JPH11193729A

JPH11193729A - 電子制御スロットル装置

Info

Publication number: JPH11193729A
Application number: JP10299341A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Kowatari; 武彦小渡; Yuuzou Kadomukai; 裕三門向; Shigeru Tokumoto; 徳元　　茂; Yasuo Saito; 康夫斉藤; Toshibumi Usui; 俊文臼井; Masaru Ito; 勝伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 1999-07-21
Anticipated expiration: 2018-10-21
Also published as: JP3752391B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、直接燃料噴射エンジンにおいて、燃
焼状態を切り替えるときにトルクの変動が小さくなるよ
うに、高速に動作し、またその時に過電流が駆動回路素
子を損傷しないようなモータでスロットルを開閉する電
子制御スロットルを提供することを目的とする。【解決手段】モータ１０７は、モータギヤ１０６、中間
ギヤ１０４、バルブギヤ１０３を介してバルブ１０２が
締結されているバルブシャフト１０８を回転する。高速
に動作させるため、ギヤの減速比を評価式によって定め
る。また、別の評価式を用いて、過電流防止のためにモ
ータの抵抗を定める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関に用いら
れ、空気流量を調整する電子制御スロットル装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】特開平８−１７７５３４号公報には、ス
ロットルボディと、このスロットルボディの吸気通路内
に回転自在な軸を介して取り付けられ、この吸気通路を
流れる空気流量を可変する絞弁（スロットルバルブ）
と、この絞弁を複数のギヤを介して回転駆動するアクチ
ュエータと、上記絞弁の回転角度を検出する回転角度検
出手段とを有するスロットル制御装置が開示されてい
る。この装置では、複数のギヤとして、スロットルバル
ブのバルブシャフトに固着された第１のギヤと、アクチ
ュエータであるモータの回転軸に固着された第３のギヤ
と、第１と第２のギヤの間に第２のギヤを設けており、
これによりギヤ比を大きくとれ、スロットルバルブの開
度制御をより細かく行えるよう配慮されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の装置で
は、ギヤ比を大きくしてスロットルバルブの開度制御を
より細かく行えるよう配慮しているが、必要なスロット
ルバルブの動作速度を得るために、モータの特性、モー
タからスロットルバルブにトルクを伝達するときの減速
比等をどのように決めれば良いかという指針については
示されていない。

【０００４】また上記の従来の装置では、スロットルバ
ルブはモータによって開閉動作されるが、このときの動
作は操作者である運転者の操作にすばやく応えるもので
なければ、運転者は自身の操作と内燃機関の運転状態の
変化との間のギャップに戸惑うこととなる。しかし、電
子制御のスロットル装置では、フェールセーフを考慮し
て、故障時には速やかにスロットルバルブを所定の開度
に戻すよう付勢する付勢手段を設ける必要がある。この
ため、スロットルバルブの動作速度を単純に速めること
はできず、付勢手段の付勢力やモータの性能、さらには
モータからスロットルバルブまでの減速機構の減速比を
適切に設定する必要がある。

【０００５】また、燃料を直接、燃焼室内に噴霧するＤ
Ｉ（Direct Injection）エンジンに適用することを考慮
した場合には、以下のような課題が生じる。

【０００６】従来用いられてきた、吸気管内に燃料を噴
射するポート噴射エンジンでは、理論空燃比（１４．
７）付近で運転される。これに対してＤＩエンジンで
は、空燃比が理論空燃比（１４．７）から超希薄な空燃
比（４０以上）まで、幅広い空燃比で運転される。この
とき、理論空燃比付近では、混合気が均一な状態で着火
されるので均一混合燃焼と呼ばれ、それ以上の空燃比で
は、混合気を層状に形成して燃焼させるため、層状燃焼
と呼ばれる。ＤＩエンジンでは、燃料を直接気筒内に噴
射するため、層状燃焼を実現しやすい。図１２にエンジ
ンの運転領域による燃焼状態を示す。層状燃焼を行う領
域は、エンジン回転数で２０００〜３０００ｒｐｍ以下
の領域である。

【０００７】これらの燃焼状態を実現するための、スロ
ットルバルブの位置（開度）は、層状燃焼状態では、均
一混合燃焼状態より開いた位置に設定する必要がある。
したがって、層状燃焼状態から均一混合燃焼状態に移行
するときには、スロットルバルブを閉じる方向に戻す動
作が必要になる。図４は、運転者がアクセルを徐々に踏
み込んだときの踏み込み量と、この踏み込み量に対する
スロットルバルブの動作（開度）の関係を示している。

【０００８】図４に示したように、層状燃焼状態ではス
ロットルバルブが大きく開いており、均一混合燃焼に切
り替えるときには一旦スロットルバルブが閉じる方向に
動作する様子がわかる。この切り替え動作の時間が長い
と、燃焼状態の切り替えがスムースにいかず、出力が急
変する。そのため、車の乗員に切り替えの“ショック”
が伝わり、操作性も乗り心地も悪化する。

【０００９】また、切り替えのショックを低減するため
にスロットルバルブを高速に動作させると、これに伴っ
てスロットルバルブを駆動するモータも高速に動作させ
る必要がある。このとき、高速で動作させた分、スロッ
トルバルブの速度にブレーキをかけたときの逆起電圧が
大きくなる。このため、モータの駆動回路に、モータの
駆動回路素子の許容電流値を超える大きな電流が流れる
可能性も生じる。この場合、許容電流値の大きな電気素
子をモータの駆動回路に使用できれば良いが、必ずしも
要求される許容電流値を有する電気素子が存在するとは
限らず、また存在したとしてもコストアップにつなが
り、自動車搭載用としては不向きである。またモータの
駆動回路に流れる電流を許容電流値以内に抑える別の手
段としては、電流制限回路を加えることも考えられる
が、やはりコストアップにつながる。さらに電流制限回
路が故障したときには、モータの駆動回路に流れる電流
を許容電流値以内に抑えることはできなくなる恐れがあ
り、十分なフェールセーフ性をもつとは言えない。

【００１０】本発明の目的は、通常の開閉動作及びフェ
ールセーフのためのバルブ動作を適切な時間で行いう
る、信頼性の高い電子制御スロットル装置を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電子制御スロットル装置は、モータと、こ
のモータの回転を減速する減速機構と、この減速機構に
接続されたスロットルバルブとを有し、前記モータを駆
動して前記スロットルバルブの開度を調節する電子制御
スロットル装置において、スロットルバルブの動作時間
ｔを式

【００１２】

【数１】

【００１３】で、Ｅ＝１３Ｖとして計算したとき、Ｎ及
び／又はＪはｔが８０ｍｓ以下となる範囲内の値をもつ
ようにしたものである。このとき、Ｎ及び／又はＪは式
（数１）を減速比Ｎで微分した値が正である範囲内の値
をもつようにすると良い。また上記目的を達成するため
に、モータと、このモータの回転を減速する減速機構
と、この減速機構に接続されたスロットルバルブとを有
し、前記モータを駆動して前記スロットルバルブの開度
を調節する電子制御スロットル装置において、次式、

【００１４】

【数１】

【００１５】で求まる時間ｔが８０ｍｓ以下になるよう
に、各パラメータを定めたものである。このとき、各パ
ラメータは温度１２０°Ｃでの値を用いるとよい。また
上記目的を達成するために、本発明の電子制御スロット
ル装置は、モータと、このモータの回転を減速する減速
機構と、この減速機構に接続されたスロットルバルブを
有し、前記モータを駆動して前記スロットルバルブの開
度を調節する電子制御スロットル装置において、前記モ
ータが発生する逆起電力と前記モータに印加する印加電
圧の和を前記モータのターミナル間のインピーダンスで
除した値が許容電流値を超えないようにしたものであ
る。また上記目的を達成するために、モータと、このモ
ータの回転を減速する減速機構と、この減速機構に接続
されたスロットルバルブを有し、前記モータを駆動して
前記スロットルバルブの開度を調節する電子制御スロッ
トル装置において、前記モータのターミナル間抵抗は、
下記の不等式、

【００１６】

【数２】

【００１７】を満足するような値とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１に、本発明に係る電子制御ス
ロットル装置の一実施例の水平断面図を示す。また、図
１のバルブシャフトの軸方向から見たギヤ部（ギヤ配
置）を図８に示す。

【００１９】この電子制御スロットル装置は、空気通路
とモータを内包するスロットルボディ１０１と、回転力
を発生するモータ１０７と、モータの出力軸であるモー
タ軸１０５と、モータ軸１０５に締結されているモータ
ギヤ１０６と、モータギヤと噛み合う中間ギヤ大１０４
ａと、中間ギヤ大１０４ａと同軸上にあり締結されてい
る中間ギヤ小１０４ｂと、中間ギヤ小１０４ｂと噛み合
うバルブギヤ１０３と、バルブギヤ１０３が締結されて
いるバルブシャフト１０８と、バルブシャフト１０８に
ネジ止めされているスロットルバルブ１０２、リターン
スプリング１１１とデフォルトスプリング１１２を用い
るデフォルト機構によって構成されている。

【００２０】性能を決定する仕様パラメータとしては、
次のようなものがある。モータに関しては、トルク定
数，逆起電圧定数、インダクタンス、抵抗、印可電圧が
ある。機構系に関しては、慣性モーメント、減速比（ギ
ヤ比）、リターンスプリングのプリロードトルクがあ
る。

【００２１】また、スロットルバルブの位置を検出する
スロットルポジションセンサ１１０がデフォルト機構と
スロットルバルブ１０２の間に取り付けられている。

【００２２】モータの回転を減速させるため、モータギ
ヤ１０６は、これと噛み合う、中間ギヤ大１０４ａより
ピッチ円径が小さくする必要がある。中間ギヤ小１０４
ｂは、これと噛み合う、バルブギヤ１０３よりピッチ円
径が小さくする必要がある。スロットルバルブ１０２の
動作角度は、せいぜい９０度であるので、バルブギヤ１
０３は９０度回転すれば十分であり、扇型の形状をして
いる。

【００２３】中間ギヤ大１０４ａおよび中間ギヤ小１０
４ｂは、一つの部材にそれぞれの歯溝を形成することに
より構成されている。中間ギヤの中心には穴が開けられ
ており、そこにスロットルボディ１０１に圧入されてい
る中間ギヤシャフト１０９を通している。図示はされて
いないが、フリクション低減のためと、中間ギヤのガタ
を減らすために、中間ギヤと中間ギヤシャフト１０９の
間には、ドライヘ゛アリンク゛を挿入している。

【００２４】モータ１０７には、モータ軸１０５に垂直
なフランジが設けられ、スロットルボディ１０１に２本
のねじで締結されている。本実施例では、モータ軸１０
５が少しでも短くなるように、中間ギヤ大１０４ａが中
間ギヤシャフト１０９のスロットルボディ１０１側に配
置してある。このレイアウトにより、モータ軸１０５の
剛性が増加する分、モータ軸１０５を細くすることがで
き、慣性モーメントを小さくすることができる。これに
より応答の高速化に寄与する。

【００２５】図２にデフォルト機構の原理を示す。この
図では、説明を容易にするために、回転運動を直線運動
に換えてある。レバー２０４は、スロットルシャフト１
０８に結合されており、モータ１０７によって駆動され
る。紙面上、レバー２０４が左に動くとスロットルバル
ブは開方向に動作する。デフォルト機構は、モータ１０
７が力を発生しないときに、スロットルバルブ１０２を
設定された位置（デフォルト位置と呼ぶ）に開いておく
機構で、１対のばねを利用している。デフォルト位置
は、車両が暴走しないでかつエンジン始動が行えるスロ
ットル位置に設定する。リターンスプリング１１１は、
部材２０３とスロットルシャフト１０８によって動作す
るレバー２０４に取り付けられている。デフォルトスプ
リング２０２は、部材２０３とボディ２０５に取り付け
られている。

【００２６】モータ１０７が力を発生しないときは、レ
バー２０４は、リターンスプリング２０１によって部材
２０３に押し付けられ接触しており、デフォルトスプリ
ング２０２によって部材２０３がデフォルト位置に固定
される。レバー２０４がデフォルト位置以上では、部材
２０３は、ボディ２０５に当り停止し、レバー２０４に
はリターンスプリング２０１（１１１）によってスロッ
トルバルブを閉じる方向に働く力を受ける。レバー２０
４がデフォルト位置以下では、レバー２０４と部材２０
３を介して、デフォルトスプリング２０２（１１２）の
力を受ける。

【００２７】以上のようなデフォルト機構が、バルブシ
ャフト１０８に与えるトルクを図３に示す。リターンス
プリング１１１とデフォルトスプリング１１２にはプリ
ロード（ばねの与圧）が与えられている。プリロードの
大きさには最適値があり、大きすぎるとスロットルバル
ブの開閉動作の応答時間が長くなる原因になり、小さす
ぎると、空気抵抗や回動部の摩擦により、スロットルバ
ルブ１０２がデフォルト位置まで戻らなくなる。デフォ
ルト位置までバルブ１０２を確実に戻すには、リターン
スプリング１１１のプリロードは重要であり、３０〜４
０ｋｇｆｍｍ必要である。

【００２８】本実施例の電子制御スロットル装置の動作
を説明する。

【００２９】モータ１０７によってバルブシャフト１０
２にデフォルト機構のばねの力以上の力が与えられる
と、モータ軸１０５が回転し、これにつれて、モータギ
ヤ１０６、中間ギヤ大１０４ａが回転する。モータギヤ
１０６の歯数は、中間ギヤ大１０４ａの歯数より少ない
ため、減速される。中間ギヤ小１０４ｂは中間ギヤ大１
０４ａとともに回転し、さらにトルクをバルブギヤ１０
３に伝達する。中間ギヤ小１０４ｂとバルブギヤ１０３
のピッチ円径は、中間ギヤ小１０４ｂの方が小さく設定
してあるので、さらに減速される。モータ１０７の回転
は、２段階に減速され、バルブシャフト１０８に伝えら
れる。

【００３０】図６に本発明の電子制御スロットルバルブ
を用いたＤＩエンジンの実施例を示す。電子制御スロッ
トル６１は、ＤＩエンジン６２の吸気側上流に、吸気管
６７を介して接続される。電子制御スロットル６１は、
モータ１０７に信号を送り駆動する制御ユニット６３に
スロットルハーネス６６により接続される。

【００３１】制御ユニット６３は、エンジンからの情報
をエンジンハーネス６４や、車両の他部からの情報をハ
ーネス６５を介して受け取り、スロットルバルブ１０２
の目標位置を決定する。また、制御ユニット６３は、ス
ロットルバルブ１０２の位置を検出するスロットルポジ
ションセンサ１１０の信号も受け取り、この信号を用い
てスロットルバルブの位置が目標位置に近づくように制
御する。

【００３２】制御ユニット６３の内部には、モータ１０
７の供給電力を調整する駆動回路６８が組み込まれてい
る。本実施例の駆動回路６８は、モータ１０７の電源を
パルス状にオンオフして、その長さよりモータの発生力
を決めるＰＷＭ方式が使われている。パルス状にオンオ
フするには、電気素子としてトランジスタやＦＥＴ等が
用いられており、このトランジスタには許容電流値が定
められている。この許容電流値以上の電流が流れるとト
ランジスタやＦＥＴ等の電気素子は、故障する可能性が
ある。

【００３３】本実施例のモータ１０７と減速機構のギヤ
比の仕様を表１に示す。

【００３４】

【表１】

【００３５】本仕様を用いることにより、応答時間を十
分短くする、逆起電圧により過大な電流が回路に流れな
いようにする、といった課題を解決することができる。
以降、これらの仕様について説明する。

【００３６】モータに電圧を供給し回転させると、モー
タはその発電作用により、加えた電圧とは逆向きの電圧
を発生する。この電圧が逆起電圧であり、モータの回転
数に比例する。電子制御スロットルに用いるモータは、
目標位置になるように制御されるので、目標位置に近づ
くと減速のためにモータが回転している方向とは逆向き
の電圧が印加される。このときに、逆起電圧と印加電圧
があいまって過電流となるような大きな電流が流れる可
能性が生じる。

【００３７】一例として図１４にスロットルバルブをス
テップ動作させた状態を示す。

【００３８】図９にモータ１０７の駆動回路６８と、図
１０にモータ１０７の回転している方向と逆向きに電圧
をかけたときの電圧及び電流の状態を示す。Ｍ１、Ｍ
２、Ｍ３、Ｍ４は、電気素子で、実施例ではＦＥＴ（フ
ィールドイフェクトトランジスタ）であり、モータ１０
７への電源をオンオフする。Ｍ１とＭ４をオン（Ｍ２と
Ｍ３はオフ）にすることによりモータ１０７が正転し、
Ｍ２とＭ３をオン（Ｍ１とＭ４はオフ）にして逆転す
る。ここで逆転しているときには、モータ１０７の逆起
電圧はＡ側が＋になる向きに発生する。次に、急激にモ
ータ１０７の回転を減速するため、図１０に示すように
正転側（Ｍ１とＭ４をオン）に電圧をかける。すると、
逆起電圧Ｖｍと、印加電圧Ｖｂの方向が合致し、電流ｉ
ｍが流れる。電流ｉｍは、印加電圧Ｖｂによって流れる
電流よりも、逆起電圧Ｖｍが加わる分だけ大きな電流に
なる。この電流が電気素子（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４）
の許容電流値より大きな電流（過電流）であれば、電気
素子（図１０ではＭ４とＭ１）を損傷してしまう可能性
がある。

【００３９】本実施例では、モータ１０７の抵抗を適切
に設定することにより、逆起電圧によりモータ１０７の
駆動回路６８に過電流が流れないようにしてある。その
結果、モータ１０７および駆動回路６８に流れる電流
を、電気素子（駆動回路素子）の許容電流値以下に設定
することができる。

【００４０】具体的には、評価式（数２）に従ってモー
タ１０７の抵抗Ｒｍを定める。数２は、逆起電圧Ｖｍと
印加電圧Ｖｂの和よりモータ１０７にかかる電圧を求
め、電気素子の許容電流で除することで、許容電流値以
下となるモータ１０７の抵抗Ｒｍを求める式である。

【００４１】ここで、モータの抵抗Ｒｍとは、図９に示
すＡＢ間の抵抗であり、モータ１０７のターミナル間の
抵抗である。この抵抗はアーマチュア抵抗はもちろん、
ノイズフィルタとして用いられるチョークコイルの抵抗
やブラシ接続用の配線抵抗も含まれる。また、この抵抗
は、電流又は電圧が０Ｈｚよりも大きな周波数を持つと
きはインピーダンスで定義される。

【００４２】実際の抵抗の測定は、自動車搭載状態のモ
ータの駆動電圧、すなわち、本実施例では１３Ｖの電圧
をモータに印可し、モータがストールしたときの電流値
からオームの法則を使用して抵抗を求める。

【００４３】評価式（数２）は、モータ１０７のあるべ
き抵抗を示しており、右辺が左辺より大きいと、モータ
の抵抗Ｒｍが不足し駆動回路６８の許容電流値をオーバ
ーする。ただし、本評価式はモータ１０７の逆起電圧定
数が温度によって変化するので、電気抵抗Ｒｍが小さく
なる−３０℃における値で評価する。さらに低温で評価
しても良いが、実際は自動車の使用環境として、低温側
は−３０℃で評価すれば良い。よって評価式（数２）
は、―３０℃におけるモータ特性を使う。またバルブ１
０２の動作速度は、ＤＩエンジンに適用するため、バル
ブの動作角度π／２[rad]（９０°）を８０ｍｓで動作
させる速度（１８７．５ｒｐｍ）と定義して評価する。

【００４４】本実施例のギヤの減速比は１０．２８、−
３０℃における誘起電圧定数は３．９２Ｖ／ｋｒｐｍで
ある。印加電圧は、自動車の電源系統が発生する１３Ｖ
で評価する。通常、自動車の電源系統は、１２．７〜１
２．８Ｖに制御されているが、スタート時やバッテリ消
耗時には１０Ｖ以下になる場合もある。また、電圧制御
装置の不具合により１６Ｖ以上、上昇する事もあるが、
ここでは、通常見られる電圧に近い１３Ｖで評価する。
本実施例で用いたモータ１０７の駆動回路６８の電気素
子の許容電流値は２０Ａである。評価式（数２）より、
モータ１０７の抵抗Ｒｍは、１．０３Ω以上あれば良い
ことがわかる。製造誤差により、モータ１０７の抵抗は
５％減、誘起電圧定数は１０％増になる可能性があるの
で、さらに望ましくはこれらを考慮して計算するとよ
い。すると、誘起電圧定数は４．３１Ｖ／ｋｒｐｍであ
り、抵抗は１．１２Ω以上になる。

【００４５】そこで、本実施例では、余裕を持って１．
２９Ωに抵抗を設定してある。

【００４６】

【数２】

【００４７】以上の方法は、８０ｍｓで動作する場合で
あったが、より精度よく抵抗Ｒｍを設定するには、後述
する数３の評価式で応答時間ｔを評価し（ただし、モー
タ１０７の特性は後述する１２０℃における値ではな
く、−３０℃を用いる）、応答時間ｔをバルブ１０２が
動作する速度として定義して、評価式（数１）で抵抗Ｒ
ｍを求める方法もある。すると、８０ｍｓより大幅に速
い応答時間（評価時間ｔ）を持つ電子制御スロットルで
あっても、電気素子の損傷を防ぐことができる。しかし
ながら、上記のように−３０℃で評価した抵抗Ｒｍを使
用すると、場合によっては、モータ１０７に流れる電流
量が減りすぎ、モータ１０７の力（トルク）が出なくな
る。応答時間ｔも悪化する。また、数３は、制御系は考
慮しておらず、早く動作させようとするほど、制御系の
遅れは無視できなくなる。

【００４８】そこで、さらに好ましくは、常温（２０
℃）におけるモータ特性をつかって、数３より応答時間
（評価時間ｔ）を求め、これを用いて数２により２０℃
で必要な抵抗Ｒｍを決めるとよい。本実施例に適用する
と、数３をプロットした図５より応答時間ｔは０．０４
［ｓ］（３７５ｒｐｍ）であるから、抵抗Ｒｍは、２０
℃で１．３５Ω以上あればよいことがわかる。さらに、
これに量産の誤差（誘起電圧定数１０％増、抵抗５％
減）を考えると、１．４９Ω以上あれば良い。本実施例
では、さらに安全代をとり、２０℃で１．６１Ωに設定
してある。

【００４９】以上のように電気抵抗Ｒｍを定めることに
より、モータ１０７とその駆動回路６８に流れる電流を
規定することができ、複雑な電気回路や制御を用いずと
も、駆動回路６８の電気素子の損傷の可能性を低減する
ことができる。

【００５０】数２を満足するようにして、電気素子の損
傷を防ぐ別の手段もある。これには、図６に示すような
システムを用いる。制御回路６３は、設定したスロット
ルバルブ１０２の目標開度の変化率からモータ１０７の
速度を逆算し、モータ１０７に与える印加電圧を、数２
が成立する範囲で可変にする方法である。モータ１０７
の速度が速いときには、モータ１０７を減速するときの
印加電圧を少なくし、逆起電圧Ｖｍと印加電圧Ｖｂの両
者による電流を減らせば良い。あるいは、別の手段とし
てはＡ−Ｂ間の電圧（モータの逆起電圧）を監視し、印
加電圧との和をとり、ターミナル間抵抗で除した結果
が、電気素子の許容電流値以上では、モータの減速を行
うのに電圧を印加しないようにする方法もある。また、
逆起電圧Ｖｍ及び印加電圧Ｖｂを検出して、これらの和
をターミナル間抵抗Ｒｍで除した値が電気素子の許容電
流値以上になる前に、モータ１０７の減速のための電圧
の印加を中止し、再び電圧を印加するスイッチング動作
を行うと良い。

【００５１】上記２つの手段は、簡単な回路で実現で
き、モータの抵抗Ｒｍを大きくする必要が無いため、モ
ータのコイルの発熱（ジュール熱）を低減することがで
き、許容電流に近い電流を常に用いることができるよう
になるため、応答時間の短縮をすることができるように
なる。

【００５２】本実施例のギヤ比は１０．２８である。本
ギヤ比を使用したことにより、デフォルト機構のばね力
やモータの性能のバラツキや、スロットルバルブへの付
着物による負荷トルクの変化といった要因によって左右
されず、安定的に応答性を確保することができ、同時に
高速に動作可能なギヤ比になる。

【００５３】なお、ギヤ比１０．２８は、モータギヤ１
０６、中間ギヤ大１０４ａ、中間ギヤ小１０４ｂ、バル
ブギヤ１０３（各図１参照）の歯数によって決定されて
いる。実施例の各ギヤの歯数は、モータギヤ：２１、中
間ギヤ大の歯数：６５、中間ギヤ小：２２、バルブギ
ヤ：７３（全周）、である。本発明を実施するにあたっ
て、必ずしもこの歯数を用いなくてもよい。ギヤの歯数
は、ギヤのモジュールやギヤとギヤの軸間距離に依存
し、これらは寸法の制約を受ける。そのため、必ずしも
目標とギヤ比が得られるとは限らない。実施例で意味す
る１０．２８とは、ギヤの枚数が一枚程度変った９．８
０〜１０．７８の範囲を示す。

【００５４】電子制御スロットルでは、ギヤの減速比を
小さく選ぶと、モータの力に対してデフォルト機構のば
ね力が大きくなるので、モータの力に対して応答時間の
変化が過敏になり安定した動作が難しくなる。また、モ
ータより見たスロットルバルブの慣性モーメントが大き
くなるので、応答は悪くなる。

【００５５】逆に、ギヤの減速比が大きいと、高速な応
答性を確保するには、モータを早く回転させなければな
らず、モータを加速させるための時間が多大にかかるよ
うになり、応答時間が遅くなり、ＤＩエンジンにとって
好ましくない。

【００５６】図１１に、電子制御スロットルの動作モデ
ルを示す。モータがトルクＴｍを発生すると、ギヤが回
転し、モータの回転をギヤの減速比Ｎだけ減速し、ばね
負荷Ｔｓがかかったスロットルを回動する。数３に、図
１１の運動方程式を示す。数３の第１式は機械系の、第
２式はモータの発生トルク、第３式はモータの電気的な
特性を表している。これらの式によると、慣性モーメン
トＪ、インタ゛クタンスＬ、電気抵抗Ｒｍ、ばね力Ｔｓは小さい
方が早く動作し、一方、トルク定数Ｋｍや誘起電圧定数
Ｋｅ、ギヤ比Ｎには最適値があることがわかる。

【００５７】

【数３】

【００５８】本実施例の場合のギヤ比は、安定した動作
と高速性を兼ね備えるように選択されている。これに
は、評価式（数４）を用いる。数４は、影響の小さいイン
タ゛クタンスＬや、モータの過渡応答を無視し、モータの発生
トルクが最大付近にあるとして、数２を２回積分して求
めた近似を行った理論式である。本式は、機械系を扱っ
た近似式であり、実際の制御を行ったときの応答時間で
はないが、機械系が早く動くほど、制御による応答も速
くすることができるので、実際に制御したときのの応答
時間の評価指標とすることができる。

【００５９】数４は、全閉から全開まで動作する動作角
度をπ／２［rad］として、動作時間tを評価する。モー
タは、高温になるほど発生する力が小さくなるので、評
価式（数４）にはモータが、雰囲気温１２０℃で十分長
い間放置され、温度が定常状態に達した時の特性を用い
る。評価式（数４）のＪは、モータやギヤの慣性モーメ
ントをバルブシャフト周りの慣性モーメントに置き換え
た慣性モーメントＪを使用する。印加電圧は、バッテリ
電圧の１３Ｖで評価する。

【００６０】

【数４】

【００６１】高速で動作させるには、評価式（数４）の
ｔが０．０８［ｓ］以下になることが望ましい。通常
は、モータの特性は自由に変えることができないため、
モータの仕様は決定した後により簡単に変更できる減速
比を変更する。図５（ａ）に実施例のモータ特性を評価
式（数４）に代入した結果を示す。応答時間を実現する
のに望ましい減速比の範囲は、２．５〜３２であること
がわかる。減速比２．５以下では、リターンスプリング
の力Ｔｓが大きくなるため、動作できない。減速比が小
さい領域（勾配が負の領域：２．５〜５）の範囲は、減
速比に対する、応答時間ｔの感度が高い。言い換える
と、減速比が少しでも変化すると応答時間が大幅に変わ
る。これは、負荷に対しても同じ事がいえ、負荷が少し
でも変わると評価時間ｔが大幅に変わることを意味す
る。図５の破線は、１２０℃のとき、量産誤差によりト
ルク定数、誘起電圧定数が１０％、モータの抵抗が５％
変化したときの評価時間ｔの最良値と最悪値を示す。こ
れをみても、減速比が小さい領域では、評価時間ｔが大
きく変わることがわかる。

【００６２】図５（ｂ）に、減速比が３と１０の時の温
度に対する応答性の変化を示す。減速比１０では、減速
比３のときより変化が少ない、すなわち温度に対する感
度が低い。感度が低い方が、制御を行うのが容易である
ためギヤ比が大きい方が良い。したがって、ギヤ比１０
の方が、特性として優れている。ところで、温度により
変化するのは、モータのトルク定数や抵抗であり、温度
が高いとモータの発生トルクは小さくなり、低いと発生
トルクが増加する。温度は、モータのトルクの変化と考
えても良い。ギヤ比が小さいと、モータのトルク変化
（温度の変化）に対し、応答時間の変化が大きいともい
える。また、別の見方をすると、ギヤ比が小さいこと
は、スロットルシャフトのトルクが小さいことになって
おり、負荷の変動に対して応答時間が敏感であるともい
える。そのため、やはりギヤ比が大きい方が、応答時間
が安定しており、制御を行う上で都合がよい。図５
（ｂ）では、代表的なギヤ比として３と１０を選んだ
が、ギヤ比３は、図５（ａ）のプロットした線の勾配が
負（−）の領域、ギヤ比１０は、正（＋）の領域にあ
る。ギヤ比３のように応答時間が温度により大きく変化
する傾向は、勾配が負（−）の領域で見られる。したが
って、ギヤ比を決定する際には、より温度に対してより
安定している図５（ａ）の正（＋）の領域を選択するこ
とがのぞましい。

【００６３】本実施例でも実線の勾配が正（＋）の領域
であるギヤ比を選択している。これは、この領域では負
荷変動やモータの特性の変化に対する評価時間ｔの変化
が少ないため、より安定した状態を維持することができ
るためである。

【００６４】このように減速比を選ぶことによってＤＩ
エンジンに適用したときに、燃焼状態を切り替えてもエ
ンジンの出力変動が小さくなるような高速な応答性を確
保することができる。

【００６５】図７に、本発明に係る電子制御スロットル
を用いて、ＤＩエンジンの燃焼状態を切り替えたときに
発生するトルクの変動を示す。切替え時間が８０ｍｓ以
下であると、本発明の電子制御スロットルを用いること
により切り替え時のトルクの変動が小さくなることがわ
かる。

【００６６】以下に理由を述べる。

【００６７】本実施例の電子制御スロットルは、図６の
６１に示すように、エンジン６２の吸気管の上流に位置
している。そのため、スロットルバルブを急激に動作さ
せても、スロットルバルブ下流からエンジンまでの配管
の容積により、実際のエンジンの吸入空気流量には遅れ
が生じる。例えば、スロットルバルブを全開にした状態
から、瞬時（１０ｍｓ）に全閉にしても、配管に存在す
る空気のために瞬時にエンジンの吸入空気流量はゼロに
ならず、徐々に減少する。図１３に、目標とするエンジ
ン吸入空気流量を１００％とし、それに到達するまでの
空気流量をしめす。遅れ時間τは、配管の容積（スロッ
トルバルブからエンジンまでの容積［Ｌ］）Ｖｍａｎと
エンジン排気量Ｖｄ［Ｌ］の比と、回転数Ｎｅ［ｒｐ
ｍ］に依存し、（数５）により簡易的に計算できる。

【００６８】

【数５】 τ＝１２０・Ｖｍａｎ／（Ｖｄ・Ｎｅ） …（数５）ここで、Ｖｍａｎとエンジン排気量Ｖｄの比は、一般に
０．８程度〜１．５程度である。スロットルバルブの応
答時間と比較するため、図１３の破線に示すように、時
定数τをエンジン吸入空気流量が６３％に達する時間と
考え、１００％に達するのにかかる時間を計算する。結
果を表２にまとめる。ＤＩエンジンの燃焼状態の切替え
はエンジン回転数２０００〜３０００ｒｐｍ程度で行わ
れる。この範囲内で空気が目標流量に到達するのに必要
な最小時間は、５１ｍｓ（３０００ｒｐｍ、Ｖｍａｎ／
Ｖｄ比０．８）、最大は１４３ｍｓ（２０００ｒｐｍ、
Ｖｍａｎ／Ｖｄ比１．５）である。しかしながら、３０
００ｒｐｍで燃焼状態が切り替わる事はまれであり、ま
た、Ｖｍａｎ／Ｖｄ比も１より大きい事が多い。従っ
て、スロットルの応答時間は１００ｍｓ程度以下であれ
ば、２０００ｒｐｍ程度の回転数で燃焼状態が切り替わ
るＤＩエンジンに好適である。よりのぞましくは、子制
御スロットルは、応答時間８０ｍｓ以下となるようにす
るとほぼすべてＤＩエンジンに適用できる。本実施例で
用いたエンジン構成では、Ｖｍａｎ／Ｖｄ比は１程度で
あった。切替えエンジン回転数は２５００ｒｐｍ程度で
ある。本発明の電子制御スロットルを用いると、切替え
時間が８０ｍｓ以下であるため、空気の応答時間に対し
速いかもしくはほぼ等しいので、高速にエンジンに吸入
される空気流量を制御する事ができ、そのため、図７に
しめすように切り替え時のトルクの変動が小さくなる。

【００６９】また電子制御スロットル固有の他の課題と
して、スロットルバルブが汚れの堆積（ガム状の物質）
による固渋（はりつき）をひき剥がせられなければなら
ないというものもある。特に、ドライバの踏力を伝える
アクセルワイヤで直接スロットルバルブを、駆動しない
本実施例のような場合、モータの力のみによって固渋に
対抗しなければならない。固渋力の大きさは使用環境に
より、さまざまであるが、１１０ｋｇｆｍｍ以上のトル
クをスロットルバルブが固定されているシャフトにかけ
られれば、固渋に対して有効である。

【００７０】デフォルト位置において、リターンスプリ
ングのプリロードトルク以上に発生し得る力を余裕トル
クと呼ぶ。余裕トルクを計算するには、モータがバルブ
シャフトに与えるトルクとリターンスプリングのプリロ
ードトルクの差である。固渋の原因となるガム上の物質
は、温度が高いと柔らかくなる。一方で、モータの最大
発生トルクは、低温になればなるほど大きくなるので、
余裕トルクの大きさは、常温（２０℃）で評価するのが
良い。また、固渋は、長時間駐車等の後に発生すること
が予想されることから、バッテリ電圧も下がっているこ
とも予想される。したがって、評価するときの印加電圧
は余裕を持って１０Ｖとして考える。

【００７１】本実施例のモータの最大トルクは２１．９
［ｋｇｆｍｍ］（Ｅ＝１０Ｖ）、ギヤ比１０．２８なの
で、スロットルシャフトにかかるモータトルクは必要と
する余裕トルク１１０ｋｇｆｍｍを７９ｋｇｆｍｍ、上
回っている。実施例は十分、余裕トルクを確保してい
る。このため、実施例は固渋（スロットルバルブの固
着）に対して強く、信頼性が高い。

【００７２】上述の本発明に係る実施例によれば、ＤＩ
エンジンの均一混合燃焼と層状燃焼を切り替えるときに
も、スロットルバルブを高速に動作できるのでトルクの
変動を小さくすることができるようになる。また、高速
に動作させても、過電流を防止することができるため、
特別な電気回路をもちいなくても駆動回路の電気素子の
焼損がおこらず、フェールセーフ性が向上する効果が達
成される。

【００７３】本実施例では、印可電圧１３Ｖで評価した
が、これに限らず他の電圧で評価してもよい。

【００７４】図１５に、ギヤ比が１０前後（９．８〜１
０．８）で、応答時間８０ｍｓ、許容電流２０Ａ、さら
に余裕トルクを１１０ｋｇｆｍｍとしたときのモータの
トルク定数Ｋｔ、誘起電圧定数Ｋｔとモータ抵抗Ｒｍの
関係を示す。等価慣性モーメントは、0.0013（ｋｇｍ＾
２）である。

【００７５】図１５の実線Ａは、応答時間が８０ｍｓと
なる限界であり、実線Ａより下側のＫｔとＲｍが望まし
い。実線Ｃは、許容電流以下となる線であり、実線Ｃよ
り上側であることが望ましい。

【００７６】したがって、実線Ａと実線Ｃに挟まれた領
域のＫｔ、Ｒｍを選択することが望ましい。望ましい領
域は、点線で囲まれた領域である。数値を挙げるとモー
タ抵抗Ｒｍは、１．０〜２．５Ω、トルク定数は０．０
２５〜０．０４Ｎｍ／Ａの範囲であることが望ましい。
トルク定数を０．０４以上にすることは可能であるが、
モータの磁石の強化が必要であり、コストアップや装置
の大型化につながるため、０．０４以下が望ましい。逆
に０．０２５以下であると、実線ＡとＣが近接している
ため、製造誤差を小さくしなければならず、コストアッ
プにつながる。

【００７７】より望ましくは、スロットルバルブの固渋
（固着、しぶり）に対しても十分な余裕トルクを持つ事
である。余裕トルクの限界を表す線を記号Ｂで表す。余
裕トルクを確保するには、実線Ｂより下の抵抗とトルク
定数が必要である。実線Ｂは、実線Ａより下側であるた
め、実線Ｂと実線Ｃの間がより望ましい領域である。

【００７８】この領域に入るように、実施例ではトルク
定数がトルク定数を０．０３〜０．０３５Ｎｍ／Ａ、抵
抗は１．２９〜２．２４Ωとして選んだ。このような領
域を選ぶことにより、余裕トルク、応答時間、許容電流
を満足する電子制御スロットル装置を得る事ができる。

【００７９】さらに望ましくは、製造公差を考え、２０
℃で、トルク定数が３．５４±０．３５ｋｇｆｍｍ／Ａ
（±１０％）、抵抗１．６１±０．０８Ω（±５％）の
モータを持ち、減速比１０．２７（９．８０〜１０．７
８）の電子制御スロットルである。また、減速比１０．
２７（９．８０〜１０．７８）であって、リターンスプ
リングのプリロードトルクが３６（３０〜４０）ｋｇｆ
ｍｍの電子制御スロットルであると、モータがフェール
しても、スロットル弁が所定の開度まで自動的に戻り、
より安全である。

【００８０】

【発明の効果】本発明により、ギヤ比及び慣性モーメン
トの関係が、通常のスロットルバルブの開閉動作に、ま
たフェールセーフに伴うバルブ動作にも、適切に維持さ
れるので、速やかに動作することができる、信頼性の高
い電子制御スロットル装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子制御スロットルの一例を示す
図。

【図２】デフォルト機構の原理図。

【図３】バルブシャフトにおけるばねトルクをあらわ
した図。

【図４】ＤＩエンジンにおける電子制御スロットルの
スロットルバルブの動作を示す図。

【図５】評価時間ｔと減速比Ｎの関係を示した図。

【図６】電子制御スロットルを用いたＤＩエンジンを
示す図。

【図７】ＤＩエンジンの燃焼状態を切替え時に発生す
るトルク変動を示す図。

【図８】実施例のギヤとモータの配置を示す図。

【図９】モータの駆動回路を示す図。

【図１０】モータの回転している方向と逆向きに電圧
をかけたときの駆動回路の状態を示す図。

【図１１】電子制御スロットルの動作モデル。

【図１２】エンジンの運転状態と燃焼状態を表す図。

【図１３】エンジンの吸入空気流量の遅れを示す図。

【図１４】電子制御スロットルのモータの電流と逆起
電力を示す図。

【図１５】電子制御スロットルのモータの仕様を示す
図。

【符号の説明】

１０１…スロットルボディ、１０２…バルブ、１０３…
バルブギヤ、１０４ａ…中間ギヤ小、１０４ｂ…中間ギ
ヤ大、１０５…モータ軸、１０６…モータギヤ、１０７
…モータ、１１０…スロットルポジションセンサ、１１
１、２０１…リターンスプリング、１１２、２０２…デ
フォルトスプリング、２０４…レバー、６１…電子制御
スロットル、６２…ＤＩエンジン、６３…制御ユニッ
ト、６８…駆動回路、Ｒｍ…モータ抵抗、θｖ…バルブ
速度、Ｅ…電圧、Ｉlim…許容電流、Ｋｅ…誘起電圧定
数、Ｎ…ギヤの減速比、θｍ…モータ速度、Ｋｍ…トル
ク定数、Ｊ…バルブシャフト周りを基準とした慣性モー
メント。

フロントページの続き (72)発明者徳元茂茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者斉藤康夫茨城県ひたちなか市高場2477番地株式会社日立カーエンジニアリング株式会社内 (72)発明者臼井俊文茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者伊藤勝茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】モータと、このモータの回転を減速する減
速機構と、この減速機構に接続されたスロットルバルブ
と、このスロットルバルブを初期位置に戻す方向に力を
加える付勢手段とを有し、前記モータを駆動して前記ス
ロットルバルブの開度を調節する電子制御スロットル装
置において、スロットルバルブの動作時間ｔを式【数１】で、Ｅ＝１３Ｖとして計算したとき、Ｎ及び／又はＪは
ｔが８０ｍｓ以下となる範囲内の値をもつことを特徴と
する電子制御スロットル装置。
【請求項２】モータと、このモータの回転を減速する減
速機構と、この減速機構に接続されたスロットルバルブ
とを有し、前記モータを駆動して前記スロットルバルブ
の開度を調節する電子制御スロットル装置において、次式、【数１】で求まる時間ｔが８０ｍｓ以下になるように、各パラメ
ータを定めたことを特徴とする電子制御スロットル装
置。
【請求項３】請求項１に記載の電子制御スロットル装置
において、前記Ｎ及び／又は前記Ｊは前記式を減速比Ｎ
で微分した値が正である範囲内の値をもつことを特徴と
する電子制御スロットル装置。
【請求項４】請求項２に記載の電子制御スロットル装置
において、前記パラメータは温度１２０°Ｃでの値であ
ることを特徴とする電子制御スロットル装置。
【請求項５】モータと、このモータの回転を減速する減
速機構と、この減速機構に接続されたスロットルバルブ
を有し、前記モータを駆動して前記スロットルバルブの
開度を調節する電子制御スロットル装置において、前記モータが発生する逆起電力と前記モータに印加する
印加電圧の和を前記モータのターミナル間のインピーダ
ンスで除した値が許容電流値を超えないようにしたこと
を特徴とする電子制御スロットル装置。
【請求項６】モータと、このモータの回転を減速する減
速機構と、この減速機構に接続されたスロットルバルブ
を有し、前記モータを駆動して前記スロットルバルブの
開度を調節する電子制御スロットル装置において、前記モータのターミナル間抵抗は、下記の不等式、【数２】を満足するような値であることを特徴とする電子制御ス
ロットル装置。