WO2013011810A1 - プラズマ生成装置、内燃機関及び分析装置 - Google Patents

Abstract

　放電により生成されたプラズマを電磁波により拡大するプラズマ生成装置において、放射アンテナの位置調節を容易化する。 【解決手段】プラズマ生成装置３０は、電磁波発生装置３１と放射アンテナ１６と高電圧発生装置１４と放電電極１５とを備えている。放射アンテナ１６は、高電圧発生装置１４から出力された高電圧が印加される放電電極１５との間に放電ギャップを形成する。プラズマ生成装置３０では、高電圧発生装置１４から高電圧を出力することにより放電ギャップに放電プラズマを生じさせると共に、電磁波発生装置３１から電磁波を出力することにより放射アンテナ１６から電磁波を放射して放電プラズマを拡大させる。

Description

プラズマ生成装置、内燃機関及び分析装置

　本発明は、電磁波のエネルギーを利用するプラズマ生成装置、プラズマ生成装置を備えた内燃機関、及びプラズマ生成装置を備えた分析装置に関するものである。

　従来から、電磁波のエネルギーを利用するプラズマ生成装置が知られている。例えば特許文献１には、この種のプラズマ生成装置を構成する点火装置が開示されている。

　特許文献１に記載の点火装置は、内燃機関に設けられている。点火装置は、混合気の着火前や着火後に燃焼室にマイクロ波を放射して、プラズマ放電を起こす。点火装置は、高圧場においてプラズマが生成されるように、点火プラグの放電を用いて局所的なプラズマを作り、このプラズマをマイクロ波により成長させる。局所的なプラズマは、陽極端子の先端部とグランド端子部との間の放電ギャップに生成される。

特開２００７－１１３５７０号公報

　ところで、従来の内燃機関では、放電ギャップと放射アンテナとの位置関係を少し変えただけで、放電により生成されるプラズマ（以下、「放電プラズマ」という。）が電磁波により拡大しない場合がある。放電プラズマが電磁波により拡大するように、放電ギャップに対して放射アンテナの位置を調節することが難しい。

　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、放電により生成されたプラズマを電磁波により拡大するプラズマ生成装置において、放射アンテナの位置調節を容易化することにある。

　第１の発明は、電磁波を発生させる電磁波発生装置と、前記電磁波発生装置から出力された電磁波を対象空間へ放射するための放射アンテナと、高電圧を発生させる高電圧発生装置と、前記対象空間に設けられ、前記高電圧発生装置から出力された高電圧が印加される放電電極とを備え、前記放射アンテナは、前記放電電極との間に放電ギャップを形成し、前記高電圧発生装置から高電圧を出力することにより前記放電ギャップに放電プラズマを生じさせると共に、前記電磁波発生装置から電磁波を出力することにより前記放射アンテナから電磁波を放射して前記放電プラズマを拡大させるプラズマ生成装置である。

　第１の発明では、放射アンテナが、例えば点火プラグの接地電極の役割を果たす。放電プラズマは、電磁波が放射される放射アンテナと、高電圧が印加される放電電極との間で生成される。放射アンテナの近傍では、絶縁破壊が生じ、存在する分子から自由電子が放出される。放射アンテナの近傍では、電磁波による電界が集中し、電界により自由電子が加速される。加速された自由電子は、周囲の分子に衝突して電離させる。電離により生じた自由電子も、電界により加速され周囲の分子を電離させる。電離は雪崩式に生じる。その結果、放電プラズマが拡大する。第１の発明では、放射アンテナの近傍で、電磁波プラズマの契機となる自由電子が放出されるようにしている。

　第２の発明は、第１の発明において、前記放射アンテナが接地されている。

　第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記放射アンテナが、前記放電電極を囲うＣ字状又は環状に形成されている。

　第４の発明は、第１の発明において、前記対象空間において、前記高電圧発生装置から前記放電電極に高電圧が印加されても前記放電電極との間に放電が生じない位置に設けられた接地又は浮遊状態の二次電極を備え、前記放射アンテナは、前記放電電極との間の放電ギャップを第１の放電ギャップとした場に、前記二次電極との間に第２の放電ギャップを形成する。

　第５の発明は、電磁波を発生させる電磁波発生装置と、前記電磁波発生装置から出力された電磁波を対象空間へ放射するための放射アンテナと、高電圧を発生させる高電圧発生装置と、前記対象空間に設けられ、前記高電圧発生装置から出力された高電圧が印加される放電電極と、前記放電電極との間に第１の放電ギャップを形成する第１電極と、前記第１電極との間に第２の放電ギャップを形成する第２電極とを備え、前記高電圧発生装置から高電圧を出力することにより前記第１の放電ギャップ及び第２の放電ギャップに放電プラズマを生じさせると共に、前記電磁波発生装置から電磁波を出力することにより前記アンテナから電磁波を放射して前記第１の放電ギャップ及び第２の放電ギャップの各々の放電プラズマを拡大させるプラズマ生成装置である。

　第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明のプラズマ生成装置と、燃焼室が形成された内燃機関本体とを備え、前記アンテナ及び前記放電電極は、前記放電ギャップが前記燃焼室に位置するように前記内燃機関本体に設けられている内燃機関である。

　第７の発明は、第１又は第２の発明のプラズマ生成装置であって、分析対象物質をプラズマ状態にするプラズマ生成装置と、前記プラズマ生成装置によって前記分析対象物質のプラズマが生成されている領域から発せられる分析光を分析して、前記分析対象物質を分析する光分析装置とを備えている分析装置である。

　第８の発明は、第７の発明において、前記放射アンテナ及び前記放電電極が設けられて、前記対象空間を区画するケーシングを備え、前記放射アンテナは、棒状に形成され、前記ケーシングのうち前記放電電極が設けられた面に対向する面から、前記放電電極へ向かって突出している。

　第９の発明は、第７の発明において、前記プラズマ生成装置は、前記放射アンテナからの電磁波の放射を継続することにより、電磁波により拡大させたプラズマを維持し、前記光分析装置は、前記プラズマ生成装置がプラズマを維持するプラズマ維持期間の前記分析光の発光強度の時間積分値を用いて、前記分析対象物質を分析する。

　第１０の発明は、第９の発明において、前記プラズマ生成装置は、前記プラズマ維持期間中に前記放射アンテナから電磁波を連続波で放射する。

　第１１の発明は、第１０の発明において、前記プラズマ維持期間に、前記プラズマ生成装置により維持されるプラズマが存在する領域に前記分析対象物質を移動させて、該分析対象物質をプラズマ状態にする。

　本発明では、放電電極と放射アンテナとの間で絶縁破壊が生じさせることで、放射アンテナの近傍に、電磁波プラズマの契機となる自由電子が放出されるようにしている。そのため、高電圧により絶縁破壊が生じるように放電電極に対して放射アンテナの位置を決めれば、放電プラズマが電磁波により拡大されるので、放射アンテナの位置調節を容易化することができる。

実施形態１に係る内燃機関の縦断面図である。 実施形態１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１に係るプラズマ生成装置のブロック図である。 実施形態２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２の変形例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３に係る分析装置の概略構成図である。 実施形態３のプラズマ生成装置により生成されたプラズマから発せられる光の発光強度の時系列変化を示すグラフである。 実施形態３のプラズマ生成装置により生成されたプラズマから発せられる光に対して、波長に応じた発光強度の時間積算値を示すスペクトル図である。 実施形態３の変形例１に係る分析装置の概略構成図である。 実施形態３の変形例２に係る分析装置の概略構成図である。

　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、本発明に係るプラズマ生成装置３０を備えた内燃機関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とプラズマ生成装置３０とを備えている。内燃機関１０では、プラズマ生成装置３０が生成するプラズマにより燃焼室２０の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及びピストン２３と共に、円形断面の燃焼室２０を形成している。燃焼室２０の直径は、例えば、後述する放射アンテナ１６から放射され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では、各シリンダ２４に対して、放電装置１２の一部を構成する放電電極１５が１つずつ設けられている。各放電電極１５は、シリンダヘッド２２に埋設された円筒状の絶縁碍子１７の先端に設けられている。図２に示すように、各放電電極１５は、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。

　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。なお、内燃機関本体１１は、燃焼室２０において強いタンブル流が形成されるように吸気ポート２５が設計されている。
　－プラズマ生成装置－

　プラズマ生成装置３０は、図３に示すように、放電装置１２と電磁波放射装置１３とを備えている。

　放電装置１２は、燃焼室２０毎に設けられている。各放電装置１２は、高電圧パルスを発生させる点火コイル１４（高電圧発生装置）と、その点火コイル１４から出力された高電圧パルスが印加される放電電極１５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、電子制御装置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放電電極１５に出力する。

　放電電極１５は、シリンダヘッド２２を貫通する絶縁碍子１７の端面に設けられている。絶縁碍子１７の内部には、点火コイル１４と放電電極１５とを電気的に接続する電気線（図示省略）が埋設されている。前記電気線及び放電電極１５は、共に絶縁碍子１７によってシリンダヘッド２２から絶縁されている。放電電極１５は、後述する放射アンテナ１６との間に放電ギャップを形成している。高電圧パルスが放電電極１５に供給されると、放電ギャップでスパーク放電が生じる。

　電磁波放射装置１３は、電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２と放射アンテナ１６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毎に放射アンテナ１６が設けられている。

　電磁波発生装置３１は、電子制御装置３５から電磁波駆動信号を受けると、所定のデューティー比でマイクロ波パルスを繰り返し出力する。電磁波駆動信号はパルス信号であり、電磁波発生装置３１は、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。電磁波発生装置３１では、半導体発振器がマイクロ波パルスを生成する。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、放射アンテナ１６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に接続されている。各出力端子は、対応する放射アンテナ１６に接続されている。電磁波切替器３２は、電子制御装置３５により制御されて、複数の放射アンテナ１６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。

　放射アンテナ１６は、円環状に形成され、燃焼室２０の天井面５１において放電電極１５を囲うように設けられている。放電電極１５及び放射アンテナ１６は、同心に配置されている。放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１に形成されたリング状の絶縁層１９上に設けられている。放射アンテナ１６には、シリンダヘッド２２に埋設された同軸線路３３を介して、電磁波切替器３２の出力端子が電気的に接続されている。なお、放射アンテナ１６は、Ｃ字状に形成されていてもよい。

　本実施形態１では、放電電極１５と放射アンテナ１６との距離が、点火コイル１４が出力する高電圧パルスに対して絶縁破壊が生じるように設定されている。放電電極１５と放射アンテナ１６との距離は、例えば２～３ｍｍである。放射アンテナ１６は、点火プラグの接地電極の役割を果たす。なお、本実施形態１では、放射アンテナ１６を接地しているが、必ずしも接地しなくてもよい。プラズマ生成装置３０は、点火コイル１４から高電圧パルスを出力することにより放電ギャップに放電プラズマを生じさせると共に、電磁波発生装置３１からマイクロ波を出力することにより放射アンテナ１６からマイクロ波を放射して放電プラズマを拡大させ、比較的大きなマイクロ波プラズマを生成する。
　－プラズマ生成動作－

　プラズマ生成装置３０のプラズマ生成動作について説明する。

　内燃機関１０では、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、プラズマ生成装置３０が生成するプラズマにより混合気に点火する点火動作を行う。点火動作では、電子制御装置３５が点火信号及び電磁波駆動信号を同時期に出力する。そうすると、点火信号を受けた点火コイル１４から高圧パルスが出力され、放電電極１５に高電圧パルスが印加される。その結果、放電電極１５と放射アンテナ１６との間の放電ギャップにおいてスパーク放電が生じする。

　また、電磁波放射装置１３では、電磁波駆動信号を受けた電磁波発生装置３１が、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。放射アンテナ１６からは、マイクロ波パルスが繰り返し出力される。その結果、スパーク放電により生成された放電プラズマがマイクロ波のエネルギーを吸収して拡大し、その拡大したマイクロ波プラズマにより混合気が着火する。火炎は、混合気が着火した着火位置からシリンダ２４の壁面へ向かって外側へ広がる。

　本実施形態１では、混合気が着火した直後にも、電子制御装置３５が電磁波駆動信号を出力する。そうすると、電磁波発生装置３１が、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。放射アンテナ１６からは、マイクロ波パルスが繰り返し出力される。

　マイクロ波パルスは、火炎面が放射アンテナ１６の位置を通過する前に放射される。放射アンテナ１６の近傍には、マイクロ波により、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。火炎面の移動速度は、その火炎面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。マイクロ波のエネルギーが大きい場合には、火炎面が通過する前に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）が生成されるので、強電界領域を通過する火炎面の移動速度は、活性種により増大する。
　　－実施形態１の効果－

　本実施形態１では、放電電極１５と放射アンテナ１６との間で絶縁破壊が生じさせることで、放射アンテナ１６の近傍に、マイクロ波プラズマの契機となる自由電子が放出されるようにしている。そのため、高電圧により絶縁破壊が生じるように放電電極１５に対して放射アンテナ１６の位置を決めれば、放電プラズマがマイクロ波により拡大されるので、放射アンテナ１６の位置調節を容易化することができる。

　また、本実施形態１では、放電電極１５を囲うように放射アンテナ１６が設けられているので、絶縁破壊が放電電極１５の周囲で起きる。マイクロ波のエネルギーは、放電電極１５の周囲の放電プラズマで吸収される。そのため、大きなマイクロ波プラズマを生成することができる。そして、大きなマイクロ波プラズマを生成できることで、通常の点火プラグの中心電極と接地電極との間の放電プラズマをマイクロ波により拡大する場合に比べて、プラズマ領域の温度が全体的に低くなる。従って、ＯＨラジカル等の活性種が消滅しにくく、火炎の伝播速度を効果的に向上させることができる。
《実施形態２》

　本実施形態２は、図４に示すように、吸気バルブ２７と排気バルブ２８とが１つずつ設けられた２バルブの内燃機関１０である。燃焼室２０の天井面５１では、放電電極１５が中心からずれた位置に設けられている。また、燃焼室２０の天井面５１には、棒状の受信アンテナ５２が設けられている。受信アンテナ５２は、点火コイル１４から放電電極１５に高電圧が印加されても放電電極１５との間に放電が生じない位置に設けられた二次電極を構成している。

　受信アンテナ５２は、吸気側開口２５ａと排気側開口２６ａとの間の領域に設けられている。受信アンテナ５２は、吸気側開口２５ａの中心と排気側開口２６ａの中心とを結ぶ線に直交する方向に延びている。受信アンテナ５２は、放電電極１５の近傍からシリンダ２４の壁面の近傍まで延びている。受信アンテナ５２は、燃焼室２０の天井面５１に形成された略矩形の絶縁層１９上に設けられている。受信アンテナ５２は、絶縁層１９によりシリンダヘッド２２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。なお、受信アンテナ５２を接地してもよい。

　本実施形態２では、実施形態１と同様に、放電装置１２と電磁波放射装置１３とを同時期に動作させて混合気を点火する。内燃機関１０では、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、電子制御装置３５が点火信号及び電磁波駆動信号を出力する。そうすると、放電電極１５に高電圧パルスが印加され、放電電極１５と受信アンテナ５２との間の第１の放電ギャップでスパーク放電が生じる。さらに、放電電極１５と受信アンテナ５２とが放電プラズマにより導通することで、受信アンテナ５２に電流が流れ、受信アンテナ５２とシリンダ２４の壁面との間の第２の放電ギャップでもスパーク放電が生じる。つまり、受信アンテナ５２の両端の近傍で、ほぼ同時にスパーク放電が生じる。なお、シリンダブロック２１は接地されている。

　他方、電磁波発生装置３１が、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し、マイクロ波パルスが放射アンテナ１６から繰り返し出力される。受信アンテナ５２の両端の近傍では、スパーク放電により生成された放電プラズマがマイクロ波のエネルギーを吸収して拡大し、拡大後のマイクロ波プラズマにより混合気が着火する。燃焼室２０では、受信アンテナ５２の両端の近傍の着火位置からそれぞれ火炎が広がり、混合気が燃焼する。
　なお、棒状の二次電極５２を放射アンテナとして使用してもよい。
　　－実施形態２の変形例－

　実施形態２の変形例において、図５に示すように、受信アンテナ５２を複数設けてもよい。変形例では、受信アンテナ５２が２つ設けられている。

　２つの受信アンテナ５２ａ，５２ｂは、吸気側開口２５ａと排気側開口２６ａとの間の領域に設けられている。２つの受信アンテナ５２ａ，５２ｂは、絶縁層１９によりシリンダヘッド２２から電気的に絶縁されている。第１の受信アンテナ５２ａは、放電電極１５との間に第１の放電ギャップを形成する第１電極を構成している。第２の受信アンテナ５２ｂは、第１の受信アンテナ５２ａとの間に第２の放電ギャップを第２電極を構成している。第２の受信アンテナ５２ｂは、シリンダ２４の壁面との間に第３の放電ギャップを形成している。

　変形例では、放電電極１５に高電圧パルスが印加されると、第１の放電ギャップでスパーク放電が生じる。さらに、放電電極１５と第１の受信アンテナ５２ａとが放電プラズマにより導通することで、第１の受信アンテナ５２ａに電流が流れ、第２の放電ギャップでもスパーク放電が生じる。さらに、第１の受信アンテナ５２ａと第２の受信アンテナ５２ｂが放電プラズマにより導通することで、第２の受信アンテナ５２ｂに電流が流れ、第３の放電ギャップでもスパーク放電が生じる。スパーク放電が３箇所で生じる。

　他方、放射アンテナ１６からは、マイクロ波パルスが繰り返し出力される。各放電ギャップでは、スパーク放電により生成された放電プラズマがマイクロ波のエネルギーを吸収して拡大し、拡大後のマイクロ波プラズマにより混合気が着火する。
《実施形態３》

　本実施形態３は、本発明に係るプラズマ生成装置３０を備えた分析装置１１０である。分析装置１１０は、金属等を分析対象物質９０として、分析対象物質の成分分析を行う装置である。分析装置１１０は、例えば不純物の検出に用いられる。分析装置１１０は、図６に示すように、ケーシング１１１、プラズマ生成装置３０、光分析装置１４０、移動装置１５０及び制御装置１３５を備えている。制御装置１３５は、プラズマ生成装置３０、光分析装置１４０、及び移動装置１５０を制御する。

　ケーシング１１１は、略筒状の容器である。ケーシング１１１では、その頂面に放電用プラグ１００が、その下面に放射アンテナ１１６が、その側面に光学プローブ１４１がそれぞれ取り付けられている。ケーシング１１１は、放射アンテナ１１６から放射されたマイクロ波が外部へ漏洩しないようにメッシュの大きさが設定されたメッシュ状の部材である。また、ケーシング１１１には、その内部空間１２０へ分析対象物質９０を導入するための導入窓１０１が側面に形成されている。

　プラズマ生成装置３０は、ケーシング１１１の内部空間１２０においてプラズマを生成して、分析対象物質９０をプラズマ状態にする装置である。プラズマ生成装置３０は、前記実施形態１と同様に、放電装置１１２と電磁波放射装置１１３とを備えている。

　放電装置１１２は、高電圧発生装置１１４と放電用プラグ１００とを備えている。高電圧発生装置１１４は、高電圧パルスを発生させる装置である。高電圧発生装置１１４は、制御装置１３５から放電信号を受けると、放電用プラグ１００に高電圧パルスを出力する。一方、放電用プラグ１００は、自動車用の点火プラグから接地電極を取り外したものである。放電用プラグ１００の先端部には、内部を貫通する導体を介して入力端子に接続された放電電極１１５が設けられている。放電電極１１５は、後述する放射アンテナ１１６との間に放電ギャップを形成している。高電圧発生装置１１４から放電用プラグ１００の放電電極１１５へ高電圧パルスが供給されると、放電ギャップで絶縁破壊が生じてスパーク放電が生じる。

　電磁波放射装置１１３は、電磁波発生装置１３１と放射アンテナ１１６とを備えている。電磁波発生装置１３１は、制御装置１３５から電磁波駆動信号を受けると、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。電磁波駆動信号は、電圧値が一定のパルス信号である。電磁波発生装置１３１は、マイクロ波伝送線路を介してマイクロ波を連続波（ＣＷ）で放射アンテナ１１６へ出力する。一方、放射アンテナ１１６は、棒状のアンテナである。電磁波発生装置１３１から放射アンテナ１１６へマイクロ波が供給されると、放射アンテナ１１６からマイクロ波が放射される。

　実施形態３では、放射アンテナ１１６が、ケーシング１１１のうち放電電極１１５が設けられた頂面に対向する下面から、放電電極１１５へ向かって突出している。放射アンテナ１１６の先端は、僅かな距離を存して放電電極１１５に対向している。放射アンテナ１１６と放電電極１１５との距離は、高電圧発生装置１１４が出力する高電圧パルスに対して絶縁破壊が生じるように設定されている。

　なお、電磁波発生装置１３１は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を出力する。電磁波発生装置１３１では、半導体発振器がマイクロ波を生成する。なお、他の周波数帯域のマイクロ波を発振する半導体発振器を使用してもよい。

　光分析装置１４０は、プラズマ生成装置３０によって分析対象物質９０のプラズマが生成されているプラズマ領域Ｐから発せられる分析光を分析して、分析対象物質９０の成分分析を行う。光分析装置１４０は、光学プローブ１４１、分光器１４２、光検出器１４３、及び信号処理装置１４４を備えている。

　光学プローブ１４１は、ケーシング１１１の内部空間１２０のプラズマ領域Ｐから発せられる光を導出するための装置である。光学プローブ１４１は、筒状のケーシングの先端部に、比較的広い範囲の光を取り込み可能なレンズを取り付けたものである。光学プローブ１４１は、プラズマ領域Ｐの全体から発せられる光をレンズに導入できるように、ケーシング１１１の側面に取り付けられている。光学プローブ１４１は、光ファイバーを介して分光器１４２に接続されている。なお、光学プローブ１４１を省略し、プラズマ領域Ｐから発せられる光を光ファイバーに直接取り込んでもよい。また、光学プローブ１４１のレンズとして、プラズマ領域に焦点を合わせた集光レンズを使用してもよい。

　分光器１４２には、光学プローブ１４１に入射した光が取り込まれる。分光器１４２は、回折格子又はプリズムを用いて、入射した光を波長に応じて異なる向きに分散させる。

　なお、分光器１４２の入口には、プラズマ領域Ｐから発せられた光を分析する分析期間を区切るためのシャッターが設けられている。シャッターは、制御装置１３５により、分光器１４２に光が入射することを許容する開状態と、分光器１４２に光が入射することを禁止する閉状態との間で切り替えられる。なお、光検出器１４３の露光タイミングを制御できる場合には、光検出器１４３を制御して分析期間を区切るようにしてもよい。

　光検出器１４３は、分光器１４２により分散された光のうち所定の波長帯域の光を受光するように配置されている。光検出器１４３は、制御装置１３５から出力された指令信号に応答して、受光した波長帯域の光を波長毎に電気信号に光電変換して出力する。光検出器１４３には、例えば電荷結合素子（Charge Coupled Device）が用いられる。光検出器１４３から出力された電気信号は、信号処理装置１４４に入力される。

　信号処理装置１４４は、光検出器１４３から出力された電気信号に基づいて、波長毎に発光強度の時間積算値を算出する。信号処理装置１４４は、シャッターが開状態になっている分析期間に分光器１４２に入射した光を分析光として、波長毎の発光強度の時間積分値（発光スペクトル）を算出する。信号処理装置１４４は、波長毎の発光強度の時間積算値から、発光強度が強い波長成分を検出し、検出した波長成分に対応する物質を分析対象物質９０の成分として同定する。

　移動装置１５０は、分析対象物質９０を移動させる装置である。移動装置１５０は、例えばモータの動力により、分析対象物質９０を保持する棒状の保持部材１５２を移動させる。保持部材１５２は、導入窓１０１に挿通され、放電ギャップ側へ延びている。なお、移動装置１５０を省略して、手動で保持部材１５２を移動させてもよい。
　－分析装置の動作－

　分析装置１０が分析対象物質９０の成分分析を行う分析動作について説明する。分析動作では、プラズマ生成装置３０によるプラズマ生成維持動作と、光分析装置１４０による光分析動作とが連動して行われる。なお、プラズマ生成動作の開始前は、分析対象物質９０が、マイクロ波によりプラズマが維持されるプラズマ領域Ｐ外に位置している。なお、実施形態３では、分析対象物質９０が、粉状の物質であるが、金属片など粉状の物質以外のものであってもよい。

　まず、プラズマ生成維持動作について説明する。プラズマ生成維持動作は、プラズマ生成装置３０がプラズマを生成して維持する動作である。プラズマ生成装置３０は、制御装置１３５の指示に従って、放電装置１１２を駆動して放電プラズマを生成し、電磁波放射装置１１３を駆動して放電プラズマにマイクロ波を照射してプラズマ状態を維持するプラズマ生成維持動作を行う。

　具体的に、制御装置１３５は、高電圧発生装置１１４へ放電信号を出力する。高電圧発生装置１１４は、放電信号を受けると高電圧パルスを放電用プラグ１００へ出力する。放電用プラグ１００では、放電電極１１５に高電圧パルスが供給される。放電ギャップではスパーク放電が生成され、スパーク放電の経路では放電プラズマが生成される。なお、高電圧パルスは、ピーク電圧が例えば６ｋＶ～４０ｋＶ程度のインパルス状の電圧信号である。

　続いて、制御装置１３５は、スパーク放電の直後に、電磁波発生装置１３１へマイクロ波駆動信号を出力する。電磁波発生装置１３１は、マイクロ波駆動信号を受けるとマイクロ波を連続波（ＣＷ）で放射アンテナ１１６へ出力する。マイクロ波は、放射アンテナ１１６からケーシング１１１の内部空間１２０へ放射される。マイクロ波は、マイクロ波駆動信号のパルス幅の時間に亘って放射アンテナ１１６から放射される。なお、電磁波駆動信号の出力タイミングは、放電プラズマが消滅する前にマイクロ波の放射が開始されるように設定されている。

　ケーシング１１１の内部空間１２０では、放射アンテナ１１６の先端近傍に、強電界領域（内部空間１２０において電界強度が相対的に強い領域）が形成される。強電界領域には、スパーク放電の経路が含まれている。放電プラズマは、マイクロ波のエネルギーを吸収して拡大し、ボール状のマイクロ波プラズマになる。マイクロ波プラズマは、マイクロ波の放射期間に亘って維持される。マイクロ波の放射期間は、プラズマ維持期間となる。

　続いて、制御装置１３５は、プラズマ維持期間の前半に、移動指令を移動装置１５０へ出力する。移動装置１５０は、移動指令を受けると、プラズマ維持期間にマイクロ波プラズマが存在するプラズマ領域Ｐへ保持部材１５２を送り出す。保持部材１５２の先端の分析対象物質９０は、プラズマ領域Ｐに侵入し、プラズマ状態になる。

　その後、電磁波駆動信号の立ち下がりタイミングにおいて、電磁波発生装置１３１がマイクロ波の出力を停止すると、マイクロ波プラズマが消滅する。マイクロ波の放射期間は、例えば、数十マイクロ秒から数十秒である。マイクロ波の出力値は、電磁波発生装置１３１が比較的長い時間に亘ってマイクロ波を出力する場合であってもマイクロ波プラズマが熱プラズマにならないように所定値（例えば、８０ワット）に設定されている。また、マイクロ波の出力値は、粉状の分析対象物質９０が飛散しないように１００ワット以下に設定されている。

　ここで、放電プラズマの生成からマイクロ波プラズマの消滅までの期間において、プラズマ領域Ｐから発せられるプラズマ光の発光強度の時系列変化を見ると、図７に示すように、まず放電プラズマの発光強度のピークが瞬間的に見られ、発光強度がゼロ近くの極小値まで低下する。そして、発光強度が極小値となった後、マイクロ波プラズマの発光強度が増加する発光強度増加期間が見られ、その発光強度増加期間に引き続き、マイクロ波発光強度がほぼ一定値になる発光強度一定期間（プラズマ光の発光強度の変動量（増加量）が所定値以下の期間）が見られる。

　なお、本実施形態３のプラズマ生成装置３０では、図７に実線で示すように、放電プラズマ時の発光強度の最大値より、プラズマ維持期間の発光強度の最大値の方が大きくなるように、マイクロ波の出力値が設定されている。これにより、分析対象物質９０の飛散を防止しつつ、プラズマ光から大きな発光強度が得られるので、分析対象物質９０の分析をより正確に行うことができる。ただし、十分な発光強度が得られるのであれば、図７に破線で示すように、放電プラズマ時の発光強度の最大値の方が、プラズマ維持期間の発光強度の最大値より大きくしてもよい。

　光分析動作は、プラズマ生成装置３０によって分析対象物質９０のプラズマが生成されているプラズマ領域Ｐから発せられる分析光を分析して、分析対象物質９０を分析する動作である。光分析装置１４０は、制御装置１３５の指示に従って光分析動作を行う。

　光分析装置１４０は、プラズマ生成装置３０がマイクロ波のエネルギーによりプラズマを維持するプラズマ維持期間に、プラズマ領域Ｐから発せられる分析光を分析して、分析対象物質９０の成分分析を行う。光分析装置１４０では、プラズマ維持期間のうち、発光強度一定期間内で分析期間が設定され、分析期間のプラズマ光の発光強度に基づいて分析対象物質９０が分析される。制御装置１３５は、発光強度安定期間の全体が分析期間に設定されるように、その分光器１４２のシャッターを制御すると共に、光検出器１４３が光電変換を行う期間を制御する。なお、発光強度安定期間の一部を分析期間に設定してもよい。

　光分析装置１４０では、図７に示す発光強度一定期間（分析期間）中だけ、プラズマ領域Ｐから発せられるプラズマ光が、光学プローブ１４１、光ファイバーを順番に通過して分光器１４２に入射する。分光器１４２では、入射したプラズマ光が波長に応じて異なる向きに分散される。そして、所定の波長帯域のプラズマ光が光検出器１４３に到達する。

　光検出器１４３では、受光した波長帯域のプラズマ光が波長毎に電気信号に光電変換される。信号処理装置１４４では、光検出器１４３の出力信号に基づいて、波長毎に発光強度一定期間（分析期間）における発光強度の時間積算値が算出される。信号処理装置１４４は、図８に示すような、波長に応じた発光強度の時間積算値を示すスペクトル図を作成する。信号処理装置１４４は、波長毎の発光強度の時間積算値から、発光強度のピークが現れる波長を検出し、検出した波長に対応する物質（原子又は分子）を分析対象物質９０の成分として同定する。

　信号処理装置１４４は、例えば３７９．４ｍｍに発光強度のピークが現れた場合は、分析対象物質９０の成分としてモリブデンを同定する。例えば４２２．７ｍｍに発光強度のピークが現れた場合は、分析対象物質９０の成分としてカルシウムを同定する。例えば３４５．２ｍｍに発光強度のピークが現れた場合は、分析対象物質９０の成分としてコバルトを同定する。例えば３５７．６ｍｍに発光強度のピークが現れた場合は、分析対象物質９０の成分としてクロムを同定する。

　なお、信号処理装置１４４は、図８に示すようなスペクトル図を分析装置１０のモニターに表示してもよい。分析装置１１０の使用者はこのスペクトル図を見ることにより、分析対象物質に含まれる成分を同定することができる。
　　－実施形態３の効果－

　本実施形態３では、プラズマ維持期間において、プラズマ領域Ｐにマイクロ波のエネルギーが安定的に与えられるので、マイクロ波に起因する衝撃波が生じることが抑制される。光分析装置１４０が分析を行う分析期間は、プラズマ維持期間に存在している。そのため、分析期間にプラズマ領域Ｐ内の粉状の分析対象物質９０が飛散することを抑制することができる。プラズマ領域Ｐ内の分析対象物質９０を物質の移動がほとんどない状態で分析することができる。

　また、本実施形態３では、粉状の物質をそのまま分析できる。ここで、従来は、粉状の物質を分析対象物質９０とする場合に、粉状の物質をバインダで固めたペレットの状態で分析が行われていた。しかし、本実施形態３では、粉状の物質をそのまま分析できるので、バインダに起因するノイズが発光強度に表れることなく、ノイズを除去するフィルタを省略することができる。

　また、本実施形態３では、プラズマ維持期間のマイクロ波プラズマの強度がそれほど強くない。従って、放射アンテナ１１６を構成する金属がほとんど励起されることなく、そのような金属に起因するノイズを抑制することができる。
　　－実施形態３の変形例１－

　実施形態３の変形例１において、図９に示すように、分析装置１１０は、ケーシング１１１、プラズマ生成装置３０、光分析装置１４０、移動装置１５０及び制御装置１３５に加えて、補助部材１３０を備えている。

　プラズマ生成装置３０は、物質をプラズマ化して初期のプラズマを生成し、該初期のプラズマにマイクロ波（電磁波）のエネルギーを供給してプラズマを維持する。プラズマ生成装置３０は、放電装置１１２と電磁波放射装置１１３とに加えて、混合回路１６０を備えている。混合回路１６０は、マイクロ波と高電圧パルスを混合可能な回路である。混合回路１６０には、高電圧発生装置１１４から高電圧パルスが供給され、電磁波発生装置１３１からマイクロ波が供給される。混合回路１６０は、高電圧パルスとマイクロ波とを放電用プラグ１００へ出力する。放電用プラグ１００の放電電極１１５には、高電圧パルスに加えてマイクロ波が供給される。放電電極１１５は、放射アンテナ１１６として機能する。なお、混合回路１６０を使用せずに、電磁波発生装置１３１から導波管を介してケーシング１１１の内部空間へマイクロ波を供給してもよい。

　補助部材１３０は、棒状の導電性部材である。補助部材１３０は、ケーシング１１１の下面から放電電極１１５へ向かって突出し、放電電極１１５の近傍まで延びている。補助部材１３０と放電電極１１５との距離は、高電圧発生装置１１４が出力する高電圧パルスに対して絶縁破壊が生じるように設定されている。補助部材１３０は、放電電極１１５との間に放電ギャップを形成する。補助部材１３０は、内部空間１２０の生成領域の近傍において、該生成領域を挟んで放電電極１１５（放射アンテナ１１６）の反対側に設けられている。

　以上の構成により、プラズマ生成装置３０では、高電圧発生装置１１４から高電圧パルスを出力することにより放電ギャップに放電プラズマ（初期のプラズマ）を生じさせると共に、電磁波発生装置１３１からマイクロ波を出力することにより放電電極１１５からマイクロ波を内部空間１２０へ放射してプラズマを維持する。

　なお、光分析装置１４０は、前記実施形態３と同様に、プラズマ生成装置３０によりプラズマ化された分析対象物質９０が存在するプラズマ領域Pから発せられる光を分析することにより分析対象物質９０を分析する。

　変形例１では、初期のプラズマが生成される生成領域の近傍に、導電性の補助部材１３０が配置され、プラズマ生成装置３０が供給するマイクロ波のエネルギーを補助部材１３０が集中させる。従って、補助部材１３０が存在しない場合に比べて、生成領域で生成された初期のプラズマが存在する領域の電界強度が強くなるので、効果的にプラズマを維持することができる。
　　－実施形態３の変形例２－

　実施形態３の変形例２において、図１０に示すように、分析装置１１０は、前記変形例１と同様に、ケーシング１１１、プラズマ生成装置３０、光分析装置１４０、移動装置１５０及び制御装置１３５に加えて、補助部材１３０を備えている。

　プラズマ生成装置３０は、放電装置１１２の代わりに、レーザー発振装置１７０を備えている。レーザー装置１７０は、レーザー光を集光させることにより初期のプラズマを生成する。レーザー発振装置１７０は、レーザー光源１７１、及びレーザー用プローブ１７２を備えている。

　レーザー光源１７１は、制御装置１３５からレーザー発振信号を受けると、初期のプラズマを生成するためのレーザー光を発振する。レーザー光源１７１は、光ファイバーを介してレーザー用プローブ１７２に接続されている。レーザー用プローブ１７２の先端には、光ファイバーを通過したレーザー光を集光させる集光光学系１７３が設けられている。レーザー用プローブ１７２は、その先端がケーシング１１１の内部空間１２０に望むようにケーシング１１１に取り付けられている。集光光学系１７３の焦点は、ケーシング１１１の中央部に位置している。レーザー光源１７１から発振されたレーザー光は、レーザー用プローブ１７２の集光光学系１７３を通過して、集光光学系１７３の焦点に集光される。

　レーザー発振装置１７０では、集光光学系１７３の焦点に集光されたレーザー光のエネルギー密度が内部空間１２０のガスのブレイクダウン閾値以上になるようにレーザー光源１７１の出力が設定されている。すなわち、レーザー光源１７１の出力は、焦点に存在する物質がプラズマ化するのに必要な値以上に設定されている。

　また、ケーシング１１１では、上面に放射アンテナ１１６が取り付けられ、下面に補助部材１３０が取り付けられている。補助部材１３０は、前記変形例２と同じものである。放射アンテナ１１６は、棒状に形成されて、ケーシング１１６の上面から突出している。放射アンテナ１１６の先端は、集光光学系１７３の焦点を挟んで補助部材１３０の先端に対向している。

　変形例２では、初期のプラズマが生成される生成領域の近傍に、導電性の補助部材１３０が配置され、プラズマ生成装置３０が供給するマイクロ波のエネルギーを補助部材１３０が集中させる。従って、補助部材１３０が存在しない場合に比べて、生成領域で生成された初期のプラズマが存在する領域の電界強度が強くなるので、効果的にプラズマを維持することができる。
　《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。

　実施形態において、マイクロ波放射期間において、マイクロ波の反射波をモニターして、マイクロ波の反射波が小さくなるように、電磁波発生装置３１から出力されるマイクロ波の波長を変化させてもよい。

　また、前記実施形態において、受信アンテナ５２をセラミックにより被覆する場合は、そのセラミックの汚れ状態によって共振周波数が変化するので、内燃機関１０の始動時などに、受信アンテナ５２の共振周波数を検出する動作を行ってもよい。マイクロ波の発振周波数は、検出された共振周波数を用いて、受信アンテナ５２で共振が生じるように調節される。

　また、前記実施形態において、放射アンテナ１６が誘電体により被覆されていてもよい。

　また、前記実施形態３において、放電プラズマの生成前に、プラズマ領域Ｐに分析対象物質９０を移動させてもよい。

　以上説明したように、本発明は、電磁波のエネルギーを利用するプラズマ生成装置、プラズマ生成装置を備えた内燃機関、及びプラズマ生成装置を備えた分析装置について有用である。

              １０       内燃機関
              １１       内燃機関本体
              １２       点火装置
              １３       電磁波放射装置
              １４       点火コイル（高電圧発生装置）
              １５       放電電極
              １６       放射アンテナ
              ２０       燃焼室
              ３０       プラズマ生成装置
              ３１       電磁波発生装置
 

Claims (11)

1. 　電磁波を発生させる電磁波発生装置と、
   　前記電磁波発生装置から出力された電磁波を対象空間へ放射するための放射アンテナと、
   　高電圧を発生させる高電圧発生装置と、
   　前記対象空間に設けられ、前記高電圧発生装置から出力された高電圧が印加される放電電極とを備え、
   　前記放射アンテナは、前記放電電極との間に放電ギャップを形成し、
   　前記高電圧発生装置から高電圧を出力することにより前記放電ギャップに放電プラズマを生じさせると共に、前記電磁波発生装置から電磁波を出力することにより前記放射アンテナから電磁波を放射して前記放電プラズマを拡大させる
   ことを特徴とするプラズマ生成装置。
2. 　請求項１において、
   　前記放射アンテナが接地されている
   ことを特徴とするプラズマ生成装置。
3. 　請求項１又は２において、
   　前記放射アンテナは、前記放電電極を囲うＣ字状又は環状に形成されている
   ことを特徴とするプラズマ生成装置。
4. 　請求項１において、
   　前記対象空間において、前記高電圧発生装置から前記放電電極に高電圧が印加されても前記放電電極との間に放電が生じない位置に設けられた接地又は浮遊状態の二次電極を備え、
   　前記放射アンテナは、前記放電電極との間の放電ギャップを第１の放電ギャップとした場に、前記二次電極との間に第２の放電ギャップを形成する
   ことを特徴とするプラズマ生成装置。
5. 　電磁波を発生させる電磁波発生装置と、
   　前記電磁波発生装置から出力された電磁波を対象空間へ放射するための放射アンテナと、
   　高電圧を発生させる高電圧発生装置と、
   　前記対象空間に設けられ、前記高電圧発生装置から出力された高電圧が印加される放電電極と、
   　前記放電電極との間に第１の放電ギャップを形成する第１電極と、
   　前記第１電極との間に第２の放電ギャップを形成する第２電極とを備え、
   　前記高電圧発生装置から高電圧を出力することにより前記第１の放電ギャップ及び第２の放電ギャップに放電プラズマを生じさせると共に、前記電磁波発生装置から電磁波を出力することにより前記アンテナから電磁波を放射して前記第１の放電ギャップ及び第２の放電ギャップの各々の放電プラズマを拡大させる
   ことを特徴とするプラズマ生成装置。
6. 　請求項１乃至５の何れか１つに記載のプラズマ生成装置と、
   　燃焼室が形成された内燃機関本体とを備え、
   　前記アンテナ及び前記放電電極は、前記放電ギャップが前記燃焼室に位置するように前記内燃機関本体に設けられている
   ことを特徴とする内燃機関。
7. 　請求項１又は２に記載のプラズマ生成装置であって、分析対象物質をプラズマ状態にするプラズマ生成装置と、
   　前記プラズマ生成装置によって前記分析対象物質のプラズマが生成されている領域から発せられる分析光を分析して、前記分析対象物質を分析する光分析装置とを備えている
   ことを特徴とする分析装置。
8. 　請求項７において、
   　前記放射アンテナ及び前記放電電極が設けられて、前記対象空間を区画するケーシングを備え、
   　前記放射アンテナは、棒状に形成され、前記ケーシングのうち前記放電電極が設けられた面に対向する面から、前記放電電極へ向かって突出している
   ことを特徴とする分析装置。
9. 　請求項７において、
   　前記プラズマ生成装置は、前記放射アンテナからの電磁波の放射を継続することにより、電磁波により拡大させたプラズマを維持し、
   　前記光分析装置は、前記プラズマ生成装置がプラズマを維持するプラズマ維持期間の前記分析光の発光強度の時間積分値を用いて、前記分析対象物質を分析する
   ことを特徴とする分析装置。
10. 　請求項９において、
    　前記プラズマ生成装置は、前記プラズマ維持期間中に前記放射アンテナから電磁波を連続波で放射する
    ことを特徴とする分析装置。
11. 　請求項１０において、
    　前記プラズマ維持期間に、前記プラズマ生成装置により維持されるプラズマが存在する領域に前記分析対象物質を移動させて、該分析対象物質をプラズマ状態にする
    ことを特徴とする分析装置。
     

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