JP5850076B2 - バルブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、バルブを電動アクチュエータによって駆動するバルブ装置に関し、特に開弁状態のバルブを素早く全閉させる技術に関する。

（従来技術）
バルブ駆動用の電動アクチュエータを制御装置によりコントロールするバルブ装置として、特許文献１に開示される排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）が知られている。
特許文献１の排気ガス再循環装置には、目標ＥＧＲ率に応じて設定されたバルブの目標開度と、開度センサの検出開度（実開度）とが一致するように、電動アクチュエータの電動モータを制御装置によってフィードバック制御する技術が開示されている。

（従来技術の問題点）
開弁状態のバルブを全閉させる際、全閉までの時間を短縮する手段として、電動モータを閉弁方向へ通電制御することが考えられる。その際、全閉開度θ０でメカストッパが強く当たると、衝突音が発生したり、衝突によって破損が生じる懸念がある。
そこで、メカストッパの機械的な衝突を回避するために、バルブの閉弁速度を全閉開度θ０の直前で減速する必要がある。

メカストッパの機械的な衝突を回避する手段として、図４（ａ）に示すように、
（ｉ）全閉開度θ０より開弁側に設定した通電停止開度θａに検出開度が達するまで電動モータを閉弁方向へ通電制御し、
（ｉｉ）検出開度が通電停止開度θａに達した後は、電動モータの通電を停止して、リターンスプリングの付勢力のみでバルブを全閉開度θ０へ戻すことが考えられる。

しかし、全閉時の目標開度θｂを通電停止開度θａに設定することにより、図４（ｂ）に示すように、通電停止開度θａに近づくと、フィードバック制御によってバルブの閉弁速度が遅くなる。即ち、バルブの閉弁速度が、通電停止開度θａの直前で大きく減速することになり、通電停止開度θａに達するまでに減速時間を必要とする。
また、電動モータの通電停止後は、通電停止開度θａにおいて十分に減速したバルブを、復元力が低下したリターンスプリングの付勢力だけで閉弁させることになり、通電停止開度θａから全閉開度θ０に達するまでに時間を要してしまう。

このように、全閉までの時間を短縮するべく、電動モータを閉弁方向へ積極的に通電制御しても、メカストッパの衝突回避のために、フィードバック制御によって通電停止開度θａの直前でバルブの閉弁速度が十分に減速し、さらにその後、十分に減速したバルブをリターンスプリングの付勢力だけで全閉させることになり、結果的に全閉応答性が悪化する。

特開２００９−０３６１０８号公報

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、開弁状態のバルブを全閉させる際、メカストッパの衝突を抑えて、全閉までの時間を短縮できるバルブ装置の提供にある。

本発明は、開弁状態のバルブを全閉させる際、
（ｉ）全閉開度（θ０）より開弁側に設定した通電停止開度（θａ）に検出開度が達するまで電動モータを閉弁方向へ通電制御し、検出開度が通電停止開度（θａ）に達した後は、電動モータの通電を停止して、リターンスプリングの付勢力でバルブを全閉開度（θ０）へ戻す技術と、
（ｉｉ）開弁状態のバルブを全閉させる際、全閉時の目標開度（θｂ）を、通電停止開度（θａ）よりも閉弁側に設定するとともに、バルブの全閉開度（θ０）を基準として、全閉開度（θ０）より開弁方向をプラス、全閉開度（θ０）より開弁方向とは異なる方向をマイナスとした場合、全閉時の目標開度（θｂ）を、全閉開度（θ０）よりマイナス側に設定する技術とを用いる。

このように、全閉時の目標開度（θｂ）を通電停止開度（θａ）よりも閉弁側に設定することにより、通電停止開度（θａ）に達するまでの時間を短縮できる。
また、通電停止開度（θａ）に達した後は、電動アクチュエータによる閉弁方向の慣性力を利用して、全閉開度（θ０）に近づくまでの時間を短縮できる。

そして、バルブが全閉開度（θ０）に近づくと、リターンスプリング力が小さいため、メカストッパが突き当たる際の衝突を抑えることができる。
即ち、本発明は、開弁状態のバルブを全閉させる際、メカストッパの衝突を抑えて、全閉までの時間を短縮できる。

ＥＧＲバルブの断面図である（実施例１） カバーを外した電動アクチュエータの説明図である（実施例１） 開弁状態のバルブを全閉させる際の説明図である（実施例１） 開弁状態のバルブを全閉させる際の説明図である（背景技術）。

以下、発明を実施するための形態を、図面を参照して詳細に説明する。

以下において本発明を「排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）」に適用した具体的な一例（実施例）を説明する。なお、実施例は、具体的な一例を開示するものであって、本発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。

排気ガス再循環装置は、エンジンの排出した排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてエンジンの吸気側に戻すことで、吸気の一部に不燃ガスであるＥＧＲガスを混入させる周知の技術である。
排気ガス再循環装置は、排気通路を流れる排気ガスの一部を吸気通路へ戻すＥＧＲ通路（通路の一例）１の開閉および開度調整を行なうＥＧＲバルブユニット２を少なくとも備えるものであり、このＥＧＲバルブユニット２が制御装置（ＥＣＵ）３により制御される。

ＥＧＲバルブユニット２は、吸気通路における高負圧発生範囲（スロットルバルブの吸気下流側）へＥＧＲガスを戻す高圧ＥＧＲバルブユニット２であっても良いし、吸気通路における低負圧発生範囲（スロットルバルブの吸気上流側：例えばターボチャージャ搭載車両であればコンプレッサの吸気上流側）へＥＧＲガスを戻す低圧ＥＧＲバルブユニット２であっても良い。

ＥＧＲバルブユニット２の具体的な一例を、図１、図２を参照して説明する。
なお、以下では、図１の図示上側を上、図示下側を下と称して説明するが、この上下は実施例の説明のための方向であり、限定されるものではない。

ＥＧＲバルブユニット２は、
・内部にＥＧＲ通路１の一部を形成するハウジング４と、
・ＥＧＲ通路１中に配置されるバルブ５と、
・このバルブ５を支持するシャフト６と、
・このシャフト６に回転力を付与する電動アクチュエータ７と、
を備える。

電動アクチュエータ７は、
・通電により回転動力を発生する電動モータ８と、
・この電動モータ８の回転トルクを増幅してシャフト６に伝達する歯車減速機９と、
・シャフト６を介してバルブ５を閉弁方向のみに向けて付勢するリターンスプリング１０と、
・シャフト６を介してバルブ５の開度を検出する開度センサ１１と、
を備える。

以下において、上記各構成部品の具体例を説明する。
ハウジング４は、アルミニウム合金のダイキャスト製であり、ハウジング４の内部に形成されるＥＧＲ通路１の内壁には、耐熱性、耐腐食性に優れた部材（例えば、ステンレス）によって設けられた円筒形状を呈したノズル１２が固定配置されている。このノズル１２の内周は、ハウジング４内のＥＧＲ通路１の一部の内壁を成す。

バルブ５は、略円板形状を呈し、シャフト６の回動位置に応じてＥＧＲ通路１を開閉可能で、且つＥＧＲ通路１（ノズル１２内）の開口面積を可変可能なバタフライ型であり、開度に応じて吸気通路へ戻されるＥＧＲ量の調整を行なう。
ここで、バルブ５は、外周縁に別体のシールリングを用いないシールリングレスタイプである。

シャフト６は、バルブ５をＥＧＲ通路１の内部において回転可能に支持する。この実施例のシャフト６は、バルブ５を片持ち支持するものであり（限定するものではない）、バルブ５の直径方向に対してシャフト６の軸線が傾斜配置されている。
バルブ５はシャフト６の下端に固定されるものであり、シャフト６と一体にバルブ５が回動する。なお、バルブ５とシャフト６の結合技術は限定されるものではなく、例えば、溶接技術やネジ等によって結合されるものである。

シャフト６は、ＥＧＲ通路１の上側のハウジング４内に配置された２つの軸受１３によって回転自在に支持される。なお、軸受１３は、ボールベアリング、ローラベアリング等の転がりベアリング、あるいはメタルベアリング等の滑りベアリングであり、ハウジング４に形成されたベアリング収容穴の内部に圧入等の結合手段によって固定されて、内周に挿通されたシャフト６を回転自在に支持する。
また、シャフト６とハウジング４との間には、ＥＧＲガスが洩れ出るのを防ぐシール部材１４が配置される。なお、シール部材１４の配置箇所やシール部材１４の配置方法（例えば、シール機能付きのベアリングを用いるなど）は限定されるものではない。

電動アクチュエータ７は、ハウジング４に組付けられるものであり、ハウジング４の上部にはネジ等の締結手段によって着脱可能なカバー１５が装着される。
そして、ハウジング４に形成されたモータ収容室に電動モータ８が収容され、ハウジング４とカバー１５との間に形成された空間に、歯車減速機９およびリターンスプリング１０等が収容される。

電動モータ８は、通電方向が切り替わることで回転方向が切り替わるとともに、通電量に応じた回転トルクを発生する周知の直流モータであり、ハウジング４に形成されたモータ収容室に挿入された後、ネジ等の締結手段１６によってハウジング４に固定される。

歯車減速機９は、複数のギヤの組み合わせにより電動モータ８の回転を減速してシャフト６に伝達するものであり、
・電動モータ８と一体に回転するモータギヤ（ピニオンギヤ）２１と、
・このモータギヤ２１によって回転駆動される中間ギヤ２２と、
・この中間ギヤ２２によって回転駆動される最終ギヤ（ギヤロータ）２３と、
からなり、最終ギヤ２３はシャフト６と一体に回動する。

モータギヤ２１は、電動モータ８の出力軸に固定された小径の外歯歯車である。
中間ギヤ２２は、大径ギヤ２２ａと小径ギヤ２２ｂが同芯で設けられた２重歯車であり、ハウジング４とカバー１５とにより支持される支持軸２４によって回転自在に支持される。そして、大径ギヤ２２ａがモータギヤ２１と常に噛合し、小径ギヤ２２ｂが最終ギヤ２３と常に噛合する。
最終ギヤ２３は、シャフト６の端部とカシメにより固定される締結プレートをインサートしてなる大径の外歯歯車であり、噛合歯（外歯）はバルブ５の回動に伴う範囲のみに設けられている。そして、最終ギヤ２３は、モータギヤ→大径ギヤ→小径ギヤ→最終ギヤ２３の順で減速により増幅された回転トルクをシャフト６に伝達する。

開度センサ１１は、シャフト６の回転角度を検出することでバルブ５の開度を検出するスロットルポジションセンサであり、シャフト６の開度（即ち、バルブ５の開度）に応じた開度信号を制御装置３に出力する。
開度センサ１１の具体例は、２つの部材の相対回転を非接触で検出する磁気型センサであり、最終ギヤ２３の内部にインサートされてシャフト６と一体に回転する略筒状を呈する磁気回路部２５と、カバー１５に取り付けられて磁気回路部２５に対して非接触に配置される磁気検出部２６とで構成され、この磁気検出部２６の発生する電圧信号（ホールＩＣの出力信号）が制御装置３に与えられる。

リターンスプリング１０の具体例は、一方向のみに巻かれたコイルバネよりなるシングルスプリングであり、図１に示すように、シャフト６の周囲に同軸的に配置される。
このリターンスプリング１０は、ハウジング４と最終ギヤ２３との間に組付けられてバネ力を発生する。リターンスプリング１０の両端には、外径方向へ突出する上側フック２７と下側フック２８が設けられる。
そして、上側フック２７が最終ギヤ２３に設けられた上フック当接部２９に押し付けられた状態で組付けられるとともに、下側フック２８がハウジング４に設けられた下フック当接部３０に押し付けられた状態で組付けられることで、リターンスプリング１０がバルブ５を閉弁方向のみに向けて付勢するバネ力を発生する。

ここで、ＥＧＲバルブユニット２には、電動アクチュエータ７の停止時に、バルブ５を全閉開度θ０に保つメカストッパ３１が設けられる。
メカストッパ３１は、バルブ５の閉弁方向の回動限界を機械的に規制するものであり、回動部材と固定部材との突当箇所によって設けられる。

メカストッパ３１の具体例は、図２に示すように、最終ギヤ２３に設けられた外径方向へ突出するストッパ突起（ストッパレバー）３２と、ハウジング４の内壁（最終ギヤ２３等の収容壁）に設けられた段差面３３とにより構成される。そして、バルブ５が閉弁方向へ回動し、ストッパ突起３２が段差面３３に突き当たることで、バルブ５が全閉開度θ０（全閉位置である開度０°）において停止する。

制御装置３は、マイクロコンピュータを搭載した周知の電子制御ユニットであり、開度センサ１１によって検出される検出開度（バルブ５の実開度）が、エンジンの運転状態（エンジン回転数やアクセル開度など）に応じて算出された目標開度となるように、電動モータ８をフィードバック制御する。
なお、フィードバック制御は周知なものであり、例えば、ＰＩＤ制御などのフィードバック技術を用いて開度センサ１１によって検出される検出開度（バルブ５の実開度）を目標開度に収束させるものである。

制御装置３は、開弁状態のバルブ５を全閉させる際、開度センサ１１の検出開度が全閉時の目標開度θｂに近づくように電動モータ８をフィードバック制御する。そして、開度センサ１１の検出開度がバルブの全閉開度θ０より開弁側に設定した通電停止開度θａに達した後に電動モータ８の通電を停止する。
即ち、制御装置３は、図３に示すように、開弁状態のバルブ５を全閉させる際、全閉開度θ０より開弁側に設定した通電停止開度θａに、開度センサ１１によって検出した検出開度が達するまで電動モータ８を閉弁方向へ通電制御し、バルブ５が全閉開度θ０に近づくのを速める。そして、制御装置３は、検出開度が通電停止開度θａに達したと判定した後は、電動モータ８の通電を停止し、リターンスプリング１０の付勢力によってバルブ５を全閉開度θ０へ戻す。

また、制御装置３は、バルブ５の閉弁速度を速める手段として、開弁状態のバルブ５を全閉させるにおける全閉時の目標開度θｂを、通電停止開度θａよりも閉弁側に設定する。
ここで、全閉時の目標開度θｂは、制御装置３が「上記の全閉制御」を実施した際に、メカストッパ３１が衝突しない開度、あるいはメカストッパ３１の衝突速度が「５０°／秒以下」の低速度に抑えられる開度に設定されるものである。

理解補助の目的で、通電停止開度θａと、全閉時の目標開度θｂの具体的数値を説明する。なお、以下では、説明のため、バルブ５の全閉開度θ０（バルブ５が開閉する通路の内壁に対してバルブ５が垂直な開度０°）を基準とし、全閉開度θ０より開弁方向を「プラス」、全閉開度θ０より開弁方向とは異なる方向を「マイナス」とする。

この実施例では、通電停止開度θａをプラス５°に設定する。その場合、全閉時の目標開度θｂは、プラス５°よりも小さい値（マイナス値を含む）に設定する。
具体的な一例として、この実施例の全閉時の目標開度θｂは、全閉開度θ０よりマイナス側に設定されるものであり、具体的な数値例として全閉時の目標開度θｂはマイナス５°に設定される。

この実施例で示す数値（通電停止開度θａ＝＋５°、全閉時の目標開度θｂ＝−５°）は、上述したように、理解補助のための一例であり、限定されるものでない。
具体的に通電停止開度θａや全閉時の目標開度θｂは、フィードバック制御のゲイン設定やリターンスプリング１０のバネ力等に応じて適宜変更されるものである。

（実施例の効果１）
この実施例は、上述したように、全閉時の目標開度θｂを通電停止開度θａよりも閉弁側に設定することにより、通電停止開度θａに達するまでの時間を短縮できる。
また、通電停止開度θａに達した後は、電動アクチュエータ７による閉弁方向の慣性力を利用することができ、全閉開度θ０に近づくまでの時間を短縮できる。

そして、バルブ５が全閉開度θ０に近づくと、リターンスプリング１０の力が小さくなってリターンスプリング１０がバルブ５に与える付勢力が弱まる。その結果、メカストッパ３１が突き当たる際の速度が抑えられ、メカストッパの衝突が抑えられる。
このように、この実施例の排気ガス再循環装置は、開弁状態のバルブ５を全閉させる際、メカストッパ３１の衝突を抑えつつ、全閉応答性を高めることができる。

（実施例の効果２）
この実施例は、上述したように、全閉時の目標開度θｂを全閉開度θ０よりマイナス側に設定している。
このため、開弁状態のバルブ５を全閉させる際に、全閉時の目標開度θｂと検出開度との偏差が大きくなり、フィードバック制御による電動モータ８の駆動力が高まる。その結果、通電停止開度θａに達するまでの時間を短縮することができ、全閉応答性を向上できる。

（実施例の効果３）
この実施例のバルブ５は、上述したように、バルブ５の外周縁に別体のシールリングが存在しないシールリングレスタイプを採用する。
シールリングを用いる場合は、部品点数の増加や、シール溝の加工等によってコストアップするとともに、シールリングが摩耗や外力によって破損する懸念がある。しかし、シールリングレスタイプを採用することで、ＥＧＲバルブユニット２のコストダウンやロバスト性を向上できる。

（実施例の効果４）
この実施例のメカストッパ３１は、上述したように、歯車減速機９の最終ギヤ２３と、電動アクチュエータ７を収容するハウジング４との突当箇所によって設けられるものであり、ストッパ突起３２が段差面３３に突き当たることで、バルブ５が全閉開度θ０で停止する。これにより、電動モータ８の通電が停止された状態でも、閉弁状態が保たれるため、電動モータ８の通電停止状態におけるエンジン始動性の悪化が回避される。

また、万が一に何らかの理由により電動モータ８の通電が出来ない場合でも、リターンスプリング１０の付勢力によりバルブ５が全閉開度θ０へ戻される。このため、予期せぬ不具合が生じた場合でも、エンジンの燃焼状態を良好に保つことができる。

上記の実施例では、メカストッパ３１の一例として、最終ギヤ２３にストッパ突起３２を設けたが、メカストッパ３１を設ける位置は最終ギヤ２３に限定されるものではなく、バルブ５の閉弁方向の回動限界を機械的に規制する手段であれば良い。

上記の実施例では、バルブ５が回動するタイプのバルブ装置に本発明を適用したが、バルブ５が直線方向へスライドするポペットタイプのバルブ装置（例えば、ポペット型バルブを用いる排気ガス再循環装置）に本発明を適用しても良い。

上記の実施例では、本発明を排気ガス再循環装置に適用する例を示したが、用途を限定するものではなく、ウエストゲートバルブや排気絞り弁など、他のバルブ装置に本発明を適用しても良い。

１ ＥＧＲ通路
３ 制御装置
５ バルブ
７ 電動アクチュエータ
８ 電動モータ
１０ リターンスプリング
１１ 開度センサ
３１ メカストッパ

Claims (4)

1. 通路（１）の開閉を行う閉塞可能なバルブ（５）と、
   前記バルブ（５）の開度を検出する開度センサ（１１）と、
   通電により回転出力を発生する電動モータ（８）を用いて前記バルブ（５）を駆動する電動アクチュエータ（７）と、
   開弁状態の前記バルブ（５）を全閉させる際、前記開度センサ（１１）の検出開度が全閉時の目標開度（θｂ）に近づくように前記電動モータ（８）をフィードバック制御し、前記開度センサ（１１）の検出開度が前記バルブの全閉開度（θ０）より開弁側に設定した通電停止開度（θａ）に達した後に前記電動モータ（８）の通電を停止する制御装置と、
   を具備するバルブ装置において、
   このバルブ装置は、前記バルブ（５）を閉弁方向へ付勢するリターンスプリング（１０）と、前記バルブ（５）を全閉開度（θ０）で機械的に停止させるメカストッパ（３１）とを備えるものであり、
   前記全閉時の目標開度（θｂ）は、前記通電停止開度（θａ）よりも閉弁側に設定され、かつ、
   前記バルブ（５）の全閉開度（θ０）を基準として、全閉開度（θ０）より開弁方向をプラス、全閉開度（θ０）より開弁方向とは異なる方向をマイナスとした場合、
   前記全閉時の目標開度（θｂ）は、全閉開度（θ０）よりマイナス側に設定されていることを特徴とするバルブ装置。
2. 請求項１に記載のバルブ装置において、
   前記バルブ（５）は、当該バルブ（５）の外周縁に別体のシールリングが存在しないシールリングレスタイプであることを特徴とするバルブ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のバルブ装置において、
   前記メカストッパ（３１）は、前記電動アクチュエータ（７）における歯車減速機（９）の最終ギヤ（２３）と、前記電動アクチュエータ（７）を収容するハウジング（４）との突当箇所によって設けられることを特徴とするバルブ装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のバルブ装置において、
   このバルブ装置は、エンジンの排出した排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてエンジンの吸気側へ戻す排気ガス再循環装置であることを特徴とするバルブ装置。
   
   
   
   

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