JP2024031227A - スパークプラグ、及びスパークプラグの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタの発生抑制とチップの耐剥離性を向上させること。【解決手段】先端部５２と接地電極チップ６０との界面には拡散層５６が形成されており、プラグ中心軸ｍ１０と先端部５２とを含む断面において、拡散層５６の中央部厚みが０．５μｍ以上であり、プラグ中心軸ｍ１０と先端部５２とを含む断面において、拡散層５６の外周部厚みが１．５５μｍ以上であり、拡散層５６の体積が１．３×１０７μｍ３以下である、スパークプラグ。【選択図】図２

Description

本開示は、スパークプラグ、及びスパークプラグの製造方法に関する

下記特許文献１には、スパークプラグの接地電極において、チップが接地電極に接合される拡散層の厚さについて規定している。

特開２０１７－５０１２９号公報

特許文献１では、拡散層の厚さのみに着目しているが、同一の拡散層厚さであってもチップの中央部分よりも外周部分では熱応力が大きくなるため、外周部分でチップ剥離が発生しやすくなる。特にチップ径が１．０ｍｍ以上になると端部における熱応力が大きくなり、特許文献１に記載されているように単純に拡散層の厚さを規定するのみでは、外周部分でのチップ剥離が中央に亀裂進展してしまうことを抑制することができない。

一方、拡散層の厚さを外周部分でチップ剥離が発生しないように十分な厚みを持たせるのみでは、溶融物であるスパッタのはみ出しが発生する。

本開示は、スパッタの発生抑制とチップの耐剥離性を向上させることを目的とする。

本開示は、スパークプラグであって、中心電極（１３）を収容する絶縁碍子（１２）と、絶縁碍子を収容するハウジング（１１）と、中心電極に対して所定の間隙を有して配置される先端部（５２）と、中心電極に沿って延び、ハウジングに接合されている基端部（５１）と、先端部において中心電極に対向するように設けられた接地電極チップ（６０）と、を有する接地電極（１４）と、を備える。先端部と接地電極チップとの界面には拡散層（５６）が形成されている。スパークプラグの中心軸（ｍ１０）と先端部とを含む断面において、拡散層の中央部厚みが０．５μｍ以上である。スパークプラグの中心軸と先端部とを含む断面において、拡散層の外周部厚みが１．５５μｍ以上である。拡散層の体積が１．３×１０^７μｍ^３以下である。

本開示は、スパークプラグの製造方法であって、
中心電極を収容する絶縁碍子を収容するハウジングに接合される接地電極母材を準備し、
ハウジングに前記接地電極母材を接合し、
接地電極母材の先端部に接地電極チップを当接させながら、接地電極チップ側に接地電極チップよりも大径の第１電極（Ｅ１）を当接させ、先端部側に第２電極（Ｅ２）を当接させ、第１電極及び第２電極に通電して抵抗溶接を行い、先端部に接地電極チップを接合する。

本開示によれば、スパッタの発生抑制とチップの耐剥離性を向上させることができる。

図１は、本実施形態におけるスパークプラグの部分断面図である。 図２は、図１に示されるスパークプラグの接地電極チップと先端部との接合状態を説明するための図である。 図３は、図２に示される許容歪に基づいて算出される拡散層厚さを説明するためのグラフである。 図４は、拡散層体積とスパッタ限界との関係を説明するための図である。 図５は、本実施形態におけるスパークプラグの製造方法を説明するための図である。 図６は、本実施形態におけるスパークプラグの製造方法を説明するための図であって、上電極径と電流密度比との関係を説明するためのグラフである。 図７は、本実施形態におけるスパークプラグの製造方法を説明するための図であって、電流密度比と拡散層厚さとの関係を説明するためのグラフである。

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を参照しながら、本実施形態におけるスパークプラグ１０の概略構成について説明する。スパークプラグ１０は、例えばエンジンヘッドブロックに取り付けられる。スパークプラグ１０は、電圧の印加に基づき火花放電を形成することによりエンジンの気筒内の混合気に着火する。スパークプラグ１０は、ハウジング１１と、絶縁碍子１２と、中心電極１３と、接地電極１４と、を備えている。

ハウジング１１は、スパークプラグ１０の中心軸であるプラグ中心軸ｍ１０を中心に円筒状に形成されている。ハウジング１１は、例えば炭素鋼等の金属材料により形成されている。ハウジング１１の内部には絶縁碍子１２の下端部が挿入されている。ハウジング１１の下部の外周面には、ねじ部１１４が形成されている。ハウジング１１のねじ部１１４を、エンジンヘッドブロックに形成されるねじ穴にねじ込むことにより、スパークプラグ１０をエンジンヘッドブロックに締結して固定することが可能である。なお、以下では、プラグ中心軸ｍ１０に沿った方向を「プラグ軸方向Ｄａ」とも称する。プラグ中心軸ｍ１０を中心とする周方向を「プラグ周方向Ｄｃ」とも称する。また、接地電極１４側を先端側とも称し、反対側を基端側とも称する。

絶縁碍子１２は、プラグ中心軸ｍ１０を中心に円筒状に形成されている。絶縁碍子１２はアルミナ等の絶縁材料により形成されている。絶縁碍子１２の外周にはハウジング１１が一体的に組み付けられている。絶縁碍子１２の内部には軸孔１２０が形成されている。軸孔１２０は、プラグ中心軸ｍ１０に沿って絶縁碍子１２の先端側から基端側まで貫通するように形成されている。軸孔１２０には、先端側から中心電極１３、第１シール体１５、抵抗体１６、第２シール体１７、及び端子金具１８が順に挿入されている。中心電極１３は、絶縁碍子１２の先端部から露出するように絶縁碍子１２に挿入されている。

中心電極１３は、中心電極母材３０と、中心電極チップ４０と、を有している。中心電極母材３０は、プラグ中心軸ｍ１０を中心に円柱状に形成されている。中心電極母材３０は、耐熱性に優れるニッケル（Ｎｉ）合金等により形成されている。中心電極チップ４０は、中心電極母材３０の先端に接合されている。中心電極チップ４０は、プラグ中心軸ｍ１０を中心に円柱状に形成されている。中心電極チップ４０は、イリジウム合金等により形成されている。中心電極１３の基端側と、端子金具１８の先端側と、の間には第１シール体１５、抵抗体１６、及び第２シール体１７が挟み込まれている。

端子金具１８は、プラグ中心軸ｍ１０を中心に略円柱状に形成されている。端子金具１８は、鋼材等により形成されている。端子金具１８の基端側には端子部１８０が設けられている。端子部１８０は、絶縁碍子１２の基端側から外部に露出している。

接地電極１４は、接地電極母材５０と、接地電極チップ６０と、を有している。接地電極母材５０は、ニッケル（Ｎｉ）合金等により形成されている。接地電極母材５０は、ハウジング１１の先端面１１０に接合されている。接地電極母材５０は、ハウジング１１の先端面１１０から中心電極チップ４０に対向する位置まで延びるように形成されている。

接地電極母材５０は、基端部５１と、先端部５２と、を有している。基端部５１は、ハウジング１１の先端面１１０に接合されている。基端部５１は、ハウジング１１の先端面１１０からプラグ軸方向Ｄａに延びるように形成されている。先端部５２は、基端部５１の先端部から中心電極１３の中心電極チップ４０に対向する位置まで延びるように形成されている。接地電極母材５０は、基端部５１及び先端部５２により構成されることで、全体として略Ｌ字状に形成されている。

接地電極チップ６０は、接地電極母材５０の先端部５２に接合されている。接地電極チップ６０は、イリジウム合金や白金合金等の貴金属合金により形成されている。接地電極チップ６０は、中心電極チップ４０に対向するように配置されている。中心電極チップ４０と接地電極チップ６０との間に形成される隙間を火花ギャップ１９と称する。

スパークプラグ１０では、高電圧を印加することが可能な外部回路が端子金具１８の端子部１８０に接続される。外部回路により端子部１８０に高電圧が印加されると、中心電極１３の中心電極チップ４０と接地電極１４の接地電極チップ６０との間に火花放電が形成される。この火花放電によりエンジンの気筒内の混合気が着火して火炎が形成されることにより混合気が燃焼する。

尚、図１において、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸が設定されている。ｚ軸は、プラグ中心軸ｍ１０に沿うように設定されている。ｘ軸及びｙ軸は、ｚ軸に直交する平面に沿って設定されている。ｙ軸は、図１の紙面に沿うように設定されている。ｘ軸は、図１の紙面に直交するように設定されている。

ｘ軸は、図１に向かって奥側から手前側に向かって＋方向となるように設定されている。ｙ軸は、図１に向かって左側から右側に向かって＋方向となるように設定されている。ｚ軸は、スパークプラグ１０の先端側から基端側に向かって＋方向となるように設定されている。

本実施形態では、接地電極母材５０の先端部５２と接地電極チップ６０とは、抵抗溶接により拡散接合されている。図２を参照しながら、接合状態について説明する。図２に示されるように、先端部５２と接地電極チップ６０とが抵抗溶接され、拡散層５６が形成されている。拡散層５６は、先端部５２を構成する材料（例えば、ニッケル（Ｎｉ）成分）と接地電極チップ６０を構成する材料（例えば、プラチナ（Ｐｔ）成分）とが混在している領域である。拡散層５６を構成する成分は、先端部５２から接地電極チップ６０に向かうに応じて、ニッケル（Ｎｉ）成分が減り、プラチナ（Ｐｔ）成分が増える。ニッケル（Ｎｉ）成分は、先端部５２側で最も多くなる。プラチナ（Ｐｔ）成分は接地電極チップ６０側で最も多くなる。

拡散層５６は、接地電極母材５０の先端部５２と接地電極チップ６０との線膨張差による熱応力を緩和する効果がある。図２においては、一例としての線膨張差による歪振幅を記載している。接地電極チップ６０は、銅入りプラチナ（Ｐｔ）合金で、φ１．７５ｍｍのものを用いている。接地電極母材５０は、ニッケル（Ｎｉ）合金である。接地電極チップ６０と先端部５２とを抵抗溶接する際の溶接条件は次の通りである。
荷重：３００Ｎ
電流値：１．０－２．５ｋＡ
通電時間：２０ｍｓ
仮溶接：なし
このように作成した接地電極チップ６０と先端部５２との結合品に対して、冷熱サイクル試験を次のように実施した。
熱振れ幅：１５０℃⇔９５０℃
サイクル数：２００

その結果、許容歪の振れ幅は、図２に示されるように、
中央部：０．０００２以上
外周部：０．００２６以上
となった。

図３に示されるように、許容歪と拡散層厚さには相関関係がある。中央部の許容歪０．０００２を満たすためには、中央部における拡散層５６の厚さは０．５μｍ以上必要となる。外周部の許容歪０．００２６を満たすためには、外周部における拡散層５６の厚さは１．６６μｍ以上必要となる。

ところで、拡散層５６の厚さを増やすためには、抵抗溶接時に加える溶接エネルギーを大きくする必要があるが、溶接エネルギーが過大になると接地電極母材５０の溶融物がスパッタとしてはみ出してしまう。図４に示されるように、拡散層体積とスパッタはみ出し率との間には相関関係がある。スパッタはみ出し率を実質的に０とするためには、拡散層５６の総体積１．３×１０^７μｍ^３以下とする必要がある。

上記したように、本実施形態に係るスパークプラグ１０は、中心電極１３を収容する絶縁碍子１２と、絶縁碍子１２を収容するハウジング１１と、中心電極１３に対して所定の間隙を有して配置される先端部５２と、中心電極１３に沿って延び、ハウジング１１に接合されている基端部５１と、先端部５２において中心電極１３に対向するように設けられた接地電極チップ６０と、を有する接地電極１４と、を備えている。先端部５２と接地電極チップ６０との界面には拡散層５６が形成されている。スパークプラグ１０のプラグ中心軸ｍ１０と先端部５２とを含む断面において、拡散層５６の中央部厚みが０．５μｍ以上である。スパークプラグ１０のプラグ中心軸ｍ１０と先端部５２とを含む断面において、拡散層５６の外周部厚みが１．５５μｍ以上である。拡散層５６の体積が１．３×１０^７μｍ^３以下である。

拡散層５６の中央部厚み及び外周部厚みを必要十分な厚みとしているので、スパークプラグ１０が晒される冷熱サイクルにおいても先端部５２と接地電極チップ６０との線膨張差による熱応力を十分に緩和する効果を発揮し、耐剥離性が向上する。また、拡散層５６の体積をスパッタ発生限界の溶接エネルギーに相当する総体積以下としているので、スパッタの発生を抑制することができる。拡散層５６の総体積の測定方法は特に限定されるものではないが、一例としては、スパークプラグ１０のプラグ中心軸ｍ１０と先端部５２とを含む断面における拡散層５６の断面積がプラグ中心軸ｍ１０回りにあるものとして算出することができる。

本実施形態では、先端部５２はＮｉを含み、接地電極チップ６０はＰｔを含んでいる。

本実施形態に係るスパークプラグ１０の製造方法について、図５を参照しながら説明する。図５は、接地電極母材５０の先端部５２に接地電極チップ６０を接合する方法を説明するものである。図５に示されるように、先端部５２に接地電極チップ６０を当接させる。

続いて、先端部５２側に第２電極Ｅ２を当接させる。接地電極チップ６０側に第１電極Ｅ１を当接させる。第１電極Ｅ１は、接地電極チップ６０の外径よりもその外径が大きくなるように構成されている。このようにして第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２に通電することで、接地電極チップ６０の外周部に接地電極チップ６０よりも外側の第１電極Ｅ１から電流が集中することで、接地電極チップ６０の外周部の電流密度が高まる。結果として、接地電極チップ６０の外周部が優先的に発熱し、その部分に生じる拡散層５６の厚みを増やすことができる。

次の条件で抵抗溶接を行った場合の、上電極である第１電極Ｅ１の径と電流密度比Ｒとの関係を図６に例示する。電流密度比Ｒ＝接地電極チップ６０外周部の電流密度／接地電極チップ６０中央部の電流密度である。
初期温度：２０℃
通電時間：０．３ｓ
接触抵抗：なし
接地電極チップ径：１．３ｍｍ
接地電極チップ厚み：０．２ｍｍ

図６に示されるように、上電極である第１電極Ｅ１の径が大きくなると、接地電極チップ６０の外周部へ電流密度が集中する傾向となる。

図７に、電流密度比Ｒに応じて拡散層厚さがどのように変化するかの一例を示す。図７に示されるように、電流密度比Ｒが大きいほど、外周部における拡散層厚さが厚くなる。

本実施形態に係るスパークプラグ１０の製造方法は、
中心電極１３を収容する絶縁碍子１２を収容するハウジング１１に接合される接地電極母材５０を準備し、
ハウジング１１に接地電極母材５０を接合し、
接地電極母材５０の先端部５２に接地電極チップ６０を当接させながら、接地電極チップ６０側に接地電極チップ６０よりも大径の第１電極Ｅ１を当接させ、先端部５２側に第２電極Ｅ２を当接させ、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２に通電して抵抗溶接を行い、先端部５２に接地電極チップ６０を接合する。

抵抗溶接に当たって接地電極チップ６０よりも大径の第１電極Ｅ１を接地電極チップ６０に当接させることで、接地電極チップ６０の外周部における電流密度を高め、拡散層５６の厚みを十分に確保することができる。

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。

１０：スパークプラグ
１１：ハウジング
１２：絶縁碍子
１３：中心電極
１４：接地電極
５１：基端部
５２：先端部
５６：拡散層
６０：接地電極チップ

Claims (3)

1. 中心電極（１３）を収容する絶縁碍子（１２）と、
   前記絶縁碍子を収容するハウジング（１１）と、
   前記中心電極に対して所定の間隙を有して配置される先端部（５２）と、前記中心電極に沿って延び、前記ハウジングに接合されている基端部（５１）と、前記先端部において前記中心電極に対向するように設けられた接地電極チップ（６０）と、を有する接地電極（１４）と、を備え、
   前記先端部と前記接地電極チップとの界面には拡散層（５６）が形成されており、
   スパークプラグの中心軸（ｍ１０）と前記先端部とを含む断面において、前記拡散層の中央部厚みが０．５μｍ以上であり、
   前記中心軸と前記先端部とを含む断面において、前記拡散層の外周部厚みが１．５５μｍ以上であり、
   前記拡散層の体積が１．３×１０^７μｍ^３以下である、スパークプラグ。
2. 前記先端部はＮｉを含み、前記接地電極チップはＰｔを含む、請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 中心電極を収容する絶縁碍子を収容するハウジングに接合される接地電極母材を準備し、
   前記ハウジングに前記接地電極母材を接合し、
   前記接地電極母材の先端部に接地電極チップを当接させながら、前記接地電極チップ側に前記接地電極チップよりも大径の第１電極（Ｅ１）を当接させ、前記先端部側に第２電極（Ｅ２）を当接させ、前記第１電極及び前記第２電極に通電して抵抗溶接を行い、前記先端部に前記接地電極チップを接合する、スパークプラグの製造方法。

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