KR20130082112A - 차량용 전기 액추에이터 - Google Patents

차량용 전기 액추에이터 Download PDF

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KR20130082112A
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히로유키 가도
다이스케 무라타
요시유키 오쿠보
요시유키 고노
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가부시키가이샤 덴소
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Abstract

감속-기어 디바이스는 전기 모터로부터 수신되는 회전력을 증폭하도록 배열된 복수의 기어들을 포함한다. 복수의 기어들 중의 최종 기어의 치형 섹션 내에서 원주 방향을 따라서 서로 앞뒤로 배치된 복수의 외부 치형부의 면의 폭이 최종 기어의 회전 방향을 따라서 변화되고, 그리고 상기 면의 폭이 최종 기어의 축 방향을 따라서 측정된다.

Description

차량용 전기 액추에이터{ELECTRIC ACTUATOR FOR VEHICLE}
본원 발명은 차량용 전기 액추에이터에 관한 것이다.
공지된 전기 액추에이터는 전기 모터 및 감속-기어 디바이스를 포함한다. 전기 모터는 전기 모터로의 에너지 공급(energization) 시에 회전력을 생성한다. 감속-기어 디바이스는 복수의 기어들을 포함하고, 그러한 복수의 기어들은 전기 모터로부터 수신된 회전력을 증폭하도록 배열된다. 그와 같은 전기 액추에이터의 하나의 예가 전자 스로틀 장치(JP2005-299413A 참조)의 전기 액추에이터로서 공지되어 있다.
JP2005-299413A의 감속-기어 디바이스의 최종 기어(final gear)(복수의 기어들 중의 대상(subject) 기어의 예)가 도 10a 및 10b를 참조하여 설명될 것이다.
JP2005-299413A의 최종 기어(105)는 그러한 최종 기어(105)의 중량을 줄이기 위해서 그에 따라 비용을 절감하기 위해서 수지 재료로 제조된다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 외부 치형부(teeth)(106)가 최종 기어(105)의 치형(toothed) 섹션(200) 내에서만 제공되며, 그러한 치형 섹션은 스로틀 밸브의 회전가능한 범위와 일치되는 최종 기어(105)의 회전가능한 범위에 상응한다. 최종 기어(105)의 축 방향을 따라서 측정된 외부 치형부(106)의 면의 폭(face width)(α)은, 도 10b에 도시된 바와 같이, 치형 섹션(200)의 전체 원주 범위를 통해서 일정하다.
예를 들어, 외부 치형부(106)의 면의 폭(α)이 작게 제조되는 경우에, 외부 치형부(106)의 내마모성이 저하된다.
대조적으로, 외부 치형부(106)의 면의 폭(α)이 크게 제조되는 경우에, 서로 접촉하는, 상응하는 최종 기어(105)의 외부 치형부(106) 및 상응하는 하나의 정합(mating) 기어의 치형부 사이의 접촉부에서 슬라이드 손실(slide loss)(기어 메시 손실)이 생성된다. 이는 드라이브 대상(예를 들어, 스로틀 밸브)의 정밀한 제어의 손상을 초래할 수 있을 것이고 및/또는 다른 성분과의 간섭을 초래할 수 있을 것이다.
그 대신에, 예를 들어, 최종 기어(105) 내에 제공되는 스톱퍼들(stoppers)의 영향으로 인해서, 최종 기어(105)의 중량 균형이 손상될 수 있을 것이다.
본원 발명은 전술한 단점들을 고려하여 만들어진 것이다. 그에 따라, 본원 발명의 목적은, 기어의 외부 치형부의 내마모성을 개선하고 및/또는 기어의 중량 균형을 개선한 차량의 전기 액추에이터를 제공하는 것이다.
본원 발명에 따라서, 전기 모터 및 감속-기어 디바이스를 포함하는, 차량용 전기 액추에이터가 제공된다. 전기 모터는 전기 모터에 대한 에너지 공급 시에 회전력을 생성한다. 감속-기어 디바이스는 복수의 기어들을 포함하고, 그러한 복수의 기어들은 전기 모터로부터 수신된 회전력을 증폭하도록 배열된다. 복수의 기어들 중의 적어도 하나의 대상 기어의 치형 섹션 내에서 원주방향을 따라서 서로 앞뒤로 배치된 복수의 외부 치형부의 면의 폭은 적어도 하나의 대상 기어의 회전 방향을 따라서 변화된다. 상기 면의 폭은 적어도 하나의 대상 기어의 축 방향을 따라 측정된다.
본원에서 설명되는 도면들은 단지 설명 목적을 위한 것이고 그리고 어떠한 방식으로든 본원 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본원 발명의 제 1 실시예에 따른 전자 스로틀 장치의 단면도이다.
도 2a는 제 1 실시예에 따른 전기 액추에이터의 감속-기어 디바이스의 최종 기어의 정면도이다.
도 2b는 도 2a의 최종 기어의 측면도이다.
도 3a 및 3b는 제 1 실시예의 최종 기어의 2가지 동작 상태들을 각각 도시한 개략도들이다.
도 4는 제 1 실시예에 따라 스프링 디바이스로부터 샤프트로 인가된 샤프트 토크와 샤프트의 회전 각도 사이의 관계를 나타낸 도면이다.
도 5는 본원 발명의 제 2 실시예에 따른 최종 기어의 측면도이다.
도 6a는 본원 발명의 제 3 실시예에 따른 최종 기어의 정면도이다.
도 6b는 도 6a의 최종 기어의 측면도이다.
도 7은 본원 발명의 제 4 실시예에 따른 최종 기어의 측면도이다.
도 8a 내지 8c는 본원 발명의 제 5 실시예에 따른 최종 기어의 3가지 동작 상태들을 각각 도시한 개략도들이다.
도 9는 제 5 실시예의 최종 기어의 측면도이다.
도 10a는 종래 기술의 최종 기어의 정면도이다.
도 10b는 도 10a의 최종 기어의 측면도이다.
첨부 도면들을 참조하여 본원 발명의 여러 가지 실시예들을 설명할 것이다. 이하의 실시예들은 단지 본원 발명의 예들이고, 그리고 본원 발명은 이하의 실시예들로 제한되지 않는다.
(제 1 실시예)
본원 발명의 제 1 실시예는 도 1 내지 4를 참조하여 설명될 것이다.
본 실시예의 전기 액추에이터(1)는 차량(예를 들어, 자동차)의 전자 스로틀 장치(100) 내에 설치된다.
전자 스로틀 장치(100)는 차량의 내연기관 내로 인입되는 흡기 공기의 양을 조정한다. 전자 스로틀 장치(100)는, 공기 청정기와 흡기 매니폴드 사이의 위치에서, 흡기 공기를 안내하기 위한 흡기 통로(11)를 형성하는 흡기 도관 내에 설치된다.
전자 스로틀 장치(100)는 하우징(12), 샤프트(13), 스로틀 밸브(2) 및 전기 액추에이터(1)를 포함한다. 하우징(12)은, 내연기관으로 흡기 공기를 안내하는, 흡기 도관의 흡기 통로(11)의 일부를 형성한다. 샤프트(13)는 하우징(12)에 의해서 회전가능하게 지지된다. 상기 흡기 통로(11)의 개방 정도(단면적)를 조정하기 위해서, 상기 스로틀 밸브(2)가 상기 샤프트(13)와 일체로 회전될 수 있다. 전기 액추에이터(1)는 샤프트(13)를 통해서 스로틀 밸브(2)를 구동한다.
전기 액추에이터(1)는 전기 모터(3), 감속-기어 디바이스(4), 스프링 디바이스(가압력(urging force) 발생 디바이스라고도 지칭된다)(14) 및 회전 각도 센서(15)를 포함한다. 전기 모터(3)는 그러한 전기 모터로의 에너지 공급 시에 회전력(회전 토크)을 생성한다. 감속-기어 디바이스(4)는 전기 모터(3)로부터 출력된 회전력을 증폭하고 그리고 증폭된 회전력으로 샤프트(13)를 구동한다. 스프링 디바이스(14)는 샤프트(13)(스로틀 밸브(2)와 함께)를 미리 결정된 회전 위치(스로틀 밸브(2)의 미리 결정된 개방 정도)로 복귀시키기 위한 스프링력 즉, 가압력(urging force)을 생성한다. 회전 각도 센서(15)는 샤프트(13)의 회전 각도(스로틀 밸브(2)의 개방 정도)를 감지한다.
다음에, 전술한 성분들을 보다 구체적으로 설명할 것이다.
하우징(12)은 금속 재료 또는 수지 재료로 제조된 통로 부재(보어(bore) 하우징)이다. 볼트 수용 홀들은, 하우징(12)의 각각의 볼트 수용 홀들 내에 설치된 볼트들을 이용하여, 전자 스로틀 장치(100)를 상응하는 성분에 고정하기 위해서 상기 하우징(12)의 외측 둘레에 형성된다.
원통형 튜브 형태로 구성된 흡기 통로(11)는, 보다 구체적으로 엔진에 연결된 흡기 통로(11)의 부분은 하우징(12)의 내부에 형성된다.
샤프트(13)를 수용하는 샤프트 수용 홀이 하우징(12) 내에 형성된다. 샤프트(13)는 하우징(12)에 설치되며, 그에 따라 샤프트(13)가 흡기 통로(11) 내의 공기 유동 방향에 대해서 수직한 방향을 따라 즉, 하우징(12)의 내부 내의 흡기 통로(11)의 중앙 축의 방향에 수직한 방향을 따라 흡기 통로(11)를 가로질러 연장한다.
샤프트(13)를 회전식으로 지지하는 평면 베어링(plain bearing)(금속 부시)(16)이 샤프트 수용 홀의 일부 내에 설치되고, 그 내부로 샤프트(13)의 말단 단부 부분(도 1의 좌측 단부 부분)이 삽입된다.
또한, 샤프트(13)를 회전식으로 지지하는 롤링 베어링(볼 베어링)(17)이 샤프트 수용 홀의 다른 부분 내에 설치되고, 그 내부로 샤프트(13)의 기저 단부 부분(도 1의 우측 단부 부분)이 삽입된다.
샤프트(13)는 금속 재료로 제조되고 그리고 전체적으로 원통형인 막대 형태로 구성된다. 샤프트(13)는 흡기 통로(11) 내로 삽입되고 그리고 스로틀 밸브(2)와 일체로 회전될 수 있다. 샤프트(13)는, 전술한 바와 같이, 평면 베어링(16) 및 롤링 베어링(17)을 통해서 하우징(12)에 의해서 회전식으로 지지된다.
스로틀 밸브(2)는, 금속 재료 또는 수지 재료로 제조되고 그리고 전체적으로 원형인 디스크 형태로 구성되는 버터플라이 타입의 회전가능한 밸브(또는 단순하게 버터플라이 밸브라고도 지칭된다)이다. 스로틀 밸브(2)는 하나 이상의 고정구들(fixtures)(예를 들어, 하나 이상의 나사들)(18)을 이용하여 샤프트(13)에 고정되거나 스웨이징(swaging)(소성 변형) 또는 접합(bonding)에 의해서 샤프트(13)에 고정된다.
전기 액추에이터(1)는 전술한 하우징(12)에 설치된다. 구체적으로, 전기 모터(3)가 하우징(12) 내에 형성된 모터 수용 챔버(21) 내에 수용된다. 또한, 감속-기어 디바이스(4) 및 스프링 디바이스(14)는 하우징(12) 및 커버(22)에 의해서 형성된 공간 내에 수용된다. 커버(22)는 하나 이상의 고정구들(예를 들어, 하나 이상의 나사들)을 이용하여 하우징(12)에 탈착가능하게 설치된다.
전기 모터(3)의 회전 방향은, 전기 모터(3)의 코일들로 공급되는 전류의 유동 방향을 전환함으로써, 서로 반대인, 정상 회전 방향과 역전 회전 방향 사이에서 전환될 수 있다. 전기 모터(3)는 공지된 타입의 직류 모터로서 형성되며, 그러한 직류 모터는 전기 모터(3)로 공급되는 전력의 양에 따라서 회전 토크(회전력)를 생성한다. 전기 모터(3)를 모터 수용 챔버(21) 내로 설치한 후에, 전기 모터(3)는 하나 이상의 고정구들(예를 들어, 하나 이상의 나사들)을 이용하여 하우징(12)에 고정된다.
감속-기어 디바이스(4)는 복수의 기어들을 통해서 전기 모터(3)로부터 출력되는 회전의 속도를 감소시키고 그리고 감소된 속도의 회전(증폭된 회전력)을 샤프트(13)로 출력한다. 감속-기어 디바이스(4)의 기어들은 전기 모터(3)로부터 수신된 회전력을 증폭시키도록 배열되고 그리고 모터 기어(피니언 기어)(23), 중간 기어(24), 및 최종 기어(기어 로터)(5)를 포함한다. 모터 기어(23)는 전기 모터(3)의 출력 샤프트와 일체로 회전될 수 있다. 중간 기어(24)는 모터 기어(23)에 의해서 회전된다. 최종 기어(5)는 중간 기어(24)에 의해서 회전된다. 최종 기어(5)는 샤프트(13)와 일체로 회전될 수 있다.
모터 기어(23)는 전기 모터(3)의 출력 샤프트에 고정되고 작은 외경을 가지는 외부 치형 기어이다.
상기 중간 기어(24)는 함께 동축적으로 형성되는 큰 지름 기어(24a) 및 작은 지름 기어(24b)를 가지는 이중(dual) 기어이다. 중간 기어(24)는 하우징(12) 및 커버(22)에 의해서 지지된 지지 샤프트(25)에 의해서 회전방식으로 지지된다. 큰 지름 기어(24a)는 모터 기어(23)와 항상 결합되고, 그리고 작은 지름 기어(24b)는 최종 기어(5)와 항상 결합된다.
최종 기어(5)는 큰 지름(즉, 작은 지름 기어(24b)의 지름 보다 더 큰 지름)을 가지고 내부로 고정 플레이트(26)가 삽입되는 외부-치형 기어이다. 고정 플레이트(26)는 스웨이징(소성 변형)에 의해서 샤프트(13)의 단부 부분에 고정된다. 전기 모터(3)의 회전 토크는 모터 기어(23), 큰 지름 기어(24a), 작은 지름 기어(24b) 및 최종 기어(5)를 통해서 순서대로 전달되고, 그에 따라 회전 토크가 회전 속도의 감소에 의해서 증폭되고 그리고 샤프트(13)로 최종적으로 전달된다. 최종 기어(5)의 구체적인 예를 후술할 것이다.
스프링 디바이스(14)는, 전기 모터(3)의 전류 공급 중단(차단)시에, 스로틀 밸브(2)(보다 구체적으로, 스로틀 밸브(2)의 개방 정도)를 스로틀 밸브(2)의 완전-폐쇄 위치(스로틀 밸브의 개방 정도가 비교적 작은 위치)와 완전-개방 위치(스로틀 밸브의 개방 정도가 비교적 큰 위치) 사이의 중간 위치(도 4에 도시된 회전 각도(A) 참조)로 복귀시키며, 그에 따라 림프-홈-모드(limp-home-mode)의 엔진을 이용하여 차량이 구동될 수 있게 된다. 스프링 디바이스(14)는 복귀 스프링(14a) 및 디폴트 스프링(14b)을 포함한다. 복귀 스프링(14a)은, 스로틀 밸브(2)를 폐쇄하는 방향을 따라서, 샤프트(13)를 통해 스로틀 밸브(2)에 대해서 가압력(밸브를 폐쇄하는 힘)을 가한다. 상기 디폴트 스프링(14b)은, 스로틀 밸브(2)를 개방하는 방향을 따라서, 샤프트(13)를 통해 스로틀 밸브(2)에 대해서 가압력(밸브를 개방하는 힘)을 가한다. 도 4의 점선(R)은, 샤프트(13)의 회전 각도와 관련하여, 샤프트(13)에 대항하여 복귀 스프링(14a)으로부터 인가되는 샤프트 토크(스프링 토크)를 나타낸다. 또한, 도 4의 점선(D)은, 샤프트(13)의 회전 각도와 관련하여, 샤프트(13)에 대항하여 디폴트 스프링(14b)으로부터 인가되는 샤프트 토크(스프링 토크)를 나타낸다.
회전 각도 센서(15)는 스로틀 밸브(2)의 개방 정도(회전 각도)를 감지하기 위해서 샤프트(13)의 회전 각도를 감지하는 스로틀 위치 센서이다. 회전 각도 센서(15)는 샤프트(13)의 개방 정도[스로틀 밸브(2)의 개방 정도]에 상응하는 개방 정도 신호를 엔진제어유닛(ECU)으로 출력한다.
구체적으로, 상기 회전 각도 센서(15)는 무접촉 방식으로 2개의 부재들 사이의 상대적인 회전을 감지하는 무접촉 자기 센서이다. 상기 회전 각도 센서(15)는 자기 회로(27) 및 2개의 홀(Hall) ICs(자기 센서 디바이스들)(20)를 포함한다. 자기 회로(27)는 전체적으로 튜브 형상으로 구성된다. 자기 회로(27)는 샤프트(13)와 일체로 회전하도록 최종 기어(5)의 내부 내로 삽입된다. 자기 회로(27)는 그러한 자기 회로(27)의 방사상 내측 측부(side)에서 샤프트(13)의 회전 각도와 일치하는 자기 플럭스 변화를 생성한다. 홀 ICs(20)는 자기 회로(27)와 접촉하지 않고 커버(22)에 설치되고 그리고 자기 회로(27)에 대해서 상대적으로 위치된다. 홀 ICs(20)로부터 생성된 전압 신호(출력 신호)가 ECU로 공급된다.
ECU는 마이크로컴퓨터를 포함하는 공지된 타입의 전자 제어 디바이스이다. ECU는 전기 모터(3)의 피드백 제어 동작을 실행하며, 그에 따라 회전 각도 센서(15)에 의해서 감지되는 스로틀 밸브(2)의 실제 밸브 개방 정도가, 예를 들어, 가속장치의 개방 정도(예를 들어, 가속 페달의 누름량)를 기초로 설정되는 목표 개방 정도와 일치되게 한다.
이제, 전기 액추에이터(1)의 감속-기어 디바이스(4) 내에 설치되는 최종 기어(5)에 대해서 도 2a 내지 4를 참조하여 구체적으로 설명할 것이다. 본 실시예의 최종 기어(5)는 본원 발명의 대상 기어(감속-기어 디바이스(4)의 복수의 기어들(23, 24a, 24b, 5) 중의 대상 기어)로서 기능한다.
최종 기어(5)는 샤프트(13)의 단부 부분에 고정된 고정 플레이트(26) 및 자기 회로(27)를 삽입 몰딩함으로써 형성된 수지-몰딩된 제품이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 최종 기어(5)는 최종 기어(5)의 치형 섹션(10) 내에서만 서로 앞뒤로 원주방향을 따라서 배치된 복수의 외부 치형부(6)를 가진다. 최종 기어(5)의 치형 섹션(10)은 최종 기어(5)의 외측 둘레 엣지를 따라서 부분적으로만 연장하고, 즉 최종 기어(5)의 원주방향 범위(각도 범위) 내에서 부분적으로만 연장한다. 보다 구체적으로, 치형 섹션(10)의 각도 범위는 스로틀 밸브(2)의 회전가능한 범위에 상응하는 최종 기어(5)의 회전가능한 범위에 상응한다. 작은 지름 기어(24b)는, 작은 지름 기어(24b)의 전체에 원주방향 범위를 따라서 연장하는 작은 지름 기어(24b)의 치형 섹션(24b1) 내에서 원주방향을 따라서 서로 앞뒤로 배치되는 복수의 외부 치형부(24b2)(도 1 참조)를 구비한다. 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)는 작은 지름 기어(24b)의 외부 치형부(24b2)와 결합된다.
최종 기어(5)의 축 방향(회전 축의 방향)으로 측정된 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)의 면의 폭(α)이 최종 기어(5)의 회전 방향(원주방향)을 따라서 변화되도록 설정된다.
최종 기어(5)의 하나의 구체적인 예에서, 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)가 다음과 같이 구성된다. 구체적으로, 차량의 작은 진동 상태(즉, 차량의 진동 레벨이 비교적 작은 차량의 동작 상태)에서 일반적으로 이용되는 최종 기어(5)의 치형 섹션(10)의 하나의 영역 내에 위치되는 외부 치형부(6) 중의 상응하는 각각의 하나들이 비교적 작은 면의 폭(들)(α)을 가진다. 또한, 차량의 큰 진동 상태(즉, 차량의 진동 레벨이 비교적 큰 차량의 다른 동작 상태)에서 일반적으로 이용되는 최종 기어(5)의 치형 섹션(10)의 다른 영역 내에 위치되는 외부 치형부(6) 중의 다른 상응하는 각각의 하나들이 비교적 큰 면의 폭(들)(α)을 가진다. 다시 말해서, 면의 폭(α)은, 차량의 진동 레벨이 미리 결정된 레벨과 같거나 그보다 낮은 상태에서 사용되는 즉, 작은 지름 기어(24b)의 치형 섹션(24b1)과 결합되는 최종 기어(5)의 치형 섹션(10)의 하나의 영역 내에서 미리 결정된 값과 같거나 그보다 더 작다. 또한, 면의 폭(α)은, 차량의 진동 레벨이 미리 결정된 레벨 보다 높은 다른 상태에서 사용되는 즉, 작은 지름 기어(24b)의 치형 섹션(24b1)과 결합되는 최종 기어(5)의 치형 섹션(10)의 다른 영역 내에서 미리 결정된 값 보다 더 크다.
보다 구체적으로, 도 3a를 참조하면, 작은 지름 기어(정합 기어로서 기능한다)(24b)의 상응하는 치형부(24b2)와 결합되고 그리고 치형 섹션(10)의 하나의 영역(이하에서, 스로틀-완전-폐쇄 위치 영역으로 지칭한다)(10a) 내에 위치된 외부 치형부(6)의 상응하는 각각의 하나의 치형부들이 비교적 작은 면의 폭(α)을 가진다. 치형 섹션(10)의 스로틀-완전-폐쇄 위치 영역(10a)은, 차량의 진동이 비교적 작은(즉, 차량의 진동의 레벨이 미리 결정된 레벨과 같거나 또는 그보다 더 작은) 스로틀-완전-폐쇄 위치 내에 스로틀 밸브(2) 및 최종 기어(5)를 위치시키기 위해서 작은 지름 기어(24b)의 치형 섹션(24b1)과 결합되는 치형 섹션(10)의 영역으로서 규정될 수 있을 것이다. 그에 따라, 작은 지름 기어(24b)의 치형부(24b2) 중에서 상응하는 하나의 치형부와 접촉하는 외부 치형부(6) 중의 각각의 상응하는 하나의 치형부의 접촉 표면적이 감소되어, 도 4의 좌측 측부에 표시된 바와 같이, 서로 접촉하는 작은 지름 기어(24b)의 치형부(24b2) 중의 상응하는 하나의 치형부와 최종 기어(5)의 외부 치형부(6) 사이의 접촉부에서의 슬라이드 손실을 감소 또는 최소화한다.
도 3b를 참조하면, 작은 지름 기어(정합 기어)(24b)의 상응하는 치형부(24b2)와 결합되고 그리고 치형 섹션(10)의 다른 영역(이하에서, 스로틀-완전-개방 위치 영역으로 지칭한다)(10b) 내에 위치된 외부 치형부(6)의 상응하는 각각의 하나의 치형부들이 비교적 큰 면의 폭(α)을 가진다. 치형 섹션(10)의 스로틀-완전-개방 위치 영역(10b)은, 차량의 진동이 비교적 큰(즉, 차량의 진동의 레벨이 미리 결정된 레벨 보다 더 큰) 스로틀-완전-개방 위치 내에 스로틀 밸브(2) 및 최종 기어(5)를 위치시키기 위해서 작은 지름 기어(24b)의 치형 섹션(24b1)과 결합되는 치형 섹션(10)의 영역으로서 규정될 수 있을 것이다. 그에 따라, 작은 지름 기어(24b)의 치형부(24b2) 중에서 상응하는 하나의 치형부와 접촉하는 외부 치형부(6) 중의 각각의 상응하는 하나의 치형부의 접촉 표면적이 증가되어, 도 4의 우측 측부에 표시된 바와 같이, 서로 접촉하는 작은 지름 기어(24b)의 치형부(24b2) 중의 상응하는 하나의 치형부와 최종 기어(5)의 외부 치형부(6) 사이의 접촉부에서의 슬라이드 손실을 증가시킨다. 그러나, 그러한 경우에, 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)와 작은 지름 기어(24b)의 치형부(24b2) 중의 상응하는 하나의 치형부 사이의 접촉부에서의 마모가 제한될 수 있다. 여기에서, 설명 목적을 위해서, 도 4의 점선들은, 모두 일정한 면의 폭을 가지는 외부 치형부를 구비하는 종래 기술의 기어의 슬라이드 손실을 나타낸다는 것을 주지하여야 할 것이다.
또한, 본 실시예에서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)의 면의 폭(α)이 점진적으로 증가되고, 즉 치형 섹션(10)의 스로틀-완전-폐쇄 위치 영역(10a)에서의 비교적 작은 면의 폭들(α)로부터 치형 섹션(10)의 스로틀-완전-개방 위치 영역(10b)에서의 비교적 큰 면의 폭(들)(α)까지 연속적으로 서로에 대해서(one after another) 증가된다.
최종 기어(5)의 외부 치형부(6)와 결합되는 작은 지름 기어(정합 기어)(24b)의 각각의 치형부(24b2)의 면의 폭은 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)의 최대 면의 폭(α)과 일반적으로 동일하거나, 또는 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)의 최대 면의 폭(α) 보다 더 크다.
이제 제 1 실시예의 장점들에 대해서 설명할 것이다.
제 1 실시예에서, 본원 발명의 원리가 전자 스로틀 장치(100) 내에 설치된 감속-기어 디바이스(4)의 최종 기어(5)에 적용된다. 또한, 작은 지름 기어(정합 기어)(24b)의 상응하는 치형부(24b2)와 결합되고 그리고 치형 섹션(10)의 상응하는 영역(스로틀 밸브(2)의 개방 정도가 비교적 작은 위치에 스로틀 밸브(2)와 최종 기어(5)를 배치하기 위해서 작은 지름 기어(24b)와 결합하는, 치형 섹션(10)의 영역) 내에 위치되는 외부 치형부(6)의 상응하는 각각의 하나의 치형부들은 비교적 작은 면의 폭(들)(α)을 가진다. 대조적으로, 작은 지름 기어(정합 기어)(24b)의 상응하는 치형부(24b2)와 결합되고 그리고 치형 섹션(10)의 다른 상응하는 영역(스로틀 밸브(2)의 개방 정도가 비교적 큰 위치에 스로틀 밸브(2)와 최종 기어(5)를 배치하기 위해서 작은 지름 기어(24b)와 결합하는, 치형 섹션(10)의 영역) 내에 위치되는 외부 치형부(6)의 다른 상응하는 각각의 하나의 치형부들은 비교적 큰 면의 폭(들)(α)을 가진다.
전술한 구성을 가질 때, 엔진의 회전 속도가 비교적 느린 동작 상태(예를 들어, 공회전 속도에서의 엔진 동작 시간)에서, 최종 기어(5)는, 상응하는 작은 면의 폭(α)을 각각 가지는 최종 기어(5)의 상응하는 외부 치형부(6)를 통해서 작은 지름 기어(정합 기어)(24b)와 결합된다. 그에 따라, 서로 접촉하는, 작은 지름 기어(정합 기어)(24b)의 치형부(24b2) 중 상응하는 하나의 치형부와 최종 기어(5)의 외부 치형부(6) 사이의 접촉부에서의 슬라이드 손실(기어 메시 손실)을 감소 또는 최소화할 수 있다. 그에 따라, 스로틀 밸브(2)의 제어 정확도가 개선될 수 있고, 그에 따라 엔진의 공회전 정확도가 개선되어 연료 소모를 개선할 수 있을 것이다.
또한, 전술한 구성을 가질 때, 차량의 진동(전자 스로틀 장치(100)로 전달되는 진동)이 비교적 큰 동작 상태에서, 최종 기어(5)는, 상응하는 큰 면의 폭(α)을 각각 가지는 최종 기어(5)의 상응하는 외부 치형부(6)를 통해서 작은 지름 기어(정합 기어)(24b)와 결합된다. 그에 따라, 작은 지름 기어(정합 기어)(24b)의 치형부(24b2) 중의 상응하는 하나의 치형부와 각각 접촉하는 이들 외부 치형부(6)의 접촉 표면적이 증대되고, 그리고 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)와 작은 지름 기어(정합 기어)(24b)의 치형부(24b2) 중의 상응하는 하나의 치형부 사이의 접촉부에서의 마모가 오랜 기간 동안 제한될 수 있다. 그에 따라, 전자 스로틀 장치(100)의 신뢰도가 오랜 기간 동안 개선될 수 있다.
(제 2 실시예)
본원 발명의 제 2 실시예는 도 5를 참조하여 설명될 것이다. 이하의 실시예들에서, 제 1 실시예의 성분들과 유사한 성분들에 대해서는 동일한 참조 번호로 표시하였다.
제 1 실시예에서, 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)의 면의 폭(α)이 점진적으로 증가되고, 즉 치형 섹션(10)의 스로틀-완전-폐쇄 위치 영역으로부터 치형 섹션(10)의 스로틀-완전-개방 위치 영역까지 연속적으로 서로에 대해서(one after another) 증가된다. 대안적으로, 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)의 면의 폭(α)이 최종 기어(5)의 하나의 원주 방향 측부로부터 치형 섹션(10) 내의 최종 기어(5)의 다른 원주 방향 측부까지(예를 들어, 치형 섹션(10)의 스로틀-완전-폐쇄 위치 영역으로부터 치형 섹션(10)의 스로틀-완전-개방 위치 영역까지) 2개의 계단들에 의해서 계단식으로 증가될 수 있을 것이다. 또한 대안적으로, 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)의 면의 폭(α)이 최종 기어(5)의 하나의 원주 방향 측부로부터 치형 섹션(10) 내의 최종 기어(5)의 다른 원주 방향 측부까지(예를 들어, 치형 섹션(10)의 스로틀-완전-폐쇄 위치 영역으로부터 치형 섹션(10)의 스로틀-완전-개방 위치 영역까지) 3개 이상의 계단들에 의해서 계단식으로 증가될 수 있을 것이다.
도 5는 제 2 실시예의 상기 구성의 구체적인 예를 도시한다. 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 스로틀 밸브(2)의 완전-개방 정도에서 보다 작은 지름 기어(정합 기어)(24b)의 치형부(24b2) 중의 상응하는 치형부들과 결합하기 위해서 최종 기어(5)의 치형 섹션(10)의 상응하는 결합 영역(스로틀-완전-개방 위치 영역(X)) 내에 위치되는 외부 치형부(6) 중의 상응하는 각각의 치형부들만이 큰 면의 폭(α)을 가지고, 그리고 스로틀-완전-개방 위치 영역(X) 이외의 최종 기어(5)의 치형 섹션(10)의 나머지 영역들 내에 위치되는 외부 치형부(6) 중의 다른 나머지 치형부들은 상기 큰 면의 폭(α) 보다 더 작은, 보다 구체적으로 미리 결정된 값과 같거나 그보다 작은 면의 폭(α)을 가진다.
전술한 구성을 가질 때, 최종 기어(5)의 치형 섹션(10)의 결합 영역(스로틀-완전-개방 위치 영역(X)) 내의 외부 치형부(6)의 내마모성이 개선될 수 있다.
(제 3 실시예)
도 6a 및 6b를 참조하여, 본원 발명의 제 3 실시예를 설명할 것이다.
제 3 실시예에서, 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 정지부들을 형성하는 2개의 중량체(weight) 부분들(Y1)(예를 들어, 방사상 또는 축방향 돌출부들)이 외부 치형부(6) 이외의(즉, 치형 섹션(10) 이외의) 최종 기어(5)의 외측 둘레 부분 내에 제공된다. 중량체 부분들(Y1)은 최종 기어(5) 내의 치형 섹션(10)의 하나의 원주 방향 측부 및 다른 원주 방향 측부 상에 각각 위치된다. 중량체 부분들(Y1)의 존재로 인해서, 최종 기어(5)의 회전 축(샤프트(13)의 중심 축) 주위에서 최종 기어(5)의 중량 균형이 불균형을 이루게 된다.
그러한 단점을 해결하기 위해서, 본 실시예에 따라서, 최종 기어(5)의 중량 균형은 회전 방향 내의 외부 치형부(6)의 면의 폭(α)을 변화시킴으로써 균형을 이룰 수 있다(즉, 중량 균형의 레벨이 미리 정해진 레벨로 조정된다). 구체적으로, 이러한 실시예에서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 중량체 부분들(Y1)의 존재에 의해서 유발되는 불균형을 경감하기 위해서 선택된 치형 섹션(10)의 영역(Y2) 내에 위치되는 상응하는 각각의 외부 치형부(6)의 면의 폭(α)이 크게 만들어지고, 그리고 치형 섹션(10)의 나머지 영역들 내에 위치되는 다른 나머지 외부 치형부(6)는 큰 면의 폭(α) 보다 더 작은, 보다 구체적으로 미리 결정된 값과 같거나 그보다 작은 비교적 작은 면의 폭(α)을 가진다. 그에 따라, 최종 기어(5)의 중량 균형이 균형을 이루어질 수 있고, 즉 최종 기어(5)의 중량 균형의 레벨이 개선된다. 도 6a 및 6b의 경우에, 영역(Y2)은 2개의 중량체 부분들(Y1) 사이에 원주 방향으로 위치되는 치형 섹션(10)의 원주 방향 중간 영역 내에 위치된다.
(제 4 실시예)
도 7을 참조하여 본원 발명의 제 4 실시예를 설명할 것이다.
최종 기어(5)의 외부 치형부(6)의 내마모성을 개선하기 위해서 외부 치형부(6)의 면의 폭(α)이 치형 섹션(10)의 전체 원주 방향 범위를 통해서 크게 만들어지는 가상(imaginary)의 경우에, 최종 기어(5)를 회전시키는 시간에 외부 치형부(6)가 전자 스로틀 장치(100)의 다른 성분들과 간섭할 수 있을 것이다.
그러한 단점을 해소하기 위해서, 본 실시예에 따라서, 외부 치형부(6)의 면의 폭(α)이 다음과 같이 설정된다. 구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 외부 치형부(6)는 치형 섹션(10)의 간섭 영역(Z)을 제외하고 큰 면의 폭(α)을 가지며, 상기 간섭 영역에서는, 외부 치형부(6)가 간섭 영역(Z) 내에서 큰 면의 폭(α)을 가지는 가상의 경우에, 최종 기어(5)의 회전 시에 외부 치형부(6)가 전자 스로틀 장치(100)의 다른 성분(30)과 간섭할 수 있을 것이다.
다시 말해서, 이러한 경우에, 성분(30)은, 간섭 영역(Z) 이외의, 치형 섹션(10)의 나머지에서 설정되는 큰 면의 폭(α)의 축방향 범위 내로 축방향으로 연장하고, 그리고 최종 기어(5)의 회전 시에 최종 기어(5)에 인접하여 위치되는 성분(30)과 간섭하는 것을 회피하기 위해서 치형 섹션(10)의 간섭 영역(Z)에서 면의 폭(α)이 미리 결정된 값과 같거나 그보다 작아진다. 흡기 통로(11)를 통해서 안내되는 흡기 공기의 양을 최대화하기 위해서, 면의 폭(α)은, 간섭 영역(Z)이 아니고 그리고 치형 섹션(10)의 다른 영역을 포함하는, 치형 섹션(10)의 나머지에서의 미리 결정된 값 보다 더 크고, 상기 치형 섹션(10)의 다른 영역은 스로틀 밸브(2)가 스로틀-완전-개방 위치에 배치되는 상태에서 상기 작은 지름 기어(24b)와 결합한다. 간섭 영역(Z)은, 최종 기어(5)의 회전시에 성분(30)이 내부로 도입되는, 치형 섹션(10)의 상응하는 영역의 미리 결정된 원주 방향 범위로서 규정될 수 있을 것이다. 성분(30)의 축방향 범위는 치형 섹션(10)의 영역(Z)(작은 면의 폭(α)의 축방향 범위)의 축방향 범위와 중첩되지 않으며, 상기 성분(30)의 축방향 범위는 치형 섹션(10)의 나머지의 축방향 범위(큰 면의 폭(α)의 축방향 범위)와 중첩된다.
본 실시예의 상기 구성에서, 간섭 영역(Z) 내의 외부 치형부(6)는, 상기 간섭 영역(Z) 이외의 치형 섹션(10)의 나머지 영역의 큰 면의 폭(α) 보다 더 작은 그리고 미리 결정된 값과 같거나 그보다 더 작은, 비교적 작은 면의 폭(α)을 가지며, 그에 따라 성분(30)과의 간섭이 회피될 수 있다. 작은 면의 폭(α)을 가지고 그리고 간섭 영역(Z) 내에 위치되는, 외부 치형부(6)를 제외하고, 이러한 구성에서, 큰 면의 폭(α)을 가지는 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)가 작은 지름 기어(정합 기어)(24b)의 상응하는 치형부(24b2)와 유리하게 결합될 수 있을 것이다. 그에 따라, 최종 기어(5)의 내마모성이 개선될 수 있다.
(제 5 실시예)
도 8a 내지 9를 참조하여 본원 발명의 제 5 실시예를 설명할 것이다.
도 8a 내지 8c에 도시된 바와 같이, (예를 들어, 정합 기어의) 작은 지름 기어(24b)가 치형 섹션(24b1) 내에 미리 결정된 영역(이중(twice)-결합가능 영역으로도 지칭된다)(W)을 가진다. 최종 기어(5)가 최종 기어(5)의 전체 회전가능 범위(예를 들어, 도 8a에 도시된 최종 기어(5)의 스로틀-완전-폐쇄 위치로부터 도 8c에 도시된 최종 기어(5)의 스로틀-완전-개방 위치까지)를 통해서 회전될 때, 작은 지름 기어(24b)의 미리 결정된 영역(W)이 외부 치형부(6)와 이중으로 결합된다.
작은 지름 기어(24b)의 치형 섹션(24b1)의 미리 결정된 영역(W)은 작은 지름 기어(24b)의 치형 섹션(24b1)의 나머지에 비해 더 많은 횟수로 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)와 결합할 것이다.
그에 따라, 최종 기어(5)의 회전가능한 범위를 통한 최종 기어(5)의 회전시에 작은 지름 기어(24b)의 미리 결정된 영역(W)과 결합될 수 있는, 치형 섹션(10)의 2개의 영역들(제 1 및 제 2 영역들)(W1)의 각각에서 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)의 면의 폭(α)이 작은 경우에, 국소적인 마모가 미리 결정된 영역(W)에서 발생될 수 있을 것이다.
그에 따라, 본 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 작은 지름 기어(24b)의 미리 결정된 영역(W)과 결합될 수 있는 치형 섹션(10)의 2개의 영역들(W1)의 각각에서 상응하는 개별적인 외부 치형부(6)의 면의 폭(α)은 최종 기어(5)의 치형 섹션(10)의 다른 나머지 영역들의 면의 폭(α) 보다 더 크게 제조되고, 즉 미리 결정된 값과 같거나 그보다 작은 치형 섹션(10)의 다른 나머지 영역들의 작은 면의 폭(α) 보다 더 크게 제조된다.
이러한 방식에서, 작은 지름 기어(24b)의 미리 결정된 영역(W)에서의 결합 부하(load)가 제한될 수 있고, 그에 따라 최종 기어(5)의 외부 치형부(6)와 더 많은 횟수로 결합하는 미리 결정된 영역(W)에서의 마모를 제한할 수 있다.
작은 지름 기어(24b)의 미리 결정된 영역(W)의 면의 폭은 미리 결정된 영역(W) 이외의 작은 지름 기어(24b)의 나머지 회전가능한 영역의 면의 폭 보다 사실상 더 크게 제조될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.
이제, 상기 실시예들의 변경들에 대해서 설명할 것이다.
상기 실시예들에서, 본원 발명의 원리가 감속-기어 디바이스(4)의 최종 기어(5)에 적용된다. 그러나, 본원 발명의 원리의 적용은 최종 기어(5)로 제한되지 않는다. 즉, 본원 발명의 원리는 중간 기어(24)의 큰 지름 기어(24a)와 같은 임의의 다른 적절한 기어에 적용될 수 있을 것이다.
상기 실시예들에서, 본원 발명의 원리는 수지 재료로 제조된 기어(실시예들에서 최종 기어(5))에 적용된다. 그러나, 본원 발명의 기어의 재료는 임의의 특별한 하나의 재료로 제한되지 않는다. 그 대신에, 본원 발명의 원리가 예를 들어 금속 재료로 제조된 기어에 적용될 수 있을 것이다.
전술한 실시예들에서, 본원 발명의 원리는 스로틀 밸브(2)를 구동하는 전기 액추에이터(1)에 적용된다. 그 대신에, 본원 발명의 원리는 스로틀 밸브(2)와 다른, EGR 밸브와 같은, 대상을 구동하는 차량의 임의의 다른 적절한 전기 액추에이터에 적용될 수 있을 것이다.
부가적인 장점들 및 변경들이 당업자에게 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 그에 따라, 넓은 개념의 본원 발명은 본원에서 도시되고 설명된 특정의 상세 사항들, 전형적인 장치들, 및 예시적인 예들로 제한되지 않는다.

Claims (8)

  1. 차량용 전기 액추에이터이며,
    전기 모터(3)의 에너지 공급시에 회전력을 생성하는 전기 모터(3); 그리고
    상기 전기 모터(3)로부터 수신된 회전력을 증폭하도록 배열된 복수의 기어들을 포함하는 감속-기어 디바이스(4)로서, 상기 복수의 기어들 중의 적어도 하나의 대상 기어(5)의 치형 섹션(10) 내에서 원주방향을 따라서 서로 앞뒤로 배치된 복수의 외부 치형부(6)의 면의 폭(α)은 적어도 하나의 대상 기어(5)의 회전 방향을 따라서 변화되고 그리고 상기 면의 폭(α)은 적어도 하나의 대상 기어(5)의 축 방향을 따라 측정되는, 감속-기어 디바이스(4)를 포함하는, 전기 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 면의 폭(α)은, 차량의 진동 레벨이 미리 결정된 레벨과 같거나 그보다 더 작은 상태에서 복수의 기어들 중의 다른 상응하는 하나의 기어(24b)의 치형 섹션(24b1)과 결합되는 적어도 하나의 대상 기어(5)의 치형 섹션(10)의 하나의 영역 내에서 미리 결정된 값과 같거나 그보다 더 작으며; 그리고
    상기 면의 폭(α)은, 차량의 진동 레벨이 미리 결정된 레벨 보다 더 큰 다른 상태에서 복수의 기어들 중의 다른 상응하는 하나의 기어(24b)의 치형 섹션(24b1)과 결합되는 적어도 하나의 대상 기어(5)의 치형 섹션(10)의 다른 영역 내에서 미리 결정된 값 보다 더 큰, 전기 액추에이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 대상 기어(5)의 미리 결정된 레벨의 중량 균형을 달성하기 위해서, 상기 면의 폭(α)이 적어도 하나의 대상 기어(5)의 회전 방향을 따라서 변화되는, 전기 액추에이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 면의 폭(α)은, 상기 적어도 하나의 대상 기어(5)의 회전 시에, 상기 적어도 하나의 대상 기어(5)에 인접하여 배치된 다른 성분(30)과의 간섭을 피하기 위해서 적어도 하나의 대상 기어(5)의 치형 섹션(10)의 간섭 영역(Z) 내에서 미리 결정된 값과 같거나 그보다 더 작으며;
    상기 면의 폭(α)은, 상기 간섭 영역(Z) 이외의, 상기 적어도 하나의 대상 기어(5)의 치형 섹션(10)의 나머지에서 미리 결정된 값 보다 더 크며;
    상기 다른 성분(30)의 축방향 범위는 적어도 하나의 대상 기어(5)의 치형 섹션(10)의 간섭 영역(Z) 내에서 설정되는 면의 폭(α)의 축방향 범위와 중첩되지 않으며; 그리고
    상기 다른 성분(30)의 축방향 범위는 적어도 하나의 대상 기어(5)의 치형 섹션(10)의 나머지 내에서 설정되는 면의 폭(α)의 축방향 범위와 중첩되는, 전기 액추에이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 대상 기어(5)는 상기 복수의 기어들 중의 다른 상응하는 하나의 기어(24b)와 결합되고;
    상기 복수의 기어들 중의 다른 상응하는 하나의 기어(24b)는 상기 복수의 기어들 중의 다른 상응하는 하나의 기어(24b)의 치형 섹션(24b1) 내의 복수의 외부 치형부(24b2)를 가지며;
    상기 복수의 기어들 중의 다른 상응하는 하나의 기어(24b)의 치형 섹션(24b1)의 미리 결정된 영역(W)은, 적어도 하나의 대상 기어(5)가 적어도 하나의 대상 기어(5)의 회전가능한 범위를 통해서 회전될 때, 상기 적어도 하나의 대상 기어(5)의 치형 섹션(10)의 제 1 및 제 2 영역들(W1)과 결합될 수 있으며; 그리고
    상기 적어도 하나의 대상 기어(5)의 치형 섹션(10)의 제 1 및 제 2 영역들(W1)의 각각의 면의 폭(α)은, 상기 적어도 하나의 대상 기어(5)의 치형 섹션(10)의 제 1 및 제 2 영역들(W1) 이외의, 적어도 하나의 대상 기어(5)의 치형 섹션(10)의 나머지의 면의 폭(α) 보다 더 큰, 전기 액추에이터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡기 통로(11)의 개방 정도를 조정하기 위해서 그에 따라 흡기 통로(11)를 통해서 차량의 내연기관으로 공급되는 흡기 공기의 양을 조정하기 위해서, 상기 감속-기어 디바이스(4)는 전기 모터(3)로부터 상기 흡기 통로(11) 내에 배치된 스로틀 밸브(2)와 일체로 회전될 수 있는 샤프트(13)까지 회전력을 안내하는, 전기 액추에이터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 대상 기어(5)는 상기 샤프트(13)와 일체로 회전되도록 상기 샤프트(13)에 고정된 최종 기어를 포함하고;
    상기 면의 폭(α)은, 상기 흡기 통로(11)를 통해서 안내되는 흡기 공기의 양을 최소화하기 위해서 상기 스로틀 밸브(2)가 상기 스로틀-완전-폐쇄 위치에 배치되는 상태에서 상기 복수의 기어들 중의 다른 상응하는 하나의 기어(24b)의 치형 섹션(24b1)과 결합되는, 최종 기어의 치형 섹션(10)의 하나의 영역 내의 미리 결정된 값과 같거나 그보다 더 작으며; 그리고
    상기 면의 폭(α)은, 상기 흡기 통로(11)를 통해서 안내되는 흡기 공기의 양을 최대화하기 위해서 상기 스로틀 밸브(2)가 상기 스로틀-완전-개방 위치에 배치되는 다른 상태에서 상기 복수의 기어들 중의 다른 상응하는 하나의 기어(24b)의 치형 섹션(24b1)과 결합되는, 최종 기어의 치형 섹션(10)의 다른 영역 내의 미리 결정된 값 보다 더 큰, 전기 액추에이터.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 액추에이터(1)는, 차량의 내연기관으로 흡기 공기를 안내하는 흡기 통로(11)의 개방 정도를 조정하는 전자 스로틀 장치(100) 내에 설치되고; 그리고
    상기 감속-기어 디바이스(4)는 상기 흡기 통로(11)의 내부에 배치된 스로틀 밸브(2)와 일체로 회전될 수 있는 샤프트(13)를 구동하는, 전기 액추에이터.
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