が負荷トルクか駆動トル
   クの一方のみを前記第３の回転軸に印加する場合に、そ
   の印加トルクと反対方向の回転トルクを付与するため
   に、前記プラネタリギヤと、前記リングギヤもしくは前
   記リングギヤとの間に設けられた部材をさらに有するこ
   とを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の記載
   の回転位相制御装置。
9. 【請求項９】 前記部材はリターンスプリングであるこ
   とを特徴とする請求項８に記載の記載の回転位相制御装
   置。
10. 【請求項１０】 前記リングギヤの第２の回転軸は、複
    数のリフト期間が設定されたカムのためのカムシャフト
    に結合されていることを特徴とする請求項１乃至９のい
    ずれかに記載の回転位相制御装置。
11. 【請求項１１】 位相角度の可変範囲をリミットするた
    めの機構を、前記リングギヤ、プラネタリギヤ、サンギ
    ヤのいずれか２つの間に設けたことを特徴とする請求項
    １乃至１０のいずれかに記載の回転位相制御装置。
12. 【請求項１２】 前記リターンスプリングはプラネタリ
    ギヤとサンギヤとの間に配設されたことを特徴とする請
    求項９に記載の回転位相制御装置。
13. 【請求項１３】 前記リターンスプリングは多段スプリ
    ングであって、そのバネ定数が入力トルクの回転数が零
    であるときに中間付勢状態にあるように設定されている
    ことを特徴とする請求項１２に記載の回転位相制御装
    置。
14. 【請求項１４】 前記位相調整部は負荷トルクもしくは
    駆動トルクを発生するために、デューティ制御を電動機
    もしくは発電機に行うことを特徴とする請求項３乃至６
    のいずれかに記載の回転位相制御装置。
15. 【請求項１５】 前記位相調整部は発電機を有する場合
    において、デューティ比を所定回転数以上において回転
    数に応じて小さくすることを特徴とする請求項１４に記
    載の回転位相制御装置。
16. 【請求項１６】 前記位相調整部は電導機を有する場合
    において、デューティ比を所定回転数以上において回転
    数に応じて大きくすることを特徴とする請求項１４に記
    載の回転位相制御装置。
17. 【請求項１７】 エンジンのカム機構に外づけ可能に接
    続する機構を有することを特徴とする請求項６に記載の
    回転位相制御装置。
18. 【請求項１８】 前記出力部の前記第２の回転軸の回転
    数を検出するセンサを有することを特徴とする請求項１
    乃至１７のいずれかに記載の回転位相制御装置。
19. 【請求項１９】 前記発電機は発電された電力を消費す
    る抵抗に電流を流すためのスイッチング素子を複数有す
    ることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載
    の回転位相制御装置。