WO2016125303A1 - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

　アクチュエータ（１）は、シャフト（２）の往復移動に連動して往復移動するセンサ用マグネット（２２）と、センサ用マグネット（２２）の往復移動に伴って変化するセンサ用マグネット磁界（Ｂ）のｙ軸方向とｚ軸方向の磁束密度を検出する磁気センサ（２０）とを備えるので、センサ用マグネット（２２）の磁束を１方向に収束させる必要がなくなり、センサ用ステータを廃止することができる。そのため、磁気センサ（２０）に対する外部磁界（Ｃ，Ｃ１）の影響を低減できる。

Description

アクチュエータ

　この発明は、直動式のアクチュエータに関するものである。

　自動車の排出ガス規制は年々厳しくなる傾向にあり、将来は更に規制が進むと予想される。そのため、排出ガス規制対策としてエンジンとその周辺装置の電動化が進み、制御駆動部に電動アクチュエータが用いられることが多い（例えば、特許文献１，２参照）。

　アクチュエータの駆動方式は回転式と直動式に分類される。回転式のアクチュエータは、ロータの回転方向にシャフトが回転する。直動式のアクチュエータは、ロータの回転方向に対して垂直な方向にシャフトが往復移動する。

特開２０１０－１３１７９号公報 特表２０１４－５０９３６２号公報

　アクチュエータをエンジンルーム内で用いる場合、高精度、高耐熱および高寿命が要求される。例えば、ターボチャージャのウェイストゲートバルブを開閉制御する直動式アクチュエータにおいては、バルブ開度を一定に保持するモードがあるため、シャフトの位置を検出するセンサの位置検出精度と、シャフトの推力を保つためにロータコイルが通電され続けることによる発熱に対するセンサの耐熱性とが設計上の重要なパラメータとなる。

　センサの位置検出精度はしばしば、エンジンルーム内に設置されたオルタネータもしくはスタータ等から発生する磁界、または周辺配線に高電流が通電された際に発生する磁界といった外部磁界の影響により、大きく悪化する。センサの位置検出精度が悪化することによってシャフトの目標位置と実位置とに差異が発生すると、ターボチャージャの過給圧が異常に高まり、タービンを損傷する懸念がある。

　エンジンルーム内は限られたスペースであり、自動車メーカは部品および配線を密集させることによりエンジンレイアウトの最小化を計るため、アクチュエータの近くに外部磁界発生源が配置され得る。よって、アクチュエータは、そのような配置環境であっても位置検出精度が大きく悪化しないように、できる限り外部磁界の影響を受けにくい構造にする必要がある。

　ここで、直動式アクチュエータに使用される磁気センサを説明する。従来の直動式アクチュエータにおいては、シャフトの往復移動に連動して往復移動するセンサ用マグネットと、センサ用マグネットの往復移動に伴って変化する磁界の１方向の磁束密度を検出する磁気センサと、センサ用マグネットの磁束を１方向に収束させるセンサ用ステータとが設置されている。センサ用ステータは鉄系材料の磁性体である。センサ用マグネットの往復移動方向における位置に応じて、センサ用ステータに流れる磁束密度が変化するため、磁気センサが検出した磁束密度からシャフトの往復移動方向の位置への変換が可能である。

　ここで、アクチュエータの周囲に外部磁界が発生している場合、センサ用マグネットの磁束に加えて外部磁界の磁束もセンサ用ステータに収束してしまうため、磁気センサが検出する磁束密度が高くなり、シャフトの位置が誤検出される。

　外部磁界の影響を受けにくくするためには、磁性体であるセンサ用ステータを設けない構造とすることも考えられるが、単にセンサ用ステータを設けない構造にした場合、センサ用マグネットの磁束が発散してしまう。すると、磁束密度とシャフト位置との直線性が低下するなどして磁気センサの位置検出精度が著しく悪化したり、磁気センサの検出限界である必要磁束密度を確保することができなくなるなどしてシャフトの位置検出が不可能となったりする。

　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、磁気センサに対する外部磁界の影響を低減して位置検出精度を向上させることを目的とする。

　この発明に係るアクチュエータは、シャフトをその軸方向に往復移動させるものであって、シャフトの往復移動に連動して往復移動するマグネットと、マグネットの往復移動に伴って変化する磁界の少なくとも２方向の磁束密度を検出する磁気センサとを備えるものである。

　この発明によれば、マグネットの往復移動に伴って変化する磁界の少なくとも２方向の磁束密度を検出する磁気センサを用いるようにしたので、マグネットの磁束を１方向に収束させる必要がなくなり、センサ用ステータを設けない構造にすることができる。そのため、磁気センサに対する外部磁界の影響を低減でき、位置検出精度が向上する。

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断面図である。 図１のうち、磁気センサ周辺部の構成を示す拡大図である。 実施の形態１の磁気センサが検出する磁束密度とシャフトの位置との関係を示すグラフである。 実施の形態１において、ターボチャージャの過給圧とシャフトの位置との関係を示すグラフである。 実施の形態１の理解を助けるための参考例として、従来の磁気センサを用いた場合のアクチュエータの構成を示す断面図である。 図５の参考例において、磁気センサが検出する磁束密度とシャフトの位置との関係を示すグラフである。 図５の参考例において、ターボチャージャの過給圧とシャフトの位置との関係を示すグラフである。

　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の構成例を示す断面図である。アクチュエータ１は、直動式であって、シャフト２をその軸方向に往復移動させる。実施の形態１では、シャフト２の軸方向をｙ軸と呼び、ｙ軸に直交する方向をｘ軸およびｚ軸と呼ぶ。図１の紙面上では、ｙ軸が上下方向になり、ｘ軸が左右方向になり、ｚ軸が奥行き方向になる。

　以下では、直動式のアクチュエータ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ものとして説明する。なお、ウェイストゲート用に限定されるものではなく、どのような用途に用いても構わない。

　モータ部３は、シャフト２をｙ軸方向に往復移動させる駆動力を発生可能なものであれば、どのようなものを用いても構わない。図１では、モータ部３としてブラシ付きモータを用いた例を示している。モータハウジング４に２箇所の軸受５，６が設置され、パイプ７が回転自在に支持されている。パイプ７の外周面に、ロータとなるロータコア８とロータ巻線９とが固定されている。また、パイプ７の一端側にコンミテータ１０が固定され、ロータ巻線９がコンミテータ１０に接続されている。モータハウジング４の内周面には、ロータを取り囲むように、ステータとなるマグネット１１とバックヨーク１２とが固定されている。

　パイプ７の中にはシャフト２が配置されている。パイプ７の内周面には雌ねじ部１３が形成されている。また、シャフト２の外周面には雄ねじ部１４が形成されており、この雄ねじ部１４が雌ねじ部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の他端側には、磁気センサ２０と、センサ用シャフト２１と、センサ用マグネット２２とが配置されている。磁気センサ２０等の詳細は後述する。

　コネクタ端子１５に電圧が印加されると、電流がブラシ１６を流れ、コンミテータ１０を介して、ロータ巻線９に通電される。ロータ巻線９に通電されることにより、ロータコア８が磁化され、極を形成する。磁化されたロータコア８がマグネット１１に引き付けられることにより、ロータが回転し、ロータに一体化されたパイプ７とコンミテータ１０も回転する。コンミテータ１０の回転に伴いロータ巻線９に流れる電流の相が切り替わることにより、ロータコア８の極も切り替わり、ロータが回転し続ける。ロータの回転運動は、パイプ７の雌ねじ部１３とシャフト２の雄ねじ部１４の結合によってｙ軸方向の直動運動に変換され、シャフト２がモータハウジング４の外へ押し出される。ロータ巻線９に流れる電流が逆転すると、ロータが逆向きに回転し、シャフト２がモータハウジング４の内へ引き込まれる。シャフト２の往復移動に伴い、ウェイストゲートバルブが開閉する。

　図２は、図１に示した磁気センサ２０の周辺部の拡大図である。
　センサハウジング１７の内部には、少なくとも２方向の磁束密度を検出する磁気センサ２０が固定されている。また、センサハウジング１７の内部には、シャフト２の端面に接するセンサ用シャフト２１が配置され、このセンサ用シャフト２１にはセンサ用マグネット２２が固定されている。よって、シャフト２のｙ軸方向の往復移動に連動して、センサ用シャフト２１とセンサ用マグネット２２が往復移動する。センサ用マグネット２２が往復移動するｙ軸方向における範囲をＡとする。センサ用マグネット２２の磁界Ｂ（以下、センサ用マグネット磁界Ｂと呼ぶ）を、図２に矢印で示す。センサハウジング１７とセンサ用シャフト２１は、非磁性体である。

　磁気センサ２０は、複数のホール素子を内蔵したホールＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）であり、任意の複数方向の磁束密度を検出可能である。図２の例では、センサ用マグネット磁界Ｂのｙ軸方向とｚ軸方向の磁束密度を磁気センサ２０の検出対象とするが、別の方向を検出対象としてもよいし、さらには３方向以上を検出対象としてもよい。

　図３は、磁気センサ２０が検出する磁束密度とシャフト２のｙ軸方向における位置との関係を示すグラフである。シャフト２のｙ軸方向への移動に伴ってセンサ用マグネット２２のｙ軸方向における位置が変化するため、磁気センサ２０を通過するｙ軸方向とｚ軸方向の磁束密度も変化する。よって、磁気センサ２０が検出した磁束密度から、シャフト２のｙ軸方向の位置が分かる。図３の例では、ウェイストゲートバルブを閉じる方向にシャフト２が移動するほど、磁気センサ２０が検出する磁束密度が高くなる。なお、磁束密度をシャフト位置に変換する演算機能は、磁気センサ２０を構成するＩＣに持たせてもよいし、別の制御回路（不図示）に持たせてもよい。

　この磁気センサ２０、特にホール素子が実装されたセンシング部２０ａは、センサ用マグネット２２の往復移動範囲Ａの中心部に配置されることが望ましい。そして、センサ用マグネット２２が往復移動範囲Ａの両端部にあるとき、磁気センサ２０で検出されるセンサ用マグネット磁界Ｂの磁束密度が、少なくとも磁気センサ２０の検出限界である必要磁束密度以上となるように、センサ用マグネット２２の大きさおよび種類などを決定しておく。これにより、センサ用マグネット２２を最小化することが可能である。
　ウェイストゲート用のアクチュエータ１の場合、センサ用マグネット２２は、サマリウムコバルト磁石を用いることが望ましい。サマリウムコバルト磁石は、温度に対する磁力の変化率が小さく、高温使用に適しているため、磁気センサ２０に対する温度変化の影響を低減でき、位置検出精度が向上する。

　ここで、外部磁界Ｃ，Ｃ１を、図２に矢印で示す。外部磁界Ｃ，Ｃ１は、例えばエンジンルーム内に設置されたオルタネータもしくはスタータ等から発生する磁界、または周辺配線に高電流が通電された際に発生する磁界などである。また、外部磁界Ｃ，Ｃ１は同一の外部磁界発生源（不図示）から発生しているが、外部磁界Ｃに比べて外部磁界Ｃ１の方が外部磁界発生源から遠いため磁束密度が低い。

　以下では、本実施の形態１で用いる複数方向の磁束密度を検出可能な磁気センサ２０について説明した図２～図４と、従来用いられている１方向の磁束密度を検出可能な磁気センサについて説明した図５～図７とを比較しながら、本実施の形態１の効果を説明する。

　図５は、本実施の形態１の理解を助けるための参考例であり、従来の磁気センサ１０５を用いた場合のアクチュエータ１００の構成を示す断面図である。参考例のアクチュエータ１００において、ｙ軸方向に往復移動するシャフト１０１の端部にセンサ用シャフト１０２が配置され、センサ用シャフト１０２にセンサ用マグネット１０３が固定されている。シャフト１０１が往復移動すると、これに連動してセンサ用シャフト１０２とセンサ用マグネット１０３も往復移動する。センサ用マグネット１０３の周囲には、鉄系材料の磁性体から成るセンサ用ステータ１０４が設置され、センサ用マグネット１０３の磁束をｙ軸方向に収束させる役割を果たしている。センサ用ステータ１０４に収束したセンサ用マグネット１０３の磁界Ｄ（以下、センサ用マグネット磁界Ｄと呼ぶ）を、図５に矢印で示す。磁気センサ１０５は、１方向の磁束密度を検出するタイプであり、センサ用ステータ１０４に流れるｙ軸方向の磁束密度を検出する。

　図６は、参考例の磁気センサ１０５が検出する磁束密度とシャフト１０１のｙ軸方向における位置との関係を示すグラフである。センサ用マグネット１０３のｙ軸方向の位置に応じてセンサ用ステータ１０４を流れる磁束密度が変化するため、磁気センサ１０５が検出した磁束密度からシャフト１０１のｙ軸方向の位置へ換算が可能である。図６の例では、ウェイストゲートバルブを閉じる方向にシャフト１０１が移動するほど、磁気センサ１０５が検出する磁束密度が高くなる。

　図５に矢印で示すような外部磁界Ｃが発生している場合、センサ用マグネット磁界Ｄの磁束に加えて外部磁界Ｃの磁束もセンサ用ステータ１０４に収束してしまうため、磁気センサ１０５が検出する磁束密度が高くなり、シャフト１０１の位置が誤検出される。図６の場合、磁気センサ１０５は、センサ用マグネット磁界Ｄの磁束密度に加えて外部磁界Ｃの磁束密度βも検出してしまうため、シャフト１０１の検出位置Ｐ３が実位置Ｐ１よりもバルブ閉方向に誤検出される。ウェイストゲートバルブの開度が不十分の場合、ターボチャージャが過給圧になってタービンブレードに生じる負荷が大きくなる。負荷が破損限界を超えると、タービンブレードの一部が変形したり破損したりする可能性がある。

　図７は、参考例におけるターボチャージャの過給圧、つまりタービンブレードに生じる負荷とシャフト１０１のｙ軸方向における位置との関係を示すグラフである。外部磁界Ｃの磁束密度βの影響により、シャフト誤検出位置Ｐ３でタービンブレードにかかる負荷Ｑ３は破損限界Ｑｔｈより低くなっているが、実位置Ｐ１での実負荷Ｑ１は破損限界Ｑｔｈを超えている。このように、外部磁界Ｃの影響により磁気センサ１０５の位置検出精度が悪化すると、タービンが損傷する可能性がある。

　図５で説明したように、参考例のアクチュエータ１００においては１方向の磁束密度を検出する磁気センサ１０５を使用していたので、磁束を１方向に収束させるためのセンサ用ステータ１０４が必要であった。また、磁気センサ１０５が外部磁界発生源から離れた場所に設置されていたとしても、センサ用ステータ１０４の端部は外部磁界発生源に近いため、外部磁界Ｃの影響を受けやすかった。

　これに対し、実施の形態１のアクチュエータ１においては複数方向の磁束密度を検出する磁気センサ２０を使用するので、磁束を１方向に収束させる必要がなく、センサ用ステータを設けない構造にすることができる。よって、センサ用マグネット磁界Ｂに外部磁界Ｃ，Ｃ１が収束せず、磁気センサ２０に対する外部磁界Ｃ，Ｃ１の影響を低減することができる。また、磁気センサ２０を外部磁界発生源から離して配置することができるので、外部磁界Ｃより磁束密度が低い外部磁界Ｃ１の影響を受けるのみとなる。従って、磁気センサ２０が検出する磁束密度は、センサ用マグネット磁界Ｂの磁束密度と外部磁界Ｃ１の磁束密度αとの合算値となる。図３と図６を比較するとα＜βであり、参考例の磁気センサ１０５が検出するシャフト誤検出位置Ｐ３に比べて、実施の形態１の磁気センサ２０が検出するシャフト誤検出位置Ｐ２のほうが実位置Ｐ１に近い。つまり、参考例に比べて、実施の形態１の場合のほうが磁気センサに対する外部磁界の影響を低減でき、位置検出精度が向上する。

　図４は、本実施の形態１におけるターボチャージャの過給圧、つまりタービンブレードに生じる負荷とシャフト２のｙ軸方向における位置との関係を示すグラフである。磁気センサ２０に影響する外部磁界Ｃ１の磁束密度αが低く、またセンサ用ステータを設けた場合のように外部磁界Ｃ１の磁束が収束することもないため、シャフト２の実位置Ｐ１でタービンブレードにかかる実負荷Ｑ１と誤検出位置Ｐ２での負荷Ｑ２との差異も小さくなり、タービンの変形あるいは破損を防止することができる。

　以上より、実施の形態１によれば、アクチュエータ１は、シャフト２に連動して往復移動するセンサ用マグネット２２と、センサ用マグネット２２の往復移動に伴って変化する磁界の少なくとも２方向の磁束密度を検出する磁気センサ２０とを備えるので、センサ用マグネット２２の磁束を１方向に収束させる必要がなくなり、センサ用ステータを設けない構造にすることができる。そのため、磁気センサ２０に対する外部磁界の影響を低減でき、位置検出精度が向上する。
　また、センサ用ステータを設けない構造としたことにより、部品点数を削減できる。さらに、センサ用ステータの位置決めも不要になるため、センサハウジング１７を成形する金型の構造が簡単になる。
　また、センサ用ステータを設けない構造としたことにより磁気センサ周辺部の重量を軽減できるため、振動による磁気センサ周辺部の振動加速度の低下が可能となり、耐振性が向上する。さらに、センサ用ステータを設けない構造としたことにより、センサ用ステータを設けた構造と比べてアクチュエータ１の小型化および低コスト化が可能となる。

　また、実施の形態１によれば、磁気センサ２０は、センサ用マグネット２２の往復移動範囲Ａの中心部に配置されているので、センサ用マグネット２２を最小化することが可能となり、コストを低減できる。

　また、実施の形態１によれば、センサ用マグネット２２としてサマリウムコバルト磁石を使用するので、磁気センサ２０に対する温度変化の影響を低減でき、位置検出精度が向上する。

　なお、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。

　この発明に係るアクチュエータは、磁気センサに対する外部磁界の影響を低減するようにしたので、ウェイストゲートバルブ用のアクチュエータなどに用いるのに適している。

　１，１００　アクチュエータ、２，１０１　シャフト、３　モータ部、４　モータハウジング、５，６　軸受、７　パイプ、８　ロータコア、９　ロータ巻線、１０　コンミテータ、１１　マグネット、１２　バックヨーク、１３　雌ねじ部、１４　雄ねじ部、１５　コネクタ端子、１６　ブラシ、１７　センサハウジング、２０，１０５　磁気センサ、２０ａ　センシング部、２１，１０２　センサ用シャフト、２２，１０３　センサ用マグネット、１０４　センサ用ステータ。

Claims (4)

1. 　シャフトをその軸方向に往復移動させるアクチュエータにおいて、
   　前記シャフトの往復移動に連動して往復移動するマグネットと、
   　前記マグネットの往復移動に伴って変化する磁界の少なくとも２方向の磁束密度を検出する磁気センサとを備えることを特徴とするアクチュエータ。
2. 　前記磁気センサは、前記マグネットが往復移動する範囲の中心部に配置されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 　前記マグネットは、サマリウムコバルト磁石であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
4. 　自動車のエンジンルーム内に設置されてウェイストゲートバルブを開閉することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。

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