JP2007298069A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動ねじの基準位置を正確に検出するアクチュエータを提供する。
【解決手段】送りねじ機構４０は、モータにより回転駆動されるロータ４４の回転運動を送りねじ４２の直線運動に変換する。座金状の圧電素子１１０は、筒部材１００のフランジ１０４から一部を突出させた状態でリング１２０と向き合う側のフランジ１０４に取り付けられている。リング１２０は、駆動ねじ４２の外周に取り付けられている。リング１２０が筒部材１００のフランジ１０４に当接することにより、駆動ねじ４２の矢印Ｂ方向への移動が規制される。駆動ねじ４２がＢ方向に移動し、リング１２０が筒部材１００のフランジ１０４に当接すると、圧電素子１１０に荷重が加わり、圧電素子１１０から電気信号が出力される。この圧電素子１１０の電気信号により、リング１２０が筒部材１００に当接し、駆動ねじ４２が基準位置に達したことを検出できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータにより回転駆動されるロータの回転運動を駆動ねじの直線運動に変換し、駆動ねじにより駆動対象を直線駆動するアクチュエータに関する。

従来、例えば吸気バルブまたは排気バルブのリフト量を制御シャフトの軸方向位置に応じて変化させるバルブリフト制御装置のアクチュエータとして、制御シャフトを直線駆動する各種のアクチュエータが用いられている。
こうしたバルブリフト制御装置のアクチュエータとしては、モータの回転駆動力を減速機構およびカム機構を通じて直線駆動力に変換し、この直線駆動力を制御シャフトに伝達する構成が提案されている（例えば特許文献１参照）。

また、本願発明者らは、減速機構およびカム機構の代わりに、ロータの回転運動を駆動ねじの直線運動に変換する送りねじ機構を用いたアクチュエータの構造について、鋭意研究を行ってきた。一般に送りねじ機構は、互いに同軸のロータと駆動ねじとを直接的、または間接的に連動させた比較的簡素な構成によって大きな直線駆動力を得ることができるので、減速機構およびカム機構を組み合わせる場合に比べて、アクチュエータの体格を小さくすることができる。

このような送りねじ機構を用いたアクチュエータの場合、モータに通電してロータを回転させ、駆動ねじが駆動対象を駆動している軸方向の駆動位置を制御することが一般的である。ここで、駆動ねじの駆動位置は、例えば、駆動ねじの基準位置からのロータの回転量を検出し、ロータの回転量に対応する駆動ねじの直線移動量から検出することができる。

ところで、電源の一時的な遮断等のフェイルが発生して駆動ねじの位置情報が消失すると、フェイルから復帰しても基準位置からのロータの回転量を検出することができないので、駆動ねじの駆動位置を検出することができなくなる。そこで、フェイルからの復帰時に、モータへの通電を制御し、駆動ねじを基準位置まで強制的に移動してストッパに当接させ、駆動ねじの基準位置を検出することが考えられる。図５に示すように、駆動ねじが基準位置に向けて移動することにより基準位置からの駆動ねじのストローク３００が減少し、駆動ねじがストッパに当接すると、モータ電流３１０の値が所定値にまで上昇するので、モータ電流３１０に基づいて駆動ねじが基準位置に達したことを検出できる。そして、駆動ねじが基準位置に達したときにロータの回転量を初期値にすれば、基準位置からのロータの回転量を検出できる。駆動ねじの移動開始時にモータ電流３１０が上昇するのは、駆動ねじの始動抵抗のためであり、駆動ねじが基準位置に達したときにモータ電流３１０が上昇するのは、駆動ねじがストッパに当接して移動できなくなるからである。

しかしながら、周囲温度の変化によるモータ電流のばらつき、駆動ねじが直線移動するときに駆動ねじに加わる摩擦抵抗のアクチュエータ毎のばらつき、モータのトルクのばらつき、あるいはロータまたは駆動ねじの噛み込み等によるモータ電流のばらつき等により、駆動ねじが実際にストッパに当接する基準位置に達していないにも関わらずモータ電流が所定値まで上昇すると、駆動ねじが基準位置に達したと誤判定する恐れがある。

特開２００４−１５０３３２号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、駆動ねじの基準位置を正確に検出するアクチュエータを提供することを目的とする。

請求項１から７に記載の発明によると、駆動ねじに設けた当接部が駆動ねじの基準位置を規定するストッパに当接したことを、当接部がストッパに加える荷重により荷重検出部が検出する。したがって、周囲温度、モータのトルク、ロータまたは駆動ねじの移動にともなう抵抗等がばらついても、駆動ねじが基準位置に達したことを荷重検出部により正確に検出できる。したがって、例えば電源の一時的な遮断等のフェイルにより駆動ねじの位置情報が消失した場合にも、フェイルからの復帰時に駆動ねじが基準位置に達したことを正確に検出できる。そして、検出した基準位置からのロータの回転量に対応する駆動ねじの直線移動量により、駆動ねじの駆動位置を高精度に検出できる。

請求項３に記載の発明によると、ストッパ側に荷重検出部が設置されているので、直線運動する駆動ねじ側に設置される場合に比べ荷重検出部への配線が容易である。
請求項４に記載の発明によると、荷重検出部は、ストッパに対し、当接部がストッパに当接する箇所と反対側において、当接部が荷重を加える部材同士の間に設置されている。つまり、駆動ねじとともに直線運動する当接部がストッパに当接する箇所から離れている位置に荷重検出部を設置するので、例えばアクチュエータのハウジングの外側に近い位置に荷重検出部を設置できる。ハウジングの外側に近い方が荷重検出部の設置は容易であり、荷重検出部への配線も容易である。

請求項７に記載の発明によると、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シャフトの軸方向位置に応じて変化させるバルブリフト制御装置のアクチュエータとして請求項１から６に記載のアクチュエータを使用する。その結果、例えば電源の一時的な遮断等のフェイルにより駆動ねじの位置情報が消失した場合にも、駆動ねじの基準位置、すなわちバルブリフト制御装置の制御シャフトの基準位置を正確に検出できる。したがって、フェイルからの復帰時に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高精度に制御できる。

尚、本発明に備わる手段の各機能は、構成自体で機能が特定されるハードウェア資源、プログラムにより機能が特定されるハードウェア資源、またはそれらの組み合わせにより実現される。また、これら手段の各機能は、各々が物理的に互いに独立したハードウェア資源で実現されるものに限定されない。

以下、本発明の複数の実施形態を図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を図３に示す。バルブリフト制御装置１０は、車両に搭載され、内燃機関の吸気バルブ２のリフト量を制御する。尚、本実施形態の構成では、吸気バルブ２のリフト量とともに作用角も増加する。バルブリフト制御装置１０は、制御シャフト１２と、変化機構２０と、アクチュエータ３０とから構成されている。

制御シャフト１２は、アクチュエータ３０の駆動ねじ４２と連結されており、駆動ねじ４２により矢印Ａ、Ｂの直線方向に往復駆動される。
変化機構２０は、制御シャフト１２の軸方向に制御シャフト１２とともに直線運動するスライダギア２２、２４を、ローラ２７を有する入力部２６および揺動カム２８にヘリカルスプライン結合させて構成されている。このヘリカルスプライン結合により、制御シャフト１２の軸方向位置に応じて入力部２６と揺動カム２８との相対位相差が変化する。入力部２６のローラ２７はカム軸８の吸気カム９に接触し、また揺動カム２８は吸気バルブ２のロッカーアーム６に接触可能に設けられている。揺動カム２８は、ロッカーアーム６を介し、スプリング４の荷重に抗して吸気バルブ２を開閉駆動する。そして、入力部２６と揺動カム２８との相対位相差に応じてロッカーアーム６の揺動角度は変化する。このよな構成により変化機構２０では、制御シャフト１２の軸方向位置が変化するのに応じて吸気バルブ２のリフト量（以下、単にバルブリフト量という）が変化し、それによって吸気バルブ２の作用角や最大バルブリフト量等といったバルブ特性が制御される。尚、本実施形態において吸気バルブ２を開閉駆動するときに、制御シャフト１２および駆動ねじ４２が受ける反力は、矢印Ｂ方向へ向かう軸力として作用する。

図２に示すように、アクチュエータ３０は、ハウジング本体３２およびカバー３６を有するハウジング内に、送りねじ機構４０、モータ５０等を収容している。ハウジング本体３２とカバー３６とはボルト３８で結合されている。アクチュエータ３０は、送りねじ機構４０によりモータ５０の回転駆動力を駆動ねじ４２の矢印Ａ、Ｂ方向への直線運動に変換し、駆動ねじ４２と連結している制御シャフト１２を直線駆動する。アクチュエータ３０は、図２の矢印Ａ、Ｂ方向が略水平方向となるようにして車両に搭載されている。

ハウジング本体３２は有底筒状に形成され、底部３４がエンジンヘッド等に嵌合した状態で内燃機関にボルト固定されている。ハウジング本体３２内には、底部３４を貫通するオイル供給路２００を通して内燃機関のオイルポンプから潤滑油が供給される。
送りねじ機構４０は、互いに同軸の駆動ねじ４２と円筒状のロータ４４とを組み合わせてなる台形ねじ機構である。駆動ねじ４２は、ハウジング本体３２の底部３４に形成された貫通孔３５を通してロータ４４内に挿入されている。駆動ねじ４２の外周には、ロータ４４の雌ねじと噛み合う雄ねじが形成されている。このような駆動ねじ４２とロータ４４との噛み合いにより、ロータ４４が回転することによって駆動ねじ４２は軸方向に移動する。すなわち、送りねじ機構４０は、ロータ４４の回転運動を駆動ねじ４２の直線運動に変換する機構である。駆動ねじ４２と制御シャフト１２とは図示しない継手により連結されている。このように駆動ねじ４２と制御シャフト１２とが連結されているので、駆動ねじ４２は制御シャフト１２とともに直線運動するとともに、吸気バルブ２を駆動するときの反力を制御シャフト１２から受ける。駆動ねじ４２は、駆動ねじ４２自体または制御シャフト１２の回転を規制する図示しない回転規制構造により、回転を規制されている。

ロータ４４の内周側には、歯断面が台形の雌ねじが内周壁に形成されている。ロータ４４は、ロータ４４の外周中央部に径方向外側に突出している鍔４５を一体に形成している。カップ状のナット４６は、ロータ４４の軸方向端部にねじ結合しており、環状部材４８を介して後述するロータコア５２を鍔４５に押し付けている。

モータ５０は、ブラシレスのＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータであり、ロータコア５２、永久磁石５４、ステータコア６０、ボビン６２、コイル６４等から構成されている。ロータコア５２は円筒状に形成され、ナット４６がロータ４４とねじ結合する軸力により、環状部材４８を介してロータ４４の鍔４５に押し付けられている。ロータコア５２は、鍔４５に向けて押し付けられるナット４６の軸力と、キー等による鍔４５との結合により、ロータ４４に対する回転方向のずれを防止されている。永久磁石５４はロータコア５２の外周に周方向に交互に異なる磁極を形成するように複数設置されている。ロータコア５２および永久磁石５４は、ロータ４４とともに正逆方向に回転する。

ステータコア６０は、駆動ねじ４２の軸方向に積層された磁性鋼板により構成されており、ボルト６６によりハウジング本体３２に固定されている。ステータコア６０は、永久磁石５４の外周を囲むように環状に形成されており、内側の永久磁石５４に向けて突出するティース６１を周方向に複数設けている。ボビン６２は各ティース６１の外周に嵌合しており、ボビン６２にコイル６４が巻回されている。

支持部材７０は、ロータ４４の制御シャフト１２と反対側の端部に取り付けられており、環状の永久磁石７２を支持している。支持部材７０および永久磁石７２は、ロータ４４とともに回転する。永久磁石７２は、環状溝を挟んで内周側および外周側にそれぞれ環状部７３を有している。各環状部７３は、回転方向に交互に異なる磁極を形成するように着磁されており、環状部７３同士の磁極数は異なっている。環状部７３の一方はロータ４４の回転位置を検出するために使用され、環状部７３の他方はロータ４４の回転量をカウントするために使用される。ホール素子７４は永久磁石７２の内周側および外周側の環状部７３とそれぞれ向き合うようにカバー３６に設置されている。ホール素子７４は、ロータ４４とともに永久磁石７２が回転することによる磁束密度の変化を検出する。永久磁石７２およびホール素子７４は、ロータ４４の回転量を検出する回転量検出部を構成している。

軸受８０は、ロータ４４と同軸に設置されており、正逆方向に回転自在にロータ４４を支持している。環状の支持部材８２は、ボルト８４がハウジング本体３２にねじ結合することにより、ハウジング本体３２に向けて軸受８０を押し付けている。皿ばね８６は、支持部材８２に向けて軸受け８０に荷重を加えている。

オイルシール９０は、ハウジング本体３２とロータ４４の端部との間に介装されており、ハウジング本体３２とロータ４４との間を液密にシールしている。
図１に示すように、ストッパとしての筒部材１００は、筒部１０２およびフランジ１０４を有し、一体に形成されている。筒部１０２は、ハウジング本体３２の貫通孔３５に挿入されれるとともに、駆動ねじ４２の外周を囲んでいる。リベット１０６は、筒部材１００のフランジ１０４とリベット座１０８との間に底部３４を挟持している。

環状に形成された座金状の圧電素子１１０は、荷重検出部であり、フランジ１０４から一部を突出させた状態でリング１２０と向き合う側のフランジ１０４に形成された環状溝１０５に嵌め込まれている。
当接部としてのリング１２０は、駆動ねじ４２の外周に取り付けられている。リング１２０が筒部材１００のフランジ１０４に当接することにより、駆動ねじ４２の矢印Ｂ方向への移動が規制される。そして、駆動ねじ４２が最も矢印Ｂ方向に移動し、リング１２０がフランジ１０４に当接する位置（Ｌｏｗ端）が、駆動ねじ４２の基準位置として設定されている。

図２に示す駆動位置検出手段および基準位置検出手段としての電子制御装置（Electronic Control Unit;ＥＣＵ）１３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等から構成されており、モータ５０への通電を制御する。ＥＣＵ１００のＲＯＭには、ＣＰＵが実行する制御プログラムが記憶されている。具体的には、ＥＣＵ１００は、ホール素子７４の検出信号をパルスとしてカウントする。そして、ＥＣＵ１００は、例えばリング１２０が筒部材１００に当接するＬｏｗ端を基準位置とし、この基準位置におけるパルス数を０とし、ロータ４４の回転方向に応じてパルス数を加算または減算することにより、基準位置からのロータ４４の回転量に応じた駆動ねじ４２の直線移動量から、駆動ねじ４２の駆動位置、つまり吸気バルブ２のリフト量を検出する。そして、ＥＣＵ１３０は、各種センサの検出信号から内燃機関の運転状態を判定し、内燃機関の運転状態に最適な吸気バルブ２のリフト量を算出する。そして、算出したリフト量になるようにコイル６４への通電を制御し、駆動ねじ４２の直線移動量、すなわちロータ４４の正逆方向への回転量を制御する。

ところで、電源の一時的な遮断等のフェイルにより、ＥＣＵ１３０への通電が停止されると、ＥＣＵ１３０は、基準位置、ならびにそれまでカウントしていたロータ４４の回転量等の駆動ねじ４２の駆動位置を検出するための位置情報を失うので、電源からの電力供給が再開された場合に、駆動ねじ４２の駆動位置を検出することができない。

そこで、電源が遮断された後に電源からの電力供給が再開された場合、ＥＣＵ１３０は、コイル６４への通電を制御し、駆動ねじ４２を図２のＢ方向に強制的に移動させる。駆動ねじ４２が移動し、リング１２０が筒部材１００のフランジ１０４に当接することにより圧電素子１１０に荷重が加わると、圧電素子１１０からＥＣＵ１３０に電気信号が出力される。ＥＣＵ１３０は、圧電素子１１０の電気信号から、リング１２０が筒部材１００に当接し、駆動ねじ４２が基準位置に達したことを検出する。そして、この基準位置において、ロータ４４の回転量のカウントを初期値の０に設定することにより、以下、ロータ４４の回転量に応じた駆動ねじ４２の直線移動量から、駆動ねじ４２の駆動位置を正確に検出できる。

以上説明した第１実施形態では、駆動ねじ４２の基準位置を検出するときに、駆動ねじ４２に取り付けられたリング１２０がハウジング本体３２に取り付けられた筒部材１００に当接したことを、筒部材１００に設置した圧電素子１１０がリング１２０から受ける荷重により検出する。したがって、例えば、図５に説明したモータのロック電流により駆動ねじ４２が筒部材１００に当接したことを検出する場合に比べ、周囲温度の変化、モータ５０のトルクばらつき、駆動ねじ４２が直線移動するときに駆動ねじ４２に加わる抵抗等のばらつき等の影響を受けず、駆動ねじ４２の基準位置を正確に検出できる。その結果、電源の一時的な遮断等によりＥＣＵ１３０が駆動ねじ４２の位置情報を失っても、電源からの電力供給が再開されたときに、駆動ねじ４２の基準位置を正確に検出し、吸気バルブ２のリフト量を高精度に制御できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図４に示す。尚、第１実施形態と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
第２実施形態では、座金状の荷重検出部としての圧電素子１４０を筒部材１００のフランジ１０４とハウジング本体３２の底部３４の内側との間に設置する。このように、リング１２０が筒部材１００に直接当接する箇所ではない位置に圧電素子１４０が設置されている場合にも、リング１２０が筒部材１００に当接するときにリング１２０が筒部材１００に加える荷重が筒部材１００を介して圧電素子１４０に加わるので、駆動ねじ４２が基準位置に達したことを正確に検出できる。

このように、リング１２０が筒部材１００のフランジ１０４に直接当接する箇所から離れた、底部３４の外側に近い位置に圧電素子１４０を設置することより、圧電素子１４０の取り付けが容易になるとともに、圧電素子１４０への配線が容易になる。
ストッパとしての筒部材１００およびリベット座１０８の構成によっては、底部３４の外側に設置した圧電素子により、筒部材１００に当接するときにリング１２０が筒部材１００に加える荷重を検出することもできる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、リング１２０が筒部材１００に当接して加える荷重を検出する荷重検出部として圧電素子を用いたが、ひずみゲージを用いてもよい。
また、上記実施形態では、駆動ねじ４２とロータ４４とが直接に噛み合っている送りねじ機構４０について説明したが、駆動ねじ４２とロータ４４とが歯車やボール等を介して間接的に結合する送りねじ機構を用いてもよい。さらに上記実施形態では、駆動ねじ４２と制御シャフト１２とを互いに同軸に連結しているが、制御シャフト１２に対して駆動ねじ４２を偏心させて連繋してもよい。

また、上記実施形態では、ロータ４４の回転量を検出するセンサ素子としてホール素子７４を用いているが、そのようなセンサ素子として、例えば磁気抵抗素子を用いてもよい。また、センサ素子の数については適宜設定可能である。
また、アクチュエータ３０と組み合わされる変化機構２０としては、制御シャフト１２の軸方向位置に応じてバルブリフト量を変化させるものであれば、上記実施形態の図３に示す構成以外のものを用いてもよい。また、吸気バルブ２を駆動するときの反力が駆動ねじ４２に矢印Ａ方向に加わる変化機構２０をアクチュエータ３０と組み合わせて用いてもよい。さらに、内燃機関の排気バルブ、あるいは吸気バルブおよび排気バルブの両バルブのリフト量を変化させる変化機構２０をアクチュエータ３０と組み合わせて用いてもよい。

また、吸気バルブおよ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のアクチュエータに限らず、本発明のアクチュエータを他の装置のアクチュエータとして使用してもよい。
また、上記実施形態では、電源の一時的な遮断等のフェイルから復帰するときに、モータ５０への通電を制御し、駆動ねじ４２に取り付けたリング１２０を筒部材１００に当接させることにより駆動ねじ４２の基準位置を検出した。これに対し、フェイルからの復帰時以外にも、例えば、駆動対象への駆動を開始する毎に駆動ねじの基準位置を検出してもよい。
このように、本発明は、上記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実施形態によるアクチュエータのストッパの周囲を示す断面図。 アクチュエータ全体を示す断面図。 （Ａ）はバルブリフト制御装置の変化機構を示す説明図、（Ｂ）は変化機構とカム軸との関係を示す説明図。 第２実施形態によるアクチュエータのストッパの周囲を示す断面図。 駆動ねじのストロークとモータ電流との関係を示す特性図。

符号の説明

２：吸気バルブ、１０：バルブリフト制御装置、１２：制御シャフト、２０：変化機構、３０：アクチュエータ、４０：送りねじ機構、４２：駆動ねじ、４４：ロータ、５０：モータ、７２：永久磁石（回転量検出部）、７４：ホール素子（回転量検出部）、１００：筒部材（ストッパ）、１１０、１４０：圧電素子（荷重検出部）、１２０：リング（当接部）、１３０：ＥＣＵ（駆動位置検出手段、基準位置検出手段）

Claims (7)

1. ロータ、および前記ロータの内周側に設置され駆動対象を駆動する駆動ねじを有し、前記ロータの回転運動を前記駆動ねじの軸方向の直線運動に変換する送りねじ機構と、
   通電により前記ロータを回転駆動するモータと、
   前記ロータの回転量を検出する回転量検出部と、
   前記駆動ねじに設けられている当接部と、
   前記当接部と当接して前記駆動ねじの直線運動を規制し、前記駆動ねじの基準位置を規定するストッパと、
   前記当接部が前記ストッパに加える荷重を検出する荷重検出部と、
   を備えるアクチュエータ。
2. 前記荷重検出部は前記当接部が前記ストッパに加える荷重を検出する圧電素子を有する請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記荷重検出部は前記ストッパ側に設置されている請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記荷重検出部は、前記ストッパに対し、前記当接部が前記ストッパに当接する箇所と反対側において、前記当接部が荷重を加える部材同士の間に設置されている請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記基準位置からの前記ロータの回転量に対応する前記駆動ねじの直線移動量から前記駆動ねじの軸方向の駆動位置を検出する駆動位置検出手段をさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
6. 前記モータへの通電を制御して前記送りねじ機構を駆動し、前記ストッパに前記当接部を当接させて前記荷重検出部に前記基準位置を検出させる基準位置検出手段をさらに備える請求項１から５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
7. 制御シャフトと、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前記制御シャフトの軸方向位置に応じて変化させる変化機構と、前記制御シャフトを直線駆動するアクチュエータと、を備えるバルブリフト制御装置の前記アクチュエータとして使用され、
   前記駆動ねじにより前記制御シャフトを直線駆動する請求項１から６のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
   
   
   
   
   

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