JP5752329B1 - スパークプラグ - Google Patents

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Abstract

電波ノイズの抑制性能と抵抗体の寿命とを向上する。スパークプラグの抵抗体は、骨材と、ZrO2を含むフィラーと、カーボンと、を含んでいる。抵抗体の軸線を含む断面において、軸線を中心線とし、軸線に垂直な方向の大きさが1800μmであり、軸線の方向の大きさが2400μmである矩形領域を、対象領域とする。対象領域を、一辺の長さが200μmである複数の正方形領域に分割した場合に、軸線に垂直な方向に並ぶ9個の正方形領域で構成される線状の領域を、線状領域とする。ZrO2の面積の割合が25%以上である正方形領域を第1種領域とし、ZrO2の面積の割合が25%未満である正方形領域を第2種領域とする。この場合、2個以上の第1種領域を含む線状領域の総数が、5本以上である。

Description

本発明は、スパークプラグに関するものである。
従来から、内燃機関に、スパークプラグが用いられている。また、点火によって発生する電波ノイズを抑制するために、中心電極と端子金具との間に抵抗体を配置する技術が提案されている。
特開2005−327743号公報
近年エンジンの高出力化等により、電雑性能と耐久性の一層の向上が求められている。
本発明の主な利点は、電波ノイズの抑制性能と抵抗体の寿命とを向上することである。
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、以下の適用例として実現することが可能である。
[適用例1]
軸線の方向に延びる貫通孔を有する絶縁体と、
前記貫通孔の先端側に少なくとも一部が挿入された中心電極と、
前記貫通孔の後端側に少なくとも一部が挿入された端子金具と、
前記貫通孔内で、前記中心電極と前記端子金具とを電気的に接続する接続部と、
を備えるスパークプラグであって、
前記接続部は、抵抗体を含み、
前記抵抗体は、骨材と、ZrOを含むフィラーと、カーボンと、を含み、
前記抵抗体の前記軸線を含む断面において、
前記軸線を中心線とし、前記軸線に垂直な方向の大きさが1800μmであり、前記軸線の方向の大きさが2400μmである矩形領域を、対象領域とし、
前記対象領域を、一辺の長さが200μmである複数の正方形領域に分割した場合に、前記軸線に垂直な方向に並ぶ9個の正方形領域で構成される線状の領域を、線状領域とし、
ZrOの面積の割合が25%以上である正方形領域を第1種領域とし、
ZrOの面積の割合が25%未満である正方形領域を第2種領域としたときに、
2個以上の前記第1種領域を含む前記線状領域の総数が、5本以上である、
スパークプラグ。
この構成によれば、抵抗体の内部の状態を適正化することによって、電波ノイズの抑制性能と抵抗体の寿命との両方を向上できる。
[適用例2]
適用例1に記載のスパークプラグであって、
連続する2個以上の前記第1種領域を含む前記線状領域の総数が、5本以上である、
スパークプラグ。
この構成によれば、抵抗体の内部の状態を適正化することによって、電波ノイズの抑制性能と抵抗体の寿命との両方を向上できる。
[適用例3]
適用例1または2に記載のスパークプラグであって、
前記フィラーは、TiOを含み、
前記抵抗体におけるZrに対するTiの重量割合が、0.05以上、6以下である、
スパークプラグ。
この構成によれば、フィラーにおけるZrに対するTiの重量割合を適正化することによって、電波ノイズの抑制性能と抵抗体の寿命との両方を向上できる。
[適用例4]
適用例1から3のいずれか1項に記載のスパークプラグであって、
前記抵抗体のうちの前記軸線と垂直な断面において前記絶縁体の内周面と全周に亘って接触している部分の外径の最小値は、3.5mm以下である、スパークプラグ。
この構成によれば、3.5mm以下の外径を有する抵抗体を用いる場合に、電波ノイズの抑制性能と抵抗体の寿命との両方を向上できる。
[適用例5]
適用例4に記載のスパークプラグであって、
前記外径の最小値は、2.9mm以下である、スパークプラグ。
この構成によれば、2.9mm以下の外径を有する抵抗体を用いる場合に、電波ノイズの抑制性能と抵抗体の寿命との両方を向上できる。
[適用例6]
適用例1から5のいずれか1項に記載のスパークプラグであって、
前記中心電極の後端と前記端子金具の先端との間の前記軸線の方向の距離は、15mm以上である、スパークプラグ。
この構成によれば、15mm以上の距離をあけて配置された中心電極と端子金具との間に抵抗体を配置する場合に、電波ノイズの抑制性能と抵抗体の寿命との両方を向上できる。
[適用例7]
適用例1から6のいずれか1項に記載のスパークプラグであって、
前記軸線に平行な方向に並ぶ12個の前記正方形領域で構成される線状の領域を、縦線状領域とし、1本の縦線状領域における前記第1種領域の連続数の最大値を、縦最大連続数としたときに、前記対象領域に含まれる9本の縦線状領域における前記縦最大連続数の平均値が、5.0以下である、スパークプラグ。
この構成によれば、電波ノイズの抑制性能を更に向上できる。
[適用例8]
適用例1から7のいずれか1項に記載のスパークプラグであって、
連続する2個以上の前記第1種領域を含む前記横線状領域の総数が、7本以上である、
スパークプラグ。
この構成によれば、抵抗体の寿命を更に向上できる。
[適用例9]
適用例1から8のいずれか1項に記載のスパークプラグであって、
1本の横線状領域における前記第1種領域の連続数の最大値を、横最大連続数としたときに、前記対象領域に含まれる12本の横線状領域における前記横最大連続数の平均値が、前記対象領域中の前記第1種領域の総数から算出される前記横最大連続数の期待値よりも、大きい、
スパークプラグ。
この構成によれば、抵抗体の寿命を更に向上できる。
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、スパークプラグ、スパークプラグを搭載する内燃機関、等の態様で実現することができる。
スパークプラグの一例の断面図である。 抵抗体70の中心軸CLを含む断面と、その断面上の対象領域A10と、の説明図である。
A.実施形態:
図1は、第1実施形態のスパークプラグの一例の断面図である。図示されたラインCLは、スパークプラグ100の中心軸を示している。図示された断面は、中心軸CLを含む断面である。以下、中心軸CLのことを「軸線CL」とも呼び、中心軸CLと平行な方向を「軸線方向」とも呼ぶ。中心軸CLを中心とする円の径方向を、単に「径方向」とも呼び、中心軸CLを中心とする円の円周方向を「周方向」とも呼ぶ。中心軸CLと平行な方向のうち、図1における下方向を先端方向D1と呼び、上方向を後端方向D1rとも呼ぶ。先端方向D1は、後述する端子金具40から電極20、30に向かう方向である。また、図1における先端方向D1側をスパークプラグ100の先端側と呼び、図1における後端方向D1r側をスパークプラグ100の後端側と呼ぶ。
スパークプラグ100は、絶縁体10(以下「絶縁碍子10」とも呼ぶ)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、導電性の第1シール部60と、抵抗体70と、導電性の第2シール部80と、先端側パッキン8と、タルク9と、第1後端側パッキン6と、第2後端側パッキン7と、を備えている。
絶縁体10は、中心軸CLに沿って延びて絶縁体10を貫通する貫通孔12(以下「軸孔12」とも呼ぶ)を有する略円筒状の部材である。絶縁体10は、アルミナを焼成して形成されている(他の絶縁材料も採用可能である)。絶縁体10は、先端側から後端方向D1rに向かって順番に並ぶ、脚部13と、第1縮外径部15と、先端側胴部17と、鍔部19と、第2縮外径部11と、後端側胴部18と、を有している。第1縮外径部15の外径は、後端側から先端側に向かって、徐々に小さくなる。絶縁体10の第1縮外径部15の近傍(図1の例では、先端側胴部17)には、後端側から先端側に向かって内径が徐々に小さくなる縮内径部16が形成されている。第2縮外径部11の外径は、先端側から後端側に向かって、徐々に小さくなる。
絶縁体10の軸孔12の先端側には、中心軸CLに沿って延びる棒状の中心電極20が挿入されている。中心電極20は、先端側から後端方向D1rに向かって順番に並ぶ、脚部25と、鍔部24と、頭部23と、を有している。脚部25の先端側の部分は、絶縁体10の先端側で、軸孔12の外に露出している。鍔部24の先端方向D1側の面は、絶縁体10の縮内径部16によって、支持されている。また、中心電極20は、外層21と芯部22とを有している。芯部22の後端部は、外層21から露出し、中心電極20の後端部を形成する。芯部22の他の部分は、外層21によって被覆されている。ただし、芯部22の全体が、外層21によって覆われていても良い。
外層21は、芯部22よりも耐酸化性に優れる材料、すなわち、内燃機関の燃焼室内で燃焼ガスに曝された場合の消耗が少ない材料を用いて形成されている。外層21の材料としては、例えば、ニッケル(Ni)、または、ニッケルを主成分として含む合金(例えば、インコネル(「INCONEL」は、登録商標))が用いられる。ここで、「主成分」は、含有率が最も高い成分を意味している(以下、同様)。含有率としては、重量パーセント(wt%)で表される値が、採用される。芯部22は、外層21よりも熱伝導率が高い材料、例えば、銅を含む材料(例えば、純銅、または、銅を主成分とする合金)で形成されている。
絶縁体10の軸孔12の後端側には、端子金具40の一部が挿入されている。端子金具40は、導電性材料(例えば、低炭素鋼等の金属)を用いて形成されている。絶縁体10の軸孔12内において、端子金具40と中心電極20との間には、電気的なノイズを抑制するための、略円柱形状の抵抗体70が配置されている。抵抗体70は、導電性材料(例えば、炭素粒子)と、比較的に径が大きな第1種粒子(例えば、SiO2−B23−LiO−BaO系等のガラス粒子)と、比較的に径が小さな第2種粒子(例えば、ZrOの粒子とTiOの粒子)と、を含む材料を用いて形成されている。図中の抵抗体径70Dは、抵抗体70の外径である。本実施形態では、抵抗体径70Dは、絶縁体10の貫通孔12のうちの抵抗体70を収容する部分の内径と、同じである。
絶縁体10の貫通孔12の内において、抵抗体70と中心電極20との間には、導電性の第1シール部60が配置され、抵抗体70と端子金具40との間には、導電性の第2シール部80が配置されている。シール部60、80は、例えば、抵抗体70の材料に含まれるものと同じガラス粒子と、金属粒子(例えば、Cu)と、を含む材料を用いて、形成されている。
中心電極20と端子金具40とは、抵抗体70とシール部60、80とを介して、電気的に接続される。以下、貫通孔12内で、中心電極20と端子金具40とを電気的に接続する部材(ここでは、複数の部材60、70、80)の全体を、接続部300と呼ぶ。図中の接続部長300Lは、中心電極20の後端(後端方向D1r側の端)と、端子金具40の先端(先端方向D1側の端)との間の中心軸CLと平行な方向の距離である。
主体金具50は、中心軸CLに沿って延びて主体金具50を貫通する貫通孔59を有する略円筒状の部材である(本実施形態では、主体金具50の中心軸は、スパークプラグ100の中心軸CLと一致している)。主体金具50は、低炭素鋼材を用いて形成されている(他の導電性材料(例えば、金属材料)も採用可能である)。主体金具50の貫通孔59には、絶縁体10が挿入されている。主体金具50は、絶縁体10の外周に固定されている。主体金具50の先端側では、絶縁体10の先端(本実施形態では、脚部13の先端側の部分)が、貫通孔59の外に露出している。主体金具50の後端側では、絶縁体10の後端(本実施形態では、後端側胴部18の後端側の部分)が、貫通孔59の外に露出している。
主体金具50は、先端側から後端側に向かって順番に並ぶ、胴部55と、座部54と、変形部58と、工具係合部51と、加締部53と、を有している。座部54は、鍔状の部分である。胴部55の外周面には、内燃機関(例えば、ガソリンエンジン)の取付孔に螺合するためのネジ部52が形成されている。座部54とネジ部52との間には、金属板を折り曲げて形成された環状のガスケット5が嵌め込まれている。
主体金具50は、変形部58よりも先端方向D1側に配置された縮内径部56を有している。縮内径部56の内径は、後端側から先端側に向かって、徐々に小さくなる。主体金具50の縮内径部56と、絶縁体10の第1縮外径部15と、の間には、先端側パッキン8が挟まれている。先端側パッキン8は、鉄製でO字形状のリングである(他の材料(例えば、銅等の金属材料)も採用可能である)。
工具係合部51の形状は、スパークプラグレンチが係合する形状(例えば、六角柱)である。工具係合部51の後端側には、加締部53が設けられている。加締部53は、絶縁体10の第2縮外径部11よりも後端側に配置され、主体金具50の後端(すなわち、後端方向D1r側の端)を形成する。加締部53は、径方向の内側に向かって屈曲されている。加締部53の先端方向D1側では、主体金具50の内周面と、絶縁体10の外周面と、の間に、第1後端側パッキン6と、タルク9と、第2後端側パッキン7とが、先端方向D1に向かってこの順番に、配置されている。本実施形態では、これらの後端側パッキン6、7は、鉄製でC字形状のリングである(他の材料も採用可能である)。
スパークプラグ100の製造時には、加締部53が内側に折り曲がるように加締められる。そして、加締部53が先端方向D1側に押圧される。これにより、変形部58が変形し、パッキン6、7とタルク9とを介して、絶縁体10が、主体金具50内で、先端側に向けて押圧される。先端側パッキン8は、第1縮外径部15と縮内径部56との間で押圧され、そして、主体金具50と絶縁体10との間をシールする。以上により、主体金具50が、絶縁体10に、固定される。
接地電極30は、主体金具50の先端(すなわち、先端方向D1側の端)に接合されている。本実施形態では、接地電極30は、棒状の電極である。接地電極30は、主体金具50から先端方向D1に向かって延び、中心軸CLに向かって曲がって、先端部31に至る。先端部31は、中心電極20の先端面29(先端方向D1側の表面29)との間でギャップgを形成する。また、接地電極30は、主体金具50に、電気的に導通するように、接合されている(例えば、レーザ溶接)。接地電極30は、接地電極30の表面を形成する母材35と、母材35内に埋設された芯部36と、を有している。母材35は、例えば、インコネルを用いて形成されている。芯部36は、母材35よりも熱伝導率が高い材料(例えば、純銅)を用いて形成されている。
このようなスパークプラグ100の製造方法としては、任意の方法を採用可能である。例えば、以下の製造方法を採用可能である。まず、絶縁体10と、中心電極20と、端子金具40と、主体金具50と、棒状の接地電極30と、を周知の方法で製造する。また、シール部60、80のそれぞれの材料粉末と、抵抗体70の材料粉末と、を準備する。
抵抗体70の粉末材料を準備する場合、先ず、導電性材料と、導電性材料の粒子の径よりも径が大きい第2種粒子(例えば、ZrOの粒子とTiOの粒子)と、バインダと、が混合される。導電性材料としては、例えば、カーボンブラック等の炭素粒子を採用可能である。バインダとしては、例えば、ポリカルボン酸等の分散剤を採用可能である。これらの材料に、溶媒としての水を加えて、湿式ボールミルを用いて混合される。そして、その混合物を用いて、スプレードライ法によって、粒子が生成される。次に、その混合物の粒子と、第2種粒子の径よりも径が大きい第1種粒子(例えば、ガラス粒子)とが、水を加えて混合される。そして、得られた混合物を乾燥させることによって、抵抗体70の粉末材料が生成される。このように、導電性材料が付着した第2種粒子が第1種粒子と混合されるので、導電性材料が直接的に第1種粒子と混合される場合と比べて、導電性材料を分散させることができる。
次に、絶縁体10の貫通孔12の後端方向D1r側の開口(以下、「後開口14」と呼ぶ)から、中心電極20を挿入する。図1で説明したように、中心電極20は、絶縁体10の縮内径部16によって支持されることによって、貫通孔12内の所定位置に配置される。
次に、第1シール部60、抵抗体70、第2シール部80のそれぞれの材料粉末の投入と投入された粉末材料の成形とが、部材60、70、80の順番に、行われる。粉末材料の投入は、貫通孔12の後開口14から、行われる。投入された粉末材料の成形は、後開口14から挿入した棒を用いて、行われる。材料粉末は、対応する部材の形状と略同じ形状に、成形される。
次に、絶縁体10を、各材料粉末に含まれるガラス成分の軟化点よりも高い所定温度まで加熱し、所定温度に加熱した状態で、貫通孔12の後開口14から、端子金具40を貫通孔12に挿入する。この結果、各材料粉末が圧縮および焼結されて、シール部60、80と、抵抗体70と、のそれぞれが形成される。
次に、絶縁体10の外周に主体金具50を組み付け、主体金具50に、接地電極30を固定する。次に、接地電極30を屈曲して、スパークプラグを完成させる。
B.第1評価試験
B−1.第1評価試験の概要:
第1評価試験では、実施形態のスパークプラグ100のサンプルを用いて、電波ノイズの抑制性能と、負荷寿命と、が評価された。以下の表1は、サンプルの種類の番号と、第1種ライン数NL1と、成分割合R(Ti/Zr)と、第2種ライン数NL2と、縦最大連続数Ncpの平均値NcpAと、接続部長300L(単位は、mm)と、抵抗体径70D(単位は、mm)と、電波ノイズの抑制性能の評価結果(以下、「電波ノイズ評価結果」と呼ぶ)と、負荷寿命の評価結果と、の関係を示している。本評価試験では、1番から23番の23種類のサンプルが、評価された。
Figure 0005752329
ライン数NL1、NL2と平均値NcpAとは、抵抗体70の断面の解析結果に基づいて特定される(詳細は、後述)。成分割合Rは、抵抗体70(すなわち、フィラー)中のZr元素の量に対するTi元素の量の割合(重量割合)である。この割合は、抵抗体70の一部を削り取り、削り取った部分をICP発光分光分析(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy)によって分析することによって、特定された。なお、各サンプルの抵抗体70の材料としては、導電性材料としてのカーボンブラックと、第1種粒子としてのSiO2−B23−LiO−BaO系のガラス粒子と、第2種粒子としてのZrOの粒子とTiOの粒子と、を含む材料が用いられた。
電波ノイズ評価結果は、JASO D002−2(2004)で規定されたボックス法に従って測定された電波ノイズの減衰量を用いて、決定された。具体的には、各サンプル番号毎に、抵抗値が1.40±0.05(kΩ)の範囲内の、構成が同じ5本のサンプルを製造した。そして、5本のサンプルの300MHzでの減衰量の平均値を用いて、評価値を決定した。評価値は、16番のサンプルの平均減衰量を基準(1点)とし、基準と比較した場合の平均減衰量の改善値が0.1dB増加する毎に1点を加算することによって、算出された。例えば、16番の平均減衰量からの改善値が0.1dB以上、0.2dB未満である場合には、電波ノイズ評価結果は、2点である。
負荷寿命は、放電に対する耐久性を示している。耐久性を評価するために、各サンプル番号毎に、抵抗値が1.40±0.05(kΩ)の範囲内の、構成が同じ5本のサンプルが製造された。製造されたサンプルは、電波ノイズの抑制性能の評価で用いられた同じ番号のサンプルと同じ条件下で製造された。そして、サンプルを電源に接続し、以下の条件下で多重放電を繰り返す運転を行った。以下の条件は、一般的な使用条件よりも厳しい条件である。
温度 :摂氏400度
放電周期 :60Hz
1周期で電源から出力されるエネルギー :400mJ
評価試験では、上記条件下で運転を行い、運転後に中心電極20と端子金具40との間の常温での電気抵抗値を測定した。そして、5本のサンプルのうちの少なくとも1本のサンプルの運転後の電気抵抗値が評価試験前の電気抵抗値の1.5倍以上に上昇するまで、運転と電気抵抗値の測定とを、繰り返した。そして、少なくとも1本のサンプルの運転後の電気抵抗値が評価試験前の電気抵抗値の1.5倍以上に上昇したときの合計運転時間から、以下のように評価結果を決定した。
合計運転時間 :評価結果
10時間未満 : 1点
10時間以上、20時間未満 : 2点
20時間以上、100時間未満 : 3点
100時間以上、120時間未満 : 4点
120時間以上、140時間未満 : 5点
(以降、合計運転時間が20時間増加する毎に1点加算)
次に、表1に示すライン数NL1、NL2について、説明する。図2は、抵抗体70の中心軸CLを含む断面と、その断面上の対象領域A10と、の説明図である。図2の左下部には、貫通孔12内の抵抗体70の中心軸CLを含む断面が示されている。図示された抵抗体70の断面上には、対象領域A10が示されている。この対象領域A10は、中心軸CL(軸線CL)を中心線とする矩形領域であり、その矩形状は、中心軸CLに平行な2辺と、中心軸CLに垂直な2辺と、で構成される。対象領域A10の形状は、中心軸CLを対称軸とする線対称である。対象領域A10は、抵抗体70からはみ出ないように、配置される。なお、図示するように、抵抗体70の先端方向D1側の端面と後端方向D1r側の端面とは、湾曲し得る。図中の抵抗体長70Lは、抵抗体70のうち、中心軸CLと垂直な断面において絶縁体10の内周面に囲まれた領域の全体が抵抗体70によって埋められている部分の中心軸CLと平行な方向の長さである。
図2の右部には、対象領域A10の拡大図が示されている。第1長Laは、対象領域A10の中心軸CLに垂直な方向の長さであり、第2長Lbは、対象領域A10の中心軸CLと平行な方向の長さである。ここでは、第1長Laは、1800μmであり、第2長Lbは、2400μmである。
図示するように、対象領域A10は、複数の正方形領域A20に分割されている。正方形領域A20の1辺の長さLsは、200μmである。従って、対象領域A10内では、中心軸CLに平行な方向の正方形領域A20の数は、12個であり、中心軸CLに垂直な方向の正方形領域A20の数は、9個である。以下、中心軸CLに垂直な方向に並ぶ9個の正方形領域A20で構成される線状の領域を、横線状領域と呼ぶ。また、中心軸CLに平行な方向に並ぶ12個の正方形領域A20で構成される線状領域を、縦線状領域と呼ぶ。図2に示すように、対象領域A10は、先端方向D1に向かって並ぶ12本の横線状領域L01〜L12に分割される。また、対象領域A10は、中心軸CLに垂直な方向に向かって並ぶ9本の縦線状領域L21〜L29に分割される。
図2の左上部には、1つの正方形領域A20を含む部分断面400が示されている。この部分断面400は、抵抗体70の断面の一部を示している。図示するように、断面は、骨材領域Aaと、骨材領域Aaに挟まれた導電領域Acと、を含んでいる。骨材領域Aaには、比較的濃いハッチングが付され、導電領域Acには、比較的薄いハッチングが付されている。
骨材領域Aaは、主に第1種粒子(ここでは、ガラス粒子)で形成されている。骨材領域Aaは、比較的大きな粒子状の部分(例えば、図中の部分Pg)を含んでいる。この粒子状の部分Pgは、ガラス粒子で形成されている。以下、抵抗体70のうちの最大粒子径が20μm以上の粒子状の部分を、「骨材」と呼ぶ。評価試験で評価されたサンプルでは、ガラス粒子で形成される部分(例えば、部分Pg)が、骨材に対応する。
導電領域Acは、主に第2種粒子(ここでは、ZrOとTiO)と導電性材料(ここでは、カーボン)とで形成されている。図中の部分断面400の上には、導電領域Acの部分拡大図400cが示されている。図示するように、導電領域Acは、ZrOで形成される部分であるジルコニア部分P1と、TiOで形成されるチタニア部分P2と、他の成分(例えば、製造時に溶融したガラス)で形成される他成分部分P3と、を含んでいる。図中では、チタニア部分P2と他成分部分P3とに、ハッチングが付されている。
断面において、ジルコニア部分P1とチタニア部分P2とは、粒子状の領域を形成している。以下、抵抗体70のうちの最大粒子径が20μm未満の粒子状の部分を、「フィラー」と呼ぶ。評価試験で評価されたサンプルでは、抵抗体70のフィラーは、ジルコニア部分P1とチタニア部分P2とを含んでいる。なお、ジルコニア部分P1の材料であるZrOの材料粉末の平均的な粒径は、3μmであった。チタニア部分P2の材料であるTiOの材料粉末の平均的な粒径は、5μmであった。完成した抵抗体70において、ジルコニア部分P1の平均的な粒径と、チタニア部分P2の平均的な粒径とは、それぞれの材料粉末の平均的な粒径と、おおよそ同じであった。
上述したように、導電性材料(ここでは、カーボン)は、フィラー(例えば、ZrOの粒子)に付着した状態で、分散される。従って、導電性材料は、ジルコニア部分P1とその近傍、すなわち、導電領域Acに分布している。導電領域Acは、導電性材料によって、導電性を実現している。このように、ジルコニア部分P1は、抵抗体70中の電流の経路を表している、ということができる。換言すれば、放電時には、電流は、骨材領域Aaではなく、主にジルコニア部分P1とその近傍を、流れる。
表1中のライン数NL1、NL2と平均値NcpAとを特定するために、対象領域A10内のジルコニア部分P1が特定された。ジルコニア部分P1は、対象領域A10内のZrOの分布をSEM/EDS(走査型電子顕微鏡/エネルギー分散型X線分析装置)を用いて分析することによって、特定された。分析装置としては、日本電子株式会社製のJSM−6490LAが用いられた。分析のために、スパークプラグ100のサンプルが、中心軸CLを含む平面で切断され、抵抗体70の断面が、鏡面研磨された。サンプルとしては、電波ノイズの抑制性能の評価と負荷寿命の評価とで用いられたサンプルと同じ条件下で製造されたサンプルが用いられた。そして、鏡面研磨された断面が、分析装置を用いて、分析された。ここで、加速電圧が20kVに設定され、スイープ回数が50に設定されて、EDSマッピングが行われた。EDSマッピングの結果は、白黒の(すなわち、二値の)ビットマップ画像データとして保存された。この際、分析装置の分析ツールの「ツール−ヒストグラム」の操作メニューを通じて、白黒画像にて最大値の20%以上を白に、20%未満を黒とするしきい値の設定が行われた。このようにして得られる画像中の白色の領域が、ジルコニア部分P1として採用された。
なお、しきい値を設定する場合、最大値の20%の値を小数点第1位で四捨五入して得られる整数が、しきい値上限として採用され、しきい値上限から1を減算して得られる値が、しきい値下限として採用された。しきい値下限を、しきい値上限から1を減算して得られる値に設定することによって、白と黒との間の中間色(灰色)の部分を生じさせずに、白と黒とに二値化することが可能となる。例えば、最大値が35である場合には、しきい値上限が7(35×20%)に設定され、しきい値下限が6に設定される。この場合、7以上の値の領域が、白領域に分類され、7未満の値の領域が黒領域に分類される。最大値が37である場合にも、同様に、しきい値上限が7に設定され、しきい値下限が6に設定される。最大値が38である場合には、しきい値上限が8に設定され、しきい値下限が7に設定される。
表1の第1種ライン数NL1は、このようにして特定されたジルコニア部分P1を用いて、決定された。具体的には、対象領域A10に含まれる108個の正方形領域A20のそれぞれについて、ジルコニア部分P1の面積の割合が算出された。そして、ジルコニア部分P1の面積割合が25%以上である正方形領域A20が、第1種領域A1に分類され、ジルコニア部分P1の面積割合が25%未満である正方形領域A20が、第2種領域A2に分類された。図2の例では、第2種領域A2にハッチングが付されている。図中の対象領域A10の右側に示された第1種領域数Ncは、各横線状領域に含まれる第1種領域A1の数を示している。例えば、第2横線状領域L02の第1種領域数Ncは、2である。上述したように、ジルコニア部分P1は、骨材領域Aaと比べて、電流が流れやすい。従って、第1種領域数Ncが大きいことは、その横線状領域に沿って、すなわち、中心軸CLと交差する方向に、電流が流れやすいことを、示している。
表1の第1種ライン数NL1は、第1種領域数Ncが2以上の横線状領域(以下、「第1種ライン」と呼ぶ)の数である。第1種ライン数NL1が多いことは、電流が、多数の横線状領域(例えば、NL1本の横線状領域)のそれぞれを通って、各横線状領域の延びる方向に沿って流れやすいことを意味している。従って、第1種ライン数NL1が多い場合には、抵抗体70を流れる電流は、複数の横線状領域を通る入り組んだ経路を通り得る。電流が入り組んだ経路を通る場合には、電流が中心軸CLと平行な直線経路を通る場合と比べて、電波ノイズを抑制可能である。電波ノイズを抑制する効果は、経路の形状が複雑であるほど、すなわち、第1種ライン数NL1が多いほど、大きい、と推定される。また、電流が入り組んだ経路を通る場合には、電流が中心軸CLと平行な直線経路を通る場合と比べて、抵抗体70内で電流を分散可能である。従って、第1種ライン数NL1が多いほど、抵抗体70の局所的な劣化を抑制できる、と推定される。
図2では、2以上の第1種領域数Ncが、四角で囲まれている。図2の例では、第1種領域数Ncが2以上のラインの数、すなわち、第1種ライン数NL1は、10本である。
表1の第2種ライン数NL2は、図2中の第1種領域数Ncの隣に示された横最大連続数Nccを用いて決定された。横最大連続数Nccは、1個の横線状領域内において第1種領域A1が連続する部分を横連続部分と呼ぶときに、1個の横連続部分に含まれる第1種領域A1の数の最大値である。図2では、横連続部分が二重線で示されている。例えば、第4横線状領域L04の横最大連続数Nccは、2である。横最大連続数Nccが大きいことは、その横線状領域に沿って電流が更に流れやすいことを、示している。
表1の第2種ライン数NL2は、横最大連続数Nccが2以上の横線状領域(以下「第2種ライン」と呼ぶ)の数である。第2種ライン数NL2が多いことは、電流が、多数の横線状領域(例えば、NL2本の横線状領域)のそれぞれを通って、各横線状領域の延びる方向に沿って更に流れやすいことを意味している。従って、第2種ライン数NL2が多い場合には、抵抗体70を流れる電流は、複数の横線状領域を通る入り組んだ経路を通り易いので、電波ノイズを更に抑制可能である。電波ノイズを抑制する効果は、経路の形状が複雑であるほど、すなわち、第2種ライン数NL2が多いほど、大きい、と推定される。また、電流が入り組んだ経路を通る場合には、電流が中心軸CLと平行な直線経路を通る場合と比べて、抵抗体70内で電流を分散可能である。従って、第2種ライン数NL2が多いほど、抵抗体70の局所的な劣化を抑制できる、と推定される。
図2では、2以上の横最大連続数Nccが、四角で囲まれている。図2の例では、横最大連続数Nccが2以上のラインの数、すなわち、第2種ライン数NL2は、8本である。
表1の縦最大連続数Ncpの平均値NcpAは、図2に示す9個の縦線状領域L21〜L29のそれぞれの縦最大連続数Ncpの平均値である。縦最大連続数Ncpは、1個の縦線状領域内において第1種領域A1が連続する部分を縦連続部分と呼ぶときに、1個の縦連続部分に含まれる第1種領域A1の数の最大値である。図2では、縦連続部分が、縦連続部分を形成する複数の第1種領域A1を繋ぐ太線で示されている。例えば、第4縦線状領域L24の縦最大連続数Ncpは、3である。また、図2の例では、9個の縦最大連続数Ncpの平均値NcpAが、2.1である。縦最大連続数Ncpが大きいことは、その縦線状領域に沿って電流が流れやすいことを示している。
なお、ビットマップ画像データの解析、すなわち、第1種領域A1と第2種領域A2と平均値NcpAとの特定のための面積の算出と、第1種ライン数NL1と第2種ライン数NL2と平均値NcpAとの算出とには、Soft Imaging System GmbH社の画像解析ソフトウェアであるanalySIS
Five(商標)が用いられた。また、表1のライン数NL1、NL2と平均値NcpAとは、1つのサンプルの断面上の位置が異なる2つの対象領域A10の解析結果の平均値である。
B−2.第1種ライン数NL1と評価結果:
表1の1番から10番のそれぞれの第1種ライン数NL1は、1、5、5、7、7、8、10、12、12、12であった。これら10種類のサンプルの間では、成分割合Rは、同じ1であり、接続部長300Lは、同じ11mmであり、抵抗体径70Dは、同じ3.5mmであった。また、抵抗体長70L(図2)は、おおよそ、8mmであった。
1番から10番が示すように、電波ノイズ評価結果は、第1種ライン数NL1が小さい場合よりも第1種ライン数NL1が多い場合の方が、良好であった。また、負荷寿命の評価結果は、第1種ライン数NL1が小さい場合よりも第1種ライン数NL1が大きい場合の方が、良好であった。これらの理由は、上述したように、第1種ライン数NL1が多いほど電流の経路の形状が複雑化するからだと推定される。
2点よりも良好な電波ノイズ評価結果と2点よりも良好な負荷寿命評価結果とを実現可能な第1種ライン数NL1は、5、7、8、10、12であった。これらの値から任意に選択された値を、第1種ライン数NL1の好ましい範囲(下限以上、上限以下)の下限として採用可能である。例えば、第1種ライン数NL1としては、5本以上の値を採用可能である。また、これらの値のうちの下限以上の任意の値を、第1種ライン数NL1の好ましい範囲の上限として採用可能である。例えば、第1種ライン数NL1としては、12本以下の値を採用可能である。
なお、電波ノイズ評価結果の向上という観点からは、抵抗体70内を流れる電流の経路が、細く複雑に入り組んでいることが好ましいと推定される。しかし、電流の経路が細い場合には、電流の経路が太い場合と比べて、熱や振動によって電流の経路が切断される可能性が高い(すなわち、負荷寿命が短い)。そこで、本評価試験では、図2で説明したように、比較的電流が流れやすい第1種領域A1と比較的電流が流れにくい第2種領域A2との判別が、一辺の長さが200μmというフィラーと比べて大きな正方形領域A20におけるジルコニア部分P1の面積の割合を用いて、行われた。この場合、ジルコニア部分P1によって形成される電流の経路が過剰に細い場合には、正方形領域A20が第1種領域A1に分類されず、電流の経路がある程度太い場合に、正方形領域A20が第1種領域A1に分類される。このような第1種領域A1を用いることによって、電波ノイズ評価結果と負荷寿命評価結果との双方と相関のあるパラメータ、すなわち、第1種ライン数NL1を得ることができた。なお、正方形領域A20の一辺の長さが200μmよりも大きい場合には、電波ノイズの抑制に対する影響が小さい電流経路(例えば、中心軸CLと平行に延びる太い電流経路)が形成される場合にも、ライン数NL1が増大する。従って、第1種ライン数NL1と電波ノイズ評価結果との相関が弱くなると推定される。後述する第2種ライン数NL2についても、同様である。
B−3.第2種ライン数NL2と評価結果:
表1の1番から10番のそれぞれの第2種ライン数NL2は、0、3、5、3、5、6、7、10、10、10であった。これらのサンプルが示すように、電波ノイズ評価結果と負荷寿命評価結果とは、第2種ライン数NL2が小さい場合よりも第2種ライン数NL2が大きい場合の方が、良好であった。これらの理由は、上述したように、第2種ライン数NL2が多いほど電流の経路の形状が複雑化するからだと推定される。
なお、2点よりも良好な負荷寿命評価結果を実現可能な第2種ライン数NL2は、3、5、6、7、10であった。これらの値から任意に選択された値を、第2種ライン数NL2の好ましい範囲(下限以上、上限以下)の下限として採用可能である。例えば、第2種ライン数NL2としては、3本以上の値を採用可能である。また、6点よりも良好な負荷寿命評価結果を実現可能な第2種ライン数NL2は、5、6、7、10であった。従って、第2種ライン数NL2としては、5本以上の値を採用することが好ましい。また、最良の10点の負荷寿命評価結果を実現可能な第2種ライン数NL2は、7、10であった。従って、第2種ライン数NL2としては、7本以上の値を採用することが好ましい。なお、第2種ライン数NL2が多いほど、良好な負荷寿命評価結果を実現できると推定される。従って、第2種ライン数NL2としては、理論上の最大値である12本以下の種々の値を採用可能と推定される。また、上記の評価済の値(例えば、3、5、6、7、10)から選択された下限以上の任意の値を上限として採用可能である。
B−4.成分割合R(Ti/Zr)と評価結果:
表1の11番から17番のそれぞれの成分割合R(Ti/Zr)は、0、0.05、0.5、2、3、6、10であった。これら7種類のサンプルの間では、第1種ライン数NL1は、同じ12であり、第2種ライン数NL2は、同じ10であり、接続部長300Lは、同じ11mmであり、抵抗体径70Dは、同じ3.5mmであった。11番から17番のサンプルの他の構成は、上記の1番から10番のサンプルの構成と、同じであった。
11番から17番が示すように、負荷寿命評価結果は、成分割合Rが小さい場合よりも、成分割合Rが大きい場合の方が、良好であった。この理由は、TiOの割合が大きいほどTiOを通る電流の経路が増大するので、抵抗体70内で電流を分散でき、そして、抵抗体70の劣化を抑制できるからだと推定される。電波ノイズ評価結果は、成分割合Rが大きい場合よりも、成分割合Rが小さい場合の方が、良好であった。この理由は、TiOの割合が小さいほどTiOを通る電流の経路が減少するので、抵抗体70内の電流の経路が複雑化するからだと推定される。
11番から17番に加えて1番から10番を考慮すると、8点以上の負荷寿命評価結果を実現可能な成分割合Rは、0.05、0.5、1、2、3、6、10であった。また、4点以上の電波ノイズ評価結果を実現可能な成分割合Rは、0、0.05、0.5、1、2、3、6であった。両方に含まれる成分割合Rは、0.05、0.5、1、2、3、6の6個の値であった。これらの6個の値から任意に選択された値を、成分割合Rの好ましい範囲(下限以上、上限以下)の下限として採用可能である。そして、6個の値のうちの下限以上に任意の値を、上限として採用可能である。例えば、成分割合Rとしては、0.05以上、6以下の値を採用可能である。より好ましくは、成分割合Rとしては、0.5以上、6以下の値を採用可能である。さらに好ましくは、成分割合Rとしては、0.5以上、3以下の値を採用可能である。
なお、1番から10番の成分割合Rは、1であり、成分割合Rの上記の好ましい範囲の下限よりも大きく、上限よりも小さかった。また、1番から10番が示すように、成分割合Rが1である場合には、第1種ライン数NL1と第2種ライン数NL2との種々の組み合わせが、4点以上の電波ノイズ評価結果と8点以上の負荷寿命評価結果とを実現可能であった。以上により、第1種ライン数NL1が、11番から17番の第1種ライン数NL1である12とは異なる場合も、成分割合Rの上記の好ましい範囲を適用可能と推定される。同様に、第2種ライン数NL2が、11番から17番の第2種ライン数NL2である10とは異なる場合も、成分割合Rの上記の好ましい範囲を適用可能と推定される。
B−5.抵抗体径70Dと評価結果:
表1の18番と19番のそれぞれの抵抗体径70Dは、1番から17番の抵抗体径70D(3.5mm)よりも大きい4mmであった。18番の構成は、NL1=1、NL2=0、R=1であり、2つのパラメータNL1、NL2が、上記の好ましい範囲から外れていた。そして、18番の電波ノイズ評価結果は、1点であり、負荷寿命評価結果は、3点であった。一方、19番の構成は、NL1=10、NL2=7、R=1であり、3つのパラメータNL1、NL2、Rのそれぞれが、上記の好ましい範囲内であった。そして、19番の電波ノイズ評価結果は、18番より良好な4点であり、19番の負荷寿命評価結果は、18番より良好な10点であった。
表1の20番と21番のそれぞれの抵抗体径70Dは、1番から17番の抵抗体径70D(3.5mm)よりも小さい、2.9mmであった。20番の構成は、NL1=1、NL2=0、R=1であり、2つのパラメータNL1、NL2が、上記の好ましい範囲から外れていた。そして、20番の電波ノイズ評価結果は、3点であり、負荷寿命評価結果は、1点であった。一方、21番の構成は、NL1=10、NL2=7、R=1であり、3つのパラメータNL1、NL2、Rのそれぞれが、上記の好ましい範囲内であった。そして、21番の電波ノイズ評価結果は、20番より良好な5点であり、21番の負荷寿命評価結果は、20番より良好な10点であった。
なお、18番から21番のサンプルの間では、接続部長300Lは、同じ11mmであった。また、抵抗体長70L(図2)は、おおよそ、同じ8mmであった。
一般に、抵抗体径70Dが小さい場合には、抵抗体径70Dが大きい場合と比べて、抵抗体70の表面積が小さいので、抵抗体70に電流が流れることによって生じる熱を、絶縁体10等の他の部材に逃がしにくい。すなわち、抵抗体径70Dが小さい場合には、抵抗体70の負荷寿命評価結果が、低下し易い。また、抵抗体径70Dが小さい場合には、中心軸CLと交差する方向に延びる電流の経路の長さが短い範囲に制限されるので、電波ノイズの抑制性能が低下し易い。ここで、表1に示すように、2.9、3.5、4(mm)の3つ抵抗体径70Dで、4点以上の電波ノイズ評価結果と8点以上の負荷寿命評価結果とを実現できた。このように、抵抗体径70Dとしては、4mm以下の値を採用可能であり、より小さい3.5mm以下の値を採用可能であり、さらに小さい2.9mm以下の値を採用可能である。また、抵抗体径70Dとしては、3つの値のうちの上限以下の任意値(例えば、2.9mm)を下限として選択したときに、その下限以上の値を採用可能である。
一般には、2点以上の電波ノイズ評価結果と2点以上の負荷寿命評価結果とを実現できれば実用可能であることを考慮すると、抵抗体径70Dの許容範囲は、これら3個の値(2.9、3.5、4(mm))を含む広い範囲に拡張可能と推定される。例えば、抵抗体径70Dとしては、対象領域A10の第1長Laである1.8mm以上の種々の値を採用可能と推定される。また、スパークプラグ100の実用的な大きさを考慮すると、抵抗体径70Dとしては、6mm以下の種々の値を採用可能と推定される。いずれの場合も、少なくとも第1種ライン数NL1を上記の好ましい範囲内に設定することによって、良好な(例えば、2点以上の)電波ノイズ評価結果と良好な(例えば、2点以上の)負荷寿命評価結果とを実現できると推定される。ここで、第1種ライン数NL1に加えて、第2種ライン数NL2を、上記の好ましい範囲内に設定することが好ましい。また、成分割合Rを、上記の好ましい範囲内に設定することが好ましい。
B−6.接続部長300Lと評価結果:
表1の22番と23番のそれぞれの接続部長300Lは、1番から21番の接続部長300L(11mm)よりも大きい15mmであった。15mmの接続部長300Lは、端子金具40の先端(先端方向D1側の端)の位置を後端方向D1r側に移動させ、そして、抵抗体70の中心軸CLと平行な方向の長さ(具体的には、図2の抵抗体長70L)を長くすることによって、実現された。第1シール部60の形状と大きさとは、1番から21番の全てのサンプルの間で、おおよそ同じであった。同様に、第2シール部80の形状と大きさとは、1番から21番の全てのサンプルの間で、おおよそ同じであった。
22番の構成は、NL1=1、NL2=0、R=1、70D=3.5mmであり、2つのパラメータNL1、NL2が、上記の好ましい範囲から外れていた。そして、22番の電波ノイズ評価結果は、3点であり、負荷寿命評価結果は、1点であった。一方、23番の構成は、NL1=10、NL2=7、R=1、70D=3.5mmであり、4つのパラメータNL1、NL2、R、70Dのそれぞれが、上記の好ましい範囲の内であった。そして、23番の電波ノイズ評価結果は、22番より良好な5点であり、23番の負荷寿命評価結果は、22番より良好な10点であった。
一般に、接続部長300Lが長い場合には、接続部長300Lが短い場合と比べて、接続部300(抵抗体70を含む)の製造が難しい。例えば、貫通孔12内に配置された接続部300(例えば、抵抗体70)の材料を、貫通孔12の後開口14から挿入された棒を用いて圧縮する場合がある。接続部長300Lが長い場合には、圧縮のための圧力が接続部300の途中で分散され易い。この結果、抵抗体70の材料の圧縮が適切になされずに、電波ノイズの抑制性能が低下し、また、耐久性が低下する場合がある。ここで、表1に示すように、11mmと15mmとの2つ接続部長300Lで、4点以上の電波ノイズ評価結果と8点以上の負荷寿命評価結果とを実現できた。このように、接続部長300Lとしては、11mm以上の値を採用可能であり、より長い15mm以上の値を採用可能である。また、接続部長300Lとしては、2つの値のうちの下限以上の任意の値(例えば、15mm)を上限として選択したときに、その上限以下の値を採用可能である。
一般には、2点以上の電波ノイズ評価結果と2点以上の負荷寿命評価結果とを実現できれば実用可能であることを考慮すると、接続部長300Lの許容範囲は、これら2個の値(11、15(mm))を含む広い範囲に拡張可能と推定される。例えば、接続部長300Lとしては、5mm以上の種々の値を採用可能と推定される。また、接続部長300Lとしては、30mm以下の種々の値を採用可能と推定される。いずれの場合も、少なくとも第1種ライン数NL1を上記の好ましい範囲内に設定することによって、良好な(例えば、2点以上の)電波ノイズ評価結果と良好な(例えば、2点以上の)負荷寿命評価結果とを実現できると推定される。ここで、第1種ライン数NL1に加えて、第2種ライン数NL2を、上記の好ましい範囲内に設定することが好ましい。また、成分割合Rを、上記の好ましい範囲内に設定することが好ましい。また、抵抗体径70Dを、上記の推定された許容範囲内に設定することが好ましい。
B−7.縦最大連続数Ncpの平均値NcpAと評価結果:
表1の1番から23番によれば、2点以上の電波ノイズ評価結果を実現可能な平均値NcpAは、0.8、1.8、1.9、2.0、2.1、2.7、2.8、3.0、3.1、3.2、3.3、5.0、6.0の13個の値であった。これら13個の値から任意に選択された値を、平均値NcpAの好ましい範囲(下限以上、上限以下)の下限として採用可能である。そして、13個の値のうちの下限以上の任意の値を、上限として採用可能である。なお、平均値NcpAが小さいほど、電流の経路が複雑化すると推定される。従って、平均値NcpAとしては、上記の13個の値のうちの最小値(0.8)よりも小さい値(例えば、ゼロ以上の種々の値)を採用可能と推定される。例えば、平均値NcpAとしては、ゼロ以上、6.0以下の値を採用可能と推定される。ただし、第1種ライン数NL1を上記の好ましい範囲内に設定することによって、縦最大連続数Ncpの平均値NcpAも、ゼロよりも大きな値になると推定される。
また、10番と他のサンプルとが示すように、平均値NcpAが5.0以下である場合には、種々の平均値NcpAで5点の電波ノイズ評価結果を実現可能であったが、平均値NcpAが6.0である場合には、電波ノイズ評価結果は、それより低い4点であった。この理由は、平均値NcpAが大きくなることによって、電流が縦線状領域に沿って流れ易くなり、この結果、電流の経路が単純になるからだと推定される。以上により、縦最大連続数Ncpの平均値NcpAとして5.0以下の値を採用することによって、更に良好な電波ノイズ評価結果を実現可能と推定される。
いずれの場合も、少なくとも第1種ライン数NL1を上記の好ましい範囲内に設定することによって、良好な(例えば、2点以上の)電波ノイズ評価結果と良好な(例えば、2点以上の)負荷寿命評価結果とを実現できると推定される。ここで、第1種ライン数NL1に加えて、第2種ライン数NL2を、上記の好ましい範囲内に設定することが好ましい。また、成分割合Rを、上記の好ましい範囲内に設定することが好ましい。また、抵抗体径70Dを、上記の推定された許容範囲内に設定することが好ましい。また、接続部長300Lを、上記の推定された許容範囲内に設定することが好ましい。
C.第2評価試験
C−1.第2評価試験の概要:
第2評価試験では、実施形態のスパークプラグ100のサンプルの構成と、電波ノイズの抑制性能と、負荷寿命と、の関係が評価された。以下の表2は、サンプルの種類の番号と、第1種ライン数NL1と、成分割合R(Ti/Zr)と、第2種ライン数NL2と、第1種領域割合RA1と、第1種領域数期待値NcEと、横最大連続数期待値NccEと、連続性の判定結果と、横最大連続数平均値NccAと、接続部長300L(単位はmm)と、抵抗体径70D(単位はmm)と、電波ノイズ評価結果と、負荷寿命評価結果と、の関係を示している。第2評価試験では、T1番からT5番の5種類のサンプルが、評価された。
Figure 0005752329
表2中のパラメータNL1、R、NL2、300L、70Dは、表1の同じ符号のパラメータと、それぞれ同じである。また、電波ノイズ評価結果は、表1の第1評価試験と同じ方法で決定された。負荷寿命評価結果は、表1の第1評価試験の方法における「1周期で電源から出力されるエネルギー」を400mJよりも大きい600mJに変更した方法で、決定された。すなわち、第2評価試験では、第1評価試験よりも厳しい条件下で、負荷寿命が評価された。
次に、表2中の他のパラメータについて説明する。第1種領域割合RA1は、対象領域A10(図2)中の、正方形領域A20の総数に対する、第1種領域A1の総数の割合である。上述したように、正方形領域A20の総数は、108個である。表2中の第1種領域割合RA1の欄内の括弧内には、正方形領域A20の総数である「108」と、第1種領域A1の総数も、示されている。例えば、T1番の第1種領域A1の総数は、101個である。
第1種領域数期待値NcEは、第1種領域数Nc(すなわち、1本の横線状領域に含まれる第1種領域A1の数)の期待値である。この第1種領域数期待値NcEは、INT(9*RA1)で算出される。ここで、関数「INT」は、引数を小数点第1位で四捨五入して整数にする関数を示している。演算記号「*」は乗算を示している(以下同様)。数値「9」は、1本の横線状領域に含まれる正方形領域A20の総数である。このように算出される第1種領域数期待値NcEは、第1種領域割合RA1によって特定される数の第1種領域A1が対象領域A10内に均等に分布する場合の、1本の横線状領域に含まれる第1種領域A1の総数を示している。
横最大連続数期待値NccE(以下、「横連続期待値NccE」とも呼ぶ)は、横最大連続数Ncc(すなわち、1個の横連続部分に含まれる第1種領域A1の数の最大値)の期待値である。この横連続期待値NccEは、第1種領域数期待値NcEに基づいて実現可能な横最大連続数Nccと、その横最大連続数Nccを実現する第1種領域A1の配置の組合せ数CNccと、から算出される。具体的には、実現可能な全てのNccについての「Ncc*CNcc」の和を、実現可能な全てのNccについての「CNcc」の和で、除算することによって得られる値が、横連続期待値NccEである。すなわち、横連続期待値NccEは、第1種領域A1と第2種領域A2との実現可能な複数の配置パターンにおける、横最大連続数Nccの平均値である。ここで、1本の横線状領域に含まれる第1種領域A1の総数は、横最大連続数Nccに拘わらず、第1種領域数期待値NcEに固定される。第1種領域数期待値NcEに基づいて実現可能な横最大連続数Nccは、ゼロより大きく第1種領域数期待値NcE以下の範囲内から、第1種領域数期待値NcEに応じて決定される。
まず、第1種領域数期待値NcEが「4」である場合について、説明する。この場合、実現可能な横最大連続数Nccは、「4」と「3」と「2」と「1」である。以下、これらの横最大連続数Nccのそれぞれの組合せ数CNccについて説明する。
Ncc=4の場合、1本の横線状領域(すなわち、9個の正方形領域A20)は、1個の横連続部分(4個の第1種領域A1で構成される)と、5個の第2種領域A2と、に分解される。そして、1個の横連続部分と5個の第2種領域A2とが、一列に配置される。ここで、1個の横連続部分の位置は、一列に並ぶ5個の第2種領域A2によって形成される6個の候補位置から、選択される。ここで、1個の第2種領域A2を文字「O」で表し、横連続部分の候補位置を文字「X」で表す場合、第2種領域A2(O)と候補位置(X)との配置は、「XOXOXOXOXOX」である。「Ncc=4」を実現する第1種領域A1の配置の組合せ数CNccは、6個の候補位置(X)から1個の横連続部分の位置を選択する場合の順列(=6)と同じである。
Ncc=3の場合、1本の横線状領域は、1個の横連続部分(3個の第1種領域A1で構成される)と、1個の第1種領域A1と、5個の第2種領域A2と、に分解される。横連続部分と第1種領域A1が互いに隣り合う位置に配置されることは、許容されない。この場合、組合せ数CNccは、6個の候補位置から、1個の横連続部分の位置と、1個の第1種領域A1の位置と、を選択する場合の順列(=30)と同じである。
Ncc=2の場合、1本の横線状領域は、以下の2つのパターンに、分解可能である。
第1パターン:2個の横連続部分、5個の第2種領域A2
第2パターン:1個の横連続部分、2個の第1種領域A1、5個の第2種領域A2
いずれのパターンにおいても、1個の横連続部分は、2個の第1種領域A1で構成される。
第1パターンでは、2個の横連続部分が互いに隣り合う位置に配置されることは、許容されない。また、2個の横連続部分は、互いに区別できない。従って、組合せ数CNccは、6個の候補位置から2個の横連続部分の位置を選択する場合の順列()を、区別できない2個の横連続部分の順列(=2!)で除算して得られる数と同じである。具体的には、CNcc=/2!=30/2=15である。
第2パターンでは、横連続部分と第1種領域A1とが互いに隣り合う位置に配置されることは、許容されない。また、2個の第1種領域A1が互いに隣り合う位置に配置されることも、許容されない。そして、2個の第1種領域A1は、互いに区別できない。従って、組合せ数CNccは、6個の候補位置から1個の横連続部分と2個の第1種領域A1との3個の位置を選択する場合の順列()を、区別できない2個の第1種領域A1の順列(=2!)で除算して得られる数と同じである。具体的には、CNcc=/2!=120/2=60である。
以上により、Ncc=2の場合、最終的な組合せ数CNccは、75(=15+60)である。
Ncc=1の場合、1本の横線状領域は、4個の第1種領域A1と、5個の第2種領域A2と、に分解される。ここで、2個以上の第1種領域A1が連続することは、許容されない。また、4個の第1種領域A1は、互いに区別できない。従って、組合せ数CNccは、6個の候補位置から4個の第1種領域A1の位置を選択する場合の順列()を、区別できない4個の第1種領域A1の順列(=4!)で除算して得られる数と同じである。具体的には、CNcc=/4!=360/24=15である。
以上により、第1種領域数期待値NcEが4である場合の4個の第1種領域A1の配置の総数(すなわち、組合せ数CNccの合計値)は、126(=6+30+75+15)である。そして、横連続期待値NccEは、以下のように算出される。
Σ(Ncc*CNcc)=(4*6)+(3*30)+(2*75)+(1*15)=24+90+150+15=279
NccE=Σ(Ncc*CNcc)/Σ(CNcc)=279/126=2.21
(演算記号「Σ」は、実現可能な全てのNccについての和を示す(以下同様))
このように、第1種領域数期待値NcEが「4」である場合、横連続期待値NccEは、2.21である。
次に、第1種領域数期待値NcEが「8」である場合について、説明する。この場合、実現可能な横最大連続数Nccは、「8」と「7」と「6」と「5」と「4」とである。3以下のNccは、利用できない。Ncc=3の場合、8個の第1種領域A1は、少なくとも互いに分離した3個の部分に分解される(3個の部分の第1種領域A1の総数は、それぞれ、3、3、2)。これら3個の部分を互いに分離するためには、少なくとも2個の第2種領域A2が必要である。このように、1本の横線状領域に10個の正方形領域A20が必要になる。しかし、上述したように、1本の横線状領域に含まれる正方形領域A20の総数は9個であるので、Ncc=3は実現できない。横最大連続数Nccが2以下である場合も、同様である。
Ncc=8の場合、1本の横線状領域は、1個の横連続部分(8個の第1種領域A1で構成される)と、1個の第2種領域A2と、に分解される。ここで、1個の第2種領域A2を文字「O」で表し、1個の横連続部分の候補位置を文字「X」で表す場合、第2種領域A2(O)と候補位置(X)との配置は、「XOX」である。「Ncc=8」を実現する第1種領域A1の配置の組合せ数CNccは、2個の候補位置(X)から1個の横連続部分の位置を選択する場合の順列(=2)と同じである。
Ncc=7の場合、1本の横線状領域は、1個の横連続部分(7個の第1種領域A1で構成される)と、1個の第1種領域A1と、1個の第2種領域A2と、に分解される。横連続部分と第1種領域A1とが互いに隣り合う位置に配置されることは、許容されない。従って、組合せ数CNccは、2個の候補位置から1個の横連続部分の位置と1個の第1種領域A1の位置を選択する場合の順列(=2)と同じである。
Ncc=6の場合、1本の横線状領域は、互いに大きさの異なる2個の横連続部分と、1個の第2種領域A2とに、分解される。2個の横連続部分の第1種領域A1の総数は、それぞれ、6、2である。Ncc=5の場合も同様に、1本の横線状領域は、互いに大きさの異なる2個の横連続部分と、1個の第2種領域A2とに、分解される。2個の横連続部分の第1種領域A1の総数は、それぞれ、5、3である。これらの場合、組合せ数CNccは、2個の候補位置から2個の横連続部分の位置を選択する場合の順列(=2)と同じである。
Ncc=4の場合、1本の横線状領域は、大きさが同じである2個の横連続部分と、1個の第2種領域A2とに、分解される。2個の横連続部分の第1種領域A1の総数は、4である。2個の横連続部分は、互いに区別できない。従って、組合せ数CNccは、2個の候補位置から2個の横連続部分の位置を選択する場合の順列()を、区別できない2個の横連続部分の順列(=2!)で除算して得られる数と同じである(具体的には、「1」)。
以上により、第1種領域数期待値NcEが8である場合の8個の第1種領域A1の配置の総数(すなわち、組合せ数CNccの合計値)は、9(=2+2+2+2+1)である。そして、横連続期待値NccEは、以下のように算出される。
Σ(Ncc*CNcc)=(8*2)+(7*2)+(6*2)+(5*2)+(4*1)=16+14+12+10+4=56
NccE=Σ(Ncc*CNcc)/Σ(CNcc)=56/9=6.2
このように、第1種領域数期待値NcEが「8」である場合、横連続期待値NccEは、6.2である。
第1種領域数期待値NcEが「4」と「8」とのいずれとも異なる場合も、同様に、横連続期待値NccEが算出される。一般的には、横最大連続数期待値NccEは、以下のように算出可能である。
(1)対象領域A10中の第1種領域A1の総数から、第1種領域数期待値NcEが算出される。例えば、対象領域A10中の第1種領域A1の総数から、第1種領域割合RA1が算出され、第1種領域割合RA1から第1種領域数期待値NcEが算出される。
(2)第1種領域数期待値NcEに基づいて、実現可能な横最大連続数Nccが特定される。
(3)実現可能な横最大連続数Nccのそれぞれに関して、横最大連続数Nccを実現する第1種領域A1の配置の組合せ数CNccが算出される。例えば、1本の横線状領域が、第1種領域数期待値NcEと横最大連続数Nccとに応じて複数の要素に分解され、分解結果に応じて、横最大連続数Nccを実現するNcE個の第1種領域A1の配置の組合せ数CNccが、算出される。
(4)演算式「NccE=Σ(Ncc*CNcc)/Σ(CNcc)」に従って、横連続期待値NccEが算出される。
次に、表2中の他のパラメータについて説明する。横最大連続数平均値NccA(以下「横連続平均値NccA」とも呼ぶ)は、12本の横線状領域の横最大連続数Nccの平均値である。連続性判定結果は、横連続平均値NccAと横連続期待値NccEとの比較結果を示している。「A評価」は、「NccA>NccE」を示し、「B評価」は、「NccA≦NccE」を示している。連続性判定結果がA判定であることは、実際に測定された横最大連続数Nccの平均値NccAが、横最大連続数Nccの期待値NccEよりも大きいことを意味している。すなわち、A判定は、横線状領域内の第1種領域A1の連続性が良好であることを、示している。この場合、電流が、横線状領域に沿って流れやすいと推定される。
C−2.抵抗体70の構成と評価結果:
表2に示すように、T1番からT5番のそれぞれの連続性判定結果は、A判定、A判定、A判定、A判定、B判定であった。これらのサンプルが示すように、負荷寿命評価結果は、連続性判定結果がB判定である場合には、5点であったが、連続性判定結果がA判定である場合には、10点であった。この理由は、連続性判定結果がA判定である場合には、上述のように横線状領域内の第1種領域A1の連続性が良好であるので、電流が横線状領域に沿って分散され易いからだと推定される。
また、上述のように、第2判定試験では、第1判定試験と比べて、「1周期で電源から出力されるエネルギー」が大きい。このように厳しい条件下においても、連続性判定結果がA判定である場合、すなわち、横連続平均値NccAが横連続期待値NccEよりも大きい場合には、10点の負荷寿命評価結果を実現できた。このように、横連続平均値NccAは、横連続期待値NccEよりも大きいことが好ましい。ただし、第2評価試験は比較的厳しい条件下で行われたので、横連続平均値NccAが横連続期待値NccE以下であっても、実用可能な負荷寿命を実現できると推定される。
なお、T1番からT5番のそれぞれの横連続平均値NccAは、7.33、1.83、1.75、2.50、2.18であった。これら5個の値から任意に選択された値を、横連続平均値NccAの好ましい範囲(下限以上、上限以下)の下限として採用可能である。また、5個の値のうち、下限以上の任意の値を、上限として採用可能である。また、5個の値のうち、10点の負荷寿命評価結果を実現可能な横連続平均値NccAは、1.75、1.83、2.50、7.33であった。横連続平均値NccAの好ましい範囲の上限と下限とを、これら4個の値から選択してもよい。ただし、第2評価試験は比較的厳しい条件下で行われたので、横連続平均値NccAが好ましい範囲外であっても、実用可能な負荷寿命を実現できると推定される。
また、T1番からT5番のそれぞれの横連続期待値NccEは、6.2、1.67、1.67、2.21、2.21であった。これら5個の値から任意に選択された値を、横連続期待値NccEの好ましい範囲(下限以上、上限以下)の下限として採用可能である。また、5個の値のうち、下限以上の任意の値を、上限として採用可能である。また、5個の値のうち、10点の負荷寿命評価結果を実現可能な横連続期待値NccEは、1.67、2.21、6.2であった。横連続期待値NccEの好ましい範囲の上限と下限とを、これら3個の値から選択してもよい。ただし、第2評価試験は比較的厳しい条件下で行われたので、横連続期待値NccEが好ましい範囲外であっても、実用可能な負荷寿命を実現できると推定される。
なお、T1番からT5番のそれぞれのパラメータNL1、R、NL2、300L、70Dは、表2に記載の通りであった。上記のように、第2評価試験は比較的厳しい条件下で行われたので、これらのパラメータNL1、R、NL2、300L、70Dが上記のサンプルの値と異なる場合にも、実用可能な負荷寿命を実現できると推定される。いずれの場合も、少なくとも第1種ライン数NL1を上記の好ましい範囲内に設定することによって、良好な(例えば、第1評価試験の条件下で2点以上の)電波ノイズ評価結果と良好な(例えば、第1評価試験の条件下で2点以上の)負荷寿命評価結果とを実現できると推定される。ここで、第1種ライン数NL1に加えて、第2種ライン数NL2を、上記の好ましい範囲内に設定することが好ましい。また、成分割合Rを、上記の好ましい範囲内に設定することが好ましい。また、抵抗体径70Dを、上記の推定された許容範囲内に設定することが好ましい。また、接続部長300Lを、上記の推定された許容範囲内に設定することが好ましい。
C.変形例:
(1)抵抗体70の材料としては、上述した材料に限らず、種々の材料を採用可能である。ガラスとしては、例えば、B−SiO系と、BaO−B系と、SiO−B−CaO−BaO系と、SiO−ZnO−B系と、SiO−B−LiO系と、SiO−B−LiO−BaO系と、のうちの1種以上を含むものを採用可能である。また、骨材を形成する材料としては、ガラスに限らず、アルミナ等の種々のセラミック材料を採用してもよい。また、ガラスとセラミック材料(例えば、アルミナ)との混合物を採用してもよい。いずれの場合も、骨材を形成する材料粒子の形状が扁平していることが好ましい。こうすれば、抵抗体70の製造時に抵抗体70の材料を圧縮するために中心軸CLと平行な方向の力を材料に印加することによって、扁平した材料粒子の短軸の方向を中心軸CLと平行な方向に近づけ長軸の方向を中心軸CLと直交する方向に近づけることができる。この結果、中心軸CLと交差する方向に延びるジルコニア部分P1(図2)を、容易に形成できる。すなわち、第1種ライン数NL1と第2種ライン数NL2とを、容易に増やすことができる。ここで、扁平した粒子の長軸は、その粒子の最大外径を形成する軸であり、扁平した粒子の短軸は、その粒子の最小外径を形成する軸である。上記の好ましい範囲内の第1種ライン数NL1を実現するためには、骨材の材料粒子のアスペクト比(長軸の長さ(最大外径):短軸の長さ(最小外径))が、「1:0.4」から「1:0.7」の範囲内であることが好ましい。
なお、ライン数NL1、NL2は、骨材の材料粒子のアスペクト比と、骨材の材料粒子(特にガラス粒子)の潰れやすさとを調整することによって、容易に調整可能である。例えば、短軸の長さに対する長軸の長さを大きくすることによって、ライン数NL1、NL2を増やすことができる。また、ガラス粒子を潰れやすくすることによって、ライン数NL1、NL2を増やすことができる。
また、横連続平均値NccAは、骨材の材料粒子のアスペクト比と、骨材の材料粒子(特にガラス粒子)の潰れやすさと、抵抗体70の材料中のフィラーの材料の割合(例えば、重量パーセント)と導電性材料の割合と、を調整することによって、容易に調整可能である。例えば、骨材の材料粒子における短軸の長さに対する長軸の長さを大きくしつつ、フィラーの材料の割合と導電性材料の割合とを大きくすることによって、横連続平均値NccAを増やすことができる。また、ガラス粒子を潰れやすくしつつ、フィラーの材料の割合と導電性材料の割合とを大きくすることによって、横連続平均値NccAを増やすことができる。このように横連続平均値NccAを大きくすることによって、横連続期待値NccEよりも大きな横連続平均値NccAを、実現可能である。
(2)抵抗体70の形状は、略円柱形状に限らず、任意の形状を採用可能である。例えば、絶縁体10の貫通孔12が、先端方向D1に向かって内径が変化する部分を含み、抵抗体70が、その内径が変化する部分に形成されてもよい。この場合、抵抗体70は、外径が先端方向D1に向かって変化する部分を含む。電波ノイズ評価結果と負荷寿命評価結果とは、抵抗体70のうちの外径が小さい部分から大きな影響を受けると推定される。従って、一般的には、抵抗体70のうちの軸線CLと垂直な断面において絶縁体10の貫通孔12の内周面と全周に亘って接触している部分の外径の最小値が、上記の抵抗体径70Dの好ましい範囲内にあることが好ましい。
いずれの場合も、抵抗体70の中心軸CLを含む断面上の少なくとも1つの位置に配置された対象領域A10を用いて算出される第1種ライン数NL1が、上記の好ましい範囲内にあれば、その抵抗体70の第1種ライン数NL1が好ましい範囲内にある、ということができる。そして、抵抗体70の第1種ライン数NL1が好ましい範囲内にあれば、電波ノイズの抑制性能と抵抗体の寿命とを向上できると推定される。第2種ライン数NL2についても、同様である。
(3)スパークプラグの構成としては、図1で説明した構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、接地電極30のうちのギャップgを形成する部分に、貴金属チップが設けられていてもよい。貴金属チップの材料としては、イリジウム、白金等の種々の貴金属を含む材料を採用可能である。同様に、中心電極20のうちのギャップgを形成する部分に、貴金属チップが設けられていてもよい。
以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。
5...ガスケット、6...第1後端側パッキン、7...第2後端側パッキン、8...先端側パッキン、9...タルク、10...絶縁体(絶縁碍子)、11...第2縮外径部、12...貫通孔(軸孔)、13...脚部、14...後開口、15...第1縮外径部、16...縮内径部、17...先端側胴部、18...後端側胴部、19...鍔部、20...中心電極、21...外層、22...芯部、23...頭部、24...鍔部、25...脚部、29...先端面、30...接地電極、31...先端部、35...母材、36...芯部、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...座部、55...胴部、56...縮内径部、58...変形部、59...貫通孔、60...第1シール部、70...抵抗体、70D...外径(抵抗体径)、70L...抵抗体長、80...第2シール部、100...スパークプラグ、300...接続部、300L...接続部長、400...部分断面、g...ギャップ、R...成分割合、D1...先端方向、D1r...後端方向、A1...第1種領域、A2...第2種領域、CL...中心軸(軸線)、Ac...導電領域、Nc...第1種領域数、Aa...骨材領域、Pg...部分、P3...他成分部分、P2...チタニア部分、P1...ジルコニア部分、A10...対象領域、L01〜L12...横線状領域、La...第1長、A20...正方形領域、Lb...第2長、NL1...第1種ライン数、NL2...第2種ライン数、Ncc...最大連続数

Claims (9)

  1. 軸線の方向に延びる貫通孔を有する絶縁体と、
    前記貫通孔の先端側に少なくとも一部が挿入された中心電極と、
    前記貫通孔の後端側に少なくとも一部が挿入された端子金具と、
    前記貫通孔内で、前記中心電極と前記端子金具とを電気的に接続する接続部と、
    を備えるスパークプラグであって、
    前記接続部は、抵抗体を含み、
    前記抵抗体は、骨材と、ZrOを含むフィラーと、カーボンと、を含み、
    前記抵抗体の前記軸線を含む断面において、
    前記軸線を中心線とし、前記軸線に垂直な方向の大きさが1800μmであり、前記軸線の方向の大きさが2400μmである矩形領域を、対象領域とし、
    前記対象領域を、一辺の長さが200μmである複数の正方形領域に分割した場合に、前記軸線に垂直な方向に並ぶ9個の正方形領域で構成される線状の領域を、横線状領域とし、
    ZrOの面積の割合が25%以上である正方形領域を第1種領域とし、
    ZrOの面積の割合が25%未満である正方形領域を第2種領域としたときに、
    2個以上の前記第1種領域を含む前記横線状領域の総数が、5本以上である、
    スパークプラグ。
  2. 請求項1に記載のスパークプラグであって、
    連続する2個以上の前記第1種領域を含む前記横線状領域の総数が、5本以上である、
    スパークプラグ。
  3. 請求項1または2に記載のスパークプラグであって、
    前記フィラーは、TiOを含み、
    前記抵抗体におけるZrに対するTiの重量割合が、0.05以上、6以下である、
    スパークプラグ。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載のスパークプラグであって、
    前記抵抗体のうちの前記軸線と垂直な断面において前記絶縁体の内周面と全周に亘って接触している部分の外径の最小値は、3.5mm以下である、スパークプラグ。
  5. 請求項4に記載のスパークプラグであって、
    前記外径の最小値は、2.9mm以下である、スパークプラグ。
  6. 請求項1から5のいずれか1項に記載のスパークプラグであって、
    前記中心電極の後端と前記端子金具の先端との間の前記軸線の方向の距離は、15mm以上である、スパークプラグ。
  7. 請求項1から6のいずれか1項に記載のスパークプラグであって、
    前記軸線に平行な方向に並ぶ12個の前記正方形領域で構成される線状の領域を、縦線状領域とし、1本の縦線状領域における前記第1種領域の連続数の最大値を、縦最大連続数としたときに、前記対象領域に含まれる9本の縦線状領域における前記縦最大連続数の平均値が、5.0以下である、スパークプラグ。
  8. 請求項1から7のいずれか1項に記載のスパークプラグであって、
    連続する2個以上の前記第1種領域を含む前記横線状領域の総数が、7本以上である、
    スパークプラグ。
  9. 請求項1から8のいずれか1項に記載のスパークプラグであって、
    1本の横線状領域における前記第1種領域の連続数の最大値を、横最大連続数としたときに、前記対象領域に含まれる12本の横線状領域における前記横最大連続数の平均値が、前記対象領域中の前記第1種領域の総数から算出される前記横最大連続数の期待値よりも、大きい、
    スパークプラグ。
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