JP2016061265A - スロットレスブラシレスモータ駆動式スロットルバルブ装置、エンジン、車両 - Google Patents

スロットレスブラシレスモータ駆動式スロットルバルブ装置、エンジン、車両 Download PDF

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Abstract

【課題】バルブ応答性が良好で、不要な振動の小さい、小型のスロットルバルブ装置、エンジン、車両を提供する。【解決手段】スロットレスブラシレスモータ駆動式スロットルバルブ装置は、内部に吸気通路を形成した筒状部２１ｃを備えるスロットルボディ２１と、筒状部２１ｃ内に配置されたスロットルバルブ２２と、スロットルバルブ２２を開閉駆動する駆動モータとしてのスロットレスブラシレスモータ１００と、を有する。スロットルボディ２１（ハウジング）は、そのスロットルボディを被取付部材に固定させる固定部材が挿入される孔部２１ｈを有する。孔部２１ｈは、筒状部２１ｃの外周部近傍に設けられている。小型で細長形状のスロットレスブラシレスモータ１００は、スロットルボディ２１に設けられた孔部２１ｈに近設されており、スロットルバルブ装置２００が非常に小型である。【選択図】図２

Description

本発明は、スロットレスブラシレスモータ駆動式スロットルバルブ装置、エンジン、車両に関するものである。
モータアクチュエーター及びそれを用いた内燃機関のモータ駆動式スロットルバルブ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。一般的な内燃機関のスロットルバルブ装置は、ＤＣコアードモータを有し、そのＤＣコアードモータによりスロットルバルブを駆動する。
特開２００７−２３６０３７号公報
しかしながら、上記ＤＣコアードモータは比較的大きいので、そのＤＣコアードモータを組み込んだスロットルバルブ装置が比較的大きい。一方で、自動車、自動二輪車（モーターバイク）などの内燃機関のスロットルバルブ装置の小型化が望まれている。
また、ＤＣコアードモータを有するスロットルバルブ装置は、ＤＣコアードモータの回転子の慣性モーメントが比較的大きいので、バルブ応答性が良好でない場合がある。詳細には、バルブを開閉する駆動信号をＤＣコアードモータに入力した場合、所定のバルブ角度となるのに時間が掛かる、オーバーシュートの発生、バルブ開閉時にチャタリングの発生、燃費の低下などが生じる場合がある。
また、一般的なスロットルバルブ装置は、吸気マニホールドやエンジン本体部（内燃機関本体部）などの被取付部材に、取り付けボルト（固定部材）で固定された構造を有し、エンジン動作時、エンジン本体部とスロットルバルブ装置が略同期して振動する。
しかしながら、ＤＣコアードモータが上記固定部材の取り付け位置から長い距離だけ離れた位置に配置されている場合、ＤＣコアードモータが比較的大きな慣性モーメント（取り付け位置を基準）を有し、エンジン本体部などの振動以上の大きな振幅の振動が与えられることになり、ＤＣコアードモータの寿命が短くなる。このようなＤＣコアードモータに対する不要な振動を低減したスロットルバルブ装置が望まれている。
本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、小型のスロットルバルブ装置を提供すること、バルブ応答性の良好なスロットルバルブ装置を提供すること、不要な振動を低減したスロットルバルブ装置を提供すること、そのスロットルバルブ装置を備えたエンジンを提供すること、そのエンジンを備えた車両を提供すること、などを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明によるスロットレスブラシレスモータ駆動式スロットルバルブ装置は、以下の構成を少なくとも具備するものである。
スロットレスブラシレスモータ駆動式スロットルバルブ装置は、
内部に吸気通路を形成した筒状部を備えるスロットルボディと、
前記筒状部内に配置されたスロットルバルブと、
前記スロットルバルブを開閉駆動する駆動モータとしてのスロットレスブラシレスモータと、を有し、
前記スロットルボディは、該スロットルボディを被取付部材に固定させる固定部材が挿入される孔部を有し、
前記孔部は、前記筒状部の外周部近傍に設けられ、
前記スロットレスブラシレスモータは、前記スロットルボディに設けられた前記孔部に近設されていることを特徴とする。
また、本発明のエンジンは、上記本発明のスロットレスブラシレスモータ駆動式スロットルバルブ装置を備えることを特徴とする。
また、本発明の車両は、上記本発明のエンジンを備えることを特徴とする。
本発明によれば、小型のスロットルバルブ装置を提供することができる。また、本発明によれば、バルブ応答性の良好なスロットルバルブ装置を提供することができる。また、本発明によれば、そのスロットルバルブ装置を備えたエンジンを提供することができる。また、本発明によれば、エンジンを備えた車両を提供することができる。
本発明の実施形態に係るスロットルバルブ装置の一例を示す斜視図。 本発明の実施形態に係るスロットルバルブ装置の一例を示す正面図。 本発明の実施形態に係るスロットルバルブ装置の一例を示す断面図。 本発明の実施形態に係るスロットルバルブ装置のスロットレスブラシレスモータの一例を示す断面図。 本発明の実施形態に係るスロットルバルブ装置のスロットレスブラシレスモータの分解斜視図。 本発明の実施形態に係るスロットルバルブ装置を備える内燃機関の一例を示す概念図。
本発明の実施形態に係るスロットルバルブ装置は、スロットレスブラシレスモータを備えた電子制御スロットルバルブ装置であり、スロットレスブラシレスモータを設けたことにより小型のスロットルバルブ装置を提供することができる。また、そのスロットルバルブ装置を備えたエンジンを提供することができる。また、そのエンジンを備えた車両を提供することができる。
詳細には、スロットレスブラシレスモータは、ステータ内に円筒状に成形されたコイルを配置している。このコイルの内側に、ロータに固定されたマグネットが配置されている。コイルに通電することにより、ロータおよびマグネットが回転するように構成されている。このマグネットとコイルの間に僅かな隙間（エアーギャップ）が設けられており、スロットレスブラシレスモータが小型となっている。つまり、小型のスロットレスブラシレスモータを採用することにより、小型のスロットルバルブ装置を提供することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
本発明の実施形態は図示の内容を含むが、これのみに限定されるものではない。なお、以後の各図の説明で、既に説明した部位と共通する部分は同一符号を付して重複説明を一部省略する。
図１は本発明の実施形態に係るスロットレスブラシレスモータ駆動式スロットルバルブ装置２００の一例を示す斜視図である。図２はスロットルバルブ装置２００の一例を示す正面図である。図３はスロットルバルブ装置２００の一例を示す断面図である。図４はスロットルバルブ装置２００のスロットレスブラシレスモータの一例を示す断面図である。図５はスロットルバルブ装置２００のスロットレスブラシレスモータの分解斜視図である。図６はスロットルバルブ装置２００を備える内燃機関の一例を示す概念図である。
本発明の実施形態に係るスロットレスブラシレスモータ１００を備えたスロットルバルブ装置２００を組み込んだ、内燃機関としてのエンジン３００を説明する（図６参照）。以下、スロットレスブラシレスモータを単にモータとも称呼する。
本実施形態では、エンジン３００は、シリンダブロックなどのエンジン本体部３２を有し、エンジン本体部３２に、フューエルインジェクタ３４（燃料噴射装置）、吸気バルブ、排気バルブ、カムシャフト、点火プラグ、ピストン、クランクシャフトなどが設けられており、吸気側に吸気マニホールド３１が設けられ、吸気マニホールド３１にスロットルバルブ装置２００が取付けボルトなどの固定部材４１により固定されている。スロットルバルブ装置２００の筒状部２１ｃには、吸気筒部材５３、エアフィルタ５２などが設けられている。エンジン本体部３２の排気側には、排気マニホールド５５、触媒５６などが設けられている。
スロットルバルブ装置２００には、スロットルバルブ２２の開閉角度を検出するポジションセンサ６０が設けられており、ポジションセンサ６０からの信号がエンジンコントロールユニット６１に出力される。エンジンコントロールユニット６１には、アクセルセンサ６２が接続されている。アクセルセンサ６２は、アクセルペダル６３の踏み込み量を検出し、検出信号をエンジンコントロールユニット６１に出力する。
エンジンコントロールユニット６１（ＥＣＵ）は、内燃機関としてのエンジン３００を統括的に制御する。詳細には、エンジンコントロールユニット６１は、例えば、アクセルセンサ６２から出力されたアクセルペダル６３の踏み込み量を示す信号、ポジションセンサ６０から出力されたスロットルバルブ２２の開閉角度を示す信号、などに基づいて、モータ１００を駆動して、スロットルバルブ２２の開閉角度、点火プラグによる点火タイミング、フューエルインジェクタ３４による燃料の噴射量、噴射タイミングなどを制御する。
本発明の実施形態に係るスロットレスブラシレスモータ駆動式スロットルバルブ装置２００は、内部に吸気通路２１ｂとしてのバルブ孔２１ａを形成した筒状部２１ｃを備えるスロットルボディ２１（ハウジング）と、筒状部２１ｃ内に配置され、バルブ孔２１ａを開閉するように回転するスロットルバルブ２２と、スロットルバルブ２２を回転自在に軸支する弁軸２５と、スロットルバルブ２２の外側に配置され、スロットルバルブ２２を開閉駆動する駆動モータとしてのスロットレスブラシレスモータ１００と、モータ１００の駆動力を弁軸２５（スロット軸）に伝達する複数の歯車などを備える伝達機構２３（減速機構）と、などを有する。また、スロットルバルブ２２は、スロットルバルブ２２の最小開放量を略一定に保持するリターンスプリング２４を有する（図１〜図３など参照）。
後述するように、モータ１００は、長尺筒状のハウジング１（ケース）と、マグネット３と、ハウジング１に回転自在に支持された回転軸４と、筒状コイル５と、などを有し、回転軸４の回転力によりスロットルバルブ２２を開閉できるように構成されている。
モータ１００は、回転軸４の軸方向を、弁軸２５（スロット軸）の軸方向と略平行にして、バルブ孔２１ａ外側に設けられている。伝達機構２３（減速機構）は、弁軸２５及びモータ１００の軸方向に対し略直交するようにして、バルブ孔２１ａ外側の側部に装着される。
本実施形態では、モータ１００は細長形状で小型であり、そのモータ１００を備えたスロットルバルブ装置２００は小型である。モータ１００のコイル５およびマグネット３それぞれの軸方向の長さＬｃ，Ｌｍは、モータ１００の全長Ｌよりも小さく、モータ１００のハウジング１（ケース）の直径Ｄ（図５参照）よりも大きい。本実施形態では、モータ１００の直径Ｄ＝φ２０ｍｍ程度、全長Ｌ＝約６０ｍｍ、筒状部２１ｃの直径（内周径）Ｌｔ＝φ８０ｍｍ程度、最大外周＝φ９０ｍｍ程度である。
また、モータ１００のハウジング１（ケース）は、吸気通路２１ｂを形成する筒状部２１ｃの軸方向視で、筒状部２１ｃの最大外周２１ｍよりも内側に、且つ、筒状部２１ｃの内周２１ｎよりも外側に、少なくとも一部分が重畳して配置されている（図２、図３参照）。また、例えば、モータ１００のハウジング１（ケース）の直径Ｄ（図４参照）が、筒状部２１ｃの径方向の厚みＬｄと略同じ長さとなるように構成されていてもよい。
この軸方向に長尺で小型のスロットレスブラシレスモータ１００によって、スロットルバルブ２２を開閉動作するようにスロットルバルブ装置２００が構成されているので、スロットレスブラシレスモータ１００による出っ張り寸法を比較的小さくできる上、スロットルバルブ２２の回転負荷に対し、スロットレスブラシレスモータ１００の出力トルクを余裕をもって十分に得ることができる。このため、小型で応答性に優れたスロットルバルブ装置２００を提供することができる。
また、スロットルバルブ装置２００は、その全体形状が、正方形状に近い矩形ブロック状であるため、エンジンルームなどの比較的狭いスペースに容易に装着することができる。
また、本実施形態では、スロットルバルブ装置２００は、スロットレスブラシレスモータ１００のハウジング１（ケース）が、吸気通路２１ｂを形成する筒状部２１ｃの軸（２１ｐ）方向視で、スロットルボディ本体部２１ｇと該筒状部２１ｃとの連結部２１ｋに対して、少なくとも一部分が重なるように配置されている。この場合、スロットレスブラシレスモータ１００による出っ張り寸法を非常に小さくすることができる。
また、スロットルバルブ装置２００は、スロットルボディ２１（ハウジング）が、そのスロットルボディ２１を被取付部材３０（エンジン本体部３２または吸気マニホールド３１など）に固定させる固定部材４１（取付けボルト）が挿入される孔部２１ｈを有する。この孔部２１ｈは、筒状部２１ｃの外周部近傍に設けられている。スロットレスブラシレスモータ１００は、スロットルボディ２１に設けられた孔部２１ｈに近設されている。詳細には、スロットレスブラシレスモータ１００は、上記筒状部２１ｃとスロットレスブラシレスモータ１００との間に設けられた孔部２１ｈに近設されている。本実施形態では、上記構成となっているので、スロットレスブラシレスモータ１００と孔部２１ｈと間の距離Ｌａが短い。
エンジン動作時、スロットルバルブ装置２００と、エンジン本体部３２や吸気マニホールド３１などの被取付部材３０が略同期して振動する。詳細には、スロットレスブラシレスモータ１００が、固定部材４１（取り付けボルト）の取り付け位置（孔部２１ｈ）から非常に短い距離だけ離れた位置に配置されているので、比較的小さい慣性モーメント（取り付け位置を基準）を有し、被取付部材３０（エンジン本体部３２や吸気マニホールド３１など）の振動と異なる不要な振動を非常に低減することができる。
次に、スロットレスブラシレスモータ１００の各構成要素について、図４、図５などを参照しながら、詳細に説明する。
なお、以下の説明中、「前」とは、回転軸４の中心軸方向の出力側（図４によれば右側）を意味し、「後」とは、前記「前」に対する逆側（図４によれば左側）を意味するものとする。
スロットレスブラシレスモータ１００は、図４及び図５示すように、長尺筒状のハウジング１（ケース）と、ハウジング１に対しその中心側に回転不能に連結された長尺筒状のステータ２（ヨーク）と、ステータ２内に円筒状に成形されたコイル５と、コイル５の内側でロータａに固定された円筒状のマグネット３と、ロータａ内を貫通するとともに、支持部材１４，８を介してハウジング１に対して回転自在に支持された回転軸４と、回転軸４の後側への動きを規制する規制部材６と、ハウジング１の前方開口部を覆う部材９と、その部材９の後側に設けられた金属部材７と、端子１１と、回転軸４の前側への動きを規制するワッシャ１２と、軸受フランジ１３と、を具備し、回転軸４の回転力によりスロットルバルブを開閉できるように構成されている。
ハウジング１は、長尺円筒状の筒部１ａと、該筒部１ａの後端部に位置する底部１ｂとを一体に備え、磁性金属材料から略有底筒状に形成されている。
また、ステータ２（ヨーク）は、磁性金属材料からなる長尺円筒状の部材であり、内部にコイル５を備え、外周面には、接着や圧入等の固定手段によってハウジング１が固定されている。従って、ステータ２とマグネット３の間の磁束が通る空間を小さくできる。
マグネット３は、例えばアルニコ磁石や希土類磁石などの適宜な永久磁石用材料によって、径方向に相反する磁極を有する長尺円筒状に形成される。
このマグネット３は、後端側（図４によれば左端側）がステータ２よりも短く形成される。すなわち、ステータ２の後端側は、マグネット３の後端部よりも後方へ突出している。
このマグネット３は円筒状のロータａの外周部に固定されており、ロータａ内に回転軸４が設けられている。
マグネット３とコイル５の間に僅かな隙間ｓ（エアーギャップ）が設けられており、コイル５に通電することにより、ロータａおよびマグネット３が回転するように構成されている。
回転軸４は、ステータ２内周面との間に隙間を確保した状態で、ステータ２内に同芯状に挿入され、前端側を軸受フランジ１３よりも前方へ突出させるとともに後端側を底部１ｂよりも後方へ突出させている。
この回転軸４の前端側は、後述する軸受フランジ１３の中心側に、支持部材８を介して回転自在に支持され、また、回転軸４の後端側は、ステータ２の後端側に、支持部材１４を介して回転自在に支持される。軸受部材としての支持部材１４は、例えば滑り軸受とすればよいが、ボールベアリング等のころがり軸受を用いることも可能である。この回転軸４における軸受フランジ１３よりも前側には、出力用の歯車１５が固定される。
筒状コイル５は、長尺円筒状に構成されたコイルを合成樹脂で固めたものであり、ハウジング１の内周面とマグネット３の外周面との間の空間に位置し、ステータ２の内周面に固定されている。
また、筒状コイル５の前端側からは図示しないリード線が延出されており、このリード線は端子１１に電気的に接続される。
軸受フランジ１３は、回転軸４を回転自在に支持するとともに、径方向の両端側に取付孔１３ａを有するフランジ状の部材である。取付孔１３ａは、モータ１００を、スロットルバルブ制御ユニットに固定するために用いられる。
上記構成のモータ１００によれば、端子１１への通電により、ロータａ及びマグネット３がスムーズに回転する。
筒状コイル５内周面とマグネットの隙間等を小さく設定して、効果的に出力を増加させることも可能である。
例えば、図４に示す一例によれば、ステータ２内周面とマグネット３外周面との間の径方向寸法を約１ｍｍとし、ハウジング１の直径Ｄを約φ２０ｍｍとし、ハウジング１の全長Ｌを約６０ｍｍとしている。
すなわち、モータ１００のハウジング１の全長Ｌをハウジング１の直径Ｄの３〜４倍程度の細長形状としている。このようなモータ１００によって、筒状部２１ｃの直径Ｌｔをハウジング１の直径Ｄの５倍程度としているスロットルバルブ装置２００を高精度に制御することができる。
尚、上記実施形態では、スロットルバルブ装置２００に図４、図５に示したモータ１００を組み込んだ例を示したが、モータ１００の細部は、この形態に限られるものではない。スロットルバルブ装置２００に組み込むモータ１００は、軸方向に長尺で小型のものであればよい。
以上、説明したように、本発明の実施形態に係るスロットレスブラシレスモータ駆動式スロットルバルブ装置２００は、内部に吸気通路２１ｂとしてのバルブ孔２１ａを形成した筒状部２１ｃを備えるスロットルボディ２１（ハウジング）と、筒状部２１ｃ内に配置されたスロットルバルブ２２と、スロットルバルブ２２を開閉駆動する駆動モータとしてのスロットレスブラシレスモータ１００と、を有する。
スロットルボディ２１（ハウジング）は、そのスロットルボディ２１を被取付部材３０（エンジン本体部３２または吸気マニホールド３１など）に固定させる固定部材４１（取付けボルト）が挿入される孔部２１ｈを有する。この孔部２１ｈは、筒状部２１ｃの外周部近傍に設けられている。スロットレスブラシレスモータ１００は、スロットルボディ２１に設けられた孔部２１ｈに近設されている。
上述したように、スロットルバルブ装置２００は、細長形状で小型のスロットレスブラシレスモータ１００をスロットルボディ２１に設けられた孔部２１ｈに近設した構造を有するので、非常に小型である。
また、エンジン動作時、スロットルバルブ装置２００と、エンジン本体部３２や吸気マニホールド３１などの被取付部材３０が略同期して振動する。詳細には、スロットレスブラシレスモータ１００が、固定部材４１（取り付けボルト）の取り付け位置（孔部２１ｈ）から非常に短い距離だけ離れた位置に配置されているので、比較的小さい慣性モーメント（取り付け位置を基準）を有し、被取付部材３０（エンジン本体部３２や吸気マニホールド３１など）の振動と異なる不要な振動を非常に低減することが可能な小型のスロットルバルブ装置２００を提供することができる。
また、スロットレスブラシレスモータ１００のハウジング１（ケース）は、吸気通路２１ｂを形成する筒状部２１ｃの軸方向視で、筒状部２１ｃの最大外周２１ｍよりも内側に、且つ、筒状部２１ｃの内周２１ｎよりも外側に、少なくとも一部分が重畳して配置されている。
詳細には、スロットルバルブ装置２００は、スロットレスブラシレスモータ１００のハウジング１（ケース）が、吸気通路２１ｂを形成する筒状部２１ｃの軸方向視で、スロットルボディ本体部２１ｇと該筒状部２１ｃとの連結部２１ｋに対して、少なくとも一部分が重なるように配置されている。
すなわち、小型のスロットレスブラシレスモータ１００を筒状部２１ｃに非常に近づけて配置した構造であるので、小型のスロットルバルブ装置２００を提供することができる。
また、スロットルバルブ装置２００は小型のスロットレスブラシレスモータ１００を備えているので、バルブ応答性が良好で、小型のスロットルバルブ装置２００を提供することができる。
また、上記本発明の実施形態に係るスロットレスブラシレスモータ駆動式スロットルバルブ装置を備えるエンジンを提供することができる。
また、上記本発明の実施形態に係るエンジンを備えた車両を提供することができる。車両としては、自動車、自動二輪車、ハイブリッド車、などを挙げることができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
また、上述の各図で示した実施形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。
また、各図の記載内容はそれぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。
１…ハウジング（ケース）、２…ステータ（ヨーク）、３…マグネット、４…回転軸（シャフト）、５…コイル（筒状コイル）、７…金属部材、１１…端子、１４…支持部材、２１…スロットルボディ（ハウジング）、２１ａ…バルブ孔、２１ｂ…吸気通路、２１ｃ…筒状部、２１ｇ…スロットルボディ本体部、２１ｈ…孔部、２１ｋ…連結部、２２…スロットルバルブ、２３…伝達機構（減速機構）、２４…リターンスプリング、２５…弁軸、３０…被取付部材、３１…吸気マニホールド、３２…エンジン本体部、４１…固定部材、１００…スロットレスブラシレスモータ（モータ）、２００…スロットルバルブ装置。

Claims (3)

  1. 内部に吸気通路を形成した筒状部を備えるスロットルボディと、
    前記筒状部内に配置されたスロットルバルブと、
    前記スロットルバルブを開閉駆動する駆動モータとしてのスロットレスブラシレスモータと、を有し、
    前記スロットルボディは、該スロットルボディを被取付部材に固定させる固定部材が挿入される孔部を有し、
    前記孔部は、前記筒状部の外周部近傍に設けられ、
    前記スロットレスブラシレスモータは、前記スロットルボディに設けられた前記孔部に近設されていることを特徴とする
    スロットレスブラシレスモータ駆動式スロットルバルブ装置。
  2. 請求項１に記載のスロットレスブラシレスモータ駆動式スロットルバルブ装置を備えるエンジン。
  3. 請求項２に記載のエンジンを備える車両。
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