JP2009212084A - プラズマジェット点火プラグ - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ噴出時にプラズマの持つエネルギーが接地電極を通じて奪われるのを低減しつつ、チャンネリングの発生を抑制することができるプラズマジェット点火プラグを提供する。
【解決手段】プラズマジェット点火プラグ２００の接地電極２０１は、主体金具５０の先端面５７から絶縁碍子１０の先端面１６に開口するキャビティ６０の開口端１４に向けて内向きに突出する。その突出先端にて、キャビティ６０内の中心電極２０との間で火花放電間隙を形成する先端２０３は、軸線Ｏと直交する径Ｐ方向において、キャビティ６０の開口端１４の径方向外側０．５ｍｍの位置から、内側に位置している。
【選択図】図４

Description

本発明は、プラズマを形成して混合気への点火を行う内燃機関用のプラズマジェット点火プラグに関するものである。

従来、例えば自動車用の内燃機関であるエンジンの点火プラグには、火花放電（単に「放電」ともいう。）により混合気への着火を行うスパークプラグが使用されている。近年、内燃機関の高出力化や低燃費化が求められており、燃焼の広がりが速く、着火限界空燃比のより高い希薄混合気に対しても確実に着火できる着火性の高い点火プラグとして、プラズマジェット点火プラグが知られている。

このようなプラズマジェット点火プラグは、中心電極と接地電極（外部電極）との間の火花放電間隙の周囲をセラミックス等の絶縁碍子（ハウジング）で包囲して、キャビティ（チャンバー）と称する小さな容積の放電空間を形成した構造を有している。重畳式の電源を使用する場合のプラズマジェット点火プラグを一例に説明すると、混合気への点火の際には、まず、中心電極と接地電極との間に高電圧が印加され、火花放電が行われる。このときに生じた絶縁破壊によって、両者間には比較的低電圧で電流を流すことができるようになる。そこで更にエネルギーを供給することで放電状態を遷移させ、キャビティ内でプラズマが形成される。そして、形成されたプラズマが接地電極に開口された連通孔（外部電極孔）を通じて噴出されることによって、混合気への着火が行われるのである（例えば特許文献１参照）。

なお、特許文献１では、接地電極が、プラズマジェット点火プラグをエンジンに取り付けるねじ山を有した主体金具と一体に構成されているが、連通孔を有した接地電極が主体金具とは別体に構成されたものも開示されている（例えば特許文献２参照。）。

ところで、火花放電を担う接地電極の耐火花消耗性を確保するため、接地電極は、熱伝導性が高く、主体金具を介してエンジン側へ熱を逃がしやすい構造を有している。このような接地電極の連通孔の壁面に、キャビティから噴出されるプラズマが接触すると、熱引きされ、プラズマの持つエネルギーが奪われやすい。特許文献１や特許文献２に記載のプラズマジェット点火プラグでは、連通孔の内径とキャビティの内径とに大きな差がなく、プラズマの噴出時にプラズマが接地電極と接触しやすい。プラズマと接地電極との接触によるエネルギーの損失を低減するためには連通孔の開口径を広げて、プラズマの噴出時にプラズマが接触しにくい構造とすることが好ましい（例えば特許文献３参照。）。

なお、特許文献１〜３に記載のプラズマジェット点火プラグでは、プラズマが、接地電極の連通孔を通過して噴出される形態であり、接地電極は円環状に形成されている。接地電極の形態として、連通孔の構成をなくし、一般的なスパークプラグに使用される形態（例えば棒状）のものを適用すれば、キャビティから噴出されるプラズマが接触する部分の体積を小さくでき、プラズマの持つエネルギーの損失を抑制することが可能である（例えば特許文献４参照。）。

特開２００６−２９４２５７号公報 特開２００７−２８７６６５号公報 特開２００７−２８７６６６号公報 特開２０００−３３１７７１号公報

しかしながら、特許文献３のように、接地電極の連通孔の開口径を広げるほど、中心電極と接地電極との間で行われる火花放電の経路上に絶縁碍子の先端面が配置されやすくなる。すると、火花放電が絶縁碍子の先端面上を這う、いわゆる沿面放電の形態で行われ、この沿面放電によって経路上の絶縁碍子の表面が削られてしまう、いわゆるチャンネリングが生じやすくなるという問題があった。このときの火花放電の経路は絶縁碍子の先端面からキャビティの開口端を掠めて通り、キャビティ内の中心電極へ向かう経路となり、開口端のエッジ部分が削られやすくなる。すると、その削られた部分を通過する火花放電の経路が他の経路よりも距離的に短くなるので、この火花放電の経路を通過する沿面放電が生じやすくなり、局部的なチャンネリングが進行してしまう虞があった。

また、特許文献４では、中心電極と接地電極との間に設けた中間電極が導電性を有するため、接地電極と中間電極との間で火花放電が生ずる。こうした場合に中間電極側では稜角をなす開口端において電界の集中が生じやすく、火花放電の基点となりやすい。さらに接地電極が棒状であるため、火花放電が開口端の周方向において一箇所に集中することとなる。ゆえに、中間電極の開口端の特定箇所が削られやすく、局所的なチャンネリングを招く虞があった。また、特許文献４では、プラズマの噴出方向を大きく遮るように接地電極の先端が配置されており、接地電極による熱引き（プラズマのエネルギーの損失）について、十分に考慮されていない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、プラズマ噴出時にプラズマの持つエネルギーが接地電極を通じて奪われるのを低減しつつ、チャンネリングの発生を抑制することができるプラズマジェット点火プラグを提供することを目的とする。

本発明の第１態様によれば、中心電極と、前記中心電極を保持する絶縁碍子と、当該絶縁碍子を周方向に保持する主体金具と、前記絶縁碍子の先端に、前記中心電極の先端を収容する凹部状に形成されたキャビティと、前記キャビティを介し前記中心電極との間で火花放電間隙を形成する接地電極と、を有するプラズマジェット点火プラグであって、前記接地電極は、前記主体金具に接合される棒状部材であって、前記接地電極の先端は、前記キャビティの開口端の径方向外側０．５［ｍｍ］の位置から、内側に位置する、プラズマジェット点火プラグが提供される。

プラズマジェット点火プラグにおいて、キャビティの開口端は、自身の内周面と絶縁碍子の先端面との間で稜角を形成するが、キャビティ内に収容される中心電極と、接地電極との間で行われる火花放電は、その稜角部分を通過する経路を辿る。第１態様では、接地電極は棒状部材であり、接地電極の先端が、キャビティの開口端の径方向外側０．５［ｍｍ］の位置から、内側に位置するように、主体金具に対し位置決めされて接合されている。つまり、接地電極の先端が、キャビティの開口端の比較的近くに位置している。したがって、接地電極の先端と中心電極の先端との間で行われる火花放電は、中心電極からキャビティの内周面を沿いつつも、開口端の位置で大きく折れ曲がることなく、接地電極の先端に達する経路を辿ることができる。つまり、火花放電の経路が、接地電極の先端とキャビティの内周面とを結ぶ部分において、開口端を削るような角度をもって開口端を通過する経路とはなりにくい。このため、繰り返される火花放電によって絶縁碍子の表面、特に稜角を構成する開口端が削られる、いわゆるチャンネリングの発生を、抑制することができる。

ところで、キャビティ内で形成されるプラズマは、噴出する際に開口端を出てから径方向にも広がりを生じ、その広がり形状のまま噴出方向に延びることとなる。プラズマが接地電極と接触すれば熱引きされてエネルギーの損失を招くことになるが、第１態様のように、接地電極が棒状部材であれば、プラズマが接地電極と接触しても、接触部分の体積が小さく、エネルギーの損失が十分に抑制されるので、好ましい。

なお、第１態様において、前記接地電極の部位のうち、前記主体金具との接合によって形成された溶接部位が前記接地電極の延伸方向に沿って延びる長さをｗ、前記接地電極の先端側へ向け前記溶接部位より延びる部位の長さをｄとしたときに、ｄ／（ｄ＋ｗ）≦０．８とするとよい。接地電極と主体金具の接合を行う上で、ｄ／（ｄ＋ｗ）≦０．８が満たされるように溶接部位の設定を行えば、接合後の両者の接合部位における強度を高めることができる。ゆえに、プラズマジェット点火プラグの使用時に接地電極に振動負荷がかかっても、十分に耐えることができ、接地電極が脱落する虞がない。

本発明の第２態様によれば、中心電極と、前記中心電極を保持する絶縁碍子と、当該絶縁碍子を周方向に保持する主体金具と、前記絶縁碍子の先端に、前記中心電極の先端を収容する凹部状に形成されたキャビティと、前記キャビティを介し前記中心電極との間で火花放電間隙を形成する接地電極と、を有するプラズマジェット点火プラグであって、前記接地電極は、前記主体金具の一部であって、前記主体金具の先端から突出した形状であり、前記接地電極の先端は、前記キャビティの開口端の径方向外側０．５［ｍｍ］の位置から、内側に位置する、プラズマジェット点火プラグが提供される。

第２態様においても、接地電極の先端が、キャビティの開口端の径方向外側０．５［ｍｍ］の位置から、内側に位置している。したがって、接地電極の先端と中心電極の先端との間で行われる火花放電は、中心電極からキャビティの内周面を沿いつつも、開口端の位置で大きく折れ曲がることなく、接地電極の先端に達する経路を辿ることができる。つまり、火花放電の経路が、接地電極の先端とキャビティの内周面とを結ぶ部分において、開口端を削るような角度をもって開口端を通過する経路とはなりにくい。このため、繰り返される火花放電によって絶縁碍子の表面、特に稜角を構成する開口端が削られる、いわゆるチャンネリングの発生を、抑制することができる。

また、接地電極は主体金具の一部であり、主体金具の先端から突出した形状であるので、上記同様、プラズマが接地電極と接触しても、接触部分の体積が小さいので、エネルギーの損失を十分に抑制することができる。さらに、接地電極が主体金具の一部であるが故に、主体金具の本体部分と接地電極との境界付近における強度が高い。よってプラズマジェット点火プラグの使用時に接地電極に振動負荷がかかっても、十分に耐えることができ、接地電極が脱落する虞がない。

第１態様または第２態様において、前記接地電極の先端は、前記キャビティの開口端の径方向外側０．２［ｍｍ］の位置から、内側に位置してもよい。接地電極の先端が絶縁碍子の先端面に近づくと、火花放電は、絶縁碍子の先端面に沿い、稜角部分を通過してキャビティの内周面に至る経路を辿り、沿面放電の形態となりやすい。接地電極の先端がキャビティの開口端の径方向外側０．２［ｍｍ］の位置から、内側に位置すれば、接地電極の先端がキャビティの内周面に近づき、絶縁碍子の先端面に沿う部分の沿面放電が行われる距離を短くできる。よって火花放電は、接地電極の先端からキャビティの内周面へ、開口端を削る間もなく到達するので、チャンネリングの発生を抑制することができる。

第１態様または第２態様において、前記接地電極は、前記絶縁碍子の先端に当接してもよい。上記のように、接地電極の先端の位置を厳密に管理するには、接地電極を絶縁碍子の先端に当接させ、接地電極自身を絶縁碍子に対して確実に位置決めさせると容易である。

また、第１態様または第２態様において、前記接地電極は、内側方向に突出してもよい。接地電極を、例えば棒状に突出する単純な形態のものとして構成し、さらに、内側方向突出させれば、キャビティの開口端に対する接地電極の先端の位置決めを容易、且つ、確実に行うことができる。

第１態様または第２態様に係るプラズマジェット点火プラグが、前記接地電極を、複数有してもよい。このようにすれば、火花放電間隙の形成位置を、キャビティの開口端の周方向において、複数箇所に分散させることができる。これにより、一つの接地電極を設け火花放電の経路を一箇所に集中させた場合と比べ、チャンネリングによる開口端の消耗を抑制することができる。

第１態様または第２態様において、前記接地電極の先端には、前記キャビティ側に貴金属チップが接合されてもよい。接地電極は、火花放電や、噴出時のプラズマに晒されることによる消耗を受けることとなるが、火花放電間隙を形成する部位となる接地電極の先端に、耐消耗性の高い貴金属チップを接合すれば、プラズマ噴出に伴う消耗に耐えるだけでなく、接地電極の先端側をより小型に形成することもできる。そして接地電極の先端側を小型化すれば、上記のように、プラズマ噴出時のエネルギーの損失を低減できるため、着火性をより向上させることができる。また、貴金属チップの接合を、接地電極の先端でキャビティ側に行えば、接地電極と中心電極との間における火花放電が、確実に、貴金属チップを介して行われるようにすることができる。さらに、この構成であれば、貴金属チップを、接地電極の先端と絶縁碍子の先端との間に挟むように配置させることができる。これにより、貴金属チップを小さく形成しても、十分に、貴金属チップと接地電極との間における接合状態を維持し、貴金属チップの脱落を防止することができる。

第１態様または第２態様において、軸線方向と直交する仮想平面上に前記キャビティの前記開口端を投影し、投影された前記開口端の輪郭線と同心で２倍の直径を有する仮想境界線内に、前記接地電極を投影した場合の投影面積が、前記仮想境界線内の面積の３０％以下となるとよい。さらに、前記仮想平面上において、投影された前記接地電極のうち前記開口端の輪郭線よりも内側に投影される投影面積が、前記開口端の輪郭線内の面積の１５％以下となるとよい。

キャビティ内で形成されたプラズマは、噴出する際に開口端を出てから径方向にも広がりを生じ、その広がり形状のまま噴出方向に延びることとなるが、接地電極の先端と接触した部分ではプラズマのエネルギーが奪われてその広がり形状に欠けが生ずる。その欠けを有した断面形状のままプラズマの噴出がなされると、前方へ押し出されるエネルギーが低下するため、混合気に対する着火性の低下を招く虞がある。また、接地電極との接触によってプラズマ自身のエネルギーも奪われ易い。そこで、軸線方向と直交する仮想平面上に投影されたキャビティの開口端の輪郭線の２倍の直径を有する同心円がなす仮想境界線内に、接地電極を投影した場合の投影面積が、仮想境界線内の面積の３０％以下となるようにする。このようにすれば、接地電極との接触によるプラズマのエネルギーの損失を抑え、前方へ押し出されるエネルギーの低下も抑制でき、着火性を確保することができる。

また、接地電極の先端がキャビティの開口端よりも径方向内側に位置する場合、キャビティから噴出されるプラズマは、直接的に、接地電極によって遮られる。着火性を確保するには、上記の仮想平面上に投影された接地電極のうち開口端の輪郭線よりも内側に投影される投影面積を、その開口端の輪郭線内の面積の１５％以下に抑えればよい。

プラズマジェット点火プラグ１００の縦断面図である。 プラズマジェット点火プラグ１００の先端部分を拡大した断面図である。 プラズマジェット点火プラグ１００を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ２００の先端部分を拡大した断面図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ２５０を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ３００を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ３５０を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ４００の先端部分を拡大した断面図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ４５０を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ５００を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ５５０を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ６００を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ６５０の先端部分を拡大した断面図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ７００の先端部分を拡大した断面図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ７００を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ７５０の先端部分を拡大した断面図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ７５０を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ８００を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ８５０を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 プラズマジェット点火プラグ４５０の製造過程を示す図である。 プラズマジェット点火プラグ９００の縦断面図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ９００の先端部分を拡大した断面図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ９００を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ９５０を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ１０００の先端部分を拡大した断面図である。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ１０５０を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。 仮想境界線Ｑ内に投影した接地電極の投影面積の比率に対する着火確率の関係を示すグラフである。 開口端の輪郭線Ｒ内に投影した接地電極の投影面積の比率に対する着火確率の関係を示すグラフである。

以下、本発明を具体化したプラズマジェット点火プラグの第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、プラズマジェット点火プラグ１００を一例とし、その構造について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、プラズマジェット点火プラグ１００の縦断面図である。図２は、プラズマジェット点火プラグ１００の先端部分を拡大した断面図である。図３は、プラズマジェット点火プラグ１００を軸線Ｏ方向先端側から見た図である。なお、図１において、プラズマジェット点火プラグ１００の軸線Ｏ方向を図面における上下方向とし、下側をプラズマジェット点火プラグ１００の先端側、上側を後端側として説明する。

図１に示すように、プラズマジェット点火プラグ１００は、概略、自身の軸孔１２内の先端側に中心電極２０を保持し、後端側に端子金具４０を保持した絶縁碍子１０を有し、さらにその絶縁碍子１０の径方向周囲を主体金具５０で取り囲んで保持した構造を有する。

絶縁碍子１０は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成された絶縁部材であり、軸線Ｏ方向に軸孔１２を有する筒状をなす。軸線Ｏ方向の略中央には外径の最も大きな鍔部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との間は段部１１として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、先端側胴部１７、鍔部１９および後端側胴部１８の内周にあたる部分よりも縮径された電極収容部１５として形成されている。この電極収容部１５の内部には中心電極２０が保持される。また、軸孔１２は、電極収容部１５の先端側において内周が更に縮径されており、先端小径部６１として形成されている。そして、先端小径部６１の内周は絶縁碍子１０の先端面１６に開口している（以下、絶縁碍子１０の先端面１６に開口する軸孔１２の先端を「開口端」１４とよぶ。）。

次に、中心電極２０は、Ｎｉまたはインコネル（商標名）６００または６０１等のＮｉを主成分とする合金から形成された母材２１の内部に、その母材２１よりも熱伝導性に優れる銅または銅を主成分とする合金からなる芯材２２を埋設した構造を有する棒状の電極である。中心電極２０の先端には、貴金属やＷを主成分とする合金からなる円盤状の電極チップ２５が、中心電極２０と一体となるように溶接されている。なお、第１の実施の形態では、中心電極２０と一体になった電極チップ２５も含め「中心電極」と称する。

中心電極２０の後端側は鍔状に拡径され、この鍔状の部分が軸孔１２内において電極収容部１５の起点となる段状の部位に当接されており、電極収容部１５内で中心電極２０が位置決めされている。また、図２に示すように、中心電極２０の先端面２６（より具体的には中心電極２０の先端部にて中心電極２０と一体に接合された電極チップ２５の先端面２６）が、互いに径の異なる電極収容部１５と先端小径部６１との間の段部よりも軸線Ｏ方向の後端側に配置された状態となっている。この構成により、軸孔１２の先端小径部６１の内周面および電極収容部１５の一部の内周面を側面とし、中心電極２０の先端面２６を底面とすると共に、軸孔１２の先端を開口端１４とする凹部状の小部屋（以下、「キャビティ」６０とよぶ。）が形成される。

次に、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は、軸孔１２内で固定されると共に導通される。そして端子金具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、中心電極２０と接地電極３０との間で火花放電を行うための高電圧が印加されるようになっている。

次に、主体金具５０は、図示外の内燃機関のエンジンヘッドにプラズマジェット点火プラグ１００を固定するための円筒状の金具であり、絶縁碍子１０を取り囲むようにして保持している。主体金具５０は鉄系の材料より形成され、図示外のプラズマジェット点火プラグレンチが嵌合する工具係合部５１と、エンジンヘッドの取付孔（図示外）に螺合するねじ山が形成された取付ねじ部５２とを備えている。

また、主体金具５０の工具係合部５１と取付ねじ部５２との間には鍔状のシール部５４が形成されている。そして、取付ねじ部５２とシール部５４との間のねじ首４９には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、プラズマジェット点火プラグ１００をエンジンヘッドの取付孔（図示外）に取り付けた際に、シール部５４の座面５５と取付孔の開口周縁との間で押し潰されて変形し、両者間を封止することで、取付孔を介したエンジン内の気密漏れを防止するものである。

主体金具５０の工具係合部５１より後端側には薄肉の加締部５３が設けられ、シール部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に薄肉の座屈部５８が設けられている。そして、工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０と絶縁碍子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、更に両リング部材６，７の間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。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を介して絶縁碍子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、主体金具５０の内周で取付ねじ部５２の位置に形成された段部５６に、環状の板パッキン８０を介し、絶縁碍子１０の段部１１が支持されて、主体金具５０と絶縁碍子１０とが一体となる。このとき、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は板パッキン８０によって保持され、燃焼ガスの流出が防止される。また、座屈部５８は、加締めの際に、圧縮力の付加に伴い外向きに撓み変形するように構成されており、タルク９の軸線Ｏ方向への圧縮長を長くして主体金具５０内の気密性を高めている。

次に、主体金具５０の先端５９には接地電極３０が設けられている。図２，図３に示すように、接地電極３０は棒状の部材からなり、基端３６が主体金具５０の先端５９に接合され、先端３１が、中心電極との間で火花放電間隙を形成している。より具体的に、接地電極３０は、主体金具５０の先端５９に接合された自身の基端３６から径Ｐ方向（図中１点鎖線Ｐ−Ｐで示す。）に沿って内側へ棒状に延び、自身の先端３１を、軸線Ｏ方向において絶縁碍子１０の先端面１６に当接させた状態で、キャビティ６０の開口端１４の近傍に配置させている。すなわち、第１の実施の形態では、主体金具５０とは別体に形成された接地電極３０が、軸線Ｏと直交する径Ｐ方向において、主体金具５０からキャビティ６０の開口端１４に向けて突出する形態をなしている。火花放電間隙は、この接地電極３０の先端３１と、中心電極２０との間で、キャビティ６０を介して形成されている。接地電極３０は耐火花消耗性に優れた金属から形成されており、一例としてインコネル（商標名）６００または６０１等のＮｉ系合金が用いられる。

このような構造を有する第１の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、中心電極２０と接地電極３０との間に高電圧が印加されると、キャビティ６０を介して両者間で火花放電が行われる。そして更に両者間にエネルギーが供給されると放電状態が遷移し、キャビティ６０内でプラズマが形成される。このプラズマがキャビティ６０内で膨張し、圧力が高まると、開口端１４より火柱のような形状、いわゆるフレーム状となって噴出される。プラズマは高いエネルギーを持ち、混合気に対する着火性が高いため、より希薄な混合気に対しても確実に点火することができる。このようなプラズマジェット点火プラグ１００の特性を十分に生かし、プラズマと、接地電極３０（特に火花放電間隙を形成する先端３１）との接触に起因する着火性の低下を防止するため、第１の実施の形態では、接地電極３０の大きさや形成位置に規定を設けている。

具体的には図２，図３に示すように、軸線Ｏと直交する径Ｐ方向において、キャビティ６０の開口端１４の位置の径方向外側（軸線Ｏから遠ざかる側）０．２ｍｍの位置から、内側（軸線Ｏに近づく側）に、接地電極３０の先端３１（より詳細には先端３１において最も径方向内側の位置）があることを規定している。換言すると、図３に示すように、開口端１４の直径Ａよりも０．４ｍｍ大きな直径（半径で０．２ｍｍ）を有する仮想円Ｆ内（仮想円Ｆ上も含む）に、接地電極３０の先端３１があればよい。なお、仮想円Ｆは、図３において、その一例を点線で示している。

前述したようにプラズマジェット点火プラグ１００では、接地電極３０が主体金具５０からキャビティ６０の開口端１４に向けて突出する形態をなすため、接地電極３０の先端３１は、開口端１４の周囲全周に配置されず、一部に配置される形態となる。このため、開口端１４の同一箇所が火花放電の経路となりやすい。さらに、図２に示すように、接地電極３０の先端３１が絶縁碍子１０の先端面１６に当接している。すなわち先端３１と先端面１６との間の間隙Ｈが０ｍｍである。火花放電は、大気中で放電する気中放電よりも、絶縁碍子等の表面に沿って放電する沿面放電の方が、比較的低い電圧で生じ易く、火花放電間隙が広いほど、両者の絶縁破壊時における絶縁抵抗値の差が大きくなる。このため、接地電極３０が絶縁碍子１０に当接する場合、接地電極３０と中心電極２０との間で行われる火花放電は、接地電極３０の先端３１から絶縁碍子１０の先端面１６に沿って沿面放電する。さらに開口端１４を通り、キャビティ６０の（先端小径部６１の）内周面に沿った沿面放電を経て中心電極２０へと向かう経路を辿り易い。そして、絶縁碍子１０の先端面１６とキャビティ６０の内周面とが略直交するため、火花放電は、開口端１４を跨いで略直角に屈折することとなる。これにより、繰り返される火花放電によって絶縁碍子１０の表面、特に稜角を構成する開口端１４が削られる、いわゆるチャンネリングが発生し易くなる。チャンネリングの発生を抑制するには、接地電極３０の先端３１を、キャビティ６０の開口端１４の径方向外側０．２ｍｍの位置から、内側に位置させ、先端３１と開口端１４との間では沿面放電のみならず、気中放電も行われ易くなるようにするとよい。このように、火花放電の経路のうち、接地電極３０の先端３１とキャビティ６０の内周面とを結ぶ部分の距離を短くすれば、開口端１４におけるチャンネリングの発生を抑え、先端３１からキャビティ６０の内周面へと火花放電の経路を接続することができる。このことは、後述する実施例１の結果により確認された。

なお、図４に示す、プラズマジェット点火プラグ２００のように、接地電極２０１の先端２０３を絶縁碍子１０の先端面１６から軸線Ｏ方向に離間させた形態（すなわち間隙Ｈ＞０［ｍｍ］）としてもよい。この場合には、径Ｐ方向において、キャビティ６０の開口端１４の径方向外側０．５ｍｍの位置から、内側に、接地電極２０１の先端２０３が位置すればよいとしている。換言すると、開口端１４の直径Ａよりも１．０ｍｍ大きな直径（半径で０．５ｍｍ）を有する仮想円（図示しない）内に、先端２０３があればよい。接地電極２０１が絶縁碍子１０に接触しない場合、接地電極２０１と中心電極２０との間で行われる火花放電は、接地電極２０１の先端２０３からキャビティ６０の開口端１４へ向けて気中放電し、開口端１４を通り、キャビティ６０の内周面に沿った沿面放電を経て中心電極２０へと向かう経路を辿る。従って、絶縁碍子１０の先端面１６における沿面放電は生じない。接地電極２０１の先端２０３と中心電極２０との間における火花放電は、キャビティ６０の内周面を沿う沿面放電の部分と先端２０３とを結ぶ気中放電の部分とが開口端１４を跨いで屈折する際に、その経路が鈍角となりやすい。このため、繰り返される火花放電によって絶縁碍子１０の表面、特に稜角を構成する開口端１４が削られる、いわゆるチャンネリングの発生を抑制することができる。なお、接地電極２０１の先端２０３が、キャビティ６０の開口端１４の径方向外側０．５ｍｍの位置よりもさらに外側にある場合、開口端１４の位置における気中放電と沿面放電との屈折角度は、より小さくなる。つまり、屈折角度が直角に近づくため、チャンネリングが開口端１４の局所において発生しやすくなる虞が生ずる。このことは、後述する実施例２の結果よりわかった。

このように、接地電極３０を設ける上で、先端３１を絶縁碍子１０の先端面１６に対し位置決めするにあたり、開口端１４の径方向外側０．２ｍｍの位置から、内側に、先端３１が位置すればよいとしている（図２，図３参照）。また、接地電極２０１の先端２０３を先端面１６から離して配置させるのであれば（間隙Ｈ＞０［ｍｍ］の場合）、開口端１４の径方向外側０．５ｍｍの位置から、内側に、先端２０３が位置すればよい（図４参照）。このことは、図５に示す、プラズマジェット点火プラグ２５０の接地電極２５１のように、先端２５３が、キャビティ６０の開口端１４よりも径方向内側に位置する構成も許容されることを意味する。もちろん、図６に示す、プラズマジェット点火プラグ３００の接地電極３０１のように、先端３０３が、キャビティ６０の開口端１４に位置してもよい。チャンネリングの発生を抑制する上では、図３に示す接地電極３０の先端３１をキャビティ６０の開口端１４に近づけるほど、火花放電の経路が開口端１４を跨ぎ屈折する角度をより大きくできるので、開口端１４が火花放電により削られ難くでき、好ましいと言える。

もっとも、図３に示す、接地電極３０の先端３１の配置位置が、先端３０３（図６参照）のようにキャビティ６０に近づき、さらに、先端２５３（図５参照）のように重なるほど、プラズマが、キャビティ６０から噴出する際に接地電極３０と接触し易くなる。プラズマは、開口端１４から噴出する際には径方向に広がりつつ軸線Ｏ方向先端側へ延びるが、このときプラズマが接地電極３０と接触すると、接触した部位において径方向への広がりが妨げられる。するとプラズマは、広がりが妨げられた部分に欠けを有する断面形状となって軸線Ｏ方向先端側へ延びることとなり、前方へ押し出されるエネルギーが低下し、混合気に対する着火性の低下を招く虞がある。また、接地電極３０との接触によってプラズマ自身のエネルギーが奪われ易くなる。こうしたことから、プラズマジェット点火プラグ１００を軸線Ｏ方向先端側から見たときに、接地電極３０が、絶縁碍子１０の先端面１６にて占める大きさについても規定を設けている。

図３に示すように、図３の紙面を軸線Ｏと直交する仮想平面として想定し、その仮想平面において、更に、キャビティ６０の開口端１４と同心で、開口端１４の直径Ａの２倍の直径２Ａを有する仮想境界線Ｑ（図中点線で示す。）を想定する。この仮想平面に接地電極３０を投影したときに、第１の実施の形態では、接地電極３０の部位のうち仮想境界線Ｑ内に配置される部位Ｓ（図３中、左下がり斜線部で示す。）の投影面積が、仮想境界線Ｑ内の面積の３０％以下となることを規定している。

上記のように、接地電極３０の先端３１を開口端１４に近づけてチャンネリングを抑制しつつも、接地電極３０によるプラズマの径方向への広がりの妨げを生じさせ難くするには、開口端１４付近における接地電極３０の大きさ、特に接地電極３０の先端３１側の大きさを小さくすればよい。後述する実施例３の結果によれば、仮想平面に投影した接地電極３０の部位のうち仮想境界線Ｑ内に配置される部位Ｓの投影面積を仮想境界線Ｑ内の面積の３０％以下とすれば、着火性を十分に確保できることがわかった。

さらに、図５に示すように、接地電極２５１の先端２５３がキャビティ６０の開口端１４よりも径方向内側にある場合において、上記同様に、軸線Ｏと直交する仮想平面（図５紙面）に接地電極２５１を投影する。このとき、キャビティ６０の開口端１４の輪郭線Ｒ内に配置される部位Ｔ（図５中、右下がり斜線部で示す。）の投影面積が、輪郭線Ｒ内の面積の１５％以下となることを規定している。

接地電極２５１の先端２５３がキャビティ６０の開口端１４よりも径方向内側に位置する場合、接地電極２５１の一部がキャビティ６０から噴出されるプラズマの噴出方向正面に位置することとなり、プラズマの噴出が部分的に妨げられ、前方へ押し出されるエネルギーが低下する。後述する実施例４の結果によれば、仮想平面に投影した接地電極２５１の部位のうち輪郭線Ｒ内に配置される部位Ｔの投影面積を開口端１４の輪郭線Ｒ内の面積の１５％以下とすれば、着火性を十分に確保できることがわかった。なお、この場合においても、仮想境界線Ｑ内に配置される接地電極２５１の投影面積（部位Ｓ（図５中、左下がり斜線部で示す。）と部位Ｔの合計の投影面積）が、上記同様に、仮想境界線Ｑ内の面積の３０％以下を満たすことが好ましい。

次に、図３に示すように、軸線Ｏと直交する仮想平面（図３紙面）において、接地電極３０の基端３６側で、主体金具５０の先端面５７に、公知の抵抗溶接またはレーザ溶接により接合される溶接部位をＷ（図３中、右下がり斜線部で示す。）とする。また、接地電極３０の部位のうち、その溶接部位Ｗから先端３１へ向けて延びる部位を、延伸部位Ｄとする。そして、この仮想平面上で軸線Ｏと直交する径Ｐ方向において、溶接部位Ｗの長さをｗ、延伸部位Ｄの長さをｄとする。なお、溶接部位Ｗの長さｗは、接地電極３０と主体金具５０との溶融部分において合金化の影響を受けていない部分の長さとし、延伸部位Ｄの長さｄは、接地電極３０の径Ｐ方向の長さから、長さｗを差し引いたものとして定義する。このとき、第１の実施の形態では、ｄ／（ｄ＋ｗ）≦０．８を満たすことを規定している。

延伸部位Ｄの長さｄが長くなれば溶接部位Ｗの長さｗは短くなり、溶接部位Ｗの面積は小さくなる。溶接部位Ｗの面積が小さくなれば、接地電極３０と主体金具５０との接合部位において、十分な接合強度を得られなくなる虞がある。後述する実施例５の結果によれば、延伸部位Ｄの長さｄを、接地電極３０全体の長さ（ｄ＋ｗ）の８０％以下とすれば、接地電極３０と主体金具５０との接合部位において、十分な接合強度を得られることがわかった。

なお、本発明の第１の実施の形態のプラズマジェット点火プラグについて、各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、主体金具５０からの接地電極３０の突出方向は、必ずしも径Ｐ方向と一致して軸線Ｏへ向かう方向である必要はなく、換言すると、軸線Ｏを中心とするその直交方向への放射線に沿う必要はない。具体的に、図７に示す、プラズマジェット点火プラグ３５０のように、軸線Ｏと直交する仮想平面（図７紙面）において、接地電極３５１の延伸方向が、接地電極３５１の基端３５２における主体金具５０の先端面５７との接合位置からキャビティ６０の開口端１４側へ向け、径方向外側から内側へ向かう方向であれば足りる。接地電極３５１の突出方向がキャビティ６０の開口端１４の中央（つまり軸線Ｏの位置）からずれ、接地電極３５１の先端３５３が、キャビティ６０を介し、接地電極３５１の突出方向の前側において中心電極２０に面する形態ではなくともよい。

また、接地電極の突出方向は、径Ｐ方向に対して軸線Ｏ方向にずらしてもよい。例えば、図８に示すプラズマジェット点火プラグ４００は、主体金具４０５の先端面４０６がテーパ状をなすものであるが、この先端面４０６に棒状の接地電極４０１の基端４０２を接合した場合、主体金具４０５から接地電極４０１が突出する方向は、径Ｐ方向に対し斜めとなる。このような形態のプラズマジェット点火プラグ４００であっても、接地電極４０１の先端４０３が、上記の各規定を満たす位置に配置されれば十分に、着火性を確保しつつチャンネリングの発生を抑制することが可能である。

また、図９に示す、プラズマジェット点火プラグ４５０のように、貴金属あるいは貴金属を主成分とする合金から形成した貴金属チップ４５９を接地電極４５１の先端４５３に接合してもよい。なお、この場合、接地電極４５１の本体と一体となった貴金属チップ４５９を含めて接地電極４５１と称してもよい。このように、耐火花消耗性の高い貴金属チップ４５９であれば、接地電極４５１本体の幅や外径よりも小さく形成しても十分な耐久性を得られる。ゆえに、貴金属チップ４５９を含めた接地電極４５１の先端４５３がキャビティ６０の開口端１４付近にて占める大きさを減少できるので、キャビティ６０から噴出するプラズマの径方向への広がりが妨げられにくくなり、プラズマジェット点火プラグ４５０の着火性を確保できる。また、プラズマとの接触範囲が小さくなれば、プラズマの持つエネルギーが接地電極４５１との接触によって奪われることが生じ難くなる。よって、径Ｐ方向における接地電極４５１の先端４５３を、キャビティ６０の開口端１４の位置に、より近づけた構成とすることができ、チャンネリングの発生を効果的に抑制することができる。

そして貴金属を用いることで接地電極４５１の先端４５３側を小さく形成できれば、接地電極４５１を複数設けても、軸線Ｏと直交する仮想平面上で仮想境界線Ｑ内に配置される接地電極４５１の部位Ｓ（図１０中、左下がり斜線部で示す。）の投影面積を、仮想境界線Ｑ内の面積の３０％以下となるように調整しやすい。具体的な例として、図１０に示す、プラズマジェット点火プラグ５００や、図１１に示す、プラズマジェット点火プラグ５５０のように、接地電極４５１を２つまたは３つ、あるいはそれ以上設けた構成を実現しやすい。このように、接地電極４５１をキャビティ６０の開口端１４の周囲に複数設ければ、火花放電間隙の形成位置を複数箇所に分散させることができ、火花放電の経路を一箇所に集中させた場合と比べ、チャンネリングによる開口端１４の消耗を抑制することができ、好適である。もちろん、先端に貴金属チップを接合していない接地電極を複数設けてもよいことは言うまでもない。

また、接地電極の形状は、第１の実施の形態のような棒状をなすことが望ましいが、必ずしも棒状に限定するものではなく、先端がキャビティの開口端の近くに位置するように、主体金具から突出する形態を満たすことのできる形状であればよい。例えば図１２に示す、プラズマジェット点火プラグ６００のように、接地電極６０１を、例えば板状としてもよい。つまり、接地電極６０１は、主体金具５０からキャビティ６０の開口端１４側へ向けて（径方向外側から内側へ向けて）突出する形態をなし、先端６０３が、開口端１４の近傍に位置するものであれば足りる。さらに、上記した各規定が満たされるものであれば、なおよい。接地電極６０１がこのように板状をなせば、基端６０２側にて主体金具５０の先端面５７との溶接部位Ｗの面積を広くとることができ、両者の接合強度を高めることができる。さらに、この接地電極６０１のように、先端６０３に近い側ほどその幅（突出方向と直交する方向の長さ）を小さくすれば、仮想境界線Ｑ内における接地電極６０１の投影面積を小さくすることができ、着火性を確保できる。

また、図１３に示す、プラズマジェット点火プラグ６５０のように、接地電極６５１の先端６５３に貴金属チップ６５９接合するにあたり、その接合位置を、接地電極６５１の先端６５３でキャビティ６０側（絶縁碍子１０の先端面１６と向き合う側）に接合するとよい。このようにすれば、接地電極６５１と中心電極２０との間における火花放電が、確実に、貴金属チップ６５９を介して行われるようできる。また、接地電極６５１の先端６５３に接合した貴金属チップ６５９の脱落を防止するには、接地電極６５１の先端６５３を大きく形成し、貴金属チップ６５９との接合部位を広く確保できるようにするとよい。しかし、上記のように、キャビティ６０から噴出するプラズマの径方向への広がりを妨げにくくするには、接地電極６５１の先端６５３側を小さく形成することが好ましい。ゆえに、火花放電間隙に面することとなる貴金属チップ６５９の大きさは、小さい方が望ましい。そこで図１３のように、貴金属チップ６５９を、接地電極６５１の先端６５３と絶縁碍子１０の先端面１６との間に挟むように配置させれば、貴金属チップ６５９を小さく形成しても十分に接地電極６５１との間での接合状態を維持し、脱落を防止することができる。よって、接地電極６５１の先端６５３側も、小さく形成することができる。

また、図１４，図１５に示す、プラズマジェット点火プラグ７００のように、主体金具７０５の先端面７０７が内周側を向くように先端部７０６を内向きに折り曲げ、この先端部７０６に接地電極７０１を接合してもよい。プラズマジェット点火プラグ７００をこのような形態のものとすれば、主体金具７０５から開口端１４側へ向けて突出する接地電極７０１の突出長さを短くすることができる。つまり、接地電極７０１の自重を減らすことができるので、接地電極７０１と主体金具７０５との接合部位にかかる接地電極７０１の自重による負荷の影響を低減できる。もっとも、図１５に示すように、主体金具７０５の先端部７０６が仮想境界線Ｑ内には含まれないように、先端部７０６を折り曲げた際の先端面７０７の位置を調整することが、着火性を確保する上で望ましい。

あるいは、図１６，図１７に示す、プラズマジェット点火プラグ７５０のように、主体金具７５５の先端面７５６に、絶縁碍子１０の先端面１６の一部を覆うような補助板７５７を接合し、この補助板７５７に、接地電極７５１を接合してもよい。このようにしても、上記のプラズマジェット点火プラグ７００（図１５参照）と同様に、主体金具７５５から開口端１４側へ向けて突出する接地電極７５１の突出長さを短くして、補助板７５７との接合部位にかかる接地電極７５１の自重による負荷の影響を低減できる。また、図１７に示すように、補助板７５７が仮想境界線Ｑ内には含まれないように調整しつつ、主体金具７５５の先端面７５６との接合部位を広く取れる形態とすることが、着火性を確保する上で望ましい。

また、図１８，図１９に示す、プラズマジェット点火プラグ８００，８５０のように、第１の実施の形態と同様の接地電極８０１，８５１とは別に、補助電極８０４，８５４を設けてもよい。プラズマジェット点火プラグ８００では１本の補助電極８０４を設け、プラズマジェット点火プラグ８５０では２本の補助電極８５４を設けている。補助電極８０４，８５４は、それぞれ、主体金具５０からキャビティ６０の開口端１４側への突出長さが接地電極８０１，８５１より短くし、仮想境界線Ｑ内には配置されないようにしたものである。これら補助電極８０４，８５４を設けることによって、接地電極８０１，８５１の周囲の電界強度が高まり、中心電極２０との間での火花放電を、より低い放電電圧で行えるようになる。すると、火花放電の経路上で、火花放電が開口端１４を通る際にその開口端１４を削るエネルギーが少なくなるため、チャンネリングの発生を抑制することが可能となる。

ところで、上記した、接地電極４５１の先端４５３に貴金属または貴金属を主成分とする合金を用いたプラズマジェット点火プラグ４５０（図９参照）を作製するには、以下に説明する製造過程に従うことが望ましい。以下、図２０を参照して、接地電極４５１を主体金具５０に接合する過程を中心に、プラズマジェット点火プラグ４５０の製造過程について説明する。なお、製造過程の公知の部分については、説明の一部を簡略化、あるいは省略するものとする。図２０は、プラズマジェット点火プラグ４５０の製造過程を示す図である。

プラズマジェット点火プラグ４５０の製造過程では、耐腐食性の高いＮｉ系合金（例えばインコネル６０１）等からなる断面矩形の線材を所望の長さに切断し、図２０に示す、直方体形状をなす接地電極４５１が作製される。このとき、接地電極４５１には、別過程で作製される主体金具５０の先端面５７に接合する接合代（しろ）としての溶接部位Ｗが設定される。この溶接部位Ｗは、プラズマジェット点火プラグ４５０の完成時の径Ｐ方向（図９参照）と一致させる方向において、その溶接部位Ｗの長さｗが所定の長さとなるように設定される。すなわち、溶接部位Ｗの長さｗと、接地電極４５１が完成した状態（後述する貴金属チップ４５９が接合された状態）で、その溶接部位Ｗから先端４５３へ向けて延びる部位である延伸部位Ｄの長さｄとの関係が、前述したように、ｄ／（ｄ＋ｗ）≦０．８を満たすように、溶接部位Ｗを含む接地電極４５１が作製される。なお、溶接部位Ｗをその他の部位に対して段状となるように形成して、後述する接地電極４５１の主体金具４５５への接合時に、接地電極４５１の先端４５３の位置決めと溶接部位Ｗの長さｗの確保を容易に行えるようにしてもよい。もちろん、溶接部位Ｗは、主体金具５０の先端面５７にあわせて適宜その形状を調整すればよい。予めこのように溶接部位Ｗの大きさを設定することで、生産ロットによるバラツキを抑え、確実な溶融部（接地電極と主体金具との接合の際に形成される両者の構成成分が溶け合い混ざり合った部分）の形成をなすことができる。

さらに別工程にて、断面を接地電極４５１よりも小さく形成した直方体形状の貴金属チップ４５９が、貴金属合金から作製される。そして貴金属チップ４５９が、接地電極４５１の延伸方向で溶接部位Ｗ側とは反対側の先端４５３にレーザ溶接で接合されて、接地電極４５１と貴金属チップ４５９とが一体となる（接地電極形成工程）。

なお、上記接地電極４５１の形成時に、あらかじめ、図９の示すように、接地電極４５１の先端４５３に貴金属チップ４５９との接合面積を確保しつつ、接地電極４５１を溶接部位Ｗ側から貴金属チップ４５９側へ向かうにつれ細幅となるように加工すれば、プラズマジェット点火プラグ４５０の完成後に、貴金属チップ４５９を含めた接地電極４５１の先端４５３が、軸線Ｏと直交する仮想平面上において占める面積を減らすことができ、好ましい。

一方、図２０に示すように、鉄系の材料より筒状に形成された筒状体（図示外）に対して切削加工を施し、鍔部や工具係合部等の形状（図示外）が形成され、さらに取付ねじ部５２にねじ山が形成されて、主体金具５０が作製される。この主体金具５０の先端面５７に、接地電極形成工程で形成された接地電極４５１の溶接部位Ｗが向かい合わせに配置され、接地電極４５１が主体金具５０に、抵抗溶接により接合される（接地電極接合工程）。

そして、別工程において中心電極２０および端子金具４０（図１参照）が組み付けられた状態の絶縁碍子１０が作製され、この主体金具５０の筒孔内に挿通されて加締め保持されて、図９に示す、プラズマジェット点火プラグ４５０が完成する。なお、図１に示す、プラズマジェット点火プラグ１００のように、接地電極３０自身を、全体で、同一部材から形成した場合には、上記した接地電極形成工程を省けばよい。

次に、本発明の第２の実施の形態について、図２１〜図２３を参照して説明する。図２１に示す、第２の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ９００は、接地電極９０１を主体金具９０５の一部として一体に形成した部分が、第１の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ１００（図１参照）と異なり、その他の部分の構成は同一である。したがって、以下では、プラズマジェット点火プラグ１００と異なる部分について説明し、同一の部分については同一の符号を付し、説明を省略または簡略化して行うものとする。

図２１〜図２３に示すように、プラズマジェット点火プラグ９００は、接地電極９０１が、主体金具９０５の一部位として、主体金具９０５と一体に形成されたものである。具体的に、接地電極９０１は、主体金具９０５の先端面９０７の一部をそのまま軸線Ｏ方向先端側に突出させた形態のものとして形成されている。そして接地電極９０１の先端９０２と中心電極２０との間で火花放電間隙が形成されるように、接地電極９０１は、基端９０３を軸に先端９０２側が径方向内側へ折り曲げられ、先端９０２がキャビティ６０の開口端１４の近くに位置している。これにより、接地電極９０１は、径方向外側から内側へ向けて突出する形態をなしている。なお、プラズマジェット点火プラグ９００のその他の部位（図２１参照）は、プラズマジェット点火プラグ１００（図１参照）と同様の構成となっている。

このような形態のプラズマジェット点火プラグ９００においても、接地電極９０１の先端９０２が、キャビティ６０の開口端１４の径方向外側０．５ｍｍ（絶縁碍子１０の先端面１６に接地電極９０１を接触させた場合は０．２ｍｍ）の位置から、内側に位置するとよいことは、第１の実施の形態と同様である。また、図２３に示すように、軸線Ｏと直交する仮想平面に投影した接地電極９０１の部位のうち、仮想境界線Ｑ内に配置される部位Ｓ（図２３中、左下がり斜線部で示す。）の投影面積が、仮想境界線Ｑ内の面積の３０％以下となるとよいことや、開口端１４の輪郭線Ｒ内に配置される部位の投影面積が、輪郭線Ｒ内の面積の１５％以下となるとよいことについても、第１の実施の形態と同様である。

なお、本発明の第２の実施の形態のプラズマジェット点火プラグについても、各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、図２４に示す、プラズマジェット点火プラグ９５０のように、主体金具９５５の先端部９５６を延長し、径方向内側に折り曲げ、その先端面９０７に、前述したプラズマジェット点火プラグ９００（図２２参照）と同様、径方向内側に向けて突出する接地電極９５１を設けてもよい。すなわち、上記したプラズマジェット点火プラグ７００と同様の形態であり、接地電極９５１の突出長さを短くすることができ、接地電極９５１の自重にともなう負荷の影響を低減できる。

また、図２５に示す、プラズマジェット点火プラグ１０００のように、前述したプラズマジェット点火プラグ６５０（図１３参照）と同様の貴金属チップ１００９を、主体金具１００５と一体に形成した接地電極１００１の先端１００２に接合してもよい。このようにすれば、キャビティ６０から噴出するプラズマの径方向への広がりが妨げられにくくなり、プラズマジェット点火プラグ１０００の着火性を確保できる。さらに、貴金属チップ１００９の接合位置を、接地電極１００１の先端１００２でキャビティ６０側（絶縁碍子１０の先端面１６と向き合う側）とすれば、確実に、火花放電が貴金属チップ１００９を介して行われ、また、貴金属チップ１００９の脱落も防止でき、好ましい。

また、図２６に示す、プラズマジェット点火プラグ１０５０のように、主体金具１０５５と一体に形成する接地電極１０５１を、前述したプラズマジェット点火プラグ５００（図１０参照）やプラズマジェット点火プラグ５５０（図１１参照）と同様に、複数（ここでは３つ）設けてもよい。このようにすれば火花放電間隙の形成位置を複数箇所に分散させ、チャンネリングによる開口端１４の消耗を抑制することができる。もちろん、接地電極１０５１の先端１０５２に貴金属チップを接合してもよいことは言うまでもない。また、軸線Ｏと直交する仮想平面上で、仮想境界線Ｑ内に投影した各接地電極１０５１の投影面積の合計が、仮想境界線Ｑ内の面積の３０％以下（開口端１４の輪郭線Ｒ内であればその面積の１５％以下）となるとよいことも、第１の実施の形態と同様である。

このように、プラズマジェット点火プラグの接地電極の先端を、キャビティの開口端の近くに配置し、その接地電極が、絶縁碍子の先端側にて占める大きさを規定することで得られる効果について確認するため、評価試験を行った。

まず、径方向における接地電極の先端とキャビティの開口端の位置関係と、開口端におけるチャンネリングの発生の有無との関係について調べるため評価試験を行った。この評価試験では、インコネル６０１からなる幅が０．５ｍｍの棒材を所定の長さに切断して接地電極を作製した。そして、図３紙面のような軸線Ｏと直交する仮想平面に接地電極を投影したときに、接地電極の先端とキャビティの開口端との間の径Ｐ方向の距離（以下では便宜上、「距離Ｇ」とする。）が−０．１〜０．５［ｍｍ］の範囲で適宜変更されるように、接地電極を主体金具に接合して作製した６種類の中間体を用い、プラズマジェット点火プラグのサンプルを各種類につき３本ずつ用意した。なお、この接合の際に、いずれのサンプルも、軸線Ｏ方向における接地電極の先端を絶縁碍子の先端面に接触させて（すなわち間隙Ｈ（図２参照）を０ｍｍとして）保持した。また、各サンプルの組み立てに用いた絶縁碍子は、キャビティの開口端の直径Ａ（図３参照）がφ１．０ｍｍのものを使用した。また、距離Ｇの正負については、開口端の位置を基準（±０）とし、径Ｐ方向外側（軸線Ｏから遠ざかる側）を正、径Ｐ方向内側（軸線Ｏに近づく側）を負とした。つまり、距離Ｇが負となることは、接地電極の先端が、開口端の位置から、内側に位置することを意味する。

用意した各サンプルそれぞれに対し、窒素を０．４ＭＰａの圧力で充填した加圧チャンバー内に入れ、５０ｍＪのエネルギー量で、周波数６０Ｈｚの放電周波数にて２０時間の連続放電を行った後、キャビティの開口端付近の様子を観察した。そして各サンプルの種類ごとに、３本のうち１本でも０．１ｍｍより深い放電溝が形成されたものがあれば、チャンネリングが発生したと評価し、３本とも放電溝の深さが０．１ｍｍ以下であれば、チャンネリングが発生しなかったと評価した。この試験の結果を表１に示す。

表１に示すように、間隙Ｈを０ｍｍ、すなわち接地電極の先端を絶縁碍子の先端面に当接させた場合、距離Ｇが０．２ｍｍ以下だったサンプルではチャンネリングが発生しなかったが、距離Ｇを０．２ｍｍより大きくすると、チャンネリングが生ずることが確認できた。

さらに、接地電極の先端を絶縁碍子の先端面から離し、間隙Ｈを０．１ｍｍとしたプラズマジェット点火プラグのサンプルを６種類、距離Ｇを−０．１〜１．０［ｍｍ］の範囲で適宜変更して作製した。なお、各サンプルのその他の部位の大きさについては、実施例１と同一である。そして各サンプルに対し、実施例１と同一の評価試験を行い、チャンネリングの発生の有無について評価を行った結果を表２に示す。次いで、軸線Ｏ方向における接地電極の先端と絶縁碍子の先端面との間隙Ｈを０．５ｍｍとし、その他の部分については上記各サンプル同様とした６種のサンプルについて行った同一の評価試験の結果を表３に示す。

表２に示すように、間隙Ｈが０．１ｍｍの場合、距離Ｇが０．５ｍｍ以下だったサンプルではチャンネリングが発生しなかったが、距離Ｇを０．５ｍｍより大きくすると、チャンネリングが生ずることが確認できた。また、表３に示すように、間隙Ｈを０．５ｍｍとしても同様であり、距離Ｇが０．５ｍｍ以下だったサンプルではチャンネリングが発生しなかったが、距離Ｇを０．５ｍｍより大きくすると、チャンネリングが生ずることが確認できた。この評価試験の結果より、軸線Ｏ方向における接地電極の先端と絶縁碍子の先端面との間隙Ｈの大きさに関わらず、径Ｐ方向における接地電極の先端とキャビティの開口端との間の距離Ｇが０．５ｍｍより大きくなると、チャンネリングの発生を抑制できなくなることが分かった。従って、実施例１および実施例２の結果から、接地電極の先端を絶縁碍子の先端面に対し離間させて配置する場合（Ｈ＞０［ｍｍ］）、距離Ｇは０．５ｍｍ以下、また、当接させて配置する場合には（Ｈ＝０［ｍｍ］）、距離Ｇを０．２ｍｍ以下とすれば、チャンネリングの発生を抑制できることがわかった。

次に、軸線Ｏと直交する仮想平面に投影した接地電極３０の部位のうち、仮想境界線Ｑ内に配置される部位Ｓ（図３参照）の投影面積が、仮想境界線Ｑ内の面積に占める割合が及ぼす影響について確認するため評価試験を行った。この評価試験では、軸線Ｏと直交する仮想平面（図３紙面）において見た、キャビティの開口端の直径Ａと、接地電極の幅と、接地電極の先端と開口端との間の距離Ｇとを適宜設定したプラズマジェット点火プラグのサンプルを、７種類作製した。その設定により、開口端の直径Ａの２倍の直径２Ａを持つ仮想境界線Ｑ内に配置される接地電極の部位Ｓ（図３参照）の投影面積は、仮想境界線Ｑ内の面積の１４．６％〜３７．４％の範囲で適宜変更された値となった。

そして各サンプルをそれぞれ加圧チャンバーに取り付け、着火性の確認を行った。具体的には、サンプルを取り付けた後、チャンバー内を、空気とＣ_３Ｈ_８ガスとの混合比（空燃比）を２２とした混合気で充填し、気圧を０．０５ＭＰａとする。そしてサンプルに５０ｍＪのエネルギー量を供給可能な電源に接続し、高電圧を印加して点火を試みる。圧力センサでチャンバー内気圧を測定し、チャンバー内の圧力変化を確認することにより、混合気が着火したかどうかの確認を行う。これら一連の手順を１００回試行し、着火確率として算出した。この試験の結果を図２７のグラフに示す。

図２７に示すように、仮想境界線Ｑ内に配置される接地電極の部位Ｓの投影面積が仮想境界線Ｑ内の面積の１４．６％の場合には１００％の着火確率が得られた。また、部位Ｓの投影面積が２０．９％、２４．１％、２８．５％、３０．０％と上昇しても、それぞれの着火確率は９５％、９７％、９４％、９０％であり、９０％以上の高い着火確率を維持できた。しかし、部位Ｓの投影面積が３１．２％に上昇すると着火確率は２１％と大幅に低下し、部位Ｓの投影面積が３７．４％ではさらに低下し、着火確率が５％となった。このグラフによれば、仮想境界線Ｑ内に配置される接地電極の部位Ｓの投影面積が仮想境界線Ｑ内の面積の３０％以下であれば、９０％以上の高い着火確率を得られることがわかった。

さらに、実施例３と同様に、軸線Ｏと直交する仮想平面に投影した接地電極２５１の部位のうち、輪郭線Ｒ内に配置される部位Ｔ（図５参照）の投影面積が、輪郭線Ｒ内の面積に占める割合が及ぼす影響について確認するため評価試験を行った。この評価試験でも、実施例３と同様、軸線Ｏと直交する仮想平面（図５紙面）において見た、キャビティの開口端の直径Ａと、接地電極の幅と、接地電極の先端とキャビティの開口端との間の距離Ｇとを適宜設定したプラズマジェット点火プラグのサンプルを７種類作製した。その設定により、開口端の輪郭線Ｒ内に配置される接地電極の部位Ｔの投影面積を、輪郭線Ｒ内の面積の５．０％〜２５．２％の範囲で適宜変更させた。これらサンプルをそれぞれ加圧チャンバーに取り付けて、実施例３と同様の１００回試行する着火試験を行い、着火確率を算出した。この試験の結果を図２８のグラフに示す。

図２８に示すように、輪郭線Ｒ内に配置される接地電極の部位Ｔの投影面積が輪郭線Ｒ内の面積の５．０％および５．２％であった場合には１００％の着火確率が得られた。また、部位Ｔの投影面積が１１．４％、１４．２％、１５．０％と上昇しても、それぞれの着火確率は９４％、９５％、８９％であり、８９％以上の高い着火確率を維持できた。しかし、部位Ｔの投影面積が１９．６％に上昇すると着火確率は９％と大幅に低下し、部位Ｔの投影面積が２５．２％ではさらに低下し、着火確率が５％となった。このグラフによれば、輪郭線Ｒ内に配置される接地電極の部位Ｔの投影面積が輪郭線Ｒ内の面積の１５％以下であれば、８９％以上の高い着火確率を得られることがわかった。

次に、接地電極３０の溶接部位Ｗの径Ｐ方向の長さｗと、延伸部位Ｄの同方向の長さｄとの関係が、接地電極３０と主体金具５０との接合強度に与える影響について確認するため評価試験を行った。まず、呼び径がＭ１２の主体金具を作製する上で先端部における肉厚を異ならせ、筒孔の内径をφ６．０〜φ８．０［ｍｍ］の範囲で適宜異ならせた６種類の主体金具を作製した。断面積が１．０×１．０［ｍｍ］のＰｔ−２０Ｉｒからなる線材を、後述する大きさに適宜切断して作製した接地電極を、これら主体金具の先端面にそれぞれ抵抗溶接で接合し、さらに絶縁碍子等を組み付けて、６種類のプラズマジェット点火プラグのサンプルを作製した。

なお、主体金具への接地電極の接合は、接地電極の先端の位置を主体金具の軸線Ｏの位置に揃え、延長方向を径Ｐ方向に沿わせつつ、基端側を主体金具の先端面に接合する形態で行った。これにより、主体金具の先端面上に配置される接地電極の部分に、両者の接合に伴う溶接部位Ｗが形成されることとなり、先端面より内向きに突出する部分が、延伸部位Ｄに相当することとなる。従って、主体金具の筒孔の半径を、延伸部位Ｄの径Ｐ方向の長さｄとみなすことができ、さらに接地電極作製時の切断長から長さｄを差し引いた長さを、溶接部位Ｗの長さｗとみなすことができる。そこで、接地電極全体の長さ（ｄ＋ｗ）に対する溶接部位Ｗの長さｗの割合、ｗ／（ｄ＋ｗ）を０．６０〜０．８８の範囲で適宜変更したサンプルを用意するため、６種の主体金具それぞれに合わせた線材の切断長を設定し、接地電極を作製した。なお、溶接部位Ｗの長さｗは、必ずしも主体金具の先端部の肉厚と一致しない。つまり、軸線Ｏと直交する仮想平面に主体金具の先端面と接地電極とを投影してみたときに、サンプルによって、径Ｐ方向における接地電極の基端の位置と、先端面の外周側の縁の位置とが一致するものもあれば、間隙を有するものもある。

そして各サンプルをバーナーで２００℃に加熱しながら、ＪＩＳ Ｂ８０３１に規定された耐衝撃性試験を３０分間行った。その後、接地電極と主体金具との接合によって形成された溶融部（図示しない）の断面を観察し、クラックや剥離等の有無について目視確認を行った。そして、僅かでも剥離が発生したものや、クラックが溶融部の断面全体の長さの５０％以上の長さをもって発生したものについては、クラック、剥離等が発生したものと判定した。また、クラックが溶融部の断面全体の長さの５０％未満の長さであるものは、クラック、剥離等の発生はなかったと判定した。この評価試験の結果を表４に示す。

表４に示すように、ｄ／（ｄ＋ｗ）を０．８０以下に設定した４つのサンプルについてはクラック、剥離等の発生はなかったが、０．８０より大きい２つのサンプルは、耐衝撃性試験において接地電極の自重による負荷が加熱に伴う負荷と共に溶融部にかかり、クラックや剥離等の発生に至った。従って、ｄ／（ｄ＋ｗ）を０．８以下とし、接地電極の自重による負荷が溶融部にかかるのを軽減すれば、溶融部におけるクラックや剥離等の発生を抑制でき、接地電極と主体金具との接合強度を高めることができることがわかった。

１０ 絶縁碍子
１２ 軸孔
１４ 開口端
１５ 電極収容部
１６ 先端面
２０ 中心電極
３０，９０１ 接地電極
３１，９０２ 先端
３６ 基端
５０ 主体金具
６０ キャビティ
６１ 先端小径部
１００，９００ プラズマジェット点火プラグ

Claims (10)

1. 中心電極と、
   前記中心電極を保持する絶縁碍子と、
   当該絶縁碍子を周方向に保持する主体金具と、
   前記絶縁碍子の先端に、前記中心電極の先端を収容する凹部状に形成されたキャビティと、
   前記キャビティを介し前記中心電極との間で火花放電間隙を形成する接地電極と、
   を有するプラズマジェット点火プラグであって、
   前記接地電極は、前記主体金具に接合される棒状部材であって、
   前記接地電極の先端は、前記キャビティの開口端の径方向外側０．５［ｍｍ］の位置から、内側に位置するプラズマジェット点火プラグ。
2. 前記接地電極の部位のうち、前記主体金具との接合によって形成された溶接部位が前記接地電極の延伸方向に沿って延びる長さをｗ、前記接地電極の先端側へ向け前記溶接部位より延びる部位の長さをｄとしたときに、
   ｄ／（ｄ＋ｗ）≦０．８
   である請求項１に記載のプラズマジェット点火プラグ。
3. 中心電極と、
   前記中心電極を保持する絶縁碍子と、
   当該絶縁碍子を周方向に保持する主体金具と、
   前記絶縁碍子の先端に、前記中心電極の先端を収容する凹部状に形成されたキャビティと、
   前記キャビティを介し前記中心電極との間で火花放電間隙を形成する接地電極と、
   を有するプラズマジェット点火プラグであって、
   前記接地電極は、前記主体金具の一部であって、前記主体金具の先端から突出した形状であり、
   前記接地電極の先端は、前記キャビティの開口端の径方向外側０．５［ｍｍ］の位置から、内側に位置するプラズマジェット点火プラグ。
4. 前記接地電極の先端は、前記キャビティの開口端の径方向外側０．２［ｍｍ］の位置から、内側に位置する請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマジェット点火プラグ。
5. 前記接地電極は、前記絶縁碍子の先端に当接している請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマジェット点火プラグ。
6. 前記接地電極は、内側方向に突出する請求項１乃至５のいずれかに記載のプラズマジェット点火プラグ。
7. 前記接地電極を、複数有する請求項１乃至６のいずれかに記載のプラズマジェット点火プラグ。
8. 前記接地電極の先端には、前記キャビティ側に貴金属チップが接合されている請求項１乃至７のいずれかに記載のプラズマジェット点火プラグ。
9. 軸線方向と直交する仮想平面上に前記キャビティの前記開口端を投影し、投影された前記開口端の輪郭線と同心で２倍の直径を有する仮想境界線内に、前記接地電極を投影した場合の投影面積が、前記仮想境界線内の面積の３０％以下となる請求項１乃至８のいずれかに記載のプラズマジェット点火プラグ。
10. 前記仮想平面上において、投影された前記接地電極のうち前記開口端の輪郭線よりも内側に投影される投影面積が、前記開口端の輪郭線内の面積の１５％以下となる請求項９に記載のプラズマジェット点火プラグ。

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