(57)【要約】  点火プラグの端子金具部から放電電流と電磁波を給電するように構成された場合であっても、中心電極先端部分が溶損することがなく、また電力損失を低減する点火プラグ及び当該点火プラグを使ったプラズマ発生装置を提供する。端子金具部（２Ａ）と、この端子金具部（２Ａ）と電気的に接続される電極本体部（２Ｂ）とを備える中心電極（２）と、中心電極（２）が嵌め込まれる軸孔（３０）が形成された絶縁碍子（３）と、この絶縁碍子（３）の周囲を囲む主体金具（４）と、この主体金具（４）の端面から延設され、中心電極（２）の電極本体部（２Ｂ）との間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する接地電極（５）とを備え、電極本体部（２Ｂ）を、接地電極（５）との間で火花放電を生じさせるための電極チップ部（２５ａ）を備えた先端電極（２５）と、電極チップ部（２５ａ）を覆う筒状の先端誘電筒（２４）と、先端誘電筒（２４）と端子金具部（２Ａ）とを接合する筒状の連結導体筒（２３）とから構成する。
2015016337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの給電を受ける端子金具部及び該端子金具部と電気的に接続される電極本体部とを備える中心電極と、
該中心電極が嵌め込まれる軸孔が形成された絶縁碍子と、
該絶縁碍子の周囲を囲むように配置された主体金具と、
該主体金具の端面から延設され、前記電極本体部との間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する接地電極とを備え、
火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が、前記端子金具部に給電される点火プラグであって、
前記電極本体部が、
接地電極との間で火花放電を生じさせるための電極チップ部を備えた電極先端部と、
該電極チップ部を覆う筒状の先端誘電筒と、
該先端誘電筒と前記端子金具部とを接合する筒状の連結導体筒とから構成された点火プラグ。
【請求項２】
外部からの給電を受ける端子金具部及び該端子金具部と電気的に接続される電極本体部とを備える中心電極と、
該中心電極が嵌め込まれる軸孔が形成された絶縁碍子と、
該絶縁碍子の周囲を囲むように配置された主体金具と、
該主体金具の端面から延設され、前記電極本体部との間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する接地電極とを備え、
火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が、前記端子金具部に給電される点火プラグであって、
前記電極本体部は、前記端子金具部と接続される接続導体と、
該接続導体の反端子金具部側と連結される連結導体筒と、
該連結導体筒の内径側に嵌入される先端誘電筒と、
該先端誘電筒に嵌挿される電極チップ部とから構成され、
前記接続導体と電極先端部とは抵抗体又は導体を介して接続されている点火プラグ。
【請求項３】
前記抵抗体は、先端誘電筒内に充填される抵抗体組成用粉末である請求項２に記載の点火プラグ。
【請求項４】
外部からの給電を受ける端子金具部及び該端子金具部と電気的に接続される電極本体部とを備える中心電極と、
該中心電極が嵌め込まれる軸孔が形成された絶縁碍子と、
該絶縁碍子の周囲を囲むように配置された主体金具と、
該主体金具の端面から延設され、前記電極本体部との間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する接地電極とを備え、
火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が、前記端子金具部に給電される点火プラグであって、
電極本体部は、端子金具部の端面中心部から延設される主中心電極と、
該主中心電極を覆い、前記端子金具部と電気的に接続される後端導体筒及び一端が後端導体筒と電気的に接続され、他端が接地電極の近傍に位置する先端導体筒から構成され、
前記主中心電極は、後端導体筒と先端導体筒との接続部分で筒状の絶縁体を介して保持され、
供給する電磁波の周波数をλとした場合、前記先端導体筒と主中心電極との環状の隙間の軸方向の長さをλ／４とし、
前記後端導体筒と主中心電極との環状の隙間の軸方向の長さをλ／２とした点火プラグ。
【請求項５】
前記先端導体筒の開放端を、拡開した請求項４に記載の点火プラグ。
【請求項６】
前記先端導体筒の開放端に、高融点金属を配設した請求項４又は５に記載の点火プラグ。
【請求項７】
放電電圧を供給するための点火コイルと、
電磁波を発振する電磁波発振器と、
放電のためのエネルギと電磁波のエネルギとを混合する混合器と、
放電を起こし、かつ電磁波のエネルギを燃焼反応又はプラズマ反応が行われる反応領域に導入する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載した点火プラグとを備えたプラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が中心電極に給電される点火プラグ及びプラズマ発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、点火プラグの放電を用いて局所的なプラズマを作り、このプラズマを電磁波（マイクロ波）により拡大させるプラズマ発生装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。このプラズマ発生装置においては、火花放電のための放電電流（放電のためのエネルギ）と電磁波発生装置からの電磁波のエネルギとを混合する混合回路が設けられており、この混合回路は点火プラグの入力端子となる接続端子部に接続されている。これにより、火花放電のための高電圧パルス（放電電流）と電磁波とは同じ伝送線路（電路）を通って点火プラグに給電される。従って、点火プラグの中心電極は、スパーク放電電極と電磁波放射用アンテナとを兼用する。【０００３】
しかし、このプラズマ発生装置に使用される一般的な点火プラグの中心電極（以下、点火コイルと接続される端子部から接地電極との間で放電ギャップを形成する先端部分までを総称して中心電極とよぶ。以下同じ。）は、通常、先端部を除き、鉄を主成分とする合金から構成されている。そのため、交流電源から供給される電磁波は、中心電極表面を流れることとなるが、透磁率の高い鉄を主成分とするため大きな電力損失を伴うこととなり、電磁波発振器を小型化することができなかった。【０００４】
また、火花放電のための放電電流及び電磁波は、共に中心電極の先端部分から放射される。そのため、中心電極先端と接地電極との間における、放電電流及び電磁波によって生じる電界強度は中心電極の軸芯部分が最も高くなる。【０００５】
具体的には、図５に示すように、中心電極先端と接地電極との間における、放電電流及び電磁波によって生じる電界強度は、中心電極の軸芯を対称軸にして、中心電極の軸芯が最も高く、中心電極を覆う絶縁碍子の外縁に向けて減少する曲線となる。このため、放電電流及び電磁波によって生じる電界強度が重畳されることとなり、中心電極の軸芯が最も高温となり、中心電極先端部分が溶損しやすいという不具合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−０３６１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、点火プラグの端子金具部から放電電流と電磁波を給電するように構成された場合であっても、中心電極先端部分が溶損することがなく、また電磁波の電力損失を低減することができる点火プラグ及び当該点火プラグを使ったプラズマ発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた第１の発明は、
外部からの給電を受ける端子金具部及び該端子金具部と電気的に接続される電極本体部とを備える中心電極と、
該中心電極が嵌め込まれる軸孔が形成された絶縁碍子と、
該絶縁碍子の周囲を囲むように配置された主体金具と、
該主体金具の端面から延設され、前記電極本体部との間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する接地電極とを備え、
火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が、前記端子金具部に給電される点火プラグであって、
前記電極本体部が、
接地電極との間で火花放電を生じさせるための電極チップ部を備えた電極先端部と、
該電極チップ部を覆う筒状の先端誘電筒と、
該先端誘電筒と前記端子金具部とを接合する筒状の連結導体筒とから構成された点火プラグである。【０００９】
本発明の点火プラグは、火花放電のためのエネルギ（放電電流）は端子金具部から電極軸芯の中心部分を流れて電極チップ部の先端から放電する。そして、物質の表面を流れる特性を有する電磁波は、端子金具部から連結導体筒を介して先端誘電筒に流れ、先端誘電筒の接地電極側端面から放射される。このため、中心電極先端と接地電極との間における、放電電流による電界強度は中心電極の軸芯が最も高くなるものの、電磁波による電界強度は、中心電極の軸芯よりも外側（軸芯を中心とした環状）で最も高くなり、高温となる部分が軸芯部分に集中することがなく、中心電極の先端部分の溶損を有効に防止することができる。また、電磁波は、上述したように、連結導体筒、先端誘電筒を介して効率よく流れ、電力損失を最小限に抑えることができる。この場合、電極チップ部の先端端面が、前記先端誘電筒の接地電極側端面が略同一平面上又は先端誘電筒内に位置するように構成することで中心電極の先端部分の溶損をより確実に防止することができる。【００１０】
また、上記課題を解決するためになされた第２の発明は、
外部からの給電を受ける端子金具部及び該端子金具部と電気的に接続される電極本体部とを備える中心電極と、
該中心電極が嵌め込まれる軸孔が形成された絶縁碍子と、
該絶縁碍子の周囲を囲むように配置された主体金具と、
該主体金具の端面から延設され、前記電極本体部との間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する接地電極とを備え、
火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が、前記端子金具部に給電される点火プラグであって、
前記電極本体部は、前記端子金具部と接続される接続導体と、
該接続導体の反端子金具部側と連結される連結導体筒と、
該連結導体筒の内径側に嵌入される先端誘電筒と、
該先端誘電筒に嵌挿される電極チップ部とから構成され、
前記接続導体と電極先端部とは抵抗体又は導体を介して接続されている点火プラグである。【００１１】
第２の発明の点火プラグは、電極本体部をユニット化して製造、組み立てを効率よく行うことができる。また、接続導体と電極先端部とは抵抗体又は導体を介して接続され、特に抵抗体を介して接続するときは、点火プラグの電雑防止のための抵抗を内部に備えても電磁波は、接続導体及び先端誘電筒の表面を効率よく流れ、先端誘電筒の先端の表面からから電力損失を最小限に抑えて放射される。この場合、第１の発明と同様に、電極チップ部の先端端面が、先端誘電筒の接地電極側端面が略同一平面上又は先端誘電筒内に位置するように構成することで中心電極の先端部分の溶損をより確実に防止することができる。【００１２】
この場合において、前記抵抗体は、先端誘電筒内に充填される抵抗体組成用粉末とすることができる。抵抗体組成用粉末（ガラス粉末と金属粉末やカーボン粉末とを混合した複合粉末材料）を、先端誘電筒内に充填し、ガラス軟化温度以上の温度（９００℃〜１０００℃）で加熱することで、ユニット化した電極本体部の各部品が封着固定される。【００１３】
また、上記課題を解決するためになされた第３の発明は、
外部からの給電を受ける端子金具部及び該端子金具部と電気的に接続される電極本体部とを備える中心電極と、
該中心電極が嵌め込まれる軸孔が形成された絶縁碍子と、
該絶縁碍子の周囲を囲むように配置された主体金具と、
該主体金具の端面から延設され、前記電極本体部との間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する接地電極とを備え、
火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が、前記端子金具部に給電される点火プラグであって、
電極本体部は、端子金具部の端面中心部から延設される主中心電極と、
該主中心電極を覆い、前記端子金具部と電気的に接続される後端導体筒及び一端が後端導体筒と電気的に接続され、他端が接地電極の近傍に位置する先端導体筒から構成され、
前記主中心電極は、後端導体筒と先端導体筒との接続部分で筒状の絶縁体を介して保持され、
供給する電磁波の周波数をλとした場合、前記先端導体筒と主中心電極との環状の隙間の軸方向の長さをλ／４とし、
前記後端導体筒と主中心電極との環状の隙間の軸方向の長さをλ／２とした点火プラグ。【００１４】
第３の発明の点火プラグは、前記先端導体筒と主中心電極との環状の隙間の軸方向の長さを、λ／４とするとともに、後端導体筒と主中心電極との環状の隙間の軸方向の長さをλ／２とし、後端導体筒と主中心電極との環状の隙間を仮想グランドの共振構造とすることで、先端導体筒と主中心電極との環状の隙間を長さλ／４の共振構造（以下、先端共振構造という。）としている。これによって、後端導体筒及び先端導体筒の表面を流れる電磁波のうち、先端導体筒の開放端面から燃焼室内に向かって放射されずに先端導体筒と主中心電極との環状の隙間に流れ込む電磁波を、先端共振構造によって強制的に燃焼室内に放射することができ、電界を高めることができる。【００１５】
この場合において、前記先端導体筒の開放端を、拡開することができる。これによって、電磁波による電界強度が最も高くなる位置が、中心電極の軸芯よりもさらに離れた位置で環状に発生し、中心電極の先端部分の溶損を有効に防止することができる。【００１６】
さらに、これらの場合において、前記先端導体筒の開放端に、高融点金属を配設することができる。これによって、先端導体筒の開放端の溶損を有効に防止することができる。【００１７】
本発明は、当該プラズマ発生装置を備えるプラズマ発生装置も含む。本発明のプラズマ発生装置は、
放電電圧を供給するための点火コイルと、
電磁波を発振する電磁波発振器と、
放電のためのエネルギと電磁波のエネルギとを混合する混合器と、
火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波を、燃焼反応又はプラズマ反応が行われる反応領域に導入する前記点火プラグを備える。これにより、本発明のプラズマ発生装置は、中心電極先端部分の溶損を有効に防止することができる点火プラグを用いて、反応領域に導入する電磁波（マイクロ波）の電力損失を低減することができる。その結果、点火プラグを長期間使用することを可能とするとともに、電磁波発振器を小型化することができる。【００１８】
なお、本発明の用語として、導体（連結導体筒）というときは、金属材料、例えば鉄、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ビスマス、鉛、スズ又はこれらを主体とした合金若しくはこれらの複合材料等を指し、誘電体（先端誘電筒）というときは、誘電材料、アルミナ（ＡＬ２Ｏ３）等を基材とするセラミックス等を指す。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、点火プラグの端子金具部から放電電流と電磁波を給電するように構成された点火プラグあっても、中心電極先端部分の溶損を有効に防止し、また供給する電磁波の電力損失を低減することができる。また、当該点火プラグを用いたプラズマ発生装置においては、電磁波発振器を小型化することができ、装置全体の小型化と低廉化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係る点火プラグを示し、（ａ）は一部断面図、（ｂ）は電極本体部の先端電極を分割した例の部分拡大断面図である。
【図２】同点火プラグの放電電流の電界強度と電磁波の電界強度を示すグラフである。
【図３】第２実施形態に係る点火プラグを示し、（ａ）は一部断面図、（ｂ）は電極本体部の一部拡大断面図である。
【図４】本発明に係るプラズマ発生装置の概略図である。
【図５】従来の点火プラグの放電電流の電界強度と電磁波の電界強度を示すグラフである。
【図６】第３実施形態に係る点火プラグを示し、（ａ）は一部断面図、（ｂ）、は先端導体筒と絶縁碍子の変形例を示す一部拡大断面図、（ｃ）、（ｄ）は先端導体筒の開放端の変形例を示す一部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
＜実施形態１＞
−点火プラグ−
本実施形態１は、本発明に係る点火プラグである。
【００２３】
図１に本実施形態１の点火プラグを示す。この点火プラグ１は、外部からの給電を受ける端子金具部２Ａ及びこの端子金具部２Ａと電気的に接続される電極本体部２Ｂとを備える中心電極２と、中心電極２の電極本体部２Ｂが嵌め込まれる軸孔３０が形成された絶縁碍子３と、この絶縁碍子３の周囲を囲むように配置された主体金具４と、この主体金具４の端面から延設され、中心電極２の電極本体部２Ｂとの間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する接地電極５とを備え、火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が、中心電極２の端子金具部２Ａに給電される。
【００２４】
そして、当該点火プラグ１は、電極本体部２Ｂが、接地電極５との間で火花放電を生じさせるための電極チップ部２５ａを備えた先端電極２５と、電極チップ部２５ａを覆う筒状の先端誘電筒２４と、先端誘電筒２４と端子金具部２Ａとを接合する筒状の連結導体筒２３とから構成され、電極チップ部２５ａの先端端面２５ｂが、先端誘電筒２４の接地電極側端面２４ａと略同一平面上又は先端誘電筒２４内に位置するようにしている。
【００２５】
絶縁碍子３は、周知の方法、例えば、高絶縁性と耐熱耐食性を有したアルミナ（ＡＬ２Ｏ３）等を基材とするセラミックスでアルミナ粉を静水圧プレスで成形し、砥石等で研削した後、１６００℃前後で焼成し絶縁碍子３製作する。中心電極２が嵌め込まれる軸孔３０には、後述する電極本体部２Ｂの連結導体筒２３の接地電極５側の端部を係止する段差部３０ａを形成する。
【００２６】
電極チップ部２５ａの先端端面２５ｂと、先端誘電筒２４の接地電極側端面２４ａとの位置決めは、電極チップ部２５ａを形成する先端電極２５の外周面に先端側が小径となる段差部を設けるとともに、先端誘電筒２４の内面に先端側が大径となる段差部を設け、先端電極２５の段差部を先端誘電筒２４の段差部に係合させることで行う。また、電極チップ部２５ａの先端部分は、高融点で耐酸化性の貴金属（例えば、白金合金やイリジウム）を用いることが好ましい。
【００２７】
連結導体筒２３は、金属製の導体であれば特に限定されないが、低インピーダンスの金属、例えば、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ビスマス、鉛、スズ又はこれらを主体とした合金若しくはこれらの複合材料又はこれらをコーティングした材料を用いる。特に、チタンコーティング材料を用いることが好ましい。
【００２８】
先端誘電筒２４は、絶縁碍子３と同様、高絶縁性と耐熱耐食性を有したアルミナ（ＡＬ２Ｏ３）等を基材とするセラミックスを用いることが好ましい。また、先端誘電筒２４の軸方向長さＬ１は、給電する電磁波（マイクロ波）の波長λとした場合、１／４λ以上の長さとすることが好ましい。この先端誘電筒２４は、連結導体筒２３の内径部分に嵌入することで先端誘電筒２４と接続するようにしているが、接続方法は特に限定されるものではない。
【００２９】
図１（ａ）においては、先端電極２５は、接地電極５側の端部が電極チップ部２５ａを構成し、他端部が直接、端子金具部２Ａと接続されている例を示すが、これに限られるものではない。
【００３０】
また、図１（ｂ）に示すように、絶縁碍子３の軸孔３０内面と、連結導体筒２３の外表面との間に所定の隙間を設けることが好ましい。そして、この隙間に、導電性混合粉末７０を充填し、ガラス軟化温度以上の温度（９００℃〜１０００℃）で封着し、中心電極２を絶縁碍子３に接合するようにしている。具体的には、中心電極２の電極本体部２Ｂを軸孔３０に挿通し、電極チップ部２５ａの先端端面２５ｂが、先端誘電筒２４の接地電極側端面２４ａと略同一平面上又は先端誘電筒２４内に位置させるとともに、先端誘電筒２４の接地電極側端面２４ａが絶縁碍子３の先端同一平面上に位置するように、軸孔３０の段差部３０ａに電極本体部２Ｂの連結導体筒２３の端部を係合させる。ついで、所定量の導電性混合粉末を、絶縁碍子３の軸孔３０内面と、連結導体筒２３の外表面との間に充填した後、ガラス軟化温度以上の温度で加熱し、連結導体筒２３（中心電極２）を絶縁碍子３に封着固定する。なお、本実施形態においては、導電性混合粉末は中心電極２を絶縁碍子３に接合するために用いるため、導電性粉末を含まないガラス粉末のみで構成しても構わない。
【００３１】
このように電極本体部２Ｂを構成することで、導体及び誘電体の表面を流れる性質の電磁波（マイクロ波）は、端子金具部２Ａ、連結導体筒２３、先端誘電筒２４の表面を流れ、先端誘電筒２４の接地電極側端面２４ａから接地電極５側に向けて放射され、電界強度のピーク部分は、中心電極２の軸芯からずれ、放電電流による電界強度のピーク部分から外れることとなる。この結果、中心電極２の先端部分である電極チップ部２５ａの溶損を有効に防止することができる。
【００３２】
端子金具部２Ａは、他端が電極本体部２Ｂと電気的に接続される軸状体である。また、端子金具部２Ａは、電極本体部２Ｂの先端電極２５とは端子金具部２Ａ端面で接続され、電極本体部２Ｂの連結導体筒２３とは電極本体部２Ｂの端部側面に段差部を設け、連結導体筒２３を嵌入することで接続するようにしているが、特に限定されるものではなく、電極本体部２Ｂと先端電極２５とは一体に形成しても構わない。
【００３３】
また、端子金具部２Ａの入力端子部に鍔部を設け、絶縁碍子３の端面に当接するように構成することもできるが、鍔部を設けることで、供給するマイクロ波の反射ポイントとなり、電力損失の一因となることから、端子金具は、図１に示すように、鍔部等の段差部を設けることなく、ストレート形状とすることが好ましい。また、図に示すように、端子金具部２５Ａは先端にねじ山を刻設し入力端子を螺合することもできる。本明細書においては、この入力端子とねじ山を刻設した部分の両方を端子金具部２Ａとよぶ。
【００３４】
主体金具４は、略円筒状の金属製ケースである。主体金具４は、絶縁碍子３の外周を支持して、絶縁碍子３を収容する。主体金具４の先端部の内周面は、絶縁碍子３の先端部の外周面との間に隙間を存して離間している。主体金具４の先端側の外周面には、内燃機関へ取り付けるための取付構造として雄ネジ部４１が形成されている。点火プラグ１は、主体金具４の雄ネジ部４１をシリンダヘッドのプラグホールの雌ネジ部（図示省略）に螺合させることにより、シリンダヘッドにねじ込み固定される。主体金具４の上部には、プラグレンチが嵌め込まれるレンチ嵌合部４０が形成されている。なお、主体金具４のレンチ嵌合部４０と絶縁碍子３の間にはシール部材として粉末状のタルク（滑石）が充填され、端部が加締られている。
【００３５】
接地電極５は、中心電極２との間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する。接地電極５は、接地電極本体部５ｂと接地電極チップ部５ａとから構成されている。接地電極本体部５ｂは、曲板状の導体である。接地電極本体部５ｂは、一端側が主体金具４の先端面に接合されている。接地電極本体部５ｂは、主体金具４の先端面から点火プラグ１の軸心に沿って延びて内側へ略９０°折れ曲がり、接地電極チップ部５ａが設けられた先端側が電極本体部２０の先端に設けられた電極チップ部２５ａと対面している。
【００３６】
上記構成において、当該点火プラグ１は、端子金具部２Ａから給電される火花放電のための放電電流が、電極本体部２Ｂの中心を流れ、電極チップ部２５ａと接地電極チップ部５ａとの間、即ちギャップ部で火花放電（スパーク放電）を生じさせる。そして、火花放電にエネルギとして供給される電磁波（マイクロ波）は、連結導体筒２３、先端誘電筒２４を介して、先端誘電筒２４の接地電極側端面２４ａから中心電極の軸芯を囲うように環状に放出され、中心電極２の軸芯部分での高温化を防止する。
【００３７】
−実施形態１の効果−
【００３８】
本実施形態の点火プラグは、図２に示すように、火花放電のための放電電流は中心電極の軸芯を、火花放電にエネルギとして供給される電磁波は、中心電極の軸芯を囲う環状に放出されるから、中心電極２の先端（電極チップ部２５ａの先端）と接地電極５との間（図１に示す一点鎖線Ｅ上）における、放電電流及び電磁波によって生じる電界強度は、放電電流による電界強度は中心電極２の軸芯が最も高くなるものの、電磁波による電界強度は、中心電極２の軸芯よりも外側（軸芯を中心とした環状）で最も高くなり、高温となる部分が中心電極２の軸芯部分に集中することがなく、中心電極２の先端部分である電極チップ部２５ａ先端の溶損を有効に防止することができる。また、供給する電磁波の電力損失を低減する点火プラグを提供することができる。
【００３９】
−実施形態１の変形例１−
実施形態１の変形例１では、先端電極２５を電極チップ部本体２５Ａと連結体２５Ｂとに分割して構成する。具体的には、図１（ｂ）に示すように、先端電極２５は、電極チップ部２５ａを備える電極チップ部本体２５Ａと、端子金具部２Ａと接続される連結体２５Ｂとに分割して構成し、対向する端面間に銅・タングステン混合粉末、クロム・ニッケル混合粉末又はチタン・ニッケル混合粉末に導電性ガラス粉末を加えた粉末（以下、導電性混合粉末７０という。）を介在させ、ガラス軟化温度以上の温度（９００℃〜１０００℃）で封着することもできる。また、抵抗体組成用粉末７１（ガラス粉末と金属粉末やカーボン粉末とを混合した複合粉末材料）のみ、又は抵抗体組成用粉末７１と導電性混合粉末７０とを充填し、ガラス軟化温度以上の温度で加熱して、先端電極２５、先端誘電筒２４及び連結導体筒２３を封着固定するようにしても構わない。
【００４０】
ところで、自動車用内燃機関においては、火花放電の際に生じるノイズが自動車の電子機器に影響を与えることを防止（電雑防止）する観点から、パルス電圧印可用の点火コイルのプラグコードやプラグキャップに抵抗体を備えるようにしている。また、プラグコードやプラグキャップに抵抗体を備えるよりも安価な方法として、点火プラグの内部に抵抗体を備えているものが汎用されており、近年点火プラグに内包する抵抗体は、モノリシックタイプと呼ばれるガラス粉末と金属粉末やカーボン粉末とを混合した複合粉末材料を、中心電極の電極本体部と端子金具部との間に充填し、ガラス軟化温度以上の温度（９００℃〜１０００℃）で封着して形成するようにしている。実施形態１の変形例１に係る当該点火プラグ１は、抵抗体組成用粉末７１を充填することで、点火プラグよりも上流側で抵抗を配設しなくても放電電流を印可する際の電雑を防止することができる。
【００４１】
なお、電極チップ部本体２５Ａと連結体２５Ｂとの対向する端面間に、抵抗体を介在させない場合には、点火コイルのプラグコードやプラグキャップに抵抗体を備えるようにする。
【００４２】
＜実施形態２＞
−点火プラグ−
本実施形態２は、本発明に係る点火プラグである。この点火プラグは、実施形態１の点火プラグと比べて、中心電極の構造が異なる。絶縁碍子３、主体金具４、接地電極５等、実施形態１と同様の構成については説明を省略する。
【００４３】
図３に本実施形態２の点火プラグを示す。この点火プラグ１は、実施形態１と同様、外部からの給電を受ける端子金具部２Ａ及びこの端子金具部２Ａと電気的に接続される電極本体部２Ｂとを備える中心電極２と、中心電極２の電極本体部２Ｂが嵌め込まれる軸孔３０が形成された絶縁碍子３と、この絶縁碍子３の周囲を囲むように配置された主体金具４と、この主体金具４の端面から延設され、中心電極２の電極本体部２Ｂとの間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する接地電極５とを備え、火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が、中心電極２の端子金具部２Ａに給電される。
【００４４】
そして、電極本体部２Ｂは、端子金具部２Ａと接続される接続導体２１と、この接続導体２１の反端子金具部側と連結される連結導体筒２３と、この連結導体筒２３の内径側に嵌入される先端誘電筒２４と、この先端誘電筒２４に嵌挿される電極チップ部２５ａとから構成され、電極チップ部２５ａの先端端面２５ｂが、先端誘電筒２４の接地電極側端面２４ａと略同一平面上又は先端誘電筒２４内にあるとともに、接続導体２１と先端電極２５とは抵抗体又は導体を介して接続するようにしている。
【００４５】
中心電極２を構成する各導体は、金属製の導体であれば特に限定されないが、低インピーダンスの金属、例えば、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ビスマス、鉛、スズ又はこれらを主体とした合金若しくはこれらの複合材料又はこれらをコーティングした材料を用いる。特に、チタンコーティング材料を用いることが好ましい。
【００４６】
次に、電極本体部２Ｂの構成を説明する。電極本体部２Ｂは、上述したように、接続導体２１、連結導体筒２３、先端誘電筒２４及び電極チップ部２５ａから構成される。電極チップ部２５ａは、外周面に先端側が小径となるような段差部を設け、先端誘電筒２４の先端側の内面に形成した先端側が大径となる段差部に係合させる。このとき、電極チップ部２５ａの先端端面２５ｂが、前記先端誘電筒２４の接地電極側端面２４ａと略同一平面上又は先端誘電筒２４内に位置するように段差部の位置を決定する。電極チップ部２５ａの先端部分は実施形態１と同様、高融点で耐酸化性の貴金属（例えば、白金合金やイリジウム）を用いることが好ましい。また、先端誘電筒２４は、実施形態１と同様、高絶縁性と耐熱耐食性を有したアルミナ（ＡＬ２Ｏ３）等を基材とするセラミックスを用いることが好ましい。また、先端誘電筒２４の軸方向長さＬ２は、給電する電磁波（マイクロ波）の波長λとした場合、１／４λ以上の長さとすることが好ましい。先端誘電筒２４の他端側の外周面に連結導体筒２３の貫通孔を嵌入する。この状態で、先端誘電筒２４及び連結導体筒２３内に抵抗体組成用粉末７１又は導電性混合粉末７０を充填する。そして、連結導体筒２３の貫通孔に接続導体２１を嵌入する。その後、ガラス軟化温度以上の温度（９００℃〜１０００℃）で接続導体２１、連結導体筒２３、先端誘電筒２４及び電極チップ部２５ａを封着し、一体に成形する。なお、一体に成形する方法はこれに限られるものではない。
【００４７】
接続導体２１と電極チップ部２５ａとは、抵抗体組成用粉末７１又は導電性混合粉末７０が軟化・封着することで電気的に接続されるように構成されているが、接続導体２１と電極チップ部２５ａとを軸状の導体やコイル状のバネで連結しても構わない。なお、接続導体２１と電極チップ部２５ａとを、抵抗体組成用粉末７１が軟化・封着することで構成される抵抗体によって接続することで、上述した自動車用内燃機関における電雑防止を有効に行うことができる。
【００４８】
接続導体２１は、後述する絶縁碍子３の内面に形成した段差部３０ａに係合するために、反電極チップ部側に大径の段差部を形成している。また、この大径段差部の端面には端子金具部２Ａの先端と接続するために接続手段を形成するようにしている。この接続手段は、例えば、端子金具部２Ａの先端に外周面に形成した雄ねじが螺合するための雌ねじを形成した孔部とすることができる。また、接続導体２１と端子金具部２Ａとを一体に形成するようにしても構わない。
【００４９】
次に、一体に成形した電極本体部２Ｂを先端誘電筒２４の接地電極側端面２４ａが絶縁碍子３の先端同一平面上に位置するように、軸孔３０の段差部３０ａに接続導体２１の大径の段差部を係合させる。ついで、所定量の導電性混合粉末を、大径段差部よりも下方の電極チップ部２５ａ側に充填した後、ガラス軟化温度以上の温度で加熱し、電極本体部２Ｂを絶縁碍子３に封着固定する。なお、本実施形態においては、導電性混合粉末は電極本体部２Ｂを絶縁碍子３に接合するために用いるため、導電性粉末を含まないガラス粉末のみで構成しても構わない。また、電極本体部２Ｂの固定方法はこれに限られるものではない。
【００５０】
上記構成において、実施形態２に係る当該点火プラグ１は、端子金具部２Ａから給電される火花放電のための放電電流が、電極本体部２Ｂの中心を流れ、電極チップ部２５ａと接地電極チップ部５ａとの間、即ちギャップ部で火花放電（スパーク放電）を生じさせる。そして、火花放電にエネルギとして供給される電磁波（マイクロ波）は、連結導体筒２３、先端誘電筒２４を介して、先端誘電筒２４の接地電極側端面２４ａから中心電極２の軸芯を囲うように環状に放出され、中心電極２の軸芯部分での高温化を防止する。
−実施形態２の効果−
【００５１】
本実施形態の点火プラグは、実施形態１と同様に、放電電流及び電磁波によって生じる電界強度は、放電電流による電界強度は中心電極２の軸芯が最も高くなるものの、電磁波による電界強度は、中心電極２の軸芯よりも外側（軸芯を中心とした環状）で最も高くなり、高温となる部分が中心電極２の軸芯部分に集中することがなく、中心電極２の先端部分である電極チップ部２５ａ先端の溶損を有効に防止することができる。また、供給する電磁波の電力損失を低減する点火プラグを提供することができる。また。電極本体部２Ｂをユニット化して構成したから点火プラグの製造工程を短縮化することができる。
【００５２】
＜実施形態３＞
−点火プラグ−
本実施形態３は、本発明に係る点火プラグである。この点火プラグは、実施形態１の点火プラグと比べて、電極本体部２Ｂの構造が異なる。絶縁碍子３、主体金具４、接地電極５等、実施形態１と同様の構成については説明を省略する。
【００５３】
図６に本実施形態３の点火プラグを示す。この点火プラグ１は、外部からの給電を受ける端子金具部２Ａ及びこの端子金具部２Ａと電気的に接続される電極本体部２Ｂとを備える中心電極２と、中心電極２の電極本体部２Ｂが嵌め込まれる軸孔３０が形成された絶縁碍子３と、この絶縁碍子３の周囲を囲むように配置された主体金具４と、この主体金具４の端面から延設され、中心電極２の電極本体部２Ｂとの間に火花放電が生じる放電ギャップを形成する接地電極５とを備え、火花放電のためのパルス電圧及び火花放電にエネルギとして供給される電磁波が、中心電極２の端子金具部２Ａに給電される。
【００５４】
そして、中心電極２の電極本体部２Ｂは、端子金具部２Ａの外径より小径で端子金具部２Ａの端面中心部から延設される主中心電極２６と、端子金具部２Ａの外径と略同径で主中心電極２６を覆う筒状の導体筒２８とから構成されている。この導体筒２８は、端子金具部２Ａと電気的に接続される後端導体筒２８Ａ及び一端が後端導体筒２８Ａと電気的に接続され、他端が接地電極５の近傍に位置する先端導体筒２８Ｂから構成されている。
【００５５】
絶縁碍子３と中心電極２との接合は、特に限定するものではないが、端子金具部２Ｂと後端導体筒２８Ａの接合部分の外周面（後端導体筒２８Ａの外周面）と軸孔３０内周面との間に接着部材、例えばセラミック接着剤によって接合する。また、接合した絶縁碍子３及び中心電極２と主体金具４との接合も、特に限定するものではないが、絶縁碍子３及び中心電極２と主体金具４との接触箇所を接着部材、例えばセラミック接着剤によって接合する。さらに、主体金具４の上端側（反接地電極側）と絶縁碍子との隙間４３にはタルクを充填し、上端部を内側に屈曲させる（カシメ）ことによって強固に接合し、燃焼室からのガスの外部への漏れを防止するシール構造とすることが好ましい。
【００５６】
主中心電極２６は、後端導体筒２８Ａと先端導体筒２８Ｂとの接続部分で筒状のインシュレータ（絶縁体）２７を介して保持される。また、主中心電極２６の後端導体筒２８Ａに覆われる部分の適所に抵抗体Ｒを介在させる。これによって、上述した自動車用内燃機関における電雑防止を有効に行うことができる。
【００５７】
また、供給する電磁波の周波数をλとした場合、先端導体筒２８Ｂと主中心電極２６との環状の隙間の軸方向の長さをλ／４とするとともに、後端導体筒２８Ａと主中心電極２６との環状の隙間の軸方向の長さをλ／２とし、後端導体筒２８Ａと主中心電極２６との環状の隙間を仮想グランドの共振構造とすることで、先端導体筒２８Ｂと主中心電極２６との環状の隙間を長さλ／４の先端共振構造としている。これによって、後端導体筒２８Ａ及び先端導体筒２８Ｂの表面を流れる電磁波のうち、先端導体筒２８Ｂの開放端面から燃焼室内に向かって放射されずに先端導体筒２８Ｂと主中心電極２６との環状の隙間に流れ込む電磁波を、先端共振構造によって強制的に燃焼室内に放射することができ、電界を高めることができる。
【００５８】
また、主中心電極２６は、後端導体筒２８Ａに覆われる部分と先端導体筒２８Ｂに覆われる部分とにおいて、先端導体筒２８Ｂに覆われる部分の外径を後端導体筒２８Ａに覆われる部分の外径より小径とすることが好ましい。これによって、先端共振構造の容積を確保することができるとともに、先端共振構造のインピーダンスを後端導体筒２８Ａと主中心電極２６との環状の隙間が形成する仮想グランドの共振構造のインピーダンスよりも高めることができる。
【００５９】
主中心電極２６の先端の電極チップ部２６ｂは先端導体筒２８Bの開放端面よりも突出し、さらに放電しやすいように尖端状とすることが好ましい。このように構成することで、先端導体筒２８Bと接地電極５までの距離は、電極チップ部２６ｂと接地電極５との距離よりも長くなり、印可される高電圧は、先端導体筒２８Bの先端部分と接地電極５間において火花放電を起こすことはない。
【００６０】
また、図６（ｂ）に示すように、先端導体筒２８Ｂの接地電極５側の端部を主体金具４の接地電極５側の端部の位置に合わせるとともに、先端導体筒２８Ｂの外周面と主体金具４の内周面とで構成される空間の軸方向の長さをλ／４とすることで、先端導体筒２８Ｂの外周面と主体金具４の内周面とで構成される空間をλ／４の共振構造とすることができる。これによって、先端導体筒２８Ｂの開放端（接地電極５側の端部）から放射される電磁波の電界強度を高めることができる。
【００６１】
−実施形態３の効果−
本実施形態の点火プラグは、先端共振構造によって、後端導体筒及び先端導体筒の表面を流れる電磁波のうち、先端導体筒の開放端面から燃焼室内に向かって放射されずに先端導体筒と主中心電極２６との環状の隙間に流れ込む電磁波を、先端共振構造によって強制的に燃焼室内に放射することができ、電界を高めることができる。また、実施形態１、２と同様に、放電電流による電界強度は主中心電極２６の軸芯が最も高くなるものの、電磁波による電界強度は、主中心電極２６の軸芯よりも外側（軸芯を中心とした環状）で最も高くなり、高温となる部分が主中心電極２６の軸芯部分に集中することがなく、主中心電極２６の先端部分である電極チップ部２６ａ先端の溶損を有効に防止することができる。
【００６２】
−実施形態３の変形例１−
実施形態３の変形例１では、図６（ｃ）に示すように、先端導体筒２８Ｂの開放端（接地電極５側）を、拡開するようにしている。拡開した拡開部は、特に限定するものではないが、図６（ｃ）に示すように、中心電極２の軸芯に対して直角に拡開したり、図６（ｄ）に示すように、中心電極２の軸芯に対して所定角度αを形成するようにしたりすることができる。角度αは特に限定するものではないが、１０°から８０°の範囲、好ましくは３０°から６０°の範囲とする。これによって、電磁波による電界強度が最も高くなる位置が、中心電極２（主中心電極２６）の軸芯よりもさらに離れた位置で環状に発生し、中心電極２の先端部分（電極チップ部２６ａ）の溶損を有効に防止することができる。また、生成されるプラズマを、点火プラグ１の軸芯部分からシリンダ壁面に向かって容易に拡大させることができる。
【００６３】
また、先端導体筒２８Ｂの開放端に、高融点金属２９を配設することができる。具体的には、図６（ｄ）に示すように、拡開した先端導体筒２８Ｂの開放端の外表面に、絶縁碍子３の端面に当接するように高融点金属２９を接合（例えば、溶接、蝋付け等）するようにしている。また、図６（ｅ）に示すように、先端導体筒２８Ｂの開放端を拡開することなく、高融点金属２９を拡開部として用いることもできる。先端導体筒２８Ｂの開放端に高融点金属２９を配設することで、先端導体筒２８Ｂに生じる熱（プラズマの生成によって発生する熱）を絶縁碍子３側に逃がし、先端導体筒２８Ｂの開放端の溶損を有効に防止することができる。
【００６４】
＜実施形態４＞
−プラズマ発生装置−
本実施形態におけるプラズマ発生装置１００は、図４に示すように、制御装置１１０、高電圧パルス発生装置１２０、電磁波発振器１３０、混合器１４０及び当該点火プラグ１を備える。高電圧パルス発生装置１２０は、直流電源１２１及び点火コイル１２２からなる。高電圧パルス発生装置１２０及び電磁波発振器１３０のそれぞれから発振されたエネルギは、混合器１４０を介して当該点火プラグ１に伝達される。混合器１４０は、高電圧パルス発生装置１２０及び電磁波発振器１３０から与えられたエネルギを、時間を隔てて混合する。
【００６５】
混合器１４０において混合されたエネルギは、点火プラグ１に供給される。点火プラグ１に供給された高電圧パルスのエネルギは点火プラグ１の中心電極２の電極チップ部２５ａと接地電極チップ部５ａとの間、即ちギャップ部で火花放電（スパーク放電）を生じさせる。また、電磁波発振器１３０から発振された電磁波（マイクロ波）のエネルギは、上記スパーク放電により生じた放電プラズマを拡大・維持させる。制御装置１１０は、直流電源１２１、点火コイル１２２及び電磁波発振器１３０を制御して、当該点火プラグ１からの放電及びマイクロ波エネルギ投入のタイミング、強度等を調節し、所望の燃焼状態を実現する。
【００６６】
−高電圧パルス発生装置−
高電圧パルス発生装置１２０は、直流電源及び点火コイル１２２を備えている。点火コイル１２２は、直流電源１２１に接続されている。点火コイル１２２は、制御装置１１０から点火信号を受けると、直流電源１２１から印加された電圧を昇圧する。昇圧後のパルス電圧（高電圧パルス）は、共振器１５０、混合器１４０を介して当該点火プラグ１に出力される。
【００６７】
制御装置１１０は、点火コイル１２２への信号をオフにするタイミングから所定時間遅れたタイミングでマイクロ波が発生するよう制御する。これにより放電で生じイオン化した気体群、即ちプラズマに対してマイクロ波エネルギが効率よく与えられ、プラズマが拡大膨張する。
【００６８】
−電磁波発振器−
電磁波発振器１３０は、制御装置１１０から電磁波駆動信号を受けると、所定の発振パターンで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。電磁波発振器１３０では、半導体発生装置がマイクロ波パルスを生成する。なお、半導体発生装置の代わりに、マグネトロン等の他の発生装置を使用してもよい。これによりマイクロ波パルスは混合器１４０に出力される。
【００６９】
電磁波発振器１３０を１つの点火プラグ１（１の気筒）に対して、１台配設した例を示すが、複数の気筒（例えば、４気筒内燃機関）の場合、１つの電磁波発振器１３０から分岐手段（図示省略）を使用して各プラズマ発生装置１００にマイクロ波パルスを分岐して出力するように構成することが好ましい。この場合、分岐手段（例えば、スイッチ等）を通過することでマイクロ波は減衰することとなる。そのため電磁波発振器１３０からの出力は低出力（例えば１Ｗ）とし、各プラズマ発生装置１００において混合器１４０への入力前に増幅器（図示省略）を通過させるようにすることが好ましい。つまり、図４に示す電磁波発振器１３０の位置には増幅器（例えばパワーアンプ等）を配設するように構成することが好ましい。
【００７０】
共振器１５０は、混合器１４０から点火コイル１２２側へ漏洩しようとするマイクロ波を共振させる例えば、空洞共振器である。マイクロ波を共振器１５０内で共振させることにより点火コイル１２２側への漏洩を抑制することができる。
【００７１】
上記構成のプラズマ発生装置１００は、内燃機関の燃焼室へ火花放電（スパーク放電）と電磁波（マイクロ波）を放射する点火プラグとして、実施形態１又は実施形態２の点火プラグ１を用いるから、電極チップ部２５ａの溶損を大幅に低減し、長期間に亘って使用することができるとともに、電力損失を大幅に低減することができる。その結果、点火プラグの交換頻度を低減させる。また、電磁波発振器１３０の容量の小型化を図ることができ、装置全体の小型化と低廉化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上説明したように、本発明によると、火花放電のための放電電流は、中心電極の中心を通り、火花放電にエネルギとして供給される電磁波（マイクロ波）は、先端誘電筒の接地電極側端面から中心電極の軸芯を囲うように環状に放出され、中心電極の軸芯部分での高温化を防止することができるから、火花放電のための放電電圧及び火花放電にエネルギとしてマイクロ波を供給するプラズマ発生装置に好適に用いることができる。これらの結果、本発明のプラズマ発生装置を用いた自動車エンジン等の内燃機関は、同一の点火プラグを長期間使用することができる。その結果、本発明のプラズマ発生装置を用いた内燃機関として、自動車、飛行機、船舶等に広く使用することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１      点火プラグ
２      中心電極
２Ａ    端子金具部
２Ｂ    電極本体部
３      絶縁碍子
３０    軸孔
４      主体金具
５      接地電極
５ａ    接地電極チップ部
５ｂ    接地電極本体部
２１    接続導体
２３    連結導体筒
２４    先端誘電筒
２４ａ  接地電極側端面
２５    先端電極
２５ａ  電極チップ部
２５Ａ  電極チップ部本体
２５ｂ  先端端面
２５Ｂ  連結体
２６    主中心電極
２７    インシュレータ
２８    導体筒
２８Ａ  後端導体筒
２８Ｂ  先端導体筒
１００  プラズマ発生装置
１１０  制御装置
１２０  高電圧パルス発生装置
１２１  直流電源
１２２  点火コイル
１３０  電磁波発振器
１４０  混合器
１５０  共振器
【図１】
2015016337.tif 000003
【図２】
2015016337.tif 000004
【図３】
2015016337.tif 000005
【図４】
2015016337.tif 000006
【図５】
2015016337.tif 000007
【図６】
2015016337.tif 000008
【国際調査報告】
2015016337.tif 000009
2015016337.tif 000010
2015016337.tif 000011