JP5533623B2 - 高周波プラズマ点火装置 - Google Patents
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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Description
本発明は、難着火性の燃焼機関に装着され該燃焼機関の点火を行う高周波プラズマ点火装置に関する。
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向上のため、燃料の希薄化、高過給気化等が図られている。
一般に、希薄燃焼機関や、高過給気混合燃焼機関は難着火性であるため、より着火性に優れた点火装置が望まれている。
一般に、希薄燃焼機関や、高過給気混合燃焼機関は難着火性であるため、より着火性に優れた点火装置が望まれている。
特に、燃料噴霧と空気との混合気の混合比が理論空燃比に近い可燃層を点火プラグの近傍にのみ配置して、混合気の更なる希薄化を図ろうとする、いわゆるスプレーガイド式エンジンにおいて、従来の点火プラグの比較的小さな火花放電では可燃層が必ずしもプラグの放電位置に配置できるとは限らず着火が困難となったり、比較的大きな接地電極が火炎核の近くに存在するので、消炎効果が大きく、燃焼速度が遅くなったりする虞がある。
また、燃焼排気の清浄化や、低燃費化を図るべく、内燃機関の吸排気バルブの大型化が進み、点火装置の更なる小径化が期待されている。
また、燃焼排気の清浄化や、低燃費化を図るべく、内燃機関の吸排気バルブの大型化が進み、点火装置の更なる小径化が期待されている。
特許文献１には、内燃機関のシリンダ内壁に同軸回路構造の駆動共振器に接続したマイクロ波アンテナから高周波放電を発生することにより点火を行う点火装置が開示されている。
特許文献２には、主燃焼室に隣接して、主燃焼室よりも容積の小さい副燃焼室を区画する隔壁に、主燃焼室と副燃焼室とを連通する噴孔を設けて、副燃焼室内に点火栓と、電界強度手段として、副燃焼室内に望むマイクロ波発振用アンテナを有するマイクロ波発振装置とによって点火栓の放電中に副燃焼室内の電界強度を高めること特徴とする内燃機関の燃焼制御装置が開示されている。
さらに、特許文献３には、熱機関において燃焼等の反応が行われる反応領域に対して放電と電磁波のエネルギとを併用して燃焼反応を開始させるプラズマ発生装置であって、放電のためのエネルギと電磁波発生装置からの電磁波エネルギとを混合する混合手段と、該混合手段からの出力が供給され、この出力を反応領域に導入するプラグとを備え、混合手段からプラグに供給される出力が電磁波のエネルギと放電のためのエネルギとが同じ伝送線に重畳されて供給されることを特徴とするプラズマ発生装置が開示されている。
さらに、非特許文献１には、構成した同軸共振体構造の点火プラグに高周波を印加して、中心導体の先端にプラズマを発生して内燃機関の点火を行う点火栓が開示されている。
特許文献２には、主燃焼室に隣接して、主燃焼室よりも容積の小さい副燃焼室を区画する隔壁に、主燃焼室と副燃焼室とを連通する噴孔を設けて、副燃焼室内に点火栓と、電界強度手段として、副燃焼室内に望むマイクロ波発振用アンテナを有するマイクロ波発振装置とによって点火栓の放電中に副燃焼室内の電界強度を高めること特徴とする内燃機関の燃焼制御装置が開示されている。
さらに、特許文献３には、熱機関において燃焼等の反応が行われる反応領域に対して放電と電磁波のエネルギとを併用して燃焼反応を開始させるプラズマ発生装置であって、放電のためのエネルギと電磁波発生装置からの電磁波エネルギとを混合する混合手段と、該混合手段からの出力が供給され、この出力を反応領域に導入するプラグとを備え、混合手段からプラグに供給される出力が電磁波のエネルギと放電のためのエネルギとが同じ伝送線に重畳されて供給されることを特徴とするプラズマ発生装置が開示されている。
さらに、非特許文献１には、構成した同軸共振体構造の点火プラグに高周波を印加して、中心導体の先端にプラズマを発生して内燃機関の点火を行う点火栓が開示されている。
ところが特許文献１にあるようにシリンダ内壁に長軸状のマイクロ波アンテナを長く突き出した構造では、マイクロ波によって励起された原子又は分子が燃焼室内に拡散し、高周波の発振のみによって点火を起こすためには必要とするエネルギが膨大となる虞があり、また、燃焼室内に飛び出したアンテナに接触しない位置にピストンの上死点が限られるので、充分に燃焼室内の気体を圧縮することができず、却って燃費の悪化を招くことになる虞もある。
また、特許文献２にあるように、点火栓とマイクロ波発振用アンテナとを副燃焼室に望むように並べて配設し、点火コイルから供給された放電エネルギとマイクロ波発振装置から発振されたマイクロ波とをそれぞれ別系統の伝送線を介して供給したのでは、放電経路とマイクロ波伝送経路との絶縁を確保する必要があるので、点火栓とマイクロ波発振用アンテナとが並べて配設された副燃焼室の径は必然的に大きくなり、装置の大型化が避けられず、近年の点火プラグ小型化の要求に対応するのが困難となる虞がある。
一方、このような問題に対して、放電エネルギとマイクロ波とを共通の伝送経路を介して重畳的に供給したとしても、特許文献３にあるように、通常の火花放電に用いられる点火プラグと同様の形状をした点火プラグを用いたのでは、中心電極を高周波が流れる際に、絶縁体の頭部から外部に高周波が発散されてしまう虞がある。
また、非特許文献１にあるような共振構造体を用いた場合、中心導体や外側導体の表面にデポジットが堆積すると、高周波の伝送効率が低下し着火に至らない虞がある。また、高圧縮状態の燃焼室内は、絶縁耐圧が高くなっており、高周波の入力のみによってプラズマを発生させようとすると必要とするエネルギが膨大となる虞もある。
また、特許文献２にあるように、点火栓とマイクロ波発振用アンテナとを副燃焼室に望むように並べて配設し、点火コイルから供給された放電エネルギとマイクロ波発振装置から発振されたマイクロ波とをそれぞれ別系統の伝送線を介して供給したのでは、放電経路とマイクロ波伝送経路との絶縁を確保する必要があるので、点火栓とマイクロ波発振用アンテナとが並べて配設された副燃焼室の径は必然的に大きくなり、装置の大型化が避けられず、近年の点火プラグ小型化の要求に対応するのが困難となる虞がある。
一方、このような問題に対して、放電エネルギとマイクロ波とを共通の伝送経路を介して重畳的に供給したとしても、特許文献３にあるように、通常の火花放電に用いられる点火プラグと同様の形状をした点火プラグを用いたのでは、中心電極を高周波が流れる際に、絶縁体の頭部から外部に高周波が発散されてしまう虞がある。
また、非特許文献１にあるような共振構造体を用いた場合、中心導体や外側導体の表面にデポジットが堆積すると、高周波の伝送効率が低下し着火に至らない虞がある。また、高圧縮状態の燃焼室内は、絶縁耐圧が高くなっており、高周波の入力のみによってプラズマを発生させようとすると必要とするエネルギが膨大となる虞もある。
そこで、本願発明は、かかる実情に鑑み、高周波の供給と高電圧の印加とによって内燃機関の点火を行う高周波プラズマ点火装置において、エネルギを効率良く利用すると共に、点火部の小型化要求に対応可能な高周波プラズマ点火装置の提供を目的とするものである。
第１の発明では、少なくとも、絶縁体を介して中心電極と接地電極とを配設しハウジングによって内燃機関の燃焼室内に先端が臨むように固定した点火プラグと、該点火プラグに高周波の発振と高電圧の印加とを行う高エネルギ電源と、上記内燃機関の運転状況に応じて高エネルギ電源に高周波発振信号と点火信号とを発信して高周波の発振と高電圧の印加とを制御する電子制御装置とを具備し、高周波の入力と高電圧の印加とによって、高エネルギのプラズマを発生させ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、
上記高エネルギ電源が、高周波を発振する高周波発振回路と、高電圧を発生する高電圧発生回路と、少なくともコンデンサを介して高周波発振回路と高電圧発生回路とを結合することにより高周波発振回路から発振された高周波の高電圧発生回路への侵入を遮断しつつ高電圧発生回路から印加された高電圧の高周波発振回路への侵入を遮断する高周波・高電圧混成回路とを具備し、
中心導体と誘電層と外側導体とを同軸に配設した同軸ケーブルを介して上記高エネルギ電源と上記点火プラグとを接続し、
上記点火プラグが、上記同軸ケーブルの中心導体と上記中心電極とを接続すると共に、上記外側導体と上記中心電極との絶縁を図りつつ上記外側導体と上記ハウジングとを接地状態とする同軸ケーブル結合部と、
上記絶縁体の少なくとも一部を内側絶縁体と外側絶縁体とからなる二重筒構造として内側絶縁体と外側絶縁体との境界にハウジングと接地状態とした接地外側導体を設けて、上記中心電極と上記接地外側導体及び上記ハウジングとの絶縁を図りつつ同軸ケーブルとインピーダンス整合を図ったプラグ内同軸構造部と、
上記外側絶縁体に延設した略筒状の絶縁体下半部によって上記ハウジング及び上記接地外側導体との絶縁を図りつつ絶縁体下半部の内側に保持した長軸状の中心導体アンテナ部と該中心導体アンテナ部の基端に結合した略円板状の中心導体基底部と該中心導体基底部の外周縁に延設した略筒状で上記高周波の波長の１／４又はその奇数倍の長さの非接地外側導体とによって同軸共振体とすると共に、上記中心電極と上記中心導体アンテナ部とを上記中心導体基底部から所定の高さだけ浮き上がらせた位置に設けた高エネルギ入力部で結合し、上記接地電極を上記中心導体アンテナ部の先端に所定の放電間隙を設けて対向せしめた同軸点火部とからなることを特徴とする（請求項１）。
上記高エネルギ電源が、高周波を発振する高周波発振回路と、高電圧を発生する高電圧発生回路と、少なくともコンデンサを介して高周波発振回路と高電圧発生回路とを結合することにより高周波発振回路から発振された高周波の高電圧発生回路への侵入を遮断しつつ高電圧発生回路から印加された高電圧の高周波発振回路への侵入を遮断する高周波・高電圧混成回路とを具備し、
中心導体と誘電層と外側導体とを同軸に配設した同軸ケーブルを介して上記高エネルギ電源と上記点火プラグとを接続し、
上記点火プラグが、上記同軸ケーブルの中心導体と上記中心電極とを接続すると共に、上記外側導体と上記中心電極との絶縁を図りつつ上記外側導体と上記ハウジングとを接地状態とする同軸ケーブル結合部と、
上記絶縁体の少なくとも一部を内側絶縁体と外側絶縁体とからなる二重筒構造として内側絶縁体と外側絶縁体との境界にハウジングと接地状態とした接地外側導体を設けて、上記中心電極と上記接地外側導体及び上記ハウジングとの絶縁を図りつつ同軸ケーブルとインピーダンス整合を図ったプラグ内同軸構造部と、
上記外側絶縁体に延設した略筒状の絶縁体下半部によって上記ハウジング及び上記接地外側導体との絶縁を図りつつ絶縁体下半部の内側に保持した長軸状の中心導体アンテナ部と該中心導体アンテナ部の基端に結合した略円板状の中心導体基底部と該中心導体基底部の外周縁に延設した略筒状で上記高周波の波長の１／４又はその奇数倍の長さの非接地外側導体とによって同軸共振体とすると共に、上記中心電極と上記中心導体アンテナ部とを上記中心導体基底部から所定の高さだけ浮き上がらせた位置に設けた高エネルギ入力部で結合し、上記接地電極を上記中心導体アンテナ部の先端に所定の放電間隙を設けて対向せしめた同軸点火部とからなることを特徴とする（請求項１）。
第１の発明によれば、上記中心導体と上記中心導体基底部で結合された上記非接地外側導体とが、接地されておらず、電気的に浮き上がった状態となっており、上記接地電極、上記ハウジング、上記接地外側導体との絶縁が確保されているので、一の同軸ケーブルを用いて高周波と高電圧とを重畳的に入力させたときに、上記中心導体アンテナ部と上記非接地外側導体とによって高周波を共振させ、上記中心導体アンテナ部の先端に電界強度の高い領域を形成、その周辺の気体を高エネルギ状態に励起させ、さらに高電圧を印加したときに、上記中心導体アンテナ部の先端と接地電極との間で放電させ、比較的低い投入エネルギで、効率良く高エネルギ状態の熱プラズマを発生させて内燃機関の点火を行うようにすることができる。
一方、本発明によらず、通常の火花点火を行う点火プラグと同様の形状の点火プラグを用いたのでは、高周波の発振と高電圧の印加とを重畳的に行っても、中心電極を覆う絶縁体の頭部がハウジングから露出しているために、高周波が漏れてしまう。
また、本発明によらず、従来の中心導体と外側導体とが接地された状態で同軸共振体を構成した場合、中心導体に高電圧を印加することは不可能となり、高周波の入力系統とは別系統で高電圧を印加せざるを得ず、本発明のように、一の同軸ケーブルを介して高周波と高電圧とを重畳的に入力することはできない。
さらに、本発明によれば、上記同軸ケーブル結合部から、上記プラグ内同軸部を経て、上記同軸構造点火部に至るまで、中心導体、中心電極、中心導体アンテナ部の外径と、外側導体、接地外側導体、非接地外側導体の内径とを上記誘電層、上記内側絶縁体、上記絶縁体下半部の比誘電率に応じて所定の内外径比に設定すれば、容易に特性インピーダンスの整合を図ることができ、高周波の損失を少なくして点火エネルギとして用いることができる。
また、本発明では、上記プラグ内同軸部の絶縁体を二重筒構造としているので、同軸ケーブルを介して高電圧が上記中心電極に印加されたときに、上記中心電極と上記ハウジング及び上記接地外側導体との間の絶縁が確保されリーク放電が起こり難くなっている。
さらに、上記電子制御装置は、高電圧の印加に先立って高周波を発振させるので上記中心電極アンテナ部と上記接地電極との間で放電するのに必要な放電電圧を低くすることができ、点火プラグの耐久性の向上を図ることもできる。
一方、本発明によらず、高電圧を高周波の発振に先立って印加したのでは、放電を発生させるのに必要な放電電圧を下げることができない。
また、従来なされているように、一旦、放電が起こった後に、高周波を発振しても強電界を発生させることはできず、放電経路に沿って電流となって流れるため、高エネルギのプラズマを発生させるためには、必要とする電流量が大きくなってしまう虞もある。
一方、本発明によらず、通常の火花点火を行う点火プラグと同様の形状の点火プラグを用いたのでは、高周波の発振と高電圧の印加とを重畳的に行っても、中心電極を覆う絶縁体の頭部がハウジングから露出しているために、高周波が漏れてしまう。
また、本発明によらず、従来の中心導体と外側導体とが接地された状態で同軸共振体を構成した場合、中心導体に高電圧を印加することは不可能となり、高周波の入力系統とは別系統で高電圧を印加せざるを得ず、本発明のように、一の同軸ケーブルを介して高周波と高電圧とを重畳的に入力することはできない。
さらに、本発明によれば、上記同軸ケーブル結合部から、上記プラグ内同軸部を経て、上記同軸構造点火部に至るまで、中心導体、中心電極、中心導体アンテナ部の外径と、外側導体、接地外側導体、非接地外側導体の内径とを上記誘電層、上記内側絶縁体、上記絶縁体下半部の比誘電率に応じて所定の内外径比に設定すれば、容易に特性インピーダンスの整合を図ることができ、高周波の損失を少なくして点火エネルギとして用いることができる。
また、本発明では、上記プラグ内同軸部の絶縁体を二重筒構造としているので、同軸ケーブルを介して高電圧が上記中心電極に印加されたときに、上記中心電極と上記ハウジング及び上記接地外側導体との間の絶縁が確保されリーク放電が起こり難くなっている。
さらに、上記電子制御装置は、高電圧の印加に先立って高周波を発振させるので上記中心電極アンテナ部と上記接地電極との間で放電するのに必要な放電電圧を低くすることができ、点火プラグの耐久性の向上を図ることもできる。
一方、本発明によらず、高電圧を高周波の発振に先立って印加したのでは、放電を発生させるのに必要な放電電圧を下げることができない。
また、従来なされているように、一旦、放電が起こった後に、高周波を発振しても強電界を発生させることはできず、放電経路に沿って電流となって流れるため、高エネルギのプラズマを発生させるためには、必要とする電流量が大きくなってしまう虞もある。
第２の発明では、上記高エネルギ入力部として、上記中心電極の先端を先端先細りに尖らせ、上記中心導体基底部に略すり鉢状に窪んだ凹陥部を設け、上記中心電極の先端を該凹陥部に当接せしめる（請求項２）。
第２の発明によれば、上述の効果に加え、上記高エネルギ入力部を確実に上記中心導体アンテナ部の上記中心導体基底部よりも浮き上がった特定の位置に形成することができ、上記高エネルギ電源から高周波が入力されたときに高周波の定在波を安定的に発生させ、上記中心導体アンテナ部の先端に電界強度高い領域を安定的に形成させることができる。
第３の発明では、上記絶縁体下半部の内側に区画した共振空洞部の内周壁表面に膜状の金属層を形成して上記非接地外側導体とする（請求項３）。
第３の発明によれば、上述の効果に加え、上記非接地外側導体を上記絶縁体下半部内に係止するための手段を講じる必要がないので構造の簡素化を図ることができ、また、上記非接地外側導体の厚みを極めて薄くできるので、点火プラグのさらなる小型化を図ることもできる。
第４の発明では、上記共振空洞部内を共振空洞内誘電層によって充填する（請求項４）。
第４の発明によれば、上述の効果に加え、上記中心導体アンテナ部の側面、上記中心導体基底部、上記非接地外側導体の表面が上記共振空洞内誘電層によって覆われるので、燃焼室内でくすぶりが生じても、未燃燃料や煤等のデポジットが上記中心導体アンテナ部の側面、上記中心導体基底部、上記非接地外側導体に堆積せず、高周波ＲＦの伝播効率の悪化を招く虞がない。
第５の発明では、上記共振空洞部内を、先端側が開放する開口部を設けた略筒状の共振空洞内誘電層によって充填すると共に、該共振空洞内誘電層の長さを上記中心導体アンテナ部の先端よりも長く形成し、さらに、上記接地電極として上記共振空洞内誘導層の下端面を覆いつつ、上記開口部に連通する接地電極開口部を有する略円環状に形成して、上記中心導体アンテナ部の下端面と上記共振空洞内誘電層の内周壁と上記接地電極開口部の内周壁とによって放電空間を区画する（請求項５）。
第５の発明によれば、上述の効果に加え、高周波の入力と高電圧の印加により上記中心導体アンテナ部の先端に形成されたプラズマは、限られた容積を有する上記放電空間内の圧力を上昇させ、上記放電空間から略球状のプラズマ火炎となって燃焼室内に噴射されることになり、プラズマ火炎の燃焼室内を移動する貫徹力が増すので着火性の向上を図ることができる。また、上記放電空間の内部で混合気の火炎成長が行われるので、高圧縮燃焼機関、高過給燃焼機関等の焼室内に強い気流が発生しているような場合であっても、プラズマ火炎が吹き消されることなくより確実な点火を実現できる。
図１、図２、図３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点火装置４の概要について説明する。なお、以下の説明において、点火プラグ１の燃焼室に露出する側を先端側と称し、高エネルギ電源２に接続される側を基端側と称す。
図１は、本発明の高周波プラズマ点火装置４の概要を示す縦断面図であり、図２は、高周波入力接続部の詳細を示す要部拡大図、図３（ａ）は、高エネルギ電源の等価回路図、（ｂ）は、高エネルギ電源の制御方法の一例を示すタイムチャート図である。
図１に示すように、本発明の高周波プラズマ点火装置４は、点火プラグ１と、高エネルギ電源２と、エンジン電子制御装置（ＥＣＵ）３とによって構成されている。
本発明の高周波プラズマ点火装置４は、図略の内燃機関の燃焼室に先端部分が臨むように装着した点火プラグ１に高周波発振回路２０から発振する高周波ＲＦと高電圧発生回路２１で発生する高電圧ＨＶとを重畳的に入力可能する高周波・高電圧混成回路２２を設けた高エネルギ電源２から高周波ＲＦと高電圧ＨＶとを一の同軸ケーブルを介して入力可能とする同軸ケーブル結合部１０を設け、さらに、高周波ＲＦを入力したときに、点火プラグ１からの高周波ＲＦの漏れによる損失を抑制しつつ、高電圧ＨＶのリークを抑制を図るべくプラグ内を同軸構造とするプラグ内同軸構造部１１を設け、さらに、入力された高周波ＲＦを共振させ、プラグの先端に電界強度を高めた領域を形成して、その周囲の気体を高エネルギ状態に励起して放電し易い状態とし、これに高電圧ＨＶを重畳的に印加することにより、点火プラグの先端で放電させ、比較的低い投入エネルギで、効率良く高エネルギ状態の熱プラズマを発生させ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ようにする同軸点火部１２を設けたことを特徴とするものである。
図１は、本発明の高周波プラズマ点火装置４の概要を示す縦断面図であり、図２は、高周波入力接続部の詳細を示す要部拡大図、図３（ａ）は、高エネルギ電源の等価回路図、（ｂ）は、高エネルギ電源の制御方法の一例を示すタイムチャート図である。
図１に示すように、本発明の高周波プラズマ点火装置４は、点火プラグ１と、高エネルギ電源２と、エンジン電子制御装置（ＥＣＵ）３とによって構成されている。
本発明の高周波プラズマ点火装置４は、図略の内燃機関の燃焼室に先端部分が臨むように装着した点火プラグ１に高周波発振回路２０から発振する高周波ＲＦと高電圧発生回路２１で発生する高電圧ＨＶとを重畳的に入力可能する高周波・高電圧混成回路２２を設けた高エネルギ電源２から高周波ＲＦと高電圧ＨＶとを一の同軸ケーブルを介して入力可能とする同軸ケーブル結合部１０を設け、さらに、高周波ＲＦを入力したときに、点火プラグ１からの高周波ＲＦの漏れによる損失を抑制しつつ、高電圧ＨＶのリークを抑制を図るべくプラグ内を同軸構造とするプラグ内同軸構造部１１を設け、さらに、入力された高周波ＲＦを共振させ、プラグの先端に電界強度を高めた領域を形成して、その周囲の気体を高エネルギ状態に励起して放電し易い状態とし、これに高電圧ＨＶを重畳的に印加することにより、点火プラグの先端で放電させ、比較的低い投入エネルギで、効率良く高エネルギ状態の熱プラズマを発生させ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ようにする同軸点火部１２を設けたことを特徴とするものである。
点火プラグ１は、同軸ケーブル結合部１０とプラグ内同軸部１１と同軸構造点火部１２とによって構成されている。
同軸ケーブル結合部１０は、中心に配設された導電率の高い銅等の金属材料からなる中心導線１００と、その外周を覆うように配設されたフッ素樹脂、シリコン樹脂、ポリエチレン等の可撓性絶縁材料からなる誘導層１０１と、さらにその外周を覆うように配設された金属網組線や金属箔等からなる外側導体１０２と、さらにその外周を覆うように配設されたポリビニル、フッ素樹脂、シリコン樹脂等の可撓性絶縁材料からなる絶縁保護層１０３とからなる同軸ケーブル構造となっており、略筒状に形成され金属材料からなるコネクタ部１０６の基端側に設けられた加締め部１０３によって外側導体１０２の端末部が加締め固定されると共に外側導体１０２が接地状態となり、コネクタ部１０６の先端側外周に設けられたコネクタネジ部１０７によって点火プラグ１の基端側に螺結されている。
さらに、中心導線１００の端末部には、金属材料からなり、略筒状に形成されたターミナル部１０５が嵌着され、プラグ内同軸部１１の中心に配設された中心電極１１０の基端を弾性的に把持し、中心導線１００と中心電極１１０とが電気的に接続された状態となっている。
同軸ケーブル結合部１０は、中心に配設された導電率の高い銅等の金属材料からなる中心導線１００と、その外周を覆うように配設されたフッ素樹脂、シリコン樹脂、ポリエチレン等の可撓性絶縁材料からなる誘導層１０１と、さらにその外周を覆うように配設された金属網組線や金属箔等からなる外側導体１０２と、さらにその外周を覆うように配設されたポリビニル、フッ素樹脂、シリコン樹脂等の可撓性絶縁材料からなる絶縁保護層１０３とからなる同軸ケーブル構造となっており、略筒状に形成され金属材料からなるコネクタ部１０６の基端側に設けられた加締め部１０３によって外側導体１０２の端末部が加締め固定されると共に外側導体１０２が接地状態となり、コネクタ部１０６の先端側外周に設けられたコネクタネジ部１０７によって点火プラグ１の基端側に螺結されている。
さらに、中心導線１００の端末部には、金属材料からなり、略筒状に形成されたターミナル部１０５が嵌着され、プラグ内同軸部１１の中心に配設された中心電極１１０の基端を弾性的に把持し、中心導線１００と中心電極１１０とが電気的に接続された状態となっている。
同軸ケーブル結合部１０は、中心導体１００の周囲は、外側導体１０２によって覆われ、さらに、ターミナル部１０５の周囲は、コネクタ部１０６によって覆われた同軸構造となっているので、高エネルギ電源２から入力された高周波ＲＦの外部への漏洩を防止して中心電極１１０に伝達すると共に高電圧ＨＶを中心電極１１０に伝達することができる。
なお、本図には、外側導体１０２を一層のみ設けた例を示したが、外側導体１０２は、漏洩防止特性を向上させるために、網組導線を二重にしたり、網組導線をさらに金属箔で覆ったりした多層構造としても良い。
また、中心導線１００の導電性を向上すべく、銅線の表面に銀等の高導電性の金属膜を形成したものを用いても良い。
加えて、中心導体１００に高電圧ＨＶを印加したときに、外側導体１０２との間で絶縁破壊されリーク放電が起こらないよう、充分な絶縁耐圧を有する誘電層１０１の厚みを設定する必要があるが、本発明においては、高電圧ＨＶの印加に先んじて、高周波ＲＦの入力により、予め放電し易い状態とした上で高電圧ＨＶの印加を行うので、中心導体１００と外側導体１０２との間でリーク放電は起こり難くなっている。
さらに、中心導体１００と外側導体１０２との内外径比を一定とし、インピーダンス整合を図っている。
例えば、本実施形態において、中心導体１００は、半径０．７ｍｍ、誘電層１０１をフッ素樹脂で形成した場合、比誘電率εｒが２．１、絶縁耐圧が２０ｋＶ／ｍｍとして、誘電層１０１は、肉厚３．０ｍｍ、比誘電率２．１、絶縁耐圧６０ｋＶ、外側導体１０２は、半径１．８５ｍｍに設定され、同軸ケーブル結合部１０の特性インピーダンスＺ１０は、５０Ωとなり、同軸ケーブル結合部１０の絶縁耐圧は、２０ｋＶ以上となる。
なお、本図には、外側導体１０２を一層のみ設けた例を示したが、外側導体１０２は、漏洩防止特性を向上させるために、網組導線を二重にしたり、網組導線をさらに金属箔で覆ったりした多層構造としても良い。
また、中心導線１００の導電性を向上すべく、銅線の表面に銀等の高導電性の金属膜を形成したものを用いても良い。
加えて、中心導体１００に高電圧ＨＶを印加したときに、外側導体１０２との間で絶縁破壊されリーク放電が起こらないよう、充分な絶縁耐圧を有する誘電層１０１の厚みを設定する必要があるが、本発明においては、高電圧ＨＶの印加に先んじて、高周波ＲＦの入力により、予め放電し易い状態とした上で高電圧ＨＶの印加を行うので、中心導体１００と外側導体１０２との間でリーク放電は起こり難くなっている。
さらに、中心導体１００と外側導体１０２との内外径比を一定とし、インピーダンス整合を図っている。
例えば、本実施形態において、中心導体１００は、半径０．７ｍｍ、誘電層１０１をフッ素樹脂で形成した場合、比誘電率εｒが２．１、絶縁耐圧が２０ｋＶ／ｍｍとして、誘電層１０１は、肉厚３．０ｍｍ、比誘電率２．１、絶縁耐圧６０ｋＶ、外側導体１０２は、半径１．８５ｍｍに設定され、同軸ケーブル結合部１０の特性インピーダンスＺ１０は、５０Ωとなり、同軸ケーブル結合部１０の絶縁耐圧は、２０ｋＶ以上となる。
プラグ内同軸部１１は、中心に配設され長軸状に伸びる中心電極１１０と、その外側を覆うように配設された略筒状の中心電極ステム１１２と、さらにその外側を覆うように配設された絶縁体の一部を略筒状の内側絶縁体１１３とその外側を覆う得略筒状の外側絶縁体１１５とからなる二重筒構造とし、内側絶縁体１１３と外側絶縁体１１５との境界に略筒状の接地外側導体１１４を設け、外側絶縁体１１５のさらに外側を覆うように配設されたハウジング１１６とによって構成された同軸構造となっている。
また、外側絶縁体１１５の先端側に連なって外側絶縁体１１５の外径よりも径大となる絶縁体大径部１１８が形成され、ハウジング１１６によって加締め固定されている。
さらに、絶縁体大径部１１８の先端側に連なって、絶縁体大径部１１８よりも径小となり、略筒状の絶縁体下半部１２６が形成されている。
また、外側絶縁体１１５の先端側に連なって外側絶縁体１１５の外径よりも径大となる絶縁体大径部１１８が形成され、ハウジング１１６によって加締め固定されている。
さらに、絶縁体大径部１１８の先端側に連なって、絶縁体大径部１１８よりも径小となり、略筒状の絶縁体下半部１２６が形成されている。
ハウジング１１６の基端側には、コネクタ固定部１１７が設けられ、上述の同軸ケーブル結合部１０のコネクタネジ部１０７が気密に螺結され、中心電極１１０の基端側には、ターミナル部１０５が嵌着されている。
中心電極１００は、には、中心電極ネジ部１１１が設けられ、中心電極ステム１１２にねじ込み固定されている。
中心電極ステム１１２は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ等の導電率の高い金属材料によって略筒状に形成され、内側絶縁体１１３に固定されている。
内側絶縁体１１３は、アルミナ等の耐熱性絶縁材料によって略筒状に形成されている。
接地外側導体１１４は、Ｎｉ、Ａｇ、Ｐｔ等の金属材料を略筒状に形成された金属筒、又は、内側絶縁体１１３の外周表面にメッキ、蒸着等により形成した金属膜によって構成されている。
接地外側導体１１４は、コネクタ部１０６を介して外側導体１０２及びハウジング１１６と接続され接地状態となっている。
中心電極１１０及び中心電極ステム１１２と内側絶縁体１１３を介して接地外側導体１１３とによって同軸構造が形成され、その特性インピーダンスＺ１１と、同軸ケーブル結合部１０の特性インピーダンスＺ１０とが整合し、かつ、高電圧ＨＶを中心電極１１０に印加したときに、中心電極１１０と接地外側導体１１３との間で絶縁リークが起こらないよう、中心電極ステム１１２の外径と内側絶縁体１１３の外径とが設定されている。
具体的には、内側絶縁体１１３を構成するアルミナの比誘電率εｒが９．４（１ＭＨｚ）で、絶縁耐圧が１５ｋＶ／ｍｍである場合、中心電極ステム１１２の外径を１．６ｍｍ、接地外側導体１１３の内径を１８ｍｍとすることによって、特性インピーダンスＺ１１は、５０Ωとなり、絶縁耐圧は、２０ｋＶ以上とすることができる。
中心電極１００は、には、中心電極ネジ部１１１が設けられ、中心電極ステム１１２にねじ込み固定されている。
中心電極ステム１１２は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ等の導電率の高い金属材料によって略筒状に形成され、内側絶縁体１１３に固定されている。
内側絶縁体１１３は、アルミナ等の耐熱性絶縁材料によって略筒状に形成されている。
接地外側導体１１４は、Ｎｉ、Ａｇ、Ｐｔ等の金属材料を略筒状に形成された金属筒、又は、内側絶縁体１１３の外周表面にメッキ、蒸着等により形成した金属膜によって構成されている。
接地外側導体１１４は、コネクタ部１０６を介して外側導体１０２及びハウジング１１６と接続され接地状態となっている。
中心電極１１０及び中心電極ステム１１２と内側絶縁体１１３を介して接地外側導体１１３とによって同軸構造が形成され、その特性インピーダンスＺ１１と、同軸ケーブル結合部１０の特性インピーダンスＺ１０とが整合し、かつ、高電圧ＨＶを中心電極１１０に印加したときに、中心電極１１０と接地外側導体１１３との間で絶縁リークが起こらないよう、中心電極ステム１１２の外径と内側絶縁体１１３の外径とが設定されている。
具体的には、内側絶縁体１１３を構成するアルミナの比誘電率εｒが９．４（１ＭＨｚ）で、絶縁耐圧が１５ｋＶ／ｍｍである場合、中心電極ステム１１２の外径を１．６ｍｍ、接地外側導体１１３の内径を１８ｍｍとすることによって、特性インピーダンスＺ１１は、５０Ωとなり、絶縁耐圧は、２０ｋＶ以上とすることができる。
同軸構造点火部１２は、絶縁体下半部１２６内の中心に保持され略長軸状に伸びる中心導体アンテナ部１２３と、中心導体アンテナ部１２３に接続して略円板状に形成された中心導体非接地基底部１２２と、中心導体非接地基底部１２２の外周縁に連なって略筒状に形成された非接地外側導体１２５と、絶縁体下半部１２６の内側に区画した同軸空洞部１２４とによって同軸共振体を構成し、さらにその外周が筒状のハウジング１１６の下半部１２７で覆われ、その外周に設けたハウジングネジ部１２８によって図略の内燃機関の燃焼室に固定され、さらに、ハウジング下半部１２７に連なって、中心導体アンテナ部１２３の先端に向かって略Ｌ字型に伸びる接地電極１２９が形成され、接地電極１２９の先端には、中心導体１２３の先端との間に所定の放電間隙ＳＰＧを隔てて対向する接地電極放電部１３０が形成されている。
中心導体アンテナ部１２３は、Ｎｉ等の耐熱性の高い導電性材料を用いて略長軸状に形成され、非接地外側相対１２４よりも僅かに（ΔＬ、例えば１ｍｍ〜２ｍｍの範囲）先端側に突き出している。
本実施形態においては、中心導体非接地基底部１２２は、中心導体アンテナ部１２３の基端側に連なって、外径方向に向かって略円板状に形成されている。
さらに、中心導体非接地基底部１２２の外周縁に延設して略筒状に形成した非接地外側導体１２４が形成され、中心導体非接地基底部１２２の基端側表面の中心には、先端側に向かって略すり鉢状に窪んだ中心導体凹陥部１２１設けられており、先端先細りに形成された中心電極１１０の先端と高エネルギ入力部１２０において密着し導通状態となっている。
非接地外側導体１２４の長さＬは、入力される高周波ＲＦの波長の１／４又はその奇数倍の長さに形成されている。
中心導体アンテナ部１２３は、Ｎｉ等の耐熱性の高い導電性材料を用いて略長軸状に形成され、非接地外側相対１２４よりも僅かに（ΔＬ、例えば１ｍｍ〜２ｍｍの範囲）先端側に突き出している。
本実施形態においては、中心導体非接地基底部１２２は、中心導体アンテナ部１２３の基端側に連なって、外径方向に向かって略円板状に形成されている。
さらに、中心導体非接地基底部１２２の外周縁に延設して略筒状に形成した非接地外側導体１２４が形成され、中心導体非接地基底部１２２の基端側表面の中心には、先端側に向かって略すり鉢状に窪んだ中心導体凹陥部１２１設けられており、先端先細りに形成された中心電極１１０の先端と高エネルギ入力部１２０において密着し導通状態となっている。
非接地外側導体１２４の長さＬは、入力される高周波ＲＦの波長の１／４又はその奇数倍の長さに形成されている。
より詳しくは、図２に示すように、中心電極１１０の先端側は先端先細りとなるように略円錐状に形成されており、中心電極ネジ部１１１をネジ締めしたときに、中心導体非接地基底部１２２に設けられた、略すり鉢状の中心導体凹陥部１２１に当接し、密着状態となり、中心電極１１０と中心導体アンテナ部１２３とが接続され高周波ＲＦを入力する高エネルギ入力部１２０が、中心導体非接地基底部１２２よりも所定の入力高さΔＬ（１ｍｍ〜２ｍｍまでの範囲）だけ、中心導体アンテナ部１２３の先端側に向かって浮き上がった状態となる。
中心導体凹陥部１２１のテーパ角は、中心電極１１９の先端部のテーパ角よりも大きく形成されており、中心導体アンテナ部１２３の所定の高エネルギ入力部１２０に高周波ＲＦと高電圧ＨＶとを入力することができる。
中心導体凹陥部１２１のテーパ角は、中心電極１１９の先端部のテーパ角よりも大きく形成されており、中心導体アンテナ部１２３の所定の高エネルギ入力部１２０に高周波ＲＦと高電圧ＨＶとを入力することができる。
また、本発明において、中心導体アンテナ部１２３、中心導体基底部１２２、非接地外側導体１２３は、電気的に接地されておらず、浮いた状態となっている。
また、接地外側導体１１４の先端と中心導体基底部１２２との絶縁を確保すべく所定の絶縁確保部１１９が設けられ、高エネルギ入力部１２０に高電圧ＨＶが印加されたときに、接地外側導体１１４と中心導体基底部１２２との間でリーク放電が起こり難くなっている。
さらに、同軸構造点火部１２の特性インピーダンスＺ１２は、プラグ内同軸部１１の特性インピーダンスＺ１１、同軸ケーブル結合部１０の特性インピーダンスＺ１０との整合を図るように、中心導体アンテナ部１２３の外径と非接地外側導体１２５の内径とを設定してある。
具体的には、中心導体アンテナ部１２３の外径は、φ３．５ｍｍ、非接地外側導体１２５の内径は、φ８．０ｍｍに設定してある。
また、接地外側導体１１４の先端と中心導体基底部１２２との絶縁を確保すべく所定の絶縁確保部１１９が設けられ、高エネルギ入力部１２０に高電圧ＨＶが印加されたときに、接地外側導体１１４と中心導体基底部１２２との間でリーク放電が起こり難くなっている。
さらに、同軸構造点火部１２の特性インピーダンスＺ１２は、プラグ内同軸部１１の特性インピーダンスＺ１１、同軸ケーブル結合部１０の特性インピーダンスＺ１０との整合を図るように、中心導体アンテナ部１２３の外径と非接地外側導体１２５の内径とを設定してある。
具体的には、中心導体アンテナ部１２３の外径は、φ３．５ｍｍ、非接地外側導体１２５の内径は、φ８．０ｍｍに設定してある。
高エネルギ電源２は、高周波を発振する高周波発振回路２０と高電圧ＨＶを発生する高電圧発生回路２１と高周波ＲＦと高電圧ＨＶと混成する高周波・高電圧混成回路２２とによって構成されている。
より具体的な高エネルギ電源２の例を、図３（ａ）に等価回路を示す。
高周波発振回路２０は、高周波発生回路２００と高周波発生回路２００を駆動する駆動部２０１とによって構成され、バッテリ等の図略の直流電源から入力された直流電圧＋Ｂを、ＥＣＵ３から発信された高周波発振信号ＩＲＦにしたがって、開閉素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を開閉して、直流電流を所定の周波数を有する高周波の交流信号に変換する。
なお、本実施形態においては、いわゆるフルブリッジ方式の高周波発生回路２００を例として示したが、本発明において、高周波発生回路の具体的な回路を限定するものではなく、ハーフブリッジ方式でも、シングル方式でも、プッシュプル方式でも良い。
より具体的な高エネルギ電源２の例を、図３（ａ）に等価回路を示す。
高周波発振回路２０は、高周波発生回路２００と高周波発生回路２００を駆動する駆動部２０１とによって構成され、バッテリ等の図略の直流電源から入力された直流電圧＋Ｂを、ＥＣＵ３から発信された高周波発振信号ＩＲＦにしたがって、開閉素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を開閉して、直流電流を所定の周波数を有する高周波の交流信号に変換する。
なお、本実施形態においては、いわゆるフルブリッジ方式の高周波発生回路２００を例として示したが、本発明において、高周波発生回路の具体的な回路を限定するものではなく、ハーフブリッジ方式でも、シングル方式でも、プッシュプル方式でも良い。
一方、高電圧発生回路２１は、点火コイル２１０とイグナイタ２１１とによって構成されている。
イグナイタ２１１は、ＥＣＵ３から発信された点火信号ＩＧｔにしたがって、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を開閉し、誘導起電力により、点火コイル２１０の一次側に供給されたバッテリ電圧を高い二次電圧に昇圧する。
高周波・高電圧混成回路２２は、高周波発振回路２０から発振された高周波を昇圧する高周波昇圧コイル２２０と、高周波ＲＦの交流電流は伝達し、直流電流は遮断するコンデンサ２２１と、高電圧発生回路２１から印加される高電圧ＨＶの変化によって発生するノイズを吸収する雑音防止抵抗２２２とによって構成されている。
なお、高エネルギ電源２をシールドする等によって、雑音防止抵抗２２２を廃することもできる。また、高周波昇圧コイル２２０を高周波発振回路２０に設けても良い。
イグナイタ２１１は、ＥＣＵ３から発信された点火信号ＩＧｔにしたがって、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を開閉し、誘導起電力により、点火コイル２１０の一次側に供給されたバッテリ電圧を高い二次電圧に昇圧する。
高周波・高電圧混成回路２２は、高周波発振回路２０から発振された高周波を昇圧する高周波昇圧コイル２２０と、高周波ＲＦの交流電流は伝達し、直流電流は遮断するコンデンサ２２１と、高電圧発生回路２１から印加される高電圧ＨＶの変化によって発生するノイズを吸収する雑音防止抵抗２２２とによって構成されている。
なお、高エネルギ電源２をシールドする等によって、雑音防止抵抗２２２を廃することもできる。また、高周波昇圧コイル２２０を高周波発振回路２０に設けても良い。
高周波・高電圧混成回路２２は、高周波発振回路２０から発振された高周波ＲＦの高電圧発生回路２１への侵入を遮断すると共に、高電圧発生回路２１で発生した高電圧ＨＶの高周波発生回路２０への侵入を遮断しつつ、高周波ＲＦと高電圧ＨＶとを重畳的に点火プラグ１へ入力する。
このとき、内燃機関の運転状況に応じてＥＣＵ３から発信される高周波発振信号ＩＲＦと点火信号ＩＧｔは、図３（ｂ）に示すように、高電圧発生回路２１からの高電圧ＨＶの印加に先んじて、予め高周波発振回路２０から、高周波ＲＦを入力する。
高周波発振回路２０から点火プラグ１に高周波ＲＦが入力されると、同軸構造の同軸ケーブル結合部１０、プラグ内同軸構造部１１を介して外部に漏れることなく伝達された高周波が、中心導体アンテナ部１２３の所定の位置に設けられた高エネルギ入力部１２０に入力され、中心導体アンテナ部１２３と非接地外側導体１２５とによって区画された共振空洞部１２４ないに高周波ＲＦの定在波を形成し、中心導体アンテナ部１２３の先端に強電界領域を形成し、その周囲の気体を高エネルギ状態に励起し、放電が起こり易い状態となる。
このとき、内燃機関の運転状況に応じてＥＣＵ３から発信される高周波発振信号ＩＲＦと点火信号ＩＧｔは、図３（ｂ）に示すように、高電圧発生回路２１からの高電圧ＨＶの印加に先んじて、予め高周波発振回路２０から、高周波ＲＦを入力する。
高周波発振回路２０から点火プラグ１に高周波ＲＦが入力されると、同軸構造の同軸ケーブル結合部１０、プラグ内同軸構造部１１を介して外部に漏れることなく伝達された高周波が、中心導体アンテナ部１２３の所定の位置に設けられた高エネルギ入力部１２０に入力され、中心導体アンテナ部１２３と非接地外側導体１２５とによって区画された共振空洞部１２４ないに高周波ＲＦの定在波を形成し、中心導体アンテナ部１２３の先端に強電界領域を形成し、その周囲の気体を高エネルギ状態に励起し、放電が起こり易い状態となる。
一方、ＥＣＵ３から発信された点火信号にしたがって、高電圧発生回路２１から高電圧ＨＶが印加されると、高電圧のみを印加した場合よりも低い放電電圧で中心導体アンテナ部１２３の先端と接地電極放電部１３０との間でアーク放電が発生し、予め高周波ＲＦによって励起された気体に放電が行われることによって中心導体アンテナ部１２３の先端に極めて高いエネルギ状態のプラズマが発生し、燃焼室内の混合気への点火が行われる。
さらに、高電圧発生回路２１からの高電圧ＨＶの印加後も引き続き高周波発生回路２０から高周波ＲＦの発振が継続されると、そのエネルギは、プラズマの火炎成長に利用され、内燃機関の確実な点火に導くことができる。
さらに、高電圧発生回路２１からの高電圧ＨＶの印加後も引き続き高周波発生回路２０から高周波ＲＦの発振が継続されると、そのエネルギは、プラズマの火炎成長に利用され、内燃機関の確実な点火に導くことができる。
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点火装置４ａに用いられる点火プラグ１ａの概要について説明する。
なお、本実施形態においても上述の高エネルギ電源２及びＥＣＵ３を用いるため、高エネルギ電源２及びＥＣＵ３については説明を省略し、点火プラグ１ｂについてのみ説明するが、上記実施形態と同様の構成については、同じ符号を付したので説明を省略し、相違点を中心に説明する。また、以下に述べる他の実施形態についても同様とする。
上記実施形態においては、同軸構造点火部１２において、共振空洞部１２４を形成するに際し、Ｎｉ等の金属材料を用いて中心導体基底部１２２と、非接地外側導体１２５とを中心導体アンテナ部１２３と一体的に形成した例を示したが、本実施形態においては、本図に示すように、中心導体基底部１２２ａを中心電極ステム１１０と略同径に形成し、内側絶縁体１１３の先端に係止させ、非接地基底部導体１３１及び非接地外側導体１２５ａとして、共振空洞部１２４に対向する絶縁体下半部１２６の内周壁表面を覆うようにＮｉやＡｇ等の導電性材料を用いて、メッキや蒸着等の方法により膜状の金属層によって形成してある。
このような構成とすることによって、上記実施形態と同様の効果に加え、非接地基底部導体１３１及び非接地外側導体１２５ａを膜状にすることによって点火プラグ１ａの体格をより小型化することも可能となる。
なお、本実施形態においても上述の高エネルギ電源２及びＥＣＵ３を用いるため、高エネルギ電源２及びＥＣＵ３については説明を省略し、点火プラグ１ｂについてのみ説明するが、上記実施形態と同様の構成については、同じ符号を付したので説明を省略し、相違点を中心に説明する。また、以下に述べる他の実施形態についても同様とする。
上記実施形態においては、同軸構造点火部１２において、共振空洞部１２４を形成するに際し、Ｎｉ等の金属材料を用いて中心導体基底部１２２と、非接地外側導体１２５とを中心導体アンテナ部１２３と一体的に形成した例を示したが、本実施形態においては、本図に示すように、中心導体基底部１２２ａを中心電極ステム１１０と略同径に形成し、内側絶縁体１１３の先端に係止させ、非接地基底部導体１３１及び非接地外側導体１２５ａとして、共振空洞部１２４に対向する絶縁体下半部１２６の内周壁表面を覆うようにＮｉやＡｇ等の導電性材料を用いて、メッキや蒸着等の方法により膜状の金属層によって形成してある。
このような構成とすることによって、上記実施形態と同様の効果に加え、非接地基底部導体１３１及び非接地外側導体１２５ａを膜状にすることによって点火プラグ１ａの体格をより小型化することも可能となる。
図５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点火装置４ｂに用いられるプラズマ点火プラグ１ｂの概要について説明する。
上記実施形態においては、共振空洞部１２４として、絶縁体下半部１２６内に空洞を設けたが、本実施形態においては、共振空洞内誘導層１２４ｂとして、空洞部に換えて内側にアルミナ等の耐熱性絶縁材料が充填されている。
このような構成であっても、高周波ＲＦは、共振空洞内誘導層１２４ｂを透過し定在波を形成するので上記実施形態と同様の効果を発揮できる。
加えて、中心導体アンテナ部１２３の側面及び、非接地外側導体１２５、１２５ａ、非接地基底部導体１３１の表面が共振空洞内誘導層１２４ｂによって燃焼室から遮断されるの、内燃機関でくすぶりが生じても、未燃燃料やカーボンなどが堆積することがなく、高周波ＲＦの伝播効率の悪化を招く虞がない。
本発明によらず、中心導体アンテナ部や外側導体が燃焼室に晒されていると、デポジットの堆積によって高周波ＲＦの伝播効率の低下を招く虞がある。
上記実施形態においては、共振空洞部１２４として、絶縁体下半部１２６内に空洞を設けたが、本実施形態においては、共振空洞内誘導層１２４ｂとして、空洞部に換えて内側にアルミナ等の耐熱性絶縁材料が充填されている。
このような構成であっても、高周波ＲＦは、共振空洞内誘導層１２４ｂを透過し定在波を形成するので上記実施形態と同様の効果を発揮できる。
加えて、中心導体アンテナ部１２３の側面及び、非接地外側導体１２５、１２５ａ、非接地基底部導体１３１の表面が共振空洞内誘導層１２４ｂによって燃焼室から遮断されるの、内燃機関でくすぶりが生じても、未燃燃料やカーボンなどが堆積することがなく、高周波ＲＦの伝播効率の悪化を招く虞がない。
本発明によらず、中心導体アンテナ部や外側導体が燃焼室に晒されていると、デポジットの堆積によって高周波ＲＦの伝播効率の低下を招く虞がある。
図６を参照して、本発明の第４の実施形態におけるプラズマ点火装置４ｃに用いられるプラズマ点火プラグ１ｃの概要について説明する。上記実施形態においては、中心導体アンテナ部１２３の先端が、絶縁体下半部１２６よりも先端側に突き出し、接地電極１２９が中心導体アンテナ部１２３に向かって略Ｌ字形に伸びるように形成された構成を示したが、本実施形態においては、絶縁体下半部１２６ｃと共振空洞内誘導層１２４ｃとを中心導体アンテナ部１２３ｃの下端面よりも長くして、一端が開放する開口部を設けた略筒状に形成し、中心導体アンテナ部１２３ｃの先端が共振空洞内誘導層１２４ｃの先端よりも基端側に引き込んだ状態とし、共振空洞内誘導層１２４ｃの内側に放電空間１３２を区画すると共に、絶縁体下半部１２６ｃの先端及び共振空洞内誘導層１２４ｃの下端面を覆うように共振空洞内誘電層１２４ｃの開口部に連通する接地電極開口部を設けて接地電極１２９ｃを略円環状に形成した点が相違する。
このような構成とすることにより、高周波ＲＦの入力と高電圧ＨＶの印加により中心導体アンテナ部１２３ｃの先端に形成されたプラズマは、限られた容積を有する放電空間１３２内の圧力を上昇させ、放電空間１３２から略球状のプラズマ火炎となって燃焼室内に噴射されることになる。
また、放電空間１３２の内部で混合気の火炎成長が行われ、燃焼室内に強い気流が発生しているような場合であっても、プラズマ火炎が吹き消されることなくより確実な点火を実現できる。
さらに、本実施形態においても、共振空洞内誘導層１２４ｃによって中心導体アンテナ部１２３ｃの側面及び非接地外側導体１２５ｃの表面が燃焼室内に露出しないため、くすぶりの影響が抑制されている。
なお、本実施形態においては、中心導体アンテナ部１２３ｃの外径をφ１．３ｍｍ程度に縮径すると共に、放電空間１３２の長さを３ｍｍ程度とすることによってプラズマ火炎の噴射力を促進させている。
さらに、このような構成にするに当たって、中心導体アンテナ部１２３ｃの外径に応じて共振空間内誘電層１２４ｃの外径も縮径させ、非接地外側導体１２５ｃの外径を縮径させ、同軸構造点火部１２ｃの特性インピーダンスＺ１２ｃの整合を図っている。
このような構成とすることにより、高周波ＲＦの入力と高電圧ＨＶの印加により中心導体アンテナ部１２３ｃの先端に形成されたプラズマは、限られた容積を有する放電空間１３２内の圧力を上昇させ、放電空間１３２から略球状のプラズマ火炎となって燃焼室内に噴射されることになる。
また、放電空間１３２の内部で混合気の火炎成長が行われ、燃焼室内に強い気流が発生しているような場合であっても、プラズマ火炎が吹き消されることなくより確実な点火を実現できる。
さらに、本実施形態においても、共振空洞内誘導層１２４ｃによって中心導体アンテナ部１２３ｃの側面及び非接地外側導体１２５ｃの表面が燃焼室内に露出しないため、くすぶりの影響が抑制されている。
なお、本実施形態においては、中心導体アンテナ部１２３ｃの外径をφ１．３ｍｍ程度に縮径すると共に、放電空間１３２の長さを３ｍｍ程度とすることによってプラズマ火炎の噴射力を促進させている。
さらに、このような構成にするに当たって、中心導体アンテナ部１２３ｃの外径に応じて共振空間内誘電層１２４ｃの外径も縮径させ、非接地外側導体１２５ｃの外径を縮径させ、同軸構造点火部１２ｃの特性インピーダンスＺ１２ｃの整合を図っている。
図７を参照して本発明の第５の実施形態における高周波プラズマ点火装置４ｄに用いられる点火プラグ１ｄについて説明する。
上記実施形態においては、中心電極１１０の先端を先細りにし、中心導体基底部１２２に設けた凹陥部１２１に密着させ、高エネルギ入力部１２０を中心導体アンテナ部１２３、１２３ｃの所定の位置に配設し、同軸点火部１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃにおいて、中心導体アンテナ部１２３、１２３ｃと非接地外側導体１２５、１２５ａ、１２５ｃとによって同軸共振体を構成し、高周波ＨＲの定在波を形成し、中心導体アンテナ部１２３、１２３ｃの先端に電界強度の高い領域を形成し、放電しやすい状態とした上で、高電圧ＨＶを印加して中心導体アンテナ部１２３、１２３ｃの先端にプラズマを発生させる構成を示したが、本実施形態においては、中心電極１１０ｄ及び中心電極ステム１１２ｄを導電性接着層からなる高エネルギ入力部１２０ｄを介して中心導体１２０ｄと結合し、中心導体１２０ｄの外周を覆うように略筒状に形成した絶縁体１２４ｄを配設して、さらにその外周を覆うように配設した外側導体１２５ｄを設けてプラグ内同軸部１１ｄの接地外側導体１１４ｄと直列となるように接続して、同軸構造とした点が相違する。
このような構成とすることによって、中心電極１１０ｄから入力された高周波ＲＦが点火プラグ１ｄ内を通過する際に漏れなく伝達され、中心導体１２３ｄの先端からストリーマ放電として放出され、周囲の気体を活性化した状態で、高電圧ＨＶが印加されると、中心導体１２３ｄの先端と接地電極放電部１３０との間で放電が起こり、比較的低い投入エネルギで効率良く内燃機関の点火を行うことができる。
上記実施形態においては、中心電極１１０の先端を先細りにし、中心導体基底部１２２に設けた凹陥部１２１に密着させ、高エネルギ入力部１２０を中心導体アンテナ部１２３、１２３ｃの所定の位置に配設し、同軸点火部１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃにおいて、中心導体アンテナ部１２３、１２３ｃと非接地外側導体１２５、１２５ａ、１２５ｃとによって同軸共振体を構成し、高周波ＨＲの定在波を形成し、中心導体アンテナ部１２３、１２３ｃの先端に電界強度の高い領域を形成し、放電しやすい状態とした上で、高電圧ＨＶを印加して中心導体アンテナ部１２３、１２３ｃの先端にプラズマを発生させる構成を示したが、本実施形態においては、中心電極１１０ｄ及び中心電極ステム１１２ｄを導電性接着層からなる高エネルギ入力部１２０ｄを介して中心導体１２０ｄと結合し、中心導体１２０ｄの外周を覆うように略筒状に形成した絶縁体１２４ｄを配設して、さらにその外周を覆うように配設した外側導体１２５ｄを設けてプラグ内同軸部１１ｄの接地外側導体１１４ｄと直列となるように接続して、同軸構造とした点が相違する。
このような構成とすることによって、中心電極１１０ｄから入力された高周波ＲＦが点火プラグ１ｄ内を通過する際に漏れなく伝達され、中心導体１２３ｄの先端からストリーマ放電として放出され、周囲の気体を活性化した状態で、高電圧ＨＶが印加されると、中心導体１２３ｄの先端と接地電極放電部１３０との間で放電が起こり、比較的低い投入エネルギで効率良く内燃機関の点火を行うことができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、少なくとも、することによって、を図ろうとする本発明の趣旨に反しない限りにおいて適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、高電圧電源２１として、いわゆる誘導放電型（ＴＣＩ）の放電回路を示したが、いわゆる容量放電型（ＣＤＩ）の放電回路でも良い。
例えば、上記実施形態においては、高電圧電源２１として、いわゆる誘導放電型（ＴＣＩ）の放電回路を示したが、いわゆる容量放電型（ＣＤＩ）の放電回路でも良い。
４ 高周波プラズマ点火装置
１ 点火プラグ
１０ 高周波入力部
１００ 中心導線
１０１ 誘電層
１０２ 外側導体
１０３ 絶縁保護層
１０４ コネクタ加締め部
１０５ ターミナル部
１０６ コネクタ部
１０７ コネクタネジ部
１１ プラグ内同軸構造部
１１０ 中心導体
１１１ 中心導体ネジ部
１１２ ステム部
１１３ 内側絶縁体
１１４ 接地外側導体
１１５ 外側絶縁体
１１６ ハウジング部
１１７ コネクタ固定部
１１８ 外側絶縁体大径部
１１９ 外側導体絶縁確保部
１２ 同軸構造点火部
１２０ 高周波入力部
１２１ 中心導体凹陥部
１２２ 中心導体基底部
１２３ 中心導体アンテナ部
１２４ 共振空洞部
１２５ 非接地外側導体
１２６ 点火部外側絶縁体
１２７ ハウジング下半部
１２８ ハウジングネジ部
１２９ 接地電極
１３０ 接地電極放電部
２ 高エネルギ電源
２０ 高周波発振回路
２１ 高電圧発生回路
２１０ 点火コイル
２１１ イグナイタ
２２ 高周波、高電圧混成回路
２２０ 高周波昇圧回路（高周波発振回路保護手段）
２２１ 高周波伝達コンデンサ（直流遮断手段）
２２２ 雑音防止抵抗
３０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
ＲＦ 高周波
ＨＶ 高電圧
ＩＲＦ 高周波発振信号
ＩＧｔ 点火信号
１ 点火プラグ
１０ 高周波入力部
１００ 中心導線
１０１ 誘電層
１０２ 外側導体
１０３ 絶縁保護層
１０４ コネクタ加締め部
１０５ ターミナル部
１０６ コネクタ部
１０７ コネクタネジ部
１１ プラグ内同軸構造部
１１０ 中心導体
１１１ 中心導体ネジ部
１１２ ステム部
１１３ 内側絶縁体
１１４ 接地外側導体
１１５ 外側絶縁体
１１６ ハウジング部
１１７ コネクタ固定部
１１８ 外側絶縁体大径部
１１９ 外側導体絶縁確保部
１２ 同軸構造点火部
１２０ 高周波入力部
１２１ 中心導体凹陥部
１２２ 中心導体基底部
１２３ 中心導体アンテナ部
１２４ 共振空洞部
１２５ 非接地外側導体
１２６ 点火部外側絶縁体
１２７ ハウジング下半部
１２８ ハウジングネジ部
１２９ 接地電極
１３０ 接地電極放電部
２ 高エネルギ電源
２０ 高周波発振回路
２１ 高電圧発生回路
２１０ 点火コイル
２１１ イグナイタ
２２ 高周波、高電圧混成回路
２２０ 高周波昇圧回路（高周波発振回路保護手段）
２２１ 高周波伝達コンデンサ（直流遮断手段）
２２２ 雑音防止抵抗
３０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
ＲＦ 高周波
ＨＶ 高電圧
ＩＲＦ 高周波発振信号
ＩＧｔ 点火信号
「Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｓｐａｒｋ−Ｐｌｕｇ ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ Ｗｉｔｈ Ｇａｓｏｌｉｎｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ（ＧＤＩ）」、 ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｐｌａｓｍａ Ｓｃｉ． ３３巻、１６９６頁−１７０２頁、 Ｎｏ．５、２００５年１０月
Claims (5)
- 少なくとも、絶縁体を介して中心電極と接地電極とを配設しハウジングによって内燃機関の燃焼室内に先端が臨むように固定した点火プラグと、該点火プラグに高周波の発振と高電圧の印加とを行う高エネルギ電源と、上記内燃機関の運転状況に応じて高エネルギ電源に高周波発振信号と点火信号とを発信して高周波の発振と高電圧の印加とを制御する電子制御装置とを具備し、高周波の入力と高電圧の印加とによって、高エネルギのプラズマを発生させ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、
上記高エネルギ電源が、高周波を発振する高周波発振回路と、高電圧を発生する高電圧発生回路と、少なくともコンデンサを介して高周波発振回路と高電圧発生回路とを結合することにより高周波発振回路から発振された高周波の高電圧発生回路への侵入を遮断しつつ高電圧発生回路から印加された高電圧の高周波発振回路への侵入を遮断する高周波・高電圧混成回路とを具備し、
中心導体と誘電層と外側導体とを同軸に配設した同軸ケーブルを介して上記高エネルギ電源と上記点火プラグとを接続し、
上記点火プラグが、上記同軸ケーブルの中心導体と上記中心電極とを接続すると共に、上記外側導体と上記中心電極との絶縁を図りつつ上記外側導体と上記ハウジングとを接地状態とする同軸ケーブル結合部と、
上記絶縁体の少なくとも一部を内側絶縁体と外側絶縁体とからなる二重筒構造として内側絶縁体と外側絶縁体との境界にハウジングと接地状態とした接地外側導体を設けて、上記中心電極と上記接地外側導体及び上記ハウジングとの絶縁を図りつつ同軸ケーブルとインピーダンス整合を図ったプラグ内同軸構造部と、
上記外側絶縁体に延設した略筒状の絶縁体下半部によって上記ハウジング及び上記接地外側導体との絶縁を図りつつ絶縁体下半部の内側に保持した長軸状の中心導体アンテナ部と、該中心導体アンテナ部の基端に結合した略円板状の中心導体基底部と、該中心導体基底部の外周縁に延設した略筒状で内側に上記高周波の波長の１／４又はその奇数倍の長さの共振空洞部を設けた非接地外側導体とによって同軸共振体を構成すると共に、
上記中心電極と上記中心導体アンテナ部とを上記中心導体基底部から所定の高さだけ浮き上がらせた位置に設けた高エネルギ入力部で結合し、
上記接地電極を上記中心導体アンテナ部の先端に所定の放電間隙を設けて対向せしめた同軸点火部とからなることを特徴とする高周波プラズマ点火装置。 - 上記高エネルギ入力部として、上記中心電極の先端を先端先細りに尖らせ、上記中心導体基底部に略すり鉢状に窪んだ凹陥部を設け、上記中心電極の先端を該凹陥部に当接せしめた請求項１に記載の高周波プラズマ点火装置。
- 上記絶縁体下半部の内側に区画した共振空洞部の内周壁表面に膜状の金属層を形成して上記非接地外側導体とした上記請求項１又は２に記載の高周波プラズマ点火装置。
- 上記共振空洞の内側を共振空洞内誘電層によって充填した請求項１ないし３のいずれかに記載の高周波プラズマ点火装置。
- 上記共振空洞の内側を、先端側が開放する開口部を設けた略筒状の共振空洞内誘電層によって充填すると共に、
該共振空洞内誘電層の長さを上記中心導体アンテナ部の先端よりも長く形成し、
さらに、上記接地電極として上記共振空洞内誘導層の下端面を覆いつつ、上記開口部に連通する接地電極開口部を有する略円環状に形成して、
上記中心導体アンテナ部の下端面と上記共振空洞内誘電層の内周壁と上記接地電極開口部の内周壁とによって放電空間を区画した請求項１ないし４のいずれかに記載の高周波プラズマ点火装置。
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