JPWO2013035881A1 - アンテナ構造、高周波放射用プラグ、及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、高周波を放射するための放射アンテナが絶縁体に埋設されたアンテナ構造において、高周波の放射効率を向上させることである。本発明は、高周波を放射するための放射アンテナと、前記放射アンテナが埋設された絶縁体とを備え、前記絶縁体には、高周波を放射する放射空間に露出して、前記放射アンテナから放射された高周波が前記放射空間に放射される主放射面が形成されたアンテナ構造であって、前記放射アンテナは、棒状に形成されて、前記絶縁体の内部を前記主放射面に沿って曲がり、前記放射アンテナでは、その放射アンテナにおいて互いに隣り合う近接部分の設置位置が前記主放射面に垂直な方向にずれている。ことを特徴とする。

Description

本発明は、高周波を放射するための放射アンテナが絶縁体により被覆されたアンテナ構造、そのアンテナ構造を備えた高周波放射用プラグ、及びその高周波放射用プラグを備えた内燃機関に関するものである。

従来から、高周波を放射するための放射アンテナが絶縁体により被覆されたアンテナ構造が知られている。例えば特開２０１０−９６１２８号公報には、この種のアンテナ構造が設けられた内燃機関が開示されている。

特開２０１０−９６１２８号公報に記載の内燃機関では、シリンダヘッドに電磁波供給路が埋設され、その電磁波供給路の燃焼室側の端面が放射アンテナとなっている。この放射アンテナは、誘電体により被覆されている。

特開２０１０−９６１２８号公報

ところで、内燃機関のように設置場所の制約が大きい構造体にアンテナ構造を設ける場合に、アンテナ構造の絶縁体において、放射アンテナからの電磁波が放射される放射面を大きく確保することが困難である。そのため、放射アンテナから放射させる高周波の電力を大きくするに従って、放射効率が低下してしまう。

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、高周波を放射するための放射アンテナが絶縁体に埋設されたアンテナ構造において、高周波の放射効率を向上させることにある。

第１の発明は、高周波を放射するための放射アンテナと、前記放射アンテナが埋設された絶縁体とを備え、前記絶縁体には、高周波を放射する放射空間に露出して、前記放射アンテナから放射された高周波が前記放射空間に放射される主放射面が形成されたアンテナ構造であって、前記放射アンテナは、棒状に形成されて、前記絶縁体の内部を前記主放射面に沿って曲がり、前記放射アンテナでは、その放射アンテナにおいて互いに隣り合う近接部分の設置位置が前記主放射面に垂直な方向にずれている。

第１の発明では、放射アンテナが、主放射面に沿って曲がりながら延びる棒状のアンテナである。放射アンテナでは、その放射アンテナにおいて互いに隣り合う近接部分の設置位置が主放射面に垂直な方向にずれている。

ここで、アンテナ構造において、高周波の放射効率を向上させるには、主放射面を正面から透視した場合の放射アンテナの面積（以下、「透視アンテナ面積」という。）が大きい方が望ましい。例えば、絶縁体において主放射面に平行な一断面だけに沿ってこのような棒状の放射アンテナを設ける場合は、互いに非接触の近接部分の間で絶縁破壊が生じないように、放射アンテナの設置断面内で、近接部分同士の間隔をある程度確保する必要がある。そのため、放射アンテナの設置断面内における近接部分同士の間隔を確保するために、透視アンテナ面積が制限される。

それに対して、第１の発明では、主放射面に垂直な方向に近接部分の設置位置を互いにずらしている。従って、主放射面を正面から透視した場合における近接部分同士の間隔を小さく、又はなくすことができる。これらの結果、透視アンテナ面積の制限が緩和される。

第２の発明は、第１の発明において、前記放射アンテナが、前記放射面に沿って螺旋状に延びている。

第３の発明は、第１の発明において、前記放射アンテナでは、前記主放射面を正面から透視した場合に前記近接部分が互いに当接または重複している。

第４の発明は、第１から第３の何れか１つの発明のアンテナ構造と、前記放射アンテナから放射する高周波を伝送する伝送線路と、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ている高周波放射用プラグである。

第５の発明は、第４の発明の高周波放射用プラグと、燃焼室が形成されて、前記燃焼室に高周波を放射可能に前記高周波放射用プラグが取り付けられた内燃機関本体とを備えている内燃機関である。

本発明では、放射アンテナにおいて、主放射面に垂直な方向に近接部分の設置位置を互いにずらすことで、主放射面を正面から透視した場合における近接部分同士の間隔を小さく、又はなくすことができる。従って、透視アンテナ面積の制限が緩和されて透視アンテナ面積を大きくすることができるので、高周波の放射効率を向上させることができる。

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。 実施形態に係るアンテナ構造を透視した斜視図である。 実施形態に係るアンテナ構造を主放射面から透視した正面図である。

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。

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は、１００以上１０００ワット以下の出力値（例えば５００ワット）でマイクロ波を出力する。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、角柱状に形成されている。セラミック構造体３６の断面形状は、その長さ方向に亘って一様である。セラミック構造体３６の断面形状は、例えば正方形である。セラミック構造体３６は、どの断面においても一辺の長さが等しく、１辺の長さが例えば１．５〜５ｍｍ（例えば３ｍｍ）である。

セラミック構造体３６は、マイクロ波の伝送線路６０が埋設された伝送部３８と、放射アンテナ１６が埋設された放射部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は、マイクロ波を放射するための放射アンテナ１６と、放射アンテナ１６が埋設されたセラミック６３（絶縁体）とを備えたアンテナ構造を構成している。放射部３９には、放射アンテナ１６がセラミック構造体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、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。

放射部３９では、図４に示すように、セラミック構造体３６の端面６５と側面の一部が燃焼室２０（放射空間）に露出する露出面となる。これらの露出面のうち、放射アンテナ１６から放射されたマイクロ波の大部分が燃焼室２０に放射されるセラミック構造体３６の端面６５が、主放射面６５を構成している。主放射面６５は、正面から透視した場合における放射アンテナ１６の面積が露出面の中で最大となる面である。

放射アンテナ１６は、棒状に形成されて、セラミック６３の内部を主放射面６５に沿って曲がっている。具体的に、放射アンテナ１６は、図５に示すように、中心導体６１の軸心を中心に矩形状に旋回する螺旋状の導体である。図５及び図６に示すように、放射アンテナ１６では、その放射アンテナ１６において互いに隣り合う近接部分６６，６７の設置位置が主放射面６５に垂直な方向にずれている。放射アンテナ１６では、主放射面６５を正面から透視した場合に近接部分６６，６７のフランジ部が互いに当接している。なお、主放射面６５を正面から透視した場合に近接部分６６，６７が互いに重複していてもよい。

具体的に、放射アンテナ１６は、中心導体６１に当接して１つの筒状導体により構成された中心部１００と、その中心部１００の外側に設けられて複数の筒状導体により構成された第１中間部１０１及び第２中間部１０２と、最も外側に設けられて複数の筒状導体により構成された外周部１０３とを備えている。放射アンテナ１６では、内側から、中心部１００、第１中間部１０１、第２中間部１０２、外周部１０３の順番で設けられ、互いに隣り合うもの同士の端が接続導体１０４により接続されている。第１中間部１０１及び第２中間部１０２は、互いに近接部分６６，６７を構成している。第２中間部１０２及び外周部１０３は、互いに近接部分６６，６７を構成している。放射アンテナ１６では、中心部１００、第１中間部１０１、第２中間部１０２、及び外周部１０３のうち第２中間部１９２だけが、主放射面６５に垂直な方向の設置位置が伝送部３８側へずれている。その結果、第１中間部１０１及び第２中間部１０２は、主放射面６５に垂直な方向に設置位置がずれている。第２中間部１０２及び外周部１０３は、主放射面６５に垂直な方向に設置位置がずれている。

ケーシング３７は、断面視において外周形状が円形で内周形状が矩形の筒状に形成されている。断面視において、ケーシング３７の内周形状及び内周の辺長は、セラミック構造体３６の外周形状及び外周の辺長と同じである。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。

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。なお、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すればよい。

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、放射アンテナ１６において、主放射面６５に垂直な方向に近接部分６６，６７の設置位置を互いにずらすことで、主放射面６５を正面から透視した場合における近接部分６６，６７同士の間隔を小さく、又はなくすことができる。従って、透視アンテナ面積の制限が緩和されて透視アンテナ面積を大きくすることができるので、マイクロ波の放射効率を向上させることができる。
《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、放射アンテナ１６が矩形に旋回する螺旋状に形成されていたが、放射アンテナ１６が円形に旋回する螺旋状に形成されていてもよい。また、放射アンテナ１６は、主放射面６５を正面から透視した場合に、複数回に亘って往復する矩形波状に折れ曲がった棒状のアンテナであってもよい。

また、前記実施形態では、中心導体６１が放射アンテナ１６に当接しているが、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。

また、前記実施形態において、伝送部３８の外側導体６２を省略してもよい。その場合、伝送部３８では、中心導体６１の外周面とケーシング３７の内周面との間をマイクロ波が伝送される。

また、前記実施形態において、伝送部３８の中心導体６１を省略して、伝送部３８を導波管としてもよい。

また、前記実施形態において、内燃機関１０が他のタイプ（ディーゼルエンジン、エタノールエンジン、ガスタービン等）のものであってもよい。また、内燃機関１０が航空機のエンジンである場合にエンジンの失火時に、点火装置１２および電磁波放射装置１３を用いて、スパーク放電によるプラズマをマイクロ波により拡大したマイクロ波プラズマを生成して再着火を行ってもよい。

以上説明したように、本発明は、高周波を放射するための放射アンテナが絶縁体により被覆されたアンテナ構造、そのアンテナ構造を備えた高周波放射用プラグ、及びその高周波放射用プラグを備えた内燃機関について有用である。

１６ 放射アンテナ
３６ セラミック構造体
３９ 放射部（アンテナ構造）
６１ 中心導体
６３ セラミック（絶縁体）
６７ 近接部分
６８ 近接部分

Claims (5)

1. 高周波を放射するための放射アンテナと、
   前記放射アンテナが埋設された絶縁体とを備え、
   前記絶縁体には、高周波を放射する放射空間に露出して、前記放射アンテナから放射された高周波が前記放射空間に放射される主放射面が形成されたアンテナ構造であって、
   前記放射アンテナは、棒状に形成されて、前記絶縁体の内部を前記主放射面に沿って曲がり、
   前記放射アンテナでは、その放射アンテナにおいて互いに隣り合う近接部分の設置位置が前記主放射面に垂直な方向にずれている。
   ことを特徴とするアンテナ構造。
2. 請求項１において、
   前記放射アンテナは、前記放射面に沿って螺旋状に延びている
   ことを特徴とするアンテナ構造。
3. 請求項１又は２において、
   前記放射アンテナでは、前記主放射面を正面から透視した場合に前記近接部分が互いに当接または重複している
   ことを特徴とするアンテナ構造。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載のアンテナ構造と、
   前記放射アンテナから放射する高周波を伝送する伝送線路と、
   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、前記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ている
   ことを特徴とする高周波放射用プラグ。
5. 請求項４に記載の高周波放射用プラグと、
   燃焼室が形成されて、前記燃焼室に高周波を放射可能に前記高周波放射用プラグが取り付けられた内燃機関本体とを備えている
   ことを特徴とする内燃機関。