JP2016157650A - プラズマジェットプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】沿面放電を発生し難くして安定して気中放電を行わせることができ、チャンネリングの発生を抑制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は、軸線方向に沿って延びる軸孔を有する筒状の絶縁体と、前記軸孔の内部に配置された中心電極と、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前記絶縁体の先端側に配置されたオリフィス電極と、を備え、前記中心電極の表面と前記絶縁体の内面と前記オリフィス電極の内面とによってプラズマ生成用のキャビティが形成されている。このプラズマジェットプラグは、前記中心電極と前記オリフィス電極の間の最短距離である気中ギャップGと、前記中心電極の先端縁と前記絶縁体の内面との間の最短距離Ｄｃとの関係が、１．５×Ｇ≦Ｄｃを満たす。
【選択図】図４

Description

本発明は、プラズマを噴射することによって燃料混合気を着火させるプラズマジェットプラグに関する。

プラズマジェットプラグは、キャビティと呼ばれるプラズマを生成するための空間を有する点火プラグである（特許文献１）。キャビティの出口には開口を有するオリフィス電極（「接地電極」とも呼ばれる）が設けられており、キャビティの内部にはオリフィス電極とギャップを介して中心電極が設けられている。キャビティ内の壁面は、オリフィス電極と中心電極以外の部分は絶縁体で構成されている。このキャビティに大電流を投入し、大量のプラズマでキャビティ空間を満たして噴出させることによって、燃料混合気を着火させる。キャビティに大電流を投入する際には、先ず、オリフィス電極と中心電極との間に高電圧を印加することによって絶縁破壊を生じさせてキャビティ内に放電経路を形成し、その後に低電圧で大電流を重ね合わせる。

特開２００８−０４５４４９号公報

キャビティ内の放電経路としては、キャビティの壁面から離れた空間中の経路である気中経路と、キャビティの壁面（特に絶縁体の表面）に沿った沿面経路とが形成され得る。通常は、気中経路よりも沿面経路が形成され易い。沿面経路が形成されると、絶縁破壊時の電流によって、沿面経路と接する絶縁体の表面が溝状に溶融する「チャンネリング」と呼ばれる現象が発生する。チャンネリングが発生するとキャビティ形状が大きく変化し、プラズマ噴出性能が悪化する。さらには、チャンネリングで形成された溝に放電が集中して、より深い溝が形成されるという問題が生じる。そこで、沿面放電を発生し難くして安定して気中放電を行わせることができ、チャンネリングの発生を抑制できる技術が望まれている。

本発明は、上述の課題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、軸線方向に沿って延びる軸孔を有する筒状の絶縁体と、前記軸孔の内部に配置された中心電極と、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前記絶縁体の先端側に配置されたオリフィス電極と、を備え、前記中心電極の表面と前記絶縁体の内面と前記オリフィス電極の内面とによってプラズマ生成用のキャビティが形成されている。このプラズマジェットプラグは、前記中心電極と前記オリフィス電極の間の最短距離である気中ギャップGと、前記中心電極の先端縁と前記絶縁体の内面との間の最短距離Ｄｃとの関係が、１．５×Ｇ≦Ｄｃを満たすことを特徴とする。
このプラズマジェットプラグによれば、中心電極の先端縁と絶縁体の内面との間の最短距離Ｄｃが、気中ギャップGに比べて十分に大きいので、沿面放電が発生し難くなり、安定して気中放電を行わせることができるので、チャンネリングの発生を抑制できる。

（２）上記プラズマジェットプラグにおいて、前記キャビティに面する前記絶縁体の内面は、前記絶縁体の後端側に向かって前記絶縁体の内面が縮径するように設けられた縮径部を有し、前記キャビティは、前記絶縁体の前記縮径部の後端よりも先端側の第1キャビティ部と、前記縮径部の後端よりも後端側の第２キャビティ部とを有するものとしてもよい。
この構成によれば、小さな容積の第２キャビティ部によって、中心電極の先端縁と絶縁体の内面との間の最短距離Ｄｃを大きくできるので、沿面放電が発生を抑制しつつ、キャビティ全体の容積を小さく抑えてプラズマを噴出し易くすることができる。

（３）上記プラズマジェットプラグにおいて、前記第２キャビティ部において前記中心電極の表面と前記絶縁体の内面との間を前記軸線方向に垂直な径方向に測った距離である径方向空間距離Ｄａが、０．１ｍｍ以上であるものとしてもよい。
この構成によれば、第２キャビティ部における沿面放電の発生を抑制して安定して気中放電を行わせることができるので、チャンネリングの発生を抑制できる。

（４）上記プラズマジェットプラグにおいて、前記軸線方向に沿って測った前記第２キャビティ部の深さＤｂが、０＜Ｄｂ≦３×Ｄａを満たすものとしてもよい。
この構成によれば、第２キャビティ部の深さＤｂをこの範囲に設定することにより、沿面放電よりも気中放電が発生し易くなる傾向を高めることができ、また、第２キャビティ部の容積が過度に大きくなることを防止してプラズマを噴出し易くすることができる。

（５）上記プラズマジェットプラグにおいて、前記第２キャビティ部の前記径方向空間距離Ｄａと、前記中心電極の先端縁と前記絶縁体の内面との間の前記最短距離Ｄｃとの関係が、Ｄａ／Ｄｃ≦０．５を満たすものとしてもよい。
この構成によれば、Ｄａ／Ｄｃをこの範囲内に設定することにより、プラズマをより噴出し易くすることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、プラズマジェットプラグやプラズマジェットプラグを用いた点火装置、そのプラズマジェットプラグを搭載する内燃機関や、そのプラズマジェットプラグを用いた点火装置を搭載する内燃機関等の態様で実現することができる。

一実施形態としてのプラズマジェットプラグの部分断面図。 プラズマジェットプラグの先端部分を拡大した断面図。 点火装置のブロック図。 プラズマジェットプラグの先端部分の断面の拡大図。 他の実施形態におけるプラズマジェットプラグの先端部分の断面の拡大図。 Ｄｃ／Ｇに関する試験結果を示す説明図。 第２キャビティ部の径方向空間距離Ｄａに関する試験結果を示す説明図。 Ｄｂ／Ｄａに関する試験結果（その１）を示す説明図。 Ｄｂ／Ｄａに関する試験結果（その２）を示す説明図。 Ｄａ／Ｄｃに関する試験結果を示す説明図。

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の部分断面図である。また、図２は、プラズマジェットプラグ１００の先端部分を拡大した断面図である。図１，２において、プラズマジェットプラグ１００の軸線Ｏの方向に沿って下側をプラズマジェットプラグ１００の先端側と呼び、上側を後端側と呼ぶ。また、軸線Ｏと交差し、軸線Ｏに垂直な方向を「径方向」と呼ぶ。

図１において、軸線Ｏより右側はプラズマジェットプラグ１００の外観を示し、軸線Ｏの左側は断面図を示している。プラズマジェットプラグ１００は、絶縁体１０と、絶縁体１０を保持する主体金具５０と、絶縁体１０の内部に保持された中心電極２０と、主体金具５０の先端部５７に配置されたオリフィス電極３０と、絶縁体１０の後端部に配置された端子金具４０とを備えている。

絶縁体１０は、アルミナ等のセラミックス材料を焼成して形成されており、軸線Ｏ方向に延びる軸孔１２を有する筒状の絶縁部材である。軸線Ｏ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、これより後端側には後端側胴部１８が形成されている。また、鍔部１９より先端側には後端側胴部１８より外径の小さな先端側胴部１７と、その先端側胴部１７よりも先端側で先端側胴部１７よりも更に外径の小さな脚長部１３とが形成されている。この脚長部１３と先端側胴部１７との間は段状に形成されている。軸孔１２のうち脚長部１３の内周にあたる部分は、電極収容部１５として形成されている。この電極収容部１５は、先端側胴部１７と鍔部１９と後端側胴部１８のいずれの内周部分よりも縮径されている。この電極収容部１５の内部には中心電極２０が保持される。絶縁体１０の脚長部１３の先端側には、脚長部１３よりも内径が大きな拡大内径部１６が形成されている。

中心電極２０は、軸線Ｏに沿って延びる棒状の導電性部材であり、絶縁体１０の軸孔１２の内部に配置されている。本実施形態では、中心電極２０は、タングステン等の高融点材料で形成された一体成形品である。ただし、中心電極２０の構成としては、他の種々の構成を採用可能である。例えば、母材と、母材内に埋設された芯材と、の２重構造を有する構成を採用してもよい。

図２に示すように、中心電極２０は、最も後端側の頭部２１と、頭部２１よりも先端側に位置し頭部２１より外径が小さい脚部２２と、最も先端側に位置し最も外径が小さい先端小径部２７とを有している。中心電極２０の脚部２２は、電極収容部１５に収容され、中心電極２０の頭部２１は、軸孔１２の縮内径部１０ｚから後端側の部分に収容されている。頭部２１の先端側の面と縮内径部１０ｚの後端側の面とが密着しており、その周方向の全周に亘って封止されている。

図１に示すように、中心電極２０は、軸孔１２の内部に設けられた金属とガラスの混合物からなる導電性のシール体４を経由して、後端側の端子金具４０に電気的に接続されている。このシール体４により、中心電極２０および端子金具４０が、軸孔１２内で固定されると共に、相互に導通する。端子金具４０にはプラグキャップ（図示外）を介して高圧ケーブル（図示外）が接続される。

主体金具５０は、内燃機関のエンジンヘッドにプラズマジェットプラグ１００を固定するための円筒状の金具であり、絶縁体１０を取り囲むようにして保持している。主体金具５０は、プラグレンチが嵌合する工具係合部５１と、エンジンヘッドに螺合するねじ部５２とを備えている。主体金具５０の工具係合部５１より後端側には加締部５３が設けられている。工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０と、絶縁体１０の後端側胴部１８との間には円環状のリング部材６，７が介在されており、２つのリング部材６，７の間にタルク９（滑石）の粉末が充填されている。そして、加締部５３を加締めることにより、リング部材６，７およびタルク９を介して絶縁体１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。これにより、絶縁体１０の脚長部１３と先端側胴部１７との間の段状の部位が、主体金具５０の内周面に段状に形成された係止部５６に環状のパッキン８０を介して支持されて、主体金具５０と絶縁体１０とが一体にされる。このパッキン８０によって、主体金具５０と絶縁体１０との間の気密は保持され、燃焼ガスの流出が防止される。また、工具係合部５１とねじ部５２との間には鍔部５４が形成されており、ねじ部５２の後端側近傍、すなわち鍔部５４の座面５５にはガスケット５が嵌挿されている。

オリフィス電極３０は、主体金具５０の先端部５７に設けられている。図２に示すように、主体金具５０の先端部５７の内周側には凹部５７Ａが形成されており、この凹部５７Ａ内にオリフィス電極３０が嵌め込まれている。オリフィス電極３０は、中央に貫通孔３１を有する円環状の板状部材である。この貫通孔３１は、プラズマを噴出する噴出孔として機能する。オリフィス電極３０の周縁は、全周に亘ってレーザー溶接などによって主体金具５０に接合されており、オリフィス電極３０の内面３０ｉｎは絶縁体１０の先端面１０ｔと接した状態にある。主体金具５０とオリフィス電極３０は電気的に導通している。主体金具５０はエンジンヘッドに螺合されて接地されるので、オリフィス電極３０も接地される。また、オリフィス電極３０は、主体金具５０の先端方向の開口を覆っている。

プラズマを生成するためのキャビティＣＶは、図２に示すように、絶縁体１０の先端部分の内面と、中心電極２０の先端部分の表面と、オリフィス電極３０の内面との間に形成されている。中心電極２０とオリフィス電極３０との間に電圧を印加することによって、プラズマが生成される。

図３は、プラズマジェットプラグ１００を点火させる点火装置１２０の構成を示すブロック図である。この点火装置１２０は、火花放電回路部１４０と、プラズマ放電回路部１６０と、これらを制御する２つの制御回路部１３０，１５０とを有している。制御回路部１３０，１５０は、自動車のＥＣＵに接続される。

火花放電回路部１４０は、プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０とオリフィス電極３０の間のギャップに高電圧を印加することによって絶縁破壊を生じさせて火花放電を開始させる、いわゆるトリガー放電を行うための電源回路である。プラズマ放電回路部１６０は、トリガー放電により絶縁破壊が生じたギャップに大電流を供給するための電源回路である。プラズマ放電回路部１６０は、電気エネルギーを蓄えておくコンデンサ１６２と、コンデンサ１６２を充電するための高電圧発生回路１６１と、を有している。コンデンサ１６２の一端は接地され、他端は中心電極２０に接続されている。中心電極２０とオリフィス電極３０との間のギャップで放電が生じると、点火装置１２０から供給される大電流によってキャビティＣＶ内の気体が励起されてプラズマが形成される。キャビティＣＶ内に形成されたプラズマが膨張し、キャビティＣＶ内の圧力が高まると、キャビティＣＶ内のプラズマは、オリフィス電極３０の貫通孔３１から噴出される。噴出されたプラズマによって、内燃機関の燃焼室内の混合気が着火する。

図４は、プラズマジェットプラグ１００の先端部分の断面の拡大図である。なお、図４では、図１及び図２とは上下が逆であり、図４の上側がプラズマジェットプラグ１００の先端側であり、図４の下側がプラズマジェットプラグ１００の後端側である。

中心電極２０の先端近傍には、前述したように、脚部２２と先端小径部２７とが形成されている。脚部２２と先端小径部２７はそれぞれ円柱形状を有する。脚部２２と先端小径部２７との間には、縮径部２８が設けられている。縮径部２８は、図４の例ではテーパ状に形成されているが、テーパ状ではなく軸線０に垂直な面を構成するようにしてもよい。

絶縁体１０の先端近傍の脚長部１３には、脚長部１３よりも内径が大きな拡大内径部１６が形成されている。なお、脚長部１３を「小内径部１３」とも呼ぶ。脚長部１３と拡大内径部１６との間には縮径部１４が形成されている。この例では、縮径部１４はテーパ状に形成されているが、テーパ状ではなく軸線０に垂直な面を構成するようにしてもよい。絶縁体１０の縮径部１４は、中心電極２０の縮径部２８よりも先端側に設けられている。中心電極２０の先端小径部２７の外周と、絶縁体１０の脚長部１３の内面との間は、距離Ｄａだけ離間している。この距離Ｄａの幅の円環状の溝部は、以下で説明する第２キャビティ部ＣＶ２に相当する。

キャビティＣＶは、中心電極２０の表面２０ｓと、絶縁体１０の内面１０ｉｎと、オリフィス電極３０の内面３０ｉｎとによって囲まれる空間である。但し、キャビティＣＶは、オリフィス電極３０の貫通孔３１の部分を含んでおらず、貫通孔３１が無いと仮定したときのオリフィス電極３０の内面３０ｉｎの内側の空間を意味している。なお、中心電極２０の脚部２２の外周面と絶縁体１０の内面との間には、両者の組み付けのために微少な隙間（０．０６ｍｍ未満）が形成されている。隙間が０．０６ｍｍ未満の空間は微少であり、プラズマが発生しないので、キャビティＣＶの一部として機能しない。本明細書において、「キャビティ」とは、プラズマが生成される空間を意味し、隙間が０．０６ｍｍ以上の空間を意味する。より具体的に言えば、図４の実施形態における「キャビティ」は、絶縁体１０の先端部分の内面１０ｉｎと、中心電極２０の先端部分の表面と、オリフィス電極３０の内面３０ｉｎとの間に形成される空間のうち、隙間が０．０６ｍｍ以上の空間を意味し、隙間が０．０６ｍｍ未満の空間を含まない。なお、キャビティＣＶは、以下の２つに区分できる。
（ａ）第１キャビティ部ＣＶ１：絶縁体１０の縮径部１４の後端１４ｅよりも先端側に存在するキャビティ部分。
（ｂ）第２キャビティ部ＣＶ２：絶縁体１０の縮径部１４の後端１４ｅよりも後端側に存在するキャビティ部分。

図４では、更に、以下の寸法を示している。
（１）Ｄａ：中心電極２０の先端小径部２７の外周と、絶縁体１０の脚長部１３との間の距離（「径方向空間距離Ｄａ」と呼ぶ）。径方向空間距離Ｄａは、第２キャビティ部ＣＶ２の幅に相当する。
（２）Ｄｂ：中心電極２０の縮径部２８の後端２８ｅと、絶縁体１０の縮径部１４の後端１４ｅとの間の距離。この距離Ｄｂは、第２キャビティ部ＣＶ２の軸線方向の深さに相当する。
（３）Ｄｃ：中心電極２０の先端縁２０ｃと、絶縁体１０の内面１０ｉｎとの間の最短距離。なお、「最短距離」は、中心電極２０の先端縁２０ｃから任意の方向に向けて絶縁体１０の内面１０ｉｎまでの距離を測ったときの最小値を意味する。
（４）Ｄｄ：絶縁体１０の拡大内径部１６の内半径と脚長部１３の内半径との差分。この差分Ｄｄは、絶縁体１０の拡大内径部１６の内半径と、中心電極２０の脚部２２の外半径との差分に相当する。
（５）Ｄ２７：中心電極２０の先端小径部２７の外径。
（６）Ｄ２２：中心電極２０の脚部２２の外径。
（７）Ｅ：オリフィス電極３０の貫通孔３１の内径。
（８）Ｇ：オリフィス電極３０の内面３０ｉｎと、中心電極２０の先端面２０ｔとの間の軸線方向の距離。この距離Ｇを「気中ギャップＧ」とも呼ぶ。
（９）Ｌ：オリフィス電極３０の内面３０ｉｎと、絶縁体１０の縮径部１４の後端１４ｅとの間の距離。この距離Ｌは、第１キャビティ部ＣＶ１の軸線方向の深さに相当する。

なお、オリフィス電極３０の貫通孔３１の内径Ｅは、中心電極２０の先端小径部２７の外径Ｄ２７よりも小さいことが好ましい。これは、気中ギャップＧにおいて気中放電を生じ易くするためである。

図５は、他の実施形態におけるプラズマジェットプラグ１００ａの先端部分の断面の拡大図である。このプラズマジェットプラグ１００ａの中心電極２０ａは、図４のプラズマジェットプラグ１００の中心電極２０が有していた先端小径部２７を有しておらず、脚部２２がそのまま先端まで延長された形状を有している。従って、図４のプラズマジェットプラグ１００に存在する第２キャビティ部ＣＶ２は、図５のプラズマジェットプラグ１００ａでは存在しない。

図５のような第２キャビティ部ＣＶ２を有さないプラズマジェットプラグ１００ａにおいても、中心電極２０の先端縁２０ｃと絶縁体１０の内面１０ｉｎとの間の最短距離Ｄｃを十分に大きくとることによって、沿面放電が発生し難くし、安定して気中放電を行わせることができる。但し、図４のように第２キャビティ部ＣＶ２を設けるようにすれば、中心電極２０の先端縁２０ｃと絶縁体１０の内面１０ｉｎとの間の最短距離Ｄｃを大きくできるので、沿面放電が発生を抑制することが可能であり、また、キャビティＣＶ全体の容積を小さく抑えてプラズマを噴出し易くすることができる。

以下では、図４及び図５に示したプラズマジェットプラグに関する寸法をパラメータとして行ったいくつかの試験結果について順次説明する。

図６は、中心電極２０の先端縁２０ｃと絶縁体１０の内面１０ｉｎとの間の最短距離Ｄｃと、気中ギャップＧとの関係についての放電経路確認試験の結果を示している。ここでは、図６（Ａ）は、放電経路確認試験用のプラズマジェットプラグ１００ｂの縦断面図を示し、図６（Ｂ）はその平面図を示している。このプラズマジェットプラグ１００ｂは、図５に示した第２キャビティ部ＣＶ２の無いプラズマジェットプラグ１００ａのオリフィス電極３０を、棒状の電極３０ｂａｒに置き換えた構成を有している。この理由は、オリフィス電極３０の貫通孔３１（図５）からキャビティＣＶの内部を撮影するのが困難だからである。放電経路確認試験では、圧力チャンバ内にプラズマジェットプラグ１００ｂを取り付け、圧力チャンバ内を１．０ＭＰａ（大気）に加圧した状態で１００回の放電を行った。この際、高速度カメラを用いてキャビティＣＶ内の放電経路を撮影し、１００回の放電のうちで沿面放電が生じた回数の割合を測定した。

図６（Ｃ）は、中心電極２０の先端縁２０ｃと絶縁体１０の内面１０ｉｎとの間の最短距離Ｄｃと、気中ギャップＧとの比Ｄｃ／Ｇの値をパラメータとしたサンプルＳ１０１〜Ｓ１０４の各種の寸法を示している。これらのサンプルＳ１０１〜Ｓ１０４は、第２キャビティ部ＣＶ２が無いので、第２キャビティ部ＣＶ２に関連する寸法Ｄａ，Ｄｂはゼロであり、また、Ｄｃ＝Ｄｄである。また、この試験では、気中ギャップＧは０．５ｍｍで一定とし、最短距離Ｄｃの値を０．２５ｍｍ〜１．００ｍｍの範囲で変更した４つのサンプルＳ１０１〜Ｓ１０４を用いた。

図６（Ｄ）は、放電経路確認試験で得られた沿面放電割合を示している。この試験結果によれば、Ｄｃ／Ｇの値が増加するに従って沿面放電割合が減少し、Ｄｃ／Ｇが１．５以上になると沿面放電が発生せずにすべて気中放電となった。この結果を考慮すれば、気中ギャップＧに対する最短距離Ｄｃの比の値Ｄｃ／Ｇは大きいほど好ましく、特に、以下の関係を満たすことが好ましい。
１．５×Ｇ≦Ｄｃ …（１）
この（１）式を満足すれば、中心電極２０の先端縁２０ｃと絶縁体１０の内面１０ｉｎとの間の最短距離Ｄｃが、気中ギャップＧに比べて十分に大きいので、沿面放電が発生し難くなり、安定して気中放電を行わせることができる。この結果、チャンネリングの発生を抑制できる。

なお、上記（１）式の関係は、図５に示したような第２キャビティ部ＣＶ２の無いプラズマジェットプラグ１００ａに限らず、図４に示したような第２キャビティ部ＣＶ２の有るプラズマジェットプラグ１００にも同様に適用できると推定される。この理由は、第２キャビティ部ＣＶ２が有る場合にも、上記（１）式を満足すれば最短距離Ｄｃが気中ギャップＧに比べて十分に大きくなるので沿面放電が発生し難くなり、安定して気中放電が発生すると期待されるからである。

ところで、沿面放電よりも気中放電を発生し易くするという意味からは、上記（１）式を満たすようにＤｃの値を設定することが好ましいが、一方で、Ｄｃの値は、キャビティＣＶの容積が過度に大きくならない程度の範囲に収めることが好ましい。この理由は、キャビティＣＶの容積が過度に大きくなると、プラズマの噴出性能が悪化する可能性があるからである。この意味では、Ｄｃの値として、例えば２ｍｍ以下とすることが好ましく、１．５ｍｍ以下とすることが更に好ましく、１ｍｍ以下とすることが最も好ましい。

図７は、第２キャビティ部ＣＶ２の径方向空間距離Ｄａについての放電試験結果を示す説明図である。図７（Ａ）は試験装置の模式的な平面図であり、図７（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。この試験では、圧力チャンバ３００内に第１電極２１０を設置し、第１電極２１０の上表面の凹部に直方形状の絶縁体２２０を嵌め込み、絶縁体２２０の上に円柱状の第２電極２３０を設置した。第１電極２１０の一端には、鉛直上方に立ち上がる壁部２１２を形成し、この壁部２１２と絶縁体２２０の間に空間距離Ｄａを設定した。また、第２電極２３０の側面から第１電極２１０の壁部２１２に向かう沿面経路のうち、絶縁体２２０上の沿面距離を０．５ｍｍに設定した。更に、絶縁体２２０の厚みをいくつかの値に変えることによって、第１電極２１０の上表面と絶縁体２２０の上表面との間の距離Ｄｂを変更した。また、この距離Ｄｂと空間距離Ｄａとが等しくなるように空間距離Ｄａを調節した。第１電極２１０の壁部２１２は、図４における中心電極２０を模擬しており、第１電極２１０の壁部２１２と絶縁体２２０との間の溝部ＧＶは図４における第２キャビティ部ＣＶ２を模擬している。すなわち、図７（Ｂ）の空間距離Ｄａは、第２キャビティ部ＣＶ２（図４）の径方向空間距離Ｄａを模擬しており、図７（Ｂ）の距離Ｄｂは、第２キャビティ部ＣＶ２の深さＤｂを模擬している。

この放電試験では、圧力チャンバ内を０．２ＭＰａ，０．６ＭＰａ，１．０ＭＰａ（いずれも大気）に加圧した状態でそれぞれ１００回の放電を行った。そして、高速度カメラを用いて放電経路を撮影し、１００回の放電のうちで気中放電が生じた回数の割合を測定した。ここで、「気中放電」とは絶縁体２２０の表面に沿った沿面経路を通らない放電を意味し、「沿面放電」とは絶縁体２２０の表面に沿った沿面経路を通る放電を意味する。

図７（Ｃ）は、空間距離Ｄａと気中放電割合との関係を示している。この試験結果によれば、空間距離Ｄａの値が増加するに従って気中放電割合が減少し、空間距離Ｄａが０．１ｍｍ以上になると気中放電が発生せず、すべて沿面放電となった。この結果は、次のように理解することができる。すなわち、図７（Ｂ）の空間距離Ｄａが大きくなると、第１電極２１０の壁部２１２の表面から気中を介して横方向に第２電極２３０に到達する気中放電が発生し難くなる。これを図４のプラズマジェットプラグ１００に当てはめて考えると、第２キャビティ部ＣＶ２の径方向空間距離Ｄａが大きくなると、中心電極２０の側面から気中を介して第２キャビティ部ＣＶ２の溝部を飛び越した後に絶縁体１０の内面の沿面経路に沿って放電が発生し難くなるものと推定できる。従って、図４のように第２キャビティ部ＣＶ２を有するプラズマジェットプラグ１００において沿面放電を抑制するためには、第２キャビティ部ＣＶ２の径方向空間距離Ｄａを大きくすることが好ましく、特に０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。こうすれば、沿面放電の発生を抑制して、安定して気中放電を行わせることができる。

ところで、沿面放電よりも気中放電を発生し易くするという意味からは、第２キャビティ部ＣＶ２の径方向空間距離Ｄａを０．１ｍｍ以上とすることが好ましいが、一方で、Ｄａの値は、第２キャビティ部ＣＶ２の容積が過度に大きくならない程度の範囲に収めることが好ましい。この意味では、Ｄａの値として、例えば１ｍｍ以下とすることが好ましく、０．７ｍｍ以下とすることが更に好ましく、０．５ｍｍ以下とすることが最も好ましい。

図８は、第２キャビティ部ＣＶ２の深さＤｂと径方向空間距離Ｄａの比Ｄｂ／Ｄａについての試験結果を示している。この試験では、圧力チャンバ内にプラズマジェットプラグ１００を取り付け、圧力チャンバ内を１．０ＭＰａ（大気）に加圧した状態で１００回の放電を行い、放電電圧を測定した。ここで、「放電電圧」とは、高電圧を印加して絶縁破壊が生じた際の電圧を意味する。

図８（Ａ）には、サンプルＳ２０１〜Ｓ２１６の寸法を示している。サンプルＳ２０１は、第２キャビティ部ＣＶ２の無い図５の形状のプラグである。サンプルＳ２０２〜Ｓ２０６は、第２キャビティ部ＣＶ２の径方向空間距離Ｄａを０．１ｍｍの一定値とし、第２キャビティ部ＣＶ２の深さＤｂを変えたサンプルである。サンプルＳ２０７〜Ｓ２１１は、第２キャビティ部ＣＶ２の径方向空間距離Ｄａを０．３ｍｍの一定値とし、第２キャビティ部ＣＶ２の深さＤｂを変えたサンプルである。サンプルＳ２１２〜Ｓ２１５は、第２キャビティ部ＣＶ２の径方向空間距離Ｄａを０．５ｍｍの一定値とし、第２キャビティ部ＣＶ２の深さＤｂを変えたサンプルである。なお、３つのサンプル群Ｓ２０２〜Ｓ２０６，Ｓ２０７〜Ｓ２１１，Ｓ２１２〜Ｓ２１６における径方向空間距離Ｄａの違いは、中心電極２０の先端小径部２７の外径Ｄ２７を変更することによって調整した。この試験では、すべてのサンプルＳ２０１〜Ｓ２１６において、オリフィス電極３０の貫通孔３１の内径Ｅを２．５ｍｍと、通常の値（約１．０ｍｍ）に比べて過大な値に設定した。この理由は、中心電極２０からオリフィス電極３０への気中放電が発生せずに、必ず沿面放電が生じるようにするためである。

図８（Ｂ）は、Ｄｂ／Ｄａの値と放電電圧との関係を示している。この結果から理解できるように、Ｄｂ／Ｄａの値が大きくなるほど放電電圧が高くなる傾向にある。なお、上述したように、この試験のサンプルは、中心電極２０からオリフィス電極３０への気中放電が発生せずに必ず沿面放電が生じる形状としているので、図８（Ｂ）の放電電圧が高いほど、実際のプラズマジェットプラグ１００では中心電極２０からオリフィス電極３０への気中放電が発生し易くなる。従って、この試験による放電電圧が高い方が、気中放電が発生し易く沿面放電が発生し難くなる点で好ましい。具体的には、第２キャビティ部ＣＶ２の深さＤｂと径方向空間距離Ｄａの比Ｄｂ／Ｄａの値が０を超えること（すなわち、第２キャビティ部ＣＶ２が存在すること）が好ましい。また、Ｄｂ／Ｄａの値が３以上となっても放電電圧はそれ以上増大しないので、Ｄｂ／Ｄａの値は３以下で十分である。

図９は、第２キャビティ部ＣＶ２の深さＤｂと径方向空間距離Ｄａの比Ｄｂ／Ｄａについてのプラズマ噴出試験の結果を示している。この試験では、圧力チャンバ内を０．６ＭＰａ（大気）に加圧した状態でプラズマジェットプラグ１００を放電させ、オリフィス電極３０の貫通孔３１から噴出されたプラズマを側方から撮影してシュリーレン画像を取得した。そして、シュリーレン画像を二値化して、高密度部分を表す画素と低密度部分を表す画素とに分類し、高密度部分を表す画素の個数を、噴出されたプラズマのサイズとして算出した。なお、サンプルごとに１０回のシュリーレン撮影を実行し、１０回の撮影により算出されたプラズマの画素数の平均値を噴出面積とした。

図９（Ａ）には、サンプルＳ３０２〜Ｓ３１６の寸法を示している。サンプルＳ３０２〜Ｓ３１６の寸法は、オリフィス電極３０の貫通孔３１の内径Ｅを１．０ｍｍ（通常値）とした点以外は図８（Ａ）に示したサンプルＳ２０２〜Ｓ２１６と同じである。図９（Ａ）のサンプルＳ３０２〜Ｓ３１６でオリフィス電極３０の貫通孔３１の内径Ｅを１．０ｍｍとした理由は、中心電極２０とオリフィス電極３０との間の気中ギャップＧで気中放電を発生させるためでる。

図９（Ｂ）は、Ｄｂ／Ｄａの値とプラズマの噴出面積との関係を示している。この試験結果から理解できるように、Ｄｂ／Ｄａの値が大きくなるほどプラズマの噴出面積が小さくなる傾向にある。従って、図９（Ｂ）の結果からは、第２キャビティ部ＣＶ２の深さＤｂと径方向空間距離Ｄａの比Ｄｂ／Ｄａの値は小さいことが好ましい。但し、Ｄｂ／Ｄａの値が３より小さくなってもプラズマの噴出面積はそれほど増大しないので、Ｄｂ／Ｄａの値は３以下とすれば十分である。

上述した図８及び図９の結果を考慮すると、第２キャビティ部ＣＶ２の径方向空間距離Ｄａと深さＤｂは、以下の関係を満たすことが好ましい。
０＜Ｄｂ≦３×Ｄａ …（２）
第２キャビティ部ＣＶ２の深さＤｂを（２）式の範囲に設定すれば、沿面放電よりも気中放電が発生し易くなる傾向を高めることができる（図８（Ｂ））。また、第２キャビティ部の容積が過度に大きくなることを防止して、プラズマを噴出し易くすることができる（図９（Ｂ））。

図１０は、第２キャビティ部ＣＶ２の径方向空間距離Ｄａと、中心電極２０の先端縁２０ｃと絶縁体１０の内面１０ｉｎとの間の最短距離Ｄｃとの比Ｄａ／Ｄｃについてのプラズマ噴出試験の結果を示している。このプラズマ噴出試験は、サンプルの形状以外は図９と同じ条件で行った。

図１０（Ａ）には、サンプルＳ４０１〜Ｓ４０５の寸法を示している。これらのサンプルＳ４０１〜Ｓ４０５では、中心電極２０の脚部２２の外径Ｄ２２を変えることによって、第２キャビティ部ＣＶ２の径方向空間距離Ｄａを変更した。但し、中心電極２０の先端縁２０ｃと絶縁体１０の内面１０ｉｎとの間の最短距離Ｄｃが一定値（１．０ｍｍ）となるように、絶縁体１０の拡大内径部１６の内半径と脚長部１３の内半径との差分Ｄｄを調整した。

図１０（Ｂ）は、Ｄａ／Ｄｃの値とプラズマの噴出面積との関係を示している。この結果から理解できるように、Ｄａ／Ｄｃの値が大きくなるほどプラズマの噴出面積が小さくなる傾向にある。従って、図１０（Ｂ）の結果からは、Ｄａ／Ｄｃの値は小さいことが好ましい。但し、Ｄｂ／Ｄａの値が０．５より小さくなってもプラズマの噴出面積はそれ以上増大しないので、Ｄｂ／Ｄａの値は０．５以下とすれば十分である。なお、図４の構造において、Ｄａは、中心電極２０の側面（外周面）から第２キャビティ部ＣＶ２の外周を構成する絶縁体１０の壁面までの距離である。また、Ｄｃは、中心電極２０の先端縁２０ｃから第１キャビティ部ＣＶ１の外周を構成する絶縁体１０の内面１０ｉｎまでの最短距離である。図１０（Ｂ）の結果は、これらの距離の比Ｄａ／Ｄｃの値が０．５を超えると、プラズマが第２キャビティ部ＣＶ２の奥まで広がりやすくなるため、オリフィス電極３０の貫通孔３１から外部にプラズマが噴出する噴出力が低下するものと理解することが可能である。

図１０（Ｂ）の試験結果を考慮すると、第２キャビティ部ＣＶ２の径方向空間距離Ｄａと、中心電極２０の先端縁２０ｃと絶縁体１０の内面１０ｉｎとの間の最短距離Ｄｃとの関係が、以下の関係を満たすことが好ましい。
（Ｄａ／Ｄｃ）≦０．５ …（３）
この（３）式を満足するようにＤａ／Ｄｃを設定すれば、プラズマをより噴出し易くすることが可能である。

・変形例
なお、この発明は上記の実施例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る。

・変形例１：
プラズマジェットプラグの構成としては、図４や図５に示した構成以外の種々の構成を採用可能である。例えば、中心電極２０の先端付近の形状が単純な円柱形でなく、表面に凹凸を設けてもよい。

４…シール体
５…ガスケット
６…リング部材
７…リング部材
９…タルク
１０…絶縁体
１０ｉｎ…絶縁体の内面
１０ｔ…絶縁体の先端面
１０ｚ…縮内径部
１２…絶縁体の軸孔
１３…絶縁体の脚長部
１４…絶縁体の縮径部
１４ｅ…縮径部の後端
１５…絶縁体の電極収容部
１６…絶縁体の拡大内径部
１７…絶縁体の先端側胴部
１８…絶縁体の後端側胴部
１９…絶縁体の鍔部
２０…中心電極
２０ｃ…中心電極の先端縁
２０ｓ…中心電極の表面
２０ｔ…中心電極の先端面
２１…中心電極の頭部
２２…中心電極の脚部
２７…中心電極の先端小径部
２８…中心電極の縮径部
２８ｅ…縮径部の後端
３０…オリフィス電極（接地電極）
３０ｉｎ…オリフィス電極の内面
３０ｂａｒ…棒状の電極
３１…オリフィス電極の貫通孔
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…主体金具の工具係合部
５２…主体金具のねじ部
５３…主体金具の加締部
５４…主体金具の鍔部
５５…主体金具の座面
５６…主体金具の係止部
５７…主体金具の先端部
５７Ａ…主体金具の先端部の凹部
８０…パッキン
１００…プラズマジェットプラグ
１２０…点火装置
１３０…制御回路部
１４０…火花放電回路部
１６０…プラズマ放電回路部
１６１…高電圧発生回路
１６２…コンデンサ
２１０…第１電極
２１２…第１電極の壁部
２２０…絶縁体
２３０…第２電極

Claims (5)

1. 軸線方向に沿って延びる軸孔を有する筒状の絶縁体と、前記軸孔の内部に配置された中心電極と、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前記絶縁体の先端側に配置されたオリフィス電極と、を備え、前記中心電極の表面と前記絶縁体の内面と前記オリフィス電極の内面とによってプラズマ生成用のキャビティが形成されたプラズマジェットプラグにおいて、
   前記中心電極と前記オリフィス電極の間の最短距離である気中ギャップGと、前記中心電極の先端縁と前記絶縁体の内面との間の最短距離Ｄｃとの関係が、１．５×Ｇ≦Ｄｃ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、
   前記キャビティに面する前記絶縁体の内面は、前記絶縁体の後端側に向かって前記絶縁体の内面が縮径するように設けられた縮径部を有し、
   前記キャビティは、前記絶縁体の前記縮径部の後端よりも先端側の第1キャビティ部と、前記縮径部の後端よりも後端側の第２キャビティ部とを有する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、
   前記第２キャビティ部において前記中心電極の表面と前記絶縁体の内面との間を前記軸線方向に垂直な径方向に測った距離である径方向空間距離Ｄａが、０．１ｍｍ以上であることを特徴とするプラズマジェットプラグ。
4. 請求項３に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記軸線方向に沿って測った前記第２キャビティ部の深さＤｂが、０＜Ｄｂ≦３×Ｄａを満たすことを特徴とするプラズマジェットプラグ。
5. 請求項４に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記第２キャビティ部の前記径方向空間距離Ｄａと、前記中心電極の先端縁と前記絶縁体の内面との間の前記最短距離Ｄｃとの関係が、Ｄａ／Ｄｃ≦０．５を満たすことを特徴とするプラズマジェットプラグ。

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