JP2013062100A - スパークプラグ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、貴金属部と接地電極及び／又は中心電極の電極母材とが耐消耗性を有することにより耐久性に優れたスパークプラグを提供すること、及びその製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】 この発明のスパークプラグは、中心電極及び／又は接地電極が貴金属部を有し、貴金属部は中心電極及び／又は接地電極の表面から突出する突出部と埋設部とを有し、貴金属部を所定の平面で切断したときの切断面において前記表面から突出部の先端までの距離を突出高さA、前記表面から0.05mmの距離における突出部の幅を長さD1、前記表面から0.7×Aの距離における突出部の幅を長さD2とすると、0.1mm≦A≦0.3mm、0.7mm≦D1、0.5mm≦D2を満たし、前記スパークプラグの製造方法は中心電極及び／又は接地電極に配置された貴金属材料に、埋設部が形成されるようにレーザを照射して貴金属材料を接合し、接合された貴金属材料を加熱しつつ押圧することにより貴金属部を形成する。
【選択図】 図３

Description

この発明は、スパークプラグ及びその製造方法に関し、特に、接地電極及び中心電極の少なくとも一方に貴金属部が設けられたスパークプラグ及びその製造方法に関する。

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有する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、中心電極の先端部と接地電極の先端部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、従来、耐久性を向上させる目的で、接地電極及び中心電極との対向するそれぞれの発火面に、貴金属合金からなる貴金属チップを設けることが行われてきた。貴金属チップを接地電極や中心電極に接合する方法としては、抵抗溶接により溶接する方法がある。しかし、近年、燃焼室内の高圧縮化や希薄燃焼が主流となり、より厳しい条件でスパークプラグが使用されるようになってくると、貴金属チップの耐剥離性を確保するのが困難になってきた。そこで、抵抗溶接による溶接方法に代わってレーザ照射により貴金属チップを溶接する方法が開発された。

例えば、特許文献１には、「電極母材の発火面の凹部に貴金属を嵌め込んで、レーザービームのみで溶融しために、貴金属が発火面から突出せず、安価で、長寿命のスパークプラグの製造方法を提供」（特許文献１の段落番号０００５参照。）することを課題とし、この課題を解決するための手段として「電極母材の発火部となる部分に貴金属を接合したスパークプラグの製造方法において、前記電極母材の発火面に凹部を設け、該凹部に円板状または線の貴金属部材を配し、該貴金属部材にレーザービームを照射して、前記貴金属部材の７０重量％以上を溶融させ、溶融貴金属中に電極母材成分が０．５重量％以上、８０重量％以下含ませることを特徴とするスパークプラグの製造方法。」（特許文献１の請求項１参照。）が記載されている。この製造方法では、「前記溶融貴金属は、前記電極母材の前記発火面と同一面状」（特許文献１の請求項２参照。）となっており、「このため、この貴金属と対向する電極との火花放電間隙が均一のスパークプラグが量産でき、貴金属と対向する電極とで確実に火花放電することができる。また、電極母材の発火面の凹部に、貴金属をレーザービームのみで溶融したために、電気抵抗溶接による電極母材への貴金属の埋設をする必要がなく、低コストで製造することができる。」（特許文献１の段落番号０００７参照。）と記載されている。

特許第３３４４７３７号公報

しかし、近年の内燃機関においては、燃焼室内の気流が激しくなり、火花が吹き流されることにより、火花放電が生じることを想定していた貴金属合金部分ではなく電極母材に飛火して、貴金属合金部分より電極母材が先に消耗してしまう現象が起きることがあった。そのため、電極母材が細くなり、熱引きが低下することによる耐久性の低下及び振動による貴金属合金部分の折損が生じることがあった。

この発明は、接地電極及び中心電極の少なくとも一方に貴金属を含有する貴金属部を備えたスパークプラグにおいて、貴金属部と接地電極及び／又は中心電極の電極母材とが耐消耗性を有することにより、耐久性に優れたスパークプラグを提供すること、及びその製造方法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） 中心電極及び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を備え、前記中心電極及び前記接地電極のうち少なくとも前記接地電極は、前記中心電極の先端面に対向する対向面を有する、前記接地電極の第１電極母材のその対向面に設けられた、貴金属を含有する貴金属部を有するスパークプラグであって、
前記貴金属部は、前記対向面から突出する突出部と、前記対向面から前記突出部とは反対側に垂直方向に延びる埋設部とを有し、
前記対向面を含む平面で前記貴金属部を切断したときの切断面の輪郭線上にある任意の２点を結ぶ線分のうち、前記対向面の長手方向に直交する線分であって、最大の長さを有する線分の垂直二等分線のうち、前記長手方向に延びる垂直二等分線を通り、かつ前記対向面に直交する平面で切断した切断面Ｓ１において、
前記対向面から前記突出部の先端までの距離を突出高さＡｇ、前記対向面から０．０５ｍｍの距離における前記突出部の幅を長さＤｇ１、前記対向面から０．７×Ａｇの距離における前記突出部の幅を長さＤｇ２とすると、
０．１ｍｍ≦Ａｇ≦０．３ｍｍ、０．７ｍｍ≦Ｄｇ１、０．５ｍｍ≦Ｄｇ２を満たすことを特徴とするスパークプラグである。

前記（１）の好ましい態様は、
（２） 前記切断面Ｓ１において、前記対向面から前記埋設部の先端までの距離を埋設深さＢｇとすると、１．５Ａｇ≦Ｂｇ≦７Ａｇを満たし、
（３） 前記接地電極は、前記切断面Ｓ１において、前記第１電極母材の厚みが少なくとも２．５ｍｍにわたって変化しない部分における前記厚みの垂直二等分線から前記対向面までの距離が、前記長手方向の先端側に向かって小さくなるように形成されており、
前記貴金属部は、前記切断面Ｓ１において、前記対向面から前記突出部の先端までの距離を厚さｈとすると、前記対向面の位置における幅Ｄｇ０の中心より前記長手方向の先端側で前記厚さｈが最大値をとることを特徴とする。

前記課題を解決するための他の手段は、
（４） 中心電極及び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を備え、前記中心電極及び前記接地電極のうち少なくとも前記中心電極は、前記中心電極の第２電極母材の先端面に設けられた、貴金属を含有する貴金属部を有するスパークプラグであって、
前記貴金属部は、前記先端面から突出する突出部と、前記先端面から前記突出部とは反対側に垂直方向に延びる埋設部とを有し、
前記先端面を含む平面で前記貴金属部を切断したときの切断面の輪郭線上にある任意の２点を結ぶ線分のうち、最大の長さを有する線分を通り、かつ前記先端面に直交する平面で切断した切断面Ｓ２において、
前記先端面から前記突出部の先端までの距離を突出高さＡｃ、前記先端面から０．０５ｍｍの距離における前記突出部の幅を長さＤｃ１、前記先端面から０．７×Ａｃの距離における前記突出部の幅を長さＤｃ２とすると、
０．１ｍｍ≦Ａｃ≦０．３ｍｍ、０．７ｍｍ≦Ｄｃ１、０．５ｍｍ≦Ｄｃ２を満たすことを特徴とするスパークプラグである。

前記（４）の好ましい態様は、
（５） 前記切断面Ｓ２において、前記先端面から前記埋設部の先端までの距離を埋設深さＢｃとすると、１．５Ａｃ≦Ｂｃ≦７Ａｃを満たすことを特徴とする。

前記（１）及び（４）の好ましい態様は、
（６） 前記第１電極母材及び／又は前記第２電極母材は、Ｎｉを主成分とし、Ｓｉを０．４質量％以上５質量％以下、Ａｌを０．４質量％以上５質量％以下、及びＣｒを１質量％以上１０質量％以下含有することを特徴とする。

前記他の課題を解決するための手段は、
（７） 前記（１）〜（６）のいずれかに記載のスパークプラグの製造方法であって、
前記第１電極母材及び／又は前記第２電極母材に配置された貴金属材料に、前記埋設部が形成されるようにレーザを照射して前記貴金属材料を接合し、
接合された貴金属材料を加熱しつつ、押圧することにより前記貴金属部を形成することを特徴とするスパークプラグの製造方法である。

この発明のスパークプラグは、前記第１電極母材及び／又は前記第２電極母材に設けられた貴金属部が突出部と埋設部とを有し、突出部が所定の寸法を有することから、突出部が先端面及び／又は対向面からほどよく突き出し、またその先端が細くなり過ぎていない。したがって、火花放電が吹き流されて第１電極母材及び／又は第２電極母材で火花が発生し、貴金属部より先に第１電極母材及び／又は第２電極母材が消耗してしまうのを抑制することができる。また、突出部の先端が細くなりすぎることにより、先端の温度が高くなり、消耗が進むのを抑制することができる。よって、この発明によると、貴金属部と第１電極母材及び／又は第２電極母材とが耐消耗性を有することにより、耐久性に優れたスパークプラグを提供することができる。

この発明のスパークプラグは、埋設部の埋設深さが所定の範囲内にあるので、耐剥離性が確保され、ひいては耐消耗性に優れる。

この発明のスパークプラグは、接地電極がその先端に向かって細くなる形状を有している場合には、貴金属部の厚みが接地電極の先端側で最大となるので、火花放電間隙の増加を抑制することができる。

この発明のスパークプラグは、第１電極母材及び／又は第２電極母材がＳｉ、Ａｌ、Ｃｒを所定量含有するので、第１電極母材及び／又は第２電極母材の耐酸化性を向上させることができ、その結果耐消耗性を確保することができる。

この発明のスパークプラグの製造方法は、接合された貴金属材料を加熱しつつ、押圧することにより前記スパークプラグを製造するので、押圧する際に接合された貴金属材料にクラックが形成されるのを抑制することができ、また容易に前記スパークプラグを製造することができる。

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の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の要部を示す要部断面説明図である。 図３（ａ）は、図２に示すスパークプラグにおいて、対向面を含む平面で貴金属部を切断したときの切断面を示す説明図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す貴金属部を垂直二等分線を通りかつ対向面に直交する平面で切断したときの切断面を示す要部断面説明図である。 図４（ａ）は、図２に示すスパークプラグにおいて、先端面を含む平面で貴金属部を切断したときの切断面を示す説明図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す貴金属部を所定の平面で切断したときの切断面を示す要部断面説明図である。 図５は、この発明のスパークプラグの他の実施例であるスパークプラグの要部断面説明図である。

この発明に係るスパークプラグは、中心電極及び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を備え、前記中心電極及び前記接地電極の少なくとも一方は貴金属を含有する貴金属部を有し、前記貴金属部は前記中心電極の第２電極母材の先端面、及び／又は前記先端面に対向する対向面を有する、前記接地電極の第１電極母材のその対向面に、設けられる。この発明に係るスパークプラグは、このような構成を有するスパークプラグであれば、その他の構成は特に限定されず、公知の種々の構成を採ることができる。

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及び図２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１の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の要部を示す要部断面説明図である。なお、図１及び図２では紙面下方を軸線Ｏの先端方向、紙面上方を軸線Ｏ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及び図２に示されるように、軸線Ｏ方向に延在する軸孔２を有する略円筒状の絶縁体３と、前記軸孔２内の先端側に設けられた略棒状の中心電極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を保持する略円筒状の主体金具６と、一端が主体金具６の先端に接合されると共に他端が中心電極４の先端面３０に対向するように配置された接地電極７と、前記先端面３０と前記先端面３０に対向する対向面３１とに設けられた貴金属部３２，３３と、を備え、前記貴金属部３２，３３は火花放電間隙Ｇを介して配置されている。

前記絶縁体３は、軸線Ｏ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１０，１１及び電波雑音を低減するための抵抗体１２が設けられている。絶縁体３の軸線Ｏ方向の中央付近には径方向に突出した鍔部１３が形成され、該鍔部１３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１４が形成されている。該鍔部１３の先端側には抵抗体１２を収容する先端側胴部１５、この先端側胴部１５の先端側には中心電極４を収容し、先端側胴部１５より外径の小さい脚長部１６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。

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１７が形成されており、このネジ部１７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１７の後端側にはフランジ状のガスシール部１８が形成され、このガスシール部１８とネジ部１７との間にはガスケット１９がはめ込まれている。ガスシール部１８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２０、工具係合部２０の後端側には加締め部２１が形成されている。加締め部２１及び工具係合部２０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２２，２３及び滑石２４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。

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Ｏ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２５と、該露出部２５の軸線Ｏ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２６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。

前記中心電極４は、略棒状であり、第２電極母材３９と貴金属部３２とにより形成されている。第２電極母材３９は、外層２７と該外層２７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２８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２８は外層２７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２７は、中心電極に使用される公知の材料で形成されることができ、後述するＮｉ合金で形成されるのが好ましい。

前記接地電極７は、例えば、略角柱体に形成されてなり、第１電極母材３６と貴金属部３３とにより形成されている。第１電極母材３６は、一端部が主体金具６の先端に接合され、途中で略Ｌ字状に屈曲され、他端部が中心電極４との間に間隙を設けて配置されている。第１電極母材３６は、図２に示すように、第２電極母材３９の先端面３０に対向する対向面３１を有し、この対向面３１に貴金属部３３が設けられている。第１電極母材３６は、接地電極に使用される公知の材料で形成されることができ、後述するＮｉ合金で形成されるのが好ましい。

前記貴金属部３２，３３は、前記先端面３０と前記対向面３１とに設けられ、火花放電間隙Ｇを介して対向するように配置されている。この実施形態のスパークプラグ１における火花放電間隙Ｇは、前記先端面３０に設けられた貴金属部３２と対向面３１に設けられた貴金属部３３との間の最短距離であり、この火花放電間隙Ｇは、通常、０．３〜１．５ｍｍに設定される。前記貴金属部３２，３３は、前記先端面３０と前記対向面３１との少なくとも一方に設けられていればよく、例えば、より高温になり易い前記対向面３１に貴金属部３３が設けられ、前記先端面３０に貴金属部３２が設けられていない場合には、前記対向面３１に設けられた貴金属部３３と前記先端面３０との間の最短距離が火花放電間隙Ｇとなる。

図３（ａ）は、図２に示すスパークプラグにおいて、対向面を含む平面で貴金属部を切断したときの切断面を示す説明図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す貴金属部を所定の平面で切断したときの切断面を示す要部断面説明図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、前記第１電極母材３６に設けられた前記貴金属部３３は、前記対向面３１から突出する突出部３４と、前記対向面３１に対して前記対向面３１から前記突出部３４とは反対側に垂直方向に延びる埋設部３５とを有する。前記対向面３１を含む平面で前記貴金属部３３を切断したときの切断面の輪郭線Ｍ上にある任意の２点を結ぶ線分のうち、前記対向面３１の長手方向Ｘ１に直交する線分であって、最大の長さを有する線分ａｂの垂直二等分線のうち、前記長手方向Ｘ１に延びる垂直二等分線Ｌ１を通り、かつ前記対向面３１に直交する平面で切断した切断面Ｓ１において、
前記対向面３１から前記突出部３４の先端までの距離を突出高さＡｇ、前記対向面３１から０．０５ｍｍの距離における前記突出部３４の幅を長さＤｇ１、前記対向面３１から０．７×Ａｇの距離における前記突出部３４の幅を長さＤｇ２とすると、前記突出部３４は次の３つの関係を満たす形状を有する。
（１）０．１ｍｍ≦Ａｇ≦０．３ｍｍ
（２）０．７ｍｍ≦Ｄｇ１
（３）０．５ｍｍ≦Ｄｇ２

前記埋設部３５は、前記切断面Ｓ１において、前記対向面３１から前記埋設部３５の先端までの距離を埋設深さＢｇとすると、
（４）１．５Ａｇ≦Ｂｇ≦７Ａｇ
を満たすのが好ましい。

図４（ａ）は、図２に示すスパークプラグにおいて、先端面を含む平面で貴金属部を切断したときの切断面を示す説明図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す貴金属部を所定の平面で切断したときの切断面を示す要部断面説明図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、前記第２電極母材３９に設けられた前記貴金属部３２は、前記先端面３０から突出する突出部３７と、前記先端面３０に対して前記先端面３０から前記突出部３７とは反対側に垂直方向に延びる埋設部３８とを有し、前記先端面３０を含む平面で前記貴金属部３２を切断したときの切断面の輪郭線Ｎ上にある任意の２点を結ぶ線分のうち、最大の長さを有する線分ｃｄを通り、かつ前記先端面３０に直交する平面で切断した切断面Ｓ２において、
前記先端面３０から前記突出部３７の先端までの距離を突出高さＡｃ、前記先端面３０から０．０５ｍｍの距離における前記突出部３７の幅を長さＤｃ１、前記先端面３０から０．７×Ａｃの距離における前記突出部３７の幅を長さＤｃ２とすると、前記突出部３７は次の３つの関係を満たす形状を有する。
（５）０．１ｍｍ≦Ａｃ≦０．３ｍｍ
（６）０．７ｍｍ≦Ｄｃ１
（７）０．５ｍｍ≦Ｄｃ２

前記埋設部３８は、前記切断面Ｓ２において、前記先端面３０から前記埋設部３８の先端までの距離を埋設深さＢｃとすると、
（８）１．５Ａｃ≦Ｂｃ≦７Ａｃ
を満たすのが好ましい。

前記突出部３４，３７が前記（１）〜（３）及び（５）〜（７）の関係を満たすとき、突出部３４，３７は、前記対向面３１及び前記先端面３０からほどよく突き出し、またその先端が細くなり過ぎない形状を有し、例えば前記切断面Ｓ１，Ｓ２では、台形状、略台形状であって台形における平行でない２つの辺が外側に向かって膨らむ曲線を有する形状、矩形、又は半円形等の外形を有する。前記貴金属部３３，３２が、前記（１）〜（３）及び（５）〜（７）の関係を満たす形状を有することにより、耐消耗性に優れた貴金属部３３，３２及び電極母材３６，３９を有するスパークプラグを提供することができる。

前記突出高さＡｇ，Ａｃが０．１ｍｍ未満であると、気流の激しい燃焼室内では、火花が吹き流されて第１電極母材３６及び／又は第２電極母材３９（以下において、電極母材３６，３９と称することがある。）で火花放電が発生し、貴金属部３３，３２より先に電極母材３６，３９が消耗してしまうことがある。電極母材３６，３９が消耗すると、電極母材３６，３９が細くなるので、火花放電により生じた熱や高温の燃焼室内から受熱した熱を、電極母材３６，３９を介して逃がす（以下において、熱引きと称することがある。）効果が下がり、耐久性に劣ってしまう。前記突出高さＡｇ，Ａｃが０．３ｍｍを超えると、貴金属部３３，３２の先端の温度が高くなり、貴金属部３３，３２が消耗し易くなる。また、貴金属部３３，３２が受熱した熱を電極母材３６，３９に逃がし難くなるので、貴金属部３３，３２が消耗し易くなり、耐久性に劣ってしまう。前記長さＤｇ１が０．７ｍｍ未満であると、突出部３４，３７の体積が小さくなるため、所望の耐消耗性が得られない。前記対向面３１及び前記先端面３０の位置における前記貴金属部３３，３２の幅を長さＤｇ０，Ｄｃ０としたとき、長さＤｇ１，Ｄｃ１は、長さＤｇ０，Ｄｃ０の長さと同じか、それよりも小さい。長さＤｇ０は、通常、０．７ｍｍ以上２ｍｍ以下、長さＤｃ０は、通常、０．７ｍｍ以上１．６ｍｍ以下である。前記長さＤｇ２が０．５ｍｍ未満であると、突出部３４，３７の先端が細くなった形状となるので、突出部３４，３７の先端の温度が高くなり易くなり、耐消耗性に劣ってしまう。長さＤｇ２，Ｄｃ２は、長さＤｇ１，Ｄｃ２の長さと同じか、それより小さい。

前記埋設深さＢｇ，Ｂｃが前記（４）及び（８）の関係を満たすと、貴金属部３３，３２の耐剥離性が確保され、耐消耗性に優れた貴金属部３３，３２を有するスパークプラグ１を提供することができる。前記埋設深さＢｇ，Ｂｃが１．５Ａｇ未満及び１．５Ａｃ未満であると、埋設部３５，３８にクラックが生じ易くなり、また埋設部３５，３８と電極母材３６，３９との界面に酸化スケールが形成され易くなる。その結果、貴金属部３３，３２が剥離し易くなり、熱引きが低下することで貴金属部３３，３２の耐消耗性が劣ってしてしまうことがある。後述するように、貴金属部３３，３２は、例えば電極母材３６，３９上に貴金属合金を設置してレーザを照射することにより、貴金属合金と電極母材３６，３９を形成する合金とが溶け合って形成されることから、前記埋設深さＢｇ，Ｂｃが大きいほど、貴金属合金に比べて電極母材３６，３９の方が多く溶けて形成されることになる。このように形成された貴金属部３３，３２は電極母材３６，３９を形成する合金の含有量が多く、貴金属合金の含有量が少なくなるので、貴金属の含有量が少なくなる。よって、前記埋設深さＢｇ，Ｂｃが７Ａｇ，７Ａｃを超える場合には、貴金属部３３，３２の耐消耗性が劣ってしまうことがある。

図５は、この発明のスパークプラグの他の実施例であるスパークプラグの要部断面説明図である。図５に示すように、前記接地電極１０７は、前記切断面Ｓ１において、前記第１電極母材１３６の厚みが少なくとも２．５ｍｍにわたって変化しない部分における前記厚みＴの垂直二等分線Ｌ２から前記対向面１３１までの距離ｔが、前記接地電極１０７の長手方向Ｘ２の先端側に向かって小さくなるように形成されており、前記貴金属部１３３は、前記切断面Ｓ１において、前記対向面１３１から前記突出部１３４の先端までの距離を厚さｈとすると、前記対向面１３１の位置における前記貴金属部１３３の幅である前記長さＤｇ０の中心Ｑより前記長手方向Ｘ２の先端側で前記厚さｈが最大値をとるのが好ましい。

図５に示すように、接地電極１０７が先端に向かって細くなる形状を有している場合には、接地電極１０７の先端の熱引きが劣る傾向にある。また、その細くなっている部分に貴金属部１３３が設けられていると、熱伝導率の良好なＮｉ合金により形成された電極母材１３６より熱伝導率に劣る埋設部１３５が存在するので、さらに熱引きに劣る傾向にある。よって、接地電極１０７の先端に向かって細くなる形状を有する接地電極１０７のその細くなっている部分に貴金属部１３３が設けられていると、接地電極１０７の先端側の熱を逃がし難く、貴金属部１３３が消耗し易くなる。したがって、接地電極１０７の先端側に配置されている貴金属部１３３の厚みｈを厚くする、すなわち前記長さＤｇ０の中心Ｑより前記長手方向Ｘ２の先端側で厚みｈが最大値をとるようにすることで、火花放電間隙Ｇの増加を抑制することができる。

前記貴金属部３３，３２は、後述するように、例えば前記対向面３１及び前記先端面３０に貴金属材料を配置して、前記対向面３１及び前記先端面３０を望む方向から貴金属材料に対してレーザを照射することにより形成される。前記貴金属部３２，３３は、貴金属材料と電極母材３６，３９とが溶融することにより形成されるので、貴金属部３２，３３の組成は、貴金属材料と電極母材３６，３９との組成により、また、レーザの照射方法による貴金属材料と電極母材３６，３９との溶融の程度等により変化する。貴金属部３６，３９は、常に均質に形成されるとは限らず、組成の異なる部分がマーブル状に観察される場合、貴金属部３３，３２と電極母材３６，３９との界面から貴金属部３３，３２の内部に向かって次第に組成が変化するように形成される場合等がある。貴金属部３３，３２が上記いずれの形態で形成されたとしても、後述するように貴金属部３３，３２に含まれる各成分の含有率を測定した場合に、貴金属部３３，３２は貴金属成分が少なくとも５質量％であるのが好ましい。貴金属成分としては、例えばＰｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ等を挙げることができる。貴金属部３３，３２が貴金属成分を少なくとも５質量％含有していると、所望の耐消耗性を維持することができる。

前記電極母材３６，３９，１３６は、接地電極及び中心電極に使用される公知の材料で形成されることができるが、電極母材３６，３９，１３６は、Ｎｉを主成分とし、Ｓｉを０．４質量％以上５質量％以下、Ａｌを０．４質量％以上５質量％以下、Ｃｒを１質量％以上１０質量％以下含有するのが好ましい。

Ｓｉ、Ａｌ、及びＣｒの含有量が前記範囲内であると、電極母材３６，３９，１３６の耐酸化性を向上させることができ、ひいては耐消耗性を向上させることができる。Ｓｉ、Ａｌ、及びＣｒの含有量が少なすぎると耐酸化性が低下するおそれがあり、耐酸化性が確保されない場合には、電極母材３６，３９，１３６が崩れ易くなり、振動によって脱落することがあり、その結果耐消耗性を確保し難くなることがある。Ｓｉ、Ａｌ、及びＣｒの含有量が多すぎると、電極母材３６，３９，１３６の熱伝導率の低下及び加工性が悪くなることによるクラックの発生により、熱引きが低下し、貴金属部３２，３３，１３３及び電極母材３６，３９，１３６の耐火花消耗性を確保し難くなることがある。

前記貴金属部３３，３２及び前記電極母材３６，３９に含まれる各成分の含有率は、次のようにして測定することができる。すなわち、まず貴金属部３３，３２及び前記電極母材３６，３９を切断して断面を露出させ、この貴金属部３３，３２及び前記電極母材３６，３９の断面において任意の複数箇所（たとえば、１０箇所）を選択し、ＥＰＭＡ（例えば、ＪＥＯＬ社 ＪＸＡ−８５００Ｆ）を利用して、ＷＤＳ（Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer）分析を行うことにより、各々の箇所の質量組成を測定する。次に、測定した複数箇所の値の平均値を算出して、この平均値を貴金属部３３，３２及び前記電極母材３６，３９の組成とする。なお、測定場所としては、貴金属部３３，３２と前記電極母材３６，３９との境界付近を除く。

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、貴金属材料に関しては、所望の組成となるように配合及び溶解して得られる溶解材を、例えば圧延により板材に加工し、その板材を打ち抜き加工により所定のチップ形状に打ち抜いて形成する方法、合金を圧延、鍛造又は伸線により線状又はロッド状の素材に加工した後に、これを長さ方向に所定長に切断して形成する方法等を採用することにより、所望の形状及び組成を有する貴金属材料を形成することができる。貴金属材料の形状は特に限定されず、円盤状、多角盤状、円柱状、多角柱状、粒状等の適宜の形状でよい。貴金属材料の組成は、５０〜１００質量％の貴金属を含有するのがよく、貴金属としては、例えばＰｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ等を挙げることができる。

電極母材３６，３９は、例えば、真空溶解炉を用いて、所望の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後、この鋳塊を、熱間加工、線引き加工等して、所定の形状及び所定の寸法に適宜調整して、作製することができる。中心電極４を形成する電極母材３９はカップ状に形成したＮｉ合金等からなる外材に、外材より熱伝導率の高いＣｕ合金等からなる内材を挿入し、押し出し加工等の塑性加工にて、外層の内部に芯部を有する電極母材３９を形成する。なお、この実施形態のスパークプラグ１の接地電極７は一種類の材料により形成されて成るが、接地電極７が中心電極４と同様に外層とこの外層の軸心部に埋め込まれるように設けられた芯部とにより形成されてもよく、この場合には中心電極４の場合と同様にしてカップ状に形成した外材に内材を挿入し、押し出し加工等の塑性加工した後、略角柱状に塑性加工したものを、接地電極７を形成する電極母材３６にすることができる。

次いで、所定の形状に塑性加工等によって形成した主体金具６の端面に、電極母材３６の一端部を電気抵抗溶接又はレーザ溶接等によって接合する。次いで、電極母材３６が接合された主体金具６にＺｎめっき又はＮｉめっきを施す。Ｚｎめっき又はＮｉめっきの後に３価クロメート処理を行ってもよい。

次いで、上述のように作製した貴金属材料を電極母材３６，３９にレーザ溶接により溶融固着する。まず、貴金属材料を対向面３１及び／又は先端面３０における所望の位置に設置して、貴金属材料に対して対向面３１及び／又は先端面３０に臨む方向から貴金属材料にレーザを照射することにより、貴金属材料と電極母材３６，３９とを溶融して、貴金属材料と電極母材３６，３９とを接合する。次いで、接合された貴金属材料を加熱しつつ、前記貴金属材料の先端を押圧することにより、前述した形状を有する貴金属部３３，３２を形成する。このとき、対向面３１及び／又は先端面３０に、貴金属材料を設置するための窪みを形成しておいても良い。

レーザを照射する際の、レーザの種類、出力、照射方向及びスポット径等は特に限定されず、貴金属部３３，３２が突出部３４，３７と埋設部３５，３８とを有し、突出部３４，３７が前記（１）〜（３）及び／又は（５）〜（７）の関係を満たすように形成されればよい。例えば、貴金属材料全体にレーザを照射可能なスポット径で、前記対向面３１及び／又は前記先端面３０に対して垂直な方向からレーザを数秒間照射することにより、貴金属材料と電極母材３６，３９とを溶融して、突出部３４，３７と埋設部３５，３８とを形成するようにしてもよいし、貴金属材料の一部にレーザを照射できる程度のスポット径で、前記対向面３１及び／又は前記先端面３０に対して垂直な方向や斜め方向からレーザを数秒間にわたって数十回照射することにより、貴金属材料と電極母材３６，３９とを溶融して、突出部３４，３７と埋設部３５，３８とを形成するようにしてもよい。

接合された貴金属材料を加熱する方法は、特に限定されず、電流を流す方法、高周波誘導加熱による方法、レーザを照射する方法等を挙げることができる。接合された貴金属材料を適宜の方法で、加熱しつつ押圧することにより、押圧する際に貴金属材料にクラックが形成されるのを抑制することができる。このようにして、前述した形状を有する貴金属部３３，３２が形成される。

一方、セラミック等を所定の形状に焼成することによって絶縁体３を作製し、この絶縁体３の軸孔２内に貴金属部３２が設けられた中心電極４を挿設し、シール体１０，１１を形成するガラス粉末、抵抗体１２を形成する抵抗体組成物、前記ガラス粉末をこの順に前記軸孔２内に予備圧縮しつつ充填する。次いで前記軸孔２内の端部から端子金具５を圧入しつつ抵抗体組成物及びガラス粉末を圧縮加熱する。こうして抵抗体組成物及びガラス粉末が焼結して抵抗体１２及びシール体１０，１１が形成される。次いで接地電極７が接合された主体金具６にこの中心電極４等が固定された絶縁体３を組み付ける。最後に接地電極７の先端部を中心電極４側に折り曲げて、接地電極７の一端が中心電極４の先端部と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は、如何なる内燃機関にも使用することができるが、貴金属部と電極母材とが耐消耗性を有することにより、耐久性に優れたスパークプラグを提供することができるので、近年の燃焼室内の高圧縮化や希薄燃料を用いた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１，１０１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、対向面３１に設けられた貴金属部３３と先端面３０に設けられた貴金属３２とが、軸線Ｏ方向で、火花放電間隙Ｇを介して対向するように配置されているが、この発明において、先端面３０に受けられた貴金属部３２の側面とこの側面に対向するように配置された接地電極の先端部に設けられた貴金属部の先端面とが、中心電極の半径方向で、火花放電間隙を介して対向するように配置されていてもよい。この場合に、貴金属部３２の側面に対向する貴金属部３３が設けられた接地電極７は、単数が設けられても、複数が設けられてもよい。

＜スパークプラグ試験体の作製＞
貴金属成分としてＰｔ−Ｉｒ合金の板材を打ち抜き加工により円柱状のチップ形状に打ち抜いて、直径０．６〜１．６ｍｍ、高さ０．２〜０．６ｍｍの数種の大きさを有する貴金属材料を形成した。中心電極及び接地電極になる電極母材は、前述したように、所定の形状及び所定の寸法に適宜調整して作製し、Ｎｉ合金からなる外層とＣｕ合金からなる芯部とにより形成される中心電極用の電極母材と、Ｎｉ合金からなる接地電極用の電極母材とを形成した。

次いで、所定の形状に形成した主体金具の端面に、接地電極となる電極母材を接合し、電極母材の主体金具が接合されていない端部に貴金属材料をレーザ溶接により接合した。レーザ溶接は、貴金属材料を配置した電極母材の対向面に対して略直交する方向から貴金属材料に照射して、１回の照射で貴金属材料がほぼ完全に溶融するようにして、貴金属材料と電極母材とが溶融してなる溶融部を形成し、この溶融部を通電により加熱しつつ、溶融部の先端を押圧して、表１〜表３に示す数種の形状を有する貴金属部を形成した。

一方、中心電極の先端面に直径０．６ｍｍ、高さ０．８ｍｍの円柱状の貴金属材料を抵抗溶接及びレーザ溶接により接合した。レーザ溶接は、貴金属材料と電極母材との境界を一周するように斜め方向から照射して、貴金属材料と電極母材とを一部溶融することにより接合した。

一方、セラミックスを所定の形状に焼成することによって絶縁体を作製し、この絶縁体の軸孔内に貴金属材料が接合された中心電極を挿入し、ガラス粉末、抵抗体組成物、ガラス粉末の順に軸孔内に充填し、最後に端子金具を挿入して封着固定した。次いで、接地電極が接合された主体金具に、中心電極が固定された絶縁体を組み付けて、最後に接地電極の先端部を中心電極側に折り曲げて、接地電極に接合された貴金属部と中心電極の先端面に接合された貴金属材料とが対向するようにして、スパークプラグ試験体を製造した。

なお、製造されたスパークプラグ試験体のネジ径はＭ１４であり、火花放電間隙Ｇは１．１ｍｍであった。

＜机上耐久試験＞
製造したスパークプラグ試験体を圧力０．４ＭＰａ、窒素雰囲気の高圧チャンバに取り付け、周波数１００Ｈｚで２５０時間放電を行った。この試験前後の接地電極に設けられた貴金属部と中心電極に設けられた貴金属材料との間のギャップ（最短距離）を測定し、ギャップ増加量により、貴金属部の耐消耗性の評価をした。ギャップ増加量が０．３ｍｍ以下のときを「○」、０．３ｍｍを超えるときを「×」として評価した。また、この試験前後の接地電極の電極母材の体積をＣＴ（東芝製 ＴＯＳＣＡＮＥＲ−３２２５０μｈｄ）で測定し、試験前の電極母材の体積に対する試験後の電極母材の体積の減少割合を算出して、この算出値を消耗体積割合として電極母材の耐消耗性の評価をした。消耗体積割合が１０％以下のときを「○」、１０％を超えたときを「×」として評価した。ギャップ増加量と消耗体積割合のいずれか一方の評価が「×」のときは、総合評価を「×」とした。結果を表１に示す。

表１に示されるように、本願発明の範囲に含まれる貴金属部を備えたスパークプラグは、ギャップ増加量及び電極母材の消耗体積割合の評価のいずれもが良好だった。したがって、本願発明の範囲に含まれる貴金属部を備えたスパークプラグは、貴金属部と電極母材とが耐消耗性を有していた。一方、本願発明の範囲外にある貴金属部を備えたスパークプラグは、表１に示されるように、ギャップ増加量及び電極母材の消耗体積割合の評価の少なくとも一方が劣っていた。

高圧チャンバ内の圧力をより厳しい条件である０．６ＭＰａにしたこと以外は上記机上耐久試験と同様にして試験を行った。ギャップ増加量が０．３ｍｍ以下のときを「○」、０．３ｍｍを超えるときを「×」として評価した。結果を表２に示す。

表２に示されるように、埋設深さＢｇが大きくなるほどギャップ増加量が大きくなり、貴金属部の消耗量が多くなった。

＜机上冷熱試験＞
製造したスパークプラグ試験体を加熱１分間、冷却１分間を１サイクルとして、３０００サイクル行った。加熱に関しては、高周波誘導により１１００℃に加熱した。この冷熱試験後に貴金属部を接地電極の長手方向に沿って切断して断面を露出させ、この貴金属部の断面において、クラック及び酸化スケールの前記長手方向の長さを合計して、この合計長さの貴金属部の幅に対する割合を算出した。この算出値が５０％未満のときを「○」、５０％以上のときを「×」として評価した。結果を表３に示す。

表３に示すように、埋設深さＢｇが大きいほど机上冷熱試験の評価結果が良好であり、耐酸化性に優れていた。

電極母材の組成を表４に示すように変化させ、貴金属部における寸法が、突出高さＡｇが０．１ｍｍ、長さＤｇ１が０．７ｍｍ、長さＤｇ２が０．５ｍｍ、埋設深さＢｇが１．０ｍｍであること以外は、表１〜３に結果を示す試験と同様のスパークプラグ試験体を用いて、以下の試験を行った。
＜実機冷熱試験＞
製造したスパークプラグ試験体を、エンジン（排気量２０００ｃｃ、６気筒）に取り付け、スロットル全開（５５００ｒｐｍ）で１分間、アイドリング状態（７５０ｒｐｍ）で１分間を１サイクルとする運転を３００時間繰り返す実機冷熱試験を行った。試験後の接地電極を長手方向に切断して断面を露出させ、電極母材の断面において、電極母材の表面に形成された酸化物が電極母材の厚みの５分の１以上である場合、または貴金属部に欠陥が観察された場合を「×」として評価した。結果を表４に示す。

＜机上耐久試験＞
周波数６０Ｈｚで１００時間放電を行ったこと以外は、上記机上耐久試験と同様にして試験を行った。試験前後における接地電極の電極母材の厚みを測定し、厚みの減少量が０．１ｍｍ未満の場合を「○」、０．１ｍｍ以上の場合を「×」として評価した。結果を表４に示す。

＜加工性の評価＞
電極母材を形成する過程において、１．４×２．５ｍｍの線材へ加工する際に、線材の表面若しくは内部に傷又はクラックが観察されない場合を「○」、傷又はクラックが観察された場合を「×」として評価した。結果を表４に示す。

表４に示されるように、電極母材におけるＳｉ、Ａｌ、Ｃｒの含有量が所定量より多いと実機冷熱試験の評価結果が良好であり、電極母材の耐酸化性に優れていた。Ａｌの含有量が所定量より多いと加工性の評価結果に劣り、線材の表面若しくは内部に傷又はクラックが観察された。一方、電極母材におけるＳｉ、Ａｌ、Ｃｒの含有量が所定の範囲内であると、加工性の評価結果が良好であった。Ｃｒの含有量が所定量より多いと机上耐久試験の評価結果に劣り、電極母材の耐消耗性に劣っていた。一方、電極母材におけるＳｉ、Ａｌ、Ｃｒの含有量が所定の範囲内であると、机上耐久試験の評価結果が良好であった。

１，１０１ スパークプラグ
２ 軸孔
３ 絶縁体
４，１０４ 中心電極
５ 端子金具
６ 主体金具
７，１０７ 接地電極
１０，１１ シール体
１２ 抵抗体
１３ 鍔部
１４ 後端側胴部
１５ 先端側胴部
１６ 脚長部
１７ ネジ部
１８ ガスシール部
１９ ガスケット
２０ 工具係合部
２１ 加締め部
２２，２３ パッキン
２４ 滑石
２５ 露出部
２６ 柱状部
２７ 外層
２８ 芯部
３０，１３０ 先端面
３１，１３１ 対向面
３２，３３，１３２，１３３ 貴金属部
３４，３７，１３４，１３７ 突出部
３５，３８，１３５，１３８ 埋設部
３６，１３６ 第１電極母材
３９，１３９ 第２電極母材
Ｇ 火花放電間隙
Ｍ，Ｎ 輪郭線
Ｓ１，Ｓ２ 切断面
Ｘ１，Ｘ２ 長手方向
Ｌ１，Ｌ２ 垂直二等分線

Claims (7)

1. 中心電極及び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を備え、前記中心電極及び前記接地電極のうち少なくとも前記接地電極は、前記中心電極の先端面に対向する対向面を有する、前記接地電極の第１電極母材のその対向面に設けられた、貴金属を含有する貴金属部を有するスパークプラグであって、
   前記貴金属部は、前記対向面から突出する突出部と、前記対向面から前記突出部とは反対側に垂直方向に延びる埋設部とを有し、
   前記対向面を含む平面で前記貴金属部を切断したときの切断面の輪郭線上にある任意の２点を結ぶ線分のうち、前記対向面の長手方向に直交する線分であって、最大の長さを有する線分の垂直二等分線のうち、前記長手方向に延びる垂直二等分線を通り、かつ前記対向面に直交する平面で切断した切断面Ｓ１において、
   前記対向面から前記突出部の先端までの距離を突出高さＡｇ、前記対向面から０．０５ｍｍの距離における前記突出部の幅を長さＤｇ１、前記対向面から０．７×Ａｇの距離における前記突出部の幅を長さＤｇ２とすると、
   ０．１ｍｍ≦Ａｇ≦０．３ｍｍ、０．７ｍｍ≦Ｄｇ１、０．５ｍｍ≦Ｄｇ２（≦Ｄｇ１）を満たすことを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記切断面Ｓ１において、前記対向面から前記埋設部の先端までの距離を埋設深さＢｇとすると、１．５Ａｇ≦Ｂｇ≦７Ａｇを満たすことを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記接地電極は、前記切断面Ｓ１において、前記第１電極母材の厚みが少なくとも２．５ｍｍにわたって変化しない部分における前記厚みの垂直二等分線から前記対向面までの距離が、前記長手方向の先端側に向かって小さくなるように形成されており、
   前記貴金属部は、前記切断面Ｓ１において、前記対向面から前記突出部の先端までの距離を厚さｈとすると、対向面の位置における）幅Ｄｇ０の中心より前記長手方向の先端側で厚さｈが最大値をとることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
4. 中心電極及び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を備え、前記中心電極及び前記接地電極のうち少なくとも前記中心電極は、前記中心電極の第２電極母材の先端面に設けられた、貴金属を含有する貴金属部を有するスパークプラグであって、
   前記貴金属部は、前記先端面から突出する突出部と、前記先端面から前記突出部とは反対側に垂直方向に延びる埋設部とを有し、
   前記先端面を含む平面で前記貴金属部を切断したときの切断面の輪郭線上にある任意の２点を結ぶ線分のうち、最大の長さを有する線分を通り、かつ前記先端面に直交する平面で切断した切断面Ｓ２において、
   前記先端面から前記突出部の先端までの距離を突出高さＡｃ、前記先端面から０．０５ｍｍの距離における前記突出部の幅を長さＤｃ１、前記先端面から０．７×Ａｃの距離における前記突出部の幅を長さＤｃ２とすると、
   ０．１ｍｍ≦Ａｃ≦０．３ｍｍ、０．７ｍｍ≦Ｄｃ１、０．５ｍｍ≦Ｄｃ２を満たすことを特徴とするスパークプラグ。
5. 前記切断面Ｓ２において、前記先端面から前記埋設部の先端までの距離を埋設深さＢｃとすると、１．５Ａｃ≦Ｂｃ≦７Ａｃを満たすことを特徴とする請求項４に記載のスパークプラグ。
6. 前記第１電極母材及び／又は前記第２電極母材は、Ｎｉを主成分とし、Ｓｉを０．４質量％以上５質量％以下、Ａｌを０．４質量％以上５質量％以下、及びＣｒを１質量％以上１０質量％以下含有することを特徴とする請求項１〜５に記載のスパークプラグ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のスパークプラグの製造方法であって、
   前記第１電極母材及び／又は前記第２電極母材に配置された貴金属材料に、前記埋設部が形成されるようにレーザを照射して前記貴金属材料を接合し、
   接合された貴金属材料を加熱しつつ、押圧することにより前記貴金属部を形成することを特徴とするスパークプラグの製造方法。

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