JP2011181523A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】接地電極の起き上がりをより確実に抑制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において、接地電極４は、基端部４Ａから屈曲部４Ｂを経て先端部４Ｃに向かって延びる芯部４１と、基端部４Ａから屈曲部４Ｂを経て先端部４Ｃに向かって延びる伝熱部４２と、芯部４１及び伝熱部４２の外側で基端部４Ａから屈曲部４Ｂを経て先端部４Ｃまで延びる外層４３とを有して構成される。外層４３は耐熱性及び耐食性に優れた第１金属としてのニッケル基合金からなる。伝熱部４２は第１金属より熱伝導率が大きい第２金属としての銅からなる。芯部４１は第２金属より硬度が高い第３金属としての純ニッケルからなる。第２金属は第１、３金属より線熱膨張係数が大きい。接地電極４が延びる方向に直交する断面で接地電極４を見た場合、少なくとも屈曲部４Ｂの中間において、芯部４１の中心は伝熱部４２の中心よりも中心電極３側に位置する。
【選択図】図３

Description

本発明はスパークプラグに関する。

特許文献１に従来のスパークプラグが開示されている。このスパークプラグは、主体金具に固定される基端部と、基端部と一体をなして屈曲された屈曲部と、屈曲部と一体をなして中心電極とともに火花放電ギャップを形成する先端部とからなる接地電極を備えている。

接地電極は、基端部から屈曲部を経て先端部に向かって延びる芯部と、芯部の外側で基端部から屈曲部を経て先端部に向かって延びる伝熱部と、芯部及び伝熱部の外側で基端部から屈曲部を経て先端部まで延びる外層とを有して構成されている。接地電極が延びる方向に直交する断面で接地電極を見た場合、外層、伝熱部及び芯部の中心は、一致している。

外層は第１金属としてのニッケル基合金からなり、伝熱部は第２金属としての銅からなり、芯部は第３金属としての純ニッケルからなる。外層のニッケル基合金は耐熱性及び耐食性に優れている。伝熱部の銅は、熱伝導率が３９０Ｗ／ｍ・Ｋであり、ニッケル基合金よりも熱伝導率が大きい。また、芯部の純ニッケルは、ビッカース硬さＨｖが１２５であり、ビッカース硬さＨｖが７５の銅より、硬度が高い。また、伝熱部の銅は、線熱膨張係数が１．６５×１０^-5／°Ｃであり、線熱膨張係数が１．３４×１０^-5／°Ｃのニッケル基合金や、線熱膨張係数が１．３０×１０^-5／°Ｃの純ニッケルより、線熱膨張係数が大きい。

このような構成である従来のスパークプラグは、エンジンに搭載され、高温条件下で、中心電極と接地電極との間で放電を繰り返す。

この際、このスパークプラグでは、伝熱部を構成する第２金属が熱伝導性に優れるため、先端部側の熱が伝熱部によって基端部側に効果的に伝えられる。すなわち、このスパークプラグは、伝熱部が熱引き性に優れることから、先端部の温度上昇を抑制し、優れた耐久性を発揮できるようになっている。

この一方、このスパークプラグは、伝熱部を構成する第２金属の線熱膨張係数が大きいことから、接地電極が高温条件下で起き上がろうとする。接地電極の起き上がりが生じると、接地電極と中心電極との火花放電ギャップが変化し、特性に悪影響を生じてしまう。このため、このスパークプラグは、伝熱部及び外層の厚みを調整することにより、そのような接地電極の起き上がりを抑制することとしている。また、芯部を構成する第３金属の硬度が伝熱部を構成する第２金属の硬度より高いことによる芯部の補強効果も、接地電極の起き上がりの抑制に寄与していると考えられる。

特開平１１−１８５９２８号公報

ところで、スパークプラグは、省スペース化のために細径化される傾向にあり、接地電極にも一層の小型化が求められている。上記スパークプラグにおいて、接地電極を小型化すると、伝熱部の体積が減少して先端部からの熱引きが不十分となるとともに、芯部が細くなって上述の補強効果が低下する。その結果、従来のスパークプラグでは、接地電極の起き上がりが発生し易くなるという問題が生じてしまう。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、接地電極の起き上がりをより確実に抑制できるスパークプラグを提供することを解決すべき課題としている。

発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究し、接地電極が延びる方向に直交する断面で接地電極を見た場合における芯部と伝熱部との相対的位置関係に着目することにより、本発明をするに至った。

本発明のスパークプラグは、主体金具に固定される基端部と、前記基端部と一体をなして屈曲された屈曲部と、前記屈曲部と一体をなして中心電極とともに火花放電ギャップを形成する先端部とからなる接地電極を備え、
前記接地電極は、前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部に向かって延びる芯部と、前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部に向かって延びる伝熱部と、前記芯部及び前記伝熱部の外側で前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部まで延びる外層とを有して構成され、
前記外層は、耐熱性及び耐食性に優れた第１金属からなり、
前記伝熱部は、前記第１金属より熱伝導率が大きい第２金属からなり、
前記芯部は、前記第２金属より硬度が高い第３金属からなり、
前記第２金属は、前記第１金属及び前記第３金属より線熱膨張係数が大きいスパークプラグにおいて、
前記接地電極が延びる方向に直交する断面で前記接地電極を見た場合、少なくとも前記屈曲部の中間において、前記芯部の中心は前記伝熱部の中心よりも前記中心電極側に位置していることを特徴とする（請求項１）。

このような構成である本発明のスパークプラグでは、伝熱部を構成する第２金属の線熱膨張係数が大きいことから、接地電極が高温条件下で起き上がろうとする。しかしながら、このスパークプラグでは、接地電極が延びる方向に直交する断面で接地電極を見た場合、少なくとも屈曲部の中間において、線熱膨張係数が伝熱部より小さく、かつ硬度が高い芯部の中心が伝熱部の中心よりも中心電極側に位置している。このため、このスパークプラグでは、伝熱部の中心と芯部の中心とが一致する従来のスパークプラグと比較して、伝熱部と芯部とが熱膨張差によりいわゆるバイメタルのように作用し、屈曲部の屈曲を強めようとする。このため、このスパークプラグでは、接地電極が高温条件下で起き上がろうとする傾向を弱めることができる。

したがって、本発明のスパークプラグは、接地電極の起き上がりを確実に抑制できる。その結果、このスパークプラグは、細径化のために接地電極が小型化される場合でも、接地電極の起き上がりを抑制できるので、接地電極と中心電極との火花放電ギャップの変化を抑制して、特性に悪影響を生じないようにすることができる。なお、金属の硬度を表す尺度として、ビッカース硬さを採用できる。

また、このスパークプラグは、接地電極の起き上がりを抑制できる範囲内において、小型化により体積が減少した伝熱部を先端部に向かってさらに延ばすことにより、熱引き性を改善することもできる。

なお、本発明の外層には、メッキ等の表面処理により形成される薄膜は含まれない。

また、芯部及び伝熱部の断面形状は、矩形に限定されず、例えば、円、楕円、三角形、多角形等でもかまわない。芯部の中心及び伝熱部の中心とは、より詳しくは、芯部及び伝熱部の断面図形の重心のことである。

さらに、本発明のスパークプラグでは、芯部は伝熱部内に位置してもよく、芯部内に伝熱部が位置してもよく、芯部の一部が伝熱部からはみ出していてもよく、伝熱部の一部が芯部からはみ出していてもよく、芯部と伝熱部とがそれぞれ独立して存在していてもよい。

本発明のスパークプラグにおいて、接地電極が延びる方向に直交する断面で接地電極を見た場合、少なくとも屈曲部の中間において、芯部が中心電極側に偏芯している構成及び伝熱部が中心電極とは反対側に偏芯している構成の少なくとも一方を備えることが好ましい（請求項２）。このような具体的構成により、本発明の作用効果を確実に奏することができる。

上記請求項２の場合において、接地電極が延びる方向に直交する断面で接地電極を見た場合、少なくとも屈曲部の中間において、芯部は中心電極側とその反対側との中央に位置し、伝熱部は中心電極とは反対側に偏芯し得る（請求項３）。

この場合、伝熱部の中心電極とは反対側への偏芯により、伝熱部における中心電極と反対側の部位は、伝熱部における中心電極側の部位に対して断面積が大きくなる。このため、このスパークプラグでは、伝熱部と芯部とがより効果的にバイメタルのように作用し、屈曲部の屈曲をより強めようとするので、本発明の作用効果を確実に奏することができる。

本発明のスパークプラグにおいて、第３金属の硬度は第１金属の硬度より高く、第１金属の硬度は第２金属の硬度より高いことが好ましい（請求項４）。

例えば、特許文献１記載のスパークプラグでは、第１金属としてのニッケル基合金の硬度（ビッカース硬さＨｖが１００〜２３０程度）が第３金属としての純ニッケルの硬度（ビッカース硬さＨｖが１２５）よりも高くなっている。従来のスパークプラグでは、一般的に第１金属の硬度が第３金属の硬度よりも高い。これに対して、本発明のスパークプラグは、硬度が第１、２金属よりも高い第３金属を採用することにより、芯部の補強効果を向上させることができるので、本発明の作用効果をさらに確実に奏することができる。

第１金属の具体例としては、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｓｉ合金、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金等のニッケル基合金、インコネル６００、インコネル６０１（「インコネル」は登録商標）等が挙げられる。

第２金属の具体例としては、純銅、銅合金、銀等が挙げられる。

第３金属の具体例としては、純ニッケル、純鉄、インコネル６００、インコネル６０１、ハステロイＡ、ハステロイＢ、ハステロイＣ（「ハステロイ」は登録商標）等が挙げられる。特に、インコネル６００、インコネル６０１、ハステロイＡ、ハステロイＢ、ハステロイＣ等は、第１金属として一般的なニッケル基合金と比較して硬度が高い（ビッカース硬さＨｖが１７０〜２５０程度）。このため、これらのいずれかを第３金属として採用すれば、芯部の補強効果を確実に向上させることができる。

本発明のスパークプラグは、接地電極が延びる方向に直交する断面で接地電極を見た場合、屈曲部の全域において位置関係が成立していることが好ましい（請求項５）。

この場合、屈曲部の全域において、線熱膨張係数が伝熱部より小さく、かつ硬度が高い芯部の中心が伝熱部の中心よりも中心電極側に位置している。このため、このスパークプラグでは、伝熱部と芯部とが上述のバイメタルの作用をより発揮し易くなって、屈曲部の屈曲をより強めようとする。このため、このスパークプラグは、本発明の作用効果を確実に奏することができる。

実施例１のスパークプラグの正面図（部分断面図）である。 実施例１のスパークプラグの要部拡大断面図である。 実施例１のスパークプラグに係り、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図である。 実施例１の他のスパークプラグに係り、図３と同様の断面図である。 実施例１の他のスパークプラグに係り、図３と同様の断面図である。 試験例１−１の接地電極の熱応力分布を示す写真である。 試験例１−２の接地電極の熱応力分布を示す写真である。 試験例１−３の接地電極の形状変化を示す図である。 試験例１−４の接地電極の先端温度を示す図である。 試験例１−５の接地電極の偏芯割合と起き上がり量との関係を示す図である。 試験例３の接地電極に係り、図２のＸＩ−ＸＩ断面におけるビッカース硬さの測定点を示す説明図である。 実施例４のスパークプラグに係り、図３と同様の断面図である。 実施例５のスパークプラグに係り、図３と同様の断面図である。 実施例６のスパークプラグに係り、図３と同様の断面図である。 実施例７のスパークプラグに係り、図３と同様の断面図である。 参考例のスパークプラグに係り、図３と同様の断面図である。 実施例１〜７のスパークプラグに係り、接地電極の製造方法を示す説明図である。

以下、本発明を具体化した実施例１〜７を図面を参照しつつ説明する。

（実施例１）
図１及び図２に示すように、実施例１のスパークプラグ１００は、主体金具１、絶縁体２、中心電極３及び接地電極４等を備えている。なお、図１及び図２において、紙面下方が先端側であり、紙面上方が後端側である。

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、ねじ部７と工具係合部１ｅとが形成されている。ねじ部７は、スパークプラグ１００を図示しないエンジンに取り付けるためのものである。工具係合部１ｅは、六角状の軸断面形状を有しており、主体金具１を取り付ける際に、スパナやレンチ等の工具が係合される。

絶縁体２は、アルミナ等を主体とする絶縁材料により構成されるものであり、先端が突出するように主体金具１の内側に嵌め込まれている。絶縁体２には、中心電極３及び端子電極１３を挿入するための貫通孔６が軸線方向に形成されている。貫通孔６の先端側には、中心電極３が挿入・固定され、貫通孔６の後端側には、端子電極１３が挿入・固定されている。また、貫通孔６内において、端子電極１３と中心電極３との間には、抵抗体１５が配置されている。この抵抗体１５の両端部は、導電性ガラスシール層１６、１７を介して中心電極３と端子電極１３とにそれぞれ電気的に接続されている。なお、抵抗体１５は、ガラス粉末と導電材料粉末（及び必要に応じてガラス以外のセラミック粉末）とを混合して、ホットプレス等により焼結して得られる抵抗体組成物により形成される。

中心電極３は、ニッケル基合金等で構成された円柱軸体である。中心電極３の先端は、略円錐形状とされ、貫通孔６の先端から突出した状態とされている。

図２に拡大して示すように、接地電極４は、主体金具１の先端側の開口縁に溶接等により固定される基端部４Ａと、基端部４Ａと一体をなし、円弧を描きつつ略直角に屈曲された屈曲部４Ｂと、屈曲部４Ｂと一体をなして中心電極３と対向する先端部４Ｃとからなっている。接地電極４の先端部４Ｃと中心電極３との間には火花放電ギャップｇが形成されている。

接地電極４は、３層構造の略矩形断面軸体であり、基端部４Ａから屈曲部４Ｂを経て先端部４Ｃに向かって延びる芯部４１と、芯部４１の外側で基端部４Ａから屈曲部４Ｂを経て先端部４Ｃに向かって延びる伝熱部４２と、芯部４１及び伝熱部４２の外側で基端部４Ａから屈曲部４Ｂを経て先端部４Ｃまで延びる外層４３とを有している。外層４３は、先端部４Ｃの末端まで延在している。一方、芯部４１及び伝熱部４２は、先端部４Ｃにおいて、中心電極３の軸線の近傍まで延びている。芯部４１及び伝熱部４２の先端位置を先端部４Ｃのどこまで延ばすか（中心電極３の軸線よりも根元側か先端側か）は、熱引き性等の要求性能により適宜調整される。

外層４３は第１金属の一例としてのニッケル基合金（インコネル６００、インコネル６０１）からなり、伝熱部４２は第２金属の一例としての銅からなり、芯部４１は第３金属の一例としての純ニッケルからなる。外層４３のニッケル基合金は、銅及び純ニッケルよりも耐熱性及び耐食性に優れている。伝熱部４２の銅は、熱伝導率が３９０Ｗ／ｍ・Ｋであり、ニッケル基合金よりも熱伝導率が大きい。また、芯部４１の純ニッケルは、ビッカース硬さＨｖが１２５であり、ビッカース硬さＨｖが７５の伝熱部４２よりは硬度が高いが、ビッカース硬さＨｖが２３０の外層４３よりは硬度が低い。また、伝熱部４２の銅は、線熱膨張係数が１．６５×１０^-5／°Ｃであり、線熱膨張係数が１．３４×１０^-5／°Ｃのニッケル基合金や、線熱膨張係数が１．３０×１０^-5／°Ｃの純ニッケルより、線熱膨張係数が大きい。

図３に示すように、接地電極４が延びる方向に直交し、かつ屈曲部４Ｂの中間に位置する断面（図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面）で接地電極４を見た場合、伝熱部４２の図形中心（矩形断面の重心）Ｃ２は、外層４３の図形中心（矩形断面の重心）Ｃ３と一致している。一方、芯部４１の図形中心（矩形断面の重心）Ｃ１は、伝熱部４２の図形中心Ｃ２よりも中心電極３側に位置している。言い換えれば、屈曲部４Ｂの中間（図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面）において、伝熱部４２の図形中心Ｃ２は、中心電極３側とその反対側との中央に位置し、芯部４１の図形中心Ｃ１は中心電極３側に偏芯している。図２に示すように、芯部４１と伝熱部４２との相対位置関係は、芯部４１及び伝熱部４２が延びる方向の全域にわたって、図３の断面に示す相対位置関係と同様となっている。すなわち、屈曲部４Ｂの全域において、伝熱部４２は中心電極３側とその反対側との中央に位置し、芯部４１は中心電極３側に偏芯している。

実施例１では、芯部４１の伝熱部４２に対する偏芯の程度を、下記の通り、偏芯割合（％）として規定している。具体的には、図４に示すように、芯部４１が外層４３と接した状態を偏芯割合１００％とし、この場合における芯部４１の図形中心Ｃ１と伝熱部４２の図形中心Ｃ２との距離をＤ０とする。また、図示しないが、伝熱部４２の図形中心Ｃ２と芯部４１の図形中心Ｃ１とが一致している状態を偏芯割合０％とする。そして、例えば、図３に示す場合において、芯部４１の図形中心Ｃ１と、伝熱部４２の図形中心Ｃ２との距離をＤ１とすると、偏芯割合（％）は、
偏芯割合（％）＝Ｄ１／Ｄ０×１００
という式により算出される。

偏芯割合（％）は、１００％より大きな値となり得る。具体的には、図５に示すように、芯部４１が外層４３に食い込んだ状態となっている場合において、芯部４１の図形中心Ｃ１と伝熱部４２の図形中心Ｃ２との距離をＤ２とすると、Ｄ２＞Ｄ０であるので、
偏芯割合（％）＝Ｄ２／Ｄ０×１００＞１００
となり、偏芯割合（％）が１００％より大きくなる。

このような構成である実施例１のスパークプラグ１００は、図示しないエンジンに搭載され、高温条件下で、中心電極３と接地電極４との間で放電を繰り返す。

この際、このスパークプラグ１００では、伝熱部４２を構成する第２金属の一例としての銅が熱伝導性に優れるため、先端部４Ｃ側の熱が伝熱部４２によって基端部４Ａ側に効果的に伝えられる。すなわち、このスパークプラグ１００は、伝熱部４２が熱引き性に優れることから、先端部４Ｃの温度上昇を抑制し、優れた耐久性を発揮できるようになっている。

この一方、このスパークプラグ１００は、伝熱部４２を構成する第２金属の一例としての銅の線熱膨張係数が大きいことから、仮に、何も対策を施さないとすれば、接地電極４が高温条件下で起き上がろうとする。そして、仮に、接地電極４の起き上がりが生じたとした場合、接地電極４と中心電極３との火花放電ギャップｇが変化し、特性に悪影響を生じてしまうこととなる。

しかしながら、このスパークプラグ１００では、上述の通り、少なくとも屈曲部４Ｂの中間（図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面）において、芯部４１の図形中心Ｃ１は、伝熱部４２の図形中心Ｃ２よりも中心電極３側に位置している。より詳しくは、伝熱部４２の図形中心Ｃ２は、中心電極３側とその反対側との中央に位置し、芯部４１の図形中心Ｃ１は中心電極３側に偏芯している。このため、図３に示すように、少なくとも屈曲部４Ｂの中間において、伝熱部４２における中心電極３と反対側の部位は、伝熱部４２における中心電極３側の部位に対して断面積が大きくなっている。また、伝熱部４２における中心電極３側の部位には、線熱膨張係数が伝熱部４２より小さく、かつ硬度が高い芯部４１が食い込んでいる。このため、このスパークプラグ１００では、伝熱部の中心と芯部の中心とが一致する従来のスパークプラグと比較して、伝熱部４２と芯部４１とが熱膨張差によりいわゆるバイメタルのように作用し、屈曲部４Ｂの屈曲を強めようとする。このため、このスパークプラグ１００では、接地電極４が高温条件下で起き上がろうとする傾向を弱めることができる。

したがって、実施例１のスパークプラグ１００は、接地電極４の起き上がりを確実に抑制できる。その結果、このスパークプラグ１００は、細径化のために接地電極４が小型化される場合でも、接地電極４の起き上がりを抑制できるので、接地電極４と中心電極３との火花放電ギャップｇの変化を抑制して、特性に悪影響を生じないようにすることができる。

また、このスパークプラグ１００は、接地電極４の起き上がりを抑制できる範囲内において、小型化により体積が減少した伝熱部４２を先端部４Ｃに向かってさらに延ばすことにより、熱引き性を改善することもできる。

さらに、このスパークプラグ１００は、上述の通り、芯部４１が屈曲部４Ｂの全域において中心電極３側に偏芯している。このため、屈曲部４Ｂの全域において、伝熱部４２における中心電極３と反対側の部位は、伝熱部４２における中心電極３側の部位に対して断面積が大きくなっている。また、屈曲部４Ｂの全域において、伝熱部４２における中心電極３側の部位には芯部４１が食い込んでいる。このため、このスパークプラグ１００では、伝熱部４２と芯部４１とが上述のバイメタルの作用をより発揮し易くなって、屈曲部４Ｂの屈曲をより強めようとする。このため、このスパークプラグ１００は、本発明の作用効果を確実に奏することができる。

以下、実施例１のスパークプラグ１００の作用効果の説明を補強する試験例１−１〜１−５について詳述する。

（試験例１−１）
試験例１−１では、図６の写真に示すように、ニッケル基合金のみで構成される無垢の略矩形断面軸体からなる接地電極を用いた。そして、この接地電極について、高温状態にした場合の熱応力分布をＦＥＭ熱応力解析により求めた。この接地電極は、特許文献１等に開示されている従来の構成よりもさらに単純な構成のものである。図６では、熱応力分布をモノクロの濃淡で示している。淡くなるほど、熱応力が高いことを示している。また、図６では、基端部及び屈曲部のみを表示し、先端部は表示していない。

解析条件として、エンジンヘッドの温度を３５０〜１５０°Ｃ、エンジン内の雰囲気と接地電極との間の熱伝達係数を３６０Ｗ／ｍ²・°Ｃと設定した。そして、接地電極の先端部の末端から１ｍｍ内側の部位の温度が１０００°Ｃとなるように、雰囲気温度を設定した。

その結果、試験例１−１では、雰囲気温度１４９０°Ｃとなった。この場合、図６に示すように、接地電極の基端部及び中間部には、全体的に同程度の熱応力が生じている。

（試験例１−２）
試験例１−２では、図７の写真に示すように、芯部、伝熱部及び外層の３層構成である略矩形断面軸体からなる接地電極であって、芯部の中心と伝熱部の中心が一致しているもの（偏芯割合０％）を用いた。そして、この接地電極について、高温状態にした場合の熱応力分布をＦＥＭ熱応力解析により求めた。この接地電極は、特許文献１等に開示されている従来の構成のものである。図７では、図６と同様に、熱応力分布をモノクロの濃淡で示している。淡くなるほど、熱応力が高いことを示している。また、図７でも、基端部及び屈曲部のみを表示し、先端部は表示していない。

解析条件としては、試験例１−１と同様に、接地電極の先端部の末端から１ｍｍ内側の部位の温度が１０００°Ｃとなるように、雰囲気温度を設定した。

その結果、試験例１−２では、雰囲気温度１５７０°Ｃとなり、試験例１−１よりも雰囲気温度が高くなった。このことから、銅からなる伝熱部の熱引きにより、先端部の熱が基端部側に伝わり、基端部の温度上昇を抑制していることがわかる。また、図７に示すように、接地電極の基端部及び中間部において、伝熱部と外層及び芯部との間で高い熱応力が生じていることが判る。この熱応力は、伝熱部の熱膨張が主原因と推測できる。そして、この伝熱部の熱膨張により外層が押されて、接地電極の起き上がりが発生すると推測できる。

（試験例１−３）
試験例１−２の偏芯割合０％の接地電極について、図８に示すように、ＦＥＭ熱応力解析を開始する前と、ＦＥＭ熱応力解析により雰囲気温度が１５７０°Ｃに到達した状態とにおける接地電極の形状変化をＦＥＭ解析により求めた。図８では、基端部及び屈曲部のみを表示し、先端部は表示していない。

その結果、ＦＥＭ熱応力解析を開始する前（図８に示す折れ線Ｍ１）に対して、ＦＥＭ熱応力解析により雰囲気温度が１５７０°Ｃに到達した状態（図８に示す折れ線Ｍ２）では接地電極の起き上がりが生じた。これは、上述した通り、銅からなる伝熱部が熱膨張して外層を押すことによるものと考えられる。

（試験例１−４）
試験例１−２の偏芯割合０％の接地電極について、伝熱部及び芯部の先端位置を変化させた場合に、先端部の温度がどの程度低下するかをＦＥＭ解析により求めた。解析条件として、接地電極の断面積（以下「電極断面積」という。）を３．５ｍｍ²、伝熱部の断面積を電極断面積の３０％と設定した。また、図９に示すように、伝熱部及び芯部の先端位置が中心電極の軸線と一致する場合（図９において、伝熱部及び芯部の先端位置０ｍｍの場合）において、接地電極の先端部の温度が８５０°Ｃとなるように、雰囲気温度を設定した。

その結果、図９に示すように、伝熱部及び芯部の先端位置が中心電極の軸線と一致する場合（図９において、伝熱部及び芯部の先端位置０ｍｍの場合）と比較して、伝熱部及び芯部の先端位置が中心電極の軸線より先端側に延びる程、先端部の温度が低下し、伝熱部及び芯部の先端位置が中心電極の軸線より基端部側に短くなる程、先端部の温度が上昇した。

上記試験例１−１〜１−４の結果から、従来のスパークプラグの接地電極は、伝熱部及び芯部の先端位置が先端部側に延びる程、接地電極に占める伝熱部の比率が増加するので、伝熱部が熱膨張して外層を押す傾向が強まり、その結果として、接地電極の起き上がりが生じ易くなることがわかる。

（試験例１−５）
試験例１−５では、偏芯割合０％の接地電極と、偏芯割合が０％より大きい接地電極とについて、起き上がり量を実際に測定した。偏芯割合が０％より大きい接地電極とは、実施例１のスパークプラグ１００が備える接地電極４のことである。試験条件は、机上で１分間のバーナー加熱と１分間の冷却とを３０００サイクル繰り替えすものであり、バーナー加熱時の接地電極の温度が８５０°Ｃとなるようにしている。この試験条件は、実機冷熱耐久１００Ｈｒに相当する。伝熱部及び芯部の先端位置は、中心電極の軸線と一致させている。電極断面積を３．５ｍｍ²（幅２．７ｍｍ×厚さ１．３ｍｍ）、２．４ｍｍ²（幅２．２ｍｍ×厚さ１．１ｍｍ）の２種類に設定した。なお、このような小さい断面積をもつ２種の接地電極は、主体金具１のねじ部７のねじ径がＭ１２、Ｍ１０等である小型（小径）のスパークプラグに適用され得る。また、伝熱部の断面積を接地電極の断面積の３０％と設定した。

その結果、図１０に示すように、黒色四角「■」で示す電極断面積：３．５ｍｍ²、偏芯割合０％の接地電極は、起き上がり量が０．０２ｍｍであり、白色四角「□」で示す電極断面積：２．４ｍｍ²、偏芯割合０％の接地電極は、起き上がり量が０．０５ｍｍであった。この結果は、電極断面積の小さい、言い換えれば、細い接地電極の方が、電極断面積の大きい、言い換えれば、太い接地電極より起き上がりが生じ易いことを示している。

これに対して、黒丸「●」で示す電極断面積：３．５ｍｍ²、偏芯割合が０％より大きい接地電極は、偏芯割合が大きくなる程、黒色四角「■」で示す接地電極よりも起き上がり量が少なくなっている。白丸「○」で示す電極断面積：２．４ｍｍ²、偏芯割合が０％より大きい接地電極も、偏芯割合が大きくなる程、白色四角「□」で示す接地電極よりも起き上がり量が少なくなっている。

この試験例１−５の結果により、実施例１のスパークプラグ１００では、接地電極４の起き上がりを確実に抑制できることが確認できる。

試験例１−１の無垢の接地電極について過去の知見で判明している起き上がり量は０．０５ｍｍ程度であることから、黒丸「●」で示す接地電極及び白丸「○」で示す接地電極の起き上がり量も０．０５ｍｍ程度までは減少し、それ以後はほぼ一定になることが推測できる。このため、黒丸「●」で示す接地電極の各点は、カーブＳ１で近似できる。また、白丸「○」で示す接地電極の各点は、カーブＳ２で近似できる。カーブＳ１、Ｓ２は、偏芯割合５０％まで起き上がり量が減少し、偏芯割合５０％以上ではほぼ一定になっている。このことからも推測できるように、実施例１のスパークプラグ１００において、偏芯割合５０％以上である場合、伝熱部４２における中心電極３と反対側の部位は、伝熱部４２における中心電極３側の部位に対して断面積が確実に大きくなる。また、伝熱部４２における中心電極３側の部位には芯部４１が大きく食い込むこととなる。このため、このスパークプラグ１００では、伝熱部４２と芯部４１とが上述のバイメタルの作用を一層発揮し易くなって、屈曲部４Ｂの屈曲をさらに強めようとする。このため、このスパークプラグ１００は、接地電極４の起き上がりをより確実に抑制することができる。

（実施例２）
実施例２のスパークプラグは、実施例１のスパークプラグ１００の芯部４１を構成する第１金属を、純ニッケルより硬度が高い高強度ニッケル基合金（ハステロイＢ）に変更したものである。それ以外は、実施例１のスパークプラグ１００と同一であるので、同一の構成に同一の符号を付して、説明を省略又は簡略する。

実施例１のスパークプラグ１００では、芯部４１の純ニッケルは、ビッカース硬さＨｖが１２５であり、ビッカース硬さＨｖが７５の伝熱部４２よりは硬度が高いが、ビッカース硬さＨｖが２３０の外層４３よりは硬度が低い。

これに対して、実施例２のスパークプラグでは、芯部４１の高強度ニッケル基合金（ハステロイＢ）は、ビッカース硬さＨｖが２５０であり、ビッカース硬さＨｖが７５の伝熱部４２、及びビッカース硬さＨｖが２３０の外層４３より硬度が高い。

このような構成である実施例２のスパークプラグでは、芯部４１の補強効果を向上させることができるので、本発明の作用効果をさらに確実に奏することができる。

以下、実施例２のスパークプラグの作用効果の説明を補強する試験例２について詳述する。

（試験例２）
上述の試験例１−５では、「偏芯割合０％、芯部４１の純ニッケルのビッカース硬さＨｖ：１２５、伝熱部４２のビッカース硬さＨｖ：７５、外層４３のビッカース硬さＨｖ：２３０、電極断面積：２．４ｍｍ²」とした接地電極について、実際に測定された起き上がり量が０．０５ｍｍであった。

これに対して、試験例２として、「偏芯割合０％、芯部４１の高強度ニッケル基合金（ハステロイＢ）のビッカース硬さＨｖ：２５０、伝熱部４２のビッカース硬さＨｖ：７５、外層４３のビッカース硬さＨｖ：２３０、電極断面積：２．４ｍｍ²（幅２．２ｍｍ×厚さ１．１ｍｍ）」とした接地電極を試作して、起き上がり量を実際に測定した。試験条件は、上述の試験例１−５と同一条件である。試験例２は、芯部４１を構成する第１金属を純ニッケルより硬度が高い高強度ニッケル基合金（ハステロイＢ）に変更している点だけが試験例１−５と相違する。

その結果、試験例２の接地電極では、実際に測定された起き上がり量は０．０２ｍｍであり、試験例１−５の場合の比較して、起き上がりを抑制することができた。このことから、芯部４１の硬度を高くすることにより、芯部４１の補強効果が向上して接地電極４の起き上がりを抑制できることが確認できる。

この試験例２の結果により、実施例２のスパークプラグでは、偏芯による起き上がり抑制効果と芯部４１の補強効果とを相乗的に発揮することができ、接地電極４の起き上がりをさらに確実に抑制できることが確認できる。

（実施例３）
実施例３のスパークプラグは、実施例１のスパークプラグ１００と同一の構成を備え、さらに、外層４３の断面係数をＺ₁、芯部４１の断面係数をＺ₃、外層４３のビッカース硬さをＨｖ₁、芯部４１のビッカース硬さをＨｖ₃、伝熱部４２の断面積をＳ₂、伝熱部４２の線熱膨張係数をα₂とし、
（Ｚ₁×Ｈｖ₁＋Ｚ₃×Ｈｖ₃）／Ｓ₂×α₂＜１．５×１０⁷ … 式１
という関係を有するものである。それ以外は、実施例１のスパークプラグ１００と同様であるので、同一の構成に同一の符号を付して、説明を省略又は簡略する。

「断面係数」は、材料の断面の図心を通る軸に関する断面２次モーメントを軸から図形の周辺までの最大距離で割ったものとして定義される。簡単に言えば、「断面係数」は、材料の断面の寸法や断面形状によって決まる係数で、材料の強さ・折れ難さの度合いを数値化したものであり、数値が大きいほど剛性が高く、曲がり難い形状であることを意味する。

発明者らは、従来のスパークプラグや、実施例１のスパークプラグ１００等についての実験、解析の結果を分析することにより、経験則として上記の式１を発見した。この式１を満たすことにより、実施例３のスパークプラグは、本発明の作用効果を確実に享受することができる。

式１の左の項の分子である「（Ｚ₁×Ｈｖ₁＋Ｚ₃×Ｈｖ₃）」は、接地電極の起き上がりを押さえようとして生じる力に関連する。

一方、式１の左の項の分母である「Ｓ₂×α₂」は、伝熱部が熱膨張して、接地電極の起き上がりを発生させようとする力に関連する。

以下、実施例３のスパークプラグの作用効果を説明する試験例３について詳述する。

（試験例３）
「外層４３の断面係数：Ｚ₁、芯部４１の断面係数：Ｚ₃、外層４３のビッカース硬さ：Ｈｖ₁、芯部４１のビッカース硬さ：Ｈｖ₃、伝熱部４２の断面積：Ｓ₂、伝熱部４２の線熱膨張係数：α₂」とした偏芯割合０％の接地電極として、表１に示す５種類の試験品３−１〜３−５を用意した。

外層４３、伝熱部４２及び芯部４１のビッカース硬さＨｖ₁〜Ｈｖ₃の測定方法の一例を以下に示す。まず、接地電極４を図２に示すＸＩ−ＸＩ断面で切断する。ＸＩ−ＸＩ断面は、主体金具１の軸心に直交し、かつ主体金具１の先端面から２ｍｍ程度離れた平面とする。試験例１−２で求めた熱応力分布（図７参照）において、接地電極４の基端部４Ａと主体金具１との溶接部分の近傍で大きな熱応力が発生して接地電極４の起き上がりを引き起こすと推測されるので、その近傍にＸＩ−ＸＩ断面を設定すれば、ビッカース硬さＨｖ₁〜Ｈｖ₃を好適に測定することができる。

次に、図１１に示す接地電極４のＸＩ−ＸＩ断面において、（１）〜（１５）の番号を付した各測定点におけるビッカース硬さを測定する。この際、ビッカース硬さ試験機の負荷を９８０．７ｍＮ程度に設定することが好ましい。

次に、（１）〜（６）の６点の平均値を求め、この平均値を外層４３のビッカース硬さＨｖ₁とする。また、（７）〜（１２）の６点の平均値を求め、この平均値を伝熱部４２のビッカース硬さＨｖ₂とする。さらに、（１３）〜（１５）の３点の平均値を求め、この平均値を芯部４１のビッカース硬さＨｖ₃とする。

図１１に、測定結果の一例として、（１）〜（１５）の各測定点におけるビッカース硬さと、それに基づいて求められるビッカース硬さＨｖ₁〜Ｈｖ₃を示す。なお、表１に示す試験品３−１〜３−５におけるビッカース硬さＨｖ₁〜Ｈｖ₃としては、より多くの測定結果に基づいて「Ｈｖ₁＝２３０、Ｈｖ₂＝７５、Ｈｖ₃＝１２５」が求められている。

表１に、試験品３−１〜３−５についての式１の左の項の計算値を示す。試験品３−１〜３−５について、起き上がり量を実際に測定した。試験条件は、机上で１分間のバーナー加熱と１分間の冷却とを３０００サイクル繰り替えすものであり、バーナー加熱時の接地電極の温度を８５０°Ｃとなるようにしている。この試験条件は、実機冷熱耐久１００Ｈｒに相当する。

その結果、式１の左の項の計算値が「１．４６×１０⁷」及び「１．４７×１０⁷」である試験品３−１〜３−２では、接地電極の起き上がりが発生し、判定結果が「×」であった。一方、式１の左の項の計算値が「１．６３×１０⁷」、「１．７８×１０⁷」及び「２．３６×１０⁷」である試験品３−３〜３−５では、接地電極の起き上がりが発生せず、判定結果が「○」であった。

式１の右の項の閾値「１．５×１０⁷」は、上記の試験結果に基づいて決定した。すなわち、判定結果が「×」であり、式１を満たす試験品３−１〜３−２は偏芯割合が０％であるから、偏芯割合が０％より大きくすることによって、接地電極の起き上がり抑制効果を確実に享受できることが確認できる。

したがって、実施例３のスパークプラグは、式１を満たすことにより、本発明の作用効果を確実に享受できる。

（実施例４）
実施例４のスパークプラグでは、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、接地電極４が延びる方向に直交し、かつ屈曲部４Ｂの中間に位置する断面（図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面）で接地電極４を見た場合、伝熱部４２の図形中心Ｃ２は、外層４３の図形中心Ｃ３に対して中心電極３とは反対側に位置している。一方、芯部４１の図形中心Ｃ１は、伝熱部４２の図形中心Ｃ２及び外層４３の図形中心Ｃ３に対して中心電極３側に位置している。すなわち、芯部４１は中心電極３側に偏芯し、伝熱部４２は中心電極３とは反対側に偏芯している。なお、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、芯部４１の断面積は、伝熱部４２の断面積に対して小さくてもよいし、大きくてもよい。

このような構成である実施例４のスパークプラグでは、少なくとも屈曲部４Ｂの中間において、伝熱部４２における中心電極３と反対側の部位は、伝熱部４２における中心電極３側の部位に対して断面積が確実に大きくなる。このため、このスパークプラグでは、伝熱部４２と芯部４１とがより効果的にバイメタルのように作用し、屈曲部４Ｂの屈曲を一層強めようとするので、本発明の作用効果を確実に奏することができる。

（実施例５）
実施例５のスパークプラグでは、図１３に示すように、伝熱部４２の図形中心Ｃ２は、外層４３の図形中心Ｃ３に対して中心電極３とは反対側に位置している。一方、芯部４１の図形中心Ｃ１は、外層４３の図形中心Ｃ３と一致している。すなわち、芯部４１は中心電極３側とその反対側との中央に位置し、伝熱部４２は中心電極３とは反対側に偏芯している。

このような構成である実施例５のスパークプラグでは、伝熱部４２における中心電極３と反対側の部位は、伝熱部４２における中心電極３側の部位に対して断面積が大きくなる。このため、このスパークプラグでは、伝熱部４２と芯部４１とがより効果的にバイメタルのように作用し、屈曲部４Ｂの屈曲をより強めようとするので、本発明の作用効果を確実に奏することができる。

（実施例６）
実施例６のスパークプラグでは、図１４に示すように、伝熱部４２の図形中心Ｃ２は、外層４３の図形中心Ｃ３に対して中心電極３側に位置している。一方、芯部４１の図形中心Ｃ１は、伝熱部４２の図形中心Ｃ２及び外層４３の図形中心Ｃ３に対して中心電極３側に位置している。

このような構成である実施例６のスパークプラグでは、伝熱部における中心電極３側の部位に芯部４１が大きく食い込んでいる。このため、このスパークプラグでは、伝熱部４２と芯部４１とがバイメタルのように作用し、屈曲部４Ｂの屈曲を強めようとするので、本発明の作用効果を奏することができる。

（実施例７）
実施例７のスパークプラグでは、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、伝熱部４２の図形中心Ｃ２は、外層４３の図形中心Ｃ３に対して中心電極３とは反対側に位置している。一方、芯部４１の図形中心Ｃ１は、外層４３の図形中心Ｃ３に対して中心電極３側とは反対側に位置しているが、伝熱部４２の図形中心Ｃ２に対しては中心電極３側に位置している。

このような構成である実施例７のスパークプラグでは、伝熱部４２における中心電極３側の部位に芯部４１が大きく食い込んでいる。このため、このスパークプラグでは、伝熱部４２と芯部４１とがバイメタルのように作用し、屈曲部４Ｂの屈曲を強めようとするので、本発明の作用効果を奏することができる。

（参考例）
図１６に、参考例のスパークプラグを示す。このスパークプラグでは、伝熱部４２の図形中心Ｃ２は、外層４３の図形中心Ｃ３に対して中心電極３側に位置している。一方、芯部４１の図形中心Ｃ１は、外層４３の図形中心Ｃ３に対して中心電極３側に位置しているが、伝熱部４２の図形中心Ｃ２に対しては中心電極３とは反対側に位置している。

このような構成である参考例のスパークプラグでは、芯部４１の図形中心Ｃ１が伝熱部４２の図形中心Ｃ２の中心電極３側に位置してないことから、伝熱部４２と芯部４１とによるバイメタルのような作用が屈曲部４Ｂの屈曲を弱めるように発揮されてしまうので、本発明の作用効果を奏することが難しい。

上記実施例１〜７のスパークプラグにおける接地電極４の製造方法の一例を図１７に基づいて簡単に説明する。

この接地電極４の製造方法は、第３金属からなる芯部用基体が第２金属からなる伝熱部用基体に対して偏芯してなる第１中間部材を作成する第１工程と、第１金属からなるカップ状の外層用基体に第１中間部材を封入して、第２中間部材を作成する第２工程と、第２中間部材を押し出し成形することにより、軸方向に細長く延伸され、かつ、断面積が小さくされた押出成形体を作成する第３工程とを備える。以下、各工程について説明する。

＜第１工程＞
第１工程では、図１７（ａ１）及び（ａ２）に示すように、上記第３金属からなる芯部用基体１１０Ａと、上記第２金属からなる伝熱部用基体１２０Ａとを有する第１中間部材１４０Ａを作成する。図１７（ａ１）は、第１中間部材１４０Ａの正面図であり、図１７（ａ２）は第１中間部材１４０Ａの断面図である。

伝熱部用基体１２０Ａには、上記第３金属を押出し成形することにより、円柱部１２１Ａと、この円柱部１２１Ａと同軸とされ、円柱部１２１Ａの一端側に連続する外径の大きい円形状の鍔部１２２Ａとが形成される。また、伝熱部用基体１２０Ａには、円柱部１２１Ａ及び鍔部１２２Ａの軸心に平行、かつ偏芯する軸線を有する貫通孔１２３が貫設される。一方、芯部用基体１１０Ａは棒状体であり、貫通孔１２３に挿入される。これにより、第１中間部材１４０Ａにおいて、芯部用基体１１０Ａは伝熱部用基体１２０Ａに対して偏芯した状態となる。

また、別の例として、図１７（ｂ１）及び（ｂ２）に示す第１中間部材１４０Ｂを作成してもよい。図１７（ｂ１）は、第１中間部材１４０Ｂの正面図であり、図１７（ｂ２）は第１中間部材１４０Ｂの断面図である。

矩形断面棒状体である伝熱部用基体及び芯部用基体を用意し、それらを隣接させた状態で、それらの外周を切削加工することにより、図１７（ｂ１）及び（ｂ２）に示すように、伝熱部用基体１２０Ｂと芯部用基体１１０Ｂとを有する第１中間部材１４０Ｂを作成する。第１中間部材１４０Ｂには、円柱部１２１Ｂと、この円柱部１２１Ｂと同軸とされ、円柱部１２１Ｂの後端側に連続する外径の大きい円形状の鍔部１２２Ｂとが形成される。この第１中間部材１４０Ｂにおいて、芯部用基体１１０Ｂは伝熱部用基体１２０Ｂに対して偏芯した状態となる。

なお、図１７（ｂ３）に示すように、芯部用基体１１０Ｂに断面逆台形状の凸部１１４を形成し、伝熱部用基体１２０Ｂに凸部１１４と嵌め合う溝部１２４を形成して、伝熱部用基体１２０Ｂと芯部用基体１１０Ｂとを嵌合により接合してもよい。

＜第２工程＞
第２工程では、図１７（ｃ１）に示すように、上記第１金属からなり、円穴形状の凹部１３１を有するカップ状の外層用基体１３０を用意する。そして、外層用基体１３０の凹部１３１に、図１７（ａ２）に示す第１中間部材１４０Ａを封入することにより、図１７（ｃ２）に示す第２中間部材１５０Ａを作成する。また、層用基体１３０の凹部１３１に、図１７（ｂ２）に示す第１中間部材１４０Ｂを封入することにより、図１７（ｃ２）に示す第２中間部材１５０Ｂを作成してもよい。

＜第３工程＞
第３工程では、図１７（ｄ）に示すように、第２中間部材１５０Ａを押出し成形する。すなわち、第２中間部材１５０Ａの先端部を先頭にして、第２中間部材１５０Ａを矩形状のダイス穴を有するダイス１９１内にパンチ１９２により挿入する。これにより、断面形状が矩形状の角柱部１６１と、この角柱部１６１の後端側に連続する外径の大きい円形状の円柱部１６２とを有する押出成形体１６０が形成される。この押出成形体１６０の断面は、例えば、図３に示すような断面となる。図示は省略するが、第２中間部材１５０Ｂを押出し成形して、押出成形体を形成する場合も同様である。この場合における押出成形体の断面は、例えば、図１２に示すような断面となる。

次に、図１７（ｅ）に示すように、押出成形体１６０を主体金具１との接合側において適切な長さに切断して、円柱部１６１を除去する。そして、押出成形体１６０の角柱部１６１を焼鈍した後、主体金具１に屈曲させつつ固定することにより、接地電極４が完成する。

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明はスパークプラグに利用可能である。

１…主体金具
３…中心電極
４…接地電極
４Ａ…基端部
４Ｂ…屈曲部
４Ｃ…先端部
４１…芯部
４２…伝熱部
４３…外層
１００…スパークプラグ
ｇ…火花放電ギャップ
Ｃ１…芯部の中心
Ｃ２…伝熱部の中心

Claims (5)

1. 主体金具に固定される基端部と、前記基端部と一体をなして屈曲された屈曲部と、前記屈曲部と一体をなして中心電極とともに火花放電ギャップを形成する先端部とからなる接地電極を備え、
   前記接地電極は、前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部に向かって延びる芯部と、前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部に向かって延びる伝熱部と、前記芯部及び前記伝熱部の外側で前記基端部から前記屈曲部を経て前記先端部まで延びる外層とを有して構成され、
   前記外層は、耐熱性及び耐食性に優れた第１金属からなり、
   前記伝熱部は、前記第１金属より熱伝導率が大きい第２金属からなり、
   前記芯部は、前記第２金属より硬度が高い第３金属からなり、
   前記第２金属は、前記第１金属及び前記第３金属より線熱膨張係数が大きいスパークプラグにおいて、
   前記接地電極が延びる方向に直交する断面で前記接地電極を見た場合、少なくとも前記屈曲部の中間において、前記芯部の中心は前記伝熱部の中心よりも前記中心電極側に位置していることを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記接地電極が延びる方向に直交する断面で前記接地電極を見た場合、少なくとも前記屈曲部の中間において、前記芯部が前記中心電極側に偏芯している構成及び前記伝熱部が前記中心電極とは反対側に偏芯している構成の少なくとも一方を備える請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記接地電極が延びる方向に直交する断面で前記接地電極を見た場合、少なくとも前記屈曲部の中間において、前記芯部は前記中心電極側とその反対側との中央に位置し、前記伝熱部は前記中心電極とは反対側に偏芯している請求項２記載のスパークプラグ。
4. 前記第３金属の硬度は前記第１金属の硬度より高く、前記第１金属の硬度は前記第２金属の硬度より高い請求項１乃至３のいずれか１項記載のスパークプラグ。
5. 前記接地電極が延びる方向に直交する断面で前記接地電極を見た場合、前記屈曲部の全域において位置関係が成立している請求項１乃至４のいずれか１項記載のスパークプラグ。