JP6956904B2

JP6956904B2 - イオン電流検出回路、点火制御装置および点火システム

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Publication number: JP6956904B2
Application number: JP2020561990A
Authority: JP
Inventors: 山本　剛司
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-12-25
Filing date: 2018-12-25
Publication date: 2021-11-02
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Description

本発明は、イオン電流検出回路、点火制御装置および点火システムに関するものである。

内燃機関は、燃料と空気との混合気を圧縮し、電気火花を用いてこの混合気に点火する。電気火花は、燃焼室内に設置された点火プラグに高電圧を印加することによって発生させられる。点火に失敗することによって、意図せず混合気の燃焼が行われなかった状態のことは、失火と呼ばれる。失火の場合、内燃機関としての出力が十分に得られないばかりでなく、燃料を多量に含む混合気が排気系に流入することによって消音器等を腐食させるなどの問題が生ずる。一方、燃料噴射後に燃焼室のカーボンなどの熱源によって、点火プラグによる点火動作以前に自然着火する現象のことは、過早着火(プレイグニッション)と呼ばれる。過早着火の場合、シリンダー内温度が必要以上に上昇するだけでなく、正規着火ではないため回転も不調になる。その結果、内燃機関に負担がかかり、寿命が低下し得る。これらの対策として、失火およびプレイグニッションを検知し、その結果をフィードバックすることが考えられる。このフィードバックによって、気筒内の圧力および温度が調整されたり、燃料の噴射および点火のタイミングが最適化されたりする。

失火およびプレイグニッションを検出する方法として、イオン電流を検出する方法がある。燃焼室内において燃焼が行われると、それに伴って燃焼室内の分子が電離(イオン化)する。電離状態にある燃焼室内に点火プラグを通じて高電圧を印加すると、微量な電流が流れる。この電流がイオン電流と呼ばれる。失火時にはイオン電流が極めて小さくなり、またプレイグニッション時には、正規点火時期より前にイオン電流が流れる。よってイオン電流を検出することで、失火およびプレイグニッションを検知することができる。

たとえば、特開平１１−１５９４３０号公報（特許文献１）によれば、内燃機関用のイオン電流検出回路が開示されている。この回路は、検出されたイオン電流を電圧に変換して出力する。このイオン電流検出回路は、入力部から接地電位へ順方向を有するダイオードと、接地電位から入力部へ順方向を有するダイオードとが設けられている。

特開平１１−１５９４３０号公報

上記ダイオードは、点火電流経路の確保およびサージ保護の目的で設けられているものである。一方で、イオン電流の検出時においては、これらのダイオードに電流が流れることは検出誤差につながる。よって、リーク電流（イオン電流の検出時に上記ダイオードを流れる微弱な電流）は小さいことが望まれる。しかしながら、これらのダイオードは、点火電流経路の確保およびサージ保護の目的としており、そのための機能を確保する上で、大きなサイズが必要である。このようにサイズが大きい場合、リーク電流を小さくすることには限界がある。よって、リーク電流の影響により、イオン電流の検出値に、無視できない誤差が含まれる。いずれの種類のダイオードであっても、そのリーク電流は、通常、温度が高いほど大きくなる。よって、リーク電流に起因してのイオン電流の検出誤差は、温度に依存し、温度が高いほど大きくなる。よって、特に高温下において、高精度での検出が難しい。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その一の目的は、イオン電流の検出精度を向上させることができるイオン電流検出回路を提供することである。

本発明のイオン電流検出回路は、内燃機関用の点火プラグを流れるイオン電流を検出するためのものである。イオン電流検出回路は、検出端子と、基準端子と、少なくとも１つの保護ダイオードと、電流検出部と、電流補償部とを有している。検出端子は点火プラグへ電気的に接続されることになる。基準端子には基準電位が供給されることになる。少なくとも１つの保護ダイオードは検出端子と基準端子との間に設けられている。電流検出部は検出端子と少なくとも１つの保護ダイオードとの間へ検出電流を流す。電流補償部は検出端子と少なくとも１つの保護ダイオードとの間へ補償電流を流す。電流補償部は少なくとも１つの補償ダイオードを有している。電流補償部は、少なくとも１つの補償ダイオードに流れる電流である疑似的リーク電流に応じて、補償電流を発生する。

本発明によれば、電流補償部は検出端子と少なくとも１つの保護ダイオードとの間へ補償電流を流す。これにより、少なくとも１つの保護ダイオードを流れるリーク電流が補償される。よって、リーク電流に起因してのイオン電流の検出誤差が抑制される。よって、イオン電流の検出精度を向上させることができる。

この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

本発明の実施の形態１における点火システムの構成を概略的に示す回路図である。図１の点火システムの動作の例を示すタイムチャート図である。図１におけるイオン電流検出回路の構成の例を示す回路図である。本発明の実施の形態２における点火システムの構成を概略的に示す回路図である。図４におけるイオン電流検出回路の構成の例を示す回路図である。本発明の実施の形態３におけるイオン電流検出回路の構成の例を示す回路図である。本発明の実施の形態４におけるイオン電流検出回路の構成の例を示す回路図である。カレントミラー回路の第１の例を示す回路図である。カレントミラー回路の第２の例を示す回路図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

＜実施の形態１＞
（点火システムの構成）
図１は、本実施の形態１における点火システム３００の構成を概略的に示す回路図である。点火システム３００は内燃機関用のものである。点火システム３００は、内燃機関用の点火プラグ９２と、点火コイル９０と、バッテリー９１（電源）と、点火制御装置２００とを有している。点火制御装置２００は、点火プラグ９２の点火を制御するためのものである。

点火コイル９０は、１次コイルと、１次コイルの巻き数よりも多い巻き数を有する２次コイルとを有するトランスである。点火プラグ９２の一方端は点火コイル９０の２次コイルに接続されている。点火プラグ９２の他方端は、基準電位に接続されている。基準電位は、通常、接地電位である。バッテリー９１は、点火コイル９０の１次コイルの一方端に接続されており、基準電位を基準として点火コイル９０へ電圧を印加している。詳しくは後述するが、点火コイル９０に印加される電圧Ｖｐｌｇが瞬間的に高められることによって、点火のための放電が行われる。この瞬間、点火電流Ｉｓｐｋが発生する。放電による点火に成功すれば、燃焼が開始される。燃焼中は、電圧Ｖｐｌｇに応じて、点火プラグ９２のギャップ間を通過するイオン電流Ｉｉｏｎが流れる。

（点火制御装置の構成）
点火制御装置２００は、スイッチング回路２１０と、バイアス回路２２０と、イオン電流検出回路１０１とを有している。

スイッチング回路２１０は、点火コイル９０の１次コイルの他方端と、基準電位とに接続されている。スイッチング回路２１０は、点火コイル９０の１次コイルに流れる電流を開閉する機能を有している。スイッチング回路２１０は、駆動部２１３と、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）２１１（半導体スイッチング素子）と、ツェナーダイオード２１２と、モニタ抵抗２１５とを有している。

駆動部２１３は、制御端子Ｔ６と、駆動端子Ｔ７と、モニタ端子Ｔ８とを有する電気回路である。駆動部２１３は、制御端子Ｔ６への制御信号に応じてＩＧＢＴ２１１を駆動するためのものである。

ＩＧＢＴ２１１は、コレクタと、エミッタと、ゲートとを有している。コレクタは点火コイル９０の１次コイルに接続されている。エミッタはモニタ抵抗２１５を介して基準電位に接続されている。ゲートは駆動部２１３の駆動端子Ｔ７に接続されている。駆動部２１３の駆動端子Ｔ７からの駆動信号に応じて、ＩＧＢＴ２１１はコレクタ電流Ｉｃ（負荷電流）を開閉する。これによりＩＧＢＴ２１１は、バッテリー９１によって生成され点火コイル９０の１次コイルを流れる電流を開閉する。なおＩＧＢＴの代わりに、ＭＯＳＦＥＴ（金属・酸化物・半導体・電界効果トランジスタ：ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）など、他の半導体スイッチング素子が用いられてもよい。

ツェナーダイオード２１２は、駆動部２１３の駆動端子Ｔ７から点火コイル９０の１次コイルへ順方向を有するように、これらの間に接続されている。駆動部２１３のモニタ端子Ｔ８は、モニタ抵抗２１５を介して基準電位に接続されている。

バイアス回路２２０は、イオン電流Ｉｉｏｎを発生させるための電圧を供給するためのものである。バイアス回路２２０は、定電圧ダイオード２２１と、コンデンサ２２２とを有している。定電圧ダイオード２２１は、点火コイル９０を介して点火プラグ９２に接続された一方端と、イオン電流検出回路１０１を介して基準電位に接続された他方端とを有している。これにより定電圧ダイオード２２１は、点火プラグ９２を流れるイオン電流Ｉｉｏｎの経路に挿入されている。定電圧ダイオード２２１は、イオン電流Ｉｉｏｎの方向に順方向を有しており、具体的にはイオン電流検出回路１０１から点火コイル９０へ順方向を有している。定電圧ダイオード２２１は、例えば、ツェナーダイオードである。コンデンサ２２２は定電圧ダイオード２２１に並列に接続されている。

（イオン電流検出回路の構成の概要）
イオン電流検出回路１０１は、点火プラグ９２を流れるイオン電流Ｉｉｏｎを検出するためのものである。イオン電流検出回路１０１は、電流検出部１２０と、電流増幅部１３０（増幅部）と、電流補償部１１０と、保護ダイオード１６１，１６２と、逆阻止ダイオード１６３と、基準端子Ｔ１と、検出端子Ｔ２と、出力端子Ｔ３とを有している。基準端子Ｔ１には基準電位が供給されることになる。基準端子Ｔ１は、通常、接地電位が供給されることになる接地端子である。検出端子Ｔ２は点火コイル９０を介して点火プラグ９２へ電気的に接続されることになる。出力端子Ｔ３からは、イオン電流Ｉｉｏｎに応じた信号（本実施の形態においては電流信号）が出力される。この信号が表す情報は、例えば、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット：ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）（図示せず）によって用いられ、駆動部２１３の制御端子Ｔ６へ送られる制御信号の内容に反映される。これにより、より適切な燃焼状態が得られる。

保護ダイオード１６１，１６２は、検出端子Ｔ２と基準端子Ｔ１との間に設けられている。保護ダイオード１６１および１６２は、互いに逆並列に接続されている。保護ダイオード１６１は検出端子Ｔ２から基準端子Ｔ１へ順方向を有している。保護ダイオード１６２は基準端子Ｔ１から検出端子Ｔ２へ順方向を有している。保護ダイオード１６１は、点火プラグ９２の放電時に点火電流Ｉｓｐｋが検出端子Ｔ２と基準端子Ｔ１との間を通過することを許容しつつ、微弱な電流であるイオン電流Ｉｉｏｎの検出時には検出端子Ｔ２と基準端子Ｔ１との間をおおよそ絶縁する。保護ダイオード１６２はサージ保護のために設けられている。例えば、基準端子Ｔ１からイオン電流検出回路１０１中へ流入したサージ電流が、保護ダイオード１６２によって検出端子Ｔ２へと逃がされる。これにより、保護ダイオード１６１、逆阻止ダイオード１６３および電流検出部１２０などが、サージ電流から保護される。逆阻止ダイオード１６３は、検出端子Ｔ２と電流検出部１２０との間に配置されており、検出電流Ｉｄｔｃの方向と逆方向の電流を阻止する。

電流検出部１２０は、検出端子Ｔ２と、保護ダイオード１６１，１６２との間へ、逆阻止ダイオード１６３を介して検出電流Ｉｄｔｃを流す。具体的には、電流検出部１２０は、保護ダイオード１６１および１６２によって構成される並列回路の一方端と、検出端子Ｔ２との間へ、逆阻止ダイオード１６３を介して検出電流Ｉｄｔｃを流す。電流検出部１２０は、内部電源電位ＶＤＤを用いて動作する。

電流補償部１１０は、検出端子Ｔ２と、保護ダイオード１６１，１６２との間へ,逆阻止ダイオード１６３を介して補償電流Ｉｃｍｐを流す。具体的には、電流補償部１１０は、保護ダイオード１６１および１６２によって構成される並列回路の一方端と、検出端子Ｔ２との間へ、逆阻止ダイオード１６３を介して補償電流Ｉｃｍｐを流す。電流補償部１１０は、内部電源電位ＶＤＤを用いて動作する。

電流増幅部１３０は電流検出部１２０の検出電流Ｉｄｔｃを増幅する。具体的には、電流増幅部１３０は、電流検出部１２０の検出電流Ｉｄｔｃに対応する電流を生成し、生成された電流を増幅する。例えば、電流増幅部１３０は、電流検出部１２０の検出電流Ｉｄｔｃと同じ電流を生成し、生成された電流を増幅する。この増幅によって、検出電流Ｉｄｔｃが増幅された出力電流Ｉｏｕｔが生成される。電流増幅部１３０は、出力端子Ｔ３を通過する出力電流Ｉｏｕｔを流す。本実施の形態においては、出力端子Ｔ３から負の出力電流Ｉｏｕｔが出力される。

（動作の概要）
図２は、点火システム３００（図１）の動作の例を示すタイムチャート図である。以下、図１および図２を参照しつつ、点火システム３００の動作波形について説明する。

駆動部２１３は、制御端子Ｔ６でＥＣＵからのオン信号を受けると、駆動端子Ｔ７からＩＧＢＴ２１１のゲートへ駆動信号を送る。これによりＩＧＢＴ２１１がオン状態となる。その結果、点火コイル９０のインダクタンスと、配線抵抗とで決まる時定数に従って、負荷電流としてのコレクタ電流Ｉｃが流れる。

混合気の着火予定タイミングＴｉｇｎで、ＥＣＵはオン信号の出力を停止する。これにより、駆動部２１３は、ＩＧＢＴ２１１への、しきい値以上のゲートエミッタ電圧Ｖｇｅの印加を停止する。これによりＩＧＢＴ２１１は急減にオフ状態とされ、コレクタ電流Ｉｃが遮断される。これにより、点火コイル９０（トランス）の１次側に、逆起電力に起因しての電圧が発生する。このとき、ＩＧＢＴ２１１のコレクタエミッタ電圧Ｖｃｅは、瞬間的に、例えば＋５００Ｖ程度にまで上昇する。すると、点火コイル９０の２次側には、1次側に発生する電圧が巻き数比倍された高電圧が励起される。この高電圧は、一般的には−３０ｋＶ程度以上の高電圧であり、これが点火プラグ９２の電圧Ｖｐｌｇとして印加される。この高電圧によって点火プラグ９２で放電が生じる。この放電により混合気に着火すれば、燃焼が開始される。

上記のように点火プラグ９２が放電する瞬間に、点火電流Ｉｓｐｋ（図１）が流れる。点火電流Ｉｓｐｋは、定電圧ダイオード２２１および保護ダイオード１６１を通った後、基準端子Ｔ１から逃がされる。このとき逆阻止ダイオード１６３は点火電流Ｉｓｐｋが電流検出部１２０および電流補償部１１０へ流入することを阻止する。点火電流Ｉｓｐｋが定電圧ダイオード２２１を流れることによって、所定の電圧（例えば１５０Ｖ程度）が発生する。この電圧によってコンデンサ２２２が充電される。

点火電流Ｉｓｐｋが減少してゼロになると、上記のように充電されているコンデンサ２２２の電圧が点火プラグ９２に印加される。このときに正常に燃焼が行われていれば、数μＡ〜数百μＡ程度のイオン電流Ｉｉｏｎが流れる。イオン電流検出回路１０１は、このイオン電流Ｉｉｏｎを検出し、例えば５倍程度に増幅して出力する。イオン電流Ｉｉｏｎが検出される際の検出端子Ｔ２の電圧は、点火電流Ｉｓｐｋが流れる際の検出端子Ｔ２の電圧の電圧よりも極めて低い。よって、保護ダイオード１６１は、当該電圧にとって順方向を有するものの、イオン電流Ｉｉｏｎをおおよそ阻止する。しかしながら、この阻止は完全ではなく、ある程度のリーク電流の流れを許してしまう。また、サージ保護のための保護ダイオード１６２も、当該電圧にとって逆方向を有するものの、ある程度のリーク電流の流れを許してしまう。本実施の形態においては、これら電流の合計がリーク電流Ｉｄｌｋである。電流検出部１２０にとって、イオン電流Ｉｉｏｎとリーク電流Ｉｄｌｋとは区別されないため、仮に何らの対処もなかったとすると、リーク電流Ｉｄｌｋの大きさに依存してイオン電流Ｉｉｏｎの検出結果が乱される。本実施の形態においては、詳しくは後述するように、リーク電流Ｉｄｌｋを補償するための補償電流Ｉｃｍｐが供給される。これによって検出結果の乱れが抑制される。

（イオン電流検出回路の構成およびその動作の詳細）
図３は、イオン電流検出回路１０１（図１）の構成の例を示す回路図である。

電流補償部１１０は補償ダイオード１７１，１７２を有している。補償ダイオード１７１，１７２は、互いに逆並列に接続された複数のダイオードである。補償ダイオード１７１，１７２の各々の一方端（図３における下方端）は基準端子Ｔ１に接続されている。補償ダイオード１７１は、基準端子Ｔ１に向かって順方向を有している。補償ダイオード１７２は基準端子Ｔ１から順方向を有している（言い換えれば、基準端子Ｔ１に向かって逆方向を有している）。電流補償部１１０は、補償ダイオード１７１，１７２に流れる電流である疑似的リーク電流Ｉｓｉｍに応じて、補償電流Ｉｃｍｐを発生する。なお、疑似的リーク電流Iｓｉｍは、本実施の形態においては、補償ダイオード１７１に流れる電流と、補償ダイオード１７２に流れる電流との合計である。

電流補償部１１０は、補償電流Ｉｃｍｐとして、疑似的リーク電流Ｉｓｉｍのｋ倍の電流を発生するカレントミラー回路ＣＭ１を含む。言い換えれば、カレントミラー回路ＣＭ１は、カレントミラー比ｋを有している。カレントミラー回路ＣＭ１は、ｋ＝１を満たしていてよく、あるいは、ｋ＞１を満たしていてよい。カレントミラー回路ＣＭ１は、ダイオード１７３を介して補償ダイオード１７１，１７２へ疑似的リーク電流Ｉｓｉｍを流すＰＭＯＳ（ｐ型ＭＯＳＦＥＴ）１１３と、疑似的リーク電流Ｉｓｉｍに応じて補償電流Ｉｃｍｐを流すＰＭＯＳ１１４とを有している。補償電流Ｉｃｍｐが疑似的リーク電流Ｉｓｉｍのｋ倍とされるためには、ＰＭＯＳ１１３の実質的サイズに対するＰＭＯＳ１１４の実質的サイズがｋ倍であればよい。ここでＰＭＯＳは、互いに並列接続された複数のトランジスタ素子によって構成されていてよく、このことについては後述する。

保護ダイオード１６２（第１の素子）は、補償ダイオード１７２（第２の素子）の有効面積のほぼｋ倍の有効面積を有している。また保護ダイオード１６１（第３の素子）は、補償ダイオード１７１（第４の素子）の有効面積のほぼｋ倍の有効面積を有している。これにより、
Ｉｓｉｍ＝Ｉｄｌｋ／ｋ・・・（１）
がほぼ満たされる。ここで、カレントミラー回路ＣＭ１は
Ｉｃｍｐ＝Ｉｓｉｍ × ｋ・・・（２）
を満たすので、
Ｉｃｍｐ＝Ｉｄｌｋ・・・（３）
がほぼ満たされる。

イオン電流Ｉｉｏｎの検出動作時においては、図１を参照して、
Ｉｉｏｎ＋Ｉｄｌｋ＝Ｉｄｔｃ＋Ｉｃｍｐ・・・（４）
が満たされる。式（３）および（４）から、
Ｉｉｏｎ＝Ｉｄｔｃ・・・（５）
がほぼ満たされる。すなわち、イオン電流Ｉｉｏｎと検出電流Ｉｄｔｃとが、ほぼ等しくなる。よって、イオン電流Ｉｉｏｎの検出結果としての検出電流Ｉｄｔｃは、高い精度を有している。

温度が上がるほど保護ダイオード１６１，１６２のリーク電流Ｉｄｌｋは大きくなるが、同時に補償ダイオード１７１，１７２の疑似的リーク電流Ｉｓｉｍも大きくなる。よって、温度が高い場合であっても、イオン電流Ｉｉｏｎの検出結果としての検出電流Ｉｄｔｃの誤差が抑制される。

ｋを大きくするほど、補償ダイオード１７１，１７２のサイズを小さくでき、よって電流補償部１１０を小さくすることができる。ただし、ｋが過度に大きいと、上記の式（１）および（２）の比例関係の精度が低下するので、式（３）に示された等式の誤差が大きくなる。よって、この誤差の程度を勘案してｋの値が選択される。

ダイオード１７３は、逆阻止ダイオード１６３による電圧降下とほぼ同様の電圧降下を得ることによって、保護ダイオード１６１，１６２に印加される電圧と、補償ダイオード１７１，１７２に印加される電圧とを、ほぼ同じにするために設けられている。これらの電圧が近いほど、リーク電流Ｉｄｌｋに対する疑似的リーク電流Ｉｓｉｍの比例間関係がより高い精度で満たされる。ただし、回路の簡素化が優先される場合は、ダイオード１７３は省略されてもよい。

ダイオードの有効面積は、接合長および面積等に依存する。また、同一の順方向で並列に接続された複数のダイオード素子が１つのダイオードと見做されてもよい。例えば、ｍ個の同じダイオード素子が並列接続されることによって、ｍ倍の有効面積を有するダイオードが得られる。

保護ダイオード１６１と補償ダイオード１７１とは、同じ種類のダイオードであることが好ましい。また保護ダイオード１６２と補償ダイオード１７２とは、同じ種類のダイオードであることが好ましい。また逆阻止ダイオード１６３とダイオード１７３とは、同じ種類のダイオードであることが好ましい。特に、ｋ＝１の場合は、保護ダイオード１６１と補償ダイオード１７１とが、種類だけでなくサイズについても実質的に同じであることが好ましい。また保護ダイオード１６２と補償ダイオード１７２とが、種類だけでなくサイズについても実質的に同じであることが好ましい。また逆阻止ダイオード１６３とダイオード１７３とが、種類だけでなくサイズについても実質的に同じであることが好ましい。

電流検出部１２０はカレントミラー回路ＣＭ２を有している。カレントミラー回路ＣＭ２は、逆阻止ダイオード１６３を介して保護ダイオード１６１，１６２へ検出電流Ｉｄｔｃを流すＰＭＯＳ１１１と、検出電流Ｉｄｔｃに比例した電流を電流増幅部１３０へ供給するＰＭＯＳ１１２とを有している。図３は、ＰＭＯＳ１１２が検出電流Ｉｄｔｃと実質的に同じ電流を流す例を示す。

電流増幅部１３０はカレントミラー回路ＣＭ３を有している。カレントミラー回路ＣＭ３は、電流検出部１２０からの電流が流されるＮＭＯＳ１３１と、この電流に比例した出力電流Ｉｏｕｔを出力端子Ｔ３と基準端子Ｔ１との間で流すＮＭＯＳ１３２とを有している。検出電流Ｉｄｔｃに対する出力電流Ｉｏｕｔの増幅率は、カレントミラー回路ＣＭ３の電流比（カレントミラー比）によって設定可能である。なお、カレントミラー回路ＣＭ２の電流比が１：１とは異なる場合、増幅率は、カレントミラー回路ＣＭ２の電流比と、カレントミラー回路ＣＭ３の電流比との組み合わせによって設定される。

（効果のまとめ）
電流補償部１１０（図３）は、検出端子Ｔ２と保護ダイオード１６１，１６２の並列接合との間へ、補償電流Ｉｃｍｐを流す。これにより、保護ダイオード１６１，１６２を流れるリーク電流Ｉｄｌｋが補償される。よって、リーク電流Ｉｄｌｋに起因しての検出電流Ｉｄｔｃの誤差、言い換えれば、リーク電流Ｉｄｌｋに起因してのイオン電流Ｉｉｏｎの検出誤差、が抑制される。よって、イオン電流Ｉｉｏｎの検出精度を向上させることができる。この検出結果が参照されることによって、点火システム３００（図１）は、点火プラグ９２を用いた点火動作を、より適切なタイミングで、より確実に行うことができる。

電流補償部１１０が補償ダイオード１７１，１７２を有することによって、保護ダイオード１６１，１６２を流れるリーク電流Ｉｄｌｋに対応した疑似的リーク電流Ｉｓｉｍを、電流補償部１１０において生成することができる。疑似的リーク電流Ｉｓｉｍに応じて補償電流Ｉｃｍｐを発生させることによって、補償電流Ｉｃｍｐの大きさをリーク電流Ｉｄｌｋとおおよそ同じとすることができる。これによりリーク電流Ｉｄｌｋが高精度で補償される。よって、リーク電流Ｉｄｌｋに起因してのイオン電流の検出誤差が、より確実に抑制される。よって、イオン電流の検出精度を、より向上させることができる。

電流補償部１１０は、補償電流Ｉｃｍｐとして、疑似的リーク電流Ｉｓｉｍのｋ倍の電流を発生するカレントミラー回路を含む。これにより、疑似的リーク電流Ｉｓｉｍに応じて補償電流Ｉｃｍｐを発生させることができる。

ｋ＝１の場合、疑似的リーク電流Ｉｓｉｍとほぼ同じ補償電流Ｉｃｍｐが生成される。よって、補償電流Ｉｃｍｐとリーク電流Ｉｄｌｋとをおおよそ同じとするためには、疑似的リーク電流Ｉｓｉｍがリーク電流Ｉｄｌｋとおおよそ同じとされる。それを実現するために、補償ダイオード１７１，１７２として、保護ダイオード１６１，１６２の構成とほぼ同様の構成を用いることができる。よって、補償ダイオード１７１，１７２を容易に準備することができる。

ｋ＞１の場合、疑似的リーク電流Ｉｓｉｍは補償電流Ｉｃｍｐよりも小さい。よって、補償電流Ｉｃｍｐとリーク電流Ｉｄｌｋとをおおよそ同じとするためには、疑似的リーク電流Ｉｓｉｍがリーク電流Ｉｄｌｋよりも小さくされる。それを実現するために、補償ダイオード１７１，１７２として、保護ダイオード１６１，１６２の構成よりも小さい構成を用いることができる。すなわち、補償ダイオード１７１，１７２のサイズを小さくすることができる。

保護ダイオード１６１，１６２は、互いに逆並列に接続された複数のダイオードである。これにより、点火電流に対するダイオード特性と、サージ保護のためのダイオード特性とを、おおよそ独立して調整することができる。

逆阻止ダイオード１６３により、点火電流Ｉｓｐｋ（図１）が電流検出部１２０および電流補償部１１０へ流入することが阻止される。これにより、電流検出部１２０および電流補償部１１０を、大電流である点火電流Ｉｓｐｋから保護することができる。

点火プラグ９２の点火電流Ｉｓｐｋが発生した際に、定電圧ダイオード２２１に生じる定電圧によって、コンデンサ２２２を充電することができる。充電されたコンデンサ２２２が有する電圧によって、イオン電流Ｉｉｏｎを生成することができる。

電流増幅部１３０は、検出電流Ｉｄｔｃを増幅することによって、検出電流Ｉｄｔｃの情報を表す出力電流Ｉｏｕｔを生成する。このとき、電流増幅部１３０において検出電流Ｉｄｔｃの誤差量がそのまま増幅される。よって出力の誤差が大きくなりやすい。本実施の形態によれば、検出電流Ｉｄｔｃの誤差が上記のように抑制される。よって、出力の誤差を効果的に抑えることができる。

なお本実施の形態においては、検出電流Ｉｄｔｃの情報を表す出力としてアナログ電流出力が用いられるが、出力の形式はこれに限定されるものではなく、例えば、アナログ電圧出力、またはデジタル出力が用いられてもよい。

＜実施の形態２＞
図４は、本実施の形態２における点火システム３００の構成を概略的に示す回路図である。本実施の形態においては、イオン電流検出回路１０１（図１：実施の形態１）に代わって、イオン電流検出回路１０２が設けられている。図５は、イオン電流検出回路１０２（図４）の構成の例を示す回路図である。

イオン電流検出回路１０２（図５）は、保護ダイオード１６１，１６２（図３）に代わって、保護ダイオード１６０を有している。保護ダイオード１６０は、例えば、点火電流Ｉｓｐｋの方向と反対の順方向を有するツェナーダイオードまたはアバランシェダイオードである。保護ダイオード１６０が点火電流Ｉｓｐｋの方向と反対の順方向を有することによって、微弱な電流であるイオン電流Ｉｉｏｎの検出時には検出端子Ｔ２と基準端子Ｔ１との間がおおよそ絶縁される。なお、点火電流Ｉｓｐｋが流れている際は、保護ダイオード１６０は逆電圧でクランプされる。

またイオン電流検出回路１０２（図５）は、補償ダイオード１７１，１７２（図３）に代わって、補償ダイオード１７０を有している。補償ダイオード１７０の一方端（図５における下方端）は基準端子Ｔ１に接続されている。補償ダイオード１７０は、基準端子Ｔ１から順方向を有している（言い換えれば、基準端子Ｔ１に向かって逆方向を有している）。

保護ダイオード１６０（第１の素子）は、補償ダイオード１７０（第２の素子）の有効面積のほぼｋ倍の有効面積を有している。保護ダイオード１６０と補償ダイオード１７０とは、同じ種類のダイオードであることが好ましい。特に、ｋ＝１の場合は、保護ダイオード１６０と補償ダイオード１７０とが、種類だけでなくサイズについても実質的に同じであることが好ましい。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態によれば、実施の形態１に比して簡素な構成を用いつつ、保護ダイオード１６０の逆方向電流によって点火電流Ｉｓｐｋ（図４）の流れを許容し、かつ、保護ダイオード１６０の順方向電流によってサージ電流を逃がすことができる。

＜実施の形態３＞
図６は、本実施の形態３におけるイオン電流検出回路１０３の構成の例を示す回路図である。本実施の形態においては、電流検出部１２０は、ダイオード接続されたＮＭＯＳ１８１を有している。ＮＭＯＳ１８１は、検出端子Ｔ２と、保護ダイオード１６１，１６２との間へ、逆阻止ダイオード１６３を介して検出電流Ｉｄｔｃを流す。電流補償部１１０は、ＰＭＯＳ１１３に直列に接続されたＮＭＯＳ１８３と、ＰＭＯＳ１１４に直列に接続されたＮＭＯＳ１８２とを有している。ＮＭＯＳ１８２のゲートとＮＭＯＳ１８３のゲートとは短絡されている。またＮＭＯＳ１８２はダイオード接続されている。なお、これら以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態によれば、ダイオード接続されたＮＭＯＳ１８１における電圧降下により、リーク電流Ｉｄｌｋが抑制される。また、ＮＭＯＳ１８３およびＮＭＯＳ１８２による電圧降下により、上記のように抑制されたリーク電流Ｉｄｌｋに対応して抑制された補償電流Ｉｃｍｐを生成することができる。これにより、補償を要するリーク電流Ｉｄｌｋ自体が小さくなり、そしてそれに対して適切な補償が行われる。よってイオン電流Ｉｉｏｎの検出誤差が、より抑制される。

＜実施の形態４＞
図７は、本実施の形態４におけるイオン電流検出回路１０４の構成の例を示す回路図である。イオン電流検出回路１０４は、保護ダイオード１６１，１６２（図６：実施の形態３）に代わって保護ダイオード１６０を有しており、また補償ダイオード１７１，１７２（図６：実施の形態３）に代わって補償ダイオード１７０を有している。保護ダイオード１６０および補償ダイオード１７０は、実施の形態２（図５）におけるものと同様である。なお、これら以外の構成については、上述した実施の形態３の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態によれば、実施の形態３による効果と同様の効果を、実施の形態２（図５）において説明した保護ダイオード１６０が用いられる場合において、得ることができる。

なお、上記各実施の形態において説明されている具体的な回路は例示であり、その一部または全部が、同様の機能を有する他の回路に置き換えられてもよい。

カレントミラー比ｋを得るために、カレントミラー回路の一方側または両側において、並列接続された複数のトランジスタ素子が用いられてよい。これらトランジスタ素子の各々は、実質的に同じ構成を有していてよい。例えば、図８は、カレントミラー比が２であるカレントミラー回路ＣＭ１を示す。図８において、ＰＭＯＳ１１３はＰＭＯＳ素子５ａによって構成されており、ＰＭＯＳ１１４はＰＭＯＳ素子５ｂおよび５ｃによって構成されている。ＰＭＯＳ素子５ｂおよび５ｃは互いに並列接続されている。ＰＭＯＳ素子５ａ〜５ｃは、実質的に同じ構成を有している。また図９は、カレントミラー比が３であるカレントミラー回路ＣＭ１を示す。図９において、ＰＭＯＳ１１３はＰＭＯＳ素子５ａによって構成されており、ＰＭＯＳ１１４はＰＭＯＳ素子５ｂ〜５ｄによって構成されている。ＰＭＯＳ素子５ｂ〜５ｄは互いに並列接続されている。ＰＭＯＳ素子５ａ〜５ｄは、実質的に同じ構成を有している。

イオン電流検出回路１０１〜１０４は、ＰＭＯＳおよびＮＭＯＳを有するＣＭＯＳ（シーモス：ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）回路を有しているが、変形例として、バイポーラ回路またはＢｉＣＭＯＳ（バイポーラＣＭＯＳ）回路が用いられてもよい。また、基準端子Ｔ１は、各図において１つのみ図示されているが、ノイズ対策等の理由で、互いに離れた複数の基準端子が設けられてよい。また、イオン電流検出回路１０１〜１０４と駆動部２１３とは、共通の半導体基板に形成されていてもよく、あるいは別箇の半導体基板に形成されていてもよい。

本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

ＣＭ１〜ＣＭ３カレントミラー回路、Ｉｄｔｃ検出電流、Ｉｄｌｋリーク電流、Ｉｓｐｋ点火電流、Ｉｃｍｐ補償電流、Ｉｉｏｎイオン電流、Ｉｓｉｍ疑似的リーク電流、Ｉｏｕｔ出力電流、Ｔ１基準端子、Ｔ２検出端子、Ｔ３出力端子、Ｔ６制御端子、Ｔ７駆動端子、Ｔ８モニタ端子、９０点火コイル、９１バッテリー（電源）、９２点火プラグ、１０１〜１０４イオン電流検出回路、１１０電流補償部、１２０電流検出部、１３０電流増幅部（増幅部）、１６０〜１６２保護ダイオード、１６３逆阻止ダイオード、１７０〜１７２補償ダイオード、１７３ダイオード、２００点火制御装置、２１０スイッチング回路、２１１ＩＧＢＴ（半導体スイッチング素子）、２１２ツェナーダイオード、２１３駆動部、２１５モニタ抵抗、２２０バイアス回路、２２１定電圧ダイオード、２２２コンデンサ、３００点火システム。

Claims

内燃機関用の点火プラグを流れるイオン電流を検出するイオン電流検出回路であって、
前記点火プラグへ電気的に接続されることになる検出端子と、
基準電位が供給されることになる基準端子と、
前記検出端子と前記基準端子との間に設けられた少なくとも１つの保護ダイオードと、
前記検出端子と前記少なくとも１つの保護ダイオードとの間へ検出電流を流す電流検出部と、
前記検出端子と前記少なくとも１つの保護ダイオードとの間へ補償電流を流す電流補償部と、
を備え、
前記電流補償部は少なくとも１つの補償ダイオードを有しており、
前記電流補償部は、前記少なくとも１つの補償ダイオードに流れる電流である疑似的リーク電流に応じて、前記補償電流を発生する、イオン電流検出回路。
前記電流検出部の前記検出電流を増幅する増幅部をさらに備える、請求項１に記載のイオン電流検出回路。
前記少なくとも１つの保護ダイオードは、互いに逆並列に接続された複数のダイオードであり、前記少なくとも１つの補償ダイオードは、互いに逆並列に接続された複数のダイオードである、請求項１または２に記載のイオン電流検出回路。
前記少なくとも１つの補償ダイオードと、前記少なくとも１つの保護ダイオードとの各々は、ツェナーダイオードまたはアバランシェダイオードである、請求項１または２に記載のイオン電流検出回路。
前記電流補償部は、前記補償電流として、前記疑似的リーク電流のｋ倍の電流を発生するカレントミラー回路を含み、
前記少なくとも１つの保護ダイオードは、前記基準端子から前記検出端子に向かって順方向を有する少なくとも１つの第１の素子を有しており、前記少なくとも１つの補償ダイオードは、前記基準端子から順方向を有する少なくとも１つの第２の素子を有しており、前記少なくとも１つの第１の素子は、前記少なくとも１つの第２の素子の有効面積のｋ倍の有効面積を有している、
請求項１から４のいずれか１項に記載のイオン電流検出回路。
前記電流補償部は、前記補償電流として、前記疑似的リーク電流のｋ倍の電流を発生するカレントミラー回路を含み、
前記少なくとも１つの保護ダイオードは、前記検出端子から前記基準端子に向かって順方向を有する少なくとも１つの第３の素子を有しており、前記少なくとも１つの補償ダイオードは、前記基準端子に向かって順方向を有する少なくとも１つの第４の素子を有しており、前記少なくとも１つの第３の素子は、前記少なくとも１つの第４の素子の有効面積のｋ倍の有効面積を有している、
請求項１から５のいずれか１項に記載のイオン電流検出回路。
前記電流補償部の前記カレントミラー回路はｋ＝１を満たす、請求項５または６に記載のイオン電流検出回路。
前記電流補償部の前記カレントミラー回路はｋ＞１を満たす、請求項５または６に記載のイオン電流検出回路。
前記電流検出部は、前記検出電流を流す、ダイオード接続されたトランジスタを有している、請求項５から８のいずれか１項に記載のイオン電流検出回路。
前記検出端子と前記電流検出部との間に、前記検出電流の方向と逆方向の電流を阻止する逆阻止ダイオードをさらに備え、
前記電流補償部は前記検出端子と前記少なくとも１つの保護ダイオードとの間へ前記逆阻止ダイオードを介して補償電流を流す、
請求項１から９のいずれか１項に記載のイオン電流検出回路。
内燃機関用の点火プラグの点火を制御する点火制御装置であって、
前記点火プラグを流れるイオン電流の経路に挿入された定電圧ダイオードと、前記定電圧ダイオードに並列に接続されたコンデンサと、を有するバイアス回路と、
前記イオン電流を検出するイオン電流検出回路と、
を備え、前記イオン電流検出回路は、
前記点火プラグへ電気的に接続されることになる検出端子と、
基準電位が供給されることになる基準端子と、
前記検出端子と前記基準端子との間に設けられた少なくとも１つの保護ダイオードと、
前記検出端子と前記少なくとも１つの保護ダイオードとの間へ検出電流を流す電流検出部と、
前記検出端子と前記少なくとも１つの保護ダイオードとの間へ補償電流を流す電流補償部と、
を備え、
前記電流補償部は少なくとも１つの補償ダイオードを有しており、
前記電流補償部は、前記少なくとも１つの補償ダイオードに流れる電流である疑似的リーク電流に応じて、前記補償電流を発生する、
点火制御装置。
内燃機関用の点火システムであって、
前記内燃機関用の点火プラグと、
１次コイルと、前記点火プラグに接続された２次コイルとを有する点火コイルと、
前記点火コイルの前記１次コイルに接続された電源と、
前記点火コイルに接続された点火制御装置と、
を備え、前記点火制御装置は、
前記電源によって生成され前記点火コイルの前記１次コイルを流れる電流を開閉する半導体スイッチング素子と、
前記点火プラグを流れるイオン電流の経路に挿入された定電圧ダイオードと、前記定電圧ダイオードに並列に接続されたコンデンサと、を有するバイアス回路と、
前記イオン電流を検出するイオン電流検出回路と、
を備え、前記イオン電流検出回路は、
前記点火プラグへ電気的に接続された検出端子と、
基準電位が供給された基準端子と、
前記検出端子と前記基準端子との間に設けられた少なくとも１つの保護ダイオードと、
前記検出端子と前記少なくとも１つの保護ダイオードとの間へ検出電流を流す電流検出部と、
前記検出端子と前記少なくとも１つの保護ダイオードとの間へ補償電流を流す電流補償部と、
を備え、
前記電流補償部は少なくとも１つの補償ダイオードを有しており、
前記電流補償部は、前記少なくとも１つの補償ダイオードに流れる電流である疑似的リーク電流に応じて、前記補償電流を発生する、
点火システム。