JP3496349B2 - 負荷駆動装置 - Google Patents

負荷駆動装置

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JP3496349B2
JP3496349B2 JP18267795A JP18267795A JP3496349B2 JP 3496349 B2 JP3496349 B2 JP 3496349B2 JP 18267795 A JP18267795 A JP 18267795A JP 18267795 A JP18267795 A JP 18267795A JP 3496349 B2 JP3496349 B2 JP 3496349B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電磁弁等の負荷を
電磁コイルで高速駆動させる負荷駆動装置に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】従来より、例えば自動車においては電磁
コイルで高速駆動される電磁弁が燃料噴射装置に組み込
まれている。この燃料噴射装置の電磁弁は、無効噴射時
間(弁開閉の遅れ時間)を少なくするために駆動速度を
高速化する必要があることから、電源となるバッテリの
電圧をDC−DCコンバータで昇圧してコンデンサに蓄
積し、その放電による大電流で電磁弁を高速駆動するよ
うにしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述した高速駆動方式
は、制御が簡単で動作も安定しているが、大きなエネル
ギをコンデンサに蓄えておかなければならず、大きなコ
ンデンサを必要とする欠点がある。
【0004】そこで、コンデンサの小型化を狙った技術
として、電磁弁の駆動中にその動作が安定するまでの一
定時間に、バッテリの電圧を電磁弁に直接印加するよう
に構成することが考えられている。しかし、この構成で
も、コンデンサに蓄えるべきエネルギはまだ大きなエネ
ルギが必要とされ、コンデンサの小型化の効果が少な
い。しかも、バッテリから電磁弁に直接供給するエネル
ギの割合が多くなるため、バッテリ電圧の変動で電磁弁
の開閉応答性が変化してくるという問題が新たに生じて
くる。
【0005】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たものであり、従ってその目的は、電磁コイル駆動用の
コンデンサの小型化を実現できると共に、バッテリ電圧
の変動による負荷駆動特性の変化を抑えることができ
て、動作安定性を向上できる負荷駆動装置を提供するこ
とにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項1の負荷駆動装置は、バッテリを電
源とし、電磁コイルに通電して負荷を駆動するものであ
って、前記バッテリの電圧を昇圧するDC−DCコンバ
ータと、前記DC−DCコンバータの出力電圧により充
電されるコンデンサと、前記コンデンサの放電電流を前
記電磁コイルに流して前記負荷を駆動する通電路をオン
/オフするスイッチング素子と、前記コンデンサの充電
が完了するまで前記DC−DCコンバータを動作させる
制御回路とを備え、前記制御回路は、前記スイッチング
素子のオン期間中であっても前記DC−DCコンバータ
を強制的に動作させる強制充電期間を有することを第1
の特徴とし、更に、バッテリの電圧が低くなるほど前記
強制充電期間を長く設定することを第2の特徴とするも
のである。
【0007】この構成では、制御回路は、負荷を駆動す
る前に、DC−DCコンバータを動作させてバッテリの
電圧を昇圧してコンデンサに充電し、その充電が完了す
るとDC−DCコンバータを停止する。その後、負荷を
駆動する場合には、スイッチング素子をオンしてコンデ
ンサの放電電流を負荷の電磁コイルに流す。従来は、ス
イッチング素子のオン期間中はDC−DCコンバータの
動作が停止されているが、本発明では、スイッチング素
子のオン期間中(つまりコンデンサの放電期間中)であ
っても、強制充電期間中はDC−DCコンバータを強制
的に動作させてコンデンサの放電と並行して充電を行
う。これにより、負荷駆動中のコンデンサの放電電流の
低下が緩やかとなり、強制充電期間にDC−DCコンバ
ータから供給される電流分だけコンデンサの放電電流
(負荷駆動電流)が増加する。従って、コンデンサの充
電/放電能力が従来より低くても、従来と同じ負荷駆動
特性を確保することができ、コンデンサの小型化が可能
となる。しかも、バッテリから多くの電流を電磁コイル
に直接供給する必要がなく、バッテリ電圧の変動による
負荷駆動特性の変化が抑えられる。
【0008】 この場合、請求項のように、負荷駆動
中にバッテリ電圧を負荷の電磁コイルに直接印加して駆
動速度を更に高速化するようにしても良いが、コンデン
サの放電電流(負荷駆動電流)が負荷駆動中にDC−D
Cコンバータから供給される電流によって増加されるた
め、バッテリから電磁コイルに直接供給されるエネルギ
の割合は少なくて済み、バッテリ電圧の変動の影響を受
けにくい。
【0009】 また、請求項では、制御回路は、バッ
テリ電圧が低くなるほど前記強制充電期間を長く設定す
る。これにより、負荷駆動中にDC−DCコンバータか
らコンデンサに供給されるエネルギがバッテリ電圧変動
の影響を受けずに一定化され、動作安定性が一層向上す
る。
【0010】 更に、請求項では、電磁コイルの電流
遮断時に発生するフライバックエネルギがフライバック
エネルギ回収回路を通してコンデンサに回収される。こ
れにより、フライバックエネルギが次回の負荷駆動に有
効利用され、その分、バッテリの電力消費量が少なくな
る。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第1の実施形態を
図1及び図2に基づいて説明する。バッテリ11の正極
側にDC−DCコンバータ12が設けられている。この
DC−DCコンバータ12は、DC−DCコンバータ駆
動回路13によってスイッチング動作が制御されるパワ
ートランジスタ14と、このパワートランジスタ14の
オン時にバッテリ11から一次コイル15aに通電され
るトランス15と、このトランス15の二次コイル15
bに発生した高電圧を整流するダイオード16とから構
成されている。
【0012】上記ダイオード16で整流された高電圧電
流はコンデンサ17に充電される。このコンデンサ17
の充放電は、スイッチング素子であるパワートランジス
タ18のオン/オフによって制御され、コンデンサ17
の放電電流がパワートランジスタ18を介して負荷であ
る燃料噴射装置の電磁弁(図示せず)の電磁コイル19
に供給される。トランス15→ダイオード16→パワー
トランジスタ18の主通電路20に対して、パワートラ
ンジスタ21を有する補助通電路22が並列に設けら
れ、電磁弁駆動中にこの補助通電路22を通してバッテ
リ11の電圧を電磁コイル19に直接印加できるように
なっている。補助通電路22とコンデンサ17との間に
は、主通電路20のパワートランジスタ18のオン時に
バッテリ11からコンデンサ17に電流を供給するダイ
オード23が接続されている。また、主通電路20に
は、パワートランジスタ18のオフ時に電磁コイル19
にフライバック電流を流すダイオード24が設けられて
いる。
【0013】また、電磁コイル19とグランド端子との
間には、パワートランジスタ25と電流検出用の抵抗器
26が接続され、抵抗器26に発生する電圧を定電流制
御回路27で検出して、電磁コイル19に一定の電流が
流れるように補助通電路22のパワートランジスタ21
のオン/オフデューティを制御する。エンジン制御回路
(図示せず)から出力される噴射信号が波形整形回路2
8とドライバ29を介してパワートランジスタ25のベ
ースに与えられ、パワートランジスタ25のオン/オフ
(電磁弁の開放/閉鎖)が制御される。
【0014】次に、DC−DCコンバータ12の動作を
制御する制御回路30の構成を説明する。波形整形回路
28で波形整形された噴射信号は、第1の単安定回路3
1と第2の単安定回路32にもトリガ信号として入力さ
れ、第2の単安定回路32の出力端子が主通電路20の
パワートランジスタ18のベースに接続されている。こ
の第2の単安定回路32は、噴射信号の立上がりに同期
して一定パルス幅の電圧駆動信号を出力してパワートラ
ンジスタ18をオンさせる。この第2の単安定回路32
から出力される電圧駆動信号は、インバータ33で反転
されてOR回路34の一方の入力端子にも入力され、こ
のOR回路34の他方の入力端子には、噴射信号の立上
がりに同期して第1の単安定回路31から出力される強
制充電信号が入力される。そして、第1の単安定回路3
1は、バッテリ11の電圧を取り込み、OR回路34へ
出力する強制充電信号のパルス幅(強制充電期間)を、
バッテリ11の電圧が低い時には長く、バッテリ11の
電圧が高い時には短くするように単安定時間を変化させ
る。
【0015】上記OR回路34の出力端子はAND回路
35の一方の入力端子に接続され、AND回路35の他
方の入力端子には、充電完了検出用のコンパレータ36
の出力端子が接続されている。このコンパレータ36
は、コンデンサ17の充電電圧Vc を充電完了電圧に相
当する基準電圧Vstと比較し、Vc ≧Vstになったとき
にコンパレータ36の出力がハイレベルからローレベル
に反転する。上記AND回路35の出力端子はDC−D
Cコンバータ駆動回路13に接続され、AND回路35
の出力がハイレベルのときに、DC−DCコンバータ駆
動回路13はパワートランジスタ14をスイッチング動
作させてDC−DCコンバータ12を動作させ、コンデ
ンサ17に充電する。
【0016】次に、上記構成の電磁弁駆動回路の動作に
ついて説明する。噴射停止期間中(つまり噴射信号が出
力されないとき)は、コンデンサ17の充電電圧Vc を
コンパレータ36で基準電圧Vst(充電完了電圧)と比
較し、Vc <Vstであればコンパレータ36の出力がハ
イレベルに維持される。また、噴射停止期間中は、第2
の単安定回路32の出力がローレベルに維持されるた
め、インバータ33からOR回路34に出力される信号
がハイレベルとなり、OR回路34の出力がハイレベル
に維持される。従って、コンデンサ17の充電電圧Vc
が基準電圧Vst(充電完了電圧)より低ければ、AND
回路35の双方の入力がハイレベルとなり、AND回路
35の出力がハイレベルに維持されて、DC−DCコン
バータ駆動回路13がパワートランジスタ14をスイッ
チング動作させてDC−DCコンバータ12を動作さ
せ、コンデンサ17に充電する。
【0017】その後、コンデンサ17の充電電圧Vc が
基準電圧Vst(充電完了電圧)に達すると、コンパレー
タ36の出力がローレベルに反転してAND回路35の
出力がローレベルに反転し、DC−DCコンバータ12
の動作を停止させて、コンデンサ17への充電を終了す
る。
【0018】その後、噴射信号が波形整形回路28に入
力されると、その噴射信号によりドライバ29を作動さ
せてパワートランジスタ25がオンする。更に、噴射信
号は第1の単安定回路31と第2の単安定回路32にも
トリガ信号として入力され、それによって図2に示すよ
うに第2の単安定回路32から一定パルス幅の電圧駆動
信号を出力してパワートランジスタ18をオンさせる。
これにより、コンデンサ17の放電が開始され、その放
電電流(電磁弁駆動電流)が電磁コイル19に供給さ
れ、電磁弁が駆動されて燃料が噴射される。
【0019】更に、第1の単安定回路31は、噴射信号
の立上がりに同期して強制充電信号をOR回路34に出
力し、このOR回路34の出力をハイレベルにする。コ
ンデンサ17の放電開始後は、コンデンサ17の電圧V
c が低下するため、コンパレータ36の出力がハイレベ
ルに反転し、AND回路35の双方の入力がハイレベル
となり、AND回路35の出力がハイレベルに反転し
て、DC−DCコンバータ駆動回路13がDC−DCコ
ンバータ12を動作させ、放電中のコンデンサ17に強
制的に充電する。
【0020】そして、第1の単安定回路31は、バッテ
リ11の電圧を取り込み、OR回路34へ出力する強制
充電信号のパルス幅(強制充電期間)を、バッテリ11
の電圧が低い時には長く、バッテリ11の電圧が高い時
には短くするように単安定時間を変化させる。これによ
り、放電期間中にDC−DCコンバータ12からコンデ
ンサ36に供給されるエネルギがバッテリ11の電圧の
影響を受けずに一定化される。その後、第1の単安定回
路31の出力がローレベルに反転すると、第2の単安定
回路32の出力(電圧駆動信号)がローレベルに反転す
るまでは、OR回路34の双方の入力がローレベルとな
り、OR回路34の出力がローレベルに反転してAND
回路35の出力がローレベルに反転し、DC−DCコン
バータ12の動作を停止させて、コンデンサ17への充
電を停止する。
【0021】その後、第2の単安定回路32の出力(電
圧駆動信号)がローレベルに反転すると、パワートラン
ジスタ18がオフし、コンデンサ17から電磁コイル1
9への電流供給が遮断される。この後も、噴射期間中
は、補助通電路22を通してバッテリ11の電圧が電磁
コイル19に直接印加され、バッテリ11から直接電磁
コイル19に電流が供給される。このとき、電磁コイル
19に流れる電流により抵抗器26に発生する電圧を定
電流制御回路27で検出して、電磁コイル19に一定の
電流が流れるように補助通電路22のパワートランジス
タ21のオン/オフデューティを制御する。これによ
り、噴射期間中は、コンデンサ17の放電終了後もバッ
テリ11から直接電磁コイル19に一定の電流を供給し
て、電磁弁の開弁状態を保持すると共に、開弁時に発生
する弁体のバウンスで開弁が不安定になるのを防止す
る。そして、噴射期間が終了して噴射信号がローレベル
に反転すると、パワートランジスタ25がオフして、電
磁コイル19に流れる電流が遮断され、電磁弁が閉鎖す
る。
【0022】尚、噴射期間中に、第2の単安定回路32
の出力(電圧駆動信号)がローレベルに反転した時点
で、インバータ33の出力がハイレベルに反転し、OR
回路34の出力がハイレベルに反転する。この時点で
は、コンデンサ17の電圧が放電により低下しているの
で、コンパレータ36の出力がハイレベルに反転してお
り、それによって、AND回路35の双方の入力がハイ
レベルとなり、AND回路35の出力がハイレベルに反
転して、DC−DCコンバータ12の動作を開始し、コ
ンデンサ17への充電を開始する。このコンデンサ17
への充電は、噴射期間終了後も継続され、充電電圧Vc
が基準電圧Vst(充電完了電圧)に達した時点で、コン
パレータ36の出力がローレベルに反転してDC−DC
コンバータ12の動作を停止させ、コンデンサ17への
充電を終了する。
【0023】以上説明した実施形態では、コンデンサ1
7の放電期間中(パワートランジスタ18のオン期間
中)であっても、強制充電期間中はDC−DCコンバー
タ12を強制的に動作させ、コンデンサ17の放電と並
行して充電を行うようにしたので、電磁弁駆動中のコン
デンサ17の電圧低下が緩やかとなり、強制充電期間に
DC−DCコンバータ17から供給される電流分だけコ
ンデンサ17の放電電流(電磁弁駆動電流)が増加し、
電磁コイル19の電磁吸引力が増加する。従って、コン
デンサ17の充電/放電能力が従来より低くても、従来
と同じ電磁弁駆動特性を確保することができ、コンデン
サ17の小型化が可能となる。
【0024】しかも、噴射期間中は、コンデンサ17の
放電終了後もバッテリ11の電圧を補助通電路22によ
り電磁コイル19に直接印加して、バッテリ11から直
接電磁コイル19に電流を供給するようにしたので、電
磁弁の駆動速度を更に高速化することができると共に、
開弁時に発生する弁体のバウンスで開弁が不安定になる
のを防止することができる。この場合、コンデンサ17
の放電電流が電磁弁駆動中にDC−DCコンバータ12
から供給される電流によって増加されるため、バッテリ
11から電磁コイル19に直接供給するエネルギの割合
は少なくて済み、バッテリ11の電圧の変動の影響を受
けにくくなり、バッテリ11の電圧の変動による開弁時
間等の電磁弁駆動特性の変化を抑えることができて、電
磁弁の動作安定性を損なわずに済む。
【0025】更に、第1の単安定回路31は、バッテリ
11の電圧が低くなるほど強制充電期間(強制充電信号
のパルス幅)を長く設定するようにしたので、電磁弁駆
動中にDC−DCコンバータ12からコンデンサ17に
供給されるエネルギがバッテリ11の電圧変動の影響を
受けずに一定化され、一層安定した電磁弁駆動特性が得
られる。
【0026】但し、本発明は、バッテリ11の電圧変動
とは関係なく、強制充電期間(強制充電信号のパルス
幅)を一定時間に固定した構成しても良く、この場合で
も、本発明の所期の目的は十分に達成できる。
【0027】一方、図3に示す第2の実施形態では、電
磁コイル19の電流遮断時に発生するフライバックエネ
ルギをコンデンサ17に回収するフライバックエネルギ
回収回路37を設けている。このフライバックエネルギ
回収回路37は、電磁コイル19とパワートランジスタ
25との間をコンデンサ17とダイオード23との間に
ダイオード38を介して接続したものである。これ以外
の回路構成は、第1の実施形態と同じである。
【0028】この第2の実施形態では、電磁コイル19
の電流遮断時に発生するフライバックエネルギをフライ
バックエネルギ回収回路37を通してコンデンサ17に
回収することができるので、フライバックエネルギが次
回の電磁弁駆動に有効利用され、その分、バッテリ11
の電力消費量を少なくできると共に、電磁コイル19の
電流遮断時に発生するフライバックエネルギによるパワ
ートランジスタ25の発熱を低減することができ、パワ
ートランジスタ25の放熱構造の簡略化・小型化が可能
となる。
【0029】以上説明した第1及び第2の両実施形態で
は、いずれも強制充電信号を電磁弁駆動回路内の第1の
単安定回路31で発生させるようにしたが、図4に示す
第3の実施形態のように、強制充電信号を外部の制御回
路(例えばエンジン制御回路)から入力するようにして
も良い。
【0030】この第3の実施形態では、第1の実施形態
で用いられていた第1の単安定回路31が省略され、外
部の制御回路から入力される強制充電信号がOR回路3
4の一方の入力端子に与えられる。これ以外の回路構成
は、第1の実施形態と同じである。この構成でも、噴射
信号と同期させて強制充電信号を入力することにより、
第1の実施形態と全く同じ充電制御を行うことができ
る。
【0031】以上説明した各実施形態では、コンデンサ
17の放電開始と同時に強制充電信号を出力してDC−
DCコンバータ12の動作を開始させ、コンデンサ17
の強制充電を開始するようにしたが、コンデンサ17の
放電開始と強制充電開始のタイミングを必ずしも一致さ
せる必要はなく、コンデンサ17の放電期間中、つまり
パワートランジスタ18をオンしてからオフするまでの
間に強制充電期間を設ければ良い。
【0032】例えば、図5に示す第4の実施形態では、
コンデンサ17の放電開始後、コンデンサ17の電圧が
バッテリ11の電圧まで低下した時点で、強制充電信号
を出力してDC−DCコンバータ12の動作を開始さ
せ、コンデンサ17の強制充電を開始する。この強制充
電は、電圧駆動信号がローレベルに反転するまで継続
し、その後は通常の充電制御に移行する。
【0033】この場合も、コンデンサ17の放電期間中
に強制充電されるので、電磁弁駆動中のコンデンサ17
の放電電流の低下が緩やかとなり、第1の実施形態と同
じように、コンデンサ17の小型化と安定した電磁弁駆
動特性を実現することができる。
【0034】以上説明した各実施形態は、本発明を燃料
噴射装置の電磁弁駆動回路に適用したものであるが、燃
料噴射装置以外の他の装置に用いられる電磁弁駆動回路
に適用しても良い。また、負荷は電磁弁に限定されず、
電磁コイルで高速駆動されるアクチュエータ全般に適用
可能である。
【0035】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の請求項1によれば、スイッチング素子のオン期間中
(つまりコンデンサの放電期間中)であっても、DC−
DCコンバータを強制的に動作させて、コンデンサの放
電と並行して充電を行う強制充電期間を設けたので、コ
ンデンサの充電/放電能力が従来より低くても、従来と
同じ負荷駆動特性を確保することができ、コンデンサの
小型化を実現できると共に、バッテリ電圧の変動の影響
を受けにくくなって、バッテリ電圧の変動による負荷駆
動特性の変化を抑えることができ、動作安定性を向上で
きる。
【0036】 また、請求項では、バッテリ電圧が低
くなるほど強制充電期間を長く設定するようにしたの
で、バッテリ電圧変動の影響を一層受けにくくなって、
負荷駆動中にDC−DCコンバータからコンデンサに供
給されるエネルギをバッテリ電圧変動に拘らず一定化す
ることができて、動作安定性を一層向上させることがで
きる。
【0037】 更に、請求項では、負荷駆動中にバッ
テリ電圧を負荷の電磁コイルに直接印加するようにした
ので、駆動速度を一層高速化することができると共に、
コンデンサの放電電流が低下したときの負荷駆動電流を
バッテリからの電流で確保することができて、コンデン
サの放電電流低下時の負荷駆動特性を向上することがで
きる。
【0038】 更に、請求項では、電磁コイルの電流
遮断時に発生するフライバックエネルギをフライバック
エネルギ回収回路を通してコンデンサに回収することが
できるので、フライバックエネルギを次回の負荷駆動に
有効利用することができ、バッテリの電力消費量を少な
くできると共に、フライバックエネルギによる発熱を低
減することができて、放熱構造の簡略化・小型化を実現
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す電磁弁駆動回路
の電気回路図
【図2】第1の実施形態における各部の電圧波形を示す
タイムチャート
【図3】本発明の第2の実施形態を示す電磁弁駆動回路
の電気回路図
【図4】本発明の第3の実施形態を示す電磁弁駆動回路
の電気回路図
【図5】本発明の第4の実施形態における各部の電圧波
形を示すタイムチャート
【符号の説明】
11…バッテリ、12…DC−DCコンバータ、14…
パワートランジスタ、15…トランス、17…コンデン
サ、18…パワートランジスタ(スイッチング素子)、
19…電磁コイル、20…主通電路、21…パワートラ
ンジスタ、22…補助通電路、23,24…ダイオー
ド、25…パワートランジスタ、26…抵抗器、27…
定電流制御回路、30…制御回路、31…第1の単安定
回路、32…第2の単安定回路、33…インバータ、3
6…コンパレータ、37…フライバックエネルギ回収回
路、38…ダイオード。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02J 7/00 - 7/12 H02J 7/34 - 7/36 F04B 17/00 - 19/24

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 バッテリを電源とし、電磁コイルに通電
    して負荷を駆動する負荷駆動装置において、 前記バッテリの電圧を昇圧するDC−DCコンバータ
    と、 前記DC−DCコンバータの出力電圧により充電される
    コンデンサと、 前記コンデンサの放電電流を前記電磁コイルに流して前
    記負荷を駆動する通電路をオン/オフするスイッチング
    素子と、 前記コンデンサの充電が完了するまで前記DC−DCコ
    ンバータを動作させる制御回路とを備え、 前記制御回路は、前記スイッチング素子のオン期間中で
    あっても前記DC−DCコンバータを強制的に動作させ
    る強制充電期間を有し、且つ、前記バッテリの電圧が低
    くなるほど前記強制充電期間を長く設定することを特徴
    とする負荷駆動装置。
  2. 【請求項2】 前記負荷の駆動中に前記バッテリの電圧
    を前記電磁コイルに直接印加する補助通電路を備えてい
    ることを特徴とする請求項1に記載の負荷駆動装置。
  3. 【請求項3】 前記電磁コイルの電流遮断時に発生する
    フライバックエネルギを前記コンデンサに回収するフラ
    イバックエネルギ回収回路を備えていることを特徴とす
    る請求項1又は2に記載の負荷駆動装置。
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