JP2007328967A - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】電極の消耗が進んだ場合の放電電圧の上昇を抑制することにより、内燃機関用スパークプラグのさらなる長寿命化を図る。
【解決手段】中心電極３の貴金属チップ３１を、板状部３１ａとチップ側係合部３１ｂとで構成する。このとき、チップ側係合部３１ｂは、板状部３１ａから軸方向へ延設されている。一方、電極母材３２の先端には、母材側係合部３２ａが突出するように形成されており、前記チップ側係合部３１ｂとほぼ同形状のスペースＳ１が形成されている。そして、貴金属チップ３１が電極母材４１に溶接固定された状態では、チップ側係合部３１ｂの内側面Ｔ１及び母材側係合部３２ａの外側面Ｔ２を、その端部を接地電極に対する放電面である中心電極３の側面に露出させるようにする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、中心電極に貴金属が溶接されてなる内燃機関用スパークプラグに関する。

自動車エンジン等の内燃機関用スパークプラグでは、火花の発生毎に、電極（中心電極及び接地電極）の溶融、飛散、蒸着等が繰り返されながら、電極の消耗が進行していく。これにより、中心電極と接地電極とで形成される火花放電間隙は徐々に広くなり、電極間の火花放電に必要な放電電圧（要求電圧）も徐々に高くなっていく。そして、放電電圧が機関の供給可能電圧を上回ると、電極間の火花放電を発生させることができなくなる。したがって、内燃機関用スパークプラグの長寿命化は、上記火花放電間隙の成長率を低下させることなどにより、放電電圧の経時的な上昇を抑制することで達成できる。

従来のスパークプラグには、火花放電間隙の成長率を低下させるために、電極の放電面に貴金属チップを溶接したものがある。また、中心電極の径を大きくする等、電極のサイズを大きくしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特に、コージェネレーション用のガスエンジン等は、運転負荷が常に高く、また、長時間に亘って運転される。そのため、このようなエンジンにおいては、スパークプラグは厳しい環境下で使用されることになり、その火花放電間隙の成長率が、例えばガソリン自動車用のエンジンに用いられるスパークプラグと比べて高い傾向がある。したがって、上述したように電極のサイズを大きくすることによって、火花放電間隙の成長率を低下させることが有効である。
特開２００２−８３６６２号公報

しかしながら、電極のサイズを大きくすることで放電面の径が大きくなると、火花放電間隙の成長率は低下させられるものの、放電電圧が放電面の径に影響を受けることから、電極の消耗が進んで火花放電間隙がある程度の距離になると、放電電圧の急激な上昇を招くことになってしまう。結果として、電極のサイズを単に大きくすることだけでは、さらなる長寿命化の要請にこたえられないおそれがある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、電極の消耗が進んだ場合の放電電圧の上昇を抑制することにより、内燃機関用スパークプラグのさらなる長寿命化を図ることを目的とする。

以下、上記課題等を解決するのに適した各構成を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等を付記する。

構成１．本構成の内燃機関用スパークプラグは、中心電極と、当該中心電極の軸線方向に直交する径方向に対向配置され、前記中心電極の側面との間に火花放電間隙を形成する接地電極とを備えた内燃機関用スパークプラグにおいて、少なくとも前記中心電極は、先端に母材側係合部を有する柱状の電極母材と、当該電極母材の先端に固定されチップ側係合部を有する貴金属チップとから構成され、前記貴金属チップは、前記チップ側係合部が前記母材側係合部に係合した係合状態で、前記電極母材の基端側の溶融部にて溶接固定されており、前記係合状態における前記チップ側係合部と前記母材側係合部との両対向面には、当初から、又は、電極の消耗により、前記各対向面の端部を前記火花放電間隙に露出させる端部露出面が含まれていることを特徴とする。

本構成１では、少なくとも中心電極の側面との間に火花放電間隙を形成する接地電極を備えた内燃機関用スパークプラグを前提としている。すなわち、接地電極は、中心電極の軸線方向に直交する径方向に対向配置されている。

また、本構成１では、中心電極が、貴金属チップと、電極母材とから構成されている。貴金属チップは、チップ側係合部が電極母材の母材側係合部に係合した係合状態で、電極母材に溶接固定されている。そして、この係合状態におけるチップ側係合部と母材側係合部との両対向面には、各対向面の端部を火花放電間隙に露出させる端部露出面が含まれている。端部露出面の端部は、当初から露出状態となっていてもよいし、あるいは、中心電極の消耗により露出状態となってもよい。ここで「当初」とは、「未使用」であることを意味する。

電極母材は通常ニッケル（Ｎｉ）合金等から構成されており、貴金属に比較すると火花消耗の進行が早い。このため継続使用するにつれて電極の消耗が進み、電極母材と貴金属チップとの間の消耗度合いに較差が生じるようになる。

本構成１によれば、チップ側係合部と母材側係合部との対向面の中に端部露出面となるものが含まれており、上述のように消耗度合いに較差が生じることで、母材側係合部に比べチップ側係合部が火花放電間隙に突出する。この突出により、電界傾度は急峻なものとなる（いわば針効果が得られる）。

また、チップ側係合部の端部露出面の端部が、エッジとなって、火花放電間隙を臨むように出現する。このエッジ部分では、いわゆるエッジ効果によって、電界傾度が急峻なものとなる。

本来、電極の消耗によって火花放電間隙が拡大し、要求電圧が上昇してしまう問題が生じるのに対し、本構成１によれば、上記針効果及びエッジ効果によって要求電圧の上昇を相殺することができ、要求電圧の上昇を抑制することができる。その結果、内燃機関用スパークプラグのさらなる長寿命化を図ることができる。

上記効果を得るために、貴金属チップは、電極母材の基端側の溶融部で溶接固定されている。溶融部は溶融していない貴金属に比較して火花放電が生じやすい傾向がある。そのために溶融部が消耗すると、貴金属チップが脱落するおそれがある。そこで上記の構成のごとく、貴金属チップを溶接固定する部位を電極母材の基端側とし、火花放電間隙からの距離を確保しているのである。なお、このような観点から溶融部に関し、次の構成を採用してもよい。

構成２．本構成の内燃機関用スパークプラグは、前記中心電極と前記接地電極との間に所定電圧が印加されたときに、前記中心電極と前記接地電極との間に火花放電経路が形成される一方、前記溶融部と他方の（当該溶融部が設けられた電極とは反対側の）電極との間に火花放電経路が形成されないことを特徴とする。

上述したように溶融部は、貴金属と電極母材を構成する卑金属（例えばニッケル（Ｎｉ））合金とが溶融してなるため、貴金属よりもこの溶融部を介した火花放電が生じやすい。そして、溶融部において火花放電が頻発すると、溶融部の消耗が進み、場合によっては、貴金属チップの脱落を招くおそれがある。この点、本構成２によれば、溶融部が火花放電の基点とならないようにしているため、溶融部を介した火花放電を確実に抑制することができる。なお、この効果を得るためには、例えば中心電極について言えば、上記チップ側係合部を中心電極の軸線方向に長い形状とした上で、電極母材の基端側に溶融部を形成して、当該溶融部を接地電極の先端から所定距離以上離間させるようにすればよい。

なお、「所定電圧」とは、例えば、未使用のスパークプラグが車両に取り付けられた状態において印加される電圧である。

構成３．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１又は２において、前記接地電極は、前記径方向に複数配置されており、前記各接地電極によって、前記中心電極の側面との間に前記火花放電間隙が形成されていることを特徴とする。

上記構成１等における接地電極は、中心電極の側面との間に火花放電間隙を形成するものである。そこで、本構成３に示すように、複数の接地電極が中心電極の側面との間でそれぞれ火花放電間隙を形成する、いわゆる多極プラグとしてもよい。例えば、２つの接地電極を中心電極を挟んで対向配置したり、中心電極の周りの所定方向に３つ以上の接地電極を配置したりするという具合である。いずれにしても、針効果及びエッジ効果が奏されるよう上記端部露出面の端部が火花放電間隙に露出する構成とすれば、複数の接地電極を備えるスパークプラグ（多極プラグ）においても、その長寿命化を図ることができる。

構成４．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、前記貴金属チップは、前記端部露出面の端部が前記火花放電間隙に当初から露出しないように前記電極母材を覆う壁部を有しており、前記壁部の消耗により、前記端部露出面の端部が前記火花放電間隙に露出することを特徴とする。

本構成４によれば、貴金属チップが電極母材を覆う壁部を有しており、端部露出面の端部が火花放電間隙に当初から露出しないようになっている。したがって、当初、貴金属チップの壁部が放電面となり、この間、火花放電間隙の成長が抑えられる。結果として、火花放電間隙の成長による要求電圧の上昇を抑制することができ、内燃機関用スパークプラグのさらなる長寿命化を実現することができる。

構成５．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記貴金属チップは、前記電極母材が前記中心電極の先端面に露出しないように当該電極母材の先端を覆う板状部を有しており、前記チップ側係合部は、前記板状部から延設されていることを特徴とする。

本構成５によれば、貴金属チップが電極母材の先端を覆う板状部を有しており、上記チップ側係合部が板状部から延設されている。したがって、貴金属チップの一つの部材として形成することができ、電極母材への固定等、電極の形成作業が比較的容易になる。

構成６．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成５において、さらに、前記中心電極の先端面との間に火花放電間隙を形成する接地電極である平行電極を備えていることを特徴とする。

本構成６によれば、中心電極の先端面との間に火花放電間隙を形成する接地電極（以下「平行電極」という）を備えている。この場合、上記構成５に示した構成を前提とし、平行電極に対しては、上記板状部が放電面となり、軸線方向における火花放電間隙の成長が抑えられる。結果として、平行電極を備える内燃機関用スパークプラグにおいても、その長寿命化を実現できる。

構成７．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至６のいずれかにおいて、前記中心電極及び前記接地電極の両方が、前記貴金属チップ及び前記電極母材を備えていることを特徴とする。

上記構成１等においては少なくとも中心電極が貴金属チップ及び電極母材を備える構成であったが、本構成７では、両方の電極が、貴金属チップ及び電極母材を備える構成となっている。これにより、両方の電極の消耗が進むと、両電極において上記針効果及びエッジ効果が得られる。その結果、放電電圧の急激な上昇を確実に抑制でき、内燃機関用スパークプラグのさらなる長寿命化に寄与する。

構成８．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至７のいずれかにおいて、前記火花放電間隙は、０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする。

本構成８では、火花放電間隙が０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲となっている。このようなスパークプラグは、絶縁破壊強度が高いガスエンジンなどに使用され、電極の消耗が著しいため、上記各構成による効果が際立つ。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、例えばコージェネレーションシステムなどのガスエンジンに使用される「内燃機関用スパークプラグ」としてのスパークプラグ１００の構成を示す説明図である。

図１に示すように、スパークプラグ１００は、主体金具１と、絶縁体２と、中心電極３と、２つの接地電極４，５とを備えている。また、特に符号を付さないが絶縁体２の後端側（図１の上側）には、抵抗体やガラスシール体を介して中心電極３に電気的に接続された接続端子等を備えている。主体金具１は筒状をなしており、その内側に絶縁体２が滑石（タルク）やパッキン等を介して保持されている。絶縁体２の先端部２１は主体金具１から突出している。また、中心電極３は、その先端を突出させた状態で絶縁体２の内側に設けられている。さらに、２つの接地電極４，５は、前記中心電極３を挟んで対向配置されており、当該基端部が主体金具１の先端面に溶接されている。そして、各接地電極４，５は、その先端側が曲げ返されて、先端面が中心電極３の側面と対向するように配置されている。これにより、各接地電極４，５はそれぞれ、中心電極３の径方向において中心電極３の側面との間に火花放電間隙ｇ１，ｇ２を形成している。

前記絶縁体２は、例えばアルミナからなる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孔部６が形成され、この孔部６には、中心電極３が保持されている。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、図示しないエンジンのシリンダヘッドにプラグ１００を取り付けるためのねじ部７が形成されている。

図２に示すように、中心電極３は、電極母材３２と、その先端部に溶接固定された貴金属チップ３１とを備えている。同様に、一方の接地電極４は、電極母材４２と、その先端部に溶接固定された貴金属チップ４１とを備え、他方の接地電極５は、電極母材５２と、その先端部に溶接固定された貴金属チップ５１とを備えている。各電極母材３２，４２，５２は、Ｎｉ合金等で構成されている。また、各貴金属チップ３１，４１，５１は、例えばイリジウム（Ｉｒ）を主成分とする合金等により構成されている。

次に、中心電極３の構成について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は中心電極３の先端部の縦断面図である。なお、ここに示す縦断面は、中心電極３と接地電極４，５とが火花放電間隙ｇ１，ｇ２を介して対向する方向（対向方向）を法線とする断面である（すなわち、図３（ａ）の紙面に直交する方向に接地電極４，５が配置されている）。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線平断面図であり、図３（ｃ）は、貴金属チップ３１を電極母材３２に対して接合する前（溶融前）の態様を示す説明図である。

中心電極３の貴金属チップ３１は、図３（ａ）に示すように、板状部３１ａと、チップ側係合部３１ｂとを有している。板状部３１ａは、電極母材３２の先端を覆うように円板状をなしている。チップ側係合部３１ｂは、板状部３１ａの両端部から軸線方向へ延設されている（図３（ｂ）等参照）。なお、以下では、チップ側係合部３１ｂにおいて、板状部３１ａ側を先端側をいい、その反対側を後端側ということにする。

中心電極３の電極母材３２において貴金属チップ３１に近い部分は円柱状となっており、電極母材３２の先端には、母材側係合部３２ａが突出するように形成されている。図３（ｃ）に示すように、この母材側係合部３２ａは、上記チップ側係合部３１ｂを係合可能なスペースＳ１を形成している。

そして、チップ側係合部３１ｂの内側面と母材側係合部３２ａの外側面とが当接するようにして、貴金属チップ３１が電極母材３２に取り付けられる。ここで、チップ側係合部３１ｂの内側面及び母材側係合部３２ａの外側面が、火花放電間隙ｇ１に端部を露出させる端部露出面Ｔ１，Ｔ２となっている。ここで端部は、記号Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４として例示される。貴金属チップ３１は、そのチップ側係合部３１ｂの後端側の外縁部（電極母材３２の基端側）の溶融部３３にて、電極母材３２に対して溶接固定されている。なお、溶融部３３は、レーザー溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接等により形成される。

このように溶融部３３によって貴金属チップ３１が固定されており、チップ側係合部３１ｂと母材側係合部３２ａとの当接面である端部露出面Ｔ１，Ｔ２は、非接合状態となっている。また、溶融部３３は、チップ側係合部３１ｂの後端側の外縁部に形成されるのであるが、使用の際に中心電極３の放電面として火花放電経路の基点とならないように、例えば中心電極３の当初放電面からの距離が十分に確保されている。なお、距離を十分に確保するための構成として、チップ側係合部３１ｂを軸方向に比較的長いものとし、チップ側係合部３１ｂの後端部が絶縁体２の内部に収容される構成としてもよい。このようにすれば、溶融部３３が火花放電経路の基点となることを確実に抑止できる。

次に、接地電極４の構成について図４を参照して詳述する。図４（ａ）は接地電極４の先端部の縦断面図であり、図面上方が中心電極３の位置する側である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線平断面図である。さらに、図４（ｃ）は、貴金属チップ４１を電極母材４２に対して接合する前（溶融前）の態様を示す説明図である。なお、ここでは一方の接地電極４の構成について説明するが、他方の接地電極５も同様の構成となっている。

接地電極４の貴金属チップ４１は、図４（ａ）に示すように、壁部４１ａと、チップ側係合部４１ｂとを有している。壁部４１ａは、先端面（中心電極３との放電面）を曲面とし、電極母材４２の先端を覆う板状の部材である。チップ側係合部４１ｂは、壁部４１ａの両端部から延設されており、図４（ｂ）から分かるように、略四角柱状をなしている。なお、以下では、チップ側係合部４１ｂにおいて、壁部４１ａ側を先端側、その反対側を基端側ということにする。

接地電極４の電極母材４２において貴金属チップ４１に近い部分は、その先端を除いて、上記壁部４１ａの近傍の断面と同様の断面形状となっており、電極母材４２の先端中央部には、略四角柱状の母材側係合部４２ａが突出するように形成されている。図４（ｃ）に示すように、この母材側係合部４２ａは、上記チップ側係合部４１ｂを係合可能なスペースＳ２を形成している。

そして、チップ側係合部４１ｂの内側面と母材側係合部４２ａの外側面とが当接するようにして、貴金属チップ４１が電極母材４２に取り付けられる。ここで、チップ側係合部４１ｂの内側面及び母材側係合部４２ａの外側面が、火花放電間隙ｇ１に端部を露出させる端部露出面Ｔ３，Ｔ４となっている。ここで、端部は、記号Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４として例示される。貴金属チップ４１は、そのチップ側係合部４１ｂの基端側の外縁部（電極母材４２の基端側）の溶融部４３で、電極母材４２に対して溶接固定されている。なお、溶融部４３は、レーザー溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接等により形成される。

このように接地電極４においても中心電極３と同様、溶融部４３によって貴金属チップ４１が固定されており、チップ側係合部４１ｂと母材側係合部４２ａとの当接面である端部露出面Ｔ３，Ｔ４は、非接合状態となっている。また、溶融部４３は、チップ側係合部４１ｂの基端側の外縁部に形成されるのであるが、使用の際に接地電極４の放電面として火花放電経路の基点とならないように、例えば接地電極４の当初放電面からの距離が十分に確保されている。

次に、上記のように構成されてなる中心電極３及び接地電極４による作用について説明する。図５は、中心電極３及び接地電極４が火花放電によって消耗した態様を模式的に示す説明図である。なお、ここでは、一方の接地電極４についての作用を説明するが、他方の接地電極５についての作用も同様となる。

図５に二点鎖線で示すように、中心電極３と接地電極４とは、当初、０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下（本実施形態では０．２ｍｍ）の火花放電間隙ｇ１を形成するように配置される。なお、当初とは、スパークプラグ１が未使用状態であることをいう。このときは、中心電極３の側面ｈ１と、接地電極４の壁部４１ａの先端面とが、主として放電面となる。そして、中心電極３の側面ｈ１には、上記端部露出面Ｔ１，Ｔ２の端部が当初から露出した状態となっている。

その後、図５に実線で示すように、電極３，４が消耗すると（接地電極４にあっては壁部４１ａが消耗して端部露出面Ｔ３，Ｔ４の端部が露出した後、さらに消耗が進むと）、Ｎｉ合金からなる電極母材３２，４２の消耗速度が貴金属チップ３１，４１の消耗速度よりも大きいため、電極母材３２，４２に対してチップ側係合部３１ｂ，４１ｂが突出した状態となる。この突出により、この部分における電界傾度は急峻なものとなる（いわば針効果が得られる）。また、チップ側係合部３１ｂ，４１ｂと母材側係合部３２ａ，４２ａとの当接面である端部露出面Ｔ１とＴ２，Ｔ３とＴ４が非接合状態となっているため、チップ側係合部３１ｂ，４１ｂの端部露出面Ｔ１，Ｔ３の端部に、エッジＥ１，Ｅ２が現れる。

以上詳述したように、本実施形態によれば、電極３，４の消耗が進むと、チップ側係合部３１ｂ，４１ｂが火花放電間隙ｇ１に突出した状態となり（図５参照）、この部分における電界傾度が急峻なものとなる（いわば針効果が得られる）。また、本実施形態によれば、電極３，４の消耗が進んだ場合、チップ側係合部３１ｂ，４１ｂの端部露出面Ｔ１，Ｔ３の端部に、エッジＥ１，Ｅ２が現れる（図５参照）。したがって、このエッジＥ１，Ｅ２の部分で、電界傾度が急峻なものとなる（いわばエッジ効果が得られる）。しかも、中心電極３及び接地電極４の両方にチップ側係合部３１ｂ，４１ｂを有する貴金属チップ３１，４１を備える構成であるため、上記針効果及びエッジ効果が両電極３，４で得られ、放電電圧（要求電圧）の急激な上昇を抑制することが可能となる。すなわち、火花放電間隙の拡張による放電電圧（要求電圧）の上昇を、針効果及びエッジ効果によって相殺することができる。結果として、スパークプラグ１００のさらなる長寿命化を図ることができる。

また、本実施形態によれば、接地電極４の貴金属チップ４１の先端に壁部４１ａが設けられているため、当初は、この壁部４１ａが放電面となる。結果として、その間は、接地電極４の消耗が抑えられ、火花放電間隙ｇ１の成長が抑制される。

さらにまた、本実施形態によれば、中心電極３の貴金属チップ３１が電極母材３２の先端を覆う板状部３１ａを有しており（図３（ａ）参照）、上記チップ側係合部３１ｂが板状部３１ａから延設されている。したがって、貴金属チップ３１を一つの部材として形成することができ、電極母材３２への固定等、中心電極３の形成作業が比較的容易になる。

ところで、溶融部３３，４３は、貴金属と電極母材３２，４２を構成する卑金属合金とが溶融してなるため、貴金属合金と比べて、この溶融部３３，４３を介した火花放電が生じやすい。そして、溶融部３３，４３において火花放電が頻発すると、溶融部３３，４３の消耗が進み、場合によっては、貴金属チップ３１，４１の脱落を招くおそれがある。この点、本実施形態によれば、貴金属チップ３１，４１は、電極母材３２，４２の基端側の溶融部３３，４３で溶接固定されている。すなわち、電極３，４の溶融部３３，４３が放電面として火花放電の基点とならないように距離をおいている。これにより、溶融部３３，４３を介した火花放電を確実に抑制することができる。その結果、溶融部３３，４３の消耗が進みにくく、電極３，４が消耗したとしても、貴金属チップ３１，４１の脱落を招くようなことがない。

また、本実施形態のスパークプラグ１００は、例えばコージェネレーションシステムなどのガスエンジンに使用されるものである。このようなガスエンジンにおいては、常時運転等によりエンジン負荷の大きな状態が継続する。そのため、電極３，４の消耗が著しく電極サイズが大きくされる傾向にある。したがって、上記構成による効果が際立つ。
［第２実施形態］
本第２実施形態では、上記第１実施形態とは相違する中心電極６０を有している。そこで、以下では主として、中心電極６０の構成について説明する。図６（ａ）は中心電極６０の先端部の縦断面図である。なお、ここに示す縦断面は、中心電極６０と接地電極４，５とが火花放電間隙ｇ１，ｇ２を介して対向する方向（対向方向）を法線とする断面である（すなわち、図６（ａ）の紙面に直交する方向に接地電極４，５が配置されている）。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＣ−Ｃ線平断面図である。

さらに、本実施形態の中心電極６０も、貴金属チップ６１及び電極母材６２を備える構成となっており、図７（ａ）は、貴金属チップ６１を電極母材６２に対して接合する前（溶融前）の態様を示す説明図である。また、図７（ｂ）は、上記対向方向からの側面図である。

中心電極６０の貴金属チップ６１は、図６（ａ）に示すように、板状部６１ａと、チップ側係合部６１ｂとを有している。板状部６１ａは、電極母材６２の先端を覆うように円板状をなしている。チップ側係合部６１ｂは、板状部６１ａの中央部から軸線方向へ延設されており、平板状をなしている（図６（ｂ）等参照）。なお、以下では、チップ側係合部６１ｂにおいて、板状部６１ａ側を先端側といい、その反対側を後端側ということにする。

中心電極６０の電極母材６２において貴金属チップ６１に近い部分は円柱状となっており、電極母材６２の先端には、母材側係合部６２ａが形成されている。図７（ａ）に示すように、この母材側係合部６２ａは、上記チップ側係合部６１ｂを係合可能なスペースＳ３を形成している。

そして、チップ側係合部６１ｂの外側面と母材側係合部６２ａの内側面とが当接するようにして、貴金属チップ６１が電極母材６２に取り付けられる。ここで、チップ側係合部６１ｂの外側面及び母材側係合部６２ａの内側面が、火花放電間隙ｇ１に端部を露出させる端部露出面Ｔ５，Ｔ６となっている。ここで端部は、記号Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４として例示される。図７（ｂ）に示すように、貴金属チップ６１は、そのチップ側係合部６１ｂの後端側の外縁部（電極母材６２の基端側）の溶融部６３で、電極母材６２に対して溶接固定されている。なお、溶融部６３は、レーザー溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接等により形成される。

このように溶融部６３によって貴金属チップ６１が固定されており、チップ側係合部６１ｂと母材側係合部６２ａとの当接面である端部露出面Ｔ５，Ｔ６は、非接合状態となっている。また、溶融部６３は、チップ側係合部６１ｂの後端側の外縁部に形成されるのであるが、使用の際に中心電極６０の放電面として火花放電経路の基点とならないように、例えば中心電極６０の当初放電面からの距離が十分に確保されている。なお、距離を十分に確保するための構成として、チップ側係合部６１ｂを軸方向に比較的長いものとし、チップ側係合部６１ｂの後端部が絶縁体２の内部に収容される構成としてもよい。このようにすれば、溶融部６３が火花放電経路の基点となることを確実に抑止できる。

次に、上記のように構成されてなる中心電極６０及び接地電極４による作用について説明する。図８は、中心電極６０及び接地電極４が火花放電によって消耗した態様を模式的に示す説明図である。なお、ここでは、一方の接地電極４についての作用を説明するが、他方の接地電極５についての作用も同様となる。

図８に二点鎖線で示すように、中心電極６０と接地電極４とは、当初、０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下（本実施形態では０．２ｍｍ）の火花放電間隙ｇ１を形成するように配置される。このときは、中心電極６０の側面ｈ２と、接地電極４の壁部４１ａの先端面とが、主として放電面となる。そして、中心電極６０の側面ｈ２には、上記端部露出面Ｔ５，Ｔ６の端部が当初から露出した状態となっている。

その後、図８に実線で示すように、電極６０，４が消耗すると（接地電極４にあっては壁部４１ａが消耗して端部露出面Ｔ３，Ｔ４の端部が露出した後、さらに消耗が進むと）、Ｎｉ合金からなる電極母材６２，４２の消耗速度が貴金属チップ６１，４１の消耗速度よりも大きいため、電極母材６２，４２に対してチップ側係合部６１ｂ，４１ｂが突出した状態となる。この突出により、この部分における電界傾度は急峻なものとなる（いわば針効果が得られる）。また、チップ側係合部６１ｂ，４１ｂと母材側係合部６２ａ，４２ａとの当接面である端部露出面Ｔ５とＴ６，Ｔ３とＴ４が非接合状態となっているため、突出したチップ側係合部６１ｂ，４１ｂの端部露出面Ｔ５，Ｔ３の端部に、エッジＥ３，Ｅ２が現れる。

したがって、本第２実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の効果が奏される。

なお、上述した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。

（ａ）上記実施形態では、チップ側係合部３１ｂ，４１ｂ，６１ｂと母材側係合部３２ａ，４２ａ，６２ａとが、当接するよう構成されていた。これに対し、チップ側係合部３１ｂ，４１ｂ，６１ｂと母材側係合部３２ａ，４２ａ，６２ａとの間に隙間を有する構成としてもよい。非接合状態であれば所定のエッジ効果が得られるからである。

（ｂ）図９（ａ）〜（ｄ）は、スパークプラグ１００〜１０３の構成を示す図であって、軸線方向先端から見た状態を示す説明図である。上記実施形態のスパークプラグ１００では、図９（ａ）に示すように、２つの接地電極４，５が中心電極３（６０）を挟んで対向配置されていた。

これに対して、図９（ｂ）に示すスパークプラグ１０１のように、中心電極７０の周りに、３つの接地電極７１，７２，７３を配置するようにしてもよい。この場合、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、接地電極７１，７２，７３との間に形成される各火花放電間隙に端部露出面Ｔ７，Ｔ８の端部が露出するように、中心電極７０の平断面において、貴金属チップ７５に対して電極母材７６を略Ｔ字状としたり、貴金属チップ７７に対して電極母材７８を略十字状としたりすればよい。なお、これら図１０（ａ）及び（ｂ）に示す構成は、上記２つの接地電極４，５を備えるスパークプラグ１００にも適用可能である。

また、図９（ｃ）に示すスパークプラグ１０２のように、中心電極８０の周りに、１２０度の間隔で、３つの接地電極８１，８２，８３を配置するようにしてもよい。この場合、図１０（ｃ）に示すように、接地電極８１，８２，８３との間に形成される各火花放電間隙に端部露出面Ｔ９の端部が露出するように、中心電極８０の平断面において、貴金属チップ８５に対して電極母材８６を略Ｙ字状とすればよい。

（ｃ）さらに、上記図１０（ａ）〜（ｃ）に示した構成に代え、図１０（ｄ）〜（ｆ）に示す構成を採用してもよい。

図１０（ｄ）では、図１０（ａ）と同様、貴金属チップ７５１に対して電極母材７６１が略Ｔ字状となっているが、さらに、貴金属チップ７５１は、端部露出面Ｔ７１の端部が当初から火花放電間隙に露出しないように電極母材７６１を覆う壁部７５１ａを備えている。

同様に、図１０（ｅ）では、貴金属チップ７７１に対して電極母材７８１が略十字状となっているが、さらに、貴金属チップ７７１は、端部露出面Ｔ８１の端部が当初から火花放電間隙に露出しないように電極母材７８１を覆う壁部７７１ａを備えている。また、図１０（ｆ）では、図１０（ｃ）と同様、貴金属チップ８５１に対して電極母材８６１が略Ｙ字状となっているが、さらに、貴金属チップ８５１は、端部露出面Ｔ９１の端部が当初から火花放電間隙に露出しないように電極母材８６１を覆う壁部８５１ａを備えている。

これらの構成を採用すれば、当初は貴金属チップ７５１，７７１，８５１の壁部７５１ａ，７７１ａ，８５１ａが放電面となるため、その間は、火花放電間隙の成長が抑制されるという点で有利である。

（ｄ）またさらに、上記構成ではいずれも、端部露出面が火花放電間隙を介した電極の対向方向に平行になっていたが、これに限定されるものではなく、図１１（ａ）〜（ｃ）に示す構成を採用してもよい。すなわち、図１１（ａ）に示すように、貴金属チップ７５２に対して電極母材７６２を略三角形状とし、電極母材７６２の頂部Ｄ１が接地電極７１，７２，７３（図９（ｂ）参照）に対向配置されるようにしてもよい。また、図１１（ｂ）に示すように、貴金属チップ７７２に対して電極母材７８２を略四角形状とし、同様に、電極母材７８２の頂部Ｄ２が接地電極７１，７２，７３（図９（ｂ）参照）に対向配置されるようにしてもよい。さらにまた、図１１（ｃ）に示すように、貴金属チップ８５２に対して電極母材８６２を略三角形状とし、電極母材８６２の頂部Ｄ３が接地電極８１，８２，８３（図９（ｃ）参照）に対向配置されるようにしてもよい。

また、図１１（ａ）〜（ｃ）の構成に代え、電極母材７６２，７８２，８６２の頂部Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が電極側面に当初から露出する構成としてもよい。

（ｅ）また、図１０（ａ）〜（ｆ）及び図１１（ａ）〜（ｃ）に示す構成において、貴金属チップ７５，７７，８５，７５１，７７１，８５１，７５２，７７２，８５２と電極母材７６，７８，８６，７６１，７８１，８６１，７６２，７８２，８６２との関係を逆転させた構成としてもよい。

（ｆ）上記実施形態のスパークプラグ１００〜１０２は、中心電極３（６０），７０，８０の側方に接地電極４，５，７１〜７３，８１〜８３を配置したものであった（図９（ａ）〜（ｃ）参照）。これに対して、図９（ｄ）に示すように、中心電極９０の径方向に火花放電間隙を形成する接地電極９１，９２とともに、中心電極９０の軸線方向に火花放電間隙を形成する「平行電極」としての接地電極９３を備えたスパークプラグ１０３に本発明を適用することも可能である。

この場合、上記実施形態でいえば、図３（ａ）又は図６（ａ）に示す中心電極３，６０の上方から接地電極９３が対向することになる。その場合、当初、貴金属チップ３１，６１の板状部３１ａ，６１ａが放電面となって火花放電間隙の成長が抑制される。その後、板状部３１ａ，６１ａが消耗すると、端部露出面Ｔ１とＴ２，Ｔ５とＴ６の端部が火花放電間隙に露出し、結果として、チップ側係合部３１ｂ，６１ｂが火花放電間隙に突出する。また、チップ側係合部３１ｂ，６１ｂの端部露出面Ｔ１，Ｔ５の端部がエッジとなって現れる。したがって、軸線方向においても、上記同様、針効果及びエッジ効果が得られることになり、火花放電間隙の成長が抑制される。その結果、平行電極としての接地電極９３を備えるスパークプラグ１０３においても、その長寿命化が図られる。

（ｇ）上記実施形態の接地電極４，５は貴金属チップ４１の板状部４１ａの両端部からチップ側係合部４１ｂが延設された構成であったが（図４参照）、図１２（ａ）に示す接地電極４００のように、貴金属チップ４０１の壁部４０１ａの中央部から略四角柱状のチップ側係合部４０１ｂが延設された構成とし、電極母材４０２の母材側係合部４０２ａに係合する構成としてもよい。

また、図１２（ａ）に示す構成に代え、図１２（ｂ）に示すような、板状部を省略した接地電極４１０を採用してもよい。すなわち、接地電極４１０では、貴金属チップ４１１が略四角柱状のチップ側係合部４１１ｂから構成されている。そして、この貴金属チップ４１１が電極母材４１２の母材側係合部４１２ａに係合している。

なお、特に図示しないが、これらの構成の場合、チップ側係合部４０１ｂ，４１１ｂの後端部が接合されるように、電極母材４０２，４１２の外側からレーザー溶接等を行えばよい。

さらにまた、上記実施形態に示す構成に代え、図１２（ｃ）に示すような、板状部を省略した接地電極４２０を採用してもよい。すなわち、接地電極４２０では、貴金属チップ４２１が略四角柱状の２つのチップ側係合部４２１ｂから構成されている。そして、この貴金属チップ４２１が電極母材４２２の母材側係合部４２２ａに係合している。

（ｈ）なお、４つ以上の接地電極を備えるスパークプラグに本発明を適用することももちろん可能である。

スパークプラグの構成を示す説明図である。 中心電極及び接地電極の配置関係を示す部分拡大図である。 （ａ）は中心電極の先端部分の縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線平断面図であり、（ｃ）は、貴金属チップを電極母材に対して接合する前の態様を示す説明図である。 （ａ）は接地電極の先端部分の縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線平断面図であり、（ｃ）は、貴金属チップを電極母材に対して接合する前の態様を示す説明図である。 中心電極及び接地電極が火花放電によって消耗した態様を模式的に示す説明図である。 第２実施形態における中心電極の構成を示す断面図であり、（ａ）は中心電極の先端部分の縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線平断面図である。 第２実施形態における中心電極の構成を示すものであり、（ａ）は貴金属チップを電極母材に対して接合する前の態様を示す説明図であり、（ｂ）は電極対向方向からの側面図である。 第２実施形態における中心電極及び接地電極が火花放電によって消耗した態様を模式的に示す説明図である。 別実施形態のスパークプラグにおける接地電極の配置を示す説明図である。 別実施形態における中心電極の平断面図である。 別実施形態における中心電極の平断面図である。 別実施形態における接地電極の縦断面図である。

符号の説明

１…主体金具、２…絶縁体、３，６０，７０，８０，９０…中心電極、４，５，７１〜７３，８１〜８３，９１〜９３，４００，４１０，４２０…接地電極、３１，４１，６１，７５，７７，８５，７５１，７７１，８５１，７５２，７７２，８５２，４０１,４１１４２１…貴金属チップ、３１ａ，６１ａ…板状部、４１ａ，７５１ａ，７７１ａ，８５１ａ，４０１ａ…壁部、３１ｂ，４１ｂ，６１ｂ，４０１ｂ，４１１ｂ，４２１ｂ…チップ側係合部、３２，４２，６２，７６，７８，８６，７６１，７８１，８６１，７６２，７８２，８６２，４０２，４１２，４２２…電極母材、３２ａ，４２ａ，６２ａ，４０２ａ，４１２ａ，４２２ａ…母材側係合部、３３，４３，６３…溶融部、Ｅ１〜Ｅ３…エッジ、Ｓ１〜Ｓ３…スペース、Ｔ１〜Ｔ９，Ｔ７１，Ｔ８１，Ｔ９１…端部露出面、Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４，Ｃ１〜Ｃ４…端部、ｇ１，ｇ２…火花放電間隙。

Claims (8)

1. 中心電極と、当該中心電極の軸線方向に直交する径方向に対向配置され、前記中心電極の側面との間に火花放電間隙を形成する接地電極とを備えた内燃機関用スパークプラグにおいて、
   少なくとも前記中心電極は、先端に母材側係合部を有する柱状の電極母材と、当該電極母材の先端に固定されチップ側係合部を有する貴金属チップとから構成され、
   前記貴金属チップは、前記チップ側係合部が前記母材側係合部に係合した係合状態で、前記電極母材の基端側の溶融部にて溶接固定されており、
   前記係合状態における前記チップ側係合部と前記母材側係合部との両対向面には、当初から、又は、電極の消耗により、前記各対向面の端部を前記火花放電間隙に露出させる端部露出面が含まれていることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
2. 請求項１に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
   前記中心電極と前記接地電極との間に所定電圧が印加されたときに、前記中心電極と前記接地電極との間に火花放電経路が形成される一方、前記溶融部と他方の電極との間に火花放電経路が形成されないことを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
3. 請求項１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
   前記接地電極は、前記径方向に複数配置されており、
   前記各接地電極によって、前記中心電極の側面との間に前記火花放電間隙が形成されていることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
   前記貴金属チップは、前記端部露出面の端部が前記火花放電間隙に当初から露出しないように前記電極母材を覆う壁部を有しており、
   前記壁部の消耗により、前記端部露出面の端部が前記火花放電間隙に露出することを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
   前記貴金属チップは、前記電極母材が前記中心電極の先端面に露出しないように当該電極母材の先端を覆う板状部を有しており、
   前記チップ側係合部は、前記板状部から延設されていることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
6. 請求項５に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
   さらに、前記中心電極の先端面との間に火花放電間隙を形成する接地電極である平行電極を備えていることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
   前記中心電極及び前記接地電極の両方が、前記貴金属チップ及び前記電極母材を備えていることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
   前記火花放電間隙が、０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
   

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