(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
昇圧器へ一次電圧を印加することにより出力される高圧の二次電圧で点火プラグに火花放電させる内燃機関の点火装置であって、
一次電圧を印加された圧電素子の電歪効果により高圧二次電圧を発生する圧電素子製トランスで昇圧器を構成し、
一次電圧発生手段は、前記圧電素子がその固有共振周波数で振動するための一次電圧を発生する内燃機関の点火装置において、
前記一次電圧発生手段が、電源へ接続された点火用コンデンサと、この点火用コンデンサの放電回路を形成し点火時期決定回路によりオン・オフされるスイッチ素子と、このスイッチ素子と接地部の間へ直列に接続された昇圧器とを備えるとともに、前記点火用コンデンサの放電にともなって昇圧器の一次側に生じる一次電圧の立ち上がり波形を決定する時定数を、この立ち上がり波形と圧電素子の固有共振周波数の成分波形とが一致するように決定したことを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項２】
昇圧器へ一次電圧を印加することにより出力される高圧の二次電圧で点火プラグに火花放電させる内燃機関の点火装置であって、
一次電圧を印加された圧電素子の電歪効果により高圧二次電圧を発生する圧電素子製トランスで昇圧器を構成し、
一次電圧発生手段は、前記圧電素子がその固有共振周波数で振動するための一次電圧を発生することを特徴とする内燃機関の点火装置において、
前記一次電圧発生手段が、電源へ接続されて点火時期決定回路によりオン・オフされるスイッチ素子と、このスイッチ素子の開閉される２端子間に並列に接続された昇圧器とを備えるとともに、スイッチ素子をオフにしたときの前記２端子間における電圧立ち上がり波形を決定する時定数を、前記立ち上がり波形と圧電素子の固有共振周波数の成分波形が一致するように決定したことを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項３】
前記昇圧器をプラグキャップ内へ一体化させたことを特徴とする請求項１または２に記載した内燃機関の点火装置。
【請求項４】
前記プラグキャップを耐熱性弾性絶縁材料で形成したことを特徴とする請求項３に記載した内燃機関の点火装置。
【請求項５】
ＤＯＨＣ形式の内燃機関において平行する一対のカムシャフト間に形成されたプラグホール内へ前記プラグキャップを挿入し、プラグキャップをカムカバーから外部へ突出させずに取付けたことを特徴とする請求項３に記載した内燃機関の点火装置。
【請求項６】
前記昇圧器を点火プラグ内へ一体化させたことを特徴とする請求項１又は２に記載した内燃機関の点火装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は小型軽量化した、内燃機関の点火装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開昭６３−３１４３６６号には、圧電素子に機械的圧迫を加えて高電圧を発生する内燃機関の点火装置が示されている。特公昭５８−３４７２２号にはこのような圧電素子を昇圧コイルと直列に組み合わせたものが示されている。
【０００３】
特開昭６２−３３４０８号にはプラグキャップにイグニッションコイルを一体化したものが示されている。同様なものに特開平４−１４３４６１号があり、これには、シリンダヘッド上に一対のカムシャフトを設けたダブルオーバーヘッドカムシャフト（ＤＯＨＣ）型エンジンにおいて、カムシャフト間へ斜めに形成したプラグホール内へプラグキャップを挿入しているものが示されている。
【０００４】
また、米国特許第２４６１０９８号には点火プラグにイグニッションコイルを一体化したものが示されている。
【０００５】
さらに、特開昭６０−１９０６７２号には、点火用コンデンサの放電を利用して二次電圧を発生させるＣＤＩ形式の点火回路の例が示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上記圧電素子を用いるものは、機械的な圧迫手段を必要とし、かつデイストリビュータと高電圧用のハイテンションコードが必要になる。このため点火装置全体として大型化並びに重量化しかつ複雑高価になる。
【０００７】
また、イグニッションコイルを用いる場合も同様に大型化並びに重量化を避けられない。そのうえプラグキャップに一体化したものは大型になりしかも発熱を伴うので、自動２輪車用に構成された小型の内燃機関に直接取り付けるにはレイアウトが難しくなる。
【０００８】
特に、ＤＯＨＣ形式のエンジンにイグニッションコイル一体型のプラグキャップを使用する場合、バルブ挟み角が大きくカムシャフトの間隔が広い限られた場合は、カムシャフト間にイグニッションコイル部分を配設できるので、カムカバーからあまりプラグキャップを突出させないようにできるが、この場合はイグニッションコイルがエンジンの高熱に曝されることになる。
【０００９】
一方、バルブ挟み角が小さくカムシャフトの間隔が狭い場合は、カムシャフト間にイグニッションコイル部分を配設できにくくなり、プラグキャップがカムカバーから外部へ大きく突出してしまい勝ちになるため、エンジンのレイアウトが難しくなる。
【００１０】
さらに、点火回路における昇圧装置として圧電素子を用いるためには、圧電素子へ一次電圧を印加するための特別かつ有利な一次電圧発生手段が必要になる。本願発明は係る問題点を解決することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る内燃機関の点火装置は、一次電圧を印加された圧電素子の電歪効果により高圧二次電圧を発生する圧電素子製トランスで昇圧器を構成するとともに、一次電圧発生手段は、前記圧電素子がその固有共振周波数で振動するための一次電圧を発生することを特徴とする。
【００１２】
また、一次電圧発生手段が、電源へ接続された点火用コンデンサと、この点火用コンデンサの放電回路を形成し点火時期決定回路によりオン・オフされるスイッチ素子と、このスイッチ素子と接地端子の間へ直列に接続された昇圧器とを備えるとともに、前記点火用コンデンサの放電にともなって昇圧器の一次側に生じる一次電圧の立ち上がり波形を決定する時定数を、前記電圧立ち上がり波形と圧電素子の固有共振周波数の成分波形が一致するように決定したことも特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る発明は、一次電圧発生手段が、電源へ接続されて点火時期決定回路によりオン・オフされるスイッチ素子と、このスイッチ素子の開閉される２端子間に並列に接続された昇圧器とを備えるとともに、スイッチ素子をオフにしたときの前記２端子間における電圧立ち上がり波形を決定する時定数を、前記電圧立ち上がり波形と圧電素子の固有共振周波数の成分波形が一致するように決定したことを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２の昇圧器をプラグキャップ内へ一体化させたことを特徴とし、請求項４の発明は、このプラグキャップを耐熱性弾性材料で形成したことを特徴とする。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項３のプラグキャップを、ＤＯＨＣ形式の内燃機関において平行する一対のカムシャフト間に形成されたプラグホール内へ挿入し、カムカバーから外部へ突出させずに取付けたことを特徴とする。
【００１６】
請求項６に係る発明は、請求項１又は２の昇圧器を点火プラグ内へ一体化させたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３に基づいてプラグキャップ一体型として構成された一形態を説明する。図１は実施例の自動２輪車用点火装置の概念図であり、車載のバッテリＢなど適当な電源に接続された一次電圧発生手段１、昇圧器２を内蔵したプラグキャップ３及びこのプラグキャップが被せられる公知の従来型点火プラグ４で構成されている。
【００２０】
昇圧器２は、ピエゾ素子として知られる平板状の圧電セラミック素子からなる一次側圧電素子５と二次側圧電素子６を組合せ、一次側圧電素子５に入力電極７、８を設け、かつ二次側圧電素子６に出力電極９を設けた圧電素子製トランスである。
【００２１】
この出力電極９がプラグキャップ３を点火プラグ４へ被せたとき点火プラグ４と導通し、出力電極９からの二次電圧によって点火プラグ４の放電ギャップ間で火花放電するようになっている。
【００２２】
図２は昇圧器２の構成を概略的に示すものであり、一次側圧電素子５の厚み方向両側に入力電極７、８を設け、かつ二次側圧電素子６における長さ方向端部のうち一次側圧電素子５と接触していない方に出力電極９を設けてある。
【００２３】
この昇圧器２は、一次電圧として、一次側圧電素子５と二次側圧電素子６の長さ方向で決定される固有共振周波数の交流を入力電極７、８にかけると、電歪効果により長さ方向へ強い機械振動が発生して出力電極９から電気に再変換されて高圧の二次電圧として出力されるようになっている。
【００２４】
このとき、二次電圧は、一次側と二次側とのインピーダンス比によって決定されるので、設定により二次側を火花放電に十分な高さまで昇圧することができ、例えば、一次側１２Ｖに対して二次側１０〜２０ＫＶのような設定ができる。
【００２５】
したがって、一次電圧発生手段１はこのような一次電圧を発生するものであって、後述するように、前記固有共振周波数の交流又はその成分波形を有する一次電圧を発生する。
【００２６】
図３は自動２輪車のＤＯＨＣ型エンジンに適用した具体構造を示し、シリンダヘッド１０の中心部には深いプラグホール１１が形成され、これを挟んで吸気バルブ１２、排気バルブ１３並びにこれらを駆動する一対のカムシャフト１４、１５が設けられ、カムカバー１６で覆われている。
【００２７】
このプラグキャップ３は、その本体部２０として耐熱性弾性絶縁材料からなる筒状部材が設けられ、その一端にフランジ部２１が形成されている。
【００２８】
フランジ部２１は、プラグキャップ３をプラグホール１１内へ挿入したとき、フランジ部２１に形成された溝部２２がプラグホール１１の上端開口部の縁に形成された突部１７へ嵌合して位置決めされる。
【００２９】
プラグホール１１の上端開口部は、カムカバー１６に形成された凹部１６ａに形成されているが、フランジ部２１はこの近傍に位置し、カムカバー１６の最大突出部１６ｂより外部へはみ出すことはなく、プラグキャップ３全体がカムカバー１６内部へ収容されている。
【００３０】
なお、本体部２０を構成する耐熱性弾性絶縁材料としては、シリコンゴム等の耐熱性ゴム材料が適当である。
【００３１】
フランジ部２１の中央部には、プラグ栓２３が取付けられ、ここから電線２４が外部へ延出して前記一次電圧発生手段１へ接続されている。この電線は従来のハイテンションコードとことなり、１００〜２００Ｖ程度の弱電用のもので十分である。
【００３２】
本体部２０の内側には、フェノール樹脂などの適当な耐熱絶縁性樹脂からなるコンタクトホルダー２５を介して昇圧器２が収容され、その二次側圧電素子６の出力電極９はバネ付勢されたコンタクトピース２６を介してコンタクトホルダ２５の先端に設けられたキャップ電極２７と接続している。
【００３３】
キャップ電極２７は点火プラグ４の接続端子４ａと導通接続し、かつ本体部２０の下端部側は点火プラグ４の絶縁部４ｂを覆うようになっている。
【００３４】
点火プラグ４は、昇圧器２の二次電圧によって、燃焼室１８内へ突出する中心電極４ｃと接地電極４ｄとの間に形成される放電ギャップに火花放電を発生し、燃焼室１８内の燃料を燃焼するようになっている。
【００３５】
なお、図中の符号１９ａは吸気通路、１９ｂは排気通路、１９ｃはシリンダブロック、１９ｄはピストンである。
【００３６】
このように昇圧器２を構成すると、出力のみならず入力も電気的にできる。したがって従来必要とされた機械的入力手段である圧迫手段や分配機構であるデイストリビュータを不要にできる。
【００３７】
また、ピエゾ素子からなる昇圧器２は比較的小型かつ軽量であるから、プラグキャップ３内へ一体化でき、かつ従来のハイテンションコードを省略できる。このため点火装置全体として小型化並びに軽量化しかつ構造簡単で安価になる。
【００３８】
特に、図３に示すように、ＤＯＨＣ形式のエンジンに使用する場合でも、プラグキャップ３が十分に小型であるから、カムカバー１６から外部へ突出することがなく、その内部へコンパクトに収容される。
【００３９】
したがって、吸気バルブ１２と排気バルブ１３とのなす角、すなわちバルブ挟み角が小さく、しかも一対のカムシャフト１４、１５の間隔が狭いことにより、比較的穴径の小さなプラグホール１１に対しても、その内部へほぼ全体を挿入して取付できるから、エンジンのレイアウトを制約するようなことがない。
【００４０】
しかも、プラグホール１１内のプラグキャップ３は、エンジンの高熱と振動に曝されることになるが、本体部２０として耐熱性弾性絶縁材料を用いたので、昇圧器２を高温並びに振動から有効に保護できる。
【００４１】
したがって、自動２輪車用に構成された小型の内燃機関に取り付ける場合でもレイアウトが容易になり、そのうえ、電子制御式の一次電圧発生手段１による点火制御に最適な構造になる。
【００４２】
図４は点火プラグへ一体化した別形態の概念図である。この昇圧器一体型点火プラグ４は、絶縁部４ｂ内に図１と同じ構造の昇圧器２を設けてある。昇圧器２の入力電極７、８はコード２４を介して一次電圧発生手段１へ接続されている。
【００４３】
昇圧器２の出力電極９は点火プラグ４の中心電極４ｃへ接続し、二次電圧によって中心電極４ｃと接地電極４ｄとの間に形成される放電ギャップ４ｅで火花放電を発生するようになっている。
【００４４】
このように点火プラグ４内へ昇圧器２を内蔵させることも可能になり、プラグキャップを省略できるので、点火装置全体をより小型軽量かつ簡単な構造にすることができる。
【００４５】
次に、一次電圧発生手段１の回路構成例を説明する。図５はこの第１タイプであり、バッテリ等の適当な直流電源３０と昇圧器２の間に発振回路３１とスイッチ素子３２を直列に接続し、スイッチ素子３２は点火時期決定回路３３でオン・オフする。
【００４６】
発振回路３１は昇圧器２の固有共振周波数を発生するように調整され、点火時期決定回路３３は公知のパルサー回路等が使用され、所定のタイミングでスイッチ素子３２をオンさせるようになっている。
【００４７】
なお、点火時期決定回路３３を、昇圧器２の固有共振周波数を発生するように調整された発振回路３１へ接続し、点火時期決定回路３３により、所定のタイミングと時間だけ発振させるための発振動作信号を発振回路３１へ与えれば、同様の効果を得ることができるとともに、構成をより簡単にできる。
【００４８】
図６は、上記回路の各部における出力波形であり、Ａに示す発振回路の出力は前記高周波の交流であり、Ｂに示すスイッチ素子３２からは所定時間のオン信号が出力され、その結果、Ｃに示すように一次電圧は、発振回路の出力がスイッチ素子のオン間与えられ、これによりＤに示す昇圧された二次出力が得られる。
【００４９】
このようにすると、スイッチ素子３２のオンの間中、発振回路３１の出力が昇圧器２へ一次電圧として印加されるため、この印加時間だけ二次出力が得られるから、点火プラグ４における放電時間が長くなり強力な火花点火が可能になる。
【００５０】
図７はスイッチ素子３２としてサイリスタＳＣＲを用いた上記第１タイプのさらに具体化した例であり、この場合、発振回路３１と昇圧器２の間に小型トランス３４を直列に接続し、小型トランス３４の二次側コイルと接地の間にサイリスタＳＣＲを順方向に接続し、そのゲートに点火時期決定回路３３を接続してある。
【００５１】
小型トランス３４は例えば、電源の１２Ｖを１００〜２００Ｖ程度に昇圧する極めて小型のものである。なお、サイリスタＳＣＲはゲート電圧を安定させるために接地近くへ配設してある。
【００５２】
サイリスタＳＣＲから電源側の回路部分は、後述するＣＤＩ方式のうち、バッテリ電源をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧して所定の一次電圧を得るための発振回路として既存の回路部分を流用できる。
【００５３】
図８は第２タイプであり、第１タイプから発振回路を省略するとともに従来のコンデンサ充放電形式の回路を組み合わせたものである。この図から明らかなように、電源と順方向に接続したダイオードＤに抵抗Ｒ1を直列に接続し、これと接地の間に、点火用コンデンサＣ及び昇圧器２を並列に接続する。昇圧器２にはサイリスタＳＣＲのアノードを接続し、ゲートに点火時期決定回路３３を接続するとともにカソードを接地させる。また、昇圧器２と並列に抵抗Ｒ3を接続する。
抵抗Ｒ1、Ｒ3の値は要求される時定数に応じて適宜決定される。
【００５４】
図９は、点火用コンデンサＣの放電時における昇圧器２の一次電圧の時間変化を示すグラフであり、横軸に時間、縦軸に一次電圧をとってある。
【００５５】
この図に明らかなように、サイリスタＳＣＲがオフの状態で予め点火用コンデンサＣへ充電しておき、その後サイリスタＳＣＲをオンすると、このトリガオンとなった時点（Ｔ0）からの点火用コンデンサＣによる放電で、昇圧器２の入力電極７へかかる一次電圧が急速に上昇する。
【００５６】
そこで、この一次電圧の立ち上がり波形を昇圧器２の固有共振周波数の成分波形と一致するように設定しておけば、昇圧器２の出力電極９から点火に十分な高圧二次電圧を出力可能となる。
【００５７】
なお、点火後は電流の振動が生じ、サイリスタＳＣＲは転流により自動的にオフになって放電回路が遮断されるとともに、昇圧器２の入力電極７、８に蓄えられた電荷は抵抗Ｒ3を通して消費される。
【００５８】
このように回路を構成すると、昇圧器２では歪みが発生するとともに出力電極９に高電圧を発生させて点火させることができる。また、放電後はサイリスタＳＣＲを自動的にターンオフさせることができる。
【００５９】
しかも、発振回路が不要になるため、発振回路における周波数安定度が要求されなくなる。また、サイリスタＳＣＲを使用できることにより、点火信号はパルス信号で足り、点火時期決定回路３３は従来のパルサー回路がそのまま使用できるから、これらの理由により安価になる。
【００６０】
図１０は、バッテリ点火方式を採用したものであって、バッテリＢにコイルＬを介してスイッチ素子（トランジスタＴｒ）を接続し、さらにこのトランジスタＴｒと並列に昇圧器２を接続したものである。
【００６１】
このようにすると、トランジスタＴｒがオンのとき、コレクタＣとエミッタＥ間の電位差ＶECは０であり、トランジスタＴｒがオフするとバッテリ電圧ＶBTまで上がる。この変化は図１１に示され、横軸に時間、縦軸に前記電位差ＶECをとってある。
【００６２】
この図に明らかなように、トランジスタＴｒをオフすると、その時点（Ｔ0）から電位差ＶECが急速に立ち上がって昇圧器２への充電が開始され、このときの立ち上がり波形はコイルＬを含むバッテリＢからの回路と昇圧器２とで決定される時定数による。
【００６３】
そこで、予め充電回路の時定数を小さくして立ち上がり波形が、昇圧器２を構成する圧電素子の固有共振周波数の成分波形と一致するように設定すれば、トランジスタＴｒオフに伴う電位差ＶECの立ち上がり時に高圧の二次電圧を出力電極９から出力可能になる。
【００６４】
また、その後トランジスタＴｒをオンにすると、その時点（Ｔ1）から昇圧器２の電荷がトランジスタＴｒを通して放電され、電位差ＶECが立ち下がる。このときの立ち下がり波形もトランジスタＴｒの周波数や昇圧器２などで決定される時定数、並びにトランジスタＴｒへのベース入力波形等で決定される。
【００６５】
そこで、この放電回路の時定数を設定することにより立ち下がりを比較的緩やかにできるので、昇圧器２の振動を防止できる。なお、トランジスタＴｒにおけるオン信号の立ち上がりを緩やかにしても、同様に昇圧器２からの放電を緩やかにできる。
【００６６】
このように回路を構成すると、第１及び第２タイプと同様な効果が得られるとともに、従来から多用されているバッテリ点火形式の回路における基本構成を利用できる利点がある。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、昇圧器を一次電圧で高圧二次電圧を出力できる圧電素子製トランスで構成したので、圧電素子を用いたにもかかわらず、出力のみならず入力も電気的にでき、従来必要とされた入力手段としての機械的圧迫手段や分配機構も不要にできる。
このため、点火装置全体の小型化並びに軽量化が図られるので、自動２輪車用に構成された小型の内燃機関に取り付けてもレイアウトが容易になるとともに、入力が電気的にできるので、電子制御に最適な構造になる。
さらに、一次電圧発生手段として電源へ接続された点火用コンデンサと、この点火用コンデンサの放電回路を形成し点火時期決定回路によりオン・オフされるスイッチ素子と、このスイッチ素子と接地端子の間へ直列に接続された昇圧器とを備えるとともに、前記点火用コンデンサの放電にともなって昇圧器の一次側に生じる一次電圧の立ち上がり波形を決定する時定数を、前記電圧立ち上がり波形と圧電素子の固有共振周波数の成分波形が一致するように決定した。
ゆえに、発振回路を省略でき、発振回路における周波数安定度が要求されなくなる。そのうえ、昇圧器自体もコンデンサとして利用できるので、その分だけ点火用コンデンサをさらに小型化できる。
また、スイッチ素子としてサイリスタを使用できることにより、点火信号はパルス信号で足り、点火時期決定回路は従来のパルサー回路がそのまま使用できるから、これらの理由により安価になる。
【００６８】
請求項２の発明は、一次電圧発生手段として、電源へ接続されて点火時期決定回路によりオン・オフされるスイッチ素子と、このスイッチ素子の開閉される２端子間に並列に接続された昇圧器とを備えるとともに、スイッチ素子をオフにしたときの前記２端子間における電圧立ち上がり波形を決定する時定数を、前記電圧立ち上がり波形と圧電素子の固有共振周波数の成分波形が一致するように決定した。
このように回路を構成すると、請求項１の発明と同様な効果が得られるとともに、従来から多用されているバッテリ点火形式の回路における基本構成を利用できる利点がある。
【００６９】
請求項３の発明によれば、昇圧器をプラグキャップ内へ一体化できるので、点火装置全体をさらに小型、軽量でかつ構造簡単にできるとともに、従来必要とされた分配機構と点火プラグとを結ぶ高電圧用のハイテンションコードを省略できるので安価になる。
【００７０】
請求項４の発明によれば、プラグキャップに耐熱性弾性絶縁材料を用いたので、プラグキャップがプラグホール内でエンジンの高熱と振動に曝されても、昇圧器を高温並びに振動から有効に保護できる。
【００７１】
請求項５の発明によれば、昇圧器を一体にしたプラグキャップを用いれば、プラグキャップが十分に小型であるから、ＤＯＨＣ形式のエンジンへ取付けても、カムカバーから外部へ突出しないようにその内部へコンパクトに収容できる。
【００７２】
したがって、バルブ挟み角が小さく、しかも一対のカムシャフト間隔が狭いことにより、比較的穴径の小さなプラグホールに対しても、十分にその内部へ挿入して取付できるから、エンジンのレイアウトを制約するようなことがなくなる。
【００７３】
請求項６の発明によれば、昇圧器を点火プラグ内へ一体化したので、プラグキャップを省略でき、点火装置全体をさらに小型、軽量化できかつ構造簡単にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】    実施例に係る概念図
【図２】    昇圧器の概念図
【図３】    具体的な使用例を示す断面図
【図４】    別形態に係る概念図
【図５】    一次電圧発生手段に係る第１タイプの回路図
【図６】    上記回路における各部の波形図
【図７】    第１タイプのさらに具体化した回路図
【図８】    一次電圧発生手段に係る第３タイプの回路図
【図９】    上記回路における波形図
【図１０】  一次電圧発生手段に係る第４タイプの回路図
【図１１】  上記回路における波形図
【符号の説明】
１：一次電圧発生手段、２：昇圧器、３：プラグキャップ、４：点火プラグ、５：一次側圧電素子、６：二次側圧電素子、７：入力電極、８：入力電極、９：出力電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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