JPWO2018021464A1 - 昇圧回路を含む電磁波発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁波発振器から発振する電磁波が反射した場合でも、反射波を打ち消し、インピーダンスの整合を自動的に制御することができる電磁波発振装置を提供すること。電源Ｐから印加される電圧によって電磁波を発振する電磁波発振器３と、この電磁波発振器３からの電磁波エネルギの供給を受ける抵抗部２と、この抵抗部２からの反射波の位相及び振幅を検出する検出器４と、電磁波発振器３及び検出器４を制御する制御装置５とを備えている。そして、電磁波発振器３からの電磁波の位相及び振幅を変調する変調器３１及び電磁波を増幅する増幅器３２を電磁波発振器３と検出器４との間に配設し、制御装置５によって、検出器４が検知した反射波波形の位相及び振幅に対して、共役の値を取る位相及び振幅となる波形を電磁波発振器３が発振する基本波形にベクトル加算（合成）した生成波形となるように変調器３１を制御するようにしている。【選択図】図１

Description

本発明は、点火装置や電磁波照射アンテナに電磁波を供給する電磁波発振装置に関する。

本発明者等は、内燃機関の着火のための点火装置として、電磁波を利用する点火装置を提案している。例えば電磁波のみを使って、プラズマの発生、拡大及び維持を効率よく行うことができる小型の内燃機関の点火装置として使用することができるプラズマ生成装置として、電磁波を発振する電磁波発振器と、電磁波発振器を制御する制御装置と、電磁波発振器と容量結合した共振回路を含む昇圧回路及び昇圧回路により発生した高電圧を放電させる放電電極を一体的に形成する点火装置を提案している（例えば、特許文献１参照。）。また、一般的な点火プラグのプラズマにマイクロ波を照射してプラズマを維持拡大するプラズマ生成装置も提案している。

また、内燃機関の排気通路に配設した浄化触媒に、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体を混入し、この浄化触媒に電磁波（マイクロ波）を電磁波照射アンテナから照射することで、触媒を短時間で活性化する浄化装置が提案されている。さらに、近年電磁波調理装置、所謂電子レンジにおいて、マグネトロンから半導体発振器を利用した装置が提案されている。

国際公開２０１４／１１５７０７号

ところで、特許文献１に記載の点火装置に供給する電磁波は、電磁波発振器からパルスで発振されている。電磁波発振器から発振される電磁波は数Ｗの電磁波で、この電磁波を増幅器で増幅し、点火装置や電磁波照射アンテナに供給している。具体的には、電源（バッテリ）からの直流電源（１２Ｖ又は２４Ｖ）を昇圧回路（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ）によって連続的な３２Ｖとして、電磁波発振器と増幅器に供給する、そして、電磁波発振器が制御装置から電磁波発振信号（例えばＴＴＬ信号）を受けると、所定のデューティー比、パルス時間等を設定したパターンで電磁波を発振し、常時３２Ｖの高電圧が印加されている増幅器によって所定電力（例えば１ｋＷ）に増幅し点火装置や電磁波照射アンテナに供給する。

しかし、電磁波発振器から発振された電磁波が、電磁波照射アンテナから抵抗部となるキャビティ内の加熱対象物に照射したとき、点火装置において放電が生じたときにインピーダンスの整合が崩れ反射波が発生する。このような反射波は、電磁波発振器に流れると機器を損傷する場合があるため、サーキュレータ等を用いて反射波が電磁波発振器側に流れないように構成している。しかし、反射波が電磁波発振器側に流れないようにするための機器であるサーキュレータ等を使用することで機器全体の価格が高騰するという問題があるとともに、適切な電磁波エネルギを抵抗部に供給することができないという問題がある。

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、電磁波発振器から発振する電磁波が反射した場合でも、反射波を打ち消し、インピーダンスの整合を自動的に制御することができる電磁波発振装置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第１の発明は、
電磁波エネルギの供給を受ける抵抗部に電磁波を供給する電磁波発振装置であって、
電源から印加される電圧によって電磁波を発振する電磁波発振器と、
前記抵抗部からの反射波の位相及び振幅を検出する検出器と、
前記電磁波発振器及び検出器を制御する制御装置とを備え、
前記電磁波発振器からの電磁波の位相及び振幅を変調する変調器及び電磁波を増幅する増幅器を配設し、
前記制御装置は、前記検出器が検知した反射波波形の位相及び振幅に対して、共役の値を取る位相及び振幅となる波形を基本波形にベクトル加算した生成波形となるように変調器を制御するようにしている。

本第１の発明の電磁波発振装置は、検出器において検出した反射波波形の位相及び振幅に対して、共役の値を取る位相及び振幅となる波形を基本波形にベクトル加算（合成）した生成波形を発振することで反射波を打ち消し、インピーダンスの整合を図ることができる。

上記課題を解決するためになされた第２の発明は、
電磁波エネルギの供給を受ける抵抗部に電磁波を供給する電磁波発振装置であって、
電源から印加される電圧によって電磁波を発振する電磁波発振器と、
前記該抵抗部からの反射波の位相及び振幅を検出する検出器と、
前記電磁波発振器及び検出器を制御する制御装置とを備え、
前記電磁波発振器からの電磁波を分岐し、それぞれの線路に電磁波の位相及び振幅を変調する変調器及び電磁波を増幅する増幅器を配設するとともに、分岐した線路は結合器を介して前記抵抗部と接続し、
前記制御装置は、前記検出器が検知した反射波波形の位相及び振幅に対して、共役の値を取る位相及び振幅の波形となるように分岐した線路少なくとも一方の変調器を制御するようにしている。

本第２の発明の電磁波発振装置は、基本波形を発振する経路と、反射波の共役の値をとる共役波形を発振する波形とを別経路としている。

本発明の電磁波発振装置は、電磁波（マイクロ波）でプラズマ生成させる装置にあってプラズマの生成時の圧力・流動及び環境圧力・流動・温度によりプラズマが変動して電磁波の反射が生じても、反射波の振幅と位相に対して、共役の値を取る波形を生成して反射波を打ち消す信号を与えることで線路上の反射波は減少させることが可能となり、反射波を減少させることでコネクタ・線路の放電・過加熱を抑制するとともに、機器の破損を有効に抑制することができる。

本第１の発明の電磁波発振装置の概略図で、抵抗部が点火装置である例を示す。 同電磁波発振装置の概略図で、抵抗部が電磁波による被加熱物である例を示す。 同電磁波発振装置での反射波波形の共役波形と基本波形を合成した生成波形を示す説明図である。 本発明の電磁波発振装置の制御方法の概略を説明する説明図で、（ａ）は発振器、線路、抵抗部のそれぞれのインピーダンスを示すスミスチャート、（ｂ）は発振器、線路、抵抗部のそれぞれのインピーダンスを示すフロー図である。 本第２の発明の電磁波発振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＞
本実施形態１は、本第１の発明に係る昇圧回路を含む電磁波発振装置１である。当該電磁波発振装置１は、図１に示すように、電源Ｐから印加される電圧によって電磁波を発振する電磁波発振器３と、この電磁波発振器３からの電磁波エネルギの供給を受ける抵抗部２と、この抵抗部２からの反射波の位相及び振幅を検出する検出器４と、電磁波発振器３及び検出器４を制御する制御装置５とを備えている。そして、電磁波発振器３からの電磁波の位相及び振幅を変調する変調器３１及び電磁波を増幅する増幅器３２を電磁波発振器３と検出器４との間に配設し、制御装置５によって、検出器４が検知した反射波波形の位相及び振幅に対して、共役の値を取る位相及び振幅となる波形を電磁波発振器３が発振する基本波形にベクトル加算（合成）した生成波形となるように変調器３１を制御するようにしている。

検出器４は、抵抗部２からの反射波の位相及び振幅を検出することができるものであれば、特に限定するものではないが、本実施形態においては、４ポートの方向性結合器４１と、進行波の取り出しポートに取り付けられたＩＱ復調器４２と、反射波の取り出しポートに取り付けられたＩＱ復調器４３とから構成される。

そして、本実施形態の抵抗部２は、図１の等価回路に示すように共振回路によって供給される電磁波を昇圧し、放電ギャップ２ａの電位差を高め放電を生じさせる点火装置である。この点火装置は、一般的な点火プラグと比べ外径寸法を小型化することができ、内燃機関の吸排気バルブを大きくすることができるので、内燃機関の効率を向上させることができる。また、シリンダヘッドに複数配設して複数箇所で混合気に点火する多点着火を、行い燃焼効率を向上させることもできる。

検出器４は、線路長を所定値とすることで、ＩＱ復調器４３のみで反射波形Ｗ２の位相・振幅を検出するだけでも構わないが、ＩＱ復調器４２とＩＱ復調器４３とによって、基本波形Ｗ１と反射波形Ｗ２との位相差を検出するように構成することが好ましい。

また、抵抗部２は、図２に示すように、電磁波の放射アンテナ７から電磁波（マイクロ波）の照射を受ける被加熱物であってもよい。例えば、電磁波の照射を受け加熱・昇温する電磁波吸収体が混入した浄化用触媒を抵抗部２とすることができる。また、電磁波加熱装置（電子レンジ等）によって加熱・調理される食品等を抵抗部２とすることもできる。

電磁波発振器３から発振された電磁波は変調器３１を介して増幅器３２で所定出力（数Ｗ程度の電磁波を数ｋＷまで増幅）に増幅される。図において、増幅器３２は1段の例を示すが、増幅器３２を２段、３段と直列に多段構成とすることもできる。３段とするときは、例えば、１段目はＧＡＩＮ制御として例えば、０〜２５ｄＢｍ（０〜約３９８ｍＷ）、２段目はプレアンプとして例えば、４５ｄＢＭ（約３２Ｗ）、３段目をメインアンプとして例えば、６１ｄＢＭ（約１．２５ｋＷ）となるように構成する。

電磁波発振器３は、常時所定電圧、例えば１２Ｖを直流電源Ｐから、平滑回路（図示省略）を介して、供給される。そして、制御装置５から電磁波発振信号（例えばＴＴＬ信号）を受けると、連続波で又は所定のデューティー比、パルス時間等を設定したパターンで電磁波（マイクロ波）を出力する。

変調器３１は、検出器４が検出した反射波形Ｗ２の位相・振幅情報が印加された制御装置５からの制御信号を受け、電磁波発振器３から発振された電磁波の位相と振幅を変調する。より具体的には、図３に示すように基本波形Ｗ１に対して、抵抗部２から反射した反射波形Ｗ２とした場合、この反射波形Ｗ２の共役波形Ｗ３を基本波形にベクトル加算（合成）した生成波形Ｗ０となるように位相と振幅を変調する。この制御をマイクロ秒単位で行い、反射波形Ｗ２を生成波形Ｗ０で打ち消し基本波形Ｗ１が抵抗部２に供給される。

図４は、電磁波発振器３でのインピーダンスをＺｓ、線路のインピーダンスをＺｏ、抵抗部２のインピーダンスをＺｒとしたとき（図４（ｂ）参照）、抵抗部２のインピーダンスＺｒに対して、発振器３のインピーダンスが共役の値となるＺｓ’’となるように変調器３２を制御する。具体的には、スミスチャートの中心、例えば５０ΩのＺｓの振幅を変調し、Ｚｓ’に、次いで位相を変調することでＺｓ’’となるように制御する。

これによって、抵抗部２からみた見かけ上のインピーダンス整合を行い、抵抗部２からの反射波を抑制し、抵抗部２への電磁波の供給効率を向上させることができる。

＜実施形態２＞
本実施形態２は、本第２の発明に係る昇圧回路を含む電磁波発振装置１である。当該電磁波発振装置１は、図５に示すように、電源Ｐから印加される電圧によって電磁波を発振する電磁波発振器３と、この電磁波発振器３からの電磁波エネルギの供給を受ける抵抗部２と、この抵抗部２からの反射波の位相及び振幅を検出する検出器４と、電磁波発振器３及び検出器４を制御する制御装置５とを備えている。そして、電磁波発振器３からの電磁波を分岐し、それぞれの線路に電磁波の位相及び振幅を変調する変調器３１ａ、３１ｂ及び電磁波を増幅する増幅器３２ａ、３２ｂを配設するとともに、分岐した線路は結合器３３を介して前記抵抗部２と接続し、制御装置５によって、前記検出器４が検知した反射波波形の位相及び振幅に対して、共役の値を取る位相及び振幅の波形となるように分岐した線路少なくとも一方の変調器３１ａ、３１ｂを制御するようにしている。

本実施形態２が実施形態1と異なる点は、電磁波発振器３からの電磁波を分岐し、それぞれの線路に電磁波の位相及び振幅を変調する変調器３１ａ、３１ｂ及び電磁波を増幅する増幅器３２ａ、３２ｂを配設した点である。反射波波形の位相及び振幅に対して、共役の値を取る位相及び振幅の波形を生成する線路は、分岐した線路のいずれか一方で構わず、本実施形態においては、変調器３１ｂのみを制御して反射波を打ち消すように構成している。

このように構成することで、変調器３１ａの線路には図３に示す基本波形Ｗ１、変調器３１ｂの線路には共役波形Ｗ２を流し、結合器３３（例えば、方向性結合器）を介し、両波が合流し、図３に示す生成波形Ｗ０と同様の波形となって反射波を打ち消す。

これによって、実施形態１と同様に、抵抗部２からみた見かけ上のインピーダンス整合を行い、抵抗部２からの反射波を抑制し、抵抗部２への電磁波の供給効率を向上させることができる。

以上説明したように、本発明のむ電磁波発振装置は、自動車エンジン等の内燃機関の点火装置として、共振回路によって供給される電磁波を昇圧し、放電ギャップの電位差を高め放電を生じさせる点火装置への電磁波の供給や、電磁波加熱装置や触媒の加熱昇温装置のアンテナへの電磁波供給の用途に好適に用いられる。

１ 電磁波発振装置
２ 抵抗部
３ 電磁波発振器
３１ 変調器
３２ 増幅器
４ 検出器
５ 制御装置
Ｐ 電源

Claims (2)

1. 電磁波エネルギの供給を受ける抵抗部に電磁波を供給する電磁波発振装置であって、
   電源から印加される電圧によって電磁波を発振する電磁波発振器と、
   前記抵抗部からの反射波の位相及び振幅を検出する検出器と、
   前記電磁波発振器及び検出器を制御する制御装置とを備え、
   前記電磁波発振器からの電磁波の位相及び振幅を変調する変調器及び電磁波を増幅する増幅器を配設し、
   前記制御装置は、前記検出器が検知した反射波波形の位相及び振幅に対して、共役の値を取る位相及び振幅となる波形を基本波形にベクトル加算した生成波形となるように変調器を制御するようにした電磁波発振装置。
2. 電磁波エネルギの供給を受ける抵抗部に電磁波を供給する電磁波発振装置であって、
   電源から印加される電圧によって電磁波を発振する電磁波発振器と、
   前記該抵抗部からの反射波の位相及び振幅を検出する検出器と、
   前記電磁波発振器及び検出器を制御する制御装置とを備え、
   前記電磁波発振器からの電磁波を分岐し、それぞれの線路に電磁波の位相及び振幅を変調する変調器及び電磁波を増幅する増幅器を配設するとともに、分岐した線路は結合器を介して前記抵抗部と接続し、
   前記制御装置は、前記検出器が検知した反射波波形の位相及び振幅に対して、共役の値を取る位相及び振幅の波形となるように分岐した線路少なくとも一方の変調器を制御するようにした電磁波発信装置。
   

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