JP4614207B2

JP4614207B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP4614207B2
Application number: JP2005223545A
Authority: JP
Inventors: 彰鈴木; 友聡加藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2025-08-02
Also published as: JP2006128076A

Description

本発明は、中心電極の先端部及び接地電極の先端部のそれぞれに貴金属チップが溶接されて火花放電間隙を形成したスパークプラグに関するものである。

スパークプラグは自動車等のエンジンに取り付けられ、その運転の際に燃料と空気の混合気に着火を行う点火装置として利用されている。このようなスパークプラグは、外周に機関取り付け用の雄ネジが周設された主体金具の内周に、中心電極を保持した絶縁碍子が固定されており、主体金具の先端部には接地電極が接合され、中心電極と接地電極の互いの先端部が火花放電間隙を形成する構造を備えるものが一般的に存在する。

エンジンの燃焼は、スパークプラグの着火性能が多分に起因し、長期間に亘ってその着火性能を維持すべく、中心電極と接地電極のそれぞれの先端部に耐火花消耗性や耐酸化消耗性に優れるイリジウム（Ｉｒ）合金や白金（Ｐｔ）合金等の貴金属チップが溶接されたものがある。
例えば、特許文献１においては、中心電極及び接地電極のそれぞれの先端部にイリジウム合金製のチップを溶接し、耐消耗性に優れたスパークプラグを実現している。
特開２００２−１８４５５１号公報（図２０、２５、２６）

しかしながら、貴金属チップ自身が耐消耗性に優れるとしても貴金属チップを備えるスパークプラグが必ずしも耐消耗性に優れ、長寿命化を実現するものとはならないことがある。このように長寿命化を実現できないスパークプラグとしては、火花放電が所期の箇所にて行われないために、中心電極や接地電極（以後、母材と称する。）から貴金属チップが脱落してしまうことが考えられる。この貴金属チップの脱落は、貴金属チップを母材と接合している溶融部に火花放電が集中し、この溶融部の異常消耗によって貴金属チップが脱落してしまう、という一つの要因を本発明者らは見いだした。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、貴金属チップと母材を接合する溶融部の異常消耗を回避し、貴金属チップの脱落等の不具合が生じにくいスパークプラグを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の請求項１に係るスパークプラグは、
柱状の中心電極と、前記中心電極の後端側を収納する絶縁体と、前記絶縁体を収納する主体金具と、一端側が前記主体金具の先端部に接合された接地電極と、前記中心電極の軸線方向先端部または前記接地電極の他端側のうちの一方に第１溶融部を介して接合された第１貴金属チップと、前記中心電極の先端部または前記接地電極の他端側のうちの他方に第２溶融部を介して接合され、前記第１貴金属チップとの間に火花放電間隙を形成する第２貴金属チップとを備えるスパークプラグであって、
前記第１溶融部を前記第１貴金属チップの軸線方向と直交する仮想平面上に投影したときの投影面積Ｓ_Ｌは、前記第２溶融部を前記第２貴金属チップの軸線方向と直交する仮想平面上に投影したときの投影面積Ｓ_Ｓよりも大きく、前記第１貴金属チップの前記第１溶融部からの露出長さＬ_Ｌは、前記第２貴金属チップの前記第２溶融部からの露出長さＬ_Ｓよりも大きいことを特徴とする。

また、請求項２に係るスパークプラグは、
前記第１貴金属チップは、前記接地電極の他端側に接合されていることを特徴とする。

また、請求項３に係るスパークプラグは、
前記第１及び第２溶融部はレーザ溶接によって形成されていることを特徴とする。

また、請求項４に係るスパークプラグは、
前記中心電極の先端部は軸線方向先端向きに縮径したテーパを形成していることを特徴とする。

本発明のスパークプラグは、中心電極及び接地電極のそれぞれの先端には貴金属チップが溶接されている。貴金属チップはそれぞれの電極の母材にその母材と貴金属とが溶け合った溶融部を介して固着されているので、母材、溶融部、貴金属チップが剥き出しとなった部分、が隣接する構成となっている。このとき、中心電極側及び接地電極側の各貴金属チップの溶融部をそれぞれの貴金属チップの軸線と垂直な仮想平面上に投影したときの面積（以後、単に投影面積と称する。）が大きくなる（Ｓ_Ｌ）側の貴金属チップの露出した部分の長さ（以後露出長と称する。）Ｌ_Ｌが、投影面積が小さくなる（Ｓ_Ｓ）側の露出長Ｌ_Ｓよりも大きくなる構成である。すなわち、中心電極側と接地電極側とを比較して溶融部の投影面積が大きい方を第１貴金属チップの投影面積Ｓ_Ｌと呼称し、小さい方を第２貴金属チップの投影面積Ｓ_Ｓと呼称している。この構成とすることによって、溶融部への火花放電の発生頻度を抑制することが可能となる。
また請求項２に規定するように、溶融部の投影面積、及び貴金属チップの露出長が共に大きくなる、すなわち第１貴金属チップが接地電極側であることが特に有効であることを規定している。
以下、この理由を説明する。

本発明のスパークプラグは、図１（ａ）に示す如く、中心電極３と接地電極４のそれぞれの先端部に貴金属チップ３３、４３が溶接されている。両電極の母材に溶接された貴金属チップ３３、４３のそれぞれが自身を火花放電電極として互いの間隙に火花放電間隙Ｇを形成している。この貴金属チップ３３、４３はそれぞれの貴金属チップ３３、４３の軸線Ｏに垂直な方向からみると、貴金属チップ３３、４３が露出した部分、貴金属チップ３３、４３と母材とが溶接の際に溶け込みあった溶融部３４、４４、及び母材がこの順に隣接した状態となっている。この露出した部分の貴金属チップ３３、４３のそれぞれの露出長をＬとする。なお、この説明図１においては便宜上、接地電極４側の露出長が長い状態を示し、その露出長をＬ_Ｌと称し、中心電極３側の露出長が短く、その露出長をＬ_Ｓと称している。なお、本図１（ａ）においては、貴金属チップ３３、４３の軸線は同軸となっており、軸線Ｏとして記載している。

また、それぞれの対向した貴金属チップ３３、４３が溶接された側、換言すれば、中心電極３側にあっては先端側から（図１矢視方向Ａ）、接地電極４側にあっては接地電極から突出する形で貴金属チップ４３が溶接され、突出した側から（図１矢視方向Ｂ）みると、この溶融部は略環状をなしている（図１（ｂ））。貴金属チップの軸線方向と直交する仮想平面上に投影したときの投影面積とは、矢視方向Ａ、Ｂからみた状態でのそれぞれの溶融部３４、４４の面積を意味しており、その面積をＳとする。なお、前記露出長Ｌの場合と同様に、接地電極４側の溶融部４４の投影面積が大きい状態を示し、その面積をＳ_Ｌと称し、中心電極３側の投影面積を小さく、その面積をＳ_Ｓと称している。

さて、この前提の基に、拡大図図２（ａ）と図２（ｂ）に示したものとの比較を行う。なお、図２（ａ）を本発明を想定した図面、図２（ｂ）を比較例の図面として記載している。図２（ａ）、（ｂ）に示した中心電極３は共に同一の形状をしたものであり、その溶融部３４の投影面積はＳ_Ｓ、露出長はＬ_Ｓである。図２（ａ）に示した接地電極４は、共に中心電極３側の溶融部３４に比較して接地電極４側の溶融部４４の方がその投影面積が大きく（Ｓ_Ｌ）なっており、露出長も中心電極３側に比較して長く（Ｌ_Ｌ）なっているものである。一方、図２（ｂ）に示した接地電極４´は接地電極母材４１´に中心電極３側と同一形状の溶融部４４´によって貴金属チップ４３´が接合されている。、即ち溶融部４４´の投影面積はＳ_Ｓであり、その露出長はＬ_Ｓとなっている。なお、火花放電間隙Ｇは（ａ）、（ｂ）共に同じ間隔である。

ところで、火花放電は間隙の小さいところ、即ち電界の強くなるところにおいて行われることが一般的には知られている。しかしその一方では、火花放電の全てが上記のように間隙の小さいところで発生するわけではなく、貴金属チップと電極の母材との溶融部に優先的に放電する現象を発明者は経験的に確認している。この現象の原理は定かではないが、溶融部はＮｉを主成分とした母材と貴金属とが互いに溶融して混ざり合っているため、貴金属チップに比較して仕事関数が小さく、この部分には火花放電が起こりやすいと考えられている。

上記の現象を勘案すれば、たとえ同条件下（即ち、各火花放電間隙に印加された電圧、電流、火花放電間隙、及び雰囲気等）にて図２（ａ）と（ｂ）のスパークプラグを火花放電させたとしても、溶融部４４、４４´の端部が対向する電極（中心電極３）に近い構成である（ｂ）の方が（ａ）に比較して溶融部４４´における火花放電の発生頻度は高くなり、その結果として溶融部４４´の消耗は早くなる。この傾向は露出長が短くなればなるほどより顕著なものとなる。これに対して、（ａ）は接地電極４側の露出長が中心電極３側の露出長（Ｌ_Ｓ）と同じ長さ（Ｌ_Ｓ）であった（ｂ）に比較して、溶融部４４の端部が対向する電極（中心電極３）から遠ざかるため、溶融部４４への火花放電の発生頻度を低減することができ、結果として溶融部４４の火花消耗を抑制することが可能となる。したがって、貴金属チップの脱落等の不具合を抑制したスパークプラグが実現できる。
次により望ましい形態である請求項２に係る発明について説明する。

前述の通り、スパークプラグの接地電極では、その貴金属チップの先端部において最も電界が集中し、この耐火花消耗性に優れる部分において火花放電を発生させることによってその寿命の長期化を実現している。ところで、接地電極はその形状のため、エッジ部分（図１（ａ）Ｅ）にも電界が集中する傾向がみられる。したがって、中心電極の先端部から発する火花放電は、その放電間隙の距離が短い接地電極４の貴金属４３チップの先端部に向かって行われる一方、上記エッジ部分Ｅによる電界の集中のため、一部の火花放電はエッジ部分Ｅに向かって行われようとする。しかしながら、中心電極の先端部と接地電極のエッジ部分Ｅとの間で火花放電が連続して行われる程、距離が短くはないため、その放電がエッジ部分で持続すること少ない。さらに前述の通り、貴金属チップ４３よりも仕事関数が小さく火花放電が発生しやすい溶融部４４がエッジ部分Ｅよりも近くに存在するため、溶融部４４にて火花放電が行われてしまうという現象が発生する。

これを回避するために、露出長が長く（Ｌ_Ｌ）投影面積が大きい（Ｓ_Ｌ）溶融部を接地電極側に備えるようにし、対向する電極（中心電極３）から溶融部４４の端部を遠ざけたため、接地電極側にて頻発する溶融部への火花放電を減少できる。したがって、チップ脱落等の諸問題を解決することが可能となり、スパークプラグの長寿命化を実現することが可能となる。このようなスパークプラグは貴金属チップと母材との接合をレーザ溶接で行うとよい。レーザ溶接によって形成された溶融部は略台形形状を形成するため、上記効果をより一層高めることが可能となる。

ところで、この現象は中心電極３側においても同様の考察を行うことが可能である。しかし、接地電極４の母材において電界集中するエッジ部分Ｅは中心電極３においては図１（ａ）に示すエッジ部分Ｅ´に相当し、エッジ部分Ｅ、Ｅ´のそれぞれがなす角を考慮すると、中心電極３側は接地電極４側に比較して電界が集中しにくい。したがって、前述の通り、接地電極４側の溶融部４４の投影面積が大きいときに、接地電極４側の貴金属チップ４３の露出長を大きくするとよい。これはエッジ部分の電界集中を考慮した結果である。逆説的には、両電極のエッジ部分を比較したときに、エッジ部分のなす角の小さい方の投影面積及び露出長を大とするとよく、中心電極の先端部が先細りとなるテーパを形成しているとよい、と言える。

以下、本発明の実施形態について図３〜図５を参照して説明する。
本実施の形態のスパークプラグ１００は、その全体図を図３に示したように、アルミナセラミックからなる絶縁体１と、その脚部１１の先端がエンジンヘッド（図示外）等に取り付けるためのネジ部２１の先端２１ｆから突出するようにして、その周囲を取り囲む筒状の主体金具２とを有する。絶縁体の後端部には外部からの電源が供給される端子電極５が設けられている。

絶縁体１は略筒状の形態であって、その軸線Ｏに沿って軸孔１２が形成されている。中心電極３は自身の先端部３ｆを絶縁体１の先端面１ｆより突出させ、後端部３ｒを絶縁体１の軸孔１２の内部に固定保持されるようにしている。この中心電極３の母材３１は、インコネル６００（登録商標）等のＮｉ系の耐熱合金からなる。さらにこの中心電極母材３１の内部には例えば銅合金のような良熱伝導体３２が埋設されており、先端部３ｆからの熱を効率よく後端部３ｒ側へ伝導し、絶縁体１、主体金具２等を介してエンジンヘッドへ放熱して、中心電極３の先端部３ｆの冷却を促す役目を果たしている。また、中心電極３の先端部３ｆには例えばＰｔ−Ｉｒ合金の貴金属チップ３３が溶接されている。この貴金属チップ３３は中心電極母材３１と当接した部分にレーザや電子ビームが全周から照射され、中心電極母材３１と貴金属チップ３３の溶け合った溶融部３４を形成し固定されている。

主体金具２においては、ネジ部２１の先端面に断面略矩形をした柱状の接地電極４が固着されている。この接地電極４は自身の基端側４ｒが主体金具２の先端面に溶接され、先端側４ｆは中心電極３に向かって略Ｌ字状に屈曲させられている。この接地電極４は接地電極母材４１を有し、例えばインコネル６００等のＮｉ系耐熱合金からなる。中心電極３同様に、接地電極母材４１の内部に銅等の良熱伝導体を埋設した構造であってもよい（図示しない）。この接地電極４の先端側４ｆはその一側面４２が中心電極３の先端部３ｆに溶接された貴金属チップ３３に対向するように屈曲され、その側面４２には中心電極３側の貴金属チップ３３と軸心を同じくするように貴金属チップ４３が溶接されている。この貴金属チップ４３は例えばＰｔ−Ｎｉ合金からなり、中心電極３側同様、貴金属チップ４３と接地電極４の側面４２とが当接した部分にレーザや電子ビーム等が全周から照射され、接地電極母材４１と貴金属チップ４３とが溶け合った溶融部４４を形成して固定されている。
この中心電極３と接地電極４との位置関係は、それぞれに溶接された貴金属チップ３３、４３の互いの対向した間隙を火花放電間隙Ｇとしている。

ここで各電極（中心電極３、接地電極４）に接合された貴金属チップ３３、４３の接合状態について詳述する。
中心電極３側の先端部３ｆを全周から観察し、その一側面の拡大図を図４（ａ）に示す。中心電極３は先端に向かうにしたがって縮径するテーパが形成され、さらにその先端側は溶接の際に形成された溶融部３４がやはり略テーパ状に縮径して形成されている。この溶融部３４によって貴金属チップ３３は中心電極母材３１に接合されている。この図４（ａ）に示すとおり、貴金属チップ３３は溶融部に覆われていない露出部３５を有している。この溶融部３４と露出部３５との界面は溶接跡（例えばレーザ溶接跡）があるため、直線状の界面とはなっていない場合がある。そこで、露出部３５のうち、貴金属チップ３３の先端面３３ｆからチップ軸線方向に沿った最小の距離をＬ_{Ｃ−ｍｉｎ}とする。同様に、先端面３３ｆからの最大の距離をＬ_{Ｃ−ｍａｘ}とする。この最小距離Ｌ_{Ｃ−ｍｉｎ}と最大距離Ｌ_{Ｃ−ｍａｘ}との和を２で割った値が露出部３５の長さ、即ち露出長Ｌ_Ｃに相当する。このようにして露出部３５の露出長Ｌ_Ｃは決定される。

次に、中心電極３側の先端部３ｆを軸線Ｏ方向先端側から観察した図を図４（ｂ）に示す。この図４（ｂ）に示したように、軸線Ｏ方向にみた２次元表示による溶融部３４の面積が本発明の投影面積である。この面積の測定は、例えばデジタルカメラ等で撮影した画像を市販されている画像処理ソフト等を用いて、２値化処理等を行えばその溶融部３４の投影面積Ｓ_Ｃは容易に測定可能である。

接地電極４の貴金属チップ４３については図４（ｃ）、（ｄ）に示す。上記中心電極３側の説明におけるＬ_{Ｃ−ｍｉｎ}、Ｌ_{Ｃ−ｍａｘ}を、接地電極４側の説明図図４（ｃ）においてはＬ_{Ｅ−ｍｉｎ}、Ｌ_{Ｅ−ｍａｘ}と置き換えることにより露出長を、また、中心電極３側の溶融部の投影面積Ｓ_Ｃと同様の手法により接地電極４側の溶融部の投影面積Ｓ_Ｅを考えることが可能であるため説明を省略する。このようにして、接地電極４側の貴金属チップ４３の露出長Ｌ_Ｅ及び溶融部面積Ｓ_Ｅは決定される。

これら貴金属チップ３３、４３は公知の手法により形成すればよい。例えば、原料となる貴金属等の粉末を所期の重量比率で配合し、これを溶解して合金インゴットとする。この溶解方法としては、アーク溶解やプラズマビーム溶解、高周波誘導溶解等を採用することができる。また、合金組成内の偏析を低減させるため、合金溶液を水冷鋳造型に鋳込んで急冷インゴットを形成するとよい。また、貴金属等の粉末を圧粉し焼結してもよい。その後、熱間鍛造、熱間圧延、熱間伸線などの処理により合金インゴットを線状に加工し、切断して形成する。このように製造した貴金属チップを本実施の形態ではφ０．５５ｍｍのものを使用している。なお本発明は、接地電極側の貴金属チップの外径が中心電極側の貴金属チップの外径をΦとしたときに１．３Φ以下の範囲にあるとき、より効果的に接地電極側の溶融部への火花放電が抑制されることを確認している。具体例を例示すると、中心電極側の溶融部の投影面積は貴金属チップの直径をφ０．４〜０．７ｍｍとしたときに０．１２〜０．６５ｍｍ^２とするとよく、且つ接地電極側については貴金属チップの直径をφ０．４〜０．９１ｍｍとしたときに０．４４〜２．８５ｍｍ^２とするとよい。また、このときの露出長については中心電極側を０．４〜０．８ｍｍとしたときに接地電極側を０．５〜１．０ｍｍとするとよい。もっとも、後述する理由により露出長を上記範囲内に収めるとともに接地電極側の露出長を中心電極側の露出長に比較して大きくなるようにする方が好ましい。

このように構成されたスパークプラグは、溶融部と露出部からなる中心電極側と接地電極側との各放電電極を比較して、一方を基準とした場合に、他方の形状をその基準よりも投影面積が大きいときに貴金属チップの露出長を長くしたので、その溶融部への火花放電の発生頻度を低減させることが可能である。また、上記形態では、特に接地電極側の溶融部が中心電極側の溶融部に比較して大きい場合に、接地電極側の貴金属チップの露出長を中心電極側の貴金属チップの露出長に比較して大きくした。これにより、エッジ効果による電界集中のため火花放電が発生しやすい箇所が溶融部となる接地電極に対し、その溶融部を対向する中心電極から遠ざけた構成が備わるようにしたので特に有効である。

なお、図５（ａ）に示すように、接地電極４Ａの形状は先端に向かって先細りとなるテーパ形状であってもよい。また、中心電極側に細くなるテーパ形状であってもよい。特にこのようなテーパを備える場合には、貴金属チップ４３Ａの溶接の際に、エッジ部分までレーザ、ビーム等によって溶融することもあるが（図５（ｂ）参照）、このような場合においてもエッジ効果は発生するため、本発明は有効である。即ち、接地電極側のエッジ効果が発生する箇所（図１（ａ）Ｅ）と中心電極側のエッジ効果が発生する箇所（図１（ａ）Ｅ´）を比較して、そのエッジ効果が大きく発生する方の電極の溶融部が大きいときに、その貴金属チップの露出長を他方に比較して長くすることが本発明の主眼である。簡易的には、エッジ部分のなす角が中心電極側と比較して接地電極側の方が小さければよいが、エッジ部分が例えばＲ面取りや前述の溶融等によってその角の測定が容易でない場合は、中心電極側と接地電極側のエッジ部分に相当する箇所をシミュレータ等により電界強度を比較すればよい。一般的に、電界強度はエッジ部分のなす角が小さい方が大きい傾向が見られるためである。

また、本実施の形態においては、溶融部は略円環状の形状での説明をしているが、溶融部の形状はこれに限定されるものではなく、周囲からレーザが照射された跡が残った、所謂星型のような形状であってもよい。

また、特に接地電極側の貴金属チップの軸線は必ずしもスパークプラグの軸線と一致している必要は無く、軸線をずらした構成としていてもよいが、上記本実施の形態のように、軸線を同軸状に一致させた方がより好ましいことは言うまでもない。

スパークプラグ１００の先端部の拡大図である。スパークプラグ１００の先端部拡大図を示し、本発明の理論説明図である。スパークプラグ１００の部分断面図である。貴金属チップ３３、４３の露出長及び投影面積の測定部位を示す図である。本発明の変形例を示す図である。

符号の説明

１絶縁体
２主体金具
３中心電極
４接地電極
５端子電極
３３（中心電極側）貴金属チップ
３４（中心電極側）溶融部
４３（接地電極側）貴金属チップ
４４（接地電極側）溶融部
１００スパークプラグ

Claims

柱状の中心電極と、
前記中心電極の後端側を収納する絶縁体と、
前記絶縁体を収納する主体金具と、
一端側が前記主体金具の先端部に接合された接地電極と、
前記中心電極の軸線方向先端部または前記接地電極の他端側のうちの一方に第１溶融部を介して接合された第１貴金属チップと、
前記中心電極の先端部または前記接地電極の他端側のうちの他方に第２溶融部を介して接合され、前記第１貴金属チップとの間に火花放電間隙を形成する第２貴金属チップと、
を備えるスパークプラグであって、
前記第１溶融部を前記第１貴金属チップの軸線方向と直交する仮想平面上に投影したときの投影面積Ｓ_Ｌは、前記第２溶融部を前記第２貴金属チップの軸線方向と直交する仮想平面上に投影したときの投影面積Ｓ_Ｓよりも大きく、
前記第１貴金属チップの前記第１溶融部からの露出長さＬ_Ｌは、前記第２貴金属チップの前記第２溶融部からの露出長さＬ_Ｓよりも大きいことを特徴とするスパークプラグ。
前記第１貴金属チップは、前記接地電極の他端側に接合されていることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
前記第１及び第２溶融部はレーザ溶接によって形成された溶融部であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
前記中心電極の先端部は軸線方向先端向きに縮径したテーパを形成していることを特徴とする請求項１乃至３に記載のスパークプラグ。
前記第２貴金属チップの直径をφ０．４〜０．７ｍｍ、その投影面積Ｓ_Ｓを０．１２〜０．６５ｍｍ^２とすると共に前記第１貴金属チップの直径をφ０．４〜０．９１ｍｍ、その投影面積Ｓ_Ｌを０．４４〜２．８５ｍｍ^２とすることを特徴とする請求項２記載のスパークプラグ。