JP2009519570A - 共振器の励起周波数の最適化 - Google Patents

Abstract

本発明は、無線周波数プラズマ発生器の電源装置であって、最適指令周波数決定要求の受信インターフェースと、プラズマ発生用共振器に接続するための出力インターフェースと、出力インターフェースに規定周波数で電圧を印加するように構成された電源モジュール（２）であって、この電圧が、その周波数に応じて、選択的に、前記発生器の電源周波数の最適化段階で要求を受け取ったときには共振器のプラズマ発生を可能にできず、また、前記発生器の動作段階では共振器のプラズマ発生を可能にできるものである電源モジュール（２）と、共振器電源の電気測定量の受信インターフェースと、要求を受け取ったときに電源モジュール（２）に様々な規定周波数を順次供給するように、また、受信インターフェースが受け取った電気測定量に応じて最適指令周波数を決定するように構成された最適指令周波数決定モジュール（７）とを備えることを特徴とする電源装置に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧が１００Ｖ超で周波数が１ＭＨｚ超の共振器用電源に関し、とりわけ、プラズマ発生器で使用される共振器の電源に関する。

プラズマ発生式自動車点火の適用分野では、１ＭＨｚ超の共振周波数を有する共振器が点火プラグに配設され、典型的には１００Ｖ超の電圧によって給電され１０Ａ超の電流を通される。この適用分野では、Ｑ値が高い無線周波数の共振器の使用、ならびに動作周波数が共振器の共振周波数に極めて近い高電圧発生器が必要である。共振器の共振周波数と発生器の動作周波数との差が小さいほど、共振器の増幅係数（その出力電圧とその入力電圧の比）は大きくなる。共振器のＱが高いほど、発生器の動作周波数はその共振周波数に近くなるはずである。

共振周波数には、製造上のばらつき、燃焼室内または冷却回路内の温度、あるいは共振器コンポーネントの経時劣化の違いなど、様々なパラメータが影響する。これらのパラメータは、特にプラグコイルの場合には、より大きな影響をもつ。そのため、共振器の増幅係数を保証することは容易でない。

本発明の目的はこの不都合を解決することにある。そこで、本発明は、
− 最適指令周波数決定要求の受信インターフェースと、
− プラズマ発生用共振器に接続するための出力インターフェースと、
− 出力インターフェースに規定周波数で電圧を印加する電源モジュールであって、この電圧が、選択的に、要求を受け取ったときには共振器のプラズマ発生を可能にできず、あるいは共振器のプラズマ発生を可能にできるものである電源モジュールと、
− 共振器電源の電気測定量の受信インターフェースと、
− 要求を受け取ったときに電源モジュールに様々な規定周波数を順次供給し、受け取った電気測定量に応じて最適指令周波数を決定する最適指令周波数決定モジュールと、
を備える無線周波数プラズマ発生器の電源装置を提案する。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図を参照しながら限定ではなく例示として以下に行う説明から明らかになるであろう。

本発明は、無線周波数プラズマ発生器の動作段階中と、その発生器の電源周波数の最適化段階中とで異なる方式で発生器に給電することを提案する。最適指令周波数の決定が要求されるときは、プラズマ発生に至らないように特定の振幅または形状の信号が共振器の端子に印加される。周波数を変化させながら電圧が共振器に印加され、印加された周波数毎に共振器電源の電気測定が行われる。次いで、行われた電気測定に応じて最適指令周波数が決定される。

電気測定は、共振器がプラズマを発生させることなく行われるので、測定が受ける外乱は少なく、必要になる測定コンポーネントは比較的小さな寸法で済む。そのため、共振器の電源周波数に対して極めて精度の高い閉ループ制御を実現することができる。したがって、指令周波数は、たとえ共振器の共振周波数が変動しがちであっても、その共振周波数に極めて近く保たれる。

図１はプラズマ発生装置１を示す。この装置１はプラズマ発生用の直列共振器３を備える。共振器３は、インダクタンスＬｓと直列につながれた抵抗Ｒｓと、容量Ｃｓと並列につながれた抵抗Ｒｓｐとを備える。点火電極４および５は、容量Ｃｓｐの端子に接続される。

装置１は電源装置も備える。この電源装置は、とりわけ、直列共振器３が接続されている出力インターフェースに出力電圧Ｕを印加する電源モジュール２を備える。モジュール２は出力インターフェースに規定周波数で電圧を印加する。指令モジュール７は電源モジュール２に規定周波数を供給する。

電圧Ｕに対する最適指令周波数を決定するために、指令モジュール７は、図示しないインターフェースで最適指令周波数決定要求を受け取る。最適指令周波数は、共振器３の共振周波数にできるだけ近接した指令周波数である。そうした要求を受け取ると、モジュール２は、共振器３にプラズマを発生させない電圧を出力インターフェースに印加する。そうした要求を受け取ると、モジュール７も電源モジュール２に対して様々な規定周波数を順次供給する。

共振器３の挙動の電気測定を、例えば電圧Ｖｍを測定する電圧計６を使用して行う。モジュール７は、供給される各規定周波数毎に電気測定量を（図示しない受信インターフェースを介して）測り、次いで、その電気測定量に応じて最適指令周波数を決定する。電気測定量によって、例えば共振器３の共振周波数に最も近い規定周波数を決定することができ、その規定周波数が最適指令周波数として使用される。次いで最適指令周波数が記憶され、電極４および５の間でプラズマを発生させなければならない装置１の動作段階で電源モジュール２の規定周波数として使用される。

プラズマ発生装置１は、燃焼機関の制御点火を実現するように適合された、または粒子フィルタ内で点火を実現するように適合された、または空調システム内で汚染除去点火を実現するように適合された、プラズマ発生用共振器を含むことができる。

図２は、最適指令周波数の決定アルゴリズムの例を示したものである。ステップ２０１で、テスト要求を受け取ったかどうかを確認する。

テスト要求がないときは、ステップ２０８に進み、共振器３に印加する電圧に最適指令周波数を使用することにより、共振器３によってプラズマが発生される。その際、電源モジュール２はプラズマの発生に適した電圧をそれ自体公知の方式で共振器３に印加する。

テスト要求があるときは、ステップ２０２で電源モジュール２によって共振器３にテスト電圧が印加される。この電圧は所定の規定周波数ｆｃで印加されるが、その電圧は共振器３によってプラズマが発生できないような電圧である。所定の周波数ｆｃは、例えば、最適指令周波数よりも低いか、または高いことが確実にわかっている周波数である。図示した例では、所定の周波数ｆｃは共振器の共振周波数よりも低い。

ステップ２０３で、規定周波数と共振周波数の差を表す、共振器電源の電気測定量Ａを測定する。この例では、電気測定量は、規定周波数と共振周波数の差が小さくなるにつれて増大すると想定する。電気測定量の例については後段で詳述する。

ステップ２０４で、測定量Ａが、初期値があらかじめ定められている基準Ａｒｅｆと比較される。測定量Ａが基準Ａｒｅｆを超えている場合は、ステップ２０５で、値ｆｃが引き上げられ、基準Ａｒｅｆは測定量Ａに改められる。その後、２０２から２０４までのステップが新しい値のｆｃおよびＡｒｅｆで繰り返される。

ステップ２０４で測定量Ａが基準Ａｒｅｆよりも低いと判定されたときは、最適指令周波数は直前の規定周波数であったと決定される。ステップ２０６で、規定周波数を直前の値に改める。ステップ２０７で、最適指令周波数Ｆｏｐｔをこの規定周波数の値に定める。そうすることで、ステップ２０８で周波数Ｆｏｐｔをプラズマ発生に使用することができる。

最適指令周波数は、共振周波数で最大になる共振器の電気パラメータの、励起周波数に対する特性曲線を外挿することによっても決定することができる。曲線は、共振器電源の複数の測定量に基づいて外挿される。したがって、共振器の電気パラメータを二次多項式によって近似しようとする場合は、３つの異なる規定周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３に対するそのパラメータの３つの電気測定量Ａ１、Ａ２およびＡ３をそれぞれ測定する。

次いで、以下の線形システムを解いて、ａ、ｂおよびｃの値を導き出せばよい。
Ａ１＝ａ＊ｆ_１ ^２＋ｂ＊ｆ_１＋ｃ
Ａ２＝ａ＊ｆ_２ ^２＋ｂ＊ｆ_２＋ｃ
Ａ３＝ａ＊ｆ_３ ^２＋ｂ＊ｆ_３＋ｃ

そうすると、共振周波数が、曲線の最大値、すなわちＦ_ｒｅｓ＝−ｂ／２ａの値として得られる。

図３は、本発明によるプラズマ発生装置の一実施形態を示したものである。モジュール７は指令信号発生器８に規定周波数を供給する。この発生器８は、パワートランジスタＭＯＳＦＥＴ９のゲートに指令電圧Ｖ１を規定周波数ｆｃで印加する。トランジスタ９は、この指令信号によって操作されるスイッチの役割を果たす。トランジスタ９は、共振器に接続された出力インターフェースに電圧Ｖａを印加できるようにする。

特許出願ＥＰ−Ａ−１５１５５９４に記載されているように、中間電圧源Ｖ２とトランジスタ９のドレインとの間に並列共振回路１０が接続される。この回路１０はインダクタンスＬｐと容量Ｃｐを含む。

図４は、発生器８によってトランジスタ９のゲートに印加される指令信号の一例を示したものである。実線は、最適指令周波数決定要求を受け取ったときの指令信号を表し、破線は、プラズマ発生指令の際の指令信号を表す。最適化の際にプラズマを発生させないようにするために、指令信号のデューティ・サイクルは、プラズマの発生指令と比べて適切に減らされる。したがって、図３のインダクタンスＬｓが、共振器３によるプラズマの発生を可能にするのに十分な間、負荷されることがないようになる。その場合、最適化の際に指令信号に用いられる規定周波数は、共振器３の共振周波数とほぼ同程度である。このような指令信号は、プラズマ発生装置１の複雑さを増さないように、電圧Ｖ２を下げずに有利に使用することができる。

図５は、発生器８によってトランジスタ９のゲートに印加される指令信号のもう１つの例を示したものである。上の図はプラズマ発生指令信号に相当し、下の図は最適化の際の指令信号に相当する。

プラズマの発生時には、指令信号は、共振器３の共振周波数とほぼ同程度の周波数を有する規則的なパルス列である。最適化の際にプラズマが発生しないように、最適化指令信号のパルス列は、対応するプラズマ発生指令信号のパルスの一部しか含まない。そのため、この例では、４つのパルスのうち、連続する２つのパルスがパルス列から抜かれている。トランジスタ９の切替え周波数がそれによって共振器３の共振周波数とほぼ同程度でなくなっても、共振器に印加されるパルスの低振幅高調波によって共振器３を励起して、プラズマ発生の際に使用する最適指令周波数を決定することができる。

プラズマ発生の際に使用する電圧レベルＶ２よりも低い中間電圧レベルＶ２を使用することによって、最適化の際のプラズマ発生を妨げることを企図することもできる。

最適化の際の規定周波数の周波数ピッチを決定するために、とりわけ以下のルールを利用することができる。

図１の図にもとづいて、以下のように共振器３の固有角周波数を決定する。

以下のように置く。

共振状態では、ω＝ω_０、Ｖｍ（ω_０）＝Ｖ_ＭＡＸである。すると、以下のような関係を定めることができる。

使用する回路の設計寸法では、Ｒｓｐ＞＞Ｒｓである。したがって、次式が成り立つ。

共振角周波数でない角周波数については、以下の関係を得る。

この係数Ａはプラズマ発生装置の製造者の裁量に委ねることができる。この係数Ａにより、それぞれのプラズマ発生用共振器の共振角周波数が含まれなければならない範囲を定めることができる。

したがって、ＡおよびＵの値があらかじめわかっていれば、制御される系がその範囲内で角周波数を利用するために必要な角周波数の最低精度を決定することができる。

ω_１およびω_２をＶｍ（ω_１）＝Ｖｍ（ω_２）＝Ａ＊Ｕであるようなものとし、Δω＝｜ω_１−ω_２｜とすると、制御される系によって発生される角周波数が前述の範囲にあるためには、制御ピッチは最大でΔω／２でなければならない。そこで、角周波数制御の精度が最大になるようにするために、Δω／Ｎの制御ピッチを用いる。ただし、Ｎは可能な最大の値を取る整数である。

プラズマ発生用共振器の最適な励起角周波数を実現するために、制御される系はΔω／Ｎの増分で角周波数を変化させる。Ｖｍの測定量によって角周波数ωを決定することができる。ωについては、ω＝ω_ｒｅｆ＋ｉ＊Δω／Ｎ≒ω_０が成り立つ。ただし、ｉは符号付き整数であり、ω_ｒｅｆは角周波数制御の当初に使用される基準角周波数である。

共振角周波数ω_０に位相を合わせた角周波数を有する電圧Ｕの周期的方形波列に対する電圧Ｖｍの応答を調べることができる。

ｎを整数として、電圧Ｕ（ｔ）を次のように表す。
２ｎ＊π／ω_０＜ｔ＜（２ｎ＋１）＊π／ω_０ならば、Ｕ（ｔ）＝０
（２ｎ＋１）＊π／ω_０≦ｔ≦（２ｎ＋２）＊π／ω_０ならば、Ｕ（ｔ）＝Ｕ_０

ｎ番目の方形波では、次のような最高電圧と最低電圧が得られる。
Ｖｍａｘ（（２ｎ＋１）＊π／ω_０）＝Ｕ_０＊（１＋（ｅ^{−（ｎ＋１）ξπ}−ｅ^−ξπ）／（ｅ^−ξπ−１））
Ｖｍｉｎ（２ｎ＊π／ω_０）＝−Ｕ_０＊（１＋（ｅ^{−（ｎ＋１）ξπ}−ｅ^ξπ）／（ｅ^−ξπ−１））

すると、次式が得られる。
ｎ→∞のとき、Ｖｍａｘ（（２ｎ＋１）＊π／ω_０）→Ｕ_０／ξπ
ｎ→∞のとき、Ｖｍｉｎ（２ｎ＊π／ω_０）→−Ｕ_０／（ｅ^−ξπ−１）

共振器電源の電気測定量は、共振器３の過電圧係数Ｑ＝Ｖｍ／Ｖａを特徴づけるためのものである。過電圧係数を表す測定量を得るために、中間電圧Ｖ２に依存しない様々なパラメータを測定することができる。

例えば、共振器３を通る電流Ｉｍの測定量に基づいて、また様々な電圧に基づいて、アドミタンスを計算することができる。

例えば、アドミタンスを以下のように定義することができる。
Ａｄ＝Ｉｍ／Ｖｍ； このアドミタンスには、電圧Ｖｍと電流Ｉｍを決定することが必要である。
Ａｉ＝Ｉｍ／Ｖａ＝Ａｄ＊Ｑ； ＱとＡｄの値は共振器の励起周波数によって変わるが、共振に近づくと、ＱはＡｄよりも急速に変化する。したがって、Ａｉの最大値はＱの最大値に対応する。
Ａａ＝Ｉｍ／Ｖ２； このアドミタンスに関しては、Ｖ２の値は一定であると考えることができ、電流Ｉｍの測定だけですませることができる。

周波数に応じたその変化によって最適指令周波数を決定することができる他の適切なあらゆる電気パラメータの測定も同様に利用可能であることは言うまでもない。

これらのアドミタンスの値は、共振器の励起周波数がその共振周波数に等しいときに最大になるので、これらの電気パラメータにより最適指令周波数を決定することができる。

図６および７は、共振器電源の電気測定を行うための手段の例を示したものである。

図６には、Ｒ２＊Ｃ２＝Ｒ１＊Ｃ１の関係が保たれるようにした分圧ブリッジが形成されている。ただし、Ｃ１とＣ２は蓄電容量である。Ｒ２の端子における電圧測定により、パルス列によって消費されるエネルギーを導き出すことができる。

図７では、トランジスタ９の開放時に容量Ｃｂを通過する電流を測定するために、抵抗Ｒ３の端子の電圧を測定する。

一変形形態では、燃焼機関の適用分野で、共振器の動作不良を検出することもできる。したがって、本発明は、正常動作時の基準周波数の決定に基づいて動作不良を検出する装置を提案する。この検出装置は、
− 燃焼機関の動作パラメータの測定量信号の受信インターフェースと、
− 基準信号の出力インターフェースと、
− 測定量信号の間の関係および燃焼機関の正常動作時の基準信号の周波数を記憶するメモリモジュールと、
− 受信インターフェースで受け取った測定量信号およびメモリモジュールに記憶された関係に応じて基準信号の周波数を決定するモジュールと、
を備える。

比較モジュールが、基準周波数を電源装置によって決定された最適指令周波数と比較する。これらの周波数間の差が所定の閾値を超えたとき、共振器の動作不良検出装置がエラー信号を生成する。

本発明によるプラズマ発生装置を示す概略図である。 本発明の例示的一実施形態のアルゴリズムを示す図である。 本発明によるプラズマ発生装置の一実施形態を示す図である。 図３のスイッチに印加することができる指令信号の第１の例を示す。 図３のスイッチに印加することができる指令信号の第２の例を示す。 図３の共振器の電気パラメータの測定回路の第１の例を示す。 図３の共振器の電気パラメータの測定回路の第２の例を示す。

Claims (11)

1. 無線周波数プラズマ発生器の電源装置であって、
   最適指令周波数決定要求の受信インターフェースと、
   プラズマ発生用共振器に接続するための出力インターフェースと、
   前記出力インターフェースに規定周波数で電圧を印加するように構成された電源モジュール（２）であって、この電圧が、その周波数に応じて、選択的に、前記発生器の電源周波数の最適化段階で要求を受け取ったときには前記共振器のプラズマ発生を可能にできず、また、前記発生器の動作段階では前記共振器のプラズマ発生を可能にできるものである電源モジュール（２）と、
   共振器電源の電気測定量の受信インターフェースと、
   要求を受け取ったときに電源モジュール（２）に様々な規定周波数を順次供給するように、また、前記受信インターフェースが受け取った電気測定量に応じて最適指令周波数を決定するように構成された最適指令周波数決定モジュール（７）と、
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記最適指令周波数決定モジュール（７）がプラズマ発生用前記共振器の共振周波数にほぼ等しい最適指令周波数を決定する請求項１に記載の装置。
3. 前記電源モジュール（２）が、
   規定周波数の指令信号の発生器と、
   指令信号によって操作され、前記出力インターフェースに接続されるスイッチ（９）と、
   を備える請求項１または２に記載の装置。
4. 最適指令周波数決定要求を受け取ったとき、規定信号の周波数が、前記出力インターフェースに接続される前記共振器の共振周波数とほぼ同程度であり、指令信号の前記発生器が指令信号のデューティ・サイクルを減らす請求項３に記載の装置。
5. 最適指令周波数決定要求を受け取ったとき、発生される指令信号が、前記出力インターフェースに接続される前記共振器の共振周波数とほぼ同程度の周波数を有する規則的なパルス列のパルスの一部を含む請求項３または４に記載の装置。
6. 最適指令周波数決定要求を受け取ったとき、前記出力インターフェースに印加されるピーク電圧レベルが引き下げられる請求項１ないし５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記最適指令周波数決定モジュール（７）が、受け取った電気測定量の２つの連続する値を比較し、前記連続する値の差が第１の符号を示す場合には規定周波数を第１の方向に修正し、前記連続する値の差が第２の符号を示す場合には直前の規定周波数が最適指令周波数であると決定する請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載の電源装置と、前記電源装置の前記出力インターフェースに接続されたプラズマ発生用の共振器（３）とを備えるプラズマ発生装置。
9. プラズマ発生用の前記共振器が、燃焼機関の制御点火、粒子フィルタにおける点火、空調システムにおける汚染除去点火のいずれか１つの形態で点火を行うのに適した請求項８に記載のプラズマ発生装置。
10. 電気測定量の前記受信インターフェースに接続された前記共振器の前記電源の電気測定モジュールを備える請求項８または９に記載のプラズマ発生装置。
11. プラズマ発生用の前記共振器が、燃焼機関の制御点火を行うのに適しており、
    燃焼機関の動作パラメータの測定量信号の受信インターフェースと、
    基準信号の出力インターフェースと、
    測定量信号間の関係および燃焼機関の正常動作時の基準信号の周波数を記憶するメモリモジュールと、
    前記受信インターフェースで受け取った測定量信号および前記メモリモジュールに記憶された関係に応じて基準信号の周波数を決定するモジュールと、
    基準周波数を前記電源装置によって決定された最適指令周波数と比較し、２つの周波数の差が所定の閾値を超える場合はエラー信号を生成する比較モジュールと、
    を備える動作不良検出装置を具備する請求項９に記載のプラズマ発生装置。

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