KR101591561B1 - 혼합기, 정합기, 점화 유닛, 및 플라즈마 생성기 - Google Patents

혼합기, 정합기, 점화 유닛, 및 플라즈마 생성기 Download PDF

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Abstract

펄스 전압의 에너지와 전자파 에너지를 동일한 전송 선로에 혼합하는 혼합기에, 전자파가 입력되는 제1 입력 단자와, 펄스 전압이 입력되는 제2 입력 단자와, 펄스 전압과 전자파가 출력되는 혼합 출력 단자와, 일단이 제2 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 타단이 혼합 출력 단자의 내측 도체에 전기적으로 접속되는 봉형상의 제1 도전 부재와, 간격을 두고 제1 도전 부재를 둘러싸고, 제1 도전 부재와 동축에 배치되고, 제1 입력 단자의 내측 도체에 전기적으로 접속되는 통형상의 제2 도전 부재와, 제2 도전 부재와 간격을 두고 제1 도전 부재 및 제2 도전 부재를 수용하고, 제1 도전 부재 및 제2 도전 부재와 동축에 배치되고, 제1 입력 단자의 외측 도체와 혼합 출력 단자의 외측 도체에 각각 전기적으로 접속되는 통형상의 제3 도전 부재를 설치한다.

Description

혼합기, 정합기, 점화 유닛, 및 플라즈마 생성기{MIXER, MATCHING DEVICE, IGNITION UNIT, AND PLASMA GENERATOR}
본 발명은, 펄스 전압과 전자파를 혼합하는 혼합기, 혼합기로부터 출력된 전자파의 임피던스 정합을 취하는 정합기, 혼합기를 구비한 점화 유닛, 및 점화 유닛을 구비한 플라즈마 생성기에 관한 것이다.
내연기관에 있어서의 불꽃 점화의 대체 수법으로서, 또는 플라즈마 생성 수법으로서, 불꽃 방전과 전자파의 방사를 병용하여 플라즈마를 생성하는 기술이 제안되고 있다. 이 기술에 의하면, 전자파만으로 플라즈마를 생성하는 경우보다도, 플라즈마를 생성하는데 필요한 전자파의 에너지를 적게 하는 것이 가능하다. 특허 문헌 1에는, 스파크 플러그 등의 방전 전극의 근방에 안테나를 배치한 플라즈마 생성기가 기재되어 있다. 또, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에는, 전자파의 전송 선로 및 안테나가 설치된 스파크 플러그가 기재되어 있다.
특허 문헌 3에는, 방전을 위한 에너지와 전자파의 에너지를 스파크 플러그의 전단에서 같은 전송 선로에 중첩시키는 플라즈마 발생 장치가 기재되어 있다. 또한, 플라즈마를 생성하는 것은 아니나, 특허 문헌 4에는, 직류(DC) 전압과 마이크로파 에너지를 동축 도체에 결합시켜 연소실에 도입함으로써, 마이크로파 에너지를 연소중의 플라즈마 혼합물(화염)에 결합시키는 장치가 기재되어 있다.
일본국 특허 공개 2007－113570호 공보 일본국 특허 공개 2009－38026호 공보 일본국 특허 공개 2009－36198호 공보 일본국 특허 공개 소 51－77719호 공보
그런데 펄스 전압의 에너지와 전자파 에너지를 동일한 전송 선로에 중첩하는 방식에서는, 스파크 플러그가 방전 장치와 전자파 방사기(안테나)를 겸한다. 이로써, 플라즈마 생성기의 구조를 간소화할 수 있다. 반면, 전자파의 발진기로부터 전자파 방사기까지의 전자파의 전송 경로가 복잡해진다. 이 방식을 내연기관의 점화 등에 이용하는 경우에는, 내연기관으로의 탑재성의 확보와, 내연기관의 운전시의 환경에 견딜 수 있는 견고성의 확보가 과제가 된다.
또, 불꽃 방전과 전자파의 방사를 병용하여 플라즈마를 생성하는 방식에서는, 적은 에너지로 플라즈마를 생성할 수 있지만, 그에 상응하는 에너지가 필요하다. 이 때문에, 전자파의 전송 경로에 있어서의 에너지의 전송량 및 전송 효율의 확보가 과제가 된다. 특허 문헌 4에 기재된 플라즈마 생성 장치에서는, 이러한 과제에 대해서 충분한 고려가 이루어져 있지 않다.
본 발명은 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 펄스 전압과 전자파를 혼합하는 혼합기에 있어서, 탑재성, 견고성, 및 전자파 에너지의 전송 성능을 확보하는 데에 있다.
제1 발명은, 펄스 전압의 에너지와 전자파 에너지를 동일한 전송 선로에 혼합하는 혼합기를 전제로 한다. 그리고 이 혼합기는, 동축 구조를 이루는 내측 도체 및 외측 도체를 갖고, 전자파가 입력되는 제1 입력 단자와, 펄스 전압이 입력되는 제2 입력 단자와, 동축 구조를 이루는 내측 도체 및 외측 도체를 갖고, 펄스 전압과 전자파가 출력되는 혼합 출력 단자와, 일단이 상기 제2 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 타단이 상기 혼합 출력 단자의 내측 도체에 전기적으로 접속되는 봉형상의 제1 도전 부재와, 간격을 두고 상기 제1 도전 부재를 둘러싸고, 상기 제1 도전 부재와 동축에 배치되고, 상기 제1 입력 단자의 내측 도체에 전기적으로 접속되는 통형상의 제2 도전 부재와, 상기 제2 도전 부재와 간격을 두고 상기 제1 도전 부재 및 상기 제2 도전 부재를 수용하고, 상기 제1 도전 부재 및 상기 제2 도전 부재와 동축에 배치되고, 상기 제1 입력 단자의 외측 도체와 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체에 각각 전기적으로 접속되는 통형상의 제3 도전 부재를 구비하고 있다.
제2 발명은, 제1 발명에 있어서, 상기 제1 도전 부재가, 상기 혼합 출력 단자측이 상기 제2 도전 부재의 개구로부터 돌출하고 있다.
제3 발명은, 제2 발명에 있어서, 상기 제1 도전 부재가, 상기 제2 입력 단자측의 끝이 상기 제2 도전 부재의 내측에 위치하고 있다.
제4 발명은, 제3 발명에 있어서, 상기 제2 입력 단자와 상기 제1 도전 부재를 전기적으로 접속함과 더불어, 상기 제1 입력 단자로부터 입력된 전자파가 상기 제2 입력 단자에 흐르는 것을 저지하는 역류 저지 수단을 구비하고, 상기 역류 저지 수단은, 상기 제2 도전 부재의 내측에 삽입되고, 상기 제2 도전 부재의 내측에서 상기 제1 도전 부재의 제2 입력 단자측에 접속되어 있다.
제5 발명은, 제4 발명에 있어서, 상기 역류 저지 수단이, 코일 형상의 도전성 스프링에 의해 구성되고, 상기 제2 입력 단자와 상기 제1 도전 부재 사이에 압축된 상태로 유지되어 있다.
제6 발명은, 제1 내지 제5 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 제1 입력 단자의 내측 도체와 상기 제2 도전 부재는, 상기 제2 도전 부재의 제2 입력 단자측의 단부에서 접속되어 있다.
제7 발명은, 제1 내지 제6 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 제1 도전 부재와 상기 제2 도전 부재 사이에 배치되고, 상기 제1 도전 부재와 상기 제2 도전 부재를 전기적으로 절연하는 절연통체를 구비하고 있다.
제8 발명은, 제1 내지 제7 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 제1 도전 부재의 외주면과 상기 제2 도전 부재의 내주면 사이에서 서로 대향하는 한 쌍의 도전성 통체를 구비하고, 상기 한 쌍의 도전성 통체의 한쪽이 상기 제1 도전 부재에 전기적으로 접속되고, 다른 쪽이 상기 제2 도전 부재에 전기적으로 접속되어 있다.
제9 발명은, 제1 내지 제8 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 혼합 출력 단자의 내측 도체에 전기적으로 접속되는 중심 도체와, 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체에 전기적으로 접속되고, 상기 중심 도체와 함께 방전 갭을 형성하는 접지 도체를 갖고, 상기 중심 도체와 접지 도체가 동축 구조를 이루는 방전기에, 상기 혼합 출력 단자로부터 출력된 펄스 전압 및 전자파가 공급되는 한편, 상기 혼합 출력 단자는, 전자파의 임피던스가 상기 방전기와 같아지도록 구성되어 있다.
제10 발명은, 제1 내지 제9 중 어느 한 발명의 혼합기로부터, 혼합기의 혼합 출력 단자에 전기적으로 접속된 방전기로 향하는 전자파의 임피던스 정합을 취하는 정합기로서, 상기 방전기는, 상기 혼합 출력 단자의 내측 도체에 전기적으로 접속되는 중심 도체와, 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체에 전기적으로 접속되고, 상기 중심 도체와 함께 방전 갭을 형성하는 접지 도체를 구비하고, 상기 중심 도체와 접지 도체가 동축 구조를 이루고, 상기 중심 도체가 상기 혼합 출력 단자의 축방향으로 연장되고, 또한, 상기 접지 도체가 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체로부터 이격한 상태로 배치되는 한편, 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체와 상기 방전기의 접지 도체를 전기적으로 접속하고, 그 축방향으로 가동하도록 설치된 통형상의 외측 접속 부재를 구비하고 있는 정합기이다.
제11 발명은, 제10 발명에 있어서, 상기 혼합 출력 단자의 내측 도체 또는 상기 방전기의 중심 도체와 상기 외측 접속 부재 사이에서 방전이 발생하는 것을 저지하기 위한 통형상 절연부재를 구비하고 있다.
제12 발명은, 제11 발명에 있어서, 상기 통형상 절연부재가, 상기 외측 접속 부재의 내면에 고정되어 있다.
제13 발명은, 제10 내지 제12 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 혼합 출력 단자의 내측 도체와 상기 방전기의 중심 도체를 전기적으로 접속하고, 상기 내측 도체와 상기 중심 도체를 유지하는 내측 접속 부재를 구비하고 있다.
제14 발명은, 제10 내지 제13 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 외측 접속 부재가, 양단부가 각각 내측으로 구부러져, 일단부가 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체에 맞닿고, 타단부가 상기 방전기의 접지 도체 또는 상기 접지 도체에 전기적으로 접속된 도체에 맞닿는다.
제15 발명은, 펄스 전압의 에너지와 전자파 에너지를 동일한 전송 선로에 혼합하는 혼합기로부터, 혼합기의 혼합 출력 단자에 전기적으로 접속된 방전기로 향하는 전자파의 임피던스 정합을 취하는 정합기로서, 상기 방전기는, 상기 혼합 출력 단자의 내측 도체에 전기적으로 접속되는 중심 도체와, 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체에 전기적으로 접속되고, 상기 중심 도체와 함께 방전 갭을 형성하는 접지 도체를 구비하고, 상기 중심 도체와 접지 도체가 동축 구조를 이루고, 상기 중심 도체가 상기 혼합 출력 단자의 축방향으로 연장되고, 또한, 상기 접지 도체가 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체로부터 이격한 상태로 배치되는 한편, 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체와 상기 방전기의 접지 도체를 전기적으로 접속하고, 그 축방향으로 가동하도록 설치된 통형상의 외측 접속 부재를 구비하고 있는 정합기이다.
제16 발명은, 펄스 전압을 생성하는 펄스 전압 생성기와, 상기 펄스 전압 생성기로부터 출력된 펄스 전압과, 전자파원으로부터 출력된 전자파를 혼합하는, 제1 내지 제9 중 어느 한 발명의 혼합기를 구비하고 있는 점화 유닛이다.
제17 발명은, 펄스 전압을 생성하는 펄스 전압 생성기와, 상기 펄스 전압 생성기로부터 출력된 펄스 전압과, 전자파원으로부터 출력된 전자파를 혼합하는, 제4또는 제5 발명의 혼합기를 구비하고, 상기 제2 입력 단자와 상기 역류 저지 수단 사이에 저항이 접속되어 있는 점화 유닛이다.
제18 발명은, 제16 또는 제17 발명의 점화 유닛과, 상기 점화 유닛으로부터 출력된 펄스 전압과 전자파에 의해 플라즈마를 생성하는 방전기를 구비하고 있는 플라즈마 생성기.
본 발명에 의하면, 혼합기가 동축 구조로 되어 있다. 이 때문에, 전자파의 모드 변환을 행하지 않고, 펄스 전압과의 혼합이나 전자파의 전송이 가능하다. 이는, 전자파의 전송 효율을 확보하는 데에 이바지한다. 또, 연면 방전의 발생을 저감할 수 있어, 에너지의 리크를 억제할 수 있으므로, 내전압 성능을 향상시킬 수 있다. 이는, 전송하는 에너지량의 확보와 전기적인 견고성의 향상에 이바지한다. 또, 동축 구조에서는, 많은 부재의 형상이 통형상으로 되므로, 구조 중량에 비해 높은 강성을 얻을 수 있다. 이는, 견고성의 확보에 이바지한다. 또, 동축 구조에 의해, 외형의 최소폭을 짧게 할 수 있다. 이는, 탑재성의 향상에 이바지한다.
또한, 펄스 전압의 전송로가 동축 구조에 의해 실드된다. 이로써, 펄스 전압 발생시의 전자 노이즈의 누설을 저감할 수 있다. 따라서, 노이즈 대책이 용이해져, 탑재성을 향상시킬 수 있다. 또, 저항 등의 노이즈 대책으로 전송 에너지의 로스를 억제할 수 있으므로, 에너지의 전송 효율의 확보가 용이해진다.
도 1은, 실시형태 1의 플라즈마 생성기의 사시도이다.
도 2는, 실시형태 1의 플라즈마 생성기의 블럭도이다.
도 3은, 실시형태 1의 플라즈마 생성기의 회로도이다.
도 4는, 실시형태 1의 혼합기의 단면도이다.
도 5는, 실시형태 1의 정합기의 단면도이다.
도 6은, 실시형태 1의 변형예 1의 플라즈마 생성기의 회로도이다.
도 7은, 실시형태 1의 변형예 2의 혼합기의 단면도이다.
도 8은, 실시형태 1의 변형예 3의 혼합기의 단면도이다.
도 9는, 실시형태 2의 정합기의 단면도이다.
도 10은, 실시형태 2의 변형예 1의 정합기의 단면도이다.
도 11은, 실시형태 2의 변형예 2의 정합기의 단면도이다.
도 12는, 실시형태 2의 변형예 3의 정합기의 단면도이다.
도 13은, 그 외의 실시형태의 스파크 플러그의 선단면의 정면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시형태는, 본질적으로 바람직한 예시로서, 본 발명, 그 적용물, 혹은 그 용도의 범위를 제한하는 것을 의도하는 것은 아니다.
《실시형태 1》
실시형태 1은, 본 발명에 따른 플라즈마 생성기(100)이다. 이하에서는, 우선 플라즈마 생성기(100)에 대해서 설명하고, 이어서, 혼합기(300), 정합기(400)에 대해서 차례대로 설명한다.
－플라즈마 생성기의 구성-
플라즈마 생성기(100)의 사시도를 도 1에, 플라즈마 생성기(100)의 블럭도를 도 2에, 플라즈마 생성기(100)의 등가 회로를 나타낸 회로도를 도 3에 각각 나타냈다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 생성기(100)는, 펄스 전압 생성기(200)와 혼합기(300)와 정합기(400)와 스파크 플러그(500)를 구비하고 있다. 펄스 전압 생성기(200)는, 대체로 상자형상(대략 직방체의 상자형상)으로 형성되어 있다. 혼합기(300)는, 대략 원통형상으로 형성되고, 일단이 펄스 전압 생성기(200)에 접속되어 있다. 혼합기(300)의 타단에는, 혼합기(300)의 축방향으로 연장되는 연신부(390)가 설치되어 있다. 연신부(390)는, 내연기관의 플러그 홀에 끼워넣어진다. 혼합기(300)의 원통측면에는, 상자형의 돌기(316)가 설치되어 있다. 정합기(400)는, 통형상으로 형성되고, 연신부(390)를 둘러싸도록 설치되어 있다. 정합기(400)는, 그 축방향으로 가동하도록 설치되고, 혼합기(300)로부터 스파크 플러그(500)로 향하는 전자파의 임피던스 정합을 취한다. 스파크 플러그(500)는, 정합기(400)를 통해 혼합기(300)에 접속되어 있다.
또한, 플라즈마 생성기(100) 중, 펄스 전압 생성기(200)와 혼합기(300)는, 일체화되어 있다. 펄스 전압 생성기(200)와 혼합기(300)는, 점화 유닛(150)을 구성하고 있다. 플라즈마 생성기(100)는, 점화 유닛(150)과 정합기(400)와 스파크 플러그(500)를 구비하고 있게 된다. 스파크 플러그(500)는, 혼합기(300)로부터 입력된 펄스 전압에 의해 방전이 발생하는 방전 갭이 형성된 방전기(500)를 구성하고 있다.
펄스 전압 생성기(200)에는, 외부 입력을 받기 위한 커넥터(210)가 설치되어 있다. 혼합기(300)의 상자형의 돌기(316)에는, 제1 입력 단자(310)가 설치되어 있다. 제1 입력 단자(310)는, 전자파용 입력 단자이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 펄스 전압 생성기(200)는, 외부의 직류 전원(600)으로부터 직류 전력(620)의 공급을 받는다. 펄스 전압 생성기(200)는, 외부의 제어기(602)(예를 들면, 자동차의 전자 제어 유닛, 이른바 ECU)로부터 주어지는 제어 신호(622)(이하, 「점화 신호」라고 부름.)에 따라 동작하고, 고전압의 펄스 전압(624)을 생성하여 출력한다. 직류 전원(600)은, 예를 들면 자동차용 배터리이어도 된다. 직류 전력(620)의 전압은, 12V정도이어도 된다. 점화 신호(622)는, 정논리의 펄스형상의 TTL신호이어도 된다. 점화 신호(622)의 펄스폭은, 1msec∼2msec 정도이어도 된다.
이러한 점화 신호(622)의 경우, 신호 인가 개시는 전력 공급의 개시 지령을 나타내고, 신호 인가 종료는 전력 공급의 종료 및 펄스 전압(624)의 출력 지령을 나타낸다. 펄스 전압(624)은, 피크 전압이 예를 들면 6kV∼40kV정도의 임펄스형상의 전압 신호이다. 펄스 전압(624)의 제원은, 스파크 플러그(500)에 펄스 전압(624)을 인가한 경우에 절연 파괴를 일으키도록 적절히 설정하면 된다.
혼합기(300)는, 펄스 전압 생성기(200)로부터 펄스 전압(624)을 받음과 더불어, 외부의 마이크로파원(606)(전자파원)으로부터 마이크로파(626)를 받는다. 본 실시형태 1에서, 마이크로파(626)는, 주파수가 예를 들면 2450mHz 정도이며, 입력 전력의 피크가 1kW정도이다. 마이크로파(626)는, 펄스형상으로 인가된다. 또, 마이크로파(626)의 펄스폭은, 10msec 미만이어도 되고, 그 이상이어도 된다. 마이크로파의 펄스는, 반복해서 인가되어도 된다.
혼합기(300)는, 펄스 전압(624)과 마이크로파(626)를 혼합한 혼합 신호(628)를 생성하여 출력한다. 혼합 신호(628)는, 정합기(400)를 통해 스파크 플러그(500)에 전송된다. 스파크 플러그(500)에서는, 혼합 신호(628)의 인가를 받아, 방전이 발생함과 더불어, 마이크로파가 방사된다. 그 결과, 스파크 플러그(500)의 선단의 방전 갭에서는, 방전에 의해 소규모의 플라즈마가 형성되고, 그 플라즈마가 마이크로파의 에너지를 흡수하여 확대된다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 펄스 전압 생성기(200)의 회로 구성은, 종래의 점화 코일에 탑재되는 일반적인 것과 동일하다. 펄스 전압 생성기(200)에는, 직류 전력(620)의 입력을 받는 직류 단자(212)와, 점화 신호(622)를 받는 점화 신호 단자(214)와, 접지되는 접지 단자(216)가 설치되어 있다. 직류 단자(212)와 점화 신호 단자(214)와 접지 단자(216)는, 커넥터(210)에 설치되어 있다.
펄스 전압 생성기(200)에는, 또한, 스위치(230)와 일차측 코일(240)과 이차측 코일(242)과 전압측 출력 단자(250)가 설치되어 있다. 스위치(230)는, npn형 트랜지스터로 이루어지고, 베이스가 점화 신호 단자(214)에 접속되고, 이미터가 접지 단자(216)에 접속되어 있다. 일차측 코일(240)은, 일단이 스위치(230)의 콜렉터에 접속되고, 타단이 직류 단자(212)에 접속되어 있다. 이차측 코일(242)은, 철심(도시 생략)을 통해 일차측 코일(240)에 대향하도록 배치되어 있다. 이차측 코일(242)은, 일단이 정류기(220)(다이오드)를 통해 직류 단자(212)에 접속되고, 타단이 저항(222)을 통해 전압측 출력 단자(250)에 접속되어 있다.
혼합기(300)는, 상술한 제1 입력 단자(310)와 제2 입력 단자(315)와 혼합 출력 단자(340)와 역류 방지 코일(320)과 콘덴서(330)를 구비하고 있다. 제2 입력 단자(315)는, 펄스 전압 생성기(200)의 전압측 출력 단자(250)에 접속되어 있다. 제1 입력 단자(310)는, 동축 구조를 이루는 내측 도체(310a) 및 외측 도체(310b)를 갖고, 전자파가 입력된다. 제2 입력 단자(315)에는, 펄스 전압이 입력된다. 혼합 출력 단자(340)는, 동축 구조를 이루는 내측 도체(340a) 및 외측 도체(340b)를 갖는다. 혼합 출력 단자(340)로부터는, 펄스 전압과 전자파가 출력된다. 역류 방지 코일(320)은, 제2 입력 단자(315)에 접속되어 있다. 콘덴서(330)는, 후술할 도전체봉(370) 및 도전체 파이프(372)에 의해 구성되어 있다. 콘덴서(330)의 일단은, 제1 입력 단자(310)에 접속되어 있다. 콘덴서(330)의 타단은, 두 방향으로 분기되어, 한쪽이 역류 방지 코일(320)에 접속되고, 또 다른 한쪽이 혼합 출력 단자(340)에 접속되어 있다.
역류 방지 코일(320)로는, 10nH∼10μH 정도의 자기 인덕턴스를 갖는 것이 선택된다. 이 때문에, 역류 방지 코일(320)은, 마이크로파대의 전자파의 통과를 저지하는 한편, 단파대 이하의 대역의 전자파 또는 직류의 통과를 허용한다. 역류 방지 코일(320)은, 제1 입력 단자(310)로부터 입력된 마이크로파가 펄스 전압 생성기(200)에 흐르는 것을 저지하는 역류 저지 수단(320)을 구성하고 있다.
또, 콘덴서(330)로는, 1pF에서 100pF 정도의 용량인 것이 선택된다. 이로써, 콘덴서(330)는, 마이크로파의 통과를 허용하는 한편, 단파대 이하의 대역의 전자파 또는 직류의 통과를 저지한다. 콘덴서(330)는, 제2 입력 단자(315)로부터 입력된 전압 펄스가 제1 입력 단자(310)에 흐르는 것을 저지하는 수단을 구성하고 있다.
정합기(400)는, 등가 회로 상에서는, 일단이 혼합기(300)의 혼합 출력 단자(340)에 접속되고, 타단이 스파크 플러그(500)에 접속되어 있다. 정합기(400)의 타단에는, 스파크 플러그(500)와 접속하기 위한 플러그 접속단(410)이 설치되어 있다.
스파크 플러그(500)의 회로 구성은, 일반적인 스파크 플러그의 회로 구성과 동일하다. 스파크 플러그(500)는, 혼합 출력 단자(340)의 내측 도체(340a)에 전기적으로 접속되는 중심 도체(510)와, 혼합 출력 단자(340)의 외측 도체(340b)에 전기적으로 접속되는 접지 도체(512)를 구비하는 방전기이다. 스파크 플러그(500)에서는, 중심 도체(510)와 접지 도체(512)가 동축 구조를 이룬다.
스파크 플러그(500)에서는, 중심 도체(510)와 접지 도체(512)가 대향 전극대를 구성하고 있다. 중심 도체(510)와 접지 도체(512) 사이는, 방전 갭이 된다. 또한, 본 실시형태 1에서는, 스파크 플러그(500)의 중심 도체(510)에 저항을 설치하지 않았다. 이는, 마이크로파의 전송 효율을 확보하는데에 바람직한 구성이다.
이상의 구성에 의해, 스위치(230)의 베이스에 점화 신호(622)가 인가되면, 일차측 코일(240)에 전류가 흘러, 철심 부근의 자장이 변화하여 전하가 축적된다. 이 상태에서, 스위치(230)의 베이스에 대한 점화 신호(622)의 인가를 종료하면, 일차측 코일(240)로의 급전이 종료되고, 전하가 이차측 코일(242)에 유입된다. 그 결과, 펄스 전압 생성기(200)에서는, 접지측과 전압측 출력 단자(250)측 사이에 높은 전위차가 생긴다. 그리고 전압측 출력 단자(250)에 고전압의 펄스 전압(624)이 인가된다.
펄스 전압(624)은, 역류 방지 코일(320)을 통과하여, 혼합 출력 단자(340)에 전달된다. 펄스 전압(624)은, 콘덴서(330)가 있기 때문에, 제1 입력 단자(310)측으로는 흐르지 않는다. 한편, 제1 입력 단자(310)로부터 입력된 마이크로파(626)는, 콘덴서(330)를 통과하여, 혼합 출력 단자(340)로 전달된다. 마이크로파(626)는, 역류 방지 코일(320)이 있기 때문에, 펄스 전압 생성기(200)측으로는 흐르지 않는다.
혼합기(300)에서는, 펄스 전압(624)과 마이크로파(626)가 혼합되어 혼합 출력 단자(340)로부터 출력된다. 펄스 전압(624)과 마이크로파(626)는, 정합기(400)를 경유하여, 스파크 플러그(500)에 공급된다. 그 결과, 스파크 플러그(500)에서는, 펄스 전압(624)과 마이크로파(626)가 방전 갭 사이에 인가되어, 플라즈마가 생성된다.
－혼합기의 구성-
도 4에 나타낸 바와 같이, 혼합기(300)는, 도전체봉(370)과 도전체 파이프(372)와 제1의 유전체 링(362)과 제2의 유전체 링(364)과 유전체 파이프(366)와 하우징(360)을 구비하고 있다.
하우징(360)은, 혼합기(300)의 외관 형상을 대략 형성한다. 하우징(360)의 재질은, 금속 등의 도전체이다. 하우징(360)은, 양단이 개방된 통형상으로 형성되어 있다. 하우징(360)의 측면에는, 상자형의 돌기(316)가 설치되어 있다. 상자형의 돌기(316)에는, 제1 입력 단자(310)가 노출되는 개구(317)가 형성되어 있다. 하우징(360)은, 개구(317)의 전체 주위에 있어서, 제1 입력 단자(310)의 외측 도체(310b)에 맞닿고 있다. 하우징(360)은, 도전체 파이프(372)와 간격을 두고 도전체봉(370) 및 도전체 파이프(372)를 수용하고, 도전체봉(370) 및 도전체 파이프(372)와 동축에 배치되고, 제1 입력 단자(310)의 외측 도체(310b)와 혼합 출력 단자(340)의 외측 도체(340b)에 각각 전기적으로 접속되는 제3 도전 부재(360)를 구성하고 있다.
하우징(360)의 일단부에는, 끝에 가까워짐에 따라 테이퍼형상으로 축경한 테이퍼부(361)가 형성되어 있다. 테이퍼부(361)에는, 선단이 혼합 출력 단자(340)가 되는 연신부(390)가 접속되어 있다. 연신부(390)는, 동축 케이블에 의해 구성되어 있다. 연신부(390)의 내측 도체(390a)는, 도전체봉(370)에 맞닿고 있다. 연신부(390)의 외측 도체(390b)는, 전체 둘레에 걸쳐 하우징(360)의 테이퍼부(361)의 끝에 맞닿고 있다. 연신부(390)의 유전층(390c)은, 절연체에 의해 구성된 접속통체(350)의 내측에서, 유전체 파이프(366)에 맞닿고 있다. 접속통체(350)는, 일단이 제2의 유전체 링(364)의 절결에 끼워넣어져 고정되어 있다. 접속통체(350)는, 연신부(390)의 유전층(390c)을 유지하고 있다.
한편, 하우징(360)의 타단부는, 펄스 전압 생성기(200)에 부착되어 있다. 하우징(360)의 타단부에는, 펄스 전압 생성기(200)의 전압측 출력 단자(250)에 접속되는 제2 입력 단자(315)가 설치되어 있다. 본 실시형태 1에서는, 역류 방지 코일(320)의 도전체봉(370)과는 역측의 끝이, 제2 입력 단자(315)로 되어 있다.
통형상의 제1의 유전체 링(362)은, 외면 형상이 축방향에 걸쳐 한결같다. 제1의 유전체 링(362)은, 하우징(360)의 제2 입력 단자(315)측에 설치되고, 하우징(360)의 내측에 끼워넣어져 있다. 제1의 유전체 링(362)의 외면은, 전체 둘레에 걸쳐 하우징(360)의 내면에 맞닿고 있다.
제1의 유전체 링(362)의 내면에는, 단차가 형성되어 있다. 제1의 유전체 링(362)은, 단차를 경계로 하여 2개의 내면 형상을 갖고 있다. 제1의 유전체 링(362)의 제2 입력 단자(315)측의 내면 형상은, 펄스 전압 생성기(200)를 끼워맞출 수 있도록 설정되어 있다. 제1의 유전체 링(362)의 혼합 출력 단자(340)측의 내면 형상은, 유전체 파이프(366)를 끼워맞출 수 있도록 설정되어 있다.
통형상의 제2의 유전체 링(364)은, 내면 형상 및 외면 형상이 함께 축방향에 걸쳐 한결같다. 제2의 유전체 링(364)은, 하우징(360)의 혼합 출력 단자(340)측에 설치되고, 하우징(360)의 내측에 끼워넣어져 있다. 제2의 유전체 링(364)의 외면은, 전체 둘레에 걸쳐 하우징(360)의 내면에 맞닿고 있다.
제2의 유전체 링(364)의 내면 형상은, 유전체 파이프(366)를 끼워맞출 수 있도록 설정되어 있다. 즉, 제2의 유전체 링(364)의 내면은, 제1의 유전체 링(362)의 혼합 출력 단자(340)측의 내면과 같은 크기이며 같은 형상이다. 제2의 유전체 링(364)의 내면 및 외면의 축심은, 제1의 유전체 링(362)의 내면 및 외면의 축심과 대체로 일치하고 있다.
통형상의 유전체 파이프(366)는, 제1의 유전체 링(362)과 제2의 유전체 링(364) 사이로 연장되어 있다. 유전체 파이프(366)는, 일단부가 제1의 유전체 링(362)의 내측에 끼워넣어지고, 타단부가 제2의 유전체 링(364)의 내측에 끼워넣어져 있다. 유전체 파이프(366)의 두께는, 내면과 외면에 펄스 전압(624) 또는 마이크로파(626)가 인가되어도 절연 파괴가 일어나지 않도록 설정되어 있다. 유전체 파이프(366)는, 도전체봉(370)과 도전체 파이프(372) 사이에 배치되고, 도전체봉(370)과 도전체 파이프(372)를 전기적으로 절연하는 절연통체(366)를 구성하고 있다.
제1의 유전체 링(362), 제2의 유전체 링(364), 및 유전체 파이프(366)의 재질은, 소위 불소 수지나, 폴리에틸렌 수지이어도 되고, 그 외의 유전체(예를 들면 세라믹)이어도 된다. 이 플라즈마 생성기(100)를 내연기관 등의 점화에 이용하는 것이면, 내열성이 높은 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 또, 유전체 파이프(366)에는, 절연 내력이 높은 재료를 이용하는 것이 바람직하다.
도전체봉(370)은, 원주형상으로 형성되고, 유전체 파이프(366)의 내측에 끼워넣어져 있다. 도전체봉(370)은, 유전체 파이프(366)의 혼합 출력 단자(340)측에 끼워넣어져 있다. 도전체봉(370)은, 일단이 제2 입력 단자(315)에 전기적으로 접속되고, 타단이 혼합 출력 단자(340)의 내측 도체에 전기적으로 접속되는 제1 도전 부재(370)를 구성하고 있다.
도전체봉(370)은, 혼합 출력 단자(340)측이 도전체 파이프(372)의 개구로부터 돌출하고 있다. 도전체봉(370)은, 제2 입력 단자(315)측의 끝이 도전체 파이프(372)의 내측에 위치하고 있다.
유전체 파이프(366)의 제2 입력 단자(315)측에는, 코일 형상의 도전성 스프링에 의해 구성된 역류 방지 코일(320)이 삽입되어 있다. 도 4에 나타낸 역류 방지 코일(320)은, 압축 스프링을 형성하고 있으며, 그 자연 길이는, 펄스 전압 생성기(200)를 혼합기(300)에 끼워맞춘 상태에서의 전압측 출력 단자(250)와 도전체봉(370)의 거리 이상이다. 이 때문에, 펄스 전압 생성기(200)를 혼합기(300)에 끼워맞추면, 역류 방지 코일(320)의 단부는 각각, 전압측 출력 단자(250)와 도전체봉(370)에 맞닿는다. 역류 방지 코일(320)은, 제2 입력 단자와 도전체봉(370) 사이에 압축된 상태로 유지되어 있다. 역류 방지 코일(320)은, 전압측 출력 단자(250)와 도전체봉(370)을 전기적으로 접속한다. 역류 방지 코일(320)은, 도전체 파이프(372)의 내측에서 도전체봉(370)의 제2 입력 단자(315)측에 접속되어 있다.
도전체 파이프(372)는, 통형상으로 형성되고, 유전체 파이프(366)의 외면측에 설치되어 있다. 도전체 파이프(372)는, 유전체 파이프(366)의 중앙부의 외면을 전체 둘레에 걸쳐 덮는다. 도전체 파이프(372)의 내면은, 축방향에 걸쳐 유전체 파이프(366)의 외면에 맞닿고 있다. 도전체 파이프(372)는, 간격을 두고 도전체봉(370)을 둘러싸고, 도전체봉(370)과 동축에 배치되고, 제1 입력 단자(310)의 내측 도체(310a)에 전기적으로 접속되는 제2 도전 부재(372)를 구성하고 있다.
도전체 파이프(372)의 내면의 혼합 출력 단자(340)측은, 유전체 파이프(366)를 통해, 도전체봉(370)과 대향하고 있다. 이 대향 부분이, 도 3에 나타낸 콘덴서(330)가 된다. 콘덴서(330)를 구성하는 대향 부분의 면적은, 콘덴서(330)의 용량이 원하는 값이 되도록 설정된다. 마이크로파의 임피던스의 정합을 취하면서, 콘덴서(330)의 용량이 원하는 값이 되도록, 도전체봉(370)의 굵기, 및 대향 부분의 축방향의 길이가 설정되어 있다. 도전체봉(370)은, 도전체 파이프(372)의 혼합 출력 단자(340)측의 개구로부터 돌출하고 있다. 즉, 도전체봉(370)의 일부와 도전체 파이프(372)의 일부가, 이들의 축방향에서 중복되어 있다.
또한, 본 실시형태 1에서는, 도전체 파이프(372)가 역류 방지 코일(320)을 둘러싸는 위치까지 연장되어 있는데, 역류 방지 코일(320)을 둘러싸는 위치까지 연장되어 있지 않아도 된다. 도전체 파이프(372)의 길이는, 마이크로파의 전송 효율이 높아지도록 설정하면 된다.
도전체 파이프(372)의 제2 입력 단자(315)측의 단부의 외면에는, 그 외면으로부터 반경 방향으로 돌출하는 돌기(374)가 접속되어 있다. 이 돌기(374)에는, 제1 입력 단자(310)의 내측 도체(310a)가 부착되어 있다. 돌기(374) 및 제1 입력 단자(310)의 내측 도체(310a)는, 절연체에 의해 구성된 입력측 통부재(312)의 내측에 끼워넣어져 있다. 제1 입력 단자(310)의 내측 도체(310a)는, 동축 케이블의 내측 도체를 사이에 끼울 수 있도록 구성되어 있다.
본 실시형태 1에서는, 제1 입력 단자(310)의 내측 도체(310a)와 도전체 파이프(372)가, 도전체 파이프(372)의 제2 입력 단자(315)측의 단부에서 접속되어 있다. 도전체 파이프(372)의 제2 입력 단자(315)측에서 마이크로파의 급전을 받도록 하면, 마이크로파의 전송 효율이 향상한다. 하우징(360)에서는, 상자형의 돌기(316)의 위치가, 도전체 파이프(372)의 외면으로부터 연장되는 돌기(374)의 위치에 따라 정해져 있다.
혼합 출력 단자(340)는, 연신부(390)의 선단부에 의해 구성되어 있다. 혼합 출력 단자(340)의 내측 도체(340a)는, 도전체봉(370)에 전기적으로 접속되어 있다. 혼합 출력 단자(340)의 외측 도체(340b)는, 하우징(360)에 전기적으로 접속되어 있다. 연신부(390)와 하우징(360)은, 커넥터 등을 통해 착탈 가능하게 해도 되고, 고정해도 된다.
－정합기의 구성-
도 5에 나타낸 바와 같이, 정합기(400)는, 내측 접속 부재(462)와 애자 끼움 부재(464)와 외측 고정 부재(466)와 외측 접속 부재(468)와 유전체 부재(470)를 구비하고 있다.
내측 접속 부재(462)는, 도전체로 이루어진다. 내측 접속 부재(462)는, 스파크 플러그(500)의 중심 도체(510)의 입력단에 걸어맞춰지는 형상이다. 구체적으로, 내측 접속 부재(462)의 내면에는, 나사홈이 형성되어 있다. 내측 접속 부재(462)의 나사홈은, 스파크 플러그(500)의 중심 도체(510) 외면의 나사홈에 나합되어 있다. 내측 접속 부재(462)에는, 혼합 출력 단자(340)의 내측 도체(340a)가 끼워넣어져 있다. 내측 접속 부재(462)는, 혼합 출력 단자(340)의 내측 도체(340a)와 스파크 플러그(500)의 중심 도체(510)를 전기적으로 접속하고, 상기 내측 도체(340a)와 상기 중심 도체(510)를 유지하고 있다.
애자 끼움 부재(464)는, 대체로 통형상의 형상을 갖는 절연성의 부재이다. 애자 끼움 부재(464) 내에는, 내측 접속 부재(462)가 수용되어 있다. 애자 끼움 부재(464)의 혼합기(300)측에는, 혼합 출력 단자(340)의 유전층(340c)이 삽입되어 있다. 애자 끼움 부재(464)의 혼합 출력 단자(340)측의 외주 형상은, 그 축방향으로부터 보아, 혼합 출력 단자(340)의 외측 도체(340b)의 외주 형상으로부터 비어져나오지 않게 하는 것이 바람직하다. 한편, 애자 끼움 부재(464)의 스파크 플러그(500)측은, 스파크 플러그(500)의 애자(514)의 입력측의 노출 부분(514a)을 덮도록 상기 노출 부분(514a)의 외측에 끼워넣어져 있다. 애자 끼움 부재(464)는, 이 노출 부분(514a)의 방전 갭측의 끝으로부터 돌출하고, 그 돌출부분이, 전체 둘레에 걸쳐 스파크 플러그(500)의 접지 도체(512)의 단부에 맞닿고 있다.
외측 고정 부재(466)는, 띠형상 또는 통형상의 도전체로 이루어진다. 외측 고정 부재(466)는, 애자 끼움 부재(464)의 스파크 플러그(500)측의 외주면을 전체 둘레에 걸쳐 둘러싸도록, 애자 끼움 부재(464)에 접합되어 있다. 외측 고정 부재(466)는, 애자 끼움 부재(464)의 방전 갭측의 끝으로부터 돌출하고, 그 돌출부분이 내측으로 구부러져 스파크 플러그(500)의 접지 도체(512)에 맞닿고 있다. 이 돌출부분은, 전체 둘레에 걸쳐 스파크 플러그(500)의 접지 도체(512)의 입력측에 맞닿고 있다. 외측 고정 부재(466)는, 애자 끼움 부재(464)에 의해 혼합 출력 단자(340)의 내측 도체(340a) 및 내측 접속 부재(462)로부터 절연되어 있다. 또한, 도 1에서는, 외측 고정 부재(466)의 도시를 생략하고 있다.
외측 접속 부재(468)는, 통형상의 도전체로 이루어진다. 외측 접속 부재(468)는, 축방향에 있어서의 혼합 출력 단자(340)에서 스파크 플러그(500)의 기단측까지의 구간에서, 혼합 출력 단자(340), 내측 접속 부재(462), 애자 끼움 부재(464), 및 외측 고정 부재(466)를 둘러싼다.
도 5에서, 외측 접속 부재(468)는, 양단부가 좁혀진 형상을 이루고 있다. 외측 접속 부재(468)는, 양단부가 내측으로 구부러져 있다. 외측 접속 부재(468)의 혼합기(300)측의 단부는, 전체 둘레에 걸쳐 혼합 출력 단자(340)의 외측 도체(340b)에 맞닿는다. 외측 접속 부재(468)의 스파크 플러그(500)측의 단부는, 전체 둘레에 걸쳐 외측 고정 부재(466)에 맞닿는다. 외측 접속 부재(468)는, 일단부가 혼합 출력 단자(340)의 외측 도체(340b)에 맞닿고, 타단부가 스파크 플러그(500)의 접지 도체(512)에 전기적으로 접속된 외측 고정 부재(466)에 맞닿는다. 또한, 외측 접속 부재(468)는, 스파크 플러그(500)측의 단부가 전체 둘레에 걸쳐 접지 도체(512)에 맞닿도록 구성해도 된다.
외측 접속 부재(468)에서는, 양단부의 사이의 본체부(468a)의 내주면이, 전체 주위에 걸쳐 애자 끼움 부재(464)의 외주면으로부터 이격하고 있다. 외측 접속 부재(468)의 스파크 플러그(500)측의 단부(468b)는, 내측으로 말려들어 가도록 형성되어 있다. 외측 접속 부재(468)의 혼합기(300)측의 단부(468c)는, 내측으로 구부러진 끝이, 혼합 출력 단자(340)의 외측 도체(340b)의 외면을 따르고 있다. 또한, 외측 접속 부재(468)의 양단부(468b, 468c)는, 도 5에 나타낸 형상 이외에, 서서히 축경된 형상 등 적절히 여러 가지의 형상을 채용할 수 있다.
외측 접속 부재(468)는, 그 축방향으로 가동하도록 설치되어 있다. 외측 접속 부재(468)는, 혼합 출력 단자(340)의 외측 도체(340b)와 스파크 플러그(500)의 접지 도체(512)를 전기적으로 접속하고 있다. 또한, 스파크 플러그(500)는, 접지 도체(512)가 혼합 출력 단자(340)의 외측 도체(340b)로부터 이격한 상태로 배치되어 있다. 스파크 플러그(500)는, 중심 도체(510)가 혼합 출력 단자(340)의 축방향으로 연장되어 있다.
유전체 부재(470)는, 통형상으로 형성되고, 외측 접속 부재(468)의 내측에 배치되어 있다. 유전체 부재(470)는, 외측 접속 부재(468)의 본체부(468a)의 내면에 접합되어 있다. 유전체 부재(470)는, 혼합 출력 단자(340)의 내측 도체(340a) 또는 스파크 플러그(500)의 중심 도체(510)와 외측 접속 부재(468) 사이에서 방전이 발생하는 것을 저지하기 위한 통형상 절연부재(470)를 구성하고 있다.
본 실시형태 1에서는, 내측 접속 부재(462), 애자 끼움 부재(464), 외측 고정 부재(466), 및 외측 접속 부재(468)에 의해, 혼합기(300)로부터 입력되는 혼합 신호(628)가 누설되지 않고 스파크 플러그(500)에 인가할 수 있다.
또, 정합기(400)에서는, 외측 접속 부재(468) 및 유전체 부재(470)의 축방향의 위치에 따라, 임피던스의 주파수 특성이 변화한다. 본 실시형태 1에서는, 외측 접속 부재(468)가, 혼합 출력 단자(340)의 외측 도체(340b) 및 외측 고정 부재(466)에 대해 접동 가능하게 부착되어 있다. 이에 의해, 임피던스의 주파수 특성을 수시로 조정하는 것이 가능하게 된다. 또한, 외측 접속 부재(468)의 축방향의 위치를 조정한 후에, 외측 접속 부재(468)를 고정해도 된다. 또, 최적의 외측 접속 부재(468)의 위치를 미리 알고 있는 경우에는, 혼합 출력 단자(340)의 외측 도체(340b) 및 외측 고정 부재(466)에 대해 외측 접속 부재(468)를 미리 일체화해도 된다.
내측 접속 부재(462), 애자 끼움 부재(464), 외측 고정 부재(466), 및 외측 접속 부재(468)의 배치를 적절하게 설정함으로써, 혼합 신호(280) 중 마이크로파 성분의 전송 효율을 조정할 수 있다. 이 조정에 의해, 용이하게 마이크로파의 전송 효율의 확보가 가능하다.
－실시형태 1의 효과-
본 실시형태 1에서는, 플라즈마 생성기(100)에 있어서 마이크로파를 전송하는 개소가, 모두 동축 구조로 되어 있다. 따라서, 마이크로파의 모드 변환을 행하지 않고, 펄스 전압과의 혼합이나 마이크로파의 전송이 가능하다. 이는, 마이크로파의 전송 효율의 확보에 이바지한다. 또, 마이크로파를 전송하는 개소가 모두 동축 구조를 이루고 있으므로, 각 도전 부재의 엣지의 길이를 짧게 할 수 있다. 이로써, 도전 부재의 엣지에서 일어나기 쉬운 연면 방전의 발생을 저감할 수 있어, 에너지의 리크를 억제할 수 있다. 따라서, 내전압 성능을 향상시킬 수 있다. 이는, 전송하는 에너지량의 확보와 전기적인 견고성의 향상에 이바지한다.
또, 동축 구조에서는, 많은 부재의 형상이 통형상으로 되므로, 구조 중량에 비해 높은 강성을 얻을 수 있다. 이는, 견고성의 확보에 이바지한다. 또, 동축 구조에 의해, 외형의 최소폭을 짧게 할 수 있다. 이는, 탑재성의 향상에 이바지한다. 또한, 동축 구조에 의해, 펄스 전압의 전송로가 실드된다. 이로써, 펄스 전압 발생시의 전자 노이즈의 누설을 저감할 수 있다. 따라서, 노이즈 대책이 용이해져, 탑재성을 향상시킬 수 있다.
또, 저항 등의 노이즈 대책으로 전송 에너지의 로스를 억제할 수 있으므로, 에너지의 전송 효율의 확보가 용이해진다. 또, 플라즈마 생성기(100)에서는, 각 기능부가 착탈 가능하게 구성되어 있으므로, 모듈화가 용이하다. 이로써, 설계, 제조, 검사, 부품 교환 등이 용이해진다. 이는 탑재성의 확보에 이바지한다.
또, 정합기(400)는, 일반적인 스파크 플러그를 확실하고 용이하게 접속할 수 있는 구조를 구비하고, 또한 전송 효율의 조정을 용이하게 행할 수 있다. 이로써, 에너지를 스파크 플러그에 높은 효율로 전송할 수 있다. 따라서, 스파크 플러그(500)를 이용한 플라즈마 생성이 용이해진다. 이는, 특히 내연기관의 점화에 플라즈마를 적용하는데 매우 적합하다.
또한, 펄스 전압 생성기(200)의 하우징이 금속 등의 도전체이면, 혼합기(300)의 하우징(360)의 펄스 전압 생성기(200)측의 단부를 전체 둘레에 걸쳐 펄스 전압 생성기(200)의 하우징에 접촉시키면, 마이크로파의 차폐성이 향상한다.
－실시형태 1의 변형예 1－
실시형태 1의 변형예 1에 대해서 설명한다. 변형예 1에서는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 실시형태 1에서는 펄스 전압 생성기(200)에 설치되어 있던 저항(전기 저항)(222)이, 혼합기(300)에 설치되어 있다. 저항(222)은, 제2 입력 단자(315)와 역류 방지 코일(320) 사이에 접속되어 있다. 이에 의해, 통상의 점화 코일을 그대로 펄스 전압 생성기(200)에 사용할 수 있어, 혼합기(300)의 설계에 있어서 저항(222)의 저항값을 적절하게 설정할 수 있다.
－실시형태 1의 변형예 2－
실시형태 1의 변형예 2에 대해서 설명한다. 변형예 2에서는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 도전체봉(370)의 외주면과 도전체 파이프(372)의 내주면 사이에서 서로 대향하는 한 쌍의 도전성 통체(380, 381)가 설치되어 있다. 제1의 도전성 통체(380)는, 일단이 도전체봉(370)측으로 구부러져, 도전체봉(370)의 외주면에 접합되어 있다. 제2의 도전성 통체(381)는, 일단이 도전체 파이프(372)측으로 구부러져, 도전체 파이프(372)에 접합되어 있다. 한 쌍의 도전성 통체(380, 381)는, 유전체 파이프(366)에 매설되어 있다. 이에 의해, 콘덴서(330)의 용량의 일부를 한 쌍의 도전성 통체(380, 381)가 담당한다. 따라서, 도전체봉(370)과 도전체 파이프(372)의 대향 부분의 길이를 단축할 수 있어, 혼합기(340)의 축방향의 길이를 단축할 수 있다.
－실시형태 1의 변형예 3－
실시형태 1의 변형예 3에 대해서 설명한다. 변형예 3에서는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 도전체봉(370) 및 유전체 파이프(366)가, 외측 도체(390a)와 함께 연신부(390)를 구성하고 있다. 따라서, 하우징(360)과 연신부(390) 경계의 임피던스의 변화가 작아진다.
《실시형태 2》
실시형태 2에 대해서 설명한다. 실시형태 2에서는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 애자 끼움 부재(464)를 설치하는 대신에, 스파크 플러그(20)의 애자(22)의 기단측에, 통형상 돌출부(26)가 설치되어 있다.
통형상 돌출부(26)는, 스파크 플러그(20)의 애자(22)와 일체 성형되어 있다. 이 때문에, 통형상 돌출부(26)의 스파크 플러그(20)측에서는, 통형상 돌출부(26)의 내측의 도체와 통형상 돌출부(26)의 외측의 도체 사이에서 방전이 발생하는 것이 저지된다. 통형상 돌출부(26)의 내측에는, 혼합 출력 단자(30)의 유전층(34)이 끼워넣어져 있다. 통형상 돌출부(26)의 내주면과 혼합 출력 단자(30)의 유전층(34)의 외주면은, 전체 주위에 걸쳐 맞닿고 있다. 유전층(34)은, 중심 도체(31)와 외측 도체(33) 사이에 설치되어 있다.
외측 고정 부재(35)는, 두께가 얇은 원통형의 도체이다. 외측 고정 부재(35)는, 일단측이 접지 도체(23)에 접촉하고 있다. 외측 고정 부재(35)는, 접지 도체(23)와 함께 플러그측 외측 도체(18)를 구성하고 있다.
외측 접속기(36)는, 외측 고정 부재(35)와 혼합 출력 단자(30)의 외측 도체(33)를 전기적으로 접속하는 외측 접속 부재(41)와, 상기 외측 접속 부재(41)의 내면에 부착된 유전체 부재(42)를 구비하고 있다.
외측 접속 부재(41)는, 대략 원통형의 도체에 의해 구성되어 있다. 외측 접속 부재(41)는, 통형상 돌출부(26)를 둘러싸도록 설치되어 있다. 외측 접속 부재(41)는, 플러그측 단부(45) 및 혼합기측 단부(46)가 내측으로 구부러지고, 플러그측 단부(45)와 혼합기측 단부(46) 사이의 본체부(47)의 내주면이 전체 주위에 걸쳐 통형상 돌출부(26)의 외주면으로부터 이격하고 있다.
유전체 부재(42)는, 대략 원통형의 절연체에 의해 구성되어 있다. 유전체 부재(42)는, 외측 접속 부재(41)의 본체부(47)의 축방향에 걸쳐, 상기 본체부(47)의 내주면에 고정되어 있다. 유전체 부재(42)는, 일단이 플러그측 단부(45)의 내면에 맞닿고, 타단이 혼합기측 단부(46)의 내면에 맞닿고 있다.
그런데 외측 접속 부재(41)와 플러그측 외측 도체(18)의 접속 개소는, 마이크로파로부터 본 임피던스가 크게 변화한다. 이 때문에, 플러그측 외측 도체(18)의 혼합기(300)측의 끝은, 마이크로파의 입사파와 반사파와의 합성파의 파복이 된다. 플러그측 외측 도체(18)의 혼합기(300)측의 끝은, 고전위가 된다. 한편, 외측 접속 부재(41)에서는, 본체부(47)에 저전위 영역이 생긴다. 유전체 부재(42)가 없으면, 본체부(47)의 저전위 영역과 플러그측 외측 도체(18)의 기단측 사이에 방전이 발생할 우려가 있다. 여기서 실시형태 2에서는, 외측 접속 부재(41)의 본체부(47)의 내측에 유전체 부재(42)가 설치되어 있다. 따라서, 본체부(47)와 플러그측 외측 도체(18) 사이에서 방전이 발생하는 것을 저지할 수 있다.
또, 통형상 돌출부(26)의 내주면과 혼합 출력 단자(30)의 유전층(34)의 외주면이 전체 둘레에 걸쳐 맞닿는다. 통형상 돌출부(26)의 혼합기(300)측에서는, 유전층(34)의 끼워맞춤 길이를 확보함으로써, 통형상 돌출부(26)의 내측의 도체와 통형상 돌출부(26)의 외측의 도체 사이가 전기적으로 절연된다.
또, 중심 도체(21)의 축방향에 있어서의 플러그측 외측 도체(18)의 길이(L)가, 스파크 플러그(20)를 흐르는 마이크로파의 파장(λ)(스파크 플러그(20)의 애자(22)의 내부에 있어서의 마이크로파의 파장)에 대해, 하기 식 1을 만족시키도록 설정되어 있다. 하기 식 1에서 N은 자연수를 나타낸다.
　식 1：L=(λ／2)×N
식 1과 같이 플러그측 외측 도체(18)의 길이(L)를 설정하면, 플러그측 외측 도체(18)의 내측에서는, 마이크로파의 입사파와 반사파와의 합성파가 정재파가 된다. 플러그측 외측 도체(18)의 양단은, 항상 정재파의 파복이 된다. 따라서, 마이크로파의 발진중은, 중심 도체(21)의 선단의 전위차가 높은 상태로 유지되므로, 마이크로파의 에너지를 효율적으로 플라즈마에 공급하는 것이 가능하다.
－실시형태 2의 변형예 1－
실시형태 2의 변형예 1에 대해서 설명한다. 변형예 1에서는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 외측 고정 부재(35)의 일단측의 내주면에는, 나사홈(35a)이 형성되어 있다. 외측 고정 부재(35)는, 그 나사홈(35a)를 접지 도체(23)의 기단측 외주면에 형성된 나사홈(23a)에 나합됨으로써, 스파크 플러그(20)에 부착된다. 이 변형예 1에 의하면, 상기 식 1의 관계를 만족시키도록, 중심 도체(21)의 축방향에 있어서의 플러그측 외측 도체(18)의 길이(L)를 용이하게 조절할 수 있다.
－실시형태 2의 변형예 2－
실시형태 2의 변형예 2에 대해서 설명한다. 변형예 2에서는, 도 11에 나타낸 바와 같이, 혼합 출력 단자(30)의 유전층(34)이, 선단측의 소경부(34a)와, 상기 소경부(34a)에 연속하는 대경부(34b)를 구비하고 있다. 소경부(34a)는, 통형상 돌출부(26)의 내측에 끼워넣어져 있다. 이 변형예 2에서는, 통형상 돌출부(26)의 혼합기(300)측에서, 통형상 돌출부(26)의 내측의 도체와 통형상 돌출부(26)의 외측의 도체 사이에서 방전이 발생하는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
－실시형태 2의 변형예 3－
실시형태 2의 변형예 3에 대해서 설명한다. 변형예 3에서는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 통형상 돌출부(26)의 혼합기(300)측의 단부에, 테이퍼부(44)가 형성되어 있다. 테이퍼부(44)는, 통형상 돌출부(26)의 기단에 가까워짐에 따라 외경이 확대된다. 따라서, 정합기(400)에 있어서의 임피던스의 변화를 완화할 수 있다.
《그 외의 실시형태》
상기 실시형태는, 이하와 같이 구성해도 된다.
상기 실시형태에 있어서, 도전체봉(370)이 통형상의 봉체이어도 된다. 이 경우, 도전체봉(370)의 내측에, 연신부(390)의 내측 도체(390a)를 끼워넣을 수 있다. 따라서, 도전체봉(370)의 끝에 연신부(390)를 용이하게 접속할 수 있다.
또, 상기 실시형태에 있어서, 혼합 출력 단자(340)는, 마이크로파의 임피던스가 스파크 플러그(500)와 같아지도록 구성해도 된다. 도 5와 같이, 스파크 플러그(500)에 있어서 애자(514)의 두께가 단계적으로 변화하는 경우에는, 혼합 출력 단자(340)는, 마이크로파의 임피던스가 스파크 플러그(500)의 입력측(노출 부분(514a))과 같아지도록 구성한다.
또, 상기 실시형태에 있어서, 하우징(360)의 테이퍼부(361)에 연신부(390)를 접속하지 않고, 하우징(360)의 테이퍼부(361)의 끝에 혼합 출력 단자(340)를 설치해도 된다.
또, 상기 실시형태에 있어서, 혼합기(300)와 정합기(400)를 각각 몰드 수지등으로 일체화해도 된다. 또, 플라즈마 생성기(100) 전체를 몰드 수지 등으로 일체화해도 된다. 또, 스파크 플러그(500)는 플라즈마에 노출되어 손모가 심하기 때문에, 플라즈마 생성기(100)에 있어서, 스파크 플러그(500) 이외의 부품을 일체화하고, 그 일체화된 것에 대해, 스파크 플러그(500)를 착탈 가능하게 해도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 펄스 전압 생성기(200)로서 일반적인 점화 코일을 예시했는데, 본 발명은 이러한 것에 한정되지는 않는다. 펄스 전압을 인가하는 것이면, 각종 방식의 것을 펄스 전압 생성기(200)로서 사용 가능하다.
또, 상기 실시형태에서는, 방전기로서 스파크 플러그(500)를 예시했는데, 본 발명은 이러한 것에 한정되지는 않는다. 방전 갭을 갖는 다른 방전기를 스파크 플러그(500)를 대신하여 사용할 수 있다. 단, 정합기(400)의 부재는, 사용하는 방전기에 따른 형상으로 할 필요가 있다.
또, 상기 실시형태에서는, 전자파로서 마이크로파를 예시했는데, 본 발명은, 이러한 주파수 대역의 전자파에 한정되는 것은 아니다. 전자파의 주파수 대역은, 적절하게 선택하면 된다. 단, 각 부재의 치수는, 선택한 전자파의 주파수에 따라 설정할 필요가 있다.
상기 실시형태에 있어서, 스파크 플러그(500)가, 도 13에 나타낸 바와 같이, 복수(예를 들면 3개)의 대향 전극(27)을 갖는 것이어도 된다. 각 대향 전극(27)의 선단은, 중심 도체(510)의 외주면의 선단측에 간격을 두고 대면하고 있다. 이 경우에는, 1개의 대향 전극(27a)과 중심 도체(510)의 거리를, 다른 2개의 대향 전극(27b, 27c)과 중심 도체(510)의 거리보다도 짧게 해도 된다. 또, 중심 도체(510)와의 거리가 짧은 대향 전극(27a)의 선단을 뾰족하게 해도 된다. 이러한 구성으로 함으로써, 중심 도체(510)와의 거리가 짧은 대향 전극(27a)을 방전용에 이용하고, 다른 2개의 대향 전극(27b, 27c)을 방전 영역의 열을 내보내기 위해서 이용할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 펄스 전압과 전자파를 혼합하는 혼합기, 혼합기로부터 출력된 전자파의 임피던스 정합을 취하는 정합기, 혼합기를 구비한 점화 유닛, 및 점화 유닛을 구비한 플라즈마 생성기에 유용하다.
100: 플라즈마 생성기
200: 펄스 전압 생성기
300: 혼합기
310: 제1 입력 단자
315: 제2 입력 단자
320: 역류 방지 코일(역류 저지 수단)
330: 콘덴서
340: 혼합 출력 단자
360: 하우징(제3 도전 부재)
362: 제1의 유전체 링
364: 제2의 유전체 링
366: 유전체 파이프(절연통체)
370: 도전체봉(제1 도전 부재)
372: 도전체 파이프(제2 도전 부재)
400: 정합기
462: 내측 접속 부재
464: 애자 끼움 부재
466: 외측 고정 부재
468: 외측 접속 부재
470: 유전체 부재(통형상 절연부재)
500: 스파크 플러그

Claims (18)

  1. 펄스 전압의 에너지와 전자파 에너지를 동일한 전송 선로에 혼합하는 혼합기로서,
    동축 구조를 이루는 내측 도체 및 외측 도체를 갖고, 전자파가 입력되는 제1 입력 단자와,　
    펄스 전압이 입력되는 제2 입력 단자와,
    동축 구조를 이루는 내측 도체 및 외측 도체를 갖고, 펄스 전압과 전자파가 출력되는 혼합 출력 단자와,
    일단이 상기 제2 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 타단이 상기 혼합 출력 단자의 내측 도체에 전기적으로 접속되는 봉형상의 제1 도전 부재와,
    간격을 두고 상기 제1 도전 부재를 둘러싸고, 상기 제1 도전 부재와 동축에 배치되고, 상기 제1 입력 단자의 내측 도체에 전기적으로 접속되는 통형상의 제2 도전 부재와,
    상기 제2 도전 부재와 간격을 두고 상기 제1 도전 부재 및 상기 제2 도전 부재를 수용하고, 상기 제1 도전 부재 및 상기 제2 도전 부재와 동축에 배치되고, 상기 제1 입력 단자의 외측 도체와 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체에 각각 전기적으로 접속되는 통형상의 제3 도전 부재를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 도전 부재는, 상기 혼합 출력 단자측이 상기 제2 도전 부재의 개구로부터 돌출하고 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 도전 부재는, 상기 제2 입력 단자측의 끝이 상기 제2 도전 부재의 내측에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 입력 단자와 상기 제1 도전 부재를 전기적으로 접속함과 더불어, 상기 제1 입력 단자로부터 입력된 전자파가 상기 제2 입력 단자에 흐르는 것을 저지하는 역류 저지 수단을 구비하고,
    상기 역류 저지 수단은, 상기 제2 도전 부재의 내측에 삽입되고, 상기 제2 도전 부재의 내측에서 상기 제1 도전 부재의 제2 입력 단자측에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 역류 저지 수단은, 코일 형상의 도전성 스프링에 의해 구성되고, 상기 제2 입력 단자와 상기 제1 도전 부재 사이에 압축된 상태로 유지되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 입력 단자의 내측 도체와 상기 제2 도전 부재는, 상기 제2 도전 부재의 제2 입력 단자측의 단부에서 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 도전 부재와 상기 제2 도전 부재 사이에 배치되고, 상기 제1 도전 부재와 상기 제2 도전 부재를 전기적으로 절연하는 절연통체를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  8. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 도전 부재의 외주면과 상기 제2 도전 부재의 내주면 사이에서 서로 대향하는 한 쌍의 도전성 통체를 구비하고,
    상기 한 쌍의 도전성 통체의 한쪽이 상기 제1 도전 부재에 전기적으로 접속되고, 다른쪽이 상기 제2 도전 부재에 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  9. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 출력 단자의 내측 도체에 전기적으로 접속되는 중심 도체와, 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체에 전기적으로 접속되고, 상기 중심 도체와 함께 방전 갭을 형성하는 접지 도체를 갖고, 상기 중심 도체와 접지 도체가 동축 구조를 이루는 방전기에, 상기 혼합 출력 단자로부터 출력된 펄스 전압 및 전자파가 공급되는 한편,
    상기 혼합 출력 단자는, 전자파의 임피던스가 상기 방전기와 같아지도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합기.
  10. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 혼합기로부터, 혼합기의 혼합 출력 단자에 전기적으로 접속된 방전기로 향하는 전자파의 임피던스 정합을 취하는 정합기로서,
    상기 방전기는, 상기 혼합 출력 단자의 내측 도체에 전기적으로 접속되는 중심 도체와, 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체에 전기적으로 접속되고, 상기 중심 도체와 함께 방전 갭을 형성하는 접지 도체를 구비하고, 상기 중심 도체와 접지 도체가 동축 구조를 이루고, 상기 중심 도체가 상기 혼합 출력 단자의 축방향으로 연장되고, 또한, 상기 접지 도체가 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체로부터 이격한 상태로 배치되는 한편,
    상기 혼합 출력 단자의 외측 도체와 상기 방전기의 접지 도체를 전기적으로 접속하고, 그 축방향으로 가동하도록 설치된 통형상의 외측 접속 부재를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 정합기.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 혼합 출력 단자의 내측 도체 또는 상기 방전기의 중심 도체와 상기 외측 접속 부재 사이에서 방전이 발생하는 것을 저지하기 위한 통형상 절연부재를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 정합기.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 통형상 절연부재는, 상기 외측 접속 부재의 내면에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 정합기.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 혼합 출력 단자의 내측 도체와 상기 방전기의 중심 도체를 전기적으로 접속하고, 상기 내측 도체와 상기 중심 도체를 유지하는 내측 접속 부재를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 정합기.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 외측 접속 부재는, 양단부가 각각 내측으로 구부러져, 일단부가 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체에 맞닿고, 타단부가 상기 방전기의 접지 도체 또는 상기 접지 도체에 전기적으로 접속된 도체에 맞닿는 것을 특징으로 하는 정합기.
  15. 펄스 전압의 에너지와 전자파 에너지를 동일한 전송 선로에 혼합하는 혼합기로부터, 혼합기의 혼합 출력 단자에 전기적으로 접속된 방전기로 향하는 전자파의 임피던스 정합을 취하는 정합기로서,
    상기 방전기는, 상기 혼합 출력 단자의 내측 도체에 전기적으로 접속되는 중심 도체와, 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체에 전기적으로 접속되고, 상기 중심 도체와 함께 방전 갭을 형성하는 접지 도체를 구비하고, 상기 중심 도체와 접지 도체가 동축 구조를 이루고, 상기 중심 도체가 상기 혼합 출력 단자의 축방향으로 연장되고, 또한, 상기 접지 도체가 상기 혼합 출력 단자의 외측 도체로부터 이격한 상태로 배치되는 한편,
    상기 혼합 출력 단자의 외측 도체와 상기 방전기의 접지 도체를 전기적으로 접속하고, 그 축방향으로 가동하도록 설치된 통형상의 외측 접속 부재를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 정합기.
  16. 펄스 전압을 생성하는 펄스 전압 생성기와,
    상기 펄스 전압 생성기로부터 출력된 펄스 전압과, 전자파원으로부터 출력된 전자파를 혼합하는, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 혼합기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 점화 유닛.
  17. 펄스 전압을 생성하는 펄스 전압 생성기와,
    상기 펄스 전압 생성기로부터 출력된 펄스 전압과, 전자파원으로부터 출력된 전자파를 혼합하는, 청구항 4 또는 청구항 5에 기재된 혼합기를 구비하고,
    상기 제2 입력 단자와 상기 역류 저지 수단 사이에 저항이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 점화 유닛.
  18. 청구항 16에 기재된 점화 유닛과,
    상기 점화 유닛으로부터 출력된 펄스 전압과 전자파에 의해 플라즈마를 생성하는 방전기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성기.
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