(57)【要約】      （修正有）【課題】電磁弁の駆動回路において、消費電力を低減しつつ通電断時の応答時間を短縮する。【解決手段】電磁弁の一の端子へ給電する第１のコンデンサＣ１０４と、電磁弁の接地側端子に接続された第１のスイッチ回路ＴＲ１１８と、電磁弁の接地側端子と第１のスイッチ回路との間にアノードが接続された第１のダイオードＤ１２２と、第１のダイオードを介して流入する電磁弁からの逆起電力エネルギーを蓄積する第２のコンデンサＣ１２６と、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの間の接続を互いに並列又は直列に切り替えるスイッチング回路網１３６、ＳＷ１３０、ＳＷ１３２、Ｄ１２８と、を備え、スイッチング回路網は、電磁弁に通電されているときに、第１及び第２のコンデンサを並列に接続して充電した後、第１及び第２のコンデンサを直列に接続した状態にして、電磁弁の通電断時の逆起電力エネルギーを第２のコンデンサに蓄積する。【選択図】図１
2014066196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁弁の開閉を制御する電磁弁駆動装置であって、
前記電磁弁の一の端子へ給電する第１のコンデンサと、
前記電磁弁の他の端子に接続され、当該他の端子から接地までの接続をオンオフして前記電磁弁の開閉を制御する第１のスイッチ回路と、
前記電磁弁の前記他の端子と前記第１のスイッチ回路との間にアノードが接続された第１のダイオードと、
前記電磁弁に発生する逆起電力エネルギーを前記第１のダイオードを介して蓄積する第２のコンデンサと、
前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの間の接続を互いに並列又は直列に切り替えるスイッチング回路網と、
を備え、
前記スイッチング回路網は、
前記第１のスイッチ回路がオン状態にあって前記電磁弁が通電されているときに、前記第１及び第２のコンデンサが共に前記電源電圧まで充電されるまで、前記第２のコンデンサの前記第１のダイオード側の端子が前記電源に接続されるように、第１及び第２のコンデンサを互いに並列に接続するよう制御され、かつ、
前記第１及び第２のコンデンサが前記電源の電圧まで充電された状態で、前記第２のコンデンサの低電圧側端子を前記第１のコンデンサの高電圧側端子に接続することにより、前記第１及び第２のコンデンサを直列に接続するよう制御され、
前記第２のコンデンサは、
前記第１のコンデンサと直列に接続された状態において、前記第１のスイッチ回路がオフに遷移したときに前記電磁弁において発生する逆起電力エネルギーを、前記第１のダイオードを介して蓄積し、かつ、
前記スイッチング回路網により第１のコンデンサと並列に接続されたときに、前記蓄積した逆起電力エネルギーを前記第１のコンデンサに回生する、
電磁弁駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載された電磁弁駆動装置において、
前記電源の電圧を昇圧して前記第１のコンデンサを充電する昇圧回路と、
第１のコンデンサから前記電磁弁の前記一の端子への給電をオンオフする第２のスイッチ回路と、
前記電源から前記電磁弁の前記一の端子への、前記昇圧電源を介さずに行われる給電をオンオフする第３のスイッチ回路と、
を備え、
前記第２のスイッチ回路を駆動して前記第１のコンデンサからの給電により前記電磁弁を開弁し、前記第３スイッチ回路を駆動して前記電源からの給電により前記電磁弁の開弁状態を保持する、
電磁弁駆動装置。
【請求項３】
請求項２に記載された電磁弁駆動装置において、
前記スイッチング回路網は、
前記第２のスイッチ回路の駆動により前記電磁弁に向かって前記第１のコンデンサが放電された後に、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサを並列に接続するよう制御され、かつ、
前記第１のスイッチ回路により前記電磁弁への通電が断になる前に、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサを直列に接続するよう制御される、
電磁弁駆動装置。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載された電磁弁駆動装置において、
前記スイッチング回路網は、前記第２のコンデンサの前記第１のダイオード側の一の端子と、前記第１のコンデンサの前記電源の側の一の端子との間の接続をオンオフする第４のスイッチ回路と、前記第２のコンデンサの前記一の端子に対向する他の端子と前記第１のコンデンサの前記一の端子に対向する他の端子との間の接続をオンオフする第５のスイッチ回路と、前記第２のコンデンサの前記他の端子にアノードが接続され、前記第１のコンデンサの前記一の端子にカソードが接続された第２のダイオードと、により構成される、電磁弁駆動装置。
【請求項５】
請求項１ないし３に記載された電磁弁駆動装置において、
前記スイッチング回路網は、前記第２のコンデンサの前記第１のダイオード側の一の端子と、前記第１のコンデンサの前記電源に側の一の端子との間の接続をオンオフする第４のスイッチ回路と、前記第２のコンデンサの前記一の端子に対向する他の端子と前記第１のコンデンサの前記一の端子に対向する他の端子との間の接続をオンオフする第５のスイッチ回路と、前記第２のコンデンサの前記他の端子と前記第１のコンデンサの前記一の端子との接続をオンオフする第６のスイッチ回路と、により構成される、電磁弁駆動装置。
【請求項６】
請求項１ないし５に記載された電磁弁駆動装置において、
前記電磁弁は、内燃機関の気筒へ燃料を噴射する燃料噴射弁である、
電磁弁駆動装置。
【請求項７】
請求項１ないし５に記載された電磁弁駆動装置において、
前記電磁弁は複数の電磁弁であって、各電磁弁がそれぞれ燃料噴射弁であり、
前記複数の電磁弁ごとにそれぞれ設けられた複数の前記第１のスイッチ回路と複数の前記第１のダイオードとを備え、
当該複数の前記第１のスイッチ回路をそれぞれ個別に駆動することにより、燃料噴射弁である前記各電磁弁を互いに重ならない燃料噴射期間において動作させる、
電磁弁駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃料噴射弁等の電磁弁を駆動する電磁弁駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン等の内燃機関の燃焼気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁（インジェクタ）は、一般に、電磁石により弁を開閉する電磁弁により構成される。この燃料噴射弁は、ソレノイドと、当該ソレノイドへの通電により発生する電磁力によって移動するプランジャと、ソレノイドへの通電が断のときにプランジャを定位置に戻すためのスプリングとを有し、当該プランジャの移動により、高圧で供給される燃料を気筒内へ導入するための噴射弁を開閉する。
【０００３】
燃料噴射弁は、通常、内燃機関と共に車両に搭載されるバッテリーからの給電をオン／オフすることにより制御され、ソレノイドへの通電をオンにすることにより開弁し、ソレノイドへの通電をオフにすることにより閉弁する。
【０００４】
特に、燃料噴射弁の応答時間、すなわち、ソレノイドへの通電をオン又はオフした時点から実際に弁が開弁又は閉弁するまでの遅れ時間は、燃焼気筒への燃料噴射量の精度を制限し、内燃機関の燃費やエミッション特性に大きく影響する。このため、燃料噴射弁の応答特性を向上すべく、例えば、バッテリー電源電圧を昇圧する昇圧回路によりコンデンサを充電しておき、開弁時には当該コンデンサからソレノイドに通電することで開弁時の応答特性を向上させる、燃料噴射用ソレノイド駆動回路が知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
一方、閉弁時の応答特性については、通電オフ時にソレノイドに発生する逆起電力エネルギーをどのように散逸させるかが課題であり、その一つの解決手段として、ツェナーダイオードを用いてソレノイドの端子電圧をクランプする方法が知られている（特許文献２参照）。
【０００６】
図５は、ツェナーダイオードを用いて閉弁時の応答特性を向上させた電磁弁制御回路の一例を示す図である。なお、本明細書における以降の記載においては、「燃料噴射弁に通電する」等、回路負荷あるいは通電対象としての燃料噴射弁（インジェクタ）に言及するときは、「燃料噴射弁」あるいは「インジェクタ」とは、当該燃料噴射弁内に設けられたソレノイドを意味するものとする。
【０００７】
図５に示す回路は、バッテリーからの電源電圧ＶＢＡＴを昇圧する昇圧回路５０１と、昇圧回路５０１により充電されて昇圧電源として機能する昇圧電源コンデンサＣ５０２と、開弁時にオンしてＣ５０２からインジェクタＩＮＪ５０４への通電を開始するＴＲ５０３とを有している。また、ＴＲ５０３に並列に、バッテリーからＩＮＪ５０４への通電をオン／オフするＴＲ５０５が設けられ、ＩＮＪ５０４のローサイド（接地側）には、トランジスタＴＲ５０６が設けられている。ＴＲ５０３、５０５、及び５０６は、それぞれＭＯＳＦＥＴにより構成され、各ＭＯＳＦＥＴのオン／オフは、制御回路５０８により制御される。また、トランジスタＴＲ５０６のドレイン・ゲート間には、ツェナーダイオードＺＤ５０７が設けられている。
【０００８】
制御回路５０８は、開弁時にはＴＲ５０３及び５０６をオンにし、昇圧電源コンデンサＣ５０２の高電圧をＩＮＪ５０４に供給して燃料噴射弁を素早く開弁する。開弁後、所定時間が経過すると、制御回路５０８はＴＲ５０３をオフし、ＴＲ５０５のオン／オフ制御を開始してＩＮＪ５０４をパルス駆動することにより開弁状態を保持する。すなわち、ＴＲ５０５がオンのときは、バッテリーからＩＮＪ５０４に通電されて開弁状態が保持され、ＴＲ５０５がオフのときは、ＩＮＪ５０４に発生する逆起電圧によりフライホイールダイオードＤ５０９を介してＩＮＪ５０４に電流が還流して、開弁状態が保持される。
【０００９】
燃料噴射期間を完了するときは、制御回路５０８はＴＲ５０５及びＴＲ５０６をオフにして、ＩＮＪ５０４への通電を停止する。このとき、ＩＮＪ５０４には逆起電圧が発生し、ＩＮＪ５０４からＺＤ５０７に向けて電流が流れ出すが、当該逆起電圧はツェナーダイオードＺＤ５０７の降伏電圧まで一気に低下するため、電流減少期間が短縮されて燃料噴射弁は素早く閉じられることとなる。
【００１０】
図５に示す回路は、開弁時及び閉弁時の応答時間を短縮することができるが、閉弁時にＩＮＪ５０４において発生する逆起電力のエネルギーは、ＺＤ５０７等を流れる電流により熱エネルギーとして消耗されることとなる。その結果、電気回路の発熱が大きくなると共に、消費電力も大きくなる。
【００１１】
そこで、電気回路の消費電力を低減することを目的として、例えば、特許文献３には、閉弁時に燃料噴射弁に発生する逆起電力により昇圧電源コンデンサを充電して、逆起電力エネルギーを昇圧電源コンデンサへ回生する、内燃機関制御装置が記載されている。
【００１２】
図６は、特許文献３に記載の内燃機関制御装置の一部を示す図である。制御回路６１０は、燃料噴射期間を開始するときは、ＴＲ６０２とＴＲ６０４をオンにすることにより、昇圧回路６０１からＩＮＪ６０５へ高電圧を印加して、素早く開弁する。所定時間の経過後、ＴＲ６０２をオフにした後、ＴＲ６０６をオン／オフすることにより開弁状態を保持し、燃料噴射期間が終了すると、ＴＲ６０６とＴＲ６０４をオフにしてＩＮＪ６０５への通電を停止する。
【００１３】
通電停止後に発生する逆起電圧によりＩＮＪ６０５に流れる電流は、ダイオードＤ６０７と抵抗Ｒ６０８を介して昇圧回路６０１へ流れ込み、昇圧回路６０１に回生される。これにより、例えば、昇圧回路６０１の出力回路に設けられた昇圧電源コンデンサ（不図示）が充電される。
【００１４】
ただし、図６の回路では、燃料噴射時間すなわちＩＮＪ６０５への通電時間が異なるパイロット噴射とメイン噴射とで、当該通電時間の違いに起因する昇圧電源コンデンサの残存電荷量の違いにより、閉弁時に行うエネルギー回生時のＩＮＪ６０５の電流減少速度が異なるものとなる結果、閉弁応答時間に違いが生ずる事態が起こり得る。
【００１５】
このような通電時間の違いに起因する閉弁応答時間の違いを解消するため、特許文献４には、昇圧電源コンデンサとは別に小容量のエネルギー回生用コンデンサを設け、燃料噴射弁の逆起電力エネルギーを当該回生用コンデンサにより一旦回収した後に昇圧電源コンデンサへ回生する、電磁負荷の駆動装置が記載されている。この駆動装置では、次に開弁されるまでの間に回生用コンデンサの電荷を全て昇圧電源コンデンサに与え、閉弁時には回生用コンデンサの残存電荷が必ずゼロとなるようにすることで、回生用コンデンサに逆起電力エネルギーを回収する際の燃料噴射弁の電流減少時間が常に一定となるようにして、閉弁応答時間を一定に保っている。
【００１６】
図７は、特許文献４に記載の電磁負荷の駆動装置の回路の一部を抜き出して示した図である。発振器７０１、インダクタＬ７０２、トランジスタＴＲ７０３、７０４、及び、コンデンサＣ７０５は、バッテリー電圧ＶＢＡＴからの昇圧回路であり、発振器７０１によりＴＲ７０４を一定周期でオン／オフすることにより、昇圧電源コンデンサであるＣ７０５が所定の高電圧まで充電される。
【００１７】
燃料噴射期間前の初期状態として、ＴＲ７０３はオン、ＴＲ７０４はオフ（すなわち、昇圧動作停止状態）であり、他のトランジスタは全てオフである。以下、ＩＮＪ７１１を対象とする動作を例に説明する。燃料噴射期間の開始時に、制御用ＩＣ７１０は、ＴＲ７０７及びＴＲ７０８をオンにし、昇圧電源コンデンサＣ７０５の高電圧をインジェクタＩＮＪ７１１に印加して開弁する。所定時間の経過後、ＴＲ７０７をオフにし、ＴＲ７０６のオン／オフを開始してＩＮＪ７１１をパルス駆動し、開弁状態を保持する。同時に、ＴＲ７０４のオン／オフを開始し、上記開弁動作により放電したＣ７０５の充電を開始する。
【００１８】
燃料噴射期間が終了すると、制御用ＩＣは、ＴＲ７０６、ＴＲ７０８、ＴＲ７０３をオフにすると共に、発振器７０１の動作を停止してＴＲ７０４をオンに保持する。これにより、ＩＮＪ７１１に発生した逆起電圧による電流はＩＮＪ７１１からダイオードＤ７１２を介して小容量コンデンサＣ７１３に流れ込み、Ｃ７１３に逆起電力エネルギーが回収される。このとき、昇圧電源コンデンサＣ７０５は、或る程度の電圧まで充電されているため、ＩＮＪ７１１からの電流はダイオードＤ７１４を通過することなく、小容量コンデンサＣ７１３に流れ込む。
【００１９】
小容量コンデンサＣ７１３による逆起電力エネルギー回収に十分な所定時間が経過した後、制御用ＩＣは、ＴＲ７０３をオンにすると同時にＴＲ７０４をオフにする。これにより、小容量コンデンサＣ７１３の低電圧側が昇圧電源コンデンサＣ７０５の高電圧側に接続され、小容量コンデンサＣ７１３の高電圧側端子からダイオードＤ７１４を介して昇圧電源コンデンサＣ７０５の高電圧側へ電流が流れ、Ｃ７１３に回収された逆起電力エネルギーがＣ７０５に与えられて、逆起電力エネルギーの回生が完了する。また、エネルギー回生完了後は、発振器７０１の動作が開始され、次の開弁動作に向けて昇圧電源コンデンサＣ７０５の充電が再開され、Ｃ７０５の充電が完了することで、次の燃料噴射期間の開始準備が整う。
【００２０】
上述した特許文献３又は４に記載の制御装置は、閉弁時にインジェクタに発生する逆起電力エネルギーを昇圧電源に回生するため、熱となって消耗される電力は少なくなり、制御回路の消費電力が低減される。しかしながら、これらの制御装置では、インジェクタに発生する逆起電圧により流れる電流は、逆起電力エネルギーの回収に用いるコンデンサの容量と、当該コンデンサに直列に配されたダイオードの順方向抵抗等により定まる時定数をもって減衰するため、図５に示すツェナーダイオードを用いた制御回路に比べて、閉弁時の応答時間は長くなる。
【００２１】
また、特許文献４に記載の制御回路では、逆起電力エネルギーを小容量コンデンサに回収する際に昇圧回路（具体的には発振器７０１によるＴＲ７０４のオンオフ動作）を一端停止させる必要があり、エネルギー回収に伴う制御が複雑となる。また、この制御回路においては、小容量コンデンサから昇圧電源コンデンサへのエネルギー回生動作と昇圧電源コンデンサの電圧復帰動作（充電動作）の一部が燃料噴射期間の終了後に行われるため、ＩＮＪ７１１の燃料噴射期間の終了後に、例えばＴＲ７１６を即座にオンにして他の燃料噴射弁ＩＮＪ７１５による燃料噴射を開始することはできず、各燃料噴射弁の燃料噴射タイミングに制限が課されるという他の問題も生ずる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開平９−１１５７２７号公報
【特許文献２】特開平７−２２４７０８号公報
【特許文献３】特許第４４７４４２３号公報
【特許文献４】特許第４１０３２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
すなわち、燃料噴射弁等の電磁弁を駆動する装置では、簡単な制御を用いて、消費電力の低減を図りつつ、通電断時における当該電磁弁の応答時間を短縮することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、電磁弁の開閉を制御する電磁弁駆動装置であって、前記電磁弁の一の端子へ給電する第１のコンデンサと、前記電磁弁の他の端子に接続され、当該他の端子から接地までの接続をオンオフして前記電磁弁の開閉を制御する第１のスイッチ回路と、前記電磁弁の前記他の端子と前記第１のスイッチ回路との間にアノードが接続された第１のダイオードと、を有する。また、本電磁弁駆動装置は、前記電磁弁に発生する逆起電力エネルギーを前記第１のダイオードを介して蓄積する第２のコンデンサと、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとの間の接続を互いに並列又は直列に切り替えるスイッチング回路網と、を備える。上記の構成において、前記スイッチング回路網は、前記第１のスイッチ回路がオン状態にあって前記電磁弁が通電されているときに、前記第１及び第２のコンデンサが共に前記電源電圧まで充電されるまで、前記第２のコンデンサの前記第１のダイオード側の端子が前記電源に接続されるように、第１及び第２のコンデンサを互いに並列に接続するよう制御され、かつ、前記第１及び第２のコンデンサが前記電源の電圧まで充電された状態で、前記第２のコンデンサの低電圧側端子を前記第１のコンデンサの高電圧側端子に接続することにより、前記第１及び第２のコンデンサを直列に接続するよう制御される。また、前記第２のコンデンサは、前記第１のコンデンサと直列に接続された状態において、前記第１のスイッチ回路がオフに遷移したときに前記電磁弁において発生する逆起電力エネルギーを、前記第１のダイオードを介して蓄積し、かつ、前記スイッチング回路網により第１のコンデンサと並列に接続されたときに、前記蓄積した逆起電力エネルギーを前記第１のコンデンサに回生する。
本発明の他の態様によると、前記電源の電圧を昇圧して前記第１のコンデンサを充電する昇圧回路と、第１のコンデンサから前記電磁弁の前記一の端子への給電をオンオフする第２のスイッチ回路と、前記電源から前記電磁弁の前記一の端子への、前記昇圧電源を介さずに行われる給電をオンオフする第３のスイッチ回路と、を備え、前記第２のスイッチ回路を駆動して前記第１のコンデンサからの給電により前記電磁弁を開弁し、前記第３スイッチ回路を駆動して前記電源からの給電により前記電磁弁の開弁状態を保持する。
本発明の他の態様によると、前記スイッチング回路網は、前記第２のスイッチ回路の駆動により前記電磁弁に向かって前記第１のコンデンサが放電された後に、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサを並列に接続するよう制御され、かつ、前記第１のスイッチ回路により前記電磁弁への通電が断になる前に、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサを直列に接続するよう制御される。
本発明の他の態様によると、前記スイッチング回路網は、前記第２のコンデンサの前記第１のダイオード側の一の端子と、前記第１のコンデンサの前記電源の側の一の端子との間の接続をオンオフする第４のスイッチ回路と、前記第２のコンデンサの前記一の端子に対向する他の端子と前記第１のコンデンサの前記一の端子に対向する他の端子との間の接続をオンオフする第５のスイッチ回路と、前記第２のコンデンサの前記他の端子にアノードが接続され、前記第１のコンデンサの前記一の端子にカソードが接続された第２のダイオードと、により構成される。
本発明の他の態様によると、前記スイッチング回路網は、前記第２のコンデンサの前記第１のダイオード側の一の端子と、前記第１のコンデンサの前記電源に側の一の端子との間の接続をオンオフする第４のスイッチ回路と、前記第２のコンデンサの前記一の端子に対向する他の端子と前記第１のコンデンサの前記一の端子に対向する他の端子との間の接続をオンオフする第５のスイッチ回路と、前記第２のコンデンサの前記他の端子と前記第１のコンデンサの前記一の端子との接続をオンオフする第６のスイッチ回路と、により構成される。
本発明の他の態様によると、前記電磁弁は、内燃機関の気筒へ燃料を噴射する燃料噴射弁である。
本発明の更に他の態様によると、前記電磁弁は複数の電磁弁であって、各電磁弁がそれぞれ燃料噴射弁であり、前記複数の電磁弁ごとにそれぞれ設けられた複数の前記第１のスイッチ回路と複数の前記第１のダイオードとを備え、当該複数の前記第１のスイッチ回路をそれぞれ個別に駆動することにより、燃料噴射弁である前記各電磁弁を互いに重ならない燃料噴射期間において動作させる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃料噴射弁等の電磁弁を駆動する装置において、簡単な制御を用いて、消費電力の低減を図りつつ、通電断時における当該電磁弁の応答時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る電磁弁駆動装置を示す電気回路図である。
【図２Ａ】本電磁弁駆動装置に用いられるスイッチング回路網の構成を示す電気回路図である。
【図２Ｂ】本電磁弁駆動装置に用いられるスイッチング回路網の、他の構成の例を示す電気回路図である。
【図３】本電磁弁駆動装置の、燃料噴射期間における各部の波形を示す図である。
【図４】本電磁弁駆動装置において燃料噴射期間の異なる２つの燃料噴射弁を動作させる場合の、本電磁弁駆動装置の各部の波形を示す図である。
【図５】従来の電磁弁制御回路の一例を示す図である。
【図６】従来の内燃機関制御装置の一部を示す図である。
【図７】従来の電磁負荷の駆動装置の一部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電磁弁駆動装置を示す電気回路図である。
本電磁弁駆動装置１００は、内燃機関に設けられた、電磁弁である燃料噴射弁（インジェクタ）の動作を制御するものであり、図１には、本電磁弁駆動装置１００の電気回路と、制御対象である２つの燃料噴射弁ＩＮＪ１０８及び１１０とが、結線された状態で示されている。
【００２８】
本電磁弁駆動装置１００は、電圧ＶＢＡＴを有するバッテリー電源から給電される昇圧回路１０２と、昇圧回路１０２によりＶＢＡＴよりも高い電圧Ｖｈまで充電される昇圧電源コンデンサＣ１０４と、Ｃ１０４とＩＮＪ１０８及びＩＮＪ１１０との間に配され、Ｃ１０４からＩＮＪ１０８及びＩＮＪ１１０への通電をオンオフするトランジスタＴＲ１０６と、を有している。
【００２９】
また、電磁弁駆動装置１００は、バッテリー電源からの直接の通電によりＩＮＪ１０８及びＩＮＪ１１０をパルス駆動するためのトランジスタＴＲ１１２と、ＴＲ１０６がオンのときに昇圧電圧ＶｈがＴＲ１１２に印加されるのを阻止するダイオードＤ１１４と、を有している。また、電磁弁駆動装置１００は、上記パルス駆動における通電オフ期間にＩＮＪ１０８およびＩＮＪ１１０に発生する逆起電力による電流をＩＮＪ１０８及びＩＮＪ１１０に還流させるためのダイオードＤ１１６を有している。
【００３０】
また、電磁弁駆動装置１００は、ＩＮＪ１０８及びＩＮＪ１１０とグランド（接地）との間にそれぞれ配されたトランジスタＴＲ１１８及びＴＲ１２０と、ＩＮＪ１０８とＴＲ１１８との接続経路にアノードが接続されたダイオードＤ１２２と、ＩＮＪ１１０とＴＲ１２０との接続経路にアノードが接続されたダイオードＤ１２４と、ＩＮＪ１０８及びＩＮＪ１１０において発生する逆起電力エネルギーをそれぞれＤ１２２及びＤ１２４を介して蓄積するエネルギー回生用のコンデンサＣ１２６と、を有している。ここで、以下における説明のため、Ｄ１２２及びＤ１２４のカソードとＣ１２６の一端とが接続される点を点Ｐ、Ｃ１２６の点Ｐ側に対抗する側の端子に接続された経路上の点を点Ｑと称する。
【００３１】
また、電磁弁駆動装置１００は、昇圧電源コンデンサＣ１０４と回生用コンデンサＣ１２６との互いの接続関係を並列又は直列に切り替えるスイッチング回路網１３６を有し、スイッチング回路網１３６は、スイッチＳＷ１３０及びＳＷ１３２と、ダイオードＤ１２８とにより構成されている。
【００３２】
さらに、電磁弁駆動装置１００は、トランジスタＴＲ１０６、１１２、１１８、及び１２０の動作、並びに、スイッチＳＷ１３０及びＳＷ１３２の動作を制御する制御回路１３４を有する。本実施形態では、制御回路１３４は、内燃機関の動作を管理し制御するＥＣＵ（電子制御装置、Electronic Control Unit）の一部であり、電磁弁駆動装置１００はＥＣＵに組み込まれている。
【００３３】
なお、本実施形態では、昇圧電源コンデンサＣ１０４が第１のコンデンサに相当し、トランジスタＴＲ１１８、１２０が第１のスイッチ回路に相当し、ダイオードＤ１２２、１２４が第１のダイオードに相当し、回生用コンデンサＣ１２６が第２のコンデンサに相当する。また、トランジスタＴＲ１０６が第２のスイッチ回路に相当し、トランジスタＴＲ１１２が第３のスイッチ回路に相当する
【００３４】
トランジスタＴＲ１０６、１１２、１１８、１２０は、それぞれ、制御回路１３４によりそのオンオフが制御されるスイッチとして動作し、本実施例では、トランジスタＴＲ１０６及びＴＲ１１２がＰチャネルＭＯＳＦＥＴ、ＴＲ１１８及びＴＲ１２０がＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。ただし、これに限らず、ＴＲ１０６、１１２、１１８、１２０を、他のタイプのトランジスタ、例えば、他のタイプのＭＯＳＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ以外のＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等で構成されるスイッチング素子、スイッチングデバイス、あるいはスイッチング用ＩＣ（Integrated Circuit）により構成することもできる。
【００３５】
図２Ａは、図１の回路図からスイッチング回路網１３６及びその周辺の回路要素を抜き出して示した図である。なお、図２Ａでは、昇圧回路１０２を、昇圧電圧Ｖｈを供給する電池として等価的に示している。本スイッチング回路網１３６は、回生用コンデンサＣ１２６の点Ｐ側端子（以下、「Ｐ側端子」と称する）と昇圧電源コンデンサＣ１０４の電源側端子（昇圧回路１０２が接続されている端子）との間に配されたスイッチＳＷ１３０と、Ｃ１２６の点Ｑ側端子（以下、「Ｑ側端子」と称する）にアノードが接続されＣ１０４の電源側端子にカソードが接続されたダイオードＤ１２８と、Ｃ１２６のＱ側端子とグランド（接地）との間に配されたスイッチＳＷ１３２とを有する。
【００３６】
ここで、スイッチＳＷ１３０及び１３２は、ＦＥＴやバイポーラトランジスタ等の半導体デバイスにより構成されるスイッチング素子、スイッチングデバイス、あるいはスイッチング用ＩＣにより構成することができる。
【００３７】
なお、本実施形態では、ＳＷ１３０が第４のスイッチ回路に相当し、ＳＷ１３２が第５のスイッチ回路に相当し、Ｄ１２８が第２のダイオードに相当する。
【００３８】
ＳＷ１３０及びＳＷ１３２は、非駆動状態において非導通状態（オフ状態）となるノーマリオープン型のスイッチである。ＳＷ１３０及びＳＷ１３２が共に駆動状態となり導通状態（オン状態）になると、Ｃ１２６のＱ側端子はグランドに接続され、Ｄ１２８には逆方向電圧Ｖｈが印加されることとなるため、Ｃ１２６とＣ１０４は実質的に並列に接続される。これにより、Ｃ１０４及びＣ１２６は、共に端子間電圧がＶｈとなるまで充電される。なお、ダイオードＤ１２２及びＤ１２４により、Ｃ１０４、Ｃ１２６、及び昇圧回路１０２からＴＲ１１８及びＴＲ１２０への電流の流出は遮断される。
【００３９】
ＳＷ１３０及びＳＷ１３２が共に非駆動状態となりオフ状態になると、Ｃ１２６のＱ側端子がＤ１２８を介してＣ１０４の電源側端子と接続され、Ｃ１０４とＣ１２６とは直列に接続されることとなる。これにより、Ｃ１２６のＱ側端子の電位は、Ｄ１２８を介してＣ１０４の電源側端子の電位Ｖｈまで引き上げられ、Ｃ１２６のＰ側端子の電位は２Ｖｈとなる。
【００４０】
なお、実施形態で用いたスイッチング回路網１３６では、Ｃ１０４の電源側端子とＣ１２６のＱ側端子とがＤ１２８を介して接続される構成となっているが、これに限らず、図２Ｂに示すスイッチング回路網１３６´のように、Ｄ１２８に代えて、非駆動状態においてオン状態となっているノーマリクローズ型のスイッチＳＷ２０２を用いることもできる。なお、ＳＷ２０２は第６のスイッチ回路に相当する。
【００４１】
スイッチング回路網１３６´の場合には、ＳＷ１３０、１３２、２０２を全て駆動状態とすれば、ＳＷ１３０及びＳＷ１３２がオン状態、ＳＷ２０２がオフ状態となり、Ｃ１０４とＣ１２６とが並列状態となって電圧Ｖｈまで充電され、ＳＷ１３０、１３２、２０２を全て非駆動状態とすれば、ＳＷ１３０及びＳＷ１３２がオフ状態、ＳＷ２０２がオン状態となってＣ１０４とＣ１２６とが直列に接続されて、点Ｐの電位が２Ｖｈとなる。
【００４２】
次に、ＩＮＪ１０８についての動作を例にとり、電磁弁駆動装置１００の動作について、図３に示す波形図を参照しつつ説明する。図３は、燃料噴射期間における電磁弁駆動装置１００の各部の波形を示す図であり、波形（ａ）はＩＮＪ１０８を流れる電流、波形（ｂ）はＣ１０４の端子間電圧、波形（ｃ）はＣ１２６の端子間電圧、の時間変化を示している。
【００４３】
また、図３の波形（ｄ）はＴＲ１１８のソース・ドレイン間のオン／オフを制御するゲート・ソース間電圧ＶＧＳ１、波形（ｅ）はＴＲ１０６のソース・ドレイン間のオン／オフを制御するゲート・ソース間電圧ＶＧＳ２、波形（ｆ）はＳＷ１３０のオン／オフを制御する制御信号、波形（ｇ）はＳＷ１３２のオン／オフを制御する制御信号、波形（ｈ）はＴＲ１１２のソース・ドレイン間のオン／オフを制御するゲート・ソース間電圧ＶＧＳ３、の時間変化を示している。
【００４４】
図３において、燃料噴射期間の開始前は、昇圧電源コンデンサＣ１０４は、昇圧回路１０２により定まる電圧Ｖｈ（＞ＶＢＡＴ）まで充電されており、回生用コンデンサＣ１２６は、Ｐ側端子が電圧Ｖｒｅ（＞Ｖｈ）となるまで充電されているものとする。なお、Ｖｒｅは、以下に示す動作と同一の動作により、直前の燃料噴射期間の終了時にＩＮＪ１０８の逆起電力により充電された後のＣ１２６の端子間電圧である。
【００４５】
なお、ＴＲ１１８は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴであるためＶＧＳ１が正電圧のときにソース・ドレイン間がオン、ＶＧＳ１が０Ｖのときにソース・ドレイン間がオフとなる。また、ＴＲ１０６は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴであるため、ＶＧＳ２が負電圧のときにソース・ドレイン間がオン、ＶＧＳ２が０Ｖのときにソース・ドレイン間がオフとなる。また、図３に示す波形（ｄ）〜（ｈ）には、各波形のレベルに応じて、対応するトランジスタ及びスイッチの開閉状態（すなわち、“オン”か“オフ”か）が記載されている。
【００４６】
制御回路１３４は、図３の時刻Ｔ１において、燃料噴射期間を開始すべくＴＲ１０６とＴＲ１１８をオンにし（波形（ｄ）及び（ｅ））、昇圧電源コンデンサＣ１０４からの高電圧ＶｈをＩＮＪ１０８に印加する。この高電圧によりＩＮＪ１０８に対応する燃料噴射弁は素早く開弁し、燃料噴射期間が開始される。このとき、ＩＮＪ１０８の通電電流（波形（ａ））は、Ｃ１０４の容量と、ＩＮＪ１０８のインダクタンスと、ＴＲ１０６のソース・ドレイン間抵抗等により定まる時定数を持って増加する。
【００４７】
その後、上記開弁動作に十分な所定の時間が経過しＣ１０４の放電がほぼ完了する時刻Ｔ２に、制御回路１３４はＴＲ１０６をオフにする（波形（ｅ））。ＩＮＪ１０８の通電電流は、ＩＮＪ１０８に発生する逆起電圧によりダイオードＤ１１６を介して還流し、徐々に減少していく（波形（ａ））。なお、この状態においては、ＩＮＪ１０８の一端はＴＲ１１８により接地されており、かつ、Ｄ１２２及びＤ１２４は逆電圧が印加された状態となるため、ＩＮＪ１０８で発生する逆起電圧による電流はＣ１２６へは流入しない。
【００４８】
ＴＲ１０６をオフにした直後の時刻Ｔ３において、制御回路１３４は、ＳＷ１３０及びＳＷ１３２をオンにする（波形（ｆ）及び（ｇ））。これにより、回生用コンデンサＣ１２６は昇圧電源コンデンサＣ１０４と並列に接続されることとなり、回生用コンデンサＣ１２６の電荷がＣ１０４に流れて、一つ前の燃料噴射期間の終了時に回生用コンデンサＣ１２６に蓄積されたＩＮＪ１０８の逆起電力エネルギーが昇圧電源コンデンサＣ１０４に回生される（波形（ｂ）及び（ｃ））。
【００４９】
回生用コンデンサＣ１２６から昇圧電源コンデンサＣ１０４への電荷移動が完了する時刻Ｔ４において、Ｃ１２６とＣ１０４の端子間電圧は同電圧となり、その後は昇圧回路１０２による充電により電圧Ｖｈまで共に上昇していく（波形（ｂ）及び（ｃ））。そして、Ｃ１２６とＣ１０４の端子間電圧がＶｈに達した時刻Ｔ６の後、時刻Ｔ４からＣ１０４及びＣ１２６の充電動作に十分な所定の時間が経過した時刻Ｔ７において、制御回路１３４は、ＳＷ１３０及び１３２をオフにする。これにより、回生用コンデンサＣ１２６のＰ側端子の電位は２Ｖｈとなり、ＩＮＪ１０８の逆起電力エネルギーを回収する準備が整う。
【００５０】
一方、ＴＲ１０６がオフされた時刻Ｔ２の後、ＩＮＪ１０８の通電電流は減少し続ける（波形（ａ））。そして、ＩＮＪ１０８の通電電流が所定値まで低下する時刻Ｔ５において、制御回路１３４はＴＲ１１２のオン／オフ制御を開始し（波形（ｈ））、燃料噴射期間が終了する時刻Ｔ８まで、ＩＮＪ１０８をパルス駆動することにより開弁状態を維持する。このパルス駆動においては、ＴＲ１１２がオンのときにバッテリー電源電圧ＶＢＡＴがＩＮＪ１０８に印加されて開弁状態が維持され、ＴＲ１１２がオフのときは、ＩＮＪ１０８に発生する逆起電圧により、ダイオードＤ１１６を介してＩＮＪ１０８に電流が還流することで、開弁状態が維持される。このため、時刻Ｔ５からＴ８の期間におけるＩＮＪ１０８の通電電流は、鋸歯状に周期変動する波形となる（波形（ａ））。
【００５１】
その後、制御回路１３４は、燃料噴射期間が終了する時刻Ｔ８において、トランジスタＴＲ１１８及びＴＲ１１２をオフにして、ＩＮＪ１０８への通電を停止する（波形（ｄ）及び（ｈ））。この通電停止によりＩＮＪ１０８には逆起電圧が生じ、ＴＲ１１８がオフとなっていることからＩＮＪ１０８のＴＲ１１８側端子の電位は一気に上昇する。
【００５２】
しかしながら、Ｃ１２６のＰ側端子の電位が２Ｖｈとなっているため、ＩＮＪ１０８のＴＲ１１８側端子の電位が２Ｖｈを超えた時点でダイオードＤ１２２がオンとなり、ＩＮＪ１０８からＣ１２６に電流が流れてＣ１２６に逆起電力エネルギーが回収される。すなわち、ＩＮＪ１０８のＴＲ１１８側端子の電位は２Ｖｈにクランプされ、２Ｖｈを超えて上昇しようとするＩＮＪ１０８の逆起電力エネルギーは回生用コンデンサＣ１２６に即座に蓄積されて回収される。その結果、ＩＮＪ１０８に流れる電流は急速に減少して、閉弁時の応答時間が短縮される。より正確には、逆起電力エネルギーの回収時にＣ１２６が充電されるため、Ｃ１２６のＰ側端子の電位は２ＶｈからＶｈ＋Ｖｒｅ（＞２Ｖｈ）まで上昇し（波形（ｃ））、したがって、ＩＮＪ１０８のＴＲ１１８側端子の電位は［２Ｖｈ〜Ｖｈ＋Ｖｒｅ］の範囲でクランプされる。
【００５３】
Ｃ１２６によるＩＮＪ１０８の逆起電力エネルギーの回収が完了し、Ｃ１２６の端子電圧がＶｒｅまで上昇した時刻Ｔ９において、電磁弁駆動装置１００における燃料噴射期間１回分の制御動作が終了する。すなわち、時刻Ｔ９において、電磁弁駆動装置１００は、燃料噴射期間が開始された時刻Ｔ１における初期状態と同じ状態となり、新たな燃料噴射期間を開始できる状態に復帰する。
【００５４】
以上の動作により、電磁弁駆動装置１００は、閉弁時にＩＮＪ１０８に発生する逆起電力エネルギーを、熱として消費することなく昇圧電源に効率的に回生して、以降の燃料噴射期間の開弁動作に用いることができる。このため、電磁弁駆動装置１００は、消費電力が少なく回路の発熱量を低減することができ、電磁弁駆動装置１００が組み込まれたＥＣＵの放熱構造を簡素化してＥＣＵの小型化を図ることができる。
【００５５】
また、電磁弁駆動装置１００は、閉弁前に、スイッチング回路網１３６により回生用コンデンサＣ１２６と昇圧電源コンデンサＣ１０４とを並列に接続して共に充電し、充電後にＣ１２６をＣ１０４と直列に接続して、回生用コンデンサＣ１２６の高電圧側端子の電位を２Ｖｈまで引き上げておくことができる。これにより、電磁弁駆動装置１００は、閉弁時にはダイオードＤ１２２をツェナーダイオードのように動作させることができ、電圧２Ｖｈを超えて上昇しようとするＩＮＪ１０８の逆起電力エネルギーをＣ１２６に回収させてＩＮＪ１０８の電流を素早く低減させ、ＩＮＪ１０８に対応する燃料噴射弁の閉弁時間を短縮することができる
【００５６】
さらに、電磁弁駆動装置１００は、昇圧回路１０２に対する動作制御を要することなく上記の動作を行うことができるため、エネルギー回生に伴う制御を単純化することができる。
【００５７】
また、電磁弁駆動装置１００は、並列に接続されたＩＮＪ１０８とＩＮＪ１１０とを同一のタイミングで燃料噴射するように制御できることは勿論、燃料噴射期間が重ならない範囲において個別に動作させることもできる。すなわち、燃料噴射期間が重ならないように制御される複数のインジェクタに対し、電磁弁駆動装置１００を共通に用いて、これら複数のインジェクタを個別に制御することができる。
【００５８】
図４は、図１に示す構成において、一つの電磁弁駆動装置１００により、並列に接続されたＩＮＪ１０８とＩＮＪ１１０とを、燃料噴射期間が重ならないタイミングで個別に制御する場合の、電磁弁駆動装置１００内における各部の波形の一例を示す図である。
【００５９】
図４において、波形（ａ１）及び（ｄ１）は、図３における波形（ａ）及び（ｄ）と同様に、それぞれＩＮＪ１０８の通電電流及びＴＲ１１８のゲート・ソース間電圧ＶＧＳ１の変化を示している。また、波形（ｂ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）は、図３と同様に、それぞれ、Ｃ１０４の端子間電圧、Ｃ１２６の端子間電圧、トランジスタＴＲ１０６のゲート・ソース間電圧ＶＧＳ２、スイッチＳＷ１３０の制御信号、及びスイッチＳＷ１３２の制御信号を示している。ただし、図４には、図３と異なり、波形（ａ２）にＩＮＪ１１０の通電電流の時間変化が示され、波形（ｄ２）にＩＮＪ１１０とグランドとの間に配されたトランジスタＴＲ１２０のゲート・ソース間電圧ＶＧＳ４の時間変化が示されている。
【００６０】
図４に示す時刻Ｔ１〜Ｔ９の動作は、上述の図３を用いて説明した動作と同様であるので、図３についての説明を援用する。時刻Ｔ１〜Ｔ９に続く時刻Ｔ１´〜Ｔ９´の動作は、ＴＲ１１８（波形（ｄ１））に代わってＴＲ１２０がオンする（波形（ｄ２））ことにより、ＩＮＪ１０８（波形（ａ１））に代わってＩＮＪ１１０が動作する（波形（ａ２））こと以外は、時刻Ｔ１〜Ｔ９における動作と同様である。
【００６１】
すなわち、ＩＮＪ１０８又はＩＮＪ１１０のいずれを動作させるかは、ＴＲ１１８又はＴＲ１２０のいずれをオンさせるかにより制御され、他の、トランジスタやスイッチは、時刻Ｔ１〜Ｔ９における動作と同様の動作を単に繰り返すだけでよく、コンデンサＣ１０４及びＣ１２６の端子電圧の変化も時刻Ｔ１〜Ｔ９における変化と同様である。
【００６２】
特に、電磁弁駆動装置１００は、回生用コンデンサＣ１２６から昇圧電源コンデンサＣ１０４へのエネルギー回生動作と昇圧電源コンデンサＣ１０４の充電動作とが燃料噴射期間内に完了されることから、特許文献４に記載の装置とは異なり、一のインジェクタにおける燃料噴射期間が終了しインジェクタの通電電流がゼロになれば、即座に他のインジェクタの燃料噴射期間を開始することができるという利点を有している。
【００６３】
なお、本実施形態では、電磁弁駆動装置１００を内燃機関の燃料噴射弁を駆動するものとして説明したが、電磁弁駆動装置１００の駆動対象はこれに限らず、流体や気体等の流量制御を行う種々の電磁弁とすることができる。
【００６４】
以上、説明したように、本実施形態に係る電磁弁駆動装置では、回生用コンデンサと昇圧電源コンデンサとの結線状態を変更するスイッチング回路網を用い、燃料噴射期間の終了前に回生用コンデンサを昇圧電源電圧まで充電し、燃料噴射期間の終了時には、当該回生用コンデンサを昇圧電源コンデンサと直列に接続して、インジェクタの逆起電圧を昇圧電源のほぼ２倍の電圧にクランプし、当該電圧を超えて上昇しようとする逆起電力エネルギーを回生用コンデンサに即座に回収する。これにより、本電磁弁駆動装置は、逆起電力エネルギーの回生動作により消費電力を低減しつつ、通電断時のインジェクタの電流減少速度を速めて閉弁時の応答時間を短縮することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１００・・・電磁弁駆動装置、１０２・・・昇圧回路、１３４・・・制御回路、Ｃ１０４・・・昇圧電源コンデンサ、ＴＲ１０６、ＴＲ１１２、ＴＲ１１８、ＴＲ１２０・・・トランジスタ、ＩＮＪ１０８、ＩＮＪ１１０・・・インジェクタ、Ｄ１１４、Ｄ１１６、Ｄ１２２、Ｄ１２４・・・ダイオード、Ｃ１２６・・・回生用コンデンサ、ＳＷ１３０、ＳＷ１３２、ＳＷ２０２・・・スイッチ、１３６・・・スイッチング回路網。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014066196.tif 000008
【図６】
2014066196.tif 000009
【図７】
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