JP6533727B2 - 比例弁駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、比例弁駆動装置に関する。

特許文献１には、弁体と弁座との開度を変化させることにより流体の通過量を制御する比例弁と、電源と比例弁のコイルとの間に接続される半導体素子と、半導体素子にパルスを出力する駆動手段であって、流体の通過量を少なくする場合にはパルスのオン時間を短くし、多くする場合にはオン時間を長くするように、半導体素子のデューティ比をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する駆動手段とを備える比例弁駆動装置が開示されている。

特開平８−２７０８２１号公報

特許文献１の技術では、駆動手段がパルスを出力する周波数は５００Ｈｚであるが、この周波数は可聴帯域に含まれる。そのため、弁体が５００Ｈｚの周波数で振動することより、耳障りな騒音が発生していた。

弁体が発生させる騒音を低減させるために、駆動手段に、可聴帯域より高い非可聴帯域に含まれる周波数（例えば２０ｋＨｚ）でパルスを出力させることが考えられる。しかしながら、この場合、可聴帯域での弁体の振動が抑制されて騒音を低減できる反面、比例弁のヒステリシスが大きくなるという不都合がある。

本明細書では、比例弁の弁体の振動による騒音を低減するとともに、比例弁のヒステリシスを抑制することができる技術を提供する。

本明細書が開示する比例弁駆動装置は、電流の大きさに応じて弁体と弁座との開度を変化させることによって流体の通過量を制御する比例弁と、比例弁に電力を供給する経路上に設けられている第１スイッチと、可聴帯域の特定の周波数より高く非可聴帯域に含まれる第１の周波数で三角波を出力する三角波生成装置と、第１出力端子、第１プラス入力端子、及び、第１マイナス入力端子を有する第１比較器であって、第１マイナス入力端子は三角波生成装置と接続されており、第１プラス入力端子は第２比較器の第２出力端子と第１抵抗を介して接続されており、第１出力端子は第１スイッチと接続されている、第１比較器と、比例弁の目標電流に対応した基準電圧を出力する基準電圧生成装置と、第２出力端子、第２プラス入力端子、及び、第２マイナス入力端子を有する第２比較器であって、第２マイナス入力端子は第２抵抗を介してグランドに接続されているとともに、第３抵抗及び第２スイッチを介してグランドに接続されており、第２プラス入力端子は基準電圧生成装置と接続されており、第２出力端子は第４抵抗及びキャパシタを介して第２マイナス入力端子に接続されているとともに、第１抵抗を介して第１プラス入力端子に接続されている、第２比較器と、第１比較器の出力端子とグランドの間に接続されている第３スイッチと、第２スイッチと第３スイッチを同タイミングでオンオフするためのパルスを、特定の周波数より低い第２の周波数で出力するパルス生成装置と、を備える。第２抵抗の一部は、比例弁に電力を供給する経路上に設けられている。

（１）上記の比例弁駆動装置では、第２スイッチがオンすると、その間、第２比較器の第２マイナス入力端子への入力電圧が下がり、それに伴って第２出力端子の出力電圧（即ち、第１比較器の第１プラス入力端子への入力電圧）は上昇していく。ただし、第２スイッチとともに第３スイッチもオンしているため、第２及び第３スイッチがオンの間は、第１スイッチはオフされる。
（２）第２及び第３スイッチのオン期間が終了し、第２及び第３スイッチがオフに戻ると、オン時間が長い（オンデューティが大きい）状態から第１スイッチのオンオフ駆動が開始される。そのため、比例弁を流れる電流が、目標電流よりも大きくなる。
（３）第２及び第３スイッチがオフされたことにより、第２比較器の第２マイナス入力端子への入力電圧が上がり、それに伴って、第２出力端子の出力電圧が比例弁の目標電流に対応した値まで下がっていく。即ち、第１比較器の第１プラス入力端子への入力電圧も下がっていく。その結果、比例弁に流れる電流が目標電流に近づくように、第１スイッチのオン時間が短く（オンデューティが小さく）なっていく。

上記の比例弁駆動装置では、第１比較器の第１マイナス入力端子に、三角波生成装置から出力される第１の周波数の三角波が入力され、第１プラス入力端子に、第２比較器の出力端子から出力される電圧が入力される。これにより、第１比較器の第１出力端子から第１の周波数でパルスを出力することができる。そのため、第１スイッチを第１の周波数でオンオフ駆動することができる。これにより、比例弁の弁体が非可聴帯域に含まれる第１の周波数で振動することになり、弁体の振動による騒音を低減することができる。また、パルス生成装置によって、第２及び第３スイッチが第２の周波数でオンされることにより、第２の周波数に従って、比例弁に流れる電流を一時的に目標電流よりも高くすることができる。そのため、第２の周波数に従って弁体を大きく振動させることができる。弁体が第２の周波数で振動しても、第２の周波数は特定の周波数より低いため、騒音がそれほど気になることはない。さらに、第２の周波数で弁体を振動させることにより、比例弁のヒステリシスを抑制することもできる。従って、上記の比例弁駆動装置によると、弁体の振動による騒音を低減するとともに、比例弁のヒステリシスを抑制することができる。

第１実施例の比例弁駆動装置２の回路構成を示す図。 パルス生成装置９０が出力するパルスと、第２比較器６０の出力端子から出力される出力電圧と、比例弁１２を流れる電流の関係を模式的に示すグラフ。 第１比較器３０のマイナス入力端子に入力される三角波と、第１比較器３０のプラス入力端子に入力される電圧との関係を模式的に示すグラフ。 第２実施例の比例弁駆動装置の回路構成を示す図。

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

（特徴１）第１スイッチは、電源と比例弁の間に設けられていることが好ましい。

（特徴２）他の例では、第１スイッチは、比例弁とグランドの間に設けられていることが好ましい。

（第１実施例）
図１に示すように、本実施例の比例弁駆動装置２は、電源１０と、比例弁１２と、スイッチ装置２０と、第１比較器３０と、三角波生成装置４０と、基準電圧生成装置５０と、第２比較器６０と、トランジスタ７０、８０と、パルス生成装置９０とを備えている。

電源１０は、比例弁１２に電力を供給するための電力源である。

比例弁１２は、流れる電流の大きさに応じて弁体と弁座との開度を変化させることによって流体（例えばガス）の通過量を制御する弁である。比例弁１２は、電源１０とグランドの間（即ち比例弁１２に電力を供給する経路上）に設けられている。比例弁１２に流れる電流の値（アンサ値）は、後述の基準電圧生成装置５０のＣＰＵ５２に入力される。また、比例弁１２に電力を供給する経路と並列にダイオード１４が設けられている。ダイオード１４のカソードは、スイッチ装置２０と比例弁１２の間に接続され、アノードは、比例弁１２とグランドの間に接続されている。

スイッチ装置２０は、スイッチ２２と、抵抗２４、２６と、トランジスタ２８とを備える。スイッチ２２は、Ｐチャネル型のＦＥＴである。スイッチ２２は、電源１０と比例弁１２の間に設けられている。即ち、スイッチ２２は、比例弁１２に電力を供給する経路上に設けられている。スイッチ２２のゲート端子は、抵抗２４を介してトランジスタ２８のコレクタ端子と接続されている。スイッチ２２のソース端子は、電源１０と接続され、ドレイン端子は、比例弁１２と接続されている。ゲート端子にオン電圧が印加されると、スイッチ２２はオン状態になる。スイッチ２２がオン状態の間、比例弁１２に電流が流れる。抵抗２６は、一端が電源１０とスイッチ２２のソース端子との間に接続され、他端がスイッチ２２のゲート端子と抵抗２４の間に接続されている。トランジスタ２８は、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタである。上記の通り、トランジスタ２８のコレクタ端子は、抵抗２４を介してスイッチ２２のゲート端子と接続されている。エミッタ端子は、グランドに接続されている。ベース端子は、第１比較器３０の出力端子と接続されている。トランジスタ２８のベース端子にオン電圧が印加されると、トランジスタ２８はオン状態になる。本実施例では、トランジスタ２８がオン状態の間、スイッチ２２がオン状態となる。

第１比較器３０は、プラス入力端子に入力される電圧がマイナス入力端子に入力される電圧よりも大きい場合に、出力端子からオン電圧を出力する。マイナス入力端子は、三角波生成装置４０と接続されている。プラス入力端子は、第２比較器６０の出力端子と抵抗１００を介して接続されている。出力端子は、上述の通り、トランジスタ２８のベース端子と接続されている。また、第１比較器３０の出力端子は、抵抗１０２を介して電源１０１と接続されている。

三角波生成装置４０は、２０ｋＨｚで三角波を出力するための装置である。２０ｋＨｚは、人間の可聴帯域の周波数（例えば５００Ｈｚ）よりも高い非可聴帯域に含まれる周波数である。三角波生成装置４０は、ＣＰＵ４２と、電源４３と、抵抗４４、４６と、キャパシタ４８とを備える。ＣＰＵ４２は、２０ｋＨｚのパルスを出力する制御装置である。ＣＰＵ４２は、抵抗４６を介して第１比較器３０のマイナス入力端子と接続されている。電源４３は、抵抗４４を介して、ＣＰＵ４２の出力と抵抗４６の間に接続されている。キャパシタ４８は、第１比較器３０のマイナス入力端子とグランドの間を接続している。ＣＰＵ４２が出力するパルスは、抵抗４４、４６、及び、キャパシタ４８によって三角波に変換されて出力される。三角波生成装置４０が出力する三角波は、第１比較器３０のマイナス入力端子に入力される。

基準電圧生成装置５０は、比例弁１２の目標電流に対応した基準電圧を出力するための装置である。基準電圧生成装置５０は、ＣＰＵ５２と、抵抗５４、５６と、キャパシタ５８とを備える。ＣＰＵ５２は、抵抗５４を介して第２比較器６０のプラス入力端子と接続されている。抵抗５６の一端は、ＣＰＵ５２の出力と抵抗５４の間に接続されており、他端はグランドに接続されている。キャパシタ５８の一端は、抵抗５４と第２比較器６０のプラス入力端子の間に接続されており、他端はグランドに接続されている。ＣＰＵ５２は、比例弁１２の目標電流に対応したＰＷＭ信号を１０ｋＨｚで出力する。なお、上記の通り、ＣＰＵ５２には、比例弁１２を流れている電流の値（アンサ値）が入力されている。ＣＰＵ５２が出力するＰＷＭ信号は、抵抗５４、５６と、キャパシタ５８によって、目標電流に対応した大きさの基準電圧に変換される。基準電圧生成装置５０が出力する基準電圧は、第２比較器６０のプラス入力端子に入力される。

第２比較器６０は、プラス入力端子に入力される電圧がマイナス入力端子に入力される電圧よりも大きい場合に、出力端子から電圧を出力する。第２比較器６０のプラス入力端子は、基準電圧生成装置５０と接続されている。マイナス入力端子には、抵抗１０４の一端が接続されている。抵抗１０４の他端は、抵抗１０６の一端に接続されている。抵抗１０６の一端は、比例弁１２に接続しており、抵抗１０６の他端は、グランドに接続されている。また、第２比較器６０のマイナス入力端子は、抵抗１０８及びトランジスタ７０を介してグランドに接続されている。さらに、第２比較器６０のマイナス入力端子は、抵抗１１０とキャパシタ１１２を介して第２比較器６０の出力端子に接続されている。

トランジスタ７０は、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタである。トランジスタ７０のコレクタ端子は、抵抗１０８を介して第２比較器６０のマイナス入力端子と接続されている。エミッタ端子は、グランドに接続されている。ベース端子は、パルス生成装置９０と接続されている。トランジスタ７０のベース端子にオン電圧が印加されると、トランジスタ７０はオン状態になる。

トランジスタ８０は、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタである。トランジスタ８０のコレクタ端子は第１比較器３０の出力端子とトランジスタ２８のベース端子の間に接続されている。エミッタ端子は、グランドに接続されている。ベース端子は、パルス生成装置９０と接続されている。トランジスタ８０のベース端子にオン電圧が印加されると、トランジスタ８０はオン状態になる。

パルス生成装置９０は、トランジスタ７０、８０を同タイミングでオンオフするためのパルスを、１２５Ｈｚで出力するためのＣＰＵである。１２５Ｈｚは、人間の可聴帯域の周波数（例えば５００Ｈｚ）のうちの低周波帯域に含まれる周波数である。パルス生成装置９０が出力するパルスは、トランジスタ７０のベース端子及びトランジスタ８０のベース端子に同タイミングで入力される。

図１では、三角波生成装置４０のＣＰＵ４２と、基準電圧生成装置５０のＣＰＵ５２と、パルス生成装置９０とを別個のＣＰＵとして図示しているが、ＣＰＵ４２、５２、パルス生成装置９０は、１個の制御装置として構成されていてもよい。

続いて、図２、図３を参照して、本実施例の比例弁駆動装置２の動作を説明する。

パルス生成装置９０は、１２５Ｈｚの周波数でパルスを出力する（図２の（Ａ）参照）。即ち、８ｍｓのうちの０．４ｍｓの間オン電圧を出力する。パルス生成装置９０がオン電圧を出力する０．４ｍｓの間、トランジスタ７０とトランジスタ８０はオン状態になる。

トランジスタ７０がオンすると、第２比較器６０のマイナス入力端子への入力電圧が下がる。それに伴って、第２比較器６０の出力端子の電圧（即ち、第１比較器３０のプラス入力端子への入力電圧）は上昇していく（図２の（Ｂ）参照）。ただし、トランジスタ７０とともにトランジスタ８０もオンしているため、トランジスタ７０、８０がオンされている間は、トランジスタ２８及びスイッチ２２はオフされる。そのため、この間は、比例弁１２を流れる電流は目標電流よりも減少していく。

トランジスタ７０、８０のオン期間が終了し、トランジスタ７０、８０がオフ状態に戻ると、オン時間が長い（即ち、オンデューティが大きい）状態からトランジスタ２８及びスイッチ２２のオンオフ駆動が開始される。即ち、図３に示すように、第１比較器３０のプラス入力端子に入力される電圧が上昇していることにより（図３の「上昇時」参照）、第１比較器３０のプラス入力端子に入力される電圧が第１比較器３０のマイナス入力端子に入力される三角波よりも大きくなる時間が長くなる。その結果、オンデューティが大きくなる。

オンデューティが大きい状態でトランジスタ２８及びスイッチ２２のオンオフ駆動が開始されることにより、比例弁１２に流れる電流が上昇し、目標電流よりも大きい値になる（図２の（Ｃ）参照）。

トランジスタ７０、８０がオフされたことにより、第２比較器６０のマイナス入力端子への入力電圧が上がる。それに伴って、第２比較器６０の出力端子から出力される電圧が比例弁１２の目標電流に対応した値まで下がっていく（図２の（Ｂ）参照）。即ち、第１比較器３０のプラス入力端子に入力される電圧が比例弁１２の目標電流に対応した値まで下がる（図３の「目標電流対応時」参照）。これにより、第１比較器３０のプラス入力端子に入力される電圧が第１比較器３０のマイナス入力端子に入力される三角波よりも大きくなる時間が短くなる。その結果、トランジスタ２８及びスイッチ２２のオンデューティが小さくなっていく。そして、比例弁１２に流れる電流が目標電流に近づいていく（図２の（Ｃ）参照）。

以上、本実施例の比例弁駆動装置２の構成及び動作について説明した。本実施例の比例弁駆動装置２では、第１比較器３０のマイナス入力端子に、三角波生成装置４０から出力される２０ｋＨｚの三角波が入力され、プラス入力端子に、第２比較器６０の出力端子から出力される電圧が入力される。これにより、第１比較器３０の出力端子から２０ｋＨｚでパルスを出力することができる。そのため、トランジスタ２８及びスイッチ２２を２０ｋＨｚでオンオフ駆動することができる。これにより、比例弁１２の弁体が非可聴帯域に含まれる２０ｋＨｚで振動することになり、弁体の振動による騒音を低減することができる。また、パルス生成装置９０によって、トランジスタ７０、８０が１２５Ｈｚでオンされることにより、１２５Ｈｚに従って、比例弁１２に流れる電流を一時的に目標電流よりも高くすることができる。そのため、１２５Ｈｚに従って弁体を大きく振動させることができる。１２５Ｈｚは可聴帯域に含まれるが、従来技術で用いられている５００Ｈｚよりも低周波であり、騒音がそれほど気になることはない。さらに、１２５Ｈｚで弁体を振動させることにより、比例弁１２のヒステリシスを抑制することもできる。従って、本実施例の比例弁駆動装置２によると、弁体の振動による騒音を低減するとともに、比例弁１２のヒステリシスを抑制することができる。

また、本実施例の比例弁駆動装置２では、スイッチ２２はオンオフ駆動するのみであり、オン時にドレイン−ソース間に加わる電圧はほぼゼロである。仮に、スイッチを能動動作させて比例弁に流れる電流を調整する構成（以下「特定の構成」と呼ぶ）を採用すると、スイッチのオン時にスイッチに高い電圧が加わり、エネルギー損失が大きくなる。その結果スイッチが発熱する。そのため、特定の構成を採用しようとする場合、スイッチとして許容損失の大きい部品を採用する必要があるとともに、スイッチに大型のヒートシンクを取り付ける必要がある。これに対し、本実施例のスイッチ２２は、オンオフ駆動を行うのみであるため、上記の通り、オン時にドレイン−ソース間に加わる電圧はほぼゼロである。そのため、エネルギー損失はほとんどない。そのため、スイッチ２２として、許容損失の大きい部品を採用する必要もなく、ヒートシンクを取り付ける必要もない。

ここで、本実施例の記載と請求項の記載との対応関係を説明しておく。スイッチ装置２０、トランジスタ７０、トランジスタ８０が、それぞれ、「第１スイッチ」、「第２スイッチ」、「第３スイッチ」の一例である。２０ｋＨｚ、１２５Ｈｚが、それぞれ、「第１の周波数」、「第２の周波数」の一例である。５００Ｈｚが「特定の周波数」の一例である。抵抗１００が「第１抵抗」の一例である。抵抗１０４、１０６が「第２抵抗」の一例である。抵抗１０８が「第３抵抗」の一例である。抵抗１１０が「第４抵抗」の一例である。

（第２実施例）
図４を参照して、本実施例について第１実施例と異なる点を中心に説明する。図４では、第１実施例と共通する要素は同じ符号を用いて示している。本実施例の比例弁駆動装置２０２では、スイッチ２２２が、Ｎチャネル型のＦＥＴであって、比例弁１２に電力を供給する経路のうち、比例弁１２とグランドの間の位置に設けられている。また、スイッチ装置２２０が、第１実施例のスイッチ装置２０のトランジスタ２８及び抵抗２４（図１参照）に相当する部品を備えておらず、スイッチ２２２のゲート端子が第１比較器３０の出力端子と直接接続されている。

本実施例の比例弁駆動装置２０２の動作も、第１実施例の比例弁駆動装置２の動作とほぼ同様である（図２、図３参照）ため、詳しい説明は省略する。

以上、各実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

（変形例１）上記の各実施例では、三角波生成装置４０のＣＰＵ４２は２０ｋＨｚの周波数で三角波を出力する。これに限られず、ＣＰＵ４２は、可聴帯域の周波数よりも高く、非可聴帯域に含まれる周波数であれば、任意の周波数で三角波を出力してもよい。

（変形例２）上記の各実施例では、パルス生成装置９０は１２５Ｈｚの周波数でパルスを出力する。これに限られず、パルス生成装置９０は、騒音として気にならない程度の低周波数帯域に含まれる周波数であれば、任意の周波数でパルスを出力してもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ ：比例弁駆動装置
１０ ：電源
１２ ：比例弁
１４ ：ダイオード
２０ ：スイッチ装置
２２ ：スイッチ
２４ ：抵抗
２６ ：抵抗
２８ ：トランジスタ
３０ ：第１比較器
４０ ：三角波生成装置
４２ ：ＣＰＵ
４３ ：電源
４４ ：抵抗
４６ ：抵抗
４８ ：キャパシタ
５０ ：基準電圧生成装置
５２ ：ＣＰＵ
５４ ：抵抗
５６ ：抵抗
５８ ：キャパシタ
６０ ：第２比較器
７０ ：トランジスタ
８０ ：トランジスタ
９０ ：パルス生成装置
１００ ：抵抗
１０１ ：電源
１０２ ：抵抗
１０４ ：抵抗
１０６ ：抵抗
１０８ ：抵抗
１１０ ：抵抗
１１２ ：キャパシタ
２０２ ：比例弁駆動装置
２２０ ：スイッチ装置
２２２ ：スイッチ

Claims (3)

1. 電流の大きさに応じて弁体と弁座との開度を変化させることによって流体の通過量を制御する比例弁と、
   比例弁に電力を供給する経路上に設けられている第１スイッチと、
   可聴帯域の特定の周波数より高く非可聴帯域に含まれる第１の周波数で三角波を出力する三角波生成装置と、
   第１出力端子、第１プラス入力端子、及び、第１マイナス入力端子を有する第１比較器であって、第１マイナス入力端子は三角波生成装置と接続されており、第１プラス入力端子は第２比較器の第２出力端子と第１抵抗を介して接続されており、第１出力端子は第１スイッチと接続されている、第１比較器と、
   比例弁の目標電流に対応した基準電圧を出力する基準電圧生成装置と、
   第２出力端子、第２プラス入力端子、及び、第２マイナス入力端子を有する第２比較器であって、第２マイナス入力端子は第２抵抗を介してグランドに接続されているとともに、第３抵抗及び第２スイッチを介してグランドに接続されており、第２プラス入力端子は基準電圧生成装置と接続されており、第２出力端子は第４抵抗及びキャパシタを介して第２マイナス入力端子に接続されているとともに、第１抵抗を介して第１プラス入力端子に接続されている、第２比較器と、
   第１比較器の出力端子とグランドの間に接続されている第３スイッチと、
   第２スイッチと第３スイッチを同タイミングでオンオフするためのパルスを、特定の周波数より低い第２の周波数で出力するパルス生成装置と、
   を備え、
   第２抵抗の一部は、比例弁に電力を供給する経路上に設けられている、
   比例弁駆動装置。
2. 第１スイッチは、電源と比例弁の間に設けられている、請求項１に記載の比例弁駆動装置。
3. 第１スイッチは、比例弁とグランドの間に設けられている、請求項１に記載の比例弁駆動装置。

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