WO2012105570A1 - プラズマ生成装置 - Google Patents

Abstract

　エンジン２０の燃焼室１０に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置３０において、負荷での電磁波の反射を抑制する。電磁波を発振する電磁波発振器３３と、エンジン２０の燃焼室１０へ電磁波発振器３３から発振された電磁波を放射するためのアンテナ１５ａとを備え、燃焼室１０においてアンテナ１５ａから放射された電磁波により電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置３０において、スタブ５１とスタブ調節器５２，５３を設ける。スタブ５１は、電磁波発振器３３とアンテナ１５ａとを結ぶ電磁波の伝送ライン６０に設けられている。スタブ調節器５２，５３は、エンジン２０の運転中に、アンテナ１５ａからした電磁波の反射波の強度に基づいてスタブ５１における短絡位置を調節する。

Description

プラズマ生成装置

　本発明は、エンジンの燃焼室に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置に関するものである。

　従来から、エンジンの燃焼室に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成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、エンジンの燃焼室において、放電装置の電極で放電させ、アンテナからマイクロ波を放射することによりマイクロ波プラズマを生成することが記載されている。

　また、マイクロ波帯でのインピーダンス整合方法として、オープンまたはショート型のスタブが用いられている。特許文献２及び特許文献３には、負荷の変動に応じてスタブを調整する方法として、機械的にスタブの挿入量を調整する方式が開示されている。また、特許文献４及び特許文献５には、オープン型スタブの調整手段が開示されている。

特開２００９－２２１９４８号公報 特開２００４－７２４８号公報 特開平０７－１５３５９９号公報 特開２００７－１７４０６４号公報 特開２００９－２６８００４号公報

　ところで、エンジンの燃焼室に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置では、プラズマ発生の前後、および発生後においても、プラズマ状態によって電磁波発振器から見た負荷のインピーダンスが大きく変化する。プラズマは瞬時に発生するため、発生前後で負荷インピーダンスも急激に変化する。特にエンジンの燃焼室は温度・圧力が急激に変化するため、負荷インピーダンスが急激に変化する。例えば、機械的にインピーダンスを調整するスタブ機構では、瞬時に変化する負荷変動に追従して調整することは不可能である。

　このため、従来のプラズマ生成装置では、不整合から生ずる反射波の影響を防ぐためにアイソレータが用いられ、さらに、ある程度の不整合が生じても電磁波プラズマを生成できるように、電磁波発振器は出力に余裕を持ったものが採用されていた。

　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、エンジンの燃焼室に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置において、伝送ラインにおける電磁波プラズマ側の負荷での電磁波の反射を抑制することにある。

　第１の発明は、電磁波を発振する電磁波発振器と、エンジンの燃焼室へ上記電磁波発振器から発振された電磁波を放射するためのアンテナとを備え、上記燃焼室において上記アンテナから放射された電磁波により電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置を対象とし、上記電磁波発振器と上記アンテナとを結ぶ電磁波の伝送ラインに設けられたスタブと、上記エンジンの運転中に、上記アンテナから反射した電磁波の反射波の強度に基づいて上記スタブにおける短絡位置を調節するスタブ調節手段とを備えている。

　第１の発明では、電磁波の伝送ラインにスタブが設けられている。そして、エンジンの運転中に、アンテナから反射した反射波（アンテナ側の負荷で反射した反射波）の強度に基づいて、スタブにおける短絡位置が調節される。

　第２の発明は、第１の発明において、上記スタブ調節手段は、上記スタブの長さ方向に間隔を隔てて接続され、上記スタブとは逆側がグランドに接続された複数のスイッチと、導通させるスイッチを変えながら、上記反射波の強度が最小となるスイッチを見つけ、見つけたスイッチにより上記スタブを短絡させる短絡位置調節動作を行うスイッチ制御装置とを備えている。

　第２の発明では、スタブとグランドとの間の複数のスイッチから、反射波の強度が最小となるスイッチを見つけ、見つけたスイッチによりスタブを短絡させて、スタブにおける短絡位置を調節する。

　第３の発明は、第２の発明において、上記複数のスイッチでは、上記スタブにおける所定の位置から上記伝送ライン側の複数のスイッチが第１のスイッチ群を構成し、残りのスイッチが第２のスイッチ群を構成し、上記スイッチ制御装置は、上記短絡位置調節動作において、まず上記第１のスイッチ群と上記第２のスイッチ群との境界に位置する２つのスイッチの間で、各スイッチを導通させたときの反射波の強度を比較して、該反射波の強度が低くなるスイッチが属するスイッチ群から、上記反射波の強度が最小となるスイッチを探す。

　第３の発明では、第１のスイッチ群と第２のスイッチ群との境界に位置する２つのスイッチの間で、各スイッチを導通させたときの反射波の強度を比較することにより、反射波の強度が最小となるスイッチが、どちらのスイッチ群にあるのかを見極める。

　第４の発明は、第３の発明において、上記複数のスイッチでは、上記第１のスイッチ群と上記第２のスイッチ群との境界に位置する２つのスイッチの一方が、上記伝送ラインから上記スタブにおける電磁波の波長の略１／４の位置に接続されている。

　第５の発明は、第１の発明において、上記スタブ調節手段は、上記スタブの長さ方向に間隔を隔てて接続され、上記スタブとは逆側がグランドに接続された複数のスイッチと、導通させるスイッチを変えながら、上記反射波の強度が所定の閾値を下回るスイッチを見つけると、見つけたスイッチにより上記スタブを短絡させるスイッチ制御装置とを備えている。

　第５の発明では、スタブとグランドとの間の複数のスイッチから、反射波の強度が所定の閾値を下回るスイッチを見つけ、見つけたスイッチによりスタブを短絡させる。

　本発明では、エンジンの運転中に、アンテナから反射した反射波の強度に基づいて、スタブにおける短絡位置が調節される。従って、アンテナからの電磁波の反射を抑制することができる。

　また、スタブの電気長を可変してインピーダンスを調整する場合、不特定な負荷インピーダンスに対して、その都度、整合させるには、経験に基づいた操作が必要であるが、本発明では、反射波の強度に基づいて短絡位置を調節するので、自動的に負荷とのインピーダンスを最適に調節することができる。

　また、大電力の伝送ラインにおけるインピーダンスの調整には、ＭＥＭＳスイッチなどの微小構造の装置を採用することは困難であるが、そのような装置を採用しなくても、スタブの短絡位置の調節により、大電力の伝送ラインにおけるインピーダンスの調整を実現することができる。

　また、第３の発明では、反射波の強度が最小となるスイッチがどちらのスイッチ群にあるのかが、まず見極められる。ここで、全てのスイッチを順番に導通させて、反射波の強度が最小となるスイッチを探索する方式では、短絡させるスイッチを見つけるのに時間がかかる。そのため、スイッチの数がある程度多くなると、エンジンの動作に対して、短絡させるスイッチを見つけるまでの時間が不足する。それに対して、第３の発明では、片方のスイッチ群に絞ってから、最小となるスイッチを探す。従って、短時間で最適な短絡位置を見つけることができ、簡単な制御アルゴリズムで、高速に負荷とのインピーダンスを調整できる。また、スイッチの数を多くして、より細かくインピーダンスを調節することが可能である。

　また、第５の発明では、複数のスイッチから、反射波の強度が所定の閾値を下回るスイッチを見つけ、見つけたスイッチによりスタブを短絡させる。そのため、閾値を適切に設定することにより、速やかに短絡位置を調節することができる。また、エンジンの燃焼室の状態が急激に変化する場合であっても、適切に短絡位置を決めることができる。

図１は、実施形態に係るエンジンの概略縦断面図である。 図２は、本実施形態に係るプラズマ生成装置のブロック図である。 図３は、本実施形態に係るインピーダンス整合装置の概略構成図である。 図４は、本実施形態に係るインピーダンス整合装置の具体例を示す構成図である。 図５は、本実施形態に係るインピーダンス整合装置の制御アルゴリズムを表すフローチャートである。 図６は、短絡型スタブのインピーダンス特性を表す図表である。 図７は、短絡型スタブによるインピーダンス整合を説明するためのスミスチャートである。

　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。

　本実施形態は、本発明に係るプラズマ生成装置３０である。プラズマ生成装置３０は、エンジンの燃焼室にマイクロ波を放射してマイクロ波プラズマを生成する。以下では、まずエンジン２０について説明し、次にプラズマ生成装置３０について説明する。
　　－エンジン－

　エンジン２０は、ピストン２３が往復動するレシプロタイプのエンジンである。エンジン２０は例えば自動車に搭載されている。

　エンジン２０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が摺動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、燃焼室１０を区画している。シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、中心電極１５ａと接地電極１５ｂの間に放電ギャップが形成されたスパークプラグ１５が１つずつ設けられている。また、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、吸気バルブ２７とインジェクター２９とが設けられている。一方、排気ポート２６には、排気バルブ２８が設けられている。
　　－プラズマ生成装置－

　プラズマ生成装置３０は、図２に示すように、パルス発生器３１と電磁波用電源３２と電磁波発振器３３と混合器３４と放電器１５と電磁波用のアンテナ１５ａとを備えている。また、プラズマ生成装置３０は、図３に示すように、負荷とのインピーダンス整合を行うインピーダンス整合装置５０を備えている。

　パルス発生器３１は、例えば直流電源（図示省略）に接続されている。パルス発生器３１は、例えばイグニッションコイルである。パルス発生器３１は、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混合器３４へ出力する。

　電磁波用電源３２は、例えば直流電源（図示省略）に接続されている。電磁波用電源３２は、制御装置３５から電磁波駆動信号を受けると、直流電源からの電流をパルス電流に変換して電磁波発振器３３に出力する。電磁波発振器３３は、例えばマグネトロンや半導体発振器である。パルス電流を受けた電磁波発振器３３は、混合器３４にマイクロ波パルスを出力する。混合器３４は、高電圧パルスとマイクロ波パルスを混合して放電器１５に出力する。

　放電器１５は、エンジン２０のスパークプラグ１５である。スパークプラグ１５は、中心電極１５ａが混合器３４に電気的に接続されている。スパークプラグ１５では、混合器３４から高電圧パルスとマイクロ波パルスを受けると、放電ギャップでスパーク放電が生じ、そのスパーク放電により生じた放電プラズマに対して、中心電極１５ａからマイクロ波が照射される。中心電極１５ａは、電磁波用のアンテナとして機能する。スパーク放電により生じた放電プラズマは、マイクロ波のエネルギーを吸収して拡大する。このようにして、プラズマ生成装置３０は、非平衡のマイクロ波プラズマを生成する。

　なお、電磁波用電源３２は、所定の設定期間（例えば、１ｍｓ）に亘って、所定のデューティー比でパルス電流を出力する。電磁波発振器３３は、設定時間に亘ってマイクロ波パルスを出力する。マイクロ波パルスの発振開始から設定時間が経過すると、マイクロ波パルスの発振が停止され、マイクロ波プラズマが消滅する。
　　－インピーダンス整合装置－

　インピーダンス整合装置５０は、図３に示すように、電磁波発振器３３と負荷（マイクロ波プラズマ側の負荷）とを結ぶ電磁波の伝送ライン６０に設けられたスタブ５１と、該スタブ５１に接続された複数のスイッチ５２と、アンテナ１５ａから反射したマイクロ波の反射波（アンテナ１５ａ側の負荷で反射した反射波）の強度の測定結果に応じて複数のスイッチ５２を制御するスイッチ制御装置５３とを備えている。スイッチ制御装置５３には、方向性結合器５４を用いて反射波が入力される。複数のスイッチ５２及びスイッチ制御装置５３は、エンジンの運転中に、負荷で反射したマイクロ波の反射波の強度に基づいてスタブ５１における短絡位置を調節するスタブ調節手段を構成している。

　スタブ５１は、短絡型のスタブ５１であり、電磁波発振器３３とアンテナ１５ａとを接続する電磁波の伝送ライン６０に接続されている。短絡型スタブ５１の長さは、スタブ５１におけるマイクロ波の波長（電気長）λの半分である。

　複数のスイッチ５２は、スタブ５１と接地面（グランド）の間に並列接続されている。複数のスイッチ５２は、スタブ５１の長さ方向に等間隔に配置されている。

　複数のスイッチ５２では、スタブ５１における所定の位置から伝送ライン側の複数のスイッチ５２が第１のスイッチ群５６を構成し、残りのスイッチ５２が第２のスイッチ群５７を構成している。具体的に、第１のスイッチ群５６は、伝送ライン６０からスタブ５１におけるマイクロ波の波長（電気長）の略１／４の位置に接続された「基準スイッチ５２ａ」を含む、その基準スイッチ５２ａから伝送ライン側の複数のスイッチ５２により構成されている。第２のスイッチ群５７は、基準スイッチ５２ａよりも反伝送ライン側の複数のスイッチ５２により構成されている。また、第２スイッチ群５７において、基準スイッチ５２ａの隣のスイッチ５２を「隣接スイッチ５２ｂ」とする。

　スイッチ制御装置５３は、導通させるスイッチ５２を変えながら、反射波の強度が最小となるスイッチ５２（以下、「反射強度最小スイッチ」という。）を見つけ、見つけたスイッチ５２を、最終的に短絡させるスイッチ５２（以下、「最終短絡スイッチ」という。）にする短絡位置調節動作を行う。スイッチ制御装置５３は、短絡位置調節動作において、まず第１のスイッチ群５６と第２のスイッチ群５７との境界に位置する２つのスイッチ５２（基準スイッチ５２ａと隣接スイッチ５２ｂ）の間で、各スイッチ５２ａ，５２ｂを導通させたときの反射波の強度を比較して、該反射波の強度が低くなるスイッチ５２ａ，５２ｂが属するスイッチ群５６，５７から、反射強度最小スイッチ５２を探す

　ここで、図４に示すように、各スイッチ５２には、ＰＩＮダイオードを用いることができる。伝送ライン６０およびスタブ５１は、基板上に構成されたストリップラインである。各ＰＩＮダイオード５２は、スタブ５１の線路上と接地パターン５４の間に、コンデンサ５５と直列に接続されている。各ＰＩＮダイオード５２のカソードには、コイル５６を介してバイアス電圧が印加される。ＰＩＮダイオード５２は、バイアス電圧としてマイナスの電圧が印加されると導通状態となり、バイアス電圧としてプラスの電圧が印加されると非導通状態となる。

　バイアス電圧は、各ＰＩＮダイオード５２に対して接続されたトランジスタ５７のＯＮ／ＯＦＦにより、プラスとマイナスが切り替えられる。各トランジスタ５７のベースには、スイッチ制御装置５３が出力する制御信号が入力される。トランジスタ５７のベースに制御信号が入力されてトランジスタ５７が導通すると、該トランジスタ５７に接続されたＰＩＮダイオード５２のカソード電位がマイナスとなり、該ＰＩＮダイオード５２は導通状態となる。一方、トランジスタ５７が非導通状態であれば、該トランジスタ５２に接続されたＰＩＮダイオード５２のカソード電位がプラスとなり、該ＰＩＮダイオード５２は非導通状態となる。このように、制御信号を入れることで、ＰＩＮダイオードの導通／非導通が決定され、それに応じてスタブ５１において動作する長さ（以下、「スタブ５１の動作長」という。）を変化させることができる。スタブ５１の動作長は、伝送ライン６０と短絡させるスイッチ５２との距離である。

　トランジスタ５７およびＰＩＮダイオード５２は半導体であり、それによる切り替え速度はマイクロセコンドオーダで実現できる。例えば、マイクロ波の周波数としてＩＳＭ帯の２．４ＧＨｚを選択すると、１／２波長は６０ｍｍ程度となる。２ｍｍ幅のチップ形状のＰＩＮダイオードであれば、スタブ５１にＰＩＮダイオード５２を最大で３０個配列できる。後述する図５の制御シーケンスに従うと、最大１６回の反射波測定で最適箇所を決定できる。１回の測定に数十マイクロセコンド程度、要するとすると、1ミリセコンド以内で調整を完了できることになる。

　ところで、短絡側スタブ５１のインピーダンスＺは、式１のように表すことができる。式１では、Ｌがスタブ５１の電気長、Ｚ_０が線路の特性インピーダンスを表している。また、β＝2π／λである。図６に示すように、Ｚは、Ｌ＝λ／４で無限大、Ｌ＝λ／２でゼロとなる。
　式１：Ｚ＝ｊＺ_０ tanβＬ

　また、短絡型スタブ５１による調整を図７のスミスチャートを用いて説明する。測定点と同一箇所にスタブ５１を並列に接続した場合、その測定点から負荷を見たインピーダンスは、アドミタンスチャートの等コンダクタンス円上を移動することになる。

　例えば、スタブ５１の動作長を１／４波長（スタブ５１におけるマイクロ波の波長）とした場合の負荷インピーダンスが点Ａにあったとすると、スタブ５１の動作長を１／４波長より短くしていくと、等コンダクタンス円上を反時計方向に動き、スタブ５１の動作長を長くしていくと時計方向に動く。点Ａの場合では１／４波長より短くしてゆくと、サセプタンスがゼロとなる点Ａ’が存在する。点Ａ’が最も整合する点である。
　－インピーダンス整合装置の短絡位置調節動作－

　図５を用いて、インピーダンス整合装置５０の短絡位置調節動作について説明する。短絡位置調節動作は、エンジン２０の燃焼室１０においてマイクロ波プラズマを生成する度に行われる。短絡位置調節動作は、燃焼サイクル毎に行われる。

　なお、図５において、ｎは、伝送ライン側から付したスイッチ番号を表す。基準スイッチ５２ａは、ｋ番目のスイッチである。スタブ５１には、ｍ個のスイッチ５２が設けられている。

　まず、第１ステップＳＴ１では、全てのスイッチ５２がＯＦＦの状態から基準スイッチ５２ａのみをＯＮにする。つまり、１／４波長の位置でスタブ５２を短絡させる。そして、第２ステップＳＴ２において、負荷で反射した反射波の強度Ｐ’を測定する。第２ステップＳＴ２で測定した反射波の強度Ｐ’を「第１反射強度」とする。

　次に、第３ステップＳＴ３では、基準スイッチ５２ａをＯＦＦに戻し、隣接スイッチ５２ｂのみをＯＮにする。そして、第４ステップＳＴ４において、反射波の強度を測定する。第４ステップＳＴ４で測定した反射波の強度Ｐを「第２反射強度」とする。続いて、第５ステップＳＴ５では、第１反射強度Ｐ’と第２反射強度Ｐとの比較が行われる。

　ここで、第５ステップＳＴ５における比較の結果、第１反射強度Ｐ’よりも第２反射強度Ｐの方が小さい場合（図５において「Yes」の場合）には、負荷インピーダンスがスミスチャートの下側にあることになる。第２スイッチ群５７に、反射強度最小スイッチ５２が存在することになる。その場合は、第５ステップに続いて、第６ステップＳＴ６～第１０ステップＳＴ１０が行われる。これらのステップＳＴ６～１０では、短絡させる１つのスイッチ５２を伝送ライン６０に近づけてスタブ５１の動作長を徐々に短くしながら、反射強度最小スイッチ５２を見つける。そして、反射強度最小スイッチ５２が、その短絡位置調節動作における最終短絡スイッチとなる。

　一方、第５ステップＳＴ５における比較の結果、第１反射強度Ｐ’よりも第２反射強度Ｐの方が大きい場合（図５において「No」の場合）には、負荷インピーダンスがスミスチャートの上側にあることになる。第１スイッチ群５６に、反射強度最小スイッチ５２が存在することになる。その場合は、第５ステップに続いて、第１１ステップＳＴ１１を行った後に、第６ステップＳＴ６～第１０ステップＳＴ１０が行われる。これらのステップＳＴ６～１０では、短絡させる１つのスイッチ５２を伝送ライン６０に遠ざけてスタブ５１の動作長を徐々に長くしながら、反射強度最小スイッチ５２を見つける。そして、反射強度最小スイッチ５２が、その短絡位置調節動作における最終短絡スイッチとなる。
　－第５ステップＳＴ５において「Yes」と判定された場合－

　第６ステップＳＴ６では、直近に短絡させたスイッチ５２よりも１つだけ伝送ライン側のスイッチ５２を短絡させ、第７ステップＳＴ７において反射波の強度を測定する。そして、第８ステップＳＴ８において、第７ステップＳＴ７で測定した反射波の強度Ｐを、その直近に測定した反射波の強度Ｐ’と比較する。

　第８ステップＳＴ８の比較の結果、第７ステップＳＴ７で測定した反射波の強度Ｐの方が小さい場合（図５において「Yes」の場合）は、第９ステップＳＴ９に移行する。第９ステップＳＴ９では、第６ステップＳＴ６において短絡させたスイッチ５２が、両端のスイッチ５２（１番目またはｍ番目のスイッチ）であるか否かが判定され、両端のスイッチ５２でなければ、第６ステップＳＴ６に戻る。そして、再び第６ステップＳＴが行われ、短絡位置を伝送ライン側へ変えながら、反射強度最小スイッチ５２を探す。なお、第９ステップＳＴ９において、第６ステップＳＴ６において短絡させたスイッチ５２が両端のスイッチ５２であると判定された場合は、そのスイッチ５２が、反射強度最小スイッチとなり、その短絡位置調節動作における最終短絡スイッチとなる。

　一方、第８ステップＳＴ８の比較の結果、第７ステップＳＴ７で測定した反射波の強度Ｐの方が大きい場合（図５において「No」の場合）は、第１０ステップＳＴ１０に移行する。第１０ステップＳＴ１０では、第６ステップＳＴ６で短絡させたスイッチ５２がＯＦＦに設定され、第６ステップＳＴ６の１つ前に短絡させたスイッチ５２がＯＮに設定される。第６ステップＳＴ６の１つ前に短絡させたスイッチ５２が、反射強度最小スイッチとなり、この短絡位置調節動作における最終短絡スイッチとなる。
　－第５ステップＳＴ５において「No」と判定された場合－

　第６ステップＳＴ６では、第１１ステップＳＴ１１において「ｋ＝ｎ」及び「ｉ＝＋１」にしているので、基準スイッチ５２ａより１つ反伝送ライン側のスイッチ５２を短絡させ、第７ステップＳＴ７において反射波の強度を測定する。そして、第８ステップＳＴ８において、第７ステップＳＴ７で測定した反射波の強度Ｐを、基準スイッチ５２ａを短絡させた場合の反射波の強度（第１反射強度）Ｐ’と比較する。

　なお、後述する第９ステップＳＴ９の判定結果に従って再び第６ステップＳＴ６を行う場合は、第８ステップＳＴ８において、第７ステップＳＴ７で測定した反射波の強度Ｐを、その直近に測定した反射波の強度Ｐ’と比較する。

　第８ステップＳＴ８の比較の結果、第７ステップＳＴ７で測定した反射波の強度Ｐの方が小さい場合（図５において「Yes」の場合）は、第９ステップＳＴ９に移行する。第９ステップＳＴ９では、第６ステップＳＴ６において短絡させたスイッチ５２が両端のスイッチ５２であるか否かが判定され、両端のスイッチ５２でなければ、第６ステップＳＴ６に戻る。

　そして、再び第６ステップＳＴが行われ、短絡位置を反伝送ライン側へ変えながら、反射強度最小スイッチ５２を探す。なお、第９ステップＳＴ９において、第６ステップＳＴ６において短絡させたスイッチ５２が両端のスイッチ５２であると判定された場合は、そのスイッチ５２が、反射強度最小スイッチとなり、この短絡位置調節動作における最終短絡スイッチとなる。

　一方、第８ステップＳＴ８の比較の結果、第７ステップＳＴ７で測定した反射波の強度Ｐの方が大きい場合（図５において「No」の場合）は、第１０ステップＳＴ１０に移行する。第１０ステップＳＴ１０では、第６ステップＳＴ６で短絡させたスイッチ５２がＯＦＦに設定される。さらに、第６ステップＳＴ６の実行回数が１回の場合は、基準スイッチ５２ａがＯＮに設定され、第６ステップＳＴ６の実行回数が２回以上の場合は、第６ステップＳＴ６の１つ前に短絡させたスイッチ５２がＯＮに設定される。第１０ステップＳＴ１０で短絡させるスイッチ５２が、この短絡位置調節動作における最終短絡スイッチとなる。
　　－実施形態の効果－

　本実施形態では、エンジン２０の運転中に、負荷で反射したマイクロ波の反射波の強度に基づいて、スタブ５１における短絡位置が調節される。従って、マイクロ波の反射を抑制することができる。
　また、本実施形態では、反射波の強度に基づいて短絡位置を調節するので、自動的に負荷とのインピーダンス整合を最適に調節することができる。

　また、本実施形態では、ＭＥＭＳスイッチなどの微小構造の装置を採用しなくても、スタブ５１の短絡位置の調節により、大電力の伝送ライン６０におけるインピーダンスの調整を実現することができる。

　また、本実施形態では、反射波の強度が最小となるスイッチ５２がどちらのスイッチ群５６，５７にあるのかが、まず見極められる。片方のスイッチ群５６，５７に絞ってから、反射波の強度が最小となるスイッチ５２を探す。従って、短時間で最適な短絡位置を見つけることができ、簡単な制御アルゴリズムで、高速に負荷とのインピーダンス整合を調整できる。また、スイッチ５２の数を多くして、より細かくインピーダンスを調節することが可能である。
　　－実施形態の変形例１－

　実施形態の変形例１について説明する。この変形例１では、エンジン２０の運転開始直後に、短絡位置調節動作を実行して、その最終短絡スイッチ５２が決められる。そして、それ以降は、短絡位置調節動作が実行されない。エンジン２０の運転開始直後に決定したインピーダンス整合の状態が維持される。

　プラズマ生成装置３０は、短絡位置調節動作の実行中は、燃焼室１０へ放射するマイクロ波の単位時間当たりのエネルギーの大きさを通常の値（短絡位置調節動作を実行しないときの値）から低減させる。そして、短絡位置調節動作の実行後は、燃焼室１０へ放射するマイクロ波の単位時間当たりのエネルギーの大きさを通常の値に戻す。このため、反射波のエネルギーが大きすぎてスイッチ５２が損傷することを抑制することができる。

　なお、エンジン２０の出力が所定値変更される度に、短絡位置調節動作を実行してもよい。短絡位置調節動作の際は、燃焼室１０へ放射するマイクロ波の単位時間当たりのエネルギーの大きさを通常の値から低減させる。
　　－実施形態の変形例２－

　実施形態の変形例２について説明する。この変形例２では、短絡位置調節動作において、短絡させたスイッチ５２の数が所定の判定値を超えると、反射強度最小スイッチ５２を見つけるのを諦めて、スタブ制御装置５３が、反射波の強度が所定の閾値を下回るスイッチ５２を見つけると、見つけたスイッチ５２によりスタブ５１を短絡させる。

　ここで、エンジン２０の燃焼室１０では、温度・圧力が急激に変化するので、同じスイッチ５２を短絡させた場合であっても、反射波の強度が大きく変化するおそれがある。そのような場合、反射強度最小スイッチ５２を見つけるまで短絡位置調節動作が終了しないようにしていると、短絡位置調節動作が収束しないおそれがある。この変形例２では、短絡位置調節動作が収束しない事態を防ぐために、短絡位置調節動作の途中に、反射波の強度が所定の閾値を下回るスイッチ５２を最終短絡スイッチ５２に決定する制御アルゴリズムに切り替わる。
　　－実施形態の変形例３－

　実施形態の変形例３について説明する。この変形例３では、スタブ制御装置５３が、導通させるスイッチを変えながら、反射波の強度が所定の閾値を下回るスイッチ５２を見つけると、見つけたスイッチ５２によりスタブ５１を短絡させる。

　そのため、閾値を適切に設定することにより、速やかに短絡位置を調節することができる。また、エンジン２０の燃焼室１０の状態が急激に変化する場合であっても、適切に短絡位置を決めることができる。
《その他の実施形態》

　上記実施形態は、以下のように構成してもよい。

　上記実施形態において、高電圧パルスの印加箇所とマイクロ波の発振箇所とが別々であってもよい。その場合、スパークプラグ１５の中心電極１５ａとは別に電磁波放射用のアンテナが設けられる。混合器３４は必要なく、パルス発生器３１とスパークプラグ１５とが直接接続され、電磁波発振器３３と電磁波放射用のアンテナとが直接接続される。電磁波放射用のアンテナは、スパークプラグ１５に内蔵してもよいし、スパークプラグ１５と別体にしてシリンダヘッドに設けてもよい。

　また、上記実施形態では、エンジン２０が火花点火式のエンジンであるが、エンジン２０がディーゼルエンジン等の他の形式のものであってもよい。

　以上説明したように、本発明は、エンジンの燃焼室に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置について有用である。

              １０       燃焼室
              １５ａ    アンテナ
              ２０       エンジン
              ３０       プラズマ生成装置
              ３３       電磁波発振器
              ５１       スタブ
              ５２       スイッチ（スタブ調節手段）
              ５３       スイッチ制御装置（スタブ調節手段）
              ６０       伝送ライン
 

Claims (5)

1. 　電磁波を発振する電磁波発振器と、
   　エンジンの燃焼室へ上記電磁波発振器から発振された電磁波を放射するためのアンテナとを備え、
   　上記燃焼室において上記アンテナから放射された電磁波により電磁波プラズマを生成するプラズマ生成装置であって、
   　上記電磁波発振器と上記アンテナとを結ぶ電磁波の伝送ラインに設けられたスタブと、
   　上記エンジンの運転中に、上記アンテナから反射した電磁波の反射波の強度に基づいて上記スタブにおける短絡位置を調節するスタブ調節手段とを備えている
   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、
   　上記スタブ調節手段は、
   　　上記スタブの長さ方向に間隔を隔てて接続され、上記スタブとは逆側がグランドに接続された複数のスイッチと、
   　　導通させるスイッチを変えながら、上記反射波の強度が最小となるスイッチを見つけ、見つけたスイッチにより上記スタブを短絡させる短絡位置調節動作を行うスイッチ制御装置とを備えている
   ことを特徴とするプラズマ生成装置。
3. 　請求項２において、
   　上記複数のスイッチでは、上記スタブにおける所定の位置から上記伝送ライン側の複数のスイッチが第１のスイッチ群を構成し、残りのスイッチが第２のスイッチ群を構成し、
   　上記スイッチ制御装置は、上記短絡位置調節動作において、まず上記第１のスイッチ群と上記第２のスイッチ群との境界に位置する２つのスイッチの間で、各スイッチを導通させたときの反射波の強度を比較して、該反射波の強度が低くなるスイッチが属するスイッチ群から、上記反射波の強度が最小となるスイッチを探す
   ことを特徴とするプラズマ生成装置。
4. 　請求項３において、
   　上記複数のスイッチでは、上記第１のスイッチ群と上記第２のスイッチ群との境界に位置する２つのスイッチの一方が、上記伝送ラインから上記スタブにおける電磁波の波長の略１／４の位置に接続されている
   ことを特徴とするプラズマ生成装置。
5. 　請求項１において、
   　上記スタブ調節手段は、
   　　上記スタブの長さ方向に間隔を隔てて接続され、上記スタブとは逆側がグランドに接続された複数のスイッチと、
   　　導通させるスイッチを変えながら、上記反射波の強度が所定の閾値を下回るスイッチを見つけると、見つけたスイッチにより上記スタブを短絡させるスイッチ制御装置とを備えている
   ことを特徴とするプラズマ生成装置。
    

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