JPH10325340A - スロットルバルブ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コストを抑えつつ、閉状態近くのバルブ開度
制御の精度を高める。 【解決手段】 スロットルバルブの開度を検出するバル
ブ開度センサ１と、バルブ開度センサ１からの出力にお
いて、バルブ開度全域における出力を増幅するアンプ１
２Ａ、及びバルブ全閉から特定開度までの領域のみの出
力をアンプ１２Ａの増幅率よりも大きい増幅率で増幅す
るアンプ１２Bと、両アンプ１２Ａ，１２Ｂからの出力
に基づきスロットルバルブの弁開度を制御する制御回路
９と、を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スロットルバルブの弁
開度を制御するスロットルバルブ制御装置に関する。

【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制御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、を備えていることを特徴とするものである。

【０００７】ここで、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
うち一方の出力を修正する手段を有していることが好ま
しい。

【０００８】

【実施例】まず、本発明に係るスロットルバルブ制御装
置の実施例について、制御装置を含む各種例について、
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５
Ｇ，…，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５
Ａ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５
Ｋ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５
Ｆ，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５
Ｊ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。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スロットルバルブの弁開度を制御するスロ
   ットルバルブ制御装置において、 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、 を備えていることを特徴とするスロットルバルブ制御装
   置。
2. 【請求項２】請求項１に記載のスロットルバルブ制御装
   置において、 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制御装置。