WO2013171992A1 - スパークプラグ - Google Patents

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WO2013171992A1
WO2013171992A1 PCT/JP2013/002897 JP2013002897W WO2013171992A1 WO 2013171992 A1 WO2013171992 A1 WO 2013171992A1 JP 2013002897 W JP2013002897 W JP 2013002897W WO 2013171992 A1 WO2013171992 A1 WO 2013171992A1
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WO
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ground electrode
cross
central axis
electrode
section
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/002897
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English (en)
French (fr)
Inventor
高明 鬼海
Original Assignee
日本特殊陶業株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/32—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation characterised by features of the earthed electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/39—Selection of materials for electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a spark plug used for an internal combustion engine or the like.
  • the spark plug is attached to an internal combustion engine (engine) or the like, and is used to ignite an air-fuel mixture in the combustion chamber.
  • a spark plug is fixed to an insulator having an axial hole extending in the axial direction, a center electrode inserted into the distal end side of the axial hole, a metal shell provided on the outer periphery of the insulator, and a distal end portion of the metal shell.
  • a ground electrode is bent back so that the tip of the ground electrode is opposed to the center electrode at a bent portion provided at a substantially intermediate portion of the ground electrode, and a spark discharge is generated between the tip of the ground electrode and the tip of the center electrode.
  • a gap is formed. A high voltage is applied to the spark discharge gap and spark discharge is generated, so that the air-fuel mixture or the like is ignited (see, for example, Patent Document 1).
  • a metal containing a large amount of Ni has low hardness.
  • the tip of the ground electrode is separated from the center electrode when vibration or the like accompanying the operation of the internal combustion engine or the like is applied. It is very easy to get up in the direction of bending (the bent ground electrode gradually returns and deforms). This is because the internal stress remains in the ground electrode due to bending, but is formed of a metal containing a large amount of Ni as described above, and the thin ground electrode has insufficient strength against the internal stress. . Note that if the ground electrode rises, the spark discharge gap increases, and the discharge voltage increases, which may lead to a situation where the center electrode or the ground electrode is rapidly consumed or cannot be discharged. is there. *
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to prevent rising at the tip of the ground electrode in a spark plug formed of a metal having a relatively thin ground electrode and containing a large amount of Ni. It is to prevent more reliably.
  • the spark plug of this configuration includes a cylindrical insulator having an axial hole penetrating in the axial direction, a center electrode inserted on the tip side of the axial hole, and a cylindrical electrode provided on the outer periphery of the insulator
  • the ground electrode is formed of a metal containing 93 mass% or more of nickel, and extends along the thickness direction of the ground electrode in a cross section perpendicular to the central axis of the ground electrode.
  • the center axis is the center. Taking the rectangle, the maximum length along the thickness direction of the crystal grains constituting the ground electrode overlapping the center of the rectangle and the four crystal grains overlapping each midpoint of each side constituting the rectangle
  • the bending portion passes through a position where the radius of curvature of the central axis of the ground electrode is minimized, and
  • the cross-sectional area of the ground electrode is 3.0 mm 2 or less, and the average ratio of B to C is 1.5 or more and 10 or less.
  • the “thickness direction” refers to a direction in which a straight line that passes through the center of curvature of the central axis of the ground electrode and intersects the central axis of the ground electrode extends.
  • the “width direction” refers to a direction orthogonal to the thickness direction.
  • the ground electrode is formed of a metal containing 93% by mass or more of Ni. Therefore, the thermal conductivity of the ground electrode can be dramatically improved, and the wear resistance of the ground electrode can be effectively increased.
  • the ground electrode is disconnected at a position where the radius of curvature of the central axis of the ground electrode is minimum (that is, a position where the return deformation of the ground electrode is most likely to occur due to vibration) in the bent portion.
  • the area is 3.0 mm 2 or less.
  • the average value of the ratio of B to C is 1.5 or more at the position where the radius of curvature of the central axis of the ground electrode is minimized in the bent portion. That is, most of the crystal grains are crushed along the thickness direction in the center portion of the ground electrode (the portion surrounded by the rectangle), and the shape is distorted. It is configured to have high strength. Thereby, the strength of the ground electrode can be sufficiently increased to resist the internal stress of the ground electrode, and the rising of the ground electrode can be more reliably suppressed.
  • the average value of the ratio of B to C is more than 10, distortion occurs in crystal grains located other than the center portion of the ground electrode, and the ground electrode is cracked when forming a bent portion. Etc. may occur. Therefore, in order to prevent cracking of the ground electrode, the average value of the ratio of B to C is preferably 10 or less.
  • the spark plug of this configuration is characterized in that, in the configuration 1, the average value of the ratio is 1.5 or more and 10 or less in a cross section passing through an arbitrary position of the bent portion and orthogonal to the central axis.
  • the average value of the ratio is 1.5 or more at an arbitrary position of the bent portion, that is, in the entire bent portion where the rising (return deformation) may occur. Accordingly, the bent portion can have a shape in which a high-strength core exists in the center portion of the ground electrode. Therefore, the strength of the ground electrode can be further improved, and the effect of suppressing the rise of the ground electrode can be further enhanced.
  • the spark plug of this configuration is characterized in that, in the configuration 1 or 2, the hardness of a region excluding the region surrounded by the rectangle of the ground electrode in the cross section is 130 Hv or more in terms of Vickers hardness. . *
  • the strength of the portion of the ground electrode located around the central portion can be increased. Therefore, the rising of the ground electrode can be further reliably suppressed.
  • the strength at the center portion of the ground electrode can be significantly increased.
  • the effect of suppressing the rising of the ground electrode can be dramatically improved.
  • the cross-sectional area of the ground electrode is 2.2 mm 2 or less in a cross section that passes through an arbitrary position of the bent portion and is orthogonal to the central axis. It is characterized by being.
  • the configuration 1 and the like are particularly significant when the cross-sectional area of the ground electrode is 2.2 mm 2 or less.
  • FIG. 1 is a partially cutaway front view showing a spark plug 1.
  • the direction of the axis CL ⁇ b> 1 of the spark plug 1 is the vertical direction in the drawing, the lower side is the front end side of the spark plug 1, and the upper side is the rear end side. *
  • the spark plug 1 includes an insulator 2 as a cylindrical insulator, a cylindrical metal shell 3 that holds the insulator 2, and the like. *
  • the insulator 2 is formed by firing alumina or the like, and in its outer portion, a rear end side body portion 10 formed on the rear end side, and a front end than the rear end side body portion 10.
  • a large-diameter portion 11 that protrudes radially outward on the side, a middle body portion 12 that is smaller in diameter than the large-diameter portion 11, and a tip portion that is more distal than the middle body portion 12.
  • the leg length part 13 formed in diameter smaller than this on the side is provided.
  • the large diameter portion 11, the middle trunk portion 12, and most of the leg long portions 13 are accommodated inside the metal shell 3.
  • a tapered step portion 14 is formed at the connecting portion between the middle body portion 12 and the long leg portion 13, and the insulator 2 is locked to the metal shell 3 at the step portion 14.
  • the insulator 2 is formed with a shaft hole 4 extending along the axis CL ⁇ b> 1, and a center electrode 5 is inserted and fixed to the tip side of the shaft hole 4.
  • the center electrode 5 includes an inner layer 5A made of a metal having excellent thermal conductivity (for example, copper, copper alloy, pure nickel (Ni), etc.) and an outer layer 5B made of an alloy containing Ni as a main component.
  • the center electrode 5 has a rod shape (cylindrical shape) as a whole, and a tip portion of the center electrode 5 projects from the tip of the insulator 2. *
  • a terminal electrode 6 is inserted and fixed on the rear end side of the shaft hole 4 in a state of protruding from the rear end of the insulator 2.
  • a cylindrical resistor 7 is disposed between the center electrode 5 and the terminal electrode 6 of the shaft hole 4. Both ends of the resistor 7 are electrically connected to the center electrode 5 and the terminal electrode 6 through conductive glass seal layers 8 and 9, respectively.
  • the metal shell 3 is formed in a cylindrical shape from a metal such as low carbon steel, and a screw for attaching the spark plug 1 to a combustion device such as an internal combustion engine or a fuel cell reformer on the outer peripheral surface thereof.
  • a portion (male screw portion) 15 is formed.
  • a seat portion 16 is formed on the rear end side of the screw portion 15 so as to protrude toward the outer peripheral side, and a ring-shaped gasket 18 is fitted into the screw neck 17 at the rear end of the screw portion 15.
  • a tool engaging portion 19 having a hexagonal cross section for engaging a tool such as a wrench when the metal shell 3 is attached to the combustion device is provided on the rear end side of the metal shell 3.
  • a caulking portion 20 that bends inward in the radial direction is provided at the rear end portion of the metal shell 3.
  • the metal shell 3 is reduced in diameter, and the screw diameter of the screw portion 15 is relatively small (for example, M12 or less).
  • a tapered step portion 21 for locking the insulator 2 is provided on the inner peripheral surface of the metal shell 3.
  • the insulator 2 is inserted from the rear end side to the front end side of the metal shell 3, and the step 14 of the metal shell 3 is locked to the step 21 of the metal shell 3. It is fixed to the metal shell 3 by caulking the opening on the rear end side in the radial direction, that is, by forming the caulking portion 20.
  • An annular plate packing 22 is interposed between the step portions 14 and 21. Thereby, the airtightness in the combustion chamber is maintained, and the fuel gas entering the gap between the leg long portion 13 of the insulator 2 exposed to the combustion chamber and the inner peripheral surface of the metal shell 3 is prevented from leaking outside.
  • annular ring members 23 and 24 are interposed between the metal shell 3 and the insulator 2 on the rear end side of the metal shell 3, and the ring member 23 , 24 is filled with talc 25 powder. That is, the metal shell 3 holds the insulator 2 via the plate packing 22, the ring members 23 and 24, and the talc 25.
  • the base end portion of itself is fixed to the distal end surface 26 of the metal shell 3, and is bent back at the bent portion 27 ⁇ / b> K so that the distal end side surface thereof is the distal end portion of the center electrode 5.
  • a ground electrode 27 facing each other.
  • a spark discharge gap 28 is formed as a gap between the tip of the center electrode 5 and the tip of the ground electrode 27, and the spark discharge gap 28 has a direction substantially along the axis CL ⁇ b> 1. Spark discharge is performed.
  • the ground electrode 27 is formed of a metal containing 93 mass% or more of Ni.
  • the ground electrode 27 contains one or more rare earth elements, and the total content of the rare earth elements is 0.05 mass% or more and 0.45 mass% or less.
  • rare earth elements include yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), protheodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), and gadolinium (Gd).
  • Tb Terbium
  • Dy dysprosium
  • Ho holmium
  • Er erbium
  • Tm thulium
  • lanthanoids consisting of ytterbium (Yb) and lutetium (Lu), and scandium (Sc).
  • the ground electrode 27 contains a predetermined amount (for example, 0.15 mass% or more and 2.5 mass% or less) of silicon (Si) and a predetermined amount (for example, 0.05 Mn) of manganese (Mn). Mass% to 2.5 mass%).
  • a predetermined amount for example, 0.15 mass% or more and 2.5 mass% or less
  • Si silicon
  • Mn manganese
  • the width along the radial direction of the front end surface 26 of the metal shell 3 is also made relatively small.
  • the thickness of the ground electrode 27 joined to the metal shell 3 is relatively small.
  • the size is small (for example, 0.7 mm or more and 1.3 mm or less). Since the ground electrode 27 is formed to be relatively thin as described above, the cross-sectional area of the ground electrode 27 is 3.0 mm 2 or less in any cross section along the direction orthogonal to the central axis CL2 of the ground electrode 27 (this In the embodiment, it is 2.2 mm 2 or less.
  • the cross-sectional area of the ground electrode 27 is 3.0 mm 2 or less (in this embodiment, 2.2 mm 2 or less) even at the position LP where the radius of curvature of the central axis CL2 of the ground electrode 27 is minimum in the bent portion 27K. It has become. From the viewpoint of ensuring sufficient bonding strength of the ground electrode 27 to the metal shell 3, the cross-sectional area of the ground electrode 27 is preferably 1.0 mm 2 or more in the cross section perpendicular to the central axis CL2.
  • the ground electrode 37 in the cross section orthogonal to the central axis CL2, a part of the outline forming the surface perpendicular to the central axis CL2 of the ground electrode 27 is curved.
  • the outline of the front surface 27F facing the center electrode 5 side of the ground electrode 27 and the outline of the back surface 27B located behind the front surface 27F are parallel to each other.
  • the outlines of the side surfaces 27S1 and 27S2 located between the front surface 27F and the back surface 27B are curved outwardly.
  • the cross-sectional shape of the ground electrode is not limited to this, and for example, the ground electrode 37 may be configured to have a rectangular cross section as shown in FIG. *
  • the crystal grains constituting the ground electrode 27 are configured as follows. That is, as shown in FIG. 5, in a cross section orthogonal to the central axis CL2, it extends along the thickness direction of the ground electrode 27 and has a length of 1/3 of the maximum thickness MT of the ground electrode 27 in the cross section. Two parallel sides L1 and L2, and two parallel sides L3 and L4 extending in the width direction of the ground electrode 27 and having a length of 1/3 of the maximum width MW of the ground electrode 27 in the cross section, A rectangle SQ centered on the central axis CL2 is taken. As shown in FIG.
  • crystal grains X0 to X5 are shown larger than the actual size, other crystal grains are not shown, and hatching is omitted in FIG. 6).
  • crystal grains X0 constituting the ground electrode 27 overlapping the center CP (center axis CL2) of the rectangle SQ and four midpoints P1, P2, P3, P4 of the sides L1, L2, L3, L4.
  • the maximum length along the thickness direction of each of the crystal grains X0 to X4 is C0, C1, C2, C3, and C4 ( ⁇ m).
  • the ratio of B0 to C0 (B0 / C0), the ratio of B1 to C1 (B1 / C1), the ratio of B2 to C2 (B2 / C2), and the ratio of B3 to C3 (B3 / C3)
  • the average value of the ratio of B4 to C4 (hereinafter sometimes referred to as “average value of the ratio of B to C”) is 1.5 to 10 (more preferably 4 to 10). It is said that. That is, in the central portion of the ground electrode 27 (region surrounded by the rectangle SQ), most of the crystal grains are crushed along the thickness direction so that the central portion has high strength. It is configured.
  • the hardness of the portion of the ground electrode 27 located inside the rectangle SQ in the cross section orthogonal to the central axis CL2 is greater than the hardness of the portion of the ground electrode 27 located outside the rectangle SQ. It is also considered a big thing. For example, when the hardness of the portion of the ground electrode 27 located inside the rectangle SQ is about 145 HV, the hardness of the portion of the ground electrode 27 located outside the rectangle SQ is set to about 130 V. Of these, when the hardness of the portion located inside the rectangle SQ is about 220 HV to 240 HV, the hardness of the portion located outside the rectangle SQ of the ground electrode 27 is about 200 HV. *
  • the hardness of the portion of the ground electrode 27 located inside the rectangle SQ means the average value of the hardness of the ground electrode 27 at the center CP and the midpoints P1, P2, P3, and P4. . Also, “the hardness of the portion of the ground electrode 27 located outside the rectangle SQ” is a line segment connecting the midpoint P1 and the portion of the outer surface of the ground electrode 27 that is closest to the midpoint P1.
  • the midpoint, the midpoint of the line connecting the parts closest to the midpoint P2 of the midpoint P2 and the outer surface of the ground electrode 27, and the midpoint P3 of the midpoint P3 and the outer surface of the ground electrode 27 Mean value.
  • the Vickers hardness is 130 Hv or more.
  • the metal shell 3 is processed in advance. That is, a rough shape is formed on a cylindrical metal material (for example, an iron-based material or a stainless steel material) by cold forging or the like, and a through hole is formed. Thereafter, the outer shape is adjusted by cutting to obtain a metal shell intermediate.
  • a cylindrical metal material for example, an iron-based material or a stainless steel material
  • a straight rod-like (needle-like) ground electrode 27 made of an Ni alloy is manufactured. That is, the alloy containing 93 mass% or more of Ni is subjected to cold forging (drawing) to gradually reduce the alloy. By undergoing cold forging, the alloy has a hardness of 130 Hv or higher.
  • the wire rod is pressed and deformed by using a predetermined roller or mold at a stage where the cross-sectional area is sufficiently thinned to 3.0 mm 2 or less and the cross-section is circular.
  • the wire has a shape having two planes whose side portions are parallel to each other, and the cross-sectional shape of the wire is the same as the cross-sectional shape of the ground electrode 27.
  • the surface that contacts the flat plate is one of the front surface 27F and the back surface 27B of the ground electrode 27, and the surface of the wire material that contacts the processed surface is the other of the front surface 27F and the back surface 27B.
  • the width relative to the width of the wire along the direction perpendicular to the clamping direction by the flat plate and the processed surface after processing is set.
  • the amount of pressing deformation of the wire is adjusted so that the ratio of the thicknesses of the wire along the pressing direction is 0.8 or less.
  • the wire After the wire is pressed and deformed, the wire is cut into a predetermined length to obtain a straight rod-like ground electrode 27 having a hardness of 130 Hv or more.
  • the ground electrode 27 is not subjected to heat treatment, and the ground electrode 27 is in a state in which the processing strain accompanying the pressing remains.
  • the obtained ground electrode 27 is resistance-welded to the front end surface of the metal shell intermediate body.
  • so-called “sag” is generated.
  • the threaded portion 15 is formed by rolling at a predetermined portion of the metal shell intermediate body.
  • the metal shell 3 to which the ground electrode 27 is welded is obtained.
  • the metal shell 3 to which the ground electrode 27 is welded is galvanized or nickel plated. In order to improve the corrosion resistance, the surface may be further subjected to chromate treatment. *
  • the insulator 2 is formed separately from the metal shell 3.
  • a raw material powder mainly composed of alumina and containing a binder or the like a green compact for molding is prepared, and a rubber-molded product is used to form a cylindrical molded body. Is obtained.
  • the obtained molded body is ground and shaped, and the shaped product is fired in a firing furnace, whereby the insulator 2 is obtained.
  • the center electrode 5 is manufactured. That is, the center electrode 5 is produced by forging a Ni alloy in which a copper alloy or the like for improving heat dissipation is arranged at the center. *
  • the glass seal layers 8 and 9 are generally prepared by mixing borosilicate glass and metal powder and injected into the shaft hole 4 of the insulator 2 with the resistor 7 interposed therebetween, and then from the rear. While being pressed by the terminal electrode 6, it is fired by being heated in a firing furnace. At this time, the glaze layer may be fired simultaneously on the surface of the rear end side body portion 10, or the glaze layer may be formed in advance.
  • the center electrode 5 and the terminal electrode 6 respectively prepared as described above are provided.
  • the insulator 2 and the metal shell 3 including the ground electrode 27 are fixed. More details Alternatively, the insulator 2 is inserted through the metal shell 3 and is formed to be relatively thin. Clamping the opening on the rear end side of the metal shell 3 inward in the radial direction, that is, the above caulking By forming the flange portion 20, the insulator 2 and the metal shell 3 are fixed.
  • a bent portion 27K is formed by bending a substantially intermediate portion of the ground electrode 27 to the center electrode 5 side, and the size of the spark discharge gap 28 between the center electrode 5 and the ground electrode 27 is adjusted.
  • the spark plug 1 described above is obtained.
  • the ground electrode 27 is made of a metal containing 93 mass% or more of Ni. Accordingly, the thermal conductivity of the ground electrode 27 can be dramatically improved, and the wear resistance of the ground electrode 27 can be effectively increased.
  • the average value of the ratio of B to C is 1.5 or more in a cross section that passes through an arbitrary position of the bent portion 27K and is orthogonal to the central axis CL2. That is, most of the crystal grains are crushed along the thickness direction in the center portion of the ground electrode 27 (the portion surrounded by the rectangle SQ), and have a distorted shape.
  • the shape is such that a high-strength core exists in the center. Thereby, the strength of the ground electrode 27 can be remarkably increased, and the cross-sectional area of the ground electrode 27 is set to 3.0 mm 2 (2.2 mm 2 ) or less as in the present embodiment. Even if there is a concern, the rising of the ground electrode 27 can be more reliably suppressed.
  • the strength of the ground electrode 27 can be remarkably improved, and the rise suppression effect of the ground electrode 27 can be remarkably enhanced.
  • the hardness of the region excluding the region surrounded by the rectangle SQ in the ground electrode 27 is 130 Hv or more in terms of Vickers hardness. Therefore, the strength of the portion of the ground electrode 27 located around the central portion can be increased, and the effect of suppressing the rise of the ground electrode 27 can be further improved.
  • the average value of the ratio of B to C is relatively large (for example, 7 to 10), that is, when the hardness of the portion of the ground electrode 27 located inside the rectangle SQ is relatively large.
  • the hardness of the portion located outside the rectangle SQ in the electrode 27 is equal to or higher than the hardness of the portion located inside the rectangle SQ, the ground electrode having a large stress load is formed when the bent portion 27K is formed.
  • the hardness of the portion of the ground electrode 27 located inside the rectangle SQ is greater than the hardness of the portion of the ground electrode 27 located outside the rectangle SQ. 27, the hardness of the part located outside the rectangle SQ is relatively small. Therefore, coupled with the average value of the ratio of B to C being 10 or less, it is possible to more reliably prevent cracking of the ground electrode 27 when the bent portion 27K is formed.
  • the Ni content in the ground electrode is set to 93 mass% or 97 mass%, and the cross-sectional area of the ground electrode and the ground electrode of the bent portion
  • the average value of the ratio of B to C at the position where the radius of curvature of the central axis is minimum, and the hardness (outside center hardness) of the region excluding the region surrounded by the rectangle of the ground electrode at the position Samples of the changed spark plugs were produced, and a rise resistance test was performed on each sample.
  • the outline of the rise resistance test is as follows. That is, while the ground electrode of the sample was heated to about 900 ° C.
  • the vibration frequency was 40 Hz
  • the vibration amplitude was 5 mm
  • the acceleration was about 15 G
  • the size of the spark discharge gap was measured, and the amount of increase relative to the size of the spark discharge gap before the test (gap increase amount) was measured.
  • the sample in which the gap increase amount is 0.00 mm is evaluated as “ ⁇ ” because the rising of the ground electrode can be extremely effectively suppressed, and the gap increase amount is more than 0.00 mm and less than 0.02 mm.
  • the average value of the ratio of B to C was changed by adjusting the amount of pressing deformation of the ground electrode (wire).
  • the hardness outside the center was changed by subjecting the ground electrode to heat treatment.
  • the ground electrode was configured to have the same cross-sectional area in the entire area.
  • the ground electrode is formed of an alloy containing, in addition to Ni, a rare earth element and at least one of Si, Cr, Al, Mn, C, Ti, Mg, Fe, Cu, P, and S. .
  • Sample 1 was configured such that the ground electrode had a rectangular cross section, and the other samples were configured such that the front and back surfaces of the ground electrode were flat, and the side surface of the ground electrode was curved outwardly convex.
  • Table 1 also shows the total content of rare earth elements and the total content of Si, Cr and the like. *
  • the ground electrode is formed of a metal having a Ni content of less than 93% by mass (for example, Inconel (registered trademark) 601), the hardness of the ground electrode is sufficient.
  • the above-mentioned rise resistance test was performed on the spark plug having this ground electrode (with a cross-sectional area of 1.8 mm 2 to 3.0 mm 2 ), the average value of the ratio of B to C Even when the value was less than 1.5, the gap increase amount was 0.00 mm, and the ground electrode did not rise.
  • the ground electrode had a cross-sectional area of 3.0 mm 2 or less, and the ground electrode was 93 masses of Ni. It was confirmed that the samples (samples 2, 3, 16, and 17) formed of metal containing at least% contained the gap increase amount exceeding 0.04 mm, and the ground electrode is likely to rise. In particular, it was confirmed that in the samples (samples 3 and 17) in which the cross-sectional area of the ground electrode was 2.2 mm 2 or less, the gap increase amount was remarkably increased, and the ground electrode was extremely easily raised.
  • the samples (samples 4 to 14, 18 to 28) in which the average value of the ratio of B to C is 1.5 or more have a ground electrode cross-sectional area of 3.0 mm 2 or less, and Even in a condition where the Ni content in the electrode is 93% by mass or more and the ground electrode rises very easily, the gap increase is 0.03 mm or less, and it is clear that the rise of the ground electrode can be more reliably suppressed. It was. This is presumably because the crystal grains were distorted at the center of the ground electrode, thereby improving the strength at the center of the ground electrode.
  • samples (samples 8 to 14, 22 to 28) having an average ratio of B to C of 4 or more have a ground electrode cross-sectional area of 2.2 mm 2 or less, and there is a great concern about the rise of the ground electrode.
  • the gap increase amount was 0.00 mm, and it was found that the rising of the ground electrode can be very effectively suppressed. This is presumably because the strength at the center of the ground electrode was remarkably improved.
  • the average value of the ratio of B to C is set to 1.5 or more at the position where the radius of curvature of the central axis of the ground electrode is the smallest in the bent portion. Is preferable.
  • the hardness of the ground electrode excluding the region surrounded by the rectangle is set to 130 Vv or more in terms of Vickers hardness, or the average value of the ratio of B to C is set to It can be said that it is more preferable to set it to 4 or more.
  • the ratio of B to C in a cross section passing through an arbitrary position of the bent portion and orthogonal to the central axis that is, in the entire bent portion. More preferably, the average value is 1.5 or more.
  • the ground electrode has a shape having a high-strength core at the center at the bent portion, and the effect of suppressing the rise of the ground electrode can be further enhanced.
  • the average value of the ratio of B to C is preferably 10 or less.
  • the cross-sectional area of the ground electrode 27 is 3.0 mm 2 or less in an arbitrary cross section along the direction orthogonal to the central axis CL2 of the ground electrode 27, and an arbitrary position of the bent portion 27K.
  • the average value of the ratios is 1.5 or more and 10 or less. That is, in the spark plug in which the cross-sectional area of the entire ground electrode 27 is 3.0 mm 2 or less, the average value of the ratio is 1.5 or more and 10 or less in the entire region of the bent portion 27K. However, it is not always necessary that the average value of the ratio is 1.5 or more and 10 or less in the entire bent portion 27K.
  • the average value of the ratios in the cross section passing through the position LP and orthogonal to the central axis CL2 may be 1.5 or more and 10 or less. That is, it is only necessary that the average value of the ratio is 1.5 or more and 10 or less at the position where the rising is most likely to occur in the ground electrode 27. Even in such a configuration, the rising of the ground electrode 27 is sufficient. A sufficient effect can be obtained in terms of suppressing the above.
  • the spark discharge gap 28 is formed between the tip of the center electrode 5 and the tip of the ground electrode 27.
  • one or both of the center electrode 5 and the ground electrode 27 has a metal having excellent durability (for example, Ir, Pt, Rh, Ru, Re, W, Pd, or at least one of these as a main component.
  • a spark discharge gap 28 is formed between the tip provided on one electrode 5 (27) and the other electrode 27 (5), or both electrodes 5, 27 are joined together. It may be formed between the chips provided on each other.
  • the tip is provided on the ground electrode 27, the hardness of the ground electrode 27 excluding the region surrounded by the rectangle SQ is measured at a portion other than the portion where the hardness change accompanying the joining of the tip can occur.
  • the cross-sectional shape of the ground electrode 27 is not limited to the cross-sectional shape in the above embodiment. Therefore, for example, as shown in FIG. 7, in the cross section orthogonal to the central axis CL2, the outline of the front surface 47F of the ground electrode 47 is linear, while the other outline of the ground electrode 47 is convex outward. It may be curved. Further, for example, in the cross section, the outline of the back surface of the ground electrode may be linear, while the other outline of the ground electrode may be curved outwardly. In order to make the average value of the ratio 1.5 or more, it is necessary to crush and deform the crystal grains of the ground electrode along the thickness direction of the ground electrode.
  • the wire is pressed so that at least one of the outlines of the front and back surfaces of the ground electrode is linear, As a result, the average value of the ratio is 1.5 or more.
  • the ground electrode 27 contains rare earth elements, but the ground electrode 27 may not contain rare earth elements.
  • the tool engaging portion 19 has a hexagonal cross section, but the shape of the tool engaging portion 19 is not limited to such a shape.
  • it may be a Bi-HEX (deformed 12-angle) shape [ISO 22777: 2005 (E)].

Abstract

接地電極の先端部における起き上がりをより確実に防止する。スパークプラグ１は、屈曲部２７Ｋにて曲げられた接地電極２７を備える。接地電極２７は、Ｎｉを９３質量％以上含有する金属により形成される。屈曲部２７Ｋのうち接地電極２７の中心軸ＣＬ２の曲率半径が最小となる位置を通り、かつ、中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極２７の断面積が３．０ｍｍ2以下とされる。接地電極２７の中心軸ＣＬ２に直交する断面において、所定の長方形ＳＱの中心ＣＰと重なる結晶粒Ｘ０と、長方形ＳＱを構成する各辺Ｌ１～Ｌ４の各中点Ｐ１～Ｐ４に重なる４つの結晶粒Ｘ１～Ｘ４とについて、接地電極２７の厚さ方向に沿った最大長さをＣ（μｍ）とし、接地電極２７の幅方向に沿った最大長さをＢ（μｍ）としたとき、Ｃに対するＢの比の平均値が１．５以上１０以下とされる。

Description

スパークプラグ
本発明は、内燃機関等に使用されるスパークプラグに関する。
スパークプラグは、内燃機関（エンジン）等に取付けられ、燃焼室内の混合気等への着火のために用いられる。一般にスパークプラグは、軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、軸孔の先端側に挿通される中心電極と、絶縁体の外周に設けられる主体金具と、主体金具の先端部に固定される接地電極とを備える。接地電極は、自身の略中間部分に設けられた屈曲部において先端部が中心電極と対向するように曲げ返されており、接地電極の先端部と中心電極の先端部との間には火花放電間隙が形成される。そして、火花放電間隙に高電圧が印加され、火花放電が生じることで、混合気等への着火がなされるようになっている（例えば、特許文献１等参照）。
特開２００７－２４２５８８号公報
ところで近年では、スパークプラグの小型化や小径化が要請されている。そのためには、主体金具の小径化が必要であり、かかる小径化された主体金具へと接合可能とすべく、接地電極をより細いものとすることが要求されている。ところが、このような細い接地電極においては、その先端部の熱が主体金具側へと伝導されにくく、使用に伴い接地電極の先端部が急速に消耗してしまうおそれがある。そこで、接地電極の熱伝導性を向上させ、耐消耗性の向上を図るべく、ニッケル（Ｎｉ）を比較的多量に含有する金属によって接地電極を形成することが考えられる。　
しかしながら、一般にＮｉを多量に含有する金属は硬度が低い。そのため、Ｎｉを多量に含有する金属により、上述のような細い接地電極を形成した場合には、内燃機関等の動作に伴う振動等が加わった際に、接地電極の先端部が中心電極から離間する方向へと起き上がること（屈曲された接地電極が徐々に戻り変形してしまうこと）が極めて生じやすくなってしまう。これは、屈曲に伴い接地電極に内部応力が残留するところ、上述のような、Ｎｉを多量に含有する金属により形成され、かつ、細い接地電極は、前記内部応力に対する強度が十分ではないことによる。尚、接地電極の起き上がりが生じてしまうと、火花放電間隙が拡大してしまうため、放電電圧が増大してしまい、中心電極や接地電極の急激な消耗や放電不能といった事態を招いてしまうおそれがある。　
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、接地電極が比較的細く、かつ、Ｎｉを多量に含む金属により形成されたスパークプラグにおいて、接地電極の先端部における起き上がりをより確実に防止することにある。
以下、上記目的を解決するのに適した各構成につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果を付記する。　
構成１．本構成のスパークプラグは、軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、　前記軸孔の先端側に挿設された中心電極と、　前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、　自身の基端部が前記主体金具に固定されるとともに、屈曲部にて前記中心電極側へと曲げられ、自身の先端部が前記中心電極との間で間隙を形成する接地電極とを備えるスパークプラグであって、　前記接地電極は、ニッケルを９３質量％以上含有する金属により形成され、　前記接地電極の中心軸に直交する断面において、前記接地電極の厚さ方向に沿って延び、前記断面における最大厚さの１／３の長さを有する平行な二辺と、前記接地電極の幅方向に沿って延び、前記断面における最大幅の１／３の長さを有する平行な二辺とからなり、前記中心軸を中心とする長方形を取り、前記長方形の中心と重なる前記接地電極を構成する結晶粒と、前記長方形を構成する各辺の各中点に重なる４つの前記結晶粒とについて、前記厚さ方向に沿った最大長さをＣ（μｍ）とし、前記幅方向に沿った最大長さをＢ（μｍ）としたとき、　前記屈曲部のうち前記接地電極の中心軸の曲率半径が最小となる位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において、　前記接地電極の断面積が３．０ｍｍ2以下であり、　Ｃに対するＢの比の平均値が１．５以上１０以下であることを特徴とする。　
尚、「厚さ方向」とあるのは、接地電極の中心軸の曲率中心を通り、接地電極の中心軸と交差する直線の延びる方向をいう。また、「幅方向」とあるのは、前記厚さ方向と直交する方向をいう。加えて、前記長方形の中心や前記各辺の中点に重なる結晶粒が存在しない場合、Ｃに対するＢの比（Ｂ／Ｃ）の算出対象となる結晶粒は、前記中心や中点に最も接近する結晶粒をいう。
上記構成１によれば、接地電極は、Ｎｉを９３質量％以上含有する金属により形成されている。従って、接地電極の熱伝導性を飛躍的に向上させることができ、接地電極の耐消耗性を効果的に高めることができる。　
一方で、上記構成１においては、屈曲部のうち接地電極の中心軸の曲率半径が最小となる位置（すなわち、振動等に伴う接地電極の戻り変形が最も生じやすい位置）において、接地電極の断面積が３．０ｍｍ2以下とされている。従って、上述の通り、接地電極がＮｉを９３質量％以上含有する金属により形成されていることと相俟って、接地電極における起き上がりの発生が大いに懸念される。　
この点、上記構成１によれば、屈曲部のうち接地電極の中心軸の曲率半径が最小となる位置において、Ｃに対するＢの比の平均値が１．５以上とされている。すなわち、接地電極の中心部（前記長方形で囲まれた部位）において、結晶粒の大部分が厚さ方向に沿って押し潰され、歪みを持った形状とされており、接地電極の中央部が高強度を有するように構成されている。これにより、接地電極の強度を、接地電極の内部応力に抗することができる程度に十分に高めることができ、接地電極の起き上がりをより確実に抑制することができる。　
尚、Ｃに対するＢの比の平均値を１０超とした場合には、接地電極の中心部以外に位置する結晶粒においても歪みが生じてしまい、屈曲部の形成時などにおいて、接地電極に割れ等が発生してしまうおそれがある。従って、接地電極の割れ等を防止するために、Ｃに対するＢの比の平均値を１０以下とすることが好ましい。　
構成２．本構成のスパークプラグは、上記構成１において、前記屈曲部の任意の位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において、　前記比の平均値が１．５以上１０以下であることを特徴とする。　
上記構成２によれば、屈曲部の任意の位置において、すなわち、起き上がり（戻り変形）の生じ得る屈曲部の全域において、前記比の平均値が１．５以上とされている。従って、屈曲部において、接地電極の中心部に高強度の芯が存在するような形とすることができる。そのため、接地電極の強度をより向上させることができ、接地電極の起き上がり抑制効果を一段と高めることができる。　
構成３．本構成のスパークプラグは、上記構成１又は２において、前記断面において、前記接地電極のうち前記長方形で囲まれた領域を除いた領域の硬度が、ビッカース硬度で１３０Ｈｖ以上であることを特徴とする。　
上記構成３によれば、接地電極のうちその中心部の周囲に位置する部位の強度を高めることができる。従って、接地電極の起き上がりをより一層確実に抑制することができる。　
構成４．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、前記比の平均値が４以上であることを特徴とする。　
上記構成４によれば、接地電極の中央部における強度を著しく高めることができる。その結果、接地電極の起き上がり抑制効果を飛躍的に向上させることができる。　
構成５．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記屈曲部の任意の位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において、　前記接地電極の断面積が２．２ｍｍ2以下であることを特徴とする。　
上記構成５のように、接地電極の断面積が２．２ｍｍ2以下と小さい場合には、接地電極における起き上がりの発生がより懸念される。しかしながら、上記構成１等を採用することで、このように接地電極の断面積が小さい場合であっても、接地電極の起き上がりを十分に抑制することができる。換言すれば、上記構成１等は、接地電極の断面積が２．２ｍｍ2以下の場合において、特に有意である。
スパークプラグの構成を示す一部破断正面図である。 スパークプラグの先端部の構成を示す一部破断正面図である。 接地電極の断面形状等を示す拡大断面図である。 接地電極の別例を示す拡大断面図である。 接地電極の拡大断面図である。 接地電極の結晶粒等を示す断面模式図である。 別の実施形態における接地電極の断面形状等を示す拡大断面図である。
以下に、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、スパークプラグ１を示す一部破断正面図である。尚、図１では、スパークプラグ１の軸線ＣＬ１方向を図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１の先端側、上側を後端側として説明する。　
スパークプラグ１は、筒状をなす絶縁体としての絶縁碍子２、これを保持する筒状の主体金具３などから構成されるものである。　
絶縁碍子２は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、その外形部において、後端側に形成された後端側胴部１０と、当該後端側胴部１０よりも先端側において径方向外向きに突出形成された大径部１１と、当該大径部１１よりも先端側においてこれよりも細径に形成された中胴部１２と、当該中胴部１２よりも先端側においてこれよりも細径に形成された脚長部１３とを備えている。加えて、絶縁碍子２のうち、大径部１１、中胴部１２、及び、大部分の脚長部１３は、主体金具３の内部に収容されている。そして、中胴部１２と脚長部１３との連接部にはテーパ状の段部１４が形成されており、当該段部１４にて絶縁碍子２が主体金具３に係止されている。　
さらに、絶縁碍子２には、軸線ＣＬ１に沿って延びる軸孔４が貫通形成されており、当該軸孔４の先端側には中心電極５が挿入、固定されている。中心電極５は、熱伝導性に優れる金属〔例えば、銅や銅合金、純ニッケル（Ｎｉ）等〕からなる内層５Ａと、Ｎｉを主成分とする合金からなる外層５Ｂとを備えている。また、中心電極５は、全体として棒状（円柱状）をなし、その先端部分が絶縁碍子２の先端から突出している。　
加えて、軸孔４の後端側には、絶縁碍子２の後端から突出した状態で端子電極６が挿入、固定されている。　
さらに、軸孔４の中心電極５と端子電極６との間には、円柱状の抵抗体７が配設されている。当該抵抗体７の両端部は、導電性のガラスシール層８，９を介して、中心電極５と端子電極６とにそれぞれ電気的に接続されている。
加えて、前記主体金具３は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面にはスパークプラグ１を内燃機関や燃料電池改質器等の燃焼装置に取付けるためのねじ部（雄ねじ部）１５が形成されている。

また、ねじ部１５の後端側には座部１６が外周側に向けて突出形成されており、ねじ部１５後端のねじ首１７にはリング状のガスケット１８が嵌め込まれている。

さらに、主体金具３の後端側には、主体金具３を燃焼装置に取付ける際にレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部１９が設けられている。

また、主体金具３の後端部には、径方向内側に向けて屈曲する加締め部２０が設けられている。

尚、本実施形態においては、スパークプラグ１の小型化を図るべく、主体金具３が小径化されており、ねじ部１５のねじ径は比較的小径（例えば、Ｍ１２以下）とされている。　
また、主体金具３の内周面には、絶縁碍子２を係止するためのテーパ状の段部２１が設けられている。そして、絶縁碍子２は、主体金具３に対してその後端側から先端側に向かって挿入され、自身の段部１４が主体金具３の段部２１に係止された状態で、主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部２０を形成することによって主体金具３に固定されている。尚、段部１４，２１間には、円環状の板パッキン２２が介在されている。これにより、燃焼室内の気密性を保持し、燃焼室内に晒される絶縁碍子２の脚長部１３と主体金具３の内周面との隙間に入り込む燃料ガスが外部に漏れないようになっている。　
さらに、加締めによる密閉をより完全なものとするため、主体金具３の後端側においては、主体金具３と絶縁碍子２との間に環状のリング部材２３，２４が介在され、リング部材２３，２４間には滑石（タルク）２５の粉末が充填されている。すなわち、主体金具３は、板パッキン２２、リング部材２３，２４及び滑石２５を介して絶縁碍子２を保持している。　
また、図２に示すように、自身の基端部が主体金具３の先端面２６に固定されるとともに、屈曲部２７Ｋにて曲げ返されて、自身の先端側側面が中心電極５の先端部と対向する接地電極２７が接合されている。加えて、中心電極５の先端部と接地電極２７の先端部との間には、間隙としての火花放電間隙２８が形成されており、当該火花放電間隙２８において、軸線ＣＬ１にほぼ沿った方向で火花放電が行われるようになっている。　
さらに、本実施形態において、接地電極２７は、Ｎｉを９３質量％以上含有する金属により形成されている。また、接地電極２７には、希土類元素が一種類以上含有されており、希土類元素の総含有量は、０．０５質量％以上０．４５質量％以下とされている。尚、希土類元素としては、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プロセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）及びルテチウム（Ｌｕ）から成るランタノイド、並びに、スカンジウム（Ｓｃ）を挙げることができる。　
加えて、接地電極２７には、ケイ素（Ｓｉ）が所定量（例えば、０．１５質量％以上２．５質量％以下）含有されるとともに、マンガン（Ｍｎ）が所定量（例えば、０．０５質量％以上２．５質量％以下）含有されている。ＳｉやＭｎが前記所定量含有されることで、接地電極２７の表面に、デポジット（オイルや未燃焼燃料等の付着物）に対して強固な酸化膜を形成することができる。　
また、主体金具３の小径化に伴い、主体金具３の先端面２６の径方向に沿った幅も比較的小さくされており、ひいては主体金具３に接合される接地電極２７の厚さが比較的小さなもの（例えば、０．７ｍｍ以上１．３ｍｍ以下）とされている。このように接地電極２７が比較的薄肉に形成されているため、接地電極２７の中心軸ＣＬ２と直交する方向に沿った任意の断面において、接地電極２７の断面積は３．０ｍｍ2以下（本実施形態では、２．２ｍｍ2以下）となっている。そのため、屈曲部２７Ｋのうち接地電極２７の中心軸ＣＬ２の曲率半径が最小となる位置ＬＰにおいても、接地電極２７の断面積が３．０ｍｍ2以下（本実施形態では、２．２ｍｍ2以下）となっている。尚、主体金具３に対する接地電極２７の接合強度を十分に確保する等の観点から、前記中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極２７の断面積を１．０ｍｍ2以上とすることが好ましい。　
さらに、図３に示すように、前記中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極２７における中心軸ＣＬ２に垂直な面を構成する外形線の一部が湾曲状をなしている。本実施形態では、中心軸ＣＬ２に直交する断面において、接地電極２７のうち中心電極５側を向く正面２７Ｆの外形線及び当該正面２７Ｆの背後に位置する背面２７Ｂの外形線が、互いに平行な直線状とされる一方で、前記正面２７Ｆ及び背面２７Ｂ間に位置する側面２７Ｓ１，２７Ｓ２の外形線が外側に凸の湾曲状とされている。尚、接地電極の断面形状はこれに限られるものではなく、例えば、図４に示すように、接地電極３７が断面矩形状をなすように構成してもよい。　
また、屈曲部２７Ｋの任意の位置を通り、かつ、前記中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極２７を構成する結晶粒が次のように構成されている。すなわち、図５に示すように、中心軸ＣＬ２に直交する断面において、接地電極２７の厚さ方向に沿って延び、前記断面における接地電極２７の最大厚さＭＴの１／３の長さを有する平行な二辺Ｌ１，Ｌ２と、接地電極２７の幅方向に沿って延び、前記断面における接地電極２７の最大幅ＭＷの１／３の長さを有する平行な二辺Ｌ３，Ｌ４とからなり、中心軸ＣＬ２を中心とする長方形ＳＱを取る。そして、図６（尚、図６では、図示の便宜上、結晶粒Ｘ０～Ｘ５を実際よりも大きく示すとともに、その他の結晶粒を不図示とし、さらに、ハッチングを省略している）に示すように、前記長方形ＳＱの中心ＣＰ（中心軸ＣＬ２）と重なる接地電極２７を構成する結晶粒Ｘ０と、前記各辺Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の各中点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に重なる４つの前記結晶粒Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４とについて、それぞれの結晶粒Ｘ０～Ｘ４における前記厚さ方向に沿った最大長さをＣ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４（μｍ）とし、前記幅方向に沿った最大長さをＢ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４（μｍ）とする。このとき、Ｃ０に対するＢ０の比（Ｂ０／Ｃ０）と、Ｃ１に対するＢ１の比（Ｂ１／Ｃ１）と、Ｃ２に対するＢ２の比（Ｂ２／Ｃ２）と、Ｃ３に対するＢ３の比（Ｂ３／Ｃ３）と、Ｃ４に対するＢ４の比（Ｂ４／Ｃ４）との平均値（以下、「Ｃに対するＢの比の平均値」ということがある）が１．５以上１０以下（より好ましくは、４以上１０以下）とされている。すなわち、接地電極２７の中央部（長方形ＳＱで囲まれた領域）において、結晶粒の大部分が厚さ方向に沿って押し潰された形状とされており、前記中央部が高強度を有するように構成されている。特に本実施形態では、中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極２７のうち前記長方形ＳＱの内側に位置する部位の硬度が、接地電極２７のうち前記長方形ＳＱの外側に位置する部位の硬度よりも大きなものとされている。例えば、接地電極２７のうち長方形ＳＱの内側に位置する部位の硬度が１４５ＨＶ程度であるときに、接地電極２７のうち長方形ＳＱの外側に位置する部位の硬度が１３０Ｖ程度とされ、接地電極２７のうち長方形ＳＱの内側に位置する部位の硬度が２２０ＨＶ～２４０ＨＶ程度であるときに、接地電極２７のうち長方形ＳＱの外側に位置する部位の硬度が２００ＨＶ程度とされている。　
尚、「接地電極２７のうち長方形ＳＱの内側に位置する部位の硬度」とあるのは、前記中心ＣＰ、及び、中点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４における接地電極２７の硬度の平均値をいう。また、「接地電極２７のうち長方形ＳＱの外側に位置する部位の硬度」とあるのは、中点Ｐ１及び接地電極２７の外表面のうち中点Ｐ１に最も接近する部位を結んだ線分の中点と、中点Ｐ２及び接地電極２７の外表面のうち中点Ｐ２に最も接近する部位を結んだ線分の中点と、中点Ｐ３及び接地電極２７の外表面のうち中点Ｐ３に最も接近する部位を結んだ線分の中点と、中点Ｐ４及び接地電極２７の外表面のうち中点Ｐ４に最も接近する部位を結んだ線分の中点とにおける接地電極２７の硬度の平均値をいう。　
加えて、本実施形態では、屈曲部２７Ｋの任意の位置を通り、かつ、前記中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極２７のうち前記長方形ＳＱで囲まれた領域を除いた領域の硬度が、ビッカース硬度で１３０Ｈｖ以上とされている。　
次に、上記のように構成されてなるスパークプラグ１の製造方法について説明する。　
まず、主体金具３を予め加工しておく。すなわち、円柱状の金属素材（例えば、鉄系素材やステンレス素材）に対して冷間鍛造加工等により概形を形成するとともに、貫通孔を形成する。その後、切削加工を施すことで外形を整え、主体金具中間体を得る。　
また、主体金具中間体とは別にＮｉ合金からなる直棒状（針状）の接地電極２７を製造しておく。すなわち、Ｎｉを９３質量％以上含有する合金に対して冷間鍛造加工（伸線加工）を施すことで、前記合金を徐々に細くしていく。冷間鍛造加工を経ることで、合金の硬度は１３０Ｈｖ以上とされる。　
そして、断面積が３．０ｍｍ2以下と十分に細くされるとともに、断面円形状とされた段階で、所定のローラ又は型を用いて前記線材を押圧変形させる。これにより、線材は、その側面部が互いに平行な２つの平面を有する形状となり、線材の断面形状は、接地電極２７の断面形状と同一とされる。尚、線材のうち、前記平板に接触する面が接地電極２７の正面２７Ｆ及び背面２７Ｂのうちの一方となり、線材のうち、前記加工面に接触する面が正面２７Ｆ及び背面２７Ｂのうちの他方となる。また、本実施形態では、Ｃに対するＢの比の平均値を１．５以上１０以下とするために、加工後において、平板及び加工面による挟圧方向と直交する方向に沿った線材の幅に対する、前記挟圧方向に沿った線材の厚さの比が０．８以下となるように、線材の押圧変形量が調節される。　
線材を押圧変形させた後、線材を所定長さに切断することにより、硬度が１３０Ｈｖ以上で直棒状の接地電極２７が得られる。尚、本実施形態では、直棒状の接地電極２７を得た後において、接地電極２７に熱処理が施されることなく、接地電極２７には押圧に伴う加工歪みが残った状態とされている。
続いて、得られた接地電極２７が、主体金具中間体の先端面に抵抗溶接される。当該溶接に際してはいわゆる「ダレ」が生じるので、その「ダレ」を除去した後、主体金具中間体の所定部位にねじ部１５が転造によって形成される。これにより、接地電極２７の溶接された主体金具３が得られる。また、接地電極２７の溶接された主体金具３には、亜鉛メッキ或いはニッケルメッキが施される。尚、耐食性の向上を図るべく、その表面に、さらにクロメート処理を施すこととしてもよい。　
一方、前記主体金具３とは別に、絶縁碍子２を成形加工しておく。例えば、アルミナを主体としバインダ等を含む原料粉末を用いて、成形用素地造粒物を調製するとともに、当該成形用素地造粒物を用いてラバープレス成形を行うことで、筒状の成形体が得られる。そして、得られた成形体に対し、研削加工が施され整形されるとともに、整形されたものが焼成炉で焼成されることにより、絶縁碍子２が得られる。　
また、前記主体金具３、絶縁碍子２とは別に、中心電極５を製造しておく。すなわち、中央部に放熱性向上を図るための銅合金等を配置したＮｉ合金に鍛造加工を施すことで中心電極５を作製する。　
次に、上記のようにして得られた絶縁碍子２及び中心電極５と、抵抗体７と、端子電極６とが、ガラスシール層８，９によって封着固定される。ガラスシール層８，９は、一般的にホウ珪酸ガラスと金属粉末とが混合されて調製されたものが、抵抗体７を挟むようにして絶縁碍子２の軸孔４内に注入された後、後方から前記端子電極６で押圧しつつ、焼成炉内にて加熱されることで焼成される。尚、このとき、後端側胴部１０表面には釉薬層が同時に焼成されることとしてもよいし、事前に釉薬層が形成されることとしてもよい。
その後、上記のようにそれぞれ作製された中心電極５及び端子電極６を備え

る絶縁碍子２と、接地電極２７を備える主体金具３とが固定される。より詳

しくは、主体金具３に絶縁碍子２を挿通した上で、比較的薄肉に形成された

主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締

め部２０を形成することによって絶縁碍子２と主体金具３とが固定される。
そして最後に、接地電極２７の略中間部分を中心電極５側に屈曲させることで屈曲部２７Ｋを形成するとともに、中心電極５及び接地電極２７間の火花放電間隙２８の大きさを調整することにより上述したスパークプラグ１が得られる。　
以上詳述したように、本実施形態によれば、接地電極２７は、Ｎｉを９３質量％以上含有する金属により形成されている。従って、接地電極２７の熱伝導性を飛躍的に向上させることができ、接地電極２７の耐消耗性を効果的に高めることができる。　
また、本実施形態では、屈曲部２７Ｋの任意の位置を通り、かつ、中心軸ＣＬ２と直交する断面において、Ｃに対するＢの比の平均値が１．５以上とされている。すなわち、接地電極２７の中心部（前記長方形ＳＱで囲まれた部位）において、結晶粒の大部分が厚さ方向に沿って押し潰され、歪みを持った形状とされており、接地電極２７の中心部に高強度の芯が存在するような形となっている。これにより、接地電極２７の強度を著しく高めることができ、本実施形態のように、接地電極２７の断面積が３．０ｍｍ2（２．２ｍｍ2）以下とされ、接地電極２７の起き上がりが特に懸念される場合であっても、接地電極２７の起き上がりをより確実に抑制することができる。　
尚、Ｃに対するＢの比の平均値を４以上とすることで、接地電極２７の強度を格段に向上でき、接地電極２７の起き上がり抑制効果を飛躍的に高めることができる。　
加えて、Ｃに対するＢの比の平均値が１０以下とされているため、屈曲部２７Ｋの形成時などにおける、接地電極２７の割れ等をより確実に防止することができる。　
さらに、本実施形態では、接地電極２７のうち前記長方形ＳＱで囲まれた領域を除いた領域の硬度が、ビッカース硬度で１３０Ｈｖ以上とされている。従って、接地電極２７のうちその中心部の周囲に位置する部位の強度を高めることができ、接地電極２７の起き上がり抑制効果をさらに向上させることができる。　
また、Ｃに対するＢの比の平均値が比較的大きい（例えば、７以上１０以下の）とき、すなわち、接地電極２７のうち長方形ＳＱの内側に位置する部位の硬度が比較的大きいときにおいて、接地電極２７のうち長方形ＳＱの外側に位置する部位の硬度が、長方形ＳＱの内側に位置する部位の硬度以上とされている場合には、屈曲部２７Ｋの形成時等において、応力負荷の大きい接地電極２７の外表面側（長方形ＳＱの外側）にて割れ等が発生しやすくなってしまうおそれがある。しかしながら、本実施形態では、接地電極２７のうち長方形ＳＱの内側に位置する部位の硬度が、接地電極２７のうち長方形ＳＱの外側に位置する部位の硬度よりも大きなものとされており、接地電極２７のうち長方形ＳＱの外側に位置する部位の硬度が比較的小さなものとされている。従って、Ｃに対するＢの比の平均値が１０以下であることと相俟って、屈曲部２７Ｋの形成時等における接地電極２７の割れ等をより一層確実に防止することができる。　
次いで、上記実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、接地電極におけるＮｉの含有量を９３質量％又は９７質量％とした上で、接地電極の断面積と、屈曲部のうち接地電極の中心軸の曲率半径が最小となる位置におけるＣに対するＢの比の平均値と、前記位置における接地電極のうち前記長方形で囲まれた領域を除いた領域の硬度（中心部外硬度）とを種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、各サンプルについて、耐起き上がり性試験を行った。耐起き上がり性試験の概要は次の通りである。すなわち、サンプルの接地電極を所定のバーナーにより約９００℃に加熱しつつ、振動周波数を４０Ｈｚ、振動振幅を５ｍｍ、加速度を約１５Ｇとして、サンプルに対して５時間に亘って振動を加えた。５時間経過後、火花放電間隙の大きさを計測し、試験前の火花放電間隙の大きさに対する増加量（ギャップ増加量）を測定した。ここで、ギャップ増加量が０．００ｍｍとなったサンプルは、接地電極の起き上がりを極めて効果的に抑制できるとして「☆」の評価を下し、ギャップ増加量が０．００ｍｍ超０．０２ｍｍ未満となったサンプルは、接地電極の起き上がり抑制効果に優れるとして「◎」の評価を下し、ギャップ増加量が０．０２ｍｍ以上０．０４ｍｍ未満となったサンプルは、接地電極の起き上がりを十分に抑制できるとして「○」の評価を下すこととした。一方で、ギャップ増加量が０．０４ｍｍ以上となったサンプルは、接地電極の起き上がりがやや生じやすいとして「×」の評価を下すこととした。表１に、当該試験の試験結果を示す。　
尚、Ｃに対するＢの比の平均値は、接地電極（線材）の押圧変形量を調節することで変更した。加えて、中心部外硬度は、接地電極に熱処理を施すことで変更した。また、接地電極は、その全域において同一の断面積を有するように構成した。さらに、接地電極は、Ｎｉの他に、希土類元素と、Ｓｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｐ、及び、Ｓのうち少なくとも一種とを含有する合金により形成した。加えて、サンプル１は、接地電極を断面矩形状とし、その他のサンプルは、接地電極の正面及び背面を平坦状とし、接地電極の側面が外側に凸の湾曲面状となるように構成した。さらに、表１には、希土類元素の総含有量や、ＳｉやＣｒ等の総含有量を併せて示す。　
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
表１に示すように、接地電極の断面積を３．０ｍｍ2超としたサンプル（サンプル１，１５）は、ギャップ増加量が０．００ｍｍとなり、接地電極の起き上がりが生じなかった。　
また、表１には示していないが、Ｎｉの含有量が９３質量％未満の金属〔例えば、インコネル（登録商標）６０１等〕により接地電極を形成した場合には、接地電極の硬度が十分に大きなものとなり、この接地電極（断面積を１．８ｍｍ2～３．０ｍｍ2とした）を有するスパークプラグに対して、上述の耐起き上がり性試験を行ったところ、Ｃに対するＢの比の平均値を１．５未満とした場合であっても、ギャップ増加量が０．００ｍｍとなり、接地電極の起き上がりは生じなかった。　
その一方で、Ｃに対するＢの比の平均値や中心部外硬度をサンプル１，９と同一としたものの、接地電極の断面積を３．０ｍｍ2以下とし、かつ、接地電極をＮｉを９３質量％以上含有する金属により形成したサンプル（サンプル２，３，１６，１７）は、ギャップ増加量が０．０４ｍｍを上回り、接地電極の起き上がりが生じやすいことが確認された。また特に、接地電極の断面積を２．２ｍｍ2以下としたサンプル（サンプル３，１７）は、ギャップ増加量が著しく増加し、接地電極の起き上がりが極めて生じやすいことが確認された。　
これに対して、Ｃに対するＢの比の平均値を１．５以上としたサンプル（サンプル４～１４，１８～２８）は、接地電極の断面積が３．０ｍｍ2以下とされるとともに、接地電極におけるＮｉ含有量が９３質量％以上とされ、接地電極の起き上がりが非常に生じやすい条件においても、ギャップ増加量が０．０３ｍｍ以下となり、接地電極の起き上がりをより確実に抑制できることが明らかとなった。これは、接地電極の中心部において結晶粒に歪みを持たせたことで、接地電極の中心部における強度が向上したためであると考えられる。　
さらに、接地電極の断面積及びＣに対するＢの比の平均値を同一とした上で、中心部外硬度のみを変更させたサンプル（サンプル５，６及びサンプル１９，２０）における試験結果から、中心部外硬度を１３０Ｈｖ以上とすることで、接地電極の起き上がり抑制効果がさらに向上することが確認された。
加えて、Ｃに対するＢの比の平均値を４以上としたサンプル（サンプル８～１４，２２～２８）は、接地電極の断面積を２．２ｍｍ2以下とし、接地電極の起き上がりが極めて懸念される条件においても、ギャップ増加量が０．００ｍｍとなり、接地電極の起き上がりを非常に効果的に抑制できることが分かった。これは、接地電極の中心部における強度が著しく向上したためであると考えられる。　
上記試験の結果より、接地電極の断面積が３．０ｍｍ2以下とされるとともに、接地電極におけるＮｉ含有量が９３質量％以上とされ、接地電極における起き上がりの発生が特に懸念されるスパークプラグにおいて、接地電極の起き上がりをより確実に抑制するためには、屈曲部のうち接地電極の中心軸の曲率半径が最小となる位置において、Ｃに対するＢの比の平均値を１．５以上とすることが好ましいといえる。　
また、接地電極の起き上がり抑制効果をより一層向上させるべく、接地電極のうち前記長方形で囲まれた領域を除いた領域の硬度をビッカース硬度で１３０Ｈｖ以上としたり、Ｃに対するＢの比の平均値を４以上としたりすることがより好ましいといえる。　
尚、接地電極の起き上がり抑制効果をより高めるという観点では、屈曲部の任意の位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において（すなわち、屈曲部の全域において）、Ｃに対するＢの比の平均値が１．５以上となるように構成することがより好ましい。この場合には、接地電極は、その屈曲部において中心部に高強度の芯を持つような形となり、接地電極の起き上がり抑制効果を一層高めることができる。　
また、接地電極の押圧変形量を過度に増大させ、Ｃに対するＢの比の平均値を１０超とした場合には、接地電極の中心部以外に位置する結晶粒においても歪みが残り、屈曲部の形成時などにおいて、接地電極に割れ等が生じてしまうおそれがある。従って、Ｃに対するＢの比の平均値を１０以下とすることが好ましい。　
尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。
（ａ）上記実施形態では、接地電極２７の中心軸ＣＬ２と直交する方向に沿った任意の断面において接地電極２７の断面積が３．０ｍｍ2以下とされるとともに、屈曲部２７Ｋの任意の位置を通り中心軸ＣＬ２と直交する断面において、前記比の平均値が１．５以上１０以下とされている。すなわち、接地電極２７全域の断面積が３．０ｍｍ2以下とされたスパークプラグにおいて、屈曲部２７Ｋの全域において前記比の平均値が１．５以上１０以下とされている。しかしながら、必ずしも屈曲部２７Ｋの全域において、前記比の平均値を１．５以上１０以下とする必要はない。少なくとも屈曲部２７Ｋのうち中心軸ＣＬ２の曲率半径が最小となる位置ＬＰ（接地電極２７のうち起き上がりが最も生じやすい位置）での接地電極２７の断面積が３．０ｍｍ2以下とされたスパークプラグにおいて、前記位置ＬＰを通り中心軸ＣＬ２と直交する断面における、前記比の平均値が１．５以上１０以下とされていればよい。すなわち、接地電極２７のうち起き上がりが最も生じやすい位置において、前記比の平均値が１．５以上１０以下とされていればよく、このように構成した場合であっても、接地電極２７の起き上がりを抑制する面で十分な効果を得ることができる。　
（ｂ）上記実施形態では、中心電極５の先端部と接地電極２７の先端部との間に火花放電間隙２８が形成されている。

これに対して、中心電極５及び接地電極２７の一方又は双方に、耐久性に優れる金属（例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｗ、Ｐｄ、又は、これらの少なくとも一種を主成分とする合金など）からなるチップを接合し、火花放電間隙２８を、一方の電極５（２７）に設けられたチップと他方の電極２７（５）との間に形成したり、両電極５，２７に設けられたチップ同士の間に形成したりしてもよい。

尚、接地電極２７にチップを設けた場合、接地電極２７のうち前記長方形ＳＱで囲まれた領域を除いた領域の硬度は、チップの接合に伴う硬度変化が生じ得る部位以外の部位で測定される。　
（ｃ）接地電極２７の断面形状は、上記実施形態における断面形状に限定されるものではない。従って、例えば、図７に示すように、中心軸ＣＬ２と直交する断面において、接地電極４７の正面４７Ｆの外形線を直線状とする一方で、接地電極４７のその他の外形線を外側に凸の湾曲状としてもよい。また、例えば、前記断面において、接地電極の背面の外形線を直線状とする一方で、接地電極のその他の外形線を外側に凸の湾曲状としてもよい。尚、前記比の平均値を１．５以上とするためには、接地電極の結晶粒を接地電極の厚さ方向に沿って潰し変形させることが必要である。そのため、線材として断面円形状のものと用いた場合には、上述の通り、接地電極の正面及び背面のうちの少なくとも一方の外形線が直線状となるように線材に押圧加工が加えられ、その結果、前記比の平均値が１．５以上とされる。　
（ｄ）上記実施形態では、接地電極２７に希土類元素が含有されているが、接地電極２７に希土類元素を含有させなくてもよい。　
（ｅ）上記実施形態では、主体金具３の先端面２６に接地電極２７が接合される場合について具体化しているが、主体金具の一部（又は、主体金具に予め溶接してある先端金具の一部）を削り出すようにして接地電極を形成する場合についても適用可能である（例えば、特開２００６－２３６９０６号公報等）。　
（ｆ）上記実施形態では、工具係合部１９は断面六角形状とされているが、工具係合部１９の形状に関しては、このような形状に限定されるものではない。例えば、Ｂｉ－ＨＥＸ（変形１２角）形状〔ＩＳＯ２２９７７：２００５（Ｅ）〕等とされていてもよい。
１…スパークプラグ、２…絶縁碍子（絶縁体）、３…主体金具、４…軸孔、５…中心電極、２７…接地電極、２７Ｋ…屈曲部、２８…火花放電間隙（間隙）ＣＬ１…軸線、ＣＬ２…（接地電極の）中心軸、ＣＰ…（長方形の）中心、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…中点、ＳＱ…長方形、Ｘ０，Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４…結晶粒。

Claims (5)

  1. 軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、

    　前記軸孔の先端側に挿設された中心電極と、

    　前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、

    　自身の基端部が前記主体金具に固定されるとともに、屈曲部にて前記中心電極側へと曲げられ、自身の先端部が前記中心電極との間で間隙を形成する接地電極とを備えるスパークプラグであって、

    　前記接地電極は、ニッケルを９３質量％以上含有する金属により形成され、

    　前記接地電極の中心軸に直交する断面において、前記接地電極の厚さ方向に沿って延び、前記断面における最大厚さの１／３の長さを有する平行な二辺と、前記接地電極の幅方向に沿って延び、前記断面における最大幅の１／３の長さを有する平行な二辺とからなり、前記中心軸を中心とする長方形を取り、前記長方形の中心と重なる前記接地電極を構成する結晶粒と、前記長方形を構成する各辺の各中点に重なる４つの前記結晶粒とについて、前記厚さ方向に沿った最大長さをＣ（μｍ）とし、前記幅方向に沿った最大長さをＢ（μｍ）としたとき、

    　前記屈曲部のうち前記接地電極の中心軸の曲率半径が最小となる位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において、

    　前記接地電極の断面積が３．０ｍｍ2以下であり、

    　Ｃに対するＢの比の平均値が１．５以上１０以下であることを特徴とするスパークプラグ。
  2. 前記屈曲部の任意の位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において、

    　前記比の平均値が１．５以上１０以下であることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
  3. 前記断面において、前記接地電極のうち前記長方形で囲まれた領域を除いた領域の硬度が、ビッカース硬度で１３０Ｈｖ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
  4. 前記比の平均値が４以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
  5. 前記屈曲部の任意の位置を通り、かつ、前記中心軸と直交する断面において、

    　前記接地電極の断面積が２．２ｍｍ2以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
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