JP5167257B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に組み付けられて混合気への点火を行うスパークプラグに関する。

従来、内燃機関では、混合気に点火を行うために、スパークプラグが用いられている。一般的なスパークプラグは、図２１に示すように、中心電極と、中心電極を軸孔内に保持する絶縁体と、絶縁体の周囲を取り囲んで保持する主体金具と、基端部が主体金具に接合され、先端部が中心電極との間で火花ギャップを形成する接地電極とを備えている。この火花ギャップで火花放電が行われることによって、混合気への点火が行われる。図２１に示したスパークプラグの形態は、いわゆるプロジェクト（突き出し）タイプと呼ばれるものであるが、その他、例えば、スラント（斜方）タイプと呼ばれるものや、セミ沿面タイプと呼ばれるものがある（特開平６−１７６８４９号公報参照）。
近年、内燃機関の高出力化のため、インテークバルブやエキゾーストバルブのバルブ径を拡大することが必要とされている。また、高出力化された内燃機関を効率よく冷却するために、より大きなウォータージャケットを備えることが必要とされている。しかし、これらの対策を行えば、内燃機関に取付けられるスパークプラグの設置スペースが小さくなるため、スパークプラグの小径化が必要となる。
ところが、単純にスパークプラグを小径化すると、絶縁体と主体金具間の絶縁距離が狭くなる。そのため、絶縁体へのカーボンの付着状況に応じて、中心電極から絶縁碍子を介して主体金具へ飛火する横飛火や、絶縁碍子と主体金具間の隙間を通じて主体金具に飛火する奥飛火が発生してしまう（図２１参照）。横飛火や奥飛火が頻繁に発生すると、正規の火花ギャップで飛火する頻度が減少し、混合気への着火性に問題が生じる。
このような問題に関連し、例えば、特開２００６−４９２０７号公報には、横飛火を抑制するために、絶縁体の先端外径を、先端側から基端側に向かって漸次径大になるよう形成し、この絶縁体の先端から０．１ｍｍ基端側までの体積を、０．３８ｍｍ^３以下とすることが開示されている。また、特開２０００−２４３５３５号公報には、横飛火を抑制するために、高融点金属チップを中心電極に備えたスパークプラグにおいて、主体金具先端面に対応する位置における絶縁体の厚みを、１．１ｍｍ以上とし、更に、絶縁体先端に対応する位置における中心電極の外径を、１．４ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることが開示されている。

上述した問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、従来とは異なる観点で、小径な形状でも横飛火や奥飛火を効果的に抑制可能なスパークプラグを提供することにある。
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の一態様であるスパークプラグを次のように構成した。すなわち、棒状の中心電極と前記中心電極の軸線方向に沿った軸孔を有し、前記中心電極の先端部を露出させつつ前記軸孔内に前記中心電極を保持する略筒状の絶縁体と、前記絶縁体の外周に設けられた略筒状の主体金具と、前記主体金具の先端面に接合され、前記中心電極の先端部との間で火花ギャップを形成する接地電極とを備え、前記絶縁体の先端部が、前記主体金具の先端面から２ｍｍ以上突出しており、かつ、該絶縁体の先端から後端に向かって１ｍｍまでの範囲に存在する該絶縁体の体積が、１１ｍｍ^３以下であり、前記軸線を通る前記スパークプラグの断面において、前記絶縁体の先端面と前記軸孔の側面とが交わる角部を位置ＰＡとし、前記位置ＰＡから前記軸孔内の前記中心電極までの直線距離が最短となる前記中心電極上の位置を位置ＰＢとし、前記絶縁体の先端面から該絶縁体の表面に沿って、該絶縁体が前記主体金具と最初に接触する位置を位置ＰＣとし、前記位置ＰＢと前記位置ＰＣとを結ぶ直線ＢＣを、前記軸線の外側に平行移動させて、該直線ＢＣが前記絶縁体の表面と接することになる前記絶縁体上の位置を位置ＰＤとしたときに、前記直線ＢＣが前記位置ＰＤに接することになる平行移動量Ｅが、０．７５ｍｍ以上のスパークプラグである。
上記態様のスパークプラグでは、絶縁体の先端部を、主体金具の先端面から２ｍｍ以上突出させることとし、かつ、絶縁体の先端から後端に向かって１ｍｍまでの範囲に存在する絶縁体の体積を１１ｍｍ^３以下と規定した。このような態様のスパークプラグであれば、絶縁体先端の温度を迅速に上昇させることができるため、横飛火の発生の原因となるカーボンを速やかに焼き切ることができる。この結果、標準よりも小径なスパークプラグであっても、横飛火の発生を効果的に抑制することが可能になる。更に、上記態様のスパークプラグでは、上述した平行移動量Ｅを０．７５ｍｍ以上とすることで、スパークプラグの外周方向への絶縁体の張り出し量を確保することができる。この結果、中心電極から絶縁体と主体金具の間に奥飛火が生じることを抑制することができる。なお、位置ＰＣは、絶縁体の先端面から絶縁体の表面に沿って、絶縁体が主体金具と最初に接触する位置であるが、この主体金具の概念には、主体金具と電気的に導通するパッキン等の金属部材も含まれるものとする。また、ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ等という符号は、これらの符号を付した位置等を、他の位置等と区別するために便宜的に付したに過ぎず、他の表現も可能である。
上記態様のスパークプラグにおいて、前記中心電極の先端部には、該中心電極の先端部の径を一段階絞った径小部が形成されており、前記中心電極の先端部の径Ｒ１と、前記径小部の径Ｒ２とが、０．７５≦Ｒ２／Ｒ１≦０．９５の関係を有することとしてもよい。また、上記態様のスパークプラグにおいて、前記径小部と前記絶縁体との間に形成される間隙の前記絶縁体の先端面からの深さが、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることとしてもよい。
これらの態様のスパークプラグであれば、絶縁体先端部を速やかに温度上昇させることが可能になるので、横飛火を効果的に抑制することが可能になる。
上記態様のスパークプラグにおいて、前記絶縁体の先端部と前記主体金具の先端部とは、該主体金具の先端面に対応する位置において、所定の間隔を空けて配置されており、前記間隔の寸法は、前記接地電極と前記中心電極間における火花ギャップの寸法に対して、０．８倍以上１．３倍以下であることとしてもよい。
このような態様によれば、絶縁体と主体金具間の間隔と、火花ギャップの寸法とを最適な比率に設定することができるので、小径なスパークプラグであっても、標準的な径のスパークプラグと同等以上の着火性能を確保することができる。更に、このような比率によれば、スパークプラグを小径化しても、主体金具や接地電極の厚みを必要以上に薄くする必要がない。そのため、スパークプラグを小径化しても、その強度を確保することができる。
上記態様のスパークプラグにおいて、前記火花ギャップの寸法は、０．６ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であることとしてもよい。このような態様であれば、着火性能を確保しつつ、絶縁体の先端部と主体金具の先端部との間の間隔を十分に確保することができる。
上記態様のスパークプラグにおいて、前記絶縁体の先端から後端に向かって１ｍｍの位置における前記絶縁体の厚みは、０．７ｍｍ以上であることとしてもよい。このような態様であれば、カーボンが付着していない場合に発生し易い奥飛火を、効果的に抑制することが可能になる。
上記態様のスパークプラグにおいて、前記中心電極の外径は、前記主体金具の先端面に対応する位置において、１．２ｍｍ以上２．１ｍｍ以下であることとしてもよい。このような態様の中心電極であれば、標準よりも小径なスパークプラグの実現が容易になる。
上記態様のスパークプラグにおいて、前記中心電極の先端部および前記接地電極の先端部の少なくともいずれか一方に、貴金属チップを備えることとしてもよい。このような態様であれば、スパークプラグの着火性能を向上させることができる。
上記態様のスパークプラグにおいて、前記中心電極の先端部と、前記接地電極の先端部とは、前記中心電極の軸線上で対向していることとしてもよい。また、上記態様のスパークプラグにおいて、前記中心電極の先端部と、前記接地電極の先端部とは、前記中心電極の軸線外で対向していることとしてもよい。
上記態様のスパークプラグにおいて、前記主体金具は、該主体金具の一部に、内燃機関への取り付けに供されるネジ部を有する取付部を備えており、前記取付部のネジ部が、Ｍ１０またはＭ１２であることとしてもよい。このような態様であれば、標準的なＭ１４サイズのスパークプラグよりも小径なスパークプラグを既定のサイズで提供することができる。

図１は、スパークプラグ１００の部分断面図である。
図２は、中心電極２０の先端部２２付近の拡大図である。
図３は、中心電極２０の先端部２２付近の各部の寸法を示す図である。
図４は、中心電極２０の先端部２２付近の各部の寸法を示す図である。
図５は、第１実施例における評価実験の結果を示すグラフである。
図６は、第２実施例で用意したサンプルの寸法の一部を示す表である。
図７は、くすぶり汚損試験を実施した際に発生した横飛火の発生率を示すグラフである。
図８は、第３実施例における評価実験の結果を示すグラフである。
図９は、第４実施例における評価実験の結果を示すグラフである。
図１０は、第５実施例における評価実験の結果を示すグラフである。
図１１は、第５実施例における評価実験の結果を示すグラフである。
図１２は、第６実施例における評価実験の結果を示すグラフである。
図１３は、第６実施例における評価実験の結果を示すグラフである。
図１４は、電極チップの取り付け位置の他の態様を示す説明図である。
図１５は、電極チップの取り付け位置の他の態様を示す説明図である。
図１６は、電極チップの取り付け位置の他の態様を示す説明図である。
図１７は、接地電極３０の横断面の形状を示す説明図である。
図１８は、接地電極３０の横断面形状の他の態様を示す説明図である。
図１９は、接地電極３０の横断面形状の他の態様を示す説明図である。
図２０は、接地電極３０の先端部と中心電極２０の先端部との位置関係の変形例を示す説明図である。
図２１は、横飛火および奥飛火の概念を示す説明図である。

以下、本発明の一態様であるスパークプラグの実施形態を、図面を参照しつつ次の順序で説明する。
Ａ．スパークプラグの構造：
Ｂ．各部寸法：
Ｃ．実施例：
Ｄ．変形例：
Ａ．スパークプラグの構造：
図１は、スパークプラグ１００の部分断面図であり、図２は、スパークプラグ１００の中心電極２０の先端部２２付近の拡大図である。なお、図１において、スパークプラグ１００の軸線Ｏ方向を図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ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、スパークプラグ１００は、絶縁体として絶縁碍子１０と、この絶縁碍子１０を保持する主体金具５０と、絶縁碍子１０内に軸線Ｏ方向に保持された中心電極２０と、主体金具５０の先端面５７に基部３２を溶接され、先端部３１の一側面が中心電極２０の先端部２２に対向する接地電極３０と、絶縁碍子１０の後端部に設けられた端子金具４０とを備えている。
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、軸中心に軸線Ｏ方向へ延びる軸孔１２が形成された筒形状を有する。軸線Ｏ方向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、それより後端側（図１における上側）には後端側胴部１８が形成されている。鍔部１９より先端側（図１における下側）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、さらにその先端側胴部１７よりも先端側に、先端側胴部１７よりも外径の小さな脚長部１３が形成されている。脚長部１３は先端側ほど縮径され、スパークプラグ１００が内燃機関のエンジンヘッド２００に取り付けられた際には、その燃焼室に曝される。脚長部１３と先端側胴部１７との間には段部１５が形成されている。
図２に示すように、中心電極２０は、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケルまたはニッケルを主成分とする合金から形成された電極母材２１の内部に、電極母材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２５を埋設した構造を有する棒状の電極である。通常、中心電極２０は、有底筒状に形成された電極母材２１の内部に芯材２５を詰め、底側から押出成形を行って引き延ばすことで作製される。芯材２５は、胴部分においては略一定の外径をなすものの、先端側においては先細り形状に形成される。
中心電極２０の先端部２２は絶縁碍子１０の先端部１１よりも突出されており、先端側に向かって径小となるように形成されている。中心電極２０の先端部２２の先端面には、耐火花消耗性を向上させるため、高融点の貴金属からなる電極チップ９０が接合されている。電極チップ９０は、例えば、イリジウム（Ｉｒ）や、Ｉｒを主成分として、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）のうち、１種類あるいは２種類以上を添加したＩｒ合金によって形成することができる。
中心電極２０と電極チップ９０の接合は、電極チップ９０と中心電極２０の先端部２２との合わせ面を狙って外周を一周するレーザ溶接によって行われている。レーザ溶接では、レーザの照射により両材料が溶けて混ざり合うため、電極チップ９０と中心電極２０とは強固に接合される。中心電極２０は軸孔１２内を後端側に向けて延設され、シール体４およびセラミック抵抗３（図１参照）を経由して、後方（図１における上方）の端子金具４０に電気的に接続されている。端子金具４０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、高電圧が印加される。
接地電極３０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。この接地電極３０は、自身の長手方向の横断面が略長方形を有しており、基部３２が主体金具５０の先端面５７に溶接により接合されている。また、接地電極３０の先端部３１は、一側面側が中心電極２０の先端部２２と、軸線Ｏ上で対向するように屈曲されている。
主体金具５０は、内燃機関のエンジンヘッド２００にスパークプラグ１００を固定するための円筒状の金具である。主体金具５０は、絶縁碍子１０を、その後端側胴部１８の一部から脚長部１３にかけての部位を取り囲むようにして内部に保持している。主体金具５０は低炭素鋼材より形成され、図示外のスパークプラグレンチが嵌合する工具係合部５１と、内燃機関の上部に設けられたエンジンヘッド２００の取付ねじ孔２０１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。
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。取付ねじ部５２とシール部５４との間のねじ首５９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、スパークプラグ１００をエンジンヘッド２００に取り付けた際に、シール部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。このガスケット５の変形により、スパークプラグ１００とエンジンヘッド２００間が封止され、取付ねじ孔２０１を介したエンジン内の気密漏れが防止される。
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が設けられている。また、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。工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０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が介在されており、さらに両リング部材６，７間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。加締部５３を内側に折り曲げるようにして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、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、鉄製で環状の板パッキン８を介し、絶縁碍子１０の段部１５が支持されて、主体金具５０と絶縁碍子１０とが一体にされる。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８によって保持され、燃焼ガスの流出が防止される。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いるため、タルク９の軸線Ｏ方向への圧縮ストロークが増加する。この結果、主体金具５０内の気密性が高められることになる。なお、段部５６よりも先端側における主体金具５０と絶縁碍子１０との間には、所定寸法のクリアランスＣが設けられている。
Ｂ．各部寸法：
次に、図２〜４を参照して、スパークプラグ１００の各部の寸法を説明する。図２に示すように、本実施形態のスパークプラグ１００は、取付ねじ部５２の外径Ｍ（呼び径）が、標準的な外径であるＭ１４よりも小径なＭ１０とした。また、主体金具５０の先端面５７付近における中心電極２０の外径Ｒ１を、１．２ｍｍ以上２．１ｍｍ以下とした。なお、本実施例では、取付ねじ部５２の外径Ｍは、Ｍ１０であるものとしたが、Ｍ１２とすることも可能である。
本実施形態では、主体金具５０の先端面５７から軸線Ｏ方向先端側に向かって突き出た絶縁碍子１０の突出量Ｈ（ｍｍ）を２ｍｍ以上と規定した。この寸法の根拠は、後述する第１実施例において説明する。
また、本実施形態では、絶縁碍子１０の図２のハッチング部分の体積Ｖｃ（ｍｍ^３）を、１１ｍｍ^３以下に規定した。図２のハッチング部の体積Ｖｃは、絶縁碍子１０の先端から軸線Ｏ方向後端側へ１ｍｍ離れた位置を通り、軸線Ｏと直交する平面Ｐ（２点鎖線Ｐ−Ｐでその断面を示す。）において、中心電極２０を切断したときの先端側の体積を表している。この体積Ｖｃを１１ｍｍ^３以下とした根拠については、後述する第２実施例において説明する。
更に、本実施形態では、主体金具５０の先端部と絶縁碍子１０の先端部との間のクリアランスＣが、主体金具５０の先端面５７に対応する位置において、火花ギャップＧ（ｍｍ）との間で、以下の関係式（１）を満足するものと規定とした。なお、火花ギャップＧとは、接地電極３０の先端部３１と中心電極２０の先端に設けられた電極チップ９０との間の距離である。この関係式（１）が成立する根拠は、後述する第２実施例において説明する。
０．８≦（Ｃ／Ｇ）≦１．３ ・・・（１）
なお、本実施形態では、火花ギャップＧは、０．６ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であるものとした。そのため、クリアランスＣは、上記関係式（１）に基づき、火花ギャップＧの寸法に応じて、必然的に、０．４８ｍｍ以上１．５６ｍｍ以下の寸法となる。
更に、本実施形態では、主体金具５０の先端面５７に対応する位置における絶縁碍子１０の肉厚Ｔを、０．７ｍｍ以上と規定した。この寸法の根拠は、後述する第３実施例において説明する。
また、本実施形態では、図３に示すように、スパークプラグ１００の軸線Ｏを通る断面における位置ＰＡ〜ＰＤを以下のように定義し、これらの位置に基づいて算出される張り出し量Ｅが、０．７５ｍｍ以上であるものとした。この寸法の根拠は、後述する第４実施例において説明する。なお、張り出し量Ｅは、絶縁碍子１０が軸線Ｏの外側に向けて張り出している程度を表す寸法である。
位置ＰＡ：絶縁碍子１０の先端面と軸孔１２の側面とが交わる角部。
位置ＰＢ：位置ＰＡから軸孔１２内の中心電極２０までの直線距離が最短となる中心電極２０上の位置。換言すれば、位置ＰＡから中心電極２０に接する仮想円を描いたときの中心電極２０と仮想円との接点の位置。
位置ＰＣ：絶縁碍子１０の先端面から絶縁碍子１０の表面を辿って、絶縁碍子１０が金属部材（主体金具５０あるいは主体金具５０と電気的に導通する板パッキン８）に最初に接触する位置。
位置ＰＤ：位置ＰＢと位置ＰＣとを結ぶ直線ＢＣを、軸線Ｏの外側に平行移動させて、この直線ＢＣが絶縁碍子１０の表面と接することになる絶縁碍子１０上の位置。換言すれば、図３において、直線ＢＣを平行移動させた直線Ｂ’Ｃ’と絶縁碍子１０の表面との接点の位置。
張り出し量Ｅ：直線ＢＣが位置ＰＤに接することになる平行移動量。
また、本実施形態では、図４に示すように、軸孔１２と中心電極２０とが接する部分の中心電極２０の先端部２２の径Ｒ１と、中心電極２０の先端部２２において、テーパ部２４を介して径を一段階絞った径小部２３の径Ｒ２とが、以下の関係式（２）を満足するものと規定とした。この関係式（２）が成立する根拠は、後述する第５実施例において説明する。
０．７５≦Ｒ２／Ｒ１≦０．９５ ・・・（２）
更に、本実施形態では、径小部２３と絶縁碍子１０の軸孔１２との間に形成される間隙（以下、「ポケット部２６」という）の絶縁碍子１０の先端面からの深さＦが、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であるものとした。この範囲の根拠は、後述する第６実施例において説明する。
以上のように、本実施形態のスパークプラグ１００の各部の寸法を規定することによって、外径がＭ１０という比較的小径なスパークプラグ１００において、横飛火や奥飛火の発生を効果的に抑制することが可能になった。
なお、スパークプラグ１００は、例えば、以下のような製造方法によって製造することが可能である。すなわち、上述した構造および寸法をそれぞれ採る中心電極２０と、絶縁碍子１０と、主体金具５０と、接地電極３０とを用意し、中心電極２０の先端部を露出させつつ中心電極２０の外周を覆うように絶縁碍子１０を組み付け、更に、絶縁碍子１０の外周に、絶縁碍子１０の先端部が主体金具５０の先端面から２ｍｍ以上突出するように、主体金具５０を組み付け、接地電極３０の先端部を中心電極２０の先端部と対向させつつ、接地電極３０の基端部を主体金具５０の先端面に接合する製造方法である。
Ｃ．実施例：
以下、上述した各部の寸法の根拠を種々の実施例に基づき説明する。
Ｃ−１．第１実施例：
第１実施例では、突出量Ｈを２ｍｍ以上とした根拠を説明する。まず、この第１実施例では、絶縁碍子１０先端の突出量Ｈおよび体積Ｖｃの異なるスパークプラグ１００のサンプルを複数用意した。具体的には、体積Ｖｃがそれぞれ５，８，１１，１２，１３ｍｍ^３のサンプルを用意し、それぞれの絶縁碍子１０の突出量Ｈを−０．５ｍｍから３．０ｍｍまで、０．５ｍｍ単位で調整することにより全４０種類のサンプルを用意した。
そして、本実施例では、これらのサンプルの絶縁碍子１０の先端をバーナーで加熱し、加熱開始から絶縁碍子１０先端の温度が５００℃に到達する時間を計測した。５００℃という温度は、絶縁碍子１０の先端付近に付着したカーボンの消失が開始する温度である。
図５は、本実施例における評価実験の結果を示すグラフである。図示するように本実施例によれば、突出量Ｈが２ｍｍ以上のサンプルの５００℃到達時間が、他のサンプルよりも有意に短いことが確認できた。そのため、上記実施形態のスパークプラグ１００の突出量Ｈを２ｍｍ以上と規定した。このような突出量Ｈとすれば、絶縁碍子１０にカーボンが付着しても、速やかに焼き切ることができるので、カーボン付着時に発生しやすい横飛火を抑制することが可能になる。
なお、体積Ｖｃを規定する位置を、絶縁碍子１０の先端１ｍｍであることとした理由は、絶縁碍子１０の温度分布をサーモグラフィで観察した結果、先端から１ｍｍまでの部分の温度が、それよりも後端側の部分よりも極端に高いことが確認できたからである。
Ｃ−２．第２実施例：
第２実施例では、絶縁碍子１０の先端部の体積Ｖｃを１１ｍｍ^３以下とした根拠と、クリアランスＣと火花ギャップＧとが、上記関係式（１）を満足するものと規定した根拠とを示す。この第２実施例では、まず、主体金具５０の先端の孔径Ｄ１（図２参照）と、絶縁碍子１０の先端の外径Ｄ２（図２参照）と、クリアランスＣ（図２参照）と、火花ギャップＧ（図２参照）とを様々に変化させたスパークプラグ１００のサンプルを用意した。
図６は、本実施例で用意したサンプルの寸法の一部を示す表である。図示するように、本実施例で用意したサンプルは、主体金具５０の孔径Ｄ１はいずれも６ｍｍであるものの、絶縁碍子１０の外径Ｄ２を３．３ｍｍから５．２ｍｍまで、クリアランスＣを０．４ｍｍから１．３５ｍｍまで、ギャップを０．６ｍｍから１．１ｍｍまで、の間に変化させている。表の最右列には、各サンプルの火花ギャップＧに対するクリアランスＣの比（以下、「クリアランス比」という）を示している。クリアランスＣは、主体金具の孔径Ｄ１から絶縁碍子１０の外径Ｄ２を差し引いて、２で除算した値となっている。なお、体積Ｖｃについては、各サンプルの中心電極２０の径を変化させることで、５ｍｍ^３から１３ｍｍ^３までのものを複数用意した。
図７は、上記のように用意したサンプルに対して、くすぶり汚損試験を実施した際に発生した横飛火の発生率を示すグラフである。くすぶり汚損試験とは、ＪＩＳ（日本工業規格）の「Ｄ １６０６」に規定された試験である。具体的には、低温試験室内のシャシダイナモメータ上に自動車を置き、そのエンジンにスパークプラグを装着して、実状に近い所定の走行パターンで運転を行ったときのスパークプラグのくすぶり汚損の度合いを調べる試験である。
図７に示したグラフは、Ｘ軸が、クリアランス比（Ｃ／Ｇ）を、Ｙ軸が、絶縁体先端部の体積Ｖｃ（ｍｍ^３）を、Ｚ軸が、横飛火の発生率（％）を示している。また、このグラフには、横飛火発生率が２４％の位置に太線を付している。この太線は、一般的なＭ１４のスパークプラグの横飛火発生率を示している。つまり、この太線以下となる横飛火発生率であれば、Ｍ１４と同等以上の着火性能を有することになる。
図７に示すように、横飛火発生率が２４％以下となるのは、概ね、クリアランス比が０．８以上であり、かつ、体積Ｖｃが１１ｍｍ^３以下のサンプルであった。また、第１実施例における評価結果を示す図５を参照しても、体積Ｖｃが１１ｍｍ^３を超えると、急激に５００℃到達時間が遅くなり、カーボンを迅速に焼き切ることが困難になることが確認できた。更に、体積Ｖｃが１１ｍｍ^３を超えたり、クリアランス比が１．３を超えると、クリアランスＣ（図２参照）を大きく確保しなければならないことになる。そうすると、主体金具５０や接地電極３０の肉厚を小さくする必要があり、接地電極３０の折損や溶損の発生の要因となる。以上の考察から、上記実施形態におけるクリアランス比を０．８以上１．３以下とし、体積Ｖｃを１１ｍｍ^３以下と規定した。このような構成のスパークプラグ１００であれば、Ｍ１４と同等以上の着火性能および強度を有する小径スパークプラグを提供することが可能になる。
Ｃ−３．第３実施例：
第３実施例では、絶縁碍子１０の肉厚Ｔを、０．７ｍｍ以上と規定した根拠を示す。本願出願人の各種実験によれば、絶縁碍子１０がカーボンで汚損している場合には、横飛火が多く発生していたのに対して、汚損していない場合には、奥飛火が多く発生することが確認できた。そこで、第３実施例では、奥飛火の発生を抑制することを主眼とし、次のような実験を行った。
すなわち、絶縁碍子１０の先端部の肉厚Ｔを種々変化させたサンプルを用意し、各サンプルの火花ギャップＧの寸法を調整することで、奥飛火の発生が始まる火花ギャップＧを調べる実験を行った。本実施例では、１００回火花放電し、１回でも奥飛火が発生したら、その火花ギャップＧにおいて奥飛火が開始したと判断した。つまり、それ以上の火花ギャップＧになると、より多くの奥飛火が発生することになる。
図８は、本実施例における評価実験の結果を示すグラフである。横軸は、絶縁碍子１０の肉厚Ｔを示し、縦軸は、奥飛火の発生が始まる火花ギャップＧの寸法を示している。このグラフには、上述した実験によって得られた奥飛火開始ギャップを、各肉厚に対応させてプロットした。グラフ中に示した水平太線は、一般的なＭ１４スパークプラグの火花ギャップＧの寸法を示している。一般的に、火花ギャップＧが大きければ、それだけ着火性が向上することになる。そのため、奥飛火開始ギャップが、図中の太線以上の値となれば、Ｍ１４と同等以上の着火性能を有することになる。
そこで、グラフ中の各評価値に基づいて近似線を引き、この近似線が太線と交わる点を求めた。この結果、この交点の肉厚Ｔは、概ね０．７ｍｍであった。つまり、絶縁碍子１０の肉厚Ｔが、０．７ｍｍ以上であれば、奥飛火を抑制しつつ、Ｍ１４スパークプラグと同等以上の着火性能を有するスパークプラグを提供することが可能になる。
Ｃ−４．第４実施例：
第４実施例では、張り出し量Ｅを、０．７５ｍｍ以上と規定した根拠を示す。第４実施例では、張り出し量Ｅを種々変化させたサンプルを用意して第３実施例と同様の実験を行った。
図９は、本実施例における評価実験の結果を示すグラフである。横軸は、絶縁碍子１０の張り出し量Ｅを示し、縦軸は、奥飛火の発生が始まる火花ギャップＧの寸法を示している。グラフ中に示した水平太線は、一般的なＭ１４スパークプラグの火花ギャップＧの寸法を示している。上述したように、火花ギャップＧが大きければ、それだけ着火性が向上することになる。そのため、奥飛火開始ギャップが、図中の太線以上の値となれば、Ｍ１４と同等以上の着火性能を有することになる。
そこで、本実施例においても、グラフ中の各評価値に基づいて近似線を引き、この近似線が太線と交わる点を求めた。この結果、この交点における張り出し量Ｅは、概ね０．７５ｍｍであった。つまり、絶縁碍子１０の張り出し量Ｅを０．７５ｍｍ以上とすれば、奥飛火の生じる可能性のある経路（図３における位置ＰＢから位置ＰＣまでの経路）の距離を長くすることができるので、奥飛火を抑制しつつ、Ｍ１４スパークプラグと同等以上の着火性能を有するスパークプラグを提供することが可能になる。
Ｃ−５．第５実施例：
第５実施例では、中心電極２０の径Ｒ１（以下、「中軸径Ｒ１」という）と径小部２３の径Ｒ２（以下、「ポケット径Ｒ２」という）とが、上記関係式（２）を満足するものと規定した根拠とを示す。この第５実施例では、中軸径Ｒ１が１．９ｍｍのスパークプラグ１００と、２．１ｍｍのスパークプラグ１００とを用意し、これらについてそれぞれ、ポケット径Ｒ２を中軸径Ｒ１の、０．５５倍、０．６５倍、０．７５倍、０．８５倍、０．９５倍、１．００倍に変化させたサンプルを用意し、各サンプルについて５００℃到達時間を測定した。
図１０は、本実施例における評価実験の結果を示すグラフである。横軸は、中軸径Ｒ１とポケット径Ｒ２との比率Ｒ２／Ｒ１を表している。本実施例において、中軸径Ｒ１が１．９ｍｍのスパークプラグ１００と、２．１ｍｍのスパークプラグ１００とについて、それぞれ、５００℃到達時間を測定したところ、各ポケット径Ｒ２における５００℃到達時間は、ほぼ同じ値であった。そのため、図１０には、各比率Ｒ２／Ｒ１における５００℃到達時間は１つのみプロットされている。
図１０に示した実験結果によれば、中軸径Ｒ１とポケット径Ｒ２との比率Ｒ２／Ｒ１が、低い値ほど、すなわち、ポケット部２６の隙間が大きいほど、５００℃到達時間が短いことがわかった。つまり、絶縁碍子１０の先端部が、中心電極２０から離れているほど、温度が上がりやすいことになる。よって、比率Ｒ２／Ｒ１が、低い値ほど、カーボンを迅速に焼き切ることが可能になり、横飛火の発生を効果的に抑制することが可能になることになる。図１０には、比率Ｒ２／Ｒ１が「１」つまり、中心電極２０と絶縁碍子１０との間に隙間がないサンプルの評価結果も示しているが、この場合には、中心電極２０と絶縁碍子１０との間に僅かでも隙間があるサンプルよりも極端に５００℃到達時間が長くなる結果となった。つまり、中心電極２０と絶縁碍子１０との間には、隙間がないよりもあった方がよいことになる。そこで、本実施例では、中軸径Ｒ１とポケット径Ｒ２との比率Ｒ２／Ｒ１の上限値を、「０．９５」と規定した。
ところで、絶縁碍子１０の先端部が高温になるほど、カーボンを迅速に焼き切ることは可能になるが、その一方で、プレイグニションが生じやすくなる。そこで、比率Ｒ２／Ｒ１の下限値を決定するため、本実施例では、更に、各比率Ｒ２／Ｒ１のサンプルについて、プレイグニションが発生する進角を、公知の点火進角法と呼ばれる手法によって調べた。点火進角法とは、以下の手順（ａ）〜（ｃ）によって、プレイグニションが発生する進角を調べる手法である。
（ａ）ある点火進角を設定し、所定のエンジン回転数の下で全負荷運転を開始し、例えば、２分間の連続運転の間にプレイグニション発生の有無をイオン電流検出法によって観測する。
（ｂ）２分間の連続運転の間にプレイグニションの発生が見られない場合には段階的に適当量、点火時期を進角させ、プレイグニションの発生が見られるまでこれを繰り返す。
（ｃ）ある点火進角での運転中にプレイグニションが発生した場合、その点火進角を記録する。
図１１には、この点火進角法による測定結果を示した。この図の横軸は、中軸径Ｒ１とポケット径Ｒ２との比率Ｒ２／Ｒ１を表し、縦軸は、プレイグニションが発生する進角を表す。この図１１に示した測定結果によれば、比率Ｒ２／Ｒ１が０．７５辺りから、プレイグニションの発生する進角が遅れることがわかった。プレイグニションの発生する進角が遅れるということは、それだけ、そのスパークプラグ１００の耐熱性が低いことを表し、横飛火が生じやすくなることになる。よって、本実施例では、中軸径Ｒ１とポケット径Ｒ２との比率Ｒ２／Ｒ１の下限値を、この測定結果から、「０．７５」と規定した。
Ｃ−６．第６実施例：
第６実施例では、ポケット部２６の深さＦを、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下と規定した根拠を示す。本実施例では、中軸径Ｒ１とポケット径Ｒ２との比率Ｒ２／Ｒ１が「０．７５」のスパークプラグ１００について、ポケット部２６の深さＦを種々変更し、５００℃到達時間とプレイグニション発生進角を調べる実験を行った。
図１２は、ポケット部２６の深さＦを０．２５ｍｍから２．０ｍｍまで変化させた各サンプルの５００℃到達時間を示すグラフである。この図に示した実験結果によれば、ポケット部２６の深さが０．５ｍｍ以上あれば、０．５ｍｍ未満のサンプルよりも、有意に５００℃到達時間が短くなることがわかった。そのため、本実施例では、ポケット部２６の深さＦの下限値を０．５ｍｍと規定した。
図１３は、ポケット部２６の深さＦを０．２５ｍｍから２．０ｍｍまで変化させた各サンプルのプレイグニション発生進角を示すグラフである。この図に示した実験結果によれば、ポケット部２６の深さＦが、２．０ｍｍまでであれば、プレイグニションの発生する進角がそれほど遅延しないことがわかった。そのため、本実施例では、ポケット部２６の深さＦの上限値を２．０ｍｍと規定した。
Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施形態および種々の実施例について説明したが、本発明は上述した実施形態や実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、以下のような変形が可能である。
Ｄ−１．変形例１：
上記実施形態では、図２に示したように、中心電極２０の先端に、電極チップ９０が設けられている例を示した。しかし、電極チップ９０の取り付け位置は、これに限らず、様々な位置に取り付けることが可能である。
図１４ないし図１６は、電極チップの取り付け位置の他の態様を示す説明図である。図１４には、接地電極３０の先端部に電極チップ９１が設けられた例を示した。この場合、火花ギャップＧは、接地電極３０の先端に設けられた電極チップ９１と中心電極２０の先端部との間の距離となる。また、図１５には、中心電極２０の先端部と、接地電極３０の先端部の両者に、電極チップ９０，９１が設けられた例を示した。この場合、火花ギャップＧは、電極チップ９０と電極チップ９１の間の距離となる。これらのように、中心電極２０の先端部や接地電極３０の先端部に電極チップを取り付けることで、スパークプラグ１００の着火性を向上させることができる。もちろん、図１６に示すように、電極チップを、中心電極２０や接地電極３０のいずれにも設けない態様とすることも可能である。この場合の火花ギャップＧは、中心電極２０の先端部と、接地電極３０の先端部との間の距離となる。つまり、火花ギャップＧは、電極チップの有無に関わらず、火花放電が正規に発生する部位の寸法のことをいう。
Ｄ−２．変形例２：
上記実施形態では、接地電極３０は、図１７に示すように、その長手方向の横断面（図中のａ−ａ断面）が略長方形であるものとした。この横断面の寸法は、例えば、横１．１ｍｍ×縦２．２ｍｍとすることができる。しかし、接地電極３０の横断面の形状は、これに限られず、様々な形状とすることが可能である。
図１８および図１９は、接地電極３０の横断面形状の他の態様を示す説明図である。図１８には、接地電極３０の横断面が略円形である例を示した。また、図１９には、接地電極３０の横断面が、平面部が中心電極２０側を向く略半円形である例を示した。これらの態様において、接地電極３０の断面積は、例えば、図１７に示した長方形と同程度の断面積（＝１．１ｍｍ×２．２ｍｍ）とすることができる。また、接地電極３０の断面形状は、図１８や図１９に示した例に限らず、他にも、例えば、楕円形や台形、その他の多角形とすることも可能である。
Ｄ−３．変形例３：
上記実施形態では、図２に示したように、接地電極３０の先端部は、軸線Ｏ上で、中心電極２０の先端部に対向する構成とした。しかし、接地電極３０の先端部と中心電極２０の先端部との位置関係はこれに限られない。
図２０は、接地電極３０の先端部と中心電極２０の先端部との位置関係の他の態様を示す説明図である。図示するように、本変形例では、中心電極２０の先端部において軸線Ｏと直交する軸Ｑ上で、接地電極３０の先端部と中心電極２０の先端部とが対向することとした。このような態様では、火花放電は、軸線Ｏ上ではなく、軸Ｑ上で生じることになる。また、このような位置関係以外にも、接地電極３０の先端部と中心電極２０の先端部とが、軸線Ｏと所定の角度をもって対向することとしてもよい。いずれの場合においても、絶縁碍子１０の先端部は、中心電極２０の先端部と接地電極３０の先端部とが対向する軸上に存在しないこととする。接地電極３０の先端部と中心電極２０の先端部との位置関係は、スパークプラグの用途や、必要とされる性能等に応じて適宜設定することが可能である。

Claims (11)

1. スパークプラグであって、
   棒状の中心電極と
   前記中心電極の軸線方向に沿った軸孔を有し、前記中心電極の先端部を露出させつつ前記軸孔内に前記中心電極を保持する略筒状の絶縁体と、
   前記絶縁体の外周に設けられた略筒状の主体金具と、
   前記主体金具の先端面に接合され、前記中心電極の先端部との間で火花ギャップを形成する接地電極とを備え、
   前記絶縁体の先端部が、前記主体金具の先端面から２ｍｍ以上突出しており、かつ、該絶縁体の先端から後端に向かって１ｍｍまでの範囲に存在する該絶縁体の体積が、１１ｍｍ^３以下であり、
   前記軸線を通る前記スパークプラグの断面において、
   前記絶縁体の先端面と前記軸孔の側面とが交わる角部を位置ＰＡとし、
   前記位置ＰＡから前記軸孔内の前記中心電極までの直線距離が最短となる前記中心電極上の位置を位置ＰＢとし、
   前記絶縁体の先端面から該絶縁体の表面に沿って、該絶縁体が前記主体金具と最初に接触する位置を位置ＰＣとし、
   前記位置ＰＢと前記位置ＰＣとを結ぶ直線ＢＣを、前記軸線の外側に平行移動させて、該直線ＢＣが前記絶縁体の表面と接することになる前記絶縁体上の位置を位置ＰＤとしたときに、
   前記直線ＢＣが前記位置ＰＤに接することになる平行移動量Ｅが、０．７５ｍｍ以上である
   スパークプラグ。
2. 請求項１に記載のスパークプラグであって、
   前記中心電極の先端部には、該中心電極の先端部の径を一段階絞った径小部が形成されており、前記中心電極の先端部の径Ｒ１と、前記径小部の径Ｒ２とが、
   ０．７５≦Ｒ２／Ｒ１≦０．９５
   の関係を有するスパークプラグ。
3. 請求項２に記載のスパークプラグであって、
   前記径小部と前記絶縁体との間に形成された隙間の前記絶縁体の先端面からの深さが、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であるスパークプラグ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のスパークプラグであって、
   前記絶縁体の先端部と前記主体金具の先端部とは、該主体金具の先端面に対応する位置において、所定の間隔を空けて配置されており、
   前記間隔の寸法は、前記接地電極と前記中心電極間における火花ギャップの寸法に対して、０．８倍以上１．３倍以下であるスパークプラグ。
5. 請求項４に記載のスパークプラグであって、
   前記火花ギャップの寸法は、０．６ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であるスパークプラグ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のスパークプラグであって、
   前記絶縁体の先端から後端に向かって１ｍｍの位置における前記絶縁体の厚みは、０．７ｍｍ以上であるスパークプラグ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のスパークプラグであって、
   前記中心電極の外径は、前記主体金具の先端面に対応する位置において、１．２ｍｍ以上２．１ｍｍ以下であるスパークプラグ。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のスパークプラグであって、
   前記中心電極の先端部および前記接地電極の先端部の少なくともいずれか一方に、貴金属チップを備えるスパークプラグ。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のスパークプラグであって、
   前記中心電極の先端部と、前記接地電極の先端部とは、前記中心電極の軸線上で対向しているスパークプラグ。
10. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のスパークプラグであって、
    前記中心電極の先端部と、前記接地電極の先端部とは、前記中心電極の軸線外で対向しているスパークプラグ。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のスパークプラグであって、
    前記主体金具は、該主体金具の一部に、内燃機関への取り付けに供されるネジ部を有する取付部を備えており、
    前記取付部のネジ部が、Ｍ１０またはＭ１２であるスパークプラグ。

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