JP6574738B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明はスパークプラグに関し、特にチップを剥離し難くできるスパークプラグに関するものである。

貴金属を含有するチップと電極母材とが溶接部を介して接合された第１電極と、チップと火花ギャップを介して対向する第２電極と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）。スパークプラグは火花ギャップ間に放電を生じさせ、第１電極と第２電極とが曝された混合気に点火することにより火炎核を形成する。チップと溶接部とは熱膨張率が異なるので、チップと溶接部との界面および溶接部の中央に熱応力が発生する。

特開２０１３−１７８９１２号公報

しかしながら上述した従来の技術では、熱応力によってチップと溶接部との界面および溶接部の中央にクラックが発生し易いので、クラックが過度に進行すると、クラックを起点に酸化スケールが伸展してチップが剥離するおそれがある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、チップを剥離し難くできるスパークプラグを提供することを目的としている。

課題を解決するための手段および発明の効果

この目的を達成するために請求項１記載のスパークプラグによれば、第１電極は、貴金属を含有するチップと、チップを支持する電極母材と、チップ及び電極母材が溶け合ってなる溶接部とを備えている。第２電極はチップと火花ギャップを介して対向する。周囲を溶接部に囲まれたチップと同じ金属材からなる残存部をさらに有する。

チップの軸線を含む断面において、軸線上におけるチップと残存部との間にある溶接部の中点における貴金属の質量含有率をＰとし、軸線上における残存部と溶接母材との間にある溶接部の中点における貴金属の質量含有率をＱとする。Ｐ＞Ｑを満たすので、チップと溶接部との界面の熱応力を緩和できる。周囲が溶接部に囲まれた残存部が存在するので、溶接部の中央の熱応力も緩和できる。その結果、チップと溶接部との界面および溶接部の中央のクラックの発生を抑制できるので、チップを剥離し難くできる効果がある。

請求項２記載のスパークプラグによれば、チップの貴金属の質量含有率をＲとしたときに（Ｐ−Ｑ）／Ｒ≧０．２を満たすので、溶接部に発生する熱応力を緩和する効果を向上できる。よって、請求項１の効果に加え、チップをより剥離し難くできる効果がある。

本発明の一実施の形態におけるスパークプラグの断面図である。 第１電極の斜視図である。 軸線を含む第１電極の断面図である。 軸線を含む従来品の断面図である。 冷熱試験の結果を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態におけるスパークプラグ１０の軸線Ｏを含む面で切断した断面図である。図１に示すようにスパークプラグ１０は、主体金具１１、接地電極１２、絶縁体１５、中心電極１７及び端子金具２０を備えている。

主体金具１１は、内燃機関のねじ穴（図示せず）に固定される略円筒状の部材である。接地電極１２（第２電極）は、主体金具１１の先端に接合される金属製（例えばニッケル基合金製）の電極母材１３と、電極母材１３の先端に接合されるチップ１４とを備えている。電極母材１３は、軸線Ｏと交わるように軸線Ｏへ向かって屈曲する棒状の部材である。チップ１４は、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム等の貴金属またはこれらを主成分とする合金によって形成される板状の部材である。絶縁体１５は、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等により形成された略円筒状の部材であり、軸線Ｏに沿って軸孔１６が貫通し、外周に主体金具１１が固定される。

中心電極１７（第１電極）は、軸孔１６に挿入されて絶縁体１５に保持される棒状の電極である。中心電極１７は、軸線Ｏに沿って延びる金属製（例えばニッケル基合金製）の電極母材１８の先端にチップ１９が接合されている。電極母材１８は銅等の芯材が埋め込まれている。チップ１９は、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム等の貴金属またはこれらを主成分とする合金によって形成される柱状の部材である。チップ１９は、火花ギャップを介して接地電極１２と対向する。端子金具２０は、高圧ケーブル（図示せず）が接続される棒状の部材であり、先端側が絶縁体１５内に配置される。

スパークプラグ１０は、例えば、以下のような方法によって製造される。まず、電極母材１８にチップ１９が予め接合された中心電極１７を絶縁体１５の軸孔１６に挿入する。中心電極１７は、チップ１９及び電極母材１８の先端が軸孔１６から外部に露出するように配置される。軸孔１６に端子金具２０を挿入し、端子金具２０と中心電極１７との導通を確保した後、予め電極母材１３が接合された主体金具１１を絶縁体１５の外周に組み付ける。電極母材１３にチップ１４を接合した後、チップ１４が中心電極１７と軸方向に対向するように電極母材１３を屈曲して、スパークプラグ１０を得る。

図２は、チップ１９側から見た中心電極１７の斜視図である。図２では、電極母材１８の軸方向の一部の図示が省略されている。図２に示すように中心電極１７は、電極母材１８に溶接部２１を介してチップ１９が接合されている。チップ１９は円柱状に形成されている。電極母材１８は先端に円柱状の先端部１８ａが突出する。先端部１８ａは、外径が、チップ１９の外径より少し大きく設定されている。チップ１９の側面１９ａの全周および底面１９ｂ（図３参照）と電極母材１８との間に溶接部２１が形成されている。溶接部２１は、チップ１９の側面１９ａの全周にレーザ光を照射して形成される。

図３は第１電極（中心電極１７）の軸線Ｏを含む断面図である。図３では、溶接前のチップ１９の外形が想像線（二点鎖線）で図示されており、中心電極１７の軸方向の一部の図示が省略されている。溶接部２１は、電極母材１８及びチップ１９が溶け合ってなる部位であり、チップ１９の径方向の側面１９ａ，１９ａに亘って設けられている。

中心電極１７は、溶接部２１の中にチップ１９の一部が溶け残った残存部２２が存在する。残存部２２は、チップ１９の一部である底面１９ｂの近傍が溶け残った部分である。残存部２２は、チップ１９と同じ金属材からなる。残存部２２は軸線Ｏと交わる位置に存在する。残存部２２は周囲が溶接部２１に囲まれているので、残存部２２の全周に溶接部２１との界面２３が形成される。残存部２２は、軸線Ｏと直交する方向へ延びる扁平状に形成されている。残存部２２の界面２３は、チップ１９側の界面２４と電極母材１８側の界面２５とが連続している。

残存部２２は、軸線Ｏと直交する方向の残存部２２の長さＬ１と、軸線Ｏと直交する方向のチップ１９の長さＬ２（本実施の形態ではチップ１９の直径）との比率Ｌ１／Ｌ２（％）が５％〜５０％程度に設定される。溶接部２１の機械的強度を確保しつつ残存部２２による応力緩和効果を発現させるためである。Ｌ１／Ｌ２が５％より小さくなると残存部２２による効果が生じ難くなり、Ｌ１／Ｌ２が５０％より大きくなると溶接部２１の強度が低下する傾向がみられる。

中心電極１７は、残存部２２を挟んだ軸線Ｏ方向の両側の溶接部２１に含まれるチップ１９由来の貴金属元素の比率に特徴がある。貴金属元素はＥＰＭＡやＥＤＳ等の元素分析装置によって定量測定できる。元素分析を行う位置は以下のとおりである。

残存部２２よりもチップ１９側の溶接部２１においては、溶接部２１とチップ１９との界面２６が軸線Ｏと交わる第１交点２７と、残存部２２の界面２３と軸線Ｏとの交点のうち第１交点２７に近い第２交点２８（界面２４上の交点）と、を結ぶ第１線分２９の中点３０で、貴金属の質量含有率Ｐを測定する。質量含有率Ｐは、中点３０を中心とする直径５０μｍの円形の範囲の平均値である。

残存部２２よりも電極母材１８側の溶接部２１においては、溶接部２１と電極母材１８との界面３１が軸線Ｏと交わる第３交点３２と、残存部２２の界面２３と軸線Ｏとの交点のうち第３交点３２に近い第４交点３３（界面２５との交点）と、を結ぶ第２線分３４の中点３５で、貴金属の質量含有率Ｑを測定する。質量含有率Ｑは、中点３５を中心とする直径５０μｍの円形の範囲の平均値である。

貴金属の質量含有率Ｐ，Ｑは、（貴金属の質量）／（溶接部２１に含まれる全元素の質量）である。貴金属はチップ１９には含まれるが電極母材１８には含まれない成分なので、貴金属の質量含有率Ｐ，Ｑを測定することにより、中点３０，３５におけるチップ１９の溶融具合がわかる。本実施の形態ではＰ＞Ｑの関係にあり、特に、チップ１９の貴金属の質量含有率をＲとしたときに（Ｐ−Ｑ）／Ｒ≧０．２の関係にある。

なお、質量含有率Ｒは、質量含有率Ｐ，Ｑの測定と同様に、ＥＰＭＡやＥＤＳ等の元素分析装置で測定できる。質量含有率Ｒは軸線Ｏ上のチップ１９の中央で測定する。貴金属の質量含有率Ｒは、（貴金属の質量）／（チップ１９に含まれる全元素の質量）である。質量含有率Ｐ、Ｑ，Ｒの測定は、同一の元素分析装置を用い、同一の測定条件で行う。

次に、電極母材１８とチップ１９との接合方法の一例を説明する。電極母材１８の先端部１８ａにチップ１９の底面１９ｂを重ね合せて配置し、軸線Ｏ方向に電極母材１８とチップ１９とを押し付けながら、レーザ光のビーム軸を軸線Ｏと略直交させてチップ１９の側面１９ａの全周にレーザ光を照射する。

レーザ光は、パルス発振レーザ、連続発振レーザ、いずれも用いることができる。レーザ光は、チップ１９の底面１９ｂの近傍が溶け残るように、チップ１９の側面１９ａにおけるスポット径を考慮してチップ１９の内部の焦点の位置を調整する。これにより、電極母材１８及びチップ１９が溶け合ってなる溶接部２１が形成され、溶接部２１の内側であって軸線Ｏと交わる位置に、チップ１９の一部が溶け残った残存部２２が形成される。残存部２２は全面が溶接部２１に覆われる。

チップ１９の底面１９ｂを電極母材１８に密着させた状態で、軸線Ｏ方向にチップ１９を加圧してレーザ溶接が行われるので、残存部２２のうちチップ１９の底面１９ｂは、溶接部２１の熱によって、チップ１９の融点以下の温度条件で加圧されて溶接部２１に接合される。従って、残存部２２の界面２３のうち電極母材１８側の界面２５は拡散接合面となる。

レーザ溶接の条件（特にチップ１９の溶融量に関する条件）を最適化することにより、貴金属の質量含有率Ｐ，Ｑを所定の条件を満たすようにできる。残存部２２よりもチップ１９に近い溶接部２１（中点３０）の貴金属の質量含有率Ｐが、残存部２２よりも電極母材１８に近い溶接部２１（中点３５）の貴金属の質量含有率Ｑより大きいので（Ｐ＞Ｑ）、チップ１９に近い溶接部２１の熱膨張率をチップ１９の熱膨張率に近づけることができる。その結果、チップ１９と溶接部２１との界面２６の熱応力を緩和できる。

同様に、電極母材１８に近い溶接部２１の熱膨張率を電極母材１８の熱膨張率に近づけることができるので、電極母材１８と溶接部２１との界面３１の熱応力を緩和できる。界面２６，３１の熱応力を緩和することにより、界面２６，３１や界面２６，３１近傍のクラックの発生を抑制できる。その結果、クラックの発生に起因する酸化スケールの発生を抑制できるので、チップ１９の剥離を抑制できる。

さらに、溶接部２１の中に存在する残存部２２の界面２５は、強固な溶接部２１に応力緩和を発現し、溶接部２１の軸線Ｏ方向の中央に生じるクラックを抑制する。即ち、界面２５の接合強度は界面２４，２６，３１の接合強度に比べて小さいので、溶接部２１の中央の熱応力によって界面２５の欠陥密度が増大し応力緩和が生じる。特に、界面２５を拡散接合面にすることで、熱応力による欠陥を生じさせ易くすることができ、応力の緩和効果を増大できる。その結果、界面２６，３１や界面２６，３１近傍のクラックの発生、及び、溶接部２１の中央のクラックの発生を抑制できるので、チップ１９を剥離し難くできる。

また、質量含有率Ｐ、Ｑ，Ｒが（Ｐ−Ｑ）／Ｒ≧０．２を満たすと、溶接部２１に発生する熱応力を緩和する効果を向上できる。よって、チップ１９をより剥離し難くできる。なお、溶接部２１はチップ１９及び電極母材１８が溶け合ってなるので、（Ｐ−Ｑ）／Ｒ＜１である。

本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（サンプルの作成）
チップは、直径０．８ｍｍ、高さ０．６ｍｍの円柱状のイリジウム合金製のチップを用いた。チップの組成はＲｕ：１１ｗｔ％，Ｒｈ：８ｗｔ％，Ｎｉ：１ｗｔ％、残部はＩｒ及び不可避不純物であった。電極母材はニッケル合金（インコネル６００）（登録商標）製とした。チップを接合する電極母材の先端部は直径１．１ｍｍの円柱状であった。

電極母材（先端部）にチップを重ね合せた後、チップ及び電極母材の軸線方向に１０Ｎ〜５０Ｎの荷重を加えながらレーザ溶接した。レーザ溶接の出力、レーザ光の焦点の位置、チップの側面におけるスポット径および照射パターンを調整して、種々の中心電極（第１電極）を得た。Ｘ線透視装置を用いて軸線Ｏを含む中心電極の断面を非破壊観察し、溶接部の中に残存部が存在するものや存在しないものを抽出してサンプルとした。

（冷熱試験）
各サンプルについて、電極母材の先端の温度が１０００℃になるように２分間バーナで加熱した後、１分間かけて放冷することを１サイクルとして、１０００サイクルを加える冷熱試験を行った。

（評価方法）
冷熱試験後、各サンプルについて、軸線を含む研磨断面を作成した。金属顕微鏡を用いて溶接部の研磨断面を観察し、溶接部に存在するクラックの長さ（軸線と直交する方向の長さ）の総和を求めた。（クラックの長さの総和）／（チップの直径）×１００（％）をクラック伸展率（％）とした。

残存部が存在するサンプル（以下「本発明品」と称す）は、ＥＰＭＡを用い、各研磨断面について、残存部の両側の溶接部に含まれる貴金属成分（Ｉｒ，Ｒｕ及びＲｈ）の質量含有率Ｐ，Ｑ、及び、チップに含まれる貴金属成分（Ｉｒ，Ｒｕ及びＲｈ）の質量含有率Ｒを測定した。

残存部が存在しないサンプル（以下「従来品」と称す）も各研磨断面についてＥＰＭＡを用い、溶接部に含まれる貴金属成分（Ｉｒ，Ｒｕ及びＲｈ）の質量含有率Ｐ，Ｑと、チップに含まれる貴金属成分（Ｉｒ，Ｒｕ及びＲｈ）の質量含有率Ｒと、を測定した。

図４を参照して、従来品４０の質量含有率Ｐ，Ｑの測定箇所を説明する。図４は軸線Ｏを含む従来品４０の断面図である。図４に示すように、従来品４０はチップ１９が溶接部４１を介して電極母材１８に接合されている。

従来品４０では、まず、溶接部４１とチップ１９との界面４２が軸線Ｏと交わる第１交点４３と、溶接部４１と電極母材１８との界面４４が軸線Ｏと交わる第２交点４５と、を結ぶ線分４６を引く。次いで、線分４６を四等分する点４７，４８，４９を求める。点４７は線分４６の中点である。点４８は質量含有率Ｐの測定箇所であり、点４９は質量含有率Ｑの測定箇所である。質量含有率は、各点を中心とする直径５０μｍの円形の範囲の平均値である。

測定した質量含有率Ｐ，Ｑ，Ｒから（Ｐ−Ｑ）／Ｒの値を算出した。（Ｐ−Ｑ）／Ｒの値とクラック伸展率との相関を図５に示す。図５は冷熱試験の結果を示す図である。図５において、●は本発明品の結果であり、○は従来品の結果である。

図５に示すように、本発明品（●）は従来品（○）に比べてクラック伸展率を小さくできることが確認された。本発明品は全て（Ｐ−Ｑ）／Ｒ≧０．１なので、Ｐ＞Ｑを満たす。従って、溶接部の中に残存部を存在させ、且つ、Ｐ＞Ｑを満たすことにより、溶接部との界面の熱応力を緩和することができ、クラックを生じさせ難くできることが明らかである。

本発明品は（Ｐ−Ｑ）／Ｒの値が大きい方がクラックの伸展率を小さくできる。質量含有率Ｐと質量含有率Ｑとの差（Ｐ−Ｑ）が大きい方がクラックの発生の抑制に有利なのは、残存部２２（図３参照）よりもチップ１９側の溶接部２１の熱膨張率をチップ１９の熱膨張率に近づけられると共に、残存部２２よりも電極母材１８側の溶接部２１の熱膨張率を電極母材１８の熱膨張率に近づけられるからである。界面２６，３１の熱応力をそれぞれ小さくできるので、クラックの発生を抑制できる。

特に（Ｐ−Ｑ）／Ｒ≧０．２を満たすようにすることで、クラック伸展率を２０％以下にできることがわかった。溶接部による応力緩和の効果を向上できるので、クラックの発生をより抑制し、チップを剥離し難くできる。

この実施例ではイリジウム合金製のチップを用いてサンプルを作成し試験を行ったが、これに限られるものではなく、イリジウム以外の白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属またはこれらを主成分とする合金によって形成されるチップを用いた場合も同様に効果があると推察される。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、電極母材１８及びチップ１９の形状や寸法、材質などは一例であり適宜設定できる。

上記各実施の形態では、円柱状のチップ１９を用いる場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。チップ１９の形状は楕円柱状、多角柱状など、適宜設定できる。この場合、チップ１９の軸線Ｏは、チップ１９の電極母材１８との接合面の反対側の面の中心を通り、且つ、電極母材１８のチップ１９との接合面に直交する直線である。

上記各実施の形態では、中心電極１７を構成する電極母材１８にチップ１９を溶接する場合（中心電極１７が第１電極の場合）について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。接地電極１２を構成する電極母材１３にチップ１４を溶接する場合（接地電極１２が第１電極の場合）に、上記各実施の形態を適用することは当然可能である。

この場合、チップ１４の形状は、円形や矩形等の板状など、種々のものを採用できる。円形や矩形等の板状のチップ１４の場合、チップ１４の軸線Ｏは、電極母材１３との接合面の反対側の面の中心を通り、且つ、電極母材１３のチップ１４との接合面に直交する直線である。

１０ スパークプラグ
１２ 接地電極（第２電極）
１７ 中心電極（第１電極）
１８ 電極母材
１９ チップ
２１ 溶接部
２２ 残存部
２３，２４，２５ 界面
２６ 界面
２７ 第１交点
２８ 第２交点
２９ 第１線分
３０ 中点
３１ 界面
３２ 第３交点
３３ 第４交点
３４ 第２線分
３５ 中点
Ｏ 軸線

Claims (2)

1. 貴金属を含有するチップと、前記チップを支持する電極母材と、前記チップ及び前記電極母材が溶け合ってなる溶接部とを備える第１電極と、
   前記チップと火花ギャップを介して対向する第２電極とを備えるスパークプラグであって、
   周囲を前記溶接部に囲まれた前記チップと同じ金属材からなる残存部をさらに有し、
   前記チップの軸線を含む断面において、前記軸線上における前記チップと前記残存部との間にある前記溶接部の中点における貴金属の質量含有率をＰとし、
   前記軸線上における前記残存部と前記溶接母材との間にある前記溶接部の中点における貴金属の質量含有率をＱとしたときに、Ｐ＞Ｑを満たすことを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記チップの貴金属の質量含有率をＲとしたときに（Ｐ−Ｑ）／Ｒ≧０．２を満たすことを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。

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