JP6214473B2 - プラズマジェットプラグ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関において混合気に点火するためのプラズマジェットプラグに関するものである。

内燃機関において混合気に点火するための点火プラグの１つとして、プラズマジェットプラグが知られている（例えば、特許文献１）。プラズマジェットプラグでは、セラミック等の絶縁体で囲まれた放電空間（キャビティとも呼ぶ）の内部に、中心電極と接地電極との間のギャップが配置される。ギャップで火花（放電）が発生すると、キャビティ内の気体が励起されることによって、キャビティ内でプラズマが生成される。そして、生成されたプラズマがキャビティの外部に噴出することによって、混合気が点火される。噴出するプラズマは、プラズマジェットプラグから遠い位置に素早く到達可能である。従って、プラズマジェットプラグは、火花（放電）によって直接的に混合気に点火するスパークプラグと比較して、空燃比の高い希薄混合気に対しても適切に点火することができる。

特開２０１２−１９５２８２号公報

キャビティ内で、火花（放電）は、中心電極と接地電極とを結ぶ種々の経路を通り得る。ここで、火花（放電）が意図しない経路を通ることによって、不具合が生じる場合があった。例えば、火花が意図せず絶縁体の表面を通ることによって、絶縁体が損傷を受ける場合があった。また、火花が、プラズマが噴出するための孔から遠い位置に飛火することによって、プラズマの噴出が弱くなる場合があった。

本発明の主な利点は、意図しない放電経路に沿って放電が生じる可能性を低減することである。

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、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
［態様］
軸線に沿って延びる軸孔を形成する内周面を有する筒状の絶縁体と、
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る主体金具と、
前記主体金具に電気的に接続され、前記軸線の方向の先端側で開口する第１貫通孔を形成し、前記絶縁体の先端側に配置される板状部を含む接地電極と、
を備え、
前記中心電極は、前記軸孔と前記中心電極との径差が０．１ｍｍ以下である大径部と、前記大径部よりも先端側の部分であり前記大径部よりも外径が小さく前記中心電極の先端面を有する小径部と、を有し、
前記中心電極の前記小径部の表面と、前記絶縁体の前記内周面と、によってキャビティが形成されるプラズマジェットプラグであって、
前記プラズマジェットプラグは、前記キャビティ内における、前記中心電極の前記先端面よりも先端側、かつ、前記接地電極の前記板状部よりも後端側に位置する中間電極を備え、
前記中間電極は、前記軸線の方向に投影した投影面において前記第１貫通孔と少なくとも一部が重なるように開口する第２貫通孔を形成し、前記接地電極と前記中心電極とのいずれからも電気的に離間しており、
前記プラズマジェットプラグは、前記絶縁体の前記内周面の先端部分に接続されて径方向の内側に突出するとともに、前記軸線の方向に投影した投影面において前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔のそれぞれに少なくとも一部が重なるように開口する第３貫通孔を形成し、前記中間電極と前記接地電極の前記板状部との間に位置する絶縁壁部を含み、
前記中間電極は、前記絶縁壁部の後端側の表面を覆っている、
プラズマジェットプラグ。

［適用例１］
軸線に沿って延びる軸孔を形成する内周面を有する筒状の絶縁体と、
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る主体金具と、
前記主体金具に電気的に接続され、前記軸線方向先端側で開口する第１貫通孔を形成し、前記絶縁体の先端側に配置される板状部を含む接地電極と、
を備え、
前記中心電極は、前記軸孔と前記中心電極との径差が０．１ｍｍ以下である大径部と、前記大径部よりも先端側の部分であり前記大径部よりも外径が小さく前記中心電極の先端面を有する小径部と、を有し、
前記中心電極の前記小径部の表面と、前記絶縁体の前記内周面と、によってキャビティが形成されるプラズマジェットプラグであって、
前記プラズマジェットプラグは、前記キャビティ内における、前記中心電極の前記先端面よりも先端側、かつ、前記接地電極の前記板状部よりも後端側に位置する中間電極を備え、
前記中間電極は、前記軸線方向に投影した投影面において前記第１貫通孔と少なくとも一部が重なるように開口する第２貫通孔を形成し、前記接地電極と前記中心電極とのいずれからも電気的に離間している、
プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、中間電極を通る経路に沿って放電が生じるので、意図しない放電経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。

［適用例２］
適用例１に記載のプラズマジェットプラグであって、
前記中心電極の前記先端面と前記中間電極との間の前記軸線の方向の最短距離を基準距離Ｇとし、
前記中心電極の前記先端面の縁と前記絶縁体の前記内周面との間の最短距離を第１距離ＤＡとし、
前記小径部の後端と前記中間電極との間の前記軸線の方向の最短距離を第２距離ＤＢとする場合に、
ＤＡ≧０．５×Ｇ
ＤＢ≧２×Ｇ
が満たされる、プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、絶縁体の内周面を通る経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。

［適用例３］
適用例２に記載のプラズマジェットプラグであって、
ＤＡ≦０．８×Ｇ
ＤＢ≦３×Ｇ
が満たされる、プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、キャビティを小さくできるので、プラズマの噴出が弱くなることを抑制しつつ、絶縁体の内周面を通る経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。

［適用例４］
適用例１から３のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
前記軸線方向に投影した投影面において前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔のそれぞれに少なくとも一部が重なるように開口する第３貫通孔を形成し前記中間電極と前記接地電極の前記板状部との間に位置する絶縁壁部を含む、プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、放電経路のうちの中間電極と接地電極との間の部分の変動が絶縁壁部によって抑制されるので、意図しない放電経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。

［適用例５］
適用例１から４のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
前記中心電極の前記先端面の最大幅は、前記中間電極の前記第２貫通孔の最大幅よりも大きい、プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、中心電極に消耗に起因して中心電極と中間電極との間の距離が長くなることを抑制できるので、意図しない放電経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。

［適用例６］
適用例１から５のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
前記中心電極の前記先端面の角部の全体は、前記軸線方向に投影した投影面において、前記中間電極と重なるように配置されている、プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、絶縁体の内周面を通る経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。

［適用例７］
適用例１から６のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
前記軸線方向に投影した投影面において前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔のそれぞれに少なくとも一部が重なるように開口する第３貫通孔を形成し前記中間電極と前記接地電極の前記板状部との間に位置する絶縁壁部を含み、
前記接地電極の前記第１貫通孔の最大幅と、前記中間電極の前記第２貫通孔の最大幅と、前記絶縁壁部の前記第３貫通孔の最大幅とは、それぞれ略同じである、プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、接地電極のうちの第１貫通孔を形成する部分と、中間電極のうちの第２貫通孔を形成する部分と、絶縁体のうちの第３貫通孔を形成する部分と、のうちの一部が速く消耗することを抑制できる。この結果、意図しない放電経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。

［適用例８］
適用例１から７のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
前記中間電極は、後端側の表面である平らな第１面と、前記第１面に平行な先端側の表面である平らな第２面と、を有する円板状の電極である、プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、中間電極の固定が容易であるので、キャビティ内の意図された位置に中間電極を配置できる。この結果、意図しない放電経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。

［適用例９］
適用例１から８のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
前記中間電極は、融点が摂氏１４００度以上の金属材料で形成されている、プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、中間電極の消耗を抑制できるので、意図しない放電経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。

［適用例１０］
適用例１から９のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
前記中心電極の少なくとも先端部は、主成分として貴金属またはタングステンを含む材料で形成されており、
前記接地電極の少なくとも一部は、主成分として貴金属またはタングステンを含む材料で形成されている、
プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、中心電極と接地電極との消耗を抑制できるので、意図しない放電経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。

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。

本実施形態のプラズマジェットプラグ１００の全体を示す図である。 プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０近傍の断面図である。 点火装置１２０の例の概略構成を示すブロック図である。 プラズマジェットプラグ１００の先端近傍の断面図である。 中心電極２０の先端面２０ｓと接地電極３０と絶縁壁部１１と中間電極６０との投影図である。 プラズマジェットプラグの変形例の説明図である。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．プラズマジェットプラグの全体構成：
図１は実施形態のプラズマジェットプラグ１００の全体を示す図である。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図が示されている。図２は、プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０近傍の断面図である。図１、図２の一点破線ＣＯは、プラズマジェットプラグ１００の軸線を示している。軸線ＣＯと平行な方向（図１、図２の上下方向）を、「軸線ＣＯの方向」、あるいは、単に「軸線方向」とも呼ぶ。軸線ＣＯを中心とする円の径方向を、単に「径方向」とも呼び、軸線ＣＯを中心とする円の周方向を、単に「周方向」とも呼ぶ。図１、図２における下方向を先端方向Ｄ１と呼び、上方向を後端方向Ｄ２とも呼ぶ。図１、図２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、図２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、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、中間電極６０と、を備える（図１）。

絶縁碍子１０はアルミナ等を焼成して形成されている。絶縁碍子１０は、軸線方向に沿って延び、絶縁碍子１０を貫通する軸孔１２を有する略円筒形状の部材（筒状体）である。絶縁碍子１０は、鍔部１９と、後端側胴部１８と、先端側胴部１７と、段部１４と、脚長部１３と、を備えている。後端側胴部１８は、鍔部１９より後端側に位置し、鍔部１９の外径より小さな外径を有している。先端側胴部１７は、鍔部１９より先端側に位置し、後端側胴部１８の外径より小さな外径を有している。脚長部１３は、先端側胴部１７より先端側に位置し、先端側胴部１７の外径より小さな外径を有している。段部１４は、先端方向Ｄ１に向かって外径が小さくなる部分であり、絶縁碍子１０の脚長部１３と先端側胴部１７との間に形成されている。

絶縁碍子１０の内周面の先端部分（ここでは、脚長部１３の内周面の先端部分）には、絶縁壁部１１が接続されている。絶縁壁部１１は、中央に貫通孔１１ｘ（図２）を有するＯ字形状の円板部分である。絶縁壁部１１の外周部分は、全周に亘って、脚長部１３の内周面に接続されている。絶縁壁部１１の内径は、脚長部１３の内径よりも、小さい。絶縁壁部１１は、絶縁碍子１０と同じ材料で形成されている。そして、絶縁壁部１１は、絶縁碍子１０の製造時に、絶縁碍子１０と一体的に形成されている。ただし、絶縁壁部１１が、絶縁碍子１０とは異なる材料で形成されてもよい。また、絶縁壁部１１が、他の部材（例えば、絶縁碍子１０、または、接地電極３０）に、接着剤（例えば、耐熱性無機接着剤）によって、接着されてもよい。

軸孔１２のうち脚長部１３の内周面によって形成される部分は、電極収容孔１５として形成されている（図１、図２）。軸孔１２のうちの電極収容孔１５よりも後端側の部分の内径は、電極収容孔１５の内径よりも大きい。この電極収容孔１５の先端部分に、絶縁壁部１１が配置されている。

主体金具５０は、導電性の金属材料（例えば、低炭素鋼材）で形成され、内燃機関のエンジンヘッド（図示省略）にプラズマジェットプラグ１００を固定するための略円筒形状の部材（筒状体）である。主体金具５０は、軸線ＣＯに沿って貫通する貫通孔５９が形成されている。主体金具５０は、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の先端側の一部と、鍔部１９と、先端側胴部１７と、脚長部１３との外周に配置される。すなわち、主体金具５０の貫通孔５９内に、絶縁碍子１０が挿入、そして、保持されている（図１）。

主体金具５０は、スパークプラグレンチが係合する六角柱形状の工具係合部５１と、内燃機関に取り付けるための取付ネジ部５２と、工具係合部５１と取付ネジ部５２との間に形成された鍔状の座部５４と、を備えている（図１）。

主体金具５０の取付ネジ部５２と座部５４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が嵌挿されている（図１）。ガスケット５は、プラズマジェットプラグ１００が内燃機関に取り付けられた際に、プラズマジェットプラグ１００と内燃機関（エンジンヘッド）との隙間を封止する。

主体金具５０は、さらに、工具係合部５１の後端側に設けられた薄肉の加締部５３と、座部５４と工具係合部５１との間に設けられた薄肉の圧縮変形部５８と、を備えている（図１）。主体金具５０における工具係合部５１から加締部５３に至る部位の内周面と、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の外周面との間に形成される環状の領域には、環状のリング部材６、７が配置されている。当該領域における２つのリング部材６、７の間には、タルク（滑石）９の粉末が充填されている。また、主体金具５０の貫通孔５９を形成する内周面は、取付ネジ部５２の軸方向の中央部で後端側から先端側に向かって縮径しており、これによって内周面に段状の係止部５６が形成されている（図２）。

加締部５３の後端は、径方向内側に折り曲げられて、絶縁碍子１０の外周面に固定されている。主体金具５０の圧縮変形部５８は、製造時において、絶縁碍子１０の外周面に固定された加締部５３が先端側に押圧されることにより、圧縮変形する。圧縮変形部５８の圧縮変形によって、リング部材６、７およびタルク９を介し、絶縁碍子１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。この結果、金属製の環状の板パッキン８０（図２）を介して、主体金具５０の内周面の係止部５６に、絶縁碍子１０の段部１４が押圧される。この結果、絶縁碍子１０の段部１４と、主体金具５０の係止部５６との間は、板パッキン８０を挟んで封止される。この結果、内燃機関の燃焼室内のガスが、主体金具５０と絶縁碍子１０との隙間から外部に漏れることが、防止される。

中心電極２０は、軸線ＣＯに沿って延びる棒状の部材であり、絶縁碍子１０の軸孔１２の内部に配置されている。中心電極２０は、電極母材２０Ａと、電極母材２０Ａの内部に埋設された芯材２０Ｂと、を含む構造を有する（図２）。電極母材２０Ａは、ニッケルまたはニッケルを主成分とする合金（インコネル６００等（アルファベットのINCONELは登録商標））で形成されている。主成分は、含有率（重量％）が最も高い成分を意味している。芯材２０Ｂは、電極母材２０Ａを形成する合金よりも熱伝導性に優れる材料（例えば、銅または銅を主成分とする合金）で形成されている。なお、中心電極としては、上記中心電極２０のように母材と芯材との２重構造を有するものに代えて、他の構造を有する電極を採用可能である。例えば、タングステン等の高融点材料で形成された一体成形品を採用してもよい。

また、中心電極２０は、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、を備えている。中心電極２０の脚部２２は、絶縁碍子１０の軸孔１２のうちの電極収容孔１５に収容され、中心電極２０の頭部２１は、軸孔１２のうちの電極収容孔１５より内径の大きな部分に収容されている。中心電極２０は、脚部２２の先端にギャップ形成部材２６を備えている（図２）。ギャップ形成部材２６は、主成分としてイリジウムを含む合金で形成されている（他の材料を採用可能である）。また、ギャップ形成部材２６は、例えば、レーザー溶接によって脚部２２の先端に接合されている。

図２に示すように、接地電極３０は、主体金具５０の先端面５７に形成された係合部５７Ａに係合されている。図２に示すように、接地電極３０は中央に貫通孔３１を有するＯ字形状の板状部材（すなわち、円板部材）である。接地電極３０は、厚み方向を軸線ＣＯ方向とし、絶縁碍子１０の先端面１６に当接した状態、あるいは、先端面１６と微小な隙間（例えば、０．０５ｍｍ以下の隙間）を有する状態で、係合部５７Ａに係合され、レーザー溶接などによって主体金具５０に接合されている。これにより、主体金具５０と接地電極３０は電気的に導通している。接地電極３０の後端方向Ｄ２側には、絶縁壁部１１が配置されている。接地電極３０は、主成分としてイリジウムを含む合金で形成されている（他の材料を採用可能である）。

中間電極６０は、中央に貫通孔６１（図２）を有するＯ字形状の円板部材である。中間電極６０は、電極収容孔１５内において、中心電極２０の先端面よりも先端方向Ｄ１側、かつ、接地電極３０よりも後端方向Ｄ２側に配置されている。具体的には、中間電極６０は、絶縁壁部１１の後端方向Ｄ２側に配置されている。すなわち、絶縁壁部１１は、中間電極６０と接地電極３０との間に配置されている。中間電極６０は、中心電極２０と接地電極３０とのいずれからも離れている。中間電極６０は、主成分として、イリジウムを含む合金で形成されている（他の材料（例えば、ニッケル合金、または、タングステン合金）も採用可能である）。また、中間電極６０は、例えば、耐熱性無機接着剤によって、軸孔１２の内周面に接着されている。

本実施形態では、中間電極６０の貫通孔６１と、絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘと、接地電極３０の貫通孔３１とは、いずれも、軸線ＣＯを中心とする円柱形状の孔である。本実施形態においては、接地電極３０の貫通孔３１は、主体金具５０の先端側で開口する第１貫通孔の例である。また、後述するように、中間電極６０の貫通孔６１は、軸線ＣＯの方向に投影した投影面において貫通孔３１と少なくとも一部が重なるように開口する第２貫通孔の例である。絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘは、軸線ＣＯの方向に投影した投影面において貫通孔３１と貫通孔６１のそれぞれに少なくとも一部が重なるように開口する第３貫通孔の例である。

中心電極２０と接地電極３０との間に電圧が印加されることによって、中心電極２０のギャップ形成部材２６と接地電極３０との間（すなわち、ギャップ）で放電が生じる。本実施形態では、中心電極２０と接地電極３０との間に中間電極６０が配置されている。従って、放電経路は、中心電極２０のギャップ形成部材２６から、中間電極６０を経由して、絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘを通って、接地電極３０に至る。

なお、詳細は後述するが、絶縁碍子１０の電極収容孔１５内であって、中心電極２０より先端側で、かつ、接地電極３０より後端側には、プラズマを生成するためのキャビティＣＶが形成されている。中間電極６０と絶縁壁部１１とは、このキャビティＣＶ内に露出している。

端子金具４０（図１）は、軸線ＣＯに沿って延びる棒状の部材である。端子金具４０は、導電性の金属材料（例えば、低炭素鋼）で形成され、その表面は、防食のための金属層（例えば、Ｎｉ層）がめっきなどによって形成されている。端子金具４０は、軸線方向の所定位置に形成された鍔部４２と、鍔部４２より後端側に位置するキャップ装着部４１と、鍔部４２より先端側の脚部４３と、を備えている。端子金具４０の後端を含むキャップ装着部４１は、絶縁碍子１０の後端側に露出している。端子金具４０の先端を含む脚部４３は、絶縁碍子１０の軸孔１２に挿入されている。キャップ装着部４１には、高圧ケーブル（図示省略）が接続されたプラグキャップが装着され、火花を発生するための高電圧が印加される。

絶縁碍子１０の軸孔１２内において、端子金具４０の脚部４３と中心電極２０との間の領域には、導電性シール４が配置されている。この導電性シール４を通じて、端子金具４０と中心電極２０とは、電気的に導通している。導電性シール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で形成されている。

Ａ−２．プラズマジェットプラグの動作：
図３は、点火装置１２０の例の概略構成を示すブロック図である。プラズマジェットプラグ１００は、図３に一例を示す点火装置１２０に接続され、点火装置１２０から電力の供給を受けることにより、内燃機関の燃焼室内の混合気への点火を行う。

点火装置１２０は、例えば、自動車のＥＣＵ（電子制御回路）からの指示に従ってプラズマジェットプラグ１００に電力を供給する。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、制御回路部１３０、１５０と、逆流防止用の２つのダイオード１４５、１６５と、を有している。

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と接地電極３０の間のギャップに、高電圧を印加することで絶縁破壊させて火花放電を生じさせる、いわゆるトリガー放電を行うための電源回路である。火花放電回路部１４０は、ＥＣＵに接続された制御回路部１３０によって制御される。火花放電回路部１４０は、ダイオード１４５を介し、電力供給先となるプラズマジェットプラグ１００の中心電極２０に電気的に接続されている。

また、プラズマ放電回路部１６０は、火花放電回路部１４０によって行われるトリガー放電により絶縁破壊が生じたギャップに高エネルギー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、ＥＣＵに接続された制御回路部１５０によって制御される。プラズマ放電回路部１６０も同様に、逆流防止用のダイオード１６５を介し、プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０に接続されている。なお、プラズマジェットプラグ１００の接地電極３０は、主体金具５０を介し、接地されている。

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、を備えている。コンデンサ１６２は、一端が接地され、他端が、高電圧発生回路１６１と、上記ダイオード１６５を介して中心電極２０に接続されている。ここで、１回のプラズマ噴出を行うため、火花ギャップに供給されるエネルギー量ＥＧ（単位は、ｍＪ）は、トリガー放電によるエネルギーの供給量と、コンデンサ１６２からのエネルギーの供給量との和である。コンデンサ１６２の静電容量は、エネルギー量ＥＧが、所定量となるように調整されている。なお、プラズマジェットプラグ１００は、例えば、プラズマ放電回路部１６０を備えていないタイプの点火装置、すなわち、トリガー放電によるエネルギーのみを供給するタイプの点火装置でも駆動することができるが、図３に示すような点火装置１２０を用いることによって、より高エネルギーのプラズマを生成することができる。

点火装置１２０によって高電圧が供給されることによって、プラズマジェットプラグ１００のギャップで放電が生じると、点火装置１２０から供給されるエネルギーによって、図２に示すキャビティＣＶ内の気体が励起されて、キャビティＣＶ内に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、火柱状に、接地電極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される。

Ａ−３．プラズマジェットプラグ１００の先端近傍の構成：
上記で説明したプラズマジェットプラグ１００の先端近傍の構成について、さらに、詳細に説明する。図４は、プラズマジェットプラグ１００の先端近傍を、軸線ＣＯが含まれる面で切断した断面図である。なお、図４では、先端方向Ｄ１は上向きであり、後端方向Ｄ２は下向きである。図中の内径Ｒ２は、電極収容孔１５の内径Ｒ２である。本実施形態では、内径Ｒ２は、中心電極２０の脚部２２を収容している部分から絶縁壁部１１まで、一定である。すなわち、図４の断面において、絶縁碍子１０の脚長部１３の電極収容孔１５を形成する内周面は、脚部２２を収容する部分から絶縁壁部１１まで、軸線ＣＯに並行な直線になっている。

中心電極２０の脚部２２は、外径Ｒ１の棒状の大径部２３と、大径部２３の先端側に配置された縮径部２４と、縮径部２４の先端側に配置された台座部２５と、を備えている。大径部２３は、電極収容孔１５の先端側から後端側に伸び、脚部２２の大部分を占めている。電極収容孔１５の内径Ｒ２と、大径部２３の外径Ｒ１と、の径差（Ｒ２−Ｒ１）は、０．１ｍｍ以下である。絶縁碍子１０の脚長部１３と、中心電極２０の脚部２２（大径部２３を含む）とは、同軸上に配置されているので、大径部２３の外周面と、電極収容孔１５の内周面と、の間隔ＳＴは、（Ｒ２−Ｒ１）／２である。すなわち、大径部２３の外周面と、電極収容孔１５の内周面と、の間隔ＳＴは、０．０５ｍｍ以下である。

縮径部２４は、後端側から先端側に向かって外径が小さくなる円錐台の形状を有している。台座部２５は、円柱形状を有している。台座部２５の先端側には、ギャップ形成部材２６が、例えば、レーザー溶接によって溶接されている。ギャップ形成部材２６は、本実施形態では、外径Ｄを有する円柱状のチップである。ギャップ形成部材２６の先端面２０ｓは、中心電極２０の先端面と言うこともできる。したがって、外径Ｄは、中心電極２０の先端面２０ｓの外径、すなわち、径方向の幅Ｄと言うこともできる。なお、縮径部２４と台座部２５とギャップ形成部材２６とは、いずれも大径部２３の外径Ｒ１より小さな外径を有している。縮径部２４と台座部２５とギャップ形成部材２６との全体を、小径部２７とも呼ぶ。小径部２７は、大径部２３よりも先端側に位置し、大径部２３より小さな外径を有する部分である。

小径部２７の表面（すなわち、縮径部２４の外周面と、台座部２５の外周面と、ギャップ形成部材２６の外周面および先端面２０ｓ）と、絶縁碍子１０の脚長部１３の電極収容孔１５を形成する内周面（すなわち、絶縁碍子１０の軸孔１２を形成する内周面）と、によって、プラズマを生成するためのキャビティＣＶが形成される。電極収容孔１５の内径Ｒ２は、キャビティＣＶの内径とも言うことができるので、電極収容孔１５の内径Ｒ２を、キャビティ径Ｒ２とも呼ぶ。なお、上述したように、大径部２３の外周面と電極収容孔１５の内周面との間の隙間の間隔ＳＴは、０．０５ｍｍ以下であるので、キャビティＣＶ内で生じたプラズマが、その隙間に移動することは、抑制されている。

図４中には、プラズマジェットプラグ１００の種々のパラメータが示されている。距離Ｇは、中心電極２０の先端面２０ｓ（すなわち、ギャップ形成部材２６の先端面２０ｓ）から中間電極６０までの軸線方向の最短距離である。また、距離ＤＡは、中心電極２０の先端面２０ｓの縁と、絶縁碍子１０の内周面（すなわち、電極収容孔１５を形成する内周面）と、の間の最短距離である。距離ＤＡは、本実施形態では、図４の断面における点Ｐ１から点Ｐ２までの距離である。点Ｐ１は、ギャップ形成部材２６の先端面２０ｓの縁上の点である。点Ｐ２は、軸線ＣＯ上の１点と点Ｐ１とを通り、軸線ＣＯに垂直な直線と、電極収容孔１５を形成する内周面との交点である。また、距離ＤＢは、小径部２７の後端Ｐ４から中間電極６０までの軸線方向の最短距離である。小径部２７の後端Ｐ４は、縮径部２４の後端あるいはキャビティＣＶの後端と言うこともでき、大径部２３の先端と言うこともできる。

接地電極３０の貫通孔３１の形状は、軸線ＣＯを中心とする円柱形状である。貫通孔３１の内径Ｅは、図４の例では、ギャップ形成部材２６の外径Ｄとほぼ同じである。貫通孔３１の内径Ｅは、貫通孔３１の径方向の幅Ｅと言うことができる。貫通孔３１の内径Ｅは、電極収容孔１５の内径Ｒ２より小さい（Ｅ＜Ｒ２）ので、貫通孔３１を形成する接地電極３０の内縁部３３は、電極収容孔１５を形成する絶縁碍子１０（脚長部１３）の内周面より径方向の内側に径差Ｆの１／２だけ突出している。径差Ｆは、電極収容孔１５の内径Ｒ２と貫通孔３１の内径Ｅとの径差である（Ｆ＝（Ｒ２−Ｅ））。換言すれば、本実施形態では、Ｅ＜Ｒ２であるので、接地電極３０の貫通孔３１は、絶縁碍子１０の電極収容孔１５の内周面より径方向の内側に形成されている。なお、本実施形態では、突出長Ｆは、ゼロよりも大きい。

絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘの形状も、軸線ＣＯを中心とする円柱形状である。貫通孔１１ｘの内径Ｊは、図４の例では、ギャップ形成部材２６の外径Ｄとほぼ同じである。貫通孔１１ｘの内径Ｊは、貫通孔１１ｘの径方向の幅Ｊということができる。この絶縁壁部１１は、接地電極３０の内縁部３３と同様に、電極収容孔１５を形成する内周面より径方向の内側に径差Ｆの１／２だけ突出している。

中間電極６０の貫通孔６１の形状も、軸線ＣＯを中心とする円柱形状である。貫通孔６１の内径Ｈは、図４の例では、ギャップ形成部材２６の外径Ｄとほぼ同じである。貫通孔６１の内径Ｈは、貫通孔６１の径方向の幅Ｈということができる。この中間電極６０は、絶縁壁部１１の後端方向Ｄ２側で、径方向に沿って、電極収容孔１５の内周面から、貫通孔１１ｘの内周面と同じ位置まで、延びている。

中心電極２０と接地電極３０との間に、中間電極６０が配置されている。従って、中心電極２０と接地電極３０との間で生じる火花放電の放電経路は、中間電極６０を経由する。すなわち、放電経路は、中心電極２０から中間電極６０へ至り、中間電極６０から、絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘを通って、接地電極３０へ至る。中間電極６０は、電気的に、中心電極２０と接地電極３０とのいずれからも離れている。従って、放電経路は、中間電極６０で止まることなく、中間電極６０を介して、中心電極２０と接地電極３０とを接続する。このように、中間電極６０を通る経路に沿って放電が生じるので、中間電極６０が省略された場合と比べて、意図しない放電経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。

中間電極６０は、後端側の表面である平らな第１面６０ｓ１と、第１面６０ｓ１に平行な先端側の表面である平らな第２面６０ｓ２と、を有する円板状の電極である。従って、中間電極６０の固定が容易であるので、キャビティＣＶ内の意図された位置に中間電極６０を容易に配置できる。この結果、中間電極６０を経由する放電経路が意図しない位置を通ることを抑制できる。

放電経路には、気中経路と、沿面経路と、の２種類の経路が考えられる。気中経路は、キャビティＣＶ内の空間を通る経路である。沿面経路は、プラズマジェットプラグ１００の部材の表面上（例えば、絶縁碍子１０の内周面上）を通る経路である。中心電極２０から接地電極３０へ至る放電経路は、気中経路を含み得る。また、放電経路は、沿面経路を含み得る。

図４中の部分経路Ｑｘは、中間電極６０から接地電極３０へ至る放電経路の例である。この部分経路Ｑｘは、中間電極６０の内周面の後端方向Ｄ２側の端から、中間電極６０の内周面上と絶縁壁部１１の内周面上とを通って接地電極３０に至る沿面経路である。この部分経路Ｑｘは、中間電極６０と接地電極３０とを結ぶ最短の経路である。従って、このような部分経路Ｑｘを含む放電経路で、放電が生じ易い。

図４中の部分経路Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３は、中心電極２０から中間電極６０へ至る放電経路の例である。第１部分経路Ｑ１は、中心電極２０のギャップ形成部材２６の先端面２０ｓから、軸線ＣＯに平行に先端方向Ｄ１に延びて、キャビティＣＶ内の空間を通って、中間電極６０に至る気中経路である（気中経路Ｑ１とも呼ぶ）。火花放電は、例えば、第１部分経路Ｑ１と部分経路Ｑｘとで形成される経路を、通り得る。

第２部分経路Ｑ２は、第１部分Ｑ２ａと第２部分Ｑ２ｂとで構成されている。第１部分Ｑ２ａは、中心電極２０のギャップ形成部材２６の先端から絶縁碍子１０の内周面（具体的には、絶縁碍子１０のうち電極収容孔１５を形成する部分（ここでは、脚長部１３）の内周面）に至る径方向の気中経路である。第２部分Ｑ２ｂは、絶縁碍子１０の内周面上における第１部分Ｑ２ａの端の位置から、絶縁碍子１０の内周面に沿って、軸線ＣＯに平行に先端方向Ｄ１に延びて、中間電極６０に至る沿面経路である。火花放電は、例えば、第２部分経路Ｑ２と部分経路Ｑｘとを含む経路を、通り得る。図示を省略するが、第２部分経路Ｑ２と部分経路Ｑｘとを結ぶ経路としては、例えば、中間電極６０の後端方向Ｄ２側の表面６０ｓ１上を通る経路が、実現され得る。

第３部分経路Ｑ３は、絶縁碍子１０の内周面上における小径部２７の後端Ｐ４と径方向に対向する位置から、絶縁碍子１０の内周面に沿って、軸線ＣＯに平行に先端方向Ｄ１に延びて、中間電極６０に至る沿面経路である（沿面経路Ｑ３とも呼ぶ）。火花放電は、例えば、第３部分経路Ｑ３と部分経路Ｑｘとを含む経路を、通り得る。この場合、部分経路Ｑｘと第３部分経路Ｑ３とは、軸線ＣＯから見て同じ方向に配置される（図示省略）。また、第３部分経路Ｑ３と部分経路Ｑｘとを結ぶ経路としては、例えば、中間電極６０の後端方向Ｄ２側の表面６０ｓ１上を通る経路が、実現され得る。

一般的には、沿面経路の長さが短いことが好ましい。この理由は、以下の通りである。すなわち、沿面経路を通る放電が生じる場合、火花のエネルギーによって絶縁碍子１０が損傷を受ける。例えば、絶縁碍子１０に傷や、チャンネリングと呼ばれる溝状の削れなどが発生し得る。この結果、プラズマジェットプラグ１００の耐久性能が低下し得る。

また、沿面経路を通る放電が生じる場合には、放電経路が接地電極３０の貫通孔３１から遠い位置を通るので、貫通孔３１から噴出されるプラズマの噴出力が低下する。また、上記のチャンネリングが発生すると、キャビティＣＶの容積が大きくなるので、プラズマの噴出力が低下する。貫通孔３１から噴出されるプラズマの噴出力が低下すると、燃焼室内の混合気に着火するためのエネルギーが低下するので、プラズマジェットプラグ１００の着火性能が低下する。プラズマは、接地電極３０の貫通孔３１から噴出する。また、プラズマは、放電経路に沿って生じる。従って、放電経路が貫通孔３１から遠い位置を通る場合に、プラズマの噴出力が低下し易い。

図５は、軸線ＣＯに垂直な投影面上に、中心電極２０の先端面２０ｓと接地電極３０と絶縁壁部１１と中間電極６０とを、軸線ＣＯの方向に投影して得られる投影図である。本実施形態では、投影面において、先端面２０ｓと接地電極３０の貫通孔３１と中間電極６０の貫通孔６１と絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘとのそれぞれの形状は、軸線ＣＯを中心とし直径がおおよそ同じである円形状である。

本実施形態では、中間電極６０は、図５の投影面において中間電極６０の貫通孔６１が接地電極３０の貫通孔３１と一致するように、構成されている。従って、中間電極６０は、中間電極６０を経由する放電経路を、接地電極３０の貫通孔３１の近くに導くことが可能である。例えば、中間電極６０は、図４の部分経路Ｑｘのように、中間電極６０の貫通孔６１の内周面と接地電極３０の貫通孔３１の内周面の近傍とを通るように、放電経路を形成可能である。この結果、接地電極３０の貫通孔３１の近傍でプラズマが発生するので、着火性能を向上できる。

さらに、本実施形態では、中心電極２０と接地電極３０との間に絶縁壁部１１が配置されている。絶縁壁部１１は、図５に示す投影面において絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘが接地電極３０の貫通孔３１と一致するように、構成されている。また、図４、図５に示すように、接地電極３０を中心電極２０側から先端方向Ｄ１に向かって見る場合、接地電極３０のうちの絶縁碍子１０（ここでは、脚長部１３）に隠れていない部分、すなわち、絶縁碍子１０の内周面（ここでは、電極収容孔１５の内周面）よりも内側の部分は、絶縁壁部１１に覆われている。この結果、絶縁壁部１１は、放電経路が接地電極３０のうち貫通孔３１よりも外周側の部分に到達することを抑制でき、そして、放電経路を、接地電極３０の貫通孔３１の近くに導くことが可能である。例えば、絶縁壁部１１は、図４の部分経路Ｑｘのように、絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘの内周面と接地電極３０の貫通孔３１の内周面の近傍とを通るように、放電経路を形成可能である。この結果、接地電極３０の貫通孔３１の近傍でプラズマが発生するので、着火性能を向上できる。

また、本実施形態では、絶縁壁部１１は、図５の投影面において絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘが中間電極６０の貫通孔６１と一致するように、構成されている。また、図４、図５に示すように、絶縁壁部１１を中心電極２０側から先端方向Ｄ１に向かって見る場合、絶縁壁部１１の後端方向Ｄ２側の表面は、中間電極６０に覆われている。放電は、絶縁壁部１１の表面よりも中間電極６０に沿って生じ易い。従って、放電経路が絶縁壁部１１の後端方向Ｄ２側の表面を通ることを抑制できる。この結果、絶縁壁部１１の損傷を抑制できる。

なお、プラズマの噴出力は、キャビティＣＶの容積が過度に大きい場合に、低下し易い。この理由は、キャビティＣＶの容積に対して放電によって生成されたプラズマによるエネルギーが小さいので、キャビティＣＶ内の圧力上昇が小さくなり、噴出力が低下するからである。また、プラズマの噴出力は、沿面経路の長さが長い場合に、低下し易い。例えば、第２部分経路Ｑ２や第３部分経路Ｑ３を通る放電が生じる場合、キャビティＣＶの奥の部分、すなわち、接地電極３０の貫通孔３１から遠い部分でプラズマが形成される。この結果、プラズマの貫通孔３１からの噴出力が低下し得る。

Ｂ：第１評価試験
プラズマジェットプラグのサンプルを用いた第１評価試験について説明する。第１評価試験では、距離Ｇ（図４）に対する距離ＤＡの大きさと、耐久性と、着火性能と、の関係が評価された。このような関係を評価するために、第１評価試験では、中間電極６０と絶縁壁部１１とが省略され、中間電極６０の位置に配置された接地電極３０を有するプラズマジェットプラグの試験用のサンプルが用いられた（図示省略）。このように、試験用のサンプルでは、中間電極６０の代わりに接地電極３０が配置されている。サンプルの接地電極３０の貫通孔３１は、軸線ＣＯを中心とする円柱形状の孔である。そして、サンプルのキャビティのうち中心電極２０と接地電極３０との間の部分の構成は、プラズマジェットプラグ１００のキャビティＣＶのうち中心電極２０と中間電極６０との間の部分の構成と、同一である。図４で説明した放電経路Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３は、試験用のサンプルにおいては、中心電極２０と接地電極３０との間の経路として、実現される。また、試験用のサンプルでは、距離Ｇは、中心電極２０の先端面２０ｓ（すなわち、ギャップ形成部材２６の先端面２０ｓ）から接地電極３０までの軸線方向の距離に対応する。距離ＤＢは、小径部２７の後端Ｐ４から接地電極３０までの軸線方向の距離に対応する。サンプルの他の部分の構成は、図１のプラズマジェットプラグ１００の構成と同じである。以下の表１は、第１評価試験の結果を示している。

表１は、サンプルの種類の番号と、距離ＤＡと、キャビティ径Ｒ２（単位は、ｍｍ）と、耐久性を表すチャンネリングの評価結果と、着火性能を表すプラズマ噴出の評価結果と、の対応関係を示している。距離ＤＡは、距離Ｇと係数との積で表されている。表１に示すように、第１評価試験では、５種類のサンプルが評価された。各サンプルに共通な寸法は、以下の通りである。
中心電極２０の先端面２０ｓの外径Ｄ：１．５ｍｍ
小径部２７の後端Ｐ４から接地電極３０までの軸線方向の距離ＤＢ：２．５ｍｍ
中心電極２０の先端面２０ｓから接地電極３０までの軸線方向の距離Ｇ：１．０ｍｍ

５種類のサンプルの間では、距離ＤＡが互いに異なっている。距離ＤＡは、キャビティ径Ｒ２を変更することによって、変更されている。また、キャビティ径Ｒ２に応じて、中心電極２０の大径部２３の外径Ｒ１も変更されている。例えば、１番のサンプルでは、距離ＤＡが距離Ｇの０．３３倍の値に設定されている。上述したように、Ｇ＝１．０ｍｍであるので、この１番のサンプルの距離ＤＡは、０．３３ｍｍである。

また、１番から５番の５種類のサンプルのそれぞれは、径差Ｆが、０．５ｍｍ、０．８ｍｍにそれぞれ設定された２個のサンプルを含んでいる。ただし、５種類のサンプルのそれぞれにおいて、チャンネリングの評価結果とプラズマ噴出の評価結果とは、２個のサンプルの間で同じであった。従って、表１では、径差Ｆが省略されている。なお、径差Ｆは、接地電極３０の貫通孔３１の内径Ｅを、キャビティ径Ｒ２に応じて変更することによって、変更されている（Ｆ＝（Ｒ２−Ｅ））。

耐久性能の評価試験では、沿面経路を通る放電によるチャンネリングの発生の有無を評価した。チャンネリングは、沿面経路を通る放電によって絶縁碍子１０の内周面に溝状の形状変化が発生する現象である。具体的には、各サンプルに対し、０．６ＭＰａに加圧したチャンバー内で、１秒間に６０回の火花放電を発生させる放電試験を１００時間行った。放電時には、所定の電源装置（例えば、フルトランジスタ点火装置）を用いて、１回の火花放電ごとに５０ｍＪの放電エネルギーを供給した。

そして、点火試験後に各サンプルを解体し、先ず、沿面放電の痕跡の有無を拡大鏡を用いて、目視で確認した。沿面経路を通る放電の痕跡（火花が絶縁碍子１０の内周面を這うことで生じる黒色の汚れ）が確認された場合には、沿面経路を通る放電の痕跡を三次元形状測定器（具体的には、Ｘ線ＣＴスキャナー）を用いて測定して、チャンネリングの発生の有無を確認した。表１中のチャンネリングの評価欄において、「Ａ評価」は、チャンネリングが発生しなかったことを示し、「Ｂ評価」は、チャンネリングが発生したことを示している。

表１に示す試験結果から、距離ＤＡが、距離Ｇの０．５倍以上であるサンプル、すなわち、２番から５番のサンプルでは、径差Ｆに拘わらずに、チャンネリングの評価結果がＡ評価であった。また、距離ＤＡが、距離Ｇの０．５倍未満であるサンプル、すなわち、１番のサンプルでは、径差Ｆの値に拘わらずに、チャンネリングの評価結果がＢ評価であった。

この理由は、以下のように推定される。火花放電は、放電経路が長いほど発生しにくく、放電経路が短いほど発生しやすい。気中経路である第１部分経路Ｑ１（図４）は、距離Ｇが長いほど長くなる。沿面経路を含む第２部分経路Ｑ２の長さは、距離Ｇと距離ＤＡとの和にほぼ等しい。したがって、距離Ｇに対して距離ＤＡを十分に長くすれば、第２部分経路Ｑ２を、第１部分経路Ｑ１に対して十分に長くすることができる。第１評価試験の結果から、ＤＡ≧０．５×Ｇが満たされることによって、第２部分経路Ｑ２を、第１部分経路Ｑ１に対して十分に長くすることができるので、沿面経路を通る放電が抑制されると考えられる。

また、同じ経路長であっても、気中経路の抵抗は、沿面経路の抵抗より大きいことが知られている。そして、沿面経路の経路長を、気中経路の経路長の２倍以上確保すれば、同じ電圧が印加された場合に、気中経路で火花放電を発生させることができると考えられる。したがって、沿面経路の経路長に係数として（１／２）を乗じて得られる値を用いて算出される補正付き経路長を用いることによって、２つの経路の間で、放電の生じ易さを比較可能と考えられる。例えば、沿面経路を含む第２部分経路Ｑ２の補正付き経路長が、気中経路Ｑ１の経路長以上になるように、距離ＤＡを決定すれば、気中経路Ｑ１で火花放電を発生させることができると考えられる。ここで、第２部分経路Ｑ２は、気中経路Ｑ２ａ（距離ＤＡ）＋沿面経路Ｑ２ｂ（距離Ｇ）であるので、第２部分経路Ｑ２の補正付き経路長は、「距離ＤＡ＋（１／２）×距離Ｇ」である。気中経路Ｑ１の経路長は、距離Ｇとほぼ等しい。したがって、ＤＡ＋（１／２）×Ｇ≧Ｇ、すなわち、ＤＡ≧０．５×Ｇを満たすように、距離ＤＡを設定することが好ましい。この算出結果は、第１評価試験の結果と、一致している。ただし、ＤＡ＜０．５×Ｇであってもよい。

着火性能の評価試験では、いわゆるシュリーレン撮影により、接地電極３０の貫通孔３１から噴出されたプラズマ（フレーム）のサイズを測定した。具体的には、０．６ＭＰａに加圧したチャンバー内で、所定の電源装置を用いて、１２８ｍＪの放電エネルギーを供給して、火花放電を行った。そして、火花放電から１００μｓ後に、接地電極３０の貫通孔３１から噴出されたプラズマのシュリーレン画像を撮影した。そして、撮影されたシュリーレン画像を所定の閾値で二値化して、シュリーレン画像を構成する複数個の画素を、高密度部分を表す画素と、低密度部分を表す画素と、に分類した。そして、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。噴出されたプラズマのサイズは、プラズマの噴出力が大きいほど大きくなる。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サイズの平均値を、そのサンプルのプラズマのサイズとした。

表１中のプラズマ噴出の評価欄において、「Ａ評価」は、算出されたプラズマのサイズが、１２００画素以上であったことを示し、「Ｂ評価」は、算出されたプラズマのサイズが、１２００画素未満であったことを示している。

なお、本評価試験で撮影されたシュリーレン画像の解像度では、プラズマのサイズが１２００画素以上であることは、着火限界が空燃比で２２以上であることに相当する。着火限界が空燃比で２２であるとは、プラズマジェットプラグが、空燃比２２までの混合気に着火可能な着火性能を有することを意味する。

表１に示す試験結果から、距離ＤＡが、距離Ｇの０．８倍以下であるサンプル、すなわち、１番から４番のサンプルでは、径差Ｆの値に拘わらずに、プラズマ噴出の評価結果が「Ａ評価」であった。また、距離ＤＡが、距離Ｇの０．８倍を超えるサンプル、すなわち、５番のサンプルでは、プラズマ噴出の評価結果は、径差Ｆの値に拘わらずに、「Ｂ評価」であった。

この理由は、以下のように推定される。また、キャビティＣＶの容積が過度に大きい場合には、プラズマの噴出力が低下しやすい。上記の距離ＤＡが長いほどキャビティ径Ｒ２が大きくなるので、キャビティＣＶの容積が大きくなる。従って、ＤＡ≦０．８×Ｇが満たされることによって、キャビティＣＶの容積が過度に大きくなることを抑制できる。この結果、プラズマの噴出力の低下を抑制して、着火性能を向上することができると考えられる。ただし、ＤＡ＞０．８×Ｇであってもよい。

チャンネリングおよびプラズマ噴出の両方についてＡ評価が得られた距離ＤＡは、具体的には、０．５×Ｇ、０．７５×Ｇ、０．８×Ｇであった。従って、これらの値のうち任意の値を、距離ＤＡの好ましい範囲（下限以上、上限以下の範囲）の下限として採用可能である。また、これらの値のうちの下限以上の任意の値を、上限として採用可能である。

以上、評価用のサンプルを用いた評価結果について説明した。上記のように、評価用のサンプルのキャビティのうち中心電極２０と接地電極３０との間の部分の構成は、実施形態のプラズマジェットプラグ１００のキャビティＣＶのうち中心電極２０と中間電極６０との間の部分の構成と、同一である。従って、距離ＤＡの上記の好ましい範囲は、実施形態のプラズマジェットプラグ１００にも適用可能である。

Ｃ．第２評価試験
プラズマジェットプラグのサンプルを用いた第２評価試験について説明する。第２評価試験では、距離Ｇ（図４）に対する距離ＤＢの大きさと、着火性能と、の関係が評価された。このような関係を評価するために、第２評価試験では、第１評価試験のサンプルと同じ構成のサンプルを用いた（図示省略）。以下の表２は、第２評価試験の結果を示している。

表２は、サンプルの番号と、距離ＤＢと、着火性能を表すプラズマ噴出の評価結果と、の対応関係を示している。距離ＤＢは、距離Ｇと係数との積で表されている。表２に示すように、第２評価試験では、５種類のサンプルが評価された。各サンプルに共通な寸法は、以下の通りである。
中心電極２０の先端面の外径Ｄ：１．５ｍｍ
接地電極３０の貫通孔３１の内径Ｅ：１．５ｍｍ（Ｄ＝Ｅ）
中心電極２０の先端面２０ｓから接地電極３０までの軸線方向の距離Ｇ：１．０ｍｍ
中心電極２０の先端面２０ｓと絶縁碍子１０の内周面との最短距離ＤＡ：０．７５ｍｍ（０．７５Ｇ）

１１番から１５番の５種類のサンプルの間では、距離ＤＢが互いに異なっている。距離ＤＢは、小径部２７の縮径部２４の軸線方向の長さを変更することによって、変更されている。例えば、１１番のサンプルの距離ＤＢは、距離Ｇの１．５倍の長さである。上述したように、Ｇ＝１．０ｍｍであるので、１１番のサンプルの距離Ｂは、１．５ｍｍである。

着火性能の評価試験では、上述したシュリーレン撮影により、接地電極３０の貫通孔３１から噴出されたプラズマのサイズを測定した。プラズマ噴出の評価欄において、「Ａ評価」は、算出されたプラズマのサイズが１２００画素以上であったことを示し、「Ｂ評価」は、算出されたプラズマのサイズが、１２００画素未満であったことを示している。

表２に示すように、距離ＤＢが、距離Ｇの２倍以上であり、かつ、距離Ｇの３倍以下であるサンプル、すなわち、１２番、１３番、１４番のサンプルでは、プラズマ噴出の評価結果がＡ評価であった。そして、距離ＤＢが、距離Ｇの１．５倍である１１番のサンプルおよび、距離ＤＢが、距離Ｇの３．５倍である１５番のサンプルでは、プラズマ噴出の評価結果がＢ評価であった。

この理由は、以下のように推定される。上記距離ＤＢが長いほどキャビティＣＶの容積が大きくなる。従って、距離ＤＢが、距離Ｇの３倍を超えると、キャビティＣＶの容積が過度に大きくなり、この結果、プラズマの噴出力が低下したと考えられる。また、距離ＤＢが、距離Ｇの２倍未満であると、気中経路Ｑ１の経路長に対して、沿面経路Ｑ３の補正付き経路長が短くなるので、沿面経路Ｑ３に沿って放電が発生すると考えられる。従って、キャビティ内における貫通孔３１から遠い部分でプラズマが生成され、プラズマの噴出力が低下したと考えられる。

また、上述したように、沿面経路を通る放電を抑制するためには、沿面経路の経路長を、気中経路の経路長の２倍以上確保することが好ましい。この観点からも、沿面経路Ｑ３の実際の距離（距離ＤＢとほぼ同じ）が、距離Ｇの２．０倍未満である場合に、沿面経路を通る放電が発生していると考えることが妥当である。

以上のように、プラズマの噴出力の低下を抑制して着火性能を向上する観点から、ＤＢ≧２×Ｇが満たされることが好ましい。そして、ＤＢ≦３×Ｇが満たされることが更に好ましい。プラズマの噴出についてＡ評価が得られた距離ＤＢは、具体的には、２×Ｇ、２．５×Ｇ、３×Ｇであった。従って、これらの値のうち任意の値を、距離ＤＢの好ましい範囲（下限以上、上限以下の範囲）の下限として採用可能である。また、これらの値のうちの下限以上の任意の値を、上限として採用可能である。また、沿面経路を通る放電を抑制して耐久性を向上する観点から、ＤＢ≧２×Ｇが満たされることが好ましい。ただし、ＤＢ＜２×Ｇであってもよく、ＤＢ＞３×Ｇであってもよい。

以上、評価用のサンプルを用いた評価結果について説明した。上記のように、評価用のサンプルのキャビティのうち中心電極２０と接地電極３０との間の部分の構成は、実施形態のプラズマジェットプラグ１００のキャビティＣＶのうち中心電極２０と中間電極６０との間の部分の構成と、同一である。従って、距離ＤＢの上記の好ましい範囲は、実施形態のプラズマジェットプラグ１００にも適用可能である。

Ｄ．変形例：
（１）図５に示す投影面において、中心電極２０の先端面２０ｓの形状が非円形状であってもよい。また、接地電極３０の貫通孔３１の形状が非円形状であってもよい。また、絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘの形状が非円形状であってもよい。また、中間電極６０の貫通孔６１の形状が非円形状であってもよい。

（２）図５の投影面において、中間電極６０の貫通孔６１と接地電極３０の貫通孔３１とのうちの一方の全体が他方の内に包含されてもよい。また、貫通孔６１の一部が貫通孔３１の外に配置されてもよい。また、貫通孔３１の一部が貫通孔６１の外に配置されてもよい。いずれの場合も、中間電極６０が、図５の投影面において中間電極６０の貫通孔６１が接地電極３０の貫通孔３１と少なくとも一部が重なるように、構成されていることが好ましい。こうすれば、中間電極６０は、図４の部分経路Ｑｘのように、中間電極６０を経由する放電経路を、接地電極３０の貫通孔３１の近くに導くことが可能である。

（３）図５の投影面において、絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘと接地電極３０の貫通孔３１とのうちの一方の全体が他方の内に包含されてもよい。また、貫通孔１１ｘの一部が貫通孔３１の外に配置されてもよい。また、貫通孔３１の一部が貫通孔１１ｘの外に配置されてもよい。いずれの場合も、絶縁壁部１１が、図５に示す投影面において絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘが接地電極３０の貫通孔３１と少なくとも一部が重なるように、構成されていることが好ましい。こうすれば、放電経路のうちの中間電極６０と接地電極３０との間の部分の変動が絶縁壁部１１によって抑制されるので、意図しない放電経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。例えば、絶縁壁部１１は、図４の部分経路Ｑｘのように、放電経路を、接地電極３０の貫通孔３１の近くに導くことが可能である。

（４）接地電極３０を中心電極２０側から先端方向Ｄ１に向かって見る場合（例えば、図５のような投影面）、接地電極３０のうち絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘと重なる部分を除いた残りの部分が、絶縁碍子１０または絶縁壁部１１に隠れていることが好ましい。すなわち、接地電極３０のうち絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘと重なる部分を除いた残りの部分の後端方向Ｄ２側に、絶縁碍子１０または絶縁壁部１１が配置されていることが好ましい。こうすれば、絶縁壁部１１は、放電経路が接地電極３０のうち貫通孔３１よりも外周側の部分に到達することを抑制できる。従って、絶縁壁部１１は、図４の部分経路Ｑｘのように、放電経路を、接地電極３０の貫通孔３１の近くに導くことが可能である。

（５）図５の投影面において、絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘと中間電極６０の貫通孔６１とのうちの一方の全体が他方の内に包含されてもよい。また、貫通孔１１ｘの一部が貫通孔６１の外に配置されてもよい。また、貫通孔６１の一部が貫通孔１１ｘの外に配置されてもよい。いずれの場合も、中間電極６０が、図５に示す投影面において中間電極６０の貫通孔６１が絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘと少なくとも一部が重なるように、構成されていることが好ましい。こうすれば、中間電極６０は、放電経路が絶縁壁部１１のうち貫通孔１１ｘよりも外周側の部分を通ることを抑制できる。従って、中間電極６０は、図４の部分経路Ｑｘのように、放電経路を、接地電極３０の貫通孔３１の近くに導くことが可能である。

（６）絶縁壁部１１を中心電極２０側から先端方向Ｄ１に向かって見る場合（例えば、図５のような投影面）、絶縁壁部１１のうちの中間電極６０の貫通孔６１と重なる部分以外の部分は、中間電極６０に覆われていることが好ましい。こうすれば、放電経路が絶縁壁部１１の後端方向Ｄ２側の表面を通ることを抑制できるので、絶縁壁部１１の損傷を抑制できる。

（７）図６は、プラズマジェットプラグの変形例の説明図である。図中には、図５と同様の投影図が示されている。図４、図５の実施形態との差異は、中心電極２０の先端面２０ｓの外径Ｄ（ここでは、台座部２５とギャップ形成部材２６との外径Ｄ）が、中間電極６０の貫通孔６１の内径Ｈよりも大きい点だけである。図６の変形例のプラズマジェットプラグの他の構成は、図１〜図５のプラズマジェットプラグ１００の構成と、同じである（詳細な説明を省略する）。このように、中心電極２０の先端面２０ｓの外径Ｄ（より一般的には、最大幅）は、中間電極６０の貫通孔６１の内径Ｈ（より一般的には、最大幅（すなわち、最大内径））よりも大きいことが好ましい。この構成によれば、中心電極２０の先端面２０ｓが消耗した場合であっても、中心電極２０と中間電極６０との間の最短距離が長くなることを抑制できる。従って、気中経路Ｑ１（図４）のような気中経路の代わりに沿面経路（例えば、沿面経路Ｑ２ｂ）を通る放電が生じることを抑制できる。ただし、中心電極２０の先端面２０ｓの最大幅が、中間電極６０の貫通孔６１の最大幅以下であってもよい。

（８）図６の投影面に示すように、中心電極２０の先端面２０ｓの角部２０ｅの全体（すなわち、先端面２０ｓの縁２０ｅの全体）が、中間電極６０と重なるように配置されていることが好ましい。この構成によれば、図４の気中経路Ｑ１のような気中経路を通る放電が生じ易いので、沿面経路（例えば、沿面経路Ｑ２ｂ）を通る放電が生じることを抑制できる。ただし、投影面において、中心電極２０の先端面２０ｓの角部２０ｅの少なくとも一部が、中間電極６０と重なっていなくても良い。

（９）接地電極３０の貫通孔３１の内径（より一般的には、最大幅（最大内径））と、中間電極６０の貫通孔６１の内径（より一般的には、最大幅（最大内径））と、絶縁壁部１１の貫通孔１１ｘの内径（より一般的には、最大幅（最大内径））とは、それぞれ略同じであることが好ましい。この構成によれば、放電が、３つの部材３０、１１、６０のそれぞれの内周面上を通る場合に、一部の部材の内周面が他の部材の内周面よりも速く消耗することを抑制できる。なお、３つの貫通孔３１、１１ｘ、６１のそれぞれの最大幅が略同じであるとは、３つの貫通孔３１、１１ｘ、６１の３つの最大幅のうちの最大値と最小値との間の差分が、０ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下であることを意味している。ただし、３つの貫通孔３１、１１ｘ、６１の３つの最大幅のうちの最大値と最小値との間の差分が、０．５ｍｍを超えていても良い。

（１０）中心電極２０の構成としては、上記の構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、中心電極２０の台座部２５が省略されてもよい。この場合、ギャップ形成部材２６が、縮径部２４に溶接されてもよい。また、中心電極２０の縮径部２４が省略されてもよい。この場合、台座部２５が、大径部２３に接続されてもよい。

中心電極２０のうちの放電が生じる部分である先端部（例えば、図４のギャップ形成部材２６）は、融点が摂氏１４００度以上の金属材料によって形成されていることが好ましい。そのような金属材料としては、例えば、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）等の貴金属や、タングステン（Ｗ）や、これらの金属を主成分とする合金、例えば、Ｉｒ−５Ｐｔ合金（５質量％の白金を含有したイリジウム合金）を採用可能である。このように、高融点の金属材料を用いて、中心電極２０の先端部を形成することによって、火花放電による中心電極２０の消耗を抑制することができる。従って、意図しない放電経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。

なお、中心電極２０のうち、高融点の金属材料（例えば、主成分として貴金属またはタングステンを含む材料）で形成される部分は、中心電極２０のうちの放電が生じる部分である先端部（例えば、図４のギャップ形成部材２６）を含むことが好ましく、また、先端部に加えて他の部分（例えば、台座部２５）を含んでも良い。ただし、中心電極２０から、高融点の材料で形成される部分が省略されてもよい。

（１１）接地電極３０の構成としては、上記の構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、接地電極３０のうちの放電が生じる部分（例えば、図４の貫通孔３１を形成する部分、すなわち、内周面を含む部分）は、中心電極２０の材料として説明した上記の高融点の金属材料によって形成されていることが好ましい。高融点の金属材料を用いることによって、火花放電による接地電極３０の消耗を抑制することができる。従って、意図しない放電経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。

なお、接地電極３０のうちの、高融点の金属材料（例えば、主成分として貴金属またはタングステンを含む材料）で形成される部分は、接地電極３０のうちの放電が生じる部分を含むことが好ましく、また、接地電極３０の一部分であってもよい。ここで、中心電極２０の放電が生じる部分と接地電極３０の放電が生じる部分との間で、材料が異なっていても良い。また、接地電極３０から、高融点の材料で形成される部分が省略されてもよい。この場合、接地電極３０の材料としては、例えば、ニッケルまたはニッケルを主成分とする合金を採用可能である。

（１２）中間電極６０の構成としては、上記の構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、中間電極６０の外径が、電極収容孔１５の内径よりも小さくてもよい。また、中間電極６０の後端方向Ｄ２側の表面である第１面６０ｓ１が、平らではなく、凹凸を形成してもよい。また、中間電極６０の先端方向Ｄ１側の第２面６０ｓ２は、平らではなく、凹凸を形成してもよい。

また、中間電極６０は、融点が摂氏１４００度以上の金属材料で形成されていることが好ましい。この構成によれば、中間電極６０の消耗を抑制できるので、意図しない放電経路に沿って放電が生じる可能性を低減できる。なお、そのような金属材料としては、例えば、ニッケル、白金、イリジウム、タングステン等の高融点金属、または、そのような高融点金属を主成分として含む合金を採用可能である。また、金属材料に代えて、他の種々の材料を採用可能である。例えば、アルミナ等の絶縁材料に酸化銅等の導電材料を分散させた材料を採用してもよい。一般的には、抵抗率が３×１０^−３Ωｍ以下であるような材料を採用すれば、適切な放電経路を容易に実現できる。いずれの場合も、融点が摂氏１４００度以上の材料を用いることが好ましい。

一般的には、中間電極６０としては、中心電極２０と接地電極３０との間において放電経路が通ることが意図された位置に配置された部分を含む電極を採用可能である。

（１３）プラズマジェットプラグ１００の構成としては、上記の構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、絶縁壁部１１を省略してもよい。この場合も、中間電極６０によって、適切な放電経路を実現できる。また、絶縁壁部１１が省略された場合にも、距離ＤＡの上記の好ましい範囲を適用可能と推定され、そして、距離ＤＢの上記の好ましい範囲を適用可能と推定される。また、キャビティＣＶの内径（すなわち、電極収容孔１５の内径）が、軸線ＣＯの方向の位置に応じて変化してもよい。

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。

４...導電性シール、５...ガスケット、６...リング部材、９...タルク、１０...絶縁碍子、１１...絶縁壁部、１１ｘ...貫通孔、１２...軸孔、１３...脚長部、１４...段部、１５...電極収容孔、１６...先端面、１７...先端側胴部、１８...後端側胴部、１９...鍔部、２０...中心電極、２０Ａ...電極母材、２０Ｂ...芯材、２０ｓ...先端面、２０ｅ...角部（縁）、２１...頭部、２２...脚部、２３...大径部、２４...縮径部、２５...台座部、２６...ギャップ形成部材、２７...小径部、３０...接地電極、３１...貫通孔、３３...内縁部、４０...端子金具、４１...キャップ装着部、４２...鍔部、４３...脚部、５０...主体金具、５１...工具係合部、５２...取付ネジ部、５３...加締部、５４...座部、５６...係止部、５７...先端面、５７Ａ...係合部、５８...圧縮変形部、５９...貫通孔、６０...中間電極、６０ｓ１...第１面、６０ｓ２...第２面、６１...貫通孔、８０...板パッキン、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、１４５...ダイオード、１５０...制御回路部、１６０...プラズマ放電回路部、１６１...高電圧発生回路、１６２...コンデンサ、１６５...ダイオード、Ｄ１...先端方向、Ｄ２...後端方向、ＣＯ...軸線、ＣＶ...キャビティ

Claims (9)

1. 軸線に沿って延びる軸孔を形成する内周面を有する筒状の絶縁体と、
   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る主体金具と、
   前記主体金具に電気的に接続され、前記軸線の方向の先端側で開口する第１貫通孔を形成し、前記絶縁体の先端側に配置される板状部を含む接地電極と、
   を備え、
   前記中心電極は、前記軸孔と前記中心電極との径差が０．１ｍｍ以下である大径部と、前記大径部よりも先端側の部分であり前記大径部よりも外径が小さく前記中心電極の先端面を有する小径部と、を有し、
   前記中心電極の前記小径部の表面と、前記絶縁体の前記内周面と、によってキャビティが形成されるプラズマジェットプラグであって、
   前記プラズマジェットプラグは、前記キャビティ内における、前記中心電極の前記先端面よりも先端側、かつ、前記接地電極の前記板状部よりも後端側に位置する中間電極を備え、
   前記中間電極は、前記軸線の方向に投影した投影面において前記第１貫通孔と少なくとも一部が重なるように開口する第２貫通孔を形成し、前記接地電極と前記中心電極とのいずれからも電気的に離間しており、
   前記プラズマジェットプラグは、前記絶縁体の前記内周面の先端部分に接続されて径方向の内側に突出するとともに、前記軸線の方向に投影した投影面において前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔のそれぞれに少なくとも一部が重なるように開口する第３貫通孔を形成し、前記中間電極と前記接地電極の前記板状部との間に位置する絶縁壁部を含み、
   前記中間電極は、前記絶縁壁部の後端側の表面を覆っている、
   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、
   前記中心電極の前記先端面と前記中間電極との間の前記軸線の方向の最短距離を基準距離Ｇとし、
   前記中心電極の前記先端面の縁と前記絶縁体の前記内周面との間の最短距離を第１距離ＤＡとし、
   前記小径部の後端と前記中間電極との間の前記軸線の方向の最短距離を第２距離ＤＢとする場合に、
   ＤＡ≧０．５×Ｇ
   ＤＢ≧２×Ｇ
   が満たされる、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、
   ＤＡ≦０．８×Ｇ
   ＤＢ≦３×Ｇ
   が満たされる、プラズマジェットプラグ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記中心電極の前記先端面の最大幅は、前記中間電極の前記第２貫通孔の最大幅よりも大きい、プラズマジェットプラグ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記中心電極の前記先端面の角部の全体は、前記軸線の方向に投影した投影面において、前記中間電極と重なるように配置されている、プラズマジェットプラグ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記軸線の方向に投影した投影面において前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔のそれぞれに少なくとも一部が重なるように開口する第３貫通孔を形成し前記中間電極と前記接地電極の前記板状部との間に位置する絶縁壁部を含み、
   前記接地電極の前記第１貫通孔の最大幅と、前記中間電極の前記第２貫通孔の最大幅と、前記絶縁壁部の前記第３貫通孔の最大幅とは、それぞれ略同じである、プラズマジェットプラグ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記中間電極は、後端側の表面である平らな第１面と、前記第１面に平行な先端側の表面である平らな第２面と、を有する円板状の電極である、プラズマジェットプラグ。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記中間電極は、融点が摂氏１４００度以上の金属材料で形成されている、プラズマジェットプラグ。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記中心電極の少なくとも先端部は、主成分として貴金属またはタングステンを含む材料で形成されており、
   前記接地電極の少なくとも一部は、主成分として貴金属またはタングステンを含む材料で形成されている、
   プラズマジェットプラグ。

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