JP2018063817A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】接地電極における貴金属層の摩耗を抑制して接地電極の母材が露出することを好適に防止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は、内燃機関に取り付け可能な筒状の取付金具１０と、取付金具１０に絶縁保持され、その一端部３１が取付金具１０の一端部１１から露出して延びる中心電極３０と、一端側が取付金具１０の一端部１１に接合され、他端側の一面４５が中心電極３０の一端部３１に対向するように延びる接地電極４０と、接地電極４０の一面４５において中心電極３０に向かって接地電極４０の母材から突出しており、その表面が外方に凸であり、かつ、角部を有しない面で形成される凸部４６と、凸部４６の表面に形成される貴金属層６０と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、自動車のエンジン等に用いる内燃機関用のスパークプラグに関する。

従来、スパークプラグにおいて、接地電極における中心電極側の面である対向面上に、中心電極に向かって接地電極の母材の一部を突出させる凸加工を施して凸部を設ける構成が知られている。この構成では、接地電極の母材のうち凸部の先端面である放電面を形成しようとする部分に貴金属チップを溶接して、母材と溶融させてなる溶融凝固部を形成した後に、押出成形により凸部を成形することにより、凸部の先端面である放電面に貴金属層を設けることができる。また、同様の加工手法で、先端面に加えて凸部の側面や、先端面と側面との間の角部にも貴金属層を設けることができる。このように凸部の大半を貴金属層で被覆することによって、放電により消耗しやすい角部の消耗を抑制でき、また、酸化や亀裂、溶融凝固部の乖離等の不具合を回避できる（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−１７０７０５号公報

ところで、最近の過給エンジンや高ＥＧＲエンジンでは、燃焼室内を流れる混合気の流速が早くなり、この気流がスパークプラグの火花放電ギャップに適度に流れることにより、火花が伸ばされる傾向にある。このため、伸ばされた火花の接地側起点が凸部の側面まで移動する可能性が高くなっている。

上記の凸部表面に貴金属層を設ける加工手法では、凸部の角部や側面に当たる貴金属チップの部分が凸部形成に伴い引き伸ばされるため、凸部の角部や側面の部分における貴金属層の厚さが先端面に比べて薄くなってしまう。このため、最近のスパークプラグの適用環境では、特に凸部側面や角部の貴金属層の消耗寿命が短くなって、すぐに接地電極の母材が露出する虞がある。母材が露出しやすくなることで、母材消耗が激しくなったり、貴金属層が母材から脱落することが懸念される。

本開示は、接地電極における貴金属層の摩耗を抑制して接地電極の母材が露出することを好適に防止できるスパークプラグを提供することを目的とする。

本開示は、スパークプラグ（１００）であって、内燃機関に取り付け可能な筒状の取付金具（１０）と、前記取付金具に絶縁保持され、一端部（３１）が前記取付金具の一端部（１１）から露出して延びる中心電極（３０）と、一端側が前記取付金具の一端部に接合され、他端側の一面（４５）が前記中心電極の一端部に対向するように延びる接地電極（４０）と、前記接地電極の前記一面において前記中心電極に向かって前記接地電極の母材から突出しており、その表面が外方に凸であり、かつ、角部を有しない面で形成される凸部（４６）と、前記凸部の表面に形成される貴金属層（６０）と、を備えるスパークプラグである。

この構成により、貴金属層が凸部の表面上のどの位置にあるかに係わらず、その厚さを略均一にすることができる。このため、過給エンジンや高ＥＧＲエンジンなど、燃焼室内を流れる混合気の流速が早く、スパークプラグの火花放電ギャップに発生する火花が大きく伸ばされ、火花の接地電極側の起点の移動量が大きい傾向にあるような、最近のスパークプラグの適用環境であっても、貴金属層が局所的に摩耗することを好適に回避できる。

本開示によれば、接地電極における貴金属層の摩耗を抑制して接地電極の母材が露出することを好適に防止できるスパークプラグを提供することができる。

図１は、実施形態に係るスパークプラグの半断面図である。 図２は、図１に示すスパークプラグにおける火花放電部近傍の拡大図である。 図３は、接地電極の凸部近傍の形状を模式的に示す図である。 図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ断面図である。 図５は、接地電極の凸部及び貴金属層の押出成形前の状態を示す図である。 図６は、接地電極の凸部及び貴金属層の押出成形後の状態を示す図である。 図７は、凸部の押出形状（高さと半径との比）に応じた貴金属層の最大厚みと最小厚みの比を示す図である。 図８は、凸部の押出形状（高さと半径との比）に応じた貴金属層の消耗寿命を示す図である。 図９は、中心電極と接地電極との間に発生する放電現象を説明するための模式図である。 図１０は、容量放電と誘導放電における放電電流値とそれぞれの放電の発生タイミングとを示す図である。 図１１は、接地電極の凸部の他の形態を示す断面図である。 図１２は、接地電極の凸部の他の形態を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１〜図４を参照して、本実施形態に係るスパークプラグ１００の構成について説明する。本実施形態に係るスパークプラグ１００は、自動車用エンジンの点火栓等に適用されるものであり、該エンジンの燃焼室を区画形成するエンジンヘッド（図示せず）に設けられたネジ穴に挿入されて固定されるようになっている。

図１に示すように、スパークプラグ１００は、導電性の鉄鋼材料（例えば低炭素鋼等）等よりなる筒形状の取付金具１０を有しており、この取付金具１０は、図示しないエンジンブロックに固定するための取付ネジ部１０ａを備えている。取付金具１０の内部には、アルミナセラミック（Ａｌ₂Ｏ₃）等からなる絶縁体２０が固定されており、この絶縁体２０の一端部２１は、取付金具１０の一端部１１から露出するように設けられている。

絶縁体２０の軸孔２２には中心電極３０が固定されており、この中心電極３０は取付金具１０に対して絶縁保持されている。中心電極３０は、例えば、内材がＣｕ等の熱伝導性に優れた金属材料、外材がＮｉ基合金等の耐熱性および耐食性に優れた金属材料により構成された円柱体で、図２に示すように、その細径化された一端部３１が、絶縁体２０の一端部２１から露出して延びるように設けられている。

一方、接地電極４０は、その一端部４１にて取付金具１０の一端部１１に溶接により固定され、途中で曲げられて、その他端部４２側が中心電極３０の一端部３１に向かって中心電極の軸３３とは鋭角をなすように延びる柱状（例えば角柱）をなす。

つまり、図２に示すように、接地電極４０の他端部４２側の端面（以下、接地電極他端面という）４３に向かう軸４４と中心電極３０の軸３３とのなす角度αが鋭角となっている。すなわち、接地電極４０は、その延在方向が中心電極３０に対して傾斜する形状、所謂スラント形状となっている。この接地電極４０は、例えば、Ｎｉを主成分とするＮｉ基合金より構成されている。

ここで、接地電極４０の接地電極他端面４３に向かう軸４４は、接地電極４０と取付金具１０との接合部（溶接部）断面の重心および中心電極の軸３３を含む面を仮想面とし、この仮想面に対して投影した時の実質的な接地電極４０の接地電極他端面４３に向かう軸である。当該仮想面は、図２における紙面に平行な面となる。

また、中心電極３０の一端部３１には、中心電極の軸３３と同一方向に延びる貴金属等よりなる中心電極側チップ５０が、レーザ溶接や抵抗溶接等により接合されている。つまり、本実施形態では、中心電極の軸３３は中心電極側チップ５０の軸５２でもある。なお、本例では、中心電極の軸３３は中心電極側チップの軸５２と一致しているが、一致していなくても同一方向即ち平行関係にあれば良い。

一方、接地電極４０の他端部４２側における中心電極３０に対向した面４５（以下「対向面４５」とも表記する）には、中心電極３０に向かって接地電極４０の母材から突出する凸部４６が形成されている。凸部４６の形状は、その表面が外方に凸であり、かつ、角部を有しない面で形成される。本実施形態では、凸部４６の形状はその先端部が半球状である。そして、この凸部４６の表面全体を被覆するように、略均等な厚さの貴金属層６０が形成されている。なお、貴金属層６０は、貴金属チップと接地電極４０の母材の一部とを溶融してなる溶融凝固部でもある。本実施形態では、貴金属層６０の厚さは０．１〜０．２ｍｍの範囲内である。

これらの凸部４６と貴金属層６０は、その先端と中心電極側チップ５０の先端面５１とが放電ギャップを介して対向するように、中心電極側チップ５０の先端面５１に向かって延びている。以下、図２に示すように、凸部４６と貴金属層６０の突出方向に沿った凸部４６の軸心を「接地電極４０の凸部４６の軸６１」と表記する。

また、接地電極４０の対向面４５と反対側の面には、この面から対向面４５側に向かって凹部４７が形成されている。凹部４７は、例えば、凸部４６の軸６１が通過する位置に形成されている。凹部４７は、例えば、軸６１の方向から視た形状が、凸部４６と同様の円形状となるよう形成されている。図２の例では、凹部４７は、その軸心が凸部４６の軸６１と一致する位置に配置されている。

中心電極側チップの軸５２と接地電極４０の凸部４６の軸６１とが交差またはねじれの位置関係にある。ここで、具体的には、中心電極側チップの軸５２と接地電極４０の凸部４６の軸６１との交差角度β（ねじれの場合も、図２中のβを交差角度とする）は５°以上７０°以下であることが好ましい。

中心電極側チップ５０は、柱状、円板状等にすることができるが、柱状であることが好ましい。

また、中心電極側チップ５０及び接地電極４０の貴金属層６０の材質としては、Ｐｔ（白金）−Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ−Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｔ−Ｎｉ（ニッケル）、Ｉｒ−Ｒｈ、Ｉｒ−Ｙ（イットリウム）等の合金のいずれか１種を採用することができる

更に言うならば、中心電極側チップ５０及び接地電極４０の貴金属層６０の材質としては、Ｐｔを主成分としＩｒ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｗ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓの少なくとも一つが添加された合金よりなるものにできる。より具体的には、Ｐｔを主成分とし、５０重量％以下のＩｒ、４０重量％以下のＮｉ、５０重量％以下のＲｈ、３０重量％以下のＷ、４０重量％以下のＰｄ、３０重量％以下のＲｕ、２０重量％以下のＯｓの少なくとも一つが添加された合金を採用することができる。

また、中心電極側チップ５０及び接地電極４０の貴金属層６０の材質としては、Ｉｒを主成分としＲｈ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓの少なくとも一つが添加された合金よりなるものを採用することができる。より具体的には、Ｉｒを主成分とし、５０重量％以下のＲｈ、５０重量％以下のＰｔ、４０重量％以下のＮｉ、３０重量％以下のＷ、４０重量％以下のＰｄ、３０重量％以下のＲｕ、２０重量％以下のＯｓの少なくとも一つが添加された合金を採用することができる。

かかるスパークプラグ１００においては、中心電極側チップ５０の先端面５１と、接地電極４０の貴金属層６０との間に形成された放電ギャップにおいて放電し、燃焼室内の混合気に着火させる。着火後、放電ギャップに形成された火炎核は、成長していき、燃焼室内にて燃焼が行われるようになっている。

そして特に本実施形態では、図３及び図４に示すように、接地電極４０の対向面４５から凸部４６の突出方向の高さをｈ、凸部４６の対向面４５上の断面における重心から縁端までの最大長（本実施形態では断面円の半径）をｒとするとき、凸部４６の形状がｈ／ｒ≦１．３を満たすのが好ましい。この条件を満たす凸部４６の形状は、例えば、先端部が半球状の円柱である。

さらに本実施形態では、凸部４６の形状がｈ／ｒ≦１．０を満たすのが好ましい。この条件を満たす凸部４６の形状は、例えば半球体である。

また、接地電極４０の凸部４６と中心電極３０との間の最小ギャップ部における貴金属層６０の厚さ（最大厚さ）をｔ２、貴金属層６０の最小の厚さをｔ３とするとき、貴金属層６０はｔ３／ｔ２≧０．６を満たすよう形成されるのが好ましい。さらに言えば、貴金属層６０はｔ３／ｔ２≧０．９を満たすよう形成されるのが好ましい。

次に、図５及び図６を参照して、接地電極４０の凸部４６及び貴金属層６０の製造方法について説明する。

まず、接地電極４０の母材の対向面４５上において、凸部４６を形成しようとする部分に貴金属層６０の原料となる貴金属チップ６０ａを設置して、抵抗溶接またはアーク溶接によって貴金属チップ６０ａの貴金属全体と、接地電極４０の母材の一部とを溶融させて溶融凝固部を形成する。アーク溶接においては、この溶融凝固部における表面(放電面)近傍の金属比率は７０％以上、母材近傍の金属比率は５０％以下になることが好ましい。アーク溶接としては、プラズマアーク溶接、被覆アーク溶接、サブマージアーク溶接、イナートガス溶接、マグ溶接（含炭酸ガスアーク溶接）、セルフシールドアーク溶接などの種々のものが挙げられる。なお、この溶融処理は、接地電極４０の一面（対向面４５）に貴金属層６０を接着する処理（接着ステップ）とも表現できる。

次いで、図５に示すように、貴金属チップ６０ａを溶接した接地電極４０を、凸部４６を成形するための略半球形状の凸部用キャビティ１０１を有する金型１０２に、凸部用キャビティ１０１と対向面４５を対向させた状態で載置する。この凸部用キャビティ１０１の深さや半径を変更することで、完成後の凸部４６の突出量ｈや半径ｒや、成形後の貴金属層６０の最大厚さｔ２や最小厚さｔ３を変更することができる。

なお、貴金属チップ６０ａは、本実施形態では、成形後に貴金属層６０として被覆する凸部４６が半球形状であるので、その形状が略円形の板材である。貴金属チップ６０ａの径φ１は、凸部用キャビティ１０１の径（すなわち成形後の凸部４６の最大径）より大きいのが好ましく、また、貴金属チップ６０ａの厚さｔ１は、成形後の貴金属層６０の最大厚さｔ２より大きいかまたは同等であるのが好ましい。

また、押圧治具１０３は、例えば略円柱形状からなる。押圧治具１０３は、例えばその径φ２が貴金属チップ６０ａの径φ１や、成形後の凸部４６の最大径より小さくされ、これにより凸部用キャビティ１０１の最深部に母材が突出しやすくなるよう構成されている。

そして、これらの金型１０２及び押圧治具１０３を用いて、平板状の接地電極５に冷鍛加工を施すことにより凸部４６を形成する（凸部形成ステップ）。具体的には、図６に示すように、押圧治具１０３によって接地電極４０の対向面４５と反対側の背面の一部を押圧して凹部４７を形成するとともに、接地電極４０の母材の一部を凸部用キャビティ１０１に向かって押し出すことにより凸部４６を形成する。すなわち、対向面４５の一部が押し出され、その押し出された分の接地電極４０が凸部用キャビティ１０１の内部に突出して、上記のとおりその表面全体に貴金属層６０が設けられた凸部４６が形成される（貴金属層形成ステップ）。

この結果、図３及び図４に示すように、厚さＴの接地電極４０の母材において、その一面４５側に突出量ｈ、最大半径ｒであり、その先端が半球形状である凸部４６が形成される。また、接地電極４０の一面４５と反対側の面において、径φ２、深さＨの凹部４７が形成される。なお、このとき、押出成形の金型１０２の軸線と、形成される凸部４６の軸線６１とが一致するように押出成形を行うのが好ましい。これにより、凸部４６の半球形状を作りやすくできる。

また、凸部４６の表面が外方に凸であり、かつ、角部を有しない面（本実施形態では半球形状）で形成されるので、上記の押出成形の際に、貴金属チップ６０ａは接地電極４０の母材の突出に伴いその全体が略均一に引き伸ばされる。このため、成形後の貴金属層６０の厚さは、凸部４６の表面上の位置によらず略均一となる。つまり、図３及び図４に示す、貴金属層６０の最大厚さｔ２と、最小厚さｔ３との差異を小さくできる。さらに、凸形状を半球形状とすることにより、貴金属層６０の厚さｔ２，ｔ３の差異を更に小さくできる。

次に、本実施形態に係るスパークプラグ１００の効果について説明する。

本実施形態のスパークプラグ１００は、内燃機関に取り付け可能な筒状の取付金具１０と、取付金具１０に絶縁保持され、その一端部３１が取付金具１０の一端部１１から露出して延びる中心電極３０と、一端側が取付金具１０の一端部１１に接合され、他端側の一面４５が中心電極３０の一端部３１に対向するように延びる接地電極４０と、接地電極４０の一面４５において中心電極３０に向かって接地電極４０の母材から突出しており、その表面が外方に凸であり、かつ、角部を有しない面で形成される凸部４６と、凸部４６の表面に形成される貴金属層６０と、を備える。より詳細には、接地電極４０の凸部４６は、接地電極４０の母材の一部を押出成形によって突出させてなり、貴金属層６０は、接地電極４０の一面４５に溶接された後に押出成形によって凸部４６の表面の全域に亘り形成される。

従来、押出成形によって接地電極４０の凸部４６の表面に貴金属層６０を形成する場合、凸部の形状が円柱や角柱であると、押出成形時に凸部の先端面の角部より外側に位置する貴金属層の部分が、先端面上の部分と比較して強力に引き伸ばされるため、凸部の角部や側面の部分における貴金属層の厚さが先端面に比べて薄くなる傾向がある。これに対して本実施形態では、上記構成により、貴金属層６０を引き伸ばす凸部４６が角部を有しない面形状であるので、貴金属層６０が凸部４６の表面上のどの位置にあるかに係わらず、その厚さを略均一にすることができる。このため、過給エンジンや高ＥＧＲエンジンなど、燃焼室内を流れる混合気の流速が早く、スパークプラグ１００の火花放電ギャップに発生する火花が大きく伸ばされ、火花の接地電極４０側の起点の移動量が大きい傾向にあるような、最近のスパークプラグの適用環境であっても、貴金属層６０が局所的に摩耗することを好適に回避できる。この結果、接地電極４０における貴金属層６０の摩耗を抑制して接地電極４０の母材が露出することを好適に防止できる。接地電極４０の母材が露出しなくなることで、母材消耗を抑制できてスパークプラグの消耗寿命の悪化を防止でき、また、貴金属層６０が接地電極４０の母材から脱落する懸念も無くなる。

また、本実施形態のスパークプラグ１００において、接地電極４０の一面４５から凸部４６の突出方向の高さをｈ、凸部４６の一面４５上の断面における重心から縁端までの最大長（本実施形態では断面円の半径）をｒとするとき、凸部４６の形状がｈ／ｒ≦１．３を満たすのが好ましい。

この構成により、スパークプラグ１００の接地電極４０の寿命時間を良好な状態で維持することができ、スパークプラグの消耗寿命の悪化を好適に防止でき、この結果、接地電極４０における貴金属層６０の摩耗を抑制して接地電極４０の母材が露出することを好適に防止できる。なお、上記の数値範囲の設定によりこのような効果を奏することができる根拠については図７を参照して後述する。

また、本実施形態のスパークプラグ１００において、凸部４６の形状がｈ／ｒ≦１．０を満たすのがさらに好ましい。

この構成により、貴金属層６０の厚さの均一性をより一層向上でき、貴金属層６０に極端に薄い部位が存在しなくなるので、接地電極４０の母材の露出リスクをさらに低減できる。したがって、接地電極４０における貴金属層６０の摩耗をさらに抑制でき、接地電極４０の母材が露出することをより一層防止できる。なお、上記の数値範囲の設定によりこのような効果を奏することができる根拠については図７を参照して後述する。

また、本実施形態のスパークプラグ１００において、接地電極４０の凸部４６の先端形状が半球状である。この構成により、スパークプラグ１００の火花放電ギャップに発生する火花の接地電極４０側の起点が、凸部４６の表面全体に亘って移動するので、貴金属層６０の放電による消耗をより均一化でき、スパークプラグ１００の消耗寿命を延ばすことができる。

また、本実施形態のスパークプラグ１００において、接地電極４０の凸部４６と中心電極３０との間の最小ギャップ部における貴金属層６０の厚さをｔ２、貴金属層６０の最小の厚さをｔ３とするとき、貴金属層６０はｔ３／ｔ２≧０．６を満たすよう形成される。この構成により、貴金属層６０の厚さの最低限の均一性を確保でき、スパークプラグ１００の消耗寿命の悪化を好適に防止できる。

次に、図７〜図１０を参照して、接地電極４０の凸部４６の形状をｈ／ｒ≦１．３の範囲、より好ましくはｈ／ｒ≦１．０の範囲に設定することの根拠について述べる。

まず図７を参照して、接地電極４０の凸部４６の形状をｈ／ｒ≦１．０の範囲に設定することの根拠について述べる。この条件は、下記の仕様のスパークプラグ１００の接地電極４０について貴金属層６０の均一性評価試験を行った結果、導出したものである。
・接地電極４０の母材の厚さＴ：１．３ｍｍ固定
・接地電極４０の母材の幅（図３の奥行き方向の寸法）：２．６ｍｍ固定
・押出成形前の貴金属チップ６０ａの厚さｔ１（図５参照）：０．１５ｍｍ固定
・押出成形前の貴金属チップ６０ａの径φ１（図５参照）：１．２ｍｍ固定
・凸部４６の高さｈ：０．３，０．５，０．７，１．０ｍｍ
・凸部４６の半径ｒ：各ｈごとにｈ／ｒが異なる５種類
・押圧治具１０３の押し込み深さ（凹部４７の深さＨ（図３参照））：凸部４６の高さｈに合わせて適宜変更
・押圧治具１０３の径φ２：凸部４６の半径ｒに合わせて適宜変更

評価試験では、上記の４種類のｈとなるように押圧治具１０３の押し込み量Ｈを設定する各セッティングにおいて、凸部４６の半径ｒが異なる５種類となるように、５種類の径の凸部用キャビティ１０１を用いた。つまり、４種類のｈ×５種類のｒ＝合計２０種類のセッティングで凸部４６及び貴金属層６０を形成した。そして、各セッティングで作成された貴金属層６０の膜厚比ｔ３／ｔ２を計測し、評価特性値とした。

評価試験の結果を図７に示す。図７には、凸部４６の形状（ｈ／ｒ）に応じた膜厚比ｔ３／ｔ２の特性が示されている。図７の横軸は、ｈ／ｒを表し、図７の縦軸はｔ３／ｔ２を示す。また、ｈ＝０．３ｍｍのときの結果を菱形のプロットで表し、ｈ＝０．５ｍｍのときの結果を四角形のプロットで表し、ｈ＝０．７ｍｍのときの結果を三角形のプロットで表し、ｈ＝１．０ｍｍのときの結果を記号Ｘのプロットで表す。そして、これらのプロットを線形近似した特性曲線を図示している。

図７に示すように、特性曲線はｈ／ｒ＝１．０において変曲点を有する。つまり、ｈ／ｒが１．０より小さい領域では、膜厚比ｔ３／ｔ２は０．９近傍で安定しており、一方、ｈ／ｒが１．０より大きくなると、膜厚比ｔ３／ｔ２は、ｈ／ｒの増加に応じたほぼ一定割合で減少する。つまり、ｈ／ｒ≦１．０をみたすとき、貴金属層６０の肉厚の均一性が向上する。このように、図７に示す評価試験の結果により、接地電極４０の凸部４６の形状をｈ／ｒ≦１．０の範囲に設定すれば、貴金属層６０に極端に薄い部位が存在しなくなるので、接地電極４０の母材の露出リスクを低減できることが示された。

次に図８を参照して、接地電極４０の凸部４６の形状をｈ／ｒ≦１．３の範囲に設定することの根拠について述べる。この条件は、下記の仕様のスパークプラグ１００について消耗耐久試験を行った結果、導出したものである。
・接地電極４０の母材の厚さＴ：１．３ｍｍ固定
・接地電極４０の母材の幅（図３の奥行き方向の寸法）：２．６ｍｍ固定
・押出成形前の貴金属チップ６０ａの厚さｔ１（図４参照）：０．１５ｍｍ固定
・押出成形前の貴金属チップ６０ａの径φ１（図４参照）：１．２ｍｍ固定
・凸部４６の高さｈ：０．５ｍｍ固定
・凸部４６の半径ｒ：ｈ／ｒが０．５〜１．６の間で異なる１２種類
・押出成形後の貴金属層６０の最大厚さｔ２：０．１５ｍｍ固定

消耗耐久試験では、まず、上記の１種類のｈとなるように押圧治具１０３の押し込み量Ｈを設定するセッティングにおいて、凸部４６の半径ｒが異なる１２種類となるように、１２種類の径の凸部用キャビティ１０１を用いた。つまり、１種類のｈ×１２種類のｒ＝合計１２種類のセッティングで凸部４６及び貴金属層６０を形成した。

そして、このように形成した各セッティングの凸部４６及び貴金属層６０を用いて消耗耐久試験を行った。消耗耐久試験は、将来エンジン相当の流速３０ｍ／ｓ環境下で、雰囲気は０．９ＭＰａ，Ｎ₂、点火周期は３０Ｈｚとしてスパークプラグ１００の発火を実施したときの接地電極４０の寿命時間［Ｈｒ］を計測し、評価特性値とした。ここで、寿命時間は、凸部４６の表面の貴金属層６０が摩耗し、接地電極４０の母材が露出するまでの所要時間とした。

消耗耐久試験の結果を図８に示す。図８には、凸部の形状（ｈ／ｒ）に応じた寿命時間の特性が示されている。図８の横軸は、ｈ／ｒを表し、図８の縦軸は寿命時間を示す。図８には、上記のｈ／ｒの各条件で計測した寿命時間をプロットし、これらのプロットを結線して図示している。

図８に示すように、特性直線は、ｈ／ｒ＝１．３において変曲点を有する。つまり、ｈ／ｒが１．３より小さい領域では、寿命時間は概ね３００時間近傍で安定しており、一方、ｈ／ｒが１．３より大きくなると、寿命時間は、ｈ／ｒの増加に応じたほぼ一定割合で減少する。つまり、ｈ／ｒ≦１．３をみたすとき、接地電極４０の寿命時間を好適に維持できる。このように、図８に示す消耗耐久試験の結果により、接地電極４０の凸部４６の形状をｈ／ｒ≦１．３の範囲に設定すれば、接地電極４０における貴金属層６０の摩耗を抑制して接地電極４０の母材が露出することを好適に防止できることが示された。

なお、図７及び図８の結果を併せて考慮すると、１．０＜ｈ／ｒ≦１．３の範囲では、膜厚比ｔ３／ｔ２は低減しはじめるものの、接地電極４０の寿命時間は減少しない状態となる。つまり、この範囲では、貴金属層６０の肉厚の均一性が悪化しているにも関わらず、接地電極４０における貴金属層６０の摩耗を抑制するという所望の効果を奏することができている。図９及び図１０を参照して、このような状態が生じる理由について説明する。

図９に示すように、スパークプラグにおいて中心電極３０と接地電極４０との間に発生する放電は、容量放電と、誘導放電の２種類ある。電極消耗量は、誘導放電よりも容量放電が大きく寄与する。言い換えると、図１０に示すように、容量放電により電極間に流れる容量放電電流は、誘導放電により電極間に流れる誘導放電電流と比較して１００倍程度大きいため、容量放電により電極表面を摩耗させる進度は、誘導放電によるものより格段に早くなる傾向がある。

ここで、容量放電は、電極間の最小ギャップ部で発生する確率が高い。このため、接地電極４０の貴金属層６０では、まずはじめに先端部分（最大の厚さｔ２の部分）において容量放電が発生し、この先端部分から先に消耗する形態となる。そして、先端部分の摩耗が進むと、最小ギャップ部が他の部分へ移行して容量放電により消耗する部分も遷移していく。つまり、放電当初は、貴金属層６０の最大の厚さｔ２の部分が主に消耗され、最小厚さｔ３の部分はさほど消耗されない。このため、貴金属層６０の膜厚比ｔ３／ｔ２の均一性がある程度悪化しても、接地電極４０の消耗寿命が変わらない領域（１．０＜ｈ／ｒ≦１．３）があると考えられる。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

上記実施形態では、接地電極４０の凸部４６が半球形状である構成を例示したが、凸部４６の形状は、その表面が外方に凸であり、かつ、角部を有しない面で形成されていれば、半球以外の形状でもよい。例えば、図１１に示すように、接地電極４０の凸部４６Ａが、半楕円球形状である構成としてもよい。また、図１２に示すように、接地電極４０の凸部４６Ｂが、三角錐や四角錐などの多角錐の形状であって、頂点及び各辺が曲面で面取りされた形状である構成としてもよい。

また、上記実施形態では、接地電極４０の凸部４６の表面全体に亘り貴金属層６０が被覆される構成を例示したが、貴金属層６０は、少なくとも凸部４６の先端部を含む一部に被覆されていればよく、凸部表面全体を覆わない構成でもよい。

また、上記実施形態では、貴金属層６０を成形する際に、接地電極４０の母材に貴金属チップ６０ａを溶接した後に押出成形する手法を例示したが、貴金属チップ６０ａを溶接以外の手法によって接地電極４０に接着させる手法を適用することもできる。

上記実施形態では、スラント形状の接地電極４０を備える構成を例示したが、本実施形態のスパークプラグ１００は、先端部側が中心電極３０の軸３３と直交して中心電極３０の先端部に覆いかぶさるような形状を有する通常の接地電極を備える構成にも適用することができる。

なお、上記実施形態に示したように、押出成形によって接地電極４０の凸部４６及び貴金属層６０を成形した後に、さらに凸部４６及び貴金属層６０の先端部を平打ち加工して平坦部を形成してもよい（平打ちステップ）。このような手順で加工を施した場合でも、貴金属層６０の厚さにはほとんど影響がないので、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、上述した多角錐形状の凸部４６Ｂと同様に、凸部４６の形状を、半球形状の先端に平打ち加工と同様の平坦部を有し、この平面部と半球面との間の境界線を曲面で面取りされた形状として、押出成形により形成する構成としてもよい。

１０：取付金具
３０：中心電極
４０：接地電極
４６，４６Ａ，４６Ｂ：凸部
６０：貴金属層
１００：スパークプラグ

Claims (10)

1. スパークプラグ（１００）であって、
   内燃機関に取り付け可能な筒状の取付金具（１０）と、
   前記取付金具に絶縁保持され、一端部（３１）が前記取付金具の一端部（１１）から露出して延びる中心電極（３０）と、
   一端側が前記取付金具の一端部に接合され、他端側の一面（４５）が前記中心電極の一端部に対向するように延びる接地電極（４０）と、
   前記接地電極の前記一面において前記中心電極に向かって前記接地電極の母材から突出しており、その表面が外方に凸であり、かつ、角部を有しない面で形成される凸部（４６，４６Ａ，４６Ｂ）と、
   前記凸部の表面に形成される貴金属層（６０）と、
   を備えるスパークプラグ。
2. 前記接地電極の前記一面から前記凸部の突出方向の高さをｈ、前記凸部の前記一面上の断面における重心から縁端までの最大長をｒとするとき、前記凸部の形状がｈ／ｒ≦１．３を満たす、
   請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記凸部の形状がｈ／ｒ≦１．０を満たす、
   請求項２に記載のスパークプラグ。
4. 前記凸部（４６）の先端形状が半球状である、
   請求項３に記載のスパークプラグ。
5. 前記凸部（４６，４６Ａ，４６Ｂ）は、前記接地電極の母材の一部を押出成形によって突出させてなり、
   前記貴金属層は、前記接地電極の前記一面に接着された後に前記押出成形によって前記凸部の表面の全域に亘り形成される、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
6. 前記接地電極の前記凸部と前記中心電極との間の最小ギャップ部における前記貴金属層の厚さをｔ２、前記貴金属層の最小の厚さをｔ３とするとき、前記貴金属層はｔ３／ｔ２≧０．６を満たすよう形成される、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
7. スパークプラグ（１００）の製造方法であって、
   前記スパークプラグは、
   内燃機関に取り付け可能な筒状の取付金具（１０）と、
   前記取付金具に絶縁保持され、一端部（３１）が前記取付金具の一端部（１１）から露出して延びる中心電極（３０）と、
   一端側が前記取付金具の一端部に接合され、他端側の一面（４５）が前記中心電極の一端部に対向するように延びる接地電極（４０）と、
   を備え、
   前記接地電極の前記一面において前記中心電極に向かって前記接地電極の母材から突出しており、その表面が外方に凸であり、かつ、角部を有しない面である凸部（４６，４６Ａ，４６Ｂ）を形成する凸部形成ステップと、
   前記凸部の表面に貴金属層（６０）を形成する貴金属層形成ステップと、
   を含む、スパークプラグの製造方法。
8. 前記凸部形成ステップは、前記接地電極の母材の一部を押出成形によって突出させて前記凸部を形成し、
   前記凸部形成ステップの前に、前記接地電極の前記一面に前記貴金属層を接着する接着ステップを含み、
   前記貴金属層形成ステップは、前記接着ステップにて前記貴金属層が接着された状態で前記凸部形成ステップの前記押出成形を行うことによって、前記凸部の表面の全域に亘り前記貴金属層を形成する、
   請求項７に記載のスパークプラグの製造方法。
9. 前記凸部形成ステップは、前記押出成形の金型の軸線と、形成される前記凸部の軸線とが一致するように前記押出成形を行う、
   請求項８に記載のスパークプラグの製造方法。
10. 前記貴金属層形成ステップの後に、前記接地電極の前記一面に形成された前記凸部と、前記凸部の表面に形成された前記貴金属層の先端部を平打ち加工して平坦部を形成する平打ちステップを含む、
    請求項７〜９のいずれか１項に記載のスパークプラグの製造方法。

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