(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心と、
前記鉄心の外周に巻回されて１次電流が通電される１次コイルと、
前記１次電流の通電・遮断によって２次電圧を発生する２次コイルと、
前記鉄心の一端に取り付けられてこの鉄心を前記１次電流通電時の磁化方向とは逆方向に磁化する永久磁石と、を備え、
前記１次コイルが巻回されるコイル巻回部の端部から前記永久磁石が取り付けられる磁石取付部へと前記鉄心の断面積が徐々に拡大して形成される点火コイルにおいて、
遮断時の１次電流値で前記鉄心を磁気飽和させ、これによって前記永久磁石において生じる磁界が、該永久磁石が減磁する減磁限界磁界よりも小さくなるように、前記コイル巻回部の断面積である前記鉄心の有効断面積と前記永久磁石の取付面積との比を設定するとともに、前記永久磁石の各部でほぼ均一となるように、前記鉄心の断面積を前記有効断面積から前記永久磁石の取付面積へと拡大させる長手方向の断面積拡大寸法を設定したことを特徴とする点火コイル。
【請求項２】
前記鉄心の有効断面積をＳｃ、前記永久磁石の取付面積をＳｍｃ、前記１次コイルが発生する最大磁界をＨｍｍａｘ、前記永久磁石が減磁する減磁限界磁界をＨｈｍａｘとした場合に、次式に示す条件を満たすように構成したことを特徴とする請求項１記載の点火コイル。
Ｓｍｃ＞Ｓｃ・Ｈｍｍａｘ／Ｈｈｍａｘ
【請求項３】
前記磁石取付部が前記鉄心における飽和磁界の距離変化に対する強度変化が緩やかな領域に位置するように前記断面積拡大寸法を設定したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の点火コイル。
【請求項４】
鉄心と、この鉄心の外周に巻回されて１次電流が通電される１次コイルと、前記１次電流の通電・遮断によって２次電圧を発生する２次コイルと、前記鉄心の一端に取付けられてこの鉄心を前記１次電流通電磁の磁化方向とは逆方向に磁化する永久磁石と、を具備し、前記１次コイルが巻回されるコイル巻回部の端部から前記永久磁石が取り付けられる磁石取付部へと前記鉄心の断面積が徐々に拡大して形成される点火コイルと、
前記１次コイルへの前記１次電流の通電・遮断を制御する制御手段と、
前記２次コイルの発生した２次電圧が出力される点火プラグと、
を備え、
前記点火コイルは、遮断時の１次電流値で前記鉄心を磁気飽和させ、これによって前記永久磁石において生じる磁界が、該永久磁石が減磁する減磁限界磁界よりも小さくなるように、前記コイル巻回部の断面積である前記鉄心の有効断面積と前記永久磁石の取付面積との比を設定するとともに、前記永久磁石の各部でほぼ均一となるように、前記鉄心の断面積を前記有効断面積から前記永久磁石の取付面積へと拡大させる長手方向の断面積拡大寸法を設定したことを特徴とする点火装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の点火プラグに高電圧を供給して火花放電を生じさせる点火コイル及びこれを用いた点火装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から鉄心に永久磁石を追加することで、高出力化を図った点火コイルが知られている。
この種の点火コイルは、鉄心と、この鉄心の外周に巻回されて１次電流が通電される１次コイルと、前記１次電流を通電・遮断することで２次電圧を発生する２次コイルと、前記鉄心に設けられこの鉄心を前記１次電流通電時の磁化方向とは逆方向に磁化する永久磁石と、を備えており、閉磁路の磁気回路を形成して構成されている。
【０００３】
そして、このような構成とすることで、前記鉄心は、前記１次電流が通電される前においては、１次電流の通電による磁化方向と逆方向に磁化されており（すなわち、磁気回路上の逆バイアスがかけられており）、前記１次コイルへ１次電流を通電することによってその磁化方向に磁化される。そして、このような状態の下で前記１次電流を遮断することによって、前記鉄心の飽和磁束密度を上昇させ、前記２次コイルの出力する２次電圧を増大させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、点火コイルにおいては、その小型化が要求される一方で、点火プラグへの煤の付着によるくすぶり防止や着火の信頼性向上のため、更なる高出力化も要求されており、この要求に対しては１次遮断電流値を増大させることが考えられる。
【０００５】
ところが、前記１次遮断電流値を増大させると前記１次コイルの発生する磁界も大きくなるため、１次側の配線抵抗や通電時間のバラツキ等によっては、実際に１次コイルの流れる電流が過大となって、１次電流遮断時に前記永久磁石において生じる磁界が、この永久磁石が減磁する減磁限界磁界を越えてしまい、永久磁石が劣化（減磁）してしまうおそれがある。
【０００６】
ここで、前記１次電流が所定の上限値を越えないようにリミッタ回路を備える点火装置が知られており、これによれば、実際に１次コイルに流れる電流が過大となることを防止できる（特開平１１−２９４３０９号公報参照）。
しかし、このものでは、故障等によりリミッタ回路が正常に動作しない場合には、前記永久磁石の性能劣化を防止できないため十分とは言えず、また、このようなリミッタ回路は一般に高価なものであるため、より安価な方法で永久磁石の性能劣化を防止することも望まれていた。
【０００７】
そこで、本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、遮断時の１次電流値で鉄心を磁気飽和させ、永久磁石において生じる磁界がこの永久磁石の減磁限界磁界よりも小さくすることで、鉄心に取り付けられた永久磁石の劣化を容易かつ確実に防止できるようにした点火コイル及びこれを用いた点火装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る点火コイルは、鉄心と、前記鉄心の外周に巻回されて１次電流が通電される１次コイルと、前記１次電流の通電・遮断によって２次電圧を発生する２次コイルと、前記鉄心の一端に取り付けられてこの鉄心を前記１次電流通電時の磁化方向とは逆方向に磁化する永久磁石と、を備え、前記１次コイルが巻回されるコイル巻回部の端部から前記永久磁石が取り付けられる磁石取付部へと前記鉄心の断面積が徐々に拡大して形成される点火コイルにおいて、遮断時の１次電流値で前記鉄心を磁気飽和させ、これによって前記永久磁石において生じる磁界が、該永久磁石が減磁する減磁限界磁界よりも小さくなるように、前記コイル巻回部の断面積である前記鉄心の有効断面積と前記永久磁石の取付面積との比を設定するとともに、前記永久磁石の各部でほぼ均一となるように、前記鉄心の断面積を前記有効断面積から前記永久磁石の取付面積へと拡大させる長手方向の断面積拡大寸法を設定したことを特徴とする。
【０００９】
このような構成とすることで、磁気飽和によって前記鉄心における磁界の上限（飽和磁界）が制限される。そして、この上限磁界発生時の前記永久磁石における磁界が、該永久磁石が減磁する減磁限界磁界より小さくなるように前記鉄心と前記永久磁石の取付形状とを設定するので、１次電流値を制限するリミッタ回路等の手段を別途設けることなく、前記永久磁石の性能劣化（減磁）を容易かつ確実に防止できる。
【００１０】
また、本発明に係る点火装置は、鉄心と、この鉄心の外周に巻回されて１次電流が通電される１次コイルと、前記１次電流の通電・遮断によって２次電圧を発生する２次コイルと、前記鉄心の一端に取付けられてこの鉄心を前記１次電流通電磁の磁化方向とは逆方向に磁化する永久磁石と、を具備し、前記１次コイルが巻回されるコイル巻回部の端部から前記永久磁石が取り付けられる磁石取付部へと前記鉄心の断面積が徐々に拡大して形成される点火コイルと；前記１次コイルへの前記１次電流の通電・遮断を制御する制御手段と；前記２次コイルの発生した２次電圧が出力される点火プラグと、を備え、前記点火コイルは、遮断時の１次電流値で前記鉄心を磁気飽和させ、これによって前記永久磁石において生じる磁界が、該永久磁石が減磁する減磁限界磁界よりも小さくなるように、前記コイル巻回部の断面積である前記鉄心の有効断面積と前記永久磁石の取付面積との比を設定するとともに、前記永久磁石の各部でほぼ均一となるように、前記鉄心の断面積を前記有効断面積から前記永久磁石の取付面積へと拡大させる長手方向の断面積拡大寸法を設定したことを特徴とする。
【００１１】
このような構成とすることで、点火装置の点火コイルにおいて、１次電流値を制限するリミッタ回路等の手段を別途設けることなく、永久磁石の性能劣化（減磁）を容易かつ確実に防止でき、着火の安定性、信頼性を向上できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る点火コイル１を用いた内燃機関の点火装置の回路構成を示す図である。図１の示すように、この点火装置は、コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）１１と、トランジスタ１２と、バッテリーＶｂ等の電源１３と、点火コイル１４と、点火プラグ１５と、を含んで構成される。
【００１３】
前記コントロールユニット（Ｃ／Ｕ）１１は、電気信号（点火制御信号）によって前記トランジスタ１２を制御し、前記電源１３から前記点火コイル１４の１次側に流す１次電流を通電・遮断する。
図２は、前記点火コイル１４の鉄心部の構成を示す図である。図２に示すように、本実施形態に係る点火コイル１４の鉄心部は、外装鉄心２１と、センター鉄心２２と、このセンター鉄心２２の一端側に配設された永久磁石２３と、を備えており、閉磁路の磁気回路を構成している。
【００１４】
前記センター鉄心２２は、その外周に前記１次電流が通電される１次コイル（図示省略）が巻回されるコイル巻回部２４と、前記永久磁石２３が取り付けられ、該永久磁石２３の断面積（取付面積）と略等しい面積の磁石取付部２５と、を有しており、また、前記１次コイルの外側には、前記１次電流の通電・遮断による逆起電力によって２次電圧が誘起される２次コイル（図示省略）が巻回されている。
【００１５】
前記永久磁石２３は、高出力化のために設けられたものであり、前記１次電流の通電によって前記１次コイルが前記センター鉄心２２を磁化する方向とは逆方向に磁化されている。
ここで、本実施形態の特徴として、遮断時の１次電流値で前記センター鉄心２２を磁気飽和させ、前記永久磁石２３において生じる磁界が、前記永久磁石２３が減磁する減磁限界磁界よりも小さくなるように、前記センター鉄心２２のコイル巻回部２４の断面積（鉄心の有効断面積）と、前記磁石取付部２５と、の比を設定している。
【００１６】
以下、詳細に説明する。なお、以下の説明においては、図２及び図２のＡ部拡大図である図３に示すように、前記センター鉄心２２は、矩形の断面形状を有し、そのコイル巻回部２４の終端２４ａから断面積を徐々に拡大させることで、前記永久磁石２３の断面積（取付面積）と略等しい面積を有する磁石取付部２５をその端部に形成するものとする。
【００１７】
また、前記コイル巻回部２４の断面積（これがセンター鉄心２２の有効断面積に相当する）をＳｃ（＝ａ×ｃ、図３（ｂ）参照）、前記磁石取付部２５の面積（≒前記永久磁石２３の取付面積）をＳｍｃ（＝ｂ×ｃ、図３（ｃ）参照）とし、断面積をＳｃからＳｍｃに拡大させる長手方向の寸法（以下、断面積拡大寸法という）をＬとする。
【００１８】
ここで、前記永久磁石２３の性能劣化（減磁）を防止するためには、前記１次コイルへの通電・遮断によって前記永久磁石２３において生じる磁界（すなわち、前記永久磁石２３にとっての逆磁界）Ｈｍａｇが、前記永久磁石２３が減磁する減磁限界磁界Ｈｈｍａｘを越えないようにする必要がある。この関係を示したのが次式（１）である。
【００１９】
Ｈｍａｇ  ＜  Ｈｈｍａｘ  …（１）
上記式（１）の左辺にある前記永久磁石２３において生じる磁界Ｈｍａｇは、前記永久磁石２３における磁束密度をＢｍ、前記永久磁石２３のリコイル透磁率をμｒとすれば、次式（２）のように表すことができる。
Ｈｍａｇ  ＝  Ｂｍ  ／  μｒ  …（２）
前記永久磁石２３における磁束密度Ｂｍは、前記センター鉄心２２に生じる最大磁束をΦｍａｘとすれば、Ｂｍ＝Φｍａｘ／Ｓｍｃであるから、これを上記式（２）に代入すれば、次式（３）を得る。
【００２０】
Ｈｍａｇ  ＝  Φｍａｘ  ／（μｒ・Ｓｍｃ）  …（３）
また、前記１次コイルへの通電・遮断により生じる最大磁界Ｈｍｍａｘは、１次電流遮断時に発生するものであり、前記センター鉄心２２の最大磁束密度（磁気飽和密度）をＢｃｍａｘとすれば、次式（４）のように表すことができる。
Ｈｍｍａｘ  ＝  Ｂｃｍａｘ  ／  μｒ  …（４）
ここで、Ｂｃｍａｘ＝Φｍａｘ／Ｓｃであるから、これを上記式（４）に代入すれば、次式（５）を得る。
【００２１】
Ｈｍｍａｘ  ＝  Φｍａｘ  ／（μｒ・Ｓｃ）  …（５）
従って、Φｍａｘ＝Ｈｍｍａｘ・μｒ・Ｓｃであるので、これを上記式（３）に代入すれば、次式（６）のようになる。
Ｈｍａｇ  ＝  Ｈｍｍａｘ・μｒ・Ｓｃ  ／（μｒ・Ｓｍｃ）
＝  Ｈｍｍａｘ・（Ｓｃ／Ｓｍｃ）    …（６）
そして、これを上記式（１）に代入すれば、次式（７）に示すように、前記１次コイルへの通電・遮断により生じる最大磁界（すなわち、１次電流遮断時の１次電流値により発生する磁界）Ｈｍｍａｘ、前記永久磁石２３の減磁限界磁界Ｈｈｍａｘ、前記コイル巻回部２４の断面積Ｓｃ及び前記磁石取付部２５の断面積Ｓｍｃの関係を得る。
【００２２】
Ｈｈｍａｘ  ＞  Ｈｍｍａｘ・（Ｓｃ／Ｓｍｃ）  …（７）
従って、上記式（７）を満たすように、前記コイル巻回部２４の断面積Ｓｃ及び前記磁石取付部２５の断面積Ｓｍｃを設定すれば、１次電流遮断時に発生する磁界によって前記センター鉄心２２は磁気飽和し、前記永久磁石２３において生じる磁界が、該永久磁石２３の減磁限界磁界Ｈｈｍａｘを越えることはない。
【００２３】
これにより、１次電流の上限値を制限するリミッタ回路等の高価な手段を別途設けることなく、前記永久磁石２３の劣化（減磁）を確実に防止でき、着火の安定性、信頼性を向上できる。
なお、前記断面積拡大寸法Ｌについては、前記永久磁石２３における磁界が均一かつ安定して形成される状態となるように、すなわち、磁束を確実に分散させて局所的な集中を回避できるような長さに設定する。
【００２４】
これは、局所的に強くなった磁界によって前記永久磁石２３が局所的に劣化するような事態も確実に防止するためである。具体的に説明すると、磁界の強さは距離の二乗から三乗に反比例して減少することから、前記断面積拡大寸法Ｌは、図４に示すように、距離の変化量（換言すれば、前記断面積拡大寸法Ｌの公差を含めたバラツキ）に対する磁界強度の変化が緩やかな領域（換言すれば、磁界が安定する領域）に設定する。
【００２５】
なお、本実施形態においては、前記磁石取付部２５の縦方向寸法ｂと前記コイル巻回部２４の断面の縦方向寸法ａとの差（ｂ−ａ）と、前記断面積拡大寸法Ｌと、の比が、次式（８）を満たすようにすることで、前記磁石取付部２５を前記磁界が安定した領域に設定できることが実験により求められており、この式に基づいて前記面積拡大寸法Ｌを設定するようにしている。これにより、更に確実に前記永久磁石２３の劣化（減磁）を防止できる。
【００２６】
Ｌ  ＞  （ｂ−ａ）／７．５  …（８）
次に、以上のように構成された点火装置の動作について説明する。
前記１次コイルが巻回されるセンター鉄心２２は、その一端側の磁石取付部２５に前記永久磁石２３が取り付けられているので、１次コイルに１次電流が通電される前においては、前記永久磁石２３によって前記１次コイルへの通電による磁化方向とは逆方向に磁化されている（すなわち、磁気回路上の逆バイアスがかけられている）。
【００２７】
前記コントロールユニット１１が、点火制御信号によって前記トランジスタ１２を制御して１次電流が通電されると、前記１次コイルはその磁化方向に前記センター鉄心２２を磁化し、その後、前記１次電流を遮断することで、前記２次コイルに２次電圧を発生させる。このように前記センター鉄心２２をあらかじめ逆方向に磁化させておくことで、その飽和磁束密度を増加させ、前記２次コイルに誘起される２次電圧を増大させている。
【００２８】
そして、このように増大された２次電圧は、前記点火プラグ１５に出力され、その電極間でスパークを発生する。
ここで、上記２次電圧増大機能を維持するためには、前記１次コイルの発生する磁界によって前記永久磁石が劣化（減磁）しないように１次遮断電流値を設定する必要がある。
【００２９】
ところが、近年の点火コイルの小型化・高出力化要求によって、遮断時の１次電流値で前記永久磁石２３において生じる磁界と、前記永久磁石２３の減磁限界磁界と、の余裕代が小さくなりつつあり、また、高出力化に伴い１次遮断電流値を増大させていくと、通電時間や１次側配線抵抗のバラツキによる変動幅も増大し、前記１次遮断電流値の管理も困難となってきている。
【００３０】
このため、前記１次電流の上限値を制限するリミッタ回路を備えていない場合には、図５に示すように、通電時間のバラツキによる１次電流値の増加分や１次側配線抵抗のバラツキによる１次遮断電流値の増加によって、１次電流遮断時に前記永久磁石２３において生じる磁界が前記減磁限界磁界を越えてしまい、前記永久磁石２３が劣化（減磁）してしまうおそれがある。
【００３１】
しかし、本実施形態に係る点火コイル１４では、上述したように、遮断時の１次電流値で前記センター鉄心２２を磁気飽和させ、前記永久磁石２３において生じる磁界がこの永久磁石２３の減磁限界磁界よりも小さくなるように前記コイル巻回部２４の断面積（鉄心の有効断面積）と前記磁石取付部２５との比を設定しているので、図６に示すように、前記センター鉄心２２における磁界（図中、二重線で示す）及び前記永久磁石２３における磁界（図中、実線で示す）が飽和し、前記永久磁石２３における磁界が、この永久磁石２３の減磁限界磁界を越えることはない。これにより、バラツキ等により実際の１次遮断電流値が増加した場合であっても、前記永久磁石２３の性能劣化（減磁）を容易かつ確実に防止できる。
【００３２】
なお、以上は鉄心（センター鉄心）の断面が矩形状のものについて説明したが、これに限られるものではなく、遮断時の１次電流値で鉄心を磁気飽和させ、鉄心の有効断面積と永久磁石の取付面積との関係が、上記式（７）を満たすように構成したものであればよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る点火コイル及び点火装置によれば、遮断時の１次電流値で前記鉄心を磁気飽和させ、前記永久磁石において生じる磁界が前記永久磁石の減磁限界磁界よりも小さくなるように前記鉄心と前記永久磁石の取付形状とを設定したので、１次電流値の上限を制限するリミッタ回路等の高価な手段を設けることなく、前記永久磁石の性能劣化（減磁）を容易かつ確実に防止できる。これにより、内燃機関における着火の安定性・信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る点火コイルを用いた内燃機関の点火装置の回路構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る点火コイルの鉄心部の構成を示す図である。
【図３】図２のＡ部拡大図である。
【図４】磁界の強さと距離との関係を示す図である。
【図５】通電時間や１次側配線抵抗のバラツキによる実際の１次遮断電流値の例を示す図である。
【図６】本実施形態に係る点火コイルにおける１次遮断電流値とセンター鉄心及び永久磁石で発生する磁界との関係を示す図である。
【符号の説明】
１１  …  コントロールユニット
１２  …  トランジスタ
１３  …  電源
１４  …  点火コイル
１５  …  点火プラグ
２１  …  外装鉄心
２２  …  センター鉄心
２３  …  永久磁石
２４  …  コイル巻回部
２５  …  磁石取付部
【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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