JP6731450B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明はスパークプラグに関し、特に電極母材にチップが接合されたスパークプラグに関するものである。

電極母材に溶融部を介してチップが接続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）。

特開２０１７−２２８４３０号公報

この種のスパークプラグにおいて、電極母材と溶融部との界面の端からクラックが進展しても、電極母材からチップが脱落しないように、電極母材と溶融部との界面での剥離を抑制する技術が求められている。

本発明はこの要求に応えるためになされたものであり、電極母材と溶融部との界面での剥離を抑制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。

この目的を達成するために本発明のスパークプラグは、後端側から先端側へ向かう第１方向に延びるチップと、第１方向に延びる延出部であり、先端部がチップの後端部と溶融部を介して接続される延出部を有する電極母材と、を備える。チップの第１方向における中心軸を含み第１方向に沿った断面において、延出部と溶融部との界面を示す線の２つの端が第１方向において同じ位置にある場合、２つの端の間の直線距離をＡとし、又は、２つの端の一端が第１方向において他端よりも先端側にある場合、一端を通り中心軸に垂直な直線上における、一端から、直線と溶融部の外形線との他端側の交点までの距離をＡとしたとき、界面を示す線の長さＢと、Ｂ／Ａ≧１．２を満たす。

請求項１記載のスパークプラグによれば、チップの中心軸を含む断面において、電極母材と溶融部との界面を示す線の長さＢ、及び、中心軸に垂直な線分であって界面の端を含む線分の長さＡがＢ／Ａ≧１．２を満たす。これにより、クラックが電極母材と溶融部との界面の一端から他端まで進展し難くなるので、界面での剥離を抑制できる。

請求項２記載のスパークプラグによれば、界面を示す線は、先端側に向かって凸状をなす、少なくとも１つの凸部を有する。凸部によって、中心軸に垂直な方向における一端または他端からのクラックの進展度合いを小さくすることができるので、請求項１の効果に加え、電極母材と溶融部との界面での剥離をさらに抑制できる。

請求項３記載のスパークプラグによれば、凸部の頂点のうち最も先端側に位置する第１頂点は、界面を示す線のうち中心軸よりも一端側の第１領域または中心軸よりも他端側の第２領域に存在する。これにより、第１頂点が中心軸の上に存在する場合と比較して、中心軸に垂直な方向における一端または他端からのクラックの進展度合いをさらに小さくできる。その結果、請求項２の効果に加え、電極母材と溶融部との界面での剥離をさらに抑制できる。

請求項４記載のスパークプラグによれば、界面を示す線は２以上の凸部を有する。第１頂点が存在する領域とは異なる第１領域または第２領域に、第１方向において、第１頂点と同じか、第１頂点の次に先端側に位置する第２頂点が存在する。第２頂点によって、中心軸に垂直な方向における一端または他端からのクラックの進展度合いを小さくできる。さらに、第２頂点が中心軸の上に存在する場合と比較して、中心軸に垂直な方向における一端または他端からのクラックの進展度合いをさらに小さくできる。その結果、請求項３の効果に加え、界面での剥離をさらに抑制できる。

請求項５記載のスパークプラグによれば、中心軸を含む任意の断面において、Ｂ／Ａ≧１．２を満たす。よって、請求項１から４のいずれかの効果に加え、電極母材と溶融部との界面での剥離をさらに抑制できる。

第１実施の形態におけるスパークプラグの片側断面図である。 チップの中心軸を含む中心電極の断面図である。 チップの中心軸を含む接地電極の断面図である。 第２実施の形態におけるスパークプラグのチップの中心軸を含む中心電極の断面図である。 （ａ）は電極母材およびチップの側面図であり、（ｂ）はＢ／Ａと界面のクラックの長さの割合との関係を示す相関図である。

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は第１実施の形態におけるスパークプラグ１０の軸線Ｏを境にした片側断面図である。図１では、紙面下側をスパークプラグ１０の先端側、紙面上側をスパークプラグ１０の後端側という。図１に示すようにスパークプラグ１０は中心電極２０及び接地電極４０を備えている。

絶縁体１１は、軸線Ｏに沿う軸孔１２が形成された略円筒状の部材であり、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等のセラミックスにより形成されている。絶縁体１１は、軸孔１２により形成された内周面の先端側に、後端側を向く円環状の面である後端向き面１３が形成されている。後端向き面１３は先端側へ向けて縮径している。

中心電極２０は、後端向き面１３に係止される棒状の部材である。中心電極２０の先端は、絶縁体１１の先端から先端側に突出している。中心電極２０は、銅を主成分とする芯材２１が有底円筒状の電極母材２２に覆われている。電極母材２２はＮｉを５０ｗｔ％以上含む化学組成を有する。芯材２１を省略することは可能である。

電極母材２２は、先端部２４が絶縁体１１の先端から突出する延出部２３を備えている。延出部２３は電極母材２２の一部であり、軸線方向へ延びる円柱状に形成されている。延出部２３の先端部２４には、溶融部２５を介して、円盤状のチップ２６の後端部２７が接続されている。チップ２６は、本実施形態では、Ｐｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ等の貴金属のうちの１種または２種以上を５０ｗｔ％以上含む化学組成を有する。チップ２６の放電面２８は接地電極４０に対向する。中心電極２０は、軸孔１２内で端子金具２９と電気的に接続されている。

端子金具２９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、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成されている。端子金具２９は、先端側が軸孔１２に挿入された状態で、絶縁体１１の後端側に固定されている。

絶縁体１１の先端側の外周に主体金具３０が加締め固定されている。主体金具３０は、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成された略円筒状の部材である。主体金具３０は、径方向の外側へ鍔状に張り出す座部３１と、座部３１よりも先端側の外周面に形成されたねじ部３２と、を備えている。主体金具３０は、エンジン（シリンダヘッド）のねじ穴（図示せず）にねじ部３２を締結して固定される。主体金具３０の先端部に接地電極４０が接続されている。

接地電極４０は、導電性を有する金属材料によって形成された棒状の部材である。接地電極４０は、主体金具３０に接合された電極母材４１及びチップ４６を備えている。電極母材４１は、端部が主体金具３０に接合された支持部４２と、抵抗溶接やレーザ溶接等によって支持部４２に接合された延出部４３と、を備えている。支持部４２及び延出部４３はＮｉを５０ｗｔ％以上含む化学組成を有する。

延出部４３は、軸線方向へ延びる円柱状に形成されている。延出部４３の先端部４４には、溶融部４５を介して、円盤状のチップ４６の後端部４７が接続されている。チップ４６は、本実施形態では、Ｐｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ等の貴金属のうちの１種または２種以上を５０ｗｔ％以上含む化学組成を有する。チップ４６の放電面４８は中心電極２０に対向する。チップ４６の放電面４８と中心電極２０との間に火花ギャップが形成される。

なお、接地電極４０の延出部４３及びチップ４６の先端側・後端側は、中心電極２０の延出部２３及びチップ２６の先端側・後端側との整合をとるため、スパークプラグ１０の先端側・後端側とは異なり、延出部４３のうち支持部４２に接合された部位を後端とし、チップ４６の放電面４８を先端とする。

図２はチップ２６の中心軸Ｃを含む中心電極２０の断面図である。中心軸Ｃは、チップ２６の放電面２８の重心を通り、延出部２３が延びる方向に沿う軸である。矢印Ｆは、チップ２６の後端部２７から放電面２８へ向かう第１方向を示す。本実施形態では、中心軸Ｃはスパークプラグ１０の軸線Ｏ（図１参照）と一致する。チップ２６は溶融部２５を介して延出部２３に接続されている。溶融部２５はチップ２６及び延出部２３が溶け合っている。溶融部２５と延出部２３との界面５０を示す線は、中心軸Ｃよりも界面５０の一端５１側の第１領域５８及び界面５０の他端５２側の第２領域５９に区画される。

本実施形態では、レーザ溶接により溶融部２５が形成される。界面５０を示す線と延出部２３の外形線２３ａとが交わる一端５１及び他端５２（界面５０の２つの端）は、一端５１が、他端５２よりも矢印Ｆ方向（第１方向）の先端側にある。この場合、一端５１を通り中心軸Ｃに垂直な直線５５と溶融部２５の外形線２５ａとの交点５６から一端５１までの直線５５上の距離をＡとし、界面５０の長さ（一端５１から他端５２までの界面５０に沿う長さ）をＢとすると、Ｂ／Ａ≧１．２を満たす。

なお、直線５５は、交点５６以外に、溶融部２５の輪郭と交点５７でも交わる。しかし、一端５１からの距離Ａを求める交点は、切断面にしないと現れない交点５７（外形では隠れて見えない部分）ではなく、溶融部２５の外形から見える部分の形を表す外形線２５ａと交わる交点５６とする。なぜならば、長さＢは延出部２３の外形線２３ａと界面５０との交点（他端５２）から一端５１までの界面５０に沿う長さなので、長さＢとの整合をとるため、直線５５と外形線２５ａとの交点５６を、距離Ａを求める交点とする。

長さＢは、中心軸Ｃを含む断面を撮像し、画像処理をすることにより、界面５０の等分点（直線５５の等分点を界面５０に投影した点）を１００個プロットした後、その点と点との間の直線距離を合計して求めることができる。

ここで、スパークプラグ１０はエンジン内で加熱と冷却とが繰り返しなされるため、熱応力によって、延出部２３と溶融部２５との界面５０にクラックが生じ易い。クラックは、高温の燃焼ガスに接触する界面５０の一端５１や他端５２から進展する。スパークプラグ１０は、チップ２６の中心軸Ｃを含む断面において、界面５０の長さＢ、及び、中心軸Ｃに垂直な線分であって界面５０の一端５１を含む線分の長さＡがＢ／Ａ≧１．２を満たすので、界面５０の一端５１から他端５２まで、又は、他端５２から他端５１までクラックが進展し難くなる。よって、クラックの進展による界面５０の破壊を抑制できる。

界面５０は、先端側に向かって凸状をなす凸部５３を有する。凸部５３のうち最も先端側に位置する第１頂点５４は、界面５０の一端５１及び他端５２以外のところにある。凸部５３に第１頂点５４が存在するので、第１頂点５４を境に中心軸Ｃに対する凸部５３の傾く向きが変わる。これにより、凸部５３によって、中心軸Ｃに垂直な方向におけるクラックの進展度合いを小さくできる。よって、界面５０での剥離をさらに抑制できる。

凸部５３の第１頂点５４は、界面５０のうち中心軸Ｃよりも他端５２側の第２領域５９に存在する。これにより、第１頂点５４が中心軸Ｃの上に存在する場合と比較して、中心軸Ｃに垂直な方向における他端５２からのクラックの進展度合いをさらに小さくできる。その結果、第１頂点５４が中心軸Ｃの上に存在する場合に比べ、界面５０での剥離をさらに抑制できる。

なお、溶融部２５の界面５０が満たすＢ／Ａ≧１．２という条件は、中心軸Ｃを含む任意の断面において成立するとより好ましい。中心軸Ｃを含む任意の断面は、画像処理を行うことによって得られる。その方法は、まず、中心軸Ｃと垂直に中心電極２０を少しずつ研磨しては断面の写真撮像を繰り返し、その結果の画像処理により、界面５０の三次元構造を構築する。次いで、得られた三次元構造の中心軸Ｃを含む任意の断面の界面５０の長さＢ及び距離Ａを測定することにより、中心軸Ｃを含む任意の断面においてＢ／Ａ≧１．２を満たすか否かを判断できる。中心軸Ｃを含む任意の断面においてＢ／Ａ≧１．２を満たすことにより、界面５０での剥離をさらに抑制できる。

図３はチップ４６の中心軸Ｃを含む接地電極４０の断面図である。中心軸Ｃは、チップ４６の放電面４８の重心を通り、延出部４３が延びる方向に沿う軸である。矢印Ｆは、チップ４６の後端部４７から放電面４８へ向かう第１方向を示す。本実施形態では、中心軸Ｃはスパークプラグ１０の軸線Ｏ（図１参照）と一致する。チップ４６は溶融部４５を介して延出部４３に接続されている。溶融部４５と延出部４３との界面６０を示す線は、中心軸Ｃよりも界面６０の一端６１側の第１領域６８及び界面６０の他端６２側の第２領域６９に区画される。

本実施形態では、レーザ溶接により溶融部４５が形成される。界面６０を示す線と延出部４３及び溶融部４５の外形線４３ａ，４５ａとが交わる一端６１及び他端６２（界面６０の２つの端）は、矢印Ｆ方向（第１方向）において同じ位置にある。この場合、一端６１と他端６２との間の直線距離Ａ（線分の長さ）は、界面６０の長さＢと、Ｂ／Ａ≧１．２を満たす。界面６０の長さＢは、界面５０の長さＢと同様にして求められる。Ｂ／Ａ≧１．２を満たすことにより、界面６０の一端６１から他端６２まで、又は、他端６２から他端６１までクラックが進展し難くなる。よって、クラックの進展による界面６０の破壊を抑制できる。

界面６０は、先端側に向かって凸状をなす複数の凸部６３，６５を有する。凸部６３のうち最も先端側に位置する第１頂点６４は、界面６０のうち中心軸Ｃよりも一端６１側の第１領域６８（一端６１及び中心軸Ｃを含まない）に存在する。凸部６５のうち最も先端側に位置する第２頂点６６は、界面６０のうち中心軸Ｃよりも他端６２側の第２領域６９（他端６２及び中心軸Ｃを含まない）に存在する。第２頂点６６は、第１方向（矢印Ｆ方向）において、第１頂点６４の次に先端側に位置する。

凸部６５に第２頂点６６が存在するので、第２頂点６６を境に中心軸Ｃに対する凸部６５の傾く向きが変わる。第１頂点６４に加え、第２頂点６６によって、界面６０の他端６２から一端６１へ向かって進展するクラックの、中心軸Ｃに垂直な方向における進展度合いを小さくできる。よって、中心電極２０の溶融部２５の界面５０で得られる作用効果に加え、界面６０での剥離をさらに抑制できる。

図４を参照して第２実施の形態について説明する。第１実施形態および第２実施形態では、界面５０，６０に１つ又は２つの凸部が形成される場合について説明した。これに対し第２実施の形態では、さらに多くの凸部が界面７２に形成される場合について説明する。なお、第１実施形態で説明した部分と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図４は第２実施の形態におけるスパークプラグのチップ２６の中心軸Ｃを含む中心電極７０の断面図である。

チップ２６は溶融部７１を介して延出部２３に接続されている。本実施形態においてもレーザ溶接により溶融部７１が形成される。溶融部７１と延出部２３との界面７２を示す線と延出部２３の外形線２３ａとが交わる一端７３及び他端７４（界面７２の２つの端）は、一端７３が、他端７４よりも矢印Ｆ方向（第１方向）の先端側にある。この場合、一端７３を通り中心軸Ｃに垂直な直線８３と溶融部７１の外形線７１ａとの交点８４から一端７３までの直線８３上の距離Ａ、及び、界面７２の長さ（一端７３から他端７４までの界面７２に沿う長さ）ＢはＢ／Ａ≧１．２を満たす。

界面７２は、先端側に向かって凸状をなす複数の凸部７５，７７，７９，８１を有する。凸部７５のうち最も先端側に位置する第１頂点７６は、凸部７７のうち最も先端側に位置する第２頂点７８と、第１方向（矢印Ｆ方向）において同じ位置にある。凸部７９のうち最も先端側に位置する第３頂点８０、及び、凸部８１のうち最も先端側に位置する第４頂点８２は、第１方向（矢印Ｆ方向）において第１頂点７６や第２頂点７８よりも後端側にある。第２頂点７８は、界面７２のうち中心軸Ｃよりも一端７３側の第１領域５８（一端７３及び中心軸Ｃを含まない）に存在する。第１頂点７６は、界面７２のうち中心軸Ｃよりも他端７４側の第２領域５９（他端７４及び中心軸Ｃを含まない）に存在する。このスパークプラグによれば、第１実施形態で説明した接地電極４０が実現する作用効果と同様の作用効果を実現できる。

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。図５（ａ）は実施例におけるスパークプラグのサンプルを作成するための中心電極の電極母材（延出部２３）及びチップ２６の側面図である。

図５（ａ）に示すように延出部２３は円錐台状の外形をなし、先端部２４の端面２４ａは円形である。延出部２３はＮｉ基合金（ＮＣＦ６０１）製である。チップ２６はＩｒ合金製（Ｉｒ：６８ｗｔ％，Ｒｕ：１１ｗｔ％，Ｒｈ：２０ｗｔ％，Ｎｉ：１ｗｔ％）であり、円柱状の外形をなす。チップ２６の放電面２８と反対側の後端部２７の端面２７ａは円形である。

延出部２３の端面２４ａにチップ２６の端面２７ａを接触させた状態で、中心軸Ｃを中心に回転させ、レーザ溶接機の加工ヘッド（図示せず）から出射したレーザビームをチップ２６と延出部２３との境界に照射した。各サンプルの溶融部の化学組成が、Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｈ（チップ２６の成分）の合計が５０ｗｔ％以上、且つ、Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｈの成分合計がほぼ同一となるように溶融部を形成し、レーザビームのスポット径、レーザ出力等を変えて、Ｂ／Ａが異なる種々のサンプルを作成した。

作成した各サンプルのチップ２６、延出部２３及び溶融部をガスバーナで２分間加熱した後、１分間放冷することを１サイクルとして、これを１０００サイクル繰り返す耐久試験を行った。各サイクルの加熱時に延出部２３の温度は１０００℃に達した。試験後、各サンプルの中心軸Ｃを含む一断面の研磨面を作り、金属顕微鏡を用いて撮像し、画像処理により溶融部と延出部との界面の長さＢ及び距離Ａ、並びに、距離Ａに対する、中心軸Ｃに垂直な方向におけるクラックの長さの割合（％）を測定した。長さＢは、界面の１００個の等分点間の直線距離を合計して求めた。

図５（ｂ）はＢ／Ａと界面のクラックの長さとの関係を示す相関図である。横軸にＢ／Ａをとり、縦軸にクラックの長さの割合（％）をとった。クラックの長さの割合（％）＝１００は界面の破壊を意味する。図５（ｂ）に示すようにＢ／Ａが１．２以上になると、クラックの長さの割合（％）が顕著に小さくなることがわかった。Ｂ／Ａ≧１．２を満たすサンプルの中には、界面に凸部が無いものも存在した。この実施例によれば、Ｂ／Ａ≧１．２により、クラックの進展による界面の破壊を抑制できることが明らかになった。

実施例は、チップ２６の貴金属成分が溶融部に５０ｗｔ％以上含まれる場合の結果であるが、溶融部に含まれるチップ２６の貴金属成分が５０ｗｔ％未満のときも、Ｂ／Ａ≧１．２のときに実施例と同様の傾向が見られた。

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。

実施形態では、延出部２３，４３やチップ２６，４６が円柱状や円錐台状に形成され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。延出部やチップは多角柱状であっても良い。

実施形態では、チップ２６，４６の中心軸Ｃがスパークプラグ１０の軸線Ｏと一致す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。スパークプラグ１０の軸線Ｏとチップの中心軸Ｃとが一致しなくても良い。

実施形態では説明を省略したが、溶融部２５，４５，７１は、チップ２６，４６に含まれる貴金属成分が５０ｗｔ％以上を占める場合に効果が大きい。溶融部２５，４５，７１に溶け込むチップ２６，４６の量が増えるにつれて溶融部２５，４５，７１の線膨張係数と延出部２３，４３の線膨張係数との差が大きくなるので、溶融部２５，４５，７１と延出部２３，４３との界面５０，６０，７２に生じる熱応力が大きくなるからである。なお、溶融部が、チップ２６，４６に含まれる貴金属成分が５０ｗｔ％未満であっても、溶融部の線膨張係数と延出部の線膨張係数とに差はあるので、その界面に熱応力が生じ、実施形態で説明した作用効果を奏する。

実施形態では、界面５０，６０，７２に凸部５３，６３，６５，７５，７７，７９，８１が存在す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。凸部は界面に必ずしも必要ではない。界面に凸部が無くてもＢ／Ａ≧１．２を満たせば、界面に発生する応力を分散させ界面の剥離を抑制できる。

実施形態ではレーザビームを照射して溶融部２５，４５，７１を形成す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く、電子ビーム等の他の高エネルギービームを照射して溶融部を形成することは当然可能である。

実施形態では、中心電極２０及び接地電極４０の双方でＢ／Ａ≧１．２という条件が成立す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。中心電極・接地電極のいずれか一方において上記の関係が成立すれば良い。上記の関係が成立する電極において、界面の剥離を抑制できるからである。

１０ スパークプラグ
２２，４１ 電極母材
２３，４３ 延出部
２４，４４ 延出部の先端部
２５，４５，７１ 溶融部
２５ａ，４５ａ，７１ａ 外形線
２６，４６ チップ
２７，４７ チップの後端部
５０，６０，７２ 界面
５１，６１，７３ 一端（端）
５２，６２，７４ 他端（端）
５３，６３，６５，７５，７７，７９，８１ 凸部
５４，６４，７６ 第１頂点
５５，６７，８３ 直線
５６，８４ 交点
５８，６８ 第１領域
５９，６９ 第２領域
６６，７８ 第２頂点
Ａ 距離
Ｃ 中心軸

Claims (5)

1. 後端側から先端側へ向かう第１方向に延びるチップと、
   前記第１方向に延びる延出部であり、先端部が前記チップの後端部と溶融部を介して接続される延出部を有する電極母材と、を備えるスパークプラグであって、
   前記チップの前記第１方向における中心軸を含み、前記第１方向に沿った断面において、
   前記延出部と前記溶融部との界面を示す線の２つの端が前記第１方向において同じ位置にある場合、前記２つの端の間の直線距離をＡとし、又は、
   前記２つの端の一端が前記第１方向において他端よりも先端側にある場合、前記一端を通り前記中心軸に垂直な直線上における、前記一端から、前記直線と前記溶融部の外形線との他端側の交点までの距離をＡとしたとき、
   前記界面を示す線の長さＢと、Ｂ／Ａ≧１．２を満たすスパークプラグ。
2. 前記界面を示す線は、先端側に向かって凸状をなす、少なくとも１つの凸部を有する請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記凸部の頂点のうち最も先端側に位置する第１頂点は、前記界面を示す線のうち前記中心軸よりも前記一端側の第１領域または前記中心軸よりも前記他端側の第２領域に存在する請求項２記載のスパークプラグ。
4. 前記界面を示す線は、２以上の前記凸部を有し、
   前記第１頂点が存在する領域とは異なる前記第１領域または前記第２領域に、前記第１方向において、前記第１頂点と同じか、前記第１頂点の次に先端側に位置する第２頂点が存在する請求項３記載のスパークプラグ。
5. 前記中心軸を含む任意の断面において、Ｂ／Ａ≧１．２を満たす請求項１から４のいずれかに記載のスパークプラグ。

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