JP6493149B2

JP6493149B2 - 電磁弁の制御方法

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Publication number: JP6493149B2
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Inventors: 洋樹矢橋
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Description

本発明は、電磁弁の制御方法に関する。

従来、電磁弁の開閉制御時に異音が発生するという問題があった。例えば、電磁弁の態様によっては、開弁状態から閉弁する際に弁体がバルブシートに衝突する際に発生する異音が問題になる場合がある。このような問題を解決する方法の一つとして、従来、閉弁用のソレノイドに通電して電磁弁を閉弁する際に、閉弁しつつある弁体の位置を検出し、弁体がバルブシートに衝突する前に閉弁用ソレノイドへの通電を一旦停止して、弁体がバルブシートに衝突する際のスピードを低減する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−８１９４０号公報特開２０１１−１３８７９０号公報

このような異音の問題は、電磁弁の閉弁時だけでなく開弁時にも生じ得る。具体的には、例えば、開弁時に、電磁弁内で固定されたストッパに弁体が衝突する際に発生する異音が問題になる場合があった。このような開弁時に生じる音の音圧レベルを抑える方法としては、上記した閉弁時の制御と同様に、開弁時の弁体の位置を検出して、弁体がストッパに衝突する直前に電磁弁のコイルへの通電を一旦停止する方法も考えられる。しかし、閉弁時と開弁時の間で弁体の移動量が比較的小さい電磁弁においては、ストッパに弁体が衝突する直前に通電を停止する方法は採用し難い場合がある。

また、電磁弁においては、バルブシートが一般的に樹脂製であるため、開閉弁の動作を繰り返すことによりバルブシート表面が次第に押しつぶされて（へたりが生じ）、開弁時における弁体とストッパとの間の間隔（エアーギャップ）、すなわち、開弁時における弁体の移動距離が次第に大きくなるという現象が起きる。そのため、開弁時に移動する弁体の位置を検出するだけでは、弁体とストッパとの間の距離を正確に知ることができず、異音低減の制御の精度が低下する可能性がある。そのため、閉弁時と開弁時の間の弁体の移動量（エアーギャップ）が変化する場合であっても、開弁時に発生する音を低減する方法が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、弁体とバルブシートとコイルとを備え、前記コイルに対する電圧の印加により、前記バルブシートに着座する前記弁体が前記バルブシートから離間されて開弁する電磁弁の制御方法が提供される。この電磁弁の制御方法は；予め定められた特定の駆動電圧を前記コイルに印加したときに前記コイルに流れる電流値と、前記駆動電圧の印加を開始してから前記弁体が開弁するまでの応答時間と、を含むデータを繰り返し取得しつつ、前記電流値と前記応答時間との関係を導出し、前記電磁弁の開閉動作の繰り返しに伴い、導出した前記関係を継続的に更新する第１の工程と；前記電磁弁の開弁が要求されたときには、更新された前記関係に基づいて、前記コイルに対する前記駆動電圧の印加により前記電磁弁が開弁する際に発生する音の大きさが許容値となるときの、前記コイルに流れる電流値である目標電流値または前記コイルの温度である目標温度を導出する第２の工程と；前記第２の工程で前記目標電流値を導出したときには、前記コイルに対して、前記駆動電圧よりも小さく前記電磁弁を開弁させない微小電圧を印加すると共に、前記コイルに対して前記駆動電圧を印加した場合に前記コイルに流れる電流が前記目標電流値以下になると判断されるまで前記微小電圧の印加を継続し、その後前記コイルに対して前記駆動電圧を印加して前記電磁弁を開弁させ、前記第２の工程で前記目標温度を導出したときには、前記コイルの温度が前記目標温度以上になるまで前記コイルに対して前記微小電圧を印加し、その後前記コイルに対して前記駆動電圧を印加して前記電磁弁を開弁させる第３の工程と；を備える。

この形態の電磁弁の制御方法によれば、電磁弁の使用を継続することにより、弁体が閉弁時に移動する距離が変化する場合であっても、電磁弁の開弁時に生じる音の大きさを許容値以下に抑えることができる。

本発明は、電磁弁の制御方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、電磁弁における音低減方法、電磁弁の制御方法あるいは音低減方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体、電磁弁と上記制御方法を実行する制御部とを備える装置等の形態で実現することができる。

閉弁時の電磁弁の構成を表わす断面模式図である。開弁途中の電磁弁の構成を表わす断面模式図である。開弁時の電磁弁の構成を表わす断面模式図である。開弁時の、電流、弁の位置、弁のスピードの関係を表わす説明図である。開弁時に流れる電流と音圧レベルとの関係を示す説明図である。開弁制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。電流値と応答時間との関係の一例を示す説明図である。応答時間とエアーギャップとの関係を示す説明図である。電磁弁コイルに流れる電流と音圧レベルとの関係を示す説明図である。電磁弁コイルの温度と抵抗との関係を示す説明図である。電磁弁コイルの抵抗と流れる電流との関係を示す説明図である。電磁弁コイルに流れる電流値と音圧レベルとの関係を示す説明図である。開弁制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。電磁弁コイルの温度と流れる電流との関係を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
（Ａ−１）電磁弁の構成：
図１〜３は、本発明の第１実施形態としての電磁弁１０の開閉メカニズムを説明するための断面模式図である。電磁弁１０は、主弁とパイロット弁とを備えるパイロット式の電磁弁である。本実施形態では、電磁弁１０は、水素タンクおよび燃料電池を備える燃料電池システムを搭載する燃料電池自動車において、水素タンクから燃料電池に対して水素を供給するための水素流路に設けられている。

図１〜３に示すように、電磁弁１０は、ハウジング４２と、電磁弁コイル４０と、パイロット弁２０と、パイロット弁シート２２と、パイロット弁スプリング２４と、メイン弁３０と、メイン弁シート３２と、メイン弁スプリング３４と、ストッパ３６と、を備えている。また、水素流路に電磁弁１０を備える本実施形態の燃料電池システムは、電磁弁１０を含む燃料電池システムの各部を制御するための制御部５０を備えている。

ハウジング４２には、その外壁を貫通して、連通流路４６と第１貫通孔４４とが形成されており、ハウジング４２の内部には連通空間４１が形成されている。連通空間４１は、第１貫通孔４４を介して、図示しない水素タンクに連通しており、水素タンクから高圧の水素ガスが供給される。連通流路４６は、図示しない燃料電池のアノード側流路に水素ガスを供給するための流路に接続されている。

ストッパ３６は、ハウジング４２内に配置される。そして、ストッパ３６は、ハウジング４２の内壁面に固定されて、ハウジング４２内に形成される既述した連通空間４１の壁面の一部を構成する。

メイン弁３０は、磁性体により形成されており、ハウジング４２内の連通空間４１に収納されている。メイン弁３０の内部には、パイロット空間４３となる中空部が形成されている。また、メイン弁３０には、メイン弁３０の外壁を貫通するオリフィス孔３８および第２貫通孔２６が設けられている。オリフィス孔３８によって、メイン弁３０内部のパイロット空間４３と、ハウジング４２に設けられた連通流路４６とが連通可能となっている。第２貫通孔２６は、メイン弁３０内部のパイロット空間４３と、ハウジング４２とメイン弁３０との間に形成される連通空間４１と、を連通させる。

ハウジング４２の内壁面には、既述した連通流路４６の開口部を取り囲むようにメイン弁シート３２が設けられている。メイン弁シート３２は、例えばゴム、または樹脂により形成することができる。メイン弁３０は、メイン弁シート３２に着座することにより閉弁し、メイン弁シート３２から離間することにより開弁する。以下では、図１〜３において、ｘ方向と示す方向を、開弁方向とも呼び、ｙ方向と示す方向を、閉弁方向とも呼ぶ。メイン弁３０は、「課題を解決するための手段」における「弁体」に相当し、メイン弁シート３２は、「課題を解決するための手段」における「バルブシート」に相当する。

ハウジング４２内の連通空間４１には、メイン弁３０に加えて、さらにメイン弁スプリング３４が配置されている。メイン弁スプリング３４は、一端がメイン弁３０に固定されており、他端がストッパ３６に固定されている。より具体的には、メイン弁スプリング３４の一端は、メイン弁３０においてパイロット空間４３の壁面の一部を構成する隔壁部３９に固定されている。メイン弁スプリング３４は、メイン弁３０に対して、ｙ方向（閉弁方向）の力Ｆｍｓ（以下では、メインスプリング力Ｆｍｓとも呼ぶ）を加える。

パイロット弁２０は、磁性体により形成されており、メイン弁３０内に形成されるパイロット空間４３に収納されている。また、メイン弁３０の内壁面には、オリフィス孔３８の開口部を囲むようにパイロット弁シート２２が設けられている。パイロット弁シート２２は、例えばゴム、または樹脂により形成することができる。パイロット弁２０は、パイロット弁シート２２に着座することにより閉弁され、パイロット弁シート２２から離間することにより開弁する。パイロット空間４３には、さらにパイロット弁スプリング２４が配置されている。パイロット弁スプリング２４は、一端がパイロット弁２０に固定されており、他端が、メイン弁３０においてパイロット空間４３の壁面の一部を構成する隔壁部３９に固定されている。パイロット弁スプリング２４は、パイロット弁２０に対して、ｙ方向（閉弁方向）の力Ｆｐｓ（以下では、パイロットスプリング力Ｆｐｓとも呼ぶ）を加える。

電磁弁コイル４０は、制御部５０からの駆動信号により通電されて励磁されると、パイロット弁２０およびメイン弁３０をｘ方向（開弁方向）に吸引する吸引力Ｆａｂを生じさせる。吸引力Ｆａｂは、電磁弁コイル４０に対する通電量を調節することによって制御可能である。本実施形態では、電圧値に基づいて、電磁弁１０における通電制御を行なっている。電磁弁コイル４０は、「課題を解決するための手段」における「コイル」に相当する。

制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。制御部５０は、電磁弁１０を備える燃料電池システムの各部に設けたセンサ類からの検出信号を取得する。また、制御部５０は、電磁弁１０を含む燃料電池システムの各部に対して駆動信号を出力する。

図１は、電磁弁１０の消磁時（閉弁時）における状態、すなわち、電磁弁コイル４０に電流を流しておらず、吸引力Ｆａｂが生じていない様子を示す。このとき、パイロット弁２０においては、パイロット弁２０をｙ方向（閉弁方向）に押圧する力として、パイロットスプリング力Ｆｐｓが加えられる。また、パイロット弁２０は、高圧の水素ガスが供給されるパイロット空間４３と、水素ガスの供給が停止されているオリフィス孔３８（連通流路４６）と、の間の圧力差によって、ｙ方向（閉弁方向）に押圧される。メイン弁３０においては、メイン弁３０をｙ方向（閉弁方向）に押圧する力として、メインスプリング力Ｆｍｓが加えられる。また、メイン弁３０は、高圧の水素ガスが供給される連通空間４１と、水素ガスの供給が停止されている連通流路４６と、の間の圧力差によって、ｙ方向（閉弁方向）に押圧される。その結果、パイロット弁２０とメイン弁３０の双方が閉弁された状態となる。

図２は、電磁弁１０の励磁開始時（後述するパイロット弁開弁時）における状態、すなわち、電磁弁コイル４０に電流を流し始めた直後の様子を示す。本実施形態では、予め定めた駆動電圧Ｖ_１にて、電磁弁コイル４０への通電を行なう。電磁弁コイル４０への通電が行なわれると、パイロット弁２０は、電磁弁コイル４０によって吸引力Ｆａｂで吸引される。その結果、パイロット弁２０は、既述したｙ方向の力に逆らってｘ方向に引き上げられて、パイロット弁２０が開弁される。駆動電圧Ｖ_１は、このように、閉弁時にパイロット弁２０に加えられていたｙ方向の力に逆らってパイロット弁２０をｘ方向に移動させられる吸引力を電磁弁コイル４０が生じるように設定されている。なお、駆動電圧Ｖ_１にて電磁弁コイル４０への通電が行なわれると、メイン弁３０においても同様の吸引力Ｆａｂが働くが、吸引力Ｆａｂは、閉弁時にメイン弁３０に加えられる既述したｙ方向の力よりは小さい。そのため電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加した直後は、メイン弁３０では閉弁状体が維持される。

このようにパイロット弁２０が開弁すると、水素タンクから供給される水素ガスは、第１貫通孔４４、連通空間４１、パイロット空間４３、およびオリフィス孔３８を介して、連通流路４６へ流れる。これにより、連通流路４６における圧力が次第に上昇する。

図３は、図２の状態からさらに電磁弁コイル４０への通電（電磁弁１０の励磁）を継続して、電磁弁１０のメイン弁３０が開弁した様子を示す。電磁弁１０において、通電によりパイロット弁２０が開き、連通流路４６の圧力（以下、２次圧とも呼ぶ）が上昇すると、第１貫通孔４４を介して水素ガスが供給される連通空間４１の圧力（以下、１次圧とも呼ぶ）と、上記２次圧との差が次第に小さくなり、メイン弁３０に加えられるｙ方向の力が減少する。このようにｙ方向の力が減少することでｘ方向の力（吸引力Ｆａｂ）がｙ方向の力以上となり、メイン弁３０を持ち上げることができる程度にｘ方向の力が上回ると、図３のごとく、メイン弁３０がｘ方向に押し上げられる。これにより、メイン弁３０は開弁し、水素タンク内の水素ガスがパイロット空間４３を経由することなく、連通空間４１から連通流路４６側へと流れるようになる。

なお、メイン弁３０がｘ方向に移動して開弁する際には、メイン弁３０がストッパ３６に衝突して音を発生する。

図３のようにメイン弁３０が開弁すると、上記したように、１次圧と２次圧との差に起因するｙ方向の力が消失する。このように１次圧と２次圧との差がない状態では、電磁弁コイル４０における通電量を開弁時に比べて小さくしても、メイン弁３０の開弁状態を維持することができる。そのため、本実施形態の制御部５０は、メイン弁３０の開弁後には、電磁弁コイル４０に対する通電量がより小さくなるように、電圧を低下させる制御を行なう。

なお、メイン弁３０が開弁した状態で電磁弁コイル４０への通電を停止すると、ｘ方向の吸引力Ｆａｂが消失する。これにより、パイロット弁スプリング２４およびメイン弁スプリング３４によるｙ方向の力のみが作用することになり、メイン弁３０がメイン弁シート３２に着座すると共に、パイロット弁２０がパイロット弁シート２２に着座し、電磁弁１０は閉弁する。

（Ａ−２）電磁弁の作動音について：
図４は、電磁弁１０の開弁時に電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加した際に電磁弁コイル４０に流れる電流と、メイン弁３０の位置と、メイン弁３０が移動するスピードと、の関係を表わす説明図である。図４では、所定の条件下にて電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加する際の様子を実線で示している。このとき、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加すると、電磁弁コイル４０には電流Ｉ_Ａが流れる。図４では、駆動電圧Ｖ_１の印加を開始するタイミングを時間ｔ_０として示している。このように電磁弁コイル４０への通電を開始すると、既述したように、まず、パイロット弁２０が開弁し、連通流路４６内が昇圧を開始した後に、メイン弁３０が開弁する。図４では、メイン弁３０が開弁し始めるタイミングを時間ｔ_１として示している。また、図４では、メイン弁３０がストッパ３６に衝突して移動を停止するタイミングを、時間ｔ_３として示している。時間ｔ_１において移動を開始したメイン弁３０は、時間ｔ_３において全開位置に到達するまで次第に移動のスピードが上昇し、ストッパ３６に衝突する際に最大スピードＳｐ_Ａに達する。図４では、開弁開始時（電磁弁コイル４０に対する駆動電圧Ｖ_１の印加の開始時）から開弁終了時までの時間を、応答時間Ｔ_Ａとして示している。

ここで、電磁弁コイル４０に印加する駆動電圧Ｖ_１の大きさが同じであっても、電磁弁コイル４０の条件が異なると、流れる電流値が異なる。具体的には、電磁弁コイル４０の温度が変化して、その結果、電磁弁コイル４０の抵抗値が変化するときには、同じ駆動電圧Ｖ_１を印加しても流れる電流は変化する。図４では、開弁時に電磁弁コイル４０に流れる電流がＩ_Ａよりも小さなＩ_Ｂである場合を破線で示している。このように電磁弁コイル４０に流れる電流が小さいと、電磁弁コイル４０によって生じる吸引力Ｆａｂも小さくなるため、パイロット弁２０の開弁スピードが遅くなる。その結果、連通流路４６側の昇圧に時間がかかり、メイン弁３０が開弁を開始するタイミングが、時間ｔ_１よりも遅い時間ｔ_２となる。また、電磁弁コイル４０に流れる電流が小さいと、電磁弁コイル４０によって生じる吸引力Ｆａｂも小さくなるため、メイン弁３０の開弁スピードも遅くなる。その結果、開弁終了のタイミングが、時間ｔ_３よりも遅い時間ｔ_４となる。このとき、開弁終了時におけるメイン弁３０の最大スピードＳｐ_Ｂは、上記した最大スピードＳｐ_Ａよりも遅くなる。図４では、開弁時に電磁弁コイル４０に流れる電流がＩ_Ｂである場合に、開弁開始時から開弁終了時までに要する時間を、応答時間Ｔ_Ｂとして示している。

なお、開弁開始時（電磁弁コイル４０に対する駆動電圧Ｖ_１の印加の開始時）から開弁終了時までの時間である上記した応答時間を求める際に、開弁終了時は、例えば、メイン弁３０の位置を直接検出することにより特定してもよいが、本実施形態では、流路内の水素ガス圧に基づいて特定している。具体的には、第１貫通孔４４内の圧力を測定する図示しない第１の圧力センサと、連通流路４６内の圧力を測定する図示しない第２の圧力センサとを設け、第１および第２の圧力センサの検出値が等しくなった時点を、開弁終了時として特定している。

図５は、開弁時に電磁弁コイル４０に流れる電流と、開弁時にメイン弁３０がストッパ３６に衝突して生じる音の音圧レベルと、の関係を示す説明図である。図５に示すように、駆動電圧Ｖ_１を印加したときに流れる電流がＩ_αである時の音圧レベルＳｄ_αは、Ｉ_αよりも大きな電流Ｉ_βが流れる時の音圧レベルＳｄ_βよりも小さくなる。これは、図４に基づいて説明したように、電磁弁コイル４０に流れる電流値が小さいほど、開弁終了時におけるメイン弁３０のスピードが遅いためと考えられる。そのため、開弁時の音圧レベルを抑えるためには、開弁時に電磁弁コイル４０に流れる電流を小さくすればよいといえる。

ここで、電磁弁１０においては、電磁弁１０が開閉弁を繰り返して、メイン弁３０がメイン弁シート３２に衝突を繰り返すと、メイン弁シート３２が次第に薄くなり、メイン弁３０が開弁時に移動する距離が次第に長くなる。図１では、メイン弁３０が開弁時に移動する距離である、メイン弁３０とストッパ３６との間の距離を、エアーギャップとして示している。

このようにエアーギャップが変化すると、図４に示したメイン弁３０の閉位置と全開位置との間の距離が次第に延びることになり、電磁弁コイル４０に流れる電流値が同じであっても、開弁時にメイン弁３０がストッパ３６に衝突する際のスピードが次第に速くなる。その結果、電磁弁１０の開弁時に生じる音の音圧レベルが大きくなる。そのため、本実施形態では、エアーギャップの変化を考慮しつつ、開弁時に電磁弁コイル４０に流れる電流を制御することにより、開弁時に生じる音圧を許容範囲に抑えている。以下に、電磁弁コイル４０に流す電流値の制御に係る具体的な動作を説明する。

（Ａ−３）電磁弁の開弁制御：
図６は、電磁弁１０の開弁制御時に、制御部５０において実行される開弁制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、電磁弁１０の開弁が要求されたときに起動されて実行される。

本ルーチンが起動されると、制御部５０は、駆動電圧Ｖ_１を印加するときの、開弁時の電流と応答時間との間の関係を取得する（ステップＳ１００）。電磁弁コイル４０は、通電の開始と停止とを繰り返すことにより、温度が昇降して抵抗値が常に変動する。本実施形態では、電磁弁コイル４０に図示しない電流計を設け、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加するごとに、電磁弁コイル４０に流れた電流値を測定している。また、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加するごとに、開弁開始時から開弁終了時までの応答時間を測定している。このように、制御部５０は、開閉弁制御に伴って、電流値と応答時間とを繰り返し取得しつつ、電流値と応答時間との関係を導出しており、導出した関係を継続的に更新している。

図７は、電磁弁１０の開弁制御を繰り返す際に電流値と応答時間とを実測したデータに基づいて得られる、電流値と応答時間との関係の一例を示す説明図である。本実施形態では、電流値と応答時間との関係を、最小二乗法により直線近似（フィッティング）しているが、異なる近似法を採用してもよい。既述したように、電磁弁１０においては、開弁動作を繰り返すことでメイン弁シート３２が変形してエアーギャップが拡大するが、ステップＳ１００で導出する電流値と応答時間との関係は、エアーギャップが実質的に変化しない限られた期間(例えば、限られた開弁回数の範囲)内では、図７に直線近似するように、一定の関係を示す。本実施形態では、電磁弁１０の開閉弁制御の繰り返しと共に、電流値と応答時間とを繰り返し取得しつつ、エアーギャップが実質的に変化しない限られた範囲で、開弁時の電流と応答時間との間の関係を常に更新している。ステップＳ１００では、このように更新された最新の関係を取得する。ステップＳ１００は、「課題を解決するための手段」における「第１の工程」を含む。

次に、制御部５０は、ステップＳ１００で取得した関係に基づいて、電磁弁コイル４０に、予め定めた所定の電流値Ｉ_Ａが流れる時の応答時間Ｔ_Ａを導出する（ステップＳ１１０）。図７において、直線近似した電流値と応答時間との関係に基づいて、電磁弁コイル４０に電流値Ｉ_Ａが流れる時の応答時間Ｔ_Ａを導出する様子を示す。

その後、ステップＳ１１０で導出した応答時間Ｔ_Ａに基づいて、現在のエアーギャップＧ_Ａを導出する（ステップＳ１２０）。

図８は、開弁時に電磁弁コイル４０に流れた電流値がＩ_Ａであるときの、応答時間とエアーギャップとの関係を示す説明図である。開弁時の電流値が一定であれば、エアーギャップが大きくなるほど、応答時間は長くなる。本実施形態では、図８に示すように、開弁時に電磁弁コイル４０に流れる電流値がＩ_Ａであるときの応答時間とエアーギャップとの間の関係が予め求められて、マップとして制御部５０内に記憶されている。ステップＳ１２０では、上記マップを参照して、ステップＳ１１０で導出した応答時間Ｔ_Ａに対応するエアーギャップＧ_Ａを導出する。

次に、ステップＳ１２０で導出したエアーギャップＧ_Ａに基づいて、エアーギャップがＧ_Ａの時に、開弁時の音圧レベルが許容値となる目標電流値Ｉ_ｔａｒＡを導出する（ステップＳ１３０）。

図９は、開弁時に電磁弁コイル４０に流れる電流と、開弁時にメイン弁３０がストッパ３６に衝突して生じる音の音圧レベルと、の関係を、エアーギャップがＧ_Ａである場合とＧ_Ｂである場合とについて示す説明図である。図５に基づいて説明したように、電磁弁コイル４０に流れる電流が大きいほど、開弁時の音圧レベルは大きくなる。そして、このような電流と音圧レベルとの関係は、エアーギャップの大きさごとに定まっている。具体的には、エアーギャップが大きいほど、開弁時にメイン弁３０が移動する距離が長くなり、最終的なメイン弁３０のスピードが速くなるため、音圧レベルが高くなる。本実施形態では、想定されるエアーギャップの全範囲にわたって、電磁弁コイル４０に流れる電流値と音圧レベルとの関係が予め求められて、マップとして制御部５０内に記憶されると共に、許容できる音圧レベルの上限である目標音圧レベルＳｄ_ｔａｒが設定されている。ステップＳ１３０では、上記マップを参照して、ステップＳ１２０で導出したエアーギャップＧ_Ａの条件下で、音圧レベルが目標音圧レベルＳｄ_ｔａｒとなるときの電流値である目標電流値Ｉ_ｔａｒＡを導出する。ステップＳ１１０からステップＳ１３０までの動作が、「課題を解決するための手段」における「第２の工程」に対応する。

次に、制御部５０は、電磁弁コイル４０に対して微小電圧Ｖ_２を印加して、そのときに電磁弁コイル４０に流れる電流値Ｉ_２を測定し、その結果に基づいて、駆動電圧Ｖ_１を印加した場合に電磁弁コイル４０に流れる電流値Ｉ_１−１を導出する（ステップＳ１４０）。ステップＳ１４０で電磁弁コイル４０に印加する微小電圧Ｖ_２は、駆動電圧Ｖ_１に比べて極めて小さな値であり、パイロット弁２０を開弁することのない値として設定されている。電磁弁コイル４０の温度、すなわち、電磁弁コイル４０の抵抗値が同じである条件下では、微小電圧Ｖ_２に対する電流値Ｉ_２を測定することにより、オームの法則に基づいて、駆動電圧Ｖ_１を印加したときに電磁弁コイル４０に流れる電流値Ｉ_１−１を算出することができる。

ステップＳ１４０の後、制御部５０は、ステップＳ１４０で導出した電流値Ｉ_１−１と、ステップＳ１３０で導出した目標電流値Ｉ_ｔａｒＡとを比較する（ステップＳ１５０）。電流値Ｉ_１−１が目標電流値Ｉ_ｔａｒＡ以下である場合には、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加しても、生じる音の音圧は許容できる音圧レベルＳｄ_ｔａｒ以下になると判断できる。そのため、この場合には、制御部５０は、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加して開弁の動作を開始して（ステップＳ１８０）、本ルーチンを終了する。なお、図６のステップＳ１５０では、後述するように微小電圧Ｖ２を印加して電流値を測定する動作を繰り返す場合を考慮して、目標電流値Ｉ_ｔａｒＡと比較するために導出した電流値を、Ｉ_１−ｘと記載している。

ステップＳ１５０において、電流値Ｉ_１−１が目標電流値Ｉ_ｔａｒＡを超える場合には、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加すると、生じる音の音圧は許容できる音圧レベルＳｄ_ｔａｒを超えると判断できる。この場合には、制御部５０は、微小電圧Ｖ２の印加を継続する（ステップＳ１６０）。

図１０は、電磁弁コイル４０の温度と抵抗との関係を示す説明図である。また、図１１は、電磁弁コイル４０の抵抗と、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加したときに電磁弁コイル４０に流れる電流と、の関係を示す説明図である。また、図１２は、エアーギャップがＧ_Ａであるときの、電磁弁コイル４０に流れる電流と開弁時に生じる音の音圧レベルとの関係を示す説明図である。図１０に示すように、電磁弁コイル４０の温度が上昇するほど、電磁弁コイル４０の抵抗も大きくなる。そして、図１１に示すように、電磁弁コイル４０の抵抗が大きくなるほど、駆動電圧Ｖ_１を印加したときに電磁弁コイル４０に流れる電流値は小さくなる。また、図１２に示すように、エアーギャップが一定であれば、電磁弁コイル４０に流れる電流値が小さいほど、開弁時に生じる音の音圧レベルは低下する。ステップＳ１６０において制御部５０が微小電圧Ｖ_２の印加を継続することにより、電磁弁コイル４０の温度およびコイル抵抗が上昇し、駆動電圧Ｖ_１を印加したときに流れる電流値が低下する。その結果、駆動電圧Ｖ_１を印加したときに生じる音の音圧レベルが低下する。なお、図１０から図１２では、電磁弁コイル４０に対する微小電圧Ｖ_２の印加の継続による変化の方向を、白抜き矢印により示している。

ステップＳ１６０において、電磁弁コイル４０に対する微小電圧Ｖ_２の印加を所定時間継続した後、制御部５０は、電磁弁コイル４０に流れる電流値Ｉ_２を再び測定する。そして、ステップＳ１４０と同様にして、駆動電圧Ｖ_１を印加した場合に電磁弁コイル４０に流れる電流値Ｉ_１−ｘを導出する（ステップＳ１７０）。

ステップＳ１７０において電流値Ｉ_１−ｘを導出すると、制御部５０はステップＳ１５０に戻り、ステップＳ１７０で導出した電流値Ｉ_１−ｘと、ステップＳ１３０で導出した目標電流値Ｉ_ｔａｒＡとを比較する。そして、ステップＳ１５０で電流値Ｉ_１−１が目標電流値Ｉ_ｔａｒＡを超えると判断するまで、ステップＳ１６０、Ｓ１７０、およびＳ１５０の動作を繰り返す。図１２では、電磁弁コイル４０に対して微小電圧Ｖ_２の印加を継続して、駆動電圧Ｖ_１を印加したときに流れる電流値がＩ_１−ｘまで低下することにより、開弁時に生じる音の音圧レベルが、許容値Ｓｄ_ｔａｒ以下のＳｄ_１−ｘになる様子を示している。ステップＳ１５０において、電流値Ｉ_１−１が目標電流値Ｉ_ｔａｒＡ以下になると、制御部５０は、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加して開弁の動作を開始して（ステップＳ１８０）、本ルーチンを終了する。なお、ステップＳ１４０からステップＳ１８０までの動作が、「課題を解決するための手段」における「第３の工程」に対応する。

以上のように構成された本実施形態の電磁弁１０の制御方法によれば、電磁弁１０の使用を継続することによりエアーギャップが変化する場合であっても、電磁弁１０の開弁時に生じる音の音圧レベルを許容値以下に抑えることができる。

すなわち、本実施形態では、駆動電圧Ｖ_１を電磁弁コイル４０に印加したときに電磁弁コイル４０に流れる電流値と、駆動電圧Ｖ_１の印加の開始からメイン弁３０が開弁するまでの応答時間と、の関係を更新し続け、更新した上記関係に基づいて、開弁時に電磁弁コイル４０に流すべき目標電流値Ｉ_ｔａｒＡを導出している。このように、導出された最新の上記関係に基づいて目標電流値Ｉ_ｔａｒＡが導出されるため、エアーギャップが変化しても、開弁時に生じる音の音圧を許容値以下に抑える制御を適切に行なうことができる。

また、本実施形態によれば、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加する前に、パイロット弁２０を開弁させない微小電圧Ｖ_２を印加して、駆動電圧Ｖ_１を印加したときに生じる音の音圧が許容値以下となるように電磁弁コイル４０を予め昇温させている。そのため、電磁弁コイルに駆動電圧を印加した後にさらなる通電制御（特定のタイミングで通電を停止するなど）を行なって、開弁時に生じる音の音圧を低下させる場合とは異なり、エアーギャップが極めて狭い場合にも、音圧レベルを抑える制御を良好に行なうことができる。その結果、電磁弁全体がコンパクト化されて、開弁時における弁体の移動距離が比較的短いパイロット式電磁弁において、開弁時の音圧レベルを低下させる効果を特に顕著に得ることができる。

また、本実施形態によれば、開弁時における電磁弁コイル４０の温度を上昇させて電流値を抑えることにより、電磁弁コイル４０への電圧印加により生じる吸引力Ｆａｂが抑えられるため、パイロット弁２０の開弁時のスピードが抑えられる。そのため、メイン弁３０がストッパ３６に衝突する際に生じる音の音圧レベルが低下するだけでなく、パイロット弁２０の開弁時にオリフィス孔３８を介して連通流路４６側に高圧の水素ガスが流れ始める際のスピードを抑え、生じる音を低減することができる。その結果、メイン弁３０がストッパ３６に衝突する際の音だけでなく、電磁弁１０の開弁時に生じる音全体を低減することができる。

なお、上記した第１の実施形態では、ステップＳ１００において、駆動電圧Ｖ_１を印加するときの開弁時の電流と応答時間との間の最新の関係を取得した後に、ステップＳ１１０からステップＳ１３０までの工程を順次実行しているが、異なる構成としてもよい。ステップＳ１００で取得した開弁時の電流と応答時間との関係に基づけば、電磁弁コイル４０に電流Ｉ_Ａが流れる時の応答時間Ｔ_Ａ、エアーギャップＧ_Ａ、および目標電流値Ｉ_ｔａｒＡは一義的に定まる（図７〜図９参照）。そのため、例えば、応答時間Ｔ_Ａと目標電流値Ｉ_ｔａｒＡとの関係を予めマップ化して制御部５０に記憶しておき、ステップＳ１１０で導出した応答時間Ｔ_Ａに基づいて、目標電流値Ｉ_ｔａｒＡを直接導出してもよい。

また、上記した第１の実施形態では、図６のステップＳ１５０において、微小電圧Ｖ_２を印加したときの電流値から導出される電流値Ｉ_１−ｘと、目標電流値Ｉ_ｔａｒＡとを比較しているが、異なる構成としてもよい。例えば、ステップＳ１４０あるいはステップＳ１７０において微小電圧Ｖ_２を印加したときの電流値に基づいて、駆動電圧Ｖ_１を印加した場合の電流値Ｉ_１−ｘを導出した後に、ステップＳ１２０で導出したエアーギャップＧ_Ａと図９に示す関係とに基づいて、駆動電圧Ｖ_１を印加した場合に生じる音の音圧レベルを導出する。そして、ステップＳ１５０では、上記導出した音圧レベルと、目標音圧レベルＳｄ_ｔａｒとを比較してもよい。

Ｂ．第２実施形態：
図１３は、本発明の第２実施形態としての電磁弁１０において、電磁弁１０の開弁が要求されたときに起動されて実行される開弁制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。第２の実施形態は、第１の実施形態と同様の構成を有する電磁弁１０の開弁制御に関するものであるため、電磁弁１０の構成に係る詳しい説明は省略する。また、図１３において、図６と共通する工程には同じ工程番号を付して、詳しい説明を省略する。第２の実施形態では、第１の実施形態とは異なり、微小電圧Ｖ_２の印加時に流れる電流値に代えて、電磁弁コイル４０の温度に基づいて、駆動電圧Ｖ_１を印加するタイミングを決定している。

本ルーチンが起動されると、制御部５０は、第１の実施形態と同様に、駆動電圧Ｖ_１を印加するときの、電流と応答時間との間の最新の関係を取得し（ステップＳ１００）、この関係に基づいて電流値Ｉ_Ａに対応する応答時間Ｔ_Ａを導出し（ステップＳ１１０）、さらに現在のエアーギャップＧ_Ａを導出する（ステップＳ１２０）。その後、エアーギャップがＧ_Ａのときに音圧レベルが許容値となる目標コイル温度Ｔｅｍ_ｔａｒＡを導出する（ステップＳ２３０）。

図１４は、電磁弁コイル４０の温度と、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加したときに電磁弁コイル４０に流れる電流と、の関係を示す説明図である。電磁弁コイル４０の温度が高くなるほど、電磁弁コイル４０の抵抗値が上昇するため、電磁弁コイル４０に流れる電流値は小さくなる（図１０、図１１参照）。このように、電磁弁コイル４０の温度と、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加したときに電磁弁コイル４０に流れる電流との関係は、一義的に定まる。また、図１２に示すように、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加したときに電磁弁コイル４０に流れる電流と、電磁弁１０の開弁時に生じる音の音圧レベルとの関係も、エアーギャップの大きさごとに、一義的に定まる。本実施形態では、想定されるエアーギャップの全範囲にわたって、電磁弁コイル４０の温度と開弁時の音圧レベルとの関係が予め求められて、マップとして制御部５０内に記憶されると共に、許容できる音圧レベルの上限である目標音圧レベルＳｄ_ｔａｒが設定されている。ステップＳ２３０では、上記マップを参照して、ステップＳ１２０で導出したエアーギャップＧ_Ａの条件下で、音圧レベルが目標音圧レベルＳｄ_ｔａｒとなるときの電磁弁コイル４０の温度である目標コイル温度Ｔｅｍ_ｔａｒＡを導出する。ステップＳ１１０からステップＳ２３０までの動作が、「課題を解決するための手段」における「第２の工程」に対応する。

次に、制御部５０は、電磁弁コイル４０のコイル温度Ｔｅｍ_２−１を測定する（ステップＳ２４０）。具体的には、本実施形態の電磁弁１０には、電磁弁コイル４０の温度を測定する図示しない温度センサが設けられており、ステップＳ２４０では、この温度センサの検出信号を取得する。

ステップＳ２４０の後、制御部５０は、ステップＳ２４０で取得したコイル温度Ｔｅｍ_２−１と、ステップＳ２３０で導出した目標コイル温度Ｔｅｍ_ｔａｒＡとを比較する（ステップＳ２５０）。コイル温度Ｔｅｍ_２−１が目標コイル温度Ｔｅｍ_ｔａｒＡ以上である場合には、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加しても、生じる音の音圧は許容できる音圧レベルＳｄ_ｔａｒ以下になると判断できる。そのため、この場合には、制御部５０は、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加して開弁の動作を開始して（ステップＳ１８０）、本ルーチンを終了する。なお、図１３のステップＳ２５０では、後述するように微小電圧Ｖ_２を印加しつつコイル温度を測定する動作を繰り返す場合を考慮して、目標コイル温度Ｔｅｍ_ｔａｒＡと比較するために取得したコイル温度を、Ｔｅｍ_２−ｘと記載している。

ステップＳ２５０において、コイル温度Ｔｅｍ_２−１が目標コイル温度Ｔｅｍ_ｔａｒＡ未満である場合には、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加すると、生じる音の音圧は許容できる音圧レベルＳｄ_ｔａｒを超えると判断できる。この場合には、制御部５０は、電磁弁コイル４０に対する微小電圧Ｖ_２の印加を開始する（ステップＳ２６０）。ここで、微小電圧Ｖ_２は、第１の実施形態と同様に、駆動電圧Ｖ_１に比べて極めて小さな値であり、パイロット弁２０を開弁することのない値として設定されている。電磁弁コイル４０に対する微小電圧Ｖ_２の印加を開始することにより、電磁弁コイル４０は次第に昇温する。

既述した図１４に示すように、電磁弁コイル４０の温度が上昇するほど、電磁弁コイル４０の抵抗が大きくなって、駆動電圧Ｖ_１を印加したときに電磁弁コイル４０に流れる電流値が小さくなる。また、図１２に示すように、エアーギャップが一定であれば、電磁弁コイル４０に流れる電流値が小さいほど、開弁時に生じる音の音圧レベルは低下する。ステップＳ２６０において制御部５０が微小電圧Ｖ_２の印加を行なうことにより、電磁弁コイル４０の温度およびコイル抵抗が上昇し、駆動電圧Ｖ_１を印加したときに流れる電流値が低下する。その結果、駆動電圧Ｖ_１を印加したときに生じる音の音圧レベルが低下する。なお、図１４では、電磁弁コイル４０に対する微小電圧Ｖ_２の印加の継続による変化の方向を、白抜き矢印により示している。

ステップＳ２６０において、電磁弁コイル４０に対する微小電圧Ｖ_２の印加を所定時間継続した後、制御部５０は、電磁弁コイル４０のコイル温度Ｔｅｍ_２−ｘを再び測定する（ステップＳ２７０）。ステップＳ２７０においてコイル温度Ｔｅｍ_２−ｘを測定すると、制御部５０はステップＳ２５０に戻り、ステップＳ２７０で測定したコイル温度Ｔｅｍ_２−ｘと、ステップＳ２３０で導出した目標コイル温度Ｔｅｍ_ｔａｒＡとを比較する。そして、ステップＳ２５０でコイル温度Ｔｅｍ_２−ｘが目標コイル温度Ｔｅｍ_ｔａｒＡ以上になったと判断されるまで、ステップＳ２６０、Ｓ２７０、およびＳ２５０の動作を繰り返す。ステップＳ２５０において、コイル温度Ｔｅｍ_２−ｘが目標コイル温度Ｔｅｍ_ｔａｒＡ以上になると、制御部５０は、電磁弁コイル４０に駆動電圧Ｖ_１を印加して開弁の動作を開始して（ステップＳ１８０）、本ルーチンを終了する。なお、ステップＳ２４０からステップＳ２８０までの動作が、「課題を解決するための手段」における「第３の工程」に対応する。

以上のように構成された第２の実施形態の電磁弁１０の開弁制御方法によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

Ｃ．変形例：
・変形例１：
本願に係る電磁弁の制御方法を適用する電磁弁は、図１〜３に示した電磁弁１０とは異なる構成を有するパイロット式電磁弁であってもよい。また、パイロット式とは異なる方式の、例えば直動式の電磁弁であってもよい。電磁弁１０と同様に、開閉弁の動作の繰り返しに伴ってエアーギャップ（開弁時における弁体の移動距離）が変化し、電磁弁コイルに流れる電流によって開弁時の弁体移動速度を調節可能であれば、本願発明に係るの開弁制御方法を適用することにより、同様の効果が得られる。

・変形例２：
上記した各実施形態では、電磁弁１０は、水素タンクおよび燃料電池を備える燃料電池システムを搭載する燃料電池自動車において、水素タンクから燃料電池に対して水素を供給するための水素流路に設けているが、異なる構成としてもよい。本願発明に係る電磁弁の制御方法を適用する電磁弁は、燃料電池システム以外の他の装置に取り付けてもよく、また、水素ガス以外の流体の流路に配置してもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…電磁弁
２０…パイロット弁
２２…パイロット弁シート
２４…パイロット弁スプリング
２６…第２貫通孔
３０…メイン弁
３２…メイン弁シート
３４…メイン弁スプリング
３６…ストッパ
３８…オリフィス孔
３９…隔壁部
４０…電磁弁コイル
４１…連通空間
４２…ハウジング
４３…パイロット空間
４４…第１貫通孔
４６…連通流路
５０…制御部

Claims

弁体とバルブシートとコイルとを備え、前記コイルに対する電圧の印加により、前記バルブシートに着座する前記弁体が前記バルブシートから離間されて開弁する電磁弁の制御方法であって、
予め定められた特定の駆動電圧を前記コイルに印加したときに前記コイルに流れる電流値と、前記駆動電圧の印加を開始してから前記弁体が開弁するまでの応答時間と、を含むデータを繰り返し取得しつつ、前記電流値と前記応答時間との関係を導出し、前記電磁弁の開閉動作の繰り返しに伴い、導出した前記関係を継続的に更新する第１の工程と、
前記電磁弁の開弁が要求されたときには、更新された前記関係に基づいて、前記コイルに対する前記駆動電圧の印加により前記電磁弁が開弁する際に発生する音の大きさが許容値となるときの、前記コイルに流れる電流値である目標電流値または前記コイルの温度である目標温度を導出する第２の工程と、
前記第２の工程で前記目標電流値を導出したときには、前記コイルに対して、前記駆動電圧よりも小さく前記電磁弁を開弁させない微小電圧を印加すると共に、前記コイルに対して前記駆動電圧を印加した場合に前記コイルに流れる電流が前記目標電流値以下になると判断されるまで前記微小電圧の印加を継続し、その後前記コイルに対して前記駆動電圧を印加して前記電磁弁を開弁させ、前記第２の工程で前記目標温度を導出したときには、前記コイルの温度が前記目標温度以上になるまで前記コイルに対して前記微小電圧を印加し、その後前記コイルに対して前記駆動電圧を印加して前記電磁弁を開弁させる第３の工程と、
を備える電磁弁の制御方法。