歯車連結装置及び歯車連結方法
【課題】歯車を噛み合わせる際の振動や騒音を低減できる歯車連結装置及び歯車連結方法を提供することにある。
【解決手段】歯車連結装置は、２つの歯車Ｇ１，Ｇ２の噛合いによって動力伝達を行い、かつ、少なくとも一方の歯車Ｇ１の軸方向Ｄ１の移動によって噛合いによる連結が解除される。回転センサＳ１，Ｓ２は、歯車Ｇ１，Ｇ２の回転を検知する。判定部１０は、回転センサＳ１，Ｓ２の検知信号に基づいて、軸方向に移動する歯車Ｇ１の端面が、他の歯車Ｇ２の第１の歯の端面と、該第１の歯に隣接する第２の歯の端面の間に来ることを判定する。判定部１０の判定結果に基づいて、駆動部２０は歯車Ｇ１を軸方向に移動して、歯車の連結状態にする。
【解決手段】歯車連結装置は、２つの歯車Ｇ１，Ｇ２の噛合いによって動力伝達を行い、かつ、少なくとも一方の歯車Ｇ１の軸方向Ｄ１の移動によって噛合いによる連結が解除される。回転センサＳ１，Ｓ２は、歯車Ｇ１，Ｇ２の回転を検知する。判定部１０は、回転センサＳ１，Ｓ２の検知信号に基づいて、軸方向に移動する歯車Ｇ１の端面が、他の歯車Ｇ２の第１の歯の端面と、該第１の歯に隣接する第２の歯の端面の間に来ることを判定する。判定部１０の判定結果に基づいて、駆動部２０は歯車Ｇ１を軸方向に移動して、歯車の連結状態にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯車によって動力伝達を行い、かつ、動力伝達の切り替えを行う歯車連結装置及び歯車連結方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの始動装置に用いる歯車装置として、歯車を連結する際の噛合わせのため、歯車の端面に面取りを設けるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。ここで、エンジンの始動装置は、エンジンを始動する時のみ歯車を連結させて動力を伝達し、始動動作が終了すると、連結を外している。この始動時以外に歯車の連結を外しておくことで、通常時には余計な機械摩擦が生じることがなくなり、システムの効率化が図れる。歯車の連結が外れるようにしたシステムでは、歯車を噛合わせる動作が必要となり、特許文献１記載のように、歯車の端面に面取りを設けることが有効となる。
【０００３】
また、回転体の連結に関し、第１の係合部材の歯と第２の係合部材の歯との位相差に基づいて、第１の係合部材の回転状態を制御する位相調整手段を備えた制御装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。引用文献２に記載の技術は、車両の有段変速機の変速段を切り替える際に有効である。一般的に、車両の有段変速機においては、歯車による減速機構と、その歯車が動力伝達を行うか否かを切り替えるクラッチ機構を有し、それらの組合せによって、動力伝達経路が変更され、変速段の切り替えがなされる。クラッチ機構があることで、滑らかな切り替え動作が実現できるが、一方で、この方式の場合、歯車自体は動力伝達を行っていない時も噛合いを保つため、余分な機械摩擦が生じている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２４８７１０号公報
【特許文献２】特開２００６−８３９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
歯車の連結および解除によって、動力伝達の切り替えを行うシステムでは、歯車が減速装置と、切り替え装置の２つの機能を兼ねることで、部品点数を減らして、装置の小型化を図ることが可能となり、かつ、不要な時の機械摩擦をなくし、システムのエネルギー効率向上を図ることができる。
【０００６】
しかし、連結が解除された状態から、連結した状態に移行するには、歯車を噛み合わせるための技術が必要となり、従来の技術では、歯車の端面どうしが接触する状態を経て、噛み合わざるを得なかった。そのため、歯車を噛み合わせる際に、端面の接触を経ると、その接触の際に振動および騒音が発生し、かつ、歯車の端面が摩耗する問題があった。
【０００７】
また、歯車以外の回転体の歯（爪）を噛み合わせる場合であっても、端面どうしの接触なしで、噛み合わせるには、それぞれの歯の位相を合わせる位相調整手段が必要であった。
【０００８】
本発明の目的は、歯車を噛み合わせる際の振動や騒音を低減できる歯車連結装置及び歯車連結方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、２つの歯車の噛合いによって動力伝達を行い、かつ、少なくとも一方の歯車の軸方向の移動によって噛合いによる連結が解除される歯車連結装置であって、前記歯車の回転を検知する回転センサと、該回転センサの検知信号に基づいて、軸方向に移動する歯車の端面が、他の歯車の第１の歯の端面と、該第１の歯に隣接する第２の歯の端面の間に来ることを判定する判定部とを備え、該判定部の判定結果に基づいて、歯車の連結が解除された状態から、連結状態にするようにしたものである。
かかる構成により、歯車を噛み合わせる際の振動や騒音を低減できるものとなる。
【００１０】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記判定部は、それぞれの歯車の歯の通過検知のずれ時間、それぞれの歯車の歯の通過が起きる時間間隔、および、歯車の軸方向の移動開始を判断してから歯車の端面どうしが同位置になるまでの時間を用いて演算を行い、その演算結果によって歯車の軸方向の移動の開始を判断するようにしたものである。
【００１１】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記判定部は、それぞれの歯車の歯の通過検知のずれ時間をｔ３とし、それぞれの歯車の歯の通過が起きる時間間隔をそれぞれｔ１，ｔ２とし、歯車の軸方向の移動開始を判断してから歯車の端面どうしが同位置になるまでの時間をＴとし、ｔ１＜ｔ２のとき、（（ｔ３／ｔ２）＋（Ｔ／ｔ１）−（Ｔ／ｔ２））の余りが所定の範囲内となるとき、歯車の軸方向の移動の開始を判断するようにしたものである。
【００１２】
（４）上記（１）において、好ましくは、一方の歯車の周速度が、他方の歯車の周速度より速い状態で、歯車の連結動作を行うものであって、周速度が速い方の歯車は、歯の端面であって、回転方向の後ろ側に設けられた面取りを備え、周速度が遅い方の歯車は、歯の端面であって、回転方向の前側に設けられた面取りを備えるようにしたものである。
【００１３】
（５）上記目的を達成するために、本発明は、２つの歯車の噛合いによって動力伝達を行い、かつ、少なくとも一方の歯車の軸方向の移動によって噛合いによる連結が解除される歯車連結方法であって、前記歯車の回転を検知する検知信号に基づいて、軸方向に移動する歯車の端面が、他の歯車の第１の歯の端面と、該第１の歯に隣接する第２の歯の端面の間に来ることを判定すると、歯車の連結が解除された状態から、連結状態にするようにしたものである。
かかる方法により、歯車を噛み合わせる際の振動や騒音を低減できるものとなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、歯車を噛み合わせる際の振動や騒音を低減できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態による歯車連結装置の全体構成を示す構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による歯車連結装置に用いる回転センサの出力信号を示す波形図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による歯車連結装置に用いるギアＧ１の面取りＣ１の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による歯車連結装置に用いるギアＧ２の面取りＣ２の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による歯車連結装置における歯車連結時の動作の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態による歯車連結装置の全体構成を示す構成図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による歯車連結装置に用いる回転センサの出力信号を示す波形図である。
【図８】本発明の第３の実施形態による歯車連結装置の全体構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図１〜図５を用いて、本発明の第１の実施形態による歯車連結装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による歯車連結装置の全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による歯車連結装置の全体構成を示す構成図である。
【００１７】
本例では、ギアＧ１の回転による周速度が、ギアＧ２の回転による周速度より速い状態で、互いのギアＧ１，Ｇ２を連結させるシステムを一例として説明する。
【００１８】
ギアＧ１，Ｇ２は、それぞれ図上に矢印Ｒ１，Ｒ２で示した方向に回転しておいる。回転の周速度は、ギアＧ１の方がギアＧ２より速いものである。なお、周速度とは、歯車のピッチ円上での速度のことであり、ピッチ円の円周×単位時間当たりの回転数で求められる。一般に、噛合って回転する歯車どうしは、周速度が同じになり、互いの回転数は歯数に逆比例する。ここでは、噛み合う前の状態を示しているために、互いの周速度が異なっている。
【００１９】
回転センサＳ１は、ギアＧ１の回転を検知する。回転センサＳ１は、歯車の歯が近くに存在するか否かに応じて変化する信号を出力する。回転センサＳ２も同様な信号によって、ギアＧ２の回転を検知する。なお、本例を応用して利用する場合は、互いのギアの回転を検知するにあたって、歯車の歯を直接センシングするのではなく、連動して回転する箇所を利用して、間接的にセンシングする方法であってもよい。
【００２０】
互いの歯車を連結する際は、ギアＧ１が、紙面の手前側に向かって軸方向に移動する。すなわち、連結する前は、ギアＧ１はギアＧ２より紙面の奥側に位置している。ギアＧ１の各歯には、面取りＣ１が施され、ギアＧ２の各歯には、面取りＣ２が施されている。ギアＧ１が、紙面の手前側に向かって軸方向に移動する場合には、ギアＧ１に設ける面取りＣ１は、紙面手前側の端面で、回転方向の後ろ側に施される。一方、ギアＧ２に設ける面取りＣ２は、紙面奥側の端面で、回転方向の前側に施される。
【００２１】
ここで、図２を用いて、本実施形態による歯車連結装置に用いる回転センサの出力信号について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による歯車連結装置に用いる回転センサの出力信号を示す波形図である。
【００２２】
回転センサＳ１，Ｓ２は、歯が回転センサＳ１，Ｓ２を横切った時にパルス状に信号を出力するようにしたものを用いる。この場合、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、それぞれの回転センサＳ１，Ｓ２から時系列のパルス信号が得られる。すなわち、回転センサＳ１，Ｓ２からの信号は、１回のパルスが、１つの歯が回転センサの位置を横切ったことを示している。このため、パルスの時間間隔は、歯車の周速度に反比例した値になる。ここではパルスの時間間隔を求めるにあたり、パルスの立ち上がりの時点を利用しており、回転センサＳ１から得られるパルスの時間間隔がｔ１である。同様に、ギアＧ２の回転よって生じる回転センサＳ２の信号から得られるパルスの時間間隔がｔ２である。ギアＧ１，Ｇ２の回転速度が一定でない限り、パルスの時間間隔は一定にならないため、本実施形態による制御動作を行う際は、パルスの時間間隔の情報は、パルスの発生ごとに更新していく必要がある。また、ギアＧ１のパルスとギアＧ２のパルスの時刻のずれがｔ３であり、この情報も順次更新しながら制御動作を行う。
【００２３】
センサＳ１，Ｓ２の出力信号は、図１に示す判定部１０に取り込まれる。判定部１０は後述するように、ギアＧ１を、紙面の手前側に向かって軸方向に移動開始するタイミングを判定する。移動開始のタイミングと判定すると、判定部１０は、駆動部２０に移動開始信号を出力する。駆動部２０は、判定部１０からの移動開始信号に基づいて、ギアＧ１を、紙面の手前側に向かって軸方向に移動する。駆動部２０は、例えば、ソレノイドを備えている。ソレノイドに通電することで、ギアＧ１を、紙面の手前側に向かって軸方向に移動することができる。また、駆動部２０には、モータ等の駆動力源を含む。ギアＧ１は、駆動力源により矢印Ｒ１方向に回転駆動されている。ギアＧ１とギアＧ２が噛み合った状態では、駆動力源の駆動力は、ギアＧ１を介して、ギアＧ２に伝達される。
【００２４】
次に、図１に示した判定部１０の判定動作について説明する。
【００２５】
判定部１０は、ギアＧ１の移動開始の判断を、以下の判定式（１）を用いて行う。
【００２６】
【数１】
【００２７】
ここで、ｔ１は、図２に示したように、回転センサＳ１から得られるパルスの時間間隔である。ｔ２は、図２に示したように、回転センサＳ２から得られるパルスの時間間隔である。また、ｔ３は、ギアＧ１のパルスとギアＧ２のパルスの時刻のずれである。
【００２８】
また、本例では、ギアＧ１の周速度がギアＧ２の周速度より速いことを前提としているため、パルスの時間間隔ｔ１、ｔ２の大小関係では、必ずｔ１＜ｔ２となっている。このため、数式中に引き算があっても、前提条件によって引き算の結果がマイナスになることはない。
【００２９】
また、Ｔは、ギアＧ１の移動開始を判断してからギアＧ１が移動し、ギアＧ１の端面がギアＧ２の端面と同位置に来るまでの時間である。
【００３０】
また、式（１）における「ＭＯＤ」は割り算の余りを求める関数であり、ＭＯＤ（ｘ，ｙ）は、ｘをｙで割った際の余りを計算することを示している。本判定式では、ｙの部分を１としているため、余りは必ず０から１の間となる。
【００３１】
また、α及びβは、閾値として事前に決めておく値であり、０から１までの間の値をとる。
【００３２】
そして、判定部１０は、ｔ１、ｔ２、ｔ３の値が判定式を満たせば、移動開始信号を出力し、判定式を満たさなければギアＧ１を移動させることなく、条件が満足することを待つ。
【００３３】
ここで、式（１）の意味するところについて説明する。
【００３４】
式（１）の中で、パルスのずれ時間ｔ３を、ギアＧ２のパルスの時間間隔ｔ２で割る部分は、ギアＧ１の歯とギアＧ２の歯の位相差を、ギアＧ２の歯の間隔を基準にして便宜的に計算している。また、時間Ｔをｔ１とｔ２で割った値は、時間Ｔの経過によって、ギアＧ１とギアＧ２の位相が進行する量を予測的に計算している。このため、それぞれの位相の進行量の差をとることにより、ギアＧ１とギアＧ２の位相差が、時間Ｔの経過によって変化する量を予測的に計算することになる。
【００３５】
変数Ｔは、定数として扱い、その値を決めるにあたっては、ギアＧ１の移動時間の他、ギアＧ１を移動させるためのアクチュエータが動作開始にかかる時間、および、制御系の遅れ時間を考慮して決める。
【００３６】
閾値α，βは、回転センサＳ１，Ｓ２の取付け位置に応じて変化する値である。また、閾値α，βは、ギアＧ１を移動させる時間のバラツキや回転センサの計測誤差も考慮して決める。
【００３７】
従って、式（１）の関数ＭＯＤにより、現在の位相差に、時間経過による位相差の変化を加えることで、将来の位相差を予測することとなり、その位相差が閾値内にあることが、ギアＧ１の歯が、ギアＧ２の歯の間に来ることを意味する。なお、この点については、図５を用いて後述する。
【００３８】
なお、動作時間のバラツキに対処するためには、図１の判定式を満足する他に、互いの歯車の周速度の差が一定の範囲内であることを、移動開始判定の条件に加えることも有効である。
【００３９】
次に、図３及び図４を用いて、本実施形態による歯車連結装置に用いるギアＧ１，Ｇ２の面取りＣ１，Ｃ２について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による歯車連結装置に用いるギアＧ１の面取りＣ１の説明図である。図４は、本発明の第１の実施形態による歯車連結装置に用いるギアＧ２の面取りＣ２の説明図である。なお、図３及び図４において、図１と同一符号は同一部分を示している。
【００４０】
最初に、図３を用いて、ギアＧ１に設ける面取りＣ１の位置を説明する。ギアＧ１は、軸位置に示した矢印の方向Ｄ１に移動することで、ギアの連結動作を行い、互いの回転方向は円弧の矢印Ｒ１，Ｒ２で示した方向となる。ギアＧ１の面取りＣ１は、移動方向Ｄ１の端面であって、回転方向の後ろ側に設ける。
【００４１】
次に、図４を用いて、ギアＧ２に設ける面取りＣ２の位置を説明する。ギアＧ２の面取りＣ２は、ギアＧ１が移動してくる側の端面であって、回転方向Ｒ２の前側に設ける。互いのギアに面取りを施さない場合、一方の歯車の歯がもう一方の歯車の歯の間にくるための余裕はバックラッシ（＝歯車の噛合せの遊び）分しかない。バックラッシを大きくすると噛込みは楽になるが、ギアが噛み合って動力伝達する際のガタが大きくなるため、騒音が増大することから、バックラッシは歯の大きさに対して小さな値しかとらない。
【００４２】
このため、互いのギアに面取りがない場合は、ギアの端面どうしを衝突させずに噛み込ませることが出来る範囲が非常に狭い。互いのギアに面取りを設けることで、噛み込み可能な範囲を広げることができる。
【００４３】
次に、図５を用いて、本実施形態による歯車連結装置における歯車連結時の動作について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態による歯車連結装置における歯車連結時の動作の説明図である。なお、図５において、図１と同一符号は同一部分を示している。
【００４４】
図５では、歯車連結時の動作を示すため、両歯車のピッチ円による断面を用いて模式的に示している。ギアＧ１，ギアＧ２とも、歯の断面を、過去の位置および現在の位置で示している。過去の位置が破線で示されており、現在の位置が実線で示されている。
【００４５】
ギアＧ２は、回転運動のみをしているため、紙面の下に向かって矢印Ｒ２方向に歯が移動しており、歯の端面は同一平面上にあり続ける。ギアＧ１の歯は、回転運動による、紙面の下側に向かっての矢印Ｒ１方向の移動と、軸方向の移動による紙面の右方向（矢印Ｄ１方向）への動きを行っている。
【００４６】
現在の時点（実線で示す状態）では、ギアＧ１の軸方向の移動によって、ギアＧ１の端面が、ギアＧ２の端面と同位置になった時点であり、この先、さらに軸方向の移動が進み、歯車が噛み合った状態に至る。
【００４７】
ここで、両ギアの端面どうしが同一面に位置した時点（実線で示す状態）で、ギアＧ１とギアＧ２の歯が接触していないことが、ギアが噛み込んでいける条件であり、このことを予測するのが判定式（１）である。
【００４８】
歯車に面取りを施していない時は、ギアが噛込む条件として、ギアＧ１の歯の噛合い面が、ギアＧ２の隣接する２つの歯の噛合い面の間に来ることが必要となる。図５の現在の時点（実線で示す状態）では、そのような位置関係になっていないが、両方のギアに面取りが施されていることで、互いの歯の端面どうしが接触することが防がれている。また、この後の進行として、軸方向の移動が進むと面取り部が、衝突する可能性があるが、斜面になっていることで、衝突の反力は回転方向に分散され、端面の正面衝突より衝撃が小さくて済む。また、面取り部は、ギアＧ１の回転方向に対して後ろ側であるため、ギアＧ１の周速度の方がギアＧ２の周速度より速い条件のもとでは、衝突が起きる前に、相対的な位相がずれ、衝突自体が起きない可能性が高まる。よって、図５の現時点を通過後に起きることとしては、ギアＧ１の方が周速度が速いことで、ギアＧ１の噛合い面が、ギアＧ２の噛合い面に衝突する可能性が高いが、このことは軸方向の反力を生まないため、ギアの噛込み動作が妨げられることはない。よって、移動開始のタイミングを判定式（１）で判断することで、円滑な噛み込み動作が実現できる。
【００４９】
前述したように、歯車に面取りを施していない時は、ギアが噛込む条件として、ギアＧ１の歯の噛合い面Ｅｇ１が、ギアＧ２の隣接する２つの歯の噛合い面Ｅｇ２の間に来ることである。それに対して、歯車に面取りを施されている時は、Ａ）ギアＧ１の面取りＣ１とギアＧ１の端面との境界位置Ｐ１１が、ギアＧ２の第１の歯の面取りＣ２とギアＧ２の端面との境界位置Ｐ２１に対して、ギアＧ１の回転方向Ｒ１の先側に位置する場合と、Ｂ）ギアＧ１の端面の回転方向Ｒ１の先側の端部の位置Ｐ１２が、ギアＧ２の第２の歯の端面の回転方向Ｒ２の手前側の端部の位置Ｐ２２に対して、ギアＧ１の回転方向Ｒ１の手前に位置する場合の条件を満たす時に、ギアが噛込むことになる。ここで、ギアＧ１の面取りＣ１とギアＧ１の端面との境界位置Ｐ１１と、ギアＧ２の第１の歯の面取りＣ２とギアＧ２の端面との境界位置Ｐ２１とが一致する場合が、式（１）における閾値αである。また、ギアＧ１の端面の回転方向Ｒ１の先側の端部の位置Ｐ１２と、ギアＧ２の第２の歯の端面の回転方向Ｒ２の手前側の端部の位置Ｐ２２とが一致する場合が、式（１）における閾値βである。判定式（１）における噛み合い条件は、α＜ＭＯＤ（ｘ、ｙ）であり、これが、上記の条件（Ａ）である。また、判定式（１）における噛み合い条件は、ＭＯＤ（ｘ、ｙ）＜βであり、これが、上記の条件（Ｂ）である。
【００５０】
また、別の見方をすると、歯車に面取りを施してある時は、ギアが噛込む条件は、ギアＧ１の端面Ｅ１が、ギアＧ２の第１の歯の端面Ｅ２１と、第１の歯に隣接する第２の歯の端面Ｅ２２との間に来ることである。この条件は、歯車に面取りを施していない時のギアが噛込む条件としても用いることができる。
【００５１】
以上説明したように、一般的に、連結が解除されている歯車を軸方向に移動させて連結する場合、互いの歯車の端面どうしの衝突と、端面どうしが摩擦する過程を経て、噛合った状態にすることになるが、本実施形態によれば、歯車の端面どうしの衝突を回避し、それに伴い、端面どうしの摩擦も回避して、噛合い状態に移行することが可能となる。これにより、連結の際の振動および騒音が低減され、かつ、歯車の摩耗も低減される。
【００５２】
次に、図６及び図７を用いて、本発明の第２の実施形態による歯車連結装置の構成及び動作について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態による歯車連結装置の全体構成を示す構成図である。図７は、本発明の第２の実施形態による歯車連結装置に用いる回転センサの出力信号を示す波形図である。なお、図１及び図２と同一符号は同一部分を示している。
【００５３】
本例では、ギアＧ２’の周速度の方が、ギアＧ１’の周速度より速い状態でギアを連結させるシステムを一例として説明する。
【００５４】
図１及び図２にて説明したものと異なる点は、周速度の大小関係が違うことで、その結果、面取りの位置が異なり、判定式が異なることである。ギアＧ１’の面取りＣ１’は、周速度が相対的に遅いことで、回転方向Ｒ１の前側に設ける。一方、ギアＧ２’の面取りＣ２’は、周速度が相対的に速いことで、回転方向Ｒ２の後ろ側に設ける。
【００５５】
また、回転センサＳ１，Ｓ２からは、図７（Ａ），（Ｂ）に示すような時系列のパルス信号が得られる。
【００５６】
次に、判定部１０’の判定動作について説明する。
【００５７】
判定部１０’は、ギアＧ１の移動開始の判断を、以下の判定式（２）を用いて行う。
【００５８】
【数２】
【００５９】
ここで、判定式（２）の中身において、ギアＧ１とギアＧ２のパルスの時間ずれｔ３をギアＧ１の時間間隔ｔ１で割ることによって現時点の位相差を計算している点が、式（１）と異なっている。また、時間Ｔの経過によって、位相差が変化する量を求めるにあたっては、ギアＧ２の位相の変化量からギアＧ１の位相の変化量を引く点が、式（１）と異なっている。このように判定式が変わるため、閾値もα’，β’として、系にあった値を設定する。
【００６０】
本実施形態によっても、歯車の端面どうしの衝突を回避し、それに伴い、端面どうしの摩擦も回避して、噛合い状態に移行することが可能となる。これにより、連結の際の振動および騒音が低減され、かつ、歯車の摩耗も低減される。
【００６１】
次に、図８を用いて、本発明の第３の実施形態による歯車連結装置の構成及び動作について説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態による歯車連結装置の全体構成を示す構成図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。
【００６２】
本例では、ギアＧ１”とギアＧ２”の周速度の大小関係が、どちらの状態ででもギアを連結させるシステムを一例として説明する。
【００６３】
図１及び図２にて説明したものと異なる点は、周速度の大小関係がどちらにでも対応するために、１つの歯車の両方に面取りＣ１，Ｃ１’，Ｃ２，Ｃ２’を設けていることと、状態に応じて判定式を使い分けることである。歯車に施す面取りＣ１，Ｃ１’，Ｃ２，Ｃ２’は、ギアＧ１”とギアＧ２”の両方とも、同一端面の回転方向の前側と後ろ側の両方に設ける。
【００６４】
また、回転センサＳ１，Ｓ２からは、図２や図７に示すような時系列のパルス信号が得られる。
【００６５】
次に、判定部１０”の判定動作について説明する。
【００６６】
判定部１０”は、ギアＧ１”の移動開始の判断を、以下の判定式（３）を用いて行う。
【００６７】
【数３】
【００６８】
また、判定式（３）は、ギアＧ１”の周速度の方が速い場合、すなわちｔ１＜ｔ２の場合、上段の式を用い、ギアＧ２”の周速度の方が速い場合は、ｔ１＞ｔ２であり、下段の式を用いる。
【００６９】
本実施形態によっても、歯車の端面どうしの衝突を回避し、それに伴い、端面どうしの摩擦も回避して、噛合い状態に移行することが可能となる。これにより、連結の際の振動および騒音が低減され、かつ、歯車の摩耗も低減される。
【００７０】
次に、第１〜第３の実施形態の使い分けについて説明する。使い分けは、周速度の大小関係が決まっている場合は、それにあった構成を選択すればよく、任意に選択できる場合は、以下のように選択する。
【００７１】
歯数が少ない方のギアＧ１が駆動側になる場合、すなわち歯車を介して、回転数を減速させるシステムでは、図１〜図５にて説明した第１の実施形態の構成が適する。なぜなら、歯数が少ない方のギアＧ１から、動力が伝達される場合、その動力は、ギアＧ１の噛合い面のうち、回転方向の前側の面が接触して、動力が伝達されるため、前側の噛合い面に高い接触荷重が生じる。この際、その面に、面取りがない方が、単位面積当たりの荷重が大きくならなくて済むことから、図１〜図５にて説明した第１の実施形態の面取りの構成が適する。
【００７２】
このような例としては、自動ＭＴに用いる同期噛み合い機構がある。従来の受動変速機の変速動作を自動化した自動変速機では、変速段を切り替えて、動力の伝達経路を変えるために、同期噛み合い機構を用いている。同期噛み合い機構の中には、回転体の歯（爪）が備えられ、これを噛み合わせている。このような機構に対して、第１の実施形態を適用することができる。
【００７３】
同様の理由で、歯数が多い方のギアＧ２が駆動側になる場合は、図６〜図７にて説明した第２の実施形態の構成が適する。
【００７４】
一方、歯数が少ない方のギアＧ１が駆動側であっても、ギアＧ１の側からギアＧ２の方にしか動力伝達を行わないようにするためのワンウェイクラッチが設けられている場合は、図６〜図７にて説明した第２の実施形態の構成が適する。なぜなら、周速度が異なる状態でギアを連結させると、連結に伴って、噛合い面の衝突が発生するが、ギアＧ２の周速度の方が速い状態で噛合い面の衝突が起きることとは、ギアＧ２の回転エネルギーをギアＧ１に受け渡す作用が発生する。そこにギアＧ１からギアＧ２への動力伝達しかさせないためのワンウェイクラッチがあると、交換された回転エネルギーの伝達が遮断され、その先に動力伝達がされなくて済む。その場合、運動エネルギーを交換する対象の質量が小さくて済むことから、発生する反力が小さくなる。このため、ギアの連結に伴う衝撃が小さくて済むことから、ギアＧ１が駆動側であっても、ワンウェイクラッチを備えるシステムでは、図６〜図７にて説明した第２の実施形態の構成を選択することが適する。
【００７５】
このような例としては、プリメッシュ方式のアイドルストップシステムのエンジン始動装置がある。エンジンの始動にはスタータが用いられる。スタータの駆動力は、スタータ側のピニオンギアから、エンジンのクランクシャフトに連結されたリングギアに伝達され、エンジンを回転させる。通常のエンジン始動時は、エンジンが停止しており、リングギアの回転速度は０であるため、上述の各実施形態の条件にはあっていない。しかしながら、近年、アイドルストップの条件が整うと、エンジンを停止し、エンジンの再始動条件が整うとエンジンを再始動するアイドルストップシステムが適用されつつある。ここで、エンジンの再始動を早くするために、アイドルストップ時にエンジンの回転数が低下し、しかし、エンジンの回転数が０になるまえに、予め、スタータのピニオンをエンジンのリングギアに噛み合わせておくプリメッシュ方式が検討されている。プリメッシュの際は、エンジンの回転数がスタータの回転数よりも高い状態、すなわち、リングギアの回転速度がピニオンの回転速度よりも速い状態が好ましいため、第２の実施形態の条件が満たされる。そこで、プリメッシュ方式のアイドルストップシステムのエンジン始動装置では、図６に示したギアＧ１’がスタータのピニオンに相当し、ギアＧ２’がエンジンのリングギアに相当する。そして、第２の実施形態の構成を選択することができる。
【００７６】
同様の理由で、歯数が多い方のギアＧ２が駆動側であって、かつ、ワンウェイクラッチを備えるシステムでは、第１の実施形態の構成を選択することが適する。
【００７７】
また、ハイブリット車両では、第３の実施形態の構成を選択することができる。ハイブリット車両では、エンジンの駆動力とモータの駆動力を切り替えて車輪に伝達するようにしている。一般には駆動力源の切替には、クラッチ機構が用いられている。それに対して、クラッチ機構の代わりに、第１のギアと第２のギアを噛み合わせたり解放したりして、動力の伝達を行ったり切り離したりする構成を用いる場合には、第３の実施形態の構成を選択することができる。これにより、従来は歯車を常時噛み合わせていたのに対して、歯車の常時噛み合わせが不要となり、機械摩擦が低減され、ハイブリットシステムのエネルギー効率を向上することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１０…判定部
２０…駆動部
Ｇ１，Ｇ２…ギア
Ｓ１，Ｓ２…回転センサ
Ｃ１，Ｃ２…面取り
Ｅ１，Ｅ２１，Ｅ２２…端面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯車によって動力伝達を行い、かつ、動力伝達の切り替えを行う歯車連結装置及び歯車連結方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの始動装置に用いる歯車装置として、歯車を連結する際の噛合わせのため、歯車の端面に面取りを設けるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。ここで、エンジンの始動装置は、エンジンを始動する時のみ歯車を連結させて動力を伝達し、始動動作が終了すると、連結を外している。この始動時以外に歯車の連結を外しておくことで、通常時には余計な機械摩擦が生じることがなくなり、システムの効率化が図れる。歯車の連結が外れるようにしたシステムでは、歯車を噛合わせる動作が必要となり、特許文献１記載のように、歯車の端面に面取りを設けることが有効となる。
【０００３】
また、回転体の連結に関し、第１の係合部材の歯と第２の係合部材の歯との位相差に基づいて、第１の係合部材の回転状態を制御する位相調整手段を備えた制御装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。引用文献２に記載の技術は、車両の有段変速機の変速段を切り替える際に有効である。一般的に、車両の有段変速機においては、歯車による減速機構と、その歯車が動力伝達を行うか否かを切り替えるクラッチ機構を有し、それらの組合せによって、動力伝達経路が変更され、変速段の切り替えがなされる。クラッチ機構があることで、滑らかな切り替え動作が実現できるが、一方で、この方式の場合、歯車自体は動力伝達を行っていない時も噛合いを保つため、余分な機械摩擦が生じている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２４８７１０号公報
【特許文献２】特開２００６−８３９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
歯車の連結および解除によって、動力伝達の切り替えを行うシステムでは、歯車が減速装置と、切り替え装置の２つの機能を兼ねることで、部品点数を減らして、装置の小型化を図ることが可能となり、かつ、不要な時の機械摩擦をなくし、システムのエネルギー効率向上を図ることができる。
【０００６】
しかし、連結が解除された状態から、連結した状態に移行するには、歯車を噛み合わせるための技術が必要となり、従来の技術では、歯車の端面どうしが接触する状態を経て、噛み合わざるを得なかった。そのため、歯車を噛み合わせる際に、端面の接触を経ると、その接触の際に振動および騒音が発生し、かつ、歯車の端面が摩耗する問題があった。
【０００７】
また、歯車以外の回転体の歯（爪）を噛み合わせる場合であっても、端面どうしの接触なしで、噛み合わせるには、それぞれの歯の位相を合わせる位相調整手段が必要であった。
【０００８】
本発明の目的は、歯車を噛み合わせる際の振動や騒音を低減できる歯車連結装置及び歯車連結方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、２つの歯車の噛合いによって動力伝達を行い、かつ、少なくとも一方の歯車の軸方向の移動によって噛合いによる連結が解除される歯車連結装置であって、前記歯車の回転を検知する回転センサと、該回転センサの検知信号に基づいて、軸方向に移動する歯車の端面が、他の歯車の第１の歯の端面と、該第１の歯に隣接する第２の歯の端面の間に来ることを判定する判定部とを備え、該判定部の判定結果に基づいて、歯車の連結が解除された状態から、連結状態にするようにしたものである。
かかる構成により、歯車を噛み合わせる際の振動や騒音を低減できるものとなる。
【００１０】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記判定部は、それぞれの歯車の歯の通過検知のずれ時間、それぞれの歯車の歯の通過が起きる時間間隔、および、歯車の軸方向の移動開始を判断してから歯車の端面どうしが同位置になるまでの時間を用いて演算を行い、その演算結果によって歯車の軸方向の移動の開始を判断するようにしたものである。
【００１１】
（３）上記（２）において、好ましくは、前記判定部は、それぞれの歯車の歯の通過検知のずれ時間をｔ３とし、それぞれの歯車の歯の通過が起きる時間間隔をそれぞれｔ１，ｔ２とし、歯車の軸方向の移動開始を判断してから歯車の端面どうしが同位置になるまでの時間をＴとし、ｔ１＜ｔ２のとき、（（ｔ３／ｔ２）＋（Ｔ／ｔ１）−（Ｔ／ｔ２））の余りが所定の範囲内となるとき、歯車の軸方向の移動の開始を判断するようにしたものである。
【００１２】
（４）上記（１）において、好ましくは、一方の歯車の周速度が、他方の歯車の周速度より速い状態で、歯車の連結動作を行うものであって、周速度が速い方の歯車は、歯の端面であって、回転方向の後ろ側に設けられた面取りを備え、周速度が遅い方の歯車は、歯の端面であって、回転方向の前側に設けられた面取りを備えるようにしたものである。
【００１３】
（５）上記目的を達成するために、本発明は、２つの歯車の噛合いによって動力伝達を行い、かつ、少なくとも一方の歯車の軸方向の移動によって噛合いによる連結が解除される歯車連結方法であって、前記歯車の回転を検知する検知信号に基づいて、軸方向に移動する歯車の端面が、他の歯車の第１の歯の端面と、該第１の歯に隣接する第２の歯の端面の間に来ることを判定すると、歯車の連結が解除された状態から、連結状態にするようにしたものである。
かかる方法により、歯車を噛み合わせる際の振動や騒音を低減できるものとなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、歯車を噛み合わせる際の振動や騒音を低減できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態による歯車連結装置の全体構成を示す構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による歯車連結装置に用いる回転センサの出力信号を示す波形図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による歯車連結装置に用いるギアＧ１の面取りＣ１の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による歯車連結装置に用いるギアＧ２の面取りＣ２の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による歯車連結装置における歯車連結時の動作の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態による歯車連結装置の全体構成を示す構成図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による歯車連結装置に用いる回転センサの出力信号を示す波形図である。
【図８】本発明の第３の実施形態による歯車連結装置の全体構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図１〜図５を用いて、本発明の第１の実施形態による歯車連結装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による歯車連結装置の全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による歯車連結装置の全体構成を示す構成図である。
【００１７】
本例では、ギアＧ１の回転による周速度が、ギアＧ２の回転による周速度より速い状態で、互いのギアＧ１，Ｇ２を連結させるシステムを一例として説明する。
【００１８】
ギアＧ１，Ｇ２は、それぞれ図上に矢印Ｒ１，Ｒ２で示した方向に回転しておいる。回転の周速度は、ギアＧ１の方がギアＧ２より速いものである。なお、周速度とは、歯車のピッチ円上での速度のことであり、ピッチ円の円周×単位時間当たりの回転数で求められる。一般に、噛合って回転する歯車どうしは、周速度が同じになり、互いの回転数は歯数に逆比例する。ここでは、噛み合う前の状態を示しているために、互いの周速度が異なっている。
【００１９】
回転センサＳ１は、ギアＧ１の回転を検知する。回転センサＳ１は、歯車の歯が近くに存在するか否かに応じて変化する信号を出力する。回転センサＳ２も同様な信号によって、ギアＧ２の回転を検知する。なお、本例を応用して利用する場合は、互いのギアの回転を検知するにあたって、歯車の歯を直接センシングするのではなく、連動して回転する箇所を利用して、間接的にセンシングする方法であってもよい。
【００２０】
互いの歯車を連結する際は、ギアＧ１が、紙面の手前側に向かって軸方向に移動する。すなわち、連結する前は、ギアＧ１はギアＧ２より紙面の奥側に位置している。ギアＧ１の各歯には、面取りＣ１が施され、ギアＧ２の各歯には、面取りＣ２が施されている。ギアＧ１が、紙面の手前側に向かって軸方向に移動する場合には、ギアＧ１に設ける面取りＣ１は、紙面手前側の端面で、回転方向の後ろ側に施される。一方、ギアＧ２に設ける面取りＣ２は、紙面奥側の端面で、回転方向の前側に施される。
【００２１】
ここで、図２を用いて、本実施形態による歯車連結装置に用いる回転センサの出力信号について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による歯車連結装置に用いる回転センサの出力信号を示す波形図である。
【００２２】
回転センサＳ１，Ｓ２は、歯が回転センサＳ１，Ｓ２を横切った時にパルス状に信号を出力するようにしたものを用いる。この場合、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、それぞれの回転センサＳ１，Ｓ２から時系列のパルス信号が得られる。すなわち、回転センサＳ１，Ｓ２からの信号は、１回のパルスが、１つの歯が回転センサの位置を横切ったことを示している。このため、パルスの時間間隔は、歯車の周速度に反比例した値になる。ここではパルスの時間間隔を求めるにあたり、パルスの立ち上がりの時点を利用しており、回転センサＳ１から得られるパルスの時間間隔がｔ１である。同様に、ギアＧ２の回転よって生じる回転センサＳ２の信号から得られるパルスの時間間隔がｔ２である。ギアＧ１，Ｇ２の回転速度が一定でない限り、パルスの時間間隔は一定にならないため、本実施形態による制御動作を行う際は、パルスの時間間隔の情報は、パルスの発生ごとに更新していく必要がある。また、ギアＧ１のパルスとギアＧ２のパルスの時刻のずれがｔ３であり、この情報も順次更新しながら制御動作を行う。
【００２３】
センサＳ１，Ｓ２の出力信号は、図１に示す判定部１０に取り込まれる。判定部１０は後述するように、ギアＧ１を、紙面の手前側に向かって軸方向に移動開始するタイミングを判定する。移動開始のタイミングと判定すると、判定部１０は、駆動部２０に移動開始信号を出力する。駆動部２０は、判定部１０からの移動開始信号に基づいて、ギアＧ１を、紙面の手前側に向かって軸方向に移動する。駆動部２０は、例えば、ソレノイドを備えている。ソレノイドに通電することで、ギアＧ１を、紙面の手前側に向かって軸方向に移動することができる。また、駆動部２０には、モータ等の駆動力源を含む。ギアＧ１は、駆動力源により矢印Ｒ１方向に回転駆動されている。ギアＧ１とギアＧ２が噛み合った状態では、駆動力源の駆動力は、ギアＧ１を介して、ギアＧ２に伝達される。
【００２４】
次に、図１に示した判定部１０の判定動作について説明する。
【００２５】
判定部１０は、ギアＧ１の移動開始の判断を、以下の判定式（１）を用いて行う。
【００２６】
【数１】
【００２７】
ここで、ｔ１は、図２に示したように、回転センサＳ１から得られるパルスの時間間隔である。ｔ２は、図２に示したように、回転センサＳ２から得られるパルスの時間間隔である。また、ｔ３は、ギアＧ１のパルスとギアＧ２のパルスの時刻のずれである。
【００２８】
また、本例では、ギアＧ１の周速度がギアＧ２の周速度より速いことを前提としているため、パルスの時間間隔ｔ１、ｔ２の大小関係では、必ずｔ１＜ｔ２となっている。このため、数式中に引き算があっても、前提条件によって引き算の結果がマイナスになることはない。
【００２９】
また、Ｔは、ギアＧ１の移動開始を判断してからギアＧ１が移動し、ギアＧ１の端面がギアＧ２の端面と同位置に来るまでの時間である。
【００３０】
また、式（１）における「ＭＯＤ」は割り算の余りを求める関数であり、ＭＯＤ（ｘ，ｙ）は、ｘをｙで割った際の余りを計算することを示している。本判定式では、ｙの部分を１としているため、余りは必ず０から１の間となる。
【００３１】
また、α及びβは、閾値として事前に決めておく値であり、０から１までの間の値をとる。
【００３２】
そして、判定部１０は、ｔ１、ｔ２、ｔ３の値が判定式を満たせば、移動開始信号を出力し、判定式を満たさなければギアＧ１を移動させることなく、条件が満足することを待つ。
【００３３】
ここで、式（１）の意味するところについて説明する。
【００３４】
式（１）の中で、パルスのずれ時間ｔ３を、ギアＧ２のパルスの時間間隔ｔ２で割る部分は、ギアＧ１の歯とギアＧ２の歯の位相差を、ギアＧ２の歯の間隔を基準にして便宜的に計算している。また、時間Ｔをｔ１とｔ２で割った値は、時間Ｔの経過によって、ギアＧ１とギアＧ２の位相が進行する量を予測的に計算している。このため、それぞれの位相の進行量の差をとることにより、ギアＧ１とギアＧ２の位相差が、時間Ｔの経過によって変化する量を予測的に計算することになる。
【００３５】
変数Ｔは、定数として扱い、その値を決めるにあたっては、ギアＧ１の移動時間の他、ギアＧ１を移動させるためのアクチュエータが動作開始にかかる時間、および、制御系の遅れ時間を考慮して決める。
【００３６】
閾値α，βは、回転センサＳ１，Ｓ２の取付け位置に応じて変化する値である。また、閾値α，βは、ギアＧ１を移動させる時間のバラツキや回転センサの計測誤差も考慮して決める。
【００３７】
従って、式（１）の関数ＭＯＤにより、現在の位相差に、時間経過による位相差の変化を加えることで、将来の位相差を予測することとなり、その位相差が閾値内にあることが、ギアＧ１の歯が、ギアＧ２の歯の間に来ることを意味する。なお、この点については、図５を用いて後述する。
【００３８】
なお、動作時間のバラツキに対処するためには、図１の判定式を満足する他に、互いの歯車の周速度の差が一定の範囲内であることを、移動開始判定の条件に加えることも有効である。
【００３９】
次に、図３及び図４を用いて、本実施形態による歯車連結装置に用いるギアＧ１，Ｇ２の面取りＣ１，Ｃ２について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による歯車連結装置に用いるギアＧ１の面取りＣ１の説明図である。図４は、本発明の第１の実施形態による歯車連結装置に用いるギアＧ２の面取りＣ２の説明図である。なお、図３及び図４において、図１と同一符号は同一部分を示している。
【００４０】
最初に、図３を用いて、ギアＧ１に設ける面取りＣ１の位置を説明する。ギアＧ１は、軸位置に示した矢印の方向Ｄ１に移動することで、ギアの連結動作を行い、互いの回転方向は円弧の矢印Ｒ１，Ｒ２で示した方向となる。ギアＧ１の面取りＣ１は、移動方向Ｄ１の端面であって、回転方向の後ろ側に設ける。
【００４１】
次に、図４を用いて、ギアＧ２に設ける面取りＣ２の位置を説明する。ギアＧ２の面取りＣ２は、ギアＧ１が移動してくる側の端面であって、回転方向Ｒ２の前側に設ける。互いのギアに面取りを施さない場合、一方の歯車の歯がもう一方の歯車の歯の間にくるための余裕はバックラッシ（＝歯車の噛合せの遊び）分しかない。バックラッシを大きくすると噛込みは楽になるが、ギアが噛み合って動力伝達する際のガタが大きくなるため、騒音が増大することから、バックラッシは歯の大きさに対して小さな値しかとらない。
【００４２】
このため、互いのギアに面取りがない場合は、ギアの端面どうしを衝突させずに噛み込ませることが出来る範囲が非常に狭い。互いのギアに面取りを設けることで、噛み込み可能な範囲を広げることができる。
【００４３】
次に、図５を用いて、本実施形態による歯車連結装置における歯車連結時の動作について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態による歯車連結装置における歯車連結時の動作の説明図である。なお、図５において、図１と同一符号は同一部分を示している。
【００４４】
図５では、歯車連結時の動作を示すため、両歯車のピッチ円による断面を用いて模式的に示している。ギアＧ１，ギアＧ２とも、歯の断面を、過去の位置および現在の位置で示している。過去の位置が破線で示されており、現在の位置が実線で示されている。
【００４５】
ギアＧ２は、回転運動のみをしているため、紙面の下に向かって矢印Ｒ２方向に歯が移動しており、歯の端面は同一平面上にあり続ける。ギアＧ１の歯は、回転運動による、紙面の下側に向かっての矢印Ｒ１方向の移動と、軸方向の移動による紙面の右方向（矢印Ｄ１方向）への動きを行っている。
【００４６】
現在の時点（実線で示す状態）では、ギアＧ１の軸方向の移動によって、ギアＧ１の端面が、ギアＧ２の端面と同位置になった時点であり、この先、さらに軸方向の移動が進み、歯車が噛み合った状態に至る。
【００４７】
ここで、両ギアの端面どうしが同一面に位置した時点（実線で示す状態）で、ギアＧ１とギアＧ２の歯が接触していないことが、ギアが噛み込んでいける条件であり、このことを予測するのが判定式（１）である。
【００４８】
歯車に面取りを施していない時は、ギアが噛込む条件として、ギアＧ１の歯の噛合い面が、ギアＧ２の隣接する２つの歯の噛合い面の間に来ることが必要となる。図５の現在の時点（実線で示す状態）では、そのような位置関係になっていないが、両方のギアに面取りが施されていることで、互いの歯の端面どうしが接触することが防がれている。また、この後の進行として、軸方向の移動が進むと面取り部が、衝突する可能性があるが、斜面になっていることで、衝突の反力は回転方向に分散され、端面の正面衝突より衝撃が小さくて済む。また、面取り部は、ギアＧ１の回転方向に対して後ろ側であるため、ギアＧ１の周速度の方がギアＧ２の周速度より速い条件のもとでは、衝突が起きる前に、相対的な位相がずれ、衝突自体が起きない可能性が高まる。よって、図５の現時点を通過後に起きることとしては、ギアＧ１の方が周速度が速いことで、ギアＧ１の噛合い面が、ギアＧ２の噛合い面に衝突する可能性が高いが、このことは軸方向の反力を生まないため、ギアの噛込み動作が妨げられることはない。よって、移動開始のタイミングを判定式（１）で判断することで、円滑な噛み込み動作が実現できる。
【００４９】
前述したように、歯車に面取りを施していない時は、ギアが噛込む条件として、ギアＧ１の歯の噛合い面Ｅｇ１が、ギアＧ２の隣接する２つの歯の噛合い面Ｅｇ２の間に来ることである。それに対して、歯車に面取りを施されている時は、Ａ）ギアＧ１の面取りＣ１とギアＧ１の端面との境界位置Ｐ１１が、ギアＧ２の第１の歯の面取りＣ２とギアＧ２の端面との境界位置Ｐ２１に対して、ギアＧ１の回転方向Ｒ１の先側に位置する場合と、Ｂ）ギアＧ１の端面の回転方向Ｒ１の先側の端部の位置Ｐ１２が、ギアＧ２の第２の歯の端面の回転方向Ｒ２の手前側の端部の位置Ｐ２２に対して、ギアＧ１の回転方向Ｒ１の手前に位置する場合の条件を満たす時に、ギアが噛込むことになる。ここで、ギアＧ１の面取りＣ１とギアＧ１の端面との境界位置Ｐ１１と、ギアＧ２の第１の歯の面取りＣ２とギアＧ２の端面との境界位置Ｐ２１とが一致する場合が、式（１）における閾値αである。また、ギアＧ１の端面の回転方向Ｒ１の先側の端部の位置Ｐ１２と、ギアＧ２の第２の歯の端面の回転方向Ｒ２の手前側の端部の位置Ｐ２２とが一致する場合が、式（１）における閾値βである。判定式（１）における噛み合い条件は、α＜ＭＯＤ（ｘ、ｙ）であり、これが、上記の条件（Ａ）である。また、判定式（１）における噛み合い条件は、ＭＯＤ（ｘ、ｙ）＜βであり、これが、上記の条件（Ｂ）である。
【００５０】
また、別の見方をすると、歯車に面取りを施してある時は、ギアが噛込む条件は、ギアＧ１の端面Ｅ１が、ギアＧ２の第１の歯の端面Ｅ２１と、第１の歯に隣接する第２の歯の端面Ｅ２２との間に来ることである。この条件は、歯車に面取りを施していない時のギアが噛込む条件としても用いることができる。
【００５１】
以上説明したように、一般的に、連結が解除されている歯車を軸方向に移動させて連結する場合、互いの歯車の端面どうしの衝突と、端面どうしが摩擦する過程を経て、噛合った状態にすることになるが、本実施形態によれば、歯車の端面どうしの衝突を回避し、それに伴い、端面どうしの摩擦も回避して、噛合い状態に移行することが可能となる。これにより、連結の際の振動および騒音が低減され、かつ、歯車の摩耗も低減される。
【００５２】
次に、図６及び図７を用いて、本発明の第２の実施形態による歯車連結装置の構成及び動作について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態による歯車連結装置の全体構成を示す構成図である。図７は、本発明の第２の実施形態による歯車連結装置に用いる回転センサの出力信号を示す波形図である。なお、図１及び図２と同一符号は同一部分を示している。
【００５３】
本例では、ギアＧ２’の周速度の方が、ギアＧ１’の周速度より速い状態でギアを連結させるシステムを一例として説明する。
【００５４】
図１及び図２にて説明したものと異なる点は、周速度の大小関係が違うことで、その結果、面取りの位置が異なり、判定式が異なることである。ギアＧ１’の面取りＣ１’は、周速度が相対的に遅いことで、回転方向Ｒ１の前側に設ける。一方、ギアＧ２’の面取りＣ２’は、周速度が相対的に速いことで、回転方向Ｒ２の後ろ側に設ける。
【００５５】
また、回転センサＳ１，Ｓ２からは、図７（Ａ），（Ｂ）に示すような時系列のパルス信号が得られる。
【００５６】
次に、判定部１０’の判定動作について説明する。
【００５７】
判定部１０’は、ギアＧ１の移動開始の判断を、以下の判定式（２）を用いて行う。
【００５８】
【数２】
【００５９】
ここで、判定式（２）の中身において、ギアＧ１とギアＧ２のパルスの時間ずれｔ３をギアＧ１の時間間隔ｔ１で割ることによって現時点の位相差を計算している点が、式（１）と異なっている。また、時間Ｔの経過によって、位相差が変化する量を求めるにあたっては、ギアＧ２の位相の変化量からギアＧ１の位相の変化量を引く点が、式（１）と異なっている。このように判定式が変わるため、閾値もα’，β’として、系にあった値を設定する。
【００６０】
本実施形態によっても、歯車の端面どうしの衝突を回避し、それに伴い、端面どうしの摩擦も回避して、噛合い状態に移行することが可能となる。これにより、連結の際の振動および騒音が低減され、かつ、歯車の摩耗も低減される。
【００６１】
次に、図８を用いて、本発明の第３の実施形態による歯車連結装置の構成及び動作について説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態による歯車連結装置の全体構成を示す構成図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。
【００６２】
本例では、ギアＧ１”とギアＧ２”の周速度の大小関係が、どちらの状態ででもギアを連結させるシステムを一例として説明する。
【００６３】
図１及び図２にて説明したものと異なる点は、周速度の大小関係がどちらにでも対応するために、１つの歯車の両方に面取りＣ１，Ｃ１’，Ｃ２，Ｃ２’を設けていることと、状態に応じて判定式を使い分けることである。歯車に施す面取りＣ１，Ｃ１’，Ｃ２，Ｃ２’は、ギアＧ１”とギアＧ２”の両方とも、同一端面の回転方向の前側と後ろ側の両方に設ける。
【００６４】
また、回転センサＳ１，Ｓ２からは、図２や図７に示すような時系列のパルス信号が得られる。
【００６５】
次に、判定部１０”の判定動作について説明する。
【００６６】
判定部１０”は、ギアＧ１”の移動開始の判断を、以下の判定式（３）を用いて行う。
【００６７】
【数３】
【００６８】
また、判定式（３）は、ギアＧ１”の周速度の方が速い場合、すなわちｔ１＜ｔ２の場合、上段の式を用い、ギアＧ２”の周速度の方が速い場合は、ｔ１＞ｔ２であり、下段の式を用いる。
【００６９】
本実施形態によっても、歯車の端面どうしの衝突を回避し、それに伴い、端面どうしの摩擦も回避して、噛合い状態に移行することが可能となる。これにより、連結の際の振動および騒音が低減され、かつ、歯車の摩耗も低減される。
【００７０】
次に、第１〜第３の実施形態の使い分けについて説明する。使い分けは、周速度の大小関係が決まっている場合は、それにあった構成を選択すればよく、任意に選択できる場合は、以下のように選択する。
【００７１】
歯数が少ない方のギアＧ１が駆動側になる場合、すなわち歯車を介して、回転数を減速させるシステムでは、図１〜図５にて説明した第１の実施形態の構成が適する。なぜなら、歯数が少ない方のギアＧ１から、動力が伝達される場合、その動力は、ギアＧ１の噛合い面のうち、回転方向の前側の面が接触して、動力が伝達されるため、前側の噛合い面に高い接触荷重が生じる。この際、その面に、面取りがない方が、単位面積当たりの荷重が大きくならなくて済むことから、図１〜図５にて説明した第１の実施形態の面取りの構成が適する。
【００７２】
このような例としては、自動ＭＴに用いる同期噛み合い機構がある。従来の受動変速機の変速動作を自動化した自動変速機では、変速段を切り替えて、動力の伝達経路を変えるために、同期噛み合い機構を用いている。同期噛み合い機構の中には、回転体の歯（爪）が備えられ、これを噛み合わせている。このような機構に対して、第１の実施形態を適用することができる。
【００７３】
同様の理由で、歯数が多い方のギアＧ２が駆動側になる場合は、図６〜図７にて説明した第２の実施形態の構成が適する。
【００７４】
一方、歯数が少ない方のギアＧ１が駆動側であっても、ギアＧ１の側からギアＧ２の方にしか動力伝達を行わないようにするためのワンウェイクラッチが設けられている場合は、図６〜図７にて説明した第２の実施形態の構成が適する。なぜなら、周速度が異なる状態でギアを連結させると、連結に伴って、噛合い面の衝突が発生するが、ギアＧ２の周速度の方が速い状態で噛合い面の衝突が起きることとは、ギアＧ２の回転エネルギーをギアＧ１に受け渡す作用が発生する。そこにギアＧ１からギアＧ２への動力伝達しかさせないためのワンウェイクラッチがあると、交換された回転エネルギーの伝達が遮断され、その先に動力伝達がされなくて済む。その場合、運動エネルギーを交換する対象の質量が小さくて済むことから、発生する反力が小さくなる。このため、ギアの連結に伴う衝撃が小さくて済むことから、ギアＧ１が駆動側であっても、ワンウェイクラッチを備えるシステムでは、図６〜図７にて説明した第２の実施形態の構成を選択することが適する。
【００７５】
このような例としては、プリメッシュ方式のアイドルストップシステムのエンジン始動装置がある。エンジンの始動にはスタータが用いられる。スタータの駆動力は、スタータ側のピニオンギアから、エンジンのクランクシャフトに連結されたリングギアに伝達され、エンジンを回転させる。通常のエンジン始動時は、エンジンが停止しており、リングギアの回転速度は０であるため、上述の各実施形態の条件にはあっていない。しかしながら、近年、アイドルストップの条件が整うと、エンジンを停止し、エンジンの再始動条件が整うとエンジンを再始動するアイドルストップシステムが適用されつつある。ここで、エンジンの再始動を早くするために、アイドルストップ時にエンジンの回転数が低下し、しかし、エンジンの回転数が０になるまえに、予め、スタータのピニオンをエンジンのリングギアに噛み合わせておくプリメッシュ方式が検討されている。プリメッシュの際は、エンジンの回転数がスタータの回転数よりも高い状態、すなわち、リングギアの回転速度がピニオンの回転速度よりも速い状態が好ましいため、第２の実施形態の条件が満たされる。そこで、プリメッシュ方式のアイドルストップシステムのエンジン始動装置では、図６に示したギアＧ１’がスタータのピニオンに相当し、ギアＧ２’がエンジンのリングギアに相当する。そして、第２の実施形態の構成を選択することができる。
【００７６】
同様の理由で、歯数が多い方のギアＧ２が駆動側であって、かつ、ワンウェイクラッチを備えるシステムでは、第１の実施形態の構成を選択することが適する。
【００７７】
また、ハイブリット車両では、第３の実施形態の構成を選択することができる。ハイブリット車両では、エンジンの駆動力とモータの駆動力を切り替えて車輪に伝達するようにしている。一般には駆動力源の切替には、クラッチ機構が用いられている。それに対して、クラッチ機構の代わりに、第１のギアと第２のギアを噛み合わせたり解放したりして、動力の伝達を行ったり切り離したりする構成を用いる場合には、第３の実施形態の構成を選択することができる。これにより、従来は歯車を常時噛み合わせていたのに対して、歯車の常時噛み合わせが不要となり、機械摩擦が低減され、ハイブリットシステムのエネルギー効率を向上することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１０…判定部
２０…駆動部
Ｇ１，Ｇ２…ギア
Ｓ１，Ｓ２…回転センサ
Ｃ１，Ｃ２…面取り
Ｅ１，Ｅ２１，Ｅ２２…端面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの歯車の噛合いによって動力伝達を行い、かつ、少なくとも一方の歯車の軸方向の移動によって噛合いによる連結が解除される歯車連結装置であって、
前記歯車の回転を検知する回転センサと、
該回転センサの検知信号に基づいて、軸方向に移動する歯車の端面が、他の歯車の第１の歯の端面と、該第１の歯に隣接する第２の歯の端面の間に来ることを判定する判定部とを備え、
該判定部の判定結果に基づいて、歯車の連結が解除された状態から、連結状態にすることを特徴とする歯車連結装置。
【請求項２】
請求項１記載の歯車連結装置において、
前記判定部は、それぞれの歯車の歯の通過検知のずれ時間、それぞれの歯車の歯の通過が起きる時間間隔、および、歯車の軸方向の移動開始を判断してから歯車の端面どうしが同位置になるまでの時間を用いて演算を行い、その演算結果によって歯車の軸方向の移動の開始を判断することを特徴とする歯車連結装置。
【請求項３】
請求項２記載の歯車連結装置において、
前記判定部は、それぞれの歯車の歯の通過検知のずれ時間をｔ３とし、それぞれの歯車の歯の通過が起きる時間間隔をそれぞれｔ１，ｔ２とし、歯車の軸方向の移動開始を判断してから歯車の端面どうしが同位置になるまでの時間をＴとし、ｔ１＜ｔ２のとき、（（ｔ３／ｔ２）＋（Ｔ／ｔ１）−（Ｔ／ｔ２））の余りが所定の範囲内となるとき、歯車の軸方向の移動の開始を判断することを特徴とする歯車連結装置。
【請求項４】
請求項１記載の歯車連結装置において、
一方の歯車の周速度が、他方の歯車の周速度より速い状態で、歯車の連結動作を行うものであって、
周速度が速い方の歯車は、歯の端面であって、回転方向の後ろ側に設けられた面取りを備え、
周速度が遅い方の歯車は、歯の端面であって、回転方向の前側に設けられた面取りを備えることを特徴とする歯車連結装置。
【請求項５】
２つの歯車の噛合いによって動力伝達を行い、かつ、少なくとも一方の歯車の軸方向の移動によって噛合いによる連結が解除される歯車連結方法であって、
前記歯車の回転を検知する検知信号に基づいて、軸方向に移動する歯車の端面が、他の歯車の第１の歯の端面と、該第１の歯に隣接する第２の歯の端面の間に来ることを判定すると、歯車の連結が解除された状態から、連結状態にすることを特徴とする歯車連結方法。
【請求項１】
２つの歯車の噛合いによって動力伝達を行い、かつ、少なくとも一方の歯車の軸方向の移動によって噛合いによる連結が解除される歯車連結装置であって、
前記歯車の回転を検知する回転センサと、
該回転センサの検知信号に基づいて、軸方向に移動する歯車の端面が、他の歯車の第１の歯の端面と、該第１の歯に隣接する第２の歯の端面の間に来ることを判定する判定部とを備え、
該判定部の判定結果に基づいて、歯車の連結が解除された状態から、連結状態にすることを特徴とする歯車連結装置。
【請求項２】
請求項１記載の歯車連結装置において、
前記判定部は、それぞれの歯車の歯の通過検知のずれ時間、それぞれの歯車の歯の通過が起きる時間間隔、および、歯車の軸方向の移動開始を判断してから歯車の端面どうしが同位置になるまでの時間を用いて演算を行い、その演算結果によって歯車の軸方向の移動の開始を判断することを特徴とする歯車連結装置。
【請求項３】
請求項２記載の歯車連結装置において、
前記判定部は、それぞれの歯車の歯の通過検知のずれ時間をｔ３とし、それぞれの歯車の歯の通過が起きる時間間隔をそれぞれｔ１，ｔ２とし、歯車の軸方向の移動開始を判断してから歯車の端面どうしが同位置になるまでの時間をＴとし、ｔ１＜ｔ２のとき、（（ｔ３／ｔ２）＋（Ｔ／ｔ１）−（Ｔ／ｔ２））の余りが所定の範囲内となるとき、歯車の軸方向の移動の開始を判断することを特徴とする歯車連結装置。
【請求項４】
請求項１記載の歯車連結装置において、
一方の歯車の周速度が、他方の歯車の周速度より速い状態で、歯車の連結動作を行うものであって、
周速度が速い方の歯車は、歯の端面であって、回転方向の後ろ側に設けられた面取りを備え、
周速度が遅い方の歯車は、歯の端面であって、回転方向の前側に設けられた面取りを備えることを特徴とする歯車連結装置。
【請求項５】
２つの歯車の噛合いによって動力伝達を行い、かつ、少なくとも一方の歯車の軸方向の移動によって噛合いによる連結が解除される歯車連結方法であって、
前記歯車の回転を検知する検知信号に基づいて、軸方向に移動する歯車の端面が、他の歯車の第１の歯の端面と、該第１の歯に隣接する第２の歯の端面の間に来ることを判定すると、歯車の連結が解除された状態から、連結状態にすることを特徴とする歯車連結方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１７２６９９（Ｐ２０１２−１７２６９９Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３２３９２（Ｐ２０１１−３２３９２）
【出願日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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