JPH03500321A - 高電圧スイツチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 高電圧スイッチ 従来の技術 本発明は請求項１の上位概念に示されている高電圧スイッチに関する。

点火トリガおよび点火角度決定が電子的に行なわれるだけでなく、適切なシリン ダの点火プラグへの点火火花の分配および伝送も電子的に行なわれる形式の、内 燃ニンジン用の全電子式点火装置は公知である。即ちこの装置の場合、高電圧は もはやＶ＆械的な回転部材によるのではなく、スタティックな電子制御コンポー ネントにより分配される。そのためスタティックな即ち静止的な高電圧分配（Ｒ ＨＶ）が行なわれる。この装置の欠点は各々の点火プラグに対して各１つの点火 コイルと各１つの遮断トランジスタを設けなければならない点にある。そのため この装置は著しく重量があり、かつ高価であるだけでなく、著しく複雑になる。

さらにこの装置は大きなスペースを必要とする。

本発明の利点 従来技術と比較して請求項１の特徴部分に示された構成を宵する冒頭に述べた形 式の高電圧スイッチは、内燃機関の全部の点火プラグに対して１つの遮断トラン ジスタを有する１つの点火コイルだけしか必要とされない利点を有する。複数個 のオプトエレクトロニック半導体エレメントから構成される継続接続体は光照射 により作動される、即ち半導体エレメントは光照射の際に遮断状態から導通状態 へ移行され、これにより点火コイルから供給される点火パルスが、半導体エレメ ントに後置接続されている点火プラグへ加えられる高電圧フォトトランジスタと して、高電圧フォトサイリスタとしてまたは高電圧フォトＩＣとして構成された 半導体エレメントは特に有利であり、この場合、１つの縦続接続体に３〜５０の エレメントが設けられている。

特に有利な構成においては縦続接続体を作動するための光は光導体ファイバーを 介して光感半導体領域へ導びかれる。この構成により光放出エレメントの個数が 低減される。

別の有利な構成においてはオプトエレクトロニック半導体エレメントの複数個の 縦続接続体および所属の光放出エレメントはそれぞれハイブリッド回路として構 成されている。

この場合、オプトエレクトロニック半導体エレメントとこれらに隣り合う光放出 エレメントとの間に、透光性の絶縁体が設けられている。このよう（こシてこの 高電圧スイッチはスペースが著しく節約されて構成される。点火プラグに配属さ れｔ：高電圧スイッチは唯１つのケーシングの中にまとめられて鋳込むことがで きる。この構成により最適な絶縁が得られる。高電圧スイッチをエンジン制御回 路の中へ組み込むこともできる。

従属形式の請求項における構成のように、独立形式の請求項に示された高電圧ス イッチを形成することができる。特に有利に、点火プラグに加えられる電圧の経 過をいわゆる急峻化効果により改善することができる。そのため短絡がもはや点 火エラーを生ぜさせ得なくなる。このことは、縦続接続体の導通接続に必要とさ れる光パルスが、高い電圧が縦続接続体へ加太らる時に、はじめて送出される構 成により達成される。光感半導体エレメントから成る縦続接続体の導通接続を、 所望の点火電圧の際にはじめて行なうこともできる。最後にオプトエレクトロニ ック半導体エレメントを２極のサイリスタとまたは跳躍特性性のダイオードと組 み合わせられる。

図　面 次に本発明を図面を用いて説明する。

第１図は点火配分装置として構成された高電圧スイッチの構成図、第２図は光フ ァイバーを有する高電圧スイッチの基本構成図、第３図は複数個のダーリントン 接続体および別個の光放出エレメントを有する高電圧スイッチの構成図、第４図 はハイブリッド技術により構成される高電圧スイッチの断面図、茅５図は高電圧 スイッチを有する点火回路の構成図、第６図は縦統接続されたサイリスクを有す る高電圧スイッチの構成図、第７図は点火コイルの２次側における電圧経過（実 線）８よび、高覧エスイツチにより制御される点火プラグにおける電圧経過（破 線）のダイヤグラム図、第８図は電圧で制御される半導体エレメントと光で制御 サレる半導体エレメントから成る組み合わせ体を有ｔ　７．）　？Ｊ電圧スイッ チの構成図を示す。

実施例の説明 冒頭に述べた形式の高電圧スイッチは基本的に、高電圧源と高電圧負荷との間に 任意に挿入接続できる。

次に４つのシリンダを有する内燃機関の静止形高電圧分配器における適用を説明 する・ 第１図は、４つの縦続接続体１〜４を含む点火電圧分配器の回路装置を示す。こ の縦続接続体は、ここでは高電圧７オトトランジスタ５として形成されているオ プトユレクトロニツタ半導体エレメントからそれぞれ構成されているｅ高電圧フ ォトトランジスタ５の各々に、発光ダイオードとして構成された光放出エレメン トが配属されている。これらのトランジスタの各々に抵抗７が並列に接続されて いる。これらの抵抗は、縦続接続体１−１の直線化のために用いられる分圧器８ 〜１１を機成する。″ａ統接続体のコレクタ側の端子は高電圧入力側ＨＶと接続 されており、他方、縦続接続体の最後の工１／メントのエミッタは、ここｌ：は 図示されていない点火プラグＺＫＩ〜ＺＫ４とそれぞれ接続されている。縦統接 続体１〜４に、制御入力側５１〜５４を介して制御可能な、発光ダイオード６の 直列接続体１２〜１５が配属されている９制街入力側８１〜Ｓ４の１つが制御信 号により制御されると、発光ダイオード６が光を放出する。この光は、それぞれ 所属のトランジスタ５の光感領域へ入射する。そのｊこめ所属の縦続接続体が導 通接続されて、高電圧入力ｇｊｌこＨ■に加わっていた例えば１５〜４０ＫＶの 高電圧パルスが、所属の点火プラグへ加えられる。

第２図は高電圧スイ・ンチの基本図を示す。このツイツチは唯１つの発光ダイオ ード６から制御される５つノ高電圧フォトトランジスタ５の縦続接続体を有する 。発光ダイオード６の光は光案内ファイノ（１６を介してフォトトランジスタの 光感領域へ導びかれる。

第３図は高電圧スイッチの別の実施例を示す。この場合は縦続接続の個々のフォ トトランジスタではなく、それぞれ１つのトランジスタと１つのフォトダイオー ドから成るダーリントン回路が設けられている。各ダーリントン回路に並列に抵 抗が接続されている。これにより形成される分圧器はこの縦続接続体の直線化の ために用いられる。第３図に示されている実施例は、高い点火電流とおよび低い 光出力に対して特に適している。

第４図はハイブリッド技術で構成された高電圧スイッチの実施例の断面図を示す 。この高電圧スイッチは５つのオプトエレクトロ二ック半導体１７を有し、これ らに５つの発光ダイオード１８が配属されている。

ダイオード１８と半導体エレメント１７との間ｌ：、透光性の絶縁体として用い られるガラス層１９が設けられている。半導体エレメント１７は導体路および抵 抗回路網を介して互いに接続されておりさらに基板２１の上へ設けられている。

導体路２０は高電圧端子ラグ２２．２３と導電接続されている。この場合、一方 の端子ラグが高電圧端子）Ｉｖを構成し、他方の端子ラグが点火プラグへ導びか れる端子を形成する。

発光ダイオード１８の上側に熱伝導層２４が設けられており、これは例えばアル ミニウムから形成されていて放熱のために用いられる。発光ダイオード１８に対 する制御端子Ｓ１はこの実施例の場合はケーシング２５の中から上方へ導びかれ る。ケーシングは例えばプラスチックから形成されており、下側で、例えばアル ミニウムから成るカバー２６と結合されている。ケーシングの内側は鋳込材２７ により鋳込まれていてこれにより最適の絶縁が得られる。

第５図は４つのシリンダないし点火プラグＺＫＩ’〜ＺＫ４を有する内燃エンジ ンの点火装置を示す。高電圧スイッチは第１図に示されて（する様に縦統接続体 １〜４として構成されており、この場合、簡単に図示するブニめ、ここでは１つ のトランジスタエレメントタ：すが所属の発光ダイオード６と共にそれぞれ示さ れている。

第５図には高電圧−コンデンサ点火装置が示されている。高電圧スイッチの使用 はこの種の点火装置に限定されるものではなく、この高電圧スイッチは点火コイ ル、トランジスタ点火装置と組み合わせることも可能であり、これについては以 下で詳述する。

第５０に破線で囲まれている点火装置は１次巻線を有するトランスＴＲを備え、 この１次巻線はスイッチングトランジスタＳＴを介して電池電圧ＵＢと接続され ている。このスイッチングトランジスタのベースは制御装置Ｓと接続されている 。トランスＴＲ２次側に高電圧を発生するためにこのスイッチングトランジスタ は制御装［ｔＳから例えば５００Ｈ２の周波でオン・オフされる。トランスの２ 次巻線は一方ではアースと接続され、他方ではダイオードＤおよびインダクタン スｌを介して、縦続接続体２８と接続されている。ダイオードＤの陰極は２次巻 線と接続されており、その陽極は高電圧−コンデンサＣの第１端子と接続され、 その第２端子はアースへ接続されている。高電圧−コンデンサＣはトランスＴＲ により、ダイオードＤを介して、例えば２５ＫＶの直流電圧へ充電される。

制御装置Ｓは各々の点火プラグＺＫＩ〜ＺＫ４のために最適の点火時点を、エン ジンのその都度の種々異なる作動状態に依存してめる。この場合、特に例えばエ ンジンの負荷と回転数ｎが考慮される。例えば点火プラグＺＫＩを点火すべき時 は、縦続接続体ｌの発光ダイオード６が制御装置Ｓにより制御路線Ｓ’ＬＩを介 シテ制御される。このダイオードの光により縦統接続体ｌが導通接続されると、 高電圧コンデンサＣに加わっている高電圧が点火プラグＺＫＩへ達する。同様に これ以外の点火プラグＺＫ２〜ＺＫ４に、算出されり時点において点火電圧が加 えられる。

縦統接続体２８の中に設けられている発光ダイオード６は制御装置Ｓの中に取り 付けることもできる。この場合はこの縦統接続体は第２図に示されている様に、 光案内ファイバを介して制御装置を接続されている算６図は高電圧スイッチを別 の実施例として示す。

このスイッチは複数個の７オトサイリスタＴＨから構成されている。これらのＴ Ｈは光案内ファイバー１６を介して、それぞれ発光ダイオード６と光学的に結合 されている。サイリスタの各々に固有の発光ダイオード６が配属させることもで きる。この回路が任意の個数の点火プラグＺ　Ｋ　ｌ　−Ｚ　ｋ　ｎに対して使 用できることは明らかである。このことはその他の図面に示されている回路に対 しても当てはまる。

高電圧スイッチはフォトＩＣとして構成することもできる。これらのＩＣは、７ オトダイオードからまたはフォトトランジスタならびに増幅用トランジスタまた はダーリントン接続のサイリスタから、ならびに光照射がない時は電圧上昇速度 が高くても導通接続を阻止する部品から、構成することもできる。

他方、上述の形式の高電圧スイッチが第ＳＷｔ：示したトランジスタ点火装置と 組み合わされる場合は、この縦続接続体の高電圧入力側ＨＶに、点火コイルの２ 次側に発生される電圧パルスが加えられる。この電圧パルスの経過は第７図に実 線で示されている。例えば２０ＫＶの点火電圧は例えば４０Ｉ１５の立ち上がり 時間後に達せられる。この時間中に高電圧スイッチが導通接続されていると、例 えば点火プラグのすす付着に起因する短絡が、エネルギの流出を生ぜしめること がある。そのため点火電圧に達せずいわゆる点火エラーが生ずるおそれがある。

このことは発光ダイオード６を遅延制御することにより阻止される。これＬこよ り半導体縦統接続体は、この縦統接続体の高電圧入力側の点火電圧が既に例えば ２０ＫＶに達した時に、はじめて導通状態に移行する９点火電圧がこの瞬間に点 火プラグに加えられると、短絡接続は形成されず、火花が直接上ずる。この発光 ダイオードを制御する制御装置Ｓ−例えば第８図に示されているーはこの場合は 次のように設計する必要がある。即ちスイッチングトランジスタのベースを制御 した後に、所定の遅延の後に、発光ダイオード６が制御されるように、設計する 必要がある。この設計により数１０〜１００ｎｓの著しく短かい、例えば５０ｎ ｓの立ち上り時間が得られる。これは第７図に破線で示されている。

この種の急峻化効果は、サイリスタを発光ダイオードと組み合わせて形成した縦 ｌＲ接続体の場合に達せられる。この場合この光の強さは、この７オトサイリス タ縦続接続体が、入力端、子ＨＶに現われる所定の例えば２０ＫＶの入力電圧の 場合にはじめて導通されるように、選定されている。この場合、サイリスタにお いて遮断電流と７オト電流がトリガ電流に加算されるという効果が利用される。

この遮断電流は、印加電圧が高いほどそれだけ高くなる。そのため印加電圧が高 い場合は、縦続接続体のトリガのためにすなわち導通接続のｔこめに必要とされ る光出力が、低い印加電圧の場合の光出力よりも小さくなる。そのため送出され る光出力の設定調整により、縦統接続体が導通接続される際の電圧を設定調整す ることができる。この場合、発光ダイオード６の光出力は、例えば２０ＫＶの点 火電圧に達した場合にはじめて縦続接続体の導通接続が行なわれるように、選定 される。これにより立上り時間がさらに約５０ｎｓの値へ短縮される。そのｌこ めよごれに起因する短絡が作用し得なくなくなる。

第８図に高電圧スイッチの別の実施例が示されている。この高電圧スイッチは２ つの半導体縦続接続体から構成されており、これらの縦続接続体はトランジスタ 装置の点火コイルＺＳと点火プラグＺＫとの間に設けられている。一方の半導体 縦続接続体に１は、それぞれ１つまたは複数個の発光ダイオードの配属されてい る前述のオプトエレクトロニック半導体エレメントにより構成されている。こに 場合はフォトトランジスタもトランジスタまたは７オトＩＣも使用することがで きる。他方の半導体縦続接続体回路に２はサイリスタまたはツェナダイオードか ら合成されており、これらは所定の跳躍電圧の場合に急激に、遮断状態から導通 状態へ移行する。個々のサイリスタのまたはツェナダイオードの遮断電圧は、構 成に応じて異なる値を何する。例えば遮断電圧がＩＫＶの場合は、例えば２０Ｋ Ｖの跳躍電圧のために２０個のエレメントから合成される縦続接続体が選定され る。光電半導体エレメントとツェナダイオードエレメントから成る縦続接続体は 、これが照射されない状態においては点火電圧が加わっても導通されないように 設計されている。

点火プラグを点火すべき場合は発光ダイオードが、点火電圧パルスの立上り以前 に投入接続される。そのため光電半導体エレメントが導通状態へ移行する。これ ｌこよりこの半導体エレメントにおいて電圧降下が生じ得ない。そのため点火コ イルから供給された電圧は、照射されないサイリスクまたは跳躍ダイオードにお いてだけ、降下する。半導体エレメントの個数により前もって選定される例えば ２０ＫＶの跳躍電圧に達すると、これらの半導体エレメントは急激に導通状態へ 達する。所属のプラグに加わる電圧の立上り時間は、数１０〜１００ｎｓの値を 例えば約５００５の値を有する。この急峻化効果により、例えばすすに起因する 短絡路が作用し得なくなる・ 照射されない半導体エレメントの縦続接続体は、ツェナダイオードおよび非対称 のサイリスタだけから形成できるだけでなく、点火コイルの正の投入接続パルス を阻止する！こめに、対称的なサイリスタを用いることもできる。

パーティカル構造の部品が最適である。何故ならばこの部品は高電圧ダイオード の製造の場合のように相続くように積層してさらに積層体として鋳込むことがで きるからである。

前述の発行ダイオードではなくこの場合に、全部の他の実施例と同様に、任意の 光送出エレメントを用いることができる。しかし低い電圧で作動できる部品の方 が有利である。

第８図の実施例は、高価な光電部品を節約できる利点を有する。照射されないス イッチングエレメントの遮断電圧を点火電圧となるように設計すると、オプトエ レクトロニック半導体エレメントの個数は次のように選定するだけでよい、即ち 高電圧スイッチの全部の半導体ユレメントの遮断電圧を、点火コイルに現われる 最大電圧が遮断される高さに選定するだけでよい。

さらに急峻化効果の開始時点は照射されない半導体ユレメントの個数により著し く正確に前もって選定できる。この開始時点は、個々の部品の跳躍電圧の和によ り定められ、この跳躍電圧は温度および半導体縦統接続体の寿命にわずかしか依 存しない。

前述の高電圧半導体スイッチは、制御回路と高電圧回路との間の電位分離が所望 されるかまたは必要とされる債所では、どこでも汎用に使用できる。

マ 国際調査報告 国際調査報告 ＳＡ　２４４７８

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．例えば内燃エンジンの点火プラグへ点火電圧を印加するための点火電圧分配 器としての高電圧スイッチにおいて、少くとも１つのオプトエレクトロニック半 導体エレメントから構成される継続接続体（１−４）が少くとも１つ設けられて おり、該縦続接続体にそれぞれ少なとも１つの光送出エレメント（６）が、所属 の縦続接続体を導通接続するために配属されていることを特徴とする高電圧スイ ッチ。
2. ２．半導体エレメントが、高電圧−フォトトランジスタ（５），−フォトサイリ スタ（ＴＨ）および／または−フォト１Ｃとして構成されている請求項１記載の 高電圧スイッチ。
3. ３．縦続接続体（１−４）が複数個のフォトトランジスターダーリントン段から および／またはフォトサイリスタ増幅器段から構成される請求項１記載の高電圧 スイッチ。
4. ４．縦続接続体（１−４）を作動させるための光が、光案内フアイバ（１６）を 介して光感半導体領域へ導びかれている請求項１から３までのいずれか１項記載 の高電圧スイッチ。
5. ５．各々の半導体エレメントに、低電圧で作動可能な、光放出エレメント（１８ ）が配属されている請求項１から３までのいずれか１項記載の高電圧スイッチ。
6. ６．オプトエレクトロニック半導体エレメント（１７）の継続接続体と所属の光 放出エレメント（１８）がハイブリッド回路として構成されており、該ハイブリ ッド回路において、オプトエレクトロニック半導体エレメント（１７）とこれに 隣り合う光放出エレメント（１８）との間に、１つの透光性の絶縁体（１９）が 設けられている請求項５記載の高電圧スイッチ。
7. ７．光放出エレメント（６，１８）が低電圧で作動される請求項１から６までの いずれか１項記載の高電圧スイッチ。
8. ８．内燃エンジンの各々の点火プラグ（ＺＫｌ〜ＺＫ４）に、所属の光放出エレ メント（６，１８）を有する１つの綻続接続体（１〜４）が配属されている請求 項１から７までのいずれか１項記載の高電圧スイッチ。
9. ９．オプトエレクトロニック半導体エレメントから構成される縦続接続体（１〜 ４）の各々に、直列に接続された、電圧により制御される半導体エレメントから 構成される繊続接続体が配属されている請求項１から８までのいずれか１項記載 の高電圧スイッチ。
10. １０．電圧で制御される半導体エレメントが、跳躍特性ダイオードとしてまたは サイリスタとして構成されている請求項９記載の高電圧スイッチ。
11. １１．繊続接続体（１〜４）および光放出エレメント（６）が保護部材エレメン トと共に共通にフォトＩＣの中へ集積可能にされている請求項１から１０までの いずれか１項記載の高電圧スイッチ。
12. １２．請求項１から８までのいずれか１項記載の高電圧スイッチを用いて、例え ば内燃エンジンの点火プラグのような高電圧負荷を制御する方法において、光放 出エレメント（６）が、縦続接続体（１〜４）に加わる電圧が所定値に達した時 に、はじめて制御されるようにしたことを特性とする高電圧負荷の制御方法。
13. １３．請求項９又は１０記載の高電圧スイッチを用いて、例えば内燃エンジンの 点火プラグのような高電圧負荷を制御する方法において、光放出エレメントが、 縦続接続体に点火電圧パルスが加えられる前に、制御されるようにしたことを特 性とする高電圧負荷を制御する方法。
14. １４．請求項１から１１までのいずれか１項記載の高電圧スイッチを用いて例え ば内燃エンジンの点火プラグのような高電圧負荷を制御する方法において、光放 出エレメントの光出力を、縦続接続体に加わる電圧がこの縦続接続体が導通接続 されるために所定値に達する必要がある位に、低く選定することを特性とする高 電圧負荷の制御方法。