(57)【要約】【課題】スパークプラグ用スパークプラグ点火アセンブリを提供する。【解決手段】スパークプラグ用スパークプラグ点火アセンブリにおいて、点火コイルアセンブリが、第１のコア部分及び第２のコア部分を有する鋼積層コアと、第１のコア部分の周りの一次巻線と、一次巻線の周りの二次巻線とを有する。スパークプラグ接続部材が設けられ、これによってコイルアセンブリをスパークプラグに接続する。第１及び第２のコア部分の少なくとも一方は、スロット内に磁石が配置されるスロットを自身内に有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパークプラグ用スパークプラグ点火アセンブリであって、
第１のコア部分及び第２のコア部分を有する鋼積層コアと、前記第１のコア部分の周りの一次巻線と、前記一次巻線の周りの二次巻線とを含む点火コイルアセンブリと、
前記コイルアセンブリを前記スパークプラグに接続するスパークプラグ接続部材と、
を含み、
前記第１及び前記第２のコア部分の少なくとも一方が、内部に磁石が配置されたスロットを有する、
スパークプラグ点火アセンブリ。
【請求項２】
前記スロットは矩形であり、前記コア部分を完全に貫通して延在し、
前記磁石は矩形であり、実質的に完全に前記スロットを満たして、前記磁石が前記コア部分の一方の面から反対側の面まで延在する、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記第１のコア部分が、前記第１及び第２の巻線を自身の周りに有するＩ型コア部分を含み、
前記第２のコア部分がＣ型コア部分を含み、
前記Ｃ型コア部分が、第１及び第２の脚部と、前記第１及び第２の脚部を接続し且つ前記脚部間にある中間部分とを有し、
前記第１及び第２の脚部の端面が前記Ｉ型コア部分の側面に当接し、
前記磁石を有する前記スロットが前記Ｃ型コア部分内に配置される、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記Ｃ型コア部分の前記脚部の少なくとも一方が、前記脚部の前記端面の方へと漸増的に拡幅され、
前記磁石を有する前記スロットが、前記脚部の前記拡幅部分に配置されると共に前記脚部の前記端面に対して平行な長手範囲を有する、請求項３に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記Ｃ型コア部分の反対側の脚部が、前記拡幅部分を有する前記脚部に比べて拡幅されない、請求項４に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記Ｃ型コア部分の２つの脚部は、前記それぞれの端面に隣接する領域において拡幅され且つ互いに対称であり、
前記磁石を有する前記スロットが、前記第１及び第２の脚部間の前記中間部分に配置され、その長手範囲が、前記中間部分の長手範囲に対して実質的に垂直に延在し且つ前記中間部分の中央に配置される、請求項３に記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記Ｃ型コア部分が対称な脚部を有し、
２つのスロットが前記中間部分内にそれぞれの磁石を備える、請求項３に記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記２つのスロットはＶ形を形成するが、前記２つのスロットの端部は前記Ｖ形の頂点で互いに接続されておらず、且つ前記Ｖ形が前記中間部分の長手範囲の方向に開口するように構成される、請求項７に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記第１のコア部分が、Ｔ部分を有するＴ型コア部分を含み、
前記第２のコア部分が２つの脚部と中間接続部分とを有するが、前記脚部の一方は他方の脚部より長く、且つ前記スロットと前記磁石とが前記短い方の脚部に配置されるＣ型コア部分を含み、
前記Ｔ型コア部分が、前記短い方の脚部の端面に当接する前記Ｔ部分の反対側の端部の側面の一部分を有する、請求項２に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記第１のコア部分がＩ型コア部分を含み、
前記第２のコア部分がＣ型コア部分を含み、
前記Ｃ型コア部分が、第１及び第２の脚部と、前記第１及び第２の脚部を接続し且つ前記脚部間にある中間部分とを有し、
前記一次巻線及び前記二次巻線が前記Ｉ型コア部分の周りにあり、
前記Ｉ型コア部分が、一方の側部において前記第１及び第２の各々の脚部の端部の端面に当接する、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記スロットと前記磁石が、前記コア部分の脚部又は中間部分に配置され、
前記磁石が、前記スロットにおける前記脚部又は前記中間部分の幅の少なくとも８５％且つ９５％以下である長さを有する、請求項２に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記磁石と前記スロットが、前記コア部分の脚部又は中間部分に配置され、前記磁石は前記磁石の長さの約１／４〜１／５である幅を有する、請求項２に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記磁石は、矩形状の前記磁石に成形される、その他の要素を有する焼結ベース鉄である、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記磁石と前記スロットが、前記コア部分の脚部又は中間部分に配置され、
前記磁石は、チョーク又はフィルタとして作用し、前記二次巻線を介した急速な放電の前にエネルギーのパルスを前記一次巻線内に制限するように寸法決めされ、前記コア部分内の位置に配置される、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１５】
スパークプラグ用スパークプラグ点火アセンブリであって、
第１のＩ型コア部分及び第２のＣ型コア部分を有する鋼積層コアと、前記Ｉ型コア部分の周りの一次巻線と、前記一次巻線の周りの二次巻線とを含む、点火コイルアセンブリと、
前記コイルアセンブリを前記スパークプラグに接続するスパークプラグ接続部材と、
を含み、
前記Ｃ型コア部分は、第１及び第２の脚部と、前記第１及び第２の脚部を接続し且つ前記脚部間にある中間部分とを有し、
前記第１及び第２の脚部の端面が、前記Ｉ型コア部分の側部に直接当接し、
前記Ｃ型コア部分が、開口内に磁石が配置される開口を自身内に有する、スパークプラグ点火アセンブリ。
【請求項１６】
前記開口が矩形の貫通スロットを含む、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項１７】
一次巻線と二次巻線とを受容するスパークプラグ点火コイルアセンブリコアであって、
第１及び第２の鋼積層コア部分を含み、
前記第２のコア部分が、第１及び第２の脚部と、前記第１及び第２の脚部を接続し且つ前記脚部間にある中間部分とを有し、
前記第１及び第２の脚部の端面が前記第１のコア部分に直接当接し、
前記コア部分の少なくとも一方は、開口内に磁石が配置される開口を自身内に有するスパークプラグ点火コイルアセンブリコア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等のスパークプラグの点火用の点火コイルアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用スパークプラグ１１の点火用の周知の点火アセンブリ１０を先行技術の図１に示す。このアセンブリ１０は、鋼積層コア１４と成形プラスチックカバー１５とを有する点火コイルアセンブリ１３と接続されるブート１２によりスパークプラグ１１に接続される。成形プラスチックカバー１５は、更にまた、コイルアセンブリ１３の一方側においてコネクタ／電気ハーネス１６を収容する。
【０００３】
カバー１５の一部分が除去された先行技術の図２に示すように、一次コイル１７は、コア１４を形成するＣ型コア部分２０の端部に隣接するＩ型コア部分１９として知られるものの周りで、二次コイル１８により囲繞される。Ｉ型コア部分１９及びＣ型コア部分２０の各々は、それぞれ個別の電気鋼積層体１９Ａ及び２０Ａを積み重ねたものにより形成される。
【０００４】
磁石２１は、Ｃ型コア部分２０の一方の脚部とＩ型コア部分１９の一方の端部に隣接する側部との間に挿入される。
【０００５】
積層体は電気鋼を含み、一次及び二次コイルは銅マグネットワイヤを含む。自動車用バッテリは、公称１２ボルト直流電源をＩ型コイル部分１９の周りの内側巻線としての一次コイル１７に供給する。銅線の巻数は、一次コイルでは数百程度である一方で、周囲の二次コイル１８は、数千のマグネットワイヤ巻数を有する。一次コイルのワイヤの直径は、二次コイルのワイヤの直径と比べると大きい。一次及び二次コイルの両方が直列に接続される。
【０００６】
全体としての点火アセンブリ１０のコイルアセンブリ１３は、点火システムを構成する複数のその他の構成要素と一緒に作用する。現代のシステムは、エンジンの周りに配置されるセンサを用いてＥＣＭ（電子制御モジュールであり、コンピュータとしても知られる）に信号を供給する。ＥＣＭは、次に、エンジンのクランクとカム軸とがどこにあるかを機械角で判断する。適当なタイミングで、電圧が点火一次コイルに送られ、その後、二次コイルに転送される。この高電圧は、エンジンピストンがストロークの最上点に来た瞬間に個別のスパークプラグに送られる。これにより燃料及び空気混合物が燃焼され、ピストンが下方に押し下げられる。この下降ストロークは、変速装置に動力を供給するクランクシャフトを部分的に回転させる。その後、変速装置がこの動力をトルクに変換し、このトルクがホイールに送られて移動性が得られる。この作用は、エンジン内のあらゆる点火コイル及びピストンにおいて定期的な間隔で繰り返される。自動車が高速で走行するほど点火プロセスも高速になる。
【０００７】
一次コイル１７は二次コイル１８より低いインダクタンスを有するため、スイッチが閉じられると、一次コイル１７において電流が容易に増大する。一次コイル電流が直流であるため、鋼積層体１９Ａ及び２０Ａ内で磁束の流れを生じる一定の大きさを有する非常に小さい磁界が創出される。スイッチが開くと、一次コイル１７を横切る電流電位が急降下し、そのエネルギーが二次コイル１８に放出され、銅線巻数がはるかに多いため、二次コイル１８ははるかに高い電位を創出する。したがって、このエネルギーの変化が、積層体における磁束を大幅に増大させる。このエネルギーの交換は数ミリ秒以内に起こる。一次コイル１７からの電流のブーストが減衰して零になると、磁束が磁気回路ループを完成させ、二次コイル１８を横切る電圧電位が大きくなる。この二次コイルの電圧電位は、その設計の対象となるエンジンの種類によって、一般に４０，０００〜７０，０００ボルトの範囲内である。これによって最大限の電圧電位転送量も維持される。この高電位は、スパークプラグ１１の隙間１１Ａを飛び越える能力を有するので、上死点においてシリンダ内の燃料及び空気混合物に点火してピストンを下方に押し下げることによって内燃機関のクランクシャフトを回転させるストロークを生じる。
【０００８】
点火コイルの設計基準要件は、下記の通りである：
（１）積層体において過剰な損失を伴うことなくエネルギーを最大限に転送すること。これは、損失はエネルギーの浪費であって、熱に変換されるからである。効率が低下し、製品の有効寿命が低下する。
（２）エネルギーの転送に要する減衰時間を最小限にすること。これは２つの理由から必要である。第１に、エネルギーの転送が迅速であるほど全ての構成要素における損失が小さくなる。第２に、ＥＰＡ（環境保護局）排出規制の強化により、炭化水素として知られる未燃焼ガス混合物を再循環させることが必要である。これらの炭化水素は、初期燃焼において純粋な燃料ほど点火が容易ではない。したがって、スパークプラグの隙間を横切る火花は非常に高い電位を有さなければならない。
【０００９】
現代の自動車用点火システムは、全部のシリンダに対して１つの単一点火コイル及びディストリビュータアセンブリという初期の時代から、図１に示す単一コイルアセンブリ１３等のシリンダ毎に１つずつの個別の点火コイルへと進歩した。図２に示すＣ型コア部分２０及びＩ型コア部分１９や同様にそれぞれ一次及び二次コイル８及び９を有する先行技術の図４に示すようなＣ型コア部分２１及びＴ型コア部分２２等の異なるコア形状設計が用いられた。しかし、それがＣ型及びＩ型コア部分であっても、Ｃ型及びＴ型コア部分であっても、機能は同じままである。基本的なビルディングブロックも、図２と更にまた図３の断面図とに示す永久磁石２１の導入を含めて同じである。Ｃ型及びＴ型構成において、永久磁石２３は、Ｔ型コア部分２２のＴ型端部とＣ型コア部分２１の一方の脚部の側面との間に配置される。Ｃ型及びＴ型コア部分に用いられる先行技術の磁石の一例として、特許文献１がある。
【００１０】
図３の磁石２１又は図４の磁石２３の利点は、鋼コア磁気回路内の磁束源である。スイッチが閉じられると、永久磁束は、一次コイル１７により生じる前述の弱い磁束に対抗する。このため、いかなる電圧も二次コイル１８上に生じていないことが確実である状態で最終的にスイッチが開かれる。その瞬間に最大電圧の転送が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５２４１９４１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
目的は、点火コイルの性能を向上させると共にその動作効率を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
スパークプラグ用スパークプラグ点火アセンブリにおいて、点火コイルアセンブリは、第１のコア部分及び第２のコア部分を有する鋼積層コアと、第１のコア部分の周りの一次巻線と、一次巻線の周りの二次巻線とを有する。スパークプラグ接続部材が設けられ、これによってコイルアセンブリとスパークプラグとを接続する。第１及び第２のコア部分の少なくとも一方は、磁石が配置されたスロットを自身内に有する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】先行技術によるスパークプラグ点火用の自動車用点火アセンブリの斜視図である。
【図２】外側カバーの一部分が除去されて、コア上に巻き付けられた一次コイルと二次コイルとを示す図１のアセンブリの斜視図である。
【図３】先行技術のコアのＩ型コア部分とＣ型コア部分との間における磁石の使用を示す、図２の断面線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。
【図４】Ｃ型コア部分とＴ型コア部分とが用いられ且つＣ型コア部分とＴ型コア部分との間に磁石を有する別の先行技術のコアを示す断面図である。
【図５】コアのＣ型コア部分に埋設された磁石を有する第１の好適な実施形態のコアの横断面図である。
【図６】コアのＣ型コア部分に挿入された磁石を有する第２の好適な実施形態の横断面図である。
【図７】コアのＣ型コア部分内に挿入された２つの磁石を有する第３の好適な実施形態の横断面図である。
【図８】Ｔ型コア部分も有するコアのＣ型コア部分に磁石が挿入された第４の好適な実施形態の横断面図である。
【図９】Ｉ型コア部分とＣ型コア部分との間に磁石を有する先行技術の構成における一次コイルの鎖交磁束及び電流と時間との関係を示すグラフである。
【図１０】Ｖ形をなす２つの磁石を有する第３の好適な実施形態のコアにおける一次コイルの鎖交磁束及び電流と時間との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の原理を理解するのを促す目的で、次に、図面に例示する好適な実施例／最良の形態を参照し、特定の用語を用いてそれらを説明する。しかし、それによって本発明の範囲が限定されるわけではなく、本発明が関連する分野の当業者であれば通常的に想到されるような、例示の実施形態のこのような変更及び更なる改変、並びに例示の本発明の原理の更なる応用が含まれることが理解されるであろう。
【００１６】
図５に、図３に示した横断面図と同様の、第１の好適な実施例の横断面図を示す。Ｃ型コア部分２６とＩ型コア部分２７とが全体のコア２９を形成する。一次コイル２４と外側の二次コイル２５とが巻きつけられてＩ型コア部分２７を取り巻く。磁石２８は、Ｃ型コア部分の端面２６Ｂに隣接するがこの端面から離間した、Ｃ型コア部分２６の脚部２６Ａの貫通スロット３０に挿入される。
【００１７】
磁石は、スロットにおける脚部の幅の少なくとも８５％、好ましくは約９０％且つ９５％以下である長さを有する。この８５％の下限は、磁石２８の対向端部のネック領域７Ａ、７Ｂが磁気飽和して、永久磁石によるＭＭＦ（起磁力）が磁路長の長さを移動することが可能になるように選択される。ネック部分の飽和の必要性は、一方向における磁束の単方向の流れを可能にする。このように、点火コイルにおける前述の磁石の機能は、チョーク又はフィルタとして作用することで、二次コイルを介した急速な放電の前にエネルギーのパルスを一次コイル内に制限することである。９５％という上限は、磁石２８の対向端部の積層材料が薄くなりすぎて破損又は打抜きの問題が生じることがないように選択される。
【００１８】
磁石は、ＭＧＯｅと呼ばれる磁石の最大エネルギー積によって判断される幅を有する。ＭＧＯｅが高いほど、磁石の幅を薄くできる。磁石の幅は、磁石の長さの略１／４〜１／５の間の範囲内であるが、最大エネルギー積と減磁効果とに関する磁石の特性に依存する。
【００１９】
積層体の材料は、好ましくは、化学組成においてケイ素の含有を有しても又は有さなくてもよい電気グレードの鋼である。
【００２０】
磁石の材料は、好ましくは好適な矩形状に成形される、その他の要素を有する焼結ベース鉄である。例えば、磁石は、特に、一例において、ネオジム鉄ボロンにより形成される。別の例では、材料は特に鉄ベースの焼結セラミックであってもよい。
【００２１】
図示のスロット及び磁石は矩形であるが、その他の形状を用いてもよい。
【００２２】
この第１の実施形態では、１個の磁石のみを示しているが、１個以上の永久磁石を、Ｃ型コアの積層体を積み重ねたものの中の異なる位置に埋設してもよい。このように、磁石の様々なその他の幾何学的形状及び配置を用いて、点火コイルの機能を最適化することができる。また別の考えられる好適な実施形態を以下に示すが、多くのその他の考えられる構成も本発明の実施例の範囲内に含まれる。
【００２３】
本明細書では自動車用点火システムへの利用を説明するが、好適な実施形態はいかなる種類の乗り物又は船舶エンジン或いはその他の用途に用いられるエンジンにも用いられる。
【００２４】
更に、図５の第１の実施形態において、脚部２６Ａは、スロット３０を有する端面２６Ｂに近づくにつれて漸増的に拡幅され、磁石２８はこの拡幅部分に配置されることがわかる。
【００２５】
図６に、Ｃ型コア部分が端面３５Ｃ、３５Ｄに近づくにつれて漸増的に拡幅される鏡像脚部３５Ａ及び３５Ｂを有する、Ｉ型コア部分３４とＣ型コア部分３５とにおける第２の好ましい実施例を示す。磁石３１は、実質的に脚部３５Ａ及び３５Ｂ間の中間においてコア部分３５の中間部分の中央領域３３にある貫通スロット３２内に配置される。
【００２６】
中間部分における磁石の長さ及び幅は、磁石がコア部分の脚部にある場合の磁石に関する前述の長さ及び幅と同様である。
【００２７】
図７に示す第３の好ましい実施例においては、Ｉ型コア部分３６とＣ型コア部分３７が設けられ、Ｃ型コア部分３７は、端面３７Ｃ、３７Ｄに近づくにつれて漸増的に拡幅される鏡像脚部３７Ａ、３７Ｂを有する。脚部３７Ａ、３７Ｂ間の略中間の中間部分の中央領域３８において、第１及び第２の磁石３９Ａ及び３９Ｂは、それぞれの貫通穴４０Ａ及び４０Ｂ内に設けられて、Ｖの頂点が実質的に脚部間の中間にあると共にＶの脚部はＶの開口端が脚部３７Ｂの方に向くように傾斜するＶ構成を形成する。磁石３９Ａ及び３９Ｂは、脚部間の中央部分３８を通過する長手中心線の周りにおいて鏡面対称に配列される。
【００２８】
図６の第２の好適な実施形態では、図５の第１の実施形態と比べて、高い磁束鎖交が得られる。そして、図７の第３の実施形態では、図６の第２の実施形態と比べて、高い磁束鎖交が得られる。これは、二次電圧が巻数と時間の変化にわたる磁束鎖交の変化との積に等しいという関係を裏付ける。このことは、一次コイルが適正なインダクタンスを達成する一助にもなる。
【００２９】
図８に示す第４の実施形態において、コアは、Ｔ型コア部分４１と、より短い脚部とより長い脚部とを有するＣ型コア部分４０とによって形成される。Ｔ型部分４１のＴ部分４１Ａは、Ｃ型コア部分４０のより長い脚部の側面に当接する。Ｃ型コア部分４０のより短い脚部の端面は、Ｔ型コア部分４１のＴ部分４１Ａの反対側の端部の側面の一部分に当接する。この当接部に隣接して、磁石４４が、より短い脚部の貫通スロット４５内に配置される。
【００３０】
Ｃ型及びＩ型とＣ型及びＴ型部分のコアを示したが、その他の種類のコアを用いて別の実施形態を創出することができる。
【００３１】
図９は、図４に示す先行技術のコアにおける一次コイルの磁束鎖交及び電流と時間との関係を示すグラフである。図１０には、図７に示す鏡像脚部とＶ形に配置された磁石とを有する第３の好適な実施形態における一次コイルの磁束鎖交及び電流と時間との関係を示す。かくして、図９及び１０のグラフは、元来の先行技術の設計と第３の好適な実施形態とのシミュレーションを示す。先行技術のコアに関する図９のグラフには、スイッチが閉じられた際の零ヘンリーのインダクタンスの低い磁束鎖交が示されている。図１０の第３の好適な実施形態のグラフには、スイッチを閉じた際の７．５ミリヘンリーのインダクタンスの磁束鎖交が示されている。この差は、永久磁石から生じる磁束又は起磁力（ＭＭＦ）による。この磁束は、その後、鋼積層体として知られる磁気回路内を移動すると共に一次コイルの銅巻線と結合する。このＭＭＦは、付勢された一次コイルから生じる起電力（ＥＭＦ）と対立する。その結果として、一次コイルを横切って、より高いインダクタンスを生むインピーダンスが生じる。これを「チョーク」効果と表現することができる。これはスイッチを開く前の漏出を無くすために必要である。
【００３２】
示された様々な実施例には、下記の利点がある。
（１）火花の質とエネルギー転送と持続時間が改善すること；
（２）埋設磁石が磁束の流れに対して創出する制限が軽微であり、且つ、Ｃ型コア部分の一方の脚部とＩ型コア部分の一方の端部の側面との間の空隙内に配置される磁石を有する先行技術のサンドイッチ型設計のように磁束を遮断しないため、点火コイルの大きさを小さくすることができること；
（３）一次コイルの近傍に追加の磁束源を有することにより巻数を減らし、より太い線（低コスト）を用いることができること；
（４）図示のように埋設された磁石を設けることは、一次コイルのインダクタンスを低下させる効果を有するため、点火コイル全体がより低いエネルギー入力で動作するようになり、磁路長が短くなる。手短に言えば、点火コイルがより効率的に動作するようになるので、点火コイルの大きさ（及びコスト）を抑えることができること。
【００３３】
図面及び上記の説明には好ましい実施例が詳細に示され且つ説明されているが、これらは単なる例証であって、本発明を制限しないものとみなされるべきである。なお、好ましい実施例のみを図面及び説明に示しているが、現在又は将来的に本発明の保護範囲内に含まれる全ての変形態様及び改変も保護されるべきである。
【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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【外国語明細書】
2014060156000001.pdf