JP6105694B2 - スパークプラグ - Google Patents
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Description
本発明は、スパークプラグに関する。
従来、線膨張係数の異なる２種類の金属が接合された複合チップを電極に備えるスパークプラグが知られている（特許文献１参照）。
しかし、このような複合チップは、線膨張係数の違いから、電極に対して反りが発生する可能性があった。そのため、このような複合チップを備えるスパークプラグにおいて、複合チップが電極材料に対して反ることを抑制可能な技術が求められていた。
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。本発明の一形態は、
軸線方向に延びる中心電極と、
軸孔を有し前記中心電極が前記軸孔に設けられる絶縁体と、
前記絶縁体を保持する筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端に一端部が接続される電極母材と、前記電極母材の他端部の内側面に接合され、前記中心電極と間隙を介して対向する放電チップと、を有する接地電極と、
を備えるスパークプラグである。このスパークプラグにおいて、
前記放電チップは、
前記中心電極側に配置された貴金属又は貴金属合金を含む放電層と、
一端が前記放電層に接合され、他端の少なくとも一部が溶融部を介して前記電極母材と接合されるとともに、前記放電層に含まれる貴金属元素のうち最も多く含まれる貴金属元素を前記放電層よりも少量含む中間層と、を有し、
前記溶融部は、前記軸線方向から前記放電チップを見た場合に、前記放電層の中心よりも前記電極母材の他端側の領域に少なくとも形成されており、
前記接地電極の長手方向に沿った中心線を含み前記軸線と平行な断面において、前記長手方向に沿った前記放電チップの長さに対する、前記長手方向に沿って前記放電チップが存在する範囲内における前記溶融部の前記長手方向に沿った長さの割合は、７６．２％以上であり、
前記電極母材の他端側において、前記中間層の端面が露出する。
また、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。
軸線方向に延びる中心電極と、
軸孔を有し前記中心電極が前記軸孔に設けられる絶縁体と、
前記絶縁体を保持する筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端に一端部が接続される電極母材と、前記電極母材の他端部の内側面に接合され、前記中心電極と間隙を介して対向する放電チップと、を有する接地電極と、
を備えるスパークプラグである。このスパークプラグにおいて、
前記放電チップは、
前記中心電極側に配置された貴金属又は貴金属合金を含む放電層と、
一端が前記放電層に接合され、他端の少なくとも一部が溶融部を介して前記電極母材と接合されるとともに、前記放電層に含まれる貴金属元素のうち最も多く含まれる貴金属元素を前記放電層よりも少量含む中間層と、を有し、
前記溶融部は、前記軸線方向から前記放電チップを見た場合に、前記放電層の中心よりも前記電極母材の他端側の領域に少なくとも形成されており、
前記接地電極の長手方向に沿った中心線を含み前記軸線と平行な断面において、前記長手方向に沿った前記放電チップの長さに対する、前記長手方向に沿って前記放電チップが存在する範囲内における前記溶融部の前記長手方向に沿った長さの割合は、７６．２％以上であり、
前記電極母材の他端側において、前記中間層の端面が露出する。
また、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。
（１）本発明の一形態によれば、軸線方向に延びる中心電極と；軸孔を有し前記中心電極が前記軸孔に設けられる絶縁体と；前記絶縁体を保持する筒状の主体金具と；前記主体金具の先端に一端部が接続される電極母材と、前記電極母材の他端部の内側面に接合され、前記中心電極と間隙を介して対向する放電チップと、を有する接地電極と、を備えるスパークプラグが提供される。このスパークプラグでは、前記放電チップは；前記中心電極側に配置された貴金属又は貴金属合金を含む放電層と；一端が前記放電層に接合され、他端の少なくとも一部が溶融部を介して前記電極母材と接合されるとともに、前記放電層に含まれる貴金属元素のうち最も多く含まれる貴金属元素を前記放電層よりも少量含む中間層と、を有し；前記溶融部は、前記軸線方向から前記放電チップを見た場合に、前記放電層の中心よりも前記電極母材の他端側の領域に少なくとも形成されており；前記接地電極の長手方向に沿った中心線を含み前記軸線と平行な断面において、前記長手方向に沿った前記放電チップの長さに対する、前記長手方向に沿って前記放電チップが存在する範囲内における前記溶融部の前記長手方向に沿った長さの割合は、７６．２％以上である。このような形態のスパークプラグであれば、溶融部の長さを十分に確保できるので、放電層と中間層とを備える放電チップが電極母材から反ることを抑制することができ、放電チップの耐剥離性を向上させることができる。
（２）上記形態のスパークプラグにおいて、前記電極母材の他端側において、前記中間層の端面が露出してもよい。このような形態のスパークプラグであれば、中間層の端面が電極母材の他端側に露出しているので、中間層の端面が溶融部に覆われている場合と比較して、放電チップの耐火花消耗性を向上させることができる。
（３）上記形態のスパークプラグにおいて、前記放電チップの前記中心電極と対向する面の面積は、０．７５ｍｍ２以上であってもよい。このような形態のスパークプラグであれば、スパークプラグの耐久性を向上させることができる。
（４）上記形態のスパークプラグにおいて、前記割合は１００％以上であってもよい。このような形態のスパークプラグであれば、放電層と中間層とを備える放電チップが電極母材から反ることをより抑制することができ、放電チップの耐剥離性をより向上させることができる。
本発明は、上述したスパークプラグとしての形態以外にも、例えば、スパークプラグの製造方法など、種々の形態で実現することが可能である。
Ａ．第１実施形態：
Ａ１．スパークプラグの構成：
図１は、本発明の一実施形態におけるスパークプラグ１００の部分断面図である。スパークプラグ１００は、軸線Ｏに沿った細長形状を有している。図１において、一点破線で示す軸線Ｏの右側は、外観正面図を示し、軸線Ｏの左側は、軸線Ｏを通る断面図を示している。以下の説明では、図１の下方側をスパークプラグ１００の先端側と呼び、図１の上方側を後端側と呼ぶ。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸と対応している。軸線ＯとＺ軸とは平行である。図１において、スパークプラグ１００の先端側が＋Ｚ方向であり、スパークプラグ１００の後端側が−Ｚ方向である。単に「Ｚ方向」というときは、Ｚ軸に平行な方向（Ｚ軸に沿った方向）をいう。このことは、Ｘ軸及びＹ軸についても同様である。
Ａ１．スパークプラグの構成：
図１は、本発明の一実施形態におけるスパークプラグ１００の部分断面図である。スパークプラグ１００は、軸線Ｏに沿った細長形状を有している。図１において、一点破線で示す軸線Ｏの右側は、外観正面図を示し、軸線Ｏの左側は、軸線Ｏを通る断面図を示している。以下の説明では、図１の下方側をスパークプラグ１００の先端側と呼び、図１の上方側を後端側と呼ぶ。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸と対応している。軸線ＯとＺ軸とは平行である。図１において、スパークプラグ１００の先端側が＋Ｚ方向であり、スパークプラグ１００の後端側が−Ｚ方向である。単に「Ｚ方向」というときは、Ｚ軸に平行な方向（Ｚ軸に沿った方向）をいう。このことは、Ｘ軸及びＹ軸についても同様である。
スパークプラグ１００は、絶縁体１０と、中心電極２０と、接地電極３０と、主体金具５０とを備える。絶縁体１０は、自身の外周の少なくとも一部が筒状の主体金具５０によって保持され、軸線Ｏに沿った軸孔１２を有する。この軸孔１２には、中心電極２０が設けられている。接地電極３０は、主体金具５０の先端面５７に固定され、中心電極２０との間に放電ギャップＧを形成する。
絶縁体１０は、アルミナを始めとするセラミックス材料を焼成して形成された絶縁碍子である。絶縁体１０は、先端側に中心電極２０の一部を収容し、後端側に端子金具４０の一部を収容する軸孔１２が中心に形成された筒状の部材である。絶縁体１０の軸方向中央には外径を大きくした中央胴部１９が形成されている。中央胴部１９よりも端子金具４０側には、端子金具４０と主体金具５０との間を絶縁する後端側胴部１８が形成されている。中央胴部１９よりも中心電極２０側には、後端側胴部１８よりも外径が小さい先端側胴部１７が形成され、先端側胴部１７のさらに先には、先端側胴部１７よりも小さい外径であって中心電極２０側へ向かうほど外径が小さくなる脚長部１３が形成されている。
主体金具５０は、絶縁体１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３に亘る部位を包囲して保持する円筒状の金具である。主体金具５０は、例えば、低炭素鋼により形成され、全体にニッケルめっきや亜鉛めっき等のめっき処理が施されている。主体金具５０は、後端側から順に、工具係合部５１と、シール部５４と、取付ネジ部５２とを備える。工具係合部５１は、スパークプラグ１００をエンジンヘッドに取り付けるための工具が嵌合する。取付ネジ部５２は、エンジンヘッドの取付ネジ孔に螺合するネジ山を有する。シール部５４は、取付ネジ部５２の根元に鍔状に形成されている。シール部５４とエンジンヘッドとの間には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿される。主体金具５０の先端面５７は、中空の円状であり、その中央からは、絶縁体１０の脚長部１３と中心電極２０とが突出する。
主体金具５０の工具係合部５１より後端側には厚みの薄い加締部５３が設けられている。また、シール部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に厚みの薄い圧縮変形部５８が設けられている。工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０の内周面と絶縁体１０の後端側胴部１８の外周面との間には、円環状のリング部材６，７が介在されており、さらに両リング部材６，７間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。スパークプラグ１００の製造時には、加締部５３を内側に折り曲げるようにして先端側に押圧することにより圧縮変形部５８が圧縮変形し、この圧縮変形部５８の圧縮変形により、リング部材６，７及びタルク９を介し、絶縁体１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。この押圧により、タルク９が軸線Ｏ方向に圧縮されて主体金具５０内の気密性が高められる。
主体金具５０の内周においては、取付ネジ部５２の位置に形成された金具内段部５６に、環状の板パッキン８を介し、絶縁体１０の脚長部１３の基端に位置する碍子段部１５が押圧されている。この板パッキン８は、主体金具５０と絶縁体１０との間の気密性を保持する部材であり、燃焼ガスの流出を防止する。
中心電極２０は、中心電極母材２１の内部に、中心電極母材２１よりも熱伝導性に優れる芯材２２が埋設された棒状の部材である。中心電極母材２１は、ニッケルを主成分とするニッケル合金からなり、芯材２２は、銅又は銅を主成分とする合金からなる。
中心電極２０の後端部近傍には、外周側に張り出した形状の鍔部２３が形成されている。鍔部２３は、軸孔１２に形成された軸孔内段部１４に後端側から当接して、中心電極２０を絶縁体１０内で位置決めする。中心電極２０の後端部は、セラミック抵抗３及びシール体４を介して端子金具４０に電気的に接続される。
接地電極３０は、耐腐食性の高い金属から構成される。耐腐食性の高い金属としては、例えば、インコネル（商標名）６００やインコネル６０１等の、ニッケルを主成分とするニッケル合金が用いられる。接地電極３０の基端は、主体金具５０の先端面５７に溶接されている。本実施形態では、接地電極３０は、接地電極３０の先端部分の一側面が中心電極２０と対向するように、中間部分が屈曲されている。接地電極３０は、その先端部（他端部）３２の内側面に、もう一方の電極である中心電極２０に向けて突出し、放電ギャップＧを形成する四角柱状の放電チップ８０を備えている。なお、図１に示す軸線Ｏは、放電チップ８０の中心Ｐを通る。
図２は、接地電極３０の先端部３２の縦断面図である。図２に示す縦断面図は、接地電極３０の長手方向に沿った中心線Ｃを含み、軸線Ｏと平行な断面である。接地電極３０の中心線Ｃとは、接地電極３０を幅方向に二分する、接地電極３０の長手方向に沿った線である。本実施形態では、接地電極３０は中心電極２０と対向するように中間部分が屈曲されているが、接地電極３０の長手方向は、Ｙ方向としている。接地電極３０の幅方向は、Ｘ軸方向と平行である。Ｙ軸方向は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に垂直な方向であり、接地電極３０の長手方向と平行である。接地電極３０は、電極母材３１と、放電チップ８０と、溶融部８４と、を有する。放電チップ８０は、放電層８２と中間層８３とが接合されて形成されたクラッド材である。本実施形態における放電チップ８０は、中心電極２０と対向する面８６が正方形の柱状である。なお、図２及び以降の説明では、放電チップ８０については、＋Ｙ方向を先端８５とし、−Ｙ方向を後端８８として説明する。
放電層８２は、中心電極２０側に配置されている。放電層８２は、貴金属又は貴金属合金を含み、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）あるいはこれらの合金によって形成されている。中間層８３は、一端が放電層８２に接合され、他端の少なくとも一部が電極母材３１に溶接されている。図２に示す中間層８３の他端には、中間層８３と電極母材３１との境界部３６も含まれる。中間層８３は、放電層８２に最も多く含まれる貴金属元素と、電極母材３１に含まれる元素と、を含んでいる。中間層８３に含まれる貴金属元素の量は、質量パーセントにおいて、放電層８２より少ない。具体的には、例えば、放電層８２がＰｔ−Ｉｒ系合金によって形成されている場合には、中間層８３としては、Ｐｔを放電層８２より質量パーセント比において少量含み、かつ、電極母材３１に含まれる例えばニッケルを含んだ、Ｐｔ−Ｎｉ系合金が用いられる。このような放電層８２と中間層８３とからなるクラッド材は、例えば、放電層８２と中間層８３とを熱を加えながら圧延することにより形成される。
溶融部８４は、中間層８３と電極母材３１との境界部３６付近に位置する。溶融部８４は、放電チップ８０の先端８５側（＋Ｙ方向）から、電極母材３１の長手方向（−Ｙ方向）へ向かって延びている。溶融部８４は、中間層８３と電極母材３１とがレーザ溶接により溶融して凝固することによって形成されており、中間層８３に含まれる貴金属元素と電極母材３１に含まれる元素とを含んでいる。溶融部８４における、貴金属元素の合計量は、例えば、２．８質量パーセント以下である。溶融部８４は、中間層８３と電極母材３１とを接合して放電チップ８０を電極母材３１に接合させるのに加え、スパークプラグ１００の使用時に発生する熱応力を緩和するための層である。
図２には、さらに、軸線Ｏに沿った、放電チップ８０の高さＨ１と、放電層８２の高さＨ２と、中間層８３の高さＨ３と、接地電極３０の長手方向（−Ｙ方向）に沿った放電チップ８０の長さＴ（以下、長さＴ）と、長手方向に沿って放電チップ８０が存在する範囲内における溶融部８４の長手方向に沿った長さＬ（以下、奥行き長さＬ）と、が示されている。奥行き長さＬは、電極母材３１の他端３５側に位置する放電チップ８０の先端８５から、放電チップ８０の後端８８へ向かう、溶融部８４の長さでもある。本実施形態では、長さＴに対する奥行き長さＬの割合Ｄ（以下、割合Ｄ）は、７６．２％以上かつ１００％未満である。
放電チップ８０の高さＨ１は、０．３０ｍｍ以上０．６５ｍｍ以下であり、本実施形態では０．５０ｍｍである。放電チップ８０の長さＴは、１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、本実施形態では１．８ｍｍである。また、放電チップ８０の高さＨ１と長さＴの比率Ｈ１／Ｔは、０．２０以上０．４５以下であり、本実施形態では０．２８である。また、放電層８２の高さＨ２と、中間層８３の高さＨ３と、の比率Ｈ２／Ｈ３は、０．３０以上２．０５以下であり、本実施形態では、１．０である。放電チップ８０の中心電極２０と対向する面８６の面積は、０．７５ｍｍ２以上である。
図３は、接地電極３０の先端部３２の横断面図である。図３に示す横断面図は、図２におけるＡ−Ａ断面図であり、境界部３６を含んでいる。図３には、放電チップ８０の中心Ｐと、放電チップ８０の中心Ｐを通り接地電極３０の幅方向（Ｘ軸方向）と平行な直線ｍと、接地電極の中心線Ｃと、放電チップ８０において溶融部８４が形成されている領域Ｓ（クロスハッチで示された領域）と、が示されている。なお、本実施形態では、放電チップ８０の中心Ｐは、放電層８２の中心でもある。
図３に示すように、溶融部８４は、直線ｍを超えてさらに−Ｙ方向へ形成されている。いいかえると、溶融部８４は、−Ｚ方向から放電チップ８０を見た場合に、放電チップ８０の中心Ｐよりも電極母材３１の他端３５側の領域（放電チップ８０の奥行きＴ／２までの領域）全体に少なくとも形成されている。なお、領域Ｓは、図３に示すように、接地電極３０の先端部３２の横断面を観察することにより確認することができるが、Ｘ線（ＣＴスキャン）を用いて−Ｚ方向から放電チップ８０を観察することで確認することもできる。
本実施形態では、スパークプラグ１００は、次のように製造される。まず、主体金具５０と、絶縁体１０と、中心電極２０と、電極母材３１とが準備される。続いて、主体金具５０に、屈曲される前の電極母材３１が接合される。これとは別に、中心電極２０と絶縁体１０とが組み付けられる。そして、中心電極２０が組み付けられた絶縁体１０が、電極母材３１が接合された主体金具５０に組み付けられる、組み付け工程が実施される。組み付け工程の後には、主体金具５０の加締工程が実施される。この加締工程により、絶縁体１０が主体金具５０に固定される。また、主体金具５０のシール部５４と取付ネジ部５２との間にガスケット５が装着される。
加締工程が実施されると、電極母材３１には、放電チップ８０がレーザ溶接される。電極母材３１と放電チップ８０のレーザ溶接方法については、後述する。レーザ溶接が行われると、接地電極３０の先端部３２の一側面が中心電極２０と対向するように、接地電極３０が屈曲される。以上のようにして、スパークプラグ１００が完成する。なお、上記製造方法は一例であり、これとは異なる種々の方法でスパークプラグを製造可能である。例えば、上述した工程の順序は、任意に変更可能である。
Ａ２．電極母材と放電チップとのレーザ溶接方法：
図４は、電極母材３１と放電チップ８０とのレーザ溶接方法を示すフローチャートである。まず、電極母材３１の所定の位置に放電チップ８０が配置される（ステップＳ１０１）。本実施形態では、電極母材３１の先端部３２には、放電チップ８０を配置するための窪み６０が形成されており、放電チップ８０は先端部３２の窪み６０に配置される。なお、ステップＳ１０１では、電極母材３１と放電チップ８０とを仮固定のために抵抗溶接してもよいし、電極母材３１と放電チップ８０とを治具により固定してもよい。
図４は、電極母材３１と放電チップ８０とのレーザ溶接方法を示すフローチャートである。まず、電極母材３１の所定の位置に放電チップ８０が配置される（ステップＳ１０１）。本実施形態では、電極母材３１の先端部３２には、放電チップ８０を配置するための窪み６０が形成されており、放電チップ８０は先端部３２の窪み６０に配置される。なお、ステップＳ１０１では、電極母材３１と放電チップ８０とを仮固定のために抵抗溶接してもよいし、電極母材３１と放電チップ８０とを治具により固定してもよい。
次に、電極母材３１と放電チップ８０との境界部３６に対してレーザが照射されるレーザ溶接工程が行われる（ステップＳ１０３）。
図５は、レーザ溶接工程の様子を示す模式図である。図５（ａ）は、レーザ溶接工程を−Ｘ方向から見た図であり、図５（ｂ）は、レーザ溶接工程を−Ｚ方向から見た図である。ステップＳ１０３では、図５（ａ）に示すように、電極母材３１と放電チップ８０との境界部３６に対して、接地電極３０の他端３５側である＋Ｙ方向から、境界部３６と平行にレーザＬＢが照射される。また、図５（ｂ）に示すように、レーザＬＢは、放電チップ８０の端面８５全体にわたってスキャンされる。レーザＬＢとしては、例えば高エネルギーのファイバーレーザを用いることができる。なお、レーザＬＢは、境界部３６と平行に照射されていなくともよく、例えば、境界部３６に対してＺ方向に−５°から５°の範囲で傾斜させて照射されてもよい。
以上のようにして、溶融部８４が、−Ｚ方向から放電チップ８０を見た場合に、放電チップ８０の中心Ｐよりも電極母材３１の他端３５側の領域に少なくとも形成され、かつ、割合Ｄが７６．２％以上となるように、レーザが照射されて、溶融部８４が形成される。なお、このような溶融部８４は、レーザの出力値と、レーザのスキャン速度と、領域Ｓと、割合Ｄと、の関係を実験により求めておき、領域Ｓが少なくとも放電チップ８０の中心Ｐよりも電極母材３１の他端３５側の領域に形成され、かつ、割合Ｄが７６．２％以上となるレーザのパワーとスキャン速度とを採用することで、形成することができる。
以上で説明した本実施形態のスパークプラグ１００は、溶融部８４が電極母材３１の他端３５側の領域に十分に形成されているのに加え、溶融部８４の奥行き長さが十分に確保できるので、放電層８２と中間層８３とを備える放電チップ８０が電極母材３１から反ることを抑制することができる。そのため、放電チップ８０の耐剥離性を向上させることができる。また、放電チップ８０は、放電層８２と中間層８３とを備えるクラッド材であるため、放電層８２によりスパークプラグ１００の耐久性を向上させるとともに、中間層８３により放電層８２と電極母材３１との線膨張係数の違いによって発生する熱応力を緩和することができる。
また、放電チップ８０の中心電極２０と対向する面８６の面積が、０．７５ｍｍ２以上であるために、スパークプラグ１００の耐久性を向上させることもできる。
以下、溶融部８４が、−Ｚ方向から放電チップ８０を見た場合に、放電チップ８０の中心Ｐよりも電極母材３１の他端３５側の領域に少なくともに形成され、かつ、割合Ｄが７６．２％以上を満たすようにスパークプラグ１００を構成することの根拠について、実験結果に基づいて説明する。
Ａ３．実験内容及びその実験結果：
図６は、割合Ｄの最適な範囲を求めるために行った実験の結果を示すグラフである。本実験では、上述のレーザ溶接方法（図４、ステップＳ１０３）において、レーザＬＢの出力値と、スキャン速度と、を変更することで、割合Ｄを異ならせて、割合Ｄごとかつ以下に示す放電チップ８０の形状及び材質ごとに、３本のスパークプラグを作製した。なお、この実験では、−Ｚ方向から放電チップ８０を見た場合に、溶融部８４が電極母材３１の他端３５側の領域に少なくともに形成されるように、レーザＬＢを照射した。放電チップ８０は、以下の３種類の形状及び材質を有する放電チップを用いた。また、電極母材３１の材質は、インコネル６０１を用いた。
図６は、割合Ｄの最適な範囲を求めるために行った実験の結果を示すグラフである。本実験では、上述のレーザ溶接方法（図４、ステップＳ１０３）において、レーザＬＢの出力値と、スキャン速度と、を変更することで、割合Ｄを異ならせて、割合Ｄごとかつ以下に示す放電チップ８０の形状及び材質ごとに、３本のスパークプラグを作製した。なお、この実験では、−Ｚ方向から放電チップ８０を見た場合に、溶融部８４が電極母材３１の他端３５側の領域に少なくともに形成されるように、レーザＬＢを照射した。放電チップ８０は、以下の３種類の形状及び材質を有する放電チップを用いた。また、電極母材３１の材質は、インコネル６０１を用いた。
＜放電チップＡ＞
形状：円柱状
中心電極と対向する面８６の面積：０．７９ｍｍ２（直径１．０ｍｍ）
放電層の材質：Ｐｔ−Ｉｒ系合金、中間層の材質：Ｐｔ−Ｎｉ系合金
＜放電チップＢ＞
形状：四角柱状
中心電極と対向する面８６の面積：１．３ｍｍ２
放電層の材質：Ｐｔ−Ｉｒ系合金、中間層の材質：Ｐｔ−Ｎｉ系合金
＜放電チップＣ＞
形状：四角柱状
中心電極２０と対向する面８６の面積：１．５ｍｍ２
放電層の材質：Ｉｒ系合金、中間層の材質：Ｉｒ−Ｐｔ−Ｎｉ系合金
形状：円柱状
中心電極と対向する面８６の面積：０．７９ｍｍ２（直径１．０ｍｍ）
放電層の材質：Ｐｔ−Ｉｒ系合金、中間層の材質：Ｐｔ−Ｎｉ系合金
＜放電チップＢ＞
形状：四角柱状
中心電極と対向する面８６の面積：１．３ｍｍ２
放電層の材質：Ｐｔ−Ｉｒ系合金、中間層の材質：Ｐｔ−Ｎｉ系合金
＜放電チップＣ＞
形状：四角柱状
中心電極２０と対向する面８６の面積：１．５ｍｍ２
放電層の材質：Ｉｒ系合金、中間層の材質：Ｉｒ−Ｐｔ−Ｎｉ系合金
次に、割合Ｄと放電チップ８０の耐剥離性との関係を評価するために、冷熱試験を行った。冷熱試験では、まず接地電極３０の先端部３２をバーナーで２分間熱し、接地電極３０の温度を１０５０℃まで上昇させた。その後バーナーを切り、接地電極３０を１分間徐冷し、再び接地電極３０をバーナーで２分間熱して接地電極３０の温度を１０５０℃まで上昇させた。このサイクルを１０００回繰り返した。
次に、接地電極３０を、接地電極３０の中心線Ｃを含み、軸線Ｏと平行に切断した。この断面（図２に示す縦断面）において、中間層８３と電極母材３１とが溶融されていない境界部３６の長さと、境界部３６付近に発生した溶融部８４の酸化スケール及びクラックの長さと、を合わせた長さを測定した。また、それぞれのスパークプラグ１００において、放電チップの長さＴに対するこの合わせた長さの割合Ｋを求めた。この割合Ｋが小さいほど、放電チップ８０が電極母材３１から剥離する可能性は低くなる。さらに、放電チップ８０の長さＴに対する溶融部８４の奥行き長さＬの割合Ｄを求めた。そして、同じ条件で作製された３本のスパークプラグの割合Ｄと割合Ｋとをそれぞれ平均し、割合Ｄと割合Ｋとの関係を求めた。
図６に示すように、割合Ｄが大きくなるにつれ、割合Ｋは小さくなった。つまり、放電チップ８０と電極母材３１との溶接部分の長さが長いほど、放電チップ８０が電極母材３１から剥離する可能性が低くなった。そして、割合Ｄが７６．２％以上になると、割合Ｄが７６．２％未満に比べて有意に割合Ｋが小さくなり、酸化スケール及びクラックの発生が、放電チップ８０の剥離を抑制可能な程度に抑制されていることが見出された。なお、放電チップの形状による耐剥離性の有意差はみられなかった。
以上の結果より、溶融部８４は、−Ｚ方向から放電チップ８０を見た場合に、放電チップ８０の中心Ｐよりも電極母材３１の他端３５側の領域に少なくとも形成されており、放電チップ８０の長さＴに対する溶融部８４の奥行き長さＬの割合Ｄが７６．２％以上であることが好ましいことが示された。
Ｂ．第２実施形態：
Ｂ１．スパークプラグの構成：
図７は、第２実施形態におけるスパークプラグの接地電極３０ａの先端部３２ａの縦断面図である。図７に示す縦断面図は、軸線Ｏと平行であり、接地電極３０の中心線Ｃを含んでいる。本実施形態における接地電極３０ａでは、放電チップ８０ａの中間層８３ａの端面８７ａが、電極母材３１ａの他端３５ａ側において露出している。なお、本実施形態のスパークプラグにおいても、第１実施形態のスパークプラグと同様に、溶融部８４ａが、−Ｚ方向から放電チップ８０ａを見た場合に、放電チップ８０ａ（放電層８２ａ）の中心Ｐよりも電極母材３１ａの他端３５ａ側の領域に少なくともに形成されており、溶融部８４ａの奥行き長さＬの割合Ｄは７６．２％以上である。スパークプラグのその他の構成は、第１実施形態のスパークプラグ１００と同様であるため説明を省略する。
Ｂ１．スパークプラグの構成：
図７は、第２実施形態におけるスパークプラグの接地電極３０ａの先端部３２ａの縦断面図である。図７に示す縦断面図は、軸線Ｏと平行であり、接地電極３０の中心線Ｃを含んでいる。本実施形態における接地電極３０ａでは、放電チップ８０ａの中間層８３ａの端面８７ａが、電極母材３１ａの他端３５ａ側において露出している。なお、本実施形態のスパークプラグにおいても、第１実施形態のスパークプラグと同様に、溶融部８４ａが、−Ｚ方向から放電チップ８０ａを見た場合に、放電チップ８０ａ（放電層８２ａ）の中心Ｐよりも電極母材３１ａの他端３５ａ側の領域に少なくともに形成されており、溶融部８４ａの奥行き長さＬの割合Ｄは７６．２％以上である。スパークプラグのその他の構成は、第１実施形態のスパークプラグ１００と同様であるため説明を省略する。
端面８７ａが、電極母材３１ａの他端３５ａ側において露出する接地電極３０ａは、上述のレーザ溶接工程（図４、ステップＳ１０３）において、端面８７ａが露出するようにレーザＬＢの出力値や、レーザＬＢのスキャン速度や、レーザＬＢの境界部３６ａに対する照射角度を適宜調節することで、作製することができる。
以上で説明した第２実施形態のスパークプラグは、溶融部８４ａが、−Ｚ方向から放電チップ８０ａを見た場合に、放電チップ８０ａの中心Ｐよりも電極母材３１ａの他端３５ａ側の領域に少なくともに形成されており、放電チップ８０ａの長さＴに対する溶融部８４ａの奥行き長さＬの割合Ｄは７６．２％以上であるため、第１実施形態と同様の効果を奏する。
また、中間層８３ａは、放電層８２ａに最も多く含まれる貴金属元素を含んでいるため、電極母材３１ａと中間層８３ａとが溶融して形成された溶融部８４ａと比較して、耐火花消耗性が高い。第２実施形態のスパークプラグは、放電チップ８０ａの中間層８３ａの端面８７ａが、電極母材３１ａの他端３５ａ側において露出している。そのため、放電チップ８０ａの先端８５ａ側においてスパークプラグの放電がおきる場合であっても、中間層８３が溶融部８４に覆われている第１実施形態のスパークプラグ１００と比較して、耐火花消耗性をより向上させることができる。
なお、図７には、接地電極３０ａの中心線Ｃを含んだ縦断面図において中間層８３ａの端面８７ａが露出している様子を示しているが、端面８７ａが電極母材３１ａの他端３５ａ側において露出しているスパークプラグであれば、第２実施形態と同様の効果を奏する。
Ｃ．変形例：
Ｃ１．第１変形例：
上述の種々の実施形態では、放電チップ８０、８０ａは、放電層８２、８２ａと中間層８３、８３ａとを一層ずつ備えていた。これに対し、放電チップ８０ｃは、二層構造の中間層を備えていてもよいし、二層より多層の中間層を備えていてもよい。
Ｃ１．第１変形例：
上述の種々の実施形態では、放電チップ８０、８０ａは、放電層８２、８２ａと中間層８３、８３ａとを一層ずつ備えていた。これに対し、放電チップ８０ｃは、二層構造の中間層を備えていてもよいし、二層より多層の中間層を備えていてもよい。
図８は、接地電極３０ｃの先端部３２ｃの縦断面図である。図８に示す接地電極３０ｃでは、放電チップ８０ｃは、放電層８２ｃと、第１の中間層８３ｂと、第２の中間層８３ｃと、を備える。第１の中間層８３ｂは、放電層８２ｃに最も多く含まれる貴金属元素（例えば、Ｐｔ）と、電極母材３１ｃに含まれる元素（例えば、Ｎｉ）と、を含んでいる。第２の中間層８３ｃは、放電層８２ｃに最も多く含まれる貴金属元素（例えば、Ｐｔ）を、第１の中間層８３ｂよりも少量含んでいる。また、第２の中間層８３ｃは、電極母材３１ｃに含まれる元素（例えば、Ｎｉ）を第１の中間層８３ｂよりも多く含んでいる。
このような放電チップ８０ｃであれば、第２の中間層８３ｃは、電極母材３１ｃに含まれる元素（例えば、Ｎｉ）を第１の中間層８３ｂよりも多く含んでいるので、第１の中間層８３ｂのみを備える場合と比べて、電極母材３１ｃにより溶融されやすい。そのため、溶融部８４ｃの奥行き長さＬの割合Ｄを十分に確保できるので、放電チップ８０ｃの耐剥離性を向上させることができる。また、中間層が第１の中間層８３ｂのみの場合と比較して、放電チップ８０ｃに使用される貴金属元素の量を少なくできるので、スパークプラグの製造に係るコストを低減することができる。
Ｃ２．第２変形例：
上述の種々の実施形態では、放電チップ８０、８０ａは中心電極２０と対向する面８６、８６ａの形状が正方形である柱状であった。これに対し、放電チップ８０、８０ａの形状は、例えば、中心電極２０と対向する面８６、８６ａの形状が矩形状をした柱状であってもよいし、円柱状であってもよい。すなわち、放電チップ８０、８０ａの形状は、上記実施形態に限定されることなく、任意の形状を採用することができる。
上述の種々の実施形態では、放電チップ８０、８０ａは中心電極２０と対向する面８６、８６ａの形状が正方形である柱状であった。これに対し、放電チップ８０、８０ａの形状は、例えば、中心電極２０と対向する面８６、８６ａの形状が矩形状をした柱状であってもよいし、円柱状であってもよい。すなわち、放電チップ８０、８０ａの形状は、上記実施形態に限定されることなく、任意の形状を採用することができる。
図９は、接地電極３０ｆの先端部３２ｆの縦断面図である。図９に示す縦断面図は、軸線Ｏと平行であり、接地電極３０ｆの中心線Ｃを含んでいる。図１０は、接地電極３０ｆの先端部３２ｆの横断面図である。図１０は、図９におけるＢ−Ｂ断面図であり、境界部３６ｆを含んでいる。図９及び図１０に示す放電チップ８０ｆの形状は、中心電極２０と対向する面８６ｆの形状が矩形状をした柱状である。このような形状の放電チップ８０ｆであっても、図９に示すように、溶融部８４ｆの長さＴに対する奥行き長さＬの割合Ｄが、７６．２％以上であり、図１０に示すように、−Ｚ方向から放電チップ８０ｆを見た場合に、溶融部８４ｆが放電チップ８０ｆ（放電層８２ｆ）の中心Ｐよりも電極母材３１ｆの他端３５ｆ側の領域に少なくとも形成されていれば、上述の第１実施形態と同様の効果を奏する。
Ｃ３．第３変形例：
上述の種々の実施形態では、接地電極３０、３０ａの他端３５、３５ａと、放電チップ８０、８０ａの先端８５、８５ａとが揃っており、同一のＸＺ平面上に位置している。これに対し、接地電極３０、３０ａの他端３５、３５ａと、放電チップ８０、８０ａの先端８５、８５ａとは揃っていなくともよい。
上述の種々の実施形態では、接地電極３０、３０ａの他端３５、３５ａと、放電チップ８０、８０ａの先端８５、８５ａとが揃っており、同一のＸＺ平面上に位置している。これに対し、接地電極３０、３０ａの他端３５、３５ａと、放電チップ８０、８０ａの先端８５、８５ａとは揃っていなくともよい。
図１１は、接地電極３０ｅの先端部３２ｅの縦断面図である。図１１に示す縦断面図は、軸線Ｏと平行であり、接地電極３０ｅの中心線Ｃを含んでいる。図１２は、接地電極３０ｅの先端部３２ｅの横断面図である。図１２は、図１１におけるＥ−Ｅ断面図であり、境界部３６ｅを含んでいる。接地電極３０ｅでは、接地電極３０ｅの他端３５ｅと、放電チップ８０ｅの先端８５ｅとは揃っておらず、同一のＸＺ平面上に位置していない。なお、溶融部８４は、図１１に示すように、奥行き長さＬの割合Ｄが７６．２％以上である。また、中間層８３ｅの端面８７ｅは露出している。さらに、図１２に示すように、溶融部８４ｅは、−Ｚ方向から放電チップ８０ｅを見た場合に、放電チップ８０ｅ（放電層８２ｅ）の中心Ｐよりも電極母材３１ｅの他端３５ｅ側の領域に少なくとも形成されている。このような接地電極３０ｅを備えるスパークプラグであっても、上述の第２実施形態と同様の効果を奏する。
Ｃ４．第４変形例：
上述の種々の実施形態では、放電チップ８０、８０ａは、電極母材３１、３１ａの窪み６０にレーザ溶接されていた。これに対し、電極母材３１、３１ａに窪み６０を設けず、放電チップ８０、８０ａは電極母材３１、３１ａの平坦な面に直接溶接されてもよい。
上述の種々の実施形態では、放電チップ８０、８０ａは、電極母材３１、３１ａの窪み６０にレーザ溶接されていた。これに対し、電極母材３１、３１ａに窪み６０を設けず、放電チップ８０、８０ａは電極母材３１、３１ａの平坦な面に直接溶接されてもよい。
Ｃ５．第５変形例：
上述の種々の実施形態では、溶融部の奥行き長さＬの割合Ｄは、７６．２％以上かつ１００％未満である。これに対し、割合Ｄは１００％以上であってもよい。
上述の種々の実施形態では、溶融部の奥行き長さＬの割合Ｄは、７６．２％以上かつ１００％未満である。これに対し、割合Ｄは１００％以上であってもよい。
図１３は、接地電極３０ｄの先端部３２ｄの縦断面図である。図１３に示す縦断面図は、軸線Ｏと平行であり、接地電極３０ｄの中心線Ｃを含んでいる。図１３に示す接地電極３０ｄでは、奥行き長さＬの割合Ｄが１００％以上である。なお、図１３に示す接地電極３０ｄのように、縦断面において放電チップ８０ｄと電極母材３１ｄとの境界部が見られない場合には、放電チップ８０ｄの長さＴは、境界部に相当する放電チップ８０の長さＴ（長手方向に沿った放電チップ８０ｄの最大長さ）を測定すればよい。また、溶融部８４ｄの奥行き長さＬは、長手方向に沿った、放電チップ８０ｄの先端８５ｄから後端８８ｄの方向へ向かう長さＬを測定すればよい。なお、図示は省略するが、溶融部８４ｄは、−Ｚ方向から放電チップ８０ｄを見た場合に、放電チップ８０ｄの中心Ｐよりも電極母材３１ｄの他端３５ｄ側の領域に少なくとも形成されている。
このように、割合Ｄが１００％以上である場合には、放電チップ８０ｄが電極母材３１ｄから反ることをより抑制することができ、放電チップ８０ｄの耐剥離性をより向上させることができる。
Ｃ６．第６変形例：
上述の第１実施形態では、放電チップ８０の中心電極２０と対向する面８６の面積が０．７５ｍｍ２以上である。これに対し、面８６の面積は、０．７５ｍｍ２未満であってもよい。
上述の第１実施形態では、放電チップ８０の中心電極２０と対向する面８６の面積が０．７５ｍｍ２以上である。これに対し、面８６の面積は、０．７５ｍｍ２未満であってもよい。
本発明は、上述の実施形態や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することができる。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、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行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。
３…セラミック抵抗
４…シール体
５…ガスケット
６…リング部材
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁体
１２…軸孔
１３…脚長部
１４…軸孔内段部
１５…碍子段部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…中央胴部
２０…中心電極
２１…中心電極母材
２２…芯材
２３…鍔部
３０、３０ａ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ…接地電極
３１、３１ａ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆ…電極母材
３２、３２ａ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ…先端部
３５、３５ａ、３５ｅ…他端
３６、３６ａ、３６ｅ、３６ｆ…境界部
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…取付ネジ部
５３…加締部
５４…シール部
５６…金具内段部
５７…先端面
５８…圧縮変形部
６０…窪み
８０、８０ａ、８０ｃ、８０ｄ、８０ｅ、８０ｆ…放電チップ
８２、８２ａ、８２ｃ、８２ｄ、８２ｅ、８２ｆ…放電層
８３、８３ａ、８３ｅ…中間層
８３ｂ…第１の中間層
８３ｃ…第２の中間層
８４、８４ａ、８４ｃ、８４ｄ、８４ｆ…溶融部
８５、８５ｄ、８５ｅ…放電チップの先端
８６、８６ｆ…放電チップの中心電極と対向する面
８７ａ、８７ｅ…中間層の端面
８８、８８ｄ…放電チップの後端
１００…スパークプラグ
Ｃ…接地電極の中心線
Ｇ…放電ギャップ
ＬＢ…レーザ
Ｏ…軸線
Ｐ…放電層の中心
Ｓ…領域
ｍ…直線
４…シール体
５…ガスケット
６…リング部材
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁体
１２…軸孔
１３…脚長部
１４…軸孔内段部
１５…碍子段部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…中央胴部
２０…中心電極
２１…中心電極母材
２２…芯材
２３…鍔部
３０、３０ａ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ…接地電極
３１、３１ａ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆ…電極母材
３２、３２ａ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ…先端部
３５、３５ａ、３５ｅ…他端
３６、３６ａ、３６ｅ、３６ｆ…境界部
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…取付ネジ部
５３…加締部
５４…シール部
５６…金具内段部
５７…先端面
５８…圧縮変形部
６０…窪み
８０、８０ａ、８０ｃ、８０ｄ、８０ｅ、８０ｆ…放電チップ
８２、８２ａ、８２ｃ、８２ｄ、８２ｅ、８２ｆ…放電層
８３、８３ａ、８３ｅ…中間層
８３ｂ…第１の中間層
８３ｃ…第２の中間層
８４、８４ａ、８４ｃ、８４ｄ、８４ｆ…溶融部
８５、８５ｄ、８５ｅ…放電チップの先端
８６、８６ｆ…放電チップの中心電極と対向する面
８７ａ、８７ｅ…中間層の端面
８８、８８ｄ…放電チップの後端
１００…スパークプラグ
Ｃ…接地電極の中心線
Ｇ…放電ギャップ
ＬＢ…レーザ
Ｏ…軸線
Ｐ…放電層の中心
Ｓ…領域
ｍ…直線
Claims (3)
- 軸線方向に延びる中心電極と、
軸孔を有し前記中心電極が前記軸孔に設けられる絶縁体と、
前記絶縁体を保持する筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端に一端部が接続される電極母材と、前記電極母材の他端部の内側面に接合され、前記中心電極と間隙を介して対向する放電チップと、を有する接地電極と、
を備えるスパークプラグであって、
前記放電チップは、
前記中心電極側に配置された貴金属又は貴金属合金を含む放電層と、
一端が前記放電層に接合され、他端の少なくとも一部が溶融部を介して前記電極母材と接合されるとともに、前記放電層に含まれる貴金属元素のうち最も多く含まれる貴金属元素を前記放電層よりも少量含む中間層と、を有し、
前記溶融部は、前記軸線方向から前記放電チップを見た場合に、前記放電層の中心よりも前記電極母材の他端側の領域に少なくとも形成されており、
前記接地電極の長手方向に沿った中心線を含み前記軸線と平行な断面において、前記長手方向に沿った前記放電チップの長さに対する、前記長手方向に沿って前記放電チップが存在する範囲内における前記溶融部の前記長手方向に沿った長さの割合は、７６．２％以上であり、
前記電極母材の他端側において、前記中間層の端面が露出する、スパークプラグ。 - 請求項１に記載のスパークプラグであって、
前記放電チップの前記中心電極と対向する面の面積は、０．７５ｍｍ２以上である、スパークプラグ。 - 請求項１又は請求項２に記載のスパークプラグであって、
前記割合は１００％以上である、スパークプラグ。
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