JP2006046255A - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 保護素子の整流作用によって点火装置が誤動作してしまうことを防止する。
【解決手段】 制御回路ＩＣ３における点火信号が入力される信号線に、互いにバックトゥバック接続された２つのツェナーダイオード１１、１２を含む保護素子１０が備える。このような構成の点火装置によれば、ツェナーダイオードが有する整流作用によって流れようとする電流に対して、２つのツェナーダイオード１１、１２の内の一方が逆方向となるため、電流が流れない。したがって、制御回路ＩＣ３に点火信号を入力するための信号線の電位レベルが誤ったレベルになるという現象が発生することを防止することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コイル電流を通電・遮断するパワースイッチング素子と、それを制御するための制御回路ＩＣとを有し、さらに、制御回路ＩＣにおける点火信号が入力される回路部を外来サージから保護する機能を備えた内燃機関用点火装置（以下、単に点火装置という）に関するものである。
従来、点火コイルへの通電を制御することで、内燃機関での点火タイミングを制御する点火装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このような点火装置において、点火コイルに流すコイル電流の通電・遮断を行うパワースイッチング素子を制御をするための制御回路ＩＣを外来サージから保護すべく、保護素子となるツェナーダイオードを接続したものがある。具体的には、ツェナーダイオードは、制御回路ＩＣに対して点火信号を送る入力端子側にカソード、ＧＮＤ端子側にアノードがそれぞれ接続された構成となっている。このような接続形態とされることで、外来サージが発生したとしても、それをツェナーダイオードの電圧クランプ機能を抑制できるため、制御回路ＩＣに高電圧が印加されてしまうことを防止できる。
特開平１０−２７４１４２号公報
近年、点火装置は、プラグホール内に搭載されるようになってきている。この場合、図７の模式図に示したように、点火装置Ｊ１のＧＮＤはエンジンＪ２に結線されることで、エンジンＧＮＤとされる。
これに対し、信号発生源となる点火装置駆動用のＥＣＵＪ３のＧＮＤは必ずしもエンジンＪ２に直接接続されるわけではなく、例えば、ボディーＧＮＤとされるのが一般的である。
このような場合、エンジンＧＮＤとボディーＧＮＤとの間に配線抵抗等の抵抗が存在していることから、点火装置Ｊ１のＧＮＤと信号発生源となるＥＣＵＪ３とＧＮＤが完全には同電位とならなくなり、電位差が発生することになる。
また、エンジン始動を行うためのスタータＪ４は、エンジンＪ２内に設置されていると共に、エンジンＧＮＤとされている。したがって、スタータ始動時には、電源Ｊ５からスタータＪ４に流される大電流が、図中矢印Ａ、つまり、電源Ｊ５→スタータＪ４→エンジンＧＮＤ→配線Ｊ６→ボディーＧＮＤ→電源Ｊ５の経路を通じて流れるようになっている。
このとき、その経路中の配線抵抗は大きなものではないものの、流れる電流が非常に大きいため、エンジンＪ２をボディーＧＮＤに接続するための配線Ｊ６での電圧降下量が無視できない大きさとなる。このため、エンジンＧＮＤとボディーＧＮＤとの間の電位差が大きくなる。
このような状態になると、上述したよう従来の保護素子となるツェナーダイオードの順方向に電流が流れることになり、ツェナーダイオードが保護素子として機能しなくなる。このため、電流が流れた保護素子そのもの、さらには保護素子が接続される入力端子との接続部を破損させてしまう可能性がある。
なお、このような現象は、スタータ始動時に限らず、例えばオルタネータ発電時などのように、エンジンＧＮＤを用いる構成部品に一時的に大電流が流れるような場合すべてで発生し得る。
さらに、点火装置がエンジンに搭載されるようになると、信号発生源となる点火装置駆動用ＥＣＵとの距離が離れ、これらの間を結ぶための配線の長さ（配線長）が長くなる傾向がある。そのため、点火信号を伝達するための信号線の配線長が長くなり、信号線の配線容量が大きくなる。
そして、従来のように、入力端子側にカソード、ＧＮＤ端子側にアノードがそれぞれ接続されたツェナーダイオードは整流作用があるため、電波照射時にその整流作用により、配線容量に電荷が充電され、入力端子の電圧を変動させてしまう。このとき、上述したように、信号線の配線容量が大きいことから、入力端子の電圧変動も大きくなる。
これにより、例えば、本来ならば信号線の電位レベルがローレベルにならなければならないにも関わらずハイレベルになってしまい、制御回路ＩＣに誤った電位レベルの信号が入力されてしまう。このため、制御回路ＩＣが誤って半導体スイッチング素子をＯＮさせてしまうなど、点火装置を誤動作させてしまうという問題も発生させる。
本発明は上記点に鑑みて、点火装置のＧＮＤと信号発生源となる点火装置駆動用のＥＣＵのＧＮＤとの間に発生する電位差に起因して、保護素子などが破損することを防止することを目的とする。
また、保護素子の整流作用によって点火装置が誤動作してしまうことを防止することも目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、制御回路ＩＣ（３）における点火信号が入力される信号線とＧＮＤとの間に、互いにバックトゥバック接続された２つのツェナーダイオード（１１、１２）を含む保護素子（１０）が備えることを特徴としている。
このような構成の点火装置によれば、上述したように、点火装置のＧＮＤと信号発生源となる点火装置駆動用ＥＣＵのＧＮＤとの間の電位差が大きくなったとしても、２つのツェナーダイオード（１１、１２）の内の一方がその電位差に基づいて流れようとする電流に対して逆方向となるため、電流が流れない。
したがって、点火装置のＧＮＤと信号発生源となる点火装置駆動用ＥＣＵのＧＮＤとの間に発生する電位差に起因して、保護素子（１０）などが破損されることを防止することが可能となる。
また、保護素子（１０）を構成する２つのツェナーダイオード（１１、１２）が有する整流作用に関しても、整流作用によって流れようとする電流に対して、２つのツェナーダイオード（１１、１２）の内の一方が逆方向となるため、電流が流れない。
したがって、制御回路ＩＣ（３）に点火信号を入力するための信号線の電位レベルが誤ったレベルになるという現象が発生することを防止することができる。これにより、制御回路ＩＣ（３）に誤った電位レベルの信号が入力されることを抑制でき、制御回路ＩＣ（３）が誤って半導体スイッチング素子（５）をＯＮさせてしまうなど、点火装置を誤作動させてしまうことを防止することができる。
このような構成の点火装置では、請求項２に示されるように、保護素子（１０）が制御回路ＩＣ（３）と共に１チップとされて一体化された構成としても良いし、請求項３に示されるように、保護素子（１０）と制御回路ＩＣ（３）とが別体とされた構成としても良い。
また、請求項４に示されるように、スイッチＩＣ（２）と制御回路ＩＣ（３）とが共に１チップとされて一体化された構成としても良いし、請求項５に示されるように、スイッチＩＣ（２）と制御回路ＩＣ（３）とが別体とされた構成としても良い。
また、２つのツェナーダイオード（１１、１２）は、請求項６に示されるように、ポリシリコンＰＮ接合で形成されていても、シリコンへの不純物拡散によるＰＮ接合によって形成されていても、いずれであっても構わない。
請求項７に記載の発明では、制御回路ＩＣ（３）には、点火信号の波形整形を行うための波形整形回路（８）が備えられ、該波形整形回路（８）が点火信号をベース電圧として入力する第１ＰＮＰトランジスタ（２０ａ）と、第１ＰＮＰトランジスタ（２０ａ）がＯＮしたときにはＯＦＦされると共にＯＦＦしたときにはＯＮされる第２ＰＮＰトランジスタ（２０ｂ）とを備えるコンパレータ（２０）によって構成されていることを特徴としている。
バイポーラトランジスタには、ＯＦＦからＯＮへの切り替わり動作は速く、ＯＮからＯＦＦへの切り替わり動作は遅いという特性がある。このため、点火信号に高周波ノイズが載っていた場合において、瞬間的に点火信号の電位レベルが増加したとしても、第１ＰＮＰトランジスタ（２０ａ）がもともとＯＮ状態になっているため、瞬間的な点火信号の電位レベルの増加によって第１ＰＮＰトランジスタ（２０ａ）がＯＦＦされてしまわない。
このため、高周波ノイズによって点火装置が誤動作してしまうことを防止することが可能となる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態が適用された車両用の点火装置について説明する。
図１は、本実施形態における点火装置１の回路構成図である。また、図２は、本実施形態における点火装置１の部品構成レイアウト図である。これらの図を参照して、本実施形態における点火装置１について説明する。
図１に示されるように、点火装置１には、スイッチＩＣ２と制御回路ＩＣ３とが備えられている。これらスイッチＩＣ２と制御回路ＩＣ３とは別々のチップで構成され、互いに配線を介して接続された構成となっている。
スイッチＩＣ２は、点火コイル４の１次巻線４ａへの通電のスイッチング制御を行うためのものである。このスイッチＩＣ２には、ＩＧＢＴ５と抵抗６が備えられている。
ＩＧＢＴ５へのゲート電圧は、抵抗６を介して入力される制御回路ＩＣ３からの制御信号によって行われるようになっている。そして、ＩＧＢＴ５へのゲート電圧の電位レベルがハイレベルになるとＩＧＢＴ５がＯＮし、点火コイル４における１次巻線４ａへの通電が行われ、ゲート電圧の電位レベルがローレベルになるとＩＧＢＴ５がＯＦＦし、点火コイル４における１次巻線４ａへの通電が遮断されるようになっている。
なお、抵抗６は、ＩＧＢＴ５のゲートに対してゲート電圧を印加するための入力抵抗である。
一方、制御回路ＩＣ３は、エンジンＥＣＵ７から送られてくる点火信号をスイッチＩＣ２におけるＩＧＢＴ５の制御信号として伝える役割を果たすものである。制御回路ＩＣ３には、保護抵抗３ａを通じて所定電圧を発生させる電源３ｂからの電力供給が為されるようになっており、この電源３ａからの電力供給に基づいて制御回路ＩＣ３が駆動されるようになっている。
この制御回路ＩＣ３には、波形整形回路８とゲートドライブ回路９とが備えられている。これらの構成により、制御回路ＩＣ３に入力された点火信号は、波形整形回路８によって波形整形されたのち、ゲートドライブ回路９によってＩＧＢＴ５をＯＮ／ＯＦＦ駆動するためのゲート電圧に変換されるようになっている。このため、ゲートドライブ回路９から印加されるゲート電圧によってＩＧＢＴ５がＯＮ／ＯＦＦ駆動される。
さらに、エンジンＥＣＵ７から点火信号が入力される入力端子、具体的には制御回路ＩＣ３の前段に、保護素子１０が接続されている。この保護素子１０は、２つのツェナーダイオード１１、１２を含んだ構成となっている。２つのツェナーダイオード１１、１２は、例えばポリシリコンＰＮ接合によって構成されたもので、互いのアノード端子同士、もしくはカソード端子同士が接続されたバックトゥバック接続が為されている。
そして、このように構成される点火装置１の各構成要素が、図２に示されるように、一枚の金属板を打ち抜いて形成した各種端子を構成するリードフレーム１４の上の所定位置に実装されたのち、モールド樹脂１ａによって樹脂封止されることで、点火装置１が構成されている。
具体的には、スイッチングＩＣ２は、点火コイル４の１次巻線４ａに接続される出力端子１４ａの上に実装され、制御回路ＩＣ３、保護素子１０および保護抵抗３ａは、ＧＮＤ端子１４ｂの上に実装されている。
そして、スイッチングＩＣ２は、ボンディングワイヤ１５ａを介してＧＮＤ端子１４ｂと、ボンディングワイヤ１５ｂを介して制御回路ＩＣ３と電気的に接続されている。また、制御回路ＩＣ３は、ボンディングワイヤ１５ｃを通じてＧＮＤ端子１４ｂと、ボンディングワイヤ１５ｄを通じて保護素子１０と、ボンディングワイヤ１５ｅを通じて保護抵抗３ａと電気的に接続されている。保護素子１０は、ボンディングワイヤ１５ｆを通じて、エンジンＥＣＵ８からの点火信号が入力される入力端子１４ｃと電気的に接続されている。さらに、保護抵抗３ａは、ボンディングワイヤ１５ｇを通じて電源３ｂに接続される定電圧（＋Ｂ）端子１４ｄと電気的に接続されている。
なお、ここでいうＧＮＤ端子１４ｂは、例えばエンジンＧＮＤに接続される端子であり、上述したように、制御回路ＩＣ３をＧＮＤ端子１４ｂに接続することで、エンジンＥＣＵ７が接続されるボディーＧＮＤとは異なるアース形態がとられることになる。
以上のような構成により点火装置１が構成されている。そして、スイッチＩＣ２に備えられたＩＧＢＴ５のコレクタ端子に点火コイル４の１次巻線４ａが接続されると共に、点火コイル４の２次巻線４ｂがプラグ１３に接続されることで、点火装置１によるプラグ１３の点火タイミングの制御が行われるようになっている。
このような構成の点火装置１は、エンジンＥＣＵ７からの点火信号がハイレベルとなると、制御回路ＩＣ３および抵抗６を介して各ＩＧＢＴ５に高いゲート電圧が印加され、各ＩＧＢＴ５がＯＮ状態とされる。このため、各ＩＧＢＴ５のコレクタ−エミッタ間に電流が流れ、点火コイル４の１次巻線４ａに流されるコイル電流が上昇していく。これにより、２次巻線４ｂからプラグ１３の放電に必要な電流が流され、内燃機関において点火が行われる。
そして、エンジンＥＣＵ７からの点火信号がローレベルとなると、ＩＧＢＴ５のゲート電圧が低下するため、ＩＧＢＴ５がＯＦＦ状態とされ、点火コイル４の１次巻線４ａへのコイル電流が遮断される。
続いて、本実施形態における点火装置１の効果について説明する。
本実施形態の点火装置１では、制御回路ＩＣ３の前段において、バックトゥバック接続された２つのツェナーダイオード１１、１２で構成された保護素子１０を接続している。このような構成の点火装置１によれば、上述したように、スタータ始動時などにおいてエンジンＧＮＤとボディーＧＮＤとの間の電位差が大きくなったとしても、２つのツェナーダイオード１１、１２の内の一方、つまりツェナーダイオード１２がその電位差に基づいて流れようとする電流に対して逆方向となるため、電流が流れない。
したがって、点火装置１のＧＮＤとなるエンジンＧＮＤと信号発生源となるエンジンＥＣＵ７のＧＮＤとなるボディーＧＮＤとの間に発生する電位差に起因して、保護素子１０などが破損されることを防止することが可能となる。
また、保護素子１０を構成する２つのツェナーダイオード１１、１２が有する整流作用に関しても、整流作用によって流れようとする電流に対して、２つのツェナーダイオード１１、１２の内の一方、つまりツェナーダイオード１２が逆方向となるため、電流が流れない。
したがって、エンジンＥＣＵ７と制御回路ＩＣとを結ぶ信号線の電位レベルがローレベルにならなければならないのにも関わらずハイレベルになってしまうという現象が発生することを防止することができる。これにより、制御回路ＩＣ３に誤った電位レベルの信号が入力されることを抑制でき、制御回路ＩＣ３が誤ってＩＧＢＴ５をＯＮさせてしまうなど、点火装置１を誤作動させてしまうことを防止することができる。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して波形整形回路８の構成の一例を示したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
図３は、本実施形態における点火装置１の模式図である。この図に示されるように、波形整形回路８は、点火信号の電位レベルを所定電圧Ｖｒｅｆと大小比較するコンパレータ２０によって構成されている。
図４は、波形整形回路８を構成するコンパレータ２０の回路構成例を示したものである。この図に示されるように、コンパレータ２０には、２つのＰＮＰトランジスタ２０ａ、２０ｂと２つの抵抗２０ｃ、２０ｄ、定電流源２０ｅおよびゲート駆動電圧源２０ｆが備えられている。
ＰＮＰトランジスタ２０ａと抵抗２０ｃが直列接続されていると共に、ＰＮＰトランジスタ２０ｂと抵抗２０ｄが直列接続されており、直列接続された各ラインが定電流源２０ｅに対して、並列的に接続された構成となっている。そして、ＰＮＰトランジスタ２０ａのゲート端子に点火信号が入力され、ＰＮＰトランジスタ２０ｂと抵抗２０ｄとの間（点Ａ）の電位がゲートドライブ回路９へ出力されるようになっている。
このように、波形整形回路８が図４に示されるような回路構成とされる場合、点火信号の電位レベルがローレベルの時には、ＰＮＰトランジスタ２０ａがＯＮ、ＰＮＰトランジスタ２０ｂがＯＦＦされることになる。このため、点Ａでの電位がローレベルとなり、ＩＧＢＴ５がＯＦＦされる。
一方、点火信号の電位レベルがハイレベルの時には、ＰＮＰトランジスタ２０ａがＯＦＦ、ＰＮＰトランジスタ２０ｂがＯＮされることになる。このため、点Ａでの電位がハイレベルとなり、ＩＧＢＴ５がＯＮされることになる。
このようにして点火装置１のＩＧＢＴ５がＯＮ／ＯＦＦ駆動される。このとき、本実施形態では、点火信号がＰＮＰトランジスタ２０ａのベース端子に入力されるようになっている。このため、以下の効果を得ることが可能となる。
バイポーラトランジスタには、ＯＦＦからＯＮへの切り替わり動作は速く、ＯＮからＯＦＦへの切り替わり動作は遅いという特性がある。このため、点火信号に高周波ノイズが載っていた場合において、瞬間的に点火信号の電位レベルが増加したとしても、ＰＮＰトランジスタ２０ａがもともとＯＮ状態になっているため、瞬間的な点火信号の電位レベルの増加によってＰＮＰトランジスタ２０ａがＯＦＦされてしまわない。
このため、高周波ノイズによって点火装置１が誤動作してしまうことを防止することが可能となる。
（他の実施形態）
（１）上記実施形態では、図２に示されるように、保護素子１０、制御回路ＩＣ３およびスイッチＩＣ２とがそれぞれ別々のチップで構成されたものについて説明した。しかしながら、これは単なる一例であり、必ずしもすべてを別々のチップで構成しなければならない訳ではない。
図５に、保護素子１０と制御回路ＩＣ３とを１チップで構成した例を示す。図５（ａ）は、点火装置１の部品構成レイアウト図、図５（ｂ）は、点火装置１の部分断面図である。この図に示されるように、制御回路ＩＣ３と保護素子１０とを１つのチップにまとめて一体化することも可能である。
また、図示しないが、スイッチＩＣ２と制御回路ＩＣ３とを１つのチップにまとめて一体化することも可能である。
（２）上記実施形態では、２つのツェナーダイオード１１、１２をポリシリコンＰＮ接合により構成したものを例に挙げて説明したが、これも単なる一例を示したものに過ぎない。例えば、２つのツェナーダイオード１１、１２をシリコンへの不純物拡散によってＰＮ接合を形成した構成としても構わない。
（３）上記第２実施形態において、コンパレータ２０の内部構成の一例を示したが、他の構成としても良い。例えば、図６に示されるように、図４で示した抵抗２０ｃ、２０ｄに代えて、カレントミラー接続されたＮＰＮトランジスタ２０ｇ、２０ｈによって構成されるものであっても良い。
本発明の第１実施形態における点火装置の回路構成図である。 図１に示す点火装置の部品構成レイアウト図である。 本発明の第２実施形態における点火装置の回路構成図である。 図３に示す点火装置における波形整形回路を構成するコンパレータの内部構成例を示す回路図である。 他の実施形態で示す保護素子と制御回路ＩＣとを１チップで構成した場合を示した図であり、（ａ）は、点火装置の部品構成レイアウト図、（ｂ）は、点火装置１の部分断面図である。 他の実施形態で示す点火装置における波形整形回路を構成するコンパレータの内部構成例を示す回路図である。 点火装置のＧＮＤと点火装置駆動用のＥＣＵのＧＮＤとの関係を示した模式図である。
符号の説明
１…点火装置、２…スイッチＩＣ、３…制御回路ＩＣ、４…点火コイル、４ａ…１次巻線、４ｂ…２次巻線、５…ＩＧＢＴ、８…波形整形回路、９…ゲートドライブ回路、１０…保護素子、１１、１２…ツェナーダイオード、１３…プラグ、１４ａ〜１４ｄ…端子、１５ａ〜１５ｇ…ボンディングワイヤ、２０…コンパレータ、２０ａ、２０ｂ…ＰＮＰトランジスタ（第１、第２トランジスタ）。

Claims (7)

  1. 点火コイル（４）に流されるコイル電流のスイッチングを行う半導体スイッチング素子（５）が備えられたスイッチＩＣ（２）と、
    前記スイッチＩＣ（２）における前記半導体スイッチング素子（５）をＯＮ、ＯＦＦ制御するための制御信号を出力する制御回路ＩＣ（３）とを備え、
    前記制御回路ＩＣ（３）に対して点火信号を入力することで、該点火信号に基づいて前記制御回路ＩＣ（３）から前記半導体スイッチング素子（５）への制御信号が出力されるように構成された点火装置であって、
    前記制御回路ＩＣ（３）における前記点火信号が入力される信号線とＧＮＤとの間に、互いにバックトゥバック接続された２つのツェナーダイオード（１１、１２）を含む保護素子（１０）が備えられていることを特徴とする内燃機関用点火装置。
  2. 前記保護素子（１０）が前記制御回路ＩＣ（３）と共に１チップとされて一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
  3. 前記保護素子（１０）と前記制御回路ＩＣ（３）とが別体とされていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
  4. 前記スイッチＩＣ（２）と前記制御回路ＩＣ（３）とが共に１チップとされて一体化されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の内燃機関用点火装置。
  5. 前記スイッチＩＣ（２）と前記制御回路ＩＣ（３）とが別体とされていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の点火装置。
  6. 前記２つのツェナーダイオード（１１、１２）がポリシリコンＰＮ接合もしくはシリコンへの不純物拡散によるＰＮ接合によって形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の内燃機関用点火装置。
  7. 前記制御回路ＩＣ（３）には、前記点火信号の波形整形を行うための波形整形回路（８）が備えられ、該波形整形回路（８）が前記点火信号をベース電圧として入力する第１ＰＮＰトランジスタ（２０ａ）と、前記第１ＰＮＰトランジスタ（２０ａ）がＯＮしたときにはＯＦＦされると共にＯＦＦしたときにはＯＮされる第２ＰＮＰトランジスタ（２０ｂ）とを備えるコンパレータ（２０）によって構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の内燃機関用点火装置。
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