(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に回転可能に配置されている弁体を有するスロットルバルブと、該弁体を開方向に回転駆動させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する制御装置と、を備えているスロットルバルブ装置において、
前記スロットルバルブは、前記弁体を閉方向に付勢するバネを備え、
前記制御装置は、
前記スロットルバルブの弁開度を検出するバルブ開度センサと、
前記バルブ開度センサからのバルブ開度全域における出力を増幅する第１の増幅器と、
前記バルブ開度センサからのバルブ全閉から特定開度までの領域のみの出力を前記第１の増幅器の増幅率よりも大きい増幅率で増幅する第２の増幅器と、
前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器からの出力に基づき、前記アクチュエータを駆動制御することで、前記スロットルバルブの弁開度を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第１の増幅器からの出力と前記第２の増幅器からの出力との関係が、予め定められた正常な関係でなくなると、前記第１の増幅器からの出力と前記第２の増幅器からの出力とのうちの一方の出力を修正する手段を有していることを特徴とするスロットルバルブ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ケーシング内に回転可能に配置されている弁体を有するスロットルバルブと、該弁体を開方向に回転駆動させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する制御装置と、を備えているスロットルバルブ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車においては、排気ガスの清浄や燃費向上、変速時のショックの緩和を図るため、スロットルバルブとアクセルペダルの機械的な連結をなくして、換わりにアクセルペダルの踏み角に応じて、バルブアクチュエータによってスロットルバルブを制御する方式を採用する方向にある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、スロットルバルブでは、バブルの閉状態近くで精度の高い制御が要求され、それ以外のところでは、バルブ開度制御の精度はあまり要求されない。このため、開度センサの全角度の出力を、バルブの閉状態近くの要求される精度のA／D変換器（増幅器）で行おうとすると、ビット数の高い、つまり、高価なＡ／Ｄ変換器が必要になると共に、Ａ／Ｄ変換器の出力が入力するマイクロコンピュータも、入力ポートの多い高価なマイクロコンピュータが必要になる。
【０００４】
すなわち、従来技術では、バブルの閉状態近くでの開度制御の精度を高めようとすると、非常にコストが増加してしまうという問題点がある。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点について着目してなされたもので、コストを抑えつつ、バブルの閉状態近くでの開度制御の精度を高くすることができるスロットルバルブ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するためのスロットルバルブ装置は、
ケーシング内に回転可能に配置されている弁体を有するスロットルバルブと、該弁体を開方向に回転駆動させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する制御装置と、を備えているスロットルバルブ装置において、
前記スロットルバルブは、前記弁体を閉方向に付勢するバネを備え、
前記制御装置は、
前記スロットルバルブの開度を検出するバルブ開度センサと、
前記バルブ開度センサからのバルブ開度全域における出力を増幅する第１の増幅器と、
前記バルブ開度センサからのバルブ全閉から特定開度までの領域のみの出力を前記第１の増幅器の増幅率よりも大きい増幅率で増幅する第２の増幅器と、
前記第１の増幅器及び前記第２の増幅器からの出力に基づき、前記スロットルバルブの弁開度を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第１の増幅器からの出力と前記第２の増幅器からの出力との関係が、予め定められた正常な関係でなくなると、前記第１の増幅器からの出力と前記第２の増幅器からの出力とのうちの一方の出力を修正する手段を有していることを特徴とするものである。
【０００８】
【実施例】
まず、本発明に係るスロットルバルブ装置の実施例について、図面を用いて説明する。
【０００９】
まず、図１から図７を用いてバルブ装置の第１の例について説明する。
このバルブ装置は、自動車のスロットルバルブ装置として用いられているもので、図１および図２に示すように、バタフライ型バルブと、これを駆動するアクチュエータ５と、アクチュエータ５を制御するための駆動回路８および制御回路９とを備えている。
【００１０】
バルブは、図１に示すように、円形平板状の弁体３と、これを回転させるための回転軸７と、流体が通る管状のケーシング４とを有している。なお、回転軸７は、その両端がケーシング４から突出しており、その一方がアクチュエータ５の回転子５Ｂの一部を構成している。すなわち、この回転軸７は、弁体３の回転軸として用いられていると共にアクチュエータ５の回転軸としても用いられている。回転軸７の他方の端部には、弁体３が全閉状態になる方向に回転軸７を付勢するバネ２と、弁体３の開度を検出するための開度センサ１が設けられている。
【００１１】
開度センサ１は、回動子１Ｂと接触子１Ａとで構成され、回転軸７に固定されている円盤状の回動子１Ｂの抵抗パタ−ン上を接触子１Ａが相対的に移動することによって、回転に伴う抵抗変化から回転角を検出するもので、一般にはポテンショメ−タが使用される。
【００１２】
スロットルバルブは、その開閉によって自動車の出力をコントロ−ルする機能を持つ。このため、安全上の配慮が特に重要であり、装置等の故障時にはすぐ、閉状態にまで戻す必要がある。この役目をするのがこのバネ２である。
【００１３】
アクチュエ−タ５は、回転子５Ａと固定子５Ｂとで構成されている。固定子５Ｂは、図１および図３に示すように、ハウジング５Ｃと、４個の内周側固定子磁極５Ｆ，…，５Ｆおよび４個の外周側固定子磁極５Ｇ，…，５Ｇと、１個のコイル５Ｄと、ブラケット５Ｅとから成っている。内周側固定子磁極５Ｆは、回転子５Ａに対向するように設けられり、外周側固定子磁極５Ｇは、コイル５Ｄと共に内周側固定子磁極５Ｆの外周側に設けられている。固定子５Ｂは、１個のコイル５Ｄおよび４個の固定子磁極５Ｆ，５Ｇとにより、４極の電磁極を構成している。回転子５Ａは、図１および図４に示すように、４個の永久磁石５Ｉと、ヨ−ク５Ｈと、回転軸７とから成り、４極構造を成す。回転軸７は、ベアリング６，６に回転可能に、設けられている。
【００１４】
制御回路９は、図２に示すように、各種演算等を行うＣＰＵ９Ａと、ＣＰＵ９Ａが行う演算等のプログラムやデータ等が記憶されているＲＯＭ９Ｂと、各種データが一時的に記憶されるＲＡＭ９Ｃと、開度センサ１やアクセルペダル１１からの信号が入力する入力インターフェース回路９Ｄと、ＣＰＵ９Ｃによる演算結果等を外部に出力する出力インターフェース９Ｅと、これら相互を接続するバスとを備えている。
【００１５】
駆動回路８は、図２に示すように、電源Ｅと、トランジスタ８Ａ，…，８Ｄで構成されたＨブリッジ回路とを有している。アクチュエ−タのコイル５Ｄは、Ｈブリッジ回路に図示のように接続され、正負の方向に自在に電流を通電できるように成っている。
【００１６】
次に、本実施例の動作について説明する。
制御回路９の入力インターフェース回路９Ｄには、アクセルペダル１１の踏み込み量に応じた信号、および開度センサ１からの信号等が入力する。ＣＰＵ９Ａは、アクセルペダル１１の踏み込み量に応じた信号等に応じて、目的の弁開度を演算し、この演算結果の値と開度センサ１からの信号により得られる現在の弁開度とを比較し、弁開度が目的の値になるよう、出力インターフェース回路９Ｅを介して、Ｈブリッジ回路に制御信号を出力する。コイル５Ｄには、この制御信号に応じた量および方向の電流が、電源Ｅから供給され、このコイル５Ｄの回りに磁界が形成されて回転子５Ｂが目的の位置まで回転する。
【００１７】
ここで、アクチュエータの動作について図５および図６を用いて説明する。
いま、コイル５Ｄに電流を通電したときの磁極が、図５に示すように現われたとすると、回転子５Ａは反時計方向に回転力を受ける（図５の状態のとき、最大のトルクを得ることができる）。したがって、弁体３の開方向を反時計方向に設定すれば、弁体３は開方向に動く。弁体３を目的の位置に固定させておくためには、バネ２の付勢力に対向することができるだけのトルクが発生するように、コイル５Ｄに電流を流す。また、弁体３を閉方向に動かすには、弁体３を開方向に動かした際にコイル５Ｄに流した電流の方向と逆向きの電流を流すことにより、弁体３は閉方向に動く。
【００１８】
図６に、コイル電流一定時の回転子角度（固定子５Ｂと回転子５Ａとの相対角度）に対するトルクを示す。なお、同図において、回転子角度の０°ときは、固定子５Ｂの磁極と回転子５Ａの磁極とが同一の極で対抗した場合であり、９０°のときは、それぞれ異極が対抗した場合である。バルブアクチュエ−タとしては、本実施例のように４極構造の場合、０°および９０°近傍で、回転力（トルク）の小さくなる区間があるため、０°から９０°の全範囲に渡って使用することはできない。したがって、弁体３の駆動に必要な駆動トルクＡ以上を得ようとすれば、使用可能範囲は、同図に示すように、８０°以下になる。ところで、従来においては、アクチュエータの動作範囲として、少なくとも９０°は必要であると固定的な概念があったため、この９０°の動作範囲を確保すべく、２極構造となっていた。このため、弁体３の回転可能角度として９０°を確保することができるものもの、トルク不足を補うために永久磁石等が大きくなっていた。これに対して、本例では、図７に示すように、弁体３の回転可能角度は８０°以下になるものの、同一の永久磁石を用いた場合、トルクは２倍になるためにバルブアクチュエ−タの小型化を図ることができる。
【００１９】
ところで、本例では、弁体３の回転可能角度は８０°以下になることにより、全開時の流体の流量は少なくなるが、その量は極僅かであり、逆に、バルブアクチュエ−タの回転力増加の利点が大きい。但し、全開時の流量を所定流量以上確保することが必要であるときには、その流量を確保するために、ケーシング４の流路を大きくする必要がある。
【００２０】
なお、全開時の流量に特に規制のない場合や、全開時の流量がケーシング４の流路において通常得られる流量に対してあまり大きくない場合には、アクチュエータの極数を６個に増加させることにより、よりアクチュエータの小型化を図ることができる。但し、この場合にはバルブ開度が５０°以下になる。
【００２１】
弁体３を回転させるためのトルクは、全閉状態近傍が他の状態よりも大きなトルクを必要とする。これは、弁体３とケーシング４に設けられているシール機構（図示されていない）との間に発生する粘着力に打ち勝つ必要があるからである。このため、全閉状態近傍の駆動トルクを高めるべく、全閉状態時の回転子角度を駆動トルクの高い位置に設定する。すなわち、図６において、全閉時の回転子角度を右側に移動する。
【００２２】
これら全閉状態および全開状態の回転子角度等は、制御回路９のＲＯＭ９内に予め設定しておく。ＲＯＭ９には、この他、この設定された回転子角度に対応して、この回転子角度範囲内において弁体３を回転させるプログラムが記憶されている。ＣＰＵ９は、これらの値およびプログラムに基づき、前述した制御信号を作成して、弁体３の回転角度等を制御する。
【００２３】
次に、バルブ装置の第２の例について、図８および図９を用いて説明する。
【００２４】
本例は、可変リラクタンス形のアクチュエータを適用したものである。回転子５Ｊは、図９に示すように、回転軸７と２つの突極磁極を持つ回転子鉄心５Ｋとで構成される。また、固定子５Ｌは、図８に示すように、１個のコイル５Ｄと２個の内周側固定子磁極５Ｆ，５Ｆおよび２個の外周側固定子磁極５Ｇ，５Ｇとを有して構成される。すなわち、本例は、従来、１極構造であったものを２極構造にしたものである。なお、本例は、第１の例と、回転子および固定子の構造の違い、これに基づく駆動回路の違いは有るものの、その他の構成は同じである。
【００２５】
動作原理は、図５で示した永久磁石回転子とステ−タの電磁石との吸引反発の換わりに、回転子５Ｊの磁極とステ−タの電磁石との吸引力を利用するものである。
【００２６】
したがって、この方式の場合には、電流を逆にしても固定子５Ｌと回転子５Ｊ間の反発力は得られないのでバルブの開方向はバルブアクチュエ−タによって、閉方向はバネの力によって制御する方式となる。
【００２７】
しかし、永久磁石を使用しなくても良いため、安価に製作でき、また、磁石の欠けによる回転子の拘束の恐れも無いために安全性も高いものにすることができる。なお、本例においても、第１の例と同様に、弁体３の使用可能回転角度は８０°以下になるものの、極数の増加によるトルク増加により、コイル等の小型化を図ることができる。
【００２８】
次に、バルブ装置の第３の例について、図１０を用いて説明する。
一般的に、スロットルバルブは、全閉状態近傍で精密な流量調整が必要とされる。
【００２９】
簡単な仮定として、流量は流体入り口側から見た開部面積に比例するとすれば、弁体３の回転角θにおける流量Ｗは、ケーシングの流路面積をＡとした場合、次式で表すことができる。
【００３０】
Ｗ ＝ｋ×Ａ×（１−ｃｏｓθ）
ｋ：定数
従って、θ＝０、つまりバルブの閉状態の近くでは、角度変化に対する流量の変化率は小さいものであるが、これをさらに小さくするための方法として、図１０に示すような態様が考えられる。
【００３１】
すなわち、図１０に示すように、回転軸７に対して直角方向の流路の断面において、弁体３の全閉状態の位置から所定開度の位置までの間で、流路の縁が弁体３の周縁の軌道にほぼ沿うよう、流路になだらかな段差が形成されているケーシング４Ａを用いることにより、弁体３の角度変化に対する流量の変化率を非常に小さくすることができ、閉状態の近くで、より精密な流量調整を行うことができる。
【００３２】
また、この変形例として、図１１に示すような態様も考えられる。
この変形例は、流路を変形させる換わりに弁体３Ａを変形させるもので、図１０に示すように、回転軸７に対して直角方向の弁体３Ａの断面形状が、回転軸７から遠ざかるに連れ、次第に弁体３Ａの回転方向と反対方向に曲がっていくように形成されているものである。
【００３３】
このように弁体３Ａを形成しても、前述の第３の例と同様に、弁体３Ａの回転角度変化に対する流量の変化率を非常に小さくすることができ、閉状態の近くで、より精密な流量調整を行うことができる。
【００３４】
なお、本変形例および第３の例は、第１の例の一部を変更したものであるが、これを第２の例にも適用可能なことは言うまでもない。
【００３５】
次に、バルブ装置の第４の例について、図１２を用いて説明する。
【００３６】
本例は、弁体３Ｂの形状を変更したもので、その回転軸方向を短径とする楕円板状に形成したものでなる。なお、短径の長さは、円筒状のケーシング４の内径の長さと一致している。
【００３７】
このように構成することにより、全開時において、弁体３Ｂの向きを流体の流れの方向に対してほぼ平行にすることができ、全開時に流路が弁体３Ｂにより塞がれることはほとんどなく、全開時に目的の流量を得るために流路を大きくする等の配慮をする必要がなくなる。但し、本例の場合、閉状態近傍での弁体３Ｂの回転角度変化に対する流量変化率が大きくなるので、スロットルバルブとしては、適切な形状とは言えない。
【００３８】
次に、バルブ装置の第５の例について、図１３および図１４を用いて説明する。
【００３９】
本例は、第１の例における内周側固定子磁極５Ｆの形状を変えたものである。本例の内周側固定子磁極５Ｍは、図１３に示すように、回転子Ｂに対向する側の中心部を、円周方向において両側と成る部分よりもなだらかに窪ませたものである。これを逆の見方をすれば、固定子磁極５Ｍの両側をその中心部よりも回転軸７側に突出させたものである。
【００４０】
一般に、コイルを流れる単位電流に対するトルク定数は、回転子をΔθだけ回転させた場合のコイルの磁束鎖交数の変化に比例する。本実施例のように、固定子磁極５Ｍの回転子５Ａに対向する側における中心部を相対的に窪ませることにより、図１４に示すように、第１の例の場合に対して、使用可能範囲の中心近傍でのトルクが低下する反面、０°および９０°近傍での磁束鎖交数の変化が増加し、使用可能範囲を広げることができる。
【００４１】
なお、これは、固定子側は、第１の例と同じ構成にして、磁石回転子側の磁石磁極の両端厚くし、そこの空隙長は短くする、一方、磁石磁極の中心では磁石厚さを薄くし、そこの空隙長を大きくすることによっても同じ効果が期待できる。
【００４２】
次に、本発明に係るスロットルバルブ制御装置の一実施例について、図１５を用いて説明する。
【００４３】
本実施例は、バルブの開度を示す開度センサとして一個のセンサを使用すると共にそのセンサの出力段に異なる増幅率を持つ複数のアンプを持たせたことを特徴とするものである。スロットルバルブでは、前述したように、バルブの閉状態近くで精度の高い制御が要求され、それ以外のところでは精度はあまり必要ではない。このため、開度センサ１の全角度の出力をバルブの閉状態近くで精度のＡ／Ｄ変換器で行おうとすると、ビット数の高い、つまり高価なＡ／Ｄ変換器が必要となり、また、制御装置９のマイクロコンピュータの入力のポ−ト数も多数必要になる欠点がある。
【００４４】
本実施例では、閉状態近くの開度センサの情報は増幅率の大きいアンプ１２Ａを使って行い、それ以外のところでは、増幅率の比較的小さなアンプ１２Ｂを使うことによって、従来の欠点を無くすことができる。ここで、アンプの数は必要に応じて選択されればよい。また、アンプ１２Ａとアンプ１２Ｂが共に動作可能な範囲に置いては、常に両者の出力を取り入れ、２種類の検出値に間の関係を常に学習し、両検出値の関係が正常であるか否かを判断等するセンサ出力学習機能を設けることによって、アンプの故障判別や両アンプの温度等の周囲環境の変化に伴う増幅率の変化等を修正することができる。これは、アンプ出力としてアンプ１２Ａを使用するか、アンプ１２Ｂを使用するかの境界の近くでは重要になる。これによってアンプ１２Ａとアンプ１２Ｂの使用の境界でかつ、周囲環境の変化によって開度センサの出力値に差が生じることによる制御の不安定さを無くすことができる。
【００４５】
なお、本実施例のその他の構成は第１の例と同様であるが、第２の例〜第５の例、さらには一般的なスロットルバルブに関して適用してもよい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、閉状態近くの開度センサの情報は、増幅率の大きい第２の増幅器の出力を使い、それ以外のところでは、増幅率の比較的小さな第１の増幅器の出力を使うことによって、コストを抑えつつ、バルブ閉状態近くの開度制御の精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の例のバルブ装置の断面図である。
【図２】第１の例のバルブ装置の回路図である。
【図３】第１の例の固定子の展開斜視図である。
【図４】第１の例の回転子の斜視図である。
【図５】第１の例の動作原理を説明するための説明図である。
【図６】第１の例の固定子と回転子との相対角度に対する駆動トルクの関係を示すグラフである。
【図７】第１の例のバルブ装置の要部断面図である。
【図８】第２の例の固定子の展開斜視図である。
【図９】第２の例の回転子の斜視図である。
【図１０】第３の例のバルブ装置の要部断面図である。
【図１１】第３の例の変形例のバルブ装置の要部断面図である。
【図１２】第４の例のバルブ装置の要部断面図である。
【図１３】第５の例のバルブ装置の磁極形状を説明するための説明図である。
【図１４】第５の例の固定子と回転子との相対角度に対する駆動トルクの関係を示すグラフである。
【図１５】本発明に係る一実施例のバルブ装置の回路図である。
【符号の説明】
１…開度センサ、３，３Ａ，３Ｂ…弁体、４，４Ａ…バルブケーシング、５…アクチュエータ、５Ａ，５Ｊ…回転子、５Ｂ，５Ｌ…固定子、５Ｄ…トロイダル状コイル、５Ｆ，５Ｍ…内周側固定子磁極、５Ｇ…外周側固定子磁極、５Ｉ…永久磁石、５Ｋ…回転子鉄心、７…回転軸、８…駆動回路、９…制御回路、１１…アクセルペダル、１２Ａ，１２Ｂ…アンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0003689559.tif 000012
【図１２】
0003689559.tif 000013
【図１３】
0003689559.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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