JP5933154B2 - スパークプラグ - Google Patents

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関連出願の相互参照

本願は、２０１３年４月１７日に出願された出願番号２０１３−８６５６２の日本特許出願に基づく優先権を主張し、その開示の全てが参照によって本願に組み込まれる。

本発明は、スパークプラグに関する。

ガソリンエンジン等の内燃機関において点火のために用いられるスパークプラグは、接地電極との間に火花放電のための間隙（放電ギャップ）を形成する中心電極を備えている。一般に、中心電極は、良好な着火性を確保するために、先端側（放電ギャップ側）に位置する小径部と、小径部の後端側に位置し小径部より径の大きい大径部と、小径部と大径部とを連結する連結部とを有している。

中心電極の小径部の先端（火花放電部位）に、耐火花消耗性や耐酸化消耗性に優れた貴金属（例えば白金やイリジウム、ルテニウム、ロジウム）あるいは貴金属を主成分とする合金を用いて形成された電極チップ（以下、「貴金属チップ」と呼ぶ）がレーザー溶接によって接合されたスパークプラグが知られている（例えば、特許文献１から６参照）。

特開平６−３６８５６号公報 特開平３−１７６９７８号公報 特開２００４−２０７２１９号公報 特開２００５−１５００１１号公報 特開２０１１−３４８２６号公報 特開２０００−２０８２３５号公報

近年、内燃機関において、着火性能を向上させることによる燃費改善と、排気ガスのクリーン化と相反する出力向上とを両立させるため、高圧縮比化が進められている。内燃機関を高圧縮比化すると、振動や燃焼圧が増大するため、スパークプラグの中心電極が折損する可能性が高まるという課題があった。特に、中心電極の大径部の直径が比較的小さい場合には、中心電極の振動が大きくなるため、折損の可能性が高くなる。

上述のように中心電極が貴金属チップが接合された小径部と連結部と大径部とから構成されている場合、中心電極の折損は小径部と連結部との境界付近で発生しやすい。そのため、中心電極における上記境界より先端側の部分、すなわち、小径部と小径部に接合された貴金属チップとで構成された部分の軸方向に沿った長さを短くすれば、耐折損性は向上すると考えられる。しかし、小径部と小径部に接合された貴金属チップとで構成された部分の長さを短くすると、内燃機関における着火性が低下するという課題があった。このように、スパークプラグにおいては、着火性の向上と中心電極の耐折損性の向上との両立が課題となっていた。

本発明は、上述の課題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。
本発明の第１の形態は、先端にレーザー溶接によって貴金属チップが接合された小径部と、前記小径部より径の大きい大径部と、前記小径部と前記大径部とを連結する連結部と、を有する中心電極を備えるスパークプラグにおいて、
前記大径部の径をＤｇ（ｍｍ）とし、前記スパークプラグの軸方向に沿った前記貴金属チップの長さをＬｃ（ｍｍ）とし、前記小径部の長さをＬｓ（ｍｍ）としたときに、式（１）−（３）を満たし、
前記中心電極と前記スパークプラグの絶縁体との間のクリアランスをＸ（ｍｍ）としたときに、式（４）を満たすことを特徴とする、スパークプラグである。
Ｄｇ≦２．６・・・（１）
１．１５≦Ｌｃ＋Ｌｓ≦３．０・・・（２）
０．４８≦Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ）≦０．７５・・・（３）
０．０３≦Ｘ≦０．１５・・・（４）
このスパークプラグによれば、上記式（２）を満たすことによって、良好な着火性を確保しつつ中心電極の耐久性低下を抑制することができ、また上記式（３）を満たすことによって、上記式（１）のように耐折損性が低くなる傾向にある大径部の径Ｄｇが小さい中心電極を用いても、中心電極の先端に位置する貴金属チップと小径部とで構成された部分の重量増大を抑制して中心電極の耐折損性を向上させることができると共に、貴金属チップの長さが極端に短くなることを回避して貴金属チップの耐久性低下を抑制することができる。また、上記式（４）を満たすことにより、中心電極の耐折損性を更に向上させることができる。
本明細書に記載された他の形態は以下を含む。

（１）本発明の一形態によれば、スパークプラグが提供される。このスパークプラグは、先端にレーザー溶接によって貴金属チップが接合された小径部と、前記小径部より径の大きい大径部と、前記小径部と前記大径部とを連結する連結部と、を有する中心電極を備え、前記大径部の径をＤｇ（ｍｍ）とし、前記スパークプラグの軸方向に沿った前記貴金属チップの長さをＬｃ（ｍｍ）とし、前記小径部の長さをＬｓ（ｍｍ）としたときに、式（１）−（３）（Ｄｇ≦２．６・・・（１）、１．１５≦Ｌｃ＋Ｌｓ≦３．０・・・（２）、０．４８≦Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ）≦０．７５・・・（３））を満たす。この形態のスパークプラグによれば、上記式（２）を満たすことによって、良好な着火性を確保しつつ中心電極の耐久性低下を抑制することができ、また上記式（３）を満たすことによって、上記式（１）のように耐折損性が低くなる傾向にある大径部の径Ｄｇが小さい中心電極を用いても、中心電極の先端に位置する貴金属チップと小径部とで構成された部分の重量増大を抑制して中心電極の耐折損性を向上させることができると共に、貴金属チップの長さが極端に短くなることを回避して貴金属チップの耐久性低下を抑制することができる。

（２）上記形態のスパークプラグにおいて、式（４）（０．６１≦Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ）≦０．７５・・・（４））を満たすとしてもよい。この形態のスパークプラグによれば、上記式（４）を満たすことによって、中心電極の先端に位置する貴金属チップと小径部とで構成された部分の重量をより軽減して耐折損性をさらに向上させることができる。

（３）上記形態のスパークプラグにおいて、前記貴金属チップの径をＤｃ（ｍｍ）とし、前記小径部の径をＤｓ（ｍｍ）としたときに、式（５）（Ｄｃ≦Ｄｓ≦Ｄｃ＋０．４・・・（５））を満たすとしてもよい。この形態のスパークプラグによれば、上記式（５）を満たすことによって、小径部の径Ｄｓが過度に大きくなることを防止して良好な着火性を確保しつつ、小径部を介した貴金属チップからの熱引きをある程度確保して貴金属チップの消耗を抑制することができる。

（４）上記形態のスパークプラグにおいて、式（６）（１．７≦Ｄｇ≦２．３・・・（６））を満たすとしてもよい。この形態のスパークプラグによれば、上記式（６）を満たすことによって、大径部の径Ｄｇが過度に小さくなって加工が困難となったり耐久性が低下したりすることを回避しつつ、耐折損性がより低くなる傾向にある大径部の径Ｄｇが小さい中心電極を用いても、中心電極の耐折損性を向上させることができる。

（５）上記形態のスパークプラグにおいて、式（７）（１．７≦Ｄｇ≦１．９・・・（７））を満たすとしてもよい。この形態のスパークプラグによれば、上記式（７）のように、耐折損性がさらに低くなる傾向にある大径部の径Ｄｇがより小さい中心電極を用いても、中心電極の耐折損性を向上させることができる。

（６）上記形態のスパークプラグにおいて、前記中心電極と前記スパークプラグの絶縁体との間のクリアランスをＸ（ｍｍ）としたときに、式（８）（０．０３≦Ｘ≦０．１５・・・（８））を満たすものとしてもよい。この形態によれば、中心電極の耐折損性を更に向上させることができる。

（７）上記形態のスパークプラグにおいて、前記中心電極の前記小径部と前記連結部の境界部分が、丸められた輪郭を有するものとしてもよい。この形態によれば、中心電極に外力が掛かった場合にも、小径部と連結部の振れを小さく抑えることができる。

本発明は、スパークプラグ以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、スパークプラグ用の中心電極、スパークプラグまたはスパークプラグ用の中心電極の製造方法等の形態で実現することができる。

本発明の実施形態におけるスパークプラグ３００の構成を示す説明図である。 中心電極２０の詳細構成を示す説明図である。 中心電極２０の詳細構成を示す説明図である。 中心電極２０の詳細構成を示す説明図である。 中心電極２０の詳細構成を示す説明図である。 スパークプラグ３００の耐久性に関する性能評価試験結果を示す説明図である。 中心電極２０の耐折損性に関する第３の性能評価試験結果を示す説明図である。 中心電極２０の耐折損性に関する第４の性能評価試験結果を示す説明図である。 中心電極の小径部と連結部の境界部分の好ましい形状の例を示す説明図である。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．スパークプラグの構成：
図１は、本発明の実施形態におけるスパークプラグ３００の構成を示す説明図である。図１において、スパークプラグ３００の中心軸である軸線ＯＬの右側にはスパークプラグ３００の側面構成を示しており、軸線ＯＬの左側にはスパークプラグ３００の中心軸を通る断面構成を示している。なお、以下の説明では、軸線ＯＬに沿って、後述する接地電極１０が配置されている側（図１の下方側）を先端側と呼び、後述する端子金具４０が配置されている側（図１の上方側）を後端側と呼ぶ。

スパークプラグ３００は、絶縁碍子３０と、中心電極２０と、主体金具５０と、接地電極１０と、端子金具４０とを備えている。中心電極２０は絶縁碍子３０によって保持され、絶縁碍子３０は主体金具５０によって保持されている。接地電極１０は主体金具５０の先端側の端面５７に取り付けられており、端子金具４０は絶縁碍子３０の後端側に取り付けられている。

絶縁碍子３０は、軸線ＯＬと平行な軸孔３１を備えた筒状の絶縁体であり、アルミナ等のセラミックス材料を焼成して形成される。絶縁碍子３０は、中央胴部３２と、後端側胴部３３と、先端側胴部３４と、脚長部３５とを備えている。中央胴部３２は、絶縁碍子３０において、軸線ＯＬに沿った中央付近に配置されており、他の部分よりも外径が大きい。後端側胴部３３は、中央胴部３２よりも後端側に配置されており、端子金具４０と主体金具５０との間を絶縁する。先端側胴部３４は、中央胴部３２よりも先端側に配置されており、脚長部３５は、先端側胴部３４よりも先端側に配置されている。脚長部３５の外径は、先端側胴部３４の外径よりも小さい。

中心電極２０は、棒状の金属製部材であり、セラミック抵抗６１およびシール体６２を介して端子金具４０に電気的に接続されている。中心電極２０は、絶縁碍子３０の軸孔３１に挿入されており、中心電極２０の先端側の一部は、絶縁碍子３０の脚長部３５から露出している（この点については後述する）。中心電極２０は、被覆部分２５の内側に、被覆部分２５よりも熱伝導性に優れる芯部分２６が埋設された構造を有している（図３参照）。中心電極２０の被覆部分２５としては、例えば、ニッケルを主成分とするニッケル合金からなる材料を採用することができる。中心電極２０の芯部分２６としては、例えば、銅または銅を主成分とする合金からなる材料を採用することができる。

中心電極２０の先端側の端部には、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７０が設けられている。貴金属チップ７０は、貴金属あるいは貴金属を主成分とする合金を用いて形成されている。例えば、貴金属チップ７０は、Ｐｔ−Ｉｒ合金（Ｐｔを主成分とするＩｒを添加した合金）（密度２１（ｇ／ｃｍ³））またはＩｒ−Ｐｔ合金（Ｉｒを主成分とするＰｔを添加した合金）（密度２２（ｇ／ｃｍ³））と、母材としてのインコネル（ＩＮＣ６００）（密度８．３（ｇ／ｃｍ３））とからなる材料を用いて形成される。なお、「主成分」とあるのは、貴金属チップ中、最も多く添加されている成分をいう。貴金属チップ７０は、貴金属成分が５０質量％以上であることが好ましい。また、貴金属チップ７０と中心電極２０との密度差が、中心電極２０の密度の２倍以上であることがより好ましい。

主体金具５０は、絶縁碍子３０における後端側胴部３３の先端側の一部から脚長部３５に亘る部分を包囲する略円筒形の金具である。主体金具５０は、例えば、低炭素鋼などの金属により形成されている。主体金具５０は、ネジ部５２と、工具係合部５１と、座部５４とを備えている。ネジ部５２は、主体金具５０の先端側に配置され、略円筒形の外観形状を有している。ネジ部５２の表面には、スパークプラグ３００をエンジンヘッド５００に取り付ける際に、エンジンヘッド５００のネジ孔２０１に螺合するネジ山が形成されている。工具係合部５１は、例えば、六角形の断面形状を有し、スパークプラグ３００をエンジンヘッド５００に取り付ける際に図示しない工具と嵌合する。座部５４とエンジンヘッド５００との間には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５９が嵌挿される。主体金具５０は、主体金具５０の後端部５３が加締められることにより、絶縁碍子３０に組み付けられる。

接地電極１０は、屈曲した棒状の金属製部材である。接地電極１０の構造は、図示しないが、中心電極２０と同様である。すなわち、接地電極１０は、ニッケル合金からなる被覆部分に、銅または銅を主成分とする合金からなる芯部分が埋設された構造を有している。接地電極１０の一方の端部である基端部１２は、主体金具５０の先端側の端面５７に接合されており、他方の端部である自由端部１１は中心電極２０の先端側の端部と対向するように屈曲されている。接地電極１０の自由端部１１と中心電極２０の先端側の端部との間には、火花放電のための間隙（放電ギャップ）が形成される。接地電極１０の自由端部１１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が接合されていてもよい。

端子金具４０は、先端側が絶縁碍子３０の軸孔３１に収容され、後端部が軸孔３１から露出している。端子金具４０には、図示しない高圧ケーブルが接続され、高電圧が印加される。

Ａ−２．中心電極の詳細構成：
図２ないし図４は、中心電極２０の詳細構成を示す説明図である。図２には、中心電極２０における先端側の一部の側面構成を示しており、図３には、中心電極２０における先端側の一部の中心軸を通る断面構成を示している。また、図４には、中心電極２０と貴金属チップ７０とをレーザー溶接によって接合する前の断面構成を示している。なお、図２ないし図４では、図の上方側が先端側であり、図の下方側が後端側である。

中心電極２０は、軸方向に沿った長さがＬｓ（ｍｍ）であり直径がＤｓ（ｍｍ）である略円柱形状の小径部２３と、小径部２３の後端側に位置し、直径がＤｇ（ｍｍ）（ただし、Ｄｇ＞Ｄｓ）の略円柱形状の大径部２１と、小径部２３と大径部２１とを連結する連結部２２とを有している。連結部２２の形状は、小径部２３との境界位置（直径Ｄｓ）から大径部２１との境界位置（直径Ｄｇ）にかけて直径が連続的に変化するテーパー形状である。このように、本実施形態では、中心電極２０が小径部２３と連結部２２と大径部２１とを有する構成であるため、良好な着火性を有する。

図２に示すように、中心電極２０の小径部２３および連結部２２は、絶縁碍子３０（の脚長部３５）の先端側の端面よりも先端側に位置している。すなわち、連結部２２と大径部２１との境界は、絶縁碍子３０の先端側の端面よりも先端側に位置する。中心電極２０と絶縁碍子３０との位置関係をこのような関係にすると、着火性が向上するため好ましい。ただし、連結部２２と大径部２１との境界が絶縁碍子３０の先端側の端面より後端側に位置しても、該境界と該先端側端面との軸方向に沿った距離Ｌｇが２ｍｍ以内であれば、着火性の低下は軽微である。絶縁碍子３０（絶縁体）と中心電極２０の大径部２１との間のクリアランスＸは、通常は０ｍｍを超える値である。このクリアランスＸの好ましい値については後述する。

中心電極２０の小径部２３の先端側の端部には、貴金属チップ７０がレーザー溶接により接合されている。貴金属チップ７０を接合する際には、図４に示すように、略円柱形状の貴金属チップ７０が小径部２３の先端側の端面に載置された状態で、貴金属チップ７０と小径部２３との境界部分にレーザーが照射される。これにより、図２および図３に示すように、該境界部分に溶融部９２が形成され、貴金属チップ７０と中心電極２０とが接合される。

なお、貴金属チップ７０と中心電極２０とが接合された状態において、図３に示すように、溶接前の貴金属チップ７０と小径部２３との境界が残っている場合には、貴金属チップ７０の長さＬｃは実測可能である。一方、図５に示すように、溶融部９２が径方向に連続的に形成され、溶接前の貴金属チップ７０と小径部２３との境界が残っていない場合には、次のように貴金属チップ７０の長さＬｃを推定する。中心電極２０の中心軸を含む断面において、貴金属チップ７０を径方向に３等分する２つの直線ＳＬを想定し、各直線ＳＬにおいて溶融部９２と重複する部分（線分）の中点Ｐａ，Ｐｂを求め、軸方向に沿った貴金属チップ７０の先端側端面と各中点Ｐａ，Ｐｂとの間の距離Ｌａ，Ｌｂの平均（（Ｌａ＋Ｌｂ）／２）を、貴金属チップ７０の長さＬｃとして推定する。貴金属チップ７０の長さＬｃが推定されれば、小径部２３の長さＬｓも推定される。

Ａ−３．性能評価試験：
以上説明した本実施形態のスパークプラグ３００を対象に、着火性、貴金属チップ７０の耐久性および中心電極２０の耐折損性について性能評価試験を行った。

Ａ−３−１．着火性に関する性能評価試験：
スパークプラグ３００の着火性に関する性能評価試験結果を表１に示す。着火性に関する性能評価試験では、中心電極２０の小径部２３の長さＬｓを異ならせた複数のサンプル（サンプル１−５）について、失火しない限界の空燃比を調べた。限界空燃比の値が大きいほど、スパークプラグ３００の着火性は良い。詳細な試験条件は、試験方法：失火限界法、使用エンジン：タイプ；直列４気筒ＤＯＨＣ自然吸気型、排気量；１．６リットル、運転条件：回転数；１６００ｒｐｍ、貴金属チップ７０の寸法：直径Ｄｃ；０．６ｍｍ、長さＬｃ；０．５ｍｍ、小径部２３の寸法：直径Ｄｓ；０．９ｍｍ、長さＬｓ；０．６−０．８ｍｍ（サンプルによって異なる）、大径部２１の寸法：直径Ｄｇ；２．６ｍｍ、である。

小径部２３の長さＬｓと貴金属チップ７０の長さＬｃとの和（Ｌｃ＋Ｌｓ）が１．１５以上であるサンプル２−５は、限界空燃比が１９以上であり、良好な着火性を示した。一方、和（Ｌｃ＋Ｌｓ）が１．１５より小さいサンプル１は、限界空燃比が１９未満であり、良好な着火性が得られなかった。なお、この試験では、小径部２３の長さＬｓを変えることによって和（Ｌｃ＋Ｌｓ）を変化させたが、貴金属チップ７０の長さＬｃを変えることによって和（Ｌｃ＋Ｌｓ）を変化させても、同様の試験結果が得られると考えられる。すなわち、スパークプラグ３００の着火性は、小径部２３の長さＬｓおよび貴金属チップ７０の長さＬｃの個々の値ではなく、それらの和（Ｌｃ＋Ｌｓ）によって左右されると考えられる。そのため、スパークプラグ３００の中心電極２０は、スパークプラグ３００の良好な着火性を確保するという観点から、下記の関係を満たすように構成されていることが好ましい。
Ｌｃ＋Ｌｓ≧１．１５

ただし、小径部２３の長さＬｓと貴金属チップ７０の長さＬｃとの和（Ｌｃ＋Ｌｓ）が大きすぎると、エンジン内での過加熱による中心電極２０の耐久性低下の問題が発生する。そのため、中心電極２０は、良好な着火性と耐久性とを確保するという観点から、下記の関係を満たすように構成されていることがより好ましい。
１．１５≦Ｌｃ＋Ｌｓ≦３．０
また、中心電極２０は、良好な着火性とより良好な耐久性とを確保するという観点から、下記の関係を満たすように構成されていることがさらに好ましい。
１．１５≦Ｌｃ＋Ｌｓ≦２．０

Ａ−３−２．耐久性に関する性能評価試験：
スパークプラグ３００の耐久性に関する性能評価試験結果を図６に示す。中心電極２０の小径部２３の直径Ｄｓを小さくするほど、貴金属チップ７０からの熱引き性が悪くなるため、貴金属チップ７０の消耗が大きくなる。耐久性に関する性能評価試験では、中心電極２０の小径部２３の直径Ｄｓと、貴金属チップ７０の消耗との関係について調べた。詳細な試験条件は、試験方法：エンジン全開耐久試験、使用エンジン：タイプ；直列４気筒ＤＯＨＣ自然吸気型、排気量；１．６リットル、運転条件：回転数；５０００ｒｐｍ Ｗ．Ｏ．Ｔ．、１００時間運転、大径部２１の温度；摂氏８００度、貴金属チップ７０（Ｉｒ−Ｐｔ合金）の寸法：直径Ｄｃ；０．６ｍｍ、長さＬｃ；０．５ｍｍ、小径部２３の寸法：直径Ｄｓ；０．５−１．２ｍｍ（サンプルによって異なる）、長さＬｓ；０．６５ｍｍ、である。

図６に示すように、小径部２３の直径Ｄｓが大きいほど、貴金属チップ７０からの熱引き性が良くなるため、貴金属チップ７０の消耗量が小さくなる。具体的には、小径部２３の直径Ｄｓが０．６ｍｍ（すなわち、貴金属チップ７０の直径Ｄｃと同じ値）以上である場合には、貴金属チップ７０の消耗量が０．１ｍｍ未満となるため好ましい。一方、小径部２３の直径Ｄｓが１．０ｍｍ（すなわち、貴金属チップ７０の直径Ｄｃより０．４ｍｍ大きい値）以上である場合には、直径Ｄｓを大きくしても貴金属チップ７０の消耗量は横ばいである。これは、小径部２３の直径Ｄｓと貴金属チップ７０の直径Ｄｃとの差がある程度以上大きいと、直径Ｄｓを大きくしても、その増加部分が貴金属チップ７０からの熱引きにほとんど寄与しないためであると考えられる。そのため、スパークプラグ３００の中心電極２０は、スパークプラグ３００の良好な着火性の確保と貴金属チップ７０の消耗抑制の観点から、下記の関係を満たすように構成されていることが好ましい。
Ｄｃ≦Ｄｓ≦Ｄｃ＋０．４

Ａ−３−３．中心電極２０の耐折損性に関する第１の性能評価試験：
中心電極２０の耐折損性に関する第１の性能評価試験結果を表２ないし表９に示す。耐折損性に関する第１の性能評価試験では、小径部２３の長さＬｓと貴金属チップ７０の長さＬｃとの和（Ｌｃ＋Ｌｓ）に対する小径部２３の長さＬｓの比（Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ）、以下「小径部占有比」と呼ぶ）を異ならせた複数のサンプルについて、耐折損性を調べた。なお、各サンプルの小径部占有比を異ならせるために、和（Ｌｃ＋Ｌｓ）を１．１５（ｍｍ）（表２ないし表５）または１．２（ｍｍ）（表６ないし表９）に固定しつつ、各サンプルの小径部２３の長さＬｓと貴金属チップ７０の長さＬｃとを異ならせた。

小径部占有比（Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ））は、中心電極２０の内、小径部２３と貴金属チップ７０とにより構成された部分の全長に対する、小径部２３の長さＬｓの占める割合を表している。貴金属チップ７０は密度の高い材料で形成されているため、和（Ｌｃ＋Ｌｓ）が同じであれば、小径部占有比（Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ））が大きいほど、小径部２３と貴金属チップ７０とにより構成された部分は軽くなる。そのため、小径部占有比（Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ））が大きいほど、耐折損性は向上すると考えられる。詳細な試験条件は、試験方法：超音波振動試験、振動方向：中心電極２０の径方向、振動周波数：２７．３ｋＨｚ、評価：振動を１８０秒間与えた場合の中心電極２０の折損有無（〇：折損無し、×：折損有り）、貴金属チップ７０の寸法：直径Ｄｃ；０．４−１．０ｍｍ（サンプルによって異なる）、長さＬｃ；０．３−０．８ｍｍ（サンプルによって異なる）、小径部２３の寸法：直径Ｄｓ；０．７−１．３ｍｍ（サンプルによって異なる）、長さＬｓ；０．３５−０．８５ｍｍ（サンプルによって異なる）、大径部２１の寸法：直径Ｄｇ；２．６ｍｍ、溶融部９２の寸法：溶融部９２の軸方向に沿った長さ；０．４ｍｍ、である。

表２ないし表５には、小径部２３の長さＬｓと貴金属チップ７０の長さＬｃとの和（Ｌｃ＋Ｌｓ）が１．１５（ｍｍ）である場合の評価試験結果を示しており、表６ないし表９には、上記和（Ｌｃ＋Ｌｓ）が１．２（ｍｍ）である場合の評価試験結果を示している。表２ないし表５のそれぞれは、貴金属チップ７０の直径Ｄｃと小径部２３の直径Ｄｓとが互いに異なっている。同様に、表６ないし表９のそれぞれは、貴金属チップ７０の直径Ｄｃと小径部２３の直径Ｄｓとが互いに異なっている。

小径部占有比（Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ））が０．４８未満のサンプル（サンプル１１，１２，２１，２２，３１，３２，４１，４２，５１，５２，６１，６２，７１，７２，８１，８２）では、貴金属チップ７０の直径Ｄｃや小径部２３の直径Ｄｓの大小にかかわらず、１８０秒間の振動によって折損が発生した。なお、折損は、小径部２３と連結部２２との境界付近で発生した。一方、小径部占有比（Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ））が０．４８以上のサンプル（上記以外のサンプル）では、直径Ｄｃや直径Ｄｓの大小にかかわらず、１８０秒間の振動を与えても折損は発生しなかった。そのため、スパークプラグ３００の中心電極２０は、耐折損性を向上させるという観点から、下記の関係を満たすように構成されていることが好ましい。
Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ）≧０．４８

ただし、小径部占有比（Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ））が大きすぎると、貴金属チップ７０の長さＬｃが短くなりすぎて、貴金属チップ７０の耐久性低下の問題が発生する。そのため、スパークプラグ３００の中心電極２０は、耐折損性の向上と貴金属チップ７０の耐久性確保との観点から、下記の関係を満たすように構成されていることがより好ましい。
０．４８≦Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ）≦０．７５

Ａ−３−４．中心電極２０の耐折損性に関する第２の性能評価試験：
中心電極２０の耐折損性に関する第２の性能評価試験結果を表１０ないし表１７に示す。耐折損性に関する第２の性能評価試験は、上述した耐折損性に関する第１の性能評価試験において、振動を与える時間を１８０秒間から３００秒間に変更したものであり、その他の方法・条件等については耐折損性に関する第１の性能評価試験と同じである。

表１０ないし表１３には、小径部２３の長さＬｓと貴金属チップ７０の長さＬｃとの和（Ｌｃ＋Ｌｓ）が１．１５（ｍｍ）である場合の評価試験結果を示しており、表１４ないし表１７には、上記和（Ｌｃ＋Ｌｓ）が１．２（ｍｍ）である場合の評価試験結果を示している。表１０ないし表１３のそれぞれは、貴金属チップ７０の直径Ｄｃと小径部２３の直径Ｄｓとが互いに異なっている。同様に、表１４ないし表１７のそれぞれは、貴金属チップ７０の直径Ｄｃと小径部２３の直径Ｄｓとが互いに異なっている。

小径部占有比（Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ））が０．６１未満のサンプル（サンプル９１，９２，９３，１０１，１０２，１０３，１１１，１１２，１１３，１２１，１２２，１２３，１３１，１３２，１３３，１４１，１４２，１４３，１５１，１５２，１５３，１６１，１６２，１６３）では、貴金属チップ７０の直径Ｄｃや小径部２３の直径Ｄｓの大小にかかわらず、３００秒間の振動によって折損が発生した。一方、小径部占有比（Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ））が０．６１以上のサンプル（上記以外のサンプル）では、直径Ｄｃや直径Ｄｓの大小にかかわらず、３００秒間の振動を与えても折損は発生しなかった。そのため、スパークプラグ３００の中心電極２０は、耐折損性のさらなる向上と貴金属チップ７０の耐久性確保との観点から、下記の関係を満たすように構成されていることがさらに好ましい。
０．６１≦Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ）≦０．７５

Ａ−３−５．中心電極２０の耐折損性に関する第３の性能評価試験：
中心電極２０の耐折損性に関する第３の性能評価試験結果を図７に示す。中心電極２０の耐折損性は、大径部２１の直径Ｄｇにも影響される。一般に、大径部２１の直径Ｄｇが小さいほど、中心電極２０の振動が大きくなるため、中心電極２０の折損の可能性は高くなる。耐折損性に関する第３の性能評価試験では、大径部２１の直径Ｄｇが互いに異なる複数のサンプルについて、耐折損性を調べた。具体的には、バーナー冷熱試験（バーナーによる２分間加熱（摂氏９００度）と１分間冷却とを１０００サイクル繰り返す試験）の後に、上述した耐折損性に関する第１，２の性能評価試験と同様の超音波振動試験を行った。ただし、耐折損性に関する第３の性能評価試験では、中心電極２０の折損が発生するまで振動を与え続けた。詳細な試験条件は、貴金属チップ７０の寸法：直径Ｄｃ；０．６ｍｍ、長さＬｃ；０．８ｍｍまたは０．４ｍｍ（サンプルによって異なる）、小径部２３の寸法：直径Ｄｓ；０．９ｍｍ、長さＬｓ；０．４ｍｍまたは０．８ｍｍ（サンプルによって異なる）、大径部２１の寸法：直径Ｄｇ；１．７−２．６ｍｍ（サンプルによって異なる）、である。

図７に示すように、全体的傾向として、大径部２１の直径Ｄｇが小さいほど、中心電極２０の折損までの時間が短い（すなわち、耐折損性が低い）。また、小径部占有比（Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ））に着目すると、小径部占有比が０．６７であるサンプル（図７において三角形プロットにより示す）は、小径部占有比が０．３３であるサンプル（図７において円形プロットにより示す）と比較して、中心電極２０の折損までの時間が長い（すなわち、耐折損性が高い）。

試験では、大径部２１の直径Ｄｇが同じサンプル同士を比較して、小径部占有比を０．３３から０．６７に変更することによる耐折損性向上率を求めた。耐折損性向上率は、小径部占有比（Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ））が０．３３であるサンプルが折損するまでの時間に対する、小径部占有比が０．６７であるサンプルが折損するまでの時間の比として算出される。図７に示すように、耐折損性向上率は、大径部２１の直径Ｄｇが小さいほど高い。具体的には、大径部２１の直径Ｄｇが２．６ｍｍ以下であれば、耐折損性向上率は１．１（１０％向上）以上である。そのため、スパークプラグ３００の中心電極２０が、下記の関係を満たすように構成されていれば、上述のように小径部占有比（Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ））を大きくなるように構成することによる耐折損性向上の効果が大きいと言える。
Ｄｇ≦２．６

また、大径部２１の直径Ｄｇが２．３ｍｍ以下であれば、耐折損性向上率は１．３（３０％向上）以上である。そのため、スパークプラグ３００の中心電極２０が、下記の関係を満たすように構成されていれば、上述のように小径部占有比（Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ））を大きくなるように構成することによる耐折損性向上の効果がさらに大きいと言える。
Ｄｇ≦２．３

ただし、大径部２１の直径Ｄｇが小さすぎると、大径部２１の加工容易性の低下や耐久性の低下といった問題が発生する。そのため、スパークプラグ３００の中心電極２０は、耐折損性の向上と大径部２１の加工容易性・耐久性の確保との観点から、下記の関係を満たすように構成されていることがより好ましい。
１．７≦Ｄｇ≦２．３

また、図７によれば、大径部２１の直径Ｄｇが１．９ｍｍ以下であれば、耐折損性向上率は１．８（８０％向上）以上である。そのため、スパークプラグ３００の中心電極２０が、下記の関係を満たすように構成されていれば、上述のように小径部占有比（Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ））を大きくなるように構成することによる耐折損性向上の効果がより大きいと言える。
１．７≦Ｄｇ≦１．９

Ａ−３−６．中心電極２０の耐折損性に関する第４の性能評価試験：
中心電極２０の耐折損性に関する第４の性能評価試験結果を図８に示す。中心電極２０の耐折損性は、中心電極２０と絶縁碍子３０との間のクリアランスＸ（図２）にも影響される。一般に、クリアランスＸが大きいほど、中心電極２０の振動が大きくなるため、中心電極２０の折損の可能性は高くなる。耐折損性に関する第４の性能評価試験では、クリアランスＸが互いに異なる２種類のサンプル（比較例サンプル及び実施例サンプル）について、耐折損性を調べた。上述した第３の性能評価試験は、絶縁碍子３０が付されていない中心電極２０をサンプルとして使用していたが、第４の性能評価試験では、絶縁碍子３０付きの中心電極２０をサンプルとして使用した。その他の試験条件は、サンプルの形状が異なる点以外は、上述した第３の性能評価試験と同じである。比較例サンプルの形状は、貴金属チップ７０の寸法：直径Ｄｃ；０．６ｍｍ、長さＬｃ；０．８ｍｍ、小径部２３の寸法：直径Ｄｓ；０．９ｍｍ、長さＬｓ；０．４ｍｍ、大径部２１の寸法：直径Ｄｇ；１．９ｍｍ、である。また、実施例サンプルの形状は、貴金属チップ７０の寸法：直径Ｄｃ；０．６ｍｍ、長さＬｃ；０．４ｍｍ、小径部２３の寸法：直径Ｄｓ；０．９ｍｍ、長さＬｓ；０．８ｍｍ、大径部２１の寸法：直径Ｄｇ；１．９ｍｍ、である。なお、図８の実施例サンプルの寸法は、図７において黒三角のプロットのうちでＤｇ＝１．９ｍｍで示されるサンプルの寸法に対応している。

図８に示すように、全体的傾向として、クリアランスＸが大きいほど、中心電極２０の折損までの時間が短い（すなわち、耐折損性が低い）。なお、実施例サンプルでは、クリアランスＸがゼロの場合について試験をしていないが、比較例サンプルの傾向を考慮するとクリアンランスＸが０．０３ｍｍの場合以上の折損時間になるものと推定される。クリアンランスＸが０．０３〜０．１５ｍｍである実施例サンプルは、折損時間が１３８秒以上であり、図７に示した黒三角のプロット（Ｄｇ＝１．９ｍｍ）の結果よりも良好な耐折損性を有する。また、クリアンランスＸが０．２０ｍｍである実施例サンプルでは、折損時間が１１２秒であり、図７に示した黒三角のプロット（Ｄｇ＝１．９ｍｍ）の結果とほぼ同等である。従って、クリアンランスＸの範囲を制限することによって耐折損性を向上させるという意味では、クリアンランスＸを０．１５ｍｍ以下とすることが好ましい。また、中心電極２０の熱膨張を考慮すると、クリアンランスＸは０ｍｍを超えることが好ましい。従って、スパークプラグ３００の中心電極２０が、下記の関係を満たすように構成されていれば、耐折損性を更に向上させることが可能である。
０．０３≦Ｘ≦０．１５

Ａ−４．その他：
図９は、中心電極２０の小径部２３と連結部２２の境界部分の好ましい形状を示す説明図である。図２と図９とを比較すれば理解できるように、図９のスパークプラグでは、小径部２３と連結部２２の境界部分２４にＲ（いわゆる丸め形状）が付されている。換言すれば、この境界部分２４は、丸められた輪郭を有しており、小径部２３と連結部２２の境目が不明瞭であって、正面視ではなだらかな曲面を示す。一方、図２に示したスパークプラグでは、小径部２３と連結部２２の境界部は、これらの両者の境目が明瞭であり、正面視では２つの直線が一点で交わる幾何学的な形状を示す。なお、図９に示した境界部分２４は、境界部分２４の全周に亘ってこのような丸め形状を有することが好ましい。また、丸め形状の半径Ｒは、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。このような丸め形状を有するように境界部分２４を形成すれば、中心電極２０に外力が掛かった場合にも、小径部２３と連結部２２の振れを小さく抑えることができる。

以上説明したように、本実施形態のスパークプラグ３００は、中心電極２０を備えており、中心電極２０は、先端にレーザー溶接によって貴金属チップ７０が接合された小径部２３と、小径部２３より径の大きい大径部２１と、小径部２３と大径部２１とを連結する連結部２２とを有している。このようなスパークプラグ３００を、下記の式（１）−（３）を満たすように構成すれば、下記式（２）を満たすことによって、良好な着火性を確保しつつ中心電極２０の耐久性低下を抑制することができ、また下記式（３）を満たすことによって、下記式（１）のように耐折損性が低くなる傾向にある大径部２１の直径Ｄｇが小さい中心電極２０を用いても、中心電極２０の先端に位置する貴金属チップ７０と小径部２３とで構成された部分の重量増大を抑制して中心電極２０の耐折損性を向上させることができると共に、貴金属チップ７０の長さが極端に短くなることを回避して貴金属チップ７０の耐久性低下を抑制することができる。なお、下記の式（１）−（３）において、Ｌｃは貴金属チップ７０の軸方向長さであり、Ｌｓは小径部２３の軸方向長さである。
Ｄｇ≦２．６・・・（１）
１．１５≦Ｌｃ＋Ｌｓ≦３．０・・・（２）
０．４８≦Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ）≦０．７５・・・（３）

また、スパークプラグ３００を、さらに下記の式（４）を満たすように構成すれば、中心電極２０の先端に位置する貴金属チップ７０と小径部２３とで構成された部分の重量をより軽減することができ、中心電極２０の耐折損性をさらに向上させることができる。
０．６１≦Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ）≦０．７５・・・（４）

また、スパークプラグ３００を、さらに下記の式（５）を満たすように構成すれば、小径部２３の直径Ｄｓが過大となることを防止して良好な着火性を確保しつつ、小径部２３を介した貴金属チップ７０からの熱引きをある程度確保して貴金属チップ７０の消耗を抑制することができる。なお、下記の式（５）において、Ｄｃは貴金属チップ７０の直径であり、Ｄｓは小径部２３の直径である。
Ｄｃ≦Ｄｓ≦Ｄｃ＋０．４・・・（５）

また、スパークプラグ３００を、さらに下記の式（６）を満たすように構成すれば、大径部２１の直径Ｄｇが過度に小さくなって加工が困難となったり耐久性が低下したりすることを回避しつつ、耐折損性が低くなる傾向にある大径部２１の直径Ｄｇが小さい中心電極２０の耐折損性を向上させることができる。
１．７≦Ｄｇ≦２．３・・・（６）

また、スパークプラグ３００を、さらに下記の式（７）を満たすように構成すれば、耐折損性がより低くなる傾向にある大径部２１の直径Ｄｇがより小さい中心電極２０を用いても、中心電極２０の耐折損性を向上させることができる。
１．７≦Ｄｇ≦１．９・・・（７）

また、スパークプラグ３００の中心電極２０と絶縁体（絶縁碍子３０）との間のクリアランスをＸ（ｍｍ）としたときに、さらに下記の式（８）を満たすように構成すれば、中心電極の耐折損性を更に向上させることができる。
０．０３≦Ｘ≦０．１５・・・（８）

また、スパークプラグ３００の中心電極２０の小径部２３と連結部２２の境界部分２４が丸められた輪郭を有するようにすれば、中心電極２０に外力が掛かった場合にも、小径部２３と連結部２２の振れを小さく抑えることができる。

Ｂ．変形例：
上記実施形態におけるスパークプラグ３００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、スパークプラグ３００の各構成部品を形成する材料は、上記実施形態に記載された材料に限られない。また、上記実施形態では、中心電極２０は、被覆部分２５と芯部分２６との２層構造であるとしているが、中心電極２０は単層構造であってもよいし、３層以上の構造であってもよい。

また、上記実施形態では、小径部２３と貴金属チップ７０との境界はスパークプラグ３００の中心軸に略垂直な平坦形状であるが（図４）、この境界が凹凸のある形状であってもよい。小径部２３と貴金属チップ７０との境界が凹凸のある形状である場合には、小径部２３の長さＬｓおよび貴金属チップ７０の長さＬｃを決めるための境界面は、小径部２３における最も先端側に位置する部分を通り、スパークプラグ３００の中心軸に略垂直な平面であるものとする。

本発明は、上述の実施形態や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、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。

１０…接地電極
１１…自由端部
１２…基端部
２０…中心電極
２１…大径部
２２…連結部
２３…小径部
２４…境界部分
２５…被覆部分
２６…芯部分
３０…絶縁碍子
３１…軸孔
３２…中央胴部
３３…後端側胴部
３４…先端側胴部
３５…脚長部
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…ネジ部
５３…後端部
５４…座部
５７…端面
５９…ガスケット
６１…セラミック抵抗
６２…シール体
７０…貴金属チップ
９２…溶融部
２０１…ネジ孔
３００…スパークプラグ
５００…エンジンヘッド
ＯＬ…軸線

Claims (7)

1. 先端に貴金属チップが溶融部を介して接合された小径部と、前記小径部より径の大きい大径部と、前記小径部と前記大径部とを連結する連結部と、を有する中心電極を備えるスパークプラグにおいて、
   前記大径部の径をＤｇ（ｍｍ）とし、前記スパークプラグの軸方向に沿った前記貴金属チップの長さをＬｃ（ｍｍ）とし、前記小径部の長さをＬｓ（ｍｍ）としたときに、式（１）−（３）を満たし、
   前記中心電極と前記スパークプラグの絶縁体との間のクリアランスをＸ（ｍｍ）としたときに、式（４）を満たし、
   前記中心電極の前記小径部と前記連結部の境界部分が、丸められた輪郭を有することを特徴とする、スパークプラグ。
   Ｄｇ≦２．６・・・（１）
   １．１５≦Ｌｃ＋Ｌｓ≦３．０・・・（２）
   ０．４８≦Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ）≦０．７５・・・（３）
   ０．０３≦Ｘ≦０．１５・・・（４）
2. 請求項１に記載のスパークプラグにおいて、
   次式を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
   ０．６１≦Ｌｓ／（Ｌｃ＋Ｌｓ）≦０．７５
3. 請求項１または請求項２に記載のスパークプラグにおいて、
   前記貴金属チップの径をＤｃ（ｍｍ）とし、前記小径部の径をＤｓ（ｍｍ）としたときに、次式を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
   Ｄｃ≦Ｄｓ≦Ｄｃ＋０．４
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のスパークプラグにおいて、
   次式を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
   １．７≦Ｄｇ≦２．３
5. 請求項４に記載のスパークプラグにおいて、
   次式を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
   １．７≦Ｄｇ≦１．９
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のスパークプラグにおいて、
   前記小径部は円柱形状を有し、前記連結部はテーパー形状を有することを特徴とする、スパークプラグ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のスパークプラグにおいて、
   前記連結部と前記大径部との境界は、前記スパークプラグの前記絶縁体の先端側の端面よりも先端側に位置することを特徴とする、スパークプラグ。

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