JP6509424B2

JP6509424B2 - 内燃機関用点火コイル装置

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Publication number: JP6509424B2
Application number: JP2018501524A
Authority: JP
Inventors: 貴志井戸川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: US20180350516A1; US10438740B2; WO2017145355A1; CN108701537A; DE112016006501T5; JPWO2017145355A1; CN108701537B

Description

本発明は主として車両用内燃機関、例えば自動車の内燃機関に取り付けられ、点火プラグに高電圧を供給し火花放電を発生させる点火コイル装置に関するものである。

近年の燃費改善のニーズよりエンジン（内燃機関）圧縮比を向上させ燃費向上を図る車両や、ダウンサイジングターボ化により燃費改善を図る車両が開発されている。
圧縮比増加により、点火コイル装置としては出力電圧を増加させる必要があり、これとともに、点火コイル装置内部の耐圧を向上させる必要がある。
またその他補機取付による燃費改善策も採用される場合もあり、点火コイル装置取付スペースに制限が加わることから点火コイル装置として小型・軽量化のニーズもある。
このため、点火コイル装置としては小型で高出力電圧、高耐圧であることが望まれている。

内燃機関用点火コイル装置は、例えば、センタ鉄心（中心コア）の外周に１次コイルと２次コイルを巻回し、その外側に、サイド鉄心（外周コア）を配置して構成される。
これら部品は、絶縁ケース内に収容され、ケース内の空間には絶縁樹脂等が充填されて絶縁を保っている。
また、冷熱応力緩和のために、サイド鉄心の周囲をエラストマ材で被覆している構造のものがあり、点火コイル装置の組付け性のためサイド鉄心を分割したり、磁気効率向上のため、サイド鉄心の分割位置にマグネットを挿入したりして用いるものがある。
サイド鉄心の分割端部及びエラストマ材の分割端部には電界集中や冷熱応力集中が発生し、電界集中による絶縁性の低下や、応力集中による剥離、クラックなどによる絶縁性の低下が生じる場合があり、サイド鉄心の周囲をエラストマ材で被覆する構造は、熱応力緩和には有効であるものの、エラストマ材自身の耐電圧特性は、絶縁樹脂等の絶縁充填材と比較して低い。
また２次コイルが巻装される２次ボビンと絶縁樹脂の境界面は、絶縁樹脂または２次ボビンより絶縁耐圧が劣る。
しかも、エラストマ材と絶縁充填材との間で剥離が生じた場合は、剥離部空気層の電界が高くなるため、電界集中部や絶縁耐力が弱い部分の絶縁距離を確保する必要がある。
また、大型化を防ぎ絶縁性を確保するために２次ボビンの壁面高さを低くするなどして絶縁性を高めた例がある(特許文献１参照)。

特開２０１５−１０９２９７号公報

しかし、従来の内燃機関用点火コイル装置においては、単純に絶縁距離を確保した場合、大型化につながり、２次ボビンの高さを低くした場合、２次コイルの巻線部の壁がなくなる部分が出来るため、巻線の乱れが発生し、巻線内の絶縁性が低下する懸念があった。

本発明は、上記に鑑み提案されたもので、大型化を抑制し、２次コイル内の絶縁性を低下させることなく２次コイルとサイド鉄心との間の絶縁性を確保する内燃機関用点火コイル装置を得ることを目的としている。

本発明の内燃機関用点火コイル装置は、筒状の１次ボビンに巻装された１次コイルと、軸方向に間隔を置いて複数のフランジが並行に形成された筒状の２次ボビンと、前記２次ボビンのフランジ間に区画された複数のセクションに巻装され、前記１次コイルの外周に同心的に配置された２次コイルと、前記１次ボビンを貫通し、前記１次コイル及び２次コイルと同心的に配置されたセンタ鉄心と、前記センタ鉄心と共に磁気経路を形成するように前記１次コイル及び２次コイルを囲むと共に、前記２次コイルと対向する部分に形成された分割部において複数に分割されたサイド鉄心と、前記分割された各サイド鉄心の周囲をそれぞれ被覆するエラストマ材と、前記センタ鉄心、１次コイル、２次コイル、サイド鉄心、エラストマ材を収納し、内部空間に絶縁樹脂が注入硬化された絶縁ケースを備えた内燃機関用点火コイル装置において、前記サイド鉄心及びエラストマ材は、前記分割部側の端部である分割端部の２次コイル側コーナー部の位置が前記２次コイルの軸方向において前記２次ボビンのフランジの配置位置と異なるように設定されている。

本発明の内燃機関用点火コイル装置によれば、電界及び応力が集中するサイド鉄心及びエラストマ材の分割端部における２次コイル側コーナー部を、絶縁性が低下する２次ボビンのフランジ部から離して配置することができ、２次ボビンのフランジを小さくすることなく大型化を防ぎ耐圧を確保することができる。

本発明の実施の形態１の内燃機関用点火コイル装置を示す要部断面図である。図1の要部を示す拡大断面図である。本発明の実施の形態２の内燃機関用点火コイル装置を示す要部断面図である。本発明の実施の形態３の内燃機関用点火コイル装置を示す要部断面図である。本発明の実施の形態４の内燃機関用点火コイル装置を示す要部断面図である。図５の要部を示す拡大断面図である。

実施の形態１．
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明の実施の形態１の内燃機関用点火コイル装置を示す要部断面図、及び要部拡大断面図である。
図１において、絶縁ケース50内に、筒状の１次ボビン10に巻装された１次コイル11が設けられている。
１次ボビン10の外側には、筒状の２次ボビン20が設けられ、２次ボビン20には２次コイル21が巻装されている。
Ｉ型のセンタ鉄心30が１次ボビン10の中心を貫通し、１次コイル11及び２次コイル21がセンタ鉄心30に対し同心的に配置されている。
センタ鉄心30と共に磁気経路を形成するサイド鉄心31は、複数に分割されたＣ型サイド鉄心を形成し、１次コイル11及び２次コイル21を囲むように配置されている。
サイド鉄心31は、冷熱応力緩和のために、外周を熱硬化性又は熱可塑性エラストマなどのエラストマ材40で覆われている。
絶縁ケース50内には、熱硬化性エポキシ樹脂などの絶縁樹脂60が注入され、その後固化されている。

なお、図示されていないが、この点火コイル装置には、例えば、特開2010-27669号公報の点火コイル装置と同様に、絶縁ケース50内に収納され１次コイル11への電流の通電・遮断を行うイグナイタや、絶縁ケース50と一体に設けられ、イグナイタと電気的に接続される低圧側コネクタと、点火プラグと電気的に接続される高圧側コネクタなどが設けられている。
外部の電子制御ユニットからの駆動信号が、低圧側コネクタを介してイグナイタに流れ、１次コイル11に流れる１次電流の通電、遮断を制御する。
この駆動信号により、内燃機関の所定の点火時期に１次コイル11に流れる１次電流を遮断すると、１次コイル11に逆起電力が発生し、２次コイル21に高電圧を発生する。
発生した高電圧は、高圧側コネクタを介して点火プラグに印加される。

図１において、２次コイル21が巻装されている２次ボビン20は、筒状基部の外周を取り巻く環状の平板からなる複数のフランジ20a（図では７個）が軸方向に所定間隔をおいて並設され、隣り合うフランジ20a間に複数のセクション（図では６個）を区画形成している。
２次コイル21は、フランジ20aによって区画された各セクションに分割巻線され、軸方向の一端側から他端側のセクションへ、所定線径の絶縁被覆銅線を所定のターン数巻回することを繰返して構成される。
通常は、２次コイル21は、イグナイタ側(図１の右端側)が低電圧側となり、他端側である（図１の左端側）が高電圧側となる。

本実施形態1では、サイド鉄心31は、２次コイル21と対向する部分に２次ボビン20のフランジ20aと平行な方向に形成された分割部33により２個のサイド鉄心31a,31bに分割され、各サイド鉄心31a,31bは、センタ鉄心30の端面を除いたほぼ全外周をそれぞれエラストマ材40a,40bにて被覆されている。
各サイド鉄心31a,31b及び各エラストマ材40a,40bは、分割部33側の端部である分割端部の２次コイル21に対向するコーナー部(以下、２次コイル側コーナー部という)32a,32b,41a,41bの位置が２次ボビン20の第３セクション中間付近に設定されている。
また、各サイド鉄心31a,31b及び各エラストマ材40a,40bの分割端部におけるコーナー部32a,32b,41a,41bは、Ｒ形状を有するように形成されている(図２参照)。

上記のように本実施形態１の内燃機関用点火コイル装置は、２つに分割されたサイド鉄心31a,31bと、これらのサイド鉄心31a,31bを被覆するエラストマ材40a,40bの分割端部の２次コイル側コーナー部32a,32b,41a,41bの位置が２次ボビン20の第３セクション中間付近に設定されている。
このため、電界及び冷熱応力が集中する各サイド鉄心31a,31b及び各エラストマ材40a,40bの分割端部の２次コイル側コーナー部32a,32b,41a,41bを、絶縁性が絶縁樹脂60と比較して劣る２次ボビン20のフランジ20aから離して絶縁距離を十分に確保できるため、不要な大型化を避け絶縁性を確保することができる。
また、各サイド鉄心31a,31b及び各エラストマ材40a,40bの分割端部におけるコーナー部32a,32b,41a,41bがＲ形状を有しているため、それらのコーナー部に過度な電界集中や冷熱応力が加わることを防ぐことができる。

なお、本実施形態１では各サイド鉄心31a,31bの２次コイル側コーナー部32a,32b及び各エラストマ材40a,40bの２次コイル側コーナー部41a,41bの位置を２次ボビン20の第３セクション中間付近としているが、これらのコーナー部32a,32b,41a,41bの位置は、２次コイル21の軸方向において２次ボビン20のフランジ20aの配置位置と異なるように設定されておれば、他のセクション間に設定されていてもよい。
また、各サイド鉄心31a,31bの２次コイル側コーナー部32a,32b及び各エラストマ材40a,40bの２次コイル側コーナー部41a,41bの位置を２次ボビン20の同一セクション内に設定しているが、互いに異なるセクション内に設定してもよい。

以上のように、本実施形態1の内燃機関用点火コイル装置は、筒状の１次ボビン10に巻装された１次コイル11と、軸方向に間隔を置いて複数のフランジ20aが並行に形成された筒状の２次ボビン20と、２次ボビン20のフランジ20a間に区画された複数のセクションに巻装され、前記１次コイル11の外周に同心的に配置された２次コイル21と、１次ボビン10を貫通し、１次コイル11及び２次コイル21と同心的に配置されたセンタ鉄心30と、センタ鉄心30と共に磁気経路を形成するように１次コイル11及び２次コイル21を囲むと共に、２次コイル21と対向する部分に形成された分割部33において複数に分割されたサイド鉄心31a,31bと、分割された各サイド鉄心31a,31bの周囲をそれぞれ被覆するエラストマ材40a,40bと、センタ鉄心30、１次コイル11、２次コイル21、サイド鉄心31a,31b、及びエラストマ材40a,40bを収納し、内部空間に絶縁樹脂60が注入硬化された絶縁ケース50を備えた内燃機関用点火コイル装置において、各サイド鉄心31a,31b及び各エラストマ材40a,40bは、分割部33側の端部である分割端部の２次コイル側コーナー部32a,32b,41a,41bの位置が２次コイル21の軸方向において２次ボビン20のフランジ20aの配置位置と異なるように設定されている。
このように構成した内燃機関用点火コイル装置は、電界及び冷熱応力が集中するサイド鉄心及びエラストマ材の分割端部における２次コイル側コーナー部を、絶縁性が絶縁樹脂と比較して劣る２次ボビンのフランジ部からの距離を十分に確保できるため、不要な大型化を避け絶縁性を確保することができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２の内燃機関用点火コイル装置を示す要部断面図である。
本実施形態２では、図３に示すように各サイド鉄心31a,31bの分割端部及び各サイド鉄心31a,31bを被覆する各エラストマ材40a,40bの分割端部における２次コイル側コーナー部32a,32b,41a,41bの位置を２次ボビン20の第１セクション中間付近に設定している。その他の構成は実施形態１と同様である。

以上のように構成した内燃機関用点火コイル装置は、２次ボビン20の第１セクション(低圧側)の電位が最も低いため２次コイル側コーナー部32a,32b,41a,41bに電界が集中した場合にも絶縁樹脂の耐圧を超えることがなく、大型化することなく絶縁性を確保することができる。
また、通常２次コイル21の電位分布の平準化を考慮した場合、２次ボビン20の第１セクション幅が最も広いため、２次コイル21の耐圧を確保しつつ２次ボビン20のフランジ20aからの距離を確保することも容易になる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３の内燃機関用点火コイル装置を示す要部断面図である。
本実施形態３では図４に示すように、サイド鉄心31の分割部33を２次ボビン20のフランジ20aに対し傾斜する斜辺とするとともに、各サイド鉄心31a,31bの２次コイル側コーナー部32a,32bの位置を２次ボビン20の第１セクション中間付近に設定している。
また、サイド鉄心31aを被覆するエラストマ材40aの分割端部における２次コイル側コーナー部41aの位置を２次ボビン20の第２セクション中間付近、サイド鉄心31bを被覆するエラストマ材40bの分割端部における２次コイル側コーナー部41bの位置を２次ボビン20の第３セクション中間付近に設定している。

一般的にエラストマ材の厚みは0.5mm〜1.5mm程度に設定され、２次ボビン20の各セクション幅＋フランジ厚みは最も狭い高圧側においても1.5mm以上と設定されるため、エラストマ材40a,40bの分割端部における２次コイル側コーナー部41a,41bを２次ボビン20の異なるセクション間に設けることで、エラストマ材の厚みに対し、エラストマ材40a,40bの分割端部間の距離(以下、分割間距離という)を大きくすることが可能である。
本実施形態では、エラストマ材40a,40bの厚みを1.0mm程度に設定すると共に、２次コイル側コーナー部41aを第２セクション、２次コイル側コーナー部41bを第３セクション中間付近に設定することで、エラストマ材40a,40bは5.0mm程度の分割間距離を有し、エラストマ材40a,40bの厚み以上の分割間距離を有するように構成している。その他の構成は実施形態1と同様である。

分割された各々のサイド鉄心31a,31bをエラストマ材40a,40bで被覆する場合、サイド鉄心31a,31bやエラストマ材40a.40bの寸法ばらつきや成形後の収縮などによりエラストマ材間の距離ばらつきが発生するが、これらが発生した場合にも、サイド鉄心31a,31bの分割端部間にギャップが生じない(エラストマ材同士がサイド鉄心より先に接触しない)ようにする必要があり、また、ばらつきによってはエラストマ材間にギャップが発生する事になるため、エラストマ材間に狭小な絶縁樹脂層が形成されることとなる。
しかし、エラストマ材と絶縁樹脂の線膨張係数は異なるため、冷熱応力が絶縁樹脂層に印加されることになり、この部分の強度が十分でない場合、クラックが発生する懸念がある。

よって本実施形態３のように、各サイド鉄心31a,31bを覆う各エラストマ材40a,40bの分割端部間に、少なくともエラストマ材40a,40bの厚み以上の分割間距離をあけるように構成すれば、エラストマ材間に注入、硬化される絶縁樹脂層が薄くなる事を防止できるため、冷熱応力印加時に絶縁樹脂層にクラックが発生する可能性が低くなり、冷熱応力印加時に絶縁性が低下することを防止できる。
また、本実施形態３のように各サイド鉄心31a,31b及び各のエラストマ材40a,40bの分割端部の２次コイル側コーナー部31a,31b,41a,41bの位置を２次ボビン20の異なるセクションに位置させることにより、セクション間が狭い２次ボビンを用いる場合にも２次ボビンのフランジと、各サイド鉄心の分割端部間及び各エラストマ材の分割端部間の分割距離を十分保つことができ不要な大型化を抑制し耐久性を確保することができる。
また、本実施形態３では、サイド鉄心31の分割部33を斜辺としているため、分割部間のギャップ長は断面が垂直でも斜面でも同じレベルであるのに対し、磁気回路の断面積が増加し部品バラツキによる磁気抵抗の増加を抑制することができる。

なお、本実施形態３ではサイド鉄心31の分割部33を２次ボビン20の第１セクションから第２セクションに渡って斜めに形成し、エラストマ材40aの分割端部の２次コイル側コーナー部41aの位置を２次ボビン20の第２セクション中間付近、エラストマ材40bの分割端部の２次コイル側コーナー部41bの位置を２次ボビン20の第３セクション中間付近に設定しているが、各エラストマ材40a,40bの分割端部間に隙間ができるような構成であれば、別のセクションに対応する位置に設定してもよい。

実施の形態４．
図５及び図６は、本発明の実施の形態４の内燃機関用点火コイル装置を示す要部断面図、及び要部拡大断面図である。
本実施形態４では、図５に示すようにサイド鉄心31の分割部33を、２次ボビン20のフランジ20aに対し２次ボビン20の第２セクションから第３セクションに渡って傾斜する斜辺とするとともに、サイド鉄心31の分割部33間に磁気効率向上のためのマグネット70を挿入し、マグネット70の２次コイル対向側のエッジ部70aをサイド鉄心31aの２次コイル対向面に対しより内側(２次コイル21から離れる側)となるよう構成した（図６参照）。
また、各サイド鉄心31a,31bの分割端部の２次コイル側コーナー部32a,32bの位置を２次ボビン20の第２セクション中間付近に設定している。
更に、サイド鉄心31aを被覆するエラストマ材40bの分割端部の２次コイル側コーナー部41bの位置を２次ボビン20の第１セクション、エラストマ材40aの分割端部の２次コイル側コーナー部41aの位置を２次ボビン20の低圧側セクション端の壁面外とし、エラストマ材40a、40bの分割端部に対して、分割間距離を大きく確保している。
更に、サイド鉄心31bの分割端部の２次コイル側コーナー部32b の角度がサイド鉄心31a側の分割端部の２次コイル側コーナー部32aの角度と比較して鋭角になるようにしている。
更に、サイド鉄心31b及びマグネット70のコーナー全周をエラストマ材40bで覆うとともに、エラストマ材40bでマグネット70の組み付け面周囲を囲む構成をとっている。その他の構成は実施形態１と同様である。

以上のように構成した内燃機関用点火コイル装置は、サイド鉄心31の分割部33間に挿入されたマグネット70のエッジ部70aがサイド鉄心面より内側(２次コイル21から離れる側)にあるため、マグネット70の組み付け時にサイド鉄心面からマグネット70が突出することが無く、マグネット70のエッジ部に電界が集中した時にも絶縁距離を確保することができる。
また、本実施形態４では、サイド鉄心31の分割部33を斜辺とすると共に、サイド鉄心31の分割部33間にマグネット70を挿入しているため、磁気回路の断面積が増加し部品バラツキによる磁気抵抗の増加を抑制することができる上、分割部間に面積の大きいマグネットを挿入しやすい利点がある。
また、本実施形態４では、各サイド鉄心31a,31bの分割端部の２次コイル側コーナー部32a,32bは、２次ボビン20の高電圧側のフランジに近いサイド鉄心31b側の角度が、２次ボビン20の低電圧側のフランジに近いサイド鉄心31a側の角度と比較して鋭角になるようにし、鋭角側の２次コイル側コーナー部32bの方が鈍角側の２次コイル側コーナー部32aよりも２次ボビン20のフランジ20aとの距離が若干遠くなるように配置されており、このためより大きな電界や冷熱応力が印加される鋭角側のサイド鉄心31bと、絶縁耐量が劣る２次ボビン20のフランジ20a間の距離を確保することができる。
更に、サイド鉄心31b及びマグネット70のコーナー全周をエラストマ材40bで覆う構成をとっているため、サイド鉄心31b及びマグネット70のコーナー部全周の冷熱応力を緩和できる。
また、エラストマ材40bでマグネット70の組み付け面周囲を囲む構成をとっているため、エラストマ材40bがマグネット70の組み付け時の位置決めとして働き組付け性が向上し、組み付け時にマグネット70が２次コイル21側へ移動することも防止することができる。

なお、本実施形態４ではサイド鉄心31の分割部33を２次ボビン20の第２セクションから第３セクションに渡って斜めに形成し、エラストマ材40bの分割端部の２次コイル側コーナー部41bの位置を２次ボビン20の第１セクション中間付近、エラストマ材40aの分割端部の２次コイルに対向するコーナー部41aの位置を２次ボビン20の低圧セクション端の壁面外に設定しているが、マグネットがサイド鉄心面から２次コイル側に飛び出さない形態であれば、エラストマ材で覆っていない構成でもマグネットへの電界集中及び冷熱応力時の剥離やクラックなどによる絶縁性低下の問題は無くなる。
またエラストマ材がマグネットを覆う構成であれば、マグネットに対し位置ズレ防止の機能を果たすことができるため、エラストマ材の分割位置は２次ボビンの別セクションにあっても問題ない。

以上、本発明の実施の形態を記述したが、本発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

10 1次ボビン、11 1次コイル、20 ２次ボビン、20a フランジ、21 ２次コイル、30 センタ鉄心、31,31a,31b サイド鉄心、32a,32b ２次コイル側コーナー部、33 分割部、40,40a,40b エラストマ材、41a,41b ２次コイル側コーナー部、50 絶縁ケース、60 絶縁樹脂、70 マグネット、70a マグネットのエッジ部。

Claims

筒状の１次ボビンに巻装された１次コイルと、
軸方向に間隔を置いて複数のフランジが並行に形成された筒状の２次ボビンと、
前記２次ボビンのフランジ間に区画された複数のセクションに巻装され、前記１次コイルの外周に同心的に配置された２次コイルと、
前記１次ボビンを貫通し、前記１次コイル及び２次コイルと同心的に配置されたセンタ鉄心と、
前記センタ鉄心と共に磁気経路を形成するように前記１次コイル及び２次コイルを囲むと共に、前記２次コイルと対向する部分に形成された分割部において複数に分割されたサイド鉄心と、
前記分割された各サイド鉄心の周囲をそれぞれ被覆するエラストマ材と、
前記センタ鉄心、１次コイル、２次コイル、サイド鉄心、及びエラストマ材を収納し、内部空間に絶縁樹脂が注入硬化された絶縁ケースを備えた内燃機関用点火コイル装置において、
前記サイド鉄心及びエラストマ材は、前記分割部側の端部である分割端部の２次コイル側コーナー部の位置が前記２次コイルの軸方向において前記２次ボビンのフランジの配置位置と異なるように設定されている
ことを特徴とする内燃機関用点火コイル装置。
前記各サイド鉄心及び各エラストマ材の分割端部は、前記２次コイル側コーナー部の位置が前記２次ボビンの低電圧側セクションに対応するように設定されてい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装置。
前記各サイド鉄心を覆う前記エラストマ材の分割端部は、前記エラストマ材の厚み以上の分割間距離を有する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装置。
前記サイド鉄心の分割端部間に挿入されたマグネットを有し、前記マグネットの２次コイル対向側のエッジ部を前記サイド鉄心の２次コイル対向面に対し前記２次コイルより離れる位置になるように配置したことを特徴とする請求項1から３のいずれか一項に記載の内燃機関用点火コイル装置。
前記各サイド鉄心及び前記各エラストマ材の分割端部の前記２次コイル側コーナー部はＲ形状を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関用点火コイル装置。
前記サイド鉄心の分割部を前記２次ボビンのフランジに対し傾斜する斜辺としたことを特徴とする請求項1から５のいずれか一項に記載の内燃機関用点火コイル装置。
前記サイド鉄心の分割端部の前記２次コイル側コーナー部は、鋭角側の２次コイル側コーナー部が鈍角側の２次コイル側コーナー部よりも前記２次ボビンのフランジとの距離が遠くなるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関用点火コイル装置。