JPWO2016162923A1 - ウエストゲートアクチュエータおよびウエストゲートバルブ駆動装置 - Google Patents

Abstract

ウエストゲートアクチュエータは、直流モータと、ターボチャージャのウエストゲートバルブを開閉するシャフトと、直流モータの回転運動をシャフトの直線運動に変換するネジ機構とを備え、ネジ機構のリード角は、シャフトの位置保持に必要な直流モータの電流に応じた角度である。

Description

この発明は、車両に搭載されたターボチャージャのウエストゲート（以下、ＷＧと称す）バルブを開閉するＷＧアクチュエータおよびＷＧバルブ駆動装置に関するものである。

ターボチャージャは、エンジンからの排気ガスによってタービンを回転させ、このタービンと同軸で接続されたコンプレッサを駆動して吸気を圧縮しエンジンに供給する構成である。排気通路のタービン手前には、排気ガスを排気通路からバイパス通路へ逃がすＷＧバルブが設置されており、ＷＧアクチュエータがＷＧバルブを開閉して排気通路からバイパス通路への排気ガス流入量を調整することにより、タービンの回転数を制御する（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１２／１３７３４５号

従来のＷＧアクチュエータにおいては、直流モータのトルクを平ギアを介してＷＧバルブへ伝達し、ＷＧバルブの開度を調整することによってバイパス通路への排気ガス流入量を調整していた。排気通路を流れる排気ガスの圧力がＷＧバルブの開弁方向にかかるため、ＷＧバルブの開度を維持するには常に直流モータに通電する必要がある。このＷＧバルブを全閉する際は、ＷＧバルブにかかる排気ガスの圧力が一番大きくなるため、直流モータへの通電電流も大きくする必要があり、過大な電流が必要となるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ＷＧアクチュエータにおいて、シャフトの位置保持に必要な直流モータの電流を小さくすることを目的とする。

この発明に係るＷＧアクチュエータは、直流モータと、ターボチャージャのＷＧバルブを開閉するシャフトと、直流モータの回転運動をシャフトの直線運動に変換するネジ機構とを備え、ネジ機構のリード角は、シャフトの位置保持に必要な直流モータの電流に応じた角度である。

この発明によれば、直流モータのトルクをネジ機構を介してＷＧバルブへ伝達するようにしたので、ネジ機構に生じる摩擦力をシャフトの位置保持に利用して直流モータの電流を小さくすることができる。また、ネジ機構のリード角を、シャフトの位置保持に必要な直流モータの電流に応じた角度にすることにより、ＷＧアクチュエータの設計時に直流モータへの電流を調整することができる。小さいリード角を採用したＷＧアクチュエータでは、大きいリード角を採用したＷＧアクチュエータに比べ、シャフトの位置保持に必要な直流モータの電流を小さくできる。

この発明の実施の形態１に係るＷＧアクチュエータの構成例を示す断面図である。 実施の形態１に係るＷＧアクチュエータのネジ機構を拡大した断面図である。 実施の形態１に係るＷＧアクチュエータのネジ機構のリード角を説明する図である。 実施の形態１に係るＷＧアクチュエータのネジ機構のリードを説明する図であり、図４（ａ）は雄ネジ部を短いリードにした例、図４（ｂ）は長いリードにした例を示す。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るＷＧアクチュエータ１の構成例を示す断面図である。ターボチャージャは、エンジンからの排気ガスによってタービンを回転させ、このタービンと同軸で接続されたコンプレッサを駆動して吸気を圧縮しエンジンに供給する構成である。排気通路１００のタービン上流側には、排気ガスを排気通路１００からバイパス通路１０１へ逃がすＷＧバルブ２が設置されており、ＷＧアクチュエータ１がＷＧバルブ２を開閉して排気通路１００からバイパス通路１０１への排気ガス流入量を調整することにより、タービンの回転数を制御する。なお、図１では、ＷＧバルブ２の全閉状態を実線で示し、全開状態を二点鎖線で示す。

ＷＧアクチュエータ１は、駆動源となる直流モータ４と、ＷＧバルブ２を開閉するシャフト１３と、直流モータ４の回転運動をシャフト１３の直線運動に変換するネジ機構１２とを備える。直流モータ４は、複数のＮ極とＳ極に着磁されたマグネット５を有するロータ６と、コイル７が巻回されたステータ８とを含む。コイル７の端部にはブラシ１１ｂが接続されている。ロータ６の一端側は軸受部１４によって回転自在に支持されており、他端側には整流子９が固定されている。

外部端子１０に電圧が印加されると、この外部端子１０に接続しているブラシ１１ａを介し、整流子９を構成する複数の整流子片の中のブラシ１１ａと接触した整流子片に電流が流れ、この整流子片と電気的に接続したブラシ１１ｂを介してコイル７に電流が流れる。コイル７に通電することでステータ８がＮ極とＳ極に磁化し、そのステータ８がマグネット５のＮ極とＳ極と反発および吸引しあうことでロータ６が回転する。ロータ６の回転に伴って通電するコイル７が切り替わることにより、ステータ８の極も切り替わり、ロータ６が回転し続ける。電流の向きが逆になると、ロータ６の回転方向も逆になる。
なお、図１では直流モータ４としてブラシ付きＤＣモータを使用しているが、ブラシレスＤＣモータを使用してもよい。

ロータ６の内部にはシャフト１３を配置するための穴があいており、穴の内周面に雌ネジ部１２ａが形成され、シャフト１３の外周面に雄ネジ部１２ｂが形成されている。この雄ネジ部１２ｂが雌ネジ部１２ａにねじ込まれて結合され、ロータ６の回転運動をシャフト１３の直線運動に変換する。これら雌ネジ部１２ａと雄ネジ部１２ｂとでネジ機構１２が構成される。シャフト１３の一端側は、ハウジング１５を貫通し、リンク機構３を介してＷＧバルブ２と連結されている。シャフト１３の他端側には、このシャフト１３の軸方向における位置を検知する位置センサ１６などが設置されている。

リンク機構３は、２枚のプレート３ａ，３ｂを有する。プレート３ａの一端側にシャフト１３が取り付けられ、他端側の支点３ｃにはプレート３ｂの一端側が回動自在に取り付けられている。このプレート３ｂの他端側にはＷＧバルブ２が取り付けられている。ロータ６の一方向への回転によってシャフト１３がハウジング１５の外へ押し出される方向に移動すると、プレート３ａも同方向に移動して、プレート３ｂとＷＧバルブ２が支点３ｃを中心に回動し、ＷＧバルブ２が開弁方向に動く。ロータ６の逆方向への回転によってシャフト１３がハウジング１５の内へ引き込まれる方向に移動すると、プレート３ａも同方向に移動して、プレート３ｂとＷＧバルブ２が支点３ｃを中心に回動し、ＷＧバルブ２が閉弁方向に動く。

シャフト１３には、二平面などが形成されて回転規制部１３ａとして機能する。また、シャフト１３を貫通するハウジング１５の穴の内周面には、この回転規制部１３ａの形状に合わせて、二平面などのガイド部１５ａが形成されている。回転規制部１３ａとガイド部１５ａとが摺動することにより、ロータ６の回転に合わせてシャフト１３が回転運動するのを規制し、シャフト１３が直線移動するようサポートする。ガイド部１５ａの端部には、シャフト１３側に突出したストッパ１５ｂが形成されており、シャフト１３から突出した形状の当て部１３ｂがこのストッパ１５ｂに当接することにより、シャフト１３のこれ以上の開弁方向への直線移動を規制する。同様に、ネジ機構１２の端部にストッパ１５ｃとして機能するプレートが設置され、当て部１３ｃとして機能するシャフト１３の端面がストッパ１５ｃに当接することにより、シャフト１３のこれ以上の閉弁方向への移動を規制する。

シャフト１３のストッパ１５ｃとして機能するプレートには、シャフト１３の外径より小さな穴が貫通しており、この穴にセンサ用シャフト１７が通され、センサ用シャフト１７の端面がシャフト１３の端面に当接する。これにより、シャフト１３の軸方向の往復運動に合わせてセンサ用シャフト１７も往復運動する。このセンサ用シャフト１７にはセンサ用マグネット１８が固定されており、シャフト１３の往復運動に伴って位置センサ１６に対するセンサ用マグネット１８の位置が変化することにより、位置センサ１６を通過する磁束密度も変化する。位置センサ１６は、ホール素子または磁気抵抗素子などであり、シャフト１３の往復運動に伴って変化する磁束密度を検出し、シャフト１３の実ストローク位置を示す電気信号に変換して制御装置２０へ出力する。

制御装置２０は、位置センサ１６からシャフト１３の実ストローク位置を受け取る。また、制御装置２０は、不図示のエンジンコントロールユニットなどからシャフト１３の目標ストローク位置を受け取る。そして制御装置２０は、実ストローク位置が目標ストローク位置に近づくようにフィードバック制御を行って直流モータ４への通電電流を調整し、通電電流に比例したトルクを発生させてシャフト１３の移動および位置保持を行う。以下では、シャフト１３の位置保持に必要なトルクおよび通電電流を、保持トルクおよび保持電流と称す。

制御装置２０は、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵまたはシステムＬＳＩ等の処理回路により、実現される。図示例では、制御装置２０を独立した電子制御ユニットとして構成しているが、不図示のエンジンコントロールユニットの一機能として実現するように構成してもよいし、あるいはＷＧアクチュエータ１の内部に回路基板として組み込んでもよい。

図２は、ＷＧアクチュエータ１のネジ機構１２を拡大した図であり、雌ネジ部１２ａと雄ネジ部１２ｂの断面を示す。Ｄは、雌ネジ部１２ａおよび雄ネジ部１２ｂの有効直径である。Ｌは、雌ネジ部１２ａおよび雄ネジ部１２ｂのリードであり、ロータ６の雌ネジ部１２ａが１回転する間にシャフト１３の雄ネジ部１２ｂが軸方向に進む距離である。

図３は、ネジ機構１２のリード角θを説明する図である。図示した直角三角形を円筒に巻き付けると、当該直角三角形の斜面１２ｃがネジ山に沿った螺旋状になる。リード角θは、斜面１２ｃの傾斜角度、つまり螺旋状になったネジ山の径方向に対する角度である。雌ネジ部１２ａに軸方向の負荷Ｗがかかったとき、斜面１２ｃに垂直にＷｃｏｓθの力がかかっていることになる。雄ネジ部１２ｂは、Ｗｓｉｎθの力で斜面１２ｃの下側に向かって滑ろうとし、斜面１２ｃの上側に向かってμＷｃｏｓθの摩擦力が生じている。μは斜面１２ｃの摩擦係数である。リード角θを大きくしていき、摩擦力μＷｃｏｓθより滑る力Ｗｓｉｎθが大きくなると、雄ネジ部１２ｂが滑りシャフト１３が回転する。一般に、摩擦力μＷｃｏｓθと滑る力Ｗｓｉｎθが釣り合うとき、μ＝ｔａｎθとなり、このθは摩擦角と呼ばれる。

ＷＧバルブ２には開弁方向の排気ガス圧力（以下、「開弁力」と称す）がかかるため、このＷＧバルブ２に連結されるシャフト１３にも開弁方向に負荷Ｗがかかるが、シャフト１３の雄ネジ部１２ｂとロータ６の雌ネジ部１２ａとの間に摩擦力μＷｃｏｓθが作用することにより、シャフト１３が回転しにくくなる。つまり、ネジ機構１２を設けることにより、シャフト１３にかかる排気ガスの開弁力を小さくすることができる。

排気ガスの開弁力に抗してシャフト１３の位置を保持する力は、ネジ機構１２に生じる摩擦力と、直流モータ４の保持トルクとを合計した力と略等しいので、ネジ機構１２の摩擦力が大きくなれば、その分、直流モータ４の保持トルクを小さくでき、保持電流を小さくすることができる。従って、従来のように平ギアを介して直流モータ４のトルクをＷＧバルブ２へ伝達する構成に比べて、実施の形態１のようにネジ機構１２を介して直流モータ４のトルクをＷＧバルブ２へ伝達する構成の方が、直流モータ４への通電電流を小さくすることができる。

また、ネジ機構１２のリード角θを小さくすると、摩擦力μＷｃｏｓθが大きくなるので、負荷Ｗに抗してシャフト１３の位置を保持するために必要な保持トルクが小さくなり、保持電流も小さくできる。反対に、リード角θを大きくすると、摩擦力μＷｃｏｓθが小さくなるので、大きな保持トルクが必要となり保持電流も大きくなる。

図４は、ネジ機構１２のリードＬを説明する図であり、図４（ａ）は雄ネジ部１２ｂを小さいリード角θ、つまり短いリードＬにした例、図４（ｂ）は大きいリード角θ、つまり長いリードＬにした例を示す。図４では雄ネジ部１２ｂを示したが、雌ネジ部１２ａも同様である。小さいリード角θの雄ネジ部１２ｂはリードＬが短いので、ロータ６が回転する速度に対してシャフト１３が直線移動する速度が遅くなり、応答性が低下する。反対に、大きいリード角θの雄ネジ部１２ｂはリードＬが長いので、ロータ６が回転する速度に対してシャフト１３が直線移動する速度が速くなり、応答性が向上する。

このように、ネジ機構１２のリード角を小さくすると、直流モータ４の保持電流は小さくなり、応答性は低下する。反対に、リード角を大きくすると、直流モータ４への保持電流は大きくなり、応答性は向上する。以上の特性を踏まえ、ＷＧアクチュエータ１の設計時には所望の保持電流および応答性を満たすようにネジ機構１２のリード角を決定する。なお、排気通路１００を流れる排気ガスの圧力は時間と共に変動し、また、ＷＧバルブ２にかかる排気ガス圧力はＷＧバルブ２の開度によって異なるため、例えば、保持電流の平均値に応じたリード角を選定したり、保持電流の最大値に応じたリード角を選定したりすればよい。

さらに、雌ネジ部１２ａと雄ネジ部１２ｂの間で滑りが生じないように、摩擦角より雄ネジ部１２ｂのリード角を小さくすることが望ましい。具体的には、図３においてネジ機構１２の斜面１２ｃの摩擦係数μとリード角θとがμ＞ｔａｎθとなるように、リード角θを選定する。これにより、負荷Ｗがかかったとしても、滑る力Ｗｓｉｎθより摩擦力μＷｃｏｓθの方が大きくなりシャフト１３は回転しないため、保持電流をゼロにすることができる。

以上においては、ネジ機構１２のリード角を小さくすることにより直流モータ４の保持電流を小さくする例を説明したが、以下では、リード角の変更に加えて制御装置２０の制御方法を変更することにより保持電流を小さくする例を説明する。
ここでは、図１に示したＷＧアクチュエータ１において、ＷＧバルブ２の全閉位置までシャフト１３をハウジング１５内に引き込んだときに、ストッパ１５ｃと当て部１３ｃとが当接してシャフト１３の移動を規制する構成とする。この構成において、制御装置２０は、位置センサ１６により検出されるシャフト１３の実ストローク位置に基づいて、ＷＧバルブ２の全閉位置までシャフト１３を引き込んだと判定したとき、判定時から予め定められた時間が経過するまでのあいだ直流モータ４への通電電流を維持して、当該シャフト１３の当て部１３ｃがストッパ１５ｃに当接した状態でロータ６を回転させてネジ機構１２を増し締めする。これにより、雌ネジ部１２ａと雄ネジ部１２ｂの間の摩擦力が大きくなり、負荷Ｗがかかったとしてもシャフト１３は回転しにくくなる。よって、上述の予め定められた時間が経過した後、シャフト１３をＷＧバルブ２の全閉位置に保持する際、保持電流を小さくできる。なお、上述の予め定められた時間は、制御装置２０内のメモリに予め記憶されているものとする。

なお、図１に示したＷＧアクチュエータ１はシャフト１３を引き込んでＷＧバルブ２を閉弁する構成であったが、反対にシャフト１３を押し出してＷＧバルブ２を閉弁する構成の場合には、制御装置２０は、ＷＧバルブ２の全閉位置までシャフト１３を押し出したと判定したときに、直流モータ４への通電電流を予め定められた時間維持して、当該シャフト１３の当て部１３ｂがストッパ１５ｂに当接した状態でロータ６を回転させてネジ機構１２を増し締めする。

以上より、実施の形態１によれば、ＷＧアクチュエータ１は、直流モータ４と、ターボチャージャのＷＧバルブ２を開閉するシャフト１３と、直流モータ４の回転運動をシャフト１３の直線運動に変換するネジ機構１２とを備える構成にしたので、ネジ機構１２に生じる摩擦力をシャフト１３の位置保持に利用して直流モータ４への保持電流を小さくすることができる。また、ネジ機構１２のリード角を、シャフト１３の位置保持に必要な直流モータ４の保持電流に応じた角度にすることにより、ＷＧアクチュエータ１の設計時に直流モータ４への保持電流を調整することができる。小さいリード角を採用したＷＧアクチュエータ１では、大きいリード角を採用したＷＧアクチュエータ１に比べ、シャフト１３の位置保持に必要な保持電流を小さくできる。

また、実施の形態１によれば、ネジ機構１２のリード角を摩擦角より小さくすることで、排気ガスの圧力を受けてもシャフト１３が回転せず、直流モータ４への保持電流をゼロにできる。

また、実施の形態１によれば、ＷＧアクチュエータ１は、ＷＧバルブ２が全閉する位置でシャフト１３の直線運動を規制するストッパ１５ｃを備え、制御装置２０は、ＷＧバルブ２を全閉する場合、シャフト１３の直線運動に必要な直流モータ４の電流を、シャフト１３がストッパ１５ｃに規制された状態で予め定められた時間が経過するまで維持する構成とすることで、ＷＧバルブ２を全閉したときにネジ機構１２の摩擦力を大きくできる。これにより、シャフト１３をＷＧバルブ２の全閉位置に保持するために必要な保持電流を小さくできる。

なお、上記説明では、本発明に係るＷＧアクチュエータ１のシャフト１３とＷＧバルブ２とを、リンク機構３を用いて連結する構成を示したが、リンク機構３を用いずに直接シャフト１３とＷＧバルブ２とを連結する構成であってもよい。
また、本発明に係るＷＧアクチュエータ１と、駆動対象物であるＷＧバルブ２とを備えたＷＧバルブ駆動装置として構成してもよい。

上記以外にも、本発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、または実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係るＷＧアクチュエータは、直流モータへ通電する電流を小さくできるので、車両に搭載されるアクチュエータなどに用いるのに適している。

１ ＷＧアクチュエータ、２ ＷＧバルブ、３ リンク機構、３ａ，３ｂ プレート、３ｃ 支点、４ 直流モータ、５ マグネット、６ ロータ、７ コイル、８ ステータ、９ 整流子、１０ 外部端子、１１ａ，１１ｂ ブラシ、１２ ネジ機構、１２ａ 雌ネジ部、１２ｂ 雄ネジ部、１２ｃ 斜面、１３ シャフト、１３ａ 回転規制部、１３ｂ，１３ｃ 当て部、１４ 軸受部、１５ ハウジング、１５ａ ガイド部、１５ｂ，１５ｃ ストッパ、１６ 位置センサ、１７ センサ用シャフト、１８ センサ用マグネット、２０ 制御装置、１００ 排気通路、１０１ バイパス通路、Ｄ 有効直径、Ｌ リード、Ｗ 負荷、θ リード角。

Claims (5)

1. 直流モータと、
   ターボチャージャのウエストゲートバルブを開閉するシャフトと、
   前記直流モータの回転運動を前記シャフトの直線運動に変換するネジ機構とを備え、
   前記ネジ機構のリード角は、前記シャフトの位置保持に必要な前記直流モータの電流に応じた角度であることを特徴とするウエストゲートアクチュエータ。
2. 前記ネジ機構のリード角は摩擦角より小さいことを特徴とする請求項１記載のウエストゲートアクチュエータ。
3. 前記シャフトの位置を検出する位置センサと、
   前記位置センサにより検出される前記シャフトの位置に基づいて前記直流モータへ通電する電流を調整する制御装置とを備えることを特徴とする請求項１記載のウエストゲートアクチュエータ。
4. 前記ウエストゲートバルブが全閉する位置で前記シャフトの直線運動を規制するストッパを備え、
   前記制御装置は、前記ウエストゲートバルブを全閉する場合、前記シャフトの直線運動に必要な前記直流モータの電流を、前記シャフトが前記ストッパに規制された状態で予め定められた時間が経過するまで維持することを特徴とする請求項３記載のウエストゲートアクチュエータ。
5. 請求項１記載のウエストゲートアクチュエータと、
   前記ウエストゲートアクチュエータによって駆動されるウエストゲートバルブとを備えることを特徴とするウエストゲートバルブ駆動装置。

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