JP2002198159A - スパークプラグ及びスパークプラグを用いた点火装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 点火電源やイグニッションコイルを大型化す
ることなく、放電ギャップを広げたのと同様の効果を得
ることの可能なスパークプラグ及び点火装置を提供す
る。 【解決手段】 第１の接地電極４１、第２の接地電極４
２は各々、中心電極３０との間に第１の放電ギャップｇ
１、第２の放電ギャップｇ２を介して対向し、第１の放
電ギャップｇ１は、第２の放電ギャップｇ２よりも間隔
が広い。また、第１の接地電極４１の端面に曲率半径が
０．２ｍｍ以下の角部４１ａを形成し、第２の接地電極
４２の端面には、そのような角部を形成しないことによ
り、接地電極４１、４２に正電圧が加わったとき、放電
破壊に至る電界強度が第１の放電ギャップｇ１の方で低
くなるようにし、接地電極４１、４２に負電圧が加わっ
たとき、電界強度が第２の放電ギャップの方で高くなる
ようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スパークプラグ及
びスパークプラグを用いた点火装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スパークプラグは、放電ギャップを介し
て対向する中心電極と接地電極との間に、高電圧を印加
することにより放電が行われるようにしたものであり、
一般に、自動車のエンジンの点火装置に用いられてい
る。

【０００３】近年、燃費低減のために、リーン限界を広
げたい（高くしたい）という要望がある。ここで、リー
ン限界とは、失火せずに燃焼が成立するような燃焼変動
率（平均有効圧の分散／平均値）を満足するための最も
燃料が薄いＡ／Ｆ（空気と燃料との混合比）のことであ
る。

【０００４】このリーン限界の低下は、着火性の悪化に
つながる。リーン限界が高いとＡ／Ｆがリーン（燃料の
量が少ない）の状態で必要なエンジン回転数、エンジン
出力が得られるので、燃費が良くなり、エミッションが
低減するという利点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】リーン限界を広げる
（高くする）には、スパークプラグにおける中心電極と
接地電極との対向間距離即ち放電ギャップ（点火ギャッ
プ）を広げることが有効である。これは、放電ギャップ
を広げることで、中心電極と接地電極との間のスペース
が広くなり、両電極間の放電破壊により発生する火炎核
の成長が阻害されにくくなり、着火性が向上するためで
ある。

【０００６】しかしながら、放電ギャップを広げると、
両電極間の放電破壊に至るには、非常に高い電圧が必要
となり、点火装置において大型の点火電源やイグニッシ
ョンコイルが必要になる。これは、装置の大型化を招
き、好ましくない。

【０００７】そこで、本発明は上記問題に鑑み、点火電
源やイグニッションコイルを大型化することなく、放電
ギャップを広げたのと同様の効果を得ることの可能なス
パークプラグ及び点火装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、放電ギャップ（ｇ１、
ｇ２）を介して対向する中心電極（３０）と接地電極
（４１、４２）との間に、交流電圧を印加することによ
り放電が行われるようにしたスパークプラグにおいて、
接地電極を、第１の接地電極（４１）と第２の接地電極
（４２）との少なくとも２個より構成し、第１の接地電
極と中心電極との間の放電ギャップを第１の放電ギャッ
プ（ｇ１）、第２の接地電極と中心電極との間の放電ギ
ャップを第２の放電ギャップ（ｇ２）とし、中心電極に
電圧が印加されたとき、第１の放電ギャップに局所的に
電界強度の高い部分が存在するとともに、平均電界強度
は第２の放電ギャップの方が第１の放電ギャップよりも
高くなっていることを特徴としている。

【０００９】それによれば、中心電極と接地電極との間
に印加される交流電圧の極性に応じて、当該電圧が一方
の極性のときは第１及び第２の放電ギャップのうち一方
の放電ギャップにて、当該電圧が他方の極性のときは他
方の放電ギャップにて放電を行うことが可能となる。

【００１０】そのため、第１の放電ギャップ及び第２の
放電ギャップを共に、火花放電を行うスペースとして機
能させることができ、これら両放電ギャップの距離の和
の分と同等の放電ギャップを有するスパークプラグと同
等の着火効果が得られる。従って、点火電源やイグニッ
ションコイルを大型化することなく、放電ギャップを広
げたのと同様の効果を得ることの可能なスパークプラグ
を提供することができる。

【００１１】また、上記した両放電ギャップ間の電界強
度の差は、具体的には、第１及び第２の接地電極同士の
形状や、両放電ギャップ間にて中心電極の形状を異なら
せることで実現可能である。請求項２〜請求項４に記載
の発明は、そのような電極形状のより具体的な構成を提
供するものである。

【００１２】すなわち、請求項２に記載の発明は、第１
の接地電極（４１）は、第１の放電ギャップ（ｇ１）に
面する部位に、曲率半径が０．２ｍｍ以下の角部（４１
ａ）が形成されたものであり、第２の接地電極（４２）
は、第２の放電ギャップ（ｇ２）に面する部位に、前記
角部が形成されていないものであり、かつ、第１の放電
ギャップは第２の放電ギャップより間隔が広いことを特
徴とするものである。

【００１３】また、請求項３に記載の発明では、第１の
接地電極（４１）における第１の放電ギャップ（ｇ１）
に面する部位が、第２の接地電極（４２）における第２
の放電ギャップ（ｇ２）に面する部位よりも細いことを
特徴としている。これら請求項２及び請求項３の発明に
よれば、請求項１の発明の作用効果を適切に実現可能す
ることができる。

【００１４】さらに、請求項４に記載の発明のように、
中心電極（３０）を、第１の放電ギャップ（ｇ１）に面
した部位と第２の放電ギャップ（ｇ２）に面した部位と
で形状が異なっているものとすることにより、両放電ギ
ャップ間の電界強度の差を、より好適に実現することが
できる。

【００１５】また、請求項５に記載の発明は、請求項１
ないし４のいずれか１つに記載のスパークプラグと、こ
のスパークプラグに交流電圧を印加するための点火電源
（５０）とを備えることを特徴とする点火装置を提供す
るものである。それによれば、請求項１〜４の発明の効
果を有する点火装置を提供することができる。

【００１６】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。

【００１７】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１は、本発明
の第１実施形態に係るスパークプラグの要部構成を示す
側面図である。図１において、１０は取付金具であり、
例えば、炭素鋼を用いて冷間鍛造や切削加工等を行うこ
とにより筒状に形成されている。図１には、取付金具１
０の一端部側が示されており、取付金具１０の外周面に
はエンジンボディ（図示せず）に取り付けるための取付
ネジ部１１が形成されている。

【００１８】取付金具１０の内部には、アルミナ等の電
気絶縁材料よりなる絶縁体（絶縁碍子）２０を介して中
心電極３０が収納されており、この中心電極３０は、取
付金具１０に対して電気的に絶縁されて保持されてい
る。本例では、中心電極３０はプラグの軸方向（取付金
具１０の軸方向）に延びる棒状をなし、取付金具１０の
一端部から突出した中心電極３０の先端部が示されてい
る。

【００１９】中心電極３０の先端部は、その先端に向か
ってテーパ状に細くなったニッケル合金等よりなる基部
３１と、この基部３１に溶接等により固定された円柱状
をなすイリジウム合金や白金合金等の貴金属よりなるチ
ップ３２とにより構成されている。

【００２０】また、中心電極３０の先端部におけるチッ
プ３２と対向するように、ニッケル合金等よりなる２個
の接地電極即ち第１の接地電極４１と第２の接地電極４
２とが設けられている。

【００２１】本例では、両接地電極４１、４２におい
て、一端部が取付金具１０の一端部に溶接固定されて途
中部までがプラグの軸方向に延びるとともに、他端部が
中心電極３０のチップ３２と放電ギャップｇ１、ｇ２を
介して対向するように途中部から曲がっている。

【００２２】そして、第１の接地電極４１の他端部とチ
ップ３２との間に形成された第１の放電ギャップｇ１
は、第２の接地電極４２の他端部とチップ３２との間に
形成された第２の放電ギャップｇ２よりも大きい（ｇ１
＞ｇ２）。本例では、第１の放電ギャップｇ１は０．９
ｍｍ、第２の放電ギャップｇ２は０．６ｍｍである。

【００２３】ここで、第１の接地電極４１におけるチッ
プ３２と対向する他端部は円柱状をなし、第１の放電ギ
ャップｇ１に面する端面に曲率半径が０．２ｍｍ以下
（本例では０．１ｍｍ）の角部４１ａを有する。この角
部４１ａは、円柱状の他端部においてチップ３２と対向
する端面と側面とのなす角部である。

【００２４】また、第２の接地電極４２におけるチップ
３２と対向する他端部も円柱状をなすが、第２の放電ギ
ャップｇ２に面する端面に曲率半径が０．２ｍｍ以下の
角部を持たないものである。つまり、第２の接地電極４
２における当該端面に角部があったとしても、その曲率
半径が０．２ｍｍよりも大きいものであり、本例では、
当該端面は、曲率半径が１ｍｍの球面形状をなしてい
る。

【００２５】また、図１には、スパークプラグに交流電
圧を印加するための点火電源５０が示されており、スパ
ークプラグとともに点火装置を構成している。この点火
電源５０は、中心電極３０と接地電極４１、４２との間
に交流電圧を印加することにより放電を行うためのもの
である。

【００２６】ここで、第１及び第２の接地電極４１、４
２は、取付金具１０を通じてエンジンボディ（図示せ
ず）に接地されるようになっており、中心電極３０は、
絶縁体２０によって接地電極４１、４２とは絶縁されて
いる。

【００２７】かかる構成を有する本実施形態のスパーク
プラグの作動について、図２の作動説明図を参照して説
明する。本実施形態では、接地電極４１、４２を２個設
けることにより、２個の放電ギャップｇ１、ｇ２を有し
ている。

【００２８】ここで、どちらの放電ギャップで放電破壊
即ち火花放電が発生するかは、主に電界強度によって決
まる。本発明者等は、２個の放電ギャップの間隔を同じ
電界強度となるようにしても、正電位側の電極に角部が
有るか無いかで、放電破壊に至る電界強度が異なること
に着目した。

【００２９】具体的には、実験検討の結果、正電位側の
電極の放電ギャップに面する部位に、曲率半径が０．２
ｍｍ以下の角部が形成されている場合、そのような角部
が形成されていないものに比べて、放電破壊に至る電界
強度が１０％〜２０％低くなることを実験的に確認し
た。これは、上記角部の電界強度が局所的に高くなり陽
イオンが付きやすくなる（陽イオンのブリッジが形成さ
れやすくなる）ためである。

【００３０】ここで、本実施形態では、第１の接地電極
４１は、第１の放電ギャップｇ１に面する部位に、曲率
半径が０．２ｍｍ以下の角部４１ａが形成されたもので
あり、第２の接地電極４２は、第２の放電ギャップｇ２
に面する部位に、そのような角部が形成されていないも
のである。なお、曲率半径０．２ｍｍ以下の角部４１ａ
の形状は、稜線、突起等、特に限定されないものであ
り、当該角部４１ａの数も任意とすることができる。

【００３１】そのため、本実施形態においては、図２
（ａ）に示す様に、点火電源５０によって中心電極３０
に負の電圧が加わったとき、即ち、接地電極４１、４２
に、中心電極に対して正の電位差が生じたときには、角
部４１ａを有する第１の接地電極４１の方が、第２の接
地電極４２よりも多くの陽イオンのブリッジが形成され
る。

【００３２】そして、第１の放電ギャップｇ１の放電破
壊に至る電界強度が、第２の放電ギャップｇ２の放電破
壊に至る電界強度よりも局所的に高くなり、第１の放電
ギャップｇ１即ち第１の接地電極４１と中心電極３０に
おけるチップ３２との間で放電する。

【００３３】一方、図２（ｂ）に示す様に、点火電源５
０によって中心電極３０に正の電圧が加わったとき、即
ち、接地電極４１、４２に、中心電極に対して負の電位
差が生じたときには、両接地電極４１、４２における上
記角部の有無が関係無いものとなる。つまり、中心電極
３０に発生する陽イオンのブリッジは、両放電ギャップ
ｇ１、ｇ２にて均等に形成される。

【００３４】そのため、両放電ギャップｇ１、ｇ２の平
均電界強度は、ギャップ間隔に依存し、間隔の狭い記第
２の放電ギャップｇ２の平均電界強度の方が、第１の放
電ギャップｇ１の平均電界強度よりも高くなる。そし
て、第２の放電ギャップｇ２即ち第２の接地電極４２と
中心電極３０におけるチップ３２との間で放電する。

【００３５】以上のように、本実施形態によれば、中心
電極３０と接地電極４１、４２との間に印加される交流
電圧の極性に応じて、当該電圧が一方の極性のときは第
１及び第２の放電ギャップｇ１、ｇ２のうち一方の放電
ギャップにて、当該電圧が他方の極性のときは他方の放
電ギャップにて放電を行うことが可能となる。

【００３６】そのため、本実施形態によれば、第１の放
電ギャップｇ１及び第２の放電ギャップｇ２を共に、火
花放電を行うスペースとして機能させることができるた
め、これら両放電ギャップｇ１、ｇ２の距離の和の分と
同等の放電ギャップ（ｇ１＋ｇ２）を有するスパークプ
ラグと同等の火花放電スペースを有するスパークプラグ
を実現できる。

【００３７】従って、本実施形態によれば、点火電源や
イグニッションコイルを大型化することなく、放電ギャ
ップを広げたのと同様の着火効果を得ることの可能なス
パークプラグ及びそのようなスパークプラグを用いた点
火装置を提供することができる。

【００３８】ここで、本実施形態では、両接地電極４
１、４２の端面に設けられる曲率半径０．２ｍｍ以下の
角部４１ａの有無、及び、両放電ギャップｇ１、ｇ２の
間隔の相違により、上記作用効果を発揮させている。こ
のような構成が確保できれば、両接地電極４１、４２の
太さは同等でも、または、第１の接地電極４１の方が太
くても良く、更には、両接地電極４１、４２の端面に、
凹凸や溝、突起物があっても良い。

【００３９】図３は、そのような凹凸等を有する場合の
変形例を示すものであり、第１の接地電極４１は、その
端面に上記角部４１ａを有し、第２の接地電極４２は、
その端面に上記角部を有せず、且つ、上記ギャップ関係
（ｇ１＞ｇ２）が確保された構成において、第１の接地
電極４１の端面にギザギザの凹凸を設け、第２の接地電
極４２の端面に、上記角部を持たないように凹部（図３
（ａ））または凸部（図３（ｂ））を設けている。この
変形例でも上記同様の効果が得られる。

【００４０】（第２実施形態）上記第１実施形態では、
両接地電極４１、４２の端面に設けられる曲率半径０．
２ｍｍ以下の角部４１ａの有無、及び、両放電ギャップ
ｇ１、ｇ２の間隔の相違により、接地電極に正電圧が加
わったとき、第１の放電ギャップｇ１の方が第２の放電
ギャップｇ２よりも局所的に高い電界強度となり、接地
電極に負電圧が加わったとき、第２の放電ギャップｇ２
の方が、第１の放電ギャップｇ１よりも高い平均電界強
度となるように、各々の放電ギャップｇ１、ｇ２を形成
している。

【００４１】ここで、本第２実施形態は、第１の接地電
極４１と第２の接地電極４２との太さの相違、及び、両
放電ギャップｇ１、ｇ２の間隔の相違により、上記作用
効果を実現するものである。図４は、本実施形態に係る
スパークプラグの要部構成を示す側面図である。

【００４２】図４に示す様に、第１の接地電極４１にお
ける第１の放電ギャップｇ１に面する柱状（例えば円柱
状）部は、第２の接地電極４２における第２の放電ギッ
プｇ２に面する柱状（例えば円柱状）部よりも細いもの
となっている。例えば、第１の接地電極４１の柱状部
は、径がφ０．４ｍｍの円柱形状、第２の接地電極４２
の柱状部は、径がφ１．０ｍｍの円柱形状とすることが
できる。

【００４３】また、本実施形態では、上記した曲率半径
０．２ｍｍ以下の角部４１ａ、４２ａが、両方の接地電
極４１、４２に設けられている。また、両放電ギャップ
も上記したｇ１＞ｇ２の関係（例えばｇ１＝０．９ｍ
ｍ、ｇ２＝０．６ｍｍ）としている。即ち、本実施形態
では、両接地電極４１、４２は、形状的には、その太さ
のみが相違するものとなる。

【００４４】このスパークプラグにおいても、上記第１
実施形態と同様に、上記点火電源（図４中、図示せず）
から、中心電極３０と接地電極４１、４２との間に交流
電圧が印加可能となっている。

【００４５】そして、上記点火電源によって、接地電極
４１、４２に正の電圧が加わったときには、比較的細い
第１の接地電極４１の方が、第２の接地電極４２よりも
電界が集中し易く、多くの陽イオンのブリッジが形成さ
れる。そのため、放電破壊に至る電界強度は、第１の放
電ギャップｇ１の方が、第２の放電ギャップｇ２よりも
低くなり、第１の接地電極４１と中心電極３０における
チップ３２との間で放電する。

【００４６】一方、上記点火電源によって、接地電極４
１、４２に負の電圧が加わったときには、陽イオンのブ
リッジは、中心電極３０から両放電ギャップｇ１、ｇ２
にて均等に形成される。

【００４７】そのため、両放電ギャップｇ１、ｇ２の電
界強度は、ギャップ間隔に依存し、間隔の狭い記第２の
放電ギャップｇ２の電界強度の方が、第１の放電ギャッ
プｇ１の電界強度よりも高くなり、第２の接地電極４２
と中心電極３０におけるチップ３２との間で放電する。

【００４８】このように、本第２実施形態によっても、
第１及び第２の放電ギャップｇ１、ｇ２において、中心
電極３０と接地電極４１、４２との間に印加される交流
電圧の極性に応じて、各々の放電ギャップｇ１、ｇ２に
て放電を行うことが可能となる。

【００４９】そのため、上記第１実施形態と同様に、点
火電源やイグニッションコイルを大型化することなく、
放電ギャップを広げたのと同様の着火効果を得ることの
可能なスパークプラグ及びそのようなスパークプラグを
用いた点火装置を提供することができる。

【００５０】ここで、本実施形態においては、中心電極
３０を、第１の放電ギャップｇ１に面した部位と第２の
放電ギャップｇ２に面した部位とで形状が異なっている
ものとすることにより、両放電ギャップの電界強度の差
を、より好適に実現するようにしても良い。

【００５１】図５（ａ）は、そのような中心電極構成を
採用した本実施形態の変形例を示す概略平面図である。
図５（ａ）に示す様に、中心電極３０のチップ３２は、
円柱状のものであって且つ第２の放電ギャップｇ２に面
した部位を平坦な面としている。それにより、中心電極
３０の第２の放電ギャップｇ２側に電界の集中しやすい
角部３０ａを形成することができる。

【００５２】そのため、接地電極４１、４２に負電圧
（中心電極３０に正電位）が加わったときに、第２の接
地電極４２と中心電極３０におけるチップ３２との間で
放電しやすくすることができ、好ましい。なお、この中
心電極３０の角部３０ａは、曲率半径を０．２ｍｍ以下
とすれば、より効果的である。

【００５３】また、図５（ｂ）〜（ｄ）に断面形状とし
て示す様に、円柱状の中心電極３０のチップ３２におけ
る第２の放電ギャップｇ２に面した部位は、凹凸や突起
物等を持つ形状としても良い。これらの場合も、中心電
極３０の角部３０ａが形成されるため、同様の効果を発
揮することが可能である。なお、この図５に示す中心電
極の構成は、上記第１実施形態において採用しても良
く、同様の効果を発揮する。

【００５４】（他の実施形態）なお、第１の接地電極及
び第２の接地電極は、それぞれ２個以上のものより構成
されていても良い。更には、第１及び第２の接地電極の
うち一方が１個で、他方が複数個であっても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るスパークプラグの
要部構成を示す側面図である。

【図２】上記第１実施形態の作動説明図である。

【図３】上記第１実施形態の変形例を示す図である。

【図４】本発明の第２実施形態に係るスパークプラグの
要部構成を示す側面図である。

【図５】上記第２実施形態の変形例を示す図である。

【符号の説明】

３０…中心電極、４１…第１の接地電極、４１ａ…角
部、４２…第２の接地電極、５０…点火電源、ｇ１…第
１の放電ギャップ、ｇ２…第２の放電ギャップ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 頼田 浩 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 岡部 伸一 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 金生 啓二 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 三輪 哲也 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 3G019 BA00 KA03 5G059 AA01 CC03 EE19 EE25

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電ギャップ（ｇ１、ｇ２）を介して対
   向する中心電極（３０）と接地電極（４１、４２）との
   間に、交流電圧を印加することにより放電が行われるよ
   うにしたスパークプラグにおいて、 前記接地電極は、第１の接地電極（４１）と第２の接地
   電極（４２）との少なくとも２個よりなり、 前記第１の接地電極と前記中心電極との間の前記放電ギ
   ャップを第１の放電ギャップ（ｇ１）、前記第２の接地
   電極と前記中心電極との間の前記放電ギャップを第２の
   放電ギャップ（ｇ２）とし、 前記中心電極に電圧が印加されたとき、前記第１の放電
   ギャップに局所的に電界強度の高い部分が存在するとと
   もに、 平均電界強度は、前記第２の放電ギャップの方が前記第
   １の放電ギャップよりも高くなっていることを特徴とす
   るスパークプラグ。
2. 【請求項２】 前記第１の接地電極（４１）は、前記第
   １の放電ギャップ（ｇ１）に面する部位に、曲率半径が
   ０．２ｍｍ以下の角部（４１ａ）が形成されたものであ
   り、 前記第２の接地電極（４２）は、前記第２の放電ギャッ
   プ（ｇ２）に面する部位に、前記角部が形成されていな
   いものであり、 前記第１の放電ギャップは前記第２の放電ギャップより
   間隔が広いことを特徴とする請求項１に記載のスパーク
   プラグ。
3. 【請求項３】 前記第１の接地電極（４１）における前
   記第１の放電ギャップ（ｇ１）に面する部位が、前記第
   ２の接地電極（４２）における前記第２の放電ギャップ
   （ｇ２）に面する部位よりも細いことを特徴とする請求
   項１または２に記載のスパークプラグ。
4. 【請求項４】 前記中心電極（３０）は、前記第１の放
   電ギャップ（ｇ１）に面した部位と前記第２の放電ギャ
   ップ（ｇ２）に面した部位とで形状が異なっているもの
   であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１
   つに記載のスパークプラグ。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれか１つに記載
   のスパークプラグと、 前記スパークプラグに前記交流電圧を印加するための点
   火電源（５０）とを備えることを特徴とする点火装置。