(57)【要約】【課題】低コスト化を実現できるイオン電流検出装置を提供する。【解決手段】一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２とも直流電源から直流電圧を受けるよう構成された点火コイル１と、一次コイルの電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子２と、二次コイルＬ２に誘起される高電圧に基づいて直流電源に向かう方向に放電する点火プラグＰＧと、一次コイルＬ１の直流電源側の端子と、二次コイルＬ２の直流電源側の端子との間に接続されて、点火プラグの放電方向を規制するダイオードＤ１と、ダイオードＤ１の両端に接続されて直流電源の直流電圧を受ける分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２と、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点の信号電圧を受けて動作する増幅回路３と、を有し、直流電源の直流電圧に基づいて点火プラグに流れるイオン電流を、増幅回路３の出力として検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次コイルと二次コイルが電磁結合され、一次コイル及び二次コイルとも直流電源から直流電圧を受けるよう構成された点火コイルと、
一次コイルを介在して直流電源から直流電圧を受け、一次コイルの電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子と、
スイッチング素子のＯＦＦ動作時に二次コイルに誘起される高電圧に基づいて、グランドから直流電源に向かう方向に放電する点火プラグと、
一次コイルの直流電源側の端子と、二次コイルの直流電源側の端子との間に接続されて、点火プラグの放電方向を一方向に規制する電流規制素子と、
電流規制素子の直流電源側の端子と、二次コイルの直流電源側の端子との間に接続される第一抵抗素子及び第二抵抗素子による分圧回路と、
第一抵抗素子及び第二抵抗素子の接続点の信号電圧を受けて動作する増幅回路、を有し、
直流電源の直流電圧に基づいて点火プラグに流れるイオン電流を、増幅回路の出力として検出可能に構成されたことを特徴とするイオン電流検出装置。
【請求項２】
第一抵抗素子及び第二抵抗素子の接続点の信号電圧は、保護抵抗素子を経由して増幅回路の入力端子に供給されている請求項１に記載のイオン電流検出装置。
【請求項３】
増幅回路の入力端子とグランド間には、電流方向を一方向に規制する保護素子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装置。
【請求項４】
前記増幅回路は、非反転入力端子に信号電圧を受け、反転入力端子と出力端子との間に第三抵抗素子を配置したＯＰアンプで構成され、
反転入力端子とグランドとの間に、第四抵抗素子を配置している請求項１〜３の何れかに記載のイオン電流検出装置。
【請求項５】
一次コイルと二次コイルは、コイル巻線が逆相に巻かれて構成されている請求項１〜４の何れかに記載のイオン電流検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼により発生するイオン電流を、簡易且つ低コストの回路構成で検出できるイオン電流検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車エンジンなどの内燃機関では、燃焼室に導入した空気及び燃料の混合気を、点火プラグの点火放電により燃焼させることでエネルギーを発生させている。このような内燃機関では、燃焼時、燃焼室内の分子がイオン化するので、適当なタイミングで点火プラグにバイアス電圧を加えると、イオン電流を取得することが可能となる。
【０００３】
そして、取得したイオン電流にノック信号が重畳しているか否かによってノッキング発生の有無を把握することが可能となる（例えば、特許文献１〜特許文献２）。その他、取得したイオン電流に基づいて、ＯＢＤ（On-board diagnostics）対応、排ガス低減、燃費低減などのエンジン制御が実行されている。
【０００４】
図２は、特許文献１に記載の回路構成を図示したものであり、このイオン電流検出装置では、スイッチング素子ＱのＯＦＦ遷移時に、点火コイルの二次コイルＬ２に図示の向きの高電圧が発生して、点火プラグＰＧが負方向に点火放電する（マイナス放電）。また、このＯＦＦ遷移時には、点火プラグＰＧの放電電流が、二次コイルＬ２→ツェナーダイオードＺＤ１１及びコンデンサＣ１１→ダイオードＤ２２の経路で流れて、コンデンサＣ１１が充電される。そして、この点火放電電流が収束した後に、コンデンサＣ１１の両端電圧をバイアス電源として、実線の向きにイオン電流ｉが流れ、ＯＰアンプ３０からイオン電流ｉに対応する検出信号Ｒｆ＊ｉが出力される。
【０００５】
一方、マイナス放電に代えて、プラス放電を実現する図３のような回路構成も知られている（特許文献２参照）。図３に示す回路では、スイッチング素子ＱのＯＦＦ遷移時に、点火コイルの二次コイルＬ２に図示の向きの高電圧が発生して、点火プラグＰＧが正方向に点火放電している。
【０００６】
そして、このＯＦＦ遷移時には、一次コイルＬ１→ダイオードＤ１１→ツェナーダイオードＺＤ１１及びコンデンサＣ１１→ダイオードＤ２２の経路でコンデンサＣ１１が充電される。そして、その後、点火プラグＰＧの両端電圧が降下すると、コンデンサＣ１１の両端電圧をバイアス電源として、実線の向きにイオン電流ｉが流れ、ＯＰアンプ３０から検出信号Ｒｆ＊ｉが出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−０７７７６３号公報
【特許文献２】特開２００２−１８０９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図２や図３のような回路構成では、イオン電流を検出するためのバイアス回路として、コンデンサＣ１１とツェナーダイオードＺＤ１１が必要となり、回路構成がやや複雑な上に、これらの部品コストが高いという問題があった。すなわち、これらの部品は、高温（例えば１６０℃）且つ高圧（例えば２５０Ｖ〜３５０Ｖ）下において所望の動作が保証される必要があり、低コスト化が困難である。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、より低コスト化を実現できるイオン電流検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明に係るイオン電流検出装置は、一次コイルと二次コイルが電磁結合され、一次コイル及び二次コイルとも直流電源から直流電圧を受けるよう構成された点火コイルと、一次コイルを介在して直流電源から直流電圧を受け、一次コイルの電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子と、スイッチング素子のＯＦＦ動作時に二次コイルに誘起される高電圧に基づいて、グランドから直流電源に向かう方向に放電する点火プラグと、一次コイルの直流電源側の端子と、二次コイルの直流電源側の端子との間に接続されて、点火プラグの放電方向を一方向に規制する電流規制素子と、電流規制素子の直流電源側の端子と、二次コイルの直流電源側の端子との間に接続される第一抵抗素子及び第二抵抗素子による分圧回路と、第一抵抗素子及び第二抵抗素子の接続点の信号電圧を受けて動作する増幅回路、を有し、直流電源の直流電圧に基づいて点火プラグに流れるイオン電流を、増幅回路の出力として検出可能に構成されている。
【００１１】
本発明では、直流電源の直流電圧に基づいてイオン電流を検出するので、高温且つ高圧下において所望の動作が要求される回路素子が不要となり、低コスト化を実現することができる。
【００１２】
なお、「一次コイルを介在して直流電圧を受ける」とは、実施例のように、スイッチング素子のコレクタ端子に一次コイルが接続されている態様に限定されず、例えば、そのエミッタ端子に一次コイルが接続されるような態様も含む概念である。
【００１３】
本発明において、第一抵抗素子及び第二抵抗素子の接続点の信号電圧は、保護抵抗素子を経由して増幅回路の入力端子に供給されているのが好ましい。同様に、増幅回路の入力端子とグランド間には、電流方向を一方向に規制する保護素子が配置されているのが好ましい。
【００１４】
また、前記増幅回路は、非反転入力端子に信号電圧を受け、反転入力端子と出力端子との間に第三抵抗素子を配置したＯＰアンプで構成され、反転入力端子とグランドとの間に、第四抵抗素子を配置しているのが典型的である。また、一次コイルと二次コイルは、コイル巻線が逆相に巻かれて構成されているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上記した本発明のイオン電流検出装置によれば、高圧下で所望の動作が保証される抗耐熱性の回路部品を必要としないので、回路構成が簡素な上に、低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例に係るイオン電流検出装置を説明する回路図である。
【図２】従来技術を説明する回路図である。
【図３】別の従来技術を説明する回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図１（ａ）の回路図を参照しつつ、実施例に係るイオン電流検出装置について説明する。図示の通り、このイオン電流検出装置は、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２が電磁結合された点火コイル１と、一次コイルＬ１の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子２と、ＯＰアンプＡＭＰで構成された電流検出部３と、二次コイルＬ２に直列接続された点火プラグＰＧと、一次コイルＬ１や電流検出部３に直流電圧を供給するバッテリ電源ＶＢと、点火プラグＰＧの点火放電時にだけＯＮ動作するダイオードＤ１と、を中心に構成されている。
【００１８】
特に限定されるものではないが、ＯＰアンプＡＭＰは、バッテリ電源ＶＢから生成された単一電源Ｖｃｃで動作するよう構成されている。また、スイッチング素子２は、具体的には、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタInsulated Gate Bipolar Transistor）で構成されている。
【００１９】
そして、ＩＧＢＴのゲート端子には、点火パルスＳＧが供給され、コレクタ端子は一次コイルＬ１を経由してバッテリ電源ＶＢに接続され、エミッタ端子はグランドに接続されている。また、ＩＧＢＴのコレクタ端子とエミッタ端子には、不図示のツェナーダイオードのカソード端子とアノード端子が接続されている。
【００２０】
点火コイル１を構成する一次コイルＬ１と二次コイルＬ２は、コイル巻線が逆相に巻かれ、スイッチング素子２がＯＦＦ遷移して一次コイルＬ１の電流が遮断されると、二次コイルＬ２に、図示の向きの高電圧が発生するよう構成されている。その結果、点火プラグＰＧは、グランドからバッテリ電源ＶＢに向けて点火放電するマイナス放電が実現される（図１（ｂ）参照）。そして、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２のバッテリ側の端子には、マイナス放電の電流経路を実現する向きにダイオードＤ１が接続されている。
【００２１】
電流検出部３は、ＯＰアンプＡＭＰと、ＯＰアンプＡＭＰの反転端子（−）と出力端子間に接続された帰還抵抗Ｒ３と、ＯＰアンプＡＭＰの反転端子（−）とグランド間に接続されたグランド抵抗Ｒ４と、ＯＰアンプＡＭＰの非反転端子（＋）とグランド間に接続されたツェナーダイオードＺＤと、ＯＰアンプＡＭＰの反転端子（＋）に接続された保護抵抗ｒと、ダイオードＤ１の両端に接続された分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２と、を有して構成されている。
【００２２】
図示の通り、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点は、保護抵抗ｒを通して、ＯＰアンプＡＭＰの非反転端子（＋）に接続されている。そして、ＯＰアンプＡＭＰは、非反転増幅回路として動作して、非反転入力端子の入力電圧Ｖｉを（１＋Ｒ３／Ｒ４）倍に増幅する。すなわち、ＯＰアンプＡＭＰの出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝（１＋Ｒ３／Ｒ４）×Ｖｉとなる。
【００２３】
なお、保護抵抗ｒは、ＯＰアンプＡＭＰの保護用素子であり省略しても良い。また、ツェナーダイオードＺＤは、ＯＰアンプＡＭＰを保護するための回路素子であり、高価な回路素子を使用する必要はない。
【００２４】
続いて、上記した回路構成を有するイオン電流検出装置の回路動作を説明する。
【００２５】
＜点火放電時＞
タイミングｔ０で立上ることでスイッチング素子２をＯＮ動作させた点火パルスＳＧが、タイミングｔ１に立下ると、二次コイルＬ２の誘起電圧に基づいて、点火プラグＰＧが点火放電し、その放電電流は、二次コイルＬ２→ダイオードＤ１→バッテリ電源ＶＢ→点火プラグＰＧの経路で流れる（図１（ｂ）破線矢印参照）。
【００２６】
なお、この点火放電時、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の両端電圧は、ダイオードＤ１の順方向電圧降下Ｖｆに一致するので、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点の電位は、バッテリ電源ＶＢの電圧Ｖｂに対応して、Ｖｂ−Ｖｆ×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）≒Ｖｂとなる。そのため、ＯＰアンプＡＭＰの出力電圧Ｖｏは、正方向に飽和して電源電圧レベルとなる。
【００２７】
＜イオン電流検出時＞
上記の点火放電動作において、その後、放電エネルギーが収束すると、ＯＮ状態のダイオードＤ１がＯＦＦ状態に遷移する。すると、その後は、バッテリ電源ＶＢ→分圧抵抗Ｒ１→分圧抵抗Ｒ２→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路でイオン電流ｉｏが流れる。ここで、分圧抵抗Ｒ２→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路の抵抗値をＲとすると、ＯＰアンプＡＭＰへの入力電圧Ｖｉは、
Ｖｉ＝ｉｏ×Ｒとなるので、ＯＰアンプＡＭＰの出力電圧Ｖｏは、
Ｖｏ＝（１＋Ｒ３／Ｒ４）×Ｒ×ｉｏ
となり、イオン電流ｉｏに対応した検出電圧Ｖｏを得ることができる。
【００２８】
以上の通り、本実施例によれば、専用のバイアス回路を必要とせず、バッテリ電源ＶＢに基づいてイオン電流に対応した検出電圧Ｖｏを取得できるので、回路構成の簡素化と、装置全体の低コスト化を実現することができる。すなわち、図２や図３に示すような、高価なツェナーダイオードＺＤ１１やコンデンサＣ１１を使用することなく所望の動作を実現することができる。
【００２９】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な回路構成は、何ら本発明を限定するものではない。例えば、ＯＰアンプＡＭＰを例示したが、これと同等に機能する回路素子でよいのは勿論である。
【符号の説明】
【００３０】
Ｌ１    一次コイル
Ｌ２    二次コイル
１      点火コイル
２      スイッチング素子
３      増幅回路
Ｄ１    電流規制素子
Ｒ１    第一抵抗素子
Ｒ２    第二抵抗素子
【図１】
2012246798.tif 000003
【図２】
2012246798.tif 000004
【図３】
2012246798.tif 000005