JP5526853B2

JP5526853B2 - ダイヤフラム型アクチュエータ

Info

Publication number: JP5526853B2
Application number: JP2010036351A
Authority: JP
Inventors: 慎太郎堀田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-02-22
Also published as: JP2011169298A

Description

本発明は、制御圧を供給することにより撓み変形するダイヤフラムを備えたダイヤフラム型アクチュエータに関する。

従来技術として、例えば特許文献１（実開平４−５０７７７号公報）に開示されているように、内燃機関のバルブを駆動するダイヤフラム型アクチュエータが知られている。従来技術では、ハウジング内に撓み変形可能なダイヤフラムが設けられており、このダイヤフラムは、ハウジング内に２つの圧力室を画成している。そして、アクチュエータの作動時には、一方の圧力室に制御圧が供給されると、ダイヤフラムが他方の圧力室に向けて撓み変形する。これにより、ダイヤフラムに取付けられた駆動ロッドが変位し、バルブ等が駆動される構成となっている。

実開平４−５０７７７号公報

ところで、上述した従来技術では、アクチュエータを停止させる場合に、ハウジング内の圧力室に供給した制御圧を外部に開放することにより、ダイヤフラムを元の位置（停止位置）に復帰させる。しかしながら、制御圧の開放動作を開始してから、制御圧が十分に抜けるまでの間には、ある程度のタイムラグが存在する。このため、従来技術では、アクチュエータの停止時に応答遅れが生じ易くなり、これを用いた制御の応答性が低下するという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、動作速度が速く、過渡状態等において高い応答性を実現することが可能なダイヤフラム型アクチュエータを提供することにある。

第１の発明は、中空状に形成されたハウジングと、
前記ハウジング内に設けられ、前記ハウジング内に第１，第２の空間を画成すると共に該各空間に向けてそれぞれ撓み変形することが可能なダイヤフラムと、
一端側が前記ダイヤフラムに固定された状態で他端側が前記ハウジングから外部に突出して駆動対象に連結され、前記ダイヤフラムの撓み変形量に応じて変位する可動部材と、
前記ダイヤフラムを前記第２の空間に向けて付勢する付勢手段と、
弾性材料により自由状態では収縮した袋状に形成されて前記第２の空間内に設けられ、内燃機関の排気通路から排気圧が供給されることにより膨張して前記ダイヤフラムを前記第１の空間に向けて押圧するバルーン部材と、
前記バルーン部材に設けられた供給口に排気圧を供給して前記バルーン部材を膨張させる作動位置と、前記排気通路と異なる位置で前記供給口を大気開放して前記バルーン部材を収縮させる停止位置のうち何れか一方の位置に切換えられる制御弁と、を備え、
前記バルーン部材は、前記制御弁により前記供給口が大気開放されたときに自らの弾性力で収縮して停止時の位置まで戻ることを特徴とする。

第２の発明によると、前記バルーン部材が配置された前記第２の空間は気密性を有する構成としている。

第１の発明によれば、ダイヤフラム型アクチュエータを停止させる場合には、例えばバルーン部材の一部を大気開放するだけで、バルーン部材を自らの復元力（張力）によって急速に収縮させ、その内部圧力を瞬間的に放出させることができる。これにより、従来技術と比較してダイヤフラムを停止位置へと速やかに変位させることができ、アクチュエータを作動状態から停止状態に切換えるときの動作速度を速くすることができる。従って、過渡状態等においても高い応答性をもつダイヤフラム型アクチュエータを実現することができ、これを用いた制御の応答性も高めることができる。また、アクチュエータを作動させるための作動ガスがダイヤフラムに直接接触しないので、ダイヤフラムを作動ガスとの接触による劣化等から保護することができ、耐久性を高めることができる。

第２の発明によれば、作動ガスがダイヤフラムに直接接触しないので、高温な排気ガスを作動ガスとして使用した場合でも、ダイヤフラムを熱劣化等から保護することができる。そして、作動ガスとして排気ガスを用いることにより、アクチュエータに作動ガスを供給するためのポンプや加圧タンク等を内燃機関に搭載する必要がないので、システム構成を簡略化することができる。

本発明の実施の形態１によるダイヤフラム型アクチュエータを示す断面図である。ダイヤフラム型アクチュエータが作動した状態を示す断面図である。本発明の実施の形態１によるダイヤフラム型アクチュエータを適用したエンジンのシステム構成を示す全体構成図である。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１によるダイヤフラム型アクチュエータを示す断面図である。図１は、ダイヤフラム型アクチュエータを、その中心に配置された駆動軸２０の軸線に沿って破断したものである。図１に示すように、ダイヤフラム型アクチュエータ（以下、場合によっては単にアクチュエータと称する）１０は、ハウジング１２、ダイヤフラム１４、駆動軸２０、戻しばね２２、バルーン部材２４等を備えている。ハウジング１２は、金属材料等により中空状に形成され、ハウジング本体１２ａの開口部にキャップ１２ｂを嵌合することにより組立てられている。

ダイヤフラム１４は、例えばゴム、樹脂等の可撓性を有する材料により膜状に形成され、ハウジング１２内に配置されている。そして、ダイヤフラム１４の周縁部は、ハウジング本体１２ａとキャップ１２ｂとの嵌合部に全周にわたって挟持されている。これにより、ハウジング１２内には、ハウジング本体１２ａ側に位置する第１の空間１６と、キャップ１２ｂ側に位置する第２の空間１８とが画成されている。この状態で、ダイヤフラム１４は、各空間１６，１８に向けてそれぞれ撓み変形することが可能となっている。

駆動軸２０は、ロッド状に形成された可動部材であり、その一端側はダイヤフラム１４の中央部に固定されている。駆動軸２０の他端側は、ハウジング本体１２ａから外部に突出しており、その先端側は駆動対象に連結される。また、戻しばね２２は、例えばコイルスプリング等により構成され、第１の空間１６内に圧縮状態で設けられている。そして、戻しばね２２は、ダイヤフラム１４を第２の空間１８に向けて常時付勢しており、本実施の形態の付勢手段を構成している。

バルーン部材２４は、例えばゴム、樹脂等の弾性材料により気密性を有する袋状（風船状）に形成されており、第２の空間１８内に設けられている。また、バルーン部材２４には、その内部に制御圧を供給するための供給口２６が設けられている。そして、バルーン部材２４は、その内部に制御圧が供給されていない状態（自由状態）において、収縮した（潰れた）状態となっている。また、バルーン部材６４は、その内部に制御圧（正圧）が供給されたときに、第２の空間１８内で膨張し、ダイヤフラム１４を第１の空間１６に向けて押圧するように構成されている。

次に、図１及び図２を参照して、ダイヤフラム型アクチュエータの作動について説明する。ここで、図１は、アクチュエータが停止した状態を示す断面図であり、図２は、アクチュエータが作動した状態を示す断面図である。まず、アクチュエータが停止した状態では、バルーン部材２４に制御圧が供給されていないので、バルーン部材２４は、図１に示すように、第２の空間１８内で潰れた状態に保持されている。これにより、ダイヤフラム１４は、戻しばね２２のばね力によって駆動軸２０と共に停止位置に保持されている。

一方、アクチュエータ１０を作動させるときには、供給口２６からバルーン部材２４の内部に制御圧が供給される。これにより、バルーン部材２４は、図２に示す如く、第２の空間１８を拡大させるように膨張し、ダイヤフラム１４を第１の空間１６に向けて押圧する。この結果、ダイヤフラム１４が撓み変形し、その撓み変形量に応じて駆動軸２０が矢示Ａ方向に変位する。従って、アクチュエータ１０は、駆動軸２０によりバルブ等の駆動対象を駆動することができる。

また、アクチュエータ１０を停止させるときには、バルーン部材２４に対する制御圧の供給を停止する。具体的には、例えば供給口２６を大気開放する。この結果、バルーン部材６４は、弾性体である自らの復元力（張力）によって内部の圧力を放出しつつ急速に収縮し、停止時の潰れた状態に戻る。これにより、ダイヤフラム１４は、戻しばね２２のばね力によって駆動軸２０と共に図２中の矢示Ｂ方向に変位し、停止位置に復帰する。

次に、図３を参照して、ダイヤフラム型アクチュエータの具体的な使用例について説明する。図３は、本発明の実施の形態１によるダイヤフラム型アクチュエータを適用したエンジンのシステム構成を示す全体構成図である。この図に示すように、内燃機関であるエンジン３０の各気筒には、ピストン３２により燃焼室３４が画成されている。燃焼室３４には、吸入空気を吸込む吸気通路３６と、排気ガスを排出する排気通路３８とが接続されており、吸気通路３６には、吸入空気量を調整するスロットルバルブ４０等が設けられている。また、各気筒には、燃料噴射弁４２、点火プラグ４４、吸気バルブ４６、排気バルブ４８等が設けられている。

また、エンジン３０には、排気圧を利用して吸入空気を過給する過給機５０が搭載されている。過給機５０は、排気通路３８に設けられたタービン５０ａと、吸気通路３６に設けられたコンプレッサ５０ｂとを備えている。そして、タービン５０ａは、排気圧を受けて回転することによりコンプレッサ５０ｂを駆動し、これによりコンプレッサ５０ｂは、吸入空気を圧縮して各気筒に供給する。また、排気通路３８には、タービン５０ａをバイパスするバイパス通路５２と、バイパス通路５２の流路面積を調整するウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）５４とが設けられている。ＷＧＶ５４は、ダイヤフラム型アクチュエータ１０により開閉駆動される駆動対象であり、アクチュエータ１０の停止時に閉弁状態となる常閉（ノーマルクローズ）型の弁として構成されている。そして、ＷＧＶ５４は、リンク機構５６を介してアクチュエータ１０の駆動軸２０に連結されている。

また、アクチュエータ１０（バルーン部材２４）の供給口２６は、制御圧供給通路５８を介して排気通路３８に接続されている。制御圧供給通路５８には、電磁駆動式の三方弁等により構成された制御弁６０が設けられている。制御弁６０は、エンジン３０の運転状態を制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)６２により制御され、アクチュエータ１０の供給口２６を排気通路３８に接続する作動位置と、供給口２６を大気開放する停止位置の何れかに切換えられるものである。

このように構成されたエンジン３０では、過給圧センサ等により検出した吸気通路３６内の圧力（過給圧）に基いて過給圧制御を実行する。過給圧制御では、過給圧が所定の制限値を超えたときに、ＥＣＵ６２により制御弁６０が停止位置から作動位置に切換えられる。これにより、アクチュエータ１０のバルーン部材２４には、制御圧としてエンジン３０の排気圧が供給されるので、アクチュエータ１０が作動し、リンク機構５６を介してＷＧＶ５４が開弁される。この結果、排気ガスの一部がバイパス通路５２を流れるようになり、タービン５０ａに作用する排気圧が低下するので、過給圧を制限値以下に抑えることができる。一方、ＷＧＶ５４を閉弁させるときには、ＥＣＵ６２により制御弁６０を停止位置に切換え、アクチュエータ１０の供給口２６を大気開放する。これにより、アクチュエータ１０は、前述したように速やかに停止状態となるので、これに伴ってＷＧＶ５４が即座に閉弁される。

以上詳述した通り、本実施の形態では、ダイヤフラム型アクチュエータ１０にバルーン部材２４を搭載する構成としたので、アクチュエータ１０を作動状態から停止状態へと速やかに切換えることができる。即ち、アクチュエータ１０を停止させる場合には、例えば供給口２６を大気開放するだけで、バルーン部材６４を自らの復元力（張力）によって急速に収縮させ、その内部圧力を瞬間的に放出させることができる。これにより、従来技術と比較してダイヤフラム１４（駆動軸２０）を停止位置へと速やかに変位させることができ、その動作速度を速くすることができる。従って、過給圧制御の実行中には、過渡運転時等においても、アクチュエータ１０によりＷＧＶ５４を即座に閉弁させることができ、制御の応答性を高めることができる。

また、本実施の形態によれば、アクチュエータ１０を作動させるための作動ガスをバルーン部材２４の内部に供給することができ、この作動ガスの圧力によりバルーン部材２４を介してダイヤフラム１４を押圧することができる。即ち、排気ガス等の高温な作動ガスを用いた場合でも、作動ガスがダイヤフラム１４に直接接触しないので、ダイヤフラム１４を熱劣化等から保護することができ、耐久性を高めることができる。また、作動ガスとして排気ガスを用いることにより、排気通路３８に制御圧供給通路５８と制御弁６０とを付設するだけで、アクチュエータ１０の駆動系統を容易に実現することができる。これにより、アクチュエータ１０に作動ガスを供給するためのポンプや加圧タンク等をエンジン３０に搭載する必要がないので、システム構成を簡略化することができる。

さらに、バルーン部材２４が収容される第２の空間１８を、気密性を有する圧力室として形成すれば、アクチュエータ１０の信頼性をより高めることができる。即ち、仮にバルーン部材２４に孔が開いた場合でも、アクチュエータ１０の作動時には、バルーン部材２４から漏れ出る圧力を第２の空間１８内に充填し、この圧力によりダイヤフラム１４を押圧することができる。従って、本実施の形態によれば、バルーン部材２４とダイヤフラム１４により形成された２重構造の圧力室内に作動ガスを供給することができ、圧力漏れ等に対して信頼性を向上させることができる。また、例えばアクチュエータ１０の停止時にバルーン部材２４の収縮速度（内部圧力の低下速度）が遅くなった場合には、バルーン部材２４に孔等の損傷が生じたものと判定して故障検知を行うことができる。

なお、前記実施の形態１では、ダイヤフラム型アクチュエータ１０の制御圧として、エンジン３０の排気圧を用いる場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明は、排気圧に限定されるものではなく、ダイヤフラム型アクチュエータに用いる制御圧としては、ポンプ等を含む任意の圧力源から供給される正圧を用いることができる。

１０ダイヤフラム型アクチュエータ
１２ハウジング
１２ａハウジング本体
１２ｂキャップ
１４ダイヤフラム
１６，１８第１，第２の空間
２０駆動軸（可動部材）
２２戻しばね（付勢手段）
２４バルーン部材
２６供給口
３０エンジン（内燃機関）
３６吸気通路
３８排気通路
４０スロットルバルブ
５０過給機
５０ａタービン
５０ｂコンプレッサ
５２バイパス通路
５４ウェイストゲートバルブ（駆動対象）
５６リンク機構
５８制御圧供給通路
６０制御弁
６２ＥＣＵ

Claims

中空状に形成されたハウジングと、
前記ハウジング内に設けられ、前記ハウジング内に第１，第２の空間を画成すると共に該各空間に向けてそれぞれ撓み変形することが可能なダイヤフラムと、
一端側が前記ダイヤフラムに固定された状態で他端側が前記ハウジングから外部に突出して駆動対象に連結され、前記ダイヤフラムの撓み変形量に応じて変位する可動部材と、
前記ダイヤフラムを前記第２の空間に向けて付勢する付勢手段と、
弾性材料により自由状態では収縮した袋状に形成されて前記第２の空間内に設けられ、内燃機関の排気通路から排気圧が供給されることにより膨張して前記ダイヤフラムを前記第１の空間に向けて押圧するバルーン部材と、
前記バルーン部材に設けられた供給口に排気圧を供給して前記バルーン部材を膨張させる作動位置と、前記排気通路と異なる位置で前記供給口を大気開放して前記バルーン部材を収縮させる停止位置のうち何れか一方の位置に切換えられる制御弁と、を備え、
前記バルーン部材は、前記制御弁により前記供給口が大気開放されたときに自らの弾性力で収縮して停止時の位置まで戻ることを特徴とするダイヤフラム型アクチュエータ。
前記バルーン部材が配置された前記第２の空間は気密性を有する構成とした請求項１に記載のダイヤフラム型アクチュエータ。