JPWO2018150575A1 - ターボチャージャ用アクチュエータ - Google Patents

Abstract

アクチュエータ（１）は、樹脂製のモータハウジング（４）と金属ボス（２１）とを備える。モータハウジング（４）の樹脂フランジ部（４ａ）と、金属ボス（２１）の金属フランジ部（２１ａ）とは、ターボチャージャ（１００）の取り付け部（１０２）に共締めされる。

Description

この発明は、ターボチャージャ用アクチュエータに関するものである。

特許文献１に係るアクチュエータは、シャフトを駆動するモータが樹脂製のハウジングで覆われている。このハウジングにはフランジ部が形成され、フランジ部はターボチャージャのコンプレッサハウジングにねじで締結されている。

国際公開第２０１６／１３５８２５号

従来のアクチュエータは以上のように構成されているので、樹脂製のフランジ部が、ターボチャージャのコンプレッサハウジングに接触する。アクチュエータは駆動時に自己発熱するため、アクチュエータ内部が高温になる。また、ターボチャージャは排気ガスの熱で高温になるため、アクチュエータのフランジ部はターボチャージャの熱を受けて高温になる。これらにより、アクチュエータのハウジング等、熱に弱い樹脂製の部品が溶損する場合がある。このように、従来のアクチュエータは耐熱性が低い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、ターボチャージャ用アクチュエータの耐熱性を向上させることを目的とする。

この発明に係るターボチャージャ用アクチュエータは、シャフトをその軸方向に移動させる、樹脂製のハウジングで被覆されたモータと、ハウジングに形成された樹脂フランジ部と、シャフトに貫通され、内部をシャフトがその軸方向に移動するブッシュと、ブッシュの外周に位置し、ブッシュを支持する金属ボスと、金属ボスに形成され、樹脂フランジ部と共にターボチャージャの取り付け部に共締めされて取り付け部に接触する金属フランジ部とを備えるものである。

この発明によれば、金属フランジ部と樹脂フランジ部とがターボチャージャの取り付け部に共締めされ、金属フランジ部が取り付け部に接触するようにしたので、モータが発する熱およびターボチャージャが発する熱を、金属フランジ部から取り付け部へ放熱できる。よって、アクチュエータの温度上昇を抑制でき、アクチュエータの耐熱性が向上する。

この発明の実施の形態１に係るアクチュエータの構成例を示す外観斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るアクチュエータの構成例を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係るアクチュエータの構成例を示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るアクチュエータをターボチャージャに取り付けた状態を例示する図である。 この発明の実施の形態１に係るアクチュエータを、図２のＡ−Ａ線で切断した断面図である。 この発明の実施の形態２に係るアクチュエータのうちの金属ボスの構成例を示す断面図である。 この発明の実施の形態２に係るアクチュエータにおけるモータハウジングと金属ボスの構成例を示す平面図である。

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、この発明の実施の形態１に係るアクチュエータ１の構成例を示す外観斜視図である。図２は、この発明の実施の形態１に係るアクチュエータ１の構成例を示す断面図である。図３は、この発明の実施の形態１に係るアクチュエータ１の構成例を示す分解斜視図である。実施の形態１に係るアクチュエータ１は、シャフト２をその軸方向に往復移動させるものである。以下では、アクチュエータ１を、ターボチャージャのウェイストゲートバルブを開閉する用途に用いる。このアクチュエータ１は、ねじ２６により、ターボチャージャの取り付け部１０２に取り付けられる。

モータ３は、シャフト２をその軸方向に往復移動させる駆動力を発生させる。モータ３は、整流子７、ブラシ８、回転子９、コイル１０、磁石１１、およびヨーク１２を含むブラシ付きモータである。このモータ３の内部には２つの軸受部５ａ，５ｂが設置され、軸受部５ａ，５ｂはパイプ６を回転自在に支持する。パイプ６の外周面には整流子７、回転子９およびコイル１０が固定される。整流子７の外周側には、ブラシ８が設置される。回転子９およびコイル１０の外周側には、磁石１１およびヨーク１２が設置される。なお、モータ３は、ブラシ付きモータに限定されるものでなく、シャフト２をその軸方向に往復移動させる駆動力を発生させるものであればよい。

モータ３は、樹脂製のモータハウジング４に被覆される。モータハウジング４の一端側には、コネクタ１５が一体に形成され、他端側には、樹脂フランジ部４ａが一体に形成される。また、モータハウジング４の内部には、シャフト２の位置を検出するための磁気センサ１６、センサ用磁石１７およびセンサ用シャフト１８が設置される。

モータハウジング４の樹脂フランジ部４ａが形成された側には、ブッシュ２０および金属ボス２１が設置される。ブッシュ２０および金属ボス２１は、シャフト２に貫通される。ブッシュ２０および金属ボス２１を貫通したシャフト２の端部には、不図示のウェイストゲートバルブが連結される。

ブッシュ２０は、フランジ部２０ａおよび円筒部２０ｂを有する。円筒部２０ｂのモータ３側にはフランジ部２０ａが形成され、反対側にはシャフト２の貫通穴が形成される。フランジ部２０ａは、モータハウジング４の樹脂フランジ部４ａが形成された側に嵌合する。円筒部２０ｂは、シャフト２の軸方向の移動をガイドする。シール部材２４は、ブッシュ２０とシャフト２との隙間を塞ぐ。このシール部材２４は、例えばＯリングである。キャップ２３は、ブッシュ２０の貫通穴側に嵌合され、シール部材２４を支持する。ブッシュ２０およびキャップ２３は、内周面に接触するシャフト２の削れを抑えるために、例えば樹脂で構成される。

ブッシュ２０の外周には、ブッシュ２０を被覆する金属ボス２１が設けられる。この金属ボス２１は、金属フランジ部２１ａおよび円筒部２１ｂを有する。円筒部２１ｂのモータ３側には金属フランジ部２１ａが形成され、反対側にはシャフト２の貫通穴が形成される。金属フランジ部２１ａは、ねじ２５により、モータハウジング４の樹脂フランジ部４ａに締結される。ねじ２５は、樹脂フランジ部４ａの穴４ｂと金属フランジ部２１ａの穴２１ｃとに通される。また、金属フランジ部２１ａは、ねじ２６により、樹脂フランジ部４ａとともに取り付け部１０２に共締めされる。ねじ２６は、樹脂フランジ部４ａの穴４ｃと金属フランジ部２１ａの穴２１ｄとに通される。樹脂フランジ部４ａと金属フランジ部２１ａとが取り付け部１０２に共締めされるため、これらの部品に寸法ばらつきがあったとしても、樹脂フランジ部４ａが金属フランジ部２１ａを押さえつけた状態で締結される。よって、樹脂フランジ部４ａと金属フランジ部２１ａと取り付け部１０２とが互いに密着し、隙間がない。

なお、図示例では、モータハウジング４と金属ボス２１との締結を２つのねじ２５を用いて２か所で行う構成であるが、これに限定されず、何か所で締結してもよい。同様に、図示例では、モータハウジング４と金属ボス２１の取り付け部１０２への共締めを２つのねじ２６を用いて２か所で行う構成であるが、これに限定されず、何か所で共締めしてもよい。例えば、モータハウジング４と金属ボス２１との締結を２つのねじ２５を用いて２か所で行う構成にすると共に、モータハウジング４と金属ボス２１の取り付け部１０２への共締めを４つのねじ２６を用いて４か所で行う構成にしてもよい。

この金属ボス２１は、モータ３が発する熱Ｈ１を取り付け部１０２へ放熱するために、および、ターボチャージャのタービンハウジングから伝わる排気ガスの熱Ｈ２を取り付け部１０２へ放熱するために、アルミ等の、熱伝導率の高い金属材料で構成される。また、ブッシュ２０の円筒部２０ｂと、金属ボス２１の円筒部２１ｂとの間には空気層２２がある。この空気層２２は、空気の断熱機能を利用した断熱層である。

パイプ６の中にはシャフト２が配置される。パイプ６の内周面には雌ねじ形状のねじ機構１３が形成される。一方、シャフト２の外周面には雄ねじ形状のねじ機構１４が形成される。ねじ機構１４はねじ機構１３にねじ込まれて結合される。シャフト２の一端側は、モータハウジング４、ブッシュ２０および金属ボス２１を貫通して、不図示のウェイストゲートバルブに連結される。シャフト２の他端側は、センサ用シャフト１８に当接する。

コネクタ１５のターミナル１５ａに電圧が印加されると、電流がターミナル１５ａ、ブラシ８、整流子７およびコイル１０へ流れる。コイル１０に電流が流れると、回転子９は磁化されて磁石１１に引き付けられる。これにより回転子９が回転し、この回転子９に一体化されたパイプ６等も回転する。回転子９の回転運動は、パイプ６のねじ機構１３とシャフト２のねじ機構１４との結合によって直動運動に変換され、シャフト２が金属ボス２１の外へ押し出される。コイル１０に流れる電流が逆転すると、回転子９が逆向きに回転し、シャフト２が金属ボス２１の内へ引き込まれる。シャフト２の往復移動に伴い、不図示のウェイストゲートバルブが開閉する。

センサ用磁石１７は、センサ用シャフト１８に固定される。シャフト２の往復移動に伴ってセンサ用シャフト１８が往復移動すると、センサ用磁石１７も連動して往復移動する。磁気センサ１６は、センサ用磁石１７の往復移動に伴って変化する磁束密度を検出する。不図示の演算装置は、磁気センサ１６が検出した磁束密度に基づいて、シャフト２の位置を演算する。

図４は、この発明の実施の形態１に係るアクチュエータ１をターボチャージャ１００に取り付けた状態を例示する図である。ターボチャージャ１００は、コンプレッサ１００ａおよびタービン１００ｂを備える。コンプレッサ１００ａは、吸気配管１０３のコンプレッサハウジング１０１ａ内に設置される。このコンプレッサハウジング１０１ａには、アクチュエータ１を取り付けるための取り付け部１０２が形成される。タービン１００ｂは、排気配管１０４のタービンハウジング１０１ｂに設置される。コンプレッサハウジング１０１ａおよびタービンハウジング１０１ｂは、耐熱性に優れた鋳鉄等で構成される。

エンジン１０５から出た高温の排気ガスは、排気配管１０４を流れて車両外へ排出される際、タービン１００ｂを回転させる。タービン１００ｂの回転量は、ウェイストゲートバルブ１１０の開度により調整される。タービン１００ｂはコンプレッサ１００ａと連結されているので、タービン１００ｂが回転するとコンプレッサ１００ａも回転する。コンプレッサ１００ａが回転すると、吸気配管１０３に取り入れられた外気が圧縮されて過給気になる。過給気は、インタクーラ１０６およびスロットルバルブ１０７を経由して、エンジン１０５へ流れる。スロットルバルブ１０７の閉弁時にはエアバイパスバルブ１０８が開弁してエアバイパス配管１０９が開き、コンプレッサ１００ａ上流側の過給気がエアバイパス配管１０９を流れてコンプレッサ１００ａ下流側へ戻る。

図４において、アクチュエータ１のモータ３側は、相対的に低温なコンプレッサ１００ａ側に配置される。一方、アクチュエータ１の金属ボス２１側は、相対的に高温なタービン１００ｂ側に配置される。また、取り付け部１０２は、相対的に低温なコンプレッサハウジング１０１ａと接続しているため、取り付け部１０２も相対的に低温である。

タービンハウジング１０１ｂの排気ガスの熱Ｈ２は、ウェイストゲートバルブ１１０、シャフト２、および金属ボス２１を伝い、金属フランジ部２１ａが接触する取り付け部１０２へと放熱される。金属ボス２１は、熱伝導率の高い金属材料で構成されているため、熱Ｈ２を効率的に取り付け部１０２へ放熱できる。また、モータハウジング４の樹脂フランジ部４ａと金属ボス２１の金属フランジ部２１ａとがねじ２６によって取り付け部１０２に共締めされているので、金属フランジ部２１ａと取り付け部１０２とが密着し、熱Ｈ２が金属フランジ部２１ａから取り付け部１０２へと伝わりやすい。これらの構成により、アクチュエータ１の温度上昇を抑制でき、熱に弱い樹脂製のモータハウジング４を保護できる。

また、金属ボス２１とブッシュ２０との間に設けられた空気層２２は、金属ボス２１からブッシュ２０への熱Ｈ２の伝わりを抑制する。これにより、熱に弱い樹脂製のブッシュ２０およびキャップ２３を保護できる。

さらに、モータ３が駆動するときにコイル１０等が発する熱Ｈ１は、軸受部５ｂから金属ボス２１を伝い、またはモータハウジング４から樹脂フランジ部４ａを伝い、金属フランジ部２１ａが接触する取り付け部１０２へと放熱される。これにより、アクチュエータ１の温度上昇を抑制でき、熱に弱い樹脂製のモータハウジング４を保護できる。

以上のように、実施の形態１に係るアクチュエータ１は、シャフト２をその軸方向に移動させる、樹脂製のモータハウジング４で被覆されたモータ３と、モータハウジング４に形成された樹脂フランジ部４ａと、シャフト２に貫通され、内部をシャフト２がその軸方向に移動するブッシュ２０と、ブッシュ２０の外周に位置し、ブッシュ２０を支持する金属ボス２１と、金属ボス２１に形成され、樹脂フランジ部４ａと共にターボチャージャ１００の取り付け部１０２に共締めされて取り付け部１０２に接触する金属フランジ部２１ａとを備える。共締めにより、金属フランジ部２１ａと取り付け部１０２とが密着する。これにより、モータ３が発する熱Ｈ１およびターボチャージャ１００が発する熱Ｈ２を、金属フランジ部２１ａから取り付け部１０２へ放熱でき、アクチュエータ１の温度上昇を抑制できる。よって、アクチュエータ１の耐熱性が向上し、アクチュエータを、ターボチャージャ１００のウェイストゲートバルブ１１０を開閉する用途に用いることができる。

また、実施の形態１に係るアクチュエータ１は、金属ボス２１とブッシュ２０との間に空気層２２がある。空気の断熱機能を利用して、金属ボス２１からブッシュ２０等への熱Ｈ２の伝わりを抑制できる。よって、アクチュエータ１の温度上昇を抑制できる。

なお、アクチュエータ１は、金属ボス２１とブッシュ２０の少なくとも一部が当接している構成であってもよい。
図５は、この発明の実施の形態１に係るアクチュエータ１を、図２のＡ−Ａ線で切断した断面図である。シャフト２および円筒部２０ｂの中心Ｏに対し、金属ボス２１の円筒部２１ｂは偏心している。これにより、金属ボス２１とブッシュ２０とは、当接部Ｂにおいて当接する。この構成により、モータ３が発する熱Ｈ１が、モータハウジング４、ブッシュ２０、当接部Ｂおよび金属ボス２１を伝い、金属フランジ部２１ａから取り付け部１０２へと放熱される。よって、アクチュエータ１の温度上昇を抑制できる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係るアクチュエータ１のうちの金属ボス２１の構成例を示す断面図である。実施の形態２に係るアクチュエータ１は、図１に示した実施の形態１のアクチュエータ１に対して水抜き穴２１ｅが追加された構成である。図６において図１と同一または相当する部分は、同一の符号を付し説明を省略する。

水抜き穴２１ｅは、金属ボス２１内に侵入した水および塵等の異物を金属ボス２１外へ排出するための穴である。水および塵等の異物は、例えば、樹脂フランジ部４ａと金属フランジ部２１ａとの間、および金属フランジ部２１ａと取り付け部１０２との間から、金属ボス２１内へ侵入する。金属ボス２１にはシャフト２を貫通させるための貫通穴が開口しているが、シャフト２と貫通穴との隙間はわずかであるため、金属ボス２１内に異物が停留しやすい。例えば、水が金属ボス２１内に停留した場合、空気層２２の断熱機能が低下する。また、アクチュエータ１の使用環境によっては停留した水が凍結してアクチュエータ１を破損させる可能性がある。そのため、金属ボス２１内に侵入した水を水抜き穴２１ｅから金属ボス２１外へ速やかに排出することが望ましい。

図６の例では、金属ボス２１内の異物が排出されやすいように、円筒部２１ｂの重力方向における下部に水抜き穴２１ｅが形成されている。図６において、紙面上側が重力方向Ｇ１における上部であり紙面下側が重力方向Ｇ１における下部である場合、水は水抜き穴２１ｅから排出されやすい。あるいは、アクチュエータ１の取り付け角度によっては、紙面右側が重力方向Ｇ２における上部であり紙面左側が重力方向Ｇ２における下部になる場合もある。その場合でも、水は水抜き穴２１ｅから排出されやすい。

アクチュエータ１の取り付け角度によっては、水抜き穴２１ｅが重力方向における下部に位置するとは限らない。そこで、アクチュエータ１の取り付け角度によらず金属ボス２１の水抜き穴２１ｅが重力方向における下部に位置するように、アクチュエータ１を構成してもよい。具体例を、図７に示す。

図７は、この発明の実施の形態２に係るアクチュエータ１におけるモータハウジング４および金属ボス２１の構成例を示す平面図である。金属ボス２１の金属フランジ部２１ａには、円筒部２１ｂの周囲に等間隔に並んだ４つの穴２１ｄ−１，２１ｄ−２，２１ｄ−３，２１ｄ−４がある。一方、モータハウジング４の樹脂フランジ部４ａには、２つの穴４ｃ−１，４ｃ−２がある。なお、図７では、穴２１ｃは図示を省略している。

図７では紙面上側が重力方向Ｇ３における上部であり紙面下側が重力方向Ｇ３における下部である。よって、水抜き穴２１ｅは、重力方向Ｇ３における下部に配置されることが望ましい。
ここで、配線の都合により、モータ３のコネクタ１５は、重力方向Ｇ３における上部に配置される場合を想定する。この場合、穴２１ｄ−１と穴４ｃ−１とを取り付け部１０２に共締めするとともに、穴２１ｄ−３と穴４ｃ−２とを取り付け部１０２に共締めする。

あるいは、配線の都合により、モータ３のコネクタ１５が、重力方向Ｇ３における下部に配置される場合もある。この場合、穴２１ｄ−１と穴４ｃ−２とを取り付け部１０２に共締めするとともに、穴２１ｄ−３と穴４ｃ−１とを取り付け部１０２に共締めする。これにより、金属ボス２１の水抜き穴２１ｅおよびモータ３のコネクタ１５が、重力方向Ｇ３における下部に配置される。

このように、金属フランジ部２１ａと樹脂フランジ部４ａとを共締めする穴の組み合わせを変更することにより、樹脂フランジ部４ａに対する金属フランジ部２１ａの、シャフト２を中心とする周方向の取り付け角度を９０度ずつ回転させることができる。これにより、水抜き穴２１ｅの位置を容易に変更できる。
なお、図示例では、モータハウジング４と金属ボス２１の取り付け部１０２への共締めを２つのねじ２６を用いて２か所で行う構成であるが、これに限定されず、何か所で共締めしてもよい。例えば、樹脂フランジ部４ａの穴４ｃ−１，４ｃ−２の数を４つに増やし、モータハウジング４と金属ボス２１の取り付け部１０２への共締めを４つのねじ２６を用いて４か所で行う構成にしてもよい。

以上のように、実施の形態２の金属ボス２１は、水抜き穴２１ｅを有する。これにより、金属ボス２１内の水および塵等の停留を防止でき、ひいては空気層２２の断熱機能低下を抑制できる。

また、実施の形態２に係るアクチュエータ１は、金属フランジ部２１ａの穴２１ｄ−１〜２１ｄ−４の数が樹脂フランジ部４ａの穴４ｃ−１，４ｃ−２の数以上であり、金属フランジ部２１ａと樹脂フランジ部４ａとを共締めする穴の組み合わせを変更することにより、樹脂フランジ部４ａに対する金属フランジ部２１ａの、シャフト２を中心とする周方向の取り付け角度が変更可能である。これにより、水抜き穴２１ｅの位置を容易に変更できる。

なお、図示例では、金属フランジ部２１ａに４つの穴２１ｄ−１〜２１ｄ−４を設ける構成であるが、穴の数は任意の数でよい。穴の数が多いほど、金属フランジ部２１ａと樹脂フランジ部４ａとを共締めする穴の組み合わせ数が増え、水抜き穴２１ｅがとり得る位置が増える。
また、図示例では、金属フランジ部２１ａの穴の数が、樹脂フランジ部４ａの穴の数以上であるが、反対に、樹脂フランジ部４ａの穴の数が、金属フランジ部２１ａの穴の数以上でもよい。この構成の場合にも、金属フランジ部２１ａと樹脂フランジ部４ａとを共締めする穴の組み合わせを変更することにより、樹脂フランジ部４ａに対する金属フランジ部２１ａの、シャフト２を中心とする周方向の取り付け角度を変更できる。

なお、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、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係るターボチャージャ用アクチュエータは、耐熱性を向上させるようにしたので、高温下で使用されるウェイストゲートバルブおよび可変ジオメトリベーン等を作動させるアクチュエータに用いるのに適している。

１ アクチュエータ、２ シャフト、３ モータ、４ モータハウジング、４ａ 樹脂フランジ部、４ｂ，４ｃ，４ｃ−１，４ｃ−２，２１ｃ，２１ｄ，２１ｄ−１〜２１ｄ−４ 穴、５ａ，５ｂ 軸受部、６ パイプ、７ 整流子、８ ブラシ、９ 回転子、１０ コイル、１１ 磁石、１２ ヨーク、１３，１４ ねじ機構、１５ コネクタ、１５ａ ターミナル、１６ 磁気センサ、１７ センサ用磁石、１８ センサ用シャフト、２０ ブッシュ、２０ａ フランジ部、２０ｂ，２１ｂ 円筒部、２１ 金属ボス、２１ａ 金属フランジ部、２１ｅ 水抜き穴、２２ 空気層、２３ キャップ、２４ シール部材、２５，２６ ねじ、１００ ターボチャージャ、１００ａ コンプレッサ、１００ｂ タービン、１０１ａ コンプレッサハウジング、１０１ｂ タービンハウジング、１０２ 取り付け部、１０３ 吸気配管、１０４ 排気配管、１０５ エンジン、１０６ インタクーラ、１０７ スロットルバルブ、１０８ エアバイパスバルブ、１０９ エアバイパス配管、１１０ ウェイストゲートバルブ、Ｂ 当接部、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３ 重力方向、Ｈ１，Ｈ２ 熱、Ｏ 中心。

Claims (5)

1. シャフトをその軸方向に移動させる、樹脂製のハウジングで被覆されたモータと、
   前記ハウジングに形成された樹脂フランジ部と、
   前記シャフトに貫通され、内部を前記シャフトがその軸方向に移動するブッシュと、
   前記ブッシュの外周に位置し、前記ブッシュを支持する金属ボスと、
   前記金属ボスに形成され、前記樹脂フランジ部と共にターボチャージャの取り付け部に共締めされて前記取り付け部に接触する金属フランジ部とを備えるターボチャージャ用アクチュエータ。
2. 前記金属ボスと前記ブッシュとの間に空気層があることを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ用アクチュエータ。
3. 前記金属ボスと前記ブッシュの少なくとも一部が当接していることを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ用アクチュエータ。
4. 前記金属ボスは、水抜き穴を有することを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ用アクチュエータ。
5. 前記金属フランジ部におけるねじを通す穴の数および前記樹脂フランジ部におけるねじを通す穴の数のうちのいずれか一方がもう一方以上であり、前記金属フランジ部と前記樹脂フランジ部とを共締めする穴の組み合わせを変更することにより、前記樹脂フランジ部に対する前記金属フランジ部の、前記シャフトを中心とする周方向の取り付け角度が変更可能であることを特徴とする請求項４記載のターボチャージャ用アクチュエータ。

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