JP2009070810A - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】Ｎｉ合金よりなる電極の先端部に、Ｐｔ合金よりなる貴金属チップが接合されてなるスパークプラグに関し、貴金属チップの脱落を抑制し、耐久性の向上を図る。
【解決手段】接地電極２７と貴金属チップ３２とが、Ｎｉ合金及びＰｔ合金が相互に溶融され混じり合うことによって形成された溶融部４２を介して接合される。当該溶融部４２には、針状又は根状の微小クラック５１が複数形成されており、断面視における微小クラックの平均長さが、５０μｍ以上５００μｍ以下であり、平均アスペクト比（短辺／長辺）が、０．０５以下である。接地電極２７を構成するＮｉ合金、及び、貴金属チップ３２を構成するＰｔ合金のうち少なくとも一方は、添加物質として周期律表の３Ａ族元素、４Ａ族元素、及び、それらの酸化物のうち少なくとも１種を含んでいる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関に使用されるスパークプラグに関する。

従来、自動車エンジン等の内燃機関用のスパークプラグとして、接地電極の先端部に貴金属合金よりなるチップが溶接されたものがある。上記貴金属チップを構成する素材としては、白金（Ｐｔ）を主成分とする貴金属合金が挙げられる。また、例えば、Ｐｔと比較して融点が高いロジウム（Ｒｈ）をＰｔ合金に含有することで、耐火花消耗性の向上を図ることも考えられている（例えば、特許文献１参照）。

さらに、貴金属チップを電極より突出させるとともに、貴金属チップとして細径化されたものを用いることで、着火性や火花伝播性の向上を図ることも考えられている（例えば、特許文献２参照）。

このように、耐火花消耗性や着火性等に優れたスパークプラグを得ることが種々考えられている。但し、その前提として、貴金属チップと電極との接合が確実になされていることが必要である。そこで、レーザ溶接によって貴金属チップと電極とを溶かし合い、溶融部を形成することで両者の確実な接合を図る技術がある（例えば、特許文献３参照）。
特開昭５８−１９８８８６号公報 特開２００１−３４５１６２号公報 特開２００５−９３２２１号公報

ところで、上記のような溶融部を具備してなるスパークプラグにおいて、溶融部中にボイドと呼ばれる比較的大きな空隙が存在していると、機械的強度の低下を招くこととなる。このため、一般的には、図６に示すように、溶融部中にボイド等が存在しないのが望ましいといえる。

しかしながら、昨今の厳しい運転条件下においては、上記のようにボイド等が全く存在しないスパークプラグであっても、チップが剥離、脱落してしまうという懸念がある。特に、近年では、耐熱性、耐腐食性の向上を図るべく、接地電極としてニッケル（Ｎｉ）合金が採用されるようになってきている。このような場合においては、接地電極と貴金属チップとでは、チップ径方向への膨張収縮の応力が相違し、該応力差に起因する歪みが、接地電極と貴金属チップとの境界領域にかかりやすくなってしまう。また、着火性、火炎伝播性の向上を図るべく近年の貴金属チップの突出長の増大、細径化に伴い、上記熱応力差に起因する歪みがより一層顕著になってきている。そのため、例えば図７に示すように、貴金属チップと溶融部との界面において剥離が生じ、ひいてはチップが脱落してしまうおそれがある。

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、ニッケル合金よりなる電極の先端部に、白金合金よりなる貴金属チップが接合されてなるスパークプラグに関し、貴金属チップの脱落を抑制し、耐久性の向上を図ることができる内燃機関用スパークプラグを提供することにある。

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を付記する。

構成１．本構成のスパークプラグは、
中心電極と、
前記中心電極の外側に設けられた絶縁体と、
前記絶縁体の外側に設けられた主体金具と、
前記主体金具に設けられ、先端部が前記中心電極の先端部と対向するよう配置された接地電極とを備え、
前記中心電極の先端部及び前記接地電極の先端部間に火花放電間隙を有する内燃機関用スパークプラグであって、
前記中心電極と前記接地電極のうち、少なくとも一方の前記先端部には白金（Ｐｔ）を主成分とする白金合金よりなる貴金属チップが接合されており、当該貴金属チップを備える電極はニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル合金よりなるとともに、
前記貴金属チップは、ニッケル合金及び白金合金が相互に溶融され混じり合うことによって形成された溶融部を介して接合され、
当該溶融部には、針状又は根状の微小クラックが複数形成されていることを特徴とする。

ここで、「主成分」とあるのは、材料中、最も質量比の高い成分を指すものである。また、「針状又は根状の微小クラック」とあるのは、球状あるいはそれに近いボイドとは異なり、細長いクラックを指す。従って、強度面で重大な支障を来すほどの大きなものは除外される。また、クラックは、１本のみからなる針状のものに限られず、二股、三股…に枝分かれした根状のものであってもよい。具体的には実施例として後述するが、図４に示すものを指す。

上記構成１によれば、中心電極と接地電極のうち、少なくとも一方の電極の先端部には、Ｐｔを主成分とするＰｔ合金よりなる貴金属チップが接合されている。このため、高温下における耐火花消耗性の向上を図ることができる（単に「電極」とは中心電極と接地電極のうちの一方又は双方を意味する）。その結果、貴金属チップの消耗が抑制され、耐久性の向上を図ることができる。また、電極は、Ｎｉを主成分とするＮｉ合金よりなるため、耐熱性、耐腐食性に優れる。さらに、電極と貴金属チップとは、Ｎｉ合金及びＰｔ合金が相互に溶融され混じり合うことによって形成された溶融部を介して接合される。このため、基本的には、冷熱の繰り返しにより加えられる電極及び貴金属チップへの応力は、溶融部において緩和され、接合状態の安定化が図られる。

一方で、両素材の差異に起因して、エンジンの燃焼サイクルに伴う冷熱の繰り返しによるチップ径方向への膨張収縮の応力に差異が生じることが懸念される。この点、構成１では、溶融部に針状又は根状の微小クラックが複数形成されている。このため、当該微小クラックにおいて上記応力が吸収されることとなる。従って、貴金属チップと溶融部との界面、あるいは溶融部と電極との界面に加えられる歪み応力が効果的に低減させられることとなる。その結果、長期間冷熱が繰り返されたとしても、界面剥離が生じにくくなり、貴金属チップの脱落を長期に亘って防止することができる。

尚、貴金属チップの接合方法としては、溶融部が適正に形成される手法であれば特に限定されるものではなく、例えば、レーザ溶接或いは電子ビーム溶接といった溶接が例示される。但し、抵抗溶接では、微小クラックを有する溶融部を形成することが困難であり、必ずしも好適とはいえない。また、微小クラックの形成された溶融部は、主として電極側により広い領域で形成されているのが望ましい。溶融部を微小クラックが形成された領域と形成されない領域とに区画したときに、微小クラックが形成された領域が電極側に広がっていることで、貴金属チップの機械的接合強度が低下しがちになることを避けるためである。このような構成が望まれる背景としては、例えば主体金具のねじ径がＭ１２以下等の小径となることで、中心電極や接地電極の先端部の熱引きが悪化することから、発生する熱応力が大きくなることがあげられる。また、熱応力が大きいほど本発明を採用する相対的価値は大きく、この点に鑑み、接地電極に貴金属チップを接合する際に本発明はより一層効果的であるとも言える。従って、次の構成２としてもよい。

構成２．構成１に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、前記貴金属チップを備える前記電極は接地電極であることを特徴とする。

上記のように、微小クラックを具備することで、貴金属チップの脱落を効果的に防止できるのであるが、どのようなクラックであっても許容されるという訳ではない。例えば上述のとおり、クラックが大きすぎたりする場合には、溶融部自体の機械的強度の低下を招くこととなってしまう。こういった点に鑑み、微小クラックとしては、次の構成３、構成４のようにするのが望ましい。

構成３．構成１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記溶融部の断面視における前記微小クラックの平均長さが、５０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする。

構成４．構成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、
前記溶融部の断面視における前記微小クラックの平均アスペクト比（短辺／長辺）が、０．０５以下であることを特徴とする。

構成３において、「長さ」とあるのは、微小クラックの一端から最も遠い他端までの距離を指すものであって、「平均長さ」とあるのは、微小クラック所定数（例えば２０個）あたりの平均長さを指す。

微小クラックの平均長さが５０μｍ未満の場合には、上記の応力吸収作用が十分なものとならないおそれがある。また、微小クラックの平均長さが５００μｍを超える場合には、溶融部自体の機械的強度の低下を招いてしまうおそれがある。

構成４において、「アスペクト比」とあるのは、微小クラックの短辺に対する長辺の比率を指すものである。また、「平均アスペクト比」とあるのは、微小クラック所定数（例えば２０個）あたりの平均アスペクト比を指す。

構成４において、平均アスペクト比（短辺／長辺）が、０．０５を超える場合には、溶融部自体の機械的強度の低下を招いてしまうおそれがある。

また、上記のように、溶融部に、針状又は根状の微小クラックが複数形成された構成とするためには、次のようにするのが望ましい。

構成５．構成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、
前記貴金属チップを備える前記電極を構成するＮｉ合金、及び、前記貴金属チップを構成するＰｔ合金のうち少なくとも一方は、添加物質として周期律表の３Ａ族元素、４Ａ族元素、及び、それらの酸化物のうち少なくとも１種を含んでいることを特徴とする。

構成５のように、前記貴金属チップを備える前記電極を構成するＮｉ合金、及び、前記貴金属チップを構成するＰｔ合金のうち少なくとも一方に、添加物質として周期律表の３Ａ族元素、４Ａ族元素、及び、それらの酸化物のうち少なくとも１種が含まれていると、Ｎｉ合金及びＰｔ合金が相互に溶融された際に、添加物質が、溶融部に相当する部位に分散、点在することとなる。そして、溶融部に相当する部位が固化される際に、前記添加物質が存在する部分を基点として微小クラックが形成されやすくなるものと考えられる。すなわち、Ｎｉ合金及びＰｔ合金に上記添加物質が含まれる構成とすることで、より確実に微小クラックを形成することができる。

また、特に、次の構成とするのがより望ましい。

構成６．構成５に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記添加物質は、Ｚｒ、Ｙ、Ｎｄ、Ｙ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂のうち少なくとも１種を含んでいることを特徴とする。

構成７．構成５又は６に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記添加物質の総含有量が０．００５質量％以上０．３質量％以下であることを特徴とする。

構成６，７によれば、構成５の作用効果がより確実に奏される。

特に、添加物質の総含有量が０．００５質量％未満の場合には、微小クラックが形成されにくくなることが懸念される。一方、添加物質の総含有量が０．３質量％を超えると、加工性が悪化するおそれがある。このように、この添加物質の総含有量について、その下限値は微小クラックの形成の観点から決定される。このため、貴金属チップを備える電極と貴金属チップのうち、いずれか一方に含有される添加物質の総含有量がその下限値を上回っていればよく、双方においてその下限値を上回っている必要はない。しかし、双方において、その下限値を上回っている方が好ましいことは言うまでもない。一方、その上限値については、貴金属チップを備える電極や貴金属チップ自体の加工性に影響するため、双方においてその上限値を下回っていることが好ましい。

ところで、上述の通り、微小クラックが形成されるようにするためには溶融部にある程度の添加物質が含まれていることがその要因であると考えられる。したがって、次の構成８とするのが望ましい。

構成８．構成５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、
前記溶融部における前記添加物質の総含有量は０．００２５質量％以上であることを特徴とする。

また、従来では、貴金属チップが剥離するよりも以前に、電極自体、或いは、貴金属チップ自体が先に寿命に達してしまうこともあった。これに対し、構成１等によれば、従来に比べて貴金属チップの剥離が起こりにくくなったため、内燃機関用スパークプラグとしての長寿命化を図るためには、電極自体、貴金属チップ自体の耐久性能のより一層の向上を図ることが望ましい。そこで、次のように構成するのがより好ましいといえる。

構成９．構成１乃至８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、
前記貴金属チップを構成するＰｔ合金は、Ｒｈを含んでおり、当該Ｒｈの含有量は３質量％以上３０質量％以下であることを特徴とする。

構成１０．構成１乃至９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、
前記貴金属チップを備える前記電極を構成するＮｉ合金は、Ｃｒを１０質量％以上３０質量％以下含んでいるとともに、Ａｌを０．５質量％以上３．０質量％以下含んでいることを特徴とする。

構成９のように、貴金属チップを構成するＰｔ合金が、３質量％以上３０質量％以下のＲｈを含有することで、より高温下での耐久性が増し、耐火花消耗性の飛躍的な向上を図ることができる。

また、構成１０のように、前記貴金属チップを備える前記電極を構成するＮｉ合金が、Ｃｒを１０質量％以上３０質量％以下含み、Ａｌを０．５質量％以上３．０質量％以下含んでいることで、耐熱性、耐腐食性の飛躍的な向上を図ることができる。

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。なお、図１では、スパークプラグ１の軸線Ｃ１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、長尺状をなす絶縁体としての絶縁碍子２、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には、軸線Ｃ１に沿って軸孔４が貫通形成されている。そして、軸孔４の先端部側には中心電極５が挿入、固定され、後端部側には端子電極６が挿入、固定されている。軸孔４内における中心電極５と端子電極６との間には、抵抗体７が配置されており、この抵抗体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。

中心電極５は、絶縁碍子２の先端から突出し、端子電極６は絶縁碍子２の後端から突出した状態でそれぞれ固定されている。また、中心電極５には、その先端に貴金属チップ３１が溶接により接合されている（これについては後述する）。

一方、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、軸線Ｃ１方向略中央部において径方向外向きに突出形成されたフランジ状の大径部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細径に形成され、内燃機関（エンジン）の燃焼室に晒される脚長部１３とを備えている。絶縁碍子２のうち、大径部１１、中胴部１２、脚長部１３を含む先端側は、筒状に形成された主体金具３の内部に収容されている。そして、脚長部１３と中胴部１２との連接部には段部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。

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をエンジンヘッドに取付けるためのねじ部（雄ねじ部）１５が形成されている。ねじ部１５の後端側の外周面には座部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、主体金具３をエンジンヘッド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が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子２を保持するための加締め部２０が設けられている。

また、主体金具３の内周面には、絶縁碍子２を係止するための段部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固定される。なお、絶縁碍子２及び主体金具３双方の段部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空気が外部に漏れないようにしている。

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との間に環状のリング部材２３，２４が介在され、リング部材２３，２４間にはタルク（滑石）２５の粉末が充填されている。すなわち、主体金具３は、板パッキン２２、リング部材２３，２４及びタルク２５を介して絶縁碍子２を保持している。

また、主体金具３の先端面２６には、略Ｌ字状をなす接地電極２７が接合されている。すなわち、接地電極２７は、前記主体金具３の先端面２６に対しその基端部が溶接されるとともに、先端側が曲げ返されて、その先端側の一側面が中心電極５の先端部（貴金属チップ３１）と対向するように配置されている。当該接地電極２７には、前記貴金属チップ３１に対向するようにして貴金属チップ３２が設けられている。そして、これら貴金属チップ３１，３２間の隙間が火花放電間隙３３となっている。

図２に示すように、中心電極５は、銅又は銅合金からなる内層５Ａと、ニッケル（Ｎｉ）合金からなる外層５Ｂとにより構成されている。また、接地電極２７は、Ｎｉ合金によって構成されている。

中心電極５は、その先端側が縮径されるとともに、全体として棒状（円柱状）をなし、その先端面が平坦に形成されている。ここに円柱状をなす上記貴金属チップ３１を重ね合わせ、さらにその接合面外縁部に沿ってレーザ溶接、或いは、電子ビーム溶接等を施すことにより貴金属チップ３１と中心電極５とが溶け合い、溶融部４１が形成される。すなわち、貴金属チップ３１は、中心電極５先端に対し、溶融部４１で固着されることで接合されている。

一方、これに対向する貴金属チップ３２は、接地電極２７の先端部分に接合されている。すなわち、接地電極２７の所定位置上に貴金属チップ３２を位置合わせし、その接合面外縁部に沿ってレーザ溶接、或いは、電子ビーム溶接等を施すことにより貴金属チップ３２と接地電極２７とが溶け合い、溶融部４２が形成される。すなわち、貴金属チップ３２は、接地電極２７の先端部分に対し、溶融部４２で固着されることで接合されている（この点については後述する）。

尚、中心電極５側の貴金属チップ３１を省略する構成としてもよい。この場合には、対向する貴金属チップ３２と中心電極５の本体部との間で火花放電間隙３３が形成される。

さて、本実施形態において、前記貴金属チップ３１，３２（特に、接地電極２７側の貴金属チップ３２）は、白金（Ｐｔ）を主成分としており、ロジウム（Ｒｈ）を含む。Ｒｈは、省略することとしてもよいが、貴金属チップ３２自体の耐久性能の向上を図る等の観点からは、その含有量は、３質量％以上３０質量％以下であることが望ましい。また、本実施形態における貴金属チップ３２は、添加物質として周期律表の３Ａ族元素、４Ａ族元素、及び、それらの酸化物のうち少なくとも１種を含んでいる。添加物質としては、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、ネオジム（Ｎｄ）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）のうち少なくとも１種を含んでいることが望ましい。本実施形態では、添加物質の総含有量が０．００５質量％以上０．３質量％以下とされている。

一方、前記接地電極２７を構成するＮｉ合金は、クロム（Ｃｒ）を１０質量％以上３０質量％以下含んでいるとともに、アルミニウム（Ａｌ）を０．５質量％以上３．０質量％以下含んでいる。これにより、接地電極２７自体の耐久性能の向上が図られている。また、上述した添加物質は、当該接地電極２７中に含まれていてもよい。つまり、添加物質は、前記Ｐｔ合金に含まれていてもよいし、Ｎｉ合金に含まれていてもよいし、双方に含まれていてもよい。但し、いずれの場合においても、各合金中の添加物質の総含有量が０．００５質量％以上０．３質量％以下とされるのが望ましい。

これら貴金属チップ３１，３２は、例えば次のようにして製造される。まず、主成分をＰｔとするインゴットを用意し、上述した所定の組成となるよう各合金成分（本実施形態では、Ｒｈ等）を配合・溶融し、当該溶融合金に関し再度インゴットを形成し、その後、当該インゴットについて熱間鍛造、熱間圧延（溝ロール圧延）を施す。その後、線引き加工を施すことで、棒状素材を得た後、それを所定長に切断することで、円柱状の貴金属チップ３１，３２を得る。

さて、本実施形態における貴金属チップ３２は、レーザ溶接、或いは、電子ビーム溶接等を施すことにより接地電極２７とが溶け合い、溶融部４２が形成され、当該溶融部４２で固着されることで接地電極２７に接合されている点については上述したとおりである。さらに本実施形態では、図３に示すように、前記溶融部４２には、針状又は根状の微小クラック５１が複数形成されている。ここで、「針状又は根状の微小クラック５１」とあるのは、球状あるいはそれに近いボイドとは異なり、細長いクラックを指す。従って、強度面で重大な支障を来すほどの大きなものは除外される。また、微小クラック５１は、１本のみからなる針状のものに限られず、枝分かれした根状のものであってもよい。また、本実施形態では、溶融部４２の断面視における微小クラック５１の平均長さが、５０μｍ以上５００μｍ以下であり、かつ、微小クラックの平均アスペクト比（短辺／長辺）が、０．０５以下である。当該微小クラックは、主として上述した添加物質を含有させていることによると考えられる。すなわち、接地電極２７を構成するＮｉ合金、及び、貴金属チップ３２を構成するＰｔ合金のうち少なくとも一方に、上記添加物質が含まれていると、Ｎｉ合金及びＰｔ合金が相互に溶融された際に、添加物質が、溶融部４２に相当する部位に分散、点在することとなる。そして、溶融部４２に相当する部位が固化される際に、前記添加物質が存在する部分を基点として微小クラック５１が形成されるものと考えられる。

この形成される溶融部４２には上述した添加物質が０．００２５質量％以上含有される。

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（例えばＳ１７ＣやＳ２５Ｃといった鉄系素材やステンレス素材）を冷間鍛造加工により貫通孔を形成し、概形を製造する。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（例えばインコネル系合金等）からなる接地電極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。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、耐食性向上を図るべく、その表面に、さらにクロメート処理が施されることとしてもよい。

さらに、接地電極２７の先端部には、上述した貴金属チップ３２が、レーザ溶接、或いは、電子ビーム溶接等により接合される。尚、溶接をより確実なものとするべく、当該溶接に先だって溶接部位のメッキ除去が行われたり、或いは、メッキ工程に際し溶接予定部位にマスキングが施されたりする。また、当該貴金属チップ３２の溶接を、後述する組付けの後に行うこととしてもよい。

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、成型用素地造粒物を調製し、これ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。得られた成形体に対し、研削加工が施され整形される。そして、整形されたものが焼成炉へ投入され焼成される。焼成後、種々の研磨加工を施すことで、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、中心電極５を製造しておく。すなわち、Ｎｉ系合金が鍛造加工され、その中央部に放熱性向上を図るべく銅合金からなる内層５Ａが設けられる。そして、その先端部には、上述した貴金属チップ３１が抵抗溶接やレーザ溶接等により接合される。

そして、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が押圧された状態とした上で、焼成炉内にて焼き固められる。尚、このとき、絶縁碍子２の後端側の胴部表面には釉薬層が同時に焼成されることとしてもよいし、事前に釉薬層が形成されることとしてもよい。

その後、上記のようにそれぞれ作成された中心電極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とが組付けられる。より詳しくは、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固定される。

そして、最後に、接地電極２７を屈曲させることで、中心電極５の先端に設けられた貴金属チップ３１及び接地電極２７に設けられた貴金属チップ３２間の前記火花放電間隙３３を調整する加工が実施される。

このように一連の工程を経ることで、上述した構成を有するスパークプラグ１が製造される。

そして、上記のように構成されてなる本実施形態のスパークプラグ１によれば、接地電極２７と貴金属チップ３２とは、Ｎｉ合金及びＰｔ合金が相互に溶融され混じり合うことによって形成された溶融部４２を介して接合される。このため、基本的には、冷熱の繰り返しにより加えられる接地電極２７及び貴金属チップ３２への応力は、溶融部４２において緩和され、接合状態の安定化が図られる。一方で、両素材の差異に起因して、冷熱の繰り返しによるチップ径方向への膨張収縮の応力に差異が生じることが懸念される。この点、本実施形態では、溶融部４２に針状又は根状の微小クラック５１が複数形成されている（図４の断面写真参照）。このため、当該微小クラック５１において上記応力が吸収される。従って、貴金属チップ３２と溶融部４２との界面、あるいは溶融部４２と接地電極２７との界面に加えられる歪み応力が効果的に低減させられることとなる。その結果、長期間冷熱が繰り返されたとしても、界面剥離が生じにくくなり、貴金属チップ３２の脱落を長期に亘って防止することができる。尚、図５は、後述するサンプル１４の高周波冷熱試験後における断面写真である。同図から明らかなように、冷熱試験後であっても、界面剥離などは認められなかった。

次に、本実施形態によって奏される作用効果を確認するべく、各種条件を変更することで種々のサンプルを作製し、種々の評価を試みた。その実験結果を以下に記す。

先ずサンプルとしては、いずれも主成分をＮｉとし、他の成分の含有割合が異なる各種接地電極サンプルと、いずれも主成分をＰｔとし、他の成分の含有割合が異なる各種貴金属チップサンプルとを作製した。そして、各接地電極サンプルに対し貴金属チップサンプルをレーザ溶接により接合してなるサンプルを作成した（サンプル１〜２２）。当該サンプルにつき、溶融部の断面を電子顕微鏡で観察し、微小クラックの平均長さを求めるとともに、耐久性の評価試験を行った。その評価結果を表１に示す。

尚、耐久性判定（耐久性の評価試験）については、上述のバーナー冷熱試験を行った上で判定することとしている。より詳しくは、１０００℃で２分間加熱して１分間放置（冷却）することを１サイクルとして、これを１００００サイクル繰り返した。そして、貴金属チップと溶融部との間での界面剥離の程度が、半断面における界面の全長に対して１０％未満の場合には、十分な耐久性を具備しているものとして「◎」の評価を下すこととし、１０％以上２５％未満の場合には、まずまずの耐久性を具備しているものとして「○」の評価を下すこととし、２５％以上５０％未満の場合には、許容される程度の耐久性を具備しているものとして「△」の評価を下すこととし、５０％以上の場合には、耐久性に乏しいものとして「×」の評価を下すこととした。また、表中の各成分の数値は、質量％を示す。

表１に示すように、周期律表の３Ａ族元素、４Ａ族元素、及び、それらの酸化物のうちのいずれの添加物質をも含んでいないサンプル１に関しては、溶融部に微小クラックがほとんど形成されず、その平均長さも３０μｍ未満であった。そして、この場合、耐久性に欠けるものとなってしまうことが明らかとなった。

一方、周期律表の３Ａ族元素、４Ａ族元素、及び、それらの酸化物のうちのいずれかの添加物質が接地電極又は貴金属チップに含まれているサンプル（サンプル２〜２２）に関しては、溶融部に少なくとも平均長さ３０μｍ以上の微小クラックが形成された。そして、この場合、最低限の耐久性を確保できることが明らかとなった。また、特に、添加物質として、Ｚｒ、Ｙ、Ｎｄ、Ｙ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂のうち少なくとも１種を含む構成とし、当該添加物質の接地電極又は貴金属チップへの総含有量が０．００５質量％以上０．３質量％以下とすることで、微小クラックの平均長さが５０μｍ〜４００μｍとなり、まずまず乃至十分な耐久性を確保することができた。

また、接地電極の組成が同じであっても、貴金属チップ中にＲｈが少なくとも３質量％以上含有されていることで、耐久性の向上をより確実に図ることができることが明らかとなった。さらに、貴金属チップの組成が同じであっても、接地電極中にＣｒが１０質量％以上含まれ、Ａｌが０．５質量％以上含まれることで、耐久性の向上をより確実に図ることができることが明らかとなった。

尚、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）上記実施形態の表１では、微小クラックの平均長さが４００μｍを超える事例については記載されていないが、４００μｍを超えるものであっても差し支えない。但し、所定の強度を確保するという観点からは、微小クラックの平均長さは５００μｍ以下であることが望ましい。

（ｂ）上記実施形態では、溶融部４２が一側と他側とで繋がった断面が示されているが、必ずしも繋がっていなくても差し支えない。

（ｃ）上記実施形態では、主成分をＰｔとするインゴットを用意し、所定の組成となるよう各合金成分を配合・溶融し、当該溶融合金を元に貴金属チップ３１，３２を得ているが、所定の組成となるよう各合金成分の粉体（又は粒体）を混合した混合粉末を圧粉成形し、当該成形体を焼結した焼結合金を元に貴金属チップ３１，３２を得ることとしてもよい。

（ｄ）スパークプラグのタイプについては、上記実施形態のものに特に限定されるものではない。従って、複数本の接地電極を具備するタイプに具現化することもできる。例えば、２本（勿論、３本以上であってもよい）の接地電極を有し、各接地電極の先端面にそれぞれ溶融部が形成されることで、貴金属チップが接合されてなるスパークプラグを用いてもよい。

（ｅ）上記実施形態では、主体金具３の先端に、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、接地電極２７と、貴金属チップ３２との接合部分たる溶融部４２に関し、針状又は根状の微小クラック５１が複数形成されている場合について具体化しているが、当該技術思想を、前記中心電極５と貴金属チップ３１との接合部分たる溶融部４１に関し、微小クラックが複数形成されている場合に適用してもよい。

本実施形態のスパークプラグの構成を示す一部破断正面図である。 スパークプラグの部分拡大断面図である。 溶融部を模式的に示す部分拡大断面図である。 溶融部に微小クラックが形成された状態を示す断面写真図である。 溶融部に微小クラックが形成されたサンプルの冷熱試験後の状態を示す断面写真図である。 溶融部にクラック等が形成されていない状態を示す断面写真図である。 溶融部にクラック等が形成されていないサンプルの冷熱試験後の状態を示す断面写真図である。

符号の説明

１…スパークプラグ、２…絶縁碍子、３…主体金具、５…中心電極、２７…接地電極、３２…貴金属チップ、３３…火花放電間隙、４２…溶融部、５１…微小クラック。

Claims (10)

1. 中心電極と、
   前記中心電極の外側に設けられた絶縁体と、
   前記絶縁体の外側に設けられた主体金具と、
   前記主体金具に設けられ、先端部が前記中心電極の先端部と対向するよう配置された接地電極とを備え、
   前記中心電極の先端部及び前記接地電極の先端部間に火花放電間隙を有する内燃機関用スパークプラグであって、
   前記中心電極と前記接地電極のうち、少なくとも一方の前記先端部には白金（Ｐｔ）を主成分とする白金合金よりなる貴金属チップが接合されており、当該貴金属チップを備える電極はニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル合金よりなるとともに、
   前記貴金属チップは、ニッケル合金及び白金合金が相互に溶融され混じり合うことによって形成された溶融部を介して接合され、
   当該溶融部には、針状又は根状の微小クラックが複数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。
2. 前記貴金属チップを備える前記電極は接地電極であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用スパークプラグ。
3. 前記溶融部の断面視における前記微小クラックの平均長さが、５０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグ。
4. 前記溶融部の断面視における前記微小クラックの平均アスペクト比（短辺／長辺）が、０．０５以下であることを特徴とする請求項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。
5. 前記貴金属チップを備える前記電極を構成するニッケル合金、及び、前記貴金属チップを構成する白金合金のうち少なくとも一方は、添加物質として周期律表の３Ａ族元素、４Ａ族元素、及び、それらの酸化物のうち少なくとも１種を含んでいることを特徴とする請求項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。
6. 前記添加物質は、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、ネオジム（Ｎｄ）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）のうち少なくとも１種を含んでいることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関用スパークプラグ。
7. 前記添加物質の総含有量が０．００５質量％以上０．３質量％以下であることを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関用スパークプラグ。
8. 前記溶融部における前記添加物質の総含有量は０．００２５質量％以上であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ。
9. 前記貴金属チップを構成する白金合金は、ロジウム（Ｒｈ）を含んでおり、当該ロジウムの含有量は３質量％以上３０質量％以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ。
10. 前記貴金属チップを備える前記電極を構成するニッケル合金は、クロム（Ｃｒ）を１０質量％以上３０質量％以下含んでいるとともに、アルミニウム（Ａｌ）を０．５質量％以上３．０質量％以下含んでいることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ。