JP6680058B2 - 内燃機関用の点火コイル - Google Patents

Description

本発明は、一次コイルを直接巻回したボビンと、ボビンの内側においてボビンに密着するよう配された中心コアとを有する内燃機関用の点火コイルに関する。

特許文献１には、内燃機関用の点火コイルとして、互いに磁気的に結合した一次コイル及び二次コイルと、一次コイルが巻回されたボビンと、ボビンの内側に配された中心コアとを有するものが開示されている。上記ボビンは、内側に中心コアを配した状態でインサート成形されている。これにより、中心コアを内側に配した状態のボビンを低コストで得られると共に、ボビンと中心コアとを一体として形成でき、部品点数の削減を図ることもできる。なお、上記中心コアは金属からなり、上記ボビンは樹脂からなる。

特許第２９８１７０２号公報

しかしながら、上記内燃機関用の点火コイルは、ボビンが、内側に中心コアを配した状態でインサート成形されており、かつ、中心コアの線膨張係数と樹脂製のボビンの線膨張係数とが異なる。それゆえ、ボビンと中心コアとの線膨張係数の差に起因した熱応力がボビンに作用し、ボビンにクラックが生じるおそれが考えられる。そして、ボビンのクラックが、ボビンの内周端から外周端まで形成されてしまうと、ボビンの内側にインサートされた中心コアと、ボビンの外周側に巻回された一次コイルとの間の電気的絶縁性を確保することができないおそれが考えられる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、中心コアを内側に埋設したボビンの、内周側と外周側との絶縁性を確保することができる内燃機関用の点火コイルを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、互いに磁気的に結合した一次コイル（２１）及び二次コイル（２２）と、
上記一次コイルが直接巻回されたボビン（３）と、
該ボビンの内側において、該ボビンに密着するよう配され、該ボビンとともに一体成形品を構成する中心コア（４）と、
上記一次コイル及び上記二次コイル、上記ボビン、並びに上記中心コアを、内側に埋設したモールド樹脂（５）と、を有し、
上記ボビンは、熱可塑性樹脂と、該熱可塑性樹脂中に分散された分散相粒子とを有し
該分散相粒子は、上記熱可塑性樹脂よりも低弾性であり、
上記ボビンは、スキン層（３２）、コア層（３３）、及び上記スキン層と上記コア層との間に形成された、上記分散相粒子が扁平化してなる扁平層（３４）、を有する、内燃機関用の点火コイル（１）にある。

上記内燃機関用の点火コイルにおいて、ボビンは、熱可塑性樹脂と分散相粒子とを有する。そして、分散相粒子は、上記熱可塑性樹脂よりも低弾性である。それゆえ、後述するように、ボビンの内周端から外周端に連なるクラックが形成されることを防止することができる。そのため、ボビンの内側に配された中心コアと、ボビンの外側に巻回された一次コイルとの間の絶縁性を確保することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、中心コアを内側に埋設したボビンの、内周側と外周側との絶縁性を確保することができる内燃機関用の点火コイルを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、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ものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、内燃機関用の点火コイルの断面図。 実施形態１における、ボビン、一次コイル、及びコネクタをＹ方向から見た側面図。 実施形態１における、ボビン及びコネクタをＹ方向から見た側面図。 実施形態１における、ボビン及びコネクタをＺ方向から見た下面図。 図２の、Ｖ−Ｖ線矢視断面図。 図５の、ボビン周辺の拡大断面図。 図６の、ボビンと一次コイルとの境界周辺の拡大図。 実施形態１における、ボビンを構成する溶湯が流れる様子を示す模式図。 実施形態１における、ボビンを構成する溶湯中のエラストマ粒子が、変形、移動する様子を示す模式図。 実施形態１における、ボビンを構成する溶湯中の複数のエラストマ粒子の形状が、スキン層の対向方向の位置によって異なる様子を示す模式図。 実施形態１における、ボビンを構成する溶湯中の複数のエラストマ粒子が、スキン層表面に凝集し、扁平化してエラストマ層を形成した様子を示す模式図。 実施形態１における剥離層が形成されたボビンの、Ｘ方向に直交する断面を示した模式図。 図１２の、ボビン周辺の拡大図。 実施形態１における、効果を示すための模式図。 実験例２における、エラストマ含有率と接着強度との関係を示した線図。

（実施形態１）
内燃機関用の点火コイルの実施形態につき、図１〜図１４を用いて説明する。
本実施形態の内燃機関用の点火コイル１は、図１に示すごとく、一次コイル２１及び二次コイル２２と、ボビン３と、中心コア４と、モールド樹脂５と、を有する。一次コイル２１及び二次コイル２２は、互いに磁気的に結合している。ボビン３は、一次コイル２１が直接巻回されている。中心コア４は、ボビン３の内側において、ボビン３に密着するよう配されている。モールド樹脂５は、一次コイル２１及び二次コイル２２、ボビン３、並びに中心コア４を、内側に埋設している。図５、図６に示すごとく、ボビン３は、熱可塑性樹脂と、熱可塑性樹脂中に分散された分散相粒子とを有する。分散相粒子は、熱可塑性樹脂よりも低弾性である。

本実施形態の点火コイル１は、例えば、自動車、コージェネレーション等の内燃機関に用いるものとすることができる。なお、以下において、一次コイル２１及び二次コイル２２の巻回軸方向をＸ方向という。

図１に示すごとく、中心コア４は、軟磁性材料からなる平板状の鋼板を、その厚み方向に複数積層してなる。中心コア４の鋼板の積層方向は、Ｘ方向に直交する方向である。以下において、中心コア４の鋼板の積層方向をＺ方向といい、Ｘ方向とＺ方向との双方に直交する方向をＹ方向という。

図３、図４に示すごとく、中心コア４は、直方体形状を有する直方体部４１と、Ｘ方向における直方体部４１の一端において、直方体部４１よりもＹ方向の両側に突出した突出部４２とを有する。なお、図３、図４において、中心コア４は、その外形を破線で表している。図５に示すごとく、直方体部４１は、Ｘ方向に直交する断面形状における四隅に角部４３を有する。

図１に示すごとく、中心コア４は、Ｘ方向の両端面を露出した状態で、ボビン３の内側に埋設されている。ボビン３は、中心コア４を内側に配した状態で、インサート成形されている。

ボビン３は、筒状を呈している。上述のごとく、ボビン３は、熱可塑性樹脂中に分散相粒子を分散させた材料からなる。本実施形態において、熱可塑性樹脂は、ポリブチレンテレフタレート樹脂（すなわちＰＢＴ樹脂）である。また、分散相粒子は、エラストマである。エラストマは、ポリブチレンテレフタレート樹脂よりも低弾性である。そして、ボビン３は、エラストマの含有率が、３〜１０質量％である。

図５、図６に示すごとく、ボビン３は、内周端部及び外周端部に形成された２つのスキン層３２と、この２つのスキン層３２の間に形成されたコア層３３とを有する。スキン層３２は、中心コア４を内側に配置した金型内のキャビティに溶湯を流しこんでボビン３を成形する際に、溶湯が金型及び中心コア４に熱を奪われて、比較的早期に固化する層である。そして、コア層３３は、スキン層３２よりも後に固化されて形成される層である。スキン層３２及びコア層３３は、ポリブチレンテレフタレート樹脂にエラストマ粒子が分散された状態にある。

２つのスキン層３２と、コア層３３との間には、それぞれ、エラストマ層３４が形成されている。エラストマ層３４は、複数のエラストマ粒子が凝集し、扁平化して連結された層である。エラストマ層３４は、ボビン３の全周にわたって形成されている。上述のごとく、エラストマは、ポリブチレンテレフタレート樹脂よりも低弾性であるため、エラストマからなるエラストマ層３４は、ポリブチレンテレフタレート樹脂にエラストマ粒子が分散されたスキン層３２及びコア層３３よりも強度が低い。便宜上、２つのスキン層３２のうち、内周側に形成されたものを内周側スキン層３２１、外周側に形成されたものを外周側スキン層３２２ということもある。また、便宜上、２つのエラストマ層３４のうち、内周側に形成されたものを内周側エラストマ層３４１、外周側に形成されたものを外周側エラストマ層３４２ということもある。

図１〜図４に示すごとく、ボビン３は、外周側に向って突出した一対の鍔部３６を有する。一対の鍔部３６は、互いに、Ｘ方向に一定間隔をあけて形成されている。図１、図２に示すごとく、ボビン３における一対の鍔部３６の間に、一次コイル２１が巻回されている。図１に示すごとく、一次コイル２１は、中心コア４における直方体部４１の外周側に巻回されている。図５、図６に示すごとく、一次コイル２１は、ボビン３の外周面に接触するよう巻回されている。

図１に示すごとく、一次コイル２１の外周側に、二次コイル用ボビン６が配されており、二次コイル用ボビン６に二次コイル２２が巻回されている。一次コイル２１及び二次コイル２２は、同心状に内外周に重なって配置されている。

また、点火コイル１は、ケース７を有する。ケース７は、一次コイル２１及び二次コイル２２、ボビン３、中心コア４、その他の点火コイル１を構成する部材を内部に収容するケース本体７１を有する。ケース本体７１はＺ方向の一方が開放されている。また、ケース７は、ケース本体７１における開放された側と反対側において、ケース本体７１からＺ方向に突出するように形成された筒状の高圧タワー部７２を有する。高圧タワー部７２におけるケース本体７１側端部には、金属製の高圧出力端子１１が嵌入されている。これにより、高圧タワー部７２におけるケース本体７１側の端部は閉塞されている。なお、点火コイル１の構成部品としては、例えば、中心コア４と共に閉磁路を形成するように二次コイル２２の外側に配された外周コア１４や、一次コイル２１への通電及び通電の遮断を行うイグナイタ１５等がある。

ケース本体７１内に、モールド樹脂５が充填されている。モールド樹脂５は、例えばエポキシ樹脂である。モールド樹脂５内に、一次コイル２１及び二次コイル２２、ボビン３、中心コア４、その他の点火コイル１の構成部品が埋設されている。図６、図７に示すごとく、モールド樹脂５は、一次コイル２１とボビン３の外周面との間の微小領域８にも含浸されている。これにより、モールド樹脂５は、一次ボビン３に接着されている。

図１に示すごとく、ケース本体７１には、点火コイル１を外部に接続するためのコネクタ１２が嵌合されている。本実施形態において、コネクタ１２は、ボビン３と一体的に成形されている。なお、コネクタ１２は、ボビン３と別体に形成されていても良い。

次に、図８〜図１１を参照しつつ、ボビン３の成形時におけるエラストマ粒子の移動、変形の様子について説明する。なお、図８、図９においては、便宜上、１つのエラストマ粒子３１について図示している。

図８に示すごとく、ボビン３を成形するにあたっては、内側に中心コア４を配置した金型１３内のキャビティ１００に、溶湯３００を流し込む。溶湯３００は、ポリブチレンテレフタレート樹脂に、分散相粒子としてエラストマ粒子を分散させ、エラストマの含有量を３〜１０質量％としたものである。

キャビティ１００を流れる溶湯３００は、金型１３、中心コア４のそれぞれに接触する部位が、金型１３、中心コア４のそれぞれに熱を奪われやすいため、比較的早期に固化され、スキン層３２を形成する。

固化されたスキン層３２間を流れる溶湯３００には、スキン層３２の対向方向において、せん断速度の勾配が生じる。スキン層３２間を流れる溶湯３００のせん断速度は、スキン層３２側に近い領域ほど大きくなり、スキン層３２に隣接する領域が最も大きくなる。それゆえ、図９に示すごとく、スキン層３２間を流れる溶湯３００に分散されたエラストマ粒子３１は、せん断速度が大きいスキン層３２側に移動する。なお、図１０に示すごとく、エラストマ粒子３１は、スキン層３２の対向方向におけるせん断速度の勾配に起因したせん断応力により、上記対向方向に徐々に圧縮されながら、スキン層３２側に移動する。なお、図８において、せん断応力の大きさと向きを示すベクトルを矢印で表している。矢印は、せん断応力が大きいほど、長くしている。

スキン層３２の表面に移動したエラストマ粒子３１は、図１０に示すごとく、上述のせん断応力により、さらにスキン層３２の対向方向に圧縮され、扁平化する。以上のように、エラストマ粒子３１が、移動、変形する。そして、上述のエラストマ粒子３１の移動、変形が、溶湯３００に含まれる複数のエラストマ粒子３１において生じる。これにより、スキン層３２とコア層３３との間に、扁平化された複数のエラストマ粒子３１が凝集する。そして、扁平化された複数のエラストマ粒子３１同士が、ボビン３の周方向、及びＸ方向において連結する。これにより、図５、図６、図１１に示すごとく、エラストマ層３４が形成される。

次に、ボビン３に後述する剥離層３５が形成される様子の一例を説明する。
図５に示すごとく、点火コイル１を製造する際に、スキン層３２、コア層３３、及びエラストマ層３４が形成されたボビン３に、直接一次コイル２１を巻回する。ボビン３に直接一次コイル２１を巻回することにより、ボビン３に応力がかかる。この応力により、一次コイル２１が外周側スキン層３２２を拘束する。外周側スキン層３２２が拘束された状態でボビン３に冷熱応力が加わると、外周側エラストマ層３４２と外周側スキン層３２２との間に歪みが生じる。特に、ボビン３の角部３７において、一次コイル２１を巻回することによる応力が大きくなるめ、ボビン３の角部３７において、一次コイル２１による外周側スキン層３２２の拘束力が大きくなる。そして、一次コイル２１によって拘束された外周側スキン層３２２と、一次コイル２１によって拘束されていないコア層３３との間の外周側エラストマ層３４２は、歪みが大きくなり、剥離しやすい状態となる。

そして、点火コイル１の使用時の冷熱により、点火コイル１が高温から低温になることによって、ボビン３がＸ方向に収縮する。ここで、上述のごとく、図７に示すように、外周側スキン層３２２は、一次コイル２１とボビン３の外周面との間の微小領域８に含浸されたモールド樹脂５に固定されているとともに、一次コイル２１によって拘束されている。それゆえ、冷熱によりボビン３がＸ方向に収縮する際、外周側スキン層３２２は、その内周側の層よりも、Ｘ方向への収縮が制限される。そのため、上述のごとく歪みが生じた外周側スキン層３２２と外周側エラストマ層３４２との間に比較的大きな応力がかかる。それゆえ、図１２、図１３に示すごとく、外周側エラストマ層３４２と外周側スキン層３２２との間に剥離が生じ、外周側エラストマ層３４２と外周側スキン層３２２との間が剥離する。そして、外周側エラストマ層３４２と外周側スキン層３２２との間に、空間からなる剥離層３５が形成される。剥離層３５は、少なくとも、一次コイル２１による外周側スキン層３２２の拘束力が大きい角部３７に形成される。

このように、点火コイル１の完成時においては、剥離層３５は形成されていないが、点火コイル１の使用時の冷熱により、剥離層３５が形成される。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
内燃機関用の点火コイル１においては、ボビン３は、熱可塑性樹脂と分散相粒子とを有する。そして、分散相粒子は、上記熱可塑性樹脂よりも低弾性である。それゆえ、ボビン３の少なくとも角部３７には、剥離層３５、すなわち空間からなる層が形成される。これにより、図１４に示すごとく、仮に、点火コイル１の使用時の冷熱等により、特に冷熱応力が大きくなりやすい中心コア４の角部４３を起点としてボビン３にクラック１６が生じた場合であっても、クラック１６がボビン３の内周端から外周端に連なるように形成されることを防止することができる。すなわち、仮に、中心コア４の角部４３を起点としたクラック１６が外周側に向って進展したとしても、外周側エラストマ層３４２と外周側スキン層３２２との間には剥離層３５が存在するため、クラック１６が外周側スキン層３２２まで進展しない。そのため、ボビン３の内側に配された中心コア４と、ボビン３の外側に巻回された一次コイル２１との間の絶縁性を確保することができる。

また、分散相粒子は、熱可塑性樹脂よりも低弾性のエラストマである。それゆえ、ボビン３の成形時において、分散相粒子が容易に変形できる。そのため、分散相粒子が扁平化して凝集やすく、剥離しやすいエラストマ層３４が形成されやすい。

また、熱可塑性樹脂は、ポリブチレンテレフタレート樹脂である。それゆえ、ボビン３の材料として、従来から用いられている材料を用いつつ、エラストマ層３４を形成しやすい。また、熱可塑性樹脂は、ポリフェニレンサルファイド樹脂（すなわちＰＰＳ樹脂）、又はポリフェニレンエーテル樹脂（すなわちＰＰＥ樹脂）とすることもできる。これらの場合においても、同様の効果を奏する。

また、ボビン３は、エラストマの含有率が、３〜１０質量％である。それゆえ、後述するように、ボビン３の全周にわたって形成されたエラストマ層３４を得やすいと共に、ボビン３とモールド樹脂５との間の接着強度を確保することができる。

以上のごとく、本実施形態によれば、中心コアを内側に埋設したボビンの、内周側と外周側との絶縁性を確保することができる内燃機関用の点火コイルを提供することができる。

（実験例１）
本例は、表１に示すごとく、ボビン３におけるエラストマの含有率を種々変更してボビン３を形成した場合における、ボビン３のエラストマ層３４を形成するエラストマが凝集して扁平化した状態について評価した例である。

本例においては、評価の対象となるボビン３として、１４個の試料１〜試料１４を作製した。１４個の試料は、基本構造を実施形態１で示したボビン３と同様としつつ、エラストマの含有率を互いに異ならせたものである。各試料は、ポリブチレンテレフタレート樹脂にエラストマ粒子を分散させてなる。エラストマの含有率は、試料１が０．０質量％、試料２が１．０質量％、試料３が２．０質量％、試料４が２．５質量％、試料５が３．０質量％、試料６が４．０質量％、試料７が５．０質量％、試料８が６．０質量％、試料９が７．０質量％、試料１０が８．０質量％、試料１１が９．０質量％、試料１２が１０．０質量％、試料１３が１１．０質量％、試料１４が１２．０質量％である。

本試験においては、各試料を作製した後、各試料をＸ方向に平行な断面を顕微鏡により観察し、ボビン３においてエラストマが凝集して扁平化した状態を評価した。その結果を、表１に示す。ボビン３においてエラストマが凝集して扁平化した状態の評価は、エラストマが凝集して扁平化して連結されたエラストマ層３４が、Ｘ方向において連続的に形成された場合は「Ａ」と評価し、エラストマ層３４がＸ方向において部分的に形成された場合は「Ｂ」と評価し、エラストマ層３４がほとんど若しくは全く形成されていない場合は「Ｃ」と評価した。表１において、「エラストマ含有率」は、各試料におけるエラストマの含有率を表している。

表１に示すごとく、ボビンのエラストマの含有率が２．０質量％以下である試料１〜試料３においては、エラストマ層がほとんど若しくは全く形成されていないことが確認された。また、ボビン３のエラストマの含有率が２．５質量％である試料４においては、エラストマ層３４がＸ方向において部分的に形成されていることが確認された。そして、ボビン３のエラストマの含有率が３．０質量％以上である試料５〜試料１４においては、エラストマ層３４がＸ方向において連続して形成されていることが確認された。

すなわち、本試験から、ボビン３におけるエラストマの含有率は２．５質量％以上とすることが好ましいことが分かる。すなわち、ボビン３におけるエラストマの含有率を２．５質量％以上とすることにより、エラストマ層３４が形成されやすい。これにより、上述のごとく、ボビン３の内周端から外周端まで繋がるクラックが生じることを防止することができる。また、本試験から、ボビン３におけるエラストマの含有率を３．０質量％以上とすることにより、Ｘ方向に連続的に形成されたエラストマ層３４を得ることができることが分かる。

（実験例２）
本試験は、図１５に示すごとく、エラストマの含有率を種々変更したボビン３について、モールド樹脂５との接着強度を評価した例である。なお、本例において、モールド樹脂５は、実施例１と同様、エポキシ樹脂である。

本例においては、ポリブチレンテレフタレート樹脂にエラストマ粒子を分散させてなる薄膜形の試験片を１４個用意した。該１１個の試験片は、互いにエラストマの含有率を異なせたものである。すなわち、各試験片のエラストマの含有率は、０質量％、１質量％、２質量％、２．５質量％、３質量％、４質量％、５質量％、６質量％、７質量％、８質量％、９質量％、１０質量％、１１質量％、１２質量％である。

そして、１１個の試験片の表面にエポキシ樹脂を塗布した。このとき、エポキシ樹脂と各試験片との接触面積が、４ｍｍ²となるようにした。そして、各試料について、エポキシ樹脂の表面に、Ｍ４の六角ナットを接着し、加熱してエポキシ樹脂を硬化させた。

その後、室温で引張速度５ｍｍ／分にて、各試料に接着させた六角ナットを引っ張り、試験片とエポキシ樹脂との間が破断したしたときの引張強度を、接着強度として測定した。結果を図１５に示す。

図１５から、エラストマの含有率を０質量％から徐々に増加させると、エラストマの含有率が６質量％になるまでは、徐々にボビン３とモールド樹脂５との接着強度は高くなることが分かる。しかし、エラストマの含有率が６質量％を超えると、徐々に接着強度は低下することが分かる。そして、エラストマの含有率が１０質量％になると、実験例１で示した、さらに好ましい範囲の下限である３質量％の場合の接着強度と略同等の値となる。そして、エラストマの含有率が１０質量％を超えると、実験例１で示した、さらに好ましい範囲の下限である３質量％の場合の接着強度よりも小さくなる。それゆえ、実験例１で示したように、ボビン３のエラストマの含有率を３質量％以上とすることにより、ボビン３に連続的に形成されたエラストマ層３４を得ることができると共に、本例で示したように、３〜１０質量％とすることにより、ボビン３とモールド樹脂５との間の接着強度を確保することができることが分かる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、実施形態１において、分散相粒子はエラストマとしたが、これに限られない。すなわち、ボビンが、熱可塑性樹脂と、該熱可塑性樹脂よりも弾性の低い分散相粒子とからなれば、種々の態様が考えられる。また、熱可塑性樹脂は、ポリブチレンテレフタレート樹脂（すなわちＰＢＴ樹脂）としたが、ポリフェニレンサルファイド樹脂（すなわちＰＰＳ樹脂）、ポニフェニレンエーテル樹脂（すなわちＰＰＥ樹脂）等とすることもできる。

１ 内燃機関用の点火コイル
２１ 一次コイル
２２ 二次コイル
３ ボビン
４ 中心コア
５ モールド樹脂

Claims (5)

1. 互いに磁気的に結合した一次コイル（２１）及び二次コイル（２２）と、
   上記一次コイルが直接巻回されたボビン（３）と、
   該ボビンの内側において、該ボビンに密着するよう配され、該ボビンとともに一体成形品を構成する中心コア（４）と、
   上記一次コイル及び上記二次コイル、上記ボビン、並びに上記中心コアを、内側に埋設したモールド樹脂（５）と、を有し、
   上記ボビンは、熱可塑性樹脂と、該熱可塑性樹脂中に分散された分散相粒子とを有し
   該分散相粒子は、上記熱可塑性樹脂よりも低弾性であり、
   上記ボビンは、スキン層（３２）、コア層（３３）、及び上記スキン層と上記コア層との間に形成された、上記分散相粒子が扁平化してなる扁平層（３４）、を有する、内燃機関用の点火コイル（１）。
2. 上記分散相粒子は、エラストマである、請求項１に記載の内燃機関用の点火コイル。
3. 上記ボビンは、エラストマの含有率が、３〜１０質量％である、請求項２に記載の内燃機関用の点火コイル。
4. 上記熱可塑性樹脂は、ポリブチレンテレフタレート樹脂である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関用の点火コイル。
5. 上記熱可塑性樹脂は、ポニフェニレンサルファイド樹脂、又はポニフェニレンエーテル樹脂である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関用の点火コイル。

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