JP4804524B2 - 内燃機関用スパークプラグ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に使用されるスパークプラグ及びその製造方法に関する。

自動車エンジン等の内燃機関用のスパークプラグは、例えば軸線方向に延びる中心電極と、その外側に設けられた絶縁体と、当該絶縁体の外側に設けられた筒状の主体金具と、基端部が前記主体金具の先端面に接合された接地電極とを備える。接地電極は、断面略矩形状をなし、その先端部内側面が前記中心電極の先端部と対向するように配置され、これにより中心電極の先端部及び接地電極の先端部間に火花放電間隙が形成される。

また、近年では、中心電極の先端部、及び、接地電極の先端部に、それぞれ貴金属合金よりなるチップ（貴金属チップ）を接合することで、耐火花消耗性の向上を図ることも考えられている。また特に、角柱形状をなす貴金属チップを、接地電極の前記軸線側の先端面から軸線に向けて突出するよう溶接することで、着火性や火花伝播性の向上を図ることが考えられている（例えば、特許文献１，２等参照）。
特開昭６１−４５５８３号公報 特開２００２−３２４６５０号公報

しかしながら、上記のように、貴金属チップが接地電極の先端面から軸線に向けて突出していると、貴金属チップの先端部分は、接地電極の母材から離間する位置に存在することとなるため、熱引きが悪く、より高温になりやすい。特に、昨今のエンジンでは、燃焼温度がより高くなる傾向にあり、接地電極の先端部分はより高温下に晒されることとなる。

この場合、貴金属チップ及び接地電極は熱膨張及び収縮を繰り返すのであるが、両者の熱膨張・収縮の程度差に起因して、接地電極の先端面から見たときの貴金属チップと接地電極と境界部分においては、応力差が生じ、歪みが生じやすい。従って、前記境界部分から酸素が侵入しやすく、酸化スケールが形成されてしまいやすい。そのため、溶接部位において酸化スケールが形成されてしまうことに起因する耐酸化性、耐剥離性の低下が懸念される。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、着火性、火炎伝播性の向上を図ることができるとともに、酸化スケールが形成されてしまうことに起因する耐剥離性等の低下を防止することの可能な内燃機関用スパークプラグ及びその製造方法を提供することにある。

以下、上記課題等を解決するのに適した各構成を項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果を付記する。

構成１．本構成のスパークプラグは、
軸線方向に延びる棒状の中心電極と、
前記中心電極の外周に設けられた略円筒状の絶縁体と、
前記絶縁体の外周に設けられた略筒状の主体金具と、
基端が前記主体金具の先端面に接合され、先端が前記中心電極に向けて曲げられて配置された接地電極とを備え、
前記接地電極の先端部には、前記中心電極の先端部に、間隙を介して貴金属チップが溶接により接合されている内燃機関用スパークプラグであって、
前記貴金属チップは、
前記接地電極に対し、自身の一部が埋め込まれるようにして接合されているとともに、
前記接地電極の先端面から突出しており、
前記先端面からの突出長をＡ（ｍｍ）としたとき、Ａ≧０．２５ｍｍを満たし、かつ、
前記貴金属チップと前記接地電極の先端面との幅方向に延びる境界には、少なくとも前記貴金属チップの中心部分を覆うようにして、前記接地電極と同一の金属素材を含んでなる膨出部を設け、さらに、
前記貴金属チップの幅をＢ（ｍｍ）とし、
前記膨出部のうち、
前記貴金属チップと前記接地電極の先端面との幅方向に延びる境界線から前記軸線方向に０．０５ｍｍだけずれた線の幅方向の長さをＥ１（ｍｍ）とし、
前記境界線から前記突出方向に０．０５ｍｍだけずれた線の幅方向の長さをＥ２（ｍｍ）とし、
前記長さＥ１、長さＥ２のうち、短い方の長さをＥ（ｍｍ）としたとき、
Ｅ／Ｂ≧０．５を満たすことを特徴とする。

上記構成１によれば、貴金属チップが、接地電極の先端面から突出しており、しかもその突出長をＡ（ｍｍ）としたとき、Ａ≧０．２５ｍｍを満たす。このため、耐火花消耗性の向上を図ることは勿論のこと、着火性や火花伝播性の向上を図ることができる。

一方で、貴金属チップの先端部分は高温になりやすく、接地電極の先端面から見たときの貴金属チップと接地電極との境界部分においては、応力差が生じ、歪みが生じやすい。そのため、前記境界から酸素が侵入してしまうことが懸念される。特に、上記のように、Ａ≧０．２５ｍｍを満たすよう構成されているような場合には、酸化スケールの形成に起因する剥離（チップの脱落）という懸念は一層助長される。しかしながらこの点、構成１では、貴金属チップと接地電極の先端面との幅方向に延びる境界には、少なくとも貴金属チップの中心部分を覆うようにして、接地電極と同一の金属素材を含んでなる膨出部が設けられている。このため、所定の厚みを有する膨出部が、貴金属チップ及び接地電極間の隙間を塞ぎ、酸素侵入のバリヤとして機能する。従って、境界部分から、酸素が侵入してしまうことに起因する酸化スケールの形成を抑制することができる。また、膨出部が、貴金属チップと接地電極との間の応力緩和層としての機能をも発揮する。これらのことが相俟って、貴金属チップの耐剥離性の低下を効果的に防止することができる。

また特に、前記境界部分のうち、少なくとも貴金属チップの中心部分（幅方向の中心部分）を覆うようにして膨出部が設けられていることから、膨出部が設けられていない領域があったとしても、膨出部が貴金属チップの端縁部に設けられる場合に比べて、当該領域は比較的狭いものとなりうる。それ故、より一層効果的に酸素の侵入を防止しやすいといえる。

また、構成１においては、要するに、膨出部としては、前記境界に位置する単なる薄っぺらなものではなく、所定のボリュームを有しているものであるということを意味する。

すなわち、構成１では、前記幅方向に延びる境界線からそれぞれ前記軸線方向、及び、突出方向にずれた位置においても、膨出部の幅方向の寸法が貴金属チップの幅方向の半分以上を占めている。これにより、より確実に酸素侵入を防止でき、上記作用効果がより確実に奏されることとなる。

上記構成１に記載のスパークプラグにおける放電方向は、特に限定されるものではないが、以下の構成２，３，４のような態様であってもよいし、構成５のような態様であってもよい。

構成２．本構成のスパークプラグは、構成１に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記貴金属チップの前記突出方向における先端面が、前記中心電極の先端部と対向して配置されており、前記軸線方向と直交する方向にほぼ沿って火花放電が行われることを特徴とする。

構成３．本構成のスパークプラグは、構成２に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記膨出部の前記突出方向における先端部から、前記貴金属チップの前記突出方向における先端面までの距離をＦ（ｍｍ）とし、
前記間隙の最短距離をＧ（ｍｍ）としたとき、
Ｆ≧０．１Ｇを満たすことを特徴とする。

構成４．本構成のスパークプラグは、構成２又は３に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記中心電極は、中心電極本体部と、その先端に溶接により接合された中心電極用貴金属チップとを備えるとともに、
前記中心電極本体部及び中心電極用貴金属チップは、両者を構成する金属成分が相互に溶融され混じり合うことによって形成された溶融部を介して接合されており、
前記中心電極用貴金属チップの外周面、及び、前記貴金属チップの突出方向先端部間に前記間隙を有してなり、
前記貴金属チップ及び前記溶融部間の最短距離をＨ（ｍｍ）とし、
前記間隙の最短距離をＧ（ｍｍ）としたとき、
Ｈ≧１．０５×Ｇ
を満たすことを特徴とする。

上記構成２，３，４のように、所謂横方向に火花放電するタイプのスパークプラグに構成１の技術思想を具現化することが考えられる。これにより、火炎伝播性のさらなる向上を図ることができる。

特に、構成３では、膨出部の突出方向における先端部から、貴金属チップの突出方向における先端面までの距離をＦ（ｍｍ）とし、前記（火花放電のための）間隙の最短距離をＧ（ｍｍ）としたとき、Ｆ≧０．１Ｇを満たす。このため、貴金属チップと、中心電極の先端部との間で、より確実に火花放電が行われる。換言すれば、膨出部と、中心電極の先端部との間で火花放電が起こってしまうといった事態を起こりにくくすることができる。結果として、膨出部の焼損を招くことなく、膨出部をより長期に亘って維持することができ、ひいては、貴金属チップの剥離防止効果をより長期に亘って維持することができる。

また、上述した横方向に火花放電が行われるタイプのスパークプラグにおいては、構成４のように、中心電極の先端に中心電極用貴金属チップが溶接により接合されることで形成された溶融部が存在している場合には、当該溶融部と、貴金属チップとの間で火花放電を起こしてしまうことが懸念される。この点、構成４では、貴金属チップ及び溶融部間の最短距離をＨ（ｍｍ）とし、前記間隙の最短距離をＧ（ｍｍ）としたとき、Ｈ≧１．０５×Ｇを満たしている。従って、溶融部と、貴金属チップとの間での飛火率が著しく少なくて済み、溶融部と貴金属チップとの間で火花放電が起こってしまうことに起因する不具合、例えば中心電極用貴金属チップの脱落等をより確実に防止することができる。

構成５．本構成のスパークプラグは、構成１に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記貴金属チップの前記軸線方向における端面が、前記中心電極の先端部と対向して配置されており、前記軸線方向にほぼ沿って火花放電が行われることを特徴とする。

また、特に、構成６，７，８を採用することとするのがより望ましい。

構成６．本構成のスパークプラグは、構成１乃至５のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記貴金属チップの軸線方向先端側の面は、前記中心電極の先端面よりも先端側に位置していることを特徴とする。

当該構成６によれば、膨出部が中心電極の先端面よりも先端側に位置することとなるため、膨出部と、中心電極との間で火花放電が起こってしまうといった事態をより確実に起こりにくくすることができる。その結果、膨出部の損耗を防止しやすい。

構成７．本構成のスパークプラグは、構成１乃至６のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記貴金属チップの幅は、前記中心電極の先端部の径又は幅よりも大きいことを特徴とする。

当該構成７によれば、中心電極の先端部と、接地電極（貴金属チップとは異なる部位）との間で火花放電してしまうといった事態が起こりにくい。すなわち、貴金属チップとの間での正常な火花放電をより確実に実現できる。

構成８．本構成のスパークプラグは、構成１乃至７のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記貴金属チップは角柱形状をなすことを特徴とする。

構成８のように、角柱形状をなす貴金属チップを採用することで、エッジ部における火花放電が起こりやすくなり、貴金属チップとの間での正常な火花放電をより確実に実現できる。

また、上記各構成のスパークプラグにおいて、前記貴金属チップの溶接手法については特に限定されるものではないが、次のように構成することもできる。

構成９．本構成のスパークプラグは、構成１乃至８のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、
前記貴金属チップは抵抗溶接にて接合されていることを特徴とする。

上述した各構成のように、接地電極に対し、貴金属チップの一部が埋め込まれるようにして接合される場合においては、レーザ溶接や電子ビーム溶接では溶接作業が困難となってしまうことが懸念される。この点、構成９のように抵抗溶接により貴金属チップを接合するようにすることで、溶接作業を比較的スムースに行うことができる。

上述した各構成のスパークプラグは、次のようにして製造することができる。

構成１０．本構成の製造方法は、構成１乃至９のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法であって、
前記接合に際し、前記貴金属チップを、前記接地電極の平坦面に対し押し当てながら抵抗溶接を施して、前記平坦面に対する前記貴金属チップの没入量を０．３ｍｍ以上とし、前記接地電極の構成成分を前記境界部分にはみ出させることに基づき、前記膨出部を設けるようにしたことを特徴とする。

構成１０によれば、前記境界部分に膨出部を別途設けるという手間を省くことができる。つまり、抵抗溶接により貴金属チップを接合するに際し、その没入量を０．３ｍｍ以上と比較的多くし、接地電極の構成成分を前記境界部分にはみ出させることで、膨出部を設けることができる。結果として、作業工数の増大やコストの増大等を抑制することができる。

以下に、一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、スパークプラグ１を示す一部破断正面図である。なお、図１では、スパークプラグ１の軸線ＣＬ１方向を図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１の先端側、上側をスパークプラグ１の後端側として説明する。

スパークプラグ１は、長尺状をなす絶縁体としての絶縁碍子２、これを保持する筒状の主体金具３などから構成されるものである。

絶縁碍子２には、軸線ＣＬ１に沿って軸孔４が貫通形成されている。そして、軸孔４の先端部側には中心電極５が挿入、固定され、後端部側には端子電極６が挿入、固定されている。軸孔４内における中心電極５と端子電極６との間には、抵抗体７が配置されており、この抵抗体７の両端部は導電性のガラスシール層８，９を介して、中心電極５と端子電極６とにそれぞれ電気的に接続されている。

中心電極５は、絶縁碍子２の先端から突出し、端子電極６は絶縁碍子２の後端から突出した状態でそれぞれ固定されている。また、中心電極５には、その先端に、イリジウムを主成分とする貴金属チップ（中心電極用貴金属チップ）３１が溶接により接合されている。

一方、絶縁碍子２は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、その外形部において、軸線ＣＬ１方向略中央部において径方向外向きに突出形成されたフランジ状の大径部１１と、当該大径部１１よりも先端側においてこれよりも細径に形成された中胴部１２と、当該中胴部１２よりも先端側においてこれより細径に形成され、内燃機関（エンジン）の燃焼室に晒される脚長部１３とを備えている。絶縁碍子２のうち、大径部１１、中胴部１２、脚長部１３を含む先端側は、筒状に形成された主体金具３の内部に収容されている。そして、脚長部１３と中胴部１２との連接部には段部１４が形成されており、当該段部１４にて絶縁碍子２が主体金具３に係止されている。

主体金具３は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面にはスパークプラグ１をエンジンのシリンダヘッドに取付けるためのねじ部（雄ねじ部）１５が形成されている。ねじ部１５の後端側の外周面には座部１６が形成され、ねじ部１５後端のねじ首１７にはリング状のガスケット１８が嵌め込まれている。さらに、主体金具３の後端側には、主体金具３をシリンダヘッドに取付ける際にレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部１９が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子２を保持するための加締め部２０が設けられている。

また、主体金具３の内周面には、絶縁碍子２を係止するための段部２１が設けられている。そして、絶縁碍子２は、主体金具３の後端側から先端側に向かって挿入され、自身の段部１４が主体金具３の段部２１に係止された状態で、主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部２０を形成することによって固定される。なお、絶縁碍子２及び主体金具３双方の段部１４，２１間には、円環状の板パッキン２２が介在されている。これにより、燃焼室内の気密性を保持し、燃焼室内に晒される絶縁碍子２の脚長部１３と主体金具３の内周面との隙間に入り込む燃料空気が外部に漏れないようにしている。

さらに、加締めによる密閉をより完全なものとするため、主体金具３の後端側においては、主体金具３と絶縁碍子２との間に環状のリング部材２３，２４が介在され、リング部材２３，２４間にはタルク（滑石）２５の粉末が充填されている。すなわち、主体金具３は、板パッキン２２、リング部材２３，２４及びタルク２５を介して絶縁碍子２を保持している。

また、主体金具３の先端面２６には、略Ｌ字状をなす接地電極２７が接合されている。すなわち、接地電極２７は、前記主体金具３の先端面２６に対しその基端部が溶接されるとともに、先端側が前記軸線ＣＬ１側に曲げ返されて、その先端面が中心電極用貴金属チップ３１の外周面とほぼ対向するように配置されている。また、本実施形態では、当該接地電極２７には、前記中心電極用貴金属チップ３１に対向するようにして貴金属チップ３２が設けられている。より詳しくは、貴金属チップ３２は、接地電極２７に対し、自身の一部が埋め込まれるようにして溶接されているとともに、接地電極２７の軸線ＣＬ１側の先端面２７ｓから軸線ＣＬ１に向けて突出している（図２参照）。そして、これら貴金属チップ３１，３２間の隙間が火花放電間隙３３となっている。つまり、本実施形態では、軸線ＣＬ１方向と直交する方向にほぼ沿って火花放電が行われるようになっている。

尚、図２に示すように、中心電極５は、銅又は銅合金からなる内層５Ａと、ニッケル（Ｎｉ）合金からなる外層５Ｂとにより構成されている。中心電極５は、その先端側が縮径されるとともに、全体として棒状（円柱状）をなし、その先端面が平坦に形成されている。ここに円柱状をなす上記中心電極用貴金属チップ３１を重ね合わせ、さらにその接合面外縁部に沿ってレーザ溶接、或いは、電子ビーム溶接等を施すことにより中心電極用貴金属チップ３１と中心電極５とが溶け合い、溶融部４１が形成される。すなわち、中心電極用貴金属チップ３１は、中心電極５先端に対し、溶融部４１で固着されることで接合されている。

一方、接地電極２７は、内層２７Ａ及び外層２７Ｂからなる２層構造となっている。本実施形態における外層２７Ｂは、インコネル６００やインコネル６０１（いずれも登録商標）等のニッケル合金で構成されている。これに対し、内層２７Ａは、前記ニッケル合金よりも良熱伝導性金属である銅合金或いは純銅で構成されている。当該内層２７Ａの存在によって、熱引き性の向上が図られている。また、本実施形態では、接地電極２７は、基本的には、断面略矩形状をなしている。

また、上記中心電極５側の中心電極用貴金属チップ３１がイリジウムを主成分としている点については言及したが、接地電極２７側の貴金属チップ３２は、例えば白金を主成分とし、２０質量％のロジウムを含有する貴金属合金により構成されている。但し、これらの素材構成はあくまでも例示であって、上記記載に何ら限定されるものではない。これら貴金属チップ３１，３２は、例えば次のようにして製造される。まず、主成分をイリジウム、或いは白金とするインゴットを用意し、上述した所定の組成となるよう各合金成分を配合・溶融し、当該溶融合金に関し再度インゴットを形成し、その後、当該インゴットについて熱間鍛造、熱間圧延（溝ロール圧延）を施す。その後、線引き加工を施すことで、棒状素材を得た後、それを所定長に切断することで、円柱状の中心電極用貴金属チップ３１、角柱状の貴金属チップ３２が得られる。

さて、前記貴金属チップ３２が、接地電極２７の先端面２７ｓから軸線ＣＬ１に向けて突出している点については上述した。特に、本実施形態では、図３，４，５に示すように、貴金属チップ３２は、接地電極２７に対し、自身の一部が埋め込まれるようにして抵抗溶接されているとともに、貴金属チップ３２の前記先端面２７ｓからの突出長をＡ（ｍｍ）としたとき、Ａ≧０．２５ｍｍを満たしている。また、貴金属チップ３２と接地電極２７の先端面２７ｓとの幅方向に延びる境界部分Ｄには、少なくとも前記貴金属チップ２７の中心部分を覆うようにして、接地電極２７の外層２７Ｂと同一のニッケル合金よりなる膨出部５１が設けられている（図５（ａ），（ｂ）等参照）。当該膨出部５１についてより詳細に説明すると、貴金属チップ３２の幅をＢ（ｍｍ）とし、前記膨出部５１のうち、前記幅方向の境界部分（境界線）Ｄから軸線ＣＬ１方向に０．０５ｍｍだけずれた線の幅方向の長さをＥ１（ｍｍ）とし、前記幅方向の境界部分Ｄから前記突出方向に０．０５ｍｍだけずれた線の幅方向の長さをＥ２（ｍｍ）とし、前記長さＥ１、長さＥ２のうち、短い方の長さをＥ（ｍｍ）としたとき、Ｅ／Ｂ≧０．５を満たしている。すなわち、膨出部５１としては、前記幅方向の境界部分Ｄを比較的厚肉の膨出部５１で覆うべく、十分なボリュームを有している。

また、本実施形態では、膨出部５１の前記突出方向における先端部から、貴金属チップ３２の前記突出方向における先端面までの距離をＦ（ｍｍ）とし、火花放電間隙３３の最短距離をＧ（ｍｍ）としたとき、Ｆ≧０．１Ｇを満たしている（図３参照）。これにより、膨出部５１と、中心電極用貴金属チップ３１との間で火花放電が起こってしまうといった事態が起こりにくくなっている。さらに、貴金属チップ３２及び前記溶融部４１間の最短距離をＨ（ｍｍ）としたとき、Ｈ≧１．０５×Ｇを満たしている（図３参照）。これにより、溶融部４１と、貴金属チップ３２との間での飛火率の低減が図られている。

併せて、貴金属チップ３２の軸線ＣＬ１方向先端側の面３２ａは、中心電極用貴金属チップ３１の先端面よりも先端側（図３の上側）に位置している（換言すれば、膨出部５１は、中心電極用貴金属チップ３１の先端面よりも先端側に位置している）。これにより、膨出部５１と、中心電極用貴金属チップ３１との間で火花放電が起こってしまうといった事態がより起こりにくくなっている。加えて、貴金属チップ３２の幅Ｂは、中心電極用貴金属チップ３１の径Ｚよりも大きく形成されている。これにより、中心電極用貴金属チップ３１と、貴金属チップ３２との間での正常な火花放電をより確実に実現できるようになっている。

次に、上記のように構成されてなるスパークプラグ１の製造方法について、前記接地電極２７の製造過程等を中心に説明する。まず、主体金具３を予め加工しておく。すなわち、円柱状に形成された金属素材（例えばＳ１５ＣやＳ２５Ｃといった鉄系素材やステンレス素材）を冷間鍛造加工により貫通孔を形成し、概形を製造する。その後、切削加工を施すことで外形を整え、主体金具中間体を得る。

一方で、接地電極２７の中間体を製造する。すなわち、接地電極２７の中間体は、未だ屈曲前の直棒状のものである。当該屈曲前の接地電極２７は、例えば次のようにして得られる。

すなわち、内層２７Ａを構成する金属材料よりなる芯材と、外層２７Ｂを構成する金属材料よりなる有底筒状体とを用意する（いずれも図示略）。そして、有底筒状体の凹部に対し、芯材を嵌入することにより、カップ材を形成する。次に、当該２層構造をもつカップ材に関し、冷間にて細化加工を施す。冷間での細化加工としては、例えば、ダイス等を用いた線引き加工、雌型等を用いた押出成形加工等が挙げられる。その後、スウェージング加工等が施されることにより、細径化された棒状体が形成される。

続いて、前記主体金具中間体の先端面に、屈曲前、チップ接合前の接地電極２７（棒状体）を抵抗溶接により接合する。尚、抵抗溶接に際してはいわゆる「ダレ」が生じるので、その「ダレ」を除去する作業が行われる。また、本例では、スウェージング加工、切削加工等を施した後、屈曲前の接地電極２７を抵抗溶接により接合することとしているが、細化加工後、棒状体を主体金具中間体に接合した後、スウェージング加工を行い、その後、切削を行うこととしてもよい。この場合、スウェージングに際しては、主体金具中間体を保持した状態で、その先端面に接合された棒状体をその先端側からスウェージャーの加工部（スウェージングダイス）に導入することができる。従って、スウェージングに際し保持するための部位を確保するために、棒状体をわざわざ長めに設定したりすることが不要となる。

その後、主体金具中間体の所定部位に、ねじ部１５が転造によって形成される。これにより、屈曲前の接地電極２７の溶接された主体金具３が得られる。主体金具３等には、亜鉛メッキ或いはニッケルメッキが施される。尚、耐食性向上を図るべく、その表面に、さらにクロメート処理が施されることとしてもよい。

一方で、上述のように、貴金属チップ３２を形成しておき、当該貴金属チップ３２を接地電極２７に対し、抵抗溶接により接合する。このとき、接地電極２７には、切欠き溝等を形成することなく、接地電極２７の平坦面（図２の下端面）に対し押し当てながら抵抗溶接を施して、前記平坦面に対する貴金属チップ３２の没入量を０．３ｍｍ以上とし、接地電極２７の外層２７Ｂの構成成分たるニッケル合金を前記境界部分Ｄにはみ出させることに基づき、膨出部５１を設ける。尚、溶接をより確実なものとするべく、当該溶接に先だって溶接部位のメッキ除去が行われたり、或いは、メッキ工程に際し溶接予定部位にマスキングが施されたりする。また、当該貴金属チップ３２の溶接を、後述する組付けの後に行うこととしてもよい。

一方、前記主体金具３とは別に、絶縁碍子２を成形加工しておく。例えば、アルミナを主体としバインダ等を含む原料粉末を用い、成形用素地造粒物を調製し、これを用いてラバープレス成形を行うことで、筒状の成形体が得られる。得られた成形体に対し、研削加工が施され整形される。そして、整形されたものが焼成炉へ投入され焼成されることで、絶縁碍子２が得られる。

また、前記主体金具３、絶縁碍子２とは別に、中心電極５を製造しておく。すなわち、Ｎｉ系合金が鍛造加工され、その中央部に放熱性向上を図るべく銅芯が設けられる。そして、その先端部には、上述した中心電極用貴金属チップ３１が、レーザ溶接等により接合される。

そして、上記のようにして得られた中心電極用貴金属チップ３１が接合された中心電極５と、端子電極６とが、やはり図示しないガラスシールによって前記絶縁碍子２の軸孔４へ封着固定される。ガラスシールとしては、一般的にホウ珪酸ガラスと金属粉末とが混合されて調製されたものが用いられる。そして先ず中心電極５を絶縁碍子２の軸孔４へ挿通した状態とし、前記調製されたシール材が絶縁碍子２の軸孔４に注入された後、後方から前記端子電極６が押圧された状態とした上で、焼成炉内にて焼き固められる。尚、このとき、絶縁碍子２の後端側の胴部表面には釉薬層が同時に焼成されることとしてもよいし、事前に釉薬層が形成されることとしてもよい。

その後、上記のようにそれぞれ作製された中心電極５及び端子電極６を備える絶縁碍子２と、直棒状の接地電極２７を備える主体金具３とが組付けられる。より詳しくは、比較的薄肉に形成された主体金具３の後端部に対し、冷間加締めや熱間加締めが行われることで、周方向から絶縁碍子２の一部が主体金具３に取り囲まれるようにして保持される。

そして、最後に、直棒状の接地電極２７を屈曲させることで、中心電極用貴金属チップ３１及び貴金属チップ３２間の前記火花放電間隙３３を調整する加工が実施される。

このように一連の工程を経ることで、上述した構成を有するスパークプラグ１が製造される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、角柱形状をなす貴金属チップ３２が、接地電極２７の先端面２７ｓから軸線ＣＬ１に向けて突出しており、しかもその突出長をＡ（ｍｍ）としたとき、Ａ≧０．２５ｍｍを満たす。このため、耐火花消耗性の向上を図ることは勿論のこと、着火性や火花伝播性の向上を図ることができる。

一方で、Ａ≧０．２５ｍｍを満たすよう構成されていることから、酸化スケールの形成に起因する剥離（チップの脱落）という懸念が生じうる。この点、本実施形態では、貴金属チップ３２と接地電極２７の先端面２７ｓとの幅方向に延びる境界部分Ｄには、少なくとも前記貴金属チップ３２の中心部分を覆うようにして、接地電極２７の外層２７Ｂと同一のニッケル合金よりなる膨出部５１が設けられている。また、当該膨出部５１は十分なボリューム及び幅を有している。このため、膨出部５１が酸素侵入のバリヤとして機能し、酸化スケールの形成を抑制することができる。また、膨出部５１が応力緩和層としても機能する。これらのことが相俟って、貴金属チップ３２の耐剥離性の低下を効果的に防止することができる。

ここで、上記効果を確認するべく、突出長Ａを変更したり、膨出部５１を変更したりすることで種々のサンプルを作製し、種々の評価を試みた。その実験結果を以下に記す。

先ず第１の実験として、突出長Ａを種々変更したサンプルを作成し、酸化スケールの進展のしやすさを評価した。より詳しくは、突出長Ａを種々変更した接地電極サンプルを作成し、机上バーナー評価試験［サンプルを、その先端チップ温度が１１００℃となるようバーナーで２分間加熱後、１分間徐冷することを１サイクルとして、１０００サイクル繰り返す試験］を実施し、その後のサンプル断面を観察し、接地電極２７と貴金属チップ３２との境界面領域の長さＪ（模式図たる図９参照）に対する、形成された酸化スケールの長さＫ（同じく、図９参照）の割合を評価した。尚、ここでは、酸化スケール割合が５０％を超えてしまうと剥離限界であると捉えることとしている。当該試験の結果を図６に示す。

図６より明らかなように、貴金属チップの突出長Ａが０．２５ｍｍ以上の場合に酸化スケール割合が５０％を上回り、剥離限界に達してしまうといえる。すなわち、突出長Ａを０．２５ｍｍ以上とすることで、着火性や火花伝播性の向上を図ることができるものの、当該効果に相反して、酸化スケールの形成に起因する剥離（チップの脱落）という懸念が一層助長されるといえる。

次に、第２の実験として、貴金属チップの幅をＢ（ｍｍ）とし、膨出部のうち、幅方向に延びる境界線から軸線方向（上方）に０．０５ｍｍだけずれた線における幅方向の長さをＥ１（ｍｍ）とし、前記境界線から突出方向（上方）に０．０５ｍｍだけずれた部位における幅方向の長さをＥ２（ｍｍ）とし、前記長さＥ１、長さＥ２のうち、短い方の長さをＥ（ｍｍ）としたときの、Ｅ／Ｂの値を種々変更させたサンプルを作成し、上記同様机上バーナー試験を実施し、そのときの酸化スケール割合を評価した。当該試験結果を図７に示す。但し、図７中、菱形のプロットは、Ｅ１＝Ｅ２としたときのものであり、丸形のプロットは、Ｅ１＜Ｅ２（Ｅ１／Ｂ＝０．４、Ｅ２／Ｂ＝０．６）としたときのものであり、三角形のプロットは、Ｅ１＞Ｅ２（Ｅ１／Ｂ＝０．６、Ｅ２／Ｂ＝０．４）としたときのものである。

図７より明らかなように、Ｅ／Ｂが０．５以上の場合に、酸化スケールが５０％を下回るものとすることができるといえる。すなわち、膨出部としては、所定のボリュームを有しており、幅方向の境界部分からそれぞれ軸線方向、及び、突出方向にずれた位置においても、膨出部の幅方向の寸法が貴金属チップの幅の半分以上を占めるように構成することで、より確実に酸素侵入を防止でき、酸化スケールの発生を効果的に抑制できるといえる。尚、長さＥ１，Ｅ２が互いに等しくないときには、長さの小さい方に依存することが明らかとなった（丸形プロット、三角形プロットのいずれも、Ｅ／Ｂ＝０．４に準じた結果が得られた）。

最後に、第３の実験として、膨出部の突出方向における先端部から、貴金属チップの前記突出方向における先端面までの距離をＦ（ｍｍ）とし、火花放電間隙の最短距離をＧ（ｍｍ）としたとき、最短距離Ｇに対する距離Ｆの割合を種々変更したスパークプラグサンプルを作成し、そのときの膨出部での飛火（火花放電）の発生率を計測した。その試験結果を図８に示す。

同図に示すとおり、Ｆ／Ｇの値が０．１０以上の場合には、膨出部での飛火が発生することなく、正常に火花放電が行われることが明らかとなった。逆に、Ｆ／Ｇの値が０．１０を下回り、その値が小さくなるほど、膨出部での飛火が発生する割合が増大することが判った。このことから、Ｆ≧０．１Ｇを満たすよう構成することで、膨出部５１と、中心電極用貴金属チップ３１との間で火花放電が起こってしまうといった事態を起こりにくくすることができ、ひいては、貴金属チップ３２の剥離防止効果をより長期に亘って維持することができるといえる。

尚、上述した実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。

（ａ）上記実施形態では、貴金属チップ３２は、接地電極２７の先端面２７ｓから軸線ＣＬ１に向けて突出し、中心電極用貴金属チップ３１の外周と、貴金属チップ３２との間の隙間が火花放電間隙３３となっている。つまり、上記実施形態では、軸線ＣＬ１方向と直交する方向にほぼ沿って火花放電が行われるようになっている。これに対し、図１０に示すように、貴金属チップ３２の軸線ＣＬ１方向における端面（図の下端面）が、中心電極用貴金属チップ３１の先端面（又は中心電極５の先端面）と対向して配置された構成を採用することとしてもよい。すなわち、前記軸線ＣＬ１方向にほぼ沿って火花放電が行われるタイプのスパークプラグに具体化することとしてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、断面矩形状の接地電極２７を用いることとしているが、当該接地電極２７の断面形状は、矩形状に限定されるものではなく、例えば、図１１（ａ）に示すように、断面多角形状（図では８角形状）をなす接地電極２７１としてもよいし、図１１（ｂ）に示すように、断面長円形状をなす接地電極２７２としてもよいし、図１１（ｃ）に示すように、断面円形状の一部を破断することで平坦面を具備する接地電極２７３としてもよい。また、図示は省略するが、断面楕円形状としてもよいし、断面台形状としてもよい。

（ｃ）上記実施形態において図示した膨出部５１はあくまでも模式的な図である。従って、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において膨出部を構成すればよい。例えば、図１２はスパークプラグの一部を正面から見た写真であり、図１３は、接地電極及び貴金属チップを正面から見た写真であり、図１４は接地電極、貴金属チップ及び中心電極用貴金属チップを先端側から見た写真であり、図１５は中心電極側から貴金属チップ等をみた写真であり、図１６は接地電極、貴金属チップ及び中心電極用貴金属チップを後端側から見た写真である。

また、上記変形例（ａ）で説明した、軸線ＣＬ１方向にほぼ沿って火花放電が行われるタイプのスパークプラグの写真を図１７〜図２１に示す。すなわち、図１７はスパークプラグの一部を正面から見た写真であり、図１８は、接地電極及び貴金属チップを正面から見た写真であり、図１９は接地電極及び貴金属チップを先端側から見た写真であり、図２０は中心電極側から貴金属チップ等をみた写真であり、図２１は接地電極、貴金属チップ及び中心電極用貴金属チップを後端側から見た写真である。

尚、各図面中に記されている数値は、各部位の寸法を示すものであり、各数値の単位は「ｍｍ」である。

（ｄ）上記実施形態では、接地電極２７に切欠き溝等を形成することなく、接地電極２７の平坦面に対し押し当てながら抵抗溶接を施して、前記平坦面に対する貴金属チップ３２の没入量を０．３ｍｍ以上とし、接地電極２７の外層２７Ｂの構成成分たるニッケル合金を前記境界部分Ｄにはみ出させることに基づき、膨出部５１を設けることとしている。これに対し、切欠き溝を形成して、貴金属チップの一部を埋め込むようにして溶接することとしてもよい。また、別途ニッケル合金等を前記境界部分Ｄに対応して付着させることで、前記膨出部５１を設けることとしてもよい。

（ｅ）上記実施形態では、中心電極５の先端に中心電極用貴金属チップ３１が溶接により接合されている場合について具体化したが、当該中心電極用貴金属チップ３１を省略した構成としてもよい。

（ｆ）上記実施形態では、説明の便宜上、接地電極２７を単なる２層構造をなすものとして説明しているが、３層構造或いは４層以上の多層構造をなしていてもよい。但し、外層２７Ｂに対し、その内側の層は、外層２７Ｂよりも良熱伝導性金属を含んでいることが望ましい。例えば、外層２７Ｂの内側に銅合金或いは純銅で構成された中間層が設けられ、中間層の内側に純ニッケルで構成された最内層が設けられていてもよい。また、複層構造ではなく、ニッケル単層のみからなる接地電極２７を用いてもよい。

本実施形態のスパークプラグの構成を示す一部破断正面図である。 スパークプラグの部分拡大断面図である。 主要部分を拡大して示す模式図である。 図３に対し直交する方向から見た接地電極を示す側面図である。 （ａ）は接地電極先端の主要部分を示す斜視図であり、（ｂ）は膨出部等を説明するための部分斜視図である。 突出量に対する酸化スケール割合の関係を示すグラフである。 Ｅ／Ｂに対する酸化スケール割合の関係を示すグラフである。 Ｆ／Ｇに対する膨出率での飛火率の関係を示すグラフである。 酸化スケールの長さ等の概念を示す断面模式図である。 別の実施形態におけるスパークプラグを示す部分拡大断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は別の実施形態における接地電極を模式的に示す断面図である。 スパークプラグの一部を正面から見た写真図である。 接地電極及び貴金属チップを正面から見た写真図である。 接地電極、貴金属チップ及び中心電極用貴金属チップを先端側から見た写真図である。 中心電極側から貴金属チップ等をみた写真図である。 接地電極、貴金属チップ及び中心電極用貴金属チップを後端側から見た写真図である。 スパークプラグの一部を正面から見た写真図である。 接地電極及び貴金属チップを正面から見た写真図である。 接地電極及び貴金属チップを先端側から見た写真図である。 中心電極側から貴金属チップ等をみた写真図である。 接地電極、貴金属チップ及び中心電極用貴金属チップを後端側から見た写真図である。

１…スパークプラグ、２…絶縁碍子、３…主体金具、５…中心電極、２７…接地電極、３１…中心電極用貴金属チップ、３２…貴金属チップ、３３…火花放電間隙（間隙）、５１…膨出部、Ｄ…境界部分、ＣＬ１…軸線。

Claims (10)

1. 軸線方向に延びる棒状の中心電極と、
   前記中心電極の外周に設けられた略円筒状の絶縁体と、
   前記絶縁体の外周に設けられた略筒状の主体金具と、
   基端が前記主体金具の先端面に接合され、先端が前記中心電極に向けて曲げられて配置された接地電極とを備え、
   前記接地電極の先端部には、前記中心電極の先端部に、間隙を介して貴金属チップが溶接により接合されている内燃機関用スパークプラグであって、
   前記貴金属チップは、
   前記接地電極に対し、自身の一部が埋め込まれるようにして接合されているとともに、
   前記接地電極の先端面から突出しており、
   前記先端面からの突出長をＡ（ｍｍ）としたとき、Ａ≧０．２５ｍｍを満たし、かつ、
   前記貴金属チップと前記接地電極の先端面との幅方向に延びる境界には、少なくとも前記貴金属チップの中心部分を覆うようにして、前記接地電極と同一の金属素材を含んでなる膨出部を設け、さらに、
   前記貴金属チップの幅をＢ（ｍｍ）とし、
   前記膨出部のうち、
   前記貴金属チップと前記接地電極の先端面との幅方向に延びる境界線から前記軸線方向に０．０５ｍｍだけずれた線の幅方向の長さをＥ１（ｍｍ）とし、
   前記境界線から前記突出方向に０．０５ｍｍだけずれた線の幅方向の長さをＥ２（ｍｍ）とし、
   前記長さＥ１、長さＥ２のうち、短い方の長さをＥ（ｍｍ）としたとき、
   Ｅ／Ｂ≧０．５を満たすことを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
2. 前記貴金属チップの前記突出方向における先端面が、前記中心電極の先端部と対向して配置されており、前記軸線方向と直交する方向にほぼ沿って火花放電が行われることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用スパークプラグ。
3. 前記膨出部の前記突出方向における先端部から、前記貴金属チップの前記突出方向における先端面までの距離をＦ（ｍｍ）とし、
   前記間隙の最短距離をＧ（ｍｍ）としたとき、
   Ｆ≧０．１Ｇを満たすことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用スパークプラグ。
4. 前記中心電極は、中心電極本体部と、その先端に溶接により接合された中心電極用貴金属チップとを備えるとともに、
   前記中心電極本体部及び中心電極用貴金属チップは、両者を構成する金属成分が相互に溶融され混じり合うことによって形成された溶融部を介して接合されており、
   前記中心電極用貴金属チップの外周面、及び、前記貴金属チップの突出方向先端部間に前記間隙を有してなり、
   前記貴金属チップ及び前記溶融部間の最短距離をＨ（ｍｍ）とし、
   前記間隙の最短距離をＧ（ｍｍ）としたとき、
   Ｈ≧１．０５×Ｇ
   を満たすことを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関用スパークプラグ。
5. 前記貴金属チップの前記軸線方向における端面が、前記中心電極の先端部と対向して配置されており、前記軸線方向にほぼ沿って火花放電が行われることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用スパークプラグ。
6. 前記貴金属チップの軸線方向先端側の面は、前記中心電極の先端面よりも先端側に位置していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ。
7. 前記貴金属チップの幅は、前記中心電極の先端部の径又は幅よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ。
8. 前記貴金属チップは角柱形状をなすことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ。
9. 前記貴金属チップは抵抗溶接にて接合されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法であって、
    前記接合に際し、前記貴金属チップを、前記接地電極の平坦面に対し押し当てながら抵抗溶接を施して、前記平坦面に対する前記貴金属チップの没入量を０．３ｍｍ以上とし、前記接地電極の構成成分を前記境界部分にはみ出させることに基づき、前記膨出部を設けるようにしたことを特徴とする内燃機関用スパークプラグの製造方法。