JP4879291B2

JP4879291B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP4879291B2
Application number: JP2009063533A
Authority: JP
Inventors: 一郎権田; 渉松谷
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2019-02-22
Also published as: JP2009187954A

Description

本発明は内燃機関の着火用に使用されるスパークプラグに関する。

自動車エンジン等の内燃機関の着火用に使用されるスパークプラグにおいては、エンジンの高出力化や燃費向上の目的で、燃焼室内の温度も高くなる傾向にあり、また着火性向上のために、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も多く使用されるようになってきている。このような状況では、スパークプラグの発火部が高温にさらされるので、その火花消耗が進みやすくなる。そこで、発火部の耐火花消耗性向上のために、電極の先端にＰｔやＩｒ等を主体とする貴金属チップを溶接したタイプのものが多数提案されている。

ところで最近は、エンジンヘッドの構造は複雑化する傾向にあり、スパークプラグが取り付けられるバルブ周辺のスペースも減少している。そのため、スパークプラグの主体金具の取付ねじ部の外径を１２ｍｍ以下にした小型のスパークプラグの需要が増えてきている。このように取付ねじ部が小径化した場合、主体金具内に絶縁体あるいは中心電極を組み付けるためのスペースは否応なく縮小され、結果として絶縁体の厚み等も、取付ねじ部径の大きいスパークプラグと比較して十分に確保することが困難となる。近年、エンジン性能の向上等のため火花放電電圧は上昇する傾向にあり、厚みが不足した部分において絶縁体の耐電圧が不十分となり、絶縁破壊等のトラブルが生じやすくなる問題がある。

また、主体金具の内径が縮小すると、絶縁体外面と主体金具内面との間に形成される隙間（ガスボリュームとも称される）が小さくなり、中心電極あるいは絶縁体と主体金具との間で飛火する、いわゆる横飛びが発生しやすくなる問題がある。このような横飛びが発生する原因についてはさまざまな考察がなされているが、例えば特許文献１には、中心電極に固着する貴金属チップの材質によっても横飛び発生の難易に差があり、特に貴金属チップがＩｒを主体に構成されている場合に横飛びが発生しやすくなる旨が記されている。そして、該公報には、Ｉｒ系チップを使用したスパークプラグにおいて、横飛発生を抑制するために各部の寸法を次のように規定する提案がなされている。

すなわち、火花ギャップの幅をＡ（本明細書ではＤ）、ガスボリューム幅をＢ（本明細書ではＥ）、絶縁体の主体金具からの出寸法をＣ（本明細書ではＦ）、取付ねじ部の外径をＤ（本明細書ではＭ）、チップ先端径をＧ（本明細書ではＢ）、チップの中心電極先端面からの突出高さをＨとして：
Ｄ≦１２ｍｍ（１０／９）×Ａ≦Ｂ；
Ａ≧０．９ｍｍ；Ｂ≦１．５ｍｍ；
１．０ｍｍ≦Ｃ≦３．０ｍｍ；
１０ｍｍ≦Ｄ≦１２ｍｍ；
０．６ｍｍ≦Ｇ≦０．９ｍｍ；
０．３ｍｍ≦Ｈ≦１．０ｍｍ。
また、中心電極の外径Ｆは、熱引き低下による発火部の耐消耗性悪化を招かないように、２．０ｍｍ以上にすることが望ましいとしている。

特開平９−２１９２２７４号公報

しかしながら、本発明者らが鋭意検討した結果、取付ねじ部の外径Ｄが１２ｍｍ以下のスパークプラグにおいては、上記のような寸法規定では横飛びを必ずしも確実に防止できるには至らないことが判明した。また、本発明者らの検討によれば、横飛び防止には絶縁体の厚みも重要な因子として関与していることもわかったが、上記の公報においては、横飛び防止を考慮した絶縁体の厚み規定に関する開示は全くなされていない。また、外径Ｄが１２ｍｍ以下のスパークプラグにおいて絶縁体の厚みを適切に規定することは、前記した絶縁破壊を防止する観点においても極めて重要であるが、上記公報においてはこの点に関しても何一つ言及していない。

本発明の課題は、Ｉｒ等を主成分とする高融点金属チップを使用した、取付ねじ部の外径Ｄが１２ｍｍ以下のスパークプラグにおいて、従来とは異なる観点から横飛び防止あるいは絶縁破壊等の不具合解消を図り、ひいては小型でしかも信頼性及び耐久性に優れたスパークプラグを提供することにある。

課題を解決する手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明のスパークプラグは、
軸状に形成されて先端に、Ｉｒ、Ｗ、Ｒｅ及びＭｏのいずれかを主成分とする高融点金属チップが固着された中心電極と、その外側を覆う軸状の絶縁体と、両端が開放する筒状に形成され、中心電極の外側に配置される主体金具と、その主体金具に基端側が結合されるとともに先端側が側方に曲げ返されて側面が中心電極先端の高融点金属チップと対向し、該高融点金属チップとの間に火花ギャップを形成する接地電極とを備え、中心電極の軸線方向において火花ギャップの形成される側を前方側、これと反対側を後方側として、主体金具の前端側外周面には取付ねじ部が形成されるとともに、その取付ねじ部の外径をＭとし、また、絶縁体は、前端部が周方向の段部により縮径されて該段部が絶縁体側係合部とされ、主体金具に対し後方側開口部から挿入されるとともに、絶縁体側係合部が、取付ねじ部内において主体金具の内面から突出する金具側係合部とリング状のパッキンを介して係合するようになっており、そのパッキンの軸線方向前端内縁に対応する絶縁体厚さをＧとして、Ｍ≦１２ｍｍ；Ｇ≧１．５ｍｍ；となっており、
主体金具の先端開口端面における内径寸法が７．２ｍｍよりも大きく、絶縁体の前端部分は主体金具の先端側開口部から突出して配置され、その主体金具の内面と絶縁体外面との間には環状の隙間が形成されており、主体金具の先端側開口端面内縁における該隙間の幅をＥ、絶縁体の主体金具の先端側開口端面からの出寸法をＦとし、また、火花ギャップの間隔をＤとして、０．８ｍｍ≦Ｄ≦１．４ｍｍ；Ｅ≧１．３ｍｍ；１．０ｍｍ≦Ｆ≦４．０ｍｍ；となっており、
さらに、高融点金属チップの外径をＢとして、０．４ｍｍ≦Ｂ≦１．０ｍｍ；となっており、
中心電極は、絶縁体から中心電極の先端部が突出して配置され、
また、絶縁体は、前端部が周方向の段部により縮径されて該段部が絶縁体側係合部とされ、主体金具に対し後方側開口部から挿入されるとともに、絶縁体側係合部が、取付ねじ部内において主体金具の内面から突出する金具側係合部とリング状のパッキンを介して係合するようになっており、
中心電極の突出側の絶縁体端面に対応する位置における中心電極の外径をＡとし、また、中心電極の基端部の、パッキンの軸線方向前端内縁に対応する位置における外径をＡ’として、Ａ’≧１．３Ａとなるように、中心電極の基端部から絶縁体端面に対応する位置に至る電極外周面がテーパ面状に形成されてなることを特徴とする。

絶縁体は、前端部が周方向の段部により縮径されて該段部が絶縁体側係合部とされ、主体金具に対し後方側開口部から挿入されるとともに、絶縁体側係合部が、取付ねじ部内において主体金具の内面から突出する金具側係合部とリング状のパッキンを介して係合させることができる。そのパッキンの軸線方向前端内縁に対応する絶縁体厚さをＧとした場合、Ｇ≧１．５ｍｍとなっていることが望ましい。絶縁体は、一般にはパッキンとの係合部が段付面に形成され、パッキンの軸線方向前端内縁位置（以下、パッキン内縁位置という）は、この段付面形成により谷底となる部分において電界集中を受けやすい傾向にある。そして、絶縁体は、この段付面を境に先端側が縮径して薄肉となる構造を有しているので、電界集中しやすい上記部分は特に貫通破壊等を起こしやすくなる。そこで、上記のように、この部分における絶縁体厚さＧを１．５ｍｍ以上に確保することで、絶縁体の絶縁強度を効果的に高めることができる。

Ｇの値が１．５ｍｍ未満では、上記位置での絶縁体の貫通破壊等が発生しやすくなる場合がある。他方、外径Ｍが１２ｍｍ以下（あるいはＭ１２以下）の取付ねじ部の場合には、金具先穴径は、接地電極の肉厚確保のためφ７．６が限界であり、このようにＧを広げる工夫をしても、Ｇの値が２ｍｍを超えると中心電極径が相対的に小さくなり、発火部の耐消耗性低下につながる場合がある。Ｇの値は、望ましくは１．５５〜１．８ｍｍとするのがよい。

なお、主体金具の取付ねじ部の外径Ｍが１２ｍｍ以下である場合、ガスボリューム幅Ｅと絶縁体厚みＣを確保するためのスペースを考慮すれば、主体金具の先端開口端面における内径寸法は７．２ｍｍよりも大きくすることが望ましい。この場合、火花ギャップの間隔をＤ、ガスボリューム幅をＥ、絶縁体の主体金具の先端側開口端面からの出寸法をＦとすれば、０．８ｍｍ≦Ｄ≦１．４ｍｍ、Ｅ≧１．３ｍｍ、１．０ｍｍ≦Ｆ≦４．０ｍｍとなっていることが、横飛びを防止する上で望ましい。なお、本明細書では、ガスボリューム幅Ｅは、主体金具の内面と絶縁体外面との間に形成された環状の隙間の、主体金具の先端側開口端面内縁における幅として定義する。

ギャップ間隔Ｄが１．４ｍｍ以上になると、放電電圧が高くなり過ぎて電源の負担が大きくなり、電源回路系の寿命低下につながる場合がある。他方、Ｄが０．８ｍｍ未満では、着火性が低下する場合がある。なお、Ｄの値は、より望ましくは０．９〜１．１ｍｍとするのがよい。

また、絶縁体の主体金具の先端側開口端面からの出寸法Ｆが１．０ｍｍ未満では、火花の横飛びが発生しやすくなる場合があり、逆にＦが４．０ｍｍを超えると、プラグの発火部が過熱箇所となって火花発生前に混合気に着火する、いわゆるプレイグニッションを引き起こしやすくなる場合がある。上記出寸法Ｆは、望ましくは１．０〜３．０ｍｍとするのがよい。

なお、本発明においてガスボリューム幅Ｅは、火花ギャップの大きさＤよりも大きく設定することが、横飛び発生をより効果的に防止する上で望ましい。また、ＥをＤよりも大きく設定することで、例えば貫通破壊強度向上等の目的で絶縁体の厚さＣを大きく設定するに伴い、ガスボリューム幅Ｅが相対的に減少する場合においても、横飛び発生に及ぼす影響を小さくすることができる。ガスボリューム幅Ｅは、具体的には１．３ｍｍ以上に設定するのがよい。ガスボリューム幅Ｅが１．３ｍｍ未満になると、横飛び発生確率が高くなる場合がある。他方、ガスボリューム幅Ｅが１．８ｍｍを超えると、絶縁体厚さＣあるいは中心電極外径Ａを十分に確保できなくなる場合がある。Ｃが不足した場合には絶縁体の絶縁強度低下につながり、Ａが不足した場合には、発火部の耐消耗性低下につながる。なお、ガスボリューム幅Ｅは、より望ましくは１．５ｍｍ以上、さらに望ましくは１．６ｍｍ以上とするのがよい。

次に、高融点金属チップは、Ｉｒ、Ｗ、Ｒｅ及びＭｏのいずれかを主成分に構成することができる。これらの金属元素はいずれも、単体の融点がＰｔよりも高く、中心電極の温度が上昇しやすい環境下においても、発火部の耐消耗性を良好なものとすることができる。

高融点金属チップをＩｒを主体に構成する場合、Ｉｒが高温域において酸化・揮発しやすい性質を有しているため、そのまま発火部に使用すると、火花消耗よりも酸化・揮発による消耗が問題となる欠点がある。そこで、高融点金属チップを、Ｉｒを主成分として、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ及びＲｅの１種または２種以上を添加したＩｒ合金を主体に構成することで、このようなＩｒの酸化揮発を効果的に抑制することができ、発火部の耐消耗性を良好なものとすることができる。

具体的な材質としては、下記のものを例示できる。
（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。

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。

（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。

（３）Ｉｒを主体としてＲｈを０．１〜３５重量％の範囲で含有し、さらにＲｕを０．１重量％以上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３５重量％を超えると、Ｒｕを含有する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。

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。なお、Ｒｕの含有量の上限は、発火部の火花消耗抑制効果の必要レベルに応じて、例えば１７重量％程度のまでの範囲で適宜調整される。

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。

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％となっているのがよい。

（４）Ｉｒを主体としてＰｔ、Ｒｅ及びＰｄの少なくともいずれかを合計で１〜３０重量％の範囲で含有し、さらにＲｈを１〜４９重量％の範囲で含有した合金を使用する。Ｉｒを主体として上記範囲のＰｔ、ＲｅないしＰｄを含有する合金により構成することで、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による消耗が効果的に抑制さるとともに、合金がさらに上記範囲のＲｈを含有することにより、その加工性が劇的に改善される。チップとしては、原料を所定の組成となるように配合・溶解して得られる溶解合金に対し所定の加工を施して形成されたものが使用できる。なお、ここでいう「加工」とは、圧延、鍛造、切削、切断及び打抜きの少なくともいずれかを単独で、又は複数を組み合わせてなされるものを意味するものとする。

Ｒｈの含有量が１重量％未満になると、合金の加工性改善効果が十分に達成できなくなり、例えば加工中に割れやクラックなどが生じやすくなって、チップを製造する際の材料歩留まりの低下につながる。また、熱間打抜き加工等によりチップを製造する場合は、打抜き刃等の工具の消耗あるいは損傷が生じやすくなり、製造効率が低下する。一方、４９重量％を越えると合金の融点が低下し、プラグの耐久性低下を招く。それ故、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２〜２０重量％の範囲で調整するのがよい。特に、ＰｄないしＰｔの合計含有量が５重量％以上である場合には合金がさらに脆くなり、所定量以上のＲｈを添加しないと、加工によるチップ製造が極めて困難となる。この場合、Ｒｈは２重量％以上、望ましくは５重量％以上、さらに望ましくは１０重量％以上添加するのがよい。なお、Ｒｈの含有量が３重量％以上である場合には、Ｒｈは加工性の改善だけでなく、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発の抑制に対しても効果を生ずる場合がある。

ＰｔないしＰｄの合計含有量が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、チップ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、含有量が３０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したり（例えばＰｄ単独添加の場合）、あるいは高価なＰｔないしＰｄの含有量が増大してチップの材料コストが増大する割には、チップの消耗抑制効果がそれほど期待できなくなる問題が生ずる。以上のことから、ＰｔないしＰｄの合計含有量は前述の範囲で調整するのがよく、望ましくは３〜２０重量％の範囲で調整するのがよい。

また、高融点金属チップを上記のＩｒ合金をベースとして構成する場合に、Ｉｒの酸化揮発を防止する目的で、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｌａ、Ｗ、Ｎｉ及びＣｒから選ばれる１種又は２種以上の元素の酸化物、炭化物、窒化物及びホウ化物の１種又は２種以上を配合することができる。例えば、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、Ｙ_２Ｏ_３が好適に使用されるが、このほかにもＬａ_２Ｏ_３、ＴｈＯ_２、ＺｒＯ_２等を好ましく使用することができる。

本発明のスパークプラグの一実施例を示す正面断面図。図１の要部を示す正面断面図。絶縁体の一例を示す縦断面図。基端部が先端部よりも太い中心電極を用いたスパークプラグの実施例を示す要部正面断面図。実施例２の実験結果を示すグラフ。実施例３の実験結果を示すグラフ。実施例４の実験結果を示すグラフ。実施例５の実験結果を示すグラフ。実施例７の実験結果を示すグラフ。

以下、本発明のいくつかの実施の形態を図面を用いて説明する。図１及び図２に示す本発明の一例たる抵抗体入りスパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部が突出するようにその主体金具１に嵌め込まれた絶縁体２、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に一端が結合され、発火部３１（中心電極３）の側面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。接地電極４は、その先端面が発火部３１の側面とほぼ平行に対向するように曲げられており、発火部３１と対向する位置に対向発火部３２が形成されている。そして、これら発火部３１と対向発火部３２との間が火花ギャップｇとなっている。一方、接地電極４の基端側は、主体金具１に対して溶接等により固着・一体化されている。また、主体金具１は炭素鋼等で形成され、図１に示すように、発火部３１側の外周面には機関への取付け用のねじ部１２が形成されている。このねじ部の外径Ｍは、例えば８〜１２ｍｍである。

中心電極３及び接地電極４の本体部３ａ及び４ａはインコネル（英国Inco社の商標名）等のＮｉ合金で構成されている。一方、上記発火部３１及び対向発火部３２は、単体の融点がＰｔよりも高い金属元素を主成分とする高融点金属、例えばＩｒ合金にて構成される。高融点金属の具体的な材質については、すでに詳細に説明済みなので、ここでは繰り返さない。また、絶縁体２はアルミナ等のセラミックス焼成体で構成されている。

図２に示すように、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、ここに上記発火部３１を構成する円板状の高融点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に同様の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。なお、対向発火部３２を省略する構成としてもよい。なお本明細書でいう「発火部」とは、接合されたチップのうち、溶接による組成変動の影響を受けていない部分（例えば、溶接により接地電極ないし中心電極の材料と合金化した部分を除く残余の部分）を指すものとする。

図２において、主体金具１の先端側開口端面に対応する位置における絶縁体２の厚さをＣとしたときに、Ｃ≧１．１ｍｍとされている。絶縁体２の端面に対応する位置における中心電極３の外径をＡとして、１．４ｍｍ≦Ａ≦２．０ｍｍ（望ましくは１．４ｍｍ≦Ａ≦１．９ｍｍ、さらに望ましくは１．４ｍｍ≦Ａ≦１．８ｍｍ）とされている。発火部３１を構成する高融点金属チップの外径をＢとして、０．４ｍｍ≦Ｂ≦１．０ｍｍ（望ましくは０．４ｍｍ≦Ｂ≦０．８ｍｍ）とされている。

また、火花ギャップｇのギャップ間隔をＤとして、０．８ｍｍ≦Ｄ≦１．４ｍｍ（望ましくは０．８ｍｍ≦Ｄ≦１．１ｍｍ）とされている。また、主体金具１の内面と絶縁体２の外面との間に形成された環状の隙間Ｋの、主体金具１の先端側開口端面内縁における幅（ガスボリューム幅）をＥとして、Ｅ≧１．３ｍｍ（望ましくはＥ≧１．５ｍｍ、さらに望ましくはＥ≧１．６ｍｍ）とされている。さらに、絶縁体２の主体金具１の先端側開口端面からの出寸法をＦとして、１．０ｍｍ≦Ｆ≦４．０ｍｍ（望ましくは１．０ｍｍ≦Ｆ≦３．０ｍｍ）とされている。

絶縁体２の軸方向には貫通孔６が形成されており、その一方の端部側から端子金具１３が挿入・固定され、同じく他方の端部側から中心電極３が挿入・固定されている。また、該貫通孔６内において端子金具１３と中心電極３との間に抵抗体１５が配置されている。図３に示すように、絶縁体２の軸方向中間には、周方向外向きに突出する突出部２ｅが例えばフランジ状に形成されている。そして、絶縁体２には、中心電極３（図１）の先端に向かう側を前方側として、該突出部２ｅよりも後方側がこれよりも細径に形成された本体部２ｂとされている。一方、突出部２ｅの前方側にはこれよりも細径の第一軸部２ｇと、その第一軸部２ｇよりもさらに細径の第二軸部２ｉがこの順序で形成されている。なお、本体部２ｂの外周面には釉薬２ｄが施され、当該外周面の後端部にはコルゲーション２ｃが形成されている。また、第一軸部２ｇの外周面は略円筒状とされ、第二軸部２ｉの外周面は先端に向かうほど縮径する略円錐面状とされている。

また、中心電極３の軸断面径は抵抗体１５の軸断面径よりも小さく設定されている。そして、絶縁体２の貫通孔６は、中心電極３を挿通させる略円筒状の第一部分６ａと、その第一部分６ａの後方側（図面上方側）においてこれよりも大径に形成される略円筒状の第二部分６ｂとを有する。図１に示すように、端子金具１３と抵抗体１５とは第二部分６ｂ内に収容され、中心電極３は第一部分６ａ内に挿通される。中心電極３の後端部には、その外周面から外向きに突出して電極固定用凸部３ａが形成されている。そして、上記貫通孔６の第一部分６ａと第二部分６ｂとは、第一軸部２ｇ内において互いに接続しており、その接続位置には、中心電極３の電極固定用凸部３ａを受けるための凸部受け面６ｃがテーパ面あるいはアール面状に形成されている。

さらに、図２に示すように、第一軸部２ｇと第二軸部２ｉとの接続部２ｈの外周面は段付面（段部）とされ、図１に示すように、これが主体金具１の内面に形成された金具側係合部としての凸条部１ｃとリング状のパッキン６３を介して係合することにより、軸方向の抜止めがなされている。他方、主体金具１の後方側開口部内面と、絶縁体２の外面との間には、フランジ状の突出部２ｅの後方側周縁と係合するリング状の線パッキン６２が配置され、そのさらに後方側にはタルク等の充填層６１を介してリング状のパッキン６０が配置されている。そして、絶縁体２を主体金具１に向けて前方側に押し込み、その状態で主体金具１の開口縁をパッキン６０に向けて内側に加締めることにより加締め部１ｄが形成され、主体金具１が絶縁体２に対して固定されている。

図２に示すように、パッキン６０の軸線方向前端内縁位置に対応する絶縁体２の厚さをＧとして、２ｍｍ≧Ｇ≧１．５ｍｍ（望ましくは１．５５ｍｍ≧Ｇ≧１．８ｍｍ）とされている。該Ｇの数値範囲の臨界的意味については、すでに詳細に説明済みなので、ここでは繰り返さない。

図３は絶縁体２の一例を示すものである。その各部の寸法を以下に例示する。
・全長Ｌ1：約６０ｍｍ。
・第一軸部２ｇの長さＬ2：約１０ｍｍ（ただし、係止用突出部２ｅとの接続部２ｆを含まず、第二軸部２ｉとの接続部２ｈを含む）。
・第二軸部２ｉの長さＬ3：約１２ｍｍ。
・本体部２ｂの外径Ｄ1：約１０ｍｍ。
・係止用突出部２ｅの外径Ｄ2：約１３ｍｍ。
・第一軸部２ｇの外径Ｄ3：約７．４ｍｍ。
・第二軸部２ｉの基端部外径Ｄ4：５．３ｍｍ。
・第二軸部２ｉの先端部外径Ｄ5（ただし、先端面外周縁にアールないし面取が施される場合は、中心軸線Ｏを含む断面において、該アール部ないし面取部の基端位置における外径を指す）：４．３ｍｍ。
・貫通孔６の第二部分６ｂの内径Ｄ6：４ｍｍ。
・貫通孔６の第一部分６ａの内径Ｄ7：２．１ｍｍ。
・第一軸部２ｇの肉厚ｔ1：１．７ｍｍ。
・第二軸部２ｉの基端部肉厚ｔ2（中心軸線Ｏと直交する向きにおける値）：１．６ｍｍ。
・第二軸部２ｉの先端部肉厚ｔ3（（中心軸線Ｏと直交する向きにおける値：ただし、先端面外周縁にアールないし面取りが施される場合は、中心軸線Ｏを含む断面において、該アール部ないし面取部の基端位置における肉厚を指す）：１．１ｍｍ。
・第二軸部２ｉの平均肉厚ｔA（（ｔ1＋ｔ2）／２）：１．３５ｍｍ。

図４に示すように、中心電極３は、基端側部分を先端側部分よりも大径に形成する。これにより、中心電極３の熱引きが向上し、発火部の耐消耗性をさらに良好なものとすることができる。具体的には、基端側部分が先端側部分よりも大径となるように、電極外周面をテーパ面状に形成している。

例えば絶縁体２の端面に対応する位置における中心電極の外径をＡとする一方、中心電極３の基端部の、前記パッキン６３の軸線方向前端内縁に対応する位置における外径をＡ'として、Ａ'≧１．３Ａとする。Ａ'が１．３Ａ未満になると、中心電極の基端部大径化による熱引き改善の効果が十分に達成できなくなる場合がある。

本発明の効果を確認するために、以下の各種実験を行った。
（実施例１）図１及び図２に示す形状のスパークプラグの各種試験品を以下のように用意した。まず、絶縁体２の材質として焼結アルミナセラミックを、中心電極３の材質としてインコネル６００を、発火部３１，３２を形成するための高融点金属チップの材質として１．７重量％Ｙ２Ｏ３を１．７重量％分散させたＩｒを、それぞれ選定した。なお、各高融点金属チップの厚さは０．５ｍｍとした。また、図２に示す各部の寸法を以下のように設定した：
Ｍ：１２ｍｍ（取付ねじ部内径は７．２ｍｍ）；
Ａ：１．９ｍｍ；
Ｂ：１．０ｍｍ；
Ｃ：１．０ｍｍ、１．１ｍｍ、１．２ｍｍ（いずれかの値に設定）；
Ｄ：１．１ｍｍ；
Ｅ：１．６５ｍｍ、１．５５ｍｍ、１．４５ｍｍ（上記Ｃの値にそれぞれ対応）；
Ｆ：２．０ｍｍ；
Ｇ：１．５ｍｍ、１．６ｍｍ、１．７ｍｍ（上記Ｃの値にそれぞれ対応）；
Ｈ：１．５ｍｍ。

上記の各種試験品を、各条件毎に５個ずつ用意し、それぞれ排気量６６０ｃｃ、４気筒のＤＯＨＣ型試験用ガソリンエンジンに取り付け、エンジン回転数５５００ｒｐｍ、インテークマニホルド内の圧力がゲージ圧にて＋５５０ｍｍＨｇとなる条件（作為的にブレークダウン電圧を高めるために、過給を行っている：他の実施例では、このゲージ圧は０ｍｍＨｇである）にて１００時間連続運転した。試験終了後に絶縁体先端部に貫通破壊が生じたかどうかを目視確認し、５個中の貫通破壊発生率により評価を行った。以上の結果を表１に示す。

また、同様のスパークプラグを、排気量２０００ｃｃ、６気筒のＤＯＨＣ型試験用ガソリンエンジンに取り付け、エンジン回転数７００ｒｐｍのアイドリング状態にて運転を行うとともに、接地電極４を除去した参照用プラグで横飛び波形を計測し、試験プラグでテストを行った時に、参照用プラグと同じ波形が出たら「横飛び」と判定し、１０００発計測した中で何回この波形が表れるかを調べることにより横飛び発生率を調べた。結果を表２に示す。

すなわち、絶縁体２の先端部の厚さＣの値を１．１ｍｍ以上とすることで、貫通破壊が発生しにくくなっていることがわかる。また、横飛びも発生していないことがわかる。

（実施例２）図１及び図２に示す形状のスパークプラグの各種試験品を以下のように用意した。絶縁体２、中心電極３及び高融点金属チップの材質選定は、実施例１と同様である。また、高融点金属チップの厚さは０．５ｍｍである。そして、図２に示す各部の寸法を以下のように設定した：
Ｍ：１２ｍｍ（取付ねじ部内径は７．２ｍｍ）；
Ａ：１．２ｍｍ、１．４ｍｍ、１．６ｍｍ（いずれかの値に設定）；
Ｂ：０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍ（いずれかの値に設定）；
Ｃ：１．６ｍｍ、１．５ｍｍ、１．４ｍｍ（上記Ａの値にそれぞれ対応）；
Ｄ：１．１ｍｍ；
Ｅ：１．４ｍｍ；
Ｆ：２．０ｍｍ；
Ｇ：２．１ｍｍ、２．０ｍｍ、１．９ｍｍ（上記Ａの値にそれぞれ対応）；
Ｈ：１．５ｍｍ。

上記の各種試験品を２５００ｃｃ、６気筒のＤＯＨＣ型試験用エンジンに取り付け、平均時速１５５ｋｍの１０万ｋｍ走行に相当する条件として、エンジン回転数４５００ｒｐｍ、スロットル全開状態にて６５０時間連続運転した。運転終了後、中心電極３側の発火部３１のチップの厚さ減少量を測定した。この結果を図５に示す。また、グラフ中のプロット点の数値を表３に示す。なお、チップ厚さ減少量が０．２ｍｍ以下のものを合格と判定する。

すなわち、中心電極径Ａが１．４ｍｍ未満、あるいはチップ径Ｂが０．３ｍｍ未満では、チップ厚さ減少量が大きく、発火部の耐消耗性が損なわれていることがわかる。主に、中心電極の熱引きが悪化することが原因と考えられる。

（実施例３）図１及び図２に示す形状のスパークプラグの各種試験品を以下のように用意した。絶縁体２、中心電極３及び高融点金属チップの材質選定は、実施例１と同様である。また、高融点金属チップの厚さは０．５ｍｍである。そして、図２に示す各部の寸法を以下のように設定した：
Ｍ：１２ｍｍ（取付ねじ部内径は７．２ｍｍ）；
Ａ：１．７ｍｍ、１．８ｍｍ、１．９ｍｍ、２．０ｍｍ（いずれかの値に設定）；
Ｂ：１．０ｍｍ；
Ｃ：１．２５ｍｍ、１．２０ｍｍ、１．１５ｍｍ、１．１０ｍｍ（上記Ａの値にそれぞれ対応）；
Ｄ：１．４ｍｍ；
Ｅ：１．５ｍｍ；
Ｆ：０ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ（いずれかの値に設定）；
Ｇ：２．０ｍｍ、１．９ｍｍ、１．８ｍｍ、１．７ｍｍ（上記Ａの値にそれぞれ対応）；
Ｈ：１．５ｍｍ。

上記の各種試験品を排気量２０００ｃｃ、６気筒のＤＯＨＣ型試験用ガソリンエンジンに取り付け、エンジン回転数７００ｒｐｍのアイドリング状態にて運転を行うとともに、実施例１と同様にして調横飛び発生率を調べた。結果を図６に示す（図中の各プロット点の数値を表４に示す）。

すなわち、ガスボリューム幅Ｅを固定した状態で、中心電極径Ａを２．０ｍｍ未満に小さくすると、横飛び発生率を減少できることがわかる。中心電極径Ａの縮小に伴い、絶縁体先端部の厚さＣを大きく確保できることが理由として考えられる。

（実施例４）図１及び図２に示す形状のスパークプラグの各種試験品を以下のように用意した。絶縁体２、中心電極３及び高融点金属チップの材質選定は、実施例１と同様である。また、高融点金属チップの厚さは０．５ｍｍである。そして、図２に示す各部の寸法を以下のように設定した：
Ｍ：１２ｍｍ（取付ねじ部内径は７．２ｍｍ）；
Ａ：１．９ｍｍ；
Ｂ：１．０ｍｍ；
Ｃ：０．９５ｍｍ、１．０５ｍｍ、１．１５ｍｍ、１．２５ｍｍ（いずれかの値に設定）；
Ｄ：１．４ｍｍ；
Ｅ：１．７ｍｍ、１．６ｍｍ、１．５ｍｍ、１．４ｍｍ；
Ｆ：０ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍ（いずれかの値に設定）；
Ｇ：２．０ｍｍ、１．９ｍｍ、１．８ｍｍ、１．７ｍｍ（上記Ｃの値にそれぞれ対応）；
Ｈ：１．５ｍｍ。

上記の各種試験品を排気量２０００ｃｃ、６気筒のＤＯＨＣ型試験用ガソリンエンジンに取り付け、エンジン回転数７００ｒｐｍのアイドリング状態にて運転を行うとともに、実施例１と同様にして横飛び発生率を調べた。結果を図７に示す（図中の各プロット点の数値を表５に示す）。

すなわち、中心電極径Ａを固定して、ガスボリューム幅Ｅを増大してゆくと、ガスボリューム幅Ｅが１．５ｍｍ以上で横飛び発生が起こりにくくなっていることがわかる。

（実施例５）図１及び図２に示す形状のスパークプラグの各種試験品を以下のように用意した。絶縁体２、中心電極３及び高融点金属チップの材質選定は、実施例１と同様である。また、高融点金属チップの厚さは０．５ｍｍである。そして、図２に示す各部の寸法を以下のように設定した：
Ｍ：１２ｍｍ（取付ねじ部内径は７．２ｍｍ）；
Ａ：１．９ｍｍ；
Ｂ：０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ（いずれかの値に設定）；
Ｃ：１．４５ｍｍ；
Ｄ：０．７ｍｍ、０．８ｍｍ、１．１ｍｍ、１．４ｍｍ（いずれかの値に設定）；
Ｅ：１．８ｍｍ；
Ｆ：２．０ｍｍ；
Ｇ：２．１５ｍｍ；
Ｈ：１．５ｍｍ。

上記の各種試験品を排気量２０００ｃｃ、６気筒のＯＨＣ型試験用ガソリンエンジンに取り付け、混合気の空燃比を徐々に減少させながらエンジン回転数７００ｒｐｍのアイドリング状態にて運転を行うとともに、着火ミス発生率が１％以上となる空燃比を限界空燃比として決定した。結果を図８に示す（図中の各プロット点の数値を表６に示す）。なお、限界空燃比が１６．５以上のものを合格と判定したる。

すなわち、ギャップ幅Ｄが０．８ｍｍ未満になると、チップ径をかなり小さくしても限界空燃比を１６．５以上とできず、着火性が低下していることがわかる。また、チップ径Ｂが１．０ｍｍを超えると、ギャップ幅を大きくしても限界空燃比を１６．５以上とできず、着火性が低下していることがわかる。

（実施例６）図１及び図２に示す形状のスパークプラグの各種試験品を以下のように用意した。絶縁体２、中心電極３及び高融点金属チップの材質選定は、実施例１と同様である。また、高融点金属チップの厚さは０．５ｍｍである。そして、図２に示す各部の寸法を以下のように設定した：
Ｍ：１２ｍｍ（取付ねじ部内径は７．２ｍｍ）；
Ａ：１．９ｍｍ；
Ｂ：１．０ｍｍ；
Ｃ：１．２ｍｍ；
Ｄ：１．１ｍｍ；
Ｅ：１．４５ｍｍ；
Ｆ：２．０ｍｍ；
Ｇ：１．４ｍｍ、１．５ｍｍ、１．６ｍｍ（いずれかの値に設定）；
Ｈ：１．５ｍｍ。

上記の各種試験品を、各条件毎に５個ずつ用意し、それぞれ排気量６６０ｃｃ、４気筒のＤＯＨＣ型試験用ガソリンエンジンに取り付け、エンジン回転数５５００ｒｐｍ、インテークマニホルド内の圧力がゲージ圧にて＋５５０ｍｍＨｇとなる条件（実施例１と同様）にて１００時間連続運転した。試験終了後に絶縁体先端部に貫通破壊が生じたかどうかを目視確認し、５個中の貫通破壊発生率により評価を行った。以上の結果を表７に示す。

すなわち、パッキン位置における絶縁体厚さＧを１．５ｍｍ以上とすることで、貫通破壊が発生しにくくなっていることがわかる。

（実施例７）図４に示す形状のスパークプラグの各種試験品を以下のように用意した。絶縁体２、中心電極３及び高融点金属チップの材質選定は、実施例１と同様である。また、高融点金属チップの厚さは０．５ｍｍである。そして、図４に示す各部の寸法を以下のように設定した：
Ｍ：１２ｍｍ（取付ねじ部内径は７．２ｍｍ）；
Ａ：１．４ｍｍ；
Ａ'：１．２Ａ、１．３Ａ、１．４Ａ（いずれかの値に設定）；
Ｂ：０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍ（いずれかの値に設定）；
Ｃ：１．５ｍｍ；
Ｄ：１．１ｍｍ；
Ｅ：１．４ｍｍ；
Ｆ：２．０ｍｍ；
Ｇ：４．８ｍｍ、４．９ｍｍ、５．１ｍｍ（上記Ａ'の値にそれぞれ対応）；
Ｈ：１．５ｍｍ。

上記の各種試験品を２５００ｃｃ、６気筒のＤＯＨＣ型試験用エンジンに取り付け、平均時速１５５ｋｍの１０万ｋｍ走行に相当する条件として、エンジン回転数４５００ｒｐｍ、スロットル全開状態にて６５０時間連続運転した。運転終了後、中心電極側の発火部３１のチップの厚さ減少量を測定した。この結果を図９に示す。また、グラフ中のプロット点の数値を表８に示す。なお、チップ厚さ減少量が０．２ｍｍ以下のものを合格と判定する。

すなわち、中心電極基端部径Ａ'を１．３Ａ以上とすることで、チップ厚さ減少量が小さくなり、発火部の耐消耗性が向上していることがわかる。主に、中心電極の熱引きが改善されたことが原因と考えられる。

１主体金具
２絶縁体
３中心電極
４接地電極
６貫通孔
３１発火部（高融点金属チップ）
６０パッキン
１００スパークプラグ

Claims

軸状に形成されて先端に、Ｉｒ、Ｗ、Ｒｅ及びＭｏのいずれかを主成分とする高融点金属チップが固着された中心電極と、その外側を覆う軸状の絶縁体と、両端が開放する筒状に形成され、前記中心電極の外側に配置される主体金具と、その主体金具に基端側が結合されるとともに先端側が側方に曲げ返されて側面が中心電極先端の高融点金属チップと対向し、該高融点金属チップとの間に火花ギャップを形成する接地電極とを備え、前記中心電極の軸線方向において火花ギャップの形成される側を前方側、これと反対側を後方側として、前記主体金具の前端側外周面には取付ねじ部が形成されるとともに、その取付ねじ部の外径をＭとし、また、前記絶縁体は、前端部が周方向の段部により縮径されて該段部が絶縁体側係合部とされ、前記主体金具に対し後方側開口部から挿入されるとともに、前記絶縁体側係合部が、前記取付ねじ部内において前記主体金具の内面から突出する金具側係合部とリング状のパッキンを介して係合するようになっており、そのパッキンの軸線方向前端内縁に対応する絶縁体厚さをＧとして、
Ｍ≦１２ｍｍ；
Ｇ≧１．５ｍｍ；
となっており、
前記主体金具の先端開口端面における内径寸法が７．２ｍｍよりも大きく、前記絶縁体の前端部分は前記主体金具の先端側開口部から突出して配置され、その主体金具の内面と前記絶縁体外面との間には環状の隙間が形成されており、前記主体金具の先端側開口端面内縁における該隙間の幅をＥ、前記絶縁体の前記主体金具の先端側開口端面からの出寸法をＦとし、また、前記火花ギャップの間隔をＤとして、
０．８ｍｍ≦Ｄ≦１．４ｍｍ；
Ｅ≧１．３ｍｍ；
１．０ｍｍ≦Ｆ≦４．０ｍｍ；
となっており、
さらに、前記高融点金属チップの外径をＢとして、
０．４ｍｍ≦Ｂ≦１．０ｍｍ；
となっており、
前記中心電極は、前記絶縁体から前記中心電極の先端部が突出して配置され、
また、前記絶縁体は、前端部が周方向の段部により縮径されて該段部が絶縁体側係合部とされ、前記主体金具に対し後方側開口部から挿入されるとともに、前記絶縁体側係合部が、前記取付ねじ部内において前記主体金具の内面から突出する金具側係合部とリング状のパッキンを介して係合するようになっており、
前記中心電極の突出側の絶縁体端面に対応する位置における前記中心電極の外径をＡとし、また、前記中心電極の基端部の、前記パッキンの軸線方向前端内縁に対応する位置における外径をＡ’として、Ａ’≧１．３Ａとなるように、前記中心電極の前記基端部から前記絶縁体端面に対応する位置に至る電極外周面がテーパ面状に形成されてなることを特徴とするスパークプラグ。
前記中心電極の突出側の絶縁体端面に対応する位置における前記中心電極の外径をＡとしたとき、
１．４ｍｍ≦Ａ≦２．０ｍｍ；
となっている請求項１記載のスパークプラグ。
前記高融点金属チップはＩｒを主成分として、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ及びＲｅの１種または２種以上を添加したＩｒ合金を主体に構成されている請求項１又は２記載のスパークプラグ。
前記高融点金属チップには、前記Ｉｒ合金をベースとしてこれに、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｌａ、Ｗ、Ｎｉ及びＣｒから選ばれる１種又は２種以上の元素の酸化物、炭化物、窒化物及びホウ化物の１種又は２種以上を配合したものである請求項３記載のスパークプラグ。