JPWO2017154139A1

JPWO2017154139A1 - バルブ装置

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Publication number: JPWO2017154139A1
Application number: JP2018503918A
Authority: JP
Inventors: 友邦加藤; 篤司森本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2036-03-09
Also published as: CN108779868A; US10774795B2; WO2017154139A1; US20190085796A1; CN108779868B; JP6472569B2; DE112016006566T5; DE112016006566B4

Abstract

バルブ装置（１）では、バルブ（３３）が閉じる際に、アクチュエータ部（１０）の出力軸とバルブ（３３）との間が連結されている。バルブ装置（１）の制御部は、雰囲気温度が高いほど、制御定数をアクチュエータ部（１０）の応答速度が遅くなる方向の値に決定して、フィードバック制御を行う。

Description

この発明は、流体の流量を制御するバルブ装置に関する。

例えば特許文献１に記載の電流制御型電磁弁のように、従来から、バルブ装置の制御をフィードバック制御で行うことが知られている。
バルブ装置は、モータ等を含むアクチュエータ部を有する。アクチュエータ部は、種々の部品から構成されており、強度的に弱い箇所が、例えば部品同士の接続箇所で発生する。特に、アクチュエータ部とバルブとの間が連結された状態でバルブ装置が閉弁するように構成されている場合、閉弁時にバルブがバルブシートに接触した際の衝撃は、バルブからアクチュエータ部にまでダイレクトに伝わる。そのため、アクチュエータ部における強度的に弱い箇所への配慮が必要となる。

特開平７―２２９５７７号公報

ところで、例えば、アクチュエータ部のモータのグリスは、高温になるにつれて粘性が下がる。従って、フィードバック制御で用いる制御定数を温度環境に依らず固定してバルブ装置を制御した場合、高温環境下ほどグリスによるモータの回転への抵抗が減って、バルブの移動速度が速くなる。その結果、高温環境下ほど閉弁時の衝撃が強くなり、当該衝撃がアクチュエータ部に伝わって、アクチュエータ部の破損に繋がる恐れがある。他方、フィードバック制御で用いる制御定数を、グリスの粘性が低い高温環境下での閉弁時の衝撃が許容値以下に抑えられるように固定した場合、今度はグリスの粘性が高い低温環境下でバルブの移動速度が無駄に遅くなり、アクチュエータ部の出力軸が目標の位置まで回転されるまでに要する時間と同義であるアクチュエータ部の応答速度が高温環境下と比べ遅くなる、という問題が生じる。

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、変動する温度環境下であっても、アクチュエータ部の応答速度が遅くなることなく閉弁時の衝撃を抑えるように制御されるバルブ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るバルブ装置は、互いに固着された構成部品を有するアクチュエータ部と、アクチュエータ部の駆動力により流体通路を開閉するバルブと、少なくともバルブが閉じる際に、アクチュエータ部の出力軸とバルブとの間を連結する連結部と、フィードバック制御によりアクチュエータ部を制御する制御部とを備え、制御部は、雰囲気温度が高いほど、フィードバック制御で用いる制御定数をアクチュエータ部の応答速度が遅くなる方向の値に決定することを特徴とするものである。

この発明によれば、制御部は、雰囲気温度が高いほど、フィードバック制御で用いる制御定数をアクチュエータ部の応答速度が遅くなる方向の値に決定するので、変動する温度環境下であっても、アクチュエータ部の応答速度が遅くなることなく閉弁時の衝撃を抑えるように制御されるバルブ装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係るバルブ装置を示す部分断面図である。この発明の実施の形態１に係るバルブ装置の一部を抜き出して示す断面図である。この発明の実施の形態１に係るバルブ装置の制御の概念を示す図である。この発明の実施の形態１に係るバルブ装置の制御の概念を示す図である。

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、この発明の実施の形態１に係るバルブ装置１を示す部分断面図である。図１は、バルブ装置１が、エンジンの排気ガスを吸気通路に循環させる排気ガス再循環バルブ（以下、ＥＧＲバルブと称す）に具体化された場合を示している。
バルブ装置１は、バタフライ式と呼ばれるタイプのバルブ装置であって、バルブ開閉の回転駆動力を発生させるアクチュエータ部１０と、アクチュエータ部１０の駆動力をシャフト３２に伝えるギア部２０と、排気ガスが流れる流体通路３４をバルブ３３で開閉して流体の流量を制御するバルブ部３０とを有する。

アクチュエータ部１０は、モータ１１を有し、モータ１１の出力軸の一端側は、ギアボックス２１の内部に伸びたピニオンギア２２になっている。ピニオンギア２２は、ギア２３と噛み合っている。ギア２３には、ベアリング２４の内輪に固定されて回転自在に支持されたシャフト３２が、固定されている。シャフト３２には、バルブ３３が固定されている。

モータ１１が駆動すると、ピニオンギア２２が回転し、ギア２３を回転させる。モータ１１の駆動力は、ピニオンギア２２及びギア２３を介して、シャフト３２へ伝えられる。シャフト３２は、モータ１１の駆動力が伝えられることにより回転して、シャフト３２に固定されているバルブ３３も一体に回転する。
なお、図示のギア２３は、平面視扇形となっており、円弧状に並んだ噛み合い溝でピニオンギア２２と噛み合っている。しかしながら、シャフト３２にギア２３に代えて平面視円形のギアを固定し、当該ギアとピニオンギア２２との間を平面視円形の任意の個数のギアでつなげて、モータ１１の駆動力をシャフト３２に伝えるよう構成してもよい。要は、バルブ３３からアクチュエータ部１０に至るまでに設けられる各ギアは、噛み合って連結した状態となるものであればよい。

ギア部２０のハウジングは、ギアボックス２１とギアカバー２５とで構成される。ギアカバー２５には、スプリングホルダ２６が取り付けられ、シャフト３２の上端側にリターンスプリング２７が配置されている。リターンスプリング２７は、フェールセーフとして働き、バルブ３３がバルブシート３５に接触する閉弁位置へ戻る回転方向に、シャフト３２を付勢する。上端側は、バルブ部３０から見てアクチュエータ部１０及びギア部２０が位置する側である。ギアカバー２５には、図示のようにアクチュエータ部１０が取り付けられている。

バルブ部ハウジング３１には、外部と流体通路３４とを連通する貫通孔３６が形成されている。シャフト３２は、貫通孔３６に挿入された状態となっている。貫通孔３６の上端側にはフィルタ３７、下端側にはブッシュ３８が設けられている。シャフト３２の上端側は、ベアリング２４で支持され、下端側はブッシュ３８で支持される。円筒形状の流体通路３４の内面には、バルブシート３５が設けられている。
モータ１１の駆動により、上記した通りバルブ３３はシャフト３２と一体に回転して、バルブシート３５との間の隙間を変化させることで、流体の流量が制御される。

図２は、バルブ装置１の一部を抜き出して示す断面図である。具体的には、図２は、バルブシート３５及び当該バルブシート３５に対して接触し又は離れるバルブ３３から、アクチュエータ部１０のモータ１１に至るまでの部分を示している。
バルブ３３は、シャフト３２に、ピンの圧入、カシメ、ねじ止め等により固定されている。また、シャフト３２は、ギア２３に、例えば圧入固定されている。ギア２３は、ピニオンギア２２に、噛み合った状態で設置されている。ピニオンギア２２は、モータ１１の出力軸１１ａの一端側に形成され、出力軸１１ａは、ロータ１１ｂに、例えばインサート成形等により固定されている。モータ１１は、出力軸１１ａと、ロータ１１ｂと、ベアリング１１ｃと、マグネット部１１ｄ等を有する。

出力軸１１ａが固定されたロータ１１ｂは、ベアリング１１ｃにより回転自在に支持される。マグネット部１１ｄは、マグネット１１ｅをベース１１ｆにインサート成形等により固定したものであり、マグネット１１ｅは、ロータ１１ｂの回転軸に垂直な面に設けられた磁極位置検出用のマグネットである。
ロータ１１ｂとマグネット部１１ｄは、蓋体１１ｇがロータ１１ｂとマグネット部１１ｄの双方に溶着されることで、互いに固定された状態となっている。なお、ロータ１１ｂとマグネット部１１ｄは、溶着以外の方法で固定されてもよく、本発明では、溶着等の部品同士の種々の固定方法を総称して、固着と称する。
また、不図示としたが、モータ１１は、周知の通りステータ等をも有している。

図２に示すように、バルブ３３からモータ１１の出力軸１１ａに至るまでの各部品が連結されて連結部を成した状態で閉弁するように、バルブ装置１が構成されている場合、閉弁時にバルブ３３がバルブシート３５に接触した際の衝撃は、バルブ３３からモータ１１にまでダイレクトに伝わる。モータ１１は、図２に示す各部品同士の接続箇所、特にロータ１１ｂとマグネット部１１ｄとが蓋体１１ｇに溶着されて固着されている部分が強度的に弱くなっており、閉弁時の衝撃で破損しやすく、バルブ装置１の故障に繋がる。連結部は、具体的には、バルブ３３と出力軸１１ａとの間を連結するシャフト３２及びギア２３を有する。

バルブ装置１は、以上のような機構となっており、不図示の制御部でモータ１１に供給される電流を制御するなどして、その駆動を制御することで、開閉動作が制御される。その際、制御部は、フィードバック制御を行っている。制御部は、例えばマイクロコントローラで構成され、図１に示すようにモータ１１に対向した基板１２に実装されて、アクチュエータ部１０に内蔵されている。基板１２には、他にも、マグネット１１ｅに対向する位置に不図示のホールＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）が実装されるなどしている。

次に、制御部による制御について、図３に示す制御の概念図を用いて説明する。
制御部は、不図示の温度センサが出力した検出信号を用いて、モータ１１の雰囲気温度Ｔを取得し、取得した雰囲気温度Ｔに基づきフィードバック制御で用いる制御定数を選択して決定する。図３に示すように、雰囲気温度Ｔに対応する制御定数は予め設定されて不図示の記憶部に格納されており、制御部は、当該記憶部にアクセスすることで、用いるべき制御定数を選択する。

例えば、雰囲気温度ＴがＴ１以下の場合、制御部は、対応する制御定数として制御定数Ａ１を選択し、制御定数Ａ１を用いてフィードバック制御を行う。
また例えば、雰囲気温度ＴがＴ１より大きくＴ２以下の場合、制御部は、対応する制御定数として制御定数Ａ２を選択し、制御定数Ａ２を用いてフィードバック制御を行う。
また例えば、雰囲気温度ＴがＴ２より大きくＴ３以下の場合、制御部は、対応する制御定数として制御定数Ａ３を選択し、制御定数Ａ３を用いてフィードバック制御を行う。
また例えば、雰囲気温度ＴがＴ３より大きい場合、制御部は、対応する制御定数として制御定数Ａ４を選択し、制御定数Ａ４を用いてフィードバック制御を行う。
図３では、雰囲気温度ＴがＴ２より大きくＴ３以下であり、制御定数Ａ３が選択される場合を、破線で示している。

制御定数Ａ１，Ａ２は、バルブ装置１が同一環境下に置かれている場合、制御定数Ａ１より制御定数Ａ２を用いて制御したほうがアクチュエータ部１０の応答速度が遅くなる関係にある。同様に、制御定数Ａ２，Ａ３は、バルブ装置１が同一環境下に置かれている場合、制御定数Ａ２より制御定数Ａ３を用いて制御したほうがアクチュエータ部１０の応答速度が遅くなる関係にある。同様に、制御定数Ａ３，Ａ４は、バルブ装置１が同一環境下に置かれている場合、制御定数Ａ３より制御定数Ａ４を用いて制御したほうがアクチュエータ部１０の応答速度が遅くなる関係にある。
つまり、制御部は、取得したモータ１１の雰囲気温度Ｔが高いほど、制御定数をアクチュエータ部１０の応答速度が遅くなる方向の値に決定して、フィードバック制御を行う。

雰囲気温度Ｔが高いと、モータ１１のベアリング１１ｃのグリスの粘性が下がるので、モータ１１に同じ大きさの電流を供給したとしても、雰囲気温度Ｔが低い場合と比較してバルブ３３の回転速度が速く、アクチュエータ部１０の出力軸１１ａが目標の位置まで回転されるまでに要する時間と同義であるアクチュエータ部１０の応答速度が、速くなる。従って、雰囲気温度Ｔが高いほど、強度的に弱いロータ１１ｂとマグネット部１１ｄとの固着部分に伝わる閉弁時の衝撃が大きくなる。
そこで、バルブ装置１の制御部は、雰囲気温度Ｔが高いほど、制御定数をアクチュエータ部１０の応答速度が遅くなる方向の値に決定することで、グリスの粘性が下がることによるバルブ３３の回転速度の上昇を相殺し、閉弁時にバルブ３３が所定の速度以下でバルブシート３５に接触するようにする。これにより、雰囲気温度Ｔが高くとも、閉弁時の衝撃が増加しないようにする。
上記した所定の速度とは、ロータ１１ｂとマグネット部１１ｄとの固着部分に伝わる衝撃が、当該固着部分を破損しない程度の値になるよう、実機の試験等により適宜設定される速度である。

例えば、制御部がフィードバック制御として比例制御を行うＰ制御を採用している場合、比例定数は、雰囲気温度Ｔが高いほど、小さくなる方向の値に決定される。比例定数は、比例ゲインとも呼ばれる。
また例えば、制御部がフィードバック制御として比例制御及び積分制御を行うＰＩ制御を採用している場合、比例定数は、雰囲気温度Ｔが高いほど、小さくなる方向の値に決定され、積分定数は、雰囲気温度Ｔが高いほど、大きくなる方向の値に決定される。積分定数は、積分時間とも呼ばれる。
これにより、雰囲気温度Ｔが高いほど、モータ１１に供給される電流が抑えられる一方でモータ１１のグリスの粘性は下がり、また、雰囲気温度Ｔが低いほど、モータ１１に供給される電流が大きくなる一方でモータ１１のグリスの粘性は上がるので、アクチュエータ部１０の応答速度は、雰囲気温度Ｔの値に依らずほぼ同様のものとなる。従って、閉弁時の衝撃を抑えつつも、アクチュエータ部１０の応答速度が遅くなることはない。

なお、温度センサが直接的に検出するのは、モータ１１の雰囲気温度Ｔ以外の温度であってもよい。温度センサがモータ１１の雰囲気温度Ｔを検出する構成は、雰囲気温度Ｔがモータ１１のグリスの温度と正の相関関係にあることを利用したものである。モータ１１のグリスの温度を直接的に測定することは困難な場合も多いため、ここでは、温度センサでモータ１１の雰囲気温度Ｔを検出するとした例を示した。
これに限らず、雰囲気温度Ｔは、バルブ装置１の内部及び周辺の種々の箇所での温度とも正の相関関係にあるので、温度センサを任意の箇所に設け、当該温度センサが検出した温度に応じて制御部が制御定数を決定するものであってもよい。例えば、温度センサを、マイクロコントローラとした制御部と共に基板１２に実装されて、当該マイクロコントローラの温度を検出するサーミスタとすることが考えられる。当該マイクロコントローラの温度もまた、雰囲気温度Ｔ及びモータ１１のグリスの温度と正の相関関係にある。例えば、当該マイクロコントローラの温度が８０度を超えると、モータ１１のグリスは粘性が下がる温度となり、制御部は、温度に応じて制御定数を決定する処理の適用を開始する。

要は、制御部が制御定数を決定する際に用いる雰囲気温度は、モータ１１のグリスの温度を実質的に把握できるものであればよく、制御部は、モータ１１のグリスの温度に応じて制御定数を決定する制御を実質的に行うものであればよい。

また、図３では、雰囲気温度Ｔを４つの温度区間に分割してそれぞれに制御定数Ａ１〜Ａ４を対応させた場合を示したが、雰囲気温度Ｔの分割数は、任意で構わない。分割数が多いほど、細やかに雰囲気温度Ｔを考慮した制御が可能となる。一方、分割数が少ないほど、制御を簡素とすることができる。

また、図４に示すように、制御定数を同一とする温度区間の幅が、温度が高いほど狭まるように雰囲気温度Ｔと制御定数を対応付けてもよい。図４中の各温度区間Ｓ１〜Ｓ７は、それぞれ同一の制御定数でフィードバック制御が行われる区間を示している。これにより、制御部は、制御定数を同一とする温度区間の幅を、温度が高いほど狭くして制御定数を決定する制御を行うことになる。このようにすると、高温環境下でバルブ装置１を高精度に制御することが可能となる。特に、バルブ装置１がＥＧＲバルブである場合、制御部を構成するマイクロコントローラの温度が１１５度付近となる環境下でバルブ装置１が作動する機会が多い。作動する機会の多い温度付近で、制御定数を同一とする温度区間の幅が特に狭まるようにすると、好ましい。

また、その際、制御部は、フィードバック制御として比例制御、積分制御及び微分制御を行うＰＩＤ制御を採用して、雰囲気温度Ｔが高いほど微分定数を大きくなる方向の値に決定してもよい。高温環境下ほどバルブ３３のチャタリングが生じやすいので、微分定数を大きくすることでチャタリングを抑える。微分定数は、微分時間とも呼ばれる。

また、上記では、バルブ装置１をＥＧＲバルブとして用いる場合を説明したが、ＥＧＲバルブ以外のバルブ装置として用いても構わない。例えば、バルブ装置１は、ウエストゲートバルブ、ＶＧ（ＶａｒｉａｂｌｅＧｅｏｍｅｔｒｙ）ターボでの流量制御用のバルブ等、変動する温度環境下に置かれるバルブ装置として用いることができる。
また、上記では、バルブ装置１をバタフライ式のバルブ装置として説明した。しかしながら、バルブ装置１は、モータ１１の出力軸１１ａすなわちアクチュエータ部１０の出力軸とバルブ３３との間が、少なくともバルブ３３が閉じる際に連結された状態となる構成であれば、バタフライ式以外のバルブ装置であってもよい。

以上のように、この実施の形態１に係るバルブ装置１によれば、当該バルブ装置１の制御部は、モータ１１の雰囲気温度Ｔが高いほど、制御定数をアクチュエータ部１０の応答速度が遅くなる方向の値に決定して、フィードバック制御を行う。これにより、変動する温度環境下であっても、アクチュエータ部１０の応答速度が遅くなることなく閉弁時の衝撃を抑えることができる。

また、制御部は、制御定数を同一とする温度区間の幅を、温度が高いほど狭くして制御定数を決定することとした。このようにすると、高温環境下でバルブ装置１を高精度に制御することが可能となる。

また、制御部は、フィードバック制御として微分制御を含む制御を行い、雰囲気温度が高いほど、当該制御で用いる微分定数を大きくなる方向の値に決定することとした。このようにすると、チャタリングを抑えることが可能となる。

また、バルブ装置１は、バルブ３３が回転することで流体通路３４を開閉するバタフライバルブであることとした。このように、バルブ装置１は、バタフライタイプのバルブ装置を設けるのが好適な箇所に設けて使用することができる。

また、バルブ装置１は、ＥＧＲバルブであることとした。このように、バルブ装置１は、ＥＧＲバルブとして使用することができる。

また、アクチュエータ部１０に、制御部が内蔵されていることとした。このようにすると、制御部が実装されてモータ１１の近くに置かれる基板１２にサーミスタを設けることができるので、モータ１１のグリスの温度と強い相関関係にある箇所の温度を、制御に利用しやすくなる。

なお、本願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、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

以上のように、この発明に係るバルブ装置は、変動する温度環境下であっても、アクチュエータ部の応答速度が遅くなることなく閉弁時の衝撃を抑えるように制御されるので、例えばＥＧＲバルブとして用いるのに適している。

１バルブ装置、１０アクチュエータ部、１１モータ、１１ａ出力軸、１１ｂロータ、１１ｃベアリング、１１ｄマグネット部、１１ｅマグネット、１１ｆベース、１１ｇ蓋体、１２基板、２０ギア部、２１ギアボックス、２２ピニオンギア、２３ギア、２４ベアリング、２５ギアカバー、２６スプリングホルダ、２７リターンスプリング、３０バルブ部、３１バルブ部ハウジング、３２シャフト、３３バルブ、３４流体通路、３５バルブシート、３６貫通孔、３７フィルタ、３８ブッシュ。

この発明に係るバルブ装置は、互いに固着された構成部品を有するアクチュエータ部と、アクチュエータ部の駆動力により流体通路を開閉するバルブと、少なくともバルブが閉じる際に、アクチュエータ部の出力軸とバルブとの間を連結する連結部と、フィードバック制御によりアクチュエータ部を制御する制御部とを備え、制御部は、雰囲気温度が高いほど、フィードバック制御で用いる制御定数をアクチュエータ部の応答速度が遅くなる方向の値に決定し、制御定数を同一とする温度区間の幅は、雰囲気温度が高いほど狭いことを特徴とするものである。

Claims

互いに固着された構成部品を有するアクチュエータ部と、
前記アクチュエータ部の駆動力により流体通路を開閉するバルブと、
少なくとも前記バルブが閉じる際に、前記アクチュエータ部の出力軸と前記バルブとの間を連結する連結部と、
フィードバック制御により前記アクチュエータ部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、雰囲気温度が高いほど、前記フィードバック制御で用いる制御定数を前記アクチュエータ部の応答速度が遅くなる方向の値に決定することを特徴とするバルブ装置。
前記制御部は、制御定数を同一とする温度区間の幅を、温度が高いほど狭くして制御定数を決定することを特徴とする請求項１記載のバルブ装置。
前記制御部は、前記フィードバック制御として微分制御を含む制御を行い、前記雰囲気温度が高いほど、当該制御で用いる微分定数を大きくなる方向の値に決定することを特徴とする請求項２記載のバルブ装置。
前記バルブが回転することで前記流体通路を開閉するバタフライバルブであることを特徴とする請求項１記載のバルブ装置。
排気ガス再循環バルブであることを特徴とする請求項１記載のバルブ装置。
前記アクチュエータ部に、前記制御部が内蔵されていることを特徴とする請求項１記載のバルブ装置。