JP5564070B2 - スパークプラグ - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関等に使用されるスパークプラグに関する。
スパークプラグは、内燃機関（エンジン）等に取付けられ、燃焼室内の混合気等への着火のために用いられる。一般にスパークプラグは、軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、軸孔の先端側に挿通される中心電極と、絶縁体の外周に設けられる主体金具と、主体金具の先端部に固定される接地電極とを備える。接地電極は、自身の略中間部分に設けられた屈曲部において先端部が中心電極と対向するように曲げ返されており、接地電極の先端部と中心電極の先端部との間には火花放電間隙が形成される。そして、火花放電間隙に高電圧が印加され、火花放電が生じることで、混合気等への着火がなされるようになっている（例えば、特許文献１等参照）。
ところで近年では、スパークプラグの小型化や小径化が要請されている。そのためには、主体金具の小径化が必要であり、かかる小径化された主体金具へと接合可能とすべく、接地電極をより細いものとすることが要求されている。ところが、このような細い接地電極においては、その先端部の熱が主体金具側へと伝導されにくく、使用に伴い接地電極の先端部が急速に消耗してしまうおそれがある。そこで、接地電極の熱伝導性を向上させ、耐消耗性の向上を図るべく、ニッケル（Ｎｉ）を比較的多量に含有する金属によって接地電極を形成することが考えられる。
しかしながら、一般にＮｉを多量に含有する金属は硬度が低い。そのため、Ｎｉを多量に含有する金属により、上述のような細い接地電極を形成した場合には、内燃機関等の動作に伴う振動等が加わった際に、接地電極の先端部が中心電極から離間する方向へと起き上がること（屈曲された接地電極が徐々に戻り変形してしまうこと）が極めて生じやすくなってしまう。これは、屈曲に伴い接地電極に内部応力が残留するところ、上述のような、Ｎｉを多量に含有する金属により形成され、かつ、細い接地電極は、前記内部応力に対する強度が十分ではないことによる。尚、接地電極の起き上がりが生じてしまうと、火花放電間隙が拡大してしまうため、放電電圧が増大してしまい、中心電極や接地電極の急激な消耗や放電不能といった事態を招いてしまうおそれがある。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、接地電極が比較的細く、かつ、Ｎｉを多量に含む金属により形成されたスパークプラグにおいて、接地電極の先端部における起き上がりをより確実に防止することにある。
以下、上記目的を解決するのに適した各構成につき、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、軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、
前記軸孔の先端側に挿設された中心電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
自身の基端部が前記主体金具に固定されるとともに、屈曲部にて前記中心電極側へと曲げられ、自身の先端部が前記中心電極との間で間隙を形成する接地電極とを備えるスパークプラグであって、
前記接地電極は、ニッケルを９３質量％以上含有する金属により形成され、
前記接地電極の中心軸に直交する断面において、前記接地電極の厚さ方向に沿って延び、前記断面における最大厚さの１／３の長さを有する平行な二辺と、前記接地電極の幅方向に沿って延び、前記断面における最大幅の１／３の長さを有する平行な二辺とからなり、前記中心軸を中心とする長方形を取り、前記長方形の中心と重なる前記接地電極を構成する結晶粒と、前記長方形を構成する各辺の各中点に重なる４つの前記結晶粒とについて、前記厚さ方向に沿った最大長さをＣ（μｍ）とし、前記幅方向に沿った最大長さをＢ（μｍ）としたとき、
前記屈曲部のうち前記接地電極の中心軸の曲率半径が最小となる位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において、
前記接地電極の断面積が３．０ｍｍ2以下であり、
Ｃに対するＢの比の平均値が１．５以上１０以下であることを特徴とする。
前記軸孔の先端側に挿設された中心電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
自身の基端部が前記主体金具に固定されるとともに、屈曲部にて前記中心電極側へと曲げられ、自身の先端部が前記中心電極との間で間隙を形成する接地電極とを備えるスパークプラグであって、
前記接地電極は、ニッケルを９３質量％以上含有する金属により形成され、
前記接地電極の中心軸に直交する断面において、前記接地電極の厚さ方向に沿って延び、前記断面における最大厚さの１／３の長さを有する平行な二辺と、前記接地電極の幅方向に沿って延び、前記断面における最大幅の１／３の長さを有する平行な二辺とからなり、前記中心軸を中心とする長方形を取り、前記長方形の中心と重なる前記接地電極を構成する結晶粒と、前記長方形を構成する各辺の各中点に重なる４つの前記結晶粒とについて、前記厚さ方向に沿った最大長さをＣ（μｍ）とし、前記幅方向に沿った最大長さをＢ（μｍ）としたとき、
前記屈曲部のうち前記接地電極の中心軸の曲率半径が最小となる位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において、
前記接地電極の断面積が３．０ｍｍ2以下であり、
Ｃに対するＢの比の平均値が１．５以上１０以下であることを特徴とする。
尚、「厚さ方向」とあるのは、接地電極の中心軸の曲率中心を通り、接地電極の中心軸と交差する直線の延びる方向をいう。また、「幅方向」とあるのは、前記厚さ方向と直交する方向をいう。加えて、前記長方形の中心や前記各辺の中点に重なる結晶粒が存在しない場合、Ｃに対するＢの比（Ｂ／Ｃ）の算出対象となる結晶粒は、前記中心や中点に最も接近する結晶粒をいう。
上記構成１によれば、接地電極は、Ｎｉを９３質量％以上含有する金属により形成されている。従って、接地電極の熱伝導性を飛躍的に向上させることができ、接地電極の耐消耗性を効果的に高めることができる。
一方で、上記構成１においては、屈曲部のうち接地電極の中心軸の曲率半径が最小となる位置（すなわち、振動等に伴う接地電極の戻り変形が最も生じやすい位置）において、接地電極の断面積が３．０ｍｍ2以下とされている。従って、上述の通り、接地電極がＮｉを９３質量％以上含有する金属により形成されていることと相俟って、接地電極における起き上がりの発生が大いに懸念される。
この点、上記構成１によれば、屈曲部のうち接地電極の中心軸の曲率半径が最小となる位置において、Ｃに対するＢの比の平均値が１．５以上とされている。すなわち、接地電極の中心部（前記長方形で囲まれた部位）において、結晶粒の大部分が厚さ方向に沿って押し潰され、歪みを持った形状とされており、接地電極の中央部が高強度を有するように構成されている。これにより、接地電極の強度を、接地電極の内部応力に抗することができる程度に十分に高めることができ、接地電極の起き上がりをより確実に抑制することができる。
尚、Ｃに対するＢの比の平均値を１０超とした場合には、接地電極の中心部以外に位置する結晶粒においても歪みが生じてしまい、屈曲部の形成時などにおいて、接地電極に割れ等が発生してしまうおそれがある。従って、接地電極の割れ等を防止するために、Ｃに対するＢの比の平均値を１０以下とすることが好ましい。
構成２．本構成のスパークプラグは、上記構成１において、前記屈曲部の任意の位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において、
前記比の平均値が１．５以上１０以下であることを特徴とする。
前記比の平均値が１．５以上１０以下であることを特徴とする。
上記構成２によれば、屈曲部の任意の位置において、すなわち、起き上がり（戻り変形）の生じ得る屈曲部の全域において、前記比の平均値が１．５以上とされている。従って、屈曲部において、接地電極の中心部に高強度の芯が存在するような形とすることができる。そのため、接地電極の強度をより向上させることができ、接地電極の起き上がり抑制効果を一段と高めることができる。
構成３．本構成のスパークプラグは、上記構成１又は２において、前記断面において、前記接地電極のうち前記長方形で囲まれた領域を除いた領域の硬度が、ビッカース硬度で１３０Ｈｖ以上であることを特徴とする。
上記構成３によれば、接地電極のうちその中心部の周囲に位置する部位の強度を高めることができる。従って、接地電極の起き上がりをより一層確実に抑制することができる。
構成４．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、前記比の平均値が４以上であることを特徴とする。
上記構成４によれば、接地電極の中央部における強度を著しく高めることができる。その結果、接地電極の起き上がり抑制効果を飛躍的に向上させることができる。
構成５．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記屈曲部の任意の位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において、
前記接地電極の断面積が２．２ｍｍ2以下であることを特徴とする。
前記接地電極の断面積が２．２ｍｍ2以下であることを特徴とする。
上記構成５のように、接地電極の断面積が２．２ｍｍ2以下と小さい場合には、接地電極における起き上がりの発生がより懸念される。しかしながら、上記構成１等を採用することで、このように接地電極の断面積が小さい場合であっても、接地電極の起き上がりを十分に抑制することができる。換言すれば、上記構成１等は、接地電極の断面積が２．２ｍｍ2以下の場合において、特に有意である。
以下に、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、スパークプラグ１を示す一部破断正面図である。尚、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、上側を後端側として説明する。
スパークプラグ１は、筒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、後端側に形成された後端側胴部１０と、当該後端側胴部１０よりも先端側において径方向外向きに突出形成された大径部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も細径に形成された脚長部１３とを備えている。加えて、絶縁碍子２のうち、大径部１１、中胴部１２、及び、大部分の脚長部１３は、主体金具３の内部に収容されている。そして、中胴部１２と脚長部１３との連接部にはテーパ状の段部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。
さらに、絶縁碍子２には、軸線ＣＬ１に沿って延びる軸孔４が貫通形成されており、当該軸孔４の先端側には中心電極５が挿入、固定されている。中心電極５は、熱伝導性に優れる金属〔例えば、銅や銅合金、純ニッケル（Ｎｉ）等〕からなる内層５Ａと、Ｎｉを主成分とする合金からなる外層５Ｂとを備えている。また、中心電極５は、全体として棒状（円柱状）をなし、その先端部分が絶縁碍子２の先端から突出している。
加えて、軸孔４の後端側には、絶縁碍子２の後端から突出した状態で端子電極６が挿入、固定されている。
さらに、軸孔４の中心電極５と端子電極６との間には、円柱状の抵抗体７が配設されている。当該抵抗体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。
加えて、前記主体金具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を内燃機関や燃料電池改質器等の燃焼装置に取付けるためのねじ部（雄ねじ部）１５が形成されている。また、ねじ部１５の後端側には座部１６が外周側に向けて突出形成されており、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を燃焼装置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が設けられている。また、主体金具３の後端部には、径方向内側に向けて屈曲する加締め部２０が設けられている。尚、本実施形態においては、スパークプラグ１の小型化を図るべく、主体金具３が小径化されており、ねじ部１５のねじ径は比較的小径（例えば、Ｍ１２以下）とされている。
また、主体金具３の内周面には、絶縁碍子２を係止するためのテーパ状の段部２１が設けられている。そして、絶縁碍子２は、主体金具３に対してそ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主体金具３に固定されている。尚、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ガスが外部に漏れないようになっている。
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間には滑石（タルク）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及び滑石２５を介して絶縁碍子２を保持している。
また、図２に示すように、自身の基端部が主体金具３の先端面２６に固定されるとともに、屈曲部２７Ｋにて曲げ返されて、自身の先端側側面が中心電極５の先端部と対向する接地電極２７が接合されている。加えて、中心電極５の先端部と接地電極２７の先端部との間には、間隙としての火花放電間隙２８が形成されており、当該火花放電間隙２８において、軸線ＣＬ１にほぼ沿った方向で火花放電が行われるようになっている。
さらに、本実施形態において、接地電極２７は、Ｎｉを９３質量％以上含有する金属により形成されている。また、接地電極２７には、希土類元素が一種類以上含有されており、希土類元素の総含有量は、０．０５質量％以上０．４５質量％以下とされている。尚、希土類元素としては、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プロセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）及びルテチウム（Ｌｕ）から成るランタノイド、並びに、スカンジウム（Ｓｃ）を挙げることができる。
加えて、接地電極２７には、ケイ素（Ｓｉ）が所定量（例えば、０．１５質量％以上２．５質量％以下）含有されるとともに、マンガン（Ｍｎ）が所定量（例えば、０．０５質量％以上２．５質量％以下）含有されている。ＳｉやＭｎが前記所定量含有されることで、接地電極２７の表面に、デポジット（オイルや未燃焼燃料等の付着物）に対して強固な酸化膜を形成することができる。
また、主体金具３の小径化に伴い、主体金具３の先端面２６の径方向に沿った幅も比較的小さくされており、ひいては主体金具３に接合される接地電極２７の厚さが比較的小さなもの（例えば、０．７ｍｍ以上１．３ｍｍ以下）とされている。このように接地電極２７が比較的薄肉に形成されているため、接地電極２７の中心軸ＣＬ２と直交する方向に沿った任意の断面において、接地電極２７の断面積は３．０ｍｍ2以下（本実施形態では、２．２ｍｍ2以下）となっている。そのため、屈曲部２７Ｋのうち接地電極２７の中心軸ＣＬ２の曲率半径が最小となる位置ＬＰにおいても、接地電極２７の断面積が３．０ｍｍ2以下（本実施形態では、２．２ｍｍ2以下）となっている。尚、主体金具３に対する接地電極２７の接合強度を十分に確保する等の観点から、前記中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極２７の断面積を１．０ｍｍ2以上とすることが好ましい。
さらに、図３に示すように、前記中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極２７における中心軸ＣＬ２に垂直な面を構成する外形線の一部が湾曲状をなしている。本実施形態では、中心軸ＣＬ２に直交する断面において、接地電極２７のうち中心電極５側を向く正面２７Ｆの外形線及び当該正面２７Ｆの背後に位置する背面２７Ｂの外形線が、互いに平行な直線状とされる一方で、前記正面２７Ｆ及び背面２７Ｂ間に位置する側面２７Ｓ１，２７Ｓ２の外形線が外側に凸の湾曲状とされている。尚、接地電極の断面形状はこれに限られるものではなく、例えば、図４に示すように、接地電極３７が断面矩形状をなすように構成してもよい。
また、屈曲部２７Ｋの任意の位置を通り、かつ、前記中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極２７を構成する結晶粒が次のように構成されている。すなわち、図５に示すように、中心軸ＣＬ２に直交する断面において、接地電極２７の厚さ方向に沿って延び、前記断面における接地電極２７の最大厚さＭＴの１／３の長さを有する平行な二辺Ｌ１，Ｌ２と、接地電極２７の幅方向に沿って延び、前記断面における接地電極２７の最大幅ＭＷの１／３の長さを有する平行な二辺Ｌ３，Ｌ４とからなり、中心軸ＣＬ２を中心とする長方形ＳＱを取る。そして、図６（尚、図６では、図示の便宜上、結晶粒Ｘ０〜Ｘ５を実際よりも大きく示すとともに、その他の結晶粒を不図示とし、さらに、ハッチングを省略している）に示すように、前記長方形ＳＱの中心ＣＰ（中心軸ＣＬ２）と重なる接地電極２７を構成する結晶粒Ｘ０と、前記各辺Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の各中点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に重なる４つの前記結晶粒Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４とについて、それぞれの結晶粒Ｘ０〜Ｘ４における前記厚さ方向に沿った最大長さをＣ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４（μｍ）とし、前記幅方向に沿った最大長さをＢ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４（μｍ）とする。このとき、Ｃ０に対するＢ０の比（Ｂ０／Ｃ０）と、Ｃ１に対するＢ１の比（Ｂ１／Ｃ１）と、Ｃ２に対するＢ２の比（Ｂ２／Ｃ２）と、Ｃ３に対するＢ３の比（Ｂ３／Ｃ３）と、Ｃ４に対するＢ４の比（Ｂ４／Ｃ４）との平均値（以下、「Ｃに対するＢの比の平均値」ということがある）が１．５以上１０以下（より好ましくは、４以上１０以下）とされている。すなわち、接地電極２７の中央部（長方形ＳＱで囲まれた領域）において、結晶粒の大部分が厚さ方向に沿って押し潰された形状とされており、前記中央部が高強度を有するように構成されている。特に本実施形態では、中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極２７のうち前記長方形ＳＱの内側に位置する部位の硬度が、接地電極２７のうち前記長方形ＳＱの外側に位置する部位の硬度よりも大きなものとされている。例えば、接地電極２７のうち長方形ＳＱの内側に位置する部位の硬度が１４５ＨＶ程度であるときに、接地電極２７のうち長方形ＳＱの外側に位置する部位の硬度が１３０Ｖ程度とされ、接地電極２７のうち長方形ＳＱの内側に位置する部位の硬度が２２０ＨＶ〜２４０ＨＶ程度であるときに、接地電極２７のうち長方形ＳＱの外側に位置する部位の硬度が２００ＨＶ程度とされている。
尚、「接地電極２７のうち長方形ＳＱの内側に位置する部位の硬度」とあるのは、前記中心ＣＰ、及び、中点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４における接地電極２７の硬度の平均値をいう。また、「接地電極２７のうち長方形ＳＱの外側に位置する部位の硬度」とあるのは、中点Ｐ１及び接地電極２７の外表面のうち中点Ｐ１に最も接近する部位を結んだ線分の中点と、中点Ｐ２及び接地電極２７の外表面のうち中点Ｐ２に最も接近する部位を結んだ線分の中点と、中点Ｐ３及び接地電極２７の外表面のうち中点Ｐ３に最も接近する部位を結んだ線分の中点と、中点Ｐ４及び接地電極２７の外表面のうち中点Ｐ４に最も接近する部位を結んだ線分の中点とにおける接地電極２７の硬度の平均値をいう。
加えて、本実施形態では、屈曲部２７Ｋの任意の位置を通り、かつ、前記中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極２７のうち前記長方形ＳＱで囲まれた領域を除いた領域の硬度が、ビッカース硬度で１３０Ｈｖ以上とされている。
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、円柱状の金属素材（例えば、鉄系素材やステンレス素材）に対して冷間鍛造加工等により概形を形成するとともに、貫通孔を形成する。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。
また、主体金具中間体とは別にＮｉ合金からなる直棒状（針状）の接地電極２７を製造しておく。すなわち、Ｎｉを９３質量％以上含有する合金に対して冷間鍛造加工（伸線加工）を施すことで、前記合金を徐々に細くしていく。冷間鍛造加工を経ることで、合金の硬度は１３０Ｈｖ以上とされる。
そして、断面積が３．０ｍｍ2以下と十分に細くされるとともに、断面円形状とされた段階で、所定のローラ又は型を用いて前記線材を押圧変形させる。これにより、線材は、その側面部が互いに平行な２つの平面を有する形状となり、線材の断面形状は、接地電極２７の断面形状と同一とされる。尚、線材のうち、前記平板に接触する面が接地電極２７の正面２７Ｆ及び背面２７Ｂのうちの一方となり、線材のうち、前記加工面に接触する面が正面２７Ｆ及び背面２７Ｂのうちの他方となる。また、本実施形態では、Ｃに対するＢの比の平均値を１．５以上１０以下とするために、加工後において、平板及び加工面による挟圧方向と直交する方向に沿った線材の幅に対する、前記挟圧方向に沿った線材の厚さの比が０．８以下となるように、線材の押圧変形量が調節される。
線材を押圧変形させた後、線材を所定長さに切断することにより、硬度が１３０Ｈｖ以上で直棒状の接地電極２７が得られる。尚、本実施形態では、直棒状の接地電極２７を得た後において、接地電極２７に熱処理が施されることなく、接地電極２７には押圧に伴う加工歪みが残った状態とされている。
続いて、得られた接地電極２７が、主体金具中間体の先端面に抵抗溶接される。当該溶接に際してはいわゆる「ダレ」が生じるので、その「ダレ」を除去した後、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、接地電極２７の溶接された主体金具３が得られる。また、接地電極２７の溶接された主体金具３には、亜鉛メッキ或いはニッケルメッキが施される。尚、耐食性の向上を図るべく、その表面に、さらにクロメート処理を施すこととしてもよい。
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て、成形用素地造粒物を調製するとともに、当該成形用素地造粒物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。そして、得られた成形体に対し、研削加工が施され整形されるとともに、整形されたものが焼成炉で焼成されることにより、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、中央部に放熱性向上を図るための銅合金等を配置したＮｉ合金に鍛造加工を施すことで中心電極５を作製する。
次に、上記のようにして得られた絶縁碍子２及び中心電極５と、抵抗体７と、端子電極６とが、ガラスシール層８，９によって封着固定される。ガラスシール層８，９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、抵抗体７を挟むようにして絶縁碍子２の軸孔４内に注入された後、後方から前記端子電極６で押圧しつつ、焼成炉内にて加熱されることで焼成される。尚、このとき、後端側胴部１０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、接地電極２７を備える主体金具３とが固定される。より詳しくは、主体金具３に絶縁碍子２を挿通した上で、比較的薄肉に形成された主体金具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絶縁碍子２と主体金具３とが固定される。
そして最後に、接地電極２７の略中間部分を中心電極５側に屈曲させることで屈曲部２７Ｋを形成するとともに、中心電極５及び接地電極２７間の火花放電間隙２８の大きさを調整することにより上述したスパークプラグ１が得られる。
以上詳述したように、本実施形態によれば、接地電極２７は、Ｎｉを９３質量％以上含有する金属により形成されている。従って、接地電極２７の熱伝導性を飛躍的に向上させることができ、接地電極２７の耐消耗性を効果的に高めることができる。
また、本実施形態では、屈曲部２７Ｋの任意の位置を通り、かつ、中心軸ＣＬ２と直交する断面において、Ｃに対するＢの比の平均値が１．５以上とされている。すなわち、接地電極２７の中心部（前記長方形ＳＱで囲まれた部位）において、結晶粒の大部分が厚さ方向に沿って押し潰され、歪みを持った形状とされており、接地電極２７の中心部に高強度の芯が存在するような形となっている。これにより、接地電極２７の強度を著しく高めることができ、本実施形態のように、接地電極２７の断面積が３．０ｍｍ2（２．２ｍｍ2）以下とされ、接地電極２７の起き上がりが特に懸念される場合であっても、接地電極２７の起き上がりをより確実に抑制することができる。
尚、Ｃに対するＢの比の平均値を４以上とすることで、接地電極２７の強度を格段に向上でき、接地電極２７の起き上がり抑制効果を飛躍的に高めることができる。
加えて、Ｃに対するＢの比の平均値が１０以下とされているため、屈曲部２７Ｋの形成時などにおける、接地電極２７の割れ等をより確実に防止することができる。
さらに、本実施形態では、接地電極２７のうち前記長方形ＳＱで囲まれた領域を除いた領域の硬度が、ビッカース硬度で１３０Ｈｖ以上とされている。従って、接地電極２７のうちその中心部の周囲に位置する部位の強度を高めることができ、接地電極２７の起き上がり抑制効果をさらに向上させることができる。
また、Ｃに対するＢの比の平均値が比較的大きい（例えば、７以上１０以下の）とき、すなわち、接地電極２７のうち長方形ＳＱの内側に位置する部位の硬度が比較的大きいときにおいて、接地電極２７のうち長方形ＳＱの外側に位置する部位の硬度が、長方形ＳＱの内側に位置する部位の硬度以上とされている場合には、屈曲部２７Ｋの形成時等において、応力負荷の大きい接地電極２７の外表面側（長方形ＳＱの外側）にて割れ等が発生しやすくなってしまうおそれがある。しかしながら、本実施形態では、接地電極２７のうち長方形ＳＱの内側に位置する部位の硬度が、接地電極２７のうち長方形ＳＱの外側に位置する部位の硬度よりも大きなものとされており、接地電極２７のうち長方形ＳＱの外側に位置する部位の硬度が比較的小さなものとされている。従って、Ｃに対するＢの比の平均値が１０以下であることと相俟って、屈曲部２７Ｋの形成時等における接地電極２７の割れ等をより一層確実に防止することができる。
次いで、上記実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、接地電極におけるＮｉの含有量を９３質量％又は９７質量％とした上で、接地電極の断面積と、屈曲部のうち接地電極の中心軸の曲率半径が最小となる位置におけるＣに対するＢの比の平均値と、前記位置における接地電極のうち前記長方形で囲まれた領域を除いた領域の硬度（中心部外硬度）とを種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、各サンプルについて、耐起き上がり性試験を行った。耐起き上がり性試験の概要は次の通りである。すなわち、サンプルの接地電極を所定のバーナーにより約９００℃に加熱しつつ、振動周波数を４０Ｈｚ、振動振幅を５ｍｍ、加速度を約１５Ｇとして、サンプルに対して５時間に亘って振動を加えた。５時間経過後、火花放電間隙の大きさを計測し、試験前の火花放電間隙の大きさに対する増加量（ギャップ増加量）を測定した。ここで、ギャップ増加量が０．００ｍｍとなったサンプルは、接地電極の起き上がりを極めて効果的に抑制できるとして「☆」の評価を下し、ギャップ増加量が０．００ｍｍ超０．０２ｍｍ未満となったサンプルは、接地電極の起き上がり抑制効果に優れるとして「◎」の評価を下し、ギャップ増加量が０．０２ｍｍ以上０．０４ｍｍ未満となったサンプルは、接地電極の起き上がりを十分に抑制できるとして「○」の評価を下すこととした。一方で、ギャップ増加量が０．０４ｍｍ以上となったサンプルは、接地電極の起き上がりがやや生じやすいとして「×」の評価を下すこととした。表１に、当該試験の試験結果を示す。
尚、Ｃに対するＢの比の平均値は、接地電極（線材）の押圧変形量を調節することで変更した。加えて、中心部外硬度は、接地電極に熱処理を施すことで変更した。また、接地電極は、その全域において同一の断面積を有するように構成した。さらに、接地電極は、Ｎｉの他に、希土類元素と、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐ、及び、Ｓのうち少なくとも一種とを含有する合金により形成した。加えて、サンプル１は、接地電極を断面矩形状とし、その他のサンプルは、接地電極の正面及び背面を平坦状とし、接地電極の側面が外側に凸の湾曲面状となるように構成した。さらに、表１には、希土類元素の総含有量や、ＳｉやＣｒ等の総含有量を併せて示す。
表１に示すように、接地電極の断面積を３．０ｍｍ2超としたサンプル（サンプル１，１５）は、ギャップ増加量が０．００ｍｍとなり、接地電極の起き上がりが生じなかった。
また、表１には示していないが、Ｎｉの含有量が９３質量％未満の金属〔例えば、インコネル（登録商標）６０１等〕により接地電極を形成した場合には、接地電極の硬度が十分に大きなものとなり、この接地電極（断面積を１．８ｍｍ2〜３．０ｍｍ2とした）を有するスパークプラグに対して、上述の耐起き上がり性試験を行ったところ、Ｃに対するＢの比の平均値を１．５未満とした場合であっても、ギャップ増加量が０．００ｍｍとなり、接地電極の起き上がりは生じなかった。
その一方で、Ｃに対するＢの比の平均値や中心部外硬度をサンプル１，９と同一としたものの、接地電極の断面積を３．０ｍｍ2以下とし、かつ、接地電極をＮｉを９３質量％以上含有する金属により形成したサンプル（サンプル２，３，１６，１７）は、ギャップ増加量が０．０４ｍｍを上回り、接地電極の起き上がりが生じやすいことが確認された。また特に、接地電極の断面積を２．２ｍｍ2以下としたサンプル（サンプル３，１７）は、ギャップ増加量が著しく増加し、接地電極の起き上がりが極めて生じやすいことが確認された。
これに対して、Ｃに対するＢの比の平均値を１．５以上としたサンプル（サンプル４〜１４，１８〜２８）は、接地電極の断面積が３．０ｍｍ2以下とされるとともに、接地電極におけるＮｉ含有量が９３質量％以上とされ、接地電極の起き上がりが非常に生じやすい条件においても、ギャップ増加量が０．０３ｍｍ以下となり、接地電極の起き上がりをより確実に抑制できることが明らかとなった。これは、接地電極の中心部において結晶粒に歪みを持たせたことで、接地電極の中心部における強度が向上したためであると考えられる。
さらに、接地電極の断面積及びＣに対するＢの比の平均値を同一とした上で、中心部外硬度のみを変更させたサンプル（サンプル５，６及びサンプル１９，２０）における試験結果から、中心部外硬度を１３０Ｈｖ以上とすることで、接地電極の起き上がり抑制効果がさらに向上することが確認された。
加えて、Ｃに対するＢの比の平均値を４以上としたサンプル（サンプル８〜１４，２２〜２８）は、接地電極の断面積を２．２ｍｍ2以下とし、接地電極の起き上がりが極めて懸念される条件においても、ギャップ増加量が０．００ｍｍとなり、接地電極の起き上がりを非常に効果的に抑制できることが分かった。これは、接地電極の中心部における強度が著しく向上したためであると考えられる。
上記試験の結果より、接地電極の断面積が３．０ｍｍ2以下とされるとともに、接地電極におけるＮｉ含有量が９３質量％以上とされ、接地電極における起き上がりの発生が特に懸念されるスパークプラグにおいて、接地電極の起き上がりをより確実に抑制するためには、屈曲部のうち接地電極の中心軸の曲率半径が最小となる位置において、Ｃに対するＢの比の平均値を１．５以上とすることが好ましいといえる。
また、接地電極の起き上がり抑制効果をより一層向上させるべく、接地電極のうち前記長方形で囲まれた領域を除いた領域の硬度をビッカース硬度で１３０Ｈｖ以上としたり、Ｃに対するＢの比の平均値を４以上としたりすることがより好ましいといえる。
尚、接地電極の起き上がり抑制効果をより高めるという観点では、屈曲部の任意の位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において（すなわち、屈曲部の全域において）、Ｃに対するＢの比の平均値が１．５以上となるように構成することがより好ましい。この場合には、接地電極は、その屈曲部において中心部に高強度の芯を持つような形となり、接地電極の起き上がり抑制効果を一層高めることができる。
また、接地電極の押圧変形量を過度に増大させ、Ｃに対するＢの比の平均値を１０超とした場合には、接地電極の中心部以外に位置する結晶粒においても歪みが残り、屈曲部の形成時などにおいて、接地電極に割れ等が生じてしまうおそれがある。従って、Ｃに対するＢの比の平均値を１０以下とすることが好ましい。
尚、上記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。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。
（ａ）上記実施形態では、接地電極２７の中心軸ＣＬ２と直交する方向に沿った任意の断面において接地電極２７の断面積が３．０ｍｍ2以下とされるとともに、屈曲部２７Ｋの任意の位置を通り中心軸ＣＬ２と直交する断面において、前記比の平均値が１．５以上１０以下とされている。すなわち、接地電極２７全域の断面積が３．０ｍｍ2以下とされたスパークプラグにおいて、屈曲部２７Ｋの全域において前記比の平均値が１．５以上１０以下とされている。しかしながら、必ずしも屈曲部２７Ｋの全域において、前記比の平均値を１．５以上１０以下とする必要はない。少なくとも屈曲部２７Ｋのうち中心軸ＣＬ２の曲率半径が最小となる位置ＬＰ（接地電極２７のうち起き上がりが最も生じやすい位置）での接地電極２７の断面積が３．０ｍｍ2以下とされたスパークプラグにおいて、前記位置ＬＰを通り中心軸ＣＬ２と直交する断面における、前記比の平均値が１．５以上１０以下とされていればよい。すなわち、接地電極２７のうち起き上がりが最も生じやすい位置において、前記比の平均値が１．５以上１０以下とされていればよく、このように構成した場合であっても、接地電極２７の起き上がりを抑制する面で十分な効果を得ることができる。
（ｂ）上記実施形態では、中心電極５の先端部と接地電極２７の先端部との間に火花放電間隙２８が形成されている。これに対して、中心電極５及び接地電極２７の一方又は双方に、耐久性に優れる金属（例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｗ、Ｐｄ、又は、これらの少なくとも一種を主成分とする合金など）からなるチップを接合し、火花放電間隙２８を、一方の電極５（２７）に設けられたチップと他方の電極２７（５）との間に形成したり、両電極５，２７に設けられたチップ同士の間に形成したりしてもよい。尚、接地電極２７にチップを設けた場合、接地電極２７のうち前記長方形ＳＱで囲まれた領域を除いた領域の硬度は、チップの接合に伴う硬度変化が生じ得る部位以外の部位で測定される。
（ｃ）接地電極２７の断面形状は、上記実施形態における断面形状に限定されるものではない。従って、例えば、図７に示すように、中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極４７の正面４７Ｆの外形線を直線状とする一方で、接地電極４７のその他の外形線を外側に凸の湾曲状としてもよい。また、例えば、前記断面において、接地電極の背面の外形線を直線状とする一方で、接地電極のその他の外形線を外側に凸の湾曲状としてもよい。尚、前記比の平均値を１．５以上とするためには、接地電極の結晶粒を接地電極の厚さ方向に沿って潰し変形させることが必要である。そのため、線材として断面円形状のものと用いた場合には、上述の通り、接地電極の正面及び背面のうちの少なくとも一方の外形線が直線状となるように線材に押圧加工が加えられ、その結果、前記比の平均値が１．５以上とされる。
（ｄ）上記実施形態では、接地電極２７に希土類元素が含有されているが、接地電極２７に希土類元素を含有させなくてもよい。
（ｅ）上記実施形態では、主体金具３の先端面２６に接地電極２７が接合される場合について具体化しているが、主体金具の一部（又は、主体金具に予め溶接してある先端金具の一部）を削り出すようにして接地電極を形成する場合についても適用可能である（例えば、特開２００６−２３６９０６号公報等）。
（ｆ）上記実施形態では、工具係合部１９は断面六角形状とされているが、工具係合部１９の形状に関しては、このような形状に限定されるものではない。例えば、Ｂｉ−ＨＥＸ（変形１２角）形状〔ＩＳＯ２２９７７：２００５（Ｅ）〕等とされていてもよい。
１…スパークプラグ、２…絶縁碍子（絶縁体）、３…主体金具、４…軸孔、５…中心電極、２７…接地電極、２７Ｋ…屈曲部、２８…火花放電間隙（間隙）ＣＬ１…軸線、ＣＬ２…（接地電極の）中心軸、ＣＰ…（長方形の）中心、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…中点、ＳＱ…長方形、Ｘ０，Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４…結晶粒。
Claims (5)
- 軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、
前記軸孔の先端側に挿設された中心電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
自身の基端部が前記主体金具に固定されるとともに、屈曲部にて前記中心電極側へと曲げられ、自身の先端部が前記中心電極との間で間隙を形成する接地電極とを備えるスパークプラグであって、
前記接地電極は、ニッケルを９３質量％以上含有する金属により形成され、
前記接地電極の中心軸に直交する断面において、前記接地電極の厚さ方向に沿って延び、前記断面における最大厚さの１／３の長さを有する平行な二辺と、前記接地電極の幅方向に沿って延び、前記断面における最大幅の１／３の長さを有する平行な二辺とからなり、前記中心軸を中心とする長方形を取り、前記長方形の中心と重なる前記接地電極を構成する結晶粒と、前記長方形を構成する各辺の各中点に重なる４つの前記結晶粒とについて、前記厚さ方向に沿った最大長さをＣ（μｍ）とし、前記幅方向に沿った最大長さをＢ（μｍ）としたとき、
前記屈曲部のうち前記接地電極の中心軸の曲率半径が最小となる位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において、
前記接地電極の断面積が３．０ｍｍ2以下であり、
Ｃに対するＢの比の平均値が１．５以上１０以下であることを特徴とするスパークプラグ。 - 前記屈曲部の任意の位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において、
前記比の平均値が１．５以上１０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。 - 前記断面において、前記接地電極のうち前記長方形で囲まれた領域を除いた領域の硬度が、ビッカース硬度で１３０Ｈｖ以上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。
- 前記比の平均値が４以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
- 前記屈曲部の任意の位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において、
前記接地電極の断面積が２．２ｍｍ2以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
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