JP2002089295A - 非円形歯車を備えた駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 任意の回転位置に対して所望のトルクを得る
ことができるトルクモータを用いた駆動装置を提供す
る。 【解決手段】 駆動源となるトルクモータ１０と、該ト
ルクモータのモータ軸１から従動軸１３に回転を伝達す
る歯車列とを有し、該歯車列が上記モータ軸に固定され
た非円形駆動歯車１１と、上記従動軸に固定され上記非
円形駆動歯車と噛み合う非円形従動歯車１２とを有す
る。トルクモータ１０に電流が供給され、モータ軸１が
回転すると、その回転は非円形駆動歯車１１から非円形
従動歯車１２に伝達され、従動軸が回転する。このとき
トルクモータ１０のトルクは、回転位置によって増加又
は減少された状態で従動軸に伝達される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、たとえば、内燃機
関用電制スロットルボディのように、回転位置制御に用
いられる駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関用電制スロットルボディのアク
チュエータとして、トルクモータを採用したものがあ
る。この種のモータはロータ自体を着磁させてもよい
が、一般的にはリング状のマグネットが貼付けられたロ
ータを備えており、コイルと磁路による磁束分布の変化
に応じて、その回転位置を制御する。スロットルボディ
において、吸気通路を開閉するスロットルバルブの回動
範囲は９０°程度であり、この範囲を駆動制御するには
リング状マグネットのすべてが必要なわけではない。ま
た、ロータに使用されるマグネットは磁束密度の高い製
品が用いられ、それゆえ高価である。

【０００３】そこで、図７に示すようなセグメント型の
マグネットを用いたトルクモータ１０が考案された。同
図において、１はロータで、その外周の２／３程度を２
枚のセグメント型のマグネット２，２で覆っている。マ
グネット２，２の外周面とヨーク３、コア４との間には
エアーギャップを有しており、コア４にはコイル５が設
けられている。６は非通電時におけるロータの停止位置
を決めるデフォルト開度調整溝である。

【０００４】上記の構成において、コイル５に電流を流
すと、ロータ１が軸Ｏを中心に回転し、ロータ１に直結
されたスロットルバルブを開閉することになる。この例
では、マグネット２，２がロータ１の２／３周を覆って
いるので、ロータ１の回転角度は、約１２０°である。
コイル５に流れる電流の方向によって、ロータ１の回転
は反転する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のトルクモータ１
０においては、ロータ１で発生するトルクは一定ではな
く、図８に示すように、回転位置の中心（図７において
マグネット２，２の境目２ａがトルクモータの中心線ａ
上に重なるときを指す）のトルクが最も大きく、この位
置から左右の回転するほど、トルクが小さくなり、作動
領域の両端では最も小さくなる。これは、マグネットの
着磁角度や磁極の磁気飽和など、磁気回路が原因であ
り、このような構成を有するトルクモータ１０の特性で
ある。

【０００６】一方、上記のトルクモータ１０をスロット
ルバルブの開閉に使用すると、スロットルバルブの全閉
位置（アイドリング位置）と全開位置は、図８に示すよ
うに作動領域の両端近傍になる。すなわち、トルクの小
さい位置に相当する。

【０００７】このうち、全閉位置を含む低開度域は、頻
繁に作動する範囲であり、応答性を必要とする。さら
に、アイシングやデポジットによるスロットルバルブの
固着が発生しやすい範囲であり、固着から脱出するため
にもトルクに余裕が必要である。

【０００８】本発明は、このような事情から考えられた
もので、スロットルボディの場合であれば低開度域のよ
うに、特定の回転位置におけるトルクを要求に合わせて
出力できる非円形歯車を備えた駆動装置を提供すること
を目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の駆動装置は、駆動源となるトルクモータ
と、該トルクモータのモータ軸から従動軸に回転を伝達
する歯車列とを有し、該歯車列が上記モータ軸に固定さ
れた非円形駆動歯車と、上記従動軸に固定され上記非円
形駆動歯車と噛み合う非円形従動歯車とを有することを
特徴としている。

【００１０】または、上記非円形駆動歯車と非円形従動
歯車のいずれか一方が、楕円形状を含むセクタ型歯車で
ある構成や、上記非円形従動歯車が内燃機関の吸入空気
量を制御するスロットルシャフトに設けられている構成
とすることができる。上記トルクモータを、回動範囲が
３６０゜未満で、回転角に対するトルクが変動するモー
タとすることができる。

【００１１】

【作用】本発明の駆動装置においてトルクモータが回転
すると、この回転は歯車列を経由して従動軸に伝達され
る。歯車列には、非円形駆動歯車と、非円形従動歯車と
が含まれており、これらの噛み合いによって、従動軸の
回転速度は一定にはならず、回転の速いところと遅いと
ころが生じる。そして、速いところでは、従動軸に伝達
されるトルクがモータ軸のトルクより減少し、遅いとこ
ろではトルクが増加する。非円形歯車を適正に設計する
ことによって、たとえば、従動軸が特定の回転位置にあ
るときのトルクを増大する等、所望の回転位置に、所望
のトルクを得ることが可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を図面によ
って説明する。図１は本発明の非円形歯車を備えた駆動
装置の構成を示す図である。トルクモータ１０の部分
は、従来例と同じ構成である。従来は、モータ軸として
のロータ１にスロットルバルブを直結していたが、本発
明では、非円形駆動歯車（以下「駆動歯車」という）１
１をロータ１に取り付け、これと噛み合う非円形従動歯
車（以下「従動歯車」という）１２を、従動軸としての
スロットル軸１３に取り付けた構造としている。本発明
では、非円形歯車を用いることで所望の回転位置で所望
のトルクを得られるようにしたことに特徴がある。

【００１３】駆動歯車１１は、縦長の楕円１１ａの一部
をピッチ曲線に有するセクタ型歯車で、従動歯車１２
は、楕円１１ａと直交する横長の楕円１２ａの一部をピ
ッチ曲線に有するセクタ型歯車である。このように図１
の実施例は、楕円歯車を用いているが、非円形歯車とし
ては、楕円歯車１１，１２に限定されず、多様なピッチ
曲線を使用することができる。

【００１４】なお、この明細書で、セクタ型歯車という
場合、通常のセクタ歯車のようにピッチ曲線が円弧から
なる扇形のもののみに限定せず、楕円弧、その他の多様
な曲線をピッチ曲線に持つ歯車で、ピッチ曲線が環状に
閉じていないもの全体を指すこととする。

【００１５】次に、非円形歯車のピッチ曲線の形状、す
なわち、歯車の形状の求め方を説明する。図２は、駆動
歯車１１と従動歯車１２のピッチ曲線の形状を求める方
法を説明する図である。同図に示すように、駆動歯車１
１の中心をＯ_２とし、従動歯車１２の中心をＯ_１とし
て、駆動歯車１１と従動歯車１２のピッチ曲線が、Ｐ点
で接触しているとする。そして、駆動歯車１１は時計方
向（＋方向）に微小角ｄθ_２回転し、従動歯車１２は反
時計方向（−方向）に微小角ｄθ_１回転してＰ_１点とＰ
_２点とが接触するものとすると、次式

【００１６】ｒ_１＋ｒ_２＝α （１） ｒ_１・ｄθ_１＝ｒ_２・ｄθ_２ （２） が成り立つ。ここで、α＝１として、式１，式２からｒ
_１，ｒ_２を求めると、 ｒ_１＝（−ｄθ_２／ｄθ_１）／｛１−（ｄθ_２／ｄθ_１）｝ （３） ｒ_２＝１／｛１−（ｄθ_２／ｄθ_１）｝ （４） となる。ここで、−ｄθ_２／ｄθ_１は、角速比を表すも
のである。したがって、式３，４から、角速比を与えれ
ば、その角度におけるピッチ円の半径ｒ_１，ｒ_２を一次
的に求めることができる。

【００１７】すなわち、トルクモータ１０の回転角θ_１
におけるトルクをＴ（θ_１）とし、このとき従動歯車に
伝達されるトルクをＴ（θ_２）とすれば、次式 となり、式３，４及び５によりＴ（θ_２）を与えるとｒ
_１，ｒ_２を求めることができる。

【００１８】そこで、スロットルバルブの全閉から全開
までの各開度θ_２について、望ましいトルクＴ（θ_２）
をプロットした線図を作成し、これに応じた駆動歯車１
１と従動歯車１２のピッチ曲線を作成することができ
る。

【００１９】図１の実施例のように、駆動歯車１１と従
動歯車１２とに楕円歯車を用いると、スロットル軸開度
とスロットル軸トルクとは、図３の線図に示すような関
係となる。すなわち、最も負荷の大きくなる可能性のあ
る全閉位置で、最大のトルクが得られるようになってい
る。トルクは、全閉位置で最大となり、全開位置に向か
って徐々に減少している。

【００２０】図４は、本発明の第２実施例の要部を示す
図で、駆動歯車２１と従動歯車２２の形状を示してい
る。駆動歯車２１がロータ１側の歯車で、従動歯車２２
がスロットル軸１３側の歯車である。図の中心線から左
側のピッチ曲線２１ａ，２２ａの部分が、図１と同じ楕
円歯車１１，１２のピッチ曲線と同じ楕円弧で、右側の
ピッチ曲線２１ｂ，２２ｂの部分が円弧となっている。
楕円歯車１１，１２の部分が低開度の領域で、円形歯車
の部分が高開度の領域を示している。この実施例では、
セクタ型歯車を用いているので、歯車のピッチ曲線は、
このように自由に設定することができる。

【００２１】図５は、第２実施例におけるスロットル軸
開度とモータ軸開度との関係を示す線図である。スロッ
トル軸開度が低開度の領域では、モータ軸が緩やかに増
加し、高開度の領域では速やかに増加している。

【００２２】図６は、同じく第２実施例におけるトルク
伝達率とモータ軸開度との関係を示す線図である。モー
タ軸開度が低開度の領域では、伝達率が徐々に増加し、
高開度の領域では一定の伝達率となっている。モータ軸
開度が低開度になるほど伝達率が小さいので、スロット
ル軸が全閉の位置で大きなトルクを得ることができるこ
とになる。この実施例では、スロットル軸の開度が低い
領域でのみ楕円歯車によるトルク増大の効果を享受でき
るようにし、スロットル軸の開度が高い領域は、通常の
円形歯車による駆動とし、トルクの増減は行わないもの
としたものである。

【００２３】図示は省略するが、非円形歯車として、楕
円歯車の代わりに、円形の歯車の軸を偏心させた偏心歯
車を使用することができる。この場合、歯車の形成が楕
円歯車に比べて容易である。また、勿論セクタ型歯車と
することも可能である。

【００２４】また、上記の実施例では、ロータ１に駆動
歯車１１を取り付け、スロットル軸１３に従動歯車１２
を取り付けている。しかし、このような構成に限らず、
たとえば、ロータ１とスロットル軸１３に通常の円形歯
車を取り付け、中間に非円形歯車を設けても同様な効果
を奏することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の駆動装
置は、駆動源となるトルクモータと、該トルクモータの
モータ軸から従動軸に回転を伝達する歯車列とを有し、
該歯車列が上記モータ軸に固定された非円形駆動歯車
と、上記従動軸に固定され上記非円形駆動歯車と噛み合
う非円形従動歯車とを有する構成としたので、従動軸に
伝達されるトルクを要求に応じて簡単に増減させること
ができる。

【００２６】上記非円形駆動歯車と非円形従動歯車のい
ずれか一方が、楕円形状を含むセクタ型歯車である構成
とすれば、多様なトルク特性とすることができ、さらに
装置全体をコンパクトにすることができる。

【００２７】上記非円形従動歯車が内燃機関の吸入空気
量を制御するスロットルシャフトに設けられている構成
とすれば、スロットルバルブの全閉位置を含む低開度域
のトルクを最大にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の非円形歯車を備えた駆動装置の構成を
示す図である。

【図２】非円形駆動歯車と非円形従動歯車のピッチ曲線
を作成する方法を説明する図である。

【図３】スロットル軸開度とスロットル軸トルクとの関
係を示す線図である。

【図４】本発明の第２実施例の要部を示す図で、非円形
駆動歯車と非円形従動歯車の形状を示す図である。

【図５】第２実施例におけるスロットル軸開度とモータ
軸開度との関係を示す線図である。

【図６】第２実施例におけるトルク伝達率とモータ軸開
度との関係を示す線図である。

【図７】従来のトルクモータの構成を示す図である。

【図８】従来のモータにおけるモータ軸開度とモータ軸
トルクとの関係を示す線図である。

【符号の説明】

１ モータ軸（ロータ） ３ ヨーク ５ コイル １０ モータ（トルクモータ） １１，２１ 非円形駆動歯車 １２，２２ 非円形従動歯車 １３ 従動軸（スロットル軸）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動源となるトルクモータと、該トルク
   モータのモータ軸から従動軸に回転を伝達する歯車列と
   を有し、該歯車列が上記モータ軸に固定された非円形駆
   動歯車と、上記従動軸に固定され上記非円形駆動歯車と
   噛み合う非円形従動歯車とを有することを特徴とする非
   円形歯車を備えた駆動装置。
2. 【請求項２】 上記非円形駆動歯車と非円形従動歯車の
   いずれか一方が、楕円形状を含むセクタ型歯車であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の非円形歯車を備えた駆動
   装置。
3. 【請求項３】 上記非円形従動歯車が内燃機関の吸入空
   気量を制御するスロットルシャフトに設けられているこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の非円形歯車を備え
   た駆動装置。