JP2006130652A - 燃焼力作動型打ち込み装置 - Google Patents

Abstract

【課題】釘，ボルト及びピン等のファスナを基盤に対して打ち込むための燃焼力作動型打ち込み装置において，点火装置を改良して最適な点火火花を生じさせる。
【解決手段】本発明に係る打ち込み装置（１０）は，酸化剤及び燃料の混合物のための点火装置（２０）が，スイッチ素子（２９）を介して制御可能な第１電圧源（３０）を具える。第１電圧源（３０）により，点火ユニット（２１）における２個の電極（２２，２３）間のギャップに放電を生じさせる。本発明では，第１電圧源（３０）の電圧より低い燃焼電圧を供給する第２電圧源（４０）を設けることにより，点火火花の持続時間を延長する。
【選択図】図２

Description

本発明は，釘，ボルト，ピン等のファスナを基盤に打ち込むための燃焼力作動型打ち込み装置に関し，特に，酸化剤及び燃料の混合気を着火させるための点火装置を具え，該点火装置が，スイッチ素子により制御可能な第１電圧源と，該第１電圧源が発生する高電圧により，ギャップを隔てた２個の電極間でスパークを発生する点火ユニットとを含む打ち込み装置に関するものである。

上述した構成を有する打ち込み装置においては，気化した燃料ガスを，外気等の酸化剤と共に燃焼室内で燃焼させている。酸化剤及び燃料の混合気は，通常，電気的に発生したスパークにより着火させて燃焼を開始させる。そのために，打ち込み装置には点火装置が配備されている。

ヨーロッパ特許ＥＰ０６４２８９２Ｂ１号明細書（特許文献１）は，点火システムが，変圧器の一次側に電流源として接続されたコンデンサを含む打ち込み装置を開示している。このコンデンサには，電源バッテリーから電流が供給される。変圧器の二次側にはギャップが接続されている。スイッチ手段を閉じると，コンデンサは変圧器の一次側を通じて放電する。その際，二次側ではｋＶオーダの電圧がギャップに印加され，スパークを生じる。
ヨーロッパ特許ＥＰ０６４２８９２Ｂ１号明細書

特許文献１に記載された点火システムは，放電初期の短い絶縁破壊段階において，ギャップの電極間媒体がイオン化され，極めて短時間で大電流のアーク放電が生じる。最終段階では小電流のグロー放電が発生し，酸化剤及び燃料の混合気を点火させるには不十分な低レベルのエネルギしか供給されない。したがって，点火システムの最適効率を達成することができない。変圧器は，高い破壊電圧を生じるように設計されており，したがって放電時間の大半に亙って必ずしも最適ではない電圧領域で作動するからである。

ヨーロッパ特許出願公開ＥＰ０８９８６５１Ａ１号公報（特許文献２）は，並列接続された複数の点火コイルと，付随する６００ボルトＩＧＢＴ出力スイッチとを具え，その出力スイッチを１２ボルトの自動車用バッテリーで作動させる誘導性高エネルギ点火システムを開示している。この点火システムは，内蔵された電圧源が従来既知の開放Ｅ型構造の点火コイル，すなわち約０．５ｍＨの一次インダクタンスを含み，１２０〜２５０ｍJの火花エネルギを発生する点火コイルの最大コイル電圧よりも約３倍以上も高い電圧を生じる。電流源としては，並列２７０〜１０００μFの５０又は６３ボルトの絶縁耐力を有する数個のコンデンサを使用するものであり，これらのコンデンサは点火コイルを通じて放電を行うことにより破壊電流を発生するものである。
ヨーロッパ特許出願公開ＥＰ０８９８６５１Ａ１号公報

特許文献２に記載された点火システムの難点は，１２ボルトバッテリーの使用を前提とする高い一次エネルギが必要であることに加え，点火スパークの破壊放電後に限定的にしかアーク放電が行われないことにある。

更に，ドイツ特許ＤＥ２８１０１５９号明細書（特許文献３）は，高電圧コンデンサが充電され，点火電極における破壊電圧よりも高いしきい値電圧に達すると呼び点火ギャップ及び点火電極を通じて放電を行う可燃性混合物の点火方法及び装置を開示している。この場合，エネルギ放出は点火スパークの発生初期段階で行われる。呼び点火ギャップは点火電極の近傍に配置され，オーム抵抗及びインダクタンス抵抗が低く設定されている。しきい値電圧は外部から制御可能であり，コンデンサと点火電極との間の電極に導かれる導線のインダクタンス及びオーム抵抗は少なくとも５０MHｚを超える周波数帯域では大幅に低下する。したがって，エネルギ放出は，ギャップがイオン化される点火スパークによる破壊段階で短時間しか持続されない。
ドイツ特許ＤＥ２８１０１５９号明細書

特許文献３に記載された点火システムの難点は，点火電極における光及び熱放射の強力なアーク放電が殆ど達成されないことにある。

本発明の課題は，上述した従来技術における問題点を解消するため，最適な点火火花を生じさせる点火装置を具える打ち込み装置を提案することにある。

この課題を解決するため，本発明に係る打ち込み装置は，請求項１に記載した事項を特徴とするものである。また，本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載したとおりである。

本発明において，第１電圧源の発生する出力電圧Ｕは好適には１ｋＶを超えるものとする。この第１電圧源に加えて，本発明に係る打ち込み装置は，第１電圧源の発生する出力電圧Ｕよりも低い燃焼電圧により点火ユニットを作動させる第２電圧源を具える。この措置により，ギャップに対するエネルギ供給の持続時間が延長され，ギャップにおけるスパークの燃焼時間が，光及び熱放射の強力なアーク放電により延長される利点が得られる。その結果，燃焼力又は燃焼ガス作動型打ち込み装置の燃焼状態が著しく改善される。持続時間の長いスパークにより，酸化剤及び燃料の混合気を最適条件下で着火させることが可能だからである。

第２電圧源によるエネルギ供給は，ギャップにおける電気抵抗の低下を通じて切替可能とするのが有利である。すなわち，ギャップの電気抵抗が第１の電圧源からの破壊放電により低下すると，第２電圧源からのエネルギ供給が可能となる。この措置により，第２電圧源のための独立したスイッチ装置が不要となる。ギャップの電気抵抗値の変化に基づいて直接的に切替可能となるからである。

本発明の有利な実施形態では，第１電圧源が少なくとも１個の第１コンデンサと変圧器とを具える。第１コンデンサは出力側で変圧器の一次巻線に接続し，変圧器の二次巻線は点火ユニットに接続する。

第２電圧源は少なくとも１個の第２コンデンサを含む構成とするのが好適であり，この第２コンデンサはエネルギ蓄積に係るコスト的に有利な解決方法を可能とする。

少なくとも１個の第２コンデンサを出力側で変圧器の二次巻線を介して点火ユニットに接続すると，第２電圧源は第１電圧源の回路と容易に統合可能となる。それにより部品点数を減少することが可能である。

少なくとも１個の第２コンデンサは，出力側で流れ方向に接続したダイオードを介して点火ユニットに接続するのが有利である。変圧器の二次側は第２コンデンサの放電により負荷 されず，したがって変圧器の小型化が可能である。

少なくとも１個の第２コンデンサの早期の放電を防止するための手段を設けるのが有利である。この場合，第１電圧源の第１コンデンサが放電する前に第２コンデンサが放電するのを適切に防止することが可能となる。

第２コンデンサの早期の放電を防止するための手段は，第２コンデンサに直列接続したダイオードで構成するのが好適である。この場合，スイッチ素子が閉じる際に第２コンデンサの放電が回避される。

更に，第２コンデンサに対し，変圧器の逆向きの充電電流の流れを阻止するための一方向素子を設けるのが好適である。コイルコアに残留する磁界のため，変圧器から振動回路の後振動が生じる。この後振動により第２コンデンサの逆充電を容易に回避することができる。

上記の一方向素子は，第２コンデンサと阻止方向で並列接続されたダイオードで構成するのが有利であり，この場合にはダイオードが極めて迅速に作動する。

第２電圧源の少なくとも１個の第２コンデンサを，第１電圧源の少なくとも１個の第１コンデンサよりも大容量のコンデンサで構成する場合には，好適な大きさの点火装置を実現することが可能である。第２コンデンサの容量は，第１コンデンサの容量よりも約２〜１０倍とするのが好適である。その理由は，第２電圧源における第２コンデンサの効率が９０％を超えるのに対し，第１電圧源における第１コンデンサの効率は１０％未満とすることもあるからである。

以下，本発明を図示の好適な実施形態について更に具体的に説明する。

図１及び図２に示した本発明の燃焼力作動型打ち込み装置１０は，液体燃料又は気体燃料を燃焼させることにより作動するものである。

打ち込み装置１０は，基盤に対して押圧状態で作動させることにより，釘等のファスナを基盤に対して打ち込むための打ち込み機構を具える。この打ち込み機構は，燃焼室１３と，打ち込みピストン１６を変位可能にガイドするピストンガイド部材１７と，ファスナをガイドするファスナガイド部材１８とを具える。ファスナは，打ち込みピストン１６の前進により，その前端部により基盤に打ち込まれる。更に，図示の打ち込み装置は，燃料を供給及び配量するための燃料供給手段（図示せず）を具える。

点火装置２０は，燃焼室１３内に配置した点火プラグ等の点火ユニット２１と，２個の電極２２，２３とを具え，電極２２，２３の相互間にはギャップ２４が存在する。

図２は点火装置２０の詳細を示している。点火装置２０は，電源２８として少なくとも１個のバッテリー又は蓄電池を具え，その出力電圧は変圧済みのものとすることができる。変圧は，例えば，電源２８の一部を構成する集積回路により実行可能である。電源２８は，数十ボルトから１ｋＶまでの出力電圧に設定するのが最適である。

更に，点火装置２０は，点火ユニット２１のために数ｋＶオーダの電圧Ｕを供給する第１電圧源３０を具える。第１電圧源３０は第１コンデンサ３１を有する。充電側で，第１コンデンサ３１と電源２８との間にダイオード３３を直列接続する。ダイオード３３は，コンデンサ３１の充電方向に流れる電流だけを通過させる。第１コンデンサ３１は，充電側の極でスイッチ素子２９を介して変圧器２５における一次巻線２６の第１端子に接続する。第１コンデンサ３１の第２極は，変圧器２５の一次巻線２６の第１端子に直結する。

点火装置２０は第２電圧源４０を具える。第２電圧源４０は，第１電圧源３０により数ｋVの高圧がギャップに印加されると，数１００Ｖまでの動作電圧を点火ユニット２１に供給する。第２電圧源４０は第２コンデンサ４１を具える。第２コンデンサ４１の充電側の極は，直列接続したダイオード４３を介して電源２８に接続する。ダイオード４３は，スイッチ素子２９を閉じる際に，第２コンデンサの早過ぎる放電を回避する機能を有する。更に，第２コンデンサ４１の充電側の極は，変圧器２５の二次巻線２７を介して点火ユニット２１の電極２３に接続する。第２コンデンサ４１の第２極は点火ユニット２１の第２電極２２と直結する。第２コンデンサ４１は，変圧器２５の逆向きの充電電流を遮断するための一方向素子としてのダイオード４５に並列接続す。その結果，コイルコアに磁界が残留し，変圧器システム２５の二次巻線に誘導電流が生じることに起因する，変圧器２５及び第１コンデンサ３１で構成される振動回路の後振動による第２コンデンサ４１の逆充電が回避される。

両コンデンサ３１，４１は，電源２８により充電可能とする。打ち込み装置１０のトリガースイッチ又は別の始動スイッチの作動等に応答する制御装置１９を通じてスイッチ素子２９を閉じると，第１コンデンサ３１が変圧器２５の一次側２６を介して短絡されるため，コンデンサ３１は一次巻線２６を通じて放電する。変圧器２５の二次巻線２７には数ｋVオーダの電圧Ｕが発生し，その電圧Ｕは点火ユニット２１で破壊電圧５０を増倍し，かつ，電極２２，２３間におけるギャップ２４のイオン化を可能にする。極めて短い初期のアーク放電５１と，これに続くグロー放電５２を伴う破壊が生じる（図３参照）。ギャップ２４はイオン化により抵抗が著しく低下するため，短いアーク放電５１の間には放電しなかった第２電圧源の第２コンデンサ４１が放電可能となり，第１電圧源３０から供給される電圧Ｕよりも遥かに低い燃焼電圧を有する大電流を点火ユニット２１に供給する。

第２コンデンサ４１の放電は，変圧器２５の二次巻線２７だけでなく，好適にはコンデンサ４１と点火ユニット２１の電極２２との間で直列接続されたダイオード４７を通じて行われる。その結果，変圧器２５の二次側２７は第２コンデンサ４１の放電により負荷されず，変圧器を小型化することが可能である。

グロー放電５２の直後に，長く継続する第２アーク放電５３（図３参照）が電極２２，２３間のギャップで生じるため，火花は第２アーク放電５３の終了まで維持される。その結果，燃焼ガス作動型打ち込み装置１０の燃焼が最適化される。

第１コンデンサ３１は，第２コンデンサ４１よりも小容量とするのが最適である。第１コンデンサ３１は，アーク放電５３を通じて火花を可能な限り持続させるものであり，その容量は第２コンデンサの容量の１％〜５０％とするのが好適である。

比較するために、図４には単一の電圧源のみを具えた従来の打ち込み装置によるアーク放電が示されている。この場合には，図示のとおり，打ち込み装置の点火に際して短いアーク放電５１を伴う破壊電圧５０の増倍だけが行われ，持続的なアーク放電は行われない。

本発明に係る打ち込み装置の要部を示す略図である。 図１の打ち込み装置における点火装置を示す回路図である。 本発明の点火装置のギャップにおける電圧の時間的変化を示すグラフである。 従来の点火装置のギャップにおける電圧の時間的変化を示すグラフである。

符号の説明

１０ 燃焼力作動型打ち込み装置
１３ 燃焼室
１６ 打ち込みピストン
１７ ピストンガイド部材
１８ ファスナガイド部材
１９ 制御装置
２０ 点火装置
２１ 点火ユニット
２２，２３ 電極
２４ ギャップ
２５ 変圧器
２６ 一次巻線
２７ 二次巻線
２８ 電源
２９ スイッチ素子
３０，４０ 電圧源
３１，４１ コンデンサ
４３，４５，４７ ダイオード
５０ 破壊電圧
５１，５３ アーク放電
５２ グロー放電

Claims (11)

1. 釘，ボルト，ピン等のファスナを基盤に打ち込むための燃焼力作動型打ち込み装置であって，
   酸化剤及び燃料の混合気を着火させるための点火装置（２０）を具え，
   該点火装置（２０）が，スイッチ素子（２９）により制御可能な第１電圧源（３０）と，該第１電圧源（３０）が発生する電圧Ｕにより，ギャップ（２４）を隔てた２個の電極（２２，２３）間でスパークを発生する点火ユニット（２１）とを含む打ち込み装置において，
   前記電圧Ｕよりも低い燃焼電圧により点火ユニット（２１）を作動させる第２電圧源（４０）を更に具えることを特徴とする打ち込み装置。
2. 請求項１に記載の装置において，前記第２電圧源（４０）による出力エネルギ供給を，ギャップ（２４）における電気抵抗を低下させることにより切替可能としたことを特徴とする打ち込み装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置において，前記第１電圧源（３０）が少なくとも１個の第１コンデンサ（３１）と変圧器（２５）とを具え，第１コンデンサ（３１）を出力側で変圧器（２５）の一次巻線（２６）に接続し，該変圧器（２５）の二次巻線（２７）を前記点火ユニット（２１）に接続したことを特徴とする打ち込み装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の装置において，前記第２電圧源（４０）が少なくとも１個の第２コンデンサ（４１）を具えることを特徴とする打ち込み装置。
5. 請求項４に記載の装置において，第２コンデンサ（４１）を，出力側で変圧器（２５）の二次巻線（２７）を介して点火ユニット（２１）に接続したことを特徴とする打ち込み装置。
6. 請求項４又は５に記載の装置において，前記第２コンデンサ（４１）を，出力側でダイオード（４７）を介して点火ユニット（２１）に接続したことを特徴とする打ち込み装置。
7. 請求項４〜６の何れか一項に記載の装置において，前記第２コンデンサ（４１）の早期の放電を，スイッチ素子（２９）により防止するための手段を具えることを特徴とする打ち込み装置。
8. 請求項７に記載の装置において，前記手段が，第２コンデンサ（４１）に直列接続したダイオード（４３）を含むことを特徴とする打ち込み装置。
9. 請求項４〜８の何れか一項に記載の装置において，前記第２コンデンサ（４１）に対し，変圧器（２５）の逆向きの充電電流の流れを阻止するための一方向素子を設けたことを特徴とする打ち込み装置。
10. 請求項９に記載の装置において，前記一方向素子を，第２コンデンサ（４１）に対して阻止方向で並列接続したダイオード（４５）で構成したことを特徴とする打ち込み装置。
11. 請求項４〜１０の何れか一項に記載の装置において，前記第２の電圧源（４０）における少なくとも１個の第２コンデンサ（４１）が，前記第１の電圧源（３０）の少なくとも１個の第１コンデンサ（３１）よりも大容量を有することを特徴とする打ち込み装置。

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