JP4303146B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、火花放電ギャップ付近の自己清浄を行うことができる内燃機関用のスパークプラグに関するものである。

従来、内燃機関には点火のためのスパークプラグが用いられている。このスパークプラグでは、一般的には、中心電極が挿設された絶縁碍子を保持する主体金具の燃焼室側の先端部に第１接地電極（接地電極）を溶接して、第１接地電極の他端部を中心電極の先端部の先端面と対向させて、火花放電ギャップを形成している。そして、中心電極と第１接地電極との間で火花放電が行われ、両電極間に曝された混合気に点火することにより、火炎核が形成される。

ところで、燃焼室内に露出されるスパークプラグの絶縁碍子の表面上に、混合気の燃焼によって発生したカーボンが付着する、いわゆる汚損が発生することがある。この汚損が進行して絶縁碍子表面の絶縁性が低下すると、主体金具と絶縁碍子との間で放電してしまって中心電極と第１接地電極との間で火花放電が行われなくなる失火の状態となる。しかし、第１接地電極と並列する第２接地電極を設け、汚損が発生した場合に第２接地電極と中心電極との間で絶縁碍子を介して火花放電が行われるようにして、絶縁碍子の表面上で火花を走らせて付着したカーボンを焼き切り失火を防止することができるスパークプラグが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−１６０４７５号公報

なお、このようなスパークプラグでは、第２接地電極の先端部を中心電極に向けて折り曲げ、その先端部の端面と中心電極の側面との間で火花放電ギャップを形成している。火花放電が同一箇所で集中して行われ、絶縁碍子の表面上を走る火花が局所的に集中すると、その位置が集中的に消耗するが、これを防ぐには火花放電が行われる位置を一箇所に集中させないようにするとよい。このためには第２接地電極の火花放電ギャップを形成する部位を中心電極と略同心円状に形成することが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開昭５７−６７２９５号公報

上記のようなスパークプラグの接地電極の製造方法では、まず、主体金具の先端面に２本の直棒状の接地電極の一端を、両接地電極がそれぞれ対向するように溶接する。次に、接地電極の他端側（先端側）を湾曲した治具へ押し付け、その他端側が中心電極に向けて略Ｌ字状になるように折り曲げる。そして、折り曲げられた接地電極の他端側を主体金具の後端側から打ち抜くことにより、第２接地電極の火花放電ギャップを形成する部位を、中心電極と略同心円状に形成している。

しかしながら、このようなスパークプラグを高出力の内燃機関で利用する場合に、絶縁碍子を貫通して火花放電が発生しないように中心電極を保持する絶縁碍子の脚長部の外径を太くした構成とすると、接地電極の先端部が第２火花放電ギャップを形成することが難しくなるという問題が生じた。また、近年の燃焼室の小型化への要求に基づいてスパークプラグを小型化しようとした場合にも、接地電極の先端部が第２火花放電ギャップを形成することが難しくなるという問題が生じた。具体的には、接地電極の曲折した部位より先端側の部分が極端に短くなる構成となるため、Ｌ字状に折り曲げることが非常に困難となり、精度良く加工することができず、第２接地電極が自己清浄作用を奏さない形態となってしまうおそれがあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、第２接地電極と中心電極との火花放電ギャップを精度よく形成することができるスパークプラグを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のスパークプラグは、中心電極と、軸線方向に延びる軸孔を有し、その軸線方向における自身の先端部より前記中心電極の先端部を突出させた状態で、前記中心電極を前記軸孔で保持する絶縁碍子と、自身の先端面より前記絶縁碍子の先端部を突出させた状態で、前記絶縁碍子の周囲を取り囲んで保持する主体金具と、一端が、前記主体金具の先端面に接合され、他端が、前記中心電極の先端部の先端面に対向して第１火花放電ギャップを形成する第１接地電極と、一端が、前記主体金具の先端面に接合され、他端が、前記絶縁碍子を挟んで対向し、前記絶縁碍子の先端部の側面との間で第２火花放電ギャップを形成する第２接地電極とを備え、前記主体金具は取付用の雄ネジ部を備えるとともに、当該雄ネジ部のネジ径がＭ１０以下であり、前記第２接地電極は略直棒状に形成され、前記軸孔の軸線方向に沿って起立されるとともに、前記第２接地電極の前記中心電極側の側面全体が、前記中心電極と同心円状に形成されていることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明のスパークプラグは、中心電極と、軸線方向に延びる軸孔を有し、その軸線方向における自身の先端部より前記中心電極の先端部を突出させた状態で、前記中心電極を前記軸孔で保持する絶縁碍子と、自身の先端面より前記絶縁碍子の先端部を突出させた状態で、前記絶縁碍子の周囲を取り囲んで保持する筒状の主体金具と、一端が、前記主体金具の先端面に接合され、他端が、前記中心電極の先端部の先端面に対向して第１火花放電ギャップを形成する第１接地電極と、一端が、前記主体金具の先端面に接合され、他端が、前記絶縁碍子を挟んで対向し、前記絶縁碍子の先端部の側面との間で第２火花放電ギャップを形成する第２接地電極とを備え、前記主体金具は取付用の雄ネジ部を備えるとともに、当該雄ネジ部のネジ径がＭ１０以下であり、前記第２接地電極は略直棒状に形成され、前記第２接地電極の他端が、前記主体金具の内周よりも、前記絶縁碍子の前記軸孔の中心軸寄りに位置されるとともに、前記第２接地電極の前記中心電極側の側面全体が、前記中心電極と略同心円状に形成されていることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明のスパークプラグは、請求項１または２に記載の発明の構成に加え、前記軸線方向において前記絶縁碍子の先端へと向かう方向を正の方向として、前記第２接地電極の前記第２火花放電ギャップを形成する部位は、前記絶縁碍子の先端面を基準として、−１ｍｍから１．５ｍｍまでの間に位置することを特徴とする。

また、請求項４に係る発明のスパークプラグは、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記第２火花放電ギャップは、０．４ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることを特徴とする。

請求項１に係る発明のスパークプラグでは、中心電極の先端部の先端面に対向して第１火花放電ギャップを形成する第１接地電極と、絶縁碍子の先端部の側面との間で第２火花放電ギャップを形成する第２接地電極とを備えている。通常時、火花放電は導電体（第２接地電極）と絶縁体（絶縁碍子）とで形成される第２火花放電ギャップよりも、導電体同士（中心電極と第１接地電極）で形成される第１火花放電ギャップにおいて頻繁に生じている。しかし、燃焼によって発生したカーボンが絶縁碍子の表面上に蓄積して汚損すると、第２火花放電ギャップは、導電体同士（第２接地電極と絶縁体上に蓄積したカーボン）で形成されることとなる。すると、第１火花放電ギャップよりも第２火花放電ギャップのほうがギャップの距離が短いため、第２火花放電ギャップにおいて火花放電が頻繁に生じるようになる。この結果、絶縁碍子の表面上に蓄積したカーボンを焼き切る、いわゆる自己清浄作用が生じ、再び、第１火花放電ギャップにおいて火花放電が頻繁に生じるようになる。

また、第２接地電極の中心電極側の側面全体を、中心電極と略同心円状に形成した。曲面に対し平面が対向すると両者の最も接近した部位にて火花放電が行われ易くなるため、火花放電は一箇所に集中して発生するので、絶縁碍子の表面が削られる、いわゆるチャネリングが発生しやすくなる。しかし、上記のように第２接地電極を形成したため火花放電が行われる部位を分散させることができ、絶縁碍子、接地電極共に耐久性を向上させることができる。

さらに、第２接地電極を主体金具へ接合した後では加工が困難な小型のスパークプラグを作成する場合や、第２接地電極が太く加工し難い場合において、第２火花放電ギャップを精度よく形成するのが困難である。特に、主体金具の雄ネジ部のネジ径がＭ１０以下の小型のスパークプラグの第２接地電極に対し、主体金具への接合後に曲げ加工等を行った場合、加工用治具の大きさの制約等により第２火花放電ギャップを精度よく形成することが難しい。しかし、請求項１に係る発明のスパークプラグでは、略直棒状の第２接地電極を軸孔の軸線方向に沿って起立させて主体金具へ接合するので、第２接地電極に対する加工は主体金具への接合前に行うことが可能であり、後の曲げ加工を不要とし、第２火花放電ギャップを精度よく形成することができる。

また、請求項２に係る発明のスパークプラグでは、中心電極の先端部の先端面に対向して第１火花放電ギャップを形成する第１接地電極と、絶縁碍子の先端部の側面との間で第２火花放電ギャップを形成する第２接地電極とを備えている。通常時、火花放電は導電体（第２接地電極）と絶縁体（絶縁碍子）とで形成される第２火花放電ギャップよりも、導電体同士（中心電極と第１接地電極）で形成される第１火花放電ギャップにおいて頻繁に生じている。しかし、燃焼によって発生したカーボンが絶縁碍子の表面上に蓄積して汚損すると、第２火花放電ギャップは、導電体同士（第２接地電極と絶縁体上に蓄積したカーボン）で形成されることになり、第１火花放電ギャップよりも第２火花放電ギャップのほうがギャップの距離が短いため、第２火花放電ギャップにおいて火花放電が頻繁に生じるようになる。この結果、絶縁碍子の表面上に蓄積したカーボンを焼き切ることができ、いわゆる自己清浄作用によって、再び第１火花放電ギャップにおいて火花放電が頻繁に生じるようになる。

また、火花放電はそのギャップが小さいほど必要とする電圧が低く発生しやすくなるため、第２接地電極の他端が主体金具の内周よりも絶縁碍子の軸孔の中心寄りに位置されるようにしたことで、第２接地電極の他端から火花放電が行われやすくした。これにより、第２接地電極と主体金具との接合部から火花放電が行われる、いわゆる横飛火を防止することができる。また、第２接地電極の中心電極側の側面全体を、中心電極と略同心円状に形成した。曲面に対し平面が対向すると両者の最も接近した部位にて火花放電が行われ易くなるため、火花放電は一箇所に集中して発生するので、絶縁碍子の表面が削られる、いわゆるチャネリングが発生しやすくなる。しかし、上記のように第２接地電極を形成したため火花放電が行われる部位を分散させることができ、絶縁碍子、接地電極共に耐久性を向上させることができる。

さらに、第２接地電極を主体金具へ接合した後では加工が困難な小型のスパークプラグを作成する場合や、第２接地電極が太く加工し難い場合において、第２火花放電ギャップを精度よく形成するのが困難である。特に、主体金具の雄ネジ部のネジ径がＭ１０以下の小型のスパークプラグの第２接地電極に対し、主体金具への接合後に曲げ加工等を行った場合、加工用治具の大きさの制約等により第２火花放電ギャップを精度よく形成することが難しい。しかし、請求項２に係る発明のスパークプラグでは、第２接地電極の他端（先端）を中心電極側へと傾倒させた状態で主体金具へ接合すれば、後工程において調整する必要がなくなる。後工程にて調整する際も、第２接地電極を外側から押さえつけ、傾倒の度合いを調整するだけで良い。ゆえに、第２接地電極に対する加工を主体金具への接合前に行うことが可能であり、第２火花放電ギャップを精度よく形成することができる。

また、請求項３に係る発明のスパークプラグでは、請求項１または２に係る発明に加え、軸線方向において絶縁碍子の先端へと向かう方向を正の方向として、第２接地電極の第２火花放電ギャップを形成する部位を、絶縁碍子の先端面を基準として、−１ｍｍから１．５ｍｍまでの間に位置させた。これにより、第２火花放電ギャップにおける気中放電が絶縁碍子の先端面の近傍にて発生しやすくなり、絶縁碍子の汚損がその側面に至らなくとも先端面が汚損されればすぐに、第２火花放電ギャップにおいて火花放電を行えるようにすることができる。

なお、上記第２接地電極の第２火花放電ギャップを形成する部位を、絶縁碍子の先端面を基準として−１ｍｍよりも遠ざけた（１ｍｍを超えて後端側にした）場合、中心電極と第２接地電極との間の距離が大きくなりすぎてしまい、汚損時に第２火花放電ギャップにおける火花放電が発生し難くなる。一方、上記第２接地電極の第２火花放電ギャップを形成する部位を、絶縁碍子の先端面を基準として１．５ｍｍよりも遠ざけた（１．５ｍｍを超えて先端側にした）場合、放電が集中しやすい第２接地電極の稜角部分が絶縁碍子から遠ざかるため、汚損時に第２火花放電ギャップにおける火花放電が発生し難くなる。

また、請求項４に係る発明のスパークプラグでは、請求項１乃至３のいずれかに係る発明に加え、第２火花放電ギャップの距離が、０．４ｍｍ以上、１ｍｍ以下となるように形成した。第２火花放電ギャップの距離が０．４ｍｍ未満であれば、その間隔の狭さから第２接地電極に付着した燃料が蓄積して第２火花放電ギャップを短絡してしまう、いわゆる燃料ブリッジが形成される可能性がある。また、第２火花放電ギャップの距離が１ｍｍより広ければ、絶縁碍子が汚損していても継続して第１火花放電ギャップにて火花放電が行われてしまう。このため、第２火花放電ギャップにおいて積極的な火花放電が行われず、絶縁碍子の表面上に付着したカーボンを焼き切ることが難しい。そこで、第２火花放電ギャップの距離が、０．４ｍｍ以上、１ｍｍ以下となるようにすれば、絶縁碍子の絶縁性を維持し、耐汚損性を向上させることができる。

以下、本発明を具体化したスパークプラグの一実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、スパークプラグ１００の部分断面図である。図２は、スパークプラグ１００の火花放電ギャップ付近の要部拡大断面図である。図３は、補助接地電極７０をスパークプラグ１００の先端側から見た斜視図である。なお、図１に示す軸線Ｏ方向（図中一点鎖線Ｏで示す。）において、中心電極２が設けられた側をスパークプラグ１００の先端側とし、端子金具４が設けられた側を後端側として説明する。

図１、図２に示すように、スパークプラグ１００は、概略、絶縁体を構成する絶縁碍子１と、この絶縁碍子１を保持する主体金具５と、絶縁碍子１内に軸線Ｏ方向に保持された中心電極２と、主体金具５の先端面５７に一端部が溶接され、他端部が中心電極２の先端部２２の先端面（すなわち、先端部２２に接合された電極チップ２３の先端面）に対向する主接地電極６０と、主接地電極６０と同様に、主体金具５の先端面５７に基部７１が接合され、自身の先端部７２が中心電極２の先端部２２の側面に対向する補助接地電極７０と、絶縁碍子１の後端部に設けられた端子金具４とから構成されている。

まず、スパークプラグ１００の絶縁体を構成する絶縁碍子１について説明する。絶縁碍子１は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成される筒形状を有する。この絶縁碍子１の先端部は、内燃機関の燃焼室に曝される脚長部１３となっている。さらに、絶縁碍子１の軸中心には軸孔１２が形成され、この軸孔１２に中心電極２が保持されている。中心電極２は、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル系合金等で形成され、内部に熱伝導性に優れる銅等からなる芯部を有する構造を持つ。中心電極２は丸棒状に構成され、これを保持する絶縁碍子１もまた、円筒状に形成されている。なお、絶縁碍子１の脚長部１３の先端部外径は、本実施の形態では４．３ｍｍとなっている。

中心電極２の先端部２２は絶縁碍子１の先端面１５から突出しており、先端側に向かって径小となるように形成されている。その先端部２２の先端面には、柱状の電極チップ２３が、その柱軸方向を軸線Ｏ方向に沿わせ溶接されている。なお、本実施の形態では、この電極チップ２３は耐消耗性に優れたイリジウム合金製（例えば純イリジウム、イリジウム−ロジウム、プラチナ−イリジウム等）のチップが溶接されている。また、電極チップ２３の外径は０．４ｍｍとなっている。また、中心電極２は、軸孔１２の内部に設けられたシール材１４を介して後端側の端子金具４と電気的に接続されている。そして端子金具４には高圧ケーブル（図示外）がプラグキャップ（図示外）を介して接続され、外部回路から高電圧が印加されるようになっている。

次に、主体金具５について説明する。主体金具５は低炭素鋼材等からなり、先端部の外周には図示外の内燃機関へ取り付けるための雄ネジ部５２が形成され、後端部には工具が係合される六角部５１が形成されている。本実施の形態において、この雄ネジ部５２の外径はＭ１０としている。

主体金具５はかしめ部５３をかしめることにより、内周に設けられた段部５６に絶縁碍子１が支持されて、主体金具５と絶縁碍子１とが一体にされる。かしめによる密閉を完全なものとするため、主体金具５と絶縁碍子１との間に環状のリング部材６，７が介在され、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。また、主体金具５の中央部には鍔部５４が形成され、雄ネジ部５２の後端側近傍、すなわち、鍔部５４の座面５５にはガスケット１０（薄板を折りたたんだ環状のパッキン）が備えられている。

次に、主接地電極６０について説明する。主接地電極６０は耐腐食性の高い金属から構成され、一例として、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル合金が用いられる。主接地電極６０は、自身の長手方向の横断面が略長方形を有しており、一端部が主体金具５の先端面５７に溶接により接合されている。また、主接地電極６０の他端部は、中心電極２の先端部２２の先端面、すなわち、先端部２２に接合された電極チップ２３の先端面に対向するように屈曲されている。この中心電極２に対向する側の面は中心電極２の軸線Ｏ方向に略直交しており、電極チップ２３の先端面が対向する位置に、貴金属からなるチップ状の電極チップ６１が溶接により接合されている。この電極チップ６１には、本実施の形態では、耐消耗性に優れたプラチナを主成分とするプラチナ−ニッケル合金が用いられている。なお、主接地電極６０の電極チップ６１と、中心電極２の電極チップ２３との対向面同士の間の距離、すなわち、両電極チップ２３，６１間にて構成される主火花放電ギャップ（図２においてギャップＨで示す。）の距離は、１ｍｍに設定されている。この主接地電極６０が、本発明における「第１接地電極」に相当する。また、主火花放電ギャップが、本発明における「第１火花放電ギャップ」に相当する。

次いで、補助接地電極７０について説明する。主接地電極６０と同様に補助接地電極７０は、主体金具５の先端面５７にその基部７１が接合され、先端部７２がスパークプラグ１００の先端側に向けて突設状に設けられた角棒形状を有する。本実施の形態では、補助接地電極７０はニッケルを９８重量％含むニッケル合金からなり、後述する凹面７３の形成前の断面形状は１．１ｍｍ×２．２ｍｍの長方形状となっている。図３に示すように、この補助接地電極７０の中心電極２側の側面全体は凹面７３として、凹面状に形成されている。この凹面７３は中心電極２と略同心円状、すなわち、補助接地電極７０の突設方向断面において、中心電極２側の一辺（断面長手側の一辺）が内側に弓状に凹んだ形状として形成されている。なお、補助接地電極７０が、本発明における「第２接地電極」に相当する。

図２，図３に示すように、この補助接地電極７０は中心電極２を挟んで対極となる位置にそれぞれ設けられている。この補助接地電極７０は、基部７１よりも先端部７２が中心電極２寄り（軸線Ｏ寄り）となるように傾斜させた状態で、主体金具５の先端面５７に接合されている。すると、図２に示すように、補助接地電極７０の先端部７２の中心電極２側の稜角部分付近（Ｅ部）は、主体金具５の内周面の位置よりも軸線Ｏ寄りに位置することとなる。すなわち、軸線Ｏと平行な方向において、主体金具５の内周面の延長線（一点鎖線Ａで示す。）よりも補助接地電極７０のＥ部の位置（一点鎖線Ｂで示す。）が、軸線Ｏに近い位置にくる。これにより、補助接地電極７０の先端部７２のＥ部は、主体金具５の先端部内周のいずれの部分よりも中心電極２に近づくこととなり、ひいては中心電極２を保持する絶縁碍子１に近づくこととなる。

また、図２に示すように、補助接地電極７０のＥ部は絶縁碍子１の先端面１５よりも突出されている。すなわち、軸線Ｏと直交する方向において、絶縁碍子１の先端面１５の位置（一点鎖線Ｃで示す。）よりも補助接地電極７０のＥ部の位置（一点鎖線Ｄで示す。）が、スパークプラグ１００の先端側に位置している。本実施の形態では、軸線Ｏ方向においてスパークプラグ１００の先端側を正の方向として、一点鎖線Ｃで示す絶縁碍子１の先端面１５を基準とした場合に、一点鎖線Ｄで示す補助接地電極７０のＥ部の位置が−１ｍｍから１．５ｍｍまでの間に位置することが、後述する実施例から望ましい。この範囲内に補助接地電極７０のＥ部の位置を設定することで、Ｅ部を絶縁碍子１の先端面１５の縁部分の近傍に位置させることができる。ここで、Ｅ部に最も近い絶縁碍子１の部分をＦ部とする。このＦ部とＥ部との間は（図２においてギャップＧで示す。）、本実施の形態では、両者間の距離が０．６ｍｍとなるように設定されている。

このように構成された本実施の形態のスパークプラグ１００では、通常時は主火花放電ギャップにおいて火花放電が行われる。しかし、混合気の燃焼によって発生したカーボンが絶縁碍子１の表面上に付着した場合、そのカーボンに電流が流れるため、主火花放電ギャップよりも補助火花放電ギャップにおいて（すなわち補助接地電極７０のＥ部と絶縁碍子１のＦ部との間で）行われるようになる。これにより、絶縁碍子１の先端面１５の表面上を火花が走り、付着したカーボンを焼き切ることができる。こうして絶縁碍子１の表面からカーボンが除去されると、再び主火花放電ギャップにおいて火花放電が行われるようになる。なお、補助火花放電ギャップが、本発明における「第２火花放電ギャップ」に相当し、前述のとおり、図２においてギャップＧと表記している。

このような火花放電ギャップ付近の自己清浄効果を確認するため、補助接地電極７０の接合条件について実施例１〜４に示す試験を行った。以下、図４〜図７を参照して、実施例１〜４について説明する。図４は、横飛火の評価についての試験結果を示す表である。図５は、汚損性評価についての試験結果を示す表である。図６は、高速耐久性評価についての試験結果を示す表である。図７は、耐汚損性評価についての試験結果を示す表である。

［実施例１］
横飛びの評価についての試験では、スパークプラグ１００の補助接地電極７０の倒れ込み量、すなわち、主体金具５の内周面の延長線（一点鎖線Ａで示す。）を基準として、補助接地電極７０のＥ部の位置（一点鎖線Ｂで示す。）が中心電極２に近づく量の違いによって、横飛火の発生の有無を調べた。なお、主体金具５の内周面の延長線よりも補助接地電極７０のＥ部が中心電極２に近づく側を正の方向とした。

図４に示すように、この試験は試験用のスパークプラグ１００として４種類のテストサンプルを作成して行った。また、軸線Ｏ方向において補助接地電極７０のＥ部の位置（図２において一点鎖線Ｄで示す。）を、絶縁碍子１の先端面１５（図２において一点鎖線Ｃで示す。）よりもスパークプラグ１００の先端方向に０．４ｍｍ突出させた。また、補助接地電極７０の凹面７３の湾曲量として、凹部形成前の平面より凹部形成後の最深部の深さが０．１ｍｍとなるように、凹面７３を形成した。

そして、補助接地電極７０の倒れ込み量が−０．３ｍｍ（すなわち、補助接地電極７０のＥ部が一点鎖線Ａよりも外側）となるように補助接地電極７０を主体金具５の先端面５７に接合し、第１のテストサンプルのスパークプラグ１００を作成した。なお、上記各条件が満たされるように、主体金具５の内径と絶縁碍子１の外径との組み合わせが決定された。以下同様に、倒れ込み量が０ｍｍ（すなわち、補助接地電極７０は軸線Ｏ方向に沿って直立した状態）である第２のテストサンプル、０．２ｍｍである第３のテストサンプル、０．３ｍｍである第４のテストサンプルを作成した。

これら各テストサンプルを実際にエンジンに組み付け、以下の条件に沿ってエンジンを駆動させた。エンジンは６気筒２０００ｃｃのものを用いた。このエンジンをアイドリング状態で駆動させ、このときの放電波形を調べて横飛火の発生の確認を行った。さらに、アクセルを全開にして５０時間の駆動を行った後に試験を終了した。なお、横飛火とは、補助接地電極７０の基部７１と主体金具５の先端面５７との接合部より、絶縁碍子１の脚長部１３に対して火花放電が発生することをいう。横飛火の評価では、アイドリング状態において調べた放電波形より１分間に１０発以上の横飛火の発生が認められ、且つ、試験後に目視により補助接地電極７０の接合部の外観を確認し、実際に横飛火が発生した痕跡が認められた場合に「発生した」と評価した。また、放電波形により１分間に１〜９発の横飛火の発生が認められ、且つ、目視により横飛火の発生の痕跡が認められた場合には「若干発生した」と評価した。放電波形により横飛火の発生が認められなかった場合には、「発生せず」と評価した。

この試験の結果、第１のテストサンプルでは、横飛火が「発生した」。また、第２のテストサンプルでは、横飛火が「若干発生した」。第３および第４のテストサンプルでは、横飛火の発生は認められず、「発生せず」という評価がなされた。つまり、補助接地電極７０の先端部７２を中心電極２側に倒し込むことによって、主体金具５の内周面の延長線よりもＥ部が絶縁碍子１に近づく。このため、補助接地電極７０の主体金具５への接合位置よりも絶縁碍子１に対する火花放電間隙が短いギャップＧにおいて、正常に火花放電が行われ、横飛火が発生しないということがわかった。

［実施例２］
次に、汚損性評価の試験を行った。この試験では、軸線Ｏ方向における絶縁碍子１の先端面１５（図２において一点鎖線Ｃで示す。）の位置を基準とする補助接地電極７０のＥ部の位置（図２において一点鎖線Ｄで示す。）によって、汚損性、すなわち自己清浄が正常に行われるかについて評価した。なお、軸線Ｏ方向におけるスパークプラグ１００の先端側を正の方向とした。

図５に示すように、この試験は試験用のスパークプラグ１００として１２種類のテストサンプルを作成して行い、全テストサンプルにおいて、ギャップＧを０．６５ｍｍ、補助接地電極７０の凹面７３の湾曲量（凹部形成前の平面に対する凹部形成後の最深部の深さ）を０．１ｍｍ、補助接地電極７０の倒れ込み量を０．２ｍｍとした。

そして、軸線Ｏ方向における補助接地電極７０のＥ部の位置が絶縁碍子１の先端面１５より−１．４ｍｍ突出する（すなわち、Ｅ部の位置が絶縁碍子１の先端面１５よりも後端側へ１．４ｍｍ引いた状態）ように補助接地電極７０を主体金具５の先端面５７に接合し、第５のテストサンプルのスパークプラグ１００を作成した。なお、上記各条件が満たされるように、主体金具５の内径と絶縁碍子１の外径との組み合わせが決定された。以下同様に、軸線Ｏ方向における絶縁碍子１の先端面１５からの補助接地電極７０のＥ部の突出量を、それぞれ、−１．２，−１，−０．８，−０．６，０，０．４，０．６，１，１．３，１．５，１．８（単位はｍｍ）とした、第６，第７，第８，第９，第１０，第１１，第１２，第１３，第１４，第１５，第１６のテストサンプルを作成した。

これら各テストサンプルを実際にエンジンに組み付け、以下の条件に沿ってエンジンを駆動させた。エンジンは６気筒２０００ｃｃのものを用いた。−１５℃の環境下においてこのエンジンの始動・停止を繰り返すエンジン始動試験をおこなった。そして、この試験の終了後、絶縁碍子１のＦ部と中心電極２との間における絶縁抵抗値を測定した。汚損性評価では、測定した絶縁抵抗値が１ＭΩ以下であった場合を「×」とした。この場合では、絶縁碍子１の表面上のカーボンは焼き切れずに絶縁性が失われ、汚損状態にあると判断した。また、絶縁抵抗値が１ＭΩより大きく２０ＭΩ以下であった場合を「△」とし、絶縁碍子１の表面上のカーボンが完全には焼き切れていないものの十分な絶縁性を有し、汚損状態とはいえないと評価した。さらに、絶縁抵抗値が２０ＭΩより大きかった場合を「○」とし、絶縁碍子１の表面上のカーボンが焼き切れて十分な絶縁性を有し、汚損状態ではないと評価した。

この試験の結果、第５，第６，第１６のテストサンプルでは、「×」と判定された。また、第７，第１４，第１５のテストサンプルでは「△」、第８〜第１３のテストサンプルでは「○」と判定された。これにより、判定が「△」または「○」であった第７〜第１５のテストサンプル、すなわち、軸線Ｏ方向における絶縁碍子１の先端面１５からの補助接地電極７０のＥ部の突出量が−１ｍｍから１．５ｍｍまでの間（−１ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下）であるスパークプラグ１００ならば、絶縁碍子１の絶縁性は維持され、汚損性が良好となるということがわかった。上記条件を満たすようにスパークプラグ１００を作成すれば、補助接地電極７０のＥ部との間で補助火花放電ギャップの気中放電が行われるギャップＧを形成する絶縁碍子１のＦ部が、先端面１５の縁部の近傍に位置することとなる。このため、先端面１５上を火花が走り、付着したカーボン、すなわち、Ｆ部と中心電極２とを電気的に接続させるカーボンを焼き切ることができる。

なお、軸線Ｏ方向における絶縁碍子１の先端面１５からの補助接地電極７０のＥ部の突出量が−１ｍｍより小さければ、補助接地電極７０と中心電極２との間の距離が大きくなりすぎてしまい、汚損時に補助火花放電ギャップにおける火花放電が発生し難くなる。一方、補助接地電極７０のＥ部の上記突出量が１．５ｍｍより大きくなれば、一般的に放電が発生しやすい補助接地電極７０の稜角部分が絶縁碍子１から遠ざかるため、汚損時に補助火花放電ギャップにおける火花放電が発生し難くなる。

［実施例３］
次いで、高速耐久性評価の試験を行った。この試験では、補助接地電極７０の凹面７３の湾曲量によって、絶縁碍子１の耐久性に影響が発生するかについて評価した。

図６に示すように、この試験は試験用のスパークプラグ１００として４種類のテストサンプルを作成して行い、全テストサンプルにおいて、ギャップＧを０．６５ｍｍ、軸線Ｏ方向における絶縁碍子１の先端面１５からの補助接地電極７０のＥ部の突出量を０．４ｍｍ、補助接地電極７０の倒れ込み量を０．２ｍｍとした。

そして、補助接地電極７０の凹面７３の湾曲量を「なし」とした、すなわち、凹面形成を行わなかった補助接地電極７０を主体金具５の先端面５７に接合し、第１７のテストサンプルのスパークプラグ１００を作成した。以下同様に、補助接地電極７０の凹面７３の湾曲量を、それぞれ、０．０５，０．１，０．１５（単位はｍｍ）とした、第１８，第１９，第２０のテストサンプルを作成した。

これら各テストサンプルを実際にエンジンに組み付け、以下の条件に沿ってエンジンを駆動させた。エンジンは６気筒２０００ｃｃのものを用いた。このエンジンを、回転数５０００ｒｐｍ・アクセル全開の状態と、回転数３０００ｒｐｍ・アクセル１／４開の状態と、アイドリングの状態とを、２０分間で行われる所定のパターンに沿って変化させる。この所定のパターンが一通り実施された場合を１サイクルとし、継続して１２００サイクル（４００時間）繰り返し実施する高速耐久試験を行った。

この高速耐久試験後に絶縁碍子１に発生するチャネリングの程度について調べた。チャネリングとは、火花放電が繰り返し行われることで絶縁碍子の表面が次第に削れる現象をいい、火花放電が一ヶ所に集中して行われるほどその部分の削れが大きくなる。高速耐久性評価では、絶縁碍子１の表面の削れの深さが０．５ｍｍ以上であった場合、絶縁碍子１の耐久性が落ちる可能性があると評価し、「×」とした。また、絶縁碍子１の表面の削れの深さが０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ未満であった場合を「△」とし、チャネリングによる削れが認められ、さらに長期にわたって使用した際に、絶縁碍子１の耐久性に影響が生ずるものと評価した。そして、絶縁碍子１の表面の削れの深さが０．１ｍｍ未満であった場合を「○」とし、チャネリングによる削れはなく、プラグが寿命を満たすまでには絶縁碍子１には問題が生じないものとみなし、耐久性には問題なしと評価した。

この試験の結果、第１７のテストサンプルでは、「△」と判定された。また、第１８〜第２０のテストサンプルでは「○」と判定された。これにより、判定が「○」であった第１８〜第２０のテストサンプル、すなわち、凹面７３を形成した補助接地電極７０が接合されたスパークプラグ１００について、チャネリングによる絶縁碍子１の削れによる問題は生じないものとみなすことができ、耐久性には影響がないことがわかった。

補助接地電極７０に凹面７３を形成しなかった場合、曲面を有する絶縁碍子１と平面である補助接地電極７０の対向面との間には最も間隙の近い部分が存在することとなる。すると、火花放電がその部分で行われ易くなり、チャネリングにより絶縁碍子１の表面がその部分で集中して削られることとなる。しかし、補助接地電極７０に凹面７３を形成すれば、補助接地電極７０のＥ部と絶縁碍子１のＦ部とで構成されるギャップＧは、絶縁碍子１の周方向に渡って略等間隔となる。このため、火花放電の行われる部分が分散されるので、チャネリングの生ずる位置が集中せず、深いチャネリングには至らない。

［実施例４］
次に、耐汚損性評価の試験を行った。この試験では、補助接地電極７０のＥ部と、絶縁碍子１のＦ部との間で形成されるギャップＧの広さによって、自己清浄が正常に行われるかについて評価した。

図７に示すように、この試験は試験用のスパークプラグ１００として１６種類のテストサンプルを作成して行った。このとき、補助接地電極７０の倒れ込み量が０．１ｍｍとなるようにするため、各テストサンプルの絶縁碍子１の外径と中心電極２の外径との割合が略一定に保たれるように両部品の選定を行った。なお、各テストサンプルでは、補助接地電極７０の凹面７３の湾曲量を０．１ｍｍ、軸線Ｏ方向における絶縁碍子１の先端面１５からの補助接地電極７０のＥ部の突出量を０．４ｍｍとした。

第２１のテストサンプルは、それぞれの外径が１．６ｍｍ、３．４ｍｍの中心電極２、絶縁碍子１を組み合わせ、主火花放電ギャップを１．３ｍｍとしたスパークプラグ１００の主体金具５の先端面５７に、ギャップＧが１．２ｍｍとなるように補助接地電極７０を接合して作成した。同様に、第２２〜第３６のテストサンプルのそれぞれのギャップＧ，中心電極２の外径，絶縁碍子１の外径，主火花放電ギャップについて、以下の条件に従って作成した。

すなわち、第２２のテストサンプルでは１．２ｍｍ，１．６ｍｍ，３．４ｍｍ，１．２ｍｍ、第２３のテストサンプルでは１．２ｍｍ，１．６ｍｍ，３．４ｍｍ，１．１ｍｍ、第２４のテストサンプルでは１．２ｍｍ，１．６ｍｍ，３．４ｍｍ，１．０ｍｍとした。また、第２５のテストサンプルでは１．１ｍｍ，１．６ｍｍ，３．６ｍｍ，１．０ｍｍ、第２６のテストサンプルでは１．０ｍｍ，１．６ｍｍ，３．８ｍｍ，１．０ｍｍ、第２７のテストサンプルでは１．０ｍｍ，１．６ｍｍ，３．８ｍｍ，１．２ｍｍとした。第２８のテストサンプルでは１．０ｍｍ，１．６ｍｍ，３．８ｍｍ，１．３ｍｍ、第２９のテストサンプルでは１．０ｍｍ，１．６ｍｍ，３．８ｍｍ，１．４ｍｍ、第３０のテストサンプルでは０．９ｍｍ，１．６ｍｍ，４．０ｍｍ，１．０ｍｍとした。また、第３１のテストサンプルでは０．８ｍｍ，２．２ｍｍ，４．２ｍｍ，１．０ｍｍ、第３２のテストサンプルでは０．７ｍｍ，２．２ｍｍ，４．４ｍｍ，１．０ｍｍ、第３３のテストサンプルでは０．６ｍｍ，２．２ｍｍ，４．６ｍｍ，１．０ｍｍとした。第３３のテストサンプルでは０．６ｍｍ，２．２ｍｍ，４．６ｍｍ，１．０ｍｍ、第３４のテストサンプルでは０．５ｍｍ，２．２ｍｍ，４．８ｍｍ，１．０ｍｍ、第３５のテストサンプルでは０．４ｍｍ，２．２ｍｍ，５．０ｍｍ，１．０ｍｍ、第３６のテストサンプルでは０．３ｍｍ，２．２ｍｍ，５．２ｍｍ，１．０ｍｍとした。

これら各テストサンプルを実際にエンジンに組み付け、このエンジンを実施例３と同様の所定のパターンに従って１０サイクル駆動させてから、実施例２と同様に、絶縁碍子１のＦ部と中心電極２との間における絶縁抵抗値を測定した。耐汚損性評価では、測定した絶縁抵抗値が２０ＭΩ以上であった場合を「○」とし、絶縁碍子１の表面上のカーボンが焼き切れて十分な絶縁性を有し、汚損状態ではないと評価した。そして測定した絶縁抵抗値が２０ＭΩ未満であった場合には、何サイクル目で絶縁抵抗値が２０ＭΩ未満となったかを調べた。

この試験の結果、第２６〜第３５のテストサンプルでは「○」と判定された。また、第２１，第２２，第２３，第２４，第２５のテストサンプルでは、１０サイクル終了時に絶縁抵抗値が２０ＭΩ未満となっており、さらに調べたところ、それぞれ、５サイクル目，４サイクル目，５サイクル目，７サイクル目，８サイクル目で絶縁抵抗値が２０ＭΩ未満となったことがわかった。これは、ギャップＧを１ｍｍより広くとりすぎると、継続して主火花放電ギャップにて火花放電が行われてしまう。このため、補助火花放電ギャップにおいて積極的な火花放電が行われず、絶縁碍子１に付着したカーボンを焼き切ることが難しくなるということがわかった。

さらに、第３６のテストサンプルでは、５サイクルが終了した時点でギャップＧにおいて燃料ブリッジが発生した。なお、燃料ブリッジとは、混合気が接地電極に付着して液化した燃料がギャップＧにおいてブリッジを形成することによって、補助接地電極７０と中心電極２とが短絡して火花放電が行われなくなる状態をいう。ギャップＧが０．４ｍｍ未満であれば、その間隙の狭さから、燃料ブリッジが発生しやすくなることがわかった。これにより、ギャップＧが０．４ｍｍ以上、１ｍｍ以下となるようにスパークプラグ１００を形成すれば、絶縁碍子１の絶縁性は維持され、耐汚損性が良好となるということがわかった。

以上説明したように、本実施の形態のスパークプラグ１００は、補助接地電極７０を設けることによって、混合気の燃焼によって発生したカーボンが絶縁碍子１の表面上に付着した場合に、補助火花放電ギャップにて火花放電を行わせることで、絶縁碍子１の表面上を火花が走り、カーボンを焼き切って除去することができる。この補助接地電極７０の中心電極２に対向する側の側面全体を凹面７３として凹面状に形成することによって、火花放電の行われる部分を分散させ、チャネリングによる絶縁碍子１の削れを防止することができる。また、補助接地電極７０を、その先端部７２を中心電極２側に倒し込んだ状態で主体金具５の先端面５７に接合したことで、横飛火の発生を防止することができる。

また、補助接地電極７０の接合に際し、軸線Ｏ方向における絶縁碍子１の先端面１５からの補助接地電極７０のＥ部の突出量が−１ｍｍから１．５ｍｍまでの間となるようにし、また、ギャップＧが０．４ｍｍ以上、１ｍｍ以下となるようにすれば、絶縁碍子１の絶縁性は維持され、汚損に対する自己清浄が良好に行われることがわかった。そして、補助接地電極７０を主体金具５の先端面５７へ接合する際に上記条件を満たせばよく、接合後の補助接地電極７０に対する加工（例えば曲げ加工など）が不要となるため、ギャップＧを精度よく形成することができる。このような加工が困難な小型のスパークプラグ（主体金具の取付用の雄ネジ部のネジ径がＭ１０以下）に対しても、本発明を好適に実施することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られず、各種の変形が可能である。例えば、図８に示すスパークプラグ２００のように、補助接地電極１７０の先端部１７２を倒れ込ませないようにして、その基部１７１を主体金具５の先端面５７に接合してもよい。実施例１において、補助接地電極７０の倒れ込み量を０ｍｍとした場合に横飛火が若干発生したが、多少横飛火が発生しても、ギャップＧにおいて火花放電が行われれば絶縁碍子１の表面上を火花が走りやすくなり、付着したカーボンを焼き切ることができる。

また、補助接地電極７０の基部７１を接合する主体金具５の先端面５７は、その内周側の稜角部分を面取りし、テーパー状に切削してもよい。一般に火花放電は尖端部分から行われ易いため、こうした面取りを行うことで、横飛火の発生を低減させることができる。

本発明は、内燃機関用のスパークプラグに適用することができる。

スパークプラグ１００の部分断面図である。 スパークプラグ１００の火花放電ギャップ付近の要部拡大断面図である。 補助接地電極７０をスパークプラグ１００の先端側から見た斜視図である。 横飛火の評価についての試験結果を示す表である。 汚損性評価についての試験結果を示す表である。 高速耐久性評価についての試験結果を示す表である。 耐汚損性評価についての試験結果を示す表である。 本発明の変形例としてのスパークプラグ２００の火花放電ギャップ付近の要部拡大断面図である。

１ 絶縁碍子
２ 中心電極
５ 主体金具
１２ 軸孔
２２ 先端部
５２ ネジ部
５７ 先端面
６０ 主接地電極
７０ 補助接地電極
１００ スパークプラグ

Claims (4)

1. 中心電極と、
   軸線方向に延びる軸孔を有し、その軸線方向における自身の先端部より前記中心電極の先端部を突出させた状態で、前記中心電極を前記軸孔で保持する絶縁碍子と、
   自身の先端面より前記絶縁碍子の先端部を突出させた状態で、前記絶縁碍子の周囲を取り囲んで保持する主体金具と、
   一端が、前記主体金具の先端面に接合され、他端が、前記中心電極の先端部の先端面に対向して第１火花放電ギャップを形成する第１接地電極と、
   一端が、前記主体金具の先端面に接合され、他端が、前記絶縁碍子を挟んで対向し、前記絶縁碍子の先端部の側面との間で第２火花放電ギャップを形成する第２接地電極と
   を備え、
   前記主体金具は取付用の雄ネジ部を備えるとともに、当該雄ネジ部のネジ径がＭ１０以下であり、
   前記第２接地電極は略直棒状に形成され、前記軸孔の軸線方向に沿って起立されるとともに、前記第２接地電極の前記中心電極側の側面全体が、前記中心電極と同心円状に形成されていることを特徴とするスパークプラグ。
2. 中心電極と、
   軸線方向に延びる軸孔を有し、その軸線方向における自身の先端部より前記中心電極の先端部を突出させた状態で、前記中心電極を前記軸孔で保持する絶縁碍子と、
   自身の先端面より前記絶縁碍子の先端部を突出させた状態で、前記絶縁碍子の周囲を取り囲んで保持する筒状の主体金具と、
   一端が、前記主体金具の先端面に接合され、他端が、前記中心電極の先端部の先端面に対向して第１火花放電ギャップを形成する第１接地電極と、
   一端が、前記主体金具の先端面に接合され、他端が、前記絶縁碍子を挟んで対向し、前記絶縁碍子の先端部の側面との間で第２火花放電ギャップを形成する第２接地電極と
   を備え、
   前記主体金具は取付用の雄ネジ部を備えるとともに、当該雄ネジ部のネジ径がＭ１０以下であり、
   前記第２接地電極は略直棒状に形成され、前記第２接地電極の他端が、前記主体金具の内周よりも、前記絶縁碍子の前記軸孔の中心軸寄りに位置されるとともに、前記第２接地電極の前記中心電極側の側面全体が、前記中心電極と略同心円状に形成されていることを特徴とするスパークプラグ。
3. 前記軸線方向において前記絶縁碍子の先端へと向かう方向を正の方向として、前記第２接地電極の前記第２火花放電ギャップを形成する部位は、前記絶縁碍子の先端面を基準として、−１ｍｍから１．５ｍｍまでの間に位置する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. 前記第２火花放電ギャップは、０．４ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスパークプラグ。

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