JP2007285483A - 送りねじ機構を備えるアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】送りねじ機構を備える消費電力の低いアクチュエータを提供する。
【解決手段】バルブリフト制御装置２は、制御軸の軸方向の位置に応じてバルブリフト量を制御する。アクチュエータ１０は、送りねじ機構２１、モータ２４、保持用永久磁石１１０を備え、制御軸を軸方向に直線駆動する。送りねじ機構２１は、モータ２４に回転駆動される回転軸４０と、制御軸と連結されているねじ軸４１とから構成されている。モータ２４は、回転軸４０に連結され界磁用永久磁石８４を有しているロータ８０、ステータコイル９１を有するステータ８２等から構成され、ロータ８０はステータコイル９１による回転磁界を受けて回転軸４０と共に回転する。保持用永久磁石１１０はステータ８２に取り付けられている。バルブリフト量を一定量に保持する保持状態において、界磁用永久磁石８４と保持用永久磁石１１０との間に作用する引力によりロータ８０を所定角度に保持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、送りねじ機構を備えるアクチュエータに関し、特にバルブリフト制御装置を駆動するアクチュエータに関する。

従来、内燃機関の吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方のリフト量を制御するバルブリフト制御装置が知られている（例えば特許文献１参照）。このようなバルブリフト制御装置では、制御軸をアクチュエータで直線駆動し、制御軸の軸方向の位置に応じてバルブのリフト量を変化させている。特許文献１に記載のアクチュエータでは、大きな直線駆動力を制御軸に与えるために減速機構及びカム機構を用いている。

一方、バルブリフト制御装置の小型化のため、上述したアクチュエータに送りねじ機構を用いることが考え得る。しかしながら、正効率の高い送りねじ機構はその逆効率も高い。そのため、正効率の高い送りねじ機構を備えるアクチュエータをバルブリフト制御装置のアクチュエータとする場合、バルブのリフト量を一定量に保持する保持状態においてアクチュエータのモータに保持電流を供給することにより、バルブ反力による回転トルクを打ち消す保持トルクをモータの回転子に加えなければならない。ここでバルブ反力とは、開閉するバルブから制御軸を経てアクチュエータに伝わる外力のことである。このように保持状態において電力が消費されることで、アクチュエータの消費電力は増大する。このような問題は、バルブリフト制御装置を駆動するアクチュエータに限らず、送りねじ機構を備えるアクチュエータにおいて生じる問題である。

特開２００３−３２２００５公報

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであって、送りねじ機構を備える消費電力の低いアクチュエータを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によると、回転子の界磁用永久磁石と引き合う保持用永久磁石がハウジング又は固定子に取り付けられているので、固定子のコイルに電流を供給しなくても、界磁用永久磁石と保持用永久磁石とが引き合うことにより、回転子は所定の回転角度で保持される。すなわち、ねじ軸に加わる外力により回転軸及び回転子に加わる回転トルクに抗じて回転子の回転角度を所定角度で保持する保持状態において、固定子のコイルに電流を供給する必要がないので、アクチュエータの消費電力を低減することができる。もちろん、保持状態において固定子のコイルに保持電流を供給することにより、上述の外力による回転トルクを打ち消す保持トルクを回転子に加えてもよい。この場合でも保持電流を低減することができるため、アクチュエータの消費電力を低減することができる。

請求項２に記載の発明によると、固定子の界磁用永久磁石と引き合う保持用永久磁石が回転子に取り付けられているので、回転子のコイルに電流を供給しなくても、界磁用永久磁石と保持用永久磁石とが引き合うことにより、回転子は所定の回転角度で保持される。すなわち、ねじ軸に加わる外力により回転軸及び回転子に生じる回転トルクに抗じて回転子の回転角度を所定角度で保持する保持状態において、回転子のコイルに電流を供給する必要がないので、アクチュエータの消費電力を低減することができる。もちろん、保持状態において回転子のコイルに保持電流を供給することにより、上述の外力による回転トルクを打ち消す保持トルクを回転子に加えてもよい。この場合でも保持電流を低減することができるため、アクチュエータの消費電力を低減することができる。

請求項３に記載の発明によると、保持用永久磁石が周方向に略等間隔に配置されているので、保持用永久磁石を周方向に不等間隔に配置した場合と比較して、回転子に加わる保持トルクの回転角度によるばらつきを低減することができる。この結果、回転子が回転する回転状態において、回転子を滑らかに回転させることができる。

請求項４及び５に記載の発明によると、アクチュエータはバルブリフト制御装置の制御軸を直線駆動する。アクチュエータの回転子にはバルブ反力により回転子に加わる回転トルクが加わるが、界磁用永久磁石と保持用永久磁石との間に作用する引力により、コイルに電流を供給することなくリフト量を一定量に保持できる。バルブのリフト量を一定量に保持する保持状態においてコイルに電流を供給する必要がないので、アクチュエータの消費電力を低減することができる。もちろん、保持状態において回転子のコイルに保持電流を供給することにより、上述のバルブ反力による回転トルクを打ち消す保持トルクを回転子に加えてもよい。この場合でも保持電流を低減することができるため、アクチュエータの消費電力を低減することができる。

一般に、バルブリフト制御装置のアクチュエータは、ねじ軸を略水平にして内燃機関本体の側壁に取り付けられるので、アクチュエータの軸方向の大きさが大きくなると、内燃機関の車両等への設置面積は増大する。一方、アクチュエータの径方向の大きさは、アクチュエータの取付面である内燃機関本体の側壁と比較して十分小さいので、アクチュエータの径方向の大きさは内燃機関の車両等への設置面積に殆ど影響しない。
請求項５に記載の発明によると、保持用永久磁石が固定子と回転子との間に配置されているのでアクチュエータの径方向の大きさは大きくなるが、保持用永久磁石が固定子又は回転子と軸方向に並んで配置されないのでアクチュエータの軸方向の大きさは小さくなる。この結果、内燃機関のバルブリフト制御装置を搭載することによる設置面積の増大を抑制することができる。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるバルブリフト制御装置２を図２に示す。車両に搭載されるバルブリフト制御装置２は、内燃機関３の吸気バルブ４についてリフト量を制御する。バルブリフト制御装置２は、変化機構８とアクチュエータ１０とから構成されている。

変化機構８は、例えば特開２００１−２６３０１５号公報等に開示される如き図２の構成を有し、内燃機関３に組み込まれている。具体的には、図２に示す変化機構８では、制御軸１２の軸方向へ制御軸１２と共に直線運動可能なスライダギア１４を入力部１５及び揺動カム１６とヘリカルスプライン嵌合させており、制御軸１２の軸方向位置に応じて入力部１５と揺動カム１６との相対位相差が変化する。

入力部１５はカム軸１７の吸気カム１８に接触し、また揺動カム１６は吸気バルブ４のロッカーアーム１９に接触可能に配置されており、入力部１５と揺動カム１６との相対位相差に応じてロッカーアーム１９の揺動角度が変化する。したがって、変化機構８では、制御軸１２の軸方向の位置に応じて吸気バルブ４のリフト量（以下、単にバルブリフト量という）が変化し、それによって作用角や最大バルブリフト量等のバルブ特性が調整される。尚、本実施形態において吸気バルブ４から制御軸１２へと伝達されるバルブ反力は、アクチュエータ１０とは反対側へ向かうスラスト力として制御軸１２に作用する。

アクチュエータ１０は、変化機構８の制御軸１２を軸方向へ直線駆動するものであり、図１に示すようにケース２０、送りねじ機構２１、軸受２２、規制プレート２３、モータ２４、保持用永久磁石１１０、回転角検出部２５、図示しない駆動回路を備えている。

ハウジングとしてのケース２０は、ケース本体３０、回転規制ブッシュ３１、本体カバー３２及び回路カバー３３を組み合わせて構成されている。ケース本体３０は段付円筒状に形成され、軸方向の一端部から他端部へ向かって順に取付部３４、係止部３５、固定部３６及びフランジ部３７を有している。取付部３４は内燃機関３（図２（Ｂ）参照）の取付孔５に内挿されて取り付けられており、これによりケース本体３０が内燃機関３に対して位置決めされている。回転規制ブッシュ３１は円筒状に形成され、取付部３４の内周壁に圧入されている。本体カバー３２及び回路カバー３３はそれぞれカップ形状に形成され、互いの開口縁部を重ね合わせた状態でフランジ部３７に共締めされている。この共締めにより本体カバー３２は、ケース本体３０のフランジ部３７側の開口を覆うと共に、回路カバー３３との間に回路室３９を形成している。

送りねじ機構２１は、モータ２４に回転駆動される回転軸４０と、回転軸４０の回転により直線運動するねじ軸４１とを有し、ケース本体３０の内部に収容されている。送りねじ機構２１は、上述したような回転軸４０及びねじ軸４１を有していればどのように構成してもよく、例えば滑りねじでもよいし、ボールねじでもよいし、ねじ軸４１の回転軸４０に対する相対的な回転により自転しながらねじ軸４１の外周を公転するローラを有する機構でもよい。

ねじ軸４１は棒状であり、回転軸４０と略同軸に配置されている。図２に示すように、ねじ軸４１の軸方向の一端部はケース本体３０の外部へ突出しており、継手５３により制御軸１２と略同軸に連結されている。この結果、制御軸１２は、ねじ軸４１と共に軸方向に直線運動する。ねじ軸４１の軸方向の中間部の外周壁と回転規制ブッシュ３１の内周壁とには、凹凸嵌合によって互いに噛み合うスプライン歯が形成されている。この結果、ねじ軸４１は回転することなく直線運動する。

油路６０は、取付部３４を径方向へ貫通し内燃機関３の図示しないオイルポンプの吐出口に繋がる油路６１と連通しており、オイルポンプから吐出される潤滑油の一部は油路６１、６０を通じて、ねじ軸４１と回転規制ブッシュ３１との間や、ねじ軸４１と回転軸４０との間に供給される。そして油路６２は、他の図示しない油路を経由してオイルポンプの吸入側の図示しないオイルパンに繋がっており、潤滑油は油路６２を通ってオイルパンに戻される。

軸受２２は、内輪６３と外輪６４との間に玉状の転動体６５を挟持してなるラジアルコンタクト式の玉軸受であり、ケース本体３０の内部に収容されている。内輪６３は回転軸４０の外周壁と嵌合しており、この内輪６３の軸方向一端部にサークリップ４５が板ばね６６を挟んで係合している。外輪６４はケース本体３０の係止部３５と嵌合しており、この外輪６４の軸方向一端部はワッシャ６８を挟んで係止部３５と係合している。以上の構成により、軸受２２は回転軸４０に働くラジアル力を支持する。

規制プレート２３は段付円筒状であり、縮径側の端部が外輪６４の外周壁と嵌合し、拡径側のフランジ部で係止部３５にねじ留めされている。規制プレート２３が軸受２２の軸方向の変位に追従して弾性変形すると、その弾性変形量に応じた復原力が規制プレート２３に生じるため、規制プレート２３によって軸受２２が係止部３５側に向かって押圧される。

モータ２４は、ロータ８０、ロータ固定ナット８１、ステータ８２等を有するブラシレスモータであり、ケース本体３０の内部に収容されている。

ロータ８０はロータコア８３及び界磁用永久磁石８４を組み合わせて構成されている。ロータコア８３は略筒状であり、径方向内側に突出している一端部８６が回転軸４０と嵌合している。

具体的には、ロータコア８３の一端部８６が回転軸４０の軸方向の中間部から径方向外側に突出する円環板状の突部８７と係合しており、その状態で位置決めキー８８がロータコア８３の一端部８６及び回転軸４０の突部８７と嵌合している。この結果、ロータコア８３は回転軸４０に対して位置決めされる。８個の界磁用永久磁石８４は、図３に示すように断面円弧状であり、隣り合う界磁用永久磁石８４に対して周方向に互いに４５°回転してロータコア８３の外周壁に取り付けられている。そして隣り合う界磁用永久磁石８４は互いに異なる磁極を形成している。

有底円筒状のロータ固定ナット８１の内周壁には雌ねじが形成され、回転軸４０の外周壁には雄ねじが形成されている。ロータ固定ナット８１の雌ねじが回転軸４０の雄ねじと螺合することにより、ロータコア８３の一端部８６はロータ固定ナット８１と回転軸４０の突部８７との間に挟持される。この結果、ロータコア８３は回転軸４０に固定され、回転軸４０はロータコア８３と共に回転する。

ステータ８２は、ステータコア９０及びコイルとしてのステータコイル９１を組み合わせて構成されている。ステータコア９０は、鉄片の積層により全体として厚肉の円環板状に形成され、ロータ８０の径方向外側に略同軸に配置されている。ステータコア９０は、固定部３６の内周壁と嵌合した状態で固定部３６にねじ留めされている。ステータコア９０の内周壁には、図３に示すように径方向内側に突出する１２個のスロット９２が形成されている。１２個のスロット９２は隣り合うスロット９２に対して周方向に互いに３０°回転して形成され、各スロット９２には図示しないステータボビンを介してステータコイル９１が巻装されている。
２個の保持用永久磁石１１０は、周方向に互いに１８０°回転して配置されている２個のスロット９２の径方向内側の端部にそれぞれ取り付けられている。

図１に示す回転角検出部２５は、磁石部１００及び感知部１０１を有する非接触式センサである。磁石部１００はセンサ磁石１０２を有し、ケース本体３０の内部に収容されている。感知部１０１は複数のホール素子１０５を有し、複数のホール素子１０５は回転軸４０の周方向に所定の間隔をあけて配置されている。ホール素子１０５は、センサ磁石１０２による磁界の向きに応じた出力信号を出力する。感知部１０１は、ホール素子１０５の出力信号に基づいて回転軸４０の回転角度を検出する。

図示しない駆動回路は、例えば基板１０７に実装され、回路室３９に収容された状態で本体カバー３２に保持されている。駆動回路は、各ステータコイル９１、各ホール素子１０５、ケース２０外部の図示しない制御部等と電気接続されている。制御部は、感知部１０１の出力信号に基づいて、回転軸４０の回転角、さらには制御軸１２の軸方向位置を認識し、その認識した制御軸１２の軸方向位置から実際のバルブリフト量を推定する。そして制御部は、推定した実際のバルブリフト量と目標のバルブリフト量との差分が小さくなるように駆動回路を制御する。駆動回路は、制御部の制御により各ステータコイル９１に供給する電流を変化させる。

この結果、ロータ８０の径方向外側にステータコイル９１による回転磁界が生じ、ロータ８０は回転磁界を受けて回転軸４０と共に回転し、回転軸４０の回転によりねじ軸４１及び制御軸１２は軸方向へ直線運動する。このようにして目標のバルブリフト量が実現される。尚、目標のバルブリフト量とは、内燃機関３（図２（Ｂ）参照）の回転数、アクセル開度等といった車両の運転状況に基づいて決定される物理量である。

第１実施形態では、８個の界磁用永久磁石８４が隣り合う界磁用永久磁石８４に対して周方向に互いに４５°回転して配置され、隣り合う界磁用永久磁石８４が互いに異なる磁極を形成している。すなわち、図４に示すように、保持用永久磁石１１０と引き合う磁極を形成している界磁用永久磁石８４１〜８４４は、周方向に９０°毎に配置されている。したがって、周方向に互いに１８０°回転して配置されている２つの保持用永久磁石１１０と、界磁用永久磁石８４１〜８４４のうち互いに１８０°回転している２個の界磁用永久磁石８４とが引き合うことにより、ステータコイル９１に電流を供給しない状態においてロータ８０を９０°毎に保持することができる（図４（Ａ）〜（Ｄ）参照）。

尚、ロータ８０の保持角度はモータ２４の極数により決まる。例えば１２個の界磁用永久磁石８４が隣り合う界磁用永久磁石８４に対して周方向に互いに３０°回転して配置されている場合、すなわちモータ２４の極数が１２極の場合、ロータ８０を６０°毎に保持することができる。

したがって、バルブリフト量を一定量に保持する保持状態において、界磁用永久磁石８４と保持用永久磁石１１０との間に作用する引力により、ステータコイル９１に電流を供給することなく、ロータ８０に加わるバルブ反力による回転トルクに抗じてバルブリフト量を一定量に保持することができる。このように保持状態における消費電力を削減することができるため、アクチュエータ１０の消費電力を低減することができる。

また、２個の保持用永久磁石が周方向に互いに１８０°回転して配置、すなわち２個の保持用永久磁石が周方向に等間隔に配置されているので、ロータ８０に加わる保持トルクの回転角度によるばらつきは小さい。したがって、ロータ８０が回転する回転状態において、ロータ８０を滑らかに回転させることができる。ここで保持トルクとは、界磁用永久磁石８４と保持用永久磁石１１０との間に作用する引力によりロータ８０に加わるトルクのことである。

また、保持用永久磁石１１０がスロット９２の径方向内側の端部に取り付けられている。このように保持用永久磁石１１０をロータ８０とステータ８２と間に配置することで、アクチュエータ１０の軸方向の大きさが小さくなるため、内燃機関３の車両への設置面積を小さくすることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によるバルブリフト制御装置２のアクチュエータ２００を図５に示す。アクチュエータ２００の各構成要素は、保持用永久磁石の配置を除き、第１実施形態に係るアクチュエータ１０の対応する構成と実質的に同一である。２個の保持用永久磁石２０２は界磁用永久磁石８４から軸方向に離間して配置されている。具体的には、２個の保持用永久磁石２０２は、それぞれ規制プレート２３を介してケース本体３０に取り付けられ、周方向に互い１８０°回転して界磁用永久磁石８４と軸方向に向き合っている。

（第２実施形態の変形例）
界磁用永久磁石８４と保持用永久磁石２０２との距離が小さいほど、界磁用永久磁石８４と保持用永久磁石２０２との間に作用する引力は大きくなる。しかし、２個の保持用永久磁石１１０を径方向に離間して配置してもよい。例えば保持用永久磁石２０２は、図６に示すように規制プレート２３のステータ８２と軸方向に並んでいるフランジ部に固定してもよい。

（第３実施形態）
第３実施形態によるバルブリフト制御装置のアクチュエータは、モータの構成と保持用永久磁石の配置が上記複数の実施形態に係るアクチュエータと異なる。第３実施形態に係るアクチュエータのモータは、保持用永久磁石を備えていることを除いて一般的なブラシモータと実質的に同一であり、保持用永久磁石、コイルを有するロータ、界磁用永久磁石を有するステータ、ブラシ等から構成されている。

複数のコイルは、隣り合うコイルに対し周方向に所定角度回転してロータに取り付けられている。コイルはデルタ結線されており、周方向に隣接しているコイルは逆方向に巻回されている。複数の界磁用永久磁石はステータの内周壁に、隣り合う界磁用永久磁石に対し周方向に所定角度回転して取り付けられている。保持用永久磁石はロータの外周壁に取り付けられている。ここで所定角度とはモータの極数とスロット数とに応じて決まる角度である。

第３実施形態では、ステータの界磁用永久磁石とロータの保持用永久磁石との間に作用する引力により、上記複数の実施形態と同様に保持状態において、ロータのコイルに電流を供給することなく、ロータに加わるバルブ反力による回転トルクに抗じてバルブリフト量を一定量に保持することができる。

（他の実施形態）
上記複数の実施形態では、バルブリフト制御装置について説明したが、本発明によるアクチュエータはバルブリフト制御装置以外の装置にも用いることができる。
また、上記複数の実施形態では、バルブリフト制御装置は吸気バルブのリフト量を制御したが、本発明によるアクチュエータは排気バルブのリフト量を制御する制御軸を駆動してもよい。

また、上記複数の実施形態では、保持状態においてコイルに電流を供給しないものと説明したが、保持状態においてコイルに保持電流を供給することにより、バルブ反力による回転トルクを打ち消す保持トルクをロータに加えてもよい。この場合でも保持電流を低減することができるため、アクチュエータの消費電力を低減することができる。

また、第１実施形態及び第２実施形態では、２個の保持用永久磁石を用いて保持状態においてロータ８０を保持したが、ステータ８２やケース２０に何個の保持用永久磁石を取り付けてもよい。同様に第３実施形態において、ロータに何個の保持用永久磁石を取り付けてもよい。

また、第１実施形態及び第２実施形態では、保持用永久磁石をスロット９２又は規制プレート２３に取り付けたが、ロータ８０に対して相対的に回転しない構造物であれば、技術的な阻害要因がない限りにおいて保持用永久磁をどこに取り付けてもよい。同様に第３実施形態において、技術的な阻害要因がない限り保持用永久磁石をロータのどこに取り付けてもよい。具体的には、保持用永久磁石はロータの径方向の外周部に取り付けてもよいし、ロータの軸方向の端部に取り付けてもよい。

また、第１実施形態及び第２実施形態では、２個の保持用永久磁石を周方向に等間隔に配置したが、保持用永久磁石は周方向に不等間隔に配置してもよい。同様に第３実施形態において、保持用永久磁石は周方向に不等間隔に配置してもよい。

また、第１実施形態及び第２実施形態では、８極１２スロットのモータ２４により送りねじ機構２１を駆動したが、モータ２４の極数は何極でもよいし、モータ２４のスロット数は何スロットでもよい。同様に第３実施形態に係るモータの極数は何極でもよいし、何スロットでもよい。
このように、本発明は上記複数の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

第１実施形態によるバルブリフト制御装置のアクチュエータを示す一部切り欠き断面図である。 第１実施形態によるバルブリフト制御装置を示す模式図である。 第１実施形態によるバルブリフト制御装置のアクチュエータを説明するための説明図であり、本体カバー、回路カバー、基板、及び回転角度検出部を取り外した状態のアクチュエータをロータ固定ナット側から見た平面図である。 第１実施形態によるバルブリフト制御装置の作動を説明するための説明図である。 第２実施形態によるバルブリフト制御装置のアクチュエータを示す一部切り欠き断面図である。 第２実施形態の変形例によるバルブリフト制御装置のアクチュエータを示す一部切り欠き断面図である。

符号の説明

２：バルブリフト制御装置、３：内燃機関、４：吸気バルブ、１０、２００：アクチュエータ、１２：制御軸、２０：ケース（ハウジング）、２１：送りねじ機構、４０：回転軸、４１：ねじ軸、８０：ロータ（回転子）、８２：ステータ（固定子）、８４：界磁用永久磁石、９１：ステータコイル（コイル）、１１０、２０２：保持用永久磁石

Claims (5)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに取り付けられ、コイルを有する固定子と、
   界磁用永久磁石を有し、前記界磁用永久磁石が発生させる磁界と前記コイルに供給される電流との相互作用により回転する回転子と、
   前記回転子と連結されている回転軸と前記回転軸の回転により直線運動するねじ軸とを有し、前記回転軸の回転運動を前記ねじ軸の直線運動に変換する送りねじ機構と、
   前記ハウジング又は前記固定子に取り付けられ、前記界磁用永久磁石と引き合うことにより前記回転子を所定の回転角度で保持する保持用永久磁石と、
   を備えるアクチュエータ。
2. 界磁用永久磁石を有する固定子と、
   コイルを有し、前記コイルに供給される電流と前記界磁用永久磁石が発生させる磁界との相互作用により回転する回転子と、
   前記回転子と連結されている回転軸と前記回転軸の回転により直線運動するねじ軸とを有し、前記回転軸の回転運動を前記ねじ軸の直線運動に変換する送りねじ機構と、
   前記回転子に取り付けられ、前記界磁用永久磁石と引き合うことにより前記回転子を所定の回転角度で保持する保持用永久磁石と、
   を備えるアクチュエータ。
3. 前記保持用永久磁石は周方向に略等間隔に配置されている、請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
4. 内燃機関の吸気バルブ及び排気バルブの少なくとも一方のリフト量を制御軸の軸方向の位置に応じて変化させるバルブリフト制御装置において、前記制御軸を軸方向に直線駆動するアクチュエータであって、
   前記ねじ軸は、前記制御軸と連結されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
5. 前記保持用永久磁石は前記固定子と前記回転子との間に配置されている、請求項４に記載のアクチュエータ。
   
   
   
   

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