JP5429080B2 - スロットル装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関（以下、エンジンと称す）に吸い込まれる吸気量の調整を行なうスロットル装置に関する。特に、バタフライバルブを用いたスロットル装置において全開時における吸入空気量の増加を図る技術に関する。

エンジンに吸い込まれる吸気量の調整を行なうスロットル装置としてバタフライバルブを用いたスロットル装置が一般に用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に開示されるスロットル装置（従来技術の一例）を、図５を参照して説明する。なお、後述する［発明を実施するための形態］および［実施例］と同一機能物には同一符号を付すものである。

スロットル装置は、
・内部に吸気通路１を形成するスロットルボディ２と、
・このスロットルボディ２に対してベアリング（軸受）３を介して回動自在に支持されるシャフト４と、
・吸気通路１の内部においてシャフト４に支持される板状のバルブ５とを具備する。
そして、シャフト４を介してバルブ５を回動操作することで、エンジンに吸い込まれる吸気量の調整を行なう。

ここで、エンジンの高速域での馬力損失を抑えるためには、バルブ全開時における吸気抵抗を、極力小さくする必要がある。
通路内を流れる流体の流速は、流路の流路中心（流れ方向に沿う流路の中心）において最も速くなる特性を有する。
このことは、スロットル装置の吸気通路１にも当て嵌まることであり、吸気通路１を流れる吸気は、吸気通路１の流路中心において最も速くなる。

しかるに、従来のスロットル装置では、図５（ａ）に示すように、直線棒状のシャフト４が、転がりベアリング３のインナーレース（内輪）の中心に圧入される構造を採用していた。
このため、バルブ全開時であっても、図５（ｂ）に示すように、バルブ５とシャフト４が吸気通路１の流路中心に存在することになる。即ち、バルブ全開時には、流速が最も速くなる吸気通路１の流路中心に、バルブ５とシャフト４が存在することになる。
その結果、最も吸気流の速くなる流路中心において、バルブ５とシャフト４が吸気流に抵抗を与えてしまい、吸気の圧力損失を大きくして、高速域でのエンジンの馬力損失を招く不具合があった。

特開２００１−１３２４８０号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、バルブ全開時における吸気の圧力損失を抑え、高速域におけるエンジンの馬力損失を抑えることのできるスロットル装置の提供にある。

〔請求項１の手段〕
請求項１のスロットル装置は、シャフトの回動中心軸を、吸気通路の流路中心から離れた位置にオフセット配置している。
このため、バルブ全開時に、吸気通路内におけるバルブおよびシャフトの位置を、吸気通路の流路中心から外れた位置に配置できる。即ち、バルブ全開時には、最も流速の速くなる吸気通路の流路中心からバルブおよびシャフトを外すことができる。
その結果、「最も吸気流の速くなる流路中心」において「バルブとシャフトが吸気流に抵抗を与えてしまう従来の不具合」を回避することができ、吸気の圧力損失を小さくして、高速域でのエンジンの馬力損失を抑えることができる。

また、請求項１のスロットル装置のシャフトは、
・吸気通路の内部においてバルブが固定されるバルブ固定シャフト部と、
・吸気通路の外部において回動方向の操作力を受けるシャフト基部とからなる。
そして、「シャフト基部の中心軸」に対して「バルブ固定シャフト部の中心軸」がオフセット配置されて、「シャフトがクランク形状」に設けられ、そのクランク部（クランク形状を呈する部位）が吸気通路の外部に設けられる。
このように設けられることにより、シャフト基部が回動操作されると、バルブ固定シャフト部が円弧状の回動軌跡を描いて回動する。このため、バルブ全閉時からバルブを開く際に、バルブの先端部が吸気通路の「内壁に沿う方向」に押し開かれる｛図１（ａ）の矢印Ａ参照｝。
その結果、吸気通路の内壁に生じたデポジットや氷結によってバルブに固着が生じやすい状態であっても、バルブの先端部が吸気通路の「内壁に沿う方向」に押し開かれることで、バルブがデポジットや氷結を引き剥がすことができ、バルブ固着の発生を未然に防ぐことができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２のスロットル装置は、ベアリングにおける吸気通路側の面が、吸気通路の内壁に接近配置される。
このように、ベアリングにおける吸気通路側の面が吸気通路の内壁に接近して配置されることで、バルブ全閉時におけるバルブとベアリングの隙間を抑えることができ、バルブ全閉時における吸気の漏れを抑えることができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３のスロットル装置のベアリングは、インナーレース、アウターレース、転がり部材（ボール等）、シール部材を備える。
そして、インナーレースは、円板部材よりなる１部品（１つの部品）で構成され、バルブ固定シャフト部を組み入れるための圧入穴を偏心位置に備え、他に貫通穴を有しないものである。

〔請求項４の手段〕
請求項４のスロットル装置におけるスロットルボディは、吸気通路内においてベアリングのうち「インナーレースの一部のみ」が「吸気通路の内部に露出する」ように設けられる。
これにより、バルブ全閉時においてバルブとベアリングの隙間が生じる範囲を小さくでき、バルブ全閉時における吸気の漏れを、より小さく抑えることができる。

スロットル装置の作動説明図である。 バルブ全閉時におけるスロットル装置の断面図である。 バルブ全開時におけるスロットル装置の断面図である。 シャフトの圧入穴が偏心位置に設けられたベアリングの断面図および平面図である。 スロットル装置の断面図および作動説明図である（従来技術）。

図面を参照して［発明を実施するための形態］を説明する。
スロットル装置は、
・内部に吸気通路１を形成するスロットルボディ２と、
・このスロットルボディ２に対してベアリング３を介して回動自在に支持されるシャフト４と、
・吸気通路１の内部においてシャフト４に支持される板状のバルブ５とを具備する。
そして、シャフト４を介してバルブ５を回動操作することで、エンジンに吸い込まれる吸気量の調整を行なう。

シャフト４の回動中心軸Ｘは、吸気通路１の流路中心Ｙから離れた位置にオフセット配置される。
具体的に、シャフト４は、
・吸気通路１の外部において回動方向の操作力を受けるシャフト基部４ａと、
・吸気通路１の内部においてバルブ５が取り付けられるバルブ固定シャフト部４ｂとを備える。
この「シャフト基部４ａの中心軸α」に対して「バルブ固定シャフト部４ｂの中心軸β」がオフセット配置された形で、シャフト４がクランク形状に設けられ、そのクランク部が吸気通路の外部に設けられる。

以下において本発明が適用された具体的な一例（実施例）を図面を参照して説明する。実施例は、具体的な一例を開示するものであって、本発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。なお、実施例において、上記［発明を実施するための形態］と同一機能物には同一符号を付して説明するものである。
この実施例は、車両（エンジンを動力源とする自動車）に搭載される電子スロットルに本発明を適用したものであり、この電子スロットルを図１〜図４を参照して説明する。

〔実施例の構成〕
電子スロットルは、エンジンへ吸気を導く吸気管の途中部位に介在するように取り付けられて、エンジンに吸い込まれる吸気量を制御するものであり、
・内部に吸気通路１が形成されるスロットルボディ２と、
・このスロットルボディ２に回動自在に支持されるシャフト４に設けられて吸気通路１の開度を調整するバルブ（弁体）５と、
・シャフト４を介してバルブ５を駆動する電動アクチュエータ６と、
・シャフト４の回転角度（バルブ５の回転角度と同じ）を検出する回転角センサ７とを備えるものである。

電動アクチュエータ６は、シャフト４を介してバルブ５を回動操作する手段であり、
・通電により回転力を発生する電動モータ８と、
・この電動モータ８の回転トルクを増幅する減速装置９と、
・バルブ５を所定の開度へ戻すバネ力発生手段１０とを備える。
そして、電動モータ８がＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニットの略）によって通電制御されることで、バルブ５の開度、即ちエンジンに吸い込まれる吸気量の調整が行なわれる。
以下において、上記の各構成部品を個別に説明する。

スロットルボディ２は、金属材料または樹脂材料によって製造されるものであり、スロットルボディ２に形成される通路部材（ボア）の内部に略円筒状の吸気通路１が形成される。
また、スロットルボディ２の外壁面には、ネジ等の締結手段によって着脱可能なギヤカバー１１が設けられている。そして、スロットルボディ２に形成されたモータ収容用の空間に電動モータ８が収容され、スロットルボディ２とギヤカバー１１との間の空間に減速装置９、バネ力発生手段１０等が収容される。

シャフト４は、金属材料によって形成され、シャフト４の回動中心軸Ｘが吸気通路１の流路中心Ｙ（ボア軸：吸気の流れ方向に沿う吸気通路１の中心軸）に直交する方向に配置されるものであり、ベアリング３を介してスロットルボディ２に対して回動自在に支持される。
さらにシャフト４は、クランク形状を呈して設けられるものであり、シャフト４の回動中心軸Ｘ（シャフト基部４ａの中心軸αと一致する）は、吸気通路１の流路中心Ｙから離れた位置にオフセット配置されるものである。

このシャフト４を具体的に説明する。
シャフト４は、
・吸気通路１の外部において回動方向の操作力を受ける円柱棒状を呈するシャフト基部４ａと、
・吸気通路１の内部においてバルブ５が固定される円柱棒状を呈するバルブ固定シャフト部４ｂとを備える。

そして、
（ｉ）「シャフト基部４ａの中心軸α」と「バルブ固定シャフト部４ｂの中心軸β」が平行で、
（ｉｉ）「シャフト基部４ａの中心軸α」に対して「バルブ固定シャフト部４ｂの中心軸β」がオフセットして配置されて、
シャフト４がクランク形状に設けられ、そのクランク部が吸気通路の外部に設けられる。

このようにシャフト４をクランク形状に設けることで、シャフト基部４ａを回動操作することにより、バルブ固定シャフト部４ｂが円弧状の回動軌跡を描いて回動して、結果的にバルブ固定シャフト部４ｂに結合されたバルブ５が吸気通路１内において偏心回動する。
なお、この実施例の図面（図２参照）では、シャフト基部４ａとバルブ固定シャフト部４ｂを１つの部品で設ける例を示すが、コスト低減のためにシャフト基部４ａとバルブ固定シャフト部４ｂをそれぞれ別部品で設けた後に結合させて一体化させても良い。

ベアリング３は、円弧状の回動軌跡を描くバルブ固定シャフト部４ｂの両側をそれぞれ支持するものであり、転がりベアリングを採用している。
そして、ベアリング３において吸気通路１に近い側の面は、図２（ａ）に示すように、吸気通路１の内壁に沿うように、吸気通路１に近づけて配置されている。

次に、ベアリング３の具体的な構成を図４を参照して説明する。
ベアリング３は、
・円板部材よりなるインナーレース１２と、
・スロットルボディ２に圧入されるリング形状を呈するアウターレース１３と、
・インナーレース１２とアウターレース１３の間において輪状を成して複数配置されるボール１４（転がり部材の一例）と、
・インナーレース１２とアウターレース１３の間で、且つ複数のボール１４の両側（吸気通路１側と、吸気通路１の外側）に配置されて、インナーレース１２とアウターレース１３の間の隙間をシールするリング状のシール部材１５とを備える。
そして、円板部材よりなるインナーレース１２は、円板中心から離れた偏心位置にバルブ固定シャフト部４ｂによって閉塞される圧入穴（組付穴）１２ａを備えるものであり、その他には貫通穴を有しないものである。

また、スロットルボディ２は、吸気通路１内においてベアリング３のうちインナーレース１２の一部のみが吸気通路１に露出するように設けられている。即ち、吸気はインナーレース１２の一部にのみ直接触れるものであり、アウターレース１３やシール部材１５は吸気と極力に触れないように設けられている。

バルブ５は、金属材料または樹脂材料により略円板形状（具体的には、円弧状の回動軌跡を描くバルブ固定シャフト部４ｂとともに回動可能となるように、図２に示すように略繭形の板形状）に形成されたバタフライ形の回動弁であり、バルブ５の中心部においてバルブ固定シャフト部４ｂと結合するように設けられている。
なお、バルブ５は、シャフト４をスロットルボディ２に組み付けた後に、吸気通路１の内部に組み入れられて、ネジやカシメ等の結合手段１６によってバルブ固定シャフト部４ｂの側面に固定される。これにより、バルブ５は、バルブ固定シャフト部４ｂと一体に回動する。

電動モータ８は、通電方向が切り替わることで回転方向が切り替わるとともに、通電量に応じた回転トルクを発生する周知の直流モータであり、スロットルボディ２に形成されたモータ収容用の空間内に挿入された後、ネジ等の締結手段によってスロットルボディ２に固定されている。
減速装置９は、複数のギヤの組み合わせにより電動モータ８の発生する回転トルクを減速してバルブ５に伝達する歯車式減速機であり、電動モータ８と一体に回転するモータギヤ（ピニオンギヤ）２１と、このモータギヤ２１によって回転駆動される中間ギヤ２２と、この中間ギヤ２２によって回転駆動される最終ギヤ（ギヤロータ）２３とからなり、最終ギヤ２３はシャフト４と一体に回転する。

モータギヤ２１は、電動モータ８の出力軸に固定された小径の外歯歯車である。
中間ギヤ２２は、大径ギヤ２２ａと小径ギヤ２２ｂが同芯で設けられた２重歯車であり、スロットルボディ２とギヤカバー１１とにより支持される支持軸２４によって回転自在に支持される。そして、大径ギヤ２２ａがモータギヤ２１と常に噛合し、小径ギヤ２２ｂが最終ギヤ２３と常に噛合する。
最終ギヤ２３は、シャフト４の端部のカシメ部によって固定された大径の外歯歯車であり、噛合歯はバルブ５の回動に伴う範囲のみに設けられている。具体的に最終ギヤ２３は、例えば樹脂材料によって設けられるものであり、最終ギヤ２３の内部には、シャフト４に対してカシメにより結合される結合金具２５の他に、回転角センサ７における磁気回路部３１がインサート成形されている。

バネ力発生手段１０は、電動モータ８への電流供給が遮断された際に、バルブ５の開度を全閉位置と全開位置との中間位置に保持して、車両の退避走行を可能とするもので、バルブ５を閉じる方向へ付勢力（閉弁力）を与えるリターンスプリング２６と、バルブ５を開く方向へ付勢力（開弁力）を与えるデフォルトスプリング２７とを組み合わせたものである。

回転角センサ７は、シャフト４の回転角度を検出することでバルブ５の開度を検出するスロットルポジションセンサであり、シャフト４の開度（バルブ５の開度）に応じた開度信号をＥＣＵに出力する。
具体的に、回転角センサ７は、２つの部材の相対回転を非接触で検出する磁気型センサであり、シャフト４と一体に回転する略筒状を呈する磁気回路部３１と、ギヤカバー１１（固定部材）に取り付けられて磁気回路部３１に対して非接触に配置される磁気検出部３２とで構成され、磁気検出部３２の発生する電圧信号（ホールＩＣの出力信号）がＥＣＵに与えられる。
なお、ＥＣＵは、マイクロコンピュータを搭載した周知の電子制御装置であり、回転角センサ７によって検出される実際のバルブ開度が、アクセルペダル開度によって設定された目標開度となるように電動モータ８をフィードバック制御するように設けられている。

バルブ全閉状態からバルブ全開状態に至るバルブ５の開度変化を図１（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。
図１（ａ）は、バルブ全閉時を示すものであり、バルブ５の周縁が全周に亘って吸気通路１の内壁に当接し、バルブ５が吸気通路１を閉じるものである。なお、バルブ５の吸気上流側と吸気下流側は、バルブ５の全閉時であっても、少量の吸気を流す常開通路（アイドリング用通路など）を介して連通するように設けられている。

図１（ｂ）は、バルブ５の開度が全閉時｛図１（ａ）｝から少し開かれた状態を示すものであり、
図１（ｃ）は、バルブ５の開度が図１（ｂ）の状態からさらに開かれた状態を示すものであり、
図１（ｄ）は、バルブ５の開度が図１（ｃ）の状態からさらに開かれた状態を示すものである。

図１（ｅ）は、バルブ全開時を示すものであり、バルブ５の板面が吸気の流れ方向に沿って平行に配置されるとともに、バルブ５とバルブ固定シャフト部４ｂが吸気通路１の中心部から図中下方へズレた位置に配置される。

〔実施例の効果１〕
この実施例の電子スロットルは、上述したように、シャフト４の回動中心軸Ｘを、吸気通路１の流路中心Ｙから離れた位置にオフセット配置している。
このため、バルブ全開時には、図１（ｅ）に示すように、吸気通路１内におけるバルブ５およびシャフト４（具体的にはバルブ固定シャフト部４ｂ）の位置を、吸気通路１の流路中心Ｙから外れた位置に配置できる。即ち、バルブ全開時には、最も流速の速くなる吸気通路１の流路中心Ｙからバルブ５およびシャフト４（具体的にはバルブ固定シャフト部４ｂ）を外すことができる。
その結果、「最も吸気流の速くなる流路中心Ｙ」において「バルブ５とシャフト４が吸気流に抵抗を与えてしまう従来の不具合」を回避することができ、吸気の圧力損失を小さくして、高速域でのエンジンの馬力損失を抑えることができる。

〔実施例の効果２〕
この実施例の電子スロットルは、上述したように、シャフト４をクランク形状に設けて、「シャフト基部４ａの中心軸α」に対して「バルブ固定シャフト部４ｂの中心軸β」をオフセット配置している。
これにより、シャフト基部４ａが回動操作されると、バルブ固定シャフト部４ｂが円弧状の回動軌跡を描いて回動する。このため、バルブ全閉時からバルブ５を開く際｛図１（ａ）の状態から図１（ｂ）の状態へ変化する際｝に、バルブ５の先端部が図１（ａ）の矢印Ａに示すように吸気通路１の「内壁に沿う方向」に押し開かれる。
その結果、吸気通路１の内壁に生じたデポジットや氷結によってバルブ５に固着が生じやすい状態であっても、バルブ５の先端部が吸気通路１の「内壁に沿う方向（矢印Ａ方向）」に押し開かれることで、バルブ５がデポジットや氷結を引き剥がすことができ、バルブ固着の発生を未然に防ぐことができる。

〔実施例の効果３〕
この実施例の電子スロットルは、上述したように、ベアリング３における吸気通路１に近い側の面が、吸気通路１の内壁に接近するように配置されている。
これにより、バルブ全閉時におけるバルブ５とベアリング３の隙間を抑えることができ、バルブ全閉時における吸気の漏れを抑えることができる。

〔実施例の効果４〕
この実施例の電子スロットルは、上述したように、吸気通路１内においてベアリング３のうちインナーレース１２の一部のみが吸気通路１に露出するものである。
これにより、吸気とベアリング３の接触面積（接触部分）を最小に抑えることができる。さらに、バルブ全閉時においてバルブとベアリングの隙間が生じる範囲を小さくすることができ、バルブ全閉時における吸気の漏れを抑えることができる。

上記の実施例では、本発明を電子スロットルに適用する例を示したが、シャフト４に操作力を与える手段は限定されるものではなく、例えばマニュアルタイプのスロットル装置（乗員の操作力がワイヤーやロッド等を介して機械的にシャフト４に伝達されるタイプのスロットル装置）に本発明を適用しても良い。

１ 吸気通路
２ スロットルボディ
３ ベアリング
４ シャフト
４ａ シャフト基部
４ｂ バルブ固定シャフト部
５ バルブ
１２ インナーレース
１２ａ 圧入穴
１３ アウターレース
１４ ボール（転がり部材）
１５ シール部材
Ｘ シャフトの回動中心軸
Ｙ 吸気通路の流路中心
α シャフト基部の中心軸
β バルブ固定シャフト部の中心軸

Claims (4)

1. 内部に吸気通路（１）を形成するスロットルボディ（２）と、
   このスロットルボディ（２）に対してベアリング（３）を介して回動自在に支持されるシャフト（４）と、
   前記吸気通路（１）の内部において前記シャフト（４）に支持される板状のバルブ（５）とを具備し、
   前記シャフト（４）を回動操作することで、内燃機関に吸い込まれる吸気量の調整を行なうスロットル装置において、
   前記シャフト（４）の回動中心軸（Ｘ）は、前記吸気通路（１）の流路中心（Ｙ）から離れた位置にオフセット配置され、
   前記シャフト（４）は、
   前記吸気通路（１）の外部において回動方向の操作力を受けるシャフト基部（４ａ）と、
   前記吸気通路（１）の内部において前記バルブ（５）が取り付けられるバルブ固定シャフト部（４ｂ）とを備え、
   このシャフト基部（４ａ）の中心軸（α）に対して前記バルブ固定シャフト部（４ｂ）の中心軸（β）がオフセット配置されて、前記シャフト（４）がクランク形状に設けられ、
   前記シャフト基部（４ａ）が回動操作されることで、前記バルブ固定シャフト部（４ｂ）が円弧状の回動軌跡を描いて回動するものであり、
   前記シャフトにおいて前記クランク形状を呈するクランク部は、前記吸気通路（１）の外部に設けられることを特徴とするスロットル装置。
2. 請求項１に記載のスロットル装置において、
   前記ベアリング（３）における前記吸気通路（１）に近い側の面は、吸気通路（１）の内壁に接近配置されることを特徴とするスロットル装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のスロットル装置において、
   前記ベアリング（３）は、前記吸気通路（１）の内部において円弧状の回動軌跡を描く前記バルブ固定シャフト部（４ｂ）を支持するものであって、
   円板部材よりなるインナーレース（１２）と、
   前記スロットルボディ（２）に固定されるリング形状を呈するアウターレース（１３）と、
   前記インナーレース（１２）と前記アウターレース（１３）の間に配置される転がり部材（１４）と、
   前記インナーレース（１２）と前記アウターレース（１３）の間に配置され、少なくとも前記転がり部材（１４）より前記吸気通路（１）側に配置されて前記インナーレース（１２）と前記アウターレース（１３）の間をシールするシール部材（１５）とを備え、
   前記インナーレース（１２）は、円板中心から離れた偏心位置に前記バルブ固定シャフト部（４ｂ）を組み入れる圧入穴（１２ａ）を備え、他に貫通穴を有しないことを特徴とするスロットル装置。
4. 請求項３に記載のスロットル装置において、
   前記スロットルボディ（２）は、前記吸気通路（１）内において前記ベアリング（３）のうち前記インナーレース（１２）の一部のみが前記吸気通路（１）に露出するように設けられることを特徴とするスロットル装置。

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