JP5028299B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、スパークプラグに関するものである。

従来のスパークプラグとして、中心電極の先端に貴金属チップ（以下では、「中心電極チップ」とも呼ぶ。）が設けられているものがある。通常の中心電極チップの形状は円柱状であり、その断面は円形である。そして、接地電極の端面が、中心電極チップの曲面状の側面に対向して配置される。このようなスパークプラグでは、放電が行なわれる中心電極チップの表面が曲面状になっているため、スパークプラグの使用に伴って曲面状の部分が損耗してゆき、この結果、放電電圧がかなり急速に上昇してしまうという問題があった。

従来、スパークプラグの放電電圧の上昇を抑えるための電極の形状に関する技術としては、中心電極の側面に平面を形成し、その平面に貴金属チップを溶接するものがあった（例えば、特許文献１参照。）。

特開平６−３１０２５６号公報 特許第３２５４７６０号公報 特許第３２７７２６３号公報 特開平６−３２５８５５号公報

しかし、この技術では、中心電極の側面に溶接された貴金属チップが剥離することがあるため、耐久性に問題があった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電極の耐久性を向上させつつ、放電電圧の上昇を抑えることのできる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。
［形態１］
スパークプラグであって、
前記スパークプラグの軸線方向に延在する中心電極と、
前記中心電極の先端部に接合された中心電極用貴金属チップと、
前記中心電極用貴金属チップの側面と対向する端面を有する接地電極と、
を備え、
前記接地電極の端面と対向する前記中心電極用貴金属チップの側面には、前記軸線方向に平行な略平面状の平面状側面部が形成されており、
前記接地電極の端面の面積をＳａとし、
前記接地電極の端面から前記中心電極用貴金属チップの前記平面状側面部までの最短距離をＧとし、
前記接地電極の端面からの距離が１．０５Ｇであり前記接地電極の端面と平行である仮想的な平面と、前記中心電極用貴金属チップと、が交わって規定される交差面を、前記接地電極の端面に投影し、前記接地電極の端面と前記交差面とが重なった部分の面積をＳｂとした場合において、
Ｓｂ／Ｓａ≧０．７５
の関係式を満たす、スパークプラグ。

[適用例１]
スパークプラグであって、
前記スパークプラグの軸線方向に延在する中心電極と、
前記中心電極の先端部に接合された中心電極用貴金属チップと、
前記中心電極用貴金属チップの側面と対向する端面を有する接地電極と、
を備え、
前記接地電極の端面の面積をＳａとし、
前記接地電極の端面から前記中心電極用貴金属チップの側面までの最短距離をＧとし、
前記接地電極の端面からの距離が１．０５Ｇであり前記接地電極の端面と平行である仮想的な平面と、前記中心電極用貴金属チップと、が交わって規定される交差面を、前記接地電極の端面に投影し、前記接地電極の端面と前記交差面とが重なった部分の面積をＳｂとした場合において、
Ｓｂ／Ｓａ≧０．７５
の関係式を満たす、スパークプラグ。

適用例１のスパークプラグによれば、電極の耐久性を向上させつつ、放電電圧の上昇を抑えることができる。

[適用例２]
適用例１記載のスパークプラグであって、
Ｓｂ／Ｓａ≧０．８０
の関係式を満たす、スパークプラグ。

適用例２のスパークプラグによれば、電極の耐久性を向上させつつ、さらに放電電圧の上昇を抑えることができる。

[適用例３]
適用例１または２記載のスパークプラグであって、
前記中心電極用貴金属チップは、前記軸線方向に垂直な断面の形状が前記中心電極用貴金属チップの端面と同一である先端部分と、当該先端部分よりも大きな断面形状を有する後方部分とを有し、
前記先端部分と前記後方部分の間の境界から前記中心電極用貴金属チップの端面までを結ぶ前記軸線方向の距離をＢとし、
前記接地電極の端面の前記軸線方向の長さをＡとし、
前記接地電極の端面と、前記中心電極用貴金属チップの前記後方部分とを結ぶ最短距離をＨとした場合において、
Ｂ≧Ａ、かつ、Ｈ≧１．１Ｇ
の関係式を満たす、スパークプラグ。

適用例３のスパークプラグによれば、接地電極の端面と中心電極用貴金属チップの後方部分との間での放電の発生を抑制することができる。また、適用例３のスパークプラグによれば、電極の耐久性を向上させつつ、放電電圧の上昇を抑えることができる。

[適用例４]
適用例３記載のスパークプラグであって、
Ｈ≧１．２Ｇ
の関係式を満たす、スパークプラグ。

適用例４のスパークプラグによれば、接地電極の端面と中心電極用貴金属チップの後方部分との間での放電の発生をさらに抑制することができる。また、適用例４のスパークプラグによれば、電極の耐久性を向上させつつ、放電電圧の上昇を抑えることができる。

[適用例５]
適用例１ないし４のいずれかに記載のスパークプラグであって、
前記接地電極の端面から前記中心電極用貴金属チップの側面までの最長距離と最短距離との差を平行度Ｘとし、
前記中心電極用貴金属チップの前記軸線方向と垂直な断面の形状を近似する円の直径の長さをＤとした場合において、
Ｘ≦Ｄ／６
の関係式を満たす、スパークプラグ。

適用例５のスパークプラグによれば、中心電極用貴金属チップの消耗を抑えることができ、電極の耐久性を向上させることが可能となる。また、適用例５のスパークプラグによれば、電極の耐久性を向上させつつ、放電電圧の上昇を抑えることができる。さらに、適用例３の構成を備える適用例５のスパークプラグによれば、接地電極の端面と中心電極用貴金属チップの後方部分との間での放電の発生を抑制することができる。

[適用例６]
適用例１ないし５のいずれかに記載のスパークプラグであって、さらに、
前記接地電極の端部に設けられ、前記中心電極用貴金属チップの側面と対向する端面を有する接地電極用貴金属チップを備え、
前記接地電極用貴金属チップの端面が前記接地電極の端面となる、スパークプラグ。

適用例６のスパークプラグによれば、接地電極にも貴金属チップを接合するので、スパークプラグの耐久性を向上させることができる。また、適用例６のスパークプラグによれば、電極の耐久性を向上させつつ、放電電圧の上昇を抑えることができる。さらに、適用例３の構成を備える適用例６のスパークプラグによれば、接地電極用貴金属チップの端面と中心電極用貴金属チップの後方部分との間での放電の発生を抑制することができる。さらに、適用例５の構成を備える適用例６のスパークプラグによれば、中心電極用貴金属チップの消耗を抑えることができ、電極の耐久性を向上させることが可能となる。

[適用例７]
適用例６記載のスパークプラグであって、さらに、
前記中心電極と前記中心電極用貴金属チップとの間と、前記接地電極と前記接地電極用貴金属チップとの間と、のうちの少なくとも一方に、前記電極と前記貴金属チップとの中間的な融点と中間的な線膨張係数とのうちの少なくとも一方を有する中間部材が設けられている、スパークプラグ。

適用例７のスパークプラグによれば、中間部材により、中心電極に生じる熱応力と中心電極用貴金属チップに生じる熱応力との差異が緩和されるので、中心電極用貴金属チップが中心電極から剥離することを抑制することができる。同様に、接地電極用貴金属チップが接地電極から剥離することを抑制することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、スパークプラグの製造方法等の形態で実現することができる。

次に、本発明の一態様であるスパークプラグの実施の形態を、以下の順序で説明する。
Ａ．スパークプラグの構造：
Ｂ．各部の形状及び寸法：
Ｃ．対向面積率Ｓｒに関する実験例：
Ｄ．クリアランスＨに関する実験例：
Ｅ．平行度Ｘに関する実験例：
Ｆ．中心電極チップ９０の他の実施形態：
Ｇ．接地電極の他の実施形態：

Ａ．スパークプラグの構造：
図１は、本発明の一実施形態としてのスパークプラグ１００の部分断面図である。なお、図１において、スパークプラグ１００の軸線方向ＯＤを図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１００の先端側、上側を後端側として説明する。

スパークプラグ１００は、絶縁碍子１０と、主体金具５０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０とを備えている。中心電極２０は、絶縁碍子１０内に軸線方向ＯＤに延びた状態で保持されている。絶縁碍子１０は、絶縁体として機能しており、主体金具５０は、この絶縁碍子１０を保持している。端子金具４０は、絶縁碍子１０の後端部に設けられている。なお、中心電極２０と接地電極３０の構成については、図２において詳述する。

絶縁碍子１０は、アルミナ等を焼成して形成され、軸中心に軸線方向ＯＤへ延びる軸孔１２が形成された筒形状を有する。軸線方向ＯＤの略中央には外径が最も大きな鍔部１９が形成されており、それより後端側（図１における上側）には後端側胴部１８が形成されている。鍔部１９より先端側（図１における下側）には、後端側胴部１８よりも外径の小さな先端側胴部１７が形成され、さらにその先端側胴部１７よりも先端側に、先端側胴部１７よりも外径の小さな脚長部１３が形成されている。脚長部１３は先端側ほど縮径され、スパークプラグ１００が内燃機関のエンジンヘッド２００に取り付けられた際には、その燃焼室に曝される。脚長部１３と先端側胴部１７との間には段部１５が形成されている。

主体金具５０は、低炭素鋼材より形成された円筒状の金具であり、スパークプラグ１００を内燃機関のエンジンヘッド２００に固定する。そして、主体金具５０は、絶縁碍子１０を内部に保持しており、絶縁碍子１０は、その後端側胴部１８の一部から脚長部１３にかけての部位を主体金具５０によって取り囲まれている。

また、主体金具５０は、工具係合部５１と、取付ねじ部５２とを備えている。工具係合部５１は、スパークプラグレンチ（図示せず）が嵌合する部位である。主体金具５０の取付ねじ部５２は、ねじ山が形成された部位であり、内燃機関の上部に設けられたエンジンヘッド２００の取付ねじ孔２０１に螺合する。

主体金具５０の工具係合部５１と取付ねじ部５２との間には、鍔状のシール部５４が形成されている。取付ねじ部５２とシール部５４との間のねじ首５９には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、スパークプラグ１００をエンジンヘッド２００に取り付けた際に、シール部５４の座面５５と取付ねじ孔２０１の開口周縁部２０５との間で押し潰されて変形する。このガスケット５の変形により、スパークプラグ１００とエンジンヘッド２００間が封止され、取付ねじ孔２０１を介したエンジン内の気密漏れが防止される。

主体金具５０の工具係合部５１より後端側には、薄肉の加締部５３が設けられている。また、シール部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に、薄肉の座屈部５８が設けられている。主体金具５０の工具係合部５１から加締部５３にかけての内周面と、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の外周面との間には、円環状のリング部材６，７が介在されている。さらに両リング部材６，７間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。加締部５３を内側に折り曲げるようにして加締めると、絶縁碍子１０は、リング部材６，７およびタルク９を介して主体金具５０内の先端側に向け押圧される。これにより、絶縁碍子１０の段部１５は、主体金具５０の内周に形成された段部５６に支持され、主体金具５０と絶縁碍子１０とは、一体となる。このとき、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は、絶縁碍子１０の段部１５と主体金具５０の段部５６との間に介在された環状の板パッキン８によって保持され、燃焼ガスの流出が防止される。座屈部５８は、加締めの際に、圧縮力の付加に伴い外向きに撓み変形するように構成されており、タルク９の圧縮ストロークを稼いで主体金具５０内の気密性を高めている。なお、主体金具５０の段部５６よりも先端側と絶縁碍子１０との間には、所定寸法のクリアランスＣが設けられている。

図２は、スパークプラグ１００の中心電極２０の先端部２２付近の拡大図である。中心電極２０は、電極母材２１の内部に芯材２５を埋設した構造を有する棒状の電極である。電極母材２１は、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケルまたはニッケルを主成分とする合金から形成されている。芯材２５は、電極母材２１よりも熱伝導性に優れる銅または銅を主成分とする合金から形成されている。通常、中心電極２０は、有底筒状に形成された電極母材２１の内部に芯材２５を詰め、底側から押出成形を行って引き延ばすことで作製される。芯材２５は、胴部分においては略一定の外径をなすものの、先端側においては先細り形状に形成される。また、中心電極２０は、軸孔１２内を後端側に向けて延設され、シール体４およびセラミック抵抗３（図１）を経由して、端子金具４０（図１）に電気的に接続されている。端子金具４０には、高圧ケーブル（図示せず）がプラグキャップ（図示せず）を介して接続され、高電圧が印加される。

中心電極２０の先端部２２は、絶縁碍子１０の先端部１１よりも突出している。中心電極２０の先端部２２の先端には、中間部材９１を介して、中心電極チップ９０が接合されている。中心電極チップ９０は、軸線方向ＯＤに伸びた略円柱形状を有しており、耐火花消耗性を向上するため、高融点の貴金属によって形成されている。中心電極チップ９０は、例えば、イリジウム（Ｉｒ）や、Ｉｒを主成分として、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）のうち、１種類あるいは２種類以上を添加したＩｒ合金によって形成される。

中心電極チップ９０の側面には、軸線方向ＯＤに平行な略平面状の平面状側面部９２が設けられている。平面状側面部９２は、完全な平面であってもよく、中心電極チップ９０の曲面状の側面よりも曲率半径の大きな緩やかな曲面状となっていてもよい。この平面状側面部９２は、中心電極チップ９０の側面の一部を切削して切り落とすことによって形成すること、研作して（削りだして）形成すること、等の機械加工によって、形成することができる。平面状側面部９２の形成は、中心電極チップ９０を中間部材９１に接合する前であっても、接合する後であってもよい。なお、平面状側面部９２を形成するために側面から切り落とされる部分の厚みは、平面状側面部９２の強度を保つため、中心電極チップ９０の直径の半分を超えないことが好ましい。

中間部材９１は、台座形状をなしており、電極母材２１と中心電極チップ９０の中間的な融点又は線膨張係数を有する材料によって形成されている。このため、このスパークプラグ１００では、中間部材９１により、中心電極２０の電極母材２１に生じる熱応力と中心電極チップ９０に生じる熱応力との差異が緩和される。したがって、中間部材９１自体に歪が生じ難く、中心電極２０の電極母材２１と中間部材９１との間や、中間部材９１と中心電極チップ９０との間に剥離が生じ難い。中間部材９１は、例えば、耐熱性、耐蝕性の優れた１３重量％以上のＣｒを含んだＮｉ合金によって形成されていることが好ましいが、その他にも、熱伝導性の良好な純ＮｉあるいはＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ａｌ等の総添加量が１０％以下のＮｉ合金によって形成されていることとしてもよい。中間部材９１と中心電極チップ９０との接合は、レーザ溶接によって行なうことができる。また、中間部材９１と中心電極２０との接合は、抵抗溶接によって行なうことができる。なお、中間部材９１は省略してもよい。

接地電極３０は、耐腐食性の高い金属から形成され、例えば、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル合金から形成されている。この接地電極３０の基部３２は、溶接によって、主体金具５０の先端部５７に接合されている。また、接地電極３０は屈曲しており、接地電極３０の先端部３３は、中心電極チップ９０の平面状側面部９２と対向している。

さらに、接地電極３０の先端部３３には、接地電極チップ９５が接合されている。接地電極チップ９５は、軸線方向ＯＤに略垂直な略円柱形状を有しており、接地電極チップ９５の端面９６は、中心電極チップ９０の平面状側面部９２と対向している。なお、接地電極チップ９５は、中心電極チップ９０と同様の材料で形成することができる。また、接地電極３０と接地電極チップ９５との間には、中間部材９１を設けることとしてもよい。

Ｂ．各部の形状及び寸法：
図３（Ａ）は、中心電極チップ９０と接地電極チップ９５との関係を示す斜視図である。図３（Ｂ）は、中心電極チップ９０及び接地電極チップ９５を、軸線方向ＯＤから見た図であり、図３（Ｃ）は、中心電極チップ９０及び接地電極チップ９５を、軸線方向ＯＤに対して垂直な方向から見た図である。図３（Ｂ）のギャップＧ（ｍｍ）は、中心電極チップ９０の平面状側面部９２と、接地電極チップ９５の端面９６との間の最短距離である。ここで、「最短距離」と表現する理由は、平面状側面部９２が曲率半径の大きな曲面状である場合や、平面状側面部９２の表面に小さな凹凸がある場合には、平面状側面部９２と接地電極チップ９５の端面９６との間の距離は、平面状側面部９２の位置によって異なる場合があるからである。図３（Ａ），（Ｂ）には、中心電極チップ９０の軸線方向ＯＤに沿った有効断面を規定するための仮想的な平面３０１が描かれている。この平面３０１は、接地電極チップ９５の端面９６からの距離が１．０５Ｇであり、かつ、接地電極チップ９５の端面９６と平行な平面である。この平面３０１と、中心電極チップ９０との交差部分である交差面３０２は、平面状側面部９２よりもやや大きな面積を有する。図３（Ｃ）において斜線を付した部分は、交差面３０２を、接地電極チップ９５の端面９６に投影したときに、交差面３０２と端面９６とが重なる部分である。この部分の面積を、以下では「対向面積Ｓｂ」と呼ぶ。また、接地電極チップ９５の端面９６の面積Ｓａに対する対向面積Ｓｂの占める割合を、対向面積率Ｓｒ（＝１００×Ｓｂ／Ｓａ）（％）と呼ぶ。

対向面積率Ｓｒが小さい場合には、中心電極チップ９０の平面状側面部９２において放電による消耗が早く進行し、ギャップＧの増加も早く進行する。ギャップＧの増加は、放電電圧の上昇を招く。したがって、放電電圧の上昇を抑制するために、対向面積率Ｓｒは、なるべく大きい方が好ましい。

ここで、平面３０１から接地電極チップ９５の端面９６までの距離を１．０５Ｇとして規定する理由について説明する。中心電極用貴金属チップ９０の平面状側面部９２は、スパークプラグ１００の使用に伴って徐々に損耗してゆき、スパークプラグ１００の寿命中にギャップＧは１０％以上増大する。また、平面状側面部９２は、スパークプラグ１００を使用する前の初期状態では、接地電極チップ９５の端面９６に対して傾いていたり、曲面状になっていたりしても、使用による損耗の結果、端面９６に平行な平面に近い状態となる。従って、接地電極チップ９５に対向する中心電極チップ９０の有効な側面面積としては、使用前の平面状側面部９２の面積を採用するよりも、やや損耗した状態の面積を採用することがより現実的である。そこで、本実施形態では、中心電極用貴金属チップ９０の有効な側面面積を規定する平面として、ギャップＧの１．０５倍の位置にある仮想的な平面３０１を用いるものとしている。

ここで、接地電極チップ９５の端面９６の面積Ｓａと、対向面積Ｓｂとの関係は、以下の関係式（１）を満足するように規定することが好ましい。
Ｓｂ／Ｓａ≧０．７５ …（１）

さらに、面積Ｓａと対向面積Ｓｂとの関係は、以下の関係式（２）を満足するように規定することが特に好ましい。
Ｓｂ／Ｓａ≧０．８０ …（２）
このように規定する根拠については、後述する。

図４は、接地電極チップ９５のクリアランスＨを示す説明図である。クリアランスＨ（ｍｍ）は、中心電極チップ９０の凸部９４と接地電極チップ９５の端面９６とを結んだ最短距離である。凸部９４は、平面状側面部９２を形成するために中心電極チップ９０を切削した後に残った部分である。また、凸部９４は、中心電極チップ９０の先端部分よりも大きな断面形状を有する後方部分と呼ぶこともできる。長さＡ（ｍｍ）は、接地電極チップ９５の軸線方向ＯＤの長さである。長さＢ（ｍｍ）は、中心電極チップ９０の先端面９３から凸部９４までの軸線方向ＯＤの長さである。また、上述したように、ギャップＧ（ｍｍ）は、中心電極チップ９０の平面状側面部９２と、接地電極チップ９５の端面９６との間の最短距離である。

ギャップＧに対してクリアランスＨが小さい場合には、接地電極チップ９５の端面９６と、中心電極チップ９０の平面状側面部９２との間で正規の放電が発生する以外に、中心電極チップ９０の凸部９４と、接地電極チップ９５の端面９６との間で放電（以下では、「飛火」と呼ぶ。）が発生することがある。飛火が頻繁に発生すると、放電距離が大きくなるため、放電電圧の上昇を招く。また、凸部９４が著しく消耗する。したがって、この飛火の発生を抑制するために、クリアランスＨはギャップＧに対して大きくなるように規定することが好ましい。

ここで、クリアランスＨとギャップＧとの関係は、以下の関係式（３）を満足するように規定することが好ましい。
Ｈ≧１．１Ｇ …（３）

さらに、クリアランスＨとギャップＧとの関係は、以下の関係式（４）を満足するように規定することが特に好ましい。
Ｈ≧１．２Ｇ …（４）
このように規定する根拠については、後述する。

なお、長さＢは、長さＡよりも長くなるように規定することが好ましい。この理由は、長さＢが長さＡよりも短くなれば、必然的にギャップＧよりもクリアランスＨの方が小さくなってしまい、中心電極チップ９０の凸部９４と、接地電極チップ９５の端面９６との間で飛火が発生してしまうためである。

図５は、中心電極チップ９０の平行度Ｘについての説明図である。この図５は、中心電極チップ９０と接地電極チップ９５とを軸線方向ＯＤから見た図である。平行度Ｘ（ｍｍ）は、距離Ｘａ（ｍｍ）から距離Ｘｂ（ｍｍ）を減算した長さである。ここで、距離Ｘａ（ｍｍ）は、接地電極チップ９５の端面９６から中心電極チップ９０の平面状側面部９２の最も離れている部分までの距離であり、距離Ｘｂ（ｍｍ）は、接地電極チップ９５の端面９６から中心電極チップ９０の平面状側面部９２の最も接近している部分までの距離である。直径Ｄ（ｍｍ）は、中心電極チップ９０の直径である。

平行度Ｘが大きいほど、すなわち、平面状側面部９２の傾きが大きいほど、中心電極チップ９０は、接地電極チップ９５の端面９６に最も近い角部９９から消耗し、ギャップＧが増加する。ギャップＧの増加は、放電電圧の上昇を招く。したがって、放電電圧の上昇を抑制するために、平行度Ｘは、なるべく小さい方が好ましい。

ここで、平行度Ｘと直径Ｄとの関係は、以下の関係式（５）を満足するように規定することが好ましい。
Ｘ≦Ｄ／６ …（５）
このように規定する根拠については、後述する。

Ｃ．対向面積率Ｓｒに関する実験例：
対向面積率Ｓｒと放電電圧の変化との相関を調べるため、対向面積率Ｓｒの異なる８つのサンプルＥ１〜Ｅ８を用いて、机上火花試験の耐久試験を行なった。ここで、「机上火花試験」とは、スパークプラグ１００を試験機にかけ、長時間に渡って放電を繰り返すことによって、スパークプラグ１００の性能や電極の損耗の状態を評価する試験である。本実験例では、圧力０．４ＭＰａの大気雰囲気中において、周波数１００Ｈｚで放電を繰り返した。

図６は、本実験例で用意した対向面積率Ｓｒの異なる複数のサンプルの形状を示す説明図である。この図６は、中心電極チップ９０と接地電極チップ９５とを軸線方向ＯＤから見た図である。図６（Ａ）〜図６（Ｇ）は、中心電極チップ９０の平面状側面部９２が平面であるサンプルＥ１〜Ｅ７を示している。図６（Ｈ）は、中心電極チップ９０の平面状側面部９２の形状が曲面となっているサンプルＥ８を示している。サンプルＥ８の平面状側面部９２は、中心電極チップ９０の半径よりも大きな曲率半径の曲面で構成されており、この例では、中心電極チップ９０の半径は０．４ｍｍであり、平面状側面部９２の曲率半径は１．５ｍｍである。なお、サンプルＥ１〜Ｅ８の対向面積率Ｓｒは、５７％から１００％の範囲に含まれる。なお、サンプルＥ１〜Ｅ８のギャップＧは同一の値にして試験を行なった。

図７は、机上火花耐久試験における各サンプルＥ１〜Ｅ８の放電電圧の変化を示すグラフである。図７の横軸は、耐久試験の経過時間（ｈｒ）を示しており、縦軸は、放電電圧（ｋＶ）を示している。この図７には、図６で示した８つのサンプルＥ１〜Ｅ８の試験結果が示されている。本実験例の耐久試験では、放電電圧の限界値（以下では、「限界電圧値ＶＬ」とも呼ぶ。）を３０ｋＶと定めた。そして、各サンプルが限界電圧値ＶＬを超えずに放電が可能な目標時間を２５０ｈｒとした。図７には、各サンプルＥ１〜Ｅ８が限界電圧値ＶＬに達した時間Ｔ１〜Ｔ８が示されている。

対向面積率Ｓｒが５７％〜７３％のサンプルＥ１〜Ｅ３は、目標とした放電時間の２５０ｈｒを経過する前に、放電電圧が限界電圧値ＶＬを超えてしまった。しかし、対向面積率Ｓｒが７７％以上のサンプルＥ４〜Ｅ８は、放電電圧の上昇は緩やかであり、目標とした放電時間の２５０ｈｒを超えることができた。なお、対向面積率Ｓｒが５７％のサンプルＥ１は、平面状側面部９２を有しておらず、完全な円柱状である。

図８は、対向面積率Ｓｒと限界電圧値ＶＬに達するまでの時間Ｔとの関係を示すグラフである。目標とした放電時間の２５０ｈｒを超えるためには、対向面積率Ｓｒは７５％以上であることが好ましく、対向面積率Ｓｒが８０％以上であることがさらに好ましいことが理解できる。

なお、図７および図８には、図６（Ｈ）で示した曲率半径を変更したサンプルＥ８についての試験結果も示されている。サンプルＥ８の対向面積率Ｓｒは８０％である。このサンプルＥ８の試験結果は、サンプルＥ５の試験結果とほぼ同じであった。サンプルＥ５は、平面状側面部９２が平面であり、対向面積率Ｓｒは８０％である。この結果から、限界電圧値ＶＬに達するまでの放電時間は、平面状側面部９２の形状に依存せず、対向面積率Ｓｒに依存することがわかった。そのため、中心電極チップ９０の平面状側面部９２は、中心電極チップ９０の半径よりも大きな曲率半径の曲面で構成されてもよいことが理解できる。

以上のように、接地電極チップ９５の端面９６の面積Ｓａと、対向面積Ｓｂとの関係が、上記関係式（１）または（２）を満足するように規定すれば、放電電圧の上昇を抑えることができる。また、中心電極チップ９０の側面に平面状側面部９２を形成するため、特許文献１記載の従来技術のように、中心電極２０の側面に溶接された貴金属チップが剥離することもないので、電極の耐久性を向上させることが可能となる。

Ｄ．クリアランスＨに関する実験例：
クリアランスＨと飛火の発生率（以下では、「飛火率」とも呼ぶ。）との関係を調べるために、クリアランスＨの異なる７つのサンプルＥ１１〜Ｅ１７を用いて、机上火花試験を行なった。本実験例では、圧力０．８ＭＰａの大気雰囲気中において、周波数６０Ｈｚで放電を繰り返した。

図９は、本実験例で用意したクリアランスＨの異なるサンプルＥ１１，Ｅ１７の寸法を示す説明図である。この図９は、中心電極チップ９０と接地電極チップ９５とを軸線方向ＯＤに対して垂直な方向から見た図である。図９（Ａ）に示すサンプルＥ１１は、ギャップＧとクリアランスＨが等しくなっている。図９（Ｂ）に示すサンプルＥ１７のクリアランスＨは、ギャップＧの１．２０倍となっている。なお、本実験例では、ギャップＧを一定値としたまま、中心電極チップ９０の平面状側面部９２の軸線方向ＯＤの長さを変えることによって、クリアランスＨを変更した。

図１０は、クリアランスＨと飛火率との関係を示すグラフである。図１０の横軸は、クリアランスＨを示しており、縦軸は、飛火率（％）を示している。この図１０によれば、クリアランスＨが１．１Ｇ以上である場合には、飛火率は２０％を下回ることがわかった。したがって、飛火率が２０％を下回るためには、クリアランスＨは１．１Ｇ以上であることが好ましい。さらに、この図１０によれば、クリアランスＨが１．１８Ｇ以上である場合には、飛火率が０％となる、すなわち、中心電極チップ９０の凸部９４と、接地電極チップ９５の端面９６との間で放電が発生しないことがわかった。したがって、クリアランスＨは１．２Ｇ以上であることがさらに好ましい。

以上のように、クリアランスＨとギャップＧとの関係が、上記関係式（３）または（４）を満足するように規定すれば、中心電極チップ９０の凸部９４と、接地電極チップ９５の端面９６との間での放電の発生を抑制することが可能となる。換言すれば、中心電極チップ９０の平面状側面部９２と、接地電極チップ９５の端面９６との間以外の部分での放電を抑制することができる。

Ｅ．平行度Ｘに関する実験例：
平行度Ｘと試験後のギャップＧの増加量との関係を調べるため、平行度Ｘの異なる４つのサンプルＥ２１〜Ｅ２４を用いて、机上火花試験を行なった。本実験例では、圧力０．４ＭＰａの大気雰囲気中において、周波数１００Ｈｚで放電を繰り返した。

図１１は、本実験例で用意した平行度Ｘの異なる複数のサンプルを示す説明図である。この図１１は、中心電極チップ９０と接地電極チップ９５とを軸線方向ＯＤから見た図である。本実験例では、平行度ＸがＤ／３，Ｄ／６，Ｄ／９，Ｄ／１２である４つのサンプルＥ２１〜Ｅ２４を用意した。なお、図１１（Ａ）には、参考として、平行度Ｘ＝０のサンプルも示してある。

図１２は、平行度Ｘと試験後のギャップＧの増加量との関係を示すグラフである。図１２の横軸は、平行度Ｘを示しており、縦軸は、机上火花試験を２５０ｈｒ行なった後のギャップＧの増加量（ｍｍ）を示している。この図１２によれば、平行度Ｘが小さくなるほど、すなわち平面状側面部９２の傾きが小さいほど、試験後のギャップＧの増加が小さいことがわかる。さらに、この図１２によれば、平行度Ｘは、試験後のギャップＧの増加量の曲線が緩やかとなるＤ／６以下であることが好ましいことが理解できる。

以上のように、平行度Ｘと直径Ｄとの関係が、上記関係式（５）を満足するように規定すれば、中心電極チップ９０と接地電極チップ９５との最短距離であるギャップＧの増加を抑えることができ、電極の耐久性を向上させることが可能となる。

Ｆ．中心電極チップ９０の他の実施形態：
図１３は、中心電極チップ９０の他の形態を示す説明図である。図１３（Ａ）〜図１３（Ｅ）のそれぞれには、中心電極チップ９０を軸線方向ＯＤに対して垂直な方向から見た図と、軸線方向ＯＤから見た図とが記載されている。図１３（Ａ）で示すように、中心電極チップ９０の平面状側面部９２と中間部材９１との間は、斜めに切り落とされて斜面９７を形成してもよい。また、図１３（Ｂ）で示すように、中心電極チップ９０の平面状側面部９２は、中間部材９１との接合部分まで垂直に切断されていてもよい。この場合、クリアランスＨは、中間部材９１の角部４０１と、接地電極チップ９５の端面９６との距離となる。なお、角部４０１は、中心電極チップ９０の先端部分よりも大きな断面形状を有する中心電極チップ９０の後方部分に相当する。さらに、図１３（Ｃ）で示すように、平面状側面部９２の代わりに、曲面状の曲面状側面部９２ａとしてもよい。この場合にも、曲面状側面部９２ａと中間部材９１との間は、斜めに切り落とされて斜面９７を形成してもよい。また、図１３（Ｄ）で示すように、平面状側面部９２の反対側にも平面状側面部９２を設けることとしてもよい。さらに、図１３（Ｅ）で示すように、中心電極チップ９０は、角柱状であってもよい。なお、図１３（Ｃ）で示すように、中心電極用貴金属チップ９０の側面が曲面状であっても（曲面状側面部９２ａ）、接地電極チップ９５の端面９６の面積Ｓａ（図３）と、対向面積Ｓｂ（図３）との関係は、上記関係式（１）または（２）を満たすことが好ましい。

Ｇ．接地電極の他の実施形態：
図１４は、接地電極３０および接地電極チップ９５の他の形態を示す説明図である。図１４（Ａ）〜図１４（Ｅ）のそれぞれには、中心電極チップ９０等を軸線方向ＯＤに対して垂直な方向から見た図と、軸線方向ＯＤから見た図とが記載されている。図１４（Ａ）で示すように、接地電極チップ９５は省略することも可能である。この場合、ギャップＧは、中心電極チップ９０の平面状側面部９２と接地電極３０の先端部３３の端面との距離となる。また、図１４（Ｂ）で示すように、接地電極チップ９５と接地電極３０との間に、中間部材４０３を設けることも可能である。さらに、図１４（Ｃ）で示すように、接地電極３０の先端付近は、先細り形状部４０４（テーパーカット）としてもよい。また、図１４（Ｄ）で示すように、接地電極チップ９５の形状は、角柱状としてもよい。さらに、図１４（Ｅ）で示すように、接地電極３０の先端付近には、段差部４０５を設けることとしてもよい。

なお、対向面積率Ｓｒ，クリアランスＨ，平行度Ｘに関する好ましい条件は、それぞれ単独に適用してもよい。ただし、対向面積率Ｓｒ，クリアランスＨ，平行度Ｘが全ての条件を満たすのが最良である。

スパークプラグの部分断面図である。 スパークプラグの中心電極の先端部付近の拡大図である。 対向面積Ｓｂを示す説明図である。 接地電極チップのクリアランスＨを示す説明図である。 中心電極チップの平行度Ｘについての説明図である。 本実験例で用意した対向面積率Ｓｒの異なる複数のサンプルの形状を示す説明図である。 机上火花耐久試験における各サンプルの放電電圧の変化を示すグラフである。 対向面積率Ｓｒと限界電圧値ＶＬに達するまでの時間との関係を示すグラフである。 クリアランスＨの異なるサンプルの寸法を示す説明図である。 クリアランスＨと飛火率との関係を示すグラフである。 平行度Ｘの異なる複数のサンプルを示す説明図である。 平行度Ｘと試験後のギャップＧの増加量との関係を示すグラフである。 中心電極チップの他の形態を示す説明図である。 接地電極の他の形態を示す説明図である。

符号の説明

３…セラミック抵抗
４…シール体
５…ガスケット
６…リング部材
７…リング部材
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁碍子
１１…先端部
１２…軸孔
１３…脚長部
１５…段部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…鍔部
２０…中心電極
２１…電極母材
２２…先端部
２５…芯材
３０…接地電極
３２…基部
３３…先端部
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…取付ねじ部
５３…加締部
５４…シール部
５５…座面
５６…段部
５７…先端部
５８…座屈部
５９…ねじ首
９０…中心電極チップ
９１…中間部材
９２…平面状側面部
９２ａ…曲面状側面部
９３…先端面
９４…凸部
９５…接地電極チップ
９６…端面
９７…斜面
９９…角部
１００…スパークプラグ
２００…エンジンヘッド
２０１…取付ねじ孔
２０５…開口周縁部
３０１…平面
３０２…平面
４０１…角部
４０３…中間部材
４０４…先細り形状部
４０５…段差部

Claims (7)

1. スパークプラグであって、
   前記スパークプラグの軸線方向に延在する中心電極と、
   前記中心電極の先端部に接合された中心電極用貴金属チップと、
   前記中心電極用貴金属チップの側面と対向する端面を有する接地電極と、
   を備え、
   前記接地電極の端面と対向する前記中心電極用貴金属チップの側面には、前記軸線方向に平行な略平面状の平面状側面部が形成されており、
   前記接地電極の端面の面積をＳａとし、
   前記接地電極の端面から前記中心電極用貴金属チップの前記平面状側面部までの最短距離をＧとし、
   前記接地電極の端面からの距離が１．０５Ｇであり前記接地電極の端面と平行である仮想的な平面と、前記中心電極用貴金属チップと、が交わって規定される交差面を、前記接地電極の端面に投影し、前記接地電極の端面と前記交差面とが重なった部分の面積をＳｂとした場合において、
   Ｓｂ／Ｓａ≧０．７５
   の関係式を満たす、スパークプラグ。
2. 請求項１記載のスパークプラグであって、
   Ｓｂ／Ｓａ≧０．８０
   の関係式を満たす、スパークプラグ。
3. 請求項１または２記載のスパークプラグであって、
   前記中心電極用貴金属チップは、前記軸線方向に垂直な断面の形状が前記中心電極用貴金属チップの端面と同一である先端部分と、当該先端部分よりも大きな断面形状を有する後方部分とを有し、
   前記先端部分と前記後方部分の間の境界から前記中心電極用貴金属チップの端面までを結ぶ前記軸線方向の距離をＢとし、
   前記接地電極の端面の前記軸線方向の長さをＡとし、
   前記接地電極の端面と、前記中心電極用貴金属チップの前記後方部分とを結ぶ最短距離をＨとした場合において、
   Ｂ≧Ａ、かつ、Ｈ≧１．１Ｇ
   の関係式を満たす、スパークプラグ。
4. 請求項３記載のスパークプラグであって、
   Ｈ≧１．２Ｇ
   の関係式を満たす、スパークプラグ。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のスパークプラグであって、
   前記接地電極の端面から前記中心電極用貴金属チップの前記平面状側面部までの最長距離と最短距離との差を平行度Ｘとし、
   前記中心電極用貴金属チップの前記軸線方向と垂直な断面の形状を近似する円の直径の長さをＤとした場合において、
   Ｘ≦Ｄ／６
   の関係式を満たす、スパークプラグ。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載のスパークプラグであって、さらに、
   前記接地電極の端部に設けられ、前記中心電極用貴金属チップの前記平面状側面部と対向する端面を有する接地電極用貴金属チップを備え、
   前記接地電極用貴金属チップの端面が前記接地電極の端面となる、スパークプラグ。
7. 請求項６記載のスパークプラグであって、さらに、
   前記中心電極と前記中心電極用貴金属チップとの間と、前記接地電極と前記接地電極用貴金属チップとの間と、のうちの少なくとも一方に、前記電極と前記貴金属チップとの中間的な融点と中間的な線膨張係数とのうちの少なくとも一方を有する中間部材が設けられている、スパークプラグ。

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