JP2018031294A - 電磁弁駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動源原を切り替えても電磁弁の状態を一定に保持する。【解決手段】バッテリ電源を昇圧して昇圧電源を生成する昇圧回路１と、保持電源を生成するＶＢ用昇圧回路２と、燃料噴射弁Ｌの駆動開始時に昇圧電源を燃料噴射弁Ｌに供給し、駆動開始後の保持電流駆動時には保持電源を燃料噴射弁Ｌに供給する駆動回路Ｋとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁弁駆動装置に関する。

下記特許文献１には、バッテリの出力（バッテリ電源）を昇圧する昇圧回路を備え、燃料噴射弁の駆動開始時において昇圧回路の出力（昇圧電源）を燃料噴射弁に供給し、駆動開始後の保持電流駆動時にはバッテリ電源を燃料噴射弁に供給する電磁弁駆動装置が開示されている。

特開２０００−１１０６４０号公報

ところで、燃料噴射弁に供給する電源（駆動電源）を昇圧電源からバッテリ電源に切替えた際に、バッテリ電源が本来の電圧よりも低下（電圧ドロップ）している場合があり、これが原因となって保持電流駆動時に燃料噴射弁の状態を一定状態に保持することができない場合がある。すなわち、駆動開始時には燃料噴射弁が昇圧回路の負荷となるが、当該負荷の影響によって駆動開始時から保持電流駆動時に移行する時点においてバッテリ電源が本来の電圧よりも電圧ドロップし、当該電圧ドロップが原因で燃料噴射弁の状態を保持することができない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、駆動電源を切り替えても電磁弁の状態を一定に保持することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、電磁弁駆動装置に係る第１の解決手段として、バッテリ電源を昇圧して昇圧電源を生成する昇圧回路と、保持電源を生成する電源回路と、電磁弁の駆動開始時に前記昇圧電源を電磁弁に供給し、駆動開始後の保持電流駆動時には前記保持電源を電磁弁に供給する駆動回路とを備える、という手段を採用する。

本発明では、電磁弁駆動装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記電源回路は、前記バッテリ電源に基づいて前記保持電源を生成する電力変換回路である、という手段を採用する。

本発明では、電磁弁駆動装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記電力変換回路は、前記バッテリ電源を昇圧して前記保持電源を生成する保持電源用昇圧回路である、という手段を採用する。

本発明では、電磁弁駆動装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記電源回路は、外部から作動指令が入力されると前記保持電源の生成を開始する、という手段を採用する。

本発明では、電磁弁駆動装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記電磁弁は、内燃機関において燃料を噴射する燃料噴射弁である、という手段を採用する。

本発明によれば、電磁弁の駆動開始時に昇圧電源を電磁弁に供給し、駆動開始後の保持電流駆動時には、従来のようにバッテリ電源を電磁弁に供給するのではなく、別途生成された保持電源を電磁弁に供給するので、電磁弁の駆動電源を昇圧電源から保持電源に切り替えてもバッテリ電源の電圧ドロップの影響を受けることなく電磁弁の状態を一定に保持することが可能である。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁駆動装置の構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁駆動装置の動作を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る燃料噴射弁駆動装置は、図１に示すように燃料噴射弁Ｌ（負荷）を駆動する駆動装置であり、外部のバッテリから供給されるバッテリ電源及び同じく外部の上位制御系から入力される指令信号に基づいて燃料噴射弁Ｌを駆動する。

上記燃料噴射弁Ｌは、車両に搭載されたガソリンエンジンあるいはディーゼルエンジン等の内燃機関に燃料を噴射する電磁弁（ソレノイド弁）である。すなわち、本実施形態に係る燃料噴射弁駆動装置は、車両に搭載された内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁Ｌ（電磁弁）を駆動対象する電磁弁駆動装置である。

このような燃料噴射弁駆動装置は、図１に示すように、昇圧回路１、ＶＢ用昇圧回路２（電源回路、電力変換回路、保持電源用昇圧回路）、第１〜第３の半導体スイッチ３〜５、第１、第２のダイオード６、７、電流検出用抵抗器８、制御ＩＣ９、第１〜第３のゲート抵抗器１０〜１２、第１、第２の入力抵抗器１３、１４及び逆流防止ダイオード１５を備えている。

なお、これら構成要素のうち、昇圧回路１及びＶＢ用昇圧回路２を除く、第１〜第３の半導体スイッチ３〜５、第１、第２のダイオード６、７、電流検出用抵抗器８、制御ＩＣ９、第１〜第３のゲート抵抗器１０〜１２及び第１、第２の入力抵抗器１３、１４は、図示するように駆動回路Ｋを構成している。

また、上記制御ＩＣ９は、図示するように昇圧制御部９ａ、ＶＢ用昇圧制御部９ｂ、Ｉｐｅａｋ制御部９ｃ、Ｉｈｏｌｄ制御部９ｄ、ＩＮＪスイッチ制御部９ｅ及び電流検出部９ｆを機能構成要素として備えている。

昇圧回路１は、車両に搭載されたバッテリから入力されるバッテリ電源を所定の目標電圧（昇圧電圧）に昇圧するチョッパ回路であり、所定の昇圧電圧の昇圧電源を生成する。この昇圧回路１は、昇圧比が例えば十〜数十程度であり、制御ＩＣ９内の昇圧制御部９ａによって作動が制御される。なお、この昇圧回路１は、後述する回生電流をバッテリに出力し得る回路構成を備えている。

ＶＢ用昇圧回路２は、上記バッテリ電源を所定電圧（保持電圧）に昇圧することにより保持電源を生成する保持電源用昇圧回路（電力変換回路）である。このＶＢ用昇圧回路２は、本発明における電源回路に相当する構成要素であり、制御ＩＣ９内のＶＢ用昇圧制御部９ｂによって作動が制御される。なお、このＶＢ用昇圧回路２は、昇圧比が１に近く、バッテリ電源の電圧（バッテリ電圧）と略同等の電圧（保持電圧）の保持電源を生成する。

ここで、上記保持電圧は、上記昇圧電圧よりも小さな電圧値に設定されている。詳細については後述するが、電圧が保持電源よりも高い電圧の昇圧電源は、燃料噴射弁Ｌの駆動における初期期間Ｔ１（駆動開始時）に燃料噴射弁Ｌに供給される駆動電源であり、一方、電圧が昇圧電源よりも低い保持電源は、初期期間Ｔ１後の保持期間Ｔ２（保持電流駆動時）において燃料噴射弁Ｌに供給される駆動電源である。

第１の半導体スイッチ３は、図示するようにＭＯＳトランジスタであり、昇圧回路１の出力端と燃料噴射弁Ｌの一端（より正確には燃料噴射弁Ｌにおけるソレノイドコイルの一端）との間に設けられている。すなわち、この第１の半導体スイッチ３において、ドレイン端子は昇圧回路１の出力端に接続され、ソース端子は燃料噴射弁Ｌの一端に接続され、またゲート端子は第１のゲート抵抗器１０を介して制御ＩＣ９内のＩｐｅａｋ制御部９ｃに接続されている。このような第１の半導体スイッチ３は、Ｉｐｅａｋ制御部９ｃによってＯＮ／ＯＦＦ（閉／開）動作が制御される。

第２の半導体スイッチ４は、上記第１の半導体スイッチ３と同様にＭＯＳトランジスタであり、ＶＢ用昇圧回路２の出力端と燃料噴射弁Ｌの一端（ソレノイドコイルの一端）との間に設けられている。すなわち、この第２の半導体スイッチ４において、ドレイン端子は逆流防止ダイオード１５のカソード端子に接続され、ソース端子は燃料噴射弁Ｌの一端に接続され、またゲート端子は第２のゲート抵抗器１１を介して制御ＩＣ９内のＩｈｏｌｄ制御部９ｄに接続されている。このような第２の半導体スイッチ４は、Ｉｈｏｌｄ制御部９ｄによってＯＮ／ＯＦＦ（閉／開）動作が制御される。

第３の半導体スイッチ５は、上記第１、第２の半導体スイッチ３、４と同様にＭＯＳトランジスタであり、ドレイン端子が燃料噴射弁Ｌの他端（ソレノイドコイルの他端）に接続され、ソース端子が電流検出用抵抗器８の一端に接続され、またゲート端子が第３のゲート抵抗器１２を介して制御ＩＣ９内のＩＮＪスイッチ制御部９ｅに接続されている。このような第３の半導体スイッチ５は、ＩＮＪスイッチ制御部９ｅによってＯＮ／ＯＦＦ（閉／開）動作が制御される。

第１のダイオード６は、カソード端子が昇圧回路１の出力端に接続され、アノード端子が燃料噴射弁Ｌの他端（ソレノイドコイルの他端）に接続されており、ソレノイドコイルから出力される回生電流を昇圧回路１を介してバッテリに供給する回生ダイオードである。第２のダイオード７は、カソード端子が燃料噴射弁Ｌの一端に接続され、アノード端子がＧＮＤ（基準電位）に接続されており、上記回生電流の経路を形成するための回生ダイオードである。

電流検出用抵抗器８は、一端が第３の半導体スイッチ５のソース端子に接続され、他端がＧＮＤ（基準電位）に接続されたシャント抵抗器である。すなわち、電流検出用抵抗器８は、半導体スイッチ５を介して燃料噴射弁Ｌ（ソレノイドコイル）に直列接続されており、燃料噴射弁Ｌに通電される駆動電流が通過する。このような電流検出用抵抗器８は、一端と他端との間に駆動電流の大きさに応じた電圧（検出電圧）が発生する。なお、電流検出用抵抗器８において、一端には第１の入力抵抗器１３の一端が接続され、他端には第２の入力抵抗器１４の一端が接続されている。

制御ＩＣ９は、上位制御系から入力される指令信号に基づいて昇圧回路１、ＶＢ用昇圧回路２及び第１〜第３の半導体スイッチ３〜５を制御する集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）である。この制御ＩＣ９において、昇圧制御部９ａは、昇圧回路１の動作を制御するための昇圧制御信号（ＰＷＭ信号）を生成して昇圧回路１に出力する。ＶＢ用昇圧制御部９ｂは、外部から入力されるＤ−ＩＮＪ駆動指令（作動指令）に基づいてＶＢ用昇圧回路２の動作を制御するためのＶＢ用昇圧制御信号（ＰＷＭ信号）を生成してＶＢ用昇圧回路２に出力する。

Ｉｐｅａｋ制御部９ｃは、第１の半導体スイッチ３を制御するための第１のゲート信号を生成し、当該第１のゲート抵抗器１０の一端に出力する。Ｉｈｏｌｄ制御部９ｄは、、第２の半導体スイッチ４を制御するための第２のゲート信号を生成し、当該第２のゲート抵抗器１１の一端に出力する。ＩＮＪスイッチ制御部９ｅは、第３の半導体スイッチ５を制御するための第３のゲート信号を生成し、当該第３のゲート抵抗器１２の一端に出力する。

電流検出部９ｆは、一対の入力端を備え、一方の入力端が第１の入力抵抗器１３の他端に接続され、他方の入力端が第２の入力抵抗器１４の他端に接続されている。すなわち、この電流検出部９ｆには、電流検出用抵抗器８で発生した検出電圧が第１の入力抵抗器１３及び第２の入力抵抗器１４を介して入力される。このような電流検出部９ｆは、検出電圧に基づいて駆動電流の大きさを検出（演算）する。

第１のゲート抵抗器１０は、Ｉｐｅａｋ制御部９ｃと第１の半導体スイッチ３のゲート端子との間に設けられ、当該ゲート端子にＩｐｅａｋ制御部９ｃから流れるゲート電流に応じた電圧降下を発生する保護抵抗器である。第２のゲート抵抗器１１は、Ｉｈｏｌｄ制御部９ｄと第２の半導体スイッチ４のゲート端子との間に設けられ、当該ゲート端子にＩｈｏｌｄ制御部９ｄから流れるゲート電流に応じた電圧降下を発生する保護抵抗器である。第３のゲート抵抗器１２は、ＩＮＪスイッチ制御部９ｅと第３の半導体スイッチ５のゲート端子との間に設けられ、当該ゲート端子にＩＮＪスイッチ制御部９ｅから流れるゲート電流に応じた電圧降下を発生する保護抵抗器である。

第１の入力抵抗器１３は、電流検出用抵抗器８の一端と電流検出部９ｆにおける一方の入力端との間に設けられ、通過電流に応じた電圧降下を発生する保護抵抗器である。第２の入力抵抗器１４は、電流検出用抵抗器８の他端と電流検出部９ｆにおける他方の入力端との間に設けられ、通過電流に応じた電圧降下を発生する保護抵抗器である。

また、逆流防止ダイオード１５は、カソード端子が第２の半導体スイッチ４のドレイン端子に接続され、アノード端子がＶＢ用昇圧回路２の出力端に接続されている。この逆流防止ダイオード１５は、第１の半導体スイッチ３及び第２の半導体スイッチ４が何れもＯＮ状態（閉状態）になった場合に、昇圧回路１の出力電流がＶＢ用昇圧回路２の出力端に流入することを防止するための補助部品である。

次に、このように構成された燃料噴射弁駆動装置の動作について、図２をも参照して詳しく説明する。

この燃料噴射弁駆動装置で燃料噴射弁Ｌを閉弁状態から開弁状態に駆動する場合、制御ＩＣ９は、図２に示すように、駆動開始時の初期期間Ｔ１（時刻ｔ0〜ｔ1の期間）において昇圧回路１が生成する昇圧電源を燃料噴射弁Ｌに供給し、上記初期期間Ｔ１後の保持期間Ｔ２（時刻ｔ1〜ｔ2の期間：保持電流駆動時）においてはＶＢ用昇圧制御部９ｂが生成する保持電源を燃料噴射弁Ｌに供給させる。

すなわち、初期期間Ｔ１では、昇圧制御部９ａが昇圧回路１に昇圧制御信号を出力することによって、所定の昇圧電圧を有する昇圧電源を昇圧回路１から出力させる。また、この初期期間Ｔ１では、Ｉｐｅａｋ制御部９ｃがゲート信号を第１の半導体スイッチ３に出力することによって昇圧電源を燃料噴射弁Ｌの一端（ソレノイドコイルの一端）に供給すると共に、ＩＮＪスイッチ制御部９ｅが第３の半導体スイッチ５にゲート信号を出力することによって、燃料噴射弁Ｌの他端（ソレノイドコイルの他端）を電流検出用抵抗器８を介してＧＮＤ（基準電位）に接続させる。

この結果、初期期間Ｔ１では、図２の下段に示すように比較的高い昇圧電圧の昇圧電源が燃料噴射弁Ｌに供給され、よって図２の上段に示すようにピーク状の立ち上がり電流が燃料噴射弁Ｌに流れる。このようなピーク状の立ち上がり電流は、燃料噴射弁Ｌの開弁動作を高速化するものである。

そして、保持期間Ｔ２では、ＶＢ用昇圧制御部９ｂがＶＢ用昇圧回路２にＶＢ用昇圧制御信号を出力することによって、所定の保持電圧を有する保持電源をＶＢ用昇圧回路２から出力させる。また、この保持期間Ｔ２では、Ｉｈｏｌｄ制御部９ｄがゲート信号を第２の半導体スイッチ４に出力することによって保持電源を燃料噴射弁Ｌの一端（ソレノイドコイルの一端）に供給すると共に、ＩＮＪスイッチ制御部９ｅが第３の半導体スイッチ５にゲート信号を出力することによって、燃料噴射弁Ｌの他端（ソレノイドコイルの他端）を電流検出用抵抗器８を介してＧＮＤ（基準電位）に接続させる。

この結果、保持期間Ｔ２では、図２の下段に示すように比較的低い保持電圧の保持電源が燃料噴射弁Ｌに供給され、よって図２の上段に示すようにピーク状の立ち上がり電流が燃料噴射弁Ｌに流れる。

ここで、Ｉｈｏｌｄ制御部９ｄは、所定のデューティ比のＰＷＭ信号をゲート信号として第２の半導体スイッチ４に供給するので、保持電源は燃料噴射弁Ｌに対して断続的に供給される。また、上記デューティ比は電流検出部９ｆが検出した駆動電流の大きさに基づいて設定される。すなわち、Ｉｈｏｌｄ制御部９ｄは、電流検出部９ｆが検出した駆動電流の大きさに基づいてＰＷＭ信号のデューティ比を設定することにより駆動電流の大きが所定の目標値を維持するようにフィードバック制御する。

この結果、図２の上段に示すように一定の保持電流が燃料噴射弁Ｌに供給され、以て燃料噴射弁Ｌの開弁状態が一定状態に保持される。また、保持期間Ｔ２において上記デューティ比を２段階に変更することによって、図２の上段に示すように保持電流を段階的に変化させることが可能である。

また、昇圧制御部９ａは、制御ＩＣ９（燃料噴射弁駆動装置）に外部から電源が供給されると、昇圧制御信号を昇圧回路１に速やかに出力して昇圧動作を開始させる。これに対して、ＶＢ用昇圧制御部９ｂは、外部からＤ−ＩＮＪ駆動指令（作動指令）が入力された時点からＶＢ用昇圧制御信号を生成してＶＢ用昇圧回路２に出力する。すなわち、昇圧回路１は比較的早めに立上って昇圧電源の生成を開始するが、ＶＢ用昇圧回路２は、保持電源を燃料噴射弁Ｌに供給する必要のある期間のみ保持電源を生成する。

このような昇圧回路１とＶＢ用昇圧回路２との動作期間の違いは、両者の昇圧比の違いに起因している。すなわち、ＶＢ用昇圧回路２は昇圧比が１に近いために比較的短時間で安定した保持電圧の保持電源を出力することが可能であるが、昇圧回路１は、昇圧比がＶＢ用昇圧回路２よりも格段に大きいので、昇圧電圧が目標値に到達するために時間を要する。このような事情からＶＢ用昇圧回路２の動作期間が必要最小限に設定され、これによって消費電飾の削減を実現することができる。

このような本実施形態によれば、保持期間Ｔ２において従来のようにバッテリ電源を燃料噴射弁Ｌに供給するのではなく、ＶＢ用昇圧回路２によって別途生成された保持電源を燃料噴射弁Ｌに供給するので、燃料噴射弁Ｌの駆動電源を昇圧電源から保持電源に切り替えても、バッテリ電源の電圧ドロップの影響を受けることなく燃料噴射弁Ｌの開弁状態を一定に保持することが可能である。

すなわち、図２の下段に示すように、バッテリ電源の電源電圧（バッテリ電圧）は昇圧回路１が作動を開始することによって、初期期間Ｔ１及び保持期間Ｔ２の初期において本来の電圧から電圧ドロップするが、本実施形態では、このようなバッテリ電源を保持期間Ｔ２に採用せず、バッテリ電源に基づいて生成されるものの、ＶＢ用昇圧回路２によってバッテリ電源とは個別に生成された保持電源を保持期間Ｔ２に用いるので、燃料噴射弁Ｌの開弁状態を一定に保持することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、保持電源をＶＢ用昇圧回路２によって生成したが、本発明における電源回路はＶＢ用昇圧回路２に限定されない。例えば、保持電圧をバッテリ電圧よりも低く設定する場合には、ＶＢ用昇圧回路２に代えて降圧回路（電力変換回路）あるいは電圧変換機能を有しない電源回路を用いても良い。

（２）上記実施形態では、Ｄ−ＩＮＪ駆動指令（作動指令）に基づいて保持電源を生成したが、本発明はこれに限定されない。例えば昇圧回路１と同様にＤ−ＩＮＪ駆動指令（作動指令）に関わりなく制御ＩＣ９（燃料噴射弁駆動装置）に外部から電源が供給されると保持電源を生成しても良い。

（３）上記実施形態では、燃料噴射弁Ｌを駆動対象としてが、本発明はこれに限定されない。本発明は、燃料噴射弁Ｌ以外の各種電磁弁の駆動に適用することが可能である。

Ｌ 燃料噴射弁
Ｋ 駆動回路
１ 昇圧回路
２ ＶＢ用昇圧回路（電源回路、電力変換回路、保持電源用昇圧回路）
３ 第１の半導体スイッチ
４ 第２の半導体スイッチ
５ 第３の半導体スイッチ
６ 第１のダイオード
７ 第２のダイオード
８ 電流検出用抵抗器
９ 制御ＩＣ
９ａ 昇圧制御部
９ｂ ＶＢ用昇圧制御部
９ｃ Ｉｐｅａｋ制御部
９ｄ Ｉｈｏｌｄ制御部
９ｅ ＩＮＪスイッチ制御部
９ｆ 電流検出部
１０ 第１のゲート抵抗器
１１ 第２のゲート抵抗器
１２ 第３のゲート抵抗器
１３ 第１の入力抵抗器
１４ 第２の入力抵抗器
１５ 逆流防止ダイオード

Claims (5)

1. バッテリ電源を昇圧して昇圧電源を生成する昇圧回路と、
   保持電源を生成する電源回路と、
   電磁弁の駆動開始時に前記昇圧電源を電磁弁に供給し、駆動開始後の保持電流駆動時には前記保持電源を電磁弁に供給する駆動回路と
   を備えることを特徴とする電磁弁駆動装置。
2. 前記電源回路は、前記バッテリ電源に基づいて前記保持電源を生成する電力変換回路であることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁駆動装置。
3. 前記電力変換回路は、前記バッテリ電源を昇圧して前記保持電源を生成する保持電源用昇圧回路であることを特徴とする請求項２に記載の電磁弁駆動装置。
4. 前記電源回路は、外部から作動指令が入力されると前記保持電源の生成を開始することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電磁弁駆動装置。
5. 前記電磁弁は、内燃機関において燃料を噴射する燃料噴射弁であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電磁弁駆動装置。
   

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