JP3684300B2 - プラグホール内に装着される細形円筒形状のエンジン用点火コイル装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの点火プラグごとに用意されて各点火プラグに直結して使用される独立点火形のエンジン用点火コイル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンのプラグホールに導入されて各点火プラグと個別に直結される独立点火形のエンジン用点火コイル装置が開発されている。この種の点火コイル装置は、ディストリビュータを不要とし、その結果、ディストリビュータ、その高圧コード等で点火プラグへの供給エネルギーが降下することが無く、しかも、点火エネルギーの降下といった配慮をすること無く点火コイルを設計できるために、コイル容積を小さくし、点火コイルの小型化を図れると共に、ディストリビュータの廃止によりエンジンルームの部品装着スペースの合理化を図れる物として評価されている。
【０００３】
このような独立点火形の点火コイル装置のうち、コイル部の少なくとも一部がプラグホール内に挿入されて装着されるタイプの物をプラグホール内装着式と称し、またコイル部はプラグホール内に挿入される為にペンシル形に細長くペンシルコイルと通称され、細長円筒型のコイルケースの内部にセンターコア（磁路鉄心で珪素鋼板を多数積層したもの）、一次コイル，二次コイルを内装している。一次，二次コイルはそれぞれのボビンに巻かれたセンターコアの周囲に同心状をなして配置されている。このような一次，二次コイルを収納するコイルケース内には、絶縁用樹脂を注入硬化させたり絶縁油を封入することでコイルの絶縁性を保証している。公知例としては、たとえば特開平8−255719号公報，特開平9− 7860号公報，特開平9−17662号公報，特開平8−93616号公報，特開平8−97057号公報，特開平8−144916号公報，特開平8−203757号公報等に記載の物がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この種の独立点火形の点火コイル装置のうちコイルケース内に絶縁用樹脂（例えばエポキシ樹脂）を注入硬化する方式の物は、絶縁油方式のような油の封入 （シーリング）対策を不要とし、また、センターコア，ボビン，コイル等の構成部材を絶縁用樹脂に埋設するだけで自ずと固定できるので、これらの構成部材の固定も絶縁油方式に比べて簡易であり、装置全体の簡略化及び取り扱いの容易性を図れる物として評価されている。
【０００５】
ただし、点火コイル装置の構成部材間に注入（充填）される絶縁用樹脂は、構成部材間の線膨張係数差に基づく熱ストレス（熱衝撃）が加わるので、熱衝撃によるクラック、及び部材間界面剥離の防止対策を講じる必要がある。特にエンジンのプラグホール内に装着されるタイプの独立点火形の点火コイル装置は、過酷な温度条件にさらされ（−４０℃〜１３０℃）、絶縁用樹脂はこの熱衝撃に耐えられる必要がある。
【０００６】
クラック発生は次のようにして絶縁破壊をもたらす。例えば、コイルケースに内側から順にセンターコア，二次コイル，一次コイルを内装した方式（いわゆる内二次コイル構造）の場合には、電位差のある二次コイルとセンターコア間及び二次コイルと一次コイル間にクラックがより空隙が発生すると、空隙部の電界強度が極端に大きくなるいわゆる電界集中が発生し、絶縁破壊が発生する。
【０００７】
本発明の目的はプラグホール内に装着されて過酷な温度環境にさらされる独立点火形コイル装置であっても、点火コイル装置のコイル部を構成するボビン材やボビン材中のフィラー量の配合率調整をすることで、二次ボビンに加わる熱ストレスの低減、及びボビン自身の強度アップが実現し、結果としてボビンのクラック防止、及び部材間の界面剥離策を図ることで絶縁性能の向上を図ることにある。
【０００８】
さらに、上記のように耐熱衝撃及び絶縁性能を高めつつ、プラグホール内に装着されるいわゆるペンシルコイルタイプ（細形円筒形状の点火コイル装置）の細径化の要求を満足させることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、基本的には次のような課題解決手段を提案する。
【００１０】
すなわち、細形円筒形状の点火コイル装置の二次ボビンの材料を変性ＰＰＯとし、さらに当該材料は無機物が重量比で３０％乃至４０％充填されており、且つこの無機物は二次ボビン全体の重量比で１０％以上をガラス繊維で構成され、更に二次ボビン全体の重量比で１０％以上をマイカ，タルク，炭酸カルシウム等の非繊維状無機物で構成される。
【００１１】
また、一次ボビンの樹脂材料をＰＰＳもしくはＰＰＳをベース材料とする混合物にて構成すると共に、二次ボビンと一次ボビンとの間にエポキシ樹脂が充填されている。
【００１２】
好適には二次ボビンの肉厚が１ . ０ mm 以上１ . ５ mm 以下であり、前記一次ボビンの肉厚が０ . ５ mm 以上１ . ０ mm 以下である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面により説明する。
【００１４】
まず、図１〜図３を用いて第一の実施例に係わる点火コイル装置を説明する。
図１に点火コイル装置２１の縦断面図及びその一部を拡大したＥ部拡大断面図を示し、図２に図１のＡ−Ａ′線断面図を示す。
【００１５】
細長円筒形のコイルケース（外装ケース）６の内部には、中心（内側）から外側に向けて順にセンターコア１，二次ボビン２，二次コイル３，一次ボビン４，一次コイル５が配置される。
【００１６】
二次ボビン２におけるセンターコア１と二次ボビン２間の隙間には、いわゆる軟質エポキシ樹脂（可撓性エポキシ）１７が充填され、二次ボビン２，二次コイル３，一次ボビン４，一次コイル５，コイルケース６の各構成部材同士の隙間にはエポキシ樹脂８が充隙されている。
【００１７】
ここで、軟質エポキシ樹脂１７は、ガラス転移点が常温（２０℃）以下で、ガラス転移点以上では弾性のある柔らかい性能を有するエポキシ樹脂である。
【００１８】
センターコア１，二次ボビン２間の絶縁用樹脂を軟質エポキシ樹脂１７としたのは、プラグホール内装着式の独立点火形の点火コイル装置（ペンシルコイル）が厳しい温度環境（−４０℃〜１３０℃程度のストレス）にさらされることに加えて、センターコア１の熱膨張係数（１３×１０^-6mm／℃）とエポキシ樹脂の熱膨張係数（４０×１０^-6mm／℃）との差が大きい為、通常の絶縁用エポキシ樹脂（軟質エポキシ１７よりも硬質のエポキシ樹脂組成物）を用いた場合には、ヒートショック（熱衝撃）によりエポキシ樹脂にクラックが生じ、絶縁破壊が起こる心配がある為である。すなわち、このようなヒートショックに対処する為、熱衝撃吸収に優れた弾性体で絶縁性を有する軟質エポキシ樹脂１７を用いた。
【００１９】
軟質エポキシ樹脂１７は、｛二次ボビン２の許容応力σ₀ ＞（−４０℃軟質エポキシ１７のガラス転移点Ｔｇ）での発生応力σ｝の条件を満足するガラス転移点Ｔｇを有する。ここでは、一例として、軟質エポキシ樹脂１７のガラス転移点がＴｇ＝−２５℃の物を例示する。
【００２０】
例えば、軟質エポキシ樹脂１７のガラス転移点がＴｇ＝−２５℃である場合には、二次ボビン２が１３０℃から−４０℃に温度変化する環境に置かれて運転停止後の温度降下により収縮した時に、１３０℃〜−２５℃の範囲では二次ボビン２の収縮が軟質エポキシ樹脂１７の弾性吸収により受け入れられる為二次ボビン２は実質無応力である。−２５℃〜−４０℃の温度範囲では軟質エポキシ樹脂 １７がガラス状態に移行し、それにより二次ボビン２の収縮（変形）が阻止されるので、二次ボビン２に熱応力（σ＝Ｅ・ε＝Ｅ・α・Ｔ）が発生する。Ｅは二次ボビン２のヤング率、εはひずみ、αは二次ボビンの熱膨張係数、Ｔは温度変化（温度差）である。二次ボビン２の許容応力σ₀ が発生応力σより大きい場合には（σ＜σ₀ ），二次ボビン２は破壊しない。
【００２１】
ここで二次ボビン２はエポキシ樹脂８と接着性の良い材料を選定するのが通例である。エポキシ樹脂８との接着性が悪い場合は二次ボビン２とエポキシ樹脂８の間に剥離が生じ、絶縁破壊の心配がある。
【００２２】
ここで、絶縁用樹脂とボビン材の間に剥離（絶縁用樹脂のクラックも含む）が生じた場合の絶縁破壊のメカニズムについて図３を用いて説明する。
【００２３】
図３は内二次コイル構造のペンシルコイルの一部を拡大して示し、二次ボビン２の外表面に二次コイル３を分割巻きするための鍔（各スプールエリアを設定するための鍔）２Ｂが軸方向に間隔を置いて複数配設されている場合の一部拡大断面図である。
【００２４】
エポキシ樹脂８のうち、二次ボビン２・一次ボビン４間に充填されるエポキシ樹脂８は、樹脂注入（真空注入）により、二次コイル３・一次ボビン４間の他に二次コイル３の線間に浸透されて二次ボビン２の外表面に至る。また、センターコア１・二次ボビン２との間に軟質エポキシ樹脂１７が充填されている。
【００２５】
この場合、絶縁用樹脂と二次ボビン，一次ボビンとの密着強度（接着強度）が弱ければ、符号イに示すように二次ボビン３と二次コイル間浸透の絶縁用樹脂８との間、及び符号ロに示すように二次ボビン鍔２Ｂと絶縁用樹脂８との間に剥離が発生する必要がある。また、符号ハに示すように絶縁用樹脂８と一次ボビン４の間や、符号ニに示す絶縁樹脂１７と二次ボビン２の間も剥離が生じる可能性領域と考えられる。
【００２６】
符号イで示す位置に剥離が発生すると、剥離した箇所（空隙）を通じて線間電圧による電界集中が発生し、二次コイル３の線間に部分放電ひいては発熱、二次コイルの線材のエナメル被覆が焼損してレアーショートが発生する。また、符号ロで示す位置に剥離が発生すると、隣接する分割巻きエリア間の線材同士に電界集中が発生し、上記同様の部分放電によりレアーショートが発生する。符号ハに示す位置に剥離が発生すると二次コイル３・一次コイル５間に絶縁破壊が発生し、符号ニに示す位置に剥離が発生すると二次コイル３・センターコア１間に絶縁破壊が発生する。
【００２７】
本実施例では二次ボビン２の材料としてエポキシ樹脂と接着性の優れた変性 ＰＰＯ（ポリフェニレンオキサイド）を用いている。この材料は強度確保のため、一般的に２０％の無機物（ガラスフィラー等）が混じっているが、本実施例では、二次ボビンの熱応力σの低下すなわち熱膨張係数αの低下、及び許容応力 σ₀ の向上を実現するために無機物を３０％以上混入させている。また、二次ボビン２の射出成形性を確保するためには樹脂の溶解状態での流動性を向上させる必要があり、無機物はガラスフィラーなどの繊維系の物だけではなく、マイカ，タルク，炭酸カルシウム等の非繊維状無機物を１０％以上混入している。
【００２８】
ここで二次ボビン２の強度を確保するためには、ボビンの肉厚が厚い方が有利であることは言うまでもないが、ペンシルコイルは一般的にφ２３〜φ２５mm程度の細いプラグホールに装着する必要があるため、コイル部の外径はφ２２〜 φ２４mm程度となる。この狭い空間の中で、コイルケース６，一次コイル５，一次ボビン４，二次コイル３，二次ボビン２，センターコア１、そしてそれぞれの空隙にはボイド等の欠陥無くエポキシ樹脂８を充填する必要がある。したがって、各部の肉厚は極力少なくする事が望ましい。
【００２９】
本実施例では二次ボビン２の材料を無機物が４０％混入している変化ＰＰＯとし、肉厚を１〜１.５mm とした物で、１３０℃〜−４０℃の温度変化を繰り返し３００回与えて、二次ボビン２を観察したところ、二次ボビン２に損傷は発生しておらず、健全性が維持されていることが確認された。すなわち、上記条件の下で、二次ボビン２の許容応力σ₀ はσより大きいことが確認された。
【００３０】
この無機物４０％入り変性ＰＰＯは、熱膨張係数αが成形時の流動方向，直角方向含め−３０℃〜１００℃の範囲で５０×１０^-6mm／℃以下である。これに対して一般的な無機物２０％入り変性ＰＰＯは、線膨張係数が最大で８０×１０^-6mm／℃程度あり、本実施例の材料に比べて１.５ 倍以上の熱応力が発生する。また、二次ボビン２に巻装されている二次コイル３は銅線の隙間にエポキシ樹脂８が含浸した状態で線膨張係数が最大で６０×１０^-6mm／℃程度であり、二次ボビン２との熱膨張係数差がほとんど無く、二次ボビン２と二次コイルの界面に発生する応力が少なく、剥離の心配も無い。
【００３１】
本実施例の主な作用，効果は、下記の通りである。
【００３２】
プラグホール内に装着されて過酷な温度環境にさらされる独立形点火コイル装置であっても、二次ボビン２をエポキシ樹脂８と密着性に優れた変性ＰＰＯとし、さらに無機物を３０％以上充填することで、二次ボビンの肉厚を少なくすることが可能になり、コイル外径の細径化が実現できる。また、従来の物よりも熱膨張係数が少ないことから、熱ストレスに対する熱応力が低減でき、今まで以上に耐熱衝撃性が向上し、二次ボビンのクラック防止及び絶縁樹脂との剥離防止を図ることで絶縁性能の向上を図ることが出来る。
【００３３】
ここで、点火コイル装置の小型化（細径化）の制約の下でできるだけセンターコア１の占有面積のアップひいては出力アップを図るためには、ボビン材は薄肉での成形が可能な樹脂を選定する必要があるが、ポリフェニレンサルファイド （ＰＰＳ）は熱可塑性樹脂の中でも成形時の流動性が良く、無機物の配合量を ５０重量％以上についても流動性を損なわず薄肉化に有利であるという特長がある。一次ボビンにＰＰＳを用いた場合、コイル部の金属との熱膨張係数差を出来るだけ近づけるため、無機物を重量比で５０〜７０％混合され、常温（２０℃）〜１５０℃の範囲の線膨張係数が成形時の流動方向，直角方向も含め、１０〜 ４５×１０^-6mm／℃の範囲である。肉厚は成形性の制限から０.５mm 以上必要であるが、１mm以下の薄肉化が実現できる。線膨張係数が金属により近いことから、熱ストレスが印加された場合の熱応力の発生が少ない為、絶縁樹脂のクラック防止及び絶縁樹脂との剥離防止を図ることで絶縁性能の向上を図ることが出来る。
【００３４】
本実施例によれば、次のような作用，効果を期待することが出来る。
【００３５】
二次ボビンの材料を変性ＰＰＯとすることで、絶縁用樹脂との接着性が良好である。また、無機物を３０％以上充填することで、熱膨張係数の低減により熱ストレス印加時の熱応力が低減でき、かつボビンの強度向上が実現できる。
【００３６】
結果として、絶縁用樹脂の耐熱衝撃を著しく高め、絶縁用樹脂のクラック発生やボビンに対する剥離を防止して二次コイル同士や二次コイルと他の構成部材（例えば、一次コイル，センターコア等）との間の絶縁性能を高める。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、いわゆるペンシルコイルのボビンの強度を向上させ、熱応力低減により耐熱衝撃性を向上させ、プラグホール内に装着されて過酷な温度環境にさらされる独立点火形コイル装置であっても、クラック防止及び絶縁樹脂の剥離性能の向上を図ることが出来る。
【００３８】
さらに、上記のような耐熱衝撃及び絶縁性能を高めつつ、プラグホール内に装着されるいわゆるペンシルコイルタイプの（細形円筒形状の点火コイル装置）の細径化の要求を満足させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例に係わる点火コイル装置の縦断面図及びその一部を拡大したＥ部拡大断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】一次ボビン，二次ボビンと密着する絶縁用樹脂に剥離が生じた場合の絶縁破壊のメカニズムを示す断面図。
【符号の説明】
１…センターコア、２…二次ボビン、３…二次コイル、４…一次ボビン、５…一次コイル、６…コイル部ケース、７…サイドコア、８…絶縁樹脂、１７…軟質エポキシ樹脂。

Claims (2)

1. コイルケースに、内側からセンターコア，二次コイル，一次コイルの順に、同心状に内装されたコイル部を備えたエンジンのプラグホール内に装着される細形円筒形状のエンジン用点火コイル装置において、
   前記二次コイルが巻かれた二次ボビンの材料を変性ポリフェニレンオキサイド（以下、変性ＰＰＯ）とし、
   その材料は無機物が重量比で３０％乃至４０％充填されており、
   さらに、前記無機物は前記二次ボビン全体の重量比で１０％以上をガラス繊維で構成され、
   且つ、前記二次ボビン全体の重量比で１０％以上をマイカ，タルク，炭酸カルシウム等の非繊維状無機物で構成し、
   前記二次コイルの外側に配置され、前記一次コイルが巻かれた一次ボビンの材料をポリフェニレンサルファイド（以下、ＰＰＳ）もしくはＰＰＳをベース材料とする混合物にて構成し、
   前記二次ボビンと前記一次ボビンとの間にエポキシ樹脂が充填されていることを特徴とするプラグホール内に装着される細形円筒形状のエンジン用点火コイル装置。
2. 請求項1に記載したものにおいて、前記二次ボビンの肉厚が１ . ０ mm 以上１ . ５ mm 以下であり、前記一次ボビンの肉厚が０ . ５ mm 以上１ . ０ mm 以下である
   ことを特徴とするプラグホール内に装着される細形円筒形状のエンジン用点火コイル装置。

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