JP7186041B2

JP7186041B2 - 点火装置

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Inventors: 大介田中; 文明青木; 明光杉浦; 正士神藤; ヤンフサリク; 洋岡嶋
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Current assignee: PLASMA APPLICATIONS INC.; Denso Corp; Tokyo Keiki Inc
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2022-12-08
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Description

本発明は、点火装置に関する。

内燃機関等の点火装置として、高周波プラズマを発生させて空気と燃料との混合気に点火するものがある。かかる点火装置は、高周波の電磁波電力を点火プラグに入力する電源を有する。そして、電源から入力された電磁波電力によって、点火プラグから電磁波を放射し、プラズマ形成空間にプラズマを発生させる。ここで、プラズマ形成空間の状態によって、プラズマ形成空間を含む電磁波電力の伝送路のインピーダンスが変動する。電源と伝送路（すなわち負荷）との間でインピーダンスの整合が取れていないと、反射波が発生して、効率的な電磁波電力の入力が阻害されかねない。

そこで、特許文献１には、スタブを用いて伝送路のインピーダンスを調整するインピーダンス整合装置が、開示されている。このインピーダンス整合装置は、複数のスイッチの切り替えにより、スタブにおける短絡位置を調整することで、伝送路のインピーダンスを調整するものである。

国際公開第２０１２／１０５５７０号

しかしながら、スタブを用いてインピーダンス整合を行う場合、複数のスイッチを用いることとなる。そうすると、複数のスイッチの切り替え時における、電力ロスが発生する。また、短時間でスイッチを切り替えることが困難な場合がある。その場合、プラズマ形成空間の状態の時間変動に応じて、適切にインピーダンス整合を取ることが困難となるおそれがある。すなわち、プラズマ形成空間においては、プラズマ発生前後や、火炎発生前後において、そのインピーダンスが変動する。これに応じて、インピーダンス整合を取ることは、複数のスイッチの切り替えによる手段では、困難な場合がある。その結果、電磁波電力のエネルギーを効率的に、点火エネルギーとして利用することが困難となるおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、電磁波電力のエネルギーを効率的に利用することができる点火装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、プラズマによって空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を発生させる点火装置（１）であって、
内導体（１０）と、該内導体を内側に保持する筒状の外導体（２０）と、上記内導体と上記外導体との間に設けられた誘電体（３０）とを備え、上記内導体と上記外導体との間のプラズマ形成空間（Ｒ）に電磁波を放射してプラズマを発生させる点火プラグ（２）と、
電磁波電力（Ｐｓ）を上記点火プラグに入力して上記電磁波を発生させる電磁波電源（４）と、
上記電磁波電源を制御する電源制御部（５）と、
上記点火プラグからの反射電力を検出する反射電力検出部（１２）と、を有し、
上記電磁波電源は、複数の互いに異なる周波数の高周波電力を発生させるよう構成されており、
上記電源制御部は、上記電磁波電源にて発生する複数の上記高周波電力を、上記電磁波電源から上記電磁波電力として出力させ、
上記電磁波電源は、上記複数の互いに異なる周波数の上記高周波電力を合成して、上記電磁波電力として上記点火プラグに入力させ、
上記電源制御部は、１回の放電の中で時系列的に生じる、上記プラズマ形成空間にプラズマが形成されていない第１状態（Ｓｔ１）と、上記プラズマ形成空間にプラズマが形成された第２状態（Ｓｔ２）と、プラズマにより上記プラズマ形成空間に初期火炎が形成された第３状態（Ｓｔ３）との間で、上記電磁波電力として出力させる複数の高周波電力の合成比率を切り替えるよう構成されている、点火装置にある。
本発明の他の態様は、プラズマによって空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を発生させる点火装置（１）であって、
内導体（１０）と、該内導体を内側に保持する筒状の外導体（２０）と、上記内導体と上記外導体との間に設けられた誘電体（３０）とを備え、上記内導体と上記外導体との間のプラズマ形成空間（Ｒ）に電磁波を放射してプラズマを発生させる点火プラグ（２）と、
電磁波電力（Ｐｓ）を上記点火プラグに入力して上記電磁波を発生させる電磁波電源（４）と、
上記電磁波電源を制御する電源制御部（５）と、
上記点火プラグからの反射電力を検出する反射電力検出部（１２）と、を有し、
上記電磁波電源は、複数の互いに異なる周波数の高周波電力を発生させるよう構成されており、
上記電源制御部は、上記電磁波電源にて発生する複数の上記高周波電力のうちの一つを、上記電磁波電源から上記電磁波電力として出力させ、
かつ、１回の放電の中で時系列的に生じる、上記プラズマ形成空間にプラズマが形成されていない第１状態（Ｓｔ１）と、上記プラズマ形成空間にプラズマが形成された第２状態（Ｓｔ２）と、プラズマにより上記プラズマ形成空間に初期火炎が形成された第３状態（Ｓｔ３）との間で、上記電磁波電力として出力させる上記高周波電力を切り替えるよう構成されている、点火装置にある。

上記点火装置において、上記電磁波電源は、互いに異なる周波数の高周波電力をそれぞれ発生させるよう構成されている。そして、上記電源制御部は、複数の上記高周波電力のうちの少なくとも一つを、電磁波電源から電磁波電力として出力させるよう構成されている。これにより、プラズマ形成空間の状態に応じて、適切にインピーダンス整合を取ることが可能となる。その結果、電磁波電力のエネルギーを効率的に、点火エネルギーとして利用することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、電磁波電力のエネルギーを効率的に利用することができる点火装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、点火装置の概略図。実施形態１における、点火プラグの斜視図。図２における、III－III線位置断面の一部拡大図。実施形態１における、１サイクル中の反射電力の変化の概略と、プラズマ形成空間の状態と、電磁波電力の合成比率との関係の一例を示す概念図。実施形態１における、点火装置の動作のフロー図。実施形態２における、１サイクル中の反射電力の変化の概略と、プラズマ形成空間の状態と、電磁波電力の合成比率との関係の一例を示す概念図。参考形態１における、１サイクル中の反射電力の変化の概略と、プラズマ形成空間の状態と、電磁波電力の合成比率との関係の一例を示す概念図。実施形態３における、点火装置の概略図。実施形態３における、反射電力の時間変化の概略を示す線図。実施形態３における、複数の高周波電力の周波数の変更を示す線図。実施形態３における、今回と次回の反射電力の時間変化の概略を示す線図。実験例における、単一の周波数ｆ１の高周波電力を入力したときの反射電力の波形を示す線図。実験例における、単一の周波数ｆ２の高周波電力を入力したときの反射電力の波形を示す線図。実験例における、複数の高周波電力を合成して入力したときの反射電力の波形を示す線図。変形形態における、点火装置の概略図。

（実施形態１）
点火装置に係る実施形態について、図１～図５を参照して説明する。
本実施形態の点火装置１は、プラズマによって空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を発生させるものである。
そして、図１に示すように、点火装置１は、点火プラグ２と、電磁波電源４と、電源制御部５と、を有する。

点火プラグ２は、図２、図３に示すように、内導体１０と、該内導体１０を内側に保持する筒状の外導体２０と、内導体１０と外導体２０との間に設けられた誘電体３０とを備えている。点火プラグ２は、内導体１０と外導体２０との間のプラズマ形成空間Ｒに電磁波を放射してプラズマを発生させるよう構成されている。

電磁波電源４は、電磁波電力Ｐｓを点火プラグ２に入力して、電磁波を発生させる。電源制御部５は、電磁波電源４を制御する。電磁波電源４は、複数の異なる周波数の高周波電力を発生させるよう構成されている。電源制御部５は、電磁波電源４にて発生する複数の高周波電力のうちの少なくとも一つを、電磁波電源４から電磁波電力ＰＳとして出力させるよう構成されている。

本形態においては、電磁波電源４は、複数の発振器４１を有する。複数の発振器４１は、互いに異なる周波数の高周波電力を発生させる。
電源制御部５は、複数の発振器４１から発生する複数の高周波電力のうちの少なくとも一つを、電磁波電源４から電磁波電力Ｐｓとして出力させるよう構成されている。

図１に示すごとく、電磁波電源４は、複数の発振器４１にて発生させた複数の高周波電力を合成する合成器４３を有する。そして、電磁波電源４は、合成器４３において複数の高周波電力を合成して、電磁波電力Ｐｓとして上記点火プラグ２に入力させる。

図３に示すように、点火プラグ２に備えられた外導体２０は、点火プラグ２のハウジング２３も兼ねている。ハウジング２３の外周面には内燃機関に螺合するための取付ネジ部２４が形成されている。

図２に示すように、誘電体３０は筒状を成しており、外導体２０と中心軸を共有するように外導体２０の内側に設けられている。図３に示すように、誘電体３０の先端側Ｙ１の先端である誘電体先端部３１は、外導体２０の先端側Ｙ１の端部である外導体先端部２５よりも先端側Ｙ１に位置している。すなわち、誘電体先端部３１は先端側Ｙ１に突出している。誘電体３０の材料として、内導体先端部１１の電界強度を向上する材料を採用することが好ましい。内導体１０の先端側Ｙ１の端部である内導体先端部１１の電界強度を向上することにより、内導体先端部１１と誘電体先端部３１との間に部分放電が形成されやすくなるからである。内導体先端部１１の電界強度を向上する誘電体３０の材料として、誘電率の高い材質（例えばアルミナ）を用いることができる。

内導体１０は円柱形状を有しており、誘電体３０と中心軸を共有するように誘電体３０の内側に設けられている。内導体１０の外径は誘電体３０の内径よりも小さくなっており、内導体１０の外周面１１ｂと、誘電体３０の内周面３１ｂとは離隔している。内導体先端部１１は、誘電体先端部３１よりも基端側Ｙ２に位置している。そして、外導体２０の外導体先端部２５と、プラグ軸方向Ｙにおける位置が同一となっている。

また、内導体１０の材料として、内導体１０の内導体先端部１１が加熱され易いようにするために、高周波エネルギーを吸収しやすい材料又は当該材料を一部に含む材料を用いることができる。あるいは、内導体１０の外周面１１ｂ又は誘電体３０の内周面３１ｂに高周波エネルギーを吸収しやすい材料をコーティングすることにより、内導体１０の内導体先端部１１が加熱され易いようにしてもよい。高周波エネルギーを吸収しやすい材料として、例えばカーボンを用いることができる。高周波エネルギーを吸収しやすい材料を一部に含む材料として、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）を用いることができる。

プラズマ形成空間Ｒは、図３に示すように、誘電体３０の内周面３１ｂと内導体１０の内導体先端部１１及び内導体１０の外周面１１ｂとによって囲まれた空間として形成されている。プラズマ形成空間Ｒは、内導体先端部１１の外側縁部１１ａと誘電体先端部３１の内側縁部３１ａとを結ぶ仮想線分Ｌを含む空間である。すなわち、プラズマ形成空間Ｒを介して内導体先端部１１と誘電体先端部３１とが離隔している。なお、内導体１０、外導体２０及び誘電体３０からなる同軸管のプラグ軸方向Ｙの長さは、内導体先端部１１の電界強度が最大となる大きさにすることができ、例えば、入力される高周波の波長の１／４の大きさにすることができる。

図１に示すごとく、点火プラグ２には、電磁波電源４が接続されている。電磁波電源４は、発振器４１と増幅器４２とを備える。電磁波電源４は、点火信号Ｉｇが入力されると、これに応じて電磁波電力Ｐｓを出力する。すなわち、点火信号Ｉｇが電磁波電源４に入力されたとき、電磁波電源４における複数の発振器４１のそれぞれから、所定の周波数の高周波電力を発生させる。各高周波電力は、増幅器４２において増幅されて、合成器４３にて合成される。合成された複数の周波数の高周波電力は、電磁波電力Ｐｓとして、インピーダンス変更部４４及びサーキュレータ１３を経由して点火プラグ２に入力される。

なお、本形態においては、電磁波電源４における、合成器４３の出力側に、インピーダンス変更部４４が設けてある。インピーダンス変更部４４は、電磁波電力Ｐｓの伝送路内のプラズマ形成空間Ｒのインピーダンスを変更することができる。インピーダンス変更部４４は、電磁波電力Ｐｓの伝送路のインダクタンス及びキャパシタンスのうち少なくとも一方を変更するように構成することができ、例えば、スラグチューナーなどの整合器により構成することができる。インピーダンス変更部４４は、例えば、点火装置１の出荷前に、伝送路のインピーダンスをある程度調整する際に、用いることができる。

各発振器４１にて発生する高周波電力の周波数は、特に限定されないが、２．４０～２．５０ＧＨｚの間で、互いに異なるものとすることができる。なお、伝送路にインピーダンス不連続部がある場合には、反射電力Ｐｒが発生し、点火プラグ２への入射電力が減少することとなる。

本形態においては、電磁波電源４は、３個の発振器４１を有する。また、各発振器４１のそれぞれから発生する高周波電力を増幅する増幅器４２を、３個有する。
３つの発振器４１（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）から発生する高周波電力は、互いに異なる周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃとする。例えば、発振器４１ａから発生する高周波電力の周波数ｆａを２．４３ＧＨｚ、発振器４１ｂから発生する高周波電力の周波数ｆｂを２．４５ＧＨｚ、発振器４１ｃから発生する高周波電力の周波数ｆｃを２．４７ＧＨｚ、とすることができる。そして、これらの複数の高周波電力は、増幅後に、合成器４３において合成され、複数の高周波電力を含んだ電磁波電力Ｐｓとして、出力される。

サーキュレータ１３は点火プラグ２からの反射電力ＰｒをグランドＧ側にのみ出力する。本実施形態では、反射電力Ｐｒは反射電力検出部１２により検出される。反射電力検出部１２による検出値は、電源制御部５に送信される。

すなわち、点火装置１は、点火プラグ２からの反射電力Ｐｒを検出する反射電力検出部１２を、さらに有する。そして、電源制御部５は、反射電力検出部１２による検出値に応じて、電磁波電力Ｐｓに含まれる高周波電力の構成を調整するよう構成されている。

インピーダンス整合が取れていないとき、反射電力は大きくなる。それゆえ、この反射電力が小さくなるように、インピーダンス整合を取ることとなる。ただし、プラズマ形成空間Ｒの状態の変化に応じて、伝送路のインピーダンスが変化する。具体的には、以下の第１状態Ｓｔ１と、第２状態Ｓｔ２と、第３状態Ｓｔ３とで、伝送路のインピーダンスが異なる。第１状態Ｓｔ１は、プラズマ形成空間Ｒにプラズマが形成されていない状態である。第２状態Ｓｔ２は、プラズマ形成空間Ｒにプラズマが形成された状態である。第３状態Ｓｔ３は、プラズマによりプラズマ形成空間Ｒに初期火炎が形成された状態である。なお、第１状態Ｓｔ１、第２状態Ｓｔ２、第３状態Ｓｔ３は、１回（すなわち１サイクル）の放電の中で、短時間の間に時系列的に順次変化する、プラズマ形成空間Ｒの状態である。

本形態においては、上述のように、３つの異なる周波数の高周波電力を、電磁波電力Ｐｓに含ませている。そして、これらの３つの高周波電力の周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃは、それぞれ第１状態Ｓｔ１のインピーダンスに整合しやすい周波数ｆｂと、第２状態Ｓｔ２のインピーダンスに整合しやすい周波数ｆａと、第３状態Ｓｔ３のインピーダンスに整合しやすい周波数ｆｃと、である。

例えば、発振器４１ｂから発生した高周波電力の周波数ｆｂが、第１状態Ｓｔ１のインピーダンスに整合し、発振器４１ａから発生した高周波電力の周波数ｆａが、第２状態Ｓｔ２のインピーダンスに整合し、発振器４１ｃから発生した高周波電力の周波数ｆｃが、第３状態Ｓｔ３のインピーダンスに整合しやすいように、設定しておくことができる。これらの周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃは、上述のように、例えば、２．４０～２．５０ＧＨｚの間で、予め所定の値として設定することができる。

電源制御部５は、複数の高周波電力の合成比率を、１回の放電の中で時系列的に切り替えて、電磁波電力Ｐｓとして点火プラグ２に入力させる。すなわち、３つの高周波電力の合成比率を、第１状態Ｓｔ１、第２状態Ｓｔ２、第３状態Ｓｔ３のそれぞれにおいて、異ならせる。なお、ここで、合成比率は、高周波電力の大きさを基準として定義される。

例えば、図４に示すごとく、第１状態Ｓｔ１においては、３つの高周波電力（周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃ）を、均等に、合成する。このときの電磁波電力Ｐｓを、第１の電磁波電力Ｐｓ１という。また、第２状態Ｓｔ２においては、第１の発振器４１ａから発生した高周波電力（周波数ｆａ）を、最も多く含むように合成する。このときの電磁波電力Ｐｓを、第２の電磁波電力Ｐｓ２という。また、第３状態Ｓｔ３においては、第３の発振器４１ｃから発生した高周波電力（周波数ｆｃ）を、最も多く含むように合成する。このときの電磁波電力Ｐｓを、第３の電磁波電力Ｐｓ３という。

なお、図４の上段のグラフは、反射電力Ｐｒの時間変化を概略にて示しているが、これは、同図の下段に示す電磁波電力Ｐｓにおける高周波電力の合成比率の変動を説明するための便宜的なものであり、あくまでも概略の参考グラフである。後述する図６、図７も同様である。

第１状態Ｓｔ１、第２状態Ｓｔ２、第３状態Ｓｔ３は、反射電力検出部１２によって検出される反射電力Ｐｒから推定することができる。つまり、反射電力検出部１２の検出値を基に、電源制御部５が、プラズマ形成空間Ｒの状態を推定する。或いは、第２状態Ｓｔ２から第３状態Ｓｔ３への切替りは、第２状態Ｓｔ２の開始時点からの経過時間によって推定することもできる。そして、その推定結果に基づいて、高周波電力の合成比率を切り替える。
なお、図４に示す、第１状態Ｓｔ１、第２状態Ｓｔ２、第３状態Ｓｔ３は、推定されたものとして、示している。

次に、本形態の点火装置１の動作につき、図５のフローを用いて説明する。
まず、ステップＳ１、Ｓ２において、点火信号Ｉｇが入力されたとき、電磁波電源４から点火プラグ２への電磁波電力Ｐｓの出力を開始する。点火信号Ｉｇの入力時点においては、プラズマ形成空間Ｒの状態は、第１状態Ｓｔ１であるため、電磁波電源４からは、第１の電磁波電力Ｐｓ１を出力する。

ステップＳ３において、反射電力検出部１２によって、点火プラグ２からの反射波（すなわち、反射電力Ｐｒ）を検出する。ステップＳ４において、反射電力検出部１２の検出値に基づいて、プラズマ形成空間Ｒの状態が、第１状態Ｓｔ１から第２状態Ｓｔ２に切り替わったか否かを判断する。例えば、反射電力検出部１２は、極めて短時間の間に連続して、反射電力Ｐｒを検出する。そして、反射電力Ｐｒの極小値を検出したとき、電源制御部５は、第１状態Ｓｔ１から第２状態Ｓｔ２に切り替わったと判断する。具体的には、前回の検出値が、前々回の検出値よりも、今回の検出値よりも小さいとき、第１状態Ｓｔ１から第２状態Ｓｔ２に切り替わったと判定することができる。

第１状態Ｓｔ１から第２状態Ｓｔ２に切り替わったと判定されたとき、ステップＳ５において、点火プラグ２に入力する電磁波電力Ｐｓを、第２の電磁波電力Ｐｓ２に切り替える。

その後、ステップＳ６において、第２状態Ｓｔ２から第３状態Ｓｔ３へ切り替わったと判定されるまで、第２の電磁波電力Ｐｓ２を出力し続ける。そして、第２状態Ｓｔ２から第３状態Ｓｔ３へ切り替わったと判定されたとき、ステップＳ７において、電磁波電力Ｐｓを、第３の電磁波電力Ｐｓ３に切り替える。ステップＳ６による判定は、本形態においては、ステップＳ４において第２状態Ｓｔ２に切り替わったと判定された時点からの経過時間が、所定時間ｔ０経過したときに、第２状態Ｓｔ２から第３状態Ｓｔ３へ切り替わったと推定する。なお、ここで、所定時間ｔ０は、例えば、予め実験等によって把握された、第２状態Ｓｔ２の開始時点から第３状態Ｓｔ３への以降時点までの間の時間を採用することができる。

その後、ステップＳ８において、所定時間ｔ１が経過したとき、ステップＳ９において、電磁波電力Ｐｓの出力を停止する。ここで、所定時間ｔ１は、諸条件に基づき適宜設定される時間である。その後、図５のフローを、「Ｓｔａｒｔ」に戻り、次回の放電に備える。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記点火装置１において、電磁波電源４は、互いに異なる周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃの高周波電力をそれぞれ発生させる複数の発振器４１（４１ａ、４１ｂ、４１ｃ）を有する。そして、電源制御部５は、複数の高周波電力のうちの少なくとも一つを、電磁波電源４から電磁波電力Ｐｓとして出力させるよう構成されている。これにより、プラズマ形成空間Ｒの状態に応じて、適切にインピーダンス整合を取ることが可能となる。その結果、電磁波電力Ｐｓのエネルギーを効率的に、点火エネルギーとして利用することができる。

また、電磁波電源４は、合成器４３において複数の高周波電力を合成して、電磁波電力Ｐｓとして点火プラグ２に入力させる。これにより、異なる周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃの複数の高周波電力を、同時に電磁波電力Ｐｓとして、点火プラグ２に入力することができる。それゆえ、変化するプラズマ形成空間Ｒの状態に対して、複数の高周波電力のうちのいずれかを整合させやすくなる。

また、電源制御部５は、複数の高周波電力の合成比率を、１回の放電の中で時系列的に切り替えて、電磁波電力Ｐｓとして点火プラグ２に入力させる。これにより、１回（すなわち１サイクル）の放電の中で、順次変化するプラズマ形成空間Ｒの状態に対応して、より整合しやすい周波数の高周波電力の合成比率を高くすることができる。その結果、一層インピーダンス整合を取りやすく、一層効率的な電磁波電力Ｐｓの入力を実現することができる。

また、電源制御部５は、反射電力検出部１２による検出値に応じて、電磁波電力Ｐｓに含まれる高周波電力の構成を調整するよう構成されている。これにより、プラズマ形成空間Ｒの状態に応じて、より効果的にインピーダンス整合を取ることができる。すなわち、インピーダンスが整合している状態ほど、反射電力Ｐｒは小さくなる。そのため、反射電力Ｐｒの検出値をフィードバックして、電磁波電力Ｐｓにおける互いに異なる周波数の複数の高周波電力の構成を適宜調整する。その結果、より効果的に、インピーダンス整合を取ることができ、効率的な電磁波電力の入力を実現することができる。

以上のごとく、本形態によれば、電磁波電力のエネルギーを効率的に利用することができる点火装置を提供することができる。

（実施形態２）
本形態は、図６に示すごとく、電源制御部５が、電磁波電源４において使用する発振器４１を、順次切り替えるようにした形態である。
すなわち、電源制御部５は、複数の発振器４１にて発生させた複数の高周波電力を、１回の放電の中で時系列的に切り替えて、電磁波電力Ｐｓとして点火プラグ２に入力させる。

換言すると、実施形態１に示した、第１の電磁波電力Ｐｓ１と第２の電磁波電力Ｐｓ２と第３の電磁波電力Ｐｓ３とを、それぞれいずれか一つの発振器４１からの高周波電力のみからなる、単一の波長の高周波電力とする。例えば、第１の電磁波電力Ｐｓ１は、発振器４１ｂからの周波数ｆｂの高周波電力のみとする。

つまり、図６に示すごとく、第１の電磁波電力Ｐｓ１は、周波数ｆｂの高周波電力を１００％の比率で有する。同様に、例えば、第２の電磁波電力Ｐｓ２は、発振器４１ａからの周波数ｆａの高周波電力のみとする。つまり、第２の電磁波電力Ｐｓ２は、周波数ｆａの高周波電力を１００％の比率で有する。同様に、例えば、第３の電磁波電力Ｐｓ３は、発振器４１ｃからの周波数ｆｃの高周波電力のみとする。つまり、第３の電磁波電力Ｐｓ３は、周波数ｆｃの高周波電力を１００％の比率で有する。

その他は、実施形態１と同様である。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態の場合には、複数の高周波電力の周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃを適切に設定しておくことにより、より、反射波を効率的に抑制することができる。その結果、一層効率的な電磁波電力の入力を実現することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（参考形態１）
本形態は、図７に示すごとく、１回の放電の中で、特に電磁波電力Ｐｓにおける複数の高周波電力の合成比率を変えることなく、点火プラグ２に入力するよう構成した形態である。

例えば、電磁波電力Ｐｓとして、発振器４１ａからの周波数ｆａの高周波電力と、発振器４１ｂからの周波数ｆｂの高周波電力と、発振器４１ｃからの周波数ｆｃの高周波電力と、を合成したものを用いることができる。そして、これらの合成比率を、上述の第１状態Ｓｔ１、第２状態Ｓｔ２、第３状態Ｓｔ３にわたり、変化させない。つまり、図７に示すＰｓ１、Ｐｓ２、Ｐｓ３は、互いに同様の電磁波電力Ｐｓである。

また、合成比率としては、例えば、３つの高周波電力を、略均等にすることができる。或いは、特に均等にすることなく、３つの高周波電力の合成比率は、適宜設定することができる。
その他は、実施形態１と同様である。

（実施形態３）
本形態は、図８～図１１に示すごとく、各発振器４１に、周波数を調整する周波数制御部４１１を設けた形態である。周波数制御部４１１は、発振器４１にて発生させる高周波電力の周波数を、微調整することができるよう構成されている。

本形態においては、内燃機関の運転のサイクルごとに、電磁波電力Ｐｓに含まれる複数の高周波電力の周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃをそれぞれ微調整する。
すなわち、実施形態１、実施形態２と同様に、電磁波電源４は、電磁波電力Ｐｓとして、第１状態Ｓｔ１に整合しやすい周波数ｆｂの高周波電力と、第２状態Ｓｔ２に整合しやすい周波数ｆａの高周波電力と、第３状態Ｓｔ３に整合しやすい周波数ｆｃの高周波電力と、合成してある。電磁波電力Ｐｓを構成する３つの高周波電力の周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃを、それぞれ、サイクルごとに、周波数制御部４１１によって微調整する。

この周波数の微調整は、反射電力検出部１２による検出値に基づいて、電源制御部５を介して、周波数制御部４１１にて行われる。
例えば、今回のサイクルにおいて、図１０の破線に示すように、電磁波電力Ｐｓにおける３つの高周波電力の周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃを、それぞれｆａ１、ｆｂ１、ｆｃ１として出力したとき、検出された反射電力が、図９に示すような形となったとする。このとき、図９に示す放電遅れｔｄが、目標値よりも大きいとき、この放電遅れｔｄを抑制すべく、第１状態Ｓｔ１に整合しやすい高周波電力の周波数ｆｂを、ｆｂ２に微調整することで、よりインピーダンス整合を取りやすくする。

また、図９に示す第２状態Ｓｔ２における反射電力Ｐｒ２が目標値よりも大きいとき、この反射電力Ｐｒ２を抑制すべく、第２状態Ｓｔ２に整合しやすい高周波電力の周波数ｆａを、ｆａ２に微調整することで、よりインピーダンス整合を取りやすくする。
さらに、図９に示す第３状態Ｓｔ３における反射電力Ｐｒ３が目標値よりも大きいとき、この反射電力Ｐｒ３を抑制すべく、第３状態Ｓｔ３に整合しやすい高周波電力の周波数ｆｃを、ｆｃ２に微調整することで、よりインピーダンス整合を取りやすくする。

その結果、図１１の実線に示すように、次回のサイクルにおいては、放電遅れｔｄを抑制すると共に、第２状態Ｓｔ２及び第３状態Ｓｔ３における反射電力Ｐｒを抑制することができる。つまり、より効率的に電磁波電力Ｐｓを点火エネルギーとして使用することができる。なお、図１１の破線は、図９の実線と同じであり、今回のサイクルにおける反射電力の波形である。

なお、第２状態Ｓｔ２に整合しやすい高周波電力の周波数ｆａと、第３状態Ｓｔ３に整合しやすい高周波電力の周波数ｆｃとは、それぞれ同一のサイクル内にて、周波数の変更を行うようにすることもできる。
その他は、実施形態１と同様である。

本形態においては、上述のように、複数の高周波電力を合成した電磁波電力Ｐｓを点火プラグ２に入力すると共に、各高周波電力の周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃのそれぞれを微調整することができる。その結果、一層、伝送路のインピーダンス整合を取りやすく、一層効率的な点火エネルギーの投入が可能となる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実験例）
本例は、図１２～図１４に示すごとく、一つの周波数の電磁波電力を入力した場合と、２つの周波数の電磁波電力を入力した場合とで、反射電力Ｐｒの波形に差異が出ることを確認した例である。すなわち、上述の実施形態の効果を間接的に確認したものである。なお、図１２～図１４において、点火信号がＯＮとなった時点を、時間「０ｍｓ」の時点としている。

具体的には、まず、電磁波電力として、単一の周波数ｆ１（ここでは、２．４６ＧＨｚ）の高周波電力を、電磁波電源から点火プラグに入力したときの反射電力Ｐｒを測定した。その結果を、図１２に示す。

次に、電磁波電力として、上記の周波数ｆ１よりも少し高い単一の周波数ｆ２（ここでは、２．４７７ＧＨｚ）の高周波電力を、電磁波電源から点火プラグに入力したときの反射電力Ｐｒを測定した。その結果を、図１３に示す。

次に、電磁波電力として、互いに異なる周波数ｆ１、ｆ２（ここでは、２．４６ＧＨｚと２．４７７ＧＨｚ）の２つの高周波電力を合成したものと、電磁波電源から点火プラグに入力したときの反射電力Ｐｒを測定した。その結果を、図１４に示す。

図１２に示すごとく、電磁波電力として、単一の周波数ｆ１の高周波電力を、点火プラグに入力したときは、電力入力開始後、放電開始までの時間は短いものの、放電後、すなわち、プラズマ形成時（すなわち第２状態Ｓｔ２）及び初期火炎形成時（すなわち第３状態Ｓｔ３）における反射電力Ｐｒが大きい。つまり、放電時において、エネルギーの損失が大きい。これは、第２状態Ｓｔ２及び第３状態Ｓｔ３において、電磁波電源と伝送路とのインピーダンスが整合していないためと考えられる。

また、図１３に示すごとく、電磁波電力として、２．４７７ＧＨｚの単一の高周波電力を、点火プラグに入力したときは、放電遅れｔｄが大きくなる。これは、第１状態Ｓｔ１において、電磁波電源と伝送路とのインピーダンスが整合していないためと考えられる。

これらに対し、図１４に示す反射電力Ｐｒの波形を見ると、放電遅れｔｄを小さくしつつ、放電後においても、反射電力Ｐｒを抑制できていることが分かる。つまり、複数の高周波電力が合成されて電磁波電力が構成されていることにより、いずれか一方の周波数の高周波電力が、第１状態Ｓｔ１に整合し、他方の周波数の高周波電力が第２状態Ｓｔ２及び第３状態Ｓｔ３に整合していると考えることができる。

上記実施形態においては、電磁波電源が３つの発振器を備える形態を示した。ただし、電磁波電源が有する発振器の個数は、２個とすることもできるし、４個以上とすることもできる。また、電磁波電源として、複数の周波数成分を制御し合成できるものを用いることもできる。すなわち、たとえば図１５に示すごとく、搬送波発振器４０１、ミキサ４０２、４０３、加算器４０４を有するＩＱ変調器４０を備えた電磁波電源４を、用いることもできる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１点火装置
１０内導体
２点火プラグ
２０外導体
３０誘電体
４電磁波電源
４１発振器
５電源制御部
Ｐｓ電磁波電力
Ｒプラズマ形成空間

Claims

プラズマによって空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を発生させる点火装置（１）であって、
内導体（１０）と、該内導体を内側に保持する筒状の外導体（２０）と、上記内導体と上記外導体との間に設けられた誘電体（３０）とを備え、上記内導体と上記外導体との間のプラズマ形成空間（Ｒ）に電磁波を放射してプラズマを発生させる点火プラグ（２）と、
電磁波電力（Ｐｓ）を上記点火プラグに入力して上記電磁波を発生させる電磁波電源（４）と、
上記電磁波電源を制御する電源制御部（５）と、
上記点火プラグからの反射電力を検出する反射電力検出部（１２）と、を有し、
上記電磁波電源は、複数の互いに異なる周波数の高周波電力を発生させるよう構成されており、
上記電源制御部は、上記電磁波電源にて発生する複数の上記高周波電力を、上記電磁波電源から上記電磁波電力として出力させ、
上記電磁波電源は、上記複数の互いに異なる周波数の上記高周波電力を合成して、上記電磁波電力として上記点火プラグに入力させ、
上記電源制御部は、１回の放電の中で時系列的に生じる、上記プラズマ形成空間にプラズマが形成されていない第１状態（Ｓｔ１）と、上記プラズマ形成空間にプラズマが形成された第２状態（Ｓｔ２）と、プラズマにより上記プラズマ形成空間に初期火炎が形成された第３状態（Ｓｔ３）との間で、上記電磁波電力として出力させる複数の高周波電力の合成比率を切り替えるよう構成されている、点火装置。
上記電磁波電源は、互いに異なる周波数の高周波電力をそれぞれ発生させる複数の発振器（４１）を有する、請求項１に記載の点火装置。
上記電磁波電源は、上記複数の発振器にて発生させた上記高周波電力を合成する合成器（４３）を有し、該合成器において複数の上記高周波電力を合成して、上記電磁波電力として上記点火プラグに入力させる、請求項２に記載の点火装置。
プラズマによって空気と燃料ガスとの混合気に点火して初期火炎を発生させる点火装置（１）であって、
内導体（１０）と、該内導体を内側に保持する筒状の外導体（２０）と、上記内導体と上記外導体との間に設けられた誘電体（３０）とを備え、上記内導体と上記外導体との間のプラズマ形成空間（Ｒ）に電磁波を放射してプラズマを発生させる点火プラグ（２）と、
電磁波電力（Ｐｓ）を上記点火プラグに入力して上記電磁波を発生させる電磁波電源（４）と、
上記電磁波電源を制御する電源制御部（５）と、
上記点火プラグからの反射電力を検出する反射電力検出部（１２）と、を有し、
上記電磁波電源は、複数の互いに異なる周波数の高周波電力を発生させるよう構成されており、
上記電源制御部は、上記電磁波電源にて発生する複数の上記高周波電力のうちの一つを、上記電磁波電源から上記電磁波電力として出力させ、
かつ、１回の放電の中で時系列的に生じる、上記プラズマ形成空間にプラズマが形成されていない第１状態（Ｓｔ１）と、上記プラズマ形成空間にプラズマが形成された第２状態（Ｓｔ２）と、プラズマにより上記プラズマ形成空間に初期火炎が形成された第３状態（Ｓｔ３）との間で、上記電磁波電力として出力させる上記高周波電力を切り替えるよう構成されている、点火装置。
上記電源制御部は、上記反射電力検出部による検出値に応じて、上記電磁波電力に含まれる上記高周波電力の構成を調整するよう構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の点火装置。