JP2016197978A - アクチュエータおよびバルブ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃荷重によるアクチュエータの破損を防止する。【解決手段】ＷＧアクチュエータ１は、回転運動するロータ６の内側に雌ネジ部１２ａが形成された直流モータ４と、雌ネジ部１２ａと組み合わされる雄ネジ部１２ｂが形成され、直流モータ４の回転運動を直線運動に変換して出力するシャフト１３とを備える。ロータ６をハウジング１５に対して回転自在に支持する軸受部１４が、バネ部材２１を間に挟んでハウジング１５に設置されており、このバネ部材２１により衝撃荷重を吸収する。【選択図】図２

Description

この発明は、バルブなどの駆動対象物を駆動するアクチュエータおよびバルブ駆動装置に関するものである。

アクチュエータの駆動対象物は様々なものがあるが、例えば、駆動対象物が他の部材と接触したり離れたりするバルブのようなものである場合、当該バルブを閉弁する際、バルブが受けた衝撃力がアクチュエータに伝わり、アクチュエータの耐久性が低下したり破損したりする可能性がある。そこで、衝撃荷重によるアクチュエータの破損を回避するために、閉弁時にバルブの速度を遅くしてソフトランディングする制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１４８３２７号公報

しかしながら、バルブなどの駆動対象物をソフトランディングして衝撃を弱める場合、アクチュエータの制御が複雑になるという課題があった。また、バルブの速度を遅くするので応答性が悪化し、急速に閉弁することができないという課題もあった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、制御の複雑化および応答性の悪化を招くことなく、衝撃荷重によるアクチュエータの破損を防止することを目的とする。

この発明に係るアクチュエータは、回転運動するロータの内側に雌ネジ部が形成されたモータと、雌ネジ部と組み合わされる雄ネジ部が形成され、モータの回転運動を直線運動に変換して出力するシャフトとを備え、モータは、ロータをハウジングに対して回転自在に支持する軸受部が、バネ部材を間に挟んでハウジングに設置されているものである。

この発明に係るアクチュエータは、回転運動するロータの内側に雌ネジ部が形成されたモータと、雌ネジ部と組み合わされる雄ネジ部が形成され、モータの回転運動を直線運動に変換して出力するシャフトとを備え、雌ネジ部が樹脂材で構成されているものである。

この発明によれば、軸受部とハウジングの間に設置されたバネ部材により衝撃荷重を吸収するようにしたので、アクチュエータの破損を防止することができる。

この発明によれば、雌ネジ部を構成する樹脂材の弾性により衝撃荷重を吸収するようにしたので、アクチュエータの破損を防止することができる。

この発明の実施の形態１に係るウエストゲートアクチュエータの構成例を示す断面図である。 実施の形態１に係るウエストゲートアクチュエータの軸受部周辺を拡大した図である。 実施の形態１に係るウエストゲートアクチュエータの各部が受ける衝撃力を考察するためのモデルを示す図である。

実施の形態１．
この発明に係るアクチュエータを、車両に搭載されたターボチャージャのウエストゲート（以下、ＷＧと称す）バルブを駆動するＷＧアクチュエータとして用いる場合を例にして説明する。
図１は、実施の形態１に係るＷＧアクチュエータ１の構成例を示す断面図である。ターボチャージャは、エンジンからの排気ガスによってタービンを回転させ、このタービンと同軸で接続されたコンプレッサを駆動して吸気を圧縮しエンジンに供給する構成である。排気通路１００のタービン上流側には、排気ガスを排気通路１００からバイパス通路１０１へ逃がすＷＧバルブ２が設置されており、ＷＧアクチュエータ１がＷＧバルブ２を開閉して排気通路１００からバイパス通路１０１への排気ガス流入量を調整することにより、タービンの回転数を制御する。なお、図１では、ＷＧバルブ２の全閉状態を実線で示し、全開状態を二点鎖線で示す。

ＷＧアクチュエータ１は、駆動源となる直流モータ４と、ＷＧバルブ２を開閉するシャフト１３と、直流モータ４の回転運動をシャフト１３の直線運動に変換するネジ機構１２とを備える。直流モータ４は、複数のＮ極とＳ極に着磁されたマグネット５を有するロータ６と、コイル７が巻回されたステータ８とを含む。コイル７の端部にはブラシ１１ｂが接続されている。ロータ６の一端側は軸受部１４によって回転自在に支持されており、他端側には整流子９が固定されている。軸受部１４には、ボールベアリングなどを用いる。

外部端子１０に電圧が印加されると、この外部端子１０に接続しているブラシ１１ａを介し、整流子９を構成する複数の整流子片の中のブラシ１１ａと接触した整流子片に電流が流れ、この整流子片と電気的に接続したブラシ１１ｂを介してコイル７に電流が流れる。コイル７に通電することでステータ８がＮ極とＳ極に磁化し、そのステータ８がマグネット５のＮ極とＳ極と反発および吸引しあうことでロータ６が回転する。ロータ６の回転に伴って通電するコイル７が切り替わることにより、ステータ８の極も切り替わり、ロータ６が回転し続ける。電流の向きが逆になると、ロータ６の回転方向も逆になる。
なお、図１では直流モータ４としてブラシ付きＤＣモータを使用しているが、ブラシレスＤＣモータを使用してもよい。

ロータ６の内部にはシャフト１３を配置するための穴があいており、穴の内周面に雌ネジ部１２ａが形成され、シャフト１３の外周面に雄ネジ部１２ｂが形成されている。この雄ネジ部１２ｂが雌ネジ部１２ａにねじ込まれて結合され、ロータ６の回転運動をシャフト１３の直線運動に変換する。これら雌ネジ部１２ａと雄ネジ部１２ｂとでネジ機構１２が構成される。シャフト１３の一端側は、ハウジング１５を貫通し、リンク機構３を介してＷＧバルブ２と連結されている。シャフト１３の他端側には、このシャフト１３の軸方向における位置を検知する位置センサ１６が設置されている。位置センサ１６には、ホール素子または磁気抵抗素子などを用いる。このＷＧアクチュエータ１は、ブラケット１７を用いて被取付部材に固定される。図１では、ＷＧアクチュエータ１のハウジング１５とブラケット１７とがボルトにより締結され、そのブラケット１７がボルトにより被取付部材であるターボチャージャに締結される。

リンク機構３は、２枚のプレート３ａ，３ｂを有する。プレート３ａの一端側にシャフト１３が取り付けられ、他端側の支点３ｃにはプレート３ｂの一端側が回動自在に取り付けられている。このプレート３ｂの他端側にはＷＧバルブ２が取り付けられている。ロータ６の一方向への回転によってシャフト１３がハウジング１５の外へ押し出される方向に移動すると、プレート３ａも同方向に移動して、プレート３ｂとＷＧバルブ２が支点３ｃを中心に回動し、ＷＧバルブ２が開弁方向に動く。ロータ６の逆方向への回転によってシャフト１３がハウジング１５の内へ引き込まれる方向に移動すると、プレート３ａも同方向に移動して、プレート３ｂとＷＧバルブ２が支点３ｃを中心に回動し、ＷＧバルブ２が閉弁方向に動く。

シャフト１３には、二平面などが形成されて回転規制部１３ａとして機能する。また、シャフト１３を貫通するハウジング１５の穴の内周面には、この回転規制部１３ａの形状に合わせて、二平面などのガイド部１５ａが形成されている。回転規制部１３ａとガイド部１５ａとが摺動することにより、ロータ６の回転に合わせてシャフト１３が回転運動するのを規制し、シャフト１３が直線移動するようサポートする。ガイド部１５ａの端部には、シャフト１３側に突出したストッパ１５ｂが形成されており、シャフト１３から突出した形状の当て部１３ｂがこのストッパ１５ｂに当接することにより、シャフト１３のこれ以上の開弁方向への直線移動を規制する。同様に、ネジ機構１２の端部にストッパ１５ｃとして機能するプレートが設置され、当て部１３ｃとして機能するシャフト１３の端面がストッパ１５ｃに当接することにより、シャフト１３のこれ以上の閉弁方向への移動を規制する。

図２は、ＷＧアクチュエータ１のうちの軸受部１４とその周辺を拡大した図である。この例では、マグネット５およびパイプ１８などをインサート部品としてそのまわりに樹脂材１９を注入し、これらを一体化したロータ６をインサート成形する。その際に、樹脂材１９を成形して雌ネジ部１２ａが形成される。パイプ１８の下端部は樹脂材１９から突出しており、その突出部分に軸受部１４の内輪１４ａを圧入固定し、さらにプレート２０を溶接して、内輪１４ａとロータ６とを固定する。軸受部１４を固定したロータ６をハウジング１５に収容する際、バネ部材２１を間に挟んで、軸受部１４の外輪１４ｂがハウジング１５に嵌め込まれる。バネ部材２１としては、皿バネまたは板バネなどを用いる。

ＷＧバルブ２を閉弁するときなどに当該ＷＧバルブ２が受ける衝撃は、リンク機構３を通じてＷＧアクチュエータ１のシャフト１３からロータ６などへ伝わる。そのため、衝撃荷重によりＷＧアクチュエータ１の耐久性が低下したり破損したりする可能性がある。そこで、実施の形態１では、リンク機構３のプレート３ａ，３ｂまたはブラケット１７の少なくとも一方を弾性を有する部材で構成することによって衝撃を吸収する。弾性を有する部材としては、オーステナイト系ステンレス、当該ステンレス以外の鉄を主成分とした鉄系金属、またはアルミニウムを用いる。

また、ロータ６の一部を樹脂材１９で構成し、この樹脂材１９の弾性によりシャフト１３からロータ６へ伝わる衝撃を吸収する。図２において示したように、実施の形態１ではシャフト１３に接する雌ネジ部１２ａを樹脂材１９で構成しているため、シャフト１３からロータ６へ伝わる衝撃を効率よく吸収することができる。さらに、パイプ１８とプレート２０を、弾性を有するオーステナイト系ステンレス、鉄系金属、またはアルミニウムで構成することによっても、ロータ６の衝撃吸収性能を向上することができる。

さらに、ＷＧバルブ２の全閉時には、当て部１３ｃがストッパ１５ｃに当接してシャフト１３の上方向への直線移動が停止しても、停止直後は慣性によりロータ６が回転しようとするため、ロータ６の雌ネジ部１２ａがシャフト１３の雄ネジ部１２ｂに沿って下方向へ動き、このロータ６を支える軸受部１４に下向きの荷重がかかる。軸受部１４の外輪１４ｂとハウジング１５にははめあい公差があるため、下向きの荷重を受けた外輪１４ｂは、ハウジング１５へ衝突する可能性がある。そこで、実施の形態１では、軸受部１４の外輪１４ｂとハウジング１５の間に設置されているバネ部材２１により、シャフト１３が停止した直後にロータ６から軸受部１４へかかる衝撃荷重を吸収する。

なお、リンク機構３、ロータ６、ブラケット１７、パイプ１８およびプレート２０のすべてにおいて上述したような弾性をもたせる必要はなく、ＷＧアクチュエータ１にかかる衝撃荷重が耐衝撃力以下になるように、少なくとも一部材に弾性をもたせればよい。

ここで、ＷＧアクチュエータ１の各部が受ける衝撃力を考察するために、図３のようにモデル化した。このモデルは、質量Ｍの質点３０と３つの剛体３１，３２，３３を直線状に連結し、この連結体を完全剛体であるストッパ３４に衝突させるものである。各剛体は、ＷＧアクチュエータ１を構成しているブラケット１７、シャフト１３、リンク機構３などを想定したもので、それぞれに相当する剛性を持つ。連結された剛体の数は３つに限定する必要はない。

質点３０の質量Ｍは主にロータ６の等価慣性であり、ロータ６のイナーシャをＩ、ロータ６の角速度をω、ストッパ３４に衝突する前のシャフト１３の直線移動速度をｖとすると、下式（１）が成立する。Ｌは、ネジ機構１２のネジリード、つまりシャフト１３が一回転するときに回転軸方向に進む距離である。

剛体３１，３２，３３の連結方向剛性をＫ_１，Ｋ_２，Ｋ_３とし、その歪量をε_１，ε_２，ε_３とする。質点３０に連結された３つの剛体３１，３２，３３は速度ｖで下方向に移動し、下部端面が完全剛体であるストッパ３４に衝突する。この下部端面はＷＧバルブ２に相当し、ストッパ３４はＷＧに相当する。

各剛体３１，３２，３３の質量を０とすると、衝突前に連結体が持つ運動エネルギは上式（１）で表される。ここでレーリー法を用いて各剛体３１，３２，３３の応力を求める。（運動エネルギ）＝（歪エネルギ）とすると、下式（２）が導ける。

衝突時には、各剛体３１，３２，３３に同じ圧縮力Ｆがかかるので、フックの法則から式（２）は下式（３）になる。式（３）より圧縮力Ｆを求めると、下式（４）になる。

各剛体３１，３２，３３の断面積をＡ_ｉとすると、各剛体にかかる応力はσ_ｉ＝Ｆ／Ａ_ｉになるので、上式（４）より各剛体にかかる応力σ_ｉが求められる。この応力σ_ｉが剛体の許容応力値を満たすように設計すれば、衝突による各部の破損を回避できる。また、上式（４）より、衝撃による圧縮力Ｆを下げるためには（１／Ｋ_１＋１／Ｋ_２＋１／Ｋ_３）を大きくすればよい。つまり、連結された剛体３１，３２，３３のいずれかの剛性を下げれば、衝突時の圧縮力Ｆを小さくすることができる。

図１に示したように、ブラケット１７およびリンク機構３は、曲げ方向に衝撃荷重がかかるように構成でき、このようにすることで剛性の調整が容易である。従って、上述したようにブラケット１７およびリンク機構３を弾性部材で構成することに加え、形状を工夫することによっても衝撃吸収性能の向上が可能である。なお、曲げ応力の計算は材料力学分野の梁理論から容易に計算できるため、ここでの説明は省略する。

以上より、実施の形態１によれば、ＷＧアクチュエータ１は、回転運動するロータ６の内側に雌ネジ部１２ａが形成された直流モータ４と、雌ネジ部１２ａと組み合わされる雄ネジ部１２ｂが形成され、直流モータ４の回転運動を直線運動に変換して出力するシャフト１３とを備え、直流モータ４は、ロータ６をハウジング１５に対して回転自在に支持する軸受部１４が、バネ部材２１を間に挟んでハウジング１５に設置されているので、このバネ部材２１により衝撃荷重を吸収することができる。従って、衝撃荷重によるＷＧアクチュエータ１の破損を防止することができる。

また、実施の形態１によれば、ＷＧアクチュエータ１は、ロータ６の雌ネジ部１２ａを樹脂材１９で構成するようにしたので、この樹脂材１９の弾性により衝撃荷重を吸収することができる。従って、衝撃荷重によるＷＧアクチュエータ１の破損を防止することができる。

なお、ロータ６とハウジング１５の間にバネ部材２１を設置することと、ロータ６の雌ネジ部１２ａを樹脂材１９で構成することは、いずれか一方だけ実施してもよいし両方実施してもよい。実施の形態１に係るＷＧアクチュエータ１においては、従来のようなソフトランディング制御を実施しなくてよいため、制御の複雑化および応答性の悪化を招くことなく、衝撃荷重による破損を防止することができる。

さらに、実施の形態１によれば、ブラケット１７またはリンク機構３の少なくとも一方を、オーステナイト系ステンレス、鉄系金属またはアルミニウムで構成するようにしたので、このブラケット１７またはリンク機構３の弾性により衝撃荷重を吸収することができる。従って、衝撃荷重によるＷＧアクチュエータ１の破損を防止することができる。

なお、本発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、または実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

上記説明では、本発明に係るアクチュエータが駆動する駆動対象物の一例としてＷＧバルブを挙げたが、これに限定されるものではなく、エンジンに装着される排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブ、または可変容量（ＶＧ；Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ）ターボチャージャに装着される可動ベーン等であってもよい。
また、本発明に係るアクチュエータのシャフトと駆動対象物とを、リンク機構を用いて連結する構成を示したが、リンク機構を用いずに直接シャフトと駆動対象物とを連結する構成であってもよい。
また、本発明に係るアクチュエータと、駆動対象物であるバルブとを備えたバルブ駆動装置として構成してもよい。

１ ＷＧアクチュエータ、２ ＷＧバルブ（駆動対象物）、３ リンク機構、３ａ，３ｂ プレート、３ｃ 支点、４ 直流モータ、５ マグネット、６ ロータ、７ コイル、８ ステータ、９ 整流子、１０ 外部端子、１１ａ，１１ｂ ブラシ、１２ ネジ機構、１２ａ 雌ネジ部、１２ｂ 雄ネジ部、１３ シャフト、１３ａ 回転規制部、１３ｂ，１３ｃ 当て部、１４ 軸受部、１４ａ 内輪、１４ｂ 外輪、１５ ハウジング、１５ａ ガイド部、１５ｂ，１５ｃ ストッパ、１６ 位置センサ、１７ ブラケット、１８ パイプ、１９ 樹脂材、２０ プレート、２１ バネ部材、３０ 質点、３１，３２，３３ 剛体、３４ ストッパ、１００ 排気通路、１０１ バイパス通路。

Claims (5)

1. 回転運動するロータの内側に雌ネジ部が形成されたモータと、
   前記雌ネジ部と組み合わされる雄ネジ部が形成され、前記モータの回転運動を直線運動に変換して出力するシャフトとを備え、
   前記モータは、前記ロータをハウジングに対して回転自在に支持する軸受部が、バネ部材を間に挟んで前記ハウジングに設置されていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 回転運動するロータの内側に雌ネジ部が形成されたモータと、
   前記雌ネジ部と組み合わされる雄ネジ部が形成され、前記モータの回転運動を直線運動に変換して出力するシャフトとを備え、
   前記雌ネジ部が樹脂材で構成されていることを特徴とするアクチュエータ。
3. アクチュエータを被取付部材に取り付けるブラケットを備え、当該ブラケットは、オーステナイト系ステンレス、鉄系金属またはアルミニウムで構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアクチュエータ。
4. 前記シャフトと駆動対象物とを連結するリンク機構を備え、当該リンク機構は、オーステナイト系ステンレス、鉄系金属またはアルミニウムで構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアクチュエータ。
5. 請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のアクチュエータと、
   前記アクチュエータによって駆動されるバルブとを備えることを特徴とするバルブ駆動装置。

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