JP2019078281A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性の向上が図られたアクチュエータを提供する。【解決手段】減速部の第１中間ギヤ５２は、金属ギヤである。金属シャフト７５は、第１中間ギヤ５２の軸心孔７７に嵌合しており、第１中間ギヤ５２を回転可能に支持している。金属シャフト７５には、少なくとも第１中間ギヤ５２と摺動する部分に潤滑被膜８７が設けられている。第１中間ギヤ５２と金属シャフト７５を同種材の金属にすることで、両部材の線膨張差が小さくなり、高温環境下での両部材の摺動面間のクリアランスが小さくなり、第１中間ギヤ５２の傾きを抑えることができる。そのため、第１中間ギヤ５２の歯面および摺動面の偏磨耗を抑制することができ、アクチュエータ１０の耐久性が向上する。【選択図】図８

Description

本発明は、過給器の過給圧制御用バルブを駆動するアクチュエータに関する。

従来、例えばリンク機構等を介して過給圧制御用バルブに接続され、バルブ開度を調整して過給圧を制御するアクチュエータが知られている。特許文献１に開示されたアクチュエータは、モータの回転を減速部で減速して出力シャフトから出力する。減速部のギヤは、樹脂製であり、金属製のシャフトにより回転可能に支持されている。

特開２０１７−８７５７号公報

過給圧制御用バルブは、過給器に入る高温の排気の量を調整する。そのため、アクチュエータの搭載環境は高温となる。このように高温環境の場合、アクチュエータの減速部のギヤとそれを軸支持するシャフトとの線膨張差が大きいと、両部材の摺動面間のクリアランスが大きくなってギヤが傾く。そして、排気脈動により過給圧制御用バルブにかかる力がリンク機構を介してギヤに作用すると、ギヤが安定して回転することができず、ギヤの歯面および摺動面が偏磨耗するおそれがある。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐久性の向上が図られたアクチュエータを提供することである。

本発明のアクチュエータは、モータ（３６）と、出力シャフト（３８）と、減速部（３７）と、金属シャフト（７５、７６、１０１、１０２）と、ハウジング（３５）とを備えている。減速部は、１つ以上の金属ギヤ（５２、５３、１０３、１０４）を含み、モータの回転を減速して出力シャフトに伝達する。金属シャフトは、金属ギヤの軸心孔（７７、７８）に嵌合しており、金属ギヤを回転可能に支持している。ハウジングは、モータおよび減速部を収容しており、出力シャフトおよび金属シャフトを支持している。金属ギヤおよび金属シャフトの一方には、少なくとも他方と摺動する部分に潤滑被膜（８７、１０５）が設けられている。

このように減速部のギヤとそれを軸支持するシャフトとを同種材の金属から構成することで、両部材の線膨張差が小さくなる。これにより、樹脂ギヤと金属シャフトとの組合せのものと比べると、高温環境下での使用時における両部材の摺動面間のクリアランスが小さくなり、ギヤの傾きを抑えることができる。そのため、排気脈動による力がギヤに作用してもギヤが安定して回転するので、ギヤの歯面および摺動面の偏磨耗を抑制することができる。したがって、アクチュエータの耐久性が向上する。

ここで、金属ギヤと金属シャフトとの組合せの場合、両部材の摺動による磨耗が問題となる。この問題に対して、両部材間に軸受部品を設けることが考えられる。しかし、軸受部品を設けると、製造コストが高くなることに加え、ギヤの大径化によりアクチュエータが大型化して搭載性が低下する欠点がある。

これに対して、本発明のアクチュエータでは前述のように潤滑被膜が設けられているので、軸受部品を設けることなく金属ギヤと金属シャフトとの摺動による磨耗を低減することができる。また、軸受部品をもたないため、ギヤの大径化、およびそれによるアクチュエータの大型化を回避することができる。

第１実施形態によるアクチュエータが適用されたエンジンの吸排気部の概略図である。 過給器の説明図である。 アクチュエータの斜視図である。 アクチュエータの上面図である。 図４のＶ−Ｖ線断面図である。 図４のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図４のアクチュエータの第２ハウジング部等を取り外した状態を示す図である。 第１中間ギヤおよび金属シャフトを示す図である。 図８のＩＸ部分の拡大図である。 図８のＸ−Ｘ線断面図である。 第２実施形態によるアクチュエータの第１中間ギヤおよび金属シャフトを示す図である。

［第１実施形態］
以下、複数の実施形態を図面に基づき説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。図１に示すように、第１実施形態によるアクチュエータ１０は、車両走行用の動力源であるエンジン１１に適用されている。

（エンジンの吸排気部）
先ず、エンジン１１の吸排気部について図１、図２を参照して説明する。エンジン１１には、吸気をエンジン１１の気筒内へ導く吸気通路１２と、気筒内で発生した排気ガスを大気中に排出する排気通路１３とが設けられている。吸気通路１２の途中には、過給器１４の吸気コンプレッサ１５と、エンジン１１に供給される吸気量の調整を行うスロットルバルブ１６とが設けられている。排気通路１３の途中には、過給器１４の排気タービン１７と、排気ガスの浄化を行う触媒１８とが設けられている。触媒１８はモノリス構造を採用する周知な三元触媒であり、活性化温度に昇温することで排気ガス中に含まれる有害物質を酸化作用と還元作用により浄化する。

排気タービン１７は、エンジン１１から排出された排気ガスによって回転駆動されるタービンホイール２１と、このタービンホイール２１を収容する渦巻形状のタービンハウジング２２とを備えている。吸気コンプレッサ１５は、タービンホイール２１の回転力を受けて回転するコンプレッサホイール２３と、このコンプレッサホイール２３を収容する渦巻形状のコンプレッサハウジング２４とを備えている。

タービンハウジング２２には、タービンホイール２１を迂回して排気ガスを流すバイパス通路２５が設けられている。バイパス通路２５は、タービンハウジング２２に流入した排気ガスを直接タービンハウジング２２の排気出口へ導く。このバイパス通路２５は、ウェイストゲートバルブ２６により開閉可能である。ウェイストゲートバルブ２６は、タービンハウジング２２の内部でバルブ軸２７により回動可能に支持されているスイングバルブである。

ウェイストゲートバルブ２６を駆動する手段として、過給器１４は、アクチュエータ１０を備えている。アクチュエータ１０は、排気ガスの熱影響を回避する目的で、排気タービン１７から離れた吸気コンプレッサ１５に取り付けられている。過給器１４には、アクチュエータ１０の出力をウェイストゲートバルブ２６に伝達するためのリンク機構２９が設けられている。このリンク機構２９は、所謂４節リンクであり、アクチュエータ１０によって回動操作されるアクチュエータレバー３１と、バルブ軸２７に結合されるバルブレバー３２と、アクチュエータレバー３１に付与される回動トルクをバルブレバー３２に伝えるロッド３３とを有している。

アクチュエータ１０は、マイクロコンピュータを搭載するＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）３４により制御される。具体的に、ＥＣＵ３４は、エンジン１１の高回転時などにウェイストゲートバルブ２６の開度を調整して過給器１４による過給圧を制御する。また、ＥＣＵ３４は、冷間始動直後など、触媒１８の温度が活性化温度に達していない時に、ウェイストゲートバルブ２６を全開にして触媒１８の暖機を行う。これにより、タービンホイール２１に熱を奪われていない高温の排気ガスを触媒１８へ導くことができ、触媒１８の早期暖機を実施できる。

（アクチュエータ）
次に、アクチュエータ１０について図３〜図７を参照して説明する。アクチュエータ１０は、吸気コンプレッサ１５に取り付けられるハウジング３５と、ハウジング３５に組み付けられているモータ３６、減速部３７、出力シャフト３８および回転角センサ３９を備えている。

図３〜図５に示すように、ハウジング３５は、第１ハウジング部４１および第２ハウジング部４２を有している。第２ハウジング部４２は、締結部材４３により第１ハウジング部４１に締結されている。また、第１ハウジング部４１は、第２ハウジング部４２と共に収容空間４４を形成している。第１ハウジング部４１および第２ハウジング部４２は、例えばアルミニウム合金等の金属材料からなり、ダイキャスト製である。

図６、図７に示すように、モータ３６は、ハウジング３５内に収容されている。具体的に、モータ３６は、第１ハウジング部４１に形成されたモータ挿入穴４６に挿入され、スクリュ４７により第１ハウジング部４１に固定されている。モータ３６は、形式を問わず、例えば周知の直流モータであっても良いし、周知のステッピングモータであっても良い。

図５に示すように、出力シャフト３８は、第１ハウジング部４１に設けられた軸受４８と、第２ハウジング部４２に設けられた軸受４９とにより回転自在に支持されている。出力シャフト３８の一端部は、ハウジング３５外に延び出ている。アクチュエータレバー３１は、ハウジング３５外で出力シャフトに固定されている。

図５〜図７に示すように、減速部３７は、モータ３６の回転を減速して出力シャフト３８に伝達する平行軸式の減速機であり、ピニオンギヤ５１、第１中間ギヤ５２、第２中間ギヤ５３および最終ギヤ５４を有している。ピニオンギヤ５１は、モータ３６のモータ軸５５に固定されている。第１中間ギヤ５２は、ピニオンギヤ５１に噛み合っている第１大径外歯部５７、および、第１大径外歯部５７と比べて小径な第１小径外歯部５８を有している。第２中間ギヤ５３は、第１小径外歯部５８に噛み合っている第２大径外歯部６２、および、第２大径外歯部６２と比べて小径な第２小径外歯部６３を有している。最終ギヤ５４は、出力シャフト３８に固定されており、第２小径外歯部６３に噛み合っている。

図５、図７に示すように、回転角センサ３９は、出力シャフト３８の回転角を検出する非接触式のセンサであり、磁気回路部６４および検出部６５を有している。磁気回路部６４は、磁束発生部である磁石６６、６７と、磁束伝達部であるヨーク６８、６９を有している。磁石６６、６７およびヨーク６８、６９は、出力シャフト３８の軸方向視において弧状の閉磁気回路を形成している。磁気回路部６４は、非磁性体の磁気回路保持部材７３に保持されており、出力シャフト３８と一体に回動する。検出部６５は、例えばホールＩＣ等であり、磁気回路部６４の閉磁気回路の内側に配置されている。検出部６５は、絶縁体からなる配線保持部材７１にモールドされており、ハウジング３５に固定されている。磁気回路部６４および検出部６５の基本的な用途や機能は、特開２０１４−１２６５４８号に開示されているものと同様である。回転角センサ３９により検出される出力シャフト３８の回転角は、ＥＣＵ３４（図１参照）に出力される。

（減速部およびその周辺部材）
次に、減速部３７およびその周辺部材について説明する。図５、図６に示すように、減速部３７のギヤ、すなわちピニオンギヤ５１、第１中間ギヤ５２、第２中間ギヤ５３および最終ギヤ５４は、金属ギヤであって、鉄系焼結金属からなる。以降、減速部３７の複数のギヤについて説明するとき、適宜「金属ギヤ」と記載する。

図５〜図７に示すように、アクチュエータ１０は、金属シャフト７５、７６を備えている。金属シャフト７５は、第１中間ギヤ５２の軸心孔７７に嵌合しており、第１中間ギヤ５２を回転可能に支持している。金属シャフト７６は、第２中間ギヤ５３の軸心孔７８に嵌合しており、第２中間ギヤ５３を回転可能に支持している。

金属シャフト７５および金属シャフト７６は同様の構成である。以下では、これらを代表し、金属シャフト７５について説明する。図８に示すように、金属シャフト７５は、圧入部８１、中間部８２、被膜部８３および嵌合部８４を有している。

圧入部８１は、金属シャフト７５の第１ハウジング部４１側の一端部であり、第１ハウジング部４１の圧入穴８５に圧入されている。嵌合部８４は、金属シャフト７５の第２ハウジング部４２側の他端部であり、第２ハウジング部４２の嵌合穴８６に嵌合している。

被膜部８３は、第１中間ギヤ５２と摺動する部分を含む。被膜部８３には潤滑被膜８７が設けられている。「潤滑被膜」とは、固体潤滑剤を膜状に形成したものである。図８では、潤滑被膜８７を破線の格子模様で示している。被膜部８３に設けられている潤滑被膜８７には、一定以上の潤滑性能が要求される。この潤滑性能は、潤滑被膜８７の膜厚および硬度により決まる。潤滑被膜８７は、圧入部８１以外に設けられている。つまり、圧入部８１には、潤滑被膜８７が設けられていない。第１実施形態では、潤滑被膜８７は嵌合部８４および被膜部８３に設けられている。また、潤滑被膜８７は、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）膜である。

中間部８２は、圧入部８１と被膜部８３との間に位置しており、潤滑性能が要求されていない。つまり、仮に中間部８２に潤滑被膜が設けられていたとしても、その被膜には、一定以上の潤滑性能を得るための膜厚および硬度が必要ない。

図９に示すように、軸心孔７７の圧入穴８５側の端部には面取り９３が形成されている。軸心孔７７の摺動面９２は、軸心孔７７のうち面取り９１以外の部分である。圧入穴８５の第１中間ギヤ５２側の端部には面取り９１が形成されている。圧入穴８５の圧入面９４は、圧入穴８５の内壁面のうち面取り９３以外の部分である。第１中間ギヤ５２と第１ハウジング部４１との間（すなわち、軸心孔７７と圧入穴８５との間）には、ワッシャ９５が設けられている。

圧入穴８５の圧入面９４の第１中間ギヤ５２側の端から、軸心孔７７の摺動面９２の圧入穴８５側の端までの軸方向距離をＡとする。また、中間部８２の軸方向長さをＢとする。これらの軸方向距離Ａと軸方向長さＢは、次式（１）の関係にある。
Ａ≧Ｂ ・・・（１）

金属シャフト７５は、比較的に表面硬度が高い材料からなり、例えば出力シャフト３８と比べて表面硬度が高い。出力シャフト３８は、軸受け支持されるのに必要な強度があればよく、例えばＳＵＳ４３０またはＳＵＳ３０４等のステンレス鋼から作られる。これに対して、金属シャフト７５は、変形抑制により潤滑被膜８７の剥がれを防止するために、例えば熱処理した工具鋼ＳＫＨ５１（ＨＲＣ６０以上）などから作られる。

被膜部８３と第１中間ギヤ５２との間には潤滑剤が塗布されている。潤滑剤は、例えば潤滑グリスまたは潤滑油である。

図１０に示すように、第１小径外歯部５８の歯元最小幅をＣとする。また、第１小径外歯部５８の歯底９６から金属シャフト７５の外周面９７までの径方向距離をＤとする。これらの歯元最小幅Ｃと径方向距離Ｄは、次式（２）の関係にある。
Ｃ≦Ｄ≦１．４Ｃ ・・・（２）

（効果）
以上説明したように、アクチュエータ１０は、モータ３６と、出力シャフト３８と、減速部３７と、金属シャフト７５、７６と、ハウジング３５とを備えている。減速部３７は、金属ギヤである第１中間ギヤ５２および第２中間ギヤ５３を含む。金属シャフト７５、７６は、中間ギヤ５２、５３の軸心孔７７、７８に嵌合しており、中間ギヤ５２、５３を回転可能に支持している。ハウジング３５は、モータ３６および減速部３７を収容しており、出力シャフト３８および金属シャフト７５、７６を支持している。金属シャフト７５、７６には、少なくとも中間ギヤ５２、５３と摺動する部分に潤滑被膜８７が設けられている。

このように中間ギヤ５２、５３とそれを軸支持する金属シャフト７５、７６とを同種材の金属から構成することで、両部材の線膨張差が小さくなる。これにより、樹脂ギヤと金属シャフトとの組合せの形態と比べると、高温環境下での使用時における両部材の摺動面間のクリアランスが小さくなり、中間ギヤ５２、５３の傾きを抑えることができる。そのため、排気脈動による力が中間ギヤ５２、５３に作用してもそれらが安定して回転するので、中間ギヤ５２、５３の歯面および摺動面の偏磨耗を抑制することができる。したがって、アクチュエータ１０の耐久性が向上する。

ここで、金属ギヤと金属シャフトとの組合せの場合、両部材の摺動による磨耗が問題となる。この問題に対して、両部材間に軸受部品を設けることが考えられる。しかし、軸受部品を設けると、製造コストが高くなることに加え、ギヤの大径化によりアクチュエータが大型化して搭載性が低下する欠点がある。

これに対して、アクチュエータ１０では前述のように潤滑被膜８７が設けられているので、軸受部品を設けることなく中間ギヤ５２、５３と金属シャフト７５、７６との摺動による磨耗を低減することができる。また、軸受部品をもたないため、中間ギヤ５２、５３の大径化、およびそれによるアクチュエータ１０の大型化を回避することができる。

また、第１実施形態では、金属シャフト７５、７６は、第１ハウジング部４１の圧入穴８５に圧入されている圧入部８１を有している。潤滑被膜８７は、圧入部８１以外に設けられている。金属シャフト７５、７６は、出力シャフト３８と比べて表面硬度が高い。このように摺動に必要ない圧入部８１に被膜を設けないことで、製造コストを低減でき、また、金属シャフト７５、７６の圧入保持力を高くすることができる。また、金属シャフト７５、７６の表面硬度を高くして変形を抑制することで、潤滑被膜８７の剥がれを抑制することができる。

また、第１実施形態では、金属シャフト７５、７６は、圧入部８１と、潤滑被膜８７が設けられた被膜部８３と、圧入部８１と被膜部８３との間に位置し、潤滑性能を要求しない中間部８２とを有している。軸方向距離Ａと軸方向長さＢは、前記式（１）の関係にある。ここで、圧入部８１と被膜部８３との間で被膜の有無が切り替わるように境目をつけると、製造時に高精度の治具が必要であり、治具メンテナンス等の費用および工数がかかり、製造コストが高くなる。これに対して、潤滑性能を要求しない中間部８２を設けることで、製造時に用いる治具の精度を下げることができる。そのため、治具メンテナンス等の費用および工数が低減され、製造コストが低くなる。

また、第１実施形態では、潤滑被膜８７は、ＤＬＣ膜である。これにより、軸受部品を設ける場合と同等の低摩擦の摺動を潤滑被膜８７により実現可能である。

また、第１実施形態では、中間ギヤ５２、５３は、小径外歯部５８、６３および大径外歯部５７、６２を有している。歯元最小幅Ｃと径方向距離Ｄは、前記式（１）の関係にある。この関係は、潤滑被膜８７により低摩擦摺動を実現して軸受け部品を省くことで成り立つ。そのため、小径外歯部５８、６３の外径が小さくなり、アクチュエータ１０を小型化することができる。

また、第１実施形態では、金属シャフト７５、７６と中間ギヤ５２、５３との間に潤滑剤が塗布されている。これにより、金属シャフト７５、７６と中間ギヤ５２、５３との摺動が更に低摩擦となり、軸受け部分の磨耗が低減し、アクチュエータ１０の耐久性が一層向上する。また、排気脈動に対するダンピング効果をもつようになり、衝撃による中間ギヤ５２、５３の軸心孔７７、７８および金属シャフト７５、７６の潤滑被膜８７の磨耗が抑制される。

［第２実施形態］
第２実施形態では、図１１に示すように、金属シャフト１０１、１０２には被膜が設けられていない。代わりに、中間ギヤ１０３、１０４には、金属シャフト７５、７６と摺動する部分に潤滑被膜１０５が設けられている。このように中間ギヤ１０３、１０４の摺動部に潤滑被膜１０５が設けられてもよい。それでも、軸受部品を設けることなく中間ギヤ１０３、１０４と金属シャフト１０１、１０２との摺動による磨耗を低減することができる。

［他の実施形態］
他の実施形態では、潤滑被膜は、金属シャフトの嵌合部に設けられず、被膜部のみに設けられてもよい。要するに、潤滑被膜は、中間ギヤおよび金属シャフトの一方のうち、他方と摺動する部分に設けられていればよい。また、潤滑被膜は、ＤＬＣ膜に限らず、例えばチタンアルミナイトライド膜または二硫化モリブデン膜などであってもよい。また、潤滑被膜は、例えばグラファイト（黒鉛）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ふっ化黒鉛、窒化ほう素、二硫化タングステン、メラミンシアヌレートなどの固体潤滑剤を膜状に形成したものであってもよい。

他の実施形態では、中間ギヤと金属シャフトとの間には、潤滑剤が塗布されていなくてもよい。また、減速部の中間ギヤは、鉄系焼結金属に限らず、他の金属から構成されてもよい。また、金属シャフトは、工具鋼ＳＫＨ５１に限らず、他の金属から構成されてもよい。要するに、中間ギヤと金属シャフトとが、樹脂と金属などの異種材ではなく、金属と金属の同種材から構成されていればよい。また、金属シャフトは、中間部が設けられず、圧入部と被膜部との間で被膜の有無が切り替わるように境目をつけてもよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０・・・アクチュエータ
３５・・・ハウジング
３６・・・モータ
３７・・・減速部
３８・・・出力シャフト
５２、５３、１０３、１０４・・・金属ギヤ
６５・・・検出部
７５、７６、１０１、１０２・・・金属シャフト
７７、７８・・・軸心孔
８７、１０５・・・潤滑被膜

Claims (6)

1. 過給器（１４）の過給圧制御用バルブ（２６）を駆動するアクチュエータであって、
   モータ（３６）と、
   出力シャフト（３８）と、
   １つ以上の金属ギヤ（５２、５３、１０３、１０４）を含み、前記モータの回転を減速して前記出力シャフトに伝達する減速部（３７）と、
   前記金属ギヤの軸心孔（７７、７８）に嵌合しており、前記金属ギヤを回転可能に支持している金属シャフト（７５、７６、１０１、１０２）と、
   前記モータおよび前記減速部を収容しており、前記出力シャフトおよび前記金属シャフトを支持しているハウジング（３５）と、
   を備え、
   前記金属ギヤおよび前記金属シャフトの一方には、少なくとも他方と摺動する部分に潤滑被膜（８７、１０５）が設けられているアクチュエータ。
2. 前記金属シャフトは、前記ハウジングの圧入穴に圧入されている圧入部（８１）を有しており、
   前記潤滑被膜は、前記圧入部以外に設けられており、
   前記金属シャフトは、前記出力シャフトと比べて表面硬度が高い請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記金属シャフトは、前記圧入部と、前記潤滑被膜が設けられた被膜部（８３）と、前記圧入部と前記被膜部との間に位置し、潤滑性能を要求しない中間部（８２）と、を有しており、
   前記圧入穴の圧入面（９４）の前記金属ギヤ側の端から、前記軸心孔の摺動面（９２）の前記圧入穴側の端までの軸方向距離をＡとし、
   前記中間部の軸方向長さをＢとすると、
   Ａ≧Ｂ
   の関係にある請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記潤滑被膜は、ＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、または、二硫化モリブデン膜である請求項１〜３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
5. 前記金属ギヤは、小径外歯部（５８、６３）および大径外歯部（５７、６２）を有しており、
   前記小径外歯部の歯元最小幅をＣとし、
   前記小径外歯部の歯底（９６）から前記金属シャフトの外周面（９７）までの径方向距離をＤとすると、
   Ｃ≦Ｄ≦１．４Ｃ
   の関係にある請求項１〜４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
6. 前記金属シャフトと前記金属ギヤとの間に潤滑剤が塗布されている請求項１〜５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。

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