JP2002502106A - 高パルス速度発火源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 １ｋＨｚを超えるパルス速度で作動する高パルス速度点火装置は、ガスタービン・エンジン内で混合燃料を点火させる。この装置は、駆動エレクトロニクスと、磁気媒体として強磁性非晶質金属細片を利用する環状巻コア・コイルアセンブリとを備える。それにより誘導蓄積装置が作成され、この蓄積装置により急速な電圧上昇、高ピーク電流、パルス速度を、従来の発火源をはるかに超えて上昇させる急速な帯電、および放電周期が可能となる。このような特性により、装置は汚れのひどいスパークプラグを容易に駆動できるようになる。エレクトロニクスおよびコア・コイルは、従来の点火装置に比べ、大幅に製造コストが削減される。点火はほぼ瞬時に行われる。この装置はコスト的に有利にディーゼルエンジンにおいてグロープラグに代わって使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 １．発明の分野 本発明は、ディーゼル、天然ガスまたはその代替燃料で作動するガスタービン
・エンジン、および立上げ発火源を要するディーゼルエンジン用の火花点火装置
に関する。

【０００２】 ２．従来技術の説明 現在、ハイブリッド電気自動車、発電で使用されるような動力生成用ガスター
ビン・エンジンでは、点火困難な低揮発性燃料が使われており、そのため非常に
高いエネルギー火花点火装置が必要とされる。一般的な高エネルギー点火装置と
しては、アビオニクス産業において、補助動力装置（ＡＰＵ）用に使われる装置
が挙げられる。これら装置の中には、厳しい排出物質浄化要件を有するものがあ
る。これら要件を満たすことができるのは、排気装置を通して過度の未燃燃料が
放出される前に、エンジンをスタートさせるための非常に高いエネルギー発火源
が提供されたときのみである。ディーゼルエンジンでは、燃焼を開始するため、
グロープラグが必要である。この場合、グロープラグ先端が、一般に大量の電流
（各プラグ毎−８アンペア）を消費し、起動時間の長い温度>２０００°Ｆに加 熱される。

【０００３】 エンジン点火不良が起きると、有害な排気物質が増える。燃焼室において、ス
パークプラグ・インシュレータが十分に加熱されず、コールドスタートが多数行
われる場合、インシュレータ付着の原因となり、点火不良となってしまう。導電
性すすが存在すると、点火で利用できる電圧上昇が減少する。電圧を極めて急速
に上昇する火花点火変圧器を使えば、すす付着による点火不良を最小限に止める
ことが可能となる。

【０００４】 点火に必要な火花点火性能を達成し、同時にスパークプラグすす付着によるエ
ンジン点火不良が起きるのを減少するため、火花点火変圧器では、そのコア材が
、所定の特性を有する必要がある。このようなコア材は、高い透磁率を有し、作
動中に磁気飽和を起こすことなく、磁気損失も低いものでなくてはならない。こ
れら必要な特性が組み合わさり、利用できる適当なコア材が大幅に制限されてし
まう。コア材として使用可能なものには、ケイ素鋼、フェライト、鉄系非晶質金
属が含まれる。ユーティリティ変圧器コアで通常使われる従来のケイ素鋼は、安
価であるが、その磁気損失が高すぎる。磁気損失がより低く、厚さがより薄いゲ
ージシリコン鋼では、コスト高になりすぎる。フェライトも安価であるが、その
飽和誘導は通常０．５Ｔより低く、コアの磁気誘導が０に近づくキュリー温度は
、ほぼ２００℃である。この温度は、火花点火変圧器の上作動温度が、一般に１
８０℃程度であるため、低すぎる。鉄系非晶質金属の場合、磁気損失は低いが、
飽和誘導は高く、１．５Ｔを超える。だが、透磁率に関しては、比較的高い率を
示す。火花点火変圧器に適切なレベルの透磁率を達成可能な鉄系非晶質金属が、
必要である。この材を使うことにより、出力仕様、および物理的寸法の要件を満
たす環状デザインコイルを構成することが可能である。現在の自動車点火装置に
おいて、スパークプラグに対して、十分なエネルギーが生成され、供給されては
いない。これらの装置では、電圧上昇時間が遅すぎ、また出力インピーダンスが
高すぎるため、プラグが汚れ、点火装置の負荷が低下してしまう。これら点火装
置におけるパルス速度は、コイルの帯電、放電に限られる。一般に、およそ１１
０Ｈｚの最大パルス速度において、帯電時間は５．５ミリ秒、放電時間は４．５
ミリ秒である。一般的自動車点火装置からのピークスパーク電流は、約１００ミ
リアンペアである。この電流値は、ほとんどの自動車に適用する場合十分である
が、起動用に適用する場合、その強度スパークが弱くなってしまう。自動車点火
コイルの高出力インピーダンス、および実線抵抗のため、バッテリ生成のエネル
ギーの多くが、実際のスパークにではなく、コイル、スパークプラグ内に投入さ
れる。一般的ソレノイドＥ、またはＣコア巻線の二次インダクタンスは非常に高
く、高い実線抵抗と共に、ピーク電力供給を減少させる。代替技術として、容量
性放電方式（ＣＤ）等があるが、コンデンサを４００〜６００Ｖの値まで帯電す
るには、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータに頼らなければならない。このコンデンサで
は、スパークにエネルギーを供給するパルス変圧器型コイルを通して、放電が行
われる。高パルス速度点火装置を作動させるに十分な電力を有するＤＣ−ＤＣコ
ンバータを設置するには、相当なコストがかかる。アビオニクス点火装置等のハ
イブリッド型装置では、スパーク内に非常に高いエネルギー（５００ミリジュー
ル）が投入可能であるが、一般に、電力消費の問題のため１０Ｈｚ以下で作動し
、またＤＣ−ＤＣコンバータも含む。

【０００５】 発明の要約 本発明によると、磁気コア・コイルアセンブリ（およびエレクトロニクス）が
提供される。この磁気コア・コイルアセンブリは、電圧を急速に上昇させ（２０
０〜５００ナノ秒）、低出力インピーダンス（３０〜１００オーム）を有し、高
（>２５ｋＶ）開路電圧を生成し、スパーク（０．４〜１．５アンペア）を通し て流れる高ピーク電流を供給し、帯電時間が急速で（１２Ｖ源を使い―１００マ
イクロ秒）、放電時間が急速で（―１５０マイクロ秒）、また一般にパルス毎６
〜１２ミリジュールのスパークでエネルギーを供給するものである。１２Ｖバッ
テリ源からの作動は、単一ショットでのレートが４Ｋｈｚの範囲までの簡単なエ
レクトロニクスを使用し、容易に達成される。コア・コイルアセンブリは、実際
には、５Ｖを超えるものであれば、いかなる電圧を使っても作動可能である。こ
のような代替電圧でのコア・コイルアセンブリでは、利用できる電圧源に応じ、
帯電時間の延長・短縮が行われる。この形態のエレクトロニクス装置出力は、表 面ギャッププラグ（アビオニクス火花点火装置では一般的）、従来のＪギャップ
・スパークプラグ、またはデリバティブを通して供給され、その結果局部加熱能
力を有する高電力点火源が生じる。高パルス速度・アークが、本質的に瞬時の局 部加熱源として作用し、ある適用ではグロープラグに代わって使用できる費用効
果のあるものである。

【０００６】 一般に、前記のように、磁気コア・コイルは、強磁性非晶質金属合金よりなる
磁気コアを備える。コア・コイルアセンブリには、低電圧励起用単一一次コイル
と、高電圧出力用二次コイルが設置される。また、アセンブリには、複数のコア
サブアセンブリよりなる二次コイルも設置される。この複数のコアサブアセンブ
リは、一次コイル内で電流が流れ、コア材内の磁界にエネルギーが蓄積される時
間に、共通の一次コイルを介し同時に通電される。コイルサブアセンブリは、通
電されると、二次電圧を生成するよう構成される。すなはち、サブアセンブリが
通電される期間に、一次電流が急速に遮断され、コア内で磁界崩壊を引き起こす
。したがって、二次電圧は、二次巻線を横切って誘導される。これら二次電圧は
、追加的なものであり、スパークプラグに送られる。磁気コア・コイルアセンブ リは、強磁性非晶質金属合金製の磁気コアを備える。この磁気コアでは、コア材
の透磁率のため、一次、二次巻線数がより少なく、磁気損失も低くなる。このよ
うに構成されるコア・コイルアセンブリでは、二次コイルの励起に続く短い期間
内に、その二次コイルで高電圧を生成する能力が与えられる。

【０００７】 より詳細には、コアは、低コア損失、および約１００〜５００範囲の透磁率を
示す非晶質強磁性材よりなる。このような磁気特性は、特にプラグの急速点火に
適している。すす付着による点火不良も最小に止められる。さらに、コイルから
プラグへのエネルギー転送は、効率よく実行され、その結果排出後コア内に残る
エネルギーは極わずかである。環状デザインの低二次抵抗（<１００オーム）に より、エネルギーの大部分が、二次線でなく、スパーク内で消散されるようにな
る。多重環状アセンブリが構成され、これにより、サブアセンブリのインダクタ
ンス、およびその磁気特性により規制される共通一次コイルを介し、サブアセン
ブリでのエネルギー蓄積が可能となる。急速に上昇する二次電圧は、一次電流が
急速に低下するとき誘導される。サブアセンブリ環状部を横切る個々の二次電圧
は、装置の総磁束変化に基づき、サブアセンブリごとに上昇、合算される。その
結果、数種のサブアセンブリ・ユニットが組み合わされ、融通性を有する構成が
提供される。サブアセンブリ・ユニットは、既存の環状コイル巻上げ技術を使い
巻かれ、物理的寸法が重大な要素となる場合、優れた性能を発揮する単一アセン
ブリが作成される。好適実施例では、前記より小さなコア・コイルアセンブリの
多重スタック構成と同様の出力特徴を有する単一の、より大きい環状巻コア・コ
イルが使用される。各ユニットは、前記の方法で作動する。

【０００８】 駆動エレクトロニクスは、電源（一般にバッテリ）、ピーク電流供給器として
の低等価直列抵抗（ＥＳＲ）コンデンサ、統合ゲートバイポーラ・トランジスタ
（ＩＧＢＴ）等のスイッチよりなる。ＩＧＢＴ等のスイッチは、一次コイルを通
って電流が流れるようＯＮされ（短絡状態）、その後ＯＦＦとなり（開放状態）
、それにより出力を生成する二次巻線上への電圧を含め、コア内での磁界崩壊の
原因となる一次コイルを通る電流フローが急速に減少する。適当な時間にスイッ
チのＯＮ・ＯＦＦを行うには、ドライバが必要であり、またパルス速度の設定に
は発振器が必要である。磁界確立後いつスイッチを開放すべきかの決定には、タ
イミング回路が必要である。

【０００９】 好ましい実施例の説明 図１において、電源バッテリ５２から、点火エレクトロニクス５１に電力が供
給される。ワイヤ５３により、コア・コイルアセンブリ５４に低電圧信号が搬送
される。ワイヤ対５３は、同軸状のワイヤセットとすることもできる。コア・コ
イルアセンブリ５４は、図４に示す実施例であるが、図３に示す実施例とするこ
ともできる。コア・コイルアセンブリ５４は、次の２ヶ所のいずれかに配置可能
である。点火エレクトロニクス５１等との中間点。この場合、ワイヤ５３により
、スパークプラグ５５に高電圧信号が搬送できる。別のコア・コイルアセンブリ
位置は、点火エレクトロニクス５１とスパークプラグ５５間である。この位置で
は、ワイヤ５３は、点火エレクトロニクス５１側には低電圧を、スパークプラグ
５５側には高電圧を搬送する役割を果たす。図１に示すスパークプラグ５５は、
Ｊギャップであるが、表面ギャッププラグ、またはＪギャップデリバティブとし
てもよい。点火領域は、容器５６に封入され、ガスタービン・エンジン用ディー
ゼルシリンダ、または一般的燃焼器ケースを表す。図１は、本発明が利用される
方法を説明するものである。

【００１０】 図３において、コア・コイルアセンブリ６０は、絶縁カップ５５内に収容され
、強磁性非晶質金属合金よりなる磁気コア１０を備える。環状体には、１００〜
４００回巻かれた二次巻線５０と共に、３〜１０本の一次巻線３６が巻回される
。高電圧出力を考慮し、一次、二次巻線間には十分なスペースが与えられる。一
般に、二次巻線は、スパークプラグの中心電極に供給される電圧が負となるよう
配置される。一次巻線３６は、スイッチが閉じられると、一次巻線３６を通る電
流から生じる低電圧励起を有する。これにより、エネルギーを蓄積する強磁性非
晶質金属合金１０内に、磁界が発生する。スイッチを開放すると、強磁性非晶質
金属合金１０内磁界が崩壊し、それにより二次巻線５０を横切り高電圧が誘発さ
れる。図２において、エネルギー蓄積コンデンサが、一般に、１２Ｖバッテリに
より、電圧Ｖｃｃに帯電される。発振器、タイミング回路は、次の制御を行う。
（ｉ）ＩＧＢＴスイッチが閉じられる時間長、（ｉｉ）スイッチをいつ閉じるべ
き か、（ｉｉｉ）装置のパルス速度。タイミング信号でＩＧＢＴドライバがＯＮに
なり 、次にＩＧＢＴスイッチが閉じられる。これにより、電流が、コンデンサからコ
ア・コイルアセンブリを通り、またＩＧＢＴを通って流れることが許される。コ
ア・コイルアセンブリを通って流れる電流により、エネルギーを蓄積する強磁性
非晶質金属環状体内に磁界が誘発される。一般に、一次巻線を通る電流値は、５
０〜１５０マイクロ秒あたり、２０〜５０アンペアの範囲である。次に、タイミ
ング回路は、ＩＧＢＴドライバを通してＩＧＢＴを開放し、電流が急速に低下す
る（一般に<１マイクロ秒）。この急速な電流低下により、コア・コイルの二次 巻線上の高電圧を含め、コア・コイル内に磁界崩壊が起きる。電圧上昇率は、一
般に、二次巻線を横切り２、３百ナノ秒である。磁気コア１０は、鉄系合金を含
み、高磁気誘導を有する非晶質金属をベースとしている。２つの基本的コア１０
形態が、使用に適している。これらば、ギャップ付き、ギャップ無しの形態であ
り、それぞれコア１０と称する。図４ａに示すギャップ付きコアは、磁気連続経
路に不連続磁気部を有する。ギャップ付きコア１０の一例として、通常空隙とし
て知られる小さなスリットを有する環状形磁気コアが挙げられる。ギャップ付き
構成は、必要な透磁性が、巻回されたときのコア自身の透磁性よりかなり低いと
き好適である。磁気経路の空隙部により、全体の透磁性が減少する。図４ｂに示
すギャップ無しコアは、空隙コアと同様の透磁性を有するが、物理的に連続して
おり、一般に環状磁気コアで見出されるのと同様の構造を有する。内部に均一分
散される空隙が明らかに存在するギャップ無しコア１０は、「分散ギャップコア
」と称される。ギャップ付き、ギャップ無しデザインの両方とも、図４に示す該
コア・コイルアセンブリ３４デザイン、および図３のコア・コイルアセンブリ６
０内で機能し、有効透磁性が必要範囲内であれば相互交換可能である。ギャップ
無しコア１０は、例示目的で選んだが、本発明は、ここに記載するモジュラーデ
ザインで実施されるように、ギャップ無しコア材を使うことに限定されるわけで
なない。

【００１１】 コア・コイルアセンブリの別の実施例では、コア・コイルアセンブリが前記図
２に示すのとほぼ同様のドライバエレクトロニクスにより駆動されるものである
。このアセンブリは、本明細書で参照として引用する同時継続米国出願０８−６
３９４９８で開示されたものである。

【００１２】 図４において、磁気コア・コイルアセンブリ３４は、強磁性非晶質金属合金製
の磁気コア１０を備える。このコア・コイルアセンブリ３４は、単一一次コイル
３６と二次コイル２０を有する。一次コイル３６は、低電圧励起用であり、二次
コイル２０は、高電圧出力用の直列連結コアサブアセンブリ２２、１８、１６の
二次コイルよりなる。コア・コイルアセンブリ３４の形成で採用されるコア・コ
イルサブアセンブリ２２、１８、１６は、共通の一次コイル３６を介し同時に通
電される。コア・コイルサブアセンブリ３２は、通電されると、スパークプラグ
に送られる追加の二次電圧を生成するよう構成される。前記のように構成される
コア・コイルアセンブリ３４では、二次コイル２０の励起に続く短時間で、二次
コイル２０（複数の直列ワイヤ接続コア・コイルアセンブリ３２を有する組合せ
二次巻線１４よりなる）内に高電圧を生成する能力を与えられる。一般に、二次
コイルは、スパークプラグの中心電極に供給される電圧が負となるよう配置され
る。

【００１３】 磁気コア１０は、鉄系合金を含み、高磁気誘導を有する非晶質金属をベースと
する。２つの基本的形態のコア１０が、本発明の使用では適している。これらは
、ギャップ付き、ギャップ無しの形態であり、ここではそれぞれコア１０と称す
る。図４ａに示すギャップ付きコアは、磁気連続経路内に不連続磁気部を有する
。このようなコア１０の一例としては、通常空隙として知られる小さなスリット
を有する環状形磁気コアが挙げられる。ギャップ付き構成は、必要な透磁性が、
巻回されるときのコア自身の透磁性よりかなり低い場合好適である。磁気経路の
空隙部により、全体の透磁性が減少する。図４ｂに示すギャップ無しコアは、空
隙付きコアと同様の透磁性を有するが、物理的に連続しており、一般に環状磁気
コア内で見出されるのと同様の構造を有する。内部に均一分散される空隙が明ら
かに存在するギャップ無しコア１０は、「分散ギャップコア」と称する。ギャッ
プ付き、ギャップ無しデザインは両方とも、図４のコア・コイルアセンブリ３４
、図３のコア・コイルアセンブリ内で機能し、有効透磁性が必要範囲内であれば
相互交換可能である。ギャップ無しコア１０は、例示目的で選んだが、本発明は
、ここで記載するモジュラーデザインで実施するように、ギャップ無しコア材に
限られるわけでない。

【００１４】 ギャップ無しコア１０は、鉄合金系非晶質金属製であり、コア透磁性が、およ
そ１ｋＨｚの周波数で測定されるような１００〜８００間になるように処理され
る。うず電流損失の減少によりギャップ無しコアの効率を向上するため、より短
いシリンダが巻かれ、処理され、端から端までスタックされ、それにより区分化
コアと称する所望量の磁気コアが得られる。分散ギャップコアからの漏れ磁束が
、ギャップ付きコアからの漏れ磁束よりずっと少なく、周囲への好ましくない無
線周波数干渉がより少なくなる。さらに、ギャップ無しコア連携の閉磁気経路の
ため、信号対騒音比が、ギャップ付きコアより大きくなる。これにより、ギャッ
プ無しコアは、低電磁干渉（ＥＭＩ）放出が重要となる場合、特に好適である。
火花点火用としての、１０ｋＶより大きい二次巻線２０での出力電圧は、一次巻
線３６のアンペア回数が６０以下であり、二次巻線２０では１１０〜１６０の回
数であるギャップ無しコア１０により達成される。ここで使用するように、用語
「アンペア回数」は、一次巻線をなす回数により乗算されるアンペアにおける電
流値を意味する。前記６０アンペア回数等の値は、４回数一次巻線で、電流が一
次巻線で干渉を受ける時、一次巻線には１５アンペアの電流が流れることを意味
する。一般に、一次巻線干渉でのＯＦＦ時間は、１マイクロ秒程度である。

【００１５】 図３に示す形態のデザインは、<１２０アンペア回数で得られる２５ｋＶ超の 開路出力を有する。前記例示のコアは、直角シリンダ内に巻かれる非晶質金属リ
ボンを備えていた。この直角シリンダは、０．５４のＩＤ、１．０６のＯＤを有
し、高さが１．０、重量がおよそ５５ｇである。本発明の実施を成功させるには
、この例での特定寸法に直接準じることは必要条件ではない。入出力要件に応じ
、存在するデザインスペースは大きく変わる。

【００１６】 最終構築後、直角シリンダにより、環状体のコアが形成された。コアとワイヤ
間の絶縁は、環状体の巻を容易にする巻形態も兼ねる高温抵抗成形可能プラスチ
ックの使用を通して達成された。微細ゲージワイヤ（およそ３６ゲージ）を使い
、所請二次巻回数１００〜４００で巻回が行われた。コイルの出力電圧は２ｋＶ
を超え、つまり二次巻回数３００に対して、８０Ｖ範囲内の巻回ごとの電圧のた
め、重大となる程度までワイヤは重複することはなかった。最良の性能を発揮す
るコイルは、環状体のおよそ３００°にまたがり均一間隔に配置されたワイヤを
有していた。残りの６０°は、一次巻線で使われた。

【００１７】 図４に示す別の構成は、図３の元の構成をより小さな構成要素レベルの構造に
分解したものである。この構造では、既存のコイル巻取機を使い、構成要素を機
械的に巻くことができる。原則的には、図４の構成では、処理可能なサイズの同
じ非晶質金属合金材でコア部を作成し、利用される。これは、絶縁体カップ１２
を形成することにより達成される。絶縁体カップ１２により、コア１０のカップ
内挿入が可能となり、サブアセンブリ３０が、環状体３２に形態で巻かれるコア
として処理される。必要な二次巻線回数は、もとのデザインと同じである。最終
的アセンブリ３４は、所望の出力特徴を達成するため、十分な数（１つ以上）の
前記構造３２有するスタックを備える。他の各環状ユニット３２は、サブアセン
ブリ間の電気接続を容易にするため、対向巻とする必要がある。これにより、出
力電圧の追加が可能となる。

【００１８】 図４に示す実施例の一般的構造３４は、１本の出力ワイヤが最終コイルアセン
ブリ３４出力として作用する、反時計回り（ｃｃｗ）巻の第１環状ユニット１６
を備える。第２環状ユニット１８は、時計回り（ｃｗ）に巻かれ、十分な絶縁を
提供するためのスペーサ２８を介し、第１環状ユニット１６上にスタックされる
。第２環状ユニット１８の底部リード４２は、第１環状ユニット１６の上部リー
ド４０（残りのリード）に取り付けらられる。次の環状ユニット２２は、ｃｃｗ
に巻かれ、絶縁用スペーサ２８を介し、前記２つの環状ユニット１６、１８上に
スタックされる。第３環状ユニットの下部リード４６は、第２環状ユニットの上
部リード４４に接続される。環状ユニット３２の総数は、デザイン判断規準、お
よび物理的サイズ要件により決定される。最終上部リード２６により、コア・コ
イルアセンブリ３４の他出力が形成される。一般に、リード２４は、スパークプ
ラグの中心電極に接続され、リード２６により、構造３４の電流帰路が提供され
る間、負電位に設定される。構造３４のリード２４端は、一般に、スパークプラ
グ上に配置され、スパークプラグの中心電極に接続されるため、ここでは底部と
称する。構造３４のリード２６端は、一次ワイヤ３６が接近できる場所に配置さ
れるため、構造上部と称する。これら環状ユニット３２の二次巻線１４は、環状
体の３６０°全体のおよそ３００°が覆われるよう、個々に巻かれる。環状ユニ
ット３２は、各勘定ユニット３２の開６０°が垂直整合されるよう、スタックさ
れる。共通一次巻線３６は、このコア・コイルアセンブリ３４を通して巻かれる
。この構成は、ここではスタッカ構成を称する。

【００１９】 元のコイルデザイン回りにおける電圧分配は、１回目が０電圧、最終回が全電
圧となる種類に類似している。この電圧分配は、実際にはコイル構造の全高にま
たがっている。一次巻線二次巻線から分離され、巻かれた環状体の６０°自由領
域の中央に配置される。これらの線は、一次巻線上における低電圧駆動条件によ
り、本質的に低電位に設定される。最も高い電圧応力は、高電圧出力と一次巻線
、二次巻線から二次巻線、二次巻線からコアにおける最も接近した点で起きる。
最高電界応力点は、環状体内部の長さ下方に位置し、コイル内側上部、低部で電
界が強化される。スタッカ構成の電圧分配は、少し異なる。各個別のコア・コイ
ル環状ユニット３２は、同種形態の分配だが、コア・コイルアセンブリのスタッ
ク分配は、個別の環状ユニット３２数により分割される。コア・コイルアセンブ
リ３４スタックに環状ユニット３２が３つある場合、低部環状ユニット１６につ
いては、Ｖリード２４〜２／３Ｖリード４０の範囲であり、電圧変化は、リード
２４のＶからリード４０の２／３Ｖまでの二次巻線にまたがりほぼ直線となる。
第２環状ユニット１８については、２／３Ｖリード４２〜１／３Ｖリード４４の
範囲であり、電圧変化は、リード４２の２／３Ｖからリード４４の１／３Ｖまで
の二次巻線にまたがりほぼ直線である。上部環状ユニットについては、１／３Ｖ
リード４６〜０Ｖリード２６の範囲であり、電圧変化は、リード２６の０Ｖが規
準となるリード４６の１／３Ｖからリード２６の０Ｖまでの二次巻線にまたがり
ほぼ直線である。この構成により、高電圧応力領域が減少し、Ｖは、一般に負と
なる。これは、１サブアセンブリから次のサブアセンブリへの段階的電圧分配と
称する。

【００２０】 出力電圧波形は、端パルス成分（一般に、立上り時間１００〜５００ｎｓで、
１〜３マイクロ秒持続）と、ずっと長い低レベル出力成分（一般に、１００〜１
５０マイクロ秒持続）を有する。スタッカ構成での電圧分配は異なり、より高い
電圧部を、接地構成に応じ、コア・コイルアセンブリ３４上部、または低部に配
置することができる。スタッカ構成の利点は、高電圧部のスパークプラグへの配
置において、そのスパークプラグ奥深くに適切に設置可能となることである。コ
ア・コイルアセンブリ３４上部での電圧は、３スタックユニットに対してほんの
１／３Ｖで最大となる。

【００２１】 鉄系非晶質金属よりなる磁気コアを作成した。この金属は、鋳造状態で１・５
Ｔを超える飽和誘導を有する。コアは、シリンダ高が約１５．６ｍｍ、外径、内
径がそれぞれ約１７ｍｍ、１２ｍｍの円筒形とした。これらのコアに対して、外
部電界をなんら加えることなく熱処理を行った。図４は、３つのスタック式コア
・コイルアセンブリ３４ユニットの構成を示す、手順ガイドライン図である。コ ア１０を、高温プラスチック絶縁体カップ１２内に挿入した。ユニット３０のい
くつかは、二次巻線１４を形成する銅線を１１０〜１６０回巻く環状巻取機を使
い、ｃｗ機械巻とした。いくつかは、ｃｃｗであった。第１環状ユニット１６（
低部）については、装置出力リードとして作用する下部リード２４を使い、ｃｃ
ｗ巻とした。第２環状ユニット１８については、ｃｗ巻とし、その下部リード２
４は、下部環状ユニット１６の上部リード４０に接続した。第３環状リード２２
については、ｃｃｗ巻とし、その下部リード４６は、第２環状リード１８の上部
リード４４に接続した。第３環状ユニット２２の上部リード２６は、接地リード
の役割を果たした。環状ユニット１６、１８、２２間のプラスチックスペーサ２
８は、電圧離隔絶縁器の役割を果たした。環状ユニット３２の巻無し領域は、垂
直整合とした。共通一次巻線３６については、空領域でのコア・コイルアセンブ
リ３４スタックを通して巻かれた。このコア・コイルアセンブリ３４は、リード
用孔を有する高温プラスチックハウジングに収容された。次に、該アセンブリに
対して、孔電圧誘電統一性のため、許容ポッティング化合物での真空鋳造を行っ
た。

【００２２】 ポッティング材としては、他多くの種類がある。ポッティング化合物の基本的
要件は、次の通りである。十分な絶縁耐力を有すること、構造内の他全ての材に
よく固着すること、循環、温度、衝撃、振動の厳しい環境要件に耐える能力があ
ることである。また、ポッティング化合物が、低誘電率、低損失タンジェントを
有することが望ましい。ハウジング材は、射出成形可能、かつ低廉であり、低誘
電率、低タンジェントを有し、ポッティング化合物と同じ環境条件に耐えるもの
でなければならない。

【００２３】 一次コイル３６に電流を供給すると、約２５〜１００マイクロ秒内で、最大（
限定するわけではないが）６０アンペアまで急速に上昇した。図５は、一次電流
が、所定のピークアンペア回数で急速に遮断されるとき達成された出力を示す図
である。変化時間は、一般に、一次交換機上の電圧が１２Ｖで<１２０マイクロ 秒であった。この時点で、一次巻線３６を通る電流フローが干渉を受け、その結
果、サブアセンブリ組合せ二次巻線３２を横切り、電圧が急速に上昇した。多く
のサブアセンブリは、直列にワイヤ接続され、有効二次巻線２０が形成された。
そして、この二次巻線２０を横切り、総電圧が現れた。出力電圧は、約１．５マ
イクロ秒ＦＷＨＭの一般的短い出力パルス持続時間と、ほぼ１００マイクロ秒続
く長い低レベルテールを有していた。したがって、磁気コア・コイルアセンブリ
３４において、１０ｋＶを超える高電圧が、１５０マイクロ秒以下の時間間隔で
繰返し生成された。この特徴は、前記急速な多重スパーク作動を達成するのに必
要であった。さらに、二次巻線で生成された急速な電圧上昇により、すす付着が
起こすエンジン点火不良が減少した。

【００２４】 より完全に本発明を理解するため、次の例を付記する。本発明の原理、実施を
例示するため設定した特定の技術条件、材料、比率、および記録データは、単に
例であり、本発明の範囲を制限するものではない。 例 幅約１．０、厚さ約２０μｍの非晶質鉄系リボンを、機械加工ステンレス鋼マ
ンドレル上で巻き、公差を維持するため１Ｄ，０Ｄでスポット溶接を行った。内
径を０．５４、外径を１．０６とした。完成した円筒コアの重量は、５５ｇであ
った。コアに対して、４３０〜４５０℃範囲の窒素雰囲気中でアニーリングを行
った。その際のソーキング時間は２〜１６時間であった。アニーリング後、コア
を絶縁器カップ内に置き、環状巻取機で巻かれた。巻取機において、二次巻線と
して薄いゲージ絶縁銅線を３００回巻き、一次巻線ではより厚いワイヤを６回巻
いた。図３に示す形態のデザインでは、<１２０アンペア回数で>２５ｋＶの開路
電圧が生成された。この例で使われる寸法に直接準じる必要はない。デザインス
ペースについては、入出力要件に応じ、大きなバラツキがある。最終的に構成さ
れた直角シリンダにより、伸長化環状体のコアが形成された。コアとワイヤ間の
絶縁は、環状体の巻取りを容易にする巻形態も兼ねる高温抵抗成形可能プラスチ
ックを使い達成された。

【００２５】 幅約１５．６ｍｍ、厚さ約２０μｍの非晶質鉄系リボンを、機械加工ステンレ
ス鋼マンンドレル上で巻き、公差を維持するため、１Ｄ、０Ｄでスポット溶接を
行った。マンドレルにより内径を１２ｍｍ、外径を１７ｍｍに設定した。完成し
た円筒コアの重量は、約１０ｇであった。このコアに対して、４３０〜４５０℃
範囲の窒素雰囲気中でアニーリングを行った。その際のソーキング時間は、２〜
１６時間である。アニーリング後、コアを絶縁器カップ内に置き、環状巻取機上
で巻取りを行った。この巻取機では、二次巻線として薄いゲージ絶縁銅線を１４
０回巻いた。ユニットｃｃｗ、ｃｗの両方とも、巻かれた。ユニットｃｃｗは、
基部および上部ユニットとして使い、一方ユニットｃｗは、中間ユニットとして
使用した。絶縁器スペーサを、ユニット間に加えた。一次巻線を形成する４回数
の下部ゲージワイヤは、二次巻線が存在しない領域で、環状サブアセンブリ上に
巻かれた。中間、下部ユニットのリードどうしを接続し、また中間、上部ユニッ
トのリードどうしも接続した。アセンブリを高温プラスチックハウジング内に置
き、ポッティングを行った。この構成で、図５に示すように、二次電圧は、一次
電流と一次巻回数の関数として測定された。

【００２６】 ドライバエレクトロニクスは、図２に示すものと同じである。つまり、電圧源
は、１２Ｖのバッテリであり、ＩＧＢＴスイッチが、−１００マイクロ秒閉じら
れ、次に急速に開放される。図４に示す形態のデザインでは、前記条件下、<１ ７５アンペア回数で>２５ｋＶの開路電圧が生成された。図６は、オシロスコー プ写真を示す図であり、第１の写真が、垂直スケールで２０アンペア／単位目盛
り、水平スケールで２０マイクロ秒／単位目盛りにおける、一次コア・コイル電
流の一般的帯電波形（下部トレース）を示す。電流が急速に減少するとき、アセ
ンブリの出力電圧は、急速に上昇する。プローブを使い、この信号の測定も行っ
たが、５ｋＶ／単位目盛りの垂直スケール上で、第１写真の上部トレースとして
表示されている。第２写真では、１マイクロ秒／単位目盛りの水平時間スケール
、５ｋＶ／単位目盛りの垂直スケールにおける、二次巻線を横切る初期電圧上昇
の時間拡大が示されている。電圧が急速に上昇しているのが分かる。この場合、
出力電圧は負であり、そのように示されている。図７は、コイルのアンペア回数
と、コア・コイル二次巻線を横切って置かれる校正抵抗との関数としての出力電
圧を示すグラフである。この方法により、大幅に汚れ程度が上がった汚れスパー
クプラグをシミュレートする二次巻線が有効に負荷された。出力については、開
路（不可なし）と、１メグオーム、１００キロオーム、２０キロオームの分路抵
抗条件でグラフ表示された。これら分路抵抗は、汚れたスパークプラグをシミュ
レートしたものであり、１００キロオーム負荷は、極めて高い汚れ程度を表して
いる。グラフから、無負荷電圧のかなりの割合が、二次巻線を横切りまだ達成可
能であることが分かる。

【００２７】 以上本発明を極めて詳細に記述したが、本発明は、これら詳細事項に必ずしも
限定されるわけでなく、当業者であれば分かる通り、さらなる修正、変更が可能
であり、その際添付請求項に記載する発明の範囲に、全て入るものである。

【図面の簡単な説明】

本発明は、次に詳細に記載する好適な実施例および添付図面を参照する時、よ
り完全に理解でき、またその他利点も明白となるであろう。

【図１】 スパークプラグ頂部に位置するコイルアセンブリ、コントローラ電子ボックス
を示す、エンジン燃焼の略図である。

【図２】 本発明のコア・コイルアセンブリでの使用に適した電子ドライバの回路図であ
る。

【図３】 コア・コイルアセンブリ製造で使用されるアセンブリ方法、接続を示す、アセ
ンブリ手順ガイドライン図である。

【図４】 本発明別の実施例によるスタック構成、コイルアセンブリの製造で使用される
アセンブリ方法、接続を示す、アセンブリ手順ガイドライン図である。

【図５】 図４に示すアセンブリの一次コイル上でのアンペア回数のための、二次コイル
を横切る出力電圧を示すグラフである。

【図６】 図４のコア・コイルアセンブリのオシロスコープによる一般的電圧、電流トレ
ース図である。

【図７】 汚れたスパークプラグ状態をシミュレートするため、抵抗をプローブと平行に
配置することにより測定されるような開路電圧の電圧減少を示すグラフである。

【手続補正書】

【提出日】平成１２年１２月８日（２０００．１２．８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 パパネスター，ポール・アレグザンダー アメリカ合衆国ペンシルバニア州18337， ミルフォード，アール・アール １，ボッ クス 1569 Ｆターム(参考） 3G019 KC02 KC04

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービンおよびディーゼルエンジンを点火させるスパー
   クを生成するため、表面ギャップ、ＪギャップスパークプラグまたはＪギャップ
   デリバティブに、所定のパルス速度で高電圧励起パルスを生成し且つ送出す磁気
   コア・アセンブリおよび駆動エレクトロニクスであって、 前記磁気コア・アセンブリおよび駆動エレクトロニクスが、 ａ．強磁性非晶質金属合金製の磁気コアを有するコア・コイルユニットとを備
   え、ここで前記コア・コイルユニットの前記コアが、低電圧励起用の一次コイル
   および高電圧出力用の二次コイルを有し、 ｂ．強磁性非晶質金属合金製の磁気コアを有するコア・コイルアセンブリとを
   備え、ここで前記コア・コイルアセンブリの前記コアが、低電圧励起用の一次コ
   イルおよび高電圧出力用の二次コイルを有し、 ｃ．前記コア・コイルアセンブリが、複数のコア・コイルサブアセンブリを備
   え、前記複数のコア・コイルサブアセンブリは、前記コア・コイルアセンブリの
   前記一次コイルを介し同時に通電され、それによりそれらコア内にエネルギーを
   蓄積する磁界が生成され、 ｄ．前記コア・コイルユニットは、その一次コイルを介し通電され、それによ
   りそのコア内にエネルギーを蓄積する磁界が生成され、 ｅ．前記コイルサブアセンブリは、干渉手段と連携され、前記手段は、前記コ
   ア・コイルアセンブリの前記一次コイルを通る電流フローを妨害して、それらコ
   ア内で磁界崩壊を引き起こし、それにより二次コイルを有する二次巻線を横切っ
   て電流を誘発させ、前記二次コア・コイルサブアセンブリは、反時計方向、およ
   び時計方向に交互に巻かれ、お互い直列に接続され、この直列接続により前記磁
   界崩壊が起こると、前記コア・コイルサブアセンブリは、スパークプラグに送ら
   れる追加の二次電圧を生成し、 ｆ．前記コア・コイルユニットは干渉手段と連携され、前記手段はその一次コ
   イルを通る電流フローを妨害し、そのコア内で磁界崩壊を引き起こし、それによ
   り、その二次コイルを横切ってスパークプラグに送られる電圧を誘発し、 ｇ．前記コア・コイルアセンブリ、前記コア・コイルユニットそれぞれが、二
   次巻線の励起後短時間で二次巻線内に高電圧を生成し、 ｈ．前記コア・コイルアセンブリ、前記コア・コイルユニットそれぞれにより
   、５００Ｈｚを超えるパルス速度で作動許可される急速な帯電、放電周期が提供
   される、 ことからなる磁気コア・アセンブリおよび駆動エレクトロニクス。
2. 【請求項２】 前記コア・コイルアセンブリおよび前記コア・コイルユニッ
   トそれぞれが、約２００〜５００ナノ秒範囲で電圧上昇を引起こし、約３０〜１
   ００オーム範囲の出力インピーダンスを有し、約２５ｋＶより大きい開路電圧を
   生成し、スパークを通して０．５アンペアを超えるピーク電流を送り、約１５０
   マイクロ秒より少ない帯電時間を提供し、２００マイクロ秒より少ない放電時間
   を提供し、５ミリジュール／パルスを超えるスパークエネルギーを提供する請求
   項１記載の磁気コア・コイルアセンブリ。
3. 【請求項３】 前記駆動エレクトロニクスが、少なくとも５Ｖの電圧源から
   電力供給を受け、少なくとも５００Ｈｚのパルス速度を送り、また前記駆動エレ
   クトロニクスは、前記コア・コイルユニットまたは前記コア・コイルアセンブリ
   からの出力と、表面ギャップ、ＪギャップまたはＪギャップデリバティブスパー
   クプラグ間に接続され、ガスタービンまたはディーゼルエンジン用のスパークを
   生成する請求項１記載の磁気コア・コイルアセンブリ。
4. 【請求項４】 前記磁気コイルが、前記強磁性非晶質金属合金に熱処理を加
   えることにより製造される請求項１記載の磁気コア・コイルアセンブリ。
5. 【請求項５】 前記磁気コアが、区分化コアを備える請求項１記載の磁気コ
   ア・コイルアセンブリ。
6. 【請求項６】 前記二次コイル内の出力電圧が、一次電流アンペア回数が７
   ０より少ない場合１０ｋＶ以上に達し、また一次電流が、２５〜１５０マイクロ
   秒内で７５〜２００アンペア回数の場合、２０ｋＶ以上に達する請求項１記載の
   磁気コア・コイルアセンブリ。
7. 【請求項７】 前記強磁性非晶質金属合金が、鉄をベースとし、さらに、ニ
   ッケルとコバルトを含む金属元素、ホウ素と炭素を含むガラス形成元素、シリコ
   ンを含む半金属元素を備える請求項３記載の磁気コア。
8. 【請求項８】 前記磁気コアがギャップ無しである請求項３記載の磁気コア
   ・コイルアセンブリまたは磁気コア・コイルユニット。
9. 【請求項９】 前記磁気コアがギャップ付きである請求項３記載の磁気コア
   ・コイルアセンブリまたは磁気コア・コイルユニット。
10. 【請求項１０】 前記磁気コアが、前記合金の結晶化温度に近い温度で熱処
    理され、部分的に結晶化される請求項７記載の磁気コア・コイルアセンブリ。
11. 【請求項１１】 前記磁気コアが、前記合金の結晶化温度より低い温度で熱
    処理され、熱処理終了後、ほぼ非晶質状態に保持される請求項８記載の磁気コア
    ・コイルアセンブリ。
12. 【請求項１２】 複数の個々サブアセンブリから成り、各サブアセンブリが
    、二次巻線を有する環状巻部から成り、且つ結果として生じるアセンブリ電圧が
    、前記一次コイルによる作動後の前記個々サブアセンブリからの電圧総計となる
    ように、各サブアセンブリが配置される請求項１記載の磁気コア・コイルアセン
    ブリ。
13. 【請求項１３】 前記アセンブリが、低部から上部に段階的に区分化される
    内部電圧分布を有し、区分数はサブアセンブリ数により決定される請求項１記載
    の磁気コア・コイルアセンブリ。