JP2009187840A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】中心電極母材に接合した貴金属チップを長寸化した上で着火性向上と耐久性向上の両立を図る。
【解決手段】中心電極２０は、テーパ形状の電極母材台座２２に、レーザ溶接を経て形成される溶融部２３介して電極チップ９０を接合する。この状態において、溶融部２３と電極チップ９０とのチップ側境界Ｋ１の断面積Ｓ１と、溶融部２３と電極母材台座２２との母材側境界Ｋ２の断面積Ｓ２とについては、Ｓ１＜Ｓ２の関係式を満たす。また、電極母材台座２２の基部Ｋ３における断面積Ｓ３については、（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄが５≦（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄ≦５０の関係式を満たすようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

スパークプラグには、メンテナンスフリー達成のための長寿命化のみならず、電極の小型化による着火性の向上や燃焼効率の向上が求められ、こうした要求に応えるため、中心電極における火花放電部位に白金、イリジウムなどの貴金属チップを接合したスパークプラグが多用されている。また、より一層の着火性の向上を図るため、貴金属チップを中心電極のみならず、接地電極（外側電極）に接合することが提案されている（特許文献１）。

特開平１１−１２１１４２号公報

こうした貴金属チップの接合に際しては、電極母材からの貴金属チップの脱落防止のため、例えば、中心電極では、貴金属チップを中心電極母材の先端に載置して貴金属チップと中心電極母材の先端との境界をレーザなどで直接溶融する手法が取られている。このように溶融すれば、貴金属チップと中心電極母材の先端との接合箇所に比較的体積の大きな溶融部が形成される。この溶融部は貴金属チップの成分と中心電極母材の成分（例えば、ニッケル系材料）との合金となり、結果として貴金属チップと中心電極母材との中間の熱膨張係数となるために、比較的体積の大きな応力緩和層として機能することから、既述したように脱落防止の実効性が高まる。

中心電極母材に貴金属チップを設ける場合、貴金属チップの先端から貴金属チップと中心電極母材の先端との間に形成された溶融部までの長さが約０．３ｍｍ程度あれば、既存のエンジンにおける着火性や耐久性は確保できるとされている。ところが、近年では、エンジン自体の高性能化、例えば燃焼室の高圧縮比化等が図られていることから、中心電極母材に貴金属チップを接合したスパークプラグでのさらなる改良が求められるに至った。

例えば、中心電極母材に接合した貴金属チップを長寸化すれば、飛火位置が燃焼室の中央側に近づくために、着火性が高まるものの、燃焼室内での燃焼の熱による貴金属チップ自体の熱引きが貴金属チップの長さ（以下、チップ長とも言う。）が長いだけ悪化するので、耐久性の低下が懸念される。

本発明は、上記した問題を踏まえ、従来試みられなかった貴金属チップの長さと溶融部の形状に着目するという観点に立脚した上で、着火性向上と耐久性向上との両立を達成することを課題とし、中心電極母材の先端に接合した貴金属チップの長寸化を図りつつ着火性向上と耐久性向上とを両立し得る新たなスパークプラグを提供することをその目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。

[適用例：スパークプラグ]
中心電極と、軸線方向に沿って延びる軸孔を有し、その軸孔内で前記中心電極を保持する絶縁体と、当該絶縁体を周方向に取り囲んで保持する主体金具と、一端部が前記主体金具に接合され、他端部が前記中心電極の先端部に対向するように屈曲され、前記中心電極との間で火花ギャップを形成する接地電極とを備えたスパークプラグであって、
前記中心電極は、自身の先端にて先端側に向かって小径となるようテーパ状に形成された電極母材台座を有する電極母材と、前記電極母材台座の先端面に接合された貴金属チップとから構成され、
前記貴金属チップと前記電極母材とは、前記貴金属チップの成分と前記電極母材台座の成分とが溶融した溶融部を介して接合されてなり、前記溶融部と前記貴金属チップとの境界であるチップ側境界から前記貴金属チップの先端までの軸線方向の最短距離をＣＬとしたとき、ＣＬ≧０．５ｍｍであり、更に、
前記チップ側境界の断面積をＳ１とし、前記溶融部と前記電極母材台座との境界である母材側境界の断面積をＳ２とし、前記電極母材台座における基部の断面積をＳ３とし、前記母材側境界から前記基部までの軸線方向の最短距離をＤとしたとき、Ｓ１＜Ｓ２、５≦（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄ≦５０、を満たす
ことを要旨とする。

この場合、上記した関係式における断面積Ｓ１〜Ｓ３、最短距離（長さ）Ｄ及びＣＬは、内燃機関に組み込まれるスパークプラグの実寸法から、ｍｍを単位とした断面積・最短距離とすることが実情に適う。そして、実寸としては、上記した断面積Ｓ１〜Ｓ３を算出するための上記各境界の界面における半径は１．５ｍｍ以下程度である。

上記構成のスパークプラグは、テーパ状に形成された電極母材台座の先端面に貴金属チップを溶融して、貴金属チップを溶融部を介在させて電極母材台座に接合するに当たり、溶融部と貴金属チップとの境界であるチップ側境界の断面積Ｓ１と、溶融部と電極母材台座との境界である母材側境界の断面積Ｓ２とについては、Ｓ１＜Ｓ２の第１関係式を満たすようにした。電極母材台座は、先端側に向かって小径となるテーパ状であることから、この電極母材台座における基部の断面積Ｓ３は、当然に母材側境界の断面積Ｓ２より大きくなる。よって、貴金属チップから電極母材台座の基部に掛けては、貴金属チップ、溶融部、電極母材台座の順に断面積が広がるので、既存の短寸の貴金属チップであれば、貴金属チップからの熱引きに特段の支障はない。その一方、上記した断面積の関係を維持しただけで貴金属チップを長くする（チップ側境界から貴金属チップの先端までの軸線方向の最短距離ＣＬ（チップ長に相当）を０．５ｍｍ以上にする）と、断面積が貴金属チップから電極母材台座の基部に掛けて徐々に広がるとはいえ、貴金属チップからの熱引きは、チップ長が長くなる分だけ緩慢となると予想される。

これに対し、上記構成のスパークプラグでは、上記した関係（Ｓ１＜Ｓ２）に加え、溶融部と電極母材台座との境界である母材側境界の断面積Ｓ２と電極母材台座における基部の断面積Ｓ３とについては、母材側境界から基部までの軸線方向の最短距離をＤとした場合に、母材側境界から基部に掛けての単位長さ当たりの面積増加率を表す（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄが５以上で５０以下となる５≦（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄ≦５０の第２関係式を満たすようにした。こうすれば、貴金属チップの熱が溶融部を経て電極母材台座の基部にまで伝わる際には、電極母材台座の軸線方向における母材側境界から基部までの熱の伝搬距離が短くなると共に、熱伝搬の際の熱の伝搬面積は、第２関係式（５≦（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄ≦５０）で規定されるように急激に広がることになる。このため、貴金属チップのチップ長を既存のものより長寸化（０．５ｍｍ以上）させても、貴金属チップからの熱引きを支障なく起き得るようにできる。この結果、貴金属チップの長寸化を図った上での着火性向上と耐久性向上の両立が可能となる。

上記したスパークプラグは、次のような態様とすることができる。例えば、中心電極が、少なくとも貴金属チップ、溶融部及び電極母材台座を露出させた状態で絶縁体に保持され、接地電極の他端部が貴金属チップの側面と対向するように接地電極が屈曲され、接地電極の他端部と貴金属チップの側面との間に火花ギャップＧＡが形成されたスパークプラグであって、接地電極の他端部からチップ側境界までの最短距離をＧＢとしたとき、ＧＢ／ＧＡ≧１．０５の関係式を満たすようにした。このように接地電極の他端部と貴金属チップの側面との間の火花ギャップＧＡと接地電極の他端部からチップ側境界までの最短距離ＧＢとを上記の関係式（ＧＢ／ＧＡ≧１．０５）のように規定することで、溶融部の表面に微小な凹凸や酸化被膜が存在したとしても、この溶融部から接地電極の他端部への飛火を抑制できる。よって、接地電極の他端面と貴金属チップの側面との間に火花ギャップが形成されたスパークプラグにおける着火性を高めることができる。

また、チップ側境界から貴金属チップの先端までの軸線方向の最短距離ＣＬとチップ側境界の断面積Ｓ１とを、１．４≦ＣＬ／Ｓ１≦７．２の関係式を満たすようにした。上記の関係式（１．４≦ＣＬ／Ｓ１≦７．２）を満たすようにすることで、着火性向上と耐久性向上の両立を図った上で、貴金属チップの長寸化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は本発明の実施例としてのスパークプラグ１００の部分断面図、図２はスパークプラグ１００における中心電極２０の先端付近を拡大して示す拡大図である。なお、以下の説明において上下方向についての説明に際しては、図１に示すスパークプラグ１００の軸線Ｏ方向を上下方向とし、下側をスパークプラグ１００の先端側、上側を後端側として説明する。

図１に示すように、スパークプラグ１００は、絶縁体として絶縁碍子１０と、この絶縁碍子１０を保持する主体金具５０と、絶縁碍子１０内に軸線Ｏ方向に保持された中心電極２０と、接地電極３０と、絶縁碍子１０の後端部に設けられた端子金具４０とを備える。

絶縁碍子１０は周知のようにアルミナ等を焼成して形成され、軸中心に軸線Ｏ方向へ延びる軸孔１２が形成された筒形状を有する。軸線Ｏ方向の略中央には外径が最も大きな鍔部１９が形成されており、それより後端側（図１における上側）には後端側胴部１８が形成されている。鍔部１９より先端側（図１における下側）には、後端側胴部１８よりも外径の小さな先端側胴部１７が形成され、さらにその先端側胴部１７よりも先端側に、先端側胴部１７よりも外径の小さな脚長部１３が形成されている。脚長部１３は先端側ほど縮径され、スパークプラグ１００が内燃機関のエンジンヘッド２００に取り付けられた際には、その燃焼室に曝される。脚長部１３と先端側胴部１７との間には段部１５が形成されている。

図２に示すように、中心電極２０は、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケルまたはニッケルを主成分とする合金から形成された電極母材２１の内部に、電極母材２１よりも熱伝導性に優れる銅または銅を主成分とする合金からなる芯材２５を埋設した構造を有する棒状の電極である。通常、中心電極２０は、有底筒状に形成された電極母材２１の内部に芯材２５を詰め、底側から押出成形を行って引き延ばすことで作製される。芯材２５は、胴部分においては略一定の外径をなすものの、先端側においては先細り形状に形成される。

中心電極２０、詳しくは電極母材２１は、その先端部分に、先端に向かって小径となるテーパ状の電極母材台座２２と溶融部２３と電極チップ９０とを備え、この電極チップ９０を含む電極母材台座２２よりも先端側の部分は絶縁碍子１０の先端部１１よりも突出されている。電極チップ９０は、耐火花消耗性を向上するために、高融点の貴金属を主成分として形成されている。この電極チップ９０としては、例えば、イリジウム（Ｉｒ）や、Ｉｒを主成分として、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）のうち、１種類あるいは２種類以上を添加したＩｒ合金によって形成され、Ｉｒ−５Ｐｔ合金（５質量％の白金を含有したイリジウム合金）や、Ｉｒ−１１Ｒｕ−８Ｒｈ−１Ｎｉ合金（１１質量％のルテニウムと８質量％のロジウムと１質量％のニッケルを含有したイリジウム合金）などが多用される。

溶融部２３は、電極母材台座２２への電極チップ９０の溶接、例えばレーザを照射してその熱により電極母材台座２２と電極チップ９０とを溶融させるレーザ溶接を経て形成される。つまり、電極母材台座２２の先端面に電極チップ９０を配置した状態で、電極母材台座２２と電極チップ９０との境界面を狙ってレーザを照射しつつ、その照射箇所を境界面全周に亘って一周させる。このレーザ溶接では、レーザの照射により両材料（電極母材台座２２の構成材と電極チップ９０の貴金属）が溶融して混ざり合うため、電極チップ９０と電極母材台座２２とが強固に接合されると共に、電極母材台座２２と電極チップ９０とを繋ぐ溶融部２３が形成される。この溶融部２３は、上記両材料の溶融により両材料の合金として形成される。

中心電極２０は軸孔１２内を後端側に向けて延設され、シール体４およびセラミック抵抗３（図１参照）を経由して、後方（図１における上方）の端子金具４０に電気的に接続されている。端子金具４０には高圧ケーブル（図示外）がプラグキャップ（図示外）を介して接続され、高電圧が印加される。

接地電極３０は耐腐食性の高い金属から構成され、一例として、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル合金が用いられる。この接地電極３０は、自身の長手方向と直交する方向における横断面が略長方形を有しており、その基端部（一端部）３２において主体金具５０の先端面５７に溶接にて接合され、先端部（他端部）３１の一側面が中心電極２０の電極チップ９０と、軸線Ｏ上で対向するように屈曲されている。そして、この接地電極３０は、先端部３１の一側面と電極チップ９０の先端面との間に火花ギャップＧを形成する。本実施例のスパークプラグ１００では、この火花ギャップＧを０．６〜１．２ｍｍとした。

主体金具５０は、内燃機関のエンジンヘッド２００にスパークプラグ１００を固定するための円筒状の金具である。主体金具５０は、絶縁碍子１０を、その後端側胴部１８の一部から脚長部１３にかけての部位を取り囲むようにして内部に保持している。主体金具５０は低炭素鋼材より形成され、図示しないスパークプラグレンチが嵌合する工具係合部５１と、内燃機関の上部に設けられたエンジンヘッド２００の取付ネジ孔２０１に螺合するネジ山が形成された取付ネジ部５２とを備えている。本実施例では、この取付ネジ部５２を、その外径Ｍ（呼び径）が標準的な外径であるＭ１４、或いはこれより小径なＭ１２〜Ｍ１０とした。

主体金具５０の工具係合部５１と取付ネジ部５２との間には、鍔状のシール部５４が形成されている。取付ネジ部５２とシール部５４との間のネジ首５９には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、スパークプラグ１００をエンジンヘッド２００に取り付けた際に、シール部５４の座面５５と取付ネジ孔２０１の開口周縁部２０５との間で押し潰されて変形する。このガスケット５の変形により、スパークプラグ１００とエンジンヘッド２００間が封止され、取付ネジ孔２０１を介したエンジン内の気密漏れが防止される。

主体金具５０の工具係合部５１より後端側には薄肉の加締部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と同様に薄肉の座屈部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の内周面と絶縁碍子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。加締部５３を内側に折り曲げるようにして加締めることにより、リング部材６，７およびタルク９を介し、絶縁碍子１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。これにより、主体金具５０の内周で取付ネジ部５２の位置に形成された段部５６に、環状の板パッキン８を介し、絶縁碍子１０の段部１５が支持されて、主体金具５０と絶縁碍子１０とが一体にされる。このとき、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は、板パッキン８によって保持され、燃焼ガスの流出が防止される。座屈部５８は、加締めの際に、圧縮力の付加に伴い外向きに撓み変形するように構成されており、タルク９の軸線Ｏ方向の圧縮長を長くして主体金具５０内の気密性を高めている。なお、段部５６よりも先端側における主体金具５０と絶縁碍子１０との間には、所定寸法のクリアランスが設けられている。

上記したスパークプラグ１００は、例えば、以下のような製造方法によって製造することが可能である。まず、上述した電極チップ９０を溶融部２３を介在させて電極母材台座２２に接合済みの中心電極２０と、絶縁碍子１０と、主体金具５０と、接地電極３０とを用意する。次いで、中心電極２０の先端部（詳しくは、電極チップ９０と溶融部２３と電極母材台座２２）を露出させつつ中心電極２０の外周を覆うように絶縁碍子１０に中心電極２０を組み付ける。その後、絶縁碍子１０の外周に、絶縁碍子１０の先端部が主体金具５０の先端面から１．５ｍｍ程度或いはそれ以上突出するように、主体金具５０を組み付けると共に、接地電極３０の基端部を主体金具５０の先端面５７に接合する。その後、接地電極３０の先端部３１が中心電極２０の先端部と対向するように接地電極３０を屈曲する。

次に、本実施例のスパークプラグ１００における中心電極２０について詳述する。図３は図２に示した中心電極２０の先端部のみを示す説明図である。既述したように、中心電極２０は、テーパ形状の電極母材台座２２に、電極チップ９０をレーザ溶接にて接合することで、電極母材台座２２と電極チップ９０とを既述した合金たる溶融部２３にて強固に繋がっている。電極母材台座２２と溶融部２３と電極チップ９０とは、それらの構成材料において相違すると共に、溶接を経て接合・形成されていることから、電極チップ９０と溶融部２３との繋ぎ箇所には境界（チップ側境界Ｋ１）が現れ、溶融部２３と電極母材台座２２との繋ぎ箇所には境界（母材側境界Ｋ２）が現れる。これら境界Ｋ１〜Ｋ２は、外部から目視にて視認できる。ここで、本実施例では、チップ側境界Ｋ１から電極チップ９０の先端までの軸線方向の最短距離ＣＬ（以下、チップ有効長とも言う。）が０．５ｍｍ以上（ＣＬ≧０．５ｍｍ）になっている。

そして、電極チップ９０が溶融部２３を介して電極母材台座２２に接合済みの状態において、本実施例では、溶融部２３と電極チップ９０とのチップ側境界Ｋ１の断面積Ｓ１と、溶融部２３と電極母材台座２２との母材側境界Ｋ２の断面積Ｓ２とについては、Ｓ１＜Ｓ２の関係式を満たすようにした。この関係式は、電極チップ９０の断面積をテーパ形状の電極母材台座２２の先端面積と同程度或いは先端面積よりやや小さくすることで、成立するようにできる。また、電極母材台座２２については、テーパ形状であることから、電極母材台座２２の基部Ｋ３の断面積Ｓ３は当然に母材側境界Ｋ２の断面積Ｓ２より大きくなる。

こうした境界における断面積の大小規定の他、本実施例では、母材側境界Ｋ２の断面積Ｓ２と電極母材台座２２の基部Ｋ３の断面積Ｓ３とについては、次のように規定した。図３に示すように、母材側境界Ｋ２から基部Ｋ３までの軸線方向の最短距離をＤとした場合、母材側境界Ｋ２から基部Ｋ３に掛けての単位長さ当たりの面積増加率を表す（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄが５≦（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄ≦５０の関係式を満たすようにした。

更に、電極チップ９０については、チップ側境界Ｋ１から電極チップ９０の先端までの軸線方向の最短距離（チップ有効長）ＣＬを、チップ側境界Ｋ１の断面積Ｓ１と関連付けて、１．４≦ＣＬ／Ｓ１≦７．２の関係式を満たすようにした。以下、チップ側境界Ｋ１を断面積Ｓ１で除算した値（ＣＬ／Ｓ１）を面積当たりチップ長と称する。

この場合、電極チップ９０および接地電極３０の先端部３１をエンジンヘッド２００の燃焼室内に臨ませた上で、スパークプラグ１００は、Ｍ１０〜Ｍ１４の取付ネジ部５２にて内燃機関に装着される実情から、既述したチップ側境界Ｋ１の断面積Ｓ１や母材側境界Ｋ２の断面積Ｓ２、基部Ｋ３の断面積Ｓ３、母材側境界Ｋ２から基部Ｋ３までの軸線方向の最短距離Ｄおよび電極チップ９０のチップ有効長ＣＬは、自ずと取り得る値が制限される。その上で、これら断面積Ｓ１〜Ｓ３と最短距離Ｄおよびチップ有効長ＣＬについて、上記した関係式を満たすようにした。具体的には、チップ有効長ＣＬは０．５〜１．７ｍｍ程度の範囲となり、断面積Ｓ１を算出するためのチップ側境界Ｋ１での半径や断面積Ｓ２を算出するための母材側境界Ｋ２の半径、断面積Ｓ３を算出するための基部Ｋ３の半径は０．７〜１．５ｍｍ程度の範囲となる。

図４は、チップ有効長ＣＬを０．５ｍｍ以上とし、中心電極２０の先端部における各断面積Ｓ１〜Ｓ３と最短距離Ｄとを種々変えつつ電極チップ９０の消耗度合いを評価項目にした評価試験の結果を表すグラフである。評価試験では、２０００ｃｃ／６気筒のエンジンにスパークプラグ１００を装着した上で、５０００ｒｐｍの一定回転で１００時間の継続運転を行い、試験開始前と開始後の電極チップ９０の消耗度合い（消耗体積ｍｍ³）を測定した。測定に供したサンプルのスパークプラグは、電極チップ９０の面積当たりチップ長（ＣＬ／Ｓ１）が図４に示す６種類のスパークプラグであり、この６種類のスパークプラグについて、（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄを変えつつ測定した。図５は断面積Ｓ１〜Ｓ３を一定とした上で（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄを変化させた場合の中心電極２０の先端部の形状推移の様子を示す説明図である。

図４の試験結果から、電極チップ９０の面積当たりチップ長（ＣＬ／Ｓ１）に拘わらず、（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄを５以上とすれば、電極チップ９０の消耗を抑制できることが確認できた。しかも、（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄが５０以上となると、電極チップ９０の消耗の抑制効果はほぼ横ばいとなることも確認できた。

また、電極チップ９０の面積当たりチップ長（ＣＬ／Ｓ１）を併せて考察すると、この値（ＣＬ／Ｓ１）を１．４≦ＣＬ／Ｓ１≦７．２とすれば、電極チップ９０の消耗抑制効果は、この範囲を外れるサンプルＮｏ．１やＮｏ．６に比べて顕著であった。

これらの結果から、チップ有効長ＣＬが０．５ｍｍ以上と長寸の電極チップ９０を溶融部２３を介して電極母材台座２２に接合させる場合に、母材側境界Ｋ２から基部Ｋ３に掛けての（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄを５≦（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄ≦５０とした上で、電極チップ９０の面積当たりチップ長（ＣＬ／Ｓ１）を１．４≦ＣＬ／Ｓ１≦７．２とすれば、電極チップ９０の長寸化を図りつつ電極チップ９０の消耗抑制効果を有意に高めることができると言える。

電極チップ９０の消耗程度は、電極チップ９０からの熱引きの影響を受けることから、図４に示した試験結果を熱引きと関係付けて説明する。

図３に示したように、電極チップ９０は溶融部２３を介して電極母材台座２２に接合されており、電極チップ９０から溶融部２３を経て電極母材台座２２の基部Ｋ３に掛けては、電極チップ９０の側から断面積はＳ１＜Ｓ２＜Ｓ３のように広くなる。電極チップ９０の面積当たりチップ長（ＣＬ／Ｓ１）が１．４を下回る範囲では、電極チップ９０のチップ有効長ＣＬが短く電極チップ９０自体も小さい。このようなスパークプラグは、図４のサンプルＮｏ．１（ＣＬ／Ｓ１＝１．２）に該当し、電極チップ９０の熱引きは良好である。このため、サンプルＮｏ．１（ＣＬ／Ｓ１＝１．２）に見られるように、電極チップ９０が小さいことからそもそも電極チップ９０の消耗度合いは小さく、（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄの大小に拘わらず電極チップ９０の消耗度合いに変化は起きない。つまり、上記したように断面積の拡張があれば、熱引きの対象となる電極チップ９０自体が小さいために電極チップ９０からの熱引きは良好であるので、（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄを変えることでの電極チップ９０の消耗度合いの低減は現れない。

一方、電極チップ９０の面積当たりチップ長（ＣＬ／Ｓ１）が７．２を上回る図４のサンプルＮｏ．６（ＣＬ／Ｓ１＝９．６）は、電極チップ９０のチップ有効長ＣＬが極端に長いため、電極チップ９０が大きくなる。よって、上記したように断面積の拡張を図ったとしても、電極チップ９０自体での熱引きが非常に悪いため、図４に示すように、（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄを変化させても、電極チップ９０の消耗度合いは大きいまま推移する。

これに対し、面積当たりチップ長（ＣＬ／Ｓ１）が１．４≦ＣＬ／Ｓ１≦７．２の関係式を満たす図４のサンプルＮｏ．２〜５では、（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄが５以上となると、電極チップ９０の消耗度合いは顕著に低減し耐久性は向上する。これは、電極チップ９０から溶融部２３および基部Ｋ３に掛けての上記した断面積の拡張に加え、（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄが大きいことによる母材側境界Ｋ２と基部Ｋ３との最短距離Ｄが小さくなること（図６参照）、即ち、母材側境界Ｋ２から電極母材台座２２の基部Ｋ３までの熱の伝搬距離が短くなることと、熱伝搬の際の熱の伝搬面積が（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄが大きいことにより急激に広がることとの影響と考えられる。このため、１．４≦ＣＬ／Ｓ１≦７．２の関係式を満たすようチップ有効長ＣＬを長くしても、即ち、電極チップ９０を長寸化させても、電極チップ９０からの熱引きを良好に起き得るようにできることになる。この結果、電極チップ９０の長寸化を図った上での着火性向上と耐久性向上の両立が可能となる。

次に、他の実施例について説明する。図６は他の実施例のスパークプラグ１００Ａにおける中心電極２０の先端付近を拡大して示す拡大図である。この実施例は、接地電極３０Ａがその先端部（他端部）３１Ａを電極チップ９０の側面に対向させて火花ギャップＧＡを形成している構成において、先の実施例と相違する。

図示するように、スパークプラグ１００Ａは、電極母材２１の先端の電極母材台座２２に既述したように溶融部２３を介して電極チップ９０を接合してなる。このスパークプラグ１００Ａでは、接地電極３０Ａは、その基端部（一端部）３２Ａにおいて主体金具５０の先端面５７に溶接して接合され、先端部（他端部）３１Ａの端面が中心電極２０の電極チップ９０の側面と対向するように屈曲されている。そして、この接地電極３０Ａには、先端部３１Ａの端面に電極チップ９１が接合されてなり、この電極チップ９１の先端面を軸線Ｏと直交する軸Ｑ上で電極チップ９０の側面に対向させ、電極チップ９１の先端面と電極チップ９０の側面との間に火花ギャップＧＡを形成する。スパークプラグ１００Ａにあっても、この火花ギャップＧＡを０．３〜１．２ｍｍとした。接地電極３０Ａ側の電極チップ９１は、中心電極２０側の電極チップ９０と同様に貴金属を主成分として形成された貴金属チップであり、Ｐｔ−２０Ｒｈ合金（２０質量％のロジウムを含有した白金合金）や、Ｐｔ−２０Ｉｒ−５Ｒｈ合金（２０質量％のイリジウムと５質量％のロジウムを含有した白金合金）などが多用される。

図６に示すスパークプラグ１００Ａにあっては、電極チップ９０から電極母材台座２２に掛けての上記した断面積の関係を持って電極チップ９０を配置したほか、電極チップ９１の先端面と電極チップ９０の側面との間に火花ギャップＧＡを形成するに当たり、次のようにした。つまり、図６に示すように、電極チップ９０の側面と電極チップ９１の先端面とで形成される火花ギャップＧＡを、電極チップ９１の先端面からチップ側境界Ｋ１までの最短距離ＧＢに対して、ＧＢ／ＧＡ≧１．０５の関係式を満たすようにした。なお、この火花ギャップＧＡと最短距離ＧＢとは、電極チップ９１の先端面が軸線Ｏと直交する軸Ｑ上で電極チップ９０の側面に対向する場合の他、電極チップ９１の先端面が軸線Ｏと所定の角度を持って交差する軸上で電極チップ９０の側面に対向する場合にあっても、上記関係式を満たすように規定されればよい。

図７は火花ギャップＧＡを種々変えつつ溶融部２３から電極チップ９１への飛火の発生率を溶融部飛火率として評価した評価試験の結果を表すグラフである。この評価試験は、大気雰囲気下で圧力を０．４ＭＰａにした圧力チャンバ内にサンプルのスパークプラグを取り付けた上で、サンプルのスパークプラグに高電圧を印加した際の溶融部２３への飛火率を調べる試験である。本実施例のように、電極チップ９０を電極母材台座２２に接合する溶融部２３は、レーザ溶接による溶融を経ていることから、その表面に微小な凹凸や酸化膜を有するので、電極チップ９１への飛火はこの溶融部２３の表面、詳しくは、電極チップ９１の先端周縁との距離が最も短いチップ側境界Ｋ１から起きることがある。

こうした溶融部飛火率の測定は、以下の理由から行うこととした。近年その普及が著しい高圧縮比エンジンでは、燃焼室圧力が高い。このため、中心電極の側に向けて湾曲して延びる接地電極には、高圧縮比並びに高燃焼圧環境下での湾曲部の強度向上が既存エンジンの場合より必要となり、接地電極を短寸化することが望ましい。こうした短寸の接地電極と中心電極間での放電の確実性の観点から、火花ギャップを中心電極周囲に形成するスパークプラグでは、接地電極は、中心電極の側面、詳しくは中心電極先端の貴金属チップ（電極チップ９０）の側面に対向する。この場合、接地電極をただ単に中心電極先端の貴金属チップの側面に対向させただけでは、着火性の低下が危惧される。つまり、貴金属チップと中心電極先端との接合箇所である溶融部は、溶融を経た電極構成材（例えばニッケル）と貴金属との合金であることから、溶融部表面には、溶融の影響による微小な凹凸が存在したり、酸化被膜が存在するので、この溶融部と接地電極との間において放電を起こす溶融部飛火が起きる可能性がある。溶融部は、貴金属チップの基部側、即ち燃焼室から遠ざかった位置であることから、溶融部と接地電極との間で飛火しても、燃焼室での燃料着火に至らない事態が予想される。このため、溶融部２３側面から起きる飛火の発生状況を調べるようにし、その結果が図７のグラフである。

図７に示したグラフは、Ｘ軸を最短距離ＧＢと火花ギャップＧＡの比の値とし、Ｙ軸を溶融部飛火率（％）を示している。この図７の試験結果から、火花ギャップＧＡに拘わらず、最短距離ＧＢと火花ギャップＧＡの比の値を１．０５以上とすれば、溶融部飛火率を２０％以下に抑制できることが確認できた。しかも、最短距離ＧＢと火花ギャップＧＡの比の値が１．２を超えると溶融部飛火率をほぼ完全に抑制できることが判った。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、以下のような変形が可能である。

図１〜図３に示すスパークプラグ１００では、電極チップ９０の先端面を接地電極３０の一側面に対向させたが、接地電極３０における電極チップ９０の対向面にも、図６で説明したような電極チップ９１を設けるようにすることもできる。

また、母材側境界Ｋ２から基部Ｋ３にかけての（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄと電極チップ９０の面積当たりチップ長（ＣＬ／Ｓ１）とが、既述した５≦（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄ≦５０の関係および１．４≦ＣＬ／Ｓ１≦７．２の関係を満たす限りにおいては、電極チップ９０や電極母材台座２２を種々の形態とできる。図８は従来品のスパークプラグから実施例品Ａへの形態の推移とこの実施例品Ａからのさらなる形態の推移を示す説明図である。なお、この図８に示すいずれの形態であっても、上記の（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄと面積当たりチップ長（ＣＬ／Ｓ１）が上記の関係式を満たす限りにおいては、電極チップ９０からの良好な熱引きをもたらすことにより、既述した効果を奏することができるのは勿論である。

図８に図示するように、実施例品Ａは、既述したスパークプラグ１００、１００Ａに相当し、電極チップ９０のチップ有効長ＣＬのみを長くすることで面積当たりチップ長（ＣＬ／Ｓ１）を増大させた。このようにチップ有効長ＣＬが長くなると、図６に示すように溶融部２３と電極チップ９１とを確実に離して最短距離ＧＢを確保できることから、溶融部飛火の抑制の実効性が高まる。

実施例品Ｂは、面積当たりチップ長（ＣＬ／Ｓ１）が上記関係を満たす範囲において、実施例品Ａより更にチップ有効長ＣＬを延ばした形態である。実施例品Ｃは、母材側境界Ｋ２から基部Ｋ３までの最短距離Ｄを短くすることで、（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄを増大させたので、電極チップ９０からの熱引きが高まる。実施例品Ｄは、上記の最短距離Ｄを短くした上でチップ側境界Ｋ１での断面積Ｓ１（チップ断面積）を大きくした形態であり、この形態では、（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄと断面積Ｓ１の増大により、電極チップ９０からの熱引きの向上が可能である。実施例品Ｅは、面積当たりチップ長（ＣＬ／Ｓ１）が上記関係を満たす範囲において、実施例品Ａより電極チップ９０の断面積、即ちチップ側境界Ｋ１の断面積Ｓ１を小さくした形態である。

本発明の実施例としてのスパークプラグ１００の部分断面図である。 スパークプラグ１００における中心電極２０の先端付近を拡大して示す拡大図である。 図２に示した中心電極２０の先端部のみを示す説明図である。 中心電極２０の先端における断面積Ｓ１〜Ｓ３と最短距離Ｄとを種々変えつつ電極チップ９０の消耗度合いを評価項目にした評価試験の結果を表すグラフである。 断面積Ｓ１〜Ｓ３を一定とした上で（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄを推移させた場合の形状推移の様子を示す説明図である。 他の実施例のスパークプラグ１００Ａにおける中心電極２０の先端付近を拡大して示す拡大図である。 火花ギャップＧＡを種々変えつつ溶融部２３から電極チップ９１への飛火の発生率を溶融部飛火率として評価した評価試験の結果を表すグラフである。 従来品のスパークプラグから実施例品Ａへの形態の推移とこの実施例品Ａからのさらなる形態の推移を示す説明図である。

符号の説明

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…絶縁碍子
１１…先端部
１２…軸孔
１３…脚長部
１５…段部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…鍔部
２０…中心電極
２１…電極母材
２２…電極母材台座
２３…溶融部
２５…芯材
３０…接地電極
３０Ａ…接地電極
３１…先端部
３１Ａ…先端部
３２…基部
３２Ａ…基部
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
５５…座面
５６…段部
５７…先端面
５８…座屈部
５９…ネジ首
９０…電極チップ
９１…電極チップ
１００…スパークプラグ
１００Ａ…スパークプラグ
２００…エンジンヘッド
２０１…取付ネジ孔
２０５…開口周縁部
Ｏ…軸線
Ｋ１…チップ側境界
Ｋ２…母材側境界
Ｋ３…テーパ形状基部
Ｇ、ＧＡ…火花ギャップ
ＧＢ…最短距離
ＣＬ…チップ有効長

Claims (3)

1. 中心電極と、軸線方向に沿って延びる軸孔を有し、その軸孔内で前記中心電極を保持する絶縁体と、当該絶縁体を周方向に取り囲んで保持する主体金具と、一端部が前記主体金具に接合され、他端部が前記中心電極の先端部に対向するように屈曲され、前記中心電極との間で火花ギャップを形成する接地電極とを備えたスパークプラグであって、
   前記中心電極は、自身の先端にて先端側に向かって小径となるようテーパ状に形成された電極母材台座を有する電極母材と、前記電極母材台座の先端面に接合された貴金属チップとから構成され、
   前記貴金属チップと前記電極母材とは、前記貴金属チップの成分と前記電極母材台座の成分とが溶融した溶融部を介して接合されてなり、前記溶融部と前記貴金属チップとの境界であるチップ側境界から前記貴金属チップの先端までの軸線方向の最短距離をＣＬとしたとき、ＣＬ≧０．５ｍｍであり、更に、
   前記チップ側境界の断面積をＳ１とし、前記溶融部と前記電極母材台座との境界である母材側境界の断面積をＳ２とし、前記電極母材台座における基部の断面積をＳ３とし、前記母材側境界から前記基部までの軸線方向の最短距離をＤとしたとき、
   Ｓ１＜Ｓ２、
   ５≦（Ｓ３−Ｓ２）／Ｄ≦５０、を満たす
   スパークプラグ。
2. 請求項１に記載のスパークプラグであって、
   前記中心電極は、少なくとも前記貴金属チップ、前記溶融部及び前記電極母材台座を露出させた状態で前記絶縁体に保持されてなり、
   前記接地電極は、前記他端部が前記貴金属チップの側面と対向するように屈曲されて、前記接地電極の前記他端部と前記貴金属チップの側面との間に火花ギャップＧＡを形成してなり、
   前記接地電極の他端部から前記チップ側境界までの最短距離をＧＢとしたとき、
   ＧＢ／ＧＡ≧１．０５、を満たす
   スパークプラグ。
3. 請求項１または請求項２に記載のスパークプラグであって、
   更に、１．４≦ＣＬ／Ｓ１≦７．２、を満たす
   スパークプラグ。

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