JP6897486B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、過給器の過給圧制御用バルブを駆動するアクチュエータに関する。

従来、例えばリンク機構等を介して過給圧制御用バルブに接続され、バルブ開度を調整して過給圧を制御するアクチュエータが知られている。特許文献１に開示されたアクチュエータは、モータの回転を減速部で減速して出力シャフトから出力する。減速部のギヤは樹脂製である。出力シャフトの回転角は、磁気回路部および検出部を有する非接触式の回転角センサにより検出される。

特開２０１７−８７５７号公報

アクチュエータを例えば排気脈動が大きいエンジンまたはポート径が大きい過給器に適用すると、減速部のギヤの歯に過大な応力が作用することになる。この場合、特許文献１のように樹脂製のギヤの歯は破損するおそれがある。

これに対して、発明者は、ギヤを金属製にすることを検討している。しかし、この場合にはギヤで生じる摩耗粉が問題となる。ギヤで生じた摩耗粉が回転角センサの磁気回路部に付着すると、例えば磁気回路が磁気的に短絡する等により回転角検出精度が低下する可能性がある。

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、減速部のギヤの破損が抑制され、また、回転角検出精度の低下が抑制されたアクチュエータを提供することである。

本発明のアクチュエータは、モータ（３６）と、出力シャフト（３８）と、減速部（３７）と、回転角センサ（３９）と、ハウジング（３５）とを備えている。減速部は、互いに噛み合う少なくとも一対の金属ギヤ部（５１、５４、５７、５８、６２、６３）を含み、モータの回転を減速して出力シャフトに伝達する。回転角センサは、磁気回路部（６４）および検出部（６５）を含み、出力シャフトの回転角を検出する。ハウジングは、モータおよび減速部を収容しており、出力シャフトを支持している。

ハウジングは、モータが挿入されているモータ挿入穴（４６）を有している。モータ挿入穴は、モータまたは当該モータを支持している支持部材（８２）に当接する内壁面（８１）を有している。金属ギヤ部は磁性材料から構成されている。ハウジングは、金属ギヤ部および磁気回路部を同じ空間（４４）に収容している。エンジンへの搭載姿勢において、出力シャフトが作動しうる範囲で磁気回路部の最も重力方向下方に位置する点を磁気回路最下点（ｐ１）とし、モータ挿入穴の最も重力方向上方に位置する点を挿入穴最上点（ｐ２）とすると、挿入穴最上点は、磁気回路最下点よりも重力方向下方に位置している。金属ギヤ部は、出力シャフトが作動しうる範囲の一方側の端から他方側の端まで回転する間、ハウジングもしくは当該ハウジングと一体となっている部材に対して回転方向に非接触で回転する。金属ギヤ部の噛み合い部分（７７、７８、７９）、および、モータと支持部材との接触部が、磁気回路最下点よりも重力方向下方に位置している。

このように減速部を金属ギヤ部で構成することで、排気脈動による比較的大きな荷重に対して強度を保証することができる。これにより、減速部のギヤの破損が抑制される。また、金属ギヤ部の噛み合い部分が磁気回路最下点よりも重力方向下方に位置することで、金属ギヤ部で生じた摩耗粉が重力により磁気回路部から離れる方へ落下するようになる。金属ギヤが磁性材料からなる場合、摩耗粉は磁性体である。また、磁性材料でなくとも、例えばオーステナイト系ステンレスなどからなる場合、磁化していない材料が歪を受けることで磁化されることがあり、この場合には摩耗粉は磁性体化したものとなる。上述のような金属ギヤ部の噛み合い部分と磁気回路最下点との位置関係によって、磁性体の摩耗粉が落下する途中に磁気回路に付着することが抑制される。そのため、摩耗粉の磁気回路部への付着に起因した回転角検出精度の低下を抑制することができる。

第１実施形態によるアクチュエータが適用されたエンジンの吸排気部の概略図である。 エンジンの側面図である。 図２の過給器を矢印ＩＩＩ方向から見た図である。 アクチュエータの斜視図である。 アクチュエータの上面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 図５のアクチュエータの第２ハウジング部等を取り外した状態を示す図である。 図８に対応する図であって、各中間ギヤの大径ギヤ部の一部を切り欠いて示す図であり、出力シャフトが作動しうる範囲の一方側の端まで回転した状態の図である。 図８に対応する図であって、各中間ギヤの大径ギヤ部の一部を切り欠いて示す図であり、出力シャフトが作動しうる範囲の他方側の端まで回転した状態の図である。 図５のアクチュエータを矢印ＸＩ方向から見た図であって、ハウジングの一部を切り欠いて示す図である。 第２実施形態によるアクチュエータが適用されたエンジンの側面図である。 図１２の一方の過給器を矢印ＸＩＩＩ方向から見た図である。 第３実施形態によるアクチュエータの断面図である。

［第１実施形態］
以下、複数の実施形態を図面に基づき説明する。複数の実施形態において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。図１に示すように、第１実施形態によるアクチュエータ１０は、車両走行用の動力源であるエンジン１１に適用されている。

（エンジンの吸排気部）
先ず、エンジン１１の吸排気部について図１〜図３を参照して説明する。エンジン１１には、吸気をエンジン１１の気筒内へ導く吸気通路１２と、気筒内で発生した排気ガスを大気中に排出する排気通路１３とが設けられている。吸気通路１２の途中には、過給器１４の吸気コンプレッサ１５と、エンジン１１に供給される吸気量の調整を行うスロットルバルブ１６とが設けられている。排気通路１３の途中には、過給器１４の排気タービン１７と、排気ガスの浄化を行う触媒１８とが設けられている。触媒１８はモノリス構造を採用する周知な三元触媒であり、活性化温度に昇温することで排気ガス中に含まれる有害物質を酸化作用と還元作用により浄化する。エンジン１１は、直列型エンジンであり、エンジンブロックの一方に過給器１４が搭載されている。

排気タービン１７は、エンジン１１から排出された排気ガスによって回転駆動されるタービンホイール２１と、このタービンホイール２１を収容する渦巻形状のタービンハウジング２２とを備えている。吸気コンプレッサ１５は、タービンホイール２１の回転力を受けて回転するコンプレッサホイール２３と、このコンプレッサホイール２３を収容する渦巻形状のコンプレッサハウジング２４とを備えている。

タービンハウジング２２には、タービンホイール２１を迂回して排気ガスを流すバイパス通路２５が設けられている。バイパス通路２５は、タービンハウジング２２に流入した排気ガスを直接タービンハウジング２２の排気出口へ導く。このバイパス通路２５は、ウェイストゲートバルブ２６により開閉可能である。ウェイストゲートバルブ２６は、タービンハウジング２２の内部でバルブ軸２７により回動可能に支持されているスイングバルブである。

ウェイストゲートバルブ２６を駆動する手段として、過給器１４は、アクチュエータ１０を備えている。アクチュエータ１０は、排気ガスの熱影響を回避する目的で、排気タービン１７から離れた吸気コンプレッサ１５に取り付けられている。過給器１４には、アクチュエータ１０の出力をウェイストゲートバルブ２６に伝達するためのリンク機構２９が設けられている。このリンク機構２９は、所謂４節リンクであり、アクチュエータ１０によって回動操作されるアクチュエータレバー３１と、バルブ軸２７に結合されるバルブレバー３２と、アクチュエータレバー３１に付与される回動トルクをバルブレバー３２に伝えるロッド３３とを有している。

アクチュエータ１０は、マイクロコンピュータを搭載するＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）３４により制御される。具体的に、ＥＣＵ３４は、エンジン１１の高回転時などにウェイストゲートバルブ２６の開度を調整して過給器１４による過給圧を制御する。また、ＥＣＵ３４は、冷間始動直後など、触媒１８の温度が活性化温度に達していない時に、ウェイストゲートバルブ２６を全開にして触媒１８の暖機を行う。これにより、タービンホイール２１に熱を奪われていない高温の排気ガスを触媒１８へ導くことができ、触媒１８の早期暖機を実施できる。

（アクチュエータ）
次に、アクチュエータ１０について図４〜図８を参照して説明する。アクチュエータ１０は、吸気コンプレッサ１５に取り付けられるハウジング３５と、ハウジング３５に組み付けられているモータ３６、減速部３７、出力シャフト３８および回転角センサ３９を備えている。

図４〜図６に示すように、ハウジング３５は、第１ハウジング部４１および第２ハウジング部４２を有している。第２ハウジング部４２は、締結部材４３により第１ハウジング部４１に締結されている。また、第１ハウジング部４１は、第２ハウジング部４２と共に収容空間４４を形成している。第１ハウジング部４１および第２ハウジング部４２は、例えばアルミニウム合金等の金属材料からなり、ダイキャスト製である。

図７、図８に示すように、モータ３６は、ハウジング３５内に収容され、スクリュ４７により第１ハウジング３５に固定されている。モータ３６は、形式を問わず、例えば周知の直流モータであっても良いし、周知のステッピングモータであっても良い。

図６に示すように、出力シャフト３８は、第１ハウジング部４１に設けられた軸受４８と、第２ハウジング部４２に設けられた軸受４９とにより回転自在に支持されている。出力シャフト３８の一端部は、ハウジング３５外に延び出ている。アクチュエータレバー３１は、ハウジング３５外で出力シャフトに固定されている。

図６〜図８に示すように、減速部３７は、モータ３６の回転を減速して出力シャフト３８に伝達する平行軸式の減速機であり、ピニオンギヤ５１、第１中間ギヤ５２、第２中間ギヤ５３および最終ギヤ５４を有している。ピニオンギヤ５１は、モータ３６のモータ軸５５に固定されている。第１中間ギヤ５２は、ピニオンギヤ５１に噛み合っている第１大径外歯部５７、および、第１大径外歯部５７と比べて小径な第１小径外歯部５８を有しており、第１金属シャフト５６により回転自在に支持されている。第２中間ギヤ５３は、第１小径外歯部５８に噛み合っている第２大径外歯部６２、および、第２大径外歯部６２と比べて小径な第２小径外歯部６３を有しており、第２金属シャフト６１により回転自在に支持されている。最終ギヤ５４は、出力シャフト３８に固定されており、第２小径外歯部６３に噛み合っている。

図６、図８に示すように、回転角センサ３９は、出力シャフト３８の回転角を検出する非接触式のセンサであり、磁気回路部６４および検出部６５を有している。磁気回路部６４は、磁束発生部である磁石６６、６７と、磁束伝達部であるヨーク６８、６９を有している。磁石６６、６７およびヨーク６８、６９は、出力シャフト３８の軸方向視において弧状の閉磁気回路を形成している。磁気回路部６４は、非磁性体の磁気回路保持部材７３に保持されており、出力シャフト３８と一体に回動する。検出部６５は、例えばホールＩＣ等であり、磁気回路部６４の閉磁気回路の内側に配置されている。検出部６５は、絶縁体からなる配線保持部材７１にモールドされており、ハウジング３５に固定されている。磁気回路部６４および検出部６５の基本的な用途や機能は、特開２０１４−１２６５４８号に開示されているものと同様である。回転角センサ３９により検出される出力シャフト３８の回転角は、ＥＣＵ３４（図１参照）に出力される。

（ハウジングおよび減速部）
次に、ハウジング３５および減速部３７について説明する。図６〜図８に示すように、減速部３７は、３対の金属ギヤ部を含んでいる。すなわち、ピニオンギヤ５１および第１大径外歯部５７からなる第１のギヤ対と、第１小径外歯部５８および第２大径外歯部６２からなる第２のギヤ対と、第２小径外歯部６３および最終ギヤ５４からなる第３のギヤ対である。これらの金属ギヤ部は、鉄系焼結金属からなり、歯面にはグリスが塗布されている。鉄系焼結金属は一般的に磁性体である。以降、ピニオンギヤ５１、第１大径外歯部５７、第１小径外歯部５８、第２大径外歯部６２、第２小径外歯部６３および最終ギヤ５４を特に区別しない場合、単に「金属ギヤ部」と記載する。

ハウジング３５は、金属ギヤ部および磁気回路部６４を同一の収容空間４４に収容している。つまり、金属ギヤ部および磁気回路部６４は、同じ空間に間仕切りなく配置されている。第１大径外歯部５７は、軸方向に貫通する孔７５を有している。孔７５は、周方向の複数箇所に設けられている。第２大径外歯部６２は、軸方向に貫通する孔７６を有している。孔７６は、周方向の複数箇所に設けられている。

図５、図９、図１０は、エンジン１１への搭載姿勢のアクチュエータ１０を示している。出力シャフト３８は、図９に示す位置から図１０に示す位置までの範囲で作動しうる。この作動しうる範囲は、ウェイストゲートバルブ２６の全閉位置から全開位置までの作動範囲に対応しており、図示しないストッパによる出力シャフト３８の回転規制範囲よりも狭い。出力シャフト３８が作動しうる範囲で磁気回路部６４が最も重力方向下方に位置するのは、図９に示す状態のときである。このとき、磁気回路部６４の最も重力方向下方に位置する点を「磁気回路最下点ｐ１」とする。図９に示すように、エンジン１１への搭載姿勢において、金属ギヤ部の噛み合い部分７７、７８、７９は、磁気回路最下点ｐ１よりも重力方向下方に位置している。噛み合い部分７９は、重力方向で最も上部に位置している。噛み合い部分７９の重力方向の範囲を最上噛み合い範囲Ｒとすると、エンジン１１への搭載姿勢において磁気回路最下点ｐ１が最上噛み合い範囲よりも高い位置にある。

図１１に示すように、モータ３６は、第１ハウジング部４１の内側に形成されたモータ挿入穴４６に挿入されている。また、モータ３６は、スクリュ４７により第１ハウジング部４１に固定されている。モータ挿入穴４６の底面８１とモータ３６との間には、ウェーブワッシャ８２が設けられている。モータ挿入穴４６の底面８１とモータ３６は、ウェーブワッシャ８２に当接している。ウェーブワッシャ８２は、モータ３６と第１ハウジング部４１との相対移動を許容しつつモータ３６を支持している付勢部材である。エンジン１１への搭載姿勢において、モータ挿入穴４６の最も重力方向上方に位置する点を「挿入穴最上点ｐ２」とすると、挿入穴最上点ｐ２は、磁気回路最下点ｐ１よりも重力方向下方に位置している。

図９に示すように、エンジン１１への搭載姿勢において、出力シャフト３８の軸方向視でハウジング３５の内壁面８４の最も重力方向下方に位置する点を「内壁最下点ｐ３」とする。図９は、出力シャフト３８の軸方向に直交し且つ内壁最下点ｐ３を通る断面である。この断面において、内壁面８４には、重力方向の下向き面８５と上向き面８６とが含まれる。下向き面８５は、重力方向で下向きになっており、当該下向き面８５に付着した異物が重力により離れるようになっている。上向き面８６は、内壁最下点ｐ３側に傾斜している。すなわち、内壁最下点ｐ３以外の箇所で凹部を形成しておらず、内壁面８４が上下方向で摩耗粉が溜まらない形状となっている。

（効果）
以上説明したように、アクチュエータ１０は、モータ３６と、出力シャフト３８と、減速部３７と、回転角センサ３９と、ハウジング３５とを備えている。減速部３７は、３対の金属ギヤ部を含んでいる。ハウジング３５は、金属ギヤ部および磁気回路部６４を同一の収容空間４４に収容している。エンジン１１への搭載姿勢において、金属ギヤ部の噛み合い部分７７、７８、７９は、磁気回路最下点ｐ１よりも重力方向下方に位置している。

このように減速部３７を金属ギヤ部で構成することで、排気脈動による比較的大きな荷重に対して強度を保証することができる。これにより、減速部３７のギヤの破損が抑制される。また、金属ギヤ部の噛み合い部分７７、７８、７９が磁気回路最下点ｐ１よりも重力方向下方に位置することで、金属ギヤ部で生じた磁性体である摩耗粉が重力により磁気回路部６４から離れる方へ落下するようになる。つまり、摩耗粉が落下する途中に磁気回路部６４に付着することが抑制される。そのため、摩耗粉の磁気回路部６４への付着に起因した回転角検出精度の低下を抑制することができる。

また、第１実施形態では、金属ギヤ部の歯面にはグリスが塗布されている。これにより、金属ギヤ部で生じた摩耗粉がグリスで捕捉される。そのため、摩耗粉が飛散して磁気回路部６４に付着することが抑制され、回転角検出精度の低下を抑制することができる。

また、第１実施形態では、ハウジング３５は、モータ３６が挿入されているモータ挿入穴４６を有している。モータ挿入穴４６はウェーブワッシャ８２に当接する箇所を有しており、また、モータ３６もウェーブワッシャ８２に当接する箇所を有している。エンジン１１への搭載姿勢において、挿入穴最上点ｐ２は、磁気回路最下点ｐ１よりも重力方向下方に位置している。これにより、ウェーブワッシャ８２とハウジング３５との摺動部、および、ウェーブワッシャ８２とモータ３６との摺動部で発生した摩耗粉がモータ挿入穴４６から排出されるとき、重力により磁気回路部６４から離れる方へ落下するようになる。そのため、回転角検出精度の低下を抑制することができる。

また、第１実施形態では、エンジン１１への搭載姿勢において、出力シャフト３８の軸方向に直交し且つ内壁最下点ｐ３を通る断面において、ハウジング３５の内壁面８４の重力方向の上向き面８６は、内壁最下点ｐ３側に傾斜している。これにより、発生した摩耗粉が内壁面８４に沿って収容空間４４の最下部に導かれる。そのため、溜まった摩耗粉が飛散して磁気回路部６４に付着することが抑制され、回転角検出精度の低下を抑制することができる。

また、第１実施形態では、中間ギヤ５２、５３は、金属ギヤ部としての小径外歯部５８、６３、および、金属ギヤ部としての大径外歯部５７、６２を有している。大径外歯部５７、６２は、小径外歯部５８、６３よりも径が大きい。また、大径外歯部５７、６２は、軸方向に貫通する孔７５、７６を有している。そのため、小径外歯部５８、６３で生じた摩耗粉を孔７５、７６から排出することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態では、図１２に示すように、エンジン９１は、Ｖ型エンジンであり、エンジンブロックの一方側に過給器１４が搭載され、他方側に過給器９２が搭載されている。図２、図１３に示すように、過給器９２は、過給器１４に対して左右対称な形状を有している。同様に、過給器９２に取り付けられているアクチュエータ９３は、アクチュエータ１０に対して左右対称な形状を有している。その形状以外の構成、例えば金属ギヤ部の噛み合い部分が磁気回路最下点よりも重力方向下方に位置していること等は、アクチュエータ１０と同じである。そのため、アクチュエータ９３は、アクチュエータ１０と同様の効果を得ることができる。

［第３実施形態］
第３実施形態では、図１４に示すようにアクチュエータ９５が搭載される。すなわち、アクチュエータ９５は、出力シャフト３８の軸方向が重力方向と略一致するように搭載される。アクチュエータ９５においても、第１実施形態のアクチュエータ１０と同様に、金属ギヤ部の噛み合い部分７８、７９が磁気回路最下点ｐ１よりも重力方向下方に位置している。第１大径外歯部５７と図示しないピニオンギヤとの噛み合い部分も同様である。アクチュエータ９５は、アクチュエータ１０と同様に、減速部３７のギヤの破損が抑制され、また、摩耗粉の磁気回路部６４への付着に起因した回転角検出精度の低下を抑制することができる。

［他の実施形態］
第１、第２実施形態では、アクチュエータは、出力シャフトの軸方向が水平方向と略一致するようにエンジンに搭載され、また、第３実施形態では、アクチュエータは、出力シャフトの軸方向が重力方向と略一致するように搭載されていた。これに対して、他の実施形態では、アクチュエータは、出力シャフトの軸方向が水平方向および重力方向に対して傾くようにエンジンに搭載されてもよい。この場合でも、減速部の金属ギヤ部の噛み合い部分が磁気回路最下点よりも重力方向下方に位置していれば、第１、第２、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

他の実施形態では、減速部のギヤは、鉄系焼結金属に限らず、他の金属から構成されてもよい。例えば、オーステナイト系ステンレスを用いた場合、磁化していない材料が歪を受けることで磁化され、磁性体摩耗粉が発生する。その場合でも、減速部の金属ギヤ部の噛み合い部分が磁気回路最下点よりも重力方向下方に位置していれば、磁性体摩耗粉の磁気回路への付着に起因した検出精度の低下を抑制することができる。

他の実施形態では、減速部のギヤ歯面には、グリスが塗布されていなくてもよい。また、中間ギヤの大径外歯部は、軸方向に貫通する孔を有していなくてもよい。また、モータは、モータ挿入穴の内壁面に直に接するように設けられてもよい。

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。

１０・・・アクチュエータ ３５・・・ハウジング
３６・・・モータ ３７・・・減速部
３８・・・出力シャフト ３９・・・回転角センサ
４４・・・収容空間（空間）
５１、５４、５７、５８、６２、６３・・・金属ギヤ部
６４・・・磁気回路部 ６５・・・検出部
７７、７８、７９・・・噛み合い部分 ｐ１・・・磁気回路最下点

Claims (4)

1. エンジン（１１）の過給器（１４）の過給圧制御用バルブ（２６）を駆動するアクチュエータであって、
   モータ（３６）と、
   出力シャフト（３８）と、
   互いに噛み合う少なくとも一対の金属ギヤ部（５１、５４、５７、５８、６２、６３）を含み、前記モータの回転を減速して前記出力シャフトに伝達する減速部（３７）と、
   磁気回路部（６４）および検出部（６５）を含み、前記出力シャフトの回転角を検出する回転角センサ（３９）と、
   前記モータおよび前記減速部を収容しており、前記出力シャフトを支持しているハウジング（３５）と、
   を備え、
   前記ハウジングは、前記モータが挿入されているモータ挿入穴（４６）を有しており、
   前記モータ挿入穴は、前記モータまたは当該モータを支持している支持部材（８２）に当接する内壁面（８１）を有しており、
   前記金属ギヤ部は磁性材料から構成されており、
   前記ハウジングは、前記金属ギヤ部および前記磁気回路部を同じ空間（４４）に収容しており、
   前記エンジンへの搭載姿勢において、前記出力シャフトが作動しうる範囲で前記磁気回路部の最も重力方向下方に位置する点を磁気回路最下点（ｐ１）とし、前記モータ挿入穴の最も重力方向上方に位置する点を挿入穴最上点（ｐ２）とすると、
   前記挿入穴最上点は、前記磁気回路最下点よりも重力方向下方に位置しており、
   前記金属ギヤ部は、前記出力シャフトが作動しうる範囲の一方側の端から他方側の端まで回転する間、前記ハウジングもしくは当該ハウジングと一体となっている部材に対して回転方向に非接触で回転し、
   前記金属ギヤ部の噛み合い部分（７７、７８、７９）、および、前記モータと前記支持部材との接触部が、前記磁気回路最下点よりも重力方向下方に位置しているアクチュエータ。
2. 前記金属ギヤ部の歯面にはグリスが塗布されている請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記エンジンへの搭載姿勢において、前記出力シャフトの軸方向視で前記ハウジングの内壁面（８４）の最も重力方向下方に位置する点を内壁最下点（ｐ３）とすると、
   前記出力シャフトの軸方向に直交し且つ前記内壁最下点を通る断面において、前記ハウジングの前記内壁面の重力方向の上向き面（８６）は、前記内壁最下点側に傾斜している請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記減速部は、
   前記出力シャフトに固定されている前記金属ギヤ部としての最終ギヤ（５４）と、
   前記モータのモータ軸に固定されている前記金属ギヤ部としてのピニオンギヤ（５１）と、
   前記最終ギヤと前記ピニオンギヤとの間に設けられている少なくとも１つの中間ギヤ（５２、５３）と、
   を含み、
   前記中間ギヤは、前記金属ギヤ部としての小径外歯部（５８、６３）、および、前記小径外歯部よりも径が大きい前記金属ギヤ部としての大径外歯部（５７、６２）を有しており、
   前記大径外歯部は、軸方向に貫通する孔（７５、７６）を有している請求項１〜３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。

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