JP5606363B2 - エンジン始動用電磁スイッチ、スタータ、及びエンジン始動方法 - Google Patents

Description

この発明は、エンジンを始動するためのスタータに用いられるエンジン始動用電磁スイッチ、スタータ、及びエンジン始動方法に関する。

従来のスタータは、電磁スイッチの電磁力によりレバーを回動させてピニオンギアを押し出し、そのピニオンギアをエンジンのリングギアに当接させて噛み合わせている。ここで用いられる電磁スイッチは、励磁コイルへの通電によりプランジャをコア側に吸引することで、電磁エネルギを機械的直線運動へ変換している（例えば、特許文献１参照）。

また、電磁スイッチのプランジャの可動範囲であるストロークに対する吸引力は、吸着位置側に近づくに従い吸引力が上昇する特性となって現れることが知られている（例えば、特許文献１の図５、及び特許文献２の図４参照）。

さらに、この電磁スイッチの吸引力の特性を改善するために、吸引力を一定に保つ電磁スイッチも提案されている（例えば、特許文献３、特許文献４の図３参照）。特許文献４に示すような電磁スイッチでは、吸引力がストロークに依存せず、電流制御によって吸引力が調整される。

特開２００４−１９０５００号公報 特開２０１０−１７７４５９号公報 特開平８−３３０１３１号公報 特開平１０−６１８１１号公報

しかしながら、上記の特許文献１，２に示すような従来装置では、動き始めの吸引力が最も低いために、応答性が悪いという課題があった。これに加えて、上記の特許文献１，２に示すような従来装置では、吸着位置側に近づくに従い吸引力が上昇する特性から、プランジャが加速され、ピニオンギアとリングギアとが当接する際に、増加した吸引力によって、衝撃音が比較的大きくなるという課題があった。

また、上記の特許文献４に示すような従来装置では、上記の課題を解決するために、励磁コイルに流れる電流を制御する電流制御手段を用いている。このため、製造コストが増加するといった課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、製造コストを抑えつつ、応答性を向上させることができるとともに、衝撃音を低減させることができるエンジン始動用電磁スイッチ、スタータ、及びエンジン始動方法を得ることを目的とする。

この発明のエンジン始動用電磁スイッチは、コアと、前記コアと同軸上に配置され、前記コアに対して変位可能に設けられたプランジャと、通電により吸引力を発して前記プランジャを前記コア側へ吸引する励磁コイルとを備え、スタータに設けられるものであって、前記吸引力の特性は、前記プランジャが前記コアに吸着される位置である吸着位置と、前記吸着位置から前記コアの軸方向に間隔をおいた位置である初期位置との間を前記プランジャの可動範囲とするストロークにおいて、前記吸引力の特性は、前記ストロークの前記初期位置側から前記吸着位置側へ向かって低下して極小点に達して、前記極小点から前記吸着位置側へ向かって上昇するような特性である。

この発明のエンジン始動用電磁スイッチによれば、吸引力の特性が、ストロークの初期位置側から吸着位置側へ向かって低下するような特性であるので、電流制御手段が不要であることにより製造コストを抑えつつ、ストロークの初期位置で比較的大きな吸引力が生じることにより応答性を向上させることができるとともに、プランジャの加速が抑えられることにより衝撃音を低減させることができる。

この発明の実施の形態１によるスタータを示す構成図である。 図１のソレノイドを拡大して示す断面図である。 図２の円筒状の突出部の内部空間に円柱状のコアが入り込む場合の模式図である。 磁性体のＢ−Ｈ曲線を示すグラフである。 初期位置での磁束の流れを説明するための説明図である。 吸引力低下時の磁束の流れを説明するための説明図である。 吸着位置付近での磁束の流れを説明するための説明図である。 図１のソレノイドのストロークに対する吸引力の変化を示すグラフである。 この発明の実施の形態２によるソレノイドのコア及びプランジャの構造の一例を示す断面図である。 この発明の実施の形態３によるソレノイドのコア及びプランジャの構造の一例を示す断面図である。 この発明の実施の形態４によるソレノイドのコア及びプランジャの構造の一例を示す断面図である。 この発明の実施の形態５によるソレノイドのコア及びプランジャの構造の一例を示す断面図である。 この発明の実施の形態６によるソレノイドのコア及びプランジャの構造の一例を示す断面図である。 この発明の実施の形態７によるソレノイドのコア及びプランジャの構造の一例を示す断面図である。 この発明の実施の形態８によるソレノイドのコア及びプランジャの構造の一例を示す断面図である。 この発明の実施の形態９によるソレノイドのコア及びプランジャの構造の一例を示す断面図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるスタータを示す構成図である。
スタータ１は、ピニオンギア２、スタータモータ３、レバー４、及び電磁スイッチ（エンジン始動用電磁スイッチ）５を有している。また、スタータ１の動作は、スタータ制御装置又はエンジン制御装置（いずれも図示せず）によって制御される。

ピニオンギア２は、エンジンのクランク軸に設けられたリングギア６に対して、接近・開離する方向へ変位可能である。また、ピニオンギア２は、スタータモータ３の駆動力によって回転される。さらに、ピニオンギア２は、レバー４の一端部に接続されている。また、ピニオンギア２は、レバー４の回動に伴って、リングギア６に対して接近・開離する方向へ変位される。さらに、ピニオンギア２は、リングギア６に接近してリングギア６に当接した際に（当接位置に到達した際に）、そのリングギア６と噛み合う。

レバー４は、電磁スイッチ５から外力を受けて回動駆動される。ここで、ピニオンギア２がリングギア６と噛み合っている状態で、ピニオンギア２がスタータモータ３の駆動力によって回転されることによって、エンジンがクランキングされる。

図２は、図１の電磁スイッチ５を示す断面図である。図２において、電磁スイッチ５は、筒状の励磁コイル１１、ヨーク１２、筒状の案内部材１３、コア１４、円柱状のプランジャ１５、及びスプリング１６を有している。励磁コイル１１は、電流が流れることにより、磁界を発生させる。ヨーク１２は、磁性体によって形成されている。また、ヨーク１２は、磁路を形成するために、励磁コイル１１の外形を覆うように構成されている。

案内部材１３は、非磁性体によって形成されている。また、案内部材１３は、励磁コイル１１の内周面全体と径方向で重なるように、励磁コイル１１の内側に配置されている。さらに、案内部材１３は、ヨーク１２に固定されている。また、案内部材１３は、プランジャ１５の変位を案内する。コア１４は、磁性体によって形成されている。また、コア１４は、励磁コイル１１及び案内部材１３の内側に配置されており、ヨーク１２に固定されている。

プランジャ１５は、磁性体によって形成されている。また、プランジャ１５は、案内部材１３の内側でかつコア１４と同軸上に配置されている。さらに、プランジャ１５は、コア１４に対して接近・開離する方向へ変位可能に設けられ、励磁コイル１１が通電された際に、コア１４側に吸引されて、コア１４に吸着される。ここで、プランジャ１５がコア１４に吸着される位置である吸着位置と、吸着位置からコア１４の軸方向に間隔をおいた位置である初期位置との間が、プランジャ１５の可動範囲であるストロークとなっている。

スプリング１６の形状は、螺旋状である。また、スプリング１６は、コア１４の側面を囲むように配置され、ヨーク１２に取り付けられている。さらに、スプリング１６は、反コア１４側へ向けたばね力をプランジャ１５に加える。即ち、スプリング１６は、プランジャ１５を初期位置側へ向けて付勢している。

さらに、プランジャ１５のコア１４側の端部の外周部には、コア１４へ向けて円筒状に突出する突出部１５ａが（例えば切削により）設けられている。突出部１５ａの内周面は、プランジャ１５がコア１４に吸着される際に、コア１４の外周面との間でギャップをあけて対向するように配置されている。即ち、コア１４及びプランジャ１５は、プランジャ１５がコア１４に吸着される際に、突出部１５ａの内部空間（空洞）にコア１４が入り込むように構成されている。

ここで、コア１４の直径は、コア１４のプランジャ１５側の端面と、プランジャ１５の被吸着面（突出部１５ａの内部空間の奥面）とによるギャップのパーミアンスが、突出部１５ａのパーミアンスよりも大きくなる程度の径（例えば２０ｍｍ）である。

突出部１５ａは、プランジャ１５の動作中に磁気飽和が発生するように、径方向の厚み及び部材の両方が設定されている（例えば、径方向の厚み２ｍｍと材質Ｓ１５Ｃ）。なお、磁気飽和は、磁束密度の上昇に伴って発生するため、寸法及び部材のいずれか一方で定まるものではない。また、突出部１５ａ及びコア１４のそれぞれの寸法について径と表記しているが、突出部１５ａは必ずしも円筒状である必要はなく、コア１４も必ずしも円柱状である必要はない。

次に、磁気飽和による吸引力の低下の原理について説明し、実施の形態１の電磁スイッチ５の動作について説明する。まず、吸引力は次式のように示される。

但し、Ｐはパーミアンス、μは透磁率、Ｓは磁路断面積、ｌは磁路長、Ｆは吸引力、Ｕは起磁力、ｘはストロークである。

図３は、図２の円筒状の突出部１５ａの内部空間に円柱状のコア１４が入り込む場合の模式図である。突出部１５ａのパーミアンスが十分に大きいとすると、吸引力は、突出部１５ａの内周面とコア１４の外周面との間のギャップのパーミアンスから次式のように示すことができる。

但し、μ_０は真空の透磁率であり、Ｄはコア１４の直径であり、δはギャップ距離である。
上記の式では、ストロークに関する項がない。このため、突出部１５ａに磁気飽和が発生しない場合は、例えば特許文献３，４のように吸引力が一定に保たれるソレノイドとなる。これに対して、実施の形態１では、突出部１５ａの内部空間で磁気飽和が起こるようにした。図４に磁性体のＢ−Ｈ曲線を示す。磁束密度Ｂ及び透磁率μは、Ｂ＝μＨの関係で示されるため、曲線の傾きと一致する。また、Ｈは磁界の強さである。図４に示すように、磁束密度が上昇し磁気飽和に近くなると傾きμ１となり、磁路のパーミアンスが低下するので吸引力は低下する。以上が磁気飽和による吸引力の低下の概要である。

次に、実施の形態１の電磁スイッチ５の動作について説明する。図５は、初期位置での磁束の流れを説明するための説明図である。図６は、吸引力低下時の磁束の流れを説明するための説明図である。図７は、吸着位置付近での磁束の流れを説明するための説明図である。図８は、図１の電磁スイッチ５のストロークに対する吸引力の変化を示すグラフである。

図５に示すように、初期位置では、励磁コイル１１によって発生した磁束がコア１４のプランジャ１５側の端面又は外周面（側面）から突出部１５ａに流れ込む。ここでは、突出部１５ａの磁束密度は低いため、得られる吸引力は大きくなる。そして、図６に示すように、プランジャ１５の変位が進むにつれ、コア１４の外周面から突出部１５ａに磁束が流入するようになり、突出部１５ａの磁束密度が上昇して磁気飽和を起こす。このため、吸引力が低下する。

この後に、プランジャ１５の変位が進むと、図７に示すように、コア１４の端面とプランジャ１５の奥面とによるギャップのパーミアンスが、磁気飽和している突出部１５ａのパーミアンスよりも大きくなり、これまで流れていなかったコア１４の端面とプランジャ１５の奥面との間に磁束が流れはじめて吸引力が上昇する。よって、図８に示すように、吸引力の特性を、ストロークの初期位置側から吸着位置側へ向かって低下してストロークの当接位置よりも初期位置側で極小点に達して、その極小点から吸着位置側へ向かって上昇するような特性とすることができる。

以上のような実施の形態１によれば、吸引力の特性が、ストロークの初期位置側から吸着位置側へ向かって低下するような特性であるので、電流制御手段が不要であることにより製造コストを抑えつつ、ストロークの初期位置で比較的大きな吸引力が生じることにより応答性を向上させることができる。これとともに、プランジャ１５の加速が抑えられることにより衝撃音を低減させることができる。

また、当接位置よりも初期位置側で極小値に達するような特性であることにより、ピニオンギア２がリングギア６に当接する際の吸引力、及びプランジャ１５の速度を小さくすることができ、当接時の衝撃音を抑制することができる。

ここで、特許文献１，２に示すような従来装置では、ピニオンギア２及びリングギア６の噛み合い性を向上させるために、プランジャを軸方向に強く吸着する必要があり、ストローク全体で吸引力を強める必要があった。これに対して、実施の形態１では、ストロークの極小値以降となる吸着位置付近で、吸着位置側に近づくに従い吸引力が上昇する特性となることから、強い吸着力でプランジャ１５を保持することができる。この結果、ピニオンギア２及びリングギア６の噛み合い性を向上させることができる。

また、一般的なスタータでは、エンジンルームの高温時に電磁コイルの抵抗値が低温時に比べて上昇するため、電磁コイルの吸引力が低下してしまい、電流制御をしなければ、スタータの動作が不安定になる場合がある。特に、エンジン始動再始動システムでは、スタータの使用頻度が比較的高いため、このようなスタータの動作の不安定化を抑制する必要がある。これに対して、実施の形態１では、初期位置における吸引力がストローク内で最も高いため、電流制御をすることなく、スタータ１の動作の不安定化を抑制することができる。

実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２によるソレノイドのコア２４及びプランジャ２５の構造の一例を示す断面図である。図９において、実施の形態２のコア２４の形状は、円筒状である。実施の形態２のプランジャ２５の先端部（図９の左端）には、円柱状の挿入部２５ａが設けられている。

挿入部２５ａの外径は、コア２４の内径及びプランジャ２５の基端部（図９の右端）の外径よりも小さい。また、挿入部２５ａの軸方向の長さ寸法は、コア２４の内部空間に挿入可能な寸法である。これにより、プランジャ２５がコア２４に吸着される際に、プランジャ２５の挿入部２５ａがコア２４の内部空間に挿入される。

実施の形態２における他の構成は、実施の形態１と同様であり、コア２４に挿入可能な挿入部２５ａをプランジャ２５に設けても、形成される磁路に変化はないため、実施の形態２の構成でも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３によるソレノイドのコア３４及びプランジャ３５の構造の一例を示す断面図である。この実施の形態３では、図１０に示すように、プランジャ３５における円筒状の突出部３５ａの基端部分に環状の切り欠き部３５ｂが形成されている。

実施の形態３における他の構成は、実施の形態１と同様であり、ギャップを通る磁路は変わらないため、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、切り欠き部３５ｂの形状に応じて、突出部３５ａの磁束密度を調整可能となるので、ストロークに対する吸引力の極小値を任意に設定することができる。

実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４によるソレノイドのコア４４及びプランジャ４５の構造の一例を示す断面図である。この実施の形態４では、図１１に示すように、円筒状の突出部４５ａの内周面が基端側（図１１の右側）から先端側（図１１の左側）へ向けて先細になるように傾斜している。

実施の形態４における他の構成は、実施の形態１と同様であり、ギャップを通る磁路は変わらないため、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、突出部４５ａの内周面の傾斜状態に応じて、突出部４５ａの磁束密度を調整可能となるので、ストロークに対する吸引力の極小値を任意に設定することができる。

実施の形態５．
図１２は、この発明の実施の形態５によるソレノイドのコア５４及びプランジャ５５の構造の一例を示す断面図である。この実施の形態５では、図１２に示すように、コア５４の外周面（側面）に段差が設けられている。実施の形態５における他の構成は、実施の形態１と同様であり、ギャップを通る磁路は変わらないため、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、段差の形状に応じて、突出部５５ａの磁束密度を調整可能となるので、ストロークに対する吸引力の極小値を任意に設定することができる。

実施の形態６．
図１３は、この発明の実施の形態６によるソレノイドのコア６４及びプランジャ６５の構造の一例を示す断面図である。この実施の形態６では、図１３に示すように、コア６４の外周面がプランジャ６５側から反プランジャ６５側へ向けて先細になるように傾斜している。実施の形態６における他の構成は、実施の形態１と同様であり、ギャップを通る磁路は変わらないため、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、コア６４の外周面の傾斜状態に応じて突出部６５ａの磁束密度を調整可能となるので、ストロークに対する吸引力の極小値を任意に設定することができる。

実施の形態７．
図１４は、この発明の実施の形態７によるソレノイドのコア７４及びプランジャ７５の構造の一例を示す断面図である。この実施の形態７では、図１４に示すように、円筒状のコア７４の内周面には、先端側と基端側とで内径が変化するように段差が形成されている。

実施の形態７における他の構成は、実施の形態２と同様であり、ギャップを通る磁路は変わらないため、実施の形態１，２と同様の効果を得ることができる。また、コア７４の内周面の段差の形状に応じて、コア７４の先端部の磁束密度を調整可能となるので、ストロークに対する吸引力の極小値を任意に設定することができる。

実施の形態８．
図１５は、この発明の実施の形態８によるソレノイドのコア８４及びプランジャ８５の構造の一例を示す断面図である。この実施の形態８では、図１５に示すように、円筒状のコア８４の内周面が基端側から先端側へ先細になるように傾斜している。

実施の形態８における他の構成は、実施の形態２と同様であり、ギャップを通る磁路は変わらないため実施の形態１，２と同様の効果を得ることができる。また、コア８４の内周面の傾斜状態に応じて、コア８４の先端部の磁束密度を調整可能となるので、ストロークに対する吸引力の極小値を任意に設定することができる。

実施の形態９．
図１６は、この発明の実施の形態９によるソレノイドのコア９４及びプランジャ９５の構造の一例を示す断面図である。この実施の形態９では、図１６に示すように、コア９４におけるプランジャ９５側の端面の外周部に、プランジャ９５へ向けて突出する円筒状の突出部９４ａが設けられている。また、プランジャ９５におけるコア９４側の端面には、環状の溝９５ａが形成されている。即ち、コア９４及びプランジャ９５は、プランジャ９５がコア９４に吸着される際に、溝９５ａの内部空間に突出部９４ａが入り込むように構成されている。

実施の形態９における他の構成は、実施の形態２と同様であり、ギャップを通る磁路は変わらないため実施の形態１，２と同様の効果を得ることができる。また、コア９４及びプランジャ９５の形状に応じて、突出部９４ａの磁束密度を調整可能となるので、ストロークに対する吸引力の極小値を任意に設定することができる。

１ スタータ、２ ピニオンギア、３ スタータモータ、４ レバー、５ 電磁スイッチ、６ リングギア、１１ 励磁コイル、１２ ヨーク、１３ 案内部材、１４ コア、１５ プランジャ、１５ａ 突出部、１６ スプリング、２４ コア、２５ プランジャ、２５ａ 挿入部、３４ コア、３５ プランジャ、３５ａ 突出部、３５ｂ 切り欠き部、４４ コア、４５ プランジャ、４５ａ 突出部、５４ コア、５５ プランジャ、５５ａ 突出部、６４ コア、６５ プランジャ、６５ａ 突出部、７４ コア、７５ プランジャ、８４ コア、８５ プランジャ、９４ コア、９４ａ 突出部、９５ プランジャ、９５ａ 溝。

Claims (9)

1. コアと、
   前記コアと同軸上に配置され、前記コアに対して変位可能に設けられたプランジャと、
   通電により吸引力を発して前記プランジャを前記コア側へ吸引する励磁コイルと
   を備え、スタータに設けられるエンジン始動用電磁スイッチであって、
   前記吸引力の特性は、前記プランジャが前記コアに吸着される位置である吸着位置と、前記吸着位置から前記コアの軸方向に間隔をおいた位置である初期位置との間を前記プランジャの可動範囲とするストロークにおいて、前記吸引力の特性は、前記ストロークの前記初期位置側から前記吸着位置側へ向かって低下して極小点に達して、前記極小点から前記吸着位置側へ向かって上昇するような特性である
   ことを特徴とするエンジン始動用電磁スイッチ。
2. 前記吸引力の特性は、前記ストロークにおける前記スタータのピニオンギアがリングギアに当接する当接位置よりも前記初期位置側で、前記極小点に達するような特性である
   ことを特徴とする請求項１記載のエンジン始動用電磁スイッチ。
3. 前記プランジャ及び前記コアのいずれか一方は、その他方へ向けて軸方向に沿って突出する突出部を有している
   ことを特徴とする請求項２記載のエンジン始動用電磁スイッチ。
4. 前記プランジャ及び前記コアは、前記プランジャの変位中に前記突出部で磁気飽和が生じるように構成されている
   ことを特徴とする請求項３記載のエンジン始動用電磁スイッチ。
5. 前記コアは、前記吸着位置での前記突出部との間のギャップのパーミアンスが前記コアの径方向よりも前記コアの軸方向に大きくなるように構成されている
   ことを特徴とする請求項４記載のエンジン始動用電磁スイッチ。
6. 前記コアの形状は、筒状であり、
   前記プランジャは、前記コアに吸着される際に前記コアの内部空間に挿入される挿入部を有している
   ことを特徴とする請求項２記載のエンジン始動用電磁スイッチ。
7. 前記プランジャ及び前記コアは、前記プランジャの変位中に前記コアの前記プランジャの前記初期位置側の端部で磁気飽和が生じるように構成されている
   ことを特徴とする請求項６記載のエンジン始動用電磁スイッチ。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のエンジン始動用電磁スイッチと、
   エンジンのクランク軸に設けられたリングギアに対して変位可能に設けられ、前記リングギアに回転駆動力を伝達するためのピニオンギアと、
   前記エンジン始動用電磁スイッチの前記プランジャと前記ピニオンギアとを繋ぐレバーと、
   前記ピニオンギア及び前記リングギアを介して前記クランク軸に回転駆動力を与えるスタータモータと
   を備えることを特徴とするスタータ。
9. 請求項８記載のスタータを用いたエンジン始動方法であって、
   前記コイルを通電させて前記プランジャを前記コア側へ変位させて、前記ピニオンギアを前記リングギア側へ移動させることにより、前記ピニオンギアを前記リングギアに噛み合わせるステップと、
   前記スタータモータを駆動させて、前記ピニオンギア及び前記リングギアを介して前記クランク軸に回転駆動力を与えるステップと
   を含むことを特徴とするエンジン始動方法。

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