JP2012186420A - 内燃機関用点火コイルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂成形体中の充填材の含有量を多くしても、充填材の沈降を抑制しながら一次コイルおよび二次コイルを封止できる内燃機関用点火コイルの製造方法を提供する。
【解決手段】樹脂成形体の前駆体として、エポキシ樹脂と硬化剤の樹脂成分に充填材が分散した固形物を粉砕し、その粉砕物を所定形状に固めた塊状の前駆体を用意する工程と、 加熱により前駆体に流動性を持たせながら、前駆体を一次巻線の線間および二次巻線の線間に含浸させる含浸工程とを行うことで、一次コイルおよび二次コイルを封止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関において点火プラグに印加する電圧を発生させる内燃機関用点火コイルの製造方法に関するものである。

内燃機関用点火コイル（以下、単に「点火コイル」と称す。）は、内燃機関に取り付けられた点火プラグに高電圧を印加して、混合気に着火させるためのものであって、一次コイル、二次コイル等を熱硬化性樹脂等からなる樹脂成形体により封止してなるものである。

従来では、液状の樹脂成形体の前駆体を用意し、この液状の前駆体を一次巻線の線間および二次巻線の線間に含浸させた後、前駆体を加熱硬化させることにより、樹脂成形体で一次コイル、二次コイルを封止している（例えば、特許文献１、２参照）。

また、樹脂成形体は、熱硬化性樹脂中にシリカ等の充填材を含有しており、近年では、高耐電圧寿命の確保のために、充填材の含有量が増加している。特許文献２では、樹脂成形体に対する充填材の含有量を６５重量％以上としている。

特開２００５−２３１０号公報 特開２００９−２７８０７４号公報

しかし、実際に、樹脂成形体中の充填材の含有量を６５重量％以上と多くすると、下記の通り、液状の前駆体を一次巻線の線間および二次巻線の線間に含浸させる工程の前段階において、液状の前駆体中で充填材の沈降が生じるという問題が生じる。

すなわち、樹脂成形体で一次コイル、二次コイルを封止するためには、所定の容器内で熱硬化性樹脂に充填材が分散した液状の前駆体を製造した後、その製造した液状の前駆体を、配管を介して、封止用装置に移送させて、封止用装置のノズルから液状の前駆体を一次コイル、二次コイルに注入する。

このとき、液状の前駆体を製造した容器内で充填材が沈降するため、容器内で充填材を分散させるための撹拌翼等の設備および管理が必要となる。また、配管移送時においても配管内で充填材が沈降するため、充填材を沈降させないための配管内での流速等の条件管理等が必要となる。

本発明は上記点に鑑みて、樹脂成形体中の充填材の含有量を多くしても、充填材の沈降を抑制しながら一次コイルおよび二次コイルを封止できる内燃機関用点火コイルの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、樹脂成形体の前駆体として、エポキシ樹脂と硬化剤の樹脂成分に充填材が分散した固形物を粉砕し、その粉砕物を所定形状に固めた塊状の前駆体を用意する工程と、
加熱により前駆体に流動性を持たせながら、前駆体を一次巻線の線間および二次巻線の線間に含浸させる含浸工程と、
前駆体を硬化させて樹脂成形体を形成する工程とを有することを特徴としている。

これによると、前駆体を一次、二次巻線の線間に含浸させる工程の前段階においては、前駆体を固形物とし、前駆体を一次、二次巻線の線間に含浸させる工程において、加熱により前駆体に流動性を持たせるので、液状の前駆体を製造し、これを用いて一次コイルおよび二次コイルを封止する場合よりも、前駆体中での充填材の沈降を抑制できる。

よって、本発明によれば、樹脂成形体中の充填材の含有量を多くしても、充填材の沈降を抑制しながら一次コイルおよび二次コイルを封止できる。

請求項１に記載の発明においては、請求項２に記載のように、含浸工程の前に、二次巻線（１５１）の表面に対して、官能基を付与して濡れ性を向上させる前処理工程を行うことが好ましい。これにより、後述の実施例に記載の通り、二次巻線の線間に樹脂が浸透し易くなるからである。

また、請求項２に記載の発明においては、請求項３に記載のように、つば部（１４１）を有するボビン形状の二次スプール（１４）に二次巻線（１５１）を巻回するときに、つば部（１４１）の高さ（ａ１）と、つば部（１４１）と二次巻線（１５１）の間隔（ｂ１）との比（ａ１／ｂ１）を０以上１．６以下とし、
前処理工程では、二次巻線（１５１）の表面に対してプラズマ処理を行うことが好ましい。

これにより、後述の実施例の通り、二次巻線の内側における樹脂の未含浸部分の発生を防止できる。

請求項１ないし３のいずれか１つに記載の発明においては、例えば、請求項４に記載の通り、エポキシ樹脂としてオルトクレゾールノボラック系エポキシ樹脂を用い、硬化剤としてノボラック系硬化剤を用いることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

第１実施形態に係る点火コイル１の断面構成を示す図である。 第１実施形態に係る製造方法において、封止前の点火コイルを内部に配置した金型の断面図である。 図２中の二次スプール１４および二次コイル１５の拡大図である。 実施例に係るプラズマ処理を示す図である。 実施例に係るプラズマ処理を示す図である。

まず、本実施形態に係る点火コイル１の基本的構成について説明する。図１は、点火コイル１の縦断面の模式図である。

点火コイル１は、エンジンヘッドに形成された図示しないプラグホールに挿入され、図示しない点火プラグに接続される。図１に示すように、点火コイル１は、中心コア１１、一次スプール１２、一次コイル１３、二次スプール１４、二次コイル１５、外周コア１６を備えている。

中心コア１１は、磁性材を積層してなり、全体として円柱状を呈している。中心コア１１は、その軸方向がプラグホールの軸方向に対して略垂直となるように、設けられている。

一次スプール１２は、ＰＰ、ＰＥ等の硬質樹脂からなり、中心コア１１の外周側に中心コア１１と略同心状に設けられている。

一次コイル１３は、ボビン形状の一次スプール１２に断面円形の一次巻線１３１を巻回してなる。なお、一次コイル１３については、直径が０．３〜０．８ｍｍの銅線を１００〜２３０ターン巻回することによって形成している。

二次スプール１４は、ＰＰ、ＰＥ等の硬質樹脂からなり、一次コイル１３の外周側に中心コア１１と略同心状に設けられている。二次スプール１４は、軸方向の両端につば部１４１、１４２を有している。

二次コイル１５は、一次コイルの外側に位置し、ボビン形状の二次スプール１４に断面円形の二次巻線１５１を巻回してなる。なお、二次コイル１５については、直径が３０μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは４０〜５０μｍの銅線を１００００〜２００００ターン、斜向巻き等の巻回方法を用いて巻回することにより形成される。

外周コア１６は、中心コア１１、一次スプール１２、一次コイル１３、二次スプール１４および二次コイル１５の外周に設けられている。外周コア１６は、磁性材を積層してなり、全体としてプラグホールに向かって開口する箱状を呈している。外周コア１６のうち、一対の対向する側面は、中心コア１１の両端面と対向しており、これにより、中心コア１１と外周コア１６とで、磁気エネルギーの損失を抑制する閉磁路を形成している。

また、点火コイル１は、一次コイル１３に電気的に接続されたイグナイタ１７と、イグナイタ１７と外部電源とを電気的に接続するためのコネクタ部１８とを備えている。

このような構成の点火コイル１は、樹脂成形体２０によって封止されている。樹脂成形体２０は、一次コイル１３と二次コイル１５との間に介在しており、両者を電気的に絶縁している。また、樹脂成形体２０は、一次巻線１３１の線間および二次巻線１５１の線間にも存在しており、巻線間を電気的に絶縁している。樹脂成形体２０は、熱硬化性樹脂からなる樹脂成分に充填材が分散したものであり、樹脂成形体の前駆体を加熱硬化させることで形成されるものである。なお、本明細書では加熱硬化前の樹脂組成物を前駆体と呼び、前駆体を加熱硬化したものを樹脂成形体と呼ぶ。

樹脂成形体２０はプラグホール側に突出する突出部２０１を有している。この突出部２０１がプラグホールに挿入される。この突出部２０１の内部には、二次コイル１５を構成する二次巻線１５１と、点火プラグとを電気的に接続するための金属端子２１が設けられている。

上記構成において、図示しないエンジンコントロールユニットからの信号により、スイッチング素子を内蔵するイグナイタ１７が、一次コイル１３に流れる電流を遮断すると、一次および二次コイル１３、１５間の相互誘導作用により、４０数ｋＶの高電圧が二次コイル１５に発生する。こうして二次コイル１５に発生した高電圧は、点火プラグに導かれ、点火プラグの先端で火花放電を発生させる。

次に、点火コイル１の製造方法について説明する。本実施形態では、主に、ペレット状の前駆体を用意する工程、二次巻線の濡れ性向上を狙った前処理工程、樹脂成形体による封止工程を経て、点火コイル１を製造する。

ペレット状の前駆体を用意する工程では、熱硬化樹脂（主剤）、硬化剤、充填材を混合する。このとき、粉末状の主剤および硬化剤と、所望形状の充填材とをドライ混合する。なお、これらの材料以外にカップリング材等の添加剤を入れても良い。

主剤としては、オルトクレゾールノボラック系、ビスフェノール系等のエポキシ樹脂を用い、硬化剤としてはフェノール系を用いる。本実施形態では、前駆体を固形状とするために、分子量の大きなフェノール系硬化剤を用いている。

また、充填材としては、シリカ、タルク、炭酸カルシウム、ケイ酸カルシウム、エアロジル等を用いることができる。充填材の添加量は、前駆体全体を１００重量％として、６５重量％以上８０重量％以下とすることが好ましい。これは、特許文献２に開示の通り、６５重量％以上とすることで、良好な高耐電圧寿命が得られるからであり、８０重量％を超えると、エポキシ樹脂が少なくなることで、樹脂成形体の接着性が損なわれるからである。

続いて、混合した主剤、硬化剤および充填材を加熱しながら混練する。このとき、加熱温度を例えば８０℃程度として、主剤、硬化剤および充填材が均一の溶融物とする。

続いて、溶融物を冷却して固形物とし、その固形物を粉砕する。例えば、２０℃程度の冷たい鉄板上で冷却して、板状の固形物とし、その後、粉砕して粉砕物を得る。この得られた粉砕物に対して除鉄を実施する。

続いて、粉砕物をさらにドライ混合した後、任意の形状に打錠する。このとき、例えば、数１０t加圧する。このようにして、エポキシ樹脂と硬化剤の樹脂成分に充填材が分散した固形物を粉砕し、その粉砕物を所定形状に固めた塊状（ペレット状）の前駆体を用意する。このとき、例えば、１回の封止に用いる量の前駆体を１つのペレットとする。

二次巻線の濡れ性向上を狙った前処理工程では、樹脂成形体で封止される前の状態の点火コイルを用意し、二次巻線の表面に対して、プラズマ処理を施す。これにより、二次巻線の表面に樹脂成分と相性が良い官能基を付与することで、二次巻線間に前駆体が浸透しやすくする。例えば、大気圧下でのプラズマ処理により、二次巻線の表面に活性化された酸素原子を官能基として付与する。なお、巻線の表面改質としては、プラズマ処理以外にも、紫外線を照射するＵＶ処理や、コロナ放電によるコロナ処理を施しても良い。

樹脂成形体による封止工程では、前駆体を一次巻線の線間および二次巻線の線間に含浸させる工程を行う。具体的には、ペレット状の前駆体を用いた金型によるトランスファーモールド法にて含浸を行う。図２に、封止前の点火コイルを内部に配置した金型の断面図を示す。なお、図２では、一次スプール１２、一次コイル１３等を省略して点火コイル１を示している。

まず、図２に示すように、上型３０１と下型３０２の内部に封止前の点火コイル１をセットする。続いて、金型３０１、３０２を加熱し、予備加熱したペレット状の前駆体を金型の注入口３０３に投入する。金型の加熱によって、前駆体も加熱されて前駆体に流動性が生じるので、流動性を持たせた前駆体をプランジャー（ピストン）で加圧して、一次、二次コイルに移送させることにより、一次巻線の線間および二次巻線の線間に含浸させる。このときの成形圧は、例えば、６〜１０ＭＰａとする。

その後、所定の温度条件にて、前駆体を熱硬化させて樹脂成形体を形成する工程を行うことで、図１に示すように、樹脂成形体２０によって封止された点火コイル１が製造される。

以上の説明の通り、本実施形態の製造方法は、前駆体を一次、二次巻線の線間に含浸させる工程において、ペレット状の前駆体を用いたトランスファーモールド法にて含浸を行うものである。

したがって、本実施形態によると、前駆体を一次、二次巻線の線間に含浸させる工程の前段階においては、前駆体をペレット状の固形物とし、前駆体を一次、二次巻線の線間に含浸させる直前に、加熱により前駆体に流動性を持たせるので、液状の前駆体を製造し、これを用いて一次コイルおよび二次コイルを封止する場合よりも、前駆体中での充填材の沈降を抑制できる。

ここで、本発明者が実際に点火コイル１を製造したところ、ペレット状の前駆体を用いたトランスファーモールド法にて含浸を行う場合、含浸時における前駆体の流動性が低く、二次巻線１５１が線径３０〜１００μｍと細いので、二次巻線のうち図３中の破線で囲む領域Ｒ１において、前駆体（樹脂成形体）の未含浸部が生じやすいことがわかった。図３中の破線で囲む領域Ｒ１は、二次スプール１４の軸方向一端側のつば部１４１に近い二次巻線１５１の内側の領域である。なお、二次スプール１４の軸方向一端側とは、二次スプール１４の低圧側であり、二次巻線１５１の段数が多い側である。

そこで、本実施形態のように、前駆体を一次巻線の線間および二次巻線の線間に含浸させる工程の前に、二次巻線の濡れ性向上を狙った前処理工程を行うことで、二次巻線間に前駆体が浸透しやすくできる。

さらに、後述の実施例に示すように、二次スプール１４のつば部１４１の高さａ１とつば部１４１と二次巻線１５１との間隔ｂ１との比（ａ１／ｂ１）を０以上１．６以下とすることで、未含浸部分を無くすことができる。

よって、本実施形態によれば、樹脂成形体中の充填材の含有量を多くしても、充填材の沈降を抑制しながら一次コイル１３および二次コイル１５を封止でき、さらに、二次巻線１５１の線間に樹脂成形体２０を良好に含浸させることができる。

以下に、本発明の実施例および比較例を示す。

実施例１〜３および比較例１、２では、二次スプール１４のつば部１４１の高さａ１およびつば部１４１と二次巻線１５１との間隔ｂ１を、下記の表１に示す寸法として、上述の実施形態の製法により、点火コイル１を製造した。その後、樹脂成形体２０で封止した点火コイル１の分断面をＳＥＭ観察（２００〜５００倍）することにより、樹脂成形体２０の未含浸部の有無を調査した。なお、各種条件は次の通りである。
［前駆体の組成］
主剤：オルトクレゾールノボラック
硬化剤：フェノール
充填材：破砕シリカ（粒径２０〜２００μｍ）
充填材の添加量：７０重量％
［二次巻線］
二次巻線の直径：５０μｍ
［前処理工程］
松下電工社製の「Aiplasma」を用いて、下記の条件にて、図４に示すように、大気圧下で生成したプラズマによって活性化された酸素を照射部４０１から二次巻線１５１へ照射した。このとき、図５に示すように、二次巻線１５１の表面全域を４分割した領域に対して、それぞれプラズマ処理を実施することにより、１ボビンに対して合計４回実施した。図５は、二次コイル１５を軸方向から見た図である。
励起電圧：１４０Ｗ
照射部４０１から二次巻線１５１までの照射距離Ｌ１：５ｍｍ
照射速度Ｓ１：３０ｍｍ／ｓ
酸素流量：０．０２７Ｌ／ｍｉｎ
アルゴン流量：２．１４Ｌ／ｍｉｎ
［トランスファーモールド工程］
成形圧：６〜７ＭＰａ
型閉め時間：５分
型温度：１５０℃
一方、比較例３〜１２は、二次スプール１４のつば部１４１の高さａ１およびつば部１４１と二次巻線１５１との間隔ｂ１を、下記の表２に示す寸法とし、上述の実施形態の製法に対して、前処理工程を行わずに、点火コイル１を製造した。他の条件については、実施例１〜３と同じである。その後、樹脂成形体２０で封止した点火コイル１の分断面をＳＥＭ観察（２００〜５００倍）することにより、樹脂成形体２０の未含浸部の有無を調査した。

表１に示すように、前処理を施した場合であって、つば部１４１の高さａ１とつば部１４１と二次巻線１５１との間隔ｂ１との比（ａ１／ｂ１）が１．６以下である実施例１〜３では、二次巻線１５１の線間に樹脂が良好に含浸していた。これに対して、つば部１４１の高さａ１とつば部１４１と二次巻線１５１との間隔ｂ１との比（ａ１／ｂ１）が１．６を超えていた比較例１、２では、二次巻線１５１の線間に樹脂の未含浸部があった。

一方、表２に示すように、前処理を施さなかった比較例３〜１２では、つば部１４１の高さａ１とつば部１４１と二次巻線１５１との間隔ｂ１との比（ａ１／ｂ１）に関わらず、二次巻線１５１の線間に樹脂の未含浸部があった。

１ 点火コイル
１３ 一次コイル
１３１ 一次巻線
１５ 二次コイル
１５１ 二次巻線
２０ 樹脂成形体

Claims (4)

1. 一次巻線（１３１）を複数回巻回してなる一次コイル（１３）と、
   線径が３０〜１００μｍの二次巻線（１５１）を複数回巻回してなる二次コイル（１５）と、
   前記一次巻線（１３１）の線間および前記二次巻線（１５１）の線間に含浸するとともに、前記一次コイル（１３）および前記二次コイル（１５）を封止する樹脂成形体（２０）とを備え、
   前記樹脂成形体（２０）は、前記樹脂成形体を１００重量％として、充填材を６５重量％以上８０重量％以下含有する内燃機関用点火コイルの製造方法において、
   前記樹脂成形体の前駆体として、エポキシ樹脂と硬化剤の樹脂成分に充填材が分散した固形物を粉砕し、その粉砕物を所定形状に固めた塊状の前記前駆体を用意する工程と、
   加熱により前記前駆体に流動性を持たせながら、前記前駆体を前記一次巻線の線間および前記二次巻線の線間に含浸させる含浸工程と、
   前記前駆体を硬化させて前記樹脂成形体を形成する工程とを有することを特徴とする内燃機関用点火コイルの製造方法。
2. 前記含浸工程の前に、前記二次巻線（１５１）の表面に対して、官能基を付与して濡れ性を向上させる前処理工程を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火コイルの製造方法。
3. つば部（１４１）を有するボビン形状の二次スプール（１４）に前記二次巻線（１５１）を巻回するときに、前記つば部（１４１）の高さ（ａ１）と、前記つば部（１４１）と前記二次巻線（１５１）の間隔（ｂ１）との比（ａ１／ｂ１）を０以上１．６以下とし、
   前記前処理工程では、前記二次巻線（１５１）の表面に対してプラズマ処理を行うことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用点火コイルの製造方法。
4. 前記エポキシ樹脂としてオルトクレゾールノボラック系エポキシ樹脂を用い、前記硬化剤としてノボラック系硬化剤を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の内燃機関用点火コイルの製造方法。

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