JP6082880B2 - 高周波放射用プラグ - Google Patents

Description

本発明は、ケーシングの一端に放射アンテナが設けられた高周波放射用プラグに関するものである。

従来から、ケーシングの一端に放射アンテナが設けられた高周波放射用プラグが知られている。例えば特開昭５８−２１３１２０号公報には、この種の高周波放射用プラグとして、ディーゼルエンジンに取り付けられるグロープラグが開示されている。

特開昭５８−２１３１２０号公報に記載のグロープラグは、管状の外部導体と、この外部導体の軸心を通る内部導線と、外部導体と内部導線にそれぞれ実質一体的に接続された抵抗線と、外部導体と内部導線との間に充填される誘電体とからなっている。外側導体の外周部には、シリンダヘッドに取り付けられるためのねじが形成されている。抵抗線は、燃焼室内に突出して、マイクロ波発振を行うためにループ状アンテナに形成されている。

特開昭５８−２１３１２０号公報

ところで、従来の高周波放射用プラグでは、ケーシングを伝送線路の外側導体に利用している。そのため、高周波放射用プラグを取り付ける対象物に電流が流れると、その電流が放射アンテナから放射される高周波のノイズとなるおそれがある。

例えば、高周波放射用プラグを内燃機関に取り付ける場合、点火プラグの接地導体が内燃機関のシリンダヘッドに電気的に接続されている。そのため、スパーク放電に伴ってシリンダヘッドに電流が流れ、その電流がケーシングを介して放射アンテナから放射される高周波のノイズとなるおそれがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ケーシングの一端に放射アンテナが設けられた高周波放射用プラグにおいて、放射アンテナから放射される高周波ノイズを抑制することにある。

第１の発明は、電磁波を伝送する伝送線路と、前記伝送線路を介して供給された電磁波を放射するための放射アンテナと、筒状の導体により構成され、一端に前記放射アンテナが設けられると共に、該放射アンテナから他端側に延びる前記伝送線路を収容するケーシングとを備えた高周波放射用プラグであって、前記ケーシング内では、前記放射アンテナに電気的に接続された中心導体と、間隔を隔てて前記中心導体を囲う外側導体とが絶縁体に埋設されて前記伝送線路を構成し、前記外側導体は前記ケーシングに非接触に設けられている。

第１の発明では、高周波放射用プラグにおいて、伝送線路の外側導体がケーシングに非接触に設けられている。外側導体は、導体により構成されたケーシングを介して、高周波放射用プラグを取り付ける対象物に導通しない。

第２の発明は、第１の発明において、前記伝送線路の前記絶縁体には、前記外側導体の前記放射アンテナ側の端面よりも面積が大きい板状導体が、前記放射アンテナと前記外側導体との間において、前記外側導体と前記ケーシングを導通させることなく前記中心導体に非接触に埋設されている。

第２の発明では、板状導体が、伝送線路の絶縁体における放射アンテナと外側導体との間に埋設されている。板状導体は、外側導体の放射アンテナ側の端面よりも面積が大きく、放射アンテナにおける電磁波の放射を促進する。板状導体は、外側導体とケーシングを導通させることなく中心導体に非接触に、絶縁体に埋設されている。

第３の発明は、第２の発明において、前記板状導体は、リング状またはＣ字状に形成され、前記中心導体を囲うように前記絶縁体に埋設されている。

第３の発明では、リング状またはＣ字状の板状導体が、中心導体を囲うように絶縁体に埋設されている。

本発明では、高周波放射用プラグにおいて伝送線路の外側導体をケーシングに非接触にしているため、ケーシングを介して、高周波放射用プラグを取り付ける対象物に外側導体が導通しない。そのため、高周波放射用プラグを取り付ける対象物に電流が流れても、その電流がケーシングを介して外側導体へ伝わることがない。従って、対象物に流れる電流が放射アンテナから放射される高周波のノイズとなることが抑制される。

実施形態に係る内燃機関の縦断面図である。 実施形態に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 実施形態に係る点火装置および電磁波放射装置のブロック図である。 実施形態に係る高周波放射用プラグの縦断面図である。 実施形態の変形例に係る高周波放射用プラグの縦断面図である。 実施形態の変形例に係る高周波放射用プラグの別の形態の縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本実施形態は、本発明に係る内燃機関１０である。内燃機関１０は、ピストン２３が往復動するレシプロタイプの内燃機関である。内燃機関１０は、内燃機関本体１１と点火装置１２と電磁波放射装置１３と制御装置３５とを備えている。内燃機関１０では、点火装置１２により混合気に点火して混合気を燃焼させる燃焼サイクルが繰り返し行われる。
−内燃機関本体−

内燃機関本体１１は、図１に示すように、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２とピストン２３とを備えている。シリンダブロック２１には、横断面が円形のシリンダ２４が複数形成されている。各シリンダ２４内には、ピストン２３が往復自在に設けられている。ピストン２３は、コネクティングロッドを介して、クランクシャフトに連結されている（図示省略）。クランクシャフトは、シリンダブロック２１に回転自在に支持されている。各シリンダ２４内においてシリンダ２４の軸方向にピストン２３が往復運動すると、コネクティングロッドがピストン２３の往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する。

シリンダヘッド２２は、ガスケット１８を挟んで、シリンダブロック２１上に載置されている。シリンダヘッド２２は、シリンダ２４、ピストン２３及びガスケット１８と共に、円形断面の燃焼室２０を区画する区画部材を構成している。燃焼室２０の直径は、例えば、電磁波放射装置１３が燃焼室２０へ放射するマイクロ波の波長の半分程度である。

シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、点火装置１２の一部を構成する点火プラグ４０が１つずつ設けられている。図２に示すように、点火プラグ４０では、燃焼室２０に露出する先端部が、燃焼室２０の天井面５１（シリンダヘッド２２における燃焼室２０に露出する面）の中心部に位置している。点火プラグ４０の先端部の外周は、その軸方向から見て円形である。点火プラグ４０の先端部には、中心電極４０ａ及び接地電極４０ｂが設けられている。中心電極４０ａの先端と接地電極４０ｂの先端部との間には、放電ギャップが形成されている。

シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、吸気ポート２５及び排気ポート２６が形成されている。吸気ポート２５には、吸気ポート２５の吸気側開口２５ａを開閉する吸気バルブ２７と、燃料を噴射するインジェクター２９とが設けられている。一方、排気ポート２６には、排気ポート２６の排気側開口２６ａを開閉する排気バルブ２８が設けられている。
−点火装置−

点火装置１２は、燃焼室２０毎に設けられている。図３に示すように、各点火装置１２は、高電圧パルスを出力する点火コイル１４と、点火コイル１４から出力された高電圧パルスが供給される点火プラグ４０とを備えている。

点火コイル１４は、直流電源（図示省略）に接続されている。点火コイル１４は、制御装置３５から点火信号を受けると、直流電源から印加された電圧を昇圧し、昇圧後の高電圧パルスを点火プラグ４０の中心電極４０ａに出力する。点火プラグ４０では、高電圧パルスが中心電極４０ａに印加されると、放電ギャップにおいて絶縁破壊が生じてスパーク放電が生じる。スパーク放電の放電経路には、放電プラズマが生成される。中心電極４０ａには、高電圧パルスとしてマイナスの電圧が印加される。

なお、点火装置１２は、放電プラズマに電気エネルギーを供給して放電プラズマを拡大させるプラズマ拡大部を備えていてもよい。プラズマ拡大部は、例えば、放電プラズマに高周波（例えばマイクロ波）のエネルギーを供給することによりスパーク放電を拡大させる。プラズマ拡大部によれば、希薄な混合気に対して着火の安定性を向上させることができる。プラズマ拡大部として、電磁波放射装置１３を利用してもよい。
−電磁波放射装置−

電磁波放射装置１３は、図３に示すように、電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２と高周波放射用プラグ３４とを備えている。電磁波放射装置１３では、電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２が１つずつ設けられ、燃焼室２０毎に高周波放射用プラグ３４が設けられている。

電磁波発生装置３１は、制御装置３５から電磁波駆動信号（パルス信号）を受けると、その電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘ってマイクロ波を連続的に出力する。電磁波発生装置３１では、半導体発振器がマイクロ波を生成する。なお、半導体発振器の代わりに、マグネトロン等の他の発振器を使用してもよい。

電磁波切替器３２は、１つの入力端子と、高周波放射用プラグ３４毎に設けられた複数の出力端子とを備えている。入力端子は、電磁波発生装置３１に電気的に接続されている。各出力端子は、対応する高周波放射用プラグ３４の入力端子に電気的に接続されている。電磁波切替器３２は、制御装置３５により制御されて、複数の高周波放射用プラグ３４の間で、電磁波発生装置３１から出力されたマイクロ波の供給先を順番に切り替える。

高周波放射用プラグ３４は、図１に示すように、全体として略円柱状に形成されている。高周波放射用プラグ３４は、図４に示すように、セラミック６３（電気絶縁体）に導体が埋設されたセラミック構造体３６と、そのセラミック構造体３６を収容するケーシング３７とを備えている。

セラミック構造体３６は、円柱状に形成されている。セラミック構造体３６は、マイクロ波の伝送線路６０が設けられた伝送部３８と、放射アンテナ１６が設けられた放射部３９とを備えている。伝送部３８と放射部３９は一体化されている。セラミック構造体３６では、伝送部３８が大部分を占めている。セラミック構造体３６では、一端部が放射部３９を構成し、残りが伝送部３８を構成している。

伝送部３８では、マイクロ波の伝送線路６０を構成する中心導体６１及び外側導体６２がセラミック６３に埋設されている。中心導体６１は、直線状の導体である。中心導体６１は、伝送部３８の全長に亘って、セラミック構造体３６の軸心上に設けられている。一方、外側導体６２は、例えば矩形筒状の導体である。外側導体６２は、セラミック６３を挟んで中心導体６１を囲っている。外側導体６２は、その全長に亘って、中心導体６１に対して一定の距離を隔てて設けられている。外側導体６２は、その一端だけがセラミック構造体３６の端面に露出している。高周波放射用プラグ３４では、伝送部３８の一端がマイクロ波の入力端子になっている。伝送部３８では、入力端子から入力されたマイクロ波が外側導体６２の外側へ漏れることなく放射部３９へ伝送される。

なお、特開平１０−７５１０８号公報に記載された積層化技術を利用してセラミック構造体３６を製造する場合は、導体層と筒状導体（バイアホール）を組み合わせて外側導体６２を構成してもよい。その場合に、外側導体６２は、外側導体６２の外側へマイクロ波が漏洩しないように、マイクロ波の伝送方向に隣り合う筒状導体の間の距離が設定される。

放射部３９では、セラミック構造体３６の外面に露出しないように、放射アンテナ１６が埋設されている。つまり、放射アンテナ１６の全表面は、セラミック６３により被覆されている。放射アンテナ１６は、螺旋状に形成された導体である。放射アンテナ１６は、その入力端で伝送部３８の中心導体６１と一体化されている。

ケーシング３７は、略円筒状に形成されている。ケーシング３７の内径は、ケーシング３７の軸方向に亘って一様である。ケーシング３７の内径は、セラミック構造体３６の外径に概ね等しい。ケーシング３７には、一端において放射部３９の端面が露出して他端において伝送部３８の端面が露出するように、セラミック構造体３６が嵌め込まれている。ケーシング３７の一端からは、放射アンテナ１６の一部がケーシング３７の外側に位置するように、放射部３９の一部が突出している。

ケーシング３７の外径は、ケーシング３７の軸方向において１箇所で変化している。ケーシング３７の外周面には、１箇所だけ段差が形成されている。ケーシング３７では、放射部３９が露出する先端側の外径が、伝送部３８が露出する基端側の外径よりも小さい。

高周波放射用プラグ３４は、放射部３９が燃焼室２０に露出するように、シリンダヘッド２２に取り付けられている。高周波放射用プラグ３４は、シリンダヘッド２２の取付孔に螺合されている。高周波放射用プラグ３４は、伝送部３８の入力端子が同軸ケーブル（図示省略）を介して電磁波切替器３２の出力端子に接続されている。高周波放射用プラグ３４では、伝送部３８の入力端子からマイクロ波が入力されると、マイクロ波が伝送部３８の外側導体６２の内側を通過する。伝送部３８を通過したマイクロ波は、放射アンテナ１６から燃焼室２０へ放射される。

本実施形態の高周波放射用プラグ３４では、外側導体６２がケーシング３７に非接触で設けられている。外側導体６２は、金属製のケーシング３７を介しては、高周波放射用プラグ３４を取り付けるシリンダヘッド２２に導通しない。従って、シリンダヘッド２２にスパーク電流等が流れても、そのスパーク電流等がケーシング３７を介して外側導体６２へ伝わることがない。

また、内燃機関本体１１では、燃焼室２０を区画する区画部材に、放射アンテナ１６から燃焼室２０へ放射されたマイクロ波に共振する複数の受信アンテナ５２が設けられている。各受信アンテナ５２は、円環状に形成されている。図１に示すように、受信アンテナ５２は、ピストン２３の頂部に２つ設けられている。各受信アンテナ５２は、ピストン２３の頂面に形成された絶縁層５６によりピストン２３から電気的に絶縁され、電気的にフローティングの状態で設けられている。
−制御装置の動作−

制御装置３５の動作について説明する。制御装置３５は、各燃焼室２０に対して、１回の燃焼サイクルに、点火装置１２に混合気への点火を指示する第１動作と、混合気の着火後に電磁波放射装置１３にマイクロ波の放射を指示する第２動作とを行う。

具体的に、制御装置３５は、ピストン２３が圧縮上死点の手前に位置する点火タイミングに第１動作を行う。制御装置３５は、第１動作として点火信号を出力する。

点火装置１２では、点火信号を受けると、上述したように、点火プラグ４０の放電ギャップにおいてスパーク放電が生じる。混合気は、スパーク放電により着火する。混合気が着火すると、燃焼室２０の中心部の着火位置からシリンダ２４の壁面へ向かって火炎が広がる。

制御装置３５は、混合気が着火した後に、例えば火炎伝播の後半期間の開始タイミングに第２動作を行う。制御装置３５は、第２動作として電磁波駆動信号を出力する。

電磁波放射装置１３は、電磁波駆動信号を受けると、上述したように、放射アンテナ１６からマイクロ波の連続波（ＣＷ）を放射する。マイクロ波は、火炎伝播の後半期間に亘って放射される。電磁波駆動信号の出力タイミング及びパルス幅は、２つの受信アンテナ５２が設けられた領域を火炎が通過する期間に亘ってマイクロ波が放射されるように設定されている。

各受信アンテナ５２では、マイクロ波が共振する。２つの受信アンテナ５２の近傍では、火炎伝播の後半期間の間ずっと、燃焼室２０において相対的に電界強度が強い強電界領域が形成される。火炎の伝播速度は、その火炎が強電界領域を通過する際にマイクロ波のエネルギーを受けて増大する。

なお、マイクロ波のエネルギーが大きい場合には、強電界領域においてマイクロ波プラズマが生成される。マイクロ波プラズマの生成領域では活性種（例えば、ＯＨラジカル）が生成される。強電界領域を通過する火炎の伝播速度は、活性種により増大する。
−実施形態の効果−

本実施形態では、高周波放射用プラグ３４において伝送線路６０の外側導体６２をケーシング３７に非接触にしているため、ケーシング３７を介して、高周波放射用プラグ３４を取り付けるシリンダヘッド２２に外側導体６２が導通しない。そのため、シリンダヘッド２２に電流が流れても、その電流がケーシング３７を介して外側導体６２へ伝わることがない。従って、シリンダヘッド２２に流れる電流が放射アンテナ１６から放射されるマイクロ波のノイズとなることが抑制される。
−実施形態の変形例−

変形例では、図５に示すように、板状導体６５が、セラミック構造体３６における放射アンテナ１６と外側導体６２との間に埋設されている。板状導体６５は、外側導体６２の放射アンテナ１６側の端面よりも面積が大きく、放射アンテナ１６におけるマイクロ波の放射効率を向上させるために設けられている。

板状導体６５は、リング状またはＣ字状に形成され、間隔を隔てて中心導体６１を囲うようにセラミック６３に埋設されている。板状導体６５は、中心導体６１に非接触である。板状導体６５は、セラミック構造体３６の断面方向に沿って設けられている。

また、板状導体６５は、外側導体６２とケーシング３７を導通させないように、外側導体６２とケーシング３７のうち外側導体６２だけに当接している。板状導体６５は、外側導体６２の放射アンテナ１６側の端面に当接している。板状導体６５は、外側導体６２に電気的に接続されている。

なお、図６に示すように、板状導体６５が、外側導体６２とケーシング３７のうちケーシング３７だけに当接していてもよい。また、板状導体６５が、外側導体６２とケーシング３７の両方に非接触であってもよい。
《その他の実施形態》

前記実施形態は、以下のように構成してもよい。

前記実施形態では、中心導体６１が放射アンテナ１６に一体化されているが、中心導体６１が放射アンテナ１６に容量結合されていてもよい。

また、前記実施形態において、高周波放射用プラグ３４を内燃機関本体１１に複数設けてもよい。

以上説明したように、本発明は、ケーシングの一端に放射アンテナが設けられた高周波放射用プラグについて有用である。

１０ 内燃機関
１１ 内燃機関本体
１６ 放射アンテナ
３４ 高周波放射用プラグ
３６ セラミック構造体
３７ ケーシング
６０ 伝送線路
６１ 中心導体
６２ 外側導体
６３ セラミック（絶縁体）

Claims (2)

1. 電磁波を伝送する伝送線路と、
   前記伝送線路を介して供給された電磁波を放射するための放射アンテナと、
   筒状の導体により構成され、一端に前記放射アンテナが設けられると共に、該放射アンテナから他端側に延びる前記伝送線路を収容するケーシングとを備えた高周波放射用プラグであって、
   前記ケーシング内では、前記放射アンテナに電気的に接続された中心導体と、間隔を隔てて前記中心導体を囲う外側導体とが絶縁体に埋設されて前記伝送線路を構成し、
   前記外側導体は、前記ケーシングに非接触に設けられ、
   前記伝送線路の前記絶縁体には、前記外側導体の前記放射アンテナ側の端面よりも面積が大きい板状導体が、前記放射アンテナと前記外側導体との間において、前記外側導体と前記ケーシングを導通させることなく前記中心導体に非接触に埋設されていることを特徴とする高周波放射用プラグ。
2. 請求項１に記載の高周波放射用プラグにおいて、
   前記板状導体は、リング状またはＣ字状に形成され、前記中心導体を囲うように前記絶縁体に埋設されていることを特徴とする高周波放射用プラグ。