JP2002518619A - 容量性放電システムと磁心・コイル組立体を備えた火花点火システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 火花プラグ直載コイル（ＣＣＰ）型磁心・コイル組立体に接続された容量性放電（ＣＤ）システムを有する内燃機関用の火花点火システム。火花点火システムは、火花プラグに接続され、火花プラグのギャップに火花が生じる点火を開始するためのものである。火花点火システムは、アモルファス金属磁心と、一次コイルと、火花プラグへ供給される高電圧出力を生じる二次コイルとを有する磁心・コイル組立体を含んでいる。ＣＤシステムは、充電され、スイッチとしてシリコン制御整流器（ＳＣＲ）を用いて磁心・コイル組立体の一次コイルを介して急激に放電される。ＳＣＲの動作は、火花点火システムの点火を制御する回路により制御される。磁心・コイル組立体はパルス・トランスとして働き、その結果二次コイルにおける電圧が二次側と一次側の巻線数と関連させられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 関連出願の相互参照 本願は、１９９６年４月２９日出願の米国特許出願第０８／６３９，４９８号
の一部継続出願である１９９７年１月２７日出願の同第０８／７９０，３３９号
の同じく一部継続出願である。

【０００２】 発明の背景 １．発明の分野 本発明は、内燃機関用の火花点火システムに関し、特に容量性放電システムと
磁心・コイル組立体とを含む、商業的に製造し得る方法でエンジン系統の性能を
改善し火花点火変圧器（トランス）における磁気要素のサイズを減じる火花点火
システムに関する。 ２．従来技術の説明 火花点火式内燃機関においては、火花プラグのギャップ間に電弧を生じ、点火
事象すなわち機関のシリンダ内の燃料および空気の混合気の点火を生じるのに必
要な高電圧を生成するためフライバック・トランスが一般的に用いられる。この
ような点火火花事象のタイミングは、最良の燃料経済性および環境的に有害なガ
スの低い排出のために不可欠である。遅すぎる火花事象は、機関の出力および効
率の損失を招く。適正な火花タイミングは、機関の速度および負荷に依存してい
る。機関の各シリンダは、最適な性能を生じるために異なるタイミングをしばし
ば必要とする。各シリンダに対する異なる火花タイミングは、各火花プラグに対
して火花点火トランスを提供することによって達成することができる。

【０００３】 機関効率を改善し不適正な点火火花タイミングと関連する諸問題の一部を軽減
するために、一部の機関は、機関速度、吸気の温度および圧力、機関温度、排気
酸素含量に対するセンサ、および「異音」または「ノッキング」を検出するセン
サを含むマイクロプロセッサ制御システムを装備している。

【０００４】 低温の機関の初期運転中、およびアイドリングおよびアイドリング直後の運転
中に、異常に多量の有害ガス排出物が生成される。研究により、これら２つの機
関の運転領域における各点火事象に対する火花プラグの速い多重点弧が有害な排
出物を低減することが判ってきた。従って、高速の周期的火花点火システムを備
えることが望ましい。

【０００５】 機関の点火不良（ミスファイアリング）は、有害な排出物を増大する。燃焼室
内の火花プラグの絶縁体における熱が充分でない状態で低温時の始動を頻繁に行
うと、絶縁体上にすす（ばい煙）が付着するため点火不良を招き得る。導電性の
すすは、火花事象に利用し得る電圧上昇を低減する。電圧の非常に高い上昇を生
じる火花点火トランスは、すすの汚れによる点火不良を最小限に抑え得る。

【０００６】 火花点火トランスが火花プラグ端子へ直接取付けられ、従来の機関のコイルと
火花プラグとの間の高電圧配線を排除する火花プラグ直載コイル（ｃｏｉｌ−ｐ
ｅｒ−ｓｐａｒｋ；ＣＰＰ）型点火装置は、内燃機関の火花点火タイミングを改
善するための方法として評価をうけている。ＣＰＰ点火装置の一例は、Ｎｏｂｌ
ｅの米国特許第４，８４６，１２９号（以下本文では、Ｎｏｂｌｅ特許という）
に開示されている。火花点火トランスの物理的直径は、火花プラグが取付けられ
る機関の火花プラグ・ウエル内へ嵌合するものでなければならない。前記Ｎｏｂ
ｌｅ特許において考えられた機関診断の目標を達成するために、特許権者はフェ
ライト・磁心を用いる間接的方法を開示している。理想的に、火花点火トランス
の磁気性能は、機関の全運転領域にわたって燃焼室内の点火条件を検知するのに
充分である。

【０００７】 Ｎｏｂｌｅ特許により開示された点火および機関診断システムの良好な動作の
ため必要な火花点火性能を達成すると同時に、火花プラグのすす汚染による機関
の点火不良の事態を低減するために、火花点火トランスの磁心素材は、（ｉ）あ
る透磁性を持ち、（ｉｉ）低い磁気損失を持つものでなければならない。容量性
放電（ＣＤ）システムにおいては、非常に早い立上がり時間と迅速なエネルギ伝
達とが不可欠である。磁心素材は、低損失でありながら高い周波数応答が可能な
ものでなければならない。これらの要求される特性の組合わせは、適切な磁心素
材の入手の可能性を狭めている。自動車用の火花点火システムの目標コストを考
慮すると、磁心素材の考え得る候補はケイ素鋼、フェライト、および鉄を基材と
するアモルファス金属を含む。一般電力変圧器の磁心において一般的に用いられ
る従来のケイ素鋼は、安価であるが、その磁気損失は大きすぎる。磁気損失が比
較的低い薄手のケイ素鋼は、高価にすぎる。フェライトは、安価であるが、その
飽和誘導磁束密度は通常、０．５テスラ（Ｔ）およびキューリ温度より低く、こ
の場合磁心の磁気誘導は２００℃付近でゼロに近づく。この温度は、火花点火ト
ランスの上限動作温度が約１８０℃とされることを考えると低すぎる。鉄を基材
とするアモルファス金属は、透磁性が比較的高くても、磁気損失は低くかつ飽和
誘導は高く１．５Ｔを越える。火花点火トランスに適するレベルの透磁性の達成
が可能な鉄を基材とするアモルファス素材が必要とされる。このような素材を用
いると、要求される出力仕様および物理的寸法基準を満たすトロイド構造のコイ
ルを構成することが可能である。火花プラグ・ウエルの寸法的要件は、使用が可
能である形態の種類を制限する。絶縁コイル組立体に対する典型的な寸法的要件
は、直径は２５ｍｍより小さく、長さは１５０ｍｍより短い。これらのコイル組
立体もまた、火花プラグに対して高電圧端子と外周接地接続部の両側で装着し、
コイルから他の機関部分への弧絡を防止するに充分な絶縁を提供しなければなら
ない。外周接地部の接続は、典型的な火花プラグ直載コイル（ｃｏｉｌ−ｐｅｒ
−ｐｌｕｇ）型システムにおけるように、機関ブロックからの帰還路を介して行
うことができる。典型的にコイルの頂部に置かれる一次コイル巻線に対して高電
流の接続を行う能力もなければならない。

【０００８】 発明の概要 本発明は、火花プラグ直載コイル（ＣＣＰ）型磁心・コイル組立体に接続され
た容量性放電（ＣＤ）システムを備える内燃機関用の火花点火システムを提供す
る。当該火花点火システムは、火花プラグに接続され、点火事象すなわち火花プ
ラグのギャップに跨がる火花を開始するように構成される。前記ＣＤシステムは
、１２ボルトＤＣバッテリの出力を約３００ないし６００ボルトＤＣの電圧へ昇
圧するＤＣ−ＤＣコンバータの出力により充電されるコンデンサ（典型的に、約
１ないし２マイクロファラッド定格）を含んでいる。このコンデンサは、その後
、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）をスイッチとして用いて磁心・コイル組立体の
一次コイルを介して急激に放電される。ＳＣＲの動作は、火花点火システムの点
火を制御する回路により制御される。磁心・コイル組立体は、二次コイルに現わ
れる電圧が二次側対一次側の巻線比に関連するようにパルス変成器（トランス）
として働く。本発明においては、二次側と一次側との間の最適な巻線比は、誘導
コイル・システムにおける巻線比とは異なる。容量性放電用途の他の伝統的な高
性能コイルは、一次側巻数は３０であり二次側巻数は２５００である。ピーク二
次電流は約１アンペアであり、放電時間は約１４０マイクロ秒である。典型的に
、このようなＣＤシステムの磁心・コイル組立体は、一次側コイルにおいて２な
いし４回、二次側コイルにおいては１５０ないし２５０回の巻数を有する。ピー
ク二次電流は約３アンペアであり、放電時間は約６０マイクロ秒である。二次巻
線および火花プラグの電弧に流れる電流として規定される出力パルス幅は、一次
側における蓄電コンデンサの放電時間と同じである。このような磁心・コイル組
立体の放電時間は、磁心の飽和により非常に短い。アモルファス金属心の有効な
トロイド形状および高周波特性は、磁心・コイル組立体の二次コイルへエネルギ
を効率的に移転する。火花プラグに対する典型的なピーク放電電流は数アンペア
の範囲にあり、放電時間は典型的に６０マイクロ秒より短い。磁心・コイル組立
体の実抵抗値が低いため、磁心・コイル組立体に対する火花プラグ・ギャップの
良好なインピーダンスの整合を可能にする。

【０００９】 一般に、本発明の磁心・コイル組立体は、磁心素材の透磁性により、少数の一
次コイルと二次コイルの巻線と接続された低磁気損失を持つ強磁性アモルファス
金属合金からなる磁心を含む。磁心・コイル組立体は、電圧励起のためＣＤシス
テムに接続された１つの一次コイルと、高電圧出力のための二次コイルとを有す
る。二次コイルは、それぞれアモルファス金属磁心とコイルとを持つ複数の磁心
・コイル小組立体を含んでいる。磁心・コイル小組立体のコイルは、隣接するコ
イルが同じ方向に巻付けられないように交互に時計方向と反時計方向に巻付けら
れる。磁心・コイル小組立体の交互のコイル巻線は、磁心・コイル小組立体の各
々により生成される電圧の和である二次コイルからの高電圧出力を提供する。Ｃ
Ｄシステムの主蓄電コンデンサが放電すると、磁心・コイル組立体はパルス・ト
ランスとして働き、磁心・コイル組立体の二次対一次コイルの巻数比に基いてＣ
Ｄシステムからの電圧出力を昇圧する（すなわち、約３００ないし６００ボルト
ＤＣの範囲内）。本発明の磁心・コイル組立体により生成される出力電圧は、３
０キロボルト（ｋＶ）を越え得る。一次側と二次側のコイル巻線数（巻数）が少
なければ、従来技術の誘導型磁心・コイル組立体より抵抗値およびインダクタン
スが少ない磁心・コイル組立体となる。その結果、本発明は、従来技術の磁心・
コイル組立体に比して、磁心・コイル組立体の構造全体と関連するＣＤシステム
の主蓄電コンデンサの速い放電時間により一部が改善された点弧能力を提供する
。

【００１０】 特に、磁心・コイル組立体の磁心は、低い磁心損失および透磁性（約１００な
いし５００の範囲内）を呈するアモルファス強磁性体からなっている。このよう
な磁気特性は、燃焼サイクルにおける火花プラグの迅速な点火に特に適している
。すすの汚染による機関の点火不良は最小限に抑えられる。更に、コイルからプ
ラグへのエネルギ移動が非常に高い効率で行われる。略々トロイド状の磁心構造
の低い二次抵抗（典型的に、５０オームより小）が、これまでの従来技術のＣＤ
システムより数倍高い二次ピーク電流を提供し、磁心・コイル組立体の二次巻線
ではなく火花においてエネルギを消費することを可能にする。複数の磁心・コイ
ル小組立体において生成される個々の二次電圧は急激に上昇し、システムの総合
磁束変化量に基いて磁心・コイル小組立体を次々に加算してゆく。このため、現
在のトロイド・コイル巻線法により巻付けられた幾つかの磁心・コイル小組立体
を組合わせて優れた性能を持つ１つの組立体を生じる能力を可能にする。結果と
して、本発明の磁心・コイル組立体は、１つの二次コイルを有する磁心・コイル
組立体に比して製造コストが安く、効率がよく、かつ動作における信頼性が高い
。

【００１１】 本発明については、その望ましい実施の形態の以降の記述と添付図面を参照す
れば明らかになるであろう。図面においては、同じ参照番号が類似する要素を示
す。

【００１２】 望ましい実施の形態の詳細な説明 本発明は、内燃機関のシリンダ内に点火事象を生じるための火花点火システム
を目的とする。当該火花点火システムは、火花プラグに対して送られる高電圧出
力を生成するため磁心・コイル組立体に接続された容量性放電（ＣＤ）システム
からなる。ＣＤシーケンスにおける主蓄電コンデンサは、約３００ないし６００
ボルトＤＣ間の電圧まで充電する。次に、コンデンサは、パルス・トランスとし
て働く磁心・コイル組立体の一次巻線を介して放電され、一次コイルと二次コイ
ル間の巻数比と関連する強さを持つ電圧を二次コイルに誘導する。本発明の磁心
・コイル組立体により生成された出力電圧は、３０キロボルト（ｋＶ）を越え得
る。一次コイルと二次コイルの巻線数（すなわち、巻数）の少ない方が、従来技
術の誘導型磁心・コイル組立体より低い抵抗値とインダクタンスとを持つ磁心・
コイル組立体を提供する。結果として、本発明は、一部は、磁心・コイル組立体
の構造全体と関連するＣＤシステムの主蓄電コンデンサの速い放電時間により、
従来技術の磁心・コイル組立体に比して改善された多重点弧能力を提供する。Ｃ
Ｄシステムの放電時間は、約６０マイクロ秒ないし約２００マイクロ秒の範囲に
わたる。一次コイルと二次コイルの磁心のトロイド状形状および高周波性能特性
が、効率的にエネルギを一次コイルから二次コイルへ移転する。

【００１３】 まず図面を詳細に参照して、図１は、磁心・コイル組立体３４に接続され、内
燃機関（図示せず）の１つのシリンダ内に配置された火花プラグ１２０に点火事
象を生じるように本発明により構成された容量性放電（ＣＤ）システム２００か
らなる火花点火システム１００のブロック図である。ＣＤシステム２００は、典
型的に１２ボルトのバッテリである電源１１０からの電圧を約３００ないし６０
０ボルトＤＣの範囲内に昇圧するＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ２３０を含む。コン
バータ２３０からの電圧出力（すなわち、３００ないし６００ボルトＤＣ）は、
主蓄電コンデンサ２５０を第１のダイオード２６０を介して充電する。蓄電コン
デンサ２５０は、約１ないし２マイクロファラッドの値を定格とするセラミック
・コンデンサである。蓄電コンデンサ２５０は、コンバータ２３０の電圧出力（
すなわち、約３００ないし６００ボルトＤＣ）まで充電することが望ましい。コ
ンデンサ２５０の放電は、論理回路２２０からのＳＣＲトリガー２４０により受
信られる論理信号に応答してＳＣＲトリガー２４０によりオンにされるシリコン
制御整流器（ＳＣＲ）２４２によって制御される。論理回路２２０は、電源１１
０に接続され、ＳＣＲトリガー２４０を制御するため論理回路２２０により処理
される点火信号入力２２２を受取る。点火信号は、通常は、ピックアップ・コイ
ル（図示せず）および瞬動抵抗（ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｒｅｌｕｃｔｏｒ）により
生成される。この抵抗は、瞬動ギアに類似し、ちょうど可動磁石であるかのよう
に電圧を生成する。ギアの歯がピックアップ・コイルに接近すると正の電圧がコ
イルに誘起され、抵抗がコイルから遠去かると負の電圧が誘起される。抵抗とピ
ックアップ・コイルの場所が、点火時を決定する。この抵抗はまた、クランクシ
ャフトに載置することもできる。ギアのみが唯一の方法ではなく、穴のあいた板
も同じ作用を生じる。蓄電コンデンサ２５０が完全に充電されると、ＳＣＲ２４
２がＳＣＲトリガー２４０により励起され、蓄電コンデンサ２５０がＳＣＲ２４
２を介して放電し、磁心・コイル組立体３４の一次コイル３６（例えば、図２参
照）に電流を流す。蓄電コンデンサ２５０からの電流により一次コイル３６に生
じた電圧は、一次コイル３６と二次コイル２０との間の巻数比に比例して一次コ
イル３６から二次コイル２０へ増分される。二次コイル２０に生じた電圧は火花
プラグ１２０へ送られ、これにより火花プラグ１２０に点火事象を生じる。第２
のダイオード２８０がＣＤシステム２００の出力に跨がって接続され、磁心・コ
イル組立体３４からの逆の極性の電圧信号がＣＤシステム２００へフィードバッ
クされることを防止する。ＣＤシステム２００の放電時間は、ＣＤシステム２０
０内部の放電経路幅のキャパシタンス、インダクタンスおよび抵抗値、および磁
心・コイル組立体３４の一次コイル３６によって決定される。ＣＤシステム２０
０の放電時間は、約６０マイクロ秒ないし約２００マイクロ秒の範囲内であり、
本発明の多重点弧周波数を少なくとも部分的に決定する。蓄電コンデンサ２５０
は、典型的に、非常に低い抵抗特性（例えば、低い等価の直列抵抗（ＥＳＲ））
となるように選択される。ＣＤシステム２００における抵抗値の主たるソースは
、リード線および磁心・コイル組立体３４の一次コイル３６における配線、およ
び蓄電コンデンサ２５０のＥＳＲである。

【００１４】 次に図２において、本発明の磁心・コイル組立体３４は、電圧の励起のためＣ
Ｄシステム２００に接続された共通一次コイル３６と、高電圧出力を生成するた
め火花プラグ１２０に接続された二次コイル２０とを含んでいる。二次コイル２
０は、それぞれが強磁性アモルファス金属合金からなる磁心１０とその周囲に巻
付けられた二次コイル１６、１８、２２とを持つ複数の略々トロイド状の磁心・
コイル小組立体３２を含む。磁心・コイル小組立体３２の二次コイル１６、１８
、２２は、隣接してたい積された小組立体３２が同じ方向に巻付けられないよう
に、相互に直列に接続されかつ時計方向（ｃｗ）および反時計方向（ｃｃｗ）に
交互に巻付けられている。磁心・コイル小組立体３２は、ＣＤシステム２００か
らおよび共通一次コイル３６を介して同時に励起され、このように励起されると
、二次コイル２０の１つの高電圧出力として付加的かつ総合的に火花プラグ１２
０に対して送られる付加的な二次電圧を生じる。典型的に、二次コイル２０は、
火花プラグ１２０の中心電極へ供給される高電圧出力が負となるように構成され
る。

【００１５】 磁心１０は、鉄を基材とする合金を含む高い磁気誘導を生じるアモルファス合
金から形成されることが望ましい。２つの基本的な形態の磁心１０が示される。
これらは、間隙を空けられ（例えば、図３Ａ−図３Ｄ参照）、また間隙を空けず
に置かれ（例えば、図４Ａ−図４Ｄ参照）、本文ではともに磁心１０と呼ばれる
。間隙を空けた磁心１０は、磁気的に連続した経路上に周方向に不連続な磁石片
を有する。このような磁心１０の一例は、磁心１０の全長にわたり延長する、当
技術において空隙として知られる小さなスリット８を持つトロイド状の磁心であ
る。このスリット８は、典型的に、幅が１インチ（約２５．４ｍｍ）の数千分の
一程度である。一次コイル３６、二次コイル２０に対するスリット８の配置は、
設計上の選択事項である。間隙を空けた形態は、磁気経路の空隙部分が全磁心の
透磁性を減じるので、磁心１０の必要な透磁性が磁心の巻付け時の透磁性よりい
ちじるしく低いときに用いられる。間隙を空けない磁心１０は、例えば、時間的
／温度的ななまし処理のような事後処理法を介して得られた空隙はあるが物理的
には連続し典型的なトロイド状磁心において見出されるものと類似する構造を持
つ磁心１０の透磁性に類似する透磁性を有する。間隙がある場合と間隙がない場
合の両方の形態は、本発明により用いられ、磁心の有効透磁性が所要の範囲内に
あるかぎり互換性がある。従って、間隙のない磁心１０に対する論議は間隙のあ
る磁心１０に対しても等しく妥当し、間隙のない磁心１０は本発明のアモルファ
ス金属合金磁心１０の限定しない事例として論議されることを理解すべきである
。間隙のない磁心１０は、間隙のない磁心素材の使用に限定されることはないが
、このような定形設計の論証のため選択された。

【００１６】 磁心１０は、鉄合金を基材とするアモルファス金属合金から作られ、磁心の透
磁性が約１ＫＨｚの周波数において測定されるとき１００ないし３００の範囲内
にあるように形成される。間隙のない磁心１０の効率を、うず電流損失を減じる
ことにより改善するため、比較的短い磁心シリンダが巻付けられて処理され、端
面どうし積み重ねて所定の量の磁心を得る。間隙のない磁心１０の漏れ磁束は、
間隙のある磁心１０からよりも非常に少なく、周囲に生じる望ましくない無線周
波干渉は少ない。図１に示された磁心・コイル組立体３４は、限定しない事例と
して、約１５０ないし２００回の巻線数を持つ二次コイル２０を有する。一次コ
イル３６に対する二次コイル２０の巻線比は、典型的に、５０ないし１００の範
囲内にある。磁心・コイル組立体３４はパルス・トランスとして働くので、非常
に少ないエネルギが一次コイル３６に蓄積されるが、その代わり、二次コイル２
０へ迅速に移転される。主なエネルギ・ソースは、このような動作、すなわち、
図１に示されたＣＤシステム２００の蓄電コンデンサ２５０に対して要求される
。蓄電コンデンサ２５０は、典型的に、約１ないし２マイクロファラッドの範囲
内の定格とされ、放電に先立ち典型的に約３００ないし６００ボルトＤＣの範囲
内に充電される。充電は、典型的に、公称バッテリ電圧１１０（典型的に、約１
２ボルトＤＣ）を所定の３００ないし６００ボルトのレベルまで変換するＤＣ−
ＤＣ電圧コンバータ２３０を介して行われる。ＣＤシステム２００の放電経路は
、蓄電コンデンサ２５０から、スイッチとして働くＳＣＲ２４２を介して磁心・
コイル組立体３４の一次コイル３６へ至り、再びコンデンサ２５０へ戻る。ＣＤ
システムの放電時間は、約６０マイクロ秒ないし約２００マイクロ秒の範囲にわ
たる。

【００１７】 本発明の磁心・コイル組立体３４においては、磁心１０が飽和する。一次コイ
ル３６から二次コイル２０への電圧の逓昇は、一次コイル３６対二次コイル２０
の巻線比によって決定され、典型的には約５０ないし１００の範囲内にあり、す
なわち、二次コイル２０の電圧は一次コイル３６の電圧の約５０ないし１００倍
となる。二次コイル２０の低い抵抗値は、非常に高いピーク電流値、典型的には
約３アンペアが火花プラグ１２０に流れ、点火事象においては火花プラグのギャ
ップに流れることを許容する。従来のコイルの０．１アンペアよりはるかに高い
このような大きな電流値は、火花プラグ１２０により生じるホット・スパークを
生じる結果となり、これが更に内燃機関のシリンダ内の良好な燃焼をもたらす。
磁心・コイル組立体３４の出力インピーダンスが低く、典型的に５０オームより
低く、二次コイル２０における電圧上昇がマイクロ秒以下の範囲にあるため、本
発明の磁心・コイル組立体３４は、汚染した火花プラグにおいてさえ、非常に低
いインピーダンス負荷を駆動することができ、かつ典型的に略々全出力電圧を送
ることができる。本発明により構成された火花点火システム１００に対して、３
０キロボルト（ｋＶ）を越える開回路電圧が可能である。

【００１８】 本発明によれば、磁心は、１２ｍｍの内径、１７ｍｍの外径および１５．６ｍ
ｍの高さを持つ直方体に巻付けられたリボン状のアモルファス金属材からなるも
のであった。これらの磁心は、約８０ｍｍの有効シリンダ高さとなるように積み
重ねられる。個々のシリンダ高さは、全シリンダ高がシステムの要件を満たすか
ぎり、略々８０ｍｍから１０ｍｍまでの単一高さに変化することができた。当例
に用いた寸法に直接接着することは要件ではない。これは、入出力要件に従って
設計空間の大きな変更が生じるゆえである。最終的に構成される直方体が略々長
形のトロイドとして磁心を形成した。磁心とコイル巻線との間の絶縁は、巻付け
形態として２倍になり略々トロイド状の磁心の巻付けを容易にする高温に耐える
成形可能プラスチックの使用によって達成された。二次コイル２０を１２０ない
し２００回巻付けるため微小径ワイヤが用いられた。最良性能のコイルは、略々
トロイド状の磁心１０の円周の約１８０°ないし３００°にわたりワイヤが均等
間隔に置かれた。残りの６０°ないし１８０°は一次コイル３６の巻付けのため
用いられた。（例えば、図３Ｃおよび図４Ｃ参照）このような形式の設計の１つ
の欠点は、トロイド状磁心１０の縦横比であり、全般的な動作に必要な二次コイ
ルの巻き数であった。非常に細いワイヤ（典型的に、３９ゲージ以上）を巻付け
作業の間にひどく重なったり断線することなく取扱うのに、これらコイルを巻付
けるジグが必要であった。典型的なトロイド状巻付け機械は、その特有の構造の
ためコイルを略々このような縦横比に巻付けることができない。磁心を通して押
し入れ次いで外周部に通されるシャトルに基く別の設計が必要とされ、特別注文
されねばならない。典型的に、これらコイルの巻付けを行う時間は非常に長かっ
た。長形のトロイド形状は、機能的ではあるが商業的に魅力的な充分に低コスト
で大量生産することは困難であろう。

【００１９】 次に、図３Ａないし図３Ｄ、および図４Ａないし図４Ｄにおいて、本発明の磁
心・コイル組立体３４の構造および組立てについて詳細に論述する。下記の論議
は、図４Ａ−図４Ｄに示した間隙のない磁心１０の形態に対するものであるが、
かかる論議は、図３Ａ−図３Ｄに示した間隙のある磁心１０の形態にも同様に妥
当することを理解すべきである。二次コイル２０は、それぞれがアモルファス金
属合金の磁心１０と、参照番号１４（図４Ｃ）により全体的に示され、特に参照
番号１６、１８、２２（図４Ｄ）により示された二次コイルとを持つ複数の磁心
・コイル小組立体３２からなる。鋳造されたままの状態で１．５テスラ（Ｔ）を
越える飽和誘導磁束を持つ鉄を基材とするアモルファス金属合金からなる磁心１
０が用意された。この磁心は、約１５．６ｍｍの柱高とそれぞれ約１７ｍｍの外
径と約１２ｍｍの内径とを持つ略々円筒状の形態を持っていた。これら磁心１０
は、外部から印加される電界で熱処理された。二次コイル２０は、それぞれが磁
心１０を持つ複数の積み重ねられた磁心・コイル小組立体３２からなることが望
ましい。複数の磁心・コイル小組立体３４は、二次コイル２０を現用するコイル
巻き機械を用いて巻付けることができる比較的小さな構成要素レベルの構造へ分
割する。本発明は、従来の市販のコイル巻き機械を用いる大きさと形状である同
基材のアモルファス金属の磁心素材の心部を用いる。これは、磁心１０を受入れ
るような大きさと形状であり略々トロイド形状の磁心・コイル小組立体３２（例
えば、図４Ｃ参照）として巻付けられる小組立体３０（例えば、図４Ｂ参照）を
形成する絶縁カップ１２を形成することによって達成される。二次コイル１６、
１８、２２の各々は、非分割型、すなわち一体型の磁心を持つ典型的な従来技術
の二次コイルと同数の巻き数を有する。図４Ｄに示された磁心・コイル組立体３
４は、所望の出力特性を生じるように構成された二次コイル２０を提供するため
積み重ねた直列接続磁心・コイル小組立体３２を含んでいる。次に、一次コイル
３６が複数の積み重ねた磁心・コイル小組立体３２の周囲に巻付けられる。しか
し、従来技術の一体型磁心の二次コイルを持つ場合とは対照的に、本発明の二次
コイル２０を含む磁心・コイル小組立体３２は、隣接して積み重ねた小組立体３
２が同じ方向に巻付けられないように、交互に時計方向および反時計方向に巻付
けられる。磁心・コイル小組立体３２のコイル１６、１８、２２間の電気的接続
を容易にすることに加えて、このような巻付け形態は磁心・コイル小組立体３２
のそれぞれの出力電圧を増すことを許容する。典型的な二次コイル２０は、反時
計方向（ｃｃｗ）に巻付けられ火花プラグ１２０に接続する第１の出力結線とし
てリード部すなわち出力線２４を持つ第１の、すなわち最下部の二次コイル１６
を含む。論議を容易にするため、リード部２４を持つ磁心・コイル組立体３４の
側は、これが典型的に火花プラグ１２０の頂部に載りその中心電極に接続される
ので、最下部と呼ばれる。磁心・コイル組立体３４の反対側（以下に詳細に述べ
るように、リード部２６を持つ）は、一次コイル３６が一般にこの側から接近可
能であるので、最上部と呼ばれる。２番目の、すなわち中間の二次コイル１８は
、最下部の二次コイル１６の逆方向に、すなわち時計方向（ｃｗ）に巻付けられ
、間に充分な絶縁をもたらすようにスペーサ２８を介して最下部の二次コイル１
６の頂部に積み重ねられる。あるいはまた、スペーサ２８は、絶縁カップ１２の
頂部から上方へ延長する縦方向のロッド１３０（例えば、図４Ｂ参照）で置換し
てもよい。これらのロッド１３０は、スペーサ２８により与えられる空間と同様
に隣接する磁心・コイル小組立体３２間に空間を提供する。中間の二次コイル１
８の下方リード部４２は、最下部の二次コイル１６の上方リード部４０に接続さ
れる。第３の、すなわち最上部の二次コイル２２は、反時計方向に巻付けられ、
間に絶縁を生じるようにスペーサ２８を介して中間の二次コイル１８の最上部に
重ねられる。最上部の二次コイル２２の下方リード部４６は、中間の二次コイル
１８の上方リード部４４に接続される。磁心・コイル小組立体３２の総数は、設
計上の基準および物理的な寸法要件によって設定される。このように、３個の磁
心・コイル小組立体３２を持ち、図４Ａ−図４Ｄに詳細に示された磁心・コイル
組立体３４の二次コイル２０は、本発明の望ましい実施の形態の限定しない事例
として提供される。あるいはまた、本発明の二次コイル２０は、設計上の基準、
物理的寸法要件その他の要因により定まる数の磁心・コイル小組立体３２を含み
得る。最上部の二次コイル２２における最後の上方リード部２６は、磁心・コイ
ル組立体３４の第２の出力接続を形成する。典型的に、リード部２６は磁心・コ
イル組立体３４の電流の帰還路を提供するが、リード部２４は火花プラグの中心
電極に接続され負の電位にある。

【００２０】 図４Ｃに示されるように、磁心・コイル小組立体３２の二次コイル１６、１８
、２２はそれぞれ、トロイド形状の磁心１０の周囲の略々１８０°ないし３００
°の範囲内を覆うように巻付けられる。磁心・コイル小組立体３２は、図４Ｃに
示された、各磁心１０の周囲の略々６０°ないし１８０°の範囲内の巻線のない
部分が縦方向にそろうように積み重ねられる。共通一次コイル３６は、二次コイ
ル１６、１８、２２により覆われない磁心・コイル小組立体３２の領域に巻かれ
、磁心１０の周囲の略々６０°ないし１８０°の範囲内にある。このような形態
は、本文では積み重ね型または積み重ね形態と呼ばれる。図４Ｄに示された、組
立てられた磁心・コイル組立体３４は、出力リード線２４、２６および一次コイ
ルリード線が挿通される穴が明けられた高温度プラスチック・ハウジング（図示
せず）内に収容される。この組立体は、次に、高電圧絶縁密閉構造となるように
良好な密閉コンパウンド中で真空鋳造される。他の多くの種類の密閉材料がある
。密閉コンパウンドの基本的要件は、充分な絶縁耐力を持ち、構造内の他の全て
の材料に良好に接着し、反復、温度、衝撃および振動の厳しい環境要件に耐え得
ることである。また、密閉コンパウンドが低い比誘電率および低い損失正接を有
することも望ましい。このハウジング素材は、射出成形が可能であり、安価であ
り、比誘電率が低く、損失正接が小さく、密閉コンパウンドと同じ環境条件に耐
えるものでなければならない。

【００２１】 従来技術の一体型すなわち非分割型の磁心・コイルの電圧分布は、二次コイル
の最初の巻線がゼロボルトであり最後の巻線が全電圧を受けるバリアック（ｖａ
ｒｉａｃ）の電圧分布に類似している。この電圧分布は、実際に、コイル構造の
全高に及び、このため、二次コイルの最後の巻線またはその付近に電圧ストレス
を生じる結果となる。一次コイルは、二次コイルから絶縁され、二次コイル巻線
がない６０°ないし１８０°の領域の略々中心に置かれる。一次コイル巻線は、
一次コイルに用いられる低電圧の駆動条件により実質的に低電位にある。

【００２２】 図２に示されるように、本発明の磁心・コイル組立体３４の電圧分布は望まし
くも異なる。各磁心・コイル小組立体３２は、同じバリアック・タイプの分布を
呈するが、磁心・コイル組立体３４の二次コイル２０の重なり分布により、二次
コイル２０の高電圧の出力は磁心・コイル小組立体３２の数で除される。例えば
、図２に示されるように、二次コイル２０が３個の磁心・コイル小組立体３２を
含むならば、第１の、すなわち最下部の二次コイル１６における電圧は、略々Ｖ
すなわちリード線２４における二次コイル２０の高電圧出力の全値からリード線
４０における約２／３Ｖまでの範囲にわたる。同様に、２番目すなわち中間の二
次コイル１８における電圧は、リード線４２における約２／３Ｖからリード線４
４における約１／３Ｖまでの範囲にわたる。最後に、３番目のすなわち最上部の
二次コイル２２における電圧は、リード線４６における約１／３Ｖからリード線
２６における約０Ｖまでの範囲にわたる。二次コイル１６、１８、２２のそれぞ
れにおける電圧は、二次コイル巻線において、すなわち第１のコイル巻線から最
後のコイル巻線へ、略々線形に、すなわちリード線２４におけるＶからリード線
２６における０Ｖまで変化し、リード線２６はゼロボルトを基準としている。こ
のような形態は、二次コイル２０の磁心・コイル小組立体３２の二次コイル１６
、１８、２２により課される高電圧ストレスの領域を軽減する。

【００２３】 本発明のＣＤシステム２００は、従来技術の誘導型構造より高速であり、７０
マイクロ秒程度ごとの多重点弧能力を可能にする。このような形式のシステムは
、誘導型構造よりも低い分路抵抗値で動作することが可能である。約６ボルトＤ
Ｃないし約１６ボルトＤＣの範囲にわたる入力電圧の場合は、主蓄電コンデンサ
２５０の放電時間は約２５マイクロ秒ないし約５８マイクロ秒までの範囲内にあ
る。図５におけるデータは、一次コイル巻き数３と二次コイル巻き数１９０を持
ち、二次コイルが３個の磁心・コイル小組立体３２を含む磁心・コイル組立体３
４に対するものである。

【００２４】 図５は、約０ないし約１８ボルトＤＣの範囲にわたる調整可能な入力電圧に対
する二次コイル２０の出力電圧をグラフで示している。本発明のＣＤシステム２
００に用いられたＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ２３０は、電圧を図５のＸ軸上に示
した値から約３００ないし６００ボルトＤＣの範囲内まで昇圧する。図５のＸ軸
に対する電圧値における変化とは無関係に、本発明の火花点火システム１００の
入力電圧と出力電圧との間の関係は実質的に直線的であり、図５のグラフはこの
関係の正確な表示である。

【００２５】 下記の事例は、本発明の更に完全な理解のために提示される。発明の原理およ
び実施を示すために提示される特定の技術的条件、素材、比率および報告データ
は、例示出会って発明の範囲を限定するものと見なすべきではない。

【００２６】 事 例 約１５．６ｍｍの幅と約２０μｍの厚さとを持つ鉄を基材とするアモルファス
・リボン材が、機械加工されたステンレス鋼の心材上に巻付けられ、公差を維持
するため内径および外径上にスポット溶接された。１２ｍｍの内径が心材により
設定され、外径は１７ｍｍに選定された。仕上げられた円筒状磁心は約１０グラ
ムの重量であった。磁心は、約２ないし１６時間の浸漬時間で４３０°ないし４
５０℃の範囲の窒素雰囲気中で焼鈍された。焼鈍された磁心は、絶縁カップ内へ
送致され、トロイド巻き線機械上で二次コイルとして小ゲージの被覆銅線を１９
０回巻かれた。反時計方向（ｃｃｗ）と時計方向（ｃｗ）の両ユニットが巻かれ
た。反時計方向の巻き方向は最下部と最上部の磁心・コイル組立体に対して用い
られ、時計方向の巻き方向は中間の組立体に対して用いられた。絶縁スペーサが
隣接した磁心・コイル組立体間に装加された。一次コイルを形成するため比較的
細いゲージ（二次コイル巻線より細いゲージ）のワイヤが、積み重ねたトロイド
状磁心の二次コイル巻線が存在しない領域に３回巻かれた。中間および最上部の
二次コイル小組立体のリード線が、中間および最上部の小組立体リード線として
相互に接続された。磁心・コイル組立体は、高温のプラスチック・ハウジング内
に置かれて焼成された。このような形態により、二次電圧がＣＤシステムにおけ
るＤＣ−ＤＣコンバータに対する入力電圧の関数として測定され、図５にグラフ
で示されている。

【００２７】 本発明については非常に詳細に記述したが、このような詳細に拘泥する必要は
なく、当業者には更なる変更および修正が自明であり、全て頭書の請求の範囲に
記載される如き本発明の範囲に該当するものであることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明により構成された内燃機関の火花プラグにおける点火事象を開始するた
めの磁心・コイル組立体に接続された容量性放電システムを備える火花点火シス
テムのブロック図である。

【図２】 ３つの重積された磁心・コイル小組立体からなる二次コイルを持つ図１の磁心
・コイル組立体を示す図である。

【図３】 ＡないしＤは、ギャップを含むアモルファス金属合金磁心を用いて図２の磁心
・コイル組立体を製造する組立てシーケンスを示す図である。

【図４】 ＡないしＤは、ギャップのないアモルファス金属合金磁心を用いて図２の磁心
・コイル組立体を製造する組立てシーケンスを示す図である。

【図５】 図１の火花点火システムのための容量性放電システムの磁心・コイル組立体に
対して与えられた入力電圧に対する二次コイルにおける出力電圧を示すグラフで
ある。

【手続補正書】

【提出日】平成１２年１２月１２日（２０００．１２．１２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── 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，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(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，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 パパネスター，ポール・アレキサンダー 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 EA12 EB06 FA02 FA04 KC02 KC03 KC04

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１つの燃焼室を有する内燃機関における点火事象
   を生じる火花点火システムであって、 ａ．予め定めた電圧を予め定めた頻度で反復的に生成する容量性放電システム
   と、 ｂ．前記容量性放電システムに接続されて予め定めた前記電圧を受取る磁心・
   コイル組立体と、 を備え、前記磁心・コイル組立体が、強磁性アモルファス金属合金からなる磁心
   を有し、該磁心・コイル組立体が更に、 （ｉ）前記磁心に巻かれ、かつ電圧を励起するため前記容量性放電システム
   に接続された一次コイルと、 （ｉｉ）前記磁心に巻かれ、前記一次コイルにより励起されかつ前記磁心・
   コイル組立体から高電圧出力を生成するための二次コイルと、 を含み、 ｃ．前記二次コイルが、相互に直列に接続されて前記一次コイルの電圧励起に
   応答して同時に励起され、各々が予め定めた方向に巻かれたコイルを持つトロイ
   ド状に巻かれた部分を含む、複数の積み重ねた磁心・コイル小組立体を含み、 ｄ．前記磁心・コイル小組立体が、前記一次コイルにより同時に励起されると
   、付加的でありかつ総合的に火花プラグへ送られて内燃機関における点火事象を
   生じる二次電圧を生じる 火花点火システム。
2. 【請求項２】 前記容量性放電システムが更に、 ａ．ＤＣ電圧入力を受取る入力と、出力とを持ち、前記ＤＣ電圧入力を予め定
   めた前記電圧へ変換して、該予め定めた電圧を出力に生じる電圧コンバータと、 ｂ．前記電圧コンバータの前記出力に接続され、予め定めた前記電圧に実質的
   に等しい電圧レベルまで充電するための主蓄電コンデンサと、 ｃ．前記主蓄電コンデンサと前記磁心・コイル組立体の前記一次コイルとの間
   に接続され、主蓄電コンデンサを前記磁心・コイル組立体の前記一次コイルに選
   択的に接続する接続手段と、 ｄ．前記接続手段を制御する装置と、 を含み、 ｅ．前記主蓄電コンデンサが、該主蓄電コンデンサの前記一次コイルに対する
   接続後の予め定めた時間、前記磁心・コイル組立体の前記一次コイルを介して放
   電される 請求項１記載の火花点火システム。
3. 【請求項３】 予め定めた前記電圧が約３００ないし６００ボルトＤＣの範
   囲にわたる請求項１記載の火花点火システム。
4. 【請求項４】 前記接続手段がシリコン制御整流器である請求項２記載の火
   花点火システム。
5. 【請求項５】 予め定めた前記放電時間が約３０マイクロ秒ないし約２００
   マイクロ秒までである請求項２記載の火花点火システム。
6. 【請求項６】 予め定めた前記放電時間が約６０マイクロ秒である請求項２
   記載の火花点火システム。
7. 【請求項７】 予め定めた前記方向が、隣接する磁心・コイル小組立体に対
   して時計方向および反時計方向に交互に変化して、隣接して積み重ねた磁心・コ
   イル小組立体が予め定めた同じ方向に巻かれないようにする請求項１記載の火花
   点火システム。
8. 【請求項８】 前記磁心が熱処理された強磁性アモルファス金属合金である
   請求項１記載の火花点火システム。
9. 【請求項９】 前記磁心が複数の区分された磁心を含む請求項１記載の火花
   点火システム。
10. 【請求項１０】 前記二次コイルにおける電圧が１０ｋＶを越えることがあ
    り得、前記容量性放電システムにより生成される予め定めた前記電圧と線形的に
    関連する請求項１記載の火花点火システム。
11. 【請求項１１】 前記強磁性アモルファス金属合金が、鉄を基材とし、かつ
    更に、ニッケルおよびコバルトを含む金属元素、ホウ素および炭素を含むガラス
    形成元素、およびケイ素を含む半金属元素を含む請求項８記載の火花点火システ
    ム。
12. 【請求項１２】 前記磁心が周方向に連続する請求項９記載の火花点火シス
    テム。
13. 【請求項１３】 前記磁心が周方向に不連続である請求項８記載の火花点火
    システム。
14. 【請求項１４】 前記磁心が、合金の結晶温度付近の温度で熱処理され部分
    結晶化された強磁性アモルファス合金である請求項１１記載の火花点火システム
    。
15. 【請求項１５】 前記磁心が、合金の結晶温度より低い温度で熱処理され、
    熱処理の完了時に実質的にアモルファス状態を維持する強磁性アモルファス合金
    である請求項１２記載の火花点火システム。
16. 【請求項１６】 前記二次コイルが、最下部から最上部まで断続する階段状
    をなす内部電圧分布を持ち、段階数が前記二次コイルを構成する磁心・コイル小
    組立体の数により決定される請求項１記載の火花点火システム。