JPWO2018003085A1 - 車載用アクチュエータ - Google Patents

Abstract

永久磁石（５）と、永久磁石（５）の内側に回転可能に配置された回転子（６）と、回転子（６）の中央穴（６ａ）に形成された雌ネジ部（６ｂ）と螺合する雄ネジ部（２ａ）を有し、回転子（６）の回転を直線運動に変換して直線移動するシャフト（２）と、シャフト（２）の軸方向の一端部に固定された、当該シャフト（２）の直動位置を検出するためのポジションセン用サマグネット部（１０）とを備えた。

Description

この発明は、車両用のバルブ等を駆動する車載用アクチュエータに関するものである。

一般に、自動車エンジン等においては、フィードバック制御される種々のアクチュエータが用いられる。例えば、エンジン排気ガスを吸気通路に循環させる排気ガス循環バルブ、またはターボ排気圧を調整するウェストゲートバルブを駆動するためのアクチュエータとしては、直動出力のアクチュエータが用いられている。
この直動出力の車載用アクチュエータでは、磁石の磁場により発生した回転力により回転子が回転され、この回転子の回転がねじ機構により直線運動に変換される。ねじ機構を構成する出力シャフトの直動位置はポジションセンサで検出され、検出された出力シャフトの直動位置に応じて回転子の回転動作が制御されることにより、バルブの開弁または閉弁が制御される。

出力シャフトの直動位置を検出する構造として、例えば特許文献１に開示された構造が用いられている。特許文献１の電制アクチュエータでは、出力シャフトの直動位置を検出するために、ポジションセンサ用マグネット部が固定された検出シャフトを、付勢部材により出力シャフト側に付勢させながら組み付け、検出シャフトを出力シャフトに追動させる。ポジションセンサは、ポジションセンサ用マグネット部の磁気変化から検出シャフトの変位量を検出し、検出した変位量に基づいて出力シャフトの直動位置を検出する。

国際公開第２０１２／０１７４７６号

上記特許文献１に記載された車載用アクチュエータは、従来製品として求められてきた出力シャフトのシャフト長であれば十分に構成可能であった。また、組立が容易となることから、特許文献１のように出力シャフトと検出シャフトとを分割した構造が採用されていた。
しかし、近年では、出力シャフトのシャフト長を長くすることが要求されており、出力シャフトのシャフト長が長くなると、ポジションセンサ用マグネット部に用いる検出用磁石が大型化する。検出用磁石が大型化すると、車両の振動環境を考慮した場合に、ポジションセンサ用マグネット部が固定された検出シャフトを出力シャフトに付勢する付勢部材の付勢力を増加させる必要があり、増大した付勢部材の荷重を受ける側の部材も大型化してしまう。これらにより、車載用アクチュエータ全体が大型化してしまうという課題が生じていた。
また、車載用アクチュエータの組み立てを考慮すると、出力シャフトと検出シャフトとを一体化させることが困難であり、付勢部材および付勢部材の付勢力を受けるための部材を省略することができないという課題あった。

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、シャフト長の長いシャフトを適用した場合にも、車載用アクチュエータ全体のサイズが大型化するのを抑制することを目的とする。

この発明に係る車載用アクチュエータは、固定子と、固定子の内側に回転可能に配置された回転子と、回転子の中央の穴部に形成された雌ネジ部と螺合する雄ネジ部を有し、回転子の回転を直線運動に変換して直線移動するシャフトと、シャフトの軸方向の一端部に固定された、当該シャフトの直動位置を検出するためのポジションセンサ用マグネット部とを備えたものである。

この発明によれば、シャフト長の長いシャフトを適用した場合にも、車載用アクチュエータ全体のサイズが大型化するのを抑制することができる。

実施の形態１に係る車載用アクチュエータの構成を示す部分断面図である。 実施の形態１に係る車載用アクチュエータのシャフトとポジションセンサ用マグネット部との固定構造を示す部分断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 実施の形態１に係る車載用アクチュエータの金属部材の斜視図である。 シャフトとシャフト固定部との固定領域を示す図である。 シャフトとシャフト固定部とをねじ止めした状態を示す図である。 実施の形態２に係る車載用アクチュエータの構成を示す部分断面図である。 実施の形態２に係る車載用アクチュエータのシャフトとポジションセンサ用マグネット部との固定構造を示す部分断面図である。 図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃは、ポジションセンサ用マグネット部とケースの関係を示す図である。 実施の形態３に係る車載用アクチュエータのシャフトとポジションセンサ用マグネット部との固定構造を示す部分断面図である。

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、実施の形態１に係る車載用アクチュエータの構成を示す部分断面図である。
図１では、一例として、車載用アクチュエータ１がターボ用ウェストゲートアクチュエータである場合を示している。車載用アクチュエータ１は、シャフト２と、シャフト２に連結したロッド３と、ロッド３を直動方向へ直線移動させるモータ部４と、ブラシ８、電源供給端子部９およびポジションセンサ２０等を備える。ロッド３の端部には、レバー３０が屈曲自在に取り付けられている。レバー３０は、支点３１を中心に回動し、一体となって動いてウェストゲートを開閉するウェストゲートバルブ（不図示）が固定されている。

図１では、モータ部４としてブラシ付きモータを用いた場合を示している。モータ部４は、固定子である永久磁石５、回転子６、整流子７等を備える。
永久磁石５は、車載用アクチュエータ１内の部材に固定される。回転子６は、永久磁石５の内側に回転可能に配置される。また、回転子６は、コア６１と、このコア６１に装着されるボビン６２と、このボビン６２に巻回されるコイル６３とで構成されている。コイル６３は、整流子７に接続され、この整流子７とブラシ８とが摺接して電源供給端子部９から供給された電源が、コイル６３に供給される。ポジションセンサ用マグネット部１０は、シャフト２の一端部に固定され、シャフト２の直動方向Ｘへの直線移動に追従し、ケース１３内を直動方向Ｘに直線移動する。ポジションセンサ用マグネット部１０は、シャフト２の直動位置を検出するための磁気発生媒体である。ポジションセンサ２０は、ポジションセンサ用マグネット部１０の磁気変化を読み取り、シャフト２の直動位置を検出する。ケース１３は、ポジションセンサ用マグネット部１０等を収容する筐体である。

回転子６の中央に設けた穴部である中心穴６ａには雌ネジ部６ｂが形成されている。シャフト２の外周面には、回転子６の雌ネジ部６ｂに螺合する雄ネジ部２ａが形成されている。シャフト２の雄ネジ部２ａが形成されていない一端側は回転子６の中心穴６ａに挿入され、他端側はモータ部４から外部に突出してロッド３の一端と直結される。
回転子６の中心穴６ａに挿入されたシャフト２の雄ネジ部２ａが形成されていない一端側は、ポジションセンサ用マグネット部１０と固定される。シャフト２の他端側は、ロッド３に連結される。

モータ部４のロッド３側には、シャフト２を直動方向Ｘに移動自在に支持するガイド穴１１を開設したボス１２が固定されている。ボス１２のガイド穴１１には、シャフト２が挿通され、シャフト２の軸方向への移動がサポートされる。ガイド穴１１は正円ではなく、シャフト２の回転を抑制する形状、例えば楕円、一部に直線を有する円の形状または十字形状等であり、シャフト２の外周もガイド穴１１の内周形状に相当する形状を有している。このボス１２のガイド穴１１に、シャフト２を挿通されることにより、シャフト２の軸周りの回転を抑制し、且つ軸方向への移動をサポートしている。

次に、車載用アクチュエータ１の動作を説明する。
電源供給端子部９、ブラシ８、整流子７を介して回転子６に電源が供給されると、電磁気力が発生し、永久磁石５の磁場による回転力が回転子６に発生する。回転子６が回転すると、その中心穴６ａの雌ネジ部６ｂと螺合しているシャフト２の雄ネジ部２ａが該雌ネジ部６ｂから駆動力を受ける。シャフト２は、ボス１２に設けられたガイド穴１１にサポートされ、回転することなく直動方向Ｘに直線移動し、当該シャフト２に直結されたロッド３のレバー３０の一端を押圧する。押圧されたレバー３０は、支点３１を中心に回動してウェストゲートバルブ（不図示）を開弁また閉弁状態にする。また、ポジションセンサ２０は、シャフト２の直動位置を検出する。

次に、シャフト２とポジションセンサ用マグネット部１０との固定構造について、図２から図４を参照しながら説明する。
図２は、実施の形態１に係る車載用アクチュエータ１のシャフト２とポジションセンサ用マグネット部１０との固定構造を示す部分断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。図４は、金属部材１４の斜視図である。
図２および図３に示すように、ポジションセンサ用マグネット部１０は、検出用磁石１０ａと、検出用磁石１０ａに取り付けられた金属部材１４と、樹脂材料等の外装部材１０ｂとで一体構造となっている。検出用磁石１０ａ、外装部材１０ｂおよび金属部材１４の一体構造は、例えば検出用磁石１０ａとこの検出用磁石１０ａに固定された金属部材１４とを、外装部材１０ｂで鋳込み、成形することにより形成される。

金属部材１４は、図４に示すように、シャフト２の外周面に固定される円柱形状のシャフト固定部１４ａと、検出用磁石１０ａの外周面に固定される四角柱形状の検出用磁石固定部１４ｂを有している。シャフト固定部１４ａと検出用磁石固定部１４ｂは、例えば金属板を折り曲げ成形して形成される。検出用磁石固定部１４ｂは検出用磁石１０ａに固定され、外装部材１０ｂで鋳込まれる。なお、シャフト固定部１４ａは、ポジションセンサ用マグネット部１０の外装部材１０ｂから突出するように鋳込みが行われる。
なお、図４で示した金属部材１４の形状は一例であり、検出用磁石１０ａの大きさおよび形状、シャフト２の太さおよび形状に応じて適宜変更される。例えば、検出用磁石１０ａを円柱形状都市、検出用磁石固定部１４ｂを円筒径としてもよい。また、金属部材１４は、シャフト２をポジションセンサ用マグネット部１０に固定させるために必要となる強度が確保できる形状であればよく、図４の形状に限定されるものではない。

シャフト２の一端側は、シャフト固定部１４ａに挿入または圧入される。シャフト２とシャフト固定部１４ａとの固定強度を確保するために、上記挿入または圧入の後にシャフト２の側面とシャフト固定部１４ａの端部とを、溶接、接着またはかしめ等の固定方法を用いて固定してもよい。図５は、シャフト２とシャフト固定部１４ａとの固定領域の一例を示す図であり、領域Ｂで示した部分が溶接、接着またはかしめ等の固定方法で固定される。

また、シャフト２とシャフト固定部１４ａとの固定強度を確保するために、シャフト２とシャフト固定部１４ａとを、シャフト２の軸方向に対して垂直方向からねじ止めまたはピン止めしてもよい。図６は、シャフト２とシャフト固定部１４ａとをネジ１５を用いてねじ止めした状態を示す図である。ネジ１５を用いてねじ止めを行う領域を確保するために、シャフト固定部１４ａをシャフト２の軸方向の長さを、ネジ１５を用いてねじ止めができる程度に長くすれば良い。

上述した構成を用いた車載用アクチュエータ１は、モータ部４にシャフト２を挿通させた後、シャフト２の一端側をポジションセンサ用マグネット部１０のシャフト固定部１４ａに挿入または圧入し、必要であれば溶接、接着、かしめ、ねじ止めまたはピン止め等の固定処理を行う。その後、ケース１３をポジションセンサ用マグネット部１０に嵌め込み、組み付けを行う。

検出用磁石１０ａと共に一体構造とされた金属部材１４を用いることにより、シャフト２をポジションセンサ用マグネット部１０に固定することが可能になる。これにより、従来の車載用アクチュエータで用いられていた検出シャフトと出力シャフトとを１本のシャフト２で機能させることができる。そのため、従来の車載用アクチュエータのように、検出用シャフトを出力シャフト側に付勢するスプリング等の付勢部材を配置したり、付勢部材による付勢力を受ける部材を設ける必要がなくなり、車載用アクチュエータの部品点数を削減することができる。また、検出用シャフトを出力シャフト側に付勢する付勢部材を設ける必要がなくなると、車載用アクチュエータ１全体の大型化の問題を生じさせることなく、モータ部４のストローク長、即ちシャフト２のシャフト長を拡大させることができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、シャフト２をポジションセンサ用マグネット部１０に固定するように構成したので、シャフト長を長くした場合にも、車載用アクチュエータ全体のサイズが大型化するのを抑制することができる。

また、この実施の形態１によれば、ポジションセンサ用マグネット部１０は、当該ポジションセンサ用マグネット部１０と一体構造とされた金属部材１４を介して、シャフト２の一端部に固定されるように構成したので、出力シャフトと検出シャフトとを一体化することができる。

また、この実施の形態１によれば、金属部材１４は、シャフト２に溶接された金属部材、シャフト２に接着された金属部材、またはシャフト２にかしめられた金属部材としたので、シャフトとポジションセンサ用マグネット部との固定の強度を確保することができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、磁力を用いてシャフト２とポジションセンサ用マグネット部１０とを固定する構造を示す。
図７は、実施の形態２に係る車載用アクチュエータの構成を示す部分断面図である。
車載用アクチュエータ１ａでは、検出用磁石１０ａとシャフト２との間に配置した固定部材１６を介して、検出用磁石１０ａとシャフト２とが固定される。
固定部材１６は、磁性体で構成され、ポジションセンサ用マグネット部１０の検出用磁石１０ａに磁着する。また、固定部材１６は、検出用磁石１０ａに磁着する面と対向する側に、シャフト２の先端部に設けた凸部２ｂを圧入させる圧入凹部１６ａが形成されている。また、固定部材１６の外周側面には円環状の凹部１６ｂが形成されている。

ポジションセンサ用マグネット部１０は、検出用磁石１０ａと外装部材１０ｂとで一体構造となっている。ポジションセンサ用マグネット部１０の一体構造は、例えば、検出用磁石１０ａを外装部材１０ｂで鋳込み、成形することにより形成される。ポジションセンサ用マグネット部１０のシャフト２が固定される面には、固定部材１６が嵌合可能な嵌合凹部１０ｃが外装部材１０ｂにより形成される。嵌合凹部１０ｃは、検出用磁石１０ａの磁石面が露出するように形成されている。また、嵌合凹部１０ｃの内周面には、固定部材１６の円環状の凹部１６ｂと嵌合可能な円環状の凸部１０ｄが形成されている。

シャフト２の凸部２ｂは、固定部材１６の圧入凹部１６ａに圧入されて固定され、その後、固定部材１６がポジションセンサ用マグネット部１０の嵌合凹部１０ｃに挿入され、円環状の凹部１６ｂと円環状の凸部１０ｄとを嵌合させる。これにより、固定部材１６の上面１６ｃがポジションセンサ用マグネット部１０の検出用磁石１０ａに着磁してシャフト２がポジションセンサ用マグネット部１０に固定される。また、円環状の凹部１６ｂと円環状の凸部１０ｄとの嵌合により、シャフト２がポジションセンサ用マグネット部１０から抜け落ちるのが抑制される。

また、固定部材１６は、検出用磁石１０ａの磁力により、検出用磁石１０ａに磁着していることから、検出用磁石１０ａから離反することがない。また、仮に固定部材１６が検出用磁石１０ａに磁着している力よりも大きな力が、固定部材１６が検出用磁石１０ａから離反する方向に加わった場合にも、固定部材１６の円環状の凹部１６ｂと、外装部材１０ｂの円環状の凸部１０ｄとが嵌合していることから、固定部材１６がポジションセンサ用マグネット部１０から抜け落ちるのを抑制することができる。

さらに、図８に示すように、固定部材１６の検出用磁石１０ａと当接する上面１６ｃは、適度な曲率半径を設けて構成される。これにより、固定部材１６の上面１６ｃと検出用磁石１０ａとは点接触となる。この点接触により、固定部材１６がポジションセンサ用マグネット部１０に対して若干の動きを許容するようにフレキシブルに固定され、シャフト２もポジションセンサ用マグネット部１０に対してフレキシブルに固定される。さらに、固定部材１６と嵌合凹部１０ｃとの間にクリアランスが存在する。これによっても、固定部材１６がポジションセンサ用マグネット部１０に対してフレキシブルに固定され、シャフト２もポジションセンサ用マグネット部１０に対してフレキシブルに固定される。

固定部材１６およびシャフト２が、ポジションセンサ用マグネット部１０に対してフレキシブルに固定されると、シャフト２の傾き等を許容することができ、シャフト２のシャフト長が長くなった場合にも、シャフト２が直動方向Ｘに直線移動する動作を妨げることがない。

以上のように、この実施の形態２によれば、シャフト２は、一端部に、固定された磁性体の固定部材１６を備え、ポジションセンサ用マグネット部１０は、固定部材１６が磁着する嵌合凹部１０ｃを備えるように構成したので、出力シャフトと検出シャフトとを一体化することができ、シャフトのシャフト長を長くした場合にも、車載用アクチュエータ全体のサイズが大型化するのを抑制することができる。

また、この実施の形態２によれば、固定部材１６が外装部材１０ｂに嵌合凹部１０ｃに嵌合され、固定部材１６の外周側面に形成された円環状の凹部１６ｂと、嵌合凹部１０ｃの内周面に形成された円環状の凸部１０ｄとが嵌合するように構成したので、シャフトがポジションセンサ用マグネット部から抜け落ちるのを抑制することができる。

なお、上述した実施の形態２では、固定部材１６が嵌合する嵌合凹部１０ｃが検出用磁石１０ａの磁石面が露出するように形成される構成を示したが、検出用磁石１０ａの磁石面を露出させず、この磁石面を肉薄の外装部材１０ｂで覆うように一体成形してもよい。

実施の形態３．
実施の形態３では、ポジションセンサ用マグネット部１０とケース１３が、シャフト２の軸受け機能およびシャフト２の回転を抑制する機能を備える構成を示す。
実施の形態１および実施の形態２で示した車載用アクチュエータ１，１ａは、図１で示したように、モータ部４のロッド３側には、シャフト２を直動方向Ｘに移動自在に支持するガイド穴１１を開設したボス１２が固定されている。

実施の形態１および実施の形態２のように、ガイド穴１１を開設したボス１２を備えている場合の、ポジションセンサ用マグネット部１０とケース１３の関係を図９Ａに示している、図９Ａは図２におけるＣ−Ｃ線断面図である。ポジションセンサ用マグネット部１０とケース１３との間には、クリアランスが設けられている。当該クリアランスにより、ポジションセンサ用マグネット部１０に固定されたシャフト２が直動方向Ｘ以外の方向にも移動するが、ボス１２に開設されたガイド穴１１がシャフト２の移動をサポートし、且つシャフト２の回転を抑制することにより、回転子６の回転をシャフト２の直線運動に変換させることができ、シャフト２が直動方向Ｘに直線移動する動作を可能としている。

一方、この実施の形態３のポジションセンサ用マグネット部１０とケース１３の関係を図９Ｂおよび図９Ｃに示している。図９Ｂおよび図９Ｃは、図９Ａと同様に、図２におけるＣ−Ｃ線断面図で想定される図を示している。
図９Ｂでは、ポジションセンサ用マグネット部１０とケース１３との間のクリアランスを、ポジションセンサ用マグネット部１０がケース１３内を移動可能な最小限のスペースに抑制している。また、図９Ｃでは、ポジションセンサ用マグネット部１０とケース１３との間のクリアランスは、図９Ａと同様に設けているが、ポジションセンサ用マグネット部１０の側面に外周方向に突出する角柱突部１０ｅを設けている。この角柱突部１０ｅが、ポジションセンサ用マグネット部１０がケース１３に対して回転する、またはがたつくのを抑制し、シャフト２が直動方向Ｘに直線移動するのをサポートする。

図９Ｂおよび図９Ｃに示したように、ポジションセンサ用マグネット部１０の外周形状と、ケース１３の内周形状とを、ポジションセンサ用マグネット部１０とケース１３と相互に回転するのを規制する形状とすることにより、図１０に示す車載用アクチュエータ１ｂの構成を適用することができる。車載用アクチュエータ１ｂでは、シャフト２が軸周りに回転することなく直動方向Ｘに直線移動するのをサポートできるため、ガイド穴１１を開設したボス１２を設ける必要がなく、同様に車載用アクチュエータ１ｂ全体のサイズを小さくすることができる。

なお、実施の形態２で示した固定部材１６を介して、シャフト２を検出用磁石１０ａに着磁させる場合には、固定部材１６の外周を角柱形状にして、図９Ｂまたは図９Ｃに示したポジションセンサ用マグネット部１０とケース１３との関係を適用することにより、同様にシャフト２が軸周りに回転することなく直動方向Ｘに直線移動するのをサポートすることができ、車載用アクチュエータ１ｂの直動方向Ｘのサイズを小さくすることができる。

以上のように、この実施の形態３によれば、ポジションセンサ用マグネット部１０の外周形形状と、ポジションセンサ用マグネット部１０を収容するケース１３の内周形状とが、回転子６の回転方向への互いの相対回転を規制する形状を有するように構成したので、シャフト２の直線移動をサポートし、回転を抑制するボス１２を設ける必要がなくなり、車載用アクチュエータ全体のサイズを小さくすることができる。

上記以外にも、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る車載用アクチュエータは、検出用シャフトと出力用シャフトを一体化することが可能なため、従来よりも長いシャフトの適用が要求される車載用アクチュエータを構成することができる。

１，１ａ，１ｂ 車載用アクチュエータ、２ シャフト、２ａ 雄ネジ部、２ｂ 凸部、３ ロッド、４ モータ部、５ 永久磁石、６ 回転子、６ａ 中心穴、６ｂ 雌ネジ部、７ 整流子、８ ブラシ、９ 電源供給端子部、１０ ポジションセンサ用マグネット部、１０ａ 検出用磁石、１０ｂ 外装部材、１１ ガイド穴、１２ ボス、１３ ケース、１４ 金属部材、１４ａ シャフト固定部、１４ｂ 検出用磁石固定部、１５ ねじ、１６ 固定部材、１７ 部材、２０ ポジションセンサ、３０ レバー、３１ 支点、６１ コア、６２ ボビン、６３ コイル。

この発明に係る車載用アクチュエータは、固定子と、固定子の内側に回転可能に配置された回転子と、回転子の中央の穴部に形成された雌ネジ部と螺合する雄ネジ部を有し、回転子の回転を直線運動に変換して直線移動するシャフトと、シャフトの軸方向の一端部に固定された、当該シャフトの直動位置を検出するためのポジションセンサ用マグネット部とを備え、シャフトは、軸方向の一端部に、固定された磁性体の固定部材を備え、ポジションセンサ用マグネット部は、固定部材が磁着する開口部を備えたものである。

Claims (6)

1. 固定子と、
   前記固定子の内側に回転可能に配置された回転子と、
   前記回転子の中央の穴部に形成された雌ネジ部と螺合する雄ネジ部を有し、前記回転子の回転を直線運動に変換して直線移動するシャフトと、
   前記シャフトの軸方向の一端部に固定された、当該シャフトの直動位置を検出するためのポジションセンサ用マグネット部とを備えた車載用アクチュエータ。
2. 前記ポジションセンサ用マグネット部は、当該ポジションセンサ用マグネット部と一体構造とされた金属部材を介して、前記シャフトの一端部に固定されていることを特徴とする請求項１記載の車載用アクチュエータ。
3. 前記金属部材は、前記シャフトに溶接された金属部材、前記シャフトに接着された金属部材、または前記シャフトにかしめられた金属部材であることを特徴とする請求項２記載の車載用アクチュエータ。
4. 前記シャフトは、前記軸方向の一端部に、固定された磁性体の固定部材を備え、
   前記ポジションセンサ用マグネット部は、前記固定部材が磁着する開口部を備えたことを特徴とする請求項１記載の車載用アクチュエータ。
5. 前記開口部は、前記固定部材が嵌合する嵌合凹部であることを特徴とする請求項４記載の車載用アクチュエータ。
6. 前記ポジションセンサ用マグネット部の外周形状と、前記ポジションセンサ用マグネット部を収容するケースの内周形状とは、前記回転子の回転方向への互いの相対回転を規制する形状であることを特徴とする請求項１記載の車載用アクチュエータ。

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