JP2009038026A - 点火プラグ及び分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一般的な点火プラグの設置スペースに設置可能な程度の寸法内で、放電のための電気的構成とマイクロ波の導入及び放射のための電気的構成とを両立させ、かつ、マイクロ波を燃焼室内に効率よく導入し放射させることができる点火プラグを提供する。
【解決手段】スパーク放電のための中心電極１０２及び接地電極と、同軸状のマイクロ波伝送線路を形成する中心線及び外側導体と、中心線１１２と電気的に一体をなすマイクロ波放射アンテナ１１２Ａとを備え、マイクロ波放射アンテナ１１２Ａは、中心電極から略々等距離の複数の箇所を含む円弧、または、球の一部をなす形状となされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に内燃機関に用いる点火プラグに関し、特に、火花放電とマイクロ波放射とを行うことができる点火プラグに関する。

熱機関の燃焼器においては、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載されているように、着火時にマイクロ波等の高周波を利用するものがある。しかし、これら特許文献に記載の燃焼器においては、マイクロ波放射アンテナが一般的なスパークプラグと形状・寸法が異なるため、通常のスパークプラグの設置スペースにこれを設置することはできない。すなわち、マイクロ波放射アンテナを用いるには、燃焼器自体を専用のものにしなければならず、普及が困難であった。

そこで、マイクロ波を燃焼室に導入してマイクロ波によって直接的に着火を行うものにおいて、形状・寸法上の制約に対処する試みがなされている。

特許文献４に記載された装置は、内部に同軸的な導波管構造を備えている。同軸的な導波管構造の内側導体の一端は、燃焼室側に突出し、他端が高周波の入力端となっている。この入力端には、電気的なエネルギの供給線路の結合箇所が設けられている。この結合箇所で電気的なエネルギの供給線路と中心導体とを同軸的に誘導式及び／又は容量式に結合可能にすることにより、電気的な整合性をとりつつ電気的なエネルギを導波管構造体内に供給可能にしている。

また、補助的な電極を設けたものにおいて、形状・寸法上の制約に対処する試みがなされている。

本発明者らは、空気等からプラズマを形成すると、プラズマ内にＯＨラジカル、オゾンなど、酸化力の高い活性種、または、化学種が生成されることに着目した点火プラグの開発に成功している。この点火プラグは、火花点火型の内燃機関等の燃焼室内において酸化剤と燃料とを混合してなる混合気からプラズマを形成することにより、混合気への着火及び着火後の火炎の伝播を促進し、もって混合気の燃焼を改善する。

そして、本発明者らは、特許文献５に記載されているように、火花点火に用いる点火プラグとプラズマの形成に用いるマイクロ波放射アンテナとを碍子を介して一体化することにより、プラズマによる燃焼を改善する点火装置の機構を小型化することにも成功した。

特開２０００−２７４２４９号公報 特開２００２−２９５２６４号公報 特開２００２−２９５２５９号公報 特開２００４−０８７４９８号公報 特開２００７−１１３５７０号公報

特許文献４に記載された技術においては、スパーク放電及びマイクロ波放射の両立を図ることはできない。この装置とスパークプラグとを組合せようとしても、入力端側に形成された複雑な機構の結合部のため、スパークプラグの寸法内で前述した両立が極めて困難である。

また、マイクロ波の入力端から燃焼室側の放射端までのマイクロ波の伝送経路において電気的整合がとれず、効率的なマイクロ波の導入に関して解決はなされない。

特許文献５に記載された技術においては、寸法上の制約などに対処すること、火花放電のための電気的構成とマイクロ波放射のための電気的構成を両立させること、及び、マイクロ波を燃焼室内に効率よく導入し放射させることが必要である。

そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、一般的な点火プラグの設置スペースに設置可能な程度の寸法内で、放電のための電気的構成とマイクロ波の導入及び放射のための電気的構成とを両立させ、かつ、マイクロ波を燃焼室内に効率よく導入し放射させることができる点火プラグ及び分析装置を提供することを目的とする。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る点火プラグは、以下の構成のいずれか一を有するものである。

〔構成１〕
スパーク放電のための中心電極及び接地電極と、同軸状の電磁波伝送線路を形成する中心線及び外側導体と、中心線と電気的に一体をなす電磁波放射アンテナとを備え、電磁波放射アンテナは、中心電極から略々等距離の複数の箇所を含む円弧、または、球の一部をなす形状となされていることを特徴とするものである。

〔構成２〕
スパーク放電のための中心電極及び接地電極と、同軸状の電磁波伝送線路を形成する中心線及び外側導体と、外側導体と電気的に一体をなす電磁波放射アンテナとを備え、電磁波放射アンテナは、中心電極から略々等距離の複数の箇所を含む円弧、または、球の一部をなす形状となされていることを特徴とするものである。

〔構成３〕
構成１、または、構成２を有する点火プラグにおいて、電磁波放射アンテナを覆う誘電体部材を備えていることを特徴とするものである。

〔構成４〕
構成１、または、構成２を有する点火プラグにおいて、電磁波放射アンテナの基部及び外側導線の放電ギャップ側の端部が、誘電体部材内に埋没していることを特徴とするものである。

〔構成５〕
構成４を有する点火プラグにおいて、誘電体部材の放電ギャップ側端部には、放電ギャップ側に突出する突出部分が設けられ、電磁波放射アンテナは、誘電体部材の突出部分の表面に沿うよう屈曲されていることを特徴とするものである。

〔構成６〕
構成１、または、構成２を有する点火プラグにおいて、外側導体は、接地電極に電気的に一体をなし、主体金具を形成していることを特徴とするものである。

〔構成７〕
構成１、または、構成２を有する点火プラグにおいて、電磁波放射アンテナと中心電極との絶縁距離は、中心電極と接地電極との絶縁距離より大きく、かつ、電磁波放射アンテナが占める空間内の任意の点と電磁波放射アンテナとの距離は、この点火プラグの栓体の表面上の任意の点と中心電極との最短距離以下となっていることを特徴とするものである。

〔構成８〕
スパーク放電のための中心電極及び接地電極と、同軸状の電磁波伝送線路を形成する中心線及び外側導体と、中心線に容量結合された電磁波放射アンテナとを備え、接地電極と外側導体とは、電気的に一体をなし、電磁波放射アンテナは、外側導体により接地され、中心電極から略々等距離の複数の箇所を含む円弧、または、球の一部をなす形状となされていることを特徴とするものである。

〔構成９〕
スパーク放電のための中心電極及び接地電極と、同軸状の電磁波伝送線路を形成する中心線及び外側導体と、中心線に容量結合された電磁波放射アンテナとを備え、接地電極と外側導体とは、電気的に一体をなし、電磁波放射アンテナは、接地電極により接地され、中心電極から略々等距離の複数の箇所を含む円弧、または、球の一部をなす形状となされていることを特徴とするものである。

〔構成１０〕
構成９を有する点火プラグにおいて、電磁波放射アンテナと一体化された接地電極は、リングアンテナとなっていることを特徴とするものである。

〔構成１１〕
構成９を有する点火プラグにおいて、電磁波放射アンテナと一体化された接地電極は、コイルアンテナとなっていることを特徴とするものである。

〔構成１２〕
構成８、または、構成９を有する点火プラグにおいて、電磁波放射アンテナの基部に、スタブが設けられていることを特徴とするものである。

〔構成１３〕
構成１乃至構成１２のいずれか一を有する点火プラグにおいて、接地導体のアンテナ側に一方の端部が接合され、他方の端部がアンテナに向けて突出するベインを有することを特徴とするものである。

〔構成１４〕
構成１乃至構成１３のいずれか一を有する点火プラグにおいて、電磁波放射アンテナは、少なくとも１箇所において分岐していることを特徴とするものである。

〔構成１５〕
構成１乃至構成１４のいずれか一を有する点火プラグにおいて、誘電体部材は、誘電率が互いに他と異なる複数の部材からなることを特徴とするものである。

〔構成１６〕
構成1乃至構成１４のいずれか一を有する点火プラグと、概ね両端開口筒状で一方の開口が窄められ他方の開口付近の内面が全周に亘り点火プラグの主体金具に当接または螺合する導電体からなるキャップとを備え、キャップと点火プラグの中心電極との絶縁距離は、窄められた開口の付近で最短となり、かつ、スパークプラグ及びキャップにより規定された空間の容積は、この空間にプラズマが発生した際のこの空間の圧力上昇によりこの空間と孔を介してこの空間に連通する空間との間に所定値以上の圧力差が生じるように選ばれていることを特徴とするものである。

〔構成１７〕
構成１６を有するプラズマ発生装置において、キャップは、窄められた開口付近において、この開口に近づくに従い肉薄になっていることを特徴とするものである。

〔構成１８〕
試料をプラズマに曝露させてこの試料を励起させ、その結果を検出する分析装置であって、構成１６、または、構成１７を有するプラズマ発生装置の窄められた孔から所定距離内の空間に試料を設置し、プラズマ発生装置を用いてプラズマを発生させることを特徴とするものである。

〔構成１９〕
試料をプラズマに曝露させてこの試料を励起させ、その結果を検出する分析装置であって、構成１乃至構成１４のいずれか一を有する点火プラグを用いてプラズマを発生させることを特徴とするものである。

本発明に係る点火プラグにおいては、スパーク放電のための中心電極及び接地電極と、同軸状の電磁波伝送線路を形成する中心線及び外側導体と、中心線と電気的に一体をなす電磁波放射アンテナとを備えており、電磁波放射アンテナは、中心電極から略々等距離の複数の箇所を含む円弧、または、球の一部をなす形状となされているため、一般的な点火プラグの設置スペースに設置可能な程度の寸法内で、放電のための電気的構成と電磁波の導入及び放射のための電気的構成とを両立させ、かつ、電磁波を燃焼室内に効率よく導入し放射させることができる。

すなわち、本発明は、一般的な点火プラグの設置スペースに設置可能な程度の寸法内で、放電のための電気的構成と電磁波の導入及び放射のための電気的構成とを両立させ、かつ、電磁波を燃焼室内に効率よく導入し放射させることができる点火プラグ及び分析装置を提供することができるものである。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明に係る点火プラグの第１の実施形態における構成を示す斜視図である。

本実施形態に係る点火プラグ１００は、図１に示すように、一般のスパークプラグと同様の構成、すなわち、接地電極を備えた主体金具１０６、中心電極１０２、碍子１０４及び高電圧端子１０８に加え、スパークプラグの主体金具を貫通する誘電体管１１０と、誘電体管内に配置された電線１１２とを備えて構成されている。

電線１１２の放電ギャップ側は、所定の長さ突出した突出部１１２Ａとなっている。突出部１１２Ａは、放電ギャップを囲むように、かつ放電ギャップ側から見てネジ部より内側になるよう（馬蹄形に）屈曲している。この形態においては、電線１１２はタングステン製である。

主体金具１０６は、接地電極と、マイクロ波伝送路の外側線路を兼ねている。電線１１２は、マイクロ波伝送路の内側線路とアンテナとを兼ねている。すなわち、電線１１２、誘電体管１１０及び主体金具１０６が、同軸状のマイクロ波伝送路となる。高電圧端子１０８側から入力されたマイクロ波は、このマイクロ波伝送路を介してそのまま放電ギャップ側に伝送される。電線１１２の突出部１１２Ａは、マイクロ波放射アンテナとなる。マイクロ波伝送路を介して伝送されたマイクロ波は、この部分より放射される。

この点火プラグにおいては、電気的な構成要素数が少なくてすむ。したがって、小型化が容易で、マイクロ波の伝送効率及び放射効率の向上が容易になる。また、スパークプラグの設置スペース内で、放電と高効率のマイクロ波放射との両方を実現できる。アンテナによるマイクロ波放射は、電極より広い効果範囲を実現できる。よって、広範囲に亘りマイクロ波を用いたエネルギ供給が可能になる。加えて、タングステン製の電線を使用しているため、高い耐熱性を得ることができる。

前述した特許文献５に記載の技術のように、放電とマイクロ波とを用いたプラズマによる着火・火炎伝播の促進を行う場合、放電自体は大規模なものでなくてもよい。混合気がプラズマ化（ブレイクダウン）しさえすればよい。通常であれば、火炎核に成長することのない極小規模のプラズマであっても、マイクロ波によるエネルギ供給で、プラズマを拡大することができる。プラズマの広がり速度は、一般に火炎伝播速度より速い。広がったプラズマより生じる活性の高い化学種（ＯＨラジカル、オゾン）と燃料との反応速度は、酸素分子と燃料との反応である一般的な燃焼反応速度より速い。広がったプラズマより生じる活性の高い化学種と燃料とが反応することにより、火炎核は、生成段階から火花の規模に比して巨大なものとなる。

一般的なスパークプラグでは、放電ギャップ、すなわち、中心電極１０２と接地電極との間の距離を広く取り、高電圧をこれらの電極に印加することで着火性を向上させるものがある。しかし、この点火プラグを用いてプラズマ着火を行えば、放電ギャップを広く取らなくても、電極にむやみに高電圧を印加しなくても確実な着火を行うことが可能になる。

〔第２の実施形態〕
図２は、本発明に係る点火プラグの第２の実施形態における構成を示す斜視図である。

この実施形態における点火プラグは、放電ギャップ側に誘電体部材を備えたものである。図２に示すように、本実施形態に係る点火プラグ１２０の主体金具１２２は、放電ギャップ側に窪みが設けられている。その窪みを充填するように、誘電体部材１２４が配置されている。この点火プラグ１２０においては、中心電極１０２、碍子１０４及び電線１１２は、主体金具１０６及び誘電体部材１２４を貫通している。

誘電体部材１２４は、電線１１２の突出部１１２Ａの基部を支持するとともに、突出部１１２Ａの実効的な電気長を長くする効果がある。

この点火プラグにおいては、窪み、誘電体部材１２４により、突出部１１２Ａ部分の実効的な電気長を長くとることができる。そのため、アンテナの利得を高めることができる。また、マイクロ波放射をより効率化できる。また、窪みの深さ、幅、誘電体部材１２４の材質を適切に選択することにより、インピーダンスの整合をとることができる。これもまた、マイクロ波伝送の効率化に資する。

〔第２の実施形態の変形例１〕
図３に示すように、この変形例１に係る点火プラグ１４０においては、誘電体管１１０の放電ギャップ側の先端部、誘電体部材１２４内に埋没している。点火プラグ１４０の主体金具１４２は、誘電体部材１２４内に、碍子１０４の側面を囲むようにパイプ状に突出する部分１４２Ａと、誘電体管１１０の側面を囲むように、誘電体部材１２４内にパイプ状に突出する突出部１４２Ｂとを有している。

この点火プラグにおいては、突出部１４２Ｂは、マイクロ波を反射することにより、中心電極１０２へのマイクロ波のエネルギの流入を阻止する。突出部１４２Ｂは、電線１１２、誘電体管１１０とともに同軸状のマイクロ波伝送路を形成する。

突出部１４２Ｂにより、エネルギロスが低減する。また、中心電極を介してマイクロ波のエネルギが点火信号源側へ逆流するのを防止できる。これによりノイズが低減し、安全性が向上する。また、突出部１４２Ｂの長さを適切に選択することにより、インピーダンスの整合及びアンテナの実行長の最適化が可能になる。これはマイクロ波伝送の効率化に資する。

〔第２の実施形態の変形例２〕
本変形例２に係る点火プラグは、図４に示すように、誘電体部材１２４の放電ギャップ側端部には、碍子１０４の周囲を取り巻くように放電ギャップ側に突出する凸部１２４Ａが設けられる。アンテナエレメントを兼ねる電線１１２の放電ギャップ側の突出部１１２Ａは、凸部１２４Ａの表面を沿うよう屈曲する。

凸部１２４Ａは、アンテナの曲げ加工の際には、型として機能する。曲げ加工の後には、凸部１２４がアンテナエレメント１１２Ａを側面から支持する。

この点火プラグにおいては、凸部１２４の形状を適宜選択することにより、アンテナエレメント１１２Ａの形状を所望の形状にしやすくなる。またその形状を保ちやすくなる。

この点火プラグにおいては、アンテナエレメント１１２Ａを所望の形状に安定させることにより、マイクロ波の望ましい放射特性を得ることが可能になる。

〔第２の実施形態の変形例３〕
本変形例に係る点火プラグは、図５に示すように、アンテナエレメント１１２Ａが誘電体部材１２４に半分埋没するようになっている。

この点火プラグにおいては、アンテナエレメント１１２Ａが誘電体部材１２４により支持されるため、機械的強度が向上する。

〔第２の実施形態の変形例４〕
本変形例に係る点火プラグは、図６に示すように、アンテナエレメント１１２Ａが誘電体部材１２４に完全に埋没するようになっている。

この点火プラグにおいては、アンテナエレメント１１２Ａが誘電体部材１２４により支持されるため、機械的強度が向上する。

〔第２の実施形態の変形例５〕
本変形例に係る点火プラグ１２０は、図７に示すように、アンテナエレメント１１２Ａが誘電体部材１２４に完全に埋没するようになっている。これをプラズマ着火に用いるならば、中心電極１０２の放電ギャップ側の先端が、誘電体部材１２４の放電ギャップ側端面より、高電圧端子１０８側にあってもよい。

この点火プラグにおいては、機械的強度が向上させつつ、マイクロ波によるギャップに生じる放電火花への作用をより効果的に行うことができる。

なお、アンテナエレメント１１２Ａの一部は、外界に露出していてもよい。

〔第２の実施形態の変形例６〕
また、点火プラグ１２０は、図８に示すように、主体金具１２２と誘電体部材１２４との間に空隙を設けてもよい。この空隙により、アンテナエレメント１１２Ａと主体金具１２２との絶縁距離を調節することができる。

〔第３の実施形態〕
この実施形態における点火プラグは、アンテナがプラグ端面より内部の深い位置に内蔵されたものである。この点火プラグ２００においては、図９に示すように、主体金具２０２に、碍子１０４を囲むように誘電体部材１２４を貫通する管状のマイクロ波シールド２０２Ａが設けられている。電線２０４の放電ギャップ側の端部は、誘電体部材１２４に埋没しており、その部分にパイプアンテナと所定の距離を保ちつつ取り囲む環状の結合リング２０４Ａが設けられている。

この点火プラグにおいては、電線２０４のアンテナエレメント２０４Ａから放射されたマイクロ波は、マイクロ波シールド２０２Ａと主体金具２０２が構成する共振空洞と容量式に結合する。

マイクロ波シールド２０２Ａは、主体金具２０２本体より突出している。そのため、マイクロ波シールド２０２Ａを含め誘電体部材１２４を取り囲む部分が共振空間となる。共振空間で共振したマイクロ波は、放電ギャップ側に放射される。その結果、スパークギャップ側の電場強度が、マイクロ波により高くなる。

この点火プラグにおいては、インピーダンス整合がもっとも必要となるアンテナ・伝送路の結合部分で容量式の結合を行うことにより、プラグ内のマイクロ波の伝送効率を確保しつつ、インピーダンス整合を取ることができる。これにより、マイクロ波の放射効率が向上する。また、マイクロ波の伝送路部分は、単純な構造であり、伝送効率を確保するのに十分な空間を確保できる。

〔第３の実施形態の変形例〕
この変形例における点火プラグ２００は、図１０に示すように、マイクロ波シールド２０２Ａが接地電極を兼ねている。この場合には、碍子１０４の表面に沿って放電がなされる。この構成においては、マイクロ波シールド２０２Ａが誘電体部材１２４より所定の長さだけ突出しているとよい。

〔第４の実施形態４〕
この実施形態における点火プラグにおいては、電線がアンテナと接地電極とを兼ねている。この点火プラグ２２０は、図１１に示すように、中心電極１０２、碍子１０４、高電圧端子１０８、誘電体部材１２４、誘電体管１１０と、主体金具２２２と、誘電体管１１０及び誘電体部材１２４を貫通する電線２２４とを備えている。

電線２２４の高電圧端子１０８とは反対側に、中心電極１０２及び碍子１０４の露出部分を囲むように露出するリング部２２４Ａが設けられている。点火プラグ２２０を使用する際には、電線２２４は、マイクロ波信号の印加を受けるとともに、所定の電気長を有するスタブを介して接地される。

電線２２４は、スタブを介して接地されると、直流に対しては接地された導電体として機能し、マイクロ波に対しては、非接地の導電体として機能する。点火プラグ２２０においては、主体金具２２２は、接地電極の機能を有さない。高電圧電線２２４が、接地電極の機能を備える。すなわち、電線２２４は、マイクロ波伝送路の中心線路、マイクロ波の放射アンテナ及び接地電極を兼ねる。

中心電極１０２に高電圧の点火信号が印加されると、中心電極１０２とリング部２２４Ａとの間で放電が起こる。この際の電流は、中心電極１０２、電線２２４及びスタブを解して接地点へと伝わる。なお、この電流が、そのままマイクロ波信号源に逆流することはない。

電線２２４にマイクロ波信号が印加されると、マイクロ波は、主体金具２２２、誘電体管１１０及び電線２２４からなるマイクロ波伝送路を介してリング部２２４Ａに伝送される。そしてリング部２２４Ａよりマイクロ波が放射される。

この点火プラグ２２０においては、鍵型の接地電極への誘導損失が発生しない。そのため、マイクロ波の放射を効率化することができる。また、構造上、スパーク部分にマイクロ波のエネルギを集中させやすい。

〔第４の実施形態の変形例１〕
この点火プラグは、図１２に示すように、誘電体部１２４と碍子１０４及び誘電体管１１０との境界の一部を、形態２の実施形態の変形例１のように主体金具１０６によって被覆するようにしてもよい。これにより、第２の実施形態の変形例１の作用及び効果を第４の実施形態の点火プラグにおいて奏することができる。

〔第４の実施形態の変形例２〕
また、この点火プラグは、図１３に示すように、電線２２４の誘電体部材１２４に埋没する部分において、コイルを形成するようにしてもよい。電線２２４の先端にコイルアンテナのようにインダクタンスを得ることができる。コイルの部分の形状を選択することにより、インピーダンスの整合をとることができる。

〔第４の実施形態の変形例３〕
図１４は、本変形例の点火プラグを示し、図１５は、この点火プラグにおける電線及びアンテナの形状を示す。

この点火プラグは、図１４及び図１５に示すように、電線２２４の誘電体部材１２４に埋没する部分にスタブを設けてもよい。スタブ部分の長さを選択することにより、インピーダンスの整合をとることができ、マイクロ波の放射効率を向上させることができる。

〔その他の変形例〕
本発明に係る点火プラグ１００においては、図１６に示すように、主体金具のアンテナ放射端に対向する面を曲面にしてもよい。例えば、放射端を焦点とする放物面とすれば、一方向への指向性が高くなる。面を楕円面とし、放射端がその楕円面の一方の焦点になるようにすれば、この面での反射波は、もう一方の焦点に集中する。

このように、主体金具による反射を利用することにより、所望の指向性を得ることが可能になる。

前述した各実施形態のうち、接地電極１０６Ａが突出するものである場合、接地電極の部分を曲面構造にすることによってもまた、指向性を得ることができる。

アンテナエレメントとなる部分自体の形状として、マイクロ波放射特性に指向性が生じるような形状を選択してもよい。このようにして、マイクロ波の放射特性に指向性を持たせることにより、所望の領域、または、方向にマイクロ波のエネルギが集中するようにすることができる。

なお、前述した各実施形態においては、主体金具は一体の部材であるとして説明したが、複数の部材によって形成されるものであってもよい。また、碍子と誘電体部材とは、一体の部材により形成されていてもよい。

アンテナの材質は、タングステンには限定されない。アンテナが露出するものにおいては、インコネル、ニッケル合金であってもよい。アンテナが露出するものであれば、耐食性を高めるために、イリジウム、金、プラチナ、銀などでコーティングするようにしてもよい。

接地電極は、一般的なスパークプラグと同様のものでなくともよい。例えば、いわゆる多極プラグのように、接地電極を複数備えていてもよい。または、レース用のスパークプラグや沿面放電タイプのスパークプラグのように、主体金具の栓体（ネジ部）が接地電極となっているものであってもよい。

〔ベインを付加した変形例〕
上述の各実施形態に係る点火プラグにおいてさらに、主体金具からベインを突出させるようにしてもよい。図１７に、ベインを備えたプラグの一例を示す。

図１７に示す点火プラグ２００は、図４に示す点火プラグと同様の内部構造を備える。この点火プラグ２００は、さらに、導電体からなり主体金具１０６の先端（すなわちアンテナが配置されている側）からアンテナに向けて突出するベイン２０１を備える。ベインの長さは、寸法上の制約により許容される範囲内において、アンテナ１１２Ａより放射される電磁波の波長の１／４倍に近い長さであることが望ましいが、必ずしも１／４倍に限定されるものではない。

ベイン２０１は、先端においてアンテナ１１２Ａと近接する。中心電極１０２と接地電極１０６Ａとの間で放電を生起し、アンテナ１１２Ａより電磁波を放射すると、電磁波のエネルギのうち一部は、放電により生起したプラズマの拡大に用いられ、別の一部は、アンテナ１１２Ａとベイン２０１との間に強電場を形成する。拡大したプラズマに由来する荷電粒子（電子、イオン等）がこの強電場の領域に到達すると、強電場の領域において荷電粒子がエネルギを受け、この領域にプラズマを発生させる。その結果、中心電極１０２付近だけでなく、ベイン２０１の付近においてもプラズマを生起できる。すなわち、プラズマを複数箇所において一括して生成できる。

なお、この変形例においては図４に示す点火プラグにベインを付加したものを例示したが、上述の各実施形態に係るいずれの点火プラグにベインを付加してもよい。また、ベイン２０１とアンテナ１１２とによっていわゆるエスパアンテナを構成してもよい。

〔点火プラグのその他変形例等〕
上述の実施形態では、点火プラグとしてスパークプラグに類する形状のものを例示したが、本発明に係る点火プラグはこのようなものには限定されない。例えば、グロープラグに放電電極、マイクロ波の伝送路及びアンテナを設置した形状のものであってもよい。このような点火プラグにおいては、さらに、フィラメント、または、セラミックヒータ等の加熱手段を備えていてもよい。放電電極をなす導電体対のうち一方は、グロープラグのフィラメント、または、グロープラグのフィラメントに接続された導電体であってもよい。

本発明においては、放電のためのエネルギは、交流であってもよく、その周波数は高周波であってもよい。また、直流電流と交流または高周波を重畳してなる電気信号であってもよい。中心電極に印加されるエネルギのうち交流または高周波の成分は、放電を生起させるばかりでなく、中心電極より電磁波として放射されてもよい。さらに、電磁波放射アンテナから放射される電磁波と、中心電極から放射される電磁波との重ね合わせにより強電場の領域を形成するようにしてもよい。

本発明に係る点火プラグにおいては、電磁波放射アンテナの太さは、一様であってもよく、また部位ごとに太さを変化させてもよい。太さを調節することによりアンテナのインピーダンスを調整することができ、電磁波の放射効率を高めることが可能になる。

電磁波放射アンテナは単一の材質からなるものであってもよく、複数の材質の部材を組合せてなるものであってもよい。複数の材質の部材を組合せる際には、電磁波放射アンテナとプラズマの形成位置とに鑑みて部材選択を行うことが好ましい。プラズマに曝露される部分については、熱またはプラズマの曝露による損耗の少ない材質を選択してもよい。電磁波の伝送を受け持つ部分については、導電性が高い材質を選択してもよい。

また、碍子や誘電体と接合する部分については、熱膨張率が碍子や誘電体に近い材質を選択すると、熱によるひずみ、破損を低減できる。

本発明に係る点火プラグにおいては、電磁波放射アンテナは、必ずしも単一エレメント型のアンテナであることを要しない。エレメントが分岐したいわゆる多素子アンテナとなっていてもよい。分岐したエレメントにより、カウンターポイズが形成されていてもよく、また、所定方向にまたは放射状にエレメントが延伸していてもよい。

分岐したエレメントの各々から放射される電磁波に位相差を生じさせ、所定の位置または方向に向けて電磁波の放射方向を指向させてもよい。分岐したエレメント同士は必ずしも常に電気的に一体化していることを要しない。例えば、エレメントの熱膨張を利用し、所定の温度条件が充足された場合にのみエレメント同士が接触されるようにしてもよい。これにより温度条件に応じて電磁波発生に用いるエレメント構成を選択することができる。

本発明に係る点火プラグにおいては、複数の素材からなる部材を組合せて誘電体からなる部材を構成してもよい。例えば、レンズ効果を得て、電磁波のエネルギの集中を促すようにすることもできる。また、異なる誘電率の部材を複数組み合わせ、界面において電磁波を反射することにより、電磁波の漏洩を低減することもできる。

その他、所望の組合せ方により所望の電場及びその分布を得られるよう、各部材を組合せることができる。また、誘電体からなる部材の一部において、電磁波による誘導加熱による温度変化の応答性が高い材質を選択するようにしてもよい。このようにすれば、この点火プラグが電磁波を放射することによって、誘電体の部分の温度を調節することができる。

誘電体の誘電率は、温度に応じて変化することがある。温度を調節または制御することにより、所望の誘電率を得るようにし、電磁波の伝送効率、放射効率を調整することも可能になる。

〔第５の実施形態〕
図１８に、上述の実施形態に係る点火プラグを用いたプラズマ発生装置３００の構成を示す。

このプラズマ発生装置３００は、図１に示す第１の実施形態に係る点火プラグ１００と同様の内部構造を備える点火プラグ３０１と、点火プラグ３０１の先端側を囲うように点火プラグ３０１の主体金具１０６Ａの栓体部分に螺合される導電体製のキャップ３０２とを備える。なお、この点火プラグ３０１においては、第１の実施形態に係る点火プラグ１００の接地電極１０６Ａをカットオフしたものである。

キャップ３０２は、螺合部分と反対側が窄められた筒状の形状をなしており、窄められた側の開口３０３を介して、キャップ内外の空間が連通する。キャップ３０２は、点火プラグ３０１の中心電極と開口３０３付近で絶縁距離が最短となる。キャップ３０２の開口３０２付近の部材は、開口３０２に近づくに従いに肉薄になるよう成型される。

点火プラグ１００が点火信号を受けると、キャップ３０２内の開口３０３付近で放電が生じる。その状態で点火プラグ１００が電磁波の給電を受けると、アンテナ１１２Ａより電磁波が放射され、同じく開口３０３付近で強電場が形成される。その結果、キャップ３０２内の開口３０３付近の領域に放電によって発生したプラズマが拡大する。このプラズマによって空間キャップ３０２内のガスが加熱され、キャップ３０２内の圧力が高くなる。これにより、キャップ３０２内と外界との間に圧力差が生じる。開口３０３付近に生じたプラズマはこの圧力差によって外界へと押し出される。その結果、プラズマが開口３０３の部分から噴き出す。

プラズマ装置３００は、圧力差を利用してプラズマを噴き出す構造であるため、点火プラグ３０１及びキャップ３０２により規定される空間の容積は、プラズマによる加熱に伴う圧力上昇によってプラズマを噴き出すのに十分な圧力差が得られるよう選ばれる。プラズマを噴き出すのに十分な圧力差は、発生させるプラズマの粘性等の物理的性状と、点火プラグ３０１への投入エネルギにより定められる。したがって、投入エネルギ、及びプラズマの原料ガスに応じて、適宜この空間の容積を定めればよい。

本実施形態によれば、点火プラグ３０１にキャップ３０２を被せる単純な構成で、プラズマの噴き出しを実現できる。また、点火プラグ３０１とキャップ３０２とを螺合する構造を選択することにより、プラズマが発生する空間の容積の調整が容易になる。また、キャップ３０２の開口３０３付近を肉薄に成型することにより、開口３０３付近の部材とアンテナ１１２Ａとの結合性が高まり、開口付近３０３付近で強電場を得ることが容易になる。

本実施形態においては、キャップ３０２は導電体からなるものであったが、キャップ３０２全体が導電体により構成されていることを要しない。少なくとも開口３０３の付近から主体金具１０６との当接部分まで繋がる導電体部分があれば、キャップ３０２のその他の部分は誘電体により構成されていてもよい。例えば、陶磁器製のキャップの内面に金属層で被覆するようにしてもよい。ただし、電磁波の漏れを防止し、キャップ３０２内の電場強度を高めるためには、少なくともキャップ３０２の内面全体が導電体面であることがより好ましい。

本実施形態においては、点火プラグ３００は図１に示す点火プラグ１００と類似の構造のものであったが、その他の実施形態及び変形例に係る点火プラグと類似の構造のものであってもよい。

また、キャップ３０２の開口３０３付近を水冷、空冷等の方式で強制冷却するようにしてもよい。これにより開口３０３付近の熱による損耗を低減できる。また、ガス温度を低下させることができる。これは噴き出すプラズマの非熱平衡化に資する。

〔第６の実施形態〕
第５の実施形態に係る点火プラグ３００により、小型かつ簡素な構造でプラズマを噴き出すことが可能になる。このプラズマは、内燃機関等の点火に用いてもよいし、成分分析用のプラズマ源として用いてもよい。本実施形態では、プラズマ源としての適用の一例として、プラズマを用いた分析装置を示す。

図１９は、本実施形態に係る分析装置の概略構成を示す図である。

図１９に示す分析装置４００は、第５の実施形態に係る点火プラグ３００と、点火プラグ３００に放電のための直流パルス電圧を印加する点火信号源４０１と、点火プラグ３００に電磁波を給電する電磁波発振器４０２と、点火プラグ３００から噴き出すプラズマの存在する領域に試料を導入または配置するための試料導入器４１０と、点火プラグ３００からのプラズマに試料を曝露させた結果の分析を行う分析器４１１と、分析器４１１により分析された結果を所定形式の信号に変換して出力する検出器４１２と、検出器４１２からの信号に対し処理を行い、検出及び分析の結果をユーザに提示する信号処理器４１３とを備える。

試料導入器４１０は、点火プラグ３００が噴き出すプラズマに試料が曝露するよう試料を配置できるものであればよい。例えば試料が固体であれば、試料と点火プラグ３００との相対位置の可能な支持具であってもよい。試料が流体であれば、その流体の流路管、貯留容器、または、噴射器であってもよい。また、試料が流体であれば、試料導入器４１０のさらに上流にクロマトグラフ用のカラム等を設置してもよい。

分析器４１１は、想定される試料に応じて適宜選択すればよい。例えば、磁場偏向型、四重極型、イオントラップ型、飛行時間型、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴型、タンデム型等、励起した試料を電場または磁場により分離分析するものであってもよい。または、受光器及び分光器と受光器−分光器間の光路を確保する光学系とからなる光学的な分析器であってもよい。

検出器４１２は、分析器４１１の分析方式に応じたものを適宜選択すればよい。例えば電子増倍管、マイクロチャネルプレート等により励起した試料により輸送される電子を増感して検出するものであってもよい。ファラデーカップ等を用いて励起した試料を計数するものであってもよい。霧箱及び撮像装置からなる検出器であってもよい。分析器４１１が光学的な分析器であれば、検出器４１２は、光電子増倍管、相補性金属酸化膜半導体素子、または、電荷結合素子等を用いた光センサ、または、イメージセンサであってもよい。

信号処理器４１３は、具体的にはコンピュータ（すなわちコンピュータハードウェア、そのコンピュータハードウェア上で動作するプログラム及びそのコンピュータに与えられるデータ）により実現される。信号処理方法及び結果のユーザへの提示方法については、分析対象とする分析器４１１及び検出器４１２の種類または型式等に応じて適宜周知の一般的な手法を行えばよい。コンピュータ自体の動作については、周知であり、ここでは説明を繰返さない。

本発明の第１の実施形態に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態の変形例１に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態の変形例２に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態の変形例３に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態の変形例４に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態の変形例５に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態の変形例６に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 本発明の第３の実施形態の変形例に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 本発明の第４の実施形態の変形例１に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 本発明の第４の実施形態の変形例２に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 本発明の第４の実施形態の変形例２に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 本発明の第４の実施形態の変形例に係る点火プラグのアンテナの斜視図である。 局面状の反射面をもつ本発明に係る点火プラグの一部断面斜視図である。 ベインを備えたプラグの一例を示す図である。 上述の実施形態に係る点火プラグを用いたプラズマ発生装置の構成を示す図である。 本実施形態に係る分析装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０６ 主体金具
１０２ 中心電極
１０４ 碍子
１０８ 高電圧端子
１１０ 誘電体管
１１２ 電線
１１２Ａ 突出部

Claims (19)

1. スパーク放電のための中心電極及び接地電極と、
   同軸状の電磁波伝送線路を形成する中心線及び外側導体と、
   前記中心線と電気的に一体をなす電磁波放射アンテナと
   を備え、
   前記電磁波放射アンテナは、前記中心電極から略々等距離の複数の箇所を含む円弧、または、球の一部をなす形状となされている
   ことを特徴とする点火プラグ。
2. スパーク放電のための中心電極及び接地電極と、
   同軸状の電磁波伝送線路を形成する中心線及び外側導体と、
   前記外側導体と電気的に一体をなす電磁波放射アンテナと
   を備え、
   前記電磁波放射アンテナは、前記中心電極から略々等距離の複数の箇所を含む円弧、または、球の一部をなす形状となされている
   ことを特徴とする点火プラグ。
3. 前記電磁波放射アンテナを覆う誘電体部材を備えている
   ことを特徴とする請求項１、または、請求項２記載の点火プラグ。
4. 前記電磁波放射アンテナの基部及び外側導線の放電ギャップ側の端部が、誘電体部材内に埋没している
   ことを特徴とする請求項１、または、請求項２記載の点火プラグ。
5. 前記誘電体部材の放電ギャップ側端部には、放電ギャップ側に突出する突出部分が設けられ、
   前記電磁波放射アンテナは、前記電体部材の突出部分の表面に沿うよう屈曲されている
   ことを特徴とする請求項４記載の点火プラグ。
6. 前記外側導体は、前記接地電極に電気的に一体をなし、主体金具を形成している
   ことを特徴とする請求項１、または、請求項２記載の点火プラグ。
7. 前記電磁波放射アンテナと中心電極との絶縁距離は、前記中心電極と前記接地電極との絶縁距離より大きく、かつ、前記電磁波放射アンテナが占める空間内の任意の点と電磁波放射アンテナとの距離は、この点火プラグの栓体の表面上の任意の点と中心電極との最短距離以下となっている
   ことを特徴とする請求項１、または、請求項２記載の点火プラグ。
8. スパーク放電のための中心電極及び接地電極と、
   同軸状の電磁波伝送線路を形成する中心線及び外側導体と、
   中心線に容量結合された電磁波放射アンテナとを備え、
   前記接地電極と前記外側導体とは、電気的に一体をなし、
   前記電磁波放射アンテナは、前記外側導体により接地され、前記中心電極から略々等距離の複数の箇所を含む円弧、または、球の一部をなす形状となされている
   ことを特徴とする点火プラグ。
9. スパーク放電のための中心電極及び接地電極と、
   同軸状の電磁波伝送線路を形成する中心線及び外側導体と、
   中心線に容量結合された電磁波放射アンテナとを備え、
   前記接地電極と前記外側導体とは、電気的に一体をなし、
   前記電磁波放射アンテナは、前記接地電極により接地され、前記中心電極から略々等距離の複数の箇所を含む円弧、または、球の一部をなす形状となされている
   ことを特徴とする点火プラグ。
10. 前記電磁波放射アンテナと一体化された接地電極は、リングアンテナとなっている
    ことを特徴とする請求項９記載の点火プラグ。
11. 前記電磁波放射アンテナと一体化された接地電極は、コイルアンテナとなっている
    ことを特徴とする請求項９記載の点火プラグ。
12. 前記電磁波放射アンテナの基部に、スタブが設けられている
    ことを特徴とする請求項８、または、請求項９記載の点火プラグ。
13. 前記接地導体のアンテナ側に一方の端部が接合され、他方の端部がアンテナに向けて突出するベインを有する
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一に記載の点火プラグ。
14. 前記電磁波放射アンテナは、少なくとも１箇所において分岐している
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一に記載の点火プラグ。
15. 前記誘電体部材は、誘電率が互いに他と異なる複数の部材からなる
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか一に記載の点火プラグ。
16. 請求項1乃至請求項１４のいずれか一に記載の点火プラグと、
    概ね両端開口筒状で一方の開口が窄められ他方の開口付近の内面が全周に亘り前記点火プラグの主体金具に当接または螺合する導電体からなるキャップと
    を備え、
    前記キャップと前記点火プラグの中心電極との絶縁距離は、窄められた開口の付近で最短となり、かつ、前記スパークプラグ及びキャップにより規定された空間の容積は、この空間にプラズマが発生した際のこの空間の圧力上昇によりこの空間と前記孔を介してこの空間に連通する空間との間に所定値以上の圧力差が生じるように選ばれている
    ことを特徴とするプラズマ発生装置。
17. 前記キャップは、前記窄められた開口付近において、この開口に近づくに従い肉薄になっている
    ことを特徴とする請求項１６記載のプラズマ発生装置。
18. 試料をプラズマに曝露させてこの試料を励起させ、その結果を検出する分析装置であって、
    請求項１６、または、請求項１７記載のプラズマ発生装置の前記窄められた孔から所定距離内の空間に試料を設置し、前記プラズマ発生装置を用いてプラズマを発生させる
    ことを特徴とする分析装置。
19. 試料をプラズマに曝露させてこの試料を励起させ、その結果を検出する分析装置であって、
    請求項１乃至請求項１４のいずれか一に記載の点火プラグを用いてプラズマを発生させる
    ことを特徴とする分析装置。

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