JP6416045B2 - 内燃機関用点火コイル - Google Patents

Description

本発明は、一次コイルに一次電流を流し、このとき生じる磁束を変化させて二次コイルに高電圧を発生させる内燃機関用点火コイルに関するものである。

内燃機関の点火装置に用いられる点火コイルは、一次コイルに直流電流を供給し、この電流の導通遮断を行うことによって二次コイルに高電圧を励起させている。換言すると、一次コイルに電流が流れることよって発生した磁束を、鉄心を用いて二次コイルへ導き、この磁束を変化させて高電圧を発生させている。
二次コイルに高電圧を効率良く発生させるため、また、点火コイルの小型化を図ってダイレクトイグニッションを実用化するため、内燃機関には閉磁型の点火コイルを用いることが主流となっている。

閉磁型の点火コイルは、一次コイルが発生した磁束を透す磁気回路を構成する鉄心を備えている。
この鉄心は、一次コイルの中心孔を貫通して当該一次コイルの外周側に延設され、一次コイルの巻回両端を結ぶように環状に形成されており、一次コイルから放出された磁束を再び一次コイルへ帰還させ、当該磁束の減衰を抑えて二次コイルに鎖交させ、効率良く高電圧を誘起させている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、従来の内燃機関用点火コイルに形成される磁気回路を示す説明図である。この図は、従来の点火コイル１００の概略縦断面を示したもので、磁気回路および一次コイルを明確に表すため二次コイル等の図示を省略している。
点火コイル１００は、一次コイル１０１の中心孔に挿通されるセンタ鉄心１０２、センタ鉄心１０２の両側方を囲うように形成されたサイド鉄心１０３、サイド鉄心１０３の一辺部１０３ａとセンタ鉄心１０２との間に配置される永久磁石１０４を備えている。
ここで、センタ鉄心１０２とサイド鉄心１０３によって上記の磁気回路が形成されている。

センタ鉄心１０２は、図中、下側の端部１０２ａを直接サイド鉄心１０３に接続している。
センタ鉄心１０２の上側の端部１０２ｂは、バイアス磁界を供給する永久磁石１０４と接触し、この永久磁石１０４を介してサイド鉄心１０３の一辺部１０３ａに繋がる磁気回路を形成している。
センタ鉄心１０２の端部１０２ｂは、永久磁石１０４と十分な接触面積が得られるように大きく形成されており、センタ鉄心１０２はＴ字状に形成されている。Ｔ字状垂直部分は、一次コイル１０１の中心孔に挿通され、Ｔ字状水平部分は上記のように永久磁石１０４に接触する。

図４に示した実線の矢印は、一次コイル１０１に直流の一次電流が流れているときに発生する磁束Ｃを示し、破線の矢印は、永久磁石１０４から放出される磁束Ｄを示している。
一次コイル１０１に一次電流が流れているときには、当該一次コイル１０１によって発生した磁束Ｃは実線の矢印が示す方向に磁気回路内を透る。
磁束Ｄは前述のバイアス磁界を表すもので、磁束Ｃの逆方向に磁気回路内を透る。
センタ鉄心１０２を透る磁束Ｃは、永久磁石１０４を透ってサイド鉄心１０３（一辺部１０３ａ）に達する。そのため、磁束Ｃには、永久磁石１０４による磁気抵抗が作用する。

特開２００９−２９０１４７号公報

従来の内燃機関用点火コイルは上記のように構成されており、鉄心を逆方向に磁化する永久磁石の磁路と一次コイルが発生させた磁束の磁路が重複しており、同一形成されていた。そのため、一次コイルからの磁束を透す磁気回路は、永久磁石の着磁方向の厚みによって磁気抵抗が左右されている。
永久磁石は、機械的強度を確保するため適当な厚みが必要であり、極度に薄く形成することは不可能である。そのため当該磁気回路には構造的な制限が加わり、磁気抵抗を小さくする場合には限界値が生じるという問題点があった。

本発明は、上記の実情に鑑み提案されたもので、永久磁石の機械的強度を十分確保しながら磁束変化量を大きくすることを可能にした内燃機関用点火コイルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関用点火コイルは、一次電流を流す一次コイルと、前記一次コイルが発生した第１の磁束と交錯して二次電圧を発生させる二次コイルと、前記一次コイルの中心孔および前記二次コイルの中心孔に挿通されるセンタ鉄心と、前記一次コイルおよび前記二次コイルの周囲を囲い、前記センタ鉄心と接合して前記第１の磁束を透す磁気回路を形成する環状のサイド鉄心と、前記センタ鉄心と前記サイド鉄心との間に配設され、前記第１の磁束に対して逆向きの第２の磁束を前記磁気回路に放出して磁気バイアスを印加する永久磁石とを備え、前記サイド鉄心は、前記永久磁石と接合する前記センタ鉄心の端部側方に向って突出した凸部を有し、前記センタ鉄心の端部側方と前記サイド鉄心の凸部との間に空隙を設け、前記空隙は、前記第１の磁束が前記永久磁石を磁路としたときの磁気抵抗よりも該空隙を磁路としたときの磁気抵抗が小さくなるように設けられたことを特徴とする。

また、前記センタ鉄心は、前記一次コイルの中心孔および前記二次コイルの中心孔に挿通させる垂直部と、前記永久磁石と接合する端部を前記垂直部に対して鉛直方向に延設した水平部とを有するＴ字型に形成され、前記水平部の端部を前記サイド鉄心の凸部と対向させて前記空隙を形成することを特徴とする。

また、前記センタ鉄心の端部側方と前記サイド鉄心の凸部との間に樹脂部材を配設して前記空隙を充填したことを特徴とする。

また、前記一次コイルを巻回する前記樹脂部材からなる筒状の芯材に鍔部を備え、前記芯材の中心孔に前記センタ鉄心の垂直部を挿通して前記センタ鉄心の水平部と前記鍔部とを接合し、前記サイド鉄心を前記鍔部外側から装着して前記水平部の端部と前記サイド鉄心の凸部との間に前記鍔部の端部を挟み込んだことを特徴とする。

本発明によれば、磁気抵抗を小さくして閉磁路中の磁束変化量を大きくすることができ、二次電圧を効率良く誘起させることができる。

本発明の実施例による内燃機関用点火コイルの概略構成を示す説明図である。 図１の鉄心の概略構成を示す説明図である。 点火コイルに形成された磁気回路の磁化特性を示す説明図である。 従来の内燃機関用点火コイルに形成される磁気回路を示す説明図である。

以下、この発明の実施の一形態を図面に基いて説明する。
［実施例］

図１は、本発明の実施例による内燃機関用点火コイルの概略構成を示す説明図である。この図は、点火コイル１の概略縦断面を示したもので、磁気回路および一次コイルを明確に表すため二次コイル等の図示を省略している。
点火コイル１は、鉄芯１０、一次コイル１１、永久磁石１４などによって構成されている。鉄心１０は、Ｔ字状に形成されたセンタ鉄心１２、環状に形成されたサイド鉄心１３によって構成されている。

一次コイル１１は、例えば円筒状の芯材に巻線が巻回されたもので、筒状中心孔にはセンタ鉄心１２のＴ字状垂直部１２ａが挿通されている。なお、前述の二次コイルについても円筒状芯材に巻線が巻回されたものである。また、一次コイル１１および二次コイルの各芯材等は、例えば樹脂材等を用いて形成されている。
センタ鉄心１２のＴ字状水平部１２ｂは、一次コイル１１の中心孔から露出して永久磁石１４に接触している。
永久磁石１４は、例えば平板状に形成されており、センタ鉄心１２のＴ字状水平部１２ｂと同一の幅員あるいは径を有し、図中上下の各端部（端面）を磁極としたものである。なお、ここで例示した永久磁石１４は、Ｎ極（下端面）をセンタ鉄心１２に接しており、Ｓ極（上端面）をサイド鉄心１３に接している。

図２は、図１の鉄心の概略構成を示す説明図である。この図は、鉄心１０の構成例を示したもので、図１と同様に一次コイル１１の巻回側面を正面視したとき、Ｔ字状となるセンタ鉄心１２と、環状となる鉄心１３の各形状を示している
サイド鉄心１３は、センタ鉄心１２と同様な磁性材料によって形成されたもので、例えば、略Ｕ字状の第１サイド鉄心１３ａと、略Ｉ字状の第２サイド鉄心１３ｂの２つの部材からなり、これらを接合することによって環状となるように構成されている。
なお、センタ鉄心１２、第１サイド鉄心１３ａ、第２サイド鉄心１３ｂは、例えば、図示した形状の薄鋼板を複数枚積層することによって形成されている。

第２サイド鉄心１３ｂは、環状内側となる部位に前述の永久磁石１４の磁極部分が接触する。
センタ鉄心１２は、Ｔ字状水平部１２ｂ長手部分の上端が、永久磁石１４を含む磁路として、第２サイド鉄心１３ｂに接続されている。
第２サイド鉄心１３ｂは、上記のようにセンタ鉄心１２のＴ字状水平部１２ｂを、永久磁石１４を介して当該第２サイド鉄心１３ｂに接続したとき、Ｔ字状水平部１２ｂ長手方向の側端１２ｃと対向配置される凸部１３ｃを、当該第２サイド鉄心１３ｂの長手方向両端に各々備えている。

鉄心１０は、第２サイド鉄心１３ｂの凸部１３ｃとＴ字状水平部１２ｂの側端１２ｃとの間に、図１に示した空隙１５が設けられている。換言すると、空隙１５は、図１に示したように永久磁石１４の側方であって、当該永久磁石１４とセンタ鉄心１２との接合部分近傍に設置されている。
凸部１３ｃは、サイド鉄心１３の環状内側に突出するように形成されている。詳しくは、例えば図１に示したように、Ｔ字状水平部１２ｂを、永久磁石１４を介して第２サイド鉄心１３ｂに接続した状態において、永久磁石１４の側方端部よりもＴ字状水平部１２ｂの側端１２ｃに接近するように形成されている。

特にガソリンエンジンのエネルギ効率を高めるとき、燃焼室内の高気流化や高圧縮化などが図られており、これに伴って高い点火エネルギが要求されている。そのため、高効率型のガソリンエンジンでは閉磁路型の点火コイルが多用されている。
閉磁路型点火コイルには、小型化と高出力化を同時に図るため磁気回路内に永久磁石を備えたものがある。

ここで、永久磁石の残留磁束密度は１〜１．４テスラ（以下、［Ｔ］と記載する）であり、この永久磁石を磁気回路に組み込んだ場合、磁気回路に放出される磁束密度は約０．７［Ｔ］となる。
鉄心１０などに使用される例えば珪素鋼板は、最大飽和磁束密度が約２．１［Ｔ］であり、磁化力がリニアに作用する範囲において最大磁束密度は約１．７［Ｔ］になる。
永久磁石が放出するバイアス磁力を高い効率で作用させるため、磁路となる鉄心の断面積と永久磁石の断面積の比を、例えば、概ね１：２．４、即ち、永久磁石の断面積を鉄心の断面積の約２．４倍となるように構成する。このように磁路を構成すると、永久磁石と直接接合している鉄心は約１．７［Ｔ］程、磁化される。

図１に示した点火コイル１は、永久磁石１４と直接接合しているセンタ鉄心１２を、前述のように約１．７［Ｔ］分逆方向に（一次コイル１１が発生する磁束Ａに対して逆方向に）磁化するように構成されている。
換言すると、例えば、珪素鋼板によって鉄心１０を構成した場合、センタ鉄心１２のＴ字状垂直部１２ａを透る磁束Ｂの磁束密度が１．７［Ｔ］となるように、Ｔ字状垂直部１２ａの断面積に対して、永久磁石１４の断面積が約２．４倍となるように、当該センタ鉄心１２と永久磁石１４の形状・サイズが設定されている。
なお、センタ鉄心１２のＴ字状水平部１２ｂは、永久磁石１４から放出される磁束Ｂを概ね全て吸引するように上端部を拡げて形成されており、この拡げられた上端部は、例えば接合する永久磁石１４の磁極端部と同一の形状およびサイズに形成されている。なお、Ｔ字状水平部１２ｂ上端部の形状は、永久磁石１４と同様であることに限定されない。

図１に示した実線の矢印は、一次コイル１１に直流の一次電流が流れているときに発生する磁束Ａを示し、破線の矢印は、永久磁石１４から放出される磁束Ｂを示している。
磁束Ｂは、永久磁石１４の図中下側表面からＴ字状水平部１２ｂへ放出される。ここで、Ｔ字状水平部１２ｂの側端１２ｃは、空隙１５を設けて第２サイド鉄心１３ｂと直接接触していないため、Ｔ字状水平部１２ｂに放出された磁束Ｂは、Ｔ字状垂直部１２ａを透り、当該Ｔ字状垂直部１２ａの図中下端から第１サイド鉄心１３ａに進行する。

この後、磁束Ｂは、図中左右に分かれて第１サイド鉄心１３ａを透り、各々第２サイド鉄心１３ｂの長手方向各端部（第１サイド鉄心１３ａと第２サイド鉄心１３ｂの接合部分）へ向かって進行する。
磁束Ｂは、上記のようにセンタ鉄心１２およびサイド鉄心１３を透り、第２サイド鉄心１３ｂの環状内側となる部位から永久磁石１４の磁極（Ｓ極）部分に帰還する。
この磁束Ｂは、後述する磁束Ａに対して逆向きであり、センタ鉄心１２およびサイド鉄心１３によって構成された磁気回路に永久磁石１４が印加する磁気バイアスを示している。

磁束Ａは、一次コイル１１に直流の一次電流が流れているとき、次のようにセンタ鉄心１２およびサイド鉄心１３の各部（磁気回路）を透る。
一次コイル１１の周囲に発生した磁束Ａは、一次コイル１１の中心孔および図示を省略した二次コイルの中心孔に挿通されたセンタ鉄心１２に概ね集束され、例えば、Ｔ字状垂直部１２ａ側からＴ字状水平部１２ｂ側に向って当該センタ鉄心１２を透る。また、上記の一次コイル１１周囲の磁束Ａは、当該一次コイル１１の外周側に放射されたものがサイド鉄心１３に集束され、後述するように当該サイド鉄心１３およびセンタ鉄心１２を透る。
センタ鉄心１２を透る磁束Ａの大部分は、磁気抵抗が比較的大きな経路を回避するため、永久磁石１４を透らずにＴ字状水平部１２ｂの長手方向の両端部（各側端１２ｃ）に進行し、各空隙１５を透って第２サイド鉄心１３ｂの各凸部１３ｃへ達する。

磁束Ａは、空隙１５を磁路としたときの磁気抵抗と比べて、永久磁石１４を磁路としたときの磁気抵抗が大きいため、上記のように空隙１５を含む（永久磁石１４を含まない）磁路を透る。
即ち、空隙１５は、当該空隙１５を磁路としたときの磁気抵抗が、永久磁石１４を磁路としたときの磁気抵抗よりも小さくなるように設定されている。詳しくは、空隙１５の間隔、即ち側端１２ｃと凸部１３ｃとの間の距離長さ、側端１２ｃおよび凸部１３ｃの対向している部位の面積(磁路の断面積)、側端１２ｃと凸部１３ｃとの間の透磁率等は、上記のような大きさの磁気抵抗となるように設定され、またこのような設定となるように当該部分が構成されている。

また、上記の空隙１５の磁気抵抗は、サイド鉄心１３等によって構成された（永久磁石１４の磁極間を接続する）磁気回路の磁気抵抗よりも大きくなって、大部分の磁束Ｂは空隙１５を透ることのないように設定されている。
磁束Ａは、上記の凸部１３ｃから第２サイド鉄心１３ｂと第１サイド鉄心１３ａとの接合部分に進行し、第１サイド鉄心１３ａを透って略Ｕ字状の中央部分からセンタ鉄心１２の下端、即ちＴ字状垂直部１２ａの先端部へ進行し、当該Ｔ字状垂直部１２ａならびに一次コイル１１等に帰還する。このように、磁束Ａは永久磁石１４を回避した磁気回路を巡る。

上記の空隙１５は、空気中を磁束Ａが透るエアギャップとしてもよいが、例えば、樹脂等の材料を用いて形成された、一次コイル１１の芯材（ボビン）や前述の各鉄心の表面を覆っているカバー材などの一部分、各鉄心表面を覆っているコーティング材などを挿入または充填してもよい。このように構成すると、空隙１５近傍の機械的な強度を高めることができ、点火コイル１の耐衝撃性が向上する。
点火コイル１を組み立てるとき、例えば、センタ鉄心１２のＴ字状水平部１２ｂの上端部分に永久磁石１４を装着する。このセンタ鉄心１２を、Ｔ字状垂直部１２ａ下端部から一次コイル１１が巻回された筒状の芯材の中心孔に挿通する。
ここで上記の一次コイル１１の芯材は、その上端を当該芯材径方向に張り出して鍔部とし、センタ鉄心１２を芯材中心孔に挿通させたとき、Ｔ字状水平部１２ｂを上記鍔部に載置するように形成されている。

上記の芯材中心孔は、センタ鉄心１２の位置決めを行うように配置構成されており、具体的には、センタ鉄心１２が何れかの方向へ偏ることのないように位置決めを行い、また、例えばＴ字状垂直部１２ａを支持固定する形状に形成されている。
また、上記芯材の鍔部は、その上端部分に、例えば、センタ鉄心１２のＴ字状水平部１２ｂおよび永久磁石１４と係合もしくは嵌合する凹部（または溝部等）を備えており、Ｔ字状水平部１２ｂおよび永久磁石１４を位置決め固定するように構成されている。なお、鍔部にＴ字状水平部１２ｂを接合したとき、永久磁石１４の上端面（磁極部分）は、鍔部の上面から露出している。

上記の鍔部は、一次コイル１１の外周から径外側へ突出し、例えば側端１２ｃを含めたＴ字状水平部１２ｂ全体を覆うように、換言すると、Ｔ字状水平部１２ｂを埋め込むように形成されている。また、鍔部の上端部分は、第２サイド鉄心１３ｂの環状内側となる部位に接する（例えば密着する）ように形成されている。
前述のように、一次コイル１１の芯材中心孔にセンタ鉄心１２を挿通させ、Ｔ字状水平部１２ｂ、永久磁石１４などを固定した後、永久磁石１４ならびに芯材鍔部の外側（図１等において上側）部分に第２サイド鉄心１３ｂを装着する。
上記のように、鍔部ならびに永久磁石１４等に第２サイド鉄心１３ｂを接合した後、図１、２等において、第２サイド鉄心１３ｂの長手方向両端の下端部に、第１サイド鉄心１３ａの各端部を接合する。

第２サイド鉄心１２ｂは、前述のように長手両端に凸部１３を有し、Ｔ字状水平部１２２ｂの側端１２ｃと対向するように形成されている。この第２サイド鉄心１３ｂを永久磁石１４に接合すると、前述のようにＴ字状水平部１２ｂの側端１２ｃは鍔部に覆われていることから、当該鍔部の側端部が、側端１２ｃと凸部１３ｃとの間に挟み込まれ、空隙１５内に芯材の一部分が挿入または充填された状態になる。
換言すると、上記の芯材によってセンタ鉄心１２と第２サイド鉄心１３ｂの位置決めが行われ、鍔部の側端部が空隙１５の間に挟み込まれることにより、当該空隙１５内の間隔が良好な精度で所定距離となる。そのため、上記の各鉄心の位置関係もしくは空隙１５に偏り等が生じることを防ぐことができ、小さな磁気抵抗値において偏向やばらつきなどを抑えて、点火コイル１の出力性能等を安定させることができる。また、このように磁束Ａの磁気回路において磁気抵抗を小さくすると、充分な一次電流の確保が難しくなる、例えば、バッテリ電圧が低い場合や、一次電流の通電時間が短くなる内燃機関の高回転運転時などにおいても、点火コイル１の出力電圧（二次電圧）低下を極力抑えることができる。

図３は、点火コイルに形成された磁気回路の磁化特性を示す説明図である。この図は、縦軸が一次コイルによって発生する磁束、具体的には一次コイルに流れる一次電流の導通と遮断を行ったとき磁気回路を透る磁束の変化量を示したものである。なお、横軸は一次コイルに流した一次電流の大きさ（導通時の値）を示している。
図中、実線の特性曲線Ｅは、センタ鉄心１２とサイド鉄心１３との間に前述の空隙１５を設けたもので、破線の特性曲線Ｆは、空隙１５を設けていない例えば図４に示した鉄心を用いたものの特性を示している。なお、これらの特性曲線は、空隙１５の有無以外については同様に構成された点火コイルの特性を示すものである

特性曲線Ｅと特性曲線Ｆの比較から、一次コイル１１が発生した磁束Ａのバイパス経路、即ち、永久磁石１４を回避する磁路として空隙１５を設けたときには、一次電流の導通・遮断による磁束変化量が大きくなることがわかる。即ち、空隙１５を設けることによって、永久磁石１４の着磁方向の厚みが磁気抵抗に影響することを抑えることができる。
換言すると、磁束Ａに作用する磁気抵抗を、永久磁石１４の厚みを薄くすることなく低減することができ、また、空隙１５の間隔、空隙１５における磁路の断面積、透磁率などを適切な値に設定することによって、磁気抵抗を調整することも可能になる。

以上のように本実施例によれば、逆向きの磁気バイアスを磁気回路に印加する構成であっても、一次コイルによって発生した磁束は磁気抵抗の小さい磁路を透ることができ、二次電圧を発生させる効率を高めることができる。

１点火コイル
１０鉄心
１１一次コイル
１２センタ鉄心
１３サイド鉄心
１３ａ第１サイド鉄心
１３ｂ第２サイド鉄心
１４永久磁石
１５空隙
１００点火コイル
１０１一次コイル
１０２センタ鉄心
１０２ａ，１０２ｂ端部
１０３サイド鉄心
１０３ａ一辺部
１０４永久磁石

Claims (4)

1. 一次電流を流す一次コイルと、
   前記一次コイルが発生した第１の磁束と交錯して二次電圧を発生させる二次コイルと、
   前記一次コイルの中心孔および前記二次コイルの中心孔に挿通されるセンタ鉄心と、
   前記一次コイルおよび前記二次コイルの周囲を囲い、前記センタ鉄心と接合して前記第１の磁束を透す磁気回路を形成する環状のサイド鉄心と、
   前記センタ鉄心と前記サイド鉄心との間に配設され、前記第１の磁束に対して逆向きの第２の磁束を前記磁気回路に放出して磁気バイアスを印加する永久磁石と、
   を備え、
   前記サイド鉄心は、
   前記永久磁石と接合する前記センタ鉄心の端部側方に向って突出した凸部を有し、
   前記センタ鉄心の端部側方と前記サイド鉄心の凸部との間に空隙を設け、
   前記空隙は、
   前記第１の磁束が前記永久磁石を磁路としたときの磁気抵抗よりも該空隙を磁路としたときの磁気抵抗が小さくなるように設けられた、
   ことを特徴とする内燃機関用点火コイル。
2. 前記センタ鉄心は、
   前記一次コイルの中心孔および前記二次コイルの中心孔に挿通させる垂直部と、
   前記永久磁石と接合する端部を前記垂直部に対して鉛直方向に延設した水平部と、
   を有するＴ字型に形成され、
   前記水平部の端部を前記サイド鉄心の凸部と対向させて前記空隙を形成する、
   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。
3. 前記センタ鉄心の端部側方と前記サイド鉄心の凸部との間に樹脂部材を配設して前記空隙を充填した、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用点火コイル。
4. 前記一次コイルを巻回する前記樹脂部材からなる筒状の芯材に鍔部を備え、
   前記芯材の中心孔に前記センタ鉄心の垂直部を挿通して前記センタ鉄心の水平部と前記鍔部とを接合し、
   前記サイド鉄心を前記鍔部外側から装着して前記水平部の端部と前記サイド鉄心の凸部との間に前記鍔部の端部を挟み込んだ、
   ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用点火コイル。

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