JP2002289319A

JP2002289319A - スパークプラグ

Info

Publication number: JP2002289319A
Application number: JP2001084216A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Musasa; 守無笹; Akikazu Taido; 明和泰道; Yoshihiro Matsubara; 佳弘松原; Naomichi Miyashita; 直道宮下
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2002-10-04

Abstract

(57)【要約】【課題】細径化した貴金属発火部を使用しつつも、そ
の過度の温度上昇を抑制でき、ひいては貴金属発火部の
長寿命化を図ることができるスパークプラグを提供す
る。【解決手段】スパークプラグ１００は、中心電極３の
火花放電ギャップｇ側に位置する先端部が直径０．７ｍ
ｍ以下の貴金属発火部３１とされる。そして、貴金属発
火部３１が接合される中心電極母材３ｆが、熱伝導率が
３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＮｉ合金にて構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【従来の技術】近年、エンジン性能の改良に伴い、スパ
ークプラグには更なる性能向上や長寿命化等が求められ
ている。例えば、火花放電ギャップに臨む中心電極の先
端部（以下、発火部という）の耐消耗性を高めるため
に、ＰｔやＩｒ等の貴金属にて該発火部を構成したスパ
ークプラグが使用されている。他方、近年では排ガス規
制の強化や燃焼効率向上を目的としてエンジンのリーン
バーン化が進められているが、リーンバーンエンジンで
は希薄混合気を使用するため、スパークプラグには着火
性の高いものが求められる。そこで、発火部を細径化し
て着火性を高めたスパークプラグも多く使用されるよう
になってきている。しかしながら、エンジン高性能化を
受けて運転条件も高速・高負荷化してくると、細径化し
た発火は温度が極めて上昇しやすく、貴金属発火部を使
用しているといえども、耐消耗性が必ずしも十分に確保
できないことがある。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】上記のような貴金属発
火部は、Ｎｉ合金等で構成された中心電極本体の先端面
に貴金属チップをレーザー溶接あるいは電子ビーム溶接
等にて接合することにより形成される。そして、その貴
金属チップが溶接される中心電極本体の母材（以下、電
極母材という）は、耐熱性ひいては接合した貴金属チッ
プの耐剥離性に優れるＮｉ基超耐熱合金（例えばインコ
ネル（商標名）など）が使用されてきた。

【０００３】しかしながら、Ｎｉ基超耐熱合金は熱伝導
率がそれほど良好でないため、細径化によりただでさえ
温度上昇しやすい発火部の熱引きが進みにくくなり、発
火部が高温化して消耗が急進行する結果、早期に寿命が
つきやすい欠点があった。

【０００４】本発明の課題は、細径化した貴金属発火部
を使用しつつも、その過度の温度上昇を抑制でき、ひい
ては貴金属発火部の長寿命化を図ることができるスパー
クプラグを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明の
スパークプラグは、中心電極の火花放電ギャップ側に位
置する先端部が直径０．７ｍｍ以下に細径化された貴金
属発火部を有するものに係るものであり、上記の課題を
解決するために、該貴金属発火部が接合される中心電極
母材が、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＮｉ合金にて
構成されたことを特徴とする。

【０００６】本明細書において貴金属発火部を構成する
「貴金属」とは、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｏｓ
及びＷから選ばれる１種又は２種以上を主成分とする金
属をいいう。また、本明細書においては「主成分」と
は、質量含有率において最も高い成分のことをいい、上
記金属元素の「２種以上が主成分である」とは、それら
２種以上の金属元素の合計含有量が、他のいずれの成分
よりも質量含有率が高くなっていることをいう。また、
「Ｎｉ合金」とは、Ｎｉを主成分とする合金のことであ
る。

【０００７】上記本発明のスパークプラグによると、細
径化された貴金属発火部が接合される中心電極母材が、
高温での耐酸化性に優れるＮｉ合金にて構成されている
ので、貴金属発火部が高温化する場合でも中心電極母材
の耐久性を十分に確保することができる。さらに、その
Ｎｉ合金の材質として熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と
なるものを選択して用いるので、発火部が高温にさらさ
れた場合でも電極母材側への熱伝導がスムーズに進行
し、ひいては発火部の熱引きを十分に行なうことができ
る。これにより、着火性向上のために直径Ｄが０．７ｍ
ｍ以下（望ましくは０．６ｍｍ以下）に細径化した貴金
属発火部を使用しつつも、その過度の温度上昇を抑制で
き、ひいては貴金属発火部の長寿命化を図ることができ
るようになる。

【０００８】また、発火部が高温化する運転条件と比較
的温和な運転条件（あるいはエンジン停止もしくはアイ
ドリング）とが頻繁に切り替わる条件にてスパークプラ
グを使用した場合、貴金属発火部にはその冷熱サイクル
による熱衝撃が繰り返し付与される。そして、本発明者
らが検討したところによると、中心電極母材を上記のよ
うな熱伝導率の良好な材質にて構成しつつ、貴金属発火
部の細径化を行なうことにより、こうした冷熱サイクル
が繰り返される運転条件においても、貴金属発火部の耐
剥離性能を十分に確保することができることが判明し
た。すなわち、貴金属発火部の熱引きが促進される結
果、冷熱サイクル付加時に伴い発生する中心電極母材と
貴金属発火部との温度不整合が緩和され、かつ、貴金属
発火部が細径であることから、冷却時における中心電極
母材と貴金属発火部との収縮変位差の絶対値も小さくな
る。その結果、貴金属発火部の耐剥離性能が向上するも
のと考えられる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を用いて説明する。図１に示す本発明の一例たるスパ
ークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部２１が
突出するようにその主体金具１の内側に嵌め込まれた絶
縁体２、先端に形成された貴金属発火部（以下、単に発
火部ともいう）３１を突出させた状態で絶縁体２の内側
に設けられた中心電極３、及び主体金具１に一端が溶接
等により結合されるとともに他端側が側方に曲げ返され
て、その側面が中心電極３の先端部と対向するように配
置された接地電極４等を備えている。発火部３１は、中
心電極３の火花放電ギャップｇ側に位置する先端部を形
成するものであり、直径Ｄが０．７ｍｍ以下（望ましく
は０．６ｍｍ以下：また、下限値は、発火部３１の寿命
確保のため０．３ｍｍ以上とすることが望ましい）。ま
た、接地電極４には上記発火部３１に対向する貴金属発
火部（以下、単に発火部ともいう）３２が形成されてお
り、それら発火部３１と、対向する発火部３２との間の
隙間が火花放電ギャップｇとされている。

【００１０】なお本明細書でいう「発火部」とは、接合
された貴金属チップのうち、溶接による組成変動の影響
を受けていない部分（例えば、溶接により接地電極ない
し中心電極の材料と合金化した部分を除く残余の部分）
を指すものとする。

【００１１】絶縁体２は、例えばアルミナあるいは窒化
アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、そ
の内部には自身の軸方向に沿って中心電極３及び端子金
具８を嵌め込むための孔部６を有している。また、主体
金具１は、低炭素鋼等の金属により円筒状に形成されて
おり、スパークプラグ１００のハウジングを構成すると
ともに、その外周面には、プラグ１００を図示しないエ
ンジンブロックに取り付けるためのねじ部７が形成され
ている。

【００１２】上記の中心電極３は、図２（ａ）〜（ｃ）
に示すように、先端面３ｓを含む表層部が少なくとも中
心電極母材３ｆにて構成された電極本体部３Ｍの、該先
端面３ｓをチップ被固着面として、そのチップ被固着面
３ｓに貴金属チップ３１’を重ね合わせ、それら貴金属
チップ３１’とチップ被固着面３ｓの形成部位とにまた
がる形にて、貴金属チップ３１’（ひいては発火部３
１）の先端面３１’ｔに到達しない全周溶接部１０を形
成することにより、該貴金属チップ３１’を貴金属発火
部３１となしたものである。この全周溶接部は、後述の
通りレーザー溶接により形成することができるが、電子
ビーム溶接を採用してもよい。

【００１３】図１に戻り、発火部３１及び対向する発火
部３２は、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｏｓ及びＷ
から選ばれる１種又は２種以上を主成分とする貴金属を
主体に構成されている。これらの貴金属の使用により、
中心電極の温度が上昇しやすい環境下においても、発火
部の耐消耗性を良好なものとすることができる。また、
上記のような耐熱合金を母材とする中心電極３及び接地
電極４に対する溶接性も良好である。例えばＰｔをベー
スにした貴金属を使用する場合には、Ｐｔ単体の他、Ｐ
ｔ−Ｎｉ合金（例えばＰｔ−１〜３０質量％Ｎｉ合
金）、Ｐｔ−Ｉｒ合金（例えばＰｔ−１〜２０質量％Ｉ
ｒ合金）、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｎｉ合金等を好適に使用でき
る。また、Ｉｒを主成分とするものとしては、Ｉｒ−Ｒ
ｕ合金（例えばＩｒ−１〜３０質量％Ｒｕ合金）、Ｉｒ
−Ｐｔ合金（例えばＩｒ−１〜１０質量％Ｐｔ合金）、
Ｉｒ−Ｒｈ合金（例えばＩｒ−５〜２５質量％Ｒｈ合
金）、Ｉｒ−Ｒｈ−Ｎｉ合金（例えば、Ｉｒ−１〜４０
質量％Ｒｈ−０．５〜８質量％Ｎｉ合金）等を使用でき
る。

【００１４】なお、Ｉｒ系の貴金属材料を使用する場合
には、元素周期律表の３Ａ族（いわゆる希土類元素）及
び４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）に属する金属元素の酸化
物（複合酸化物を含む）を０．１〜１５質量％の範囲内
で含有させることができる。これにより、Ｉｒ成分の酸
化・揮発を効果的に抑制でき、ひいては発火部の耐火花
消耗性を向上させることができる。上記酸化物としては
Ｙ_２Ｏ_３が好適に使用されるが、このほかにもＬａ_２Ｏ
_３、ＴｈＯ_２、ＺｒＯ_２等を好ましく使用することがで
きる。この場合、金属成分はＩｒ合金のほか、Ｉｒ単体
を使用してもよい。

【００１５】他方、貴金属発火部３１（貴金属チップ３
１’）が接合される中心電極母材３ｆは、常温での熱伝
導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＮｉ含有合金にて構成され
る（以下、特に断りがない限り、単に「熱伝導率」と帰
した場合は、全て常温での値を意味するものとする）。
中心電極母材３ｆをこのような材質にて構成すると、発
火部３１が高温にさらされた場合でも電極母材３ｆ側へ
の熱伝導がスムーズに進行し、ひいては発火部３１の熱
引きを十分に行なうことができる。これにより、上記の
ように直径Ｄが０．７ｍｍ以下に細径化した貴金属発火
部３１を使用しつつも、その過度の温度上昇を抑制で
き、ひいては貴金属発火部３１の長寿命化を図ることが
できる。

【００１６】また、貴金属発火部３１に冷熱サイクルに
よる熱衝撃が繰り返し付与される運転条件においても、
貴金属発火部３１の耐剥離性能を十分に確保することが
できる。すなわち、貴金属発火部３１の熱引きが促進さ
れる結果、冷熱サイクルが付加されたときに、貴金属発
火部３１の温度変化が中心電極母材３ｆに追従しやすく
なる。その結果、冷却時において、貴金属発火部３１側
から中心電極母材３ｆ側に向けて形成される温度分布に
極端に急峻な変化が形成されにくくなり、剥離の原因と
なる貴金属発火部３１と中心電極母材３ｆとの熱収縮変
位を縮小できる。また、貴金属発火部が細径であること
から、熱収縮変位の差の絶対値自体も小さくなる。その
結果、貴金属発火部３１の耐剥離性能を大幅に向上でき
る。

【００１７】中心電極母材３ｆを構成するＮｉ含有合金
としては、Ｎｉ含有率が９３質量％以上のものを使用す
ることが、熱伝導率をさらに高める上で望ましい。ま
た、Ｎｉ含有合金に対する合金元素としては、例えばＣ
ｒ、Ｆｅ、Ｍｎ及びＳｉなどを使用できる。これらの１
種又は２種以上を合計にて１〜７質量％の範囲にて含有
させることが望ましい。該合計含有量が１質量％未満で
は、中心電極母材３ｆの高温強度あるいは耐酸化性が不
足することにつながる。また、７質量％を超えると中心
電極母材３ｆの熱伝導率を３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上に確保す
ることが困難となる。なお、中心電極母材３ｆの高温強
度と耐酸化性向上とを両立させる観点において、Ｃｒを
必須として含有させること、例えば１〜５質量％の範囲
にて含有させることがより望ましい。Ｃｒの含有量が１
質量％未満では高温での耐酸化性を十分に確保できなく
なる場合がある。また、５質量％を超えると中心電極母
材３ｆの熱伝導率を３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上に確保すること
が困難となる場合がある。他方、中心電極母材３ｆの熱
伝導率は４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。中
心電極母材３１は燃焼室内に直接露出するために、高温
強度あるいは耐酸化性確保のため上記の添加元素の含有
が必要である。そして、これら添加元素の必要十分な含
有代を考慮した場合、材料の熱伝導率を４０Ｗ／ｍ・Ｋ
より大きくすることは結果的に困難となる場合がある。

【００１８】なお、中心電極母材３ｆを上記の材質にて
構成する場合、電極本体部３Ｍは、貴金属発火部３１の
熱引きを十分に進行させる観点において、その外径Ｄ１
が１．５ｍｍ以上確保されていることが望ましい。他
方、一般に使用されるスパークプラグの寸法を考慮すれ
ば、該外径Ｄ１が３．０ｍｍを超えることは現実的でな
い。

【００１９】中心電極３は、図２に示すように、先端側
が円錐台状のテーパ面３ｔにより縮径されて直棒状部が
形成されるとともに、その直棒状部の先端面３ｓに上記
発火部３１を構成する合金組成からなる円板状の貴金属
チップ３１'を重ね合わせる。さらにその接合面に沿っ
て水平方向からレーザーを照射させることにより全周溶
接部（以下、単に溶接部ともいう）１０を形成して貴金
属チップ３１'を固着することにより発火部３１が形成
される。また、対向する発火部３２は、発火部３１に対
応する位置において接地電極４に貴金属チップを位置合
わせし、その外縁部に沿って斜め方向からレーザーを照
射させることにより溶接部を形成してこれを固着するこ
とにより形成される。ただし、中心電極３側の発火部３
１をＩｒ系金属にて構成し、接地電極４側の発火部３２
をＰｔ系金属にて構成する場合、後者を抵抗溶接接合に
て形成することも可能である。発火部３１の形成に用い
られる貴金属チップは、例えば直径Ｄが０．３〜０．７
ｍｍ、厚さＨが０．５〜１．０ｍｍのものを使用する。

【００２０】また、中心電極３の内部には、中心電極母
材３ｆと接する形で、該中心電極母材３ｆよりも熱伝導
率が良好な金属からなる良熱伝導芯材部３ｃを配置する
ことができる。これにより、貴金属発火部３１の熱引き
を一層促進することが可能となり、ひいてはその寿命を
向上させることができる。良熱伝導芯材部３ｃは、例え
ばＣｕあるいはＣｕ合金（これらは、熱伝導率がＮｉ合
金の１０〜数１０倍良好である）にて構成できる。な
お、良熱伝導芯材部３ｃの外径は、電極本体部３Ｍの外
径Ｄ１の５５〜８０％の範囲となっていることが望まし
い。５５％未満になると、良熱伝導芯材部３ｃを設ける
ことによる伝熱促進の効果が顕著でなくなり、８０％を
超えると、中心電極母材３ｆが薄くなりすぎて、中心電
極３の高温強度が不足したり、あるいは高温に昇温した
ときに、良熱伝導芯材部３ｃが過度に膨張して電極膨れ
等の不具合を招いたりする場合がある。

【００２１】以下、中心電極３側の発火部３１を、レー
ザー溶接を用いて形成する方法につき、以下に詳しく説
明する。図２（ａ）に示すように、中心電極３の先端面
３ｓをチップ被固着面として、ここにチップ径Ｄ、チッ
プ厚さＨの貴金属チップ３１'を重ね合わせて重ね合せ
組立体１７０（スパークプラグワークＷ）を作り、
（ｂ）及び（ｃ）に示すように、その重ね合せ組立体１
７０に対しレーザービームＬＢを照射して、貴金属チッ
プ３１'とチップ被固着面とにまたがり、かつ貴金属チ
ップ３１'の厚さ方向において放電面３１ａ（図４参
照）に到達しない全周溶接部１０をチップ外周面周方向
に沿って形成する。

【００２２】貴金属チップ３１'は円板状あるいは円柱
状であり、図２（ｂ）に示すように、該貴金属チップ３
１’と中心電極３との重ね合せ組立体１７０を、レーザ
ー照射ユニット２００の出射光学部に対しチップ３１’
（中心電極３）の中心軸線Ｏの周りにおいて相対的に回
転させながら、重ね合せ組立体１７０に向けて水平照射
する。

【００２３】図４（ａ）〜（ｃ）は、上記のようにして
製造されたスパークプラグの、発火部３１近傍を示すも
のである。すなわち、貴金属チップ３１’の周方向にお
いて、貴金属チップ３１’と中心電極３のテーパ面３ｔ
の先端縮径部位とにまたがり、かつ貴金属チップ３１’
の厚さ方向において放電面３１ａに到達しない形で、図
４（ｂ）及び（ｃ）に示すような溶接部深さ（溶け込み
深さ）ｄ、溶接部幅ｗの全周溶接部１０が形成される。
全周溶接部１０の形成に伴って、貴金属チップ３１’に
は放電面３１ａを有する発火部３１が形成され、放電面
３１ａの外縁から全周溶接部１０の対応する端縁までの
軸線Ｏ方向の最短距離が発火部厚さｈとなる。この発火
部厚さｈは、発火部３１の寿命確保の観点において０．
２ｍｍ以上とすることが望ましい。なお、通常使用する
スパークプラグ形態において発火部厚さｈが０．７ｍｍ
以下が望ましい。０．７ｍｍを超えるとチップ先端部が
加熱され、火花消耗によるギャップ増大がおきやすい。

【００２４】そして、図４（ｂ）に示すように、全周
溶接部１０の電極本体部３Ｍの軸線Ｏと直交する向きに
おける溶け込み深さをｄとし、貴金属発火部３１の先端
面の半径をＲ（＝Ｄ／２）としたときに、ｄ／Ｒが０．
６以上となるように照射エネルギーを調整することが望
ましい。全周溶接部１０が未達となる貴金属発火部３１
の中心付近では、電極本体部３Ｍと貴金属発火部３１と
の境界は単なる接触界面となるので、該界面を経た熱移
動が妨げられ、ひいては貴金属発火部３１の熱引きを妨
げる要因ともなる。しかしながら、エネルギーの最適化
を図ることにより、ｄ／Ｒが０．６以上となるように全
周溶接部１０を形成すれば、全周溶接部１０を介した直
接熱伝導により、熱伝導率の良好な電極本体部３Ｍ側へ
の熱移動をスムーズに行なうことができ、ひいては貴金
属発火部３１の熱引きを促進して耐消耗性あるいは耐剥
離性を向上させることができる。また、貴金属チップ３
１’自体の軸線Ｏ方向の高さをＨとした場合、発火部３
１の接合強度確保及び耐剥離性向上と、良好な熱引きに
伴う長寿命化を図る観点において、０．３≦ｗ≦０．９
とし、０．２≦ｈ≦０．７の範囲となるように調整する
ことが望ましい。

【００２５】そして、貴金属チップ３１’側の構成金属
の溶融割合が４０〜６０体積％となるように全周溶接部
１０を形成することが望ましい。貴金属チップ３１’側
の構成金属の溶融割合を４０体積％以上とすることで、
中心電極母材３ｆより熱伝導率の高い貴金属が溶け込む
ことによる熱引き改善効果を顕著なものとすることがで
きる。また、溶融割合が４０体積％未満となった場合、
溶け込み深さｄが不足しがちとなり、発火部３１の耐剥
離性能の低下を招くことにつながる。他方、上記溶融割
合が６０体積％を超えると、高融点である貴金属チップ
側の溶融量を増大させるために、レーザービームによる
入熱量の増加を余儀なくされ、溶接部幅ｗの過剰な増大
ひいては発火部厚さｈの不足につながる。また、溶接部
深さｄの不足にもつながりやすい。

【００２６】なお、図４（ｂ）に示すように、貴金属発
火部３１の中心軸線Ｏを挟んだ全周溶接部１０の両側部
分が半径方向において内部でつながらない場合（この場
合、全周溶接部１０はドーナツ状の形態を呈する）に
は、溶接後においてチップ厚さＨ及び溶け込み深さｄ
を、中心軸線Ｏを含む断面（以下、軸平行断面という）
から実測すればよい。しかし、同図（ｃ）に示すよう
に、両側の全周溶接部１０が半径方向において内部でつ
ながってしまう場合（全周溶接部１０は円板状の形態を
呈する）には、溶接後においてチップ厚さＨ及び溶け込
み深さｄを、その軸平行断面において直ちに実測できる
わけではない。ただし、溶け込み深さｄについては、全
周溶接部１０の軸断面において、中心軸線Ｏを挟んで対
称と仮定し、チップ半径Ｒとすることができる。一方、
チップ厚さＨについては、全周溶接部１０を、周方向に
対して均一な濃度分布を有する貴金属チップ成分と電極
成分との溶融合金部として捉えることにより、次のよう
に定めるものとする。

【００２７】まず、図６に示すように、貴金属発火部３
１と中心電極３（チップ被固着面３ｓの形成部分）の金
属組成は既知であるとし、前者の主成分をＣ、含有率を
ＮC（質量％）、後者の主成分をＥ、含有率をＮE（質量
％）とする。次に、貴金属発火部３１の軸平行断面にお
いて、全周溶接部１０の成分Ｃ及び成分Ｅの各平均含有
率ＮCW及びＮEWを、ＥＰＭＡあるいはＥＤＸ等の微小面
分析法により求める。溶接部１０中の貴金属チップの溶
解比率をｘとすると、図中のの関係が成立するから、
ｘはのように求めることができる。近似的ではある
が、本明細書では、成分Ｃ単体の室温での密度をρC
（ｇ／ｃｍ^３）、成分Ｅ単体の室温での密度をρE（ｇ
／ｃｍ^３）として、溶接部１０中の貴金属チップの体積
溶解比率を、（ｘ／ρC）／｛（ｘ／ρC）＋（１−ｘ）
／ρE｝にて求めるものとする（この数値を１００倍す
れば、体積％による表示となる）。該貴金属チップの体
積溶解比率の決定方法は、図４（ｂ）のように、全周溶
接部１０の両側部分が半径方向において内部でつながら
ない場合も同様である。

【００２８】次に、溶接部１０の体積を以下のようにし
て求める（図７参照）。すなわち、軸線Ｏの方向におい
て、溶接部１０を、該軸線Ｏと直交する断面（以下、軸
直交断面という）により、微小距離Δｚに分割する。誤
差を小さくするには分割数は多ければ多いほどよいが、
例えば１００分割程度あれば十分である。そして、各切
断面による溶接部１０の軸直交断面積Ｓｉ（ここでは、
チップ側から数えたｉ番目の切断面による軸直交断面積
をＳｉと表している；Ｓｉ’についても同様）、前記軸
直交断面において溶接部１０により切り取られる部分の
長さを直径とする円により近似する。なお、溶接部１０
の上下のくぼみにかかる部分では、溶接部１０により切
り取られる部分は、軸線Ｏの両側に別れて現われるが、
この場合は軸直交断面積Ｓｉを、外縁間距離及び内縁間
距離をそれぞれ直径とする円に挟まれたドーナツ状領域
の面積として求める。

【００２９】溶接部１０の全体積Ｖｔは、区分求積法の
原理により、各位置の軸直交断面積Ｓｋを底面とし微小
距離Δｚを高さとする薄い柱体の体積和として算出でき
る（図中式）。また、貴金属チップ３１’の体積溶解
比率は、すでに（ｘ／ρC）／｛（ｘ／ρC）＋（１−
ｘ）／ρE｝として算出してあるので、貴金属チップ３
１’及び中心電極３の各溶解体積は、前記全体積Ｖｔを
用いて図中及び式によりそれぞれ算出できる。

【００３０】そして、発火部厚さをｈとし、溶接部１０
の縁位置から、チップ被固着面３ｓの推定位置までの軸
線Ｏ方向の距離をｔAとすれば、推定チップ厚さＨは、
ｈ＋ｔA（図中式）にて表される。ここで、溶接部１
０のチップ（発火部）側のくぼみの体積Ｖｒは、前記ド
ーナツ状の推定断面の内周縁に囲まれる領域の軸直交断
面積をＳｉ’とすれば、同様の区分求積法により式の
ように算出できる。その結果、チップの直径をＤ、発火
部厚さをｈとして、推定チップ体積Ｖｍは式にて表さ
れるから、推定チップ高さＨをのように求めることが
できる。このような演算は、前記軸平行断面の観察画像
を撮影し、その画像にコンピュータを用いた周知の図形
演算処理を施せば、迅速かつ正確に行なうことができ
る。

【００３１】なお、本発明は、図８に示すようなスパー
クプラグへの適用を図ることも可能である。該スパーク
プラグ４００においては、絶縁体２０２の外側を覆う形
で筒状の主体金具２０５が設けられる。また、基端側が
主体金具２０５の端部に接合される一方、先端側は中心
電極２側に曲げ返される形態の接地電極２０４，１０４
が複数設けられる。そして、それら接地電極の１つ、す
なわち接地電極１０４は、側面が中心電極２０２の先端
面と対向するように配置される一方、残余の接地電極２
０４の少なくとも１つ（ここでは２つ）のものが、端面
が中心電極２０２の側面と対向するように配置される。

【００３２】上記の構成では、図１に示すような平行対
向型のスパークプラグ１００と同様の火花放電ギャップ
ｇαが接地電極１０４の側面と中心電極２０２の先端面
との間に形成され、多極スパークプラグと同様の火花放
電ギャップｇβが、接地電極２０４の先端面と中心電極
２の側面との間に形成される。火花放電ギャップｇαを
形成する中心電極２０２の先端部の構成は、図１のスパ
ークプラグ１００と全く同じであり、当該ギャップｇα
での火花放電に際して同様の効果を奏するものである。
すなわち、中心電極２０２の先端部には、貴金属発火部
１０５がレーザー溶接による全周溶接部１０６にて接合
されている。また、中心電極２０２の外周面には貴金属
耐消耗部２４２が形成されていてもよい。さらに、中心
電極２０２の内部には、ＣｕあるいはＣｕ合金にて構成
された良熱伝導性芯材部２０２ｍが形成されている。そ
して、貴金属発火部１０５が接合される中心電極母材２
０２ｎは熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＮｉ合金にて
構成される。

【００３３】スパークプラグ４００においては、ギャッ
プｇαの大きさをギャップｇβよりも大きくおくと、通
常はギャップｇαにて飛火しやすく、絶縁体２０３の先
端面が汚損した場合にはギャップｇβで飛火しやすくな
る。平行対向型スパークプラグに形態の近いギャップｇ
αは火花の集中度が高く（特に中心電極２０２側を負と
して電圧印加する場合）、着火性を高めることができ
る。なお、この実施例では、側面が中心電極２０２の先
端面と対向するように配置される接地電極２０４は、そ
の端面が絶縁体２０３の先端部を間に挟んで中心電極の
側面と対向するように配置されている。すなわち、ギャ
ップｇβでの飛火形態はセミ沿面飛火形態となる。

【００３４】

【実施例】本発明の効果を確認するために、以下の実験
を行った。（実施例１）Ｉｒ金属に対し、所定量のＰｔ金属を配合
・溶解することにより、Ｉｒ−５重量％Ｐｔの組成を有
する合金を作製した。この合金を合金溶解／圧延により
板材とし、さらに打抜き加工を行なうことによって、チ
ップ厚さＨが０．６ｍｍ、チップ径Ｄが０．４〜１．０
ｍｍの種々の貴金属チップを作製した。他方、外径１．
８ｍｍのＣｕ製芯材の周囲を、表１に示す種々の組成を
有するＮｉ合金からなる中心電極母材により被覆するこ
とにより、外径２．５ｍｍの電極本体部３Ｍを種々作製
するとともに、その先端を切削加工により図２に示すス
トレート部を１．３ｍｍ有する形態のテーパ状に加工し
た。ただし、本体部３Ｍの外径Ｄ1を２．５ｍｍ、先端
面３ｓの直径Ｄ2をチップ径＋０．３ｍｍ、テーパ面３
ｔのテーパ角度を４５°とした。また、各Ｎｉ合金を用
いて、寸法φ１０×５ｍｍの試験片を作製し、これを不
活性ガス雰囲気中にて常温でレーザーフラッシュ法によ
り熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】上記の電極本体部３Ｍに各チップを重ね合
わせ、さらに、パルス幅ｔを３ミリ秒となるように調整
したパルス状ＹＡＧレーザービームＬＢを、隣接する溶
融スポットの約半分が重なり合うようにパルス周波数ｆ
を調整（周期τ＝１０００／１２ミリ秒）して電極本体
部３Ｍ上に組み立てられた貴金属チップ３１’の外周面
に沿って照射し、貴金属チップ３１’の周方向にて全周
溶接部１０を形成し、さらに、必要な他の部品を組み立
てて、図１に示す種々の試験品を作成した。また、各試
験品における形成される全周溶接部１０の溶け込み深さ
ｄは、中心電極母材の材質に応じて図３に示す方法によ
りレーザービームＬＢのエネルギーを調整することによ
り、貴金属チップ３１’（貴金属発火部３１）の半径Ｒ
の８０％となる値に合わせこんだ。

【００３７】そして、上記各試験品に対し、実機による
耐火花消耗性試験を行った。すなわち、プラグを６気筒
ガソリンエンジン（ＤＯＨＣ、排気量２５００cc）に取
り付け、スロットル全開状態、エンジン回転数５５００
ｒｐｍにて２００時間運転を行ない、火花放電ギャップ
ｇの拡大量を測定した。図９はその結果を示すものであ
り、発火部３１の直径Ｄが０．８ｍｍ（発明の範囲外）
の試験品での火花放電ギャップｇの拡大量を１として、
各Ｄの値毎に相対値により示している。これによると、
発火部３１の直径Ｄが０．７ｍｍ以下になるとギャップ
の拡大ひいては発火部３１の消耗が起こりやすくなる
が、中心電極母材の熱伝導率を３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とす
ることで、消耗を著しく抑制できていることがわかる。

【００３８】次に、中心電極母材をなすＮｉ合金とし
て、熱伝導率が３１Ｗ／ｍ・Ｋ（表１の番号４）のもの
を使用した試験品につき、冷熱サイクル試験を以下のよ
うにして行なった。すなわち、発火部３１を含む中心電
極３の先端部をガスバーナーにより９００℃に１分加熱
し、その後室温に１分放置して冷却するサイクルを、１
０００サイクル繰り返す。そして、酸化スケールが５０
％以下のものを良好（○）、５０％を超えるものを不良
（×）として評価する。以上の結果を表２に示す。

【００３９】

【表２】

【００４０】これによると、発火部３１の直径Ｄが０．
７ｍｍを超えた場合、中心電極母材をなすＮｉ合金とし
て、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材質を採用して
も、十分な耐剥離性能を確保できないことがわかる。

【００４１】（実施例２）実施例１と同様の種々の直径
Ｄを有する貴金属チップを用意し、他方、中心電極本体
３Ｍとして、表１の番号５の合金（熱伝導率：３５Ｗ／
ｍ・Ｋ）により中心電極母材３ｆを作製したものを用意
した。そして、上記の電極本体部３Ｍに各チップを重ね
合わせ、さらに、パルス幅ｔを３ミリ秒となるように調
整したパルス状ＹＡＧレーザービームＬＢを、隣接する
溶融スポットの約半分が重なり合うようにパルス周波数
ｆを調整（周期τ＝１０００／１２ミリ秒）して電極本
体部３Ｍ上に組み立てられた貴金属チップ３１’の外周
面に沿って照射し、貴金属チップ３１’の周方向にて全
周溶接部１０を形成し、さらに、必要な他の部品を組み
立てて、図１に示す種々の試験品を作成した。なお、各
試験品における形成される全周溶接部１０の溶け込み深
さｄは、図３に示す方法によりレーザービームＬＢのエ
ネルギーを調整することにより、貴金属チップ３１’
（貴金属発火部３１）の半径Ｒの２０〜１００％となる
種々の値に設定した。これら試験品に対し、実施例１と
同様に実機耐久試験を行なった。結果を図１０に示す。
これによると、溶け込み深さｄを半径Ｒの６０％以上に
調整することで、ギャップ拡大量が小さく、貴金属発火
部３１の耐消耗性が向上していることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパークプラグの一実施例を示す縦断
面図及びその要部拡大図。

【図２】図１のスパークプラグの、中心電極側発火部の
製造工程説明図。

【図３】レーザー溶接部と、その断面形態の例を示す説
明図。

【図４】溶接部中の貴金属チップ溶解比率を算出する方
法の概念説明図。

【図５】推定チップ高さを算出する方法の概念説明図。

【図６】本発明のスパークプラグの変形例を示す図。

【図７】実施例１にて行なった実機耐久試験の結果を示
すグラフ。

【図８】実施例２にて行なった実機耐久試験の結果を示
すグラフ。

【符号の説明】

３，２０２中心電極３ｓ先端面（チップ被固着面）３Ｍ電極本体部ｇ，ｇα 火花放電ギャップ１０全周溶接部３１，１０５貴金属発火部３１貴金属チップ’ ３ｆ，２０２ｎ中心電極母材１００，４００スパークプラグ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松原佳弘愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者宮下直道愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内Ｆターム(参考） 3G019 KA01 4E068 BG02 DA02 DB05 5G059 AA04 CC01 DD02 DD04 DD11 DD19 DD20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心電極（３，２０２）の火花放電ギャ
ップ（ｇ，ｇα）側に位置する先端部が直径０．７ｍｍ
以下の貴金属発火部（３１，１０５）とされ、かつ該貴
金属発火部（３１，１０５）が接合される中心電極母材
（３ｆ，２０２ｎ）の熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の
Ｎｉ合金にて構成されたことを特徴とするスパークプラ
グ（１００，４００）。
【請求項２】前記中心電極（３，２０２）は、先端面
（３ｓ）を含む表層部が少なくとも前記中心電極母材
（３ｆ）にて構成された電極本体部（３Ｍ）の前記先端
面（３ｓ）をチップ被固着面として、そのチップ被固着
面（３ｓ）に貴金属チップ（３１’）を重ね合わせ、そ
れら貴金属チップ（３１’）とチップ被固着面（３ｓ）
の形成部位とにまたがる形にて前記貴金属チップ（３
１’）の先端面に到達しない全周溶接部（１０）を形成
することにより接合された該貴金属チップ（３１’）を
前記貴金属発火部（３１）となしたものであり、前記全
周溶接部（１０）の前記電極本体部（３Ｍ）の軸線
（Ｏ）と直交する向きにおける前記貴金属チップ外周面
からの溶け込み深さをｄとし、前記貴金属発火部（３
１）の先端面の半径をＲとしたときに、ｄ／Ｒが０．６
以上である請求項１記載のスパークプラグ（１００，４
００）。