JP4375146B2

JP4375146B2 - 点火装置のイグナイタ

Info

Publication number: JP4375146B2
Application number: JP2004206017A
Authority: JP
Inventors: 晴夫川北
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2024-07-13
Also published as: JP2006032479A

Description

本発明は、サージに対する保護抵抗を備えた点火装置のイグナイタに関する。

点火装置は、車両のエンジン等で点火プラグを発火するために使用され、点火コイルの１次コイルに流れる車載バッテリからの電流をスイッチング素子で遮断することにより、２次コイルに高電圧を発生させる。ここで、車載バッテリの電圧にサージ（瞬間的な過電圧）が発生し、イグナイタが故障することがある。また、オルタネータの端子がはずれた場合にも、電源電圧にサージが発生し、この電源サージ電圧がイグナイタに入力されると故障することがある。

そこで、バッテリとスイッチング素子との間に保護抵抗を挿入し、スイッチング素子に流れる電流を小さく抑えている。例えば従来の点火装置（特許文献１参照）では、図６に示すように、シリコン基板１００がコレクタ端子１０３を持つベースプレート１０２にはんだ付けされ、入力端子１０６及びエミッタ端子１０７がワイヤボンディング１１１、１１２によりシリコン基板１００と接続されている。そして、バッテリに過大なサージが印加された場合に備えて、バッテリ端子１０５と小端子１１５との間に抵抗素子１１６が配置され、小端子１１５とシリコン基板１００とはワイヤボンディング１１８で接続されている。ベースプレート１０２、端子１０５から１０７がエポキシ樹脂１２０でモールドされている。
特開２００１−１９３６１７号公報

しかし、実際の製造工程を考慮すると、上記従来例の小端子１１５及び抵抗素子１１６を図示の状態に実装するのは極めて困難と言わざるを得ない。つまり、ベースプレート１０２、四つの端子１０５から１０７及び１１５をエポキシ樹脂１２０でモールドする前に、これらを所定の状態に位置決めすることが必要である。ここで、ベースプレート１０２のコレクタ端子１０３と外方に突出した三つの端子１０５から１０７とはたとえば外部で相互に結合する等により位置決め可能である。

しかし、小端子１１５は三つの端子１０５から１０７等に比べて内方に入り込んでおり、このままではバッテリ端子１０５にも入力端子１０６にも結合することは不可能である。そのためにモールド以前における小端子１１５の姿勢は不安定となる。なお、結合するためにたとえば小端子１１５から外方に突出する延長部を形成することも考えられるが、そうするとエポキシ樹脂１２０ひいてはイグナイタの外形寸法が大きくなる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電源サージ電圧による電流を制限する保護抵抗が、その外形寸法を大きくすることなく配置された点火装置のイグナイタを提供することを目的とする。

本願の発明者は、保護抵抗を、パワー素子や制御素子が実装されたリードフレーム上にたとえば島状（アイランド状）に実装することを思い付いて、本発明を完成した。

（１）本願の第１発明による点火装置のイグナイタは、請求項１に記載したように、第１リードフレーム及び第１リードフレーム上に実装されたパワー素子と、第２リードフレーム及び第２リードフレーム上に実装され電源に接続されパワー素子を制御する制御素子と、電源と制御素子との間に配置され、電源サージ電圧を制限して制御素子を保護すると共に、該電源サージ電圧に重畳する高周波サージを吸収するサージ制限部を含む保護抵抗と、から成る。サージ制限部は、第１リードフレーム又は第２リードフレーム上に載置された絶縁性基板と、絶縁性基板上に載置された抵抗体とを有する。

（２）第２発明による点火装置のイグナイタは、請求項３に記載したように、第１リードフレーム及び第１リードフレーム上に実装されたパワー素子と、第２リードフレーム及び第２リードフレーム上に実装され電源に接続されパワー素子を制御する制御素子と、電源と制御素子との間に配置され、電源サージ電圧を制限して制御素子を保護すると共に、該電源サージ電圧に重畳する高周波サージを吸収するサージ制限部を含む保護抵抗と、から成る。サージ制限部は、第２リードフレーム上に形成された半導体製基板と、半導体製基板内に拡散された拡散層とを有する。

（１）本願の第１発明にかかる点火装置のイグナイタによれば、第１リードフレーム又は第２リードフレーム上に実装され、電源と制御素子との間に配置された保護抵抗のサージ制限部により電源サージ電圧が制限され、制御素子の故障が防止される。また、第１又は第２リードフレーム上に配置された保護抵抗は、特別の保持手段を設けなくてもその位置及び姿勢が安定するので、保護抵抗の配置によりイグナイタの外形寸法が増加する心配はない。また、このイグナイタによれば、保護抵抗のサージ吸収部により、電源サージ電圧に重畳する高周波サージが吸収でき、制御素子の故障が防止される。

（２）第２発明にかかる点火装置のイグナイタによれば、第２リードフレーム上に実装され、電源と制御素子との間に配置された保護抵抗のサージ制限部により電源サージ電圧が制限され、制御素子の故障が防止される。また、第２リードフレーム上に配置された保護抵抗は、特別の保持手段を設けなくてもその位置及び姿勢が安定するので、保護抵抗の配置によりイグナイタの外形寸法が増加する心配はない。また、このイグナイタによれば、保護抵抗のサージ吸収部により、電源サージ電圧に重畳する高周波サージが吸収でき、制御素子の故障が防止される。

本発明のイグナイタは、保護抵抗の構成、及び保護抵抗とリードフレームとの関係に応じて、三つのタイプに分類できる。

（イ）第１タイプ
第１タイプは二つのリードフレームを含む。第１リードフレーム上にパワー素子が実装され、第２リードフレームにパワー素子を制御する制御素子が実装されている。そして、第１リードフレーム又は第２リードフレームに保護抵抗が実装されている（請求項１参照）。第１リードフレームは高電圧系であり、パワー素子はスイッチング動作等によりアクチュエータ（たとえば点火コイルの１次コイル）を駆動するものでＩＧＢＴやＦＥＴが含まれる。

これに対して、第２リードフレームはＧＮＤ系であり、制御素子は外部からの信号でパワー素子を制御するもので、たとえばＩＣチップから成る。

第１リードフレーム又は第２リードフレーム上に実装される保護抵抗は、少なくとも電源サージ電圧（電源系サージ）を制限する制限部を含み、更にこの電源サージ電圧に重畳することがある高周波サージを吸収する吸収部を含んでも良い。これは第２タイプ及び第３タイプでも同様である。

ａ．サージ制限部
保護抵抗のサージ制限部として例えば厚膜抵抗を採用できる。厚膜抵抗は絶縁製基板と、その上の一対の極板と、両方の極板にわたる抵抗体とを含む。絶縁製基板はセラミック等から成り、リードフレーム上に島状に実装されている。「島状」とは、リードフレームよりも寸法が小さい絶縁性基板を、リードフレームの周縁から離れた中央寄りに実装することである。絶縁性基板の形状は円形、多角形又は矩形の何れでも良く、その厚さは必要とされる絶縁耐圧を考慮して決める。一方極板は電源に、他方極板は制御素子に接続されている。

ｂ．サージ吸収部
サージ吸収部としては、上記サージ制限部を構成する一方極板と、小さなギャップを挟んでこの一方極板と対向する中間極板とでギャップ抵抗即ち一種のコンデンサを構成することができる。中間極板はＧＮＤに接続する。このように、サージ吸収部をサージ制限部の近くに形成すれば、一部の構成要素（ここでは一方極板）を両者に共用できる。なお、保護抵抗は、リードフレームにパワー素子及び制御素子を実装後、リードフレームに載置することができる。

（ロ）第２タイプ
第２タイプは、第１リードフレーム及びその上に実装されたパワー素子と、第２リードフレーム及びその上に実装された制御素子と、第２リードフレームに実装された保護抵抗とから成る。この構成は第１タイプと同じであるが、保護抵抗の構成が異なる。

詳述すると、サージ制限部として拡散抵抗やポリシリコン抵抗を採用できる。拡散抵抗は、リードフレーム上に島状に形成したＮ型シリコン（半導体）層にＰ型拡散層を形成したものでも良いし、逆に島状に形成したＰ型シリコン層にＮ型拡散層を形成したものでも良い。抵抗値は拡散層の寸法及び深さや、深さ方向の不純物の濃度で決まる（不純物濃度が低い程抵抗値が大きい）。拡散層の一端を電源に、他端を制御素子に接続すれば良い。

ポリシリコン抵抗は、リードフレーム上に島状に形成したシリコン（半導体）層の絶縁膜上にポリシリコン層を形成して成る。抵抗値はパターンの寸法及び深さや、ポリシリコンの成長法や添加不純物（Ｐ，Ｎ）の濃度等により決まる。

サージ吸収部として、シリコンチップの縦方向の不純物層別構造によりバックトゥバックのツェナダイオード構造を形成できる。たとえば、島状に形成されたＰ型層と、これにエピタキシャル成長させたＮ型層と、その内部に拡散されたＰ層とを含む。抵抗体の一端子である上面のＰ型層をワイヤボンディングで電源に接続し、下面のＧＮＤ側ははんだでリードフレームに接続する。なお、保護抵抗は、リードフレームにパワー素子及び制御素子を形成するのと同時に、又はその後リードフレームに形成できる。

（ハ）第３タイプ
第３タイプは一つのリードフレームを含む。このリードフレーム上にパワー素子及び制御素子が実装されるとともに、サージ制限部を含む保護抵抗が実装されている。サージ制限部は、リードフレーム上に島状に載置された絶縁製基板と絶縁製基板上に実装された抵抗体とを有する場合と、リードフレーム上に島状に形成された半導体製基板（Ｎ型層）と半導体製基板内に拡散された拡散層（Ｐ型層）とを有する場合とがある。

以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。

＜第１実施例＞
（構成）
図１に示す点火装置は電源（バッテリ）１０に接続された１次コイル１１、点火プラグ１３に接続された２次コイル１４、及びイグナイタ２０から成る。イグナイタ２０は、図２に示すように、モールド樹脂６０と、第１リードフレーム２２上に実装されたＩＧＢＴチップ（パワー素子）２５及び保護チップ（保護抵抗）３０と、第２リードフレーム４５上に実装されたＩＣチップ（制御素子）５０とを含む。

このうち、モールド樹脂６０は矩形板状を有し、その中に第１リードフレーム２２及び第２リードフレーム４５が並んで配置されている。第１リードフレーム２２はほぼ矩形状の本体部２３と、その一側から延びた延長部２４とを含み、本体部２３にパワー素子としてのＩＧＢＴチップ２５が実装されている。延長部２４は１次コイル１４に接続されている。

また、本体部２３にはＩＧＢＴチップ２５の近くに保護チップ３０が実装されている。図２及び図３に示すように、保護チップ３０は、電源サージ電圧のサージ制限部３６と、高周波サージのサージ吸収部４１とを含む。サージ制限部３６は第１リードフレーム２２の本体部２３に載置されたセラミック製で矩形状の基板３１と、その上に載置された一方極板３３及び他方極板３４間に渡した抵抗体３５とを含む。サージ吸収部４１は一方極板３３の突出部３３ａと、小さなギャップ３９で対向する中間極板３８とから成る。

第２リードフレーム４５は矩形状の本体部４６と、これから延びた延長部４７とを含み、ＩＣチップ５０が実装された本体部４６は第１リードフレーム２２の本体部２３と延長部２４とで区画されるくぼみに配置されている。本体部４６はワイヤボンディング４８でＩＧＢＴチップ２５に接続されるとともに、ワイヤボンディング４９により中間極板３８に接続されている。延長部４７はＧＮＤに接続され、ＩＣチップ５０はワイヤボンディング５２及び５３によりＩＧＢＴチップ２５及び保護チップ３０の他方極板３４に接続されている。

第２リードフレーム４５の本体部４６と延長部４７とで区画されるくぼみに点火信号入力用リードフレーム５５が実装され、ワイヤボンディング５６によりＩＣチップ５０に接続されている。リードフレーム５５には外部から所定の点火信号が入力される。第１リードフレーム２２のくぼみに第２リードフレーム４５等と並んで電源用リードフレーム５７が実装され、ワイヤボンディング５８により保護チップ３０の一方極板３３に接続されている。第１リードフレーム２２、第２リードフレーム４５、外部信号入力用リードフレーム５５、及び電源用リードフレーム５７間のすきまにモールド樹脂６０が充填されている。

（作用）
図１及び図２において、外部信号入力用リードフレーム５５から入力される点火信号に基づきＩＣチップ５０が作動し、ＩＧＢＴチップ２５のゲート信号を制御する。その結果、バッテリ１０から１次コイル１１に流れる電流が急激に遮断され、電磁誘導作用により２次コイル１４に発生する高電圧が点火プラグ１３に印加される。

図１において、電源ライン６５に発生した電源サージ電圧のＩＣチップ５０への進入は、保護チップ３０により防止される。即ち、図２及び図３に示すように、電源用リードフレーム５７がワイヤボンディング５８により一方極板３３に接続され、他方極板３４がワイヤボンディング５３により外部信号入力用リードフレーム５５に接続されている。ここで、抵抗体３５は、電源サージ電圧により流れる電流の電流値を小さく制限する。

これに対して、電源サージ電圧に重畳して一方極板３３に加わる高周波サージは、一方極板３３の突出部３３ａと中間極板３８との間のギャップ３９で吸収され、中間極板３８及びワイヤボンディング４９を介して第２フレーム４５の延長部４７からＧＮＤに放出される。

（効果）
この実施例によれば、以下の効果が得られる。第１に、サージに対する対策が十分である。抵抗体３５を含むサージ制限部３６が電源サージ電流を制限し、ギャップ３９を含むサージ吸収部４１が高周波サージを吸収する。よって、制限された電流が流れるＩＣチップ５０の故障が防止される。

これに関連して、保護チップ３０として厚膜抵抗を利用することができ、比較的安価である。また、基板３１はセラミックから成り所定厚さを有するので、一対の導電性の極板３３及び３４と、導電性の第１リードフレーム２２との間が容易かつ確実に所定の絶縁耐圧以上に保たれる。

第２に、イグナイタ２０の寸法を大きくすることなく、保護チップ３０をその内部の所定位置に配置することができる。これは、保護チップ３０を第１リードフレーム２２の本体部２３上に島状に配置したため、特別の保持手段を必要とすることなく保護チップの位置が安定することによる。

なお、図２において保護チップ３０は図示の都合上大きく描いているが、実際の製品はこれよりも遙かに小さく。また、本体部２３の表面上の保護チップ３０を配置した領域は従来は有効利用されておらず無駄になっていた。よって、保護チップ３０を配置しても本体部２３の縦方向寸法及び横方向寸法は実質的に増加しない。

＜第２実施例＞
図４及び図５に本発明の第２実施例を示す。第２実施例は、上記第１実施例と比べて、半導体製基板７３を含む保護チップ（保護抵抗）７０が第２リードフレーム４６に島状に実装されている点が異なり、その他の構成は同じである。以下、異なる構成を中心に説明する。

第２リードフレーム４６上のＩＣチップ５０の近傍に実装された保護チップ７０は、サージ制限部７２と、サージ吸収部８０とを含む。サージ制限部７２は第２リードフレーム４５の本体部４６上に島状に形成されたＰ型半導体製基板８１と、この基板にエピタキシャル成長させたＮ型層８２と、このＮ型層の内部に所定形状に拡散されたＰ型層（拡散層）７４とを有する。抵抗体となる拡散層７４の一端はワイヤボンディング７７により電源用リードフレーム５７に接続され、他端はワイヤボンディング７８により制御ＩＣチップ５０に接続されている。ＧＮＤ側ははんだでリードフレーム４５の本体部４６に接続されている。

サージ吸収部８０は図５に示すように、バックトゥバックのツェナダイオード構造８５（図１において二点鎖線で図示）から成る。つまり、上記Ｐ型層８１とＮ型層８２との間、及びＰ型層７４とＮ型層８２との間にバックトゥバックのツェナダイオード構造８５を形成している。第２実施例によれば、上記第１実施例の第１の効果及び第２の効果と同様の効果が得られる。

本発明の第１実施例を含む点火装置全体を示す回路説明図である。本発明の第１実施例によるイグナイタを示す正面断面図である。図２の３−３断面図である。本発明の第２実施例によるイグナイタを示す正面断面図である。図４の５−５断面図である。従来例を示す要部説明図である。

符号の説明

１０：バッテリ１１：１次コイル
１３：点火プラグ１４：２次コイル
２０：イグナイタ２２：第１リードフレーム
２５：パワー素子３０：保護抵抗
３１：基板３３，３４，３８：極板
３５：抵抗体３６：制御部
３９：ギャップ４１：吸収部
４５：第２リードフレーム５０：制御素子
６０：モールド樹脂

Claims

第１リードフレーム、及び該第１リードフレーム上に実装されたパワー素子と、
第２リードフレーム、及び該第２リードフレーム上に実装され電源に接続され前記パワー素子を制御する制御素子と、
前記電源と前記制御素子との間に配置され、電源サージ電圧による電流を制限して該制御素子を保護すると共に、該電源サージ電圧に重畳する高周波サージを吸収するサージ制限部を含む保護抵抗と、から成り、
前記サージ制限部は、前記第１リードフレーム又は前記第２リードフレーム上に実装された絶縁性基板と、該絶縁性基板上に実装された抵抗体とを有することを特徴とする点火装置のイグナイタ。
前記サージ吸収部は、前記一方極板と、小さなギャップを挟んで該一方極板と対向する中間極板とから成る請求項１に記載の点火装置のイグナイタ。
第１リードフレーム、及び該第１リードフレーム上に実装されたパワー素子と、
第２リードフレーム、及び該第２リードフレーム上に実装され電源に接続され前記パワー素子を制御する制御素子と、
電源と前記制御素子との間に配置され、電源サージ電圧による電流を制限して該制御素子を保護すると共に、該電源サージ電圧に重畳する高周波サージを吸収するサージ制限部を含む保護抵抗と、から成り、
前記サージ制限部は、前記第２リードフレーム上に形成された半導体製基板と、該半導体製基板内に拡散された拡散層とを有することを特徴とする点火装置のイグナイタ。
前記サージ吸収部はバックツゥバックのツェナダイオード構造を有する請求項３に記載の点火装置のイグナイタ。