JP4283347B2

JP4283347B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP4283347B2
Application number: JP33806697A
Authority: JP
Inventors: 渉松谷; 弘哲那須
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2017-11-20
Also published as: JPH11154584A; US6121719A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に使用されるスパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車エンジン等の内燃機関が高性能化するに伴い、その着火に使用されるスパークプラグの温度も上昇する傾向にある。スパークプラグの温度が高くなると、火花ギャップを形成する電極の消耗が進みやすくなり、プラグの寿命も短くなる。スパークプラグの電極は、高温耐食性を確保するために例えばインコネル等のＮｉ合金で構成されることが多いが、Ｎｉ合金の熱伝導率は一般にそれほど高くないので、いわゆる熱引きが悪く、高速運転時等においては電極温度が上昇しやすくなる欠点がある。そこで、Ｃｕ系金属などの熱伝導性の良好な材質による良伝熱性芯材を電極中に配置して電極の熱引きを改善し、寿命向上を図るようにしたスパークプラグが実用化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図１３（ａ）に示すように、上述のスパークプラグの電極２００における例えば径方向の熱伝導挙動を考えると、電極２００の外周面Ｐ1を入熱側としてその中心に向かう温度勾配が形成され、これを駆動力として熱伝導が進行する。ここで、上記電極２００の構成では、放熱促進の役割を果たす良伝熱性芯材２０２がその中心部に存在するため、外部からの熱Ｑは、伝熱係数の比較的小さい外被部分２０１を経由した後でなければ良伝熱性芯材２０２内に流れ込むことができない。従って、上記放熱挙動においては外被部分２０１での伝熱が律速となる結果、該外被部分２０１の厚さが大きすぎると、図（ｂ）に示すように芯材２０２内の熱流束が小さくなり、放熱効果は必ずしも十分に達成されなくなる。従って、効果的な放熱を図るためには、外被部分２０１の芯材２０２に対する相対的な厚みを減ずる、逆に言えば、良伝熱性芯材２０２の径方向寸法をかなり大きくする必要がある。
【０００４】
しかしながら、芯材２０２の寸法を大きくし過ぎると、電極温度が上昇した場合に、外被部分２０１と芯材２０２との線膨張係数の差等に基づいて発生する熱応力のレベルが高くなり、層間割れや電極の膨らみといった問題につながる場合がある。例えば、直噴ガソリンエンジンなど、スパークプラグの発火部を燃焼室内部に突き出させるタイプのエンジンでは、電極温度が相当高くなることから上記問題は特に発生しやすい。すなわち、芯材２０２の寸法増大には上記熱応力発生との関係で一定の限界が存在し、熱引き改善効果は必ずしも十分に達成されているとは言い難い側面があった。
【０００５】
本発明の課題は、熱引き改善のために多層構造の電極を採用しつつも、該電極における熱応力の発生を抑制でき、ひいては層間割れや電極の膨らみといった問題を生じにくいスパークプラグを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明のスパークプラグの第一の構成は、中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体と、その絶縁体の外側に設けられた主体金具と、前記中心電極と対向するように配置された接地電極とを備え、上述の課題を解決するために、中心電極と接地電極との少なくともいずれか（以下、中心電極と接地電極とを総称する場合は、単に電極ともいう）が多層構造となっており、その多層構造は、芯体と、その芯体表面の少なくとも一部を覆うとともに自身と接する該芯体の最外層部分よりも熱伝導性の良好な材質からなる良伝熱層とを有し、かつ該良伝熱層の厚さが０．０３〜０．３ｍｍの範囲で調整されていることを特徴とする。
【０００７】
上記スパークプラグは、外被部分の内側に良熱伝熱性芯材を配置した電極を使用する従来のスパークプラグとはいわば全く逆の構成、すなわち芯体の表面を良伝熱層で覆うようにしたことで、電極の放熱（熱引き）が従来の構成と比べて格段に進みやすくなる。すなわち、図３（ａ）に示すように、該スパークプラグの電極（３，４）は、良伝熱層（５０）が芯体（５１）の表面を覆う形になっている、つまり、電極（３，４）の表層部（あるいは表層に近い位置）に良伝熱層（５０）が存在する形になっていることから、外部からの熱Ｑの良伝熱層（５０）への熱伝達効率が改善され、放熱が促進される。これにより、高負荷・高速運転等により電極が高温にさらされた場合も、その消耗が抑制されてスパークプラグの寿命を延ばすことができる。また、良伝熱層の厚さをそれほど大きくしなくとも、十分な放熱効果を達成できるので、良伝熱層と芯体との間の線膨張係数差に由来する熱応力のレベルも低く抑さえることができ、ひいては層間割れや電極の膨らみといった問題も生じにくくすることができる。
【０００８】
良伝熱層は、例えばＣｕ、Ａｇ、Ａｕ及びＮｉのいずれかを主体とするものとして構成することができる。このうち、熱伝導率と価格とのバランスを考慮すればＣｕあるいはＣｕ合金が本発明に特に好適である。また、Ｎｉを主体とする金属を用いる場合は、伝熱係数を他の材料と比較して遜色のないものにするために、なるべくＮｉ含有量の高い材質（例えばＮｉ単体金属に近いもの）を採用するのが好ましい。
【０００９】
また、上記本発明の第一に係るスパークプラグにおいて、良伝熱層の厚さは、０．０３〜０．３ｍｍの範囲で調整される。該良伝熱層の厚さが０．０３ｍｍ未満になると放熱効果が十分に達成されなくなる。一方、良伝熱層の厚さが０．３ｍｍを超えると、後述する芯体と良伝熱層との間の線膨張係数差に基づく熱応力のレベルが高くなり、例えば芯体の線膨張係数が良伝熱層のそれよりも小さい場合（例えば芯体の少なくとも最外層がＮｉ又はＮｉ合金で構成され、良伝熱層がＣｕ又はＣｕ合金で構成される場合）は、電極の膨らみや層間剥離といった不具合を生ずる。また、上記例示した良伝熱層の各材質は、Ｎｉを主体とする金属以外は強度的にそれほど高くないので、一般的なスパークプラグの電極寸法（軸断面積で３〜５ｍｍ²程度）を考慮すれば、良伝熱層の厚さを０．３ｍｍ以上とすることは、電極全体の強度確保の点でも好ましくない。なお、良伝熱層の厚さはより望ましくは、０．１〜０．２５ｍｍの範囲で調整するのがよい。
【００１０】
次に、良伝熱層の外側は、該良伝熱層よりも耐食性の優れた材質からなる外被層で覆うことができる。これにより、良伝熱層の高温腐食あるいは火花放電による消耗を防止することができ、ひいては電極の耐久性をさらに向上させることができる。この場合、外被層の厚さは０．０５〜０．３ｍｍの範囲で調整するのがよい。厚さが０．０５ｍｍ未満になると十分な耐食性付与効果が達成されなくなる。また、厚さが０．３ｍｍを超えると、外被層内の熱伝導が律速となって、良伝熱層への熱伝達が阻害され、十分な放熱効果が達成されなくなる場合がある。外被層の厚さは、より望ましくは０．０５〜０．２ｍｍの範囲で調整するのがよく、さらに望ましくは０．０５〜０．１５ｍｍの範囲で調整するのがよい。
【００１１】
一方、良伝熱層の外側は、該良伝熱層よりも線膨張係数の小さい材質からなる外被層で覆うこともできる。これにより、良伝熱層の過大な膨張を外被層により抑さえ込むことができ、ひいては電極膨らみや良伝熱層と芯体との間の層間剥離といった問題をさらに生じにくくすることができる。この場合、外被層の厚さは、放熱効果を十分なものとする観点から、同様に０．３ｍｍ以下（望ましくは０．２ｍｍ以下、さらに望ましくは０．１５ｍｍ以下）の範囲で調整するのがよい。なお、該線膨張係数を考慮した場合の外被層の厚さの下限値は、電極膨らみ等の不具合防止効果が十分達成できるよう、良伝熱層との間の線膨張係数の差と厚さとに応じて適宜設定するようにする。
【００１２】
上述のような外被層は、例えばＮｉ合金により構成することができる。そして、良伝熱層がＣｕ又はＣｕ合金あるいはＡｇ又はＡｇ合金により構成されている場合は、該外被層は良伝熱層よりも線膨張係数が小さいものとなる。また、良伝熱層がＣｕ又はＣｕ合金で構成されている場合は、該外被層は高温における耐食性にも優れたものとなる。そして、この組み合わせにおいて良伝熱層は、その厚さを０．０３〜０．３ｍｍ（望ましくは０．１〜０．２５ｍｍ）の範囲で調整し、外被層は厚さを０．０５〜０．３ｍｍ（望ましくは０．０５〜０．２ｍｍ、さらに望ましくは０．０５〜０．１５ｍｍ）の範囲で調整するのがよい。良伝熱層の厚さの上限及び下限と外被層の厚さの上限の各臨界的意味については前述の通りである。また、外被層の厚さが０．０５ｍｍ未満になると良伝熱層の膨張抑制効果が必ずしも十分でなくなり、前述の電極膨らみや層間剥離といった問題を生ずる場合もありうる。
【００１３】
なお、本発明のスパークプラグの第二の構成は、中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体と、その絶縁体の外側に設けられた主体金具と、中心電極と対向するように配置された接地電極とを備え、
中心電極と接地電極との少なくともいずれかが多層構造となっており、その多層構造は、芯体と、その芯体表面の少なくとも一部を覆うとともに自身と接する該芯体の最外層部分よりも熱伝導性の良好な材質からなる良伝熱層とを有し、
かつ良伝熱層の外側が、該良伝熱層よりも耐食性の優れた材質からなる外被層で覆われるており、その外被層の厚さが０．０５〜０．２ｍｍの範囲で調整されていることを特徴とする。
【００１４】
次に、芯体は、電極の要部を構成するものであり、電極に所期の強度を付与できるように材質選定を行なうことが望ましい。この場合、芯体を単一層構造としてもよいが、良伝熱層との間で発生する熱応力が問題となる場合には、芯体全体の線膨張係数の値を調整して良伝熱層との間の線膨張係数差を縮小するために、隣接する層同士の間の線膨張係数が互いに異なるように配置された複数層からなるものとして芯体を構成することができる。
【００１５】
この場合、芯体は、上記複数層のうち、その最外層を除く残余の層の少なくとも一層を、当該最外層よりも熱伝導性の高い材料で構成された内部良伝熱層とすることができる。具体的には、芯体の最外層をＮｉ又はＮｉ合金により構成し、内部良伝熱層をＣｕ又はＣｕ合金あるいはＡｇ又はＡｇ合金により構成することができる。これにより、内部良伝熱層による放熱効果も加わって、電極ひいてはスパークプラグの寿命を一層向上させることができる。
【００１６】
また、接地電極及び中心電極のうち、多層構造となるもの（以下、多層電極という）の軸断面積をＳ1、内部良伝熱層の軸断面積をＳ2として、多層電極の先端側には、Ｓ2／Ｓ1が０．１３未満となる領域（以下、これを内部良伝熱層不足領域という）を所定長さで形成するとともに、その内部良伝熱層不足領域の長さをＬ、その内部良伝熱層不足領域の存在部分における多層電極の軸断面寸法（ただし、該軸断面寸法は、円形状断面の場合はその直径とし、円形以外の断面の場合は、これと同面積の円の直径に換算した寸法とする）をＤとしたときに、Ｌ／Ｄが０．５５以上となるように設定することができる。
【００１７】
本発明者らの検討によれば、多層電極の軸断面積をＳ1、内部良伝熱層の軸断面積をＳ2とした場合、Ｓ2／Ｓ1が０．１３未満になると、放熱促進に対する寄与はあまり期待できなくなる。例えば、多層電極の先端側において、内部良伝熱層がその軸方向中間で途切れた形態となる場合、電極先端部には、軸断面内に内部良伝熱層の断面が現われないか、あるいは現われても上記Ｓ2／Ｓ1が０．１３未満となる内部良伝熱層不足領域が所定長さで形成されることとなる。また、内部良伝熱層が電極先端側で縮径している場合は、その軸方向の全長のうちＳ2／Ｓ1が０．１３以上となる部分が、放熱促進上の有効部を形成すると考えることができる。そして、内部良伝熱層が強度的にやや低いＣｕ系金属等で形成される場合、Ｌ／Ｄが０．５５以上となるように内部良伝熱層不足領域を形成することが、多層電極の強度確保の観点において望ましい。
【００１８】
しかしながら、内部良伝熱層不足領域をこのように長くすることは、電極の表層部近傍に良伝熱層を有さない従来のスパークプラグにおいては、最も放熱を促進したい電極の火花放電ギャップ近傍部分の熱引きが悪くなるため、電極の寿命が低下しやすく必ずしも望ましいことではなかった。しかしながら、本発明のスパークプラグにおいては、前記良伝熱層からの放熱により内部良伝熱層不足領域の熱引きを十分に促進することができ、電極ないし発火部の寿命を向上させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１に示す本発明の一例たるスパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部２１が突出するようにその主体金具１の内側に嵌め込まれた絶縁体２、先端に形成された発火部３１を突出させた状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３、及び主体金具１に一端が溶接等により結合されるとともに他端側が側方に曲げ返されて、その側面が中心電極３の先端部と対向するように配置された接地電極４等を備えている。また、接地電極４には上記発火部３１に対向する発火部３２が形成されており、それら発火部３１と、対向する発火部３２との間の隙間が火花放電ギャップｇとされている。
【００２０】
絶縁体２は、例えばアルミナあるいは窒化アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、その内部には自身の軸方向に沿って中心電極３を嵌め込むための孔部６を有している。また、主体金具１は、低炭素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパークプラグ１００のハウジングを構成するとともに、その外周面には、プラグ１００を図示しないエンジンブロックに取り付けるためのねじ部７が形成されている。
【００２１】
次に、図２に示すように中心電極３及び接地電極４の本体部３ａ及び４ａは、いずれも芯体５１と、その芯体５１の表面を覆うとともに、自身と接する該芯体５１の最外層部分５２よりも熱伝導性の良好な材質からなる良伝熱層５０と、その良伝熱層５０のさらに外側を覆う外被層５４とを有する多層構造となっている。良伝熱層５０は、例えばＣｕ又はＣｕ合金で構成され、その厚さは０．０３〜０．３ｍｍ（望ましくは０．１〜０．２５ｍｍ）の範囲で調整される。また、外被層５４はインコネルあるいはハステロイ等のＮｉ合金で構成され、その厚さは０．０５〜０．３ｍｍ（望ましくは０．０５〜０．２ｍｍ、さらに望ましくは０．０５〜０．１５ｍｍ）の範囲で調整される。
【００２２】
一方、芯体５１は、その軸断面における最外層部分５２がインコネルあるいはハステロイ等のＮｉ合金で構成され、その内側にはＣｕ又はＣｕ合金で構成された内部良伝熱層５３が芯状に形成されている。ここで、中心電極３及び接地電極４の各芯体５１の先端側においては、内部良伝熱層５３がその軸方向中間で途切れている。
【００２３】
次に、中心電極３の本体部３ａは先端側が縮径されるとともにその先端面が平坦に構成され、ここにＩｒ合金（代表的な組成は後述する）あるいはＰｔ合金（例えばＰｔ−２０重量％Ｎｉ合金）からなる円板状の貴金属チップを重ね合わせ、さらにその接合面外縁部に沿ってレーザー溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接等により溶接部Ｗを形成してこれを固着することにより発火部３１が形成される。また、対向する発火部３２は、発火部３１に対応する位置において接地電極４に貴金属チップを位置合わせし、その接合面外縁部に沿って同様に溶接部Ｗを形成してこれを固着することにより形成される。
【００２４】
図４は、電極３，４の本体部３ａ及び４ａの製造方法の一例を示すものである。すなわち、図４（ａ）に示すように、空隙１５２ａを有する第一Ｎｉ系成形体１５２を、Ｎｉ又はＮｉ合金素材を用いて切削あるいは深絞り等の組成加工により作り、また、切削等により別途作製したＣｕ系成形体１５３を空隙１５２ａに嵌め入れて図４（ｂ）の芯体用組立体１５１を作製する。そして、同図（ｃ）に示すように、電解メッキ等の化学メッキ法、あるいは真空蒸着ないしスパッタリング等の気相成膜法等により、その芯体用組立体１５１の外側を覆うＣｕメッキ層１５０を形成する。
【００２５】
次いで、図４（ｄ）に示すように、そのＣｕメッキ層１５０を形成後の組立体１５１を、第二Ｎｉ系成形体１５４（第一Ｎｉ系成形体１５２と同様に別途形成される）の空隙１５４ａ内に嵌め入れて、図４（ｅ）に示す電極加工用組立体１６０を得る。そして、この電極加工用組立体１６０に対し、回転鍛造（スエージング）等の塑性加工を施して軸方向にこれを延伸することにより、本体部３ａないし４ａを得る。このとき、Ｃｕ系成形体１５３と第一Ｎｉ系成形体１５２とからなる芯体用組立体１５１は、内部良伝熱層５３と最外層部分５２とからなる芯体５１となる一方、Ｃｕメッキ層１５０は良伝熱層５０となり、第二Ｎｉ系成形体１５４は外被層５４となる。
【００２６】
なお、芯体用組立体１５１の外側をＣｕメッキ層１５０で覆う代わりに、図５（ａ）に示すように、ＣｕないしＣｕ合金の板素材（あるいはＣｕメッシュなどの網状素材でもよい）２５０’の深絞り加工により孔部２５０ａを有するＣｕ系成形体２５０を作り、同図（ｂ）に示すように、その孔部２５０ａに芯体用組立体１５１を嵌め入れてもよい、この場合、このＣｕ系成形体２５０が良伝熱層５０となる。
【００２７】
以下、スパークプラグ１００の作用について説明する。すなわち、図１に示すスパークプラグ１００は、そのねじ部７においてエンジンブロックに取り付けられ、燃焼室に供給される混合気への着火源として使用される。
【００２８】
例えばエンジンを高負荷・高速運転した場合、スパークプラグ１００の火花ギャップｇの近傍は高温となり、電極３及び４の発火部３１，３２は消耗の生じやすい苛酷な環境にさらされることとなる。しかしながら、図３（ａ）に示すように、電極３ないし４は、良伝熱層５０が芯体５１の表面を覆う形になっているので、外部からの熱Ｑの良伝熱層５０への熱伝達が進みやすく放熱が促進される。これにより、発火部３１，３２の消耗が抑制されてスパークプラグ１００の寿命を延ばすことができる。また、良伝熱層５０は厚さをそれほど大きくしなくとも、十分な放熱効果を達成できるので、良伝熱層５０と芯体５１との間の線膨張係数差に伴う熱応力のレベルも低く抑さえることができ、ひいては層間割れや電極の膨らみといった問題も生じにくくなる。
【００２９】
また、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成された良伝熱層５０の外側は、それよりも耐食性に優れ、また線膨張係数の小さいＮｉ合金からなる外被層５４で覆われている。これにより、良伝熱層５０の高温腐食による消耗が防止できる。また、良伝熱層５０の過大な膨張を外被層５４により抑さえ込むことができるので、電極膨らみや良伝熱層５０と芯体５１との間の層間剥離といった問題がさらに生じにくくなっている。
【００３０】
なお、中心電極３及び接地電極４の各内部良伝熱層５３は、先端側を縮径させることができる。すなわち、電極３，４は先端に近いほど熱も受けやすいので、線膨張係数の大きいＣｕ等で構成される内部良伝熱層５３の先端をこのように縮径しておくことで、電極３，４の膨れや前述の層間剥離といった問題を生じにくくすることができる。また、電極３，４を、図４に示すような電極加工組立体１６０の回転鍛造（あるいはダイスによる引抜加工）等により製造する場合は、中心部分において材料に先進が生じやすいことから、内部良伝熱層５３の先端部に縮径部が必然的に形成されることもある。
【００３１】
一方、内部良伝熱層５３に上述のような縮径部を形成する場合、放熱の観点から見れば、その軸断面積が小さくなるほど放熱促進効果は薄れることになる。本発明者らの検討によれば、図２に示すように、電極３（あるいは４）の軸断面積をＳ1、内部良伝熱層５３の軸断面積をＳ2とした場合、Ｓ2／Ｓ1が０．１３未満になると放熱促進に対する寄与はあまり期待できなくなる。従って、内部良伝熱層５３は、その軸方向の全長のうちＳ2／Ｓ1が０．１３以上となる部分が、放熱促進上の有効部を形成すると考えることができる。例えば、中心電極３及び接地電極４の先端側において、内部良伝熱層５３がその軸方向中間で途切れた形態となる場合、電極３（あるいは４）の先端部には、軸断面内に内部良伝熱層５３の断面が現われないか、あるいは現われても上記Ｓ2／Ｓ1が０．１３未満となる領域（以下、これを内部良伝熱層不足領域という）５５が所定長さで形成されることとなる。
【００３２】
ここで、上記内部良伝熱層不足領域５５の長さをＬ、該領域５５の存在部分における電極の軸断面寸法（ただし、円形状断面の場合はその直径とし、円形以外の断面の場合は、これと同面積の円の直径に換算した寸法とする）をＤとしたときに、中心電極３及び接地電極４ともに、Ｌ／Ｄは０．５５以上となるように設定するのがよい。例えば、内部良伝熱層５３は、上記Ｌ／Ｄの値が０．５５未満となる位置まで、さらに先端側まで引き出して形成する（すなわち内部良伝熱層不足領域５５の長さＬを減じる）ことも可能である。しかしながら、ＣｕないしＣｕ合金で構成された内部良伝熱層５３は、最外層部分５２の構成材質であるＮｉないしＮｉ合金と比較すると強度的にやや劣るため、電極３，４の強度確保の観点においては、前述のようにＬ／Ｄの値が０．５５以上となるように内部良伝熱層不足領域５５を形成することがより望ましいといえる。
【００３３】
そして、伝熱性においてＣｕ系材料より劣るＮｉ系の内部良伝熱層不足領域５５を長くすることは、従来のスパークプラグにおいては、最も放熱を促進したい電極の火花放電ギャップ近傍部分の熱引きが悪くなるため、電極（あるいはその一部をなす発火部）の寿命が低下しやすく、必ずしも望ましいことではなかった。しかしながら、本発明のスパークプラグにおいては、電極３，４の表層部近傍に形成された良伝熱層５０からの放熱により、内部良伝熱層不足領域５５の熱引きを十分に促進することができ、電極ないし発火部の寿命を向上させることができる。
【００３４】
なお、図１に示すように、スパークプラグ１００は、中心電極３の外周面の全部又は先端部を除く残余の部分が絶縁体２で覆われた構造となっている。この場合、中心電極３の先端が熱を受けて膨張すると、絶縁体２が押し広げられて大きな熱応力を受け、耐久性等に問題を生じることもありうる。従って、中心電極３の先端部分は、接地電極４と比べて熱膨張をさらに起こしにくい構造としておくことが有効である。例えば、内部良伝熱層５３を線膨張係数の大きいＣｕ系材料で構成する場合、その断面径が大きいほど熱膨張も大きくなるので、中心電極３においては前述の内部良伝熱層不足領域５５の長さＬを、接地電極４のそれよりも多少大きくしておくことが望ましく、例えば前述のＬ／Ｄの値は０．６５以上の値に設定することが望ましいといえる。
【００３５】
以下、本発明のスパークプラグの各種変形例について説明する。
まず、貴金属チップの固着により形成される発火部３１及び対向する発火部３２は、少なくとも一方を省略する構成としてもよい。例えば、図６（ａ）及び（ｂ）は、発火部３１及び対向する発火部３２の双方を省略した構成を示している。この場合、火花放電ギャップｇは、中心電極３の先端面と接地電極４の側面との間に直接形成されることとなる。なお、中心電極３の先端面と接地電極４の側面との火花放電ギャップｇの形成部分においては電極の消耗が進行することから、図６（ｃ）に示すようにこの部分の良伝熱層５０を省略するようにしてもよい。同様に、図９においては、接地電極４（複数設けられている）の先端側を側方に曲げ返し、その先端面を中心電極３の側面に対向させて火花放電ギャップｇを形成した例を示す。この場合、接地電極４の先端面に対応する位置には良伝熱層５０が形成されていない。
【００３６】
また、良伝熱層５０は、中心電極３と接地電極４とのいずれか一方にのみ形成し、他方においては良伝熱層５０を形成しない構造としてもよい。
【００３７】
次に、図７（ａ）及び（ｂ）は、良伝熱層５０と内部良伝熱層５３とを、電極３ないし４（図１では本体部３ａないし４ａに相当）の基端部においても最外層部５２を介して互いに分離した構造の例を示しているが、図８に示すように、良伝熱層５０と内部良伝熱層５３とを基端側で一体化した構造としてもよい。
【００３８】
芯体５１は、良伝熱層５０による放熱のみで十分な熱引きが可能となる場合は、上述のような２層構造ではなく、例えばＮｉないしＮｉ合金による１層構造としてもよい。一方、これとは逆に芯体５１を、３層以上の多層構造とすることも可能である。図１０はその一例を示しており、該構成において芯体５１は、Ｎｉ系の最外層部分５２の内側に例えばＣｕ系の中間良伝熱層６１が形成され、その内側に中間Ｎｉ系層６２が形成され、最も内側に内部良伝熱層５３が形成された４層構造となっている
【００３９】
なお、図１の構成において、発火部３１あるいは対向する発火部３２をＩｒ合金で構成する場合、例えば下記のようなＩｒ合金を用いることができる。
（１）Ｉｒを主体としてＲｈを３〜５０重量％（ただし５０重量％は含まない）の範囲で含有する合金を使用する。該合金の使用により、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による発火部の消耗が効果的に抑制され、ひいては耐久性に優れたスパークプラグが実現される。
【００４０】
上記合金中のＲｈの含有量が３重量％未満になるとＩｒの酸化・揮発の抑制効果が不十分となり、発火部が消耗しやすくなるためプラグの耐久性が低下する。一方、Ｒｈの含有量が５０重量％以上になると合金の融点が低下し、プラグの耐久性が同様に低下する。以上のことから、Ｒｈの含有量は前述の範囲で調整するのがよく、望ましくは７〜３０重量％、より望ましくは１５〜２５重量％、最も望ましくは１８〜２２重量％の範囲で調整するのがよい。
【００４１】
（２）Ｉｒを主体としてＰｔを１〜２０重量％の範囲で含有する合金を使用する。該合金の使用により、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による発火部の消耗が効果的に抑制され、ひいては耐久性に優れたスパークプラグが実現される。なお、上記合金中のＰｔの含有量が１重量％未満になるとＩｒの酸化・揮発の抑制効果が不十分となり、発火部が消耗しやすくなるためプラグの耐久性が低下する。一方、Ｐｔの含有量が２０重量％以上になると合金の融点が低下し、プラグの耐久性が同様に低下する。
【００４２】
（３）Ｉｒを主体としてＲｈを０．１〜３０重量％の範囲で含有し、さらにＲｕを０．１〜１７重量％の範囲で含有する合金を使用する。これにより、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による発火部の消耗がさらに効果的に抑制され、ひいてはより耐久性に優れたスパークプラグが実現される。Ｒｈの含有量が０．１重量％未満になるとＩｒの酸化・揮発の抑制効果が不十分となり、発火部が消耗しやすくなるためプラグの耐消耗性が確保できなくなる。一方、Ｒｈの含有量が３０重量％を超えると、合金の融点が低下して耐火花消耗性が損なわれ、プラグの耐久性が同様に確保できなくなる。それ故、Ｒｈの含有量は上記範囲で調整される。
【００４３】
一方、Ｒｕの含有量が０．１重量％未満になると、該元素の添加によるＩｒの酸化・揮発による消耗を抑制する効果が不十分となる。また、Ｒｕの含有量が１７重量％を超えると、発火部が却って火花消耗しやすくなり、プラグの十分な耐久性が確保できなくなる。それ故、Ｒｕの合計含有量は上記範囲で調整され、望ましくは０．１〜１３重量％、さらに望ましくは０．５〜１０重量％の範囲で調整するのがよい。
【００４４】
Ｒｕが合金中に含有されることにより発火部の耐消耗性が改善される原因の一つとして、例えばこの成分の添加により、合金表面に高温で安定かつ緻密な酸化物皮膜が形成され、単体の酸化物では揮発性が非常に高かったＩｒが、該酸化物皮膜中に固定されることが推測される。そして、この酸化物皮膜が一種の不動態皮膜として作用し、Ｉｒ成分の酸化進行を抑制するものと考えられる。また、Ｒｈを添加しない状態では、Ｒｕを添加しても合金の高温での耐酸化揮発性はそれほど改善されないことから、上記酸化物皮膜はＩｒ−Ｒｕ−Ｒｈ系等の複合酸化物であり、これが緻密性ないし合金表面に対する密着性においてＩｒ−Ｒｕ系の酸化物皮膜より優れたものとなっていることも考えられる。
【００４５】
なお、Ｒｕの合計含有量が増え過ぎると、Ｉｒ酸化物の揮発よりはむしろ下記のような機構により火花消耗が進行するようになるものと推測される。すなわち、形成される酸化物皮膜の緻密性あるいは合金表面に対する密着力が低下し、該合計含有量が１７重量％を超えると特にその影響が顕著となる。そして、スパークプラグの火花放電の衝撃が繰返し加わると、形成されている酸化物皮膜が剥がれ落ちやすくなり、それによって新たな金属面が露出して火花消耗が進行しやすくなるものと考えられる。
【００４６】
また、Ｒｕの添加により、さらに次のような重要な効果を達成することができる。すなわち、Ｒｕを合金中に含有させることにより、Ｉｒ−Ｒｈ二元合金を使用する場合と比較して、Ｒｈ含有量を大幅に削減しても耐消耗性を十分に確保でき、ひいては高性能のスパークプラグをより安価に構成できるようになる。この場合、Ｒｈの含有量は０．１〜３重量％、より望ましくは０．１〜１重量％となっているのがよい。
【００４７】
（４）上記（１）〜（３）のいずれの材質においても、チップを構成する材料には、元素周期律表の３Ａ族（いわゆる希土類元素）及び４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）に属する金属元素の酸化物（複合酸化物を含む）を０．１〜１５重量％の範囲内で含有させることができる。これにより、Ｉｒ成分の酸化・揮発による消耗がさらに効果的に抑制される。上記酸化物の含有量が０．１重量％未満になると、当該酸化物添加によるＩｒの酸化・揮発防止効果が十分に得られなくなる。一方、酸化物の含有量が１５重量％を超えると、チップの耐熱衝撃性が低下し、例えばチップを電極に溶接等により固着する際に、ひびわれ等の不具合を生ずることがある。なお、上記酸化物としては、Ｙ₂Ｏ₃が好適に使用されるが、このほかにもＬａＯ₃、ＴｈＯ₂、ＺｒＯ₂等を好ましく使用することができる。
【００４８】
【実施例】
（実施例１）
図１に示すスパークプラグ１００として、直径０．７mm、厚さ０．５mmの円板状のチップを用い、発火部３１をＩｒ−５重量％Ｐｔの組成を有するＩｒ合金により、また対向する発火部３２をＰｔ−２０重量％Ｎｉ合金により作製した（火花放電ギャップｇの幅１．１mm）。接地電極４は、１．５ｍｍ×２．８ｍｍの長方形状の軸断面を有し、その芯体５１の最外層部分５２をＮｉ合金（インコネル６００）により、また内部良伝熱層５３をＣｕ単体金属により構成した。また、良伝熱層５０の厚さｔは０〜０．５ｍｍ（ただし、０ｍｍは良伝熱層なしの比較例）の範囲で、外被層５４の厚さＡは０．０５〜０．５ｍｍの範囲でそれぞれ変化させた（図２）。なお、前述のＬの値はおよそ１．５ｍｍであり、Ｌ／Ｄの値は０．６５である。
【００４９】
一方、中心電極３は、先端が図２のように形成された円柱状のものを使用した。すなわち、芯体５１の最外層部分５２をＮｉ合金（インコネル６００）により、また内部良伝熱層５３をＣｕ単体金属により構成した。また、良伝熱層５０の厚さは０．１５ｍｍ、外被層５４の厚さは０．２ｍｍとした。また、内部良伝熱層不足領域５５の外径Ｄは２．５ｍｍ、同じく長さＬは２ｍｍであり、Ｌ／Ｄは０．８である。
【００５０】
そして、上述のような各スパークプラグの性能試験を以下の条件にて行った。すなわち、６気筒ガソリンエンジン（排気量３０００cc）にそれらプラグを取り付け、スロットル全開状態、エンジン回転数５０００ｒｐｍにて１２００時間まで連続運転し（中心電極温度約９００℃）、プラグの火花放電ギャップｇの拡大量と運転時間との関係を測定した。図１１及び図１２にその結果を示す。まず、外被層５４の厚さＡを０．１ｍｍに固定し、良伝熱層５０の厚さｔを変化させた場合は、図１１に示すように、ｔ＞０．０３において火花放電ギャップｇの拡大量が小さく、スパークプラグが長寿命化していることがわかる。良伝熱層５０の厚さが増して、放熱が進みやすくなるためであると考えられる。また、良伝熱層５０の厚さｔを０．１ｍｍに固定し、外被層５４の厚さＡを変化させた場合は、図１２に示すように、Ａ＜０．３ｍｍにおいて火花放電ギャップｇの拡大量が小さく、スパークプラグが長寿命化していることがわかる。外被層５４の厚さＡが小さいほうが、良伝熱層５０による放熱が進みやすくなるためであると考えられる。なお、火花放電ギャップｇの拡大量は、Ａ＜０．２ｍｍにおいてさらに小さくなっていることがわかる。
【００５１】
次に、各スパークプラグの冷熱耐久試験を次のようにして行なった。すなわち、上記スパークプラグを同様のガソリンエンジンに取り付け、スロットル全開状態、エンジン回転数５０００ｒｐｍにて１分運転し、次いで１分アイドリングさせるサイクルを１００時間繰返した後、スパークプラグの中心電極３ないし接地電極４の外観を目視にて観察した。以上の結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】

【００５３】
すなわち、外被層５４の厚さＡが０．０５ｍｍ未満になるか、あるいは良伝熱層５０の厚さｔが０．３ｍｍを超えると、熱応力に起因すると思われる電極の膨らみが発生していることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパークプラグの一実施例を示す正面部分断面図。
【図２】その要部を示す拡大断面図。
【図３】その電極構造の作用説明図。
【図４】電極の製造方法の一例を示す工程説明図。
【図５】電極の製造方法の変形例を示す工程説明図。
【図６】貴金属チップによる発火部を有さないスパークプラグの一実施例を示す正面部分断面図及びその要部を示す拡大断面図。
【図７】電極構造の一例を示す断面模式図。
【図８】電極構造の第一の変形例を示す断面模式図。
【図９】貴金属チップによる発火部を有さないスパークプラグの別の実施例を示す正面部分断面図。
【図１０】電極構造の第二の変形例を示す断面模式図。
【図１１】実施例における実験結果を表す第一のグラフ。
【図１２】実施例における実験結果を表す第二のグラフ。
【図１３】従来のスパークプラグの電極の作用説明図。
【符号の説明】
１主体金具
２絶縁体
３中心電極
４接地電極
３１発火部（チップ）
３２対向する発火部（チップ）
ｇ火花放電ギャップ
５０良伝熱層
５１芯体
５２最外層部分
５３内部良伝熱層
５４外被層

Claims

中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体と、その絶縁体の外側に設けられた主体金具と、前記中心電極と対向するように配置された接地電極とを備え、
前記中心電極と前記接地電極との少なくとも前記接地電極が多層構造となっており、前記接地電極の多層構造は、芯体と、その芯体表面の少なくとも一部を覆うとともに自身と接する該芯体の最外層部分よりも熱伝導性の良好な材質からなる良伝熱層とを有し、かつ該良伝熱層の厚さが０．０３〜０．３ｍｍの範囲で調整されており、
前記芯体は、隣接する層同士の線膨張係数が互いに異なるものとなる複数層からなり、該複数層のうち、その最外層を除く残余の層の少なくとも一層が、当該最外層よりも熱伝導率の高い材料で構成された内部良伝熱層とされており、
前記接地電極の軸断面積をＳ１、前記内部良伝熱層の軸断面積をＳ２として、前記接地電極の先端側には、Ｓ２／Ｓ１が０．１３未満となる領域（以下、これを内部良伝熱層不足領域という）が所定長さで形成されており、
その内部良伝熱層不足領域の長さをＬ、その内部良伝熱層不足領域の存在部分における前記接地電極の軸断面寸法（ただし、該軸断面寸法は、円形状断面の場合はその直径とし、円形以外の断面の場合は、これと同面積の円の直径に換算した寸法とする）をＤとしたときに、Ｌ／Ｄが０．５５以上となるように設定され、更に、
前記接地電極表面であって前記内部良伝熱層不足領域に、前記中心電極と対向するように貴金属チップが固着されていることを特徴とするスパークプラグ。
前記良伝熱層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ及びＮｉのいずれかを主体とするものである請求項１記載のスパークプラグ。
前記良伝熱層の外側が、該良伝熱層よりも耐食性の優れた材質からなる外被層で覆われている請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
前記外披層は、前記良伝熱層よりも線膨張係数の小さい材質で構成されている請求項３に記載のスパークプラグ。
前記外被層はＮｉ合金により構成されている請求項３又は４に記載のスパークプラグ。
前記外被層の厚さが０．０５〜０．３ｍｍの範囲で調整されている請求項３ないし５のいずれかに記載のスパークプラグ。
中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体と、その絶縁体の外側に設けられた主体金具と、前記中心電極と対向するように配置された接地電極とを備え、
前記中心電極と前記接地電極との少なくとも前記接地電極が多層構造となっており、前記接地電極の多層構造は、芯体と、その芯体表面の少なくとも一部を覆うとともに自身と接する該芯体の最外層部分よりも熱伝導性の良好な材質からなる良伝熱層とを有し、
かつ前記良伝熱層の外側が、該良伝熱層よりも耐食性の優れた材質からなる外被層で覆われるており、その外被層の厚さが０．０５〜０．２ｍｍの範囲で調整されており、
前記芯体は、隣接する層同士の線膨張係数が互いに異なるものとなる複数層からなり、該複数層のうち、その最外層を除く残余の層の少なくとも一層が、当該最外層よりも熱伝導率の高い材料で構成された内部良伝熱層とされており、
前記接地電極の軸断面積をＳ１、前記内部良伝熱層の軸断面積をＳ２として、前記接地電極の先端側には、Ｓ２／Ｓ１が０．１３未満となる簡域（以下、これを内部良伝熱層不足領域という）が所定長さで形成されており、
その内部良伝熱層不足領域の長さをＬ、その内部良伝熱層不足領域の存在部分における前記接地電極の軸断面寸法（ただし、該軸断面寸法は、円形状断面の場合はその直径とし、円形以外の断面の場合は、これと同面積の円の直径に換算した寸法とする）をＤとしたときに、Ｌ／Ｄが０．５５以上となるように設定され、更に、
前記接地電極表面であって前記内部良伝熱層不足領域に、前記中心電極と対向するように貴金属チップが固着されていることを特徴とするスパークプラグ。