JP6298961B2 - 電磁波放射装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマに電磁波を放射する電磁波放射装置に関するものである。

従来から、プラズマに電磁波を放射する電磁波放射装置が知られている（特開２００７−１１３５７０号公報参照）。特開２００７−１１３５７０号公報に記載の電磁波放射装置は、混合気の着火前や着火後に燃焼室にマイクロ波を放射して、プラズマ放電を起こす点火装置を備えている。点火装置は、高圧場においてプラズマが生成されるように、点火プラグの放電を用いて局所的なプラズマを作り、このプラズマをマイクロ波により成長させる。局所的なプラズマは、陽極端子の先端部とグランド端子部との間の放電ギャップに生成される。

特開２００７−１１３５７０号公報

ところで、１つの電磁波発生装置に対して、分配器を介して複数の放射アンテナを接続する場合がある。この分配器は、ダイオード等のスイッチング素子を用いて、複数の放射アンテナの中から、電磁波発生装置からの電磁波を供給する放射アンテナを切り替える。例えば、プラズマを拡大させる等の目的で、前記電磁波発生装置を用いる場合には、前記放射アンテナから大電力の電磁波を放射する必要がある。しかし、このような場合、大電力の電磁波が分配器に流れることで、スイッチング素子が破壊する等の不都合がある。

本開示は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の放射アンテナの電磁波の供給先が切り替えられる電磁波放射装置において、大電力の電磁波を放射する場合でもスイッチング素子の破壊等の不都合が生じない電磁波放射装置を提供することである。

本開示は、電磁波発生装置と、前記電磁波発生装置から出力された電磁波を放射する複数の放射アンテナと、前記電磁波発生装置の出力端子から延びる電磁波の伝送線路が前記複数の放射アンテナに対応して複数の分岐線路に分岐し、前記複数の分岐線路の各々が前記放射アンテナに接続する伝送システムとを備え、前記伝送システムは、電磁波発生装置から出力された電磁波が前記複数の放射アンテナへ分配された後に、前記複数の放射アンテナのうち、近傍にプラズマが存在する対象アンテナに、前記対象アンテナへ分配された電磁波と、前記対象アンテナ以外の放射アンテナで反射した電磁波の一部又は全部とが供給されるように構成され、前記対象アンテナへ分配された電磁波の一部又は全部と、前記対象アンテナ以外の放射アンテナで反射した後に前記対象アンテナへ供給された電磁波の一部又は全部とが、前記対象アンテナから前記プラズマへ放射されることを特徴とする電磁波放射装置である。

本発明の電磁波発生装置においては、近傍にプラズマが存在しない放射アンテナでは、分配された電磁波が反射し、近傍にプラズマが存在する前記対象アンテナでは、分配された電磁波と前記反射した電磁波とがプラズマへ放射される。そのため、本発明の電磁波発生装置は、スイッチング素子がなくても、複数の放射アンテナの中から電磁波の供給先を適切に切り替えることができる。

本発明の電磁波放射装置は、前記分岐線路にスイッチング素子が接続されていないことを特徴とする。本発明の電磁波放射装置は、スイッチング素子がなくても、複数の放射アンテナの中から電磁波の供給先を適切に切り替えることができるため、スイッチング素子を用いることにより生じるスイッチング素子の故障、コスト面での不都合等を解決することができる。

本発明の電磁波放射装置は、前記対象アンテナで反射する電磁波のエネルギーが小さくなるように、前記電磁波発生装置の発振周波数を制御する制御部をさらに備えていることが好ましい。本発明の電磁波放射装置は、前記対象アンテナで反射する電磁波のエネルギーが小さくなるように発振周波数を制御することができるため、プラズマに効率良くエネルギーを供給することができ、コスト削減に資する。

前記分岐線路は、インピーダンス整合を取るためのスタブを備え、前記対象アンテナで反射する電磁波のエネルギーが小さくなるように、前記スタブのうち、前記対象アンテナに接続する分岐線路が備える前記スタブを制御する制御部をさらに備えていることが好ましい。本発明の電磁波放射装置は、前記対象アンテナで反射する電磁波のエネルギーが小さくなるように前記スタブを制御することができるため、プラズマにさらに効率良くエネルギーを供給することができ、コスト削減に資する。

本発明の電磁波放射装置において、前記複数の放射アンテナは、スパークプラグを備えた複数の燃焼室の各々に設けられ、前記スパークプラグは、前記放射アンテナの近傍にスパークを生じさせるように配置され、前記複数の燃焼室の間では、前記スパークプラグのスパークタイミングが互いにずれており、前記電磁波放射装置が前記各燃焼室の前記スパークプラグのスパークタイミングに合わせて電磁波を出力することで、スパークが生じる燃焼室の放射アンテナが前記対象アンテナとなって、スパークを生じさせるスパークプラグが切り替わるのに伴って前記対象アンテナが切り替わる構成であることが好ましい。本発明の電磁波放射装置がこのような構成であることで、自動車エンジンに用いた場合に、各気筒の燃焼タイミングを容易に制御することができる。

本発明の電磁波放射装置において、前記複数の放射アンテナは、燃焼室において、火炎伝播中に火炎が通過するタイミングが互いに異なるように配置され、前記電磁波放射装置が前記火炎伝播中に電磁波を出力することで、前記複数の放射アンテナの中で火炎が通過する放射アンテナが前記対象アンテナとなって、火炎伝播に伴って前記対象アンテナが切り替わる構成であることも好ましい。本発明の電磁波放射装置がこのような構成であることで、自動車エンジンに用いた場合に、燃焼室における火炎伝播を促進し、燃焼効率を向上させることができる。

本発明の電磁波放射装置において、前記スパークプラグの中心電極が前記放射アンテナとして機能することが好ましい。中心電極が放射アンテナとして機能することで、スパークプラグ内の構造をより簡素化することができる。

前記伝送システムにおいて前記複数の分岐線路に分岐する分岐点から、前記放射アンテナにおける電磁波の放射端までの距離をＬ、前記分岐線路における電磁波の波長をλ、自然数をｎとした場合に、Ｌ＝ｎ×λ／４の関係を満たすことが好ましい。本発明の電磁波放射装置の伝送システムがこのような構造であることで、各放射アンテナからの電磁波の放射効率を向上させることができる。

本発明の電磁波放射装置において、前記複数の放射アンテナの間では、前記伝送システムにおいて前記複数の分岐線路に分岐する分岐点から、前記放射アンテナにおける電磁波の放射端までの距離が互いに異なる構成であってもよい。

本開示の電磁波放射装置によると、スイッチング素子がなくても、複数の放射アンテナの中から電磁波の供給先を適切に切り替えることができる。そのため、当該電磁波放射装置を用いることで、大電力の電磁波を放射する場合でもスイッチング素子の破壊等による損失を抑えることができる。

実施形態１に係る内燃機関の縦断面図である。 実施形態１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１に係る電磁波放射装置及び点火装置のブロック図である。 実施形態１に係る電磁波放射装置の概略図である。 実施形態２に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。

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。

＜実施形態１＞
本実施形態は、本発明に係る電磁波放射装置１３を備えた内燃機関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。なお、内燃機関１０は、燃焼室２０において強いタンブル流が形成されるように吸気ポート２５が設計されている。

−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。

−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と伝送システム３２と複数の放射アンテナ１６とを備えている。

電磁波発生装置３１は、制御装置３５から電磁波駆動信号を受けると、所定のデューティー比でマイクロ波パルスを繰り返し出力する。電磁波駆動信号はパルス信号である。電磁波発生装置３１は、電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘って、マイクロ波パルスを繰り返し出力する。電磁波発生装置３１では、半導体発振器がマイクロ波パルスを生成する。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。

放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１に設けられている。放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１において点火プラグ４０の近傍に設けられている。各放射アンテナ１６は、シリンダヘッド２２から電気的に絶縁されている。

放射アンテナ１６は、シリンダヘッド２２に埋設されたマイクロ波の伝送線路３３を介して、分岐ユニット３４に電気的に接続されている。

伝送システム３２は、電磁波発生装置から出力されたマイクロ波を複数の放射アンテナ１６へ伝送するように構成されている。伝送システム３２では、図３に示すように、電磁波発生装置の出力端子から延びるマイクロ波の伝送線路が複数の放射アンテナ１６に対応して複数の分岐線路３６に分岐し、各分岐線路３６が放射アンテナ１６（分岐線路に対応する放射アンテナ）に接続している。伝送システム３２では、複数の分岐線路３６に分岐する分岐点３７を含む一部の伝送線路が分岐ユニット３４に収納されている。図３において分岐ユニット３４を波線で示す。

伝送システム３２は、スイッチング素子のスイッチングにより複数の放射アンテナの中からマイクロ波の供給先となる放射アンテナを切り替える分配器を有さない。つまり、各分岐線路には、スイッチング素子が接続されていない。

また、各分岐線路３６は、図４に示すように、分岐線路３６の長さと放射アンテナの長さの合計値Ｌ（分岐点３７から放射アンテナ１６の先端までの長さ）が、下記式１を満足する。なお、複数の放射アンテナ１６には、全て同じアンテナが用いられている。
式１：Ｌ＝（λ／４）×ｎ

式１において、λは分岐線路３６におけるマイクロ波の電気長、ｎは自然数を表している。本実施形態では、複数の分岐線路３６の間で、分岐線路３６の長さと放射アンテナ１６の長さの合計値が互いに異なる。この合計値が最短の分岐線路３６から最長の分岐線路３６まで、ｎが１ずつ増加するように（つまり、分岐線路３６の長さと放射アンテナ１６の長さの合計値がλ／４ずつ増加するように）、各分岐線路３６の長さが設定されている。

なお、本実施形態では、電磁波発生装置３１が３つの放射アンテナ１６（第１アンテナ、第２アンテナ、第３アンテナ）を備えているが、放射アンテナ１６の数は２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。第１アンテナには第１分岐線路が接続し、第２アンテナには第２分岐線路が接続し、第３アンテナには第３分岐線路が接続している。第１分岐線路の長さと第１アンテナの長さの合計値Ｌ１、第２分岐線路の長さと第２アンテナの長さの合計値Ｌ２、及び第３分岐線路の長さと第３アンテナの長さの合計値Ｌ３は、式２の関係を満足する。
式２：Ｌ１＋（λ／４）×２＝Ｌ２＋λ／４＝Ｌ３

−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、内燃機関２０の運転条件に基づいて、制御マップから各燃焼室２０の点火タイミングを決定し、各燃焼室２０に対して設けられた各点火装置１２と、複数の燃焼室２０に対して１つ設けられた電磁波放射装置１３とを制御する。なお、複数の燃焼室２０の間では点火タイミングが互いにずれている。

制御装置３５は、点火タイミングを迎える燃焼室２０（第１アンテナが設けられた燃焼室）に設けられた点火装置１２に点火信号を出力する。点火装置１２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。

また、制御装置３５は、点火信号の出力タイミングに対応して、例えば、点火信号の出力タイミングと同時、上記点火タイミングの直後、上記点火タイミングから一定時間後等に、電磁波駆動信号を電磁波放射装置１３に出力する。この電磁波駆動信号の出力のタイミングは、燃焼場の状態等に合わせて、適宜調整することができる。電磁波発生装置３１は、電磁波駆動信号を受けると、電磁波放射期間に亘って、マイクロ波パルスを繰り返し出力する。制御装置３５は、複数の燃焼室２０の各々に対する点火信号の出力タイミングに対応して、電磁波駆動信号を電磁波放射装置１３に出力する。

電磁波発生装置３１から放射されたマイクロ波は、伝送システム３２の分岐点３７において、複数の放射アンテナ１６に対して分岐する。複数の放射アンテナ１６のうち、近傍にプラズマ（スパーク放電、火炎等）が存在する放射アンテナ１６が対象アンテナとなりマイクロ波が放射される一方で、近傍に前記プラズマが存在しないその他の放射アンテナ１６ではマイクロ波は放射されず、反射波となる。

ここで、本実施形態の電磁波放射装置における放射アンテナ１６のうちの第１アンテナの先端近傍において、スパーク放電等によるプラズマが存在し、上記第１アンテナ以外の第２アンテナ及び第３アンテナの先端近傍においては前記プラズマが存在していない場合について説明する。例えば、上記第１アンテナ、第２アンテナ、第３アンテナはそれぞれ第１気筒、第２気筒、第３気筒に存在する。なお、このとき第１アンテナの先端近傍にプラズマが存在するため、第１アンテナの先端からプラズマまでの距離は、マイクロ波の電気長に比べて極めて短く、第１アンテナの先端に、負荷源であるプラズマが存在していると考えることができる。

第１アンテナ、第２アンテナ及び第３アンテナに対応する各線路にエネルギーを分配する場合、電源及びマイクロ波源のインピーダンスと、負荷回路のインピーダンスとが等しいとき、エネルギーは効率良く供給される。例えば、電源のインピーダンスが５０Ωである場合、負荷の各回路のインピーダンスが５０Ωのとき、最大出力が供給される。ここで、第１アンテナの先端にはプラズマが存在し、第２及び第３アンテナの先端にはプラズマは存在しないため、第１アンテナに対応する負荷回路のインピーダンスは５０Ωとなるが、第２及び第３アンテナに対応する負荷回路のインピーダンス無限大となる。このため、第１アンテナにはエネルギーが供給されるが、第２アンテナ及び第３アンテナにはエネルギーは供給されず、伝送されたマイクロ波は反射し、第１アンテナに供給される。

第１アンテナにおいては、近傍にプラズマが存在するため、第１アンテナに分配されたマイクロ波はこのプラズマに吸収される。それに対して、第２アンテナ及び第３アンテナの先端近傍においてはプラズマが存在していないため、反射されたマイクロ波は、分岐点３７を経て、第１アンテナへ供給される。第１アンテナには、第１アンテナへ分配されたマイクロ波と、第１アンテナ以外の放射アンテナ１６で反射したマイクロ波とが供給されることになる。このようにして、電磁波発生装置３１から出力されたマイクロ波のエネルギーは、第１アンテナに集中する。このとき、第２及び第３アンテナからの反射波が第１アンテナから最も効率良く放射されるよう、上記式１及び式２の関係を満たす。

第１アンテナへ分配されたマイクロ波と、第２アンテナ及び第３アンテナで反射した後に第１アンテナへ供給されたマイクロ波とは、第１アンテナからプラズマへ放射される。プラズマは、マイクロ波のエネルギーを吸収して拡大する。この拡大したプラズマにより希薄な混合気が着火する。燃焼室２０では、混合気が着火した位置から火炎が広がる。

制御装置３５は、別の燃焼室２０（例えば第２アンテナが設けられた第２気筒の燃焼室）が点火タイミングを迎える場合においても、その燃焼室２０に設けられた点火装置１２に点火信号を出力すると共に、点火信号の出力タイミングに対応して、電磁波駆動信号を電磁波放射装置１３に出力する。燃焼室２０では、点火装置１２によりスパーク放電が生じる。この場合も、複数の放射アンテナ１６のうち、近傍にプラズマ（スパーク放電、火炎等）が存在する第２アンテナからはマイクロ波が放射される一方で、近傍にプラズマが存在しない第１アンテナ及び第３アンテナではマイクロ波は放射されず反射波となる。電磁波発生装置３１から出力されたマイクロ波のエネルギーは、第２アンテナに集中する。第２アンテナへ分配されたマイクロ波と、第２アンテナ以外の放射アンテナで反射した後に第２アンテナへ供給されたマイクロ波とは、第２アンテナからプラズマへ放射される。

制御装置３５は、複数の気筒間で、点火装置１２を着火させるタイミングを互いにずらすよう制御し、上記着火のタイミングに合わせて適切な気筒における放射アンテナ１６から電磁波が放射されるよう制御する。

−実施形態１の効果−
本実施形態では、１つの電磁波発生装置３１から出力されたマイクロ波のエネルギーを、分配器なしで１つの放射アンテナ１６（対象アンテナ）に集中させて、その放射アンテナ１６からプラズマへマイクロ波のエネルギーを供給することができる。すなわち、全気筒のうち、燃焼室２０にスパーク放電、火炎等のプラズマが存在する気筒には、電磁波発生装置３１から出力された電磁波が放射アンテナ１６より放射されてプラズマに吸収され、プラズマを拡大することができる。上記プラズマが存在しない気筒には、電磁波発生装置３１から出力された電磁波が放射アンテナ１６より放射されることはなく、反射波として分岐点３７に戻る。さらにこの反射波は、上記プラズマが存在する気筒の放射アンテナ１６より放射され、上記プラズマの拡大を促進することができる。このように、本実施形態の電磁波放射装置は、スイッチング素子がなくても、複数の放射アンテナの中から電磁波の供給先を適切に切り替えることができる。そのため、本実施形態の電磁波放射装置を用いることで、大電力の電磁波を放射する場合でもスイッチング素子の破壊等による損失が起こることはない。

＜実施形態２＞
本実施形態は、実施形態１と同様に、本発明に係る電磁波放射装置１３を備えた内燃機関１０である。本実施形態では、実施形態１とは異なり、１つの燃焼室２０に複数の放射アンテナ１６が設けられている。

燃焼室２０では、複数の放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１に、点火プラグの近傍から広がる火炎面の通過タイミングが互いに異なるように配置されている。

本実施形態では、燃焼室２０に９つの放射アンテナ１６が設けられているが、放射アンテナ１６の数は８つ以下であってもよいし、１０以上であってもよい。放射アンテナ１６ａは、点火プラグの近傍に設けられている。この放射アンテナ１６ａは、点火プラグの近傍に設けられていれば、その具体的な位置や形状は特に限定されないが、例えば図５に示すように中心電極を囲うようにリング状に設けられていてもよい。放射アンテナ１６ｂは、放射アンテナ１６ａよりも燃焼室２０の内壁寄りの位置に、点火プラグを中心とする略同心円上に設けられている。放射アンテナ１６ｃは、放射アンテナ１６ｂよりもさらに燃焼室２０の内壁寄りの位置に設けられている。点火プラグの近傍から広がる火炎面は、放射アンテナ１６ａ、放射アンテナ１６ｂ、放射アンテナ１６ｃの順番で通過する。

制御装置３５は、点火タイミングを迎える燃焼室２０に設けられた点火装置１２に点火信号を出力する。点火装置１２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。また、制御装置３５は、点火信号の出力タイミングに対応して（例えば、点火信号の出力タイミングと同時、上記出力タイミングの直後、上記出力タイミングの一定時間後等）、電磁波駆動信号を電磁波放射装置１３に出力する。電磁波発生装置３１は、電磁波駆動信号を受けると、マイクロ波パルスを繰り返し出力する。

複数の放射アンテナ１６では、放射アンテナ１６の近傍にプラズマ（スパーク放電）が存在する放射アンテナ１６ａからはマイクロ波が放射される一方で、近傍にプラズマが存在しない放射アンテナ１６ｂ及び放射アンテナ１６ｃではマイクロ波が反射される。電磁波発生装置３１から出力されたマイクロ波のエネルギーは、放射アンテナ１６ａに集中する。放射アンテナ１６ａへ分配されたマイクロ波と、放射アンテナ１６ａ以外の放射アンテナで反射した後に放射アンテナ１６ａへ供給されたマイクロ波とは、放射アンテナ１６ａからプラズマへ放射される。プラズマは、放射アンテナ１６ａから放射されたマイクロ波のエネルギーを吸収して拡大する。この拡大したプラズマにより希薄な混合気が着火する。燃焼室２０では、混合気が着火した位置から火炎面が広がる。

本実施形態では、少なくとも火炎面が放射アンテナ１６ｃを通過し終わるまでは、電磁波発生装置３１が、マイクロ波パルスの出力を継続する。そのため、放射アンテナ１６ｂを火炎が通過する際には、電磁波発生装置３１から出力されたマイクロ波のエネルギーは、放射アンテナ１６ｂに集中して、放射アンテナ１６ｂだけからマイクロ波が放射される。火炎は、放射アンテナ１６ｂからマイクロ波のエネルギーを受けて、火炎の伝播速度が上昇する。さらに、放射アンテナ１６ｃを火炎が通過する際には、電磁波発生装置３１から出力されたマイクロ波のエネルギーは、放射３アンテナ１６ｃに集中して、放射アンテナ１６ｃだけからマイクロ波が放射される。火炎は、放射アンテナ１６ｃからマイクロ波のエネルギーを受けて、火炎の伝播速度が上昇する。

なお、電磁波発生装置３１からのマイクロ波の出力継続時間は、予め設定しておいてもよいし、各放射アンテナにおけるマイクロ波の反射率の測定結果を用いて、放射アンテナ１６ｃを火炎が通過したことを検知した後に、電磁波発生装置３１からのマイクロ波の出力を停止するようにしてもよい。電磁波放射装置１３は、例えば、各放射アンテナ１６におけるマイクロ波の反射率の測定結果に基づいて、全ての放射アンテナ１６についてマイクロ波の反射率が所定の閾値を超える状態が所定の時間継続した場合に、火炎が放射アンテナ１６ｃを通過し終えたと判定し、電磁波発生装置３１からのマイクロ波の出力を停止する。

また、各放射アンテナ１６におけるマイクロ波の反射率の測定結果を用いて、放射アンテナ１６ｂ及び放射アンテナ１６ｃの何れも火炎が通過していない期間は、電磁波発生装置３１から出力するマイクロ波のエネルギー（電力）を低下させてもよい。電磁波放射装置１３は、例えば、全ての放射アンテナ１６についてマイクロ波の反射率が所定の閾値を超える場合に、電磁波発生装置３１から出力するマイクロ波のエネルギーを低下させる。

−実施形態２の効果−
本実施形態では、火炎面の移動に合わせて、マイクロ波が放射される放射アンテナが自動的に切り替わる。そのため、簡素な構成で、マイクロ波により火炎伝播を促進させることができる。

＜その他の実施形態＞
上記各実施形態において、制御装置３５が、対象アンテナで反射する電磁波のエネルギーが小さくなるように、電磁波発生装置３１の発振周波数を制御してもよい。放射アンテナ１６の近傍に、プラズマが存在している燃焼室２０において、その燃焼室内の温度、圧力、存在しているプラズマの強度等の条件によっては、電磁波発生装置３１から出力された電磁波の全ては対象アンテナである放射アンテナ１６から放射されず、一部が反射波となる場合がある。本実施形態の電磁波放射装置の制御部３５は、上記反射波のエネルギーを検知し、上記反射波のエネルギーが小さくなるよう、電磁波発生装置から発生する電磁波の周波数を制御してもよい。この場合に、電磁波発生装置３１は、例えば、２．４５ＧＨｚを発振周波数の中心値ｆとして、低周波側の第１設定値ｆ１（ｆ１＝ｆ−Ｘ）から高周波側の第２設定値ｆ２（ｆ２＝ｆ＋Ｘ）の間で、発振周波数を連続的に調節可能に構成されている。Ｘ（Ｈｚ）は、数〜数十（Ｈｚ）の値である。制御装置３５は、電磁波発生装置３１が電磁波駆動信号を受けると直ちに、マイクロ波の周波数を走査する。そして、制御装置３５は、近傍にプラズマが存在する対象アンテナ（複数の放射アンテナの中でマイクロ波の反射率が最低の放射アンテナ）におけるマイクロ波の反射率が最低となる周波数に、マイクロ波の発振周波数を設定する。なお、電磁波放射装置１３が、発振周波数が互いに異なる複数の電磁波発生装置３１を備え、使用する電磁波発生装置３１を切り替えることにより、燃焼室２０へ放射するマイクロ波の周波数を調節してもよい。

この実施形態においては、制御装置３５が、対象アンテナで反射する電磁波のエネルギーが小さくなるように電磁波発生装置３１の発振周波数を制御することで、揺動するプラズマに対応して効率的に電磁波エネルギーを吸収させることができる。

また、その他の実施形態として、前記実施形態における点火プラグ４０の中心電極４０ａが、電磁波の放射アンテナを兼ねていてもよい。点火プラグ４０の中心電極４０ａは、混合回路の出力端子に電気的に接続される。この混合回路は、別々の入力端子で点火コイル１４からの高電圧パルスと電磁波発生装置３１からの電磁波とを受けて、同じ出力端子から高電圧パルスと電磁波を出力する。

また、前記実施形態において、放射アンテナ１６が絶縁体または誘電体により被覆されていてもよい。また、受信アンテナ５２が絶縁体または誘電体により被覆されていてもよい。

また、複数の放射アンテナ１６は、ピストン頂面上、ガスケットに配置されていてもよい。なお、この放射アンテナ１６の形状としては、リング状であってもよい。

本発明の電磁波放射装置によると、スイッチング素子がなくても、複数の放射アンテナの中から電磁波の供給先を適切に切り替えることができる。そのため、当該電磁波放射装置を用いることで、大電力の電磁波を放射する場合でもスイッチング素子の破壊等による損失を抑えることができる。当該電磁波放射装置はガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の燃焼室において、プラズマに電磁波を放射する電磁波放射装置として好適に用いられる。

１０ 内燃機関
１１ 燃機関本体
１２ 点火装置
１３ 電磁波放射装置
１６ 放射アンテナ
２０ 燃焼室
３５ 制御装置

Claims (9)

1. 電磁波発生装置と、
   前記電磁波発生装置から出力された電磁波を放射する複数の放射アンテナと、
   前記電磁波発生装置の出力端子から延びる電磁波の伝送線路が前記複数の放射アンテナに対応して複数の分岐線路に分岐し、前記複数の分岐線路の各々が前記放射アンテナに接続する伝送システムとを備え、
   前記伝送システムは、電磁波発生装置から出力された電磁波が前記複数の放射アンテナへ分配された後に、前記複数の放射アンテナのうち、近傍にプラズマが存在する対象アンテナに、前記対象アンテナへ分配された電磁波と、前記対象アンテナ以外の放射アンテナで反射した電磁波の一部又は全部とが供給されるように構成され、
   前記対象アンテナへ分配された電磁波の一部又は全部と、前記対象アンテナ以外の放射アンテナで反射した後に前記対象アンテナへ供給された電磁波の一部又は全部とが、前記対象アンテナから前記プラズマへ放射されることを特徴とする電磁波放射装置。
2. 前記分岐線路に、スイッチング素子が接続されていないことを特徴とする請求項１に記載の電磁波放射装置。
3. 前記対象アンテナで反射する電磁波のエネルギーが小さくなるように、前記電磁波発生装置の発振周波数を制御する制御部をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁波放射装置。
4. 前記分岐線路は、インピーダンス整合を取るためのスタブを備え、
   前記対象アンテナで反射する電磁波のエネルギーが小さくなるように、前記スタブのうち、前記対象アンテナに接続する分岐線路が備える前記スタブを制御する制御部をさらに備えていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の電磁波放射装置。
5. 前記複数の放射アンテナは、スパークプラグを備えた複数の燃焼室の各々に設けられ、
   前記スパークプラグは、前記放射アンテナの近傍にスパークを生じさせるように配置され、
   前記複数の燃焼室の間では、前記スパークプラグのスパークタイミングが互いにずれており、
   前記電磁波放射装置が前記各燃焼室の前記スパークプラグのスパークタイミングに合わせて電磁波を出力することで、スパークが生じる燃焼室の放射アンテナが前記対象アンテナとなって、スパークを生じさせるスパークプラグが切り替わるのに伴って前記対象アンテナが切り替わることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電磁波放射装置。
6. 前記複数の放射アンテナは、燃焼室において、火炎伝播中に火炎が通過するタイミングが互いに異なるように配置され、
   前記電磁波放射装置が前記火炎伝播中に電磁波を出力することで、前記複数の放射アンテナの中で火炎が通過する放射アンテナが前記対象アンテナとなって、火炎伝播に伴って前記対象アンテナが切り替わることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電磁波放射装置。
7. 前記スパークプラグの中心電極が前記放射アンテナとして機能することを特徴とする請求項５に記載の電磁波放射装置。
8. 前記伝送システムにおいて前記複数の分岐線路に分岐する分岐点から、前記放射アンテナにおける電磁波の放射端までの距離をＬ、前記分岐線路における電磁波の波長をλ、自然数をｎとした場合に、Ｌ＝ｎ×λ／４の関係を満たすことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電磁波放射装置。
9. 前記複数の放射アンテナの間では、前記伝送システムにおいて前記複数の分岐線路に分岐する分岐点から、前記放射アンテナにおける電磁波の放射端までの距離が互いに異なることを特徴とする請求項８に記載の電磁波放射装置。

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