(57)【要約】    【課題】  高速応答性と高分解能を保持しながらも高いトルクを発生しうるステッピングモータを提供する。    【解決手段】  アキシャルコイルを備えたステッピングモータ（１００）において、アキシャルコイルの少なくとも１相が、互いに相互インダクタンスを生じないように複数に分割されて巻かれている（１０、１１）。上記構成によれば、コイルのインダクタンスは（１／分割数）2となる。コイルの半径とコイル中を流れる電流量は変わらないので、磁束密度自体は分割の有無にかかわらず変わらない。したがって、アキシャルコイルを分割することによって磁束密度を変えずにインダクタンスだけを大幅に変えることができる。このように磁束密度を変えずにインダクタンスを下げることができるため、トルクが大きくかつ高速応答性のよいステッピングモータを提供することができる。【選択図】    図１
2005073484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アキシャルコイルを備えたステッピングモータにおいて、
前記アキシャルコイルの少なくとも１相が、互いに相互インダクタンスを生じないように複数に分割されて巻かれていることを特徴とするステッピングモータ。
【請求項２】
前記アキシャルコイルは二つに分割されている、請求項１に記載のステッピングモータ。
【請求項３】
アキシャルコイルを備えたステッピングモータにおいて、
回転自在に保持されたロータを囲むステータを備え、
前記ステータは前記ロータの軸方向に複数のボビンが周設されており、
各前記ボビンには導線が前記ロータを周回するように巻かれてアキシャルコイルを形成しており、前記ステータは互いの当該アキシャルコイル間に相互誘導を禁止する構造を備えており、
複数の前記アキシャルコイルは直列接続されていることを特徴とするステッピングモータ。
【請求項４】
前記ボビンは二つ周設されている、請求項３に記載のステッピングモータ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載されたステッピングモータと、
前記ステッピングモータのロータにより往復動可能に設けられたバルブと、
前記バルブの位置に応じた流量で流体を流通させるためのシート径を有する流路と、を備えたことを特徴とするバルブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバルブの開閉に適するステッピングモータに係り、特に、トルクを下げることなく高い分解能を保持することのできるステッピングモータの改良構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
排ガス対策から排気ガスの一部を吸気管に戻し、燃焼温度を下げることで排ガス中の窒素酸化物量濃度を下げるためにＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）バルブが用いられている。このバルブでは微妙なガス流量の制御を行う必要があるため、ステッピングモータを用いる。
【０００３】
従来、このようなバルブの制御に用いられるステッピングモータとしては、例えば、特開平４−２５５４５４号公報（特許文献１）に開示されているステッピングモータがあった。この文献に開示されたステッピングモータによれば、ステータ突極部に銅箔が敷設され、インシュレータを介してコイルがトロイダル状に巻かれた構造が提供されており、コイルに通電することによって発生する渦電流を銅箔に流し、発生した磁束によってインダクタンスを軽減して高速応答性を確保することができていた。
【０００４】
また特開平８−８００２５号公報（特許文献２）に開示されているようなステッピングモータは、回転軸の周りに多数の突極を設けた円筒状永久磁石回転子が設けられており、各突極によって回転軸を取り囲むように構成され、各突極にはコイルが巻かれており隣接する突極間では駆動巻き線が直接接続されている。このような構成により、低速でも滑らかな回転を得ることができていた。
【特許文献１】特開平４−２５５４５４号公報（図４等）
【特許文献２】特開平８−８００２５号公報（図２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記公報に記載されたようなステッピングモータを用いたバルブでは高い分解能を保ちながらバルブを通過する流量を上げるに充分なトルクを得ることができなかった。
【０００６】
例えば、ＥＧＲバルブ装置では、排ガスの一部を吸気マニホールドに迅速に戻す必要があるが、同時に微妙な流量制御が欠かせない。このために従来のステッピングモータにおいて応答性を確保し高い分解能を保持しようとすればモータに磁界を発生させるコイルのインダクタンスを下げなければならない。ところが、同時にコイルを貫く磁束も減少するため、モータのトルクが減少し、大流量制御を可能とするシート径の大きなバルブを駆動するにはトルク不足となる可能性があった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、上記課題を解決するために、高速応答性と高分解能を保持しながらも高いトルクを発生しうるステッピングモータを提供することにある。
【０００８】
さらに本発明の目的は、高速応答性と高分解能を保持しながらも大流量制御が可能なバルブ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、アキシャルコイルを備えたステッピングモータにおいて、アキシャルコイルの少なくとも１相が、互いに相互インダクタンスを生じないように複数に分割されて巻かれていることを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、コイルのインダクタンスは巻き線数の二乗に比例し、ｎ分割した場合の各コイルのエアギャップ断面積Ｓは１／ｎになる。このため、ｎ分割された各コイルのインダクタンスは分割しない状態におけるコイルのインダクタンスの（１／ｎ）2×１／ｎになる。アキシャルコイル全体のインダクタンスＬはｎ分割されたコイルの直列接続となるため、Ｌ∝（１／ｎ）3×ｎ＝（１／ｎ）2となる。コイルの半径とコイル中を流れる電流量は変わらないので、磁束密度自体は分割の有無にかかわらず変わらない。したがって、アキシャルコイルを分割することによって磁束密度を変えずにインダクタンスだけを大幅に変えることができる。このように磁束密度を変えずにインダクタンスを下げることができるため、トルクが大きくかつ高速応答性のよいステッピングモータを提供することができる。
【００１１】
例えば、上記分割数ｎが２であれば、アキシャルコイルは二つに分割されていることになり、インダクタンスは１／２2＝１／４になる。分割数だけ分割してコイルを巻く必要が生じるが、最も分割数の少ないｎ＝２の状態でも、簡単にインダクタンスのみを１／４に激減させることができる。
【００１２】
本発明は、アキシャルコイルを備えたステッピングモータにおいて、回転自在に保持されたロータを囲むステータを備え、ステータはロータの軸方向に複数のボビンが周設されており、各ボビンには導線がロータを周回するように巻かれてアキシャルコイルを形成しており、ステータは互いの当該アキシャルコイル間に相互誘導を禁止する構造を備えており、複数のアキシャルコイルは直列接続されていることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、コイルのインダクタンスは巻き線数の二乗に比例し、ｎ分割した場合の各コイルのエアギャップ断面積Ｓは１／ｎになる。このため、ｎ個の各ボビンにそれぞれ分割された各コイルのインダクタンスは分割しない状態におけるコイルのインダクタンスの（１／ｎ）2×１／ｎになる。アキシャルコイル全体のインダクタンスＬはｎ分割されたコイルの直列接続となるので、Ｌ∝（１／ｎ）3×ｎ＝（１／ｎ）2となる。コイルの半径とコイル中を流れる電流量は変わらないので、磁束密度自体は分割の有無にかかわらず変わらない。したがって、アキシャルコイルを分割することによって磁束密度を変えずにインダクタンスだけを大幅に変えることができる。このように磁束密度を変えずにインダクタンスを下げることができるため、トルクが大きくかつ高速応答性のよいステッピングモータを提供することができる。
【００１４】
例えば、上記ボビンは二つ周設されるものとすれば、アキシャルコイルは二つに分割されていることになり、インダクタンスは１／２2＝１／４になる。分割数だけ分割してコイルを巻く必要が生じるが、最も分割数の少ないｎ＝２の状態でも、簡単にインダクタンスのみを１／４に激減させることができる。
【００１５】
また本発明のステッピングモータを利用した発明として、当該ステッピングモータと、ステッピングモータのロータにより往復動可能に設けられたバルブと、バルブの位置に応じた流量で流体を流通させるためのシート径を有する流路と、を備えたことを特徴とするバルブ装置がある。
【００１６】
上記構成によれば、ステッピングモータの回転によってバルブが往復動作し、そのバルブ位置によって、流体の流量を変化可能に構成されている。このためステッピングモータの回転に応じて流体の流量を変更することができる。ここで当該バブル装置に用いられるステッピングモータはトルクが大きくかつ高速応答性がよいので、大流量の流体の流通制御に用いることができ、かつ、分解能を高くすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上本発明によれば、磁束密度を変えずにインダクタンスだけを小さくすることができるため、高速応答性と高分解能を保持しながらも大流量制御が可能なステッピングモータとバルブ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
本実施形態は、再燃焼有毒ガスの発生を低減させるためのＥＧＲバルブ装置に本発明のステッピングモータを適用させたものである。以下に述べる実施形態は本発明のステッピングモータを内燃機関のＥＧＲバルブに適用した例であり、ＥＧＲバルブ以外の装置にも本発明を適用することが可能である。また、モータについても、本発明の高トルクかつ高分解能制御が利用できるものであれば、その形態がステッピングモータに限定されるものでもない。
【００２０】
図２に、本実施形態のＥＧＲバルブ装置を適用した内燃機関のシステム概念図を示す。図２に示すように、本実施形態の内燃機関は、吸気系統として、吸気口１１１、エアクリーナー１１２、吸気管１１３、スロットルバルブ１１４、サージタンク１１５、及び吸気マニホールド１１６を備えている。エンジン１２０を経て排気ガスが排出される排気系統として、排気マニホールド、三元触媒１３１、及び排気パイプ１３２を備えている。
【００２１】
上記構成において、エアクリーナー１１２は吸い込んだ空気中の粉塵を濾過するものである。スロットルバルブ１１４は、吸気管１０３内を流れる空気の流量を制御する弁構造を有している。サージタンク１１５は、エンジン１２０の燃焼室内に供給する空気の圧力を平準化するものである。吸気マニホールド１１６は、エンジン１２０に空気を導くパイプである。三元触媒１３１は排出ガスを低減させるための構造物である。
【００２２】
さて本発明に係るＥＧＲバルブ装置は、ステッピングモータ１００、バルブ本体１０１、及びバルブ１０２等を備えて構成されている。バルブ本体１０１は、ステッピングモータ１００やバルブ１０２を収容する流路の一部を形成しており、排気系統の排気マニホールド１３０とバルブ下側で連通しており、吸気系統のサージタンク１１５とバルブ上側で連通している。バブル本体１０１の内部には本発明に係るステッピングモータ１００が設置されており、バブル１０２を駆動して当該バブル本体１０１を通過する流体の流量を制御可能に構成されている。
【００２３】
具体的には、ステッピングモータ１００の回転軸であるシャフト４にはバルブ１０２がシャフトの回転に対応して往復動作可能に取り付けられている。バルブ１０２は、バルブ本体１０１内の流路を往復動作可能に設けられており、バルブ１０２の位置に応じてバルブ１０２を通過する流体、例えばガスの流量が変化するようになっている。
【００２４】
ステッピングモータ１００にはエンジンコントロールユニット（以下、「ＥＣＵ」と称する。）２００からの制御線が接続されており、ＥＣＵ２００からの制御信号によって規定される制御量に対応した回転量だけステッピングモータ１００のシャフトを段階的に回転させることが可能になっている。
【００２５】
上記構成において、エンジン１２０の燃焼室内に入った混合空気から排気ガスが排気マニホールド１３０に排出されるが、その一部がバルブ本体１０１に取り入れられる。バルブ本体１０１内では、ＥＣＵ２００の制御によりステッピングモータ１００が回転して、当該回転量に対応してバルブ１０２の位置が上下する。そのためこのバルブ１０２の位置に対応した流量で排気ガスが流通し、吸気系統のサージタンク１１５に戻される。戻された排気ガスは再循環して新しい吸入空気と混合され、エンジン１２０の燃焼室に吸入される。排気ガスと混合されているので、この燃焼室に入る空気は酸素濃度が低くなり、燃焼温度が下がる。このため、燃焼で生成されるＮＯx（窒素酸化物）量が少なくなり、外部に排出される排気ガス中のＮＯx濃度を低減させることができる。
【００２６】
次に本ＥＧＲバルブ装置に使用されるステッピングモータ１００の構造について説明する。図１に、当該ステッピングモータ１００の構造を説明する側面図一部断面図を示す。図１は、モータの回転軸までの一部断面を示している。図１に示すように、本ステッピングモータ１００は、ケーシング１に、ガイド２、ロータサブアッセンブリ３、シャフト４、スクリュー７、ステータ８、ボビン９を備えて構成される。
【００２７】
ケーシング１の外側には、金属製のステータ８が周設されており、その中にケーシング１の半径方向に開口したリング状のボビン９が二つ並んで収容されている。ボビン９の凹部にはシャフト４を軸中心としてリード線が巻かれアキシャルコイルを形成している。つまりアキシャルコイルが二つに分割されている。それぞれのアキシャルコイルの部分を第１及び第２コイル部１０と１１と呼ぶことにする。これら二つのコイルは互いに直列接続されたコイルの集合と見ることもできるが、実際には全体として一つのアキシャルコイルを後述する理由のため互いに相互インダクタンスを生じないように磁界を遮断しながら二つの部屋に分割したと見るべきである。なお、第１及び第２コイル部１０及び１１に対して電力を供給する端子は図示していない。
【００２８】
シャフト４はケーシング１に対して、ベアリング５を介在して回動自在に軸持されている。シャフト４にはロータサブアッセンブリ３が周設されて一体化されており、シャフト４とともに回転自在に構成されている。ロータサブアッセンブリ３は磁性材料、例えば極異方性フェライトを主体とする材料で構成されており、磁石を形成している。このため第１コイル部１０及び第２コイル部１１で発生した磁界に対応してロータサブアッセンブリ３にトルクが発生し、シャフト４が回転するようになっている。
【００２９】
シャフト４にはスクリュー７がシャフト４と同軸に一体的に設けられている。スクリュー７には、スクリューに歯合するねじ切り部を備えたガイド２がケーシング１に対して往復動作（図面左右方向）自在に設けられている。当該ガイド２はスプリング６によって一定方向に付勢されている。
【００３０】
上記構成において、第１及び第２コイル部１０及び１１に電流を流して、それによって発生した磁界に対応してシャフト４及びスクリュー７が回転すると、スクリューに歯合しているガイドがそのねじ切り方向に対応した方向に移動させられる。このガイド２の移動量はスクリュー７及びシャフト４の回転量に応じ、当該回転量は発生する磁界、すなわち第１及び第２コイル部１０及び１１に流される電流量に応じるため、コイルに流す電流量の制御によってガイド２の直線方向の移動距離を制御できることになる。したがって、このガイドに連動させてバルブ１０２が動くようにバルブ本体１０１内にステッピングモータ１００を設置すれば、電流制御が可能なバルブ装置が構成できるのである。
【００３１】
次に図３及び図４を参照して、本ステッピングモータ１００における構成上の特徴を従来型との比較において説明する。
【００３２】
従来型のアキシャルコイルＣ0は、図４（ａ）に示すように、ロータＲから所定のエアギャップをおいてコイルを対峙させコイルを収容するステータＳ内に一つのアキシャルコイルとして巻かれて構成されている。図４（ｂ）はこのコイルの等価回路である。当該コイルＣ0のインダクタンスＬ0は、式（１）のように計算される。
【００３３】
Ｌ0＝Ｎ02／Ｒ０     …（１）
Ｒ0＝ｌ／（μ・Ｓ0）
ここでＮ0はコイル巻数、Ｒ0は磁気抵抗、ｌはエアギャップ長さ、μは透磁率、Ｓ0はエアギャップ断面積である。すなわち、式（１）によれば、コイルのインダクタンスは巻数の二乗に比例する。当該コイルに電流を流した場合に発生する磁束密度はコイル中を流れる電流量に関係する。ロータＲに発生するトルクＴ0はこの磁束密度に関係するため、トルクＴ0自体はコイルＣ0に供給する電流によって定まることになる。
【００３４】
本発明のアキシャルコイルは、図３（ａ）に示すように、ステータＳが二つに分離されたそれぞれの凹部内に分離して巻かれて構成されている。またステータＳの壁が両コイル部間に介在しているため、一方のコイル部から他方のコイル部に磁力の影響が及ばず、相互インダクタンスの発生を禁止するような構造を備えている。すなわち、一つのアキシャルコイルが二つの部分、第１コイル部１０と第２コイル部１１とに分割されて構成されている。これらは二つのコイルを直列接続したと言うよりも、一つのコイルを互いに相互インダクタンスを生じないようにして二つに分割したという概念に近い。
【００３５】
図３（ｂ）はこれらコイル部の等価回路である。これら第１コイル部Ｃ1及び第２コイル部Ｃ2のインダクタンスＬ1,2がどのようになるか計算する。
【００３６】
まず従来例との比較では、エアギャップ長さｌと透磁率μは同じであるが、その他のパラメータが変化する。例えば、各コイル部の巻数Ｎ1,2は、コイルＣ0の１／分割数である。またエアギャップ断面積Ｓ1,2も、コイルＣ0の１／分割数である。ここでいう分割数ｎは当該実施形態では２である。従って、第１コイル部Ｃ1及び第２コイル部Ｃ2のインダクタンスＬ1,2は式（２）のように計算される。
【００３７】
Ｎ1,2＝（１／ｎ）×Ｎ0
Ｓ1,2＝（１／ｎ）×Ｓ0
Ｒ1,2＝ｌ／（μ・Ｓ1,2）＝ｌ／（（１／ｎ）μ・Ｓ0）
Ｌ1,2＝（（１／ｎ）Ｎ0）2／Ｒ1,2＝（１／ｎ）3Ｌ0     …（２）
一つのアキシャルコイルとしてのインダクタンスＬは分割されたコイル部のインダクタンスの直列接続となるため、式（３）となる。
【００３８】
Ｌ＝ｎ×Ｌ1,2＝（１／ｎ）2×Ｌ0   …（３）
すなわち、式（３）によれば、アキシャルコイルを二つに分割することでインダクタンスが１／４に激減することが解る。インダクタンスの大きさはそのまま高速応答性と分解能に反映される。式（３）によればコイルを分割することで分解能が大幅に向上することがわかる。
【００３９】
一方、コイル全体のトルクは、当該コイルに電流を流した場合に発生する磁束密度に対応するため、従来型と同じ電流を流す限り、コイル部を貫く磁束密度に変化は無い。ロータＲに発生するトルクはこの磁束密度に関係するため、分割されたコイル部によってロータＲに発生するトルクＴ1,2自体はコイルＣ0の場合と変わらない（Ｔ0＝Ｔ1,2）。
【００４０】
すなわち、本実施形態のステッピングモータによれば、アキシャルコイルを二分割することによって、トルクを変化させることなく、インダクタンスを１／４に減らして分解能を大幅に向上させることができている。このように本発明によれば、磁束密度を変えずにインダクタンスを下げることができるため、トルクが大きくかつ高速応答性のよいステッピングモータを提供することができる。本実施形態のＥＧＲバルブはこのようなステッピングモータ１００を利用しているので、高分解能で大流量制御が可能である。すなわち、１ステップ当たりの流量変化を微小にして細かな流量制御が可能である一方、高いトルクを発生させるので大流量の流体の流量制御が可能である。
【００４１】
なお、本発明は上記実施形態によらず、種々に変更して利用することが可能である。例えば、分割数ｎは２に限らず３以上にすることが可能である。分割数ｎを上げるほどその分割数の二乗分の一にインダクタンスを減らすことができる。
【００４２】
またアキシャルコイルの構成方法は上記実施形態に限定することなく実施可能である。分割したコイル部間に相互インダクタンスの発生することを防止可能な構造であって、発生する磁束はロータの回転に寄与するように構成できれば、上記構造以外のものも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施形態に係るステッピングモータの構造図であり、一部断面図である。
【図２】実施形態におけるＥＧＲバルブ装置の概念図である。
【図３】実施形態のステッピングモータにおけるコイルの巻き方の説明図であり、（ａ）は断面概念図、（ｂ）は等価回路図。
【図４】従来のステッピングモータにおけるコイルの巻き方の説明図であり、（ａ）は断面概念図、（ｂ）は等価回路図。
【符号の説明】
【００４４】
１…ケーシング、２…ガイド、３…ロータサブアッセンブリ、４…シャフト、５…ベアリング、６…スプリング、７…スクリュー、８…ステータ、９…ボビン、１０、Ｃ１…第１コイル部、１１、Ｃ２…第２コイル部、１００…ステッピングモータ、１０１…ＥＧＲバルブ装置、１０２…バルブ、１１１…吸気口、１１２…エアクリーナー、１１３…吸気管、１１４…スロットルバルブ、１１５…サージタンク、１１６…吸気マニホールド、１２０…直噴エンジン、１３０…排気マニホールド、１３１…三元触媒、１３２…排気パイプ、２００…ＥＣＵ
【図１】
2005073484.tif 000003
【図２】
2005073484.tif 000004
【図３】
2005073484.tif 000005
【図４】
2005073484.tif 000006