JP5928189B2 - 回転式アクチュエータ、および、これを用いた弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転式アクチュエータ、および、これを用いた弁装置に関する。

出力軸に作用する回転負荷に応じて出力回転数が変化するモータを備えた回転式アクチュエータが知られている。特許文献１に開示された回転式アクチュエータは、モータと、モータの出力軸に連結された弁軸と、弁軸の原位置からの回転角度すなわち実角度に応じた電圧を出力する角度センサとを備えている。弁軸は、付勢手段により原位置に向けて付勢されており、モータの出力軸には、付勢手段による付勢力が回転負荷として作用する。このときの回転負荷は、弁軸の実角度に応じて変化する。弁軸の実角度と角度センサの出力電圧との関係は、線形関係である。制御装置は、角度センサの出力電圧に基づき、弁軸の実角度が目標角度に一致するようにモータをフィードバック制御する。

特開平６−１０１５５０号公報

特許文献１に開示された回転式アクチュエータでは、弁軸の実角度に応じてモータの出力回転数が変化するので、モータへの一定通電時間あたりの弁軸の回転量は、弁軸の実角度に応じて変化する。そのため、弁軸の実角度を目標角度に一致させにくいという問題があった。

上記問題に対し、制御装置に供給される角度センサの出力電圧の範囲を幾つかの領域に分け、各領域ごとにフィードバック制御時のゲイン定数を設定することによって、モータへの一定通電時間あたりの弁軸の回転量の変化が小さくなるように対策することが考えられる。しかしながら、上記対策を実施するには、多くのゲイン定数を適合させる必要があり、適合工数が膨大となる欠点がある。特に、弁軸の実角度と出力軸の回転負荷との関係が非線形関係である場合、ゲイン定数の適合が一層複雑となる。また、上記非線形関係が機種ごとに異なる場合、機種ごとにゲイン定数を適合させる必要があり、適合工数が一層膨大となる。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータの出力軸または当該出力軸に連結された回転体の回転角度を目標角度に一致させやすく、制御装置によるフィードバック制御時のゲイン定数を低減可能な回転式アクチュエータ、および、これを用いた弁装置を提供することである。

本発明の回転式アクチュエータは、出力軸に作用する回転負荷が大きいほど出力回転数が小さくなるモータと、出力軸または当該出力軸に回転伝達可能に連結された回転体を原位置に向けて付勢している付勢手段と、出力軸または回転体の実角度に応じた大きさの電圧を出力する角度センサとを備える。付勢手段は、実角度が大きいほど、出力軸に作用する回転負荷を大きくする。実角度と出力電圧との関係は、モータへの一定通電時間あたりの出力電圧の変化量を実角度に拘わらず一定とするために、実角度が大きいほど、実角度が所定角度変化するときの出力電圧の変化量が大きくなるように予め設定されている。

したがって、モータを駆動するとき、一定通電時間あたりの出力軸の回転量が実角度に拘わらず一定になるので、実角度を目標角度に一致させやすい。
また、上述のように制御しやすくなることから、制御装置によるフィードバック制御時に多くのゲイン定数を使い分ける対策が不要となるので、ゲイン定数を低減可能であり、このゲイン定数の適合工数を削減することができる。特に、実角度と出力軸の回転負荷との関係が非線形関係となる場合、ゲイン定数の適合工数が膨大となる傾向にあるため、本発明によるゲイン定数の適合工数の削減効果が大きい。

本発明の第１実施形態による回転式アクチュエータが適用されたＥＧＲ弁装置の概略構成を説明する断面図である。 本発明の第１実施形態による回転式アクチュエータのモータの出力軸の回転数と出力軸に作用する回転負荷との関係を示す特性図である。 本発明の第１実施形態による回転式アクチュエータのモータの出力軸に作用する回転負荷と弁軸の実角度との関係を示す特性図である。 本発明の第１実施形態による回転式アクチュエータのホールＩＣの回路ブロック図である。 本発明の第１実施形態による回転式アクチュエータのホールＩＣの出力電圧と弁軸の実角度との関係を示す特性図である。 本発明の第２実施形態による回転式アクチュエータのモータの出力軸に作用する回転負荷と弁軸の実角度との関係を示す特性図である。 本発明の第２実施形態による回転式アクチュエータのホールＩＣの出力電圧と弁軸の実角度との関係を示す特性図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による回転式アクチュエータは、図１に示すＥＧＲ弁装置に適用されている。ＥＧＲ弁装置１は、図示しない内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続する排気還流管に設けられ、排気の一部を吸気通路に還流させるものであって、ケース２、カバー６、回転式アクチュエータ８および弁部材９を備えている。

ケース２は、前記排気還流管の一部を構成する流体通路３と、回転式アクチュエータ８のモータ２０および減速機３０などを収容している収容室４と、流体通路３と収容室４とを接続している通孔５とを有している。通孔５には、玉軸受１０、オイルシール１１およびすべり軸受１２が設けられている。ケース２は、特許請求の範囲に記載の「通路形成部材」に相当する。カバー６は、ケース２に取り付けられ、ケース２の収容室４の開口を塞いでいる。回転式アクチュエータ８は、図示しないコネクタを通して通電されることにより弁軸４０を回転させる。弁部材９は、斜板式であり、弁軸４０に固定され、弁軸４０と一体に回転することで流体通路３を開閉可能である。

以下、回転式アクチュエータ８を図１〜図５に基づき説明する。
回転式アクチュエータ８は、ケース２、カバー６、モータ２０、減速機３０、弁軸４０、リターンスプリング５０および角度センサ６０などを備えている。ケース２およびカバー６は、特許請求の範囲に記載の「支持部材」に相当する。弁軸４０は、特許請求の範囲に記載の「回転体」に相当する。リターンスプリング５０は、特許請求の範囲に記載の「付勢手段」に相当する。

モータ２０は、整流子電動機であり、コネクタ７を介し接続される制御装置１３により回転駆動される。図２に示すように、モータ２０の出力軸２１の回転数Ｎｍは、出力軸２１に作用する回転負荷Ｔに応じて変化する。

減速機３０は、第１の減速歯車対を構成する第１ドライブギヤ３１および第１ドリブンギヤ３２と、第２の減速歯車対を構成する第２ドライブギヤ３３および第２ドリブンギヤ３４と、から構成されている。第１ドライブギヤ３１は、出力軸２１と一体に回転可能である。第２ドライブギヤ３３は、第１ドリブンギヤ３２と一体に回転可能である。減速機３０は、モータ２０の出力軸２１の回転を減速し第２ドリブンギヤ３４から出力する。

弁軸４０は、収容室４から通孔５を通じて流体通路３に延び、回転軸心が第２ドリブンギヤ３４の回転軸心と一致するように配置され、玉軸受１０およびすべり軸受１２により回転可能に支持されている。弁軸４０のうち収容室４側の一端部４１は、例えばかしめにより第２ドリブンギヤ３４に固定されている。弁軸４０は第２ドリブンギヤ３４と一体に回転可能である。弁軸４０のうち流体通路３側の他端部４２は、弁部材９に例えば溶接により固定されている。弁部材９は弁軸４０と一体に回転可能である。

リターンスプリング５０は、ねじりばねから構成され、一端がケース２に係止され、他端が第２ドリブンギヤ３４に係止されている。リターンスプリング５０は、第２ドリブンギヤ３４を介し弁軸４０を原位置に向けて付勢している。上記「原位置」とは、弁部材９による流体通路３の開度が０％となるときの弁軸４０の回転位置のことである。以下、弁軸４０の原位置からの回転角度を「実角度」と記載する。

モータ２０の出力軸２１には、リターンスプリング５０による付勢力が回転負荷として作用する。図３に示すように、出力軸２１に作用する回転負荷Ｔは、弁軸４０の実角度θに応じて変化する。実角度θと回転負荷Ｔとの関係は、線形関係である。ここで、弁軸４０の実角度θは、弁部材９による流体通路３の開度に対応する。例えば、弁軸４０の実角度θが０°であるとき、弁部材９による流体通路３の開度は０％となる。また、弁軸４０の実角度θが９０°であるとき、弁部材９による流体通路３の開度は１００％となる。

角度センサ６０は、第２ドリブンギヤ３４の径内壁に固定された一対の磁石６１、６２と、カバー６に固定されたホールＩＣ６３とから構成されている。磁石６１および磁石６２は、特許請求の範囲に記載の「磁気発生手段」に相当し、弁軸４０の回転軸心を挟んで対向するように配置されている。ホールＩＣ６３は、磁石６１と磁石６２との間に配置されている。ホールＩＣ６３を貫く磁束密度は、磁石６１および磁石６２が弁軸４０とともに回転軸心まわりに回転することで変化する。

図４に示すように、ホールＩＣ６３は、ホール素子６４、Ａ／Ｄ変換回路６５、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）６６、Ｄ／Ａ変換回路６７およびＥＥＰＲＯＭ６８を有している。ホール素子６４は、ホール効果を利用した磁電変換素子であり、弁軸４０が回転することにより変化する磁界の強さに応じたアナログ電気信号を出力する。Ａ／Ｄ変換回路６５は、ホール素子６４から出力されたアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換する。ＤＳＰ６６は、Ａ／Ｄ変換回路６５から出力されたデジタル電気信号に各種処理を施す。Ｄ／Ａ変換回路６７は、ＤＳＰ６６から出力されたデジタル電気信号をアナログ電気信号に変換する。ホール素子６４は、特許請求の範囲に記載の「磁気検出手段」に相当する。Ａ／Ｄ変換回路６５、ＤＳＰ６６およびＤ／Ａ変換回路６７は、特許請求の範囲に記載の「電圧出力手段」を構成する。ＥＥＰＲＯＭ６８は、特許請求の範囲に記載の「記憶手段」に相当する。

ホールＩＣ６３は、ＥＥＰＲＯＭ６８に予め記憶された図５に示す関係、および、ホール素子６４から出力された電気信号に基づき、弁軸４０の実角度に応じた大きさの電圧を出力する。以下、角度センサ６０が出力する電圧を「出力電圧」と記載する。
図５に示すように、弁軸４０の実角度θとホールＩＣ６３の出力電圧Ｖとの関係は、モータ２０への一定通電時間あたりの出力電圧Ｖの変化量が実角度θに拘わらず一定となるように予め設定されている。つまり、実角度が０°であるとき、実角度が９０°であるとき、および、実角度が例えば５０°であるとき等の全ての場合において、モータ２０への一定通電時間あたりの出力電圧Ｖの変化量は一定となる。なお、図５に示す関係は、書き込み点が１１個である例を示しており、図５中の破線は、実角度と出力電圧との関係が線形関係である比較例を示している。

以上説明したように、第１実施形態による回転式アクチュエータ８では、弁軸４０の実角度θとホールＩＣ６３の出力電圧Ｖとの関係は、モータ２０への一定通電時間あたりの出力電圧Ｖの変化量が実角度θに拘わらず一定となるように予め設定されている。
したがって、モータ２０を駆動するとき、一定通電時間あたりの弁軸４０の回転量が弁軸４０の実角度θに拘わらず一定になる。そのため、制御装置１３によるフィードバック制御時のゲイン定数を変更しなくても、つまり同一のゲイン定数を用いても、良好な制御性能を得ることができる。

また、第１実施形態では、角度センサ６０は、ホール素子６４を含む磁気センサから構成されているので、非接触で弁軸４０の回転を検出可能である。
また、第１実施形態では、弁軸４０の実角度θと出力軸２１に作用する回転負荷Ｔとの関係は線形関係であるので、制御装置１３によるフィードバック制御時のゲイン定数を比較的容易に設定可能である。
また、第１実施形態では、回転式アクチュエータ８がＥＧＲ弁装置１に適用されているので、弁部材９による流体通路３の開度の制御性能が高いＥＧＲ弁装置１を得ることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による回転式アクチュエータを図６および図７に基づき説明する。
第２実施形態では、弁軸の実角度と出力軸に作用する回転負荷との関係は、図６に示すように非線形関係である。また、弁軸の実角度とホールＩＣの出力電圧との関係は、図７に示すように予め設定されている。図７に示す関係は、第１実施形態と同様に、モータへの一定通電時間あたりの出力電圧Ｖの変化量が実角度θに拘わらず一定となるように予め設定されている。なお、図７に示す関係は、書き込み点が１１個である例を示しており、図７中の破線は、実角度と出力電圧との関係が線形関係である比較例を示している。

第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、制御装置によるフィードバック制御時に同一のゲイン定数を用いても良好な制御性能を得ることができる。
ここで、弁軸の実角度と出力軸に作用する回転負荷との関係が非線形関係である場合、制御装置によるフィードバック制御時に多くのゲイン定数を使い分ける対策を実施するにあたって、ゲイン定数の適合工数が膨大となる。
第２実施形態によれば、同一のゲイン定数を用いても良好な制御性能を得ることができるため、上記対策が不要となり、ゲイン定数の適合工数の削減効果が特に大きい。

（他の実施形態）
本発明の他の実施形態では、磁気検出手段として、ホール素子以外の例えば磁気抵抗素子などを用いてもよい。
本発明の他の実施形態では、実角度と出力電圧との関係を示す書き込み点の数は、１１個以外であってもよい。
本発明の他の実施形態では、モータは、整流子電動機に限らず、出力軸に作用する回転負荷に応じて出力回転数が変化するモータであればよい。例えばブラシレスモータ等の直流モータを用いてもよいし、三相誘導電動機などの交流モータを用いてもよい。
本発明の他の実施形態では、減速機は、必ずしも必要ない。
本発明の他の実施形態では、回転式アクチュエータは、ＥＧＲ弁装置に限らず、被回転体を有する種々の機能品の駆動装置に適用されてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

２、６・・支持部材
８・・・・回転式アクチュエータ
２０・・・・モータ
２１・・・・出力軸
４０・・・・回転体
５０・・・・付勢手段
６０・・・・角度センサ

Claims (6)

1. 支持部材（２、６）と、
   前記支持部材に固定され、出力軸（２１）に作用する回転負荷が大きいほど出力回転数が小さくなるモータ（２０）と、
   前記出力軸または当該出力軸に回転伝達可能に連結された回転体（４０）を原位置に向けて付勢しており、前記出力軸または前記回転体の前記原位置からの角度を実角度とすると、当該実角度が大きいほど、前記出力軸に作用する回転負荷を大きくする付勢手段（５０）と、
   前記実角度に応じた大きさの電圧を出力する角度センサ（６０）と、
   を備え、
   前記角度センサが出力する電圧を出力電圧とすると、前記実角度と前記出力電圧との関係は、前記モータへの一定通電時間あたりの前記出力電圧の変化量を前記実角度に拘わらず一定とするために、前記実角度が大きいほど、前記実角度が所定角度変化するときの前記出力電圧の変化量が大きくなるように予め設定されていることを特徴とする回転式アクチュエータ（８）。
2. 前記角度センサは、
   前記出力軸または前記回転体に固定された磁気発生手段（６１、６２）と、
   前記支持部材に固定され、前記出力軸が回転することにより変化する磁界の強さに応じた電気信号を出力する磁気検出手段（６４）と、
   前記実角度と前記出力電圧との関係を記憶している記憶手段（６８）と、
   前記磁気検出手段から出力された電気信号、および、前記記憶手段に記憶された関係に基づき、前記出力電圧を出力する電圧出力手段（６５、６６、６７）と、
   から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転式アクチュエータ。
3. 前記磁気検出手段はホール素子であることを特徴とする請求項２に記載の回転式アクチュエータ。
4. 前記実角度と前記出力軸に作用する回転負荷との関係は、線形関係であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転式アクチュエータ。
5. 前記実角度と前記出力軸に作用する回転負荷との関係は、非線形関係であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転式アクチュエータ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転式アクチュエータと、
   前記支持部材に一体に形成され、流体通路（３）を有している通路形成部材（２）と、
   前記出力軸に固定され、前記流体通路（３）を開閉可能な弁部材（９）と、
   を備えることを特徴とする弁装置（１）。

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