JP6105694B2 - スパークプラグ - Google Patents
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Description
本発明は、スパークプラグに関する。
従来、線膨張係数の異なる2種類の金属が接合された複合チップを電極に備えるスパークプラグが知られている(特許文献1参照)。
しかし、このような複合チップは、線膨張係数の違いから、電極に対して反りが発生する可能性があった。そのため、このような複合チップを備えるスパークプラグにおいて、複合チップが電極材料に対して反ることを抑制可能な技術が求められていた。
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。本発明の一形態は、
軸線方向に延びる中心電極と、
軸孔を有し前記中心電極が前記軸孔に設けられる絶縁体と、
前記絶縁体を保持する筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端に一端部が接続される電極母材と、前記電極母材の他端部の内側面に接合され、前記中心電極と間隙を介して対向する放電チップと、を有する接地電極と、
を備えるスパークプラグである。このスパークプラグにおいて、
前記放電チップは、
前記中心電極側に配置された貴金属又は貴金属合金を含む放電層と、
一端が前記放電層に接合され、他端の少なくとも一部が溶融部を介して前記電極母材と接合されるとともに、前記放電層に含まれる貴金属元素のうち最も多く含まれる貴金属元素を前記放電層よりも少量含む中間層と、を有し、
前記溶融部は、前記軸線方向から前記放電チップを見た場合に、前記放電層の中心よりも前記電極母材の他端側の領域に少なくとも形成されており、
前記接地電極の長手方向に沿った中心線を含み前記軸線と平行な断面において、前記長手方向に沿った前記放電チップの長さに対する、前記長手方向に沿って前記放電チップが存在する範囲内における前記溶融部の前記長手方向に沿った長さの割合は、76.2%以上であり、
前記電極母材の他端側において、前記中間層の端面が露出する。
また、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。
軸線方向に延びる中心電極と、
軸孔を有し前記中心電極が前記軸孔に設けられる絶縁体と、
前記絶縁体を保持する筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端に一端部が接続される電極母材と、前記電極母材の他端部の内側面に接合され、前記中心電極と間隙を介して対向する放電チップと、を有する接地電極と、
を備えるスパークプラグである。このスパークプラグにおいて、
前記放電チップは、
前記中心電極側に配置された貴金属又は貴金属合金を含む放電層と、
一端が前記放電層に接合され、他端の少なくとも一部が溶融部を介して前記電極母材と接合されるとともに、前記放電層に含まれる貴金属元素のうち最も多く含まれる貴金属元素を前記放電層よりも少量含む中間層と、を有し、
前記溶融部は、前記軸線方向から前記放電チップを見た場合に、前記放電層の中心よりも前記電極母材の他端側の領域に少なくとも形成されており、
前記接地電極の長手方向に沿った中心線を含み前記軸線と平行な断面において、前記長手方向に沿った前記放電チップの長さに対する、前記長手方向に沿って前記放電チップが存在する範囲内における前記溶融部の前記長手方向に沿った長さの割合は、76.2%以上であり、
前記電極母材の他端側において、前記中間層の端面が露出する。
また、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。
(1)本発明の一形態によれば、軸線方向に延びる中心電極と;軸孔を有し前記中心電極が前記軸孔に設けられる絶縁体と;前記絶縁体を保持する筒状の主体金具と;前記主体金具の先端に一端部が接続される電極母材と、前記電極母材の他端部の内側面に接合され、前記中心電極と間隙を介して対向する放電チップと、を有する接地電極と、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では、前記放電チップは;前記中心電極側に配置された貴金属又は貴金属合金を含む放電層と;一端が前記放電層に接合され、他端の少なくとも一部が溶融部を介して前記電極母材と接合されるとともに、前記放電層に含まれる貴金属元素のうち最も多く含まれる貴金属元素を前記放電層よりも少量含む中間層と、を有し;前記溶融部は、前記軸線方向から前記放電チップを見た場合に、前記放電層の中心よりも前記電極母材の他端側の領域に少なくとも形成されており;前記接地電極の長手方向に沿った中心線を含み前記軸線と平行な断面において、前記長手方向に沿った前記放電チップの長さに対する、前記長手方向に沿って前記放電チップが存在する範囲内における前記溶融部の前記長手方向に沿った長さの割合は、76.2%以上である。このような形態のスパークプラグであれば、溶融部の長さを十分に確保できるので、放電層と中間層とを備える放電チップが電極母材から反ることを抑制することができ、放電チップの耐剥離性を向上させることができる。
(2)上記形態のスパークプラグにおいて、前記電極母材の他端側において、前記中間層の端面が露出してもよい。このような形態のスパークプラグであれば、中間層の端面が電極母材の他端側に露出しているので、中間層の端面が溶融部に覆われている場合と比較して、放電チップの耐火花消耗性を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、前記放電チップの前記中心電極と対向する面の面積は、0.75mm2以上であってもよい。このような形態のスパークプラグであれば、スパークプラグの耐久性を向上させることができる。
(4)上記形態のスパークプラグにおいて、前記割合は100%以上であってもよい。このような形態のスパークプラグであれば、放電層と中間層とを備える放電チップが電極母材から反ることをより抑制することができ、放電チップの耐剥離性をより向上させることができる。
本発明は、上述したスパークプラグとしての形態以外にも、例えば、スパークプラグの製造方法など、種々の形態で実現することが可能である。
A.第1実施形態:
A1.スパークプラグの構成:
図1は、本発明の一実施形態におけるスパークプラグ100の部分断面図である。スパークプラグ100は、軸線Oに沿った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Oの右側は、外観正面図を示し、軸線Oの左側は、軸線Oを通る断面図を示している。以下の説明では、図1の下方側をスパークプラグ100の先端側と呼び、図1の上方側を後端側と呼ぶ。図1のXYZ軸は、他の図のXYZ軸と対応している。軸線OとZ軸とは平行である。図1において、スパークプラグ100の先端側が+Z方向であり、スパークプラグ100の後端側が−Z方向である。単に「Z方向」というときは、Z軸に平行な方向(Z軸に沿った方向)をいう。このことは、X軸及びY軸についても同様である。
A1.スパークプラグの構成:
図1は、本発明の一実施形態におけるスパークプラグ100の部分断面図である。スパークプラグ100は、軸線Oに沿った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Oの右側は、外観正面図を示し、軸線Oの左側は、軸線Oを通る断面図を示している。以下の説明では、図1の下方側をスパークプラグ100の先端側と呼び、図1の上方側を後端側と呼ぶ。図1のXYZ軸は、他の図のXYZ軸と対応している。軸線OとZ軸とは平行である。図1において、スパークプラグ100の先端側が+Z方向であり、スパークプラグ100の後端側が−Z方向である。単に「Z方向」というときは、Z軸に平行な方向(Z軸に沿った方向)をいう。このことは、X軸及びY軸についても同様である。
スパークプラグ100は、絶縁体10と、中心電極20と、接地電極30と、主体金具50とを備える。絶縁体10は、自身の外周の少なくとも一部が筒状の主体金具50によって保持され、軸線Oに沿った軸孔12を有する。この軸孔12には、中心電極20が設けられている。接地電極30は、主体金具50の先端面57に固定され、中心電極20との間に放電ギャップGを形成する。
絶縁体10は、アルミナを始めとするセラミックス材料を焼成して形成された絶縁碍子である。絶縁体10は、先端側に中心電極20の一部を収容し、後端側に端子金具40の一部を収容する軸孔12が中心に形成された筒状の部材である。絶縁体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のさらに先には、先端側胴部17よりも小さい外径であって中心電極20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、絶縁体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。主体金具50は、例えば、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、後端側から順に、工具係合部51と、シール部54と、取付ネジ部52とを備える。工具係合部51は、スパークプラグ100をエンジンヘッドに取り付けるための工具が嵌合する。取付ネジ部52は、エンジンヘッドの取付ネジ孔に螺合するネジ山を有する。シール部54は、取付ネジ部52の根元に鍔状に形成されている。シール部54とエンジンヘッドとの間には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット5が嵌挿される。主体金具50の先端面57は、中空の円状であり、その中央からは、絶縁体10の脚長部13と中心電極20とが突出する。
主体金具50の工具係合部51より後端側には厚みの薄い加締部53が設けられている。また、シール部54と工具係合部51との間には、加締部53と同様に厚みの薄い圧縮変形部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の内周面と絶縁体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が圧縮変形し、この圧縮変形部58の圧縮変形により、リング部材6,7及びタルク9を介し、絶縁体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O方向に圧縮されて主体金具50内の気密性が高められる。
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、絶縁体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と絶縁体10との間の気密性を保持する部材であり、燃焼ガスの流出を防止する。
中心電極20は、中心電極母材21の内部に、中心電極母材21よりも熱伝導性に優れる芯材22が埋設された棒状の部材である。中心電極母材21は、ニッケルを主成分とするニッケル合金からなり、芯材22は、銅又は銅を主成分とする合金からなる。
中心電極20の後端部近傍には、外周側に張り出した形状の鍔部23が形成されている。鍔部23は、軸孔12に形成された軸孔内段部14に後端側から当接して、中心電極20を絶縁体10内で位置決めする。中心電極20の後端部は、セラミック抵抗3及びシール体4を介して端子金具40に電気的に接続される。
接地電極30は、耐腐食性の高い金属から構成される。耐腐食性の高い金属としては、例えば、インコネル(商標名)600やインコネル601等の、ニッケルを主成分とするニッケル合金が用いられる。接地電極30の基端は、主体金具50の先端面57に溶接されている。本実施形態では、接地電極30は、接地電極30の先端部分の一側面が中心電極20と対向するように、中間部分が屈曲されている。接地電極30は、その先端部(他端部)32の内側面に、もう一方の電極である中心電極20に向けて突出し、放電ギャップGを形成する四角柱状の放電チップ80を備えている。なお、図1に示す軸線Oは、放電チップ80の中心Pを通る。
図2は、接地電極30の先端部32の縦断面図である。図2に示す縦断面図は、接地電極30の長手方向に沿った中心線Cを含み、軸線Oと平行な断面である。接地電極30の中心線Cとは、接地電極30を幅方向に二分する、接地電極30の長手方向に沿った線である。本実施形態では、接地電極30は中心電極20と対向するように中間部分が屈曲されているが、接地電極30の長手方向は、Y方向としている。接地電極30の幅方向は、X軸方向と平行である。Y軸方向は、X軸方向及びZ軸方向に垂直な方向であり、接地電極30の長手方向と平行である。接地電極30は、電極母材31と、放電チップ80と、溶融部84と、を有する。放電チップ80は、放電層82と中間層83とが接合されて形成されたクラッド材である。本実施形態における放電チップ80は、中心電極20と対向する面86が正方形の柱状である。なお、図2及び以降の説明では、放電チップ80については、+Y方向を先端85とし、−Y方向を後端88として説明する。
放電層82は、中心電極20側に配置されている。放電層82は、貴金属又は貴金属合金を含み、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)あるいはこれらの合金によって形成されている。中間層83は、一端が放電層82に接合され、他端の少なくとも一部が電極母材31に溶接されている。図2に示す中間層83の他端には、中間層83と電極母材31との境界部36も含まれる。中間層83は、放電層82に最も多く含まれる貴金属元素と、電極母材31に含まれる元素と、を含んでいる。中間層83に含まれる貴金属元素の量は、質量パーセントにおいて、放電層82より少ない。具体的には、例えば、放電層82がPt−Ir系合金によって形成されている場合には、中間層83としては、Ptを放電層82より質量パーセント比において少量含み、かつ、電極母材31に含まれる例えばニッケルを含んだ、Pt−Ni系合金が用いられる。このような放電層82と中間層83とからなるクラッド材は、例えば、放電層82と中間層83とを熱を加えながら圧延することにより形成される。
溶融部84は、中間層83と電極母材31との境界部36付近に位置する。溶融部84は、放電チップ80の先端85側(+Y方向)から、電極母材31の長手方向(−Y方向)へ向かって延びている。溶融部84は、中間層83と電極母材31とがレーザ溶接により溶融して凝固することによって形成されており、中間層83に含まれる貴金属元素と電極母材31に含まれる元素とを含んでいる。溶融部84における、貴金属元素の合計量は、例えば、2.8質量パーセント以下である。溶融部84は、中間層83と電極母材31とを接合して放電チップ80を電極母材31に接合させるのに加え、スパークプラグ100の使用時に発生する熱応力を緩和するための層である。
図2には、さらに、軸線Oに沿った、放電チップ80の高さH1と、放電層82の高さH2と、中間層83の高さH3と、接地電極30の長手方向(−Y方向)に沿った放電チップ80の長さT(以下、長さT)と、長手方向に沿って放電チップ80が存在する範囲内における溶融部84の長手方向に沿った長さL(以下、奥行き長さL)と、が示されている。奥行き長さLは、電極母材31の他端35側に位置する放電チップ80の先端85から、放電チップ80の後端88へ向かう、溶融部84の長さでもある。本実施形態では、長さTに対する奥行き長さLの割合D(以下、割合D)は、76.2%以上かつ100%未満である。
放電チップ80の高さH1は、0.30mm以上0.65mm以下であり、本実施形態では0.50mmである。放電チップ80の長さTは、1.0mm以上2.0mm以下であり、本実施形態では1.8mmである。また、放電チップ80の高さH1と長さTの比率H1/Tは、0.20以上0.45以下であり、本実施形態では0.28である。また、放電層82の高さH2と、中間層83の高さH3と、の比率H2/H3は、0.30以上2.05以下であり、本実施形態では、1.0である。放電チップ80の中心電極20と対向する面86の面積は、0.75mm2以上である。
図3は、接地電極30の先端部32の横断面図である。図3に示す横断面図は、図2におけるA−A断面図であり、境界部36を含んでいる。図3には、放電チップ80の中心Pと、放電チップ80の中心Pを通り接地電極30の幅方向(X軸方向)と平行な直線mと、接地電極の中心線Cと、放電チップ80において溶融部84が形成されている領域S(クロスハッチで示された領域)と、が示されている。なお、本実施形態では、放電チップ80の中心Pは、放電層82の中心でもある。
図3に示すように、溶融部84は、直線mを超えてさらに−Y方向へ形成されている。いいかえると、溶融部84は、−Z方向から放電チップ80を見た場合に、放電チップ80の中心Pよりも電極母材31の他端35側の領域(放電チップ80の奥行きT/2までの領域)全体に少なくとも形成されている。なお、領域Sは、図3に示すように、接地電極30の先端部32の横断面を観察することにより確認することができるが、X線(CTスキャン)を用いて−Z方向から放電チップ80を観察することで確認することもできる。
本実施形態では、スパークプラグ100は、次のように製造される。まず、主体金具50と、絶縁体10と、中心電極20と、電極母材31とが準備される。続いて、主体金具50に、屈曲される前の電極母材31が接合される。これとは別に、中心電極20と絶縁体10とが組み付けられる。そして、中心電極20が組み付けられた絶縁体10が、電極母材31が接合された主体金具50に組み付けられる、組み付け工程が実施される。組み付け工程の後には、主体金具50の加締工程が実施される。この加締工程により、絶縁体10が主体金具50に固定される。また、主体金具50のシール部54と取付ネジ部52との間にガスケット5が装着される。
加締工程が実施されると、電極母材31には、放電チップ80がレーザ溶接される。電極母材31と放電チップ80のレーザ溶接方法については、後述する。レーザ溶接が行われると、接地電極30の先端部32の一側面が中心電極20と対向するように、接地電極30が屈曲される。以上のようにして、スパークプラグ100が完成する。なお、上記製造方法は一例であり、これとは異なる種々の方法でスパークプラグを製造可能である。例えば、上述した工程の順序は、任意に変更可能である。
A2.電極母材と放電チップとのレーザ溶接方法:
図4は、電極母材31と放電チップ80とのレーザ溶接方法を示すフローチャートである。まず、電極母材31の所定の位置に放電チップ80が配置される(ステップS101)。本実施形態では、電極母材31の先端部32には、放電チップ80を配置するための窪み60が形成されており、放電チップ80は先端部32の窪み60に配置される。なお、ステップS101では、電極母材31と放電チップ80とを仮固定のために抵抗溶接してもよいし、電極母材31と放電チップ80とを治具により固定してもよい。
図4は、電極母材31と放電チップ80とのレーザ溶接方法を示すフローチャートである。まず、電極母材31の所定の位置に放電チップ80が配置される(ステップS101)。本実施形態では、電極母材31の先端部32には、放電チップ80を配置するための窪み60が形成されており、放電チップ80は先端部32の窪み60に配置される。なお、ステップS101では、電極母材31と放電チップ80とを仮固定のために抵抗溶接してもよいし、電極母材31と放電チップ80とを治具により固定してもよい。
次に、電極母材31と放電チップ80との境界部36に対してレーザが照射されるレーザ溶接工程が行われる(ステップS103)。
図5は、レーザ溶接工程の様子を示す模式図である。図5(a)は、レーザ溶接工程を−X方向から見た図であり、図5(b)は、レーザ溶接工程を−Z方向から見た図である。ステップS103では、図5(a)に示すように、電極母材31と放電チップ80との境界部36に対して、接地電極30の他端35側である+Y方向から、境界部36と平行にレーザLBが照射される。また、図5(b)に示すように、レーザLBは、放電チップ80の端面85全体にわたってスキャンされる。レーザLBとしては、例えば高エネルギーのファイバーレーザを用いることができる。なお、レーザLBは、境界部36と平行に照射されていなくともよく、例えば、境界部36に対してZ方向に−5°から5°の範囲で傾斜させて照射されてもよい。
以上のようにして、溶融部84が、−Z方向から放電チップ80を見た場合に、放電チップ80の中心Pよりも電極母材31の他端35側の領域に少なくとも形成され、かつ、割合Dが76.2%以上となるように、レーザが照射されて、溶融部84が形成される。なお、このような溶融部84は、レーザの出力値と、レーザのスキャン速度と、領域Sと、割合Dと、の関係を実験により求めておき、領域Sが少なくとも放電チップ80の中心Pよりも電極母材31の他端35側の領域に形成され、かつ、割合Dが76.2%以上となるレーザのパワーとスキャン速度とを採用することで、形成することができる。
以上で説明した本実施形態のスパークプラグ100は、溶融部84が電極母材31の他端35側の領域に十分に形成されているのに加え、溶融部84の奥行き長さが十分に確保できるので、放電層82と中間層83とを備える放電チップ80が電極母材31から反ることを抑制することができる。そのため、放電チップ80の耐剥離性を向上させることができる。また、放電チップ80は、放電層82と中間層83とを備えるクラッド材であるため、放電層82によりスパークプラグ100の耐久性を向上させるとともに、中間層83により放電層82と電極母材31との線膨張係数の違いによって発生する熱応力を緩和することができる。
また、放電チップ80の中心電極20と対向する面86の面積が、0.75mm2以上であるために、スパークプラグ100の耐久性を向上させることもできる。
以下、溶融部84が、−Z方向から放電チップ80を見た場合に、放電チップ80の中心Pよりも電極母材31の他端35側の領域に少なくともに形成され、かつ、割合Dが76.2%以上を満たすようにスパークプラグ100を構成することの根拠について、実験結果に基づいて説明する。
A3.実験内容及びその実験結果:
図6は、割合Dの最適な範囲を求めるために行った実験の結果を示すグラフである。本実験では、上述のレーザ溶接方法(図4、ステップS103)において、レーザLBの出力値と、スキャン速度と、を変更することで、割合Dを異ならせて、割合Dごとかつ以下に示す放電チップ80の形状及び材質ごとに、3本のスパークプラグを作製した。なお、この実験では、−Z方向から放電チップ80を見た場合に、溶融部84が電極母材31の他端35側の領域に少なくともに形成されるように、レーザLBを照射した。放電チップ80は、以下の3種類の形状及び材質を有する放電チップを用いた。また、電極母材31の材質は、インコネル601を用いた。
図6は、割合Dの最適な範囲を求めるために行った実験の結果を示すグラフである。本実験では、上述のレーザ溶接方法(図4、ステップS103)において、レーザLBの出力値と、スキャン速度と、を変更することで、割合Dを異ならせて、割合Dごとかつ以下に示す放電チップ80の形状及び材質ごとに、3本のスパークプラグを作製した。なお、この実験では、−Z方向から放電チップ80を見た場合に、溶融部84が電極母材31の他端35側の領域に少なくともに形成されるように、レーザLBを照射した。放電チップ80は、以下の3種類の形状及び材質を有する放電チップを用いた。また、電極母材31の材質は、インコネル601を用いた。
<放電チップA>
形状:円柱状
中心電極と対向する面86の面積:0.79mm2(直径1.0mm)
放電層の材質:Pt−Ir系合金、中間層の材質:Pt−Ni系合金
<放電チップB>
形状:四角柱状
中心電極と対向する面86の面積:1.3mm2
放電層の材質:Pt−Ir系合金、中間層の材質:Pt−Ni系合金
<放電チップC>
形状:四角柱状
中心電極20と対向する面86の面積:1.5mm2
放電層の材質:Ir系合金、中間層の材質:Ir−Pt−Ni系合金
形状:円柱状
中心電極と対向する面86の面積:0.79mm2(直径1.0mm)
放電層の材質:Pt−Ir系合金、中間層の材質:Pt−Ni系合金
<放電チップB>
形状:四角柱状
中心電極と対向する面86の面積:1.3mm2
放電層の材質:Pt−Ir系合金、中間層の材質:Pt−Ni系合金
<放電チップC>
形状:四角柱状
中心電極20と対向する面86の面積:1.5mm2
放電層の材質:Ir系合金、中間層の材質:Ir−Pt−Ni系合金
次に、割合Dと放電チップ80の耐剥離性との関係を評価するために、冷熱試験を行った。冷熱試験では、まず接地電極30の先端部32をバーナーで2分間熱し、接地電極30の温度を1050℃まで上昇させた。その後バーナーを切り、接地電極30を1分間徐冷し、再び接地電極30をバーナーで2分間熱して接地電極30の温度を1050℃まで上昇させた。このサイクルを1000回繰り返した。
次に、接地電極30を、接地電極30の中心線Cを含み、軸線Oと平行に切断した。この断面(図2に示す縦断面)において、中間層83と電極母材31とが溶融されていない境界部36の長さと、境界部36付近に発生した溶融部84の酸化スケール及びクラックの長さと、を合わせた長さを測定した。また、それぞれのスパークプラグ100において、放電チップの長さTに対するこの合わせた長さの割合Kを求めた。この割合Kが小さいほど、放電チップ80が電極母材31から剥離する可能性は低くなる。さらに、放電チップ80の長さTに対する溶融部84の奥行き長さLの割合Dを求めた。そして、同じ条件で作製された3本のスパークプラグの割合Dと割合Kとをそれぞれ平均し、割合Dと割合Kとの関係を求めた。
図6に示すように、割合Dが大きくなるにつれ、割合Kは小さくなった。つまり、放電チップ80と電極母材31との溶接部分の長さが長いほど、放電チップ80が電極母材31から剥離する可能性が低くなった。そして、割合Dが76.2%以上になると、割合Dが76.2%未満に比べて有意に割合Kが小さくなり、酸化スケール及びクラックの発生が、放電チップ80の剥離を抑制可能な程度に抑制されていることが見出された。なお、放電チップの形状による耐剥離性の有意差はみられなかった。
以上の結果より、溶融部84は、−Z方向から放電チップ80を見た場合に、放電チップ80の中心Pよりも電極母材31の他端35側の領域に少なくとも形成されており、放電チップ80の長さTに対する溶融部84の奥行き長さLの割合Dが76.2%以上であることが好ましいことが示された。
B.第2実施形態:
B1.スパークプラグの構成:
図7は、第2実施形態におけるスパークプラグの接地電極30aの先端部32aの縦断面図である。図7に示す縦断面図は、軸線Oと平行であり、接地電極30の中心線Cを含んでいる。本実施形態における接地電極30aでは、放電チップ80aの中間層83aの端面87aが、電極母材31aの他端35a側において露出している。なお、本実施形態のスパークプラグにおいても、第1実施形態のスパークプラグと同様に、溶融部84aが、−Z方向から放電チップ80aを見た場合に、放電チップ80a(放電層82a)の中心Pよりも電極母材31aの他端35a側の領域に少なくともに形成されており、溶融部84aの奥行き長さLの割合Dは76.2%以上である。スパークプラグのその他の構成は、第1実施形態のスパークプラグ100と同様であるため説明を省略する。
B1.スパークプラグの構成:
図7は、第2実施形態におけるスパークプラグの接地電極30aの先端部32aの縦断面図である。図7に示す縦断面図は、軸線Oと平行であり、接地電極30の中心線Cを含んでいる。本実施形態における接地電極30aでは、放電チップ80aの中間層83aの端面87aが、電極母材31aの他端35a側において露出している。なお、本実施形態のスパークプラグにおいても、第1実施形態のスパークプラグと同様に、溶融部84aが、−Z方向から放電チップ80aを見た場合に、放電チップ80a(放電層82a)の中心Pよりも電極母材31aの他端35a側の領域に少なくともに形成されており、溶融部84aの奥行き長さLの割合Dは76.2%以上である。スパークプラグのその他の構成は、第1実施形態のスパークプラグ100と同様であるため説明を省略する。
端面87aが、電極母材31aの他端35a側において露出する接地電極30aは、上述のレーザ溶接工程(図4、ステップS103)において、端面87aが露出するようにレーザLBの出力値や、レーザLBのスキャン速度や、レーザLBの境界部36aに対する照射角度を適宜調節することで、作製することができる。
以上で説明した第2実施形態のスパークプラグは、溶融部84aが、−Z方向から放電チップ80aを見た場合に、放電チップ80aの中心Pよりも電極母材31aの他端35a側の領域に少なくともに形成されており、放電チップ80aの長さTに対する溶融部84aの奥行き長さLの割合Dは76.2%以上であるため、第1実施形態と同様の効果を奏する。
また、中間層83aは、放電層82aに最も多く含まれる貴金属元素を含んでいるため、電極母材31aと中間層83aとが溶融して形成された溶融部84aと比較して、耐火花消耗性が高い。第2実施形態のスパークプラグは、放電チップ80aの中間層83aの端面87aが、電極母材31aの他端35a側において露出している。そのため、放電チップ80aの先端85a側においてスパークプラグの放電がおきる場合であっても、中間層83が溶融部84に覆われている第1実施形態のスパークプラグ100と比較して、耐火花消耗性をより向上させることができる。
なお、図7には、接地電極30aの中心線Cを含んだ縦断面図において中間層83aの端面87aが露出している様子を示しているが、端面87aが電極母材31aの他端35a側において露出しているスパークプラグであれば、第2実施形態と同様の効果を奏する。
C.変形例:
C1.第1変形例:
上述の種々の実施形態では、放電チップ80、80aは、放電層82、82aと中間層83、83aとを一層ずつ備えていた。これに対し、放電チップ80cは、二層構造の中間層を備えていてもよいし、二層より多層の中間層を備えていてもよい。
C1.第1変形例:
上述の種々の実施形態では、放電チップ80、80aは、放電層82、82aと中間層83、83aとを一層ずつ備えていた。これに対し、放電チップ80cは、二層構造の中間層を備えていてもよいし、二層より多層の中間層を備えていてもよい。
図8は、接地電極30cの先端部32cの縦断面図である。図8に示す接地電極30cでは、放電チップ80cは、放電層82cと、第1の中間層83bと、第2の中間層83cと、を備える。第1の中間層83bは、放電層82cに最も多く含まれる貴金属元素(例えば、Pt)と、電極母材31cに含まれる元素(例えば、Ni)と、を含んでいる。第2の中間層83cは、放電層82cに最も多く含まれる貴金属元素(例えば、Pt)を、第1の中間層83bよりも少量含んでいる。また、第2の中間層83cは、電極母材31cに含まれる元素(例えば、Ni)を第1の中間層83bよりも多く含んでいる。
このような放電チップ80cであれば、第2の中間層83cは、電極母材31cに含まれる元素(例えば、Ni)を第1の中間層83bよりも多く含んでいるので、第1の中間層83bのみを備える場合と比べて、電極母材31cにより溶融されやすい。そのため、溶融部84cの奥行き長さLの割合Dを十分に確保できるので、放電チップ80cの耐剥離性を向上させることができる。また、中間層が第1の中間層83bのみの場合と比較して、放電チップ80cに使用される貴金属元素の量を少なくできるので、スパークプラグの製造に係るコストを低減することができる。
C2.第2変形例:
上述の種々の実施形態では、放電チップ80、80aは中心電極20と対向する面86、86aの形状が正方形である柱状であった。これに対し、放電チップ80、80aの形状は、例えば、中心電極20と対向する面86、86aの形状が矩形状をした柱状であってもよいし、円柱状であってもよい。すなわち、放電チップ80、80aの形状は、上記実施形態に限定されることなく、任意の形状を採用することができる。
上述の種々の実施形態では、放電チップ80、80aは中心電極20と対向する面86、86aの形状が正方形である柱状であった。これに対し、放電チップ80、80aの形状は、例えば、中心電極20と対向する面86、86aの形状が矩形状をした柱状であってもよいし、円柱状であってもよい。すなわち、放電チップ80、80aの形状は、上記実施形態に限定されることなく、任意の形状を採用することができる。
図9は、接地電極30fの先端部32fの縦断面図である。図9に示す縦断面図は、軸線Oと平行であり、接地電極30fの中心線Cを含んでいる。図10は、接地電極30fの先端部32fの横断面図である。図10は、図9におけるB−B断面図であり、境界部36fを含んでいる。図9及び図10に示す放電チップ80fの形状は、中心電極20と対向する面86fの形状が矩形状をした柱状である。このような形状の放電チップ80fであっても、図9に示すように、溶融部84fの長さTに対する奥行き長さLの割合Dが、76.2%以上であり、図10に示すように、−Z方向から放電チップ80fを見た場合に、溶融部84fが放電チップ80f(放電層82f)の中心Pよりも電極母材31fの他端35f側の領域に少なくとも形成されていれば、上述の第1実施形態と同様の効果を奏する。
C3.第3変形例:
上述の種々の実施形態では、接地電極30、30aの他端35、35aと、放電チップ80、80aの先端85、85aとが揃っており、同一のXZ平面上に位置している。これに対し、接地電極30、30aの他端35、35aと、放電チップ80、80aの先端85、85aとは揃っていなくともよい。
上述の種々の実施形態では、接地電極30、30aの他端35、35aと、放電チップ80、80aの先端85、85aとが揃っており、同一のXZ平面上に位置している。これに対し、接地電極30、30aの他端35、35aと、放電チップ80、80aの先端85、85aとは揃っていなくともよい。
図11は、接地電極30eの先端部32eの縦断面図である。図11に示す縦断面図は、軸線Oと平行であり、接地電極30eの中心線Cを含んでいる。図12は、接地電極30eの先端部32eの横断面図である。図12は、図11におけるE−E断面図であり、境界部36eを含んでいる。接地電極30eでは、接地電極30eの他端35eと、放電チップ80eの先端85eとは揃っておらず、同一のXZ平面上に位置していない。なお、溶融部84は、図11に示すように、奥行き長さLの割合Dが76.2%以上である。また、中間層83eの端面87eは露出している。さらに、図12に示すように、溶融部84eは、−Z方向から放電チップ80eを見た場合に、放電チップ80e(放電層82e)の中心Pよりも電極母材31eの他端35e側の領域に少なくとも形成されている。このような接地電極30eを備えるスパークプラグであっても、上述の第2実施形態と同様の効果を奏する。
C4.第4変形例:
上述の種々の実施形態では、放電チップ80、80aは、電極母材31、31aの窪み60にレーザ溶接されていた。これに対し、電極母材31、31aに窪み60を設けず、放電チップ80、80aは電極母材31、31aの平坦な面に直接溶接されてもよい。
上述の種々の実施形態では、放電チップ80、80aは、電極母材31、31aの窪み60にレーザ溶接されていた。これに対し、電極母材31、31aに窪み60を設けず、放電チップ80、80aは電極母材31、31aの平坦な面に直接溶接されてもよい。
C5.第5変形例:
上述の種々の実施形態では、溶融部の奥行き長さLの割合Dは、76.2%以上かつ100%未満である。これに対し、割合Dは100%以上であってもよい。
上述の種々の実施形態では、溶融部の奥行き長さLの割合Dは、76.2%以上かつ100%未満である。これに対し、割合Dは100%以上であってもよい。
図13は、接地電極30dの先端部32dの縦断面図である。図13に示す縦断面図は、軸線Oと平行であり、接地電極30dの中心線Cを含んでいる。図13に示す接地電極30dでは、奥行き長さLの割合Dが100%以上である。なお、図13に示す接地電極30dのように、縦断面において放電チップ80dと電極母材31dとの境界部が見られない場合には、放電チップ80dの長さTは、境界部に相当する放電チップ80の長さT(長手方向に沿った放電チップ80dの最大長さ)を測定すればよい。また、溶融部84dの奥行き長さLは、長手方向に沿った、放電チップ80dの先端85dから後端88dの方向へ向かう長さLを測定すればよい。なお、図示は省略するが、溶融部84dは、−Z方向から放電チップ80dを見た場合に、放電チップ80dの中心Pよりも電極母材31dの他端35d側の領域に少なくとも形成されている。
このように、割合Dが100%以上である場合には、放電チップ80dが電極母材31dから反ることをより抑制することができ、放電チップ80dの耐剥離性をより向上させることができる。
C6.第6変形例:
上述の第1実施形態では、放電チップ80の中心電極20と対向する面86の面積が0.75mm2以上である。これに対し、面86の面積は、0.75mm2未満であってもよい。
上述の第1実施形態では、放電チップ80の中心電極20と対向する面86の面積が0.75mm2以上である。これに対し、面86の面積は、0.75mm2未満であってもよい。
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。
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…絶縁体
12…軸孔
13…脚長部
14…軸孔内段部
15…碍子段部
17…先端側胴部
18…後端側胴部
19…中央胴部
20…中心電極
21…中心電極母材
22…芯材
23…鍔部
30、30a、30c、30d、30e、30f…接地電極
31、31a、31c、31d、31e、31f…電極母材
32、32a、32c、32d、32e、32f…先端部
35、35a、35e…他端
36、36a、36e、36f…境界部
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…シール部
56…金具内段部
57…先端面
58…圧縮変形部
60…窪み
80、80a、80c、80d、80e、80f…放電チップ
82、82a、82c、82d、82e、82f…放電層
83、83a、83e…中間層
83b…第1の中間層
83c…第2の中間層
84、84a、84c、84d、84f…溶融部
85、85d、85e…放電チップの先端
86、86f…放電チップの中心電極と対向する面
87a、87e…中間層の端面
88、88d…放電チップの後端
100…スパークプラグ
C…接地電極の中心線
G…放電ギャップ
LB…レーザ
O…軸線
P…放電層の中心
S…領域
m…直線
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…絶縁体
12…軸孔
13…脚長部
14…軸孔内段部
15…碍子段部
17…先端側胴部
18…後端側胴部
19…中央胴部
20…中心電極
21…中心電極母材
22…芯材
23…鍔部
30、30a、30c、30d、30e、30f…接地電極
31、31a、31c、31d、31e、31f…電極母材
32、32a、32c、32d、32e、32f…先端部
35、35a、35e…他端
36、36a、36e、36f…境界部
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…シール部
56…金具内段部
57…先端面
58…圧縮変形部
60…窪み
80、80a、80c、80d、80e、80f…放電チップ
82、82a、82c、82d、82e、82f…放電層
83、83a、83e…中間層
83b…第1の中間層
83c…第2の中間層
84、84a、84c、84d、84f…溶融部
85、85d、85e…放電チップの先端
86、86f…放電チップの中心電極と対向する面
87a、87e…中間層の端面
88、88d…放電チップの後端
100…スパークプラグ
C…接地電極の中心線
G…放電ギャップ
LB…レーザ
O…軸線
P…放電層の中心
S…領域
m…直線
Claims (3)
- 軸線方向に延びる中心電極と、
軸孔を有し前記中心電極が前記軸孔に設けられる絶縁体と、
前記絶縁体を保持する筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端に一端部が接続される電極母材と、前記電極母材の他端部の内側面に接合され、前記中心電極と間隙を介して対向する放電チップと、を有する接地電極と、
を備えるスパークプラグであって、
前記放電チップは、
前記中心電極側に配置された貴金属又は貴金属合金を含む放電層と、
一端が前記放電層に接合され、他端の少なくとも一部が溶融部を介して前記電極母材と接合されるとともに、前記放電層に含まれる貴金属元素のうち最も多く含まれる貴金属元素を前記放電層よりも少量含む中間層と、を有し、
前記溶融部は、前記軸線方向から前記放電チップを見た場合に、前記放電層の中心よりも前記電極母材の他端側の領域に少なくとも形成されており、
前記接地電極の長手方向に沿った中心線を含み前記軸線と平行な断面において、前記長手方向に沿った前記放電チップの長さに対する、前記長手方向に沿って前記放電チップが存在する範囲内における前記溶融部の前記長手方向に沿った長さの割合は、76.2%以上であり、
前記電極母材の他端側において、前記中間層の端面が露出する、スパークプラグ。 - 請求項1に記載のスパークプラグであって、
前記放電チップの前記中心電極と対向する面の面積は、0.75mm2以上である、スパークプラグ。 - 請求項1又は請求項2に記載のスパークプラグであって、
前記割合は100%以上である、スパークプラグ。
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