JP5449559B2

JP5449559B2 - 電制アクチュエータおよびターボ用ウェストゲートアクチュエータ

Info

Publication number: JP5449559B2
Application number: JP2012527454A
Authority: JP
Inventors: 陽一藤田; 弘文土井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-08-03
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-08-03
Also published as: WO2012017476A1; JPWO2012017476A1

Description

この発明は、ロッドの一端に弁を開閉するレバーを取り付けた電制アクチュエータおよびターボ用ウェストゲートアクチュエータに関する。

各国とも自動車の排ガスに対する規制を厳しくする中、自動車メーカ各社は各国の規制に対応すべく、エンジンの燃料状態改善による排出ガス浄化といった技術開発を行っている。このような技術の一つにターボチャージャがあり、エンジンのダウンサイジングによる燃費向上手段として注目されている。

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、タービンと同軸上にある圧縮機を駆動して吸気を圧縮し、その圧縮空気をエンジンに供給する構成である。圧縮空気は容積流量が同じでも質量流量が増加するので、エンジンの出力を下げることなく排気量を小さくすることができる。従って、エンジンを小型化でき、パワーが必要な時（坂道、高速走行等）はターボで過給する。

このような、エンジンのダウンサイジング化を実現する手段としてのターボチャージャは、従来用途のターボチャージャに比べ、過給圧を精密にコントロールする必要がある。そこで、過給圧を制御するターボ用ウェストゲートアクチュエータ（以下、ＷＧＡ）として、空圧（正圧・負圧）式アクチュエータに代えて、より高精度な電制駆動式アクチュエータを用いる傾向にある。電制駆動式アクチュエータとしては例えば特許文献１がある。

特許文献１に係る電制駆動式のＷＧＡは、このＷＧＡから外部に突出したロッドの端部に、レバーの一端が屈曲自在に取り付けられている。このレバーの他端（支点）にはウェストゲートバルブが設けられており、ロッドの直動によりレバーが支点を中心に回動すると、ウェストゲートバルブも回動してウェストゲートを開閉する。このレバーが回動する際には回動先端側の位置が変位してロッドが揺動してしまうため、この変位を吸収する構造が必要となる。

そこで、従来は、図７に示すようにＷＧＡのロッド１０１とレバー３０を繋ぐリンクプレート１０２を追加して、リンクジョイント構造にしていた。なお、図７ではＷＧＡ本体は図示を省略する。ロッド１０１の端部にリンクプレート１０２の一端がピン軸１０３で屈曲自在に取り付けられ、このリンクプレート１０２の他端にレバー３０がピン軸３３で屈曲自在に取り付けられている。さらに、レバー３０の支点３１は、図８に示す排気バイパス通路４２内のウェストゲートバルブ３２に接続されている。図８に示すように、排気タービンの上流側にあるエンジンの排気ガスが排気通路４０を通ってターボチャージャの排気タービンへ導入されるが、一部の排気ガスを逃がして過給圧を制御する目的で、排気通路４０にウェストゲート４１を開設してこのウェストゲート４１から排気タービンを迂回して下流側に接続される排気バイパス通路４２を設ける。ロッド１０１の直動によりレバー３０が支点３１を中心に回動すると、ウェストゲートバルブ３２も回動してウェストゲート４１を開閉する。レバー３０回動時の変位Ｄをリンクプレート１０２の回動により吸収して、ロッド１０１が図７に示す矢印Ｙの方向に揺動するのを防ぐ。

特開２００７−２６２９６４号公報

しかしながら、リンクプレートを追加するとピン軸のジョイント部が増えるため、ＷＧＡ動作中にジョイント部でのチャタリング音（リンクプレートとピンの擦れ・衝突音）が発生するという課題があった。そのため、チャタリング音等の異音発生を抑制するために対策が必要であった。

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、ロッドとレバーのジョイント部での異音発生を抑制可能な電制アクチュエータおよびターボ用ウェストゲートアクチュエータを提供することを目的とする。

この発明の電制アクチュエータは、固定子と、固定子の内側に回転可能に配置される回転子と、回転子の中心穴に形成される雌ネジ部と、雌ネジ部に所定のガタをもって螺合する雄ネジ部を有して、回転子の回転をその軸方向の直線運動に変換して直線移動し、端部に屈曲自在に取り付く回動部材を支点を中心に回動させるアクチュエータ軸と、アクチュエータ軸の回動部材取り付け側とは反対の端面に接する検出軸を有して、当該アクチュエータ軸の位置を検出するポジションセンサとを備え、当接させるアクチュエータ軸の端面および検出軸の端面の少なくとも一方を円弧面にすることを特徴とするものである。

この発明のターボ用ウェストゲートアクチュエータは、固定子と、固定子の内側に回転可能に配置される回転子と、回転子の中心穴に形成される雌ネジ部と、雌ネジ部に所定のガタをもって螺合する雄ネジ部を有して、回転子の回転をその軸方向の直線運動に変換して直線移動するアクチュエータ軸と、アクチュエータ軸の端部に屈曲自在に取り付き、支点を中心に回動する回動部材と、回動部材と一体に動いてウェストゲートを開閉するウェストゲートバルブと、アクチュエータ軸の回動部材取り付け側とは反対の端面に接する検出軸を有して、当該アクチュエータ軸の位置を検出するポジションセンサとを備え、当接させるアクチュエータ軸の端面および検出軸の端面の少なくとも一方を円弧面にすることを特徴とするものである。

この発明によれば、回転子の中心穴に形成される雌ネジ部とアクチュエータ軸の雄ネジ部とを所定のガタをもって螺合するようにしたので、回動部材の回動に伴うアクチュエータ軸の揺動を雌ネジ部と雄ネジ部のガタを利用して吸収できる。この結果、リンクプレートを介さず、アクチュエータ軸と回動部材を直接連結できるようになり、チャタリング音等の異音発生を抑制できる。

この発明の実施の形態１に係るＷＧＡの構成を示す部分断面図である。実施の形態１に係るＷＧＡの軸受け構造であり、図１に示すＡＡ線に沿って切断したボスの斜視断面図を図２（ａ）に、シャフトの斜視断面図を図２（ｂ）に示す。実施の形態１に係るＷＧＡのボスとシャフトを図１に示すＡＡ線に沿って切断した断面図である。ポジションセンサの検出軸とシャフトの当接部分の拡大図である。ポジションセンサの検出軸とシャフトの当接部分の変形例を示す拡大図である。ポジションセンサの検出軸とシャフトの当接部分の変形例を示す拡大図である。従来のＷＧＡのロッドとレバーを繋ぐリンクジョイント構造を示す図である。図７に示すレバーに取り付いたウェストゲートバルブを示す図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１に示すＷＧＡ（ターボ用ウェストゲートアクチュエータ）１は、シャフト２に連結したロッド３を直動方向Ｘへ直線移動させるモータ部４と、ロッド３の端部にピン軸３３で屈曲自在に取り付き、支点３１を中心に回動するレバー（回動部材）３０と、レバー３０と一体に動いてウェストゲートを開閉するウェストゲートバブル３２（不図示）とを備える。なお、レバー３０およびウェストゲートバブル３２は、先立って説明した図７および図８と同様の構成のため説明を諸略する。

図示例では、ブラシ付きモータをモータ部４に用いる。このモータ部４の内部には、ステータコア５と、このステータコア５に装着されるボビン６と、このボビン６に巻回されるコイル７とがモールド成型によりハウジングに固定されて、固定子が構成されている。また、モータ部４には、コイル７に電源を供給するブラシ８、ブラシ８に電源を供給する電源供給端子部９、シャフト２の位置を検出するポジションセンサ１０等も配置されている。

ステータコア５の内側には、ロータ１２と、このロータ１２に装着されるマグネット１３と、ブラシ８に当接摺動することによりコイル７へ通電するコミュテータ１４とが回転可能に設けられ、回転子が構成されている。ロータ１２はベアリング１５により回転可能に支持され、ロータ１２の中心に設けた中心穴１２ａには雌ネジ部１２ｂが形成されている。

シャフト２の一端側はロータ１２の中心穴１２ａに挿入され、他端側はモータ部４から外部に突出してロッド３の一端と直結される。ロッド３の他端には支点３１を中心に回動するレバー３０の一端がピン軸３３で屈曲自在に取り付けられている。なお、図示例では、別体のシャフト２とロッド３をボルトとナットで連結してアクチュエータ軸にするが、一体の軸部材を用いてもよい。

この支点３１には不図示のウェストゲートバブル３２が形成されており、レバー３０が支点３１を中心に回動するとウェストゲートバブル３２がウェストゲートを開閉する。図１では、レバー３０が実線の位置にあるときウェストゲートバブル３２が閉弁し、反対に二点鎖線の位置にあるとき開弁する。

シャフト２の外周面には、ロータ１２の雌ネジ部１２ｂに螺合する雄ネジ部２ａが形成されている。この雌ネジ部１２ｂと雄ネジ部２ａを若干のガタ（ネジ間のクリアランス）をもって螺合させる。先立って説明したように、レバー３０が支点３１を中心に回動するときピン軸３３側先端部の位置が変位するので、ロッド３およびシャフト２がこの回動変位を受けて直動方向Ｘに略直交する方向（以下、揺動方向Ｙ）に揺動する。本実施の形態ではこの揺動を雌ネジ部１２ｂと雄ネジ部２ａのガタを利用して吸収する。このガタは、通常の設計より大きくし、ロッド３のピン軸３３側先端部で許容する揺動の大きさに応じて決定すればよい。

また、雌ネジ部１２ｂの長さを、雄ネジ部２ａの長さより短く、かつウェストゲートバブル３２を開閉するために必要な雄ネジ部２ａの移動距離より長くして、シャフト２の直動方向Ｘへの進退位置によらず雄ネジ部２ａと雌ネジ部１２ｂの掛かり代が一定になるようにする。図示例では、雄ネジ部２ａを長さＬ１にし、雌ネジ部１２ｂを長さＬ２にして、シャフト２の直動によらずネジ掛かり代を長さＬ２で一定にする。

また、モータ部４のシャフト２が突出する側には、このシャフト２を直動方向Ｘに移動自在に支持するガイド穴１６を開設したボス１７が固定されている。ボス１７の内部には、シャフト２を常時閉弁方向に付勢するコイルバネ等の付勢部材１８が配置され、付勢部材１８の一端側がボス１７に、他端側がシャフト２に圧入固着されたバネ受け部材１９に保持されている。

シャフト２の軸受け構造を図２に示す。図２（ａ）は、図１に示すＡＡ線に沿って切断したボス１７の斜視断面図、図２（ｂ）はシャフト２の斜視断面図である。図３は、図１に示すＡＡ線に沿って切断したボス１７とシャフト２の断面図である。ボス１７のガイド穴１６は、ロータ１２の回転運動をシャフト２の直動運動に変換するためのガイドであり、シャフト２を挿通してその軸方向への移動をサポートする。

図２および図３の例では、シャフト２を断面長尺状にして平面部分２ｂ，２ｂを設ける。併せてガイド穴１６の断面形状も長穴にして直線部分１６ｂ，１６ｂを設けると共に、その円弧部分にクリアランス１６ａ，１６ａを設ける。平面部分２ｂ，２ｂが直線部分１６ｂ，１６ｂを摺動することにより、ロータ１２の回転に合わせてシャフト２が回転運動するのを規制し、シャフト２が直動方向Ｘへ移動することをサポートする。また、クリアランス１６ａ，１６ａがシャフト２の揺動を所定範囲内で許容する。このクリアランス１６ａ，１６ａの大きさは、ロッド３のピン軸３３側先端部で許容する揺動の大きさに応じて決定すればよい。

次に、動作を説明する。
図１は閉弁状態を示すもので、この状態でロータ１２が回転すると、その中心穴１２ａの雌ネジ部１２ｂと螺合しているシャフト２の雄ネジ部２ａが該雌ネジ部１２ｂから駆動力を受けるため、シャフト２がＷＧＡ１の外へ突出する方向へ、ガイド穴１６にガイドされて回転することなく直線移動する。すると、シャフト２に直結したロッド３がレバー３０の一端を押圧するので、レバー３０が支点３１を中心に回動してウェストゲートバブル３２（不図示）を開弁状態にする。

その開弁状態において、ロータ１２を上記とは逆方向に回転させると、その中心穴１２ａの雌ネジ部１２ｂと螺合しているシャフト２の雄ネジ部２ａが該雌ネジ部１２ｂから駆動力を受けるため、シャフト２がガイド穴１６にガイドされて回転することなく直線移動して、ＷＧＡ１内へ後退する。すると、シャフト２に直結したロッド３も後退するので、レバー３０は支点３１を中心に上記とは反対方向へ回動してウェストゲートバブル３２（不図示）を閉弁状態にする。開弁および閉弁の際、レバー３０の回動変位に伴うロッド３の揺動はシャフト２に伝達されるが、ＷＧＡ１本体へ伝達することなく、雌ネジ部１２ｂと雄ネジ部２ａのガタで吸収できる。

また、従来のＷＧＡでは、中心穴１２ａの全長に雌ネジ部１２ｂを螺刻していたため、シャフト２が直動するとネジ掛かり代が変化し、ロッド３の先端部で許容できる揺動の変位量も変化していた。そのため、ロッド３およびシャフト２の揺動により雌ネジ部１２ｂと雄ネジ部２ａが部分的に磨耗してガタツキ状態に差異が生じ、ロータ１２の回転力がシャフト２に完全に伝達されなくなったりＷＧＡの特性が不安定になったりして、ＷＧＡの性能に影響があった。
これに対して、本実施の形態１のＷＧＡ１では、雌ネジ部１２ｂと雄ネジ部２ａのネジ掛かり代を長さＬ２で一定にし、さらに動作時以外の状況でも付勢部材１８の荷重によりシャフト２のガタツキを抑制したので、雌ネジ部１２ｂと雄ネジ部２ａの磨耗を軽減し、耐久性の向上および性能の安定化を図ることができる。

また、ウェストゲートバブル３２の開閉時、シャフト２の端面に接している検出軸１１が、不図示の付勢部材に付勢されてシャフト２に追動する。ポジションセンサ１０は、検出軸１１の変位量に基づきシャフト２の直動位置を検出して、ロータ１２の回転動作を制御する。

ポジションセンサ１０の検出軸１１とシャフト２の当接部分の構造を図４に示す。レバー３０の回動によってシャフト２が揺動し、図４に示す二点鎖線のように傾くが、シャフト２の端面と検出軸１１の端面が円弧状で当接しているので、シャフト２は軸方向に寸法ずれを生じることがない。あるいは、図５に示すようにシャフト２の端面を円弧面、検出軸１１の端面を平面にしてもよいし、図６に示すようにシャフト２の端面を平面、検出軸１１の端面を円弧面にしてもよい。なお、図４〜図６では雄ネジ部２ａを省略している。

以上より、実施の形態１によれば、ＷＧＡ１は、ステータコア５、ボビン６およびコイル７を含む固定子と、固定子の内側に回転可能に配置されるロータ１２およびマグネット１３を含む回転子と、ロータ１２の中心穴１２ａに形成される雌ネジ部１２ｂと、雌ネジ部１２ｂに所定のガタをもって螺合する雄ネジ部２ａを有して、回転子の回転をその軸方向の直線運動に変換して直線移動するシャフト２と、シャフト２に直結したロッド３と、ロッド３の端部に屈曲自在に取り付き、ロッド３の直線移動によって支点３１を中心に回動するレバー３０と、レバー３０と一体に動いてウェストゲートを開閉するウェストゲートバブル３２とを備えるように構成した。このため、レバー３０の回動に伴うロッド３の揺動をＷＧＡ１本体へ伝達することなく、雌ネジ部１２ｂと雄ネジ部２ａのガタで吸収できる。これにより、従来のようなリンクプレートのジョイント部を減らすことが可能となり、チャタリング音等の異音を低減できる。また、部品点数も削減できる。さらに、ジョイント部での磨耗がないので耐久性の向上および性能の安定化を図ることができる。

また、実施の形態１によれば、ロータ１２の雌ネジ部１２ｂの長さＬ２をシャフト２の雄ネジ部２ａの長さＬ１より短くするように構成した。このため、シャフト２が直動しても雌ネジ部１２ｂと雄ネジ部２ａのネジ掛かり代が一定で、磨耗を軽減できるので、耐久性の向上および性能の安定化を図ることができる。

また、実施の形態１によれば、シャフト２を固定子の方向に常時付勢する付勢部材１８を備えるようにしたので、動作時以外の状況でもシャフト２を閉弁方向に押し付けてガタツキを抑制できる。

また、実施の形態１によれば、固定子のレバー３０が配される側に固定され、シャフト２を挿通して軸方向に移動自在に支持するガイド穴１６が開設されたボス１７を備え、このガイド穴１６は、シャフト２がレバー３０の回動変位を受けて揺動する方向にクリアランス１６ａ，１６ａを有するようにしたので、シャフト２の揺動を許容しつつ回転を防止できる。

また、実施の形態１によれば、シャフト２のレバー３０取り付け側とは反対の端面に接する検出軸１１を有して、当該シャフト２の位置を検出するポジションセンサ１０を備え、当接させるシャフト２の端面および検出軸１１の端面の少なくとも一方を円弧面にするように構成した。このため、シャフト２が揺動する際の位置ずれを防止できるようになり、性能の安定化を図ることができる。

なお、上記実施の形態１ではウェストゲートバブル３２を開閉するＷＧＡ１に関して説明したが、本発明の適用範囲はＷＧＡ１に限定されるものではなく、シャフトが揺動する恐れのある電制アクチュエータ全般に適用可能である。この構成により、シャフトの揺動を電制アクチュエータ本体に伝達することなくネジ部分のガタで吸収できるようになり、結果、リンクプレートのジョイント部を減らして異音を低減できる。

以上のように、この発明に係る電制アクチュエータは、ロッドの揺動をロータ内部のネジ部分のガタで吸収するようにしたので、シャフトが揺動するターボ用ウェストゲートアクチュエータ等に用いるのに適している。

Claims

固定子と、
前記固定子の内側に回転可能に配置される回転子と、
前記回転子の中心穴に形成される雌ネジ部と、
前記雌ネジ部に所定のガタをもって螺合する雄ネジ部を有して、前記回転子の回転をその軸方向の直線運動に変換して直線移動し、端部に屈曲自在に取り付く回動部材を支点を中心に回動させるアクチュエータ軸と、
前記アクチュエータ軸の前記回動部材取り付け側とは反対の端面に接する検出軸を有して、当該アクチュエータ軸の位置を検出するポジションセンサとを備え、
当接させる前記アクチュエータ軸の端面および前記検出軸の端面の少なくとも一方を円弧面にすることを特徴とする電制アクチュエータ。
固定子と、
前記固定子の内側に回転可能に配置される回転子と、
前記回転子の中心穴に形成される雌ネジ部と、
前記雌ネジ部に所定のガタをもって螺合する雄ネジ部を有して、前記回転子の回転をその軸方向の直線運動に変換して直線移動するアクチュエータ軸と、
前記アクチュエータ軸の端部に屈曲自在に取り付き、当該アクチュエータの直線移動によって支点を中心に回動する回動部材と、
前記回動部材と一体に動いてウェストゲートを開閉するウェストゲートバルブと、
前記アクチュエータ軸の前記回動部材取り付け側とは反対の端面に接する検出軸を有し
て、当該アクチュエータ軸の位置を検出するポジションセンサとを備え、
当接させる前記アクチュエータ軸の端面および前記検出軸の端面の少なくとも一方を円弧面にすることを特徴とするターボ用ウェストゲートアクチュエータ。