(57)【要約】【課題】小型で車両の振動環境にも耐え得る等の信頼性が高い内燃機関用点火装置を得る。【解決手段】この発明の内燃機関用点火装置は、内燃機関本体の気筒の内部に先端部が臨んだ点火プラグ７と、この点火プラグ７に高電圧を印加する高電圧発生電源１１と、マイクロ波を発生させるための増幅素子を有するマイクロ波発振装置２１と、点火プラグ７に設けられマイクロ波発振装置２１から発生したマイクロ波を気筒６内に放射し、点火プラグ７の放電電極８，９の周囲にプラズマ発生領域２を形成するマイクロ波アンテナ１とを備え、マイクロ波発振装置２１は、ソリッドステート化されている。【選択図】図１
2010001827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関本体の気筒の内部に先端部が臨んだ点火プラグと、この点火プラグに高電圧を印加する高電圧発生電源と、マイクロ波を発生させるための増幅素子を有するマイクロ波発振装置と、前記点火プラグに設けられ前記マイクロ波発振装置から発生したマイクロ波を前記気筒内に放射し、点火プラグの放電電極の周囲にプラズマ発生領域を形成するマイクロ波アンテナとを備えた内燃機関用点火装置において、
前記マイクロ波発振装置は、ソリッドステート化されていることを特徴とする内燃機関用点火装置。
【請求項２】
前記高電圧発生電源と前記マイクロ波発振装置とが一体化された電源・発振本体を有していることを特徴とする請求項１に記載された内燃機関用点火装置。
【請求項３】
前記電源・発振本体は、前記点火プラグに直に接続されていることを特徴とする請求項２に記載された内燃機関用点火装置。
【請求項４】
前記電源・発振本体は、マイクロ波を遮蔽するマイクロ波遮蔽体で覆われていることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関用点火装置。
【請求項５】
前記マイクロ波遮蔽体は、前記内燃機関本体から露出した前記点火プラグの部位を覆っていることを特徴とする請求項４に記載された内燃機関用点火装置。
【請求項６】
前記増幅素子は、シリコンで構成されたトランジスタであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載された内燃機関用点火装置。
【請求項７】
前記増幅素子は、ガリウム砒素で構成されたトランジスタであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載された内燃機関用点火装置。
【請求項８】
前記増幅素子は、窒化ガリウムで構成されたトランジスタであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載された内燃機関用点火装置。
【請求項９】
前記増幅素子は、窒化アルミニウムガリウムで構成されたトランジスタであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載された内燃機関用点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、点火プラグの放電電極の周囲にプラズマ発生領域が形成される内燃機関用点火装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関本体の気筒の内部に先端部が臨んだ点火プラグと、この点火プラグに高電圧を印加する高電圧発生電源と、マイクロ波を発生させるマグネトロンと、前記点火プラグに設けられ前記マグネトロンから発生したマイクロ波を前記気筒内に放射し、点火プラグの放電電極の周囲にプラズマ発生領域を形成するマイクロ波アンテナとを備えた内燃機関用点火装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この点火装置では、空気が混合した混合気にマイクロ波を照射させることで、燃焼時間を短縮させて燃焼効率を改善し、燃料消費率を低減させることができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１１３５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしならば、上記マイクロ波発振装置では、電子レンジ等の民生機器に一般的に用いられている熱電子管であるマグネトロンが用いられている。
マグネトロンの原理は、熱せられた陰極フィラメントから陽極に飛び出した電子に磁石による磁場が印加されると電子にローレンツ力が働き、このローレンツ力により軌道の曲げられた電子が陽極の空洞共振器である小部屋での共振により、マイクロ波が持続的に発生させるものである。
【０００５】
ところで、“国際電気通信連合(ＩＴＵ／International Telecommunication Union）”では、各用途間での混信及び雑音妨害を避けるために、使用周波数の割り当てが定められている。“誘電加熱”用には、ＩＳＭ（工業・科学・医療用 ／ Industrial，Scientific and Medical Use ）バンドとして指定されており、電子レンジには電波法により２４５０ＭＨｚが認可されている。
電子レンジ用マグネトロンではこの認可されたマイクロ波周波数に合わせて陽極の寸法が設定されるので、マグネトロン全体を小型化できる余地がない。これよりマグネトロンの全体容積は、約１０ｃｍ（幅寸法）×約１０ｃｍ（奥行寸法）×約２０ｃｍ（高さ寸法）程度になってしまう。
【０００６】
従って、複数気筒で構成される内燃機関本体においては、大きなスペースを必要とするマグネトロンを各気筒毎に配置する必要があり、実際には内燃機関本体に搭載することは困難であるという問題点があった。
また、この点火装置が車両に搭載された場合には、重量が大きなマグネトロンに加わる振動に対して耐えにくいという問題点もあった。
【０００７】
この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、小型で車両の振動環境にも耐え得る等の信頼性が高い内燃機関用点火装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る内燃機関用点火装置は、内燃機関本体の気筒の内部に先端部が臨んだ点火プラグと、この点火プラグに高電圧を印加する高電圧発生電源と、マイクロ波を発生させるための増幅素子を有するマイクロ波発振装置と、前記点火プラグに設けられ前記マイクロ波発振装置から発生したマイクロ波を前記気筒内に放射し、点火プラグの放電電極の周囲にプラズマ発生領域を形成するマイクロ波アンテナとを備えた内燃機関用点火装置において、前記マイクロ波発振装置は、ソリッドステート化されている。
【発明の効果】
【０００９】
この発明による内燃機関用点火装置によれば、マイクロ波発振装置をソリッドステート化したので、小型で車両の振動環境にも耐え得る等の効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の内燃機関用点火装置（以下、点火装置と略称する）４２を示す構成図、図２は図１のマイクロ波発振装置２１を示す電気回路図である。
各気筒６に配置される、この点火装置４２は、点火・放電部５を有する点火プラグ７と、点火・放電部５に接続ケーブル１０を介して接続された高電圧発生電源１１と、この高電圧発生電源１１と制御装置ライン４１ｂを介して電気的に接続された制御ユニット１３と、点火・放電部５の近傍に設けられマイクロ波を放射してプラズマ発生領域２を形成するマイクロ波アンテナ１と、このマイクロ波アンテナ１に同軸ケーブル３を介して接続されたマイクロ波発振装置２１と、このマイクロ波発振装置２１と電気的に接続された発振装置電源２２と、この発振装置電源２２に制御装置ライン４１ａを介して電気的に接続された上記制御ユニット１３とを備えている。
【００１２】
上記点火・放電部５は、気筒６の天井空間部に設けられ、プラズマ発生領域２内に位置した中心放電電極８と、この中心放電電極８の片側に設けられたＬ字形状の側方放電電極９を有している。
上記マイクロ波発振装置２１は、ソリッドステート化されており、アルミナ等の数センチ角の基板２５と、この基板２５上に導体が印刷され共振器２３と、チョークコイル２７、カップリングコンデンサ２８及び高さ数ｍｍ程度の高さの増幅素子２４を有する増幅回路５０と、基板２５、共振器２３及び増幅回路５０を収納するととともにマイクロ波を遮蔽する筐体２６とを備えている。
このマイクロ波発振装置２１は、基板２５の裏面が筐体２６の底面に接着等により接合され、全体が小型の箱形状である。増幅素子２４は、具体的にはシリコン(Ｓｉ)から構成されたトランジスタである。チョークコイル２７は、電源を増幅素子２４に供給し交流成分を発振装置電源２２に対し遮断する素子である。
【００１３】
次に、上記点火装置４２の動作について説明する。
先ず、混合気の燃焼用ガスを封入した気筒６を点火するに当たり、制御ユニット１３から高電圧発生電源１１及び発振装置電源２２に所定の動作信号を与える。その動作信号により、発振装置電源２２は駆動し、マイクロ波発振装置２１の増幅素子２４に電源が供給される。
マイクロ波発振装置２１では、共振器２３と増幅素子２４で正帰還をかけて共振器２３の周波数で発振させる。発振した出力は、カップリングコンデンサ２８、同軸ケーブル３を介してマイクロ波アンテナ１に供給される。
マイクロ波アンテナ１からはマイクロ波を放出し、点火・放電部５の周囲のプラズマ発生領域２に低温プラズマを発生させる。この低温プラズマ発生により混合気中の水分から多量のＯＨラジカルを持続的に生成することができる。
【００１４】
この雰囲気下で高電圧発生電源１１のスイッチング素子(図示せず)のＯＦＦ動作により、トランスの２次側（図示せず）に発生する高電圧が点火・放電部５に供給され、中心放電電極８と側方放電電極９との間で火花放電が発生する。この火花放電を起点として先に生成されていたＯＨラジカルが混合気の燃焼を促進させる。
【００１５】
なお、図２のマイクロ波発振装置２１を示す電気回路図は一例であり、マイクロ波を発振する回路であれば他の電気回路であってもよいのは勿論である。
【００１６】
この実施の形態の点火装置４２によれば、マイクロ波発振装置２１がソリッドステート化されており、マグネトロンと比較して大幅に小型化されるとともに、重量も大幅に軽量化され、内燃機関本体に搭載することができ、また車両の振動環境に対する耐震性が大幅に向上する。
また、マイクロ波発振装置２１は、筐体２６によりマイクロ波が外部に漏洩するのを防止される。
【００１７】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２の点火装置の構成図である。
この実施の形態では、高電圧発生電源１１は、容器５１内に、制御回路部５２、一次コイル５３、鉄心５４及び二次コイル５５を収納している。この高電圧発生電源１１は、筐体２６に基板２５、共振器２３及び増幅回路５０を収納したマイクロ波発振装置２１と結合部材５６を用いて一体化されている。一体化された、高電圧発生電源１１及びマイクロ波発振装置２１により電源・発振本体６０を構成している。この電源・発振本体６０は、気筒６から露出した点火プラグ７の部位とともに、外枠筐体６１を介してマイクロ波遮蔽体４６で覆われている。
高電圧発生電源１１は、高電圧出力ライン４３を介して点火プラグ７の点火プラグ端子４５と接続されている。また、マイクロ波発振装置２１は、マイクロ波出力ライン４４を介して点火プラグ７の点火プラグ端子４５と接続されている。
【００１８】
高電圧発生電源１１では、内燃機関の点火時期に合わせて制御回路部５２の動作により、一次コイル５３の一次電流が遮断され、二次コイル５５に高電圧が誘起される。この結果、高圧電流が高電圧出力ライン４３を介して点火プラグ７に送られる。
また、実施に形態１と同様に、マイクロ波発振装置２１で発振した出力は、マイクロ波出力ライン４４を介してマイクロ波アンテナ１に供給される。
マイクロ波発振装置２１を含めて他の構成は、実施の形態１と同じである。
なお、筐体２６及び容器５１を削除し、外枠筐体６１がマイクロ波発振装置２１の筐体２６や高電圧発生電源１１の容器５１を兼ねるようにし、高電圧発生電源１１とマイクロ波発振装置２１とを一体化してもよい。
また、結合部材５６、筐体２６、容器５１及び外枠筐体６１は樹脂材やアルミニウム等の金属材であればよい。
【００１９】
図４は、点火装置４２から制御ユニット１３及び発振装置電源２２を除いた点火装置本体５７が内燃機関本体４８に搭載される例を示す斜視図である。この例では、内燃機関は４気筒エンジンであり、それぞれの気筒６に点火装置本体５７が直に搭載される。
点火装置本体５７のコネクタ８３の反対側には、取付フランジ８１が設けられている。内燃機関本体４８には、取付フランジ８１と対向して取付ボス８２が設けられている。取付ボルト８０が取付フランジ８１を貫通し、取付ボス８２に螺着することで、点火装置本体５７は内燃機関本体４８に固定される。
【００２０】
この実施の形態の点火装置４２によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができるともに、高電圧発生電源１１及びマイクロ波発振装置２１が結合部材５６により一体化されているので、点火装置４２の組立工数が低減され、製造コストが安価になる。
また、電源・発振本体６０がマイクロ波遮蔽体４６で覆われているので、マイクロ波の外部への漏洩をより確実に防止することができる。
また、このマイクロ波遮蔽体４６は、内燃機関本体４８から露出した点火プラグ７の部位も覆っており、点火プラグ端子４５からのマイクロ波の漏洩を確実に遮蔽できる。
【００２１】
また、点火装置本体５７は、１ユニット化されており、車両の振動環境により破損してマイクロ波が漏洩する可能性のある実施の形態１の同軸ケーブル３を廃止することができ、点火装置４２の信頼性が向上する。
また、長尺の同軸ケーブル３によるマイクロ波のロスが解消され、マイクロ波発振装置２１の出力を落としても、マイクロ波アンテナ１からのマイクロ波の出力が確保され、車両の消費電力が低減され、低コスト化できる。
同様に、車両の振動環境により破損する可能性のある実施の形態１の接続ケーブル１０も不要となる。
【００２２】
なお、上記実施の形態１，２では、増幅素子２４としてシリコン(Ｓｉ)で構成されたトランジスタを用いたが、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いたトランジスタである増幅素子２４でもよい。
この増幅素子２４を用いた場合には、Ｓｉよりも高速で動作し、消費電力も少なく、小型化も容易であり、各気筒６に分散配置可能な高信頼・小型なマイクロ波発振装置２１を得ることができる。
【００２３】
また、ガリウムナイトライド(gallium nitride)とも呼ばれる窒化ガリウム（ＧａＮ）の窒化物半導体は、バンドギャップが３．４５ｅＶ（光の波長で約３６５ｎｍに相当）であり、Ｓｉよりも３倍広いという特性を有し、これからトラインジスタとして適応した場合、耐圧が高い、高温で動作する、電流密度を大きくできる、スイッチングが高速である、オン抵抗が小さい等の特徴を有している。
従って、マイクロ波発振装置２１の増幅素子２４として、この窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成されたトランジスタを用いることで、より高出力かつ小型で各気筒に分散配置可能な高信頼・小型なマイクロ波発振装置２１を得ることができる。
【００２４】
また、バンドギャップが５ｅＶ程度と窒化ガリウム（ＧａＮ）よりもさらに広い半導体材料である窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いることで、耐圧（絶縁破壊電圧）を窒化ガリウム（ＧａＮ）よりも数倍高めることができ、さらに高出力でかつ小型な各気筒に分散配置可能な高信頼・小型なマイクロ波発振装置２１を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の実施の形態１の内燃機関用点火装置を示す構成図である。
【図２】図１に示したマイクロ波発振装置の電気回路図である。
【図３】この発明の実施の形態２の内燃機関用点火装置を示す構成図である。
【図４】図２の内燃機関用点火装置が内燃機関本体に搭載される例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  マイクロ波アンテナ、２  プラズマ発生領域、３  同軸ケーブル、５  点火・放電部、６気筒、７  点火プラグ、８  中心放電電極、９  側方放電電極、１０  接続ケーブル、１１  高電圧発生電源、１３  制御ユニット、２１  マイクロ波発振装置、２２  発振装置電源、２３  共振器、２４  増幅素子、２５  基板、２６  筐体、２７  チョークコイル、２８  カップリングコンデンサ、４１ａ，４１ｂ  制御装置ライン、４２  内燃機関用点火装置、４３  高電圧出力ライン、４４  マイクロ波出力ライン、４５  点火プラグ端子、４６  マイクロ波遮蔽体、４８  内燃機関本体、４９  ヘッドカバー、５０  増幅回路、５１  容器、５２  制御回路部、５３  一次コイル、５４  鉄心、５５  二次コイル、５６  結合部材、５７  点火装置本体、６０  電源・発振本体、６１外枠筐体  ８０  取付ボルト、８１  取付フランジ、８２  取付ボス、８３  コネクタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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