JP2015115218A - プラズマジェットプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマジェットプラグにおいて、正常な火花放電を発生させることのできる技術を提供する。【解決手段】プラズマジェットプラグにおいて、中心電極の小径部の先端から、絶縁体の蓋部の開口部までを最短距離で結んだ第１の経路の長さをＧ１（ｍｍ）と定義し、中心電極の小径部の先端から、絶縁体の軸孔の内周面までを最短距離で結んだ第２の経路の長さをＧ２（ｍｍ）と定義し、第２の経路と絶縁体の軸孔の内周面との接点から、絶縁体の蓋部の開口部までの、絶縁体の表面に沿った第３の経路の長さをＥ１（ｍｍ）と定義し、中心電極の大径部の先端に最も近い絶縁体の軸孔の内周面上の点から、絶縁体の蓋部の開口部までの、絶縁体の表面に沿った第４の経路の長さをＥ２（ｍｍ）と定義した場合において、関係式 Ｇ２＋Ｅ１／３＞Ｇ１…（１） Ｅ２／３＞Ｇ１…（２）を満たす。【選択図】図３

Description

本発明は、プラズマジェットプラグに関する。

従来、プラズマによって燃料（混合気）に着火する点火プラグとして、プラズマジェットプラグが知られている（例えば、下記の特許文献１参照）。プラズマジェットプラグの先端部には、中心電極と絶縁碍子とによって囲まれた円筒状のキャビティが設けられている。中心電極と接地電極との間に高電圧が印加されると、高エネルギーの火花放電が生じ、このキャビティの内部は、瞬間的に高温になる。そして、さらにエネルギーが投入されると、キャビティ内に存在する混合気は、イオン化すると同時に急激に膨張し、プラズマとなってキャビティから火炎状に噴出する。このような火炎状のプラズマ（以下では、「フレーム」とも呼ぶ）は、内燃機関の気筒内に延びるため、混合気との接触面積が大きくなる。そのため、プラズマジェットプラグは、火花によって点火を行う通常の点火プラグよりも、着火性に優れるという利点がある。

特開２０１０−１５３３３０号公報

しかし、従来のプラズマジェットプラグにおいては、キャビティを形成する絶縁碍子の内周面に沿った火花放電（以下では、「沿面放電」とも呼ぶ）が発生してしまうことによって、中心電極と接地電極との間の気体中を経路とした火花放電（以下では、「気中放電」とも呼ぶ）が発生せず、プラズマの噴出不良が生じる場合があるといった課題があった。また、キャビティを形成する絶縁碍子の内周面が沿面放電によって削られて溝（以下では、「チャネリング」とも呼ぶ）が形成され、耐久性能が低下する場合があるといった課題があった。そのほか、従来のプラズマジェットプラグにおいては、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、プラズマジェットプラグが提供される。このプラズマジェットプラグは、軸線に沿って延びる軸孔と、前記軸孔の内径よりも小さい内径の開口部を有する蓋部と、を有する絶縁体と；前記絶縁体の前記軸孔の内部に配置され、前記軸線に沿って延びる棒状の中心電極と；前記絶縁体の外周に配置された主体金具と；前記主体金具に電気的に接続された状態で前記絶縁体の先端に配置され、前記軸線上に開口する孔を有する接地電極とを備え；前記中心電極の先端が、前記絶縁体の前記蓋部の前記開口部よりも後端側に位置することによって、前記絶縁体の前記軸孔、前記蓋部の内周部及び前記中心電極で形成されるキャビティを有する。前記中心電極は、小径部と、前記小径部よりも後端側に位置し、自身の外径と前記絶縁体の前記軸孔の内径との径差が０．１ｍｍ以下である大径部とを有する。前記中心電極の前記小径部の先端から、前記絶縁体の前記蓋部の前記開口部までを最短距離で結んだ第１の経路の長さをＧ１（ｍｍ）と定義し；前記中心電極の前記小径部の先端から、前記絶縁体の前記軸孔の内周面までを最短距離で結んだ第２の経路の長さをＧ２（ｍｍ）と定義し；前記第２の経路と前記絶縁体の前記軸孔の前記内周面との接点から、前記絶縁体の前記蓋部の前記開口部までの、前記絶縁体の表面に沿った第３の経路の長さをＥ１（ｍｍ）と定義し；前記中心電極の前記大径部の先端に最も近い前記絶縁体の前記軸孔の内周面上の点から、前記絶縁体の前記蓋部の前記開口部までの、前記絶縁体の表面に沿った第４の経路の長さをＥ２（ｍｍ）と定義した場合において；関係式
Ｇ２＋Ｅ１／３＞Ｇ１…（１）
Ｅ２／３＞Ｇ１…（２）
を満たす。
絶縁体の表面を経路として火花放電させる場合の絶縁抵抗は、気体中を経路として火花放電させる場合の絶縁抵抗の３分の１程度である。この形態のプラズマジェットプラグでは、上記の関係式（１）を満たすので、第２の経路から第３の経路に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗が、第１の経路に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗よりも大きくなる。さらに、この形態のプラズマジェットプラグでは、上記の関係式（２）を満たすので、第４の経路に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗が、第１の経路に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗よりも大きくなる。したがって、この形態のプラズマジェットプラグによれば、第２の経路から第３の経路に沿った火花放電及び第４の経路に沿った火花放電の発生を抑制し、第１の経路に沿った正常な火花放電を発生させることができ、耐久性能を向上させることができる。

（２）上記形態のプラズマジェットプラグにおいて、前記接地電極の前記孔の径方向の幅をＡ（ｍｍ）と定義し；前記絶縁体の前記蓋部の前記開口部の径方向の幅をＢ（ｍｍ）と定義し；前記中心電極の前記小径部の径方向の幅をＣ（ｍｍ）と定義した場合において；関係式
Ｂ＞Ａ…（３）
Ｂ＞Ｃ…（４）
をさらに満たしてもよい。
この形態のプラズマジェットプラグによれば、中心電極の小径部の先端と接地電極の孔とを結んだ直線上に、絶縁体の蓋部が存在しないので、火花放電によって絶縁体の蓋部にチャネリングが発生するのを抑制することができる。

（３）上記形態のプラズマジェットプラグにおいて、前記絶縁体の前記蓋部及び前記中心電極の前記小径部を前記軸線に沿った方向から見た場合に；前記中心電極の前記小径部の外周の全ては、前記蓋部の前記開口部の内周側に位置していてもよい。
この形態のプラズマジェットプラグによれば、中心電極の小径部の先端と接地電極の孔とを結んだ直線上に、絶縁体の蓋部が存在しないので、火花放電によって絶縁体の蓋部にチャネリングが発生するのを抑制することができる。

（４）上記形態のプラズマジェットプラグにおいて、前記キャビティの容積は、１５ｍｍ３より大きくてもよい。
この形態のプラズマジェットプラグによれば、耐久性能をさらに向上させることができる。

（５）上記形態のプラズマジェットプラグにおいて、前記絶縁体の前記蓋部のうち、最も内径が小さい位置における前記軸線に沿った方向の厚さは、０．３ｍｍ以上であってもよい。
この形態のプラズマジェットプラグによれば、絶縁体の蓋部の強度が十分に確保されるので、絶縁体の蓋部の割れを抑制することができる。

（６）上記形態のプラズマジェットプラグにおいて、前記絶縁体の前記軸孔の前記内周面のうち、前記中心電極の前記小径部の先端に対向する位置には、他の位置の内周面よりも窪んだ窪み部が形成されていてもよい。
この形態のプラズマジェットプラグによれば、窪み部が形成されていない構成と比べて、第２の経路から第３の経路に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗が大きくなるとともに、第４の経路に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗が大きくなるので、第２の経路から第３の経路に沿った火花放電の発生及び第４の経路に沿った火花放電の発生をさらに抑制することができる。

本発明は、装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、プラズマジェットプラグの製造方法やプラズマジェットプラグの点火方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としてのプラズマジェットプラグの全体の構成を示す説明図である。 中心電極の先端近傍の断面を拡大して示す説明図である。 中心電極と接地電極との間において発生しうる火花放電の経路を示す説明図である。 第２実施形態としてのプラズマジェットプラグの先端近傍の断面を拡大して示す説明図である。 第３実施形態としてのプラズマジェットプラグの先端近傍の断面を拡大して示す説明図である。 １３種類のプラズマジェットプラグのサンプルの詳細及び後述する各試験の結果を表形式で示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施形態：
Ｂ．第２実施形態：
Ｃ．第３実施形態：
Ｄ．実験例：
Ｄ１．フレーム噴出試験１：
Ｄ２．チャネリングの有無の評価：
Ｄ３．フレーム噴出試験２：
Ｄ４．フレーム噴出試験３：
Ｄ５．絶縁碍子の蓋部のクラック試験：
Ｅ．変形例：

Ａ．第１実施形態：
図１は本発明の一実施形態としてのプラズマジェットプラグ１００の全体の構成を示す説明図である。図１の軸線ＣＯより右側には、プラズマジェットプラグ１００の外観が図示され、軸線ＣＯの左側には、軸線ＣＯを含む面で切断した断面が示されている。また、図１の右下には、プラズマジェットプラグ１００の一部を拡大した断面図が示されている。

以下では、軸線ＣＯと平行な方向（図１の上下方向）を軸線方向とも呼ぶ。また、図１における下側をプラズマジェットプラグ１００の先端側と呼び、図１における上側をプラズマジェットプラグ１００の後端側と呼ぶ。

プラズマジェットプラグ１００は、内燃機関のエンジンヘッド（図示せず）に取り付けられる装置であり、先端に設けられたキャビティＣＶから火炎状のプラズマを噴出させることによって、内燃機関の燃焼室内における混合気（燃焼ガス＋空気）に着火させる装置である。

プラズマジェットプラグ１００は、絶縁体としての絶縁碍子１０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０と、主体金具５０とを備えている。絶縁碍子１０は、軸線ＣＯに沿って延びる軸孔１２と、軸孔１２の内径よりも小さい内径の開口部を有する蓋部１１とを有している（図１拡大図参照）。中心電極２０は、絶縁碍子１０の軸孔１２の内部に配置され、軸線に沿って延びる棒状の部材である。主体金具５０は、絶縁碍子１０の外周に配置された部材である。接地電極３０は、主体金具５０に電気的に接続された状態で絶縁碍子１０の先端に配置され、軸線ＣＯ上に開口する孔３１を有している。端子金具４０は、電力の供給を受けるための端子であり、中心電極２０に電気的に接続されている。

本実施形態では、中心電極２０の先端は、絶縁体の蓋部１１の開口部よりも後端側に位置している。絶縁碍子１０の軸孔１２、蓋部１１の内周部１１ｂ及び中心電極２０によって、キャビティＣＶが形成されている。このキャビティＣＶは、火炎状のプラズマを噴出するために用いられる。以下、プラズマジェットプラグ１００を構成する各部材の詳細について説明する。

絶縁碍子１０は、セラミックスによって形成された筒状の絶縁体であり、軸線ＣＯに沿って延びる軸孔１２が形成されている。本実施形態では、絶縁碍子１０は、アルミナを焼成することによって形成されている。絶縁碍子１０の軸線方向の略中央には、外径が最も大きな鍔部１９が形成されており、鍔部１９より後端側には、後端側胴部１８が形成されている。鍔部１９より先端側には、後端側胴部１８よりも外径の小さな先端側胴部１７が形成されている。先端側胴部１７よりもさらに先端側には、先端側胴部１７よりも外径の小さな脚長部１３が形成されている。脚長部１３と先端側胴部１７との間には段部１５が形成されている。

中心電極２０は、絶縁碍子１０の後端側から先端側に向かって延びる棒状の導電性部材であり、中心電極２０の先端は、絶縁碍子１０の軸孔１２の開口部よりも後端側に位置している。中心電極２０は、電極母材２１の内部に芯材２５が埋設された構造を有している。電極母材２１は、インコネル６００等（インコネルは登録商標）のニッケル合金によって形成されている。芯材２５は、電極母材２１よりも熱伝導性に優れる銅または銅を主体とする合金によって形成されている。絶縁碍子１０の軸孔１２内のうち、中心電極２０の後端側には、導電性のシール体４が設けられている。シール体４は、例えば、金属粒子とガラスなどのセラミックス粒子を含む組成物によって形成されている。中心電極２０は、シール体４を介して、端子金具４０に電気的に接続されている。

主体金具５０は、低炭素鋼材によって形成された筒状の金具であり、絶縁碍子１０を内部に保持している。絶縁碍子１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３にかけての部位は、主体金具５０によって囲まれている。

主体金具５０の外周には、工具係合部５１と、ネジ部５２とが形成されている。工具係合部５１は、プラグレンチ（図示せず）が嵌合する部位である。主体金具５０のネジ部５２は、ネジ山が形成された部位であり、内燃機関のエンジンヘッドの取付ネジ孔に螺合する。プラズマジェットプラグ１００は、主体金具５０のネジ部５２をエンジンヘッドの取付ネジ孔に螺合させて締め付けることによって、内燃機関のエンジンヘッドに固定される。

主体金具５０の工具係合部５１とネジ部５２との間には、径方向外側に突き出たフランジ状の鍔部５４が形成されている。鍔部５４とネジ部５２との間のネジ首５９には、環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、板体を折り曲げることによって形成されており、プラズマジェットプラグ１００がエンジンヘッドに取り付けられた際には、鍔部５４の座面５５とエンジンヘッドの取付ネジ孔の開口部との間で押し潰されて変形する。このガスケット５の変形によって、プラズマジェットプラグ１００とエンジンヘッドとの隙間が封止され、取付ネジ孔を介した燃焼ガスの漏出が抑制される。

主体金具５０の工具係合部５１より後端側には、薄肉の加締部５３が形成されている。また、鍔部５４と工具係合部５１との間には、薄肉の座屈部５８が形成されている。主体金具５０の工具係合部５１から加締部５３にかけての内周面と、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の外周面との間には、円環状のリング部材６，７が挿入されている。さらに両リング部材６，７の間には、タルク（滑石）９の粉末が充填されている。プラズマジェットプラグ１００の製造工程において、加締部５３が内側に折り曲げられて加締められると、座屈部５８は、圧縮力の付加に伴って外向きに変形（座屈）するとともに、主体金具５０と絶縁碍子１０とが固定される。タルク９は、この加締め工程の際に圧縮され、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性が高められる。

主体金具５０の内周面に形成された段部５６と、絶縁碍子１０の段部１５との間には、環状の板パッキン８が設けられている。主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は、この板パッキン８によっても確保され、燃焼ガスの漏出が抑制される。

接地電極３０は、主体金具５０及び絶縁碍子１０の先端に設けられており、中央に孔３１（「オリフィス３１」ともいう）が形成された円盤形状を有している。接地電極３０は、耐火花消耗性及び耐腐食性の優れた合金によって形成されていることが好ましく、本実施形態では、接地電極３０は、インコネル６００またはインコネル６０１等（「インコネル」は登録商標）のニッケルまたはニッケルを主成分とする合金によって形成されている。

接地電極３０は、主体金具５０の先端面５７の内周側に形成された環状の溝部５７Ａに嵌め込まれており、接地電極３０の先端面３２は、主体金具５０の先端面５７と同じ平面上に位置している。接地電極３０は、外周の縁が一周にわたって溝部５７Ａにレーザー溶接されることによって、主体金具５０に接合されている。これにより、接地電極３０は、主体金具５０と電気的に接続されている。なお、本実施形態では、接地電極３０と絶縁碍子１０の先端面１６との間に、微小な隙間（例えば、０．０５ｍｍ以下の隙間）が形成されている。

端子金具４０には、プラグキャップ（図示せず）を介して高圧ケーブル（図示せず）が接続される。上述したように、この端子金具４０とエンジンヘッドとの間に高電圧が印加されると、接地電極３０と中心電極２０との間に火花放電が生じる。この火花放電によって中心電極２０と接地電極３０との間が絶縁破壊された後、さらに高電圧が印加されると、キャビティＣＶからプラズマが噴出される。

図２は、中心電極２０の先端近傍の断面を拡大して示す説明図である。中心電極２０は、小径部２６と、小径部２６よりも後端側に位置する大径部２７とを備えている。本実施形態では、大径部２７の外径Ｄ１と絶縁碍子１０の軸孔１２の内径Ｄ２との径差は、０．１ｍｍ以下である。また、この図２において、キャビティＣＶを示す領域には、ドット柄が施されている。

図３は、中心電極２０と接地電極３０との間において発生しうる火花放電の経路を示す説明図である。本実施形態では、中心電極２０と接地電極３０との間において、下記の３つの経路に沿った火花放電が発生する可能性がある。
［経路Ｌ１に沿った火花放電］
経路Ｌ１＝中心電極２０の小径部２６の先端２６ａから、絶縁碍子１０の蓋部１１の開口部１１ａまでを最短距離で結んだ経路
［経路Ｌ２から経路Ｌ３に沿った火花放電］
経路Ｌ２＝中心電極２０の小径部２６の先端２６ａから、絶縁碍子１０の軸孔１２の内周面までを最短距離で結んだ経路
経路Ｌ３＝第２の経路Ｌ２と絶縁碍子１０の軸孔１２の内周面との接点Ｐ１から、絶縁碍子１０の蓋部１１の開口部１１ａまでの、絶縁碍子１０の表面に沿った経路
［経路Ｌ４に沿った火花放電］
経路Ｌ４＝中心電極２０の大径部２７の先端２７ａに最も近い絶縁碍子１０の軸孔１２の内周面上の点Ｐ２から、絶縁碍子１０の蓋部１１の開口部１１ａまでの、絶縁碍子１０の表面に沿った経路

なお、上記の３つの経路に沿った火花放電は、絶縁碍子１０の蓋部１１の開口部１１ａと接地電極３０との間は、蓋部１１の内周部１１ｂの表面を経路とする。

本実施形態のプラズマジェットプラグ１００においては、上記の３つの経路に沿った火花放電のうち、［経路Ｌ１に沿った火花放電］を発生させることが好ましい。この理由は、［経路Ｌ２から経路Ｌ３に沿った火花放電］及び［経路Ｌ４に沿った火花放電］では、絶縁碍子１０の軸孔１２の表面が放電経路となるため、正常な大きさのプラズマを発生させることができず、また、絶縁碍子１０の表面が火花放電によって削られてチャネリング痕が発生し、耐久性能が低下するからである。

そこで、本実施形態のプラズマジェットプラグ１００は、経路Ｌ１の長さをＧ１（ｍｍ）と定義し、経路Ｌ２の長さをＧ２（ｍｍ）と定義し、経路Ｌ３の長さをＥ１（ｍｍ）と定義し、経路Ｌ４の長さをＥ２（ｍｍ）と定義した上で、下記の関係式（１）及び（２）を満たすものとした。
Ｇ２＋Ｅ１／３＞Ｇ１…（１）
Ｅ２／３＞Ｇ１ …（２）
このようにすれば、［経路Ｌ２から経路Ｌ３に沿った火花放電］及び［経路Ｌ４に沿った火花放電］の発生を抑制し、［経路Ｌ１に沿った火花放電］を発生させることができる。この理由は、以下のとおりである。

経路Ｌ１及び経路Ｌ２は、気体中の経路であり、経路Ｌ３及び経路Ｌ４は、絶縁碍子１０の表面に沿った経路である。絶縁碍子１０の表面を経路として放電させる場合の絶縁抵抗は、気体中を経路として火花放電させる場合の絶縁抵抗の３分の１程度である。したがって、上記の関係式（１）は、経路Ｌ２から経路Ｌ３に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗が、経路Ｌ１に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗よりも大きいことを意味している。上記の関係式（２）は、経路Ｌ４に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗が、経路Ｌ１に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗よりも大きいことを意味している。

上述したように、本実施形態のプラズマジェットプラグ１００は、上記の関係式（１）を満たすので、経路Ｌ２から経路Ｌ３に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗が、経路Ｌ１に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗よりも大きくなる。さらに、本実施形態のプラズマジェットプラグ１００は、上記の関係式（２）を満たすので、経路Ｌ４に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗が、経路Ｌ１に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗よりも大きくなる。したがって、本実施形態のプラズマジェットプラグ１００によれば、経路Ｌ２から経路Ｌ３に沿った火花放電及び経路Ｌ４に沿った火花放電の発生を抑制し、経路Ｌ１に沿った正常な火花放電を発生させることができる。

さらに、図３に示すように、接地電極３０の孔３１の径方向の幅をＡ（ｍｍ）と定義する。絶縁碍子１０の蓋部１１の開口部１１ａの径方向の幅をＢ（ｍｍ）と定義する。中心電極２０の小径部２６の径方向の幅をＣ（ｍｍ）と定義する。この場合において、本実施形態のプラズマジェットプラグ１００は、下記の関係式（３）及び（４）を満たしている。
Ｂ＞Ａ …（３）
Ｂ＞Ｃ …（４）

本実施形態のプラズマジェットプラグ１００によれば、中心電極２０の小径部２６の先端２６ａと接地電極３０の孔３１とを結んだ直線上に、絶縁碍子１０の蓋部１１が存在しないので、火花放電によって絶縁碍子１０の蓋部１１にチャネリングが発生するのを抑制することができ、耐久性能をさらに向上させることができる。

さらに、本実施形態では、プラズマジェットプラグ１００のキャビティＣＶの容積Ｖ（図２）は、１５ｍｍ³より大きい。したがって、本実施形態のプラズマジェットプラグ１００によれば、耐久性能をさらに向上させることができる。この根拠については、後述する実験例によって説明する。

さらに、本実施形態では、絶縁碍子１０の蓋部１１の軸線ＣＯに沿った方向の厚さＬは、０．３ｍｍ以上である。したがって、本実施形態によれば、絶縁碍子１０の蓋部１１の強度が十分に確保されるので、絶縁碍子１０の蓋部１１の割れを抑制することができる。

このように、本実施形態のプラズマジェットプラグ１００は、上記の関係式（１）及び（２）を満たすので、好ましくない経路に沿った火花放電の発生を抑制することができ、プラズマの噴出性能及び耐久性能を向上させることができる。

さらに、本実施形態のプラズマジェットプラグ１００では、絶縁碍子１０に蓋部１１が形成されているので、中心電極２０と接地電極３０との間における火花放電の経路が安定し、プラズマの噴出方向を一定に保つことができる。

Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態としてのプラズマジェットプラグ１００ｂの先端近傍の断面を拡大して示す説明図である。図３に示した第１実施形態との違いは、絶縁碍子１０の軸孔１２の内周面のうち、中心電極２０の小径部２６の先端２６ａに対向する位置には、他の位置の内周面よりも窪んだ窪み部１４が形成されている点であり、他の構成は第１実施形態と同じである。本実施形態では、絶縁碍子１０の窪み部１４の形状は、軸線ＣＯを含む断面において、半円弧形状である。

本実施形態のプラズマジェットプラグ１００ｂによれば、窪み部１４が形成されていない構成と比べて、経路Ｌ２から経路Ｌ３に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗が大きくなるとともに、経路Ｌ４に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗が大きくなるので、経路Ｌ２から経路Ｌ３に沿った火花放電の発生及び経路Ｌ４に沿った火花放電の発生をさらに抑制することができる。

Ｃ．第３実施形態：
図５は、第３実施形態としてのプラズマジェットプラグ１００ｃの先端近傍の断面を拡大して示す説明図である。図４に示した第２実施形態との違いは、窪み部１４ｃの形状が異なっている点であり、他の構成は第２実施形態と同じである。具体的には、絶縁碍子１０の窪み部１４ｃの形状は、軸線ＣＯを含む断面において、矩形である。

このような形状の窪み部１４ｃであっても、窪み部１４ｃが形成されていない構成と比べて、経路Ｌ２から経路Ｌ３に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗が大きくなるとともに、経路Ｌ４に沿って火花放電させる場合の絶縁抵抗が大きくなるので、経路Ｌ２から経路Ｌ３に沿った火花放電の発生及び経路Ｌ４に沿った火花放電の発生をさらに抑制することができる。

Ｄ．実験例：
図６は、１３種類のプラズマジェットプラグのサンプルの詳細及び後述する各試験の結果を表形式で示す説明図である。１３種類のプラズマジェットプラグのサンプルは、蓋部１１の有無や、各種の寸法等がそれぞれ異なっている。

また、この図６には、１３種類のプラズマジェットプラグのサンプルが、条件１〜４のそれぞれを満たすか否かについても記されている。この図６において、条件１を満たすことは、上記の関係式（１）及び関係式（２）を満たすことを意味し、条件２を満たすことは、上記の関係式（３）及び関係式（４）を満たすことを意味し、条件３を満たすことは、キャビティＣＶの容積Ｖが１５ｍｍ³より大きいという条件を満たすことを意味し、条件４を満たすことは、絶縁碍子１０の蓋部１１の軸線ＣＯに沿った方向の厚さが０．３ｍｍ以上であるという条件を満たすことを意味する。以下では、この図６を参照しつつ、各試験の内容及び結果について説明する。

Ｄ１．フレーム噴出試験１：
フレーム噴出試験１では、まず、各サンプルに対して、３０Ｈｚで火花放電を発生させる耐久試験を１時間行なった。耐久試験の条件は以下のとおりである。
［耐久試験の条件］
雰囲気 ：大気
圧力 ：０．４ＭＰａ
火花放電頻度：３０Ｈｚ
試験時間：１時間

耐久試験後、各サンプルが噴出するフレームに対してシュリーレン撮影を行い、得られた画像から所定以上の大きさのフレームが噴出されているか否かを判定した。具体的には、撮影された画像全体のピクセル（１６０００ピクセル）のうち、フレームの画像が１２００ピクセル以上である場合に、所定以上の大きさのフレームであると判定した。本実験例においてフレームの画像が１２００ピクセル以上であることは、実機において、空燃比Ａ／Ｆが２２以上まで着火可能なフレームの大きさであることに相当する。以下では、１２００ピクセル未満の大きさのフレームを「不良フレーム」とも呼ぶ。

本実験例では、各タイプ毎に１０個のサンプルを作製し、それぞれのサンプルに対して耐久試験を行なった後、フレームを噴出させた。そして、１０個のサンプル中、不良フレームが発生したサンプルが１個以下であるタイプを最も高い評価として「Ａ」と評価し、１０個のサンプル中、不良フレームが発生したサンプルが２個であるタイプを２番目に高い評価として「Ｂ」と評価し、１０個のサンプル中、不良フレームが発生したサンプルが３個以上であるタイプを低い評価として「Ｃ」と評価した。

図６によれば、条件１を満たしているタイプ１〜７、９〜１１のプラズマジェットプラグは、フレーム噴出試験１における評価が全て「Ａ」となったことが理解できる。一方、条件１を満たしていないタイプ８、１２、１３のプラズマジェットプラグは、フレーム噴出試験１における評価が全て「Ｃ」となったことが理解できる。

以上より、条件１を満たすプラズマジェットプラグを作製すれば、沿面放電を抑制することができるので、耐久性能が向上することが理解できる。

Ｄ２．チャネリングの有無の評価：
上記の耐久試験の後に、各サンプルのキャビティを分解し、絶縁碍子１０に沿面放電によるチャネリング（溝）が残っていないかを調べた。具体的には、各タイプ毎に、１０個のサンプルの中からランダムに選択された５個のサンプルを調査し、チャネリングが５個のサンプル全てに発生しなかったタイプを「Ａ」と評価し、チャネリングが１個以上のサンプルに発生したタイプを「Ｃ」と評価した。

図６によれば、条件１を満たしているタイプ１〜７、９〜１１のプラズマジェットプラグは、チャネリングの有無の評価が全て「Ａ」となったことが理解できる。一方、条件１を満たしていないタイプ８、１２、１３のプラズマジェットプラグは、チャネリングの有無の評価が全て「Ｃ」となったことが理解できる。

以上より、条件１を満たすプラズマジェットプラグを作製すれば、沿面放電を抑制することができるので、耐久性能が向上することが理解できる。

Ｄ３．フレーム噴出試験２：
フレーム噴出試験２は、耐久試験の時間が１０時間である点のみが上記のフレーム噴出試験１とは異なっており、他の試験方法及び評価基準は、フレーム噴出試験１と同じである。

図６によれば、条件１に加えて条件２を満たしているタイプ５〜７、９〜１１のプラズマジェットプラグは、フレーム噴出試験２における評価が全て「Ａ」となったことが理解できる。一方、条件１は満たしているが、条件２は満たしていないタイプ１〜４のプラズマジェットプラグは、フレーム噴出試験２における評価が「Ｂ」または「Ｃ」となったことが理解できる。

以上より、条件１に加えて条件２を満たすプラズマジェットプラグを作製すれば、沿面放電をさらに抑制することができるので、耐久性能がさらに向上することが理解できる。

Ｄ４．フレーム噴出試験３：
フレーム噴出試験３は、耐久試験の時間が３０時間である点のみが上記のフレーム噴出試験１とは異なっており、他の試験方法及び評価基準は、フレーム噴出試験１と同じである。

図６によれば、条件１及び条件２に加えて条件３を満たしているタイプ５〜７、９〜１０のプラズマジェットプラグは、フレーム噴出試験３における評価が全て「Ａ」となったことが理解できる。一方、条件１及び条件２は満たしているが、条件３は満たしていないタイプ１１のプラズマジェットプラグは、フレーム噴出試験３における評価が「Ｂ」となったことが理解できる。

以上より、条件１及び条件２に加えて条件３を満たすプラズマジェットプラグを作製すれば、沿面放電をさらに抑制することができるので、耐久性能がさらに向上することが理解できる。

Ｄ５．絶縁碍子の蓋部のクラック試験：
プラズマジェットプラグの各サンプルに対して下記の条件の耐久試験を行なった後、絶縁碍子１０の蓋部１１にクラックが発生しているか否かを判定した。
［耐久試験の条件］
雰囲気 ：大気
圧力 ：０．４ＭＰａ
火花放電頻度：３０Ｈｚ
試験時間：３０時間

本実験例では、各タイプ毎に１０個のサンプルを作製し、それぞれのサンプルに対して上記の耐久試験を行なった。そして、１０個のサンプルのうち、１個以上のサンプルにおいて絶縁碍子１０の蓋部１１にクラックが発生した場合には、低い評価として「Ｂ」と評価し、１０個のサンプルのうち、１０個のサンプル全てにおいて絶縁碍子１０の蓋部１１にクラックが発生しなかった場合には、高い評価として「Ａ」と評価した。

さらに、評価が「Ａ」となったタイプのプラズマジェットプラグに対しては、ＪＩＳ型振動衝撃試験機によって一定の加速度（８Ｇ）による衝撃を１分間加えた後、クラックの発生の有無を調べた。このＪＩＳ型振動衝撃試験機による試験によって、１０個のサンプルのうち、１０個のサンプル全てにおいてクラックが発生しなかったタイプのプラズマジェットプラグを特別に高い評価として「Ｓ」と評価した。

図６によれば、条件４を満たしているタイプ１〜８、１１のプラズマジェットプラグは、クラック試験における評価が全て「Ｓ」となったことが理解できる。一方、条件４を満たしていないタイプ９、１０のプラズマジェットプラグは、クラック試験における評価が「Ａ」となったことが理解できる。

以上より、条件４を満たすプラズマジェットプラグを作製すれば、絶縁碍子１０の蓋部１１におけるクラックの発生がさらに抑制されたことが理解できる。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

・変形例１：
上記実施形態では、接地電極３０と絶縁碍子１０の先端面１６との間に、微小な隙間（例えば、０．０５ｍｍ以下の隙間）が形成されている（図１）。これに対して、変形例では、接地電極３０は、絶縁碍子１０の先端面１６に接していてもよい。

・変形例２：
上記実施形態において、絶縁碍子１０の蓋部１１の一部は、テーパ状になっていてもよい。この場合には、蓋部１１のうち、最も内径が小さい位置における軸線ＣＯに沿った方向の厚さＬが、０．３ｍｍ以上であることが好ましい。

・変形例３：
上記実施形態において、製造時の誤差等により、中心電極２０の小径部２６の中心軸と、絶縁碍子１０の軸孔１２の中心軸とが一致しない場合がある。この中心電極２０の位置ずれも考慮すると、絶縁碍子１０の蓋部１１の開口部１１ａの径方向の幅Ｂは、中心電極２０の小径部２６の径方向の幅Ｃよりも十分に大きいことが好ましい。このようにすれば、中心電極２０が位置ずれした場合であっても、絶縁碍子１０の蓋部１１及び中心電極２０の小径部２６を軸線ＣＯに沿った方向から見た場合に、中心電極２０の小径部２６の外周の全てが、絶縁碍子１０の蓋部１１の開口部１１ａの内周側に位置することになる。この結果、中心電極２０が位置ずれした場合であっても、中心電極２０の小径部２６の先端２６ａと接地電極３０の孔３１とを結んだ直線上に、絶縁碍子１０の蓋部１１が存在しないので（図３参照）、火花放電によって絶縁碍子１０の蓋部１１にチャネリングが発生するのを抑制することができる。

・変形例４：
上記実施形態において、中心電極２０の先端には、イリジウム等の貴金属によって形成されたチップが、レーザー溶接等によって接合されていてもよい。この場合には、このチップも含んだ中心電極２０が、上記実施形態における中心電極２０に相当する。

・変形例５：
上記各実施形態において、プラズマジェットプラグは、上記の関係式（３）及び（４）を満たしていなくてもよい。また、プラズマジェットプラグのキャビティＣＶの容積Ｖは、１５ｍｍ³以下であってもよい。また、絶縁碍子１０の蓋部１１の軸線ＣＯに沿った方向の厚さＬは、０．３ｍｍ未満であってもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

４…シール体
５…ガスケット
６…リング部材
７…リング部材
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁碍子
１１…蓋部
１１ａ…開口部
１１ｂ…内周部
１２…軸孔
１３…脚長部
１５…段部
１６…先端面
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…鍔部
２０…中心電極
２１…電極母材
２５…芯材
２６…小径部
２６ａ…先端
２７…大径部
２７ａ…先端
３０…接地電極
３１…孔（オリフィス）
３２…先端面
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…ネジ部
５３…加締部
５４…鍔部
５５…座面
５６…段部
５７…先端面
５７Ａ…溝部
５８…座屈部
５９…ネジ首
１００…プラズマジェットプラグ
１００ｂ…プラズマジェットプラグ
１００ｃ…プラズマジェットプラグ

Claims (6)

1. 軸線に沿って延びる軸孔と、前記軸孔の内径よりも小さい内径の開口部を有する蓋部と、を有する絶縁体と、
   前記絶縁体の前記軸孔の内部に配置され、前記軸線に沿って延びる棒状の中心電極と、
   前記絶縁体の外周に配置された主体金具と、
   前記主体金具に電気的に接続された状態で前記絶縁体の先端に配置され、前記軸線上に開口する孔を有する接地電極と
   を備え、
   前記中心電極の先端が、前記絶縁体の前記蓋部の前記開口部よりも後端側に位置することによって、前記絶縁体の前記軸孔、前記蓋部の内周部及び前記中心電極で形成されるキャビティを有するプラズマジェットプラグであって、
   前記中心電極は、小径部と、前記小径部よりも後端側に位置し、自身の外径と前記絶縁体の前記軸孔の内径との径差が０．１ｍｍ以下である大径部とを有し、
   前記中心電極の前記小径部の先端から、前記絶縁体の前記蓋部の前記開口部までを最短距離で結んだ第１の経路の長さをＧ１（ｍｍ）と定義し、
   前記中心電極の前記小径部の先端から、前記絶縁体の前記軸孔の内周面までを最短距離で結んだ第２の経路の長さをＧ２（ｍｍ）と定義し、
   前記第２の経路と前記絶縁体の前記軸孔の前記内周面との接点から、前記絶縁体の前記蓋部の前記開口部までの、前記絶縁体の表面に沿った第３の経路の長さをＥ１（ｍｍ）と定義し、
   前記中心電極の前記大径部の先端に最も近い前記絶縁体の前記軸孔の内周面上の点から、前記絶縁体の前記蓋部の前記開口部までの、前記絶縁体の表面に沿った第４の経路の長さをＥ２（ｍｍ）と定義した場合において、
   関係式
   Ｇ２＋Ｅ１／３＞Ｇ１…（１）
   Ｅ２／３＞Ｇ１ …（２）
   を満たすことを特徴とする、プラズマジェットプラグ。
2. 請求項１に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記接地電極の前記孔の径方向の幅をＡ（ｍｍ）と定義し、
   前記絶縁体の前記蓋部の前記開口部の径方向の幅をＢ（ｍｍ）と定義し、
   前記中心電極の前記小径部の径方向の幅をＣ（ｍｍ）と定義した場合において、
   関係式
   Ｂ＞Ａ …（３）
   Ｂ＞Ｃ …（４）
   をさらに満たすことを特徴とする、プラズマジェットプラグ。
3. 請求項２に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記絶縁体の前記蓋部及び前記中心電極の前記小径部を前記軸線に沿った方向から見た場合に、
   前記中心電極の前記小径部の外周の全ては、前記蓋部の前記開口部の内周側に位置していることを特徴とする、プラズマジェットプラグ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記キャビティの容積は、１５ｍｍ³より大きいことを特徴とする、プラズマジェットプラグ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記絶縁体の前記蓋部のうち、最も内径が小さい位置における前記軸線に沿った方向の厚さは、０．３ｍｍ以上であることを特徴とする、プラズマジェットプラグ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記絶縁体の前記軸孔の前記内周面のうち、前記中心電極の前記小径部の先端に対向する位置には、他の位置の内周面よりも窪んだ窪み部が形成されていることを特徴とする、プラズマジェットプラグ。

Images