(57)【要約】【課題】閾値設定のための基準電圧源を増すことなく回路規模を縮小化でき消費電力を抑制できるようにした電流積分回路を提供する。【解決手段】測定対象電流ｉにより電荷をコモンラインＮ１に蓄積すると、コモンラインＮ１の電位が上昇する。所定時間Ｔｓの経過後、制御回路２がスイッチＳＷ３〜ＳＷ５を切換えることでコモンラインＮ１の電位を切換え、当該コモンラインＮ１の電位を閾値電位Ｖｄｄ／２に近付ける。そして、スイッチＳＷ３〜ＳＷ５の状態をＡ／Ｄ変換結果として取得する。所定時間Ｔｓの経過前に、コンパレータＣＭＰ１がコモンラインＮ１の電位を所定の閾値電位以上と判定すると、測定対象電流ｉを過電流と判定できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコンデンサの一方の端子をコモンラインで共通接続したコンデンサアレイについて、前記複数のコンデンサのそれぞれの他方の端子にスイッチを介して複数固定電位印加手段を接続した状態で互いに並列接続されたコンデンサアレイ回路と、
初期電荷蓄積量に予め調整されたコモンラインに対し測定対象電流を充放電することで当該コモンラインに電荷を蓄積または放出する電荷量制御手段と、
前記コモンラインの電位と所定の閾値電位とを比較する比較手段と、
前記電荷量制御手段により電荷がコモンラインに蓄積または放出された後、前記コンデンサアレイ回路のスイッチを切換えることで前記複数固定電位印加手段によって当該コモンラインの電位を切換える手段であり、前記比較手段を用いて当該コモンラインの電位が前記所定の閾値電位に近い電位になるように前記スイッチを切換えるスイッチ切換手段と、
前記スイッチ切換手段により切換えられた前記コンデンサアレイ回路のスイッチ状態を前記測定対象電流によってコモンラインに充放電された電荷量に対応したＡ／Ｄ変換結果として取得する電荷量取得手段と、
前記電荷量制御手段がコモンラインに電荷を充放電することで前記コモンラインの電位が前記所定の閾値電位を跨いだときに過電流であると判定する過電流判定手段とを備え、
前記比較手段と前記過電流判定手段とは互いにコンパレータによって共用されていることを特徴とする電流積分回路。
【請求項２】
前記電荷量制御手段が前記測定対象電流による電荷をコモンラインに蓄積する前に、前記コモンラインの初期電位を前記所定の閾値電位未満の電位に設定する初期電位設定手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電流積分回路。
【請求項３】
前記電荷量制御手段が前記測定対象電流による電荷をコモンラインから放出する前に、前記コモンラインの初期電位を前記所定の閾値電位以上の電位に設定する初期電位設定手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の電流積分回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流の積分結果をＡ／Ｄ変換出力する電流積分回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電流積分回路は、例えばバッテリの充放電電流、ピエゾ式インジェクタなどのピエゾ素子の印加電圧に応じた電流を検出するときに設けられる。この電流積分回路としては、電流をコンデンサに充電し、その時間積分値を検出することで電荷量を検出する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１０は、特許文献１記載の技術を概略的に表している。差動アンプ１０１が検出抵抗Ｒｓの検出電圧を増幅し、電流生成回路１０２がこの出力電圧に応じた電流を生成し、積分回路１０３がコンデンサＣに生成電流を流して時間積分を行っている。差動アンプ１０１の出力電流は、電流生成回路１０２、積分回路１０３のカレントミラーを介してコンデンサＣに充電され、Ａ／Ｄコンバータ１０４がそのコンデンサＣの端子電圧をＡ／Ｄ変換処理する。また、本願に関連する技術として特許文献２も提供されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１３８４８２号公報
【特許文献２】特公平６−６４０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
素子劣化の抑止、精確な制御のため、電流を時間積分している間に電荷量を常時監視する機能を搭載したいという要望がある。この要望を実現するため、特許文献１の技術を適用しようとすると、常時監視用のコンパレータおよび閾値設定のための基準電圧源が別途必要となり、回路規模の増大、消費電力の増加に繋がる。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、電荷量を常時監視するためのコンパレータを別途必要とすることなく、閾値設定のための基準電圧源を増すことなく回路規模を縮小化でき消費電力を抑制できるようにした電流積分回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、複数のコンデンサからなるコンデンサアレイは、その一方の端子がコモンラインで共通接続されており、他方の端子はそれぞれスイッチを介して複数固定電位印加手段を接続した状態で互いに並列接続されている。このコンデンサアレイのコモンラインは初期電荷蓄積量に予め調整されており、測定対象電流が充放電されることでコモンラインに電荷が蓄積または放出される。電荷量制御手段が、コモンラインに電荷を蓄積または放出した後、スイッチ切換手段は、スイッチを切換えることで複数固定電位印加手段によってコモンラインの電位を切換える。
【０００８】
このとき、スイッチ切換手段は、コモンラインの電位と所定の閾値電位とを比較する比較手段を用いてコモンラインの電位が所定の閾値電位に近い電位になるようにスイッチを切換えるため、スイッチは、測定対象電流に応じて変化したコモンラインの電位に対応したスイッチ切換状態に切換えられることになる。
【０００９】
したがって、電荷量取得手段は、スイッチ切換手段により切換えられたコンデンサアレイ回路のスイッチ状態について、測定対象電流によってコモンラインに充放電された電荷量に対応したＡ／Ｄ変換結果として取得すると、このスイッチ状態について変動した電荷量に対応したＡ／Ｄ変換結果として得られることになる。
【００１０】
さらに、過電流判定手段は、電荷量制御手段がコモンラインに電荷を充放電することで、コモンラインの電位が所定の閾値電位を跨いだとき（所定の閾値電位以上または閾値電位以下になったとき）に過電流であると判定することができるが、比較手段および過電流判定手段としての機能がコンパレータにより共用して構成できるため、回路規模を小型化できる。これにより、閾値設定のためのコンパレータや基準電圧源を増やす必要がなくなり、回路規模を小型化でき消費電力を抑制できる。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、初期電位設定手段は電荷量制御手段が測定対象電流による電荷をコモンラインに注入制御する前に、コモンラインの初期電位を所定の閾値電位未満の電位に設定するため、所定の閾値電位を調整する必要なく過電流閾値レベルを調整できるようになり、別途閾値電位を変化させる回路を設ける必要がなくなる。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、初期電位設定手段は電荷量制御手段が測定対象電流による電荷をコモンラインから放出する前にコモンラインの初期電位を所定の閾値電位以上の電位に設定するため、所定の閾値電位を調整する必要なく過電流閾値レベルを調整できるようになり、別途閾値電位を変化させる回路を設ける必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態を示す電気的構成図
【図２】測定対象電流の信号源の一例を示す回路図
【図３】Ａ／Ｄ変換処理動作の説明図（その１）
【図４】Ａ／Ｄ変換処理動作の説明図（その２）
【図５】Ａ／Ｄ変換処理動作の説明図（その３）
【図６】Ａ／Ｄ変換処理動作の説明図（その４）
【図７】Ａ／Ｄ変換処理前のコモンラインの電荷量の説明図
【図８】Ａ／Ｄ変換処理後のコモンラインの電荷量の説明図
【図９】充電時電荷量の変動に伴う、Ａ：通常充電、Ｂ：過充電の場合の処理を概略的に示すタイミングチャート
【図１０】従来例を示す図１相当図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。ディーゼルエンジンのコモンレールシステムは、圧電素子を多数積層した構造のピエゾスタックに駆動電流を印加することでピエゾ式のインジェクタを駆動している。圧電素子の特徴である応答性の良さによりソレノイド式のインジェクタに比較して素早く駆動できるためである。本実施形態では、このような駆動電流を測定対象電流ｉとし、当該測定対象電流ｉの積分量を電荷量（電荷変動量）として積算した電荷量を取得する実施形態を示す。なお、測定対象電流ｉとしては車載バッテリの充電電流または放電電流などを適用できる。
【００１５】
原理的な説明を簡潔に行うため、３ビットのＡ／Ｄ変換回路１を適用した形態を説明するが、他ビットのＡＤ変換回路に適用できる。図１は、Ａ／Ｄ変換回路の電気的構成を概略的に示している。このＡ／Ｄ変換回路１は、コンパレータＣＭＰ１、コンデンサアレイ回路Ｃａｒ、電荷充放電用のスイッチＳＷ１、初期化用のスイッチＳＷ２、および、電位調整用のスイッチＳＷ３〜ＳＷ５を主として構成され、制御回路２から与えられるスイッチ駆動信号に基づいて動作する。なお、これらの電流積分回路Ｚ（Ａ／Ｄ変換回路１、制御回路２）は半導体集積回路により構成される。制御回路２は、複数固定電位印加手段、電荷量制御手段、スイッチ切換手段、電荷量取得手段、初期電位設定手段としての機能を備える。この構成要素の中で電荷充放電用のスイッチＳＷ１には測定対象電流ｉの信号源が接続されている。
【００１６】
コンデンサアレイ回路Ｃａｒは、静電容量値の互いの比が２のｎ−１乗（但し、ｎは１以上３）のコンデンサ１Ｃ、２Ｃ、４Ｃを並列接続したコンデンサアレイ回路を示している。これらのコンデンサ１Ｃ、２Ｃ、４Ｃは、その一端がコモンラインＮ１で共通接続されている。各コンデンサ１Ｃ、２Ｃ、４Ｃの他端は、それぞれ、スイッチＳＷ３〜ＳＷ５の可動接点に接続されている。
【００１７】
これらのスイッチＳＷ３〜ＳＷ５の固定接点は３つ（それぞれａ，ｂ，ｃと付す）に分かれている。これらのスイッチＳＷ３〜ＳＷ５の同一の固定接点ａには、同一電位（例えば０）が制御回路２から与えられている。また、同様に、スイッチＳＷ３〜ＳＷ５の同一の固定接点ｃには、固定接点ａの印加電位よりも高い同一電位（Ｖｄｄ）が制御回路２から与えられている。
【００１８】
さらに、スイッチＳＷ３〜ＳＷ５の同一の固定接点ｂには、固定接点ａ、ｃの各印加電位とは異なり各固定接点ａ、ｃの中間の同一電位（Ｖｄｄ／２）が制御回路２から与えられている。本実施形態では、固定接点ａ、ｃの１／２の電位（Ｖｄｄ／２）が固定接点ｂに与えられている。コンパレータＣＭＰ１の反転入力端子には、Ａ／Ｄ変換回路１の動作電圧（Ｖｄｄ）よりも低電位となる閾値電位（Ｖｄｄ／２）が制御回路２から与えられている。この閾値電位は過充電検出用の閾値電位として設定されている。
【００１９】
コモンラインＮ１は、コンパレータＣＭＰ１の非反転入力端子に接続されると共に、初期化用スイッチＳＷ２の一方の接点に接続されている。この初期化用スイッチＳＷ２の他方の接点は０Ｖの固定電位が制御回路２から与えられており、当該初期化用スイッチＳＷ２のスイッチをオン状態として所定時間以上固定することで、コモンラインＮ１の電位および初期電荷量を調整できる。このコモンラインＮ１はスイッチＳＷ１を介して測定対象電流ｉの信号源に接続されている。
【００２０】
図２は、測定対象電流ｉの信号源の一例を示している。図２に示す測定対象電流ｉの信号源は、オペアンプＯＰ１の出力に電流増幅用のＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１を付加し、負荷抵抗Ｒ１に流れる電流ｉ＝Ｖｉｎ／Ｒ１をＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ２およびＭ３からなるカレントミラー回路３を介して測定対象電流ｉの信号源としている。
【００２１】
図３ないし図１０は、Ａ／Ｄ変換処理の流れを示す説明図である。まず図３に示すように、制御回路２は、スイッチＳＷ１をオフ制御し、スイッチＳＷ２をオン制御する。また、制御回路２は、スイッチＳＷ３〜ＳＷ５の可動接点を固定接点ｂにそれぞれ切換制御することで、固定接点ｂの電位をＶｄｄ／２に固定する。また、制御回路２は、コンデンサアレイ回路Ｃａｒの一方の端子（コモンラインＮ１）の電位を０Ｖに初期化する。
【００２２】
次に、図４に示すように、制御回路２は、スイッチＳＷ２をオフ制御することでコモンラインＮ１を開放し、その後、制御回路２は、スイッチＳＷ３〜ＳＷ５を切換えることでコモンラインＮ１を初期電位に設定する（初期電位設定手段）。このとき、制御回路２はコモンラインＮ１の電位をコンパレータＣＭＰ１の非反転入力端子に入力された所定の閾値電位未満の電位に設定する。
【００２３】
図４に示す例では、制御回路２は、スイッチＳＷ３、ＳＷ４の可動接点を電位Ｖｄｄ側の固定接点ｃ、スイッチＳＷ５の可動接点を電位０Ｖ側の固定接点ａに切換えることで、初期電位Ｖｃ＝３×Ｖｄｄ／７（＜閾値電位Ｖｄｄ／２より低）に設定している。コンパレータＣＭＰ１は、過充電閾値電位Ｖｄｄ／２とコモンラインＮ１の電位とを比較しているが、コモンラインＮ１の初期電位を調整する理由は、過充電閾値電位の基準電位を変更するためである。
【００２４】
次に、図５に示すように、制御回路２は、スイッチＳＷ１をオン制御することで測定対象電流ｉの信号源をコモンラインＮ１に接続する。すると、コモンラインＮ１の電荷量が変化し当該コモンラインＮ１の電位が変化する。この場合、測定対象電流ｉによりコモンラインＮ１に電荷が注入されるとコモンラインＮ１の電位が上昇する。制御回路２は、所定時間経過した後にスイッチＳＷ１をオフ制御することで測定対象電流ｉの信号源をカットする。なお、コモンラインＮ１の電位が測定対象電流ｉの印加に応じて上昇すると、過充電となる場合がある。この場合、コンパレータＣＭＰ１がコモンラインＮ１の電位について閾値電位を上回ったと判定し、制御回路２はスイッチＳＷ１を開放することで充電動作を停止する。
【００２５】
次に、図６に示すように、制御回路２は、スイッチＳＷ３〜ＳＷ５を切換制御することで、コンパレータＣＭＰ１が電位Ｖｃを所定の閾値電位Ｖｄｄ／２よりも高いか低いか判定し、最終的に閾値電位Ｖｄｄ／２に最も近くなるように切換える。このように切換えることで各コンデンサ１Ｃ、２Ｃ、４Ｃの蓄積電荷を再分配する。
【００２６】
そして、制御回路２は、このときのスイッチＳＷ３〜ＳＷ５のスイッチ状態を取得することで測定対象電流ｉによる電荷変動量をＡ／Ｄ変換結果として取得できる。以下、このＡ／Ｄ変換動作原理について説明する。測定対象電流ｉの信号源接続前の初期状態におけるコモンラインＮ１の初期電荷量Ｑｉは、
【００２７】
【数１】
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【００２８】
と求められる。図７は、前述説明の図３に表す図と同一タイミングの図を表している。図７に示す各コンデンサ４Ｃ、２Ｃ、１Ｃのそれぞれの電荷量−Ｑ１、−Ｑ２、−Ｑ３は、（１）式の第１項、第２項、第３項の電荷量にそれぞれ対応しており、コモンラインＮ１の初期電荷量はこれらの合計電荷量となる。その後、スイッチＳＷ２をオフし、スイッチＳＷ１をオンして測定対象電流ｉの信号源を所定時間接続した後、再度スイッチＳＷ１をオフし、その後、スイッチＳＷ３〜ＳＷ５を切換える（図６の説明参照）。このときのコモンラインＮ１の電荷量Ｑｉ＋ΔＱは、
【００２９】
【数２】
2013003089.tif 000004
【００３０】
となる。図８は、前述説明の図６に表す図と同一タイミングの図を表している。ここで、ΔＱは測定対象電流ｉの信号源接続前後におけるコモンラインＮ１の電荷変動量（電荷量）を示している。また、ｄ２、ｄ１、ｄ０は、Ｖｄｄ側に設定された場合を「１」、０Ｖ側に設定された場合を「０」とした各スイッチＳＷ３〜ＳＷ５のスイッチ状態を表している。
【００３１】
この場合、図６の説明時点において、コモンラインＮ１の電位Ｖｃを閾値電位Ｖｄｄ／２に収束するように、スイッチＳＷ３〜ＳＷ５のスイッチ状態ｄ２，ｄ１，ｄ０を設定するため、
【００３２】
【数３】
2013003089.tif 000005
【００３３】
と求められる。（１）式および（３）式に基づいてＱｉを消去すれば、
【００３４】
【数４】
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【００３５】
と求められる。
したがって、コモンラインＮ１の電位Ｖｃを閾値電位Ｖｄｄ／２に収束するように各スイッチＳＷ３〜ＳＷ５を調整した後、スイッチ状態ｄ２、ｄ１、ｄ０の「１」又は「０」を（４）式に代入することで、電荷変動量（電荷量）ΔＱを算出して取得できる。
【００３６】
図９は、コモンラインにおける総電荷量の時間的変化と、過充電判定処理、Ａ／Ｄ変換処理の流れをタイミングチャートにより示している。
図９に示すように、コモンラインＮ１の総電荷量は、測定対象電流ｉの時間的変化に伴い変化する。図５に示したように、測定対象電流ｉは、所定時間Ｔｓの間スイッチＳＷ１がオンすることで電荷がコモンラインＮ１に注入される。
【００３７】
コンパレータＣＭＰ１は、この所定時間Ｔｓの間、閾値電位Ｖｄｄ／２を超えるか否かを判定することで、総電荷量Ｑｉ＋ΔＱがしきい値の電荷量を超えるか否かを判定しているが、制御回路２はコンパレータＣＭＰ１の出力ＯＵＴが変化したか否かを検出することで過充電したか否かを判定する。所定時間Ｔｓ中の充電期間に閾値電位Ｖｄｄ／２を跨がないときには（図９：Ａ通常の充電）、その所定時間Ｔｓの経過後、制御回路２がＡ／Ｄ変換処理を行い、Ａ／Ｄ変換値を出力する（図９：Ａ通常の充電の場合参照）。
【００３８】
何らかの影響により測定対象電流ｉが上昇し、所定時間Ｔｓに至る前の時刻Ｔｘのタイミングにて、コンパレータＣＭＰ１がコモンラインＮ１の電位がＶｄｄ／２の閾値電位を超えると判定すると、総電荷量がしきい値レベルを超えたと判定し（図９：Ｂ過充電の場合参照）、過充電であると判定する。この場合、コンパレータＣＭＰ１の出力が変化し、充電停止処理を行う。この場合、Ａ／Ｄ変換処理は行われることなく、Ａ／Ｄ変換値も出力しない（図９：Ｂ過充電の場合参照）。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば次に示すように作用する。コンデンサアレイ回路ＣａｒのコモンラインＮ１は予め電荷０（初期電荷蓄積量）に調整される。そして、制御回路２がスイッチＳＷ１をオン制御することで測定対象電流ｉをコモンラインＮ１に接続する。測定対象電流ｉにより電荷がコモンラインＮ１に蓄積され、当該コモンラインＮ１の電位が上昇する。所定時間Ｔｓの経過後、制御回路２がスイッチＳＷ３〜ＳＷ５を切換えることでコモンラインＮ１の電位を切換え、当該コモンラインＮ１の電位を閾値電位Ｖｄｄ／２に近付ける。
【００４０】
そして、コモンラインＮ１の電位が閾値電位Ｖｄｄ／２に最も近づいた状態で、制御回路２はスイッチＳＷ３〜ＳＷ５の状態をＡ／Ｄ変換結果として取得する。すると、このスイッチＳＷ３〜ＳＷ５のスイッチ状態がコモンラインＮ１に充放電された電荷量に対応したＡ／Ｄ変換結果として取得できる。
【００４１】
また、所定時間Ｔｓの経過前に、コンパレータＣＭＰ１がコモンラインＮ１の電位を所定の閾値電位以上と判定すると、測定対象電流ｉを過電流であると判定できる。この場合、コンパレータＣＭＰ１が、Ａ／Ｄ変換結果を取得するための比較手段としての機能と、過電流判定手段としての機能とを兼ねているため、回路規模を小型化できる。閾値電位設定のための基準電圧源を増やす必要がなくなり、回路規模を小型化でき消費電力を抑制できる。
【００４２】
制御回路２が、スイッチＳＷ１をオンして測定対象電流ｉによる電荷をコモンラインＮ１に注入する前にコモンラインＮ１の初期電位を閾値電位未満の電位に設定できるため、コンパレータＣＭＰ１の閾値電位（Ｖｄｄ／２）を調整する必要なく過電流閾値レベルを調整できるようになり、閾値電位の生成回路を別途設ける必要がなくなる。
【００４３】
（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形または拡張が可能である。
【００４４】
制御回路２が実現する各手段（複数固定電位印加手段、電荷量制御手段、スイッチ切換手段、電荷量取得手段、初期電位設定手段）は、制御回路２の内部に一体に構成しても良いし、制御回路２の外部に別途当該手段を別体に構成しても良い。
【００４５】
充電電荷量を取得する実施形態を示したが、逆に、放電電荷量を取得する形態に適用しても良い。この場合、初期電位をコンパレータＣＭＰ１の所定の閾値電位（Ｖｄｄ／２）を超える電位（Ｖｄｄ／２を超えてＶｄｄ以下）に設定すると良い。すると、測定対象電流ｉによってコモンラインＮ１から電荷を放電させることで所定の閾値電位Ｖｄｄ／２以下となるタイミングで過放電であると判定できる。
【００４６】
また、所定時間Ｔｓを経過した後、コンパレータＣＭＰ１を用いてコモンラインＮ１の電位が閾値電位Ｖｄｄ／２に近付くようにスイッチＳＷ３〜ＳＷ５を切換え、当該スイッチＳＷ３〜ＳＷ５のスイッチ状態を検出することで、制御回路２は放電量のＡ／Ｄ変換結果を取得できる。
【符号の説明】
【００４７】
図面中、１はＡ／Ｄ変換回路、２は制御回路（複数固定電位印加手段、電荷量制御手段、スイッチ切換手段、電荷量取得手段、初期電位設定手段）、３はカレントミラー回路、Ｒ１は負荷抵抗、ＳＷ１は測定対象電流による電荷充放電用のスイッチ、ＳＷ２は初期化用のスイッチ、ＳＷ３〜ＳＷ５はスイッチ、ＣＭＰ１はコンパレータ（比較手段、過電流判定手段）、Ｃａｒはコンデンサアレイ回路、４Ｃ、２Ｃ、１Ｃはコンデンサ、Ｎ１はコモンラインを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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