(57)【要約】【課題】  電磁波共振構造を採用した点火プラグにおいて、気密性を確保する。【解決手段】  外部回路からの電磁波が入力される入力部と、電磁波共振構造により電磁波を昇圧し、軸方向の長さが前記電磁波の波長の４分の１に設定された昇圧部と、昇圧部の出力側に配備された放電部と、外部回路を伝送する電磁波と、昇圧部を伝送する電磁波のインピーダンス整合を行う結合部と、気密性を保持するシール材を備え、シール材が、昇圧部と結合部の境界近傍に配備される。【選択図】図１
2016142183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部回路からの電磁波が入力される入力部と、
電磁波共振構造により電磁波を昇圧し、軸方向の長さが前記電磁波の波長の４分の１に設定された昇圧部と、
昇圧部の出力側に配備された放電部と、
外部回路を伝送する電磁波と、昇圧部を伝送する電磁波のインピーダンス整合を行う結合部と、
気密性を保持するシール材を備え、
シール材が、昇圧部と結合部の境界近傍に配備されることを特徴とする点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点火装置に関し、特に気密性を有する電磁波共振構造による点火プラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
出願人は、内燃機関での燃焼にマイクロ波技術を応用することにより、空燃比の改善を図る技術の開発を進めてきた（例えば特許文献１）。特許文献１では、スパークプラグを用いて燃料に点火したのち、マイクロ波を照射することで点火した火炎を拡大する技術が開示されている。
【０００３】
更に出願人は、入力されたマイクロ波を昇圧させて放電を生じさせる、マイクロ波共振構造を利用した点火プラグを開発した（特許文献２、３）。この点火プラグでは、マイクロ波を電源として用いるので、高速かつ継続的な放電を生じさせることができ、任意のタイミングで非平衡プラズマを生じさせることができる。これは、従来のスパークプラグでは実現できなかったことであり、この新しい点火プラグを用いることで、空燃比を改善することができている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８７６２１７号公報
【特許文献２】特願２０１３−１７１７８１
【特許文献３】特願２０１４−１６８５４０
【特許文献４】特願２０１４−２４７５００
【特許文献５】米国特許７９６３２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献２ないし４の点火プラグを圧縮比が高い内燃機関に装着して使用するためには、気密性が不十分であった。特に、上記の点火プラグでは、マイクロ波共振構造を採用しているため、電気的特性も考慮してシール材の配置を決める必要がある。
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の点火装置は、外部回路からの電磁波が入力される入力部と、電磁波共振構造により電磁波を昇圧し、軸方向の長さが前記電磁波の波長の４分の１に設定された昇圧部と、昇圧部の出力側に配備された放電部と、外部回路を伝送する電磁波と、昇圧部を伝送する電磁波のインピーダンス整合を行う結合部と、気密性を保持するシール材を備え、シール材が、昇圧部と結合部の境界近傍に配備されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電磁波共振構造を採用した点火プラグにおいて、気密性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】点火装置１の構成を示す一部断面の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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、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。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、点火装置１の構成を示す図である。この点火装置１は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関のシリンダヘッドの取付口に挿入され、燃料を点火する、一種の点火プラグとして機能する。点火装置１は、通常のスパークプラグと同様、シリンダヘッドの中心部に配置される。又、火炎伝播距離、初期燃焼期間、主燃焼期間等の短縮を目的とした多点点火のための補助点火装置として用いる場合（例えば、本出願人による特許文献４参照）、点火装置１は、シリンダヘッドの周辺部（例えば、排気／吸気ポート間、排気／排気ポート間、吸気／吸気ポート間）に複数設けるようにしてもよい。図１を参照して、点火装置１は、大きくは、入力部１ａ、結合部１ｂ、共振部１ｃに分かれる。入力部１ａには、発振器等の外部回路からマイクロ波が入力される。結合部１ｂでは、外部回路と共振部１ｃのインピーダンス整合を行う。特にマイクロ波の周波数帯域でのインピーダンス整合を行うことを目的とした容量結合を行う。共振部１ｃは、マイクロ波共振構造からなり、マイクロ波の昇圧を行う共振部１ｃに分かれる。共振部１ｃの先端部には放電電極１６が配備される。また、点火装置１の各部分はケース１１に収容される。ケース１１は、接地電極も兼ねており、点火装置１は、共振部１ｃで昇圧されたマイクロ波が、放電電極１６とケース１１の間で放電を行う構成となっている。
【００１２】
入力部１ａには、外部の発振回路で生成されたマイクロ波を伝送する同軸ケーブルが接合される入力端子１２、入力端子１２から入力されたマイクロ波を先端部へ伝送する第１中心電極１３が設けられる。第１中心電極１３とケース１１の間には誘電体２１が設けられる。
【００１３】
結合部１ｂには、第１中心電極１３、第２中心電極１４が設けられる。第２中心電極１４は、共振部１ｃ側が底部となる筒状部１８を有し、第１中心電極１３はこの筒状部１８に挿入される。つまり、棒状の第１中心電極１３と筒状の第２中心電極１４の筒部内壁は対向しており、この対向部分において第１中心電極１３からのマイクロ波が容量結合により第２中心電極１４へ伝送される。第２中心電極１４とケース１１の間にも誘電体２２が設けられる。なお、仮に、外部回路（同軸ケーブルのインピーダンスを５０Ω、共振部１ｃのインピーダンスを１０Ωとした場合、虚数成分を無視して単純に考えた場合、結合部１ｂのインピーダンスはおおよそ２０Ω程度に設計すればよい。
【００１４】
ここで、結合部１ｂのインピーダンスは、（１）第２中心電極１４の筒状部分の内壁と、その筒状部分に挿入される第１中心電極１３との位置関係（両電極間の距離や対向面積）、（２）第２中心電極１４とケース１１の位置関係（両社間の距離や対向面積）、（３）第２中心電極１４とケース１１の間に充填される誘電体２３の材料などで決まる。
【００１５】
共振部１ｃには、第３中心電極１５が設けられる。また、第３中心電極１５の先端側周囲には円筒状の誘電体２３が配備される。一方、第３中心電極１５の後端側とケース１１の間には誘電体２３等は設けられておらず、環状空間である。第３中心電極１５は第２中心電極１４と接続しており、第２中心電極１４のマイクロ波を放電電極１６に伝送する。第３中心電極１５は、マイクロ波のおおよそ４分の１波長の長さとなるように設計される。ここで、マイクロ波の４分の１波長とは、単に光速を周波数で除した値の４分の１の長さを指す訳ではなく、第３中心電極１５の屈折率や、第３中心電極１５の隣接部材である誘電体２３の屈折率などを加味し、第３中心電極１５を伝播するマイクロ波が実質的に４分の１波長となるような長さを指す。換言すれば、第３中心電極１５の後端側にマイクロ波の節が来るようにした場合に、第３中心電極１５の先端側にマイクロ波の腹が位置するような場合、第３中心電極１５の長さはマイクロ波の４分の１波長に相当すると言える。繰り返しになるが、第３中心電極１５の後端側にマイクロ波の節が位置し、先端側にマイクロ波の腹が来るように設計すれば、第３中心電極１５の先端側に配置される放電電極１６の電位を大きくすることができ、放電電極１６とケース１１の間に高電圧を生じさせて放電を起こさせることができる。
【００１６】
なお、共振部１ｃは、リアクタンス成分Ｌとしては、主として第３中心電極１５のコイル成分で定義され、キャパシタンス成分Ｃとしては、主として第３中心電極１５、放電電極１６及びケース１１で形成される容量で定義されると考えられる。具体的には、（１）放電電極１６の形状、大きさ及びケース１１との距離、（２）第３中心電極１５とケース１１との距離、（３）第３中心電極１５とケース１１の間に設けた間隙（空気層）１７や誘電体２４の長さの比率、等で決まると考えられる。そして、このＬとＣで規定される仮想的な等価回路がマイクロ波の周波数帯域において共振するよう、共振部１ｃが設計される。
【００１７】
上述のように点火装置１は、共振器による昇圧方式により、電源電圧（点火装置１に入力されるマイクロ波の電圧Ｖ１）よりも高い電圧Ｖｃ３を生成する。これにより、放電電極１６と接地電極（ケース１１）間に放電が生じる。放電電圧が、その近辺のガス分子のブレークダウン電圧を超えると、ガス分子から電子が放出されて非平衡プラズマが生成され、燃料が点火する。
【００１８】
なお、点火装置１では、ケース１１、各中心電極１２、１３、１４は、例えばタングステン、モリブデン、黄銅、ステンレス（ＳＵＳ）、黄タンタル、ベリリウム銅などの導電性の金属で構成することができる。なお、例えばこれら全ての部材に同じ材料（例えばタングステン）を用いてもよいし、用途に応じて適宜使い分けてもよい。但し、どの材料を用いる場合であっても、本願発明の範疇に属する。
【００１９】
また、誘電体２１、２２、２３はセラミック（アルミナ）、ステアタイト、窒化ケイ素などを用いることができる。
【００２０】
結合部１ｂの先端側には、点火装置１の気密性を確保するためのシール材３１、３２、３３が設けられる。シール材３１は、誘電体２２とケース１１の間に、パイプ状の誘電体２２の外周を取り巻くように設けられる。シール材３２は、第２中心電極１４の底面に配備され、かつ、第３中心電極１５の外周を取り巻くリング形状である。なお、シール材の材質としては、ロウ材（金ロウ、銀ロウなど）、メタライズ材、接着剤、ガラス材などを用いることができる。また、シール材の脱落や抜けを防止するために、シール材が配置される電極表面又は誘電体の表面は粗面、又は溝形状とし、その中にシール材を充填するようにしてもよい。
【００２１】
このように点火装置１では、結合部１ｂの先端側、つまり、結合部１ｂと共振部１ｃの境界近傍にシール材を配備している。上述のように、点火装置１では、結合部１ｂと共振部１ｃの境界近傍にマイクロ波の節が来るようにして、電位が低く（ゼロに）なるようにしている。従って、この領域にシール材を配置すれば、マイクロ波の特性（損失や位相）に対する影響は小さくて済む。
【００２２】
また、仮にシール材をこの位置よりも先端側に配置した場合、シール材料の耐熱性の問題がある。例えば、600℃の高温にも対応可能とされる銀ロウを用いたとしても、先端側だと瞬時ではあるが1000℃を超える温度に晒される場合もあり、耐熱性の点で不十分である。これに対し、結合部１ｂと共振部１ｃ近傍であれば、300℃程度の温度に対応可能であれば良いと考えられるので、材料の選択幅が広がる。なお、更に後方側にシール材を配置すれば、耐熱性のハードルは下がるが、その分、気泡が点火装置１内、特に結合部１ｂの内部に侵入するので、点火装置１の電気特性（周波数特性）に影響を与える恐れがある。更には、気泡の侵入により、結合部１ｂの部材間（誘電体と電極間）が高圧になり、点火装置１自体が破損する恐れもある。従って、耐熱性や、電気的／機械的特性の観点からの結合部１ｂの先端側にシール材を配置することが適している。
【００２３】
また、２．４５ＧＨｚ帯の周波数を使用するため、コンデンサの容量が小さく済み、点火装置１は、小型化に有利である。また、昇圧方式を採用する結果、点火装置１のうち、放電電極１６の近傍のみが高電位となるので、アイソレーションの点でも優れる。これらの点において、本発明の点火装置は、従来の共振構造の点火装置（例えば、特許文献５）よりも優れている。
【００２４】
なお、点火装置１は、マイクロ波により駆動するので、放電もマイクロ波（ＧＨｚ）の周期で行われる。従って、発生したラジカルが死滅する前に、次の放電が行われるから、発生したＯＨラジカル等は死滅せず維持される。これに対し、従来のスパークプラグでは、高周波でのスパークのＯＮ／ＯＦＦを行うことができないため、一端発生したラジカルはすぐに死滅してしまう。従って、従来のスパークプラグを用いた場合、上記のような作用効果を奏することはできない。
【００２５】
以上、本発明の実施形態について説明した。本発明の範囲はあくまでも特許請求の範囲に記載された発明に基づいて定められるものであり、上記実施形態に限定されるべきものではない。
【００２６】
例えば、本発明が対象とする点火装置は、上述の点火装置１に限られず、電磁波共振構造を採用した点火装置であれば、他の態様であってもよい。また、点火装置１はマイクロ波により動作するものとしているが、他の帯域を有する電磁波を使用するものでも良い。
【符号の説明】
【００２７】
１    点火装置
１ａ  入力部
１ｂ  結合部
１ｃ  共振部
１１  ケース（接地電極）
１２  マイクロ波入力端子
１３  第１中心電極
１４  第２中心電極
１５  第３中心電極
１６  放電電極
１７、１８  空間
２１、２２、２３    誘電体
【図１】
2016142183.tif 000003
【図２】
2016142183.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成27年3月17日(2015.3.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
【図１】点火装置１の構成を示す一部断面の正面図である。
【図２】図１の拡大図であって、点火装置１の結合部１ｂの先端側近傍を拡大した図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
図２も参照して、結合部１ｂの先端側には、点火装置１の気密性を確保するためのシール材３１、３２、３３が設けられる。シール材３１は、誘電体２２とケース１１の間に、パイプ状の誘電体２２の外周を取り巻くように設けられる。シール材３２は、第２中心電極１４の底面に配備され、かつ、第３中心電極１５の外周を取り巻くリング形状である。なお、シール材の材質としては、ロウ材（金ロウ、銀ロウなど）、メタライズ材、接着剤、ガラス材などを用いることができる。また、シール材の脱落や抜けを防止するために、シール材が配置される電極表面又は誘電体の表面は粗面、又は溝形状とし、その中にシール材を充填するようにしてもよい。