JP6061284B2 - 内燃機関用の点火コイル - Google Patents

Description

本発明は、自動車エンジンなどの内燃機関に使用される点火コイルに関し、特に、小型で高性能の閉磁路タイプの点火コイルに関する。

一般に、エンジンなどの内燃機関では、燃焼室に近接するプラグホールに点火コイルを挿入し、プラグホールの底部に装着された点火プラグを駆動する方式を採っている。この種の点火コイルは、バッテリ電圧を受ける一次コイルと、一次コイルの電流遮断時に高電圧を発生する二次コイルとを内蔵して構成されるが、これら一次コイル及び二次コイルのほぼ全長をプラグホール内部に配置するペンシルタイプ（開磁路タイプ）と、一次コイル及び二次コイルの全体をプラグホールの外部に配置して閉磁路を形成する閉磁路タイプとに大別される。

ペンシルタイプは、プラグホールから露出する部分が少ないため、占有空間が狭い点で優れるが、一次コイルと二次コイルの磁路が開磁路とならざるを得ないので、点火エネルギー発生時のエネルギー損（電力損）が少なくないという問題がある。

この点、閉磁路タイプは、電力損を抑制して必要な点火エネルギーを発生することができ、希薄燃焼やＥＧＲ制御などの燃焼制御を円滑に実現でき、自動車の低燃費化や低公害化の要請に応えることができる（特許文献１〜特許文献３）。

特開２０１１−１５１１８１号公報 特開２０１１−００３８１２号公報 特開２００８−１６６６４９号公報

しかし、閉磁路タイプについて、形状の小型化を図りつつ、点火エネルギーを更に高めたいという要請は強い。但し、一次コイルや二次コイルを大型化することで点火エネルギーを高めたのでは、点火コイルの小型化の要請に反して意味がない。

また、点火コイルの全体形状や機器構成が複雑化したのでは、全体として小型化されても製造コストなどが上昇して市場の要請に応えることができない。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、形状の小型化できるだけでなく、点火エネルギーを高めることができる点火コイルを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、通電状態がＯＮ／ＯＦＦ制御される一次コイルと、一次コイルの電磁結合する二次コイルと、一次コイル及び二次コイルに鎖交する磁束の閉磁路を形成する中心鉄心とを有し、グランド端子を含む複数の接続端子を設けて構成され、前記中心鉄心は、第一コアと第二コアに分割され、下側の第一コアと上側の第二コアは、点火コイルの一部が挿入されるプラグホールの軸方向の上下位置に積層された状態で、互いの接続面が直接的又は間接的に当接されるよう構成され、前記第一コアには、永久磁石を介在する前記第二コアとの接続面に連続して、下方に突出する肉厚の近接部が形成され、前記近接部の下方底面に配線溝を形成することで、前記配線溝と前記グランド端子とを接続する配線ケーブルと、前記第一コアとの接触面積を確保している。

前記接続面は、閉磁路を循環する理論上の磁束方向に対して、２０°以下の傾斜角を有して構成されているのが好適である。

本発明の中心鉄心は、典型的には、略直方体の第一コアと、略門型の第二コアと、薄板状の永久磁石ＭＧとで構成されて、全体として断面角形状の閉磁路を形成している。

また、二次コイルの二次巻線が巻着された二次ボビンの中に、一次コイルの一次巻線が巻着された一次ボビンが挿入されると共に、一次ボビンの中に、第一コアが挿入されて構成されるのが好ましい。また、中心鉄心は、電磁鋼板を積層して構成されるのが好適である。

上記した本発明によれば、形状を小型化できるだけでなく、点火エネルギーを高めることができる点火コイルを実現することができる。

実施例に係る点火コイルの全体形状や、各部の形状を示す図面である。 点火コイルの内部回路構成と中心鉄心を説明する図面である。 実施例と比較例の中心鉄心の構成についてシミュレーション実験の結果である。 点火コイルの使用状態を示す図面である。 性能試験の結果を示す図面である。

以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、実施例に係る点火コイルＣＬの全体形状や、各部の形状を示す図面であり、図１（ａ）は、箱型のコイルケース１に、コイル組立体３を収容した組付け状態を示している。

図示の通り、コイルケース１の一端部には、接続端子Ｔ１〜Ｔ３を収容するターミナルケース２が固定され、コイルケース１の他端部には、取付ボルトが挿入される取付部１ｂが形成されている。そして、コイルケース１に熱硬化性樹脂を充填することで点火コイルＣＬが完成する。

図２は、点火コイルＣＬの内部回路構成と、特徴的な構成要素である中心鉄心ＣＯを説明する図面である。図２（ａ）に示す通り、点火コイルＣＬは、一次コイルＬ１と、二次コイルＬ２と、一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２を鎖交する磁束の閉磁路を形成する中心鉄心ＣＯと、一次コイルＬ１をＯＮ／ＯＦＦ制御するトランジスタＴｒと、点火方向を一方向に制御する高圧ダイオードＤと、を内蔵して構成されている。

また、この点火コイルＣＬは、直流電圧を受けるバッテリ端子Ｔ１と、ＥＣＵ(Engine Control Unit) から点火信号を受ける制御端子Ｔ２と、グランド端子Ｔ３とを有して構成され、これら３本の入力端子が、図１（ａ）に示すコイルケース１の一端（右端）に固定されたターミナルケース２に配置されている。

そして、二次コイルＬ２の出力電圧は、コイルケース１の底面に配置された高圧出力端子Ｔ４（図１（ｆ）参照）から出力され、この高圧出力が、点火プラグＰＧに供給されることで、必要な点火放電動作が実現される。

一次コイルＬ１、二次コイルＬ２、及び中心鉄心ＣＯは、全体として一体化されてコイル組立体３となり、コイルケース１の中央に配置される（図１（ａ）参照）。そして、このコイル組立体３と、ターミナルケース２との間には、高圧ダイオードＤ（図１（ｂ））とトランジスタＴｒ（不図示）とが配置される。

図１（ｆ）や図２（ｃ）に示す通り、中心鉄心ＣＯは、略直方体の第一コアＣＯ１と、略門型の第二コアＣＯ２と、薄板状の永久磁石ＭＧとで構成されて、全体として断面角形状の閉磁路を形成している。ここで、第一コアＣＯ１及び第二コアＣＯ２は、図２（ｃ）に示す形状の電磁鋼板を積層して構成されている。電磁鋼板として、典型的には、ケイ素鋼板が使用される。

なお、永久磁石ＭＧは、一次コイルＬ１による磁界とは逆向きの磁界を形成することで、磁気ヒステリシス曲線（ＨＢ曲線）の使用可能領域（直線性部分）を広く確保している。

一次コイルＬ１は、第一コアＣＯ１を収容可能な図１（ｇ）に示す一次ボビンＢ１に、一次巻線Ｗ１を巻着して構成される（図２（ｄ）参照）。一方、二次コイルＬ２は、一次コイルＬ１を収容可能な二次ボビンＢ２（図１（ｆ）参照）に、二次巻線Ｗ２を巻着して構成される。なお、完成された二次コイルＬ２は、図２（ｄ）の左側から挿入されて、一次コイルＬ１の外側に配置される。

本実施例の第一コアＣＯ１は、これを一次ボビンＢ１に収容した状態で、一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２の長さ方向の両端に、第一コアＣＯ１の先端部と基端部とが露出する寸法に設定されている（図２（ｄ）参照）。そのため、露出状態の第一コアＣＯ１の先端部（図示右側）に永久磁石ＭＧを配置した状態で、第一コアＣＯ１の先端面ＳＬと基端面ＦＡ，Ｆ１，Ｆ２に、第二コアＣＯ２の対応面を当接させることで中心鉄心ＣＯが完成状態となる。なお、正確に表現すると、第一コアＣＯ１の先端面ＳＬは、永久磁石ＭＧを介在して、第二コアＣＯ２の対応面に当接される。

図２（ｂ）は、通常構成の中心鉄心（比較例）であり、図２（ｃ）の中心鉄心ＣＯ（実施例）との対比のために図示している。実施例の中心鉄心ＣＯは、第一コアＣＯ１と第二コアＣＯ２と永久磁石ＭＧとで構成される点では、比較例の中心鉄心と共通するが、第一コアＣＯ１の形状が比較例とは顕著に相違する。

すなわち、図２（ｂ）に示す比較例の第一コアの底面は、左右方向（一次コイルＬ１の磁束方向）に延びて、平坦に形成されているのに対して、実施例の第一コアＣＯ１の底面は、その先端部（図示右側）に、磁束方向に直交して、下方に突出する突出部ＰＲが形成されて非平坦な形状になっている。

このような構成を採るのは、閉磁路の非連続箇所において、磁束方向に傾斜して（典型的には直交して）磁性体を肉厚にすると、漏れ磁束を抑制することができ、エネルギー損を有効に抑制できるためである。この効果は、本発明者の研究によって始めて明らかとなったものであり、図３は、この効果を示すデータのごく一部であって、有限要素法(Finite Element Method : FEM) によるシミュレーション実験の結果を示している。

図３（ａ）と図３（ｂ）に示す通り、実施例と比較例の中心鉄心ＣＯを比較すると、磁束方向に直交して磁性体を肉厚に形成した実施例では、先端の磁束集中が解消し、漏れ磁束が減少していることが確認される（図３（ａ）参照）。なお、この実施例の第一コアＣＯ１は、図２（ｃ）に示す通り、その左右中央部において、図２（ｂ）に示す比較例の第一コアより肉薄に形成されており（Ｗ１−δ２）、その分だけ磁路断面積Ａが減少するので、磁気抵抗Ｒｍ（Ｒｍ∝１／Ａ）が増加すると考えられる。しかし、本発明者による後述する性能実験によれば、このような磁気抵抗の変化に拘らず、比較例以上の電気的性能を発揮することが確認されている。

また、実施例の場合、第一コアＣＯ１と、第二コアＣＯ２との当接面であって、その間に永久磁石ＭＧが配置される傾斜面ＳＬについて、その傾斜角度θを急峻に形成している（図２（ｄ）参照）。この傾斜角度θは、第一コアＣＯ１の厚さ方向（閉磁路を循環する理論上の磁束方向であって、図示の上下方向）に対して、２０°以下に設定するのが好ましく、より好ましくは、１２〜１８°程度に設定される。なお、比較例の傾斜角度は、２１〜２２°程度である。

このように、本実施例では、永久磁石ＭＧが配置される傾斜面ＳＬを、２０°以下の急峻な傾斜角度に設定しているので、第一コアＣＯ１の左右中央部ＢＹを肉薄に形成しても、永久磁石ＭＧの当接面積を十分に確保することができ、所望の磁気ヒステリシス曲線を実現することができる。

また、第一コアＣＯ１の基端部は、図２（ｄ）に示す通り、上側平坦面ＦＡに連続する第一傾斜面Ｆと、左右中央部ＢＹに向かう第二傾斜面Ｆ２とで、Ｖ字状の切込み溝を形成しており、第二コアＣＯ２の当接面との十分な接触面積を確保している。また、図２（ｄ）に示す第一コアＣＯ１は、突出部ＰＲの底面に、配線溝ＬＮを形成することで、配線溝ＬＮとグランド端子Ｔ３とを接続する配線ケーブルとの十分な接触面積を確保している。

ところで、シミュレーション実験に供した実施例の場合、第二コアＣＯ２の左右中央部及び基端部の肉厚は、比較例の場合と同じであり、磁路断面積は同一である。一方、第二コアＣＯ２の基端部は、その上下方向の長さ（Ｌ＋δ３）が、比較例よりやや長く形成しており（＋δ３）、一次ボビンＢ１や一次巻線Ｗ１のための十分な空間を確保している（図２（ｂ）及び図２（ｃ）参照）。

また、実施例では、第一コアＣＯ１の左右中央部ＢＹを、比較例より肉薄（−δ２）に形成したことに対応して、中心鉄心ＣＯ全体で評価した場合、その上下方向の高さ（Ｈ−δ１）は、比較例より所定値δ１だけ低くなり、コイル組立体３の小型化や磁性体材料の使用量の抑制に寄与している。

上記した第一コアＣＯ１の構成に対応して、一次ボビンＢ１は、図１（ｇ）に示す通り、一次巻線Ｗ１が巻着される筒状の本体部１０と、第一コアＣＯ１の先端面ＳＬが露出する先端部１１と、第一コアＣＯ１の基端面ＦＡ，Ｆ１，Ｆ２が露出する基端部１２とを有して構成されている。先端部１１及び基端部１２は、何れも正面視でコ字状の輪郭を有して、第一コアＣＯ１の底面及び側面を支持するよう構成されている。また、先端部１１には、一次巻線Ｗ１の巻始め線と巻終わり線とを固定する係止片ＴＧが形成されている。

図２（ｄ）に示す通り、先端部１１の底面は、第一コアＣＯ１の突出部ＰＲの底面に対応して、本体部１０の底面より低く設定されている。一方、基端部１２の底面は、本体部１０の底面に連続して、同一平面を形成している。なお、先端部１１の底面は、その一部が開口されることで、配線溝ＬＮとグランド端子Ｔ３との電気接続を可能にしている。

以下、点火コイルの組付け方法を確認的に説明する。図１（ｇ）に示す一次ボビンＢ１に一次巻線Ｗ１を巻着して一次コイルＬ１を完成させた後、その外側に二次コイルＬ２を配置する。なお、二次コイルＬ２は、二次ボビンＢ２に二次巻線Ｗ２を巻着して構成されており、一次ボビンＢ１の基端側から二次ボビンＢ２を挿入することで、一次コイルＬ１の外側に二次コイルＬ２を配置する。

次に、このような状態で、一次ボビンＢ１の中に、中心鉄心ＣＯの第一コアＣＯ１を挿入する。なお、挿入完了状態では、第一コアＣＯ１の先端面ＳＬの背面側や、突出部ＰＲの底面が、一次ボビンＢ１の先端部１１の内面に接触している（図２（ｄ））。

この収容状態では、第一コアＣＯ１の先端部と基端部とが一次ボビンＢ１や二次ボビンＢ２から露出するので、永久磁石ＭＧを配置した状態で、第一コアＣＯ１の露出面に、第二コアＣＯ２の対応面を当接させることで、中心鉄心ＣＯが完成状態となる。

しかる後、第二コアＣＯ２の上側に保護カバー２０を配置すると、コイル組立体３となる。そして、このコイル組立体３を、コイルケース１に収容すると図１（ａ）の組付け状態となる。

なお、コイル組立体３の二次コイルＬ２からは、その出力電圧を導出するリード線ＬＤが出力されており、これが、図１（ａ）の組付け状態では、高圧端子Ｔ４に接触することで、電気的接続が完了する。

このように構成された点火コイルＣＬは、その下端が絶縁性のエラストマ材３０で覆われた状態で、プラグホールＨＯに挿入され、ボルトＢＴなどを利用してエンジンブロックに固定される（図５参照）。なお、エラストマ材３０の内部には、導電性のスプリング（不図示）が配置されており、高圧端子Ｔ４と点火プラグＰＧとの電気接続が実現される。

最後に、本発明の技術的意義を確認した性能実験について、図６に基づいて説明する。図６（ａ）は、二次コイルＬ２の両端を２０ｐＦのコンデンサで終端した実験回路において、通電を遮断する通電遮断時の一次電流の値を横軸にして、この通電遮断時の二次電圧を縦軸に示している。通常の動作条件では、遮断タイミングの一次電流は４〜６Ａ程度であるので、機器構成を小型化した本実施例が、従来構成の比較例と同等の性能を発揮することが確認される。

図６（ｂ）〜図６（ｄ）は、二次コイルＬ２の両端を５ｋΩで終端した実験回路において、通電遮断時の一次電流の値を横軸にして、二次電流が消滅するまでの放電時間Ｔ２（図６（ｂ））、一次電流遮断時の二次電流値Ｉ２（図６（ｃ））、二次電流が消滅するまでの放電エネルギーＥ２（図６（ｄ）を、各々、縦軸に示したものである。

何れの性能でも、通常の動作条件では、比較例と変らないか、比較例より優れていることが実証されており、本発明の優れた効果が確認される。

以上、本発明の実施例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趣旨ではなく、適宜に変更可能である。

Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
ＣＯ 中心鉄心
ＣＯ１ 分割コア
ＣＯ２ 分割コア
ＰＲ 肉厚部

Claims (6)

1. 通電状態がＯＮ／ＯＦＦ制御される一次コイルと、一次コイルの電磁結合する二次コイルと、一次コイル及び二次コイルに鎖交する磁束の閉磁路を形成する中心鉄心とを有し、グランド端子を含む複数の接続端子を設けて構成され、
   前記中心鉄心は、第一コアと第二コアに分割され、下側の第一コアと上側の第二コアは、点火コイルの一部が挿入されるプラグホールの軸方向の上下位置に積層された状態で、互いの接続面が直接的又は間接的に当接されるよう構成され、
   前記第一コアには、永久磁石を介在する前記第二コアとの接続面に連続して、下方に突出する肉厚の近接部が形成され、前記近接部の下方底面に配線溝を形成することで、前記配線溝と前記グランド端子とを接続する配線ケーブルと、前記第一コアとの接触面積を確保していることを特徴とする点火コイル。
2. 前記近接部の下方底面は、前記配線溝の部分を除いて、一次コイルの一次巻線が巻着される一次ボビンに接触するよう配置される請求項１に記載の点火コイル。
3. 前記接続面は、閉磁路を循環する理論上の磁束方向に対して、２０°以下の傾斜角を有して構成されている請求項１又は２に記載の点火コイル。
4. 前記一次ボビンの一部が開口されることで、前記配線溝と前記グランド端子との電気接続を可能にしている請求項２に記載の点火コイル。
5. 二次コイルの二次巻線が巻着された二次ボビンの中に、一次コイルの一次巻線が巻着された前記一次ボビンが挿入されると共に、前記一次ボビンの中に、前記第一コアが挿入されて構成されている請求項２又は４に記載の点火コイル。
6. 前記中心鉄心は、電磁鋼板を積層して構成されている請求項１〜５の何れか記載の点火コイル。