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

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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。
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