JP2018032819A

JP2018032819A - 電磁弁駆動装置

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Publication number: JP2018032819A
Application number: JP2016165922A
Authority: JP
Inventors: 武史岡本; Takeshi Okamoto
Original assignee: Nabtesco Corp
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2018-03-01
Also published as: CN107781490B; KR101892398B1; KR20180023839A; CN107781490A

Abstract

【課題】構成部品の電気的特性を劣化させることなく、ソレノイドコイルの逆起電力によるサージ電力を迅速に吸収する。【解決手段】電磁弁駆動装置１は、電磁弁のソレノイドコイルに電流を流すか否かを切替制御する第１スイッチング素子２と、ソレノイドコイルの両端子間に直列接続される、整流回路およびサージ吸収回路と、サージ吸収回路の両端子間に並列接続される第２スイッチング素子５と、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子のオンまたはオフの切替を制御する制御回路と、を備える。制御回路は、電磁弁の駆動指令に応じて、第１スイッチング素子をオンして電磁弁のスプールを指令位置まで移動させた後、第１スイッチング素子のオンまたはオフの切替をパルス幅制御してスプールを指令位置に保持する第１制御部６と、第１制御部が第１スイッチング素子のパルス幅制御を開始するタイミングに合わせて所定期間、第２スイッチング素子をオフする第２制御部６と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁弁を駆動する電磁弁駆動装置に関する。

電磁弁のソレノイドコイルに供給する電力を遮断すると、ソレノイドコイルに逆起電力が発生するため、バリスタ等のサージアブソーバを設けて逆起電力を吸収させる回路が提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１には、ソレノイドコイルに電流を流して電磁弁のスプールが所望の位置まで移動すると、ソレノイドコイルに電流を流すか否かを切替制御するトランジスタのゲート電圧をパルス幅制御して、ソレノイドコイルに流す電流を必要最小限に抑制するとともに、ソレノイドコイルに発生する逆起電力をバリスタに吸収させる回路が開示されている。

特許第４２８９７４５号公報

しかしながら、電磁弁を例えばエンジン制御に用いる場合、電磁弁の切替が頻繁に行われることになる。よって、バリスタは繰り返しソレノイドコイルの逆起電力を吸収しなければならなくなり、バリスタの電気特性が短時間で劣化するおそれがある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、構成部品の電気的特性を劣化させることなく、ソレノイドコイルの逆起電力によるサージ電力を迅速に吸収することができる電磁弁駆動装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、電磁弁のソレノイドコイルに電流を流すか否かを切替制御する第１スイッチング素子と、
前記ソレノイドコイルの両端子間に直列接続される、整流回路およびサージ吸収回路と、
前記サージ吸収回路の両端子間に並列接続される第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のオンまたはオフの切替を制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記電磁弁の駆動指令に応じて、前記第１スイッチング素子を連続的にオンして前記電磁弁のスプールを指令位置に向けて移動させるべく前記ソレノイドコイルに第１電流を流す第１電流制御を行い、その後、前記第１スイッチング素子を間欠的にオンして前記ソレノイドコイルに前記第１電流よりも小さい第２電流を流す第２電流制御を行う第１制御部と、
前記第１制御部が前記第１電流制御を終了するタイミングに合わせて所定期間、前記第２スイッチング素子をオフする第２制御部と、を有する、電磁弁駆動装置が提供される。

前記所定期間は、前記第１スイッチング素子の前記第１電流制御が終了するタイミングに合わせて開始され、前記第１スイッチング素子の前記第２電流制御が開始するタイミングまでに終了する期間であってもよい。

前記所定期間の長さは、前記ソレノイドコイルに流れる電流に応じて設定されてもよい。

前記所定期間の長さは、前記ソレノイドコイルのインダクタンスと前記サージ吸収回路が吸収するサージ電圧とに基づいて設定されてもよい。

前記サージ吸収回路は、ツェナーダイオードを有し、
前記所定期間の長さは、前記ソレノイドコイルのインダクタンスと前記ツェナーダイオードのブレークダウン電圧とに基づいて設定されてもよい。

前記制御回路は、前記電磁弁の駆動指令期間が終了すると、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオフさせて、前記ソレノイドコイルの両端に発生した逆起電力による電流を、前記サージ吸収回路および前記整流回路を介して流してもよい。

前記電磁弁は、船舶設備の切替に用いられるものであってもよい。

本発明の他の一態様では、電磁弁のソレノイドコイルの一端を第１基準電圧ノードに導通させるか否かを切替制御する第１スイッチング素子と、
前記ソレノイドコイルの一端と他端との間に直列接続される、ダイオードおよびツェナーダイオードと、
前記ツェナーダイオードの一端と他端とを導通させるか否かを切替制御する第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のオンまたはオフを切替制御する制御回路と、を備え、
前記ダイオードの一端および前記ソレノイドコイルの他端は、第２基準電圧ノードに接続されている、電磁弁駆動装置が提供されてもよい。

本発明によれば、構成部品の電気的特性を劣化させることなく、ソレノイドコイルの逆起電力によるサージ電力を迅速に吸収することができる。

本発明の一実施形態による電磁弁駆動装置の回路図。図１の回路のタイミング図。図１の一比較例による回路のタイミング図。図１の電磁弁駆動装置の実装形態の一例を示す回路図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態による電磁弁駆動装置１の回路図である。図１の電磁弁駆動装置１は、第１ＭＯＳＦＥＴ（第１スイッチング素子）２と、ツェナーダイオード（サージ吸収回路）３と、回生ダイオード（整流回路）４と、第２ＭＯＳＦＥＴ（第２スイッチング素子）５と、制御回路６とを備えている。

電磁弁は、２位置を切り替えるものでもよいし、３位置を切り替えるものでもよい。２位置を切り替える電磁弁はソレノイドコイルＬに電流を流すか否かで２位置を切り替えることができる。３位置を切り替える電磁弁は、弁ボディの両側にソレノイドコイルＬを配置し、各ソレノイドコイルＬに電流を流すか否かで３位置を切り替えることができる。以下では、一例として、２位置の電磁弁を駆動する電磁弁駆動装置１について説明する。以下では、ソレノイドコイルＬに電流を流して電磁弁のスプールを指令位置まで移動させる指令を駆動指令と呼び、このときの電磁弁の切替位置を第１位置と呼び、ソレノイドコイルＬに電流を流さない場合の電磁弁の切替位置を第２位置と呼ぶ。

本実施形態の電磁弁は、例えば、船舶のエンジン制御などに用いられるものである。船舶のエンジン制御用の電磁弁は、頻繁に開閉位置を切り替える必要がある。このため、本実施形態は、電磁弁のソレノイドコイルＬの消費電力を低減し、かつ電磁弁駆動装置１の構成部品の電気的特性の劣化を抑制することを念頭に置いている。

図１の第１ＭＯＳＦＥＴ２はＮ型ＭＯＳＦＥＴであるが、図１の回路構成を一部変更することで、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴで構成することも可能である。第１ＭＯＳＦＥＴ２は、電磁弁のソレノイドコイルＬに電流を流すときにオンする。第１ＭＯＳＦＥＴ２のオンまたはオフの切替制御は、制御回路６によって行われる。ソレノイドコイルＬに電流が流れると、電磁弁のスプールが指令位置に向けて移動を開始する。その後、制御回路６は、電磁弁のスプールが指令位置に達する前後に、第１ＭＯＳＦＥＴ２を間欠的にオンさせる。より詳しくは、制御回路６は、電磁弁のスプールが移動を開始して指令位置に達する前後に、第１ＭＯＳＦＥＴ２のオン期間をパルス幅制御する。これにより、電磁弁のソレノイドコイルＬには、スプールを指令位置に保持するのに必要最小限の電流が流れ、ソレノイドコイルＬでの消費電力が抑制される。

図１の第２ＭＯＳＦＥＴ５はＮ型ＭＯＳＦＥＴであるが、図１の回路構成を一部変更することで、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴで構成することも可能である。第２ＭＯＳＦＥＴ５は、電磁弁を第１位置に切り替える際には基本的にはオンであり、電磁弁を第２位置に切り替える際にはオフする。また、第２ＭＯＳＦＥＴ５は、第１ＭＯＳＦＥＴ２が連続オン動作から間欠オン動作に切り替わる際に、所定期間だけオフになる。第２ＭＯＳＦＥＴ５のオンまたはオフの切替制御も、制御回路６によって行われる。

制御回路６は、第１制御部６ａと第２制御部６ｂを有する。第１制御部６ａは、電磁弁の駆動指令に応じて、第１ＭＯＳＦＥＴ２を連続オン動作させて電磁弁のスプールを指令位置まで移動させるべくソレノイドコイルに第１電流を流す第１電流制御を行い、その後、第１ＭＯＳＦＥＴ２を間欠オン動作させてソレノイドコイルに第１電流よりも小さい第２電流を流す第２電流制御を行う。第１電流制御は吸着電流制御とも呼ばれ、第２電流制御は保持電流制御とも呼ばれる。

第２制御部６ｂは、第１制御部６ａが第１電流制御から第２電流制御に切り替わるタイミングに合わせて所定期間、第２ＭＯＳＦＥＴ５をオフする。第２ＭＯＳＦＥＴ５がオフすると、ソレノイドコイルＬに生じた逆起電力がツェナーダイオード３に流れて、逆起電力が速やかに吸収される。

所定期間とは、第１ＭＯＳＦＥＴ２を連続オン動作させる第１電流制御が終了するタイミングに合わせて開始され、第１ＭＯＳＦＥＴ２を間欠オン動作させる第２電流制御が開始するタイミングに合わせて終了する期間である。所定期間の長さは、例えば、ソレノイドコイルＬを流れる電流をモニタして、この電流が所望の値になるように設定される。あるいは、所定時間の長さを、ソレノイドコイルＬのインダクタンスとツェナーダイオード３が吸収するサージ電圧（ブレークダウン電圧）とに基づいて設定してもよい。

ツェナーダイオード３は、第２ＭＯＳＦＥＴ５のドレイン−ソース間に並列接続されている。より詳細には、ツェナーダイオード３のカソードは第２ＭＯＳＦＥＴ５のドレインに接続され、ツェナーダイオード３のアノードは第２ＭＯＳＦＥＴ５のソースに接続されている。

回生ダイオード４は、第２ＭＯＳＦＥＴ５に直列接続されている。より詳細には、回生ダイオード４のアノードは第２ＭＯＳＦＥＴ５のソースに接続され、回生ダイオード４のカソードはソレノイドコイルＬの一端に接続されている。回生ダイオード４は、順方向電圧が小さいものが望ましく、例えば、ショットキーバリアダイオードが好適であるが、他の種類のダイオードを用いてもよい。

電磁弁のソレノイドコイルＬは、直列接続された回生ダイオード４と第２ＭＯＳＦＥＴ５のドレイン−ソース間からなる直列回路に並列に接続されている。ソレノイドコイルＬの一端側と回生ダイオード４のカソード側には電源電圧Ｖccが供給されている。また、ソレノイドコイルＬの他端側と第２ＭＯＳＦＥＴ５のドレイン側には、第１ＭＯＳＦＥＴ２のドレインが接続されている。なお、後述するように、第２ＭＯＳＦＥＴ５に対してツェナーダイオード３と回生ダイオード４を図１とは逆向きに接続してもよい。すなわち、第２ＭＯＳＦＥＴ５のドレインにツェナーダイオード３と回生ダイオード４のカソードを接続し、ツェナーダイオード３と回生ダイオード４のアノード側をソレノイドコイルＬの一端や電源電圧Ｖccノードに接続してもよい。

図２は図１の回路のタイミング図である。図２には、制御回路６に入力される駆動指令信号と、制御回路６が出力する第１ＭＯＳＦＥＴ２のゲート電圧Ｖb1と、第２ＭＯＳＦＥＴ５のゲート電圧Ｖb2と、ソレノイドコイルＬを流れる電流Ｉとが示されている。

図３は、図１のツェナーダイオード３の代わりに、ソレノイドコイルＬの両端間に並列にバリスタを接続した一比較例による回路のタイミング図である。

図２および図３の時刻ｔ１で、駆動指令がオフからオンになると、制御回路６は、第１ＭＯＳＦＥＴ２のゲート電圧Ｖb1をハイ電位にして第１ＭＯＳＦＥＴ２をオンさせ、かつ第２ＭＯＳＦＥＴ５のゲート電圧Ｖb2をハイ電位にして第２ＭＯＳＦＥＴ５をオンさせる。これにより、電源電圧ノードＶccからソレノイドコイルＬと第１ＭＯＳＦＥＴ２を通って電流が流れ、電磁弁のスプールは指令位置に向かって移動を開始する。時刻ｔ２になると、電磁弁のスプールが指令位置の前後に到達する。そこで、制御回路６は、第１ＭＯＳＦＥＴ２を連続オン動作から間欠オン動作に切り替えるべく、いったん第１ＭＯＳＦＥＴ２と第２ＭＯＳＦＥＴ５をともにオフする。これにより、ソレノイドコイルＬに逆起電力が発生する。時刻ｔ２の直前では、ソレノイドコイルＬに大きなエネルギが蓄積されているため、時刻ｔ２で第１ＭＯＳＦＥＴ２をオフすると、ソレノイドコイルＬには大きな逆起電力が発生する。この逆起電力は、第２ＭＯＳＦＥＴ５がオフであるために、ツェナーダイオード３と回生ダイオード４を通って流れ、この逆起電力を速やかに吸収することができる。

制御回路６は、時刻ｔ２からｔ３までの所定期間、第２ＭＯＳＦＥＴ５をオフする。この所定期間の長さは、上述したように、例えばソレノイドコイルＬに流れる電流をモニタして決定される。

時刻ｔ３になると、第２ＭＯＳＦＥＴ５がオンし、時刻ｔ３以降に第１ＭＯＳＦＥＴ２は間欠オン動作を開始する。これにより、ソレノイドコイルＬには、電磁弁のスプールを指令位置に保持するのに必要な程度の小電流が流れるようになる。

その後、時刻ｔ４で駆動指令がオンからオフに切り替わると、制御回路６は、第１ＭＯＳＦＥＴ２と第２ＭＯＳＦＥＴ５をともにオフさせる。時刻ｔ３〜ｔ４の間は、第１ＭＯＳＦＥＴ２が間欠オン動作をしているため、ソレノイドコイルＬに流れる電流も時刻ｔ１〜ｔ２よりも少なく、ソレノイドコイルＬに蓄積される電力も小さい。よって、時刻ｔ４で第１ＭＯＳＦＥＴ２をオフしても、ソレノイドコイルＬに生じる逆起電力はそれほど大きくない。また、時刻ｔ４では、第２ＭＯＳＦＥＴ５をオフするため、ソレノイドコイルＬに生じた逆起電力をツェナーダイオード３で吸収することができ、短時間でソレノイドコイルＬに流れる電流をゼロにすることができる。

その後、時刻ｔ４で、駆動指令がオンからオフになると、制御回路６は、第１ＭＯＳＦＥＴ２のゲート電圧Ｖb1をロウ電位にして第１ＭＯＳＦＥＴ２をオフさせ、かつ第２ＭＯＳＦＥＴ５のゲート電圧Ｖb2をロウ電位にして第２ＭＯＳＦＥＴ５をオフさせる。

一方、図３の一比較例の場合、第１ＭＯＳＦＥＴ２を連続的なオン動作から間欠的なオン動作に切り替えた直後に発生するソレノイドコイルＬの逆起電力をソレノイドコイルＬと回生ダイオード４だけで吸収するため、ソレノイドコイルＬに流れる電流が減少するのに時間がかかる。ソレノイドコイルＬに流れる電流が減少するのに時間がかかるということは、ソレノイドコイルＬの消費電力が増大することを意味する。

また、図３の一比較例の場合、ツェナーダイオードの代わりにバリスタを備えているため、時刻ｔ４以降は、ソレノイドコイルＬに生じる逆起電力をバリスタで吸収することになり、電磁弁の切替が頻繁に行われる場合にはバリスタの電気的特性が劣化してしまう。

駆動指令がオンからオフになるタイミングは予測できないが、本実施形態では、第１ＭＯＳＦＥＴ２を連続的なオン動作から間欠的なオン動作に切り替えた直後に第２ＭＯＳＦＥＴ５を一時的にオフさせてソレノイドコイルＬの逆起電力をツェナーダイオード３に吸収させているため、その後のどのタイミングで駆動指令が切り替わっても、迅速にソレノイドコイルＬに流れる電流をゼロにすることができる。

図４は図１の電磁弁駆動装置１の実装形態の一例を示す回路図である。図４の回路構成は、見かけ上図１の回路構成とは異なるが、基本的な動作は同じである。図４の回路では、ツェナーダイオード３と回生ダイオード４との向きを図１とは逆にしているが、図１と図４では回路動作上の違いはない。また、図４では、図１の制御回路６の図示を省略している。

図４の回路は、図１の回路に加えて、３つのダイオード７〜９と、電界コンデンサ１０とを備えている。ダイオード７は、電源電圧ノードＶccに接続されており、電源電圧ノードＶccへの逆流防止の目的で設けられている。ダイオード７は、例えば、順方向電圧の小さいショットキーバリアダイオードが用いられるが、他の種類のダイオードを用いてもよい。

電界コンデンサ１０は、ダイオード７のカソードと第１ＭＯＳＦＥＴ２のソースとの間に接続されており、電源電圧Ｖccの変動を抑制する作用を行う。

図４には、電流が流れる方向を矢印線ｙ１〜ｙ３で示している。制御回路６が第１ＭＯＳＦＥＴ２のゲート電圧Ｖb1をハイ電位にすると、矢印線ｙ１に示すように、電源電圧ノードＶccからの電流は、第１ＭＯＳＦＥＴ２のドレイン−ソース間に流れる。

制御回路６が第１ＭＯＳＦＥＴ２の連続オン動作から間欠オン動作に切り替える際の第１ＭＯＳＦＥＴ２と第２ＭＯＳＦＥＴ５がともにオフの期間には、ソレノイドコイルＬに発生した逆起電力による電流は矢印線ｙ３に示すように、回生ダイオード４とツェナーダイオード３を通って流れる。その後、第１ＭＯＳＦＥＴ２を間欠オン動作させている期間内で、第１ＭＯＳＦＥＴ２がオフのときは、矢印線ｙ２に示すように、ソレノイドコイルＬの逆起電力による電流は回生ダイオード４と第２トランジスタ５を通って流れる。その後、駆動指令がオンからオフになると、第１ＭＯＳＦＥＴ２と第２ＭＯＳＦＥＴ５がともにオフして、矢印線ｙ３の経路で、ソレノイドコイルＬに発生した起電力による電流が回生ダイオード４とツェナーダイオード３を通過して吸収される。

このように、本実施形態では、電磁弁の繰り返しの開閉切替により電気的特性が劣化しやすいバリスタの代わりにツェナーダイオード３を用いるとともに、ソレノイドコイルＬに電流を流すか否かを切替制御する第１ＭＯＳＦＥＴ２を連続オン動作から間欠オン動作に切り替える際にソレノイドコイルＬに発生する大きな逆起電力をツェナーダイオード３に流すため、第１ＭＯＳＦＥＴ２の間欠オン動作時にソレノイドコイルＬに流れる電流を迅速に低くすることができる。これにより、電磁弁の切替速度を高速化できる。

上述した実施形態では、サージ吸収回路としてツェナーダイオード３を設ける例を説明したが、ツェナーダイオード３の代わりにバリスタを設けてもよい。例えば、より大型のバリスタをツェナーダイオード３の代わりに設けることで、バリスタの電気的特性の劣化を抑制できる。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１電磁弁駆動装置、２第１ＭＯＳＦＥＴ、３ツェナーダイオード、４回生ダイオード、５第２ＭＯＳＦＥＴ、６制御回路、７〜９ダイオード、１０電界コンデンサ

Claims

電磁弁のソレノイドコイルに電流を流すか否かを切替制御する第１スイッチング素子と、
前記ソレノイドコイルの両端子間に直列接続される、整流回路およびサージ吸収回路と、
前記サージ吸収回路の両端子間に並列接続される第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のオンまたはオフの切替を制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記電磁弁の駆動指令に応じて、前記第１スイッチング素子を連続的にオンして前記電磁弁のスプールを指令位置に向けて移動させるべく前記ソレノイドコイルに第１電流を流す第１電流制御を行い、その後、前記第１スイッチング素子を間欠的にオンして前記ソレノイドコイルに前記第１電流よりも小さい第２電流を流す第２電流制御を行う第１制御部と、
前記第１制御部が前記第１電流制御を終了するタイミングに合わせて所定期間、前記第２スイッチング素子をオフする第２制御部と、を有する、電磁弁駆動装置。
前記所定期間は、前記第１スイッチング素子の前記第１電流制御が終了するタイミングに合わせて開始され、前記第１スイッチング素子の前記第２電流制御が開始するタイミングまでに終了する期間である、請求項１に記載の電磁弁駆動装置。
前記所定期間の長さは、前記ソレノイドコイルに流れる電流に応じて設定される、請求項１または２に記載の電磁弁駆動装置。
前記所定期間の長さは、前記ソレノイドコイルのインダクタンスと前記サージ吸収回路が吸収するサージ電圧とに基づいて設定される、請求項１または２に記載の電磁弁駆動装置。
前記サージ吸収回路は、ツェナーダイオードを有し、
前記所定期間の長さは、前記ソレノイドコイルのインダクタンスと前記ツェナーダイオードのブレークダウン電圧とに基づいて設定される、請求項４に記載の電磁弁駆動装置。
前記制御回路は、前記電磁弁の駆動指令期間が終了すると、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオフさせて、前記ソレノイドコイルの両端に発生した逆起電力による電流を、前記サージ吸収回路および前記整流回路を介して流す、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電磁弁駆動装置。
前記電磁弁は、船舶設備の切替に用いられるものである、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電磁弁駆動装置。
電磁弁のソレノイドコイルの一端を第１基準電圧ノードに導通させるか否かを切替制御する第１スイッチング素子と、
前記ソレノイドコイルの一端と他端との間に直列接続される、ダイオードおよびツェナーダイオードと、
前記ツェナーダイオードの一端と他端とを導通させるか否かを切替制御する第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のオンまたはオフを切替制御する制御回路と、を備え、
前記ダイオードの一端および前記ソレノイドコイルの他端は、第２基準電圧ノードに接続されている、電磁弁駆動装置。