JP4221607B2 - 燃料ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、モータ部の駆動力によりポンプ部を駆動し、燃料を吸入して加圧する燃料ポンプに関する。

燃料タンクの内部の燃料を内燃機関に供給する燃料ポンプが公知である。燃料ポンプは、ポンプ部で燃料タンクから吸入した燃料を加圧し、内燃機関へ供給する。このような燃料ポンプでは、回転子に発生するトルクを増加し、燃料の吐出量および圧力を増加する必要がある。そこで、体格の大型化を招くことなく燃料ポンプの発生トルクの増大を図るため、中央コアとコイルコアとを別体に構成し、巻線の密度を高めた燃料ポンプが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−２８０８３公報

特許文献１に開示されている発明では、複数のセグメントから形成される整流子を備えている。整流子の各セグメントとブラシとが接触することによって回転子へ供給する電流は断続される。この場合、ブラシと回転する整流子との接触が解除されるとき、ブラシと整流子との間では残留電流にともなう放電が生じやすい。ブラシと整流子との間に放電が生じると、ブラシおよび整流子は電気的に摩耗し寿命が短縮する。

そこで、本発明の目的は、ブラシと整流子との間の放電を低減し、ブラシおよび整流子の寿命を延長する燃料ポンプを提供することにある。

請求項１記載の発明では、弾性部材はブラシを進入側へ傾けて押し付けている。本願の発明者は、整流子に対するブラシの押し付け状態によって、ブラシと整流子との間に生じる放電が変化することを見出した。すなわち、ブラシと整流子との間の放電は、ブラシを整流子との接触を開始する進入側へ押し付けると減少し、ブラシを整流子との接触が解除される側へ押し付けると増加する。そこで、弾性部材によってブラシを進入側へ傾けて押し付けることにより、ブラシと整流子との間の放電を低減している。したがって、ブラシおよび整流子の電気的な摩耗が低減され、ブラシおよび整流子の寿命を延長することができる。
また、請求項１記載の発明では、弾性部材はハウジングに収容され、弾性部材は、軸方向から見て長円形状である。さらに、ブラシは、前記軸方向に垂直な断面が前記回転子の回転方向を長手方向とする短冊形状である。弾性部材を長円形状に形成することにより、弾性部材は短冊形状のブラシと確実に接する。また、長円形状の弾性部材は、ハウジングとの干渉が低減される。したがって、弾性部材の伸縮およびブラシの移動を円滑に行うことができる。

請求項２記載の発明では、ブラシは整流子とは反対側の端部に傾斜面を有している。ブラシは、傾斜面の進入側ほど軸方向の全長が長くなっている。この傾斜面に弾性部材のブラシ側の端部が接している。これにより、弾性部材の押し付け力が加わる作用線は、ブラシの進入側へ向かう。その結果、ブラシには進入側ほど大きな力が加わる。これにより、ブラシは進入側へ傾いて整流子に押し付けられる。したがって、ブラシと整流子との間の放電が低減され、ブラシおよび整流子の寿命を延長することができる。

請求項３記載の発明では、傾斜面の角度は押し付け力の作用線がブラシの進入側の端部よりも外側に位置するように設定されている。上述のようにブラシに傾斜面を形成することにより、弾性部材の押し付け力の作用線はブラシの進入側へ向かう。そして、傾斜面の角度を調整し、弾性部材の作用線をブラシの進入側よりも外側に向けることにより、ブラシはハウジングの内部で傾斜する。このとき、ブラシは、整流子の整流面と接する他に二個所においてハウジングと接する。これにより、ブラシは、整流子およびハウジングに略三点で支持される。その結果、ブラシは、整流子と安定して接する。したがって、放電を低減することができるとともに、ブラシのがたつきにともなう振動および騒音を低減することができる。

請求項４記載の発明では、弾性部材はハウジングの内部で座屈している。座屈とは、弾性部材に軸方向へ圧縮力を加えることにより径方向へ折れ曲がる現象である。弾性部材を所定の方向へ座屈させることにより、ブラシには進入側ほど大きな力が加わる。これにより、ブラシは進入側へ傾いて整流子に押し付けられる。したがって、ブラシと整流子との間の放電が低減され、ブラシおよび整流子の寿命を延長することができる。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による燃料ポンプを図２に示す。燃料ポンプ１０は、例えば車両などの燃料タンクの内部に搭載されるインタンク式のポンプである。燃料ポンプ１０は、燃料タンクの内部の燃料をエンジンに供給する。燃料ポンプ１０は、吸入した燃料を加圧するポンプ部１２と、ポンプ部１２を駆動するモータ部１４とを備えている。モータ部１４はブラシ付きの直流モータである。燃料ポンプ１０は略円筒状のハウジング１６を備えている。ハウジング１６の内壁面には、周方向へ永久磁石１８が環状に設置されている。永久磁石１８の内周側には、環状の永久磁石１８と同心円上に回転子２０が配置されている。

ポンプ部１２は、ケーシング本体３１、ケーシングカバー３２および回転部材であるインペラ３３などを有している。ケーシング本体３１およびケーシングカバー３２は、略Ｃ字形状のポンプ流路３４を形成している。ケーシング本体３１とケーシングカバー３２との間には、インペラ３３が回転可能に収容されている。ケーシング本体３１およびケーシングカバー３２は、例えばアルミニウムのダイカストにより形成されている。ケーシング本体３１は、ハウジング１６の軸方向において一方の端部側に圧入により固定されている。ケーシング本体３１の中央部には、軸受３５が設置されている。ケーシングカバー３２は、ケーシング本体３１に被せられた状態でハウジング１６の一方の端部にかしめなどにより固定されている。ケーシングカバー３２の中央部には、スラスト軸受３６が固定されている。回転子２０のシャフト２１は、一方の端部が軸受３５により回転可能に径方向に支持されるとともに、スラスト軸受３６により軸方向の荷重が支持されている。シャフト２１の他方の端部は、軸受３７により回転可能に径方向に支持されている。

ケーシングカバー３２は燃料入口３８を有している。ポンプ流路３４において周縁部に羽根溝を有するインペラ３３が回転すると、図示しない燃料タンクの内部の燃料は燃料入口３８からポンプ流路３４に吸入される。ポンプ流路３４に吸入された燃料は、インペラ３３の回転により加圧され、モータ部１４のポンプ室２２へ吐出される。

ハウジング１６の他方の端部、すなわちケーシング本体３１およびケーシングカバー３２の反対側には、モータケーシング４１および吐出側カバー４２が設置されている。モータケーシング４１は、吐出側カバー４２とハウジング１６との間に挟み込まれている。吐出側カバー４２は、かしめによりハウジング１６に固定されている。モータケーシング４１は、ポンプ室２２と吐出側カバー４２の燃料通路４３とを接続する接続通路４４を有している。モータケーシング４１は、図３に示すようにブラシ５０を軸方向へ往復移動可能に収容する収容室４５を形成している。モータケーシング４１は、ブラシ５０を収容する収容室４５を形成している特許請求の範囲のハウジングである。モータケーシング４１は、収容室４５にブラシ５０および弾性部材としてのスプリング６０を収容している。ブラシ５０は、スプリング６０により回転子２０側へ押し付けられている。

吐出側カバー４２は、図２に示すようにシャフト２１の外周側に燃料吐出部４６およびコネクタ４７を有している。燃料吐出部４６は、燃料通路４３および調圧弁４８を有している。燃料通路４３は、調圧弁４８の弁部材４９により開閉される。燃料ポンプ１０の内部における燃料の圧力が所定値よりも大きくなると、弁部材４９は燃料通路４３を開放する。コネクタ４７はターミナル４７１を有している。ターミナル４７１は、図３に示すように導電部材５１と電気的に接続している。導電部材５１は、ターミナル４７１と反対側の端部が図１に示すようにブラシ５０に電気的に接続している。

回転子２０は、図２に示すようにハウジング１６の内部に回転可能に収容されている。コアの外周にはコイル２３を形成する巻線が巻かれている。整流子７０は、円板状に形成されており、図２において回転子２０の上方に設置されている。すなわち、整流子７０は、回転子２０のポンプ部１２とは反対側の端部に設置されている。整流子７０は、スプリング６０により押し付けられているブラシ５０と接触する。

図示しない電源からターミナル４７１に供給された電力は、導電部材５１、ブラシ５０、ならびに整流子７０を経由して回転子２０のコイル２３に供給される。コイル２３に供給された電力により回転子２０が回転すると、回転子２０およびシャフト２１とともにインペラ３３が回転する。また、回転子２０が回転すると、それにともなって整流子７０も回転する。このとき、整流子７０は、ブラシ５０との接触状態を維持しながら回転する。回転子２０のシャフト２１ともにインペラ３３が回転すると、燃料入口３８からポンプ流路３４に燃料が吸入される。ポンプ流路３４に吸入された燃料は、インペラ３３の各羽根溝から運動エネルギーを受けてポンプ流路３４からポンプ室２２へ吐出される。ポンプ室２２に吐出された燃料は、回転子２０の周囲および燃料通路４３を経由して燃料ポンプ１０の外部へ供給される。

次に、ブラシ５０について詳細に説明する。
ブラシ５０は、図１、図３および図４に示すようにモータケーシング４１の収容室４５に収容されている。ブラシ５０は、モータケーシング４１に案内されて軸方向へ往復移動する。モータケーシング４１は、図１に示すように周方向の一部に開口部４１１を形成している。モータケーシング４１の開口部４１１からは、ブラシ５０に接続する導電部材５１が露出している。これにより、ブラシ５０がモータケーシング４１の内部を軸方向へ往復移動する場合でも、ブラシ５０に接続する導電部材５１はブラシ５０に追従して軸方向へ移動する。モータケーシング４１の収容室４５は、内側がブラシ５０よりもやや大きく形成されている。これにより、ブラシ５０とモータケーシング４１との間には、わずかに隙間が形成される。なお、図１、図３および図４などでは、ブラシ５０とモータケーシング４１との間の隙間をわかりやすく説明するために、隙間を誇張して示している。

ブラシ５０は、軸方向の一方の端部がスプリング６０と接している。スプリング６０は、一方の端部がブラシ５０と接し、他方の端部がモータケーシング４１の天部４１２に接している。スプリング６０は、伸長する力を有している。これにより、ブラシ５０は、整流子７０の整流面７１に押し付けられる。ブラシ５０の整流子７０側の端面５２は、整流子７０のブラシ５０側の端面である整流面７１と接している。整流子７０は、周方向へ分割された複数のセグメント７２から構成されている。セグメント７２は、図５に示すようにそれぞれコイル２３の巻線に接続している。ブラシ５０と整流子７０の各セグメント７２との接触が繰り返されることにより、コイル２３へ供給される電流が整流される。整流子７０は、回転子２０とともに図１、図４および図５に示す矢印Ｒ方向へ回転する。

本明細書中では、図１および図４に示すように整流子７０の回転にともなって、ブラシ５０と回転する整流子７０とが接触を開始する側を進入側と定義する。これに対し、整流子７０の回転にともなって、ブラシ５０と整流子７０との接触が解除される側を出口側と定義する。すなわち、図１および図４において、ブラシ５０の左側が進入側であり、ブラシ５０の右側が出口側である。

図５に示すように、いわゆるスター結線されたコイル２３を有する回転子２０の場合、各コイル２３は一方の端部が結線部２４に結線されるとともに、他方の端部が整流子７０の各セグメント７２に接続している。そのため、ブラシ５０と整流子７０の各セグメント７２との接触が解除されるとき、図６に示すように短時間ｄｔに残留電流ｄｉが急激に変化する。その結果、コイル２３に蓄えられた電気的なエネルギーがブラシ５０と整流子７０との間に放出され、ブラシ５０と整流子７０との間にサージ電圧Ｖｓが発生する。これにより、ブラシ５０と整流子７０との間には火花放電が生じる。ブラシ５０と整流子７０との間の火花放電は、ブラシ５０および整流子７０の電気的な摩耗を招く。

第１実施形態では、ブラシ５０は図１および図４に示すように整流子７０とは反対側に傾斜面５３を有している。傾斜面５３は、ブラシ５０の進入側から出口側にかけてブラシ５０の全長が短くなるように傾斜している。すなわち、ブラシ５０は、進入側ほど全長が長く、出口側ほど全長が短い。スプリング６０は、天部４１２とは反対側の端部がブラシ５０の傾斜面５３に接している。スプリング６０の押し付け力は、傾斜面５３に対しほぼ垂直に加わる。そのため、図７に示すように、スプリング６０の押し付け力の方向を示す作用線Ｌａは、傾斜面５３とほぼ垂直になる。ブラシ５０の傾斜面５３にスプリング６０の押し付け力が作用することにより、スプリング６０はブラシ５０を進入側へ傾けつつ整流子７０側へ押し付ける。これにより、モータケーシング４１との間にわずかな隙間が形成されているブラシ５０は、図７に示すように進入側へわずかに傾く。なお、図７では、ブラシ５０の傾斜をわかりやすく説明するために、ブラシ５０の傾斜を誇張して示している。

モータケーシング４１の収容室４５には、ブラシ５０だけでなくスプリング６０が収容されている。スプリング６０は、図１（Ｂ）に示すように断面が略長円形状である。スプリング６０を略長円形状に設定することにより、スプリング６０と傾斜面５３とが接する面積が拡大する。これにより、スプリング６０の押し付け力は、確実にブラシ５０の傾斜面５３に加わる。また、スプリング６０の長円形状に設定することにより、スプリング６０は断面が略長方形の収容室４５の内部に収容される。そのため、スプリング６０はモータケーシング４１の開口部４１１から外側へはみ出さない。その結果、ブラシ５０が軸方向へ往復し、これにともないスプリング６０が伸縮する際、ブラシ５０から突出する導電部材５１とスプリング６０との干渉が防止される。したがって、ブラシ５０の移動およびスプリング６０の伸縮を円滑に行うことができる。

また、第１実施形態では、図７に示すようにスプリング６０の作用線Ｌａは、整流面７１においてブラシ５０の整流子７０側における進入側の端部よりも外側に位置している。すなわち、スプリング６０の作用線Ｌａは、ブラシ５０の進入側よりも外側の交差点Ｃで整流面７１と交差する。スプリング６０の作用線Ｌａは、ブラシ５０の傾斜面５３の角度によって方向が変化する。そのため、第１実施形態では、ブラシ５０の傾斜面５３は、スプリング６０の作用線Ｌａがブラシ５０の外側で整流面７１と交差する角度に傾斜している。ブラシの５０傾斜面５３の傾斜角度は、ブラシ５０の幅、ブラシ５０の整流子７０側の端部から傾斜面５３までの長さなどに応じて変更することができる。

上述のようにスプリング６０の押し付け力の作用線Ｌａがブラシ５０の外側において整流面７１と交差することにより、ブラシ５０は進入側における整流子７０側の角部５４を支点としてモータケーシング４１の内部で傾く。整流子７０が回転することにより、ブラシ５０には整流子７０との摩擦によって出口側方向へ引っ張り力が加わる。そのため、ブラシ５０は、スプリング６０の押し付け力および回転する整流子７０との接触により、モータケーシング４１の内部において進入側へ傾く。このとき、ブラシ５０は、整流子７０と接する角部５４を支点として傾くとともに、進入側の傾斜面５３側の角部５５がモータケーシング４１と接する。また、ブラシ５０の出口側は、モータケーシング４１の整流子７０側の端部と接する。このブラシ５０の出口側とモータケーシング４１の端部と接する部分を接触部５６とする。これらの結果、ブラシ５０は、角部５４、角部５５および接触部５６において整流子７０またはモータケーシング４１と接する。これにより、ブラシ５０は、整流子７０の回転時に、角部５４、角部５５および接触部５６の三点で支持される。したがって、ブラシ５０は、整流子７０の回転時にモータケーシング４１の内部でがたつくことがなく、燃料ポンプ１０の作動時の騒音および振動を低減することができる。

上述の構成により、図８に示すように第１実施形態では、ブラシ５０と整流子７０との間に生じるサージ電圧が低減される。図８では、スプリング６０によりブラシ５０を出口側へ傾けたものを比較例として示している。このように、第１実施形態では、ブラシ５０と整流子７０との間に生じるサージ電圧は低減される。そのため、燃料ポンプ１０の作動にともなうブラシ５０および整流子７０の電気的な摩耗は低減することができる。特に、燃料ポンプ１０を車両に搭載する場合、ブラシ５０や整流子７０の摩耗による燃料ポンプ１０の作動停止はエンジンへの燃料供給の停止を招くおそれがある。そのため、ブラシ５０や整流子７０は定期的に交換する必要がある。これに対し、第１実施形態では、ブラシ５０や整流子７０の電気的な摩耗が低減することにより、ブラシ５０や整流子７０の寿命が延長され、ブラシ５０や整流子７０の交換頻度を低減することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による燃料ポンプの要部を図９に示す。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
第２実施形態では、図９に示すようにブラシ５０を整流子７０へ押し付けるスプリング６１はモータケーシング４１の内部で座屈している。座屈とは、スプリング６１に軸方向へ圧縮力を加えることにより、スプリング６１をモータケーシング４１の内部で屈曲させた状態である。スプリング６１を所定の方向へ座屈させることにより、スプリング６１からブラシ５０には第１実施形態と同様にブラシ５０を進入側へ傾ける力が加わる。また、ブラシ５０は、スプリング６１により整流子７０の整流面７１に押し付けられる。その結果、図８に示すようにブラシ５０と整流子７０との間のサージ電圧は低減される。したがって、第２実施形態でも、ブラシ５０および整流子７０の電気的な摩耗を低減し、ブラシ５０および整流子７０の寿命を延長することができる。

第２実施形態では、スプリング６１を座屈させることによりブラシ５０を進入側へ傾けている。スプリング６１は、座屈状態によってブラシ５０に加える押し付け力の方向が変化する。そのため、スプリング６１は所定の座屈状態にする必要がある。ブラシ５０を進入側へ傾ける場合、図９に示す状態でスプリング６１はスプリング６１の軸方向の中央部付近がモータケーシング４１の出口側へ座屈していることが望ましい。そこで、例えばモータケーシング４１の出口側に磁石を貼り付け、磁石の磁気吸引力によってスプリング６１を常にモータケーシング４１側へ座屈させることができる。また、モータケーシング４１にスプリング６１を組み付ける際に、モータケーシング４１の進入側に磁石を有する治具を設置することで、スプリング６１の上下端は進入側、中央部はモータケーシング４１の出口側へ座屈させる方法でもよい。また、モータケーシング４１にスプリング６１を設置した後に機械的にスプリング６１を座屈させる、あるいはフックなどの係止部にスプリング６１を取り付けることによりスプリング６１を所定の方向へ座屈させてもよい。

（Ａ）は本発明の第１実施形態による燃料ポンプのブラシの近傍を図３の矢印Ｉ方向から見た概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 本発明の第１実施形態による燃料ポンプの概略を示す断面図である。 図２のIII−III線で切断した断面図であって、ブラシの近傍を拡大した図である。 図１（Ｂ）のＩＶ−ＩＶ線で切断した断面図である。 本発明の第１実施形態による燃料ポンプの一部のコイルについて電気的な構成を示す模式図である。 ブラシと整流子との間に流れる電流および電圧の変化を示す模式図である。 本発明の第１実施携帯による燃料ポンプのブラシに加わる力およびこの力によるブラシの傾きを示す概略図である。 ブラシと整流子との間を流れる電流とサージ電圧との関係を示す模式図である。 本発明の第２実施形態による燃料ポンプのブラシの近傍を拡大した図であって、図３に対応する断面図である。

符号の説明

１０ 燃料ポンプ、１２ ポンプ部、１４ モータ部、２０ 回転子、４１ モータケーシング（ハウジング）、５０ ブラシ、５３ 傾斜面、６０、６１ スプリング（弾性部材）、７０ 整流子、７１ 整流面

Claims (4)

1. 吸入した燃料を加圧するポンプ部と、
   回転子および前記回転子に供給される電流を整流する整流子を有し、前記回転子の回転により前記ポンプ部を駆動するモータ部と、
   前記整流子の整流面と接触し前記回転子に電流を供給するブラシと、
   前記ブラシを軸方向へ移動可能に収容するハウジングと、
   前記ブラシを、前記整流子との接触を開始する進入側へ傾けて押し付ける弾性部材と、
   を備え、
   前記弾性部材は、軸方向から見て長円形状であり、前記ブラシは、前記軸方向に垂直な断面が前記回転子の回転方向を長手方向とする短冊形状であることを特徴とする燃料ポンプ。
2. 前記ブラシは、前記整流子とは反対側の端部に前記進入側ほど軸方向の全長が長くなる傾斜面を有し、
   前記弾性部材の前記ブラシ側の端部は前記傾斜面に接している請求項１記載の燃料ポンプ。
3. 前記傾斜面は、前記傾斜面に加わる前記弾性部材の押し付け力の作用線が前記整流面において前記ブラシの前記進入側の端部よりも外側に位置する角度を有している請求項２記載の燃料ポンプ。
4. 前記弾性部材は、前記ハウジングの内部で座屈している請求項１記載の燃料ポンプ。

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