Electric pump and fluid-feeding device

本発明は、ポンプ本体に設けた吸引ポートから吸引した流体を吐出ポートから吐出すべく、前記ポンプ本体に収容したロータをセンサレスブラシレスモータで駆動する電動ポンプ、および、当該電動ポンプを用いて構成する流体供給装置に関する。

従来、流体を搬送する電動ポンプは、例えば、自動車のＣＶＴ（Continuously Variable Transmission：無段変速装置）や、パワーステアリング装置等の油圧駆動部に作動オイルを供給するため等に用いられる。
このうち、例えばＣＶＴでは、油圧駆動するために機械式の第１ポンプと電動式の第２ポンプとを備えたものがある。 ここでは、エンジンの回転数が所定速度以上の場合には、機械式の第１ポンプのみが自動変速機に作動オイルを供給する。 一方、エンジンの回転数が所定速度未満の場合には、第１ポンプによるオイル吐出量の不足を補うために、電動式の第２ポンプが自動変速機に作動オイルを供給する。 また、エンジンが停止している場合には、第２ポンプのみがＣＶＴに作動オイルを供給する。

車両のＣＶＴに用いる電動ポンプは、エンジンに付設して高温環境下で用いられ、また、雨水等の水が付着する過酷な湿潤環境下で用いられる。 この場合に発生する熱によるモータブラシの摩耗の問題や、耐水性の問題を解消するには、例えば、モータのタイプをブラシレスモータにすることが考えられる。
ただし、ブラシレスモータは、回転子の角度位置を検出するためのセンサが必要であり、やはり、当該センサの耐久性が問題となる。 このため、従来技術にあっては、例えば、ＣＶＴの補助油圧供給装置としてセンサレスブラシレスモータを用いるものがあった。 （特許文献１〔００１７〕乃至〔２０００〕段落参照）。

このセンサレスブラシレスモータには、永久磁石タイプの小型同期電動機が用いられている。 ドライバにはインバータを備えており、バッテリからの直流電力を交流電力に変えてモータに入力する。 与えられる交流電力の電圧が一定であれば、周波数が上昇すると、モータの電流位相は進む。 また、与えられる電圧および周波数が一定の状態で、例えばポンプによるオイル供給量が増大して負荷が上昇するとモータの電流位相は進む。 センサレスブラシレスモータでは、この関係を利用してモータを周波数制御する。

一般的なセンサレスブラシレスモータでは、回転子の角度位置を検知するために、モータの逆起電力を回転子の位置信号として利用する。 つまり、モータに対して、ドライバからまず低い周波数の駆動電力を加える。 これにより回転子の引き込みを行い、モータの回転を開始させる。 モータが回転を始めると、回転数に同期して回転子に逆起電力が生じる。 この逆起電力の波形から回転子の角度位置を検知する。 この逆起電力の波形から回転子の回転周波数を検出し、初期の回転数となるように電流を制御する。 センサレスブラシレスモータとしては、このようなモータを用いることができる。

ただし、以下のような、さらに改良を加えたセンサレスブラシレスモータを用いる場合もあった。 上記一般の角度位置検出手法では、回転子に与える駆動電力が方形波でなければならない。 よって、駆動電力が正弦波の場合には回転子の逆起電力を検知することができない。 一方、モータにとっては方形波の電圧制御よりも正弦波の電流制御の方が効率その他の特性上の点で望ましい。 そこで、モータの回転子の位置検出は行わず、ドライバからモータに正弦波の電力を加え、そのときの電圧と電流の位相差を検出してその差が零になるように周波数を制御し、かつ、その周波数が設定された値になるように電流を制御するモータを用いることも可能である。

特開２００２-２７７７６号公報

しかしながら、上記従来のセンサレスブラシレスモータは、モータの負荷が小さい場合には回転数の制御は安定するものの、負荷が増大した場合には、モータの回転が脱調したり、回転が停止するおそれがある。

例えば、エンジンを停止した際に、ＣＶＴの状態を所定の状態に戻す等のために、補助の電動ポンプによって作動オイルを引き続きＣＶＴに供給したい場合がある。 エンジンが停止すると、ＣＶＴに対する作動オイルの供給圧力が低下し、供給経路中に存在する作動オイルがオイルパンの側に戻り始める。 そのため、エンジンを停止したのち速やかに電動ポンプによってＣＶＴに作動オイルを供給する必要がある。 ただし、電動ポンプによる作動オイルの供給が、エンジン停止直後のあまりにも早い時期であると、供給経路中には十分な量の作動オイルが残存しており、電動ポンプの吐出ポートの圧力が十分に高い状態を維持している場合がある。 このような場合に、電動ポンプの運転を開始しようとしても、ロータが吐出ポートからの抵抗を受けて、その回転速度が上がらず、脱調を起こしたり、回転始動そのものが出来ない場合がある。

また、モータの回転が安定している状態で、電動ポンプの吐出側ポートの圧力が上昇した場合には、回転子の回転速度は減速する。 しかし、電流制御を行っているセンサレスブラシレスモータでは、回転速度を高めようとしてさらに電流値を大きく制御する。 この結果、回転子の回転速度と制御電流値とのズレが広がり、モータの脱調の程度が増大する。 これに伴ってモータの発熱が増加し、故障等の原因になる。

このような不具合を解消するためには、例えば、電動ポンプの吐出ポートに圧力センサを設け、作動オイルの圧力が低下したことを確認して電動ポンプを起動することも考えられる。 しかしながら、別途新たなセンサを設けることは、ＣＶＴの構造を複雑にする上に、電動ポンプの製作工数を増大させ、生産コストの上昇を招く等好ましくない。

そこで、本発明は上記実状に鑑み、簡便な構成でありながら、脱調防止を確実に行える機能を備えた電動ポンプ、および、当該電動ポンプを備えた流体供給装置を提供することを目的とする。

（特徴構成１）
本発明の電動ポンプは、ポンプ本体に設けた吸引ポートから吸引した流体を吐出ポートから吐出すべく、前記ポンプ本体に収容したロータをセンサレスブラシレスモータで駆動するものであって、前記吐出ポートから吐出される流体の一部を前記吸引ポートに還流、または、前記ポンプ本体の外部に排出させて、前記吐出ポートの流体圧力が、予め設定した圧力を越えないようにする前記センサレスブラシレスモータの脱調防止機構を備えた点に特徴を有する。

（作用効果）
本構成のごとく、センサレスブラシレスモータを用いることで、高温環境下あるいは湿潤環境下においても耐久性を有する電動ポンプを得ることができる。
また、センサレスブラシレスモータは、回転子と誘導回路とが非接触であり、吐出ポートの流体圧力の増大に伴って脱調が生じ易い。 しかし、吐出ポートの流体の一部を吸引ポートに還流させるか、ポンプ本体の外部に排出する本構成であれば、吐出ポートの流体圧力を初期の範囲に設定することができる。 この結果、センサレスブラシレスモータの脱調を有効に防止でき、オイルの供給安定性に優れた電動ポンプを得ることができる。

（特徴構成２）
本発明の電動ポンプとしては、前記脱調防止機構が、前記吐出ポートに連通する吐出側開口部、および、前記吸引ポートに連通する吸引側開口部を有するシリンダと、付勢部材によって前記吐出側開口部の側に付勢されるピストンとを備えており、前記吐出ポートの流体圧力により、前記付勢に抗って前記ピストンが所定の位置を越えて変位したとき、前記吐出側開口部と前記吸引側開口部とが連通するよう構成することができる。

（作用効果）
本構成のごとく、脱調防止機構を、主にシリンダとピストン・付勢部材によって構成することで、特別な圧力センサを別途設けなくとも、付勢部材の付勢力のみを利用するだけで、吐出ポートの流体圧力の増大を抑制することができる。
また、当該機構の構造が、付勢部材の付勢力と、吐出ポートの流体圧力との釣り合いでピストンの位置を決定するという簡便なものであるため、脱調防止機構として信頼性の高い装置を得ることができる。
さらに、吐出ポートの流体を還流させる流体圧力の設定は、例えば、付勢部材を弾性係数の異なるものに変更することで容易に修正することができるため、適用範囲の広い電動ポンプを提供することができる。

（特徴構成３）
本発明は、上記電動ポンプを用いて流体供給装置を構成することもできる。
すなわち、当該流体供給装置は、流体貯留部から流体を汲み上げる第１ポンプ、および、汲み上げた流体を流体供給先に搬送する第１供給路を備え、当該第１供給路の流体圧力が一定圧以上に高まるのを防止するリリーフ弁を前記第１供給路に備えると共に、前記流体貯留部と同一もしくは別に設けた流体貯留部から流体を汲み上げる吸引ポート、および、汲み上げた流体を吐出する吐出ポートを有する電動式の第２ポンプと、汲み上げた流体を、前記第１供給路のうち前記第１ポンプと前記リリーフ弁との間に合流させる第２供給路とを備え、前記第２ポンプが、センサレスブラシレスモータで電動駆動するロータを有するとともに、前記吐出ポートから吐出される流体の一部を前記吸引ポートに還流、または、前記第２ポンプの外部に排出させて、前記吐出ポートの流体圧力が、前記リリーフ弁の作動圧力よりも低い値として予め設定した圧力を越えないようにする前記センサレスブラシレスモータの脱調防止機構を有する点に特徴を有する。

（作用効果）
本構成のごとく、第２ポンプとして脱調防止機構を備えたセンサレスブラシレスモータを用い、第１ポンプによる流体供給に加えて当該第２ポンプによっても流体を供給できる構成にしておけば、過酷な使用環境下で使用可能な流体補助供給機能を備えた流体供給装置を得ることができる。 このとき、主たる流体供給装置である第１ポンプによる流体供給圧力と、従たる流体供給装置である第２ポンプによる流体供給圧力との間に大きな差が存在する場合でも、センサレスブラシレスモータの脱調し易いといった問題を解決した第２ポンプを用いることで、第２ポンプの運転に際して、ロータは確実に回転開始することが出来る。 また、一旦回転を始めたロータはその回転状態を確実に維持するから、作動安定性に優れた流体供給装置を得ることができる。

（概要）
本発明の装置は、ポンプ本体１に設けた吸引ポート２から吸引した流体を吐出ポート３から吐出すべく、前記ポンプ本体１に収容したロータ４をセンサレスブラシレスモータで駆動する電動ポンプ、および、当該電動ポンプを用いた流体供給装置に関するものである。
以下、本発明の電動ポンプについて図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の電動ポンプについて、その回転軸心Ｘを含む平面で切断した断面図である。 図２は、当該電動ポンプを用いた流体供給装置の一実施例として、車両のＣＶＴに作動オイルを供給するオイル供給装置を示す図である。 図３は、当該電動ポンプの特性を示す図である。 以下、本件発明につき、車両のＣＶＴに適用した例に基づいて説明する。

（電動ポンプ）
当該電動ポンプのポンプ本体１は、第１ハウジング１ａおよび第２ハウジング１ｂ、第３ハウジング１ｃによって形成される。 第１ハウジング１ａには、ロータ４を回転させるモータ５および当該モータ５を制御する制御手段６を設けてある。 ロータ４を構成する回転軸７の一端側には、回転子８を設けてある。 この回転子８の外周には永久磁石８ａを取り付けてある。 当該回転子８は第１ハウジング１ａの凹部９に挿入され、この回転子８を包囲して誘導コイル１０が配置してある。 当該モータ５は、この回転子８をセンサレスブラシレスで回転させる周知のモータである。

前記第１ハウジング１ａに対し、前記回転軸７の延出方向に隣接して第２ハウジング１ｂを接続してある。 第２ハウジング１ｂには、インナーロータ４１およびアウターロータ４２を備えたポンプ機構が設けてある。 インナーロータ４１は外歯車を有しており、前記回転軸７の他端側に嵌合してある。 このインナーロータ４１に対し、内歯車を有するアウターロータ４２が偏心しつつ噛合している。 これにより、前記外歯車と前記内歯車との間に偏って形成される空間１１が周知のポンプ室を形成する。 第２ハウジング１ｂには、当該空間１１に連通する吸引ポート２および吐出ポート３が形成してある。

前記第２ハウジング１ｂに対し、さらに前記回転軸７の延出方向に隣接して第３ハウジング１ｃが連接してある。 前記第１ハウジング１ａ乃至第３ハウジング１ｃは、連結ボルト１２によって接続されている。 第３ハウジング１ｃには、前記吐出ポート３からの流体の吐出圧力を調節してロータ４の回転を適切に維持する脱調防止機構Ｄを設けてある。 ここで用いるセンサレスブラシレスモータは回転子８と誘導コイル１０とが非接触である。 よって、ロータ４が受ける流体抵抗が増大すると回転子８と誘導コイル１０とが脱調する場合がある。

図３に、センサレスブラシレスモータを運転した場合の吐出圧力と流体流量との関係を示す。 横軸に流体の吐出圧力をとり、縦軸に流体の流量をとる。 図中Ａ線で示すように、圧力の増大に伴って流体流量は直線的に低下する。 つまり、吐出ポート３における流体圧力が増大することは、即ち流体を吐出する際の抵抗が増大することであるから、必然的に吐出流量が低下する。 当該モータ５は、電流制御を行っており、吐出圧力の増大に伴って回転子８の回転速度が低下すると、制御手段６は、回転子８の回転速度を高めるべく誘導コイル１０に印加する電流値を増加する。 この結果、回転子８の回転には脱調の傾向が現れ始める。 しかし、直ちに回転子８およびロータ４の回転が停止することはなく、回転子８およびロータ４の回転速度はある程度維持され、図３において吐出圧力と流体流量との作動点がＡ線に沿って右方向に移動する。 しかしながら、圧力がＰｃに達すると、脱調の程度が過大となって回転子８およびロータ４の回転を維持できなくなり、これらが停止する。

このような不都合を解消するために、本発明の電動ポンプでは、吐出ポート３の圧力の高まりを抑制する脱調防止機構Ｄを設けてある。 具体的には、図１に示すごとく、前記吐出ポート３に連通する吐出側開口部１３と、前記吸引ポート２に連通する吸引側開口部１４とを有するシリンダ１５を前記第３ハウジング１ｃに形成する。 当該シリンダ１５の延出方向は、前記回転軸７の延出方向に対して略直角である。 このような配置にすることで、第２ハウジング１ｂに設けた吐出ポート３と吸引ポート２とを前記シリンダ１５を介して無理なく連結できるとともに、第３ハウジング１ｃが前記回転軸７の延出方向に大きく突出することが無いため、電動モータをコンパクトに構成することができる。

前記吐出側開口部１３は、前記シリンダ１５の長手方向の端部底部に形成してある。 一方、前記吸引側開口部１４は、前記シリンダ１５の側壁に形成してある。 当該シリンダ１５の内部に配置するピストン１６には、当該ピストン１６の内部を貫通する連絡通路１７を形成してある。 この連絡通路１７の一方は、ピストン１６のうち、前記吐出側開口部１３の側に向く頂部に開口している。 前記連絡通路１７の他方は、ピストン１６の外周面であって、周方向に沿った４箇所に均等に開口している。 ４箇所に開口を設けることで、仮にピストン１６が作動中に回転した場合でも何れかの吸引側開口部１４が吸引ポート２に連通することができる。

ピストン１６は、コイルスプリングによって前記吐出側開口部１３の側に常に付勢される。 吐出ポート３の流体圧力がそれ程上昇していない常時においては、ピストン１６は吐出側開口部１３に当接する（図１（ａ））。 吐出ポート３の流体圧力が上昇すると、ピストン１６は、付勢部材１８であるコイルスプリング１８ａの付勢力に抗って吐出側開口部１３とは反対側に押し込まれる。 この結果、ピストン１６の外周面に形成した前記連絡通路１７の吸引側開口部１４が吸引ポート２に連通する（図１（ｂ））。 吐出ポート３の内部の流体は、この位置よりも低圧の吸引ポート２に還流し、吐出ポート３の圧力が減少する。 吐出ポート３の流体圧力が低下する結果、前記ロータ４の回転を妨げる抵抗が減り、ロータ４の回転が適切に維持される。

電動ポンプの運転中に吐出ポート３の圧力が上昇すると、図３に示したごとく、圧力と流量との作動点は直線Ａ上を右方向に移動する。 しかし、上記脱調防止機構Ｄを設けることで、圧力がある程度高まった時点で前記ピストン１６が押し込まれる。 図３で明らかなごとく、圧力がＰａになった時点で作動点はＢ線に沿って下降する。 つまり、前記吐出ポート３と前記吸引ポート２とが連通したときの吐出圧力がＰａである。 吐出圧力がＰａを越えた後も更に上昇する場合には、前記ピストン１６も更に押し込まれる。 この結果、流体の吐出圧力が漸増し、Ｐｂに達したとき流体流量がゼロになる。 つまり、ロータ４で吐出された流体が全て吸引ポート２に還流し、所謂電動ポンプが空回りする状態となる。 この圧力Ｐｂは、ロータ４が脱調しない吐出圧力の範囲において予め設定しておく。 具体的には、ピストン１６の断面積や、コイルスプリング１８ａの付勢力等に基いて決定される。 例えば、各種の弾性係数を有するコイルスプリング１８ａを交換することで、圧力Ｐｂは所定の値に設定することができる。 図１に示すごとく当該コイルスプリング１８ａは栓ボルト１９を取り外すだけで極めて容易に交換することができる。

脱調防止機構Ｄをこのように構成すれば、特別な圧力センサを別途設けなくとも、付勢部材１８の付勢力のみを利用するだけで、吐出ポート３の圧力変動に対処することができる。 つまり、電動ポンプの作動限界を超える負荷が発生するのを防止できるため、センサレスブラシレスモータが脱調するのを確実に防止することができる。 また、ピストン１６を作動させる流体圧力は、例えば付勢部材１８の付勢力を適宜調節することで最適な値に設定できるから、当該電動ポンプの適用範囲を広げることができる。

尚、脱調防止機構Ｄは、上記のごとく吐出ポート３の流体が吸引ポート２に還流するものには限られない。 例えば、吐出ポート３の流体をポンプ本体１の外部に排出し、別途設けた流体の貯留部に戻す構成等を採用することもできる。

また、脱調防止機構Ｄは、上記のごとくピストン１６とシリンダ１５とを用いるスプールタイプのものには限られない。 例えばこの他に、揺動する弁体を用いるものや、ボールタイプのチェック弁を用いるものなど各種のリリーフ機能を備えた機構を用いることができる。 要するに、吐出ポート３の流体圧力の高まりに応じて吐出ポート３の流体を吸引ポート２に還流させたり、あるいは、吐出ポート３とポンプ本体１の外部とを連通して流体を排出できるものであれば何れの機構を用いても良い。

（オイル供給装置）
図２には、本発明の電動ポンプをＣＶＴの作動オイル供給装置に用いた例を示す。
当該作動オイル供給装置は、まず、流体貯留部２０としてのオイル貯留部２０ａからオイルを汲み上げる第１ポンプＰ１、および、汲み上げたオイルをオイル供給先であるＣＶＴに搬送する第１供給路Ｒ１を備える。 当該第１ポンプＰ１は、エンジンのクランク軸等の回転力を利用する機械式のポンプである。 当該第１供給路Ｒ１には、オイルの圧力が一定圧以上に高まるのを防止するリリーフ弁２１を設けてある。

これら第１ポンプＰ１および第１供給路Ｒ１に並行して、前記オイル貯留部２０ａと同一もしくは別に設けたオイル貯留部２０ａからオイルを汲み上げる第２ポンプＰ２、および、一方向弁２２を有する第２供給路Ｒ２を設ける。 当該第２ポンプＰ２は、上述の脱調防止機構Ｄを備えたセンサレスブラシレスモータを用いている。 また、第２供給路Ｒ２は、前記第１供給路Ｒ１のうち前記第１ポンプＰ１と前記リリーフ弁２１との間に合流させる。

当該第２ポンプＰ２は、例えば、エンジンが停止した段階で、ＣＶＴに作動オイルを供給したい場合などに用いる。 そのためには、エンジンが停止すると直ちに作動オイルを供給する必要がある。 しかし、エンジンが停止した直後は、第１供給路Ｒ１のオイル圧がまだ高い状態にある。 この状態で第２ポンプＰ２を作動させようとすると、吐出ポート３の油圧が十分に高く、第２ポンプＰ２の始動に対する抵抗となって、ロータ４の回転が開始されないか、脱調する等の不都合が生じる。
そこで、本構成のごとく、吐出ポート３の油圧が高い状態では、吐出ポート３と吸引ポート２とを連通させ、あるいは、吐出ポート３と第２ポンプＰ２の外部とを連通させて、吐出ポート３の圧力を下げることで、ロータ４の回転状態が健全に維持されるのである。

当該オイル供給装置では、オイル圧力の高まりを解消する手段として第１供給路Ｒ１に設けたリリーフ弁２１と、第２供給路Ｒ２に設けた脱調防止機構Ｄとがある。 ただし、これら二つの手段の機能は全く異なる。
前記リリーフ弁２１は、オイル供給先であるＣＶＴに対して過剰な圧力のオイル供給を防止する機能を有する。 第１ポンプＰ１は機械式ポンプであるため、高い圧力のオイルを容易に供給することができる。 ただし、オイル供給先の駆動機構によっては、必ずしも高い圧力のオイルが必要とは限らない。 このため、最適な圧力のオイルを供給するために前記リリーフ弁２１を設けている。
尚、第２供給路Ｒ２に設けた一方向弁２２の作用により、第１ポンプＰ１が稼動している最中に、高圧のオイルが第２ポンプＰ２の側に逆流することはない。

これに対し、前記第２ポンプＰ２に設けた脱調防止機構Ｄは、オイルの油圧による過負荷を抑制してロータ４の回転を維持するために設けたものである。 第２ポンプＰ２は、第１ポンプＰ１が停止した場合や、供給するオイルが低温状態にあるときなど、第１ポンプＰ１のオイル供給を補助し、あるいは、第１ポンプＰ１に代わってＣＶＴにオイルを供給するものである。 しかし、第２ポンプＰ２の運転開始タイミングによっては、第１供給路Ｒ１に存在するオイル圧力が過大で、第２ポンプＰ２の運転開始が不可能であったり、運転中であってもモータが脱調する等の不都合が生じ易い。 このため、第２ポンプＰ２の適切な作動開始タイミングを図ることが非常に重要となる。 しかしながら、そのようなタイミングを図ることは別途センサを設ける必要があるなど容易ではなかった。
このような脱調防止機構Ｄを備えたセンサレスブラシレスモータを用いて構成した当該オイル供給装置は、脱調の問題等を解決しつつ、様々な環境下で使用することが出来、従来のオイル供給装置に比べて、簡便な構成でありながら、作動安定性に優れた装置とすることができる。

本発明に係る電動ポンプの構成を示す断面図

本発明の電動ポンプを用いた流体供給装置の構成を示す模式図

本発明に係る電動ポンプの動作特性を説明するグラフ

符号の説明

１ ポンプ本体 ２ 吸引ポート ３ 吐出ポート ４ ロータ １３ 吐出側開口部 １４ 吸引側開口部 １５ シリンダ １６ ピストン １８ 付勢部材 ２０ 流体貯留部 ２１ リリーフ弁 Ｄ 脱調防止機構 Ｐ１ 第１ポンプ Ｐ２ 第２ポンプ Ｒ１ 第１供給路 Ｒ２ 第２供給路