CN102472240A - 混合器、匹配器、点火单元、及等离子体发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合器，其将脉冲电压的能量与电磁波能量混合在同一条传输线路中，其中包括：第一输入端子，输入有电磁波；第二输入端子，输入有脉冲电压；混合输出端子，输出脉冲电压与电磁波；棒状的第一导电构件，一端电连接于第二输入端子，另一端电连接于混合输出端子的内侧导体；筒状的第二导电构件，隔开间隔地包围第一导电构件，与第一导电构件同轴地配置，且电连接于第一输入端子的内侧导体；以及筒状的第三导电构件，与第二导电构件隔开间隔地收纳第一导电构件及第二导电构件，与第一导电构件及第二导电构件同轴地配置，且分别电连接于第一输入端子的外侧导体与混合输出端子的外侧导体。

Description

混合器、匹配器、点火单元、及等离子体发生器
技术领域
本发明涉及一种将脉冲电压(pulse voltage)与电磁波混合的混合器、取得从混合器输出的电磁波的阻抗(impedance)匹配的匹配器(matching box)、具备混合器的点火单元(ignition unit)、及具备点火单元的等离子体发生器(plasma generator)。
背景技术
作为内燃机(internal-combustion engine)的火花点火(spark ignition)的代替方法，或者作为等离子体发生方法，提出并用火花放电与电磁波的辐射来发生等离子体的技术。根据该技术，相比于仅利用电磁波来发生等离子体的情况，可减少等发生离子体所必需的电磁波的能量。专利文献1中记载着在火花塞(spark plug)等的放电电极附近配置天线(antenna)的等离子体发生器。另外，专利文献1及专利文献2中记载着设有电磁波的传输线路及天线的火花塞。
专利文献3中记载着使用来放电的能量与电磁波的能量于火花塞的前段在相同的传输线路上重叠的等离子体产生装置。此外，专利文献4中记载着如下装置，虽然该装置并非为发生等离子体的装置，但通过将直流(DC，Direct Current)电压与微波能量和同轴导体结合并导入到燃烧室而使微波能量与燃烧中的等离子体混合物(火焰)结合。
背景技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2007-113570号公报
专利文献2：日本专利特开2009-38026号公报
专利文献3：日本专利特开2009-36198号公报
专利文献4：日本专利特开昭51-77719号公报
发明内容
此外，使脉冲电压的能量与电磁波能量在同一条传输线路上重叠的方式中，火花塞兼作放电装置与电磁波辐射器(天线)。因此，可简化等离子体发生器的结构。而其另一面则是从电磁波的振荡器到电磁波辐射器的电磁波的传输路径变得复杂。在将该方式用于内燃机的点火等的情况下，确保对内燃机的搭载性、与确保可经受住内燃机运转时的环境的牢固性成为课题。
另外，并用火花放电与电磁波的辐射来发生等离子体的方式中，虽然能够以少能量发生等离子体，但需要相应的能量。因此，要确保电磁波的传输路径上的能量的传输量及传输效率便成为课题。专利文献4中记载的等离子体发生装置中，并未对此种课题予以充分考虑。
本发明是鉴于此种实际情况而完成的，其目的在于在将脉冲电压与电磁波混合的混合器中确保搭载性、牢固性、及电磁波能量的传输性能。
[发明的效果]
根据本发明，混合器成为同轴结构。因此，不进行电磁波的模式转换，便可实现与脉冲电压的混合及电磁波的传输。这有助于确保电磁波的传输效率。另外，因可减少沿面放电(surface creepage)的产生，可抑制能量的泄漏(leak)，所以可提高耐电压性能。这有助于确保传输的能量，提高电气牢固性。另外，同轴结构中，因大多构件的形状成为筒状，所以可获得与结构重量相比为较高的刚性。这有助于确保牢固性。另外，利用同轴结构，可缩短外形的最小幅宽。这有助于提高搭载性。
此外，脉冲电压的传输路径由同轴结构所屏蔽(shield)。因此，可减少脉冲电压产生时的电磁噪声(electromagnetic noise)的泄漏。因此，噪声对策变得容易，可提高搭载性。另外，因可抑制由电阻(resistance)等的噪声对策而引起的传输能量的损耗(loss)，所以容易确保能量的传输效率。
附图说明
图1是实施方式1的等离子体发生器的立体图。
图2是实施方式1的等离子体发生器的框图。
图3是实施方式1的等离子体发生器的电路图。
图4是实施方式1的混合器的剖面图。
图5是实施方式1的匹配器的剖面图。
图6是实施方式1的变形例1的等离子体发生器的电路图。
图7是实施方式1的变形例2的混合器的剖面图。
图8是实施方式1的变形例3的混合器的剖面图。
图9是实施方式2的匹配器的剖面图。
图10是实施方式2的变形例1的匹配器的剖面图。
图11是实施方式2的变形例2的匹配器的剖面图。
图12是实施方式2的变形例3的匹配器的剖面图。
图13是其他实施方式的火花塞的前端面的正视图。
[符号的说明]
100等离子体发生器
200脉冲电压发生器
300混合器
310第一输入端子
315第二输入端子
320逆流防止线圈(逆流阻止单元)
330电容器
340混合输出端子
360外壳(第三导电构件)
362第一电介质环
364第二电介质环
366电介质管(绝缘筒体)
370导电体棒(第一导电构件)
372导电体管(第二导电构件)
400匹配器
462内侧连接构件
464绝缘子嵌插构件
466外侧固定构件
468外侧连接构件
470电介质构件(筒状绝缘构件)
500火花塞
具体实施方式
以下，根据附图详细地说明本发明的实施方式。此外，下述实施方式本质上是优选的例示，且本发明并未意欲限制其应用物、或其用途的范围。
《实施方式1》
实施方式1是本发明的等离子体发生器100。以下，首先对等离子体发生器100进行说明，然后依序对混合器300、匹配器400进行说明。
—等离子体发生器的构成—
分别将等离子体发生器100的立体图示于图1，将等离子体发生器100的框图示于图2，将表示等离子体发生器100的等效电路的电路图示于图3。
如图1所示，等离子体发生器100包括脉冲电压发生器200、混合器300、匹配器400、及火花塞500。脉冲电压发生器200形成为大致箱状(boxy)(大致长方体的箱状)。混合器300形成为大致圆筒状，一端连接于脉冲电压发生器200。在混合器300的另一端，设置着沿混合器300的轴方向延伸的延伸部390。延伸部390嵌入到内燃机的塞孔(plug hole)内。在混合器300的圆筒侧面设置着箱型的突起316。匹配器400形成为筒状，以包围延伸部390的方式设置。匹配器400沿其轴方向可移动地设置，取得从混合器300朝向火花塞500的电磁波的阻抗匹配。火花塞500经由匹配器400连接于混合器300。
此外，等离子体发生器100中，脉冲电压发生器200与混合器300一体化。脉冲电压发生器200与混合器300构成点火单元150。等离子体发生器100包括点火单元150、匹配器400、及火花塞500。火花塞500构成放电器500，该放电器500中形成利用从混合器300输入的脉冲电压而产生放电的放电间隙。
在脉冲电压发生器200中设置着用来接收外部输入的连接器(connector)210。在混合器300的箱型的突起316上设置着第一输入端子310。第一输入端子310是电磁波用输入端子。
如图2所示，脉冲电压发生器200从外部的直流电源600接收直流电620的供给。脉冲电压发生器200根据由外部的控制器602(例如，汽车的电子控制单元，所谓的ECU(Electronically Controlled Unit))赋予的控制信号622(以下，称为“点火信号”)来运转(operate)，发生并输出高电压的脉冲电压624。直流电源600也可以是例如汽车用电池(battery)。直流电620的电压可为12V左右。点火信号622可为正逻辑(positive logic)的脉冲状的TTL(Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑)信号。点火信号622的脉冲宽度(pulse width)可为1msec～2msec的程度。
在为此种点火信号622的情况下，信号施加开始表示电力供给的开始指令，信号施加结束表示电力供给的结束及脉冲电压624的输出指令。脉冲电压624是峰值电压(peakvoltage)例如为6kV～40kV的程度的脉冲(impulse)状的电压信号。脉冲电压624的规格(specification)以在对火花塞500施加脉冲电压624的情况下产生绝缘破坏(insulation breakdown)的方式进行适当设定即可。
混合器300从脉冲电压发生器200接收脉冲电压624，并且从外部的微波源606(电磁波源)接收微波626。本实施方式1中，微波626的频率例如为2450MHz左右，输入电力的峰值为1kW左右。微波626呈脉冲状施加。另外，微波626的脉冲宽度既可小于10msec，也可为10msec以上。微波的脉冲可重复施加。
混合器300发生并输出将脉冲电压624与微波626混合而成的混合信号628。混合信号628经由匹配器400而传输到火花塞500。火花塞500中，接收混合信号628的施加，产生放电，并且辐射微波。其结果为，火花塞500的前端的放电间隙中，通过放电而形成小规模的等离子体，该等离子体吸收微波的能量而扩大。
如图3所示，脉冲电压发生器200的电路构成与搭载在以往的点火线圈上的一般的装置相同。在脉冲电压发生器200中设置着接收直流电620的输入的直流端子212、接收点火信号622的点火信号端子214、及接地的接地端子216。直流端子212、点火信号端子214、及接地端子216设置于连接器210。
在脉冲电压发生器200中，还设置着开关(switch)230、一次侧(primary side)线圈(coil)240、二次侧(secondary side)线圈242、及电压侧输出端子250。开关230包含npn型晶体管(transistor)，基极(base)连接于点火信号端子214，发射极(emitter)连接于接地端子216。一次侧线圈240的一端连接于开关230的集电极(collector)，另一端连接于直流端子212。二次侧线圈242以隔着铁心(iron core)(省略图示)而与一次侧线圈240相向的方式配置。二次侧线圈242的一端经由整流器220(二极管(diode))而连接于直流端子212，另一端经由电阻222而连接于电压侧输出端子250。
混合器300包括所述第一输入端子310、第二输入端子315、混合输出端子340、逆流防止线圈320、及电容器(condenser)330。第二输入端子315连接于脉冲电压发生器200的电压侧输出端子250。第一输入端子310具有形成同轴结构的内侧导体310a及外侧导体310b，且输入有电磁波。第二输入端子315中输入有脉冲电压。混合输出端子340具有形成同轴结构的内侧导体340a及外侧导体340b。从混合输出端子340输出脉冲电压与电磁波。逆流防止线圈320连接于第二输入端子315。电容器330包含下述导电体棒370及导电体管372。电容器330的一端连接于第一输入端子310。电容器330的另一端分支成两路，一方连接于逆流防止线圈320，另一方连接于混合输出端子340。
作为逆流防止线圈320，选择具有10nH～10μH程度的自感(self-inductance)的线圈。因此，逆流防止线圈320一方面阻止微波带的电磁波的通过，另一方面容许短波带以下的频带的电磁波或直流的通过。逆流防止线圈320构成阻止从第一输入端子310输入的微波流向脉冲电压发生器200的逆流阻止单元320。
另外，作为电容器330，选择具有1pF至100pF程度的电容的电容器。因此，电容器330一方面容许微波的通过，另一方面阻止短波带以下的频带的电磁波或直流的通过。电容器330构成阻止从第二输入端子315输入的电压脉冲流向第一输入端子310的单元。
在等效电路上，匹配器400一端连接于混合器300的混合输出端子340，另一端连接于火花塞500。在匹配器400的另一端设置着用来与火花塞500连接的插塞(plug)连接端410。
火花塞500的电路构成与一般的火花塞的电路构成相同。火花塞500是放电器，其包括电连接于混合输出端子340的内侧导体340a的中心导体510、及电连接于混合输出端子340的外侧导体340b的接地导体512。火花塞500中，中心导体510与接地导体512形成同轴结构。
火花塞500中，中心导体510与接地导体512构成相向电极对。中心导体510与接地导体512之间成为放电间隙。此外，本实施方式1中，在火花塞500的中心导体510中未设置电阻。这是对于确保微波的传输效率而言较理想的构成。
根据所述构成，如果对开关230的基极施加点火信号622，那么电流会流向一次侧线圈240，铁心附近的磁场发生变化而积蓄电荷。在此状态下，如果结束对开关230的基极施加点火信号622，那么对一次侧线圈240的供电结束，而使电荷流入二次侧线圈242。其结果为，脉冲电压发生器200中，接地侧与电压侧输出端子250侧之间产生高电位差。然后，对电压侧输出端子250施加高电压的脉冲电压624。
脉冲电压624通过逆流防止线圈320而传递到混合输出端子340。脉冲电压624因存在电容器330而未流向第一输入端子310侧。另一方面，从第一输入端子310输入的微波626通过电容器330而传递到混合输出端子340。微波626因存在逆流防止线圈320而未流向脉冲电压发生器200侧。
混合器300中，脉冲电压624与微波626混合后从混合输出端子340输出。脉冲电压624与微波626经由匹配器400而供给至火花塞500。其结果为，火花塞500中，脉冲电压624与微波626被施加于放电间隙间，而发生等离子体。
—混合器的构成—
如图4所示，混合器300包括导电体棒370、导电体管(pipe)372、第一电介质环(dielectric ring)362、第二电介质环364、电介质管366、及外壳(housing)360。
外壳360大概形成混合器300的外观形状。外壳360的材质为金属等导电体。外壳360形成为两端开放的筒状。外壳360的侧面设置着箱型的突起316。在箱型的突起316形成着使第一输入端子310露出的开口317。外壳360在开口317的整个周围抵接于第一输入端子310的外侧导体310b。外壳360构成第三导电构件360，该第三导电构件360与导电体管372隔开间隔地收纳导电体棒370及导电体管372，与导电体棒370及导电体管372同轴地配置，且分别电连接于第一输入端子310的外侧导体310b与混合输出端子340的外侧导体340b。
外壳360的一端部形成着随着靠近端部而缩径成锥形(taper)状的锥部361。在锥部361连接着前端成为混合输出端子340的延伸部390。延伸部390包含同轴电缆(cable)。延伸部390的内侧导体390a抵接于导电体棒370。延伸部390的外侧导体390b遍及全周地抵接于外壳360的锥部361的一端。延伸部390的介质层(dielectric layer)390c在包含绝缘体的连接筒体350的内侧抵接于电介质管366。连接筒体350的一端嵌入到第二电介质环364的缺口(notch)而固定。连接筒体350保持着延伸部390的介质层390c。
另一方面，外壳360的另一端部安装在脉冲电压发生器200。在外壳360的另一端部设置着连接于脉冲电压发生器200的电压侧输出端子250的第二输入端子315。本实施方式1中，逆流防止线圈320的与导电体棒370为相反侧的一端成为第二输入端子315。
筒状的第一电介质环362的外表面形状在整个轴方向上为相同。第一电介质环362设置在外壳360的第二输入端子315侧，且嵌入到外壳360的内侧。第一电介质环362的外表面遍及全周地抵接于外壳360的内表面。
在第一电介质环362的内表面形成着阶差。第一电介质环362以阶差为界而具有两个内表面形状。第一电介质环362的第二输入端子315侧的内表面形状设定成可嵌合脉冲电压发生器200。第一电介质环362的混合输出端子340侧的内表面形状设定成可嵌合电介质管366。
筒状的第二电介质环364的内表面形状及外表面形状均在整个轴方向上为相同。第二电介质环364设置在外壳360的混合输出端子340侧，且嵌入到外壳360的内侧。第二电介质环364的外表面遍及全周地抵接于外壳360的内表面。
第二电介质环364的内表面形状设定成可嵌合电介质管366。也就是，第二电介质环364的内表面与第一电介质环362的混合输出端子340侧的内表面为相同大小且相同形状。第二电介质环364的内表面及外表面的轴心与第一电介质环362的内表面及外表面的轴心大致一致。
筒状的电介质管366在第一电介质环362与第二电介质环364之间延伸。电介质管366的一端部嵌入到第一电介质环362的内侧，另一端部嵌入到第二电介质环364的内侧。电介质管366的厚度设定成：即便对内表面与外表面施加脉冲电压624或微波626，也不会产生绝缘破坏。电介质管366构成绝缘筒体366，该绝缘筒体366配置在导电体棒370与导电体管372之间，使导电体棒370与导电体管372电绝缘。
第一电介质环362、第二电介质环364、及电介质管366的材质既可为所谓的含氟树脂(fluorine resin)、或聚乙烯树脂(polyethylene resin)，也可为其他电介质(例如陶瓷(ceramics))。如果将所述等离子体发生器100用于内燃机等的点火，那么理想的是选择耐热性高的材料。另外，理想的是将绝缘耐力高的材料用于电介质管366。
导电体棒370形成为圆柱状，且嵌入到电介质管366的内侧。导电体棒370嵌入到电介质管366的混合输出端子340侧。导电体棒370构成一端电连接于第二输入端子315、另一端电连接于混合输出端子340的内侧导体的第一导电构件370。
导电体棒370的混合输出端子340侧从导电体管372的开口突出。导电体棒370的第二输入端子315侧的一端位于导电体管372的内侧。
在电介质管366的第二输入端子315侧插入着包含线圈状的导电性弹簧的逆流防止线圈320。图4所示的逆流防止线圈320形成压缩弹簧，其自然长度为脉冲电压发生器200嵌合于混合器300的状态下的电压侧输出端子250与导电体棒370的距离以上。因此，如果将脉冲电压发生器200嵌合于混合器300，那么逆流防止线圈320的端部分别抵接于电压侧输出端子250与导电体棒370。逆流防止线圈320在压缩于第二输入端子与导电体棒370之间的状态下保持着。逆流防止线圈320将电压侧输出端子250与导电体棒370电连接。逆流防止线圈320在导电体管372的内侧连接于导电体棒370的第二输入端子315侧。
导电体管372形成为筒状，设置在电介质管366的外表面侧。导电体管372遍及全周地覆盖电介质管366的中央部的外表面。导电体管372的内表面在整个轴方向上抵接于电介质管366的外表面。导电体管372构成第二导电构件372，该第二导电构件372隔开间隔地包围导电体棒370，与导电体棒370同轴地配置，且电连接于第一输入端子310的内侧导体310a。
导电体管372的内表面的混合输出端子340侧隔着电介质管366而与导电体棒370相向。此相向部分成为图3所示的电容器330。构成电容器330的相向部分的面积以电容器330的电容成为所需值的方式进行设定。设定导电体棒370的粗细度、及相向部分的轴方向的长度，以使得既取得微波的阻抗的匹配，又使电容器330的电容成为所需值。导电体棒370从导电体管372的混合输出端子340侧的开口突出。也就是，导电体棒370的一部分与导电体管372的一部分在它们的轴方向上重复。
此外，本实施方式1中，导电体管372是一直延伸到包围逆流防止线圈320的位置为止，但也可不延伸到包围逆流防止线圈320的位置。以微波的传输效率变高的方式设定导电体管372的长度即可。
在导电体管372的第二输入端子315侧的端部的外表面连接着从其外表面沿纵向突出的突起374。该突起374上安装着第一输入端子310的内侧导体310a。突起374及第一输入端子310的内侧导体310a嵌入到包含绝缘体的输入侧筒构件312的内侧。第一输入端子310的内侧导体310a以能够插入同轴电缆的内侧导体的方式构成。
本实施方式1中，第一输入端子310的内侧导体310a与导电体管372在导电体管372的第二输入端子315侧的端部连接。如果能够在导电体管372的第二输入端子315侧接收微波的供电，则会提高微波的传输效率。外壳360中，箱型的突起316的位置根据从导电体管372的外表面延伸的突起374的位置而确定。
混合输出端子340包含延伸部390的前端部。混合输出端子340的内侧导体340a电连接于导电体棒370。混合输出端子340的外侧导体340b电连接于外壳360。延伸部390与外壳360既可经由连接器等装卸自如，也可进行固定。
—匹配器的构成—
如图5所示，匹配器400包括内侧连接构件462、绝缘子(insulator)嵌插构件464、外侧固定构件466、外侧连接构件468、及电介质构件470。
内侧连接构件462包含导电体。内侧连接构件462是卡合于火花塞500的中心导体510的输入端的形状。具体而言，在内侧连接构件462的内表面形成着螺纹槽(threadgroove)。内侧连接构件462的螺纹槽螺合(screw together)于火花塞500的中心导体510的外表面的螺纹槽。混合输出端子340的内侧导体340a嵌入到内侧连接构件462。内侧连接构件462将混合输出端子340的内侧导体340a与火花塞500的中心导体510电连接，保持该内侧导体340a与该中心导体510。
绝缘子嵌插构件464是具有大致筒状的形状的绝缘性构件。绝缘子嵌插构件464内收纳着内侧连接构件462。在绝缘子嵌插构件464的混合器300侧插入着混合输出端子340的介质层340c。绝缘子嵌插构件464的混合输出端子340侧的外周形状理想的是，从其轴方向来看，未从混合输出端子340的外侧导体340b的外周形状超出。另一方面，绝缘子嵌插构件464的火花塞500侧以覆盖火花塞500的绝缘子514的输入侧的露出部分514a的方式嵌入到该露出部分514a的外侧。绝缘子嵌插构件464从该露出部分514a的放电间隙侧的一端突出，该突出部分遍及全周地抵接于火花塞500的接地导体512的端部。
外侧固定构件466包含带状或筒状的导电体。外侧固定构件466以遍及全周地包围绝缘子嵌插构件464的火花塞500侧的外周面的方式，接合于绝缘子嵌插构件464。外侧固定构件466从绝缘子嵌插构件464的放电间隙侧的一端突出，且该突出部分向内侧弯折而抵接于火花塞500的接地导体512。该突出部分遍及全周地抵接于火花塞500的接地导体512的输入侧。外侧固定构件466利用绝缘子嵌插构件464而与混合输出端子340的内侧导体340a及内侧连接构件462绝缘。此外，图1中，省略外侧固定构件466的图示。
外侧连接构件468包含筒状的导电体。外侧连接构件468在轴方向上的混合输出端子340到火花塞500的基端侧为止的区间内，包围混合输出端子340、内侧连接构件462、绝缘子嵌插构件464、及外侧固定构件466。
图5中，外侧连接构件468形成两端部集拢的形状。外侧连接构件468的两端部向内侧弯折。外侧连接构件468的混合器300侧的端部遍及全周地抵接于混合输出端子340的外侧导体340b。外侧连接构件468的火花塞500侧的端部遍及全周地抵接于外侧固定构件466。外侧连接构件468的一端部抵接于混合输出端子340的外侧导体340b，另一端部抵接于电连接在火花塞500的接地导体512的外侧固定构件466。此外，外侧连接构件468也可构成为火花塞500侧的端部遍及全周地抵接于导体512。
外侧连接构件468中，两端部之间的本体部468a的内周面遍及整个周围地与绝缘子嵌插构件464的外周面隔开。外侧连接构件468的火花塞500侧的端部468b向内侧卷入的方式形成。外侧连接构件468的混合器300侧的端部468c向内侧弯折的最前端沿着混合输出端子340的外侧导体340b的外表面。此外，外侧连接构件468的两端部468b、468c除了图5所示的形状以外，还可适当采用逐渐缩径而成的形状等各种形状。
外侧连接构件468沿其轴方向可移动地设置。外侧连接构件468将混合输出端子340的外侧导体340b与火花塞500的接地导体512电连接。此外，火花塞500在接地导体512与混合输出端子340的外侧导体340b隔开的状态下配置。火花塞500的中心导体510沿混合输出端子340的轴方向延伸。
电介质构件470形成为筒状，配置在外侧连接构件468的内侧。电介质构件470接合于外侧连接构件468的本体部468a的内表面。电介质构件470构成筒状绝缘构件470，该筒状绝缘构件470用来阻止混合输出端子340的内侧导体340a或火花塞500的中心导体510与外侧连接构件468之间产生放电。
本实施方式1中，由内侧连接构件462、绝缘子嵌插构件464、外侧固定构件466、及外侧连接构件468，可将从混合器300输入的混合信号628施加至火花塞500而不会发生泄漏。
另外，匹配器400中，根据外侧连接构件468及电介质构件470的轴方向的位置，阻抗的频率特性会发生变化。本实施方式1中，外侧连接构件468相对于混合输出端子340的外侧导体340b及外侧固定构件466可滑动地安装。由此，可随时调整阻抗的频率特性。此外，也可在调整外侧连接构件468的轴方向的位置之后，固定外侧连接构件468。另外，在事先知晓最适合的外侧连接构件468的位置的情况下，也可事先将外侧连接构件468相对于混合输出端子340的外侧导体340b及外侧固定构件466一体化。
通过适当地设定内侧连接构件462、绝缘子嵌插构件464、外侧固定构件466、及外侧连接构件468的配置，可调整混合信号280中的微波成分的传输效率。通过该调整，可容易地确保微波的传输效率。
—实施方式1的效果—
本实施方式1中，等离子体发生器100中传输微波的部位的任一个均成为同轴结构。因此，不进行微波的模式转换，便可实现与脉冲电压的混合及微波的传输。这有助于确保微波的传输效率。另外，由于传输微波的部位的任一个均形成同轴结构，所以可缩短各导电构件的边缘(edge)的长度。因此，可减少在导电构件的边缘容易发生的沿面放电的产生，可抑制能量的泄漏。因此，可提高耐电压性能。这有助于确保传输的能量，提高电气牢固性。
另外，同轴结构中，因大多构件的形状为筒状，所以可获得与结构重量相比为较高的刚性。这有助于确保牢固性。另外，因同轴结构的缘故，可缩短外形的最小幅宽。这有助于提高搭载性。此外，因同轴结构的缘故，而使脉冲电压的传输路径得到屏蔽。因此，可减少脉冲电压产生时电磁噪声的泄漏。因此，使噪声对策变得容易，可提高搭载性。
另外，可抑制由电阻等的噪声对策而引起的传输能量的损耗，因此容易确保能量的传输效率。另外，等离子体发生器100中，各功能部可装卸(detachable)地构成，所以容易进行模块(module)化。因此，设计、制造、检查、零件交换等变得容易。这有助于确保搭载性。
另外，匹配器400具备可确实且容易地连接一般的火花塞的结构，进而可容易地进行传输效率的调整。因此，能够以高效率向火花塞传输能量。因此，使用火花塞500的等离子体发生变得容易。这特别适合将等离子体应用于内燃机的点火。
此外，如果脉冲电压发生器200的外壳是金属等导电体，那么只要使混合器300的外壳360的脉冲电压发生器200侧的端部遍及全周地与脉冲电压发生器200的外壳接触，便会提高微波的屏蔽性。
—实施方式1的变形例1—
对实施方式1的变形例1进行说明。变形例1中，如图6所示，实施方式1中，设置在脉冲电压发生器200上的电阻(electric resistance)222设置在混合器300中。电阻222连接于第二输入端子315与逆流防止线圈320之间。由此，可直接将通常的点火线圈用于脉冲电压发生器200，可在混合器300的设计中适当设定电阻222的电阻值。
—实施方式1的变形例2—
对实施方式1的变形例2进行说明。变形例2中，如图7所示，在导电体棒370的外周面与导电体管372的内周面之间设置着彼此相向的一对导电性筒体380、381。第一导电性筒体380的一端向导电体棒370侧弯折，接合于导电体棒370的外周面。第二导电性筒体381的一端向导电体管372侧弯折，接合于导电体管372。一对导电性筒体380、381埋设在电介质管366中。由此，一对导电性筒体380、381负担电容器330的电容的一部分。因此，可缩短导电体棒370与导电体管372的相向部分的长度，从而可缩短混合器340的轴方向的长度。
—实施方式1的变形例3—
对实施方式1的变形例3进行说明。变形例3中，如图8所示，导电体棒370及电介质管366与外侧导体390a一同构成延伸部390。因此，外壳360与延伸部390的边界处的阻抗的变化减小。
《实施方式2》
对实施方式2进行说明。实施方式2中，如图9所示，在火花塞20的绝缘子22的基端侧设置着筒状突出部26，以代替设置绝缘子嵌插构件464。
筒状突出部26与火花塞20的绝缘子22一体成型。因此，在筒状突出部26的火花塞20侧，筒状突出部26的内侧的导体与筒状突出部26的外侧的导体之间产生放电的情况得到阻止。混合输出端子30的介质层34嵌入到筒状突出部26的内侧。筒状突出部26的内周面与混合输出端子30的介质层34的外周面遍及整个周围地抵接。介质层34设置在中心导体31与外侧导体33之间。
外侧固定构件35为厚度较薄的圆筒状的导体。外侧固定构件35的一端侧与接地导体23接触。外侧固定构件35与接地导体23一同构成插塞侧外侧导体18。
外侧连接器36包括将外侧固定构件35与混合输出端子30的外侧导体33电连接的外侧连接构件41、及安装在该外侧连接构件41的内表面的电介质构件42。
外侧连接构件41包含大致圆筒状的导体。外侧连接构件41以包围筒状突出部26的方式设置。外侧连接构件41的插塞侧端部45及混合器侧端部46向内侧弯折，插塞侧端部45与混合器侧端部46之间的本体部47的内周面遍及整个周围地与筒状突出部26的外周面隔开。
电介质构件42包含大致圆筒状的绝缘体。电介质构件42遍及外侧连接构件41的本体部47的轴方向而固定在该本体部47的内周面。电介质构件42的一端抵接于插塞侧端部45的内表面，另一端抵接于混合器侧端部46的内表面。
此外，外侧连接构件41与插塞侧外侧导体18的连接部位就微波而言的阻抗变化较大。因此，插塞侧外侧导体18的混合器300侧的一端成为微波的入射波与反射波的合成波的中间部分。插塞侧外侧导体18的混合器300侧的一端成为高电位。另一方面，外侧连接构件41中，本体部47中可出现低电位区域。如果没有电介质构件42，便会有可能在本体部47的低电位区域与插塞侧外侧导体18的基端侧之间产生放电。因此，实施方式2中，在外侧连接构件41的本体部47的内侧设置着电介质构件42。因此，可阻止本体部47与插塞侧外侧导体18之间产生放电。
另外，筒状突出部26的内周面与混合输出端子30的介质层34的外周面遍及全周地抵接。在筒状突出部26的混合器300侧，通过确保介质层34的嵌合长度，而使筒状突出部26的内侧的导体与筒状突出部26的外侧的导体之间电绝缘。
另外，中心导体21的轴方向上的插塞侧外侧导体18的长度(L)设定成：相对于火花塞20中流通的微波的波长(λ)(火花塞20的绝缘子22内部的微波的波长)满足下式1。下式1中，N表示自然数。
式1：L＝(λ/2)×N
若如式1般设定插塞侧外侧导体18的长度(L)，则在插塞侧外侧导体18的内侧，微波的入射波与反射波的合成波会成为驻波(standing wave)。插塞侧外侧导体18的两端始终为驻波的中间部分。因此，微波的振荡过程中维持成中心导体21的前端的电位差较高的状态，所以可有效地将微波的能量供给至等离子体。
—实施方式2的变形例1—
对实施方式2的变形例1进行说明。变形例1中，如图10所示，在外侧固定构件35的一端侧的内周面形成着螺纹槽35a。外侧固定构件35通过将该螺纹槽35a螺合于形成在接地导体23的基端侧的外周面的螺纹槽23a，而安装在火花塞20上。根据该变形例1，可容易地调节中心导体21的轴方向上的插塞侧外侧导体18的长度(L)，以满足上式1的关系。
—实施方式2的变形例2—
对实施方式2的变形例2进行说明。变形例2中，如图11所示，混合输出端子30的介质层34包括前端侧的小径部34a、及与该小径部34a连续的大径部34b。小径部34a嵌入到筒状突出部26的内侧。该变形例2中，在筒状突出部26的混合器300侧，可确实地防止筒状突出部26的内侧的导体与筒状突出部26的外侧的导体之间产生放电。
—实施方式2的变形例3—
对实施方式2的变形例3进行说明。变形例3中，如图12所示，在筒状突出部26的混合器300侧的端部形成着锥部44。随着靠近筒状突出部26的基端，锥部44外径扩大。因此，可缓和匹配器400的阻抗变化。
《其他实施方式》
所述实施方式也能够以如下方式构成。
所述实施方式中，导电体棒370也可为筒状的棒体。在此情况下，可将延伸部390的内侧导体390a插入到导电体棒370的内侧。因此，可容易地将延伸部390连接于导电体棒370的一端。
另外，所述实施方式中，混合输出端子340也能够以微波的阻抗变得与火花塞500相同的方式构成。如图5，在火花塞500中绝缘子514的厚度阶段性地发生变化的情况下，混合输出端子340以微波的阻抗变得与火花塞500的输入侧(露出部分514a)相同的方式构成。
另外，所述实施方式中，也可不将延伸部390连接于外壳360的锥部361，而在外壳360的锥部361的一端设置混合输出端子340。
另外，所述实施方式中，也可通过模压树脂(mold resin)分别将混合器300与匹配器400等一体化。另外，也可通过模压树脂等使等离子体发生器100整体一体化。另外，由于火花塞500暴露在等离子体中而损耗过大，所以也可在等离子体发生器100中，使除火花塞500以外的零件一体化，而相对于该一体化的零件装卸火花塞500。
另外，所述实施方式中，作为脉冲电压发生器200，例示了一般的点火线圈，但本发明并不限定于此种装置。只要是施加脉冲电压的装置，便可使用各种方式的装置作为脉冲电压发生器200。
另外，所述实施方式中，作为放电器，例示了火花塞500，但本发明并不限定于此种放电器。可使用具有放电间隙的其他放电器来代替火花塞500。然而，匹配器400的构件必须为与使用的放电器相对应的形状。
另外，所述实施方式中，作为电磁波而例示了微波，但本发明并不限定于此种频率频带的电磁波。适当选择电磁波的频率频带即可。然而，各构件的尺寸必须根据已选择的电磁波的频率来设定。
所述实施方式中，如图13所示，火花塞500是具有多个(例如3个)相向电极27的装置。各相向电极27的前端隔开间隔地面向中心导体510的外周面的前端侧。在此情况下，可使1个相向电极27a与中心导体510的距离短于其他两个相向电极27b、27c与中心导体510的距离。另外，可使与中心导体510的距离短的相向电极27a的前端尖锐。通过设为此种构成，可将与中心导体510的距离短的相向电极27a用于放电用途，将其他两个相向电极27b、27c用于使放电区域的热量散放。
[产业上的可利用性]
如以上所说明般，本发明对将脉冲电压与电磁波混合的混合器、取得从混合器输出的电磁波的阻抗匹配的匹配器、具备混合器的点火单元、及具备点火单元的等离子体发生器有用。

Claims (18)

1.一种混合器，将脉冲电压的能量与电磁波能量混合在同一条传输线路中，其特征在于包括：
第一输入端子，具有形成同轴结构的内侧导体及外侧导体，且输入有电磁波；
第二输入端子，输入有脉冲电压；
混合输出端子，具有形成同轴结构的内侧导体及外侧导体，且输出脉冲电压与电磁波；
棒状的第一导电构件，一端电连接于所述第二输入端子，另一端电连接于所述混合输出端子的内侧导体；
筒状的第二导电构件，隔开间隔地包围所述第一导电构件，与所述第一导电构件同轴地配置，且电连接于所述第一输入端子的内侧导体；以及
筒状的第三导电构件，与所述第二导电构件隔开间隔地收纳所述第一导电构件及所述第二导电构件，与所述第一导电构件及所述第二导电构件同轴地配置，且分别电连接于所述第一输入端子的外侧导体与所述混合输出端子的外侧导体。
2.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于：
所述第一导电构件的所述混合输出端子侧从所述第二导电构件的开口突出。
3.根据权利要求2所述的混合器，其特征在于：
所述第一导电构件的所述第二输入端子侧的一端位于所述第二导电构件的内侧。
4.根据权利要求3所述的混合器，其特征在于：
包括逆流阻止单元，该逆流阻止单元将所述第二输入端子与所述第一导电构件电连接，并且阻止从所述第一输入端子输入的电磁波流向所述第二输入端子；且
所述逆流阻止单元插入到所述第二导电构件的内侧，在该第二导电构件的内侧连接于所述第一导电构件的第二输入端子侧。
5.根据权利要求4所述的混合器，其特征在于：
所述逆流阻止单元包含线圈状的导电性弹簧，在压缩于所述第二输入端子与所述第一导电构件之间的状态下保持着。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的混合器，其特征在于：
所述第一输入端子的内侧导体与所述第二导电构件在该第二导电构件的第二输入端子侧的端部连接。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的混合器，其特征在于：
包括绝缘筒体，该绝缘筒体配置在所述第一导电构件与所述第二导电构件之间，将该第一导电构件与该第二导电构件电绝缘。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的混合器，其特征在于：
包括一对导电性筒体，所述一对导电性筒体在所述第一导电构件的外周面与所述第二导电构件的内周面之间彼此相向，且
所述一对导电性筒体的一方电连接于所述第一导电构件，另一方电连接于所述第二导电构件。
9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的混合器，其特征在于：
将从所述混合输出端子输出的脉冲电压及电磁波供给至放电器，该放电器包括电连接于所述混合输出端子的内侧导体的中心导体、及电连接于所述混合输出端子的外侧导体且与所述中心导体一同形成放电间隙的接地导体，且所述中心导体与接地导体形成同轴结构；另一方面，
所述混合输出端子以电磁波的阻抗变得与所述放电器相同的方式构成。
10.一种匹配器，取得从根据权利要求1至9中任一权利要求所述的混合器朝向电连接于混合器的混合输出端子的放电器的电磁波的阻抗匹配，其特征在于：
所述放电器包括电连接于所述混合输出端子的内侧导体的中心导体、及电连接于所述混合输出端子的外侧导体且与所述中心导体一同形成放电间隙的接地导体，且在如下状态下配置：所述中心导体与接地导体形成同轴结构，所述中心导体沿所述混合输出端子的轴方向延伸，且所述接地导体与所述混合输出端子的外侧导体隔开；另一方面，
该匹配器包括筒状的外侧连接构件，该筒状的外侧连接构件将所述混合输出端子的外侧导体与所述放电器的接地导体电连接，且沿其轴方向可移动地设置着。
11.根据权利要求10所述的匹配器，其特征在于：
包括筒状绝缘构件，该筒状绝缘构件用来阻止所述混合输出端子的内侧导体或所述放电器的中心导体与所述外侧连接构件之间产生放电。
12.根据权利要求11所述的匹配器，其特征在于：
所述筒状绝缘构件固定在所述外侧连接构件的内表面。
13.根据权利要求10至12中任一权利要求所述的匹配器，其特征在于：
包括内侧连接构件，该内侧连接构件将所述混合输出端子的内侧导体与所述放电器的中心导体电连接，并保持该内侧导体与该中心导体。
14.根据权利要求10至13中任一权利要求所述的匹配器，其特征在于：
所述外侧连接构件的两端部分别向内侧弯折，一端部抵接于所述混合输出端子的外侧导体，另一端部抵接于所述放电器的接地导体或电连接于该接地导体的导体。
15.一种匹配器，取得从将脉冲电压的能量与电磁波能量混合在同一条传输线路中的混合器朝向电连接于混合器的混合输出端子的放电器的电磁波的阻抗匹配，其特征在于：
所述放电器包括电连接于所述混合输出端子的内侧导体的中心导体、及电连接于所述混合输出端子的外侧导体且与所述中心导体一同形成放电间隙的接地导体，且在如下状态下配置：所述中心导体与接地导体形成同轴结构，所述中心导体沿所述混合输出端子的轴方向延伸，且所述接地导体与所述混合输出端子的外侧导体隔开；另一方面，
该匹配器包括筒状的外侧连接构件，该筒状的外侧连接构件将所述混合输出端子的外侧导体与所述放电器的接地导体电连接，且沿其轴方向可移动地设置。
16.一种点火单元，其特征在于包括：
脉冲电压发生器，发生脉冲电压；及
根据权利要求1至9中任一权利要求所述的混合器，将从所述脉冲电压发生器输出的脉冲电压、与从电磁波源输出的电磁波混合。
17.一种点火单元，其特征在于包括：
脉冲电压发生器，发生脉冲电压；及
根据权利要求4或5所述的混合器，将从所述脉冲电压发生器输出的脉冲电压、与从电磁波源输出的电磁波混合；且
在所述第二输入端子与所述逆流阻止单元之间连接着电阻。
18.一种等离子体发生器，其特征在于包括：
根据权利要求16或17所述的点火单元；及
放电器，利用从所述点火单元输出的脉冲电压与电磁波来发生等离子体。
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