JP2003197347A - スパークプラグおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 貴金属チップの火花消耗性および電極母材の
加工性を確保しつつ、電極母材と貴金属チップとの接合
性に優れたスパークプラグを提供する。 【解決手段】 Ｐｔ合金やＩｒ合金等の貴金属チップ５
０、６０と接合される電極母材３０、４０は、その成分
元素において最も多く含む成分を主成分元素としたと
き、該主成分元素をＮｉまたはＦｅまたはＣｏとして２
種類以上の添加元素が添加されている合金よりなるもの
とし、これら２種類以上の添加元素は、酸化物となる標
準生成自由エネルギーが主成分元素よりも小さいＣｒ、
Ａｌ等である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、中心電極と接地電
極の少なくとも一方を電極母材とし、この電極母材に貴
金属チップを接合してなるスパークプラグに関し、自動
車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプなどに使
用される内燃機関等に適用することができる。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関用スパークプラグは、一般に中
心電極と、中心電極を保持する絶縁碍子と、絶縁碍子を
保持固定するハウジングと、一端部がハウジングに接合
され他端部が中心電極と対向する接地電極とを備えてい
る。そして、エンジンの高性能化やメンテナンスフリー
などにより、長寿命化が要求され、中心電極や接地電極
先端の火花放電部に貴金属チップを接合し配設してい
る。

【０００３】ここで、電極母材と貴金属チップは、互い
に熱膨張係数が異なるため両者の接合部に熱応力が発生
する。一方、近年のエンジンは排気浄化や希薄燃焼化が
進み、電極においては、電極温度の高温化や急熱急冷が
促進され、熱負荷が厳しくなり、上記した接合部におけ
る熱応力が大きくなってきている。

【０００４】熱応力は、チップ外周ほど大きく、熱応力
が大きいほどチップ外周から中心部へ向かって酸化進行
が促進される。そのため、接合信頼性の余裕度が小さく
なってきており、貴金属チップの剥離や脱落が危倶され
ている。この熱応力を緩和する手段としては、特公昭５
９−４７４３６号公報に記載されているように、熱処理
の拡散効果による緩和層を形成することが提案されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
方法では、熱処理製造工程を加える必要があるため、製
造コストが増大してしまう。そこで、他の手段として、
電極母材や貴金属チップの熱膨張係数を相手側に近づけ
る方法が考えられるが、以下のような問題がある。

【０００６】例えば、貴金属チップの熱膨張係数を電極
母材に近づけようとすると、貴金属に対してＮｉ等を多
く添加しなければならず、火花消耗性を悪化させ、寿命
を満足できない。

【０００７】また、電極母材の熱膨張係数を貴金属チッ
プに近づけようとすると、電極母材に熱膨張係数の小さ
な元素（ＷやＭｏ等）を添加しなければならず、電極が
曲げにくくなる等、加工性を悪化させ、プラグ用の電極
材料として不適となってしまう。

【０００８】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、貴金属チップの火花消耗性および電極母材の加工性
を確保しつつ、電極母材と貴金属チップとの接合性に優
れたスパークプラグを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成すべく、電極母材の材質に着目し、以下のような検
討を行った。エンジン使用中において、スパークプラグ
の電極における全ての元素は、多少なりとも酸素と反応
し酸化する（酸化物を形成する）が、各元素の標準生成
自由エネルギー、添加量などでさまざまな酸化形態をと
る。そこで、電極母材における各種の組成について、実
験検討を行った。

【００１０】その結果、主成分元素よりも標準生成自由
エネルギー（ここでは、酸化物となる標準生成自由エネ
ルギーをいう）の小さな元素を２種類以上添加すると、
各種の添加元素の間の酸化形態の相違により、電極母材
の表面には、或る種の添加元素による酸化被膜（表面酸
化被膜）が安定して形成され、一方、その内部には、他
の種の添加元素による酸化層（内部酸化層）が安定して
存在することがわかった。

【００１１】それによって、電極母材の表面において
は、上記表面酸化被膜が安定して形成されるため、電極
母材の内部への酸化が進行しない。また、貴金属チップ
の外周部においては、内部酸化層が安定して存在するこ
とで、当該外周部近傍における電極母材の熱膨張係数
を、貴金属チップに近づけたものにできるため、貴金属
チップの外周部における熱応力が低減され、当該外周部
からの酸化進行が抑制され接合性が大幅に向上する。本
発明は、以上のような実験検討により得られた事実に基
づいてなされたものである。

【００１２】すなわち、請求項１に記載の発明において
は、貴金属チップ（５０、６０）と接合される電極母材
（３０、４０）を、その成分元素において最も多く含む
成分を主成分元素としたとき、該主成分元素をＮｉまた
はＦｅまたはＣｏとして２種類以上の添加元素が添加さ
れている合金よりなるものとし、これら２種類以上の添
加元素は、標準生成自由エネルギーが主成分元素よりも
小さいものであることを特徴としている。

【００１３】それによれば、電極母材の添加元素は、酸
化物となる標準生成自由エネルギーが主成分元素よりも
小さなものであるため、酸素との親和力が主成分元素よ
りも大きく、主成分元素よりも酸化物となり易い（酸化
しやすい）ことから、電極母材の表面で酸化層を形成す
る、という性質を持つ。

【００１４】そして、このような性質を持つ２種類以上
の添加元素を添加することにより、上記した本発明者の
実験事実に示した様に、電極母材の表面においては、上
記表面酸化被膜が安定して形成され、一方、その下部に
は、上記内部酸化層が安定して存在する。

【００１５】そのため、電極母材の内部への酸化を抑制
して、電極母材の基本特性である耐熱耐酸化性を確保で
きるとともに、電極母材と貴金属チップ外周部との熱応
力が低減され、そこから内部へ進行する酸化が抑制さ
れ、母材−チップ間の接合性が大幅に向上する。

【００１６】また、上記表面酸化被膜や内部酸化層は、
エンジンでの使用に伴って形成されていくため、電極母
材側において上記添加元素の添加量を調整すれば、初期
的に加工性は問題ないものにできる。また、貴金属チッ
プ側の組成を変えることがないから、貴金属チップの火
花消耗性を確保することができる。

【００１７】よって、本発明によれば、貴金属チップの
火花消耗性および電極母材の加工性を確保しつつ、電極
母材と貴金属チップとの接合性に優れたスパークプラグ
を提供することができる。

【００１８】ここで、請求項２に記載の発明のように、
電極母材の主成分元素をＮｉとすれば、電極母材を、高
温強度や耐熱耐酸化性を考慮して最も優れたＮｉ基合金
より構成することができる。

【００１９】また、本発明者の検討によれば、標準生成
自由エネルギーの異なる２種類以上の添加元素のうち比
較的標準生成自由エネルギーの大きいものが、上記表面
酸化被膜を形成し、比較的標準生成自由エネルギーの小
さいものが上記内部酸化層を形成しやすいことが実験的
にわかった。

【００２０】これは、標準生成自由エネルギーの大きい
添加元素の方が、標準生成自由エネルギーの小さい添加
元素よりも酸化しにくいことから、電極母材の内部より
も酸素雰囲気に近い（酸素の多い）電極母材の表面で酸
化し易いためと考えられる。

【００２１】そこで、２種類以上の添加元素として標準
生成自由エネルギーの異なるものを用い、標準生成自由
エネルギーの大きい添加元素によって強固な表面酸化被
膜の形成を狙い、標準生成自由エネルギーの小さい添加
元素によって上記内部酸化層を形成できるようにするこ
とが好ましい。

【００２２】特に、１０００℃〜１１００℃という高温
でスパークプラグを用いる場合、電極母材の耐熱耐酸化
性や、電極母材と貴金属チップとの接合性に対して厳し
い環境となってくる。請求項３に記載の発明は、このよ
うな高温下に用いるスパークプラグにおいて本発明の目
的を達成するためには、好適なものである。

【００２３】すなわち、請求項３に記載の発明では、主
成分元素の１０００℃〜１１００℃における標準生成自
由エネルギーをＥ０とすると、添加元素の１種の１００
０℃〜１１００℃における標準生成自由エネルギーＥ１
は、Ｅ０の１．２倍よりも小さく、添加元素の他の少な
くとも１種類以上の元素の１０００℃〜１１００℃にお
ける標準生成自由エネルギーＥ２は、Ｅ１の１．２倍よ
りも小さいことを特徴とする。

【００２４】２種以上の添加元素において、このような
Ｅ１＜１．２Ｅ０、Ｅ２＜１．２Ｅ１の関係となるよう
にすれば、１０００℃〜１１００℃の高温下にて使用さ
れるスパークプラグにおいて、２種類以上の添加元素の
うち比較的大きな標準生成自由エネルギーＥ１を有する
添加元素によって上記表面酸化被膜を形成し、比較的小
さな標準生成自由エネルギーＥ２を有する添加元素によ
って上記内部酸化層を形成することが好適に実現でき
る。

【００２５】さらに、実験検討を進めた結果、１０００
℃〜１１００℃における標準生成自由エネルギーの異な
る２種類以上の添加元素のうち大きな標準生成自由エネ
ルギーＥ１を有する添加元素の添加量を、それ以外の小
さな標準生成自由エネルギーＥ２を有する添加元素の個
々の添加量の３倍以上とすれば、大きな標準生成自由エ
ネルギーＥ１を有する添加元素の方が小さな標準生成自
由エネルギーＥ２を有する添加元素の個々よりも電極母
材表面において先に酸化し、安定して表面酸化被膜が形
成できることがわかった。

【００２６】請求項４に記載の発明は、この検討結果に
基づいてなされたものであり、標準生成自由エネルギー
Ｅ２を有する添加元素の添加量は、１．５重量％以上で
あり、標準生成自由エネルギーＥ１を有する添加元素の
添加量は、標準生成自由エネルギーＥ２を有する添加元
素の個々の添加量の３倍以上であることを特徴としてい
る。

【００２７】それによれば、請求項１〜３に記載の発明
の効果を良好に実現することが出来、好ましい。そし
て、比較的小さな標準生成自由エネルギーＥ２を有する
添加元素の個々の添加量を１．５重量％とすれば、標準
生成自由エネルギーＥ２を有する添加元素によって、熱
応力を低減できるだけの内部酸化層を形成することがで
きる。

【００２８】ここで、請求項５に記載の発明のように、
標準生成自由エネルギーＥ１を有する添加元素としては
Ｃｒを採用することができ、請求項６に記載の発明のよ
うに、標準生成自由エネルギーＥ２を有する添加元素と
しては少なくともＡｌを採用することができる。

【００２９】電極母材の主成分元素をＮｉとすると、１
０００℃における標準生成自由エネルギーは、Ｎｉの標
準生成自由エネルギーＥ０が−６０ｋｃａｌ、Ｃｒの標
準生成自由エネルギーＥ１が−１２０ｋｃａｌ、Ａｌの
標準生成自由エネルギーＥ２が−２００ｋｃａｌであ
り、請求項３の標準生成自由エネルギーの関係を満足し
ている。

【００３０】そして、添加元素をＣｒとＡｌとの組み合
わせとし、請求項４の発明のように、Ａｌを１．５重量
％以上とし、Ｃｒの添加量をＡｌの３倍以上にすれば、
接合性向上の効果が最も大きい。

【００３１】これは、電極母材において、上記内部酸化
層としてのＡｌの酸化物が析出することで、電極母材と
Ａｌ酸化物との複合体のような層になるためである。Ａ
ｌ酸化物は、比較的熱膨張係数が小さいため、全体とし
て熱膨張係数は小さくなり、貴金属チップの熱膨張係数
に近づく。そのため、熱応力が緩和され、チップ外周か
らの酸化進行が抑制され、接合性が向上するのである。

【００３２】また、添加元素をＣｒとＡｌとの組み合わ
せとした場合、請求項７に記載の発明のように、Ｃｒの
添加量が１０〜２０重量％であり、Ａｌの添加量が１．
５〜５．５重量％であることが、電極母材の加工性や、
電極母材と貴金属チップとの接合性を考慮した場合、好
ましい添加範囲である。なお、請求項８に記載の発明の
ように、Ａｌの添加量は２．２〜５．０重量％であるこ
とがより好ましい。

【００３３】ここで、Ｃｒの添加範囲について、下限は
表面酸化被膜を形成するのに必要な添加量、上限は電極
母材の加工性を確保するための限界である。また、Ａｌ
の添加範囲について、下限は応力緩和に効果を発揮する
のに必要な添加量、上限は電極母材の加工性を確保する
ための限界である。

【００３４】また、請求項９に記載の発明では、上記請
求項７または請求項８の発明において、電極母材は、Ｆ
ｅをＡｌの添加量以上含むことを特徴とする。Ａｌの添
加により電極母材の加工性が多少低下するが、本発明の
ように、Ｆｅを含有させることにより、加工性を向上さ
せることができる。

【００３５】また、請求項１０に記載の発明では、電極
母材において、主成分元素、ＣｒおよびＡｌの３元素以
外の元素の総量が２０重量％以下であることを特徴とし
ている。これは、上記請求項９のスパークプラグに対し
て、脱酸作用、鍛造性をあげるために、主成分元素、Ｃ
ｒおよびＡｌ以外の他の元素を加えると良いが、当該他
の元素が２０重量％以下であれば、当該他の元素による
悪影響を防止できるためである。

【００３６】また、本発明者等の検討によれば、電極母
材にＡｌを添加すると、電極母材の硬度が上昇し、曲げ
加工性が悪化する。そして、接地電極の曲げ加工により
ギャップ成形を行う場合、接地電極の電極母材の硬度が
高いほどスプリングバックも大きくなってしまい、ギャ
ップ寸法の精度が低下してしまう。

【００３７】これについては、電極母材の低硬度化にて
対処することができ、その場合、電極母材において曲げ
加工による変形を受けていない部位の硬度、換言する
と、電極母材において加工硬化していない部位の硬度
が、ビッカース硬度（Ｈｖ０．５）で２１０以下であれ
ば、スプリングバックが実用上問題ない程度に抑制され
て、精度よくギャップ成形を行うことができ、さらにビ
ッカース硬度（Ｈｖ０．５）が１９０以下であれば一層
精度よくギャップ成形を行うことができる。なお、本明
細書におけるビッカース硬度は、ＪＩＳ：Ｚ２２４４に
規定された微少ビッカース硬さ試験方法において、試験
力４．９０３Ｎ（Ｈｖ０．５）にて測定したものをい
う。

【００３８】よって、請求項１１に記載の発明のよう
に、電極母材の加工硬化していない部位の硬度（Ｈｖ
０．５）が２１０以下であれば、より加工性に優れた電
極母材を有するスパークプラグを実現することができ、
さらに、請求項１２に記載の発明のように、電極母材の
加工硬化していない部位の硬度（Ｈｖ０．５）が１９０
以下であれば、より一層加工性に優れた電極母材を有す
るスパークプラグを実現することができる。

【００３９】また、請求項１３に記載の発明では、中心
電極（３０）と、中心電極を保持する絶縁碍子（２０）
と、絶縁碍子を保持固定するハウジング（１０）と、一
端部がハウジングに接合され他端部が中心電極と対向す
る接地電極（４０）とを備え、中心電極と接地電極の少
なくとも一方を電極母材とし、この電極母材に貴金属チ
ップ（５０、６０）を接合してなるスパークプラグにお
いて、電極母材は、主成分であるＮＣＦ６００にＡｌが
添加されたものであることを特徴としている。

【００４０】ここで、ＮＣＦ６００は、ＪＩＳ（日本工
業規格）に記されたＮｉ基合金である。本発明の電極母
材によれば、ＮＣＦ６００中のＮｉが主成分元素、ＮＣ
Ｆ６００中のＣｒが添加元素、添加されたＡｌが添加元
素となる。そのため、上記請求項１の発明と同様の効果
を発揮することが可能となる。

【００４１】また、請求項１４に記載の発明では、請求
項１３に記載のスパークプラグにおいて、Ａｌの添加量
が１．５〜５．５重量％（好ましくは２．２〜５．０重
量％で）あることを特徴としており、上記請求項７の発
明と同様の効果を発揮することができる。

【００４２】また、請求項１６に記載の発明では、請求
項１４に記載のスパークプラグにおいて、電極母材の加
工硬化していない部位の硬度（Ｈｖ０．５）が２１０以
下であることを特徴としており、上記請求項１１の発明
と同様の効果を発揮することができ、さらに、請求項１
７に記載のスパークプラグにおいて、電極母材の加工硬
化していない部位の硬度（Ｈｖ０．５）が１９０以下で
あることを特徴としており、上記請求項１２の発明と同
様の効果を発揮することができる。

【００４３】また、請求項１８に記載の発明では、中心
電極（３０）と、中心電極を保持する絶縁碍子（２０）
と、絶縁碍子を保持固定するハウジング（１０）と、一
端部がハウジングに接合され他端部が中心電極と対向す
る接地電極（４０）とを備え、中心電極と前記接地電極
の少なくとも一方を電極母材とし、この電極母材に貴金
属チップ（５０、６０）を接合してなるスパークプラグ
において、大気中にて３００℃以下から１０００℃以上
への温度変化が１００回以上行われるものであって、こ
の温度変化による１０００℃以上の総時間が１時間以上
であるような環境下に、電極母材をさらした時、電極母
材において表面にＣｒの酸化物が形成され、このＣｒの
酸化物よりも内部にＡｌの酸化物が形成されるようにな
っていることを特徴とする。

【００４４】それによれば、電極母材の耐熱性や、電極
母材と貴金属チップとの接合性に対して厳しい１０００
℃以上の高温環境下にてスパークプラグを使用した場
合、電極母材の表面においては、Ｃｒの酸化物からなる
上記表面酸化被膜が安定して形成され、一方、その下部
には、Ａｌの酸化物からなる上記内部酸化層が安定して
存在する。

【００４５】また、これら表面酸化被膜や内部酸化層と
してのＣｒの酸化物やＡｌの酸化物は、上記高温環境下
での使用に伴って形成されていくため、上記請求項１の
発明と同様に、初期的に電極母材の加工性は問題ないも
のにできる。また、貴金属チップ側の組成を変えること
がないから、貴金属チップの火花消耗性を確保すること
ができることも同様である。

【００４６】したがって、本発明によれば、貴金属チッ
プの火花消耗性および電極母材の加工性を確保しつつ、
電極母材と貴金属チップとの接合性に優れたスパークプ
ラグを提供することができる。

【００４７】ここで、請求項１９に記載の発明のよう
に、Ｃｒの酸化物およびＡｌの酸化物は、電極母材にお
いて少なくとも貴金属チップ（５０、６０）の外周囲に
形成されるようにすれば、請求項１８の発明の効果は発
揮される。

【００４８】また、請求項２０〜請求項２３の発明は、
上記請求項１〜請求項１９に記載の貴金属チップの具体
的構成を提供するものである。請求項２０に記載の発明
では、貴金属チップ（５０、６０）は、Ｐｔを主成分と
しＩｒ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｗ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓの少なくと
も一つが添加された合金であることを特徴とする。

【００４９】より具体的には、請求項２１に記載の発明
のように、貴金属チップ（５０、６０）は、Ｐｔを主成
分とし、５０重量％以下のＩｒ、４０重量％以下のＮ
ｉ、５０重量％以下のＲｈ、３０重量％以下のＷ、４０
重量％以下のＰｄ、３０重量％以下のＲｕ、２０重量％
以下のＯｓの少なくとも一つが添加された合金であるも
のにすることができる。

【００５０】また、請求項２２に記載の発明のように、
貴金属チップ（５０、６０）は、Ｉｒを主成分としＲ
ｈ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓの少なくとも一
つが添加された合金であるものであっても良い。

【００５１】より具体的には、請求項２３に記載の発明
のように、貴金属チップ（５０、６０）は、Ｉｒを主成
分とし、５０重量％以下のＲｈ、５０重量％以下のＰ
ｔ、４０重量％以下のＮｉ、３０重量％以下のＷ、４０
重量％以下のＰｄ、３０重量％以下のＲｕ、２０重量％
以下のＯｓの少なくとも一つが添加された合金であるも
のにすることができる。

【００５２】上記した貴金属チップとすることで、火花
消耗に優れた組成を有する貴金属チップとすることがで
き、将来の熱負荷の厳しいエンジンでも、十分に寿命を
確保できる。

【００５３】また、請求項２４に記載の発明は、請求項
１ないし請求項２３のいずれか１つに記載のスパークプ
ラグを製造する方法であって、接地電極（４０）を電極
母材とし、該電極母材を最終的な接地電極の長さに切断
した後、貴金属チップ（６０）を接合することを特徴と
している。

【００５４】従来では、接地電極の電極母材を、最終的
な接地電極の長さよりも長目に切断し、貴金属チップを
接合すべき部位に、チップを接合した後、さらに、電極
母材を再切断して最終的な接地電極の長さとしている。
これは、従来の接地電極用の電極母材では、切断部にダ
レやバリが発生するため、母材における平坦部分に貴金
属チップを接合して接合性を確保した後、電極の長さ合
わせのための再切断を行う必要があるためである。

【００５５】その点、請求項１〜請求項２３に記載の電
極母材を接地電極とした場合、従来の接地電極における
電極母材よりも硬度が向上している（硬くなっている）
ので、切断によるダレやバリの度合が小さい。

【００５６】そのため、本発明の製造方法によれば、最
初から、最終的な接地電極の長さに切断した後、切断部
近傍に貴金属チップを接合しても、接合性を良好なもの
にできる。そして、再切断が不要であるため、工程の削
減が図れると共に、再切断分の材料費を節約することが
できる。

【００５７】また、請求項２５に記載の発明では、中心
電極（３０）と、中心電極を保持する絶縁碍子（２０）
と、絶縁碍子を保持固定するハウジング（１０）と、一
端部がハウジングに接合され他端部が中心電極と対向す
る接地電極（４０）と、電極母材としての接地電極に接
合された貴金属チップ（６０）とを備え、電極母材とし
て、その成分元素において最も多く含む成分を主成分元
素としたとき、主成分元素をＮｉまたはＦｅまたはＣｏ
として２種類以上の添加元素が添加されている合金であ
って、２種類以上の添加元素の少なくとも２種類が、標
準生成自由エネルギーが前記主成分元素より小さいもの
であるものを用いるスパークプラグの製造方法であっ
て、電極母材を最終的な接地電極の長さに切断した後、
貴金属チップを接合することを特徴としている。本発明
の効果は、請求項２４に記載の製造方法と同様である。

【００５８】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。

【００５９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図１は本発明の実施形態に係るスパ
ークプラグＳ１の全体構成を示す半断面図である。ま
た、図２は、図１のスパークプラグＳ１における火花放
電部近傍の拡大断面図である。

【００６０】このスパークプラグＳ１は、自動車用エン
ジンの点火栓等に適用されるものであり、該エンジンの
燃焼室を区画形成するエンジンヘッド（図示せず）に設
けられたネジ穴に挿入されて固定されるようになってい
る。

【００６１】スパークプラグＳ１は、導電性の鉄鋼材料
（例えば低炭素鋼等）等よりなる筒形状の取付金具（ハ
ウジング）１０を有しており、この取付金具１０は、図
示しないエンジンブロックに固定するための取付ネジ部
１０ａを備えている。取付金具１０の内部には、アルミ
ナセラミック（Ａｌ２Ｏ３）等からなる絶縁体（絶縁碍
子）２０が固定されており、この絶縁体２０の一端部２
１は、取付金具１０の一端部１１から露出するように設
けられている。

【００６２】絶縁体２０の軸孔２２には中心電極３０が
固定されており、この中心電極３０は取付金具１０に対
して絶縁保持されている。中心電極３０は、例えば、内
材がＣｕ等の熱伝導性に優れた金属材料、外材がＮｉ基
合金、Ｆｅ基合金、またはＣｏ基合金といった耐熱性お
よび耐食性に優れた金属材料により構成された円柱体
で、図２に示すように、その細径化された一端部３１
が、絶縁体２０の一端部２１から露出して延びるように
設けられている。

【００６３】一方、接地電極４０はＮｉ基合金、Ｆｅ基
合金、またはＣｏ基合金よりなり、その一端部４１にて
取付金具１０の一端部１１に溶接により固定され、途中
で曲げられて、その他端部４２側が中心電極３０の一端
部３１と対向するように中心電極３０側へ延びる柱状
（例えば角柱）をなす。

【００６４】また、これら中心電極３０および接地電極
４０を電極母材として、中心電極３０の一端部３１に
は、ＰｔやＩｒ等よりなる貴金属チップ（中心電極側チ
ップ）５０が抵抗溶接により接合され、接地電極４０の
他端部４２には、ＰｔやＩｒ等よりなる貴金属チップ
（接地電極側チップ）６０が抵抗溶接により接合されて
いる。そして、これら両チップ５０、６０の間に放電ギ
ャップ７０が形成されている。

【００６５】ここで、上述したように、電極母材である
中心電極３０および接地電極４０は、Ｎｉ基合金、Ｆｅ
基合金、またはＣｏ基合金よりなるが、本実施形態で
は、この電極母材を構成する合金は、主成分元素（電極
母材の成分元素において最も多く含まれる成分）である
ＮｉまたはＦｅまたはＣｏに対して２種類以上の添加元
素を添加したものとしている。

【００６６】そして、この２種類以上の添加元素の少な
くとも２種類は、酸化物となる標準生成自由エネルギー
が主成分元素（Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ）よりも小さいもの
（例えばＣｒ、Ａｌ、Ｓｉ）を用いている。

【００６７】本例では、電極母材としての中心電極３０
および接地電極４０は、主成分元素をＮｉとして、上記
添加元素としてのＣｒおよびＡｌおよびＳｉが添加され
ており、さらに、電極母材の鍛造性向上のためにＦｅが
添加され、電極母材の製造上における脱酸効果を向上さ
せるためにＭｎが添加されたＮｉ基合金としている。

【００６８】より具体的に、このようなＮｉ基合金とし
ては、ＪＩＳ（日本工業規格）に記されたＮｉ基合金で
あるＮＣＦ６００にＡｌ等が添加されたものを、電極母
材としての中心電極３０および接地電極４０に採用する
ことができる。

【００６９】また、中心電極側チップ５０及び接地電極
側チップ６０のより具体的な材質としては、Ｐｔを主成
分としＩｒ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｗ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓの少な
くとも一つが添加された合金（Ｐｔ合金）か、Ｉｒを主
成分としＲｈ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓの少
なくとも一つが添加された合金（Ｉｒ合金）を採用する
ことができる。

【００７０】Ｐｔ合金としては、Ｐｔを主成分とし、５
０重量％以下のＩｒ、４０重量％以下のＮｉ、５０重量
％以下のＲｈ、３０重量％以下のＷ、４０重量％以下の
Ｐｄ、３０重量％以下のＲｕ、２０重量％以下のＯｓの
少なくとも一つが添加された合金を採用することができ
る。

【００７１】また、Ｉｒ合金としては、貴金属チップ
（５０、６０）は、Ｉｒを主成分とし、５０重量％以下
のＲｈ、５０重量％以下のＰｔ、４０重量％以下のＮ
ｉ、３０重量％以下のＷ、４０重量％以下のＰｄ、３０
重量％以下のＲｕ、２０重量％以下のＯｓの少なくとも
一つが添加された合金を採用することができる。

【００７２】このような材質を両チップ５０、６０に採
用することにより、火花消耗に優れた組成を有する貴金
属チップとすることができ、将来の熱負荷の厳しいエン
ジンでも、十分に寿命を確保できる。

【００７３】かかるスパークプラグＳ１においては、両
チップ５０、６０間に形成された放電ギャップ７０にお
いて放電し、燃焼室内の混合気に着火させる。着火後、
放電ギャップ７０に形成された火炎核は、成長してい
き、燃焼室内にて燃焼が行われるようになっている。

【００７４】ところで、本実施形態によれば、両チップ
５０、６０が接合される電極母材３０、４０を、主成分
元素をＮｉまたはＦｅまたはＣｏとして２種類以上の添
加元素が添加されている合金よりなるものであって、こ
れら２種類以上の添加元素が、標準生成自由エネルギー
（酸化物となる標準生成自由エネルギー）が主成分元素
よりも小さいものとしている。

【００７５】このような電極母材構成とすることで、電
極母材３０、４０と貴金属チップ５０、６０との接合性
を大幅に向上させることができる。図３は、接地電極
（電極母材）４０と接地電極側チップ６０との接合部の
概略断面構成を示す図であり、この接合性向上効果につ
いて図３を参照して説明するが、中心電極３０と中心電
極側チップ５０との接合における接合性向上効果につい
ても同様である。

【００７６】エンジン使用時の高温環境において、上記
した比較的標準生成自由エネルギーの小さい添加元素
は、比較的標準生成自由エネルギーの大きい主成分元素
よりも酸化しやすいため、接地電極４０における表面４
０ａに向かって移動し、酸化物を形成する、という性質
を持つ。

【００７７】このような主成分元素よりも標準生成自由
エネルギーの小さな元素を２種類以上添加すると、各種
の添加元素の間の酸化形態の相違により、接地電極４０
の表面４０ａには、少なくとも１種の添加元素による表
面酸化被膜が安定して形成され、一方、その内部には、
他の少なくとも１種の添加元素による内部酸化層が形成
される。

【００７８】それによって、接地電極４０の表面４０ａ
においては、上記表面酸化被膜が安定して形成されるた
め、接地電極４０の内部への酸化が進行せず、電極母材
の基本特性である耐熱耐酸化性を確保することができ
る。

【００７９】また、接地電極４０におけるチップ６０と
酸化進行の起点となるチップ外周部４０ｂの近傍におい
ては、上記内部酸化層が安定して存在することで、チッ
プ外周部４０ｂにおける接地電極４０の熱膨張係数を貴
金属チップ６０に近づけたものにできる。そのため、酸
化進行の起点となるチップ外周部４０ｂの熱応力が低減
され、母材−チップ間の接合性が大幅に向上する。

【００８０】もし、添加元素が１種であると、上記表面
酸化被膜のみの形成となって、接地電極（電極母材）４
０と貴金属チップ６０との接合界面４０ｃにおいて、チ
ップ外周からの酸化進行により接合性が確保されなかっ
たり、または、上記内部酸化層のみの形成となって、接
地電極４０の内部への酸化の進行が発生し、電極母材の
耐熱耐酸化性を確保できなかったりする。

【００８１】また、上記表面酸化被膜や内部酸化層は、
エンジンでの使用に伴って形成されていくため、接地電
極（電極母材）４０側において上記添加元素の添加量を
調整すれば、初期的に加工性は問題ないものにできる。
また、貴金属チップ６０側の組成を変えることがないか
ら、貴金属チップ６０の火花消耗性を確保することがで
きる。

【００８２】よって、本実施形態によれば、貴金属チッ
プ５０、６０の火花消耗性および電極母材３０、４０の
加工性を確保しつつ、電極母材と貴金属チップとの接合
性に優れたスパークプラグを提供できるのである。

【００８３】特に、スパークプラグＳ１の使用温度が１
０００℃〜１１００℃といった厳しい環境においても、
上記した標準生成自由エネルギーの関係を用いた電極母
材の構成とすれば、本実施形態の効果は有効に発揮され
る。

【００８４】つまり、本実施形態の電極母材において、
添加元素の１種の１０００℃〜１１００℃における標準
生成自由エネルギーＥ１を、主成分元素の１０００℃〜
１１００℃における標準生成自由エネルギーＥ０の１．
２倍よりも小さくし（Ｅ１＜１．２Ｅ０）、添加元素の
他の少なくとも１種類以上の元素の１０００℃〜１１０
０℃における標準生成自由エネルギーＥ２を、Ｅ１の
１．２倍よりも小さく（Ｅ２＜１．２Ｅ１）すれば良
い。

【００８５】それによれば、１０００℃〜１１００℃の
高温下にて使用されるスパークプラグＳ１において、２
種類以上の添加元素のうち比較的大きな標準生成自由エ
ネルギーＥ１を有する添加元素によって上記表面酸化被
膜を強固に形成し、比較的小さな標準生成自由エネルギ
ーＥ２を有する添加元素によって上記内部酸化層を形成
することができる。

【００８６】上述したように、本例では、電極母材３
０、４０はＮＣＦ６００にＡｌ等が添加されたもの、す
なわち、主成分元素をＮｉ、上記添加元素をＣｒおよび
ＡｌおよびＳｉとし、更に鍛造性向上、脱酸効果向上の
ためにＦｅ、Ｍｎを添加してなるＮｉ基合金としてい
る。このようなＮｉ基合金を採用するのは、次のような
理由による。

【００８７】まず、主成分元素をＮｉとするのは、電極
母材３０、４０を、高温強度や耐熱耐酸化性を考慮して
最も優れたＮｉ基合金より構成することができるためで
ある。

【００８８】また、このＮｉ基合金（電極母材）の主成
分元素はＮｉであり、１０００℃における標準生成自由
エネルギーは、Ｎｉの標準生成自由エネルギーＥ０が−
６０ｋｃａｌ、Ｃｒの標準生成自由エネルギーＥ１が−
１２０ｋｃａｌ、Ａｌの標準生成自由エネルギーＥ２が
−２００ｋｃａｌであり、上記したＥ１＜１．２Ｅ０お
よびＥ２＜１．２Ｅ１といった標準生成自由エネルギー
の関係を満足している。

【００８９】そして、使用時用の高温雰囲気において、
添加元素のうち比較的大きな標準生成自由エネルギーＥ
１を有するＣｒの酸化によって上記表面酸化被膜が形成
され、比較的小さな標準生成自由エネルギーＥ２を有す
るＡｌの酸化によって上記内部酸化層が形成される。

【００９０】また、本発明者の検討によれば、２種類以
上の添加元素のうち最も添加量の多いものが、上記表面
酸化被膜を形成することが実験的にわかった。そこで、
最も添加量の多い添加元素としてＮｉへの固溶量が最も
多いＣｒ（２成分系状態図による）を用いれば、このＣ
ｒによって強固な表面酸化被膜を形成し、Ｃｒ以外の添
加元素Ａｌにて上記内部酸化層を形成することができ
る。

【００９１】また、Ｃｒ以外の添加元素をＡｌとすれ
ば、接合性向上の効果が最も大きい。これは、電極母材
３０、４０において、上記内部酸化層としてのＡｌの酸
化物が析出することで、電極母材３０、４０とＡｌ酸化
物との複合体のような層になるためである。

【００９２】Ａｌ酸化物は、比較的熱膨張係数が小さい
ため、全体として熱膨張係数は小さくなり、貴金属チッ
プ５０、６０の熱膨張係数に近づく。そのため、熱応力
が緩和され接合性が向上するのである。

【００９３】［電極母材の検討例］次に、本例の電極母
材３０、４０（Ｃｒ−Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ−残部Ｎ
ｉ（不可避及び不純物含む）のＮｉ基合金、不可避及び
不純物として、Ｔｉ、Ｃ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｏを含む。Ｔ
ｉ：０．５重量％以下、Ｃ：０．０６重量％以下、Ｓ：
０．０５重量％以下、Ｃｕ：０．１重量％以下、Ｍｏ：
０．１重量％以下）について、成分組成を種々変えたも
のについて、電極母材の加工性、耐酸化性、チップ５
０、６０との接合性を検討した結果を、接地電極４０に
て検討した例として示す。

【００９４】図４、図５は、検討した各種成分（Ｎｏ．
１〜Ｎｏ．２１までの検討電極材）組成を示す図表であ
る。この中で、加工性の良好なもの（「○」のもの）に
ついて、エンジン試験にて耐熱耐酸化性、チップとの接
合性を評価した。なお、加工性の悪いもの（「×」であ
るＮｏ．１９とＮｏ．２１）は硬く、線引き加工時に割
れやひびが発生するため、加工が困難なものである。ま
た、図５には、従来の電極母材（従来材）も示してあ
る。

【００９５】加工性の良好な検討電極材を用いた接地電
極４０に、Ｐｔ−２０Ｉｒ−２Ｎｉよりなるφ１ｍｍの
円柱状の接地電極側チップ６０を抵抗溶接した。溶接条
件は、加圧３０ｋｇ、サイクル数１０、電流は電極母材
の組成に応じて調整し、１．１〜１．５ｋＡとした。

【００９６】エンジン試験の条件は、２０００ｃｃのエ
ンジンにて、スロットル全開６０００ｒｐｍ、１分間
と、アイドリング１分間との冷熱サイクルを３０００サ
イクル実施した。これは、市場で１０万ｋｍ走行に相当
するものである。この試験条件にてエンジン試験を行っ
た後、耐熱耐酸化性、電極母材４０とチップ６０との接
合性を調べた。

【００９７】耐熱耐酸化性（耐酸化性）については、接
地電極４０に安定して表面酸化被膜（Ｃｒの酸化物）が
形成され、母材内部への酸化が進行していなければ
「○」、当該表面酸化被膜の形成が不十分であって母材
内部への酸化が進行していれば「×」とした。

【００９８】また、電極母材４０とチップ６０との接合
性（チップ接合性）については、上記図３に示す様に、
電極母材４０とチップ６０との初期の接合界面の長さ
（接合部長さ）Ａに対して、上記エンジン試験後に剥離
した部分の長さ（剥離長さ）Ｂ１、Ｂ２の割合、（Ｂ１
＋Ｂ２／Ａ）×１００（％）を剥離率とし、この剥離率
が２５％以下ならば「○」、２５％より大ならば「×」
とした。

【００９９】図４、図５には、これら加工性、耐酸化
性、チップ接合性の評価も合わせて示してある。図４お
よび図５から、Ｃｒが１０重量％以上であれば、電極母
材の基本特性である耐酸化性を確保することができる。
Ｃｒが１０重量％未満であると、電極母材に上記表面酸
化被膜が安定して形成されないためである。また、加工
性を考えると、Ｃｒは２０重量％の添加が限界である。

【０１００】さらに、Ａｌの添加量に対してＣｒの添加
量が３倍未満である場合、チップ接合性が確保されてい
ない。これは、表面酸化被膜としてＣｒの酸化被膜の代
わりにＡｌの酸化被膜が形成されしまい、内部酸化層と
してＡｌの酸化物の代わりにＣｒの酸化物が析出してし
まうためである。

【０１０１】Ａｌの添加量に対してＣｒの添加量が３倍
以上であれば、表面酸化被膜としてＣｒの酸化被膜が安
定して形成されるため、内部酸化層として比較的熱膨張
係数が小さいＡｌの酸化物が析出するため、熱応力が緩
和され接合性が向上するのである。また、Ｎｏ．１１の
ものでは、Ｓｉの内部酸化層が形成するが、接合性の効
果はない。

【０１０２】ここで、Ｃｒの添加量が１６重量％のもの
について、Ａｌの添加量を変更していった場合のチップ
接合性（上記剥離率）の結果を、図６、図７に示す。図
６は、接地電極４０の長さＬ（上記図２参照）を１０ｍ
ｍ、エンジン試験時における接地電極４０の他端部４２
の温度（先端温度）を９５０℃とした場合、図７は、接
地電極４０の長さＬを１５ｍｍとし、先端温度を１０５
０℃とした場合である。

【０１０３】これは、将来のエンジン動向を考慮する
と、現状（図６の条件相当）よりも電極温度が１００℃
高くなると推定されるため、図７のように、接地電極４
０について燃焼室へ突出す量を多くして、接地電極４０
の長さを通常よりも５ｍｍ長くすることで電極温度を強
制的に上昇させ、耐久試験を実施した。

【０１０４】図６および図７の両方の場合とも、Ａｌの
添加量が１．５重量％以上でチップ接合性向上の効果が
出ている。また、図７では、Ａｌの添加量が５．５重量
％以上であるとチップ接合性が逆に低下し始めている。
これは、電極温度が更に高くなると、内部酸化物が多く
なり過ぎて、却ってチップ接合性に悪影響を及ぼすため
である。また、Ａｌの添加量が５．５重量％以上である
と、電極母材の加工性にも悪影響がある（図５のＮｏ．
１９参照）。

【０１０５】これら図４〜図７に示した検討結果から、
本例のＮｉ基合金では、Ｃｒの添加量をＡｌの３倍以上
とし且つ１０〜２０重量％であり、Ａｌの添加量を１．
５〜５．５重量％（より好ましくは、２．２〜５．０重
量％）とすることが好ましい。

【０１０６】また、本例のＮｉ基合金よりなる電極母材
においては、Ｎｉ、ＣｒおよびＡｌ以外の元素（Ｆｅ、
Ｓｉ、Ｍｎ）の総量が２０重量％以下であることが好ま
しい。

【０１０７】これは、電極母材の鍛造性向上のためにＦ
ｅが添加されるが、Ｆｅが多すぎるとＣｒおよびＡｌの
酸化形態が阻害され、また、電極母材の製造上における
脱酸効果を向上させるためにＳｉ、Ｍｎが添加される
が、これらＳｉ、Ｍｎが多すぎると電極母材の鍛造性が
悪化することから、求められるものである。

【０１０８】なお、電極母材３０、４０には、少なくと
も１種類以上の希土類元素が１重量％以下にて添加され
ていても良い。この希土類元素により耐酸化性が向上す
る。

【０１０９】また、図８に示す様に、電極母材３０、４
０と貴金属チップ５０、６０とが、レーザ溶接され溶融
部３５、４５を介して接合された場合でも、上記同様の
効果が得られる。また、貴金属チップ５０、６０として
は、Ｐｔ合金でなくＩｒ合金が抵抗またはレーザ接合さ
れたものでも良い。

【０１１０】［電極母材への貴金属チップの接合方法］
ところで、上記スパークプラグＳ１は、基本的には周知
の製造方法を用いて製造することができるが、接地電極
４０への貴金属チップ６０の接合方法については、従来
と異なる方法を用いることができる。本実施形態独自の
接地電極４０への貴金属チップ６０の接合方法について
述べる。

【０１１１】従来の接地電極４０への貴金属チップ６０
の接合方法を、図９に示す。取付金具（ハウジング）１
０の一端部１１に、接地電極４０となる棒状の電極母材
４００を溶接し（図９（ａ））、最終的な接地電極４０
の長さよりも長目に切断し（図９（ｂ））、貴金属チッ
プ６０を接合すべき部位にチップ６０を溶接した（図９
（ｃ））後、さらに、電極母材４００を再切断して最終
的な接地電極４０の長さとしている（図９（ｄ））。

【０１１２】従来において、このような製造方法を採用
するのは、次の理由による。図９（ｅ）は、図９（ｂ）
中のＧ部拡大図である。従来の接地電極用の電極母材４
００では、図９（ｅ）に示す様に、電極母材４００の切
断端部４０１にダレやバリが発生するので、もし、この
切断端部４０１に貴金属チップ６０を溶接しようとする
と、接合性を確保することが難しい。

【０１１３】そのため、電極母材４００における平坦部
分に貴金属チップ６０を接合して接合性を確保した後、
最終的な接地電極４０の長さを合わせるための再切断を
行う必要がある。

【０１１４】それに対して、本実施形態の電極母材は、
ＣｒやＡｌを上記した範囲にて添加したものとしてお
り、この電極母材を接地電極４０とした場合、従来の接
地電極における電極母材よりも硬度が向上している（硬
くなっている）ので、切断によるダレやバリの度合が小
さい。

【０１１５】そのため、本実施形態の電極母材を接地電
極４０に用いて、接地電極４０への貴金属チップ６０の
接合を行う場合には、電極母材を最終的な接地電極４０
の長さに切断した後、抵抗溶接やレーザ溶接にて貴金属
チップ６０を接合する。

【０１１６】この製造方法によれば、電極母材を、最初
から、最終的な接地電極４０の長さに切断した後、切断
端部近傍に貴金属チップ６０を接合しても、接合性を良
好なものにできる。そして、従来行っていた再切断が不
要であるため、工程の削減が図れると共に、再切断分の
材料費を節約することができる。

【０１１７】本実施形態の接地電極への貴金属チップ接
合方法の具体的な効果を図１０及び図１１に示す。接地
電極４０の電極母材としては、上記図５に示した従来
材、検討電極材Ｎｏ．１４（検討材Ｎｏ．１４）、検討
電極材Ｎｏ．１６（検討材Ｎｏ．１６）を用い、各材料
について、上記図９に示した従来の接合方法（従来方
法）および本実施形態の接合方法（再切断なし）にて、
接地電極側チップ６０の接合を行い、チップ接合性を調
べた。

【０１１８】接地電極側チップ６０の溶接及びチップ接
合性の評価は、上記図４、図５に示した検討例と同様の
抵抗溶接条件、エンジン試験後の剥離率にて行った。図
１０は、接地電極４０の長さＬ（上記図２参照）を１０
ｍｍ、エンジン試験時における接地電極４０の他端部４
２の温度（先端温度）を９５０℃とした場合、図１１
は、接地電極４０の長さＬを１５ｍｍとし、先端温度を
１０５０℃とした場合である。

【０１１９】図１０及び図１１から、本実施形態の接合
方法は、従来に比べて、剥離率が低くチップ接合性を向
上できており、また、従来の接合方法、本実施形態の接
合方法のどちらを用いても、十分なチップ接合性を確保
できることがわかる。

【０１２０】［電極母材の硬度］また、本実施形態にお
いて、電極母材の硬度（Ｈｖ０．５）が２１０以下であ
れば精度よくギャップ成形を行うことができ、さらにビ
ッカース硬度（Ｈｖ０．５）が１９０以下であれば一層
精度よくギャップ成形を行うことができる。上記例に示
したように、電極母材にＡｌが添加されると、その添加
量の増加と共に電極母材の硬度が上昇する。

【０１２１】その場合、固溶化処理を行うことで電極母
材の硬度を低下させ、放電ギャップ調整時の曲げ加工等
を容易にすることができる。図１２は、ＮＣＦ６００を
ベースにＡｌの添加量を変更した電極母材の硬度につい
て、本発明者等が検討した結果を示すもので、固溶化処
理した電極母材は、固溶化処理しないもの、本例では焼
きなまししたものに比べて、Ａｌ添加量を多くしても低
い硬度を実現することができた。

【０１２２】そして、図１３は、電極母材の硬度と放電
ギャップのばらつきの関係を示すもので、電極母材の硬
度（Ｈｖ０．５）が２１０以下であれば、精度よくギャ
ップ成形を行うことができ、さらにビッカース硬度（Ｈ
ｖ０．５）が１９０以下であれば一層精度よくギャップ
成形を行うことができ、より加工性に優れた電極母材を
実現することができる。

【０１２３】なお、ここでいう硬度は、電極母材におい
て曲げ加工による変形を受けていない部位の硬度、換言
すると、電極母材において加工硬化していない部位の硬
度である。

【０１２４】［電極母材の酸化形態］温度が１０００℃
以上という、電極母材の耐熱耐酸化性、電極母材と貴金
属チップとの接合性にとって厳しい高温環境下にてスパ
ークプラグＳ１を使用する場合、この高温環境において
短時間（１時間程度）で、電極母材に上記表面酸化被膜
や内部酸化層を形成させる必要がある。

【０１２５】また、本発明者等の検討によれば、これら
表面酸化被膜や内部酸化層といった被膜を破壊させずに
酸化進行を防ぐには、３００℃以下から１０００℃以上
の温度変化（１００回以上）で発生する熱応力が加わっ
ても、当該被膜を保持させる必要がある。

【０１２６】これらのことから、上記スパークプラグＳ
１における電極母材を、大気中にて３００℃以下から１
０００℃以上への温度変化が１００回以上行われるもの
であって、この温度変化による１０００℃以上の総時間
が１時間以上であるような環境変化（熱サイクル）の下
にさらしたときに、電極母材に上記表面酸化被膜や上記
内部酸化層が形成されれば良いといえる。

【０１２７】このような電極母材３０、４０は、上記し
たＮＣＦ６００にＡｌ等が添加されたＮｉ基合金等のよ
うに、主成分元素をＮｉとして、標準生成自由エネルギ
ーが主成分元素Ｎｉよりも小さいＣｒおよびＡｌを含む
２種類以上の添加元素が添加されている合金よりなるも
のであれば良い。

【０１２８】この熱サイクルに関する電極母材の具体例
として、電極母材３０、４０として、上記したＮＣＦ６
００にＡｌ等が添加されたＮｉ基合金を用い、上記環境
変化として、１０５０℃（３分間）と室温（３分間）の
繰り返し（熱サイクル）を１００サイクル行った。

【０１２９】この環境変化の後において、図１４に示す
ように、電極母材３０、４０において表面にＣｒの酸化
物であるＣｒ₂Ｏ₃被膜（表面酸化被膜）８０が形成さ
れ、このＣｒ₂Ｏ₃被膜８０よりも内部にＡｌの酸化物で
あるＡｌ₂Ｏ₃層（内部酸化層）８１が形成された。

【０１３０】このように、上記環境変化の下に電極母材
をさらした時、電極母材において表面にＣｒの酸化物が
形成され、このＣｒの酸化物よりも内部にＡｌの酸化物
が形成されるようになっていれば、１０００℃以上の厳
しい環境においても、、電極母材の耐熱耐酸化性、電極
母材と貴金属チップとの接合性を実用レベルにて確保す
ることができる。

【０１３１】また、これら表面酸化被膜や内部酸化層と
してのＣｒの酸化物やＡｌの酸化物は、上記高温環境下
での使用に伴って形成されていくため、電極母材側にお
いて上記添加元素の添加量を調整することで、初期的に
電極母材の加工性は問題ないものにできる。また、貴金
属チップ側の組成を変えることがないから、貴金属チッ
プの火花消耗性を確保することができる。

【０１３２】したがって、上記環境変化の下に電極母材
をさらした時、上記Ｃｒの酸化物および上記Ａｌの酸化
物が形成されるようになっていれば、貴金属チップの火
花消耗性および電極母材の加工性を確保しつつ、電極母
材と貴金属チップとの接合性に優れたスパークプラグを
提供することができる。

【０１３３】実際に、上記した熱サイクルに関する電極
母材の具体例について、上記図４、図５にて述べた検討
と同様の加工性、耐熱耐酸化性およびチップ接合性を評
価したところ、結果は良好であった。

【０１３４】なお、Ｃｒ₂Ｏ₃被膜（表面酸化被膜）８０
およびＡｌ₂Ｏ₃層（内部酸化層）８１は、それぞれ完全
に均一な膜として形成されていなくとも良く、各膜８
０、８１の中に部分的に、酸化されていない部分（未酸
化部）が存在していても良い。

【０１３５】また、これらＣｒの酸化物８０およびＡｌ
の酸化物８１は、電極母材３０、４０において少なくと
も貴金属チップ５０、６０の外周囲に形成されるように
すれば、上記効果を発揮することができる。図１５、図
１６には、接地電極４０を電極母材とした例を示す。

【０１３６】図１５は、接地電極４０の他端部４２に貴
金属チップ（接地電極側チップ）６０を抵抗溶接した例
であり、図１６は、レーザ溶接した例である。図１５、
図１６において、（ａ）は貴金属チップ接合面上から見
た平面図、（ｂ）は（ａ）中のＤ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線に沿
った概略断面図である。

【０１３７】図１５では貴金属チップ６０の外周囲に、
また、図１６では溶融部４５の外周囲に、上記のＣｒの
酸化物およびＡｌの酸化物よりなる被膜８２（上記図１
４におけるＣｒ₂Ｏ₃被膜８０およびＡｌ₂Ｏ₃層８１の積
層膜に相当するもの）が形成されている。この被膜８２
の形成領域は、図１５（ａ）、図１５（ａ）において斜
線ハッチングにて示してある。

【０１３８】これら図１５、図１６に示すように、貴金
属チップ６０の外周囲とは、接地電極（電極母材）４０
において、貴金属チップを電極母材へ接合して形成され
る溶融部を含む貴金属チップと電極母材との接合界面の
周囲を意味する。そして、上記環境変化の下に電極母材
をさらした時、電極母材における貴金属チップの外周囲
に、これら被膜８２が形成されれば良い。

【０１３９】また、図１５、図１６に示す電極母材（接
地電極）４０に対しても、上記した実施形態の接地電極
への貴金属チップ接合方法を適用できることはもちろん
である。

【０１４０】（他の実施形態）なお、本発明は、中心電
極か接地電極のどちらか一方のみに貴金属チップが接合
されているスパークプラグにも適用できる。さらには、
複数個の接地電極を有し、各々の接地電極に貴金属チッ
プを接合したものにも適用でき、また、電極の配置形態
や、電極形状、貴金属チップの形状に限定されるもので
はない。

【０１４１】また、本発明の電極母材は、例えば、図１
７（ａ）、（ｂ）に示すような電極構成を有するスパー
クプラグに対しても、適用可能である。図１７（ａ）
は、接地電極４０の概略断面構成を示すもので、接地電
極４０が、内部に位置するＣｕやＮｉ等よりなる芯材４
６と、この芯材４６を被覆する被覆材４７とより構成さ
れている。この場合、外層の被覆材４７を電極母材とし
て構成する。

【０１４２】また、図１７（ｂ）は、放電部を側方から
見た図であるが、電極母材である接地電極４０の他端部
４２に接合された貴金属チップ６０を、従来よりも中心
電極３０側へ長く（例えば１ｍｍ程度）伸ばし、接地電
極４０の熱引き性を向上させたものである。

【０１４３】この場合、貴金属チップ６０を長くした
分、接地電極４０が長くなり、その耐熱性が問題となっ
てくるが、上記した電極母材構成を採用することによっ
て、接地電極４０の耐熱性を問題ないものにすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るスパークプラグの全体
構成を示す半断面図である。

【図２】図１のスパークプラグにおける火花放電部近傍
の拡大断面図である。

【図３】接地電極と接地電極側チップとの接合部の概略
断面構成図である。

【図４】検討した電極母材の各種成分組成を示す図表で
ある。

【図５】図４に続く電極母材の各種成分組成を示す図表
である。

【図６】添加元素をＣｒおよびＡｌとしＣｒの添加量を
１６重量％としたものについて、Ａｌの添加量と剥離率
との関係を示す図である。

【図７】図６よりも接地電極温度を高温とした場合にお
けるＡｌの添加量と剥離率との関係を示す図である。

【図８】電極母材と貴金属チップとをレーザ溶接した場
合における、（ａ）火花放電部近傍の拡大断面図、
（ｂ）接地電極と接地電極側チップとの接合部の概略断
面構成図である。

【図９】従来の接地電極への貴金属チップの接合方法を
示す工程説明図である。

【図１０】本実施形態の接地電極への貴金属チップの接
合方法の具体的効果の一例を示す図である。

【図１１】本実施形態の接地電極への貴金属チップの接
合方法の具体的効果のもう一つの例を示す図である。

【図１２】電極母材のＡｌの添加量と硬度との関係を示
す図である。

【図１３】電極母材の硬度と放電ギャップのばらつきの
関係を示す図である。

【図１４】熱サイクルにより電極母材に形成されたＣｒ
の酸化物およびＡｌの酸化物の被膜構成を示す概略断面
図である。

【図１５】貴金属チップが抵抗溶接された接地電極にお
いて、貴金属チップの外周囲にＣｒの酸化物およびＡｌ
の酸化物の被膜が形成された状態を示すもので、（ａ）
は平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ概略断面図である。

【図１６】貴金属チップがレーザ溶接された接地電極に
おいて、貴金属チップの外周囲にＣｒの酸化物およびＡ
ｌの酸化物の被膜が形成された状態を示すもので、
（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ概略断面図で
ある。

【図１７】本発明の他の実施形態を示す図である。

【符号の説明】

３０…中心電極、４０…接地電極、５０、６０…貴金属
チップ。

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心電極（３０）と、 前記中心電極を保持する絶縁碍子（２０）と、 前記絶縁碍子を保持固定するハウジング（１０）と、 一端部が前記ハウジングに接合され他端部が前記中心電
   極と対向する接地電極（４０）とを備え、 前記中心電極と前記接地電極の少なくとも一方を電極母
   材とし、この電極母材に貴金属チップ（５０、６０）を
   接合してなるスパークプラグにおいて、 前記電極母材は、その成分元素において最も多く含む成
   分を主成分元素としたとき、前記主成分元素をＮｉまた
   はＦｅまたはＣｏとして、２種類以上の添加元素が添加
   されている合金であり、 前記２種類以上の添加元素の少なくとも２種類は、標準
   生成自由エネルギーが前記主成分元素より小さいもので
   あることを特徴とするスパークプラグ。
2. 【請求項２】 前記電極母材の前記主成分元素はＮｉで
   あることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラ
   グ。
3. 【請求項３】 前記主成分元素の１０００℃〜１１００
   ℃における標準生成自由エネルギーをＥ０とすると、前
   記添加元素の１種の１０００℃〜１１００℃における標
   準生成自由エネルギーＥ１は、前記Ｅ０の１．２倍より
   も小さく、前記添加元素の他の少なくとも１種類以上の
   元素の１０００℃〜１１００℃における標準生成自由エ
   ネルギーＥ２は、前記Ｅ１の１．２倍よりも小さいこと
   を特徴とする請求項１または２に記載のスパークプラ
   グ。
4. 【請求項４】 前記標準生成自由エネルギーＥ２を有す
   る添加元素の添加量は、１．５重量％以上であり、前記
   標準生成自由エネルギーＥ１を有する添加元素の添加量
   は、前記標準生成自由エネルギーＥ２を有する添加元素
   の個々の添加量の３倍以上であることを特徴とする請求
   項３に記載のスパークプラグ。
5. 【請求項５】 前記標準生成自由エネルギーＥ１を有す
   る添加元素はＣｒであることを特徴とする請求項４に記
   載のスパークプラグ。
6. 【請求項６】 前記標準生成自由エネルギーＥ２を有す
   る添加元素はＡｌを含むことを特徴とする請求項５に記
   載のスパークプラグ。
7. 【請求項７】 前記Ｃｒの添加量が１０〜２０重量％で
   あり、前記Ａｌの添加量が１．５〜５．５重量％である
   ことを特徴とする請求項６に記載のスパークプラグ。
8. 【請求項８】 前記Ａｌの添加量が２．２〜５．０重量
   ％であることを特徴とする請求項７に記載のスパークプ
   ラグ。
9. 【請求項９】 前記電極母材は、Ｆｅを前記Ａｌの添加
   量以上含むことを特徴とする請求項７または８に記載の
   スパークプラグ。
10. 【請求項１０】 前記電極母材において、前記主成分元
    素、前記Ｃｒおよび前記Ａｌ以外の元素の総量が２０重
    量％以下であることを特徴とする請求項９に記載のスパ
    ークプラグ。
11. 【請求項１１】 前記電極母材は、加工硬化していない
    部位の硬度（Ｈｖ０．５）が２１０以下であることを特
    徴とする請求項１０に記載のスパークプラグ。
12. 【請求項１２】 前記電極母材は、加工硬化していない
    部位の硬度（Ｈｖ０．５）が１９０以下であることを特
    徴とする請求項１０に記載のスパークプラグ。
13. 【請求項１３】 中心電極（３０）と、 前記中心電極を保持する絶縁碍子（２０）と、 前記絶縁碍子を保持固定するハウジング（１０）と、 一端部が前記ハウジングに接合され他端部が前記中心電
    極と対向する接地電極（４０）とを備え、 前記中心電極と前記接地電極の少なくとも一方を電極母
    材とし、この電極母材に貴金属チップ（５０、６０）を
    接合してなるスパークプラグにおいて、 前記電極母材は、主成分であるＮＣＦ６００にＡｌが添
    加されたものであることを特徴とするスパークプラグ。
14. 【請求項１４】 前記Ａｌの添加量は、１．５〜５．５
    重量％であることを特徴とする請求項１３に記載のスパ
    ークプラグ。
15. 【請求項１５】 前記Ａｌの添加量が２．２〜５．０重
    量％であることを特徴とする請求項１４に記載のスパー
    クプラグ。
16. 【請求項１６】 前記電極母材は、加工硬化していない
    部位の硬度（Ｈｖ０．５）が２１０以下であることを特
    徴とする請求項１５に記載のスパークプラグ。
17. 【請求項１７】 前記電極母材は、加工硬化していない
    部位の硬度（Ｈｖ０．５）が１９０以下であることを特
    徴とする請求項１５に記載のスパークプラグ。
18. 【請求項１８】 中心電極（３０）と、 前記中心電極を保持する絶縁碍子（２０）と、 前記絶縁碍子を保持固定するハウジング（１０）と、 一端部が前記ハウジングに接合され他端部が前記中心電
    極と対向する接地電極（４０）とを備え、 前記中心電極と前記接地電極の少なくとも一方を電極母
    材とし、この電極母材に貴金属チップ（５０、６０）を
    接合してなるスパークプラグにおいて、 大気中にて３００℃以下から１０００℃以上への温度変
    化が１００回以上行われるものであって、この温度変化
    による１０００℃以上の総時間が１時間以上であるよう
    な環境下に、前記電極母材をさらした時、前記電極母材
    において表面にＣｒの酸化物が形成され、このＣｒの酸
    化物よりも内部にＡｌの酸化物が形成されるようになっ
    ていることを特徴とするスパークプラグ。
19. 【請求項１９】 前記Ｃｒの酸化物および前記Ａｌの酸
    化物は、前記電極母材において少なくとも前記貴金属チ
    ップ（５０、６０）の外周囲に形成されることを特徴と
    する請求項１８に記載のスパークプラグ。
20. 【請求項２０】 前記貴金属チップ（５０、６０）は、
    Ｐｔを主成分としＩｒ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｗ、Ｐｄ、Ｒｕ、
    Ｏｓの少なくとも一つが添加された合金であることを特
    徴とする請求項１ないし１９のいずれか１つに記載のス
    パークプラグ。
21. 【請求項２１】 前記貴金属チップ（５０、６０）は、
    Ｐｔを主成分とし、５０重量％以下のＩｒ、４０重量％
    以下のＮｉ、５０重量％以下のＲｈ、３０重量％以下の
    Ｗ、４０重量％以下のＰｄ、３０重量％以下のＲｕ、２
    ０重量％以下のＯｓの少なくとも一つが添加された合金
    であることを特徴とする請求項２０に記載のスパークプ
    ラグ。
22. 【請求項２２】 前記貴金属チップ（５０、６０）は、
    Ｉｒを主成分としＲｈ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｄ、Ｒｕ、
    Ｏｓの少なくとも一つが添加された合金であることを特
    徴とする請求項１ないし１９のいずれか１つに記載のス
    パークプラグ。
23. 【請求項２３】 前記貴金属チップ（５０、６０）は、
    Ｉｒを主成分とし、５０重量％以下のＲｈ、５０重量％
    以下のＰｔ、４０重量％以下のＮｉ、３０重量％以下の
    Ｗ、４０重量％以下のＰｄ、３０重量％以下のＲｕ、２
    ０重量％以下のＯｓの少なくとも一つが添加された合金
    であることを特徴とする請求項２２に記載のスパークプ
    ラグ。
24. 【請求項２４】 請求項１ないし請求項２３のいずれか
    １つに記載のスパークプラグを製造する方法であって、 前記接地電極（４０）を電極母材とし、前記電極母材を
    最終的な前記接地電極の長さに切断した後、前記貴金属
    チップ（６０）を接合することを特徴とするスパークプ
    ラグの製造方法。
25. 【請求項２５】 中心電極（３０）と、中心電極を保持
    する絶縁碍子（２０）と、前記絶縁碍子を保持固定する
    ハウジング（１０）と、一端部が前記ハウジングに接合
    され他端部が前記中心電極と対向する接地電極（４０）
    と、電極母材としての前記接地電極に接合された貴金属
    チップ（６０）とを備え、 前記電極母材として、その成分元素において最も多く含
    む成分を主成分元素としたとき、前記主成分元素をＮｉ
    またはＦｅまたはＣｏとして２種類以上の添加元素が添
    加されている合金であって、前記２種類以上の添加元素
    の少なくとも２種類が、標準生成自由エネルギーが前記
    主成分元素より小さいものであるものを用いるスパーク
    プラグの製造方法であって、 前記電極母材を最終的な前記接地電極の長さに切断した
    後、前記貴金属チップ（６０）を接合することを特徴と
    するスパークプラグの製造方法。