JP6387490B2 - 点火プラグ及びプラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が中心電極に給電される点火プラグ関するものである。

従来から、点火プラグの放電を用いて局所的なプラズマを作り、このプラズマを電磁波（マイクロ波）により拡大させるプラズマ発生装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。このプラズマ発生装置においては、放電のためのエネルギと電磁波発生装置からの電磁波のエネルギとを混合する混合回路が設けられており、この混合回路は点火プラグの入力端子に接続されている。これにより、電磁波のエネルギと高電圧パルスとは同じ伝送線路（電路）を通って点火プラグに給電される。従って、点火プラグは、スパーク放電電極と電磁波放射用アンテナとを兼用する。

しかし、従来のプラズマ発生装置に使用される一般的な点火プラグの中心電極（以下、点火コイルと接続される端子部から接地電極との間で放電ギャップを形成する先端部分までを総称して中心電極とよぶ。以下同じ。）は、通常、先端部を除き、鉄を主成分とする合金から構成されている。そのため、交流電源から供給される電磁波は、中心電極表面を流れることとなるが、透磁率の高い鉄を主成分とするため大きな電力損失を伴うこととなる。

また、特許文献２に記載される点火プラグは、５０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波電力を、点火プラグの中心電極に供給して電極間にプラズマを発生させる技術が開示されている。

具体的に、この点火プラグは、軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁碍子と、軸孔の先端側に配置された中心電極と、軸孔のうち中心電極よりも後端側に配置されるとともに中心電極と中軸を介して電気的に接続され、外部から高周波電力が供給される端子金具と、絶縁碍子の周囲を囲むように配置された主体金具と、主体金具に電気的に接続され、高周波電力が端子金具に供給されることで中心電極との間でプラズマを発生させる接地電極とを備えている。そして、軸孔の内面の少なくとも一部は、鉄よりも導電率の高い金属コーティングが形成されており、中心電極が金属コーティングと電気的に接触する。そして、端子金具が中心電極よりも後端側の位置で金属コーティングと接触する。これによって、端子金具と中軸を通って電力が中心電極に供給される第１の電路と、端子金具と金属コーティングを通って電力が中心電極に供給される第２の電路とを有することとなる。このため、電路の断面積が増加することとなり、電路抵抗が低下し電力損失を低減することができるものである。

しかし、この点火プラグは、絶縁碍子の内径が２ｍｍ〜５ｍｍ程度で長さが６０ｍｍ〜１００ｍｍ程度の細い軸孔の内面に金属コーティングを施す（例えば、有機溶剤に粉末状の金属を混合したペーストを塗布）必要があるとともに、２つの電路を形成するために中軸と金属コーティングとの間に隙間を設け、その隙間に充填剤として滑石（タルク）を充填する必要がある。このため、製造が困難であり手数を要するという問題があった。

また、特許文献２が想定する高周波電力の周波数は、５０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚであるため、それよりも高周波であるマイクロ波（例えば、２ＧＨｚ以上）の場合、表皮効果の影響が上がり導電率のみならず、透磁率を十分に考慮する必要がある。また、特許文献２に記載される点火プラグは、火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波の両方を点火プラグに給電することは考慮されていない。

特開２００９−０３６１９８号公報 特開２０１３−５１１９６号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、マイクロ波のような高周波電力を給電する中心電極の主材が鉄製である点火プラグであっても、電力損失の少ない点火プラグを提供することである。

上記課題を解決するためになされた発明は、
中心電極と、
該中心電極が嵌め込まれる軸孔が形成された絶縁碍子と、
該絶縁碍子の周囲を囲むように配置された主体金具と、
前記中心電極との間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する接地電極とを備え、
火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が、前記中心電極に給電される点火プラグであって、
前記中心電極外周面と前記絶縁碍子の軸孔内周面との間に、鉄よりも透磁率が低い材料からなる低インピーダンス層を設けた点火プラグである。

本発明の点火プラグは、中心電極外周面と前記絶縁碍子の軸孔内周面との間に、鉄よりも透磁率が低い材料からなる低インピーダンス層を設けたことにより、周波数が２ＧＨｚを越える高周波の電磁波、例えばマイクロ波であっても、効率よく中心電極の表面を流れ、電力損失を最小限に抑えることができる。

前記低インピーダンス層は、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ビスマス、パラジウム、鉛、スズ又はこれらを主体とした合金若しくはこれらの複合材料とすることができる。これらの材料又はこれらを主体とした合金若しくはこれらの複合材料は透磁率が鉄よりも低く、また、殆どの材料が鉄よりも誘電率が高いため、供給される電磁波は、効率よく中心電極の表面を流れ、電力損失を最小限に抑えることができる。

また、前記低インピーダンス層を、前記中心電極外周面に被覆して構成することができる。低インピーダンス層を、中心電極の外周面にコーティング（金属コーティング）することで、容易に低インピーダンス層を形成することができる。

さらに、前記低インピーダンス層の厚みを、被覆する主となる材料の透磁率をμ、導電率をρ、供給する電磁波の周波数ｆとしたとき、
（π・ｆ・μ・ρ）^−１／２
とすることができる。高周波電流が導体を流れるときの表皮深さに低インピーダンス層の厚みを合わせることで、コーティング厚みを抑えることができる。

また、前記低インピーダンス層の厚みを、１．０μｍ以上３．５μｍ以下とすることができる。

本発明は、当該プラズマ発生装置を備えるプラズマ発生装置も含む。本発明のプラズマ発生装置は、
パルス電圧を供給するために高電圧パルス発生装置と、
電磁波を発振する電磁波発振器と、
前記高電圧パルス発生装置及び電磁波発振器と接続され放電のためのエネルギと電磁波のエネルギとを混合する混合器と、
火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波を、燃焼反応又はプラズマ反応が行われる反応領域に導入する前記点火プラグを備える。これにより、本発明のプラズマ発生装置は、反応領域に導入する電磁波（マイクロ波）の電力損失を低減することができる。その結果、電磁波発振器を小型化することができる。

本発明によると、火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波、特にマイクロ波のような高周波電力の両方を給電する中心電極の主材が鉄製である点火プラグであっても、中心電極外周面と絶縁碍子の軸孔内周面との間に鉄よりも透磁率が低い材料からなる低インピーダンス層を設けたことにより、給電するマイクロ波の電力損失が少ない点火プラグを提供することができる。また、当該点火プラグを用いたプラズマ発生装置においては、電磁波発振器を小型化することができ、装置全体の小型化と低廉化を図ることができる。

本発明に係る点火プラグの一部断面図である。 他の実施形態に係る点火プラグを示し、（ａ）は一部断面図、（ｂ）は抵抗体を挟んだ電極本体部と端子金具との接続部を示す拡大断面図である。 電極本体部と端子金具との接続部における耐電圧構造（電界緩和）を示し、（ａ）は端子金具の本体部と挿入部とを傾斜面で連接するとともに、角部にＲ面取りを施した例を、（ｂ）は容量結合部を直列に複数設けた例を示す。 中心電極の電極本体部と端子金具との接続方法を示す概略説明図である。 本発明に係るプラズマ発生装置の概略図である。

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＞
−点火プラグ−
本実施形態１は、本発明に係る点火プラグである。

図１に本実施形態１の点火プラグを示す。この点火プラグ１は、中心電極２と、中心電極２が嵌め込まれる軸孔３０が形成された絶縁碍子３と、この絶縁碍子３の周囲を囲むように配置された主体金具４と、中心電極２との間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する接地電極５とを備え、火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が、中心電極２に給電される。

そして、当該点火プラグ１は、中心電極２の外周面と絶縁碍子３の軸孔３０内周面との間に、鉄よりも透磁率が低い材料からなる低インピーダンス層６を設けるようにしている。この低インピーダンス層６は、少なくとも中心電極２の外周面（表面）に接触し、中心電極２の表面を流れる電磁波の電力損失を低減させる。具体的には、このインピーダンス層６は、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ビスマス、鉛、スズ又はこれらを主体とした合金若しくはこれらの複合材料からなる。

この低インピーダンス層６は、中心電極２の外周面、具体的には後述する電極本体部２０及び端子金具２１の外周面に被覆（コーティング）して形成する。コーティング方法は、特に限定するものではなく、スパッタリング法やアークイオンプレーティング法等、周知のコーティング方法を用いることができる。

低インピーダンス層６の厚み、つまり、金属コーティングの厚みｄは、被覆する主となる材料の透磁率をμ、導電率をρ、供給する電磁波の周波数ｆとしたとき、
ｄ＝（π・ｆ・μ・ρ）^−１／２（μｍ）
で、表される厚みとすることが好ましい。この計算式は、表皮深さを求める計算式である。実際のコーティング厚みとしては、計算によって求めたｄμｍ＋数μｍ（０．５μｍ〜１．５μｍ）とすることが好ましい。

また、低インピーダンス層６の厚みは、１．０μｍ以上３．５μｍ以下とすることもできる。低インピーダンス層６を構成する上述した金属の誘電率は、１０×１０^６〜６０×１０^６（Ｓ／ｍ）で、当該点火プラグ１に給電する電磁波として、周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用することから、コーティング厚みを１．０μｍ以上３．５μｍ以下とすることで、マイクロ波の電力損失を低減させることができる。

絶縁碍子３は、周知の方法、例えば、高絶縁性と耐熱耐食性を有したアルミナ（ＡＬ_２Ｏ_３）等を基材とするセラミックスでアルミナ粉を静水圧プレスで成形し、砥石等で研削した後、１６００℃前後で焼成し絶縁碍子３製作する。中心電極２が嵌め込まれる軸孔３０には、後述する電極本体部２０の大径部分を係止する段差部３０ａを形成する。

中心電極２は、接地電極５との間で火花放電をおこす電極チップ部２０ａを先端に備えた電極本体部２０と、一端にパルス電圧及び電磁波（マイクロ波）の出力端子と接続される入力端子２５（ターミナル端子）が配設される端子金具２１とから構成される。電極本体部２０の後端側は、上述した軸孔３０の段差部３０ａに係合する大径部２０ｂを備える。また、端子金具２１は、他端が電極本体部２０と電気的に接続される軸状体である。電極チップ部２０ａは、電極本体部２０の先端面に接合されている。電極チップ部２０ａには、高融点で耐酸化性の貴金属（例えば、白金合金やイリジウム）を用いることが好ましい。

また、通常、高温となる電極チップ部２０ａの熱ひけの観点から、電極本体部２０の先端の軸芯部は、銅又は銀等の熱伝導性に優れた材質とし、表面を耐熱、耐酸化性に優れたニッケル合金とした２層構造としている。なお、当該点火プラグ１の場合、中心電極２の外表面に低インピーダンス層６として被覆する金属によっては（例えば、銀や銅等）、低インピーダンス層６が電極チップ部２０ａの熱ひけの問題を解消し、電極本体部２０を２層構造とする必要がない。

電極本体部２０の後端側と端子金具２１の先端側とは、直接接触して接合しても構わないが、電極本体部２０と端子金具２１との間に、銅・タングステン混合粉末、クロム・ニッケル混合粉末又はチタン・ニッケル混合粉末に導電性ガラス粉末を加えた粉末（以下、導電性混合粉末という。）を介在させ、ガラス軟化温度以上の温度（９００℃〜１０００℃）で封着し、中心電極２を絶縁碍子３に接合するようにしている。具体的には、中心電極２の電極本体部２０を軸孔３０に挿通し、電極チップ部２０ａが絶縁碍子３の先端から露出する位置で段差部３０ａに大径部２０ｂを係合させる。ついで、所定量の導電性混合粉末を、大径部２０ｂを覆うように充填した後、端子金具２１の先端が混合粉末に到達させガラス軟化温度以上の温度で加熱し、電極本体部２０及び端子金具２１を封着固定する。加熱の際、端子金具２１の入力端子部分が、絶縁碍子３の端面に対して所定の位置となるように圧入しながら加熱することが好ましい。この場合、端子金具２１の入力端子部に鍔部を設け、絶縁碍子３の端面に当接するように構成することもできるが、鍔部を設けることで、供給するマイクロ波の反射ポイントとなり、電力損失の一因となることから、端子金具２１は、図１に示すように、鍔部等の段差部を設けることなく、ストレート形状とすることが好ましい。

主体金具４は、略円筒状の金属製ケースである。主体金具４は、絶縁碍子３の外周を支持して、絶縁碍子３を収容する。主体金具４の先端部の内周面は、絶縁碍子３の先端部の外周面との間に隙間を存して離間している。主体金具４の先端側の外周面には、内燃機関へ取り付けるための取付構造として雄ネジ部４１が形成されている。点火プラグ１は、主体金具４の雄ネジ部４１をシリンダヘッドのプラグホールの雌ネジ部（図示省略）に螺合させることにより、シリンダヘッドにねじ込み固定される。主体金具４の上部には、プラグレンチが嵌め込まれるレンチ嵌合部４２が形成されている。なお、主体金具４のレンチ嵌合部４２と絶縁碍子３の間にはシール部材として粉末状のタルク（滑石）が充填され、端部が加締られている。

接地電極５は、中心電極２との間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する。接地電極５は、接地電極本体部５ｂと接地電極チップ部５ａとから構成されている。接地電極本体部５ｂは、曲板状の導体である。接地電極本体部５ｂは、一端側が主体金具４の先端面に接合されている。接地電極本体部５ｂは、主体金具４の先端面から点火プラグ１の軸心に沿って延びて内側へ略９０°折れ曲がり、接地電極チップ部５ａが設けられた先端側が電極本体部２０の先端に設けられた電極チップ部２０ａと対面している。

このように、中心電極２の表面に鉄よりも透磁率の低い金属コーティングを施すことによって、特にその金属コーティング厚さをコーティングする金属の透磁率と誘電率から求められる表皮深さに基づいて決定することによって、必要以上に厚い低インピーダンス層６を形成することなく効率よく電磁波の電力損失を低減することができる。

−実施形態１の効果−

本実施形態の点火プラグは、火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波、特にマイクロ波のような高周波電力の両方を給電する中心電極の主材が鉄製であっても、鉄よりも透磁率が低い材料からなる低インピーダンス層を設けたことにより、給電するマイクロ波の電力損失の少ない点火プラグを提供することができる。

＜実施形態２＞
−点火プラグ−
本実施形態２は、本発明に係る点火プラグである。この点火プラグは、実施形態１の点火プラグと比べて、内部に抵抗体を有する点が異なる。絶縁碍子３、主体金具４、接地電極５等、実施形態１と同様の構成については説明を省略する。

図２に本実施形態２の点火プラグを示す。この点火プラグ１は、実施形態１と同様、中心電極２と、中心電極２が嵌め込まれる軸孔３０が形成された絶縁碍子３と、この絶縁碍子３の周囲を囲むように配置された主体金具４と、中心電極２との間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する接地電極５とを備え、火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が、中心電極２に給電される。そして、中心電極２の外周面と絶縁碍子３の軸孔３０内周面との間に、鉄よりも透磁率が低い材料からなる低インピーダンス層６を設けるようにしている。この低インピーダンス層６は、中心電極２の表面を流れる電磁波の電力損失を低減させる。具体的には、このインピーダンス層６は、実施形態１と同様、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ビスマス、鉛、スズ又はこれらを主体とした合金若しくはこれらの複合材料からなる。

ところで、自動車用内燃機関においては、火花放電の際に生じるノイズが自動車の電子機器に影響を与えることを防止（電雑防止）する観点から、パルス電圧印可用の点火コイルのプラグコードやプラグキャップに抵抗体を備えるようにしている。また、プラグコードやプラグキャップに抵抗体を備えるよりも安価な方法として、点火プラグの内部に抵抗体を備えているものが汎用されており、近年点火プラグに内包する抵抗体は、モノリシックタイプと呼ばれるガラス粉末と金属粉末やカーボン粉末とを混合した複合粉末材料を、中心電極２の電極本体部２０と端子金具２１との間に充填し、ガラス軟化温度以上の温度（９００℃〜１０００℃）で封着して形成するようにしている。実施形態２に係る当該点火プラグ１は、内部に抵抗体２２を備えている。

以下、内部に抵抗体２２を備える当該点火プラグ１において、電磁波（マイクロ波）の電力損失を低減させる構成を説明する。

この点火プラグ１に使用される中心電極２の電極本体部２０は、図２（ｂ）に示すように、端子金具２１側の端部に筒状の誘電筒２３を一体的に形成する。誘電筒２３と電極本体部２０との接合方法は、特に限定するものではないが、電極本体部２０の端部に誘電筒２３の内径と略同径の段部を設け嵌合するようにして接合することができる。誘電筒２３の端部は外側に鍔部を設け、鍔部より電極本体部２０の先端側に向かって、誘電筒２３及び電極本体部２０の表面に低インピーダンス層６ａとなる金属コーティングを施す。誘電筒２３は、高絶縁性と耐熱耐食性を有した誘電体であれば、その材質は特に限定するものではなく、絶縁碍子３と同様、アルミナ（ＡＬ_２Ｏ_３）等を基材とするセラミックスから構成することができる。

中心電極２のうち端子金具２１は、電極本体部２０側の端部が筒状の誘電筒２３の内径よりも小径の挿入部２１ａと、挿入部２１ａより大径で絶縁碍子３の軸孔３０より小径の本体部２１ｂとからなり、その表面に低インピーダンス層６ｂとなる金属コーティングを施す。挿入部２１ａの外表面と誘電筒２３の内表面との隙間は可及的に０となるように構成することが好ましく、組み付け時にスムーズな組付けができるようにするため、端部に面取り加工を施すことが好ましい。

本体部２１ｂと小径の挿入部２１ａとの間に形成される環状部２１ｃと誘電筒２３の端部との間において高電圧であるパルス電圧によって放電が生じないように、十分な隙間を設ける耐電圧構造（電界緩和）とすることが好ましい。また、環状部２１ｃが生じないように、図３（ａ）に示すように、本体部２１ｂと挿入部２１ａとを傾斜面で連接したり、角部にＲ面取りを施したりすることもできる。

また、電界緩和の方法としては、ガードリング構造を採用したり、低インピーダンス層６となる金属コーティングを一部で環状に欠落させて容量結合部を直列に複数箇所で構成するようにしたりすることもできる。具体的には、図４（ｂ）に示すように、誘電筒２３と嵌合される電極本体部２０の嵌合部の外表面まで低インピーダンス層６ａとなる金属コーティングを施す。そして、誘電筒２３は、予め、低インピーダンス層６ｃとなる金属コーティングを、下端部に未コーティング部Ａを形成するようにコーティングを施した後、電極本体部２０に嵌合する。このように構成することで、直列のコンデンサ（容量結合部）を形成することができ、耐電圧構造とすることができる。

中心電極２（電極本体部２０及び端子金具２１）の絶縁碍子３への組み付け方法は、まず、誘電筒２３を一体に形成した電極本体部２０を軸孔３０に挿通し、電極チップ部２０ａが絶縁碍子３の先端から露出する位置で段差部３０ａに大径部２０ｂを係合させる。ついで、抵抗体２２となる所定量の抵抗体組成用粉末（ガラス粉末と金属粉末やカーボン粉末とを混合した複合粉末材料）を、誘電筒２３内に充填した後、所定量の封着のための導電性混合粉末２４を抵抗体組成用粉末の上に誘電筒２３を覆うように充填する。その後、端子金具２１の挿入部２１ａが誘電筒２３の抵抗体組成用粉末に到達する位置まで挿入する。そして、ガラス軟化温度以上の温度（９００℃〜１０００℃）で加熱し、電極本体部２０及び端子金具２１を封着固定する。なお、端子金具２１を圧入しながら加熱することもできる。

このように、端子金具２１と電極本体部２０との間に、誘電筒２３を介在させることでマイクロ波は、誘電筒２３及び電極本体部２０の表面に形成された低インピーダンス層６ａの表面を流れ、パルス電圧は、端子金具２１から抵抗体２２を経由して電極本体部２０を流れる。これによって、マイクロ波の電力損失を低減させるとともに、パルス電圧印可用の点火コイルのプラグコードやプラグキャップに抵抗体を備えることなく、電雑防止を行うことができる。
−実施形態２の効果−

本実施形態の点火プラグは、火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波、特にマイクロ波のような高周波電力の両方を給電する中心電極の主材が鉄製であって、端子金具と電極本体部の間に抵抗体が介在していても、マイクロ波は誘電筒を介して容量接続されて低インピーダンス層を流れ、パルス電圧は抵抗体を介して端子金具側から電極本体部側に流れる。その結果、抵抗体付き点火プラグであっても、給電するマイクロ波の電力損失の少ない点火プラグを提供することができる。

−実施形態の変形例１−
上述した誘電筒２３を一体的に構成した電極本体部２０及び誘電筒２３内に挿入される挿入部２１ａを備えた端子金具２１の構成を、抵抗体２２を配設しない実施形態１に採用することもできる。この場合、先に充填する抵抗体組成用粉末に代えて、導電性混合粉末２４を充填する。

変形例における、中心電極の電極本体部と端子金具との接続方法（点火プラグの製造方法）を図４に示す。まず、誘電筒２３を一体に形成した電極本体部２０を軸孔３０に挿通し、電極チップ部２０ａが絶縁碍子３の先端から露出する位置で段差部３０ａに大径部２０ｂを係合させる。その後、導電性混合粉末２４を誘電筒２３の内部及び誘電筒２３の上部を覆うよう所定量充填する。このとき導電性混合粉末２４は、誘電筒２３外周面及び電極本体部２０の大径部２０ｂの外周面と軸孔３０との隙間にも充填される（図４（ａ）参照）。

次に、端子金具２１の挿入部２１ａを誘電筒２３の内径に沿わすように進入させる（図４（ｂ）参照）。

その後、端子金具２１の入力端子部分が、絶縁碍子３の端面に対して所定の位置となるように圧入しながらガラス軟化温度以上の温度（９００℃〜１０００℃）で加熱し、電極本体部２０を絶縁碍子３に封着固定する。

なお、導電性混合粉末２４を充填する前に抵抗体組成用粉末を充填することで、実施形態２における点火プラグを製造することができる。

これによって、実施形態１における導電性混合粉末２４の箇所で生じる電力損失を低減させることができる。

＜実施形態３＞
−プラズマ発生装置−
本実施形態におけるプラズマ発生装置１００は、図５に示すように、制御装置１１０、高電圧パルス発生装置１２０、電磁波発振器１３０、混合器１４０及び当該点火プラグ１を備える。高電圧パルス発生装置１２０は、直流電源１２１及び点火コイル１２２からなる。高電圧パルス発生装置１２０及び電磁波発振器１３０のそれぞれから発振されたエネルギは、混合器１４０を介して当該点火プラグ１に伝達される。混合器１４０は、高電圧パルス発生装置１２０及び電磁波発振器１３０から与えられたエネルギを、時間を隔てて混合する。

混合器１４０において混合されたエネルギは、点火プラグ１に供給される。点火プラグ１に供給された高電圧パルスのエネルギは点火プラグ１の中心電極２の電極チップ部２０ａと接地電極チップ部５ａとの間、即ちギャップ部でスパーク放電を生じさせる。また、電磁波発振器１３０から発振されたマイクロ波のエネルギは、上記スパーク放電により生じた放電プラズマを拡大・維持させる。制御装置１１０は、直流電源１２１、点火コイル１２２及び電磁波発振器１３０を制御して、当該点火プラグ１からの放電及びマイクロ波エネルギ投入のタイミング、強度等を調節し、所望の燃焼状態を実現する。

−高電圧パルス発生装置−
高電圧パルス発生装置１２０は、直流電源及び点火コイル１２２を備えている。点火コイル１２２は、直流電源１２１に接続されている。点火コイル１２２は、制御装置１１０から点火信号を受けると、直流電源１２１から印加された電圧を昇圧する。昇圧後のパルス電圧（高電圧パルス）は、共振器１５０、混合器１４０を介して当該点火プラグ１に出力される。

制御装置１１０は、点火コイル１２２への信号をオフにするタイミングから所定時間遅れたタイミングでマイクロ波が発生するよう制御する。これにより放電で生じイオン化した気体群、即ちプラズマに対してマイクロ波エネルギが効率よく与えられ、プラズマが拡大膨張する。

−電磁波発振器−
電磁波発振器１３０は、制御装置１１０から電磁波駆動信号を受けると、所定の発振パターンで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。電磁波発振器１３０では、半導体発生装置がマイクロ波パルスを生成する。なお、半導体発生装置の代わりに、マグネトロン等の他の発生装置を使用してもよい。これによりマイクロ波パルスは混合器１４０に出力される。

電磁波発振器１３０を１つの点火プラグ１（１の気筒）に対して、１台配設した例を示すが、複数の気筒（例えば、４気筒内燃機関）の場合、１つの電磁波発振器１３０から分岐手段（図示省略）を使用して各プラズマ発生装置１００にマイクロ波パルスを分岐して出力するように構成することが好ましい。この場合、分岐手段（例えば、スイッチ等）を通過することでマイクロ波は減衰することとなる。そのため電磁波発振器１３０からの出力は低出力（例えば１Ｗ）とし、各プラズマ発生装置１００において混合器１４０への入力前に増幅器（図示省略）を通過させるようにすることが好ましい。つまり、図５に示す電磁波発振器１３０の位置には増幅器（例えばパワーアンプ等）を配設するように構成することが好ましい。

共振器１５０は、混合器１４０から点火コイル１２２側へ漏洩しようとするマイクロ波を共振させる例えば、空洞共振器である。マイクロ波を共振器１５０内で共振させることにより点火コイル１２２側への漏洩を抑制することができる。

上記構成のプラズマ発生装置１００は、内燃機関の燃焼室へマイクロ波を放射する点火プラグとして、実施形態１又は実施形態２の点火プラグ１を用いるから、電力損失を大幅に低減することができる。その結果、電磁波発振器１３０の容量の小型化を図ることができ、装置全体の小型化と低廉化を図ることができる。

以上説明したように、本発明によると、中心電極外周面と絶縁碍子の軸孔内周面との間に鉄よりも透磁率が低い材料からなる低インピーダンス層を設けたことにより、給電するマイクロ波の電力損失が少ない点火プラグを提供することができるから、火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとしてマイクロ波は供給するプラズマ発生装置に好適に用いることができる。これらの結果、本発明のプラズマ発生装置を用いた自動車エンジン等の内燃機関は、小型の電磁波発振器を用いて燃焼効率を向上させ、燃費を低減することができる。その結果、本発明のプラズマ発生装置を用いた内燃機関として、自動車、飛行機、船舶等に広く使用することができる。

１ 点火プラグ
２ 中心電極
２０ 電極本体部
２０ａ 電極チップ部
２０ｂ 大径部
２１ 端子金具
２１ａ 挿入部
２１ｂ 本体部
２２ 抵抗体
２３ 誘電筒
２４ 導電性混合粉末
３ 絶縁碍子
３０ 軸孔
３０ａ 段差部
４ 主体金具
５ 接地電極
５ａ 接地電極チップ部
５ｂ 接地電極本体部
６ 低インピーダンス層
１００ プラズマ発生装置
１１０ 制御装置
１２０ 高電圧パルス発生装置
１３０ 電磁波発振器

Claims (6)

1. 鉄製の中心電極と、
   該中心電極が嵌め込まれる軸孔が形成された絶縁碍子と、
   該絶縁碍子の周囲を囲むように配置された主体金具と、
   前記中心電極との間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する接地電極とを備え、
   火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が、前記中心電極に給電される点火プラグであって、
   前記中心電極外周面と前記絶縁碍子の軸孔内周面との間に、前記鉄製の中心電極に対して、鉄よりも透磁率が低く誘電率が高い材料からなる低インピーダンス層を設けた、
   点火プラグ。
2. 前記低インピーダンス層は、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ビスマス、パラジウム、鉛、スズ又はこれらを主体とした合金若しくはこれらの複合材料からなる請求項１に記載の点火プラグ。
3. 前記低インピーダンス層を、前記中心電極外周面に被覆してなる請求項１又は請求項２に記載の点火プラグ。
4. 前記低インピーダンス層の厚みが、被覆する主となる材料の透磁率をμ、導電率をρ、供給する電磁波の周波数ｆとしたとき、下記の式で表される値となるようにした請求項１、請求項２又は請求項３に記載の点火プラグ。
   式：（π・ｆ・μ・ρ）^−１／２
5. 前記低インピーダンス層の厚みが、１．０μｍ以上３．５μｍ以下である請求項１、請求項２又は請求項３に記載の点火プラグ。
6. パルス電圧を供給するために高電圧パルス発生装置と、
   電磁波を発振する電磁波発振器と、
   前記高電圧パルス発生装置及び電磁波発振器と接続され放電のためのエネルギと電磁波のエネルギとを混合する混合器と、
   火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波を、燃焼反応又はプラズマ反応が行われる反応領域に導入する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載した点火プラグとを備えたプラズマ発生装置。

Images