JP5167336B2 - 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。

一般的に自動車エンジン等の内燃機関に使用されるスパークプラグは、中心電極と接地電極との間の火花放電間隙において火花放電を生じさせることにより、内燃機関の燃焼室に供給される混合気に着火する構成となっている。

近年では、排ガス規制への対応や燃費向上の観点から、リーンバーンエンジンや直噴エンジン、低排ガスエンジン等の内燃機関の開発が積極的に行われている。このような内燃機関においては、従来よりも着火性に優れたスパークプラグが要求される。

そこで、着火性の向上を図るべく、貴金属合金からなるチップを接地電極の先端部に対して接合する技術が提案されている（例えば、特許文献１等参照）。尚、一般的にチップは、抵抗溶接やレーザー溶接により、チップを構成する金属と接地電極を構成する金属とが溶け合ってなる溶融部を形成することで接地電極に接合される。

特開２００９−３７７５０号公報

ところで、溶融部は、外表面（外部に露出する面）が外側に向けてある程度膨らんだ状態で形成されるのが一般的である。従って、溶融部と中心電極との間で火花放電が生じてしまうことがあり、チップや接地電極と比較して耐消耗性に劣る溶融部が急速に消耗してしまうおそれがある。消耗が進むと接地電極からチップが脱落（剥離）してしまい、正規放電ギャップ以外で放電してしまうおそれがある。その結果、チップを設けることによる着火性の向上効果が十分に発揮されないおそれがある。

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、溶融部と中心電極との間における火花放電を抑制することで、チップの脱落をより確実に防止することができ、ひいてはチップを設けることによる着火性の向上効果を長期間に亘って維持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、軸線方向に延びる中心電極と、
前記中心電極の外周に設けられた筒状の絶縁体と、
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た接地電極と、
前記接地電極の先端部に、自身の一端部が接合されたチップとを備え、
前記チップは、抵抗溶接により形成された溶融部を介して前記接地電極に接合され、
前記中心電極の先端部と前記チップの他端面とが対向するスパークプラグであって、
前記チップを構成する金属の主成分は、前記接地電極を構成する金属の主成分と同一であり、
前記チップは、前記一端部よりも他端側に外径の最も大きい膨出部を備え、
前記膨出部の外径をＡ（ｍｍ）とし、前記溶融部の外径をＢ（ｍｍ）としたとき、Ａ＞Ｂを満たすことを特徴とする。

上記構成１によれば、チップを構成する金属の主成分が、接地電極を構成する金属の主成分と同一とされている。従って、チップの熱伝導率を接地電極の熱伝導率に近づけることができ、抵抗溶接により形成される溶融部のボリュームを比較的小さなものとすることができる。その結果、溶融部の外表面の表面積を小さくすることができ、中心電極と溶融部との間における火花放電を効果的に抑制することができる。

さらに、上記構成１によれば、チップに膨出部が形成されるとともに、当該膨出部の外径Ａが、溶融部の外径Ｂよりも大きくなるように構成されている。そのため、膨出部の存在により溶融部と中心電極との間における火花放電をより確実に阻害することができる。

以上のように、上記構成１によれば、溶融部のボリュームを減少させることによる作用効果と、膨出部を設けつつ、膨出部の外径を溶融部の外径よりも大きくすることによる作用効果とが相乗的に作用して、中心電極と溶融部との間における火花放電を極めて効果的に抑制することができる。その結果、チップの脱落をより確実に防止することができ、チップを設けることによる着火性の向上効果を長期間に亘って維持することができる。

構成２．本構成のスパークプラグは、上記構成１において、Ａ／Ｂ≦１．６０を満たすことを特徴とする。

上記構成２によれば、Ａ／Ｂ≦１．６０を満たすように構成されており、溶融部の外径Ｂに対して膨出部の外径Ａが過度に大きくならないように設定されている。すなわち、チップから接地電極への熱伝導の能力（溶融部の外径Ｂに対応する）に対して、チップの受熱量（膨出部の外径Ａに対応する）が十分に小さくなるように設定されている。従って、チップの過熱をより確実に防止することができ、チップの耐消耗性を向上させることができる。その結果、チップの耐剥離性が向上することと相俟って、チップを設けることによる着火性の向上効果を一層長期間に亘って維持することができる。

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、前記チップの他端面の外径は、前記膨出部の外径よりも小さく、
前記チップの他端面の外径をＤ（ｍｍ）としたとき、Ａ／Ｄ≦１．５０を満たすことを特徴とする。

上記構成３によれば、Ａ／Ｄ≦１．５０を満たすように構成されており、膨出部の外径Ａが、チップの他端面（中心電極の先端部と対向し、火花放電間隙を形成する面）の外径Ｄよりも過度に大きなものとならないように設定されている。従って、火花放電により生じた火炎核のうちチップの他端面で阻害されることなく成長した部分のそれ以上の成長が、膨出部の存在によって阻害されてしまうといった事態をより確実に防止することができる（つまり、前記他端面を超えて成長した火炎核を、膨出部により阻害されることなく、さらに大きく成長させることができる）。その結果、着火性の更なる向上を図ることができる。

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、前記チップは、その一端から前記膨出部に向けて徐々に外径が大きくなり、前記膨出部からその他端側に向けて徐々に外径が小さくなることを特徴とする。

上記構成４によれば、チップの外径が徐々に変化するように構成されており、チップの側面に角部が形成されないように構成されている。従って、チップの側面近傍における乱流の発生をより確実に抑制することができ、火炎核をより大きく成長させることができる。その結果、着火性のより一層の向上を図ることができる。

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、前記膨出部は、前記チップの一端及び他端の中間よりも前記チップの一端側に形成されることを特徴とする。

上記構成５によれば、チップの中間よりも一端側（すなわち、溶融部側）に膨出部が形成されている。従って、膨出部の存在により奏される作用効果（中心電極と溶融部との間における火花放電を阻害する効果）がより効果的に発揮されることとなる。その結果、チップの脱落を一層効果的に防止することができ、優れた着火性をより長期間に亘って維持することができる。

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、その他端面からその一端側に向けて外径が一定の円柱部を備え、
前記チップの中心軸に沿った前記チップの長さをＸ（ｍｍ）とし、前記チップの中心軸に沿った前記円柱部の長さをＹ（ｍｍ）としたとき、Ｙ／Ｘ≧０．１００を満たすことを特徴とする。

上記構成６によれば、チップの他端部（放電面側）に円柱部が設けられており、その長さＹが、チップの長さＸの０．１００倍以上とされている。従って、他端面から膨出部に向けて外径が増大するチップと比較して、チップの他端部のボリュームが十分に小さなものとすることができる。その結果、火炎核をより一層大きく成長させることができ、ひいては着火性をさらに向上させることができる。

構成７．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至６のいずれかにおいて、前記軸線と前記チップの中心軸とが一致し、前記中心電極の先端面と前記チップの他端面とが対向し、
前記中心電極の先端面の外径をＣ（ｍｍ）としたとき、Ａ／Ｃ≧０．７０を満たすことを特徴とする。

中心電極においては、電界強度の比較的高い、その先端面と側面との間の境界部分が火花放電の基点となりやすい。この点を鑑みて、上記構成７によれば、中心電極の先端面の外径Ｃに対して、膨出部の外径Ａが十分な大きさを有するように構成されている。従って、火花放電の基点となりやすい中心電極の前記境界部分と溶融部との間における火花放電をより確実に阻害することができる。その結果、チップの耐剥離性を一層確実に向上させることができ、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。

スパークプラグの構成を示す一部破断正面図である。 （ａ）は、スパーク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、チップの構成を示す部分拡大断面図である。 チップの別例を示す部分拡大断面図である。 チップの別例を示す部分拡大断面図である。 スパークプラグの先端部の別例を示す部分拡大断面図である。 Ａ／Ｄ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。 （ａ）〜（ｃ）は、別の実施形態におけるチップの形状を示す部分拡大断面図である。 （ａ），（ｂ）は、別の実施形態におけるチップの形状を示す部分拡大断面図である。

以下に、一実施形態について図面を参照して説明する。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、絶縁体としての絶縁碍子２、及び、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円柱状の後端側胴部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、脚長部１３の大部分は、主体金具３の内部に収容されている。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の先端側には中心電極５が挿入、固定されている。中心電極５は、ニッケル（Ｎｉ）合金により形成され、全体として棒状（円柱状）をなしている。加えて、中心電極５の先端面は平坦に形成されるとともに、絶縁碍子２の先端から突出している。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。

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を内燃機関や燃料電池改質器等の燃焼装置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、径方向外側に突出形成された鍔状の座部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、スパークプラグ１を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が設けられている。また、工具係合部１９の後端側には、径方向内側に向けて屈曲形成された加締め部２０が設けられており、当該加締め部２０により絶縁碍子２が保持されている。

加えて、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、前記両段部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との間にリング部材２３，２４が介在されているとともに、リング部材２３，２４間には、滑石（タルク）２５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及び滑石２５を介して絶縁碍子２を保持している。

さらに、図２（ａ），（ｂ）に示すように、前記主体金具３の先端部２６には、Ｎｉを主成分とするＮｉ合金により形成され、自身の略中間部分において中心電極５側へと曲げ返された接地電極２７が接合されている。接地電極２７のうち中心電極５の先端面と対向する部位には、チップ２８の一端部が接合されている（チップ２８の構成については、後に詳述する）。本実施形態において、チップ２８は、自身の中心軸ＣＬ２が軸線ＣＬ１と一致するように配置されており、自身の他端面２８Ｆが中心電極５の先端面に対して対向している。そして、中心電極５の先端面とチップ２８の他端面との間には、火花放電間隙２９が形成されており、当該火花放電間隙２９において軸線ＣＬ１方向にほぼ沿って火花放電が生じるようになっている。

加えて、前記チップ２８を構成する金属の主成分は、接地電極２７を構成する金属の主成分と同一とされており、本実施形態におけるチップ２８はＮｉを主成分とするＮｉ合金により構成されている。また、チップ２８は、抵抗溶接により形成された溶融部３０を介して接地電極２７に接合されている。

さらに、チップ２８は、自身の一端部よりも他端側に外径の最も大きな膨出部２８Ｐを備えている。本実施形態において、膨出部２８Ｐは、チップ２８の一端及び他端の中間に形成されている。また、膨出部２８Ｐの外径をＡ（ｍｍ）とし、溶融部３０の外径をＢ（ｍｍ）としたとき、Ａ＞Ｂ、及び、Ａ／Ｂ≦１．６０を満たすように膨出部２８Ｐ等の外径が設定されている。

さらに、チップ２８は、自身の中心軸ＣＬ２に沿ってその外径が徐々に変化するように構成されており、本実施形態では、自身の一端から膨出部２８Ｐに向けて徐々に外径が大きくなり、膨出部２８Ｐからその他端側（中心電極５側）に向けて徐々に外径が小さくなるように構成されている。そのため、チップ２８の他端面２８Ｆの外径は、膨出部２８Ｐの外径Ａよりも小さなものとなっており、チップ２８の他端面２８Ｆの外径をＤ（ｍｍ）としたとき、Ａ／Ｄ≦１．５０を満たすように構成されている。

加えて、膨出部２８Ｐの外径Ａは、中心電極５の先端面の外径に対して過度に小さくなることなく構成されており、前記中心電極５の先端面の外径をＣ（ｍｍ）としたとき、Ａ／Ｃ≧０．７０を満たすように構成されている。

尚、チップ２８については、その外径が中心軸ＣＬ２に沿って徐々に変化するように構成することなく、図３に示すように、チップ３１に径方向外側に突出する鍔状の膨出部３１Ｐを設け、チップ３１の外径が急激に変化するように構成することとしてもよい。

また、図４に示すように、他端面３２Ｆから一端側に向けて外径が一定の円柱部３２Ｃを有するようにチップ３２を構成することとしてもよい。尚、この場合には、チップ３２の中心軸ＣＬ２に沿ったチップ３２の長さをＸ（ｍｍ）とし、チップ３２の中心軸ＣＬ３に沿った円柱部３２Ｃの長さをＹ（ｍｍ）としたとき、Ｙ／Ｘ≧０．１００を満たすように構成することが好ましい。

さらに、チップの他端面を中心電極５の先端面に対向させることなく、図５に示すように、チップ３３の他端面３３Ｆを中心電極５の側面に対向させることとしてもよい。

次に、上記のように構成されてなるスパークプラグ１の製造方法について説明する。

まず、主体金具３を予め加工しておく。すなわち、円柱状の金属素材に対して冷間鍛造加工等を施すことにより概形を形成するとともに、貫通孔を形成する。その後、切削加工を施すことで外形を整え、主体金具中間体を得る。

続いて、主体金具中間体の先端面に、Ｎｉ合金からなる直棒状の接地電極２７が抵抗溶接される。当該溶接に際してはいわゆる「ダレ」が生じるので、その「ダレ」を除去した後、主体金具中間体の所定部位にねじ部１５が転造によって形成される。これにより、接地電極２７の溶接された主体金具３が得られる。また、接地電極２７の溶接された主体金具３には、亜鉛メッキ或いはニッケルメッキが施される。尚、耐食性の向上を図るべく、その表面に、さらにクロメート処理を施すこととしてもよい。

一方、前記主体金具３とは別に、絶縁碍子２を成形加工しておく。例えば、アルミナを主体としバインダ等を含む原料粉末を用いて、成形用素地造粒物を調製するとともに、当該成形用素地造粒物を用いてラバープレス成形を行うことで、筒状の成形体が得られる。そして、得られた成形体に研削加工を施し、整形するとともに、整形したものを焼成炉で焼成することにより絶縁碍子２が得られる。

また、前記主体金具３、絶縁碍子２とは別に、Ｎｉ合金に鍛造加工を施すことで中心電極５を作製しておく。

次に、上記のようにして得られた絶縁碍子２及び中心電極５と、抵抗体７と、端子電極６とが、ガラスシール層８，９によって封着固定される。ガラスシール層８，９としては、一般的にホウ珪酸ガラスと金属粉末とが混合されて調製されており、当該調製されたものが抵抗体７を挟むようにして絶縁碍子２の軸孔４内に注入された後、後方から前記端子電極６で押圧しつつ、焼成炉内にて加熱することにより焼き固められる。尚、このとき、絶縁碍子２の後端側胴部１０表面に釉薬層を同時に焼成することとしてもよいし、事前に釉薬層を形成することとしてもよい。

その後、上記のようにそれぞれ作製された中心電極５及び端子電極６を備える絶縁碍子２と、接地電極２７を備える主体金具３とが固定される。より詳しくは、主体金具３に絶縁碍子２を挿通した上で、比較的薄肉に形成された主体金具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絶縁碍子２と主体金具３とが固定される。

また、チップ２８を予め製造しておく。すなわち、接地電極２７を構成する金属と同一の金属（Ｎｉ）を主成分とする金属材料に、鍛造加工や切削加工を施すことで所定サイズ（例えば、外径１．５ｍｍ、長さ０．８ｍｍ）の円柱状（つまり、膨出部２８Ｐが未形成）のチップ２８を得る。

次いで、接地電極２７の先端部に前記チップ２８を接合する。すなわち、チップ２８を接地電極２７に載置した上で、所定の治具（図示せず）によりチップ２８の他端面２８Ｆを所定の圧力（例えば、１５ｋｇｆ）で接地電極２７側へと押圧しつつ、前記治具からチップ２８に対して所定の電流値（例えば、０．７５ｋＡ〜０．９５ｋＡ）で通電する。これにより、接地電極２７とチップ２８との接触部分が通電加熱されることとなり、接地電極２７を構成する金属とチップ２８を構成する金属とが溶融してなる溶融部３０が形成される。その結果、接地電極２７に対してチップ２８が接合される。

また、溶融部３０の形成と合わせて、チップ２８に膨出部２８Ｐが形成される。すなわち、チップ２８が、通電加熱により若干軟化した状態で、治具により押圧されることで、チップ２８が潰れ変形し、チップ２８の側面が径方向外側に向けて膨出する。その結果、前記膨出部２８Ｐが形成されることとなる。尚、前記治具からチップ２８に加えられる圧力や通電時の電流値を調整することで、膨出部２８Ｐの外径Ａや溶融部３０の外径Ｂを調整することができる。

そして最後に、接地電極２７の略中間部分を中心電極５側に屈曲させるとともに、中心電極５及びチップ２８間の火花放電間隙２９の大きさを調整することで上述したスパークプラグ１が得られる。

以上詳述したように、本実施形態によれば、チップ２８を構成する金属の主成分が、接地電極２７を構成する金属の主成分と同一とされている。従って、チップ２８の熱伝導率を接地電極２７の熱伝導率に近づけることができ、抵抗溶接により形成される溶融部３０のボリュームを比較的小さなものとすることができる。その結果、溶融部３０の外表面の表面積を小さくすることができ、中心電極５と溶融部３０との間における火花放電を効果的に抑制することができる。

さらに、チップ２８に膨出部２８Ｐが形成されるとともに、当該膨出部２８Ｐの外径Ａが、溶融部３０の外径Ｂよりも大きくなるように構成されている。そのため、膨出部２８Ｐの存在により溶融部３０と中心電極５との間における火花放電をより確実に阻害することができる。

以上のように、本実施形態によれば、溶融部３０のボリュームを減少させることによる作用効果と、膨出部２８Ｐを設けつつ、膨出部２８Ｐの外径Ａを溶融部３０の外径Ｂよりも大きくすることによる作用効果とが相乗的に作用して、中心電極５と溶融部３０との間における火花放電を極めて効果的に抑制することができる。その結果、チップ２８の脱落をより確実に防止することができ、チップ２８を設けることによる着火性の向上効果を長期間に亘って維持することができる。

また、本実施形態では、Ａ／Ｂ≦１．６０を満たすように構成されており、チップ２８から接地電極２７への熱伝導の能力（溶融部の外径Ｂに対応する）に対して、チップ２８の受熱量（膨出部の外径Ａに対応する）が十分に小さくなるように設定されている。従って、チップ２８の過熱をより確実に防止することができ、チップ２８の耐消耗性を向上させることができる。その結果、チップ２８の耐剥離性を向上できることと相俟って、チップ２８を設けることによる着火性の向上効果を一層長期間に亘って維持できる。

さらに、Ａ／Ｄ≦１．５０を満たすように構成されており、チップ２８の他端面２８Ｆを超えて成長した火炎核が、膨出部２８Ｐにより阻害されることなく、さらに大きく成長できるように構成されている。これにより、着火性の更なる向上を図ることができる。

加えて、チップ２８の外径が徐々に変化するように構成されており、チップ２８の側面に角部が形成されないように構成されている。従って、チップ２８の側面近傍における乱流の発生をより確実に抑制することができ、火炎核をより大きく成長させることができる。その結果、着火性のより一層の向上を図ることができる。

併せて、チップ３２の他端部に円柱部３２Ｃを設けるとともに、円柱部３２Ｃの長さＹを、チップ３２の長さＸの０．１００倍以上とすれば、他端面２８Ｆから膨出部２８Ｐに向けて外径が増大するチップ２８と比較して、チップ３２の他端部のボリュームを十分に小さくすることができる。その結果、火炎核をより一層大きく成長させることができ、ひいては着火性をさらに向上させることができる。

また、Ａ／Ｃ≧０．７０を満たすように構成され、中心電極５の先端面の外径Ｃに対して、膨出部２８Ｐの外径Ａが十分な大きさを有するように構成されている。従って、中心電極５の先端面外縁（角部）と溶融部３０との間における火花放電をより確実に阻害することができ、チップ２８の耐剥離性をより一層向上させることができる。

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、抵抗溶接により、Ｎｉを主成分とする金属からなる接地電極に対して、Ｎｉを主成分とする金属からなるチップを接合するとともに、抵抗溶接における条件（押圧力や電流値）を変更することで、膨出部の外径Ａ（ｍｍ）と溶融部の外径Ｂ（ｍｍ）とを種々変更したスパークプラグのサンプルを複数作製し、各サンプルについて放電位置確認試験を行った。

放電位置確認試験の概要は次の通りである。すなわち、所定の机上火花試験機を用いて、各サンプルともに１００回ずつ火花放電を生じさせた。そして、各サンプルについて、中心電極と溶融部との間における火花放電（非正規放電）が生じた回数を測定するとともに、１００回中に発生した非正規放電の割合（飛火率）を算出した。ここで、飛火率が０％となったサンプルは、溶融部と中心電極との間（つまり、非正規位置）での火花放電を極めて効果的に防止することができ、チップの耐剥離性の面で非常に優れるとして「◎」の評価を下し、飛火率が０％超１％以下となったサンプルは、耐剥離性に優れるとして「○」の評価を下した。一方で、飛火率が１％超５％以下となったサンプルは、非正規位置での火花放電が若干生じやすく、耐剥離性にやや劣るとして「△」の評価を下し、飛火率が５％を超えたサンプルは、耐剥離性に劣るとして「×」の評価を下すこととした。表１に、当該試験の試験結果を示す。尚、各サンプルともに、中心電極の先端面の外径を１．７ｍｍとした。また、以下の各試験においては、各サンプルともに、軸線とチップの中心軸とが一致し、かつ、中心電極の先端面とチップの他端面とが対向するように構成した。

表１に示すように、膨出部の外径Ａ及び溶融部の外径Ｂについて、Ａ／Ｂ＞１．００（Ａ＞Ｂ）を満たすサンプルは、火花放電を中心電極とチップとの間（つまり、正規位置）でより安定的に発生可能であることが分かった。これは、
（１）チップを構成する金属の主成分と接地電極を構成する金属の主成分とを同一としたことで、チップの熱伝導率が接地電極の熱伝導率に近くなり、抵抗溶接により形成される溶融部のボリュームが非常に小さなものとなったこと、及び、
（２）膨出部の外径Ａを溶融部の外径Ｂよりも大きくしたことで、膨出部の存在により非正規位置での火花放電がより阻害されたこと、
の双方が相乗的に作用したことによると考えられる。

また特に、Ａ／Ｂ≧１．５５／１．５０（≒１．０３）を満たすサンプルは、火花放電を正規位置でより一層安定的に発生可能となることが確認された。

以上の試験結果より、火花放電を正規位置でより安定的に発生させ、チップの耐剥離性を向上させるという観点から、チップを構成する金属の主成分と、接地電極を構成する金属の主成分とを同一とするとともに、Ａ＞Ｂを満たすように構成することが好ましいといえる。

また、耐剥離性の更なる向上を図るべく、Ａ／Ｂ≧１．５５／１．５０を満たすように膨出部の外径Ａ等を構成することがより好ましいといえる。

次いで、膨出部の外径Ａ（ｍｍ）及び溶融部の外径Ｂ（ｍｍ）を変更することで、Ａ／Ｂの値を種々変更したスパーク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エンジンに組付けた上で、全開状態（回転量＝５６００ｒｐｍ）で１００時間に亘ってエンジンを動作させた。そして、１００時間経過後に、各サンプルの火花放電間隙の増加量（間隙増加量）を測定した。ここで、間隙増加量が０．０５ｍｍ未満となったサンプルは、耐消耗性に極めて優れるとして「◎」の評価を下し、間隙増加量が０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ未満となったサンプルは、優れた耐消耗性を有するとして「○」の評価を下すこととした。一方で、間隙増加量が０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ未満となったサンプルは、耐消耗性にやや劣るとして「△」の評価を下し、間隙増加量が０．２ｍｍ以上となったサンプルは、耐消耗性に劣るとして「×」の評価を下すこととした。表２に、当該試験の試験結果を示す。尚、各サンプルともに、Ａ＞Ｂを満たすように構成するとともに、中心電極の先端面の外径を１．７ｍｍとした。

表２に示すように、Ａ／Ｂを１．６０よりも大きくしたサンプルは、耐消耗性に劣ることが明らかとなった。これは、チップから接地電極に対する熱伝導の能力に対して、チップの受熱量が過度に増大してしまい、その結果、チップが過熱されてしまったためであると考えられる。

これに対して、Ａ／Ｂ≦１．６０としたサンプルは、優れた耐消耗性を有し、特にＡ／Ｂ≦１．２０を満たすサンプルは、耐消耗性に非常に優れることが分かった。

上記試験の結果より、優れた耐消耗性を実現するためには、Ａ／Ｂ≦１．６０を満たすように構成することが好ましく、Ａ／Ｂ≦１．２０を満たすように構成することがより好ましいといえる。

次に、チップの他端面の外径Ｄ（ｍｍ）を一定とした上で、膨出部の外径Ａ（ｍｍ）を変更することによりＡ／Ｄ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、チャンバー内の圧力を０．０５ＭＰａ、空燃比（Ａ／Ｆ）を２０として、火花放電を生じさせた。そして、火花放電から０．４ｍｓ後における火炎核の面積をシュリーレン評価により測定した。ここで、火炎核の面積が４．０ｍｍ²以上となったサンプルは、火炎核が非常に大きく成長し、極めて優れた着火性を有するとして「◎」の評価を下し、火炎核の面積が３．９ｍｍ²以上４．０ｍｍ²未満となったサンプルは、着火性に優れるとして「○」の評価を下すこととした。一方で、火炎核の面積が３．７ｍｍ²以上３．９ｍｍ²未満となったサンプルは、着火性に若干劣るとして「△」の評価を下し、火炎核の面積が３．７ｍｍ²未満となったサンプルは、着火性に劣るとして「×」の評価を下すこととした。表３に、各サンプルにおける評価結果を示すとともに、図６に、Ａ／Ｄと火炎核の面積との関係を表すグラフを示す。尚、各サンプルともに、溶融部の外径Ｂを１．５ｍｍとした。

表３及び図６に示すように、Ａ／Ｄを１．５０よりも大きくしたサンプルは、着火性に劣ることが明らかとなった。これは、火炎核のうち、チップの他端面を超えて成長した部分のそれ以上の成長が、膨出部によって阻害される形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、Ａ／Ｄを１．５０以下としたサンプルは、優れた着火性を有し、さらに、Ａ／Ｄを１．２７以下としたサンプルは、火炎核の面積が４．０ｍｍ²以上となり、非常に優れた着火性を有することが分かった。

上記試験の結果より、着火性の向上を図るべく、Ａ／Ｄ≦１．５０を満たすように構成することが好ましく、Ａ／Ｄ≦１．２７を満たすように構成することがより好ましいといえる。

次に、鍔状の膨出部が形成されたチップを備えてなるスパークプラグのサンプルＡ（図３と同様の形状）と、一端から膨出部に向けて徐々に外径が大きくなり、膨出部から他端に向けて徐々に外径が小さくなるチップを備えてなるスパークプラグのサンプルＢ（図２と同様の形状）とを作製し、両サンプルに対して上述の着火性評価試験を行った。表４に、両サンプルにおける火炎核の面積を示す。尚、両サンプルともに、膨出部の外径Ａを１．９ｍｍとし、チップの一端面の外径Ｄを１．５ｍｍとした。また、チップの中心軸に沿ったチップの長さ（高さ）を同一のものとした。

表４に示すように、チップの外径を連続的に変化させたサンプル（サンプルＢ）は、火炎核の面積が一層大きなものとなり、着火性に一層優れることが確認された。これは、外径が連続的に変形するように構成したことで、チップ側面における気流の乱れが生じにくくなり、火炎核がよりスムーズに成長したためであると考えられる。

上記試験結果より、着火性の更なる向上を図るためには、一端から膨出部に向けて徐々に外径が大きくなり、膨出部から他端側に向けて徐々に外径が小さくなるチップを用いることが好ましいといえる。

次に、自身の他端部に外径が一定の円柱部が形成されてなるチップを備えるとともに、チップの中心軸に沿ったチップの長さＸ（ｍｍ）を０．７ｍｍとした上で、チップの中心軸に沿った円柱部の長さＹ（ｍｍ）を変更することにより、Ｙ／Ｘ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上述の着火性評価試験を行った。表５に、Ａ／Ｄを１．５０としたサンプルの試験結果を示し、表６に、Ａ／Ｄを１．２７としたサンプルの試験結果を示す。尚、当該試験においては、火炎核の面積が４．０ｍｍ²以上４．２ｍｍ²未満となった場合に「◎」の評価を下し、火炎核の面積が４．２ｍｍ²以上となった場合に「☆」の評価を下すこととした。

表５及び表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、特にＹ／Ｘ≧０．１００を満たすサンプルは、極めて優れた着火性を有することが明らかとなった。これは、チップの他端部に十分な長さの円柱部を設けたことで、チップの他端部のボリュームが十分に小さなものとなり、その結果、チップの存在による火炎核の成長阻害が効果的に抑制され、火炎核がより大きく成長したためであると考えられる。また、上述の通り、Ａ／Ｄ≦１．２７を満たすことで、着火性をより一層向上できることが確認された。

上記試験の結果より、着火性をより一層向上させるという観点から、他端面から一端側に向けて外径が一定の円柱部を備えるようにチップを構成するとともに、Ｙ／Ｘ≧０．１００を満たすように、チップの長さＸや円柱部の長さＹを設定することが好ましいといえる。

次に、中心電極の先端面の外径Ｃ（ｍｍ）を１．５０ｍｍ、１．７０ｍｍ、又は、１．９０ｍｍとした上で、膨出部の外径Ａ（ｍｍ）を変更することにより、Ａ／Ｃ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上述の放電位置確認試験を行った。表７に、当該試験の試験結果を示す。尚、評価は、上記同様の手法で行い、また、各サンプルともに、Ａ＝Ｂを満たすように溶融部の外径Ｂを設定した。さらに、上述したことではあるが、各サンプルともに、軸線とチップの中心軸とを一致させ、中心電極の先端面とチップの他端面とが対向するように構成した。

表７に示すように、Ａ／Ｃ≧０．７０を満たすサンプルは、中心電極と溶融部との間での火花放電がより生じにくく、チップの耐剥離性に一層優れることが確認された。これは、中心電極の先端面外縁は、電界強度が高く、火花放電の基点となりやすいところ、前記先端面の直径に対して膨出部の外径が十分に大きさを有するように構成したことで、膨出部により前記先端面外縁と溶融部との間における火花放電を効果的に抑制できたことによると考えられる。

上記試験の結果より、中心電極と溶融部との間における火花放電をより確実に抑制し、耐剥離性を一層向上させるという観点から、軸線とチップの中心軸とが一致し、中心電極の先端面とチップの他端面とが対向するスパークプラグにおいては、膨出部の外径Ａ及び中心電極の先端面の外径Ｃについて、Ａ／Ｃ≧０．７０を満たすように構成することがより好ましいといえる。

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、チップ２８を加熱・押圧することで膨出部２８Ｐが形成されているが、膨出部２８Ｐを形成する手法はこれに限定されるものではない。従って、例えば、切削加工等を施すことにより膨出部２８Ｐを形成することとしてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、外周面が外側に凸の湾曲形状をなすチップ２８や、鍔状の膨出部３１Ｐを有するチップ３１を例示しているが、チップの形状はこれらの形状に限定されるものではない。従って、例えば、図７（ａ）に示すように、中心軸ＣＬ２を含む断面において、チップ３４が断面六角形状をなすように構成することとしてもよいし、図７（ｂ）に示すように、チップ３５が断面八角形状をなすように構成することとしてもよい。また、図７（ｃ）に示すように、中心軸ＣＬ２を含む断面において、チップ３６の外形線の少なくとも一部が湾曲形状をなすように構成することとしてもよい。

（ｃ）上記実施形態では、チップ２８の中間に膨出部２８Ｐが形成されているが、チップにおける膨出部を設ける位置はこれに限定されるものではない。従って、例えば、図８（ａ）に示すように、中心軸ＣＬ２を含む断面において、チップ３７が台形状をなすように構成し、チップ３７の他端に膨出部３７Ｐを設けることとしてもよい。

また、図８（ｂ）に示すように、膨出部３７Ｐを、チップ３７の中心軸ＣＬ２に沿って、チップ３７の一端及び他端の中間よりも一端側、すなわち、溶融部３０側に形成することとしてもよい。尚、抵抗溶接に際しては、接地電極２７とチップ３７との接触部分が特に発熱するため、チップ３７においては、接地電極２７との接触部位側（すなわち、一端側）が特に加熱されやすい。従って、この点を利用すれば、チップ３７の中間よりも一端側に膨出部３７Ｐを比較的容易に形成することができる。

（ｄ）上記実施形態では、中心電極５とチップ２８との間に火花放電間隙２９が形成されているが、中心電極５の先端部に貴金属合金（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を設け、当該貴金属チップとチップ２８との間に火花放電間隙を形成することとしてもよい。

（ｅ）上記実施形態では、主体金具３の先端部に、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）。

（ｆ）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２５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
５…中心電極
２７…接地電極
２８…チップ
２８Ｐ…膨出部
３０…溶融部
３２Ｃ…円柱部
ＣＬ１…軸線
ＣＬ２…（チップの）中心軸

Claims (7)

1. 軸線方向に延びる中心電極と、
   前記中心電極の外周に設けられた筒状の絶縁体と、
   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た接地電極と、
   前記接地電極の先端部に、自身の一端部が接合されたチップとを備え、
   前記チップは、抵抗溶接により形成された溶融部を介して前記接地電極に接合され、
   前記中心電極の先端部と前記チップの他端面とが対向するスパークプラグであって、
   前記チップを構成する金属の主成分は、前記接地電極を構成する金属の主成分と同一であり、
   前記チップは、前記一端部よりも他端側に外径の最も大きい膨出部を備え、
   前記膨出部の外径をＡ（ｍｍ）とし、前記溶融部の外径をＢ（ｍｍ）としたとき、Ａ＞Ｂを満たすことを特徴とするスパークプラグ。
2. Ａ／Ｂ≦１．６０を満たすことを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記チップの他端面の外径は、前記膨出部の外径よりも小さく、
   前記チップの他端面の外径をＤ（ｍｍ）としたとき、Ａ／Ｄ≦１．５０を満たす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. 前記チップは、その一端から前記膨出部に向けて徐々に外径が大きくなり、前記膨出部からその他端側に向けて徐々に外径が小さくな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. 前記膨出部は、前記チップの一端及び他端の中間よりも前記チップの一端側に形成され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、その他端面からその一端側に向けて外径が一定の円柱部を備え、
   前記チップの中心軸に沿った前記チップの長さをＸ（ｍｍ）とし、前記チップの中心軸に沿った前記円柱部の長さをＹ（ｍｍ）としたとき、Ｙ／Ｘ≧０．１００を満たす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. 前記軸線と前記チップの中心軸とが一致し、前記中心電極の先端面と前記チップの他端面とが対向し、
   前記中心電極の先端面の外径をＣ（ｍｍ）としたとき、Ａ／Ｃ≧０．７０を満たすことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスパークプラグ。

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