JP2009117487A

JP2009117487A - 内燃機関用点火コイル

Info

Publication number: JP2009117487A
Application number: JP2007286656A
Authority: JP
Inventors: Hisanori Kataoka; 尚紀片岡; Hiroki Nakata; 裕樹中田; Hideaki Shimakawa; 英明島川
Original assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2027-11-02
Also published as: JP5084453B2

Abstract

【課題】スイッチング素子の発熱を直接的に放熱可能な点火コイルを提供する。
【解決手段】略円筒状のケース本体部１と、ケース本体部に連続するケース基端部２とを有するコイルケースＣＡに、一次コイルと二次コイルとが同心状に収容されて構成された点火コイルである。ケース基端部２は、点火コイルの一次コイルに接続されるＩＧＢＴ７が収容されるイグナイタ収納部２１と、コイルケースＣＡをエンジン部に固定するための取付けフランジ部２３とを有して構成され、ＩＧＢＴ７は、イグナイタ収納部２１の内部であって、取付けフランジ部２３の底面に連続する放熱板５の上に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、効果的な放熱構造を有するため、電子素子の劣化や破損を心配することなく各種の高度な燃焼制御を実現できる点火コイルに関する。

点火コイルの一次電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子をコイルケースの基端部にモールドすると共に、全体をペンシル形状に構成した点火コイルが広く普及している。このペンシルタイプの点火コイルでは、プラグホールの中に、一次コイルと二次コイルとが同心状に配置される構成となる。

一方、一次コイルと二次コイル収容する箱状のコイルケースと、コイルケースから点火プラグに向けて突出するプラグブーツとを有するコイル・オン・プラグタイプの点火コイルも広く知られている。この点火コイルでは、プラグホールの中に、点火プラグへの接続線だけが配置される構成となる。

ところで、昨今では、希薄燃焼時などでも確実な点火動作を実現できるよう、一回の点火タイミングに複数回の放電動作を実行する多重点火方式も注目されている。

しかし、多重点火方式では、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子に、ＯＮ電流が短時間に繰り返し流れるために、スイッチング素子の発熱が増加し、当該スイッチング素子や、その近くに配置される他の電子素子が熱破壊されたり、早期劣化するおそれがある。特に、全体の形状を小型化する場合には、各電子素子を密に配置する必要があるので、多重点火方式を採るか否かに拘わらず、上記した発熱の問題は深刻である。

これらの点を踏まえて、以下に示す特許文献１〜特許文献４に記載されている放熱構造を検討するも、いずれも、多重点火方式やその他の燃焼制御を実現する上で、十分な放熱性能を発揮できるものではない。
特開平８−１４４９１９号公報特開昭６３−１２０８６３号公報特許２５９０３７７号公報特開平６−２６４８５７号公報

例えば、特許文献１の構成では、鉄心に接触させた放熱板を露出されているに過ぎず、スイッチング素子の発熱を有効に放熱する構成ではない。特許文献２の構成では、点火コイルのケースがエンジンブロックに接続されているに過ぎず、スイッチング素子についての直接的な放熱構造ではない。その他、特許文献３や特許文献４も同様であり、スイッチング素子の発熱を防止する直接的な放熱構造を開示するものではない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、スイッチング素子などの電子素子の発熱を直接的に放熱可能な点火コイルを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、点火プラグに向けて延びる突出軸部と、前記突出軸部に連続する基端部とを有し、前記突出軸部又は基端部の内部に、一次コイルと二次コイルとが収容されて構成された点火コイルであって、前記基端部は、点火コイルの一次コイルに接続されるスイッチング素子が収容される収納部と、前記基端部をエンジン部に固定するための取付けフランジ部とを有して構成され、前記スイッチング素子は、前記収納部の内部であって、前記取付けフランジ部の底面に連続する放熱板の上に配置される。

本発明の構成によれば、スイッチング素子が配置される放熱板が、取付けフランジ部の底面に連続するので、スイッチング素子をエポキシ樹脂のように伝熱性に劣る部材によってモールドしても、スイッチング素子の発熱は、放熱板を通して直接的に点火コイル外部に放熱される。

特に限定されるものではないが、本発明をペンシルタイプの点火コイルに適用した場合には、突出軸部たる略円筒状のケース本体部に、一次コイルと二次コイルとが同心状に収容される。一方、本発明をコイル・オン・プラグタイプの点火コイルに適用した場合には、基端部たる箱状のコイルケースに、一次コイルと二次コイルとが同心状に収容される。

前記収納部には、好ましくは、スイッチング素子に接続される燃焼制御回路の回路基板が配置され、前記回路基板も含め放熱板の上に配置されている。このような構成を採れば、制御回路による高度な燃焼制御が可能となるだけでなく、放熱板を通して回路基板の発熱も外部に放熱されるので、燃焼制御回路の誤動作が未然に防止される。

放熱板は、銅やアルミニウムのような導電性の金属板で構成されるのが好ましく、この場合には、金属板の上面には、熱伝導性に優れた絶縁部材を介してスイッチング素子や回路基板が配置される。なお、導電性の金属板を使用することで、放熱板をアースラインに電気接続することもでき、この場合には、接地抵抗の軽減に有効に寄与する。絶縁部材としては、セラミックスが好適に例示されるが、このうち、伝熱性に優れる窒化アルニミウム、炭化珪素、アルミナなどが好適に使用される。

本発明では、スイッチング素子の発熱が、放熱板を通して点火コイルの外部に放出されるので、放熱板の面積に応じた放熱特性を発揮する。したがって、例えば、取付けフランジ部の底面より大面積の放熱板を設けるのも好適である。また、エンジン部が冷却水によって水冷されているのも好適であり、この場合は、スイッチング素子がエンジンと共に効果的に冷却される。なお、通常、水冷又は空冷によってエンジンヘッドは１００〜１２０℃に維持されるので、本発明は、水冷式のエンジンへの適用に限定されるものではない。すなわち、例えばＩＧＢＴの最大定格ジャンクション温度は、通常、−４０℃〜１７５℃程度であるので、スイッチング素子の発熱を、本発明の放熱板を通して直接的に外部に放熱するだけでスイッチング素子の保護を図ることができる。

収納部と取付けフランジ部とは、一体成形により製造しても、別々に製造しても良いが、少なくとも、基端部への組付け時には、収納部と取付けフランジ部とが一体化されているのが一典型例である。この場合には、一次コイル及び二次コイルが突出軸部又は基端部に収納された後に、収納部及び取付けフランジ部が、基端部に一体的に組付けられる。

一方、取付けフランジ部が、収納部とは別体に構成される場合には、一次コイル及び二次コイルが突出軸部又は基端部に収納された後、自らの底面に放熱板が固着された状態の取付けフランジ部が、この段階のまま、基端部に組付けられるのも一典型例である。

更にまた、突出軸部と、基端部とを別体に構成するのも好適であり、この場合には、一次コイル及び二次コイルが突出軸部又は基端部に収納された後、スイッチング素子が放熱板上に配置された状態の基端部が、突出軸部に組付けられる。突出軸部への組付け方法としては、一方の部材を他方の部材に圧入する方法や、互いの部材にネジ山とネジ溝を設けておき、両者を螺合させて一体化させる方法が例示される。

また、放熱板は、基端部に設けられた挿入穴を通して、それ単体で挿入される実施態様も好適である。何れの実施形態においても、スイッチング素子が、多重点火方式で駆動されている場合には、通常の点火方式の場合より増加する発熱を、効果的に放熱できる分だけ、本発明の価値が高まる。

上記した本発明によれば、スイッチング素子などの電子素子の発熱を直接的に放熱することができ、電子素子の破損や劣化を有効に防止することができる。

以下、本発明の一実施形態を詳細に説明する。図１は、点火コイルの一例について、その要部を示す斜視図であり、点火プラグに向けて略円筒状に延びるケース本体部（突出軸部）１と、ケース本体部１に連続するケース基端部（基端部）２とで構成された合成樹脂製のコイルケースＣＡが図示されている。

図示のケース本体部１には、一次コイルと二次コイルとが同心状に収容され、ケース基端部２には、燃焼制御用の電子回路が収容される。そして、全ての隙間にエポキシ樹脂が充填されることで点火コイルが完成される。完成状態の点火コイルは、エンジンヘッドＥＧに取付けられるが、図２（ａ）は、この取付け状態を示す中央断面図である。また、図２（ｂ）は、燃焼制御用の電子回路（燃焼制御回路）が収容されたケース基端部２を示す平面図である。

図１に示す通り、ケース基端部２は、上方及び下方に開口した略円筒状の連結部２０と、不図示の燃焼制御回路を収容するイグナイタ収納部２１と、燃焼制御回路への接続端子ＣＮを収容したコネクタ部２２と、締付けボルトＢＴが挿通される取付けフランジ部２３とに大別される。この実施形態では、連結部２０とケース本体部１とが一体成形により製造される一方、イグナイタ収納部２１とコネクタ部２２と取付けフランジ部２３とは、別に、一体成形により製造される。

図示の通り、連結部２０は、半径方向の両側が切欠かれて、２つの受入れフランジ３，４が形成されている。受入れフランジ３は、Ｕ字状に形成された係合Ｕ字壁３Ａ〜３Ｃを有して構成され、受入れフランジ４は、対面して直立する２つの係合側壁４Ａ，４Ｂを有して構成されている。

イグナイタ収納部２１は、上方及び下方が開口する合成樹脂による円筒箱状に形成され、その底面が放熱板５によって閉塞されている。イグナイタ収納部２１の底面を構成する放熱板５には、一個又は複数個のネジ穴ＳＣが形成されている。放熱板５は、アルミニウムなどによる金属平板であり、一枚の金属平板が、イグナイタ収納部２１と取付けフランジ部２３の底面に、一体的に固着されている。

この実施形態では、イグナイタ収納部２１に連続する一直線上に、コネクタ部２２と取付けフランジ部２３とが連設されている。コネクタ部２２には、中空の楕円柱が突出形成されており、その内部に複数の接続端子ＣＮが固定されている。また、コネクタ部２３の基端側には、受入れフランジ３の係合Ｕ字壁３Ａ〜３Ｃに対応する受入れ溝ＧＶ１がＵ字状に形成されている。

同様に、取付けフランジ部２３にも、受入れフランジ４の係合側壁４Ａ，４Ｂに対応する２つの受入れ溝ＧＶ２が対面して形成されている。また、取付けフランジ部２３には金属管ＰＩが嵌合された取付け穴ＨＯが形成されている。

図１の矢印で示す通り、イグナイタ収納部２１とコネクタ部２２と取付けフランジ部２３が、連結部２０に向けて降下されて、係合Ｕ字壁３Ａ〜３Ｃ及び係合側壁４Ａ，４Ｂが、コネクタ部２２と取付けフランジ部２３の受入れ溝ＧＶ１，ＧＶ２に係合されてケース基端部２が一体化される。このとき、十分な係合強度を発揮できるよう、イグナイタ収納部２１と取付けフランジ部２３との境界部は、高さ方向に肉厚に形成されている。もっとも、イグナイタ収納部２１と取付けフランジ部２３とは、一枚の放熱板５によって互いの底面が一体化されているので、点火コイルをエンジンヘッドＥＧに装着した後、激しい振動や冷熱ストレスを繰り返し受けても、イグナイタ収納部２１と取付けフランジ部２３とが分離するなどのトラブルは生じない。

図２（ａ）に示す通り、放熱板５の上面には、伝熱性に優れた絶縁シート材６が接着されており、絶縁シート材６の上に、一次コイルの電流をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子たるＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)７や、ＩＧＢＴ７の動作を制御する燃焼制御回路の回路基板８が配置されている。そして、ＩＧＢＴ７や回路基板８は、放熱板５に設けられたネジ穴ＳＣを利用して、放熱板５に固定されることで、確実な伝熱路が形成されている。なお、ケース本体部１には、中心鉄心９の周りに巻着される二次コイル１０と、一次ボビン１１の周りに巻着される一次コイル１２とが同心状に配置されている。

図２（ａ）に示す通り、取付けフランジ部２３の取付け穴ＨＯに、ボルトＢＴが挿入されて、エンジンヘッドＥＧに固定されている。そのため、ＩＧＢＴ７などの発熱が、放熱板５を通して効果的に放熱され、特に、水冷式エンジンの場合に、その放熱効果が高い。また、多重点火方式によってＩＧＢＴ７を繰り返しＯＮ動作させた場合にも、ＩＢＧＴ７やその他の電子素子（ＩＣやトランジスタなど）が熱破壊したり誤動作することがない。

ＩＧＢＴのジャンクション温度は、通常、その最大定格が−４０℃から１７５℃程度であるところ、このようなＩＧＢＴを多重点火動作させて実験したところ、問題なく動作することを確認された。エンジンヘッドＥＧの温度が小型車約１００℃、大型車約１２０℃であるので、具体的には、１３５℃の環境温度において、図１の点火コイルを動作させたところ、放熱板５は約１４５℃となり＋１０℃程度の温度上昇に抑制された。ちなみに、通常の放熱構造では約１８３℃となり、＋４８℃程度の温度上昇が認められる。

以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、具体的な記載内容は、特に本発明を限定するものではない。

例えば、図１の点火コイルでは、イグナイタ収納部２１とコネクタ部２２と取付けフランジ部２３とが、一直線上に揃っているが、例えば、図２（ｃ）に示す通り、イグナイタ収納部２１とコネクタ部２２に対して、フランジ部２３を直交位置などの傾斜位置に設けても良い。このような実施形態では、コネクタ部２２とフランジ部２３に、各々１個の係合溝ＧＶ１，ＧＶ２を設けたので足りるので、連結部２０にも、切欠きを一箇所にだけ設け、２つの係合側壁を形成したので足りる。

また、イグナイタ収納部２１とコネクタ部２２と取付けフランジ部２３とを、必ずしも、一体品とする必要はなく、例えば、イグナイタ収納部２１とコネクタ部２２だけを一体成形により製造したのでも良い。このような実施形態では、イグナイタ収容部２１は、上下に開口した円筒箱体であり、取付けフランジ部２３としては、図１（ｂ）に例示する形状のものが使用される。すなわち、この場合の取付けフランジ部２３は、底面に固着された放熱板５が、イグナイタ収容部２１に向けて延びて構成される。また、放熱板５には、ネジ穴ＳＣが形成されている。

このような実施態様では、最初に、取付けフランジ部２３が連結部２０に装着され、その後で、イグナイタ収納部２１及びコネクタ部２２が、連結部２０に装着される。この装着状態では、イグナイタ収容部２１の底面は、放熱板５によって確実に閉塞される。そして、放熱板５の上に、ＩＢＧＴ７や回路基板８が配置され、ネジ穴ＳＣを利用して、全体が一体化されることで、確実な伝熱路が確保される。

また、イグナイタ収納部２１とコネクタ部２２だけを一体品とすることに代えて、取付けフランジ部２３とコネクタ部２２だけを一体成形し、これを、連結部２０に装着する構成としても良い。更にまた、連結部２０と取付けフランジ部２３とを一体品とする一方、連結部２０における取付けフランジ部２３の下方位置に、矩形貫通穴を設ける構成でも良い。この実施形態では、取付けフランジ部２３の下方位置に設けた矩形穴を通して、単体の放熱板５を挿入した後、放熱板５を、取付けフランジ部２３の底面とＩＧＢＴ７などに固定する。

また、上記の各実施態様では、コイル本体部１と連結部２０とを一体品としたが、例えば、コイル本体部１と、その他のコイル基端部２とを別体に構成しても良い。この場合には、コイル基端部２を、コイル本体部１の基端側の外周に圧入するか、或いは、コイル本体部１の基端側の外周に螺合させて、両者を一体化させれば良い。その他、電子素子の発熱を放熱板で直接外部に放熱する本発明の趣旨を逸脱することなく、各種の変更態様を採ることができる。

以上、ペンシルタイプの点火コイルについて具体的に説明したが、上記した記載内容は、図３に例示するような、コイル・オン・プラグタイプの点火コイルにもそのまま妥当する。

図示の点火コイルは、一次コイルと二次コイル収容するコイルケース（基端部）ＣＡと、コイルケースＣＡから点火プラグに向けて突出するプラグブーツ（突出軸部）ＢＯとを中心に構成されている。コイルケースＣＡは、全体として矩形箱状に形成され、その内部には、一次ボビン５０に巻着される一次コイル（不図示）と、二次ボビンに巻着される二次コイル（不図示）と、一次コイルの電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するＩＧＢＴ７と、ＩＧＢＴ７などの電子素子を搭載した回路基板８などが収容されている。

この実施形態では、中空の角柱状に形成された一次ボビン５０に、一次コイル巻線が巻かれ、一次コイルの外側に、中空の角柱状の二次ボビンに巻着された二次コイルが同心状に配置される。但し、図３は、モールド処理後の点火コイルを図示しているので、一次ボビン５０の露出端部と、中心鉄心５１の外側面だけが現れており、一次コイル、二次ボビン、及び二次コイルは現れない。なお、中心鉄心５１は、平面視コ字状に二分されており、二分された中心鉄心５１，５１が、紙面に直交する前後方向から、各々一次ボビン５０に挿入されて固着されている。

コイルケースＣＡの内部には、コネクタＣＮと一体化された一次ボビン５０が配置され、また、コイルケースＣＡの側部には、別途製造された取付けフランジ部２３が密に嵌合される。そして、その後、コイルケースＣＡの内部が樹脂モールドされることで、全ての部材が一体化されている。

図示の通り、取付けフランジ部２３の底面には、断面Ｌ字状の放熱板５が固着されており、放熱板５の直立面５Ａには、伝熱性に優れた絶縁材を介して、ＩＧＢＴ７が配置されている。ＩＢＢＴ７は、一次コイルの電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子であり、この実施形態では、回路基板８の裏面に搭載されている。なお、回路基板８は、伝熱性と絶縁性に優れた取付けネジ（不図示）を介して、放熱板５に固定されている。

このコイル・オン・プラグタイプの点火コイルの場合にも、ＩＢＢＴ７などの発熱が、放熱板５を通して効果的に放熱されるので、例えば、多重点火方式によってＩＧＢＴ７を繰り返しＯＮ動作させた場合にも、ＩＢＧＴ７やその他の電子素子（ＩＣやトランジスタなど）が熱破壊したり誤動作することがない。

点火コイルの要部（ａ）と、構成部材の変形例（ｂ）を示す斜視図である。図１の点火コイルの取付け状態を示す中央断面図（ａ）と、ケース基端部の平面図（ｂ）と、変形例を示す平面図（ｃ）である。点火コイルの別の構成例を示す図面である。

符号の説明

１突出軸部
２基端部
ＣＡコイルケース
７スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
２１イグナイタ収納部
２３取付けフランジ部
５放熱板５

Claims

点火プラグに向けて延びる突出軸部と、前記突出軸部に連続する基端部とを有し、前記突出軸部又は基端部の内部に、一次コイルと二次コイルとが収容されて構成された点火コイルであって、
前記基端部は、点火コイルの一次コイルに接続されるスイッチング素子が収容される収納部と、前記基端部をエンジン部に固定するための取付けフランジ部とを有して構成され、
前記スイッチング素子は、前記収納部の内部であって、前記取付けフランジ部の底面に連続する放熱板の上に配置されることを特徴とする点火コイル。
前記収納部には、前記スイッチング素子に接続される燃焼制御回路の回路基板が配置され、前記回路基板も含め、前記放熱板の上に配置される請求項１に記載の点火コイル。
前記放熱板は導電性の金属板で構成され、前記金属板の上面には、熱伝導性に優れた絶縁部材を介して前記スイッチング素子、及び／又は、前記回路基板が配置される請求項１又は２に記載の点火コイル。
前記エンジン部は、冷却水によって水冷されている請求項１〜３の何れかに記載の点火コイル。
前記一次コイル及び二次コイルが前記突出軸部又は前記基端部に収納された後、前記収納部及び取付けフランジ部が、前記基端部に一体的に組付けられる請求項１〜４の何れかに記載の点火コイル。
前記取付けフランジ部は、前記収納部とは別体に構成され、
前記一次コイル及び二次コイルが前記突出軸部又は前記基端部に収納された後、自らの底面に前記放熱板が固着された前記取付けフランジ部が、前記基端部に組付けられる請求項１〜４の何れかに記載の点火コイル。
前記突出軸部と、前記基端部とは別体に構成され、
前記一次コイル及び二次コイルが前記突出軸部又は前記基端部に収納された後、前記スイッチング素子が前記放熱板上に配置された前記基端部が、前記突出軸部に組付けられる請求項１〜４の何れかに記載の点火コイル。
前記放熱板は、前記基端部に設けられた挿入穴を通して、それ単体で挿入される請求項１〜４の何れかに記載の点火コイル。
前記スイッチング素子は、多重点火方式で駆動されている請求項１〜８の何れかに記載の点火コイル。