WO2025009028A1

WO2025009028A1 - 電磁アクチュエータの制御装置

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Publication number: WO2025009028A1
Application number: PCT/JP2023/024664
Authority: WO
Inventors: 俊宏青野; 裕貴中居; 雅史根本
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2023-07-03
Filing date: 2023-07-03
Publication date: 2025-01-09
Anticipated expiration: 2026-01-03
Also published as: JPWO2025009028A1; CN121241196A

Abstract

電磁アクチュエータの可動子の動作状態を正確に検知することを目的とする。制御装置１０は、固定子２０６と、コイル２０５と、コイル２０５に供給された電流に基づき動作する可動子２０４とを有する電磁アクチュエータ２００を制御する装置である。制御装置１０は、コイル２０５への通電をスイッチングしてコイル２０５にスイッチング電流を供給する通電部１１と、当該スイッチング電流の立ち上がり及び立ち下がりを検知するスイッチング検知部１３と、立ち上がり時間Ｔ１と立ち下がり時間Ｔ２との比率（Ｔ１／Ｔ２）を算出するスイッチング状態算出部１４と、算出された比率の変化を検知するスイッチング状態変化検知部１５と、検知された比率の変化に基づいて可動子２０４の動作状態を検知する動作状態検知部１６と、を備える。

Description

電磁アクチュエータの制御装置

　本発明は、電磁アクチュエータの制御装置に関する。

　車両の内燃機関には、高効率、高出力及び低排気が求められる。これらをバランスよく解決する手段として、直噴内燃機関が普及して久しい。直噴内燃機関の重要な課題として、燃料を加圧する高圧燃料ポンプの静音化、又は、燃料を気筒内に噴射するインジェクタの噴射量の高精度化がある。

　高圧燃料ポンプは、燃料の吸入量を制御する電磁アクチュエータを備えている。高圧燃料ポンプの静音化には、吸入弁を構成する弁体の閉弁時の衝突速度を低減することが必要であるが、これは閉弁のための駆動電流を低減することによって実現可能である。しかし、駆動電流を低減し過ぎると、閉弁に失敗する。閉弁に失敗しない限界の駆動電流である最小駆動電流は、弁体の開閉動作を制御する電磁アクチュエータの個体差によって高圧燃料ポンプ毎に異なる。閉弁のための最小駆動電力は、弁体を押さえつけるスプリングの力に依存する。スプリング力が強いほど、これに打ち勝って閉弁するには大きな電力を要する。一方、スプリング力が強いほど、閉弁は遅くなる。したがって、閉弁完了が遅い電磁アクチュエータは、最小駆動電力を大きく設定する必要がある。

　インジェクタは、燃料の噴射量を制御する電磁アクチュエータを備えている。インジェクタの噴射量は、同じ駆動電流で駆動されても、電磁アクチュエータの個体差によってインジェクタ毎に異なる。弁体の閉弁完了タイミングと噴射量との間には相関があるので、閉弁完了タイミングを揃えるように駆動電流を制御することによって、噴射量のばらつきを低減することができる。

　これらの例のように、高圧燃料ポンプの静音化、又は、インジェクタの噴射量の高精度化を実現するためには、弁体の閉弁完了タイミングを正確に検知することが必要である。閉弁完了タイミングを検知する技術として、特許文献１に開示された技術が知られている。

　特許文献１には、加圧室へ燃料が流入する流入口を先端側で開閉する弁体と、前記弁体の基端側に設けられた可動子と、コイルが通電されることで前記可動子を吸引する固定子と、を備えた高圧燃料ポンプにおいて、一定の範囲で変化するとともに周波数が設定値以上、変化するタイミングが設定範囲に入る電流が前記コイルに流れる電磁アクチュエータを備えたことを特徴とする高圧燃料ポンプが開示されている。

特開２０２１－３２１７８号公報

　高圧燃料ポンプ又はインジェクタに備えられた電磁アクチュエータの駆動電流は、開弁位置に静止している弁体と可動子とが動き出すエネルギを与えるピーク電流と、弁体を閉弁位置で維持するべく可動子の動作状態を維持する保持電流とに大別される。保持電流は、振幅が一定範囲で周期的に変化するスイッチング電流として電磁アクチュエータのコイルに供給される。閉弁完了タイミングは、可動子の動作状態によって規定され、保持電流が供給される期間中に到来するように制御することが、駆動電力の低減及び静音化の観点から望ましい。

　特許文献１に開示された技術では、保持電流の周波数の変化を検知することによって閉弁完了タイミングを検知している。しかしながら、発明者は、保持電流の周波数が閉弁によって高くなるか低くなるかは、コイルに供給される電流の供給源であるバッテリの電圧（電源電圧）に依存することを見出した。保持電流の周波数が変化するタイミングが電源電圧によって変化してしまうので、特許文献１に開示された技術は、電源電圧に対するロバスト性を確保する点において改善の余地がある。可動子の動作状態を電源電圧に依存することなく正確に検知できることは、高圧燃料ポンプ又はインジェクタの電磁アクチュエータ以外の他の電磁アクチュエータを高精度に制御するためにも重要な課題である。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電磁アクチュエータの可動子の動作状態を正確に検知することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明に係る電磁アクチュエータの制御装置は、固定子と、前記固定子に固定されたコイルと、前記コイルに供給された電流に基づき動作する可動子とを有する電磁アクチュエータを制御する制御装置であって、前記コイルへの通電をスイッチングして前記コイルにスイッチング電流を供給する通電部と、前記コイルに供給された前記スイッチング電流の立ち上がり及び立ち下がりを検知するスイッチング検知部と、前記立ち上がりが検知された時間と前記立ち下がりが検知された時間との比率を算出するスイッチング状態算出部と、算出された前記比率の変化を検知するスイッチング状態変化検知部と、検知された前記比率の前記変化に基づいて前記可動子の動作状態を検知する動作状態検知部と、を備えることを特徴とする。

　本発明によれば、電磁アクチュエータの可動子の動作状態を正確に検知することができる。
　上記以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

直噴内燃機関の概略構成を説明する図。高圧燃料ポンプの構成を説明する図。高圧燃料ポンプの動作を説明するタイムチャート。図４（ａ）は閉弁成功時の弁体及び可動子の変位を説明する図であり、図４（ｂ）は閉弁失敗時の弁体及び可動子の変位を説明する図。プランジャの変位と高圧配管の燃圧との関係を説明する図。ピーク電流供給量と可動子の閉弁完了直前の速度との関係を説明する図。閉弁完了タイミングと騒音レベルとの関係を説明する図。電磁アクチュエータの制御装置の構成を説明する図。コイルに供給される電流の詳細を説明する図。図８に示すスイッチング検知部、スイッチング状態算出部及びスイッチング状態変化検知部の具体的構成を説明する図。図１０に示す微分回路、正負判定回路、平滑回路及び変曲点抽出回路の出力を説明する図。実施形態２のスイッチング検知部、スイッチング状態算出部及びスイッチング状態変化検知部の具体的構成を説明する図。図１２に示す通電検知回路、平滑回路及び変曲点抽出回路の出力を説明する図。

　以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、各実施形態において同一の符号を付された構成又は機能については、特に言及しない限り、各実施形態において同様の構成又は機能を有し、その説明を省略する。

［実施形態１］
　図１～図１１を用いて、実施形態１に係る電磁アクチュエータ２００の制御装置１０について説明する。

　図１は、直噴内燃機関１００の概略構成を説明する図である。

　直噴内燃機関１００（以下「内燃機関１００」とも称する）では、燃料タンク１０１に蓄えられた燃料はフィードポンプ１０２において０．４ＭＰａ程度に加圧され、更に高圧燃料ポンプ１０３において数十ＭＰａに加圧される。加圧された燃料は、高圧配管１０４を経由し、インジェクタ１０５から内燃機関１００の気筒１０６に噴射される。

　噴射された燃料は、ピストン１０７の動作により気筒１０６に吸入された空気と混合される。この混合気は、点火プラグ１０８が生成する火花によって点火され、爆発する。爆発により生成される熱により気筒１０６内の混合気は膨張し、ピストン１０７を押し下げる。ピストン１０７を押し下げる力はリンク機構１０９を経由し、クランク軸１１０を回転させる。クランク軸１１０の回転はミッションを通して車輪に伝えられ、車両を動かす力となる。

　内燃機関１００には、高効率、高出力及び低排気が主に求められるが、更なる付加価値として騒音及び振動の低減が求められる。高圧燃料ポンプ１０３においては、吸入弁を構成する弁体２０３の開閉の際に、弁体２０３とストッパ２０８との衝突、又は、可動子（アンカ）２０４と固定子２０６との衝突、及び、弁体２０３とシート部２０７との衝突によって騒音が発生する。自動車メーカ及びサプライヤは、この騒音の低減にしのぎを削っている。

　図２は、高圧燃料ポンプ１０３の構成を説明する図である。

　高圧燃料ポンプ１０３は、内燃機関１００のカム軸に取り付けられたカム２０１の回転によって上下運動するプランジャ２０２と、プランジャ２０２の上下運動に同期して開閉動作する吸入弁を構成する弁体２０３と、弁体２０３の開閉動作を制御する電磁アクチュエータ２００と、を備える。

　高圧燃料ポンプ１０３は、ケーシング２２３を有し、ケーシング２２３の内部に加圧室２１１が設けられる。燃料は、低圧配管１１１側から、流入口２２５及び連通口２２１を通って加圧室２１１へ流入する。加圧室２１１に流入された燃料は、流出口２２２を通って高圧配管１０４側へ吐出される。流出口２２２は、吐出弁２１０によって開閉される。吐出弁２１０は、スプリング２２６によって流出口２２２を閉弁する方向に常時付勢されている。加圧室２１１の圧力（燃圧）がスプリング２２６の反発力に打ち勝つと、流出口２２２は開いて燃料を吐出する。

　加圧室２１１への燃料の流入は、流入口２２５を開閉する弁体２０３によって規制される。弁体２０３の開閉動作は、電磁アクチュエータ２００によって制御される。電磁アクチュエータ２００は、電気エネルギを、磁気エネルギを介して機械エネルギに変換する装置である。電磁アクチュエータ２００は、磁気コアである固定子２０６と、固定子２０６に固定されたコイル２０５と、コイル２０５に供給された電流に基づき動作する可動子２０４と、を有する。

　可動子２０４は、スプリング２１５によって付勢された弁体２０３に当接して弁体２０３の動きを規制しており、可動子２０４の動作に連動して弁体２０３を動かすことによって弁体２０３の開閉動作を制御する。可動子２０４は、コイル２０５に供給された電流により生成された磁気力によって固定子２０６に吸引されて、弁体２０３を動かす。すなわち、コイル２０５の通電が制御されることによって可動子２０４の軸方向（図２の左右方向）の動作が制御される。

　可動子２０４は、スプリング２０９によって固定子２０６に接続されている。可動子２０４は、スプリング２０９によって、開弁方向（図２の右方向）に常時付勢されている。これによって、可動子２０４は、コイル２０５の通電がオフの状態において、弁体２０３を開弁位置に保つ。このような高圧燃料ポンプ１０３は、ノーマルオープン型の高圧燃料ポンプと呼ばれ、本実施形態ではノーマルオープン型について説明するが、開弁と閉弁を置き換えればノーマルクローズ型にも適用できる。

　コイル２０５の通電がオンになると、固定子２０６と可動子２０４との間に電磁吸引力が発生する。この電磁吸引力がスプリング２０９の反発力に打ち勝つと、弁体２０３の基端側に設けられる可動子２０４は、閉弁方向（図２の左方向）へ吸引される。可動子２０４が固定子２０６に吸引された状態において、弁体２０３は、弁体２０３の上流側及び下流側の差圧、並びに、スプリング２１５の反発力に基づいて開閉するチェック弁となる。したがって、可動子２０４が磁気力によって閉弁方向に吸引されることによって、弁体２０３は、スプリング２１５に押されて閉弁方向へ移動する。弁体２０３が閉弁方向へ設定されたリフト量だけ移動すると、弁体２０３は、シート部２０７に着座し、閉弁状態となる。弁体２０３が閉弁状態になると、加圧室２１１の燃料が低圧配管１１１側に逆流できなくなる。

　図３は、高圧燃料ポンプ１０３の動作を説明するタイムチャートである。

　弁体２０３がプランジャ２０２の上下運動に同期して開閉動作するように、カム２０１の回転角が検出され、例えば上死点（ＴＤＣ：Top Dead Center）から決められた角度（Ｐ＿ＯＮタイミング）をカム２０１が回転したのちに、コイル２０５の両端に電圧Ｖが印加され始める（タイミングｔ１）。この電圧Ｖにより、コイル２０５に流れる電流Ｉは、式１に従って増加する。
　　ＬｄＩ／ｄｔ＝Ｖ－ＲＩ・・・（式１）

　ここで、式１のＬはコイル２０５及び配線のインダクタンスであり、式１のＲはコイル２０５及び配線の抵抗である。電流Ｉの増加に伴い固定子２０６が可動子２０４を吸引する電磁吸引力Ｆｍａｇも増加する。

　電磁吸引力Ｆｍａｇがスプリング２０９の反発力Ｆｓｐよりも大きくなると、反発力Ｆｓｐにより押さえ付けられていた可動子２０４が固定子２０６に向かって移動し始める（タイミングｔ２）。可動子２０４が移動すると、スプリング２１５に押されて、弁体２０３も可動子２０４に追従して固定子２０６に向かい移動する。

　やがて弁体２０３は、シート部２０７に衝突して着座する。この衝突により、燃料の流路（図２の点線）は塞がれ、プランジャ２０２の上昇により加圧された燃料は低圧配管１１１側に戻れなくなり、加圧室２１１の圧力は上昇する。（タイミングｔ４）

　加圧室２１１の圧力が、吐出弁２１０を押さ付けるスプリング２２６の反発力Ｆｓｐ＿ｏｕｔよりも大きくなると、吐出弁２１０が開き、プランジャ２０２の上昇により加圧された燃料が高圧配管１０４に吐出される。その後、タイミングｔ５において、駆動パルスがＯＦＦとなるとコイル２０５には逆電圧が印加され、これによりコイル２０５に供給されていた保持電流が遮断される。

　カム角が上死点を過ぎてプランジャ２０２が下降し始めると（タイミングｔ６）、加圧室２１１の圧力は下がり、これがスプリング２２６の反発力Ｆｓｐ＿ｏｕｔよりも小さくなると、吐出弁２１０は閉じて、燃料の吐出は終了する。

　また、加圧室２１１の圧力低下により、弁体２０３と共に可動子２０４が閉弁位置から開弁位置へ移動する（タイミングｔ７～ｔ８）。

　このような動作により、高圧燃料ポンプ１０３は低圧配管１１１から高圧配管１０４に燃料を送る。この過程において、可動子２０４が固定子２０６に衝突すると共に弁体２０３がシート部２０７に衝突して閉弁が完了するタイミング（図３のタイミングｔ４）と、弁体２０３がストッパ２０８に衝突して開弁が完了するタイミング（図３のタイミングｔ８）とに騒音が発生する。この騒音は、特に内燃機関１００がアイドル状態の時に、車両の乗員が不快に感じることがある。自動車メーカ及びサプライヤは、この騒音の低減にしのぎを削っている。本実施形態では、閉弁完了タイミングでの騒音低減を狙っている。

　電磁アクチュエータ２００を駆動する駆動電流は、ピーク電流（図３の電流波形の斜線部）と、保持電流（図３の電流波形の横線部）とに大別される。ピーク電流は、スプリング２０９に押さえ付けられて開弁位置に静止している可動子２０４に対して、閉弁のために可動子２０４が動き出すエネルギを与える電流である。一方、保持電流は、固定子２０６に近付いた可動子２０４を、固定子２０６に衝突するまで引き付けて、弁体２０３を閉弁位置で維持するべく、可動子２０４の動作状態を固定子２０６との接触状態に維持する電流である。閉弁が完了するタイミング（以下「閉弁完了タイミングＴｂ」とも称する）は、保持電流が供給される期間中に到来するように制御される。ピーク電流供給量を低減すれば、閉弁の勢いは弱くなり、閉弁時の弁体２０３及び可動子２０４の速度は低減され、騒音は低減できる。しかし、ピーク電流供給量を低減し過ぎると閉弁に失敗する。したがって、閉弁に成功する範囲で可能な限りピーク電流供給量を低減することが重要である。なお、図３に示すようにピーク電流の最大電流値をＩｍ、保持電流の最大電流値をＩｋとする。

　図４（ａ）は、閉弁成功時の弁体２０３及び可動子２０４の変位を説明する図である。図４（ｂ）は、閉弁失敗時の弁体２０３及び可動子２０４の変位を説明する図である。図５は、プランジャ２０２の変位と高圧配管１０４の燃圧との関係を説明する図である。図６は、ピーク電流供給量と可動子２０４の閉弁完了直前の速度との関係を説明する図である。図７は、閉弁完了タイミングと騒音レベルとの関係を説明する図である。

　高圧燃料ポンプ１０３の役割は、高圧配管１０４の燃圧を目標値に保つように、低圧配管１１１の燃料を圧縮して高圧配管１０４に吐出することである。このために、高圧配管１０４には、高圧配管１０４の燃圧を計測する燃圧センサ２５０が設けられている。電磁アクチュエータ２００の制御装置１０（図８を参照）は、燃圧センサ２５０の計測値が目標値に追従するよう、コイル２０５への電流供給開始タイミング(Ｐ_ＯＮタイミング)を制御している。燃圧センサ２５０の計測値が目標値より低ければ、吐出量を増やすために、コイル２０５への電流供給開始タイミングは早くされる。燃圧センサ２５０の計測値が目標値より高ければ、燃料の吐出量を減らすために、コイル２０５への電流供給開始タイミングは遅くされる。この制御には、一般的にはＰＩＤ制御が適用され得る。

　前述のように、ピーク電流供給量を低減すれば、弁体２０３の閉弁時の速度が低減され、騒音は低減できる。しかし、ピーク電流供給量を低減し過ぎると閉弁に失敗する。すなわち、閉弁に十分なピーク電流供給量がコイル２０５に供給される場合には、弁体２０３及び可動子２０４は、図４（ａ）に示すような動作を行う（閉弁成功）。閉弁に十分なピーク電流供給量がコイル２０５に供給されない場合には、弁体２０３及び可動子２０４は、スプリング２０９の反発力に打ち勝てず、図４（ｂ）に示すような動作を行う（閉弁失敗）。

　閉弁成功の場合、弁体２０３は、低圧配管１１１から加圧室２１１に至る流入口２２５を塞ぎ、プランジャ２０２の上昇によって加圧室２１１で上昇した燃圧は、高圧配管１０４に伝搬する。これにより、図５の右上がり斜線部Ａに示すように、プランジャ２０２の上昇に同期して、高圧配管１０４の燃圧は上昇する。一方、閉弁失敗の場合、プランジャ２０２が上昇しても、加圧室２１１の燃料は、低圧配管１１１側に逃げてしまう。これにより、図５の右下がり斜線部Ｂに示すように、プランジャ２０２が上昇しても、高圧配管１０４の燃圧は上昇しない。

　電磁アクチュエータ２００の制御装置１０は、高圧配管１０４に設けられた燃圧センサ２５０の計測値に基づいて、閉弁成功と閉弁失敗との違いを判別することができる。制御装置１０は、閉弁失敗の場合にはコイル２０５への電流供給量を増加させ、閉弁成功の場合にはコイル２０５への電流供給量を減少させる。このように、プランジャ２０２の上下運動に同期した高圧配管１０４の燃圧変動に基づいて閉弁成功及び閉弁失敗を判別し、当該電流供給量を増減させることによって、制御装置１０は、電磁アクチュエータ２００の駆動電流を、閉弁に成功する最小電流供給量の近傍で制御することができる。これによって、制御装置１０は、電磁アクチュエータ２００の閉弁に伴って発生する騒音を低減することができる。

　但し、図５を用いて説明したような電磁アクチュエータ２００の駆動電流を最小電流供給量の近傍で制御する場合、ある頻度で閉弁失敗が起こってしまう。発明者は、このような閉弁失敗を避けるべく、電磁アクチュエータ２００の特性を調査した。その結果、発明者は、ピーク電流供給量（ピーク電流積分値ＩＩ）と可動子２０４の閉弁完了直前の速度ｖｅｌ＿Ｔｂの関係には、図６に示すような、ピーク電流供給量が減少しても、閉弁完了直前の速度ｖｅｌ＿Ｔｂが低下しない不感帯Ｄが存在することを見出した。なお、図６に示すピーク電流供給量は、図３のピーク電流の供給開始のタイミングｔ１からピーク電流の低減が開始するタイミングｔ３までの駆動電流の積分値である。

　ピーク電流の最大電流値Ｉｍが十分長い時間与えられる場合は、可動子２０４は常に加速されているが、ピーク電流幅を短くしていくと、ピーク電流の最大電流値Ｉｍを打ち切ったタイミングから可動子２０４は減速する。そして、低い速度で固定子２０６に向けて惰行する。そして、可動子２０４が固定子２０６に近付くと、保持電流によって生成される電磁吸引力によって再び加速される。速度が略ゼロの状態から保持電流による電磁吸引力によって再加速されると、可動子２０４は、それまでの運動の仕方に関係なく、略一定の速度で移動する。これが、ピーク電流供給量と可動子２０４の閉弁完了直前の速度ｖｅｌ＿Ｔｂとの関係に不感帯Ｄが存在する理由である。

　この不感帯Ｄが存在することによって、閉弁に伴って発生する騒音のレベルと、閉弁完了タイミングＴｂ（可動子２０４が固定子２０６に衝突するタイミング）との関係には、図７に示すように、閉弁完了タイミングＴｂが変化しても騒音レベルが減少しない飽和領域Ｔｒが存在する。この飽和領域Ｔｒは、電磁アクチュエータ２００の電源電圧が異なっていても有意差が無く、様々な電源電圧において共通する領域となっている。

　ピーク電流供給量を不感帯Ｄより更に低減しても、可動子２０４の閉弁完了直前の速度ｖｅｌ＿Ｔｂを不感帯Ｄの速度以上に低くすることはできず、むしろ閉弁に失敗する。したがって、閉弁完了タイミングＴｂが飽和領域Ｔｒに存在すると、閉弁失敗を抑制しつつ、閉弁に伴う騒音レベルを最小とすることができる。

　このようなことから、電磁アクチュエータ２００の制御装置１０は、閉弁完了タイミングＴｂを飽和領域Ｔｒに保つよう電流を制御することによって、閉弁失敗を抑制しつつ、閉弁に伴う騒音を低減することができる。すなわち、制御装置１０は、閉弁完了タイミングＴｂが飽和領域Ｔｒに存在する目標タイミングより早い場合には、コイル２０５に供給される電流の供給量を減少させ、閉弁完了タイミングＴｂが飽和領域Ｔｒに存在する目標タイミングより遅い場合には、コイル２０５に供給される電流の供給量を増加させる。これによって、制御装置１０は、閉弁完了タイミングＴｂを飽和領域Ｔｒに保つよう駆動電流を制御することができるので、閉弁失敗を抑制しつつ、閉弁に伴う騒音を低減することができる。

　閉弁完了タイミングＴｂを飽和領域Ｔｒに保つ制御を実現するには、閉弁完了タイミングＴｂを正確に検知することが必要である。そこで、以下では、図８～図１１を用いて、閉弁完了タイミングＴｂを正確に検知可能な電磁アクチュエータ２００の制御装置１０について説明する。

　図８は、電磁アクチュエータ２００の制御装置１０の構成を説明する図である。図９は、コイル２０５に供給される電流の詳細を説明する図である。図１０は、図８に示すスイッチング検知部１３、スイッチング状態算出部１４及びスイッチング状態変化検知部１５の具体的構成を説明する図である。図１１は、図１０に示す微分回路１７、正負判定回路１８、平滑回路１９及び変曲点抽出回路２０の出力を説明する図である。

　電磁アクチュエータ２００のコイル２０５の両端は、電磁アクチュエータ２００を駆動する駆動電流を供給する駆動回路３００に接続されている。駆動回路３００は、当該電流の供給源であるバッテリ３０１と、コイル２０５に対してバッテリ３０１の電圧（電源電圧）を印加するか否かを切り替えるスイッチ３０２と、を有する。すなわち、スイッチ３０２は、コイル２０５への通電をオン又はオフに切り替える。

　電磁アクチュエータ２００の制御装置１０は、駆動回路３００のスイッチ３０２を制御することによって、電磁アクチュエータ２００の駆動電流、すなわちコイル２０５に供給される電流を制御する。具体的には、制御装置１０は、通電部１１と、計測部１２と、スイッチング検知部１３と、スイッチング状態算出部１４と、スイッチング状態変化検知部１５と、動作状態検知部１６と、を備える。

　通電部１１は、コイル２０５に流れる電流が一定範囲を維持するように、コイル２０５への通電をスイッチングしてコイル２０５にスイッチング電流を供給する。前述のように、電磁アクチュエータ２００の駆動電流は、ピーク電流と、保持電流とに大別される。保持電流は、通電部１１がコイル２０５への通電をスイッチングすることによって、図９に示すように、振幅が一定範囲で周期的に変化するスイッチング電流としてコイル２０５に供給される。

　計測部１２は、コイル２０５に供給されたスイッチング電流を計測し、通電部１１及びスイッチング検知部１３へ出力する。通電部１１は、計測部１２によって計測されたスイッチング電流と、予め設定されたスイッチング電流の上下限値とに基づいて、コイル２０５への通電をオンオフするタイミングを制御する。

　スイッチング検知部１３は、コイル２０５に供給されたスイッチング電流の立ち上がり及び立ち下がりを検知する。スイッチング電流の立ち上がりとは、コイル２０５への通電がオンにされることによって、図９のＴ１の区間のように、スイッチング電流の値が増加することである。スイッチング電流の立ち下がりとは、コイル２０５への通電がオフにされることによって、図９のＴ２区間のように、スイッチング電流の値が減少することである。

　実施形態１のスイッチング検知部１３は、スイッチング電流が増加したことをスイッチング電流の立ち上がりとして検知し、スイッチング電流が減少したことをスイッチング電流の立ち下がりとして検知する。

　具体的には、実施形態１のスイッチング検知部１３は、図１０に示すように、計測部１２から出力されたスイッチング電流を微分する微分回路１７と、微分回路１７の出力の正負を判定する正負判定回路１８とによって構成されていてもよい。微分回路１７は、オペアンプ、抵抗器及びコンデンサを回路構成要素とする公知のアナログ回路によって構成され得る。正負判定回路１８は、オペアンプ及び抵抗器を回路構成要素とするコンパレータ回路等の公知のアナログ回路によって構成され得る。微分回路１７及び正負判定回路１８の各出力は、図１１に示すような出力となる。

　スイッチング状態算出部１４は、スイッチング検知部１３によってスイッチング電流の立ち上がりが検知された時間（以下「立ち上がり時間Ｔ１」とも称する）と、スイッチング電流の立ち下がりが検知された時間（以下「立ち下がり時間Ｔ２」とも称する）との比率（Ｔ１／Ｔ２）を算出する。

　実施形態１のスイッチング状態算出部１４は、スイッチング電流の増加が検知された時間を立ち上がり時間Ｔ１として検知し、スイッチング電流の減少が検知された時間を立ち下がり時間Ｔ２として検知する。実施形態１のスイッチング状態算出部１４は、スイッチング電流の増加が検知された時間と、スイッチング電流の減少が検知された時間との比率（Ｔ１／Ｔ２）を算出する。

　具体的には、実施形態１のスイッチング状態算出部１４は、図１０に示すように、正負判定回路１８の出力を平滑化する平滑回路１９によって構成されてもよい。平滑回路１９は、抵抗器及びコンデンサを回路構成要素とするフィルタ回路等の公知のアナログ回路によって構成され得る。平滑回路１９の出力は、図１１に示すような出力となる。図１１に示す平滑回路１９の出力の縦軸は、比率（Ｔ１／Ｔ２）を示している。

　スイッチング状態変化検知部１５は、スイッチング状態算出部１４によって算出された比率（Ｔ１／Ｔ２）の変化を検知する。具体的には、スイッチング状態変化検知部１５は、図１０に示すように、平滑回路１９の出力の変曲点を抽出する変曲点抽出回路２０によって構成されてもよい。変曲点抽出回路２０は、２つの微分回路を直列に接続した公知のアナログ回路によって構成され得る。変曲点抽出回路２０は、入力を２階微分した結果を出力する。変曲点抽出回路２０の出力は、図１１に示すような出力となる。

　動作状態検知部１６は、スイッチング状態変化検知部１５によって検知された比率（Ｔ１／Ｔ２）の変化に基づいて、可動子２０４の動作状態を検知する。具体的には、動作状態検知部１６は、検知された比率（Ｔ１／Ｔ２）の変化が生じたタイミングを、可動子２０４の動作が行われたタイミング、すなわち、閉弁完了タイミングＴｂとして検知する。より具体的には、実施形態１の動作状態検知部１６は、変曲点抽出回路２０が出力する比率（Ｔ１／Ｔ２）の２階微分のピークを探索し、探索されたピークが生じたタイミングを、閉弁完了タイミングＴｂとして検知する。探索されたピークが生じたタイミングは、変曲点抽出回路２０によって抽出された変曲点が生じたタイミングを示しており、比率（Ｔ１／Ｔ２）の変化が生じたタイミングを示している。

　なお、入力信号の２階微分は、当該信号のノイズを強調する特性があるが、ノイズを強調しない２階微分の方法は、
　・ＩＦＡＣ－ＰａｐｅｒｓＯｎＬｉｎｅ　５１（３１）：３５－４０，ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｉｆａｃｏｌ．２０１８．１０．００７、又は、
　・“Ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｍｕｍ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　Ｆｕｅｌ　Ｍａｓｓ　ｏｎ　Ｔｈｅ　Ｂａｓｉｓ　ｏｆ　Ｔｈｅ　Ｍｉｃｒｏ－ｓｅｃ－ｌｅｖｅｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　Ｅｒｒｏｒ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”
　等の文献に記載されている。

　発明者は、閉弁完了タイミングＴｂを正確に検知するために、様々な電源電圧を用いてコイル２０５に供給されるスイッチング電流の特性を調査した。その結果は、発明者は、図９に示すように、電源電圧の違いに関わらず、閉弁完了タイミングＴｂの前のスイッチング電流の立ち上がり時間Ｔ１と立ち下がり時間Ｔ２との比率（Ｔ１／Ｔ２）が、閉弁完了タイミングＴｂ後のスイッチング電流の立ち上がり時間Ｔ１と立ち下がり時間Ｔ２との比率（Ｔ１／Ｔ２）よりも大きいことを見出した。これは、閉弁完了タイミングＴｂの前においては、コイル２０５に発生する逆起電力によってスイッチング電流の立ち上がりが遅くなり、閉弁完了タイミングＴｂの後においては、当該逆起電力が消滅するからである。これは、電源電圧の違いに関わらず発生する事象である。これは、閉弁完了タイミングＴｂの前後において、スイッチング電流の立ち上がり時間Ｔ１と立ち下がり時間Ｔ２との比率（Ｔ１／Ｔ２）が変化することを意味する。したがって、制御装置１０は、比率（Ｔ１／Ｔ２）の変化タイミングを検知することによって、電源電圧に依存することなく閉弁完了タイミングＴｂを正確に検知することができる。

　以上のように、実施形態１の制御装置１０は、固定子２０６と、固定子２０６に固定されたコイル２０５と、コイル２０５に供給された電流に基づき動作する可動子２０４とを有する電磁アクチュエータ２００を制御する装置である。制御装置１０は、コイル２０５への通電をスイッチングしてコイル２０５にスイッチング電流を供給する通電部１１と、コイル２０５に供給されたスイッチング電流の立ち上がり及び立ち下がりを検知するスイッチング検知部１３と、立ち上がりが検知された時間（Ｔ１）と立ち下がりが検知された時間（Ｔ２）との比率（Ｔ１／Ｔ２）を算出するスイッチング状態算出部１４と、算出された比率（Ｔ１／Ｔ２）の変化を検知するスイッチング状態変化検知部１５と、検知された比率（Ｔ１／Ｔ２）の変化に基づいて可動子２０４の動作状態を検知する動作状態検知部１６と、を備える。

　これにより、制御装置１０は、スイッチング電流の周波数が電源電圧によって変化する場合であっても、電源電圧に依存することなく、可動子２０４の動作状態を正確に検知することができる。したがって、制御装置１０は、電磁アクチュエータ２００の可動子２０４の動作状態を正確に検知することができる。

　更に、実施形態１の制御装置１０において、スイッチング検知部１３は、スイッチング電流が増加したことをスイッチング電流の立ち上がりとして検知し、スイッチング電流が減少したことをスイッチング電流の立ち下がりとして検知する。動作状態検知部１６は、検知された比率（Ｔ１／Ｔ２）の変化が生じたタイミングを、可動子２０４の動作が行われたタイミングとして検知する。

　これにより、制御装置１０は、スイッチング電流の立ち上がり時間Ｔ１及び立ち下がり時間Ｔ２を確実に検知することができるので、比率（Ｔ１／Ｔ２）の変化が生じたタイミングを確実に検知することができる。したがって、制御装置１０は、可動子２０４の動作が行われたタイミング（閉弁完了タイミングＴｂ）を、電源電圧に依存することなく正確且つ確実に検知することができる。よって、制御装置１０は、電磁アクチュエータ２００の可動子２０４の動作状態を正確且つ確実に検知することができる。

　更に、実施形態１の制御装置１０において、スイッチング検知部１３は、スイッチング電流を微分する微分回路１７と、微分回路１７の出力の正負を判定する正負判定回路１８とによって構成される。スイッチング状態算出部１４は、正負判定回路１８の出力を平滑化する平滑回路１９によって構成される。スイッチング状態変化検知部１５は、平滑回路１９の出力の変曲点を抽出する変曲点抽出回路２０によって構成される。動作状態検知部１６は、抽出された変曲点が生じたタイミングを、可動子２０４の動作が行われたタイミングとして検知する。

　これにより、制御装置１０は、回路構成が簡単な既存の回路を組み合わせるだけで、可動子２０４の動作が行われたタイミング（閉弁完了タイミングＴｂ）を正確に検知することができる。したがって、制御装置１０は、可動子２０４の動作が行われたタイミング（閉弁完了タイミングＴｂ）を、電源電圧に依存することなく正確且つ容易に検知することができる。よって、制御装置１０は、電磁アクチュエータ２００の可動子２０４の動作状態を正確且つ容易に検知することができる。

　なお、計測部１２は、コイル２０５に供給されたスイッチング電流をサンプリングして当該スイッチング電流の計測値を取得してもよい。具体的には、計測部１２は、通電部１１のスイッチング周期よりも短いサンプリング周期で当該スイッチング電流をサンプリングしてもよい。計測部１２は、スイッチング電流をサンプリング毎にＡＤ変換して、スイッチング電流の計測値を取得してもよい。

　スイッチング検知部１３は、計測部１２によって今回取得されたスイッチング電流の計測値Ｉ＿（ｔ）を、前回取得された計測値Ｉ＿（ｔ－１）と比較して、計測部１２のサンプリング毎にスイッチング電流の増減判定を行い、当該増減判定の結果を示す判定値を出力してもよい。例えば、スイッチング検知部１３は、今回取得されたスイッチング電流の計測値Ｉ＿（ｔ）が、前回取得された計測値Ｉ＿（ｔ－１）よりも大きい場合、スイッチング電流が増加したと判定して判定値ａ（ｔ）＝１を出力し、これ以外の場合、スイッチング電流が減少したと判定して判定値ａ（ｔ）＝－１を出力してもよい。

　スイッチング状態算出部１４は、スイッチング検知部１３から出力された判定値ａ（ｔ）を通電部１１のスイッチング周期より長い所定時間に亘って平均化した平均値ｂ（ｔ）を算出し、算出された平均値ｂ（ｔ）に基づいて比率（Ｔ１／Ｔ２）を算出してもよい。平均値ｂ（ｔ）は、例えば、今回のサンプリングから（Ｎ－１）回遡ったサンプリングまでの各サンプリングにおいて出力された判定値ａ（ｔ），ａ（ｔ－１），・・・，ａ（ｔ－（Ｎ－１））を平均化した値であってもよい。

　スイッチング状態変化検知部１５は、スイッチング状態算出部１４によって算出された平均値ｂ（ｔ）を２階微分することによって、比率（Ｔ１／Ｔ２）の変化を検知してもよい。

　これにより、制御装置１０は、可動子２０４の動作が行われたタイミング（閉弁完了タイミングＴｂ）を、電源電圧に依存することなくソフトウェアを用いて正確且つ容易に検知することができる。したがって、制御装置１０は、電磁アクチュエータ２００の可動子２０４の動作状態を正確且つ容易に検知することができる。

［実施形態２］
　実施形態１では、スイッチング検知部１３が、スイッチング電流の増減によって電流の立ち上がりと立ち下がりとを検知していたが、実施形態２では、スイッチング検知部１３が、コイル２０５の端子間電圧から電流の立ち上がりと立ち下がりとを検知する。

　図１２及び図１３を用いて、実施形態２に係る電磁アクチュエータ２００の制御装置１０について説明する。実施形態２の制御装置１０において、実施形態１と同様の構成及び動作については、説明を省略する。

　図１２は、実施形態２のスイッチング検知部１３、スイッチング状態算出部１４及びスイッチング状態変化検知部１５の具体的構成を説明する図である。図１３は、図１２に示す通電検知回路２１、平滑回路１９及び変曲点抽出回路２０の出力を説明する図である。

　実施形態２のスイッチング検知部１３は、コイル２０５の端子間に電圧が印加されたことをスイッチング電流の立ち上がりとして検知し、コイル２０５の端子間に電圧が印加されなかったことをスイッチング電流の立ち下がりとして検知する。実施形態２の動作状態検知部１６は、実施形態１と同様に、スイッチング状態変化検知部１５によって検知された比率（Ｔ１／Ｔ２）の変化が生じたタイミングを、可動子２０４の動作が行われたタイミング、すなわち、閉弁完了タイミングＴｂとして検知する。

　これにより、実施形態２の制御装置１０は、通電部１１の動作からスイッチング電流の立ち上がり時間Ｔ１及び立ち下がり時間Ｔ２を容易に検知することができるので、比率（Ｔ１／Ｔ２）の変化が生じたタイミングを、実施形態１よりも容易に検知することができる。したがって、実施形態２の制御装置１０は、可動子２０４の動作が行われたタイミング（閉弁完了タイミングＴｂ）を、実施形態１よりも容易に検知することができる。よって、実施形態２の制御装置１０は、電磁アクチュエータ２００の可動子２０４の動作状態を正確且つ容易に検知することができる。

　具体的には、実施形態２のスイッチング検知部１３は、図１２に示すように、通電部１１がコイル２０５の端子間に電圧を印加したオン時間と、通電部１１がコイル２０５の端子間に電圧を印加しなかったオフ時間とを判別する通電検知回路２１によって構成されていてもよい。通電検知回路２１の出力は、図１３に示すような出力となる。

　実施形態２のスイッチング状態算出部１４は、図１２に示すように、通電検知回路２１の出力を平滑化する平滑回路１９によって構成されていてもよい。実施形態２のスイッチング状態変化検知部１５は、実施形態１と同様に、平滑回路１９の出力の変曲点を抽出する変曲点抽出回路２０によって構成されていてもよい。実施形態２の平滑回路１９及び変曲点抽出回路２０の各出力は、実施形態１と同様に、図１３に示すような出力となる。

　実施形態２の動作状態検知部１６は、実施形態１と同様に、スイッチング状態変化検知部１５によって検知された比率（Ｔ１／Ｔ２）の変化が生じたタイミングを、可動子２０４の動作が行われたタイミング、すなわち、閉弁完了タイミングＴｂとして検知する。具体的には、実施形態２の動作状態検知部１６は、実施形態１と同様に、変曲点抽出回路２０によって抽出された変曲点が生じたタイミングを、閉弁完了タイミングＴｂとして検知する。

　これにより、実施形態２の制御装置１０は、実施形態１と同様に、回路構成が簡単な既存の回路を組み合わせるだけで、可動子２０４の動作が行われたタイミング（閉弁完了タイミングＴｂ）を正確に検知することができる。したがって、実施形態２の制御装置１０は、実施形態１と同様に、可動子２０４の動作が行われたタイミング（閉弁完了タイミングＴｂ）を、電源電圧に依存することなく正確且つ容易に検知することができる。よって、制御装置１０は、実施形態１と同様に、電磁アクチュエータ２００の可動子２０４の動作状態を正確且つ容易に検知することができる。

　なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、或る実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、或る実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

　また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路にて設計する等によりハードウェアによって実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアによって実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テープ、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（solid state drive）等の記録装置、又は、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

　また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

　１０…制御装置、１１…通電部、１２…計測部、１３…スイッチング検知部、１４…スイッチング状態算出部、１５…スイッチング状態変化検知部、１６…動作状態検知部、１７…微分回路、１８…正負判定回路、１９…平滑回路、２０…変曲点抽出回路、２１…通電検知回路、２００…電磁アクチュエータ、２０４…可動子、２０５…コイル、２０６…固定子

Claims

　固定子と、前記固定子に固定されたコイルと、前記コイルに供給された電流に基づき動作する可動子とを有する電磁アクチュエータを制御する制御装置であって、
　前記コイルへの通電をスイッチングして前記コイルにスイッチング電流を供給する通電部と、
　前記コイルに供給された前記スイッチング電流の立ち上がり及び立ち下がりを検知するスイッチング検知部と、
　前記立ち上がりが検知された時間と前記立ち下がりが検知された時間との比率を算出するスイッチング状態算出部と、
　算出された前記比率の変化を検知するスイッチング状態変化検知部と、
　検知された前記比率の前記変化に基づいて前記可動子の動作状態を検知する動作状態検知部と、を備える
　ことを特徴とする電磁アクチュエータの制御装置。
　前記スイッチング検知部は、前記スイッチング電流が増加したことを前記立ち上がりとして検知し、前記スイッチング電流が減少したことを前記立ち下がりとして検知し、
　前記動作状態検知部は、検知された前記比率の前記変化が生じたタイミングを、前記可動子の動作が行われたタイミングとして検知する
　ことを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータの制御装置。
　前記スイッチング検知部は、前記コイルの端子間に電圧が印加されたことを前記立ち上がりとして検知し、前記コイルの端子間に電圧が印加されなかったことを前記立ち下がりとして検知し、
　前記動作状態検知部は、検知された前記比率の前記変化が生じたタイミングを、前記可動子の動作が行われたタイミングとして検知する
　ことを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータの制御装置。
　前記スイッチング検知部は、前記スイッチング電流を微分する微分回路と、前記微分回路の出力の正負を判定する正負判定回路とによって構成され、
　前記スイッチング状態算出部は、前記正負判定回路の出力を平滑化する平滑回路によって構成され、
　前記スイッチング状態変化検知部は、前記平滑回路の出力の変曲点を抽出する変曲点抽出回路によって構成され、
　前記動作状態検知部は、抽出された前記変曲点が生じたタイミングを、前記可動子の動作が行われたタイミングとして検知する
　ことを特徴とする請求項２に記載の電磁アクチュエータの制御装置。
　前記スイッチング検知部は、前記通電部が前記コイルの端子間に電圧を印加したオン時間と、前記通電部が前記コイルの端子間に前記電圧を印加しなかったオフ時間とを判別する通電検知回路によって構成され、
　前記スイッチング状態算出部は、前記通電検知回路の出力を平滑化する平滑回路によって構成され、
　前記スイッチング状態変化検知部は、前記平滑回路の出力の変曲点を抽出する変曲点抽出回路によって構成され、
　前記動作状態検知部は、抽出された前記変曲点が生じたタイミングを、前記可動子の動作が行われたタイミングとして検知する
　ことを特徴とする請求項３に記載の電磁アクチュエータの制御装置。
　前記通電部のスイッチング周期よりも短いサンプリング周期で前記スイッチング電流をサンプリングして前記スイッチング電流の計測値を取得する計測部を更に備え、
　前記スイッチング検知部は、今回取得された前記計測値を前回取得された前記計測値と比較して前記計測部のサンプリング毎に前記スイッチング電流の増減判定を行い、当該増減判定の結果を示す判定値を出力し、
　前記スイッチング状態算出部は、出力された前記判定値を前記通電部のスイッチング周期より長い所定時間に亘って平均化した平均値を算出し、算出された平均値に基づいて前記比率を算出する
　ことを特徴とする請求項２に記載の電磁アクチュエータの制御装置。