JP2011146130A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】耐フラッシュオーバー性を向上させて非正規放電の抑制を実現しつつ、耐熱性の向上を図る。
【解決手段】スパークプラグ１は、軸孔４を有する絶縁碍子２と、先端が絶縁碍子２の先端よりも先端側に位置する中心電極５と、主体金具３とを備える。中心電極５は、肩部５２と、本体部５３とを有し、外層５Ａ及び内層５Ｂからなる。絶縁碍子２の先端部には、外周面と軸孔４とに連接されつつ後端側に向けて傾斜する先端面４１が形成されており、絶縁碍子２の先端が、肩部５２及び本体部５３の境界よりも先端側に位置する。内層５Ａの先端部は、肩部５２及び本体部５３の境界よりも先端側に位置する。絶縁碍子２及び中心電極５における所定の角度Ａ１、角度Ａ２、角度Ａ３、角度Ａ４、及び、角度Ａ５について、Ａ１＞９０°、Ａ２＜９０°、Ａ４＞Ａ５、及び、Ａ３＞Ａ１を満たす。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関等に使用されるスパークプラグに関する。

スパークプラグは、内燃機関（エンジン）等の燃焼装置に取付けられ、混合気への着火のために用いられるものである。一般的にスパークプラグは、軸孔を有する絶縁体と、当該軸孔に挿通される中心電極と、絶縁体の外周に設けられる主体金具と、主体金具の先端部に設けられ、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備える。

ところで、スパークプラグは、使用中の電極消耗によって火花放電間隙の大きさが拡大する。火花放電間隙の大きさが拡大すると、火花放電間隙にて火花放電するのに必要な放電電圧が上昇する。この放電電圧の上昇によって、火花放電間隙において正常な火花放電が発生することなく、中心電極から主体金具へと絶縁体表面を伝わって電流が流れてしまったり（いわゆる、フラッシュオーバーが生じてしまったり）、絶縁体の先端部と主体金具の先端部との間で飛火（フラッシュオーバーの一形態であり、いわゆる、横飛火）が生じてしまったりするおそれがある。

そこで、フラッシュオーバーといった火花放電間隙以外の位置での放電（非正規放電）を防止すべく、中心電極から主体金具へと至る経路上のうち絶縁体の表面に沿った距離（沿面距離）をより長くすることが考えられる。沿面距離を長くするための手法としては、脚長部をより長く構成したり、絶縁体先端部の外径を比較的大きくしたり、脚長部の表面に環状の溝を形成したり（例えば、特許文献１等参照）、脚長部の外周面に段差を設けたり（例えば、特許文献２等参照）する技術が提案されている。

特開平６−１７６８４８号公報 特開２００１−１４３８４７号公報

しかしながら、上述した各手法によれば、非正規放電の発生を抑制できるものの、いずれの手法を採用した場合であっても、絶縁体の先端が過熱されてしまう（すなわち、耐熱性が不十分なものとなってしまう）おそれがある。そのため、過熱された先端部が着火源となってしまい、スパークプラグの点火前であるにも関わらず、混合気が着火してしまう、いわゆるプレイグニッションが生じてしまうおそれがある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、耐フラッシュオーバー性を向上させて非正規放電の抑制を実現できるとともに、耐熱性の向上を図ることができるスパークプラグを提供することにある。

以下、上記目的を解決するのに適した各構成につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果を付記する。

構成１．本構成のスパークプラグは、軸線に沿って延びる軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔の先端側に挿通され、先端が前記絶縁体の先端よりも先端側に位置する中心電極と、
前記絶縁体の外周に設けられる筒状の主体金具とを備え、
前記中心電極が、
自身の先端部の後端から後端側に向けて拡径する肩部と、
前記肩部の後端から前記軸線に沿って後端側に向けて延びる本体部とを有するとともに、
前記中心電極は、外層、及び、当該外層の内部に設けられ、当該外層よりも良熱伝導性素材を含んでなる内層からなる多層構造をなすスパークプラグであって、
前記絶縁体の先端部には、当該絶縁体の外周面と前記軸孔とに連接されつつ後端側に向けて傾斜する先端面が形成されており、
前記絶縁体の先端が、前記中心電極の肩部及び本体部の境界よりも先端側に位置するとともに、
前記内層の先端部が、前記中心電極の肩部及び本体部の境界よりも前記軸線に沿って先端側に位置し、
前記軸線を含む断面において、
前記軸孔の外形線を先端側に向けて延ばした直線を直線Ｌ１とし、
前記絶縁体の先端部外側面の外形線を先端側に向けて延ばした直線を直線Ｌ２とし、
前記絶縁体の先端面の外形線を延長した直線を直線Ｌ３とし、
前記肩部の外形線と前記本体部の外形線とのなす角の二等分線を直線Ｌ４とし、
前記軸線に直交する直線を直線Ｌ５としたとき、
下記の角度Ａ１、角度Ａ２、角度Ａ３、角度Ａ４、及び、角度Ａ５がそれぞれ次の式（１）、式（２）、式（３）、及び、式（４）を満たすことを特徴とする。

Ａ１＞９０°…（１）
Ａ２＜９０°…（２）
Ａ４＞Ａ５…（３）
Ａ３＞Ａ１…（４）
角度Ａ１：直線Ｌ１と直線Ｌ３とがなす角のうち絶縁体が存在する側の角度
角度Ａ２：直線Ｌ２と直線Ｌ３とがなす角のうち絶縁体が存在する側の角度
角度Ａ３：前記肩部の外形線と前記本体部の外形線とのなす角の角度
角度Ａ４：直線Ｌ３と直線Ｌ５とがなす角のうち鋭角の角度
角度Ａ５：直線Ｌ４と直線Ｌ５とがなす角のうち鋭角の角度
上記構成１によれば、絶縁体はＡ１＞９０°及びＡ２＜９０°を満たしており、絶縁体の先端面が、絶縁体の先端部外側面から軸孔側に向けて軸線方向後端側に傾斜する形状とされている。従って、絶縁体の沿面距離を比較的長くすることができる。

さらに、肩部と本体部との境界部分において火花放電が生じる際には、電界強度の最も高くなる直線Ｌ４方向に向かって放電が生じやすいところ、上記構成１によれば、絶縁体の先端が前記境界部分よりも軸線方向先端側に位置するとともに、Ａ４＞Ａ５を満たすように、すなわち、前記境界部分において火花放電が最も生じやすい方向よりも絶縁体の先端面がより傾斜するように構成されている。このため、絶縁体の先端面によって主体金具側への飛火をより確実に阻害することができ、前記境界部分と主体金具との間で直接的に放電が生じてしまうことをより確実に防止できる。その結果、前記沿面距離を比較的長くできることと相俟って、耐フラッシュオーバー性が向上して、非正規放電の発生を効果的に防止することができる。

尚、上述の通り、絶縁体の先端面を軸線方向後端側へと傾斜する形状とすることで、沿面距離を長くすることができるが、Ａ１を過度に大きくした場合（換言すれば、Ａ２を過度に小さくした場合）には、絶縁体の先端部の体積が減少してしまうとともに、絶縁体の先端部分のうち特に外側部が軸線方向先端側へと過度に突き出した形状となってしまう。そのため、絶縁体先端部が過熱されやすくなってしまい、耐熱性の低下や欠け等の破損が生じてしまうおそれがある。

この点、上記構成１によれば、Ａ３＞Ａ１を満たすように構成されているため、Ａ１が過大なものとなってしまうことを防止でき、その結果、前記絶縁体の先端外側部が軸線方向先端側へと過度に突出してしまうことを抑制できる。これにより、耐熱性の向上や絶縁体の破損防止を図ることができる。

尚、Ａ３の値によることなく単にＡ１の値を小さくすることで、絶縁体の先端外側部の突出を抑制することも考えられる。但し、この場合において、Ａ３＞Ａ１を満たさないものとすれば、角度Ａ３が非常に小さくなってしまうため、電圧が印加された際に肩部と本体部との境界部分において放電が生じやすくなってしまう。つまり、Ａ３＞Ａ１を満たさないこととすると、耐熱性及び耐フラッシュオーバー性の少なくとも一方において十分な性能を確保できないおそれがある。換言すれば、Ａ３＞Ａ１を満たすことで、耐熱性及び耐フラッシュオーバー性の双方において十分な性能を確保することができる。

また、上記構成１によれば、熱伝導性に優れる内層の先端部が、前記肩部及び本体部の境界よりも軸線方向先端側に位置している。そのため、先端外側部が軸線方向先端側へとやや突き出した形で構成される本構成の絶縁体においても、その先端部の熱を効率よく引くことができる。これにより、耐熱性の更なる向上を図ることができる。

尚、肩部と本体部との境界部分における放電を抑制するためには、Ａ３の値を比較的大きくすることが好ましい。従って、Ａ３≧１３０°とすることが好ましく、Ａ３≧１４０°とすることがより好ましい。

構成２．本構成のスパークプラグは、上記構成１において、前記軸線を含む断面において、
前記肩部及び前記本体部の境界点をＸ１とし、前記直線Ｌ１及び前記直線Ｌ３の交点をＸ２としたとき、前記境界点Ｘ１と前記境界点Ｘ２との間の最短距離が０．２ｍｍ以上であることを特徴とする。

上記構成２によれば、肩部及び本体部の境界部分と絶縁体との間に０．２ｍｍ以上と十分に大きなクリアランスが形成されているため、前記境界部分と絶縁体との間を絶縁破壊するために必要な電圧をより高くすることができる。従って、前記境界部分と絶縁体との間における放電をより確実に防止することができ、ひいては非正規放電をより一層確実に防止することができる。

構成３．本構成のスパークプラグは、上記構成１又は２において、前記中心電極の側面に対して先端面が対向する接地電極を備え、
前記軸線及び前記接地電極の先端面の中心を含む断面において、
前記直線Ｌ３が、前記接地電極の先端面の外形線のうち当該先端面の中心よりも軸線方向先端側に位置する線分に交差することを特徴とする。

上記構成３によれば、スパークプラグは中心電極の側面に対して先端面が対向する接地電極を備えており、前記軸線及び接地電極の先端面の中心を含む断面において、直線Ｌ３が、接地電極の先端面の中心よりも軸線方向先端側を通過するように構成されている。ここで、中心電極と接地電極との間で絶縁体の先端面を沿った放電が生じる際には、電界強度の比較的高い接地電極の先端部の角部と中心電極との間で放電が生じやすいところ、上記構成３によれば、前記接地電極の先端部の角部のうち軸線方向先端側に位置する部位と中心電極との間で放電が生じやすくなる。すなわち、燃焼室の中心により接近した位置にて火花が生じやすくなるとともに、接地電極による火炎の成長阻害が生じにくくなる。その結果、着火性の向上を図ることができる。

一方で、前記断面において、直線Ｌ３は接地電極の先端面と交差するように構成されている。すなわち、接地電極の先端面が、軸線方向先端側に向けてある程度突き出した状態で配置されている。これにより、上述の着火性の向上効果がより一層確実に奏されることとなる。

構成４．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、前記軸線を含む断面において、
前記直線Ｌ４が、前記絶縁体の先端面の外形線と交差することを特徴とする。

上記構成４によれば、肩部及び本体部の境界部分において最も火花放電が生じやすい方向である直線Ｌ４上に絶縁体の先端面が位置している。従って、絶縁体の先端面により中心電極から主体金具側への飛火をより一層確実に阻害することができ、前記境界部分と主体金具との間における直接的に放電をより効果的に抑制することができる。その結果、非正規放電を一層確実に防止することができ、一層優れた耐フラッシュオーバー性を実現することができる。

スパークプラグの構成を示す一部破断正面図である。 絶縁碍子の先端部及び中心電極の先端部の構成を示す部分拡大断面模式図である。 （ａ）は、サンプル１の概略構成を示す部分拡大断面模式図であり、（ｂ）は、サンプル２の概略構成を示す部分拡大断面模式図である。 （ａ）は、サンプル３の概略構成を示す部分拡大断面模式図であり、（ｂ）は、サンプル４の概略構成を示す部分拡大断面模式図である。 （ａ）は、サンプル５の概略構成を示す部分拡大断面模式図であり、（ｂ）は、サンプル６の概略構成を示す部分拡大断面模式図である。 （ａ）は、サンプル７の概略構成を示す部分拡大断面模式図であり、（ｂ）は、サンプル８の概略構成を示す部分拡大断面模式図である。 耐フラッシュオーバー評価試験の結果を示すグラフである。 耐熱性評価試験の結果を示すグラフである。 （ａ）は、サンプルＡの概略構成を示す部分拡大断面模式図であり、（ｂ）は、サンプルＢの概略構成を示す部分拡大断面模式図である。 （ａ）は、サンプルＣの概略構成を示す部分拡大断面模式図であり、（ｂ）は、サンプルＤの概略構成を示す部分拡大断面模式図である。 耐熱性評価試験の結果を示すグラフである。 別の実施形態における、絶縁碍子の先端部等の構成を示す部分拡大断面模式図である。 別の実施形態における、スパークプラグの先端部の構成を示す一部破断拡大正面図である。 別の実施形態における、スパークプラグの先端部の構成を示す一部破断拡大正面図である。

以下に、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、スパークプラグ１を示す一部破断正面図である。尚、図１では、スパークプラグ１の軸線ＣＬ１方向を図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１の先端側、上側を後端側として説明する。

スパークプラグ１は、筒状をなす絶縁体としての絶縁碍子２、これを保持する筒状の主体金具３などから構成されるものである。

絶縁碍子２は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、その外形部において、後端側に形成された後端側胴部１０と、当該後端側胴部１０よりも先端側において径方向外向きに突出形成された大径部１１と、当該大径部１１よりも先端側においてこれよりも細径に形成された中胴部１２と、当該中胴部１２よりも先端側においてこれよりも細径に形成された脚長部１３とを備えている。加えて、絶縁碍子２のうち、大径部１１、中胴部１２、及び、大部分の脚長部１３は、主体金具３の内部に収容されている。そして、中胴部１２と脚長部１３との連接部にはテーパ状の段部１４が形成されており、当該段部１４にて絶縁碍子２が主体金具３に係止されている。

さらに、絶縁碍子２には、軸線ＣＬ１に沿って軸孔４が貫通形成されており、当該軸孔４の先端側には中心電極５が挿入、固定されている。当該中心電極５は、全体として棒状（円柱状）をなし、絶縁碍子２の先端から突出している。また、中心電極５は、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするＮｉ合金からなる外層５Ｂと、前記Ｎｉ合金よりも熱伝導性の高い銅、銅合金又は純Ｎｉからなる内層５Ａとを備えている。さらに、前記中心電極５の先端部５１には、貴金属合金（例えば、イリジウム合金）により形成された円柱状の貴金属チップ３１が接合されている。

また、軸孔４の後端側には、絶縁碍子２の後端から突出した状態で端子電極６が挿入、固定されている。

さらに、軸孔４の中心電極５と端子電極６との間には、円柱状の抵抗体７が配設されている。当該抵抗体７の両端部は、導電性のガラスシール層８，９を介して、中心電極５と端子電極６とにそれぞれ電気的に接続されている。

加えて、主体金具３は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面にはスパークプラグ１を内燃機関や燃料電池改質器等の燃焼装置に取付けるためのねじ部（雄ねじ部）１５が形成されている。また、ねじ部１５の後端側の外周面には座部１６が形成され、ねじ部１５後端のねじ首１７にはリング状のガスケット１８が嵌め込まれている。さらに、主体金具３の後端側には、スパークプラグ１を燃焼装置に取付ける際にレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部１９が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子２を保持するための加締め部２０が設けられている。尚、本実施形態においては、スパークプラグ１の小型化を図るべく、主体金具３が小径化されている。そのため、前記ねじ部１５のねじ径がＭ１２以下（例えば、Ｍ１０以下）とされている。

また、主体金具３の内周面には、絶縁碍子２を係止するためのテーパ状の段部２１が設けられている。そして、絶縁碍子２は、主体金具３の後端側から先端側に向かって挿入され、自身の段部１４が主体金具３の段部２１に係止された状態で、主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部２０を形成することによって固定されている。尚、絶縁碍子２及び主体金具３双方の段部１４，２１間には、円環状の板パッキン２２が介在されている。これにより、燃焼室内の気密性を保持し、燃焼室内に晒される絶縁碍子２の脚長部１３と主体金具３の内周面との間の空間に入り込む燃料ガスが外部に漏れないようになっている。

さらに、加締めによる密閉をより完全なものとするため、主体金具３の後端側においては、主体金具３と絶縁碍子２との間に環状のリング部材２３，２４が介在され、リング部材２３，２４間にはタルク（滑石）２５の粉末が充填されている。すなわち、主体金具３は、板パッキン２２、リング部材２３，２４及びタルク２５を介して絶縁碍子２を保持している。

また、主体金具３の先端部２６には、それぞれＮｉ合金により形成されるとともに、中間部分が曲げ返された平行電極２７Ａと、補助電極（本発明の接地電極に相当する）２７Ｂ，２７Ｃとが接合されている。

平行電極２７Ａは、先端部側面が前記貴金属チップ３１の先端面と対向するように配置されている。そして、平行電極２７Ａと貴金属チップ３１との間の間隙において、軸線ＣＬ１方向にほぼ沿った方向で気中放電が行われるようになっている。

また、前記補助電極２７Ｂ，２７Ｃは、それぞれの先端面が前記軸線ＣＬ１を挟んで対向するように配置されており、補助電極２７Ｂ，２７Ｃの先端面はそれぞれ中心電極５の側面に対して対向している。これにより、前記中心電極５の側面と補助電極２７Ｂ，２７Ｃとの間で、絶縁碍子２の表面を這うようにして火花放電が行われるようになっている。

すなわち、本実施形態におけるスパークプラグ１は、中心電極５及び平行電極２７Ａ間で火花放電が行われる、いわゆる平行電極型のプラグとしての機能と、中心電極５及び補助電極２７Ｂ，２７Ｃ間で火花放電が行われる、いわゆるセミ沿面放電型のプラグとしての機能とを兼ね備えた、いわゆるハイブリッド型のプラグである。

さて、図２は、本実施形態における絶縁碍子２の構成等を説明するための拡大断面模式図である。但し、断面図において一般的に付されるハッチングを説明の便宜上省略してある（図３〜図６、図９，１０，１２においても同様）。

本実施形態においては、図２に示すように、中心電極５は、前記貴金属チップ３１が接合された先端部５１から後端側に向けて拡径する肩部５２と、当該肩部５２から前記軸線ＣＬ１に沿って後端側に向けて延びる本体部５３とを有している。加えて、本体部５３の後端側には、後端側に向けて拡径するテーパ部５４が設けられている。

また、前記絶縁碍子２の先端面４１は、軸線ＣＬ１を含む断面において、絶縁碍子２の先端部外側面４２から前記軸孔４に向けて軸線ＣＬ１方向後端側へと傾斜するテーパ状をなしている。さらに、前記絶縁碍子２の先端面４１と先端部外側面４２とは湾曲面部４３によって連接されており、前記先端面４１と軸孔４との間には面取り部４４が形成されている。

併せて、前記絶縁碍子２の先端は、前記中心電極５の肩部５２及び本体部５３の境界よりも軸線ＣＬ１に沿って先端側に位置している一方で、中心電極５の先端部５１及び肩部５２の境界よりも軸線ＣＬ１に沿って後端側に位置している。さらに、中心電極５の内層５Ａの先端部が、前記肩部５２及び本体部５３の境界よりも軸線ＣＬ１に沿って先端側に位置している。

また、上述の通り、絶縁碍子２の先端面４１が、先端部外側面４２から軸孔４に向けて後端側へと傾斜するテーパ状をなしていることから、軸線ＣＬ１を含む断面において、直線Ｌ１と直線Ｌ３とがなす角のうち絶縁碍子２が存在する側の角度をＡ１（°）とし、直線Ｌ２と直線Ｌ３とがなす角のうち絶縁碍子２が存在する側の角度をＡ２（°）としたとき、Ａ１＞９０°、及び、Ａ２＜９０°を満たすものとなっている。

加えて、軸線ＣＬ１を含む断面において、肩部５２の外形線と本体部５３の外形線とのなす角のうち中心電極５側に存在する角度をＡ３（°）とし、直線Ｌ３と直線Ｌ５とがなす角のうち鋭角の角度をＡ４（°）とし、直線Ｌ４と直線Ｌ５とがなす角のうち鋭角の角度をＡ５（°）としたとき、Ａ４＞Ａ５、及び、Ａ３＞Ａ１を満たすように、絶縁碍子２及び中心電極５の形状が設定されている。

尚、「直線Ｌ１」とあるのは、軸線ＣＬ１を含む断面において、軸孔４の外形線を先端側に向けて延ばした直線をいい、「直線Ｌ２」とあるのは、軸線ＣＬ１を含む断面において、絶縁碍子２の先端部外側面４２の外形線を先端側に向けて延ばした直線をいう。加えて、「直線Ｌ３」とあるのは、軸線ＣＬ１を含む断面において、絶縁碍子２の先端面４１の外形線を延長した直線をいい、「直線Ｌ４」とあるのは、軸線ＣＬ１を含む断面において、肩部５２の外形線と本体部５３の外形線とのなす角Ａ３の二等分線をいう。さらに、「直線Ｌ５」とあるのは、軸線ＣＬ１に直交する直線をいう。

また、前記直線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、前記先端面４１に連接して形成された湾曲面部４３や面取り部４４を考慮することなく、略直線状に形成された軸孔４、先端面４１、及び、先端部外側面４２の外形線に基づいて設定される。

加えて、本実施形態においては、中心電極５にテーパ部５４を形成することで、本体部５３と軸孔４との間に、ある程度の大きさの間隙が形成されている。詳述すると、軸線ＣＬ１を含む断面において、肩部５２と本体部５３との境界点をＸ１とし、直線Ｌ１と直線Ｌ３との交点をＸ２としたとき、境界点Ｘ１と境界点Ｘ２との間の最短距離が０．２ｍｍ以上（より好ましくは、０．２５ｍｍ以上）とされている。

さらに、軸線ＣＬ１及び補助電極２７Ｂ（２７Ｃ）の先端面の中心ＣＰを含む断面において、前記直線Ｌ３が、補助電極２７Ｂ（２７Ｃ）の先端面の外形線のうち当該先端面の中心ＣＰよりも軸線ＣＬ１方向先端側に位置する線分と交差するように補助電極２７Ｂ，２７Ｃの先端位置が設定されている。

また、肩部５２と本体部５３との境界部分において放電が頻繁に生じてしまうことを防止すべく、前記角度Ａ３は極力大きなもの（例えば、１３５°以上。より好ましくは、１４０°以上）とされている。

以上詳述したように、本実施形態によれば、絶縁碍子２はＡ１＞９０°及びＡ２＜９０°を満たしており、絶縁碍子２の先端面４１が、先端部外側面４２から軸孔４側に向けて軸線ＣＬ１方向後端側に傾斜する形状とされている。従って、絶縁碍子２の沿面距離を比較的長くすることができる。

さらに、肩部５２と本体部５３との境界部分において火花放電が生じる際には、電界強度の最も高くなる直線Ｌ４方向に向かって放電が生じやすいところ、本実施形態によれば、絶縁碍子２の先端が前記境界部分よりも軸線ＣＬ１方向先端側に位置するとともに、Ａ４＞Ａ５を満たすように、すなわち、前記境界部分において火花放電が最も生じやすい方向よりも絶縁碍子２の先端面４１がより傾斜して構成されている。このため、絶縁碍子２の先端面４１によって主体金具３側への飛火をより確実に阻害することができ、前記境界部分と主体金具３との間で直接的に放電が生じてしまうことをより確実に防止できる。その結果、前記沿面距離を比較的長くできることと相俟って、耐フラッシュオーバー性が向上して、非正規放電の発生を効果的に防止することができる。

さらに、Ａ３＞Ａ１を満たすように構成されているため、Ａ１が過大なものとなってしまうことを防止できる。これにより、絶縁碍子２の先端外側部が軸線ＣＬ１方向先端側へと過度に突出してしまうことを抑制でき、耐熱性の向上や絶縁碍子２の破損防止を図ることができる。

併せて、本実施形態によれば、熱伝導性に優れる内層５Ａの先端部が、肩部５２及び本体部５３の境界よりも軸線ＣＬ１方向先端側に位置している。そのため、先端外側部が軸線ＣＬ１方向先端側へとやや突き出した形で構成される前記絶縁碍子２においても、その先端部の熱を効率よく引くことができる。これにより、耐熱性の更なる向上を図ることができる。

また、肩部５２及び本体部５３の境界部分と絶縁碍子２との間に０．２ｍｍ以上と十分に大きなクリアランスが形成されているため、前記境界部分と絶縁碍子２との間を絶縁破壊するために必要な電圧をより高くすることができる。従って、前記境界部分と絶縁碍子２との間における放電をより確実に防止することができ、ひいては非正規放電をより一層確実に防止することができる。

さらに、本実施形態においては、軸線ＣＬ１及び接地電極２７の先端面の中心ＣＰを含む断面において、直線Ｌ３が、接地電極２７の先端面の外形線のうち前記中心ＣＰよりも軸線ＣＬ１方向先端側に位置する線分と交差するように構成されている。従って、中心電極５及び接地電極２７間で放電が生じる際には、中心電極５と接地電極２７の先端角部のうち軸線ＣＬ１方向先端側に位置する部位との間で放電が生じやすくなる。つまり、燃焼室の中心により接近した位置にて火花が生じやすくなるとともに、接地電極２７による火炎の成長阻害が生じにくくなる。そのため、着火性の向上を図ることができる。

尚、本実施形態のように、ねじ部１５のねじ径がＭ１２以下と小径化された主体金具３は、絶縁碍子２との間の距離が比較的小さなものとなるため、非正規放電の発生がより懸念されるところであるが、上述の構成を満たすことによって、非正規放電をより確実に防止することができる。換言すれば、上記構成は、ねじ部１５のねじ径がＭ１２以下と小径化された主体金具３を備えてなるスパークプラグにおいて特に有意である。

次に、上記実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、実施例に相当するサンプル１，２、及び、比較例に相当するサンプル３〜６について、耐フラッシュオーバー評価試験を行った。耐フラッシュオーバー評価試験の概要は次の通りである。すなわち、各サンプルについて中心電極と補助電極（接地電極）との間の間隙の大きさを種々変更したものを複数用意するとともに、サンプルを排気量０．６６Ｌ、３気筒エンジンに取付けた上で、エンジンを全開状態（＝３５００ｒｐｍ）にて動作させた。そして、中心電極と主体金具との間で非正規放電が生じた際の前記間隙の大きさの増大量（非正規放電開始ギャップ増大量）を各サンプルごとに特定した。尚、非正規放電開始ギャップ増大量が大きいほど、非正規放電が発生しにくく、耐フラッシュオーバー性の面で優れることを意味する。

また、サンプル１〜６を、それぞれ次のように構成した。すなわち、サンプル１については、図３（ａ）に示すように、角度Ａ１を１１５°、角度Ａ２を６５°、角度Ａ３を１３９．５°、角度Ａ４を２５°、角度Ａ５を２０．２５°にそれぞれ設定するとともに、中心電極の内層の先端部が肩部及び本体部の境界よりも軸線方向先端側に位置し、かつ、境界点Ｘ１，Ｘ２間の最短距離が０．２５ｍｍとなるように構成した。また、サンプル２については、図３（ｂ）に示すように、角度Ａ１〜Ａ５の値及び前記内層の先端部の配置位置をそれぞれサンプル１と同一とした一方で、前記境界点Ｘ１，Ｘ２間の最短距離を０．１９ｍｍとした。すなわち、両サンプルともに、Ａ１＞９０°、Ａ２＜９０°、Ａ４＞Ａ５、及び、Ａ３＞Ａ１を満たすとともに、内層の先端部が前記肩部及び本体部の境界よりも軸線方向先端側に位置するように構成した。

一方で、サンプル３については、図４（ａ）に示すように、角度Ａ１を９０°、角度Ａ２を９０°、角度Ａ３を１３９．５°、角度Ａ４を０°、角度Ａ５を２０．２５°にそれぞれ設定し、Ａ１＞９０°及びＡ２＜９０°等を満たさないものとした。また、サンプル４については、図４（ｂ）に示すように、角度Ａ１を１１０°、角度Ａ２を７０°、角度Ａ３を１３９．５°、角度Ａ４を２０°、角度Ａ５を２０．２５°にそれぞれ設定し、Ａ４＞Ａ５を満たさないものとした。また、サンプル５については、図５（ａ）に示すように、角度Ａ１を１３９．５°、角度Ａ２を４０．５°、角度Ａ３を１３９．５°、角度Ａ４を４９．５°、角度Ａ５を２０．２５にそれぞれ設定し、Ａ３＞Ａ１を満たさないものとした。また、サンプル６については、図５（ｂ）に示すように、角度Ａ１〜Ａ５をそれぞれサンプル５と同一の値とする一方で、絶縁碍子の先端面と先端部外側面とを連結する湾曲面部の曲率半径を大きくし、絶縁碍子の先端がサンプル１，２における絶縁碍子の先端と軸線方向に沿った同位置に配置されるように設定した。尚、サンプル３〜６は、内層の先端部が前記肩部及び本体部の境界よりも軸線に沿って先端側に位置するように構成した。

さらに、前記サンプル１〜３及びサンプル５、並びに、比較例に相当するサンプル７，８について、ＪＩＳ Ｄ１６０６の規定に基づく耐熱性評価試験（プレイグニッション試験）を行った。耐熱性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、各サンプルを排気量１．６Ｌ、４気筒ＤＯＨＣエンジンに取付けた上で、エンジンを全開状態（＝５５００ｒｐｍ）にて動作させつつ、点火時期を正規の点火時期から徐々に進角させていき、サンプルに印加されるイオン電流の波形に基づいてプレイグニッションが発生した点火時期（プレイグニッション発生進角）を特定した。尚、プレイグニッション発生進角が大きいほど、プレイグニッションが発生しにくい、すなわち耐熱性に優れることを意味する。

また、サンプル７，８を、それぞれ次のように構成した。すなわち、サンプル７については、図６（ａ）に示すように、角度Ａ１〜Ａ５をそれぞれサンプル１と同一の値とする一方で、前記中心電極の内層の先端が、肩部及び本体部の境界と軸線方向に沿った同位置に配置されるように設定した。また、サンプル８については、図６（ｂ）に示すように、サンプル７と同様に、角度Ａ１〜Ａ５をそれぞれサンプル１と同一の値とする一方で、前記内層の先端が、肩部及び本体部の境界から軸線に沿って１．０ｍｍ後端側に配置されるように設定した。

図７に、耐フラッシュオーバー評価試験の試験結果を示し、図８に、耐熱性評価試験の結果を示す。

図７及び図８に示すように、Ａ１＞９０°及びＡ２＜９０°等を満たさないサンプル３は、耐熱性の面では優れていたものの、非正規放電開始ギャップ増大量が非常に小さくなってしまい、非正規放電が非常に発生しやすいことが明らかとなった。これは、絶縁碍子の先端面が軸線と直交する方向に延びていたため、絶縁碍子の沿面距離を十分に確保できなかったためであると考えられる。

また、Ａ４＞Ａ５を満たさないサンプル４についても、非正規放電開始ギャップ増大量が小さくなってしまい、非正規放電が発生しやすいことが分かった。これは、肩部と本体部との境界部分において火花放電が生じる際には、電界強度の最も高くなる直線Ｌ４方向に向かって放電が生じやすいところ、前記境界部分において火花放電が最も生じやすい方向よりも絶縁体の先端面がより緩やかな傾斜であったため、前記境界部分における放電が絶縁碍子の先端面に阻害されることなく、主体金具へと至りやすくなってしまったためであると考えられる。

さらに、Ａ３＞Ａ１を満たさないサンプル５については、絶縁碍子の沿面距離を十分に確保することができ、耐フラッシュオーバー性に優れていたものの、耐熱性が不十分となってしまうことが明らかとなった。これは、絶縁碍子の先端部の体積が減少するとともに、絶縁碍子の先端外側部が軸線方向先端側に過度に突き出してしまったため、絶縁碍子の先端部が過熱されてしまったためであると考えられる。

尚、本試験においては、角度Ａ３を一定とした上で、角度Ａ１を変更することにより、サンプル５がＡ３＞Ａ１を満たさないものとなっていたが、角度Ａ３を小さくすることによりＡ３＞Ａ１を満たさないものとした場合には、次の問題が生じることが確認された。すなわち、肩部と本体部とのなす角度がより小さなものとなるため、電圧が印加された際に両者の境界部分において放電が生じやすくなり、その結果、非正規放電が発生しやすくなってしまった。つまり、Ａ３＞Ａ１を満たさない場合には、耐熱性及び耐フラッシュオーバー性の少なくとも一方において十分な性能を確保することができないおそれがあるといえる。

また、角度Ａ１〜Ａ５等についてはサンプル５と同様の構成とした一方で、湾曲面部の曲率半径を大きくし、絶縁碍子の先端部の体積減少等を図ったサンプル６は、非正規放電が発生しやすく、耐フラッシュオーバー性にやや劣ることが分かった。これは、沿面距離が比較的短くなってしまったことや、湾曲面部の曲率半径が大きいため、放電が絶縁碍子の表面を這いやすくなってしまったことに起因すると考えられる。

加えて、前記内層の先端位置を、肩部及び本体部の境界に対して軸線に沿って同位置又は後端側に配置したサンプル７，８は、耐熱性に劣ることが確認された。これは、絶縁碍子の先端部と熱伝導性に優れた内層との距離が比較的大きかったため、絶縁碍子の先端部の熱を主体金具側へと十分に引くことができなかったためであると考えられる。

以上の比較例に相当するサンプル３〜８に対して、実施例に相当するサンプル１，２は、耐フラッシュオーバー性及び耐熱性の双方において優れた性能を有することが明らかとなった。これは、次の（１）〜（４）の要因が相乗的に作用したためであると考えられる。すなわち、
（１）Ａ１＞９０°及びＡ２＜９０°を満たし、絶縁碍子の先端面をその外側部から軸孔側に向けて軸線方向後端側に傾斜させたことで、沿面距離を十分に確保できたこと。
（２）Ａ４＞Ａ５を満たし、前記境界部分において火花放電が最も飛びやすい方向の角度よりも、絶縁碍子の先端面の角度を大きくしたことで、前記境界部分における放電が絶縁碍子の先端面に阻害される形となり、境界部分と主体金具との間における非正規放電をより確実に防止できたこと。
（３）Ａ３＞Ａ１を満たすことで、絶縁碍子の先端面を傾斜させたことに伴う絶縁碍子の先端部の体積減少や前記境界部分における放電を抑制できたこと。
（４）内層の先端位置を肩部及び本体部の境界から軸線に沿って先端側に配置したことで、上述のように先端外側部が軸線方向先端側へとやや突き出して形成された絶縁碍子においても、その先端部の熱を効率よく引くことができたこと。
という各要因が相乗的に作用したことによると考えられる。

また特に、境界点Ｘ１，Ｘ２間の最短距離を０．２ｍｍ以上としたサンプル１は、非正規放電がより一層発生しにくくなり、耐フラッシュオーバー性に極めて優れることが明らかとなった。これは、前記境界部分と絶縁碍子との間を絶縁破壊するために必要な電圧をより高くすることができたためであると考えられる。従って、非正規放電をより確実に防止し、耐フラッシュオーバー性の更なる向上を図るという観点から、境界点Ｘ１，Ｘ２間の最短距離を０．２ｍｍ以上とすることがより好ましいといえる。

次いで、サンプルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄについて、着火性評価試験を行った。着火性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、各サンプルを排気量１．５Ｌ、４気筒エンジンに取付けた上で、エンジンをアイドリング状態（＝１２００ｒｐｍ）にて動作させた。そして、空燃比を変更しながら、各空燃比ごとにエンジントルクの変動率を測定した。尚、エンジントルクの変動率が小さいほど、着火性に優れることを意味する。

また、各サンプルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを、それぞれ次のように構成した。すなわち、サンプルＡについては、図９（ａ）に示すように、絶縁碍子や中心電極の構成を上述のサンプル１と同様とした上で、軸線及び補助電極の先端面の中心を含む断面において、直線Ｌ３が、補助電極の先端面の外形線のうち当該先端面の中心よりも軸線方向先端側に位置する線分と交差するように補助電極を配置した。

一方で、サンプルＢについては、図９（ｂ）に示すように、絶縁碍子や中心電極の構成を上述のサンプル３と同様とした上で、絶縁碍子の先端面の延長線上に補助電極の先端面の中心が位置するように構成した。また、サンプルＣについては、図１０（ａ）に示すように、絶縁碍子等を上述のサンプル１と同様の構成とした上で、補助電極の先端位置を軸線方向後端側にずらすことで、直線Ｌ３と補助電極の先端面とが交差しないように構成した。さらに、サンプルＤについては、図１０（ｂ）に示すように、絶縁碍子等を上述のサンプル１と同様の構成とした上で、補助電極の先端位置を軸線方向先端側にずらすことで、軸線及び補助電極の先端面の中心を含む断面において、直線Ｌ３が、補助電極の先端面の外形線のうち当該先端面の中心よりも軸線方向後端側に位置する線分と交差するように構成した。

尚、着火性評価試験では、補助電極の先端位置による着火性への影響を正確に把握するため、サンプルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは平行電極を設けることなく、中心電極から補助電極のみへの飛火となるようにして試験を行った。

図１１に、着火性評価試験の試験結果を示す。

図１１に示すように、サンプルＢ，Ｃ，Ｄは、空燃比を大きくする（燃料を薄くする）に従ってエンジントルクの変動率が大きくなってしまい、着火性が不十分となってしまうことが明らかとなった。これは、中心電極の肩部及び本体部の境界部分と補助電極との間で火花放電が生じた際に、燃焼室の中心からより離間した位置にて火花が生じてしまったり、補助電極によって火炎の成長が阻害されてしまったりしたためであると考えられる。

これに対して、サンプルＡは、空燃比を大きくし、燃焼状態が不安定となりやすい条件下においても、エンジントルクの変動率が比較的小さく、着火性に優れることが明らかとなった。これは、中心電極の肩部及び本体部の境界部分と、補助電極の先端角部のうち軸線方向先端側に位置する部位との間で火花放電が生じやすくなったこと、すなわち燃焼室の中心により接近した位置にて火花が生じやすくなり、また、補助電極による火炎の成長阻害が生じにくくなったことに起因すると考えられる。

以上、当該試験の結果を勘案して、着火性の向上を図るべく、軸線及び補助電極（接地電極）の先端面の中心を含む断面において、直線Ｌ３が、接地電極の先端面の外形線のうち当該先端面の中心よりも軸線方向先端側に位置する線分と交差するように構成することが好ましいといえる。

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

（ａ）上記実施形態においては特に記載していないが、図１２に示すように、軸線ＣＬ１を含む断面において、前記直線Ｌ４が、絶縁碍子２の先端面４１の外形線と交差するように中心電極５や絶縁碍子２を構成することとしてもよい。この場合には、絶縁碍子２の先端面４１によって主体金具３側への飛火をより一層確実に阻害することができ、肩部５２及び本体部５３の境界部分と主体金具３との間における直接的に放電をより効果的に抑制することができる。その結果、一層優れた耐フラッシュオーバー性を実現することができる。

（ｂ）上記実施形態におけるスパークプラグ１は、平行電極２７Ａ、及び、補助電極２７Ｂ，２７Ｃを備えてなる、いわゆるハイブリッド型のものであるが、本発明の技術思想を適用可能なスパークプラグの構成はこれに限定されるものではない。従って、例えば、図１３に示すように、先端部側面が中心電極５（貴金属チップ３１）の先端面に対向する接地電極３７を備えてなる、いわゆる平行電極型のスパークプラグ１Ａに本発明の技術思想を適用することとしてもよい。また、図１４に示すように、先端面が中心電極５（貴金属チップ３１）の側面に対向する一対の接地電極４７Ａ，４７Ｂを備えてなる、いわゆるセミ沿面放電型のスパークプラグ１Ｂに本発明の技術思想を適用することとしてもよい。尚、セミ沿面放電型のスパークプラグ１Ｂにおける接地電極の数は２本に限定されるものではなく、１本又は３本以上であってもよい。

（ｃ）上記実施形態では、境界点Ｘ１，Ｘ２間の最短距離が０．２ｍｍ以上とされているが、境界点Ｘ１，Ｘ２間の最短距離を０．２ｍｍ未満としてもよい。

（ｄ）上記実施形態では、中心電極５にテーパ部５４が形成されているが、テーパ部５４を形成することなく中心電極５を構成することとしてもよい。

（ｅ）上記実施形態における中心電極５は、内層５Ａ及び外層５Ｂからなる２層構造とされているが、３層構造或いは４層以上の多層構造をなしていてもよい。従って、例えば、外層５Ｂの内側に銅合金或いは純銅で構成された中間層を設けるとともに、当該中間層の内側に純ニッケルで構成された最内層を設けることとしてもよい。尚、中心電極５が３層構造以上をなす場合には、外層５Ｂの内側に位置し、当該外層５Ｂよりも良熱伝導性金属を含んでなる複数の層が内層５Ａに相当する。例えば、上述した中間層及び最内層を設ける構成を採用した場合、中間層及び最内層が内層５Ａに相当することとなる。

（ｆ）上記実施形態においては、中心電極５の先端部に貴金属チップ３１が接合されているが、貴金属チップ３１を設けないこととしてもよい。

（ｇ）上記実施形態において、ねじ部１５のねじ径はＭ１２以下とされているが、ねじ部１５のねじ径はこれに限定されるものではない。従って、ねじ部１５のねじ径をＭ１２以上としてもよい。

（ｈ）上記実施形態では、主体金具３の先端部２６の先端面に、接地電極２７が接合される場合について具体化しているが、主体金具の一部（又は、主体金具に予め溶接してある先端金具の一部）を削り出すようにして接地電極を形成する場合についても適用可能である（例えば、特開２００６−２３６９０６号公報等）。また、主体金具３の先端部２６の側面に接地電極２７を接合することとしてもよい。

（ｉ）上記実施形態では、工具係合部１９は断面六角形状とされているが、工具係合部１９の形状に関しては、このような形状に限定されるものではない。例えば、Ｂｉ−ＨＥＸ（変形１２角）形状〔ＩＳＯ２２９７７：２００５（Ｅ）〕等とされていてもよい。

１，１Ａ，１Ｂ…スパークプラグ、２…絶縁碍子（絶縁体）、３…主体金具、４…軸孔、５…中心電極、５Ａ…内層、５Ｂ…外層、２７Ａ…平行電極、２７Ｂ，２７Ｃ…補助電極（接地電極）、４１…（絶縁碍子の）先端面、４２…（絶縁碍子の）先端部外側面、５１…（中心電極の）先端部、５２…肩部、５３…本体部、ＣＬ１…軸線。

Claims (4)

1. 軸線に沿って延びる軸孔を有する絶縁体と、
   前記軸孔の先端側に挿通され、先端が前記絶縁体の先端よりも先端側に位置する中心電極と、
   前記絶縁体の外周に設けられる筒状の主体金具とを備え、
   前記中心電極が、
   自身の先端部の後端から後端側に向けて拡径する肩部と、
   前記肩部の後端から前記軸線に沿って後端側に向けて延びる本体部とを有するとともに、
   前記中心電極は、外層、及び、当該外層の内部に設けられ、当該外層よりも良熱伝導性素材を含んでなる内層からなる多層構造をなすスパークプラグであって、
   前記絶縁体の先端部には、当該絶縁体の外周面と前記軸孔とに連接されつつ後端側に向けて傾斜する先端面が形成されており、
   前記絶縁体の先端が、前記中心電極の肩部及び本体部の境界よりも先端側に位置するとともに、
   前記内層の先端部が、前記中心電極の肩部及び本体部の境界よりも前記軸線に沿って先端側に位置し、
   前記軸線を含む断面において、
   前記軸孔の外形線を先端側に向けて延ばした直線を直線Ｌ１とし、
   前記絶縁体の先端部外側面の外形線を先端側に向けて延ばした直線を直線Ｌ２とし、
   前記絶縁体の先端面の外形線を延長した直線を直線Ｌ３とし、
   前記肩部の外形線と前記本体部の外形線とのなす角の二等分線を直線Ｌ４とし、
   前記軸線に直交する直線を直線Ｌ５としたとき、
   下記の角度Ａ１、角度Ａ２、角度Ａ３、角度Ａ４、及び、角度Ａ５がそれぞれ次の式（１）、式（２）、式（３）、及び、式（４）を満たすことを特徴とするスパークプラグ。
   Ａ１＞９０°…（１）
   Ａ２＜９０°…（２）
   Ａ４＞Ａ５…（３）
   Ａ３＞Ａ１…（４）
   角度Ａ１：直線Ｌ１と直線Ｌ３とがなす角のうち絶縁体が存在する側の角度
   角度Ａ２：直線Ｌ２と直線Ｌ３とがなす角のうち絶縁体が存在する側の角度
   角度Ａ３：前記肩部の外形線と前記本体部の外形線とのなす角の角度
   角度Ａ４：直線Ｌ３と直線Ｌ５とがなす角のうち鋭角の角度
   角度Ａ５：直線Ｌ４と直線Ｌ５とがなす角のうち鋭角の角度
2. 前記軸線を含む断面において、
   前記肩部及び前記本体部の境界点をＸ１とし、前記直線Ｌ１及び前記直線Ｌ３の交点をＸ２としたとき、前記境界点Ｘ１と前記境界点Ｘ２との間の最短距離が０．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記中心電極の側面に対して先端面が対向する接地電極を備え、
   前記軸線及び前記接地電極の先端面の中心を含む断面において、
   前記直線Ｌ３が、前記接地電極の先端面の外形線のうち当該先端面の中心よりも軸線方向先端側に位置する線分に交差することを特徴とする請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
4. 前記軸線を含む断面において、
   前記直線Ｌ４が、前記絶縁体の先端面の外形線と交差することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスパークプラグ。

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