JP5914582B2 - 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、スパークプラグとして、貴金属あるいは貴金属を主成分とする合金により形成された電極チップ（以下、「貴金属チップ」と呼ぶ）が接合された電極（中心電極や接地電極）を備えるスパークプラグが知られている（例えば、特許文献１参照）。一般に、貴金属チップは、レーザ溶接によって電極母材に接合される。具体的には、貴金属チップの外周に沿ってレーザを照射することにより、貴金属チップが電極母材に接合される。貴金属チップを電極母材に溶接することにより、通常は、貴金属チップと電極母材との間に、貴金属チップの材料と電極母材の材料とが溶融した溶融部が形成される。

上記のように貴金属チップを備えるスパークプラグでは、溶融部と貴金属チップとの界面（以下、溶融部界面とも呼ぶ）において、溶融部表面に酸化被膜（以下、酸化スケールとも呼ぶ）が形成され得る。酸化スケールは、上記溶融部界面において、外気に近い外周部から溶融部界面の内部へと、次第に進展するように形成される。

スパークプラグの使用時には冷熱サイクルが繰り返されるため、貴金属チップと電極母材の接合部位の近傍では、貴金属チップと電極母材の熱膨張率差に起因して応力が発生する。一般に酸化スケールは、溶融部あるいは貴金属チップに比べて強度が弱い（脆い）ため、上記のように応力が生じると、比較的強度が弱い酸化スケールにおいてクラックが発生し易くなる。酸化スケールにクラックが発生すると、クラックに空気が入り込むことにより溶融部界面の酸化が進行し、酸化スケールが溶融部界面の内部にさらに進展する。このように酸化スケールが溶融部界面の内部に進展し、クラックが溶融部界面の内部に伸長すると、やがては貴金属チップが脱落する可能性があり、貴金属チップと電極母材との接合の信頼性の確保が困難となる。

貴金属チップと電極母材との接合の信頼性を高めるための方策としては、従来、溶融部をより厚く形成する方策や、溶融部の形状を調整することにより、貴金属チップと電極母材との間に発生する応力を抑制する方策が提案されていた（例えば、特許文献１参照）。溶融部は貴金属チップと電極母材の中間的な組成であるため、貴金属チップと溶融部との間の熱膨張率差は、貴金属チップと電極母材との間の熱膨張率差よりも小さい。そのため、例えば溶融部の厚みをより厚くすることにより、貴金属チップと溶融部との界面近傍で生じる応力を抑えることができ、応力に起因して酸化スケールにクラックが生じることを抑えることができる。

特開２０１３−１７８９１２号公報

しかしながら、貴金属チップと電極母材との界面における酸化スケールの進展そのものを抑える方策については十分検討されていなかった。そのため、酸化スケール進展を抑え、貴金属チップと電極母材との接合の信頼性を高めることが望まれていた。

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なされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、貴金属を含有する柱状の貴金属チップであって、自身の中心軸についての一方の端部側の端面で放電を許容する貴金属チップと、前記貴金属チップに対して前記中心軸方向についての他方の端部側に配置された電極母材と、が溶接された電極であって、前記貴金属チップの前記他方の端部と前記電極母材との間に、前記貴金属チップと前記電極母材とが溶融した溶融部が形成された電極を備えるスパークプラグが提供される。このスパークプラグの前記溶融部は、前記貴金属チップの側面上の全周にわたって溶融ダレを備える。また、このスパークプラグは、前記電極における前記中心軸を含む任意の断面において；前記貴金属チップにおける前記一方の端部側の端面に相当する線分Ｓの長さをＤとし；前記中心軸から「９Ｄ／２０」の距離だけ離間する２本の直線を、仮想直線Ｌ１，Ｌ２とし；前記仮想直線Ｌ１，Ｌ２の各々と、前記貴金属チップと前記溶融部との界面と、の交点をそれぞれ交点Ｐ１，Ｐ２とし；前記交点Ｐ１，Ｐ２を結んだ直線を、仮想直線Ｌ３とし；前記線分Ｓの両端点のうち、前記中心軸に対して前記仮想直線Ｌ１と同じ側に位置する端点を端点Ｐ３、前記中心軸に対して前記仮想直線Ｌ２と同じ側に位置する端点を端点Ｐ４とし；前記端点Ｐ３，Ｐ４の各々を通り、前記中心軸に平行な直線を、それぞれ仮想直線Ｌ４，Ｌ５とし；前記仮想直線Ｌ４，Ｌ５上における前記溶融ダレの前記一方の端部側の端点のうち、前記仮想直線Ｌ４上の端点を端点Ｐ５、前記仮想直線Ｌ５上の端点を端点Ｐ６とし；前記仮想直線Ｌ４，Ｌ５の各々と、前記仮想直線Ｌ３との交点を、それぞれ、交点Ｐ７，Ｐ８とすると、前記交点Ｐ７と前記端点Ｐ５の距離である距離Ｘ１、および、前記交点Ｐ８と前記端点Ｐ６との距離である距離Ｘ２は、いずれも、０．０９２ｍｍ以上である。
この形態のスパークプラグによれば、貴金属チップの側面上の全周に所定形状の溶融ダレを形成するため、貴金属チップと溶融部との界面内への空気の進入を抑制し、貴金属チップと溶融部との界面に酸化スケールが形成されることを抑制できる。その結果、スパークプラグにおいて冷熱サイクルが繰り返されたときに、貴金属チップと溶融部との界面において、貴金属チップと電極母材との熱膨張率差に起因するクラックの発生を抑制し、貴金属チップと電極母材との接合の信頼性を高めることができる。

（２）上記形態のスパークプラグにおいて、前記距離Ｘ１，Ｘ２は、いずれも、０．１１０ｍｍ以上であることとしてもよい。
この形態のスパークプラグによれば、貴金属チップと溶融部との界面における酸化スケールの進展をより抑制し、貴金属チップと電極母材との接合の信頼性をさらに高めることができる。

本発明は、スパークプラグ以外の種々の態様で形態することが可能である。例えば、スパークプラグが装着された内燃機関や、かかる内燃機関を備えた車両等の形態で実現することができる。また、例えば、スパークプラグの製造方法の形態で実現することもできる。

スパークプラグの部分断面図である。 中心電極の先端部の構造を拡大して示す説明図である。 溶融ダレの具体的な形状を説明するための断面図である。 冷熱試験に供した各電極の仕様を示す説明図である。 溶融ダレの長さを横軸にとり、酸化スケールの形成割合を縦軸にとって示す説明図である。 溶融ダレの長さを横軸にとり、酸化スケールの形成割合を縦軸にとって示す説明図である。

Ａ．スパークプラグの概略構成：
図１は、本発明の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。スパークプラグ１００は、図１に示すように、軸線Ａｘ（スパークプラグ１００の中心軸）に沿って伸長する細長形状を有している。図１において、一点破線で示す軸線Ａｘの右側は、外観正面図を示し、軸線Ａｘの左側は、軸線Ａｘを通る断面でスパークプラグ１００を切断した断面図を示している。以下の説明では、軸線Ａｘに平行な方向において、図１の下方側（図１中、矢印Ｘで示す）を先端側と呼び、図１の上方側を後端側と呼ぶ。

スパークプラグ１００は、絶縁碍子１０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０と、主体金具５０とを備える。絶縁碍子１０の先端から突出する棒状の中心電極２０は、絶縁碍子１０の内部を通じて、絶縁碍子１０の後端に設けられた端子金具４０に電気的に接続されている。中心電極２０の外周は、絶縁碍子１０によって保持され、絶縁碍子１０の外周は、端子金具４０から離れた位置で主体金具５０によって保持されている。

主体金具５０に電気的に接続された接地電極３０は、火花を発生させる隙間である火花ギャップを中心電極２０の先端との間に形成する。スパークプラグ１００は、内燃機関のエンジンヘッド２００に設けられた取付ネジ孔２０１に主体金具５０を介して取り付けられる。端子金具４０に２万〜３万ボルトの高電圧が印加されると、中心電極２０と接地電極３０との間に形成された火花ギャップに火花が発生する。

絶縁碍子１０は、アルミナ等のセラミックス材料を焼成して形成された絶縁体であり、中心電極２０および端子金具４０を収容する軸孔１２が中心に形成された筒状の部材である。絶縁碍子１０の軸方向中央には外径を大きくした中央胴部１９が形成されている。中央胴部１９よりも端子金具４０側には、端子金具４０と主体金具５０との間を絶縁する後端側胴部１８が形成されている。中央胴部１９よりも中心電極２０側には、後端側胴部１８よりも外径が小さい先端側胴部１７が形成され、先端側胴部１７の更に先には、先端側胴部１７よりも小さい外径であって先端側へ向かうほど外径が小さくなる脚長部１３が形成されている。

主体金具５０は、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３に亘る部位を包囲して保持する円筒状の金具である。本実施形態では、主体金具５０は、低炭素鋼により形成され、全体にニッケルめっきや亜鉛めっき等のめっき処理が施されている。主体金具５０は、工具係合部５１と、取付ネジ部５２と、ガスケット受け部５４とを備える。

主体金具５０の工具係合部５１は、スパークプラグ１００をエンジンヘッド２００に取り付ける工具（図示せず）が嵌合する。主体金具５０の取付ネジ部５２は、エンジンヘッド２００の取付ネジ孔２０１に螺合するネジ山を有する。主体金具５０のガスケット受け部５４は、取付ネジ部５２の後端側において、取付ネジ部５２よりも径方向の外周側に張り出して、鍔状に形成されている。

また、主体金具５０には、ガスケット受け部５４の先端側端部に接するように、中実の略円環状部材であるガスケット５が嵌挿される。このガスケット５によって、スパークプラグ１００のガスケット受け部５４とエンジンヘッド２００との間のシール性が確保される。主体金具５０の先端面５７は、中央部に開口を有する円形状に形成されており、その中央部では、絶縁碍子１０の脚長部１３から中心電極２０が突出する。

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、ガスケット受け部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に薄肉の圧縮変形部５８が設けられている。工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０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が介在されており、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。

スパークプラグ１００の製造時には、加締部５３を内側に折り曲げるようにして先端側に押圧することにより圧縮変形部５８を圧縮変形させる加締加工を行なう。加締加工を行なうことで、リング部材６，７およびタルク９を介し、絶縁碍子１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。この押圧により、タルク９が軸線Ａｘ方向に圧縮されて主体金具５０内の気密性が高められる。

また、主体金具５０の内周においては、取付ネジ部５２の位置に形成された金具内段部５６に、環状の板パッキン８を介し、絶縁碍子１０の脚長部１３の基端に位置する碍子段部１５が押圧されている。この板パッキン８は、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性を保持する部材であり、燃焼ガスの流出が防止される。

中心電極２０は、軸線Ａｘ方向に延びる棒状部材である電極母材２５を備える。電極母材２５は、ニッケルを主成分とするニッケル合金から成る。本実施形態では、電極母材２５は、さらに、より熱伝導性に優れる材料、例えば銅または銅を主成分とする合金から成る芯材を内部に備えている。本実施形態の中心電極２０は、電極母材２５の先端に、耐火花消耗性や耐酸化消耗性を向上させるための貴金属チップをさらに備えている。中心電極２０の先端部の構造については、後に詳しく説明する。中心電極２０は、電極母材２５の先端が絶縁碍子１０の軸孔１２から突出した状態で絶縁碍子１０の軸孔１２に挿入され、セラミック抵抗３およびシール体４を介して端子金具４０に電気的に接続されている。

接地電極３０は、棒状の部材であり、その基端は、主体金具５０の先端面５７に溶接されている。接地電極３０の先端側は、軸線Ａｘと交差する方向に屈曲されており、接地電極３０の先端部が、中心電極２０の先端面と軸線Ａｘ上で対向している。接地電極３０の先端部における中心電極２０と対抗する位置に、中心電極２０と同様の貴金属チップを設けることとしてもよい。

Ｂ．貴金属チップ周辺の構成：
図２は、中心電極２０の先端部の構造を拡大して示す説明図である。図２（Ａ）は、中心電極２０の先端部の外観を表わす側面図であり、図２（Ｂ）は、中心電極２０が備える貴金属チップ２７の中心軸Ｏを含む断面の様子を表わす断面図である。図２（Ａ）では、スパークプラグ１００における既述した先端側を、矢印Ｘで示している。なお、本実施形態のスパークプラグ１００では、貴金属チップ２７の中心軸Ｏは、スパークプラグ１００の中心軸である軸線Ａｘと一致している。

貴金属チップ２７は、貴金属（例えば、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウムなど）、あるいは貴金属を主成分として５０ｗｔ％以上含有する合金によって形成される円柱形状の部材であり、レーザ溶接によって電極母材２５の先端面に接合されている。そのため、電極母材２５の先端面と貴金属チップ２７との間には、電極母材２５と貴金属チップ２７とが溶融した溶融部２６が形成されている。本実施形態では、溶融部２６は、電極母材２５の先端面全体を覆うように形成されている。

なお、電極母材２５に溶接する貴金属チップ２７において、中心軸Ｏに垂直な横断面の直径（先端側の端面の直径）は、例えば０．３ｍｍ以上とすることができ、０．４ｍｍ以上とすることが望ましい。また、貴金属チップ２７の横断面の直径は、例えば１．５ｍｍ以下とすることができ、１．２ｍｍ以下とすることが望ましい。また、電極母材２５において、貴金属チップ２７が接合される先端面は、貴金属チップ２７の後端面全体と接触できる大きさであればよい。例えば、電極母材２５が円柱状部材である場合には、電極母材２５の先端面の直径は、溶接を容易にする観点から、貴金属チップ２７の後端面の直径よりも０．２〜０．４ｍｍ程度大きくすればよい。

さらに、本実施形態では、上記溶融部２６において溶融ダレ２８が形成されている。溶融ダレ２８とは、電極母材２５と貴金属チップ２７とが溶融して溶融部２６が形成される際に、溶融部２６を構成する溶融物の一部によって形成される。すなわち、溶融ダレ２８は、電極母材２５と貴金属チップ２７の溶接時に、上記溶融物の一部が、電極母材２５と貴金属チップ２７との境界近傍から、貴金属チップ２７の側面上を先端側へと延びることによって形成される（図２（Ｂ）参照）。本実施形態では、溶融ダレ２８は、貴金属チップ２７の側面上の全周にわたって形成されている。

電極母材２５と貴金属チップ２７との溶接は、電極母材２５の先端面と貴金属チップ２７の後端面とを接触させ、両者の接触部を含む領域において、貴金属チップ２７の外周側から内部側へとレーザ照射することにより行なえばよい。本実施形態では、貴金属チップ２７の外周側から貴金属チップ２７の中心軸Ｏに向かってレーザを照射している。レーザ照射は、貴金属チップ２７の全周に対して均等に行なうことが望ましい。

電極母材２５と貴金属チップ２７との溶接のためには、ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザ等、レーザ光を照射可能な種々の装置を採用可能である。用いるレーザは、パルス発振（ＰＷ）であってもよく、連続発振（ＣＷ）であってもよい。溶接の際に、後述する所望の形状の溶融ダレ２８を形成するためには、例えば、レーザビームのプロファイルにおいて、照射幅当たりのエネルギ量をより大きくすることが望ましい。レーザビームのプロファイルにおいて、照射幅当たりのエネルギ量をより大きくするためには、例えば、レーザ照射装置におけるレンズの最適化や発振器の最適化を行なうと共に、レーザ出力およびレーザ照射時間から選択される条件を調節すればよい。照射幅当たりのエネルギ量をより大きくするという観点から、特に、ファイバーレーザを用いることが望ましい。

図３は、溶融ダレ２８の具体的な形状を説明するための断面図である。図３は、中心電極２０の先端部における、中心軸Ｏを含む断面の断面図である。図３では、貴金属チップ２７における先端側の端面に相当する線分を、線分Ｓとして示しており、線分Ｓの長さをＤとしている。本実施形態の中心電極２０に形成された溶融ダレ２８は、以下のような形状を有している。

図３の断面において、中心軸Ｏから「９Ｄ／２０」の距離だけ離間する２本の直線を、それぞれ、仮想直線Ｌ１，Ｌ２とする。この仮想直線Ｌ１，Ｌ２の各々と、貴金属チップ２７と溶融部２６との界面と、の交点を、それぞれ交点Ｐ１，Ｐ２とする。これらの交点Ｐ１，Ｐ２を結んだ直線を、仮想直線Ｌ３とする。

また、上記した線分Ｓの両端点のうち、中心軸Ｏに対して仮想直線Ｌ１と同じ側に位置する端点を端点Ｐ３とし、中心軸Ｏに対して仮想直線Ｌ２と同じ側に位置する端点を端点Ｐ４とする。端点Ｐ３，Ｐ４の各々を通り、中心軸Ｏに平行な直線を、それぞれ仮想直線Ｌ４，Ｌ５とする。また、仮想直線Ｌ４，Ｌ５上における溶融ダレ２８の先端側の端点のうち、仮想直線Ｌ４上の端点を端点Ｐ５、仮想直線Ｌ５上の端点を端点Ｐ６とする。また、仮想直線Ｌ４，Ｌ５の各々と、仮想直線Ｌ３との交点を、それぞれ、交点Ｐ７，Ｐ８とする。このとき、交点Ｐ７と端点Ｐ５の距離である距離Ｘ１、および、交点Ｐ８と端点Ｐ６との距離である距離Ｘ２は、いずれも、０．０９２ｍｍ以上である。

また、図３の断面では、貴金属チップ２７と溶融部２６との境界において、仮想直線Ｌ４と重なる部位における後端を点Ｐ９、仮想直線Ｌ５と重なる部位における後端を点Ｐ１０とする。貴金属チップ２７と溶融部２６とが接する領域のうち、Ｐ５−Ｐ９間およびＰ６−Ｐ１０間に相当する領域は、貴金属チップ２７の表面が実質的に溶融していない領域ということができる。これに対して、貴金属チップ２７と溶融部２６とが接する領域のうち、Ｐ９−Ｐ１０間に相当する領域は、貴金属チップ２７の表面が溶融している領域ということができる。よって、本願明細書では、貴金属チップ２７と溶融部２６とが接する領域のうち、Ｐ９−Ｐ１０間に相当する領域を、「貴金属チップ２７と溶融部２６との界面」とも呼ぶ。貴金属チップ２７の表面が溶融した上記Ｐ９−Ｐ１０で表わされる界面は、貴金属チップ２７と電極母材２５との接合強度により大きく貢献する領域ということができる。

なお、本実施形態のスパークプラグ１００において、図３に関して説明した溶融ダレ２８の上記した形状は、中心電極２０の先端部における中心軸Ｏを含むいずれの断面においても成り立つ。

以上のように構成された本実施形態のスパークプラグ１００によれば、中心電極２０の先端部に配置された貴金属チップ２７の側面上に、溶融部２６の一部が先端側へと延出した溶融ダレ２８が形成されている。そのため、貴金属チップ２７と溶融部２６との界面内への空気の進入を抑制し、貴金属チップ２７と溶融部２６との界面に、貴金属チップ２７および溶融部２６に比べて強度が弱い酸化スケールが形成されることを抑制できる。その結果、スパークプラグ１００において冷熱サイクルが繰り返されたときに、貴金属チップ２７と溶融部２６との界面において、貴金属チップ２７と電極母材２５との熱膨張率差に起因するクラックの発生を抑制することができる。そして、クラックの発生を抑えることにより、貴金属チップ２７と溶融部２６との界面への空気の進入を抑え、酸化スケールのさらなる進展を抑えることができる。このようにしてクラックの伸長を抑えることにより、貴金属チップ２７の脱落を抑制し、貴金属チップ２７と電極母材２５との接合の信頼性を高めることができる。

すなわち、溶融ダレ２８が、貴金属チップ２７と溶融部２６との界面への空気の進入を抑えるシール部としての機能を有すると考えることができる。そのため、溶融ダレ２８を、中心軸Ｏに沿ってより長く形成することにより、貴金属チップ２７と溶融部２６との界面における酸化スケールの進展およびクラックの伸長を抑える効果を高めることができる。

特に、本実施形態では、図３の仮想直線Ｌ３に相当する所定の基準位置からの中心軸Ｏ方向に沿った溶融ダレ２８の長さ（図３における距離Ｘ１，Ｘ２に相当）が、０．０９２ｍｍ以上であることを、貴金属チップ２７の側面上の全周にわたって満たしている。そのため、貴金属チップ２７と溶融部２６との界面全体で、酸化スケールの進展を効果的に抑えることができる。

このように、本実施形態は、従来は外観上の問題から望ましくないとされてきた溶融ダレを、敢えて所定の長さ以上に形成することにより、貴金属チップ２７の接合の信頼性を高め、その結果、スパークプラグ１００の耐久性を向上させることを特徴としている。

溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さが長いほど、貴金属チップ２７と溶融部２６との界面における酸化スケールの進展を抑制する効果を高めることができるが、上記した溶融ダレ２８の長さ（図３における距離Ｘ１，Ｘ２）は、０．１１０ｍｍ以上とすることが特に望ましい。このような構成とすることで、冷熱サイクルにおいて貴金属チップ２７が晒される温度がより高温になっても、貴金属チップと電極母材の接合の信頼性を確保することができる。ただし、溶融ダレ２８の長さ（図３の距離Ｘ１，Ｘ２）の上限は、仮想直線Ｌ３と、貴金属チップ２７の先端側の端面に相当する線分Ｓの端点である端点Ｐ３，Ｐ４と、の距離とすることが望ましい。すなわち、溶融ダレ２８は、貴金属チップ２７の先端側の端面には存在しないことが望ましい。溶融ダレ２８が、スパークプラグ１００での着火性に影響することを抑えるためである。

また、溶融ダレ２８の上記した長さは、既述したように、貴金属チップ２７と溶融部２６との界面への空気の進入を抑えるシール部としての機能を確保するための長さである。そのため、溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さを上記値とすることによる効果は、貴金属チップ２７の大きさや、貴金属チップ２７を構成する材料に関わらず奏する効果である。

本実施形態において、仮想直線Ｌ３は、貴金属チップ２７の側面上に形成される溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さを特定するための基準となる位置である。この仮想直線Ｌ３の特定について、以下に説明する。

既述したように、溶融ダレ２８を設けることによる効果は、貴金属チップ２７の側面を覆って貴金属チップ２７と溶融部２６との界面への空気の進入を抑えることにより得られる。そのため、溶融ダレ２８の長さを定める基準は、貴金属チップ２７の後端側の端部における貴金属チップ２７と溶融部２６との界面の位置に基づいて定められるべきと考えられる。しかしながら、貴金属チップ２７と溶融部２６との界面の形状は、溶接条件によって変動し得る。特に、本実施形態のように、貴金属チップ２７の側面上に溶融ダレ２８を設ける場合には、貴金属チップ２７と電極母材２５とが溶融した高温の溶融物が貴金属チップ２７の側面上を先端側へと広がる際に、貴金属チップ２７の側面は、溶融物と接することによってある程度溶融する。貴金属チップ２７の側面が溶融する程度は、高温の溶融物が供給される後端側ほど大きい。本実施形態において仮想直線Ｌ３を得るために用いる仮想直線Ｌ１，Ｌ２を定めるための中心軸Ｏからの距離「９Ｄ／２０」は、貴金属チップ２７の側面が高温の溶融物によって溶融される影響が十分に少なくなる位置として、本願発明者によって経験的に求められた値である。本実施形態では、中心軸Ｏからの距離が「９Ｄ／２０」である仮想直線Ｌ１，Ｌ２と、貴金属チップ２７と溶融部２６の界面と、の交点である交点Ｐ１，Ｐ２を結んで、基準となる仮想直線Ｌ３を求めている。これにより、高温の溶融物によって貴金属チップ２７の側面が溶融して変形した影響を抑えつつ、貴金属チップ２７の側面の後端側の端部の位置を定めて、貴金属チップ２７の側面上に形成される溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さを特定している。

Ｃ．変形例：
・変形例１（溶融部２６の形状の変形）：
上記実施形態では、貴金属チップ２７の溶接時において、貴金属チップ２７の全周に対して均等にレーザを照射しており、溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さは、貴金属チップ２７の側面の全周でほぼ均等としたが、異なる構成としてもよい。溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さは不均一であってもよく、例えば、図３に示す断面において、距離Ｘ１と距離Ｘ２とが異なっていてもよい。貴金属チップ２７における中心軸Ｏを含む全ての断面において、図３に基づいて説明した溶融ダレ２８の長さ（図３の距離Ｘ１，Ｘ２）が、０．０９２ｍｍ以上であればよい。また、中心電極１２０は、貴金属チップ２７と電極母材２５とが、溶融部１２６を介することなく直接接する部位を有していてもよい。このような構成であっても、溶融部１２６が備える溶融ダレ２８が、中心軸Ｏ方向の長さとして、実施形態と同様の長さを有するならば、実施例と同様の効果を奏することができる。

・変形例２（溶接方法の変形）：
貴金属チップ２７と電極母材２５との間の溶接は、既述したレーザ溶接の他、例えば電子ビーム溶接により行なってもよい。貴金属チップ２７の外周側から内部側に向かってエネルギを照射することによって、貴金属チップ２７と電極母材２５とを溶融させ、溶融ダレ２８を有する溶融部２６を形成して溶接可能であるならば、実施形態と同様に本願発明を適用できる。

・変形例３（電極の変形）：
上記実施形態では、中心電極２０の電極母材２５に貴金属チップ２７を溶接することで形成される溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さについて規定したが、異なる構成としてもよい。中心電極２０に代えて、あるいは中心電極２０に加えて、接地電極３０において本願を適用してもよい。

構成材料およびサイズが異なる種々の貴金属チップ２７を電極母材２５に溶接し、溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さが異なる複数の電極を作製した。これらの電極を冷熱サイクルに晒す冷熱試験に供し、貴金属チップ２７と溶融部２６との界面に酸化スケールが形成される程度を調べた。冷熱試験は、加熱条件が異なる２種類の試験（第１の冷熱試験および第２の冷熱試験）を行なった。なお、ここでは、実際にスパークプラグを作製してスパークプラグを用いた点火の動作を実際に行なうのではなく、電極母材２５を模した溶接母材上に貴金属チップを溶接し、バーナを用いた加熱を伴う机上試験を行なった。

［試験用電極］
図４は、冷熱試験に供した各電極の仕様を示す説明図である。仕様１および仕様４の電極では、白金の含有割合が１０ｗｔ％であるイリジウム−白金（Ｉｒ−Ｐｔ）合金から成る貴金属チップ２７を用いた。仕様２および仕様５の電極では、ロジウムの含有割合が１０ｗｔ％であるイリジウム−ロジウム（Ｉｒ−Ｒｈ）合金から成る貴金属チップ２７を用いた。仕様３および仕様６の電極では、ルテニウムの含有割合が８ｗｔ％であるイリジウム−ルテニウム（Ｉｒ−Ｒｕ）合金から成る貴金属チップ２７を用いた。また、仕様１〜仕様３の電極では、端面の直径が０．６ｍｍ、高さが０．７５ｍｍの円柱状の貴金属チップ２７を用い、仕様４〜仕様６の電極では、端面の直径が０．８ｍｍ、高さが０．５ｍｍの円柱状の貴金属チップ２７を用いた。

冷熱試験に供する各電極では、電極母材２５を模した溶接母材として、ニッケルベース合金であるインコネル６００（インコネルは登録商標）から成る円柱状部材を用いた。各電極を製造する際には、溶接母材として、貴金属チップを溶接する端面の直径が、溶接する貴金属チップの端面の直径よりも０．３ｍｍ大きい溶接母材を用いた。

冷熱試験に供する各電極を作製する際の溶接条件は以下の通りである。溶接は、パルス発振（ＰＷ）させたファイバーレーザを利用して行なった。レーザ溶接に先立ち、溶接母材の端面上に貴金属チップ２７を配置し、ピンで押圧固定した。そして、貴金属チップ２７を固定した溶接母材を、中心軸Ｏを中心として６０ｒｐｍの回転数にて回転させながらレーザ溶接を行なった。ここでは、仕様ごとに、レーザの平均出力が３０〜４５Ｗの範囲で異なる種々の電極を作製した。また、仕様ごとに、レーザの照射数が１１〜１４発の範囲で異なる種々の電極を作製した。いずれの電極においても、１発当たりのレーザの照射時間は５ｍｓｅｃとした。そして、貴金属チップを固定した溶接母材を１回転させる間にレーザ照射が終了するように、レーザ照射の間隔を均等に調節した。なお、各電極において、最初にレーザ照射した範囲と最後にレーザ照射した範囲とは、互いに約半分だけ重なるように調整した。

このように、仕様ごとに、レーザの平均出力およびレーザの照射数を異ならせた種々の電極を作製し、これらの電極についてＸ線ＣＴ観察を行ない、非破壊内部観察により溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さを測定した。なお、溶融ダレ２８は、貴金属チップ２７の側面上の全周にわたってほぼ均一に形成されるが、ここでは、溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さが最も短くなる位置にて溶融ダレ２８の長さを測定した。そして、溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さが０．０１ｍｍ程度から０．１８ｍｍ程度の間でできるだけ均等にばらつくように、第１の冷熱試験および第２の冷熱試験の各々のために、仕様ごとに溶接条件の異なる６つの電極を選択した（図４において、いずれの仕様についても数量６と記載）。

［第１の冷熱試験の条件］
仕様１〜仕様６の仕様ごとに、上記のようにして６つずつ選択した全ての電極について、第１の冷熱試験を行なった。第１の冷熱試験は、貴金属チップ２７をバーナで加熱する動作と、加熱を停止する動作とを１サイクルとして、１０００サイクル行なった。上記加熱の動作は、貴金属チップ２７の温度を放射温度計にて計測しながら、貴金属チップ２７の温度が９５０℃となるように加熱した。１サイクル当たりの加熱時間は２分とした。また、加熱を停止する動作は、１サイクル当たり１分とした。

［第２の冷熱試験の条件］
仕様１〜仕様６の仕様ごとに、上記のようにして６つずつ選択した全ての電極について、第２の冷熱試験を行なった。第２の冷熱試験は、上記した第１の冷熱試験に比べて、加熱時の温度を１０００℃とした点のみが異なっている。すなわち、第２の冷熱試験は、第１の冷熱試験に比べて、加熱の条件をより厳しくした試験である。

［酸化スケールの測定］
上記した第１および第２の冷熱試験をそれぞれ１０００サイクル実施した後に、各々の電極について、貴金属チップ２７の中心軸を含む断面を露出させた。そして、露出させた断面において、図３に示したように溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さＸ１，Ｘ２を実測したところ、Ｘ線ＣＴ観察により非破壊内部観察で測定した数値とよく一致した。また、上記露出させた断面を７０倍に拡大して観察し、貴金属チップ２７と溶融部２６との界面に形成された酸化スケールの長さを測定した。そして、貴金属チップ２７と溶融部２６との界面（図３におけるＰ９−Ｐ１０間）の長さに対する、Ｐ９−Ｐ１０間に形成された酸化スケールの長さの合計の割合を、酸化スケールの形成割合として算出した。なお、電極断面において露出する貴金属チップ２７と溶融部２６との界面において、酸化スケールは、他の部位とは色が異なるため容易に判別可能である。

図５は、第１の冷熱試験を行なった各電極について、実測した溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さ（図３における距離Ｘ１，Ｘ２の最小値）を横軸にとり、算出した酸化スケールの形成割合を縦軸にとって示す説明図である。ここでは、酸化スケールの形成割合が３０％以下である電極を、「合格」として評価した。図５に示すように、いずれの仕様においても、溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さを０．０９２ｍｍ以上の電極はすべて「合格」と判定された。そのため、溶融ダレ２８の長さを０．０９２ｍｍ以上とすることで、酸化スケール進展を抑える効果を高められることが確認できた。なお、貴金属チップ２７の仕様により、すなわち、貴金属チップ２７の構成材料およびチップサイズにより、上記した傾向に差は見られなかった。

図６は、第２の冷熱試験を行なった各電極について、実測した溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さ（図３における距離Ｘ１，Ｘ２の最小値）を横軸にとり、算出した酸化スケールの形成割合を縦軸にとって示す説明図である。ここでは、酸化スケールの形成割合が５０％以下である電極を、「合格」として評価した。図６に示すように、いずれの仕様においても、溶融ダレ２８の中心軸Ｏ方向の長さを０．１１０ｍｍ以上の電極はすべて「合格」と判定された。そのため、溶融ダレ２８の長さを０．１１０ｍｍ以上とすることで、加熱温度が１０００℃に達するより過酷な冷熱サイクルに晒される場合であっても、酸化スケール進展を抑える効果を高められることが確認できた。なお、貴金属チップ２７の仕様により、すなわち、貴金属チップ２７の構成材料およびチップサイズにより、上記した傾向に差は見られなかった。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

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
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁碍子
１２…軸孔
１３…脚長部
１５…碍子段部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…中央胴部
２０，１２０…中心電極
２５…電極母材
２６，１２６…溶融部
２７…貴金属チップ
２８…溶融ダレ
３０…接地電極
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…取付ネジ部
５３…加締部
５４…ガスケット受け部
５６…金具内段部
５７…先端面
５８…圧縮変形部
１００…スパークプラグ
２００…エンジンヘッド
２０１…取付ネジ孔
６００…インコネル

Claims (2)

1. 貴金属を含有する柱状の貴金属チップであって、自身の中心軸についての一方の端部側の端面で放電を許容する貴金属チップと、前記貴金属チップに対して前記中心軸方向についての他方の端部側に配置された電極母材と、が溶接された電極であって、前記貴金属チップの前記他方の端部と前記電極母材との間に、前記貴金属チップと前記電極母材とが溶融した溶融部が形成された電極を備えるスパークプラグにおいて、
   前記溶融部は、前記貴金属チップの側面上の全周にわたって溶融ダレを備え、
   前記電極における前記中心軸を含む任意の断面において、
   前記貴金属チップにおける前記一方の端部側の端面に相当する線分Ｓの長さをＤとし、
   前記中心軸から「９Ｄ／２０」の距離だけ離間する２本の直線を、仮想直線Ｌ１，Ｌ２とし、
   前記仮想直線Ｌ１，Ｌ２の各々と、前記貴金属チップと前記溶融部との界面と、の交点をそれぞれ交点Ｐ１，Ｐ２とし、
   前記交点Ｐ１，Ｐ２を結んだ直線を、仮想直線Ｌ３とし、
   前記線分Ｓの両端点のうち、前記中心軸に対して前記仮想直線Ｌ１と同じ側に位置する端点を端点Ｐ３、前記中心軸に対して前記仮想直線Ｌ２と同じ側に位置する端点を端点Ｐ４とし、
   前記端点Ｐ３，Ｐ４の各々を通り、前記中心軸に平行な直線を、それぞれ仮想直線Ｌ４，Ｌ５とし、
   前記仮想直線Ｌ４，Ｌ５上における前記溶融ダレの前記一方の端部側の端点のうち、前記仮想直線Ｌ４上の端点を端点Ｐ５、前記仮想直線Ｌ５上の端点を端点Ｐ６とし、
   前記仮想直線Ｌ４，Ｌ５の各々と、前記仮想直線Ｌ３との交点を、それぞれ、交点Ｐ７，Ｐ８とすると、
   前記交点Ｐ７と前記端点Ｐ５の距離である距離Ｘ１、および、前記交点Ｐ８と前記端点Ｐ６との距離である距離Ｘ２は、いずれも、０．０９２ｍｍ以上であることを特徴とする
   スパークプラグ。
2. 請求項１に記載のスパークプラグであって、
   前記距離Ｘ１，Ｘ２は、いずれも、０．１１０ｍｍ以上であることを特徴とする
   スパークプラグ。

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