JP2005235789A - スパークプラグ及びそれを用いた点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化を図るべく放電ギャップを狭めても着火性を確保可能なスパークプラグを提供する。
【解決手段】 離間して対向する中心電極（３０）と接地電極（４０）とを有するスパークプラグにおいて、前記中心電極は、前記中心電極の先端部に向かって細くなるテーパ状の基部（３１）と、前記基部の先端に設けられ、イリジウム合金よりなる中心電極チップ（３２）とを有し、前記中心電極と前記接地電極との距離（Ｒ１）が１．１ｍｍ未満であり、前記距離の中間点（Ｐ）からの距離（Ｒ２）が０．６ｍｍ以下の領域に位置する前記中心電極及び前記接地電極の部位の断面積（Ｓ１、Ｓ２）が、０．９５ｍｍ²以下とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スパークプラグ及びそれを用いた点火装置に関する。

スパークプラグ及びスパークプラグを用いた点火装置は、自動車等の内燃機関に設けられ、燃焼室内の混合気に着火して当該混合気を燃焼させるために適用される。今日、混合気の燃焼をさらに向上させるべく、１つの燃焼室に複数のスパークプラグを設ける多点点火や、吸入空気量を多くする目的で吸気バルブの径の拡大等が図られている。

そのため、スパークプラグを設けるスペースは限られてきており、限られた燃焼空間を有効に活用する意味から、スパークプラグの小型化、点火装置のイグニッションコイルの小型化が要望されている。

これらスパークプラグやコイルの小型化を実現するためには、スパークプラグにおいて対向する中心電極と接地電極との距離、すなわち放電ギャップを狭くし、点火に要求される電圧（放電電圧）を低くする方法が有効である。

しかしながら、本発明者等の検討によれば、単純に放電ギャップの狭小化を進めていくと、混合気の着火性が悪化していくという問題が生じることが分かった。これは、放電ギャップが狭くなると、着火時に放電ギャップ間に発生する火炎核が電極に当たりやすくなることから、火炎の熱が電極に奪われ、火炎核の成長が阻害されるためと考えられる。

そこで、本発明は上記問題に鑑み、小型化を図るべく放電ギャップを狭めても着火性を確保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を目的とする。

本発明者等の検討によれば、放電ギャップを狭くしていったとき、放電ギャップが１．１ｍｍよりも小さくなると着火性が悪化しはじめる傾向にあることがわかった。そこで、放電ギャップが１．１ｍｍ未満まで狭くしたスパークプラグにおいて、中心電極及び接地電極の径をどの程度に細くすれば、火炎核の成長を阻害せずに着火性の確保が可能となるのか鋭意検討を行った。本発明は、このような検討結果に基づいて創出されたものである。

すなわち、請求項１に記載の発明では、離間して対向する中心電極（３０）と接地電極（４０）とを有するスパークプラグにおいて、前記中心電極は、前記中心電極の先端部に向かって細くなるテーパ状の基部（３１）と、前記基部の先端に設けられ、イリジウム合金よりなる中心電極チップ（３２）とを有し、前記中心電極と前記接地電極との距離（Ｒ１）が１．１ｍｍ未満であり、前記距離の中間点（Ｐ）からの距離（Ｒ２）が０．６ｍｍ以下の領域に位置する前記中心電極及び前記接地電極の部位の断面積（Ｓ１、Ｓ２）が、０．９５ｍｍ²以下であることを特徴としている。

まず、本発明によれば、中心電極が耐久性の良好なイリジウム合金であるため、電極の耐消耗性を向上させることができる。

また、本発明者等の検討によれば、当該両電極の距離（以下、本欄にて放電ギャップという）を１．１ｍｍ未満と狭くして小型化を図った構成において、上記断面積を０．９５ｍｍ²以下であれば、着火性の悪化を防止できることを見出した。

従って、本発明によれば、小型化を図るべく放電ギャップを狭めても着火性を確保可能なスパークプラグを提供することができる。

また、第２の発明では、離間して対向する中心電極（３０）と接地電極（４０）とを有するスパークプラグにおいて、前記中心電極はイリジウム合金よりなり、前記中心電極と前記接地電極との距離（Ｒ１）が１．１ｍｍ未満であり、前記距離の中間点（Ｐ）からの距離（Ｒ２）が０．６ｍｍ以下の領域に位置する前記中心電極及び前記接地電極の部位の断面積（Ｓ１、Ｓ２）が、０．９５ｍｍ²以下であり、点火放電時において前記中心電極に加わる電位が、他方の電極に加わる電位よりも低い電圧が加えられることを特徴としている。

本発明によれば、中心及び接地の両電極のうちイリジウム合金よりなる電極（Ｉｒ合金電極という）側が負極、このＩｒ合金電極と対向する他方の電極（イリジウム合金またはそれ以外の金属よりなる）側が正極となる。Ｉｒ合金は仕事関数が小さい、すなわち電子を放出しやすいという性質を有するため、Ｉｒ合金電極側を負極とすることにより、Ｉｒ合金電極から電子が飛び出し易くなり、放電電圧をより低く抑えることが可能となる。

従って、本発明によれば、請求項１または請求項２に記載の発明と同様の作用効果を発揮する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とともに、スパークプラグの放電電圧をより低く抑えることが可能となることから、点火コイルの小型化ひいては体格の小型化に好適な点火装置を提供することができる。

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。

以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態同士において、互いに同一の部分には、図中、同一符号を付して説明を簡略化することとする。

（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図である。図１において、１０は取付金具であり、本例では、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１０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に取り付けるための取付ネジ部１１が形成されている。

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、その先端部は取付金具１０の一端部から突出している。

中心電極３０の先端部は、ニッケル合金等よりなる基部３１にイリジウム合金よりなるチップ（中心電極側チップ）３２が溶接等により固定された構成となっている。本例では、基部３１は、中心電極３０の先端部に向かってテーパ状に細くなっており、中心電極側チップ３２は、基部３１からプラグの軸方向に延びる円柱状をなしている。

また、中心電極３０における中心電極側チップ３２と対向するように、接地電極４０が設けられている。本例では、接地電極４０は、円柱状のイリジウム合金よりなるチップ（接地電極側チップ）４２と、この接地電極側チップ４２を保持するニッケル合金等よりなる支持部材４１とにより構成されている。

ここで、支持部材４１は棒状をなし、一端部が取付金具１０の一端部に固定されて途中部までが中心電極３０の軸方向（プラグの軸方向）に延びるとともに他端部が中心電極３０の先端部の端面に覆いかぶさるように途中部から折れ曲がっている。また、接地電極側チップ４２は、支持部材４１のうち中心電極３０の先端部と対向する面にニッケル合金等よりなる台座４３を介して溶接等により固定されている。なお、台座４３は無くても良い。

そして、接地電極側チップ４２は、台座４３から中心電極側チップ３２の方向へ延びるように配置され、対向する両チップ３２、４２の先端部の間に放電ギャップ（プラグギャップ）が形成されている。このように、本実施形態では、これら各チップ３２、４２が、それぞれ、中心電極、接地電極における離間して対向する部位（対向部）として構成されている。

そして、本実施形態では、この放電ギャップ即ち中心電極側チップ３２と接地電極側チップ４２との距離Ｒ１を１．１ｍｍ未満としている。また、この距離Ｒ１の中間点Ｐからの距離Ｒ２が０．６ｍｍ以下の領域に位置する中心電極３０及び接地電極４０の部位の断面積Ｓ１、Ｓ２を０．９５ｍｍ²以下としている。

ここで、上記中間点Ｐは、中心電極側チップ３２と接地電極側チップ４２とから等距離にある点であり、図１では、上記距離Ｒ１の中間点Ｐからの距離Ｒ２が０．６ｍｍ以下の領域は、図中の中間点Ｐを中心とした半径Ｒ２の円Ｋとして示されている。本例では、円Ｋで示す領域に位置する中心電極３０及び接地電極４０の部位が、上記チップ３２、４２である。

つまり、中心電極側チップ３２の断面積Ｓ１、接地電極側チップ４２の断面積Ｓ２（両断面積Ｓ１、Ｓ２共に、各チップの軸直交断面の面積）が、０．９５ｍｍ²以下となっている。これは、チップ３２、４２が断面円形の柱状をなしている本例では、各チップ３２、４２の径がφ１．１ｍｍ以下であることを意味する。

このように、距離Ｒ１、チップ３２、４２の断面積Ｓ１、Ｓ２等を規定した根拠は、本発明者等の実験検討結果に基づくものであり、限定するものではないが、その検討結果の一例について図２〜図７を参照して述べる。

なお、本検討例では、テストピースとして、円柱状の中心電極の先端面に、Ｌ字形状に曲がった角柱状の接地電極の側面が対向して放電ギャップを形成しているスパークプラグ、即ち従来の一般的なスパークプラグを用い、中心電極側の構成について調べた例を述べる。勿論、接地電極についても、中心電極と同様の検討結果が得られている。

まず、図２に、放電ギャップ（ｍｍ）と着火性との関係について検討した結果を示す。このとき、着火性の指標としてはリーン限界を用いた。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ＰｍｉＣＯＶ（平均有効圧の分散／平均値、例えば１５％）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。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。

図２では、中心電極の径を従来の通常の大きさφ２．５ｍｍとし、エンジン条件は、燃焼条件（着火条件）の厳しいアイドリング（８００ｒｐｍ）状態にて行った。図２からわかるように、放電ギャップが１．１ｍｍ以上では、リーン限界はほぼ１４．６と飽和しているが、１．１ｍｍよりも小さくなると、リーン限界が低下しはじめる、すなわち着火性の悪化が始まる。

図３は、上記テストピースにおいて中心電極の径の異なる３種類（φ２．５ｍｍ、φ１．１ｍｍ、φ０．４ｍｍ）につき、燃焼変動率ＰｍｉＣＯＶ（％）とＡ／Ｆとの関係を表したグラフである（放電ギャップは０．８ｍｍ）。また、図４は、上記３種類につき燃焼変動率が１５％に到達する（つまり燃焼が成立する）Ａ／Ｆを、放電ギャップ（ｍｍ）を変えることによって表したグラフである。両図とも、エンジン条件はアイドリング（８００ｒｐｍ）状態にて行った。

図３から、Ａ／Ｆがリッチである（小さい）ときは、電極径の違いによる燃焼変動率の差が小さいのに対して、Ａ／Ｆがリーンになる（大きくなる）ほど、電極径の違いによる燃焼変動率の差が顕著になることがわかる。また、図４から、放電ギャップが小さくなるに連れて、リーン限界が低下していき、電極径の違いによるリーン限界の差も大きくなっていく。

これら図３及び図４に共通することは、電極径がφ２．５ｍｍの場合はφ１．１ｍｍの場合に比べ、リーン限界が大幅に低下するが、電極径がφ１．１ｍｍの場合とφ０．４ｍｍの場合とではリーン限界の変化に大きな差はない。そこで、リーン限界を着火性の指標として、電極径（ｍｍ）とリーン限界との関係について求めた。

図５に、電極径（ｍｍ）とリーン限界との関係を示す。図５では、エンジン条件はアイドリング（８００ｒｐｍ）状態、放電ギャップは０．８ｍｍとした場合を示す。図５から、電極径をφ１．１ｍｍ以下（断面積では０．９５ｍｍ²）にすると、リーン限界の低下を抑えることができることがわかる。

次に、図６は、放電ギャップを０．８ｍｍ、エンジン条件をアイドリング（８００ｒｐｍ）状態としたときに、放電ギャップ（距離Ｒ１）の中間点Ｐから電極径をφ１．１ｍｍとした部分の距離Ｒ２（ｍｍ）とリーン限界との関係を示すグラフである。

図６から、距離Ｒ２が０．６ｍｍ以上では、リーン限界はほぼ１５．１と飽和しているが、距離Ｒ２が０．６ｍｍよりも小さくなると、リーン限界が低下しはじめる、すなわち着火性の悪化が始まる。つまり、距離Ｒ２が０．６ｍｍ以内の領域にある中心及び接地電極の径が１．１ｍｍよりも太いと、着火性が悪化するといえる。

また、図７は、この種のスパークプラグについて、エンジン実機状態での火炎核成長の可視化観察を行った結果から求められた、火炎核径（ｍｍ）と時間との関係を示す図である。火炎核径とは、スパークプラグが点火して混合気に着火した火炎の大きさを意味する。

図７から、始め火炎核径が時間とともに比例的に大きくなっていくが、火炎核径が１．２ｍｍを越えた時点から、急激に火炎核径が大きくなることがわかる。なお、火炎核径が１．２ｍｍになる時間はＡ／Ｆの条件によって異なるが、任意のＡ／Ｆの条件において、図７に示す傾向がある。

従って、図６及び図７に示す結果から、放電ギャップ（距離Ｒ１）の中間点Ｐからの距離Ｒ２が少なくとも０．６ｍｍ以内の領域では、中心電極及び接地電極の径を１．１ｍｍ以下（断面積Ｓ１、Ｓ２では０．９５ｍｍ²以下）にする必要があるといえる。

以上のように、本実施形態によれば、まず、中心及び接地の両電極３２、４２が耐久性の良好なイリジウム合金であるため、電極の耐消耗性を向上させることができる。なお、両電極３２、４２のどちらか一方がイリジウム合金であれば、電極の耐消耗性向上の効果はある。

また、本実施形態のように、距離Ｒ１（放電ギャップ）を１．１ｍｍ未満と狭くして小型化を図った構成においては、着火性の悪化が懸念される（図２参照）。しかし、本実施形態では、上記距離Ｒ２が０．６ｍｍ以下の領域に位置する中心電極３２及び接地電極４２の断面積Ｓ１、Ｓ２を０．９５ｍｍ²以下（電極径ではφ１．１ｍｍ以下）としている。そのため、電極を十分細くでき、電極が火炎核の成長を阻害しないため、着火性の悪化を防止できる。

よって、本実施形態によれば、小型化を図るべく放電ギャップを狭めても着火性を確保可能なスパークプラグを提供することができる。なお、中心電極３０と接地電極４０との対向部である両チップ３２、４２の径は同一でも、異なっていてもよい。

また、中心電極３０の基部３１や接地電極４０の台座４３及び支持部材４１が、上記距離Ｒ２が０．６ｍｍ以下の領域に位置する場合には、これらの部分３１、４１、４３を切削する等により断面積を０．９５ｍｍ²以下とすればよい。

（第２実施形態）
図８に、本発明の第２実施形態に係るスパークプラグを用いた点火装置の要部構成を示す。本実施形態では、中心電極３０と接地電極４０との対向部において、接地電極４０側の対向部（接地電極側チップ４２）の径を、中心電極３０側の対向部３２よりも細い径としている。

また、本実施形態では、少なくとも接地電極４０側の対向部がイリジウム合金よりなるものとしている。なお、本実施形態では、中心電極３０側の対向部３２は、白金合金からなるが、上記第１実施形態と同様、イリジウム合金よりなるチップ３２でもよい。

また、本実施形態でも、中心電極と接地電極との距離（両対向部間の距離、放電ギャップ）が１．１ｍｍ未満であり、上記距離Ｒ２が０．６ｍｍ以下の領域に位置する中心電極３０及び接地電極４０の部位の断面積が０．９５ｍｍ²以下である構成となっている。

また、点火電源５０は、点火放電時において中心電極３０及び接地電極４０のうち対向部３２、４２がイリジウム合金よりなる電極に加わる電位が、他方の電極に加わる電位よりも低い電圧が加えられるように構成されている。つまり、本例では、点火放電時に、中心電極３０側に正の高電圧が加えられるように構成されている。

かかる構成を有する本実施形態においては、接地電極４０は、中心電極３０よりも燃焼室の中心に近いため高温になる。また、放電時には、中心電極３０に正の電圧が加えられるため、中心電極３０の対向部３２には電子が、接地電極４０の対向部４２としての接地電極側チップ４２には正イオンが衝突する。

ここで、正イオンは電子に比べ質量が高いため、正イオンが衝突する接地電極側チップ４２の方が中心電極３０の対向部３２よりも磨耗しやすくなる。しかし、本実施形態では、接地電極４０の対向部４２は、耐熱、耐磨耗性に優れたイリジウム合金からなるので、磨耗、損傷を抑えることができる。

また、放電後、両電極３０、４０の対向部３２、４２の間（放電ギャップ）に生成された火炎核は、主として、燃焼室の中心方向即ち接地電極４０側に向かって成長していく。その際、本実施形態では、接地電極４０の対向部４２は、中心電極３０側に比べて十分に小さくすることができるため、この火炎核の成長の妨げにはならない。

また、本実施形態によれば、対向部がイリジウム（Ｉｒ）合金よりなる接地電極４０側が接地状態（ＧＮＤ）、接地電極４０と対向する中心電極３０側が正の電圧となる。Ｉｒ合金は仕事関数が小さい、すなわち電子を放出しやすいという性質を有する。そのため、中心電極３０に正の電圧を加えることで、接地電極４０の対向部（接地電極側チップ）４２から電子が飛び出し易くなり、放電時に火花が安定し、放電電圧をより低く抑えることが可能となる。

従って、本実施形態によれば、上記第１実施形態にて述べたスパークプラグと同様の作用効果を発揮する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とともに、スパークプラグの放電電圧をより低く抑えることが可能となることから、点火コイルの小型化ひいては体格の小型化に好適な点火装置を提供することができる。

（第３実施形態）
図９に本発明の第３実施形態に係るスパークプラグの要部構成を示す図である。本実施形態のスパークプラグは、上記第２実施形態において図８に示したスパークプラグを変形したものである。本実施形態では、接地電極側チップ４２を接地電極とみなし、棒状（本例では円柱状）の接地電極４２が支持部材４１を介して取付金具１０の一端部に固定された構成として取り扱う。

すなわち、本実施形態では、接地電極４２を支持する支持部材４１を、一端部が取付金具１０の一端部に固定されて途中部までが中心電極３０（図９では対向部３２が図示されている）の軸方向に延びるとともに他端部が中心電極３０の側面に対向するように途中部から折れ曲がったものとしている。

そして、接地電極４２は、その一端側が支持部材４１の他端部に溶接され、接地電極４２の他端面４２ａは、中心電極３０の対向部３２の先端角部と対向するように斜めに形成されている。それにより、接地電極４２のうち中心電極３０の対向部３２に最も近い部分が、接地電極４２の他端面４２ａにあるようにしている。

また、本実施形態でも、中心電極と接地電極との距離（両対向部間の距離、放電ギャップ）が１．１ｍｍ未満であり、上記距離Ｒ２が０．６ｍｍ以下の領域に位置する中心電極３０及び接地電極４２の部位の断面積が０．９５ｍｍ²以下である構成となっている。

ところで、通常のスパークプラグの形態では、上記図８に示す様に、接地電極４０は棒状をなし、中心電極３０の先端部の端面に覆いかぶさるように取付金具１０から折れ曲がった形状に形成される。

このような構成に比べて、本実施形態では、棒状の支持部材４１の他端部を中心電極３０（対向部３２）の側面に対向するように折り曲げ、且つ、接地電極４２のうち中心電極３０の対向部３２に最も近い部分を、接地電極４２の他端面４２ａに設けた構成としている。そのため、接地電極４２における中心電極３０との対向部（他端面４２ａ）から取付金具１０との固定部（支持部材４１の一端部）までの長さを短くすることができる。

上記したような着火性を確保すべく接地電極の断面積を小さくすると、接地電極の熱引き性が低下する傾向にあるが、本実施形態によれば、接地電極４２から取付金具１０への放熱経路の長さを比較的短いものとすることが可能である。そのため、接地電極４２の熱引きを良好にすることができ、着火性確保の効果を好適に発揮させることができる。

また、本実施形態では、接地電極４２のうち中心電極３０の対向部３２に最も近い部分（中心電極最近接部）が、棒状の接地電極４２の端面４２ａにある。それによれば、上記中心電極最近接部が、棒状の接地電極における側面にある場合に比べて、中心電極からの放電ターゲットが狭い範囲で明確になるため、着火性向上のためには好ましい。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態に係るスパークプラグの要部構成を図１０に示す。本実施形態は、火炎核の成長を阻害しないように接地電極の構成に工夫を施したものである。なお、図１０において、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。

図１０において、中心電極３０と接地電極４０とが対向して配置されている。接地電極４０は、取付金具１０の一端部に固定された曲がり形状を有する棒状のものであり、中心電極３０と対向する端部は、ニッケル合金部４４にイリジウム合金部４５が溶接等にて接合されたものである。

また、接地電極４０と対向する中心電極３０の先端部は、例えばイリジウム合金等よりなり、径がφ０．７ｍｍ以下程度（例えば０．４ｍｍ程度）の円柱形状をなす。そして、この中心電極３０の先端部と、接地電極４０のイリジウム合金部４５との間に放電ギャップ（例えば０．４ｍｍ〜１．２ｍｍ程度）が形成されている。

ここで、接地電極４０の中心軸に直交する断面形状は、図１１の（ａ）または（ｂ）に示される形状となっている。図１１に示す様に、接地電極４０の中心軸に直交する断面形状をみたとき、中心電極３０側の端部が、中心電極と対向する短辺を有する台形をなしている。この台形の短辺の長さＬ１は０．２ｍｍ〜０．７ｍｍであり、当該台形の短辺側の頂角θは１３５°以下である。

また、接地電極４０の中心軸に直交する断面形状においては、図１１に示す様に、中心電極３０側の端面（つまり上記台形の短辺）から所定の距離Ｌ２（例えば０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ）までの範囲が、上記イリジウム合金部４５として構成されている。

また、接地電極４０の中心軸に直交する断面形状においては、中心電極３０側の端部とは反対側（燃焼室側）の端部は、図１１（ａ）に示す様に、角に曲率を有する角形か、または図１１（ｂ）に示す様に、曲率を有する角部とゆるやかな曲面で形成された形状を有する。

このような断面形状を有する接地電極４０の範囲は、図１０に示す範囲Ｈ１及びＨ２の範囲に形成することができる。つまり、接地電極４０と中心電極３０の先端部との距離が最短となる位置を原点として、接地電極４０の根元方向へ距離Ｈ１、接地電極４０の先端方向へ距離Ｈ２（両距離Ｈ１、Ｈ２共に例えば３ｍｍ以内）の範囲に形成する。

同時に、この範囲Ｈ１及びＨ２において、接地電極４０の中心電極３０の先端部への最短距離（つまり、放電ギャップ）が、例えば０．４ｍｍ〜１．２ｍｍ程度となるように設定し、接地電極４０の中心電極３０の先端部への最大距離は、前記最短距離（放電ギャップ）に０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度加えた距離に設定することができる。

かかる本実施形態によれば、接地電極４０における中心電極３０側の断面形状を、上記短辺側の頂角が１３５°以下である上記台形状とすることにより、火炎核が当該台形の斜辺に沿ってスムーズに広がるため、火炎核の成長の阻害を防止することができる。

この火炎核成長の阻害防止効果について、図１２に模式的に示す。図１２中の曲線Ｑ１〜Ｑ５は、時間経過毎の火炎面を示すもので、曲線Ｑ１→Ｑ５へ向かって火炎核が成長していくことを示す。本実施形態（図１２（ａ））によれば、従来の断面矩形の接地電極Ｊ１を持つスパークプラグ（図１２（ｂ））に比べて、火炎核がスムーズに成長していくことがわかる。

また、本実施形態では、上記台形の短辺が、接地電極４０において中心電極３０の先端部との対向する面（放電面）を構成するものであり、当該短辺の長さＬ１を０．２ｍｍ〜０．７ｍｍとすることにより、火炎核の成長を阻害せず且つ放電電圧の上昇を抑制可能な放電面の面積を実現することができる。

ここで、当該短辺の長さＬ１が０．２ｍｍ未満であると、接地電極４０における中心電極３０からの放電ターゲットの面積が小さくなり、放電電圧の上昇を招きやすくなる。また、当該短辺の長さＬ１が０．７ｍｍより大きいと、今度は火炎核の成長を阻害しやすくなる。

また、上記短辺側の頂角を１３５°以下としたのは、それによって、放電ギャップから燃焼室中心方向へは少なくとも斜め４５°以上の角度において空間が存在することとなるため、良好な火炎核の成長が期待できるためである。このように、本実施形態によれば、小型化を図るべく放電ギャップを狭めても着火性を確保可能なスパークプラグを提供することができる。

（第５実施形態）
図１３に本発明の第５実施形態に係るスパークプラグを示し、図１４にそのスパークプラグを用いた点火装置の要部構成を示す。

本実施形態のスパークプラグは、その形状および材質は上記第１実施形態のスパークプラグと同じである。但し、本実施形態の接地電極側チップ４２は、仕事関数５ｅＶ以下の貴金属合金（例えば、イリジウム合金）よりなる。また、本実施形態の点火電源５０は、点火放電時において中心電極３０に負の電圧が加わるように構成されている。さらに、中心電極側チップ３２と接地電極側チップ４２は、同軸状に配置されている。

本実施形態は、放電ギャップの中間点Ｐよりも接地電極４０に近い側（すなわち、燃焼室の中央に近い側）で火炎核を発生させることにより、火炎核を燃焼室の中央に向かってスムーズに成長させるという着想に基づくもので、それを実現するために、図１４に示すように、接地電極側チップ４２の先端部に熱電子を放出させて、接地電極側チップ４２の先端部表面付近の電界強度（電位の傾き）を大きくして、接地電極側チップ４２の先端部表面付近の放電エネルギの分布を密にするものである。

図１５は、電極の材質の仕事関数と、グロー放電中にアーク放電へ移行する割合との関係を示すもので、アーク放電への移行は電極からの熱電子の放出に基づくものである。アーク放電への移行は、仕事関数５．４ｅＶの白金では現れず、仕事関数５ｅＶ以下で現れ、仕事関数４．６ｅＶのイリジウムやニッケルでは多数現れる。

このことから、接地電極側チップ４２を仕事関数５ｅＶ以下の貴金属合金製にすることにより、接地電極側チップ４２の先端部に熱電子を放出させて、接地電極側チップ４２の先端部表面付近の放電エネルギの分布を局所的に密にすることができる。

次に、アイドリングないしは軽負荷運転時のように燃焼ガス温度が低い時でも、接地電極側チップ４２の先端部の表面温度を熱電子放出が可能な温度以上にするための検討を行った。なお、仕事関数５ｅＶ以下の貴金属合金では、７３０℃以上で熱電子放出が活発になる。

図１６は、アイドリング運転時における接地電極側チップ４２の先端部の表面温度を、円柱状の接地電極側チップ４２の径Ｄおよび長さＬ３をパラメータとして計算により求め、その結果を示すものである。なお、この計算では、台座４３の長さを０．３ｍｍ、台座４３の径を接地電極側チップ４２の径Ｄの１．５倍、アイドリング運転時の燃焼ガス温度を９００℃、燃焼ガスと接地電極側チップ４２との熱伝達率を４．５×１０−４Ｗ／ｍｍ²・℃とした。

図１６から明らかなように、接地電極側チップ４２の径Ｄをφ１．１ｍｍ（断面積０．９５ｍｍ²に相当）以下にし、且つ接地電極側チップ４２の長さＬ３を０．１ｍｍ以上にすれば、アイドリング運転時における接地電極側チップ４２の先端部の表面温度を７３０℃以上にすることができる。

換言すると、接地電極側チップ４２の先端部から０．１ｍｍの範囲の断面積、すなわち、距離Ｒ１の中間点Ｐからの距離Ｒ２が１／２×Ｒ１＋０．１ｍｍ以下の領域に位置する接地電極側チップ４２の部位の断面積を、０．９５ｍｍ²以下にすれば、アイドリング運転時における接地電極側チップ４２の先端部の表面温度を７３０℃以上にすることができる。

そして、接地電極側チップ４２を仕事関数５ｅＶ以下の貴金属合金製とし、且つ、接地電極側チップ４２の先端部から０．１ｍｍの範囲の断面積を０．９５ｍｍ²以下にすることにより、燃焼ガス温度が最も低いアイドリング運転時でも、接地電極側チップ４２の先端部の表面温度を熱電子放出が可能な温度以上に維持することができるため、全運転域で確実に高い着火性を確保することができる。

なお、接地電極側チップ４２の先端部の表面温度を高く維持するためには、台座４３の径は接地電極側チップ４２の径Ｄの１．５倍以下にするのが望ましく、例えば接地電極側チップ４２の径Ｄがφ１．１ｍｍの場合は、台座４３の径はφ１．６５ｍｍ（断面積２．１４ｍｍ²に相当）以下にする。

（第６実施形態）
図１７、図１８に本発明の第６実施形態に係るスパークプラグの要部構成を示す。第５実施形態では円柱形状の接地電極側チップ４２を用いたが、本実施形態では、台形状の接地電極側チップ４５を用いている。なお、図１７において、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。また、図１８は接地電極４０の中心軸に直交する断面形状を示す図である。

接地電極４０は、取付金具１０の一端部に固定された曲がり形状を有する棒状のものであり、中心電極３０と対向する端部は、ニッケル合金部４４にイリジウム合金からなる接地電極側チップ４５が溶接等にて接合されたものである。そして、接地電極側チップ４５の断面形状は、図１８に示す様に、接地電極４０の中心軸に直交する断面形状をみたとき、中心電極３０と対向する短辺を有する台形をなしている。

ここで、接地電極側チップ４５は、放電ギャップ（距離Ｒ１）の中間点Ｐを中心として接地電極側チップ４５の先端部から０．１ｍｍの点を通る球面（すなわち、距離Ｒ１の中間点Ｐからの半径Ｒ２が１／２×Ｒ１＋０．１ｍｍの球面）ｋで切断した場合の切り口の面積が０．９５ｍｍ²（φ１．１ｍｍ円柱の断面積に相当）以下、中間点Ｐを中心として接地電極側チップ４５の先端部から０．４ｍｍの点を通る球面（すなわち、距離Ｒ１の中間点Ｐからの半径Ｒ２’が１／２×Ｒ１＋０．４ｍｍの球面）ｋ’で切断した場合の切り口の面積が２．１４ｍｍ²（φ１．６５ｍｍ円柱の断面積に相当）以下になる形状になっている。

本実施形態においても、第５実施形態と同様に、燃焼ガス温度が最も低いアイドリング運転時でも、接地電極側チップ４５の先端部の表面温度を熱電子放出が可能な温度以上に維持することができるため、全運転域で確実に高い着火性を確保することができる。

（第７実施形態）
図１９に本発明の第７実施形態に係る点火装置の要部構成を示す。第５実施形態の点火電源５０は、点火放電時において中心電極３０に負の電圧が加わるように構成したが、本実施形態の点火電源５０は、点火放電時において中心電極３０に正の電圧が加わるように構成されている。

本実施形態においても、第５実施形態と同様に、接地電極側チップ４２の先端部に熱電子を放出させて、接地電極側チップ４２の先端部表面付近の電界強度（電位の傾き）を大きくして、接地電極側チップ４２の先端部表面付近の放電エネルギの分布を密にすることができる。

また、図１９に示すように、接地電極側チップ４２の先端部表面付近が熱電子に覆われてその部位の電位が低下するため、放電ギャップ間の電位差が実質的に大きくなって、安定した放電を行うことができる。

（第８実施形態）
第５実施形態では、棒状の支持部材４１の外周側面に接地電極側チップ４２を溶接したが、図２０に示す第８実施形態のように、棒状の支持部材４１の端部に接地電極側チップ４２を溶接してもよい。

（第９〜第１４実施形態）
第５実施形態では、円柱状の中心電極側チップ３２と円柱状の接地電極側チップ４２を同軸状に配置したが、中心電極側チップ３２と接地電極側チップ４２の配置を、図２１〜図２６に示す第９〜第１４実施形態のように変更してもよい。

図２１に示す第９実施形態では、中心電極側チップ３２の軸線と接地電極側チップ４２の軸線とが斜めに交差するように、また、両チップ３２、４２の先端面が略対向するように、中心電極側チップ３２と接地電極側チップ４２を配置している。

なお、第９実施形態では、棒状の支持部材４１の外周側面に接地電極側チップ４２を溶接したが、図２２に示す第１０実施形態のように、棒状の支持部材４１の端部に接地電極側チップ４２を溶接してもよい。

図２３に示す第１１実施形態では、中心電極側チップ３２の軸線と接地電極側チップ４２の軸線とが直角に交差するように、中心電極側チップ３２と接地電極側チップ４２を配置している。また、接地電極側チップ４２を、中心電極側チップ３２の軸線の延長線上から外れた位置に配置している。

図２４に示す第１２実施形態では、中心電極側チップ３２の軸線と接地電極側チップ４２の軸線とが直角に交差するように、中心電極側チップ３２と接地電極側チップ４２を配置している。また、接地電極側チップ４２が、中心電極側チップ３２の軸線の延長線上まで延びていて、接地電極側チップ４２の外周側面が、中心電極側チップ３２の先端面と対向している。

なお、第１２実施形態では、棒状の支持部材４１の外周側面に接地電極側チップ４２を溶接したが、図２５に示す第１３実施形態のように、棒状の支持部材４１の端部に接地電極側チップ４２を溶接してもよい。

図２６に示す第１４実施形態では、中心電極側チップ３２の軸線と接地電極側チップ４２の軸線とが平行で且つ非同軸に、中心電極側チップ３２と接地電極側チップ４２を配置している。

なお、第９〜第１４実施形態においては、放電ギャップ（距離Ｒ１）の中間点Ｐは、両チップ３２、４２の最短距離を結ぶ線の中心点とする。

（第１５〜２０第実施形態）
第５実施形態では、接地電極側チップ４２を仕事関数５ｅＶ以下の貴金属合金製にして、接地電極側チップ４２の先端部表面付近の電界強度を局所的に大きくするようにしたが、図２７〜図３２に示す第１５〜第２０実施形態では、接地電極側チップ４２を仕事関数５ｅＶ以下の貴金属合金製にすると共に、接地電極側チップ４２の形状を変更して、接地電極側チップ４２の先端部表面付近の電界強度をさらに大きくするようにしたものである。

一般に、電極の稜の曲率半径が０．２ｍｍ以下の場合、電界強度が局所的に大きくなる。そこで、第１５〜第２０実施形態では、接地電極側チップ４２の先端部を細い形状にすることで、接地電極側チップ４２が摩耗した後でも接地電極側チップ４２の稜の曲率半径が０．２ｍｍ以下に保たれるようにしている。

図２７に示す第１５実施形態では、接地電極側チップ４２は、円柱形状部と円錐形状部とからなり、中心電極側チップ３２側の端部を円錐形状としている。

図２８に示す第１６実施形態では、接地電極側チップ４２は、円錐体の頭部を切った円錐形状としている。

図２９に示す第１７実施形態では、接地電極側チップ４２は、円錐形状としている。

図３０に示す第１８実施形態では、接地電極側チップ４２は、中心電極側チップ３２側の端部に円錐形状の凹部４６を有する円柱形状としている。

なお、第１５〜第１８実施形態では、円柱形状の中心電極側チップ３２を用いたが、図３１に示す第１９実施形態のように、中心電極側チップ３２を、曲率半径が０．２ｍｍよりも十分大きな略球状にしてもよい。

この場合、中心電極３０側と接地電極４０側との電界強度の差が大きくなるので、放電エネルギをより確実に接地電極４０側に集中させることができる。また、中心電極３０側は電極の体積に対して表面積が小さくなるので、中心電極３０での冷炎作用（火炎の熱が電極に奪われること）が抑制される。

図３２に示す第２０実施形態では、接地電極側チップ４２は、曲率半径が０．２ｍｍ以下の略球状にしている。この場合、接地電極側チップ４２の曲率半径が０．２ｍｍ以下であるため、電界強度を局所的に大きくすることができる。また、接地電極４０側の表面積も小さくなるので、接地電極４０での冷炎作用を抑制することができる。

（他の実施形態）
第５〜第２０実施形態では、熱電子放出を活発にするために接地電極側チップ４２の断面積を小さくしたが、耐熱耐酸化性を考慮すると、中間点Ｐからの距離Ｒ２が１／２×Ｒ１＋０．１ｍｍ以下の領域に位置する接地電極側チップ４２の部位の断面積を、０．１３ｍｍ²（φ０．４ｍｍ円柱の断面積に相当）以上にするのが望ましい。また、着火性と耐熱耐酸化性を両立させるには、中心電極側チップ３２及び接地電極側チップ４２において、中間点Ｐからの距離Ｒ２が１／２×Ｒ１＋０．１ｍｍ以下の領域に位置する部位の断面積を、０．１３〜０．５ｍｍ²（φ０．４ｍｍ〜φ０．８ｍｍ円柱の断面積に相当）にするのが望ましい。

さらに、両電極間に不純物が挟まる等の問題を回避するためには、中心電極３０と接地電極４０との距離Ｒ１を０．３ｍｍ以上とするのが望ましく、スパークプラグの小型化を考慮すると、中心電極３０と接地電極４０との距離Ｒ１を０．８ｍｍ以下とするのが望ましい。

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図である。 放電ギャップとリーン限界との関係を示す図である。 燃焼変動率とＡ／Ｆとの関係を種々の電極径において表した図である。 燃焼成立するＡ／Ｆと放電ギャップとの関係を種々の電極径において表した図である。 電極径とリーン限界との関係を示す図である。 距離Ｒ２とリーン限界との関係を示す図である。 火炎核径と時間との関係を示す図である。 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図である。 本発明の第３実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 本発明の第４実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 上記第４実施形態における接地電極の中心軸に直交する断面形状を示す図である。 上記第４実施形態における火炎核成長の阻害防止効果を説明するための説明図である。 本発明の第５実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 図１３のスパークプラグを用いた点火装置の要部構成図である。 電極材の仕事関数とアーク放電移行割合との関係を示す図である。 接地電極側チップの径Ｄおよび長さＬ３と接地電極側チップの表面温度との関係を示す図である。 本発明の第６実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 上記第６実施形態における接地電極の中心軸に直交する断面形状を示す図である。 本発明の第７実施形態に係る点火装置の要部構成図である。 本発明の第８実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 本発明の第９実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 本発明の第１０実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 本発明の第１１実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 本発明の第１２実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 本発明の第１３実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 本発明の第１４実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 本発明の第１５実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 本発明の第１６実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 本発明の第１７実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 本発明の第１８実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 本発明の第１９実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。 本発明の第２０実施形態に係るスパークプラグの要部構成図である。

符号の説明

１０ 取付金具
３０ 中心電極
３２ 中心電極側チップ（中心電極の対向部）
４０ 接地電極
４１ 支持部材
４２ 接地電極側チップ（接地電極の対向部）
４２ａ 接地電極の他端部
５０ 点火電源
Ｌ１ 台形の短辺の長さ
Ｐ 放電ギャップの中間点
Ｒ１ 中心電極と接地電極との距離（放電ギャップ）
Ｒ２ 放電ギャップの中間点からの距離
Ｓ１ 中心電極の対向部の断面積（中心電極側チップの径）
Ｓ２ 接地電極の対向部の断面積（接地電極側チップの径）
θ 台形の短辺側の頂角

Claims (2)

1. 離間して対向する中心電極（３０）と接地電極（４０）とを有するスパークプラグにおいて、
   前記中心電極は、前記中心電極の先端部に向かって細くなるテーパ状の基部（３１）と、
   前記基部の先端に設けられ、イリジウム合金よりなる中心電極チップ（３２）とを有し、
   前記中心電極と前記接地電極との距離（Ｒ１）が１．１ｍｍ未満であり、
   前記距離の中間点（Ｐ）からの距離（Ｒ２）が０．６ｍｍ以下の領域に位置する前記中心電極及び前記接地電極の部位の断面積（Ｓ１、Ｓ２）が、０．９５ｍｍ²以下であることを特徴とするスパークプラグ。
2. 離間して対向する中心電極（３０）と接地電極（４０）とを有するスパークプラグにおいて、
   前記中心電極はイリジウム合金よりなり、
   前記中心電極と前記接地電極との距離（Ｒ１）が１．１ｍｍ未満であり、
   前記距離の中間点（Ｐ）からの距離（Ｒ２）が０．６ｍｍ以下の領域に位置する前記中心電極及び前記接地電極の部位の断面積（Ｓ１、Ｓ２）が、０．９５ｍｍ²以下であり、
   点火放電時において前記中心電極に加わる電位が、他方の電極に加わる電位よりも低い電圧が加えられることを特徴とするスパークプラグ。
   

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