JP2016012410A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】耐電圧性の向上と、中心電極の酸化の抑制と、横飛火の抑制とを同時に達成すること。【解決手段】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、軸孔内に挿入された中心電極とを備える。絶縁体は、第１円柱部と、１円柱部の先端側に形成され、先端側に向かって外径が縮小する円錐台形状部と、円錐台形状部の先端側に形成された第２円柱部とを備える。中心電極の直径Ｃは２．２ｍｍ以下である。円錐台形状部の体積および第２円柱部の体積の合計Ｉ、軸線方向における円錐台形状部の後端位置から第２円柱部の先端位置までの中心電極の体積Ｅ、並びに、直径Ｃが、Ｉ／Ｅ≧４．２３３３Ｃ２−１９．７９Ｃ＋２４．８６９を満たす。【選択図】図２

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

一般的なスパークプラグは、主体金具と、中心電極と、絶縁体とを備える。絶縁体の形状として、後端側から順に、第１円柱部と、円錐台形状部と、第１円柱部よりも外径が小さい第２円柱部とを備えたものが知られている。第１円柱部とは、主体金具の内部に形成された円柱状の部位である。円錐台形状部とは、第１円柱部の先端側に形成され、先端側に向かって外径が縮小する部位である。第２円柱部とは、円錐台形状部の先端側に形成された部位であり、少なくとも一部が主体金具の先端面から突き出た部位である。第１円柱部、円錐台形状部、及び第２円柱部は何れも中空であり、その空間に中心電極が配置される（例えば特許文献１）。

一方で、近年、エンジンの圧縮比が高くなる傾向があり、スパークプラグに対して、正規の放電位置（ギャップ）で放電させるための電圧（要求電圧）が高くなっている。要求電圧が高くなると、耐電圧性の要求が厳しくなると共に、横飛火（絶縁体と主体金具との間の放電）が発生しやすくなる。横飛火は、特に、主体金具の先端面付近において発生しやすい。

特開２００５−１８３１７７号公報

スパークプラグ全体のサイズを大きくせずに、耐横飛火性や耐電圧性を向上させるには、中心電極の径を細くすることが有効である。しかし、中心電極の径が細くなると、中心電極の熱容量が小さくなるため、中心電極の温度が上昇しやすくなり、中心電極の酸化が促進されてしまう。よって、従来、中心電極の径を細くすることは難しかった。

横飛火を抑制する別の手法として、主体金具の先端面付近において、主体金具の内周から絶縁体の外周を、径方向にできるだけ離すというものがある。この手法は、絶縁体の外径を細くすることで実現できる。

しかし、絶縁体の外径を細くしつつ、絶縁体の厚みを確保しようとすると、絶縁体の内部に配置された中心電極を細くすることになり、上記の問題を引き起こす。一方で、絶縁体を薄くすると、絶縁体の熱容量が小さくなり、中心電極の温度が上昇しやすくなる。この結果、中心電極の酸化が促進されてしまう。

従来、上記のようなジレンマがあるため、耐電圧性の向上と、中心電極の酸化の抑制と、横飛火の抑制とを同時に達成することは、困難であった。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、軸線に沿って延びる軸孔を有する絶縁体と；前記軸孔内に挿入された中心電極と；前記絶縁体の外周に配置され、径方向内側に盛り上がった棚部が内周に形成された主体金具と；前記主体金具の先端に配置された接地電極と、を備え；前記絶縁体は；前記棚部の少なくとも一部に対向する位置に形成された第１円柱部と；前記第１円柱部の先端側に形成され、先端側に向かって外径が縮小する円錐台形状部と；前記円錐台形状部の先端側に形成された第２円柱部とを備えたスパークプラグが提供される。このスパークプラグは；前記軸線方向について前記棚部に対向する位置において、前記中心電極の直径Ｃは２．２ｍｍ以下であり；前記円錐台形状部の体積および前記第２円柱部の体積の合計Ｉ、前記軸線方向における前記円錐台形状部の後端位置から前記第２円柱部の先端位置までの前記中心電極の体積Ｅ、並びに、前記直径ＣがＩ／Ｅ≧４．２３３３Ｃ２−１９．７９Ｃ＋２４．８６９を満たすこと特徴とする。

この形態によれば、耐電圧性の向上と、横飛火の抑制と、中心電極の酸化の抑制とを同時に達成できる。耐電圧性が向上する理由は、中心電極の径が細いので（２．２ｍｍ以下）、第１円柱部の厚みが確保しやすいからである。横飛火と中心電極の酸化とが抑制されるのは、上記Ｉ／Ｅが適切な範囲に設定されているからである。つまり、中心電極の径が細い場合において、上記Ｉ／Ｅが適切に設定されることによって、主体金具から絶縁体までの距離と、絶縁体の熱容量とのバランスが適切なものになり、横飛火と中心電極の酸化とが抑制される。

（２）上記形態において、前記合計Ｉと、前記体積Ｅと、前記直径Ｃとが次式を満たすことＩ／Ｅ≧６．１３３３Ｃ２−２７．１８Ｃ＋３２．３０１を特徴とする。この形態によれば、中心電極の酸化が更に抑制される。

（３）上記形態において、前記第１円柱部の前記軸線方向における先端位置は、前記棚部の前記第１円柱部に対向する面の前記軸線方向における先端位置よりも、先端側にあることを特徴とする。この形態によれば、対向面の先端位置において、絶縁体の耐電圧性が向上する。軸線方向について対向面と円錐台形状部との位置がずれており、対向面に対向する位置における絶縁体の厚さが確保されるからである。

（４）上記形態において、前記第２円柱部の前記軸線方向における後端位置は、前記主体金具の先端面の位置よりも１．５ｍｍ以上、後端側であることを特徴とする。この形態によれば、横飛火が更に抑制される。この形態の場合、第２円柱部と円錐台形状部との境界が、主体金具の先端面の位置よりも１．５ｍｍ以上、後端側に位置する。燃焼室内の燃焼に伴う絶縁体の汚損は、絶縁体の外径が太い方が発生しやすいので、上記境界付近や、上記境界よりも後端側で発生しやすい。汚損が発生した部位では、横飛火が誘発される。そこで、この形態のように、汚損が発生しやすい部位と、もともと横飛火が発生しやすい主体金具の先端面とを１．５ｍｍ以上、離せば、横飛火が更に抑制される。

（５）上記形態において、前記第２円柱部の前記軸線方向の長さは、４ｍｍ以上であり；前記軸線を含む断面において、前記円錐台形状部の先端側直線と、前記第２円柱部を延長した直線と、前記絶縁体の外径線とで囲まれた肉盛り部の面積は、片側で０．０２ｍｍ^２以上であることを特徴とする。この形態によれば、第２円柱部が長くても（４ｍｍ以上）、絶縁体の折損が抑制される。高圧縮比のエンジンの場合、燃焼室で高圧が発生する現象が知られている。このような高圧が発生した場合、第２円柱部に大きな力が掛かり、第２円柱部と円錐台形状部との境界で折損が生じやすくなる。よって、この折損は、第２円柱部が長い方が、より発生しやすい。そこで、この形態のような断面積を有する肉盛り部を設ければ、境界が補強され、上記効果を得ることができる。

（６）上記形態において、前記主体金具の外周には、雄ねじが形成され；前記雄ねじの呼び径は、Ｍ１４であることを特徴とする。この形態によれば、雄ねじの呼び径がＭ１４という、中心電極の酸化に厳しい条件でも、中心電極の酸化を抑制できる。中心電極の径が細く、且つ雄ねじの呼び径がＭ１４であると、絶縁体の外周と主体金具の内周との間の空間の体積が大きくなる。この空間の体積が大きくなると、この空間内のガスの熱容量が大きくなる。この結果、中心電極の温度が上昇しやすくなり、ひいては中心電極の酸化が促進される。しかし、この形態によれば、上記Ｉ／Ｅが適切に設定されているので、中心電極の酸化を抑制できる。

（７）上記形態において、圧縮比９．５以上の過給機付きエンジンと、圧縮比１１以上の自然吸気エンジンとの少なくとも何れかに用いられることを特徴とする。この形態によれば、圧縮比９．５以上の過給機付きエンジンと、圧縮比１１以上の自然吸気エンジンとの何れかに用いられる場合に、上記効果を得ることができる。

本発明は、装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、スパークプラグの製造方法等の形態で実現することができる。

スパークプラグを示す部分断面図。 スパークプラグの先端近傍の断面図。 範囲Ｋの拡大図。 中心電極の評価試験を示すテーブル（中心電極がφ１．７ｍｍの場合）。 中心電極の評価試験を示すテーブル（中心電極がφ１．９ｍｍの場合）。 中心電極の評価試験を示すテーブル（中心電極がφ２．２ｍｍの場合）。 中心電極の評価試験に関するグラフ。 耐汚損性についての試験結果を示すテーブル。 耐折損性についての試験結果を示すテーブル。 絶縁性についての試験結果を示すテーブル。 中心電極の評価試験に関するグラフ。 中心電極の評価試験に関するグラフ。

図１は、スパークプラグ１００を示す部分断面図である。以下では、図１に示す軸線方向ＯＤを、図面における上下方向と定義し、下側をスパークプラグの先端側、上側を後端側と定義して説明する。図１は、軸線Ｏの右側にスパークプラグ１００の外観を示し、軸線Ｏの左側にスパークプラグ１００の断面を示す。

スパークプラグ１００は、ガソリンエンジンのエンジンヘッド２００に取り付けられる装置であり、先端の電極間において火花放電を生じさせることによって、燃焼室内における混合気に点火する。

スパークプラグ１００は、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とを備えている。絶縁碍子１０は、絶縁体として機能する部材であり、軸線Ｏに沿って延びる軸孔１２を有している。中心電極２０は、軸線Ｏに沿って延びる棒状の電極であり、絶縁碍子１０の軸孔１２内に挿入された状態で保持されている。主体金具５０は、絶縁碍子１０の外周を囲む筒状の部材であり、絶縁碍子１０を内部に固定している。

接地電極３０は、一端が主体金具５０の先端に固定され、他端が中心電極２０と対向する電極である。端子金具４０は、給電を受けるための端子であり、中心電極２０に電気的に接続されている。スパークプラグ１００がエンジンヘッド２００に取り付けられた状態で、端子金具４０とエンジンヘッド２００との間に高電圧が印加されると、中心電極２０と接地電極３０との間に火花放電が生じる。以下、各部材の詳細について説明する。

絶縁碍子１０は、セラミックによって形成された筒状の絶縁体であり、軸線方向ＯＤに延びる軸孔１２が軸線Ｏに沿って形成されている。本実施形態では、絶縁碍子１０は、アルミナを焼成することによって形成されている。絶縁碍子１０の軸線方向ＯＤの略中央には、外径が最も大きな鍔部１９が形成されており、鍔部１９より後端側には、後端側胴部１８が形成されている。鍔部１９より先端側には、後端側胴部１８よりも外径の小さな先端側胴部１７が形成されている。先端側胴部１７よりもさらに先端側には、第１円柱部１３と、円錐台形状部１４と、第２円柱部１５とが形成されている。円錐台形状部１４の外径は、先端側に近づくに連れて小さくなっている。スパークプラグ１００がエンジンヘッド２００に取り付けられた状態において、円錐台形状部１４及び第２円柱部１５は、燃焼室内のガスに曝される。第１円柱部１３と先端側胴部１７との間には、外周側段部１６が形成されている。

中心電極２０は、絶縁碍子１０の軸孔１２内に配置され、後端側から先端側に向かって延びた棒状の部材である。中心電極２０の先端は、絶縁碍子１０の先端側において露出している。中心電極２０の先端には、電極チップ２９が設けられている。電極チップ２９は、白金合金又はイリジウム合金等により形成され、溶接によって電極母材２１の先端に結合している。中心電極２０は、径方向に突出した中心電極鍔部２５を備える。

中心電極２０は、電極母材２１の内部に、芯材２２が埋設された構造を有している。電極母材２１は、インコネル６００（INCONELは登録商標）等のニッケル合金によって形成されている。芯材２２は、電極母材２１よりも高い熱伝導率を有する金属によって形成されている。具体的には、銅を主体とする合金と、銅との何れかによって形成されている。

絶縁碍子１０の軸孔１２内のうち、中心電極２０の後端側には、シール体４及びセラミック抵抗３が設けられている。中心電極２０は、シール体４及びセラミック抵抗３を介して、端子金具４０に電気的に接続されている。

主体金具５０は、低炭素鋼材によって形成された筒状の金具であり、絶縁碍子１０を内部に保持している。低炭素鋼材とは、例えば、Ｓ１７ＣやＳ２５Ｃである。絶縁碍子１０の後端側胴部１８の一部から第２円柱部１５の一部にかけての部位は、主体金具５０によって囲まれている。

主体金具５０の外周には、工具係合部５１と、ねじ部５２とが形成されている。工具係合部５１は、スパークプラグレンチ（図示せず）が嵌合する部位である。主体金具５０のねじ部５２は、ねじ山が形成された部位であり、エンジンヘッド２００の取付ねじ孔２０１に螺合する。スパークプラグ１００は、主体金具５０のねじ部５２をエンジンヘッド２００の取付ねじ孔２０１に螺合させて締め付けることによって、エンジンヘッド２００に固定される。なお、本実施形態のねじ部５２の呼び径は、Ｍ１４である。

主体金具５０の工具係合部５１とねじ部５２との間には、径方向外側に突き出たフランジ状の鍔部５４が形成されている。ねじ部５２と鍔部５４との間のねじ首５９には、環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、板体を折り曲げることによって形成されており、スパークプラグ１００がエンジンヘッド２００に取り付けられた際には、鍔部５４の座面５５と取付ねじ孔２０１の開口周縁部２０５との間で押し潰されて変形する。ガスケット５の変形によって、スパークプラグ１００とエンジンヘッド２００との隙間が封止され、取付ねじ孔２０１を介した燃焼ガスの漏出が抑制される。

主体金具５０の工具係合部５１よりも後端側には、薄肉の加締部５３が形成されている。鍔部５４と工具係合部５１との間には、薄肉の座屈部５８が形成されている。主体金具５０の工具係合部５１から加締部５３にかけての内周面と、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の外周面との間には、円環状のリング部材６，７が挿入されている。さらに両リング部材６，７の間には、タルク（滑石）９の粉末が充填されている。スパークプラグ１００の製造工程において、加締部５３が内側に折り曲げられて加締められると、座屈部５８は、圧縮力の付加に伴って外向きに座屈変形するとともに、主体金具５０と絶縁碍子１０とが固定される。タルク９は、加締め工程の際に圧縮され、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性が高められる。

図１に示された接地電極３０は、主体金具５０の先端に接合された電極であり、耐腐食性の優れた合金によって形成されていることが好ましい。本実施形態における接地電極３０は、ニッケルと、ニッケルを主成分とする合金（例えばインコネル６００やインコネル６０１等）との何れかによって形成されている。接地電極３０と主体金具５０との接合は、例えば、溶接によって実現される。接地電極３０の先端部３３は、中心電極２０の先端と対向している。

端子金具４０には、プラグキャップ（図示せず）を介して高圧ケーブル（図示せず）が接続される。先述したように、端子金具４０とエンジンヘッド２００との間に高電圧が印加されると、接地電極３０と中心電極２０との間に火花放電が生じる。

図２は、スパークプラグ１００の先端近傍の断面を拡大して示す。主体金具５０の内周には、径方向内側に突出した棚部５７が形成されている。棚部５７と、絶縁碍子１０の外周側段部１６との間には、環状の板パッキン８が設けられている。主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は、板パッキン８によっても確保され、燃焼ガスの漏出が抑制される。

図２に示すように、絶縁碍子１０は、第１円柱部１３と、円錐台形状部１４と、第２円柱部１５とを備える。第１円柱部１３は、棚部５７の少なくとも一部に対向する位置に配置される部位である。本実施形態における第１円柱部１３は、棚部５７の全体に対向する。円錐台形状部１４は、第１円柱部１３の先端側に形成される。第２円柱部１５は、円錐台形状部１４よりも先端側に形成される。第１円柱部１３、円錐台形状部１４、及び第２円柱部１５は、絶縁碍子１０の他の部位と共に、一体形成される。

第１円柱部１３及び第２円柱部１５は、中空の円柱形状、つまり円筒形状である。円錐台形状部１４は、中空の円錐台形状である。第２円柱部１５の外径は、第１円柱部１３の外径よりも小さい。円錐台形状部１４の外径は、先端側に向かって縮小する。第２円柱部１５の先端は、図２にＲ１として示されているように、丸みを帯びた形状になっている。つまり、第２円柱部１５の先端にはＲが設けられている。

図３は、図２に示された範囲Ｋの拡大図である。図３に示すように、絶縁碍子１０は、肉盛り部６０を備える。本実施形態では、肉盛り部６０を、円錐台形状部１４及び第２円柱部１５とは別の部位と見なす。肉盛り部６０は、軸線Ｏを含む断面において、円錐台形状部１４の先端側の直線と、第２円柱部１５を延長した直線と、絶縁碍子１０の外径線とで囲まれた部位である。本実施形態では、肉盛り部６０は、Ｒ形状（断面が円弧形状）を有する。なお、肉盛り部６０は、円錐台形状部１４及び第２円柱部１５と一体形成される。

図３に示すように、円錐台形状部１４と第２円柱部１５との境界は、円錐台形状部１４の先端側直線と、第２円柱部１５を延長した直線との交点を通り、軸線Ｏと直交する線分によって定められる。

以下、図２に示した寸法について説明する。φＣは、中心電極鍔部２５（図１）よりも先端側における中心電極２０の外径である。なお、本実施形態における中心電極２０は、図２に示されたように、第２円柱部１５と対向する部位において、先端に向かって縮径するテーパ形状を有する。φＣは、このテーパ形状よりも後端側における外径を指す。このテーパ形状及び上記テーパ形状よりも先端側は、絶縁碍子１０の先端付近に堆積したカーボン等を、絶縁碍子１０と中心電極２０との間の微小放電によって燃焼させ、除去するために設けられている。

上記テーパ形状よりも先端側の外径は、図２に示すようにφＣｔである。上記φＣｔとテーパ形状との境界の軸線方向ＯＤの位置は、絶縁碍子１０の先端面と同じか、絶縁碍子１０の先端面よりも後端側に３ｍｍまでの範囲に収まっていることが好ましい。つまり、図２に示された長さｗが、０ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。以下、特にことわりなく位置といえば、軸線方向ＯＤの位置を意味するものとする。

φＨは、絶縁碍子１０の内径であり、１ｍｍ以上３ｍｍ以下が好ましい。先述したφＣは、（φＨ−０．２ｍｍ）以上（φＨ−０．０３ｍｍ）以下であることが好ましい。φＺ１は、第１円柱部１３の外径である。φＺ２は、第２円柱部１５の外径である。ねじ部５２の呼び径がＭ１４の場合、φＺ１は６ｍｍ以上８ｍｍ以下が好ましく、φＺ２は３ｍｍ以上６ｍｍ以下が好ましい。ねじ部５２の呼び径がＭ１２の場合、φＺ１は５ｍｍ以上７ｍｍ以下が好ましく、φＺ２は３ｍｍ以上５ｍｍ以下が好ましい。ねじ部５２の呼び径がＭ１０の場合、φＺ１は４ｍｍ以上６ｍｍ以下が好ましく、φＺ２は３ｍｍ以上４ｍｍ以下が好ましい。

長さＬは、第１円柱部１３の後端から第２円柱部１５の先端までの長さであって、軸線方向ＯＤについての長さであり、３ｍｍ以上２０ｍｍ以下が好ましい。以下、特にことわりなく長さといえば、軸線方向ＯＤについての長さのことを意味する。長さｚ１は、第１円柱部１３の長さであり、１ｍｍ以上４ｍｍ以下が好ましい。長さｚ２は、第２円柱部１５の長さであり、１．５ｍｍ以上９ｍｍ以下が好ましい。なお、円錐台形状部１４の長さは、長さＬ−長さｚ１−長さｚ２である。

長さｇは、第２円柱部１５の後端から、主体金具５０の先端面までの長さである。長さｇは、０ｍｍ以上６ｍｍ以下が好ましい。更に好ましい値は後述する（図８）。

芯材２２の先端位置は、所定範囲に収まっていると、中心電極２０の放熱にとって好ましい。この所定範囲とは、絶縁碍子１０の先端位置を基準にして、先端側に２ｍｍまで、後端側にも２ｍｍまでの範囲である。本実施形態における芯材２２の先端位置は、図２に示すように絶縁碍子１０の先端位置に等しいので、上記の所定範囲に収まっている。

以下、スパークプラグ１００のサンプルを対象に実施した複数種類の評価試験について説明する。各評価試験について、評価試験ごとに着目する寸法を変化させた複数のサンプルを用意した。

上記複数の評価試験の一つとして、中心電極２０の耐酸化性の評価試験について説明する。この評価試験において変化させた寸法は、φＣ，φＨ，φＺ１，φＺ２，長さＬ，長さｚ１，長さｚ２である。

図４，図５，図６は、先述した中心電極２０の評価試験の結果をテーブルで示す。図４はφＣ＝１．７ｍｍの場合、図５はφＣ＝１．９ｍｍの場合、図６はφＣ＝２．２ｍｍの場合を示す。なお、φＨは、何れのサンプルにおいてもφＣに０．０６ｍｍを加算した値であるので、図４，図５，図６での図示は省略した。

図２と共に説明した寸法は、試験において測定された値である。一方、図４，図５，図６に示す絶縁碍子体積Ｉ、中心電極体積Ｅ及び体積比Ｉ／Ｅは、これら測定値に基づく計算値である。絶縁碍子体積Ｉとは、円錐台形状部１４の体積と、第２円柱部１５の体積との合計値である。円錐台形状部１４の体積は、円錐台形状部１４の輪郭となる円錐台の体積から、中空部の体積を減算することで計算される。第２円柱部１５の体積は、第２円柱部１５の輪郭となる円柱の体積から、中空部の体積を減算し、さらに、Ｒ１による体積の減少分を考慮して計算される。

中心電極体積Ｅとは、円錐台形状部１４の後端位置から、第２円柱部１５の先端位置までにおける中心電極２０の体積のことである。中心電極体積Ｅは、先述した中心電極２０の縮径による体積の減少分を考慮して計算する。

体積比Ｉ／Ｅは、絶縁碍子体積Ｉを中心電極体積Ｅで除算した値である。なお、図４，図５，図６は、体積比Ｉ／Ｅについて降順にソートして示している。

本実施形態のねじ部５２の呼び径は先述したようにＭ１４である。但し、図４，図５，図６に示された結果には、他の実施形態のものとしてＭ１０及びＭ１２のサンプルの結果も含まれる。

試験の手順について説明する。大気雰囲気において、水冷チャンバに取り付けたスパークプラグ１００に対して、２分間の加熱と、１分間の冷却とを交互に３０００回、実施した。加熱は、バーナを用い、絶縁碍子１０の先端面が加熱開始２分後に９５０℃になる条件で実施した。温度の確認には、放射温度計を使用した。冷却は、バーナの停止による自然冷却によって実施した。試験終了後、スパークプラグ１００を解体して、軸線Ｏを含む断面で中心電極２０を観察し、電極チップ２９の先端面における酸化変質層の厚みを測定した。この厚みは、試験前においてはゼロｍｍである。

酸化変質層の厚みが０．１ｍｍ未満の場合をＡ判定、０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ未満の場合をＢ判定、０．２ｍｍ以上をＸ判定とした。Ｘ判定よりもＢ判定の方が好ましく、Ｂ判定よりもＡ判定の方が好ましい。

図４に示すように、φＣ＝１．７ｍｍの場合、体積比Ｉ／Ｅが３．８２以上のときはＡ判定となる（サンプルNo.1-11）。図５に示すように、φＣ＝１．９ｍｍの場合、体積比Ｉ／Ｅが２．８０以上のときはＡ判定となる（サンプルNo.15-27）。図６に示すように、φＣ＝２．２ｍｍの場合、体積比Ｉ／Ｅが２．１９以上のときはＡ判定となる（サンプルNo.30-39）。よって、これらの値は好ましい。

図４に示すように、φＣ＝１．７ｍｍの場合、体積比Ｉ／Ｅが３．４６以上のときはＢ判定以上となる（サンプルNo.1-13）。図５に示すように、φＣ＝１．９ｍｍの場合、体積比Ｉ／Ｅが２．５５以上のときはＢ判定以上となる（サンプルNo.15-28）。図６に示すように、φＣ＝２．２ｍｍの場合、体積比Ｉ／Ｅが１．８２以上のときはＢ判定以上となる（サンプルNo.30-42）。よって、これらの値は好ましい。

上記の好ましい数値によれば、φＣを２．２ｍｍ以下に設定しても、中心電極２０の酸化が抑制されるので、耐電圧性の向上と、横飛火の抑制と、中心電極２０の酸化の抑制とを同時に達成できるような設計が可能となる。

図７は、上記の試験結果についてプロットしたグラフである。縦軸は体積比Ｉ／Ｅ、横軸は中心電極２０の外径φＣを示す。図７には、２つの近似曲線が示されている。

実線の曲線は、Ａ判定となるための３つの下限値（φＣ，Ｉ／Ｅ）＝（１．７，３．８２）、（１．９，２．８０）、（２．２，２．１９）を２次関数でフィッティングしたものである。この曲線の近似式は、Ｉ／Ｅ＝６．１３３３φＣ^２−２７．１８φＣ＋３２．３０１である。φＣが１．７ｍｍ、１．９ｍｍ、２．２ｍｍ以外であっても、下記の不等式（１）を満たせば、Ａ判定が得られると推測される。
Ｉ／Ｅ≧６．１３３３φＣ^２−２７．１８φＣ＋３２．３０１…（１）
なお、上記のフィッティング及び近似式の導出、及び後述するフィッティング及び近似式の導出には、表計算ソフトのExcel（登録商標）を用いた。

破線の曲線は、Ｂ判定以上となるための３つの下限値である（φＣ，Ｉ／Ｅ）＝（１．７，３．４６）、（１．９，２．５５）、（２．２，１．８２）を２次関数でフィッティングしたものである。この曲線の近似式は、Ｉ／Ｅ＝４．２３３３φＣ^２−１９．７９φＣ＋２４．８６９である。φＣが１．７ｍｍ、１．９ｍｍ、２．２ｍｍ以外であっても、下記の不等式（２）を満たせば、Ｂ判定以上が得られると推測される。
Ｉ／Ｅ≧４．２３３３φＣ^２−１９．７９φＣ＋２４．８６９…（２）

図８は、耐汚損性についての試験結果をテーブルで示す。この試験において、着目したのは、図２に示された長さｇである。なお、本実施形態では、第２円柱部１５の先端から、主体金具５０の先端面までの長さが１．５ｍｍで固定されている。よって、本実施形態における長さｇは、長さｚ２−１．５ｍｍである。この他、第２円柱部１５の先端から、中心電極２０の先端までの長さも１．５ｍｍで固定されている。

試験の手順を説明する。−１０℃に設定した低温試験室内のシャシダイナモメータ上に、排気量１．６Ｌの４気筒ＤＯＨＣエンジンを有する自動車を用意した。この自動車のエンジンに、サンプルとしてのスパークプラグ１００を組み付けた。

その後、後述する第１の走行パターン、エンジン停止による自然冷却、後述する第２の走行パターンを順に実施することを１サイクルとして、各サイクルにおいてスパークプラグ１００の絶縁抵抗値を測定した。

絶縁抵抗値が１０ＭΩ以下にまで低下したことを条件に、試験を終了した。試験終了時のサイクル数が５サイクル以下の場合はＸ判定、６〜１９サイクルの場合はＢ判定、２０サイクル以上の場合はＡ判定と評価した。

上記の第１の走行パターンは、エンジンの空吹かしを３回行った後、ギアを３速にして速度３５ｋｍ／ｈで４０秒間走行し、９０秒間のアイドリングを挟んで、再び３速のギアによって３５ｋｍ／ｈで４０秒間走行するというものである。

上記の第２の走行パターンは、空吹かしを３回行った後、走行とエンジン停止とを繰り返すというものである。この走行は、３回、繰り返した。１回分の走行は、ギアを１速にして１５ｋｍ／ｈで２０秒間、実施した。エンジン停止は、３０秒間、実施した。第２の走行パターンの後、エンジンを停止させてから、次のサイクルの第１の走行パターンを実施した。

図８に示すように、長さｇが１．５ｍｍ以上の場合、Ａ判定となった。よって、長さｇは１．５ｍｍ以上が好ましい。上記のサイクルと共に絶縁抵抗値が低下するのは、燃焼室内の燃焼に伴う絶縁碍子１０の汚損が主な原因である。この汚損は、横飛火を誘発する。よって、好ましい寸法によって耐汚損性を向上させることで、横飛火を抑制できる。長さｇが長い場合に汚損が抑制されるのは、第２円柱部１５よりも外径が太い円錐台形状部１４が、主体金具５０の先端面から遠ざかるからである。

図９は、絶縁碍子１０の耐折損性についての試験結果をテーブルで示す。この試験において着目したのは、長さｚ２と、面積Ｓとである。面積Ｓは、図３に示すように、肉盛り部６０の片側の断面積である。図９に示す面積Ｓの値は、Ｒ２の値と、円錐台形状部１４の形状とから算出された値である。Ｒ２の値は、曲率半径の値のことである。

評価試験の手順について説明する。大気雰囲気において、水冷チャンバに取り付けたスパークプラグ１００に対して、加熱を２分間、実行した後、絶縁碍子１０に荷重を加えた。加熱は、バーナを用い、絶縁碍子１０の先端面が加熱開始２分後に７５０℃になる条件で実施した。加えた荷重の大きさは、８５０Ｎである。荷重の作用点は、絶縁碍子１０の最先端部であり、荷重の方向は、軸線Ｏとの直交方向である。荷重は、バーナの停止後、１５秒以内に加えた。このように１５秒以内に荷重を加えたのは、より厳しい条件で試験を実施するためである。絶縁碍子１０は、温度が高いと機械的強度が低下するので、加熱後、直ぐに荷重を加えると、耐折損性には厳しい条件となる。

各サンプルについて１０本ずつ試験し、折損したサンプル数をカウントした。１０本中１本以上が折損した場合をＢ判定、折損が発生しなかった場合をＡ判定と評価した。

図９に示すように、長さｚ２が２ｍｍ及び３ｍｍの場合、面積ＳがゼロでもＡ判定となった。一方、長さｚ２が４ｍｍの場合、面積Ｓが０．０２ｍｍ^２以上であると、Ａ判定となった（サンプルNo.50,51）。よって、長さｚ２が４ｍｍ以上の場合は、面積Ｓは０．０２ｍｍ^２以上が好ましい。

このように耐折損性を向上させることは、高圧縮比のエンジンに使用する場合に、特に好ましい。自然吸気かつ圧縮比１１以上、或いは過給機付きかつ圧縮比９．５以上のエンジンは、ある特定の運転領域において異常燃焼が発生し、非常に大きな圧力波が発生することが知られている。この現象が発生すると、絶縁碍子１０の先端部に衝撃が加わり、折損が発生する場合がある。この折損は、応力が集中する円錐台形状部１４と第２円柱部１５との境界で生じやすい。この境界を肉盛り部６０によって補強することで、長さｚ２が４ｍｍという長い値でも、折損が抑制されることが確認された。

なお、図８，図９と共に説明した試験に用いたサンプルにおいては、ねじ部５２の呼び径をＭ１４、φＺ１をφ６．９ｍｍ、長さｚ１を２．８ｍｍ、長さＬを１２ｍｍ、φｚ２を３．７ｍｍに設定した。

図１０は、絶縁性についての試験結果をテーブルで示す。この試験において着目したのは、エンジンのタイプ、第１円柱部１３の有無、及び、向きｔである。向きｔとは、図２に示すように、対向面５７ａの先端位置から、第１円柱部１３の先端位置への向きのことである。後端から先端への向きの場合を正と定義し、逆向きの場合を負と定義した。図２は、向きｔが正の場合を示す。対向面５７ａは、棚部５７の一部であって、軸線Ｏと平行な面であり、絶縁碍子１０に対向する面である。

図１０は、参考のため、第２円柱部１５の有無と、φＺ２と、φＣとを合わせて示す。第２円柱部１５が無い場合は、絶縁碍子１０の先端の外径をφＺ２として測定した。なお、何れのサンプルにおいても、φＺ１をφ６．９ｍｍに設定した。

上記のエンジンのタイプとは、吸気方式と圧縮比とのことである。吸気方式は、自然吸気（ＮＡ）又は過給機付き（Ｓ）の何れかである。なお、今回の試験には、何れも直噴タイプのエンジンを使用した。

試験の手順について説明する。サンプルとなるスパークプラグ１００をエンジンに４本取り付けた。一定回転数（具体的には５０００ｒｐｍ）でエンジンを回転させ、５００時間が経過した時点で、４本中１本以上の貫通が発生したサンプルをＸ判定、貫通が発生しなかったサンプルをＡ判定と評価した。ここでいう貫通とは、スパークプラグ１００に印加した電圧によって、中心電極２０と棚部５７との間に配置された絶縁碍子１０が破壊され、絶縁碍子１０に貫通孔が形成されることを意味する。

図１０に示すように、自然吸気かつ圧縮比が１１であっても、第１円柱部１３が有り、向きｔが正であれば、Ａ判定であった。さらに、過給機付きかつ圧縮比が９．５であっても、第１円柱部１３が有り、向きｔが正であれば、Ａ判定であった。よって、自然吸気かつ圧縮比が１１以上の場合、又は、過給機付きかつ圧縮比が９．５以上の場合、第１円柱部１３が有り、向きｔが正であるのが好ましい。

上記の好ましい条件によって絶縁性が向上するのは、棚部５７の付近において、絶縁碍子１０の厚みが確保されるからである。棚部５７は、中心電極２０との距離が短い部位であるので、貫通が発生しやすい部位である。向きｔを正に設定し、絶縁碍子１０が薄くなる円錐台形状部１４が対向面５７ａに対向することを回避することで、貫通が抑制されることが確認された。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

図１１は、図７と同様に、中心電極の外径φＣに対して、好ましい結果を得るための体積比Ｉ／Ｅの下限値をプロットしたグラフである。図１１には、２つの近似直線が示されている。

実線の直線は、Ａ判定となるための３つの下限値を１次関数でフィッティングしたものである。この直線の近似式は、Ｉ／Ｅ＝−３．１６３２φＣ＋９．０５２１である。φＣが１．７ｍｍ、１．９ｍｍ、２．２ｍｍ以外であっても、下記の不等式（３）を満たせば、Ａ判定が得られると推測される。
Ｉ／Ｅ≧−３．１６３２φＣ＋９．０５２１…（３）

破線の直線は、Ｂ判定以上となるための３つの下限値を１次関数でフィッティングしたものである。この直線の近似式は、Ｉ／Ｅ＝−３．２１３２φＣ＋８．８２２１である。φＣが１．７ｍｍ、１．９ｍｍ、２．２ｍｍ以外であっても、下記の不等式（４）を満たせば、Ｂ判定以上が得られると推測される。
Ｉ／Ｅ≧−３．２１３２φＣ＋８．８２２１…（４）

図１２は、図７と同様に、中心電極の外径φＣに対して、好ましい結果を得るための体積比Ｉ／Ｅの下限値をプロットしたグラフである。図１１には、４つの近似直線が示されている。

実線の直線は、Ａ判定となるための３つの下限値を、φＣ≦１．９ｍｍと、１．９ｍｍ≦φＣとで場合分けして、１次関数でフィッティングしたものである。この直線の近似式は、Ｉ／Ｅ＝−５．１φＣ＋１２．４９（φＣ≦１．９ｍｍ）、及び、Ｉ／Ｅ＝−２．０３３３φＣ＋６．６６３３（１．９ｍｍ≦φＣ）である。φＣが１．７ｍｍ、１．９ｍｍ、２．２ｍｍ以外であっても、下記の不等式（５）を満たせば、Ａ判定が得られると推測される。
Ｉ／Ｅ≧−５．１φＣ＋１２．４９（φＣ≦１．９ｍｍ）、Ｉ／Ｅ≧−２．０３３３φＣ＋６．６６３３（１．９ｍｍ≦φＣ）…（５）

破線の直線は、Ｂ判定以上となるための３つの下限値を、φＣ≦１．９ｍｍと、１．９ｍｍ≦φＣとで場合分けして、１次関数でフィッティングしたものである。この直線の近似式は、Ｉ／Ｅ＝−４．５５φＣ＋１１．１９５（φＣ≦１．９ｍｍ）、及び、Ｉ／Ｅ＝−２．４３３３φＣ＋７．１７３３（１．９ｍｍ≦φＣ）である。φＣが１．７ｍｍ、１．９ｍｍ、２．２ｍｍ以外であっても、下記の不等式（６）を満たせば、Ｂ判定以上が得られると推測される。
Ｉ／Ｅ≧−４．５５φＣ＋１１．１９５（φＣ≦１．９ｍｍ）、Ｉ／Ｅ≧−２．４３３３φＣ＋７．１７３３（１．９ｍｍ≦φＣ）…（６）

先述した円錐台形状部は、断面形状が台形であり、台形の脚が直線形状であった。円錐台形状部の形状は、これに限られない。例えば、上記の台形の脚に相当する部位の形状は、折れ曲がった形状でもよいし、曲線形状でもよい。折れ曲がった形状の場合、先端側の直線で、肉盛り部を定義してもよい。
中心電極の外径は、φ１．７ｍｍ未満でもよい。
中心電極の外径がφ１．７ｍｍ未満の場合に、先述した不等式（１）〜（６）の少なくとも何れかを満たしてもよい。
上記で説明したフィッティングは、１次関数や２次関数以外を用いてもよい。例えば、２次よりも高次の関数や、指数関数、対数関数などを用いてもよい。

実施形態として説明したスパークプラグは、ポート噴射タイプのガソリンエンジンに使用してもよい。
ねじ部の呼び径は、先述したものに限られず、例えばＭ６，Ｍ８，Ｍ１０，Ｍ１２，Ｍ１４，Ｍ１６，Ｍ１８，Ｍ２０，Ｍ２２，Ｍ２４の何れかでもよい。
肉盛り部の断面形状は、Ｒ形状でなくてもよい。例えば、直線形状でもよい。
接地電極に電極チップを設けてもよい。

３…セラミック抵抗
４…シール体
５…ガスケット
６…リング部材
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁碍子
１２…軸孔
１３…第１円柱部
１４…円錐台形状部
１５…第２円柱部
１６…外周側段部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…鍔部
２０…中心電極
２１…電極母材
２２…芯材
２５…中心電極鍔部
２９…電極チップ
３０…接地電極
３３…先端部
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…ねじ部
５３…加締部
５４…鍔部
５５…座面
５７…棚部
５７ａ…対向面
５８…座屈部
５９…ねじ首
６０…肉盛り部
１００…スパークプラグ
２００…エンジンヘッド
２０１…取付ねじ孔
２０５…開口周縁部

Claims (7)

1. 軸線に沿って延びる軸孔を有する絶縁体と、
   前記軸孔内に挿入された中心電極と、
   前記絶縁体の外周に配置され、径方向内側に盛り上がった棚部が内周に形成された主体金具と、
   前記主体金具の先端に配置された接地電極と、
   を備え、
   前記絶縁体は、
   前記棚部の少なくとも一部に対向する位置に形成された第１円柱部と、
   前記第１円柱部の先端側に形成され、先端側に向かって外径が縮小する円錐台形状部と、
   前記円錐台形状部の先端側に形成された第２円柱部と
   を備えた
   スパークプラグであって、
   前記軸線方向について前記棚部に対向する位置において、前記中心電極の直径Ｃは２．２ｍｍ以下であり、
   前記円錐台形状部の体積および前記第２円柱部の体積の合計Ｉ、前記軸線方向における前記円錐台形状部の後端位置から前記第２円柱部の先端位置までの前記中心電極の体積Ｅ、並びに、前記直径Ｃが次式を満たすこと
   Ｉ／Ｅ≧４．２３３３Ｃ^２−１９．７９Ｃ＋２４．８６９
   を特徴とするスパークプラグ。
2. 前記合計Ｉと、前記体積Ｅと、前記直径Ｃとが次式を満たすこと
   Ｉ／Ｅ≧６．１３３３Ｃ^２−２７．１８Ｃ＋３２．３０１
   を特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記第１円柱部の前記軸線方向における先端位置は、前記棚部の前記第１円柱部に対向する面の前記軸線方向における先端位置よりも、先端側にあること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスパークプラグ。
4. 前記第２円柱部の前記軸線方向における後端位置は、前記主体金具の先端面の位置よりも１．５ｍｍ以上、後端側であること
   を特徴とする請求項１から請求項３までの何れか一項に記載のスパークプラグ。
5. 前記第２円柱部の前記軸線方向の長さは、４ｍｍ以上であり、
   前記軸線を含む断面において、前記円錐台形状部の先端側直線と、前記第２円柱部を延
   長した直線と、前記絶縁体の外径線とで囲まれた肉盛り部の面積は、片側で０．０２ｍｍ
   ^２以上であること
   を特徴とする請求項１から請求項４までの何れか一項に記載のスパークプラグ。
6. 前記主体金具の外周には、雄ねじが形成され、
   前記雄ねじの呼び径は、Ｍ１４であること
   を特徴とする請求項１から請求項５までの何れか一項に記載のスパークプラグ。
7. 圧縮比９．５以上の過給機付きエンジンと、圧縮比１１以上の自然吸気エンジンとの少なくとも何れかに用いられること
   を特徴とする請求項１から請求項６までの何れか一項に記載のスパークプラグ。

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