JP2019157818A - イオン電流検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電力損失の低減化、回路の小型化、低コスト化などを実現可能なイオン電流検出回路を提供する。【解決手段】点火プラグＰＬＧの点火放電電流に基づいて充電されるコンデンサＣ４、及び、コンデンサＣ４の充電電圧を制限するツェナーダイオードＺＤ１を有する蓄電部１と、コンデンサＣ４のコンデンサ放電電流に基づく検出電圧Ｖｉｎを、検出基準電圧ＴＨ２と比較してイオン検出パルスＶｏｕｔを出力する信号検出部２とを有し、検出電圧Ｖｉｎは、直流電源ＶｃｃとコンデンサＣ４を含んだ電流経路に設けられたイオン検出抵抗Ｒ８の電圧降下に基づいて検出される。【選択図】図１

Description

本発明は、部品点数を抑制して低コスト化を図ると共に、高出力の点火コイルにおいて電力損失を抑制できるイオン電流検出回路に関する。

自動車などの内燃機関の点火プラグに、イオン電流検出回路を内蔵させることが知られており、本出願人も各種の回路構成を提案している（特許文献１〜５）。

特開２０１５−１６９１６０号公報 特開２０１５−０７５０２６号公報 特開２０１５−００１１８９号公報 特開２０１４−１５２７１９号公報 特開２０１４−１４５２６３号公報

しかし、昨今、点火プラグの高出力化が要請される一方、電力損失の低減化と、点火コイルに搭載する回路の小型化や、低コスト化が望まれている。

本発明は、上記の要請に応えたものであって、電力損失の低減化、回路の小型化、低コスト化などを実現可能なイオン電流検出回路を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係るイオン検出回路は、一次コイル（Ｌ１）と二次コイル（Ｌ２）が電磁結合されてなる点火コイルと、前記一次コイル（Ｌ１）の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子（Ｑ１）と、前記スイッチング素子（Ｑ１）のＯＦＦ動作時に前記二次コイル（Ｌ２）に誘起される高電圧に基づいて点火放電する点火プラグ（ＰＬＧ）と、前記点火放電の点火放電電流に基づいて充電される第１コンデンサ（Ｃ４）、及び、第１コンデンサ（Ｃ４）の充電電圧を制限する充電制限素子（ＺＤ１）を有する蓄電部（１）と、第１コンデンサ（Ｃ４）のコンデンサ放電電流に基づく検出電圧（Ｖｉｎ）を、検出基準電圧（ＴＨ２）と比較してイオン検出信号（Ｖｏｕｔ）を出力する信号検出部（２）と、を有して構成され、前記点火放電の初期タイミングにＯＮ動作して、前記蓄電部（１）への電流をバイパスするバイパス部（３）を設けたことを特徴とする。

上記した本発明によれば、電力損失の低減化、回路の小型化、低コスト化などを実現可能なイオン電流検出回路を実現することができる。

実施例に係るイオン電流検出回路の回路構成を示す回路図である。 点火放電時の動作を説明する図面である。 点火放電直後の動作を説明する図面である。 イオン電流が流れる動作状態を説明する図面である。

以下、実施例について更に詳細に説明する。図１は、実施例に係るイオン電流検出回路を示す回路図である。

図示の通り、イオン電流検出回路は、電磁結合された一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２と、ＥＣＵ（Engine Control Unit ）から受ける点火パルスＳＧに基づいて一次コイルＬ１の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）Ｑ１と、トランジスタＱ１のＯＦＦ遷移により二次コイルＬ２に誘起される高電圧に基づいて点火放電する点火プラグＰＬＧと、イオン電流Ｉｏｎのバイアス電圧を生成する蓄電部１と、イオン電流Ｉｏｎに対応した検出電圧Ｖｉｎを生成すると共に、検出電圧Ｖｉｎを比較基準電圧ＴＨ１と比較してイオン検出パルスＶｏｕｔを出力する信号検出部２と、点火放電の初期タイミングにＯＮ動作して、蓄電部１への電流をバイパスするバイパス部３と、を有して構成されている。

そして、信号検出部２が出力するイオン検出パルスＶｏｕｔは、抵抗Ｒ１１を経由して、ＥＣＵに伝送され、ＥＣＵは、プルアップ抵抗Ｒ１２を経由して受けたイオン検出パルスＶｏｕｔを、抵抗Ｒ１３及びコンデンサＣ７によるフィルタ回路を通して、コンピュータ回路に伝送している。

蓄電部１は、イオン電流用のバイアス電圧を蓄電するコンデンサＣ４と、降伏電圧ＢＤ＝２７０ボルト程度のツェナーダイオードＺＤ１と、降伏電圧ＢＤ＝５．６ボルト程度のツェナーダイオードＺＤ２とで閉回路を構成している。そして、ツェナーダイオードＺＤ１と、ツェナーダイオードＺＤ２の接続点に、ダイオードＤ１のアノード端子が接続され、グランド方向の電流だけを許可している。

ここで、ツェナーダイオードＺＤ２は、図３に示す動作期間（３）のタイミングで、破線矢印で示す経路、つまり、抵抗Ｒ７→抵抗Ｒ８→電源Ｖｃｃの経路で、多少の電流を流すためのバイアス電圧を生成している。なお、破線矢印の電流は、コンパレータＣＭ２の誤動作を防ぐための電流であり、その詳細は、更に後述する。

図１に戻って蓄電部１の説明を続けると、ダイオードＤ１は、点火プラグＰＬＧの逆方向放電（プラス放電）を阻止する部材であり、図示の方向にダイオードＤ１が配置されることで、グランドに向かうマイナス放電だけが許可される。

次に、信号検出部２は、コンパレータＣＭ２を中心に構成されており、コンパレータＣＭ２は、非反転入力端子に受ける検出電圧Ｖｉｎと、反転入力端子に受ける比較基準電圧ＴＨ２と、を比較してパルス状のイオン検出パルスＶｏｕｔを出力している。イオン検出パルスＶｏｕｔは、これがＬレベルの場合にイオン電流Ｉｏｎを検出したことを示している（図４（ｂ）参照）。

比較基準電圧ＴＨ２は、電源電圧Ｖｃｃと、分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０の分圧比［＝Ｒ１０／（Ｒ９＋Ｒ１０）］とで規定され、この実施例では、４．６７ボルト程度に設定されている。なお、コンデンサＣ６は、ノイズ吸収用に付加されており、比較基準電圧ＴＨ２の安定化を図っている。

本実施例の場合、検出電圧Ｖｉｎは、イオン電流Ｉｏｎの流通時におけるイオン検出抵抗Ｒ８の電圧降下で規定され、図４の動作期間（５）の実線矢印で示す通り、検出電圧Ｖｉｎ＝Ｖｃｃ−Ｉｏｎ＊Ｒ８の関係が成立する。

図１に示す通り、コンパレータＣＭ２の非反転入力端子は、ダイオードＤ２とコンデンサＣ５とを経由してグランドに接続されている。コンデンサＣ５は、ノイズ吸収用に付加されており、抵抗Ｒ７と協働してＣＲノイズフィルタを形成している。また、ダイオードＤ２は、そのカソード端子がイオン検出抵抗Ｒ８に接続され、そのアノード端子がグランドに接続されていることで、検出電圧Ｖｉｎのクランプ機能を果たしている。

すなわち、ダイオードＤ２のカソード端子の電位は、ダイオードＤ２の順方向電圧ＶＦに制限されて、−ＶＦボルト以下になり得ないので、コンパレータＣＭ２の非反転入力端子に異常電圧が加わるおそれが回避される。

ところで、本実施例では、降伏電圧ＢＤ＝５．６ボルト程度のツェナーダイオードＺＤ２を配置することで、コンパレータＣＭ２の出力（イオン検出パルスＶｏｕｔ）が、Ｌレベルに遷移することを防止している。すなわち、もし、点火放電時やその他のタイミングで、Ｒ８→Ｒ７→ＺＤ２→Ｄ１の経路の電流が流れると（図３の一点鎖線矢印参照）、イオン検出抵抗Ｒ８の電圧降下によって、検出電圧Ｖｉｎが比較基準電圧ＴＨ２を下回るおそれがあり、これでは、コンパレータＣＭ２の出力がＬレベルに変化することで、点火放電電流Ｉｇをイオン電流Ｉｏｎと誤認してしまうことになる。

以上を踏まえて説明を続けると、図１に示す通り、蓄電部１の出力は、制限抵抗Ｒ７を経由することで、検出電圧Ｖｉｎとなっている。そのため、点火放電時に、制限抵抗Ｒ７→イオン検出抵抗Ｒ８→電源Ｖｃｃの経路で流れる電流（図３の破線矢印参照）は、ツェナーダイオードＺＤ２の降伏電圧ＢＤ（＝５．６ボルト）や、制限抵抗Ｒ７などで適度に抑制されることになる。

次に、バイパス部３は、蓄電部１のツェナーダイオードＺＤ１及びダイオードＤ１の直列回路に並列接続されたＮｃｈトランジスタＱ２と、トランジスタＱ２のゲート電圧を制御するコンパレータＣＭ１と、を中心に構成されている。なお、コンパレータＣＭ１は、平滑コンデンサＣ１で安定化されたバッテリ電圧Ｖｂ（＝１２ボルト）で機能している。

トランジスタＱ２のゲート端子には、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２を経由して、バッテリ電圧Ｖｂが供給されていると共に、抵抗Ｒ２を経由して、コンパレータＣＭ１の出力が供給されている。

そのため、トランジスタＱ２は、コンパレータＣＭ１の出力がＨレベルの場合にＯＮ動作をし、コンパレータＣＭ１の出力がＬレベルの場合にはＯＦＦ動作することになる。

一方、トランジスタＱ２のソース端子とグランド間には、電流検出抵抗Ｒ６が接続され、トランジスタＱ２のソース端子と、コンパレータＣＭ１の非反転入力端子との間には、抵抗Ｒ５が接続されている。ここで、電流検出抵抗Ｒ６は、１５Ω程度に設定されている。

また、抵抗Ｒ５は、コンデンサＣ３と共にＣＲフィルタを実現している。すなわち、コンパレータＣＭ１の非反転入力端子とグランド間には、ノイズ吸収用のコンデンサＣ３が接続され、非反転入力端子への供給電圧を安定化している。また、コンパレータＣＭ１の反転入力端子とグランド間には、分圧抵抗Ｒ４及びコンデンサＣ２の並列回路が接続されている。

分圧抵抗Ｒ４は、分圧抵抗Ｒ３と共に機能して、電源電圧Ｖｃｃを分圧することで、比較基準電圧ＴＨ１を生成している。比較基準電圧ＴＨ１は、具体的には、Ｖｃｃ＊Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）で規定され、Ｖｃｃ＝５ボルトの本実施例では、ＴＨ１＝０．５ボルト程度に設定されている。なお、コンデンサＣ２はノイズ吸収用であり、比較基準電圧ＴＨ１を安定化している。

続いて、以上の構成を有するイオン電流検出回路について回路動作を説明する。先ず、図２（ａ）は、点火パルスＳＧがＬレベルに遷移した瞬間の動作（１）と、その後の動作期間（２）を示している。

点火パルスＳＧがＬレベルに遷移すると、一次コイルＬ１の電流が遮断されることで、二次コイルＬ２に高電圧が誘起し、その誘起電圧に基づいて点火プラグＰＬＧが点火放電し、実線矢印（１）の経路で点火放電電流Ｉｇが流れ、コンデンサＣ３を瞬間的に充電する。なお、ＯＦＦ状態のトランジスタＱ１のキャパシタ要素や、その他のキャパシタ要素を経由して、キャパシタ充電電流が流れることで、コンデンサＣ３が瞬間的に充電される。

図２（ｂ）は、コンデンサＣ３の両端電圧Ｖ１の波形を示しており、点火プラグＰＬＧの点火放電に対応して、コンデンサＣ３の両端電圧Ｖ１が、瞬間的に０ボルトから１．５ボルト以上まで増加する動作（１）を示している。このコンデンサＣ３への瞬間的な充電動作の結果、コンパレータＣＭ１の非反転入力端子の電圧が、比較基準電圧ＴＨ１を上回ることになり、コンパレータＣＭ１の出力がＨレベルに遷移して、トランジスタＱ１がＯＮ動作する。

トランジスタＱ１がＯＮ動作した結果、その後は、実線矢印（２）の経路で点火放電電流Ｉｇが流れることになる。すなわち、動作期間（２）では、点火放電電流Ｉｇが、二次コイルＬ２→トランジスタＱ２→電流検出抵抗Ｒ６の経路で、導電電流として流れる。

点火放電電流Ｉｇは、その後、振動しつつ急激に減少するが、この減少に対応して、コンデンサＣ３の両端電圧Ｖ１も、図２（ｂ）に示す放電曲線を描いて降下する。先に説明した通り、この実施例では、電流検出抵抗Ｒ６が１５Ω程度に設定されているので、点火放電電流Ｉｇが約３３ｍＡ（＝ＴＨ１／Ｒ５≒０．５／１５）に低下するまでは、コンパレータＣＭ１の出力はＨレベルであり、トランジスタＱ２がＯＮ動作を維持する（動作期間（２））。

一方、その後、点火放電電流Ｉｇが３３ｍＡを下回ると、コンデンサＣ３の両端電圧Ｖ１が、比較基準電圧ＴＨ１を下回るので、コンパレータＣＭ１の出力がＬレベルに遷移し、トランジスタＱ２がＯＦＦ状態に遷移することになる。

このように、本実施例では、動作期間（２）のタイミングでは、ツェナーダイオードＺＤ１に電流が流れないので、ツェナーダイオードＺＤ１における電力損失を解消することができる。電力損失は、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧ＢＤと、点火放電電流Ｉｇと、動作期間（２）の動作時間と、に対応した値であり、Ｉｇ×ＢＤの時間積分値である。

以上のような動作期間（２）が終わると、その後は、図３の動作期間（３）に移行することになる。動作期間（３）では、図３の実線矢印の経路で、点火放電電流Ｉｇが流れることで、コンデンサＣ４が、ツェナーダイオードＺＤ１やツェナーダイオードＺＤ２の降伏電圧ＢＤに対応するレベルに充電される。

本実施例では、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧ＢＤが２７０ボルト程度、ツェナーダイオードＺＤ２の降伏電圧ＢＤが５．６ボルト程度であるので、コンデンサＣ４の充電電圧は、２６４．４ボルト程度である。

先に説明した通り、本実施例では、ツェナーダイオードＺＤ２を設けるので、動作期間（３）におけるツェナーダイオードＺＤ２のカソード端子の電位は、電源電圧Ｖｃｃよりやや高い。

具体的に確認すると、ツェナーダイオードＺＤ２のカソード端子の電位は、ダイオードＤ１の順方向電圧をＶＦとして、Ｒ６＊Ｉｇ＋ＶＦ＋５．６ボルト程度であり（但し、Ｒ６＊Ｉｇ＜０．５）、図３の破線矢印の向きの電流が流れる。そして、このような破線矢印の向きに電流を流すことで、コンパレータＣＭ２の誤動作を防止していることは先に説明した通りである。

但し、Ｒ６＊Ｉｇ＜０．５であって、ツェナーダイオードＺＤ２のカソード端子の電位と、電源電圧Ｖｃｃとの電圧差は高くなく、しかも、破線矢印の向きの電流は、制限抵抗Ｒ７やイオン検出抵抗Ｒ８で制限されるので、コンパレータＣＭ２の入力端子間に過大な電圧が加わることは無い。

次に、点火放電電流Ｉｇが収まった後のイオン電流Ｉｏｎの流通時の動作について、図４に基づいて説明する。点火放電電流Ｉｇが収まると、先ず、最初に、コンデンサＣ５の電荷が瞬間的に放電され（動作（４））、続いて、電源電圧Ｖｃｃ→イオン検出抵抗Ｒ８→制限抵抗Ｒ７→コンデンサＣ４→二次コイルＬ２→点火プラグＰＬＧの経路でイオン電流Ｉｏｎが流れる（動作期間（５））。

先に説明した通り、検出電圧Ｖｉｎは、Ｖｉｎ＝Ｖｃｃ−Ｉｏｎ＊Ｒ８であり、比較基準電圧ＴＨ２は、４．６７ボルト程度である。したがって、イオン電流Ｉｏｎが、０．３３／Ｒ８を上回ったタイミングで、コンパレータＣＭ２の出力であるイオン検出パルスＶｏｕｔがＬレベルに遷移して、イオン電流Ｉｏｎの発生を特定することになる。特に限定されないが、本実施例では、イオン検出抵抗Ｒ８は、１５０ｋΩ程度であり、２．２μＡ程度のイオン電流Ｉｏｎを検出できることになる。

一般に、その後は、イオン電流Ｉｏｎが増加するが、本実施例では、イオン電流Ｉｏｎの上限値が、ダイオードＤ２の順方向電圧ＶＦに対応して、（Ｖｃｃ＋ＶＦ）／Ｒ８に制限された状態で、イオン電流Ｉｏｎが流れ続ける。そして、全体として上昇傾向を示すイオン電流Ｉｏｎが、降下を開始して、２．２μＡを下回ったタイミングで、コンパレータＣＭ２の出力であるイオン検出パルスＶｏｕｔがＨレベルに戻ることでイオン電流Ｉｏｎが収束したことが検出される。

以上の通り、本実施例では、イオン検出抵抗Ｒ８を設けることで、コンパレータＣＭ２だけでイオン電流Ｉｏｎの流通期間を特定することができ、部品点数を抑制することができる。また、ツェナーダイオードＺＤ１での電力損失が少ないので、高価な素子を使用する必要が無く、コスト低減が可能となす。

以上、本発明について詳細に説明したが、具体的な記載内容は、特に本発明を限定するものではない。すなわち、蓄電部１や信号検出部２やバイパス部３の回路構成は、適宜に変更可能である。

１ 蓄電部
２ 信号検出部
３ バイパス部
Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
Ｑ１ スイッチング素子
ＰＬＧ 点火プラグ
Ｃ４ 第１コンデンサ
ＺＤ１ 充電制限素子
Ｖｉｎ 検出電圧
ＴＨ２ 検出基準電圧
Ｖｏｕｔ イオン検出信号

Claims (5)

1. 一次コイル（Ｌ１）と二次コイル（Ｌ２）が電磁結合されてなる点火コイルと、
   前記一次コイル（Ｌ１）の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子（Ｑ１）と、
   前記スイッチング素子（Ｑ１）のＯＦＦ動作時に前記二次コイル（Ｌ２）に誘起される高電圧に基づいて点火放電する点火プラグ（ＰＬＧ）と、
   前記点火放電の点火放電電流に基づいて充電される第１コンデンサ（Ｃ４）、及び、第１コンデンサ（Ｃ４）の充電電圧を制限する充電制限素子（ＺＤ１）を有する蓄電部（１）と、
   第１コンデンサ（Ｃ４）のコンデンサ放電電流に基づく検出電圧（Ｖｉｎ）を、検出基準電圧（ＴＨ２）と比較してイオン検出信号を出力する信号検出部（２）と、を有して構成され、
   前記検出電圧（Ｖｉｎ）は、直流電源（Ｖｃｃ）と第１コンデンサ（Ｃ４）を含んだ電流経路に設けられたイオン検出抵抗（Ｒ８）の電圧降下に基づいて検出されるよう構成されていることを特徴とするイオン電流検出回路。
2. 前記蓄電部（１）には、イオン検出抵抗（Ｒ８）を流れる電流が、流れ込むことを阻止する第１電流阻止素子（ＺＤ２）が配置されている請求項１に記載のイオン電流検出回路。
3. 前記蓄電部（１）には、第１コンデンサ（Ｃ４）の充電電圧が前記補助スイッチング素子（Ｑ２）を経由して放電することを阻止する第２電流阻止素子（Ｄ１）が配置されている請求項１又は２に記載のイオン電流検出回路。
4. 一次コイル（Ｌ１）と二次コイル（Ｌ２）が電磁結合されてなる点火コイルと、
   前記一次コイル（Ｌ１）の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子（Ｑ１）と、
   前記スイッチング素子（Ｑ１）のＯＦＦ動作時に前記二次コイル（Ｌ２）に誘起される高電圧に基づいて点火放電する点火プラグ（ＰＬＧ）と、
   前記点火放電の点火放電電流に基づいて充電される第１コンデンサ（Ｃ４）、及び、第１コンデンサ（Ｃ４）の充電電圧を制限する充電制限素子（ＺＤ１）を有する蓄電部（１）と、
   第１コンデンサ（Ｃ４）のコンデンサ放電電流に基づく検出電圧（Ｖｉｎ）を、検出基準電圧（ＴＨ２）と比較してイオン検出信号（Ｖｏｕｔ）を出力する信号検出部（２）と、を有して構成され、
   前記点火放電の初期タイミングにＯＮ動作して、前記蓄電部（１）への電流をバイパスするバイパス部（３）を設けたことを特徴とするイオン電流検出回路。
5. 前記バイパス部（３）は、点火放電電流を検出する電流検出抵抗（Ｒ６）と、電流検出抵抗（Ｒ６）の両端電圧に対応して充電される第２コンデンサ（Ｃ３）と、第２コンデンサ（Ｃ３）の充電電圧を第１基準電圧（ＴＨ１）と比較して、パルス信号を出力する比較回路（ＣＭ１）と、比較回路（ＣＭ１）の出力に基づいて、ＯＮ／ＯＦＦ動作する補助スイッチング素子（Ｑ２）と、を有して構成される請求項４に記載のイオン電流検出回路。