JP2013060941A - 高周波プラズマ生成システム及びこれを用いた高周波プラズマ点火装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波プラズマ点火装置に用いられるプラズマ生成システムに関し、誘電損失を燃料の加熱に利用すると共に、共振周波数の変化を利用して、ノッキング等の異常燃焼が発生した際に過剰電流が流れるのを防止して、電極消耗の抑制を可能とするプラズマ生成システムを提供する。
【課題を解決する手段】周波数発生器５から発振された周波数ｆ_１を基本波とし、その高調波成分であって、上記基本波の２以上の整数倍の逓倍波（ｆ_２＝ｎｆ_１）を取り出す周波数逓倍手段として、放電回路部２と電力増強部４との間に磁気共鳴手段３を設けて接続すると共に、電力増強部４と磁気共鳴手段３の第１の共振コイル３１との共振周波数ｆ_２が、逓倍波の周波数（ｎｆ_１）に等しく、かつ、放電電極１０、１１が所定の圧力範囲下におかれたときの放電回路部２と磁気共鳴手段３の第２の共振コイル３０との共振周波数ｆ_０に等しくなるように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電電極間に高周波電流を印加して高周波プラズマを生成する高周波プラズマ生成システムに関し、主として難着火性の内燃機関の燃焼室内に高周波電流の放電を行って点火を行う高周波プラズマ点火装置に用いられるものである。

自動車エンジン等の内燃機関において燃焼排気中に含まれる環境負荷物質の低減や更なる燃費の低減を図るため、燃料の極希薄化、高過給化による着火性の難化に対して安定した着火を実現可能な着火性に優れた点火装置が望まれている。

例えば、特許文献１には、プラズマ生成共振器に接続された出力部に対し、給電回路制御デバイスにより供給された制御信号により定義される周波数で電源電圧を印加する給電回路を備え、制御デバイスが、最適制御周波数の決定要求を受信するインタフェースと、給電回路のコンデンサの端子における電圧を測定している信号を受信するインタフェースと、最適制御周波数を決定するモジュールであって、要求を受信すると連続的な点火命令のために給電回路に連続した異なる制御周波数を供給し、かつ、受信した測定信号に基づいて最適制御周波数を決定するモジュールと、を備えることを特徴とする高周波式点火システム用の給電デバイスが開示されている。

特許文献１にあるような従来の高周波式点火システムでは、高周波プラグ・コイルの共振器の各端子に高電圧を印加し、プラグ・コイルの各電極間に火花が生成され、点火の開始時における給電回路のコンデンサの端子における電圧の値と、点火の終了時における電圧の値の間の偏差が最大である場合に限り、プラグ・コイルの高周波共振器が、その共振周波数で駆動され、コンデンサの端子の電圧値に関する電気的測定値を用いることにより、実施質的にプラズマ生成共振器の共振周波数に対応する、共振器を駆動するための最適制御周波数を決定し、これを記憶して利用することによりプラグ・コイルを形成する共振器に伝達されるエネルギの最大化を図っている。

ところが、従来の高周波プラズマ点火装置において、燃焼室内の圧力が上昇すると、絶縁耐圧は上昇し、放電が開始されるための要求電圧は高くなるが、ノッキング等の異常燃焼によって燃焼室内の圧力が上昇した場合には、既に高電圧電源から印加した高電圧によって放電空間の絶縁耐が破壊され、放電が開始された後であるため、放電空間内に存在する気体の密度が高くなっている分だけ、放電空間に電流が流れ易くなっており、高周波を入力したときに流れる電流量が正常燃焼時に比べて大きくなる。
このため、極めて大きなエネルギの高周波プラズマが発生し、放電電極の激しい消耗を招くことになる。

さらに、特許文献１にあるような従来の高周波プラズマ点火装置では、放電部が他の制御回路と絶縁されておらず、ＥＣＵ等の制御回路へ放電時に発生する高周波ノイズが影響し、ＥＣＵ等の誤作動を招く虞がある。
特に、駆動周波数が１ＭＨｚ以上と高いことに加えて、瞬間的に投入する電力が大きいことから、通常のトランスによって電気的に分離することは困難で、高周波ノイズに対して有効な対策手段がなかった。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたもので、典型的には、高周波プラズマ点火装置に用いられるプラズマ生成システムに関し、誘電損失を燃料の加熱に利用すると共に、共振周波数の変化を利用して、ノッキング等の異常燃焼が発生した際に過剰電流が流れるのを防止して、電極消耗の抑制を可能とすると共に、電力増幅回路と点火源とを分離して、高周波ノイズの抑制を可能とするプラズマ生成システムを提供することを目的とする。

請求項１の発明では、少なくとも、一対の放電電極を具備する放電部と、所定の周波数を発生する周波数発生器と、該周波数発生器から発振された周波数で定義される電源の電力を増幅する電力増強部とを具備し、上記放電電極間に高周波の電圧を印加して高周波プラズマを生成する高周波プラズマ生成システムにおいて、上記周波数発生器から発振された周波数を基本波とし、その高調波成分であって、上記基本波の２以上の整数倍の逓倍波を取り出す周波数逓倍手段として、上記放電部と上記電力増強部との間に所定の距離を隔てて対向して、互いに磁気共鳴する第１の共振コイルと第２の共振コイルとからなる２つの共振コイルを含む磁気共鳴手段を設けて、上記電力増強部と上記第１のコイルとの共振周波数が、上記逓倍波の周波数に等しく、かつ、上記放電電極が所定の圧力範囲下におかれたときの上記放電部と上記第２の共振コイルとの共振周波数と等しくなるように設定する。

請求項２の発明では、内燃機関に設けた一対の電極間に高電圧を印加する高電圧直流電源と、該高電圧直流電源からの高電圧の印加による絶縁破壊をトリガとして、高周波電源からの高周波電圧の印加により、高周波電流の放電を行って、上記一対の電極間に高周波プラズマを生成して、内燃機関の燃焼室内に導入された混合気の点火を行う高周波プラズマ点火装置であって、上記高周波電源として、請求項１に記載の高周波プラズマ生成システムを具備する。

請求項３の発明では、請求項２に記載の高周波プラズマ点火装置であって、上記高周波電源が、第１の共振コイルと第１コンデンサとの直列回路からなるコネクタ部を具備し、
上記放電部が、第２の共振コイルと第２のコンデンサとからなる直列回路を具備し、かつ、上記第２の共振コイル、又は、上記第２のコンデンサと並列に上記放電電極を挿入してプラグ部を構成し、上記第１の共振コイルと上記第２の共振コイルとが共に、高い共振Ｑ値を具備すると共に、上記コネクタ部の共振周波数と上記プラグ部の共振周波数とを一致させる。

請求項１の発明によれば、上記放電電極が所定の圧力範囲下におかれ、上記逓倍波の周波数と上記放電部の共振周波数とが一致するときには、上記放電電極間に高周波電流が流れ、上記放電電極間に高周波プラズマが発生し、上記放電電極が所定の圧力範囲を超える高圧下、又は、低圧下に晒されたときには、上記逓倍波の周波数と上記放電部の共振周波数との間にズレを生じ、上記放電電極間に高周波電流が流れなくなり、過剰放電により放電電極の焼損を回避することができ、耐久性の高い高周波プラズマ生成システムを実現できる。

請求項２の発明によれば、上記放電電極が所定の圧力範囲下におかれている場合には、上記内燃機関の燃焼室内に導入された混合気の点火を安定して実現することができる。

一方、ノッキング等の異常燃焼が発生した場合には、燃焼室内の圧力が過剰に上昇し、放電空間内に電流が流れや易くなるが、放電空間の寄生容量が燃焼室内の圧力に反比例して小さくなり、上記放電部の共振周波数が大きくなるので、上記電力増強部の共振周波数とのズレを生じ、高周波電流が流れなくなる。
このため、ノッキング等の異常燃焼により燃焼室内の圧力が異常に高くなっても、過剰放電による放電電極の激しい消耗を回避することができる。
したがって、高周波プラズマ点火装置の耐久性を著しく向上させることが可能となる。

さらに、高電圧直流電源と高周波電源とを別に設けることにより、上記電力増強部と上記放電部とを接続する磁気共鳴手段として、トリガ放電のための高電圧発生に用いる必要がなく、急激な電流の立ち上がりに応答可能な高性能のトランスを用いる必要がない。

また、上記放電部の誘電体損失により発生する熱を燃焼室内に導入された混合気の加熱に利用し、着火性の向上を図ることにより、高周波プラズマ点火装置に供給されるエネルギの損失を抑制することも可能となる。

しかし、上記放電部における誘電体損失の増加を図ろうとすると、上記放電電極に流れる電流量が多くなり、電極消耗が激しくなる虞がある。
そこで、本発明では、上記放電電極が過剰な高圧環境下に晒されたときに上記放電部の共振周波数が高くなって、上記逓倍波の周波数と一致しなくなり、高周波電流の放電が停止され、電極消耗の抑制を図っている。

さらに、請求項３の発明によれば、所定の周波数で電力を送電することで、上記共振コイル間の磁界共鳴作用により、電気的接触がなくてもプラグ部での高周波プラズマ放電を可能となり、磁界を介して高効率に電力伝送を行うことができ、ノイズ源となる電磁界の発生を抑えつつ、上記コンデンサと上記共振コイルとの間に高電圧を発生できるため安定した放電を得ることができる。
本発明の高周波プラズマ点火装置においては、第１の共振コイルと第２の共振コイルとの共振周波数を一致させることによって、上記プラグ部への送電が、磁界の変化を伴う電磁誘導によって行われるのではなく、磁界共鳴によって行われ、電磁界を発生し難いので、外部に設けられた他の電子制御装置等へのノイズの影響を無くすことができる。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態における高周波プラズマ生成システムを含むプラズマ点火装置の概要を示すブロック図、（ｂ）は、放電時における放電部の等価回路図。 （ａ）は、本発明の高周波プラズマ生成システムの入力波形と出力波形との関係を示す波形図、（ｂ）は、本発明の高周波プラズマ生成システムを用いた点火装置の作動を示すタイムチャート。 （ａ）は、ノッキング等の異常燃焼状態における筒内圧力の変化及び放電空間の寄生容量の変化を示す特性図、（ｂ）は、比較例と共に異常燃焼発生時における本発明の効果を示す特性図。 本発明の第２の実施形態における高周波プラズマ生成システムの概要を示すブロック図 （ａ）は、第３の実施形態における高周波プラズマ生成システムの概要を示すブロック図、（ｂ）は、その効果を示す波形図。 本発明の第３の実施形態における高周波プラズマ生成システムに用いられる制御方法の一例を示すフローチャート。 本発明の第４の実施形態における高周波プラズマ生成システムを用いた高周波プラズマ点火装置の要部断面図。 （ａ）は、ＬＣ直列１回路の周波数特性、（ｂ）は、磁界共鳴による周波数特性。 （ａ）は、第４の実施形態における高周波プラズマ生成システムのより具体的な回路を示す回路図、（ｂ）は、（ａ）の回路のシミュレーション結果を示す波形図。

本発明は、電極間に印加された高電圧による絶縁破壊をトリガとして内燃機関の燃焼室内に導入された混合気に、高周波電圧の印加により高周波電流を放電して高周波プラズマを生成して、点火を行う高周波点火装置に高周波電源として用いられる高周波プラズマ生成システムに関するものである。

図１を参照して、本発明の第１の実施形態における高周波プラズマ生成システム６について説明する。
本実施形態における高周波プラズマ生成システム６は、点火プラグ１と、放電部回路２と磁気共鳴手段３と電力増強部４と周波数発生器５とによって構成されている。
本発明では、入力された周波数の高調波成分であって、基本周波数の２以上の整数倍の逓倍波を取り出す周波数逓倍手段として、放電回路部２と電力増強部４との間に磁気共鳴手段３を設けて接続すると共に、電力増強部４と磁気共鳴手段３の第１の共振コイル３１との共振周波数ｆ_２が、逓倍波の周波数（ｎｆ_１）に等しく、かつ、放電電極１０、１１が所定の圧力範囲下におかれたときの放電回路部２と磁気共鳴手段３の第２の共振コイル３０との共振周波数ｆ_０に等しくなるように設定したことを特徴としている。

点火プラグ１は、図略の内燃機関に設けられ、少なくとも、互いに絶縁保持された一対の放電電極１０、１１を具備する。
放電部回路２は、本図（ｂ）に示すように、誘導成分として磁気共鳴手段３の二次側コイル３０のインダクタンスＬ_３０と二次側コイル３０と点火プラグ１とを繋ぐ配線の寄生インダクタンスＬ_２１との合成インダクタンスＬを具備し、容量成分として点火プラグ１の放電電極間（１０、１１）に形成される寄生容量Ｃ_２０と放電空間に形成される寄生容量Ｃ_ＣＭＢとの合成コンダクタンスＣを具備し、抵抗成分として、放電空間に放電が開始される際の放電抵抗Ｒ_ＣＭＢと配線抵抗Ｒ_２２との合成抵抗Ｒとを具備して、ＬＣＲ共振回路を構成している。

また、放電部回路２のコンダクタンスＣの内の大部分を占める放電空間の寄生容量Ｃ_ＣＭＢは、放電空間（燃焼室内）の圧力Ｐに反比例して変化するため、放電部回路２の共振周波数ｆ_０は、燃焼室内の圧力Ｐの平方根に比例する値となる。
磁気共鳴手段３は、巻回数Ｎ_１の第１の共振コイル３１と巻回数Ｎ_２の第２の共振コイル３０とを、共振周波数の波長よりも十分短い一定の距離だけ離して対向させ、第１の共振コイル３１と第２の共振コイル３０との間は、電気的に絶縁されている。

従来の電磁誘導によるエネルギの伝送では、コイルを貫く磁束に変化を与えることによって起電力が発生するというファラデーの法則にしたがって、２つのコイルを十分に近づけた状態で、１次コイルに交流電流を流すことで、２次コイルの中に磁束を発生させ、２次コイルに電流を発生させる、いわゆる電磁誘導によって行われるが、本発明においては、電磁誘導ではなく、電磁界の発生を伴わない、磁気共鳴によって一次側から二次側への給電が行われる。
第１の共振コイル３１と２次コイル３０とを共振器として利用することで、第１の共振コイル３１に電流が流れることにより発生した磁場の振動が、同じ周波数で共振する第２の共振コイル３０の共振回路に伝わって磁気共鳴が起こる。
このとき、共振周波数の波長に比べて、十分に小さな距離で、第１の共振コイル３０と第２の共振コイル３１とが設けられているときに、磁場の振動が伝わり、第２の共振コイル３０に電流が流れる。
磁気共鳴による電気エネルギの伝送では、電磁界の発生を伴わないので、電磁波ノイズの発生が抑制され、外部に設けられた他の伝声制御装置への影響が少ない。

なお、本発明の高周波プラズマ発生システム６においては、トリガとなる高電圧の印加を別に設けた高電圧直流電源７によって行うため、磁気共鳴手段３での変圧比（Ｎ_２／Ｎ_１）は、数Ｖ〜十数Ｖの一次電圧Ｖ_１から数１００Ｖ程度の二次電圧Ｖ_２が得られる程度であれば良い。
さらに磁気共鳴手段３の第１の共振コイル３１は、電力増強部４と、第２の共振コイル３０は、放電部回路２とそれぞれ共振回路を形成している。

本実施形態における電力増強部４は、コンデンサ４０と、抵抗４１と、開閉素子（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ）４２、４３と、開閉素子４２、４３を交互に開閉駆動する駆動回路（ドライバ）４４とによって、いわゆるＤ級増幅回路を構成している。
ドライバ４４は、周波数発生器５から発振された周波数ｆ_１にしたがって、開閉素子４２、４３を交互に開閉するゲート電圧を出力する。

電力増強部４では、電源＋Ｂから、コンデンサ４０への充電と放電が繰り返されて、増幅され、周波数ｆ_１で定義された電力が、昇圧コイル３０の第１の共振コイル３１に印加される。このとき、抵抗４１とコンデンサ４０と第１の共振コイル３１とのインピーダンス整合を図ることにより、周波数発生器５から入力された入力周波数ｆ_１の高調波成分を取り出し、入力周波数ｆ_１の２以上の整数倍の周波数ｎｆ_１を有する逓倍波ｆ_２を生成することができる。

なお、本発明において、周波数発生器５は特に限定するものではなく、公知の周波数発生器を適宜採用することができる。また、周波数発生器５で発生する周波数ｆ_１は、正弦波であっても良いし、矩形波であっても良い。
具体的には、周波数発生器５として、例えば、公知のオペアンプを用いた正弦波発生回路でもよいし、ＤＡコンバータを用いたＤＤＳ(Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ)を用いてもよい。また、矩形波についてもオペアンプを用いた矩形波発生回路でもよいし、高周波クロックを分周して発生させても良い。

本発明において、高電圧直流電源７を特に限定するものではなく、点火コイルへの電力の印加と遮断とによって高電圧を誘導して放電を行う、いわゆる誘導放電型（ＴＣＩ、Ｔｒａｎｇｉｓｔｏｒ Ｃｏｉｌ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）のものでも、コンデンサへ充電したエネルギを重畳的に放電して高電圧を印加する容量放電型（ＣＤＩ、Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）のものでも良い。
電子制御装置（ＥＣＵ）８は、図略の内燃機関の運転状況に応じて、第１の点火信号火信号ＩＧｔ１を高電圧電源６に入力し、第２の点火信号ＩＧｔ２を周波数発生器４に入力する。

図２を参照して、本発明の高周波プラズマ生成システム６を含む高周波プラズマ点火装置の作動について説明する。
本図（ａ）に示すように、周波数発生器５から発振された電力増幅部４に入力された周波数ｆ_１の入力信号にしたがって、ドライバ４４が開閉素子４２、４３を開閉制御して、コンデンサ４０の充放電により電力の増強を図ると共に、コンデンサ４０と第１の共振コイル３１との共振により、基本周波数ｆ_１の逓倍の高調波（２ｆ_１、３ｆ_１・・・）成分から特定の周波数の逓倍波ｆ_２（＝ｎｆ_１）を取り出し、磁気共鳴手段３を介して放電回路部２に入力する。

本図（ｂ）に示すように、ＥＣＵ８から第１の点火信号ＩＧｔ１が出力されると、高電圧電源６において第１の点火信号ＩＧｔ_１がＯＮとなっている間に充電されたエネルギが第１の点火信号ＩＧｔ_１の立ち下がりに同期して、例えば２０〜３０ｋＶの高電圧となって点火プラグ１に印加され、放電電極１０、１１間の絶縁が破壊されトリガ放電が開始される。
一方、ＥＣＵ８から第２の点火信号ＩＧｔ_２が出力されると、上述の如く、放電回路部２に逓倍波ｆ_２を有する高周波が入力される。
さらに、放電回路部２の共振周波数ｆ_０は、本図（ｃ）に示すように、放電空間内の圧力Ｐの平方根に比例して変化し、放電回路部２の共振周波数ｆ_０と電力増幅部４から発振された逓倍波ｆ_２の周波数（例えば、５ＭＨｚ）とが一致する所定の圧力範囲（本図（ｃ）中に正常範囲として斜線で示す。）において、放電電極１０、１１間に高周波のプラズマ電流が流れ、高温プラズマを発生し、放電空間（燃焼室）内に導入された混合気の点火が行われる。

このとき、ノッキング等の異常燃焼によって燃焼室内の圧力Ｐが高くなっている場合には、本図（ｃ）に示すように、放電回路部２の共振周波数ｆ_０が高くなるため、電力増強部４から発振された逓倍波ｆ_２と一致せず、放電電極１０、１１間にプラズマ電流が流れなくなる。
したがって、異常燃焼により、燃焼室内の圧力Ｐが高くなり、放電空間内の寄生抵抗Ｒ_ＣＭＢが低くなっている状態で、高周波電流の放電が起こらないので過剰電流の放電による電極の過剰な消耗の抑制を図ることができる。
また、本発明では、周波数発生器５で発生させた周波数ｆ_１に等しい周波数の基本周波数ｆ_１を放電回路部２の共振周波数ｆ_０に一致させるのではなく、高調波成分を利用した逓倍波ｆ_２を放電回路部２の共振周波数ｆ_０と一致させているので、開閉素子４２、４３のスイッチングは、共振周波数ｆ_０のｎ分の１の基本周波数ｆ_１で行うことができるので、比較的安価な開閉素子を用いることが可能となる。

図３を参照して、本発明の効果について説明する。
本図（ａ）は、異常燃焼発生時における燃焼室内の圧力Ｐ（ＭＰａ）及び、放電空間寄生容量Ｃ_ＣＭＢの経時変化を示す。
本図（ｂ）は、本発明の効果を実施例とし実線で示し、従来の電力増強部の基本波を放電部回路２の共振周波数に一致させた比較例を点線で示すものである。
ノッキング等の異常燃焼の影響により、燃焼室内の圧力Ｐ（ＭＰａ）が高くなった場合、本発明の実施例では、実線で示すように、放電電流が流れ難くなるので、過剰な電極消耗を起こすことがなく、比較例では、写真Ａに示すように、通常のプラズマ放電が発生した後、異常燃焼発生時には、点線で示すように極めて大きな放電電流Ｉが流れ、写真Ｂに示すように、極めて激しいプラズマ放電が発生し、電極の焼損を招き、放電できなくなる虞がある。

図４を参照して、本発明の第２の実施形態における高周波プラズマ生成システム６aについて説明する。
本図（ａ）は、本実施形態における高周波プラズマ生成システム６ａの概要を示す等価回路図、（ｂ）は、比較例として示す、特許文献１の図１、図２ａに記載された従来の高周波プラズマ発生システム６ｚを、本発明との相違点を明確にすべく、対応する構成に同じ符号を付し、相違する部分にｚの枝番を付して表したものである。
上記実施形態においては、電力増強部４に、いわゆるＤ級増幅回路を用いた例を示したが、本実施形態においては、さらに構成の簡素化を図った、電力増強部４ａとして、いわゆるＥ級増幅回路を用いた点が相違する。

本図（ａ）に示すように、電力増強部４ａは、電源＋Ｂと開閉素子４２ａとの間に第２の共振コイル４５、又は、寄生インダクタンスを介装し、開閉素子４２ａのドレインと第１の共振コイル３１との間に、抵抗４１ａと第２のコンデンサ４６とを直列に介装し、さらに、開閉素子４２ａのドレインと抵抗４１ａとの間に第１のコンデンサ４０ａを並列に介装し、開閉素子４２ａのゲートには、周波数発生器５から、基本周波数ｆ_１が入力され、開閉素子４２ａは、基本周波数ｆ_１によって開閉駆動されている。
なお、周波数発生器５から発振される交流又は高周波パルスの出力電圧が低い場合には、開閉素子４２aのゲートを開閉するために必要なゲート電圧を確保すべく、ゲートドライバを設けたり、昇圧回路を設けたり、プルアップ抵抗を介して電源電圧にプルアップしたりしても良い。

本実施形態においては、磁気共鳴手段３の第１の共振コイル３１と第２のコンデンサ４６との共振周波数を、基本周波数ｆ_１の高調波成分の共振周波数と一致させることにより、逓倍波ｆ_２（＝ｎｆ_１）を出力して、上記実施形態と同様、放電回路部２の共振周波数ｆ０と逓倍波ｆ２とが一致したときのみ、高周波プラズマを発生させ、電極の過剰な消耗を抑制することができるのに加え、開閉素子４２ａを１個だけとすることができ、製造コストの更なる低減と、装置の小型化を図ることができる。

一方、比較例として、本図（ｂ）に示す、従来の高周波プラズマ発生システム６ｚでは、電力増幅部４ｚにおいて、逓倍波を用いることなく、基本周波数ｆ１と放電部回路２の共振周波数ｆ_０とを一致させるようにしているため、開閉素子４３ｚには、例えば４ＭＨｚ程度の高い周波数のスイッチングが可能な比較的高額な高周波用開閉素子を用いる必要があり、製造コストの増大を招く虞がある。
また、比較例のように、開閉素子４２ｚのドレイン電圧Ｖａをモニタして、周波数発生器５ｚの発振周波数ｆ_１を放電部回路２に伝達されるエネルギを最大化するために、実質的に、放電部回路２の共振周波数ｆ_０に一致するように決定する場合には、異常燃焼等によって、燃焼室内の圧力が高くなったときに、過剰な高周波電流の放出を避けることができず、放電電極１０、１１の著しい消耗を招く虞がある。

図５、図６を参照して、本発明の第３の実施形態における高周波プラズマ発生システム６ｂの概要とその制御方法について説明する。
本実施形態においては、上記実施形態における高周波プラズマ発生システム６又は６ａを基本構成とし、図５（ａ）に示すように、第１の共振コイル３１に入力される高周波電流を電流検出手段８を設けてモニタし、検出された電流Ｉ_ＳＥＮをハイパスフィルタ（ＨＦ）９０を設けて、共振周波数のズレによって生じる定収は成分を除去し、ピークホールド回路（Ｐ／Ｈ）９１を介してサンプリングされたデータを二値化するためのＡ／Ｄコンバータ９２、得られたデータを演算処理し、周波数発生器５ｂにフィードバックするための制御用マイコン９３が追加され、周波数発生器５ｂには、制御マイコン９３からの補正データに応じて発振周波数ｆ_１の増減を行う機能が追加された構成となっている。
図６に示すフローチャートに従って、補正を行った結果を図５（ｂ）に示す。

制御用マイコン９３では、図６に示すフローチャートに従って、経時変化などによる周波数の変化を補正し、高周波プラズマの発生をより安定したものにすることができる。

図６を参照し、具体的な制御方法の一例について説明する。
ＥＣＵ８からの第２の点火信号ＩＧｔ２の入力に同期し、ステップＳ１００の周波数補正行程がスタートする。
ステップＳ１１０の初期化行程では、周波数ｆ、補正量Δｆ、ピークホールで電圧Ｅのバッファ値Ｅｂの初期値を代入する。
次いで、ステップＳ１２０の周波数補正行程では、周波数ｆに補正量Δｆを加えた補正を行う。
ステップＳ１３０の周波数設定行程では、補正後の周波数ｆを周波数発生器５にフィードバックして周波数発生器５の発振周波数を設定する。
ステップＳ１４０のピークホールド値読込行程では、ピークホールド値の現在値Ｅを計測し読み込む。
ステップＳ１５０のピークホールド値判定行程では、現在値Ｅとバッファ値Ｅｂとを比較し、現在値Ｅがバッファ値Ｅｂより小さければ判定Ｙｅｓとなり、 ステップＳ１６０に進み、現在値Ｅがバッファ値Ｅｂ以上であれば判定Ｎｏとなり、ステップＳ１７０に進む。
ステップＳ１６０の周波数増減切換行程では、補正量Δｆに−１を乗じ周波数の変化方向を反転させ、ステップＳ１７０に進む。
ステップＳ１７０のバッファ値代入行程では、バッファ値Ｅｂに現在値Ｅを代入し、ステップＳ１２０に戻る。
ステップＳ１２０からステップＳ１７０のループを繰り返すことにより、経時変化などを精度良く補正し、フィードバックさせてより安定した発振周波数に調整することができる。

図７を参照して、本発明の第４の実施形態における高周波プラズマ点火装置６ｃの概要について説明する。
上記実施形態においては、放電回路部２のコンダクタンスＣの内の大部分を放電空間に形成される寄生容量Ｃ_ＣＭＢが占める例を示したが、本実施形態においては、第２のコンデンサ４０ｃとして、所定の静電容量Ｃ_２を有するコンデンサ素子が実装されている。
本実施形態においては、コネクタ部９に駆動周波数ｆａにて、高周波電力信号が印加される。
上記実施形態においては、磁気共鳴手段３として、第１の共鳴コイル３１と第２の共鳴コイル３０とを互いに所定の距離だけ離して対向させる原理構造を示したが、本実施形態においては、磁気共鳴手段３について、内燃機関に装着できる状態の実用的な構造を提案としている。

本実施形態においては、高周波電源が、第１の共振コイル３１ｃと第１コンデンサ２０ｃとの直列回路からなるコネクタ部９を具備し、放電回路部２ｃが、第２の共振コイル３０ｃと第２のコンデンサ４０ｃとからなる直列回路を具備し、かつ、第２の共振コイル３０ｃ、又は、第２のコンデンサ４０ｃと並列に放電電極１０を挿入してプラグ部１ｃを構成し、第１の共振コイル３１ｃと第２の共振コイル３０ｃとが共に、高い共振Ｑ値を具備すると共に、コネクタ部９の共振周波数ｆｂとプラグ部１ｃの共振周波数ｆｃとが等しくなるように、第１の共振コイル３１ｃのインダクタンスＬ_１、第２の共振コイル３０ｃのインダクタンスＬ２、第１のコンデンサ２０ｃの静電容量Ｃ_１、第２のコンデンサ４０ｃの静電容量Ｃ_２、及び、駆動周波数ｆａが設定されている。
この駆動周波数ｆａは、第１のコンデンサ２０ｃ（Ｃ_１）と第１の共振コイル３１ｃ（Ｌ_１）とからなる第１のＬＣ直列回路の共振周波数ｆｂと、第２のコンデンサ４０ｃ（Ｃ_２）と第２の共振コイルＬ_２とかららなる第２のＬＣ直列共振回路の共振周波数ｆｃとが等しくなるように設計し、第１の共振コイル３１ｃと第２の共振コイル３０ｃとを一定距離内に設置したときの磁界共鳴作用による周波数特性から得られる（図８参照）。
この周波数ｆａで電力を送電することで、第１の共振コイル３１ｃと第２の共振コイル３０ｃとの間において、磁気共鳴作用によって、高効率に電力伝送を行うことができる。
プラグ部２ｃでは、第２のコンデンサ４０ｃと、第２の共振コイル３０ｃがプラグ部２ｃの金属ボディ１３を介して直列に接続され、かつ、第２のコンデンサ４０ｃ、又は、第２の共振コイル３０ｃに平行して、放電電極１０を設置した構成となっている。本図では第２のコンデンサ４０ｃと放電電極１０とが並列に接続された例を示しているが、第２の共振コイル３０ｃに並列に放電電極１０を配設しても良い。
ハウジング１３の先端は、接地電極１１を構成し、接地電極１１と放電電極１０とは、筒状の絶縁体１２を介して絶縁状態となっている。
ハウジング１３は、図略のエンジンヘッドに装着され、接地状態となっている。
なお、本実施形態において、放電電極１０、及び、接地電極１１には、耐熱性の高いニッケル合金等の公知の導電性金属材料が用いられ、ハウジング１３には、ステンレスや、炭素鋼等、耐熱性の高く、導電性の高い公知の金属材料が用いられ、絶縁体１２には、アルミナ等の公知の絶縁体材料が用いられている。

図８（ａ）に示すように、ＬＣ直列１回路の波数特性は、共振周波数ｆｃでパワースペクトルのピークを示すが、本図（ｂ）に示すように、磁気共鳴による周波数特性は、１回路の共振周波数ｆｃよりも低い第１の周波数ｆａと、１回路の共振周ｆｃよりも高い第２の周波数ｆｂとの２箇所でパワースペクトルのピークが発生する。
そこで、電磁共鳴手段３においては、第１の共振コイル３１ｃと第１のコンデンサ２０ｃとからなるコネクタ部９の共振周波数をｆｃに設定し、第２の共振コイル３０ｃと第２のコンデンサ４０ｃとからなるプラグ部１ｃの共振周波数をｆｃに設定した上で、第１の共振コイル３１ｃと第２の共振コイル３０ｃとを対向させて磁気共鳴を発生することで得られる第１の共振周波数ｆａと、第２の共振周波数ｆｂとのいずれか一方の周波数を駆動周波数として選択する。

図９（ｂ）は、図９（ａ）に示すように、具体的な駆動回路４ｃを考え印加電圧Ｖ_ＩＮと放電電圧Ｖ_ＯＵＴの関係をシミュレーションしたものである。
ここでは、高周波電源として、いわゆるＤ級増幅器にて高周波を与える構成としているが、ＭＨｚオーダーの高周波電力増幅が可能なものならば、他の構成、例えば、いわゆるＥ級増幅器を用いた構成としてもよい。
本実施形態では、１０ＭＨｚの共振周波数ｆｃをもった回路に対し、駆動電圧１００Ｖで駆動周波数ｆａとして１０ＭＨｚの電圧を印加した例を示している。
本実施形態に示した回路では、電力印加後５μｓｅｃ程度で、１０ｋＶ_Ｐ−Ｐまで放電電圧を昇圧でき、共振による放電の遅れがないことがわかる。
このとき、上述したように、磁界共鳴による送電が行われるので、電磁界を発生せず、ＥＣＵ等の外部に設けた制御装置へのノイズの影響を抑制することができる。
共振Ｑ値が１００以上となり、コネクタ部９の共振周波数ｆｃとプラグ部２ｃの共振周波数ｆｃとが一致するように、第１のコイル３１ｃのインダクタンスＬ_１と、第１のコンデンサ２０ｃのキャパシタンスＣ_１、及び、第２の共振コイル４０ｃのインダクタンスＬ２、及び、第２のコンデンサ４０ｃのキャパシタンスＣ２を設定し、第１の共振コイル３１ｃを駆動周波数ｆａで駆動し、プラグ２ｃ側に組みつけた第２の共振コイル３０ｃと磁界共鳴を発生させることで、プラグ２ｃとコネクタ部９との間に、電気的接点がなくてもプラグ２ｃ側において、放電電極１０と接地電極１１との間に高周波プラズマ放電を発生することができる。
なお、共振Ｑ値と入力電圧Ｖ_ＩＮと、放電電圧Ｖ_ＯＵＴとは、Ｖ_ＯＵＴ＝Ｑ×Ｖ_ＩＮの関係にあり、インダクタンスＬと、キャパシタンスＣとからなる直列共振回路においては、Ｑ＝（１／Ｒ）・√（Ｌ／Ｃ）＝ωＬ／Ｒ＝１／ωＣＲの関係が成り立つ。
但し、ωは、角振動数、Ｒは、直列抵抗、Ｌは、インダクタンス、Ｃは、静電容量を示す。
高い共振Ｑ値を得るためには、インダクタンスＬを大きく、キャパシタンスＣを小さく、直列抵抗Ｒを少なくする。

なお、本発明において放電部を構成する点火プラグの構造を特に限定するものではなく、高電圧の印加によって発生する放電アークをトリガとして高周波電流の供給によって高周波プラズマを発生して内燃機関の点火を行う高周波プラズマ点火装置に利用可能な公知の点火プラグを適宜採用可能である。具体的には、軸状に延びる中心電極と略Ｌ字型に湾曲した接地電極とが対向するいわゆるスパークプラグ型の点火プラグでも、軸状に延びる中心電極の周囲を筒状の絶縁体で覆い、その先端に略環状の接地電極を設けて、絶縁体の内側に設けた放電空間に中心電極の先端と接地電極の内周とを対向せしめた、いわゆるプラズマジェットプラグでも、中心電極と接地電極との間に配した絶縁体の表面を這うように放電経路を設けた、いわゆる沿面放電プラグでも、中心電極を内燃機関の燃焼室内に長く突き出した、いわゆる無声放電型の点火プラグでも、高周波を導入する中心導体と有底筒状の共振管とを同軸に配設したいわゆる同軸共振管構造の高周波点火プラグでも良い。

１ 点火電極対
１０ 中心電極
１１ 接地電極
２ 放電部回路
２０ 放電空間静電容量（寄生キャパシタンス）
２１ 寄生インダクタンス
２２ 寄生抵抗
３ 磁気共鳴手段
３０ 第２の共振コイル
３１ 第１の共振コイル
４ 電力増強部
４０ コンデンサ
４１ 抵抗
４２、４３ スイッチング素子
４４ ゲートドライバ（駆動回路）
５ 周波数発生器
６ 高電圧電源
７ エンジン（ＥＣＵ）

特表２０１０−５２２８４１号公報

Claims (3)

1. 少なくとも、一対の放電電極を具備する放電部と、所定の周波数を発生する周波数発生器と、該周波数発生器から発振された周波数で定義される電源の電力を増幅する電力増強部とを具備し、上記放電電極間に高周波の電圧を印加して高周波プラズマを生成する高周波プラズマ生成システムにおいて、
   上記周波数発生器から発振された周波数を基本波とし、
   その高調波成分であって、上記基本波の２以上の整数倍の逓倍波を取り出す周波数逓倍手段として、
   上記放電部と上記電力増強部との間に所定の距離を隔てて対向し、互いに磁気共鳴する第１の共振コイルと第２の共振コイルとからなる２つの共振コイルを含む磁気共鳴手段を設けて、
   上記電力増強部と上記第１の共振コイルとの共振周波数が、上記逓倍波の周波数に等しく、
   かつ、
   上記放電電極が所定の圧力範囲下におかれたときの上記放電部と上記第２の共振コイルとの共振周波数と等しくなるように、
   上記第１の共振コイルのインダクタンス、上記第２の共振コイルのインダクタンス、上記第１のコンデンサの静電容量、上記第２のコンデンサの静電容量、及び、上記逓倍波の周波数を設定したことを特徴とする高周波プラズマ生成システム。
2. 内燃機関に設けた一対の電極間に高電圧を印加する高電圧直流電源と、該高電圧直流電源からの高電圧の印加による絶縁破壊をトリガとして、高周波電源からの高周波電圧の印加により、高周波電流の放電を行って、上記一対の電極間に高周波プラズマを生成して、内燃機関の燃焼室内に導入された混合気の点火を行う高周波プラズマ点火装置であって、
   上記高周波電源として、請求項１に記載の高周波プラズマ生成システムを具備する高周波プラズマ点火装置。
3. 請求項２に記載の高周波プラズマ点火装置であって、上記高周波電源が、第１の共振コイルと第１コンデンサとの直列回路からなるコネクタ部を具備し、
   上記放電部が、第２の共振コイルと第２のコンデンサとからなる直列回路を具備し、か
   かつ、
   上記第２の共振コイル、又は、上記第２のコンデンサと並列に上記放電電極を挿入してプラグ部を構成し、
   上記第１の共振コイルと上記第２の共振コイルとが共に、高い共振Ｑ値を具備すると共に、上記コネクタ部の共振周波数と上記プラグ部の共振周波数とを一致させたことを特徴とする高周波プラズマ点火装置。