JP2012074272A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】接地電極と貴金属チップとの溶接強度を向上させることのできる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】スパークプラグの接地電極と貴金属チップとの間の少なくとも一部には、接地電極と貴金属チップとが溶け合って形成された溶融部がある。貴金属チップの放電面に垂直な平面であって、貴金属チップの重心を通り、接地電極の幅方向に垂直な平面によって切断された第１の断面において、溶融部の最も厚い部分の厚さをＡとし、溶融部の最も長い部分の長さをＢとした場合に、１．５≦Ｂ／Ａの関係を満たすとともに、貴金属チップの放電面に垂直な平面であって、貴金属チップの重心を通り、接地電極の幅方向に平行な平面によって切断された第２の断面において、貴金属チップの放電面の長さをＣとし、放電面に平行な方向における溶融部の長さをＤとした場合に、１．２≦Ｄ／Ｃの関係を満たす。
【選択図】図３

Description

本発明は、スパークプラグに関するものである。

従来、スパークプラグの接地電極に貴金属チップを接合する方法としては、例えば、以下の特許文献に開示されたものが知られている。

特許文献１に開示された方法では、貴金属チップを全て溶融させて、接地電極に接合させている。しかしこの方法では、接地電極と貴金属チップとの溶接強度を上げることはできるが、貴金属チップの放電面にも接地電極母材の溶融成分が含まれてしまうため、火花耐久性能が低下してしまうといった問題があった。

また、特許文献２に開示された方法では、貴金属チップの外周部を溶融させて、接地電極に接合させている。しかしこの方法では、接地電極と貴金属チップの中心部との溶接強度が弱く、また貴金属チップや溶融部にクラックが発生し、やがては貴金属チップの剥離に繋がるおそれがあるといった問題があった。

また、接地電極に貴金属チップを接合する方法としては、抵抗溶接を用いた方法も知られている。しかしこの方法では、接地電極と貴金属チップの境界面における溶融部の層が薄いため、また、近年のエンジンの高出力化に伴ってシリンダ内がより高温になるなど、スパークプラグの使用環境は以前より厳しい環境となるため、溶接強度が確保できず、やがては貴金属チップの剥離に繋がるおそれがあるといった問題があった。

特表２００４−５１７４５９号公報 米国特許出願公開第２００７／０１０３０４６号明細書

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、接地電極と貴金属チップとの溶接強度を向上させることのできる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。

[適用例１]
軸線方向に貫通する軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔の先端側に設けられた中心電極と、
前記絶縁体を保持する略筒状の主体金具と、
一端が前記主体金具の先端部に取り付けられ、他端が前記中心電極の先端部と対向する接地電極と、
前記接地電極の先端部に設けられ、前記中心電極との間で間隙を形成する放電面を有する貴金属チップと、
を備えるスパークプラグであって、
前記接地電極と前記貴金属チップとの間の少なくとも一部には、前記接地電極と前記貴金属チップとが溶け合って形成された溶融部があり、
前記貴金属チップの前記放電面に垂直な平面であって、前記貴金属チップの重心を通り、前記接地電極の幅方向に垂直な平面によって切断された第１の断面において、
前記貴金属チップの放電面に垂直な方向における前記溶融部の厚さのうち、最も厚い部分の厚さをＡとし、
前記貴金属チップの放電面に平行な方向における前記溶融部の長さのうち、最も長い部分の長さをＢとした場合に、
１．５≦Ｂ／Ａ
の関係を満たすとともに、
前記貴金属チップの前記放電面に垂直な平面であって、前記貴金属チップの重心を通り、前記接地電極の幅方向に平行な平面によって切断された第２の断面において、
前記貴金属チップの前記放電面の長さをＣとし、
前記放電面に平行な方向における前記溶融部の長さをＤとした場合に、
１．２≦Ｄ／Ｃ
の関係を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
このようなスパークプラグによれば、溶融部付近における凝固割れの発生を抑制することができるとともに、酸化スケールの発生を抑制することができるので、貴金属チップと接地電極との溶接強度を向上させることが可能となる。

[適用例２]
適用例１に記載のスパークプラグであって、さらに、
Ｄ／Ｃ≦２．５の関係を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
このようなスパークプラグによれば、酸化スケールの発生を抑制することができるので、貴金属チップと接地電極との溶接強度を向上させることが可能となる。

[適用例３]
適用例１または適用例２に記載のスパークプラグであって、
前記第１の断面において、
前記貴金属チップの前記放電面の長さをＥとし、
前記貴金属チップの側面のうち前記接地電極の他端側の側面から、前記溶融部の長手方向の先端部までの、前記貴金属チップの前記放電面に平行な方向における長さをＦとした場合に、
０．６≦Ｆ／Ｅ
の関係を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
このようなスパークプラグによれば、貴金属チップと接地電極との境界に占める溶融部の長さの割合を大きくすることができるとともに、酸化スケールの発生を抑制し、貴金属チップと接地電極との溶接強度を向上させることが可能となる。

[適用例４]
適用例１ないし適用例３のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
さらに、
１．６≦Ｄ／Ｃ
の関係を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
このようなスパークプラグによれば、酸化スケールの発生をさらに抑制することができるので、貴金属チップと接地電極との溶接強度をさらに向上させることが可能となる。

[適用例５]
適用例１ないし適用例４のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
前記溶融部は、前記貴金属チップの前記放電面に垂直な方向に投影した場合に、前記貴金属チップの全体を囲んでおり、
前記貴金属チップの前記放電面の面積をＳ１とし、
前記溶融部を前記貴金属チップの前記放電面に垂直な方向に投影した場合における面積をＳ２とした場合に、
１．８≦Ｓ２／Ｓ１
の関係を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
このようなスパークプラグによれば、接地電極にかかる応力を適切に緩和することができるとともに、酸化スケールの発生を抑制し、貴金属チップの剥離を抑制することが可能となる。

[適用例６]
適用例１ないし適用例５のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
前記貴金属チップの前記放電面には、前記溶融部が形成されていないことを特徴とする、スパークプラグ。
溶融部よりも貴金属チップの方が耐火花消耗性に優れているため、このようなスパークプラグによれば、スパークプラグの耐火花消耗性を向上させることができる。

[適用例７]
適用例１ないし適用例６のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
前記接地電極は、Ｎｉを主成分とし、Ｓｉ、Ａｌ、希土類元素のうちの１種類以上の元素を含有し、
前記貴金属チップは、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｅのうちの１種類以上の元素を含有していることを特徴とする、スパークプラグ。
このようなスパークプラグによれば、貴金属チップと接地電極との溶接強度を向上させることができるとともに、放電による貴金属チップの消耗を抑制することができ、スパークプラグの耐久性を向上させることができる。

[適用例８]
適用例１ないし適用例７のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
前記溶融部は、前記接地電極と前記貴金属チップとの境界に対してファイバーレーザまたは電子ビームが照射されることによって形成されていることを特徴とする、スパークプラグ。
ファイバーレーザや電子ビーム等の高エネルギービームを用いると、接地電極と貴金属チップの境界を奥深くまで溶融させることができるため、接地電極と貴金属チップとを強固に接合させることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、スパークプラグの製造方法および製造装置、製造システム等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としてのスパークプラグ１００の部分断面図である。 中心電極２０の先端部２２付近を拡大して示す説明図である。 接地電極３０の先端部３３付近を拡大して示す説明図である。 凝固割れの発生の有無を表形式で示す説明図である。 机上バーナー試験１の結果を示すグラフである。 机上バーナー試験２の結果を示すグラフである。 実機冷熱試験の結果を表形式で示す説明図である。 第２実施形態のスパークプラグ１００ｂにおける接地電極３０ｂの先端部３３ｂ付近を拡大して示す説明図である。 第３実施形態のスパークプラグ１００ｃにおける接地電極３０ｃの先端部３３ｃ付近を拡大して示す説明図である。 他の実施形態のスパークプラグ１００ｄにおける接地電極３０ｄの先端部３３ｄ付近を拡大して示す説明図である。 他の実施形態のスパークプラグ１００ｅにおける接地電極３０ｅの先端部３３ｅ付近を拡大して示す説明図である。 他の実施形態のスパークプラグ１００ｆにおける接地電極３０ｆの先端部３３ｆ付近を拡大して示す説明図である。 他の実施形態のスパークプラグ１００ｇにおける接地電極３０ｇの先端部３３ｇ付近を拡大して示す説明図である。 他の実施形態のスパークプラグ１００ｈにおける接地電極３０ｈの先端部３３ｈ付近を拡大して示す説明図である。 他の実施形態のスパークプラグ１００ｉにおける接地電極３０ｉの先端部３３ｉ付近を拡大して示す説明図である。 他の実施形態のスパークプラグ１００ｊにおける接地電極３０ｊの先端部３３ｊ付近を拡大して示す説明図である。

次に、本発明の一態様であるスパークプラグの実施の形態を、以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施形態：
Ａ１．スパークプラグの構造：
Ａ２．各部の形状及び寸法：
Ａ３．凝固割れの発生に関する実験例：
Ａ４．酸化スケールの発生に関する実験例：
Ａ５．面積比率Ｓ２／Ｓ１に関する実験例
Ｂ．第２実施形態：
Ｃ．第３実施形態：
Ｄ．他の実施形態：

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．スパークプラグの構造：
図１は、本発明の一実施形態としてのスパークプラグ１００の部分断面図である。なお、図１において、スパークプラグ１００の軸線方向ＯＤを図面における上下方向とし、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。

スパークプラグ１００は、絶縁碍子１０と、主体金具５０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０とを備えている。中心電極２０は、絶縁碍子１０内に軸線方向ＯＤに延びた状態で保持されている。絶縁碍子１０は、絶縁体として機能しており、主体金具５０は、この絶縁碍子１０を保持している。端子金具４０は、絶縁碍子１０の後端部に設けられている。なお、中心電極２０と接地電極３０の構成については、図２において詳述する。

絶縁碍子１０は、アルミナ等を焼成して形成され、軸中心に軸線方向ＯＤへ延びる軸孔１２が形成された筒形状を有する。軸線方向ＯＤ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。

主体金具５０は、低炭素鋼材より形成された円筒状の金具であり、スパークプラグ１００を内燃機関のエンジンヘッド２００に固定する。そして、主体金具５０は、絶縁碍子１０を内部に保持しており、絶縁碍子１０は、その後端側胴部１８の一部から脚長部１３にかけての部位を主体金具５０によって取り囲まれている。

また、主体金具５０は、工具係合部５１と、取付ねじ部５２とを備えている。工具係合部５１は、スパークプラグレンチ（図示せず）が嵌合する部位である。主体金具５０の取付ねじ部５２は、ねじ山が形成された部位であり、内燃機関の上部に設けられたエンジンヘッド２００の取付ねじ孔２０１に螺合する。

主体金具５０の工具係合部５１と取付ねじ部５２との間には、鍔状のシール部５４が形成されている。取付ねじ部５２とシール部５４との間のねじ首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と取付ねじ孔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、取付ねじ孔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。主体金具５０の工具係合部５１から加締部５３にかけての内周面と、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が介在されている。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と、絶縁碍子１０は、リング部材６，７およびタルク９を介して主体金具５０内の先端側に向け押圧される。これにより、絶縁碍子１０の段部１５は、主体金具５０の内周に形成された段部５６に支持され、主体金具５０と絶縁碍子１０とは、一体となる。このとき、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は、絶縁碍子１０の段部１５と主体金具５０の段部５６との間に介在された環状の板パッキン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の圧縮ストロークを稼いで主体金具５０内の気密性を高めている。なお、主体金具５０の段部５６よりも先端側と絶縁碍子１０との間には、所定寸法のクリアランスＣＬが設けられている。

図２は、中心電極２０の先端部２２付近を拡大して示す説明図である。中心電極２０は、電極母材２１の内部に芯材２５を埋設した構造を有する棒状の電極である。電極母材２１は、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル（Ｎｉ）またはニッケルを主成分とする合金から形成されている。具体的には、電極母材２１は、Ｎｉを主成分とし、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、希土類元素のうちの１種類以上の元素を含有する合金から形成されている。芯材２５は、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形成されている。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、先端側においては縮径部が形成される。また、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）を経由して、端子金具４０（図１）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（図示せず）がプラグキャップ（図示せず）を介して接続され、高電圧が印加される。

中心電極２０の先端部２２は、絶縁碍子１０の先端部１１よりも突出している。中心電極２０の先端部２２の先端には、中心電極チップ９０が接合されている。中心電極チップ９０は、軸線方向ＯＤに伸びた略円柱形状を有しており、耐火花消耗性を向上するため、高融点の貴金属によって形成されている。中心電極チップ９０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る。

接地電極３０は、耐腐食性の高い金属から形成され、例えば、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル合金から形成されている。この接地電極３０の基部３２は、溶接によって、主体金具５０の先端部５７に接合されている。また、接地電極３０は屈曲しており、接地電極３０の先端部３３は、中心電極２０の先端部２２と対向しており、さらに、中心電極チップ９０の先端面９２とも対向している。

さらに、接地電極３０の先端部３３には、溶融部９８を介して接地電極チップ９５が接合されている。接地電極チップ９５の放電面９６は、中心電極チップ９０の先端面９２と対向しており、接地電極チップ９５の放電面９６と、中心電極チップ９０の先端面９２との間には、ギャップＧＡが形成されている。なお、接地電極チップ９５は、中心電極チップ９０と同様に、高融点の貴金属によって形成されており、例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｅのうちの１種類以上の元素を含有している。このようにすれば、接地電極チップ９５の耐火花消耗性を向上させることができる。

Ａ２．各部の形状及び寸法：
図３は、接地電極３０の先端部３３付近を拡大して示す説明図である。図３（Ａ）は、接地電極３０の先端部３３を、軸線方向ＯＤに沿った方向から見た図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるＸ１−Ｘ１断面を示す図である。換言すれば、図３（Ｂ）は、接地電極チップ９５の放電面９６に垂直な平面であって、接地電極チップ９５の重心Ｇを通り、接地電極３０の幅方向ＷＤに垂直な平面で切断した断面を示す図である。図３（Ｃ）は，図３（Ａ）におけるＸ２−Ｘ２断面を示す図である。換言すれば、図３（Ｃ）は、接地電極チップ９５の放電面９６に垂直な平面であって、接地電極チップ９５の重心Ｇを通り、接地電極３０の幅方向ＷＤに平行な平面で切断した断面を示す図である。

図３（Ｂ）に示すように、接地電極３０の先端部３３には、接地電極チップ９５の底面と同じ形状の溝部３４が形成されており、接地電極チップ９５は、溝部３４に埋設されている。接地電極チップ９５と接地電極３０との間の少なくとも一部には、溶融部９８が形成されている。溶融部９８は、接地電極チップ９５の一部と接地電極３０の一部とが溶け合って形成されており、接地電極チップ９５と接地電極３０の成分の両方が含まれる。すなわち、溶融部９８は、接地電極３０と接地電極チップ９５との中間的な組成を有している。なお、接地電極チップ９５と接地電極３０との間には破線が描かれているが、実際には、溶融部９８が形成されている部分においては接地電極チップ９５と接地電極３０とが一体となって溶融しており、破線は消滅している。以下で示す図面においても同様である。

溶融部９８は、接地電極３０と接地電極チップ９５との境界（すなわち、接地電極チップ９５の底面）に対して略平行な方向ＬＤから高エネルギービームを照射することによって形成することができる（図３（Ｂ））。より具体的には、溶融部９８は、高エネルギービームを接地電極３０の幅方向ＷＤに相対的に移動させながら照射することによって形成することができる。本実施形態では、溶融部９８を形成するための高エネルギービームとして、ファイバーレーザを用いている。ただし、ファイバーレーザの代わりに、電子ビームを用いることとしてもよい。ファイバーレーザや電子ビームを用いると、接地電極３０と接地電極チップ９５の境界を奥深くまで溶融させることができるため、接地電極３０と接地電極チップ９５とを強固に接合させることができる。なお、溶融部９８は、接地電極３０と接地電極チップ９５との境界に対して斜めの方向から高エネルギービームを照射することによって形成することもできる。また、接地電極チップ９５を接地電極３０に溶接した後は、接地電極３０を屈曲させて、接地電極チップ９５と中心電極２０とを対向させる。

溶融部９８は、接地電極３０と接地電極チップ９５との中間的な熱膨張率を有しているため、接地電極３０と接地電極チップ９５との間に生じる応力を緩和することができる。さらに、図３（Ｂ）に示すように、接地電極チップ９５の放電面９６に垂直な方向における溶融部９８の厚さは、接地電極チップ９５の放電面９６に平行な方向に沿って次第に薄くなっていることが好ましい。このような形状は、接地電極３０と接地電極チップ９５との間に生じる応力を適切に分散させることができるので、接地電極チップ９５の剥離を抑制することが可能となる。

また、接地電極チップ９５の放電面９６に垂直な平面であって、接地電極チップ９５の重心Ｇを通り、接地電極３０の幅方向ＷＤに垂直な平面によって切断された断面（図３（Ｂ））において、接地電極チップ９５の放電面９６に垂直な方向における溶融部９８の厚さのうち、最も厚い部分の厚さをＡとする。そして、接地電極チップ９５の放電面９６に平行な方向における溶融部９８の長さのうち、最も長い部分の長さをＢとする。この場合において、スパークプラグ１００は、以下の関係式（１）を満たすことが好ましい。
１．５≦Ｂ／Ａ …（１）

溶融部９８を上記関係式（１）を満たす細長い形状とすれば、接地電極３０と接地電極チップ９５との境界に占める溶融部９８の長さの割合を増やしつつも、接地電極チップ９５に占める溶融部９８の体積の増加を抑えることができるので、接地電極チップ９５の溶接強度を向上させつつ、接地電極チップ９５に占める溶融部９８の体積の増加に伴う耐火花消耗性の低下を抑制することができる。

さらに、接地電極チップ９５の放電面９６に垂直な平面であって、接地電極チップ９５の重心Ｇを通り、接地電極３０の幅方向ＷＤに平行な平面によって切断された断面（図３（Ｃ））において、接地電極チップ９５の放電面９６の長さをＣとする。そして、放電面９６に平行な方向における溶融部９８の長さをＤとする。この場合において、スパークプラグ１００は、以下の関係式（２）を満たすことが好ましい。
１．２≦Ｄ／Ｃ …（２）
このようにすれば、接地電極チップ９５と接地電極３０との境界だけでなく、境界の周囲も溶融部９８によって一体化することができるので、溶融部９８付近における凝固割れの発生を抑制することができるとともに、酸化スケールの発生を抑制し、接地電極チップ９５と接地電極３０との溶接強度を向上させることが可能となる。また、Ｄ／Ｃを以下では第１比率とも呼ぶ。

なお、スパークプラグ１００がより高温の環境下において使用される場合には、スパークプラグ１００は、以下の関係式（３）を満たすことが好ましい。
１．６≦Ｄ／Ｃ …（３）
このようにすれば、さらに、酸化スケールの発生を抑制することが可能となり、接地電極チップ９５と接地電極３０との溶接強度をさらに向上させることが可能となる。

一方、第１比率Ｄ／Ｃが所定値よりも大きくなると、換言すれば、長さＣに対して長さＤが長くなり過ぎると、酸化スケールが発生しやすくなってしまう。この理由は、長さＤが長くなるにしたがって、溶融部９８に占める接地電極チップ９５と接地電極３０とが溶け合って形成された合金層の割合が小さくなってしまい、溶融部９８の合金層ではない部分（例えば、溶融部９８の両端部分）では接地電極３０の粒成長のみが促進されて、酸化スケールの進展の起点となってしまうためであると考えられる。したがって、スパークプラグ１００は、以下の関係式（４）を満たすことが好ましい。
Ｄ／Ｃ≦２．５ …（４）
このようにすれば、酸化スケールの発生を抑制することができる。なお、第１比率Ｄ／Ｃを上記の数値範囲に規定する理由については後述する。

さらに、図３（Ｂ）に示した断面図おいて、接地電極チップ９５の放電面９６の長さをＥとする。そして、接地電極チップ９５の側面のうち接地電極３０の他端側の側面９７から、溶融部９８の長手方向の先端部９９までの、接地電極チップ９５の放電面９６に平行な方向における長さをＦとする。なお、溶融部９８の長手方向は、高エネルギービームの照射方向と一致しており、溶融部９８は、先端部９９に近づくにしたがって次第に細くなる形状を有している。また、接地電極３０の他端側とは、接地電極３０の先端面３１に近い側をいう。この場合において、スパークプラグ１００は、以下の関係式（５）を満たすことが好ましい。
０．６≦Ｆ／Ｅ …（５）
換言すれば、図３（Ｂ）に示した断面図において、接地電極チップ９５の底面のうちの６０％以上が高エネルギービームによって溶融され、溶融部９８が形成されていることが好ましい。なお、この図３（Ｂ）に示した例では、Ｆ／Ｅは１．０以上となっている。

このようにすれば、接地電極チップ９５と接地電極３０との境界に占める溶融部９８の長さの割合を大きくすることができるので、酸化スケールの発生を抑制し、接地電極チップ９５の耐剥離性を向上させることができる。なお、Ｆ／Ｅを上記の数値範囲に規定する理由については後述する。また、Ｆ／Ｅを以下では第２比率とも呼ぶ。

また、図３（Ａ）に示すように、溶融部９８は、接地電極チップ９５の放電面９６に垂直な方向に投影した場合に、接地電極チップ９５の全体を囲んでいることが好ましい。このようにすれば、接地電極チップ９５の底面の全てが溶融部９８によって接合されるため、接地電極チップ９５の耐剥離性を向上させることができる。

さらに、溶融部９８は、接地電極チップ９５の底面よりも広い範囲において形成されていることが好ましい。このようにすれば、接地電極チップ９５の底面付近に生じる応力を、広い範囲に形成された溶融部９８によって適切に緩和することができるため、接地電極チップ９５の耐剥離性をさらに向上させることができる。

具体的には、接地電極チップ９５の放電面９６の面積をＳ１とする。そして、溶融部９８を接地電極チップ９５の放電面９６に垂直な方向に投影した場合における面積をＳ２とする。図３（Ａ）に示した例では、斜線が施された領域と、放電面９６とを合わせた領域の面積をＳ２とする。この場合において、スパークプラグ１００は、以下の関係式（６）を満たすことが好ましい。
１．８≦Ｓ２／Ｓ１…（６）
このようにすれば、接地電極チップ９５の耐剥離性をさらに向上させることができる。なお、このような数値範囲に規定する理由については後述する。

そして、図３（Ｂ）に示すように、溶融部９８は、接地電極チップ９５の放電面９６には形成されていないことが好ましい。この理由は、接地電極チップ９５の溶融していない部分の方が溶融部９８よりも耐火花消耗性に優れているためである。したがって、接地電極チップ９５の放電面９６に溶融部９８が形成されないようにすれば、耐火花消耗性を向上させることができる。

このように、本実施形態のスパークプラグによれば、酸化スケールの発生を抑制することができ、接地電極チップ９５の溶接強度を向上させることができる。

Ａ３．凝固割れの発生に関する実験例：
接地電極チップ９５と接地電極３０との境界に対して高エネルギービームを照射すると、境界付近が高温となって溶融し、溶融部９８が形成される。その後、高温の溶融部９８が冷却されると、凝固割れが発生する場合がある。そこで、第１比率Ｄ／Ｃの異なるサンプルを製作し、凝固割れの発生の有無と第１比率Ｄ／Ｃとの関係を調べた。

図４は、凝固割れの発生の有無を表形式で示す説明図である。この図４では、溶融部９８に凝固割れが発生した場合を×で示し、溶融部９８に凝固割れが発生しなかった場合を○で示した。なお、この実験例では、同一の第１比率Ｄ／Ｃを有するサンプルを３つずつ製作した。

この図４によれば、第１比率Ｄ／Ｃが１．２以上であれば、溶融部９８に凝固割れが発生しなかったことが理解できる。したがって、第１比率Ｄ／Ｃが１．２以上となるように、溶融部９８を形成することが好ましい。

Ａ４．酸化スケールの発生に関する実験例：
第１比率Ｄ／Ｃと酸化スケール割合との関係、及び、第２比率Ｆ／Ｅと酸化スケール割合との関係を調べるために、机上バーナー試験１，２を行なった。ここで、酸化スケール割合とは、図３（Ｃ）に示す断面において、溶融部９８の輪郭線の長さに占める、発生した酸化スケールの長さの割合である。

机上バーナー試験１では、まず接地電極３０をバーナーで２分間熱し、接地電極３０の温度を９００℃まで上昇させた。その後バーナーを切り、接地電極３０を１分間徐冷し、再び接地電極３０をバーナーで２分間熱して接地電極３０の温度を９００℃まで上昇させた。このサイクルを１０００回繰り返し、溶融部付近に発生した酸化スケールの長さを断面から計測した。そして、計測された酸化スケールの長さから、酸化スケール割合を求めた。机上バーナー試験２の試験条件は、接地電極３０の温度を１０００℃まで上昇させる点以外は、机上バーナー試験１と同じである。

なお、机上バーナー試験１，２では、２種類の大きさの接地電極チップ９５を用いた。２種類の接地電極チップ９５としては、直径０．７ｍｍ、高さ０．３ｍｍのものと、直径０．９ｍｍ、高さ０．４ｍｍのものを用いた。また、接地電極３０は、幅方向２．８ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのものを用いた。

図５は、机上バーナー試験１の結果を示すグラフである。図５の横軸は、第１比率Ｄ／Ｃを示しており、縦軸は、酸化スケール割合［％］を示している。

この図５によれば、第１比率Ｄ／Ｃが大きくなるにしたがって、酸化スケール割合が小さくなることが理解できる。これは、第１比率Ｄ／Ｃが大きくなると、接地電極チップ９５と接地電極３０との境界に占める溶融部９８の割合が大きくなり、接地電極チップ９５と接地電極３０との境界に酸化スケールが発生しにくくなるためであると考えられる。そして、第１比率Ｄ／Ｃが１．２以上となると、酸化スケール割合がほぼ５０％以下となる。したがって、第１比率Ｄ／Ｃは、１．２以上であることが好ましく、１．４以上であることがさらに好ましく、１．６以上であることが特に好ましい。

一方、第１比率Ｄ／Ｃが２．５より大きくなると、酸化スケール割合が５０％を大きく上回るようになる。この理由は、上述したように、溶融部９８の両端部分は、接地電極チップ９５と中心電極２０とが溶けた合金層ではないため、溶融部９８の両端部分では接地電極３０の粒成長のみが促進されて、酸化スケールの進展の起点となってしまうためであると考えられる。したがって、第１比率Ｄ／Ｃは、２．５以下であることが好ましく、２．４以下であることがさらに好ましく、２．２以下であることが特に好ましい。

また、図５によれば、同一の第１比率Ｄ／Ｃであっても、第２比率Ｆ／Ｅが大きいほど、酸化スケール割合が小さくなることも理解できる。これは、第２比率Ｆ／Ｅが大きくなると、接地電極チップ９５と接地電極３０との境界に占める溶融部９８の割合が大きくなり、接地電極チップ９５と接地電極３０との境界に酸化スケールが発生しにくくなるためであると考えられる。そして、第２比率Ｆ／Ｅが０．６以上となると、酸化スケール発生割合がほぼ５０％以下となる。したがって、第２比率Ｆ／Ｅは、０．６以上であることが好ましく、０．８以上であることがさらに好ましく、１．０以上であることが特に好ましい。

図６は、机上バーナー試験２の結果を示すグラフである。図６の横軸は、第１比率Ｄ／Ｃを示しており、縦軸は、酸化スケール割合［％］を示している。この机上バーナー試験２では、試験環境が机上バーナー試験１よりも厳しくなっているため、酸化スケール割合が大きくなっている。

この図６によれば、第１比率Ｄ／Ｃを１．６以上とすれば、より厳しい環境下においても、酸化スケール割合が５０％以下となることが理解できる。したがって、第１比率Ｄ／Ｃは、１．６以上であることが好ましい。

Ａ５．面積比率Ｓ２／Ｓ１に関する実験例：
接地電極チップ９５が接地電極３０から脱落（剥離）するか否かと、面積比率Ｓ２／Ｓ１との関係を調べるため、面積比率Ｓ２／Ｓ１の異なるサンプルを用いて、実機冷熱試験を行なった。

実機冷熱試験では、サンプルとなるスパークプラグを実際のエンジンに装着した。そして、４０００ｒｐｍで６０秒間エンジンを起動させ、その後エンジンを９０秒間停止させ、再び４０００ｒｐｍで６０秒間エンジンを起動させるというサイクルを２００時間繰り返した。なお、エンジンが４０００ｒｐｍで起動している場合における接地電極３０の温度は、約９５０℃となった。

図７は、実機冷熱試験の結果を表形式で示す説明図である。この図７では、実機冷熱試験後に接地電極チップ９５が接地電極３０から脱落した場合を×で示し、接地電極チップ９５が接地電極３０から脱落しなかった場合を○で示した。なお、同一の面積比率Ｓ２／Ｓ１に対して、３回ずつ試験を行なった。

この図７によれば、面積比率Ｓ２／Ｓ１が１．８以上であれば、実機冷熱試験後に接地電極チップ９５が接地電極３０から脱落しなかったことが理解できる。したがって、面積比率Ｓ２／Ｓ１は、１．８以上であることが好ましい。

Ｂ．第２実施形態：
図８は、第２実施形態のスパークプラグ１００ｂにおける接地電極３０ｂの先端部３３ｂ付近を拡大して示す説明図である。図８（Ａ）は、接地電極３０ｂの先端部３３ｂを、先端面３１ｂから見た図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）におけるＸ１−Ｘ１断面を示す図である。換言すれば、図８（Ｂ）は、接地電極チップ９５ｂの放電面９６ｂに垂直な平面であって、接地電極チップ９５ｂの重心Ｇを通り、接地電極３０ｂの幅方向ＷＤに垂直な平面で切断した断面を示す図である。図８（Ｃ）は，図８（Ａ）におけるＸ２−Ｘ２断面を示す図である。換言すれば、図８（Ｃ）は、接地電極チップ９５の放電面９６に垂直な平面であって、接地電極チップ９５ｂの重心Ｇを通り、接地電極３０ｂの幅方向ＷＤに平行な平面で切断した断面を示す図である。

図３に示した第１実施形態との違いは、接地電極チップ９５ｂが、接地電極３０ｂの先端面３１ｂに形成された溝部３４ｂに溶接されているという点であり、他の構成は第１実施形態と同じである。すなわち、このスパークプラグ１００ｂはいわゆる横放電型プラグであり、放電方向は軸線方向ＯＤに対して垂直である。

接地電極３０ｂと接地電極チップ９５ｂとの境界には、第１実施形態と同様に、接地電極３０ｂと接地電極チップ９５ｂとが溶け合って形成された溶融部９８ｂが存在している。この溶融部９８ｂの形状と接地電極チップ９５の形状との関係は、向きが９０度回転しているだけで第１実施形態と同じであり、上記関係式のうちの少なくとも１つ以上を満たしている。

このように、横放電型のスパークプラグ１００ｂに対して、上記関係式のうちの少なくとも１つ以上を満たす溶融部９８ｂを形成しても、第１実施形態と同様に、接地電極チップ９５ｂと接地電極３０ｂとの溶接強度を向上させることが可能である。

Ｃ．第３実施形態：
図９は、第３実施形態のスパークプラグ１００ｃにおける接地電極３０ｃの先端部３３ｃ付近を拡大して示す説明図である。図９（Ａ）は、接地電極３０ｃの先端部３３ｃを、先端面３１ｃから見た図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）におけるＸ１−Ｘ１断面を示す図である。図９（Ｃ）は，図９（Ａ）におけるＸ２−Ｘ２断面を示す図である。

図８に示した第２実施形態との違いは、溶融部９８ｃの形状が、軸線方向ＯＤに反転している点だけであり、他の構成は第１実施形態と同じである。このスパークプラグ１００ｃは、第２実施形態と同様に、横放電型プラグである。

このように、溶融部９８ｃが、軸線方向ＯＤに沿って次第に細くなる形状として形成されていても、第１及び第２実施形態と同様に、接地電極チップ９５ｃと接地電極３０ｃとの溶接強度を向上させることが可能である。

Ｄ．他の実施形態：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような実施形態も可能である。

図１０は、他の実施形態のスパークプラグ１００ｄにおける接地電極３０ｄの先端部３３ｄ付近を拡大して示す説明図である。この図１０は、第１実施形態における図３（Ｂ）に相当する断面図である。図３に示した第１実施形態との違いは、溝部３４ｄと接地電極チップ９５ｄとの間に間隙が存在しているという点だけであり、他の構成は第１実施形態と同じである。このように、溝部３４ｄと接地電極チップ９５ｄとの間には、間隙が存在していてもよい。

図１１は、他の実施形態のスパークプラグ１００ｅにおける接地電極３０ｅの先端部３３ｅ付近を拡大して示す説明図である。この図１１は、第１実施形態における図３（Ｂ）に相当する断面図である。図３に示した第１実施形態との違いは、溝部３４ｅがテーパ形状となっている点だけであり、他の構成は第１実施形態と同じである。このように、接地電極の溝部の形状は、上記実施形態に限定されるものではなく、任意の形状を採用することができる。

図１２は、他の実施形態のスパークプラグ１００ｆにおける接地電極３０ｆの先端部３３ｆ付近を拡大して示す説明図である。この図１２は、第１実施形態における図３（Ｂ）に相当する断面図である。図３に示した第１実施形態との違いは、溝部が形成されていないという点だけであり、他の構成は第１実施形態と同じである。このように、接地電極の溝部は、省略してもよい。

図１３は、他の実施形態のスパークプラグ１００ｇにおける接地電極３０ｇの先端部３３ｇ付近を拡大して示す説明図である。この図１３は、第１実施形態における図３（Ａ）に相当する図である。図３に示した第１実施形態との違いは、接地電極チップ９５ｇが四角柱であるという点だけであり、他の構成は第１実施形態と同じである。このように、接地電極チップの形状は、上記実施形態に限定されるものではなく、任意の形状を採用することができる。

図１４は、他の実施形態のスパークプラグ１００ｈにおける接地電極３０ｈの先端部３３ｈ付近を拡大して示す説明図である。この図１４は、第１実施形態における図３（Ａ）に相当する図である。図３に示した第１実施形態との違いは、接地電極チップ９５ｈが四角柱であるという点と、接地電極チップ９５ｈが接地電極３０ｈの先端面３１ｈに近い位置に接合されている点だけであり、他の構成は第１実施形態と同じである。このように、接地電極チップは、接地電極の先端近傍の任意の位置に配置することができる。

図１５は、他の実施形態のスパークプラグ１００ｉにおける接地電極３０ｉの先端部３３ｉ付近を拡大して示す説明図である。この図１５（Ａ）,（Ｂ）,（Ｃ）は、それぞれ第１実施形態における図３Ａ）,（Ｂ）,（Ｃ）に相当する図である。図３に示した第１実施形態との違いは、溶融部９８ｉが接地電極チップ９５ｉの底面の全体までは形成されておらず、第２比率Ｆ／Ｅ＝０．６となっている点であり、他の構成は第１実施形態と同じである。すなわち、このスパークプラグ１００ｉは、上記関係式のうち、関係式（１）,（２）,（４）,（５）を満たしている。このように、スパークプラグは、上記関係式のうちの全てを満たす必要はなく、少なくとも１つ以上を満たしていれば、接地電極チップと接地電極との溶接強度を向上させることが可能である。

図１６は、他の実施形態のスパークプラグ１００ｊにおける接地電極３０ｊの先端部３３ｊ付近を拡大して示す説明図である。この図１６（Ａ）,（Ｂ）,（Ｃ）は、それぞれ第１実施形態における図３（Ａ）,（Ｂ）,（Ｃ）に相当する図である。図３に示した第１実施形態との違いは、溶融部９８ｊが幅方向ＷＤに広く形成されることによって第１比率Ｄ／Ｃ＞２．５となっている点であり、他の構成は第１実施形態と同じである。すなわち、このスパークプラグ１００ｊは、上記関係式のうち、関係式（１）,（３）,（５）,（６）を満たしている。このように、スパークプラグは、上記関係式のうちの全てを満たす必要はなく、少なくとも１つ以上を満たしていれば、接地電極チップと接地電極との溶接強度を向上させることが可能である。

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…先端部
２５…芯材
３０…接地電極
３１…先端面
３２…基部
３３…先端部
３４…溝部
４０…端子金具
４５…境界
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…取付ねじ部
５３…加締部
５４…シール部
５５…座面
５６…段部
５７…先端部
５８…座屈部
５９…ねじ首
８８…溝部分
９０…中心電極チップ
９２…先端面
９５…接地電極チップ
９６…放電面
９７…側面
９８…溶融部
１００…スパークプラグ
１００ｂ…スパークプラグ
１００ｃ…スパークプラグ
１００ｄ…スパークプラグ
１００ｅ…スパークプラグ
１００ｆ…スパークプラグ
１００ｇ…スパークプラグ
１００ｈ…スパークプラグ
１００ｉ…スパークプラグ
２００…エンジンヘッド
２０１…孔
２０５…開口周縁部

Claims (8)

1. 軸線方向に貫通する軸孔を有する絶縁体と、
   前記軸孔の先端側に設けられた中心電極と、
   前記絶縁体を保持する略筒状の主体金具と、
   一端が前記主体金具の先端部に取り付けられ、他端が前記中心電極の先端部と対向する接地電極と、
   前記接地電極の先端部に設けられ、前記中心電極との間で間隙を形成する放電面を有する貴金属チップと、
   を備えるスパークプラグであって、
   前記接地電極と前記貴金属チップとの間の少なくとも一部には、前記接地電極と前記貴金属チップとが溶け合って形成された溶融部があり、
   前記貴金属チップの前記放電面に垂直な平面であって、前記貴金属チップの重心を通り、前記接地電極の幅方向に垂直な平面によって切断された第１の断面において、
   前記貴金属チップの放電面に垂直な方向における前記溶融部の厚さのうち、最も厚い部分の厚さをＡとし、
   前記貴金属チップの放電面に平行な方向における前記溶融部の長さのうち、最も長い部分の長さをＢとした場合に、
   １．５≦Ｂ／Ａ
   の関係を満たすとともに、
   前記貴金属チップの前記放電面に垂直な平面であって、前記貴金属チップの重心を通り、前記接地電極の幅方向に平行な平面によって切断された第２の断面において、
   前記貴金属チップの前記放電面の長さをＣとし、
   前記放電面に平行な方向における前記溶融部の長さをＤとした場合に、
   １．２≦Ｄ／Ｃ
   の関係を満たすことを特徴とする、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、さらに、
   Ｄ／Ｃ≦２．５の関係を満たすことを特徴とする、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、
   前記第１の断面において、
   前記貴金属チップの前記放電面の長さをＥとし、
   前記貴金属チップの側面のうち前記接地電極の他端側の側面から、前記溶融部の長手方向の先端部までの、前記貴金属チップの前記放電面に平行な方向における長さをＦとした場合に、
   ０．６≦Ｆ／Ｅ
   の関係を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
   さらに、
   １．６≦Ｄ／Ｃ
   の関係を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
   前記溶融部は、前記貴金属チップの前記放電面に垂直な方向に投影した場合に、前記貴金属チップの全体を囲んでおり、
   前記貴金属チップの前記放電面の面積をＳ１とし、
   前記溶融部を前記貴金属チップの前記放電面に垂直な方向に投影した場合における面積をＳ２とした場合に、
   １．８≦Ｓ２／Ｓ１
   の関係を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
   前記貴金属チップの前記放電面には、前記溶融部が形成されていないことを特徴とする、スパークプラグ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
   前記接地電極は、Ｎｉを主成分とし、Ｓｉ、Ａｌ、希土類元素のうちの１種類以上の元素を含有し、
   前記貴金属チップは、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｅのうちの１種類以上の元素を含有していることを特徴とする、スパークプラグ。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
   前記溶融部は、前記接地電極と前記貴金属チップとの境界に対してファイバーレーザまたは電子ビームが照射されることによって形成されていることを特徴とする、スパークプラグ。

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