JP2013004412A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｎｉの含有率が高く、Ｙ及び／又は希土類元素を含有した接地電極を備えたスパークプラグにおいて、接地電極と主体金具との接合強度に優れたスパークプラグを提供することを課題とする。
【解決手段】 前記接地電極の元素組成がＮｉが96質量％以上、Ｙ及び/又は希土類元素の合計が０質量％を超え0.3質量％以下であり、(1)主体金具の先端面における接地電極の重心Ｇを通りかつ軸線Ｘに直交する直線を直線Ｌとすると、前記重心Ｇを通りかつ前記直線Ｌに直交する平面で切断したときに現れる切断面において、主体金具の先端から接地電極の一端までの軸線Ｘ方向の距離Ａが0.1ｍｍ以上、(2)金具中間体に電極材料を溶接することにより変形した部位を溶融部とすると、主体金具の外周面における主体金具の先端から溶融部の後端までの軸線Ｘ方向の距離Ｂと前記距離Ａとの差Ｃが２ｍｍ以下、(3)前記差Ｃに対する前記距離Ａの比（Ａ／Ｃ）が０．２以上を満たすスパークプラグ。
【選択図】 図５

Description

この発明は、スパークプラグに関し、特に、接地電極と主体金具との接合強度の良好なスパークプラグに関する。

自動車エンジン等の内燃機関の点火用に使用されるスパークプラグは、一般に、筒状の主体金具と、この主体金具の内孔に配置される筒状の絶縁体と、この絶縁体の先端側内孔に配置される中心電極と、一端が主体金具の先端側に接合され、他端が中心電極との間に火花放電間隙を設けて配置された接地電極とを備える。そして、スパークプラグは、内燃機関の燃焼室内で、中心電極の先端と接地電極の先端との間に形成される火花放電間隙に火花放電され、燃焼室内に充填された燃料を燃焼させる。

ところで、近年、過給器による出力向上により、少ない燃料で走行距離を伸ばす技術が開発されている。このような内燃機関においては、燃焼室内の温度が上昇する傾向にあり、接地電極に対する性能の要求が厳しくなってきている。

接地電極を熱伝導率の良好な高Ｎｉ合金で形成すると、放電で生じた熱を接地電極から主体金具へと伝導して逃がすことができる。したがって、耐火花消耗性を向上させることを主な目的として、接地電極が高Ｎｉ合金で形成されることがある。高Ｎｉ合金は、高温下において結晶粒が粗大化し易いので、高Ｎｉ合金で形成された接地電極は結晶粒の成長を抑制するために希土類元素が含まれていることが多い（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−２０６８９２号公報

ところで、接地電極を高Ｎｉ合金で形成すると、高Ｎｉ合金は熱伝導率が高く、融点も高いことから、この接地電極を主体金具に溶接する際に、接地電極が溶融し難い。したがって、例えば抵抗溶接で接地電極を主体金具に溶接する場合には、高電流及び高荷重で接地電極と主体金具とを溶かしながら溶接する必要がある。しかし、高電流で接地電極と主体金具とを溶かしつつ、高荷重で接地電極を主体金具に押し込みながら溶接すると、所望の接合強度が得られないことがあった。その原因として、接地電極と主体金具とを溶接する際に、接地電極と主体金具との溶融部において希土類元素が偏在し、溶融部に応力がかけられた場合には、この偏在した希土類元素を起点としてクラックが発生し易くなり、このクラックによって接合強度が低下したと考えられる。

この発明は、Ｎｉの含有率が高く、Ｙ及び／又は希土類元素を含有した接地電極を備えたスパークプラグにおいて、接地電極と主体金具との接合強度に優れたスパークプラグを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段は、
[１] 軸線Ｘ方向に延在する軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔内の先端側に設けられた中心電極と、
前記絶縁体の外側に配置された主体金具と、
一端部が前記主体金具の先端面に埋め込まれた状態で前記主体金具に取り付けられ、他端部が前記中心電極との間に間隙を設けて配置された接地電極とを備え、
前記接地電極を形成する元素の組成が、Ｎｉが９６質量％以上、Ｙ及び希土類元素からなる群より選択される少なくとも１種の合計が０質量％を超え０．３質量％以下であるスパークプラグであって、
以下の（１）〜（３）の条件を満たすことを特徴とするスパークプラグ。
（１）前記主体金具の先端面における前記接地電極の重心Ｇを通り、かつ前記軸線Ｘに直交する直線を直線Ｌとすると、前記重心Ｇを通り、かつ前記直線Ｌに直交する平面で切断したときに現れる切断面において、前記主体金具の先端から前記接地電極の一端までの前記軸線Ｘ方向の距離Ａが０．１ｍｍ以上
（２）前記主体金具となる金具中間体に前記接地電極となる電極材料を溶接することにより変形した部位を溶融部とすると、前記主体金具の外周面における前記主体金具の先端から前記溶融部の後端までの前記軸線Ｘ方向の距離Ｂと前記距離Ａとの差Ｃ（＝Ｂ−Ａ）が２ｍｍ以下
（３）前記差Ｃに対する前記距離Ａの比（Ａ／Ｃ）が０．２以上

前記[１]の好ましい態様は、
[２]前記比（Ａ／Ｃ）が０．２５以上であり、
[３]前記接地電極を形成する元素の組成が、Ａｌが多くとも０．１質量％であり、
[４]前記接地電極を形成する元素の組成が、Ｍｎが０．５質量％以上１．５質量％以下であることを特徴とする。

この発明に係るスパークプラグは、接地電極を形成する元素の組成が、Ｎｉが９６質量％以上、Ｙ及び希土類元素からなる群より選択される少なくとも１種の合計が０質量％を超え０．３質量％以下であるスパークプラグにおいて、前記（１）〜（３）の条件を満たすので、接地電極と主体金具との接合強度に優れたスパークプラグを提供することができる。

図１は、この発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグを説明する一部断面全体説明図である。 図２は、図１に示すスパークプラグを主体金具の先端において軸線Ｘに直交する方向に切断したときの断面説明図である。 図３は、図２における平面Ｓで切断したときに現れる切断面を示す要部断面説明図である。 図４（ａ）は、金具中間体に電極材料を溶接して接合した電極材料付き金具中間体の要部断面説明図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す電極材料付き金具中間体の溶融部の一部を除去した電極材料付き金具中間体の要部断面説明図である。 図５（ａ）は、図１に示すスパークプラグを軸線Ｘに沿って切断したときの要部断面説明図である。図５（ｂ）は、図１に示すスパークプラグを接地電極が接合されている側の主体金具の外周方向から観察したときの接地電極付き主体金具の要部説明図である。 図６は、接地電極と主体金具との溶接方法を説明する説明図である。 図７は、接合強度試験の方法を示す説明図である。

この発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグを図１に示す。図１はこの発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグの一部断面全体説明図である。なお、図１では紙面下方を軸線Ｘの先端方向、紙面上方を軸線Ｘの後端方向として説明する。

このスパークプラグ１は、図１に示されるように、軸線Ｘ方向に延在する軸孔２を有する絶縁体３と、前記軸孔２内の先端側に設けられた中心電極４と、前記軸孔２内の後端側に設けられた端子金具５と、前記絶縁体３の外側に配置された主体金具６と、一端部が前記主体金具６の先端面に埋め込まれた状態で前記主体金具６に取り付けられ、他端部が前記中心電極４との間に間隙を設けて配置された接地電極７とを備えている。

前記絶縁体３は、軸線Ｘ方向に延在する軸孔２を有し、該軸孔２内の先端側に中心電極４、後端側に端子金具５、中心電極４と端子金具５との間には中心電極４及び端子金具５を軸孔２内に固定するためのシール体８，９及び伝播雑音を低減するための抵抗体１０が設けられている。絶縁体３の軸線Ｘ方向の中央付近には径方向に突出した鍔部１１が形成され、該鍔部１１の後端側には端子金具５を収容し、端子金具５と主体金具６とを絶縁する後端側胴部１２が形成されている。該鍔部１１の先端側には抵抗体１０を収容する先端側胴部１３、この先端側胴部１３の先端側には中心電極４を収容し、先端側胴部１３より外径の小さい脚長部１４が形成されている。絶縁体３は、絶縁体３における先端方向の端部が主体金具６の先端面から突出した状態で、主体金具６に固着されている。絶縁体３は、機械的強度、熱的強度、電気的強度を有する材料で形成されることが望ましく、このような材料として、例えば、アルミナを主体とするセラミック焼結体が挙げられる。

中心電極４は、略棒状であり、外層１５と該外層１５の内部の軸心部に同心に埋め込まれるように形成されてなる芯部１６とにより形成されている。中心電極４は、その先端が絶縁体３の先端面から突出した状態で絶縁体３の軸孔２内に固定されており、主体金具６に対して絶縁保持されている。芯部１６は外層１５よりも熱伝導率の高い材料により形成され、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ、Ａｇ合金、純Ｎｉ等を挙げることができる。外層１５は、Ｎｉ合金等の中心電極４に使用される公知の材料で形成されることができる。

端子金具５は、中心電極４と接地電極７との間で火花放電を行うための電圧を外部から中心電極４に印加するための端子である。端子金具５は、軸孔２の内径よりも外径が大きく、軸孔２から露出して、軸線Ｘ方向の後端側端面にその鍔型部の一部が当接する露出部１７と、該露出部１７の軸線Ｘ方向の先端側から先端方向に延在し、軸孔２内に収容される略円柱状の柱状部１８とを有する。端子金具５は、低炭素鋼等の金属材料により形成されることができる。

前記主体金具６は、円筒形状を有しており、絶縁体３を内装することにより絶縁体３を保持するように形成されている。主体金具６における先端方向の外周面にはネジ部１９が形成されており、このネジ部１９を利用して図示しない内燃機関のシリンダヘッドにスパークプラグ１が装着される。ネジ部１９の後端側にはフランジ状のガスシール部２０が形成され、このガスシール部２０とネジ部１９との間にはガスケット２１がはめ込まれている。ガスシール部２０の後端側にはスパナやレンチ等の工具を係合させるための工具係合部２２、工具係合部２２の後端側には加締め部２３が形成されている。加締め部２３及び工具係合部２２の内周面と絶縁体３の外周面との間に形成される環状の空間にはリング状のパッキン２４，２５及び滑石２６が配置され、絶縁体３が主体金具６に対して固定されている。主体金具６は、導電性の鉄鋼材料、例えば、低炭素鋼により形成されることができる。

前記接地電極７は、例えば、略角柱体に形成されてなり、一端部が主体金具６の先端面に埋め込まれた状態で取り付けられ、略Ｌ字状に屈曲され、他端部が中心電極４の先端部との間に火花放電間隙ｇを介して対向するように形成されている。火花放電間隙ｇは、中心電極４の先端面と接地電極７の表面との間の間隙であり、この火花放電間隙ｇは、通常、０．３〜１．５ｍｍに設定される。

この発明のスパークプラグ１における接地電極７は、接地電極７を形成する元素の組成が、Ｎｉが９６質量％以上、Ｙ及び希土類元素からなる群より選択される少なくとも１種の合計が０質量％を超え０．３質量％以下である。前記希土類元素としては、Ｎｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｌｕを挙げることができる。

Ｎｉは熱伝導率の高い材料であるので、接地電極７が９６質量％以上のＮｉを含有すると、接地電極７は高熱伝導率を維持することができ、火花放電により生じた熱を接地電極７から主体金具６へと伝導し易くなるので、９６質量％以上のＮｉを含有する接地電極７は耐火花消耗性に優れた接地電極７となる。一方、Ｎｉが高含有率で含有された接地電極７が高温に曝されると結晶粒が成長し易くなることにより、接地電極７が折損及び変形し易くなる。そこで、Ｎｉと共にＹや希土類元素が適度に含有されていると、結晶粒の成長を抑制し、接地電極７の折損及び変形を防止することができる。したがって、９６質量％以上のＮｉを含有し、Ｙ及び希土類元素からなる群より選択される少なくとも１種を合計で０質量％を超え０．３質量％以下の範囲で含有する接地電極７は、高温下においても耐火花消耗性に優れ、折損及び変形を抑制することができるので、高温環境下に曝される接地電極７に好適に使用される。

接地電極７を形成する元素の組成は、Ａｌが多くとも０．１質量％であるのが好ましい。Ａｌは酸化し易い元素であるので酸化物を形成し易い。この酸化物は接地電極と主体金具の界面に多く発生する。接地電極と主体金具の界面にクラックが発生した場合には、この酸化物は脆いのでクラックが進展し易く、接合強度を低下させると推測される。Ａｌの含有量が多くとも０．１質量％であると、Ｙや希土類元素が分散している接地電極と主体金具の界面にＡｌの酸化物を必要以上に存在しないようにすることができ、接地電極と主体金具との接合強度がより一層向上する。

接地電極７を形成する元素の組成は、Ｍｎが０．５質量％以上１．５質量％以下であるのが好ましい。Ｎｉの含有量が９６質量％以上の高Ｎｉ材料にＭｎが含有されると硬度が高くなる傾向にある。接地電極となる電極材料の硬度が高いと、電極材料を主体金具となる金具中間体に圧力及び熱をかけながら溶接する際に、電極材料が金具中間体に埋没し易くなる。したがって、後述するように、高電流及び高荷重で電極材料を金具中間体に押し込みながら溶接すると、電極材料及び金具中間体を構成する材料が溶融及び変形することにより形成された溶融部において、Ｙや希土類元素が偏在し易くなるのに対し、電極材料の硬度が高いと、電流値及び荷重値を低減させることができるので、溶融部におけるＹや希土類元素の偏在を抑制することができる。また、Ｍｎは、希土類元素やＣのように、接地電極に応力がかけられた場合にクラックの原因となりやすい析出物を形成する析出型の元素ではなく、他の元素と固溶体を形成する固溶体型の元素であるので、接地電極と主体金具との接合強度を向上させるのに好ましい元素である。さらに、Ｍｎは、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ等の元素より溶融部の表面に酸化皮膜を形成し難い傾向にあるので、接合強度を向上させるのに好ましい元素である。ただし、Ｍｎの含有率が１．５質量％を超えると溶融部の表面に酸化皮膜が形成されるようになり、接合強度の改善効果が見られなくなってしまう。

接地電極７は、Ｎｉ、Ｙ及び希土類元素、必要に応じて含有されるＡｌ、Ｍｎ以外の元素を含有することができ、例えば、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐ、Ｓ等を含有しても良い。これらの各元素は、前述した各元素の含有率の範囲内で、これら各元素と不可避不純物との合計が１００質量％になるように含有される。

接地電極７に含まれる各元素の含有率は、例えば次のような化学分析にて測定することができる。まず、接地電極を酸で溶解した後、ＩＣＰ発光分光分析法により、Ｎｉ以外の元素を定量する。Ｎｉの含有率はＮｉ以外の元素の含有率の和を１００％から引くことにより算出する。

この発明のスパークプラグは、前述したように、接地電極を形成する元素の組成が、Ｎｉが９６質量％以上、Ｙ及び希土類元素からなる群より選択される少なくとも１種の合計が０質量％を超え０．３質量％以下である接地電極を備え、次の（１）〜（３）の条件を満たす。

図２は、図１に示すスパークプラグを主体金具の先端において軸線Ｘに直交する方向に切断したときの断面説明図である。図３は、図２における平面Ｓで切断したときに現れる切断面を示す要部断面説明図である。

条件（１）
主体金具６の先端面における前記接地電極７の重心Ｇを通り、かつ軸線Ｘに直交する直線を直線Ｌとすると、前記重心Ｇを通り、かつ前記直線Ｌに直交する平面Ｓで切断したときに現れる切断面において、前記主体金具６の先端から前記接地電極７の一端までの前記軸線Ｘ方向の距離Ａが０．１ｍｍ以上である。

前記距離Ａは、次のように求めることができる。図２に示すように、まず、前記主体金具６の先端面における前記接地電極７の重心Ｇを通り、かつ前記軸線Ｘに直交する直線を直線Ｌとすると、前記重心Ｇを通り、かつ前記直線Ｌに直交する平面Ｓで接地電極７と主体金具６とを切断する。図３に示すように、平面Ｓで切断したときに現れる切断面において、主体金具６の先端から主体金具６に埋設された接地電極７の一端までの軸線Ｘ方向の距離を測定し、この測定値を距離Ａとする。

図４（ａ）は、主体金具となる金具中間体に接地電極となる電極材料を溶接して接合した電極材料付き金具中間体の要部断面説明図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す電極材料付き金具中間体の溶融部の一部を除去した電極材料付き金具中間体の要部断面説明図である。図５（ａ）は、図１に示すスパークプラグを軸線Ｘに沿って切断したときの要部断面説明図である。図５（ｂ）は、図１に示すスパークプラグを接地電極が接合されている側の主体金具の外周方向から観察したときの接地電極付き主体金具の要部説明図である。

条件（２）
主体金具６となる金具中間体３２に前記接地電極７となる電極材料３１を溶接することにより変形した部位を溶融部３３とすると、前記主体金具６の外周面における前記主体金具６の先端から前記溶融部３７の後端までの前記軸線Ｘ方向の距離Ｂと前記距離Ａとの差Ｃ（＝Ｂ−Ａ）が２ｍｍ以下である。

前記差Ｃは次のように求めることができる。まず、距離Ｂを測定し、距離Ｂと前述のように測定した距離Ａとの差を算出することにより差Ｃを求めることができる。距離Ｂは、スパークプラグ１を接地電極７が接合されている側の主体金具６の外周方向から観察すると、通常、図４（ｂ）及び図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、主体金具６の外周面と溶融部３７の外周面とが同一面上に形成されており、主体金具６と溶融部３７との境界を視認することができる。この場合、主体金具６の外周面と溶融部３７の外周面とが面一になるように溶融部３７を切断することなく、主体金具６の先端から溶融部３７の後端までの軸線Ｘ方向の距離を測定することにより距離Ｂを求めることができる。主体金具６の外周面と溶融部３７の外周面とが同一面上に形成されていない場合には、溶融部３７を主体金具６の外周面に沿って、せん断加工及び切削加工等の周知の機械加工によって除去した後に、主体金具６の先端から溶融部３７の後端までの軸線Ｘ方向の距離を測定することにより距離Ｂを求めることができる。次いで、前述したように測定した距離Ａと距離Ｂとの差を算出することにより、差Ｃを求めることができる。

条件（３）
前記差Ｃに対する前記距離Ａの比（Ａ／Ｃ）が０．２以上である。

前記比（Ａ／Ｃ）は、前述のように得られた距離Ａを差Ｃで除することにより求めることができる。

条件（１）における前記距離Ａは、接地電極７の主体金具６への埋没深さを示している（図３参照。）。条件（２）における前記差Ｃは、電極材料３１を金具中間体３２に溶接することにより、電極材料３１と金具中間体３２との接合部分が溶融及び変形することにより形成された溶融部３７の体積の指標となっている（図５（ｂ）参照。）。

電極材料を金具中間体に接合する方法として、接合される部分を加熱しつつ電極材料を金具中間体に対して加圧する方法、例えば抵抗溶接がある。電極材料の組成によっては、電極材料と金具中間体とを通常の抵抗溶接によって接合しても所望の接合強度が得られないことがあった。その原因は次のように考えられる。図４に示すように、Ｎｉの含有率が高く、かつＹや希土類元素を所定量含有した電極材料３１を、高電流及び高荷重で金具中間体３２に押し込みながら溶接すると、その際に電極材料３１及び金具中間体３２を構成する材料が溶融及び変形することにより形成された溶融部３３，３５，３７において、Ｙや希土類元素が偏在することがある。溶融部３３，３５，３７に応力がかけられた場合には、この偏在したＹや希土類元素を起点としてクラックが発生し易くなり、このクラックが原因となって接合強度が低下すると考えられる。

そこで、発明者らは、Ｎｉの含有率が高く、かつＹや希土類元素を所定量含有した電極材料３１であっても、形成される溶融部３３の体積を最小限にしつつ、電極材料３１が金具中間体３２に埋没される深さが大きくなるように溶接することにより、溶融部３３においてＹや希土類元素が偏在するのを抑制することにより、偏在したＹや希土類元素が起点となってクラックが発生するのを抑制し、このクラックが原因となって接合強度が低下するのを防止できることを見出した。さらに発明者らが鋭意検討したところ、Ｎｉの含有率が高く、かつＹや希土類元素を所定量含有した電極材料３１であっても、前記距離Ａが０．１ｍｍ以上、前記差Ｃが２ｍｍ以下、かつ比（Ａ／Ｃ）が０．２以上であると、接地電極と主体金具との接合強度に優れたスパークプラグを提供することができることを見出した。

前記距離Ａが大きいほど接地電極７の埋没深さが大きくなり、接地電極７と主体金具６との接合強度は大きくなる。ただし、後述するように、接地電極と主体金具とを溶接する際の設備上の観点から、通常、接地電極７の埋没深さは大きくとも２ｍｍである。前記差Ｃが小さいほど溶融部３７の体積が小さくなるので、溶融部３７においてＹや希土類元素が偏在する割合を小さくすることができる。ただし、電極材料３１と金具中間体３２とを接合させるためには、ある程度の量の溶融部３７が必要であるので、例えば差Ｃは少なくとも０．２ｍｍとするのがよい。比（Ａ／Ｃ）が大きいほど接合強度は大きくなるので、比（Ａ／Ｃ）は０．２５以上であるのが好ましい。ただし、比（Ａ／Ｃ）が大き過ぎる場合には、電極材料３１が溶け不足の状態にあり、単純な圧縮力により金具中間体３２が変形しただけの状態に近くなることがあることから、通常、大きくとも１とするのがよい。

前記距離Ａを大きくするためには、例えば、後述するように電極材料３１と金具中間体３２とを抵抗溶接で溶接する際に、電流値を大きくすることで電極材料３１と金具中間体３２との界面での発熱量を大きくし、加圧値もまた大きくして電極材料３１を金具中間体３２に押し込む。一方、発熱量が大きくなり過ぎると溶融部３３の体積が大きくなることから前記差Ｃが大きくなってしまう。したがって、前記差Ｃを目視しながら電流値と加圧値とを適宜変化させることにより、前記距離Ａ、前記差Ｃ、前記比（Ａ／Ｃ）の値を調整することができる。

前記スパークプラグ１は、例えば次のようにして製造される。まず、この発明のスパークプラグにおける、接地電極と主体金具とを抵抗溶接により接合する方法の一例を説明する。
図６は、接地電極と主体金具との溶接方法を説明する説明図である。この実施形態では、図６に示すように、まず、接地電極７となる棒状の電極材料３１を上電極４１で保持し、主体金具６となる略筒状の金具中間体３２を下電極４２で保持する。このとき、金具中間体３２の先端面から上電極４１の下面まで、０．５〜２ｍｍの間隔を空け、金具中間体３２の先端面から下電極４２の上面まで、５〜３０ｍｍの間隔を空ける。そして、この状態で、上電極４１と下電極４２とを用いて上下方向からそれぞれ４００〜８００Ｎで加圧を行う。なお、上電極４１及び下電極４２は、クロム銅、黄銅、ベリリウム銅、銅タングステン、銀タングステン、ハイス等によって形成されている。

続いて、上電極４１及び下電極４２によって加圧を行うと同時に、単相交流電源４３によって、上電極４１と下電極４２間に通電を行い、抵抗溶接を行う。通電時には、電極材料３１と金具中間体３２との溶融によって、上電極４１及び下電極４２からの加圧は、それぞれ、５０〜２００Ｎほど低下する。そして、通電後には、上電極４１と下電極４２とによって、電極材料３１と金具中間体３２とをそのままの状態で５０〜２００ミリ秒保持する。なお、本実施形態では、単相交流電源４３によって通電を行うこととしたが、交流インバータ電源やトランジスタ電源やコンデンサ電源等の短時間・大電流方式の他の電源を用いることも可能である。

以上のようにして、電極材料３１と金具中間体３２とを溶接すると、図４（ａ）に示すように、電極材料３１の一端部が金具中間体３２の先端面に埋め込まれた状態で、電極材料３１が金具中間体３２に取り付けられる。電極材料３１と金具中間体３２とを溶接する際は、電極材料３１の一端部が金具中間体３２の先端面と接触した状態で通電し、接触抵抗により発熱した状態で荷重を加えるため、電極材料３１及び金具中間体３２が一部溶融しながら電極材料３１の一端部が金具中間体３２内に埋没する。

電極材料３１と金具中間体３２とが溶接されると、図４（ａ）に示すように、電極材料３１と金具中間体３２との接合部分が変形し、電極材料３１の厚み方向に隆起した溶融部３３が形成される。そこで、この溶融部３３を軸線Ｘに沿うように、金具中間体３２の外周面Ｔ_１及び内周面Ｔ_２に沿って、せん断加工及び切削加工等の周知の機械加工によってそれぞれ除去する。このようにして、図４（ｂ）に示すように、溶融部３３の一部が除去された電極材料付き金具中間体３６が作製される。その後、この金具中間体６１の所定の部位にネジ部を転造により形成する。

なお、前記電極材料３１は、Ｎｉ、Ｙ、及び希土類元素等を上述した割合で配合した原材料を、真空溶融炉を用いて溶解、鋳造して鋳塊とし、この鋳塊に熱間加工及び線引き加工等を施し、所定の形状及び所定の寸法に適宜調整して作製する。

前記金具中間体３２は、円柱状の低炭素鋼等の金属素材に対して冷間鋳造加工等を施すことにより貫通孔を形成し、切削加工等により外形を整えて作製する。

中心電極４は、中心電極４に使用される公知の材料を溶解して調整し、調整した材料をカップ状に加工して外層１５となるカップ体を作製する。一方、前記材料よりも熱伝導率の高いＣｕ等の材料を溶解して、熱間加工、線引き加工等して芯部１６となる棒状体を作製する。この棒状体を前記カップ体に挿入し、押し出し加工等の塑性加工した後に所望の形状に塑性加工して、外層１５の内部に芯部１６を有する中心電極４を作製する。

絶縁体３は、例えばアルミナを主成分とする無機材料及びバインダ等を含む原料粉末を調製し、略円筒状の成形体を作製する。得られた成形体に対して研削加工等を施して整形し、焼成することにより絶縁体３を得る。

前述のようにして得られた絶縁体３に中心電極４を組み付け、シール体８，９となる導電性ガラス粉末、抵抗体１０となる抵抗体組成物を軸孔２内に注入し、端子金具５を軸孔２内に挿入して押圧しつつ加熱することにより、軸孔２内に中心電極４と端子金具５とを封着固定する。次いで、前述のようにそれぞれ作製された、中心電極４等が組み付けられた絶縁体３と電極材料付き金具中間体３６とを組み付ける。次いで、電極材料７１を屈曲させて、電極材料７１の他端部と中心電極４の先端部との間に火花放電間隙ｇを設けて対向するようにして、スパークプラグ１が製造される。

本発明に係るスパークプラグ１は、自動車用の内燃機関例えばガソリンエンジン等の点火栓として使用され、内燃機関の燃焼室を区画形成するヘッド（図示せず）に設けられたネジ穴に前記ネジ部９が螺合されて、所定の位置に固定される。この発明に係るスパークプラグ１は、如何なる内燃機関にも使用することができるが、高温環境下においても接地電極７と主体金具との接合強度に優れた接地電極７を備えているから、特に、燃焼室内の温度が従来よりも高い内燃機関に好適に使用されることができる。

この発明に係るスパークプラグ１は、前述した実施例に限定されることはなく、本願発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。例えば、前記スパークプラグ１は、中心電極４及び接地電極７を備えているが、この発明においては、中心電極４の先端部及び接地電極７の表面の両方又はいずれか一方に、貴金属チップを備えていてもよい。中心電極４の先端部及び接地電極７の表面に形成される貴金属チップは、通常、円柱又は角柱形状を有し、適宜の寸法に調整され、適宜の溶接手法例えばレーザ溶接又は抵抗溶接により中心電極４の先端部、接地電極７の表面に溶融固着される。この場合、対向する２つの貴金属チップの表面の間に形成される間隙、又は貴金属チップの表面とこの貴金属チップに対向する中心電極４又は接地電極７の表面との間の間隙が前記火花放電間隙ｇとなる。この貴金属チップを形成する材料は、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ合金、Ｉｒ、Ｉｒ合金等の貴金属が挙げられる。

＜試験体の作製＞
接地電極となる電極材料は、次のように作製した。まず、通常の真空溶解炉を用いて、表１〜表３に示す組成を有する合金の溶湯を調製し、真空鋳造にて各溶湯から鋳塊を調製した。次いで、この鋳塊に熱間加工及び線引き加工等を施して、断面寸法１．５ｍｍ×２．８ｍｍの電極材料を作製した。

主体金具となる金具中間体は、円柱状の低炭素鋼に対して冷間鋳造加工等を施すことにより貫通孔を形成し、切削加工等により外形を整えることにより作製した。

電極材料と金具中間体とを、前述したように、抵抗溶接により接合した。抵抗溶接する際には、電流値を１．５ｋＡ〜２．５ｋＡ、加圧値を４００Ｎ〜８００Ｎの範囲で変化させることにより、前記距離Ａ、前記差Ｃ、及び前記比（Ａ／Ｃ）が種々の値を採る電極材料付き金具中間体の試験体を作製した。

製造された接地電極を形成する元素組成を前述したように、化学分析(ＩＣＰ発光分光分析)により分析したところ、配合した合金の組成とほぼ等しかった。なお、表１〜表３において、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐ、Ｓの合計含有率を示しているが、いずれの接地電極も、Ｓｉは０．１５〜２．５質量％、Ｃｒは０．０５〜１．５質量％、Ｃは０．００５〜０．１質量％、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂはそれぞれ０．０１〜０．１質量％、ＭｇとＦｅとＣｕとＰとＳの合計は０．４質量％以下の範囲内であった。

前記距離Ａは、前述したように、図２に示した平面Ｓで電極材料と金具中間体とを切断して、現れた切断面において金具中間体の先端から金具中間体に埋設された電極材料の一端までの軸線Ｘ方向の距離を測定することにより得た。前記差Ｃは、図４（ｂ）に示すように、抵抗溶接によって形成された溶融部を金具中間体の外周面と内周面に沿って除去し、図５（ｂ）に示すように、この電極材料付き金具中間体を電極材料が接合されている側の金具中間体の外周方向から観察し、金具中間体の先端から溶融部の後端までの軸線Ｘ方向の距離を測定して距離Ｂを求め、距離Ａと距離Ｂとの差を算出することにより得た。

＜接合強度試験＞
前述のように製造した試験体の接地電極を複数回折り曲げ、３．５回以上折り曲げても接地電極が破断しなかった試験体を合格（◎）、２．５回以上３．５回未満折り曲げて破断した試験体を合格（○）、２．５回未満折り曲げて破断した試験体を不合格（×）とする試験を行った。折り曲げ回数が２．５回で接地電極が破断しなかった試験体は、１０万キロの通常の走行に耐えることが可能な接合強度を有していることを示す。

図７は、接合強度試験の方法を示す説明図である。図７に示すように、この試験では、電極材料７１が金具中間体６１の先端面に垂直に接合された状態から（図７（ａ））、金具中間体６１の先端面に電極材料７１が平行になるまで内側に折り曲げ（図７（ｂ））、さらに、折り曲げられた電極材料７１を再び、金具中間体６１の先端面に垂直に折り返す（図７（ｃ））。折り曲げ回数は、図７（ａ）の状態から図７（ｂ）の状態に電極材料７１を折り曲げる工程を０．５回とカウントし、図７（ｂ）の状態から図７（ｃ）の状態に、再び電極材料７１を折り返す工程を、次の０．５回としてカウントする。

接合強度試験の結果を表１〜表３に示す。

この発明の範囲に含まれる電極材料付き金具中間体の試験体は、表１〜表３に示されるように、電極材料と金具中間体との接合強度に優れていた。一方、本願発明の範囲外にある電極材料付き金具中間体の試験体は、表１〜表３に示されるように、電極材料と金具中間体との接合強度に劣っていた。

１ スパークプラグ
２ 軸孔
３ 絶縁体
４ 中心電極
５ 端子金具
６，６１ 主体金具
７，７１ 接地電極
８，９ シール体
１０ 抵抗体
１１ 鍔部
１２ 後端側胴部
１３ 先端側胴部
１４ 脚長部
１５ 外層
１６ 芯部
１７ 露出部
１８ 柱状部
１９ ネジ部
２０ ガスシール部
２１ ガスケット
２２ 工具係合部
２３ 加締め部
２４，２５ パッキン
２６ 滑石
３１，６１ 電極材料
３２，７１ 金具中間体
３３，３５，３７ 溶融部
３４，３６ 電極材料付き金具中間体
４１ 上電極
４２ 下電極
４３ 単相交流電源
Ｇ 重心
ｇ 火花放電間隙

Claims (4)

1. 軸線Ｘ方向に延在する軸孔を有する絶縁体と、
   前記軸孔内の先端側に設けられた中心電極と、
   前記絶縁体の外側に配置された主体金具と、
   一端部が前記主体金具の先端面に埋め込まれた状態で前記主体金具に取り付けられ、他端部が前記中心電極との間に間隙を設けて配置された接地電極とを備え、
   前記接地電極を形成する元素の組成が、Ｎｉが９６質量％以上、Ｙ及び希土類元素からなる群より選択される少なくとも１種の合計が０質量％を超え０．３質量％以下であるスパークプラグであって、
   以下の（１）〜（３）の条件を満たすことを特徴とするスパークプラグ。
   （１）前記主体金具の先端面における前記接地電極の重心Ｇを通り、かつ前記軸線Ｘに直交する直線を直線Ｌとすると、前記重心Ｇを通り、かつ前記直線Ｌに直交する平面で切断したときに現れる切断面において、前記主体金具の先端から前記接地電極の一端までの前記軸線Ｘ方向の距離Ａが０．１ｍｍ以上
   （２）前記主体金具となる金具中間体に前記接地電極となる電極材料を溶接することにより変形した部位を溶融部とすると、前記主体金具の外周面における前記主体金具の先端から前記溶融部の後端までの前記軸線Ｘ方向の距離Ｂと前記距離Ａとの差Ｃ（＝Ｂ−Ａ）が２ｍｍ以下
   （３）前記差Ｃに対する前記距離Ａの比（Ａ／Ｃ）が０．２以上
2. 前記比（Ａ／Ｃ）が０．２５以上であることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記接地電極を形成する元素の組成が、Ａｌが多くとも０．１質量％である請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
4. 前記接地電極を形成する元素の組成が、Ｍｎが０．５質量％以上１．５質量％以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載のスパークプラグ。

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