JP2020133424A - ギヤポンプの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動装置を直接制御することにより圧力脈動を軽減できるギヤポンプの制御方法を提供する。【解決手段】複数の外歯２６が形成されたインナロータと２２と複数の内歯２８が形成されたアウタロータ２４を互いに噛み合わせて回転するときに外歯２６と内歯２８に囲まれて形成される複数のセル５０の容積変化により流体を吸入する吸入ポート４０と流体を吐出する吐出ポート４４と、インナロータ２２を回転させる駆動装置１４と、駆動装置１４の回転を制御する制御装置１６と、を含んで構成されたギヤポンプ１０に適用する。制御装置１６は、外歯２６又は内歯２８の歯数から算出された周波数により駆動装置１４の回転数を周期的に変化させると共に、周期的に変化する回転数が、吐出ポート４４に対して開口する複数のセル５０の容積が少なくなるときに小さくなるように駆動装置１４を駆動させる。【選択図】図３

Description

本発明は、ギヤポンプの制御方法に関する。

下記特許文献１には、外歯が形成されたインナロータと内歯が形成されたアウタロータにより構成され、これらが噛み合って回転するときの歯面間に形成されるセルの容積変化を用いて流体を吸入、吐出することにより流体を搬送するギヤポンプが開示されている。

特開２００７−２６２９６３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたギヤポンプでは、その駆動装置を一定の回転数で駆動した場合、複数のセルの容積量が周期的に変化することにより圧力脈動が生じる。このため、例えば、エアーチャンバやアキュムレータといった吐出ポート側に脈動を減衰させる装置を設ける方法が採用されている。しかしながら、ギヤポンプとは別個に部品を設ける必要があり、耐用期間に制限があると共にコスト増加が生じる別個の装置よりも、駆動装置を直接制御することにより適切に圧力脈動を軽減できることが望ましい。

本発明は、上記事実を考慮し、駆動装置を直接制御することにより圧力脈動を軽減できるギヤポンプの制御方法を得ることが目的である。

請求項１に記載のギヤポンプの制御方法は、外径部に複数の外歯が形成されたインナロータと、前記インナロータの外径側に配置され、内径部に複数の内歯が形成されたアウタロータと、前記インナロータと前記アウタロータを互いに噛み合わせて回転するときに前記外歯と前記内歯に囲まれて形成される複数のセルの容積変化により流体を吸入する吸入ポートと、前記複数のセルの容積変化により流体を吐出する吐出ポートと、前記インナロータを回転させる駆動装置と、前記駆動装置の回転を制御する制御装置と、を含んで構成されたギヤポンプに適用され、前記制御装置は、前記外歯又は前記内歯の歯数から算出された周波数により前記駆動装置の回転数を周期的に変化させると共に、周期的に変化する前記回転数が、前記吐出ポートに対して開口する前記複数のセルの容積が少なくなるときに小さくなるように前記駆動装置を駆動させる。

請求項１に記載のギヤポンプの制御方法によれば、制御装置は、駆動装置がギヤポンプを駆動する回転数を外歯又は内歯の歯数から算出された周波数により周期的に変化させると共に吐出ポートに対して開口する複数のセルの容積が少なくなるときに回転数が小さくなるように制御する。このため、吐出ポートに対して開口するセルから吐出ポートへ流体を緩やかに吐出することができる。これにより、流体の圧力の上昇を抑制することができるため、ギヤポンプの圧力脈動を軽減することができる。

本発明に係るギヤポンプの制御方法は、駆動装置を直接制御することにより圧力脈動を軽減できるという優れた効果を有する。

本実施形態に係るギヤポンプの制御方法を実行するための駆動システムのブロック図である。 本実施形態に係る制御装置の機能構成の一例を示すブロック図である。 本実施形態に係るギヤポンプの縦断面図である。 本実施形態に係るギヤポンプの制御方法を用いてギヤポンプを駆動した際の駆動回転数と吐出圧の関係を示す時系列である。 図４に示された吐出圧の時系列をスペクトル分析した結果である。

以下、図１〜図５を用いて、本実施形態に係るギヤポンプの制御方法の一実施形態について説明する。なお、以下の図において、矢印ＵＰはポンプ上方側を示している。

図１には、本実施形態に係るギヤポンプ１０の制御方法を実行するための駆動システム１２のハードウェア構成を示すブロック図が示されている。駆動システム１２は、ギヤポンプ１０と、ギヤポンプ１０を駆動するための駆動装置としてのモータ１４と、モータ１４の回転数を制御するための制御装置１６と、を含んで構成されている。

（ギヤポンプ）
ギヤポンプ１０は、例えば、自動車のブレーキアクチュエータにおけるブレーキの油圧回路等に用いられる。図３に示されるように、ギヤポンプ１０は、インナロータ２２と、アウタロータ２４と、ボディ３０と、図示しないカバー等と、を含んで構成されている。また、図１に示されるように、ギヤポンプ１０の外側端部には、ギヤポンプ１０の外側へ向けて連通し、流体としてのオイルが吸入される吸入ポート４０とギヤポンプ１０の外側へ向けて連通し、オイルが吐出される吐出ポート４４が形成されている。

図３にはギヤポンプ１０の縦断面図が示されている。インナロータ２２は、その外径側に複数（例えば、１６個）の外歯２６を有し、その内径部にインナロータ２２の回転軸方向に沿って延在された図示しないシャフトが回転一体に嵌合されている。インナロータ２２は、モータ１４からの駆動力を受けて、インナ回転中心Ｃ１を中心として第１矢印Ａ１の方向へ回転される。

インナロータ２２の外側には、アウタロータ２４が配置されている。アウタロータ２４は、その内径側にインナロータ２２の外歯２６よりも多数（例えば、１７個）の内歯２８を有し、その内径側に偏芯された状態のインナロータ２２と噛合されている。また、アウタロータ２４は、その外径側２４Ａが環状面に形成されており、アウタロータ２４の外形に合わせて内側に空間部が形成されたボディ３０の内側部３０Ａに回転自在に収容されている。インナロータ２２がシャフトに伝達された駆動力により回転されると、アウタロータ２４もアウタ回転中心Ｃ２を中心としてインナロータ２２と同じ方向にボディ３０の内側部を回転する。

ボディ３０は、略円筒状に形成され、内側に貫通形成された内側部３０Ａには、インナロータ２２が噛合されたアウタロータ２４が回転自在に収容されている。ボディ３０の外側には、図示しないカバーが、ボルト等の締結具により取り付けられている。このため、ボディ３０とカバーが、ギヤポンプ１０のハウジング部３２を構成している。

ボディ３０とカバーにより構成されたハウジング部３２の内部には、吸入ポート４０（図１参照）に連通する吸入チャンバ４２と吐出ポート４４（図１参照）に連通する吐出チャンバ４６が形成されている。また、ハウジング部３２の端部には、インナロータ２２及びアウタロータ２４の軸方向側の端面と面接触する側壁部３４が形成されている。

図３に示されるように、互いに噛み合うインナロータ２２の外歯２６及びアウタロータ２４の内歯２８の間にセル５０が形成されている。具体的には、各セル５０は、インナロータ２２の２個の外歯２６と、アウタロータ２４の２個の内歯２８と、ハウジング部３２の側壁部３４とにより囲まれた空間として構成されている。

各セル５０の容積、すなわち、インナロータ２２及びアウタロータ２４の歯間内容積は、インナロータ２２及びアウタロータ２４の回転に伴って増減する。ギヤポンプ１０のポンプ下方側（図２の図中略下半分）の領域は、インナロータ２２及びアウタロータ２４の回転に伴ってセル５０の容積が徐々に拡大する吸入領域５２とされている。この吸入領域５２において、セル５０が吸入チャンバ４２に連通されている。

一方、ギヤポンプ１０のポンプ上方側（図２の図中略上半分）の領域は、インナロータ２２及びアウタロータ２４の回転に伴ってセル５０の容積が徐々に縮小する吐出領域５６とされている。この吐出領域５６において、セル５０が吐出チャンバ４６に連通されている。また、吸入領域５２と吐出領域５６の境界領域にあるセル５０は、その容積が最大となるとき、吸入チャンバ４２および吐出チャンバ４６のいずれにも連通しない締切空間５８（密封空間）が形成される。

インナロータ２２のインナ回転中心Ｃ１部に設けられたシャフト（図示省略）の先端部は、モータ１４と接続されている。モータ１４は、直接又は図示しないギヤやユニバーサルジョイント等の機械的な動力伝達手段を介してインナ回転中心Ｃ１部に設けられたシャフト（図示省略）の先端部と機械的に接続されている。

ギヤポンプ１０は、モータ１４からの駆動力によりインナロータ２２が第１矢印Ａ１の方向に回転すると、インナロータ２２の回転に伴ってアウタロータ２４が同じく第１矢印Ａ１の方向に回転する。これにより、セル５０の容積が変動するため、このセル５０の容積変動により吸入ポート４０から吸入チャンバ４２を介してセル５０へオイルが吸入（流入）される。セル５０へ吸入されたオイルは、セル５０によって吐出チャンバ４６側へ移動される（送り出される）。吐出チャンバ４６側へ送り出されたオイルは、セル５０から吐出チャンバ４６を介して吐出ポート４４へ吐出される。ここでは、この工程を、「圧縮工程」と称する。また、圧縮工程においてオイルを吐出したセル５０は、吸入チャンバ４２側へ向けて回転により移動すると共に、セル５０の容積を増加させる。ここでは、この工程を、「吸入工程」と称する。

ここで、上記のようなギヤポンプ１０の回転（ポンプ動作）が繰り返されることにより、セル５０内の圧力が、上昇と低下を繰り返して変動する。このため、セル５０から吐出チャンバ４６を介して吐出ポート４４へ吐出されるオイルの圧力が周期的に変動する、いわゆる圧力変動（圧力脈動）が発生する。

駆動システム１２には、圧力脈動を抑制するために、モータ１４に電気的に外部接続された制御装置１６が設けられている。制御装置１６を用いてギヤポンプ１０を駆動するモータ１４の回転数（駆動回転数）を直接制御することにより圧力脈動が軽減されている。なお、本実施形態では、制御装置１６は、モータ１４に電気的に外部接続されているとして説明したが、これに限らず、モータ１４と一体的に構成されてもよい。

図２には、駆動システム１２を構成する制御装置１６の機能構成の例を示すブロック図が示されている。制御装置１６は、機能構成として、駆動周波数計算部６２と、回転数信号受信部６４と、回転数変動部６６と、を含んで構成されている。制御装置１６は、その内部にＣＰＵ（Central Processing Unit：プロセッサ）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、を含んで構成され（いずれも図示省略）、その制御処理はＣＰＵを使用して実行される。駆動周波数計算部６２は、ＣＰＵがＲＯＭ又はストレージに格納された駆動周波数計算プログラムを読み出し、ＲＡＭを作業領域として駆動周波数計算プログラムを実行することにより計算される。具体的には、ギヤポンプ１０を駆動するモータ１４の駆動回転数を周期的に変化させるための駆動周波数は、アウタロータ２４の内歯２８の歯数又はインナロータ２２の外歯２６の歯数の関数として計算される。

回転数信号受信部６４は、モータ１４の回転数（駆動回転数）を逐次検知する。回転数変動部６６は、回転数信号受信部６４により検知された駆動回転数を確認の上、周期的に変化する駆動回転数が、吐出ポート４４に対して開口するギヤポンプ１０のセル５０の容積が最小のときに最小となるようにモータ１４を制御する。

次に、本実施形態に係るギヤポンプ１０が駆動されたときに生じる圧力変動（圧力脈動）の説明を通じて、本実施形態の作用並びに効果について説明する。

本実施形態に係るギヤポンプ１０の制御方法によれば、モータ１４は、制御装置１６により、外歯２６又は内歯２８の歯数から算出された周波数によりモータ１４を駆動する駆動回転数を周期的に変化させて駆動される。さらに、周期的に変化する駆動回転数は、吐出ポート４４に対して開口するギヤポンプ１０のセル５０の容積が最小となるときに最小となるように回転数変動部６６により制御される。

圧力脈動が励起される際の基本周波数ｆ１［Ｈｚ］は、ｆ１＝ｎ×Ｎ／６０で表される。ここで、ｎは、アウタロータ２４の内歯２８の歯数（例えば、１７個）又はインナロータ２２の外歯２６の歯数（例えば、１６個）、Ｎは、モータ１４の駆動回転数［ｒｐｍ］を表す。

本実施形態に係るギヤポンプ１０の制御方法によれば、モータ１４を駆動する駆動回転数は、基本周波数ｆ１から換算される基本周期Ｔ１＝２×π／ｆ１［ｓｅｃ］で周期的に変動されている。具体的には、図４に点線で示されるように、駆動回転数は、ベース回転数ＢＳから所定の振幅で周期的に増加及び減少されており、周期は基本周期Ｔ１に設定されている。ここでは、駆動回転数は、吐出ポート４４に対して開口するギヤポンプ１０のセル５０の容積が最小となる圧縮工程の終わりＴＭ１のタイミングで駆動回転数が最小となるように位相が設定された三角波形状（図４の点線）により周期的に変動されている。さらに、駆動回転数は、吸入ポート４０に対して開口するギヤポンプ１０のセル５０の容積が最大となる吸入工程の終わりＴＭ２のタイミングで駆動回転数が最大となるように周期的変動の位相が設定されている。

ギヤポンプ１０は、モータ１４からの駆動力によりインナロータ２２が第１矢印Ａ１の方向に回転すると共に、アウタロータ２４が同じく第１矢印Ａ１の方向に回転する。圧縮工程においてオイルを吐出したセル５０は、吸入チャンバ４２側へ向けて移動すると共にセル５０の容積を増加させる。このため、セル５０内の圧力は低下する。

本実施形態に係るギヤポンプ１０の制御方法によれば、図４に示されるように、制御装置１６は、吸入工程が始まると同時に、モータ１４の駆動回転数を一定の割合で直線的に上昇させる。このため、オイルを吐出した直後のセル５０を、吸入チャンバ４２側へ向けて速く移動させることができる。これにより、オイルを吐出した直後のセル５０内の圧力低下を抑制することができる。

圧力低下を抑制されて吸入チャンバ４２側へ移動されたセル５０には、オイルが吸入（流入）される。このため、セル５０に流入されるオイルの圧力低下を抑制することができる。オイルが流入されたセル５０は、吐出チャンバ４６側へ向けて移動される。吐出チャンバ４６側へ移動されたオイルは、吐出工程において吐出チャンバ４６から吐出ポート４４へ吐出される。

本実施形態に係るギヤポンプ１０の制御方法によれば、図４の駆動回転数の時系列に示されるように、制御装置１６は、吐出工程に移行すると同時に、モータ１４の駆動回転数を一定の割合で直線的に低下させる。このため、オイルをセル５０から吐出チャンバ４６へ比較的緩やかに流出することができ、セル５０から吐出チャンバ４６へ流出されるオイルの圧力上昇を抑制することができる。これにより、吐出チャンバ４６内から吐出ポート４４へ吐出されるオイルの圧力上昇を抑制することができる。

本実施形態に係るギヤポンプ１０の制御方法によれば、駆動回転数を基本周期Ｔ１により周期的に変動させることにより、吸入工程において吸入チャンバ４２側へ送り出されるセル５０内の圧力低下を抑制することができる。さらに、圧縮工程においてセル５０から吐出ポート４４へ流出されるオイルの圧力上昇を抑制することができる。これにより、図４の吐出圧の時系列に示されるように、駆動回転数を一定とする場合（図４の直線）と比べて圧力脈動の変動量（変動振幅）を小さくすることができるため、吐出圧の変動が大きくなることを抑制することができる。このように圧力脈動を抑制することにより、ギヤポンプ１０のノイズの発生を抑制できると共に、例えば、吸入ポート４０や吐出ポート４４に接続された図示しない配管の振動を抑制することができる。

図５には、図４に示された吐出圧の時系列をスペクトル分析した結果が示されている。基本周波数ｆ１で駆動されるギヤポンプ１０の吐出圧の時系列は、主に基本周波数ｆ１の整数倍の周波数成分の組み合わせにより構成される。図５の横軸は、周波数［Ｈｚ］を表し、縦軸は、スペクトル分析することにより抽出された周波数成分毎の吐出圧の変動振幅［ＭＰａ］を表す。図５の左側から基本周波数ｆ１、基本周波数ｆ１の２倍の周波数成分ｆ２及び基本周波数ｆ１の３倍の周波数成分ｆ３の吐出圧の変動振幅が示されており、吐出圧の時系列は、これらの周波数成分が支配的であることがわかる。

本実施形態に係るギヤポンプ１０の制御方法によれば、図５に示されるように、駆動回転数を周期的に変化させることにより、圧力脈動の主成分となる基本周波数ｆ１成分の振幅は、駆動回転数を一定とする場合と比べて大幅に低減されている。これにより、ギヤポンプ１０が駆動される際に発生する圧力脈動が適切に抑制されていることを定量的に確認することができる。

以上説明したように、本実施形態に係るギヤポンプ１０の制御方法によれば、モータ１４を直接制御することにより圧力脈動を軽減することができる。

さらに、本実施形態に係るギヤポンプ１０の制御方法によれば、駆動回転数は周期的に変動されるもののベース回転数ＢＳを中心として増減されるため、一周期における平均駆動回転数は、ベース回転数ＢＳと略同一となる。このことは、ギヤポンプ１０において吸入及び吐出されるオイルの総量は、駆動回転数を一定とした場合と略同一になることを意味する。これにより、例えば、ギヤポンプ１０がブレーキアクチュエータ等に適用された場合に、ギヤポンプ１０の性能を維持した上で圧力脈動を軽減することができる。

（変形例）
次に、図４及び図５を用いて、本実施形態の変形例について説明する。なお、前述した本実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

本実施形態に係るギヤポンプ１０の制御方法によれば、図４に一点鎖線で示されるように、制御装置１６は、ベース回転数ＢＳが、基本周期Ｔ１及び所定の振幅で周期的（正弦波的）に変化（増加及び減少）するようにモータ１４を制御する。ここでは、駆動回転数は、吐出ポート４４に対して開口するギヤポンプ１０のセル５０の容積が最小となる圧縮工程の終わりＴＭ１のタイミングで駆動回転数が最小になるように位相が設定された正弦波形状（図４の一点鎖線）により周期的に変動されている。

本実施形態に係るギヤポンプ１０の制御方法によれば、図４の吐出圧の時系列（図４の一点鎖線）に示されるように、吐出圧の変動量（変動振幅）が小さくなるように制御されている。これにより、圧縮工程の終わりＴＭ１のタイミングで駆動回転数が最小になるように位相が設定するだけの制御であっても、圧力脈動の変動量（変動振幅）を小さくすることができる。

さらに、図５に示されるように、圧力脈動の主成分となる基本周波数ｆ１成分の振幅は、駆動回転数を一定とする場合と比べて大幅に低減されている。これにより、駆動回転数を、圧縮工程の終わりＴＭ１のタイミングで最小値になるように設定した上で正弦波的に変動させることにより、ギヤポンプ１０が駆動される際に発生する圧力脈動が適切に抑制されていることを定量的に確認することができる。

なお、駆動回転数は、吐出ポート４４に対して開口するギヤポンプ１０のセル５０の容積が最小となるときに最小となるように制御されるとして説明したが、これに限らず、セルの容積が少なくなるのに合わせて駆動回転数が小さくなればよく、セルの容積が最小となるときと駆動回転数が最小になるときが厳密に一致しなくてもよい。

１０ ギヤポンプ
１４ モータ（駆動装置）
１６ 制御装置
２２ インナロータ
２４ アウタロータ
２６ 外歯
２８ 内歯
４０ 吸入ポート
４４ 吐出ポート
５０ セル
ｆ１ 基本周波数（周波数）

Claims (1)

1. 外径部に複数の外歯が形成されたインナロータと、
   前記インナロータの外径側に配置され、内径部に複数の内歯が形成されたアウタロータと、
   前記インナロータと前記アウタロータを互いに噛み合わせて回転するときに前記外歯と前記内歯に囲まれて形成される複数のセルの容積変化により流体を吸入する吸入ポートと、
   前記複数のセルの容積変化により流体を吐出する吐出ポートと、
   前記インナロータを回転させる駆動装置と、
   前記駆動装置の回転を制御する制御装置と、
   を含んで構成されたギヤポンプに適用され、
   前記制御装置は、前記外歯又は前記内歯の歯数から算出された周波数により前記駆動装置の回転数を周期的に変化させると共に、周期的に変化する前記回転数が、前記吐出ポートに対して開口する前記複数のセルの容積が少なくなるときに小さくなるように前記駆動装置を駆動させるギヤポンプの制御方法。