JP2024057126A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】母材からのチップの脱落を低減できるスパークプラグを提供する。【解決手段】スパークプラグは、母材と、母材に溶融部を介して接続されたチップと、を備える第１電極と、チップの放電面に対向する第２電極と、を備え、放電面の重心を含む放電面に垂直な断面において、チップと溶融部との第１の界面にある、放電面から最も離れた点を含む放電面に平行な第１の長辺、溶融部と母材との第２の界面にある、放電面に最も近い点を含む放電面に平行な第２の長辺、及び、２つの長辺の長さが最大になるように溶融部の中に位置する２つの短辺をもつ長方形の、短辺に垂直に３等分した真ん中の領域を、長辺に垂直に６つの範囲に等分したとき、チップに含まれる主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲が隣接する。【選択図】図３

Description

本発明は溶融部を介して母材にチップが接続されたスパークプラグに関する。

溶融部を介して母材にチップが接続されたスパークプラグに関する先行技術は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２０１９－２１６０３８号公報

先行技術において溶融部の両端に温度差ができると熱応力が発生する。熱応力により溶融部の界面や溶融部にクラックが発生し、界面に沿ってクラックが進展すると、母材からチップが脱落するおそれがある。クラックが仮に進展してもチップの脱落を低減する技術が求められている。

本発明はこの要求に応えるためになされたものであり、母材からのチップの脱落を低減できるスパークプラグを提供することを目的としている。

この目的を達成するために本発明のスパークプラグは、母材と、母材に溶融部を介して接続されたチップと、を備える第１電極と、チップの放電面に対向する第２電極と、を備え、放電面の重心を含む放電面に垂直な断面において、放電面の両方の端をそれぞれ通る、放電面に垂直な２つの直線によってチップと溶融部との第１の界面が切り取られる部分にある、放電面から最も離れた点を含む放電面に平行な第１の長辺、放電面の両方の端をそれぞれ通る、放電面に垂直な２つの直線によって溶融部と母材との第２の界面が切り取られる部分にある、放電面に最も近い点を含む放電面に平行な第２の長辺、及び、２つの長辺の長さが最大になるように溶融部の中に位置する２つの短辺をもつ長方形の、短辺に垂直に３等分した真ん中の領域を、長辺に垂直に６つの範囲に等分したとき、チップに含まれる主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲が隣接する。

第１の態様によれば、チップの放電面の重心を含む放電面に垂直な断面において、溶融部に含まれる長方形の短辺に垂直に３等分した真ん中の領域を放電面に垂直に６等分したとき、チップに含まれる主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲が隣接する。溶融部は、範囲が隣接した部分を境に線膨張係数が異なるので、範囲が隣接した部分にクラックが発生し易い。発生したクラックは放電面に交わる方向に進展し易い。クラックが進展して溶融部が分割されると、溶融部が分割されない場合に比べて溶融部の線膨張量が小さくなり熱応力が小さくなるので、溶融部の界面に沿ってクラックが進展し難くなる。また、発生したクラックによって溶融部の応力が解放され、クラックが進展し難くなる。従ってチップの脱落を低減できる。

第２の態様によれば、第１の態様において、チップの放電面の重心を含む放電面に垂直な断面において、溶融部と母材との第２の界面と第２面とが交わる点から放電面を含む直線に下した垂線のうち最も長い垂線の長さをＹ１とし、長さＹ１の垂線と第２の界面との交点を第１の点とし、第２の界面のうち、放電面の重心を通り放電面に垂直な直線と第２の界面との交点と、第１の点から最も離れた第２の点と、の間にある部分から放電面を含む直線に下した垂線のうち最も長い垂線の長さをＹ２としたときにＹ１≧Ｙ２である。これにより第２面に近い部分の溶融部は、熱応力の緩和効果が、第２面から遠い部分の溶融部よりも大きくなる。従って溶融部のうち第２面に近い部分の破損を低減できる。分割された溶融部の各々によってチップを母材に接合できるので、溶融部によるチップの接合強度が低下しないようにできる。

第３の態様によれば、第１又は第２の態様において、チップの放電面の重心を含む放電面に垂直な断面において、溶融部のうち放電面の両方の端をそれぞれ通る、放電面に垂直な２つの直線の間に位置する部分に、チップに含まれる主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲が隣接する境界が存在する。境界の付近に発生したクラックが放電面に交わる方向に進展すると、後述する第４の態様に比べて溶融部が小さく分割されるので、溶融部の線膨張量が小さくなり熱応力が小さくなる。溶融部の界面に沿ってクラックがさらに進展し難くなるので、チップの脱落をさらに低減できる。

第４の態様によれば、第１又は第２の態様において、チップの放電面の重心を含む放電面に垂直な断面において、第２の界面のうち第１の点から最も離れた点を第２の点としたときに、溶融部のうち第２の点を含む部分であって、第２の点に近い方の放電面の端を通り放電面に垂直な直線で区画された部分に、チップに含まれる主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲が隣接する境界が存在する。境界の付近に発生したクラックが放電面に交わる方向に進展しても、クラックが進展する先にチップは無いので、チップにクラックが入り難くなる。

第５の態様によれば、第１又は第２の態様において、放電面は四角形である。四角形の放電面は、同じ面積をもつ円形の放電面と比較して角の部分だけ広がりがあるので、角の分だけ、放電面と第２電極との間の放電による消耗に対して有利になる。

第１実施の形態におけるスパークプラグの片側断面図である。 （ａ）は接地電極の平面図であり、（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ－ＩＩｂ線における接地電極の断面図である。 接地電極の断面図である。 第２実施の形態におけるスパークプラグの接地電極の断面図である。 （ａ）は第３実施の形態におけるスパークプラグの接地電極の平面図であり、（ｂ）は図５（ａ）のＶｂ－Ｖｂ線における接地電極の断面図である。 接地電極の断面図である。 （ａ）は第４実施の形態におけるスパークプラグの接地電極の平面図であり、（ｂ）は図７（ａ）のＶＩＩｂ－ＶＩＩｂ線における接地電極の断面図である。 接地電極の断面図である。 第５実施の形態におけるスパークプラグの接地電極の断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は一実施の形態におけるスパークプラグ１０の軸線Ｏを境にした片側断面図である。図１では、紙面下側をスパークプラグ１０の先端側、紙面上側をスパークプラグ１０の後端側という。図１に示すようにスパークプラグ１０は、中心電極２０及び接地電極４０を備えている。

絶縁体１１は、軸線Ｏに沿う軸孔１２が形成された略円筒状の部材であり、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等のセラミックスにより形成されている。絶縁体１１は、軸孔１２により形成された内周面の先端側に、後端側を向く円環状の面である後端向き面１３が設けられている。後端向き面１３は先端側へ向けて縮径している。

中心電極２０は、後端向き面１３に係止される棒状の部材である。中心電極２０の先端は、絶縁体１１の先端から先端側に突出している。中心電極２０は、銅を主成分とする芯材が有底円筒状の母材２１に覆われている。母材２１はＮｉを５０ｗｔ％以上含む化学組成を有する。芯材を省略することは可能である。

母材２１の先端には、溶融部２２を介してチップ２３が接続されている。チップ２３はＰｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ等の貴金属のうちの１種または２種以上を５０ｗｔ％以上含む化学組成を有する。チップ２３の放電面２４は接地電極４０に対向している。本実施形態では放電面２４は円形である。中心電極２０は、軸孔１２内で端子金具２５と電気的に接続されている。

端子金具２５は、高圧ケーブル（図示せず）が接続される棒状の部材であり、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成されている。端子金具２５は、先端側が軸孔１２に挿入された状態で、絶縁体１１の後端側で固定されている。

絶縁体１１の先端側の外周に主体金具３０が固定されている。主体金具３０は、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成された略円筒状の部材である。主体金具３０は、径方向の外側へ鍔状に張り出す座部３１と、座部３１よりも先端側の外周面に設けられたねじ部３２と、を備えている。主体金具３０は、エンジン（シリンダヘッド）のねじ穴（図示せず）にねじ部３２を締結して固定される。主体金具３０の先端部に接地電極４０が接続されている。

接地電極４０は、導電性を有する金属材料によって形成された棒状の部材である。接地電極４０は、主体金具３０に端部が接合され軸線Ｏに向かって延びる四角柱状の湾曲した母材４１と、中心電極２０側を向く母材４１の上面４２に配置され溶融部４３を介して接続されたチップ４４と、を備えている。母材４１はＮｉを５０ｗｔ％以上含む化学組成を有する。チップ４４はＰｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ等の貴金属のうちの１種または２種以上を５０ｗｔ％以上含む化学組成を有する。母材４１の上面４２は、チップ４４が接続される側にある面である。チップ４４の放電面４５は中心電極２０に対向している。チップ４４の放電面４５と中心電極２０との間に火花ギャップＧが形成されている。

図２（ａ）は軸線Ｏの方向から見た接地電極４０（第１電極）の平面図である。母材４１は、上面４２（第１面）の隣に位置する２つの側面４６と、上面４２の隣に位置し２つの側面４６をつなぐ端面４７（第２面）と、を含む。接地電極４０を第１電極とすれば、中心電極２０は第２電極となる。本実施形態では母材４１は断面が略矩形の棒状をなし、チップ４４は直方体の形状をなす。

放電面４５は四角形である。放電面４５の面積は、中心電極２０の放電面２４の面積よりも大きい。四角形の放電面４５は、同じ面積をもつ円形の放電面と比較して角の部分だけ広がりがあるので、角の分だけ、放電面４５と中心電極２０との間の放電による消耗に対して有利である。放電面４５の四角形は、長方形、正方形、平行四辺形、ひし形、台形などが含まれる。

図２（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ－ＩＩｂ線における接地電極４０の断面図である。ＩＩｂ－ＩＩｂ線は、チップ４４の放電面４５の重心４８を通り、母材４１の延伸方向に沿って延びる直線である。放電面４５の重心４８は、放電面４５を平面図形としたときの、周知の手段で算出される幾何中心である。図２（ｂ）に示す断面は、放電面４５の重心４８を含む放電面４５に垂直な断面であり、上面４２（第１面）及び端面４７（第２面）に交わっている。

母材４１は、上面４２の反対側に位置する底面４９を含む。底面４９は、２つの側面４６と端面４７とにつながっている。チップ４４を母材４１に接続する溶融部４３は、チップ４４と母材４１とが溶け合ってなる。溶融部４３は、母材４１にチップ４４を接合して母材４１とチップ４４との間の線膨張差を緩衝する機能がある。

接地電極４０は、溶融部４３とチップ４４との第１の界面５０と、溶融部４３と母材４１との第２の界面５１と、母材４１の端面４７とチップ４４とをつなぐ溶融部４３の第１の表面５１ａと、母材４１の上面４２とチップ４４とをつなぐ溶融部４３の第２の表面５１ｂと、を含む。第２の界面５１は、第２の界面５１の両端の第１の点５２と第２の点５３とを含む。第２の点５３は、第２の界面５１において第１の点５２から最も離れた点である。第２の界面５１は、第１の点５２で端面４７と交わり、第２の点５３で上面４２と交わる。溶融部４３の第１の表面５１ａは第１の点５２を含み、溶融部４３の第２の表面５１ｂは第２の点５３を含む。

図３は図２（ｂ）に示す図を拡大した接地電極４０の断面図である。断面に現出する接地電極４０の溶融部４３に長方形５８を引く順序を説明する。まず、放電面４５の両方の端６６，６７をそれぞれ通る、放電面４５に垂直な２つの直線６８，６９を引く。次に、２つの直線６８，６９によって第１の界面５０が切り取られる部分のうち放電面４５から最も離れた位置にある点を見つけ、その点を通る（含む）第１の長辺５４を引く。同様に２つの直線６８，６９によって第２の界面５１が切り取られる部分のうち放電面４５に最も近い位置にある点を見つけ、その点を通る（含む）第２の長辺５５を引く。第１の長辺５４及び第２の長辺５５は放電面４５に平行な線分である。次いで、２つの長辺５４，５５の長さが最大になるように、溶融部４３の中に位置する２つの短辺５６，５７を引く。これにより長辺５４，５５及び短辺５６，５７をもつ長方形５８ができる。

長方形５８の４つの頂点５９，６０，６１，６２のうち頂点５９，６１，６２は溶融部４３の境界に位置し、頂点６０は溶融部４３の境界の内側に存在する。溶融部４３は、短辺５６，５７に垂直に長方形５８を３等分した真ん中の領域６３を、長辺５４，５５に垂直に６つの範囲６４に等分したとき、チップ４４に含まれる主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲６４が隣接している。長方形５８を３等分した真ん中の領域６３の元素分析を行うのは、界面５０，５１に近い部分を元素分析の対象から外すためである。界面５０，５１に近い部分はチップ４４や母材４１に含まれる元素が多く存在する可能性があるので、界面５０，５１に近い部分を元素分析の対象から外すことにより定量分析の精度を上げることができる。

チップ４４に含まれる主成分の元素は、チップ４４を構成する元素のうち含有量が最も多い元素のことをいう。チップ４４を構成する主成分の元素や溶融部４３の元素の定量分析は、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いた波長分散型Ｘ線分析（ＷＤＳ）により行うことができる。ＥＰＭＡを用いたＷＤＳにより範囲６４毎に元素分析（面分析）が行われ、チップ４４の主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲６４が隣接する境界６５の有無が判定される。境界６５が有る場合には、境界６５の位置も特定される。本実施形態では、チップ４４の主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲６４が隣接する境界６５が、２つの直線６８，６９の間に位置する。

６つの範囲６４のうち母材４１の端面４７に接する第１の表面５１ａに最も近い範囲６４は、２つの直線６８，６９の間に一部が位置する。これはチップ４４が、母材４１の端面４７の近傍に開放された状態で配置されていることを表す。火花ギャップＧに生じた火炎の伝播が接地電極４０に妨げられ難くなるので、着火性を向上できる。

溶融部４３の第２の界面５１は、第１の点５２から放電面４５を含む直線７０に下した垂線７１の長さをＹ１とし、第２の界面５１のうち、放電面４５の重心４８を通り放電面４５に垂直な直線７２と第２の界面５１との交点７３と、第１の点５２から最も離れた第２の点５３と、の間にある部分から直線７０に下した垂線のうち最も長い垂線７４の長さをＹ２としたときにＹ１≧Ｙ２である。これは直線７０と第２の界面５１との間の距離が、第１の点５２から第２の点５３へ向かって短くなることを意味している。

スパークプラグ１０の端子金具２５と主体金具３０との間に高電圧が印加され、火花ギャップＧに放電が発生するとチップ４４は加熱される。接地電極４０の母材４１の端面４７は開放されているので、接地電極４０のうち端面４７に近い部分は、端面４７から遠い部分に比べ、放電による加熱の速度および可燃混合気による冷却の速度が速い。これにより溶融部４３のうち端面４７に近い部分に大きな熱ひずみが生じ、大きな熱応力が発生する。溶融部４３はＹ１≧Ｙ２の関係があるので、端面４７に近い部分の溶融部４３は、熱応力の緩和効果が、端面４７から遠い部分の溶融部４３よりも大きくなる。これにより溶融部４３のうち端面４７に近い部分の破損を低減できる。

溶融部４３の第１の表面５１ａは母材４１の端面４７とチップ４４とをつなぐので、チップ４４は、母材４１の端面４７の近傍に開放された状態で配置されていることになる。火花ギャップＧに生じた火炎の伝播が接地電極４０に妨げられ難くなるので、着火性を向上できる。

接地電極４０の製造方法の一例を説明する。母材４１の上面４２にチップ４４を配置した後、母材４１の端面４７に対面させた加工ヘッド（図示せず）からレーザービームを照射する。母材４１とチップ４４とが接する部分に沿ってビームを照射しながら加工ヘッドを移動させて母材４１とチップ４４とを溶融する。溶融した部分が硬化した後、硬化した部分に沿ってビームを照射しながら加工ヘッドを移動させて再溶融し、溶融部４３を形成する。再溶融するまでの時間やレーザービームのパワー密度等を調整して、再溶融する範囲や溶融の程度を設定すると、チップ４４の主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲６４が隣接する境界６５ができる。

溶融部４３はチップ４４と母材４１とが溶け合ってなるので、チップ４４の主成分の元素の含有率が異なることは、チップ４４と母材４１とが溶け合う割合が異なることを意味する。チップ４４の線膨張係数は母材４１の線膨張係数よりも小さいので、溶融部４３においてチップ４４の成分の割合が大きい部分は、チップ４４の成分の割合が小さい部分に比べて線膨張係数が小さくなる。チップ４４の主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲６４が隣接する境界６５の付近は、線膨張係数の違いにより、接地電極４０の温度変化による熱応力でクラックが発生し易い。チップ４４の主成分の元素の含有率１０％を基準に境界６５を設定するのは、クラックの発生し易さから見出された経験則による。

境界６５は放電面４５に交わる方向に延びているので、境界６５の付近にクラックが発生すると、放電面４５に交わる方向にクラックが進展し易くなる。放電面４５に交わる方向にクラックが進展して溶融部４３が分割されると、溶融部４３が分割されない場合に比べ、溶融部４３の線膨張量が小さくなり熱応力が小さくなる。これにより溶融部４３の界面５０，５１に沿ってクラックが進展し難くなる。また、発生したクラックによって溶融部４３の応力が解放され、クラックが進展し難くなる。その結果、界面５０，５１に沿って溶融部４３が破壊し難くなるので、母材４１からのチップ４４の脱落を低減できる。

溶融部４３はＹ１≧Ｙ２の関係があるので、溶融部４３が分割されても、溶融部４３のうち端面４７に近い部分の破損を低減できる。分割された溶融部４３の各々によってチップ４４が母材４１に接合されるので、溶融部４３によるチップ４４の接合強度が低下しないようにできる。

溶融部４３のうち放電面４５の両方の端６６，６７をそれぞれ通り放電面４５に垂直な２つの直線６８，６９の間に位置する部分に境界６５が存在する。境界６５の付近に発生したクラックが、境界６５が延びる方向に進展すると、溶融部４３のうち第２の点５３を含む部分であって直線６９で区画された部分に境界６５が存在する場合に比べ、溶融部４３が小さく分割されるので、溶融部４３の線膨張量が小さくなり熱応力が小さくなる。これにより溶融部４３の界面５０，５１に沿ってクラックがさらに進展し難くなるので、チップ４４の脱落をさらに低減できる。

四角形の放電面４５をもつチップ４４を母材４１に接合する溶融部４３の大きさは、それと同じ面積の円形の放電面をもつチップを母材４１に接合する溶融部に比べて大きいので、溶融部４３の線膨張量も大きくなる。境界６５の付近に発生したクラックで溶融部４３を分割することにより、分割された個々の溶融部４３の線膨張量が小さくなるので、四角形の放電面４５をもつチップ４４の溶融部４３は、応力を緩和する効果が特に大きい。

図４を参照して第２実施の形態について説明する。第２実施の形態は、第１実施の形態と溶融部８１の形が異なる。第２実施の形態では、第１実施形態において説明した部分と同一の部分に同一の符号を付して以下の説明を省略する。図４は第２実施の形態におけるスパークプラグの接地電極８０の、放電面４５の重心４８を含む放電面４５に垂直な断面図である。接地電極８０は、第１実施形態における接地電極４０に代えて、スパークプラグ１０に設けられる。接地電極８０は、チップ４４を母材４１に接続する溶融部８１を含む。

接地電極８０は、溶融部８１とチップ４４との第１の界面８２と、溶融部８１と母材４１との第２の界面８３と、母材４１の端面４７とチップ４４とをつなぐ溶融部８１の第１の表面８３ａと、母材４１の上面４２とチップ４４とをつなぐ溶融部８１の第２の表面８３ｂと、を含む。第２の界面８３は、第２の界面８３の両端の第１の点８４と第２の点８５とを含む。第２の点８５は、第２の界面８３において第１の点８４から最も離れた点である。第２の界面８３は、第１の点８４で端面４７と交わり、第２の点８５で上面４２と交わる。第１の表面８３ａは第１の点８４を含み、第２の表面８３ｂは第２の点８５を含む。

溶融部８１の第１の表面８３ａは母材４１の端面４７とチップ４４とをつなぐので、チップ４４は、母材４１の端面４７の近傍に開放された状態で配置されていることになる。火花ギャップＧ（図１参照）に生じた火炎の伝播が接地電極８１に妨げられ難くなるので着火性を向上できる。

接地電極８０の断面の上に、放電面４５に平行な第１の長辺８６及び第２の長辺８７と、放電面４５に垂直な２つの短辺８８，８９と、をもつ長方形９０を描き、短辺８８，８９に垂直に３等分した真ん中の領域９５を設ける。長方形９０は溶融部８１に全体が含まれる。

第１の長辺８６は、２つの直線６８，６９によって第１の界面８２が切り取られる部分にある、放電面４５から最も離れた点を通る。第２の長辺８７は、２つの直線６８，６９によって第２の界面８３が切り取られる部分にある、放電面４５に最も近い点を通る。長方形９０の４つの頂点９１，９２，９３，９４のうち３つの頂点９１，９２，９３が、溶融部８１の境界に含まれている。頂点９４は溶融部８１の境界の内側に存在する。溶融部８１は、領域９５を長辺８６，８７に垂直に６つの範囲９６に等分したとき、チップ４４に含まれる主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲９６が隣接する境界９７が、溶融部８１のうち第２の点８５を含む部分であって直線６９で区画された部分に存在する。

６つの範囲９６のうち母材４１の端面４７に接する第１の表面８３ａに最も近い範囲９６は、２つの直線６８，６９の間に全体が位置する。これはチップ４４が、母材４１の端面４７の近傍に開放された状態で配置されていることを表す。火花ギャップＧに生じた火炎の伝播が接地電極８０に妨げられ難くなるので、着火性を向上できる。

溶融部８１の第２の界面８３は、第１の点８４から放電面４５を含む直線７０に下した垂線９８の長さをＹ１とし、第２の界面８３のうち、放電面４５の重心４８を通り放電面４５に垂直な直線７２と第２の界面８３との交点９９と、第２の点８５と、の間にある部分から直線７０に下した垂線のうち最も長い垂線９９ａの長さをＹ２としたときにＹ１≧Ｙ２である。端面４７に近い部分の溶融部８１は、熱応力の緩和効果が、端面４７から遠い部分の溶融部８１よりも大きくなるので、溶融部８１のうち端面４７に近い部分の破損を低減できる。

境界９７は放電面４５に交わる方向に延びているので、境界９７の付近にクラックが発生すると、放電面４５に交わる方向にクラックが進展し易くなる。放電面４５に交わる方向にクラックが進展して溶融部８１が分割されると、溶融部８１が分割されない場合に比べ、溶融部８１の線膨張量が小さくなり熱応力が小さくなる。これにより溶融部８１の界面８２，８３に沿ってクラックが進展し難くなる。また、境界９７の付近に発生したクラックによって応力が解放されるので、界面８２，８３に沿って溶融部８１が破壊し難くなる。よって母材４１からのチップ４４の脱落を低減できる。

溶融部８１のうち第２の点８５を含む部分であって直線６９で区画された部分に境界９７が存在するので、境界９７の付近に発生したクラックが進展しても、チップ４４と溶融部８１との界面８２にクラックが到達し難くなる。従って境界９７の付近に発生したクラックの進展が、チップ４４の破壊の起点になり難くなる。

図５及び図６を参照して第３実施の形態について説明する。第１実施形態および第２実施形態では、母材４１の上面４２にチップ４４を配置し母材４１とチップ４４とを接合する場合について説明した。これに対し第３実施形態では、母材４１の上面４２に窪んだ溝を設け、溝の中にチップ４４を配置し母材４１とチップ４４とを接合する場合について説明する。第３実施の形態では、第１実施形態において説明した部分と同一の部分に同一の符号を付して以下の説明を省略する。

図５（ａ）は第３実施の形態におけるスパークプラグの接地電極１００の平面図である。図５（ｂ）は図５（ａ）のＶｂ－Ｖｂ線における接地電極１００の断面図である。接地電極１００は、第１実施形態における接地電極４０に代えて、スパークプラグ１０に設けられる。

チップ４４は母材４１の上面４２に設けられた溝に配置されている。溝は母材４１の側面４６に沿って延び、端面４７に開口している。チップ４４は、溝の壁面４２ａによって、端面４７から離れる方向の位置が規制される。チップ４４は溶融部１０１を介して母材４１に接続されている。接地電極１００は、溶融部１０１とチップ４４との第１の界面１０２と、溶融部１０１と母材４１との第２の界面１０３と、母材４１の端面４７とチップ４４とをつなぐ溶融部１０１の第１の表面１０３ａと、を含む。

図６は接地電極１００の、放電面４５の重心４８を含む放電面４５に垂直な断面図である。第２の界面１０３は端面４７と交わる第１の点１０４からチップ４４まで連続している。第２の界面１０３は第２の点１０５を含む。第２の点１０５は、第２の界面１０３において第１の点１０４から最も離れた点（第１の点１０４からの直線距離が最も長い点）である。第１の表面１０３ａは第１の点１０４を含む。第１の表面１０３ａは母材４１の端面４７とチップ４４とをつなぐので、チップ４４は、母材４１の端面４７の近傍に開放された状態で配置されていることになる。火花ギャップＧ（図１参照）に生じた火炎の伝播が接地電極１００に妨げられ難くなるので着火性を向上できる。

接地電極１００の断面の上に、放電面４５に平行な第１の長辺１０６及び第２の長辺１０７と、放電面４５に垂直な２つの短辺１０８，１０９と、をもつ長方形１１０を描き、短辺１０８，１０９に垂直に３等分した真ん中の領域１１５を設ける。長方形１１０は溶融部１０１に全体が含まれる。

第１の長辺１０６は、２つの直線６８，６９によって第１の界面１０２が切り取られる部分にある、放電面４５から最も離れた点（頂点１１２）を含む。第２の長辺１０７は、２つの直線６８，６９によって第２の界面１０３が切り取られる部分にある、放電面４５に最も近い点（頂点１１３）を含む。長方形１１０の４つの頂点１１１，１１２，１１３，１１４のうち３つの頂点１１１，１１２，１１３が、溶融部１０１の境界に含まれている。頂点１１４は溶融部１０１の境界の内側に存在する。溶融部１０１は、領域１１５を長辺１０６，１０７に垂直に６つの範囲１１６に等分したとき、チップ４４に含まれる主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲１１６が隣接する境界１１７が、直線６８，６９の間に存在する。

６つの範囲１１６のうち母材４１の端面４７に接する第１の表面１０３ａに最も近い範囲１１６は、２つの直線６８，６９の間に一部が位置する。これはチップ４４が、母材４１の端面４７の近傍に開放された状態で配置されていることを表す。火花ギャップＧに生じた火炎の伝播が接地電極１００に妨げられ難くなるので、着火性を向上できる。

溶融部１０１の第２の界面１０３は、第１の点１０４から直線７０に下した垂線１１８の長さをＹ１とし、第２の界面１０３のうち、直線７２と第２の界面１０３との交点１１９と、第２の点１０５と、の間にある部分から直線７０に下した垂線のうち最も長い垂線（本実施形態では重心４８と交点１１９とを結ぶ線分）の長さをＹ２としたときにＹ１≧Ｙ２である。端面４７に近い部分の溶融部１０１は、熱応力の緩和効果が、端面４７から遠い部分の溶融部１０１よりも大きくなるので、溶融部１０１のうち端面４７に近い部分の破損を低減できる。

境界１１７は放電面４５に交わる方向に延びているので、境界１１７の付近にクラックが発生すると、放電面４５に交わる方向にクラックが進展し易くなる。放電面４５に交わる方向にクラックが進展して溶融部１０１が分割されると、溶融部１０１が分割されない場合に比べ、溶融部１０１の線膨張量が小さくなり熱応力が小さくなる。また、境界１１７の付近に発生したクラックによって応力が解放されるので、溶融部１０１の界面１０２，１０３に沿ってクラックが進展し難くなる。従って母材４１からのチップ４４の脱落を低減できる。

図７及び図８を参照して第４実施の形態について説明する。第１実施形態から第３実施形態では、母材４１の端面４７に交わる切断面を用いて断面を表した接地電極４０，８０，１００について説明した。これに対し第４実施形態では、母材４１の側面４６に交わる切断面を用いて断面を表した接地電極１２０について説明する。第４実施の形態では、第１実施形態において説明した部分と同一の部分に同一の符号を付して以下の説明を省略する。

図７（ａ）は第４実施の形態におけるスパークプラグの接地電極１２０の平面図である。図７（ｂ）は図７（ａ）のＶＩＩｂ－ＶＩＩｂ線における接地電極１２０の断面図である。ＶＩＩｂ－ＶＩＩｂ線は、チップ４４の放電面４５の重心４８を通り、母材４１の延伸方向に交わる直線である。接地電極１２０は、第１実施形態における接地電極４０に代えて、スパークプラグ１０に設けられる。

チップ４４は母材４１の上面４２（第１面）に設けられた溝に配置されている。溝は母材４１の側面４６（第２面）に沿って延び、端面４７に開口している。チップ４４は、溝の壁面４２ｂ，４２ｃによって、母材４１の側面４６，４６間の位置が規制される。チップ４４は溶融部１２１を介して母材４１に接続されている。接地電極１２０は、チップ４４と溶融部１２１との第１の界面１２２と、溶融部１２１と母材４１との第２の界面１２３と、母材４１の側面４６に現れる溶融部１２１の表面１２３ａと、を含む。

図８は接地電極１２０の、放電面４５の重心４８を含む放電面４５に垂直な断面図である。第２の界面１２３は、母材４１の側面４６（第２面）と第２の界面１２３とが交わる第１の点１２４から第２の点１２５まで延びている。第２の点１２５は、第２の界面１２３において第１の点１２４から最も離れた点（第１の点１２４からの直線距離が最も長い点）である。表面１２３ａは第１の点１２４を含む。

接地電極１２０の断面の上に、放電面４５に平行な第１の長辺１２６及び第２の長辺１２７と、放電面４５に垂直な２つの短辺１２８，１２９と、をもつ長方形１３０を描き、短辺１２８，１２９に垂直に３等分した真ん中の領域１３５を設ける。長方形１３０は溶融部１２１に全体が含まれる。

第１の長辺１２６は、２つの直線６８，６９によって第１の界面１２２が切り取られる部分にある、放電面４５から最も離れた点（頂点１３２）を含む。第２の長辺１２７は、２つの直線６８，６９によって第２の界面１２３が切り取られる部分にある、放電面４５に最も近い点（頂点１３３）を含む。長方形１１０の４つの頂点１３１，１３２，１３３，１３４は全て溶融部１２１の境界に含まれている。溶融部１２１は、領域１３５を長辺１２６，１２７に垂直に６つの範囲１３６に等分したとき、チップ４４に含まれる主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲１３６が隣接する境界１３７が、直線６８，６９の間に存在する。６つの範囲１３６のうち母材４１の側面４６に接する表面１２３ａに最も近い範囲１３６は、２つの直線６８，６９の間の外に位置する。

溶融部１２１の界面１２２，１２３と母材４１の側面４６とがそれぞれ交わる点から直線７０に下した垂線のうち最も長い垂線１３８の長さをＹ１とすると、第１の点１２４は垂線１３８と第２の界面１２３との交点である。第２の界面１２３のうち、直線７２と第２の界面１２３との交点１３９と、第２の点１２５と、の間にある部分から直線７０に下した垂線のうち最も長い垂線（本実施形態では重心４８と交点１３９とを結ぶ線分）の長さをＹ２とするとＹ１≧Ｙ２である。側面４６（図８左側）に近い部分の溶融部１０１は、熱応力の緩和効果が、側面４６（図８左側）から遠い部分の溶融部１２１よりも大きくなるので、溶融部１２１のうち側面４６（図８左側）に近い部分の破損を低減できる。

境界１３７は放電面４５に交わる方向に延びているので、境界１３７の付近にクラックが発生すると、放電面４５に交わる方向にクラックが進展し易くなる。放電面４５に交わる方向にクラックが進展して溶融部１２１が分割されると、溶融部１２１が分割されない場合に比べ、溶融部１２１の線膨張量が小さくなり熱応力が小さくなる。また、境界１３７の付近に発生したクラックによって応力が解放されるので、溶融部１２１の界面１２２，１２３に沿ってクラックが進展し難くなる。よって母材４１からのチップ４４の脱落を低減できる。

図９を参照して第５実施の形態について説明する。第１実施形態から第４実施形態では母材４１の側面４６，４６間の距離（母材４１の幅）に対してチップ４４の幅が半分程度の場合について説明した。これに対し第５実施形態では、母材４１の幅とチップ４４の幅がほぼ等しい場合について説明する。第５実施の形態では、第１実施形態において説明した部分と同一の部分に同一の符号を付して以下の説明を省略する。

図９は接地電極１４０の、放電面４５の重心４８を含む放電面４５に垂直な断面図である。図９の断面図は、母材４１の側面４６に交わる切断面を用いて表されている。チップ４４は溶融部１４１を介して母材４１に接続されている。

接地電極１４０は、溶融部１４１とチップ４４との第１の界面１４２と、溶融部１４１と母材４１との第２の界面１４３と、母材４１の片方の側面４６とチップ４４とをつなぐ溶融部１４１の第１の表面１４３ａと、母材４１のもう片方の側面４６とチップ４４とをつなぐ溶融部１４１の第２の表面１４３ｂと、を含む。第２の界面１４３は、側面４６と交わる第１の点１４４から側面４６と交わる第２の点１４５まで連続している。第２の点１４５は、第２の界面１４３において第１の点１４４から最も離れた点である。第１の表面１４３ａは第１の点１４４を含み、第２の表面１４３ｂは第２の点１４５を含む。第１の表面１４３ａは、第２の表面１４３ｂよりも長い。

接地電極１４０の断面の上に、放電面４５に平行な第１の長辺１４６及び第２の長辺１４７と、放電面４５に垂直な２つの短辺１４８，１４９と、をもつ長方形１５０を描き、短辺１４８，１４９に垂直に３等分した真ん中の領域１５５を設ける。長方形１５０は溶融部１４１に全体が含まれる。

第１の長辺１４６は、２つの直線６８，６９によって第１の界面１４２が切り取られる部分にある、放電面４５から最も離れた点を通る（含む）。第２の長辺１４７は、２つの直線６８，６９によって第２の界面１４３が切り取られる部分にある、放電面４５に最も近い点（頂点１５３）を含む。長方形１５０の４つの頂点１５１，１５２，１５３，１５４のうち頂点１５１，１５３は溶融部１４１の境界に含まれている。頂点１５２，１５４は溶融部１４１の境界の内側に存在する。溶融部１４１は、領域１５５を長辺１４６，１４７に垂直に６つの範囲１５６に等分したとき、チップ４４に含まれる主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲１５６が隣接する境界１５７が、直線６８，６９の間に存在する。

６つの範囲１５６のうち母材４１の側面４６に接する第１の表面１４３ａに最も近い範囲１５６は、２つの直線６８，６９の間に一部が位置する。これはチップ４４が、母材４１の側面４６の近傍に開放された状態で配置されていることを表す。火花ギャップＧに生じた火炎の伝播が接地電極１４０に妨げられ難くなるので、着火性を向上できる。

溶融部１４１の第２の界面１４３は、第１の点１４４から直線７０に下した垂線１５８の長さをＹ１とし、第２の界面１４３のうち直線７２と第２の界面１４３との交点１５９と、第２の点１４５と、の間にある部分から直線７０に下した垂線のうち最も長い垂線（本実施形態では重心４８と交点１５９とを結ぶ線分）の長さをＹ２としたときに、Ｙ１≧Ｙ２である。側面４６（図９左側）に近い部分の溶融部１４１は、熱応力の緩和効果が、側面４６（図９左側）から遠い部分の溶融部１４１よりも大きくなるので、溶融部１４１のうち側面（図９左側）に近い部分の破損を低減できる。

境界１５７は放電面４５に交わる方向に延びているので、境界１５７の付近にクラックが発生すると、放電面４５に交わる方向にクラックが進展し易くなる。放電面４５に交わる方向にクラックが進展して溶融部１４１が分割されると、溶融部１４１が分割されない場合に比べ、溶融部１４１の線膨張量が小さくなり熱応力が小さくなる。また、境界１５７の付近に発生したクラックによって応力が解放されるので、溶融部１４１の界面１４２，１４３に沿ってクラックが進展し難くなる。従って母材４１からのチップ４４の脱落を低減できる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

実施形態では母材４１の延伸方向に平行な切断面を用いた接地電極４０，８０，１００の断面、又は、母材４１の延伸方向に直交する切断面を用いた接地電極１２０，１４０の断面について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。切断面が、チップ４４の放電面４５の重心４８を含むものであれば、母材４１の延伸方向に対する切断面の角度は適宜設定できる。

第３実施形態および第４実施形態では、母材４１に設けた溝の中に配置したチップ４４を母材４１に接合する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。第１実施形態、第２実施形態および第５実施形態のように、母材４１に溝を設けることなくチップ４４を母材４１に接合することは当然可能である。また、第１実施形態および第２実施形態を、第３実施形態および第４実施形態のように変更して、母材４１に設けた溝の中に配置したチップ４４を母材４１に接合することは当然可能である。

第４実施形態では、６つの範囲１３６のうち母材４１の側面４６に接する表面１２３ａに最も近い範囲１３６が、２つの直線６８，６９の間の外に位置する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。溶融部１２１の表面１２３ａに接する側面４６の近くにチップ４４が配置されている場合、６つの範囲１３６のうち表面１２３ａに最も近い範囲１３６の少なくとも一部が、２つの直線６８，６９の間に位置することがある。この場合は火花ギャップＧに生じた火炎の伝播が接地電極１２０に妨げられ難くなるので、着火性を向上できる。

第１実施形態から第３実施形態では、母材４１の端面４７よりもチップ４４の先端面がわずかに内側に入り込む場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。母材４１の端面４７よりもチップ４４の先端面をせり出させて、母材４１の端面４７からチップ４４を突出させることは当然可能である。

実施形態では、母材４１の上面４２に配置したチップ４４、又は、上面４２に設けた溝に配置したチップ４４を母材４１に接合する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。中心電極２０と接地電極４０，８０，１００，１２０，１４０との間に火花ギャップＧが設けられるのであれば、母材４１のどの面にチップ４４を固着しても構わない。例えば母材４１の端面４７にチップ４４を固着することは当然可能である。

実施形態では、接地電極４０のチップ４４が直方体（四角柱）の形状をなす場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。チップ４４の形状は、円柱状、四角柱以外の多角柱状など適宜設定できる。チップ４４の形状の変更に伴い、放電面４５の形状も円形、四角形以外の多角形など適宜設定できる。

実施形態では、母材４１の端部が主体金具３０に接続されている場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。主体金具３０に端部が接続される棒状の部材を設け、その部材に中間材（母材）を接合し、母材に溶融部を介してチップを接続することは当然可能である。

実施形態では、接地電極４０，８０，１００，１２０，１４０を第１電極とし、中心電極２０を第２電極とする場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。これと反対に、中心電極を第１電極とし、接地電極を第２電極とすることは当然可能である。

１０ スパークプラグ
２０ 中心電極（第２電極）
４０，８０，１００，１２０，１４０ 接地電極（第１電極）
４１ 母材
４２ 上面（第１面）
４３，８１，１０１，１２１，１４１ 溶融部
４４ チップ
４５ 放電面
４６ 側面（第２面）
４７ 端面（第２面）
４８ 重心
５０，８２，１０２，１２２，１４２ 第１の界面
５１，８３，１０３，１２３，１４３ 第２の界面
５２，８４，１０４，１２４，１４４ 第１の点
５３，８５，１０５，１２５，１４５ 第２の点
５４，８６，１０６，１２６，１４６ 第１の長辺
５５，８７，１０７，１２７，１４７ 第２の長辺
５６，５７，８８，８９，１０８，１０９，１２８，１２９，１４８，１４９ 短辺
５８，９０，１１０，１３０，１５０ 長方形
６３，９５，１１５，１３５，１５５ 領域
６４，９６，１１６，１３６．１５６ 範囲
６５，９７，１１７，１３７，１５７ 境界
６６，６７ 端
６８，６９ 端を通る直線
７０ 放電面を含む直線
７１，９８，１１８，１３８，１５８ 垂線
７２ 重心を通る直線
７３，９９，１１９，１３９，１５９ 交点
７４，９９ａ 垂線

Claims (5)

1. 母材と、前記母材に溶融部を介して接続されたチップと、を備える第１電極と、
   前記チップの放電面に対向する第２電極と、を備えるスパークプラグであって、
   前記放電面の重心を含む前記放電面に垂直な断面において、
   前記放電面の両方の端をそれぞれ通る、前記放電面に垂直な２つの直線によって前記チップと前記溶融部との第１の界面が切り取られる部分にある、前記放電面から最も離れた点を含む前記放電面に平行な第１の長辺、
   前記放電面の両方の端をそれぞれ通る、前記放電面に垂直な２つの直線によって前記溶融部と前記母材との第２の界面が切り取られる部分にある、前記放電面に最も近い点を含む前記放電面に平行な第２の長辺、及び、
   ２つの前記長辺の長さが最大になるように前記溶融部の中に位置する２つの短辺をもつ長方形の、前記短辺に垂直に３等分した真ん中の領域を、前記長辺に垂直に６つの範囲に等分したとき、前記チップに含まれる主成分の元素の含有率が１０％以上異なる範囲が隣接するスパークプラグ。
2. 前記放電面の重心を含む前記放電面に垂直な断面において、
   前記母材は、前記チップが接続される側にある面である第１面と、前記第１面の隣に位置し前記第２の界面が交わる第２面と、を含み、
   前記第２の界面と前記第２面とが交わる点から前記放電面を含む直線に下した垂線のうち最も長い垂線の長さをＹ１とし、長さＹ１の前記垂線と前記第２の界面との交点を第１の点とし、
   前記第２の界面のうち、前記重心を通り前記放電面に垂直な直線と前記第２の界面との交点と、前記第１の点から最も離れた第２の点と、の間にある部分から前記放電面を含む直線に下した垂線のうち最も長い垂線の長さをＹ２としたときに、Ｙ１≧Ｙ２である請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記放電面の重心を含む前記放電面に垂直な断面において、
   前記溶融部のうち前記放電面の両方の端をそれぞれ通る、前記放電面に垂直な２つの直線の間に位置する部分に、前記チップに含まれる主成分の元素の含有率が１０％以上異なる前記範囲が隣接する境界が存在する請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
4. 前記放電面の重心を含む前記放電面に垂直な断面において、
   前記母材は、前記チップが接続される側にある面である第１面と、前記第１面の隣に位置し前記第２の界面が交わる第２面と、を含み、
   前記第２の界面と前記第２面とが交わる点から前記放電面を含む直線に下した垂線のうち最も長い垂線の長さをＹ１とし、長さＹ１の前記垂線と前記第２の界面との交点を第１の点とし、
   前記第２の界面のうち前記第１の点から最も離れた点を第２の点とし、
   前記溶融部のうち前記第２の点を含む部分であって、前記第２の点に近い方の前記放電面の端を通る、前記放電面に垂直な直線で区画された部分に、前記チップに含まれる主成分の元素の含有率が１０％以上異なる前記範囲が隣接する境界が存在する請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
5. 前記放電面は四角形である請求項１又は２に記載のスパークプラグ。

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