JP2007270755A - Ion current detection device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関用イオン電流検出装置に関し、小型化、高信頼性、低コスト化を実現させることに関する。 The present invention relates to an ion current detection device for an internal combustion engine, and relates to realizing miniaturization, high reliability, and cost reduction.
自動車エンジンなどの内燃機関において、図3に開示された内燃機関用イオン電流検出装置がある。図3において、51は1次電流遮断素子、52は制御回路、53はバッテリー電源、54は点火コイル、55は点火プラグ、56はイオン電流検出用電源回路、57はイオン電流検出抵抗、58は電流電圧変換回路、59はイオン信号処理回路又は出力回路である。従来、このような内燃機関用イオン電流検出装置において、スイッチング素子とこれを保護するための各種さまざまな機能を設けたものがある。
In an internal combustion engine such as an automobile engine, there is an ion current detection device for an internal combustion engine disclosed in FIG. In FIG. 3, 51 is a primary current interrupting element, 52 is a control circuit, 53 is a battery power supply, 54 is an ignition coil, 55 is an ignition plug, 56 is an ion current detection power supply circuit, 57 is an ion current detection resistor, and 58 is A current-
同図において、内燃機関用イオン電流検出装置は、1次コイルと前記1次コイルに電磁結合されて点火プラグ55に高電圧を供給する2次コイルとで構成された点火コイル45と、点火タイミングに点火信号を発生させる制御回路52と、制御回路52からの点火信号に基づき点火コイル54の一次電流を通電または遮断する1次電流遮断素子51と、点火コイル54の2次コイル側に点火プラグ55の点火動作に基づく燃焼動作によって燃焼室に発生したイオン電流を検出する、イオン電流検出用電源回路56及び電流電圧変換回路58を含む構成となっている。
In the figure, an ionic current detection device for an internal combustion engine includes an ignition coil 45 including a primary coil and a secondary coil that is electromagnetically coupled to the primary coil and supplies a high voltage to an
前記イオン電流検出回路は図4にの様に配置される方式がある。 There is a method in which the ion current detection circuit is arranged as shown in FIG.
図3において、イオン電流検出回路は、2次コイルの低電圧側に配置され、点火プラグ55の放電動作によって、燃焼室内で燃料を爆発燃焼させると、燃焼室に発生したイオン電流は、イオン電流検出回路より点火プラグ55に加えられた電流と共に電流電圧変換回路58の電圧出力として検出される。これ以降、同回路方式を低圧検出方式とする。
In FIG. 3, the ion current detection circuit is arranged on the low voltage side of the secondary coil. When fuel is exploded and burned in the combustion chamber by the discharge operation of the
図4において、イオン電流検出回路は、2次コイルの高電圧出力側に配置され、点火プラグ55の放電動作によって、燃焼室内で燃料を爆発燃焼させると、燃焼室に発生したイオン電流は、イオン電流検出回路より点火プラグ55に加えられた電流と共に電流電圧変換回路58の電圧出力として検出される。これ以降、同回路方式を高圧検出方式とする。
In FIG. 4, the ion current detection circuit is disposed on the high voltage output side of the secondary coil. When fuel is exploded and burned in the combustion chamber by the discharge operation of the
このようにして検出されたイオン電流によって燃焼状態の適否を判別することが可能となり、例えば、ノッキングの解消やその他の燃焼制御も可能となると期待されている。 It is expected that the suitability of the combustion state can be determined based on the ion current thus detected. For example, it is expected that knocking can be eliminated and other combustion control can be performed.
内燃機関用イオン電流検出装置において、現状イオン電流検出回路は図5の様に個々のパッケージ型半導体或いは抵抗等の電子部品が基板上に実装されはんだ接合によって専用基板上の導体パターンに接続されている。よって、回路の集積化には限界があり、部品接続箇所が多数であることから、熱応力によるはんだ接合部の故障率が大きくなることは避けられない。 In an ionic current detection device for an internal combustion engine, the current ionic current detection circuit has individual package type semiconductors or electronic components such as resistors mounted on a substrate as shown in FIG. 5 and connected to a conductor pattern on a dedicated substrate by soldering. Yes. Therefore, there is a limit to circuit integration, and since there are a large number of component connection locations, it is inevitable that the failure rate of the solder joint due to thermal stress increases.
又、搭載される電子部品はそれぞれ異なるパッケージで搭載されることから、実装面積及び、各素子を配線する為に必要な基板レイアウト上必要な面積の為、回路の高集積化すなわちイオン電流検出回路の高集積化に限界があり、小型、軽量化の市場ニーズ又は低コスト化への障壁となっている。 Also, since the electronic components to be mounted are mounted in different packages, the circuit area is highly integrated, that is, an ion current detection circuit because of the mounting area and the area necessary for the board layout required to wire each element. However, there is a limit to the high integration, and this has become a barrier to market needs for cost reduction and size reduction.
低圧検出方式の場合、2次コイル出力側の負荷、例えば点火プラグ等が短絡した場合、イオン電流検出用抵抗54で2次出力エネルギの1部が消費されるため、イオン電流検出抵抗54の両端で点火コイル特性にもよるが、1kV〜1.5kV程度の電圧降下が発生する。このため2次コイル放電電流用ダイオード53には過大な逆方向電圧が印加されることとなり、2次コイル放電電流用ダイオード53が耐圧破壊に至る可能性がある。
In the case of the low voltage detection method, when a load on the secondary coil output side, such as a spark plug, is short-circuited, a part of the secondary output energy is consumed by the ion
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、安価に小型で信頼性が高い内燃機関用イオン電流検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an ion current detection device for an internal combustion engine that is small in size and high in reliability.
図1のaにおいて、イオン電流検出電源用定電圧ダイオード及び2次コイル放電電流用ダイオードからなるダイオードアレイ1をC4工法によって、イオン電流用ダイオード4、イオン電流検出抵抗5とセラミック基板3上にイオン電流検出回路の電源コンデンサと、電流電圧変換回路を1次電流遮断素子の制御回路と保護回路と同一半導体上に構成したIC2と共に実装するものである。 In FIG. 1 a, a diode array 1 composed of a constant voltage diode for an ion current detection power source and a secondary coil discharge current diode is ionized onto an ion current diode 4, an ion current detection resistor 5 and a ceramic substrate 3 by a C4 method. The power source capacitor of the current detection circuit and the current-voltage conversion circuit are mounted together with the IC 2 configured on the same semiconductor as the control circuit and the protection circuit of the primary current cutoff element.
図1のbにおいて、イオン電流検出電源用定電圧ダイオード及び2次コイル放電電流用ダイオードからなるダイオードアレイ1をと、イオン電流用ダイオード4、イオン電流検出抵抗5とセラミック基板3上にイオン電流検出回路の電源コンデンサと、電流電圧変換回路を1次電流遮断素子の制御回路と保護回路とを同一半導体上に構成したIC2と共に実装し、前記ダイオードアレイのイオン電流検出電源用定電圧ダイオードのカソードと2次コイルの低圧側をワイヤボンディング工法を利用して接続するものである。 In FIG. 1b, a diode array 1 comprising a constant voltage diode for ion current detection power supply and a secondary coil discharge current diode is connected to an ion current diode 4, an ion current detection resistor 5 and an ion current detection on a ceramic substrate 3. The power supply capacitor of the circuit, the current-voltage conversion circuit are mounted together with the IC2 in which the control circuit and the protection circuit of the primary current cutoff element are configured on the same semiconductor, and the cathode of the constant voltage diode for the ion current detection power supply of the diode array The low voltage side of the secondary coil is connected using a wire bonding method.
イオン電流検出用電源回路と1次電流遮断素子の制御回路及び保護回路とを同一の半導体上に構成するか、更に1次電流遮断素子も同一半導体上に構成することもより効果的である。 It is more effective to configure the ion current detection power supply circuit and the control circuit and protection circuit for the primary current interrupting element on the same semiconductor, or to further configure the primary current interrupting element on the same semiconductor.
2次放電電流用ダイオード11の異常時における対策として、過大な逆方向電圧が印加された際にはPN接合をブレークダウンさせて点火コイルに発生する2次コイル電流経路を構成するように、ダイオードの逆特性、例えばアバランシェダイオード等の両特性が使用可能なダイオードを用いることによって2次電流放電電流用ダイオードの絶縁破壊を防ぐことができる。 As a countermeasure when the secondary discharge current diode 11 is abnormal, the diode is configured so that when an excessive reverse voltage is applied, the PN junction is broken down to form a secondary coil current path generated in the ignition coil. By using a diode capable of using both characteristics, such as an avalanche diode, the breakdown of the secondary current discharge current diode can be prevented.
具体的に請求項1では、スイッチング素子による電子制御によって1次電流がオンオフ制御される1次コイルと、前記1次コイルに電磁結合されて点火プラグに高電圧を供給する2次コイルと、点火コイルの2次コイル側に点火プラグの点火動作に基づく燃焼動作によって燃焼室に発生したイオン電流を検出するイオン電流検出回路を備えた内燃機関用イオン電流検出装置において、イオン電流検出回路を同一半導体上に構成し、請求項2ではイオン電流検出回路又はその一部の増幅回路と1次電流遮断素子の制御回路及び保護回路が同一半導体上に構成されており、同一半導体上に構成されているイオン電流検出回路と1次電流遮断素子の制御回路及び保護回路がベアチップでC4工法により基板上に実装されている。 Specifically, in claim 1, a primary coil whose primary current is on / off controlled by electronic control by a switching element, a secondary coil that is electromagnetically coupled to the primary coil and supplies a high voltage to a spark plug, An ion current detection device for an internal combustion engine having an ion current detection circuit for detecting an ion current generated in a combustion chamber by a combustion operation based on an ignition operation of a spark plug on the secondary coil side of the coil. According to claim 2, the ion current detection circuit or a part of the amplification circuit thereof, and the control circuit and the protection circuit of the primary current cutoff element are configured on the same semiconductor, and are configured on the same semiconductor. A control circuit and a protection circuit for the ion current detection circuit and the primary current interrupting element are mounted on the substrate by a C4 method using a bare chip.
請求項3では、イオン電流検出回路を構成する2次コイル放電電流用ダイオードがPN接合の逆方向特性を利用するダイオードとし、請求項4ではイオン電流検出回路を構成する、イオン検出電源用ZD及び2次コイル放電電流用ダイオードが同一半導体上に構成され、ベアチップでC4工法によって基板上に実装する。請求項5ではイオン電流検出回路を構成する、イオン検出電源用ZD及び2次コイル放電電流用ダイオードが同一半導体上に構成され、ベアチップで基板上に実装されており、2次コイルにワイヤボンディング工法によってとの接続する。 In claim 3, the secondary coil discharge current diode constituting the ion current detection circuit is a diode using the reverse characteristics of the PN junction, and in claim 4, the ion detection power supply ZD constituting the ion current detection circuit and The secondary coil discharge current diode is formed on the same semiconductor and is mounted on the substrate by a bare chip by the C4 method. In claim 5, the ion detection power supply ZD and the secondary coil discharge current diode, which constitute the ion current detection circuit, are formed on the same semiconductor, mounted on the substrate with bare chips, and the wire bonding method is applied to the secondary coil. Connect with by.
上記構成によって、安価に小型で信頼性の高い内燃機関用イオン電流検出装置を実現する事が出来る。 With the above configuration, it is possible to realize an ion current detection device for an internal combustion engine that is small in size and high in reliability.
本発明の実施例は、1次電流遮断素子による電子制御によって1次電流がオンオフされる1次コイルと、前記1次コイルに電磁結合されて点火プラグに高電圧を供給する2次コイルと、点火プラグの点火動作に基づく燃焼動作によって燃焼室に発生したイオン電流を検出する検出回路と、前記1次コイルと前記2次コイルを内包するコイルケースを備える内燃機関用イオン電流検出装置において、具体的には参考例として示す図1−a又は図1−bの様な構造によって、イオン電流検出回路と1次電流遮断素子の制御回路及び保護回路を同一基板又は同一半導体上に構成し、電子部品の基板上専有面積を縮小し、はんだ又は導電性接着剤による接合箇所を減らしている。具体的には、前記イオン電流検出電源用定電圧ダイオードと2次放電電流用ダイオードをダイオードアレイとして集約することによって実装部品面積を低減し、従来イオン電流検出回路基板として別途回路基板上に構成していた回路を1次電流遮断素子制御回路及び保護回路、電流電圧変換回路と共に単一基板上に構成する。すなわち従来構造で必要であったイオン電流検出回路基板が不要であると同時に1次電流遮断素子の制御回路基板とそ接続が不要となっている。具体的には、従来構造においてイオン電流検出電源回路は面実装部品5個で構成されるイオン電流検出回路基板を利用して An embodiment of the present invention includes a primary coil in which a primary current is turned on / off by electronic control by a primary current interrupting element, a secondary coil that is electromagnetically coupled to the primary coil and supplies a high voltage to a spark plug, An ion current detection apparatus for an internal combustion engine, comprising: a detection circuit that detects an ion current generated in a combustion chamber by a combustion operation based on an ignition operation of a spark plug; and a coil case that includes the primary coil and the secondary coil. Specifically, an ion current detection circuit and a control circuit and a protection circuit for a primary current cut-off element are configured on the same substrate or the same semiconductor by the structure as shown in FIG. The area occupied by parts on the board is reduced, and the number of joints by solder or conductive adhesive is reduced. Specifically, the mounting component area is reduced by consolidating the constant voltage diode for the ion current detection power supply and the diode for the secondary discharge current as a diode array, and the conventional ion current detection circuit board is configured on a separate circuit board. The circuit is configured on a single substrate together with a primary current cutoff element control circuit, a protection circuit, and a current-voltage conversion circuit. That is, the ion current detection circuit board required in the conventional structure is not necessary, and at the same time, the connection with the control circuit board of the primary current interrupting element is not required. Specifically, in the conventional structure, the ion current detection power supply circuit uses an ion current detection circuit board composed of five surface mount components.
本発明のイオン電流検出回路のイオン電流検出電源用定電圧ダイオード及び2次電流用ダイオードで構成するダイオードアレイは特殊な半導体プロセスを必要とせず、一般的な半導体工程によって容易に作製することができる。尚、ダイオードアレイの半導体構造はバイポーラ構造のみならず、又はCMOS又はBiCMOS等の半導体構造によって構成することも可能である。 The diode array composed of the constant voltage diode for the ion current detection power source and the secondary current diode of the ion current detection circuit of the present invention does not require a special semiconductor process and can be easily manufactured by a general semiconductor process. . The semiconductor structure of the diode array can be constituted not only by a bipolar structure but also by a semiconductor structure such as CMOS or BiCMOS.
上述の様に本発明技術を適用することで、信頼性が高く、小型・軽量な内燃機関用イオン電流検出装置を安価に実現することができる。 By applying the technology of the present invention as described above, an ion current detection device for an internal combustion engine that is highly reliable, small and light can be realized at low cost.
以上のように、本発明の実施の形態について説明したが、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当該点火装置が必要なあらゆるエンジンに使用できるものであり、サイズにおいても用途に応じて適宜拡大縮小して使用できるものであることはいうまでもなく、この発明の精神に基づき当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, embodiment is not specifically limited to the said form. Needless to say, the ignition device can be used for any necessary engine, and can be appropriately enlarged or reduced in size according to the application, and can be performed by those skilled in the art based on the spirit of the present invention. It is also possible to carry out various modifications and improvements.
1 ダイオードアレイ
2 IC
3 セラミック基板
4 イオン電流用ダイオード
5 イオン電流検出抵抗
51 1次電流遮断素子
52 制御回路
53 バッテリー電源
54 点火コイル
55 点火プラグ
56 イオン電流検出用電源回路
57 イオン電流検出抵抗
58 電流電圧変換回路
59 イオン信号波形用電源回路
1 Diode array 2 IC
3 Ceramic substrate 4 Ion current diode 5 Ion
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