JP5658848B2 - スパークプラグ - Google Patents

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。

内燃機関等に使用されるスパークプラグは、例えば、軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、前記軸孔の先端側に挿設された中心電極と、前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、前記主体金具の先端部に固定された棒状の接地電極とを備えている。また、接地電極の先端部と中心電極の先端部との間には間隙が形成され、当該間隙に電圧を印加することで、火花放電を生じさせるようになっている。

さらに近年では、火花放電に対する耐消耗性の向上を図るべく、接地電極のうち中心電極の先端部と対向する面（対向面）に、貴金属合金などの耐久性に優れる金属からなるチップを接合し、当該チップと中心電極の先端部との間に前記間隙を形成する技術が提案されている（例えば、特許文献１等参照）。

特開２０１２−６９３７６号公報

しかしながら、燃焼室内を流れる燃料ガスの影響により、前記間隙において発生した火花放電が、接地電極のうち前記対向面に隣接する側面の方へと吹き流されてしまうことがある。このように火花放電が吹き流されてしまうと、接地電極のうちチップが存在しない側面側の部位と、中心電極の先端部との間で火花放電が形成されることとなり、接地電極の側面が急激に消耗してしまう。その結果、火花放電のために必要な電圧（要求電圧）の急激な増大を招いてしまい、使用開始から比較的早い時期に火花放電を発生させることができなくなってしまう（つまり、失火が生じてしまう）おそれがある。

さらに、接地電極の前記対向面にチップが接合されている場合には、チップに対して燃料ガスが直接当たりやすく、チップが急速に冷却されてしまいやすい。チップが急速に冷却されてしまうと、チップ及び接地電極間で生じる熱応力差が大きなものとなってしまう。その結果、チップ及び接地電極の接合部分にクラックが生じてしまい、接地電極からチップが剥離してしまうおそれがある。

尚、燃費向上を図るべく、燃焼室内において燃料ガスがより速く流れるように構成された内燃機関では、燃料ガスがより吹き流れてしまいやすく、また、チップが一層急速に冷却されてしまいやすい。そのため、接地電極の側面が極めて急激に消耗してしまったり、接地電極からチップが容易に剥離してしまったりするおそれがある。

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、火花放電の吹き流れによる接地電極の側面の急激な消耗を効果的に抑制できるとともに、接地電極からのチップの剥離をより確実に防止す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、軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、
前記軸孔の先端側に挿設された中心電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端部に配置され、前記中心電極の先端部との間で間隙を形成する接地電極とを備えるスパークプラグであって、
自身の少なくとも一部が、前記接地電極の両側面のうち少なくとも燃料ガスの下流方向に配置される面に接合されるチップを有し、
前記間隙の大きさをＧ（ｍｍ）としたときにおいて、
前記中心電極の先端面を含む仮想平面に対して、前記チップにおける放電面を前記軸線に沿って投影したとき、前記仮想平面において、前記放電面の投影領域の少なくとも一部が前記中心電極の先端面外周から２．５Ｇの範囲内に位置することを特徴とする。

尚、「間隙の大きさＧ」とあるのは、中心電極の先端面を含む仮想平面から、接地電極の前記中心電極に対向する面（対向面）を含む仮想平面までの最短距離をいう。また、「接地電極の側面」とあるのは、接地電極の前記対向面に隣接する面のうち、接地電極の先端面以外の面をいう。さらに、「放電面」とあるのは、チップのうち、接地電極の接合面（接地電極の側面のうち、チップが接合されている面）に向いている面の背後に位置する面をいう。

また、「燃料ガスの下流方向に配置される面」とは、内燃機関（エンジン）の形式によって異なるものの、一般には、接地電極の、中心電極との対向面に隣接する側面のうち、これらの両側面にチップを設けなかった場合に、他の当該側面に対して消耗が進む側面である。

上記構成１によれば、接地電極のうち燃料ガスの下流方向に配置される面にチップが接合されている。すなわち、吹き流された火花放電に対応する位置にチップが設けられている。また、中心電極の先端面を含む仮想平面に対してチップの放電面を投影したとき、放電面の投影領域の少なくとも一部が中心電極の先端面外周から２．５Ｇの範囲内に位置するように構成されている。すなわち、接地電極のうち中心電極との間で火花放電を形成し得る部位に、前記放電面の少なくとも一部が位置するように構成されている。これらの構成により、燃料ガスにより火花放電が吹き流された際に、チップと中心電極との間で火花放電をより確実に形成することができる。その結果、火花放電の吹き流れに伴い接地電極の側面が急激に消耗してしまうことを効果的に抑制でき、失火の発生を長期間に亘って防止することができる。

また、上記構成１によれば、チップに対して燃料ガスが直接当たってしまうことを抑制でき、チップの急激な冷却をより確実に防止することができる。従って、冷却時において接地電極とチップとの間で生じる熱応力差を効果的に低減させることができる。その結果、接地電極及びチップの接合部分におけるクラックの発生を効果的に抑制することができ、接地電極からのチップの剥離をより確実に防止できる。

構成２．本構成のスパークプラグは、上記構成１において、前記チップの厚さが０．１ｍｍ以上であり、
前記チップのうち前記接地電極に接合されている面から０．１ｍｍ以上の部分を前記軸線に直交する方向から前記接地電極のうち前記チップが接合されている前記側面を含む第２仮想平面に投影したとき、前記部分の投影領域の面積が０．１ｍｍ^２以上であることを特徴とする。

尚、「チップの厚さ」とあるのは、チップのうち接地電極の側面に接合されている面を基準とするチップの最大厚さをいう。

上記構成２によれば、チップの消耗体積を十分に確保することができ、耐消耗性を一層向上させることができる。

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、前記中心電極の先端面を基準として、前記燃料ガスの下流方向を＋側、前記燃料ガスの上流方向を−側としたとき、
前記中心電極の先端面から前記チップの前記放電面までの前記軸線に直交する方向に沿った最短距離が＋１．５ｍｍ以下であることを特徴とする。

上記構成３によれば、火花放電の吹き流れ方向に沿った中心電極の先端面からチップの放電面までの距離が十分に小さくされており、ひいては前記吹き流れ方向に沿った中心電極の先端面から接地電極の側面（チップが接合されている面）までの距離が十分に小さくされている。従って、吹き流された火花放電（火炎核）の成長が、接地電極によって阻害されてしまうことをより確実に防止でき、火花放電（火炎核）をより大きく成長させることができる。その結果、優れた着火性を実現することができる。

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、前記チップの一部は、前記接地電極のうち前記中心電極側に位置する対向面、及び、当該対向面の背後に位置する背面のうちの少なくとも一方に配設されることを特徴とする。

上記構成４によれば、接地電極に対するチップの接合強度をより高めることができ、チップの耐剥離性を一層向上させることができる。

構成５．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記チップの一部は、前記接地電極のうち前記中心電極側に位置する対向面よりも前記中心電極側に突出していることを特徴とする。

上記構成５によれば、火花放電が吹き流された際に、チップと中心電極との間で火花放電をより確実に形成することができる。その結果、火花放電に伴う接地電極の消耗を一層確実に防止することができる。

また、火花放電が吹き流された際には、チップのうち前記対向面から突出する部位に火花放電を接触させることができ、火花放電のそれ以上の吹き流れを防止することができる。これにより、火花放電をより長期間に亘って維持することができ、失火の発生を効果的に抑制することができる。その結果、着火性の一層の向上を図ることができる。

構成６．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至５のいずれかにおいて、前記チップは、前記接地電極の両側面のうち前記燃料ガスの下流方向に配置される面のみに接合されることを特徴とする。

接地電極の両側面にチップを設けることで、内燃機関等に対するスパークプラグの取付位置が正常位置よりもずれてしまったような場合（例えば、スパークプラグが正常位置よりも回転した状態で内燃機関等に取付けられた場合）であっても、接地電極のうち燃料ガスの下流方向に配置される面にチップをより確実に設けることができる。

しかしながら、接地電極の両側面にチップを設けると、燃料ガスの上流方向に配置されたチップにより、間隙に対する燃料ガスの流入が阻害されてしまうおそれがある。また、燃料ガスの上流方向に配置されたチップは、燃料ガスによって急激に冷却されてしまいやすく、剥離してしまいやすい。そして、剥離したチップが間隙に入り込むことで、失火を招いてしまうおそれがある。さらに、複数のチップを設けることに伴うコストの増大も懸念される。

この点を鑑みて、上記構成６によれば、接地電極のうち燃料ガスの下流方向に配置される面のみにチップが接合されるように構成されている。従って、間隙に対して燃料ガスをスムーズに流入させることができ、着火性の更なる向上を図ることができる。また、チップの剥離に伴う失火の発生をより確実に防止できるとともに、コストの抑制を図ることができる。

構成７．本構成のスパークプラグの取付構造は、上記構成１乃至６のいずれかのスパークプラグを取り付けた内燃機関であって、前記チップは、前記接地電極の両側面のうち少なくとも燃料ガスの下流方向に配置される面に接合されていることを特徴とする。

上記構成７の取付構造によれば、スパークプラグのチップに対して燃料ガスが直接当たってしまうことを抑制でき、チップの急激な冷却をより確実に防止することができる。従って、冷却時において接地電極とチップとの間で生じる熱応力差を効果的に低減させることができる。その結果、接地電極及びチップの接合部分におけるクラックの発生を効果的に抑制することができ、接地電極からのチップの剥離をより確実に防止できる。

スパークプラグの構成を示す一部破断正面図である。 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。 スパークプラグの先端部の構成を示す拡大断面図である。 内燃機関に取付けられたスパークプラグを示す模式図である。 接地電極側チップ等を示す部分拡大斜視図である。 接地電極側チップの別例を示す部分拡大斜視図である。 第１仮想平面に投影された放電面の投影領域等を示す投影図である。 接地電極側チップの厚さ等を示す模式図である。 最短距離Ｋを説明するための拡大断面図である。 放電発生距離と間隙の大きさとの関係を示すグラフである。 放電電圧の時間変化を示すグラフである。 最短距離Ｋと限界空燃比との関係を示すグラフである。 別の実施形態における接地電極側チップの構成を示す拡大断面図である。 別の実施形態における接地電極側チップの構成を示す拡大断面図である。 別の実施形態における接地電極側チップの構成を示す拡大斜視図である。 別の実施形態において、接地電極の先端面に設けられた先端側チップ等を示す拡大斜視図である。 別の実施形態における接地電極側チップの構成を示す拡大断面図である。 別の実施形態における接地電極側チップの構成を示す拡大断面図である。 別の実施形態における接地電極側チップの構成を示す拡大斜視図である。 別の実施形態における接地電極側チップの構成を示す拡大斜視図である。

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一方で、絶縁碍子２の先端部は、主体金具３の先端よりも先端側に突出している。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が挿設されている。当該中心電極５は、熱伝導性に優れる金属〔例えば、銅や銅合金、純ニッケル（Ｎｉ）〕等からなる内層５Ａ、及び、Ｎｉを主成分とする合金からなる外層５Ｂにより構成されている。さらに、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の先端部には、所定の金属〔例えば、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、又は、これらの少なくとも一種を主成分とする合金など〕からなり、先端面が平坦とされた円柱状の中心電極側チップ３１が設けられている。

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、前記主体金具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を内燃機関等の取付孔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よりも後端側には鍔状の座部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、主体金具３を内燃機関等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。

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に対してそ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、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の内周面との隙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、図２に示すように、主体金具３の先端部２６には、ほぼ中間にて曲げ返されて、その先端部が中心電極５の先端部（中心電極側チップ３１）と対向する棒状の接地電極２７が接合されている。接地電極２７は、Ｎｉを主成分とする合金（例えば、Ｎｉを主成分とし、ケイ素、アルミニウム、及び、希土類元素の少なくとも一種を含有する合金）により構成されており、接地電極２７の先端部と中心電極５の先端部（中心電極側チップ３１）との間には、間隙３３が形成されている。本実施形態において、間隙３３の大きさＧは、所定範囲内（例えば、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下）とされている。尚、「間隙３３の大きさＧ」とあるのは、図３に示すように、中心電極５の先端面５Ｆを含む第１仮想平面ＶＳ１（本発明の「仮想平面」に相当する）から、接地電極２７のうち中心電極５の先端面５Ｆに対向する面である対向面２７Ｆを含む第３仮想平面ＶＳ３までの最短距離をいう。

また、本実施形態では、図４（図４中において太線で示す矢印は、燃料ガスの流れ方向を示す）に示すように、主体金具３のうち接地電極２７が固定された部位に対するねじ部１５のねじ山の相対的な形成位置を、内燃機関ＥＮの取付孔ＨＯに形成された雌ねじ部ＦＳの切り始めの位置等に対応した位置とすることで、スパークプラグ１を内燃機関ＥＮに組付けたときに、燃焼室ＥＲに対して燃料ガスを供給する燃料供給装置ＦＪと間隙３３との間に接地電極２７が配置されないように構成されている。これにより、接地電極２７の存在によって前記間隙３３に対する燃料ガスの供給が阻害されてしまったり、間隙３３を流れる気流に乱れが生じてしまったりすることを防止でき、良好な着火性を実現できるようになっている。尚、本実施形態において、内燃機関ＥＮは、燃費向上などを図るべく、燃焼室ＥＲ内において燃料ガスの流れが比較的速くなる（例えば、１０ｍ／ｓ以上となる）ように構成されている。

さらに、内燃機関ＥＮにスパークプラグ１を取付けた際に、接地電極２７が上述の位置に配置されるため、図５（図５中において太線で示す矢印は、燃料ガスの流れ方向を示す）に示すように、接地電極２７の両側面２７Ｓ１，２７Ｓ２のうちの一方は、燃料ガスの上流方向に配置され、両側面２７Ｓ１，２７Ｓ２のうちの他方は、燃料ガスの下流方向に配置される。そのため、前記間隙３３に電圧を印加し火花放電を発生させた場合に、火花放電は燃料ガスによって吹き流されることがある。火花放電が吹き流されると、接地電極２７のうち燃料ガスの下流方向に配置される側面と中心電極５（中心電極側チップ３１）の先端部との間で火花放電が形成されることとなる。その結果、火花放電に伴い、接地電極２７のうち燃料ガスの下流方向に配置される側面が偏消耗してしまうおそれがある。

そこで、本実施形態では、接地電極２７の偏消耗を防止すべく、接地電極２７の両側面２７Ｓ１，２７Ｓ２のうち少なくとも燃料ガスの下流方向に配置される面（本実施形態では、側面２７Ｓ１）に、直方体状の接地電極側チップ３２が接合されている。接地電極側チップ３２は、耐消耗性に優れる金属（例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｗ、Ｐｄ、又は、これらの少なくとも一種を主成分とする合金など）によって構成されており、抵抗溶接等により、接地電極２７に埋没した状態で接地電極２７に接合されている。また、本実施形態では、燃料ガスの下流方向に配置される面２７Ｓ１のみに接地電極側チップ３２が接合されている。さらに、接地電極側チップ３２のうち中心電極５側に位置する面は、接地電極２７の対向面２７Ｆと面一となるように構成されている。

尚、接地電極側チップ３２の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、図６に示すように、接地電極側チップ４１が円柱状をなしていてもよい。

加えて、本実施形態では、図７に示すように、前記第１仮想平面ＶＳ１に対して、接地電極側チップ３２の放電面３２Ａを軸線ＣＬ１に沿って投影したとき、第１仮想平面ＶＳ１において、放電面３２Ａの投影領域ＰＲ１（図７中、太線で示した部位）の少なくとも一部が中心電極５の先端面５Ｆ外周から２．５Ｇの範囲ＲＡ（図７中、散点模様を付した部位）内に位置するように構成されている。尚、「放電面３２Ａ」とあるのは、図５等に示すように、接地電極側チップ３２のうち、接地電極２７の接合面（接地電極２７の側面２７Ｓ１，２７Ｓ２のうち、燃料ガスの下流方向に配置され、接地電極側チップ３２が接合される面であり、本実施形態では、側面２７Ｓ１）に向いている面の背後に位置する面をいう。

また、図８に示すように、接地電極側チップ３２の厚さＴ（より詳しくは、接地電極側チップ３２のうち側面２７Ｓ１に接合されている面を基準とした、接地電極側チップ３２の最大厚さ）が０．１ｍｍ以上とされている。

さらに、接地電極側チップ３２のうち接地電極２７に接合されている面から前記接地電極側チップ３２の厚さ方向に沿って０．１ｍｍ以上の部分３２Ｐ（図８中、散点模様を付した部位）を軸線ＣＬ１に直交する方向から接地電極２７の側面２７Ｓ１（チップ３２が接合されている面）を含む第２仮想平面ＶＳ２に投影したとき、前記部分３２Ｐの投影領域ＰＲ２（図８中、斜線を付した部位）の面積Ｓが０．１ｍｍ^２以上とされている。すなわち、接地電極側チップ３２は、十分に厚肉であるとともに、放電面３２Ａ側に位置する部位の断面積が十分に大きなものとされている。

さらに、図９（図９中において太線で示す矢印は、燃料ガスの流れ方向を示す）に示すように、中心電極５の先端面５Ｆを基準として、燃料ガスの下流方向を＋側、燃料ガスの上流方向を−側としたとき、中心電極５の先端面５Ｆから前記放電面３２Ａまでの軸線ＣＬ１に直交する方向に沿った最短距離Ｋが＋１．５ｍｍ以下とされている。すなわち、燃料ガスによって吹き流された火花放電（火炎核）が成長する際に、その成長が接地電極２７によって極力抑制されないように構成されている。尚、中心電極５の先端面５Ｆ上に放電面３２Ａが位置する場合（より詳しくは、放電面３２Ａが、先端面５Ｆの外周を軸線ＣＬ１に沿って延長してなる仮想面上、又は、当該仮想面よりも内側に位置する場合）、最短距離Ｋは０．０ｍｍである。

以上詳述したように、本実施形態によれば、接地電極２７のうち燃料ガスの下流方向に配置される側面２７Ｓ１に接地電極側チップ３２が接合されている。すなわち、吹き流された火花放電に対応する位置に接地電極側チップ３２が設けられている。また、第１仮想平面ＶＳ１に対して放電面３２Ａを投影したとき、放電面３２Ａの投影領域ＰＲ１の少なくとも一部が中心電極５の先端面５Ｆ外周から２．５Ｇの範囲ＲＡ内に位置するように構成されている。すなわち、接地電極２７のうち中心電極５との間で火花放電を形成し得る部位に、放電面３２Ａの少なくとも一部が位置するように構成されている。これらの構成により、燃料ガスによって火花放電が吹き流された際に、接地電極側チップ３２と中心電極５との間で火花放電を形成することができる。その結果、火花放電の吹き流れに伴い接地電極２７の側面２７Ｓ１が急激に消耗してしまうことを効果的に抑制でき、失火の発生を長期間に亘って防止できる。

また、本実施形態によれば、接地電極側チップ３２に対して燃料ガスが直接当たってしまうことを抑制でき、接地電極側チップ３２の急激な冷却をより確実に防止することができる。従って、冷却時において接地電極２７と接地電極側チップ３２との間で生じる熱応力差を効果的に低減させることができる。その結果、接地電極２７及び接地電極側チップ３２の接合部分におけるクラックの発生を効果的に抑制することができ、接地電極側チップ３２の剥離をより確実に防止することができる。

特に本実施形態のように、燃料ガスの流れが速くなる（例えば、１０ｍ／ｓ以上となる）ように構成された内燃機関ＥＮにスパークプラグ１を取付けた場合には、接地電極２７の偏消耗や、接地電極側チップ３２の剥離がより懸念されるが、上述の構成とすることで、接地電極２７の偏消耗や接地電極側チップ３２の剥離をより確実に防止することができる。換言すれば、接地電極２７の側面２７Ｓ１，２７Ｓ２のうち少なくとも燃料ガスの下流方向に配置される側面に接地電極側チップ３１を接合することは、燃料ガスの流れが速くなる（例えば、１０ｍ／ｓ以上となる）ように構成された内燃機関ＥＮに用いられるスパークプラグにおいて特に有効である。

加えて、本実施形態では、接地電極側チップ３２の厚さＴが０．１ｍｍ以上とされ、前記面積Ｓが０．１ｍｍ^２以上とされている。従って、接地電極側チップ３２の消耗体積を十分に確保することができ、耐消耗性を一層向上させることができる。

さらに、前記最短距離Ｋが＋１．５ｍｍ以下とされており、火花放電の吹き流れ方向に沿った中心電極５の先端面５Ｆから接地電極２７の側面２７Ｓ１までの距離が十分に小さくされている。従って、吹き流された火花放電（火炎核）の成長が、接地電極２７によって阻害されてしまうことをより確実に防止でき、火花放電（火炎核）をより大きく成長させることができる。その結果、優れた着火性を実現することができる。

併せて、接地電極２７のうち燃料ガスの下流方向に配置される側面２７Ｓ１のみに接地電極側チップ３２が接合されているため、間隙３３に対して燃料ガスをスムーズに流入させることができ、着火性の更なる向上を図ることができる。

次いで、上記実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、接地電極の対向面に接地電極側チップを接合したスパークプラグのサンプル１（比較例に相当する）と、接地電極のうち燃料ガスの下流方向に配置される側面に接地電極側チップを接合したスパークプラグのサンプル２（実施例に相当する）とを作製し、両サンプルについて、机上冷熱試験を行った。机上冷熱試験の概要は次の通りである。すなわち、サンプルに対して、大気雰囲気下にて接地電極側チップの周囲の温度が１０００℃となるようバーナーで２分間加熱後、接地電極の側面（サンプル２は、チップが接合された側面とは反対側の側面）に燃料ガスを想定した空気を１分間吹き付けることを１サイクルとして１０００サイクル実施した。そして、１０００サイクル終了後にサンプル断面を観察することで、接地電極と接地電極側チップとの境界部分の長さに対する、当該境界部分において形成された酸化スケールの長さの割合（酸化スケール割合）を計測した。表１に、両サンプルにおける酸化スケール割合をそれぞれ示す。

尚、各サンプルともに、中心電極の先端面の外径を０．８ｍｍとした。また、接地電極は、その厚さを１．５ｍｍとし、その幅を２．８ｍｍとした。さらに、接地電極側チップは、円柱状とし、その厚さを０．３ｍｍとし、その外径を０．７ｍｍとした。

表１に示すように、サンプル２は、酸化スケール割合が十分に小さく、接地電極からの接地電極側チップの剥離をより確実に防止できることが明らかとなった。これは、空気（燃料ガス）による接地電極側チップの急冷が抑制され、その結果、接地電極と接地電極側チップとの間で生じる熱応力差が効果的に低減したためであると考えられる。

上記試験の結果より、接地電極側チップの剥離防止を図るべく、接地電極の両側面のうち燃料ガスの下流方向に配置される側面に接地電極側チップを接合することが好ましいといえる。

次に、間隙の大きさＧを０．８ｍｍ、１．１ｍｍ、又は、１．５ｍｍとしたスパークプラグのサンプルを作製するとともに、中心電極を負極性とし、接地電極を正極性として火花放電が生じるように、各サンプルと電源装置とを接続した。次いで、間隙に対して１０ｍ／ｓ以上の流速の空気を吹き付けつつ、１ＭＰａの大気雰囲気下にてサンプルに対して電圧を印加した（尚、印加電圧の周波数を１００Ｈｚとし、１分当たり６０００回の火花放電が行われるようにした）。そして、接地電極のうち中心電極との間で火花放電が形成された部位であって中心電極の先端面外周から最も離間する部位を特定するとともに、特定された部位から中心電極の先端面外周までの軸線と直交する方向に沿った距離（放電発生距離）を測定した。尚、当該放電発生距離の大きさは、接地電極のうち中心電極との間で火花放電が形成され得る範囲（すなわち、火花放電による消耗が生じ得る範囲）の大きさに相当する。

図１０に、間隙の大きさＧと、放電発生距離との関係を表すグラフを示す。尚、各サンプルともに、中心電極の先端面の外径を０．８ｍｍとした。また、接地電極は、その厚さを１．５ｍｍとし、その幅を２．８ｍｍとした。さらに、接地電極側チップは、円柱状とし、その厚さを０．３ｍｍとし、その外径を０．７ｍｍとした。

図１０に示すように、放電発生距離は、間隙の大きさＧの２．５倍となることが確認された。すなわち、中心電極の先端面外周から外周側に２．５Ｇだけ離間した環状部分を軸線方向先端側に延ばしてなる仮想面を取ったとき、接地電極のうち前記仮想面内に位置する部分が火花放電に伴い消耗の生じ得る部分であることが確認された。

上記結果より、接地電極側チップを設けるにあたっては、接地電極のうち前記仮想面内に位置する部分に、接地電極側チップの放電面の少なくとも一部が位置するように構成することが好ましいといえる。換言すれば、中心電極の先端面を含む仮想平面に対して、接地電極側チップの放電面を軸線に沿って投影したとき、前記仮想平面において、放電面の投影部分の少なくとも一部が中心電極の先端面外周から２．５Ｇの範囲内に位置するように構成することが好ましいといえる。

次いで、チップなしサンプルと、チップありサンプルＡ，Ｂとを作製し、各サンプルについて、机上火花耐久試験を行った。机上火花耐久試験の概要は次の通りである。すなわち、中心電極を負極性とし、接地電極を正極性として火花放電が生じるように、各サンプルと電源装置とを接続した上で、間隙に対して１０ｍ／ｓ以上の流速の空気を吹き付けつつ、１ＭＰａの大気雰囲気下にて最大１００時間に亘ってサンプルに対して電圧を印加した（尚、印加電圧の周波数を１００Ｈｚとし、１分当たり６０００回の火花放電が行われるようにした）。そして、所定時間毎に、各サンプルにおける放電電圧の時間変化を測定した。

図１１に、当該試験の結果を示す。尚、図１１においては、チップなしサンプルの試験結果を丸印で示し、チップありサンプルＡの試験結果を三角印で示し、チップありサンプルＢの試験結果を四角印で示す。また、図１１では、失火が発生したことを白抜き印にて示す。

尚、チップなしサンプルは、接地電極側チップを設けることなく構成したスパークプラグのサンプルである。また、チップありサンプルＡは、接地電極のうち燃料ガス（本試験では、空気）の下流方向に配置される側面に接地電極側チップを設けるとともに、接地電極側チップの厚さＴを０．１ｍｍとし、前記面積Ｓを０．０５ｍｍ^２としたスパークプラグのサンプルである。さらに、チップありサンプルＢは、接地電極のうち燃料ガス（本試験では、空気）の下流方向に配置される側面に接地電極側チップを設けるとともに、接地電極側チップの厚さＴを０．１ｍｍとし、前記面積Ｓを０．１ｍｍ^２としたスパークプラグのサンプルである。

図１１に示すように、厚さＴを０．１ｍｍとし、面積Ｓを０．１ｍｍ^２としたサンプル（チップありサンプルＢ）は、１００時間に亘って放電を生じさせたときでも失火が生じることなく、放電電圧の上昇抑制効果に優れることが分かった。

上記試験の結果より、耐消耗性をより向上させ、放電電圧の上昇を効果的に抑制するという観点から、接地電極側チップの厚さＴを０．１ｍｍ以上とするとともに、前記面積Ｓを０．１ｍｍ^２以上とすることが好ましいといえる。

次に、中心電極の先端面を基準として、燃料ガスの下流方向を＋側、燃料ガスの上流方向を−側としたときにおいて、中心電極の先端面から接地電極側チップの放電面までの軸線に直交する方向に沿った最短距離Ｋ（ｍｍ）を種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、各サンプルについて、着火限界評価試験を行った。着火限界評価試験の概要は次の通りである。すなわち、各サンプルを所定のエンジンに取付けた上で、前記エンジンを回転数２０００ｒｐｍにて動作させつつ、燃料ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を徐々に減少させていった。そして、サンプルに対して１０００回の電圧を印加した際に、失火が１０回発生した際の空燃比（限界空燃比）を測定した。図１２に、当該試験の結果を示す。尚、限界空燃比が大きいほど、着火性に優れるといえる。

図１２に示すように、最短距離Ｋを＋１．５ｍｍ以下としたときには、限界空燃比が著しく増大し、優れた着火性を実現できることが分かった。これは、接地電極による火花放電の成長阻害が効果的に抑制されたことによると考えられる。

上記試験の結果より、優れた着火性を実現すべく、中心電極の先端面から接地電極側チップの放電面までの軸線に直交する方向に沿った最短距離Ｋを＋１．５ｍｍ以下と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）上記実施形態では、接地電極側チップ３２のうち中心電極５側に位置する面が、接地電極２７の対向面２７Ｆと面一となるように構成されているが、対向面２７Ｆに対する接地電極側チップ３２の相対位置は、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、接地電極側チップ４２の全域が、前記対向面２７Ｆよりも中心電極５から離間する側に位置するように構成してもよい。

尚、このように構成する場合には、接地電極２７の消耗をより確実に防止するという観点から、接地電極側チップのうち中心電極５側に位置する面を対向面２７Ｆに十分に接近させることが好ましい。従って、接地電極側チップのうち中心電極５側に位置する面と対向面２７Ｆとの間の距離を、接地電極側チップが接合された部分における接地電極２７の厚さの半分以下とすることが好ましく、前記厚さの１／４以下とすることがより好ましい。

また、図１４に示すように、接地電極側チップ４３の一部が、前記対向面２７Ｆよりも中心電極５側に突出するように構成してもよい。このように構成することで、火花放電が吹き流された際に、接地電極側チップ４３と中心電極５との間で火花放電をより確実に形成することができる。その結果、火花放電に伴う接地電極２７の消耗を一層確実に防止することができる。また、火花放電が吹き流された際には、接地電極側チップ４３のうち前記対向面２７Ｆから突出する部位に火花放電を接触させることができ、火花放電のそれ以上の吹き流れを防止することができる。これにより、火花放電をより長期間に亘って維持することができ、失火の発生を効果的に抑制することができる。その結果、着火性の一層の向上を図ることができる。

（ｂ）上記実施形態において、接地電極側チップ３２は、接地電極２７の側面２７Ｓ１のみに接合されているが、図１５に示すように、両側面２７Ｓ１，２７Ｓ２に接地電極側チップ４４，４５を接合してもよい。また、図１６に示すように、接地電極２７の側面２７Ｓ１，２７Ｓ２のうち少なくとも燃料ガスの下流方向に配置される側面に接地電極側チップ４６を接合するとともに、接地電極２７の先端面２７Ａに、所定の金属（例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｗ、Ｐｄ、又は、これらの少なくとも一種を主成分とする合金など）からなる先端面チップ４７を接合してもよい。

（ｃ）図１７に示すように、接地電極側チップ４８の一部が、接地電極２７のうち中心電極５側に位置する対向面２７Ｆに配設されるように構成してもよい。また、図１８に示すように、接地電極側チップ４９の一部が、接地電極２７のうち前記対向面２７Ｆの背後に位置する背面２７Ｂに配設されるように構成してもよい。さらに、接地電極側チップの一部が、前記対向面２７Ｆ及び背面２７Ｂの双方に配設されるように構成してもよい。この場合には、接地電極２７に対する接地電極側チップの接合強度をより高めることができ、接地電極側チップの剥離をより一層確実に防止できる。

（ｄ）上記実施形態において、接地電極側チップ３２は、接地電極２７に埋没した状態とされているが、図１９及び図２０に示すように、接地電極側チップ５０，５１の少なくとも一部が、接地電極２７の側面２７Ｓ１から突出するように構成してもよい。

（ｅ）上記実施形態において、接地電極２７は単一の金属により構成されているが、接地電極２７の内部に良熱伝導性に優れる銅や銅合金等からなる内層を設け、接地電極２７を外層及び内層からなる多層構造としてもよい。

（ｆ）上記実施形態では、主体金具３の先端部２６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）。

（ｇ）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…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
５Ｆ…（中心電極の）先端面
２７…接地電極
２７Ｂ…（接地電極の）背面
２７Ｆ…（接地電極の）対向面
２７Ｓ１，２７Ｓ２…（接地電極の）側面
３２…接地電極側チップ（チップ）
３２Ａ…放電面
３３…間隙

ＶＳ１…第１仮想平面（仮想平面）
ＶＳ２…第２仮想平面
ＣＬ１…軸線
ＰＲ１…放電面の投影領域

Claims (7)

1. 軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、
   前記軸孔の先端側に挿設された中心電極と、
   前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
   前記主体金具の先端部に配置され、前記中心電極の先端部との間で間隙を形成する接地電極とを備えるスパークプラグであって、
   自身の少なくとも一部が、前記接地電極の両側面のうち少なくとも燃料ガスの下流方向に配置される面に接合されるチップを有し、
   前記間隙の大きさをＧ（ｍｍ）としたときにおいて、
   前記中心電極の先端面を含む仮想平面に対して、前記チップにおける放電面を前記軸線に沿って投影したとき、前記仮想平面において、前記放電面の投影領域の少なくとも一部が前記中心電極の先端面外周から２．５Ｇの範囲内に位置することを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記チップの厚さが０．１ｍｍ以上であり、
   前記チップのうち前記接地電極に接合されている面から０．１ｍｍ以上の部分を前記軸線に直交する方向から前記接地電極のうち前記チップが接合されている前記側面を含む第２仮想平面に投影したとき、前記部分の投影領域の面積が０．１ｍｍ^２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. 前記中心電極の先端面を基準として、前記燃料ガスの下流方向を＋側、前記燃料ガスの上流方向を−側としたとき、
   前記中心電極の先端面から前記チップの前記放電面までの前記軸線に直交する方向に沿った最短距離が＋１．５ｍｍ以下であ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. 前記チップの一部は、前記接地電極のうち前記中心電極側に位置する対向面、及び、当該対向面の背後に位置する背面のうちの少なくとも一方に配設され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。
5. 前記チップの一部は、前記接地電極のうち前記中心電極側に位置する対向面よりも前記中心電極側に突出していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
6. 前記チップは、前記接地電極の両側面のうち前記燃料ガスの下流方向に配置される面のみに接合されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のスパークプラグを内燃機関に取り付けてなるスパークプラグの取付構造であって、前記チップは、前記接地電極の両側面のうち少なくとも前記燃料ガスの下流方向に配置される面に接合されていることを特徴とするスパークプラグの取付構造。

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