JP6094501B2 - 負荷駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷のオン駆動時間がオフ駆動時間に対して十分に短い負荷駆動装置に関する。

エンジンＥＣＵが備えるインジェクタ駆動装置は、噴射信号（駆動信号）に従ってインジェクタの電磁ソレノイド（負荷）に短時間だけ通電して燃料噴射を行う。こうした負荷駆動装置のうち最も簡易な構成は、電源線とグランドとの間において、電源線側に負荷を配置し、グランド側（ローサイド側）にスイッチング素子を配置し、両者を直列に接続する回路形態である。スイッチング素子が駆動信号に従ってオフからオンになると、負荷に電流が流れる。負荷に十分な電流を流すとともに通電時の損失（発熱）を抑制するため、ローサイド側のスイッチング素子にはオン抵抗の低い素子が必要となる。

この構成では、ローサイド側のスイッチング素子が通電モード故障した場合、駆動信号がオフ駆動状態になっても負荷に電流が流れ続ける。例えば上述したインジェクタ駆動装置であれば、燃料が継続して噴射されてしまう。負荷への通電を遮断するには、電源線と負荷との間すなわちハイサイド側にもスイッチング素子を直列に付加する構成が考えられる（特許文献１参照）。ハイサイド側のスイッチング素子は、正常時には常にオン駆動されており、ローサイド側のスイッチング素子が通電モード故障したと判定されるとオフ駆動される。

特開平５−１４１３００号公報

特許文献１の手法では、ハイサイド側に付加するスイッチング素子も、負荷に十分な電流を流すとともに通電時の損失（発熱）を抑制するため、ローサイド側のスイッチング素子と同様にオン抵抗の低い素子が必要となる。しかし、一般にオン抵抗の低いスイッチング素子は高価であり、ローサイド側のスイッチング素子とハイサイド側のスイッチング素子にこうした素子を用いることは製品コストの上昇を招く。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、負荷の通断電を行うスイッチング素子の通電モード故障に備えて付加されるスイッチング素子に、比較的高いオン抵抗を持つ素子を採用可能な負荷駆動装置を提供することにある。

請求項１に記載した負荷駆動装置は、第１、第２電源線を通して与えられる電源電圧により負荷を駆動する。負荷駆動装置は、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、コンデンサ、故障検出回路および制御手段を備えている。第１スイッチング素子は、第１電源線と負荷の第１端子との間に設けられ、第１駆動信号に従って通断電する。第２スイッチング素子は、負荷の第２端子と第２電源線との間に設けられ、第２駆動信号に従って通断電する。コンデンサは、負荷の第１端子と第２電源線との間に設けられている。故障検出回路は、第２駆動信号が断電指示であるにもかかわらず第２スイッチング素子が通電し続ける通電モード故障を検出する。

制御手段は、第２駆動信号を断電指示にした期間内に第１駆動信号を通電指示にしてコンデンサを充電し、その後、第１駆動信号を断電指示にした状態で第２駆動信号を駆動時間だけ断電指示から通電指示に切り替えることにより負荷を駆動する。そして、故障検出回路が第２スイッチング素子の通電モード故障を検出すると、第１駆動信号を断電指示の状態に維持する。

この構成によれば、第２スイッチング素子がオフしている負荷断電期間内に、第１スイッチング素子がオンしてその第１スイッチング素子を通してコンデンサの充電が行われる。その後、第１スイッチング素子がオフしている状態で、駆動時間だけ第２スイッチング素子がオンすると、コンデンサの蓄積電荷により負荷への通電が行われる。負荷の駆動が終了すると、次の駆動に備えて再び第１スイッチング素子がオンしてコンデンサへの充電が行われる。

負荷に十分な電流を流すとともに通電損失を低減するため、第２スイッチング素子にはオン抵抗の低い素子が必要となる。これに対し、第１スイッチング素子には負荷駆動電流が流れず、コンデンサへの充電電流だけが流れる。また、負荷が断電している期間は、充電期間として利用できる。このため、第１スイッチング素子には、第２スイッチング素子に比べてオン抵抗の高い素子を採用できる。

第２スイッチング素子に通電モード故障が生じると、第１駆動信号が断電状態に維持される。第２スイッチング素子にはコンデンサの蓄積電荷に相当する電流しか流れないので、通電モード故障により負荷に電流が流れ続けることを防止できる。

請求項２記載の手段によれば、制御手段は、第２駆動信号を通電指示から断電指示に切り替えたとき、負荷に流れる電流がゼロになるのを待った後、第１駆動信号を通電指示にしてコンデンサを充電する。負荷に流れる電流がゼロになるのを待つことにより、断電指示による負荷電流の遮断時間を短縮することができる。また、１回の負荷の駆動が終了した後、可能な限り早くコンデンサを充電して次の駆動に備えることができるので、より短い負荷駆動周期まで負荷を駆動することができる。

請求項３記載の手段によれば、制御手段は、第１駆動信号を通電指示にするとき、コンデンサが満充電になるまで第１駆動信号を通電指示に維持する。これにより、第２駆動信号が通電指示に切り替えられるたびに負荷に対し十分な電流を流すことができ、負荷を繰り返し安定して駆動することができる。なお、請求項１に記載したように、制御手段は、第２駆動信号を通電指示に切り替えるときには、たとえコンデンサが満充電になる前であっても第１駆動信号を断電指示に切り替える。

請求項４記載の手段によれば、第２駆動信号が通電指示に切り替えられてから駆動時間が経過した時点での負荷に流れる電流がしきい値電流以上となるように、コンデンサの容量値および第１スイッチング素子のオン抵抗値が決定されている。しきい値電流が大きいほど、コンデンサの容量値が大きく設定され、第１スイッチング素子のオン抵抗値が小さく設定される。この構成によれば、負荷は、駆動時間の間、しきい値電流以上の電流で保証された所定動作（例えば開弁動作）を実行し続けることができる。

請求項５記載の負荷駆動装置は、第１端子同士が共通に接続された複数の負荷を駆動する。この構成では、第１スイッチング素子は、第１電源線と負荷の第１端子との間に共通に設けられる。第２スイッチング素子は、各負荷の第２端子と第２電源線との間にそれぞれ設けられ、個別の第２駆動信号に従って通断電する。コンデンサは、負荷の第１端子と第２電源線との間に共通に設けられる。故障検出回路は、第２スイッチング素子の何れかに通電モード故障が生じたことを検出する。制御手段は、第２駆動信号の全てを断電指示にした期間内に第１駆動信号を通電指示にしてコンデンサを充電し、その後、第１駆動信号を断電指示にした状態で第２駆動信号の何れか１つを駆動時間だけ断電指示から通電指示に切り替える。

この負荷駆動装置は、複数の負荷ごとに第２スイッチング素子を備えるとともに、複数の負荷に共通して１つの第１スイッチング素子と１つのコンデンサを備えればよいので、小型化および低コスト化を図ることができる。コンデンサの充電動作と負荷の駆動動作は、上述した各構成と同様である。

第１の実施形態を示す負荷駆動装置の構成図 波形図 コンデンサの充電処理を示すフローチャート 第２の実施形態を示す負荷駆動装置の構成図 波形図

各実施形態において実質的に同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１から図３を参照しながら説明する。図１に示す負荷駆動装置１は、エンジンＥＣＵが備えるインジェクタ駆動装置であって、駆動信号Ｄ２に従ってインジェクタの電磁ソレノイド（以下、負荷２と称す）に通電して燃料噴射（ポート噴射）を行う。負荷駆動装置１は、図示しないバッテリに接続された第１電源線３と第２電源線４（グランド線）を通して与えられる電源電圧ＶＢにより負荷２を駆動する。負荷２の第１端子２ｐ、第２端子２ｎは、それぞれ負荷駆動装置１の出力端子５、６に接続されている。

負荷駆動装置１において、電源線３と出力端子５との間および出力端子６と電源線４の間には、それぞれＮチャネル型のＭＯＳトランジスタ７および８が接続されている。これらトランジスタ７、８は、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子に相当し、それぞれ駆動信号Ｄ１、Ｄ２がオン駆動レベル（通電指示）になるとオンし、オフ駆動レベル（断電指示）になるとオフする。

出力端子５と電源線４との間には、負荷２の通電に用いるコンデンサ９が接続されている。電圧検出回路１０は、コンデンサ９の電圧ＶＣに応じた検出信号Ｍ１を出力する。電圧検出回路１１は、トランジスタ８のドレイン・ソース間電圧に応じた検出信号Ｍ２を出力する。

制御回路１２は、インジェクタの噴射信号に従って駆動信号Ｄ１、Ｄ２を生成して出力する制御手段である。制御回路１２は、電圧検出回路１０からの検出信号Ｍ１をＡ／Ｄ変換して入力し、検出電圧ＶＣを電源電圧ＶＢと比較することによりコンデンサ９が満充電に達したか否かを判定する。

制御回路１２に設けられた故障判定回路１３は、電圧検出回路１１からの検出信号Ｍ２をＡ／Ｄ変換して入力し、トランジスタ８の通電モード故障および断電モード故障を検出する。すなわち、故障判定回路１３は、駆動信号Ｄ２がオフ駆動レベルのときに検出信号Ｍ２がほぼゼロであれば通電モード故障と判定し、駆動信号Ｄ２がオン駆動レベルのときに検出信号Ｍ２が電圧ＶＣにほぼ等しければ断電モード故障と判定する。

次に、図２および図３を参照しながら本実施形態の作用を説明する。図２に示す波形図は、上から順に駆動信号Ｄ２、トランジスタ８の状態、駆動信号Ｄ１、コンデンサ９の電圧ＶＣ、負荷２に流れる電流ＩＬ、負荷２の状態を表している。時刻ｔ１からｔ２の間はトランジスタ７、８が何れもオフしており、コンデンサ９が満充電となっている。制御回路１２は、噴射信号により指令された時刻ｔ２からｔ３までの駆動時間ΔＴの間、駆動信号Ｄ１をオフ駆動レベルに維持しつつ駆動信号Ｄ２をオン駆動レベルにする。

これによりトランジスタ８がオンし、コンデンサ９から負荷２とトランジスタ８を通して電流ＩＬが流れ、インジェクタが開弁して燃料が噴射される。時間の経過とともにコンデンサ９の電荷が放電するため電圧ＶＣが低下し、負荷電流ＩＬは立ち上がった後のピーク値から徐々に低下する。駆動時間ΔＴの間インジェクタが開弁状態を維持するように、駆動時間ΔＴが経過した時刻ｔ３での負荷電流ＩＬが開弁を保持するために必要なしきい値電流Ｉth以上となるように、コンデンサ９の容量値およびトランジスタ７のオン抵抗値Ｒが決定されている。

制御回路１２は、時刻ｔ３で駆動信号Ｄ２をオフ駆動レベルに切り替えた後、図３に示す充電処理を実行する。制御回路１２は、還流する負荷電流ＩＬがゼロになるまで待った後（ステップＳ１）、時刻ｔ４で駆動信号Ｄ２をオフ駆動レベルに維持したまま駆動信号Ｄ１をオン駆動レベルにする（ステップＳ２）。これによりトランジスタ７がオンし、電源線３からトランジスタ７を介してコンデンサ９に充電電流が流れる。次の噴射信号が指令される時刻までにコンデンサ９の充電が完了すればよいので、トランジスタ７のオン抵抗はトランジスタ８のオン抵抗に比べ高くても構わない。

制御回路１２は、コンデンサ９の電圧ＶＣを入力し（ステップＳ３）、満充電になったか否かを判断する（ステップＳ４）。満充電になったと判断すると、ステップＳ６に移行して駆動信号Ｄ１をオフ駆動レベルに戻す。一方、満充電でないと判断するとステップＳ５に移行し、駆動信号Ｄ２が次にオン駆動レベルに遷移すると予測される時点よりも所定の余裕時間だけ前の時刻ｔｅ（図２で一点鎖線で示す）に達したか否かを判断する。時刻ｔｅに達していなければステップＳ３に戻り、時刻ｔｅに達していればステップＳ６に移行する。図２では、時刻ｔｅより前の時刻ｔ５で満充電になったと判断し、駆動信号Ｄ１をオフ駆動レベルに戻している。

制御回路１２の故障判定回路１３は、一定時間ごとにトランジスタ８の故障判定を実行する。トランジスタ８に通電モード故障が発生したと判定すると、直ちに駆動信号Ｄ１、Ｄ２をオフ駆動レベルにする。図２に示す場合には、駆動信号Ｄ１、Ｄ２がオフ駆動レベルになっている時刻ｔ６で通電モード故障が発生しているので、制御回路１２は駆動信号Ｄ１、Ｄ２をそのままオフ駆動レベルに維持する。

トランジスタ８に通電モード故障が発生すると、コンデンサ９から負荷２とトランジスタ８を通して電流ＩＬが流れるので、インジェクタが開弁して燃料が噴射される恐れがある。しかし、コンデンサ９の電荷が放電するに従い電圧ＶＣが低下するので、負荷電流ＩＬがしきい値電流Ｉthよりも低下する時刻ｔ７にはインジェクタが閉弁する。つまり、トランジスタ７がオフしているので、燃料が噴射されたとしてもコンデンサ９の充電電荷が放電されると噴射が停止する。制御回路１２は、駆動信号Ｄ１、Ｄ２をオフ駆動レベルに維持するとともに、異常判定信号をエンジンＥＣＵのマイコンに伝送する。

以上説明したように、本実施形態の負荷駆動装置１は、負荷２のハイサイド側にコンデンサ９の充電用のトランジスタ７を備え、負荷２のローサイド側に負荷駆動用のトランジスタ８を備えている。トランジスタ７がオフしている状態でトランジスタ８がオンすると、コンデンサ９の蓄積電荷により負荷２への通電が行われる。負荷２に十分な電流を流すとともに通電損失を低減するため、トランジスタ８にはオン抵抗が低い素子を採用する必要がある。

これに対し、トランジスタ８がオフしている期間内に、トランジスタ７がオンしてコンデンサ９の充電が行われる。負荷２の駆動時間ΔＴを除く期間をコンデンサ９の充電時間に充てられるので、トランジスタ７にトランジスタ８よりもオン抵抗の高い素子を用いても、負荷２の駆動に十分な電圧までコンデンサ９を充電できる。

トランジスタ８に通電モード故障が生じると、制御回路１２は、駆動信号Ｄ１をオフ駆動レベルにしてコンデンサ９への充電電流を遮断する。その結果、故障したトランジスタ８にはコンデンサ９の蓄積電荷に相当する電流しか流れない。従って、通電モード故障により負荷２に電流が流れ続けることを防止できる。

制御回路１２は、駆動信号Ｄ２をオン駆動レベルからオフ駆動レベルに切り替えたとき、負荷２に流れる電流がゼロになるのを待った後、駆動信号Ｄ１をオン駆動レベルにしてコンデンサ９を充電する。これにより、駆動信号Ｄ２がオフ駆動レベルに遷移したときの負荷電流ＩＬの遮断時間を短縮することができる。また、負荷２の駆動が終了した後、可能な限り早くコンデンサ９を充電して次の駆動に備えることができるので、より短い負荷駆動周期まで負荷２を駆動することができる。

制御回路１２は、駆動信号Ｄ２をオフ駆動レベルにしている限りにおいて、コンデンサ９が満充電になるまで駆動信号Ｄ１をオン駆動レベルに維持する。その結果、駆動信号Ｄ２がオン駆動レベルに遷移したときに、負荷２に対し開弁に十分な電流を流すことができる。また、コンデンサ９の容量値とトランジスタ７のオン抵抗値が適切に設定されているので、駆動時間ΔＴの間、インジェクタを開弁状態に維持することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図４および図５を参照しながら説明する。図４に示す負荷駆動装置２１は、例えば２気筒のエンジンについてインジェクタの電磁ソレノイド（負荷２Ａ、２Ｂ）に通電してポート噴射を行う。負荷２Ａ、２Ｂの第１端子２Ａｐ、２Ｂｐはそれぞれ出力端子５ａ、５ｂに共通に接続されており、負荷２Ａ、２Ｂの第２端子２Ａｎ、２Ｂｎはそれぞれ出力端子６ａ、６ｂに接続されている。

負荷駆動装置２１において、出力端子６ａ、６ｂと電源線４との間にはそれぞれＭＯＳトランジスタ８ａ、８ｂが接続されている。トランジスタ７は、電源線３と出力端子５ａおよび５ｂとの間に共通に設けられている。トランジスタ８ａ、８ｂは、それぞれ個別の駆動信号Ｄ２ａ、Ｄ２ｂにより駆動される。

コンデンサ９は、出力端子５ａおよび５ｂと電源線４との間に共通に設けられている。電圧検出回路１１は、トランジスタ８ａ、８ｂのドレイン・ソース間電圧に応じた検出信号Ｍ２ａ、Ｍ２ｂを出力する。制御回路１２の故障判定回路１３は、電圧検出回路１１からの検出信号Ｍ２ａ、Ｍ２ｂをＡ／Ｄ変換して入力し、トランジスタ８ａ、８ｂの通電モード故障および断電モード故障を検出する。

図５に示す波形図は、上から順に駆動信号Ｄ２ａ、Ｄ２ｂ、駆動信号Ｄ１、コンデンサ９の電圧ＶＣ、負荷２Ａに流れる電流ＩＬａ、負荷２Ｂに流れるＩＬｂを表している。制御回路１２は、噴射信号に従って駆動信号Ｄ２ａ、Ｄ２ｂを交互にオン駆動レベルにして燃料噴射を行う。

制御回路１２は、駆動信号Ｄ２ａ、Ｄ２ｂをオフ駆動レベルにした状態で、負荷電流ＩＬａ、ＩＬｂがともにゼロになった後、駆動信号Ｄ１をオン駆動レベルにしてコンデンサ９を充電する。満充電になると駆動信号Ｄ１をオフ駆動レベルに戻す。その後、制御回路１２は、駆動信号Ｄ１をオフ駆動レベルにした状態で駆動信号Ｄ２ａ、Ｄ２ｂの何れか１つを駆動時間ΔＴだけオン駆動レベルに切り替える。その他の動作は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、駆動信号Ｄ２ａとＤ２ｂのオン駆動間隔がコンデンサ９の満充電に要する時間よりも短いことを条件として、トランジスタ７とコンデンサ９を負荷２Ａ、２Ｂで共通化することができる。その結果、負荷駆動装置２１の小型化および低コスト化を図ることができる。その他、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、拡張を行うことができる。

制御回路１２は、駆動信号Ｄ２をオン駆動レベルからオフ駆動レベルに切り替えたとき、負荷２に流れる電流がゼロになる前から、駆動信号Ｄ１をオン駆動レベルにしてコンデンサ９を充電してもよい。

インジェクタを駆動時間ΔＴの間開弁状態に維持することができれば、コンデンサ９を満充電にする必要はない。
第２の実施形態は、３以上の負荷２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、…を駆動する場合にも同様に適用できる。

駆動信号Ｄ２のオン駆動間隔Ｔａおよびコンデンサ９の満充電に要する最大時間Ｔｂが既知の場合、駆動信号Ｄ２がオフ駆動レベルに遷移した時からＴｃ（＝Ｔａ−Ｔｂ）が経過する時点までの間に駆動信号Ｄ１をオン駆動レベルにするように制御してもよい。

図面中、１、２１は負荷駆動装置、２、２Ａ、２Ｂは負荷、２ｐ、２Ａｐ、２Ｂｐは第１端子、２ｎ、２Ａｎ、２Ｂｎは第２端子、３は第１電源線、４は第２電源線、７はＭＯＳトランジスタ（第１スイッチング素子）、８、８ａ、８ｂはＭＯＳトランジスタ（第２スイッチング素子）、９はコンデンサ、１２は制御回路（制御手段）、１３は故障検出回路である。

Claims (5)

1. 第１、第２電源線（３，４）を通して与えられる電源電圧により負荷（２，２Ａ，２Ｂ）を駆動する負荷駆動装置であって、
   前記第１電源線と前記負荷の第１端子（２ｐ，２Ａｐ，２Ｂｐ）との間に設けられ、第１駆動信号に従って通断電する第１スイッチング素子（７）と、
   前記負荷の第２端子（２ｎ，２Ａｎ，２Ｂｎ）と前記第２電源線との間に設けられ、第２駆動信号に従って通断電する第２スイッチング素子（８，８ａ，８ｂ）と、
   前記負荷の第１端子と前記第２電源線との間に設けられたコンデンサ（９）と、
   前記第２駆動信号が断電指示であるにもかかわらず前記第２スイッチング素子が通電し続ける通電モード故障を検出する故障検出回路（１３）と、
   前記第２駆動信号を断電指示にした期間内に前記第１駆動信号を通電指示にして前記コンデンサを充電し、その後、前記第１駆動信号を断電指示にした状態で前記第２駆動信号を駆動時間だけ断電指示から通電指示に切り替えることにより前記負荷を駆動し、前記故障検出回路が前記第２スイッチング素子の通電モード故障を検出すると、前記第１駆動信号を断電指示の状態に維持する制御手段（１２）とを備えていることを特徴とする負荷駆動装置。
2. 前記制御手段は、前記第２駆動信号を通電指示から断電指示に切り替えたとき、前記負荷に流れる電流がゼロになるのを待った後、前記第１駆動信号を通電指示にして前記コンデンサを充電することを特徴とする請求項１記載の負荷駆動装置。
3. 前記制御手段は、前記第１駆動信号を通電指示にするとき、前記コンデンサが満充電になるまで前記第１駆動信号を通電指示に維持することを特徴とする請求項１または２記載の負荷駆動装置。
4. 前記第２駆動信号が通電指示に切り替えられてから前記駆動時間が経過した時点での前記負荷に流れる電流がしきい値電流以上となるように、前記コンデンサの容量値および前記第１スイッチング素子のオン抵抗値が決定されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の負荷駆動装置。
5. 第１端子同士が共通に接続された複数の負荷（２Ａ，２Ｂ）を駆動するものであって、
   前記第１スイッチング素子は、前記第１電源線と前記負荷の第１端子との間に共通に設けられ、
   前記第２スイッチング素子（８ａ，８ｂ）は、前記各負荷の第２端子と前記第２電源線との間にそれぞれ設けられ、個別の第２駆動信号に従って通断電し、
   前記コンデンサは、前記負荷の第１端子と前記第２電源線との間に共通に設けられ、
   前記故障検出回路は、前記第２スイッチング素子の何れかに前記通電モード故障が生じたことを検出し、
   前記制御手段は、前記第２駆動信号の全てを断電指示にした期間内に前記第１駆動信号を通電指示にして前記コンデンサを充電し、その後、前記第１駆動信号を断電指示にした状態で前記第２駆動信号の何れか１つを駆動時間だけ断電指示から通電指示に切り替えることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の負荷駆動装置。

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