(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの燃焼室を有するスパーク点火内燃システムにおいて点火イベントを生成する磁気コア・コイル・アセンブリであって、
ａ．低電圧で励磁するための一次側のコイルと高電圧を出力するための二次側のコイルとを有する、強磁性のアモルファス金属合金で構成される磁気コアを備えること、
ｂ．前記二次側のコイルが、共通の前記一次側のコイルを介して同時に付勢される複数のコア・サブアセンブリからなること、
ｃ．前記コイル・サブアセンブリが、付勢された際に、加算的な二次側の電圧を生成し、該二次側の電圧がスパーク・プラグに供給されること、
ｄ．前記コア・コイル・アセンブリが、（ｉ）励磁された後、短時間のうちに前記二次側のコイルに高電圧を生成する能力と、（ii）前記燃焼室でスパーク点火状態を検知して点火イベントを制御する能力とを有すること、
ｅ．前記コア・コイル・アセンブリが、前記コア・コイル・アセンブリに対する強い接着性、耐熱電気的性能、および良好な熱衝撃抵抗性を有する無水の、二成分系エポキシで構成される注封材料を用いてハウジング内部で注封されること、
ｆ．前記ハウジングが、前記注封材料によって固着され、ガラス繊維が充填され、前記アセンブリの最大の動作温度近傍のガラス遷移温度Ｔｇを有し、前記エポキシの熱膨張係数と一致する熱膨張係数を有し、且つ射出成形が可能である熱可塑性のポリエステルで構成されこと、
から成る磁気コア・コイル・アセンブリ。
【請求項２】
少なくとも一つの燃焼室を有するスパーク点火内燃システムにおいて点火イベントを生成する磁気コア・コイル・アセンブリであって、
ａ．低電圧で励磁するための一次側のコイルと高電圧を出力するための二次側のコイルとを有する、強磁性のアモルファス金属合金で構成される磁気コアを備えること、
ｂ．前記二次側のコイルが、共通の前記一次側のコイルを介して同時に付勢される複数のコア・サブアセンブリからなること、
ｃ．前記コイル・サブアセンブリが、付勢された際に、加算的な二次側の電圧を生成し、該二次側の電圧がスパーク・プラグに供給されること、
ｄ．前記コア・コイル・アセンブリが、（ｉ）励磁された後、短時間のうちに前記二次側のコイルに高電圧を生成する能力と、（ii）前記燃焼室でスパーク点火状態を検知して点火イベントを制御する能力とを有すること、
ｅ．前記コア・コイル・アセンブリが、前記コア・コイル・アセンブリに対する強い接着性、強い絶縁耐力、中程度のＳｈｏｒｅ  Ａの範囲の強度、および低い誘電率を有する二液型のポリウレタン・システムから構成される注封材料を用いてハウジング内部で注封されること、
ｆ．前記ハウジングが、前記注封材料によって固着され、強い絶縁耐力、低い誘電率、良好な電気的特性および耐薬品性を有する可撓性の耐熱プラスチックで構成されていること、
から成る磁気コア・コイル・アセンブリ。
【請求項３】
前記ハウジング材料が、ポリフィニレンエーテル／ポリポロピレンの混合物、ポリメチルペンテン／ポリオレフィンの混合物、およびポリシクロオレフィン／ポリオレフィンの混合物からなる群の１つである請求項２記載の磁気コア・コイル・アセンブリ。
【請求項４】
前記注封材料が、シリコンゴムを主成分とする注封材料である請求項２記載の磁気コア・コイル・アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
関連出願に対するクロス・リファレンス
本出願は、１９９６年４月２９日に出願された米国特許出願第０８／６３９，４９８号のＣＩＰ継続出願である。
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、内燃機関のスパーク点火装置に関し、特に機関システムの性能を改良し、且つ商業的に生産可能な方法でスパーク点火変圧器の磁気部品の寸法を縮小するスパーク点火装置に関する。
２．従来技術の説明
スパーク点火内燃機関においては、燃料と空気との混合物を点火するスパーク・プラグの隙間を横断するアークの形成に必要な高圧を生み出すために、フライバック・トランスが一般的に使用されている。燃料の節約を最良に行うために、また、環境的に危険なガスの放出を低減するためには、この点火スパーク・イベント（火花事象）のタイミングが重要である。スパーク・イベントが遅すぎる場合には、エンジン出力の損失につながり、効率が損なわれる。スパーク・イベントが早すぎる場合には、しばしば「ピン（ｐｉｎｇ）」または「ノック（ｋｎｏｃｋ）」と呼ばれる爆発が生じ易くなり、その結果、有害な予備発火が起こり、続いてエンジンの損傷が起こりかねない。スパークのタイミングを正しくとることは、エンジン速度および負荷に依存するものである。最適な性能を得るために、エンジンの各シリンダのそれぞれにおいて異なるタイミングをとることがしばしば要求される。スパーク・プラグのそれぞれにスパーク点火変圧器を備えることにより、各シリンダに対して異なるスパークのタイミングをとることができる。
エンジン効率を向上させ、不適切な点火スパークのタイミングに関わる問題のいくつかを軽減するために、ある種のエンジンは、エンジン速度、吸気される大気の温度および圧力、エンジン温度、排気ガスの酸素含有量を検知するためのセンサや、「ピン」または「ノック」を検知するセンサを備えたマイクロプロセッサにより制御されるシステムを装備している。ノック・センサは、本質的には、エンジンの速度および負荷の全ての範囲にわたってノックを検知するのに十分な感度を有していない電気機械的な変換器である。マイクロプロセッサが適切であると判断する点火スパークのタイミングが常に最適なエンジン性能を提供するわけではない。より優れた「ノック」の検知が必要である。
低温なエンジンを初期動作させる間、アイドリングやオフ・アイドリング動作の間には、有害ガスの排気量が極めて大きいものになる。これら二つのエンジン動作状態の間において、それぞれのスパーク・イベントについて、スパーク・プラグを迅速に複数回スパークさせることによって、有害な排気が抑制されることが研究により明らかになっている。従って、極めて迅速に充電および放電を行うことが可能なスパーク点火変圧器が求められている。
高圧のワイヤを必要とせずにスパーク・プラグ端子に対して直接スパーク点火変圧器が取り付けられる、各スパーク・プラグにコイルを用いた（ＣＰＰ）点火構成が、内燃機関の点火のタイミングを向上させる方法として受け入れられている。ＣＰＰ点火構成の一例が、米国特許第４，８４６，１２９号（以下、「Ｎｏｂｌｅ特許」として参照する）に開示されている。エンジン・チューブ内にはスパーク・プラグが取り付けられるが、スパーク点火変圧器の物理的な直径は、このエンジン・チューブ内部に嵌合するようになっていなければならない。Ｎｏｂｌｅ特許において提示されたエンジンの診断目標を達成するために、特許権者は、フェライト・コアを用いた間接的な方法を開示している。燃焼室内におけるスパーク状態を検知するために、エンジンの全ての動作に渡ってスパーク点火変圧器が充分な磁気性能を示すことが理想的である。正確なエンジンの診断には、新しいタイプの点火変圧器が必要なことは明らかである。
エンジンの不点火が起こると有害な排気ガスが増加する。燃焼室内のスパーク・プラグ・インシュレータにおいて必要な熱をもたない低温状態のエンジン始動が繰り返されると、インシュレータ上にすすが付着し、不点火が起こる可能性がある。電導性のすすにより、スパーク・イベントに利用される電圧の上昇の度合いが小さくなる。極めて迅速な電圧の上昇を可能にするスパーク点火変圧器を用いれば、すすの汚れによる不点火が最小限になる。
Ｎｏｂｌｅ特許によって開示された効果的な点火動作とエンジンの診断システムに必要なスパーク点火性能とを達成する一方、スパーク・プラグのすすの汚れによるエンジンの不点火の発生率を低下させるために、スパーク点火変圧器のコア材料は、一定の透磁率を有すること、動作の間に磁気的な飽和状態に至らないないこと、磁性損失が少ないことが要求される。これらの要求された特性の組み合わせにより、適切なコア材料として利用可能な材料が限定される。自動車用スパーク点火システムの目標コストを考慮すると、コア材料としての候補には、シリコン・スティール、フェライト、そして鉄を主成分としたアモルファス金属が含まれる。実用的な変圧器コアに通常使用されている従来のシリコン・スティールは廉価ではあるが、磁性損失が非常に大きい。磁性損失の少ない薄厚のシリコン・スティールは、非常に高価である。フェライトは廉価であるが、飽和磁束密度は通常０．５Ｔよりも小さく、コアの磁気誘導が零に近くなるキューリー温度は２００℃近傍になる。この温度は、スパーク点火変圧器の上限の動作温度が約１８０℃であると仮定するとあまりに低いものである。鉄を主成分とするアモルファス金属は磁性損失が少なく、１．５Ｔを超える高い飽和磁束密度を有するが、比較的高い透磁率を示す。スパーク点火変圧器に適した透磁率のレベルを満たす鉄を主成分とするアモルファス金属が必要である。この金属を用いることによって、必要とされる出力仕様と物理的な寸法条件とを満たす、トロイド形状設計のコイルを構成することが可能となる。スパーク・プラグの寸法条件により、使用可能な構成のタイプが大幅に制限される。絶縁されたコイル・アセンブリは、直径が２５ｍｍ未満であり、長さが１５０ｍｍ未満であることが通常の寸法条件である。コイル・アセンブリにおいては、スパーク・プラグを高圧端子と外部の接地接続部との双方に取り付けなければならず、アークの形成を阻止するために、十分な絶縁がなされていなければならない。さらに、通常はコイルの頂部に位置する一次側との高電流接続が可能になっていなければならない。
発明の概要
本発明は、電圧が迅速に立ち上がり、点火イベントの際の電圧特性を正確に表す信号を生成する、各プラグにコイルが配置された（ＣＰＰ）スパーク点火変圧器のための磁気コア・コイル・アセンブリを提供する。一般的には、磁気コア・コイル・アセンブリは、強磁性のアモルファス金属合金から構成される磁気コアからなる。コア・コイル・アセンブリは、低電圧で励磁するための単一の一次コイルと、高電圧を出力するための二次コイルを有する。さらに、アセンブリは、共通の一次コイルを介して同時に付勢される複数のコア・サブアセンブリからなる。コイル・サブアセンブリは、付勢された際に、スパーク・プラグに供給される加算的な二次電圧を生成する。このような構成により、コア・コイル・アセンブリは、（ｉ）付勢されたすぐ後に二次コイルにおいて高圧を生み出し、（ii）燃焼室でスパーク点火状態を検知して点火イベントを制御する能力を有する。
より具体的には、コアは、低いコア損失を有し、（約１００〜７００の範囲の）透磁率を示すアモルファスの強磁性材料から構成される。このような磁気特性は、燃焼サイクルの際のプラグの迅速な点火に特に適している。すすの汚れによるエンジンの不点火が最小限にされる。さらに、コイルからプラグへのエネルギーの伝達が極めて効率的な方法で実行されることから、放電後のコア内には、ほとんどエネルギーが残らない。トロイド形状設計の二次側の（１００ｏｈｍ未満の）低い抵抗により、エネルギーの大部分がスパークにより失われ、二次側のワイヤには残らない。この効率的なエネルギーの伝達により、コアが点火イベントの電圧特性を正確にモニタすることが可能となる。シリンダ内部に磁気コア材料が巻回され、該シリンダに敷設された一次側および二次側ワイヤの巻線によってトロイド形状の変圧器が形成された場合には、生成された信号は、高い磁性損失を示すコアを用いて生成される信号よりも、より正確に点火電圧特性を表す。サブアセンブリのエネルギー容量が共通の一次側を介してサブアセンブリのインダクタンスおよびその磁気特性によって決定されるように、複数のトロイドを有するアセンブリが作られる。一次側の電流が急速に減少すると、二次側の電圧の上昇が急速に誘導される。本システムの全磁束の変化に基づいて、サブアセンブリのトロイドを横断する個々の二次側の電圧が急速に上昇し、サブアセンブリとサブアセンブリとで加算される。これにより融通性が向上し、既存のトロイド形状のコイル巻回技術を用いて複数のサブアセンブリのユニットを組み合わせてより優れた性能を有する単一のアセンブリを製造することが可能となる。単一の長いトロイドから構成された単一のアセンブリは、一般的なトロイド巻線マシンを用いては容易かつ経済的に製造することは不可能である。
コア・コイル・アセンブリの好ましい実施の形態においては、ユニットがハウジング内に組み込まれ（封入され）、高圧のアークが形成されることが阻止される。動作の際、本アセンブリは、環境状態が大きく変化する長時間に渡って開回路電圧を内部的に遮断することが求められる。開回路電圧は、本システムにおける最高電圧である。このような電圧は、温度変化が−４０℃〜＋１５０℃の範囲に変化する長年に渡る動作の際には遮断されなければならない。ユニットは、自動車の用途において通常存在する化学物質に対して比較的耐性を有していることが望ましい。
自動車の製造において、従来、多くの注封材料やハウジング材料が使用されている。自動車の用途のために、封入される注封材料、ハウジング材料およびその他の物質は、（概ね温度膨張係数ＣＴＥが等しくなるように）熱を与えられても調和をするように、ガラス繊維および／またはミネラルのような充填材が注封材料やハウジング材料に添加されてきた。この目的は、両極端の動作温度に至った場合においてもシステムにおける種々の材料間における応力や張力を軽減させることにあった。ガラス繊維および／またはミネラルを添加することにより、通常は材料の誘電率が上昇する。通常の注封材料は、ハウジングとその内部成分に対する優れた接着性、耐熱電気的性能と良好な熱衝撃抵抗性を示す二成分系の無水エポキシの調合物である。材料のＣＴＥを広い温度範囲に渡って一致させるために、エポキシのガラス遷移温度（Ｔｇ）が実際上の最大動作温度と同じぐらい高さになるように調合される。このようなエポキシの一例は、サーモセット社（Ｔｈｅｒｍｏｓｅｔ）によって製造されたＥＰ−６９７である。ハウジング材料は、通常はガラス繊維で充填された凹凸を有する熱可塑性のポリエステルから構成され、高いＴｇを有し、ＣＴＥがエポキシに一致している。適切であると認められハウジング材料の一つは、Ｖａｎｄａｒという商標名でヘキスト・セラニーズ社（Ｈｏｅｓｃｈｔ  Ｃｅｌａｎｅｓｅ）社によって販売されている。ガラスおよび／またはミネラルをこのような熱可塑性のポリエステルに充填することによって、強化された、強固な材料が作り出される。
「ペンシル」コイルの寸法構造は、通常のスクワット型のコア・コイルと比較して直径が小さく、長いという点で、一般のコイル寸法構造とは異なる。アスペクト比が大きいため、全ての温度範囲においてＣＴＥが概ね完全に一致しない場合には、コイルの内部に大きな内部応力が生み出される。この一致を、２００℃近傍の動作範囲で異なる材料によって達成することは困難である。通常の設計においては、有効分の外側部分（トロイド形状のカップ）は、はハウジングの内壁に極めて近く位置している。注封材料は、カップおよびハウジングの内壁の表面積が大きいため、成分の外側の領域を壁部に結びつけて部材を効果的に固化することができる。トロイド形状に巻回されたユニットにおいては、コア・コイル・アセンブリの底部と頂部との間を該コア・コイル・アセンブリの中央に渡って充填する注封材料の長い部分が存在する。円柱体の直径は、トロイドと巻線設備の設計に関係している。円柱体の長さが長く、コア・コイル・アセンブリの底部がシールされているため、この注封材料の円柱体とトロイド形状のカップとの間に大きな剪断力が存在する。通常は二つの部分からなるエポキシの注封材料は、極めて硬く、可撓性を有さず、ハウジング・プラスチックに極めて良好に接着する。この場合、大きな剪断力により材料の本体からハウジング材料の外皮部が剥離して一次側と二次側とを横断する亀裂が形成される可能性がある。これは、外皮部が樹脂を多く含有し、下層部がガラス繊維および／もしくはミネラル成分で構成されているために生じる。双方の成分は、非常に強固であるが、ハウジング材料からなるトロイド形状のカップは通常より小さな強度を示すため、先に剥離する。これにより、コア・コイルから有用な電圧の出力が得られる前に、一次側と二次側とを短絡する内部電圧アークが形成される。この問題を生み出す応力は、通常コア・コイルが極めて広い動作温度範囲を有していることや（−４０℃〜＋１５０℃）、熱衝撃による大きな温度勾配によって生じる。
この問題を解決する一つの方法は、より適応性のある代替的な注封材料およびハウジング材料を用いることである。これらのタイプの材料を用いることにより、材料が可撓性を有して変形するため、剪断力がはるかに小さくなる。この基準を満たす注封材料は、Ｅｐｉｃ  Ｓ７２０７のような二液型の弾性を有するポリウレタン・システムである。これは、注封用の電気的成分として設計された二成分系の弾性を有するポリウレタン・システムである。その特徴は、強い絶縁耐力と、中程度のＳｈｏｒｅ  Ａの範囲の強度と、低い誘電率である。この材料のＴｇは約−２５℃であり、ＣＴＥは２０９×１０-6ｃｍ／ｃｍ／℃である。この材料は、軟性で、柔軟性を有し、弾力的に変形する。このタイプの材料は、Ｔｇポイントを超えて使用されるため、通常は、二成分系のエポキシに比べて低いＴｇを示し、より大きなＣＴＥを有する。注封材料のもう一つは、キャストオール社（Ｃａｓｔａｌｌ）によって販売されるＳ１２８４のような、二液型のシリコン・ゴム混合物である。良好な熱特性を有し、柔軟性を有するハウジング材料の一つは、三菱エンジニアリング・プラスチック社（Ｍｉｔｓｂｉｓｈｉ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｐｌａｓｔｉｃ）によって製造されるレマロイ（Ｌｅｍａｌｌｏｙ）ＰＸ６０３Ｙである。レマロイは、ＰＰＥ／ＰＰ（ポリフィニレンエーテル／ポリポロピレン）の混合物であり、可撓性を有し、誘電率が低く、良好な電気的特性を有し、良好な耐薬品性を有し、且つ射出成形が可能である。この材料の結晶質としての特性は極めて小さいが、良好で安定的な機械的特性を示す。このような材料や、ポリメチルペンテン／ポリオレフィンの混合物やポリシクロオレフィン／ポリオレフィンの混合物を含んだこれに類する材料は、耐熱ポリマーである。レマロイ材料と注封材料とは、注封に先立って、表面が適切に形成されプラズマ洗浄されている場合には、極めて良好に結合する。このような材料からなるコア・コイル・アセンブリは、成分間でＣＴＥが大きく異なっている場合であっても、ペンシル・コイル構成において−４０℃〜＋１５０℃の多くの熱衝撃サイクルに耐えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
以下の本発明の好ましい実施の形態の詳細な説明と添付の図面とを参照することによって、本発明はより完全に理解され、本発明の更なる利点についても明らかになるであろう。
図１は、本発明のコイル・アセンブリの組立方法および積み重ね製造にするための接続を示す組立処理概略図である。
図２Ａは、積み重ね構造の側面図および平面図を示すアセンブリの図面である。
図２Ｂは、封入された積み重ね構造の側面図および平面図を示すアセンブリである。
図３は、図１のアセンブリにおける一次側のコイル上のアンペア・ターンに対して、二次側に生じる出力電圧を示すグラフである。
好ましい実施の形態の説明
図面のうち図１を参照すると、磁気コア・コイル・アセンブリ３４は、強磁性のアモルファス金属合金で構成される磁気コア１０からなることがわかる。磁気コア・コイル・アセンブリ３４は、低電圧で励磁するための単一の一次コイル３６と高電圧を出力するための二次コイル２０とを有する。コア・コイル・アセンブリ３４は、共通の一次コイル３６を介して同時に付勢される複数のコア・サブアセンブリ（トロイド形状のユニット）３２をさらに有する。コア・コイル・サブアセンブリ３２は、付勢された時に、スパーク・プラグに供給される加算的な二次電圧を生成するのに適している。このような構成により、コア・コイル・アセンブリ３４は、（ｉ）励磁された後、すぐに二次側コイルで高圧を生み出し、（ii）燃焼室でスパーク点火状態を検知して点火イベントを制御する能力を有する。
磁気コア１０は、磁気誘導性の高いアモルファス金属で構成されており、鉄を主体とする合金を含む。コア１０の二つの基本的な形態を示す。これらには、ギャップを有するものと、ギャップを有さないものとがあるが、双方がコア１０として参照される。ギャップを有するコアは、磁気的に連続した通路内に不連続の磁気セクションを有する。このようなコア１０の一例は、エア・ギャップとして一般に知られている小さなスリットを有するトロイド形状の磁気コアである。ギャップを有する構成は、巻線の巻回されたコア自身の透磁率よりも必要な透磁率が相当に小さい場合に採用される。磁気的な通路のエア・ギャップの存在より、全体的な透磁率が低下する。ギャップを有さないコアは、エア・ギャップを有するコアと同様の透磁率を有するが、物理的に連続しており、トロイド形状の磁気コアが通常有しているような構造になっている。ギャップを有さないコア１０内部に均一に分布されたエア・ギャップの存在が明らかであることから、「ギャップの分布されたコア」という用語が使用されている。実効的な透磁率が要求される範囲にある限り、ギャップを有する設計とギャップを有さない設計の双方は、このコア・コイル・アセンブリの設計において機能し、相互に交換可能である。ギャップを有さないコア１０がこの型の設計の基本的な検証のために選択されたが、ギャップを有さないコア材料の使用に設計が限定されるものではない。
ギャップを有さないコア１０は、鉄合金を主成分とするアモルファス金属から構成され、コアの透磁率は、概ね１ｋＨｚの周波数で測定した場合に、１００から５００の間になるように処理されている。ギャップの分布されたコアからの磁束の漏れは、ギャップを有するコアからのものよりもより少なく、周囲の環境に対して所望しない無線周波数干渉を引き起こすことがより少ない。さらに、ギャップを有さないコアにおいては、磁気通路が閉じており、Ｓ／Ｎ比がギャップを有するコアよりも大きくなることから、ギャップを有さないコアは、エンジンの燃焼処理を診断する信号変換器としての使用に特に適している。二次側の巻線２０における１０ｋＶよりも大きいスパーク点火のための出力電圧は、ギャップを有さないコア１０によって、一次側３６の６０より少ないアンペア・ターンで、二次巻線２０の約１１０〜１６０の巻数で達成される。
アンペア・ターンが１８０未満で２５ｋＶを超える開回路出力が得られる。前に例示されたコイルは、リボン・アモルファス金属材料からなり、１２ｍｍの内径と１７ｍｍの外径、さらに１５．６ｍｍの高さの直角シリンダに巻回されたが、このシリンダが積み重ねられることにより、実効的な高さが８０ｍｍ近くになるシリンダが形成される。個々のシリンダの高さは、全長がシステムの要求を満たす限り、単一の高さが８０ｍｍ近くから１０ｍｍに変更可能である。この例において使用された寸法を用いるように直接的に限定することは求められない。入力および出力の条件に従って、スペース設計の大幅な変更が可能である。最終的に構成された直角シリンダにより、長尺なトロイドのコアが形成された。コアとワイヤとの間の絶縁は高温に耐性を有する成形可能なプラスチックを用いることで達成された。また、このプラスチックは、トロイドの巻線の巻回を容易にするために二重になっていた。二次側では１１０〜１６０巻数が必要となるために細かいゲージのワイヤが使用された。コイルの出力電圧は、２５０ｋＶを超えることがあり、巻線間の電圧は２００ボルトの範囲にあるため、ワイヤが重なり過ぎないようにする必要がある。最良の性能を得られたコイルは、トロイドを約３００度に渡って等間隔に離間するようにワイヤが巻回されたものであった。残余の６０度は、一次巻線に使用された。この設計タイプの欠点の一つは、トロイドのアスペクト比と、通常の動作に要求される二次側の巻数である。コイルを巻回するための治具は、通常３９ゲージ（アメリカ・ワイヤ・ゲージ）以上の極めて細いワイヤの巻回作業の際に、このワイヤが重なり過ぎて損傷が起きることがないように取り扱うために必要になった。通常のユニバーサル社製（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ）のトロイド巻線マシンは、その固有の設計のため、このアスペクト比に近いコイルの巻回を行うことが不可能である。代替的な設計においては、シャトルをコアに通して押し込んで外周部に巻回することが必要であり、個別に製造しなければならなくなる。これらのコイルの巻回には長時間を要した。長尺なトロイド設計は、機能的であるが、商業的に魅力のある十分に低コストでの大量生産が困難である。
代替的な設計においては、オリジナルの設計がより小さな部品レベル構造に細分化され、各部品が既存のコイル巻線マシンを用いて通常に巻回される。この思想に基づけば、複数のコア・セクションに取扱い可能な大きさのアモルファス金属コア材料の同一のベースが用いられて一つにまとめられる。これは、コア１０を挿入することが可能な絶縁キャップ１２を形成し、サブアセンブリ３０をトロイド３２として巻回するように取り扱うことによって成し遂げられる。二次側の巻線１４には、オリジナルの設計で必要とされるものと同一の巻数が必要になる。最終的なアセンブリ３４は、十分な数（１以上）のこれらの構造体３２を積み重ね、所望の出力特性を得られるようにしたものから構成される。これらの構造体３２は一つの大きな変更点を有する。トロイド・ユニット３２は、それぞれ互いに反対方向に巻回されなければならない。これにより、各々の出力電圧の加算が可能になる。通常の構造体３４は、反時計周り（ｃｃｗ）に巻線が巻回された第一のトロイド形状の出力ユニット１６から構成され、一つの出力ワイヤ２４が最終的なコイル・アセンブリ３４の出力として機能する。第二のトロイド形状のユニット１８は時計周り（ｃｗ）に巻線が巻回され、第一のトロイド形状の出力ユニット１６の頂部に積み重ねられ、スペーサ２８を用いて適切な絶縁が行われる。第二のトロイド形状のユニット１８における底部のリード４２は、第一のトロイド形状のユニット１６における上側のリード４０（他方のリード）に取り付けられる。次のトロイド形状のユニット２２は、反時計周りに巻線が巻回されて、前述のトロイド形状のユニット１６および１８の頂部に積み重ねられ、スペーサ２８が絶縁としての機能を果たす。第三のトロイド形状のユニットの下側のリード４６は、第二のトロイド形状のユニットの上側のリード４４に接続される。トロイド形状のユニット３２の総数は、設計基準および物理的寸法の条件によって決められる。最後の上側のリード２４は、コア・コイル・アセンブリ３４の他方の出力を形成する。これらのトロイド形状のユニット３２における二次側の巻線１４は、トロイドの３６０度のうち約３００度に渡って個々に巻回される。トロイド形状のユニット３２は、該トロイド形状のユニット３２の開放された６０度の部分が垂直に整列するように積み重ねられる。共通の一次側３６は、このコア・コイル・サブアセンブリ３４を通して巻回される。この思想は、積み重ね思想として参照される。
オリジナルのコイル設計における周囲の電圧分布は、巻線の最初の部分が０ボルトで最後の部分が全電圧となるバリアックに類似する。これは、事実上コイル構造の全長に渡っている。一次側の巻線は、二次側の巻線から隔離され、トロイドに巻回された巻線の存在しない６０度の領域の中心に位置する。一次側は、低電圧で駆動するため、これらの巻線の電位は基本的に小さい。電圧による最大の応力は、高電圧出力部と一次側とに最も近傍のポイントで発生し、二次側の巻線間に発生し、さらに、二次側とコアとの間に発生する。トロイドの内部の全長に渡って磁界による最も大きい応力ポイントが存在し、コイルの内側の頂部と底部において磁界が強くなる。積み重ね思想においては、電圧分布は若干異なっている。独立したコア・コイルのトロイド形状のユニット３２の各々は、同じバリアック・タイプの分布になっているが、コア・コイル・アセンブリ３４の積み重ね分布では、独立したトロイド形状のユニット３２の数での分割が行われる。積み重ねによるコア・コイル・アセンブリ３４において３つのトロイド形状のユニット３２が存在する場合には、底部のトロイド形状のユニット１６は、Ｖ〜２／３Ｖ（全電圧〜全電圧の２／３）の範囲になり、二番目のトロイド形状のユニット１８は、２／３Ｖ〜１／３Ｖの範囲になり、頂部のトロイド形状のユニット２２は、１／３Ｖ〜０Ｖの範囲になる。この構成により電圧による応力の高い領域が小さくなる。
オリジナルのコイル設計における別の問題は、絶縁ケースを通過して外部に至る出力の静電結合である。出力電圧の波形は、短パルス成分（通常は、１〜３マイクロ秒の持続期間で５００ナノ秒の立ち上がり時間）と、より長く、低レベルの出力成分（通常は１００〜１５０マイクロ秒の持続時間）とを有する。高速のパルス出力成分のいくらかは、絶縁壁を通過して外部に静電結合する。バリアック効果は、外部シェルのコロナを観察することによって確認できる。静電結合により、ケースからアースへの分流が起こり、スパーク・プラグへの出力が奪われる。この効果は、高電圧範囲の場合のみに問題となり、コロナ放電によって装置の開回路電圧が減少する。積み重ね構成においては、電圧分布が異なり、接地構成によってコア・コイル・アセンブリ３４の頂部もしくは底部に最も高い電圧セクションが位置するようにすることが可能である。この設計における利点は、高電圧セクションをスパーク・プラグ・ウェル内深くの、ちょうどスパーク・プラグの部位に配置することができることにある。コア・コイル・アセンブリ３４の頂部の電圧は、３つのユニットが積み重ねられていることから、最大で１／３Ｖにしかならない。
鋳造された状態で１．５Ｔを超える飽和磁束密度を有する鉄を主成分とするアモルファス金属が用意された。コアの各々は、円筒の高さが１５．６ｍｍの円筒形状で、外径および内径は、それぞれ１７ｍｍ、１２ｍｍであった。これらのコアは、熱処理済であり、外部から磁場の影響を受けていなかった。図１は、コア・コイル・アセンブリ３４の三つのユニットを積み重ね構造にするための処理の概略的な図面を示している。これらのコア１０は、耐熱プラスチックの絶縁カップ１２に挿入された。これらのユニット３０のいくつかは、トロイド巻線マシンによって銅製のワイヤが１１０〜１６０回時計周りに巻回されて二次側１４を形成し、これらのユニット３０のいくつかは反時計周りに巻回された。第一のトロイド形状のユニット１６（底部）は、反時計周りに巻回され、下側のリード２４は、本システムの出力として機能する。第二のトロイド形状のユニット１８は、時計周りに巻回され、下側のリード４２は、下側のトロイド形状のユニット１６における上側のリード４０に接続される。第三のトロイド形状のユニット２２は、反時計周りに巻回され、下側のリード４６が第二のトロイド形状のユニット１８における上側のリード４４に接続される。第三のトロイド形状のユニット２２における上側のリード２６は、接地リードとして機能する。トロイド形状のユニット１６、１８および２２の間のプラスチック・スペーサ２８は、電圧を遮断する機能を果たす。トロイド形状のユニット３２における巻線の巻回されていない領域は、垂直に整列する。共通の一次側の巻線３６は、巻線のない領域を積み重ねによるコア・コイル・アセンブリ３４を通して巻回される。このコア・コイル・アセンブリ３４は、リード用の孔部を有する耐熱プラスチック・ハウジングに入れられる。さらに、このアセンブリは、高圧への絶縁を完全にするために、適切な注封材料の中で真空鋳造される。多くの代替的なタイプの注封材料が存在する。注封材料に対する基本的な条件は、十分な絶縁耐力を有すること、構造体内部のほかの全ての材料に良好に接着すること、さらに、過酷な環境サイクル、温度、衝撃、および振動に耐えることができることである。さらに、注封材料は、誘電率が低く、損失正接が低いことが望ましい。ハウジング材料は、射出成形可能で、廉価で、誘電率と損失正接が低く、注封材料と同一の環境状態に耐えうることが必要である。
図２Ａにおいて、封入する前の積み重ねアセンブリ３４の側面図および平面図が示されている。図２Ｂは、最終的なアセンブリ１００内に封入された積み重ねアセンブリ３４の側面図および平面図を示す。積み重ねアセンブリ３４は、前述した耐熱特性を有するポリマー材料からなる中空のチューブ状のハウジング５０内部に配置される。底部セクション５５は、スパーク・プラグとの接点となるコネクタ７０を備え、ハウジング５０をシールする。出力リード２４は、コネクタ７０に接続され、スパーク・プラグへの電気的通路を形成する。出力リード２６は、アセンブリ１００より引き出され、エンジン・グラウンドに接続されるか、スパーク・プラグの帰線に接続されるか、あるいは同様のポイントに接続されて、スパーク・ギャップを介した二次側の放電のために閉じた電気的通路を形成する。注封材料６０は、製造者の推奨に従って、ハウジング５０に流し込まれる。このような注封材料の特性については既に説明済みである。一次側のリード３６は、ハウジングの本体および注封部分を超えて延在し、コア・コイルの一次側として使用される。トロイド形状のカップ１２、ハウジング５０および底部セクション５５は上述したハウジング材料で構成される。注封材料６０のハウジング５０、トロイド形状のカップ１２、底部セクション５５およびその他の内部の構成要素に対する接着性を高めるために、製造者のプラズマ洗浄マシンにより所定の方法で、各部位が注封に先立ってプラズマ洗浄される。
電流は一次側コイル３６に供給され、約２５〜１００マイクロ秒以内の迅速さで、限定されるわけではないが、６０アンペアに高められた。図３は、一次側の電流が所与のピーク・アンペア・ターンで急激に遮断された際に得られる出力を示す。充電時間は、通常１２０マイクロ秒未満であり、一次スイッチング・システムで１２ボルトの電圧を用いた。出力電圧は、半値全幅で約１．５マイクロ秒の持続時間を有し、長い低レベルのテールが約１００マイクロ秒持続する通常の短出力パルスであった。従って、磁気コア・コイル・アセンブリ３４においては、１０ｋＶを超える高電圧が１５０マイクロ秒未満の間隔で繰り返し発生する。この特徴は、上述した迅速な複数のスパーク動作を達成するために求められる。さらに、二次側の巻線によって生み出される迅速な電圧の立ち上がりによって、すすの汚れによって生ずるエンジンの不点火が少なくなる。
上述したスパーク点火イベントに関する利点に加え、本発明のコア・コイル・アセンブリ３４は、エンジン診断装置としての機能を果たす。本発明の磁気コア１０の磁性損失が少ないため、一次電圧特性が和動接続された二次側の巻線で生じている状態を忠実に示す。二次側の高い電圧を誘導する磁束変化の度に、適切な点火特性のために、点火の際に一次側の電圧リードが分析される。結果データは、点火システム制御部に供給される。従って、コア・コイル・アセンブリ３４においては、コアがフェライト材料で構成されたＮｏｂｌｅ特許において開示されたシステムに要求された追加の磁気要素が不要になる。
以下の実施例は、本発明のより完全な理解を可能にするために与えられたものである。本発明の原則と実施例を説明するために述べられた特定の技術状況、材料、比率、報告されたデータは、例示的なものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。
実施例
約１５．６ｍｍの幅と約２０マイクロｍの厚さとを有するアモルファスの鉄を主成分とするリボンが加工済のステンレス・スティール・マンドレルに巻回され、許容誤差を維持するために内径および外径に対してスポット溶接を行った。内径の１２ｍｍはマンドレルによって設定され、外径は１７ｍｍに成るように選択された。仕上がり済みの円筒状コアの重量は、約１０グラムであった。コアは４３０〜４５０℃の範囲の窒素雰囲気中でソーク・タイムを２〜１６時間として焼鈍された。焼鈍されたコアは絶縁カップ内に配置され、トロイド巻線マシンによって１４０巻の薄いゲージの絶縁された銅製のワイヤが二次側として巻回された。反時計周り、時計周りの双方のユニットが巻回された。反時計周りのユニットは、底部と頂部のユニットとして使用され、時計周りのユニットは中央部ユニットとして使用された。絶縁スペーサがユニット間に取り付けられた。一次側を形成する４巻のゲージの小さめのワイヤが、トロイド形状のサブアセンブリにおける二次側の巻線が存在しない領域に巻回された。中央および下側のユニットのリードは、中央および上側のユニット・リードとともに接続された。アセンブリは、耐熱プラスチック内に配置され、注封が行われた。この構成において、二次側の電圧は、一次側電流と一次側巻線の巻数の関数として測定され、その結果が以下の図３に示されている。
以上のように本発明に関し、かなり完全な詳細が説明されたが、このような詳細に限定されるものではなく、追加されたクレームに定義された発明の範囲に全て含まれる限り、当業者にとって更なる変更や改変を行うことが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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