JP5851977B2 - プラズマ点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ点火装置に関する。

従来から、内燃機関では、燃料（混合気）を火花放電によって着火する点火プラグが使用されている。混合気の着火性の向上を図るために、混合気をプラズマによって着火するプラズマ点火プラグが提案されている。プラズマ点火プラグでは、中心電極と接地電極との間に高電圧を印加して、両電極の間で火花放電を生じさせて両電極間を絶縁破壊させた後、両電極間に高エネルギーの電流を流すことによって放電状態を遷移させてプラズマを発生させる。両電極間に生じたプラズマは、混合気との接触面積が大きいため混合気への着火性に優れている。

このプラズマ点火プラグと電源装置とを含んで構成されるプラズマ点火装置として、従来から、プラズマ点火プラグに交流電力を供給して電極間に交流プラズマを発生させるプラズマ点火装置が知られている。また、プラズマ点火装置に関連する技術として、交流発生装置から出力される交流を整流させた後にプラズマ点火プラグに供給するプラズマ点火装置において、整流のためのダイオードを内燃機関の気筒ごとに備える技術が開示されている（特許文献１）。また、コイルスパークプラグアセンブリを組み込んだプラズマ発生回路において、コイルスパークプラグアセンブリの共振周波数のうちの一つに基づいて制御信号の周波数を決定する制御装置を備えており、使用する制御周波数に従ってコイルスパークプラグアセンブリを選択的に制御する技術が開示されている（特許文献２、３）。また、共振コイルの２次巻線の両端にイグナイタを設ける技術が開示されている（特許文献４）。

特開２０１１−１５７８６４号公報 特表２０１０−５２０３９９号公報 特表２０１０−５２０４００号公報 ＵＳ２０１２／００５５４５６Ａ１

しかしながら、上記先行技術によっても、プラズマ点火装置の構成については、なお改善の余地があった。例えば、特許文献１のプラズマ点火装置は、各気筒において、電源側の出力インピーダンスとプラズマ点火プラグを含む負荷側の入力インピーダンスとが常に整合が図られた状態となっているため、点火したいプラズマ点火プラグに交流電力を供給したときに、点火したくない他のプラズマ点火プラグにも交流電力が供給されてプラズマが発生するおそれがあった。これにより、プラグの電極の消耗が増大する問題や、内燃機関の制御に不具合が生じるなどの問題があった。また、特許文献２、３のプラズマ発生回路では、交流電源の発振周波数で出力側と入力側のインピーダンスの整合を取っているため、気筒毎に共振周波数がずれるように予め設定する必要があり、装置の構成が複雑になるほか、制御が容易ではない問題があった。また、特許文献４の回路構成では、１つの交流電源によって２気筒までしか分配できないため、３気筒以上の内燃機関に適用する場合、交流電源を複数にする必要があり、プラズマ点火装置のコストの増大やプラズマ点火プラグへの電力の供給効率が低下する問題があった。

プラズマ点火装置は、各気筒のプラズマ点火プラグにそれぞれ対応する交流電源を設けた場合、装置のコストの増大や各交流電源の稼働率が低下する問題があった。一方、交流電源とプラズマ点火プラグとの間の伝送路を分岐させて、１つの交流電源から複数のプラズマ点火プラグに交流電力を供給する場合には、点火したいプラズマ点火プラグに交流電力を供給したときに、点火したくない他のプラズマ点火プラグに交流電力が供給される問題があった。この問題を解決する一つの方法としては、交流電源から分岐された各伝送路にスイッチを設け、点火したいプラズマ点火プラグに対応するスイッチをオンにして、他のスイッチをオフにすることが考えられる。しかし、伝送路にスイッチを設けると、スイッチを介して交流電源からプラズマ点火プラグに交流電力が伝送されるため、高電力によってスイッチに不具合が生じる問題や、スイッチのコストが増大する問題があった。

上記課題を解決するために、本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、
中心電極から交流プラズマを発生させるプラズマ点火プラグと、前記中心電極から交流プラズマを発生させるための交流電力を生成する交流電源部と、前記交流電源部と前記プラズマ点火プラグとの間の交流電力の伝送路に配置され、前記交流電源部の出力インピーダンスと、前記プラズマ点火プラグを含む負荷側の入力インピーダンスとの整合をおこなうための整合部と、前記交流電源部から前記プラズマ点火プラグに交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうためのスイッチと、を備えるプラズマ点火装置が提供される。このプラズマ点火装置は、前記整合部に、コンデンサおよびコイルの少なくとも一方と前記スイッチとを介して前記伝送路とグランドとをつなぐ回路を備え、前記スイッチは、オンとオフとで前記出力インピーダンスと前記入力インピーダンスとの整合の程度を変化させることによって、前記プラズマ点火プラグに交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことを特徴としている。
この構成によれば、スイッチが、交流電源部とプラズマ点火プラグとの間の伝送路上に配置されていなくても、スイッチのオンとオフによって交流電源部からプラズマ点火プラグに交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことができる。また、スイッチが、交流電源部とプラズマ点火プラグとの間の伝送路上に配置されていないため、交流電源からプラズマ点火プラグに交流電力が伝送されるときにスイッチに生じる負荷を抑制することができる。スイッチに生じる負荷を抑制することによって、スイッチのコストを抑制することができる。

（２）上記形態のプラズマ点火装置において、
前記プラズマ点火プラグは、接地電極を備え、前記中心電極と前記接地電極との間の電極間に交流プラズマを発生させることを特徴としていてもよい。
この構成によれば、中心電極と接地電極との間の電極間に交流プラズマを発生させるプラズマ点火プラグを含んで構成されてるプラズマ点火装置において、スイッチに生じる負荷を抑制することができる。

（３）本発明の一形態によれば、
中心電極と接地電極との間の電極間に火花放電および交流プラズマを発生させるプラズマ点火プラグと、前記電極間に火花放電を発生させるための直流電力を生成する直流電源部と、前記火花放電後に前記電極間に交流プラズマを発生させるための交流電力を生成する交流電源部と、前記直流電源部から直流側伝送路を介して供給される直流電力と、前記交流電源部から交流側伝送路を介して供給される交流電力とを、同じ伝送路を介して前記プラズマ点火プラグに伝送する結合部であって、供給された直流電力が前記交流電源部に伝送されることを抑制するためのコンデンサを含んで構成される結合部と、前記交流側伝送路の前記交流電源部と前記結合部との間に配置され、前記交流電源部の出力インピーダンスと、前記結合部および前記プラズマ点火プラグを含む負荷側の入力インピーダンスとの整合をおこなうための整合部と、前記交流電源部から前記プラズマ点火プラグに交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうためのスイッチと、を備えるプラズマ点火装置が提供される。このプラズマ点火装置は、前記整合部または前記結合部に、コンデンサおよびコイルの少なくとも一方と前記スイッチとを介して前記交流側伝送路とグランドとをつなぐ回路を備え、前記スイッチは、オンとオフとで前記出力インピーダンスと前記入力インピーダンスとの整合の程度を変化させることによって、前記プラズマ点火プラグに交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことを特徴としている。
この構成によれば、スイッチが、交流電源部とプラズマ点火プラグとの間の伝送路上に配置されていなくても、スイッチのオンとオフによって交流電源部からプラズマ点火プラグに交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことができる。また、スイッチが、交流電源部とプラズマ点火プラグとの間の伝送路上に配置されていないため、交流電源からプラズマ点火プラグに交流電力が伝送されるときにスイッチに生じる負荷を抑制することができる。スイッチに生じる負荷を抑制することによって、スイッチのコストを抑制することができる。

（４）上記形態のプラズマ点火装置において、
前記回路は、前記整合部が備えていることを特徴としていてもよい。
この構成によれば、コンデンサおよびコイルの少なくとも一方とスイッチとを介して交流側伝送路とグランドとをつなぐ回路が整合部に形成されたプラズマ点火装置において、スイッチに生じる負荷を抑制することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、プラズマ点火プラグの点火をおこなうための点火システム、プラズマ点火装置を含んで構成される内燃機関、プラズマ点火プラグの点火方法、これらの装置または方法を実現するための集積回路、コンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。

第１実施形態におけるプラズマ点火装置１の概略構成を説明するための説明図である。 スイッチ６０の切り換えによって交流電源部３０から点火プラグ１０に伝送される交流電力の伝送効率の変化を説明するための説明図である。 第１実施形態における点火プラグ１０の概略構成を例示した説明図である。 比較例におけるプラズマ点火装置１Ａの概略構成を説明するための説明図である。 第２実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｂの概略構成を説明するための説明図である。 第３実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｃの概略構成を説明するための説明図である。 第４実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｄの概略構成を説明するための説明図である。 第５実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｅの概略構成を説明するための説明図である。 第６実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｆの概略構成を説明するための説明図である。 第７実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｇの概略構成を説明するための説明図である。 第８実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｈの概略構成を説明するための説明図である。 第９実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｉの概略構成を説明するための説明図である。 第１０実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｊの概略構成を説明するための説明図である。 第１１実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｋの概略構成を説明するための説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態におけるプラズマ点火装置１の概略構成を説明するための説明図である。プラズマ点火装置１は、高周波プラズマ点火プラグ（以後、単に「点火プラグ」とも呼ぶ）１０の中心電極と接地電極との間の電極間（以後、単に「電極間」とも呼ぶ）に交流プラズマおよび火花放電を発生させる。プラズマ点火装置１は、内燃機関を備える車両（例えば、自動車）等に搭載され、点火プラグ１０の電極間に発生させた交流プラズマによって燃料（混合気）の点火をおこなう。ここでは、プラズマ点火装置１は、２気筒の内燃機関を備える車両に搭載され、２つの点火プラグ１０（１０ａ、１０ｂ）を含んで構成されているものとして説明する。なお、プラズマ点火装置１に含まれる点火プラグ１０の数は、２つに限定されず、１つであってもよもいし、３つ以上であってもよい。２つの点火プラグ１０ａ、１０ｂは、それぞれ先端部が図示しない内燃機関の燃焼室に露出した状態で内燃機関に固定されている。点火プラグ１０の構成については後述する。

プラズマ点火装置１は、点火プラグ１０と、直流電源部２０と、交流電源部３０と、結合部４０と、整合部５０と、スイッチ６０と、点火制御部７０とを備えている。本実施形態のプラズマ点火装置１は、点火プラグ１０ａ、１０ｂごとに、直流電源部２０と、結合部４０と、整合部５０、スイッチ６０をそれぞれ備えている。ここでは、直流電源部２０ａと、結合部４０ａと、整合部５０ａと、スイッチ６０ａが点火プラグ１０ａに対応しており、直流電源部２０ｂと、結合部４０ｂと、整合部５０ｂ、スイッチ６０ｂが点火プラグ１０ｂに対応している。以下の説明において、「点火プラグ１０」には、「点火プラグ１０ａ」と「点火プラグ１０ｂ」の両方が含まれる。「直流電源部２０」や「結合部４０」等についても同様である。プラズマ点火装置１は、交流電源部３０の数（ここでは１つ）が点火プラグ１０ａ、１０ｂの数（ここでは２つ）よりも少なくなるように構成されている。これにより、プラズマ点火装置１のコストを抑制することができる。

直流電源部２０は、点火プラグ１０の中心電極と接地電極との間の電極間に火花放電を発生させるための直流電力を生成する。直流電源部２０によって生成された直流電力は、直流側伝送路８１と混合伝送路８３を介して点火プラグ１０に伝送される。直流電源部２０は、一次コイル２１と、二次コイル２２と、コア２３と、放電用スイッチ２４と、バッテリ２５とを備えている。直流電源部２０は、放電用スイッチ２４によってバッテリ２５から一次コイル２１への電流の供給をした後、所定時間経過後に停止させることで、二次コイル２２に直流電力を発生させる。直流電源部２０は、二次コイル２２に発生した直流電力を点火プラグ１０に供給する。本実施形態では、直流電源部２０によって生成される直流電力は、数万ボルト程度とすることが好ましい。

交流電源部３０は、火花放電を発生させた点火プラグ１０の電極間に交流プラズマを発生させるための交流電力を生成する。交流電源部３０によって生成された交流電力は、交流側伝送路８２において分岐され、各混合伝送路８３a、８３ｂを介して各点火プラグ１０ａ、１０ｂに伝送される。本実施形態では、交流電源部３０によって生成される交流電力の周波数ｆ１は、比較的高周波数である５０ｋＨｚ≦ｆ１≦１００ＭＨｚを満たすことが好ましい。このようにすることによって、交流プラズマを容易に発生させることができる。

結合部４０は、直流電源部２０から直流側伝送路８１を介して供給される直流電力と、交流電源部３０から交流側伝送路８２を介して供給される交流電力とを、混合伝送路８３を介して点火プラグ１０に伝送するための回路である。結合部４０は、直流電源部２０からの直流電力と交流電源部３０からの交流電力とが同時に供給された場合には、これら２つの電力を重畳させて点火プラグ１０に伝送する。結合部４０は、直流電源部２０から延びる直流側伝送路８１と、交流電源部３０から延びる交流側伝送路８２と、点火プラグ１０から延びる混合伝送路８３と、の交点Ｐｃを含んでいる。また、結合部４０は、交流側伝送路８２の交点Ｐｃと整合部５０との間に配置されたキャパシタ（コンデンサ）４１を含んでいる。コンデンサ４１は、直流電源部２０から供給された直流電力が交流電源部３０に伝送されることを抑制する。なお、結合部４０は、直流側伝送路８１の交点Ｐｃと直流電源部２０との間にインダクタ（コイル）を備えていてもよい。このようにすることによって、交流電源部３０から供給された交流電力が直流電源部２０に伝送されることを抑制することができる。

整合部５０は、交流側伝送路８２の交流電源部３０と結合部４０との間に配置されるＬ型の整合回路であり、インダクタ（コイル）５１とキャパシタ（コンデンサ）５２とを含んで構成されている。コイル５１は、一方の端部が交流電源部３０に接続され、他方の端部が結合部４０に接続されている。コンデンサ５２は、一方の端部がグランドに接続され、他方の端部がスイッチ６０を介してコイル５１と結合部４０との間の交流側伝送路８２に接続されている。すなわち、整合部５０は、コンデンサ５２とスイッチ６０とを介して交流側伝送路８２とグランドとをつなぐ回路５５を含んでいる。なお、整合部５０は、コイルまたはコンデンサと、スイッチ６０とを介して交流側伝送路８２とグランドとをつなぐ回路を含んでいれば、回路構成は、上記に限定されず、後述するようなπ型やＴ型の整合回路を含む任意の回路構成とすることができる。

この整合部５０は、電源側となる交流電源部３０の出力インピーダンスと、負荷側となる点火プラグ１０、結合部４０、および、整合部５０による入力インピーダンスとの整合が図られるようにコンデンサの容量やコイルのインダクタンスが適切な値に調整されている。すなわち、整合部５０は、交流電源部３０の出力インピーダンスと、結合部４０および点火プラグ１０を含む負荷側の入力インピーダンスとの整合をおこなう。整合部５０によるインピーダンス整合によって、電源側の出力インピーダンスと負荷側の入力インピーダンスとは、ほぼ等しくなっている。これにより、交流電源部３０から点火プラグ１０に伝送される交流電力のエネルギー損失を抑制することができる。電源側の出力インピーダンスと負荷側の入力インピーダンスとの間に差があると、例えば、インピーダンスの不連続点において、交流電力の反射損失（リターンロス）が発生する。この場合、点火プラグ１０に伝送される交流電力は、少なくとも交流電源部３０から供給された交流電力から反射損失を差し引いた電力となり、伝送されるエネルギーの損失が生じる。

スイッチ６０は、整合部５０の回路５５の一部に配置され、オンとオフの切り換えによって、整合部５０を含む負荷側の入力インピーダンスを変化させる。これにより、スイッチ６０は、交流電源部３０から点火プラグ１０に交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなう。すなわち、プラズマ点火装置１は、スイッチ６０がオンの時に交流電源部３０から点火プラグ１０に交流電力が伝送され、オフの時に交流電源部３０から点火プラグ１０に交流電力がほぼ伝送されないように構成されている。スイッチ６０のオンとオフによって点火プラグ１０に供給される交流電力量を変化させることができる理由については、後述する。本実施形態のスイッチ６０は、トライアック、フォトカプラ、フォトトライアックなどの半導体スイッチによって構成されている。なお、スイッチ６０は、アナログスイッチによって構成されていてもよい。また、スイッチ６０は、トランジスタやＦＥＴ、サイリスタなどの交流に対応しない素子を逆方向−並列に接続する構成であってもよい。

点火制御部７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリを含んで構成され、プラズマ点火装置１の各構成部の動作を制御する。点火制御部７０は、図示しない運転制御部から出力される制御信号を含む各種入力信号に基づいて、内燃機関の運転状態に応じた点火制御を実行する。点火制御部７０は、各直流電源部２０ａ、２０ｂを制御して、２つの点火プラグ１０ａ、１０ｂのうち、点火をおこなう点火プラグに直流電力を供給して電極間に火花放電を発生させる。また、点火制御部７０は、２つのスイッチ６０ａ、６０ｂを制御して、２つの点火プラグ１０ａ、１０ｂのうち、点火をおこなう点火プラグに交流電力を供給して電極間に交流プラズマを発生させる。点火制御部７０は、点火をおこなう点火プラグに対して、まず、直流電力を供給して電極間に火花放電を発生させる。火花放電を発生させた後、交流電力を供給して電極間に交流プラズマを発生させる。

図２は、スイッチ６０の切り換えによって交流電源部３０から点火プラグ１０に伝送される交流電力の伝送効率の変化を説明するための説明図である。図２の横軸は、交流電源部３０から点火プラグ１０に伝送される交流電力の周波数ｆを示している。図２の縦軸は、交流電源部３０から点火プラグ１０に交流電力を伝送したときに点火プラグ１０に流れる交流電流Ａの絶対値を示している。図２の実線は、スイッチ６０をオンにしたときの交流電源部３０から点火プラグ１０までの間の交流電力の伝送特性を示している。図２の破線は、スイッチ６０をオフにしたときの交流電源部３０から点火プラグ１０までの間の交流電力の伝送特性を示している。

プラズマ点火装置１は、スイッチ６０がオンのときに負荷側の入力インピーダンスと電源側の出力インピーダンスとの整合が図られ、スイッチ６０がオフのときに負荷側の入力インピーダンスと電源側の出力インピーダンスとの整合がくずれるように構成されている。出力インピーダンスと入力インピーダンスとの整合が取れている交流側伝送路８２では、伝送される交流電力の電圧の波形と電流の波形との位相のずれが抑制される。一方、スイッチをオフとなっている交流側伝送路８２では、コンデンサ５２が機能しなくなり、また、スイッチ６０が有する僅かな抵抗分も機能しなくなるため、出力インピーダンスと入力インピーダンスとの整合インピーダンスの整合がくずれる。インピーダンスの整合がくずれると、伝送される交流電力の電圧の波形と電流の波形との位相がずれ、点火プラグ１０に交流プラズマを維持するための交流電力が供給されなくなる。このように、プラズマ点火装置１は、スイッチ６０をオンからオフに切り替えると交流電源部３０から点火プラグ１０に交流電力を伝送するときの伝送効率が低下するように構成されている。これにより、スイッチ６０がオフの時に交流電源部３０から点火プラグ１０に伝送される交流電力の電力量を抑制することができる。

一方、交流電源部３０から供給される交流電力の周波数ｆ１は、スイッチ６０がオンの時に交流電力の伝送効率が最も高くなるよう設定されている。これにより、プラズマ点火装置１は、スイッチ６０がオンの時に交流電源部３０から点火プラグ１０に伝送される交流電力のエネルギー損失を抑制することができる。

本実施形態のプラズマ点火装置１は、交流電源部３０において、２つの点火プラグ１０ａ、１０ｂのうち、点火をおこなう少なくとも一方の点火プラグを含む負荷側の入力インピーダンスを交流電源部３０の出力インピーダンスとの整合が取れるようにし、点火したくない点火プラグを含む負荷側の入力インピーダンスを交流電源部３０の出力インピーダンスとの整合が取れないようにする。これによって、プラズマ点火装置１は、交流側伝送路８２上にスイッチを備えていなくても、点火をおこなう点火プラグに交流電源部３０から交流電力を供給し、点火をおこなわない点火プラグには交流電力をほぼ供給しないようにすることができる。

図３は、第１実施形態における点火プラグ１０の概略構成を例示した説明図である。図３において、点火プラグ１０の中心軸である軸線ＣＡ１の右側には、点火プラグ１０の側面構成を例示し、軸線ＣＡ１の左側には、点火プラグ１０の断面構成を例示している。以下の説明では、接地電極１４０が配置されている側（図３下方側）を点火プラグ１０の「先端側」と呼び、端子金具１１９が配置されている側（図３上方側）を点火プラグ１０の「後端側」と呼ぶ。

点火プラグ１０は、中心電極１１０と、絶縁碍子１２０と、主体金具１３０と、接地電極１４０とを備えている。中心電極１１０は絶縁碍子１２０によって保持され、絶縁碍子１２０は主体金具１３０によって保持されている。接地電極１４０は主体金具１３０の先端側に取り付けられている。点火プラグ１０は、中心電極１１０、絶縁碍子１２０および主体金具１３０の軸心が、軸線ＣＡ１と一致するように構成されている。

中心電極１１０は、略棒形状の電極であり、ニッケルまたはニッケルを主成分とするニッケル合金（例えば、インコネル（登録商標））によって形成されている。中心電極１１０は絶縁碍子１２０の内側に収容され、外側面が点火プラグ１０の外部と電気的に絶縁されている。中心電極１１０の先端側は、絶縁碍子１２０の先端側から突出している。中心電極１１０の後端側は、シール体１１６を介して端子金具１１９に電気的に接続されている。端子金具１１９は後端部が絶縁碍子１２０の後端側から突出している。

絶縁碍子１２０は、略円筒形状の絶縁体であり、軸線ＣＡ１に沿った貫通孔である軸孔１２８を備えている。絶縁碍子１２０は、軸孔１２８の内側に中心電極１１０を収容している。絶縁碍子１２０は、アルミナを始めとする絶縁性セラミックス材料を焼成することによって形成されている。

主体金具１３０は、略円筒形状の金具であり、内側に絶縁碍子１２０が配置されている。主体金具１３０は、ニッケルめっきや亜鉛めっきがなされた低炭素鋼や、無めっきのニッケル合金などによって形成されている。主体金具１３０は、中心電極１１０から電気的に絶縁された状態で絶縁碍子１２０の外側面にカシメ固定されている。主体金具１３０は、先端面１３１と取付ネジ部１３２とを備えている。主体金具１３０の先端面１３１は、主体金具１３０の先端側を構成する環状の面である。先端面１３１には、接地電極１４０が接合されている。先端面１３１の環の中央から、絶縁碍子１２０および中心電極１１０が突出している。主体金具１３０の取付ネジ部１３２は、外側面にネジ山が形成された部位であり、このネジ山を内燃機関２００のネジ孔２１０に螺合させることによって、点火プラグ１０を内燃機関２００に取り付けることができる。

接地電極１４０は、屈曲した略棒状形状の電極であり、ニッケルまたはニッケルを主成分とするニッケル合金よって形成されている。接地電極１４０の一方の端部である基端部１４１は主体金具１３０の先端面１３１に接合されており、他方の端部である先端部１４２は中心電極１１０の先端側の端部と対向するように構成されている。接地電極１４０の先端部１４２と中心電極１１０の先端側の端部との間には、火花放電のための間隙（放電ギャップ）が形成される。なお、接地電極１４０の先端部１４２における中心電極１１０と対向する位置（放電ギャップを形成する位置）には、耐火花消耗性や耐酸化消耗性を向上させるために、電極チップ（貴金属チップ）が接合されていてもよい。

点火プラグ１０は、同軸ケーブル１５０を介して、直流電源部２０（図１）や交流電源部３０（図１）と電気的に接続されている。同軸ケーブル１５０は、内部導体１５１と、外部導体１５２とを備えている。内部導体１５１と外部導体１５２は、金属（例えば、銅、金、銀、または、これらを含む合金）などの導電性部材によって形成されている。内部導体１５１は、点火プラグ１０の端子金具１１９に接続され、直流電源部２０（図１）や交流電源部３０（図１）によって生成された直流電力や交流電力を点火プラグ１０の中心電極１１０に伝送する。内部導体１５１は、混合伝送路８３（図１）に対応する。外部導体１５２は、筒状の外形を備え、内側の内部導体１５１との距離が一定になるように構成されている。外部導体１５２は、点火プラグ１０の主体金具１３０に接続され、点火プラグ１０の接地電極１４０とグランドとを接続する。

点火プラグ１０は、同軸ケーブル１５０の内部導体１５１から直流電力が供給されると、中心電極１１０と接地電極１４０との間の電極間に火花放電を発生させる。また、点火プラグ１０は、火花放電を発生させた後、同軸ケーブル１５０の内部導体１５１から交流電力が供給されると、中心電極１１０と接地電極１４０との間の電極間に交流プラズマを発生させる。

以上説明した第１実施形態のプラズマ点火装置１によれば、スイッチ６０のオンとオフによって、点火プラグ１０を含む負荷側の入力インピーダンスと交流電源部３０の出力インピーダンスとの整合の程度を変化させることで、交流電源部３０から点火プラグ１０に交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことができる。また、第１実施形態のプラズマ点火装置１によれば、高電力が伝送される交流側伝送路８２ではなく、比較的電圧が高くなりにくい回路５５にスイッチ６０が配置されているため、スイッチ６０に生じる負荷を抑制することができる。

図４は、比較例におけるプラズマ点火装置１Ａの概略構成を説明するための説明図である。比較例のプラズマ点火装置１Ａは、第１実施形態のプラズマ点火装置１と比較すると、スイッチ６０Ａが交流側伝送路８２Ａ上に配置されている点が異なる。このプラズマ点火装置１Ａでは、スイッチ６０Ａを介して交流電源部３０から点火プラグ１０に交流電力が伝送されるため、スイッチ６０Ａに生じる負荷が第１実施形態のスイッチ６０（図１）よりも大きくなる。そのため、第１実施形態のスイッチ６０と比較して、スイッチ６０Ａに不具合が生じやすい。一方、第１実施形態のプラズマ点火装置１によれば、交流側伝送路８２ではなく、比較的電圧が高くなりにくい回路５５（図１）にスイッチ６０が配置されているため、スイッチ６０に生じる負荷を抑制することができる。これにより、例えば、使用するスイッチの定格電圧を低くすることができるため、スイッチ６０のコストを抑制することができる。また、スイッチの保障電力に対する安全マージンが大きくなるため、スイッチ６０に、瞬間的に大きな電流が流れたとしても、スイッチの故障の発生を抑制することができる。

第１実施形態のプラズマ点火装置１によれば、１つの交流電源部３０から複数の点火プラグ１０に交流電力を供給することができるため、交流電源部３０の数を減らしてプラズマ点火装置１のコストを抑制することができる。また、第１実施形態のプラズマ点火装置１によれば、スイッチ６０として、半導体スイッチを使用しているため、内燃機関の制御不良等の不具合の発生を抑制することができる。トランジスタやトライアック等の半導体スイッチは、機械式のスイッチよりもスイッチの反応速度が速いため、エンジンのような高速動作が要求される装置において、スイッチのオンオフの動作の遅れによるエンジンの制御不良などの不具合の発生を抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｂの概略構成を説明するための説明図である。第２実施形態のプラズマ点火装置１Ｂは、第１実施形態のプラズマ点火装置１と比較すると、整合部５０Ｂがπ型の整合回路である点が異なる。このプラズマ点火装置１Ｂの整合部５０Ｂは、コイル５１Ｂとコンデンサ５２Ｂ、５３Ｂとを含んで構成されている。コイル５１Ｂは、一方の端部が交流電源部３０に接続され、他方の端部が結合部４０に接続されている。コンデンサ５２Ｂは、一方の端部がグランドに接続され、他方の端部が交流電源部３０とコイル５１Ｂとの間の交流側伝送路８２Ｂに接続されている。コンデンサ５３Ｂは、一方の端部がグランドに接続され、他方の端部がスイッチ６０Ｂを介してコイル５１Ｂと結合部４０との間の交流側伝送路８２Ｂに接続されている。すなわち、整合部５０Ｂは、コンデンサ５３Ｂとスイッチ６０Ｂとを介して交流側伝送路８２Ｂとグランドとをつなぐ回路５５Ｂを含んでいる。

このような構成であっても、スイッチ６０Ｂがオンのときに点火プラグ１０を含む負荷側の入力インピーダンスと電源側である交流電源部３０の出力インピーダンスとの整合が図られ、スイッチ６０Ｂがオフのときに負荷側の入力インピーダンスと電源側の出力インピーダンスとの整合がくずれる。そのため、スイッチ６０Ｂのオンとオフによって、交流電源部３０から点火プラグ１０に交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことができる。

Ｃ．第３実施形態：
図６は、第３実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｃの概略構成を説明するための説明図である。第３実施形態のプラズマ点火装置１Ｃは、第１実施形態のプラズマ点火装置１と比較すると、整合部５０Ｃの回路５５Ｃにおいて、スイッチ６０Ｃとコンデンサ５２Ｃの並びが回路５５（図１）と反対である点が異なる。このような構成であっても、スイッチ６０Ｃがオンのときに負荷側の入力インピーダンスと電源側の出力インピーダンスとの整合が図られ、スイッチ６０Ｃがオフのときに負荷側の入力インピーダンスと電源側の出力インピーダンスとの整合がくずれる。そのため、スイッチ６０Ｃのオンとオフによって、交流電源部３０から点火プラグ１０に交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことができる。

Ｄ．第４実施形態：
図７は、第４実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｄの概略構成を説明するための説明図である。第４実施形態のプラズマ点火装置１Ｄは、第１実施形態のプラズマ点火装置１と比較すると、整合部５０Ｄがπ型の整合回路である点が異なる。第４実施形態のプラズマ点火装置１Ｄは、第２実施形態のプラズマ点火装置１Ｂと比較すると、整合部５０Ｄの回路５５Ｄにおいて、スイッチ６０Ｄとコンデンサ５３Ｄの並びが回路５５Ｂ（図５）と反対である点が異なる。このような構成であっても、スイッチ６０Ｄのオンとオフによって、交流電源部３０から点火プラグ１０に交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことができる。

Ｅ．第５実施形態：
図８は、第５実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｅの概略構成を説明するための説明図である。第５実施形態のプラズマ点火装置１Ｅは、第１実施形態のプラズマ点火装置１と比較すると、整合部５０ＥがＴ型の整合回路である点が異なる。このプラズマ点火装置１Ｅの整合部５０Ｅは、コイル５１Ｅ、５４Ｅとコンデンサ５３Ｅとを含んで構成されている。コイル５１Ｅとコイル５４Ｅは、それぞれの一方の端部が互いに接続されている。コイル５１Ｅの他方の端部は、交流電源部３０に接続され、コイル５４Ｅの他方の端部は、結合部４０に接続されている。コンデンサ５３Ｅは、一方の端部がコイル５１Ｅとコイル５４Ｅとの間の交流側伝送路８２Ｅに接続され、他方の端部がスイッチ６０Ｅを介してグランドに接続されている。すなわち、整合部５０Ｅは、コンデンサ５３Ｅとスイッチ６０Ｅとを介して交流側伝送路８２Ｅとグランドとをつなぐ回路５５Ｅを含んでいる。このような構成であっても、スイッチ６０Ｅのオンとオフによって、交流電源部３０から点火プラグ１０に交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことができる。

Ｆ．第６実施形態：
図９は、第６実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｆの概略構成を説明するための説明図である。第６実施形態のプラズマ点火装置１Ｆは、第１実施形態のプラズマ点火装置１と比較すると、整合部５０Ｆがπ型の整合回路である点が異なる。このプラズマ点火装置１Ｆの整合部５０Ｆは、コンデンサ５２Ｆとコイル５１Ｆ、５４Ｆとを含んで構成されている。コンデンサ５２Ｆは、一方の端部が交流電源部３０に接続され、他方の端部が結合部４０に接続されている。コイル５１Ｆは、一方の端部がグランドに接続され、他方の端部が交流電源部３０とコンデンサ５２Ｆとの間の交流側伝送路８２Ｆに接続されている。コイル５４Ｆは、一方の端部がコンデンサ５２Ｆと結合部４０との間の交流側伝送路８２Ｆに接続され、他方の端部がスイッチ６０Ｆを介してグランドに接続されている。すなわち、整合部５０Ｆは、コイル５４Ｆとスイッチ６０Ｆとを介して交流側伝送路８２Ｆとグランドとをつなぐ回路５５Ｆを含んでいる。このような構成であっても、スイッチ６０Ｆのオンとオフによって、交流電源部３０から点火プラグ１０に交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことができる。

Ｇ．第７実施形態：
図１０は、第７実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｇの概略構成を説明するための説明図である。第７実施形態のプラズマ点火装置１Ｇは、第１実施形態のプラズマ点火装置１と比較すると、整合部５０ＧがＴ型の整合回路である点が異なる。このプラズマ点火装置１Ｇの整合部５０Ｇは、コンデンサ５２Ｇ、５３Ｇとコイル５１Ｇとを含んで構成されている。コンデンサ５２Ｇとコンデンサ５３Ｇは、それぞれの一方の端部が互いに接続されている。コンデンサ５２Ｇの他方の端部は、交流電源部３０に接続され、コンデンサ５３Ｇの他方の端部は、結合部４０に接続されている。コイル５１Ｇは、一方の端部がコンデンサ５２Ｇとコンデンサ５３Ｇとの間の交流側伝送路８２Ｇに接続され、他方の端部がスイッチ６０Ｇを介してグランドに接続されている。すなわち、整合部５０Ｇは、コイル５１Ｇとスイッチ６０Ｇとを介して交流側伝送路８２Ｇとグランドとをつなぐ回路５５Ｇを含んでいる。このような構成であっても、スイッチ６０Ｇのオンとオフによって、交流電源部３０から点火プラグ１０に交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことができる。

Ｈ．第８実施形態：
図１１は、第８実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｈの概略構成を説明するための説明図である。第８実施形態のプラズマ点火装置１Ｈは、第３実施形態のプラズマ点火装置１Ｃと比較すると、整合部５０Ｈにおいて、コイル５１Ｃ（図６）の位置にコンデンサ５２Ｈが配置され、コンデンサ５２Ｃの位置にコイル５１Ｈが配置されている点が異なる。このような構成であっても、スイッチ６０Ｈのオンとオフによって、交流電源部３０から点火プラグ１０に交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことができる。

Ｉ．第９実施形態：
図１２は、第９実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｉの概略構成を説明するための説明図である。第９実施形態のプラズマ点火装置１Ｉは、第１実施形態のプラズマ点火装置１と比較すると、スイッチ６０Ｉが整合部５０Ｉではなく結合部４０Ｉに配置さている点が異なる。このプラズマ点火装置１Ｉの結合部４０Ｉは、コンデンサ４１Ｉ、４２Ｉとスイッチ６０Ｉとを含んで構成されている。コンデンサ４１Ｉは、交流側伝送路８２Ｉの交点Ｐｃと整合部５０Ｉとの間に配置されている。スイッチ６０Ｉは、一方の端部がグランドに接続され、他方の端部がコンデンサ４２Ｉを介して直流電源部２０とコンデンサ４１Ｉとの間の交流側伝送路８２Ｉに接続されている。すなわち、結合部４０Ｉは、コンデンサ４２Ｉとスイッチ６０Ｉとを介して交流側伝送路８２Ｉとグランドとをつなぐ回路４３Ｉを含んでいる。

このような構成であっても、スイッチ６０Ｉがオンのときに点火プラグ１０を含む負荷側の入力インピーダンスと電源側である交流電源部３０の出力インピーダンスとの整合が図られ、スイッチ６０Ｉがオフのときに負荷側の入力インピーダンスと電源側の出力インピーダンスとの整合がくずれる。そのため、スイッチ６０Ｉのオンとオフによって、交流電源部３０から点火プラグ１０に交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことができる。

Ｊ．第１０実施形態：
図１３は、第１０実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｊの概略構成を説明するための説明図である。第１０実施形態のプラズマ点火装置１Ｊは、３気筒の内燃機関を備える車両に搭載され、３つの点火プラグ１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を含んで構成されているものとして説明する。上述した第１〜９実施形態のプラズマ点火装置は、それぞれ任意に組み合わせることが可能である。第１０実施形態のプラズマ点火装置１Ｊは、第４、６、７実施形態のプラズマ点火装置を組み合わせた構成を備えている。具体的には、プラズマ点火装置１Ｊの整合部５０Ｊａは、第４実施形態の整合部５０Ｄ（図７）と同様の構成を備えている。整合部５０Ｊｂは、第６実施形態の整合部５０Ｆ（図９）と同様の構成を備えている。整合部５０Ｊｃは、第７実施形態の整合部５０Ｇ（図１０）と同様の構成を備えている。このような構成であっても、スイッチ６０Ｊのオンとオフによって、交流電源部３０から点火プラグ１０に交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことができる。

Ｋ．第１１実施形態：
図１４は、第１１実施形態におけるプラズマ点火装置１Ｋの概略構成を説明するための説明図である。第１１実施形態のプラズマ点火装置１Ｋは、第１実施形態のプラズマ点火装置１と比較すると、直流電源部２０と結合部４０と直流側伝送路８１と混合伝送路８３とを備えていない点が異なる。このプラズマ点火装置１Ｋの交流側伝送路８２Ｋは、一方の端部が交流電源部３０に接続され、他方の端部が点火プラグ１０に接続されている。整合部５０Ｋは、コイル５１Ｋと、コンデンサ５２Ｋ、５３Ｋとを含んで構成されている。コイル５１Ｋは、一方の端部が交流電源部３０に接続され、他方の端部がコンデンサ５３Ｋに接続されている。コンデンサ５２Ｋは、一方の端部がグランドに接続され、他方の端部がスイッチ６０Ｋを介してコイル５１Ｋとコンデンサ５３Ｋとの間の交流側伝送路８２Ｋに接続されている。コンデンサ５３Ｋは、一方の端部がコイル５１Ｋに接続され、他方の端部が点火プラグ１０に接続されている。整合部５０Ｋは、コンデンサ５２Ｋとスイッチ６０Ｋとを介して交流側伝送路８２Ｋとグランドとをつなぐ回路５５Ｋを含んでいる。

このような構成であっても、点火制御部７０は、２つのスイッチ６０Ｋａ、６０Ｋｂを制御して、２つの点火プラグ１０ａ、１０ｂのうち、点火をおこなう点火プラグに交流電力を供給して電極間に交流プラズマを発生させることができる。また、このような構成であっても、スイッチ６０Ｋがオンのときに点火プラグ１０を含む負荷側の入力インピーダンスと電源側である交流電源部３０の出力インピーダンスとの整合が図られ、スイッチ６０Ｋがオフのときに負荷側の入力インピーダンスと電源側の出力インピーダンスとの整合がくずれる。そのため、スイッチ６０Ｋのオンとオフによって、交流電源部３０から点火プラグ１０に交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことができる。

Ｌ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｌ−１．変形例１：
上記実施形態では、整合部５０の回路５５は、コンデンサとコイルのいずれか一方と、スイッチ６０とを備えているものとして説明したが、回路５５は、コンデンサとコイルの両方と、スイッチ６０とを備えていてもよい。すなわち、回路５５は、コンデンサとコイルの少なくとも一方と、スイッチ６０とを備えた構成であればよい。このとき、コンデンサ、コイル、および、スイッチ６０の並び順は、任意とすることができる。また、第９実施形態の回路４３Ｉもコンデンサとコイルの両方と、スイッチ６０Ｉとを備えていてもよい。

Ｌ−２．変形例２：
プラズマ点火装置１に含まれる各整合部５０ａ、５０ｂは、それぞれ、上述したＬ型や、Ｔ型、π型などの整合部が複数かつ任意に組み合わされた構成を備えていてもよい。また、プラズマ点火装置１に含まれる各整合部５０ａ、５０ｂは、それぞれ、複数のスイッチを備えていてもよい。

Ｌ−３．変形例３：
上記実施形態では、結合部４０におけるコンデンサ４１は、整合部５０とは別の回路として構成されていたが、コンデンサ４１は、整合部５０に含まれていてもよい。

Ｌ−４．変形例４：
上記実施形態で示した回路構成や点火プラグ１０の構成は例示であり、これ以外の構成を備えていてもよい。例えば、プラズマ点火装置１は、複数の交流電源部３０を備えていてもよいし、機械式のスイッチを備えていてもよい。直流電源部２０は、フルトランジスタ点火方式であってもよいし、ＣＤＩ点火方式であってもよい。直流電源部２０と交流電源部３０は、同一のバッテリから電力が供給されていてもよい。同軸ケーブル１５０は、外部導体１５２を備えていなくてもよい。なお、本実施形態および変形例でいう「交流」とは、正弦波形的な電流を持つものを意味し、電流値が＋と−をまたぐものに限定されない。例えば、＋と−をまたがずに正弦波形を取るものも交流に含まれる。また、本実施形態および変形例でいう「交流プラズマ」には「高周波プラズマ」が含まれる。

上記実施形態では、点火プラグ１０は、中心電極１１０と接地電極１４０との間の電極間に火花放電や交流プラズマを発生されるものとして説明したが、点火プラグ１０は、接地電極１４０を備えていなくてもよい。この場合、点火プラグ１０は、中心電極１１０の先端から枝分かれ放電の交流プラズマを発生させる。すなわち、プラズマ点火装置１に含まれる点火プラグ１０は、中心電極１１０と接地電極１４０の間の電極間に交流プラズマを発生させる構成であってもよいし、中心電極１１０の先端から枝分かれ放電の交流プラズマを発生させる構成であってもよい。なお、枝分かれ放電の交流プラズマを発生させる前に、直流電源部２０からの直流電力の供給によって電極間に火花放電を発生させ、火花放電後に枝分かれ放電の交流プラズマを発生させてもよい。点火プラグ１０は、コイルやシール部材を備えていてもよい。

１，１Ａ〜Ｋ…プラズマ点火装置
１０…点火プラグ
２０…直流電源部
２１…一次コイル
２２…二次コイル
２３…コア
２４…放電用スイッチ
２５…バッテリ
３０…交流電源部
４０，４０Ｉ…結合部
４１，４１Ｉ…コンデンサ
４２Ｉ…コンデンサ
４３Ｉ…回路
５０，５０Ｂ〜Ｋ…整合部
５１，５１Ｂ〜Ｈ…コイル
５２，５２Ｂ〜Ｈ…コンデンサ
５３Ｂ〜Ｆ…コンデンサ
５５，５５Ｂ〜Ｇ…回路
６０，６０Ａ〜Ｋ…スイッチ
７０…点火制御部
８１…直流側伝送路
８２，８２Ａ〜Ｉ…交流側伝送路
８３…混合伝送路
１１０…中心電極
１１６…シール体
１１９…端子金具
１２０…絶縁碍子
１２８…軸孔
１３０…主体金具
１３１…先端面
１３２…取付ネジ部
１４０…接地電極
１４１…基端部
１４２…先端部
１５０…同軸ケーブル
１５１…内部導体
１５２…外部導体
２００…内燃機関
２１０…ネジ孔

Claims (4)

1. 中心電極から交流プラズマを発生させるプラズマ点火プラグと、
   前記中心電極から交流プラズマを発生させるための交流電力を生成する交流電源部と、
   前記交流電源部と前記プラズマ点火プラグとの間の交流電力の伝送路に配置され、前記交流電源部の出力インピーダンスと、前記プラズマ点火プラグを含む負荷側の入力インピーダンスとの整合をおこなうための整合部と、
   前記交流電源部から前記プラズマ点火プラグに交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうためのスイッチと、を備えるプラズマ点火装置であって、
   前記整合部は、コンデンサおよびコイルの少なくとも一方と前記スイッチとを介して前記伝送路とグランドとをつなぐ回路を備え、
   前記スイッチは、オンとオフとで前記出力インピーダンスと前記入力インピーダンスとの整合の程度を変化させることによって、前記プラズマ点火プラグに交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことを特徴とする、プラズマ点火装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ点火装置において、
   前記プラズマ点火プラグは、接地電極を備え、前記中心電極と前記接地電極との間の電極間に交流プラズマを発生させることを特徴とする、プラズマ点火装置。
3. 中心電極と接地電極との間の電極間に火花放電および交流プラズマを発生させるプラズマ点火プラグと、
   前記電極間に火花放電を発生させるための直流電力を生成する直流電源部と、
   前記火花放電後に前記電極間に交流プラズマを発生させるための交流電力を生成する交流電源部と、
   前記直流電源部から直流側伝送路を介して供給される直流電力と、前記交流電源部から交流側伝送路を介して供給される交流電力とを、同じ伝送路を介して前記プラズマ点火プラグに伝送する結合部であって、供給された直流電力が前記交流電源部に伝送されることを抑制するためのコンデンサを含んで構成される結合部と、
   前記交流側伝送路の前記交流電源部と前記結合部との間に配置され、前記交流電源部の出力インピーダンスと、前記結合部および前記プラズマ点火プラグを含む負荷側の入力インピーダンスとの整合をおこなうための整合部と、
   前記交流電源部から前記プラズマ点火プラグに交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうためのスイッチと、を備えるプラズマ点火装置であって、
   前記整合部または前記結合部は、コンデンサおよびコイルの少なくとも一方と前記スイッチとを介して前記交流側伝送路とグランドとをつなぐ回路を備え、
   前記スイッチは、オンとオフとで前記出力インピーダンスと前記入力インピーダンスとの整合の程度を変化させることによって、前記プラズマ点火プラグに交流プラズマを維持しうる交流電力を供給するか否かの切り換えをおこなうことを特徴とする、プラズマ点火装置。
4. 請求項３に記載のプラズマ点火装置であって、
   前記回路は、前記整合部が備えていることを特徴とする、プラズマ点火装置。

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