JP5695609B2 - スパークプラグ - Google Patents

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）。

また、接地電極の熱伝導性を向上させることにより、耐消耗性の向上を図るべく、接地電極をニッケル（Ｎｉ）を比較的多量に含有する金属によって形成することがある。

特開２００７−２４２５８８号公報

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接地電極を形成した場合には、スパークプラグを内燃機関等に取付ける際などスパークプラグの取扱時に、接地電極に対して外力が加わることで、接地電極に疵や凹みが生じてしまったり、接地電極が変形してしまったりするおそれがある。

これに対して、例えば、接地電極に対して冷間鍛造加工等を施すことにより、接地電極の硬度を増大させ、接地電極における疵等の発生や変形を防止することが考えられる。しかしながら、硬度を増大させた場合には、接地電極が変形しにくくなるため、主体金具及び接地電極間において溶接強度に劣る溶接界面が形成されてしまったり、溶接界面で接地電極が脆化してしまったりするおそれがある。その結果、主体金具と接地電極との溶接強度が不十分になってしまうおそれがある。また、硬度の増大に伴い、接地電極の熱伝導性が低下することで、耐消耗性を十分に向上させることができないおそれがある。

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Ｎｉを多量に（例えば、９３質量％以上）含有する金属からなるスパークプラグにおいて、良好な耐消耗性を維持しつつ、接地電極における耐疵付き性及び耐変形性、並びに、主体金具と接地電極との溶接強度を十分に向上させることを目的とする。

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溶接されるとともに、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（Ｎｉ）を９３質量％以上含有する金属により形成され、
前記接地電極の先端部を通り、前記接地電極の中心軸に直交する断面において、前記接地電極の断面の重心におけるビッカース硬度Ａが１３０Ｈｖ以下であり、
前記接地電極の先端部の外周面におけるビッカース硬度Ｂが１５０Ｈｖ以上２３０Ｈｖ以下であることを特徴とする。

尚、接地電極は、直棒状であってもよいし、屈曲部にて中心電極側に曲げ返されていてもよい。また、主体金具に対する溶接や屈曲部の形成に伴う硬度の変化が生じる前において、接地電極は、その先端部のみならず、その全域において、上述の硬度規定を満たす。すなわち、主体金具への溶接等に伴う硬度の変化前においては、接地電極の中心軸に直交する任意の断面において、接地電極の断面の重心におけるビッカース硬度Ａが１３０Ｈｖ以下であり、接地電極の外周面におけるビッカース硬度Ｂが１５０Ｈｖ以上２３０Ｈｖ以下である。上記構成１において、硬度の規定対象を接地電極の先端部としているのは、一般に接地電極の先端部は、主体金具への溶接等に伴う硬度変化が生じにくく、硬度をより正確に測定可能な部位であることによる。

また、「接地電極の断面の重心」とあるのは、前記断面における単位面積当たりの質量が等しいと仮定した場合の重心をいう。

上記構成１によれば、接地電極の外周面におけるビッカース硬度Ｂが１５０Ｈｖ以上とされている。従って、接地電極における耐疵付き性及び耐変形性を効果的に向上させることができる。

また、上記構成１によれば、接地電極の中心部と外周部との間で硬度差が設けられており、接地電極の断面の重心におけるビッカース硬度Ａが１３０Ｈｖ以下とされている。従って、主体金具への溶接時に、接地電極の中心部が非常に変形しやすくなる。これにより、接地電極の中心部と主体金具との間に、非常に優れた接合強度を得ることが可能な溶接界面をより確実に形成することができるとともに、溶接界面において、接地電極の中心部の脆化をより確実に抑制することができる。その結果、接地電極の中心部と主体金具との溶接強度を極めて良好なものとすることができる。また、上記構成１によれば、前記ビッカース硬度Ｂが２３０Ｈｖ以下とされているため、接地電極の外周部と主体金具との溶接強度が過度に低下してしまうことを防止できる。これらの結果、主体金具と接地電極との溶接強度を十分に向上させることができる。

さらに、前記ビッカース硬度Ａが１３０Ｈｖ以下とされているため、接地電極において良好な熱伝導性を確保することができる。その結果、優れた耐消耗性を実現することができる。

構成２．本構成のスパークプラグは、上記構成１において、前記接地電極の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２．６ｍｍ²以下であることを特徴とする。

尚、「中心軸と直交する断面」とあるのは、接地電極のうち主体金具への溶接部位など接地電極に変形が生じた部位を除いた部位における断面をいう。

上記構成２によれば、接地電極の断面積が２．６ｍｍ²以下とされており、外力が加わった際における接地電極の変形がより懸念されるが、上記構成１を採用することで、外力による接地電極の変形を十分に抑制することができる。換言すれば、上記構成１は、接地電極の断面積が２．６ｍｍ²とされ、良好な耐変形性を確保することが非常に難しい場合において、特に効果的である。

尚、接地電極に屈曲部が形成されている場合には、接地電極に外力が加わった際に、屈曲部にて接地電極がより曲がり変形してしまいやすく、特に屈曲部を通る前記断面における接地電極の断面積が２．６ｍｍ²以下である場合には、外力による接地電極の変形がより懸念される。しかしながら、上記構成１を採用することで、屈曲部を通る前記断面における接地電極の断面積が２．６ｍｍ²以下の場合であっても、外力による接地電極の変形をより確実に防止することができる。すなわち、上記構成１は、屈曲部を通る前記断面における接地電極の断面積が２．６ｍｍ²以下とされた場合において、非常に有効である。

スパークプラグの構成を示す一部破断正面図である。 スパークプラグの先端部の構成を示す一部破断拡大正面図である。 スパークプラグの先端部の構成を示す部分拡大断面図である。 接地電極の溶接に用いられる治具等を示す拡大正面図である。 耐疵付き性評価試験を説明するための説明図である。 耐疵付き性評価試験の試験結果を示すグラフである。 耐変形性評価試験を説明するための説明図である。 耐変形性評価試験の試験結果を示すグラフである。

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、主体金具３の先端面２６には、断面矩形状の接地電極２７が設けられている。接地電極２７は、自身の基端部が主体金具３の先端面２６に溶接されるとともに、屈曲部２７Ｂにて曲げ返されて、自身の先端側側面が中心電極５の先端部と対向している。また、接地電極２７は、その先端と屈曲部２７Ｂとの間に直棒状の電極先端部２７Ｅを備えており、当該電極先端部２７Ｅと中心電極５の先端部との間には、間隙としての火花放電間隙２８が形成されている。そして、当該火花放電間隙２８に電圧が印加されることで、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。

尚、接地電極２７に、希土類元素を所定量（例えば、０．０５質量％以上０．４５質量％以下）含有させることとしてもよい。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。

また、接地電極２７には、所定量（例えば、０．１５質量％以上２．５質量％以下）のケイ素（Ｓｉ）や、所定量（例えば、０．０５質量％以上２．５質量％以下）のマンガン（Ｍｎ）を含有されることとしてもよい。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。

加えて、図３に示すように、接地電極２７の先端部（電極先端部２７Ｅ）を通り、接地電極２７の中心軸に直交する断面において、接地電極２７の断面の重心ＣＮにおけるビッカース硬度Ａが１３０Ｈｖ以下とされている。

また、接地電極２７の先端部（電極先端部２７Ｅ）の外周面におけるビッカース硬度Ｂが１５０Ｈｖ以上２３０Ｈｖ以下とされている。

尚、接地電極２７は、主体金具３に対する溶接や屈曲部２７Ｂの形成に伴う硬度変化が生じる前において、電極先端部２７Ｅのみならず、その全域において、上述の硬度規定を満たす。従って、主体金具３への溶接前において、接地電極２７の基端部（主体金具３に溶接される部位）は、上述の硬度規定を満たす。

加えて、接地電極２７の硬度は、例えば、ＪＩＳ Ｚ２２４４の規定に基づく手法により測定することができる。具体的には、正四角推状のダイヤモンド圧子により、接地電極２７に対して所定（例えば、４．９Ｎ）の荷重を加えた際に、接地電極２７に形成される圧痕の対角線長さに基づき、接地電極２７の硬度を測定することができる。

さらに、本実施形態では、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、１．２ｍｍ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ることで、接地電極２７の中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極２７の断面積は２．６ｍｍ²以下となっている。

尚、「中心軸ＣＬ２と直交する断面」とあるのは、接地電極２７のうち主体金具３に対する溶接等により変形が生じる部位以外の部位の断面をいい、本実施形態では、少なくとも電極先端部２７Ｅ及び屈曲部２７Ｂにおいて、接地電極２７の断面積が２．６ｍｍ²以下とされている。また、主体金具３及び接地電極２７の溶接強度を十分に確保する等の観点から、接地電極２７の断面積が１．２ｍｍ²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（伸線及び圧延加工）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１５０Ｈｖ以上とされる。そして、断面積が２．６ｍｍ²以下と十分に細くされた段階で、合金を所定長さに切断することで、直棒状の接地電極中間体が得られる。次いで、接地電極中間体の表面における再結晶温度と、接地電極中間体の中心部における再結晶温度との間の温度にて、接地電極中間体に対して焼鈍を施す。これにより、接地電極中間体の中心部の硬度が低下し、中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極２７の断面の重心ＣＮにおけるビッカース硬度Ａが１３０Ｈｖ以下とされ、接地電極２７の外周面の硬度が１５０Ｈｖ以上２３０Ｈｖ以下とされた接地電極２７が得られる。尚、冷間鍛造加工における加工率や焼鈍の条件（焼鈍温度や焼鈍時間）を変更することで、接地電極２７の硬度を調節することができる。

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。より詳しくは、図４に示すように、所定の治具ＪＧ１，ＪＧ２により接地電極２７の外周を挟み込み、保持した上で、接地電極２７に対して主体金具中間体４３側へと荷重を加えることにより、接地電極２７の基端面を主体金具中間体４３の先端面に押圧する。この状態で、接地電極２７及び主体金具中間体４３の接触面に電流を流すことで、接地電極２７が主体金具中間体４３の先端面に溶接される。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。尚、耐食性の向上を図るべく、接地電極２７の溶接された主体金具３の表面に、亜鉛メッキやＮｉメッキを設けることとしてもよい。また、耐食性の更なる向上を図るべく、亜鉛メッキやＮｉメッキの表面に、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、絶縁碍子２の後端側胴部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２７Ｂ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の外周面におけるビッカース硬度Ｂが１５０Ｈｖ以上とされている。従って、接地電極２７における耐疵付き性及び耐変形性を効果的に向上させることができる。

特に本実施形態では、接地電極２７の断面積が２．６ｍｍ²以下とされているため、接地電極２７において良好な耐疵付き性や耐変形性を確保することが難しいが、前記ビッカース硬度Ｂを１５０Ｈｖ以上とすることで、耐疵付き性及び耐変形性を十分に向上させることができる。

また、本実施形態では、接地電極２７の中心部と外周部との間で硬度差が設けられており、接地電極２７の断面の重心ＣＮにおけるビッカース硬度Ａが１３０Ｈｖ以下とされている。従って、主体金具３への溶接時に、接地電極２７の中心部が非常に変形しやすくなる。これにより、接地電極２７の中心部と主体金具３との間に、非常に優れた接合強度を得ることが可能な溶接界面をより確実に形成することができるとともに、溶接界面において、接地電極２７の中心部の脆化をより確実に抑制することができる。その結果、接地電極２７の中心部と主体金具３との溶接強度を極めて良好なものとすることができる。また、本実施形態では、前記ビッカース硬度Ｂが２３０Ｈｖ以下とされているため、接地電極の外周部と主体金具との溶接強度が過度に低下してしまうことを防止できる。これらの結果、主体金具と接地電極との溶接強度を十分に向上させることができる。

さらに、前記ビッカース硬度Ａが１３０Ｈｖ以下とされているため、接地電極２７において十分な熱伝導性を確保でき、良好な耐消耗性を維持することができる。

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、ねじ部のねじ径や接地電極の厚さ、接地電極のＮｉ含有量を変更したスパークプラグのサンプル１〜４について、接地電極の外周面のビッカース硬度Ｂを種々変更したものをそれぞれ１０本ずつ作製し、各サンプルについて、耐疵付き性評価試験を行った。耐疵付き性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、図５に示すように、端子電極６の後端部を回転軸として回転可能な状態でサンプルを保持した。次いで、軸線ＣＬ１が水平方向に延びるようにサンプルを配置した状態からサンプルの先端部を落下させ、接地電極２７の屈曲部２７Ｂを所定の定盤ＪＢに衝突させることを繰り返し３回行った。その後、目視により接地電極における疵や凹みの有無を確認するとともに、疵や凹みが発生した本数を計測し、１０本中における疵や凹みの発生割合（疵等発生率）を算出した。図６に、接地電極の外周面のビッカース硬度Ｂと、疵等発生率との関係を表すグラフを示す。

尚、サンプル１は、ねじ部のねじ径をＭ１０とし、接地電極の厚さを１．１ｍｍとし、接地電極の幅を２．２ｍｍとし、接地電極のＮｉ含有量を９８質量％とした。また、サンプル２は、ねじ部のねじ径をＭ１０とし、接地電極の厚さを１．１ｍｍとし、接地電極の幅を２．２ｍｍとし、接地電極のＮｉ含有量を９３質量％とした。加えて、サンプル３は、ねじ部のねじ径をＭ１４とし、接地電極の厚さを１．５ｍｍとし、接地電極の幅を２．８ｍｍとし、接地電極のＮｉ含有量を９３質量％とした。さらに、サンプル４は、ねじ部のねじ径をＭ１４とし、接地電極の厚さを１．５ｍｍとし、接地電極の幅を２．８ｍｍとし、接地電極のＮｉ含有量を９８質量％とした。また、図６においては、サンプル１の試験結果を黒丸印で示し、サンプル２の試験結果を白抜き丸印で示し、サンプル３の試験結果を黒三角印で示し、サンプル４の試験結果を白抜き三角印で示す。

図６に示すように、接地電極の外周面のビッカース硬度Ｂを１５０Ｈｖ以上としたサンプルは、疵等発生率が３０％以下となり、外力が加わった際において、接地電極に疵や凹みが生じてしまうことを効果的に抑制できることが分かった。

次に、断面の重心におけるビッカース硬度Ａ、及び、外周面のビッカース硬度Ｂを種々変更した直棒状の接地電極を５本ずつ作製し、各接地電極において、接地電極を主体金具の先端面に溶接する際に、接地電極を保持する治具により接地電極に疵が生じるか否かを目視にて確認した。ここで、５本全てにおいて接地電極に疵が生じていなかった場合には、接地電極が優れた耐疵付き性を有するとして「○」の評価を下すこととした。一方で、少なくとも１本の接地電極において疵が生じていた場合には、耐疵付き性に劣るとして「×」の評価を下すこととした。

また、接地電極の溶接後に、接地電極の基端部を所定のペンチにて挟んだ上で、当該ペンチにより、接地電極に対して、主体金具から接地電極が取れるまで、主体金具の径方向内側に向けた力と主体金具の径方向外側に向けた力とを繰り返し加えた。ここで、５本全ての接地電極において、主体金具との溶接部ではなく、接地電極自体が破断することで主体金具から接地電極が取れ、主体金具に接地電極の一部が残存していた場合には、主体金具に対して接地電極が強固に溶接されていたといえるため、良好な溶接強度を有するとして「○」の評価を下すこととした。一方で、少なくとも１本の接地電極において、主体金具との溶接界面にて接地電極が取れてしまい、主体金具に接地電極の構成成分が残っていなかった場合には、溶接強度に劣るとして「×」の評価を下すこととした。

表１に、接地電極の幅を１．５ｍｍとし、接地電極の厚さを２．８ｍｍとした場合における、上記両試験の試験結果を示す。また、表２に、接地電極の幅を１．１ｍｍとし、接地電極の厚さを２．２ｍｍとした場合における、上記両試験の試験結果を示す。尚、接地電極の硬度は、接地電極を得る際の合金の加工率や焼鈍条件を調節することにより変更した。

表１及び表２に示すように、接地電極の外周面のビッカース硬度Ｂを１５０Ｈｖ以上とした場合には、溶接時に接地電極に疵が生じることなく、優れた耐疵付き性を実現できることが確認された。

また、接地電極の断面の重心におけるビッカース硬度Ａを１３０Ｈｖ以下とするとともに、接地電極の外周面のビッカース硬度Ｂを２３０Ｈｖ以下とした場合には、良好な溶接強度を確保できることが明らかとなった。これは、ビッカース硬度Ａを１３０Ｈｖ以下としたことで、接地電極の中心部が非常に変形しやすくなったため、溶接強度に優れる溶接界面が接地電極の先端部及び主体金具間に形成されるとともに、溶接界面における接地電極の中心部の脆化が抑制された点と、ビッカース硬度Ｂを２３０Ｈｖ以下としたことで、接地電極の外周部及び主体金具の溶接強度がある程度確保された点とに起因すると考えられる。

上記試験の結果より、外力により接地電極に疵や凹みが発生してしまうことをより確実に防止しつつ、主体金具及び接地電極間において良好な溶接強度を確保するという観点から、接地電極の中心軸と直交する断面における接地電極の重心のビッカース硬度Ａを１３０Ｈｖ以下とするとともに、接地電極の外周面のビッカース硬度Ｂを１５０Ｈｖ以上２３０Ｈｖ以下とすることが好ましいといえる。尚、主体金具への溶接や屈曲部の形成に伴い、接地電極に硬度変化が生じ得る点を考慮して、完成品のスパークプラグにおいては、接地電極の先端部を通り接地電極の中心軸に直交する断面において、接地電極の断面の重心におけるビッカース硬度Ａが１３０Ｈｖ以下であり、接地電極の先端部の外周面におけるビッカース硬度Ｂが１５０Ｈｖ以上２３０Ｈｖ以下であればよい。

次いで、接地電極の外周面におけるビッカース硬度Ｂを１５０Ｈｖ以上としたスパークプラグのサンプル１１〜１３について、接地電極の中心軸と直交する断面における接地電極の断面積を種々変更したものをそれぞれ１０本ずつ作製し、各サンプルについて、耐変形性評価試験を行った。耐変形性評価試験の概要は次の通りである。

まず、ビッカース硬度Ａ及びビッカース硬度Ｂの双方を９０Ｈｖとし、接地電極の断面積を種々変更した複数の基準サンプルを用意した。そして、図７に示すように、軸線が鉛直方向に延びるとともに、接地電極が下方に位置し、かつ、床面から接地電極までの鉛直方向に沿った距離が１５０ｍｍとなるように基準サンプルを保持した。次いで、基準サンプルを落下させ、接地電極を床面に衝突させることで、接地電極に外力を加えた。その後、火花放電間隙の大きさ（中心電極及び接地電極間の最短距離）Ｇａ（ｍｍ）を計測し、各基準サンプルのそれぞれにおいて、外力を加える前における火花放電間隙の大きさＧｂ（ｍｍ）に対する変化量Ｇｂ−Ｇａ（ｍｍ）を算出した。

次に、サンプル１１〜１３において、上記同様の手法により接地電極に対して外力を加え、火花放電間隙の大きさＧｃ（ｍｍ）を計測するとともに、外力を加える前における火花放電間隙の大きさＧｄ（ｍｍ）に対する変化量Ｇｄ−Ｇｃ（ｍｍ）を算出した。そして、接地電極がそれぞれ同一の断面積とされたサンプルにおいて、基準サンプルにおける変化量Ｇｂ−Ｇａに対する、サンプル１１〜１３における変化量Ｇｄ−Ｇｃの減少量（Ｇｂ−Ｇａ）−（Ｇｄ−Ｇｃ）（ｍｍ）を算出するとともに、前記変化量Ｇｂ−Ｇａに対する前記減少量の割合〔変形抑制率；｛（Ｇｂ−Ｇａ）−（Ｇｄ−Ｇｃ）｝／（Ｇｂ−Ｇａ）〕と、１０本中における前記変形抑制率の平均値（平均変形抑制率）とを求めた。尚、平均変形抑制率が大きいほど、ビッカース硬度Ｂを１５０Ｈｖ以上とすることによる接地電極の変形抑制効果がより効果的に発揮されるといえる。図８に、接地電極の断面積と平均変形抑制率との関係を表すグラフを示す。尚、図８においては、サンプル１１の試験結果を丸印で示し、サンプル１２の試験結果を三角印で示し、サンプル１３の試験結果を四角印で示す。

また、サンプル１１は、ビッカース硬度Ａを９５Ｈｖとし、ビッカース硬度Ｂを１５０Ｈｖとした。さらに、サンプル１２は、ビッカース硬度Ａを１１０Ｈｖとし、ビッカース硬度Ｂを１８５Ｈｖとした。加えて、サンプル１３は、ビッカース硬度Ａを１３０Ｈｖとし、ビッカース硬度Ｂを２３０Ｈｖとした。

図８に示すように、接地電極の断面積を２．６ｍｍ²以下とした場合に、平均変形抑制率が飛躍的に増大することが明らかとなった。

上記試験の結果より、接地電極の外周面におけるビッカース硬度Ｂを１５０Ｈｖ以上とすることは、接地電極の断面積を２．６ｍｍ²以下とした場合に、特に有効であるといえる。

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、電極先端部２７Ｅ及び中心電極５間に火花放電間隙２８が形成されているが、電極先端部２７Ｅに耐消耗性に優れる金属（例えば、イリジウムや白金を含む金属など）からなるチップを接合し、当該チップ及び中心電極５間に火花放電間隙２８を形成してもよい。また、中心電極５の先端部にチップを設け、当該チップと電極先端部２７Ｅ又は電極先端部２７Ｅに接合されたチップとの間に火花放電間隙２８を形成してもよい。尚、電極先端部２７Ｅにチップを接合する場合、電極先端部２７Ｅの硬度を測定する部位として、チップの接合に伴う硬度変化の生じ得る部位が除かれる。

（ｂ）上記実施形態における接地電極２７の製造方法は例示であって、接地電極２７の製造方法は特に限定されるものではない。

（ｃ）上記実施形態において、ねじ部１５のねじ径は比較的小さなものとされているが、ねじ部１５のねじ径は特に限定されるものではない。

（ｄ）上記実施形態において、接地電極２７は屈曲部２７Ｂを備えているが、接地電極２７に屈曲部２７Ｂを設けなくてもよい。すなわち、接地電極２７を直棒状としてもよい。

（ｅ）上記実施形態において、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）〕等としてもよい。

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、２７Ｅ…電極先端部（接地電極の先端部）、２８…火花放電間隙（間隙）、ＣＬ１…軸線、ＣＬ２…（接地電極の）中心軸、ＣＮ…重心。

Claims (2)

1. 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溶接されるとともに、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、
   前記接地電極の先端部を通り、前記接地電極の中心軸に直交する断面において、前記接地電極の断面の重心におけるビッカース硬度Ａが１３０Ｈｖ以下であり、
   前記接地電極の先端部の外周面におけるビッカース硬度Ｂが１５０Ｈｖ以上２３０Ｈｖ以下であることを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記接地電極の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２．６ｍｍ²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。

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