JP2022045165A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】スパークプラグにおいて、電極母材と合金部との亀裂の発生を抑えることのできる電極構造を提供する。【解決手段】スパークプラグ１は、少なくとも一つの電極（例えば、接地電極１１、中心電極２１）を備えている。電極は、電極先端部を形成している電極チップ１２と、電極チップ１２を支持する電極母材１３と、電極チップ１２と電極母材１３との間に配置されており、電極チップ１２および電極母材１３の成分を含む溶融部（合金部）１５とを有している。電極チップ１１と溶融部１５との境界には、第１傾斜部４１が設けられており、電極母材１３と溶融部１５との境界には、第２傾斜部４２が設けられている。平面Ｈ１に対する第１傾斜部４１の傾斜角度をαとし、平面Ｈ２に対する第２傾斜部４２の傾斜角度をβとすると、β／α≧１．３となっている。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に用いられるスパークプラグに関する。

自動車用エンジンなどの内燃機関の着火手段として、スパークプラグが用いられている。スパークプラグには、火花放電を発生させるための構成として、中心電極と接地電極とが設けられている。中心電極と接地電極との対向面には、スパークプラグの着火性を向上させるために、例えば、貴金属材料で形成された電極チップがそれぞれ設けられている。

スパークプラグの中には、貴金属の使用量を低減させることなどを目的として、中心電極および接地電極の構造を工夫しているものがある。例えば、特許文献１には、中心電極および接地電極のうちの少なくとも一方の電極において、電極母材上に中間部材を介して貴金属チップを取り付けたスパークプラグが開示されている。

国際公開ＷＯ２０１７／０７７６８８号公報

特許文献１に開示されたスパークプラグの接地電極は、接地電極母材３１と、貴金属チップ３５１と、中間部材３５３と、第１溶融部３５２とを備えている。第１溶融部３５２は、レーザ溶接によって、貴金属チップ３５１と中間部材３５３との間に形成されている。第１溶融部３５２は、貴金属チップ３５１の成分と中間部材３５３の成分とが溶融凝固した部分である。第１溶融部３５２は、貴金属チップ３５１の成分と中間部材３５３の成分とを含む合金で形成されている。

近年、内燃機関の熱効率をより向上させるために、内燃機関の高圧縮化および高過給化が求められている。これにより、スパークプラグの中心電極および接地電極に設けられている貴金属チップは高温になりやすくなり、貴金属チップと溶融部（合金部とも呼ばれる）との境界において側面方向からの亀裂（酸化スケールとも呼ばれる）が生じやすくなる。

貴金属チップと溶融部との境界における亀裂の発生は、溶融部を形成する際に用いられるレーザ光の照射位置を調節し、溶融部に含まれる貴金属チップの成分を増加させることによって抑制することができる。しかし、溶融部に含まれる貴金属チップの成分が増加すると、溶融部と電極母材（あるいは中間部材）との境界において亀裂が発生しやすくなる。

そこで、本発明では、スパークプラグにおいて、電極母材と合金部との亀裂の発生を抑えることのできる電極構造を提供することを目的とする。

本発明の一局面にかかるスパークプラグは、少なくとも一つの電極を備えている。このスパークプラグにおいて、前記電極は、電極先端部を形成している電極チップと、前記電極チップを支持する電極母材と、前記電極チップと前記電極母材との間に配置されており、前記電極チップおよび前記電極母材の成分を含む合金部とを有している。前記スパークプラグの軸線を含み、前記電極の延設方向に平行な断面視で、前記電極チップと前記合金部との境界は、前記電極の外側面から中央へ向かって前記電極母材側へ傾斜する第１傾斜部を有しており、前記電極母材と前記合金部との境界は、前記電極の外側面から中央へ向かって前記電極チップ側へ傾斜する第２傾斜部を有している。前記第１傾斜部において、前記電極の外側面側に位置する一点と、前記軸線に最も近接する位置の一点とを最短距離で結んだ直線の前記電極チップの厚み方向と直交する平面に対する傾斜角度をαとし、前記第２傾斜部において、前記電極の外側面側に位置する一点と、前記軸線に最も近接する位置の一点とを最短距離で結んだ直線の前記電極チップの厚み方向と直交する平面に対する傾斜角度をβとすると、β／α≧１．３となっている。

上記の構成によれば、電極チップと合金部との境界面の傾斜角度αに対して、溶融部と電極母材との境界面の傾斜角度βが十分に大きくなり、溶融部と電極母材との接合界面の表面積が増加する。そのため、合金部と電極母材との境界において、ひずみによって発生する応力を分散することができる。したがって、電極母材と合金部との境界における亀裂の発生を抑えることができる。

上記の本発明の一局面にかかるスパークプラグにおいて、β／α≧１．５となっていてもよい。

上記の構成によれば、電極母材と合金部との境界において、外側面方向からの亀裂の発生をより確実に抑えることができる。

上記の本発明の一局面にかかるスパークプラグにおいて、前記少なくとも一つの電極は、接地電極であり、前記接地電極は、前記電極母材が突起部を有しており、前記突起部上に、前記合金部および前記電極チップが設けられていてもよい。

上記の構成によれば、貴金属を含む電極チップを突起部上に接合させることによって、接地電極を形成することができる。これにより、電極チップのサイズを小さくすることができ、貴金属の使用量を減らすことができる。また、上記の構成によれば、接地電極における電極母材と合金部との境界部分の亀裂の発生を抑えることができる。これにより、接地電極の強度を向上させることができる。

上記の本発明の一局面にかかるスパークプラグにおいて、前記少なくとも一つの電極は中心電極であってもよい。

上記の構成によれば、中心電極における電極母材と合金部との境界部分の亀裂の発生を抑えることができる。これにより、中心電極の強度を向上させることができる。

以上のように、本発明の一局面にかかるスパークプラグによれば、電極母材と合金部との亀裂の発生を抑えることのできる電極構造を得ることができる。

本発明の一実施形態にかかるスパークプラグの外観を示す側面図である。 第１の実施形態にかかるスパークプラグの接地電極の内部構成を示す断面模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、接地電極の凸部の製造工程を順に示す模式図である。 第２の実施形態にかかるスパークプラグの接地電極の内部構成を示す断面模式図である。 第３の実施形態にかかるスパークプラグの中心電極の内部構成を示す断面模式図である。 実施例における酸化スケール（％）の算出方法を説明するための接地電極の断面模式図である。 実施例において製造した複数のサンプルについて、β／αの値と酸化スケール（％）との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

〔第１の実施形態〕
本実施形態では、スパークプラグ１を例に挙げて説明する。

（スパークプラグの全体構成）
先ず、スパークプラグ１の全体構成について、図１を参照しながら説明する。スパークプラグ１は、絶縁体５０および主体金具３０を備えている。図１では、紙面下側をスパークプラグ１の先端側とし、紙面上側をスパークプラグ１の後端側とする。また、図１では、スパークプラグ１の軸線をＯ’で示す。以下では、この軸線Ｏ’と平行な方向を軸線方向と呼ぶ。また、軸線Ｏ’に垂直な平面上に位置し、軸線Ｏ’を中心とする円の径方向を、単に径方向と呼ぶ。

絶縁体５０は、スパークプラグ１の長手方向に延びる略円筒形状の部材である。絶縁体５０は、絶縁性、耐熱性、および熱伝導性に優れた材料で形成されている。例えば、絶縁体５０は、アルミナ系セラミックなどで形成されている。絶縁体５０の一方の端部（先端部）５１の軸孔内には、中心電極（電極）２１が保持されている。また、絶縁体の他方の端部（後端部）の軸孔内には、端子金具５２が保持されている。

中心電極２１は、その先端部（電極先端部）が絶縁体５０の先端部５１から突出した状態で、絶縁体５０の軸孔に保持されている。中心電極２１は略円柱形状を有しており、その先端部分は、電極先端部へ向かってテーパ状に縮径している。中心電極２１の先端部は、電極チップ２２で形成されている。電極チップ２２は、縮径された中心電極２１の先端部分と同径の略円柱形状を有している。

中心電極２１は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）を主成分として含むＮｉ基合金等の金属材料を母材として形成される。Ｎｉ基合金に添加される合金元素としては、Ａｌ（アルミニウム）等が挙げられる。中心電極２１は、その内部に、熱伝導性に優れた金属、例えば、Ｃｕ（銅）又はＣｕ合金等の金属材料等からなる芯材を有していてもよい。

電極チップ２２は、例えば、円柱状に成形された貴金属チップにて構成することができ、溶接等により中心電極２１の先端に接合される。貴金属チップは、例えば、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、およびＲｕから選ばれる少なくとも１種の貴金属を合計で５０ｗｔ％以上の含有割合で含む。

主体金具３０は、内燃機関のネジ穴に固定される筒状の部材である。本実施形態では、主体金具３０は略円筒形状を有しており、絶縁体５０を部分的に覆うように設けられている。主体金具３０は、導電性を有する金属材料で形成されている。このような金属材料としては、低炭素鋼、または鉄を主成分とする金属材料などが挙げられる。主体金具３０は、主に、加締め部３１、工具係合部３２、湾曲部３３、座部３４、および胴部３６などを有している。

加締め部３１は、主体金具３０の後端側において絶縁体５０側に屈曲する部位である。工具係合部３２は、加締め部３１の先端側に接続され内燃機関（シリンダヘッド）のネジ穴に主体金具３０を取り付けるときに使用されるレンチなどの工具を係合させる部位である。座部３４は、工具係合部３２より先端側に位置し、主体金具３０の径方向外側に張り出している。

湾曲部３３は、工具係合部３２と座部３４とを接続する薄肉の部位である。胴部３６は、座部３４の先端側に位置し、外周にネジ部が形成されている。座部３４と胴部３６のネジ部との間には、環状のガスケットが配置される。スパークプラグ１が内燃機関に取り付けられる際には、胴部３６の外周に形成されたネジ溝（図示せず）が内燃機関のネジ穴に螺合される。このとき、座部３４とシリンダヘッドとで環状のガスケットが挟まれることにより、ネジ穴における気密性が確保される。

また、主体金具３０には、接地電極１１が接合されている。接地電極（電極）１１は、主として、本体部１１ａと、凸部１１ｂとを有している。本体部１１ａは、略Ｌ字形に屈曲した棒状の形状をなす。本体部１１ａの基端部は、主体金具３０の胴部３６の先端面に接合されている。本体部１１ａの先端部は、中心電極２１の電極先端部を形成している電極チップ２２に対向する。

本体部１１ａは、例えば、Ｎｉ（ニッケル）を主成分として含むＮｉ基合金等の金属材料で形成されている。Ｎｉ基合金に添加される合金元素としては、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｆｅ（鉄）等が挙げられる。接地電極１１は、その内部に、熱伝導性に優れた金属、例えば、Ｃｕ（銅）又はＣｕ合金等の金属材料等からなる芯材を有していてもよい。

本体部１１ａに用いられる金属材料として具体的には、インコネル（登録商標）、ＪＩＳ Ｇ ４９０１に規格されるＮＣＦ材などを挙げることができる。これらの金属材料は、耐酸化消耗性を有している。

凸部１１ｂは、本体部１１ａの先端部側に配置されている。凸部１１ｂは、中心電極２１の電極チップ２２側に向かって突出するように設けられている。凸部１１ｂの先端は、中心電極２１の電極チップ２２に対向する対向面（具体的には、頂面１２ａ）となっている。凸部１１ｂは、軸線Ｏ’に概ね一致するように電極チップ２２側に向かって突出している。

凸部１１ｂは、中心電極２１の電極チップ２２と同様に、貴金属を含む電極チップ（具体的には、電極チップ１２）などで構成されている。

（接地電極の凸部の構成）
続いて、接地電極１１の凸部１１ｂ周辺の構成について説明する。図２には、接地電極１１の凸部１１ｂの断面構成を示す。図２は、略円柱形状の凸部１１ｂの軸線Ｏを含む任意の一断面の構成を示す図である。なお、凸部１１ｂの軸線Ｏは、スパークプラグ１の軸線Ｏ’と略一致するような位置関係となっている。

接地電極１１の凸部１１ｂは、本体部１１ａ上に形成されている。本体部１１ａは、電極チップ１２などで形成されている凸部１１ｂを支持している。

凸部１１ｂは、主として、電極チップ１２、電極母材１３、および溶融部（合金部）１５で形成されている。

電極チップ１２は、例えば、円柱状に成形された貴金属のチップにて構成することができる。電極チップ１２は、凸部１１ｂの先端部を形成しており、中心電極２１の電極チップ２２と対向する頂面１２ａを有している。電極チップ１２は、中心電極２１の電極チップ２２と同様に、例えば、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、およびＲｕから選ばれる少なくとも１種の貴金属を合計で５０ｗｔ％以上の含有割合で含む。

電極母材１３は、電極チップ１２と本体部１１ａとの間に配置されている。電極母材１３は、中間部材とも呼ばれる。本実施形態では、電極母材１３は、中心電極２１と対向する側の本体部１１ａの表面１１ｓ上に配置されている。すなわち、電極母材１３は、本体部１１ａの表面１１ｓ上に形成されている突起部を形成している。

電極母材１３は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）を主成分として含むＮｉ基合金等の金属材料で形成されている。Ｎｉ基合金に添加される合金元素としては、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（ケイ素）等が挙げられる。電極母材１３は、接地電極１１の本体部１１ａと同じ材料で形成されていてもよいし、異なる材料で形成されていてもよい。

電極チップ１２および電極母材１３は、後述するように、溶接（例えば、レーザ溶接、抵抗溶接等）によって接合される。この溶接による接合工程によって、電極チップ１２と電極母材１３との間には、溶融部１５が形成される。

溶融部１５は、電極チップ１２と電極母材１３との境界の少なくとも一部に配置されている。本実施形態では、溶融部１５は、電極チップ１２と電極母材１３との境界の全領域に形成されている。すなわち、溶融部１５は、電極チップ１２と電極母材１３との間に設けられている。溶融部１５は、電極チップ１２の成分および電極母材１３の成分を含んでいる。すなわち、溶融部１５は、電極チップ１２に含まれる金属材料と、電極母材１３に含まれる金属材料との合金で形成されているということもできる。したがって、溶融部１５は、合金部とも呼ばれる。溶融部１５は、例えば、レーザ溶接によって形成される。

なお、図２では図示が省略されているが、電極母材１３における本体部１１ａとの接合部には、鍔部１３ａ（図３（ｂ）参照）が設けられていてもよい。鍔部１３ａは、電極母材１３の本体部分を径方向に拡張するように設けられている。

また、図２では図示されていないが、本体部１１ａと電極母材１３との境界には、溶融部１５とは別の溶融部が形成されていてもよい。本体部１１ａと電極母材１３との境界に形成される溶融部は、本体部１１ａに含まれる金属材料と、電極母材１３に含まれる金属材料との合金で形成されている。この溶融部は、例えば、抵抗溶接によって形成される。

以下では、電極チップ１２と電極母材１３との間に設けられている溶融部１５のより詳細な構成について説明する。ここでは、スパークプラグ１の軸線Ｏ’を含み、接地電極１１の凸部１１ｂの延設方向に平行な断面で凸部１１ｂを切断したときの溶融部１５の断面形状について説明する。図２には、スパークプラグ１の軸線Ｏ’を含み、接地電極１１の凸部１１ｂの延設方向に平行な任意の一断面の構成を示す。なお、スパークプラグ１の軸線Ｏ’と凸部１１ｂの軸線Ｏとは、略一致するため、図２では、軸線Ｏを含む断面として図示している。

図２に示すように、電極チップ１２と溶融部１５との境界は、凸部１１ｂの外側面から中央（すなわち、軸線Ｏの位置）へ向かって電極母材１３側へ傾斜した形状を有している。すなわち、電極チップ１２と溶融部１５との境界には、第１傾斜部４１が設けられている。また、電極母材１３と溶融部１５との境界は、凸部１１ｂの外側面から中央（すなわち、軸線Ｏの位置）へ向かって電極チップ１２側へ傾斜した形状を有している。すなわち、電極母材１３と溶融部１５との境界には、第２傾斜部４２が設けられている。

上記のような第１傾斜部４１において、凸部１１ｂの外側面側に位置する一点４１ａと、軸線Ｏに最も近接する位置の一点４１ｂとを最短距離で結んだ直線について、電極チップ１２の厚み方向（すなわち、軸線Ｏに沿った方向）と直交する平面（これを、平面Ｈ１と呼ぶ）に対する傾斜角度をαとする。

また、上記のような第２傾斜部４２において、凸部１１ｂの外側面側に位置する一点４２ａと、軸線Ｏに最も近接する位置の一点４２ｂとを最短距離で結んだ直線について、電極チップ１２の厚み方向（すなわち、軸線Ｏに沿った方向）と直交する平面（これを、平面Ｈ２と呼ぶ）に対する傾斜角度をβとする。

本実施形態のように、溶融部１５が電極チップ１２と電極母材１３との境界の全領域に形成されている構成では、第１傾斜部４１において軸線Ｏに最も近接する位置の一点４１ｂ、および、第２傾斜部４２において軸線Ｏに最も近接する位置の一点４２ｂは、軸線Ｏの位置と一致する。

本実施形態では、点４１ａと点４１ｂとを結ぶ直線の平面Ｈ１に対する傾斜角度αと、点４２ａと点４２ｂとを結ぶ直線の平面Ｈ２に対する傾斜角度βとは、以下の関係式（１）を満たしている。
β／α≧１．３ （１）

傾斜角度αおよびβが上記の関係式（１）を満たすことで、電極チップ１２と溶融部１５との境界面の傾斜角度に対して、溶融部１５と電極母材１３との境界面の傾斜角度が十分に大きくなる。これにより、溶融部１５と電極母材１３との接合界面の表面積が増加するため、ひずみによって発生する応力を分散することができる。したがって、電極母材１３と溶融部１５との境界における亀裂（酸化スケールとも呼ばれる）の発生を抑えることができる。

また、傾斜角度αおよびβは、以下の関係式（２）を満たしていることがより好ましい。
β／α≧１．５ （２）

傾斜角度αおよびβが上記の関係式（２）を満たすことで、後述の実施例にも示されるように、電極母材１３と溶融部１５との境界において側面方向からの亀裂をより確実に抑えることができる。

傾斜角度αおよびβの大きさは、レーザ溶接時のレーザの照射位置を軸線Ｏ方向に移動させることで制御することができる。

また、β／αの上限値は特に限定はされないが、例えば、１．８以下（すなわち、β／α≦１．８）とすることができる。

なお、傾斜角度βは、例えば、５°以上３０°以下の範囲内とするのがよい。傾斜角度βが５°以上であることで、溶融部１５と電極母材１３との接合部分における耐剥離性を向上させることができる。また、傾斜角度βが３０°以下であることで、本体部１３ｂを軸線方向に比較的短い構成とすることができるので、鍔部１３ａと本体部１３ｂとの間での折損を抑制することができる。

（接地電極の製造方法）
続いて、スパークプラグ１の製造方法について説明する。ここでは、接地電極１１の凸部１１ｂの製造方法を中心に説明する。

図３の（ａ）および（ｂ）には、凸部１１ｂの形成過程を順に示す。凸部１１ｂを製造する際には、溶接前の電極チップ１２、および溶接前の電極母材１３を準備する。溶接前の電極チップ１２は、略円柱形状を有している。

溶接前の電極母材１３は、本体部１３ｂと、鍔部１３ａと、突起部１３ｃとを有している。本体部１３ｂは、略円柱形状を有している。鍔部１３ａは、略円柱形状の本体部１３ｂの一方の端部において、本体部１３ｂの径を拡張するように設けられている。すなわち、鍔部１３ａの径は、本体部１３ｂの径よりも大きくなっている。突起部１３ｃは、略円柱形状の本体部１３ｂの一方の端面（鍔部１３ａが設けられている側の端面１３ｓ）から突出する突起である。

電極チップ１２および電極母材１３は、例えば、レーザ溶接、抵抗溶接などの溶接加工を行うことで本体部１１ａに接合される。

先ず、電極チップ１２と電極母材１３とがレーザ溶接によって接合される。具体的には、図３（ａ）に示すように、電極母材１３の鍔部１３ａが締め具Ｃｐを用いて固定され、電極母材１３の本体部１３ｂの他方の端面（端面１３ｓとは反対側の端面）上に、電極チップ１２が配置される。このとき、略円柱形状の電極チップ１２の軸線、および、電極母材１３の略円柱形状の本体部１３ｂの軸線は、軸線Ｏ上に配置される。

そして、電極チップ１２の頂面１２ａが、所定の押圧部材Ｐｒを用いて押圧された状態で、電極チップ１２と電極母材１３との接触部分に対して、径方向の外側から内側に向かって、軸線Ｏと略垂直なレーザＬｚが照射される。レーザＬｚは、例えば、ファイバレーザ照射装置などの照射装置を用いて、電極チップ１２と電極母材１３との接触部分に照射される。

そして、レーザＬｚの照射装置に対して、電極チップ１２および電極母材１３が、軸線Ｏを中心に相対的に回転されることによって、電極チップ１２と電極母材１３との接触部分の全周にわたってレーザＬｚが照射される。これによって、電極チップ１２と電極母材１３との間に、図３（ｂ）に示すような溶融部１５が形成され、電極チップ１２と電極母材１３とが接合される。

このとき、レーザＬｚの照射位置を電極チップ１２側にする（すなわち、レーザの照射位置を高くする）ことで、電極チップ１２に含まれる貴金属成分の溶融量が増え、溶融部１５に含まれる貴金属成分の量を増やすことができる。これにより、電極チップ１２と溶融部１５との境界における亀裂（酸化スケール）の発生を抑制し、電極チップ１２の耐剥離性を向上させることができる。

また、レーザＬｚの出力（エネルギー）、照射位置、電極チップ１２と電極母材１３との回転速度、押圧部材Ｐｒによる圧力などの条件を調整することによって、溶融部１５の形状を制御することができる。例えば、回転速度を速く、かつ、レーザＬｚの出力を大きくすることによって、溶融部１５の軸線Ｏ上における厚さと、外周面における厚さとの差を小さくする（すなわち、傾斜角度αおよびβを小さくする）ことができる。

このように、レーザＬｚの出力および照射位置などを適宜調節することで、特定の形状を有する溶融部１５を得ることができる。そして、傾斜角度αおよびβが上記の関係式（１）を満たすような溶融部１５を形成することができ、電極母材１３と溶融部１５との境界において酸化スケールが進展しにくい接地電極１１の凸部１１ｂを得ることができる。

次に、図３（ｂ）に示すように、電極チップ１２が接合された電極母材１３を、接地電極１１の本体部１１ａの表面１１ｓに抵抗溶接によって固定する。このとき、筒状の溶接用電極Ｗｄによって、鍔部１３ａの端面１３ｓとは反対側の面が押圧された状態で、本体部１１ａと電極母材１３との間に溶接のための電流を流すことによって、抵抗溶接が行われる。本体部１１ａの表面１１ｓと、電極母材１３の突起部１３ｃとが接触した状態から抵抗溶接が開始されるので、最初に突起部１３ｃに電流が集中する。これにより、突起部１３ｃと、本体部１１ａのうちの突起部１３ｃと接触する部分とが溶融して、体部１１ａと電極母材１３との境界に溶融部（図示せず）が形成される。

その後、電極母材１３の端面１３ｓが本体部１１ａの表面１１ｓに接触して、電極母材１３の端面１３ｓと本体部１１ａとが抵抗溶接される。これにより、電極チップ１２および電極母材１３が本体部１１ａ上に接合固定される。

以上のようにして、接地電極１１の凸部１１ｂが形成される。

〔第２の実施形態〕
第２の実施形態では、接地電極１１の凸部１１ｂの構成が第１の実施形態とは異なる構成例について説明する。本実施形態にかかるスパークプラグ１において、接地電極１１の凸部１１ｂ以外の構成については、第１の実施形態と同様の構成が適用できる。そこで、以下では、第１の実施形態とは異なる点を中心に説明する。

図４には、第２の実施形態にかかるスパークプラグ１の接地電極１１の凸部１１ｂの内部構成を示す。図４は、略円柱形状の凸部１１ｂの軸線Ｏを含む任意の一断面の構成を示す図である。なお、凸部１１ｂの軸線Ｏは、スパークプラグ１の軸線Ｏ’と略一致するような位置関係となっている。

接地電極１１の凸部１１ｂは、本体部１１ａ上に形成されている。本体部１１ａは、電極チップ１２などで形成されている凸部１１ｂを支持している。

凸部１１ｂは、主として、電極チップ１２、電極母材１３、および溶融部（合金部）１１５で形成されている。

電極チップ１２は、第１の実施形態と同様に、例えば円柱状に成形された貴金属のチップにて構成することができる。電極チップ１２は、凸部１１ｂの先端部を形成しており、中心電極２１の電極チップ２２と対向する。

電極母材１３は、電極チップ１２と本体部１１ａとの間に配置されている。電極母材１３は、中間部材とも呼ばれる。第１の実施形態と同様に、電極母材１３は、中心電極２１と対向する側の本体部１１ａの表面１１ｓ上に配置されている。すなわち、電極母材１３は、本体部１１ａの表面１１ｓ上に形成されている突起部を有している。電極母材１３は、第１の実施形態と同様の材料で形成することができる。

溶融部１１５は、電極チップ１２と電極母材１３との間に形成されている。本実施形態では、溶融部１１５は、電極チップ１２と電極母材１３との境界の一部に設けられている。図４に示すように、溶融部１１５は、電極チップ１２と電極母材１３との境界面の外周部分に形成されている。電極チップ１２と電極母材１３との境界面の中央部分には、溶融部１１５は形成されておらず、電極チップ１２と電極母材１３とが直に接触している。

溶融部１１５は、電極チップ１２の成分および電極母材１３の成分を含んでいる。すなわち、溶融部１１５は、電極チップ１２に含まれる金属材料と、電極母材１３に含まれる金属材料との合金で形成されているということもできる。したがって、溶融部１１５は、合金部とも呼ばれる。溶融部１１５は、例えば、レーザ溶接によって形成される。

以下では、溶融部１１５のより詳細な構成について説明する。ここでは、スパークプラグ１の軸線Ｏ’を含み、接地電極１１の凸部１１ｂの延設方向に平行な断面で凸部１１ｂを切断したときの溶融部１１５の断面形状について説明する。図４には、スパークプラグ１の軸線Ｏ’を含み、接地電極１１の凸部１１ｂの延設方向に平行な任意の一断面の構成を示す。なお、スパークプラグ１の軸線Ｏ’と凸部１１ｂの軸線Ｏとは、略一致するため、図４では、軸線Ｏを含む断面として図示している。

図４に示すように、電極チップ１２と溶融部１１５との境界は、凸部１１ｂの外側面から中央側（すなわち、軸線Ｏの近傍）へ向かって電極母材１３側へ傾斜した形状を有している。すなわち、電極チップ１２と溶融部１１５との境界には、第１傾斜部１４１が設けられている。第１傾斜部１４１は、電極チップ１２側に凸の曲面形状を有している。

また、電極母材１３と溶融部１１５との境界は、凸部１１ｂの外側面から中央側（すなわち、軸線Ｏの近傍）へ向かって電極チップ１２側へ傾斜した形状を有している。すなわち、電極母材１３と溶融部１１５との境界には、第２傾斜部１４２が設けられている。第２傾斜部１４２は、電極母材１３側に凸の曲面形状を有している。

上記のような第１傾斜部１４１において、凸部１１ｂの外側面側に位置する一点１４１ａと、軸線Ｏに最も近接する位置の一点１４１ｂとを最短距離で結んだ直線の電極チップ１２の厚み方向（すなわち、軸線Ｏに沿った方向）と直交する平面（これを、平面Ｈ１と呼ぶ）に対する傾斜角度をαとする。

また、上記のような第２傾斜部１４２において、凸部１１ｂの外側面側に位置する一点１４２ａと、軸線Ｏに最も近接する位置の一点１４１ｂとを最短距離で結んだ直線の電極チップ１２の厚み方向（すなわち、軸線Ｏに沿った方向）と直交する平面（これを、平面Ｈ２と呼ぶ）に対する傾斜角度をβとする。

本実施形態のように、溶融部１１５が電極チップ１２と電極母材１３との境界の外周部分のみに形成されている構成では、第１傾斜部１４１において軸線Ｏに最も近接する位置の一点１４１ｂと、第２傾斜部１４２において軸線Ｏに最も近接する位置の一点１４１ｂとは、一致する。

本実施形態では、点１４１ａと点１４１ｂとを結ぶ直線の平面Ｈ１に対する傾斜角度αと、点１４２ａと点１４１ｂとを結ぶ直線の平面Ｈ２に対する傾斜角度βとは、以下の関係式（１）を満たしている。
β／α≧１．３ （１）

傾斜角度αおよびβが上記の関係式（１）を満たすことで、電極チップ１２と溶融部１１５との境界面の傾斜角度に対して、溶融部１１５と電極母材１３との境界面の傾斜角度が十分に大きくなる。これにより、溶融部１１５と電極母材１３との接合界面の表面積が増加するため、ひずみによって発生する応力を分散することができる。したがって、電極母材１３と溶融部１５との境界における亀裂（酸化スケールとも呼ばれる）の発生を抑えることができる。

また、傾斜角度αおよびβは、以下の関係式（２）を満たしていることがより好ましい。
β／α≧１．５ （２）

傾斜角度αおよびβが上記の関係式（２）を満たすことで、電極母材１３と溶融部１１５との境界において側面方向からの亀裂をより確実に抑えることができる。

〔第３の実施形態〕
上述した第１および第２の実施形態では、接地電極１１側の電極チップ１２と電極母材１３との間に設けられている溶融部１５または１１５が所定の形状となっている構成例について説明した。第３の実施形態では、中心電極２１側の電極チップ２２と電極母材２３との間に設けられている溶融部２２５が所定の形状となっている構成例について説明する。

図５には、第３の実施形態にかかるスパークプラグ１の中心電極２１の先端部分の内部構成を示す。図５は、略円柱形状の中心電極２１の先端部の軸線Ｏを含む任意の一断面の構成を示す図である。なお、中心電極２１の先端部の軸線Ｏは、スパークプラグ１の軸線Ｏ’と略一致するような位置関係となっている。

第１の実施形態と同様に、中心電極２１は、その先端部（電極先端部）が絶縁体５０の先端部５１から突出した状態で、絶縁体５０の軸孔に保持されている。中心電極２１の先端部は、電極チップ２２で形成されている。電極チップ２２は、縮径された中心電極２１の先端部分と同径の略円柱形状を有している。

中心電極２１の先端部は、主として、電極チップ２２、電極母材２３、および溶融部（合金部）２２５で形成されている。

電極チップ２２は、例えば、円柱状に成形された貴金属のチップにて構成することができる。電極チップ２２は、中心電極２１の先端部を形成しており、接地電極１１の電極チップ１２と対向する頂面２２ａを有している。電極チップ２２は、第１の実施形態で説明した電極チップ２２と同様の材料で形成することができる。

電極母材２３は、電極チップ２２を支持する土台となる。電極母材２３は、第１の実施形態で説明したように、例えば、Ｎｉ（ニッケル）を主成分として含むＮｉ基合金等の金属材料を母材として形成される。

電極チップ２２は、溶接（例えば、レーザ溶接等）によって、電極母材２３の先端に接合される。この溶接による接合工程によって、電極チップ２２と電極母材２３との間には、溶融部２２５が形成される。

溶融部２２５は、電極チップ２２と電極母材２３との境界の少なくとも一部に配置されている。本実施形態では、溶融部２２５は、電極チップ２２と電極母材２３との境界の全領域に形成されている。すなわち、溶融部２２５は、電極チップ２２と電極母材２３との間に設けられている。溶融部２２５は、電極チップ２２の成分および電極母材２３の成分を含んでいる。すなわち、溶融部２２５は、電極チップ２２に含まれる金属材料と、電極母材２３に含まれる金属材料との合金で形成されているということもできる。したがって、溶融部２２５は、合金部とも呼ばれる。溶融部２２５は、例えば、レーザ溶接によって形成される。

以下では、溶融部２２５のより詳細な構成について説明する。ここでは、スパークプラグ１の軸線Ｏ’を含み、中心電極２１の延設方向に平行な断面で中心電極２１を切断したときの溶融部２２５の断面形状について説明する。図５には、スパークプラグ１の軸線Ｏ’を含み、中心電極２１の延設方向に平行な任意の一断面の構成を示す。なお、スパークプラグ１の軸線Ｏ’と中心電極２１の軸線Ｏとは、略一致するため、図５では、軸線Ｏを含む断面として図示している。

図５に示すように、電極チップ２２と溶融部２２５との境界は、中心電極２１の外側面から中央（すなわち、軸線Ｏの位置）へ向かって電極母材２３側へ傾斜した形状を有している。すなわち、電極チップ２２と溶融部２２５との境界には、第１傾斜部２４１が設けられている。また、電極母材２３と溶融部２２５との境界は、中心電極２１の外側面から中央（すなわち、軸線Ｏの位置）へ向かって電極チップ２２側へ傾斜した形状を有している。すなわち、電極母材２３と溶融部２２５との境界には、第２傾斜部２４２が設けられている。

上記のような第１傾斜部２４１において、中心電極２１の外側面側に位置する一点２４１ａと、軸線Ｏに最も近接する位置の一点２４１ｂとを最短距離で結んだ直線の電極チップ２２の厚み方向（すなわち、軸線Ｏに沿った方向）と直交する平面（これを、平面Ｈ１と呼ぶ）に対する傾斜角度をαとする。

また、上記のような第２傾斜部２４２において、中心電極２１の外側面側に位置する一点２４２ａと、軸線Ｏに最も近接する位置の一点２４２ｂとを最短距離で結んだ直線の電極チップ２２の厚み方向（すなわち、軸線Ｏに沿った方向）と直交する平面（これを、平面Ｈ２と呼ぶ）に対する傾斜角度をβとする。

図５に示すように、溶融部２２５が電極チップ１２と電極母材２３との境界の全領域に形成されている構成では、第１傾斜部２４１において軸線Ｏに最も近接する位置の一点２４１ｂ、および、第２傾斜部２４２において軸線Ｏに最も近接する位置の一点２４２ｂは、軸線Ｏの位置と一致する。

本実施形態では、点２４１ａと点２４１ｂとを結ぶ直線の平面Ｈ１に対する傾斜角度αと、点２４２ａと点２４２ｂとを結ぶ直線の平面Ｈ２に対する傾斜角度βとは、以下の関係式（１）を満たしている。
β／α≧１．３ （１）

傾斜角度αおよびβが上記の関係式（１）を満たすことで、電極チップ２２と溶融部２２５との境界面の傾斜角度に対して、溶融部２２５と電極母材２３との境界面の傾斜角度が十分に大きくなる。これにより、溶融部２２５と電極母材２３との接合界面の表面積が増加するため、ひずみによって発生する応力を分散することができる。したがって、電極母材２３と溶融部２２５との境界における亀裂（酸化スケールとも呼ばれる）の発生を抑えることができる。

また、傾斜角度αおよびβは、以下の関係式（２）を満たしていることがより好ましい。
β／α≧１．５ （２）

傾斜角度αおよびβが上記の関係式（２）を満たすことで、電極母材２３と溶融部２２５との境界において側面方向からの亀裂をより確実に抑えることができる。

なお、上述した溶融部２２５の形状は一例であり、これに限定はされない。溶融部２２５の別の形状の例として、例えば、第２の実施形態で説明したように、溶融部２２５が電極チップ２２と電極母材２３との境界の外周部分のみに形成されている構成を挙げることができる。

なお、本実施形態にかかるスパークプラグ１において、中心電極２１以外の構成については、第１または第２の実施形態と同様の構成が適用できる。また、本実施形態にかかるスパークプラグ１における接地電極１１の構成は、第１または第２の実施形態で説明した接地電極１１の構成とは異なる構成であってもよい。

〔実施形態のまとめ〕
以上のように、スパークプラグ１は、少なくとも一つの電極を備えている。この少なくとも一つの電極は、例えば、接地電極１１および中心電極２１の少なくとも何れかである。

接地電極１１は、電極先端部を形成している電極チップ１２と、電極チップ１２を支持する電極母材１３と、電極チップ１２と電極母材１３との間に配置されており、電極チップ１２および電極母材１３の成分を含む合金部（例えば、溶融部１５、または溶融部１１５）とを有している。電極チップ１２と合金部との境界には、第１傾斜部（例えば、第１傾斜部４１、または第１傾斜部１４１）が設けられており、電極母材１３と合金部との境界には、第２傾斜部（例えば、第２傾斜部４２、または第２傾斜部１４２）が設けられている。

上記の第１傾斜部において、接地電極１１の外側面側に位置する一点（例えば、点４１ａ、または点１４１ａ）と、軸線Ｏに最も近接する位置の一点（例えば、点４１ｂ、または点１４１ｂ）とを最短距離で結んだ直線の軸線Ｏと直交する平面Ｈ１に対する傾斜角度をαとする。また、上記の第２傾斜部において、接地電極１１の外側面側に位置する一点（例えば、点４２ａ、または点１４２ａ）と、軸線Ｏに最も近接する位置の一点（例えば、点４２ｂ、または点１４１ｂ）とを最短距離で結んだ直線の軸線Ｏと直交する平面Ｈ２に対する傾斜角度をβとする。

上記の傾斜角度αおよびβは、以下の関係式（１）を満たしている。
β／α≧１．３ （１）

また、中心電極２１は、電極先端部を形成している電極チップ２２と、電極チップ２２を支持する電極母材２３と、電極チップ２２と電極母材２３との間に配置されており、電極チップ２２および電極母材２３の成分を含む合金部（例えば、溶融部２２５）とを有している。電極チップ２２と合金部との境界には、第１傾斜部（例えば、第１傾斜部２４１）が設けられており、電極母材２３と合金部との境界には、第２傾斜部（例えば、第２傾斜部２４２）が設けられている。

上記の第１傾斜部において、中心電極２１の外側面側に位置する一点（例えば、点２４１ａ）と、軸線Ｏに最も近接する位置の一点（例えば、点２４１ｂ）とを最短距離で結んだ直線の軸線Ｏと直交する平面Ｈ１に対する傾斜角度をαとする。また、上記の第２傾斜部において、中心電極２１の外側面側に位置する一点（例えば、点２４２ａ）と、軸線Ｏに最も近接する位置の一点（例えば、点２４２ｂ）とを最短距離で結んだ直線の軸線Ｏと直交する平面Ｈ２に対する傾斜角度をβとする。

上記の傾斜角度αおよびβは、以下の関係式（１）を満たしている。
β／α≧１．３ （１）

電極の先端に設けられている貴金属チップと、溶融部との境界における亀裂の発生は、溶融部を形成する際に用いられるレーザ光の照射位置を調節し（具体的には、照射位置を貴金属チップ側にする）、溶融部に含まれる貴金属チップの成分を増加させることによって抑制することができる。しかし、溶融部に含まれる貴金属チップの成分が増加すると、溶融部と電極母材との境界において亀裂が発生しやすくなる。

そこで、溶融部と電極母材との境界に設けられている溶融部の形状（具体的には、傾斜角度αおよびβ）を、上記の関係式（１）を満たすように設定する。これにより、電極チップと溶融部との境界面の傾斜角度αに対して、溶融部と電極母材との境界面の傾斜角度βが十分に大きくなり、溶融部と電極母材との接合界面の表面積が増加する。そのため、溶融部と電極母材との境界において、ひずみによって発生する応力を分散することができる。したがって、電極母材と溶融部との境界における亀裂の発生を抑えることができる。

〔実施例〕
以下に、本発明の実施例について説明する。本実施例では、第１の実施形態で説明した製造方法で、スパークプラグ１の接地電極１１の凸部１１ｂを製造した。すなわち、電極チップ１２を電極母材１３にレーザ溶接によって接合した。

上記のようにして製造された複数個のサンプルについて、酸化スケールの程度を確認した。酸化スケールの程度は、以下のようにして数値化した。

図６は、スパークプラグ１の軸線Ｏ’を含み、接地電極１１の凸部１１ｂの延設方向に平行な任意の一断面の構成である。この図６に示す任意の一断面において、電極母材１３と溶融部１５との境界における左右両側の側面方向に発生する亀裂Ｓの大きさを、Ａ（ｍｍ）およびＢ（ｍｍ）とする。また、凸部１１ｂの先端部（電極チップ１２部分）の径をＣ（ｍｍ）とする。

そして、酸化スケール（％）を以下の式で算出した。
酸化スケール（％）＝（Ａ＋Ｂ）／Ｃ

また、製造した複数個のサンプルについて、溶融部１５における傾斜角度αおよび傾斜角度βを測定した。ここでは、スパークプラグ１の軸線Ｏ’を含む凸部１１ｂの任意の一断面のうち、酸化スケール（％）を測定した断面と同じ断面における傾斜角度αおよびβを測定し、β／αを決定した。

図７には、製造した複数のサンプルについて、β／αの値に対して、算出された酸化スケール（％）をプロットした結果を示す。なお、電極母材１３から溶融部１５が剥離しにくい構成とするためには、酸化スケール（％）は、４０％以下であることが好ましい。

図７に示すように、本実施例で得られた複数のサンプルにおいて、β／αが１．３以上であれば、酸化スケール（％）を４０％以下とすることができることが確認された。また、β／αが１．５以上であれば、酸化スケール（％）をほとんどなくすことができる（すなわち、酸化スケールが０％となる）ことが確認された。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。また、本明細書で説明した異なる実施形態の構成を互いに組み合わせて得られる構成についても、本発明の範疇に含まれる。

例えば、本明細書における実施例では、第１傾斜部が凸部の外側面側に位置する一点から軸線Ｏに最も近接する位置の一点に向かって連続的に電極母材側に傾斜している形態について説明したが、凸部の外側面側に位置する一点と、軸線Ｏに最も近接する位置の一点とを最短距離で結んだ直線が平面Ｈ１に対して電極母材側に傾斜していればよい。同様に、第２傾斜部についても凸部の外側面側に位置する一点から軸線Ｏに最も近接する位置の一点に向かって連続的に電極チップ側に傾斜している形態について説明したが、凸部の外側面側に位置する一点と、軸線Ｏに最も近接する位置の一点とを最短距離で結んだ直線が平面Ｈ１に対して電極チップ側に傾斜していればよい。

１ ：スパークプラグ
１１ ：接地電極（電極）
１２ ：電極チップ
１３ ：電極母材
１５ ：溶融部（合金部）
２１ ：中心電極（電極）
２２ ：電極チップ
２３ ：電極母材
４１ ：第１傾斜部
４２ ：第２傾斜部
１１５ ：溶融部（合金部）
１４１ ：第１傾斜部
１４２ ：第２傾斜部
２２５ ：溶融部（合金部）
２４１ ：第１傾斜部
２４２ ：第２傾斜部

Claims (4)

1. 少なくとも一つの電極を備えているスパークプラグであって、
   前記電極は、
   電極先端部を形成している電極チップと、
   前記電極チップを支持する電極母材と、
   前記電極チップと前記電極母材との間に配置されており、前記電極チップおよび前記電極母材の成分を含む合金部と
   を有し、
   前記スパークプラグの軸線を含み、前記電極の延設方向に平行な断面視で、
   前記電極チップと前記合金部との境界は、前記電極の外側面から中央へ向かって前記電極母材側へ傾斜する第１傾斜部を有しており、
   前記電極母材と前記合金部との境界は、前記電極の外側面から中央へ向かって前記電極チップ側へ傾斜する第２傾斜部を有しており、
   前記第１傾斜部において、前記電極の外側面側に位置する一点と、前記軸線に最も近接する位置の一点とを最短距離で結んだ直線の前記電極チップの厚み方向と直交する平面に対する傾斜角度をαとし、
   前記第２傾斜部において、前記電極の外側面側に位置する一点と、前記軸線に最も近接する位置の一点とを最短距離で結んだ直線の前記電極チップの厚み方向と直交する平面に対する傾斜角度をβとすると、
   β／α≧１．３
   となっている、スパークプラグ。
2. β／α≧１．５
   となっている、請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記少なくとも一つの電極は、接地電極であり、
   前記接地電極は、
   前記電極母材が突起部を有しており、
   前記突起部上に、前記合金部および前記電極チップが設けられている、
   請求項１または２に記載のスパークプラグ。
4. 前記少なくとも一つの電極は中心電極である、
   請求項１または２に記載のスパークプラグ。

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