JP4407288B2

JP4407288B2 - 過給装置のポジション検出装置

Info

Publication number: JP4407288B2
Application number: JP2004008257A
Authority: JP
Inventors: 利貴山田; 稲男豊田; 杉浦　　真紀子
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-01-15
Also published as: DE102004061840B4; US7112958B2; DE102004061840A1; JP2005201147A; US20050218889A1

Description

本発明は、過給装置のポジション検出装置に係り、詳しくは、過給装置のコンプレッサ
の回転数や回転位置を検出する装置に関するものである。

エンジン（内燃機関）に吸気過給（加給）して高出力を得る過給装置には、吸気過給す
るために空気を圧縮する（吸気圧縮を行う）コンプレッサの駆動方法が異なる種々の方式
（例えば、ターボチャージャ、スーパーチャージャなど）がある。

ターボチャージャは、エンジンの排気ガスのエネルギーによって駆動されるタービンを
備え、そのタービンによってコンプレッサを駆動する。機械式スーパーチャージャは、エ
ンジンのクランクシャフトの回転力をギヤやプーリなどを用いて取り出し、その回転力に
よってコンプレッサを駆動する。電動式スーパーチャージャは、エンジンとは別個に設け
た電動機によってコンプレッサを駆動する。また、ターボチャージャまたは機械式スーパ
ーチャージャと電動式スーパーチャージャとを併用し、タービンまたはエンジンの回転力
によるコンプレッサの駆動を回転電機（電動発電機）で補助する方式（以下、「回転電機
補助方式」と呼ぶ）もある。

これら各方式の過給装置では、吸気過給を最適に調整するため、コンプレッサのポジシ
ョン（回転数、回転位置）を正確に検出することが求められている。例えば、ターボチャ
ージャでは、タービンに流入する排気ガス量を調整するためのバルブを設けておき、コン
プレッサの回転数に応じて当該バルブの開度を制御することにより、吸気過給を最適に調
整する。

また、回転電機補助方式では、エンジンの低速回転重負荷時には回転電機を電動機運転
させてコンプレッサの駆動を補助し、エンジンの高速回転中負荷時には回転電機を発電機
運転させて得られた電力をバッテリに充電させる。そして、エンジンのクランクシャフト
に直結された別の電動機を設けておき、回転電機の発電機運転によってバッテリに充電し
ておいた電力を使用して前記別の電動機を力行運転させることにより、クランクシャフト
の回転を補助してエンジンの運転効率を向上させている。

尚、回転電機の電動機運転または発電機運転の制御は、回転電機の回転数と回転子の回
転位置とに基づいて行われる。そのため、回転電機の回転数と回転子の回転位置（つまり
、回転電機の回転軸に接続されたコンプレッサのポジション）を正確に検出することが求
められている。

そこで、特許文献１に開示されるように、エンジンの排気により回転されるタービンと
該タービンにより回転されるコンプレッサと該タービンとコンプレッサとを連結する回転
軸上に交流電動発電機を設けた回転電機付ターボチャージャのポジションセンサにおいて
、前記回転軸と共に回転する部分には、該回転軸の回転方向に沿って、磁路を形成した磁
性体片を設け、該回転する部分と対向する固定部分には、２つの磁極を前記磁性体片に対
向させ、かつ少なくとも前記磁性体片の回転方向の長さと等しい磁極間隔を持つ鉄芯にコ
イルを巻回した検出用のコイルを配置し、鉄芯と前記磁性体片が形成する閉磁路中に磁束
発生源を配置する技術が提案されている。
特開平５−７９３４０号公報（第２〜５頁、図１、図２、図５）

特許文献１の技術には以下の問題がある。

［１］前記回転軸と共に回転する部分に磁路を形成した磁性体片を設けるため、その磁
性体片により回転部分に重量バランスの偏りが発生し、タービンおよびコンプレッサの高
回転時の安定性が悪化する。

［２］特許文献１には、磁性体片として永久磁石片と軟磁性体片とが記載され、その磁
性体片をコンプレッサのブレード背面に埋め込むことが記載されている。しかし、コンプ
レッサのブレード背面に磁性体片を埋め込む加工を行うとなると、その加工分だけコンプ
レッサの製造コストが増大する。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、コンプレッサ
の回転数や回転位置を正確に検出可能で低コストな過給装置のポジション検出装置を提供
することにある。

請求項１に記載の発明は、
エンジンに吸気過給するために吸気圧縮を行うコンプレッサと、
そのコンプレッサは、回転するブレードと、そのブレードの回転軸に設けられた磁性部材とを有することと、
前記ブレードが回転する際に前記磁性部材が発生させる磁界の変化を検出する磁気センサと、
その磁気センサが検出した磁界の変化に基づいて、前記ブレードの回転数または回転位置をコンプレッサのポジションとして検出する検出手段と
を備えた過給装置のポジション検出装置であって、
前記ブレードを前記回転軸に取付固定するため、前記回転軸に螺合されたナットを有し、
前記磁性部材は、前記ナットの上面に形成された同一形状の２つの突起部から成り、
前記２つの突起部は、前記ナットの中心孔に対して点対称の位置に形成され、前記突起部の材質には磁性材料が含まれていることを技術的特徴とする。

さらに、請求項１に記載の発明は、
前記ブレードが収容されたハウジングと、
そのハウジングに接続された吸気管と、
その吸気管に接続されたエアクリーナと、
前記磁気センサを取り付けるための支持棒材と、その支持棒材の固定端部は前記エアクリーナに取付固定されていることと
を備え、
前記磁気センサは、前記支持棒材の自由端部に取付固定され、前記ハウジング内にて前記ナットの上面に対向する箇所に配置されていることを技術的特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ブレードが回転する際に、ブレードの回転軸に設けら
れた磁性部材が発生させる磁界の変化を検出し、その磁界の変化に基づいてブレードの回
転数または回転位置をコンプレッサのポジションとして検出する。そのため、ブレード自
体を加工する必要がない。また、磁性部材はブレードの回転中心に位置するため、ブレー
ドが回転する際に磁性部材によって発生する重量バランスの偏りは極めて小さい。よって
、コンプレッサの高回転時に安定性が悪化することがない。従って、請求項１に記載の発
明によれば、特許文献１における前記［１］の問題を回避できる。

また、請求項１に記載の発明において、ブレードを回転軸に取付固定するためのナットの上面に形成された同一形状の２つの突起部から成る磁性部材を設けることは、特許文献１のようにブレードに磁性体片を埋め込む加工に比べて、簡単であるため製造コストを抑えることができる。従って、請求項１に記載の発明によれば、特許文献１における前記［２］の問題を回避できる。
そして、請求項１に記載の発明では、ブレードが回転する際にナットの突起部の近傍で発生する磁界の変化を検出するため、その突起部によって磁界を効率的に変化させることが可能であり、磁気センサによる磁界の変化の検出を確実に行うことができる。

請求項１に記載の発明では、磁気センサが支持棒材の自由端部に取付固定され、支持棒材の固定端部はエアクリーナに取付固定され、磁気センサはナットの上面に対向する箇所に取付固定されているため、コンプレッサ内の空気の流れが磁気センサおよび支持棒材によって阻害され難く、コンプレッサの吸入損失を低減可能なため圧縮効率を向上させることができる。

（用語の説明）
尚、上述した［課題を解決するための手段］に記載した構成要素と、後述する［発明を
実施するための最良の形態］に記載した構成部材との対応関係は以下のようになっている
。

「磁気センサ」および「検出手段」は、ポジションセンサ２７に該当する。また、「磁性部材」は、材質に磁性材料を含んだ六角ナット４５の突起部４５ｂ，４５ｃに該当する。

以下、本発明を具体化した各実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、各実
施形態において、第１実施形態と同一構成部材については符号を等しくして説明を省略し
てある。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態におけるエンジン過給システム１０の概略構成を示すブロック図
である。エンジン過給システム１０は、エンジン（内燃機関）１１、フライホイール・ハ
ウジング１２、エアクリーナ１３、吸気管１４、コンプレッサ１５、吸気連結管１６、吸
気マニホールド１７、排気マニホールド１８、排気連結管１９、タービン２０、排気管２
１、回転電機２２、アクセル開度センサ２３、エンジン回転数センサ２４、ブースト圧セ
ンサ２５、排気圧センサ２６、コンプレッサ用ポジションセンサ２７、エンジン用電子制
御装置（ＥＣＵ）２８などから構成されている。そして、回転電機補助方式ターボチャー
ジャ４０は、コンプレッサ１５、タービン２０、回転電機２２、ポジションセンサ２７な
どから構成されている。

アクセル開度センサ２３は、エンジン１１が搭載された車両の運転者が操作するアクセ
ルペダル（図示略）の開度を検出する。エンジン回転数センサ２４は、エンジン１１のク
ランクシャフト（図示略）の回転数を検出する。ブースト圧センサ２５は、吸気マニホー
ルド１７内の圧力（つまり、コンプレッサ１５によって圧縮された空気の圧力）を検出す
る。排気圧センサ２６は、排気マニホールド１８内の圧力を検出する。ポジションセンサ
２７は、コンプレッサ１５のポジション（回転数および回転位置）を検出する。エンジン
用ＥＣＵ２８は、各センサ２３〜２７の検出信号に基づいて、エンジン１１への燃料供給
を制御すると共に、回転電機２２を制御する。

エンジン１１への吸気は、エアクリーナ１３→吸気管１４→コンプレッサ１５→吸気連
結管１６→吸気マニホールド１７→エンジン１１のシリンダ内という経路で流れる。エン
ジン１１は、前記経路から吸入した空気と燃料とを最適な量だけ混ぜ合わせた混合気をシ
リンダー内で圧縮した後に、点火プラグを用いて点火して爆発させる。その爆発に伴って
発生する排気ガスは、エンジン１１のシリンダ内→排気マニホールド１８→排気連結管１
９→タービン２０→排気管２１の経路で外部へ排出される。

そのため、排気ガスのエネルギーによってタービン２０が回転駆動される。ここで、コ
ンプレッサ１５とタービン２０と回転電機２２の回転軸は同一である。そのため、タービ
ン２０によってコンプレッサ１５が回転駆動され、コンプレッサ１５によって圧縮された
空気がエンジン１１へ送り込まれて吸気過給が行われ、エンジン１１の高出力化が図られ
る。

そして、エンジン用ＥＣＵ２８は、エンジン１１の低速回転重負荷時には回転電機２２
を電動機運転させてコンプレッサ１５の駆動を補助し、エンジン１１の高速回転中負荷時
には回転電機２２を発電機運転させて得られた電力をバッテリ（図示略）に充電させる。

尚、エンジン１１のクランクシャフトに直結された別の電動機（図示略）が設けられて
おり、エンジン用ＥＣＵ２８は、回転電機２２の発電機運転によってバッテリに充電して
おいた電力を使用して前記別の電動機を力行運転させることにより、クランクシャフトの
回転を補助してエンジン１１の運転効率を向上させる。

このとき、エンジン用ＥＣＵ２８は、ポジションセンサ２７の検出したコンプレッサ１
５の回転数および回転位置（つまり、回転電機２２の回転数および回転位置）に基づいて
、回転電機２２の電動機運転または発電機運転の制御を行う。

図２は、第１実施形態における回転電機補助方式ターボチャージャ４０の構造を示す要
部断面図である。尚、「回転電機補助方式ターボチャージャ」は「電動アシストターボチ
ャージャ」とも呼ばれる。

回転電機補助方式ターボチャージャ４０は、コンプレッサ１５、タービン２０、回転電
機２２、ポジションセンサ２７に加え、ハウジング４１、回転軸４２、ネジ４３、スクロ
ール４４、六角ナット４５などから構成されている。交流電動発電機である回転電機２２
は、回転子２２ａおよび固定子２２ｂを備えている。

ハウジング４１内には、コンプレッサ１５のブレード１５ａ、タービン２０のブレード
２０ａ、回転電機２２の回転子２２ａおよび固定子２２ｂ、回転軸４２、ねじ４３が収容
されている。ハウジング４１内において、吸気連結管１６に接続される部分にはスクロー
ル４４が形成されている。

回転軸４２の両端にはそれぞれ各ブレード１５ａ，２０ａが取付固定されている。コン
プレッサ１５のブレード１５ａは回転軸４２に嵌合され、ブレード１５ａから突出した回
転軸４２の先端には六角ナット４５が螺合され、その六角ナット４５によってブレード１
５ａが回転軸４２に取付固定されている。回転電機２２の回転子２２ａはネジ４３によっ
て回転軸４２に取付固定されている。また、回転電機２２のリング状の固定子２２ｂはハ
ウジング４１内に固定され、その固定子２２ｂ内に回転子２２ａが回転自在に嵌合されて
いる。

ポジションセンサ２７は、ハウジング４１内における吸気管１４に接続されている部分
近傍に差し渡された支持部材４１ａを用いて、六角ナット４５の上面に対向する箇所に取
付固定されている。尚、ポジションセンサ２７は、適宜な方式の磁気センサからなる（例
えば、ホール素子、ＭＲＥ（Magnetic Resistive Element）、ＭＤ（Magnetic Diode）、
ＭＴ（Magnetic Transistor）など）。

図３は、第１実施形態における六角ナット４５を示す斜視図である。六角ナット４５の
上面には、中心孔４５ａに対して点対称の位置に同一形状の２つの突起部４５ｂ，４５ｃ
が形成されている。各突起部４５ｂ，４５ｃの材質には、磁性材料（例えば、鉄、クロム
、ニッケル、コバルトなど）が含まれている。

そのため、回転軸４２を中心としてブレード１５ａと六角ナット４５が一体となって回
転する際に、六角ナット４５の各突起部４５ｂ，４５ｃの近傍では磁界の変化が発生する
。そこで、ポジションセンサ２７は、六角ナット４５の回転に伴う各突起部４５ｂ，４５
ｃの近傍の磁界の変化を検出することにより、ブレード１５ａの回転数および回転位置を
検出する。

［第１実施形態の作用・効果］
第１実施形態によれば、以下の作用・効果を得ることができる。

（１）ポジションセンサ２７はハウジング４１内における吸気管１４に接続されている
部分近傍に設けられており、コンプレッサ１５およびタービン２０の回転部分である各ブ
レード１５ａ，２０ａは既存のままで何ら手が加えられていない。また、各突起部４５ｂ
，４５ｃが形成された六角ナット４５はブレード１５ａの回転中心に位置するため、ブレ
ード１５ａが回転する際に各突起部４５ｂ，４５ｃによって発生する重量バランスの偏り
は極めて小さい。そのため、コンプレッサ１５およびタービン２０の高回転時に安定性が
悪化することがない。従って、第１実施形態によれば、特許文献１における前記［１］の
問題を回避できる。

（２）特許文献１のようにコンプレッサ１５のブレード１５ａに磁性体片を埋め込む加
工に比べて、六角ナット４５に磁性材料を含む各突起部４５ｂ，４５ｃを形成する加工と
、ポジションセンサ２７を支持部材４１ａを用いて取り付ける加工とは、簡単であるため
製造コストを抑えることができる。従って、第１実施形態によれば、特許文献１における
前記［２］の問題を回避できる。

ところで、ポジションセンサ２７と同様のセンサをタービン２０側に設けることも考え
られるが、タービン２０内の温度は非常に高く、排気ガス中の粉塵などがセンサに付着す
る恐れがあるため、センサが故障しやすい上に精度低下を招きやすいという欠点がある。

（３）六角ナット４５に各突起部４５ｂ，４５ｃを設けているため、各突起部４５ｂ，
４５ｃによって磁界を効率的に変化させることが可能であり、ポジションセンサ２７によ
る磁界の変化の検出を確実に行うことができる。

（４）六角ナット４５全体が磁性材料を含んでいる場合（例えば、六角ナット４５が鉄
合金で形成されている場合）には、六角ナット４５の上面を切削加工することにより各突
起部４５ｂ，４５ｃを形成すればよい。また、六角ナット４５本体には磁性材料が含まれ
ていない場合（例えば、軽量化のために六角ナット４５がアルミニウム合金やマグネシウ
ム合金などで形成されている場合）には、磁性材料によって形成された突起部４５ｂ，４
５ｃを六角ナット４５の上面に取付固定すればよい。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態における回転電機補助方式ターボチャージャ４０の構造を示す要
部断面図である。

第２実施形態において、図２に示す第１実施形態と異なるのは、ポジションセンサ２７
の取付方だけである。つまり、ポジションセンサ２７は支持棒材１３ａの自由端部に取付
固定され、支持棒材１３ａの固定端部はエアクリーナ１３に取付固定されている。そして
、ポジションセンサ２７は、ハウジング４１内において六角ナット４５の上面に対向する
箇所に取付固定されている。

第２実施形態によれば、ハウジング４１内における吸気管１４に接続されている部分近
傍に支持部材４１ａが差し渡された第１実施形態に比べて、コンプレッサ１５内の空気の
流れが阻害され難く、コンプレッサ１５の吸入損失を低減可能なため圧縮効率を向上させ
ることができる。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態における回転電機補助方式ターボチャージャ４０の構造を示す要
部断面図である。

第３実施形態において、第１実施形態と異なるのは、六角ナット４５全体が磁性材料で
形成されて各突起部４５ｂ，４５ｃが省かれている点と、ハウジング４１内における六角
ナット４５の側面に対向する箇所にポジションセンサ２７が突出するように取付固定され
ている点である。

回転軸４２を中心としてブレード１５ａと六角ナット４５が一体となって回転する際に
、六角ナット４５の側面近傍では磁界の変化が発生する。そのため、ポジションセンサ２
７は、六角ナット４５の回転に伴う六角ナット４５の側面の近傍の磁界の変化を検出する
ことにより、ブレード１５ａの回転数および回転位置を検出する。

従って、第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用・効果を得ることができる
。加えて、ブレード１５ａを回転軸４２に取付固定するための既存の六角ナット４５を利
用し、その六角ナット４５の側面近傍で発生する磁界の変化を検出するため、磁界を変化
させるための磁性部材を新たに設ける必要がなく、製造コストが増大しない。

尚、軽量化のために六角ナット４５がアルミニウム合金やマグネシウム合金などで形成されている場合には、六角ナット４５の側面にＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法を用いて磁性材料からなる薄い磁性体層を形成すればよい。また、ナット４５の形状は六角に限らず、適宜な多角形状であればよい。

（第４実施形態）
図６は、第４実施形態における回転電機補助方式ターボチャージャ４０の構造を示す要
部断面図である。

第４実施形態において、第１実施形態と異なるのは、六角ナット４５の形状が異なる点
と、ハウジング４１内壁における六角ナット４５の側面に対向する箇所にポジションセン
サ２７が埋め込まれ、センサ２７表面がハウジング４１内壁と面一になるように取付固定
されている点である。

図７は、第４実施形態における六角ナット４５を示す斜視図である。中心孔４５ａに対
して点対称の位置にある六角ナット４５の２つの側面には、同一形状の２つの突起部４５
ｄ，４５ｅが形成されている。各突起部４５ｄ，４５ｅの材質には磁性材料が含まれてい
る。

そのため、回転軸４２を中心としてブレード１５ａと六角ナット４５が一体となって回
転する際に、六角ナット４５の各突起部４５ｄ，４５ｅの近傍では磁界の変化が発生する
。そこで、ポジションセンサ２７は、六角ナット４５の回転に伴う各突起部４５ｄ，４５
ｅの近傍の磁界の変化を検出することにより、ブレード１５ａの回転数および回転位置を
検出する。

従って、第４実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用・効果を得ることができる
。また、第４実施形態では、ポジションセンサ２７がハウジング４１内壁に埋め込まれて
いるため、ポジションセンサ２７を設けることにより、コンプレッサ１５内の空気の流れ
が阻害されず、コンプレッサ１５の圧縮効率が低下しない。

（別の実施形態）
上記実施形態は本発明を回転電機補助方式ターボチャージャに適用したものであるが、
本発明は、どのような形式の過給装置（回転電機補助方式ではないターボチャージャ、回
転電機補助方式ではない機械式または電動式スーパーチャージャ、回転電機補助方式の機
械式または電動式スーパーチャージャなど）に適用してもよい。

つまり、前記各方式の過給装置では、吸気過給を最適に調整するため、コンプレッサの
ポジション（回転数、回転位置）を正確に検出することが求められているが、本発明を適
用すれば上記各実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。

本発明を具体化した第１実施形態におけるエンジン過給システム１０の概略構成を示すブロック図。第１実施形態における回転電機補助方式ターボチャージャ４０の構造を示す要部断面図。第１実施形態における六角ナット４５を示す斜視図。本発明を具体化した第２実施形態における回転電機補助方式ターボチャージャ４０の構造を示す要部断面図。本発明を具体化した第３実施形態における回転電機補助方式ターボチャージャ４０の構造を示す要部断面図。本発明を具体化した第４実施形態における回転電機補助方式ターボチャージャ４０の構造を示す要部断面図。第４実施形態における六角ナット４５を示す斜視図。

符号の説明

１１…エンジン
１５…コンプレッサ
１５ａ…ブレード
２７…ポジションセンサ
４１…ハウジング
４５…六角ナット
４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ…突起部

Claims

エンジンに吸気過給するために吸気圧縮を行うコンプレッサと、
そのコンプレッサは、回転するブレードと、そのブレードの回転軸に設けられた磁性部材とを有することと、
前記ブレードが回転する際に前記磁性部材が発生させる磁界の変化を検出する磁気センサと、
その磁気センサが検出した磁界の変化に基づいて、前記ブレードの回転数または回転位置をコンプレッサのポジションとして検出する検出手段と
を備えた過給装置のポジション検出装置であって、
前記ブレードを前記回転軸に取付固定するため、前記回転軸に螺合されたナットを有し、
前記磁性部材は、前記ナットの上面に形成された同一形状の２つの突起部から成り、
前記２つの突起部は、前記ナットの中心孔に対して点対称の位置に形成され、
前記突起部の材質には磁性材料が含まれており、
前記ブレードが収容されたハウジングと、
そのハウジングに接続された吸気管と、
その吸気管に接続されたエアクリーナと、
前記磁気センサを取り付けるための支持棒材と、その支持棒材の固定端部は前記エアクリーナに取付固定されていることと
を備え、
前記磁気センサは、前記支持棒材の自由端部に取付固定され、前記ハウジング内にて前記ナットの上面に対向する箇所に配置されていることを特徴とする過給装置のポジション検出装置。