JP6018990B2 - プラズマジェット点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は、プラズマジェット点火プラグに関する。

従来のプラズマジェット点火プラグでは、中心電極が配置される絶縁碍子の軸孔において、中心電極の先端部が配置される位置の直径を、中心電極の後端部が配置される位置の直径よりも小さくすることで、点火による発熱の熱引きを良くして耐久性を向上させると共に、着火性を良好にしている（例えば、特許文献１−１０）。また、スパークプラグの技術分野において、絶縁碍子の先端部を単結晶アルミナの材料で形成することで、耐電圧性を向上させる技術が知られている（例えば、特許文献１１−１３）。

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しかし、特許文献１から１０までに記載された技術では、点火によってプラズマフレームを噴出させると、軸孔の内周面に沿って発生する沿面放電によるチャンネリングが発生して、長時間使用した後のプラズマジェット点火プラグの着火性が低下するという課題があった。また、特許文献１１から１３までに記載された技術は、プラズマジェット点火プラグと構成が異なるスパークプラグについての技術であり、プラズマジェット点火プラグの着火性の低下という課題を解決するためのものではない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と；先端面が前記絶縁体の先端面よりも前記軸線方向の後端側に位置するように前記軸孔内に配置された中心電極と；前記絶縁体の先端面を覆うように前記絶縁体の先端面よりも前記軸線方向の先端側に位置し、前記軸孔の中心軸が位置する部分に形成された貫通孔を有する接地電極と、を備えるプラズマジェット点火プラグが提供される。この形態のプラズマジェット点火プラグは、前記絶縁体は、前記中心電極の先端面よりも前記軸線方向の先端側に配置された少なくとも一部が単結晶の絶縁体材料で形成されている単結晶部を有する。この形態のプラズマジェット点火プラグによれば、単結晶部の内周面におけるチャンネリングの発生を抑制でき、長時間の使用後における着火性の低下を抑制できる。

（２）上記形態のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記単結晶部における前記軸孔の直径は、前記中心電極の先端面が位置する前記軸孔の直径よりも小さくてもよい。この形態のプラズマジェット点火プラグによれば、絶縁体の単結晶部以外の部分の内周面におけるチャンネリングの発生をさらに抑制でき、長時間の使用後における着火性の低下をさらに抑制できる。

（３）上記形態のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記中心電極の先端面から前記絶縁体の先端面まで前記軸線方向に沿った距離Ｇと、前記単結晶部の前記軸線方向に沿った長さｔと、がｔ≧０．２５Ｇの関係を満たしてもよい。この形態のプラズマジェット点火プラグによれば、単結晶部にチャンネリングによる溝の形成を抑制することでその溝を通過する気中放電を防止し、長時間の使用後における着火性の低下をさらに抑制できる。

（４）上記形態のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記中心電極の先端面の位置における前記軸孔の直径Ａは、１．７ミリメートル≦Ａ≦４．０ミリメートルの関係を満たしてもよい。この形態のプラズマジェット点火プラグによれば、絶縁体の単結晶部以外の部分の内周面に沿ったチャンネリングの発生をさらに抑制でき、長時間の使用後における着火性の低下をさらに抑制できる。また、放電空間の容積が大きすぎないため、より小さいエネルギーで効率良くフレームを噴出できる。

（５）上記形態のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記単結晶部は、前記軸線方向に沿った先端側へと前記軸孔の直径が大きくなる第１の拡径部を有し；前記貫通孔の直径は、前記単結晶部の先端面における前記軸孔の径よりも大きくてもよい。この形態のプラズマジェット点火プラグによれば、第１の拡径部が形成されていないプラズマジェット点火プラグと比較して、単結晶部におけるチャンネリングの発生をさらに抑制でき、長時間の使用後における着火性の低下をさらに抑制できる。

（６）上記形態のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記単結晶部は、前記軸線方向に沿った後端側へと前記軸孔の直径が大きくなる第２の拡径部を有してもよい。この形態のプラズマジェット点火プラグによれば、第２の拡径部が形成されていないプラズマジェット点火プラグと比較して、単結晶部におけるチャンネリングの発生をさらに抑制でき、長時間の使用後における着火性の低下をさらに抑制できる。

（７）上記形態のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記単結晶部は、前記中心電極の先端面から前記軸線方向の先端側において、前記中心電極の先端面が位置する前記軸孔の直径よりも小さい直径の前記軸孔を有するすべての部分であってもよい。この形態のプラズマジェット点火プラグによれば、単結晶部におけるチャンネリングの発生をさらに抑制でき、長時間の使用後における着火性の低下をさらに抑制できる。

（８）上記形態のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記絶縁体における前記単結晶部以外の少なくとも一部は、前記単結晶部における前記軸孔の直径が最小である部分に直行する面に配置されてもよい。この形態のプラズマジェット点火プラグによれば、絶縁体における単結晶部以外の部分と単結晶部との接着面積が増え、絶縁体に単結晶部を固定しやすく、軸線方向に直交する面方向において、絶縁体の単結晶部以外の部分に対する単結晶部を位置決めしやすいため、加工が容易である。また、コストの高い単結晶材料を必要以上に多く用いずに絶縁体が作製されるため、コストを抑制した上で長時間の使用後における着火性の低下を抑制できる。

（９）上記形態のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記絶縁体における前記単結晶部以外の部分と前記単結晶部とが接合されてもよい。この形態のプラズマジェット点火プラグによれば、絶縁体における単結晶部以外の部分と単結晶部とは、接合されていない場合と比較して、より強く固定されているため、着火時の燃焼の影響による絶縁体の破損を抑制できる。

（１０）上記形態のプラズマジェット点火プラグにおいて、前記単結晶部における前記軸孔の直径は、前記中心電極の先端面の位置における前記軸孔の直径よりも小さく；前記中心電極には、正極の電圧が印加され；前記中心電極の先端面から前記絶縁体の先端面まで前記軸線方向に沿った距離Ｇと、単結晶部の前記軸線方向に沿った長さｔと、がｔ≦０．５Ｇの関係を満たしてもよい。この形態のプラズマジェット点火プラグによれば、中心電極の極性が負極である場合と比較して、より良好なフレームが噴出される。また、単結晶部におけるチャンネリングの発生をさらに抑制でき、長時間の使用後における着火性の低下をさらに抑制できる。

本発明は、プラズマジェット点火プラグ以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、プラズマジェット点火プラグを含んで構成されるプラズマジェット点火装置やフルトランジスタ点火装置、ＣＤＩ点火装置、これらの点火装置を含んで構成される内燃機関、プラズマジェット点火プラグの製造方法、これらの装置または方法を実現するための集積回路、コンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現できる。

実施形態におけるプラズマジェット点火プラグ１００の概略を示す説明図である。 プラズマジェット点火プラグ１００の先端部の詳細を示す説明図である。 図２におけるＸ１部の構成を示す説明図である。 プラズマジェット点火プラグ１００における耐久試験後の着火性に関する第１の性能評価を示す説明図である。 プラズマジェット点火プラグ１００における耐久試験後の着火性に関する第１の性能評価を示す説明図である。 ギャップ距離ＴＧと単結晶部７０の長さｔｓとの比を変更したプラズマジェット点火プラグ１００のＸ１部（図２）の構成を示す説明図である。 ギャップ距離ＴＧと単結晶部７０の長さｔｓとの比を変更したプラズマジェット点火プラグ１００のＸ１部（図２）の構成を示す説明図である。 ギャップ距離ＴＧと単結晶部７０の長さｔｓとの比を変更したプラズマジェット点火プラグ１００のＸ１部（図２）の構成を示す説明図である。 プラズマジェット点火プラグ１００における耐久試験後の着火性の第２の性能評価を示す説明図である。 直径ＤＡを変更したプラズマジェット点火プラグ１００のＸ１部（図２）の構成を示す説明図である。 直径ＤＡを変更したプラズマジェット点火プラグ１００のＸ１部（図２）の構成を示す説明図である。 プラズマジェット点火プラグ１００における耐久試験後の着火性の第３の性能評価を示す説明図である。 プラズマジェット点火プラグ１００における耐久試験後の着火性の第３の性能評価を示す説明図である。 単結晶部７０にテーパーが形成されたプラズマジェット点火プラグ１００のＸ１部（図２）の構成を示す説明図である。 単結晶部７０にテーパーが形成されたプラズマジェット点火プラグ１００のＸ１部（図２）の構成を示す説明図である。 変形例におけるＸ１部（図２）の構成を示す説明図である。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．プラズマジェット点火プラグの構成：
Ａ−２．プラズマジェット点火プラグの性能評価：

Ａ−１．プラズマジェット点火プラグの構成：
図１は、実施形態におけるプラズマジェット点火プラグ１００の概略を示す説明図である。図１では、プラズマジェット点火プラグ１００の中心軸である軸線ＯＬの右側には、プラズマジェット点火プラグ１００の側面の構成が示され、軸線ＯＬの左側には、プラズマジェット点火プラグ１００の断面の構成が示されている。なお、以下の説明では、軸線ＯＬに沿って、後述する接地電極４０が配置されている側（図１の上方側）を先端側と呼び、後述する端子金具１９が配置されている側（図１の下方側）を後端側と呼ぶ。

プラズマジェット点火プラグ１００は、絶縁碍子２０と、中心電極１０と、主体金具３０と、接地電極４０と、を備えている。絶縁碍子２０は、主体金具３０によって保持されている。中心電極１０は、絶縁碍子２０によって保持されている。接地電極４０は、主体金具３０の先端側に取り付けられている。プラズマジェット点火プラグ１００において、絶縁碍子２０、中心電極１０、主体金具３０、および、接地電極４０の軸心のそれぞれは、軸線ＯＬと一致するように構成されている。

絶縁碍子２０は、略円筒形状の絶縁体であり、軸線ＯＬに沿った貫通孔である軸孔２１を備えている。絶縁碍子２０は、軸孔２１の内側に中心電極１０を収容している。絶縁碍子２０は、アルミナ等の絶縁性セラミックス材料を焼成することによって形成されている。絶縁碍子２０は、外径が最も大きくなる部分である鍔部２９が形成されている胴部２３と、胴部２３の先端側で胴部２３よりも外径の小さい脚長部２４と、を備えている。脚長部２４の先端側は、先端側に向かうにつれて外径が小さくなるように形成されている。胴部２３と脚長部２４との間には外側段状部２５が形成されている。

絶縁碍子２０の軸孔２１は、内径の異なる３つの部位を備えている。具体的には、絶縁碍子２０の軸孔２１は、大径軸孔部２６と、中径軸孔部２７と、小径軸孔部２８と、を備えている。大径軸孔部２６は、胴部２３の内周に相当する部分であり、内側にシール体１８や中心電極１０の後端部１２が配置されている。中径軸孔部２７は、脚長部２４の内周に相当する部分を含み、大径軸孔部２６の先端側に形成されている。中径軸孔部２７は、大径軸孔部２６よりも縮径された内径を有し、中径軸孔部２７と大径軸孔部２６との間に内側段状部２２が形成されている。中径軸孔部２７の内側には、中心電極１０の先端部１１が配置されている。小径軸孔部２８は、脚長部２４の先端部の内周に相当する部分であり、中径軸孔部２７よりも更に先端側に形成されている。小径軸孔部２８は、中径軸孔部２７よりも更に縮径された内径を有している。

中心電極１０は、略棒形状の電極であり、ニッケルまたはニッケルを主成分とするニッケル合金（例えば、インコネル（登録商標）６００）によって形成されている。中心電極１０は、絶縁碍子２０の内側に収容されている。中心電極１０の外側面は、プラズマジェット点火プラグ１００の外部と電気的に絶縁されている。中心電極１０の内部には、熱伝導性に優れる銅等からなる金属芯１３が配置されている。中心電極１０の先端部１１は、絶縁碍子２０の先端部より後端側に位置している。中心電極１０の後端部１２は、シール体１８を介して端子金具１９に電気的に接続されている。シール体１８は、金属とガラスの混合物からなる導電性の部材である。シール体１８は、中心電極１０と端子金具１９とを、互いに導通させ、絶縁碍子２０の軸孔２１内に固定している。端子金具１９は、後端部が絶縁碍子２０の後端側から突出しており、プラグキャップ（図示外）を介して高圧ケーブル（図示しない）に接続される。中心電極１０の外側面には、鍔状に拡径された拡径部１７が形成されている。中心電極１０は、絶縁碍子２０の軸孔２１内に設けられた内側段状部２２と拡径部１７とが当接することによって、絶縁碍子２０の軸孔２１内において位置決めされている。

主体金具３０は、内燃機関のエンジンヘッドにプラズマジェット点火プラグ１００を固定するための略円筒形状の金具であり、内側に絶縁碍子２０が配置されている。主体金具３０は、ニッケルめっきや亜鉛めっきがなされた低炭素鋼や、無めっきのニッケル合金などによって形成されている。主体金具３０は、プラグレンチが嵌合する工具係合部３１と、内燃機関の上部に設けられたエンジンヘッドに螺合するねじ部３２と、を備えている。

主体金具３０の工具係合部３１より後端側には加締部３３が設けられている。工具係合部３１から加締部３３にかけての主体金具３０と、絶縁碍子２０の胴部２３と、の間には円環状のリング部材６，７が介在されており、更にリング部材６とリング部材７との間にはタルク９（滑石９）の粉末が充填されている。そして、加締部３３を加締めることにより、リング部材６，７およびタルク９を介して絶縁碍子２０が主体金具３０内で先端側に向け押圧される。これにより、絶縁碍子２０の外側段状部２５が主体金具３０の内周面に段状に形成された係止部３６に環状のパッキン８を介して支持されて、主体金具３０と絶縁碍子２０とが一体にされる。このパッキン８によって、主体金具３０と絶縁碍子２０との間の気密は保持され、燃焼ガスの流出が防止される。また、工具係合部３１とねじ部３２との間には鍔部３４が形成されており、ねじ部３２の後端側近傍、すなわち鍔部３４の座面３５にはガスケット５が嵌挿されている。

主体金具３０の先端部３９には接地電極４０が設けられている。接地電極４０は、耐火花消耗性に優れた金属から構成されており、接地電極４０を構成する金属の一例としてインコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル系合金が用いられる。接地電極４０は、軸線ＯＬを中心とした貫通孔４１を有する円盤状に形成されており、その厚み方向を軸線ＯＬ方向に揃え、絶縁碍子２０の先端側に配置されている。接地電極４０は、主体金具３０の先端部３９の内周面にレーザ溶接され、主体金具３０と一体となっている。接地電極４０の貫通孔４１は、絶縁碍子２０の軸孔２１と連通している。本実施形態の接地電極４０は、絶縁碍子２０と少なくとも一部が接触している。

図２は、プラズマジェット点火プラグ１００の先端部の詳細を示す説明図である。絶縁碍子２０は、単結晶材料（例えば、サファイア）で形成された単結晶部７０と、単結晶部７０以外の多結晶材料（例えば、アルミナ）で形成された多結晶部７１と、から構成されている。単結晶部７０は、絶縁碍子２０の先端部に、円盤状の形状で形成されている。単結晶部７０は、中心電極１０の先端面８１よりも、先端側に配置されている。単結晶部７０と多結晶部７１とは、セラミックボンドによって接合されている。図２に示すように、絶縁碍子２０の先端側の面である先端面７２は、単結晶部７０の先端面および多結晶部７１の先端面と重複している。すなわち、小径軸孔部２８において軸線ＯＬに直交する平面には、単結晶部７０と多結晶部７１とが含まれている。

また、プラズマジェット点火プラグ１００の先端部では、軸孔２１の中径軸孔部２７の一部と、小径軸孔部２８と、貫通孔４１と、によって、放電空間であるキャビティ６０が形成されている。接地電極４０と中心電極１０との間において行なわれる火花放電には、単結晶部７０の内周面に沿って発生する沿面放電や、キャビティ６０に発生する気中放電が含まれる。この火花放電によって絶縁破壊された後に印加されるエネルギーによって、キャビティ６０の内部でプラズマが形成される。このプラズマは、接地電極４０の貫通孔４１を介してキャビティ６０からプラズマジェット点火プラグ１００の外部に噴出される。以後、プラズマジェット点火プラグ１００の外部に噴出されるプラズマを「フレーム」とも呼ぶ。

Ａ−２．プラズマジェット点火プラグの性能評価：
プラズマジェット点火プラグ１００において、より小さなエネルギーで効率良くフレームを噴出させるためには、単結晶部７０の内周の径を小さくする、すなわち、小径軸孔部２８の径を小さくすることが好ましい。しかし、小径軸孔部２８の径を小さくしすぎると、単結晶部７０の内周面に沿って沿面放電が発生して、単結晶部７０にチャンネリングが発生し、長時間の使用後のプラズマジェット点火プラグ１００の着火性が低下する問題がある。プラズマジェット点火プラグ１００の着火性の低下を抑制するために、上述した実施形態の構成を有するプラズマジェット点火プラグ１００に対して、本実施形態の効果を確認するための種々の試験を行なった。以下、これらの試験結果を示す。

図３は、図２におけるＸ１部の構成を示す説明図である。プラズマジェット点火プラグ１００の先端部における各部の寸法を、図３に示すように定義する。中心電極１０の先端面８１から絶縁碍子２０の先端面７２まで軸線ＯＬに沿った長さを長さＴＧ（以下、「ギャップ距離ＴＧ」とも呼ぶ）、単結晶部７０の軸線ＯＬに沿った長さを長さｔｓと定義する。また、軸孔２１の中径軸孔部２７において中心電極１０の先端面８１が位置する内周の径を直径ＤＡ、小径軸孔部２８の径を直径Ｄｃ、接地電極４０の貫通孔４１の径を直径Ｄｂと定義する。単結晶部７０の内周の直径Ｄｃは、中心電極１０の先端面８１が位置する部分の直径ＤＡよりも小さくなるように形成されている。なお、ギャップ距離ＴＧ、直径ＤＡ、および、長さｔｓのそれぞれは、請求項における距離Ｇ、長さｔ、および、直径Ａに相当する。

図４および図５は、プラズマジェット点火プラグ１００における耐久試験後の着火性に関する第１の性能評価を示す説明図である。第１の性能評価には、絶縁碍子２０が単結晶部７０と多結晶部７１とから構成されている実施例１と、単結晶部７０が存在せずに絶縁碍子２０がすべて多結晶部７１で形成されている比較例１と、を用いた。詳細な耐久試験の条件は、単結晶部７０の材質；サファイア、多結晶部７１の材質；アルミナ、中心電極１０の極性；正極、空気圧；０．４メガパスカル（ＭＰａ）、試験時間；３００時間（ｈ）、点火方式；ＣＤＩ（Capacitor discharge ignition）による６０ヘルツ（Ｈｚ）の周期、放電電圧；１５キロボルト（ｋＶ）である。また、実施例１および比較例１の各部寸法は、ギャップ距離ＴＧ；２．０ミリメートル（ｍｍ）、単結晶部７０の長さｔｓ；０．５ｍｍ、中心電極１０の先端面８１が位置する部分の直径ＤＡ；２．０ｍｍ、単結晶部７０の内周の直径Ｄｃ；０．５ｍｍ、貫通孔４１の直径Ｄｂ；１．５ｍｍ（図３参照）である。着火性の性能評価の方法として、シュリーレン撮影法によって耐久試験後の各サンプルのフレームが撮影されて、フレームの大きさ（以下、「フレーム面積」とも呼ぶ）がピクセル（Ｐｉｘ）の単位を用いて測定された。ピクセル数が大きいほど、フレーム面積が大きく、良好なフレームの噴出が行なわれていることを示している。

図４に示すように、実施例１では、耐久試験後に撮影されたフレーム面積が１２２０Ｐｉｘと、耐久試験前のフレーム面積とほぼ同じであった。それに対し、比較例１では、耐久試験後に撮影されたフレーム面積が５５Ｐｉｘと、耐久試験前および耐久試験後の実施例１よりもフレーム面積が小さい。すなわち、プラズマジェット点火プラグ１００において、単結晶部７０が単結晶を用いて形成されると、耐久試験後の着火性の低下を抑制できる。

次に、実施例１および比較例１のそれぞれに対して、中心電極１０の極性のみを変化させ、耐久試験後の着火性の性能評価の試験を行なった。図５には、中心電極１０が正極である場合の試験結果が左側に示され、中心電極１０が負極である試験結果が右側に示されている。図５に示すように、実施例１および比較例１のそれぞれにおいて、中心電極１０の極性が正極である方が、極性が負極である場合と比較して、より大きなフレーム面積が測定された。そのため、プラズマジェット点火プラグ１００において、中心電極１０の極性を正極にすることで、耐久試験後の着火性の低下を抑制できる。

次に、図３に示すギャップ距離ＴＧに対して、単結晶部７０の長さｔｓを変化させたプラズマジェット点火プラグ１００である実施例のそれぞれについて性能評価の試験を行なった。図６ないし図８は、ギャップ距離ＴＧと単結晶部７０の長さｔｓとの比を変更したプラズマジェット点火プラグ１００のＸ１部（図２）の構成を示す説明図である。図６には、ギャップ距離ＴＧと単結晶部７０の長さｔｓとが０．２５ＴＧ≦ｔｓ≦０．５ＴＧの関係を満たす実施例２における火花放電の一例が示されている。図６の火花放電経路ＰＬは中心電極１０の先端面８１から接地電極４０へと放電している火花放電の経路を表わしている。図６には、火花放電経路ＰＬが単結晶部７０に沿うことなく気中放電が発生している状態が示されている。

図７には、ギャップ距離ＴＧと単結晶部７０の長さｔｓとがｔｓ＜０．２５ＴＧの関係を満たす実施例３における火花放電の一例が示されている。図７では、ギャップ距離ＴＧに対する単結晶部７０の長さｔｓが小さい、すなわち、単結晶部７０の軸線ＯＬに沿った厚さがギャップ距離ＴＧに対して薄く、軸線ＯＬに沿った小径軸孔部２８を形成する絶縁碍子２０の強度が不足しているため、チャンネリングによって単結晶部７０に溝が形成され、その溝を通過する気中放電が発生している。そのため、単結晶部７０は、絞りとしての機能を果たしておらず、図６に示す実施例２と比較すると、このプラズマジェット点火プラグ１００では、効率の良いフレーム噴出が行なわれない。

図８には、ギャップ距離ＴＧと単結晶部７０の長さｔｓとが０．５ＴＧ＜ｔｓの関係を満たす実施例４における火花放電の一例が示されている。図８では、ギャップ距離ＴＧに対する単結晶部７０の長さｔｓが大きい、すなわち、単結晶部７０の軸線ＯＬに沿った厚さがギャップ距離ＴＧに対して厚く、単結晶部７０の内周面に沿って沿面放電が発生して、長時間の使用後にはチャンネリングによって着火性が低下する。そのため、ギャップ距離ＴＧに対する単結晶部７０の長さｔｓが大きい場合には、図６に示す実施例２と比較すると、プラズマジェット点火プラグ１００が長時間使用された後に、効率の良いフレーム噴出が行なわれない。

図９は、プラズマジェット点火プラグ１００における耐久試験後の着火性の第２の性能評価を示す説明図である。第２の性能評価には、実施例２、実施例３、および、実施例４を用いた。また、第２の性能評価では、比較例２、比較例３、および、比較例４も用いた。図９では、長さｔｓの条件のそれぞれに対して、左側の棒グラフに比較例が示され、右側の棒グラフに実施例が示されている。比較例２、比較例３、比較例４のそれぞれは、実施例２、実施例３、実施例４のそれぞれに対して、単結晶部７０が存在せずに絶縁碍子２０がすべて多結晶部７１で形成されており、その他の寸法関係については同じである。第２の性能評価における耐久試験の試験条件は、第１の性能評価における試験条件と同じである。図９に示すように、実施例２では、耐久試験後に撮影されたフレーム面積が１２００Ｐｉｘであり、耐久試験前のフレーム面積とほぼ同じであった。それに対し、実施例３および実施例４のそれぞれでは、耐久試験後に撮影されたフレーム面積が、１５０Ｐｉｘおよび２００Ｐｉｘであり、実施例２よりもフレーム面積が小さい。すなわち、プラズマジェット点火プラグ１００において、単結晶部７０の長さｔｓとギャップ距離ＴＧとが０．２５ＴＧ≦ｔｓ≦０．５ＴＧを満たす関係であると、耐久試験後の着火性の低下を抑制できる。また、長さｔｓとギャップ距離ＴＧとの関係にかかわらず、比較例のフレーム面積よりも実施例のフレーム面積の方が大きい。すなわち、プラズマジェット点火プラグ１００において、絶縁碍子２０がすべて多結晶部７１で形成されるよりも、単結晶部７０が存在する方が耐久試験後の着火性の低下を抑制できる。

次に、中心電極１０の先端面８１が位置する部分の直径ＤＡの長さを変化させたプラズマジェット点火プラグ１００について性能評価の試験を行なった。図１０および図１１は、直径ＤＡを変更したプラズマジェット点火プラグ１００のＸ１部（図２）の構成を示す説明図である。図１０におけるプラズマジェット点火プラグ１００では、中心電極１０の先端面８１が位置する部分の直径ＤＡの寸法が第１実施例の２．０ｍｍよりも小さく設定されており、他の寸法については実施例１と同じに設定されている。図１０に示すように、中心電極１０の先端面８１が位置する部分の直径ＤＡが小さいと、キャビティ６０を構成する多結晶部７１の内周面に沿って沿面放電が発生して、プラズマジェット点火プラグ１００の長時間の使用後にはチャンネリングによって着火性が低下する。そのため、中心電極１０の先端面８１が位置する部分の直径ＤＡが小さいと、プラズマジェット点火プラグ１００を長時間使用した後に、効率の良いフレーム噴出が行なわれない場合がある。

図１１におけるプラズマジェット点火プラグ１００では、中心電極１０の先端面８１が位置する部分の直径ＤＡの寸法が実施例１の２．０ｍｍよりも大きく設定されており、他の寸法については実施例１と同じに設定されている。図１１に示すように、中心電極１０の先端面８１が位置する部分の直径ＤＡが大きいと、単結晶部７０および多結晶部７１の内周面に沿って沿面放電が発生しづらいため、プラズマジェット点火プラグ１００の長時間の使用後において、チャンネリングによる着火性の低下のおそれが少ない。しかし、中心電極１０の先端面８１が位置する部分の直径ＤＡが大きすぎると、キャビティ６０の容積が大きくなってしまう。これにより、プラズマジェット点火プラグ１００の使用時間に関わらず、軸線ＯＬに沿って接地電極４０の貫通孔４１よりも先端側に発生するフレームが小さくなってしまい、効率の良いフレーム噴出が行なわれない場合がある。

図１２および図１３は、プラズマジェット点火プラグ１００における耐久試験後の着火性の第３の性能評価を示す説明図である。図１２に示す第３の性能評価には、実施例１、実施例５、実施例６、実施例７、実施例８、実施例１１、実施例１５、実施例１６、実施例１７、および、実施例１８を用いた。図１３に示す第３の性能評価には、比較例１、比較例５、比較例６、比較例７、比較例８、比較例１１、比較例１５、比較例１６、比較例１７、および、比較例１８を用いた。図１２には、各実施例における中心電極１０の先端面８１が位置する部分の直径ＤＡと、単結晶部７０の長さｔｓと、の寸法関係が示されている。例えば、実施例１６では、実施例１に対して、先端面８１が位置する部分のＤＡが１．７ｍｍであり、単結晶部７０の長さｔｓが１．０ｍｍである。図１３には、図１２に示す実施例のそれぞれに対して、単結晶部７０が存在せずに絶縁碍子２０がすべて多結晶部７１で形成され、その他の寸法関係については同じである比較例のそれぞれが示されている。なお、第３の性能評価における耐久試験の試験条件は、第１および第２の性能評価における試験条件と同じである。

図１２に示すように、実施例１、実施例６、実施例７、実施例１１、実施例１６、および、実施例１７では、いずれのサンプルもフレーム面積が、１１００Ｐｉｘ以上であり、耐久試験前のフレーム面積とほぼ同じである。それに対し、実施例５および実施例１５では、単結晶部７０と多結晶部７１との少なくとも一方に沿面放電によるチャンネリングが発生するために、耐久試験後の着火性が低下する。また、実施例８および実施例１８では、キャビティ６０の容積が大きいため、プラズマジェット点火プラグ１００の使用時間に関わらず、良好なフレーム噴出と判断できるほど十分なフレーム面積が測定されなかった。よって、プラズマジェット点火プラグ１００において、中心電極１０の先端面８１が位置する部分の直径ＤＡが１．７ｍｍ以上４．０ｍｍ以下であると、耐久試験後の着火性の低下を抑制できる。また、図１２および図１３に示すように、直径ＤＡの寸法にかかわらず、耐久試験後では、比較例のフレーム面積よりも実施例のフレーム面積の方が大きい。すなわち、プラズマジェット点火プラグ１００において、絶縁碍子２０がすべて多結晶部７１で形成されるよりも、単結晶部７０が存在する方が耐久試験後の着火性の低下を抑制できる。

次に、単結晶部７０にテーパーを形成したプラズマジェット点火プラグ１００の各サンプルについて性能評価の試験を行なった。図１４および図１５は、単結晶部７０にテーパーが形成されたプラズマジェット点火プラグ１００のＸ１部（図２）の構成を示す説明図である。図１４には、単結晶部７０の後端側に、軸線ＯＬに沿って先端側から後端側へと小径軸孔部２８の直径が大きくなるように面取りされたテーパー７４が形成されたプラズマジェット点火プラグ１００である実施例９が示されている。図１５には、単結晶部７０の先端側に、軸線ＯＬに沿って後端側から先端側へと小径軸孔部２８の直径が大きくなるように面取りされたテーパー７５が形成されたプラズマジェット点火プラグ１００である実施例１０が示されている。また、実施例１０では、接地電極４０の貫通孔４１の直径Ｄｂは、単結晶部７０の先端面７２における内周の直径よりも大きくなるように形成されている。実施例９および実施例１０では、単結晶部７０にテーパー７４とテーパー７５との少なくとも一方が形成されることで、テーパー７４やテーパー７５が形成されていないプラズマジェット点火プラグ１００と比較して、単結晶部７０に対する火花放電経路ＰＬの沿面放電が発生しにくい。そのため、単結晶部７０にテーパーが形成されたプラズマジェット点火プラグ１００では、単結晶部７０におけるチャンネリングの発生を抑制でき、長時間の使用後における着火性の低下を抑制できる。なお、テーパー７４およびテーパー７５のそれぞれは、請求項における第２の拡径部および第１の拡径部に相当する。

以上説明したように、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００において、絶縁碍子２０の先端部には、単結晶材料で形成された単結晶部７０が形成され、単結晶部７０は、中心電極１０の先端面８１よりも、先端側に配置されている。そのため、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、単結晶部７０の内周面におけるチャンネリングの発生を抑制でき、長時間の使用後における着火性の低下を抑制できる。

また、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、単結晶部７０の内周の直径Ｄｃは、軸孔２１において中心電極１０の先端面８１が位置する部分の直径ＤＡよりも小さくなるように形成されている。そのため、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、絶縁碍子２０の多結晶部７１の内周面におけるチャンネリングの発生をさらに抑制でき、長時間の使用後における着火性の低下をさらに抑制できる。

また、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、中心電極１０の先端面８１から絶縁碍子２０の先端面７２まで軸線ＯＬに沿った長をギャップ距離ＴＧとし、単結晶部７０の軸線ＯＬに沿った長さを長さｔｓとした場合に、０．２５ＴＧ≦ｔｓの関係を満たすように形成されている。そのため、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、単結晶部７０にチャンネリングによる溝の形成を抑制することでその溝を通過する気中放電を防止し、長時間の使用後における着火性の低下をさらに抑制できる。

また、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、軸孔２１の中径軸孔部２７において中心電極１０の先端面８１が位置する部分の直径ＤＡは、１．７ｍｍ≦ＤＡ≦４．０ｍｍの関係を満たすように形成されている。そのため、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、キャビティ６０を構成する多結晶部７１の内周面に沿ったチャンネリングの発生をさらに抑制でき、長時間の使用後における着火性の低下をさらに抑制できる。また、キャビティ６０の容積が大きすぎないため、より小さいエネルギーで効率良くフレームを噴出できる。

また、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、単結晶部７０における先端側に、軸線ＯＬに沿って後端側から先端側へと小径軸孔部２８の直径が大きくなるように面取りされたテーパー７５が形成されている。また、単結晶部７０おける後端側に、軸線ＯＬに沿って先端側から後端側へと小径軸孔部２８の直径が大きくなるように面取りされたテーパー７４が形成さている。また、接地電極４０の貫通孔４１の直径Ｄｂは、単結晶部７０の先端面７２における内周の直径よりも大きくなるように形成されている。そのため、本実施形態におけるプラズマジェット点火プラグ１００では、テーパー７５とテーパー７４と野両方が形成されていないプラズマジェット点火プラグ１００と比較して、単結晶部７０におけるチャンネリングの発生をさらに抑制でき、長時間の使用後における着火性の低下をさらに抑制できる。

また、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、単結晶部７０のみによって軸孔２１の小径軸孔部２８が形成されているため、単結晶部７０におけるチャンネリングの発生をさらに抑制でき、長時間の使用後における着火性の低下をさらに抑制できる。

また、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、小径軸孔部２８において軸線ＯＬに直交する平面には、単結晶部７０と多結晶部７１とが含まれている。単結晶部７０が形成する小径軸孔部２８の直径Ｄｃは、軸孔２１の中で最も小さい内周の径である。そのため、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、単結晶部７０と多結晶部７１との接着面積が増え、多結晶部７１に単結晶部７０を固定しやすく、軸線ＯＬに直交する面方向において、多結晶部７１に対する単結晶部７０を位置決めしやすいため、加工が容易である。また、コストの高い単結晶材料を必要以上に多く用いずに絶縁碍子２０が作製されるため、コストを抑制した上で長時間の使用後における着火性の低下を抑制できる。

また、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、単結晶部７０は、絶縁碍子２０における単結晶部７０以外の部分である多結晶部７１とセラミックボンドによって接合されている。そのため、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、単結晶部７０と多結晶部７１とは、接合されていない場合と比較して、より強く固定されているため、キャビティ６０内における燃焼の影響による絶縁碍子２０の破損を抑制できる。

また、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、単結晶部７０の内周における直径Ｄｃは、中心電極１０の先端面８１が位置する部分の内周の直径ＤＡよりも小さく、中心電極１０に印加される電圧の極性が正極である。また、ギャップ距離ＴＧと単結晶部７０の長さｔｓとは、ｔｓ≦０．５ＴＧの関係を満たすように形成されている。そのため、本実施形態のプラズマジェット点火プラグ１００では、中心電極１０の極性が負極である場合と比較して、より良好なフレームが噴出される。また、単結晶部７０におけるチャンネリングの発生をさらに抑制でき、長時間の使用後における着火性の低下をさらに抑制できる。

Ｂ．変形例：
上記実施形態では、単結晶の絶縁体材料としてサファイア（アルミナの単結晶）を例に挙げて説明したが、単結晶の絶縁体材料は必ずしもこれに限られず、種々変形可能である。例えば、単結晶の絶縁体材料として、ルビー、マグネシア、イットリア、および、ジルコニアが用いられてもよいし、その他の単結晶の絶縁体材料が用いられてもよい。

上記実施形態では、プラズマジェット点火プラグ１００の先端部における各部の寸法を一例の実施例として列挙したが、必ずしもこれらの寸法に限られず、寸法については種々変形可能である。プラズマジェット点火プラグ１００の先端部における各部の寸法を、以下に示す寸法に設定することで、より良好なフレームの噴出、および、チャンネリングの更なる抑制、長時間の使用後における着火性の低下の抑制を可能にする。例えば、単結晶部７０の内周の直径Ｄｃは、０．５ｍｍでなくてもよく、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。また、単結晶部７０の長さｔｓは、０．５ｍｍまたは１．０ｍｍ以外でもよく、０．２５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。また、接地電極４０の貫通孔４１の直径Ｄｂは、１．５ｍｍでなくてもよく、単結晶部７０が形成する小径軸孔部２８の直径Ｄｃ以上であることが好ましく、さらに、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であるとさらに好ましい。また、ギャップ距離ＴＧは、２．０ｍｍでなくてもよく、１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが好ましい。また、中心電極１０の先端面８１の直径については特に限定しなかったが、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが好ましい。

上記実施形態では、単結晶部７０に形成されるテーパーがテーパー７４やテーパー７５のような軸線ＯＬにそって一定割合で小径軸孔部２８の断面積が大きくなる直線的な面取りとしたが、テーパーの形状についてはこれに限られず、種々変形可能である。例えば、軸線ＯＬに沿った断面が、曲線となるような形状であってもよいし、階段状の形状であってもよい。また、上記実施形態では、単結晶部７０の長さｔｓに対するテーパーの寸法については特に明記しなかったが、例えば、軸線ＯＬに沿った先端側または後端側に形成される一方のテーパーの長さは、単結晶部７０の長さｔｓに対して２０パーセント以上３０パーセント以下の長さであることが好ましい。また、単結晶部７０の先端側と後端側との両方にテーパーが形成されていてもよい。

図１６は、変形例におけるＸ１部（図２）の構成を示す説明図である。この変形例では、上記実施形態に対して、絶縁碍子２０の先端面７２と、接地電極４０の後端面とが接していない点のみが異なり、他の構成については上記実施形態と同じである。図１６に示すように、絶縁碍子２０と接地電極４０との間に空間が形成されていても、上記実施形態と同様の効果が期待できる。

上記実施形態では、プラズマジェット点火プラグ１００の先端部の各種寸法について、具体例を挙げて説明したが、各種寸法はこれらに限られず、種々変形可能である。例えば、先端面８１が位置する内周の直径ＤＡと小径軸孔部２８の直径Ｄｃとが同じ直径であってもよい。また、中心電極１０の先端では、先端面８１と同じ断面積で所定の長さの最径部が形成されているが、このような最径部が形成されなくてもよい。貫通孔４１の直径Ｄｂが、小径軸孔部２８の直径Ｄｃや先端面８１が位置する内周の直径ＤＡよりも小さい直径であってもよい。また、接地電極４０と主体金具３０とが同じ材質で、一体として形成されていてもよい。中心電極１０の先端部１１は、貴金属またはタングステンで形成されてもよい。また、単結晶部７０と多結晶部７１とが接合されていなくてもよい。その他、複数の変形例や実施例が組み合わされて、プラズマジェット点火プラグ１００が作製されてもよい。

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、上述の課題の一部または全部を解決するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行な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。

５…ガスケット
６，７…リング部材
８…パッキン
９…タルク
１０…中心電極
１１…中心電極の先端部
１２…中心電極の後端部
１３…金属芯
１７…拡径部
１８…シール体
１９…端子金具
２０…絶縁碍子
２１…軸孔
２２…内側段状部
２３…胴部
２４…脚長部
２５…外側段状部
２６…大径軸孔部
２７…中径軸孔部
２８…小径軸孔部
２９，３４…鍔部
３０…主体金具
３１…工具係合部
３２…ねじ部
３３…加締部
３５…座面
３６…係止部
３９…主体金具の先端部
４０…接地電極
４１…貫通孔
６０…キャビティ
７０…単結晶部
７１…多結晶部
７２…単結晶部の先端面
７４，７５…テーパー
８１…中心電極の先端面
１００…プラズマジェット点火プラグ
ＤＡ…中心電極が位置する部分の軸孔の直径
ＴＧ…ギャップ距離
ＯＬ…軸線
ＰＬ…火花放電経路
Ｄｂ…貫通孔の直径
Ｄｃ…小径軸孔部の直径
ｔｓ…単結晶部の長さ

Claims (10)

1. 軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
   先端面が前記絶縁体の先端面よりも前記軸線方向の後端側に位置するように前記軸孔内に配置された中心電極と、
   前記絶縁体の先端面を覆うように前記絶縁体の先端面よりも前記軸線方向の先端側に位置し、前記軸孔の中心軸が位置する部分に形成された貫通孔を有する接地電極と、を備えるプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記絶縁体は、前記中心電極の先端面よりも前記軸線方向の先端側に配置された少なくとも一部が単結晶の絶縁体材料で形成されている単結晶部を有することを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
2. 請求項１に記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記単結晶部の配置位置における前記軸孔の直径は、前記中心電極の先端面が位置する前記軸孔の直径よりも小さいことを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記中心電極の先端面から前記絶縁体の先端面まで前記軸線方向に沿った距離Ｇと、前記単結晶部の前記軸線方向に沿った長さｔと、がｔ≧０．２５Ｇの関係を満たすことを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記中心電極の先端面の位置における前記軸孔の直径Ａは、１．７ミリメートル≦Ａ≦４．０ミリメートルの関係を満たすことを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記単結晶部は、前記軸線方向に沿った先端側へと前記軸孔の直径が大きくなる第１の拡径部を有し、
   前記貫通孔の直径は、前記単結晶部の先端面における前記軸孔の径よりも大きいことを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記単結晶部は、前記軸線方向に沿った後端側へと前記軸孔の直径が大きくなる第２の拡径部を有することを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記単結晶部は、前記中心電極の先端面から前記軸線方向の先端側において、前記中心電極の先端面が位置する前記軸孔の直径よりも小さい直径の前記軸孔を有するすべての部分であることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記絶縁体における前記単結晶部以外の少なくとも一部は、前記単結晶部の配置位置における前記軸孔の直径が最小である部分を通り、かつ前記軸孔の中心軸に直交する面方向に配置されることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記絶縁体における前記単結晶部以外の部分と前記単結晶部とが接合されていることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグにおいて、
    前記単結晶部の配置位置における前記軸孔の直径は、前記中心電極の先端面の位置における前記軸孔の直径よりも小さく、
    前記中心電極には、正極の電圧が印加され、
    前記中心電極の先端面から前記絶縁体の先端面まで前記軸線方向に沿った距離Ｇと、前記単結晶部の前記軸線方向に沿った長さｔと、がｔ≦０．５Ｇの関係を満たすことを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。

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