JP4375119B2

JP4375119B2 - スパークプラグ

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Publication number: JP4375119B2
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Inventors: 啓二金生
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Filing date: 2004-05-25
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Description

本発明は、内燃機関用のスパークプラグに関する。

一般に、スパークプラグは、エンジンに取り付けるための取付用ネジ部が外周に設けられた取付金具と、一端部が取付金具の一端部から突出するように取付金具内に固定された絶縁碍子と、一端部が絶縁碍子の一端部から突出するように絶縁碍子の軸孔内に固定された中心電極と、一端部が取付金具に固定されて中間部に屈曲部を有し他端部が中心電極の一端部との間に火花放電ギャップを介して対向する接地電極（４０）とを備えて構成されている。

ここで、従来より、接地電極としては、その表面積と体積の関係で耐熱性などを確保したものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００２−３４３５３３号公報

ところで、近年のエンジンは、環境対応のため低燃費・高出力化が進められている。そこで、燃料を希薄化しても着火しやすくするために、スパークプラグにおける火花放電部の混合気流速を速めることがなされている。

着火性の向上は、火花放電後に形成される火炎核が成長できるかどうかで決まる。しかしながら、混合気の流速が速いと、火炎核が接地電極のほうへ流され、接地電極に接触する。火炎核が接地電極に接触すると、火炎核は熱エネルギーを奪われる、いわゆる消炎作用が発生する。そして、この消炎作用により着火性が悪化する問題が生じている。

そのため、接地電極を細化することが有効であるが、接地電極の熱容量が小さくなるため、接地電極の耐熱性が悪くなる。そこで、本発明者は、この接地電極の細化に伴う耐熱性の低下に対しては、接地電極の組成を規定することなどにより対応している。

具体的には、本発明者の検討によれば、接地電極を、ＮｉとＦｅとのどちらか一方を主成分としてＣｒおよびＡｌのうち少なくとも１種が添加されたものとすればよいことがわかった。

これは、エンジン使用時の高温環境において、比較的標準生成自由エネルギーの小さい添加元素は、比較的標準生成自由エネルギーの大きい主成分元素よりも酸化しやすいため、接地電極における表面に向かって移動し、酸化物を形成する、という性質を持つことを利用したものである。

すなわち、主成分元素であるＮｉまたはＦｅよりも標準生成自由エネルギーの小さな元素ＣｒまたはＡｌを添加すると、接地電極の表面には、添加元素による表面酸化被膜が安定して形成される。それによって、接地電極の表面においては、上記表面酸化被膜が安定して形成されるため、接地電極の内部への酸化が進行せず、接地電極の耐熱耐酸化性を確保することができる。

しかしながら、接地電極を細化すると折れやすくなるという問題も一方ではある。この接地電極の耐折損性に関しては、いまだ考慮されていない。そのため、振動の大きなエンジン運転条件では、接地電極が折損してしまう問題が発生する。

本発明は上記問題に鑑み、高い混合気流速でも高着火性を確保できるように細化された接地電極を有するスパークプラグにおいて、接地電極における耐熱性・耐折損性を満足できるようにすることを目的とする。

本発明者の検討によれば、細化された接地電極でも耐折損性を確保するには、強度がある一定値以上あることはもちろんであるが、結晶粒の状態が大きく影響することがわかった。

一般に、接地電極においては、高温で再結晶するなど結晶粒径が大きくなると強度が低下するため、結晶粒径を大きくすることは、耐折損性の面では不利であると考えられていた。

しかしながら、検討を進めるうち、接地電極を耐熱性に優れたもの、すなわちＮｉとＦｅとのどちらか一方を主成分としてＣｒおよびＡｌのうち少なくとも１種が添加されたものとした場合において、高温状態では、結晶粒径が小さいほうが折損しやすいという結果を得た。

この折損が発生する条件は、エンジン振動・燃焼圧力が大きな場合であり、接地電極のうち最も大きな外力が加わる屈曲部にて発生することがわかった。そして、このような条件において、屈曲部における折損部位を詳細に調査すると、粒界から折損していることがわかった。

一般に、高温ではなく、常温のような温度レベルでは、粒内強度よりも粒界強度のほうが強く、粒径が小さいほど、粒界が多く存在するので、結晶粒径が小さいほど、高強度となり折損には有利である。

しかし、屈曲部のエンジン使用中における温度は、比較的高い温度状態となっている。そのような温度では、粒界強度よりも粒内強度のほうが強く、粒径が大きいほど、折損には有利であるという結論に達した。

つまり、高温状態では、屈曲部における結晶組織が大きければ、折損しにくいことを見出した。本発明は、以上のような検討結果から得られた知見に基づいて、さらに解析および実験検討を進めた結果、見出されたものである。

すなわち、請求項１に記載の発明では、エンジンに取り付けるための取付用ネジ部（１１）が外周に設けられた取付金具（１０）と、一端部（２０ａ）が取付金具（１０）の一端部（１０ａ）から突出するように取付金具（１０）内に固定された絶縁碍子（２０）と、一端部（３０ａ）が絶縁碍子（２０）の一端部（２０ａ）から突出するように絶縁碍子（２０）の軸孔（２１）内に固定された中心電極（３０）と、一端部（４１）が取付金具（１０）に固定されて中間部に屈曲部（４２）を有し他端部（４３）が中心電極（３０）の一端部（３０ａ）との間に火花放電ギャップ（５０）を介して対向する接地電極（４０）とを備えるスパークプラグにおいて、次のような点を特徴とするものである。

すなわち、接地電極（４０）は、ＮｉとＦｅとのどちらか一方を主成分としてＣｒおよびＡｌのうち少なくとも１種が添加されたものであり、断面積Ｓが２ｍｍ^２以上３ｍｍ^２以下であり、厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが５０μｍ以下であり、接地電極（４０）を９００℃以上で加熱処理したとき、接地電極（４０）は、少なくとも屈曲部（４２）における厚さ方向の結晶が再結晶し、当該結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上となる構成となっていることを特徴としている。

それによれば、接地電極（４０）を、ＮｉとＦｅとのどちらか一方を主成分としてＣｒおよびＡｌのうち少なくとも１種が添加されたものとしているため、接地電極の耐熱性を確保することができる。

また、接地電極（４０）の断面積Ｓを２ｍｍ²以上３ｍｍ²以下とすることにより、高い混合気流速でも消炎作用による冷却損失の影響を少なくして高着火性を確保するとともに、接地電極（４０）の急激な温度上昇を防止することができる。

また、本発明のスパークプラグによれば、接地電極（４０）において、厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが５０μｍ以下と小さいものの、接地電極（４０）を９００℃以上で加熱処理したとき、前記接地電極（４０）は、少なくとも屈曲部（４２）における厚さ方向の結晶が再結晶し、当該結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上となる構成となっている。つまり、本発明によれば、エンジンでの使用において接地電極の折損が発生しやすい最も厳しい熱負荷条件となったときに、屈曲部（４２）の温度が上昇し、再結晶により、耐折損性を確保するのに必要な結晶粒径になる。そのため、本スパークプラグによれば、耐折損性を確保することができる。

このように、本発明によれば、高い混合気流速でも高着火性を確保できるように細化された接地電極（４０）を有するスパークプラグにおいて、接地電極（４０）における耐熱性・耐折損性を満足することができる。

ここで、請求項２に記載の発明では、請求項１のスパークプラグにおいて、取付金具（１０）の一端部（１０ａ）から屈曲部（４２）までの高さＨが４ｍｍ以上６．５ｍｍ以下であることを特徴としている。

上記高さＨを、このような範囲に規定したのは、本発明者の行った解析結果によるものであり、このように高さＨを規定することにより、接地電極（４０）の温度上昇を実用レベルの範囲にとどめるとともに、スパークプラグの使用中に屈曲部（４２）の温度を、厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上となるような温度まで上昇させることができる。

つまり、本発明によれば、上記高さＨを規定することで、初期の結晶粒径は小さくても、エンジンでの使用中に屈曲部（４２）の温度が上昇し、再結晶により、耐折損性を確保するのに必要な結晶粒径になる。そのため、本スパークプラグによれば、耐折損性を確保することができる。

よって、本発明によれば、高い混合気流速でも高着火性を確保できるように細化された接地電極（４０）を有するスパークプラグにおいて、接地電極（４０）における耐熱性・耐折損性を満足することができる。

ここで、請求項３に記載の発明のように、請求項１、請求項２に記載のスパークプラグにおいては、接地電極（４０）は、Ａｌが０．５重量％以上２重量％未満であってＣｒが１８重量％以上２５重量％以下含有されたものにできる。

また、請求項４に記載の発明のように、請求項１、請求項２に記載のスパークプラグにおいては、接地電極（４０）は、Ａｌが２重量％以上５重量％未満であってＣｒが１０重量％以上１８重量％以下含有されたものにできる。

また、請求項５に記載の発明では、請求項１〜請求項４に記載のスパークプラグにおいて、接地電極（４０）は、希土類元素が添加されたものであることを特徴としている。このように、接地電極（４０）にランタノイドなどの希土類元素を添加することにより、耐熱性を向上させることができる。

また、請求項６に記載の発明では、請求項１〜請求項５に記載のスパークプラグにおいて、屈曲部（４２）における曲げ角度θが１００°以下であることを特徴としている。

本発明は、本発明者の行った解析結果によるものである。上記曲げ角度θが大きいと、火炎核が接地電極（４０）へ接触して消炎作用を引き起こし、着火性を悪化させやすくなるが、この曲げ角度θを１００°以下とすることにより、着火性を適切に確保することができ、好ましい。

また、請求項７に記載の発明では、請求項１〜請求項６に記載のスパークプラグにおいて、取付用ネジ部（１１）が、Ｍ１０以下であることを特徴としている。

取付用ネジ部（１１）をＭ１０以下としたスパークプラグでは、接地電極（４０）も細化されたものとなるため、上記した各手段を適用すれば、適切な効果が得られる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るスパークプラグＳ１の全体構成を示す半断面図である。また、図２（ａ）は、本スパークプラグＳ１における発火部近傍の拡大構成を示す側面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

［スパークプラグの構成等］
このスパークプラグＳ１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。

スパークプラグＳ１は、導電性の鉄鋼材料（例えば低炭素鋼等）等よりなる円筒形状の取付金具１０を有しており、この取付金具１０の外周面には、図示しないエンジンブロックに固定するための取付用ネジ部１１が設けられている。本実施形態では、この取付用ネジ部１１は、ＪＩＳ（日本工業規格）でいうＭ１０以下のものである。

取付金具１０の内部には、アルミナセラミック（Ａｌ₂Ｏ₃）等からなる絶縁碍子２０が収納されて固定されており、この絶縁碍子２０の一端部２０ａは、取付金具１０の一端部１０ａから突出している。

絶縁体２０の軸孔２１には中心電極３０が固定されており、それによって、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、たとえば、内材がＣｕ等の熱伝導性に優れた金属材料により構成され、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からなる。

そして、図１に示されるように、中心電極３０は、その一端部３０ａが絶縁碍子２０の一端部２０ａから突出するように設けられている。こうして、中心電極３０は、その一端部３０ａが取付金具１０の一端部１０ａから突出した状態で取付金具１０内に絶縁保持されている。

また、接地電極４０は、ＮｉとＦｅとのどちらか一方を主成分としてＣｒおよびＡｌのうち少なくとも１種が添加されたものからなる柱形状をなすものである。

本実施形態では、接地電極の耐熱性を確保すべく、接地電極４０を、ＮｉとＦｅとのどちらか一方を主成分としてＣｒおよびＡｌのうち少なくとも１種が添加されたものとしている。

これは、上述したように、エンジン使用時の高温環境において、比較的標準生成自由エネルギーの小さい添加元素は、比較的標準生成自由エネルギーの大きい主成分元素よりも酸化しやすいため、接地電極４０における表面に向かって移動し、酸化物を形成する、という性質を持つことを利用したものである。

すなわち、主成分元素であるＮｉまたはＦｅよりも標準生成自由エネルギーの小さな元素ＣｒまたはＡｌを添加すると、接地電極４０の表面には、添加元素による表面酸化被膜が安定して形成される。それによって、接地電極４０の表面においては、上記表面酸化被膜が安定して形成されるため、接地電極４０の内部への酸化が進行せず、接地電極４０の耐熱耐酸化性を確保することができる。

具体的には、接地電極４０は、Ａｌが０．５重量％以上２重量％未満であってＣｒが１８重量％以上２５重量％以下含有されたものにできる。あるいは、接地電極４０は、Ａｌが２重量％以上５重量％未満であってＣｒが１０重量％以上１８重量％以下含有されたものにできる。

また、本例の接地電極４０は、一端部４１が取付金具１０の一端部１０ａに溶接等により固定されており、中間部に略Ｌ字に曲げられた屈曲部４２を有しており、他端部４３が中心電極３０の一端部３０ａと火花放電ギャップ５０を介して対向している。

本例では、中心電極３０の一端部３０ａには、レーザ溶接や抵抗溶接等によって火花放電部材としての貴金属チップ３５が接合されている。たとえば、貴金属チップ３５はＰｔ合金やＩｒ合金からなる円柱状のものである。そして、火花放電ギャップ５０は、この貴金属チップ３５の先端部と接地電極４０の他端部４３における火花放電ギャップ５０側の面との間の空隙である。

ここで、図２に加えて図３も参照して、接地電極４０の寸法構成等について、さらに述べる。図３は、接地電極４０の各寸法Ｌ、Ｈ等を説明するための図である。

本実施形態では、図２（ｂ）に示される接地電極４０の断面４０ａの面積Ｓすなわち断面積Ｓは、２ｍｍ²以上３ｍｍ²以下である。図２（ｂ）に示される例では、接地電極４０は断面四角形の四角柱形状をなしている。限定するものではないが、一例として、接地電極４０の厚さｄは１．１５ｍｍ、幅ｗは２．２ｍｍとすることができる。

また、接地電極４０における取付金具１０の一端部１０ａすなわち先端面１０ａから屈曲部４２までの高さＨ、および、屈曲部４２から他端部４３の先端面までの長さＬの定義は、図３に示される通りである。

図３に示されるように、円Ａ１は、接地電極４０における他端部４３の先端面と、火花放電ギャップ５０側の面と、火花放電ギャップ５０と反対側の面との３面と接する仮想円であり、円Ａ２は、円Ａ１と、接地電極４０における火花放電ギャップ５０側の面と、火花放電ギャップ５０と反対側の面との３面と接する仮想円である。そして、円Ａ１、円Ａ２についてそれぞれの中心を通る仮想線をＬ１とする。

一方、図３に示されるように、円Ｂ１は、接地電極４０における取付金具１０との界面と、火花放電ギャップ５０側の面と、火花放電ギャップ５０と反対側の面との３面と接する仮想円であり、円Ｂ２は、円Ｂ１と、接地電極４０における火花放電ギャップ５０側の面と、火花放電ギャップ５０と反対側の面との３面と接する仮想円である。そして、円Ｂ１、Ｂ２についてそれぞれの中心を通る仮想線をＬ２とする。

ここで、各仮想線Ｌ１とＬ２との交点をＰとしており、また、各仮想線Ｌ１とＬ２とのなす角度を、屈曲部４２の曲げ角度θとする。この曲げ角度θは、１００°以下であることが好ましい。

また、接地電極４０における取付金具１０の先端面１０ａから屈曲部４２までの高さＨは、取付金具１０の先端面１０ａから交点Ｐまでの距離とする。また、接地電極４０における屈曲部４２から他端部４３の先端面までの長さＬは、交点Ｐから他端部４３の先端面までの距離とする。ここで、上記長さＬは３ｍｍ〜５ｍｍ程度である。

また、図４は、本実施形態の接地電極４０における屈曲部４２の近傍部の概略断面図である。接地電極４０の断面を顕微鏡観察すると、電極を構成する金属による結晶組織が観察される。

本実施形態では、接地電極４０において、少なくとも屈曲部４２における厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上となっている。具体的には、図４において、たとえばＢ−Ｂ線の方向に沿って配列する複数個の結晶粒が観察されるが、この複数個の結晶粒の粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上となっている。ここで、Ｂ−Ｂ線は、交点Ｐから曲げ角度θを二等分する線とする。

この平均粒径Ｄの求め方は、たとえば、次の通りである。まず、接地電極４０を長軸方向に沿って切断し、図４に示される断面を形成する。

そして、粒界を識別化するため、シュウ酸などのエッチング液で当該断面を処理し、この処理された断面においてＢ−Ｂ線の方向に沿って配列する複数個の結晶粒の個々の粒径を、顕微鏡観察によって求め、当該複数個の結晶粒径の平均値Ｄを算出する。

接地電極４０において、少なくとも屈曲部４２における厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄを１００μｍ以上とすることは、たとえば接地電極４０を熱処理して再結晶化を行うことにより、実現できる。熱処理温度が高いほど、厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄを大きくできる傾向にある。

また、図１に示されるように、本実施形態のスパークプラグＳ１においては、絶縁碍子２０は取付金具１０の内部に挿入されており、絶縁碍子２０と取付金具１０とは、取付金具１０の他端部１０ｂに形成されたかしめ部１２においてかしめ固定されている。

また、このかしめ部１２においては、取付金具１０と絶縁碍子２０との間にシール部材６０、６１が介在されており、それによって当該間がシールされている。ここでは、シール部材は、２つの金属リング６０と、これら金属リング６０の間に設けられたタルク６１とから構成されている。

また、図１に示されるように、絶縁碍子２０における取付金具１０内に位置する部分のうち、周方向の最大径を有する部位が、胴部２２として形成されている。つまり、胴部２２は、取付金具１０内に位置する絶縁碍子２０のうち最大直径を有する部位として構成されている。

そして、この胴部２２の段差を利用することにより、上記のかしめ固定やシール部材６０、６１の配設がなされている。

それとともに、絶縁碍子２０における取付金具１０内に位置する部分のうち、絶縁碍子２０の一端部２０ａ側にて胴部２２に隣接する部位が、胴部２２よりも径の小さい中段部２３として形成されている。そのため、絶縁碍子２０における胴部２２と中段部２３との間には段差が存在している。

このように絶縁碍子２０には、取付金具１０とのかしめ固定を行うため、およびシール部材を配設するため等の目的で、胴部２２が形成されており、また、絶縁碍子２０の一端部２０ａ側すなわち火花放電部側では、より径の細い中段部２３を形成することで細径化が図られている。

また、図１に示されるように、絶縁碍子２０の軸孔２１内においては、中心電極３０の他端部３０ｂ側は、導電性ガラスシール材７０を介して抵抗体７５が電気的に接続されている。

さらに、図１に示されるように、この抵抗体７５よりも絶縁碍子２０の他端部２０ｂ側における軸孔２１内では、導電性ガラスシール材７０を介して抵抗体７５と端子電極（ステム）８０の一端部８０ａとが電気的に接続されている。

そして、端子電極８０の他端部８０ｂは、絶縁碍子２０の他端部２０ｂから突出して露出している。この端子電極８０の他端部８０ｂには、図示しない点火コイルが装着されるようになっている。

［寸法関係設定の根拠等］
本実施形態において、接地電極４０の断面積Ｓが２ｍｍ²以上３ｍｍ²以下であること、および、接地電極４０において少なくとも屈曲部４２における厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上となっているものとしたことの根拠について述べる。この寸法関係は、次に述べるような、本発明者らが行った解析や実験検討の結果を根拠とするものである。

まず、混合気流速と着火性との関係をシミュレーションにより求めた。図５は、スパークプラグにおける混合気の流速Ｖと火炎核Ｋとの関係を模式的に示す図である。混合気の流速Ｖが早いと火炎核Ｋが接地電極４０に接触し、消炎作用により着火性に影響を及ぼすことが考えられる。

そこで、混合気の流速Ｖと接地電極４０の断面積Ｓ（図２（ｂ）参照）と着火性との関係を解析した。ここで、接地電極４０の断面積Ｓは、接地電極４０の他端部４３の先端面から屈曲部４２に向かう距離ＬＡ（図２（ａ）参照）が２ｍｍの部位における断面積とする。

着火性が最悪条件となる混合気の流速Ｖ、すなわち火炎核Ｋが接地電極４０側へ流されるような流速Ｖを想定して、接地電極４０から冷却される冷却エネルギーＱを解析することとした。その解析結果が図６、図７に示される。

図６は、混合気の流速Ｖと冷却エネルギーとの関係を示す図であり、図７は、接地電極４０の断面積Ｓと冷却エネルギーとの関係を示す図である。これら図６、図７において、冷却エネルギーは、相対的な比すなわち冷却エネルギー比として表してある。

図６に示されるように、混合気の流速Ｓが大きくなるほど、火炎核Ｋが接地電極４０に接触しやすくなり、冷却エネルギーＱも大きくなることがわかる。つまり、混合気の流速Ｓが大きくなるほど、冷却損失の影響が大きくなり着火性が低下する。

従来のエンジンでは混合気の流速Ｖが５ｍ／ｓ程度であるのに対して、近年の高流速エンジンでは、混合気の流速Ｖは１５ｍ／ｓ程度であり、冷却エネルギーは、従来のエンジンの１．５倍以上に大きくなっている。

また、図７に示されるように、接地電極４０の断面積Ｓが大きくなるほど、冷却エネルギーが大きくなることがわかる。そして、接地電極４０の断面積Ｓが３ｍｍ²よりも小さいと、冷却損失の影響が少なくなり着火性が確保できる。

次に、接地電極４０が細過ぎると、接地電極４０の先端部すなわち上記他端部４３での温度上昇が懸念される。この温度上昇の上限は１１００℃程度である。

これは、１１００℃程度まで上昇すると、正規のタイミングで火花放電ギャップ５０間に着火する前に、接地電極４０の先端部で着火現象が起きる、いわゆるプレイグニッションが発生してしまい、エンジンを損傷する危険性があるためである。

ちなみに、従来の一般的なスパークプラグにおける接地電極４０の断面積Ｓは、４．４ｍｍ²程度であり、この場合、通常、エンジン使用中は最高でも先端温度は１０００℃程度である。なお、このサイズは、上記図２（ｂ）に示される接地電極４０の厚さｄとして１．６ｍｍ、幅ｗとして２．８ｍｍ程度である。

接地電極４０の断面積Ｓと接地電極４０の先端部の温度との関係をＦＥＭ（有限要素法）を用いた温度解析により求めた。その解析結果が図８に示される。図８に示されるように、接地電極４０の断面積Ｓが２ｍｍ²未満になると、急激に接地電極４０の先端部の温度が上昇する。

これら図６〜図８に示される解析結果から、接地電極４０の断面積Ｓが２ｍｍ²以上３ｍｍ²以下であれば、高い混合気流速でも消炎作用による冷却損失の影響を少なくして高着火性を確保するとともに、接地電極４０の急激な温度上昇を防止することができる。このことから、本実施形態では、接地電極４０の断面積Ｓを２ｍｍ²以上３ｍｍ²以下としている。

また、上述したように、高温、たとえば１０００℃を越える温度レベルに対して接地電極４０の耐熱性を確保するには、接地電極４０の材質としてＮｉまたはＦｅを主成分とし、ＣｒやＡｌを添加することが有効である。

そこで、接地電極４０として、断面積Ｓを２．５ｍｍ²としたもの（厚さｄ＝１．１５ｍｍ、幅ｗ＝２．２ｍｍに相当）であって材質をＮｉ−１５ｗｔ％Ｃｒ−２．５ｗｔ％Ａｌとしたものについて、耐折損性の評価を行った。

図９は、耐折損性評価の方法を具体的に示す図である。図９に示されるように、加振器（ここでは、試験機能力が１０Ｇのもの）Ｆを用い、加速評価として、屈曲部４２に大きな作用力が加わるよう、長さＬを長くして評価した。通常、長さＬは３ｍｍ〜５ｍｍであるが、ここでは、長さＬを１００ｍｍとした。また、上記高さＨは６ｍｍとした。

また、接地電極４０の先端部４３から屈曲部４２の部位にかけて、ガスバーナーを用い昇温させることによりエンジンでの温度環境に合わせた。ここでは、当該部位の温度を９００℃とした。

そして、図９に示されるように、接地電極４０の一端部４１を加振器Ｆに固定し、周波数を調整して先端部４３側を共振させ、強制的に折損させる条件とした。ここでは、周波数は６０Ｈｚとした。

そして、接地電極４０の屈曲部４２における厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄを変えて、耐折損性を評価した。ここでは、熱処理条件により結晶粒径を調整し、耐折損性を評価した。

具体的には、上記結晶粒径の平均値Ｄを３０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１６０μｍとしたものについて評価した。結晶粒径の平均値Ｄは初期が３０μｍであり、これを、８５０℃、３０分で熱処理すると７５μｍ、９００℃、３０分で熱処理すると１００μｍ、１０００℃、３０分で熱処理すると１６０μｍとなる。

この耐折損性の評価結果は、次の表１に示される。この表１は、接地電極４０の屈曲部４２における厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄと折損の有無との関係を示すもので、折損有無の項目において「×」は折損が発生したことを示し、「○」は折損しなかったことを示すものである。

この表１に示されるように、接地電極４０の屈曲部４２における厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上であれば、折損が発生しなくなることがわかった。

このことから、本実施形態では、接地電極４０を９００℃以上で熱処理することにより、接地電極４０において少なくとも屈曲部４２における厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄを、１００μｍ以上としている。

なお、本実施形態では、接地電極４０のうち比較的折損しやすい屈曲部４２における厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上であればよいが、接地電極４０全体において上記結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上であってもよい。もちろん、屈曲部４２のみにおいて上記結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上であってもよい。

［効果等］
ところで、本実施形態のスパークプラグは、エンジンに取り付けるための取付用ネジ部１１が外周に設けられた取付金具１０と、一端部２０ａが取付金具１０の一端部１０ａから突出するように取付金具１０内に固定された絶縁碍子２０と、一端部３０ａが絶縁碍子２０の一端部２０ａから突出するように絶縁碍子２０の軸孔２１内に固定された中心電極３０と、一端部４１が取付金具１０に固定されて中間部に屈曲部４２を有し他端部４３が中心電極３０の一端部３０ａとの間に火花放電ギャップ５０を介して対向する接地電極４０とを備えるスパークプラグＳ１において、次のような点を特徴とするものである。

すなわち、接地電極４０は、ＮｉとＦｅとのどちらか一方を主成分としてＣｒおよびＡｌのうち少なくとも１種が添加されたものであり、断面積Ｓが２ｍｍ²以上３ｍｍ²以下であり、少なくとも屈曲部４２における厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上であることを特徴としている。

それによれば、接地電極４０を、ＮｉとＦｅとのどちらか一方を主成分としてＣｒおよびＡｌのうち少なくとも１種が添加されたものとしているため、接地電極４０の耐熱性を確保することができる。また、接地電極４０の強度も適切に確保できる。

また、接地電極４０の断面積Ｓを２ｍｍ²以上３ｍｍ²以下とすることにより、高い混合気流速でも消炎作用による冷却損失の影響を少なくして高着火性を確保するとともに、接地電極４０の急激な温度上昇を防止することができる。

そして、接地電極４０のうち少なくとも屈曲部４２における厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄを１００μｍ以上とすることにより、エンジンでの使用時において温度や振動が厳しい条件においても、接地電極４０が折損するのを防止できる。

このように、本実施形態によれば、高い混合気流速でも高着火性を確保できるように細化された接地電極４０を有するスパークプラグＳ１において、接地電極４０における耐熱性・耐折損性を満足することができる。

また、上述したが、本実施形態では、接地電極４０の材質は、具体的には、Ａｌが０．５重量％以上２重量％未満であってＣｒが１８重量％以上２５重量％以下含有されたもの、あるいは、Ａｌが２重量％以上５重量％未満であってＣｒが１０重量％以上１８重量％以下含有されたものにできる。

上述したように、Ｃｒ、Ａｌの両方を添加すれば耐熱性確保に有効であるが、過度の添加は、ギャップ成形性など、接地電極４０の加工性を悪化させてしまう。特に、Ａｌの量は加工性に大きく影響を与える。そこで、接地電極４０の耐熱性と加工性とを考慮すると、接地電極４０は、上記したような組成とすることが好ましい。

さらに、本実施形態において、接地電極４０は、ＳｃやＹおよびランタノイドなどの希土類元素が添加されたものとしてもよい。接地電極４０にランタノイドなどの希土類元素を微量（たとえば０．５重量％程度）添加することにより、接地電極４０の耐熱性を向上させることができる。

また、上述したが、本実施形態では、接地電極４０の屈曲部４２における曲げ角度θ（図３参照）が１００°以下であることが好ましいとしている。

このことは、次の述べるような本発明者の行った解析結果によるものである。上記曲げ角度θが大きいと、火炎核Ｋが接地電極４０へ接触して消炎作用を引き起こし、着火性を悪化させやすくなる。

接地電極４０の断面積Ｓを２．５ｍｍ²（厚さｄ＝１．１５ｍｍ、幅ｗ＝２．２ｍｍの接地電極に相当）とし、混合気の流速Ｖを１５ｍ／ｓとした場合について上記解析を実施した。その解析結果が図１０に示される。

図１０は、上記曲げ角度θと冷却エネルギーとの関係を示す図であり、この図１０において、冷却エネルギーは、相対的な比すなわち冷却エネルギー比として表してある。

図１０に示されるように、曲げ角度θが１００°を超えると、冷却エネルギーＱが急激に大きくなる。そこで、曲げ角度θは１００°以下がよい。このように、曲げ角度θを１００°以下とすることにより、着火性を適切に確保することができ、好ましい。

なお、曲げ角度θをあまり小さくなるように接地電極４０のギャップ成形を行うと、過変形により屈曲部４２に亀裂が発生するため、曲げ角度θは８０°以上であることが好ましい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について、上記第１実施形態に使用した図を参照して、主として上記実施形態との相違点について述べることとする。

本実施形態のスパークプラグは、エンジンに取り付けるための取付用ネジ部１１が外周に設けられた取付金具１０と、一端部２０ａが取付金具１０の一端部１０ａから突出するように取付金具１０内に固定された絶縁碍子２０と、一端部３０ａが絶縁碍子２０の一端部２０ａから突出するように絶縁碍子２０の軸孔２１内に固定された中心電極３０と、一端部４１が取付金具１０に固定されて中間部に屈曲部４２を有し他端部４３が中心電極３０の一端部３０ａとの間に火花放電ギャップ５０を介して対向する接地電極４０とを備えるスパークプラグにおいて、次のような点を特徴とするものである。

すなわち、本実施形態では、接地電極４０は、ＮｉとＦｅとのどちらか一方を主成分としてＣｒおよびＡｌのうち少なくとも１種が添加されたものであり、断面積Ｓが２ｍｍ²以上３ｍｍ²以下であり、厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが５０μｍ以下であり、取付金具１０の一端部１０ａから屈曲部４２までの高さＨが４ｍｍ以上６．５ｍｍ以下であることを特徴としている。

それによれば、接地電極４０を、ＮｉとＦｅとのどちらか一方を主成分としてＣｒおよびＡｌのうち少なくとも１種が添加されたものとしていること、および、接地電極４０の断面積Ｓを２ｍｍ²以上３ｍｍ²以下としていること、これら２点による作用効果は、上記実施形態と同様である。

また、本実施形態のスパークプラグによれば、接地電極４０において、厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが５０μｍ以下と小さいものの、取付金具１０の一端部１０ａから屈曲部４２までの高さＨを４ｍｍ以上６．５ｍｍ以下としている。

上記高さＨを、このような範囲に規定したのは、本発明者の行った解析結果によるものである。

接地電極４０において、初期の厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが小さくても、エンジン使用中に屈曲部４２の温度が上昇し、再結晶により必要な値、すなわち当該結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上になればよい。これは、接地電極４０の折損が発生するのは高回転・高出力条件であり、接地電極４０の温度が最も上がる条件だからである。

そこで、ＦＥＭ解析により上記高さＨをパラメータとして、次に述べるような解析を行った。

上述したように、プレイグニッションの発生を防止するために、接地電極４０の先端部４３の温度すなわち先端温度は１１００℃以下が必要である。ここで、接地電極４０においては、上記長さＬが長いほど、また、上記断面積Ｓが小さいほど、熱引き性が小さく先端温度が上昇しやすくなる。

そこで、本実施形態のスパークプラグとして、最も接地電極の先端温度が上昇しやすい条件、すなわち、上記長さＬを５ｍｍ、上記断面積Ｓを２ｍｍ²とした場合に対して、解析を実施した。その解析結果が図１１に示される。

図１１は、上記高さＨと接地電極の先端温度との関係を示す図である。この図１１に示されるように、高さＨが大きくなるにつれて、接地電極の先端温度が高くなっていくことがわかる。そして、接地電極の先端温度を１１００℃以下とするには、上記高さＨは６．５ｍｍ以下であることが必要である。

一方、上述したように、接地電極４０の屈曲部４２において再結晶を発生させ、屈曲部４２における厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄを１００μｍ以上とするには、屈曲部４２の温度すなわち屈曲部温度が９００℃以上になればよい。ここで、接地電極４０においては、上記長さＬが短いほど、また、上記断面積Ｓが大きいほど、熱引き性が大きく屈曲部温度が下がりやすくなる。

そこで、本実施形態のスパークプラグとして、最も接地電極の先端温度が上昇しにくい条件、すなわち、上記長さＬを３ｍｍ、上記断面積Ｓを３ｍｍ²とした場合に対して、解析を実施した。その解析結果が図１２に示される。

図１２は、上記高さＨと接地電極の屈曲部温度との関係を示す図である。この図１２に示されるように、高さＨが小さくなるにつれて、接地電極の屈曲部温度が低くなっていくことがわかる。そして、接地電極の屈曲部温度を９００℃以上とするには、上記高さＨは４ｍｍ以上であることが必要である。

これら図１１および図１２に示される結果から、本実施形態では、取付金具１０の一端部１０ａから屈曲部４２までの高さＨを４ｍｍ以上６．５ｍｍ以下としている。

このように高さＨを規定することにより、接地電極４０の温度上昇を実用レベルの範囲にとどめるとともに、スパークプラグの使用中に屈曲部４２の温度を、厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上となるような温度まで上昇させることができる。

つまり、本実施形態によれば、上記高さＨを規定することで、初期の結晶粒径は小さくても、エンジンでの使用中に屈曲部４２の温度が上昇し、再結晶により、耐折損性を確保するのに必要な結晶粒径になる。そのため、本スパークプラグによれば、耐折損性を確保することができる。

よって、本実施形態によれば、高い混合気流速でも高着火性を確保できるように細化された接地電極４０を有するスパークプラグにおいて、接地電極４０における耐熱性・耐折損性を満足することができる。

なお、本実施形態では、接地電極４０において初期の結晶粒径が５０μｍ以下と小さい。接地電極４０における屈曲部４２から取付金具１０に至る部位の温度が比較的低いため、当該部位においては強度の面から結晶粒径は小さい方が望ましい。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について、上記第１実施形態に使用した図を参照して、主として上記実施形態との相違点について述べることとする。

・接地電極４０は、ＮｉとＦｅとのどちらか一方を主成分としてＣｒおよびＡｌのうち少なくとも１種が添加されたものであり、断面積Ｓが２ｍｍ²以上３ｍｍ²以下であり、厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが５０μｍ以下であること。

・本スパークプラグをエンジンとして２０００ｃｃのものに取り付け５６００ｒｐｍの回転数でスロットル全開の条件で１０時間以上使用されたとき、接地電極４０は、少なくとも屈曲部４２における厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上となる構成となっていること。

また、本実施形態のスパークプラグによれば、接地電極４０において、厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが５０μｍ以下と小さいものの、本スパークプラグをエンジンとして２０００ｃｃのものに取り付け５６００ｒｐｍの回転数でスロットル全開の条件で１０時間以上使用したとき、接地電極４０のうち少なくとも屈曲部４２における厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上となる構成となっている。

なお、このような構成は、たとえば上記第２実施形態に示されるような高さＨを規定した構成により、好適に実現できる。また、本実施形態における使用条件は、出荷後においてスパークプラグを使用する際に実現されるものでもよい。また、出荷前に当該使用条件にてエンジンで使用した後に本スパークプラグを出荷してもよい。

つまり、本実施形態によれば、実用上エンジンでの使用において接地電極の折損が発生しやすい最も厳しい熱負荷条件となったときに、屈曲部４２の温度が上昇し、再結晶により、耐折損性を確保するのに必要な結晶粒径になる。そのため、本スパークプラグによれば、耐折損性を確保することができる。

（他の実施形態）
なお、本発明のスパークプラグにおいては、接地電極４０としては、熱引き性向上のためにＣｕからなる芯材が埋設されているものであってもよい。

また、上記各実施形態は、高い混合気流速でも高着火性を確保できるように細化された接地電極４０を有するスパークプラグに関するものであるが、上記実施形態のスパークプラグは、取付用ネジ部１１がＭ１０以下である細径化したものであり、細化された接地電極を有するのに適した構成となっている。

なお、本発明のスパークプラグでは、取付用ネジ部１１は、Ｍ１０よりも大きいものであってもよいことはもちろんである。

本発明の第１実施形態に係るスパークプラグの全体構成を示す半断面図である。（ａ）は、図１に示されるスパークプラグにおける発火部近傍の拡大構成を示す側面図であり、（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。接地電極の各寸法Ｌ、Ｈ等を説明するための図である。上記第１実施形態の接地電極における屈曲部の近傍部の概略断面図である。スパークプラグにおける混合気の流速Ｖと火炎核Ｋとの関係を模式的に示す図である。混合気の流速Ｖと冷却エネルギーとの関係を示す図である。接地電極の断面積Ｓと冷却エネルギーとの関係を示す図である。接地電極の断面積Ｓと接地電極の先端温度との関係を示す図である。耐折損性評価の方法を具体的に示す図である。屈曲部の曲げ角度θと冷却エネルギーとの関係を示す図である。高さＨと接地電極の先端温度との関係を示す図である。高さＨと接地電極の屈曲部温度との関係を示す図である。

符号の説明

１０…取付金具、１０ａ…取付金具の一端部、１１…取付用ネジ部、
２０…絶縁碍子、２０ａ…絶縁碍子の一端部、３０…中心電極、
３０ａ…中心電極の一端部、４０…接地電極、４１…接地電極の一端部、
４２…接地電極の屈曲部、４３…接地電極の他端部、５０…火花放電ギャップ。

Claims

エンジンに取り付けるための取付用ネジ部（１１）が外周に設けられた取付金具（１０）と、
一端部（２０ａ）が前記取付金具（１０）の一端部（１０ａ）から突出するように前記取付金具（１０）内に固定された絶縁碍子（２０）と、
一端部（３０ａ）が前記絶縁碍子（２０）の一端部（２０ａ）から突出するように前記絶縁碍子（２０）の軸孔（２１）内に固定された中心電極（３０）と、
一端部（４１）が前記取付金具（１０）に固定されて中間部に屈曲部（４２）を有し他端部（４３）が前記中心電極（３０）の一端部（３０ａ）との間に火花放電ギャップ（５０）を介して対向する接地電極（４０）とを備えるスパークプラグにおいて、
前記接地電極（４０）は、ＮｉとＦｅとのどちらか一方を主成分としてＣｒおよびＡｌのうち少なくとも１種が添加されたものであり、断面積Ｓが２ｍｍ^２以上３ｍｍ^２以下であり、厚さ方向の結晶粒径の平均値Ｄが５０μｍ以下であり、
前記接地電極（４０）を９００℃以上で加熱処理したとき、前記接地電極（４０）は、少なくとも前記屈曲部（４２）における厚さ方向の結晶が再結晶し、当該結晶粒径の平均値Ｄが１００μｍ以上となる構成となっていることを特徴とするスパークプラグ。
前記取付金具（１０）の一端部（１０ａ）から前記屈曲部（４２）までの高さＨが４ｍｍ以上６．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
前記接地電極（４０）は、Ａｌが０．５重量％以上２重量％未満であってＣｒが１８重量％以上２５重量％以下含有されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載のスパークプラグ。
前記接地電極（４０）は、Ａｌが２重量％以上５重量％未満であってＣｒが１０重量％以上１８重量％以下含有されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載のスパークプラグ。
前記接地電極（４０）は、希土類元素が添加されたものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のスパークプラグ。
前記屈曲部（４２）における曲げ角度θが１００°以下であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のスパークプラグ。
前記取付用ネジ部（１１）は、Ｍ１０以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のスパークプラグ。