JP7484394B2 - 電磁弁の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁弁の制御装置に関する。

従来、電磁コイルを有する電磁ソレノイドと、複数のポートを有する筒状のスリーブと、スリーブ内で移動する弁体とを備えた電磁弁が、例えば自動車のトランスミッションを動作させるために用いられている。このような電磁弁は、制御装置から供給される電流によって電磁コイルに発生する磁力により、電磁ソレノイドが作動して弁体がスリーブ内で移動する。制御装置は、電磁コイルに供給する電流にディザ振幅を付与することで弁体を微振動させ、弁体の静摩擦に起因するヒステリシス特性の発現を抑制している。

特許文献１に記載の制御装置は、ｎ周期分（ｎは、２以上の整数）のＰＷＭ信号によって１周期分のディザ波を生成する第１モードと、ｍ周期分（ｍは、ｎよりも小さな整数）のＰＷＭ信号によって１周期分のディザ波を生成する第２モードとを、予め設定された切替条件に基づいて切り替えて実行する。この切替条件としては、電磁コイルに供給する電流の目標値である指示電流値、又はＰＷＭ制御のデューティー比が用いられる。

特開２０１６－１６２８５２号公報

ところで、作動油は、油温が低下すると粘性が高くなり、弁体がスリーブに対して動きにくくなるため、電磁コイルに供給する電流を増大させるときの出力油圧と、電磁コイルに供給する電流を減少させるときの出力油圧との差であるヒステリシスが発生しやすくなる。このため、例えば自動車のトランスミッションを動作させる場合の常用域の温度（通常、４０℃～８０℃）で良好な特性が得られるようにディザ振幅を設定した場合には、油温が例えば０℃以下であるときにヒステリシスが大きくなってしまう場合があった。

そこで、本発明は、広い温度域で出力油圧の良好な特性が得られる電磁弁の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、電磁コイルを有する電磁ソレノイドと、複数のポートを有する筒状のスリーブと、前記電磁ソレノイドによって前記スリーブ内で移動する弁体と備え、前記スリーブに対する前記弁体の動きによって前記複数のポート間の作動油の流路が断続される電磁弁を制御する制御装置であって、前記電磁コイルに供給する電流を制御する電流制御手段と、前記作動油の温度に応じて前記電流のディザ振幅を調節するディザ振幅調節手段とを備え、前記ディザ振幅調節手段は、前記作動油の温度に対応して設定される上限値と下限値との間に前記電流のディザ振幅を調節する、電磁弁の制御装置を提供する。

本発明に係る電磁弁の制御装置によれば、広い温度域で出力油圧の良好な特性を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る電磁弁の構成をバルブボディと共に示す断面図である。 制御装置の制御構成の一例を電磁弁等と共に示す構成図である。 電磁コイルに供給される制御電流の波形を示している。 （ａ）～（ｃ）は、制御電流を一定の時間当たりの変化量で単調に増加させた後、制御電流を一定の時間当たりの変化量で単調に減少させたときの出力油圧の変化の一例を示すグラフである。 作動油の油温及びディザ振幅を変えて実験を行った実験結果を示すグラフであり、「〇」は良好な特性が得られた場合の油温及びディザ振幅を示し、「△」は良好な特性が得られなかった場合の油温及びディザ振幅を示す。 （ａ）及び（ｂ）は、図５のグラフにおける「〇」及び「△」の判定の一例を示すグラフである。 第２の実施の形態に係る制御装置の制御構成の一例を電磁弁等と共に示す構成図である。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態について、図１乃至図６を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電磁弁の構成をバルブボディと共に示す断面図である。電磁弁１は、電磁ソレノイド２と、中心部に弁孔３０が設けられた筒状のスリーブ３と、弁孔３０内に移動可能に配置された弁体としてのスプール４と、スプール４を電磁ソレノイド２側に付勢する付勢部材としての復帰用スプリング１１と、スリーブ３の端部を閉塞する栓体１２とを備えている。この電磁弁１は、例えば自動車のトランスミッションの油圧アクチュエータを制御するために用いられる。

電磁ソレノイド２は、制御装置６から制御電流の供給を受けて作動し、スプール４を弁孔３０の中心軸線Ｃに沿った軸方向に移動させる。本実施の形態では、電磁ソレノイド２が制御電流の大きさに応じた押圧力でスプール４を復帰用スプリング１１側に押圧する。

電磁弁１は、図１に示すように、バルブボディ５に形成された嵌合穴５０にスリーブ３が嵌合した状態で使用される。バルブボディ５には、スリーブ３内に作動油を供給する供給通路５１と、作動油を油圧アクチュエータ等の油圧供給対象に導く出力通路５２と、出力通路５２に連通するフィードバック通路５３と、余剰な作動油をオイルパンに導くドレン通路５４とが形成されている。供給通路５１には、図略の油圧ポンプから吐出された作動油が供給される。

スリーブ３は、供給通路５１に連通して弁孔３０に作動油を供給する供給ポート３１と、出力通路５２に連通する出力ポート３２と、フィードバック通路５３に連通するフィードバックポート３３と、ドレン通路５４に連通するドレンポート３４とを有している。弁孔３０は、フィードバックポート３３よりも電磁ソレノイド２側の第１孔部３０１、及びフィードバックポート３３よりも栓体１２側の第２孔部３０２からなり、第１孔部３０１の内径が第２孔部３０２の内径よりも大径に形成されている。復帰用スプリング１１は、栓体１２とのスプール４の間で軸方向に圧縮された状態でスリーブ３のスプリング収容空間３５に収容されている。

スプール４には、電磁ソレノイド２側から栓体１２側に向かって、円柱状の第１乃至第３のランド４１～４３が形成されている。第１のランド４１の外径と第２のランド４２の外径とは等しく、第３のランド４３の外径は第１及び第２のランド４１，４２の外径よりも小さく形成されている。第２のランド４２と第３のランド４３との外径の差は、フィードバックポート３３に供給された作動油のフィードバック圧の受圧面積の差となり、この受圧面積の差によってスプール４を電磁ソレノイド２側に押圧する押圧力が発生する。

スプール４は、弁孔３０内で中心軸線Ｃに沿って移動可能に配置され、第１乃至第３のランド４１～４３によって各ポート３１～３４間の流路を断続する。第１のランド４１は、出力ポート３２とドレンポート３４との間の連通を遮断及び開放可能である。第２のランド４２は、供給ポート３１と出力ポート３２との間の連通を遮断及び開放可能であると共に、供給ポート３１とフィードバックポート３３との間の連通を遮断している。第３のランド４３は、フィードバックポート３３とスプリング収容空間３５との間の連通を遮断している。

第１及び第２のランド４１，４２の外径は、弁孔３０における第１孔部３０１の内径よりも僅かに小さく、第３のランド４３の外径は、弁孔３０における第２孔部３０２の内径よりも僅かに小さい。第１及び第２のランド４１，４２の外径と第１孔部３０１の内径との差、ならびに第３のランド４３の外径と第２孔部３０２の内径との差は、作動油の漏れを遮るシール部としての効果を発揮する寸法であり、具体的には例えば２０～３０μｍである。

第１及び第２のランド４１，４２の外周面４１ａ，４２ａは、弁孔３０における第１孔部３０１の内周面３０１ａに僅かな隙間を介して対向する。第３のランド４３の外周面４３ａは、第２孔部３０２の内周面３０２ａに僅かな隙間を介して対向する。スプール４が弁孔３０内で移動すると、第１及び第２のランド４１，４２の外周面４１ａ，４２ａは、弁孔３０における第１孔部３０１の内周面３０１ａを摺動し、第３のランド４３の外周面４３ａは、第２孔部３０２の内周面３０２ａを摺動する。

第１のランド４１は、スプール４の軸方向移動に応じて出力ポート３２とドレンポート３４との間の流路面積を変化させる。第２のランド４２は、スプール４の軸方向移動に応じて供給ポート３１と出力ポート３２との間との間の流路面積を変化させる。これにより、出力ポート３２から出力される作動油の圧力がスプール４の位置に応じて変化する。

電磁ソレノイド２は、スリーブ３に固定されたソレノイドケース２１と、ソレノイドケース２１に保持されたボビン２２と、ボビン２２に巻き回された電磁コイル２３と、電磁コイル２３が発生する磁束を受けてソレノイドケース２１に対して軸方向に移動する円筒状のプランジャ２４と、プランジャ２４と一体に軸方向移動してスプール４を押圧するシャフト２５と、シャフト２５を挿通させる挿通孔２６０を有してソレノイドケース２１の内側に配置されたソレノイドコア２６と、ソレノイドケース２１に対するプランジャ２４の軸方向移動をガイドする円筒状の第１ブッシュ２７と、ソレノイドコア２６に対するシャフト２５の軸方向移動をガイドする円筒状の第２ブッシュ２８と、シャフト２５に外嵌されたリング状のストッパ２９とを有している。

図１では、弁孔３０の中心軸線Ｃよりも上側にシャフト２５がソレノイドケース２１の底部２１１に当接した状態を示し、中心軸線Ｃよりも下側にスプール４が栓体１２に当接した状態を示している。電磁コイル２３の外周は、ボビン２２と一体化されたモールド樹脂部２２１に覆われている。モールド樹脂部２２１には、ソレノイドケース２１外に露出したコネクタ部２２２が設けられ、コネクタ部２２２から電磁コイル２３に制御装置６からの制御電流が供給され、電磁コイル２３が磁力を発生する。プランジャ２４は、電磁コイル２３に供給される制御電流に応じて軸方向に移動する。

図２は、制御装置６の制御構成の一例を、電磁弁１等と共に示す構成図である。制御装置６は、圧力指令値を受けて電流指令値Ｉ^＊を演算する電流指令値演算部６１と、電流指令値Ｉ^＊に応じて電磁コイル２３に供給する電流を制御する電流制御部６２と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行うＰＷＭ制御部６３と、作動油の温度に応じて制御電流のディザ振幅を調節するディザ振幅調節部６４とを備えている。電流制御部６２は、本発明の電流制御手段としての制御処理を行い、ディザ振幅調節部６４は、本発明のディザ振幅調節手段としての制御処理を行う。

電流指令値演算部６１は、上位コントローラ等から圧力指令値を受け、例えば電磁コイル２３に流れる電流と出力ポート３２から出力される出力油圧との関係が定義されたマップ情報を参照して電流指令値Ｉ^＊を演算する。電流制御部６２は、フィードフォワード制御及びフィードバック制御により、電圧指令値Ｖ^＊を演算する。ＰＷＭ制御部６３は、電圧指令値Ｖ^＊に応じたデューティーを設定する。また、本実施の形態では、ディザ振幅調節部６４が、電流制御部６２で用いられる制御ゲインを変えることにより制御電流のディザ振幅を調節する。

電磁弁１の供給ポート３１には、電動モータ７１によって回転駆動される油圧ポンプ７２から、作動油が供給通路５１を介して供給される。油圧ポンプ７２は、オイルパン７０から作動油を汲み上げて供給通路５１に吐出する。出力ポート３２から出力された作動油は、出力通路５２によってトランスミッション７３の油圧アクチュエータに供給され、油圧アクチュエータから排出された作動油はオイルパン７０に還流する。

電磁弁１の電磁コイル２３には、バッテリー７４からの直流電圧がイグニッションスイッチ７５及びスイッチング素子７６を経て供給される。スイッチング素子７６は、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であり、ＰＷＭ制御部６３から出力されるＰＷＭ信号によってオン及びオフされる。スイッチング素子７６がオン状態となったとき、バッテリー７４の直流電圧が電磁コイル２３に印加される。また、スイッチング素子７６の出力側には、電磁コイル２３と並列になるように、フリーホイールダイオード７７が接続されている。

電磁コイル２３を流れる電流は、電流検出部６５によって検出される。電流検出部６５は、シャント抵抗６５１と、シャント抵抗６５１の両端の電位差を増幅する差動増幅器６５２と、差動増幅器６５２の出力電圧をデジタル値に変換するＡＤコンバータ６５３とからなり、ＡＤコンバータ６５３の出力値である実電流値Ｉは、フィードバック制御のために電流制御部６２に出力される。

電流制御部６２は、電流指令値Ｉ^＊と実電流値Ｉとの偏差ｅを演算する偏差演算部６２１と、偏差ｅに基づいて積分補償をする積分パス６２２と、実電流値Ｉに基づいて微分補償をする微分パス６２３と、フィードフォワードパス６２４と、各パスの出力する値を加算して電圧指令値Ｖ^＊を演算する加算部６２５とを有している。

積分パス６２２は、偏差ｅを積分する積分部６２２ａと、積分部６２２ａが出力する値に積分ゲインＧｉを乗じるゲイン乗算部６２２ｂとを有し、ゲイン乗算部６２２ｂが求めた値を積分補償値として出力する。微分パス６２３は、実電流値Ｉを微分する微分部６２３ａと、微分部６２３ａが出力する値に微分ゲインＧｄを乗じるゲイン乗算部６２３ｂとを有し、ゲイン乗算部６２３ｂが求めた値を微分補償値として出力する。フィードフォワードパス６２４は、電流指令値Ｉ^＊にフィードフォワードゲインＧｆを乗じて加算部６２５に出力する。なお、フィードフォワードパス６２４を省略してもよい。

ディザ振幅調節部６４は、作動油の温度に応じて積分ゲインＧｉ、微分ゲインＧｄ、及びフィードフォワードゲインＧｆの少なくとも何れか変えることにより、制御電流のディザ振幅を調節する。これらのゲインを大きくすることにより、スプール４がスリーブ３に対して動くときの電圧指令値Ｖ^＊の時間当たりの変化量が大きくなりやすく、このためディザ振幅が大きくなる。また、これらのゲインを小さくすると、ディザ振幅が小さくなる。

図３は、電磁コイル２３に供給される制御電流の波形を示している。図３において、Ｔｏｎは１回のＰＷＭ周期中にスイッチング素子７６がオンしているオン時間を示し、Ｔｏｆｆはスイッチング素子７６がオフしているオフ時間を示している。オン時間とオフ時間との合計値はディザ周期Ｐｄである。すなわち、本実施の形態では、ＰＷＭ制御による脈流分をディザ電流として利用しており、この脈流分の変化幅（peak to peak）の半分がディザ電流の振幅Ａとなる。

図４（ａ）～（ｃ）は、制御電流を一定の時間当たりの変化量で単調に増加させた後、制御電流を一定の時間当たりの変化量で単調に減少させたときの出力油圧（出力ポート３２から出力される作動油の圧力）の変化の一例を示すグラフである。図４（ａ）は、大きな油振（出力油圧の振動）がなく、ヒステリシスも小さい理想的な波形を示している。図４（ｂ）は、破線で囲んだ範囲において大きな油振が観測された際のグラフである。図４（ｃ）は、グラフ中に二点鎖線で示すヒステリシスがない場合の出力油圧に対し、比較的大きな差異（ヒステリシス）が観測された際のグラフである。

油振は、ディザ振幅が大きくなると発生しやすい。ディザ振幅は、電磁コイル２３に供給される制御電流の変動であり、制御電流が変動すれば、スプール４がスリーブ３に対して振動するためである。一方、ヒステリシスは、ディザ振幅が小さくなると発生しやすい。ディザ振幅が小さくなると、スプール４がスリーブ３に対して円滑に動きにくくなるためである。このため、ディザ振幅には、油振及びヒステリシスが共に抑えられる適切な範囲が存在する。

しかしながら、作動油は温度によって粘性が変わるので、常用域の温度（例えば４０℃～８０℃）で良好な特性が得られるようにディザ振幅を調節した場合には、油温が例えば０℃以下であるときにヒステリシスが大きくなってしまう場合があった。また、０℃以下の低温時にヒステリシスが抑えられる値にディザ振幅を調節した場合には、常用域の温度で油振が大きくなってしまう場合があった。

そこで、本実施の形態では、ディザ振幅調節部６４が、作動油の温度に対応して設定される上限値と下限値との間に制御電流のディザ振幅が含まれるように、ディザ振幅を調節する。また、本実施の形態では、オイルパン７０に油温計７０１が設けられており、この油温計７０１の検出値に基づいてディザ振幅調節部６４がディザ振幅を調節する。なお、油温計７０１は、オイルパン７０に限らず、作動油の流路（例えば供給通路５１）に配置してもよい。

図５は、作動油の油温及びディザ振幅を変えて実験を行った実験結果を示すグラフであり、「〇」は良好な特性が得られた場合の油温及びディザ振幅を示し、「△」は良好な特性が得られなかった場合の油温及びディザ振幅を示している。また、図５において、実線Ｌ_１は、各油温について設定されたディザ振幅の上限値を示し、破線Ｌ_２は、各油温について設定されたディザ振幅の下限値を示している。

この上限値及び下限値は、電磁弁１の使用上問題となる程度の大きさの油振やヒステリシスが発生しないディザ振幅の最大値及び最小値を示している。制御装置６には、この上限値及び下限値が、例えばマップの形式で不揮発性メモリに記憶されており、ディザ振幅調節部６４は、油温計７０１の検出値に基づいて、ディザ振幅が上限値よりも低くかつ下限値よりも高い値になるようにディザ振幅を調節する。また、上限値及び下限値は、作動油の温度が０℃以下である場合の値が、作動油の温度が４０℃以上である場合の２倍以上である。

図６（ａ）及び（ｂ）は、図５のグラフにおける「〇」及び「△」の判定の一例を示すグラフである。図６（ａ）では、ヒステリシスに加えて大きな油振が発生した場合の出力油圧の変化を実線で示し、ヒステリシス及び油振がないとした場合の出力油圧の変化を二点鎖線で示している。図６（ａ）に示すように、油振による出力油圧の差異（ずれ）と、ヒステリシスによる出力油圧の差異とを合わせた圧力Ｐ_１が、所定の閾値以上であれば判定が「△」となる。また、図６（ｂ）に示すように、ヒステリシスによる出力油圧の差異と、スプール４のスティクスリップ現象（静止摩擦力が作用する状態と動摩擦力が作用する状態が交互に発生することによって起きる振動現象）による出力油圧の差異とを合わせた圧力Ｐ_２が所定の閾値以上である場合にも、判定が「△」となる。

なお、図５では、一部の測定点における判定結果を「〇」又は「△」で示しているが、上限値及び下限値をより精度よく設定するためには、多くの測定点における結果に基づいて上限値及び下限値の設定を行うことが望ましい。

（第１の実施の形態の効果）
以上説明した本発明の第１の実施の形態によれば、ディザ振幅調節部６４が、作動油の温度に対応して設定される上限値と下限値との間に制御電流のディザ振幅を調節することにより、例えば０℃以下及び４０℃以上の温度域を含む広い温度域で出力油圧の良好な特性を得ることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について、図７を参照して説明する。第１の実施の形態では、ディザ振幅調節部６４が制御ゲインを変えることによりディザ振幅を調節する場合について説明したが、第２の実施の形態では、ディザ振幅調節部６４が、電磁コイル２３を含む負荷インピーダンスを変えることにより電流のディザ振幅を調節する場合について説明する。

図７は、第２の実施の形態に係る制御装置６の制御構成の一例を、電磁弁１等と共に示す構成図である。図７では、スイッチング素子７６と電磁コイル２３との間に直列に抵抗器７８を設け、この抵抗器７８と並列に負荷インピーダンス変更用のスイッチング素子７９を接続した場合について、制御装置６の出力側の回路を示している。スイッチング素子７９は、ディザ振幅調節部６４によってオン状態とオフ状態とが切り換わる。図７の図示例では、スイッチング素子７９がＦＥＴであり、ディザ振幅調節部６４がこのＦＥＴにゲート信号を出力する。なお、抵抗器７８に替えて、もしくは抵抗器７８に加えて、誘導負荷（インダクタンス）を設けてもよい。

スイッチング素子７９がオン状態となると、抵抗器７８がバイパスされ、負荷インピーダンスが小さくなる。また、スイッチング素子７９がオフ状態となると、電磁コイル２３に抵抗器７８が直列に接続された状態となり、負荷インピーダンスが大きくなる。負荷インピーダンスが大きくなると、ディザ振幅は縮小する。ディザ振幅調節部６４は、油温計７０１の検出値に基づいて、温度ごとに設定された上限値よりも低くかつ下限値よりも高い値になるようにディザ振幅を調節する。

この第２の実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様に、例えば０℃以下及び４０℃以上の温度域を含む広い温度域で出力油圧の良好な特性を得ることができる。また、第１の実施の形態と第２の実施の形態とを組み合わせて実施してもよい。すなわち、作動油の温度に対応して設定される上限値と下限値との間にディザ振幅を調節すべく、ディザ振幅調節部６４が、電流制御部６２の制御ゲインを変えると共に、電磁コイル２３を含む負荷インピーダンスを変えてもよい。

（付記）
以上、本発明を第１及び第２の実施の形態に基づいて説明したが、この実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、一部の構成を省略し、あるいは構成を追加もしくは置換して、適宜変形して実施することが可能である。例えば、制御対象の電磁弁としてはフィードバックポートがないものでもよいし、自動車のトランスミッションへの油圧供給以外の用途に電磁弁を用いてもよい。また、ディザ振幅調節部６４は、ＰＷＭ周期（ディザ周期）を変えることによってディザ振幅を調節するものであってもよい。

１…電磁弁
２…電磁ソレノイド
２３…電磁コイル
３…スリーブ
３１…供給ポート
３２…出力ポート
３３…フィードバックポート
４…スプール（弁体）
６…制御装置
６２…電流制御部（電流制御手段）
６４…ディザ振幅調節部（ディザ振幅調節手段）

Claims (4)

1. 電磁コイルを有する電磁ソレノイドと、複数のポートを有する筒状のスリーブと、前記電磁ソレノイドによって前記スリーブ内で移動する弁体と備え、前記スリーブに対する前記弁体の動きによって前記複数のポート間の作動油の流路が断続される電磁弁を制御する制御装置であって、
   前記電磁コイルに供給する電流を制御する電流制御手段と、前記作動油の温度に応じて前記電流のディザ振幅を調節するディザ振幅調節手段とを備え、
   前記ディザ振幅調節手段は、前記作動油の温度に対応して設定される上限値と下限値との間に前記電流のディザ振幅を調節する、
   電磁弁の制御装置。
2. 前記ディザ振幅調節手段は、前記電流制御手段の制御ゲインを変えることにより前記電流のディザ振幅を調節する、
   請求項１に記載の電磁弁の制御装置。
3. 前記ディザ振幅調節手段は、前記電磁コイルを含む負荷インピーダンスを変えることにより前記電流のディザ振幅を調節する、
   請求項１に記載の電磁弁の制御装置。
4. 前記上限値及び前記下限値は、前記作動油の温度が０℃以下である場合の値が、前記作動油の温度が４０℃以上である場合の２倍以上である、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の電磁弁の制御装置。

Images