JPWO2012032846A1 - 点火システム及び点火プラグ - Google Patents

Abstract

点火システム（３１）は、点火プラグ（１）と、放電用電源（３２）と、交流電源（３３）とを具備する。点火プラグ（１）は、軸孔（４）を有する絶縁碍子（２）と、軸孔（４）内に配設され、先端が絶縁碍子（２）の先端よりも先端側に位置する電極（８）と、絶縁碍子２の外周に配置される主体金具（３）と、主体金具（３）の先端部に固定され、電極（８）の先端部との間で火花放電間隙（２８）を形成する接地電極（２７）とを備える。放電用電源（３２）からの電圧と交流電源（３３）からの交流電力とが電極（８）を通して火花放電間隙（２８）に供給され、放電用電源（３２）からの電圧により火花放電間隙（２８）において生じた火花に、交流電源（３３）からの交流電力が投入される。これにより、製造コストの増大を招くことなく、火花に対してエネルギーが効率よく投入され、着火性を飛躍的に向上できる。

Description

本発明は、内燃機関等に使用される点火システム及び点火プラグに関する。

内燃機関等の燃焼装置に使用される点火プラグは、例えば、軸線方向に延びる中心電極と、中心電極の外周に設けられる絶縁体と、絶縁体の外側に組付けられる筒状の主体金具と、基端部が主体金具の先端部に接合された接地電極とを備えている。そして、中心電極に高電圧を印加することにより、中心電極と接地電極との間に形成された間隙において火花を生じさせ、その結果、燃料ガスに対する着火がなされるようになっている。

また近年では、着火性の向上を図るべく、高電圧に代えて、交流電力（高周波電力）を前記間隙に投入することで、火花を生じさせる技術が知られている（例えば、特許文献１等参照）。

しかしながら、上記技術においては、高周波電力のみにより火花を生じさせるため、燃焼室内の状態によって、高周波電力のみでは要求電圧を出力できないことがある。従って、高周波電力を投入しているにも関わらず、火花が生じないという事態（いわゆる失火）が発生してしまいやすい。

そこで、火花を発生させるための中心電極及び接地電極に加えて、電磁波を放射するためのアンテナを設け、アンテナから放射された電磁波により前記両電極間で生じた火花（プラズマ）を成長させることで、着火性の向上を図る技術が提案されている（例えば、特許文献２等参照）。

特開２００９−８１００号公報 特開２００９−３８０２６号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載の技術においては、電磁波が空間を介して火花（プラズマ）に伝わるため、火花に対してエネルギーを効率よく投入することができず、着火性の向上効果に乏しい。また、電磁波を効率よく放射するためには、電磁波の波長や周波数などの要素を鑑みてアンテナの大きさ等を細かく調整する必要があり、製造コストの増大を招いてしまうおそれがある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、製造コストの増大を招くことなく、火花に対してエネルギーを効率よく投入することができ、着火性を飛躍的に向上させることができる点火システム及び点火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．本構成の点火システムは、点火プラグと、
前記点火プラグに火花放電を発生させるための電圧の印加を行う放電用電源と、
前記火花放電により生じた火花に交流電力を供給する交流電源と
を具備する点火システムであって、
前記点火プラグは、
軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔内に配設され、先端が前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向先端側に位置する電極と、
前記絶縁体の外周に配置される主体金具と、
前記主体金具の先端部に固定され、前記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、
前記放電用電源からの電圧と前記交流電源からの交流電力とが前記電極を通して前記間隙に供給され、前記放電用電源からの電圧により前記間隙において生じた火花に、前記交流電源からの交流電力が投入されることを特徴とする。

上記構成１によれば、放電用電源からの電圧と交流電源からの交流電力とがともに電極を通って（つまり、同一ラインを通って）間隙に供給されるように構成されている。従って、火花に対して空間等を介することなく交流電力が直接投入されることとなり、火花に対してエネルギーを効率よく投入することができる。その結果、火花に交流電力を投入することで生成されるプラズマをより大きなものとすることができ、着火性を飛躍的に向上させることができる。

また、上記構成１においては、上述した従来技術のような電磁波を放射させるための調整は不要である。さらに、電極が共通の伝送路として機能するため、アンテナ等を設ける場合と比較して部品点数を低減させることができる。その結果、製造コストの抑制を図ることができる。

構成２．本構成の点火システムは、上記構成１において、前記交流電力の波長をλ（ｍ）としたとき、
前記軸線に沿った、前記主体金具の先端からの前記電極の先端の突出長をλ／８（ｍ）以下としたことを特徴とする。

上記構成２によれば、交流電力の波長をλ（ｍ）としたとき、主体金具の先端からの電極の先端の突出長がλ／８（ｍ）以下と十分に小さなものとされている。従って、電極からの電磁波の放射をより確実に防止することができ、火花に対して一層効率よくエネルギーを投入することができる。すなわち、上記従来技術は、電磁波を放射することで火花（プラズマ）の強化を図るものであるところ、本構成２によれば、従来技術とは逆に電磁波の放射を防止することで、一層大きなプラズマを発生させることができ、着火性をより一層向上させることができる。

加えて、上記構成２によれば、電極の先端部の過熱を抑制することができ、電極の溶損や電極を熱源とした着火といった事態をより確実に防止することができる。

構成３．本構成の点火システムは、上記構成１又は２において、１回の火花放電において、火花に投入される交流電力の平均値を５０Ｗ以上５００Ｗ以下としたことを特徴とする。

尚、前記「平均値」は、１回の火花放電における交流電力の投入開始から投入終了までの時間（秒）で、投入された電力量を除算した値をいう。

上記構成３によれば、１回の火花放電において火花に投入される交流電力の平均値（以下、「平均電力」と称す）が５０Ｗ以上とされている。そのため、プラズマをより確実に発生させることができ、上記各構成の作用効果をより確実に発揮させることができる。

一方で、平均電力を増大させると、着火性の更なる向上を期待できるものの、使用に伴い電極の先端部が急激な消耗してしまうため、放電電圧の急速な増大が懸念される。

この点、上記構成３によれば、平均電力が５００Ｗ以下とされているため、電極の急激な消耗を効果的に抑制することができ、放電電圧の上昇スピードを抑制することができる。その結果、プラズマを生成可能な期間をより長期化でき、優れた着火性を一層長期間に亘って維持することができる。

構成４．本構成の点火システムは、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、間隙の大きさを１．３ｍｍ以下としたことを特徴とする。

上記構成４によれば、間隙の大きさが１．３ｍｍ以下とされているため、間隙において生じた火花の放電抵抗を十分に小さなものとすることができる。これにより、交流電力を火花に対してより流れ込みやすくすることができ、着火性をより一層向上させることができる。

尚、間隙の大きさを過度に小さくすると、電極の先端部と接地電極との間が燃料やカーボンで繋がってしまう現象（いわゆるブリッジ）が生じやすくなってしまう。ここで、上記各構成の点火システムにおいては、火花のみを発生させる点火システムと比較して、プラズマの影響により使用時において電極や接地電極がより高温となる。そのため、電極や接地電極の変形がより生じやすく、使用に伴い間隙の大きさが小さなものとなってしまいやすい。従って、このような点火システムにおいて、ブリッジの発生をより確実に防止するために、間隙の大きさを十分に大きなもの（例えば、０．５ｍｍ以上）とすることが好ましい。

構成５．本構成の点火システムは、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記間隙の中心から半径１ｍｍ以内の範囲に、前記絶縁体が存在しないことを特徴とする。

尚、「間隙の中心」とあるのは、電極のうち間隙を挟んで接地電極に対向する面の中心と、接地電極のうち間隙を挟んで電極に対向する面の中心とを結んだ線分の中点を意味する（以下、同様）。

絶縁体の近傍で火花放電を生じさせると、発生したプラズマが絶縁体に接触しやすくなってしまい、絶縁体の表面がより高温になってしまいやすい。絶縁体表面が高温になると、カーボン等の異物が絶縁体の表面に付着しやすくなってしまい、絶縁体の表面を伝わった電流のリーク等が生じてしまうおそれがある。

この点、上記構成５によれば、間隙の中心から半径１ｍｍの範囲内に絶縁体が存在しないように構成されており、火花放電が絶縁体から離れた位置で生じるように構成されている。従って、発生したプラズマが絶縁体に接触しにくくなり、ひいては絶縁体の表面に対する異物の付着をより確実に防止することができる。

構成６．本構成の点火システムは、上記構成１乃至５のいずれかにおいて、前記交流電力の発振周波数を５ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下としたことを特徴とする。

放電用電源からの電圧と交流電源からの交流電力との双方を混合して電極に供給するにあたっては、交流電力の通過を許容しつつ、放電用電源から出力される電流の交流電源側への流入を防止するために、コンデンサを用いることが考えられる。ここで、交流電力を通過させるためには、交流電力の発振周波数が小さいほど、静電容量の大きなコンデンサを用いる必要がある。ところが、放電用電源から出力される電流には、比較的周波数の高い成分が含まれ得るところ、交流電力の発振周波数を小さくすることに対応してコンデンサの静電容量を過度に大きくしてしまうと、交流電力だけでなく前記高周波成分もコンデンサを通過してしまうおそれがある。放電用電源から出力される電流が交流電源側に流入してしまうと、交流電源の破損や間隙に供給されるエネルギーの低下といった事態を招いてしまうおそれがある。

この点、上記構成６によれば、交流電力の発振周波数が５ＭＨｚ以上と十分に大きなものとされている。従って、交流電力の通過を許容するために、コンデンサの静電容量を過度に増大させる必要がなくなり、ひいては放電用電源から出力される電流の交流電源側への流入を防止することができる。その結果、交流電源の破損をより確実に防止できるとともに、火花に対してエネルギーを一層効率よく投入することができる。

一方で、いわゆる表皮効果により交流電力は導体の外表面を伝わって流れることとなるが、交流電力の発振周波数を過度に大きくしてしまうと、交流電力の伝送路における電気抵抗が増大してしまい、火花に投入されるエネルギーが低下してしまうおそれがある。

この点、上記構成６によれば、交流電力の発振周波数が１００ＭＨｚ以下とされており、交流電力の伝送路における電気抵抗の増大抑制が図られている。その結果、火花に対してエネルギーをより一層効率よく投入することができ、着火性をさらに向上させることができる。

構成７．本構成の点火システムは、上記構成１乃至６のいずれかにおいて、前記点火プラグのうち前記主体金具の先端よりも前記軸線方向先端側に位置する部位の有する静電容量を、前記点火プラグ全体の有する静電容量の１／１００以下としたことを特徴とする。

点火プラグ全体の有する静電容量に対して、点火プラグのうち主体金具よりも先端側に位置する部位の静電容量の占める割合が大きいと、火花放電時とプラズマ発生時とで交流電源を基準とした点火プラグ側のインピーダンス変化が大きくなってしまう。その結果、電力の反射が生じやすくなってしまい、火花に投入されるエネルギーの低下を招いてしまうおそれがある。

この点、上記構成７によれば、点火プラグのうち主体金具の先端よりも先端側に位置する部位の有する静電容量が、点火プラグ全体の有する静電容量の１／１００以下と非常に小さなものとされている。そのため、火花放電時とプラズマ発生時とにおけるインピーダンス変化を極めて小さなものとすることができ、電力の反射を極力抑制することができる。その結果、火花に対してエネルギーを一層効率よく投入することができ、着火性の更なる向上を図ることができる。

構成８．本構成の点火システムは、上記構成１乃至７のいずれかにおいて、前記電極、前記接地電極、及び、前記絶縁体のうち、前記間隙の中心から半径２．５ｍｍの範囲内に位置する部位の合計体積を２０ｍｍ³以下としたことを特徴とする。

火花により着火するタイプの点火プラグの分野では、着火性の向上を図るべく、接地電極のうち電極の先端部と対向する部位に突部を設ける手法が知られている（例えば、特開２００９−３７７５０号公報参照）。当該手法によれば、火花により生じた初期火炎の成長が、電極や接地電極によって阻害されてしまうという事態を抑制することができるとされている。

ここで、上記構成１等の点火システム〔すなわち、着火性の更なる向上を図るべく、交流（高周波）電力を前記間隙に投入することで、前記間隙に交流（高周波）プラズマを発生させるもの〕においても、火花により着火するタイプの点火プラグと同様に、上記特開２００９−３７７５０号公報に記載の手法を採用することで着火性の向上を図ることが考えられる。

そこで、本願発明者が、図２３（ａ）に示すように、接地電極２７のうち電極８の先端部と対向する部位に突部２７Ｐを設けた点火プラグのサンプル（サンプルＡ）と、図２３（ｂ）に示すように、接地電極２７のうち中心電極５と対向する部位を平坦状に形成した点火プラグのサンプル（サンプルＢ）とを作製し、高電圧を印加して火花を生じさせたときの失火率と、交流電力（高周波電力）を投入してプラズマを生じさせたときの失火率とをそれぞれのサンプルについて測定し、着火性が向上するか否かを確認した。表１に、各サンプルにおける、高電圧を印加したときの失火率と、交流電力を投入したときの失火率とを示す。尚、失火率は、失火の生じた割合を示し、小さいほど着火性に優れることを意味する。また、高電圧の印加は、出力エネルギー３０ｍＪの電源装置を用いて行い、交流電力の投入は、発振周波数１３ＭＨｚ、出力電力（投入される電力量の１秒当たりの平均値）を３００Ｗとした高周波電源を用いて行い、電力の投入時間を１ｍｓとした。さらに、高電圧の印加、及び、交流電力の投入ともに、それぞれ１０００回ずつ行った。加えて、各サンプルともに、電極の先端部の外径を１．５ｍｍ、間隙の大きさを０．８ｍｍとし、サンプルＡにおいて突部２７Ｐの外径を１．５ｍｍとした。

表１に示すように、高電圧を印加して火花を生じさせる場合には、サンプルＢよりもサンプルＡの方が着火性に優れていたが、交流電力を投入してプラズマを生成する場合には、サンプルＡの方がサンプルＢよりも着火性に劣るという結果となった。つまり、火花により着火を行うタイプの点火プラグにおいて着火性の向上を実現できる手法を用いたとしても、プラズマにより着火を行うタイプの点火プラグにおいては、必ずしも着火性を向上できないことが明らかとなった。

このような結果は、次の理由により生じたものと考えられる。すなわち、火花により着火するタイプの点火プラグにおいては、着火性を向上させるために、火花により生じた初期火炎の成長をいかに阻害しないかがポイントとなる。従って、初期火炎をより成長させるためには、サンプルＡのように、特に火花の発生位置（間隙）の近傍において、接地電極や中心電極のボリュームを小さくすることが効果的である。一方で、プラズマにより着火するタイプの点火プラグにおいては、電力の投入直後に前記初期火炎よりも遥かに大きなプラズマが発生可能であり、着火性の向上を図るためには、電力の投入直後においていかに大きなプラズマを発生させるかが重要となる。従って、このような点火プラグにおいて着火性の向上を図るためには、間隙を中心とした、プラズマが発生し得る広い範囲において、接地電極や中心電極のボリュームを適切に設定する必要があり、間隙の近傍における接地電極等のボリュームを小さくするだけでは不十分である。

この点を鑑みて、上記構成８によれば、間隙の中心から半径２．５ｍｍの範囲という非常に広い範囲において、電極、接地電極、及び、絶縁体の合計体積が２０ｍｍ³以下とされている。すなわち、プラズマが発生し得る範囲内において、電極や接地電極等の合計体積が十分に小さなものとされている。従って、交流電力の投入直後において、電極や接地電極等に極力阻害されることなく、より大きなプラズマを発生させることができる。その結果、着火性を飛躍的に向上させることができる。

構成９．本構成の点火システムは、上記構成８において、前記電極と前記接地電極との間を結び、前記間隙の最短距離を形成する線分の延びる方向に沿って、前記線分と直交する面に、前記接地電極と前記間隙の中心とを投影した際の投影面において、
前記間隙の中心の投影点から半径２ｍｍの範囲内に位置する前記接地電極の投影領域の面積が７．６ｍｍ²以下とされることを特徴とする。

上記構成９によれば、接地電極によるプラズマの成長阻害をより確実に抑制することができ、より一層大きなプラズマを発生させることができる。その結果、着火性を一層向上させることができる。

構成１０．本構成の点火システムは、上記構成８又は９において、前記接地電極は、前記軸線方向において前記間隙に対応する間隙対応部を有し、
前記間隙対応部の最小幅を３．０ｍｍ以下としたことを特徴とする。

尚、「間隙対応部」とあるのは、接地電極のうち、軸線方向に沿って間隙の高さ位置と同じ高さ位置にある部位を意味する。

内燃機関等の燃焼室内には、スワール等の気流が生じており、この気流により間隙からはみ出すようにしてプラズマが広がることで、プラズマを大きく成長させることができる。ところが、内燃機関等の燃焼装置に対する点火プラグの取付状態によっては、気流が接地電極の背面側から間隙側に向けて生じることがある。この場合には、接地電極により間隙に対して気流が入り込みにくくなり、プラズマを大きく成長させることが難しくなってしまうおそれがある。

この点、上記構成１０によれば、接地電極のうち間隙に対応する間隙対応部の最小幅が３．０ｍｍ以下とされており、間隙に対して気流を流れ込みやすくすることができる。その結果、気流に乗せてプラズマをより大きく成長させることができ、着火性をさらに向上させることができる。

尚、間隙対応部の最小幅を小さくするほど着火性の向上を期待できるが、接地電極を過度に細くしてしまうと、接地電極から主体金具側への熱伝導に支障が生じてしまい、接地電極の耐消耗性が低下してしまうおそれがある。従って、耐消耗性の低下を防止するという観点から、間隙対応部の最小幅を１．０ｍｍ以上とすることが好ましい。

構成１１．本構成の点火システムは、上記構成８乃至１０のいずれかにおいて、前記軸線方向先端側から見たとき、
前記電極の先端面の少なくとも一部が視認可能に構成されることを特徴とする。

上記構成１１によれば、接地電極に阻害されることなく、燃焼室の中心側に向けてプラズマがより広がりやすくなる。その結果、着火性をより一層向上させることができる。

構成１２．本構成の点火システムは、上記構成８乃至１１のいずれかにおいて、前記電極のうち少なくとも先端部は円柱状をなし、
前記電極の先端部の外径を３．０ｍｍ以下としたことを特徴とする。

上記構成１２によれば、電極の先端部によるプラズマの成長阻害を効果的に抑制することができ、着火性の更なる向上を図ることができる。

尚、電極の先端部の外径を過度に小さくしてしまうと、使用に伴い間隙が急速に拡大してしまい、放電電圧の急激な上昇ひいてはプラズマを生成可能な期間の短縮という事態を招いてしまうおそれがある。従って、優れた着火性を長期間に亘って維持するという点から、電極の先端部の外径を０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。

構成１３．本構成の点火システムは、上記構成８乃至１２のいずれかにおいて、前記軸線に沿った、前記主体金具の先端に対する前記接地電極の突出長を１０ｍｍ以下としたことを特徴とする。

上記構成１３によれば、接地電極の先端部から主体金具までの熱伝導経路が短くなり、接地電極の熱を主体金具側へとよりスムーズに伝導することができる。その結果、接地電極の過熱を抑制することができ、接地電極の耐消耗性をより一層向上させることができる。

構成１４．本構成の点火プラグは、上記構成１乃至１３のいずれかに記載の点火システムに用いられることを特徴とする。

上記構成１４によれば、基本的には上記構成１等と同様の作用効果が奏される。

点火システムの概略構成を示すブロック図である。 点火プラグの構成を示す一部破断正面図である。 点火プラグの先端部の構成を示す部分拡大正面図である。 比較例に相当するサンプルの構成を示す模式図である。 中心電極の突出長Ｌを種々変更したサンプルにおける、着火性評価試験の結果を示すグラフである。 火花放電間隙の大きさＧを種々変更したサンプルにおける、着火性評価試験の結果を示すグラフである。 第２実施形態における、点火プラグの構成を示す一部破断正面図である。 点火プラグの先端部の構成を示す部分拡大正面図である。 接地電極等を投影させた投影面を示す投影図である。 （ａ）は、点火プラグの先端部の構成を示す部分拡大正面図であり、（ｂ）は、点火プラグの先端部の構成を示す部分拡大側面図である。 点火プラグの先端部の構成を示す部分拡大底面図である。 合計体積を種々変更したサンプルにおける、着火性評価試験の試験結果を示すグラフである。 投影面積を種々変更したサンプルにおける、着火性評価試験の試験結果を示すグラフである。 間隙対応部の最小幅を種々変更したサンプルにおける、着火性評価試験の試験結果を示すグラフである。 別の実施形態における点火プラグ先端部の構成を示す部分拡大底面図である。 （ａ）は、別の実施形態における点火プラグの先端部の部分拡大正面図であり、（ｂ）は、別の実施形態における点火プラグの先端部の部分拡大底面図である。 （ａ）は、別の実施形態における点火プラグの先端部の部分拡大正面図であり、（ｂ）は、別の実施形態における点火プラグの先端部の部分拡大底面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、別の実施形態における点火プラグの先端部の構成を示す部分拡大正面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、別の実施形態における点火プラグの先端部の構成を示す部分拡大正面図である。 （ａ）は、別の実施形態における点火プラグの先端部の部分拡大正面図であり、（ｂ）は、別の実施形態における点火プラグの先端部の部分拡大底面図である。 （ａ）は、別の実施形態における点火プラグの先端部の部分拡大正面図であり、（ｂ）は、別の実施形態における点火プラグの先端部の部分拡大底面図である。 別の実施形態における点火プラグの先端部の部分拡大正面図である。 （ａ）は、サンプルＡの先端部の構成を示す部分拡大正面図であり、（ｂ）は、サンプルＢの先端部の構成を示す部分拡大正面図である。

以下に、実施形態について図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、点火システム３１の概略構成を示すブロック図である。尚、図１では、点火プラグ１を１つのみ示しているが、実際の燃焼装置には複数の気筒が設けられ、各気筒に対応して点火プラグ１が設けられる。そして、次述する放電用電源３２や交流電源３３からの電力が、図示しないディストリビュータを介して各点火プラグ１に供給されるようになっている。

点火システム３１は、点火プラグ１と、放電用電源３２と、交流電源３３と、混合回路３４とを備えている。

放電用電源３２は、点火プラグ１に対して高電圧を供給し、後述する火花放電間隙２８にて火花放電を生じさせるものである。尚、放電用電源３２としては、例えば、点火コイルを用いることができる。

交流電源３３は、点火プラグ１に対して交流電力を供給するものである。また、交流電源３３と混合回路３４との間にはインピーダンスマッチング回路３５が設けられている。当該インピーダンスマッチング回路３５により、交流電源３３側の出力インピーダンスと、混合回路３４や点火プラグ１（負荷）側の入力インピーダンスとが一致するように構成されており、点火プラグ１側へと供給される交流電力の減衰防止が図られている。尚、交流電源３３から点火プラグ１までの交流電力の伝送路は、内部導体と当該内部導体の外周に配置された外部導体とを有する同軸ケーブルによって構成されており、その結果、電力の反射防止が図られている。

混合回路３４は、放電用電源３２から出力される高電圧の伝送路３８Ａと、交流電源３３から出力される交流電力の伝送路３８Ｂとを、点火プラグ１に接続される１つの伝送路３８Ｃにまとめるものであり、コイル３６とコンデンサ３７とを備えている。コイル３６においては、放電用電源３２から出力される比較的低周波数の電流が通過可能とされる一方で、交流電源３３から出力される比較的高周波数の電流が通過不能とされており、交流電源３３から出力される電流の放電用電源３２側への流入が抑制されている。一方で、コンデンサ３７においては、交流電源３３から出力される比較的高周波数の電流が通過可能とされる一方で、放電用電源３２から出力される比較的低周波数の電流が通過不能とされており、放電用電源３２から出力される電流の交流電源３３側への流入が抑制されている。尚、放電用電源３２として点火コイルを用いる場合には、点火コイルの有する二次コイルを前記コイル３６の代わりとして用い、コイル３６を省略することとしてもよい。

点火プラグ１は、図２に示すように、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。尚、図２では、点火プラグ１の軸線ＣＬ１方向を図面における上下方向とし、下側を点火プラグ１の先端側、上側を後端側として説明する。

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おり、後端側胴部１０は、主体金具３の後端から露出している。また、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には電極８が挿入、固定されている。電極８は、軸孔４の先端側に設けられた中心電極５と、軸孔４の後端側に設けられた端子電極６と、両電極５，６の間に設けられたガラスシール部７とを備えている。

中心電極５は、全体として棒状をなしており、その先端が、絶縁碍子２の先端から軸線ＣＬ１方向先端側へと突出している。また、中心電極５は、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするＮｉ合金により構成されている。尚、中心電極５の内部に、熱伝導性に優れる銅や銅合金からなる内層を設けることとしてもよい。この場合には、中心電極５の熱引きが向上し、耐消耗性の向上を図ることができる。

端子電極６は、低炭素鋼等の金属により形成されており、全体として棒状をなしている。また、端子電極６の後端部には、径方向外側に膨出形成された接続部６Ａが設けられている。当該接続部６Ａは、絶縁碍子２の後端から突出しており、前記混合回路３４の出力（伝送路３８Ｃ）と電気的に接続されている。

加えて、ガラスシール部７は、金属粉末やガラス粉末等の混合物が焼結されることで形成されたものであり、中心電極５及び端子電極６を電気的に接続するとともに、絶縁碍子２に対して両電極５，６を固定している。

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、その外周面には点火プラグ１を燃焼装置（例えば、内燃機関や燃料電池改質器等）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の後端側の外周面には座部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を前記燃焼装置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の後端側の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主体金具３に固定されている。尚、絶縁碍子２及び主体金具３双方の段部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、主体金具３の先端部２６には、Ｎｉを主成分とする合金により形成され、略中間部分にて曲げ返された接地電極２７が接合されている。接地電極２７は、その先端側側面が電極８（中心電極５）の先端部と対向しており、電極８の先端部と接地電極２７との間には、間隙としての火花放電間隙２８が形成されている。尚、本実施形態において、接地電極２７は、自身の長手方向に沿って同一の幅を有するように構成されている。

本実施形態では、放電用電源３２からの電圧と交流電源３３からの交流電力とが電極８を通して火花放電間隙２８に供給され、放電用電源３２からの電圧により火花放電間隙２８において生じた火花に、交流電源３３からの交流電力が投入されることでプラズマを発生させるように構成されている。すなわち、電極８を共通の伝送路として放電用電源３２からの電圧と交流電源３３からの交流電力とが火花放電間隙２８に供給され、その結果、火花放電間隙２８で生じた火花に対して、交流電力が直接投入されるように構成されている。

加えて、交流電源３３から供給される交流電力の波長をλ（ｍ）としたとき、軸線ＣＬ１に沿った、主体金具３の先端からの電極８（中心電極５）の先端の突出長Ｌがλ／８（ｍ）以下とされている。

さらに、点火プラグ１においては、図３に示すように、火花放電間隙２８の大きさＧが０．５ｍｍ以上１．３ｍｍ以下とされている。また、火花放電間隙２８の中心ＣＰから半径１ｍｍ以内の範囲に絶縁碍子２が存在しないように構成されている。尚、「火花放電間隙２８の中心ＣＰ」とあるのは、電極８のうち火花放電間隙２８を挟んで接地電極２７に対向する面の中心と、接地電極２７のうち火花放電間隙２８を挟んで電極８に対向する面の中心とを結んだ線分の中点を意味する。

併せて、点火プラグ１は、主体金具３と接地電極２７及び電極８との間に絶縁碍子２が挟まれた形（すなわち、絶縁体を電極で挟んだコンデンサのような形）であるため、点火プラグ１はある程度の静電容量を有している。本実施形態では、軸線ＣＬ１に沿った主体金具３の長さや絶縁碍子２の厚さを調節することで、点火プラグ１のうち主体金具３の先端よりも軸線ＣＬ１方向先端側に位置する部位の有する静電容量が、点火プラグ１全体の有する静電容量の１／１００以下に設定されている。

また、交流電源３３から供給される交流電力の発振周波数は５ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下とされている。さらに、１回の火花放電において、火花に投入される交流電力の平均値（平均電力）が５０Ｗ以上５００Ｗ以下となるように、投入される交流電力の電力量や交流電力の投入時間が調節されている。

以上詳述したように、本実施形態によれば、放電用電源３２からの電圧と交流電源３３からの交流電力とがともに電極８を通って（つまり、同一ラインを通って）火花放電間隙２８に供給されるように構成されている。従って、火花に対して空間等を介することなく交流電力が直接投入されることとなり、火花に対してエネルギーを効率よく投入することができる。その結果、より大きなプラズマを発生させることができ、着火性を飛躍的に向上させることができる。

また、電極８が共通の伝送路として機能するため、部品点数を低減させることができ、製造コストの抑制を図ることができる。

さらに、交流電力の波長をλ（ｍ）としたとき、電極８の先端の突出長Ｌがλ／８（ｍ）以下と十分に小さなものとされている。従って、電極８からの電磁波の放射をより確実に防止することができ、火花に対して一層効率よくエネルギーを投入することができる。また、電極８の先端部の過熱を抑制することができ、電極８の溶損や電極８を熱源とした着火といった事態をより確実に防止することができる。

加えて、平均電力が５０Ｗ以上５００Ｗ以下とされているため、プラズマをより確実に発生させることができるとともに、電極８の急激な消耗を効果的に抑制することができる。その結果、安定的な着火を図ることができるとともに、優れた着火性を一層長期間に亘って維持することができる。

併せて、火花放電間隙２８の大きさＧが１．３ｍｍ以下とされているため、生じた火花の放電抵抗を十分に小さなものとすることができる。これにより、交流電力を火花に対してより流れ込みやすくすることができ、着火性をより一層向上させることができる。一方で、火花放電間隙２８の大きさＧが０．５ｍｍ以上とされているため、電極８の先端部と接地電極２７との間におけるブリッジの発生をより確実に防止できる。

また、火花放電間隙２８の中心ＣＰから半径１ｍｍの範囲内に絶縁碍子２が存在しないように構成されており、火花放電が絶縁碍子２から離れた位置で生じるように構成されている。従って、絶縁碍子２の表面に対するカーボン等の異物の付着をより確実に防止することができ、電流のリークをより確実に抑制することができる。

さらに、交流電力の発振周波数が５ＭＨｚ以上と十分に大きなものとされているため、交流電力の通過を許容するために、コンデンサ３７の静電容量を過度に増大させる必要がなくなり、放電用電源３２から出力される電流の交流電源３３側への流入を防止することができる。その結果、交流電源３３の破損をより確実に防止できるとともに、火花に対してエネルギーを一層効率よく投入することができる。一方で、交流電力の発振周波数は１００ＭＨｚ以下とされているため、交流電源３３の伝送路における電気抵抗の増大抑制を図ることができ、着火性をさらに向上させることができる。

加えて、点火プラグ１のうち主体金具３の先端よりも先端側に位置する部位の有する静電容量が、点火プラグ１全体の有する静電容量の１／１００以下と非常に小さなものとされている。そのため、電力の反射を極力抑制することができ、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、軸線に沿った電極（中心電極）の突出長Ｌを種々変更した点火プラグのサンプル（本発明に相当する）と、図４に示すように、放電用電源３２に接続され、自身の先端部と接地電極４１との間に火花を発生させる電極４２と、交流電源３３に接続され先端部において電磁波を放射し、空間を介して高周波のエネルギーを火花に投入するアンテナ４３とを別々に備えた点火プラグのサンプル（比較例に相当する）とを作製し、各サンプルについて着火性評価試験を行った。着火性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チャンバーに取付けた上で、交流電力の発振周波数を２．４５ＧＨｚ、交流電源の出力を５００ｍＪとしてプラズマを発生させるとともに、サンプルの側面側から発生したプラズマを撮像し、撮像画像からプラズマの大きさ（プラズマ面積）を測定した。そして、比較例に相当するサンプルのプラズマ面積に対する、本発明に相当するサンプルのプラズマ面積の比率（面積比）を算出した。図５に、当該試験の試験結果を示す。尚、図５において、サンプルＸは、比較例に相当するサンプルを意味する。また、サンプル１〜３はそれぞれ本発明に相当するサンプルを意味し、サンプル１は突出長Ｌをλ／６（ｍ）としたものであり、サンプル２は突出長Ｌをλ／８（ｍ）としたものであり、サンプル３は突出長Ｌをλ／１０（ｍ）としたものである（λは、交流電力の波長を示す）。

図５に示すように、本発明に相当するサンプル（サンプル１〜３）は、比較例に相当するサンプル（サンプルＸ）と比べてプラズマ面積が増大し、それぞれ優れた着火性を有することが明らかとなった。これは、交流電力が空間を介することなく火花に対して直接投入されたことで、空間を介することに伴うエネルギーの損失が生じなかったことによると考えられる。

また特に、突出長Ｌをλ／８（ｍ）以下としたサンプル（サンプル２，３）は、一層優れた着火性を実現できることが分かった。これは、突出長Ｌをλ／８以下としたことで、電極からの電磁波の放射が効果的に抑制され、火花に投入されるエネルギーが増大したためであると考えられる。

以上の試験結果より、着火性の向上を図るべく、電極を共通の伝送路として、放電用電源からの電圧と交流電源からの交流電力とを火花放電間隙に対して供給するように構成することが好ましいといえる。また、着火性の更なる向上を図るという観点からは、電極の突出長Ｌをλ／８（ｍ）以下とすることがより好ましいといえる。

次いで、交流電源の出力電流を変更することで、火花に投入される交流電力の平均値（平均電力）を変更可能とした点火システムのサンプルについて、耐久性評価試験及び失火率測定試験を行った。

耐久性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、各サンプルの点火プラグを所定のチャンバーに取付けた上で、チャンバー内の圧力を０．４ＭＰａに設定し、印加電圧の周波数を１５Ｈｚとして（すなわち、毎分９００回の割合で）プラズマを発生させた。そして、４０時間経過後に、試験後における火花放電間隙の大きさを測定し、試験前における火花放電間隙の大きさに対する増加量（間隙増加量）を算出した。ここで、間隙増加量が０．１ｍｍ以下となったサンプルは、電極の消耗量が非常に少なく、放電電圧の上昇を極めて効果的に抑制できるとして「◎」の評価を下し、間隙増加量が０．１ｍｍ超０．２ｍｍ以下となったサンプルは、電極の消耗量が少なく、放電電圧の上昇を効果的に抑制できるとして「○」の評価を下すこととした。一方で、間隙増加量が０．２ｍｍ超０．３ｍｍ以下となったサンプルは、電極の消耗量がやや多く、放電電圧がやや上昇しやすいとして「△」の評価を下すこととした。

また、失火率測定試験の概要は次の通りである。すなわち、各サンプルの点火プラグを排気量２０００ｃｃ、４気筒ＤＯＨＣエンジンに取付けた上で、空燃比（Ａ／Ｆ）を２４に設定した。そして、電圧を印加して火花を発生させるとともに、火花に対して交流電力を投入することを１０００回行い、混合気への着火に失敗した回数（失火数）を測定するとともに、１０００回中における失火数の割合（失火率）を算出した。ここで、失火率が０．０％となったサンプルは、非常に安定して混合気への着火が行えるとして「◎」の評価を下し、失火率が０．１％以上０．９％以下となったサンプルは、十分に安定して混合気への着火が行えるとして「○」の評価を下すこととした。一方で、着火率が１．０％以上となったサンプルは、着火の安定性に若干劣るとして「△」の評価を下すこととした。

表２に、耐久性評価試験、及び、失火率測定試験の試験結果を示す。尚、両試験においては、各サンプルともに、交流電力の発振周波数を１３．５６ＭＨｚとし、１回の火花放電に対する交流電力の投入時間を２ｍｓとした。また、電極の先端部（中心電極）をＮｉ合金により構成するとともに、電極の先端部の外径を２．５ｍｍとし、間隙の大きさを０．８ｍｍとした。尚、表２において、平均電力が０Ｗとあるのは、交流電力を投入することなく、火花のみを発生させたことを示す。

表２に示すように、平均電力を５０Ｗ以上５００Ｗ以下とすることで、放電電圧の上昇を効果的に抑制しつつ、混合気への着火を極めて安定的に行えることが明らかとなった。

以上の試験結果より、長期間に亘っての着火を可能としつつ、優れた着火安定性を実現するという観点から、火花に投入される交流電力の平均値（平均電力）を５０Ｗ以上５００Ｗ以下とすることが好ましいといえる。

次いで、火花放電間隙の大きさＧを種々変更した点火プラグのサンプルを複数作製し、各サンプルについて上述の着火性評価試験を行った。但し、交流電力の発振周波数を１３．５６ＭＨｚに変更するとともに、１回の火花放電に対する交流電力の投入時間を２ｍｓとし、平均電力を３００Ｗとした。また、火花放電間隙の大きさＧを１．０ｍｍとしたサンプルのプラズマ面積を基準として各サンプルの面積比を算出した。図６に、当該試験の試験結果を示す。

図６に示すように、火花放電間隙の大きさＧを１．５ｍｍとしたサンプルは、他のサンプルと比較して、着火性にやや劣ることが分かった。これは、発生した火花の放電抵抗が比較的大きなものとなり、火花に対して交流電力が流れ込みにくくなったためであると考えられる。

これに対して、大きさＧを１．３ｍｍ以下としたサンプルは、優れた着火性を有することが明らかとなった。また特に、大きさＧを０．８ｍｍ以上１．３ｍｍ以下としたサンプルは、より優れた着火性を有することが確認された。

以上の試験結果より、着火性の更なる向上を図るべく、火花放電間隙の大きさＧを１．３ｍｍ以下とすることが好ましいといえる。また、着火性を一層向上させるためには、火花放電間隙の大きさＧを０．８ｍｍ以上１．３ｍｍ以下とすることがより好ましいといえる。

次に、絶縁碍子の先端に対する電極の先端の突出長を変更することで、火花放電間隙の中心から絶縁碍子までの最短距離Ｘを０．５ｍｍ、１ｍｍ、又は、１．５ｍｍとした点火プラグのサンプルを作製し、各サンプルについて上述の耐久性評価試験を行った際における絶縁碍子の表面の汚損状態について確認した。ここで、４０時間経過後に、絶縁碍子に異常が生じていなかったサンプルは「○」の評価を下すこととし、一方で、絶縁碍子の表面にカーボン等の異物が付着していたサンプルは「△」の評価を下すこととした。表３に、当該試験の試験結果を示す。尚、当該試験においては、交流電力の発振周波数や電極のサイズなどを上述の耐久性評価試験における発振周波数や電極のサイズなどと同一のものとした。

表３に示すように、最短距離Ｘを０．５ｍｍとしたサンプルは、絶縁碍子の表面に対する異物の付着が確認された。これは、発生したプラズマが絶縁碍子に接触しやすくなってしまい、絶縁碍子の表面がより高温となってしまったためであると考えられる。

これに対して、最短距離Ｘを１ｍｍ以上としたサンプルは、４０時間経過後であっても絶縁碍子に異常が生じず、異物の付着を効果的に抑制できることが分かった。

以上の試験結果より、異物の付着防止を図るべく、最短距離Ｘを１ｍｍ以上とすること、換言すれば、火花放電間隙の中心から１ｍｍの範囲内に絶縁碍子が存在しないように構成することが好ましいといえる。
〔第２実施形態〕
次いで、第２実施形態について説明する。本第２実施形態においては、特に点火プラグ１の構成が上記第１実施形態と異なるため、点火プラグ１の構成を説明する。

図７及び図８に示すように、本実施形態においては、電極８、接地電極２７、及び、絶縁碍子２のうち、火花放電間隙２８の中心ＣＰから半径２．５ｍｍの範囲内に位置する部位の合計体積が２０ｍｍ³以下とされている。また、本実施形態では、火花放電間隙２８の大きさ（後述する線分ＬＳの長さ）が比較的大きく（例えば、０．５ｍｍ以上と）されており、前記中心ＣＰから電極８や接地電極２７が比較的離間するように構成されている。さらに、主体金具３の先端から火花放電間隙２８の中心ＣＰまでの最短距離が２．５ｍｍ以上とされており、前記範囲内に主体金具３が存在しないように構成されている。

また、電極８と接地電極２７との間を結び、火花放電間隙２８の最短距離を形成する線分ＬＳの延びる方向に沿って、前記線分ＬＳと直交する面に、接地電極２７と火花放電間隙２８の中心ＣＰとを投影した際の投影面ＰＳ（図９参照）において、接地電極２７の投影領域２７Ｘのうち、火花放電間隙２８の中心ＣＰの投影点ＰＰから半径２ｍｍの範囲内に位置する領域（図９中、散点模様を付した部位）の面積が７．６ｍｍ²以下とされている。

さらに、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、電極８（中心電極５）の先端部の外径Ｄが３．０ｍｍ以下と比較的小径化されている。尚、電極８の耐消耗性を確保するためには、前記外径Ｄを０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。

また、接地電極２７のうち、軸線ＣＬ１方向において火花放電間隙２８に対応する間隙対応部２７Ａの最小幅Ｗ_MINが３．０ｍｍ以下とされている。加えて、軸線ＣＬ１に沿った、主体金具３の先端に対する接地電極２７の突出長ＧＬが１０ｍｍ以下とされている。

さらに、本実施形態では、図１１に示すように、軸線ＣＬ１方向先端側から見たときにおける、電極８の先端面外周のうち接地電極２７の基端から最も離間する部位ＢＰと接地電極２７の先端との間の、接地電極２７の延びる方向に沿った距離ＫＬについて、前記部位ＢＰを基準として接地電極２７の基端側をマイナス側としたとき、距離ＫＬがマイナスとなるように設定されている。これにより、軸線ＣＬ１方向先端側から見たとき、電極８の先端面の少なくとも一部が視認可能とされている。尚、距離ＫＬを０又はプラスとした場合には、例えば、接地電極２７のうち電極８の先端部上に位置する部位の幅を、電極８の先端部の外径Ｄよりも小さくすることで、軸線ＣＬ１方向先端側から見たときにおいて、電極８の先端面の少なくとも一部を視認可能とすることができる。

以上詳述したように、本実施形態によれば、火花放電間隙２８の中心ＣＰから半径２．５ｍｍの範囲という非常に広い範囲において、電極８、接地電極２７、及び、絶縁碍子２の合計体積が２０ｍｍ³以下とされている。すなわち、プラズマが発生し得る範囲内において、電極８や接地電極２７等の合計体積が十分に小さなものとされている。従って、交流電力の投入直後において、電極８や接地電極２８等に極力阻害されることなく、より大きなプラズマを発生させることができる。その結果、着火性を飛躍的に向上させることができる。

また、前記投影面ＰＳにおいて、火花放電間隙２８の中心ＣＰの投影点ＰＰから半径２ｍｍの範囲内に位置する接地電極２７の投影領域２７Ｘの面積が７．６ｍｍ²以下とされている。このため、接地電極２７によるプラズマの成長阻害をより確実に抑制することができ、より一層大きなプラズマを発生させることができる。

さらに、接地電極２７のうち火花放電間隙２８に対応する間隙対応部２８Ａの最小幅Ｗ_MINが３．０ｍｍ以下とされており、火花放電間隙２８に対して気流を流れ込みやすくすることができる。その結果、気流に乗せてプラズマをより大きく成長させることができ、着火性をさらに向上させることができる。

加えて、本実施形態では、軸線ＣＬ１方向先端側から見たとき、電極８の先端面の少なくとも一部が視認可能に構成されているため、燃焼室の中心側に向けてプラズマをより広がりやすくすることができる。その結果、着火性をより一層向上させることができる。

併せて、電極８の先端部の外径Ｄが３．０ｍｍ以下とされているため、電極８の先端部によるプラズマの成長阻害を効果的に抑制することができ、着火性の更なる向上を図ることができる。

また、接地電極２７の突出長ＧＬが１０ｍｍ以下とされ、接地電極２７の先端部から主体金具３までの熱伝導経路が短くなるように構成されている。その結果、接地電極２７の熱を主体金具３側へとよりスムーズに伝導することができ、接地電極２７の耐消耗性をより一層向上させることができる。

次に、上記第２実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、電極の先端部の外径Ｄや火花放電間隙の大きさ（間隙長）、距離ＫＬを変更することで、電極、接地電極、及び、絶縁碍子のうち、火花放電間隙の中心から半径２．５ｍｍの範囲内に位置する部位の合計体積を種々変更した点火プラグのサンプルを作製し、各サンプルについて着火性評価試験を行った。着火性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チャンバーに取付けた上で、発振周波数を１３ＭＨｚ、出力電力（投入される電力量の１秒当たりの平均値）を３００Ｗとした交流電源からサンプルに対して１ｍｓの間電力を投入し、プラズマを発生させた。そして、サンプルの側面側から発生したプラズマを撮像し、撮像画像からプラズマの大きさ（プラズマ面積）を測定するとともに、前記合計体積を２３ｍｍ³としたサンプルのプラズマ面積に対する、各サンプルのプラズマ面積の比率（面積比）を算出した。図１２に、合計体積と面積比との関係を表すグラフを示す。尚、表４に、各サンプルにおける、外径Ｄや間隙長、距離ＫＬを示す。

図１２に示すように、合計体積を２０ｍｍ³以下とすることで、面積比が急激に増大し、着火性を飛躍的に向上できることが明らかとなった。これは、プラズマの発生領域に対応する広範囲内において電極等のボリュームを小さくしたことで、電極等に阻害されることなく、より大きなプラズマを発生させることができたためであると考えられる。

以上の試験結果より、プラズマを発生させる点火プラグにおいては、電極、接地電極、及び、絶縁碍子のうち、火花放電間隙の中心から半径２．５ｍｍの範囲内に位置する部位の合計体積を２０ｍｍ³以下とすることで、着火性を飛躍的に向上できるといえる。

次に、接地電極の幅や距離ＫＬを変更することで、前記投影面における、火花放電間隙の中心の投影点から半径２ｍｍの範囲内に位置する接地電極の投影領域の面積（投影面積）を種々変更した点火プラグのサンプルを作製し、各サンプルについて上述の着火性評価試験を行った。図１３に、投影面積と面積比との関係を表すグラフを示す。尚、面積比は、投影面積を９．１ｍｍ²としたサンプルを基準として算出した。また、各サンプルともに、合計体積を２０ｍｍ³以下とするとともに、電極の先端部の外径Ｄを２．５ｍｍとし、間隙長を１．３ｍｍとした。加えて、表５に、各サンプルにおける、接地電極の幅、及び、距離ＫＬを示す。

図１３に示すように、投影面積を７．６ｍｍ²以下としたサンプルは、特に優れた着火性を有することが分かった。これは、投影面積を比較的小さくしたことで、電力の投入直後において、接地電極に阻害されることなく、一層大きなプラズマを生成できたことに起因すると考えられる。

上記試験の結果より、着火性の更なる向上を図るべく、投影面積を７．６ｍｍ²以下とすることがより好ましいといえる。

次いで、間隙対応部の最小幅Ｗ_MINを種々変更した点火プラグのサンプルを作製し、各サンプルについて着火性評価試験を行った。図１４に、最小幅Ｗ_MINと面積比との関係を表すグラフを示す。尚、面積比は、最小幅Ｗ_MINを３．２ｍｍとしたサンプルを基準として算出した。また、各サンプルともに、合計体積を２０ｍｍ³以下とするとともに、電極の先端部の外径Ｄを２．５ｍｍ、間隙長を１．３ｍｍ、距離ＫＬを−０．５ｍｍとした。尚、この試験は、間隙対応部の背面側から火花放電間隙に向けて流速４ｍ／ｓ〜６ｍ／ｓのエアを吹いた状態で行った。また、各サンプルともに、長手方向に沿って接地電極が同一の幅を有するように構成した（以下の試験においても同様）。

図１４に示すように、間隙対応部の最小幅Ｗ_MINを３．０ｍｍ以下としたサンプルは、着火性に一層優れることが明らかとなった。これは、火花放電間隙にエアが流入しやすくなったため、プラズマがエアに流される形でより大きく成長したためであると考えられる。

上記試験結の結果より、着火性をより一層向上させるためには、間隙対応部の最小幅Ｗ_MINを３．０ｍｍ以下とすることがより好ましいといえる。

次に、電極の先端部の外径Ｄを種々変更した点火プラグのサンプルを作製し、各サンプルについて着火性評価試験を行った。表６に、当該試験の試験結果を示す。尚、面積比は、外径Ｄを１．０ｍｍと小径化した、着火性に極めて優れるサンプルを基準として算出した。また、面積比が０．７以上１．０以下となったサンプルは、十分に優れた着火性を有するとして「◎」の評価を下すこととし、面積比が０．５以上０．７未満となったサンプルは、他のサンプルと比較してやや着火性に劣るものの、優れた着火性を有するとして「○」の評価を下すこととした。尚、各サンプルともに、間隙長を０．８ｍｍ、接地電極の幅を１．０ｍｍとし、電極の先端部を白金合金により構成した。また、合計体積を２０ｍｍ³以下とし、サンプルに対する電力の投入時間を２．０ｍｓとした。

表６に示すように、各サンプルともに優れた着火性を有していたが、外径Ｄを３．０ｍｍ以下としたサンプルは、特に着火性に優れることが明らかとなった。これは、電極の先端部を比較的小径としたことで、電極に阻害されることなく、より大きなプラズマが生成されたためであると考えられる。

上記試験結果より、着火性を一層向上させるためには、電極の先端部の外径Ｄを３．０ｍｍ以下とすることがより好ましいといえる。

次いで、間隙対応部の最小幅Ｗ_MINを種々変更した点火プラグのサンプルを複数作製し、各サンプルについて耐久性評価試験を行った。耐久性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、最小幅Ｗ_MINを２．０ｍｍとしたサンプルにおいて接地電極の先端部の温度が８００℃となる条件にて各サンプルの接地電極を加熱し、加熱時における接地電極の先端部の温度を測定した。ここで、接地電極の先端部の温度が８００℃以上９００℃以下となったサンプルは、接地電極の熱を十分に引くことができ、十分に優れた耐久性を有するとして「◎」の評価を下し、一方で、前記先端部の温度が９００℃超１０００℃以下となったサンプルは、他のサンプルよりもやや高温となりやすいものの、優れた耐久性を有するとして「○」の評価を下すこととした。表７に、当該試験の試験結果を示す。

表７に示すように、最小幅Ｗ_MINを１．０ｍｍ以上としたサンプルは、特に耐久性に優れることが明らかとなった。これは、接地電極の断面積が十分に確保され、主体金具側へとよりスムーズに接地電極の熱が伝導したためであると考えられる。

次に、主体金具の先端に対する接地電極の突出長ＧＬを種々変更した点火プラグのサンプルを複数作製し、各サンプルについて上述の耐久性評価試験を行った。尚、この試験では、突出長ＧＬを７ｍｍとしたサンプルにおいて接地電極の先端部の温度が８００℃となる条件にて各サンプルの接地電極を加熱した。表８に、当該試験の試験結果を示す。尚、各サンプルともに、接地電極の幅を１．０ｍｍとした。

表８に示すように、突出長ＧＬを１０ｍｍ以下としたサンプルは、耐久性により優れることが明らかとなった。これは、突出長ＧＬを比較的小さなものとしたことで、接地電極の先端部から主体金具までの熱伝導経路が短くなり、その結果、接地電極の熱を主体金具側へとよりスムーズに伝導できたことによると考えられる。

次に、電極の先端部の外径Ｄを種々変更した点火プラグのサンプルを複数作製し、各サンプルについて耐消耗性評価試験を行った。耐消耗性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チャンバーに取付けた上で、チャンバー内の圧力を０．４ＭＰａに設定し、印加電圧の周波数を１５Ｈｚとして（すなわち、毎分９００回の割合で）プラズマを発生させた。そして、４０時間経過後に、試験後における火花放電間隙の大きさを測定し、試験前における火花放電間隙の大きさに対する増加量（間隙増加量）を算出した。ここで、間隙増加量が０．２ｍｍ以下となったサンプルは、電極の消耗量が非常に少なく、放電電圧の上昇を効果的に抑制できるとして「◎」の評価を下し、間隙増加量が０．２ｍｍ超０．３ｍｍ以下となったサンプルは、放電電圧の上昇を十分に抑制できるとして「○」の評価を下すこととした。表９に、当該試験の試験結果を示す。尚、各サンプルともに、間隙長を０．８ｍｍ、接地電極の幅を１．０ｍｍとし、電極の先端部を白金合金により構成した。また、合計体積を２０ｍｍ³以下とし、サンプルに対する電力の投入時間を２．０ｍｓとした。

表９に示すように、外径Ｄを０．５ｍｍ以上とすることで、使用に伴う電極の消耗が抑制され、放電電圧の上昇抑制ひいてはプラズマ生成可能期間の長期化が図られることが分かった。

以上、耐久性評価試験、及び、耐消耗性評価試験の試験結果より、電極や接地電極の耐久性を向上させ、より長期間に亘ってのプラズマ生成を可能とすべく、接地電極の最小幅Ｗ_MINを１．０ｍｍ以上としたり、接地電極の突出長ＳＬを１０ｍｍ以下としたり、電極の先端部の外径Ｄを０．５ｍｍ以上としたり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）上記第２実施形態では、接地電極２７は同一の幅を有するように構成されているが、図１５に示すように、接地電極２７の基端部の断面積をある程度確保しつつ、接地電極２７の先端部（電極８の先端部と対向する部位）を幅狭に構成することとしてもよい。この場合には、接地電極２７の接合強度を低下させることなく、前記合計体積をより減少させることができ、より大きなプラズマを生成することができる。

また、図１６（ａ），（ｂ）に示すように、接地電極２７の先端部に加えて、間隙対応部２７Ａを幅狭に構成することとしてもよい。この場合には、火花放電間隙２８に対する気体の流入が促進され、着火性の更なる向上を図ることができる。

（ｂ）上記実施形態における点火プラグ１は、電極８の先端面が接地電極２７と対向するように構成されているが、点火プラグ１の構成はこれに限定されるものではない。従って、例えば、図１７（ａ），（ｂ）に示すように、電極８（中心電極５）の先端部外周と接地電極２７の先端面とが対向するように構成することとしてもよい。この場合には、軸線ＣＬ１方向先端側（燃焼室の中心側）へとプラズマが成長しやすくなるため、着火性を一層向上させることができる。

（ｃ）上記実施形態では、中心電極５及び接地電極２７間に火花放電間隙２８が形成されているが、図１８（ａ）〜（ｃ）に示すように、両電極５，２７の少なくとも一方に貴金属合金（例えば、白金合金やイリジウム合金等）からなる貴金属チップ５１，５２を設け、一方の電極５（２７）に設けられた貴金属チップ５１（５２）と他方の電極２７（５）との間、又は、両電極５，２７に設けられた両貴金属チップ５１，５２の間に火花放電間隙２８を形成することとしてもよい。この場合には、前記合計体積を一層減少させることができ、着火性の更なる向上を図ることができる。

また、接地電極２７に貴金属チップを設けるにあたっては、図１９（ａ）〜（ｃ）に示すように、接地電極２７の先端面から突出するようにして貴金属チップ５３，５４，５５を接合することとしてもよい。この場合には、火花放電間隙５６，５７，５８の中心ＣＰから接地電極２７がより遠ざかることとなり、前記合計体積をより一層小さなものとすることができる。また、燃焼室の中心側に向けてプラズマがより広がりやすくなる。その結果、生成されるプラズマを非常に大きなものとすることができ、着火性をより効果的に向上させることができる。

（ｄ）上記実施形態では、軸線ＣＬ１方向先端側から見たとき、電極８の先端面の一部が接地電極２７で覆われた状態となっているが、図２０（ａ），（ｂ）に示すように、接地電極２７の先端部に孔部２７Ｈを設けたり、図２１（ａ），（ｂ）に示すように、接地電極２７の先端部にＹ字状の枝分かれ部２７Ｂを設けたりすることで、軸線ＣＬ１方向先端側から見たとき、電極８の先端面が接地電極２７で覆われることなく、電極８の先端面全域を視認可能に構成することとしてもよい。この場合には、プラズマが燃焼室の中心側に向けてより大きく広がることとなり、着火性の更なる向上を図ることができる。尚、図２２（ａ），（ｂ）に示すように、接地電極２７の孔部２７Ｈ内に、電極５９の先端部を挿通し、孔部２７Ｈの内周面と電極５９の外周面との間に火花放電間隙６０を形成するように構成することとしてもよい。

（ｅ）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。

（ｆ）上記実施形態では、放電用電源３２や交流電源３３からの電力がディストリビュータを介して各点火プラグ１に供給されているが、各点火プラグ１ごとに放電用電源３２や交流電源３３を設けることとしてもよい。

１…点火プラグ
２…絶縁碍子（絶縁体）
３…主体金具
４…軸孔
８…電極
２７…接地電極
２７Ａ…間隙対応部
２８…間隙（火花放電間隙）
３１…点火システム
３２…放電用電源
３３…交流電源
ＣＬ１…軸線

構成１．本構成の点火システムは、点火プラグと、
前記点火プラグに火花放電を発生させるための電圧の印加を行う放電用電源と、
前記火花放電により生じた火花に交流電力を供給する交流電源と
を具備する点火システムであって、
前記点火プラグは、
軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔内に配設され、先端が前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向先端側に位置する電極と、
前記絶縁体の外周に配置される主体金具と、
前記主体金具の先端部に固定され、前記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、
前記放電用電源からの電圧と前記交流電源からの交流電力とが前記電極を通して前記間隙に供給され、前記放電用電源からの電圧により前記間隙において生じた火花に、前記交流電源からの交流電力が投入され、
１回の火花放電において、火花に投入される交流電力の平均値を５００Ｗ以下とし、
前記交流電力の発振周波数を１００ＭＨｚ以下としたことを特徴とする。

尚、前記「平均値」は、１回の火花放電における交流電力の投入開始から投入終了までの時間（秒）で、投入された電力量を除算した値をいう。
上記構成１によれば、放電用電源からの電圧と交流電源からの交流電力とがともに電極を通って（つまり、同一ラインを通って）間隙に供給されるように構成されている。従って、火花に対して空間等を介することなく交流電力が直接投入されることとなり、火花に対してエネルギーを効率よく投入することができる。その結果、火花に交流電力を投入することで生成されるプラズマをより大きなものとすることができ、着火性を飛躍的に向上させることができる。

また、上記構成１においては、上述した従来技術のような電磁波を放射させるための調整は不要である。さらに、電極が共通の伝送路として機能するため、アンテナ等を設ける場合と比較して部品点数を低減させることができる。その結果、製造コストの抑制を図ることができる。
さらに、１回の火花放電において火花に投入される交流電力の平均値（以下、「平均電力」と称す）を増大させると、着火性の更なる向上を期待できるものの、使用に伴い電極の先端部が急激な消耗してしまうため、放電電圧の急速な増大が懸念される。
この点、上記構成１によれば、平均電力が５００Ｗ以下とされているため、電極の急激な消耗を効果的に抑制することができ、放電電圧の上昇スピードを抑制することができる。その結果、プラズマを生成可能な期間をより長期化でき、優れた着火性を一層長期間に亘って維持することができる。
加えて、いわゆる表皮効果により交流電力は導体の外表面を伝わって流れることとなるが、交流電力の発振周波数を過度に大きくしてしまうと、交流電力の伝送路における電気抵抗が増大してしまい、火花に投入されるエネルギーが低下してしまうおそれがある。
この点、上記構成１によれば、交流電力の発振周波数が１００ＭＨｚ以下とされており、交流電力の伝送路における電気抵抗の増大抑制が図られている。その結果、火花に対してエネルギーをより一層効率よく投入することができ、着火性をさらに向上させることができる。

構成３．本構成の点火システムは、上記構成１又は２において、１回の火花放電において、火花に投入される交流電力の平均値を５０Ｗ以上としたことを特徴とする。

上記構成３によれば、平均電力が５０Ｗ以上とされている。そのため、プラズマをより確実に発生させることができ、上記各構成の作用効果をより確実に発揮させることができる。

構成６．本構成の点火システムは、上記構成１乃至５のいずれかにおいて、前記交流電力の発振周波数を５ＭＨｚ以上としたことを特徴とする。

Claims (14)

1. 点火プラグと、
   前記点火プラグに火花放電を発生させるための電圧の印加を行う放電用電源と、
   前記火花放電により生じた火花に交流電力を供給する交流電源と
   を具備する点火システムであって、
   前記点火プラグは、
   軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
   前記軸孔内に配設され、先端が前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向先端側に位置する電極と、
   前記絶縁体の外周に配置される主体金具と、
   前記主体金具の先端部に固定され、前記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、
   前記放電用電源からの電圧と前記交流電源からの交流電力とが前記電極を通して前記間隙に供給され、前記放電用電源からの電圧により前記間隙において生じた火花に、前記交流電源からの交流電力が投入されることを特徴とする点火システム。
2. 前記交流電力の波長をλ（ｍ）としたとき、
   前記軸線に沿った、前記主体金具の先端からの前記電極の先端の突出長をλ／８（ｍ）以下としたことを特徴とする請求項１に記載の点火システム。
3. １回の火花放電において、火花に投入される交流電力の平均値を５０Ｗ以上５００Ｗ以下としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の点火システム。
4. 前記間隙の大きさを１．３ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の点火システム。
5. 前記間隙の中心から半径１ｍｍ以内の範囲に、前記絶縁体が存在しないことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の点火システム。
6. 前記交流電力の発振周波数を５ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下としたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の点火システム。
7. 前記点火プラグのうち前記主体金具の先端よりも前記軸線方向先端側に位置する部位の有する静電容量を、前記点火プラグ全体の有する静電容量の１／１００以下としたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の点火システム。
8. 前記電極、前記接地電極、及び、前記絶縁体のうち、前記間隙の中心から半径２．５ｍｍの範囲内に位置する部位の合計体積を２０ｍｍ³以下としたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に点火システム。
9. 前記電極と前記接地電極との間を結び、前記間隙の最短距離を形成する線分の延びる方向に沿って、前記線分と直交する面に、前記接地電極と前記間隙の中心とを投影した際の投影面において、
   前記間隙の中心の投影点から半径２ｍｍの範囲内に位置する前記接地電極の投影領域の面積が７．６ｍｍ²以下とされることを特徴とする請求項８に記載の点火システム。
10. 前記接地電極は、前記軸線方向において前記間隙に対応する間隙対応部を有し、
    前記間隙対応部の最小幅を３．０ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項８又は９に記載の点火システム。
11. 前記軸線方向先端側から見たとき、
    前記電極の先端面の少なくとも一部が視認可能に構成されることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の点火システム。
12. 前記電極のうち少なくとも先端部は円柱状をなし、
    前記電極の先端部の外径を３．０ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の点火システム。
13. 前記軸線に沿った、前記主体金具の先端に対する前記接地電極の突出長を１０ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の点火システム。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の点火システムに用いられる点火プラグ。

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