JPH09306732A

JPH09306732A - アクチュエータ駆動回路

Info

Publication number: JPH09306732A
Application number: JP8121755A
Authority: JP
Inventors: Makoto Tagami; 誠田上; Takuya Yasui; 卓也安井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-05-16
Filing date: 1996-05-16
Publication date: 1997-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】高速駆動が要求されるアクチュエータの駆動回
路において、昇圧回路を小型化、簡素化でき、システム
を小型化して低コストにできる。【解決手段】スイッチＳＷ１がオンすると、コンデンサ
そ１は放電され、その放電電流はソレノイドＬに供給す
る。スイッチＳＷ１はコンデンサＣ１が負電圧になった
後、オフ作動する。この結果、ソレノイドＬは高速駆動
する。一方、スイッチＳＷ４はコンデンサＣ２充電時に
オンする。このオンにより、昇圧回路２１によりコンデ
ンサＣ２が電圧Ｖbまで充電される。そして、コンデン
サＣ１の充電時にスイッチＳＷ３がオンすると、コンデ
ンサＣ２から放電電流が供給され、コンデンサＣ１は充
電される。このコンデンサＣ１充電時にコンデンサＣ２
とコイルＬとが直列共振されることにより、負電圧とな
っていたコンデンサＣ１のエネルギーが正電圧に変換さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はアクチュエータを
駆動するアクチュエータ駆動回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ガソリンエンジンにおけるアク
チュエータとしてのインジェクタ（燃料噴射弁）は、イ
ンテークマニホルドに配設されるのが一般的であり、
又、インジェクタによって噴射されたガソリン燃料は、
インテークマニホルド内において燃焼用空気と所望の混
合比に混合された後、シリンダ内に供給されていた。
又、インジェクタに供給されるガソリン燃料の燃料圧力
（燃圧）は数気圧程度であり、インジェクタを開閉駆動
するアクチュエータにも高速応答性が特に要求されるこ
ともなく、車載バッテリの有する電源電圧によって満足
のいくインジェクタの駆動が実現されていた。

【０００３】近年、燃焼効率の向上を図るため、シリン
ダにインジェクタを配設し、シリンダ内に噴射を行うこ
とが試みられている。このシリンダ内への燃料の直接噴
射によれば、インジェクタから供給されるガソリン燃料
は全てシリンダ内に供給されるので、より理論値に近い
燃焼を実現することが可能となり、燃費の向上、排気ガ
ス中の、ＮＯx 、ＨＣ等の低減を実現することができ
る。

【０００４】しかしながら、かかる場合、ガソリン燃料
が噴射される空間は、シリンダ、ピストン、及びシリン
ダによって構成される空間であり、圧縮行程中での噴射
を考えるとインテークマニホルド内に噴射される場合と
比較して、非常に高い圧力下で噴射を行わなければなら
ない。又、燃料噴射後に燃料が充分拡散される空間的、
時間的余裕がない。従って、このような条件下におい
て、従来と同等の燃焼条件を得るためには、インジェク
タに供給されるがガソリン燃料の燃圧を高くして、シリ
ンダ内に燃料が噴射された瞬間から充分に拡散するよう
にしてやればよい。このように燃圧を高くすると、同一
のインジェクタ開弁時間内により多くのガソリン燃料が
シリンダ内に供給されるが、エンジンが必要とするガソ
リン燃料量は、従来のインテークマニホルド内における
燃料噴射の場合と変わらず、燃料噴射量を同一にしなけ
ればならない。

【０００５】そのためには、高い燃圧に抗してインジェ
クタを高速駆動して燃料噴射時間を正確にコントロール
する必要があり、アクチュエータに高電圧を印加して、
インジェクタを高速でＯＮ、ＯＦＦ動作（弁の開閉動
作）させるアクチュエータの高速駆動回路が必要とな
る。

【０００６】ここで、従来より用いられているアクチュ
エータの駆動回路としては、例えば、特開昭５７−４９
０５９号公報に記載されているアクチュエータの駆動回
路がある。この公報に記載のアクチュエータの駆動回路
は、大容量、高耐圧のコンデンサや、前記コンデンサを
充電するための昇圧回路が必要である。

【０００７】図４を参照して、従来のアクチュエータ駆
動回路の構成について説明する。バッテリＢの両端子に
はＤＣ−ＤＣコンバータよりなる昇圧回路２１が接続さ
れ、昇圧回路２１の両出力端子にはスイッチＳＷ１、及
びコンデンサＣ１が接続されている。コンデンサＣ１の
両端子間には、スイッチＳＷ１、ソレノイドＬ、抵抗Ｒ
が直列に接続されている。スイッチＳＷ１とコンデンサ
Ｃ１のマイナス端子間には抵抗Ｒ１とコンデンサＣ３と
からなるスナバ回路が接続されている。バッテリＢのプ
ラス端子と、ソレノイドＬとスイッチＳＷ１との接続点
との間には降圧回路２２、定電流回路２３、スイッチＳ
Ｗ２、ツェナーダイオードＺＤとの並列回路、及びダイ
オードＤとからなる直列回路が接続されている。前記ダ
イオードＤはソレノイドＬにコンデンサＣ１より印加さ
れた電圧が逆流することを防止するための印加電圧逆流
防止用である。又、昇圧回路２１の一次側マイナス端子
と、二次側マイナス端子は接地されている。なお、前記
各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は図示しない制御手段によっ
てオン、オフ制御されるべく、トランジスタ、トライア
ック等のスイッチング回路等によって構成される。

【０００８】上記のように構成されたインジェクタ駆動
回路を使用してインジェクタの駆動制御の説明をする。
まず、昇圧回路２１によりコンデンサＣ１に充電した高
電圧をスイッチＳＷ１のオン（図５のｔ１時）により、
ソレノイドＬに印加し、高速に動作させる。

【０００９】次に、そのままスイッチＳＷ１をオンし続
け、ＬＣＲ共振によってソレノイド電圧ＶSOL が負電圧
になるまで保持電流の供給を遅らせる（保持ディレイ方
式）。保持ディレイ期間終了（図５のｔ２時）後、スイ
ッチＳＷ２をオンし、保持電流を供給する。この時、ス
イッチＳＷ１をオフする。

【００１０】図５のｔ２〜ｔ３の期間中はリミッタやス
イッチＳＷ２のスイッチングを利用して、保持電流を調
節する（保持電流制御方式）。続いて、ソレノイドＬの
オフタイミング（ｔ３時）で、スイッチＳＷ２をオフす
る。次に、適当なタイミングで、ＳＷ３をオンし（ｔ４
時）、昇圧回路２１によりコンデンサＣ１を充電する。
充電完了後はスイッチＳＷ３をオフする（Ｔ５時）。な
お、図５中、ＶC１はコンデンサＣ１のコンデンサ電圧
である。

【００１１】上述したように、アクチュエータ駆動回路
では、高い燃圧に抗してインジェクタを高速駆動して燃
料噴射時間を正確にコントロールする必要があるため、
図５のｔ１，ｔ２間においてインジェクタのソレノイド
電流ＩSOL のピーク部分が必要となる。

【００１２】このソレノイド電流ＩSOL のピーク部分を
つくるためには、車載バッテリＢの電圧１２Ｖでは不足
であり、昇圧回路２１で約１８０Ｖ〜２５０Ｖの電圧を
発生させ、それをコンデンサＣ１に充電し、上記のよう
にインジェクタＯＮタイミングで一気に印加している。

【００１３】すなわち、車載電源であるバッテリ電圧１
２ＶをＤＣ−ＤＣコンバータ等の昇圧回路２１によって
数１００Ｖに昇圧してコンデンサＣに充電し、このコン
デンサＣを放電することにより、高電圧をアクチュエー
タに印加して、同アクチュエータを高速駆動している。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにインジェ
クタを効率良く駆動させるためには、できるだけ多くの
ピーク電流（ＩSOL）を与えることが必要である。従っ
て、このためには、上記ｔ１〜ｔ２において、コンデン
サＣ１を負電圧にすることが必要不可欠となっている。
すなわち、ＩSOLとＶc1の位相の関係上、ＩSOLがピーク
となる時には既にＶc1はＶc1≒０（Ｖ）となっており、
高速駆動のためには、ＩSOLを少しでも大きく、長く流
したいため、Ｖc1＜０となるまでスイッチＳＷ１をオン
させ続けている。

【００１５】ところが、前記コンデンサＣ１をｔ４時点
から充電する際には、コンデンサ電圧Ｖc1を負電圧から
昇圧する必要があるため、昇圧回路２１はより多くの電
力を昇圧させる必要がある。この結果、従来の昇圧回路
は大型化の必要があり、又、その回路構成も複雑になる
問題があった。又、昇圧回路はより多くの電力を処理す
る必要があるため、発熱対策等でヒートシンクが大型化
するとともに、最大定格の大きな素子が必要となり、コ
スト高となる問題があった。

【００１６】この発明の目的は、高速駆動が要求される
アクチュエータの駆動回路において、昇圧回路を小型
化、簡素化できるとともに、システムを小型化して低コ
ストにできるアクチュエータ駆動回路を提供することを
目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに請求項１の発明は、アクチュエータを駆動するソレ
ノイドと、前記ソレノイドに放電電流を供給するための
第１のコンデンサと、アクチュエータ駆動信号に応答し
て、オン作動され、前記第１のコンデンサからの放電電
流を前記ソレノイドに供給する第１のスイッチ手段とを
備えたアクチュエータ駆動回路において、電源に接続さ
れた昇圧回路により充電されるとともに、コイルを介し
て前記第１のコンデンサに対して接続され、第１のコン
デンサの充電時に前記コイルと直列共振回路となる第２
のコンデンサと、前記第２のコンデンサと昇圧回路間に
接続され、第２のコンデンサの充電時にオン作動される
第２のスイッチ手段と、第１のコンデンサと第２のコン
デンサとの間に接続され、第１コンデンサの充電時にオ
ン作動される第３のスイッチ手段とを備えたアクチュエ
ータ駆動回路をその要旨としている。

【００１８】（作用）請求項１の発明によれば、アクチ
ュエータ駆動信号に応答して第１のスイッチ手段がオン
動作すると、第１のコンデンサは放電され、その放電電
流はソレノイドに供給される。第１のスイッチ手段は、
第１のコンデンサが負電圧（図３に示すＶｃ）になった
後、オフ作動される。従って、この放電電流により、ソ
レノイドは高速駆動される。

【００１９】一方、第２のスイッチ手段は、第２のコン
デンサの充電時にオン作動される。このオン作動によ
り、電源に接続された昇圧回路により第２のコンデンサ
が図３に示す電圧Ｖbまで充電される。

【００２０】そして、第１のコンデンサの充電時に第３
のスイッチ手段がオン作動すると、第２のコンデンサか
ら放電電流が供給されることにより、第１のコンデンサ
は充電される。この第１のコンデンサの充電時に、第２
のコンデンサとコイルとが直列共振され、この共振によ
り、負電圧となっていた第１のコンデンサのエネルギー
が正電圧（Ｖａ）に変換される。

【００２１】このことは、従来と異なり、負電圧状態の
コンデンサを昇圧回路により直接充電する場合より、少
ないエネルギで第２のコンデンサを充電することにな
る。すなわち、従来、図３に示すように第１のコンデン
サの電圧Ｖc1をＶａまでにするためには、昇圧回路は
（１／２）Ｃ１（Ｖａ＋Ｖｃ）²のエネルギが必要であ
った。本発明では、昇圧回路は（１／２）Ｃ１（Ｖａ²
−Ｖｃ²）のエネルギでよくなる。なお、第２のコンデ
ンサの放電後の電圧をＶｄとすると、（１／２）Ｃ２Ｖ
ｄ²＝（１／２）Ｃ１（Ｖａ²−Ｖｃ²）となってい
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明をエンジンのインジ
ェクタの駆動回路に具体化した実施の一形態を図１乃至
図３に従って説明する。

【００２３】図１は本発明に係る１気筒分のインジェク
タ駆動回路１０を示している。図２はインジェクタ駆動
回路１０を制御するスイッチ制御手段としての制御回路
１２を示している。図３はソレノイド駆動信号、スイッ
チＳＷ１〜ＳＷ４、コンデンサ電圧、ソレノイド電圧、
ソレノイド電流、スイッチＳＷ２の電流のタイムチャー
トを示している。図１のインジェクタ駆動回路１０の構
成のうち、図４の従来のインジェクタ駆動回路の構成と
同一構成及び相当する構成は、同一符号を付して、その
説明を省略する。

【００２４】図１のインジェクタ駆動回路１０の昇圧回
路２１は、図４の従来のインジェクタ駆動回路の昇圧回
路２１と比較して、二次側の出力電圧が小さくなるよう
に構成されている。

【００２５】ソレノイドＬは燃料噴射弁に内蔵されるソ
レノイド式のアクチュエータであって、ソレノイドＬ内
を摺動するプランジャと、プランジャに固定されたニー
ドルバルブと、ニードルバルブを閉弁方向に付勢するス
プリングを備えている。そして、ソレノイドＬに電圧が
印加されると、プランジャがニードルバルブに付与され
ているスプリング弾性力及び燃圧に抗して開弁方向に移
動し、ニードルバルブ先端にて閉塞されていた噴射孔が
開放される。

【００２６】昇圧回路２１の２次出力側プラス端子とス
イッチＳＷ３との間にはスイッチＳＷ４とコイルＬ１と
が接続されている。スイッチＳＷ４とコイルＬ１との接
続点と、昇圧回路２１の２次出力側マイナス端子との間
にはコンデンサＣ２が接続されている。

【００２７】なお、前記コイルＬ１とコンデンサＣ２と
は、コンデンサＣ１の充電時の過渡時に直列共振回路と
なるようにその誘導リアクタンス及び容量リアクタンス
が設定されている。なお、コイルＬ１には実質的に抵抗
成分もあるため、前記直列共振回路はＬＣＲ直列共振回
路となる。

【００２８】なお、昇圧回路２１により充電されるコン
デンサＣ２がコンデンサＣ１に対して充電したときに、
その電圧Ｖc1が負電圧とならないように、コンデンサＣ
１とコンデンサＣ２の容量は、Ｃ１＞＞Ｃ２とされてい
る。

【００２９】本実施の形態では、コンデンサＣ１が第１
のコンデンサを構成し、コンデンサＣ２が第２のコンデ
ンサを構成している。又、スイッチＳＷ１は本発明にお
ける第１のスイッチ手段を構成し、スイッチＳＷ４が第
２のスイッチ手段を構成し、スイッチＳＷ３が第３のス
イッチ手段を構成している。スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は
後記制御回路１２により駆動されるべく、トランジス
タ、トライアック等のスイッチング回路により構成され
ている。

【００３０】前記インジェクタ駆動回路１０を制御する
スイッチ制御手段としての制御回路１２を図２に従って
説明する。制御回路１２は、電子制御ユニット（以下
「ＥＣＵ」という。）１３、コントロール信号発生部１
４を備えている。ＥＣＵ１３は図示しない中央処理装置
（ＣＰＵ）を備えている。前記ＥＣＵ１３には、内燃機
関としてのエンジンの作動状態を検出するために、各種
センサ（図示しない）が接続されている。すなわち、Ｅ
ＣＵ１３にはエアーフローメータ、吸気温センサ、スロ
ットルセンサ、水温センサ、酸素センサ、エンジン回転
数センサ等が通信線を介して接続されている。エアーフ
ローメータはエンジンが吸入する吸入空気量を計測する
ものであり、吸気温センサは吸気通路を流通する吸入空
気の温度変化を検出する。吸気温は、インジェクタの先
端部の周囲の雰囲気温度に相当する。スロットルセンサ
は吸気通路に設けられたスロットル弁の開度（スロット
ル開度）を検出する。水温センサはエンジンのウォータ
アウトレット部に取付けられ、エンジンの冷却水の温度
（冷却水温）を検出する。酸素センサは排気マニホルド
内の排気ガス中の酸素濃度を検出する。

【００３１】前記ＥＣＵ１３には、コントロール信号発
生部１４が通信線１５を介して接続されている。ＥＣＵ
１３は図示しないＲＯＭに格納した制御プログラムに従
い前記各センサからの検出信号に基づいてエンジンの運
転状態を判断し、その運転状態に対応した制御信号をコ
ントロール信号発生部１４に対して通信線１５を介して
入力する。コントロール信号発生部１４は各スイッチＳ
Ｗ１〜ＳＷ４に対して各信号線を介して接続されてい
る。コントロール信号発生部１４はＥＣＵ１３から入力
した制御信号に基づいて、前記制御信号が入力した後の
いくつかの所定時間を経過する毎にスイッチＳＷ１〜Ｓ
Ｗ４を各別にオン・オフ制御可能とされている。

【００３２】次に前記インジェクタ駆動回路１０の作用
を図３を参照して説明する。ＥＣＵ１３は各種センサか
らの入力信号に基づいて駆動開始タイミングｔ１及び駆
動オフタイミングｔ３（すなわち、アクチュエータ駆動
信号としてのソレノイド駆動信号のオンタイム時間）を
燃料噴射制御プログラムに従って決定する。次にＥＣＵ
１３はソレノイド駆動信号をｔ１時に通信線１５を介し
てコントロール信号発生部１４に入力する。コントロー
ル信号発生部１４は、このソレノイド駆動信号の立ち上
がりに基づいてスイッチＳＷ１をオンするとともに、そ
のままスイッチＳＷ１をオンし続け、ＬＣＲ共振によっ
てソレノイド電圧ＶSOLが負電圧になるまで保持電流Ｉ
ｈの供給を遅らせる（保持ディレイ方式）。

【００３３】この結果、コンデンサＣ１に充電した高電
圧をソレノイドＬに印加し、高速に動作させる。又、コ
ントロール信号発生部１４はｔ１時から所定時間（遅延
時間）τ１を経過した後、すなわち、ｔ２時にＳＷ２を
オンし、保持電流を供給するとともにＳＷ１をオフす
る。定電流回路２３は、図３のｔ２〜ｔ３の期間中は保
持電流Ｉｈを０．５Ａ〜１．５Ａ程度の定電流をソレノ
イドＬに供給する。（保持電流制御方式）。

【００３４】ｔ２とｔ３の間、すなわちＳＷ３がオフ状
態において、コントロール信号発生部１４はｔ６時にス
イッチＳＷ４をオン作動させ、コンデンサＣ２を充電す
る。そして、ｔ２とｔ３の間、すなわちＳＷ３がオフ状
態においてコンデンサＣ２の充電完了後のｔ７時に、コ
ントロール信号発生部１４は、スイッチＳＷ４をオフさ
せる。

【００３５】この後、ソレノイド駆動信号が立ち下がっ
た時点ｔ３で、コントロール信号発生部１４はスイッチ
ＳＷ２をオフさせる。この後、コントロール信号発生部
１４はソレノイド駆動信号が立ち下がった時点ｔ３から
所定時間τ２を経過したｔ４時にスイッチＳＷ３をオン
作動し、コンデンサＣ２によりコンデンサＣ１を充電す
る。そして、コンデンサＣ１の充電完了後であるｔ５時
にスイッチＳＷ３をオフ作動する。（ａ）この実施の形態によれば、コンデンサＣ１を直
接充電していないため、大きなエネルギは必要でなく、
少ないエネルギでコンデンサＣ２を充電すればよい。こ
のため、昇圧回路２１の構成を簡素化でき、又、小型の
昇圧回路として発熱対策を行えばよいため、システム全
体としても小型化でき、低コストにすることができる。（ｂ）又、コンデンサＣ２とコイルＬ１との定格の組
合せ適宜を選択することにより、前記図３のＶａ＞Ｖｂ
とすることができ、さらに、昇圧回路に必要な各素子の
耐圧を低減でき、昇圧回路、及びシステム全体が小型
化、低コスト化ができる。

【００３６】なお、この発明は前記実施の形態に限定さ
れるものではなく、下記のようにすることも可能であ
る。（イ）前記実施の形態では昇圧回路は、Ｄ／Ｄコンバ
ータにて構成したが、トランスにて構成してもよい。

【００３７】この明細書中に記載された事項から特許請
求の範囲に記載された請求項以外に把握される技術的思
想についてその効果とともに記載する。（１）請求項１において、アクチュエータは内燃機関
のインジェクタであるアクチュエータ駆動回路。このよ
うに構成することにより、高速駆動が必要とされる内燃
機関におけるインジェクタ駆動回路においても昇圧回路
の簡素化、低コスト化ができる。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、高速駆動が要求されるアクチュエータの駆動回路に
おいて、昇圧回路を小型化、簡素化でき、システムを小
型化して低コストにできる。又、昇圧回路が小型化、簡
素化できることにより、スペース的に自由度が増えるた
め、設計上レイアウトが容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の一形態のインジェクタ駆動回路の電気回
路図。

【図２】同じく制御回路の電気回路図。

【図３】ソレノイド駆動信号、スイッチＳＷ１〜ＳＷ
４、コンデンサ電圧、ソレノイド電圧、ソレノイド電流
のタイムチャート。

【図４】従来例のインジェクタ駆動回路の電気回路図。

【図５】同じくソレノイド駆動信号、スイッチＳＷ１，
ＳＷ３、コンデンサ電圧、ソレノイド電圧、ソレノイド
電流のタイムチャート。

【符号の説明】

１０…インジェクタ駆動回路、１２…制御回路（スイッ
チ制御手段）、１３…ＥＣＵ、１４…コントロール信号
発生部、１５…通信線、２１…昇圧回路、２２…降圧回
路、２３…定電流出力回路、Ｂ…バッテリ、Ｃ１…コン
デンサ（第１のコンデンサ）、Ｃ２…コンデンサ（第２
のコンデンサ）、Ｌ…ソレノイド、Ｌ１…コイル、ＳＷ
１…スイッチ（第１のスイッチ手段）、ＳＷ２…スイッ
チ、ＳＷ３…スイッチ（第３のスイッチ手段）、ＳＷ４
…スイッチ（第２のスイッチ手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アクチュエータを駆動するソレノイド
と、前記ソレノイドに放電電流を供給するための第１のコン
デンサと、アクチュエータ駆動信号に応答して、オン作動され、前
記第１のコンデンサからの放電電流を前記ソレノイドに
供給する第１のスイッチ手段とを備えたアクチュエータ
駆動回路において、電源に接続された昇圧回路により充電されるとともに、
コイルを介して前記第１のコンデンサに対して接続さ
れ、第１のコンデンサの充電時に前記コイルと直列共振
回路となる第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサと昇圧回路間に接続され、第２の
コンデンサの充電時にオン作動される第２のスイッチ手
段と、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの間に接続さ
れ、第１コンデンサの充電時にオン作動される第３のス
イッチ手段とを備えたアクチュエータ駆動回路。