JP6276216B2

JP6276216B2 - 点火プラグ

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Publication number: JP6276216B2
Application number: JP2015075602A
Authority: JP
Inventors: 山田　裕一; 裕一山田; 卓也河出
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2035-04-02
Also published as: US20160294163A1; EP3076502B1; JP2016195093A; EP3076502A1; US9705291B2

Description

本発明は、内燃機関において混合気への点火に用いられる点火プラグに関する。

点火プラグの中心電極および接地電極の電極材料として、貴金属および貴金属合金を用いることなく耐熱性、耐食性および熱伝導性を向上させることが可能な電極材料が提案されている（たとえば、特許文献１）。

特開平５−１１４４５７号公報

しかしながら、近年、車両の燃費性能を向上させるために、また、年々厳しくなる排出ガス規制値に適合させるために、車両走行時における空燃比として、理論空燃比よりも薄いリーン領域の空燃比が多用される傾向にある。車両の燃費性能の向上や排出ガス規制値への適合を実現するためには、空燃比によらず混合気を完全燃焼させることが求められる。したがって、理論空燃比よりも薄い混合気における着火性の向上が求められており、たとえば、点火プラグに加える電流値（エネルギー）を大きくして点火時に発生する火花を大きくすることや、点火プラグに対する通電時間を長くすること、燃焼室内へ燃料を直接噴射することが行われている。

一方、火花の大型化や通電時間の長期化は、火花の吹き流れをもたらしやすく、また、直接噴射技術では、１サイクル中、複数のタイミングにて燃料の噴射が実行されることがあり、点火のタイミングによっては、燃焼室内における混合気流速が速いことや混合気流れが複雑な場合があり、火花の吹き流れに曝される頻度の増加と共に接地電極母材の消耗度合いが増加してしまう。この結果、接地電極に接合されている貴金属チップの剥離等に伴う失火や、接地電極の折れといった問題が生じる可能性がある。特に、接地電極の根元側の消耗は接地電極の折れをもたらし、点火プラグとしての性能を発揮できないという問題がある。一方、接地電極を保護するために、単に貴金属等によって接地電極を被覆する場合には、コストが増大するという問題がある。従来の技術では、これらの問題は十分に考慮されていなかった。

接地電極母材の偏摩耗の抑制または防止のために有効な接地電極の構成については依然として検討の余地が残されており、特に、貴金属または貴金属合金を用いることなく接地電極母材の偏摩耗を抑制することが望まれている。また、貴金属チップが配置される接地電極構成において、接地電極母材の偏摩耗を抑制または防止するための構成と貴金属チップとの良好な接合性については十分に考慮されていなかった。

したがって、貴金属または貴金属合金を用いることなく、接地電極の消耗および偏摩耗を抑制または防止することができる点火プラグ、また、接地電極と貴金属製のチップとの剥離を抑制または防止することができる点火プラグが望まれている。

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、以下の態様として実現することが可能である。

第１の態様は点火プラグを提供する。第１の態様に係る点火プラグは、軸孔を有する絶縁体と、前記絶縁体の外周を覆う主体金具と、前記絶縁体の前記軸孔内に配置され、先端が前記絶縁体の先端から露出する中心電極と、前記主体金具に固定されている固定端と、前記中心電極の先端面と対向する中心電極対向部を含む自由端とを有する接地電極であって、前記中心電極および前記絶縁体に面する内側面を備える、接地電極と、を有する。前記接地電極は、第１の層と、前記第１の層とは異なる組成を有し前記第１の層の内側面に積層されている４０ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する第２の層とを備え、前記接地電極の幅方向の中心線を通る断面において、前記第２の層は少なくとも前記中心電極対向部から前記中心電極の先端よりも前記固定端の側まで配置されており、前記接地電極の厚さをＴ（ｍｍ）、前記第２の層の厚さをｔ１（ｍｍ）とするとき、０．２ｍｍ≦ｔ１≦Ｔ−０．６ｍｍの関係を満たす。

第１の態様に係る点火プラグによれば、貴金属または貴金属合金を用いることなく、接地電極の消耗および偏摩耗を抑制または防止することが可能となり、また、接地電極と貴金属製のチップとの剥離を抑制または防止することができる。

第１の態様に係る点火プラグにおいて、前記中心電極対向部には前記第２の層よりも突出する突部が備えられていても良い。この場合には、接地電極の消耗をさらに抑制または防止することができる。

第１の態様に係る点火プラグにおいて、前記突部は前記第１の層に接合されていても良い。この場合には、接地電極と突部と接合強度の低下を防止または抑制し、接地電極からの突部の剥離を抑制または防止することができる。

第１の態様に係る点火プラグにおいて、前記突部は貴金属を主成分としても良い。この場合には、突部の消耗を抑制することができる。

第１の態様に係る点火プラグにおいて、前記第２の層は、前記接地電極の内側面の全面に配置されており、前記固定端の側において前記中心電極の先端周囲と対向する第２の中心電極対向部から前記固定端までの前記第２の層の厚さｔ１は０．２ｍｍ以下であっても良い。この場合には、接地電極と主体金具との接合強度の低下を抑制または防止し、主体金具と接地電極との接合部における異状を抑制または防止することができる。

第１の態様に係る点火プラグにおいて、前記第２の層は、前記第１の層とは異なるニッケル（Ｎｉ）合金、または鉄（Ｆｅ）合金から構成されても良い。この場合には、貴金属または貴金属合金を用いることなく、接地電極の消耗および偏摩耗を抑制または防止することが可能となり、また、接地電極と貴金属製のチップとの剥離を抑制または防止することができる。

本発明は、この他に、点火プラグと長放電コイルとを組み合わせた点火プラグ制御装置、点火プラグ制御装置における点火制御方法としても実現され得る。

本実施形態に係るスパークプラグの部分断面図である。従来のスパークプラグの先端部分を拡大した正面図である。本実施形態に係るスパークプラグの先端部分を拡大した正面図および右側面図である。本実施形態に係る他のスパークプラグの先端部分を拡大した正面図である。第２の検証に用いられた、貴金属チップを備える本実施形態に係るスパークプラグの先端部分の拡大正面図である。第３の検証に用いられた、貴金属チップが母材層に直接接合されている本実施形態に係るスパークプラグの先端部分の拡大正面図である。母材層に貴金属チップが直接接合されている接地電極を製造するための一例を示す説明図である。第４の検証に用いられた、本実施形態に係るスパークプラグの先端部分の拡大正面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る点火プラグとしてのスパークプラグ１００について説明する。図１は本実施形態に係るスパークプラグの部分断面図である。図１においては、スパークプラグ１００の長手方向の中心軸を一点鎖線の軸線ＯＬで示す。軸線ＯＬの右側は、外観正面図を示し、軸線ＯＬの左側は、スパークプラグ１００の中心軸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。以下では、図１におけるスパークプラグ１００の軸線ＯＬ方向の下側、すなわち、燃焼室内部に露出される側をスパークプラグ１００の先端側、上側、すなわち、プラグコードが装着される側を後端側として説明する。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、端子電極４０と、主体金具５０とを備える。

絶縁碍子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る筒状の絶縁体である。その中心には、中心電極２０および端子電極４０を収容する軸孔１２が、軸線ＯＬ方向に延びて形成されている。絶縁碍子１０の軸線ＯＬ方向の中央には、絶縁碍子１０のうちで外径が最も大きい中央胴部１９が形成されている。絶縁碍子１０の中央胴部１９よりも後端側には、端子電極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。絶縁碍子１０の中央胴部１９よりも先端側には、後端側胴部１８よりも外径が小さい先端側胴部１７が形成されている。絶縁碍子１０の先端側胴部１７の更に先端側には、先端側胴部１７よりも小さい外径を有し、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。先端側胴部１７と脚長部１３との間には、先端側に向けて外径が縮径し、先端側胴部１７と脚長部１３とを連結する縮径部１５が形成されている。

軸孔１２には、中心電極２０が挿入される。中心電極２０は、有底筒状に形成された電極母材２１の内部に、電極母材２１よりも熱伝導性に優れる芯材２５を埋設した棒状の部材である。本実施例では、電極母材２１は、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル合金から成る。芯材２５は、銅または銅を主成分とする合金から成る。中心電極２０は、軸孔１２内で絶縁碍子１０によって保持され、中心電極２０の先端は軸孔１２（絶縁碍子１０）から外部に露出している。中心電極２０は、軸孔１２に挿入された、セラミック抵抗３およびシール体４を介して端子電極４０に電気的に接続される。

接地電極３０は、中心電極２０および絶縁碍子１０に面する内側面３０ａを有し、第１の層である母材層３０１と、第２の層である母材の消耗を抑制または防止するための耐消耗層３０２と、の２層から構成されている。母材層３０１は、耐腐食性の高い金属から構成され、一例として、ニッケル合金によって構成されている。耐消耗層３０２は、母材層３０１とは異なる組成のニッケル合金によって構成され、母材層３０１の内側面、すなわち、接地電極３０の内側面３０ａに配置されている。接地電極は、この他に、鉄合金、ステンレス鋼によって構成されていても良い。母材層３０１および耐消耗層３０２の組成例については、後述の検証において説明する。接地電極３０の固定端（基端部）３１は、主体金具５０の先端面５７に溶接されている。本明細書においては、主体金具５０に対して接地電極３０を溶融接合する際にはみ出る溶融部（溶融肉）を含めて固定端３１と定義する。固定端３１から延びる接地電極３０は、中心電極２０に向かって屈曲され、接地電極３０の自由端（先端）３２は、中心電極２０の先端面から所定間隔離間して配置されている。接地電極の自由端３２は、中心電極２０に対向する領域である中心電極対向部３０ｂを備えている。中心電極対向部３０ｂと、中心電極２０の先端面２０ａ（図３参照）との間の所定間隔は、火花放電を生じる火花ギャップＳＧである。

本実施形態において、接地電極３０は、接地電極３０の幅方向の中心線を通る断面において、少なくとも中心電極対向部３０ｂから中心電極２０の先端よりも固定端側までの範囲において、母材層３０１に加えて耐消耗層３０２を備える２層構造を有していれば良い。すなわち、接地電極３０は、少なくとも、中心電極対向部３０ｂから固定端３１の側において中心電極２０の先端周囲２０ｂと対向する第２の中心電極対向部３０ｃに至る範囲で母材層３０１に加えて耐消耗層３０２を備える２層構造を有していれば良いということもできる。接地電極３０は、中心電極２０の先端面２０ａよりも固定端側に至る範囲にわたって２層構造を備えていれば良く、自由端３２の端部から固定端３１の端部にわたって、すなわち、中心電極２０および絶縁碍子１０に面する内側面３０ａに耐消耗層３０２を備えていても良い。なお、第２の中心電極対向部３０ｃは、接地電極３０の内側面３０ａの表面から、接地電極３０と中心電極２０の先端面２０ａとの間のギャップ長だけ固定端３１の側に向かった位置、中心電極２０の先端部と第１の中心電極対向部３０ｂとを結ぶ線分に直交し、中心電極２０の先端部を通り接地電極３０と交差する位置と言うこともできる。

耐消耗層３０２は、母材層３０１の幅方向の６０％〜１００％の範囲で配置されていれば良く、幅方向に対する配置位置は、母材層３０１の幅方向の中心線に対して線対称であることが望ましい。また、固定端側に向かうにつれて、耐消耗層３０２の幅が広くなっていっても良く、厚さが薄くなっていっても良い。

端子電極４０は、軸孔１２の後端側に設けられ、その後端側の一部は、絶縁碍子１０の後端側から露出している。端子電極４０には高圧ケーブル（図示省略）がプラグキャップ（図示省略）を介して接続され、火花点火用の高電圧が印加される。

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に亘る部位を周方向に包囲して保持する円筒状の金具である。主体金具５０は低炭素鋼材より形成され、全体にニッケルメッキや亜鉛メッキ等のメッキ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、加締部５３と、シール部５４とを備える。これらは、後端から先端に向かって、加締部５３、工具係合部５１、シール部５４、取付ネジ部５２の順に形成されている。工具係合部５１は、スパークプラグ１００を、内燃機関のシリンダヘッド１５０に取り付ける工具が嵌合する。取付ネジ部５２は、シリンダヘッド１５０の取付ネジ孔１５１に螺合するネジ山を有する。

取付ネジ部５２の内径側には、径方向内側に突出した突出部６０が形成される。突出部６０は、絶縁碍子１０の縮径部１５および脚長部１３の後端側と向かい合う位置に形成される。この突出部６０と、絶縁碍子１０の縮径部１５との間には、環状のシール部材としてのパッキン８が設けられる。パッキン８は、突出部６０と縮径部１５とに接触して、絶縁碍子１０と主体金具５０との間をシールする。パッキン８には、冷間圧延鋼板などを使用できる。

加締部５３は、主体金具５０の後端側の端部に設けられた薄肉の部材であり、主体金具５０が絶縁碍子１０を保持するために設けられる。具体的には、スパークプラグ１００の製造時に、加締部５３を内側に折り曲げて、この加締部５３を先端側に押圧することにより、中心電極２０の先端が主体金具５０の先端側から突出した状態で、絶縁碍子１０が主体金具５０に一体的に保持される。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。かかるスパークプラグ１００は、シリンダヘッド１５０の取付ネジ孔１５１に主体金具５０を介して取り付けられる。

本実施形態に係るスパークプラグ１００は、既述の通り母材層３０１および耐消耗層３０２の２層からなる接地電極３０を有している。以下では、母材層３０１に対する耐消耗層３０２の配置パターン、厚さ等について検証する。

第１の検証：
第１の検証では、接地電極３０の消耗を抑制または防止する観点から、耐消耗層３０２として用いる材料、および各材料を用いた際の耐消耗層３０２の厚さについて検証した。図２は従来のスパークプラグの先端部分を拡大した正面図である。図３は本実施形態に係るスパークプラグの先端部分を拡大した正面図および右側面図である。図３において（ａ）は正面図を、（ｂ）は右側面図を表している。

第１の検証において用いられる接地電極３０の基本的構成は、図３に示されている通りであり、母材層３０１における中心電極２０および絶縁碍子１０に面する内側面３０ａの全域に耐消耗層３０２が配置されている。より具体的には、接地電極３０の全体の厚さＴは１．３ｍｍであり、耐消耗層３０２の厚さｔ１は、０．２ｍｍ≦ｔ１≦Ｔ−０．６ｍｍの関係を満たす。また、耐消耗層３０２の熱伝導率λは４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。これに対して、図２に示す従来のスパークプラグ１００Ａにおいては母材層のみから接地電極３０Ａが形成されており、母材層の厚さは０．５ｍｍ以上である。

第１の検証においては、表１に示す材料１〜材料５を組合せて、図３に示す接地電極３０の母材層３０１および耐消耗層３０２とし、接地電極３０の消耗量を確認した。すなわち、確認できる消耗量が、母材層３０１の体積消耗であるか、耐消耗層３０２の体積消耗であるかの判別は容易でなく、また、接地電極３０全体としての体積消耗量が抑制されれば良いことから、本明細書においては、接地電極３０全体の体積消耗の抑制によって母材層３０１の体積消耗の抑制を図ることができたと結論付ける。

材料１は、ニッケルＮｉ：６０．３重量％、クロムＣｒ：２３．０重量％、ケイ素Ｓｉ：０．２重量％、アルミニウムＡｌ：１．３重量％、鉄Ｆｅ：１５．０重量％、マンガンＭｎ：０．２％を含む材料であり、商品名インコネル６０１として知られているニッケル合金である。
材料２は、Ｎｉ：９５．０重量％、Ｃｒ：１．５重量％、Ｓｉ：１．５重量％、Ｍｎ：２．０％を含むニッケル合金である。
材料３は、Ｎｉ：９８．１重量％、Ｓｉ：０．７重量％、Ａｌ：１．０重量％、Ｍｎ：０．２％を含むニッケル合金である。
材料４は、Ｎｉ：９８．９重量％、Ｓｉ：０．４重量％、Ａｌ：０．５重量％、Ｍｎ：０．２％を含むニッケル合金である。
材料５は、Ｎｉ：９９．９重量％の純ニッケルである。

各材料の引張強度（Ｍｐａ）および熱伝導率λ（Ｗ／ｍ・Ｋ）は表２に示した通りであり、ニッケルの純度が高くなるにつれて、熱伝導率λは大きくなる一方で、引張強度は小さくなる。そこで、副材料となる他の物質を混合してニッケル合金とすることで引張強度が高められる。

以下の検証では、母材層３０１に対して、厚さｔ１＝０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍおよび１．０ｍｍの耐消耗層３０２を抵抗溶接にて接合した２層の接地電極３０を有する、Ｍ１２ＨＥＸ１４（取付ネジ径１２ｍｍ、金具六角部サイズ１４ｍｍ）、イリジウム（Ｉｒ）からなる直径０．６ｍｍの中心電極、１．１ｍｍの火花ギャップＳＧのスパークプラグを使用した。なお、接地電極３０の全体の厚さＴは１．３ｍｍ、幅は２ｍｍとなるように接地電極３０を形成した。検証は、１，５００ｃｃの自然吸気式、ポート噴射型のエンジンを用い、ＷＯＴ（全負荷、スロットル全開）にて６０００ｒｐｍの条件の下、１００時間の耐久評価を行った後、消耗体積を確認した。接地電極３０体積は、接地電極３０全体をＸ線ＣＴでスキャンして外寸を求め、求めた外寸から体積を算出することにより得られる消耗体積は、初期体積から残存体積を減ずることにより求めた。

実験１：実験１では、母材層３０１に材料１を用い、耐消耗層３０２に材料２〜材料５を用いた。また、比較例として、母材層３０１のみからなる接地電極を用いて消耗量を求めた結果、２．８ｍｍ^３であった。実験１の結果は表３に示す通りである。なお、表３中「ＢＲ」は接地電極３０の折損を意味する。

耐消耗層３０２に材料２を用いた場合には、その厚さｔ１によらず、接地電極３０全体の消耗量は２．７ｍｍ^３であった。耐消耗層３０２に材料３を用いた場合には、その厚さｔ１が０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下において、接地電極３０全体の消耗量は１．８ｍｍ^３以下となった。なお、耐消耗層３０２の厚さが０．８ｍｍ以上、すなわち、母材層３０１の厚さが０．５ｍｍ以下では、接地電極３０が折損した。耐消耗層３０２に材料４を用いた場合には、その厚さｔ１が０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下において、接地電極３０全体の消耗量は１．６ｍｍ^３以下となった。なお、耐消耗層３０２の厚さが０．８ｍｍ以上、すなわち、母材層３０１の厚さが０．５ｍｍ以下では、接地電極３０が折損した。耐消耗層３０２に材料５を用いた場合には、その厚さｔ１が０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下において、接地電極３０全体の消耗量は１．５ｍｍ^３以下となった。なお、耐消耗層３０２の厚さが０．８ｍｍ以上、すなわち、母材層３０１の厚さが０．５ｍｍ以下では、接地電極３０が折損した。

実験２：実験２では、母材層３０１に材料２を用い、耐消耗層３０２に材料３〜材料５を用いた。また、比較例として、母材層３０１のみからなる接地電極を用いて消耗量を求めた結果、２．７ｍｍ^３であった。実験２の結果は表４に示す通りである。なお、表４中「ＢＲ」は接地電極３０の折損を意味する。

耐消耗層３０２に材料３を用いた場合には、その厚さｔ１が０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下において、接地電極３０全体の消耗量は１．８ｍｍ^３以下となった。なお、耐消耗層３０２の厚さが０．８ｍｍ以上、すなわち、母材層３０１の厚さが０．５ｍｍ以下では、接地電極３０が折損した。耐消耗層３０２に材料４を用いた場合には、その厚さｔ１が０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下において、接地電極３０全体の消耗量は１．５ｍｍ^３以下となった。なお、耐消耗層３０２の厚さが０．８ｍｍ以上、すなわち、母材層３０１の厚さが０．５ｍｍ以下では、接地電極３０が折損した。耐消耗層３０２に材料５を用いた場合には、その厚さｔ１が０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下において、接地電極３０全体の消耗量は１．５ｍｍ^３以下となった。なお、耐消耗層３０２の厚さが０．８ｍｍ以上、すなわち、母材層３０１の厚さが０．５ｍｍ以下では、接地電極３０が折損した。

以上の実験１および２の結果、耐消耗層３０２の材料として、熱伝導率λ≧４０（Ｗ／ｍ・Ｋ）の材料、具体的には、材料３〜５を用いた場合であって、耐消耗層３０２の厚さｔ１が０．２ｍｍ以上であれば、接地電極の消耗量抑制に有意な効果を得られること、耐消耗層３０２の厚さｔ１が厚い程、良好な耐消耗性が得られること、が確認された。一方で、接地電極３０の全体厚さＴは１．３ｍｍに固定されているため、耐消耗層３０２の厚さｔ１の増大により、母材層３０１の厚さ（Ｔ−ｔ１）が０．５ｍｍ以下となる場合には、接地電極３０の折損が発生するため、耐消耗層３０２の厚さｔ１は０．８ｍｍ未満、望ましくは、母材層３０１の厚さ（Ｔ−ｔ１）が０．６ｍｍ以上となる０．７ｍｍ以下であることが好ましい。この関係を式に表せば、０．２ｍｍ≦ｔ１＜Ｔ−０．５ｍｍ、望ましくは、０．２ｍｍ≦ｔ１≦Ｔ−０．６ｍｍである。

熱伝導率λが４０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の場合には、耐消耗層３０２の熱引けが良くなり、中心電極２０と火花形成が行われる接地電極３０の部位、たとえば、中心電極対向部３０ｂから第２の中心電極対向部３０ｃにおける温度上昇が抑制され、温度上昇に伴う接地電極３０の体積消耗が抑制される。接地電極３０の体積消耗は、接地電極材料の温度上昇と共に、接地電極中の原子の運動が盛んとなり、燃焼室中の窒素に基づく窒素イオンが接地電極３０の外表面に衝突し、接地電極中の原子がはじき出されることによって発生する。このように、接地電極３０の体積消耗は、温度が支配的な要因となるので、母材層３０１に対して熱引きの良い耐消耗層３０２を積層配置することによって母材層３０１の温度上昇が抑制され、温度上昇に起因する母材層３０１の消耗が抑制される。したがって、接地電極３０はその幅方向の全てに耐消耗層３０２を備える必要ななく、火花が形成されやすい接地電極３０の幅方向の中心線に対して線対称に６０％の領域に耐消耗層３０２が形成されていれば良い。また、接地電極３０の幅方向の全域（１００％）に耐消耗層３０２が形成されていても良いことは言うまでもない。

なお、実験３として、母材層３０１として材料３を用いた実験を行ったが、比較例として、母材層３０１のみからなる接地電極３０を用いて試験を行った所、振動によって物理的に接地電極３０が折損してしまった。表２に示すように、材料３の引張強度は４８０（Ｍｐａ）であり、検証の条件、３０Ｇの振動および８００℃の温度環境下に対して耐久性が不足していたと考えられる。したがって、材料３〜５を母材層３０１に用い、材料４および５を耐消耗層３０２として用いる実験は行えなかった。

第１の検証においては、接地電極３０の内側面３０ａの全域にわたって耐消耗層３０２が形成されている接地電極３０が用いられた。これに対して、図４に示すように、少なくとも、中心電極対向部３０ｂから固定端３１の側において中心電極２０の先端周囲２０ｂと対向する第２の中心電極対向部３０ｃに至る範囲で母材層３０１に加えて耐消耗層３０２を備える２層構造を有する接地電極３０が用いられても良い。図４は本実施形態に係る他のスパークプラグの先端部分を拡大した正面図である。

第２の検証：
第１の検証では、接地電極３０の消耗を抑制または防止する観点から、耐消耗層３０２として用いる材料、および各材料を用いた際の耐消耗層３０２の厚さについて検証した。第２の検証では、接地電極３０の中心電極対向部３０ｂに貴金属チップ８０を備えることによる接地電極３０の体積消耗の抑制効果について検討した。図５は第２の検証に用いられた、貴金属チップを備える本実施形態に係るスパークプラグの先端部分の拡大正面図である。なお、貴金属チップ８０は接地電極３０における耐消耗層３０２から突出する突部であると言うこともできる。

貴金属チップ８０は、耐消耗層３０２上に抵抗溶接によって接合されている。その他の構成は、図３を用いて説明したスパークプラグ１００と同様である。より具体的には、母材層３０１には材料１を用い、耐消耗層３０２には材料３を用い、耐消耗層３０２の厚さｔ１＝０．４ｍｍとした。なお、接地電極３０全体の厚さＴは１．３ｍｍ、接地電極３０の幅は２ｍｍである。貴金属チップ８０には、直径０．８ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの純プラチナ（Ｐｔ）を用いた。検証方法は、第１の検証と同様である。

第２の検証結果は、表５に示すとおりである。

貴金属チップ８０を備えた結果、消耗体積は１．２ｍｍ^３となり、貴金属チップ８０を備えない場合の消耗体積１．７ｍｍ^３に対して、消耗体積を３０％抑制することができた。本実施形態に係るスパークプラグ１００においては、耐消耗層３０２を備えることによって接地電極３０の体積消耗を抑制しているが、ブレイクダウンが最も起こりやすい中心電極対向部３０ｂに貴金属チップ８０を備えることによって、接地電極３０の体積消耗を更に向上させることが可能であることを確認できた。なお、貴金属チップ８０としては、プラチナ（Ｐｔ）の他に、プラチナ（Ｐｔ）の他に、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）およびルテニウム（Ｒｕ）を用いることができる。また、内側面３０ａの全域に耐消耗層３０２を備える接地電極３０に代えて、図４に示すように中心電極対向部３０ｂから第２の中心電極対向部３０ｃにのみ耐消耗層３０２を備える接地電極３０に貴金属チップ８０が備えられても良い。さらに、貴金属チップ８０として、貴金属合金からなる貴金属チップ８０が用いられても良い。

第３の検証：
第３の検証では、接地電極３０に対する貴金属チップ８０の接合方法および接合強度について検証する。具体的には、貴金属チップ８０を耐消耗層３０２に接合した場合（接合方法１）と、貴金属チップ８０を母材層３０１に直接接合した場合（接合方法２）とにおいて、接合強度を検証した。母材層３０１および耐消耗層３０２の材料、耐消耗層３０２の厚さｔ１、接地電極３０全体の厚さＴおよび接地電極３０の幅、並びに貴金属チップ８０の直径、厚さおよび材料は、第２の検証と同様である。

第３の検証に用いたスパークプラグ１００は、第２の検証に用いられたスパークプラグ（耐消耗層３０２に貴金属チップ８０を接合）と、図６に示す、中心電極対向部３０ｂには耐消耗層３０２を備えず、貴金属チップ８０が母材層３０１に直接接合されているスパークプラグである。図６は第３の検証に用いられた、貴金属チップが母材層に直接接合されている本実施形態に係るスパークプラグの先端部分の拡大正面図である。

第３の検証は、接地電極３０をガスバーナーで１分間加熱し、３０秒自然空冷（バーナーによる加熱停止）を１０００サイクル繰り返すベンチ試験において、試験終了後の接合面を拡大鏡にて確認し、評価することにより行われた。ガスバーナーによる加熱は、放射温度計を用いて接地電極３０の先端の温度が約１０００℃となるように実行された。拡大鏡による確認においては、貴金属チップ８０が耐消耗層３０２または母材層３０１から０．１ｍｍ以上離れている部分を剥離部とした。

第３の検証の結果、耐消耗層３０２に貴金属チップ８０を接合した接合方法１では、貴金属チップ８０の剥離が確認されたが、母材層３０１に直接貴金属チップ８０を接合した接合方法２では、貴金属チップ８０の剥離は確認されなかった。耐消耗層３０２として用いられた材料３は、材料１よりも高い熱伝導率λを有しているため、抵抗溶接の際に、耐消耗層３０２を介して熱が逃げ、貴金属チップ８０と耐消耗層３０２との接合面における温度が所望温度まで上昇せず、溶接性が低下するためと考えられる。したがって、貴金属チップ８０を用いる場合には、耐消耗層３０２ではなく、母材層３０１に対して直接接合することが望ましいことが確認できた。

母材層３０１に貴金属チップ８０を直接接合する方法の一例について図７を参照して説明する。図７は母材層に貴金属チップが直接接合されている接地電極を製造するための一例を示す説明図である。先ず、材料１からなり、接合後に母材層３０１を構成するチップ接合片３００ａに対して貴金属チップ８０を抵抗溶接にて接合し、母材層３０１に直接接合されている貴金属チップ８０を用意する。次に、耐消耗層３０２が接合された主接地電極片３００ｂを主体金具５０の先端面５７に抵抗溶接する。最後に、貴金属チップ８０を備えるチップ接合片３００ａを、主接地電極片３００ｂに抵抗溶接して、母材層３０１に貴金属チップ８０が直接接合されている接地電極３０を得ることができる。なお、チップ接合片３０ａをさらに分割して、先端片と接合片との２ピース構成とする場合（全体では３ピース構成）には、先端片に対して耐消耗層３０２を接合することによって、貴金属チップ８０が接合されている部分を除き。内側面の全面に耐消耗層３０２を備える接地電極３０を形成することができる。

第４の検証：
一般的に、主体金具５０と接地電極３０との接合に際しては、高圧力かつ高電流にて抵抗溶接を実行し、接合部においては相互の部材が拡散する拡散接合を実現している。本実施形態における接地電極３０は、熱伝導率λの高い耐消耗層３０２を備えているので、耐消耗層３０２を介して主体金具５０に熱が逃げてしまい、接合部における溶接に偏りが生じやすく、強度ムラが発生する。また、熱伝導率λの高い耐消耗層３０２は電気伝導性も良く、加えられた電流が主体金具５０に流れ込み、接合部における温度が所望温度まで上昇し難い。したがって、接地電極３０と主体金具５０との良好な接合のためには、接地電極３０の固定端３１側における耐消耗層３０２の量を低減することが望ましい。

そこで、第４の検証では、主体金具５０（先端面５７）と接地電極３０との溶接性について検証した。具体的には、主体金具５０の先端面５７と接合される接地電極３０の固定端３１における耐消耗層３０２の厚さｔ２を種々変更してその溶接性につき確認した。

図８は第４の検証に用いられた、本実施形態に係るスパークプラグの先端部分の拡大正面図である。図８に示すように、第４の検証では、第２の中心電極対向部３０ｃから第１の中心電極対向部３０ｂまでの耐消耗層３０２の厚さｔ１を０．４ｍｍとし、接地電極３０における第２の中心電極対向部３０ｃから固定端３１までの耐消耗層３０２の厚さｔ２を、０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍおよび０．４ｍｍと変化させて、接地電極３０の体積消耗を確認した。なお、その他のスパークプラグ１００の構成は、図６に示す第３の検証に用いられたスパークプラグ１００と同様である。第４の検証における接地電極３０の消耗量の検証方法は、第１の検証と同様である。第４の検証における溶接性の検証は、主体金具５０の先端面５７と接地電極３０との溶接部（接合部）をガスバーナーで１分間加熱し、３０秒自然空冷（バーナーによる加熱停止）を１０００サイクル繰り返し、ＪＩＳＢ８０３１７．４に規定されている衝撃試験を実行することにより行われた。ガスバーナーによる加熱は、放射温度計を用いて主体金具５０の先端面５７と接地電極３０との溶接部の温度が約２００℃となるように実行された。

第４の検証結果は表６に示すとおりである。表６において、「Ｇ」は上記ＪＩＳ規格の２倍の時間でも異状は発生しなかったことを、「Ｆ」は上記ＪＩＳ規格の衝撃試験においては異状は発生せず、上記ＪＩＳ規格の２倍の時間では異状が発生したことを意味している。なお、上記ＪＩＳ規格においては、毎分４００回の割合で１０分間衝撃が加えられ、異状とは、たとえば、接地電極３０と主体金具５０の先端面５７との溶接部にクラック等の発生、主体金具５０の先端面５７からの接地電極３０の剥離等が含まれる。これら異状は顕微鏡を用いて観察した。

表６に示すように、耐消耗層３０２の厚さｔ２が０．３ｍｍ未満、より好ましくは０．２ｍｍ以下の場合には接地電極３０と主体金具５０の先端面５７との溶接性は良好であり、一方、耐消耗層３０２の厚さｔ２が０．３ｍｍ以上の場合にはＪＩＳ規格の衝撃試験においては異状は発生しないものの、第４の検証における衝撃試験においては異状が発見された。また、接地電極３０の消耗体積は、耐消耗層３０２の厚さｔ２によらず、いずれも１．５ｍｍ^３であった。

第４の検証の結果、接地電極３０の固定端３１側における耐消耗層３０２の厚さｔ２は０．３ｍｍ未満、より好ましくは、０．２ｍｍ以下とすることによって、耐消耗層３０２を備える接地電極３０において、主体金具５０との良好な接合を実現できることが確認できた。

なお、耐消耗層３０２の厚さｔ２とする領域は、第２の中心電極対向部３０ｃからではなく、接地電極３０の固定端３１近傍のみとしても良い。また、接地電極３０の固定端３１側に耐消耗層３０２が形成されていない領域を設け、主体金具５０の先端面５７との間に隙間が形成されるようにしても良い。この場合、接地電極３０の母材層３０１のみが主体金具５０の先端面５７と接触することとなり、耐消耗層３０２を介した電流および熱の逃げを防止して、接地電極３０と主体金具５０との溶接強度の低下を防止または抑制することができる。

以上の通り、本実施形態に係るスパークプラグ１００によれば、貴金属を用いることなく接地電極３０の体積消耗を抑制することができる。すなわち、接地電極３０の母材層３０１を構成する材料と同系の材料であって、熱伝導率λが４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料を耐消耗層３０２として母材層３０１の上に接合することによって、接地電極３０の体積消耗を抑制することができる。また、耐消耗層３０２は、少なくとも、接地電極３０の幅方向の中心線を通る断面において、少なくとも中心電極対向部３０ｂから中心電極２０の先端周囲２０ｂよりも固定端３１側まで配置されていれば、接地電極３０の体積消耗を抑制できる。さらに、耐消耗層３０２の厚さｔ１は、接地電極３０の強度並びに接地電極３０の体積消耗抑制のために、０．２ｍｍ≦ｔ１＜Ｔ−０．５ｍｍ、望ましくは、０．２ｍｍ≦ｔ１≦Ｔ−０．６ｍｍであることが望ましい。

さらに、接地電極３０の中心電極対向部３０ｂに貴金属チップ８０が備えられることによって、接地電極３０の体積消耗をさらに抑制することが可能であり、貴金属チップ８０は母材層３０１に直接接合されることによって接地電極３０に対する接合強度を確保できる。また、接地電極３０の固定端３１側における耐消耗層３０２の厚さｔ２を０．３ｍｍ未満、望ましくは０．２ｍｍ以下にすることによって接地電極３０と主体金具５０との良好な接合強度を維持できる。

変形例：
（１）上記の実施形態においては、図３に示す内側面３０ａの全域に耐消耗層３０２を備える接地電極３０、あるいは、図４に示すように中心電極対向部３０ｂから第２の中心電極対向部３０ｃにのみ耐消耗層３０２を備える接地電極３０が例示されているが、耐消耗層３０２は、接地電極３０の内側面３０ａにおける、自由端３２から中心電極対向部３０ｂまでのいずれかの位置と、固定端３１から第２の中心電極対向部３０ｃまでのいずれかの位置との間に形成されていれば良い。

（２）上記実施形態では、スパークプラグ１００の構成について説明したが、上記実施形態に係るスパークプラグ１００は、放電時の２次電流として、５０ｍＡ以上、２ｍｓｅｃ以上の２次電流を出力する長放電コイルと組み合わせて用いられることができる。この場合、従来のスパークプラグに対する、本実施形態に係るスパークプラグ１００の接地電極の消耗量の低減効果をより有意に確認することができる。すなわち、スパークプラグに対する通電時間が長い場合には、接地電極における放電位置はブレイクダウン位置から移動する可能性が高く、従来のスパークプラグではこの放電位置の移動に伴う接地電極の消耗を抑制することができなかった。これに対して、本実施形態に係るスパークプラグ１００では、接地電極３０は母材層３０１の上に耐消耗層３０２が備えられているので、放電位置の移動による接地電極３０の消耗を低減または防止することが可能となり、長放電コイルと組合せて使用されるスパークプラグとして適している。

以上、実施例、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。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
８…パッキン
１０…絶縁碍子
１２…軸孔
１３…脚長部
１５…縮径部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…中央胴部
２０…中心電極
２０ａ…先端面
２０ｂ…先端周囲
２１…電極母材
２５…芯材
３０、３０Ａ…接地電極
３００ａ…チップ接合片
３００ｂ…主接地電極片
３０１…母材層
３０２…耐消耗層
３０ａ…内側面
３０ｂ…中心電極対向部
３０ｃ…第２中心電極対向部
３１…固定端
３２…自由端
４０…端子電極
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
５７…先端面
６０…突出部
８０…貴金属チップ
１００、１００Ａ…スパークプラグ
１５０…シリンダヘッド
１５１…取付ネジ孔
ＯＬ…軸線
ＳＧ…火花ギャップ

Claims

軸孔を有する絶縁体と、
前記絶縁体の外周を覆う主体金具と、
前記絶縁体の前記軸孔内に配置され、先端が前記絶縁体の先端から露出する中心電極と、
前記主体金具に固定されている固定端と、前記中心電極の先端面と対向する第１の中心電極対向部を含む自由端とを有する接地電極であって、前記中心電極および前記絶縁体に面する内側面を備える、接地電極と、を有する点火プラグであって、
前記接地電極は、第１の層と、前記第１の層とは異なる組成を有し前記第１の層の内側面に積層されている４０ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する第２の層とを備え、前記接地電極の幅方向の中心線を通る断面において、前記第２の層は少なくとも前記第１の中心電極対向部から前記中心電極の先端よりも前記固定端の側まで配置されており、前記接地電極の厚さをＴ（ｍｍ）、前記第２の層の厚さをｔ１（ｍｍ）とするとき、０．２ｍｍ≦ｔ１≦Ｔ−０．６ｍｍの関係を満たす、点火プラグ。
孔を有する絶縁体と、
前記絶縁体の外周を覆う主体金具と、
前記絶縁体の前記軸孔内に配置され、先端が前記絶縁体の先端から露出する中心電極と、
前記主体金具に固定されている固定端と、前記中心電極の先端面と対向する第１の中心電極対向部を含む自由端とを有する接地電極であって、前記中心電極および前記絶縁体に面する内側面を備える、接地電極と、を有する点火プラグであって、
前記接地電極は、第１の層と、前記第１の層とは異なる組成を有し前記第１の層の内側面に積層されている４０ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する第２の層とを備え、前記接地電極の幅方向の中心線を通る断面において、前記第２の層は、前記固定端から前記第１の中心電極対向部における前記接地電極の内側面に配置されており、前記接地電極の厚さをＴ（ｍｍ）、前記固定端の側において前記中心電極の先端周囲と対向する第２の中心電極対向部から前記第１の中心電極対向部までの前記第２の層の厚さをｔ１（ｍｍ）、前記第２の中心電極対向部から前記固定端までの前記第２の層の厚さをｔ２とするとき、０．２ｍｍ≦ｔ１≦Ｔ−０．６ｍｍおよびｔ２≦０．２ｍｍの関係を満たす、点火プラグ。
請求項１または２に記載の点火プラグにおいて、
前記中心電極対向部には前記第２の層よりも突出する突部が備えられている、点火プラグ。
請求項３に記載の点火プラグにおいて、
前記突部は前記第１の層に接合されている、点火プラグ。
請求項３に記載の点火プラグにおいて、
前記突部は貴金属を主成分とする、点火プラグ。
請求項１から５のいずれか一項に記載の点火プラグにおいて、
前記第２の層は、前記第１の層とは異なるニッケル（Ｎｉ）合金、または鉄（Ｆｅ）合金から成る、点火プラグ。