JP6501804B2 - カム軸調節装置及びカム軸調節装置の調整を特定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のクランク軸とカム軸との間の位相角を調節すべく設けられたカム軸調節装置に関する。さらに本発明は、このようなカム軸調節装置の調整を検出可能な方法に関する。

調節可能なカム軸の位相を特定する方法は、例えば独国特許出願公開第１０２０１２２１３５３９号明細書（DE 10 2012 213 539 A1）において公知である。この方法の枠内では、一方では、内燃機関のカム軸に配置され、他方では、クランク軸に配置されている異なる測定装置が使用される。独国特許発明第１０１０８０５５号明細書（DE 101 08 055 C1）に開示された、クランク軸センサとカム軸センサとを有する内燃機関を制御する方法も、相応の形式で働く。

本発明の根底にある課題は、内燃機関のカム軸調節装置の調整を上述の従来技術に対して特に簡単かつロバストに特定し、内燃機関が停止しているときでも作動しているときでも、測定が可能であるようにすることである。

上記課題は、本発明により、請求項１の特徴を有するカム軸調節装置と、請求項１０に記載の、カム軸調節装置の調整を測定する方法、すなわち、内燃機関のカム軸とクランク軸との間の位相角を特定する方法とによって解決される。以下に測定方法と関連付けて説明する本発明の構成及び利点は、内容的に装置、すなわちカム軸調節装置にもいえるし、逆もまたしかりである。

カム軸調節装置は、自体公知の形式で内燃機関のクランク軸とカム軸との間の位相角の調節に用いられ、カム軸調節装置の調節モジュールは、アクチュエータ、特に電気モータ又は液圧式の要素を用いて操作可能である。

調節モジュールは、クランク軸によって例えばチェーン伝動装置又はベルト伝動装置を介して駆動可能な駆動要素と、駆動要素に対して相対的に制限された範囲で回動可能な、内燃機関のカム軸に堅固に結合される被動要素とを有している。カム軸は、内燃機関、例えばオットーエンジン又はディーゼルエンジンの吸気弁又は排気弁を操作すべく設けられていることができる。

内燃機関に位置固定に信号発生器が存在し、信号発生器に測定回路が誘導結合されている。測定回路は、全体として回転可能な調節モジュール内に統合されている。信号発生器及び測定回路を有する測定ユニットにより、少なくとも１つの振動回路が形成されている。測定回路の側、すなわち調節モジュール内に又は調節モジュールに接して存在する少なくとも１つの振動回路コンポーネントは、内燃機関のカム軸とクランク軸との間の位相角に依存する電気特性を有している。

これにより、カム軸調節装置の調整は、測定ユニットにより検出される。測定ユニットは、固定部分と回転部分とを有しており、専ら固定部分が、線路で結ばれた電流供給部を有している。回転部分は、互いに相対的に旋回可能な２つの構成群、すなわち、一方では、カム軸調節装置の駆動要素を有し、他方では、カム軸と、堅固にカム軸に結合されたコンポーネントとを有している。両構成群間に形成される角度を検出することは、カム軸調節装置の調整を検出することと同じ意味である。クランク軸の角度位置を把握することは、カム軸調節装置の調整を特定する上では不要であるが、任意選択的にこれを行っても構わない。

全体的に回転可能な調節モジュールの側に配置される、カム軸とクランク軸との間の位相角に依存する電気特性を有する振動回路コンポーネントは、可変のインダクタンスを有するコイルの形態で提供されていてもよい。これに加え又はこれとは異なり、調節モジュールは、可変の電気特性を有するキャパシタンス又は抵抗を有していてもよい。いずれにせよ、該当する構成部材の電気特性は、調節モジュールの駆動要素と被動要素との間の角度位置、すなわち、カム軸調節装置の調整に依存する。調節モジュール内に統合された単数又は複数の振動回路コンポーネントは、位置固定の信号発生器に反作用する。特に測定ユニットの位置固定のコイルと、回転するコイルとの間の結合強度は、周波数と、測定ユニットの回転部分上の、調整されたインダクタンスとに依存する。特に信号減衰及び位相の評価が可能である。調節モジュール側のインダクタンスの変化は、最も強い減衰が生じる周波数の変化につながる。これにより、測定ユニットの回転部分から測定ユニットの固定部分にフィードバックされる信号を検出することで、一義的にカム軸調節装置の調整を推定することができる。この推定は、内燃機関の運転時、すなわちカム軸の回転時にも、クランク軸の停止時にも、有効である。

技術的背景については、コンパクトなレゾルバ軸受を示す独国特許出願公開第１０２０１２２１５９５７号明細書（DE 10 2012 215 957 A1）、角度センサを有する転がり軸受装置に関する国際公開第２０１１／１３４９５５号（WO 2011/134955 A2）を参照されたい。さらに、技術的背景について、機械式のローラカウント機構の目盛り線を誘導式に走査する装置を開示する独国特許発明第１０２００８０３９３７６号明細書（DE 10 2008 039 376 B4）を参照されたい。

好ましい構成において、調節モジュールの側に配置されている測定回路は、直列に接続される２つのインダクタンスを有している。この場合、第１のインダクタンスは、カム軸調節装置の調整に依存する可変の特性を有している一方、第２のインダクタンスは、可変でなく、専ら測定回路と信号発生器との間の誘導結合のために用いられる。第２のインダクタンスと同様、信号発生器に割り当てられる位置固定のインダクタンスも、可変でない。位置固定のインダクタンスと、調節モジュールの側に配置される第２のインダクタンスとは、幾何学的に、好ましくは、測定ユニットの固定部分と回転部分との間の間隔又は該当部分間の偏心度の僅かな変化が振動回路の電気特性にほとんど影響を有しないように構成されている。このことは、例えば、上述の両コイルの一方が、他方のコイルより小さな直径を有することにより達成可能であり、その結果、大きなコイルに対して相対的な、小さなコイルの移動は、コイル間の結合にほとんど影響を有しない。

カム軸調節装置の調整に依存している電気特性を有する振動回路コンポーネント、特にコイル、電気抵抗又はキャパシタンスは、複数のサブコンポーネントから形成されていてもよい。第１のサブコンポーネントは、堅固に調節モジュールの駆動要素に結合されており、第２のサブコンポーネントは、堅固に調節モジュールの被動要素に結合されている。調節可能なコイルが、可変の特性を有する振動回路コンポーネントとされている場合、サブコンポーネントの一方が、電流を導くコンポーネントとして形成され、サブコンポーネントの他方が、電流を導かないコンポーネントとして形成されている。

可変のインダクタンスの第１の可能な構成において、電流を導くサブコンポーネントは、空間構造を有するコイルであり、電流を導かないサブコンポーネントは、このコイル内に進入し、コイルに対して相対的に旋回可能な鉄心である。

可変のインダクタンスの第２の可能な構成において、電流を導くサブコンポーネントは、略面状の構造、特に、いわゆるプリント回路として構成されているのに対し、電流を導かないサブコンポーネントは、例えばプリント回路又は装着済みプリント基板として存在するコイルに対して相対的に旋回可能な金属薄板リングであって、金属薄板リングの周方向で変化する幅を有する少なくとも１つの区分を有する金属薄板リングである。この場合、コイルと金属薄板リングとは、互いに平行な平面内に位置している。原則、コイルとして機能する通電可能な巻線を有する複合プリント回路板は、例えば欧州特許第２２２５８１６号明細書（EP 2 225 816 B1）において公知である。

好ましい構成において、カム軸調節装置のアクチュエータとして電気モータが設けられている。信号発生器に割り当てられる位置固定のインダクタンスは、好ましくは、電気モータのハウジングの端面に取り付けられている。アクチュエータとしての電気モータにより操作可能な調節モジュールは、好ましくは、３軸伝動装置（Ｄｒｅｉ−Ｗｅｌｌｅｎ−Ｇｅｔｒｉｅｂｅ）として形成されており、可変の電気特性を有する振動回路コンポーネントは、好ましくは、３軸伝動装置の伝動装置ハウジングの、電気モータに面した端面に配置されている。

本発明に係る方法により、互いに旋回可能、互いに回転可能な２つの要素間、すなわち、調節モジュールの駆動要素及び被動要素間の角度が、上述の両要素が互いに回転しているか否かにかかわらず、かつ場合によっては、どの回転数で回転しているかにかかわらず、測定可能であるという事実は、特に有利である。回転可能な要素の、測定ユニットの位置固定の部分から検出可能な特性は、専ら、両回転可能な要素相互の角度位置に依存しているが、これらの回転可能な要素からなるユニット全体の角度位置又は運動状態には依存していない。

以下に、本発明の複数の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。

電動式のアクチュエータと、クランク軸とカム軸との間の位相角を測定する装置とを備えるカム軸調節装置を示す図である。 図１に示したユニットに適した調節可能なインダクタンスの様々な実施の形態を示す図である。 図１に示したユニット用の振動回路の回路変化形態を示す図である。 図１に示したユニット用の振動回路の回路変化形態を示す図である。 図１に示したユニット用の振動回路の回路変化形態を示す図である。

図１にカム軸調節装置を示し、全体に符号１を付した。カム軸調節装置１の基本的な機能性については、独国特許出願公開第１０２００８０３９００９号明細書（DE 10 2008 039 009 A1）及び独国特許出願公開第１０２０１１０８３８００号明細書（DE 10 2011 083 800 A1）を例として示すので、参照されたい。

カム軸調節装置１は、アクチュエータ２、すなわち、位置固定のハウジング３を有する電気モータと、３軸伝動装置（Ｄｒｅｉ−Ｗｅｌｌｅｎ−Ｇｅｔｒｉｅｂｅ）として形成されている調節モジュール４（調節伝動装置ともいう）とを備えている。符号５を付した軸は、電気モータ２のモータ軸及び調節モジュール４の調節軸に堅固に結合されているか、又はこれらのモータ軸及び伝動装置軸の少なくとも一方の軸と同一である。調節モジュール４の駆動要素６として歯車が機能する。この歯車は、調節モジュール４の伝動装置ハウジング７と堅固に結合されている。調節モジュール４の、符号８を付した被動要素は、堅固に内燃機関のカム軸に結合されており、駆動要素６の回転数でもって、軸５も同じ回転数で回転する限りにおいて回転する。これに対して、軸５の回転数が駆動要素６の回転数と異なるとき、被動要素８は、高減速比で調節される。この調節動作は、図示しない同じ内燃機関のクランク軸に対するカム軸の位相角の調節をなしている。調節伝動装置４は、例えば回転斜板伝動装置（Ｔａｕｍｅｌｓｃｈｅｉｂｅｎｇｅｔｒｉｅｂｅ）又はハーモニックドライブ（Ｗｅｌｌｇｅｔｒｉｅｂｅ）として構成されている。

電気モータ２のハウジング３には、全体として符号９を付した信号発生器のコンポーネントが取り付けられている。図１には、信号発生器コイル１０を略示してある。信号発生器コイル１０のインダクタンスは、Ｌ_０である（図３乃至５参照）。信号発生器コイル１０は、電気モータ２の、調節モジュール４に面した端面に存在している。信号発生器９の別のコンポーネントは、例えばハウジング３内又は別の箇所に、カム軸調節装置１を有する内燃機関に対して相対的に位置固定に存在し得る。

誘導結合は、信号発生器コイル１０と、調節モジュール４内に統合されている測定回路１１との間で提供されており、測定回路１１のうち、図１には、伝送コイル１２が看取可能である。図１に示した簡略図において、伝送コイル１２は、信号発生器コイル１０の半径方向内側に存在している。信号発生器コイル１０及び伝送コイル１２は、互いに隣接する平面内に存在していてもよい。いずれにしても、上述のコイル１０，１２間の間隔は、精々数ミリメートルである。

図１に示したカム軸調節装置１内に統合可能な信号発生器９及び測定回路１１の可能な構成を図３乃至５に示した。これらの構成により、振動回路が実現されており、いずれにしても、カム軸調節装置１の固定部分のみへの、線路で結ばれた電流供給が予定されている。電気エネルギは、その都度、周波数発生器１３により供給される。周波数発生器１３は、信号発生器９の一部であり、数ｋＨｚ乃至ＭＨｚオーダの可変の電気信号を発生させる。信号発生器９と測定回路１１との間の結合は、符号ｋを付した双方向矢印で示してある。

図３に示した実施例において、信号発生器９は、信号発生器コイル１０に加えて、キャパシタンスＣを有するコンデンサ１４を有している。これにより、既に完全な振動回路が形成されている。この振動回路の特性は、ともに測定回路１１により影響を及ぼされる。測定回路１１は、伝送コイル１２に加えて調節コイル１５を有している。調節コイル１５のインダクタンスは、第１のインダクタンスＬ_１といい、伝送コイル１２のインダクタンスは、第２のインダクタンスＬ_２という。第１のインダクタンスＬ_１の量は、調節モジュール４の駆動要素６と被動要素８との間の角度位置、すなわちカム軸調節装置１の調整に依存している。これについては、図２を参照しながらさらに詳細に説明する。結合ｋに基づいて、測定回路１１と信号発生器９との間で、カム軸調節装置１の調整に依存するフィードバックが提供されている。特に、信号発生器コイル１０を有する振動回路内で、周波数に依存する減衰が確認でき、最も強い減衰が生じる周波数は、測定回路１１の電気特性、特に第１のインダクタンスＬ_１の量に依存している。

図４に示した測定ユニットは、周波数発生器１３を有する電流回路が、別個の構成部材としてのキャパシタンスを有しない一方、その代わりにコンデンサ１６が測定回路１１の一部である点で、測定ユニット３とは相違している。さらに、図３に示した実施例と同様、伝送コイル１２及び調節コイル１５が、図４に示したカム軸調節装置１の調整を測定するユニットのコンポーネントである。

図５に示した実施例は、図３及び図４に示した実施例の特徴を組み合わせたものであり、信号発生器コイル１０あるいは伝送コイル１２を有する電流回路内に存在する、キャパシタンスＣ_０あるいはＣ_１を有するコンデンサ１７，１８を有している。

図３乃至５に示した構造形態の各々において、調節コイル１５が、カム軸とクランク軸との間の位相角に依存する電気特性を有する振動回路コンポーネントとして設けられている。これとは異なり、例えばキャパシタンスＣ，Ｃ_１又は測定回路１１内の図示しない抵抗が、調節モジュール４の駆動要素６と被動要素８との間の回動角に依存する電気特性を有していてもよい。測定回路１１の複数のコンポーネントが調節可能となっており、カム軸調節装置１の調整に依存する１つの信号が測定ユニットの複数の位置固定のコンポーネントにフィードバックされる実施の形態も、実現可能である。

図２は、調節コイル１５の３つの可能な変化形態を示している。これらの調節コイル１５は、図１に示したカム軸調節装置１に選択的に組み込み可能であり、図３乃至５に示した回路レイアウトの各々に統合可能である。調節コイル１５は、いずれにしても、電流を導くコンポーネント１９（狭義のコイル）を第１のサブコンポーネントとして有し、電流を導かないコンポーネント２０を、第１のサブコンポーネント１９の特性に影響を及ぼす第２のサブコンポーネントとして有している。

調節コイル１５の、図２上図に示した構造形態の場合、電流を導く第１のコンポーネント１９は、電流を導かないコンポーネント２０としての旋回可能な鉄心２１が進入する空間構造を有するコイルである。この場合、サブコンポーネント１９，２０は、堅固にカム軸調節装置１の駆動要素６あるいは被動要素８に結合されており、その結果、サブコンポーネント１９，２０間の角度は、上述の要素６，８間の角度、ひいてはカム軸調節装置１の調整を表している。図２上図に示した簡略図とは異なり、電流を導くコンポーネント１９は、複数の個々のコイルの形態で実現されていてもよい。これらのコイル内には、それぞれ１つの別個の鉄心２１が進入可能であり、すべての鉄心２１からなるユニットは、第２のサブコンポーネント２０を形成している。

対応する機能性を、調節コイル１５の、図２中図に示した構造形態も有している。この場合、調節コイル１５の、電流を導くコンポーネント１９、すなわち狭義のコイルは、プリント回路として実現されている。これにより、略一平面内に位置する第１のサブコンポーネント１９は、金属薄板リング２２に対して平行に配置されている。金属薄板リング２２は、鉄心２１と同様、電流を導かない第２のコンポーネント２０として機能する。金属薄板リング２２は、４つのセグメント２３を有している。これらのセグメント２３は、互いに移行するように、それぞれ９０゜にわたって延在し、金属薄板リング２２の周方向で変化するそれぞれ１つの幅を有している。セグメント２３は、４つの個別コイル２４と協働する。４つの個別コイル２４は、相俟って、調節コイル１５の、プリント回路として形成される電流を導くコンポーネント１９を形成する。調節コイル１５のこの構造形態は、カム軸調節装置１の軸方向で特にフラットな構造、ひいては、調節モジュール４の、アクチュエータ２に面した端面における極めて小さな所要スペースの点で優れている。

調節コイル１５の、図２下図に示した構造形態は、単一の、電流を導くコンポーネント１９しか有していない。この単一の、電流を導くコンポーネント１９は、電流を導かないコンポーネント２０のくさび体２５と協働する。この場合、電流を導くコンポーネント１９、すなわち個別コイル２４は、全体としてリング形の、電流を導かないコンポーネント２０のくさび体２５の半径方向外側に存在する。図示の構造形態とは異なり、複数、例えば４つ又は６つの個別コイル２４を設け、これらの個別コイル２４が、例えば最大９０゜あるいは最大６０゜の角度にわたって延在するそれぞれ１つのくさび体２５に対向するようにしてもよい。

Ｃ キャパシタンス
Ｃ_０ キャパシタンス
Ｃ_１ キャパシタンス
ｋ 結合
Ｌ_０ インダクタンス
Ｌ_１ インダクタンス
Ｌ_２ インダクタンス
１ カム軸調節装置
２ アクチュエータ、電気モータ
３ ハウジング
４ 調節モジュール
５ 軸
６ 駆動要素
７ 伝動装置ハウジング
８ 被動要素
９ 信号発生器
１０ 信号発生器コイル
１１ 測定回路
１２ 伝送コイル
１３ 周波数発生器
１４ コンデンサ
１５ 調節コイル
１６ コンデンサ
１７ コンデンサ
１８ コンデンサ
１９ 電流を導くコンポーネント、第１のサブコンポーネント
２０ 電流を導かないコンポーネント、第２のサブコンポーネント
２１ 鉄心
２２ 金属薄板リング
２３ セグメント
２４ 個別コイル
２５ くさび体

Claims (10)

1. 内燃機関のクランク軸とカム軸との間の位相角を調節するカム軸調節装置（１）であって、
   アクチュエータ（２）と、
   調節モジュール（４）と、
   を備え、前記調節モジュール（４）は、前記クランク軸により駆動可能な駆動要素（６）と、前記駆動要素（６）に対して制限された範囲で回動可能な、前記カム軸に堅固に連結すべく設けられた被動要素（８）とを有する、
   カム軸調節装置（１）において、
   インダクタンス（Ｌ_０）を有し、前記内燃機関に位置固定に配置される信号発生器（９）と、
   前記信号発生器（９）に誘導結合され、前記調節モジュール（４）内に統合される測定回路（１１）であって、前記位相角に依存する電気特性を有する少なくとも１つの振動回路コンポーネント（１５）を有する測定回路（１１）と、
   を特徴とする、カム軸調節装置（１）。
2. 前記位相角に依存する電気特性を有する振動回路コンポーネント（１５）として第１のインダクタンス（Ｌ_１）が設けられている、請求項１に記載のカム軸調節装置（１）。
3. 前記第１のインダクタンス（Ｌ_１）に対して直列に第２のインダクタンス（Ｌ_２）が接続されており、前記第２のインダクタンス（Ｌ_２）は可変でなく、専ら前記第２のインダクタンス（Ｌ_２）は、測定回路（１１）と信号発生器（９）との間の結合のために設けられている、請求項２に記載のカム軸調節装置（１）。
4. 前記駆動要素（６）には、前記振動回路コンポーネント（１５）の第１のサブコンポーネント（１９，２０）が堅固に結合されており、前記被動要素（８）には、前記振動回路コンポーネント（１５）の第２のサブコンポーネント（２０，１９）が堅固に結合されている、請求項１から３までのいずれか１項に記載のカム軸調節装置（１）。
5. 前記サブコンポーネント（１９，２０）の一方が、電流を導くコンポーネント（１９）として形成され、前記サブコンポーネント（１９，２０）の他方が、電流を導かないコンポーネント（２０）として形成されている、請求項４に記載のカム軸調節装置（１）。
6. 前記電流を導くサブコンポーネント（１９）は、空間構造を有するコイルとして形成され、前記電流を導かないサブコンポーネント（２０）は、前記コイル内に進入し、前記コイルに対して相対的に旋回可能な鉄心（２１）として形成されている、請求項５に記載のカム軸調節装置（１）。
7. 前記電流を導くサブコンポーネント（１９）は、プリント回路の形態で実現されるコイルとして形成され、前記電流を導かないサブコンポーネント（２０）は、前記コイルに対して相対的に旋回可能な、前記コイルに対して平行に配置される金属薄板リング（２２）として形成されており、前記金属薄板リング（２２）は、周方向で変化する幅を有する、請求項５に記載のカム軸調節装置（１）。
8. 前記アクチュエータ（２）として電気モータが設けられており、位置固定のインダクタンス（Ｌ_０）が前記電気モータのハウジングに取り付けられている、請求項１から７までのいずれか１項に記載のカム軸調節装置（１）。
9. 前記調節モジュール（４）は、３軸伝動装置として形成されており、可変の特性を有する前記振動回路コンポーネント（１５）は、前記３軸伝動装置の伝動装置ハウジング（７）の端面に配置されている、請求項８に記載のカム軸調節装置（１）。
10. 内燃機関のクランク軸とカム軸との間の位相角を調節するように形成されたカム軸調節装置（１）の調整を測定する方法であって、
    前記内燃機関に対して相対的に位置固定に配置されるインダクタンス（Ｌ_０）に信号を加え、
    前記インダクタンス（Ｌ_０）に信号を加えることで、前記カム軸調節装置（１）の回転可能なコンポーネントにより完全に形成されている測定回路（１１）との誘導結合が生じ、前記測定回路（１１）の電気特性は、前記カム軸調節装置（１）の調整に依存しており、
    前記位置固定のインダクタンス（Ｌ_０）により、フィードバックされた前記カム軸調節装置（１）の調整に依存する信号を受ける、
    ことを特徴とする、方法。

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