JP2013122248A - 吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気バルブ開閉調節用アクチュエーターの制御装置を提供する。
【解決手段】モーターに連結、回転駆動される入力軸と、入力軸に連動して回転し一端部が吸気バルブに連結され吸気バルブを開閉する出力軸と、出力軸の他端部に備えられ、出力軸と共に回転し、同心円上に第１、第２マグネットが備えられ、第１マグネットは９０°の角度で極性が交番、第２マグネットは回転角制御を望む一定角度で極性が交番して設置されるマグネットユニットと、マグネットユニットの一側に備えられ、第１及び第２マグネットの各回転区間内に夫々第１ホールセンサ及び第２、第３ホールセンサが設置され、マグネットユニットの回転によって、夫々第１及び第２マグネットの極性変化を感知し、第２、第３ホールセンサーの何れか一方が相異なる極性の境界部分に位置するとき、他方は何れかの極性の中心部に位置する制御部を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は吸気バルブの開閉タイミングをエンジンの運転条件に応じて適切に調節し、アクチュエーターの制御精度を高めるとともに低価格な構成に設計することができる吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置に関する。

近年、自動車エンジンの出力及び効率を向上させるために多様な努力を傾けており、吸気管の形状及び吸気バルブタイミングを調節して吸気効率を向上させることもこのような努力の一環である。

吸気バルブタイミングを調節するために吸気マニホールドに設置された背景技術としてのアクチュエーターを図１に示すように、吸気マニホールドに締結されるケース１００と、駆動軸にピニオンギア２４が備えられ、ケース１００内に設置された駆動モーター２と、複数のギア部を持ち、ケース１００内に軸結合された２段ギア部４と、２段ギア部４と噛み合い、バルブシャフト４００を中心軸とするバルブギア部６と、バルブギア部６の一側に設置され、バルブシャフト４００の回動角度を感知するセンサー部８とを含んでなる。ここで、センサー部８は磁石６４に対応するようにケース１００に設置され、ホール素子８２が使われる。

すなわち、ホール素子８２とバルブギア部６２内側の磁石６４の間の磁場変位値を測定した後、これを制御部で演算し、この演算された値を基準として駆動モーター２の駆動可否及び方向を決定することになる。

しかしながら、上述のようなロータリーマグネット及びセンサーなどの構成は出力が連続して（ｌｉｎｅａｒ）出ることになり制御精度が高い利点があるが、価格が相対的に高くなってアクチュエーター製品の価格競争力が落ちる問題がある。また、価格が安いホール素子を使えば、製品の価格競争力を確保することはできるが、出力値の解析精度（アクチュエータの制御精度）が低下する問題がある。以上、背景技術として説明した事項は本発明の背景に対する理解増進のためのものであり、上述した全事項が当業者に既に知られた従来技術に属するものとは限らない。

特開２０１０−２０９７７７号公報

本発明は上述したような問題点を解決するためになされたものであって、吸気バルブの開閉タイミングをエンジンの運転条件に応じて調節して吸気流入量を最適化するようにし、また、価格競争力の高い三つの検出部品を使って吸気バルブの開閉程度を制御することで、アクチュエーターの制御精度を高めるとともに低価格な構成に設計することができるようにした吸気バルブ開閉調節用アクチュエーターの制御装置を提供することにその目的がある。

上記目的を達成するするための本発明による吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置は、モーターに連結され、正方向または逆方向に回転駆動される入力軸と、前記入力軸に連動して回転するように備えられ、一端部が吸気バルブに連結されて吸気バルブを開閉操作する出力軸と、前記出力軸の他端部に備えられ、出力軸と一緒に回転し、同心円上に第１マグネットと第２マグネットが備えられ、第１マグネットは９０°の角度で相異なる極性が交番して設置され、第２マグネットは回転角制御を望む一定角度で相異なる極性が交番して設置されるマグネットユニットと、前記マグネットユニットの一側に備えられ、第１マグネットの回転区間内に第１ホールセンサーが設置され、マグネットユニットの回転によって第１マグネットの極性変化を感知し、第２マグネットの回転区間内に第２ホールセンサー及び第３ホールセンサーが設置され、マグネットユニットの回転によって第２マグネットの極性変化を感知し、第２ホールセンサーと第３ホールセンサーのいずれか一方が相異なる極性の境界部分に位置するとき、他方はいずれかの極性の中心部に位置する制御部と、を含むことを特徴とする。このような吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置において、前記第１ホールセンサーが第１マグネットの相異なる極性の境界部分に位置するとき、第２ホールセンサーと第３ホールセンサーのいずれか一方は第２マグネットの相異なる極性の境界部分に位置することが好ましく、また、前記第１マグネットは、マグネットユニットの回転の際、第１ホールセンサーによって感知される区間内にだけ設置されること好適であり、さらに、前記第１マグネットは一つが設置されることが好ましい。そして、前記第２マグネットは、マグネットユニットの回転の際、第２ホールセンサーと第３ホールセンサーによって感知される区間内にだけ設置されることが好ましく、また、前記第１マグネットと第２マグネットはゴム磁石であることが好適であり、さらに、前記第１乃至第３ホールセンサーは、第１マグネット及び第２マグネットが持つ磁場の範囲内で一定間隔（ｄ）で設置されることが良い。そしてまた、前記入力軸にウォームが備えられ、前記出力軸にはウォームとかみ合って回転するようにウォームホイールが形成されることが好適であり、また、前記制御部は、マグネットユニットの回転の際、第１ホールセンサーによって第１マグネットの極性変化が感知された位置を絶対位置に設定することが良く、さらに、前記制御部は、第１ホールセンサーによって第１マグネットの極性変化を感知するとき、第２ホールセンサー及び第３ホールセンサーで感知される第２マグネットの相対的な極性変化を判断してモーターの回転方向を確認することが好ましい。

本発明によれば、第１ホールセンサーによって絶対位置を設定することになり、絶対位置で第２ホールセンサーと第３ホールセンサーによって検出される相対的な波形信号を判別して回転方向を制御することになるので、吸気バルブの開閉タイミングをエンジンの運転条件に応じて調節して吸気流入量を最適化することができる。また、第１マグネットと第２マグネットが価格競争力の高いゴム磁石でなり、第１マグネットと第２マグネットを第１ホールセンサー、第２ホールセンサー及び第３ホールセンサーで検出及び制御することになるので、アクチュエーターの制御精度を高めるとともに製品の生産原価を低減する効果もある。

本発明の背景となる技術による吸気マニホールドに設置されたアクチュエーターの構造を示す平面図である。 本発明によるアクチュエーター制御装置の外部及び内部構成を拡大して示す斜視図である。 本発明によるアクチュエーター制御装置の側面図である。 本発明によるマグネットユニットの形状とホールセンサーの位置を例示する平面図である。 本発明によるマグネットユニットの回転時のホールセンサーの検出による波形の信号変化を示す図である。

以下、本発明による吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置の好適な実施形態について添付図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態の吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置は図２〜図５に示すように、モーター１１に連結され、正方向または逆方向に回転駆動される入力軸１０と、入力軸１０に連動して回転するように備えられ、一端部が吸気バルブ２１に連結されて吸気バルブ２１を開閉操作する出力軸２０と、出力軸２０の他端部に備えられ、出力軸２０と一緒に回転し、同心円上に第１マグネット３１と第２マグネット３２が備えられ、第１マグネット３１は９０°の角度で相異なる極性が交番して設置され、第２マグネット３２は回転角制御を所望の一定角度で相異なる極性が交番して設置されるようにしたマグネットユニット３０と、マグネットユニット３０の一側に備えられ、第１マグネット３１の回転区間内に第１ホールセンサー４１が設置され、マグネットユニット３０の回転によって第１マグネット３１の極性変化を感知し、第２マグネット３２の回転区間内に第２ホールセンサー４２及び第３ホールセンサー４３が設置され、マグネットユニット３０の回転によって第２マグネット３２の極性変化を感知し、第２ホールセンサー４２と第３ホールセンサー４３のいずれか一方が互い異なる極性の境界部分に位置するとき、他方はいずれか極性の中心部に位置する制御部４０とを含んでなる。

入力軸１０はモーター１１に連動して回転するように連結されたもので、モーター１１の端部に駆動ギア１２が軸結合され、駆動ギア１２とかみ合って回転するように従動ギア１３が設置される。この際、従動ギア１３にはその軸方向に沿ってウォーム１５（ｗｏｒｍ）が形成できる。そして、出力軸２０は入力軸１０から伝達されたモーター１１の駆動力を吸気バルブ２１側に伝達するもので、出力軸２０は吸気バルブ２１を開閉させる開閉板に結合されて、出力軸２０の回転によって吸気バルブ２１を開閉調節することになる。この際、出力軸２０にはウォームホイール２５（ｗｏｒｍ ｗｈｅｅｌ）が形成され、ウォーム１５とかみ合って回転することができることになる。ここで、ウォームホイール２５は回転角度が９０゜に制限される扇形に形成される。

マグネットユニット３０は出力軸２０の上端に固定装着されるもので、出力軸２０を中心とした同心円上に第１マグネット３１が内側に設置され、第２マグネット３２が外側に設置される。ここで、本実施形態に適用された第１マグネット３１は４極が着磁されて、９０°の角度のバルブ開放及び閉鎖動作を検出及び制御することになり、第２マグネット３２は６０極が着磁されて、最小単位として３°（３６０°／６０極／２＝３°）の角度で検出及び制御することができる。

制御部４０は、例えばＰＣＢ（ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）であることができ、第１ホールセンサー４１、第２ホールセンサー４２及び第３ホールセンサー４３が設置される。第２ホールセンサー４２及び第３ホールセンサー４３の設置位置は第２ホールセンサー４２と第３ホールセンサー４３のいずれか一方が相異なる極性の境界部分に位置するときに他方はいずれかの極性の中心部に位置する条件を満足する場合、第２マグネット３２の区間内で自由に設置できる。すなわち、図３、４に示したように、第２ホールセンサー４２が第２マグネット３２のＮ極とＳ極の境界部分に位置するときには、第３ホールセンサー４３は第２マグネット３２のＮ極またはＳ極の中心部に位置するように設置されることが好ましい。このように構成された入力軸１０、出力軸２０、マグネットユニット３０及び制御部４０がハウジング１の内部に設置されてアクチュエーターをなす。

また、本実施形態では、第１ホールセンサー４１が第１マグネット３１の相異なる極性の境界部分に位置するとき、第２ホールセンサー４２と第３ホールセンサー４３のいずれか一方は第２マグネット３２の相異なる極性の境界部分に位置するように設置される。すなわち、図３、４に示したように、第１ホールセンサー４１が第１マグネット３１のＮ極とＳ極の境界部分に位置するときには、第２ホールセンサー４２が第２マグネット３２のＮ極とＳ極の境界部分に位置することが好ましい。この際、第３ホールセンサー４３は上述のように当然第２マグネット３２のＮ極またはＳ極の中心部に位置するように設置されることが好ましい。

このような構成によって、第１マグネット３１の極性変化によって第１ホールセンサー４１で感知される信号の波形がハイ（レベル）信号からロー（レベル）信号に、あるいはロー信号からハイ信号に変化することになる。これと同時に、第２マグネット３２を検出する第２ホールセンサー４２も第２マグネット３２の極性が変化する境界部分に位置しているので、第２ホールセンサー４２で感知される信号の波形が第２マグネット３２の極性変化によってハイ信号とロー信号にレベルが変化する矩形波の信号を発生させることになる。したがって、第１マグネット３１の極性が変化する絶対位置を基準として第２ホールセンサー４２によって検出される第２マグネット３２の波形信号によって回転角度と回転速度を一層精密に検出及び制御することができることになる。

この実施形態において、第１マグネット３１は、マグネットユニット３０の回転の際、第１ホールセンサー４１によって感知される区間内にだけ設置でき、また、第１マグネット３１は一つが設置されることができる。すなわち、出力軸２０は吸気バルブ２１の開閉板が回転する角度に応じてその回転角度が制限され、出力軸２０に固定されたマグネットユニット３０も一定回転角度内でだけ回転することになるので、第１ホールセンサー４１が検出することになる回転角度内にだけ第１マグネット３１を設置することができ、第１ホールセンサー４１が検出されない回転区間内には第１マグネット３１を設置しないこともできる。特に、第１マグネット３１は出力軸２０の絶対位置を測定及び設定するためのもので、９０°角度で設けられた第１マグネット３１を第１ホールセンサー４１が検出することになる区間に一つだけ設置しても、第１マグネット３１の端部、つまり検出が始まるか終わる部分で波形のレベルが変化するパルス信号が発生することにより、一つの第１マグネット３１の構成で絶対位置を設定することができることになる。したがって、第１マグネット３１の構成（構造）の最小化が可能であるので、製品の原価を低減し、重量を減少させることができる。

本実施形態において、第２マグネット３２は、マグネットユニット３０の回転の際、第２ホールセンサー４２と第３ホールセンサー４３によって感知される区間内にだけ設置できる。すなわち、上述のように、出力軸２０は吸気バルブ２１の開閉板が回転する角度によってその回転角度が制限され、出力軸２０に固定されたマグネットユニット３０も一定回転角度内でだけ回転することになるので、第２ホールセンサー４２及び第３ホールセンサー４３が検出する回転角度内にだけ第２マグネット３２を設置することができ、第２ホールセンサー４２及び第３ホールセンサー４３が検出されない回転区間内には第２マグネット３２を設置しないこともできる。したがって、第１マグネット３１はもちろんのこと、第２マグネット３２の構成（構造）も最小化が可能であるので、製品の原価を一層低減し、重量を減少させることができる。

この実施形態において、第１マグネット３１と第２マグネット３２はゴム磁石であることが好ましい。すなわち、第１ホールセンサー４１、第２ホールセンサー４２及び第３ホールセンサー４３が検出する第１マグネット３１及び第２マグネット３２を相対的に価格競争力の高いゴム磁石で構成することで、製品の生産原価を減らすことができる。また各ホールセンサーは第１マグネット３１及び第２マグネット３２が持つ磁場の範囲内で一定間隔（ｄ）で設置できる。

また、入力軸１０にウォーム１５（ｗｏｒｍ）が備えられ、出力軸２０にウォーム１５とかみ合って回転するようにウォームホイール２５（ｗｏｒｍ ｗｈｅｅｌ）が形成されることが好ましい。すなわち、入力軸１０と出力軸２０にウォームギアの方式で噛み合うことにより、モーター１１の駆動による出力軸２０の回転駆動ができるようにするが、逆方向への回転駆動を抑制することになる。

制御部４０は、マグネットユニット３０の回転の際、第１ホールセンサー４１によって第１マグネット３１の極性変化が感知された位置を絶対位置に設定することができる。すなわち、第１マグネット３１の各極が９０°の角度の扇形に形成されることにより、バルブが９０°の角度で開閉または閉鎖される過程で、第１ホールセンサー４１によって第１マグネット３１の極性変化が必ず感知され、この感知される時点を絶対位置に設定してバルブの開閉程度を調節することができることになる。制御部４０は、第１ホールセンサー４１によって第１マグネット３１の極性変化を感知するとき、第２ホールセンサー４２及び第３ホールセンサー４３で感知される第２マグネット３２の相対的な極性変化を判断してモーター１１の回転方向を確認することができる。

次に、本実施形態による吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置の作用及び効果について、図４及び図５に基づいて詳細に説明する。制御部４０でエンジンの目標性能によるバルブ開閉調節値を信号として印加すれば、パルス幅変調（ＰＷＭ：ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御方式を用いてモーター１１を正方向または逆方向に駆動する。このように、モーター１１の駆動によって入力軸１０が回転するにつれて、出力軸２０がこれと連動して回転することになり、出力軸２０に固定されたマグネットユニット３０とバルブの開閉板が一緒に回転することで、吸気バルブ２１に流入する空気の流入量を制御することになる。この際、マグネットユニット３０が出力軸２０と一緒に回転することにより、制御部４０に設置された第１ホールセンサー４１、第２ホールセンサー４２及び第３ホールセンサー４３によって、マグネットユニット３０に設置された第１マグネット３１及び第２マグネット３２の極性変化を感知することになり、出力軸２０の回転角度、回転方向及び絶対位置を把握して吸気バルブ２１の開閉値を調節することになる。

すなわち、図４及び図５に基づいて説明すれば、第１マグネット３１のＮ極とＳ極の境界部分（上方）に第１ホールセンサー４１が位置（この位置が絶対位置となる）している状態でマグネットユニット３０が図面上の反時計方向に回転すれば、第１マグネット３１も反時計方向に回転し、これにより第１ホールセンサー４１の（下方）位置に第１マグネット３１のＳ極部分が位置移動して、波形信号がハイ（レベル）信号からロー（レベル）信号に変化する。そして、同時に、第２マグネット３２も反時計方向に回転して、第２ホールセンサー４２の位置に第２マグネット３２のＮ極とＳ極の境界部分が位置した状態から第２ホールセンサー４２の位置に第２マグネット３２のＮ極部分が位置移動して、波形信号がロー信号からハイ信号に変化し、さらにＮ極部分→境界部分→Ｓ極部分が位置するように位置移動して、Ｎ極からＳ極に感知極性が変化するとき、ハイ信号からロー信号に変化することになる。また、第３ホールセンサー４３の位置に第２マグネット３２のＳ極の中心部分が位置した状態から第３ホールセンサー４３の位置に第２マグネット３２のＳ極部分→境界部分→Ｎ極部分が位置移動して、Ｓ極からＮ極に感知極性が変化するとき、ロー信号からハイ信号に変化し、さらにＮ極からＳ極に感知極性が変化するとき、ハイ信号からロー信号に変化することになる。すなわち、第１ホールセンサー４１で検出される絶対位置を基準として、第２ホールセンサー４２と第３ホールセンサー４３で感知される信号がハイ信号であるかまたはロー信号であるかを判別して方向を決定することができることになる。

以上説明のように、本発明による吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置は、第１ホールセンサー４１によって絶対位置を設定することになり、絶対位置で第２ホールセンサー４２と第３ホールセンサー４３で検出される相対的な波形信号を判別して回転方向を制御することにより、吸気バルブ２１の開閉タイミングをエンジンの運転条件に応じて調節して吸気流入量を最適化することになる。また、本発明は、第１マグネット３１と第２マグネット３２が価格競争力の高いゴム磁石でなり、第１マグネット３１と第２マグネット３２を第１ホールセンサー４１、第２ホールセンサー４２及び第３ホールセンサー４３で検出及び制御することにより、アクチュエーターの制御精度を高めるとともに製品の生産原価を低減することができることになる。本発明は、上記したように具体的な実施形態例について詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であり、このような変更及び修正形態も本発明に包含される。

本発明は、吸気バルブの開閉タイミングをエンジンの運転条件に応じて適切に調節し、アクチュエーターの制御精度を高めるとともに低価格な構成に設計することができる吸気バルブ開閉調節用アクチュエーターの制御装置として適用可能である。

１０ 入力軸
１１ モーター
１５ ウォーム
２０ 出力軸
２１ 吸気バルブ
２５ ウォームホイール
３０ マグネットユニット
３１ 第１マグネット
３２ 第２マグネット
４０ 制御部
４１ 第１ホールセンサー
４２ 第２ホールセンサー
４３ 第３ホールセンサー

Claims (10)

1. モーター（１１）に連結され、正方向または逆方向に回転駆動される入力軸（１０）と、
   前記入力軸（１０）に連動して回転するように備えられ、一端部が吸気バルブ（２１）に連結されて吸気バルブ（２１）を開閉操作する出力軸（２０）と、
   前記出力軸（２０）の他端部に備えられ、出力軸（２０）と一緒に回転し、同心円上に第１マグネット（３１）と第２マグネット（３２）が備えられ、第１マグネット（３１）は９０°の角度で相異なる極性が交番して設置され、第２マグネット（３２）は回転角制御を望む一定角度で相異なる極性が交番して設置されるマグネットユニット（３０）と、
   前記マグネットユニット（３０）の一側に備えられ、第１マグネット（３１）の回転区間内に第１ホールセンサー（４１）が設置され、マグネットユニット（３０）の回転によって第１マグネット（３１）の極性変化を感知し、第２マグネット（３２）の回転区間内に第２ホールセンサー（４２）及び第３ホールセンサー（４３）が設置され、マグネットユニット（３０）の回転によって第２マグネット（３２）の極性変化を感知し、第２ホールセンサー（４２）と第３ホールセンサー（４３）のいずれか一方が相異なる極性の境界部分に位置するとき、他方はいずれかの極性の中心部に位置する制御部（４０）と、を含むことを特徴とする吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置。
2. 前記第１ホールセンサー（４１）が第１マグネット（３１）の相異なる極性の境界部分に位置するとき、第２ホールセンサー（４２）と第３ホールセンサー（４３）のいずれか一方は第２マグネット（３２）の相異なる極性の境界部分に位置することを特徴とする請求項１に記載の吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置。
3. 前記第１マグネット（３１）は、マグネットユニット（３０）の回転の際、第１ホールセンサー（４１）によって感知される区間内にだけ設置されることを特徴とする請求項１に記載の吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置。
4. 前記第１マグネット（３１）は一つが設置されることを特徴とする請求項３に記載の吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置。
5. 前記第２マグネット（３２）は、マグネットユニット（３０）の回転の際、第２ホールセンサー（４２）と第３ホールセンサー（４３）によって感知される区間内にだけ設置されることを特徴とする請求項１に記載の吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置。
6. 前記第１マグネット（３１）と第２マグネット（３２）はゴム磁石であることを特徴とする請求項１に記載の吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置。
7. 前記第１乃至第３ホールセンサーは、第１マグネット（３１）及び第２マグネット（３２）が持つ磁場の範囲内で一定間隔（ｄ）で設置されることを特徴とする請求項１に記載の吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置。
8. 前記入力軸（１０）にウォーム（１５）が備えられ、前記出力軸（２０）にはウォーム（１５）とかみ合って回転するようにウォームホイール（２５）が形成されることを特徴とする請求項１に記載の吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置。
9. 前記制御部（４０）は、マグネットユニット（３０）の回転の際、第１ホールセンサー（４１）によって第１マグネット（３１）の極性変化が感知された位置を絶対位置に設定することを特徴とする請求項１に記載の吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置。
10. 前記制御部（４０）は、第１ホールセンサー（４１）によって第１マグネット（３１）の極性変化を感知するとき、第２ホールセンサー（４２）及び第３ホールセンサー（４３）で感知される第２マグネット（３２）の相対的な極性変化を判断してモーター（１１）の回転方向を確認することを特徴とする請求項１に記載の吸気バルブ開閉調節用アクチュエーター制御装置。
    

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