JP2018514905A - 中心電極と各種絶縁材料との間への半導電性スリーブの導入による高電圧接合部でのコロナ放電の抑制 - Google Patents

Abstract

点火コイルアセンブリと着火端アセンブリとの間に配置され複数の異なる絶縁体を含むコロナ点火アセンブリが提供される。高電圧中心電極が長手方向において点火器中心電極と点火コイルアセンブリとの間に延在する。フッ素重合体で形成された高電圧絶縁体が高電圧中心電極を囲み、アルミナで形成された着火端絶縁体が点火器中心電極を囲む。シリコーンゴム等の半導電性コンプライアント材料と導電性フィラーとで形成されたスリーブが、径方向において電極と隣接する絶縁体との間に配置される。スリーブはエアギャップを満たしコロナ点火器アセンブリ内のピーク電界を最小にする。スリーブはまた、望ましくないコロナ放電を防止することによって材料の寿命を延ばし、エネルギを着火端に導く。

Description

関連出願の相互参照
本米国特許出願は、２０１５年３月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／１３８，６４２号および２０１６年３月２３日に出願された米国実用特許出願第１５／０７７，６１５号の利益を主張し、これらの出願全体を本明細書に引用により援用する。

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、概してコロナ点火アセンブリおよびこのコロナ点火アセンブリの製造方法に関する。

２．関連技術
コロナ放電点火システムにおいて使用されるコロナ点火器アセンブリは一般的に、単一部品として着火端アセンブリに装着された点火コイルアセンブリを含む。着火端アセンブリは中心電極を含み、中心電極を高無線周波数電位に帯電させると、燃焼室に強い無線周波数電界が生じる。この電界により、燃焼室内の燃料と空気との混合物の一部が電離し絶縁破壊し始めることで、混合気の燃焼が促進される。好ましくは、電界は、混合気が誘電特性を保ちかつ非熱プラズマとも呼ばれるコロナ放電が発生するように、制御される。混合気の電離部分が火炎前面を形成し、火炎前面は自己持続状態になり混合気の残りの部分を燃焼させる。また、好ましくは、電界は、混合気がすべての誘電特性を失わないように、制御される。誘電特性が失われると、熱プラズマおよび電気アークが、電極と、接地されているシリンダ壁、ピストン、または点火器の他の部分との間に生じる。

理想的には、電界はさらに、コロナ放電が着火端のみで形成されコロナ点火器アセンブリの他の部分に沿って形成されないように、制御される。しかしながら、このような制御は実現し難いことが多い。その理由は、コロナ点火器アセンブリの構成部品間にエアギャップがありこのエアギャップで望ましくないコロナ放電が形成される傾向があることにある。たとえば、各種材料で形成された複数の絶縁体を使用すると、効率、堅牢性、および総合的な性能は改善されるが、金属シールド、および、絶縁材料間で電気的特性が異なることが原因で、界面における電界およびエアギャップが不均一になる。−４０℃〜１５０℃という温度範囲で動作しているとき、絶縁材料間で熱膨張係数およびクリープが異なることも、界面のエアギャップの原因になり得る。コロナ点火器の使用中、電界はこれらのエアギャップに集中する傾向がある。コロナ点火器アセンブリに印加された高電圧および周波数は、捕えられた空気を電離させ、結果として望ましくないコロナ放電を生じさせる。このようなコロナ放電により、材料が劣化する可能性があり、また、コロナ点火器アセンブリの性能が妨げられる可能性がある。

加えて、このアセンブリ全体にわたり、径方向において異なる材料が配置されていると、これらの材料間で不均一な電界強度分布が生じる可能性がある。電界は、コイルから着火端まで移動する間に、電極と外部シールドとの間で径方向に移動する方向にキャパシタンスをロードおよびアンロードする。異なる電極と絶縁材料との間の界面、および、これらの材料間のキャビティまたは空気間隙に集中する電界は一般的に、高電界である。この電圧はコロナ放電開始電圧よりも高いことが多く、上記界面、キャビティ、または空気間隙に沿う望ましくないコロナ放電に寄与し得る。

発明の概要
本発明の一局面は、コロナ点火器アセンブリを提供する。このコロナ点火器アセンブリは、点火コイルアセンブリと、ピーク電界をコロナ放電開始電圧未満に維持することができる着火端アセンブリとを備える。着火端アセンブリは、セラミック絶縁体で囲まれた点火器中心電極を含む。高電圧中心電極が点火器中心電極に接続されている。セラミック絶縁体と異なる材料で形成された高電圧絶縁体が高電圧中心電極を囲んでいる。半導電性スリーブが、径方向において、高電圧中心電極と絶縁体との間に配置され、軸方向において、隣接する絶縁体間の界面に沿って延在する。任意で、誘電コンプライアント絶縁体が、高電圧絶縁体と着火端アセンブリのセラミック絶縁体との間に配置される。この任意の誘電コンプライアント絶縁体がある場合は、半導電性スリーブも、径方向において、高電圧中心電極と誘電コンプライアント絶縁体との間に配置され、軸方向において、誘電コンプライアント絶縁体と隣接する絶縁体との間の界面に沿って延在する。

本発明の別の局面は、コロナ点火器アセンブリを、上記半導電性スリーブを径方向において高電圧中心電極と異なる絶縁体との間に配置することにより、製造する方法を提供する。

半導電性スリーブは、応力を緩和し、コロナ点火器アセンブリ全体にわたって径方向に配置された異なる材料間の電界を安定させる。上記異なる材料間では、エアギャップが多く形状変化が大きいので、一般的には電界が増加する。より具体的には、半導電性スリーブは、高電圧中心電極またはセラミック絶縁体に沿って位置するエアギャップ内の電荷集中を制限することにより、コロナ点火器アセンブリ内のピーク電界を最小にする。半導電性スリーブにおける電圧降下が著しいので、半導電性スリーブと隣接材料との間の界面における電圧ピークは、半導電性スリーブがない場合の高電圧中心電極とセラミック絶縁体との間の電圧ピークよりも低い。研究は、半導電性スリーブが、高周波（high frequency）および高電圧（high voltage）（ＨＶ−ＨＦ）を与えられたときに、パワーロスが制限された実際の導体のように動作することを示している。

また、半導電性スリーブは、電荷を取除き、望ましくないコロナ放電を生じさせる可能性がある静電荷をキャビティから除去する。さらに、半導電性スリーブは一般的に、コンプライアント材料で形成されるので、高電圧中心電極とセラミック絶縁体との間の界面に沿うエアギャップの量または体積を最小にする。要約すると、望ましくないコロナ放電を防止することにより、材料の寿命を延ばすことが可能でありかつ着火端で形成されるコロナ放電にエネルギを向けることが可能であるため、結果的にはコロナ点火器アセンブリの性能が改善される。

本発明は、以下の詳細な説明が添付の図面と関連付けて考慮され参照されることによってより深く理解され、それに伴い本発明のその他の利点は容易に認識されるであろう。

本発明のある例示的な実施形態に従う、高電圧絶縁体と、誘電コンプライアント絶縁体と、セラミック絶縁体と、高電圧中心電極と、点火コイルアセンブリと、点火器中心電極と、半導電性スリーブとを備えこれらが組立てられた位置にある、コロナ点火器アセンブリの斜視図である。 点火コイルアセンブリが取外された状態の図１のコロナ点火器アセンブリの断面図である。 点火コイルアセンブリが高電圧絶縁体に収容されている、図１のコロナ点火器アセンブリの断面図である。 図３のコロナ点火器アセンブリの一部の拡大図であり、高電圧中心電極、誘電コンプライアント絶縁体、および半導電性スリーブの直径を示す。 上記例示的な実施形態に従うコロナ点火器アセンブリの絶縁体の拡大図である。 誘電コンプライアント絶縁体および半導電性スリーブがセラミック絶縁体に装着される前の、高電圧絶縁体および誘電コンプライアント絶縁体を囲む金属チューブを示す。 コロナ点火器アセンブリの一部の写真であり、半導電性スリーブと、半導電性スリーブに沿ってかつ絶縁体の界面に沿って配置された接着剤の層（黒色）とを示す。 図７の部分Ａの拡大図であり、半導電性スリーブと、絶縁体の界面に沿う割れ目に充填された接着剤とを示す。 セラミック絶縁体に装着される前の、半導電性スリーブ、高電圧絶縁体、および誘電コンプライアント絶縁体の斜視図である。 図２〜図４に示される絶縁体の正面図である。 図２〜図４の例示的な実施形態のセラミック絶縁体の断面図である。 別の実施形態に従うセラミック絶縁体の断面図である。 他の実施形態に従うセラミック絶縁体の断面図である。 点火コイルアセンブリが取外された状態の、第２の例示的な実施形態に従うコロナ点火器アセンブリの断面図である。 図１４のコロナ点火器アセンブリの一部の拡大図であり、接着剤が塗布された絶縁体界面を示す。 誘電コンプライアント絶縁体を含まない第３の例示的な実施形態に従うコロナ点火器アセンブリの断面図である。 図１６のコロナ点火器アセンブリの別の断面図である。 図１７のコロナ点火器アセンブリの一部の拡大図であり、高電圧絶縁体とセラミック絶縁体との間の界面に塗布された接着剤を示す。 図１８の界面に沿う接着剤の拡大図である。 高電圧絶縁体とセラミック絶縁体との間の界面に沿うより厚い接着剤層を含む、第４の例示的な実施形態に従うコロナ点火器アセンブリの一部を示す。 点火コイルアセンブリと高電圧絶縁体との間に挟まれた誘電コンプライアント絶縁体を含む、もう１つの、第５の例示的な実施形態に従うコロナ点火器アセンブリの一部の断面図である。 図２１のコロナ点火器アセンブリの拡大断面図である。 図２１のコロナ点火器アセンブリの別の拡大断面図である。 金属チューブの排出孔を含む、例示的な実施形態に従うコロナ点火器アセンブリの一部の斜視図である。 排気孔のうちの１つを示す、図２４のコロナ点火器アセンブリの正面図である。 排気孔のうちの１つを示す、図２４の金属チューブの断面図である。 半導電性スリーブを備える図１のコロナ点火器アセンブリの電界分布についてのＦＥＡ研究を示す。 半導電性スリーブを備えていないこと以外図１と同じコロナ点火器アセンブリの電界分布についての比較のためのＦＥＡ研究を示す。 代表的な半導電性スリーブの電界と直径が同一の導電真鍮材料の電界とを比較するために実施されたテストの結果を示すグラフである。

代表的な実施形態の説明
高無線周波数電圧を受け、無線周波数電界を燃料と気体との混合物を含む燃焼室に分布させてコロナ放電を生じさせるための、コロナ点火器アセンブリ２０の概要が、図１に示されている。コロナ点火器アセンブリ２０は、点火コイルアセンブリ２２と、着火端アセンブリ２４と、点火コイルアセンブリ２２を着火端アセンブリ２４に接続する、囲んでいる金属チューブ２６とを含む。コロナ点火器アセンブリ２０はまた、高電圧絶縁体２８と、任意の誘電コンプライアント絶縁体３０とを含み、これらは各々、金属チューブ２６の内側において、点火コイルアセンブリ２２と着火端アセンブリ２４のセラミック絶縁体３２との間に配置されている。高電圧中心電極６２が、点火コイルアセンブリ２２を着火端アセンブリ２４に接続する。半導電性スリーブ７６が、これらの異なる絶縁体２８、３０、３２間の界面に沿って連続的に延在している。半導電性スリーブ７６は、ピーク電界を弱め、高電圧中心電極６２および隣接する絶縁体２８、３０、３２に沿うエアギャップを満たすことにより、望ましくないコロナ放電を防止する。

点火コイルアセンブリ２２は、電源（図示せず）からエネルギを受けて高無線周波数および高電圧の電界を生成する複数の巻線（図示せず）を含む。点火コイルアセンブリ２２は、中心軸Ａに沿って延在し、エネルギを着火端アセンブリ２４に向けて送るためのコイル出力部材３６を含む。この例示的な実施形態において、コイル出力部材３６はプラスチック材料で形成されている。図３に示されるように、コイル出力部材３６の出力側の壁３８は、出力端壁４０まで、中心軸Ａに向かって先細りになっている。出力側の壁３８は円錐形であり、出力端壁４０は中心軸Ａに対して垂直に延びている。加えて、一般的にはコイルコネクタ８６がコイル出力部材３６から外に向かって延在し高電圧中心電極６２に接触している。

着火端アセンブリ２４は、図１〜図３に示されるように、点火コイルアセンブリ２２からエネルギを受けて無線周波数電界を燃焼室内に分布させることにより燃料と空気との混合物に点火するためのコロナ点火器４２を含む。コロナ点火器４２は、点火器中心電極４４と、金属シェル４６と、セラミック絶縁体３２とを含む。セラミック絶縁体３２は、点火器中心電極４４を収容しかつ点火器中心電極４４を金属シェル４６から隔離するための絶縁体ボアを含む。

着火端アセンブリ２４の点火器中心電極４４は、長手方向において中心軸Ａに沿って端子端４８から着火端５０まで延在する。この例示的な実施形態において、点火器中心電極４４の厚みの範囲は、０．８ｍｍ〜３．０ｍｍである。好ましい実施形態において、電気端子５２が端子端４８に配置され、クラウン５４が点火器中心電極４４の着火端５０に配置されている。クラウン５４は、無線周波数電界を分布させ安定したコロナ放電を形成するための、中心軸Ａから径方向外向きに延在する複数の分岐を含む。

着火端絶縁体３２とも呼んでいるセラミック絶縁体３２は、点火器中心電極４４を収容するボアを含み、燃焼室内の動作条件に耐えることが可能な種々の異なるセラミック材料で形成することができる。ある例示的な実施形態において、セラミック絶縁体３２はアルミナで形成される。また、セラミック絶縁体３２の形成に使用される材料は、コロナ点火器アセンブリ２０に必要なパワーを駆動する高キャパシタンスを有し、したがって、出来る限り小さくしておく必要がある。セラミック絶縁体３２は、中心軸Ａに沿って、セラミック端壁５６から、点火器中心電極４４の着火端５０に隣接するセラミック着火端５８まで延在する。一般的に、図２〜図４に示されるように、セラミック端壁５６は平坦であり中心軸Ａに対して垂直に延びている。別の実施形態において、セラミック絶縁体３２は、図１３〜図１５に示されるように、円錐形でセラミック端壁５６まで延在するセラミック側壁６０を含む。この実施形態において、点火器中心電極４４は幅が広いがそれでも０．８〜３．０ｍｍの範囲内である。金属シェル４６はセラミック絶縁体３２を囲っており、クラウン５４は一般的にはセラミック着火端５８の外側に配置される。

高電圧中心電極６２は、図２および図３に示されるように、セラミック絶縁体３２のボアに収容され、コイル出力部材３６まで延在する。高電圧中心電極６２は、真鍮等の導電性材料で形成される。図４に示されるように、高電圧中心電極６２は、中心軸Ａに対して垂直に延びる電極外径Ｄ_１を有し、この外径は、中心軸Ａに沿って一定であっても変化していてもよい。この例示的な実施形態において、電極外径Ｄ_１は一定である。好ましくは、真鍮パック６４が、セラミック絶縁体３２のボアに配置されて高電圧中心電極６２と電気端子５２とを電気的に接続する。加えて、好ましくは、高電圧中心電極６２は高電圧絶縁体２８のボアに沿って浮動できる。よって、ばね６６または別の軸方向にコンプライアントな部材が真鍮パック６４と高電圧中心電極６２との間に配置される。これに代えて、高電圧中心電極６２とコイル出力部材３６との間にばね６６が位置していてもよい（図示せず）。

図２〜図４の例示的な実施形態において、高電圧（high voltage）絶縁体２８は、コイル出力部材３６に接続されたＨＶ絶縁体上壁６８と、誘電コンプライアント絶縁体３０に接続されたＨＶ絶縁体下壁７０との間に延在する。ＨＶ絶縁体下壁７０は、代わりにセラミック絶縁体３２に接続されていてもよい。好ましくは、高電圧絶縁体２８は、セラミック絶縁体３２または任意の誘電コンプライアント絶縁体３０と点火コイルアセンブリ２２との間に位置する金属チューブ２６の長さおよび容積に足りる長さおよび容積を有する。図２〜図４に示される例示的な実施形態において、高電圧絶縁体２８はまた、コイル出力部材３６の大きさおよび形状に等しいＨＶ絶縁体端壁７４に隣接するＨＶ絶縁体側壁７２を含む。

図２〜図４の例示的な実施形態において、ＨＶ絶縁体下壁７０およびセラミック端壁５６はどちらも平坦である。しかしながら、図１４および図１５の実施形態では、ＨＶ絶縁体下壁７０は、セラミック端壁５６の円錐形に等しい円錐形を有する。この円錐接続により、組立てプロセス中に構成部品間に存在する空気を有効に逃がすことができる。しかしながら、平坦接続は、誘電コンプライアント絶縁体３０に対する力の分布をより均等にするので、より有効な封止を実現する。

高電圧絶縁体２８は、着火端アセンブリ２４のセラミック絶縁体３２と異なりかつ任意の誘電コンプライアント絶縁体３０と異なる絶縁材料で形成される。一般的に、高電圧絶縁体２８の熱膨張係数（ＣＬＴＥ）は、セラミック絶縁体３２の熱膨張係数（ＣＬＴＥ）よりも大きい。この絶縁材料の電気的特性は、キャパシタンスを低く保ち高い効率をもたらす。表１は、高電圧絶縁体２８の好ましい絶縁耐力、誘電率、および散逸率の範囲を示し、表２は、高電圧絶縁体２８の好ましい熱伝導率および熱膨張係数（ＣＬＴＥ）の範囲を示す。この例示的な実施形態において、高電圧絶縁体２８は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素重合体で形成される。フッ素重合体の外面は、接着剤３４を塗布する前に化学エッチングされる。なぜなら、未処理のフッ素重合体に付着する材料は存在しないからである。これに代えて、高電圧絶縁体２８は、表１に示される範囲の電気的特性と表２の範囲の熱的特性とを有するその他の材料で形成することができる。

図２〜図１５に示される例示的な実施形態おいて、誘電コンプライアント絶縁体３０は、高電圧絶縁体２８とセラミック絶縁体３２との間で圧縮される。誘電コンプライアント絶縁体３０は、高電圧絶縁体２８とセラミック絶縁体３２との間の熱膨張係数の違いを補償する軸方向のコンプライアンスをもたらす。好ましくは、誘電コンプライアント絶縁体３０の硬度の範囲は４０〜８０（ショアＡ）である。誘電コンプライアント絶縁体３０に加えられる圧縮力は、コンプライアント材料の弾性の範囲内になるように設定される。一般的に、誘電コンプライアント絶縁体３０は、ゴムまたはシリコン化合物で形成されるが、シリコンペーストまたは射出成形されたシリコンで形成されてもよい。

図２〜図４に示される実施形態において、ＨＶ絶縁体下壁７０およびセラミック端壁５６がいずれも平坦である場合、誘電コンプライアント絶縁体３０の表面も平坦である。図１４および図１５に示される代替実施形態において、誘電コンプライアント絶縁体３０は、ＨＶ絶縁体下壁７０およびセラミック端壁５６の円錐形と一致する。しかしながら、平坦な誘電コンプライアント絶縁体３０は、厚みがより大きいので、軸方向のコンプライアンスの改善をもたらす。

図１６〜図２０に示される別の実施形態において、コロナ点火器アセンブリ２０は、誘電コンプライアント絶縁体３０なしで形成される。図２１〜図２３に示される他の実施形態において、誘電コンプライアント絶縁体３０は、点火コイルアセンブリ２２の方向に移動している。この実施形態において、誘電コンプライアント絶縁体３０は、コイル出力部材３６と、コロナ点火器アセンブリ２０の低温領域であるＨＶ絶縁体上壁６８との間に挟まれている。誘電コンプライアント絶縁体３０をこのコロナ点火器アセンブリ２０の低温領域の方向に移動させることによっても、堅牢性を改善することができる。さらに他の実施形態において、コロナ点火器アセンブリ２０は、両側の位置において誘電コンプライアント絶縁体３０を含む。

コロナ点火器アセンブリ２０の金属チューブ２６は、絶縁体２８、３０、３２と高電圧中心電極６２とを囲み、点火コイルアセンブリ２２を着火端アセンブリ２４に接続する。この例示的な実施形態において、金属チューブ２６は、点火コイルアセンブリ２２に装着されたコイル端７８と、金属シェル４６に装着されたチューブ着火端８０との間に延在する。一般的に、金属チューブ２６は、高電圧絶縁体２８および半導電性スリーブ７６の全長に沿って延在しかつこれらを囲んでいる。金属チューブ２６はまた、コイル出力部材３６の少なくとも一部および高電圧中心電極６２の少なくとも一部を囲んでいる。金属チューブ２６は、任意の誘電コンプライアント絶縁体３０および／またはセラミック絶縁体３２の一部も囲んでいてもよい。図４で最も明確に示されているように、金属チューブは、中心軸Ａに対して垂直に延びるチューブ内径Ｄ_２を有し、この内径は、中心軸Ａに沿って一定であっても変化していてもよい。この例示的な実施形態において、チューブ内径Ｄ_２は、コイル端７８とチューブ着火端８０との間において一定である。

金属チューブ２６は一般的に、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されるが、その他の金属材料で形成されてもよい。金属チューブ２６はまた、図２４〜図２６に示されるように、製造プロセス中に空気と余分な接着剤３４を金属チューブ２６の中から逃がすための少なくとも１つの排出孔８２を含んでいてもよい。加えて、金属チューブ２６のコイル端７８および／またはチューブ着火端８０が先細り形状であってもよい。

先に述べたように、異なる絶縁体２８、３０、３２と高電圧中心電極６２との間の界面に集中する電界は、高電界であり、一般的にはコロナ放電開始に必要な電圧よりも高い。このため、コロナ点火器アセンブリ２０は、高電圧中心電極６２の一部を囲む半導電性スリーブ７６を含むことにより、ピーク電界を弱めるとともに、高電圧中心電極６２および隣接する絶縁体２８、３０、３２に沿うエアギャップを満たす。好ましくは、半導電性スリーブ７６は、異なる絶縁体２８、３０、３２間の界面に沿って途切れることなく連続的に延在する。この例示的な実施形態において、半導電性スリーブ７６は、隣接するコイル出力部材３６から真鍮パック６４まで途切れずに連続して延在する。

図２〜図４において最も明確に示されているように、半導電性スリーブ７６は、径方向において、高電圧中心電極６２と絶縁体２８、３０、３２との間に配置され、軸方向において、隣接する絶縁体２８、３０、３２間の界面に沿って延在する。任意の誘電コンプライアント絶縁体３０がない場合、半導電性スリーブ７６は、高電圧絶縁体２８とセラミック絶縁体３２との間の界面に沿ってのみ配置される。図３および図４に示されるように、導電性スリーブ７６は、スリーブ上端８８からスリーブ下端９０まで延在する。スリーブ上端８８は、高電圧絶縁体２８に沿った位置にあり、一般的にはコイルコネクタ８６に近い。スリーブ下端９０は、セラミック絶縁体３２に沿った位置にあり、一般的には真鍮パック６４上に載っている。

半導電性スリーブ７６は、コロナ点火器アセンブリ２０内で使用される他の半導電性コンプライアント材料とは異なる、半導電性コンプライアント材料から形成される。半導電性スリーブ７６のコンプライアント性により、半導電性スリーブ７６は、高電圧中心電極６２および絶縁体２８、３０、３２に沿うエアギャップを満たすことができる。この例示的な実施形態において、半導電性スリーブ７６は、半導電性ゴム材料、たとえばシリコーンゴムで形成される。半導電性スリーブ７６は、何らかの導電性材料、たとえば導電性フィラーを含むことにより、部分的な導電特性を得る。ある実施形態において、導電性フィラーは、黒鉛または炭素系材料であるが、その他の導電性または部分的に導電性の材料を使用することもできる。半導電性スリーブ７６の形成に使用される材料は、部分的に導電性である、弱い導電性である、または部分的に抵抗性であると言うこともできる。半導電性スリーブの、高電圧かつ高周波数（ＨＶ−ＨＦ）という性質が、導体のように挙動する。半導電性スリーブ７６の抵抗率またはＤＣ導電率は、コロナ点火器アセンブリ２０の挙動を著しく変えることなく、０．５オーム／ｍｍ〜１００オーム／ｍｍにわたって変動し得る。この例示的な実施形態において、半導電性スリーブ７６のＤＣ導電率は１オーム／ｍｍである。アセンブリ２０内のピーク電界は、高電圧中心電極６２と絶縁体２８、３０、３２との間に配置された半導電性スリーブ７６の高電圧および高周波数（ＨＶ−ＨＦ）における導電性によって、最小にすることができる。半導電性スリーブ７６は、アセンブリ２０内部の界面におけるすべてのキャビティおよび凹凸が電荷で満たされないことを保証する。半導電性スリーブ７６の応力緩和機能はまた、接合部の故障を防止する。

半導電性スリーブ７６は、各々が円筒形を示すスリーブ外面９２とスリーブ内面９４とを含む。高電圧中心電極６２およびばね６６はスリーブ内面９４に沿って収容され、スリーブ外面９２は絶縁体２８、３０、３２と係合する。半導電性スリーブ７６は、ある材料の１つの部分または複数の部分で構成することができ、これら複数の部分の組成は同一でも異なっていてもよい。また、スリーブ外面９２は、中心軸Ａに対して垂直に延びるスリーブ外径Ｄ_３を有する。スリーブ外径Ｄ_３は、スリーブ上端８８とスリーブ下端９０との間で中心軸Ａに沿って一定であっても変動してもよい。この例示的な実施形態では、図４において最も明確に示されているように、半導電性スリーブ７６は、ある材料からなる２つの部分で形成されており、上部分９６を下部分９８が受けている。この実施形態において、下部分９８におけるスリーブ外径Ｄ_３は、上部分９６におけるスリーブ外径Ｄ_３よりも大きい。しかしながら、スリーブ内面９４の内径は、これらの部分９６、９８双方において一定であり、電極の外形Ｄ_１に等しい。

コロナ点火器アセンブリ２９の設計を支配する主な制約は、絶縁体２８、３０、３２の最大電圧、および、高電圧中心電極６２と外部金属チューブ２６との間の距離である。これらのパラメータは一般的に、全体的な形状および性能要件によって決まるので、高電圧中心電極の直径Ｄ_１と、金属チューブの直径Ｄ_２と、半導電性スリーブの直径Ｄ_３との比率を調整することにより、コロナ点火器アセンブリ２０内の電界分布を制御する。この設計の目的は、電界ピークをできる限り低く、一般的にはコロナ放電開始電圧よりも低く保つことである。この目的を達成できる直径の範囲があり、それはたとえば、以下の比率の範囲に含まれる直径である。しかしながら、新たな形状の制約またはその他の要素が、他の比率に合わせた設計を強いることがある。

Ｄ_１：Ｄ_２＝０．０３６〜０．２１５
Ｄ_３：Ｄ_２＝０．１０７〜０．３５７
Ｄ_１：Ｄ_３＝０．１〜２．０
この例示的な実施形態では、以下の比率を用いることで、電界ピークをできる限り低く、一般的にはコロナ放電開始電圧よりも低く保った。

Ｄ_１：Ｄ_２＝０．０７１
Ｄ_３（上側の部分）：Ｄ_２＝０．１８０
Ｄ_３（下側の部分）：Ｄ_２＝０．２８６
Ｄ_１：Ｄ_３（上側の部分）＝０．４００
Ｄ_１：Ｄ_３（下側の部分）＝０．２５０
表３は、電界の低減および種々の異なる直径比率との関係の例を示す。

先に述べたように、半導電性スリーブ７６は、応力を緩和し、コロナ点火器アセンブリ２０全体にわたって径方向に配置された異なる材料間の電界を安定させる。上記異なる材料間では、エアギャップが多く形状変化が大きいので、一般的には電界が増加する。より具体的には、半導電性スリーブ７６は、高電圧中心電極６２またはセラミック絶縁体３２に沿って位置するエアギャップ内の電荷集中を制限することにより、コロナ点火器アセンブリ２０内のピーク電界を最小にする。半導電性スリーブに７６おける電圧降下が著しいので、半導電性スリーブ７６と隣接材料との間の界面における電圧ピークは、半導電性スリーブ７６がない場合の高電圧中心電極６２とセラミック絶縁体３２との間の電圧ピークよりも低い。半導電性スリーブ７６はまた、望ましくないコロナ放電を生じさせる可能性がある静電荷をキャビティから取除く。

半導電性スリーブ７６は一般的に、コンプライアント材料で形成されるので、高電圧中心電極６２とセラミック絶縁体３２との間の界面に沿うエアギャップの量または体積を最小にする。要約すると、望ましくないコロナ放電を防止することにより、材料の寿命を延ばすことが可能でありかつ着火端５０で形成されるコロナ放電にエネルギを向けることが可能であるため、結果的にはコロナ点火器アセンブリ２０の性能が改善される。図２７は、半導電性スリーブ７６を有する図１のコロナ点火器アセンブリ２０の電界分布についてのＦＥＡ研究の結果を含み、図２８は、半導電性スリーブ７６を備えていないこと以外同一であるコロナ点火器アセンブリの電界分布についての比較のためのＦＥＡ研究の結果を含む。図２９は、半導電性スリーブ７６の電界を同一直径の導電性真鍮材料の電界と比較するために実施されたテストの結果を示すグラフである。このテスト結果は、半導電性スリーブ７６の、高電圧かつ高周波数（ＨＶ−ＨＦ）という性質が、導体のように挙動することを示している。

ある実施形態において、半導電性スリーブに加えて接着剤３４を用いることにより、高電圧中心電極６２と隣接する絶縁体２８、３０、３２との間の高電圧シールを改善する。接着性封止材とも呼ばれる接着剤３４は、図２〜図８に示されるように絶縁体２８、３０、３２間の界面に沿って配置される。接着剤３４は、確実に隣接する絶縁体２８、３０、３２同士を付着させ一様な接触を保つのに役立つ。接着剤３４はまた、界面のエアギャップまたはボイドを消滅させる。もしこのようなギャップまたはボイドが充填されずに残っていれば、望ましくないコロナ放電の形成につながり得る。

この例示的な実施形態において、接着剤３４は、セラミック絶縁体３２のセラミック端壁５６と高電圧絶縁体２８のＨＶ絶縁体下壁７０との間の複数の界面に塗布される。接着剤３４は、被覆材料として機能し、絶縁体２８、３０、３２と金属シェル４６または金属チューブ２６との間および／または絶縁体２８、３０、３２と高電圧中心電極６２との間に残っている割れ目およびエアギャップすべてに流れ込むよう、液体の形態で塗布される。接着剤３４は、製造プロセス中に硬化されるので、固体または半固体（非液体）であり、完成したコロナ点火器アセンブリ２０内の界面に沿っていくらかのコンプライアンスをもたらす。

接着剤３４は、絶縁材料で形成されるので、いくらかのコロナ形成に耐えることができる。接着剤３４はまた、内燃機関におけるコロナ点火器アセンブリ２０の使用中に高周波数高電圧電界によって生じる電離雰囲気に耐えることができる。また、接着剤３４は、セラミック絶縁体３２と高電圧絶縁体２８との間に塗布されたときに、セラミック絶縁体３２および高電圧絶縁体２８に付着する。この例示的な実施形態において、接着剤３４は、シリコンで形成され、表３に示される特性を有する。しかしながら、表４に示される特性と同様の特性を有するその他の材料を用いて接着剤３４を形成することができる。

図２〜図９に示される実施形態において、接着剤３４は、高電圧絶縁体２８のＨＶ絶縁体下壁７０、セラミック絶縁体３２のセラミック端壁５６、および誘電コンプライアント絶縁体３０のすべての表面に、塗布される。ＨＶ絶縁体下壁７０およびセラミック端壁５６を誘電コンプライアント絶縁体３０に接着することが特に重要である。また、接着剤３４は、高電圧絶縁体２８の他の表面および／またはセラミック絶縁体３２の他の表面に沿って塗布してもよい。接着剤３４はさらに、高電圧中心電極６２の表面および／または半導電性スリーブ７６の表面に塗布してもよい。この実施形態において、好ましくは接着剤３４は０．０５ミリメートルから４ミリメートルの範囲の厚みになるように塗布される。

コロナ点火器アセンブリ２０の代替実施形態が図１６〜図２３に示され、この場合、コロナ点火器アセンブリ２０は誘電コンプライアント絶縁体３０を含んでおらず、誘電コンプライアント絶縁体３０は点火コイルアセンブリ２２の隣に配置される、および／または接着剤３４はＨＶ絶縁体下壁７０とセラミック端壁５６との間に挟まれた層として塗布される。接着剤３４がＨＶ絶縁体下壁７０とセラミック端壁５６との間に塗布されるとき、接着剤３４は厚みがより大きくなるように塗布されることが好ましい。たとえば、接着剤３４の厚みは１ミリメートル〜６ミリメートルまたはそれよりも大きくてもよい。

本発明の別の局面は、コロナ点火器アセンブリ２０の製造方法を提供し、このコロナ点火器アセンブリ２０は、点火コイルアセンブリ２２と、着火端アセンブリ２４と、金属チューブ２６と、絶縁体２８、３０、３２と、高電圧中心電極６２と、半導電性スリーブ７６とを備える。この方法は先ず、コロナ点火器アセンブリ２０の構成部品を準備するステップを含む。

接着剤３４をコロナ点火器アセンブリ２０で使用する場合、上記準備するステップは、絶縁体２８、３０、３２の表面を、接着剤３４の塗布に合わせて準備することを含む。この例示的な実施形態において、絶縁体２８、３０、３２は各々、その表面をアセトンまたはアルコールで脱脂した後に１００℃で約２時間乾燥することによって準備される。高電圧絶縁体２８がフッ素重合体で形成されている場合、この方法は、接着剤３４が付着するように、フッ素重合体の表面をエッチングすることを含み得る。高電圧絶縁体２８を、先ずその最終寸法になるように機械加工し、その後溶液に浸漬する。表面がきれいになったら、接着剤３４を塗布する表面を、約１〜５分間、一般的には２分間エッチングまたはハッチングする。次に、エッチングされた高電圧絶縁体２８を濾過水で洗浄することにより、接着剤３４の塗布に適したものにする。表面の適切な接着を確実にするために、清浄度および化学プロセスのモニタリングが推奨される。

接着剤３４が使用される場合、この方法は、次に、接合するセラミック絶縁体３２、高電圧絶縁体２８、および半導電性スリーブ７６の表面に接着剤３４を塗布することを含む。この方法はまた、接着剤３４を任意の誘電コンプライアント絶縁体３０に塗布することを含み得る。接着剤３４が塗布されると、これらの構成部品は、図に示されているように接合される。図２〜図４に示される例示的な実施形態において、接着剤３４は、セラミック端壁５６、ＨＶ絶縁体下壁７０、および誘電コンプライアント絶縁体３０のすべての表面に塗布されている。別の実施形態において、接着剤３４は、金属チューブ２６の内面および／または金属シェル４６の内面にも塗布される。

図６に示されるように、高電圧絶縁体２８、誘電コンプライアント絶縁体３０、半導電性スリーブ７６、および高電圧中心電極６２は一般的に、着火端アセンブリ２４に接続される前に、金属チューブ２６内に配置される。次に、誘電コンプライアント絶縁体３０が、接着剤３４を介して着火端アセンブリ２４のセラミック絶縁体３２に接続され、金属チューブ２６が、ねじ山が形成されたファスナ８４を介して着火端アセンブリ２４の金属シェル４６に接続される。組立てられると、誘電コンプライアント絶縁体３０は、任意で接着剤３４が界面に沿って配置された状態で、セラミック端壁５６とＨＶ絶縁体下壁７０との間に挟まれている。好ましくは、余分な接着剤３４を金属チューブ２６の排出孔８２を通して逃がすことができる。半導電性スリーブ７６はまた、コロナ点火器アセンブリ２０と点火コイルアセンブリ２２との間で押圧されて絶縁体２８、３０、３２に沿うエアギャップを満たす。

接着剤３４を用いる実施形態において、この方法はまた、接合された構成部品を硬化させることにより、接着剤３４の接着強度を高めることを含む。この硬化ステップは、気候室内で構成部品を、温度約３０℃、相対湿度７５％で５０時間加熱することを含む。この硬化ステップはまた、気候室内で構成部品を加熱しつつ、接合された構成部品に０．０１〜５Ｎ／ｍｍ^２の圧力を加えることを含む。

金属チューブ２６を点火コイルアセンブリ２２および着火端アセンブリ２４に装着するために、多様な異なる技術を用いることができる。この例示的な実施形態では、独立したねじ山付きのファスナ８４により、チューブ着火端８０を金属シェル４６に取付ける。金属チューブ２６の内面は、エアギャップを含み得るチューブ着火端８０とコイル端７８との間のチューブ容積を示す。しかしながら、半導電性スリーブ７６および接着剤３４は、これらのエアギャップ、特に、上記チューブ容積に含まれる絶縁体２８、３０、３２の界面に沿うエアギャップを満たすことができるので、そうでなければコロナ点火器アセンブリ２０の使用中に上記エアギャップで形成される可能性がある望ましくないコロナ放電を、防止する。

当然、上記教示に照らせば本発明の数多くの修正および変形が可能であり、これらの修正および変形は以下の請求項の範囲に含まれるが具体的に記載されているものとは異なるやり方でも実施し得る。

Claims (20)

1. コロナ点火アセンブリであって、
   セラミック材料で形成された着火端絶縁体によって囲まれた点火器中心電極と、
   前記点火器中心電極に接続された高電圧中心電極と、
   前記着火端絶縁体の前記セラミック材料と異なる絶縁材料で形成され前記高電圧中心電極を囲む高電圧絶縁体と、
   半導電性材料で形成され、径方向における前記高電圧中心電極と前記着火端絶縁体との間、および、径方向における前記高電圧中心電極と前記高電圧絶縁体との間に配置された、スリーブとを備える、コロナ点火アセンブリ。
2. 前記スリーブの前記半導電性材料はコンプライアント材料である、請求項１に記載のコロナ点火アセンブリ。
3. 前記スリーブの前記コンプライアント材料はシリコーンゴムである、請求項２に記載のコロナ点火アセンブリ。
4. 前記スリーブの前記半導電性材料は導電性フィラーを含む、請求項２に記載のコロナ点火アセンブリ。
5. 前記導電性フィラーは炭素系材料である、請求項４に記載のコロナ点火アセンブリ。
6. 前記スリーブの抵抗率は０．５オーム／ｍｍ〜１００オーム／ｍｍである、請求項１に記載のコロナ点火アセンブリ。
7. 前記スリーブは長手方向においてスリーブ上端からスリーブ下端まで延在し、前記スリーブは、前記スリーブ上端から前記スリーブ下端まで延びている領域内の、径方向において前記電極と前記絶縁体との間に位置するエアギャップを満たす、請求項１に記載のコロナ点火アセンブリ。
8. 前記スリーブは上部分および下部分で形成されており、前記上部分および前記下部分は各々スリーブ外径およびスリーブ内径を有し、前記スリーブ外径は前記下部分の方が大きく、前記スリーブ内径は前記スリーブの下部分および前記スリーブの上部分において一定である、請求項１に記載のコロナ点火アセンブリ。
9. 前記高電圧絶縁体の熱膨張係数（ＣＬＴＥ）は前記着火端絶縁体の熱膨張係数（ＣＬＴＥ）よりも大きい、請求項１に記載のコロナ点火アセンブリ。
10. 長手方向において前記高電圧絶縁体の下壁から前記着火端絶縁体の端壁まで延在する誘電コンプライアント絶縁体を備え、前記スリーブは、長手方向において前記高電圧絶縁体と前記誘電コンプライアント絶縁体との間の界面にまたがって延在し、かつ、長手方向において前記誘電コンプライアント絶縁体と前記着火端絶縁体との間の界面にまたがって延在する、請求項１に記載のコロナ点火アセンブリ。
11. 前記誘電コンプライアント絶縁体の硬度（ショアＡ）は４０〜８０の範囲である、請求項１０に記載のコロナ点火アセンブリ。
12. 前記高電圧絶縁体の上壁と点火コイルアセンブリとの間に配置された誘電コンプライアント絶縁体を備える、請求項１に記載のコロナ点火アセンブリ。
13. 前記高電圧絶縁体の下壁は前記着火端絶縁体の端壁に接着性封止材によって接合され、前記スリーブは長手方向において前記高電圧絶縁体と前記着火端絶縁体との間の前記接着性封止材にまたがって延在する、請求項１に記載のコロナ点火アセンブリ。
14. 金属材料で形成され長手方向において前記絶縁体および前記スリーブに沿って延在しかつ前記絶縁体および前記スリーブを囲むチューブを備える、請求項１に記載のコロナ点火アセンブリ。
15. 前記高電圧中心電極は点火コイルアセンブリに接続され、
    前記点火コイルアセンブリはエネルギを前記高電圧中心電極に送るためのコイル出力部材を含み、前記コイル出力部材はプラスチック材料で形成され、
    金属シェルが前記着火端絶縁体を囲んでおり、
    前記着火端絶縁体は前記点火器中心電極を前記金属シェルから隔離し、
    前記点火器中心電極は、長手方向において前記中心軸に沿って端子端から着火端まで延在し、
    電気端子が前記点火器中心電極の前記端子端に配置され、クラウンが前記点火器中心電極の前記着火端に配置され、
    前記クラウンは、前記中心軸から径方向外向きに延在し無線周波数電界を分布させるための複数の分岐を含み、
    前記着火端絶縁体は、アルミナで形成され、前記点火器中心電極を受けるためのボアを有し、
    前記高電圧中心電極の下部分を前記着火端絶縁体の前記ボアが受け、前記高電圧中心電極の第２の部分は前記コイル出力部材まで延在し、
    前記高電圧中心電極は導電性材料で形成され、
    真鍮パックが前記着火端絶縁体の前記ボアの中に配置されて前記高電圧中心電極と前記電気端子とを電気的に接続し、
    ばねが前記真鍮パックと前記高電圧中心電極との間に配置され、
    前記高電圧絶縁体は、前記コイル出力部材に接続された高電圧絶縁体上壁から高電圧絶縁体下壁まで延在し、
    前記高電圧絶縁体は、前記着火端絶縁体の前記セラミック材料と異なるフッ素重合体で形成され、
    前記高電圧絶縁体の熱膨張係数（ＣＬＴＥ）は前記セラミック材料の熱膨張係数（ＣＬＴＥ）よりも大きく、
    誘電コンプライアント絶縁体が前記高電圧絶縁体と前記着火端絶縁体との間で圧縮され、
    前記誘電コンプライアント絶縁体は、ゴムおよびシリコンのうちの少なくとも一方で形成され、４０〜８０の範囲の硬度（ショアＡ）を有し、
    前記誘電コンプライアント部材は、前記高電圧絶縁体下壁の形状および前記着火端絶縁体の前記端壁の形状に、係合しかつ一致し、
    前記スリーブは、長手方向において前記高電圧絶縁体と前記誘電コンプライアント絶縁体との間の界面にまたがって延在し、
    前記スリーブは、長手方向において前記誘電コンプライアント絶縁体と前記着火端絶縁体との間の界面にまたがって延在し、
    前記スリーブは、前記高電圧絶縁体のボアに配置されたスリーブ上端から、前記着火端絶縁体の前記ボアに配置されたスリーブ下端まで延在し、
    前記スリーブ下端は前記真鍮パックの上に載っており、
    前記スリーブは、径方向において前記高電圧中心電極から前記誘電コンプライアント絶縁体まで延在し、
    金属チューブが、前記絶縁体を囲み、前記点火コイルアセンブリを前記金属シェルに接続し、
    前記金属チューブはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成され、
    前記半導電性スリーブは、シリコーンゴムで形成され、導電性フィラーを含み、前記導電性フィラーは炭素系材料であり、
    前記半導電性スリーブの抵抗率は０．５オーム／ｍｍ〜１００オーム／ｍｍであり、
    接着剤が、前記高電圧絶縁体と前記誘電コンプライアント絶縁体との間の界面に沿って、および／または前記誘電コンプライアント絶縁体と前記着火端絶縁体との間の界面に沿って配置されて前記界面に沿うエアギャップを満たし、
    前記接着剤は絶縁材料で形成される、請求項１に記載のコロナ点火アセンブリ。
16. コロナ点火アセンブリの製造方法であって、
    高電圧中心電極を点火器中心電極に接続するステップと、
    半導電性材料で形成されたスリーブを前記高電圧中心電極の周りに配置するステップと、
    着火端絶縁体を前記点火器中心電極と前記スリーブのスリーブ下端との周りに配置するステップとを含み、前記着火端絶縁体はセラミック材料で形成され、
    高電圧絶縁体を前記高電圧中心電極と前記スリーブのスリーブ上端との周りに配置するステップを含み、前記高電圧絶縁体は、前記着火端絶縁体の前記セラミック材料と異なる絶縁材料で形成されている、方法。
17. 前記スリーブの前記半導電性材料はコンプライアント材料である、請求項１６に記載の方法。
18. 前記半導電性スリーブは、シリコーンゴムと、炭素系材料で形成された導電性フィラーとを含み、前記高電圧絶縁体は、フッ素重合体で形成されており、前記着火端絶縁体は、アルミナで形成されている、請求項１７に記載の方法。
19. 誘電コンプライアント絶縁体を前記高電圧中心電極の周りに配置するステップと、
    前記誘電コンプライアント絶縁体を長手方向において前記高電圧絶縁体と前記着火端絶縁体との間で圧縮するステップとを含む、請求項１６に記載の方法。
20. 金属チューブを前記絶縁体および前記スリーブの周りに配置するステップを含む、請求項１６に記載の方法。