JP6045466B2 - プラズマジェットプラグ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関等において燃料ガスに点火するためのプラズマジェットプラグに関する。

内燃機関において、燃料ガスに点火するための点火プラグの１つとして、プラズマジェットプラグが知られている（例えば、特許文献１）。プラズマジェットプラグでは、セラミックス等の絶縁碍子で囲まれた放電空間（キャビティとも呼ぶ）の内部に、中心電極と接地電極との間の火花ギャップが配置される。火花ギャップに火花を発生（放電）させると、キャビティ内の気体が励起されることによって、キャビティ内にプラズマが生成される。そして、キャビティ内で生成されたプラズマが、キャビティの外部に噴出することによって、燃料ガスへの点火が行われる。プラズマジェットプラグは、火花放電によって直接に燃料ガスに点火するスパークプラグと比較して、燃焼の広がりが速く、空燃比の高い希薄混合気に対しても確実に点火することができる利点がある。

特開２０１２−１９５２８２号公報

しかしながら、プラズマジェットプラグでは、耐久性能と、着火性能と、を両立することが困難であるという課題があった。例えば、キャビティが比較的小さい場合には、火花によってキャビティを形成する絶縁碍子が損傷を受けやすいので耐久性能が低下しやすく、キャビティが比較的大きい場合には、プラズマの噴出量が低下しやすいので着火性能が低下しやすい。

本発明の目的は、プラズマジェットプラグの耐久性能と着火性能とを両立する技術を提供することである。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例および態様として実現することが可能である。
［態様］軸線方向に延びる軸孔を形成する内周面を有する筒状体の絶縁体と、
前記絶縁体の前記軸孔の内部に配置され、前記軸線方向に延びる棒状の中心電極と、
前記絶縁体の外周に配置される主体金具と、
前記主体金具と電気的に接続され、前記軸線上に開口する孔を有し前記絶縁体の先端側に配置される板状部を含む接地電極と、
を備え、
前記中心電極は、前記軸孔と前記中心電極との径差が０．１ｍｍ以下となる先端側から後端側に位置する大径部と、前記大径部よりも先端側に位置する小径部と、を有し、
前記中心電極の前記小径部の表面と、前記絶縁体の前記内周面と、によってキャビティが形成されるプラズマジェットプラグであって、
前記接地電極の前記孔は、前記絶縁体の前記内周面の先端より径方向の内側に形成されており、
前記中心電極の前記先端面から前記接地電極までの前記軸線方向の距離をＧ（ｍｍ）とし、
前記中心電極の前記先端面と前記絶縁体の前記内周面との間の最短距離をＡ（ｍｍ）とし、
前記中心電極の前記小径部の後端から前記接地電極までの前記軸線方向の距離をＢ（ｍｍ）とし、
前記中心電極の前記先端面の径方向の幅をＤ（ｍｍ）とし、
前記接地電極の前記孔の径方向の幅をＥ（ｍｍ）としたとき、
０．５Ｇ≦Ａ≦０．８Ｇ、かつ、２Ｇ≦Ｂ≦３Ｇ、かつ、０．５≦Ｇ≦１．２、かつ、Ｄ≦２．２、かつ、０．８Ｄ≦Ｅを満たす、プラズマジェットプラグ。

［適用例１］軸線方向に延びる軸孔を形成する内周面を有する筒状体の絶縁体と、
前記絶縁体の前記軸孔の内部に配置され、前記軸線方向に延びる棒状の中心電極と、
前記絶縁体の外周に配置される主体金具と、
前記主体金具と電気的に接続され、前記軸線上に開口する孔を有し前記絶縁体の先端側に配置される板状部を含む接地電極と、
を備え、
前記中心電極は、前記軸孔と前記中心電極との径差が０．１ｍｍ以下となる先端側から後端側に位置する大径部と、前記大径部よりも先端側に位置する小径部と、を有し、
前記中心電極の前記小径部の表面と、前記絶縁体の前記内周面と、によってキャビティが形成されるプラズマジェットプラグであって、
前記中心電極の前記先端面から前記接地電極までの前記軸線方向の距離をＧ（ｍｍ）とし、
前記中心電極の前記先端面と前記絶縁体の前記内周面との間の最短距離をＡ（ｍｍ）とし、
前記中心電極の前記小径部の後端から前記接地電極までの前記軸線方向の距離をＢ（ｍｍ）とし、
前記中心電極の前記先端面の径方向の幅をＤ（ｍｍ）とし、
前記接地電極の前記孔の径方向の幅をＥ（ｍｍ）としたとき、
０．５Ｇ≦Ａ≦０．８Ｇ、かつ、２Ｇ≦Ｂ≦３Ｇ、かつ、０．５≦Ｇ≦１．２、かつ、Ｄ≦２．２、かつ、０．８Ｄ≦Ｅを満たす、プラズマジェットプラグ。

中心電極から接地電極までの間の空間を通る放電経路（以下、気中経路とも呼ぶ）に対して、絶縁体の内周面を含む放電経路（沿面経路を含む放電経路）が過度に短くなると、沿面経路を通る沿面放電が発生しやすい。上記の距離Ｇが長いほど気中経路が長くなり、上記の距離Ａ、Ｂが長いほど沿面経路を含む放電経路が長くなる。上記構成によれば、０．５Ｇ≦Ａ、２Ｇ≦Ｂ、Ｇ≦１．２ｍｍをそれぞれ満たすように構成することによって、気中経路に対して沿面経路を含む放電経路が過度に短くなることを抑制して、沿面放電の発生を抑制することができる。この結果、沿面放電による絶縁体の損傷を抑制して、プラズマジェットプラグの耐久性能を向上することができる。

また、キャビティの容積が過度に大きい場合には、プラズマの噴出量が低下しやすい。上記の距離Ａ、Ｂ、Ｄが長いほどキャビティの容積が大きくなる。上記構成によれば、Ａ≦０．８Ｇ、Ｂ≦３Ｇ、Ｄ≦２．２を満たすように構成することによって、キャビティの容積が過度に大きくなることを抑制できる。この結果、プラズマの噴出量の低下を抑制して、プラズマジェットプラグの着火性能を向上することができる。

また、上記の距離Ｇが過度に短い場合には、中心電極と接地電極との間の抵抗が小さくなり放電によって発生する火花のエネルギーが低下する可能性がある。上記構成によれば、０．５≦Ｇを満たすように構成することによって、火花のエネルギーの低下を抑制して、プラズマの噴出量の低下を抑制することができる。この結果、プラズマジェットプラグの着火性能を向上することができる。

さらに、接地電極の孔が、中心電極に対して過度に小さい場合には、ギャビティ内のプラズマが孔から外部に噴出されにくくなるので、プラズマの噴出量が低下しやすい。上記の構成によれば、０．８Ｄ≦Ｅを満たすことによって、プラズマの噴出量の低下を抑制して、プラズマジェットプラグの着火性能を向上することができる。

以上のように、上記構成によれば、プラズマジェットプラグの耐久性能と着火性能とを両立することができる。

［適用例２］適用例１に記載のプラズマジェットプラグであって、
１．２≦Ｄを、さらに満たす、プラズマジェットプラグ。

中心電極の先端面の幅Ｄが過度に小さい場合には、中心電極の耐消耗性が低下する可能性があり、特に、高エネルギー電源を用いる場合に中心電極の耐消耗性が低下する可能性がある。上記構成によれば、中心電極の先端面の幅Ｄを１．２以上にすることによって、中心電極の耐消耗性の低下を抑制することができる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載のプラズマジェットプラグであって、
Ｅ≦１．２Ｄを、さらに満たす、プラズマジェットプラグ。

中心電極の先端面の幅Ｄに対して、接地電極の孔の幅Ｅが過度に大きくなると、中心電極の先端面と接地電極との距離が長くなることによって、気中経路が過度に長くなる可能性がある。この結果、沿面放電が発生しやすくなる可能性がある。上記構成によれば、接地電極の孔の幅Ｅを、中心電極の先端面の幅Ｄの１．２倍以下にすることによって、気中経路が過度に長くなることを抑制して、沿面放電の発生を抑制することができる。この結果、プラズマジェットプラグの耐久性能をより向上することができる。

［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載のプラズマジェットプラグであって、
前記接地電極の前記孔は、前記絶縁体の前記内周面の先端より径方向の内側に形成されている、プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、中心電極の先端面と接地電極との間の気中経路が、絶縁体の内周面から離れるので、沿面放電の発生を抑制することができる。この結果、プラズマジェットプラグの耐久性能をより向上することができる。

［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載のプラズマジェットプラグであって、
前記絶縁体の内周面の、前記小径部の後端より先端側の部分の内径は、前記小径部の後端より後端側の部分の内径以上である、プラズマジェットプラグ。

絶縁体の内周面と中心電極の先端面とが近づくと、中心電極の先端面から絶縁体の内周面までの気中放電の後に絶縁体の内周面に沿って沿面放電が発生しやすくなる。この構成によれば、絶縁体の内周面と中心電極の先端面とが近づくことを抑制できるので、このような沿面放電の発生を適切に抑制することができる。この結果、プラズマジェットプラグの耐久性能をより向上することができる。

［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれかに記載のプラズマジェットプラグであって、
前記中心電極のうち少なくとも前記先端面を含む部分と、前記接地電極のうち少なくとも前記孔が形成されている部分とは、融点が摂氏１７００度以上である金属で形成されている、プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、中心電極と接地電極との消耗を抑制することができる。この結果、プラズマジェットプラグの耐消耗性をより向上することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、プラズマジェットプラグやプラズマジェットプラグを用いた点火装置、そのプラズマジェットプラグを搭載する内燃機関や、そのプラズマジェットプラグを用いた点火装置を搭載する内燃機関等の態様で実現することができる。

本実施形態のプラズマジェットプラグ１００の全体を示す図。 プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０近傍の断面図。 点火装置１２０の概略構成を示すブロック図。 プラズマジェットプラグ１００の先端近傍を軸線ＣＯが含まれる面で切断した断面図。 第３評価試験における耐消耗性試験の結果を示すグラフ。 比較形態のプラズマジェットプラグの先端部の近傍の構成を示す第１の図。 比較形態のプラズマジェットプラグの先端部の近傍の構成を示す第２の図。 変形例におけるギャップ形成部材の形状の一例を示す図。 変形例におけるプラズマジェットプラグの先端の部分の形状を示す図。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．プラズマジェットプラグの全体構成：
以下、本発明の実施の態様を実施形態に基づいて説明する。図１は本実施形態のプラズマジェットプラグ１００の全体を示す図である。図１の軸線ＣＯより右側には、プラズマジェットプラグ１００の外観が図示され、軸線ＣＯの左側には、軸線ＣＯを含む面で切断した断面図が示されている。図２は、プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０近傍の断面図である。図１、図２の一点破線は、プラズマジェットプラグ１００の軸線ＣＯを示している。軸線ＣＯと平行な方向（図１、図２の上下方向）を軸線方向とも呼ぶ。軸線ＣＯを中心とする円の径方向を、単に「径方向」とも呼び、軸線ＣＯを中心とする円の周方向を、単に「周方向」とも呼ぶ。図１、図２における下方向を先端方向Ｄ１と呼び、上方向を後端方向Ｄ２とも呼ぶ。図１、図２における下側をプラズマジェットプラグ１００の先端側と呼び、図１、図２における上側をプラズマジェットプラグ１００の後端側と呼ぶ。

プラズマジェットプラグ１００は、絶縁体としての絶縁碍子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、を備える（図１）。

絶縁碍子１０はアルミナ等を焼成して形成されている。絶縁碍子１０は、軸線方向に沿って延び、絶縁碍子１０を貫通する軸孔１２を有する略円筒形状の部材（筒状体）である。絶縁碍子１０は、鍔部１９と、後端側胴部１８と、先端側胴部１７と、段部１４と、脚長部１３とを備えている。後端側胴部１８は、鍔部１９より後端側に位置し、鍔部１９の外径より小さな外径を有している。先端側胴部１７は、鍔部１９より先端側に位置し、後端側胴部１８の外径より小さな外径を有している。脚長部１３は、先端側胴部１７より先端側に位置し、先端側胴部１７の外径より小さな外径を有している。段部１４は、絶縁碍子１０の脚長部１３と先端側胴部１７との間に形成されている。

軸孔１２のうち脚長部１３の内周にあたる部分は、電極収容孔１５として形成されている（図１、図２）。電極収容孔１５は、軸孔１２のうち、電極収容孔１５より後端側の部分の内径より小さな内径を有している。

主体金具５０は、導電性の金属材料（例えば、低炭素鋼材）で形成され、内燃機関のエンジンヘッド（図示省略）にプラズマジェットプラグ１００を固定するための略円筒形状の部材（筒状体）である。主体金具５０は、軸線ＣＯに沿って貫通する貫通孔５９が形成されている。主体金具５０は、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の先端側の一部と、鍔部１９と、先端側胴部１７と、脚長部１３との外周に配置される。すなわち、主体金具５０の貫通孔５９内に、絶縁碍子１０が挿入・保持されている（図１）。

主体金具５０は、スパークプラグレンチが係合する六角柱形状の工具係合部５１と、内燃機関に取り付けるための取付ネジ部５２と、工具係合部５１と取付ネジ部５２との間に形成された鍔状の座部５４と、を備えている（図１）。例えば、取付ネジ部５２の呼び径は、Ｍ８（８ｍｍ（ミリメートル））、Ｍ１０、Ｍ１２、Ｍ１４、Ｍ１８のいずれかとされている。

主体金具５０の取付ネジ部５２と座部５４との間には、金属板を折り曲げて形成された環状のガスケット５が嵌挿されている（図１）。ガスケット５は、プラズマジェットプラグ１００が内燃機関に取り付けられた際に、プラズマジェットプラグ１００と内燃機関（エンジンヘッド）との隙間を封止する。

主体金具５０は、さらに、工具係合部５１の後端側に設けられた薄肉の加締部５３と、座部５４と工具係合部５１との間に設けられた薄肉の圧縮変形部５８と、を備えている（図１）。主体金具５０における工具係合部５１から加締部５３に至る部位の内周面と、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の外周面との間に形成される環状の領域には、環状のリング部材６、７が配置されている。当該領域における２つのリング部材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５０の貫通孔５９を形成する内周面は、取付ネジ部５２の軸方向の中央部で後端側から先端側に向かって縮径しており、これによって内周面に段状の係止部５６が形成されている（図２）。

加締部５３の後端は、径方向内側に折り曲げられて、絶縁碍子１０の外周面に固定されている。主体金具５０の圧縮変形部５８は、製造時において、絶縁碍子１０の外周面に固定された加締部５３が先端側に押圧されることにより、圧縮変形する。圧縮変形部５８の圧縮変形によって、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。この結果、金属製の環状の板パッキン８０（図２）を介して、主体金具５０の内周面の係止部５６に、絶縁碍子１０の段部１４が押圧される。この結果、絶縁碍子１０の段部１４と、主体金具５０の係止部５６との間は、板パッキン８０を挟んで封止される。この結果、内燃機関の燃焼室内のガスが、主体金具５０と絶縁碍子１０との隙間から外部に漏れることが、防止される。

中心電極２０は、軸線ＣＯに沿って延びる棒状の部材であり、絶縁碍子１０の軸孔１２の内部に配置されている。中心電極２０は、電極母材２０Ａと、電極母材２０Ａの内部に埋設された芯材２０Ｂと、を含む構造を有する（図２）。電極母材２０Ａは、ニッケルまたはニッケルを主成分とする合金（インコネル（アルファベットのINCONELは登録商標）６００等）で形成されている。芯材２０Ｂは、電極母材２０Ａを形成する合金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で形成されている。

また、中心電極２０は、頭部２１と、頭部２１よりも先端側に位置し、頭部２１より外径が小さい脚部２２と、を備えている。中心電極２０の脚部２２は、絶縁碍子１０の軸孔１２のうちの電極収容孔１５に収容され、中心電極２０の頭部２１は、軸孔１２のうちの電極収容孔１５より内径の大きな部分に収容されている。中心電極２０は、脚部２２の先端にギャップ形成部材２６を備えている（図２）。ギャップ形成部材２６は、例えば、レーザー溶接によって脚部２２の先端に接合されている。

図２に示すように、接地電極３０は、主体金具５０の先端面５７に形成された係合部５７Ａに係合されている。図２に示すように、接地電極３０は中央に連通孔３１を有する円盤形状（すなわち、円形の板状）を有している。接地電極３０は、厚み方向を軸線ＣＯ方向とし、絶縁碍子１０の先端面１６に当接した状態、あるいは、先端面１６と微小な隙間（例えば、０．０５ｍｍ以下の隙間）を有する状態で、係合部５７Ａに係合され、レーザー溶接などによって主体金具５０に接合されている。これにより、主体金具５０と接地電極３０は電気的に導通している。

中心電極２０のギャップ形成部材２６と、接地電極３０とは、融点が摂氏１７００度以上の金属材料によって形成されている。ギャップ形成部材２６、および、接地電極３０を形成する金属材料には、例えば、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）や、これらの金属を主成分とする合金、例えば、Ｉｒ−５Ｐｔ合金（５質量％の白金を含有したイリジウム合金）などが用いられる。このように、高融点の金属材料を用いて、ギャップ形成部材２６および接地電極３０を形成することによって、火花放電による中心電極２０と接地電極３０との消耗を抑制することができる。この結果、プラズマジェットプラグの耐消耗性をより向上することができる。なお、火花放電が生じる主たる部分である、中心電極２０の先端面を含む部分と、接地電極３０のうち連通孔３１が形成されている部分と、が少なくとも上述した高融点の金属材料を用いて形成されていれば良い。

なお、詳細は後述するが、絶縁碍子１０の電極収容孔１５内であって、中心電極２０より先端側で、かつ、接地電極３０より後端側には、プラズマを生成するためのキャビティＣＶが形成されている。

端子金具４０は、軸線ＣＯに沿って延びる棒状の部材である。端子金具４０は、導電性の金属材料（例えば、低炭素鋼）で形成され、その表面は、防食のための金属層（例えば、Ｎｉ層）がメッキなどによって形成されている。端子金具４０は、軸線方向の所定位置に形成された鍔部４２と、鍔部４２より後端側に位置するキャップ装着部４１と、鍔部４２より先端側の脚部４３と、を備えている。端子金具４０の後端を含むキャップ装着部４１は、絶縁碍子１０の後端側に露出している。端子金具４０の先端を含む脚部４３は、絶縁碍子１０の軸孔１２に挿入（圧入）されている。キャップ装着部４１には、高圧ケーブル（図示省略）が接続されたプラグキャップが装着され、火花を発生するための高電圧が印加される。

絶縁碍子１０の軸孔１２内において、端子金具４０の脚部４３の先端と中心電極２０の後端との間の領域は、導電性シール４によって埋められている。これにより、端子金具４０と中心電極２０とは、電気的に導通している。導電性シール４は、例えば、金属粒子とガラスなどのセラミックス粒子を含む組成物で形成されている。

Ａ−２．プラズマジェットプラグの動作：
図３は、点火装置１２０の概略構成を示すブロック図である。プラズマジェットプラグ１００は、図３に一例を示す点火装置１２０に接続され、点火装置１２０から電力の供給を受けることにより、内燃機関の燃焼室内の混合気への点火を行う。

点火装置１２０は、例えば、自動車のＥＣＵ（電子制御回路）からの指示に従ってプラズマジェットプラグ１００に電力を供給する。点火装置１２０は、火花放電回路部１４０、プラズマ放電回路部１６０、制御回路部１３０、１５０、および逆流防止用の２つのダイオード１４５、１６５が設けられている。

火花放電回路部１４０は、プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０と接地電極３０の火花ギャップに、高電圧を印加することで絶縁破壊させて火花放電を生じさせる、いわゆるトリガー放電を行うための電源回路である。火花放電回路部１４０は、ＥＣＵに接続された制御回路部１３０によって制御される。火花放電回路部１４０は、ダイオード１４５を介し、電力供給先となるプラズマジェットプラグ１００の中心電極２０に電気的に接続されている。

また、プラズマ放電回路部１６０は、火花放電回路部１４０によって行われるトリガー放電により絶縁破壊が生じた火花ギャップに高エネルギーを供給するための電源回路である。プラズマ放電回路部１６０は、上記同様、ＥＣＵに接続された制御回路部１５０によって制御される。プラズマ放電回路部１６０も同様に、逆流防止用のダイオード１６５を介し、プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０に接続されている。なお、プラズマジェットプラグ１００の接地電極３０は、主体金具５０を介し、接地されている。

プラズマ放電回路部１６０は、電気エネルギーを蓄えておくコンデンサ１６２と、コンデンサ１６２を充電するための高電圧発生回路１６１と、を備えている。コンデンサ１６２は、一端が接地され、他端が、高電圧発生回路１６１と、上記ダイオード１６５を介して中心電極２０に接続されている。ここで、１回のプラズマ噴出を行うため、火花ギャップに供給されるエネルギー量ＥＧ（単位は、ｍＪ）は、トリガー放電によるエネルギーの供給量と、コンデンサ１６２からのエネルギーの供給量との和である。コンデンサ１６２の静電容量は、エネルギー量ＥＧが、後述する規定量となるように調整されている。なお、プラズマジェットプラグ１００は、例えば、プラズマ放電回路部１６０を備えていないタイプの点火装置、すなわち、トリガー放電によるエネルギーのみを供給するタイプの点火装置でも駆動することができるが、図３に示すような点火装置１２０を用いることによって、より高エネルギーのプラズマを生成することができる。

点火装置１２０によって高電圧が供給されることによって、プラズマジェットプラグ１００の火花ギャップに火花放電が生じると、点火装置１２０から供給される火花放電のエネルギーによって、図２に示すキャビティＣＶ内の気体が励起されて、キャビティＣＶ内にプラズマが形成される。キャビティＣＶ内に形成されたプラズマが膨張し、キャビティＣＶ内の圧力が高まると、キャビティＣＶ内のプラズマは、火柱状に、接地電極３０に形成された連通孔３１から噴出される。噴出された火柱状のプラズマをプラズマとも呼ぶ。噴出されたプラズマによって、内燃機関の燃焼室内の混合気が着火される。

Ａ−３． プラズマジェットプラグ１００の先端近傍の構成：
上記で説明したプラズマジェットプラグ１００の先端近傍の構成について、さらに、詳細に説明する。図４は、プラズマジェットプラグ１００の先端近傍を、軸線ＣＯが含まれる面で切断した断面図である。なお、図４は、先端方向Ｄ１を上向きに、後端方向Ｄ２を下向きに図示されている。電極収容孔１５の内径Ｒ２は、中心電極２０の脚部２２を収容している部分から絶縁碍子１０の先端まで、変化しない。すなわち、図４の断面において、絶縁碍子１０の脚長部１３の電極収容孔１５を形成する内周面は、脚部２２を収容する部分から絶縁碍子１０の先端まで、軸線ＣＯに並行な直線になっている。

中心電極２０の脚部２２は、外径Ｒ１の棒状の大径部２３と、大径部２３の先端側に配置された縮径部２４と、縮径部２４の先端側に配置された台座部２５と、を備えている。大径部２３は、電極収容孔１５の先端側から後端側に伸び、脚部２２の大部分を占めている。電極収容孔１５の内径Ｒ２と、大径部２３の外径Ｒ１と、の径差（Ｒ２−Ｒ１）は、０．１ｍｍ以下である。脚長部１３（絶縁碍子１０）と、大径部２３を含む脚部２２（中心電極２０）とは、同軸上に配置されているので、大径部２３の外周面と、電極収容孔１５の内周面と、の間隔ＳＴは、（Ｒ２−Ｒ１）／２である。すなわち、大径部２３の外周面と、電極収容孔１５の内周面と、の間隔ＳＴは、０．０５ｍｍ以下である。

縮径部２４は、後端側から先端側に向かって外径が小さくなる円錐台の形状を有している。台座部２５は、円柱形状を有しており、台座部２５の先端側には、ギャップ形成部材２６が、例えば、レーザー溶接によって溶接されている。ギャップ形成部材２６は、本実施例では、外径Ｄを有する円柱状のチップである。ギャップ形成部材２６の先端面は、中心電極２０の先端面と言うこともできる。したがって、外径Ｄは、中心電極２０の先端面の外径、すなわち、径方向の幅Ｄと言うこともできる。なお、上記の説明から解るように、縮径部２４と台座部２５とギャップ形成部材２６とは、いずれも大径部２３の外径Ｒ１より小さな外径を有している。縮径部２４と台座部２５とギャップ形成部材２６との全体を、小径部２７とも呼ぶ。小径部２７は、大径部２３よりも先端側に位置し、大径部２３より小さな外径を有する部分である。

小径部２７の表面（すなわち、縮径部２４の外周面と、台座部２５の外周面と、ギャップ形成部材２６の外周面および先端面）と、絶縁碍子１０の脚長部１３の電極収容孔１５を形成する内周面（すなわち、絶縁碍子１０の軸孔１２を形成する内周面）と、によって、プラズマを生成するためのキャビティＣＶが形成される。なお、上述したように、大径部２３の外周面と、電極収容孔１５の内周面と、の間隔ＳＴは、０．０５ｍｍ以下とされているので、キャビティＣＶ内に生成されたプラズマがキャビティＣＶより後端側に移動することを防止することができる。電極収容孔１５の内径Ｒ２は、キャビティＣＶの内径とも言うことができるので、電極収容孔１５の内径Ｒ２を、キャビティ径Ｒ２とも呼ぶ。

図４に示すように、接地電極３０の連通孔３１は、軸線ＣＯ上に開口している。連通孔３１の内径Ｅは、図４の例では、ギャップ形成部材２６の外径Ｄとほぼ同じ大きさである。連通孔３１の内径Ｅは、連通孔３１の径方向の幅Ｅと言うことができる。連通孔３１の内径Ｅは、電極収容孔１５の内径Ｒ２より小さい（Ｅ＜Ｒ２）ので、連通孔３１を形成する接地電極３０の内縁部３３は、電極収容孔１５を形成する絶縁碍子１０（脚長部１３）の内周面より径方向の内側に径差Ｆの１／２だけ突出している。径差Ｆは、電極収容孔１５の内径Ｒ２と連通孔３１の内径Ｅとの径差である（Ｆ＝（Ｒ２−Ｅ））。換言すれば、本実施形態では、Ｅ＜Ｒ２であるので、接地電極３０の連通孔３１は、絶縁碍子１０の内周面の先端より径方向の内側に形成されている。なお、電極収容孔１５の内径Ｒ２と連通孔３１の内径Ｅとが等しい場合には、突出長Ｆ／２は、０である。

ここで、中心電極２０の先端面（すなわち、ギャップ形成部材２６の先端面）から接地電極３０までの軸線方向の距離をＧとする。距離Ｇは、火花放電が行われる火花ギャップに相当する距離である。また、中心電極２０の先端面（すなわち、ギャップ形成部材２６の先端面）と、絶縁碍子１０の内周面（すなわち、電極収容孔１５を形成する内周面）と、の間の最短距離をＡとする。距離Ａは、本実施形態では、図４の断面における点Ｐ１から点Ｐ２までの距離である。点Ｐ１は、ギャップ形成部材２６の先端面の縁上の点である。点Ｐ２は、軸線ＣＯ上の１点と点Ｐ１とを通り、軸線ＣＯと垂直な直線と、電極収容孔１５を形成する内周面との交点である。

また、小径部２７の後端Ｐ４から接地電極３０までの軸線方向の距離をＢとする。小径部２７の後端Ｐ４は、縮径部２４の後端あるいはキャビティＣＶの後端と言うこともでき、大径部２３の先端と言うこともできる。

プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０と接地電極３０との間で生じる火花放電の放電経路には、気中経路と、沿面経路と、の２種類の経路が考えられる。気中経路は、中心電極２０から接地電極３０までの間の空間を通る放電経路である。例えば、図４の気中経路ＲＡ１は、キャビティＣＶ内の空間を通り、中心電極２０のギャップ形成部材２６の先端面から接地電極３０に至る軸線方向の経路である。また、気中経路ＲＡ２は、中心電極２０のギャップ形成部材２６の先端から絶縁碍子１０の脚長部１３の内周面（すなわち、電極収容孔１５を形成する絶縁碍子１０の内周面）に至る径方向の経路である。

沿面経路は、絶縁碍子１０の内周面に沿った経路である。例えば、図４の沿面経路ＲＳ１は、絶縁碍子１０の内周面に沿って、ギャップ形成部材２６の先端面と軸線方向の位置が等しい位置から接地電極３０に至る軸線方向の経路である。沿面経路ＲＳ２は、絶縁碍子１０の内周面に沿って、小径部２７の後端Ｐ４と径方向に対向する位置から接地電極３０に至る軸線方向の経路である。

気中経路のみを通る火花放電を気中放電とも呼ぶ。沿面経路を含む経路を通る火花放電を沿面放電とも呼ぶ。気中経路ＲＡ１を気中放電の経路ＲＡ１とも呼ぶ。気中経路ＲＡ２と沿面経路ＲＳ１とを通る経路を沿面放電の第１の経路ＲＴ１とも呼び、沿面経路ＲＳ２を沿面放電の第２の経路ＲＳ２とも呼ぶ。

火花放電は、沿面放電よりも気中放電が好ましい。沿面放電が発生すると、火花のエネルギーによって、絶縁碍子１０が損傷を受けるからである。例えば、絶縁碍子１０に傷や、チャンネリングと呼ばれる溝状の削れなどが発生し得る。この結果、プラズマジェットプラグ１００の耐久性能が低下し得る。

また、連通孔３１から噴出されるプラズマの噴出量が低下すると、燃焼室内の混合気に着火するためのエネルギーが低下するために、プラズマジェットプラグ１００の着火性能が低下する。プラズマの噴出量の低下は、例えば、キャビティＣＶの容積が過度に大きい場合に引き起こされる。また、プラズマの噴出量の低下は、沿面放電の発生によっても引き起こされる。すなわち、沿面放電の第１の経路ＲＴ１や沿面放電の第２の経路ＲＳ２の位置で火花放電が発生すると、キャビティＣＶの奥の部分、すなわち、連通孔３１から遠い部分でプラズマが形成される。この結果、プラズマの連通孔３１からの噴出量が低下する。

以下では、プラズマジェットプラグ１００のサンプルを用いて行われた評価試験について説明する。

Ｂ：第１評価試験
第１評価試験では、表１に示すように、１５種類のプラズマジェットプラグ１００のサンプル１−１〜１−１５を作成し、耐久性能の評価試験と、着火性能の評価試験を行った。各サンプルに共通な寸法は、以下の通りである。
中心電極２０の先端面の外径Ｄ：１．５ｍｍ
小径部２７の後端Ｐ４から接地電極３０までの軸線方向の距離Ｂ：２．５ｍｍ
中心電極２０の先端面から接地電極３０までの軸線方向の距離Ｇ：１．０ｍｍ

表１に示すように、径差Ｆが異なる３個のサンプルをそれぞれ含む５種類のサンプル群を作成した。５種類のサンプル群は、距離Ａが互いに異なっている。距離Ａは、キャビティ径Ｒ２を変更することによって、変更されている。また、キャビティ径Ｒ２に応じて、中心電極２０の大径部２３の外径Ｒ１も変更されている。例えば、サンプル１−１〜１−３を含むサンプル群は、距離Ａが距離Ｇの０．３３倍の値に設定されている。上述したように、Ｇ＝１．０ｍｍであるので、このサンプル群の距離Ａは、０．３３ｍｍである。なお、表１におけるキャビティ径Ｒ２および径差Ｆの値の単位は、ｍｍである。

そして、サンプル１−１〜１−３は、径差Ｆが、０ｍｍ、０．５ｍｍ、０．８ｍｍにそれぞれ設定されて作成されている。径差Ｆは、接地電極３０の連通孔３１の内径Ｅを、キャビティ径Ｒ２に応じて変更することによって、変更されている（Ｆ＝（Ｒ２−Ｅ））。

耐久性能の評価試験では、沿面放電によるチャンネリングの発生の有無を評価した。チャンネリングは、沿面放電によって絶縁碍子１０の内周面に溝状の形状変化が発生する現象である。具体的には、各サンプルに対し、０．６ＭＰａに加圧したチャンバー内で、１秒間に６０回の火花放電を発生させる放電試験を１００時間行った。放電時には、所定の電源装置（例えば、フルトランジスタ点火装置）を用いて、１回の火花放電ごとに５０ｍＪの放電エネルギーを供給した。

そして、点火試験後に各サンプルを解体し、先ず、沿面放電の痕跡の有無を拡大鏡を用いて、目視で確認した。沿面放電の痕跡（沿面放電の火花が絶縁碍子１０の内周面を這うことで生じる黒色の汚れ）が確認された場合には、沿面放電の痕跡を三次元形状測定器（具体的には、Ｘ線ＣＴスキャナー）を用いて測定して、チャンネリングの発生の有無を確認した。

表１のチャンネリングの評価欄において、「◎」は、沿面放電の痕跡が認められなかったことを示し、「○」は、沿面放電の痕跡が認められたが、チャンネリングの発生が認められなかったことを示し、「×」は、チャンネリングの発生が認められたことを示している。

表１に示す試験結果から、距離Ａが、距離Ｇの０．５倍以上であるサンプル、すなわち、サンプル１−４〜１−１５では、径差Ｆの値に拘わらずに、チャンネリングが発生していなかった。また、距離Ａが、距離Ｇの０．５倍未満であるサンプル、すなわち、サンプル１−１〜１ー３では、径差Ｆの値に拘わらずに、チャンネリングが発生していた。

この理由は、以下のように推定される。火花放電は、放電経路が長いほど発生しにくく、放電経路が短いほど発生しやすい。気中放電の経路ＲＡ１は、距離Ｇが長いほど長くなる。沿面放電の第１の経路ＲＴ１は、距離Ｇと距離Ａとの和とほぼ等しい。したがって、距離Ｇに対して距離Ａを十分に長くすれば、気中放電の経路ＲＡ１に対して、沿面放電の第１の経路ＲＴ１を、十分に長くすることができると考えられる。第１評価試験の結果から、０．５Ｇ≦Ａを満たすことによって、気中放電の経路ＲＡ１に対して、沿面放電の第１の経路ＲＴ１を、十分に長くすることができるために、沿面放電が抑制されると考えられる。

また、同じ経路長であっても、気中経路の抵抗は、沿面経路の抵抗より大きいことが知られている。そして、沿面経路の経路長を、気中経路の経路長の２倍以上確保すれば、同じ電圧が印加された場合に、確実に、気中経路で火花放電を発生させることができると、考えられている。したがって、沿面経路の経路長には、係数として（１／２）を乗じた値を用いて、沿面放電の第１の経路ＲＴ１が気中放電の経路ＲＡ１以上になるように、距離Ａを決定すれば、気中放電の経路ＲＡ１で火花放電を確実に発生させることができると、考えられる。ここで、沿面放電の第１の経路ＲＴ１は、気中経路ＲＡ２（＝距離Ａ）＋沿面経路ＲＳ１（＝距離Ｇ）であり、気中放電の経路ＲＡ１は、距離Ｇとほぼ等しい。したがって、Ａ＋（１／２）Ｇ≧Ｇを満たすように、距離Ａを設定すれば良いことになる。この式から、０．５Ｇ≦Ａを満たすことが好ましいことになり、本評価試験の結果と一致していることが解る。

以上から、沿面放電を抑制して耐久性を向上するためには、０．５Ｇ≦Ａを満たすこが好ましい。

さらに、表１の試験結果から、距離Ａが、距離Ｇの０．５倍以上であるサンプルのうち、径差Ｆが０より大きいサンプル、すなわち、サンプル１−５、１−６、１−８、１−９、１−１１、１−１２、１−１４、１−１５では、沿面放電の痕跡が確認されなかった。これは、径差Ｆが０より大きい場合には、径差Ｆが０である場合と比較すると、気中放電の経路ＲＡ１が絶縁碍子１０の内周面から離れるので、沿面放電がより効果的に抑制されるからであると考えられる。このように、沿面放電を抑制して耐久性を向上するためには、径差Ｆが０より大きいことがより好ましい。

着火性能の評価試験では、いわゆるシュリーレン撮影により、接地電極３０の連通孔３１から噴出されたプラズマ（フレーム）のサイズを測定した。具体的には、０．６ＭＰａに加圧したチャンバー内で、所定の電源装置を用いて、１２８ｍＪの放電エネルギーを供給して、火花放電を行った。そして、火花放電から１００μｓ後に、接地電極３０の連通孔３１から噴出されたプラズマのシュリーレン画像を撮影した。そして、撮影されたシュリーレン画像を所定の閾値で二値化して、シュリーレン画像を構成する複数個の画素を、高密度部分を表す画素と、低密度部分を表す画素と、に分類した。そして、高密度部分を表す画素の個数を、噴出されたプラズマのサイズとして算出した。噴出されたプラズマのサイズは、プラズマの噴出量が大きいほど大きくなる。なお、サンプルごとに１０回のシュリーレン撮影を実行し、１０回の撮影により算出されたプラズマのサイズの平均値を、そのサンプルのプラズマのサイズとした。

表１のプラズマ噴出の評価欄において、「◎」は、算出されたプラズマのサイズが、１５００画素以上であったことを示し、「○」は、算出されたプラズマのサイズが、１２００画素以上１５００画素未満であったことを示し、「×」は、算出されたプラズマのサイズが、１２００画素未満であったことを示している。

なお、本評価試験で撮影されたシュリーレン画像の解像度では、プラズマのサイズが、１５００画素以上であることは、着火限界が、空燃比で２４以上であることに相当する。着火限界が空燃比で２４であるとは、プラズマジェットプラグ１００が、空燃比２４までの混合気に着火可能な着火性能を有することを意味する。また、噴出されたプラズマのサイズが１２００画素以上であることは、着火限界が、空燃比で２２以上であることに相当する。

表１に示す試験結果から、距離Ａが、距離Ｇの０．８倍以下であるサンプル、すなわち、サンプル１−１〜１−１２では、径差Ｆの値に拘わらずに、噴出されるプラズマのサイズは、少なくとも１２００画素以上であった。また、距離Ａが、距離Ｇの０．８倍を超えるサンプル、すなわち、サンプル１−１３〜１−１５では、噴出されるプラズマのサイズは、径差Ｆの値に拘わらずに、１２００画素未満であった。

この理由は、以下のように推定される。また、キャビティＣＶの容積が過度に大きい場合には、プラズマの噴出量が低下しやすい。上記の距離Ａが長いほどキャビティ径Ｒ２が大きくなるために、キャビティＣＶの容積が大きくなる。このために、Ａ≦０．８Ｇを満たすことによって、キャビティＣＶの容積が過度に大きくなることを抑制できる。この結果、プラズマの噴出量の低下を抑制して、プラズマジェットプラグ１００の着火性能を向上することができると考えられる。

以上のように、第１評価試験の結果から、プラズマの噴出量を確保して着火性能を向上するためには、距離Ａが、Ａ≦０．８Ｇを満たすことが好ましい。

チャンネリングおよびプラズマの噴出の両方について良好な評価結果が得られた距離Ａは、具体的には、０．５Ｇ、０．７５Ｇ、０．８Ｇであり、これらの数値のうちの任意の２つの値を、距離Ａの好ましい範囲の上限と下限として採用可能である。

さらに、表１の結果から、距離Ａが、距離Ｇの０．８倍以下であるサンプルのうち、径差Ｆが０より大きいサンプル、すなわち、サンプル１−２、１−３、１−５、１−６、１−８、１−９、１−１１、１−１２では、噴出されるプラズマのサイズは、１５００画素以上であった。

この理由は、以下のように推定される。沿面放電が発生すると、キャビティＣＶの奥、すなわち、接地電極３０の連通孔３１から離れた位置で、火花放電が発生する。この結果、キャビティＣＶ内において、接地電極３０の連通孔３１から離れた位置でプラズマが生成されるので、プラズマの噴出量が低下する。上述したように、径差Ｆが０より大きい場合には、径差Ｆが０である場合と比較すると、沿面放電がより効果的に抑制される。この結果、径差Ｆが０より大きい場合には、沿面放電が抑制されることによって、プラズマの噴出量の低下が抑制される。

以上のように、プラズマの噴出量を確保して着火性能を向上するためには、特に、径差Ｆが０より大きいことがより好ましい。チャンネリングおよびプラズマの噴出について良好な評価結果が得られた径差Ｆは、具体的には、０．５ｍｍと、０．８ｍｍであり、これらの数値のうちの任意の値を、径差Ｆの好ましい範囲の下限として採用可能である。

Ｃ．第２評価試験
第２評価試験では、表２に示すように、５種類のプラズマジェットプラグ１００のサンプル２−１〜２−５を作成し、上述したシュリーレン撮影により、接地電極３０の連通孔３１から噴出されたプラズマのサイズを測定した。各サンプルに共通な寸法は、以下の通りである。
中心電極２０の先端面の外径Ｄ：１．５ｍｍ
接地電極３０の連通孔３１の内径Ｅ：１．５ｍｍ（Ｄ＝Ｅ）
中心電極２０の先端面から接地電極３０までの軸線方向の距離Ｇ：１．０ｍｍ
中心電極２０の先端面と絶縁碍子１０の内周面との最短距離Ａ：０．７５ｍｍ（０．７５Ｇ）

なお、表２のプラズマ噴出の評価欄において、「○」は、算出されたプラズマのサイズが、１２００画素以上であったことを示し、「×」は、算出されたプラズマのサイズが、１２００画素未満であったことを示している。なお、第１評価試験とは異なり、第２評価試験では、「○」と「×」の２段階で評価が行われた。後述する第３〜第５評価試験におけるプラズマ噴出の評価についても同様である。

表２に示すように、５種類のサンプル２−１〜２−５は、距離Ｂが互いに異なっている。距離Ｂは、小径部２７の縮径部２４の軸線方向の長さを変更することによって、変更されている。例えば、サンプル番号２−１のサンプルの距離Ｂは、距離Ｇの１．５倍の長さである。上述したように、Ｇ＝１．０ｍｍであるので、サンプル番号２−１のサンプルの距離Ｂは、１．５ｍｍである。

表２に示す試験結果から、距離Ｂが、距離Ｇの２倍以上であり、かつ、距離Ｇの３以下であるサンプル、すなわち、サンプル番号の数字が２−２〜２−４であるサンプルでは、噴出されるプラズマのサイズが１２００画素以上であった。そして、距離Ｂが、距離Ｇの１．５倍であるサンプル２−１、および、距離Ｂが、距離Ｇの３．５倍であるサンプル２−５では、噴出されるプラズマのサイズが１２００画素未満であった。

この理由は、以下のように推定される。上記距離Ｂが長いほどキャビティＣＶの容積が大きくなる。このために、距離Ｂが、距離Ｇの３倍を超えると、キャビティＣＶの容積が過度に大きくなり、この結果、プラズマの噴出量が低下したと考えられる。また、距離Ｂが、距離Ｇの２倍未満であると、気中放電の経路ＲＡ１に対して、沿面放電の第２の経路ＲＳ２が短くなるので、沿面放電の第２の経路ＲＳ２の位置で火花放電が発生すると考えられる。このために、キャビティＣＶ内における連通孔３１から遠い部分でプラズマが生成され、プラズマの噴出量が低下したと考えられる。上述したように、確実に、気中経路で火花放電を発生させるためには、沿面経路の経路長を、気中経路の経路長の２倍以上確保することが好ましい、と言う観点からも、距離Ｇの２．０倍未満である場合に、沿面放電が発生していると考えることが妥当である。

以上のように、プラズマの噴出量の低下を抑制して着火性能を向上する観点から、２Ｇ≦Ｂ≦３Ｇが満たされることが好ましく、沿面放電を抑制して耐久性を向上する観点から、２Ｇ≦Ｂが満たされることが好ましい。プラズマの噴出について良好な評価結果が得られた距離Ｂは、具体的には、２Ｇ、２．５Ｇ、３Ｇであり、これらの数値のうちの２個の任意の値を、距離Ｂの好ましい範囲の上限と下限として採用可能である。

Ｄ．第３評価試験
第３評価試験では、表３に示すように、６種類のプラズマジェットプラグ１００のサンプル３−１〜３−６を作成し、上述したシュリーレン撮影により、接地電極３０の連通孔３１から噴出されたプラズマのサイズを測定した。各サンプルに共通な寸法は、以下の通りである。
中心電極２０の先端面から接地電極３０までの軸線方向の距離Ｇ：１．０ｍｍ
中心電極２０の先端面と絶縁碍子１０の内周面との最短距離Ａ：０．６ｍｍ（０．６Ｇ）
小径部２７の後端Ｐ４から接地電極３０までの軸線方向の距離Ｂ：２．５ｍｍ

表３に示すように、６種類のサンプル３−１〜３−６は、中心電極２０の先端面の外径Ｄが互いに異なっている。なお、外径Ｄの変更に応じて、距離Ａを一定値（０．６ｍｍ）にするために、キャビティ径Ｒ２を変更している。なお、接地電極３０の連通孔３１の内径Ｅは、外径Ｄと等しい値とした（Ｄ＝Ｅ）。なお、表３における外径Ｄとキャビティ径Ｒ２の値の単位は、ｍｍである。

表３に示す試験結果から、外径Ｄが、２．２ｍｍ以下のサンプル３−１〜３−４では、噴出されるプラズマのサイズが１２００画素以上であった。そして、外径Ｄが、２．２ｍｍを超えるサンプル３−５、３−６では、噴出されるプラズマのサイズが１２００画素未満であった。

この理由は、以下のように推定される。上記外径Ｄが長いほど、キャビティ径Ｒ２が大きくなるので、キャビティＣＶの容積が大きくなる。このために、外径Ｄが、２．２ｍｍを超えると、キャビティＣＶの容積が過度に大きくなり、この結果、プラズマの噴出量が低下したと考えられる。以上のように、プラズマの噴出量の低下を抑制して着火性能を向上する観点から、外径Ｄが２．２ｍｍ以下（Ｄ≦２．２ｍｍ）であることが好ましい。

さらに、第３評価試験では、サンプル３−１〜３−３について、中心電極２０の耐消耗性の評価試験を行った。この試験では、各サンプルに対し、０．６ＭＰａに加圧したチャンバー内で、１秒間に２５回の火花放電を発生させる放電試験を行い、試験時間に対する中心電極２０（ギャップ形成部材２６）の消耗量（単位は、立方ミリメートル）を測定した。消耗量の測定は、三次元形状測定器を用いて行った。放電時には、所定の電源装置を用いて、１回の火花放電ごとに１５０ｍＪの放電エネルギーを供給した。なお、これらのサンプル３−１〜３−３では、ギャップ形成部材２６をタングステン（Ｗ）を用いて形成した。

図５は、第３評価試験における耐消耗性試験の結果を示すグラフである。この結果から解るように、外径Ｄが１．２ｍｍ以上であるサンプル３−２、３−３と比較して、外径Ｄが１．０ｍｍであるサンプル３−１では、中心電極２０の消耗量が大幅に増加した。この理由は、外径Ｄが１．２ｍｍ未満であると、中心電極２０（ギャップ形成部材２６）の先端面の面積が過度に小さくなり、火花放電が発生する位置が局所的になるためであると、推定される。以上のように、中心電極２０の耐消耗性の観点から、外径Ｄは、１．２ｍｍ以上であることが好ましい。特に、高エネルギーの電源（例えば、１回の放電あたり１５０ｍＪ）を用いる場合に中心電極２０の耐消耗性が低下することを抑制することができる。

プラズマの噴出および耐消耗性の両方について、良好な評価結果が得られた外径Ｄは、具体的には、１．２ｍｍ、１．５ｍｍ、２．２ｍｍであり、これらの数値のうちの任意の２つの値を、外径Ｄの好ましい範囲の上限と下限として採用可能である。

Ｅ：第４評価試験
第４評価試験では、表４に示すように、８種類のプラズマジェットプラグ１００のサンプル４−１〜１−８を作成し、第１評価試験と同様に、耐久性能の評価試験としてチャネリングの有無を評価する試験と、着火性能の評価試験としてシュリーレン撮影により噴出されるプラズマのサイズを測定する試験と、を行った。各サンプルに共通な寸法は、以下の通りである。
中心電極２０の先端面の外径Ｄ：１．５ｍｍ
接地電極３０の連通孔３１の内径Ｅ：１．５ｍｍ（Ｄ＝Ｅ）
小径部２７の後端Ｐ４から接地電極３０までの軸線方向の距離Ｂ：２．５ｍｍ

表４に示すように、距離Ｇが互いに異なる４種類のサンプル群を作成した。距離Ｇは、ギャップ形成部材２６の軸線方向の長さを変更することによって変更した。各サンプル群は、距離Ａが互いに異なる２種類のサンプル、すなわち、距離Ａが距離Ｇの０．５倍に設定されたサンプルと、距離Ａが距離Ｇの０．８倍に設定されたサンプルと、を含んでいる。距離Ａは、キャビティ径Ｒ２を変更することによって、変更されている。また、キャビティ径Ｒ２に応じて、中心電極２０の大径部２３の外径Ｒ１も変更されている。例えば、サンプル４−１、４−２を含むサンプル群は、距離Ｇが０．４ｍｍに設定されている。そして、サンプル４−１は、距離Ａが０．２ｍｍ（＝０．５Ｇ）に設定されており、サンプル４−２は、距離Ａが０．３２ｍｍ（＝０．８Ｇ）に設定されている。なお、表４におけるキャビティ径Ｒ２、距離Ｇ、距離Ａの単位は、ｍｍである。

表４に示す試験結果から、距離Ｇが、１．２ｍｍ以下のサンプル４−１〜４−６では、距離Ａに拘わらずに、チャンネリングが発生していなかった。また、距離Ｇが、１．５ｍｍであるサンプル４−７、４−８では、距離Ａに拘わらずに、チャンネリングが発生していた。

この理由は、距離Ｇが、１．２ｍｍを超えると、気中放電の経路ＲＡ１の抵抗が過度に上昇するので、距離Ａが、０．５Ｇ≦Ａ≦０．８Ｇを満たしていても、沿面放電の第１の経路ＲＴ１にて沿面放電が発生するためであると考えられる。以上のように、沿面放電を抑制して耐久性を向上するためには、距離Ｇ（ｍｍ）が、Ｇ≦１．２を満たすことが好ましい。

表４に示す試験結果から、距離Ｇが、０．５ｍｍ以上、かつ、１．２ｍｍ以下であるサンプル４−３〜４−６では、距離Ａに拘わらずに、噴出されるプラズマのサイズが１２００画素以上であった。また、距離Ｇが、１．５ｍｍであり、かつ、距離Ａが、０．７５ｍｍ（０．５Ｇ）であるサンプル４−７では、噴出されるプラズマのサイズが１２００画素以上であった。

一方、距離Ｇが、０．４ｍｍであるサンプル４−１〜４−２では、距離Ａに拘わらずに、噴出されるプラズマのサイズが１２００画素未満であった。また、距離Ｇが、１．５ｍｍであり、かつ、距離Ａが、１．２ｍｍ（０．８Ｇ）であるサンプル４−８では、噴出されるプラズマのサイズが１２００画素未満であった。

この理由は、以下のように推定される。距離Ｇが０．５ｍｍ未満であると、気中放電の経路ＲＡ１が過度に短くなるために、気中放電の経路ＲＡ１の抵抗が過度に低くなり、火花放電のエネルギーが低下する。このために、キャビティＣＶ内で生成されるプラズマの量が低下して、プラズマの噴出量が低下すると考えられる。また、距離Ｇが１．２ｍｍを超えると、上述したように、沿面放電が発生するので、キャビティＣＶ内の接地電極３０の連通孔３１から離れた位置でプラズマが生成されやすくなる。このために、サンプル４−８では、プラズマの噴出量が低下していると考えられる。ただし、サンプル４−７は、距離Ｇが１．２ｍｍを超えているが、サンプル４−８よりキャビティ径Ｒ２が小さい、すなわち、キャビティＣＶの容積が小さい。このために、サンプル４−７では、プラズマの噴出量が低下し難いので、プラズマの噴出量が低下していないと考えられる。以上のように、プラズマの噴出量を確保して着火性能を向上するためには、距離Ｇ（ｍｍ）が、０．５≦Ｇ≦１．２を満たすことが好ましい。

第４評価試験から、プラズマジェットプラグ１００の耐久性能と着火性能とを両立するためには、中心電極２０の先端面から接地電極３０までの軸線方向の距離Ｇ（ｍｍ）が、０．５≦Ｇ≦１．２を満たすことが好ましい。

Ｅ．第５評価試験：
第５評価試験では、表５に示すように、５種類のプラズマジェットプラグ１００のサンプル５−１〜５−５を作成し、上述したシュリーレン撮影により、接地電極３０の連通孔３１から噴出されたプラズマのサイズを測定した。第５評価試験では、チャンバー内の圧力Ｐａｔを０．６ＭＰａに加圧した場合と、１．０ＭＰａに加圧した場合と、について、それぞれ、プラズマのサイズを測定した。各サンプルに共通な寸法は、以下の通りである。
中心電極２０の先端面の外径Ｄ：１．５ｍｍ
中心電極２０の先端面から接地電極３０までの軸線方向の距離Ｇ：１．０ｍｍ
小径部２７の後端Ｐ４から接地電極３０までの軸線方向の距離Ｂ：２．５ｍｍ
中心電極２０の先端面と絶縁碍子１０の内周面との最短距離Ａ：０．６ｍｍ（０．６Ｇ）

表５に示すように、５種類のサンプル５−１〜５−５は、接地電極３０の連通孔３１の内径Ｅが互いに異なっている。具体的には、内径Ｅは、中心電極２０の先端面の外径Ｄに対して７０％（０．７Ｄ）〜１３０％（１．３Ｄ）までの範囲で変更されている。

表５に示す試験結果から、チャンバー内の圧力Ｐａｔが０．６ＭＰである場合には、内径Ｅが、０．８Ｄ以上のサンプル５−２〜５−５では、噴出されるプラズマのサイズが１２００画素以上であった。また、内径Ｅが、０．７Ｄであるサンプル５−１では、噴出されるプラズマのサイズは、１２００画素未満であった。

この理由は、以下のように考えられる。図６は、比較形態のプラズマジェットプラグの先端部の近傍の構成を示す第１の図である。図６のプラズマジェットプラグの接地電極３０Ａの連通孔３１Ａの内径Ｅは、０．８Ｄ未満である。この場合には、気中放電の経路ＲＡ１の位置（すなわち、火花放電が発生する位置）が、連通孔３１Ａから離れた位置になりやすい。これは、火花放電は、気中放電の経路ＲＡ１が、中心電極２０の先端面の縁に位置しやすいからである。この結果、キャビティＣＶ内において、連通孔３１Ａから離れた位置にプラズマが生成されて、連通孔３１Ａからのプラズマの噴出量が低下すると考えられる。

表５に示す試験結果から、チャンバー内の圧力Ｐａｔが１．０ＭＰである場合には、内径Ｅが、０．８Ｄ以上、かつ、１．２Ｄ以下のサンプル５−２〜５−４では、噴出されるプラズマのサイズが１２００画素以上であった。また、内径Ｅが、０．７Ｄであるサンプル５−１は、噴出されるプラズマのサイズは、チャンバー内の圧力Ｐａｔが０．６ＭＰである場合と同様に、１２００画素未満であった。さらに、内径Ｅが、１．３Ｄであるサンプル５−５は、噴出されるプラズマのサイズは、チャンバー内の圧力Ｐａｔが０．６ＭＰである場合とは異なり、１２００画素未満であった。

サンプル５−１のプラズマのサイズが、１２００画素未満となる理由は、チャンバー内の圧力Ｐａｔが０．６ＭＰである場合と同様であると、考えられる。サンプル５−５のプラズマのサイズが、１２００画素未満となる理由は、以下のように考えられる。図７は、内径Ｅ＞１．２Ｄをであるプラズマジェットプラグの先端部の近傍の構成を示す第２の図である。図７に示すように、プラズマジェットプラグの接地電極３０Ｂの連通孔３１Ｂの内径Ｅが、１．２Ｄを超えている場合には、気中放電の経路ＲＡ１が、距離Ｇより長くなる。この結果、気中放電の経路ＲＡ１の抵抗が高くなることによって沿面放電の第１の経路ＲＴ１での沿面放電が起こりやすくなる。特に、高圧力下（例えば、Ｐａｔ＝１．０ＭＰ）では、沿面放電が発生しやすくなる。この結果、高圧力下（例えば、Ｐａｔ＝１．０ＭＰ）では、キャビティＣＶ内において、連通孔３１Ｂから離れた位置にプラズマが生成されて、連通孔３１Ｂからのプラズマの噴出量が低下すると考えられる。

以上のように、接地電極３０の連通孔３１の内径Ｅは、０．８Ｄ以上であることが好ましい。さらに、接地電極３０の連通孔３１の内径Ｅは、１．２Ｄ以下であることが、さらに好ましい。圧力Ｐａｔ＝０．６ＭＰａでのプラズマの噴出について、良好な評価結果が得られた内径Ｅは、具体的には、０．８Ｄ、１．０Ｄ、１．２Ｄ、１．３Ｄであり、これらの数値のうちの任意の２値を、内径Ｅの好ましい範囲の上限と下限として採用可能である。

以上説明した第１〜第５の評価試験の結果に基づいて、以下のことが解った。上述した中心電極２０の先端面から接地電極３０までの軸線方向の距離Ｇと、中心電極２０の先端面と絶縁碍子１０の内周面との最短距離Ａと、小径部２７の後端Ｐ４から接地電極３０までの軸線方向の距離Ｂと、中心電極２０の先端面の外径Ｄと、接地電極３０の連通孔３１の内径Ｅとは、以下の関係（１）を満たすことが好ましい。

０．５Ｇ≦Ａ≦０．８Ｇ、かつ、２Ｇ≦Ｂ≦３Ｇ、かつ、０．５≦Ｇ≦１．２、かつ、Ｄ≦２．２、かつ、０．８Ｄ≦Ｅ ...（１）

なお、上記関係（１）における距離Ｇ、Ａ、Ｂ、径Ｄ、Ｅの単位は、全てミリメートル（ｍｍ）である。上記関係（１）を満たすことによって、プラズマジェットプラグ１００の耐久性能と着火性能とを両立することができる。

なお、図４から解るように、距離Ｇは、気中放電の経路ＲＡ１の経路長と略同一である。また、距離Ａと距離Ｇとの和は、沿面放電の第１の経路ＲＴ１の経路長と略同一である。また、距離Ｂは、沿面放電の第２の経路ＲＳ２の経路長と略同一である。したがって、気中放電の経路ＲＡ１の経路長をＬＡとし、沿面放電の第１の経路ＲＴ１の経路長をＬＢとし、沿面放電の第２の経路ＲＳ２の経路長をＬＣとするとき、以下のことが言える。

０．５Ｇ≦Ａ≦０．８Ｇを満たすことは、１．５ＬＡ≦ＬＢ≦１．８ＬＡを満たすことと、略同一である。２Ｇ≦Ｂ≦３Ｇを満たすことは、２ＬＡ≦ＬＣ≦３ＬＡを満たすことと略同一である。０．５≦Ｇ≦１．２を満たすことは、０．５≦ＬＡ≦１．２を満たすことと、略同一である。

また、第３評価試験から、中心電極２０の先端面の外径Ｄ（ｍｍ）は、１．２≦Ｄを満たすことが、より好ましい（図５）。こうすれば、中心電極２０の耐消耗性の低下を抑制することができる。こうすれば、中心電極２０の耐消耗性の低下を抑制することができる。特に、高エネルギーの電源を用いる場合に中心電極２０の耐消耗性が低下することを抑制することができる。

さらに、第５評価試験から、接地電極３０の連通孔３１の内径Ｅは、１．２Ｄ以下であることが、より好ましい（表５）。こうすれば、気中放電の経路ＲＡ１が過度に長くなることを抑制して、沿面放電の発生を抑制することができる。この結果、プラズマジェットプラグの耐久性能、および、プラズマの噴出量をより向上することができる。

また、第１評価試験から、接地電極３０の連通孔３１は、絶縁碍子１０の脚長部１３の内周面の先端より径方向の内側に形成されていることが、さらに、好ましい。すなわち、径差Ｆ（図３）が０より大きいことが好ましい（表１）。こうすれば、気中放電の経路ＲＡ１が、絶縁碍子１０の内周面から離れるので、沿面放電の発生を抑制することができる。この結果、プラズマジェットプラグの耐久性能、および、プラズマの噴出量をより向上することができる。

Ｆ．変形例
（１）上記実施形態では、中心電極２０のギャップ形成部材２６は、円筒形状である。すなわち、中心電極２０（ギャップ形成部材２６）の先端面を軸線方向の先端側から見た形状は、円である。ギャップ形成部材２６の形状は、これに限られない。

図８は、変形例におけるギャップ形成部材の形状の一例を示す図である。図８（Ａ）、（Ｂ）には、軸線方向の先端側から見たギャップ形成部材２６Ａ、２６Ｂの先端面の形状が図示されている。図８（Ａ）のギャップ形成部材２６Ａは、四角柱の形状を有しており、軸線方向の先端側から見たギャップ形成部材２６Ａは、四角形である。図８（Ｂ）のギャップ形成部材２６Ｂは、六角柱の形状を有しており、軸線方向の先端側から見たギャップ形成部材２６Ｂは、六角形である。これら場合には、中心電極２０の先端面の径方向の幅Ｄの値には、四角形、六角形に外接する外接円ＣＡ、ＣＢの直径が用いられる。また、絶縁碍子１０の内周面と、中心電極２０の先端面と、の最短距離Ａを規定する点Ｐ１は、外接円ＣＡ、ＣＢ上の点が用いられる（図８（Ａ）、（Ｂ））。

（２）上記実施形態（図４）では、電極収容孔１５の内径Ｒ２（キャビティ径Ｒ２）は、小径部２７の後端Ｐ４より先端側の部分において一定となっている。図９は、変形例におけるプラズマジェットプラグの先端の部分の形状を示す図である。変形例のプラズマジェットプラグでは、絶縁碍子１０Ａの脚長部１３Ａは、先端に、内径Ｒ２より大きな内径Ｒ３を有する大径先端部１３１を有している。絶縁碍子の内周面と中心電極２０の先端面とが近づくと、沿面放電の第１の経路ＲＴ１での沿面放電が発生しやすくなる。すなわち、中心電極２０の先端面から絶縁碍子の内周面までの気中放電の後に絶縁体の内周面に沿って沿面放電が発生しやすくなる。しかし、このような大径先端部１３１を有していても、絶縁碍子の内周面と中心電極２０の先端面とが近づくことはないので、沿面放電が発生しやすくなることはない。また、キャビティＣＶの容積の増加量も僅かであるので、実施形態と同様に、耐久性能と着火性能を両立することができる。換言すれば、電極収容孔１５の内径のうち、小径部２７の後端Ｐ４より先端側には、小径部２７の後端Ｐ４より後端側の部分の内径Ｒ２より大きい径を有する部分１３１を有していても良い。一般的に言えば、電極収容孔１５の内径のうち、小径部２７の後端Ｐ４より先端側の部分の内径は、小径部２７の後端Ｐ４より後端側の部分の内径Ｒ２以上であることが好ましい。こうすれば、絶縁碍子の内周面と中心電極２０の先端面とが近づくことを抑制できるので、第１の経路ＲＴ１での沿面放電の発生を適切に抑制することができる。この結果、プラズマジェットプラグの耐久性能をより向上することができる。

（３）上記実施形態（図４）では、小径部２７は、縮径部２４と、台座部２５と、ギャップ形成部材２６と、を備えているが、例えば、台座部２５は、省略されても良い。すなわち、図４の縮径部２４より軸線方向の長さが長い縮径部に、ギャップ形成部材２６が溶接されても良い。また、小径部２７において、縮径部２４が省略されても良い。例えば、図４の円柱状の台座部２５より軸線方向の長さが長い円柱状の台座部が、大径部２３の先端側に配置されても良い。また、上記実施形態では、ギャップ形成部材２６のみが貴金属やタングステン（Ｗ）などの高融点材料で形成されているが、これに代えて、図４に示す縮径部２４の先端側の一部分と、台座部２５と、ギャップ形成部材２６と、の全体が、高融点材料で形成されていても良い。

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した本発明の実施形態、変形例は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。

４...導電性シール、５...ガスケット、６...リング部材、９...タルク、１０...絶縁碍子、１２...軸孔、１３...脚長部、１４...段部、１５...電極収容孔、１６...先端面、１７...先端側胴部、１８...後端側胴部、１９...鍔部、２０...中心電極、２０Ａ...電極母材、２０Ｂ...芯材、２１...頭部、２１Ａ...電極母材、２２...脚部、２３...大径部、２４...空燃比、２４...縮径部、２５...台座部、２６...ギャップ形成部材、２７...小径部、３０...接地電極、３１...連通孔、３３...内縁部、４０...端子金具、４１...キャップ装着部、４２...鍔部、４３...脚部、５０...主体金具、５１...工具係合部、５２...取付ネジ部、５３...加締部、５４...座部、５６...係止部、５７...先端面、５８...圧縮変形部、５９...貫通孔、８０...板パッキン、１００...プラズマジェットプラグ、１２０...点火装置、１３０...制御回路部、１３１...大径先端部、１４０...火花放電回路部、１４５...ダイオード、１５０...制御回路部、１６０...プラズマ放電回路部、１６１...高電圧発生回路、１６２...コンデンサ、１６５...ダイオード

Claims (5)

1. 軸線方向に延びる軸孔を形成する内周面を有する筒状体の絶縁体と、
   前記絶縁体の前記軸孔の内部に配置され、前記軸線方向に延びる棒状の中心電極と、
   前記絶縁体の外周に配置される主体金具と、
   前記主体金具と電気的に接続され、前記軸線上に開口する孔を有し前記絶縁体の先端側に配置される板状部を含む接地電極と、
   を備え、
   前記中心電極は、前記軸孔と前記中心電極との径差が０．１ｍｍ以下となる先端側から後端側に位置する大径部と、前記大径部よりも先端側に位置し、前記絶縁体の前記内周面から離れた先端面を有する小径部と、を有し、
   前記中心電極の前記小径部の表面と、前記絶縁体の前記内周面と、によってキャビティが形成されるプラズマジェットプラグであって、
   前記接地電極の前記孔は、前記絶縁体の前記内周面の先端より径方向の内側に形成されており、
   前記中心電極の前記先端面から前記接地電極までの前記軸線方向の距離をＧ（ｍｍ）とし、
   前記中心電極の前記先端面と前記絶縁体の前記内周面との間の最短距離をＡ（ｍｍ）とし、
   前記中心電極の前記小径部の後端から前記接地電極までの前記軸線方向の距離をＢ（ｍｍ）とし、
   前記中心電極の前記先端面の径方向の幅をＤ（ｍｍ）とし、
   前記接地電極の前記孔の径方向の幅をＥ（ｍｍ）としたとき、
   ０．５Ｇ≦Ａ≦０．８Ｇ、かつ、２Ｇ≦Ｂ≦３Ｇ、かつ、０．５≦Ｇ≦１．２、かつ、Ｄ≦２．２、かつ、０．８Ｄ≦Ｅを満たす、プラズマジェットプラグ。
2. 請求項１に記載のプラズマジェットプラグであって、
   １．２≦Ｄを、さらに満たす、プラズマジェットプラグ。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマジェットプラグであって、
   Ｅ≦１．２Ｄを、さらに満たす、プラズマジェットプラグ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記絶縁体の内周面の、前記小径部の後端より先端側の部分の内径は、前記小径部の後端より後端側の部分の内径以上である、プラズマジェットプラグ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記中心電極のうち少なくとも前記先端面を含む部分と、前記接地電極のうち少なくとも前記孔が形成されている部分とは、融点が摂氏１７００度以上である金属で形成されている、プラズマジェットプラグ。

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