JP7018045B2 - アクチュエータ及び排気バルブ駆動装置 - Google Patents

Description

本開示は、アクチュエータ及び排気バルブ駆動装置に関する。

従来、回転軸の回転量を検出する構造として、軸と一体回転するよう取り付けられる磁石の磁束密度を、回路基板に取り付けられたホールＩＣで検出して、検出した磁束密度の変動に基づき回転量を算出する手法が知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１９－８２３５８号公報

しかし、ホールＩＣと磁石との間には空間があり、この空間に鉄系異物が入り込むとホールＩＣからの出力電圧が異常な値になってしまう。

本開示は、異物混入を好適に防止でき、高精度な回転量の検出を維持できるアクチュエータ及び排気バルブ駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の一観点に係るアクチュエータは、筐体と、前記筐体の内部から外部へ突出して設けられる出力軸と、前記筐体内に設けられる駆動源と、前記駆動源と前記出力軸との間を連結する減速機構と、前記筐体内にて前記出力軸と一体回転するよう設けられる磁石と、前記磁石の回転軌道の外側にて前記磁石と対向配置されるホール素子と、前記筐体の内壁から立設され、前記磁石と前記ホール素子との間に介在する周壁と、を備える。

同様に、本発明の実施形態の一観点に係る排気バルブ駆動装置は、上記のアクチュエータと、前記出力軸に連結され、内燃機関の排気通路に設けられる排気バルブと、を備える。

本開示によれば、高精度な回転量の検出を維持できるアクチュエータ及び排気バルブ駆動装置を提供することができる。

排気バルブ駆動装置の斜視図である。 図１中のアクチュエータの分解斜視図である。 図１中の回転計側部の近傍を拡大視した斜視図である。 出力軸の軸受の構成を示す斜視図である。 軸受と回転計側部の近傍を拡大視した部分断面図であり、基板が無い状態の図である。 軸受と回転計側部の近傍を拡大視した部分断面図であり、基板を設置した状態の図である。

以下、添付図面を参照しながら実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

なお、以下の説明において、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は互いに垂直な方向である。ｘ方向及びｙ方向は典型的には水平方向であり、ｚ方向は典型的には鉛直方向である。また、以下では説明の便宜上、ｚ正方向側を上側、ｚ負方向側を下側とも表現する場合がある。

まず図１を参照して、本実施形態に係るアクチュエータ１が適用される排気バルブ駆動装置１００について説明する。図１は、排気バルブ駆動装置１００の斜視図である。図１では、排気バルブ駆動装置１００の内部構造を見やすくするため、紙面手前側の筐体の一部を除外し、除外部分との境界を断面で示している。

排気バルブ駆動装置１００は、エンジン（内燃機関）の排気通路１１０に設けられている排気バルブ１０１を開閉することで、複数ある排気管を切り替えたり、集合管の場合には集合方式を切り替える等の排気経路の切り替えを行う装置である。これにより、例えば自動車の排気効率や新気の充填効率を向上することや、マフラーの排気音を調整することができる。

図１に示すように、排気バルブ駆動装置１００は、排気バルブ１０１と、排気バルブ１０１に接続される回転軸１０２と、回転軸１０２を回動させるアクチュエータ１と、を備える。排気バルブ１０１の回転軸１０２と、アクチュエータ１の出力軸３とは、例えば図１に示すような一対の連結部材１０３によって連結されており、これによりアクチュエータ１の出力軸３の回転が排気バルブ１０１に伝達されるよう構成されている。

なお、図１では排気バルブ駆動装置１００がエンジンの排気通路１１０の上側（ｚ正方向側）に配置され、回転軸１０２と出力軸３とがｚ方向を軸線方向とする構成が例示されているが、排気バルブ駆動装置１００の配置はこれに限られない。

図１に加えて図２を参照して、アクチュエータ１の構成を説明する。図２は、図１中のアクチュエータ１の分解斜視図である。図２も図１と同様に、アクチュエータ１の内部構造を見やすくするため、紙面手前側の筐体の一部を除外し、除外部分との境界を断面で示している。

アクチュエータ１は、モータ４の駆動力を、減速機構５を介して出力軸３に伝達して出力軸３を回転させることによって、出力軸３から駆動力を被駆動部（本実施形態では排気バルブ１０１）に出力する。図１、図２に示すように、アクチュエータ１は、筐体２と、出力軸３と、モータ４（駆動源）と、減速機構５と、回転計側部６とを備える。

筐体２は、出力軸３の軸線方向（ｚ方向）に対向配置される上ケース２１と下ケース２２とで構成される。図１、図２の例では、上ケース２１がｚ正方向側に配置され、下ケース２２がｚ負方向側に配置されている。上ケース２１及び下ケース２２は、例えば樹脂材料で形成される。上ケース２１と下ケース２２とは、防水のためにガスケットなどを介して接合され、モータ４や減速機構５、出力軸３の一部などを内部に収納する。

減速機構５は、モータ４と出力軸３との間を連結して動力伝達を行う。本実施形態では、減速機構５は、モータ４の駆動軸に設けられるウォーム５１（ねじ歯車）と、出力軸３に一体的に設けられるウォームホイール５２（はす歯歯車）と、がそれぞれの回転軸の方向が直交するよう噛み合って構成されるウォームギヤである。図１、図２の例では、モータ４は駆動軸がｘ方向に延在するよう配置され、これによりウォーム５１はｘ方向を回転軸として回転する。

ウォームホイール５２は、回転中心が出力軸３の軸心であり、出力軸３の径方向外側に同心円状に形成されている。つまりウォームホイール５２はｚ方向を回転軸として回転する。ウォームホイール５２と出力軸３とは、例えば、金属材料で形成されるウォームホイール５２が、樹脂材料で形成される出力軸３とインサート成形により一体に形成されている。

このような減速機構５によって、モータ４が回転駆動すると、ウォーム５１からウォームホイール５２へモータ４の駆動力が伝達され、出力軸３が回転する。

上ケース２１の内壁には軸受２３が設けられ、出力軸３のｚ正方向側の一端３１が支持されている。一方、下ケース２２には開口２４が設けられ、この開口２４から出力軸３のｚ負方向側の他端３２が筐体２の外部へ露出されている。この出力軸３の他端３２には、上述の連結部材１０３が接続されている。

モータ４は、上ケース２１と下ケース２２との間に設けられ、上ケース２１と下ケース２２とで挟持されている。モータ４の駆動軸の端部には、ウォームホイール５２と噛み合うウォーム５１が設けられている。モータ４は、外部に設けられているコントローラ（例えば車両のＥＣＵなど）により制御されて回転駆動し、ウォーム５１に噛み合うウォームホイール５２と出力軸３とを回転させる。

回転計側部６は、出力軸３の回転量を計測する。回転量とは、回転数、回転角度、及び回転速度の少なくとも１つが含まれる。回転計側部６は、出力軸３と一体回転するよう設けられる磁石６１と、磁石６１の回転軌道の外側にて磁石６１と対向配置されるホールＩＣ（ホール素子）６２とを有する。磁石６１は出力軸３の回転方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に配置されて構成される。ホールＩＣ６２は、磁束密度（磁石６１によりＩＣに印加された磁界）の極性変化を検知し、出力電圧が変化する交番検知型のホールＩＣである。回転計側部６は、ホールＩＣ６２の検出値に基づき出力軸３の回転量を計測することができる。なお、ホールＩＣ６２の数は図２に示す１個の構成に限らず、２個以上でもよい。この場合、各ＩＣは円筒状の周壁２５に沿って配置される。

図３～図６も参照して、回転計側部６の構成について説明する。図３は、図１中の回転計側部６の近傍を拡大視した斜視図である。図４は、出力軸３の軸受２３の構成を示す斜視図である。図５は、軸受２３と回転計側部６の近傍を拡大視した部分断面図であり、基板が無い状態の図である。図６は、軸受２３と回転計側部６の近傍を拡大視した部分断面図であり、基板を設置した状態の図である。

図２などに示すように、磁石６１は出力軸３の外周に沿って設けられる略円筒状の形状である。磁石６１の内径は出力軸３の径と略同一であり、出力軸３を貫通可能に形成される。磁石６１の外径はウォームホイール５２の径より小さく、径方向の出力軸３とウォームホイール５２との間の位置に配置される。磁石６１は、出力軸３が貫通された状態で、ウォームホイール５２の出力軸３への支持部に、図２、図３などに示すように、例えばネジ締結などの手法によって固定される。

磁石６１は、出力軸３のウォームホイール５２の支持部より軸受２３側に取り付けられる。軸受２３は、上ケース２１の内壁から軸方向に立設されるが、図２～図６に示すように、この軸受２３の外周側に軸受２３からさらに筐体２の内部側に円周上の周壁２５が立設されている。この周壁２５は、内径が磁石６１の外径と略同一であり、磁石６１を嵌合可能に形成されている。

図４～図６に示すように、周壁２５の外周面には、ホールＩＣ６２が嵌合される収容部２６が設けられる。収容部２６は、周壁２５の外周面から径方向中心側に凹んで形成される。

また、周壁２５より径方向外側の収容部２６と対向する位置には、筐体２の上ケース２１の内壁から立設される２つの柱部２７、２８が設けられている。ホールＩＣ６２は、本体部６２Ａと、本体部６２Ａから同方向に延在する３本の足部６２Ｂとを有する。収容部２６にホールＩＣ６２の本体部６２Ａが収容され、２つの柱部２７、２８の間とその両側にホールＩＣ６２の３本の足部６２Ｂのそれぞれが通される。

図５に示すように、ホールＩＣ６２は、足部６２Ｂが筐体２の内壁側を向くように収容部２６に設置される。足部６２Ｂは内壁に沿って略直角に屈曲し、さらに、内壁から軸方向に沿って略直角に屈曲される。図６に示すように、このように屈曲された足部６２Ｂが内壁側（ｚ負方向側）から基板６３に取り付けられる。従来ホールＩＣ６２を磁石６１の周囲に設置する際には、組立容易性を考慮すると、図５、図６の配置とは逆に、本体部６２Ａが足部６２Ｂより内壁側を向くようにして、本体部６２Ａから筐体２の内部空間側に直線状に延びる足部６２Ｂに基板６３を取り付けるのが一般的と考えらえる。これに対して本実施形態のホールＩＣ６２の設置態様では、足部６２Ｂが本体部６２Ａより内壁側に配置されるので、筐体２の内部側への足部６２Ｂの突出量を抑えることができ、また、計測関連の要素（基板６３など）を壁面近くに寄せて配置できるので、筐体２の内部空間をより広くできる。

ホールＩＣ６２の足部６２Ｂは、図２に示すように、同じく基板６３に接続されている端子６４と電気的に接続されている。これらの３本の端子６４は、筐体２から外部に突出して設置されている。これらの端子６４に車載のＥＣＵなどの制御装置が電気的に接続することで、ホールＩＣ６２の計測値を取得して、出力軸３の回転量を導出できる。また、この制御装置は、出力軸３の回転量に基づき、排気バルブ１０１を所望の開度にすべくモータ４の駆動を制御することができる。

以下、本実施形態の作用効果を説明する。回転計側部６は、所謂交番検知型のホールＩＣ６２を用いたものであり、磁石６１の磁束密度の変化に応じて変動するホールＩＣ６２の出力値に基づき、ホールＩＣ６２に対する磁石６１の相対的な位置、すなわち出力軸３の回転量を計測する。このため、ホールＩＣ６２と磁石６１との間に鉄系異物が入り込むと、ホールＩＣ６２からの出力電圧が異常な値になってしまい、計測精度が悪化する虞がある。

このような問題に対して本実施形態では、磁石６１とホールＩＣ６２との間に介在する周壁２５が設けられている。この構成により、磁石６１とホールＩＣ６２との間の空間を周壁２５で埋めて異物が混入するのを防止できるので、計測精度の悪化も防止できる。この結果、本実施形態のアクチュエータ１は、高精度な回転量の検出を維持できる。

また、この周壁２５は、筐体２の上ケース２１の内壁から立設して形成されるので、上ケース２１の一部として製造することができる。このため、部品点数が増えることなく、組み立て容易性も維持できる。

なお、周壁２５の径方向の厚さは、例えば０．８～１．５ｍｍであり、好ましくは１．２～１．５ｍｍである。これにより磁石６１とホールＩＣ６２との距離を一定にでき、計測精度を安定化できる。

さらに、本実施形態では、回転計側部６を構成する磁石６１とホールＩＣ６２とが、筐体２の上ケース２１の内壁から立設する周壁２５を挟んで配置され、つまり、回転計側部６が筐体２の内部に設けられる。このため、回転計側部６をアクチュエータ１の外部に設置する必要がなく、アクチュエータ１の体格の小型化を図ることができる。図１を参照して説明したように、本実施形態のアクチュエータ１は、主に排気バルブ駆動装置１００において排気バルブ１０１を駆動するために用いられる。アクチュエータ１は、エンジンの排気通路１１０の周囲に設置されるため、エンジンルームのスペースの都合上できるだけ小型化するのが好ましい。したがって、本実施形態の構造によりアクチュエータ１を小型化できるため、排気バルブ駆動装置１００への適用時には配置の自由度や容易性を向上できる。

また、本実施形態では、周壁２５は、出力軸３や、磁石６１の回転軌道と同心円状の円筒壁であるので、筐体２の上ケース２１の内壁と一体的に形成しやすく、製造容易性を向上できる。

また、本実施形態では、ホールＩＣ６２の本体部６２Ａを、周壁２５の外周面から磁石６１の回転中心側へ凹んで設けられる収容部２６に収容するので、収容部２６の周方向両側の側面２６ｂによってホールＩＣ６２の周方向の移動を規制でき、かつ、収容部２６の径方向の底面２６ａによってホールＩＣ６２の径方向内側への移動を規制できる。これにより、ホールＩＣ６２による磁界の計測精度をさらに向上でき、また、ホールＩＣ６２の位置決めを容易にできる。

また、本実施形態では、ホールＩＣ６２の３本の足部６２Ｂを、周壁２５の径方向外側の収容部２６と対向する位置にて筐体２の内壁から立設される２つの柱部２７、２８の間に通して設置するので、足部６２Ｂの位置決めを容易にでき、ホールＩＣの組み付けをさらに容易にできる。また、２つの柱部２７、２８の中心側の面２７ａ、２８ａと、収容部２６の径方向底面２６ａとの間の距離は、ホールＩＣ６２の本体部６２Ａの厚みと略同等であるのが好ましい。このように２つの柱部２７、２８を配置することによって、ホールＩＣ６２の径方向外側への移動をさらに規制でき、ホールＩＣ６２による計測精度をさらに向上できる。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

上記実施形態では、周壁２５は磁石６１の回転軌道と同心円状の円筒壁としたが、周壁２５の形状は、磁石６１とホールＩＣ６２との間に介在できれば円筒以外の形状でもよい。例えば円筒の一部を削った形状でもよい。楕円形状や平板状でもよいが、磁石６１の回転中心と同心円状の曲面であるのが特に好ましい。磁石６１の回転によらず磁石６１とホールＩＣ６２との距離を一定に維持でき計測精度を安定化できるためである。

また、ホールＩＣ６２を設置するための収容部２６や柱部２７、２８を設けない構成でもよい。ホールＩＣ６２以外のホール素子を用いてもよい。

上記実施形態では、減速機構５の構成としてウォーム５１とウォームホイール５２を有する構成を例示したが、モータ４と出力軸３との間を連結して動力伝達を行うことができれば他の構成でもよい。

１ アクチュエータ
２ 筐体
３ 出力軸
４ モータ（駆動源）
５ 減速機構
６ 回転計側部
６１ 磁石
６２ ホールＩＣ（ホール素子）
２５ 周壁
２６ 収容部
２７、２８ 柱部
１００ 排気バルブ駆動装置
１０１ 排気バルブ

Claims (5)

1. 筐体と、
   前記筐体の内部から外部へ突出して設けられる出力軸と、
   前記筐体内に設けられる駆動源と、
   前記駆動源と前記出力軸との間を連結する減速機構と、
   前記筐体内にて前記出力軸と一体回転するよう設けられる磁石と、
   前記磁石の回転軌道の外側にて前記磁石と対向配置されるホール素子と、
   前記筐体の内壁から立設され、前記磁石と前記ホール素子との間に介在する周壁と、
   を備えるアクチュエータ。
2. 前記周壁は、前記磁石の回転軌道と同心円状の円筒壁である、
   請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記周壁の外周面から前記磁石の回転中心側へ凹んで設けられ、前記ホール素子を収容する収容部を備える、
   請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記周壁の径方向外側の前記収容部と対向する位置にて前記筐体の内壁から立設される２つの柱部を備え、
   前記ホール素子は、本体部と、前記本体部から同方向に延在する３本の足部とを有し、
   前記収容部に前記ホール素子の前記本体部が収容され、前記２つの柱部の間とその両側に前記ホール素子の前記３本の足部のそれぞれが通される、
   請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載のアクチュエータと、
   前記出力軸に連結され、内燃機関の排気通路に設けられる排気バルブと、
   を備える排気バルブ駆動装置。

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