JP6750811B1

JP6750811B1 - 内燃機関用点火装置

Info

Publication number: JP6750811B1
Application number: JP2019165033A
Authority: JP
Inventors: 山田　修司; 修司山田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2039-09-11
Also published as: US20210074473A1; JP2021044366A; DE102020205876A1; US11367566B2

Abstract

【課題】一次コイルと三次コイルの巻乱れ抑制と部品点数増大の抑制が可能な内燃機関用点火装置を提供する。【解決手段】点火コイル１において、一次ボビン１０の胴部の表面部の一部に、三次コイル巻回部となる凹部を設け、その凹部に銅線を隙間なく巻回して三次コイル１２を形成し、三次コイル１２の表面部と凹部が形成されていない一次ボビン１０の胴部表面部、つまり三次コイル１２形成後のフランジの間に位置する胴部の全領域に銅線を巻回することで一次コイル１１を形成する。【選択図】図１

Description

本願は、内燃機関用点火装置に関するものである。

内燃機関用点火装置は、点火プラグに点火用のスパークを発生させるための装置である。近年、内燃機関の燃費改善のために、着火性の良い高エネルギー型の点火装置が必要とされている。しかしながら、単に高エネルギー型とするだけでは点火プラグの消耗が大きくなるという背反がある。そこで、内燃機関用点火装置の構成要素である点火コイルにおいて、追加磁束が生じる構成とすることで高エネルギーを発生させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第6448010号公報

従来の点火コイルは、一次ボビンに一次コイル（主一次コイル）を巻回し、絶縁シート等により一次コイル外表面を覆い、その絶縁シートの外表面の全面に追加磁束を生ずる三次コイル（副一次コイル）を巻回した構成であった。または、ボビンを分割し、一次コイル用のボビンと三次コイル用のボビンの各々に銅線（マグネットワイヤ）を巻回した構成であった。このように絶縁シートを介して一次コイルの上層に三次コイルを重ねて配置したり、複数のボビンを用いたりすることで、一次コイルと三次コイルを巻乱れなく巻回していたが、部品点数が増えるという問題があった。

一方で、絶縁シートを用いることなく、かつ、ボビンの分割を行うことなく、一次コイルと三次コイルを上下の層となるように重ねて巻回すると、下層側に巻回されるコイルの巻数とボビンの巻幅の関係によっては、巻回される銅線の巻乱れに繋がる場合がある。一次コイルもしくは三次コイルに巻乱れが生じると、巻乱れがない場合よりもコイル外形が大きくなり、対向配置される二次コイルとの絶縁距離が不足して絶縁破壊に至る等、信頼性低下の懸念があった。

本願は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、部品点数を増加させることなく、一次コイルと三次コイルとを同一のボビンに巻乱れなく巻回することが可能な内燃機関用点火装置を提供することを目的とする。

本願に係わる内燃機関用点火装置は、直流電流を流して磁束を発生させる一次コイル、上記磁束の変化に応じて高電圧を発生させる二次コイル、上記一次コイルと上記二次コイルに磁気的に結合された三次コイル、上記一次コイルと上記三次コイルとが胴部に巻回されたボビンを備え、上記ボビンの胴部の表面部の一部に設けられた凹部に上記三次コイルが収納され、上記三次コイルの表面部と、上記凹部が形成されていない上記ボビンの胴部の表面部とに上記一次コイルが巻回されたものである。

本願の内燃機関用点火装置によれば、ボビンの凹部に三次コイルを収納するため、三次コイルを配置するための追加部品が必要なく、ボビンの凹部の幅と三次コイルの巻幅を合わせることで余りなく三次コイルを凹部に収納でき、三次コイルの表面部を含むボビンの胴部に一次コイルを配置できるため、一次コイルおよび三次コイルを巻乱れなく巻回することが可能である。

実施の形態１による内燃機関用点火装置の点火コイルの断面図である。内燃機関用点火装置の概略構成図である。一次ボビンの斜視図である。三次コイル巻回後の一次ボビンの斜視図である。三次コイル巻回後の一次ボビンの断面図と、一次ボビンの段差部の要部拡大断面図と、一次ボビンの胴部表面部の断面図である。実施の形態２による内燃機関用点火装置の一次ボビンの斜視図と、一次ボビンの胴部表面部の断面図である。実施の形態３による内燃機関用点火装置の一次ボビンの断面図である。

実施の形態１．
本願の実施の形態１による内燃機関用点火装置１００について、図１から図５を用いて説明する。内燃機関用点火装置１００は主要な構成の一つとして点火コイル１を備えている。内燃機関用点火装置１００は、内燃機関に適した着火性の良い高エネルギー型のものであり、燃費改善性能を備えている。

図１は実施の形態１による内燃機関用点火装置１００（後述の図２に示す）を構成する点火コイル１の断面図であり、図２は内燃機関用点火装置１００の概略構成図である。図３は一次ボビン１０（ボビンに相当する）の斜視図、図４は三次コイル１２を巻回した段階の一次ボビン１０の斜視図である。図５は三次コイル１２を巻回した段階の筒状の一次ボビン１０の二方向の断面図と、一次ボビン１０のＡ部を拡大した要部拡大断面図であり、断面図の一つは軸方向に沿った図、もう一つは一次ボビン１０のＢ−Ｂ線に沿った図である。

図１に示す点火コイル１は、直流電流を流して磁束を発生させる一次コイル１１と、一次コイル１１の磁界が作用して磁気誘導を生じる磁性体からなるセンターコア１５と、磁束変化に応じて高電圧を発生させる二次コイル１４と、一次コイル１１と二次コイル１４に磁気的に結合され、一次コイル１１と同様に直流電流を流して磁束を発生させる三次コイル１２を備えている。
一次コイル１１および三次コイル１２は、同一の一次ボビン１０に、三次コイル１２が下層（内側）、一次コイル１１が上層（外側）となるように巻回される構成である。一次コイル１１と三次コイル１２は各々独立した巻線であってもよいし、中間タップ等によって分割されていてもよい。

上層側の一次コイル１１の巻数に対して、下層側の三次コイル１２の巻数は少なく、一次ボビン１０の胴部３０（後述する図３等に示す）の一部の範囲に設けられた段差下側となる凹部３４（後述する図３等に示す）に三次コイル１２が隙間なく巻回されている。そして、一次ボビン１０の胴部３０の幅全域、つまり段差上側となる胴部３０の凹部３４が設けられない範囲および三次コイル１２の表面部に一次コイル１１が隙間なく巻回される。三次コイル１２と一次コイル１１との間には、絶縁シートは配置されていない。また、二次コイル１４は一次ボビン１０の外側に配置された二次ボビン１３に巻回された独立した巻線である。

一次ボビン１０の内周側の中心孔にはセンターコア１５が挿通される。センターコア１５の一方の端部にはサイドコア１６がマグネット１７を介して配置されている。二次コイル１４の外側に繋がって設けられるサイドコア１６とセンターコア１５とが接続されることで周回経路が形成される。
なお、点火コイル１の全体がエポキシ樹脂により封止されている。そして、一次ボビン１０と二次ボビン１３の間にはこのエポキシ樹脂よりなる絶縁部２０が介在している。このエポキシ樹脂は各部品の絶縁・封止・固定の役割を果たしている。

図２の内燃機関用点火装置１００の概略構成図に示すように、一次コイル１１の一端はバッテリーに接続され、他端は一次コイル１１のスイッチング用のイグナイタに接続される。三次コイル１２においても同様に、一端がバッテリー（またはＧＮＤ）に接続され、他端が三次コイル１２のスイッチング用のイグナイタに接続される。エンジンコントロールユニット３から出力された一次コイル制御信号３ａおよび三次コイル制御信号３ｂは、一次コイル１１および三次コイル１２にそれぞれ入力される。

このように構成された内燃機関用点火装置１００は、一次コイル１１と三次コイル１２の通電および遮断をそれぞれ個別に制御することができる。
そして、一次コイル１１の通電を遮断したタイミング以降に三次コイル１２に通電するような点火制御を行うことで、二次コイル１４に発生する放電エネルギーを重畳的に増加させることが可能となる。
なお、二次コイル１４の低圧側端は、図示されない接続手段等を用いて、高圧ダイオードを介してバッテリーまたはＧＮＤに接続され、他端は出力用端子となる点火プラグ２に接続される。

図３は、実施の形態１による一次ボビン１０の斜視図である。図３に示すように、例えば、一次ボビン１０は断面形状が四角形の筒状に形成され、その角部が面取りされている。一次ボビン１０の軸方向（筒状長手方向）の一端にはフランジ３１が、他端にはフランジ３２が設けられ、一方のフランジ３１と他方のフランジ３２との間の領域が一次ボビン１０のコイル巻回部となる胴部３０である。胴部３０の一部には三次コイル１２を収納する凹部３４が設けられる。
この凹部３４は、胴部３０の表面部を所定の幅で所定の深さだけ掘り下げた形状であり、一方のフランジ３１の内側面から他方のフランジ３２に向かい、他方のフランジ３２に至らない範囲に設けられ、凹部３４には三次コイル１２が隙間なく巻回された状態で収納される。

図３に示すように、一次ボビン１０に凹部３４が形成されたことで、胴部３０の軸方向の中間的な位置に段差部３３が生じる。胴部３０の表面部は、段差部３３によって段差上側と段差下側とに区切られる。段差部３３から一方のフランジ３１の内側面に至る領域が段差下側であり、胴部表面部３５を掘り下げた凹部３４が設けられており、段差部３３から他方のフランジ３２に至る領域が段差上側であり、一次コイル１１が巻回される胴部表面部３５が露出されている。

図４は、一次ボビン１０に三次コイル１２が巻回された状態を示しており、一次ボビン１０の胴部３０に設けられた凹部３４には、一次コイル１１よりも巻数が少なく設定された三次コイル１２が余りなく巻回されている。一次ボビン１０の凹部３４の幅、すなわち一方のフランジ３１と胴部３０に設けられた段差部３３の距離は、三次コイル１２の巻数が余りなく収納される寸法に設定されている。
そして、また、一次ボビン１０の一方のフランジ３１の延長方向には図示しない一次コイル１１および三次コイル１２の端部保持部が設置されており、一次コイル１１および三次コイル１２の端部は、その端部保持部により固定される。

図５（左図）に示すように、三次コイル１２が一次ボビン１０に巻回された状態において、凹部３４が三次コイル１２によって埋設されることで一次コイル１１を巻回する際の下地となる表面部が平坦化される。そして、一次コイル１１の下地となる三次コイル１２の表面部と胴部表面部３５とは、ほぼ面一となるように連続して設けられる。
三次コイル１２を巻回した後、一方のフランジ３１と他方のフランジ３２との間の胴部３０の全領域に一次コイル１１を巻回する際、平坦な下地の上へ巻回することができるため、巻乱れを抑制することができる。

ここで、一次ボビン１０に銅線（線径Φ０．４〜Φ０．７程度）を巻く際には、銅線の抵抗値に影響がない範囲で張力をかけて巻線を行うが、銅線が必ずしも一次ボビン１０の形状に沿って巻回されるものではなく、一次ボビン１０の角部には銅線が接触して巻回されるのに対して、一次ボビン１０の平面部では銅線は接触しない状態で巻回される。この胴部表面部３５に銅線が接触しない状態を巻線時の銅線の膨らみと称する。

図５に記号Ａ（左図）で示す領域の段差部３３の拡大断面図（下図）を示すように、一次ボビン１０の段差部３３の高さ（胴部表面部３５の高さに同じ）は、三次コイル１２の巻線後（一次コイル１１巻回前の段階）の三次コイル１２の外形に対して０．１mm〜０．３mm（図中に記号ｔで示す）だけ小さくなるように設定されている。巻線時の膨らみを持った三次コイル１２の外周に一次コイル１１を巻回するとき、一次コイル１１の巻線時の張力により三次コイル１２の膨らみが押さえられ、その膨らみが小さく潰れる状態となるため、その潰れの寸法（記号ｔで示す寸法に同じ）を考慮した一次ボビン１０の段差部３３の高さが設定されている。

また、図５に記号Ｂで示す胴部表面部３５の断面形状を含む一次ボビン１０の断面図を示すように、一次ボビン１０の胴部３０に設けられた段差部３３の上側の胴部表面部３５の形状は、三次コイル１２の巻線時の銅線表面部の膨らみを考慮したタイコ形状に形成されている。このタイコ形状とは、断面が多角形である一次ボビン１０の隣り合う角部を結ぶ直線の中央部を外側に膨らませた形状であり、その頂点が角部を結ぶ直線に対して０．２mm〜０．５mm外側にシフトしたＲ形状となっている。

なお、上述の例では一次ボビン１０の胴部３０の一方の端部に接して凹部３４が配置されていたが、凹部３４を胴部３０の中央部に、フランジ３１および３２と接しない配置とすることも可能である。

仮に、銅線の端部の保持が一次ボビン１０に対して片側であることを前提とし、一次ボビン１０に凹部３４を設けない状態で、先に一次コイル１１を巻回し、次に一次コイル１１の表面に三次コイル１２を巻回した場合には、巻数の多い一次コイル１１の巻幅に対して、巻数の少ない三次コイル１２の巻幅は当然小さくなり、一次ボビン１０のフランジ３２に接しない箇所での折り返しが必要となるため、巻乱れの原因となる。
しかし、この実施の形態１による内燃機関用点火装置１００のように、一次ボビン１０の凹部３４に三次コイル１２を収納するように巻回し、同じ一次ボビン１０の上層側に三次コイル１２を覆った状態となるように、一次コイル１１をより幅広に巻回することによって、段差部３３の軸に垂直な面部が巻回の折り返し部分に接し、巻乱れを抑制することが可能となる。

また、実際の巻線時において、銅線の線径の公差、一次ボビン１０の公差により、巻幅に対して余りなく一次コイル１１および三次コイル１２が巻回されることが少なく、その傾向は巻数が大きいほど顕著となる。そのため、一次コイル１１よりも巻数の小さい三次コイル１２を内側に配置することで、一次コイル１１の下地に生じる上記のような公差に起因する変形を小さく抑制することができ、本構成は巻乱れに対して構造的に有利であると言える。

なお、内燃機関用点火装置１００についての説明をしたが、この点火コイル１の構成を内燃機関以外の用途に用いることも可能であることは言うまでもない。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２の内燃機関用点火装置１００の一次ボビン１０の構成例を示す斜視図および断面図である。この実施の形態２では、一次ボビン１０の胴部３０に生じるボイド・ヒケ等の不具合を低減するための構成について説明する。具体的には、図６に示すように、胴部３０の凹部３４が設けられない肉厚となる領域に、胴部表面部３５から一次ボビン１０の軸方向に沿って筋状（スリット状）の除肉部３５ａを設けることについて示す。

上述の実施の形態１による一次ボビン１０は、胴部３０のうち、三次コイル１２を巻回しない胴部表面部３５として示す領域は、凹部３４が形成された領域よりもその凹部３４の深さだけ肉厚となっていた。そして、一次ボビン１０に肉厚部が生じることによって、その肉厚部にボイドおよびヒケが発生しやすくなっていた。

このボイドおよびヒケの予防のため、図６に示すように、一次ボビン１０の胴部表面部３５から内側に掘り下げられた筋状の除肉部３５ａを形成する。除肉部３５ａは、一次コイル１１の巻回方向に垂直な方向（筒状である一次ボビン１０の長手軸方向）に伸びる筋状に形成され、一次コイル１１の巻回を阻害しない大きさに設定され、且つ一次ボビン１０の成形時の材料流動を考慮し、均等な肉厚に近づくように等間隔で設置されていることが望ましい。
この除肉部３５ａの形成により、ボイドによる強度低下・ヒケによる銅線の巻乱れを抑制することが可能である。
なお、胴部３０の周方向の角部を避けるように除肉部３５ａが設けられることは言うまでもない。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３の内燃機関用点火装置１００の一次ボビン１０の構成例を示す断面図である。上述の実施の形態２では除肉部３５ａを胴部表面部３５の外周から内側に掘り下げて形成する例を示した。この実施の形態３では、胴部表面部３５の外形は変化させることなく、筒状である胴部３０の内側を除肉して除肉部３５ｂを形成する場合について説明する。

図７に示すように、胴部表面部３５の内周側には除肉により均一に厚みが除去されて除肉部３５ｂが設けられ、この除肉部３５ｂが設けられた領域において、一次ボビン１０の内周部が拡大した状態となる。なお、この除肉部３５ｂは、除肉部３５ｂが設けられた胴部表面部３５における肉厚が、除肉部３５ｂが設けられていない凹部３４における肉厚と均一になるよう、胴部３０の全周に形成される。

なお、除肉部３５ｂの形成により、点火コイル１の形成時においてセンターコア１５と一次ボビン１０との接触領域が低減した状態となるが、一次ボビン１０の中心孔と除肉部３５ｂの内周面との隙間にはエポキシ樹脂等が充填されるため、固定強度が低減することはない。

また、除肉部３５ｂは、胴部３０の全内周に設ける以外に、実施の形態２のように、筋状に設けることが可能であることは言うまでもない。その場合、筋状の除肉部３５ｂを周方向に等間隔で連続して配置することができる。
また、実施の形態２において示した胴部３０の外周面から掘り下げられた２本の筋状の除肉部３５ａの間に、胴部３０の内周側から外周側に掘り下げられた筋状の除肉部３５ｂを設けるように構成することも可能である。これにより胴部３０の断面は周方向に交互に除肉部３５ａ、３５ｂが連続する凹凸形状となり、胴部３０全体の厚さを均一化させることが可能となるため、製造信頼性を向上させることが可能となる。

本開示は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１点火コイル、２点火プラグ、３エンジンコントロールユニット、３ａ一次コイル制御信号、３ｂ三次コイル制御信号、１０一次ボビン、１１一次コイル、１２三次コイル、１３二次ボビン、１４二次コイル、１５センターコア、１６サイドコア、１７マグネット、２０絶縁部、３０胴部、３１、３２フランジ、３３段差部、３４凹部、３５胴部表面部、３５ａ、３５ｂ除肉部、１００内燃機関用点火装置

Claims

直流電流を流して磁束を発生させる一次コイル、
上記磁束の変化に応じて高電圧を発生させる二次コイル、
上記一次コイルと上記二次コイルに磁気的に結合された三次コイル、
上記一次コイルと上記三次コイルとが胴部に巻回されたボビンを備え、
上記ボビンの胴部の表面部の一部に設けられた凹部に上記三次コイルが収納され、上記三次コイルの表面部と、上記凹部が形成されていない上記ボビンの胴部の表面部とに上記一次コイルが巻回されたことを特徴とする内燃機関用点火装置。
上記ボビンの胴部の両端部にはフランジが各々設けられ、上記凹部は一方の上記フランジの内側面から他方の上記フランジに向かい、他方の上記フランジに至らない範囲に設けられ、上記凹部には上記三次コイルが隙間なく収納されたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関用点火装置。
上記三次コイルの表面部と上記ボビンの胴部の表面部とが連続して設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の内燃機関用点火装置。
上記ボビンの胴部の断面形状は多角形であり、上記ボビンの胴部の表面部は、隣り合う角部を結ぶ線の中央部を外側に膨らませたタイコ状に形成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の内燃機関用点火装置。
上記ボビンの胴部の上記凹部が設けられない領域には除肉部が設けられたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の内燃機関用点火装置。
上記除肉部は、上記ボビンの表面部側に、上記一次コイルの巻回方向に対して垂直な方向に伸びる筋状に設けられたことを特徴とする請求項５記載の内燃機関用点火装置。
上記除肉部は、筒状である上記ボビンの内周側に設けられたことを特徴とする請求項５記載の内燃機関用点火装置。