(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と二次コイルＬ２が電磁結合されてなる点火コイル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、スイッチング素子２のＯＦＦ動作時に放電する点火プラグと、直流電源の直流電圧を降下させて生成された第一直流レベルの出力電圧を出力するトランジスタＱ２と、トランジスタＱ２の出力電圧をエミッタ端子に受けて動作し、コレクタ端子に接続された負荷抵抗Ｒ２から検出電圧を出力するトランジスタＱ１と、トランジスタＱ１のベース端子と点火プラグとの間に配置されるバイアス抵抗Ｒ１と、を有して構成され、点火プラグに流れるイオン電流を、トランジスタＱ１のベース電圧に基づいて検出する。【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てなる点火コイルと、
一次コイルを介在して直流電源の直流電圧を受け、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放電する点火プラグと、
直流電源の直流電圧を降下させて生成された第一直流レベルの出力電圧を出力する第一回路と、
第一回路の出力電圧をエミッタ端子に受けて動作し、コレクタ端子に接続された負荷抵抗からコレクタ電流に対応する検出電圧を出力する電流増幅素子と、
電流増幅素子のベース端子と点火プラグとの間に配置されるバイアス抵抗と、を有して構成され、
点火プラグに流れるイオン電流を、電流増幅素子のベース端子に出力される第二直流レベルの電圧に基づい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】
二次コイルは、その一方側端子がバイアス抵抗に接続され、他方側端子が点火プラグに接続されている請求項１に記載のイオン電流検出装置。
【請求項３】
一次コイル及び二次コイルは、これらの一方側端子に、直流電源からの直流電流が流入可能に配置され、
一次コイル及び二次コイルの一方側端子の間に、２つの端子間の電流を一方向に規制する電流規制素子が接続され、
点火プラグは、グランドから直流電源に向かう方向に点火放電するよう構成されている請求項２に記載のイオン電流検出装置。
【請求項４】
流入端子と流出端子を有して電流方向を一方向に規制する電流規制素子と、二次コイルと、点火プラグとで、一方向の点火放電経路が構成され、
電流規制素子の流出端子は、二次コイルの一方側端子に接続されている請求項２に記載のイオン電流検出装置。
【請求項５】
流入端子と流出端子を有して電流方向を一方向に規制する第一電流規制素子が、バイアス抵抗に直列接続されている請求項１に記載のイオン電流検出装置。
【請求項６】
流入端子と流出端子を有して電流方向を一方向に規制する第二電流規制素子を更に配置し、
その流入端子が二次コイルの一方側端子に接続され、その流出端子が一次コイルの一方側端子に接続され、経由
二次コイルの他方側端子が点火プラグに接続され、一次コイルの他方側端子がスイッチング素子に接続されている請求項５に記載のイオン電流検出装置。
【請求項７】
流入端子と流出端子を有して電流方向を一方向に規制する第二電流規制素子と、二次コイルと、点火プラグとで、一方向の点火放電経路が構成され、
第二電流規制素子は、流入端子に二次コイルから受ける放電電流を、流出端子から点火プラグに供給している請求項５に記載のイオン電流検出装置。
【請求項８】
第一回路は、ツェナーダイオードの降伏電圧を基準電圧として、第一直流レベルの出力電圧を生成している請求項１〜７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５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６のような回路構成も知られている（特許文献２参照）。図６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５や図６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てなる点火コイルと、一次コイルを介在して直流電源の直流電圧を受け、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放電する点火プラグと、直流電源の直流電圧を降下させて生成された第一直流レベルの出力電圧を出力する第一回路と、第一回路の出力電圧をエミッタ端子に受けて動作し、コレクタ端子に接続された負荷抵抗からコレクタ電流に対応する検出電圧を出力する電流増幅素子と、電流増幅素子のベース端子と点火プラグとの間に配置されるバイアス抵抗と、を有して構成され、点火プラグに流れるイオン電流を、電流増幅素子のベース端子に出力される第二直流レベルの電圧に基づいて検出可能に構成されている。
【００１１】
本発明では、電流増幅素子のベース端子に出力される第二直流レベル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】
また、本発明では、便宜上、「ベース端子」、「コレクタ端子」、「エミッタ端子」なる用語を使用するが、バイポーラ型トランジスタにおけるベース端子、コレクタ端子、エミッタ端子を限定的に意味するものではない。すなわち、電流増幅素子における信号入力端子を、便宜上、ベース端子と称し、電流増幅素子における信号出力端子を、便宜上、コレクタ端子やエミッタ端子と称しているに過ぎない。したがって、信号入力端子や信号出力端子の個数や、電流の流通方向も特に限定されない。
【００１４】
本発明の二次コイルは、例えば、その一方側端子がバイアス抵抗に接続され、他方側端子が点火プラグに接続されているのが好ましい。この構成は、例えば、第１実施例や第３実施例に対応する。
【００１５】
ここで、一次コイル及び二次コイルは、これらの一方側端子に、直流電源からの直流電流が流入可能に配置され、一次コイル及び二次コイルの一方側端子の間に、２つの端子間の電流を一方向に規制する電流規制素子が接続され、点火プラグは、グランドから直流電源に向かう方向に点火放電する構成が好適であり、この構成は、例えば、第１実施例に対応する。
【００１６】
また、流入端子と流出端子を有して電流方向を一方向に規制する電流規制素子と、二次コイルと、点火プラグとで、一方向の点火放電経路が構成され、電流規制素子の流出端子は、二次コイルの一方側端子に接続されるのも好適であり、この構成は、例えば、第３実施例に対応する。
【００１７】
一方、本発明は、流入端子と流出端子を有して電流方向を一方向に規制する第一電流規制素子が、バイアス抵抗に直列接続されているのも好適である。この構成は、例えば、第２実施例や第４実施例に対応する。
【００１８】
ここで、流入端子と流出端子を有して電流方向を一方向に規制する第二電流規制素子を更に配置し、その流入端子が二次コイルの一方側端子に接続され、その流出端子が一次コイルの一方側端子に接続され、二次コイルの他方側端子が点火プラグに接続され、一次コイルの他方側端子がスイッチング素子に接続されるのが好適であり、この構成は、例えば、第２実施例に対応する。
【００１９】
また、流入端子と流出端子を有して電流方向を一方向に規制する第二電流規制素子と、二次コイルと、点火プラグとで、一方向の点火放電経路が構成され、第二電流規制素子は、流入端子に二次コイルから受ける放電電流を、流出端子から点火プラグに供給しているのも好適であり、この構成は、例えば、第４実施例に対応する。
【００２０】
上記何れの構成においても、第一回路は、ツェナーダイオードの降伏電圧を基準電圧として、第一直流レベルの出力電圧を生成するのが好適である。
【００２１】
なお、ツェナーダイオードの名称は、同等の機能を発揮する電子素子の総称として使用しており、現実に流通している具体的な電子素子そのものを意味しない。この点は、実施例で使用するダイオードについても同様であり、カソード(cathode)端子は、一般的に、電流の流出端子を意味し、アノード(Anode)端子についても、一般的に電流の流入端子を意味するに過ぎない。
【発明の効果】
【００２２】
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】
【００２３】
【図１】第一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】第二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３】第三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４】第四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５】従来技術を説明する回路図である。
【図６】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】
【００２４】
以下、図１（ａ）の回路図を参照しつつ、第一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、２つのトランジスタＱ１，Ｑ２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、を中心に構成されている。
【００２５】
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。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。
【００２６】
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。
【００２７】
電流検出部３は、ＰＮＰ型トランジスタＱ１とＮＰＮ型トランジスタＱ２とを有して構成され、各トランジスタＱ１，Ｑ２に共通のエミッタ電流が流れるよう、互いのエミッタ端子が接続されている。
【００２８】
そして、トランジスタＱ２のコレクタ端子には、バッテリ電源ＶＢが接続され、コレクタ端子とベース端子にはバイアス抵抗Ｒ３が接続されている。また、ベース端子とグランド間には、ツェナーダイオードＺＤが接続されている。
【００２９】
ここで、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧Ｖｚは、バッテリ電源ＶＢの直流電圧Ｖｂより低いが（Ｖｚ＜Ｖｂ）、これに近い値に設定されている（Ｖｚ≒Ｖｂ）。そのため、ツェナーダイオードＺＤは、常に降伏状態であって、トランジスタＱ２のベース電位を一定値Ｖｚに維持し、また、トランジスタＱ２のエミッタ電位を、ほぼ一定値のＶｚ−Ｖｂｅに維持している。なお、Ｖｂｅは、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間の電圧降下である。
【００３０】
トランジスタＱ１のエミッタ端子は、トランジスタＱ２のエミッタ端子に接続され、トランジスタＱ１のコレクタ端子は、コレクタ抵抗（負荷抵抗）Ｒ２を経由してグランドに接続されている。また、トランジスタＱ１のベース端子は、ベース抵抗Ｒ１を経由して、二次コイルＬ２のバッテリ側の端子に接続されている。そのため、トランジスタＱ１のベース電流ｉｂは、ベース抵抗Ｒ１→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路で流れ、検出すべきイオン電流ｉｏに一致する（図１（ｂ）参照）。なお、バッテリ電源ＶＢ→ダイオードＤ１の経路で流れるダイオードＤ１の漏洩電流は、ベース電流ｉｂに比較して無視できるレベルとなっている。
【００３１】
上記の回路構成において、トランジスタＱ１のベース電位Ｖｓは、トランジスタＱ１のエミッタ電位よりＶｂｅだけ降下して、ほぼ一定値のＶｚ−２×Ｖｂｅとなる。なお、ベース・エミッタ間の電圧降下Ｖｂｅは、トランジスタＱ１、トランジスタＱ２において同一であるとした。
【００３２】
先に説明した通り、イオン電流ｉｏは、トランジスタＱ１のベース電流ｉｂに一致し、これが電流増幅率β倍に増幅されて、トランジスタＱ１のコレクタ電流ｉｃとなる（ｉｃ＝β×ｉｏ）。そのため、コレクタ抵抗（負荷抵抗）Ｒ２の両端電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｒ２×ｉｃ＝Ｒ２×β×ｉｏとして、イオン電流ｉｏに比例したイオン検出電圧Ｖｏとなる。
【００３３】
以上の説明から明らかな通り、本実施例では、点火パルスＳＧの立下り時（ｔ１）に、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→バッテリ電源の経路で流れる（図１（ｂ）破線矢印参照）。なお、この時、二次コイルＬ２のバッテリ側の端子の電位は、ＶＢ＋Ｖｆであるので、ＯＦＦ状態のトランジスタＱ１，Ｑ２が絶縁破壊されるおそれはない。なお、Ｖｆは、ダイオードＤ１の順方向電圧降下である。
【００３４】
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、トランジスタＱ１のベース電位Ｖｓ＝Ｖｚ−２×Ｖｂｅをバイアス電圧として、ベース抵抗Ｒ１→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、上記した通り、イオン検出電圧Ｖｏ＝Ｒ２×β×ｉｏが得られる（図１（ｂ）実線矢印参照）。
【００３５】
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を降下させたバイアス電圧Ｖｚを使用するので、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５や図６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。
【００３６】
以上、第一実施例について説明したが、回路構成は適宜に変更可能である。例えば、図２は、第二実施例に係るイオン電流検出装置の回路構成を例示したものである。
【００３７】
第二実施例では、トランジスタＱ１のベース端子は、ベース抵抗Ｒ１及びダイオードＤ２を経由して二次コイルＬ２のプラグ側の端子に接続されており、その他は、第一実施例の回路構成と同じである。ここで、ダイオードＤ２は、点火プラグＰＧの点火放電時に、トランジスタＱ１，Ｑ３の絶縁破壊を防止する保護素子であり、適宜な耐圧特性を有している。
【００３８】
第二実施例は、図２に示す回路構成を有しているので、点火プラグＰＧの放電電流は、ダイオードＤ２に阻止されて、二次コイルＬ２→ダイオードＤ１→バッテリ電源ＶＢの経路で流れる（図２（ｂ）破線矢印参照）。
【００３９】
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、トランジスタＱ１のベース電位Ｖｓ＝Ｖｚ−２×Ｖｂｅをバイアス電圧として、ベース抵抗Ｒ１→ダイオードＤ２→点火プラグＰＧの経路でイオン電流ｉｏが流れ、イオン検出電圧Ｖｏ＝Ｒ２×β×ｉｏが得られる（図２（ｂ）実線矢印参照）。
【００４０】
図３は、第三実施例に係るイオン電流検出装置の回路構成を例示したものである。この第三実施例では、点火プラグＰＧと二次コイルＬ２とダイオードＤ１とで点火放電時の閉回路が構成され、ダイオードＤ１のアノード端子がグランドに接続されている。
【００４１】
また、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２は、コイル巻線が同相に巻かれ、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。そのため、点火プラグＰＧには、二次コイルＬ２→点火プラグＰＧ→ダイオードＤ１の経路で放電電流が流れる（図３の破線矢印参照）。
【００４２】
また、第三実施例では、ダイオードＤ１のカソード端子と、二次コイルＬ２の接続点は、ベース抵抗Ｒ１を経由して、トランジスタＱ１のベース端子に接続されている。なお、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とは電磁的に結合するだけで、直接的には接続されていない。
【００４３】
そのため、点火プラグＰＧの放電エネルギーが収束した後は、トランジスタＱ１のベース電位Ｖｓ＝Ｖｚ−２×Ｖｂｅをバイアス電圧として、ベース抵抗Ｒ１→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、イオン検出電圧Ｖｏ＝Ｒ２×β×ｉｏが得られる（図３実線矢印参照）。
【００４４】
図４は、第四実施例に係るイオン電流検出装置の回路構成を例示したものである。第四実施例では、二次コイルＬ２と点火プラグＰＧとダイオードＤ１とで点火放電の閉回路が構成され、二次コイルＬ２の一方端子がグランドに接続されている。そして、二次コイルＬ２の他方端子が、ダイオードＤ１のアノード端子に接続され、ダイオードＤ１のカソード端子が点火プラグＰＧに接続されている。なお、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とは電磁的に結合するだけで、直接的には接続されていない。
【００４５】
一次コイルＬ１と二次コイルＬ２は、コイル巻線が同相に巻かれ、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。
【００４６】
また、第四実施例では、ダイオードＤ１のカソード端子と、点火プラグＰＧの接続点は、ダイオードＤ２とベース抵抗Ｒ１を経由して、トランジスタＱ１のベース端子に接続されている。第二実施例と同様、ダイオードＤ２は、点火プラグＰＧの点火放電時に、トランジスタＱ１，Ｑ３の絶縁破壊を防止するための保護素子であり、適宜な耐圧特性を有している。
【００４７】
そのため、点火プラグＰＧは、点火放電時には、二次コイルＬ２→ダイオードＤ１→点火プラグＰＧの閉回路に放電電流が流れる（図４の破線矢印参照）。
【００４８】
その後、放電エネルギーが収束すると、トランジスタＱ１のベース電位Ｖｓ＝Ｖｚ−２×Ｖｂｅをバイアス電圧として、ベース抵抗Ｒ１→ダイオードＤ２→点火プラグＰＧの経路でイオン電流ｉｏが流れ、イオン検出電圧Ｖｏ＝Ｒ２×β×ｉｏが得られる（図４実線矢印参照）。
【００４９】
以上の通り、第二実施例〜第四実施例においても、高価なツェナーダイオードやコンデンサ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。
【００５０】
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、実施例では、トランジスタＱ１，Ｑ２としてバイポーラ型のトランジスタを例示したが、これと同等に機能する回路素子でも良いのは勿論である。
【符号の説明】
【００５１】
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
Ｑ２    第一回路
Ｑ１    電流増幅素子
Ｒ２    負荷抵抗
Ｒ１    バイアス抵抗
ＰＧ    点火プラグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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