JP4215783B2 - 内燃機関のスロットル弁制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気流量を制御するスロットル弁制御装置に関する。

内燃機関のスロットル弁を電動アクチュエータ（例えば直流モータ，ステッピングモータ，トルクモータ，ブラッシレスモータ）により開閉制御する電子制御式スロットル装置が実用化されている。

電子制御式スロットル装置は、アクセルペダルの開度信号やトラクション制御信号に基づきエンジン状態に応じた最適なスロットル弁角度（スロットル弁開度）を制御するものである。そのために、スロットルボディには、スロットル弁の角度を検出するためのセンサ、いわゆるスロットルセンサ（開度計，スロットルポジションセンサと称せられることもある）を装着している。

スロットルセンサは、一般にポテンショメータ方式が採用されており、スロットル弁軸と共に回転するブラシ（摺動子）が、抵抗体上を摺動することでスロットル弁開度に相当する電位差信号（センサ検出信号）を出力する（例えば特開平７−３４３８７８号公報，特開平９−３２５８８号公報参照）。

特開平７−３４３８７８号公報 特開平９−３２５８８号公報

従来使用されているこの種のスロットルセンサは抵抗基板に形成された可変抵抗及び導体にブラシが接触し、摺動するものである。このためセンサの寿命が短く、故障も多い。センサを２重系にしてセンサの故障検出や、相互バックアップを行っているが根本的な解決にはならない。

又、従来の自動車はこのような故障の可能性が高く、寿命が短いセンサの出力で制御パラメータが制御されていたため、内燃機関の運転制御の精度が悪かった。

スロットル弁の開度を非接触で検出するものとして特許第２８４５８８４号が知られているが、スロットル制御弁装置として実用に供するための工夫がなく実用化されていない。

本発明の目的は、故障が少なく寿命が長いスロットルセンサを備えたスロットル弁制御装置を提供するところにある。

特に、非接触型のセンサをスロットル制御装置の一部としてコンパクトに装置に装着するためのいくつかの工夫を提案する。

又、磁気的ノイズや、磁気特性に対する悪影響を取り除くための工夫も提案する。

又、別の目的は内燃機関の制御パラメータの制御因子の一つであるスロットルセンサを改良して、内燃機関の運転制御精度の向上を計ることにある。

本発明は、上記目的を達成するために、次のようなスロットル弁制御装置を提案する。
（１）スロットル弁軸と、当該スロットル弁軸に固定され、モータの駆動力を前記スロットル弁軸に伝達する終段ギアと、前記スロットル弁軸を支持するスロットルボディと、前記スロットル弁軸の回転角度を検知するスロットルセンサと、前記スロットルボディに取り付けられ、前記終段ギアを覆うカバーとを備え、前記スロットルセンサはマグネットと前記マグネットの磁束の変化を検出するホール素子を備えた磁気型であり、前記マグネットと前記ホール素子は、前記スロットル弁軸に固定されたギアの前記スロットルボディに対向する側の面と、前記カバーの内側の面との間に配置されている内燃機関のスロットル弁制御装置。

具体的には、
（２）前記マグネットは前記スロットル弁軸に取り付けられており、前記ホール素子は前記カバーに取り付けられている内燃機関のスロットル弁制御装置。
（３）前記ホール素子の出力が前記スロットル弁の開度の関数になっている内燃機関のスロットル弁制御装置。
（４）前記スロットルセンサが出力する電気信号によって前記モータの指令値が調整される内燃機関のスロットル弁制御装置。
（５）前記ギアは、前記スロットル弁軸に固定された金属プレートと、歯を形成する合成樹脂部分とから構成されており、前記合成樹脂部分は前記金属プレートをインサートモールドすることで前記金属プレートと一体に形成されている内燃機関のスロットル弁制御装置。
（６）前記モータの回転軸と前記スロットル弁軸を平行に配置し、減速ギアを介して前記モータの回転軸の回転を前記スロットル弁軸に伝えるように構成し、前記モータの回転軸と前記スロットル弁軸との間のトルク伝達経路の中間に位置する中間ギアの支持軸を磁性材で形成した内燃機関のスロットル弁制御装置。
（７）前記カバーには前記ホール素子と、当該ホール素子の出力を所定の電気信号に変換する信号処理回路が取り付けられている内燃機関のスロットル弁制御装置。
（８）前記モータの通電が断たれたとき前記マグネットを所定の開き開度位置に保持するばねを前記スロットル弁軸の周囲に装着した内燃機関のスロットル弁制御装置。
（９）前記ホール素子は前記マグネットの磁気的影響下に配設された２個の素子からなり相互にバックアップするよう構成された内燃機関のスロットル弁制御装置。

本発明によれば、非接触式のセンサをスロットルボディにコンパクトに組み付けることができた。

別の発明によればスロットルボディのカバーとギアの間に非接触式のスロットルセンサをコンパクトに配設できた。

また、別の発明では電磁式の非接触型スロットルセンサをモータの電磁ノイズの影響を受け難い構成でスロットルボディに組み付けることができた。

経年変化の少ないスロットル開度信号で機関の制御パラメータを調整できるので制御精度のよい自動車が得られた。

以下、本発明にかかる一実施例を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、電子制御式スロットル弁装置（スロットル弁装置）は、スロットルボディ（以下、単にボディと称することもある）１，スロットル弁４，スロットル弁４を駆動するモータ（スロットル弁駆動装置；電動アクチュエータ）２２，減速ギア機構100，スロットル弁４の開き角度（開度）つまり、スロットル弁軸３の回転角度を計測するセンサ（スロットルセンサ）８０、およびスロットル弁軸３，モータ２２，減速ギア機構
１００を保護するカバー１６を主な要素として構成される。

ボディ１は、スロットル弁４の収納部（吸気ボア）２とモータ２２の収納部（モータハウジング）１ｃとを一体成形してなる。

スロットル弁４は、スロットル弁４軸３にねじ５により取り付けられ、軸３は、ボディ１に設けた軸受け６及び２６によって支持されている。

本実施例では、軸受６をボールベアリング、軸受２６をキャップ形状のプレーンベアリングとしている。その理由及び詳細は後述する。ボールベアリング６は、シールリング８を介して軸受ボス１ａに装着されている。また、ボールベアリング６の内輪６ａは、スロットル弁軸３の外周に圧入され、外輪６ｂが軸受ボス１ａの内周に中間嵌め(とまり嵌め)されている。

スロットル弁軸３は、片端のみがボディ１の側壁外に突出する。そして、側壁外に突出したスロットル弁軸一端には、後述するばね１０，レバー９，ばね１１及び減速ギア機構１００の最終段ギア（従動ギア）１２が装着されている。

スロットル弁軸３，減速ギア機構１００，モータ２２等のスロットル弁関連部品（以下、スロットル弁機構と称する）は、ボディ１の側壁に形成した収容部（ケース）１ｄに収容され、また、収容部１ｄは、合成樹脂のカバー１６で蓋されている。プレーンベアリング２６は圧入により装着されている。

すなわち、スロットル弁機構は、一つのカバー１６により保護されるように配置されており、モータハウジング１ｃの開口（モータ取り付け用の開口）１ｃ′は、収容部１ｄ内に臨むように位置し、この開口を通してモータ２２がハウジングに収容され、モータのエンドブラケット２２ａが開口１ｃ′周辺でねじ３７により固定されている（図３，図４参照）。

エンドブラケット２２ａに設けたモータ端子２３は、前記収容部１ｄの側壁の一辺近くに位置し、カバー１６側に向いて配置され、カバー１６側に設けた中継端子２４ａと中継コネクタ３３を介して接続されている。中継コネクタ３３は、種々の態様のものが考えられる。本実施例では、中継コネクタ３３として導電材製スリーブを用い、その両端に９０度だけ向きをずらしたスリット３４，３５を設け、このスリットに中継端子２４ａ及びモータ端子２３がさし込まれている。これらの端子２４ａ，２３もスリット３４，３５の向きに合わせて９０度だけ向きをずらしている。

モータ２２はアクセルペダルの踏み込み量に関するアクセル信号やトラクション制御信号，定速走行信号，アイドルスピードコントロール信号に応じて駆動され、モータ２２の動力が減速ギア機構１００（モータピニオン２１，中間ギア２０，最終段ギア１２）を介してスロットル弁軸３に伝達される。ピニオン２１はモータシャフト２７に取り付けられ、中間ギア２０は、スロットルボディ１に固着した導電性シャフト１９にフリーに嵌合する。中間ギア２０のうち径の大きい方のギア２０ａがピニオン２１とかみ合い、径の小さい方のギア２０ｂがギア１２にかみ合う。

最終段ギア１２は図３，図４に示すように扇形ギアである。

ギア１２とレバー９の関係を説明する。ギア１２は、図３に示すように、スロットル弁軸３の一端を通す穴１２ｈを有し、孔１２ｈがスロットル弁軸一端３ａ′（少なくとも２つの平面を有する）に係合可能な形状にしてあり、スロットル弁軸と一体に回動する。

レバー９は、スロットル弁軸３の外周（円周面）にフリーに嵌合されているが、ばね
１１を介してギア１２と引き付け合うように係合している。例えば、図４の符号１２ｆで示す突起がレバー９の図示しない突起に係合する。突起１２ｆは、ギア１２の内側に形成されている。

ばね１０はスロットル弁のリターンスプリングであり、一端がボディ１に設けたばね係止部（図示省略）に係止し、他端がレバー９に係止している。

ばね１０は、レバー９，ギア１２を介してスロットル弁軸に戻し力を付与するが、さらに、ばね１１及びレバー９と協働して、既に公知であるいわゆるデフォルト開度設定機構を構成する。

デフォルト開度設定機構とは、エンジンキーオフ時（換言すれば電動アクチュエータ
２２の非通電時）のスロットル弁４のイニシャル開度を全閉位置より大きな所定の開度に保持するためのものである。

デフォルト開度位置から全開制御位置までは、モータ２２のトルクとばね（リターンスプリング）１０の閉弁力との釣り合いによりスロットル弁開度が決定される。

デフォルト開度よりもスロットル弁開度を小さく制御する場合には、レバー９はデフォルト開度ストッパ（図示省略）により動きが規制され、ばね１１の力に抗してギア１２及びスロットル弁軸３だけを全閉方向に回動させることで行われる。

スロットル弁の機械的な全閉位置を規定する全閉ストッパ（図示せず）に扇形ギア１２の一辺に設けた可動側ストッパ１２ｄが当接することで全閉位置が決定される。

本実施例におけるギア１２の材質は、中央部が金属プレート１２ａであり、歯を形成する部分１２ｂ及び残り部分が合成樹脂（強化プラスチック）により一体に成形されている。

この場合、金属プレート１２ａは、ギア１２の樹脂部にインサートモールドされる。

マグネット８２のギア１２側端はギアの樹脂部分に対面する。

このため、マグネット８２の磁束がギア１２に漏洩するのが防げる。

ギア１２の中心部の金属プレート１２ａをマグネットホルダ８１でスロットルボディ
１ａ側に押し付けているがマグネットホルダ８１自体は樹脂材であるから金属プレート
１２ａに接触しても磁束の漏洩はない。

ギア１２のカット端面の一方に形成された可動側ストッパ１２ｄは、金属プレート12ａと一体につながっている。

可動側ストッパ１２ｄは、耐摩耗及び耐衝撃を図るために金属製とした。すなわち、スロットル弁の機械的全閉位置は、制御上の基準点となり、運転開始時或いは運転終了時の都度に１回はストッパ要素１２ｄが固定側の全閉ストッパ２５に当たる。そのために、可動側ストッパ１２ｄは、比較的衝突頻度が高いので、それに耐えられるように金属製とした。

１２ｉは、ギア１２をレバー９に係合するためのガイドである。

スロットル弁軸３の先端には樹脂性のマグネットホルダ８１が圧入固定され、マグネットホルダ８１にはマグネット８２がモールド成形により一体に装着されている。

マグネットホルダ８１の端部はギア１２の端面をスロットルシャフト３の段付き部３ｄ側に押し付け、ギア１２の抜け止めを兼ねている。

カバー１６の内面のスロットル軸３の端部に対面する位置にはスロットルセンサ８０の回路基板８４が溶着ピン８６により固定されている。

回路基板８４にはマグネット８２の周囲を取り囲むように半月状の一対のステータ８３が互いに所定の間隔８７を保って向き合ように固定されている。８５は回路基板８４に一体に設けたステータ８３のガイドである。

半月状の一対のステータ８３の間の間隔８７部分にはホール素子８６が取り付けられている。

ホール素子８６の３本の端子は回路基板８４に機械的に保持されると共に、回路基板
８４に配設された図示しない増幅器あるいはアナログ／デジタル変換器のような信号処理回路に接続されている。

回路基板８４に配設された信号処理回路はカバー１６に一体モールド成形された導体
２４に接続され、カバーと一体成形されたコネクタ１６ｂの電気端子４０（導体２４と接続されている）を介して外部装置に信号を送ることができる。

ホール素子８６はスロットル弁軸３が回転してマグネット８２が回転すると磁界の変化を検知してホール電圧を発生する。

この電圧は増幅器で増幅されるかあるいはアナログ／デジタル変換器で信号変換（増幅も含む）して、導体２４，端子４０を介して外部回路に送られる。

自動車のエンジンコントロールユニット（図示しない）はコネクタ１６ｂに接続されるカプラと信号線を備えており、端子４０からの信号がコントロールユニットに入力される。

コントロールユニットはマグネット８２の磁気的物理量としての磁界の変化によって検出されたスロットル開度と車速に基づいて、制御パラメータである、燃料や、スロットル弁の開度の補正や、オートトランスミッションの変速点の制御を行う。

また、ばね１１はモータ１２の通電が断たれた際、ギア１２をスロットル弁を開方向へ付勢し、センサのマグネット８２を所定の開度位置へ強制的に開く。

かくして本実施例のスロットル制御装置を備えた自動車はスロットル弁の軸端に取り付けられたマグネットの磁気的信号を受けて当該スロットル弁の開度に関連してホール素子
８６が出力する電気的信号の変化によって機関の制御パラメータが調整される。

センサが非接触式であるのでホール素子８６が出力する電気的信号の変化としてのスロットル弁４の開度信号が経年変化を生じる要素が少ないので内燃機関の制御パラメータの調整が長期間にわたって正確に行える。

図７に基づきセンサの原理を説明する。

スロットルセンサ８０のロータとしてのマグネット８２は、互いに異なる極性を呈する一対の弧状磁石を対面させた状態でマグネットホルダ８１に固定する。

このマグネットホルダ８１をスロットル弁３に固定し、スロットル弁軸３を回転させると両マグネットの接合面がホール素子に対して相対的に回転する。この状態の磁力線の変化を図７に示す。

磁極の接合面部に設置した一対のホール素子８６はこのスロットル弁軸３の回転角度の変化に伴う磁力線の変化に感応して回転角度の関数となる信号を出力する。

ギア１２が合成樹脂製であるのでマグネット８２の発生する磁界がギア１２によって悪影響を受けることがない。

実施例ではスロットル弁軸３に嵌合する中心部を金属としたが、全てを合成樹脂材によって成形すれば更に磁気的悪影響が少なくなる。

ギア１２の形が扇形のような変則的な形状であっても磁界が偏らないのでホール素子
８６の感応特性がスロットル軸の回転角度に関係なく一様に得られる。

図５に示すように、モータの回転軸中心とスロットル回転中心との間の寸法を半径として、モータの回転中心を中心として描いた円弧Ｓのエリアの外にホール素子８６は取り付けてある。

その結果モータの駆動電流の変化による電磁的影響をホール素子８６が受け難く、ホール素子８６の検出精度が阻害され難い。

回路基板８４にステータ８３を取り付けてカバー１６の内面に固定するように構成したのでステータ８３の組み付け作業がやりやすい。

なお、ステータを直接カバー１６に固定することもできる。

この場合は制御回路をステータの脇にずらして固定することになるが、軸方向の寸法が短くできる利点がある。

モータ２２と磁気型の非接触センサ８０との間に位置する中間ギア２０の回転支軸１９を磁性材性としたので、モータ２２の駆動電流の変化による電磁的影響を回転支軸１９でシールドする効果が期待でき、ホール素子８６がモータ２２の電磁的影響を受け難く、ホール素子８６の検出精度が阻害され難い。

図６に示すようにスロットル弁軸３，ばね１０，１１、レバー９，最終段ギア１２，マグネットホルダ８１，マグネット８２をサブアッセンブリとしてスロットルボディ１に組み付けることができるので組立作業がやりやすい。

本発明の一実施例に成るスロットル弁制御装置の断面図。 本発明の一実施例に成るスロットル弁制御装置の別の断面図。 本発明の一実施例に成るスロットル弁制御装置の分解斜視図。 本発明の一実施例に成るスロットル弁制御装置の別の角度から見た分解斜視図。 実施例の構成の特徴を説明するための図面。 スロットル弁軸アッセンブリを示す図面。 （ａ），（ｂ）はマグネットの動きとホール素子の位置関係を説明するための図面。

符号の説明

１…スロットルボディ、２…ボア、３…スロットル弁軸、４…スロットル弁、９…レバー、１０，１１…ばね、１２…最終段ギア、１６…カバー、２２…モータ、８０…（非接触型）スロットルセンサ、８１…マグネットホルダ、８２…マグネット、８３…ステータ、８４…回路基板、８６…ホール素子、１００…ギア。

Claims (8)

1. スロットル弁軸と、
   当該スロットル弁軸に固定され、モータの駆動力を前記スロットル弁軸に伝達する終段
   ギアと、
   前記スロットル弁軸を支持するスロットルボディと、
   前記スロットル弁軸の回転角度を検知するスロットルセンサと、
   前記スロットルボディに取り付けられ、前記終段ギアを覆うカバーとを備え、
   前記スロットルセンサはマグネットと前記マグネットの磁束の変化を検出するホール素
   子を備えた磁気型であり、
   前記マグネットと前記ホール素子は、前記スロットル弁軸に固定された前記終段ギアの前記スロットルボディに対向する側の面と、前記カバーの内側の面との間に配置されており、
   前記カバーには前記モータに向かって突出する接続端子が一体に形成されており、
   当該接続端子と前記スロットルセンサとの間に前記モータの出力軸に取り付けられた出
   力ギアが位置しており、
   さらに、前記モータの回転軸と前記スロットル弁軸が平行に配置され、
   前記出力ギアと終段ギアを含む減速ギアを介して前記モータの回転軸の回転を前記スロットル弁軸に伝えるように構成されており、
   前記出力ギアと前記終段ギアとの間のトルク伝達経路の中間に位置する中間ギアの支持軸を磁性材で形成した
   内燃機関のスロットル弁制御装置。
2. 請求項１において、
   前記マグネットは前記スロットル弁軸に取り付けられており、
   前記ホール素子は前記カバーに取り付けられている
   内燃機関のスロットル弁制御装置。
3. 請求項１において、
   前記ホール素子の出力が前記スロットル弁の開度の関数になっている
   内燃機関のスロットル弁制御装置。
4. 請求項１に記載したものにおいて、
   前記スロットルセンサが出力する電気信号によって前記モータの指令値が調整される
   内燃機関のスロットル弁制御装置。
5. 請求項１に記載したものにおいて、
   前記終段ギアは、前記スロットル弁軸に固定された金属プレートと、歯を形成する合成樹脂部分とから構成されており、
   前記合成樹脂部分は前記金属プレートをインサートモールドすることで前記金属プレー
   トと一体に形成されている
   内燃機関のスロットル弁制御装置。
6. 請求項１に記載されたものにおいて、
   前記カバーには前記ホール素子と、当該ホール素子の出力を所定の電気信号に変換する
   信号処理回路が取り付けられている
   内燃機関のスロットル弁制御装置。
7. 請求項１に記載したものにおいて、
   前記モータの通電が断たれたとき前記マグネットを所定の開き開度位置に保持するばね
   を前記スロットル弁軸の周囲に装着した
   内燃機関のスロットル弁制御装置。
8. 請求項１に記載したものにおいて、
   前記ホール素子は前記マグネットの磁気的影響下に配設された２個の素子からなり相互
   にバックアップするよう構成された
   内燃機関のスロットル弁制御装置。

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