WO2017141541A1 - 点火装置 - Google Patents

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Definitions

  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the core gap and the initial relative magnetic permeability and the region where the secondary voltage can resonate efficiently in the first embodiment.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the core gap and the initial relative magnetic permeability and the power consumption in the first embodiment.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship among the core gap, the self-resonance frequency f s, and the resonance gain ⁇ in the first embodiment.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the frequency and the impedance of the step-up transformer in the first embodiment.
  • FIG. 12 is a waveform diagram of the output voltage of the oscillator in the first embodiment.
  • the ignition device 1 is configured to generate an electric discharge in the spark plug 4 by applying an AC voltage to the primary winding 21 by the oscillator 3 to resonate the secondary voltage V 2 generated in the secondary winding 22.
  • the second end 222 of the secondary winding 22, which is the end opposite to the first end 221, and the shield 5 are electrically connected.
  • the case 50 includes a bottom portion 52 and a wall portion 51 erected from the bottom portion 52.
  • the bottom 52 and the wall 51 are made of metal.
  • a plug connection opening 59 for electrically connecting the secondary winding 22 to the spark plug 4 (see FIG. 2) is formed in the bottom 52.
  • the second end portion 222 of the secondary winding 22 and the shielding portion 5 are electrically connected. Therefore, the potentials of the second end portion 222 and the shielding portion 5 can be made equal, and the phases of the secondary voltage V 2 and the induced voltage V i can be matched. Therefore, the phase of the induced magnetic flux ⁇ i and the secondary voltage V 2 can be matched, and the secondary magnetic voltage V 2 can be resonated more strongly by the induced magnetic flux ⁇ i .
  • a step-up transformer 2 having an EE core was used.
  • the initial relative permeability of the core 23 (that is, the relative permeability when no magnetic field is applied) was 2500, the gap was 0.3 mm, and the turns ratio N 2 / N 1 was 23.
  • the wire diameters of the primary winding 21 and the secondary winding 22 were 1 mm and 0.25 mm, respectively.
  • the operating frequency was 0.7 MHz, and the peak peak value of the primary current I 1 was 110A.
  • the stray capacitance C S1 of the primary winding 21 is connected to the self-inductance L S1 of the primary winding 21. Further, the stray capacitance C S2 of the secondary winding 22 is connected to the self-inductance L S2 of the secondary winding 22. Further, the leakage inductance L L2 of the secondary winding 22, the stray capacitance C P which are parasitic during the secondary winding 22 to the ignition plug 4 is connected.
  • the width of the gap 24, and the initial relative permeability of core 23 is a graph showing the relationship between the range which can sufficiently resonating the secondary voltage V 2.
  • the range where the secondary voltage V 2 can sufficiently resonate is hatched.
  • the step-up transformer 2 having an EE core was used.
  • the turn ratio N 2 / N 1 was 41, and the wire diameters of the primary winding 21 and the secondary winding 22 were 1 mm and 0.25 mm, respectively.
  • the step-up transformer 2 was operated at 0.7 MHz, which is the drive resonance frequency f 0 with the largest resonance gain ⁇ among the experiments.
  • lines having self-resonant frequencies f s of 1, 2, 5, and 10 MHz are shown.
  • the gap 24 is preferably set to 0.01 mm or more.
  • the gap 24 is preferably 3 mm or less.
  • the oscillator 3 includes a pulse generator 31, a drive circuit 32, a half bridge circuit 33, and a pair of capacitors 34 and 35.
  • the half bridge circuit 33 is configured by a pair of switching elements 331 and 332 connected in series with each other.
  • One end 211 of the primary winding 21 of the step-up transformer 2 is connected between the pair of switching elements 331 and 332.
  • MOSFETs are used as the switching elements 331 and 332.
  • the second end portion 222 of the secondary winding 22 and the shielding portion 5 are grounded. Therefore, when the shielding unit 5 is charged, it is possible to quickly flow the electric charge to the ground. Moreover, if the shielding part 5 is grounded, the radiation noise radiated from the step-up transformer 2 can be easily shielded.
  • the oscillator 3 includes at least one half bridge circuit 33.
  • One end 211 of the primary winding 21 is connected between the two switching elements 331 and 332 constituting the half bridge circuit 33.
  • the potential at the one end 211 side is changed alternately between positive and negative with reference to the potential at the other end 212 of the primary winding 21 (see FIG. 12).
  • positive and negative alternating voltages can be efficiently applied to the step-up transformer 2 with a small number of switching elements.
  • an ignition device that can resonate the secondary voltage of the step-up transformer more efficiently and easily generate a discharge in the ignition plug.
  • the present invention is not limited to this, and a plurality of half bridge circuits 331 may be provided.
  • the creeping discharge plug is used as the spark plug 4, but other spark plugs 4 may be used.
  • Embodiment 2 This embodiment is an example in which the numerical range of the initial relative permeability is changed.
  • the initial relative magnetic permeability of the core 23 is set to 10 to 1500. 13 shows a gap 24, and the initial relative permeability, the relationship between the area that can generate discharge a primary current I 1 be lower to the ignition plug 4.
  • FIG. 13 was created using the same step-up transformer 2 as when the graph of FIG. 8 was acquired.
  • the spark plug 4 cannot be discharged unless a high primary current I 1 is passed from the oscillator 3 to the primary winding 21. That is, when the initial relative permeability is reduced, the self-inductance L S2 of the secondary winding 22 is reduced. Therefore, if the initial relative permeability is too small, the self-inductance L S2 of the secondary winding 22 becomes too small, and it becomes difficult to obtain a sufficiently high secondary voltage V 2 . Therefore, the spark plug 4 cannot be ignited unless a high primary current I 1 is supplied from the oscillator 3 to the primary winding 21.
  • the step-up transformer 2 having the EE core is used as in the first embodiment, but the same effects can be obtained even if the EI core is used.
  • the case 50 of this embodiment includes a wall portion 51 and a bottom portion 52, as in the first embodiment.
  • the wall 51 is made of metal, and the bottom 52 is made of insulating resin.
  • the wall portion 51 also serves as the shielding portion 5.
  • the shielding part 5 is configured by a part of the case 50 (that is, the wall part 51).
  • the same configuration and operational effects as those of the first embodiment are provided.
  • the case 50 of this embodiment includes a wall portion 51 and a bottom portion 52 as in the first embodiment.
  • the wall portion 51 includes a first portion 511 made of metal and a second portion 512 made of resin.
  • the first part 511 is the shielding part 5.
  • the shielding portion 5 is configured by a part of the case 50 (that is, the first portion 511).
  • the same configuration and operational effects as those of the first embodiment are provided.
  • the structure of the ignition device 1 can be simplified. Therefore, the manufacturing cost of the ignition device 1 can be reduced. In addition, the same configuration and operational effects as those of the first embodiment are provided.
  • the oscillator 3 and the step-up transformer 2 can be integrated, and the number of parts can be reduced.
  • the same configuration and operational effects as those of the first embodiment are provided.
  • FIG. 11 This embodiment is an example in which the configuration of the gap 24 is changed.
  • the core 23 is configured by two E-shaped core pieces 231, as in the first embodiment.
  • Three gaps 24 (24a, 24b, 24c) are formed between the core pieces 231.
  • a thin film layer 242 is interposed in each gap 24.
  • the thin film layer 242 includes, for example, a metal plating layer, a thin film such as a resin, and a coating layer such as a resin.
  • the same configuration and operational effects as those of the first embodiment are provided.

Abstract

昇圧トランス(2)と、発振器(3)と、点火プラグ(4)とを備える。昇圧トランス(2)は、一次巻線(21)と、二次巻線(22)と、コア(23)とを有する。点火プラグ(4)は、二次巻線(22)の第1端部(221)に接続している。コア(23)にはギャップ(24)が形成されている。昇圧トランス(2)には、導電性材料からなり、ギャップ(24)から漏洩する磁束(φL)を遮蔽する遮蔽部(5)が設けられている。二次巻線(22)の第2端部(222)と、遮蔽部(5)とは電気的に接続されている。

Description

点火装置 関連出願の相互参照
 本出願は、2016年2月15日に出願された日本出願番号2016-26321号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
 本開示は、一次巻線及び二次巻線を有する昇圧トランスと、上記一次巻線に接続した発振器と、上記二次巻線に接続した点火プラグとを備える点火装置に関する。
 内燃機関用の点火装置として、一次巻線及び二次巻線を有する昇圧トランスと、上記一次巻線に接続した発振器と、上記二次巻線に接続した点火プラグとを備えるものが知られている(下記特許文献1参照)。上記発振器を用いて一次巻線に一次電圧を加えると、二次巻線に二次電圧が発生する。上記点火装置では、後述するように、二次巻線の漏れインダクタンスと、この漏れインダクタンスに寄生した浮遊容量とによる共振現象を利用して、高い二次電圧を発生させている。この高い二次電圧を用いて、点火プラグに放電を発生させている。
 上記昇圧トランスは、軟磁性体からなるコアを備える。コアには、後述するように、二次巻線の自己共振周波数を高める等の目的のため、ギャップを形成してある。しかしながら、ギャップを形成すると、昇圧トランスを駆動したときにギャップから磁束が漏洩し、二次電圧の共振利得が低減したり、電磁ノイズが発生したりする問題が生じやすい。
 そのため、近年、導電性材料からなる遮蔽部を設け、この遮蔽部によって、ギャップから発生する漏洩磁束を遮蔽することが検討されている。これにより、電磁ノイズを抑制することが検討されている。また、遮蔽部によって漏洩磁束を遮蔽すると、遮蔽部に誘導電圧が発生し、電流が流れて磁束(以下、誘導磁束とも記す)が発生する。この誘導磁束の一部がコアに戻るため、二次電圧の共振利得を向上できると考えられる。
特開平5-121254号公報
 しかしながら、本発明者らが研究した結果、単に遮蔽部を設けただけでは、二次電圧の共振利得を充分に向上できないという課題が見出された。すなわち、遮蔽部と二次巻線とを電気的に接続せず、単に遮蔽部を配置しただけでは、遮蔽部の電位が、昇圧トランスから発生する電磁ノイズ等の影響を受けて、二次巻線の基準電位に対して振動してしまう。したがって、二次巻線に発生する二次電圧と、遮蔽部に発生する誘導電圧との位相がずれてしまう。そのため、遮蔽部から発生する誘導磁束の一部がコアに戻っても、この誘導磁束は、二次電圧の位相とずれているため、二次電圧の共振に寄与することができない。
 本開示は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、昇圧トランスの二次電圧をより効率的に共振させることができ、点火プラグに放電を発生させやすい点火装置を提供することを目的とする。
 本開示の第1の態様は、一次巻線と、二次巻線と、軟磁性体からなりギャップが形成されたコアとを有する昇圧トランスと、
 上記一次巻線に接続した発振器と、
 上記二次巻線の第1端部に接続した点火プラグと、
 導電性材料からなり、上記ギャップから漏洩する磁束を遮蔽する遮蔽部とを備え、
 上記発振器によって上記一次巻線に交流電圧を加え、上記二次巻線に発生する二次電圧を共振させて、上記点火プラグに放電を発生するよう構成されており、
 上記二次巻線の、上記第1端部とは反対側の端部である第2端部と、上記遮蔽部とを電気的に接続してある、点火装置にある。
 上記点火装置では、二次巻線の上記第2端部を、遮蔽部に電気接続してある。
 そのため、二次巻線の第2端部の電位と、遮蔽部の電位とを等しくすることができる。したがって、遮蔽部の電位が、二次巻線の基準電位、すなわち上記第2端部の電位に対して振動することを抑制できる。そのため、ギャップから漏洩した磁束によって遮蔽部に発生した誘導電圧と、二次電圧との位相を一致させることができる。これにより、遮蔽部からコアに戻る誘導磁束と、二次電圧との位相を一致させることができ、二次電圧をより効率的に共振させることが可能になる。そのため、高い二次電圧を得ることができ、点火プラグをより容易に放電させることができる。
 以上のごとく、本態様によれば、昇圧トランスの二次電圧をより効率的に共振させることができ、点火プラグに放電を発生させやすい点火装置を提供することができる。
 本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図1は、実施形態1における、点火装置の概念図である。 図2は、実施形態1における、各部の断面図と、発振器の回路図である。 図3は、実施形態1における、昇圧トランス及びケースの断面図である。 図4は、図3の要部拡大図である。 図5は、実施形態1における、二次電圧の波形図である。 図6は、実施形態1における、一次電圧の波形図である。 図7は、実施形態1における、点火装置の簡略等価回路図である。 図8は、実施形態1における、コアのギャップ及び初期比透磁率と、二次電圧を効率的に共振できる領域との関係を表したグラフである。 図9は、実施形態1における、コアのギャップ及び初期比透磁率と、消費電力との関係を表したグラフである。 図10は、実施形態1における、コアのギャップと、自己共振周波数fsと、共振利得ηとの関係を表したグラフである。 図11は、実施形態1における、昇圧トランスの周波数とインピーダンスとの関係を表したグラフである。 図12は、実施形態1における、発振器の出力電圧の波形図である。 図13は、実施形態2における、コアのギャップ及び初期比透磁率と、二次電圧をより効率的に共振できる領域との関係を表したグラフである。 図14は、実施形態3における、昇圧トランス及びケースの断面図である。 図15は、実施形態4における、昇圧トランス及びケースの断面図である。 図16は、実施形態5における、昇圧トランス及びケースの断面図である。 図17は、実施形態6における、昇圧トランスとケースと点火プラグとの断面図である。 図18は、実施形態7における、昇圧トランス及びケースの断面図である。 図19は、実施形態8における、昇圧トランス及び遮蔽部の断面図である。 図20は、実施形態9における、コアの断面図である。 図21は、実施形態10における、コアの断面図である。 図22は、実施形態11における、コアの断面図である。 図23は、実施形態12における、コア及びケースの断面図である。 図24は、実施形態13における、コアの断面図である。 図25は、実施形態14における、コアの断面図である。 図26は、実施形態15における、コアの断面図である。 図27は、比較形態における、二次電圧の波形図である。 図28は、比較形態における、一次電圧の波形図である。
 上記点火装置は、車両の内燃機関に用いるための、車両用点火装置とすることができる。
(実施形態1)
 上記点火装置に係る実施形態について、図1~図12を用いて説明する。図1に示すごとく、本形態の点火装置1は、昇圧トランス2と、発振器3と、点火プラグ4と、遮蔽部5とを備える。昇圧トランス2は、一次巻線21と、二次巻線22と、コア23とを有する。発振器3は一次巻線21に接続している。点火プラグ4は、二次巻線22の第1端部221に接続している。
 図2、図3に示すごとく、コア23にはギャップ24が形成されている。コア23は、軟磁性体からなる。
 遮蔽部5は導電性材料からなり、ギャップ24から漏洩する磁束φLを遮蔽する。
 点火装置1は、発振器3によって一次巻線21に交流電圧を加え、二次巻線22に発生する二次電圧V2を共振させて、点火プラグ4に放電を発生するよう構成されている。
 図1に示すごとく、二次巻線22の、上記第1端部221とは反対側の端部である第2端部222と、遮蔽部5とは電気的に接続されている。
 本形態の点火装置1は、車両の内燃機関に用いるための、車両用点火装置である。図1、図2に示すごとく、点火装置1は、昇圧トランス2を収容するためのケース50を備える。このケース50によって、遮蔽部5が構成されている。
 発振器3を用いて一次巻線21に交流電圧を加えると、二次巻線22に二次電圧V2が発生する。また、二次巻線22には、後述する浮遊容量C0(図7参照)が寄生している。この浮遊容量C0と、二次巻線22の漏れインダクタンスLL2とによって共振現象が起きるため、高い二次電圧V2が発生する。すなわち、一次巻線21と二次巻線22との巻数比N2/N1に一次電圧V1を乗じた値よりも高い二次電圧V2が、共振により発生する。この二次電圧V2を利用して、点火プラグ4に放電を発生させている。なお、本形態の点火プラグ4は、いわゆる沿面放電プラグである。
 次に、昇圧トランス2の構造について説明する。図3に示すごとく、本形態の昇圧トランス2に用いられるコア23は、2個のE型のコア片231を組み合わせて形成した、EEコアである。2個のコア片231の間には、樹脂等からなるギャップ形成部材241が介在している。このギャップ形成部材241によって、2個のコア片231の間にギャップ24を形成している。
 また、コア23の中には、ボビン29が設けられている。このボビン29に、一次巻線21と二次巻線22とを巻回してある。また、昇圧トランス2は、ケース50内において、封止部材28によって封止されている。
 図3に示すごとく、ケース50は、底部52と、該底部52から立設する壁部51とを備える。底部52と壁部51とは金属からなる。底部52には、二次巻線22を点火プラグ4(図2参照)に電気接続するためのプラグ接続用開口部59が形成されている。
 一次巻線21に一次電流I1を流すと、図4に示すごとく、コア23に磁束φが流れ、二次巻線22に二次電圧V2が発生する。磁束φの一部はギャップ24から漏洩し、漏洩磁束φLとなる。漏洩磁束φLは遮蔽部5に鎖交するため、遮蔽部5に誘導電圧Viが発生し、誘導電流iiが流れる。そのため、遮蔽部5から誘導磁束φiが発生する。誘導磁束φiの一部はコア23に戻る。
 本形態では上述したように、二次巻線22の第2端部222と遮蔽部5とを電気接続している。そのため、第2端部222と遮蔽部5の電位を等しくすることができ、二次電圧V2と誘導電圧Viの位相を一致させることができる。したがって、誘導磁束φiと二次電圧V2の位相を一致させることができ、誘導磁束φiによって、二次電圧V2をより強く共振させることが可能になる。
 図5、図6に、二次電圧V2と一次電圧V1の波形を示す。また、図27、図28に、比較例としての、二次電圧V2と一次電圧V1の波形を示す。図5、図6は、二次巻線22の第2端部222を遮蔽部5に電気接続した場合の波形であり、図27、図28は接続しない場合の波形である。
 図5、図6、図27、図28の波形を測定したときの条件について説明する。まず、昇圧トランス2として、EEコアを有するものを用いた。また、コア23の初期比透磁率(すなわち、磁界を加えていない状態での比透磁率)を2500とし、ギャップを0.3mmとし、巻数比N2/N1を23とした。一次巻線21及び二次巻線22の線径は、それぞれ1mm、0.25mmにした。また、動作周波数を0.7MHzとし、一次電流I1のピークピーク値を110Aとした。
 図5、図6に示すごとく、二次巻線22の第2端部222を遮蔽部5に電気接続した場合、一次電圧V1に巻数比N2/N1(=23)を乗じた値よりも高い二次電圧V2を得ることができる。すなわち、充分に共振させることができる。
 これに対して、図27、図28に示すごとく、二次巻線22の第2端部222を遮蔽部5に電気接続しない場合、図5、図6と比較して、二次電圧V2及び一次電圧V1が低いことが分かる。すなわち、充分に共振できないことが分かる。
 次に、図7に、点火装置1の簡略等価回路を示す。同図に示すごとく、昇圧トランス2は、相互インダクタンスMと、一次巻線21の漏れインダクタンスLL1と、二次巻線22の漏れインダクタンスLL2とによる等価回路によって、簡易的に表すことができる。また、一次巻線21の自己インダクタンスLS1は、一次巻線21の漏れインダクタンスLL1と相互インダクタンスMとの和として表すことができる。すなわち、
S1=LL1+M
と表すことができる。同様に、二次巻線22の自己インダクタンスLS2は、二次巻線22の漏れインダクタンスLL2と相互インダクタンスMとの和として表すことができる。すなわち、
S2=LL2+M
と表すことができる。
 一次巻線21の自己インダクタンスLS1には、一次巻線21の浮遊容量CS1が接続している。また、二次巻線22の自己インダクタンスLS2には、二次巻線22の浮遊容量CS2が接続している。さらに、二次巻線22の漏れインダクタンスLL2には、二次巻線22から点火プラグ4までの間に寄生する浮遊容量CPが接続している。
 ここで、二次巻線22の自己インダクタンスLS2と浮遊容量CS2とによる共振周波数を、自己共振周波数fsと定義することができる。自己共振周波数fsは、下記式により表すことができる。
s=1/2π√(LS2S2)   ・・・(1)
 昇圧トランス2を自己共振周波数fsよりも高い周波数で駆動しようとすると、電流は主に浮遊容量CS2へ流れてしまう。そのため、昇圧トランス2は、自己共振周波数fsよりも低い周波数で動作させる必要がある(図11参照)。
 上述したように、二次巻線22には、二次巻線22自体に寄生する浮遊容量CS2と、二次巻線22から点火プラグ4までの間に寄生する浮遊容量CPとが接続している。これらの浮遊容量の和を、全浮遊容量C0と定義する。
0=CS2+CP
 この全浮遊容量C0と、漏れインダクタンスLL2とによる共振周波数を、駆動共振周波数f0と定義することができる。駆動共振周波数f0は、以下の式により表すことができる。
0=1/2π√(LL20)   ・・・(2)
 点火プラグ4に放電を生じさせる場合、二次電圧V2は、この駆動共振周波数f0で共振する。
 次に、ギャップ24の幅と、自己共振周波数fsとの関係について説明する。ギャップ24の幅が狭くなると、ギャップ24から磁束が漏れにくくなり、二次巻線22の漏れインダクタンスLL2が低減すると共に、相互インダクタンスMが増加する。上述したように、二次巻線22の自己インダクタンスLS2は、以下の式によって表される。
S2=LL2+M
 相互インダクタンスMの増加量は、漏れインダクタンスLL2の低減量よりも大きい。そのため、自己インダクタンスLS2は増加する。したがって、ギャップ24が狭くなると、上記式(1)から、自己共振周波数fsが低くなることが分かる。
 反対に、ギャップ24が広くなると、二次巻線22の漏れインダクタンスLL2が増加し、自己インダクタンスLS2が低減する。そのため、上記式(1)から、自己共振周波数fsが高くなることが分かる。
 次に、ギャップ24の幅と、共振による二次電圧V2の利得(以下、共振利得ηとも記す)との関係を説明する。共振利得ηが高いほど、高い二次電圧V2を得ることができる。また、共振利得ηは、下記式により表すことができる。
η=2πf0M/r   ・・・(3)
ここで、Mは昇圧トランス2の相互インダクタンスであり、rは二次巻線22から点火プラグ4までの電気抵抗である。
 ギャップ24が狭くなると、二次巻線22の漏れインダクタンスLL2が少なくなる。そのため、上記式(2)から、駆動共振周波数f0が高くなることが分かる。したがって、上記式(3)から、共振利得ηが高くなることが分かる。
 また、ギャップ24が広くなると、二次巻線22の漏れインダクタンスLL2が大きくなる。そのため、上記式(2)から、駆動共振周波数f0が低くなることが分かる。したがって、上記式(3)から、共振利得ηが低減することが分かる。
 次に、コア23の初期比透磁率と自己共振周波数fsとの関係について説明する。初期比透磁率が高くなると、二次巻線22の自己インダクタンスLS2が高くなる。そのため、上記式(1)から、自己共振周波数fsが低くなることが分かる。
 また、コア23の初期比透磁率が低くなると、二次巻線22の自己インダクタンスLS2が低くなる。そのため、上記式(1)から、自己共振周波数fsが高くなることが分かる。
 次に、図8を用いて、コア23のギャップ24と初期比透磁率との、望ましい数値範囲について説明する。図8は、ギャップ24の幅と、コア23の初期比透磁率と、二次電圧V2を充分共振できる範囲との関係を表したグラフである。二次電圧V2を充分共振できる範囲には、ハッチングを付してある。まず、図8のグラフを取得したときの条件について説明する。図8のグラフを取得するにあたり、EEコアを有する昇圧トランス2を用いた。また、巻数比N2/N1を41とし、一次巻線21及び二次巻線22の線径を、それぞれ1mm、0.25mmとした。この昇圧トランス2を、実験した中で最も共振利得ηが大きかった駆動共振周波数f0である、0.7MHzで動作させた。また、図8に、自己共振周波数fsがそれぞれ1、2、5、10MHzである線を記載した。
 図8には、二次電圧V2を充分に共振できない2つの領域(すなわち、A領域およびB領域)がある。A領域は、fs<f0となるため、二次電圧V2を充分共振させることができない領域である。また、B領域は、共振利得η<1となるため、高い二次電圧V2を得ることができない領域である。上述したように、ギャップ24を広くすると、共振利得ηが小さくなる。そのため、ギャップ24を広げすぎるとη<1となるB領域になることが分かる。また、上述したように、コア23の初期比透磁率を高くすると、自己共振周波数fsが小さくなる。そのため、初期比透磁率を高くしすぎると、fs<f0となってしまい、二次電圧V2を充分共振させることができないA領域になることが分かる。したがって、図8におけるハッチングを付した領域になるように、ギャップ24及び初期比透磁率を定めることが好ましい。
 なお、図8の横線は、相互インダクタンスMが同一のラインを意味する。ギャップの幅が同一でも、初期比透磁率が高くなるほど合成透磁率が高くなり、相互インダクタンスMは高くなる。そのため、図8の横軸は右上がりの直線になっている。
 次に、図9を用いて、コア23のギャップ24及び初期比透磁率と、昇圧トランス2の消費電力との関係を示す。図9のグラフを作成するにあたり、3個のサンプルを作成した。サンプルaは、初期比透磁率が2500であり、ギャップ24を形成していないサンプルである。サンプルbは、初期比透磁率が2500であり、ギャプ24が1.5mmのサンプルである。また、サンプルcは、初期比透磁率が1200であり、ギャップ24が1.2mmのサンプルである。なお、各サンプルの図8における位置を、同図に記した。
 サンプルaはfs<f0となるため、二次電圧V2を充分共振させることができない。そのため、点火プラグ4を無理に放電させようとすると、図9に示すごとく、発振器3から昇圧トランス2に高い電力を送る必要が生じる。また、サンプルbは、二次電圧V2を充分共振できるように初期比透磁率及びギャップ24が定められている(図8参照)ため、発振器3から送る電力がサンプルaより少なくても、点火プラグ4を放電させることができる。さらに、サンプルcは、サンプルbよりもギャップ24が狭く、共振利得ηが高いため、消費電力をより少なくしても、点火プラグ4を放電させることができる。
 次に、図10を用いて、ギャップ24の幅と、自己共振周波数fsと、共振利得ηとの関係について説明する。まず、図10のグラフを得たときの条件について説明する。図10のグラフを得るにあたり、EEコアを有する昇圧トランス2を用いた。また、コア23の初期比透磁率を2500とし、巻数比N2/N1を23にした。また、一次巻線21と二次巻線22との線径を、それぞれ1mm、0.25mmにした。そして、ギャップ23を条件振りし、自己共振周波数fs及び共振利得ηを測定した。自己共振周波数fsは、エヌエフ回路設計ブロック社製ZA5405を用いて測定した。
 上述したように、ギャップ24を狭くすると、自己共振周波数fsが低くなる。図10から分かるように、ギャップ24を0.01mmよりも狭くすると、自己共振周波数fsが1MHz以下になり、fs<f0になってしまう。そのため、二次電圧V2を充分に共振できなくなる。したがって、ギャップ24は0.01mm以上にすることが好ましい。
 また、上述したように、ギャップ24を広げると、共振利得ηが低下する。図10から分かるように、ギャップ24を3mmよりも広げると、共振利得η<1となり、二次電圧V2を充分に共振できなくなる。したがって、ギャップ24は3mm以下にすることが好ましい。
 次に、発振器3の構成について説明する。図2に示すごとく、発振器3は、パルス発生部31と、ドライブ回路32と、ハーフブリッジ回路33と、一対のコンデンサ34,35とを備える。ハーフブリッジ回路33は、互いに直列に接続された一対のスイッチング素子331,332によって構成されている。これら一対のスイッチング素子331,332の間に、昇圧トランス2の一次巻線21の一端211が接続している。本形態では、スイッチング素子331,332としてMOSFETを用いている。
 また、一対のコンデンサ34,35の間に、一次巻線21の他端212が接続している。電源38の電位をEとすると、接続点39の電位、すなわち一次巻線21の他端212の電位は、E/2となる。発振器3は、一対のスイッチング素子331,332を交互にオンオフ動作させることにより、図12に示すパルス状の出力電圧を発生し、一次巻線21に加えるよう構成されている。この出力電圧は、一次巻線21の他端212を基準として、一端211側の電位が+E/2と-E/2とに交互に変動する波形になる。また、本形態では、発振器3の周波数fmを、0.1~20MHzとしている。また、発振器3は、その周波数fmが、下記式を満たすよう構成されている。
0.95f0<fm<1.05f0
 次に、本形態の作用効果について説明する。図1に示すごとく、本形態では、二次巻線22の第2端部222を遮蔽部5に電気接続してある。
 そのため、二次巻線22の第2端部222の電位と、遮蔽部5の電位とを等しくすることができる。したがって、遮蔽部5の電位が、二次巻線22の基準電位、すなわち第2端部222の電位に対して振動することを抑制できる。そのため、遮蔽部5に発生した誘導電圧Vi(図4参照)と、二次電圧V2との位相を一致させることができる。これにより、遮蔽部5からコア23に戻る誘導磁束φiと、二次電圧V2との位相を一致させることができ、二次電圧V2をより効率的に共振させることが可能になる。そのため、高い二次電圧V2を得ることができ、点火プラグ4をより容易に放電させることができる。
 また、本形態の点火装置1は、図2、図3に示すごとく、昇圧トランス2を収容するケース50を備える。このケース50によって、遮蔽部5を構成している。
 そのため、ケース50と遮蔽部5とを一部品化することができ、部品点数を低減できる。したがって、点火装置1の製造コストを低減できる。
 また、本形態では図1に示すごとく、二次巻線22の第2端部222と遮蔽部5とを接地してある。
 そのため、遮蔽部5が帯電した場合、電荷を速やかにグランドに流すことが可能になる。また、遮蔽部5を接地すれば、昇圧トランス2から放射される放射ノイズを遮蔽しやすくなる。
 また、本形態では、図8に示すグラフのハッチングを付した領域になるように、ギャップ24の幅とコア23の初期比透磁率とを定めている。すなわち、下記式(4)(5)を満たすように、ギャップ24の幅と初期比透磁率とを定めている。そのため、昇圧トランス2をより効率よく発振させることができる。
η>1  ・・・(4)
s>f0  ・・・(5)
 また、図2に示すごとく、発振器3は、少なくとも1個のハーフブリッジ回路33を備える。一次巻線21の一端211を、ハーフブリッジ回路33を構成する2個のスイッチング素子331,332の間に接続してある。そして、スイッチング素子331,332をオンオフさせることにより、一次巻線21の他端212の電位を基準として、一端211側の電位を正負交互に変動させるよう構成されている(図12参照)。
 この場合には、少ないスイッチング素子で、昇圧トランス2に、効率的に正負交互の電圧を与えることができる。
 また、本形態では、発振器3の周波数fmを、0.1~20MHzとしてある。発振器3の周波数fmが0.1MHz未満になると、点火プラグ4からストリーマ放電が発生しにくくなる。また、20MHzを超えると、駆動共振周波数f0が自己共振周波数fsに近づきやすくなり、発振しにくくなる。
 また、本形態の発振器3は、その周波数fmが、下記式を満たすよう構成されている。
0.95f0<fm<1.05f0
 そのため、発振器3の周波数fmと駆動共振周波数f0とを略等しくすることができ、二次電圧V2を効果的に発振させることが可能になる。したがって、点火プラグ4をより効率的に放電させることができる。
 なお、発振器3の周波数fmを上記範囲から意図的にずらしてもよい。このようにすると、ストリーマ放電、コロナ放電、火花放電、グロー放電等の複数種類の放電のうちから、目的とする種類の放電を主に発生させることが可能になる。
 以上のごとく、本形態によれば、昇圧トランスの二次電圧をより効率的に共振させることができ、点火プラグに放電を発生させやすい点火装置を提供することができる。
 なお、本形態では、図2に示すごとく、ハーフブリッジ回路331を1個のみ設けたが、本発明はこれに限るものではなく、ハーフブリッジ回路331を複数個設けてもよい。また、本形態では、点火プラグ4として沿面放電プラグを用いたが、これ以外の点火プラグ4を用いても良い。
 また、本形態では、二次巻線22の第2端部222と遮蔽部5とを接地しているが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、これらを接地せず、点火プラグ49の基準電極49(図2参照)に接続してもよい。
 以下の実施形態においては、図面に用いた符号のうち、実施形態1において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態1と同様の構成要素等を表す。
(実施形態2)
 本形態は、初期比透磁率の数値範囲を変更した例である。本形態では、コア23の初期比透磁率を10~1500としている。図13に、ギャップ24と、初期比透磁率と、一次電流I1をより低くしても点火プラグ4に放電を発生できる領域との関係を示す。図13は、図8のグラフを取得したときと同じ昇圧トランス2を用いて作成した。
 図13に示すごとく、コア13の初期比透磁率が10未満になると、発振器3から一次巻線21に高い一次電流I1を流さないと、点火プラグ4を放電できないC領域になる。すなわち、初期比透磁率が小さくなると、二次巻線22の自己インダクタンスLS2が小さくなる。したがって、初期比透磁率を小さくしすぎると、二次巻線22の自己インダクタンスLS2が小さくなりすぎ、充分高い二次電圧V2を得にくくなる。そのため、発振器3から一次巻線21に高い一次電流I1を流さないと、点火プラグ4を点火できなくなる。
 初期比透磁率が10未満になると、発振器3から一次巻線21に流す電流のピークピーク値を200A以上にする必要が生じる。そのため、高い電流を流すことができるスイッチング素子331,332(図2参照)を用いる必要が生じ、発振器3の製造コストが上昇しやすい。これに対して、初期比透磁率を10以上にすれば、一次電流I1のピークピーク値を200A未満にすることができる。そのため、市販のスイッチング素子331,332を用いることができ、発振器3の製造コストを低減することができる。
 なお、本形態では、実施形態1と同様に、ギャップ24を0.01~3mmにしている(図10参照)。そのため、自己共振周波数fsを駆動共振周波数f0よりも充分高くすることができる。また、共振効率ηを1以上にすることができる。
 以上説明したように、ギャップ24を0.01~3mmとし、初期比透磁率を10~1500とすることにより、fs>f0、η>1にでき、かつ、発振器3から一次巻線21に流す一次電流I1を少なくすることができる。
 また、本形態では、一次電流I1のピークピーク値を200A以下にしているため、特に高い電流を流すことができるスイッチング素子331,332を用いる必要がなくなり、発振器3の製造コストを低減することができる。
 その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
 なお、図13のグラフを取得するにあたり、実施形態1と同様に、EEコアを有する昇圧トランス2を用いたが、EIコアを用いても同様の作用効果を得ることができる。
(実施形態3)
 本形態は、ケース50の構成を変更した例である。図14に示すごとく、本形態のケース50は、実施形態1と同様に、壁部51と底部52とを備える。壁部51は金属からなり、底部52は絶縁樹脂からなる。壁部51は遮蔽部5を兼ねている。このように、本形態では、ケース50の一部(すなわち、壁部51)によって、遮蔽部5を構成している。
 その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
(実施形態4)
 本形態は、ケース50の構成を変更した例である。図15に示すごとく、本形態のケース50は、実施形態1と同様に、壁部51と底部52とを備える。壁部51は、金属製の第1部分511と、樹脂製の第2部分512とからなる。第1部分511が遮蔽部5となっている。このように、本形態では、ケース50の一部(すなわち、第1部分511)によって、遮蔽部5を構成している。
 その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
(実施形態5)
 本形態は、ケース50の構成を変更した例である。図16に示すごとく、本形態のケース50は、壁部51と、底部52と、上板部53とを備える。これら壁部51と底部52と上板部53とは、それぞれ金属からなる。ケース50によって、遮蔽部5が構成されている。
 その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
(実施形態6)
 本形態は、ケース50の構成を変更した例である。図17に示すごとく、本形態のケース50は、壁部51と、底部52と、上板部53と、底部52から延出する筒状部54とを備える。筒状部54の先端に点火プラグ4が取り付けられている。筒状部54内には、二次巻線22と点火プラグ4とを繋ぐ配線541が設けられている。
 壁部51と底部52と上板部53と筒状部54とは、それぞれ金属からなる。また、筒状部54は、点火プラグ4の基準電極49に接続している。基準電極49は、図示しない内燃機関に接続しており、この内燃機関が接地されている。本形態では、筒状部54を基準電極49に接続することにより、ケース50を、内燃機関を介して接地している。
 上記構成にすると、ケース50を接地するためのワイヤー等を設ける必要がないため、点火装置1の構成を簡素にすることができる。そのため、点火装置1の製造コストを低減できる。
 その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
(実施形態7)
 本形態は、ケース50の構成を変更した例である。図18に示すごとく、本形態ではケース50に、昇圧トランス2と発振器3とを収容してある。ケース50は、壁部51と、底部52と、上板部53とを備える。これら壁部51と底部52と上板部53とは、それぞれ金属製である。ケース50によって、遮蔽部5が構成されている。
 上記構成にすると、発振器3と昇圧トランス2とを一体化でき、部品点数を低減することができる。
 その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
(実施形態8)
 本形態は、図19に示すごとく、ケース50を設けないようにした例である。同図に示すごとく、本形態の昇圧トランス2は、実施形態1と同様に、2個のコア片231と、ボビン29と、一次巻線21と、二次巻線22とを備える。これらを封止部材28によって封止し、一部品化してある。また、ギャップ24に隣り合う位置に、金属からなる環状の遮蔽部5を設けてある。
 その他、実施形態1と同様の構成を備える。
(実施形態9)
 本形態は、ギャップ24の構成を変更した例である。図20に示すごとく、本形態では実施形態1と同様に、2個のE型のコア片231によってコア23を構成してある。これらのコア片231の間には、3個のギャップ24(24a,24b,24c)が形成されている。3個のギャップ24のうち、第1ギャップ24aと第2ギャップ24bとに、ギャップ形成部材241が配されている。また、第3ギャップ24cにはギャップ形成部材241が配されていない。第3ギャップ24cはエアギャップとされている。
 その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
(実施形態10)
 本形態は、ギャップ24の構成を変更した例である。図21に示すごとく、本形態では実施形態1と同様に、2個のE型のコア片231によってコア23を構成してある。これらのコア片231は、2箇所の接触部27において互いに接触している。また、2個のコア片231の間に、1個のギャップ24が形成されている。ギャップ24には、樹脂等からなるギャップ形成部材241が配されている。
 その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
(実施形態11)
 本形態は、ギャップ24の構成を変更した例である。図22に示すごとく、本形態では実施形態1と同様に、2個のE型のコア片231によってコア23を構成してある。これらのコア片231の間には、3個のギャップ24(24a,24b,24c)が形成されている。個々のギャップ24には、薄膜層242が介在している。薄膜層242は、例えば、金属のめっき層、樹脂等の薄膜、樹脂等のコーティング層からなる。
 その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
(実施形態12)
 本形態は、ケース50の構成を変更した例である。図23に示すごとく、本形態では、ケース50に突部58を形成してある。そして、2個のコア片231によって突部58を挟持している。これにより、2個のコア片231の間にギャップ24(すなわち、エアギャップ)を形成している。
 その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
(実施形態13)
 本形態は、ギャップ24の構成を変更した例である。図24に示すごとく、本形態では実施形態1と同様に、2個のE型のコア片231によってコア23を構成している。これらのコア片231は、2箇所の接触部27において互いに接触している。また、2個のコア片231の間に、1個のギャップ24が形成されている。ギャップ24は、エアギャップである。
 その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
(実施形態14)
 本形態は、コア23の形状を変更した例である。図25に示すごとく、本形態のコア23は、E型のコア片231とI型のコア片232とを組み合わせて構成された、EIコアである。これらのコア片231,232の間には、ギャップ形成部材241が介在している。これにより、2個のコア片231,232の間にギャップ24を形成してある。
 その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
(実施形態15)
 本形態は、コア23およびギャップ24の構成を変更した例である。図26に示すごとく、本形態では、E型のコア片231とI型のコア片232とを組み合わせることにより、コア23を構成している。これらのコア片231,232は、2箇所の接触部27において互いに接触している。また、2つのコア片231,232の間に、ギャップ24が形成されている。このギャップ24は、エアギャップである。
 その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
 本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (9)

  1.  一次巻線(21)と、二次巻線(22)と、軟磁性体からなりギャップ(24)が形成されたコア(23)とを有する昇圧トランス(2)と、
     上記一次巻線に接続した発振器(3)と、
     上記二次巻線の第1端部(221)に接続した点火プラグ(4)と、
     導電性材料からなり、上記ギャップから漏洩する磁束を遮蔽する遮蔽部(5)とを備え、
     上記発振器によって上記一次巻線に交流電圧を加え、上記二次巻線に発生する二次電圧(V2)を共振させて、上記点火プラグに放電を発生するよう構成されており、
     上記二次巻線の、上記第1端部とは反対側の端部である第2端部(222)と、上記遮蔽部とを電気的に接続してある、点火装置(1)。
  2.  上記昇圧トランスを収容するケース(50)を備え、該ケースの少なくとも一部によって上記遮蔽部が構成されている、請求項1に記載の点火装置。
  3.  上記二次巻線の上記第2端部と上記遮蔽部とが接地されている、請求項1又は請求項2に記載の点火装置。
  4.  共振による上記二次電圧の利得をη、上記点火プラグに上記放電が発生しているときにおける上記二次電圧の共振周波数である駆動共振周波数をf0、上記二次巻線の自己共振周波数をfsとした場合、下記式を満たすように、上記コアの透磁率及び上記ギャップの幅が定められている、請求項1~3のいずれか一項に記載の点火装置。
    η>1
    s>f0
  5.  上記発振器から上記一次巻線に流れる電流のピークピーク値は、200A以下にされている、請求項1~4のいずれか一項に記載の点火装置。
  6.  上記コアは、EEコア又はEIコアであり、初期比透磁率が10~1500であり、上記ギャップの幅は0.01~3mmである、請求項1~5のいずれか一項に記載の点火装置。
  7.  上記発振器は、少なくとも1個のハーフブリッジ回路(33)を備え、上記一次巻線の一端を、上記ハーフブリッジ回路を構成する2個のスイッチング素子の間に接続してあり、上記スイッチング素子をオンオフさせることにより、上記一次巻線の他端の電位を基準として、上記一端側の電位を正負交互に変動させるよう構成されている、請求項1~6のいずれか一項に記載の点火装置。
  8.  上記発振器の周波数は0.1~20MHzとされている、請求項1~7のいずれか一項に記載の点火装置。
  9.  上記発振器の周波数をfm、上記点火プラグに上記放電が発生しているときにおける上記二次電圧の共振周波数である駆動共振周波数をf0とした場合、下記式を満たすよう構成されている、請求項1~8のいずれか一項に記載の点火装置。
    0.95f0<fm<1.05f0
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