(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波プラズマ発生装置であって、
− 制御信号（Ｖ１）を制御周波数で生成する制御モジュール（３０）と、
− 前記制御信号により制御されるブレーカー（Ｍ）を有する電源供給回路であって、前記制御信号により規定される周波数で前記ブレーカーにより該電源供給回路の出力に共振器励起信号（Ｖ２）を供する、電源供給回路（２０）と、
− １ＭＨｚよりも大きい共振周波数を示す共振器（１０）であって、前記電源供給回路の出力に接続され、前記共振器励起信号（Ｖ２）により励起されてスパーク生成のための電圧（Ｕ（ｔ））を生成する共振器（１０）と
を備えており、
前記装置は、前記共振器励起信号（Ｖ２）の印加中に、前記制御信号に同期させて前記共振器励起信号（Ｖ２）の周波数を修正する前記制御モジュール（３０）のための駆動手段（４０、５０）を備えることを特徴とし、
前記駆動手段は、第１の周波数値（ｆ０）から、この第１の値よりも小さい第２の周波数値（ｆ１）へ前記制御信号を遷移させる少なくとも１つの周波数ジャンプを制御し、
前記駆動手段が、前記制御信号が前記第２の周波数値に移行するときのトグリング時間（ｔｂ）を、前記信号が前記第１の周波数値であるときの半周期分の時間の８０％から１２０％となるように制御することを特徴とする、高周波プラズマ発生装置。
【請求項２】
前記第１の周波数値が、スパークが生じていないときの前記共振器の共振周波数と略等しい値であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２の周波数値が、ｆ０−（Δｆ／２）とｆ０の間の範囲（ｆ０はスパークが生じていないときの前記共振器の共振周波数に等しく、Δｆは前記共振器の通過帯域に相当する）にある値であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記駆動手段が、前記共振器により生成される前記電圧信号（Ｕ（ｔ））の安定段階に先立つ該信号の過渡段階において、前記制御信号の周波数ジャンプを制御することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
前記駆動手段が、実質的にスパーク発生の時点において、前記制御信号の周波数ジャンプを制御することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
前記制御モジュールの駆動手段が、電圧制御発振器（４０）と、この発振器の駆動電圧を調節する手段（５０）とを有することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置を少なくとも１つ備えていることを特徴とする内燃機関。
【請求項８】
内燃機関の高周波点火のための電力供給を制御する方法であって、
前記内燃機関では、制御信号（Ｖ１）により規定される第１の周波数で共振器励起信号（Ｖ２）が共振器（１０）に入力として印加され、前記共振器は、１ＭＨｚより大きい共振周波数を示し、前記共振器励起信号（Ｖ２）により励起されることでスパーク生成のための電圧（Ｕ（ｔ））を生成することができるもので、
前記方法は、前記制御信号と同期させて前記共振器励起信号（Ｖ２）の印加中に前記共振器励起信号（Ｖ２）の周波数を修正すること、及び、第１の周波数値（ｆ０）から、この第１の値よりも小さい第２の周波数値（ｆ１）へ前記制御信号を遷移させる少なくとも１つの周波数ジャンプを制御することからなることを特徴とし、
前記方法は、前記制御信号が前記第２の周波数値に移行するときのトグリング時間（ｔｂ）を、前記信号が前記第１の周波数値であるときの半周期分の時間の８０％から１２０％となるように制御する、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振器の、特にプラズマ発生器で用いられる共振器の高周波電源の分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ発生による自動車の点火に用いる場合、共振器は、その共振周波数が１ＭＨｚよりも大きいものがスパークプラグ部分に配され、これらには通常は高電圧（例えば１００Ｖよりも大きい）が供給されて、大きな電流（例えば１０Ａより大きい）が流れることになる。
【０００３】
スパークプラグの高周波高圧電源の動作は、共振器における直列共振現象に基づいており、その共振周波数は、共振器を構成する回路の固有パラメータの値によって決まる。
【０００４】
図１は、従来の共振による高周波点火システムを示している。高周波スパークプラグをモデル化しているプラズマ発生共振器１０は、直列に配された抵抗ＲＳ、インダクタＬＳ及びコンデンサＣＳを備えて構成されており、これらの持つ値はその形状や使用される材料の性質により製造段階で固定されて、これにより共振器は１ＭＨｚよりも大きい共振周波数を示すようになっている。
【０００５】
共振器１０は、電源供給回路２０の出力に接続されている。電力のブレーカーとして作動するＭＯＳＦＥＴトランジスタＭを示しているが、このＭＯＳＦＥＴのゲートに制御モジュール３０によって印加される制御信号Ｖ１により規定される周波数で、中間電圧Ｖｉｎｔｅｒが電力供給回路の出力に供される。
【０００６】
中間電圧Ｖｉｎｔｅｒは、例えば、変圧器Ｔの一次コイルを構成するコイルＬＭと並列に配されたコンデンサＣｐを備える並列共振回路によって、制御信号により規定される周波数で電源供給回路の出力に供される。共振器１０は、変圧器の二次コイルＬＰの両端子に接続されている。
【０００７】
このように、制御モジュール３０が制御信号Ｖ１を供することで、プラズマ発生共振器の共振周波数と略等しい周波数での、例えば５ＭＨｚ前後での、トランジスタＭのスイッチングが可能となり、これにより、通常は１２Ｖ〜２５０Ｖである電圧Ｖｉｎｔｅｒが並列共振器２１に供されて、その後、増幅される。与えられた制御周波数で、並列共振器と高周波スパークプラグの共振器１０との間でエネルギー交換が生じ、スパークの生成に望ましい媒質の温度及び圧力で、共振器１０の出力に破壊閾値電圧を得ることができる。
【０００８】
このため、制御周波数は、プラズマ発生共振器１０の共振周波数に等しくなるように選択される。
【０００９】
ところが、このようなシステムは、共振器の出力にスパークが生成されることによって乱され、その同期が崩される。実際のところ、気体におけるスパークは、いかなる導電体と同様に、キャパシタンスで特徴付けられる。従って、スパークが生じていなければ、共振器１０に固有のパラメータＲｓ、Ｌｓ及びＣｓによってのみ、システムの共振周波数が決まる。しかし、これは、スパークが生じているときには当てはまらない。後者の場合に固有の特性によって、実際には、共振周波数が変わってしまう。
【００１０】
スパークプラグの高周波電源の制御周波数はスパークプラグの無負荷共振周波数（ｆ０）に等しくなるように選択されており、つまり、スパークが無いシステムについて調整されており、この制御周波数と、スパークが生じている共振器の実際の共振周波数との差異によって、共振器の品質係数（すなわち過電圧係数、これは入力電圧に対する出力電圧の振幅の比率として定義され、共振器に印加される周波数の関数である）の低下が生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、高周波電源の制御周波数を、共振器のための励起系列の内部でリアルタイムに調整し直すことができると有益であると思われる。これによって、スパークプラグの先端における電圧の振幅を維持することができ、ひいては、スパークの大きさや分岐度といった特性を維持することができる。
【００１２】
本発明は、このような目的を、システムの効率性を低下させることなく達成するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
したがって、これを目的として、本発明は高周波プラズマ発生装置に関するものであり、該装置は、
−制御信号を制御周波数で生成する制御モジュールと、
−制御信号により制御されるブレーカーを有する電源供給回路であって、ブレーカーにより電源供給回路の出力に、制御信号により規定される周波数で該励起信号を供する、電源供給回路と、
−１ＭＨｚよりも大きい共振周波数を示す共振器であって、電源供給回路の出力に接続され、励起信号により励起されてスパーク生成のための電圧を生成するよう適合された共振器と
を備え、制御信号に同期させて共振器励起信号の周波数を該励起信号の印加中に修正するよう適合された、制御モジュールのための駆動手段を備えることを特徴としている。
【００１４】
好ましくは、該駆動手段は、第１の周波数値から、この第１の値よりも小さい第２の周波数値への、制御信号の少なくとも１つの周波数ジャンプを制御する。
【００１５】
有利には、該駆動手段は、制御信号が第２の周波数値に移行するときのトグリング時間を、この信号が第１の周波数値であるときの半周期分の時間の８０％から１２０％となるように制御する。
【００１６】
好ましくは、第１の周波数値は、スパークが生じていないときの共振器の共振周波数と略等しい値である。
【００１７】
有利には、第２の周波数値は、ｆ０−（Δｆ／２）とｆ０の間の範囲にあり、ここで、ｆ０はスパークが生じていないときの共振器の共振周波数に等しく、Δｆは共振器の通過帯域に相当している。
【００１８】
一実施形態によると、駆動手段は、共振器により生成される電圧信号の安定段階に先立つ該信号の過渡段階において、制御信号の周波数ジャンプを制御する。
【００１９】
好ましくは、駆動手段は、実質的にスパーク発生の時点において、制御信号の周波数ジャンプを制御する。
【００２０】
本発明の一実施形態によると、制御モジュールの駆動手段は、電圧制御発振器と、この発振器の駆動電圧を調節する手段とを有する。
【００２１】
また、本発明は内燃機関に関するものであり、該内燃機関は本発明のプラズマ発生装置を少なくとも１つ備えていることを特徴とする。
【００２２】
本発明は、さらに、内燃機関の高周波点火のための電力供給を制御する方法に関するものであり、該内燃機関では、制御信号により規定される第１の周波数で励起信号が共振器に入力として印加され、この共振器は、１ＭＨｚより大きい共振周波数を示すものであって、励起信号により励起されることでスパーク生成のための電圧を生成することができるものであり、前記方法は、励起信号の印加中に、制御信号と同期させて該励起信号の周波数を修正することを特徴としている。
【００２３】
本発明のその他の特徴及び効果は、添付の図面を参照して、限定する目的では全くなく以下に示す説明により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、従来技術の高周波プラズマ発生装置を概略的に示している。
【図２ａ】図２ａは、スパークプラグの点火を制御する過程で、制御信号の周波数の変化が励起信号と非同期である場合の、高周波電源のＭＯＳブレーカーへの電圧制御信号と高周波スパークプラグの共振器に入力される励起電流の信号とにそれぞれ関する、２つのタイムチャートを示している。
【図２ｂ】図２ｂは、前図と同様にタイムチャートであるが、本発明の原理により制御信号の周波数の変化が励起信号と同期されている場合のものである。
【図３】図３は、プラズマ生成制御が行われている間の共振器の電圧信号Ｕ（ｔ）、すなわち、プラズマ発生共振器のコンデンサＣｓの両端子間に供される信号を、時間の関数で示している。
【図４】図４は、高周波電源の制御信号を同期周波数駆動する手段の実施形態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
高周波スパークプラグにおけるスパークの生成を最適化するためには、スパークの発生によってシステムの同期が失われる部分をうまく合わせ直して、アセンブリの新しい共振状態に最大限近づけるようにする必要がある。
【００２６】
このために、本発明は、高周波スパークプラグの共振器１０のための励起信号Ｖ２を電源供給回路２０の出力に提供する際に制御する信号である、ブレーカーＭの制御信号Ｖ１の周波数を、該励起信号の提供中にリアルタイムで修正することを提案する。
【００２７】
一実施形態においては、実質的にスパーク生成の時点（スパーク発生の直前又は直後）に生じる周波数の急激な変化に従って、制御周波数を励起系列において修正する。
【００２８】
好ましくは、この周波数変化とは、電源制御信号の周波数を、点火制御の開始時に設定される周波数値であって通常は当該システムの無負荷共振周波数ｆ０に相当している第１の周波数値から、好ましくはｆ０−（Δｆ／２）からｆ０の間の値である第２の周波数値に低下させることであり、ここで、Δｆは、この場合に共振器１０を構成している回路であるＲＬＣ回路の通過帯域に相当するものである。例として、本適用例では、Δｆ／２は、１００ｋＨｚに略等しい値をとることができる。
【００２９】
図３は、上記のような制御プロファイルの場合に、すなわち、スパーク生成の時点に対応する制御の時点ｔｍａｘで電圧が最大となるまで第１の周波数値ｆ０が維持され、この時点ｔｍａｘの後、第１の周波数値からｆ０−５０ｋＨｚまで急激に低下させて第２の周波数とする場合に、共振器のコンデンサＣｓの両端子間から取り出される信号Ｕ（ｔ）の電圧包絡線の例を示している。
【００３０】
実際に、上記の例によると、スパークによって生じるものと同等のキャパシタンスでは、概して、共振器／スパーク・アセンブリの共振周波数がｆ０に比して１００ｋＨｚを超える低下を伴うことはない。
【００３１】
このような制御プロファイルによって、スパーク生成の時点ｔｍａｘで共振器のコンデンサＣｓの両端子間に提供される最大電圧振幅を有利に維持することができ、さらには、ｔｍａｘにおける最大電圧点を過ぎた後の電圧降下を少なくして、共振器励起信号の印加中に周波数駆動の制御を行うことなく、当該降下を従来の場合に比較してより漸進的にすることができる。
【００３２】
このように高周波スパークプラグの共振器励起信号の印加中に制御周波数を修正することで、アセンブリの新しい共振状態に最大限近づけることが可能となり、これによって、スパークの特性の実質的な向上を実現することができ、その結果、点火をより効率的なものとすることができる。
【００３３】
このように、電源制御信号の周波数を上記原理に従って急激に変化させると、プラズマ生成制御の始動時点で完璧に調整されたシステムが、スパーク発生の時点では、このスパークの発生を考慮して新しい共振状態に適応させるようにスパークプラグの共振器を制御する目的で励起周波数が低下させられることで、調整が“完全に崩れてはいない”システムに有利に移行する。
【００３４】
しかしながら、スパークプラグの高周波電源の本発明による最適な周波数駆動のために、必ず対処する必要のあるパラメータは、電源制御信号の周波数変化と、電源供給回路の出力に提供されるスパークプラグの共振器励起信号との同期である。
【００３５】
図２ａは、スパークプラグの高周波電源の制御信号Ｖ１のタイムチャートを示しており、この制御信号の周波数は、高周波スパークプラグの共振器励起信号Ｖ２の印加中に変化させられる。励起信号のタイムチャートは、Ｖ１のタイムチャートの向かい側に示されている。図２ａは、信号Ｖ１の周波数変化が励起信号Ｖ２と同期されていない場合を示している。
【００３６】
図２ａに示すように、高周波スパークプラグの共振器励起信号Ｖ２は、点火制御の最初の部分では、システムの無負荷共振周波数ｆ０となるように制御信号Ｖ１により規定される。
【００３７】
そして、最初の周波数ｆ０から、上述のようにｆ０とｆ０−（Δｆ／２）の間の周波数範囲となるように選択された周波数ｆ１への周波数ジャンプに相当する、制御信号Ｖ１の周波数変化が、好ましくは、スパーク生成の時点、あるいは、その直前又は直後に相当する点火制御の所定の時点で実行される。制御周波数の新しい値ｆ１は、例えば、ｆ０とｆ０−１００ｋＨｚの間となるように選択される。
【００３８】
そして、制御信号Ｖ１は、新しい周波数ｆ１が適用されるのに先立って、持続時間ｔｂのトグリング段階を経ることになり、この段階ではロー状態（低状態）となっている。
【００３９】
図２ａに示すように、新しい周波数ｆ１に移行するときの制御信号Ｖ１のトグリング時間ｔｂは、周波数変更前の信号Ｖ１の半周期分の、すなわちこの例では、周波数ｆ０の信号の半周期分の時間となっていない。従って、これによって生じる励起信号Ｖ２の周波数の修正は、制御信号Ｖ１が新しい制御周波数ｆ１に移行するときのトグリング時間ｔｂと同期しない。
【００４０】
新しい周波数ｆ１が適用された時点では、制御信号Ｖ１はもはや励起信号Ｖ２の振動とは同調していない。
【００４１】
このような状況の結果として、周波数変化の時点で励起信号Ｖ２の振幅が減少し、図２ａにおけるＶ２のタイムチャートに示すように、新しい制御周波数ｆ１に合わせて再調整されるうちに、振幅が徐々にではあるが増加していく。
【００４２】
このように、遷移中に損失があった後、システムの効率が低下する。さらには、制御用パワーエレクトロニクスにとってリスクがあり、特に、ＭＯＳブレーカーは大きな電流が流れたときに状態が変化してしまう恐れがある。実際に、パワートランジスタの非同期スイッチングの結果、スイッチングの際にもはやゼロ電圧すなわちゼロ電流にならなくなってしまい、したがってトランジスタのリスクにつながる。
【００４３】
図２ｂは、図２ａと同様のタイムチャートであるが、これは本発明により想定される場合を示しており、この場合、励起信号Ｖ２の周波数の修正が、新しい制御周波数ｆ１に移行するときの制御信号Ｖ１のトグリング時間ｔｂと同期するように、効果的に実行される。
【００４４】
このように励起信号の周波数変更が制御信号と同期している場合は、周波数変更の時点も含めて、制御信号が絶えず励起信号の振動と同調しているような状況が作り出される。このため、もはや共振を失うことがなくなり、点火制御の時点ｔｍａｘでのスパークの生成に対応する最大電圧点を通過した後の電圧降下を遅らせながら、最大電圧を維持することが可能となる（図３を参照）。
【００４５】
このような共振器の同期周波数駆動によって、どのような体制の下で動作している場合でも高周波スパークプラグの品質係数を最大に維持することができ、これにより、スパークの特性を維持することができる。
【００４６】
さらに、高周波スパークプラグの共振器に同一の励起信号を印加している間に、制御信号の周波数を何度か急変させることも可能である。
【００４７】
上記のことからわかるように、高周波スパークプラグの共振器励起信号の周波数変化は、どのような場合も、制御信号と同期させて行われなければならない。
【００４８】
そのため、新しい制御周波数が適用される前に制御信号Ｖ１が経るトグリングの持続時間ｔｂは、好ましくは、周波数変更が適用される前の制御信号の半周期分の時間に略等しくなるように制御されなければならない。
【００４９】
しかしながら、新しい制御周波数に移行するときの制御信号のトグリング時間ｔｂを制御する際には、ある程度の許容誤差を設定することができる。場合によってはｆ０である第１の周波数ｆから、通常はｆ０−（Δｆ／２）からｆ０の間の値である第２の周波数ｆ1への周波数ジャンプを伴う如何なる周波数変化の場合でも、概して、新しい周波数が適用される前の制御信号のトグリングの持続時間ｔｂは、以下に従わなければならないことが確認されている：
0005460711.tif 000002
【００５０】
言い換えると、持続時間ｔｂは、周波数ｆ（すなわち新しい周波数の適用前の周波数）のときの制御信号の半周期分の時間の８０％から１２０％の間でなくてはならない。
【００５１】
さらに、高周波スパークプラグの共振器によって生成される電圧Ｕ（ｔ）の振幅において最適利得を得るためには、制御信号Ｖ１の周波数変化は、共振器の電圧信号Ｕ（ｔ）の過渡段階（図３におけるフェーズ１を参照）において実行されなければならない。このような信号Ｕ（ｔ）の過渡段階は、この信号の安定段階（フェーズ２を参照）に先行する段階であり、周波数変更が実質的にスパーク生成時点で、すなわち時点ｔｍａｘで生じると最大利得が得られることがわかっている。
【００５２】
本発明に特有な上述の特徴を持つ周波数ジャンプをオンボード実装により実現するためには、高周波数のマイクロプロセッサ、あるいはＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）などの実時間論理要素、あるいはその他ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）を用いる必要がある。
【００５３】
図４は、高周波電源の制御信号Ｖ１を提供する制御モジュールを本発明により駆動するための、周波数駆動手段の例示的な実施形態を示している。したがって、これらの駆動手段は、電源制御信号の周波数を初期制御周波数から新しい制御周波数に移行させるように適合されており、これによって、それから生じる共振器励起信号の周波数変化が制御信号と同期させられる。このように、制御信号は、共振器励起信号が印加されている間ずっと、この励起信号の振動と同調し続けることになる。
【００５４】
図４の例によると、駆動手段は電圧制御発振器（ＶＣＯ）４０を有し、その出力が制御モジュール３０に接続されて制御信号Ｖ１を提供するようになっており、その駆動入力４１は駆動電圧源５０に接続されている。駆動電圧源は、駆動電圧を調節することで、トランジスタＭのゲートに提供される制御信号の周波数変化がＶＣＯにより適切に制御されるようにする。
【００５５】
以上のように、高周波スパークプラグにおけるスパークの生成を本発明により最適化するためには、制御信号と同期しているという条件のもと、周波数をスパークプラグのための励起系列の内部でリアルタイムで変化させることで、電源システムの同期が失われる部分をうまく合わせ直すことが必要となる。
【００５６】
このようなリアルタイムでの同期周波数駆動の方法は、共振システムを用いた如何なるタイプの用途にも適用することができ、これにより、その固有パラメータが何らかの物理的影響（例えば、スパークの生成）によって時間と共に変化するようなＬＣあるいはＲＬＣ型のものの第一近似が可能であり、したがって初期共振周波数ｆ０が修正（増加又は減少）される。
【００５７】
そのような状況下で、プラズマ発生による自動車の点火への適用例に関する前記の説明に従って、共振システムの励起周波数の修正を、制御周波数が新しい励起周波数を規定する新しい値に移行するときの制御信号のトグリング時間ｔｂと同期させなければならない。
【００５８】
さらに、新しい励起周波数は、ｆ０とｆ０ ＋／−（Δｆ／２）（共振周波数が増加したのか減少したのかによる）の間の値でなければならず、ここで、Δｆは共振システムの通過帯域に相当している。
【００５９】
共振システムの共振周波数の変化は、共振システムの例えば品質係数といった量的特性を測定することによりリアルタイムで検出することができる。好ましくはシステムの励起周波数の修正は、通過帯域Δｆの１０％を超える共振周波数変動が検出されたら直ぐに実行されなければならない。
【図１】
0005460711.tif 000003
【図２ａ】
0005460711.tif 000004
【図２ｂ】
0005460711.tif 000005
【図３】
0005460711.tif 000006
【図４】
0005460711.tif 000007