WO2014024501A1 - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

接地電極において、耐酸化性の十分な向上を図りつつ、その過熱をより確実に防止する。スパークプラグ（１）は、主体金具（３）及び接地電極（２７）を備える。接地電極（２７）は、主体金具（３）の先端部から先端側に向けて延びる電極基部（２７１）と、電極基部（２７１）の先端に一端が連接された屈曲部（２７２）と、屈曲部（２７２）の他端から延び、中心電極（５）との間で火花放電間隙（２８）を形成する電極先端部（２７３）とを具備する。接地電極（２７）のうち少なくとも電極先端部（２７３）において、少なくとも先端面（２７Ｆ）と、外周面のうち中心電極（５）側に位置する面（２７Ａ）以外の面とには、接地電極（２７）の母材における耐酸化性よりも優れた耐酸化性を有する材料からなる被膜層（３１）が設けられる。電極基部（２７１）の少なくとも一部は、接地電極（２７）の母材が露出する。

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配置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おいて自身の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間隙が形成される。そして、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。

　また近年では、接地電極における耐酸化性の向上を図るべく、接地電極のうち、中心電極側に位置し、中心電極との間で前記間隙を形成する部位（放電部）を、耐酸化性に優れる金属からなる保護層で覆う技術が提案されている（例えば、特許文献１，２等参照）。また、特許文献１には、接地電極の表面全域を前記保護層で覆う手法も提案されている。

特表２００９－５３３８０２号公報 特表平１１－５１４１４５号公報

　しかしながら、内燃機関等の動作時においては、接地電極のうち、放電部よりも燃焼室の中心側に位置するとともに、主体金具の先端からより突出する部位が特に高温となる。すなわち、接地電極の先端部のうち、先端面や、外周面のうち中心電極側に位置する面以外の面が特に高温となり、酸化腐食が生じてしまいやすい。従って、放電部に保護層を設ける手法では、耐酸化性を十分に向上させることができないおそれがある。

　これに対して、接地電極の表面全域を保護層で覆う手法を採用すれば、良好な耐酸化性を実現することができる。ところが、保護層の構成材料には、優れた耐酸化性を実現するために、クロムやアルミニウムなどの添加物が含有されるため、保護層は熱伝導性に劣る。従って、接地電極の表面全域を保護層で覆った場合には、接地電極の熱が放散されにくくなり、接地電極の熱引きが悪化してしまう。その結果、接地電極が過熱されてしまい、接地電極を熱源とする早期着火（プレイグニッション）や、耐消耗性の低下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、接地電極において、耐酸化性の十分な向上を図りつつ、その過熱をより確実に防止することができるスパークプラグを提供することにある。

　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、
　前記主体金具の先端部に配置され、前記中心電極との間に間隙を形成する接地電極とを備え、
　前記接地電極は、
　前記主体金具の先端部から前記軸線方向先端側に向けて延びる電極基部と、
　前記電極基部の先端に一端が連接された湾曲状の屈曲部と、
　前記屈曲部の他端から前記電極基部の延出方向と異なる方向に向けて延び、前記中心電極との間で前記間隙を形成する電極先端部とを具備するスパークプラグであって、
　前記接地電極のうち少なくとも前記電極先端部において、少なくとも先端面と、外周面のうち前記中心電極側に位置する面以外の面とには、前記接地電極の母材における耐酸化性よりも優れた耐酸化性を有する材料からなる被膜層が設けられ、
　前記電極基部の少なくとも一部は、前記接地電極の母材が露出していることを特徴とする。

　上記構成１によれば、接地電極の電極先端部のうち、少なくとも先端面と、外周面のうち中心電極側に位置する面以外の面とには、耐酸化性に優れる被膜層が設けられている。すなわち、内燃機関等の動作時において特に高温となり、酸化腐食が懸念される部位に対して、被膜層が設けられている。従って、接地電極の酸化腐食を効果的に防止することができ、耐酸化性を十分に向上させることができる。

　また、上記構成１によれば、比較的高温となりにくく、酸化腐食が比較的生じにくい電極基部の少なくとも一部において、あえて被膜層を設けずに接地電極の母材が露出するように構成されている。従って、良好な耐酸化性を維持しつつ、接地電極の熱が放散されやすくなり、接地電極の熱引きを向上させることができる。その結果、接地電極の過熱をより確実に防止することができる。

　加えて、上記構成１によれば、電極基部の少なくとも一部には被膜層を設けずに済むため、被膜層を設ける際における、加工時間の短縮や製造コストの低減を図ることができる。その結果、生産性の向上を図ることができる。

　尚、接地電極の外周面のうち中心電極側の面には、被膜層を設けてもよいし、設けなくてもよい。但し、被膜層を設けたとしても、火花放電に伴い被膜層は短期間で剥離してしまいやすく、耐酸化性の向上にほとんど寄与しない。従って、生産性の面を考慮すると、中心電極側の面に被膜層を設けない方が好ましい。

　構成２．本構成のスパークプラグは、上記構成１において、前記電極基部の外表面全域において、前記接地電極の母材が露出していることを特徴とする。

　上記構成２によれば、電極基部は被膜層で覆われることなく、電極基部の外表面全域において接地電極の母材が露出するように構成されている。従って、接地電極の熱引きをより向上させることができ、接地電極の過熱を一層確実に防止することができる。

　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、前記被膜層は、前記電極先端部のみに設けられ、
　前記屈曲部は、前記接地電極の母材が露出していることを特徴とする。

　上記構成３によれば、被膜層は、特に高温となりやすく酸化腐食が生じやすい電極先端部の先端面等のみに設けられ、屈曲部においては、接地電極の母材が露出するように構成されている。従って、優れた耐酸化性を確保しつつ、接地電極の熱引きを一層向上させることができ、接地電極の過熱防止効果を一層高めることができる。

　また、屈曲部に被膜層を設けずに済むため、被膜層を設ける際における加工時間の短縮等をより効果的に図ることができる。その結果、生産性を一層向上させることができる。

　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、前記接地電極の母材は、ニッケル（Ｎｉ）を９０質量％以上含有する金属により形成されることを特徴とする。

　上記構成４によれば、接地電極の母材は、Ｎｉを９０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高めることができ、接地電極の過熱防止効果（耐消耗性）をより向上させることができる。

　一方で、Ｎｉは耐酸化性に比較的劣るため、上記構成４のように、接地電極の母材をＮｉを多量に含む金属により形成した場合には、耐酸化性の低下がより懸念される。しかしながら、上記構成１等を採用し、被膜層を設けることで、良好な耐酸化性を実現することができる。換言すれば、上記構成１等は、接地電極の過熱防止効果（耐消耗性）をより向上させるべく、接地電極の母材をＮｉを９０質量％以上含有する金属により形成した場合に、特に有意である。

　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、前記被膜層の厚さは、５μｍ以上６０μｍ以下であることを特徴とする。

　上記構成５によれば、被膜層の厚さが５μｍ以上とされているため、接地電極に対する酸素の接触をより効果的に抑制することができる。従って、耐酸化性の更なる向上を図ることができる。

　また、上記構成５によれば、被膜層の厚さが６０μｍ以下とされている。従って、接地電極のうち被膜層で覆われた部位において放熱がされやすくなり、接地電極の熱引きをより高めることができる。その結果、接地電極の過熱をより一層確実に防止することができる。

　構成６．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至５のいずれかにおいて、前記被膜層は、前記電極先端部のみに設けられる、又は、

　前記被膜層は、前記電極先端部及び前記屈曲部に設けられるとともに、前記電極先端部に設けられた前記被膜層の最小厚さが、前記屈曲部に設けられた被膜層の最小厚さよりも大きいことを特徴とする。

　上記構成６によれば、電極先端部における被膜層の最小厚さが、屈曲部における被膜層の最小厚さ（尚、電極先端部のみに被膜層を設けた場合、屈曲部における被膜層の最小厚さは０となる）よりも大きなものとされている。すなわち、特に高温となりやすく、酸化腐食が懸念される電極先端部の先端面等には、厚肉の被膜層が設けられている。従って、電極先端面の先端面等に対する酸素の接触を効果的に抑制することができ、耐酸化性をより効果的に向上させることができる。

　構成７．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至６のいずれかにおいて、前記電極先端部に設けられた前記被膜層において、前記先端面に設けられた前記被膜層の最小厚さが、前記外周面のうち前記中心電極側に位置する面以外の面に設けられた前記被膜層の最小厚さよりも大きいことを特徴とする。

　上述の通り、電極先端部のうち先端面や中心電極側の面以外の面は、高温となりやすく酸化腐食が生じてしまいやすいが、特に先端面は、主体金具から最も離間し、主体金具側へと熱が引かれにくいことから、非常に高温となりやすく、酸化腐食が極めて生じてしまいやすい。

　この点を鑑みて、上記構成７によれば、先端面における被膜層の最小厚さが、中心電極側の面以外の面における被膜層の最小厚さよりも大きなものとされている。従って、先端面に対する酸素の接触を極めて効果的に抑制することができ、耐酸化性をより効果的に向上させることができる。

　構成８．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至７のいずれかにおいて、前記電極先端部において、前記被膜層は、前記先端面、及び、前記外周面のうち前記中心電極側に位置する面以外の面のみに設けられる、又は、

　前記電極先端部において、前記被膜層は、前記電極先端部の外表面全域に設けられるとともに、前記電極先端部のうち前記中心電極側に位置する面に設けられた前記被膜層の最小厚さが、前記先端面、及び、前記外周面のうち前記中心電極側に位置する面以外の面に設けられた前記被膜層の最小厚さよりも小さいことを特徴とする。

　上述の通り、電極先端部のうち中心電極側の面（つまり、中心電極との間で間隙を形成する面）に設けられた被膜層は、火花放電に伴い剥離してしまいやすい。また、一般に被膜層の耐消耗性は、接地電極の母材の耐消耗性よりも劣る。そのため、電極先端部のうち中心電極側の面（つまり、中心電極との間で間隙を形成する面）に厚肉の被膜層を設けた場合には、被膜層の剥離や火花放電に伴う被膜層の急激な消耗により、間隙の大きさが短期間で大幅に増大してしまうおそれがある。間隙の大きさが増大してしまうと、火花放電を生じさせるために必要な電圧（放電電圧）が増大してしまうため、接地電極（被膜層）や中心電極が急激な消耗等を招いてしまうおそれがある。

　この点、上記構成８のように、電極先端部のうち中心電極側の面に被膜層が設けないこととすれば、間隙の大きさが急激に増大してしまうことをより確実に防止できる。

　また、上記構成８によれば、中心電極側の面に被膜層が設けられる場合であっても、当該被膜層の最小厚さが、電極先端部の先端面及び中心電極側の面以外の面における被膜層の最小厚さよりも小さなものとされている。従って、被膜層が剥離したり、火花放電に伴い被膜層が急激に消耗したりした場合であっても、間隙の大きさが大幅に増大してしまうことをより確実に防止できる。その結果、放電電圧の増大を抑制することができ、接地電極等の急激な消耗等を効果的に抑制することができる。

　構成９．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至８のいずれかにおいて、前記被膜層は、Ｎｉ、コバルト（Ｃｏ）、及び、クロム（Ｃｒ）を含有する材料からなることを特徴とする。

　上記構成９によれば、被膜層は、耐酸化性に優れるＣｒを含有する材料から形成されている。従って、接地電極における耐酸化性をより確実に向上させることができる。

　構成１０．本構成のスパークプラグは、上記構成９において、前記被膜層は、イットリウム（Ｙ）及びアルミニウム（Ａｌ）を含有する材料からなることを特徴とする。

　上記構成１０によれば、被膜層の構成材料には、Ｃｒとともに、良好な耐酸化性を有するＹやＡｌが含有されている。従って、接地電極における耐酸化性をより一層確実に向上させることができる。

　構成１１．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至１０のいずれかにおいて、前記被膜層は、高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）、高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）、プラズマ溶射、コールドスプレー法、又は、エアロゾルデポジション（Ａｅｒｏｓｏｌ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成されることを特徴とする。

　上記構成１１によれば、被膜層を形成する際における、接地電極の温度上昇を抑制することができる。従って、熱による接地電極の損傷をより確実に防止することができる。さらに、接地電極の損傷防止が図られることで、接地電極に対する被膜層の密着性を高めることができ、被膜層の耐剥離性を向上させることができる。その結果、優れた耐酸化性を長期間に亘って維持することができる。

スパークプラグの構成を示す一部破断正面図である。 （ａ）は、スパークプラグの先端部の構成を示す拡大正面図であり、（ｂ）は、スパークプラグの先端部の構成を示す一部破断拡大側面図である。 被膜層の厚さを説明するための部分拡大正面図である。 被膜層の別例を示す拡大正面図である。 別例における被膜層の厚さを説明するための部分拡大正面図である。 接地電極の表面全域に被膜層を設けたサンプル１と、接地電極の電極先端部及び屈曲部のみに被膜層を設けたサンプル２とにおける、加熱時温度測定試験の試験結果を示すグラフである。 接地電極の電極先端部及び屈曲部のみに被膜層を設けたサンプル２と、電極先端部のみに被膜層を設けたサンプル３とにおける、加熱時温度測定試験の試験結果を示すグラフである。 接地電極の母材のＮｉ含有量を種々変更したサンプルにおける、机上バーナー試験の試験結果を示すグラフである。 被膜層の厚さを種々変更したサンプルにおける、加熱時温度測定試験の試験結果を示すグラフである。 別の実施形態における被膜層の構成を示す拡大正面図である。 別の実施形態における被膜層の構成を示す拡大正面図である。 別の実施形態における被膜層の厚さを説明するための部分拡大正面図である。 別の実施形態における中心電極の構成を示す一部破断拡大正面図である。 （ａ），（ｂ）は、別の実施形態における接地電極の構成を示す拡大断面図である。 （ａ）～（ｃ）は、被覆層の組成を変更したサンプルに関し、試験後の酸化膜厚みを示す、接地電極の電極先端部の断面模式図である。

　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と、径方向内側に向けて屈曲する加締め部２０とが設けられている。

　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（ａ），（ｂ）に示すように、主体金具３の先端部２６には、Ｎｉを９０質量％以上含有する金属からなる断面矩形状の接地電極２７が配置されている。接地電極２７は、自身の中間部分にて曲げ返されており、電極基部２７１、屈曲部２７２、及び、電極先端部２７３を備えている。

　電極基部２７１は、自身の基端部が主体金具３の先端部２６に接合され、軸線ＣＬ１方向先端側に向けて延びる直棒状をなしている。屈曲部２７２は、自身の一端が電極基部２７１の先端に連接されており、湾曲状（屈曲状）をなしている。電極先端部２７３は、屈曲部２７２の他端から電極基部２７１の延出方向と異なる方向（本実施形態では、軸線ＣＬ１と直交する方向）に向けて延びる直棒状をなしている。加えて、電極先端部２７３と中心電極５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。

　加えて、着火性の向上を図るべく、接地電極２７は、主体金具３の先端に対する軸線ＣＬ１方向に沿った突出長Ｌが比較的大きなもの（例えば、７ｍｍ以上）とされている。一方で、突出長Ｌを比較的大きなものとした場合には、接地電極２７の先端側がより高温となりやすく、接地電極２７の先端部における酸化腐食が懸念される。

　この点を鑑みて、本実施形態では、接地電極２７のうち少なくとも電極先端部２７３において、少なくとも先端面２７Ｆと、接地電極２７の外周面のうち中心電極５側に位置する面である対向面２７Ａ以外の面とには、耐酸化性に優れる被膜層３１（尚、図２等では、図示の便宜上、被膜層３１を実際よりも厚肉に示している）が設けられている。具体的には、先端面２７Ｆと、前記対向面２７Ａの背後に位置する背面２７Ｂと、対向面２７Ａ及び背面２７Ｂに隣接する両側面２７Ｓ１，２７Ｓ２とに対して、被膜層３１が設けられている。本実施形態において、被膜層３１は、電極先端部２７３のみに設けられており、屈曲部２７２は、接地電極２７の母材が露出している。

　また、被膜層３１は、Ｎｉ、コバルト（Ｃｏ）、及び、クロム（Ｃｒ）を含有する金属材料により構成されており、当該金属材料は、接地電極２７の母材（Ｎｉを９０質量％以上含有する金属）における耐酸化性よりも優れた耐酸化性を有するものとされている。尚、被膜層３１を構成する金属材料に、イットリウム（Ｙ）及びアルミニウム（Ａｌ）を含有させることとしてもよい。

　また、耐酸化性の優劣は、次の手法により判断することができる。すなわち、所定の金属（例えば、Ｎｉを主成分とする合金）からなる金属片の表面に被膜層の形で設け、所定のバーナーにより前記金属片を繰り返し加熱・冷却した際に金属片の表面に形成される酸化膜の厚さが、接地電極２７の母材と同一の金属から被膜層を形成した場合に形成される酸化膜の厚さよりも小さくなる金属材料は、接地電極２７の母材における耐酸化性よりも優れた耐酸化性を有するということができる。尚、加熱・冷却は、例えば、金属片が１０００℃となるように２分間加熱した後、１分間する徐冷することを１サイクルとして、３０００サイクル程度行われる。

　加えて、上述のように、被膜層３１を設けることで耐酸化性の向上を図ることができるものの、ＣｒやＡｌなどの添加物を含有する被膜層３１は、接地電極２７の母材等と比べて熱伝導性に劣る。そのため、被膜層３１を設けることで、接地電極２７の熱引きが悪化してしまい、突出長Ｌが比較的大きいことも相まって、接地電極２７（特に先端部）が過熱されてしまうことが懸念される。

　この点を考慮して、本実施形態では、電極基部２７１の少なくとも一部は、被膜層３１で覆われることなく、接地電極２７の母材が露出するように構成されている。すなわち、主体金具３側へと熱が引かれやすく、比較的高温となりにくい（酸化しにくい）電極基部２７１の少なくとも一部を、あえて被膜層３１で覆うことなく、接地電極２７の母材が露出するように構成されている。これにより、接地電極２７の熱引きを向上させることができるようになっている。特に本実施形態では、上述の通り、電極先端部２７３のみに被膜層３１が設けられているため、電極基部２７１及び屈曲部２７２の外表面全域において、接地電極２７の母材が露出するように構成されており、接地電極２７の熱引きを格段に向上できるようになっている。

　さらに、本実施形態では、被膜層３１の厚さが、５μｍ以上６０μｍ以下とされている。

　加えて、図３に示すように、電極先端部２７３に設けられた被膜層３１において、先端面２７Ｆに設けられた被膜層３１の最小厚さＴ１は、前記背面２７Ｂや両側面２７Ｓ１，２７Ｓ２に設けられた被膜層３１の最小厚さＴ２よりも大きなものとされている。すなわち、主体金具３側へと熱が最も伝導しにくく、最も高温となりやすい（最も酸化しやすい）先端面２７Ｆは、特に厚肉の被膜層３１で覆われている。

　また、本実施形態において、被膜層３１は、高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）、高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）、プラズマ溶射、コールドスプレー法、又は、エアロゾルデポジション（Ａｅｒｏｓｏｌ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成されている。すなわち、被膜層３１は、その形成時において、接地電極２７の温度を過度に上昇させることのない手法により形成されている。

　尚、被膜層３１は、必ずしも電極先端部２７３のみに設けられるものではなく、図４に示すように、被膜層３１を、屈曲部２７２及び電極先端部２７３に設けることとしてもよい。また、この場合には、図５に示すように、電極先端部２７３に設けられた被膜層３１の最小厚さＴ２を、屈曲部２７２に設けられた被膜層３１の最小厚さＴ３よりも大きくすることが好ましい。すなわち、主体金具３側へと熱が伝導しにくく、高温となりやすい（酸化しやすい）電極先端部２７３の先端面２７Ｆや背面２７Ｂ等を、比較的厚肉の被膜層３１で覆うことが好ましい。この場合には、先端面２７Ｆや背面２７Ｂ等に対する酸素の接触をより確実に防止することができ、耐酸化性の向上を図ることができる。

　以上詳述したように、本実施形態によれば、電極先端部２７３のうち、先端面２７Ｆと、背面２７Ｂと、両側面２７Ｓ１，２７Ｓ２とには、耐酸化性に優れる被膜層３１が設けられている。従って、接地電極２７の酸化腐食を効果的に防止することができ、耐酸化性を十分に向上させることができる。

　また、本実施形態では、比較的高温となりにくく、酸化腐食が比較的生じにくい電極基部２７１や屈曲部２７２の外表面全域において、あえて被膜層３１を設けずに接地電極２７の母材が露出するように構成されている。従って、良好な耐酸化性を維持しつつ、接地電極２７の熱が非常に放散されやすくなり、接地電極２７の熱引きを著しく向上させることができる。その結果、接地電極２７の過熱を極めて効果的に防止することができる。

　加えて、電極基部２７１や屈曲部２７２には被膜層３１を設けずに済むため、被膜層３１を設ける際における、加工時間の短縮や製造コストの低減を図ることができる。その結果、生産性の向上を図ることができる。

　また、接地電極２７の母材は、Ｎｉを９０質量％以上含有する金属により形成されている。そのため、接地電極２７の熱伝導性を高めることができ、接地電極２７の過熱防止効果（耐消耗性）をより向上させることができる。

　一方で、Ｎｉは耐酸化性に比較的劣るが、被膜層３１を設けることで、接地電極２７において良好な耐酸化性を実現することができる。換言すれば、被膜層３１を設けることは、接地電極２７の過熱防止効果（耐消耗性）をより向上させるべく、接地電極２７の母材をＮｉを９０質量％以上含有する金属により形成した場合に、特に有意である。

　加えて、先端面２７Ｆにおける被膜層３１の最小厚さＴ１が、背面２７Ｂ及び両側面２７Ｓ１，２７Ｓ２における被膜層３１の最小厚さＴ２よりも大きなものとされている。従って、特に高温となりやすい先端面２７Ｆに対する酸素の接触を極めて効果的に抑制することができ、耐酸化性をより効果的に向上させることができる。

　また、電極先端部２７３の対向面２７Ａには、被膜層３１が設けられないため、火花放電に伴い火花放電間隙２８の大きさが大幅に増大してしまうことをより確実に防止できる。その結果、放電電圧の増大を抑制することができ、接地電極２７や中心電極５の急激な消耗等を効果的に抑制することができる。

　さらに、被膜層３１の構成材料には、良好な耐酸化性を有するＣｒが含有されている。従って、耐酸化性をより一層確実に向上させることができる。また、被膜層３１の構成材料にＹ及びＡｌを含有させることで、耐酸化性の更なる向上を図ることができる。

　加えて、被膜層３１は、高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）、高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）、プラズマ溶射、コールドスプレー法、又は、エアロゾルデポジション（Ａｅｒｏｓｏｌ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成されている。そのため、被膜層３１を形成する際における、接地電極２７の温度上昇を抑制することができ、熱による接地電極２７の損傷をより確実に防止することができる。さらに、接地電極２７の損傷防止が図られることで、接地電極２７に対する被膜層３１の密着性を高めることができ、被膜層３１の耐剥離性を向上させることができる。その結果、優れた耐酸化性を長期間に亘って維持することができる。

　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、接地電極の突出長Ｌを７．６ｍｍ又は１１．６ｍｍとした上で、接地電極の表面全域に被膜層を設けたスパークプラグのサンプル１（比較例に相当する）と、接地電極の電極先端部及び屈曲部のみに被膜層を設け、電極基部において接地電極の母材が露出するように構成したスパークプラグのサンプル２（実施例に相当する）とを作製し、両サンプルについて、加熱時温度測定試験を行った。加熱時温度測定試験の概要は次の通りである。すなわち、被膜層を設けることなく、表面全域において母材が露出するように構成したスパークプラグのサンプル（基準サンプル）を作製するとともに、所定のバーナーにて前記基準サンプルの接地電極の先端部を加熱し、接地電極のうちその先端から１ｍｍの部分における温度が９００℃となる加熱条件を得た。その上で、前記バーナーを用いて、前記サンプル１，２における接地電極の先端部を前記加熱条件にて加熱し、接地電極のうちその先端から１ｍｍの部分における温度を測定した。尚、測定された温度が低いほど接地電極の熱引きが良好であり、接地電極の過熱防止効果に優れるといえる。

　図６に、加熱時温度測定試験の試験結果を示す。尚、接地電極は、Ｎｉを９０質量％以上含有する金属材料（高Ｎｉ材）、又は、Ｎｉを主成分とするものの、Ｎｉの含有量が９０質量％未満の金属材料（低Ｎｉ材）により形成した。図６においては、突出長Ｌを７．６ｍｍとし、接地電極を高Ｎｉ材により形成したサンプルの試験結果を黒塗りで示し、突出長Ｌを１１．６ｍｍとし、接地電極を高Ｎｉ材により形成したサンプルの試験結果を斜線模様で示す。また、突出長Ｌを７．６ｍｍとし、接地電極を低Ｎｉ材により形成したサンプルの試験結果を格子模様で示し、突出長Ｌを１１．６ｍｍとし、接地電極を低Ｎｉ材により形成したサンプルの試験結果を散点模様で示す（尚、後述する図７においても同様の態様で試験結果を示す）。

　さらに、各サンプルともに、被膜層を、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、及び、Ｙを含有する金属材料により形成した。また、火花放電間隙の大きさを１．１ｍｍとするとともに、接地電極は、その幅を２．８ｍｍとし、その厚さを１．５ｍｍとした（接地電極のサイズや被膜層の構成材料、火花放電間隙の大きさは、以下の試験でも同様とした）。加えて、各サンプルにおける被膜層の厚さを２０μｍとした。

　図６に示すように、電極基部において接地電極の母材が露出するように構成したサンプル２は、接地電極の表面全域に被膜層を設けたスパークプラグのサンプル１と比較して、加熱時における接地電極の温度が著しく低減することが明らかとなった。これは、電極基部において、接地電極の熱が十分に放散されたことによると考えられる。

　上記試験の結果より、特に高温となりやすい接地電極の先端部における酸化腐食を効果的に抑制しつつ、接地電極の過熱をより確実に防止するという観点から、接地電極のうち少なくとも電極先端部に被膜層を設け、電極基部の少なくとも一部は、接地電極の母材が露出するように構成することが好ましいといえる。

　次に、接地電極の突出長Ｌを７．６ｍｍ又は１１．６ｍｍとした上で、接地電極の電極先端部のみに被膜層を設け、屈曲部及び電極基部において接地電極の母材が露出するように構成したスパークプラグのサンプル３を作製し、当該サンプルについて、上述の加熱時温度測定試験を行った。図７に、当該試験の試験結果を示す。尚、図７には、上述のサンプル２における加熱時温度測定試験の試験結果を併せて示す。

　図７に示すように、電極基部及び屈曲部において接地電極の母材が露出するように構成したサンプル３は、加熱時において接地電極の温度を一層低減できることが分かった。これは、接地電極の熱がより効果的に放散されたためであると考えられる。

　上記試験の結果より、接地電極の過熱防止効果の更なる向上を図るべく、被膜層を電極先端部のみに設け、屈曲部及び電極基部は、接地電極の母材が露出するように構成することがより好ましいといえる。

　次いで、Ｎｉを７５質量％、９０質量％、又は、９８質量％含有する金属材料により接地電極の母材を構成するとともに、電極先端部及び屈曲部のみに被膜層を設けたスパークプラグのサンプル（被膜層あり）と、Ｎｉを７５質量％、９０質量％、又は、９８質量％含有する金属により接地電極の母材を構成するとともに、接地電極に被膜層を設けることなく構成したスパークプラグのサンプル（被膜層なし）とを作製し、各サンプルについて、机上バーナー試験を行った。机上バーナー試験の概要は次の通りである。すなわち、所定のバーナーにより、大気雰囲気下にて接地電極先端部の温度が１０００℃となるように２分間加熱した後、１分間徐冷することを１サイクルとして３０００サイクル実施した。そして、３０００サイクル終了後に、接地電極先端部の断面を確認し、接地電極の表面に形成された酸化膜の厚さを測定した。図８に、当該試験の試験結果を示す。尚、図８においては、被膜層を設けたサンプルの試験結果を黒塗りで示し、被膜層を設けなかったサンプルの試験結果を斜線模様で示す。

　また、各サンプルともに、接地電極の突出長Ｌを７．６ｍｍとした。さらに、被膜層を設けたサンプルにおいては、被膜層の厚さを１５μｍとした。

　図８に示すように、Ｎｉを９０質量％以上含有する金属材料により接地電極の母材を形成したサンプルのうち、被腹膜を設けなかったものは、酸化膜の厚さが極めて大きなものとなり、耐酸化性が不十分であったが、被膜層を設けたものは、酸化膜の厚さが著しく小さなものとなり、優れた耐酸化性を有することが分かった。すなわち、Ｎｉを９０質量％以上含有する金属材料により接地電極の母材を形成し、耐酸化性が特に不十分となりやすいスパークプラグにおいて、被膜層を設けることが、耐酸化性の向上という面で非常に効果的であることが分かった。

　上記試験の結果より、被膜層を設けることは、接地電極の母材がＮｉを９０質量％以上含有する金属材料により形成され、耐酸化性の低下が特に懸念されるスパークプラグにおいて、特に有効であるといえる。

　次に、電極先端部及び屈曲部のみに被膜層を設けるとともに、被膜層の厚さを種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、各サンプルに対して、終了サイクルを３０００サイクルから５０００サイクルに変更した上述の机上バーナー試験、及び、上述の加熱時温度測定試験を行った。ここで、机上バーナー試験においては、酸化膜の厚さが０．１ｍｍ以下となった場合に、耐酸化性に極めて優れるとして「◎」の評価を下し、酸化膜の厚さが０．１ｍｍ超０．２ｍｍ以下となった場合に、耐酸化性が良好であるとして「○」の評価を下すこととした。一方で、酸化膜の厚さが０．２ｍｍ超となった場合には、耐酸化性にやや劣るとして「△」の評価を下すこととした。表１に、机上バーナー試験の試験結果を示し、図９に、加熱時温度測定試験の試験結果を示す。

　尚、各サンプルともに、接地電極の突出長Ｌを７．６ｍｍとし、接地電極の母材を、Ｎｉを９０質量％以上含有する金属材料により形成した。また、被膜層の厚さは、被膜層を形成する際の溶射時間を調節することで変更した。

　表１に示すように、被膜層の厚さを５μｍ以上としたサンプルは、良好な耐酸化性を有することが明らかとなった。これは、被膜層の厚さが十分に確保され、接地電極に対する酸素の接触が効果的に抑制されたためであると考えられる。

　また特に、被膜層の厚さを１５μｍ以上としたサンプルは、耐酸化性に極めて優れることが確認された。

　さらに、図９に示すように、被膜層の厚さを６０μｍ以下としたサンプルは、加熱時において、接地電極の温度上昇を効果的に抑制できることが分かった。これは、接地電極のうち被膜層で覆われた部位において放熱がされやすくなったためであると考えらえる。

　上記試験の結果より、耐酸化性の一層の向上を図るとともに、接地電極の過熱防止効果を一段と高めるという観点から、被膜層の厚さを５μｍ以上６０μｍ以下とすることが好ましいといえる。

　また、耐酸化性の更なる向上を図るという点では、被膜層の厚さを１５μｍ以上とすることがより好ましいといえる。

　次に、接地電極２７の母材（ニッケルが９０質量％）を準備し、電極先端部２７３に高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）にて、厚さ３０μｍの被覆層３１を設けた。

　その被覆層３１は、電極先端部において、先端面２７F、背面２７B側面２７S１、２７S２に設けられ、対向面２７Aに設けられていない。

　サンプルＡは、Ｎｉ、Ｃｏ及びＣｒからなる被覆層３１を設け、サンプルＢは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙからなる被覆層３１を設け、サンプルＣは、被覆層３１を全く設けなかった。

　その各サンプルのスパークプラグについて、以下の試験条件で冷熱耐久試験を行った。
＜試験条件＞
　Ｌ４－２０００ｃｃ（直列４気筒）エンジンにスパークプラグを組付け、３５００回転で、ＷＯＴ（１分）とアイドル（１分）を繰返し、１００時間行った。

　試験後の各サンプルの接地電極先端部の断面において、先端面２７Fに形成された酸化膜厚の最大値を確認したところ、以下に示す結果となった。
　　サンプルＡ：酸化膜厚　　　０．０５以上０．３未満ｍｍ
　　サンプルＢ：酸化膜厚　　　０．０５ｍｍ未満
　　サンプルＣ：酸化膜厚　　　０．３ｍｍ以上

　図１５の（ａ）～（ｃ）は、本試験後の接地電極の電極先端部の断面模式図である。図１５の（ａ）がサンプルＡ、図１５の（ｂ）がサンプルＢ、図１５の（ｃ）がサンプルＣに相当する。

　サンプルＣは、被覆層３１が全く設けられていないため、母材自体が、酸化して、０．３ｍｍ以上の酸化膜が形成されたことになる。

　被覆層３１を設けなかったものに比べ、被膜層３１を設けたものは、酸化膜の厚さが小さなものとなり、優れた耐酸化性を有することが分かった。特に、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙからなる被覆層３１を設けたものは、酸化膜の厚さが著しく小さなものとなり、さらに優れた耐酸化性を有することが分かった。 

　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）上記実施形態において、被膜層３１の構成材料は、ＮｉやＣｏ等を含有する金属材料とされているが、被膜層３１の構成材料は、接地電極２７の母材における耐酸化性よりも優れた耐酸化性を有するものであればよく、その構成材料は、上述の金属材料に限定されるものではない。

　（ｂ）上記実施形態では、電極基部２７１の外表面全域において接地電極２７の母材が露出しているが、電極基部２７１の少なくとも一部において、接地電極２７の母材が露出していればよい。従って、例えば、図１０に示すように、電極基部２７１の一部が被膜層３１で覆われるように構成し、電極基部２７１の一部において、接地電極２７の母材が露出するように構成してもよい。

　（ｃ）上記実施形態では、電極先端部２７３のうち、先端面２７Ｆ、背面２７Ｂ、及び、両側面２７Ｓ１，２７Ｓ２に被膜層３１が設けられており、対向面２７Ａに被膜層３１は設けられていないが、図１１及び図１２に示すように、対向面２７Ａに被膜層３１を設けることとしてもよい。尚、この場合には、対向面２７Ａに設けられた被膜層３１の最小厚さＴ４を、先端面２７Ｆや背面２７Ｂ等に設けられた被膜層３１の最小厚さＴ２よりも小さくすることが好ましい。このように構成することで、対向面２７Ａに設けられた被膜層３１が剥離したり、火花放電に伴い急激に消耗したりした場合であっても、火花放電間隙２８の大きさが大幅に増大してしまうことをより確実にできる。その結果、放電電圧の増大を抑制することができ、接地電極２７や中心電極５の急激な消耗等を効果的に抑制することができる。

　（ｄ）上記実施形態では、接地電極２７のみに被膜層３１が設けられているが、図１３に示すように、中心電極５の表面に、中心電極５の母材（外層５Ｂ）における耐酸化性よりも優れた耐酸化性を有する金属材料からなる被膜層３２を設けることとしてもよい（尚、図１３では、図示の便宜上、被膜層３２を実際よりも厚肉に示している）。この場合には、接地電極２７及び中心電極５の双方において耐酸化性を高めることができる。

　（ｅ）上記実施形態において、接地電極２７は断面矩形状とされているが、接地電極２７の断面形状は特に限定されるものではない。従って、例えば、図１４（ａ）に示すように、接地電極３７の外周面のうち対向面３７Ａ以外の面３７Ｃが、外側に凸の湾曲面状をなすように構成してもよい。また、図１４（ｂ）に示すように、接地電極４７の対向面４７Ａ及び背面４７Ｂを平坦状に構成する一方で、両側面４７Ｓ１，４７Ｓ２を外側に凸の湾曲面状としてもよい。これらの場合には、火花放電間隙２８と燃料噴射装置との間に接地電極３７，４７が位置するような状態で、スパークプラグ１が内燃機関等に取付けられた場合に、接地電極３７，４７を回り込む形で、火花放電間隙２８に対して燃料ガスが入り込みやすくなる。その結果、着火性の向上を図ることができる。

　（ｆ）上記実施形態では、主体金具３の先端部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）。

　（ｇ）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、工具係合部１９を、Ｂｉ－ＨＥＸ（変形１２角）形状〔ＩＳＯ２２９７７：２００５（Ｅ）〕等としてもよい。

　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
　２７Ａ…（接地電極の）対向面
　２７Ｂ…（接地電極の）背面
　２７Ｆ…（接地電極の）先端面
　２７Ｓ１，２７Ｓ２…（接地電極の）側面
　２８…火花放電間隙（間隙）
　３１…被膜層
　２７１…電極基部
　２７２…屈曲部
　２７３…電極先端部
　ＣＬ１…軸線

Claims (11)

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、
   　前記主体金具の先端部に配置され、前記中心電極との間に間隙を形成する接地電極とを備え、
   　前記接地電極は、
   　前記主体金具の先端部から前記軸線方向先端側に向けて延びる電極基部と、
   　前記電極基部の先端に一端が連接された湾曲状の屈曲部と、
   　前記屈曲部の他端から前記電極基部の延出方向と異なる方向に向けて延び、前記中心電極との間で前記間隙を形成する電極先端部とを具備するスパークプラグであって、
   　前記接地電極のうち少なくとも前記電極先端部において、少なくとも先端面と、外周面のうち前記中心電極側に位置する面以外の面とには、前記接地電極の母材における耐酸化性よりも優れた耐酸化性を有する材料からなる被膜層が設けられ、
   　前記電極基部の少なくとも一部は、前記接地電極の母材が露出していることを特徴とするスパークプラグ。
2. 　前記電極基部の外表面全域において、前記接地電極の母材が露出してい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. 　前記被膜層は、前記電極先端部のみに設けられ、
   　前記屈曲部は、前記接地電極の母材が露出してい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. 　前記接地電極の母材は、ニッケルを９０質量％以上含有する金属により形成され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. 　前記被膜層の厚さは、５μｍ以上６０μｍ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。
6. 　前記被膜層は、前記電極先端部のみに設けられる、又は、
   　前記被膜層は、前記電極先端部及び前記屈曲部に設けられるとともに、前記電極先端部に設けられた前記被膜層の最小厚さが、前記屈曲部に設けられた被膜層の最小厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
7. 　前記電極先端部に設けられた前記被膜層において、前記先端面に設けられた前記被膜層の最小厚さが、前記外周面のうち前記中心電極側に位置する面以外の面に設けられた前記被膜層の最小厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか1項に記載のスパークプラグ。
8. 　前記電極先端部において、前記被膜層は、前記先端面、及び、前記外周面のうち前記中心電極側に位置する面以外の面のみに設けられる、又は、
   　前記電極先端部において、前記被膜層は、前記電極先端部の外表面全域に設けられるとともに、前記電極先端部のうち前記中心電極側に位置する面に設けられた前記被膜層の最小厚さが、前記先端面、及び、前記外周面のうち前記中心電極側に位置する面以外の面に設けられた前記被膜層の最小厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか1項に記載のスパークプラグ。
9. 　前記被膜層は、ニッケル、コバルト、及び、クロムを含有する材料からなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか1項に記載のスパークプラグ。
10. 　前記被膜層は、イットリウム及びアルミニウムを含有する材料からなることを特徴とする請求項９に記載のスパークプラグ。
11. 　前記被膜層は、高速酸素燃料溶射（ＨＶＯＦ）、高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）、プラズマ溶射、コールドスプレー法、又は、エアロゾルデポジション（Ａｅｒｏｓｏｌ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のスパークプラグ。

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