JP6035198B2 - 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。

従来、スパークプラグの電極の酸化を抑制するための技術としては、例えば、下記の特許文献１に開示されたものが知られている。特許文献１には、電極の表面を耐酸化性の優れた皮膜層で覆うことが記載されている。

特開昭６３−１３８６８１号公報 特表２００９−５３３８０２号公報 特表２００９−５３３８０３号公報 特開平５−１１４４５７号公報 特表平１１−５１４１４５号公報

ところで、近年では、エンジンの高効率化や、スパークプラグの小径化に伴い、スパークプラグの主体金具の先端近傍が燃焼室に曝されて高温となり、酸化してしまうおそれが指摘されていた。このため、電極だけでなく、スパークプラグの主体金具の先端近傍の酸化を抑制したいといった要望が高まってきた。また、主体金具が高温になると、主体金具が腐食しやすくなったり、所望のタイミングよりも早いタイミングで着火してしまうプレイグニッションという現象が発生したりするため、主体金具の温度上昇を抑制したいといった要望が高まってきた。そのほか、従来のスパークプラグにおいては、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

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、スパークプラグが提供される。このスパークプラグは、軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と；前記軸孔内に挿設された中心電極と；前記絶縁体の外周に配置された主体金具と；前記主体金具の先端部に固定された接地電極とを備える。前記主体金具の外周には、ネジ部が形成されており；前記主体金具の前記ネジ部の先端から、前記主体金具の先端までの長さは、３ｍｍ以上である。前記主体金具のうち、少なくとも、前記ネジ部よりも前記軸線方向先端側に位置する外周部と、前記ネジ部よりも前記軸線方向先端側に位置する内周部と、前記主体金具の先端に位置する先端面とには、前記主体金具の表面または前記主体金具の表面のめっき層よりも耐酸化性の優れた皮膜層が形成されている。この形態のスパークプラグによれば、耐酸化性の優れた皮膜層が、主体金具の外周部と内周部と先端面とに形成されているので、主体金具の先端近傍の酸化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、前記外周部及び前記内周部のうち、前記ネジ部の先端から１ｍｍ未満の領域では、前記主体金具または前記めっき層が露出していてもよい。この形態のスパークプラグによれば、主体金具またはめっき層が露出している部分から熱が放射されるので、主体金具の温度上昇を抑制することができる。

（３）上記形態のスパークプラグにおいて、前記主体金具を前記先端面側から見て、前記中心電極を円座標の中心の位置と定義し、前記接地電極の重心を前記円座標の０度の位置と定義する。この場合において、前記皮膜層は、前記主体金具のうち、少なくとも前記円座標の±４５度以内の範囲に形成されていてもよい。主体金具のうち、円座標の±４５度以内の範囲は、高温となる接地電極に近いため、酸化しやすい。この形態のスパークプラグによれば、皮膜層が、主体金具のうち、少なくとも円座標の±４５度以内の範囲に形成されているので、主体金具の先端近傍の酸化を効果的に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、前記接地電極の表面は、前記接地電極を構成する母材または前記母材に形成されためっき層が露出していてもよい。この形態のスパークプラグによれば、母材またはめっき層が露出している部分から熱放射されるので、接地電極の温度上昇を抑制することができる。

（５）上記形態のスパークプラグにおいて、前記皮膜層の厚さは、５μｍ以上６０μｍ以下であってもよい。この形態のスパークプラグによれば、皮膜層の厚さが５μｍ以上であるため、主体金具の先端近傍の酸化を抑制することができるとともに、皮膜層の厚さが６０μｍ以下であるため、主体金具の温度上昇を抑制することができる。

（６）上記形態のスパークプラグにおいて、前記皮膜層は、ニッケル、コバルトの少なくとも１種以上を含有し、さらに、クロム、及び、アルミニウムを含有する材料によって形成されていてもよい。この形態のスパークプラグによれば、耐酸化性の優れた皮膜層を実現することができる。

（７）上記形態のスパークプラグにおいて、前記皮膜層は、希土類元素をさらに含有する材料によって形成されていてもよい。この形態のスパークプラグによれば、皮膜層の耐酸化性をさらに向上させることができる。

（８）上記形態のスパークプラグにおいて、前記皮膜層は、前記希土類元素としてイットリウムをさらに含有する材料によって形成されていてもよい。この形態のスパークプラグによれば、皮膜層の耐酸化性をさらに向上させることができる。

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、スパークプラグの製造方法や皮膜層の形成方法等の形態で実現することができる。

本発明の製造方法によって製造されるスパークプラグの一例を示す部分断面図である。 スパークプラグの先端近傍を拡大して示す説明図である。 第２実施形態としてのスパークプラグの先端近傍を拡大して示す説明図である。 第２実施形態の効果を第１実施形態と比較して示す説明図である。 第３実施形態としてのスパークプラグの先端近傍を拡大して示す説明図である。 主体金具に対して皮膜層を形成する様子を示す説明図である。 冷熱試験の結果を表形式で示す説明図である。 接地電極の先端の温度が９００℃になったときの主体金の先端近傍の温度を示す説明図である。 主体金具の先端面の円座標における位置と酸化膜の厚さとの関係をグラフ形式で示す説明図である。 皮膜層の厚さと酸化膜の発生の有無との関係を表形式で示す説明図である。 皮膜層の厚さと主体金具の先端近傍の温度との関係をグラフ形式で示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ〜Ｃ．第１〜第３実施形態：
Ｄ．皮膜層の形成：
Ｅ．耐酸化性を評価する方法：
Ｆ．実験例：
Ｆ１．主体金具の耐酸化性と、皮膜層の有無との関係に関する実験例：
Ｆ２．主体金具の熱引き性能と、皮膜層の領域との関係に関する実験例：
Ｆ３．主体金具の先端面における位置と、酸化膜の厚さとに関する実験例：
Ｆ４．主体金具の耐酸化性と、皮膜層の厚さとの関係に関する実験例：
Ｆ５．主体金具の熱引き性能と、皮膜層の厚さとの関係に関する実験例：
Ｇ．変形例：

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態としてのスパークプラグ１００を示す部分断面図である。以下では、図１に示す軸線方向ＯＤを、図面における上下方向と定義し、下側をスパークプラグの先端側、上側を後端側と定義して説明する。なお、図１では、中心軸Ｏの右側にスパークプラグ１００の外観を示し、軸線Ｏの左側にスパークプラグ１００の断面を示している。

スパークプラグ１００は、内燃機関のエンジンヘッド２００に取り付けられる装置であり、先端の電極間において火花放電を生じさせることによって、内燃機関の燃焼室内における混合気（燃焼ガス＋空気）に着火させる。

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とを備えている。絶縁碍子１０は、絶縁体として機能する部材であり、軸線方向ＯＤに延びる軸孔１２を有している。中心電極２０は、軸線方向ＯＤに延びた電極であり、絶縁碍子１０の軸孔１２内に挿入された状態で保持されている。主体金具５０は、絶縁碍子１０の外周を囲む筒状の部材であり、絶縁碍子１０を内部に固定している。

接地電極３０は、一端が主体金具５０の先端に固定され、他端が中心電極２０と対向する電極である。端子金具４０は、電力の供給を受けるための端子であり、中心電極２０に電気的に接続されている。スパークプラグ１００がエンジンヘッド２００に取り付けられた状態で、端子金具４０とエンジンヘッド２００との間に高電圧が印加されると、中心電極２０と接地電極３０との間に火花放電が生じる。以下、各部材の詳細について説明する。

絶縁碍子１０は、セラミックスによって形成された筒状の絶縁体であり、軸線方向ＯＤに延びる軸孔１２が中心軸Ｏに沿って形成されている。本実施形態では、絶縁碍子１０は、アルミナを焼成することによって形成されている。絶縁碍子１０の軸線方向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、鍔部１９より後端側には、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が形成されている。先端側胴部１７よりもさらに先端側には、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の外径は、先端側に近づくにしたがって小さくなっている。スパークプラグ１００が内燃機関のエンジンヘッド２００に取り付けられた状態では、脚長部１３は、内燃機関の燃焼室内に曝される。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。

中心電極２０は、絶縁碍子１０の後端側から先端側に向かって延びた棒状の部材であり、中心電極２０の先端は、絶縁碍子１０の先端側において露出している。中心電極２０は、電極母材２１の内部に芯材２５が埋設された構造を有している。電極母材２１は、インコネル６００等（インコネルは登録商標）のニッケル合金によって形成されている。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体とする合金によって形成されている。絶縁碍子１０の軸孔１２内のうち、中心電極２０の後端側には、シール体４及びセラミック抵抗３が設けられている。中心電極２０は、シール体４及びセラミック抵抗３を介して、端子金具４０に電気的に接続されている。

主体金具５０は、低炭素鋼材によって形成された筒状の金具であり、絶縁碍子１０を内部に保持している。絶縁碍子１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３にかけての部位は、主体金具５０によって囲まれている。

主体金具５０の外周には、工具係合部５１と、ネジ部５２とが形成されている。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のネジ部５２は、ネジ山が形成された部位であり、内燃機関のエンジンヘッド２００の取付ネジ孔２０１に螺合する。スパークプラグ１００は、主体金具５０のネジ部５２をエンジンヘッド２００の取付ネジ孔２０１に螺合させて締め付けることによって、内燃機関のエンジンヘッド２００に固定される。

主体金具５０の工具係合部５１とネジ部５２との間には、径方向外側に突き出たフランジ状の鍔部５４が形成されている。ネジ部５２と鍔部５４との間のネジ首５９には、環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、板体を折り曲げることによって形成されており、スパークプラグ１００がエンジンヘッド２００に取り付けられた際には、鍔部５４の座面５５と取付ネジ孔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の変形によって、スパークプラグ１００とエンジンヘッド２００との隙間が封止され、取付ネジ孔２０１を介した燃焼ガスの漏出が抑制される。

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が形成されている。また、鍔部５４と工具係合部５１との間には、薄肉の座屈部５８が形成されている。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が挿入されている。さらに両リング部材６，７の間には、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の製造工程において、加締部５３が内側に折り曲げられて加締められると、座屈部５８は、圧縮力の付加に伴って外向きに変形（座屈）するとともに、主体金具５０と絶縁碍子１０とが固定される。タルク９は、この加締め工程の際に圧縮され、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性が高められる。

主体金具５０の内周面に形成された段部５６と、絶縁碍子１０の段部１５との間には、環状の板パッキン８が設けられている。主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は、この板パッキン８によっても確保され、燃焼ガスの漏出が抑制される。

接地電極３０は、主体金具５０の先端に接合された電極であり、接地電極３０の先端部３３は、中心電極２０の先端と対向している。接地電極３０は、耐腐食性の優れた合金によって形成されていることが好ましく、本実施形態では、接地電極３０は、インコネル６００またはインコネル６０１等（「インコネル」は登録商標）のニッケルまたはニッケルを主成分とする合金によって形成されている。接地電極３０と主体金具５０との接合は、例えば、溶接によって行なわれる。

端子金具４０には、プラグキャップ（図示せず）を介して高圧ケーブル（図示せず）が接続される。上述したように、この端子金具４０とエンジンヘッド２００との間に高電圧が印加されると、接地電極３０と中心電極２０との間に火花放電が生じる。

図２は、スパークプラグ１００の先端近傍を拡大して示す説明図である。図２（Ａ）は、スパークプラグ１００を正面から示しており、図２（Ｂ）は、スパークプラグ１００を先端側から示している。ただし、図２（Ｂ）においては、便宜的に、接地電極３０が主体金具５０から取り外された状態で描かれている。また、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）において、斜線のハッチングが施された領域は、後述する皮膜層７０が形成されている領域である。後述する図３及び図５においても同様である。

本実施形態では、主体金具５０のネジ部５２の先端５２ａから、主体金具５０の先端５０ａまでの長さＬは、３ｍｍ以上である。一般的に、スパークプラグ１００がエンジンヘッド２００に取り付けられた状態では、主体金具５０のネジ部５２の先端５２ａから、エンジンヘッド２００の取付ネジ孔２０１の先端２０１ａまでの軸線方向ＯＤに沿った長さは１ｍｍである。このため、本実施形態のスパークプラグ１００がエンジンヘッド２００に取り付けられると、主体金具５０の先端５０ａは、取付ネジ孔２０１から２ｍｍ以上突き出た状態となる。絶縁碍子１０の先端部分は、この主体金具５０の突き出た部分（以下では、拡張部分５０ｅともいう。）に覆われた状態となる。したがって、カーボン（煤）や水滴等の異物は、主体金具５０の拡張部分５０ｅに遮られるので、異物が絶縁碍子１０の表面に付着したり、異物が主体金具５０と絶縁碍子１０との隙間に侵入するのを抑制することができる。

ただし、主体金具５０の拡張部分５０ｅは、内燃機関の燃焼室に晒されるため、高温になりやすく、また、エンジンヘッド２００に接していないため、熱が引かれにくい。このため、主体金具５０の拡張部分５０ｅは、酸化しやすい傾向にある。そこで、本実施形態では、主体金具５０の表面には、主体金具５０の表面よりも耐酸化性の優れた皮膜層７０が形成されている。

具体的には、本実施形態では、皮膜層７０は、主体金具５０のうち、ネジ部５２よりも軸線方向ＯＤの先端側に位置する外周部６１と、ネジ部５２よりも軸線方向ＯＤの先端側に位置する内周部６２と、主体金具５０の先端５０ａに位置する先端面６３とに形成されている。したがって、本実施形態によれば、主体金具５０の先端近傍の酸化を抑制することができる。

皮膜層７０は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）の少なくとも１種以上を含有し、クロム（Ｃｒ）、及び、アルミニウム（Ａｌ）を含有する材料によって形成されていることが好ましい。このようにすれば、主体金具５０の表面よりも耐酸化性の優れた皮膜層７０を実現することができる。また、皮膜層７０は、上記の元素に加えて、希土類元素としてイットリウム（Ｙ）を含有する材料によって形成されていることがさらに好ましい。このようにすれば、皮膜層７０の耐酸化性をさらに向上させることができる。本実施形態では、皮膜層７０は、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、及び、イットリウムを含有する材料によって形成されている。

皮膜層７０の厚さは、５μｍ以上６０μｍ以下であることが好ましい。皮膜層７０の厚さが５μｍ以上であれば、主体金具５０の先端近傍の酸化を効果的に抑制することができるとともに、皮膜層７０の厚さが６０μｍ以下であれば、主体金具５０の温度上昇を抑制することができるからである。本実験形態では、皮膜層７０の厚さは、１０μｍである。皮膜層７０の厚さを５μｍ以上６０μｍ以下の範囲とする根拠については、後述する。

なお、皮膜層７０は、例えば、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ：High Velocity Oxygen Fuel）、プラズマ溶射、コールドスプレー法、エアロゾルデポジション法（Aerosol Deposition method）等によって形成することができる。

このように、第１実施形態によれば、主体金具５０に皮膜層７０を形成するので、主体金具５０の先端近傍の酸化を抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態：
図３は、第２実施形態としてのスパークプラグ１００ｂの先端近傍を拡大して示す説明図である。図１に示した第１実施形態との違いは、主体金具５０の外周部６１及び内周部６２のうち、ネジ部５２の先端５２ａから１ｍｍ未満の領域では、主体金具５０の表面が露出している点であり、他の構成は第１実施形態と同じである。

図４は、第２実施形態の効果を第１実施形態と比較して示す説明図である。図４（Ａ）は、第１実施形態の主体金具５０の先端近傍の断面図を示しており、図４（Ｂ）は、第２実施形態の主体金具５０の先端近傍の断面図を示している。図４（Ａ）に示す第１実施形態では、主体金具５０の外周部６１及び内周部６２のうち、ネジ部５２の先端５２ａから１ｍｍ未満の領域にも皮膜層７０が形成されている。したがって、第１実施形態の主体金具５０の先端近傍では、皮膜層７０によって主体金具５０からの熱放射が抑制され、また、皮膜層７０が断熱層となって混合気による冷却が遮られるため、高温になりやすい。

これに対して、図４（Ｂ）に示す第２実施形態では、主体金具５０の外周部６１及び内周部６２のうち、ネジ部５２の先端５２ａから１ｍｍ未満の領域には皮膜層７０が形成されておらず、主体金具５０の表面が露出している。このため、第２実施形態の主体金具５０の先端近傍では、表面が露出している部分からの熱放射によって、主体金具５０の熱がエンジンヘッド２００に奪われるとともに、主体金具５０の表面が露出している部分が、新規の混合気によって冷却される。この結果、主体金具５０の温度上昇が抑制される。

このように、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、主体金具５０の先端近傍の酸化を抑制することができるとともに、第１実施形態に比べて、主体金具５０の温度上昇を抑制することができる。さらに、第１実施形態に比べて、皮膜層７０が形成されている領域が狭いので、加工時間及び材料費を低減することができ、低コスト化を実現することができる。

Ｃ．第３実施形態：
図５は、第３実施形態としてのスパークプラグ１００ｃの先端近傍を拡大して示す説明図である。図３に示した第２実施形態との違いは、皮膜層７０が、主体金具５０の外周部６１と内周部６２と先端面６３とのうちの特定の一部の領域に形成されている点と、接地電極３０の表面には皮膜層７０が形成されていないという点であり、他の構成は第２実施形態と同じである。

図５（Ｂ）に示すように、主体金具５０を先端面６３側から見て、中心電極２０を円座標の中心の位置と定義し、接地電極３０の主体金具５０に接続されている部分の断面における重心Ｇを、円座標の０度の位置と定義する。この場合において、主体金具５０のうち、円座標の±４５度以内の範囲は、高温の接地電極３０に近い領域であるため、他の領域に比べて酸化しやすい傾向にある。

そこで、本実施形態では、皮膜層７０は、主体金具５０のうち、少なくとも円座標の±４５度以内の範囲に形成されている。すなわち、本実施形態では、主体金具５０のうち、最も酸化しやすい領域に皮膜層７０が形成されている。したがって、本実施形態によれば、主体金具５０の先端近傍の酸化を効果的に抑制することができる。

さらに、本実施形態では、接地電極３０の表面は、当該接地電極３０を構成する母材が露出している、すなわち、接地電極３０には皮膜層７０が形成されていない。したがって、母材が露出している部分からの熱放射によって、接地電極３０の温度上昇が抑制される。なお、本実施形態では、接地電極３０の母材は、ニッケル合金によって形成されているため、皮膜層７０が形成されていなくても、十分な耐酸化性を有している。

このように、第３実施形態によれば、主体金具５０の先端近傍の酸化を効果的に抑制することができるとともに、主体金具５０及び接地電極３０の温度上昇を抑制することができる。さらに、第１及び第２実施形態に比べて、皮膜層７０が形成されている領域が狭いので、加工時間及び材料費を低減することができ、低コスト化を実現することができる。

Ｄ．皮膜層７０の形成：
図６は、主体金具５０に対して皮膜層７０を形成する様子を示す説明図である。図６（Ａ）は、主体金具５０を正面から示しており、図６（Ｂ）は、主体金具５０を先端側から示している。皮膜層７０を形成する工程に先立って、まず、主体金具５０の先端に接地電極３０を溶接する。次に、転造によってネジ部５２を形成する。次に、主体金具５０及び接地電極３０に対してめっき処理を行なう。なお、めっき処理後に、皮膜層７０の溶射を行なう箇所の少なくとも一部のめっき層を除去（切削又は剥離液によって剥離）してもよく、また、めっき処理の際に、皮膜層７０の溶射を行なう箇所の少なくとも一部にマスキングを行なってもよい。なお、上記の実施形態のように、めっき処理は省略してもよい。

次に、図６（Ａ）に示すように、主体金具５０を回転させながら、皮膜層７０の原材料を溶射する。溶射を行なう際には、主体金具５０を少し傾けてもよい。なお、皮膜層７０を、第３実施形態に示した領域に対して形成する場合には、図６（Ｂ）に示すように、皮膜層７０を形成しない領域に対してマスキング７５を行なった上で、溶射を行なえばよい。

Ｅ．耐酸化性を評価する方法：
皮膜層７０や主体金具５０の表面の耐酸化性については、酸化試験を行なうことによって評価をすることができる。具体的には、皮膜層７０が形成されている領域と、皮膜層７０が形成されておらず、表面が露出している領域とを有する主体金具５０を用意する。そして、この主体金具５０を電気炉に入れて、大気雰囲気にて、所定の時間、所定の温度で加熱する。その後、電気炉から主体金具５０を取り出して、徐々に冷却する。この酸化試験の結果、皮膜層７０の上に形成された酸化膜（酸化層）の厚さの方が、主体金具５０の表面に形成された酸化膜の厚さよりも薄ければ、皮膜層７０の方が、主体金具５０の表面よりも耐酸化性が高いと評価することができる。

また、主体金具５０の表面にめっき層（亜鉛めっきや、ニッケルめっき等）が形成され、その上に皮膜層７０が形成されている場合においても、上記と同様の酸化試験を行なうことができる。具体的には、めっき層が露出している領域と、めっき層の上に皮膜層７０が形成されている領域とを有する主体金具５０に対して、酸化試験を行なう。この酸化試験の結果、めっき層が露出している領域ではめっき層が消失し、一方、皮膜層７０の上には薄い酸化膜が形成されるといった結果となれば、皮膜層７０は、めっき層よりも耐酸化性が高いと評価することができる。すなわち、層の変化した部分の厚さが小さい方が、耐酸化性が高いと評価することができる。ここで、層の変化した部分とは、めっき層の消失した部分や、皮膜層７０の表面が酸化膜として変質した部分をいう。

Ｆ．実験例：
Ｆ１．主体金具５０の耐酸化性と、皮膜層７０の有無との関係に関する実験例：
本実験例では、主体金具５０の先端近傍に形成された皮膜層７０が、主体金具５０の耐酸化性に対してどのような影響を及ぼすのかについて調べた。また、本実験例では、ネジ部５２の先端５２ａから先端面６３までの距離Ｌと、主体金具５０の先端近傍における耐酸化性との関係についても調べた。

本実験例では、皮膜層７０の有無及び皮膜層７０が形成されている領域について、以下の４つのタイプのサンプルを用意した。
タイプ０：皮膜層なし
タイプ１：皮膜層あり（上記の第１実施形態と同じ領域に皮膜層あり）
タイプ２：皮膜層あり（上記の第２実施形態と同じ領域に皮膜層あり）
タイプ３：皮膜層あり（上記の第３実施形態と同じ領域に皮膜層あり）
そして、上記の４タイプのそれぞれについて、距離Ｌの異なる仕様のサンプルを用意した。なお、各サンプルの他の条件は以下のとおりである。
ネジ部５２のネジ径：Ｍ１２
ネジ部５２の長さ：２５．５ｍｍ
距離Ｌ：２．０〜７．０ｍｍ
皮膜層７０の材料：ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ系
皮膜層７０の厚さ：１０μｍ

上記のサンプルの主体金具５０を水冷チャンバーに取り付け、主体金具５０の先端近傍を大気中にてバーナーで２分間加熱して６５０℃とし、その後バーナー停止・成り行きで１分間冷却するサイクルを２０００回繰り返した。その後、サンプルを切断して主体金具５０の表面における酸化膜の発生の有無を調べた。なお、このバーナーによる加熱と冷却とを繰り返す試験を、以下では「冷熱試験」とも呼ぶ。

図７は、冷熱試験の結果を表形式で示す説明図である。本実験例では、酸化膜が発生した場合を「Ｂ」で示し、酸化膜が発生しなかった場合を「Ａ」で示した。この図７によれば、皮膜層が形成されていないタイプ０のサンプルのうち、距離Ｌが２．５ｍｍ以下のサンプルでは酸化膜が発生せず、距離Ｌが３ｍｍ以上のサンプルでは、酸化膜が発生したことが理解できる。

皮膜層７０が形成されていないタイプ０のサンプルのうち、距離Ｌが３ｍｍ以上のサンプルにおいてのみ酸化膜が発生した理由は、距離Ｌが３ｍｍ以上である、すなわち、主体金具５０に拡張部分５０ｅが存在すると、上述したように、主体金具５０の熱引き性能が低下して高温となり、耐酸化性が低くなるためであると考えられる。

一方、皮膜層７０が形成されているタイプ１、２、３のサンプルでは、距離Ｌに関わらず、酸化膜が発生しなかったことが理解できる。以上より、皮膜層７０が形成されていれば、距離Ｌが３ｍｍ以上であっても、すなわち、主体金具５０に拡張部分５０ｅが存在していても、耐酸化性が向上し、酸化膜の発生が抑制されたことが理解できる。

Ｆ２．主体金具５０の熱引き性能と、皮膜層７０の領域との関係に関する実験例：
本実験例では、皮膜層７０が形成されている領域と、主体金具５０の先端近傍における熱引き性能との関係を調べた。使用したサンプルは、上記の実験例と同じである。

本実験例では、エンジンの実機（１．３Ｌ、ＤＯＨＣ（ダブルオーバーヘッドカムシャフト））にサンプルを取り付けて、全開スロットル、６０００ｒｐｍの条件でエンジンを動作させた。そして、接地電極３０の先端の温度が９００℃になったときの、主体金具５０の温度を測定した。主体金具５０の温度の測定は、主体金具５０のうち、接地電極３０が接続されている部位の近傍に対して行なった。なお、このエンジンの実機を用いた試験を、以下では「実機試験」とも呼ぶ。

図８は、接地電極３０の先端の温度が９００℃になったときの、主体金具５０の先端近傍の温度を示す説明図である。なお、図８には、距離Ｌが３ｍｍであるサンプルの結果と、距離Ｌが５ｍｍであるサンプルの結果とが示されている。

この図８によれば、タイプ１のサンプル（第１実施形態）よりも、タイプ２のサンプル（第２実施形態）の方が熱引き性能が高く、タイプ２のサンプル（第２実施形態）よりもタイプ３のサンプル（第３実施形態）のほうが熱引き性能が高いことが理解できる。すなわち、皮膜層７０が形成されている領域が少ないほど、熱引き性能が高くなることが理解できる。なお、皮膜層７０が形成されていないタイプ０のサンプルの熱引き性能が最も高いが、耐酸化性については、上述したように、タイプ１〜３のサンプルの方が優れている。

Ｆ３．主体金具５０の先端面６３における位置と、酸化膜の厚さとに関する実験例：
本実験例では、主体金具５０の先端面６３のうち、どの領域において酸化膜が形成されやすいのかについて調べた。具体的には、図５（Ｂ）に示すように、接地電極３０が接続されている箇所を円座標の０度の位置として定義した場合における角度と、主体金具５０の先端面６３に形成される酸化膜の厚さとの関係について調べた。

本実験例では、皮膜層７０が形成されていない以下の条件のテストプラグをエンジンの実機（１．３Ｌ、ＤＯＨＣ（ダブルオーバーヘッドカムシャフト））に取り付け、全開スロットル運転（２分間、６０００ｒｐｍ）と、アイドル運転（１分間、１０００ｒｐｍ）とを交互に繰り返し、１００時間経過後に、主体金具５０の先端面６３に形成された酸化膜の厚さを観察した。
テストプラグ：
ネジ部５２のネジ径：Ｍ１２
ネジ部５２の長さ：２５．５ｍｍ
距離Ｌ：５．０ｍｍ
皮膜層７０：なし

図９は、主体金具５０の先端面６３の円座標における位置と、酸化膜の厚さとの関係をグラフ形式で示す説明図である。この図９によれば、主体金具５０の先端面６３のうち、接地電極３０が接続されている位置（０度）に近いほど、形成された酸化膜が厚く、接地電極３０が接続されている位置（０度）から離れるほど、形成された酸化膜が薄くなることが理解できる。具体的には、円座標の±４５度の範囲において、酸化膜が形成されやすいことが理解できる。したがって、皮膜層７０は、少なくとも円座標の±４５度の範囲に形成されていることが好ましいといえる。

Ｆ４．主体金具５０の耐酸化性と、皮膜層７０の厚さとの関係に関する実験例：
本実験例では、皮膜層７０の厚さが、主体金具５０の耐酸化性に対してどのような影響を及ぼすのかについて調べた。具体的には、本実験例では、皮膜層７０の厚さの異なる複数のサンプルを用意し、上記と同様の冷熱試験を行なった。ただし、本実験例の冷熱試験は、主体金具５０の先端近傍を７００℃まで加熱するという、より厳しい条件下で行なわれた。なお、本実験例で用いたサンプルは、タイプ２であり、距離Ｌは、５ｍｍである。

図１０は、皮膜層７０の厚さと、酸化膜の発生の有無との関係を表形式で示す説明図である。本実験例では、酸化膜が発生した場合を「Ｂ」で示し、酸化膜が発生しなかった場合を「Ａ」で示した。この図１０によれば、皮膜層の厚さが５μｍ以上であれば、酸化膜が発生せず、十分な耐酸化性が確保されることが理解できる。したがって、耐酸化性を向上させるためには、皮膜層の厚さは、５μｍ以上であることが好ましいといえる。

Ｆ５．主体金具５０の熱引き性能と、皮膜層７０の厚さとの関係に関する実験例：
本実験例では、皮膜層７０の厚さが、主体金具５０の熱引き性能に対してどのような影響を及ぼすのかについて調べた。具体的には、本実験例では、皮膜層７０の厚さの異なる複数のサンプルを用意し、上記と同様の実機試験を行なった。なお、本実験例で用いたサンプルは、タイプ２であり、距離Ｌは、３ｍｍ又は５ｍｍの２種類である。

図１１は、皮膜層７０の厚さと、主体金具５０の先端近傍の温度との関係をグラフ形式で示す説明図である。この図１１によれば、皮膜層７０が厚くなるほど、主体金具５０の先端近傍の温度が高くなる、すなわち、熱引き性能が低下することが理解できる。具体的には、皮膜層７０の厚さが６０μｍを超えると、温度上昇の傾きが大きくなることが理解できる。したがって、主体金具５０の熱引き性能を向上させるためには、皮膜層の厚さは、６０μｍ以下であることが好ましいといえる。

Ｇ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

・変形例１：
上記実施形態において、主体金具５０及び接地電極３０の表面には、亜鉛めっきやニッケルめっき等によるめっき層が形成されていてもよく、皮膜層７０は、そのめっき層の上に形成されていてもよい。この場合には、皮膜層７０は、当該めっき層よりも耐酸化性が優れた材料によって形成されていればよい。めっき層が形成されている場合には、皮膜層７０が形成されていない領域からはめっき層が露出することになる。また、主体金具５０及び接地電極３０の表面には、クロメート処理が施され、そのクロメート層の上に皮膜層７０が形成されていてもよい。また、主体金具５０及び接地電極３０の表面の全てに、皮膜層７０が形成されていてもよい。

・変形例２：
上記実施形態では、皮膜層７０は、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウム、及び、イットリウムを含有する材料によって形成されている。これに対して、変形例では、皮膜層７０は、耐酸化性の優れた他の材料によって形成されていてもよい。例えば、皮膜層７０を形成する材料は、イットリウム以外の他の希土類元素を含んでもよく、また、希土類元素を含まなくてもよい。また、皮膜層７０を形成する材料は、ニッケルまたはコバルトのいずれか１種を含有しなくてもよい。

・変形例３：
上記実施形態において、中心電極２０と接地電極３０とのそれぞれには、高融点の貴金属を主成分として形成された電極チップが取り付けられていてもよい。例えば、電極チップは、イリジウム（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ていてもよい。

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…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
２５…芯材
３０…接地電極
３３…先端部
４０…端子金具
５０…主体金具
５０ａ…先端
５０ｅ…拡張部分
５１…工具係合部
５２…ネジ部
５２ａ…先端
５３…加締部
５４…鍔部
５５…座面
５６…段部
５８…座屈部
５９…ネジ首
６１…外周部
６２…内周部
６３…先端面
７０…皮膜層
７５…マスキング
１００…スパークプラグ
１００ｂ…スパークプラグ
１００ｃ…スパークプラグ
２００…エンジンヘッド
２０１…取付ネジ孔
２０１ａ…先端
２０５…開口周縁部
ＯＤ…軸線方向

Claims (7)

1. 軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
   前記軸孔内に挿設された中心電極と、
   前記絶縁体の外周に配置された主体金具と、
   前記主体金具の先端部に固定された接地電極と、を備えるスパークプラグであって、
   前記主体金具の外周には、ネジ部が形成されており、
   前記主体金具の前記ネジ部の先端から、前記主体金具の先端までの長さは、３ｍｍ以上であり、
   前記主体金具のうち、少なくとも、前記ネジ部よりも前記軸線方向先端側に位置する外周部と、前記ネジ部よりも前記軸線方向先端側に位置する内周部と、前記主体金具の先端に位置する先端面とには、前記主体金具の表面または前記主体金具の表面のめっき層よりも耐酸化性の優れた皮膜層が形成されており、
   前記外周部及び前記内周部のうち、前記ネジ部の先端から１ｍｍ未満の領域では、前記主体金具または前記めっき層が露出してい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、
   前記主体金具を前記先端面側から見て、前記中心電極を円座標の中心の位置と定義し、前記接地電極の重心を前記円座標の０度の位置と定義した場合において、
   前記皮膜層は、前記主体金具のうち、少なくとも前記円座標の±４５度以内の範囲に形成されていることを特徴とする、スパークプラグ。
3. 請求項１または請求項２に記載のスパークプラグであって、
   前記接地電極の表面は、前記接地電極を構成する母材または前記母材に形成されためっき層が露出していることを特徴とする、スパークプラグ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
   前記皮膜層の厚さは、５μｍ以上６０μｍ以下であることを特徴とする、スパークプラグ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
   前記皮膜層は、ニッケル、コバルトの少なくとも１種以上を含有し、さらに、クロム、及び、アルミニウムを含有する材料によって形成されていることを特徴とする、スパークプラグ。
6. 請求項５に記載のスパークプラグであって、
   前記皮膜層は、希土類元素をさらに含有する材料によって形成されていることを特徴とする、スパークプラグ。
7. 請求項６に記載のスパークプラグであって、
   前記皮膜層は、前記希土類元素としてイットリウムをさらに含有する材料によって形成されていることを特徴とする、スパークプラグ。

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