JP2003507628A - 電磁操作装置におけるコイル電流のオフセット誤差を伴う測定にあたり該オフセット誤差を求める方法および回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電磁的な操作装置（１）におけるコイル電流測定にあたり、操作装置（１）が最終位置（１９，２０）にありコイル（１４，１６）が通電されていないときに、コイル（１４，１６）を流れる電流（Ｉ）が測定される。それにより生じた測定値からオフセット誤差を求めることができる。ガス交換弁（２，３，４）を駆動するアクチュエータ（１）の場合、オフセット誤差測定が行われるのは有利には、ガス交換弁（２，３，４）が最終位置（１９，２０）にあり、オフセット誤差を求めようとするコイル（１６，１４）が通電されていないときである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、電磁操作装置のコイル電流のオフセット誤差を伴う測定にあたり該
オフセット誤差を求める回路および方法に関する。

【０００２】 たとえば内燃機関のガス交換弁を駆動する電磁的な操作装置すなわち電磁アク
チュエータは通常、少なくとも１つのコイルを有する。ガス交換弁用の電磁アク
チュエータはたとえば、DE 297 12 502 U1 または EP 0 724 067 A1 により公知
である。このアクチュエータは閉鎖位置と開放位置との間に位置する休止位置を
もち、電磁石を用いてその位置から変位させることができる。

【０００３】 このアクチュエータにより駆動されるガス交換弁を開いたり閉じたりする目的
で個々の最終位置に対応して設けられたコイルが通電され、この場合、ガス交換
弁をアクチュエータの最終位置に保持する保持フェーズ中に必要とされる電流よ
りも、吸引フェーズ中に必要とされる電流の方が大きい。

【０００４】 その際、対応する電磁石に単に電流を印加するだけであると、ガス交換弁の弁
体が高速で弁座にぶつかり、そのことで騒音が引き起こされるし摩耗が激しくな
る。これを回避するためにはぶつかる速度を下げなければならない。この目的で
通電の適切な制御が行われる。

【０００５】 そしてこのためには電磁アクチュエータにおいてコイル電流を測定する必要が
ある。これはたとえば、コイルと直列に接続された抵抗のところで電圧を取り出
すことによって行うことができる。この場合、オームの法則に従い抵抗値と測定
された電圧降下から電流を計算することができる。

【０００６】 通常、電圧降下はアナログ回路によって測定される。その種のアナログ回路で
はオフセット誤差が不可避であり、つまり測定された電圧は高すぎたり低すぎた
りする。自動的にオフセット電圧補償を行う測定機構はたしかに DE 34 29 854
A1 により知られているけれども、そのためにはハイブリッドコンポーネントが
必要とされ、これはかなりコストがかかる。さらに DE 34 48 182 C2 により同
じような動作をする回路装置が知られており、それによればオフセット補償のた
めにメモリコンポーネントが用いられる。

【０００７】 本発明の課題は、電磁アクチュエータのコイル電流のオフセット誤差を伴う測
定にあたりそのオフセット誤差を求める回路もしくは方法において、特別なコン
ポーネントを必要としないように構成することである。

【０００８】 この課題は、請求項１および５の特徴部分に記載の構成により解決される。

【０００９】 本発明が基礎とする認識は、コイルに対し通電の行われていないアクチュエー
タの最終位置が存在する、という点にある。その時点でコイル電流を測定すれば
、そこからオフセット誤差を求めることができる。

【００１０】 アクチュエータはたとえばガス交換弁の駆動に用いられ、その場合、ガス交換
弁を開放または閉鎖するため、対応する最終位置に割り当てられたコイルにまず
はじめに吸引電流が流され、ついで保持電流が流されるが、このようなアクチュ
エータにおいて有利には他方の最終位置に割り当てられたコイルにおいて、通電
中のコイルが保持フェーズにあるときにオフセット誤差の測定が行われる。つま
りこの時点では、オフセット誤差の測定される回路をもつコイルは通電されてい
ない状態であることが保証されているのである。吸引フェーズではこのことは保
証されず、その理由はたとえばそれに先行する保持フェーズからの電流がまだ減
衰していない可能性があるし、場合によっては他方の最終位置へのアクチュエー
タの遅延された搬送のために吸引フェーズ中はまだコイルが短期間通電されるか
らである。

【００１１】 従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。次に、図面を参照し
ながら本発明の実施例について詳しく説明する。

【００１２】 図１は、内燃機関のガス交換弁用アクチュエータの断面図である。

【００１３】 図２は、図１の２つのコイルによる電流経過特性の時系列を示す図である。

【００１４】 図３は、コイルを流れるコイル電流を測定する回路を示す図である。

【００１５】 図４は、ガス交換弁動作時に生じる状態を表すフローチャートである。

【００１６】 図１には、円板弁として形成されたガス交換弁用の電磁アクチュエータ１が示
されており、これは弁座３を有する弁体２と弁シャフト４から成り、この弁シャ
フトはケーシング側のガイド５に支承されていて上端部には円錐部材６が設けら
れている。弁体２はアクチュエータ１によって２つの最終位置の間で動かされる
。すなわちガス交換弁は、上方の最終位置では閉じられ下方の最終位置では開か
れる。ケーシング側ガイド５と円錐部材６との間に配置されている弁ばね８によ
り、弁体は閉鎖位置におかれる。

【００１７】 アクチュエータ１はさらに上方の強磁性コイル巻枠と下方の強磁性コイル巻枠
１２とによって構成されており、これらはそれぞれコイル１４とコイル１６を支
持している。

【００１８】 上方のコイル巻枠１０内にはシフト可能なかたちでアーマチュアシャフト１７
が支承されており、これは両方のコイル１４，１６の間に位置するディスク状の
アーマチュア１８を有している。両方のコイル巻枠１０，１２においてアーマチ
ュア１８と向き合った端面１９，２０はアーマチュア１８に対するストッパを成
しており、つまりはガス交換弁が開放状態または閉鎖状態にある上方と下方のガ
ス交換弁最終位置を規定している。

【００１９】 アーマチュアシャフト１７とケーシング側ストッパ２４との間にアクチュエー
タばね２２が張設されており、これはアーマチュア１８に対し弁体２の開放位置
方向に作用を及ぼす。アーマチュア１８は弁シャフト４の上に載置されている。
コイル１４，１６が通電されていない間、図示されているようにアーマチュア１
８は弁ばね８とアクチュエータばね２２によって両方の端面１９と２０の間の中
央位置に保持されている。

【００２０】 両方のコイル１４，１６はそれぞれ駆動回路２６，２７により通電され、これ
らは調整回路２８によって制御される。

【００２１】 弁体２の行程を測定するため、さらにピエゾ素子３０′がアクチュエータ支持
部分に設けられている。ケーシング側ガイド５には別のピエゾ素子３２′が設け
られている。両方のピエゾ素子３０′，３２′の出力信号は調整回路２８へ導か
れ、調整回路２８はそれらの出力信号を以下のようにして利用する。すなわち端
面１９もしくは２０においてコイル巻枠１０または２０にアーマチュア１８が当
接する速度を調整して、跳ね返りがなく僅かなノイズで迅速かつ確実に個々の最
終位置へ弁を移動させることができるようにしている。

【００２２】 図２には、コイル１４もしくは１６を流れる電流Ｉが時間ｔにわたり示されて
いる。ここではコイル１４を流れる電流Ｉは実線で描かれており、コイル１６を
流れる電流は破線で描かれている。この電流経過特性は、吸引電流回路により跳
ね返りなく確実にそのつど他方の最終位置へ弁が切り替えられるよう、調整回路
２８によって調整される。この目的で、個々の最終位置においてアーマチュア１
８を保持している保持電流Ｈｓ，Ｈｏが遮断され、その結果、該当する弛緩した
ばねによりアーマチュアが他方の最終位置の方向へ動かされる。これと同時に、
対応する巻線１４または１８に吸引電流Ｆｏ，Ｆｓが給電される。弁を閉じるた
めにはコイル１４に吸引電流Ｆｓが給電される。アーマチュア１８が端面１９上
におかれたならば、アーマチュア１８つまりはガス交換弁を閉鎖位置に保持する
のに十分である僅かな保持電流Ｈｓだけがコイル１４に給電される。

【００２３】 ガス交換弁を開放するためにはコイル１４を流れる保持電流Ｈｓが遮断され、
コイルを流れる吸引電流Ｆｏが供給される。アーマチュア１８が弁ばね８および
アクチュエータばね２２ならびに吸引電流Ｆｏにより生じる磁界の作用により端
面２０に達すると、コイル１６の給電が保持電流Ｈｏに切り替えられ、弁体２が
開放位置に保持される。弁を再び閉じるためには、同様に保持電流Ｈｏが遮断さ
れ、吸引電流Ｆｓが供給される。

【００２４】 したがってガス交換弁は、図４に描かれている状態Ｉ〜ＩＶをとりながら動作
する。状態Ｉでは弁は閉じられており、コイル１４には保持電流Ｈｓが流れてい
る。次に状態ＩＩにおいて弁が開放され、この目的でコイル１６に吸引電流Ｆｏ
が給電され、コイル１４における保持電流Ｈｓがゆっくりと減衰する。アーマチ
ュア１８が端面２０に当接すると、コイル１６の給電が保持電流Ｈｏに切り替え
られて弁が開放される（図４の状態ＩＩＩ）。閉鎖のために再びコイル１４に吸
引電流が加えられ、このことは図４のＩＶに表されている。アーマチュア１８が
端面１９に当接すると、状態Ｉが再び生じる。

【００２５】 ところでコイル１４，１６を流れる電流を調整回路２８で用いることができる
ようにするためには、コイル電流の測定が必要とされる。図３には、このために
必要とされるドライバ回路が調整回路２８の詳細図とともに実例として描かれて
いる。図３にはコイル１４のドライバ回路２６が示されている。ドライバ回路２
７も同様に構成されている。

【００２６】 図３に示されているようにコイル１４は非対称のハーフブリッジにより制御さ
れる。これによればコイル１４は、他方の側が給電電圧Ｖｃｃにおかれているハ
イサイドＦＥＴ Ｔｈと、やはり他方の側が抵抗Ｒを介して基準電位におかれて
いるローサイドＦＥＴ Ｔｌとの間に接続されている。コイルとハイサイドＦＥ
Ｔ Ｔｈの接続点と基準電位との間に、ダイオードＤ２が順方向で接続されてい
る。また、コイル１４とローサイドＦＥＴ Ｔｌの接続点と給電電圧Ｖｃｃとの
間には、ダイオードＤ１が順方向で接続されている。さらに給電電圧Ｖｃｃと基
準電位とはコンデンサＣを介して接続されている。ローサイドＦＥＴ Ｔｌと基
準電位との間には抵抗Ｒが接続されている。

【００２７】 ハイサイドＦＥＴ Ｔｈおよび／またはローサイドＦＥＴ Ｔｌのオン／オフに
より、コイル１４における電流目標値が設定される。この場合、電流実際値はロ
ーサイド分岐中の抵抗Ｒにおける電圧降下によって測定される。電圧降下は差動
増幅器３０により取り出され、その出力値は加算器ノード３１を介してフィルタ
３３さらにはアナログ／ディジタルコンバータ３４ならびにマイクロコントロー
ラ３４へ供給される。差動増幅器３０を用いて電圧降下を求める際にはオフセッ
ト誤差が不可避であり、これにより電流実際値が誤ったものとなってしまう。

【００２８】 電流目標値がゼロのとき、ハイサイドＦＥＴ ＴｈとローサイドＦＥＴ Ｔｌは
阻止されている。この状態では抵抗Ｒには電流が流れず、差動増幅器３０の入力
側における電圧はゼロである。とはいえ差動増幅器３０の内部構造ゆえに、オフ
セット誤差に起因して出力側に負の電圧が生じる可能性がある。しかしながら一
般にカーエレクトロニクスにおいて用いられるようなユニポーラ構造の測定経路
の場合、負の測定電圧は望ましくない。その理由から人工的に形成されたオフセ
ットが加算器ノード３１のところで加算される。そしてこの目的で、加算器ノー
ド３１に付加的に定電流源３２の出力が供給される。これによりフィルタ３３の
入力側には常に正の電圧が生じるようになる。

【００２９】 オフセット誤差を求めるためには、抵抗Ｒには電流が流れないようにしなけれ
ばならない。このことはコイル１４について他方のコイル１６の保持フェーズ中
にのみ保証することができる。なぜならばその場合には最終位置であり、その位
置では、オフセット誤差を求めようとする回路２６のコイル１４が通電されてい
ないからである。駆動されていないコイルのオフセット誤差Ｉ_０ が求められた
後、後続のサイクルでそのコイルが次に駆動されるときに電流実際値を以下のよ
うに補正することができる： Ｉ_ｋｏｒｒ ＝Ｉ_ｍ −Ｉ_ｏ 有利にはオフセット誤差Ｉ_ｏ は、コイル１４において何回かサンプリングさ
れるかたちで測定され、それらの測定値について重み付け平均が以下のように形
成される： Ｉ_ｏ，ｉ ＝Ｉ_{ｏ，ｉ＋１} ・（１−ｋ）＋Ｉ_ｍ ・ｋ このような重み付け平均はローパスフィルタリングの１つの可能な形態である
が、別のことも考えられる。ここでＩ_ｏ，ｉ はオフセット誤差のｉ番目の測定
であり、Ｉ_ｍ は電流実際値（アナログ／ディジタルコンバータ３４の未処理値
）であり、ｋは重み付け係数である。

【００３０】 このローパスフィルタリングが考慮しているのは、オフセット誤差Ｉ_ｏ は温
度に起因して変動し、オフセット誤差を求めるサンプリングレートに関してゆっ
くりとしか変化しないことである。

【００３１】 これまで本発明を内燃機関のガス交換弁のためのアクチュエータに適用した場
合について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、他のアク
チュエータや操作装置にも適用することができる。さらにアクチュエータが２つ
のコイルを備えていなくてもよく、コイルが通電されない１つの最終位置があれ
ば十分である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 内燃機関のガス交換弁用アクチュエータの断面図である。

【図２】 図１の２つのコイルによる電流経過特性の時系列を示す図である。

【図３】 コイルを流れるコイル電流を測定する回路を示す図である。

【図４】 ガス交換弁動作時に生じる状態を表すフローチャートである。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年１０月３１日（２００１．１０．３１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス フランツ ドイツ連邦共和国 ニュールンベルク ヘ ーフェナー シュトラーセ 152 アー Ｆターム(参考） 2G035 AA05 AB02 AC02 AC13 AD03 AD10 AD18 AD20 AD28 AD55 AD56 AD65 3G018 AB09 BA38 CA12 DA36 DA45 DA66 GA32

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁操作装置におけるコイル電流のオフセット誤差を伴う測
   定にあたり該オフセット誤差を求める方法において、 操作装置作動中、コイルが通電されていない最終位置に該操作装置が位置して
   いるとき、コイルを流れるコイル電流のオフセット誤差を伴う測定を行い、得ら
   れた値をオフセット誤差として用いることを特徴とする、オフセット誤差を求め
   る方法。
2. 【請求項２】 コイルと直列に接続された抵抗の前と後ろの電位タップを介
   してコイル電流を測定し、該電位タップの電位を差動増幅器へ供給し、該差動増
   幅器の出力値に一定値を加算して、決められた極性のオフセット誤差を常に得る
   、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 それぞれ１つの最終位置が割り当てられている２つのコイル
   を備えた操作装置においてオフセット誤差を求めるために、目下最終位置に割り
   当てられているコイルを流れる電流を測定する、請求項１または２記載の方法。
4. 【請求項４】 操作装置を最終位置に移動させるため、該最終位置に割り当
   てられたコイルに対しまずはじめに吸引電流を流し、ついで最終位置到達後に保
   持電流を流し、その後、他方のコイルにおけるオフセット誤差を求める、請求項
   ３記載の方法。
5. 【請求項５】 少なくとも１つのコイル（１４，１６）を有する電磁操作装
   置（１）のオフセット誤差を伴うコイル電流（Ｉ）の測定にあたり該オフセット
   誤差を求める回路において、 前記コイル（１４，１６）の導線に直列に接続された抵抗（Ｒ）と、該抵抗（
   Ｒ）の両端の電位が供給される差動増幅器（３０）が設けられており、 操作装置（１）の作動中、前記コイル（１４，１６）に電流が流れていないと
   きに前記差動増幅器（３０）の出力を測定し、得られた値がオフセット誤差（Ｉ _ｏ ）として用いられることを特徴とする、 オフセット誤差を求める回路。
6. 【請求項６】 前記差動増幅器（３０）の出力は定電圧源（３２）の出力と
   ともに加算器素子（３１）へ導かれ、決められた極性のオフセット誤差が常に生
   じる、請求項５記載の回路。
7. 【請求項７】 それぞれ１つの最終位置（１９，２０）が割り当てられてい
   る２つのコイル（１４，１６）を備えた操作装置において、各コイルへの導線中
   に抵抗（Ｒ）が接続されており、該抵抗（Ｒ）のところで降下する電圧が差動増
   幅器（３０）により取り出され、制御回路（３３，３４，３５）により差動増幅
   器（３０）の両方の出力が測定される、請求項５または６記載の回路。
8. 【請求項８】 コイル（１４，１６）を給電する前記制御回路（３３，３４
   ，３５）により、最終位置（１９，２０）への操作装置（１）の移動にあたり該
   最終位置（１９，２０）に割り当てられたコイル（１４，１６）にまずはじめに
   吸引電流（Ｆｓ，Ｆｏ）が供給され、該最終位置（１９，２０）に到達した後に
   保持電流（Ｈｓ，Ｈｏ）が供給され、ついで前記制御回路（３３，３４，３５）
   により他方のコイル（１６，１４）の差動増幅器（３０）の出力が測定される、
   請求項７記載の回路。
9. 【請求項９】 前記オフセット誤差（Ｉ_０）を複数回測定してローパスフィ
   ルタリングする、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。