(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、
エンジンを始動させる電動機と、
前記電動機及び前記電源に電気的に接続された接点部、前記接点部に一端部が接続されたプランジャ、及び前記プランジャを往復移動させて前記接点部を開閉する駆動コイルを有し、前記接点部が閉路されることにより前記電源から前記電動機に電力を供給し、前記電動機を始動させるメインスイッチと、
前記駆動コイル及び前記電源に電気的に接続され、前記電源から前記駆動コイルに電力を遮断又は供給して前記駆動コイルに前記接点部を開閉させる補助スイッチとを備え、
前記補助スイッチは、外部からの始動信号の入力に基づいて動作信号を出力する制御回路部と、前記電源及び前記駆動コイルに電気的に接続され、前記動作信号の入力によりスイッチングする半導体リレー部とを有し、
前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量及び前記半導体リレー部における電位に基づく電気信号を出力する電気出力部を有し、
前記制御回路部は、前記電気信号の入力に基づいて前記電動機の通電による発熱量を計算して前記通電されている間に発生した全熱量を積算し、前記電動機の近傍に設けられ雰囲気温度を測定する温度センサにより検知した温度信号の入力に基づいて、前記電動機から放出される熱量を計算し、前記全熱量から前記放出される熱量を差し引いて残存熱量を算出するようになっており、
前記残存熱量が所定の値を超えると前記動作信号の出力を停止するようになっていることを特徴とする始動用電動機装置。
【請求項２】
前記制御回路部及び前記半導体リレー部は、電気絶縁性のケースに一括収納されていることを特徴とする請求項１に記載の始動用電動機装置。
【請求項３】
前記プランジャの他端部に一端部が係止し、前記プランジャの往復移動により回動するシフトレバーと、
前記電動機に連結され、前記シフトレバーの他端部が当接される当接部及びエンジンに連結しているリングギアに噛合するとともに前記シフトレバーの回動により軸線方向に往復移動するピニオンを有する軸方向移動体とを備え、
前記プランジャの移動により前記ピニオンが前記リングギアに完全に噛合したときに前記接点部が閉路されるようになっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の始動用電動機装置。
【請求項４】
前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量に基づく電流信号を出力する電気出力部を有し、
前記制御回路部は、前記エンジンの着火により前記電動機の負荷変動が小さくなって、前記制御回路部に入力された前記電流信号の変動がほとんど無くなると、前記動作信号の出力を停止するようになっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の始動用電動機装置。
【請求項５】
前記制御回路部は、前記電気信号の入力に基づいて前記電動機に通電される電流量を計算し、前記電動機に通電される電流量が所定の値を超える状態が所定時間以上続くと、前記動作信号の出力を停止するようになっていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の始動用電動機装置。
【請求項６】
前記制御回路部は、前記動作信号を多数のパルス信号として出力し、前記半導体リレー部が前記パルス信号に応じてスイッチングすることにより、前記駆動コイルに通電される電流をＰＷＭ制御することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の始動用電動機装置。
【請求項７】
前記半導体リレー部及び前記電源の間、又は前記半導体リレー部及び前記駆動コイルの間に電気的にヒューズが介在していることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載の始動用電動機装置。
【請求項８】
前記半導体リレー部は、前記電動機に接触固定された良熱伝導性の部材に接触していることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載の始動用電動機装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば自動車のエンジンを始動させる始動用電動機装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常、エンジンの始動は、電動機の駆動力をエンジンに連結されたリングギアに伝達させて行う。このリングギアに電動機の駆動力を伝達する手段として、駆動コイルの電磁吸引力を利用してシフトレバーを移動させてシフトレバーが当接する軸方向移動体に設けられたピニオンを移動させ、このピニオンをリングギアに噛合させることによりエンジンを始動させる方法が用いられる。
【０００３】
また、主に大型ディーゼル用のエンジンを始動させる為には、大きな回転トルクが必要である。従って、ピニオンギアあるいはリングギアに大きな回転トルクが加わる。この時、ピニオンギア及びリングギアが不完全な噛合の場合に電動機からの全力トルクをピニオンあるいはリングギアが受けるとピニオンギアあるいはリングギアが破損する可能性がある。このことから、主に大型ディーゼル用エンジン等の始動用電動機装置には補助スイッチが設けられており、この補助スイッチを介してメインスイッチを動作させることにより、ピニオンギアあるいはリングギアが破損することを防止している。即ち、ピニオンギア及びリングギアが完全に噛合してからメインスイッチの接点を閉じることにより、始動用電動機装置が全力トルクを発生する。
【０００４】
図９は、従来の始動用電動機装置の構成を示す要部断面図であり、図１０は、図９の外観を示す側面図である。また、図１１は、従来の始動用電動機装置の結線図である。これら図において、始動用電動機装置１０１は、電源であるバッテリ１０２と、エンジンを始動させる電動機１０３と、バッテリ１０２及び電動機１０３の間でバッテリ１０２からの電力供給の開閉を行うメインスイッチ１０７と、このメインスイッチ１０７の開閉のためにメインスイッチ１０７に電力供給のスイッチングする補助スイッチ１０８とを備えている。メインスイッチ１０７は、電動機１０３及びバッテリ１０２に電気的に接続された接点部１０４、この接点部１０４に一端部が接続されたプランジャ１０５、及びこのプランジャ１０５を往復移動させて接点部１０４を開閉する駆動コイル１０６を有し、接点部１０４が閉路されることによりバッテリ１０２から電動機１０３に電力を供給するようになっている。補助スイッチ１０８は、駆動コイル１０６及びバッテリ１０２に電気的に接続され、バッテリ１０２から駆動コイル１０６に電力を遮断又は供給して駆動コイル１０６に接点部１０４を開閉させるようになっている。
【０００５】
補助スイッチ１０８は、バッテリ１０２及び駆動コイル１０６に電気的に接続された補助接点部１０９と、この補助接点部１０９を開閉させる補助駆動コイル１１０とを有している。補助駆動コイル１１０は、外部からの始動信号を出力するキースイッチ１１１を介してバッテリ１０２の正極に電気的に接続されている。また、補助駆動コイル１１０は、接地された保護リレー１１２に電気的に接続されており、保護リレー１１２はエンジンが着火して回転駆動しているときには開路状態となるようになっている。エンジンが着火しているかどうかは、エンジンに連結しているオルタネータ等の回転数を検知し、設定した所定の回転数（例えば、４００ｒｐｍ）を超えるかどうかによって判断するようになっている。即ち、この所定の回転数を超えたときに、エンジンが着火していると判断し、保護リレー１１２が開路状態になる。補助接点部１０９は、バッテリ１０２の正極に電気的に接続されたバッテリ側補助固定電極１０９ａと、駆動コイル１０６に電気的に接続された駆動コイル側補助固定電極１０９ｂと、補助駆動コイル１１０の通電により往復移動してバッテリ側補助固定電極１０９ａ及び駆動コイル側補助固定電極１０９ｂに接離する補助可動電極１０９ｃとを有している。
【０００６】
また、補助スイッチ１０８は、図１２に示すように、取付部１２０を有した金属製のケース１２１に補助接点部１０９及び補助駆動コイル１１０が収納されて構成されている。この補助スイッチ１０８は、通常、メインスイッチ１０７近傍のブラケットに取付部１２０をねじ１２２で螺着することにより取り付けられている。
【０００７】
メインスイッチ１０７の接点部１０４は、バッテリ１０２の正極に電気的に接続されたバッテリ側固定電極１０４ａと、電動機１０３の内部コイルに電気的に接続された電動機側固定電極１０４ｂと、往復移動してバッテリ側固定電極１０４ａ及び電動機側固定電極１０４ｂに接離するメイン可動電極１０４ｃとを有している。メイン可動電極１０４ｃは、プランジャ１０５の一端部１０５ａに絶縁固定されており、メイン可動電極１０４ｃからプランジャ１０５を介して漏電しないようになっている。駆動コイル１０６は、電動機１０３の内部コイルに電気的に接続されたプルインコイル１０６ａと、接地されたホールドコイル１０６ｂとを有している。この駆動コイル１０６に通電されて発生した電磁吸引力によりプランジャ１０５が移動して接点部１０４が閉路するようになっている。
【０００８】
電動機１０３は、内部コイルである互いに電気的に接続されたフィールドコイル１０３ａ（固定子巻線）及びアマチュアコイル１０３ｂ（電機子巻線）を有し、フィールドコイル１０３ａが電気的に電動機側固定電極１０４ｂ及びプルインコイル１０６ａに接続され、アマチュアコイル１０３ｂが接地されている。このフィールドコイル１０３ａ及びアマチュアコイル１０３ｂに通電されることにより、電動機１０３のアマチュアシャフト１０３ｃが回転するようになっている。
【０００９】
バッテリ１０２は、正極がキースイッチ１１１、接点部１０４のバッテリ側固定電極１０４ａ及び補助接点部１０９のバッテリ側補助固定電極１０９ａに電気的に接続され、負極が接地されている。
【００１０】
また、始動用電動機装置１０１は、図９に示すように、プランジャ１０５の他端部１０５ｂに一端部１１３ａが係止し、プランジャ１０５の往復移動により支点１２３を中心に回動するシフトレバー１１３と、電動機１０３のアマチュアシャフト１０３ｃに減速用ギアを介して連結され、シフトレバー１１３の他端部１１３ｂが当接される当接部１１４及びエンジンに連結しているリングギア１１６に噛合するとともにシフトレバー１１３の回動により軸線方向に往復移動するピニオン１１５を有する軸方向移動体１１７とを備えている。
【００１１】
当接部１１４は、シフトレバー１１３の他端部１１３ｂの電動機１０３側に設けられたカラー部１１４ａと、ピニオン１１５側に設けられた一方向クラッチであるオーバランニングクラッチ１１８の側面１１４ｂとから構成されている。シフトレバー１１３の他端部１１３ｂは、オーバランニングクラッチ１１８の側面１１４ｂに当接してこの側面１１４ｂをリングギア１１６に向かって押圧するようになっている。この押圧により、側面１１４ｂがピニオン１１５とともにリングギア１１６に向かって移動し、それとともにオーバランニングクラッチ１１８がアマチュアシャフト１０３ｃの回転力をピニオン１１５に伝達するようになっている。また、逆に他端部１１３ｂがカラー部１１４ａに当接してカラー部１１４ａを電動機１０３側に向かって押圧することにより、リングギア１１６に噛合していたピニオン１１５を電動機１０３に向かって移動させ、リングギア１１６との噛合を外すようになっている。
【００１２】
このような構成の始動用電動機装置１０１は、エンジンを始動する際に、キースイッチ１１１をＯＮにすると、バッテリ１０２から補助駆動コイル１１０に電力が供給されて補助駆動コイル１１０が励磁される。この励磁により補助接点部１０９の補助可動電極１０９ｃがバッテリ側補助固定電極１０９ａ及び駆動コイル側補助固定電極１０９ｂに向かって移動し接触する。この接触により補助接点部１０９は閉路状態となり、メインスイッチ１０７の駆動コイル１０６が通電状態となる。このとき、プルインコイル１０６ａを流れた電流は電動機１０３のフィールドコイル１０３ａ及びアマチュアコイル１０３ｂにも流れている。従って、この段階で電動機１０３のアマチュアシャフト１０３ｃは回転し始めるが、プルインコイル１０６ａによってバッテリ１０２から供給された電力が一部消費されるので、その回転速度は小さい。
【００１３】
プルインコイル１０６ａ及びホールドコイル１０６ｂに電流が流れると、これらプルインコイル１０６ａ及びホールドコイル１０６ｂはそれぞれ励磁され電磁吸引力が発生する。この電磁吸引力によりプランジャ１０５とともにメイン可動電極１０４ｃがバッテリ側固定電極１０４ａ及び電動機側固定電極１０４ｂに向かって移動する。このプランジャ１０５の移動は、図９においては、左方向への移動であり、従って、この他端部１０５ｂに係止されたシフトレバー１１３の一端部１１３ａもプランジャ１０５とともに左方向に向かって移動する。シフトレバー１１３は支点１２３に回動自在に設けられているので、その一端部１１３ａが左方向に移動すると、他端部１１３ｂは右方向に移動する。
【００１４】
シフトレバー１１３の他端部１１３ｂが右方向に移動すると、当接部１１４を構成するオーバランニングクラッチ１１８の側面１１４ｂに他端部１１３ｂが当接しつつ右方向に押圧する。このことにより、電動機１０３のアマチュアシャフト１０３ｃの回転がピニオン１１５に伝達するとともにこのピニオン１１５が軸線方向にリングギア１１６に向かって移動する。
【００１５】
ピニオン１１５及びリングギア１１６はともに歯車であるので、ピニオン１１５がリングギア１１６に向かって移動すると互いの側面に当たって完全に噛合しない場合がある。このような状態では、シフトレバー１１３の他端部１１３ｂが完全に右方向に移動していないため、一端部１１３ａが係止しているプランジャ１０５も完全には左方向に移動していない。従って、図１１における接点部１０４のメイン可動電極１０４ｃはバッテリ側固定電極１０４ａ及び電動機側固定電極１０４ｂに接触することはなく、接点部１０４が閉路状態になることはない。従って、アマチュアシャフト１０３ｃはゆっくりとした回転を保ち、この回転がピニオン１１５に伝達しているので、ピニオン１１５がゆっくり回転することにより衝撃が少なく完全に噛合することができる。
【００１６】
ピニオン１１５がリングギア１１６に完全に噛合すると、接点部１０４のメイン可動電極１０４ｃはバッテリ側固定電極１０４ａ及び電動機側固定電極１０４ｂに接触し、接点部１０４が閉路状態となる。これにより、バッテリ１０２から接点部１０４を介して電動機１０３のフィールドコイル１０３ａ及びアマチュアコイル１０３ｂに電力が供給されアマチュアシャフト１０３ｃが全力回転する。また、接点部１０４が閉路状態となると、プルインコイル１０６ａの両端の電位差がなくなるため、プルインコイル１０６ａに電流が流れなくなるが、接地されたホールドコイル１０６ｂに電流が流れ続けるので、接点部１０４の閉路状態は保持される。
【００１７】
エンジンが着火して回転駆動し始めると、キースイッチ１１１をＯＦＦ状態にしてメインスイッチ１０７の駆動コイル１０６への電力供給を遮断する。電力供給が遮断された駆動コイル１０６は電磁吸引力がなくなりプランジャ１０５が、図９での右方向に移動して元の状態に戻る。この移動により、ピニオン１１５はシフトレバー１１３の回動により左方向に移動してリングギア１１６との噛合が外れ、接点部１０４は開路状態になり電動機１０３のアマチュアシャフト１０３ｃの回転が停止する。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、補助スイッチ１０８は、導電性金属で作製された補助接点部１０９、補助駆動コイル１１０及び磁束集中させるための鉄心等の金属製の部品が多く用いられ、重量が大きくなる傾向にある。従って、この補助可動電極１０９ｃを駆動するのに多くの電力を消費してしまい、効率的にエンジン始動をすることができないという問題点があった。
【００１９】
また、このように補助駆動コイル１１０に多くの電流を流すため、キースイッチ１１１により補助駆動コイル１１０への通電を遮断すると大きなサージ電圧が補助駆動コイル１１０に発生し、例えばエンジンのコントロールユニット等のバッテリ１０２に接続された電子部品に悪影響を与える虞があるという問題点があった。
【００２０】
また、保護リレー１１２は始動用電動機装置１０１の故障を防止するための安全装置であるため、取り付ける必要があるがこれを取り付けるために新たにスペースが必要となり、補助スイッチ１０８と一体化するにも結線等をする手間がかかり、小型化にも限界があるという問題点があった。
【００２１】
そこでこの発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするもので、補助スイッチを小型化して効率的なエンジン始動等を可能とする始動用電動機装置を得ることを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る始動用電動機装置は、電源と、エンジンを始動させる電動機と、前記電動機及び前記電源に電気的に接続された接点部、前記接点部に一端部が接続されたプランジャ、及び前記プランジャを往復移動させて前記接点部を開閉する駆動コイルを有し、前記接点部が閉路されることにより前記電源から前記電動機に電力を供給し、前記電動機を始動させるメインスイッチと、前記駆動コイル及び前記電源に電気的に接続され、前記電源から前記駆動コイルに電力を遮断又は供給して前記駆動コイルに前記接点部を開閉させる補助スイッチとを備え、前記補助スイッチは、外部からの始動信号の入力に基づいて動作信号を出力する制御回路部と、前記電源及び前記駆動コイルに電気的に接続され、前記動作信号の入力によりスイッチングする半導体リレー部とを有し、前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量及び前記半導体リレー部における電位に基づく電気信号を出力する電気出力部を有し、前記制御回路部は、前記電気信号の入力に基づいて前記電動機の通電による発熱量を計算して前記通電されている間に発生した全熱量を積算し、前記電動機の近傍に設けられ雰囲気温度を測定する温度センサにより検知した温度信号の入力に基づいて、前記電動機から放出される熱量を計算し、前記全熱量から前記放出される熱量を差し引いて残存熱量を算出するようになっており、前記残存熱量が所定の値を超えると前記動作信号の出力を停止するようになっている。
【００２３】
また、前記制御回路部及び前記半導体リレー部は、電気絶縁性のケースに一括収納されている。
【００２４】
また、前記プランジャの他端部に一端部が係止し、前記プランジャの往復移動により回動するシフトレバーと、前記電動機に連結され、前記シフトレバーの他端部が当接される当接部及びエンジンに連結しているリングギアに噛合するとともに前記シフトレバーの回動により軸線方向に往復移動するピニオンを有する軸方向移動体とを備え、前記プランジャの移動により前記ピニオンが前記リングギアに完全に噛合したときに前記接点部が閉路されるようになっている。
【００２６】
また、前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量に基づく電流信号を出力する電気出力部を有し、前記制御回路部は、前記エンジンの着火により前記電動機の負荷変動が小さくなって、前記制御回路部に入力された前記電流信号の変動がほとんど無くなると、前記動作信号の出力を停止するようになっている。
【００２７】
また、前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量及び前記半導体リレー部における電位に基づく電気信号を出力する電気出力部を有し、前記制御回路部は、前記電気信号の入力に基づいて前記電動機に通電される電流量を計算し、前記電動機に通電される電流量が所定の値を超える状態が所定時間以上続くと、前記動作信号の出力を停止するようになっている。
【００２８】
また、前記制御回路部は、前記動作信号を多数のパルス信号として出力し、前記半導体リレー部が前記パルス信号に応じてスイッチングすることにより、前記駆動コイルに通電される電流をＰＷＭ制御するようになっている。
【００２９】
また、前記半導体リレー部及び前記電源の間、又は前記半導体リレー部及び前記駆動コイルの間に電気的にヒューズが介在している。
【００３０】
また、前記半導体リレー部は、前記電動機に接触固定された良熱伝導性の部材に接触している。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態について説明するが、従来例のものと同一又は同等部材、部位は、同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る始動用電動機装置の結線図である。図１において、始動用電動機装置１は、半導体リレー部３と、この半導体リレー部３に電気的に接続された制御回路部４とを有した補助スイッチ２を備えている。半導体リレー部３は、トランジスタ等が用いられたスイッチング部５を有しており、例えばＭＯＳ  ＦＥＴではゲート電極Ｇが制御回路部４に、ドレイン電極Ｄがバッテリ１０２に、ソース電極Ｓが駆動コイル１０６にそれぞれ電気的に接続されている。制御回路部４は、アース端子Ｅから接地され、またスイッチ端子ＳＷから外部のキースイッチ１１１に電気的に接続されており、キースイッチ１１１の閉路動作による始動信号の入力に基づいてドレイン電極Ｄ及びソース電極Ｓ間のスイッチングをする動作信号であるゲート電圧をＭＯＳ  ＦＥＴに出力するようになっている。
【００３２】
図２は、この発明の実施の形態１に係る始動用電動機装置の補助スイッチの外形を示す斜視図であり、図３は、図２の補助スイッチの内部構成を示す破断斜視図である。図において、補助スイッチ２は、制御回路部４が搭載された基板６と半導体リレー部３とが一括収納されたケース７を有している。ケース７は、内部に空間を有するように形成された良熱伝導性の金属部材８と樹脂９とが一体形成されたものである。金属部材８は外壁に同一材質の取付部８ａを有しており、この取付部８ａは樹脂９に密着せずに露出している。また、ケース７内面においても一部が樹脂９に密着せずに露出している。半導体リレー部３は基板６に接続固定されており、この半導体リレー部３がアルミ製のヒートシンク１０及び電気絶縁性のセラミック板１１を介してケース７内面の金属部材８が露出した部分に接着固定されている。さらに、ケース７内部の半導体リレー部３のドレイン電極Ｄ及びソース電極Ｓ、制御回路部４のスイッチ端子ＳＷ及びアース端子Ｅがケース７の外部回路に電気的に接続できるように、ケース７外壁にこれらドレイン電極Ｄ、ソース電極Ｓ、スイッチ端子ＳＷ及びアース端子Ｅが露出して固定されている。このような補助スイッチ２は、図４に示すように、メインスイッチ１０７の外壁に取付部８ａが接触した状態でねじ１２２により固定されている。他の構成は従来例と同様であり、その説明は省略する。
【００３３】
このような構成の始動用電動機装置１は、キースイッチ１１１が閉路動作すると、制御回路部４にバッテリ１０２から電流が流れる。この通電が始動信号として働き、この始動信号の入力に基づき半導体リレー部３のスイッチング部５に動作信号を出力する。動作信号はゲート電圧であり、ドレイン電極Ｄ及びソース電極Ｓ間のスイッチングをする。この後の動作は従来例と同様である。
【００３４】
従って、補助スイッチ２は、従来に比べて半導体リレー部３、制御回路部４を搭載した基板６等といった小型で軽い部品で構成できるので、補助スイッチ２の小型軽量化をすることができる。
【００３５】
また、補助スイッチ２のスイッチング動作は、従来のようにコイルの励磁により接点を移動させる必要はないので、消費する電力が少なく電動機１０３にバッテリ１０２の電力をより多く供給することができ、効率的にエンジンを始動させることができる。また、従来のように補助駆動コイルがないのでサージ電圧が発生せず、バッテリ１０２に接続された電子部品への悪影響も無くなる。
【００３６】
また、半導体リレー部３はヒートシンク１０を介して金属部材８に接触したセラミック板１１に設けられているので、半導体リレー部３から金属部材８への漏電が防止されるとともに、半導体リレー部３で発生した熱がヒートシンク１０、セラミック板１１及び金属部材８を伝達して外気及びメインスイッチ１０７近傍のブラケットの外壁に放出される。
【００３７】
なお、制御回路部４に通電される電流が小さいので、キースイッチ１１１によらなくても、例えばタッチスイッチのような微弱電流にしか適応できないスイッチも用いることができる。
【００３８】
また、半導体リレー部３は微弱な電圧で動作可能であるので、キースイッチ１１１の閉路動作によるバッテリ１０２からの通電によらないで、例えばエンジンのコントロールユニットのような他の制御装置から微弱電圧等を始動信号として半導体リレー部３に直接入力させることもできる。
【００３９】
また、仮に、図５に示すように、半導体リレー部３のスイッチング部５が駆動コイル１０６を介してバッテリ１０２の正極に電気的に接続しているような構成とすると、図１におけるプルインコイル１０６ａの通電の制御ができず、駆動コイル１０６はホールドコイル１０６ｂのみの構成となってしまう。このような構成でもエンジンを始動させることはできるが、プルインコイル１０６ａによって電動機１０３のアマチュアシャフト１０３ｃをゆっくり回転させることができず、ピニオン１１５とリングギア１１６との噛合が円滑に行われない虞がある。また、従来の始動用電動機装置１０１は駆動コイル１０６はプルインコイル１０６ａ及びホールドコイル１０６ｂを有しているので、このような駆動コイル１０６を有するメインスイッチ１０７に適用できる補助スイッチ２のほうが互換性等の観点から都合がよい。従って、図１に示すように半導体リレー部３をバッテリ１０２の正極及び駆動コイル１０６の間に電気的に介在させる構成とするのが望ましい。
【００４０】
また、制御回路部４は、動作信号であるゲート電圧をスイッチング部５にパルス信号として出力し、半導体リレー部３のスイッチング部５がパルス信号に応じてスイッチングするようになっている構成としてもよい。スイッチング部５がトランジスタ等の半導体であるため、スイッチング部５はパルス信号のような動作速度の大きい制御にも適応することができる。このようなスイッチング動作が可能となったことにより、メインスイッチ１０７の駆動コイル１０６に通電される電流をＰＷＭ制御することができる。駆動コイル１０６の通電電流をＰＷＭ制御することにより、駆動コイル１０６で消費される電力を抑えて電磁吸引力を小さくし、プランジャ１０５の移動速度を小さくすることができる。従って、プランジャ１０５の移動に連動して移動するピニオン１１５の移動速度も小さくなり、ピニオン１１５とリングギア１１６との衝突による衝撃を小さくできる。
【００４１】
さらに、接点部１０４が閉路状態のときは、駆動コイル１０６の電磁吸引力は接点部１０４の閉路動作時のようにプランジャ１０５を吸引して移動させるほど大きくする必要はなく、接点部１０４の閉路状態を保持できる程度の吸引力でよいので、このときはさらにＰＷＭ制御により駆動コイル１０６の消費電力を小さくできる。このことにより、駆動コイル１０６の発熱を抑えることができ、またその分、電動機１０３に電力を多く供給でき効率的にエンジンを始動できる。
【００４２】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係る始動用電動機装置の構成を示す結線図である。図６において、補助スイッチ２の半導体リレー部３は、例えばＭＯＳ  ＦＥＴであるスイッチング部５と、このスイッチング部５に接続され、スイッチング部５のドレイン電極Ｄ及びソース電極Ｓの間を流れる電流の大きさ及びドレイン電圧を検知して電気信号を出力する電流電圧検出回路である電気出力部２０とを有している。この電気出力部２０は、スイッチング部５及び制御回路部４それぞれに電気的に接続されている。また、電動機１０３の近傍（例えば、補助スイッチ２のケース７内部）には、温度センサが設けられており、電動機１０３の雰囲気温度を測定して温度信号を制御回路部４に出力するようになっている。
【００４３】
制御回路部４は、以下のようにして電動機１０３のフィールドコイル１０３ａ及びアマチュアコイル１０３ｂに流れる電流の大きさを計算するようになっている。図７は、駆動コイル１０６に通電されているが、まだメインスイッチ１０７の接点部１０４が閉路していない補助回転の状態での等価回路である。図６及び図７において、制御回路部４にはあらかじめ、プルインコイル１０６ａのＰコイル抵抗Ｒｐ、ホールドコイル１０６ｂのＨコイル抵抗Ｒｈ、及び電動機１０３のフィールドコイル１０３ａ及びアマチュアコイル１０３ｂの合成抵抗である電動機内部抵抗Ｒｓｔの値が記憶されている。
【００４４】
ここで、バッテリ１０２の内部抵抗及び起電力をそれぞれＲｂ及びＶ０、バッテリ１０２の正極から接点部１０４のバッテリ側固定電極１０４ａまでの配線（Ｂ回路配線）抵抗をＲ１、バッテリ１０２の正極から制御回路部４のスイッチ端子ＳＷまでの配線（Ｓ回路配線）抵抗をＲ２、制御回路部４の基板インピーダンスをＲ３としている。また、図７に示される等価回路で示される補助回転状態におけるスイッチング部５のドレイン電圧をＶｄ１、このスイッチング部５のドレイン電極Ｄ及びソース電極Ｓ間を流れる電流量をＩ１としている。
【００４５】
まず、Ｐコイル抵抗Ｒｐ、Ｈコイル抵抗Ｒｈ及び電動機内部抵抗Ｒｓｔの合成抵抗Ｒ０を記憶されたデータを用いて式（１）により計算する。
Ｒ０＝（Ｒｐ＋Ｒｓｔ）×Ｒｈ／（Ｒｐ＋Ｒｓｔ＋Ｒｈ）…（１）
また、図７の等価回路から式（２）及び式（３）が導かれる。
Ｖ０  ＝（Ｒｂ＋Ｒ１＋Ｒ０）×Ｉ１…（２）
Ｖｄ１＝Ｒ０×Ｉ１…（３）
さらに、式（２）及び式（３）から、式（４）が導かれる。
Ｒｂ＋Ｒ１＝（Ｖ０−Ｖｄ１）／Ｉ１…（４）
電気出力部２０からの電気信号の入力に基づいて制御回路部４はＩ１及びＶｄ１を取得しているので、この式（４）によりＢ回路配線抵抗Ｒｂ及びバッテリ内部抵抗Ｒ１の合成抵抗を計算する。
【００４６】
図８は、メインスイッチ１０７の接点部１０４が完全に閉路して電動機１０３のアマチュアシャフト１０３ｃが全力回転している状態の等価回路である。図８において、全力回転状態でのスイッチング部５のドレイン電圧をＶｄ２、Ｂ回路配線を流れる電流量をＩ２としている。このＩ２は回路内で電動機内部抵抗ＲｓｔとＨコイル抵抗Ｒｈとに分岐して流れるが、電動機内部抵抗Ｒｓｔに流れる電流量がＨコイル抵抗Ｒｈに流れる電流量に比べて極めて大きいため、Ｈコイル抵抗Ｒｈに流れる電流量を無視して、Ｉ２が電動機内部抵抗Ｒｓｔに流れる電流量であると扱っても差し支えない。
【００４７】
このことによりＩ２を計算するために、まず図８の等価回路から式（５）が導かれる。
Ｉ２＝（Ｖ０−Ｖｄ２）／（Ｒｂ＋Ｒ１）…（５）
そして、図８の等価回路から導かれた式（５）に、上記式（２）及び式（４）で計算したＶ０及び（Ｒｂ＋Ｒ１）と電気出力部２０からの電気信号の入力に基づいて制御回路部４が取得したＶｄ２とを代入することによりＩ２を計算する。
【００４８】
また、制御回路部４には、あらかじめ電動機１０３の温度と、雰囲気温度と、その温度の電動機１０３に侵入した熱量に対する温度上昇値及びその温度の電動機１０３から熱量がその雰囲気温度の外気に放出されることによる電動機１０３の温度下降値とがデータとして記憶されている。そして、制御回路部４は、上記Ｉ２の値及び電動機内部抵抗Ｒｓｔから電動機１０３の発熱量を計算し、通電されている時間によりこの発熱量を積算し全熱量を求めて、記憶データから電動機１０３の温度上昇値を取得するようになっている。また、制御回路部４は、温度センサからの温度信号の入力に基づいて雰囲気温度の値を取得し、記憶データからその取得したときの電動機１０３の温度での電動機１０３の温度下降値を取得するようになっている。そして、制御回路部４は、通電され始めたときの雰囲気温度、取得した電動機１０３の温度上昇値及び温度下降値から電動機１０３の温度を特定するようになっている。さらに、制御回路部４は、この特定した電動機１０３の温度が所定の焼き付け等の熱的ダメージを生じる虞のある温度となると、動作信号の出力を停止するようになっている。他の構成は実施の形態１と同様である。
【００４９】
このように構成された始動用電動機装置１は、全力回転状態で電動機内部抵抗Ｒｓｔに流れる電流Ｉ２の大きさが計算できるので、電動機１０３の温度を特定でき、電動機１０３の焼き付け等を未然に防止することができる。
【００５０】
なお、制御回路部４は、全力回転状態における電動機内部抵抗Ｒｓｔの通電電流Ｉ２の大きさの変動（以下、脈動という）がほとんど無くなったときに、動作信号の出力を停止するようになっていてもよい。エンジンは、着火せずにまだクランキング状態にあるときは、電動機１０３のアマチュアシャフト１０３ｃの回転力により駆動されている。このとき、エンジンでは圧縮行程及び膨張行程が繰り返し行われており、圧縮行程では電動機１０３の負荷が大きく、膨張行程では電動機１０３の負荷が小さくなる。この負荷の変動によって通電電流Ｉ２の大きさも当然に変動し、通電電流Ｉ２は圧縮行程では大きく、膨張行程では小さくなり、脈動が発生する。エンジンが着火してそれ自体で駆動し始めると、電動機１０３のアマチュアシャフト１０３ｃはエンジンの駆動により回転するようになる。このとき、電動機１０３は無負荷の状態となり、通電電流Ｉ２の脈動もほとんど無くなる。従って、通電電流Ｉ２の脈動がほとんど無くなったときに、エンジンが着火したと判断でき、このときに半導体リレー部３への動作信号の出力を停止することにより、エンジンが着火しないうちにキースイッチ１１１をＯＦＦ状態にしてしまったり、逆にエンジンが着火してもキースイッチ１１１をＯＮ状態にしたまま余分に電力を消費することが無くなる。
【００５１】
なお、この脈動は電動機内部抵抗Ｒｓｔの通電電流Ｉ２だけでなく、スイッチング部５のドレイン電極Ｄ及びソース電極Ｓの間を流れる電流にも発生するので、電気出力部２０が電流信号のみを制御回路部４に出力するようになっていても、この電流の脈動がほとんど無くなったときに、動作信号の出力を停止するようにすることにより同様の効果を得ることができる。
【００５２】
また、エンジンあるいは電動機１０３が何らかの原因でロックしたときにも、この電動機内部抵抗Ｒｓｔの通電電流、又はスイッチング部５のドレイン電極Ｄ及びソース電極Ｓの間を流れる電流の脈動がほとんど無くなるので、このときに制御回路部４からの動作信号の出力を停止することにより、電動機１０３の過負荷による焼き付け等の損傷を防止することができる。
また、このようにロックした場合、制御回路部４は、電動機内部抵抗Ｒｓｔの通電電流Ｉ２が過負荷の電流値を超えて、この状態が所定時間（例えば、１ｓ）続くと動作信号の出力を停止するようにしても、同様に電動機１０３の損傷を防止できる。
【００５３】
また、スイッチング部５のドレイン電極Ｄ及びバッテリ１０２の正極の間、又はスイッチング部５のソース電極Ｓ及び駆動コイル１０６の間にヒューズを電気的に介在させた構成としてもよい。このような構成とすると、半導体リレー部３が故障して常にスイッチング部５が閉路状態となった場合でも、例えば上記のようにロックしたとき、過負荷による大電流が流れてヒューズが切れることにより電動機１０３の損傷を防止することができる。
【００５４】
【発明の効果】
上記の説明から明らかな通り、この発明に係る始動用電動機装置は、電源と、エンジンを始動させる電動機と、前記電動機及び前記電源に電気的に接続された接点部、前記接点部に一端部が接続されたプランジャ、及び前記プランジャを往復移動させて前記接点部を開閉する駆動コイルを有し、前記接点部が閉路されることにより前記電源から前記電動機に電力を供給し、前記電動機を始動させるメインスイッチと、前記駆動コイル及び前記電源に電気的に接続され、前記電源から前記駆動コイルに電力を遮断又は供給して前記駆動コイルに前記接点部を開閉させる補助スイッチとを備え、前記補助スイッチは、外部からの始動信号の入力に基づいて動作信号を出力する制御回路部と、前記電源及び前記駆動コイルに電気的に接続され、前記動作信号の入力によりスイッチングする半導体リレー部とを有し、前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量及び前記半導体リレー部における電位に基づく電気信号を出力する電気出力部を有し、前記制御回路部は、前記電気信号の入力に基づいて前記電動機の通電による発熱量を計算して前記通電されている間に発生した全熱量を積算し、前記電動機の近傍に設けられ雰囲気温度を測定する温度センサにより検知した温度信号の入力に基づいて、前記電動機から放出される熱量を計算し、前記全熱量から前記放出される熱量を差し引いて残存熱量を算出するようになっており、前記残存熱量が所定の値を超えると前記動作信号の出力を停止するようになっているので、前記スイッチングするための電力消費も削減でき、効率的なエンジン始動が可能となるとともに、前記電動機の温度上昇に伴う焼き付け等の弊害を防止することができる。
【００５５】
また、前記制御回路部及び前記半導体リレー部は、電気絶縁性のケースに一括収納されているので、小型、軽量で、しかも取り扱いが容易な前記補助スイッチを得ることができる。
【００５６】
また、前記プランジャの他端部に一端部が係止し、前記プランジャの往復移動により回動するシフトレバーと、前記電動機に連結され、前記シフトレバーの他端部が当接される当接部及びエンジンに連結しているリングギアに噛合するとともに前記シフトレバーの回動により軸線方向に往復移動するピニオンを有する軸方向移動体とを備え、前記プランジャの移動により前記ピニオンが前記リングギアに完全に噛合したときに前記接点部が閉路されるようになっているので、前記電動機が全力回転したときに、噛合状態が不安定で前記ピニオン又は前記リングギアが損傷する虞がなくなる。
【００５８】
また、前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量に基づく電流信号を出力する電気出力部を有し、前記制御回路部は、前記エンジンの着火により前記電動機の負荷変動が小さくなって、前記制御回路部に入力された前記電流信号の変動がほとんど無くなると、前記動作信号の出力を停止するようになっているので、確実に前記エンジンの着火を確認でき、前記エンジンが着火していない状態でも前記動作信号の出力が停止されること、あるいは前記エンジンが着火している状態でもなお前記動作信号が出力され続けていることを防止することができる。
【００５９】
また、前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量及び前記半導体リレー部における電位に基づく電気信号を出力する電気出力部を有し、前記制御回路部は、前記電気信号の入力に基づいて前記電動機に通電される電流量を計算し、前記電動機に通電される電流量が所定の値を超える状態が所定時間以上続くと、前記動作信号の出力を停止するようになっているので、前記電動機の温度上昇に伴う焼き付け等の弊害、及び前記電動機に連動している前記ピニオン、前記リングギア等の破損を防止することができる。
【００６０】
また、前記制御回路部は、前記動作信号を多数のパルス信号として出力し、前記半導体リレー部が前記パルス信号に応じてスイッチングすることにより、前記駆動コイルに通電される電流をＰＷＭ制御するようになっているので、前記プランジャの移動速度を小さくなって前記駆動コイルでの消費電力が低減し、効率的に前記電源の電力を消費でき、また前記プランジャの移動速度が小さくなることにより前記ピニオン及び前記リングギアの衝突による衝撃が小さくなり前記ピニオン及び前記リングギアの破損を防止できる。
【００６１】
また、前記半導体リレー部及び前記電源の間、又は前記半導体リレー部及び前記駆動コイルの間に電気的にヒューズが介在しているので、例えば前記半導体リレー部が破損して閉路状態で固まってしまった場合でも、前記電動機、前記エンジン等がロックしたとき、過負荷電流により前記ヒューズが切れて前記電動機が停止することにより、前記電動機等の破損を防止できる。
【００６２】
また、前記半導体リレー部は、前記電動機に接触固定された良熱伝導性の部材に接触しているので、前記半導体リレー部に発生した熱を前記電動機及び外気に放出して、前記半導体リレー部の温度が上昇して損傷することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係る始動用電動機装置の結線図である。
【図２】  この発明の実施の形態１に係る始動用電動機装置の補助スイッチの外形を示す斜視図である。
【図３】  図２の補助スイッチの内部構成を示す破断斜視図である。
【図４】  この発明の実施の形態１に係る始動用電動機装置の外観を示す側面図である。
【図５】  バッテリと半導体リレー部との間に駆動コイルが電気的に接続されている始動用電動機装置の結線図である。
【図６】  この発明の実施の形態２に係る始動用電動機装置の構成を示す結線図である。
【図７】  補助回転の状態での等価回路である。
【図８】  全力回転の状態での等価回路である。
【図９】  従来の始動用電動機装置の構成を示す要部断面図である。
【図１０】  図９の外観を示す側面図である。
【図１１】  従来の始動用電動機装置の結線図である。
【図１２】  従来の補助スイッチの外形を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  始動用電動機装置、２  補助スイッチ、３  半導体リレー部、４  制御回路部、５  スイッチング部、７  ケース、２０  電気出力部、１０２  バッテリ（電源）、１０３  電動機、１０４  接点部、１０５  プランジャ、１０６  駆動コイル、１０７  メインスイッチ、１１３  シフトレバー、１１４  当接部、１１５  ピニオン、１１６  リングギア、１１７  軸方向移動体。
【図１】
0003750926.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003750926.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003750926.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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