JP2009264504A - Valve driving device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジンから排出される排気ガスの一部を吸気系に戻す排気ガス再循環装置(EGR装置)に設置され、流体通路を開閉する弁部材をモータによって駆動する弁駆動装置に関する。 The present invention relates to a valve drive device that is installed in an exhaust gas recirculation device (EGR device) that returns a part of exhaust gas discharged from an engine to an intake system and that drives a valve member that opens and closes a fluid passage by a motor.
排気ガス再循環系に設置されるEGR(Exhaust Gas Recirculation)装置では、エンジンの燃焼室から排気通路へ排出される排気ガスの一部を、EGR通路を通じて吸気通路(吸気マニホールド)へ再循環させる。エンジンでは、この排気ガスの一部をEGRガスとして吸気通路に導入して外気と混合させて燃焼室へ吸入させることにより、燃焼室での可燃混合気の燃焼温度を下げ、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)の生成量を少なくすることができる。EGR装置にはEGR通路を開閉する弁体が設けられており、当該弁体は弁駆動装置によって開閉操作される。弁体によるEGR通路の開弁量によって、排気ガスの流入量が制御される。一般的にEGR装置は、内部にEGR通路としての流体通路を有するハウジングと、該ハウジング内の流体通路に設けられた弁座とを有する。そして、当該EGR装置に設置される一般的な弁駆動装置は、弁座に着座(閉弁)・離間(開弁)することで排気ガスの流量を制御する弁体と、一端が弁体に固定されて往復直線運動可能な弁軸と、該弁軸の往復直線運動の動力源となるモータと、該モータの回転運動を弁軸に伝達する伝達機構とを有する。 In an EGR (Exhaust Gas Recirculation) device installed in an exhaust gas recirculation system, a part of the exhaust gas discharged from the combustion chamber of the engine to the exhaust passage is recirculated to the intake passage (intake manifold) through the EGR passage. In the engine, a part of this exhaust gas is introduced into the intake passage as EGR gas, mixed with the outside air, and sucked into the combustion chamber, thereby lowering the combustion temperature of the combustible air-fuel mixture in the combustion chamber and reducing the nitrogen in the exhaust gas. The amount of oxide (NOx) produced can be reduced. The EGR device is provided with a valve body for opening and closing the EGR passage, and the valve body is opened and closed by a valve driving device. The inflow amount of exhaust gas is controlled by the valve opening amount of the EGR passage by the valve body. Generally, an EGR device includes a housing having a fluid passage as an EGR passage therein, and a valve seat provided in the fluid passage in the housing. A general valve driving device installed in the EGR device includes a valve body that controls the flow rate of exhaust gas by seating (closing) and separating (opening) the valve seat, and one end of the valve driving apparatus is a valve body. A valve shaft that is fixed and capable of reciprocating linear motion, a motor that is a power source for reciprocating linear motion of the valve shaft, and a transmission mechanism that transmits the rotational motion of the motor to the valve shaft.
この種の弁駆動装置として、例えば特許文献1及び特許文献2がある。特許文献1の弁駆動装置では、先端に弁体を有する弁軸の後端に、ステッピングモータが軸方向で直列に設けられている。ここでの伝達機構は、ステッピングモータのロータ及び弁軸に設けられた雌ネジ及び雌ネジからなり、ロータを回転させることで雄ネジと雌ネジの関係により弁軸をその軸線方向へ往復直線運動させることにより、弁体を開閉させている。特許文献2の弁駆動装置では、モータが弁軸の往復直線運動方向に対して直角関係にある。ここでの伝達機構は、モータの回転軸に設けられたピニオン歯車と、モータの回転出力を受けて弁軸を往復直線運動させる変換歯車と、ピニオン歯車と変換歯車との間に介在する中間歯車とからなり、モータの回転数を二段階で減速しながら弁体による開弁量を制御している。
しかし特許文献1では、ステッピングモータのロータに直接雌ネジが設けられ、モータからの回転出力が弁軸にダイレクトに伝達される。これでは、モータ回転数の減速比が十分でないことから、モータ回転数に対する弁体の軸方向移動量が比較的大きくなり、弁体の開度制御の分解能が悪く、排気ガスの流量を高精度に制御することには限界がある。 However, in Patent Document 1, a female screw is directly provided on the rotor of the stepping motor, and the rotation output from the motor is directly transmitted to the valve shaft. In this case, since the reduction ratio of the motor speed is not sufficient, the axial movement of the valve body relative to the motor speed is relatively large, the resolution of the valve body opening control is poor, and the exhaust gas flow rate is highly accurate. There is a limit to the control.
これに対し特許文献2では、中間歯車を設けてモータの回転数を二段階で減速している。しかし、特許文献3ではモータ軸と弁軸とが直角関係にあるので、弁軸の往復直線運動方向の他にモータの配設方向にも一定の寸法が必要となり、装置が大型となる。また、モータ軸と弁軸とが直角関係にあることで内部構造が複雑化し、中間歯車を設けたことによって形成される空間の有効利用は難しい。
In contrast, in
ここで、この種の弁駆動装置には、歯車の回転角度に応じて弁体の開度を検出するセンサが設けられることがある。しかし、特許文献1や特許文献2にはこの種のセンサは設けられていない。例えば特許文献2の弁駆動装置にセンサを配設しようとしても、効率的に配設する具体的機構は不明である。
Here, this type of valve drive apparatus may be provided with a sensor that detects the opening degree of the valve body in accordance with the rotation angle of the gear. However, this type of sensor is not provided in
そこで本発明は上記課題を解決するものであって、その目的とするところは、内部機構を効率的に組み付けることで装置が大型化することを避けながら、弁体の開弁量を高精度に制御できる弁駆動装置を提供する。 Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to increase the valve opening amount of the valve body with high accuracy while avoiding an increase in the size of the apparatus by efficiently assembling the internal mechanism. Provided is a valve drive that can be controlled.
本発明の弁駆動装置は、内部に流体通路を有するハウジングに設けられた弁座に着座・離間することで排気ガスの流量を制御する弁体と、一端が前記弁体に固定されて往復直線運動する弁軸と、該弁軸の往復直線運動の動力源となるモータと、前記弁軸の他端側において前記モータの回転速度を減速しながら前記弁軸へ伝達する伝達機構とを有する。すなわち、内部に排気ガス流動用の通路を有するEGR装置に設置される弁駆動装置である。弁軸が往復直線運度するに伴って弁体が弁座に着座することで閉弁され、弁体が弁座から離間することで開弁される。モータの回転速度を減速しながらその駆動力を弁軸へ伝達する伝達機構(トランスミッション)は、減速機構ということもできる。ここで、前記モータは、前記弁軸の往復直線運動方向(軸方向)と並列に設けられ、かつ前記伝達機構に対して前記弁体と同じ方向の位置に設けられている。すなわち、弁軸はモータの側方においてモータの回転軸(中心軸)方向に往復直線運動することになる。そして、前記伝達機構が、前記モータの回転軸に設けられる第1歯車と、該第1歯車と噛合い第1歯車より大径の第2歯車と、該第2歯車と同軸状に一体化され第2歯車より小径の第3歯車と、該第3歯車と噛合って前記弁軸を駆動する、第3歯車より大径の第4歯車とからなることを特徴とする。すなわち、モータの回転軸に設けられる第1歯車と弁軸を駆動する第4歯車との間に、第2歯車及び第3歯車からなる中間歯車が介在されていることになる。第2歯車と第3歯車とは、接着などによって接合することで一体化されていてもよいし、一体成形することもできる。 The valve drive device of the present invention includes a valve body that controls the flow rate of exhaust gas by seating and separating from a valve seat provided in a housing having a fluid passage therein, and a reciprocating straight line with one end fixed to the valve body. A valve shaft that moves, a motor that is a power source for the reciprocating linear motion of the valve shaft, and a transmission mechanism that transmits the rotational speed of the motor to the valve shaft while reducing the rotational speed at the other end of the valve shaft. That is, it is a valve drive device installed in an EGR device having an exhaust gas flow passage inside. The valve body closes when the valve shaft is seated on the valve seat as the valve shaft reciprocates linearly, and the valve body opens when the valve body moves away from the valve seat. A transmission mechanism (transmission) that transmits the driving force to the valve shaft while decelerating the rotational speed of the motor can also be called a deceleration mechanism. Here, the motor is provided in parallel with the reciprocating linear motion direction (axial direction) of the valve shaft, and is provided at a position in the same direction as the valve body with respect to the transmission mechanism. That is, the valve shaft reciprocates linearly in the direction of the rotation axis (center axis) of the motor on the side of the motor. The transmission mechanism is integrated with a first gear provided on the rotation shaft of the motor, a second gear meshing with the first gear and having a larger diameter than the first gear, and coaxially integrated with the second gear. A third gear having a smaller diameter than that of the second gear and a fourth gear having a larger diameter than that of the third gear, which meshes with the third gear and drives the valve shaft. That is, an intermediate gear composed of the second gear and the third gear is interposed between the first gear provided on the rotating shaft of the motor and the fourth gear that drives the valve shaft. The second gear and the third gear may be integrated by bonding or the like, or may be integrally formed.
このとき、前記第2及び第3歯車の回転軸は、前記第1歯車の回転軸と前記第4歯車の回転軸との間に配しておくことが好ましい。第2及び第3歯車の回転軸が、第1歯車の回転軸と第4歯車の回転軸との間にあれば、必ずしもこれら第1〜第4歯車が一直線に並んでいる必要は無い。 At this time, the rotation shafts of the second and third gears are preferably arranged between the rotation shaft of the first gear and the rotation shaft of the fourth gear. If the rotation shafts of the second and third gears are between the rotation shaft of the first gear and the rotation shaft of the fourth gear, the first to fourth gears do not necessarily have to be aligned.
また、前記第1歯車と前記第2歯車とのギア比を、前記第3歯車と前記第4歯車とのギア比より大きくすることが好ましい。換言すれば、前記第3歯車と前記第4歯車とのギア比を、前記第1歯車と前記第2歯車とのギア比より小さくする。ここで、ギア比とは、駆動側の歯車の、受動側の歯車に対する歯数の比であって、(受動歯車の歯数/駆動歯車の歯数)の計算式で求められる。例えば、(第1歯車と第2歯車とのギア比=第2歯車の歯数/第1歯車の歯数)となる。 Further, it is preferable that a gear ratio between the first gear and the second gear is larger than a gear ratio between the third gear and the fourth gear. In other words, the gear ratio between the third gear and the fourth gear is made smaller than the gear ratio between the first gear and the second gear. Here, the gear ratio is the ratio of the number of teeth of the drive-side gear to the passive-side gear, and is obtained by a calculation formula of (number of teeth of the passive gear / number of teeth of the drive gear). For example, (the gear ratio between the first gear and the second gear = the number of teeth of the second gear / the number of teeth of the first gear).
この弁駆動装置における弁体の開度を検知制御するためのセンサを設ける場合、さらに前記第4歯車の同軸上方に一体化され第4歯車より小径の第5歯車と、該第5歯車と噛合い前記センサを径方向中央部に収容可能な第6歯車とを設けることができる。このとき、前記第3歯車を前記第2歯車の下方に一体化したうえで、各歯車の回転軸方向において、前記第4歯車と第6歯車との間に、前記第2歯車が位置するように組み付けることが好ましい。 In the case of providing a sensor for detecting and controlling the opening degree of the valve body in this valve drive device, a fifth gear that is integrated coaxially above the fourth gear and has a smaller diameter than the fourth gear, and meshes with the fifth gear. And a sixth gear capable of accommodating the sensor in the central portion in the radial direction. At this time, the third gear is integrated below the second gear, and the second gear is positioned between the fourth gear and the sixth gear in the rotation axis direction of each gear. It is preferable to assemble to.
同時に、前記第6歯車を、前記第2及び第3歯車とは別個独立して回転可能に、該第2及び第3歯車と同軸上方に設けることが好ましい。 At the same time, it is preferable that the sixth gear is provided coaxially above the second and third gears so as to be rotatable independently of the second and third gears.
また、前記第5歯車と前記第6歯車とのギア比を、前記弁体が全閉状態(弁体が弁座に着座した状態)から全開状態(弁体が弁座から最大限離間した状態)に至る間の前記第6歯車の回転角度が、90度以下となるように設計しておくことが好ましい。これにより、前記第6歯車の歯部を1/4円〜1/3円、すなわち中心軸周りに周方向へ90〜120度の拡がりをもつ扇型形状にすることができる。 Further, the gear ratio between the fifth gear and the sixth gear is changed from a fully closed state (a state where the valve body is seated on the valve seat) to a fully opened state (a state where the valve body is separated from the valve seat to the maximum extent). It is preferable that the rotation angle of the sixth gear be designed to be 90 degrees or less. Accordingly, the tooth portion of the sixth gear can be formed into a ¼ to 円 circle, that is, a fan shape having a spread of 90 to 120 degrees in the circumferential direction around the central axis.
一般的に各歯車同士の間には、互いに円滑な噛合回動が可能なように、所定のクリアランス(噛合いガタ)を有する。そのうえで、前記第6歯車を周方向(回動方向)に付勢する弾性体を設けておくことが好ましい。ここでの弾性体によって第6歯車が付勢される方向は特に限定されず、第6歯車の回動方向と同じ方向でも逆方向でもよい。 Generally, a predetermined clearance (meshing backlash) is provided between the gears so that smooth meshing rotation is possible. In addition, it is preferable to provide an elastic body that biases the sixth gear in the circumferential direction (rotation direction). Here, the direction in which the sixth gear is urged by the elastic body is not particularly limited, and may be the same direction as the rotation direction of the sixth gear or the opposite direction.
本発明によれば、モータが弁軸の往復直線運動方向(軸方向)と並列に設けられており、かつ伝達機構に対して弁体と同じ方向の位置に設けられていることで、弁駆動装置における弁軸の軸方向の長さにおいて、モータの長さ分を省くことができ、弁駆動装置が小型となる。また、モータと弁軸とが並列関係にあることから、弁軸の軸方向と直交する方向、すなわち弁駆動装置の平面方向寸法が必要以上に大型化することもない。弁駆動装置が小型化できることで、エンジンへの搭載性も向上する。 According to the present invention, the motor is provided in parallel with the reciprocating linear motion direction (axial direction) of the valve shaft, and is provided at a position in the same direction as the valve body with respect to the transmission mechanism. In the length of the valve shaft in the device in the axial direction, the length of the motor can be omitted, and the valve drive device becomes small. Further, since the motor and the valve shaft are in a parallel relationship, the dimension perpendicular to the axial direction of the valve shaft, that is, the planar dimension of the valve drive device does not increase more than necessary. Since the valve drive device can be reduced in size, it can be mounted on the engine.
そのうえで、モータの回転速度を減速しながらその駆動力を弁軸へ伝達する伝達機構に、モータの回転軸に設けられる第1歯車と弁軸を駆動する第4歯車との間に、第2歯車及び第3歯車からなる中間歯車を介在させていることでモータの回転速度が二段階で減速され、弁体の開度制御の分解能が向上し、排気ガスの流量を高精度に制御することができる。また、中間歯車を新たに設けたことに伴い、中間歯車の下方に新たなスペースが形成される。そこで、例えば冷却水を中間歯車の下方スペースを流動させるなど、当該中間歯車の下方スペースを有効利用することで、EGR装置に新たな機能を付加することもできる。 In addition, the second gear is provided between the first gear provided on the rotating shaft of the motor and the fourth gear for driving the valve shaft to the transmission mechanism that transmits the driving force to the valve shaft while reducing the rotational speed of the motor. And the intermediate gear made up of the third gear reduces the rotational speed of the motor in two steps, improves the resolution of the opening control of the valve body, and controls the flow rate of the exhaust gas with high accuracy. it can. In addition, a new space is formed below the intermediate gear as a result of newly providing the intermediate gear. Therefore, a new function can be added to the EGR device by effectively using the space below the intermediate gear, for example, by flowing cooling water in the space below the intermediate gear.
第2歯車等からなる中間歯車の回転軸を第1歯車又は第4歯車の外方に設けると、その分弁駆動装置を平面方向に拡大させることが必要となる。しかし、中間歯車の回転軸を、第1歯車の回転軸と第4歯車の回転軸との間に配しておけば、第2及び第3歯車をそれぞれ効率良く第1及び第4歯車と噛合わせることができ、弁駆動装置が平面方向に大型化することを最小限に留められる。 If the rotation shaft of the intermediate gear composed of the second gear or the like is provided outside the first gear or the fourth gear, it is necessary to enlarge the valve driving device in the plane direction. However, if the rotation shaft of the intermediate gear is arranged between the rotation shaft of the first gear and the rotation shaft of the fourth gear, the second and third gears are efficiently meshed with the first and fourth gears, respectively. Therefore, it is possible to minimize the increase in the size of the valve driving device in the plane direction.
伝達機構における減速比設計は、先ずモータの回転軸に設けられる第1歯車から弁軸を駆動させる第4歯車までの最終的な減速比を定めたうえで、第1歯車と第2歯車とのギア比と第3歯車と第4歯車とのギア比との関係を決することになる。このとき、第1歯車と第2歯車とのギア比と第3歯車と第4歯車とのギア比との相対関係は、互いに相反関係にある。つまり、最終的な減速比を前提としたうえで、第1歯車と第2歯車とのギア比を相対的に大きくすると、その分第3歯車と第4歯車とのギア比は相対的に小さくする必要がある。逆に、第1歯車と第2歯車とのギア比を相対的に小さくすると、その分第3歯車と第4歯車とのギア比は相対的に大きくする必要がある。そして、第3歯車と第4の歯車とのギア比を大きくすると、必然的に第3歯車の直径が小さくなる反面、平面方向の最外側にある第4歯車の直径が大きくなる。これでは、第4歯車が平面方向に大きく突出することになることで、装置全体の平面方向寸法が大型化してしまう。そこで、第1歯車から第4歯車までの最終的な減速比が定められている中で、第1歯車と第2歯車とのギア比を第3歯車と第4歯車とのギア比より大きくして、第3歯車と第4歯車とのギア比をできるだけ小さくすることで、第4歯車の直径を小さくできる。これにより、装置の平面方向寸法が大幅に拡大することを避けられる。 The reduction ratio design in the transmission mechanism is performed by first determining the final reduction ratio from the first gear provided on the rotating shaft of the motor to the fourth gear for driving the valve shaft, and then between the first gear and the second gear. The relationship between the gear ratio and the gear ratio between the third gear and the fourth gear is determined. At this time, the relative relationship between the gear ratio between the first gear and the second gear and the gear ratio between the third gear and the fourth gear is mutually contradictory. In other words, assuming the final reduction ratio, if the gear ratio between the first gear and the second gear is relatively large, the gear ratio between the third gear and the fourth gear is relatively small. There is a need to. Conversely, if the gear ratio between the first gear and the second gear is relatively small, the gear ratio between the third gear and the fourth gear needs to be relatively large. When the gear ratio between the third gear and the fourth gear is increased, the diameter of the third gear inevitably decreases, but the diameter of the fourth gear located on the outermost side in the plane direction increases. In this case, since the fourth gear greatly protrudes in the plane direction, the dimension in the plane direction of the entire apparatus is increased. Therefore, the final reduction ratio from the first gear to the fourth gear is determined, and the gear ratio between the first gear and the second gear is made larger than the gear ratio between the third gear and the fourth gear. Thus, the diameter of the fourth gear can be reduced by reducing the gear ratio between the third gear and the fourth gear as much as possible. Thereby, it can avoid that the dimension of the plane direction of an apparatus expands significantly.
現在、自動車の排出ガス規制を満たすため、センサよって各種装置の故障を検知する車載式故障診断(オンボードダイアグノーシス、OBD)システムを車両に装着することが義務付けられており、故障を確実かつ早期に検出することが必要となってきている。OBDシステムは、車両自身が排出ガス対策装置の異常(突発的故障)を検知・監視し、異常発生時に警報表示して運転者に知らせるとともに、その故障内容を記憶保持する装置である。そこで、弁体の開度(弁軸の往復直線運動量)を検知制御するセンサが設けられていれば、弁体の作動故障などを検知でき、エミッションのOBDに対応できる。また、センサはモータ使用時のフィードバック制御にも使用できる。すなわち、センサによって弁体の開度を検知することで、モータの回転方向、回転量、停止タイミングなどを制御できる。 Currently, in order to meet the exhaust gas regulations of automobiles, it is obliged to install on-board diagnosis (OBD) system that detects the failure of various devices by means of sensors on the vehicle. It is becoming necessary to detect it. The OBD system is a device in which the vehicle itself detects and monitors an abnormality (sudden failure) of the exhaust gas countermeasure device, displays an alarm to notify the driver when the abnormality occurs, and stores and stores the details of the failure. Therefore, if a sensor for detecting and controlling the opening degree of the valve body (reciprocating linear momentum of the valve shaft) is provided, it is possible to detect an operation failure of the valve body and cope with emission OBD. The sensor can also be used for feedback control when the motor is used. That is, the rotation direction, rotation amount, stop timing, and the like of the motor can be controlled by detecting the opening degree of the valve body by the sensor.
そして、第1歯車と第2歯車とのギア比が第3歯車と第4歯車とのギア比より大きいことから、必然的に第2歯車は第4歯車と重なることになる。一方、第5歯車は第4歯車より小径であることから、必然的に当該第5歯車と噛合う第6歯車は比較的大径となる。このような関係において、第3歯車を第2歯車の下方に一体化したうえで、各歯車の回転軸方向において、第4歯車と第6歯車との間に第2歯車を位置させれば、伝達機構をスペース的に効率よく組み付けられるので、装置の長さ方向(歯車の回転軸方向)寸法をできるだけ小さくできる。 Since the gear ratio between the first gear and the second gear is larger than the gear ratio between the third gear and the fourth gear, the second gear inevitably overlaps with the fourth gear. On the other hand, since the fifth gear has a smaller diameter than the fourth gear, the sixth gear that inevitably meshes with the fifth gear has a relatively large diameter. In such a relationship, if the third gear is integrated below the second gear, and the second gear is positioned between the fourth gear and the sixth gear in the rotation axis direction of each gear, Since the transmission mechanism can be assembled efficiently in space, the size of the apparatus in the length direction (gear axis direction) can be made as small as possible.
このとき、第6歯車を第2及び第3歯車と同軸上方に配しておけば、さらにスペース的に効率が良く、長手方向のみならず平面方向においても装置が大型化することをより的確に避けられる。また、このとき、第6歯車を第2及び第3歯車とは別個独立して回転可能としておけばセンサによる弁体の開度検知が阻害されることはない。 At this time, if the sixth gear is arranged coaxially with the second and third gears, it is more efficient in terms of space, and it is more accurate that the apparatus is enlarged not only in the longitudinal direction but also in the plane direction. can avoid. At this time, if the sixth gear can be rotated independently of the second and third gears, detection of the opening degree of the valve body by the sensor is not hindered.
第5歯車と第6歯車とのギア比を、弁体が全閉状態から全開状態に至る間の第6歯車の回転角度が90度以下となるように設計してあれば、例えば吸気通路の絞り弁など、他の製品の弁開度検出センサとしても共用することができ、コストを削減できる。例えば、EGR装置の下流には内燃機関へ空気を導入する吸気通路が設けられている。当該吸気通路の絞り弁には一般的にバタフライ弁が使用され、その作動角は90度以下である。したがって、弁駆動装置における弁体の開度を検知させる第6歯車の回動角度も90度以下とすることで、大量に生産されている吸気量制御用のバタフライ弁の開度検出装置を共用できるようになる。 If the gear ratio between the fifth gear and the sixth gear is designed so that the rotation angle of the sixth gear during the valve body from the fully closed state to the fully open state is 90 degrees or less, for example, the intake passage It can also be used as a valve opening degree detection sensor for other products such as a throttle valve, and the cost can be reduced. For example, an intake passage for introducing air into the internal combustion engine is provided downstream of the EGR device. A butterfly valve is generally used as the throttle valve for the intake passage, and its operating angle is 90 degrees or less. Therefore, the rotation angle of the sixth gear for detecting the opening degree of the valve body in the valve drive device is also set to 90 degrees or less, so that the mass production amount of butterfly valve opening degree detection device for controlling the intake air amount is shared. become able to.
第6歯車の回転角度が90度以下に設計されていることで、当該第6歯車の歯部は1/4円〜1/3円で足りる。これにより、第6歯車を設置するスペースを狭小化できると共に、回動軌跡も小さくなるので、さらに装置を効率よく小型化できる。 Since the rotation angle of the sixth gear is designed to be 90 degrees or less, the tooth portion of the sixth gear is sufficient to be ¼ to 3. As a result, the space for installing the sixth gear can be reduced, and the rotation trajectory can be reduced, so that the apparatus can be further downsized more efficiently.
第6歯車が弾性体によって周方向(回動方向)に常時付勢されていれば、第5歯車と第6歯車との間、延いては各歯車同士の噛合いガタが、回動方向の一方向に常時安定して寄せられる。これにより、モータの正転・逆転に伴って弁軸が往動や復動するときに、噛合いガタによる回動タイミングのズレを解消できるので、センサによる弁体の開度検知制度が安定すると共に、精度が向上する。また、付勢方向を選択することで、モータ故障などによる弁駆動装置の作動不良に的確に対応させたりすることもできる。 If the sixth gear is always urged in the circumferential direction (rotation direction) by the elastic body, the engagement backlash between the fifth gear and the sixth gear and the gears in the rotation direction is Always stable in one direction. As a result, when the valve shaft moves forward and backward with forward and reverse rotation of the motor, it is possible to eliminate the deviation of the rotation timing due to the backlash, so that the valve opening detection system by the sensor is stabilized. At the same time, accuracy is improved. In addition, by selecting the urging direction, it is possible to accurately cope with a malfunction of the valve drive device due to a motor failure or the like.
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明するが、これに限られず本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。図1は、弁駆動装置の断面図である。図2は、ブラケット24、ハウジングカバー26、上部軸受27、及び捩りコイルバネ34を取り外した状態の弁駆動装置の平面図である。図3は、第6歯車16の要部拡大平面図である。図4は、弁軸5の底面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. However, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view of the valve drive device. FIG. 2 is a plan view of the valve drive device with the
弁駆動装置は、自動車の排気ガス再循環系において、エンジンからの排気ガスの一部を、その流量を制御しながらEGRガスとして吸気通路(吸気マニホールド)へ再循環させる排気ガス再循環装置(EGR装置)1に設置される。図1に示されるように、EGR装置1は、内部に流体通路7を有するハウジング2と、該ハウジング2内の流体通路7に設けられた弁座3と、ハウジング2の上面開口を塞ぐハウジングカバー26とを有する。ハウジング2は、アルミニウムダイカストや、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)などの合成樹脂製とできる。ハウジングカバー26は、ポリエチレンテレフタレート(PET)などの合成樹脂製である。ハウジング2とハウジングカバー26とは、これらの周縁においてリベット固定されている。弁駆動装置はハウジング2内に構築され、弁座3に着座・離間することで排気ガスの流量を制御する弁体4と、往復直線運動可能な弁軸5と、該弁軸5を往復直線運動させるモータ6と、該モータ6の回転速度を減速しながら弁軸5へ伝達する伝達機構とを有する。
The valve drive device is an exhaust gas recirculation device (EGR) that recirculates a part of the exhaust gas from the engine as EGR gas to the intake passage (intake manifold) while controlling the flow rate in the exhaust gas recirculation system of the automobile. Device) 1 is installed. As shown in FIG. 1, the EGR device 1 includes a
流体通路7はEGR通路として設けられており、エンジンの燃焼室において発生した排気ガスが排出されていく排気通路から、エンジンの燃焼室へ空気を導入する吸気通路に至って連通されている。図示していないが、図1における流体通路7の下端が排気通路と連通しており、図1の奥方へ延びる流体通路7の先端が吸気通路の連通している。そして、弁体4が弁座3の下方から着座・離間することで、EGR通路7が開閉される。弁体4は略円錐形を呈するポペット弁であり、これにハウジング2内において上下方向に延設された弁軸5の下端(一端)が溶接固定されている。弁軸5は、上下方向に往復直線運動するよう配されている。
The
伝達機構は、図1及び図2に示されるように、モータ6の回転軸に設けられる第1歯車11と、弁軸5を駆動させる第4歯車14との間に、中間歯車10が介在されている。これにより、モータ6の回転速度が中間歯車10と第4歯車14とによって二段階で減速されながら、モータ6の回転出力が弁体4へ伝達される。第1歯車11は鉄又は黄銅製のピニオン歯車からなり、第4歯車14は平歯車状を呈する。中間歯車10は、ポリアミド樹脂(ナイロン46)にガラス繊維30重量%、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)10重量%を混合した繊維強化型プラスチック(FRP)製であり、第1歯車11と噛合う第2歯車12と、該第2歯車12の下面に第2歯車12と同軸状に一体化された第3歯車13とからなる二段平歯車となっている。なお、第2歯車12は第1歯車11より大径であり、第3歯車13は第2歯車12より小径である。第4歯車14は第3歯車13と噛合い、該第3歯車13より大径となっている。具体的には、第1歯車11の歯数は11歯であり、第2歯車12の歯数は57歯であり、第3歯車13の歯数は20歯であり、第4歯車14の歯数は29歯となっている。すなわち、第1歯車11と第2歯車12とのギア比(第2歯車12の歯数/第1歯車の歯数=5.18)は、第3歯車13と第4歯車14とのギア比(第4歯車14の歯数/第3歯車の歯数13の歯数=1.45)より大きい。これにより、第4歯車14の直径ができるだけ小さく抑えられており、EGR装置1の平面方向の拡大が避けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the transmission mechanism, an
第4歯車14の径方向中央部には弁軸5が挿通されており、その弁軸挿通孔の内周面に雌ネジ18が設けられている。一方、弁軸5の上部外周面には、雌ネジ18と螺合する雄ネジ17が設けられている。この第4歯車14の雌ネジ18と弁軸5の雄ネジ17との螺合により、弁軸5を中心とした第4歯車14の回転運動が、弁軸5の往復直線運動に変換される。なお、中間歯車10の回転中心となる回転軸19は鉄合金製であり、第1歯車11の回転軸(モータ6の回転軸)と第4歯車14の回転軸(弁軸5)との間においてハウジング2に圧入されており、第1歯車11、中間歯車10、及び第4歯車14が、それぞれこれの順で左右方向に略一直線に並んでいる。そして、中間歯車10を設けたことにより形成される中間歯車10の下方スペースを有効利用して、当該スペースに冷却水が導通される冷却水通路35が設けられている。これにより、流体通路7内を流動する高温の排気ガスやモータ6の駆動熱などによるEGR装置1の温度上昇が抑えられる。また、低温時に駆動部位が氷結する事による作動不良を防止することもできる。
The
モータ6にはDCモータが使用され、弁軸5の往復直線運動方向(各歯車の回転軸方向)と並列に上下方向に向けて設けられており、かつ伝達機構を構成する各歯車11〜14に対して弁体4と同じ方向、すなわち各歯車11〜14よりも下方位置に設けられている。モータ6は、弁軸5の側方においてハウジング2にボルト20によって固定されている。符号32は、モータ6のカシメ固定部である。また、モータ6は、ハウジング2に直接接触しないよう浮上状に固定されている。具体的には、モータ6の底面とハウジング2との間には、円形リング形で中央部が上方へ湾曲する鉄鋼製のウェーブワッシャ21が介装されており、当該ウェーブワッシャ21によってモータ6が弾性的に支持されている。これにより、モータ6の駆動振動が、ハウジング2へ直接伝達することが避けられている。弁軸5は、上下方向へ往復直線運動可能になっており、軸受22の直上に、弁軸5を往復直線運動させるが周回転させない回転防止機構として、回転防止体23が配されている。
A DC motor is used as the
弁軸5は、基本的には下端から上端に亘って円柱形であるが、図1及び図4に示されるように、その一部に、大径の真円の左右側方が切り落され、対向する2つの平面の両端が曲面によって繋がれたような、幅広となった小判型軸部5aを有する。小判型軸部5aは、円形プレート28の下方に所定寸法に亘って形成されている。弁軸5が挿通される回転防止体23の挿通孔も、弁軸5の小判型軸部5aと同じ断面形状及び寸法の小判型となっている。すなわち、弁軸5の小判型軸部5aと回転防止体23とによって、弁軸5の回転防止機構が構成される。弁軸5の小判型軸部5aは、弁体4が弁座3に着座した閉弁状態にあるときに、少なくとも回転防止体23の上端より下方にまで達する上下寸法を有する。第4歯車14の雌ネジ18と弁軸5の雄ネジ17との間には、所定寸法の隙間が設けられている。
The
図1及び図2に戻って、第4歯車14の径方向中央部には、下面が開口する円筒部14aが一体形成されており、当該円筒部14aが、回転防止体23の外周に設けられたボールベアリングからなる下部軸受25の外周を囲んでいる。また、円筒部14aの上部は、ハウジング2にボルト固定されるアルミニウムダイカスト又は合成樹脂製のブラケット24に設けられたボールベアリングからなる上部軸受27によって回転可能に支持されている。弁軸5は、雄ネジ17の直下に設けられた円形プレート28と下部軸受25との間に設けられた第1のスプリング29によって、常時上方(閉弁方向)へ付勢されている。第4歯車14も、円筒部14a内の空洞上面と下部軸受25との間において第1のスプリング29の外周に設けられた第2のスプリング30によって、常時上方へ付勢されている。この第2のスプリング30により、第4歯車14及び後述の第5歯車15の上下ガタツキが抑えられている。
Returning to FIGS. 1 and 2, a
EGR装置1の内部には、伝達機構の回転数に応じて弁軸5の往復直線運動量を検知する、回転式非接触型の磁気センサ45が配されている。磁気センサ45は、演算部を内蔵するセンサ本体45と、該センサ本体45から外方へ突出する複数本の検出端子46とからなり、ハウジングカバー26の下面に接合されたセンサ室47内において、中間歯車10の回転軸19と同軸かつ不動状に配設されている。
Inside the EGR device 1, a rotary non-contact type
円筒部14aの外周面には、第4歯車14と同軸状に、第4歯車14より小径の第5歯車15が一体形成されている。また、該第5歯車15と噛合い、磁気センサ45が径方向中央部に配される第6歯車16が設けられている。第4歯車14及びこれに一体成形される第5歯車15はポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)製であり、第6歯車16はポリアミド樹脂(ナイロン46)にガラス繊維を30重量%混合した繊維強化プラスチック(FRP)製である。第6歯車16は、中間歯車10の回転軸19を共用して中間歯車10の同軸上方に設けられている。一方、第5歯車15は第4歯車14から所定寸法隔てた上方位置に形成されている。このとき、第5歯車と噛合う第6歯車と、第4歯車14との間には所定高さの間隙が形成されている。当該間隙の高さ寸法は、第2歯車12の厚みより僅かに大きい程度となっており、第4歯車14と第6歯車16との間の間隙内に、第2歯車12が丁度収まっている。これにより、各歯車11〜16が効率的に組みつけられることで、EGR装置1が各歯車の回転軸方向(弁軸5の軸方向)へ大きく拡大することが避けられている。また、第6歯車16は中間歯車10の回転軸19を共用していることで、第6歯車16用の回転軸を別個設ける必要がなく、部品点数を削減してコスト低減が図れる。なお、当該第6歯車16と中間歯車10との間にはワッシャ33が介装されていることで、第6歯車16と中間歯車10とは別個独立して回転可能となっている。
A
ブラケット24は第6歯車16の上方にまで左右方向に延在しており、磁気センサ45回りを囲んでいる。そして、第6歯車16は、これの上面とブラケット24との間に配されたステンレス製の捩りコイルバネ34によって、周方向(回転方向)と同時に下方へ常時付勢されている。第6歯車16が周方向に付勢されていることで、第6歯車16と第5歯車15との噛合いガタがなくなる。これにより、全閉状態でのセンサ検出ずれを防ぐことが可能となる。なお、本実施例では第6歯車16の周方向への付勢は、弁体4が閉弁する方向(逆回転方向)となっている。これにより、モータ6の不具合などによって弁駆動装置が停止しても、第1のスプリング29と捩りコイルバネ34の付勢力の相乗効果により、弁体4が自動的に閉弁する。同時に、第6歯車16が捩りコイルバネ34によって下方に常時付勢されていることで、中間歯車10や第6歯車16の回転軸方向への振動によるガタツキも抑えられている。捩じりコイルバネ34は、ブラケット24の下面に一体形成された係合突起36と、第6歯車16の上面に設けられた係合部37とに係止されている。
The
図1及び図2のほか、図3にも良く示されるように、第6歯車16の中央部凹部の底部には、回転軸19を挿通可能な挿通孔が穿設された円形の金属板40が配設されており、金属板40は中間歯車10及び第6歯車16の回転軸19の上端に圧入等によって固定されている。また、第6歯車16の中央部凹部の内周面には、2つの半円状のヨーク49・49が対向状に配さており、当該1対のヨーク49・49の両端の間に、それぞれマグネット48・48が対向状に嵌合されている。これにより、第6歯車16の回転に伴って、両マグネット48・48が検出端子46を中心として周回する。金属板40、マグネット48、及びヨーク49は、第6歯車16の型成形時に、一体的にインサート成形される。符号41は、マグネット48やヨーク49を第6歯車16にインサート形成する際に、当該マグネット48やヨーク49を固定するための金型により必然的に形成される溝である。
As well shown in FIG. 1 and FIG. 2, a
検出端子46は、両マグネット48・48間に発生する磁界の方向を検出するもので、第6歯車16の回転に伴う両マグネット48・48の回転量を検出することで、第6歯車16の回転量、延いては弁軸5の直線運動量を検出できるようになっている。詳しくは、1対のマグネット48・48によって磁気が印加され、例えば一方のヨーク49にN極が、他方のヨーク49にS極が発生すると、1対の半円状のヨーク49・49を合わせた円形内部に配置されたセンサ室47内の磁気センサ45には、その磁気センサ45の両側の磁気検出面を通して、一方のヨーク49から他方のヨーク49に流れる磁路が形成される。そして、ヨーク49・49間を横断する磁路に流れる磁界の強さは、磁気センサ45のヨーク49とマグネット48に対する角度により変化する。その検出磁界の強さに応じて磁気センサ45の出力電圧が変化し、第6歯車16つまり弁体4の開度を示す電圧信号が出力される。磁気センサ45の出力側は、ハウジング2に設けられたターミナル(図示せず)を通して外部の検出回路及びエンジン制御用コントローラに接続される。ここで、第5歯車15と第6歯車16とのギア比は、弁体4が全閉状態から全開状態に至る間の第6歯車16の回転角度が90度以下、好ましくは85〜90度となるように設計されており、吸気通路に配され大量に生産されている吸気量制御用のバタフライ弁の開度検知装置を共用できる。これに伴い、第6歯車16の歯部16aは、1/3円より若干小さい扇型形状に形成されている。なお、本実施例では、弁体4の全閉状態からの第6歯車16の回転角度は約86度となっており、第6歯車16の歯部16aは約110度の拡がりを持つ扇型に形成されている。
The
次に、弁駆動装置の作用について説明する。弁駆動装置の停止状態(初期状態)では、弁体4が弁座3に下方から着座しており、流体通路7が非連通状に閉弁されている。エンジンが駆動されて排出ガスが発生すると、必要に応じて排気ガスの一部をEGRガスとして流体通路7に導入するため、弁駆動装置が作動して流体通路7が開弁される。そして、運転者がアクセルペダルを踏み込むと、アクセル開度センサによりその開度が検出され、その開度信号がエンジン制御用コントローラに送られる。エンジン制御用コントローラは、弁体4の開度がアクセル開度に応じた開度になるように、駆動信号をモータ6に出力し、モータ6が駆動する。具体的には、端子31を介して通電されたモータ6が正回転すると、第1歯車14と噛合う第2歯車12、及び第2歯車12と一体回動する第3歯車と噛合う第4歯車14も正回転し、モータ6の回転出力が二段階減速されたうえで雌ネジ18及び雄ネジ17へ伝達される。第4歯車14が正回転すると、雌ネジ18と雄ネジ17との関係によって弁軸5が第1のスプリング29の付勢力に抗して下方へ直線運動する。なお、第4歯車14が250度正回転したときに弁軸5が一往動するよう設計されており、これに伴い第4歯車14と一体回転する第5歯車15と第6歯車16とのギア比により、第6歯車16が約86度正回転する。
Next, the operation of the valve drive device will be described. In the stop state (initial state) of the valve drive device, the
弁軸5が上下方向に直線運動するとき、弁軸5の小判型軸部5aが、不動状に固設された回転防止体23の小判型挿通孔内を上下に摺動することで、弁軸5が周方向に回転することはない。モータ6の回転出力が二段階減速されたうえで弁軸5へ伝達されることで、第1歯車14へ作用するトルクが増大される。また、DCモータはステッピングモータに比して駆動力が大きい。したがって、大流量のEGRガスの導入にも対応できる。また、大流量でない通常のEGRガス量の場合は、モータ6には比較的小型のモータを使用でき、これによりさらなるEGR装置1の小型化が可能となっている。なお、第2のスプリング30の弾性圧(付勢力)は、第1のスプリング29の弾性力よりも大きい。
When the
弁軸5が下方へ移動するに伴って弁体4も下方に移動することで、当該弁体4が弁座3から離間し開弁される。弁体4が開弁されることで、EGR通路7が連通状態となり、排気通路を流動する排気ガスの一部が流入し、EGRガスとして吸気通路へ再循環される。弁体4の開弁量(上下直線運動量)は、磁気センサ45によって検知・制御される。すなわち、弁体4の下方移動量を第6歯車16の回転角度に応じて磁気センサ45が検知し、モータ6が停止制御される。また、モータ6に通電されているにも関わらず、故障等によって弁軸5が直線運動しない場合も磁気センサ45によって検知できるので、OBDシステムにも的確に対応できる。
As the
弁体4を閉弁させる場合は、モータ6を逆回転させる。モータ6を逆回転させることで、各歯車11〜16、雌ネジ18、及び雄ネジ17もそれぞれ逆回転することで、弁軸5が上方へ直線運動する。弁体4が弁座3に着座して閉弁されたことが、第6歯車16が初期位置へ戻ることで磁気センサ45によって検知され、モータ6を停止する。
When the
1 EGR装置
2 ハウジング
3 弁座
4 弁体
5 弁軸
6 モータ
7 流体通路
10 中間歯車
11 第1歯車
12 第2歯車
13 第3歯数
14 第4歯車
15 第5歯車
16 第6歯車
17 雄ネジ
18 雌ネジ
19 回転軸
22 軸受
23 回転防止体
24 ブラケット
25 下部軸受
26 ハウジングカバー
27 上部軸受
29 第1スプリング
30 第2スプリング
34 捩りコイルバネ
35 冷却水通路
45 磁気センサ
47 センサ室
48 マグネット
49 ヨーク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (8)
前記モータは、前記弁軸の往復直線運動方向と並列に設けられ、かつ前記伝達機構に対して前記弁体と同じ方向の位置に設けられており、
前記伝達機構が、前記モータの回転軸に設けられる第1歯車と、該第1歯車と噛合い第1歯車より大径の第2歯車と、該第2歯車と同軸状に一体化され第2歯車より小径の第3歯車と、該第3歯車と噛合って前記弁軸を駆動する、第3歯車より大径の第4歯車とからなることを特徴とする、弁駆動装置。 A valve body that controls the flow rate of exhaust gas by seating and separating from a valve seat provided in a housing having a fluid passage therein, a valve shaft that is reciprocally linearly moved with one end fixed to the valve body, and the valve A valve drive device comprising: a motor that is a power source for reciprocating linear motion of the shaft; and a transmission mechanism that transmits the rotational speed of the motor to the valve shaft while reducing the rotational speed on the other end side of the valve shaft,
The motor is provided in parallel with the reciprocating linear motion direction of the valve shaft, and is provided at a position in the same direction as the valve body with respect to the transmission mechanism,
The transmission mechanism is integrated with a first gear provided on the rotation shaft of the motor, a second gear meshing with the first gear and having a larger diameter than the first gear, and coaxially integrated with the second gear. A valve drive device comprising: a third gear having a smaller diameter than the gear; and a fourth gear having a larger diameter than the third gear and meshing with the third gear to drive the valve shaft.
さらに、前記第4歯車の同軸上方に一体化され第4歯車より小径の第5歯車と、該第5歯車と噛合い、前記弁体の開度を検出するためのセンサが径方向中央部に配される第6歯車とが設けられており、
各歯車の回転軸方向において、前記第4歯車と第6歯車との間に、前記第2歯車が位置していることを特徴とする、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の弁駆動装置。 The third gear is integrated below the second gear,
Further, a fifth gear that is integrated coaxially above the fourth gear and has a smaller diameter than the fourth gear, and a sensor that meshes with the fifth gear and detects the opening degree of the valve body are provided in the central portion in the radial direction. A sixth gear is provided,
The valve according to any one of claims 1 to 3, wherein the second gear is located between the fourth gear and the sixth gear in the rotation axis direction of each gear. Drive device.
The valve drive device according to claim 4, further comprising an elastic body that urges the sixth gear in a circumferential direction.
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