WO2025150211A1 - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

チップの耐消耗性を向上できるスパークプラグ（１０）を提供する。スパークプラグは、母材（１７）と、溶接部（１９）を介して母材に接合されるチップ（１８）と、を含む接地電極（１６）と、接地電極と電気的に絶縁された中心電極（１３）と、を備え、溶接部とチップとの間の界面部（３０）に、母材の熱伝導率よりも熱伝導率が高い元素が存在し、界面部における元素の含有率は、母材における元素の含有率よりも大きい。

Description

スパークプラグ

　本発明はチップを含む接地電極を備えるスパークプラグに関する。

　母材に溶接部を介して接合されるチップを含む接地電極と、接地電極と電気的に絶縁された中心電極と、を備えるスパークプラグは、主に接地電極のチップと中心電極との間に放電が発生する（特許文献１）。

特開２０１９－１２５５６９号公報

　放電によって生じるチップの消耗を低減する技術が要求されている。

　本発明はこの要求に応えるためになされたものであり、チップの耐消耗性を向上できるスパークプラグの提供を目的とする。

　この目的を達成するためのスパークプラグの第１の態様は、母材と、溶接部を介して母材に接合されるチップと、を含む接地電極と、接地電極と電気的に絶縁された中心電極と、を備え、溶接部とチップとの間の界面部に、母材の熱伝導率よりも熱伝導率が高い元素が存在し、界面部における元素の含有率は、母材における元素の含有率よりも大きい。

　第２の態様は、第１の態様において、元素は、Ｚｎ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｕ及びＡｇの少なくとも１種である。

　第３の態様は、第１又は第２の態様において、チップは、中心電極に面する放電面と、母材に面する底部と、底部と放電面とをつなぐ側部と、を含み、元素が存在する界面部は、少なくとも側部と溶接部との間に存在する。

　第４の態様は、第１から第３の態様のいずれかにおいて、界面部のうち、母材における元素の含有率よりも含有率が大きい元素が存在する部分の長さは、界面部の長さに対して６％以上である。

　本発明によれば接地電極の母材にチップを接合する溶接部とチップとの間の界面部に、母材の熱伝導率よりも熱伝導率が高い元素が存在し、界面部における元素の含有率は、母材における元素の含有率よりも大きい。放電によって発生するチップの熱が界面部を通して母材に移動し易くなるため、チップの過熱を低減し、チップの耐消耗性を向上できる。

一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。 接地電極の断面図である。 図２のＩＩＩで示す部分を拡大した接地電極の断面図である。

　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は一実施の形態におけるスパークプラグ１０の軸線Ｘ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２及び図３においても同じ）。

　図１に示すようにスパークプラグ１０は、絶縁体１１と、絶縁体１１に保持される中心電極１３と、絶縁体１１の外周に配置される主体金具１５と、主体金具１５に接続される接地電極１６と、を備えている。絶縁体１１は、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製の略円筒状の部材である。絶縁体１１は軸線Ｘに沿って軸孔１２が設けられている。

　中心電極１３は、絶縁体１１の軸孔１２の中に配置された、軸線Ｘに沿って延びる棒状の導体である。中心電極１３は、銅を主成分とする芯材が有底円筒状の金属に覆われている。芯材を省略することは可能である。中心電極１３を構成する金属はＮｉ基合金が例示される。中心電極１３は、絶縁体１１から先端が突き出ている。本実施形態では中心電極１３の先端に貴金属を含むチップが配置されているが、チップを省くことは当然可能である。

　中心電極１３は、軸孔１２の中で端子金具１４と電気的に接続されている。端子金具１４は、点火装置（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）からなる。端子金具１４は、先端側が軸孔１２に挿入され、後端が絶縁体１１から突き出た状態で、絶縁体１１の後端側に固定されている。

　絶縁体１１の外周に主体金具１５が固定されている。主体金具１５にはエンジン（図示せず）のプラグホールに結合するおねじが設けられている。主体金具１５に接地電極１６が接続されている。接地電極１６は、主体金具１５から軸線Ｘへ向かって延びる導体である。接地電極１６は、銅を主成分とする芯材が埋め込まれている。芯材を省略することは可能である。

　図２は接地電極１６の断面図である。図２は接地電極１６のうち先端面２２の付近に設けられたチップ１８を中心とする部分が図示され、先端面２２から離れた部分の図示が省略されている。接地電極１６は、金属製の母材１７と、母材１７を構成する金属と種類が異なる金属製のチップ１８と、母材１７にチップ１８を接合する溶接部１９と、を含む。本実施形態では母材１７は断面が四角形の湾曲した棒であり、チップ１８の形は円盤状である。

　母材１７に含まれる元素のうち含有率が最も大きい第１の元素は、チップ１８に含まれる元素のうち含有率が最も大きい第２の元素と種類が異なる。母材１７に含まれる第１の元素は例えばＮｉであり、チップ１８に含まれる第２の元素はＰｔ，Ｉｒ，Ｒｕ等の貴金属のうちの１種が例示される。母材１７とチップ１８とが溶けてなる溶接部１９は第１の元素と第２の元素とを含む。

　母材１７は、中心電極１３（図１参照）に面する対向面２０と、対向面２０の裏に位置する裏面２１と、対向面２０と裏面２１とをつなぐ先端面２２と、を含む。チップ１８は母材１７の対向面２０に配置されている。チップ１８は、中心電極１３に面する放電面２３と、母材１７に面する底部２４と、底部２４と放電面２３とをつなぐ側部２５と、を含む。底部２４は、放電面２３の裏に位置する部位である。

　母材１７に含まれる第１の元素の分析は、エネルギー分散型Ｘ線分析装置が付帯した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ－ＥＤＳ）によって行われる。母材１７のうち溶接部１９から離れた部分の元素を分析する。母材１７の分析位置は、例えばチップ１８の重心２７から、対向面２０と裏面２１との間の中心線２６に下ろした垂線２８と中心線２６との交点２９である。中心線２６は、対向面２０と中心線２６との間の距離と、裏面２１と中心線２６との間の距離と、が等しい直線である。重心２７は、チップ１８の外形を平面図形としたときの、周知の手段で算出される幾何中心である。ＳＥＭ－ＥＤＳの点分析による交点２９の定性分析によって母材１７に含まれる元素の種類を特定し、定量計算によって各元素の含有率を特定し、含有率が最も大きい第１の元素を決定する。

　図３は図２のＩＩＩで示す部分を拡大した接地電極１６の断面図である。接地電極１６は、チップ１８と溶接部１９との間の境界である界面部３０と、母材１７と溶接部１９との間の境界である界面部３３と、を含む。チップ１８からの界面部３０の厚さは４μｍである。界面部３０の厚さはＳＥＭ－ＥＤＳの測定可能領域に等しい。

　界面部３０には、母材１７の熱伝導率よりも熱伝導率が高い元素（以下「良伝導元素」と称す）が存在する。良伝導元素は、チップ１８に含まれる元素のうち含有率が最も大きい第２の元素と種類が異なる。良伝導元素は界面部３０だけに存在して良いし、界面部３０に加え、界面部３０以外の溶接部１９に広く分布しても良い。

　母材１７の熱伝導率は、通常、母材１７の単位量における含有率が最も大きい第１の元素の熱伝導率よりも低いため、第１の元素の熱伝導率を、母材１７の熱伝導率の上限と推定する。元素の熱伝導率は、文献に記載されている２０℃の値（文献値）を参照する。代表的な元素の熱伝導率は、Ｚｎ：１１３Ｗ／ｍＫ、Ｃｒ：９０Ｗ／ｍＫ、Ｆｅ：７２Ｗ／ｍＫ、Ｃｕ：３９８Ｗ／ｍＫ、Ａｇ：４２８Ｗ／ｍＫ、Ｎｉ：６７Ｗ／ｍＫである。Ｎｉが第１の元素の場合、Ｎｉよりも熱伝導率が高いＺｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇはいずれも良伝導元素である。良伝導元素の１種または複数種が界面部３０に含まれる。

　界面部３０に含まれる元素の定性分析および定量分析はＳＥＭ－ＥＤＳによって行われる。界面部３０における良伝導元素の含有率は、母材１７における良伝導元素の含有率よりも大きい。母材１７における良伝導元素の含有率（ｗｔ％）は、交点２９（図２参照）における元素分布の結果から求められる。界面部３０における良伝導元素の含有率（ｗｔ％）は、界面部３０を含む溶接部１９の面分析による元素分布の結果から求められる。界面部３０のうち良伝導元素が存在する部位の点分析により良伝導元素の種類を特定し、その部位の定量計算によって良伝導元素の含有率を求めても良い。

　スパークプラグ１０は、界面部３０における良伝導元素の含有率が、母材１７における良伝導元素の含有率よりも大きいため、接地電極１６のチップ１８と中心電極１３との間の放電によって熱せられたチップ１８の熱が、良伝導元素を含む界面部３０を通して母材１７に移動し易くなる。母材１７に移動した熱は主体金具１５（図１参照）を経てエンジン（図示せず）に伝わるため、チップ１８は冷やされる。チップ１８の過熱を低減できるため、チップ１８の耐消耗性を向上できる。

　接地電極１６は、例えば溶射やめっき等によって良伝導元素を含む膜を母材１７の表面に設けた後、レーザ溶接や抵抗溶接等によって溶接部１９を介して母材１７にチップ１８を接合して得られる。溶接部１９ができるときに溶接部１９に膜が溶け込むため、膜に含まれる良伝導元素が界面部３０に現れる。これにより界面部３０の熱伝導性が向上する。

　界面部３０は、母材１７における良伝導元素の含有率より良伝導元素の含有率が大きい第１部３１と、良伝導元素の含有率が、母材１７における良伝導元素の含有率以下である第２部３２と、を含む。第１部３１の長さは、界面部３０の長さに対して６％以上である。良伝導元素を多く含む第１部３１によって、チップ１８から溶接部１９への熱伝導性が向上するため、チップ１８の過熱をさらに低減できる。

　第１部３１は、対向面２０の位置に対し、母材１７から離れた方向に少なくとも一部が位置している。チップ１８の放電面２３に近い位置に第１部３１が存在するため、この位置に第１部３１が無い場合に比べ、チップ１８から溶接部１９を介して母材１７への熱伝導性が向上する。

　界面部３０の長さに対する第１部３１の長さの割合は、溶接部１９を含む接地電極１６の断面を５００倍に拡大したＳＥＭ－ＥＤＳの面分析による元素分布の画像を、画像処理ソフトウェアを用いて解析し、第１部３１の長さと、第２部３２の長さと、を求め、第１部３１の長さを、第１部３１の長さと第２部３２の長さとを合わせた長さで除して得られる。画像処理ソフトウェアはＩｍａｇｅＪが例示される。

　第１部３１は、チップ１８の側部２５（図２参照）と溶接部１９との間に存在する。チップ１８の底部２４と溶接部との間に第１部３１が存在する場合に比べ、チップ１８の底部２４と溶接部との間に存在する、溶接品質の妨げになる元素の量を低減できるため、チップ１８の耐剥離性を確保できる。

　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。

　（サンプル１の作製）
　試験者は、ニッケル基合金ＮＣＦ６０１で作製した棒状の母材に種々のめっきを施し、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｕを含む膜で母材をそれぞれ覆った後、抵抗溶接によってチップを母材に接合し、種々の接地電極を複数ずつ得た。チップの主成分（第２の元素）はＰｔであった。

　接地電極の断面をそれぞれＳＥＭ－ＥＤＳにより分析した。ＳＥＭ－ＥＤＳの分析条件は、加速電圧：２０ｋＶ、照射電流：９０ｎＡ、作動距離：１１ｍｍ、測定時間：３０秒、選択元素：Ｏ，Ｚｎ，Ａｇ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｐｔ、倍率：２０００倍とした。分析の結果、膜に含まれるＺｎ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｆｅ，Ｃｕの各元素が界面部に１ｗｔ％以上検出された。母材に含まれる元素のうち含有率が最も大きい第１の元素はＮｉであった。Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｆｅ，Ｃｕの各元素は、第１の元素（Ｎｉ）の熱伝導率よりも熱伝導率が高い良伝導元素であった。

　切断してない接地電極を使って、接地電極を含む実施例における種々のスパークプラグを得た。比較のため、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｆｅ又はＣｕを含むめっき膜を設けていない母材に抵抗溶接によってチップを接合した接地電極を含む比較例におけるスパークプラグも作製した。

　（耐消耗性試験）
　試験者は実施例および比較例におけるスパークプラグの中心電極と接地電極との間に１０±５ｋＶの電圧を印加し、中心電極と接地電極との間に火花を９×１０^７回飛ばした後、３次元形状測定機を用いてチップの消耗量（ｍｍ）を測定した。実施例におけるスパークプラグのチップの消耗量は、比較例におけるスパークプラグのチップの消耗量よりも少なかった。接地電極の界面部にＺｎ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｆｅ又はＣｕ（良伝導元素）が存在した実施例によれば、チップの耐消耗性を向上できることが明らかになった。

　（サンプル２の作製）
　試験者は、ニッケル基合金ＮＣＦ６０１で作製した棒状の母材にＺｎめっきを施し、Ｚｎを含む膜で母材を覆った後、膜にレーザビームを照射して膜を除去した。レーザビームを照射する条件を異ならせて、膜の厚さが異なる種々の母材を得た。比較のため、剥離剤でＺｎめっきを完全に除去した母材も作製した。抵抗溶接によってチップを母材に接合し、種々の接地電極を複数ずつ得た。チップの主成分はＰｔであった。

　接地電極の断面をそれぞれＳＥＭ－ＥＤＳにより分析し、面分析によって界面部のうちＺｎが存在する位置を調べた。ＳＥＭ－ＥＤＳの分析条件は、サンプル１のときの分析条件と同じにした。さらにＩｍａｇｅＪを使って面分析の画像を処理し、界面部のうちＺｎの含有率が０．１ｗｔ％以上である第１部の長さと、界面部のうちＺｎの含有率が検出限界値未満である第２部の長さと、を測定し、第１部の長さと第２部の長さとを合わせた長さで第１部の長さを除した割合（長さ（％））を計算した。長さ（％）は、各条件について４つずつサンプルを分析した平均とした。

　切断してない接地電極を使って、接地電極を含む実施例１－４におけるスパークプラグを８つずつ得た。Ｚｎめっきを完全に除去した母材を使った比較例におけるスパークプラグも８つ作製した。抵抗溶接時のエネルギー等を調整して、実施例１－３におけるスパークプラグは、チップの側部と母材との間に設けた界面部にＺｎを存在させ、実施例４におけるスパークプラグは、チップの底部と母材との間に設けた界面部にＺｎを存在させた。比較例におけるスパークプラグは、界面部にＺｎが存在しなかった。

（耐消耗性試験）
　試験者は上記の耐消耗性試験を実施した後、３次元形状測定機を用いてチップの消耗量（ｍｍ）を測定した（ｎ＝４）。表１に示す消耗量はｎ＝４の平均である。表１によれば長さ（％）が大きくなるにつれて消耗量が少なくなることがわかった。特に長さ（％）が６％以上のときに、比較例に比べて消耗量を１５％以上少なくできることが明らかになった。

　（耐剥離性試験）
　試験者は、作製したスパークプラグの接地電極に設けられたチップをバーナで１分間加熱した後、２分間はバーナをスパークプラグから遠ざけて接地電極を室温まで冷やすという操作を１サイクルとして、１０００サイクルの熱衝撃をスパークプラグに加えた（ｎ＝４）。加熱時のチップの温度は１０５０℃であった。なお、チップの温度は、耐剥離性試験を始める前に、チップの近くに到達する穴を接地電極の母材にあけたスパークプラグを用いて、チップの近くの母材の先端面付近に熱電対の測温接点を配置して測定した。

　試験後、スパークプラグの軸線を含む断面を作り、光学顕微鏡を用いて接地電極の溶接部と母材との界面、及び、チップと溶接部との界面を観察した。これらの界面に進展したクラックの長さを測定し、界面の長さに対してクラックの長さが５０％以下のものをＡと判定し、５０％を超えるものをＢと判定した。

　表１によれば、チップの側部にＺｎが存在する実施例１－３におけるスパークプラグは、チップの底部にＺｎが存在する実施例４におけるスパークプラグに比べ、チップの耐剥離性を向上できることが明らかになった。

　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。

　実施形態ではチップ１８が円盤状の場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。チップ１８の形は四角柱や四角柱以外の多角柱、円錐台など適宜設定される。

　実施形態では接地電極１６の母材１７が、断面が四角形の湾曲した棒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。母材１７の形は、湾曲したものの他、直線状のものが例示される。母材１７の断面は、四角形の他、円形、楕円形、半円形などが例示される。

　実施形態では母材１７の先端面２２から離れた位置にチップ１８が設けられる場合を説明したが、これに限られるものではない。母材１７の先端面２２とチップ１８の端の位置とを揃えてチップ１８を母材１７に配置することは当然可能である。

　実施形態ではチップ１８の側部２５と母材１７との間に溶接部１９が設けられ、チップ１８の底部２４と母材１７とが接して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。レーザ溶接によってチップ１８の側部２５から底部２４にかけて溶接部１９を設けることは当然可能である。この場合は側部２５から底部２４にかけて界面部３０が延びるため、底部２４と溶接部１９との間に良伝導元素が存在したり、側部２５及び底部２４と溶接部１９との間に良伝導元素が存在したり、側部２５と溶接部１９との間に良伝導元素が存在したりすることができる。抵抗溶接によって溶接部１９を作る場合は、チップ１８の側部２５は開放し、底部２４に界面部３０を設けることができるため、チップ１８の底部２４と溶接部１９との間に良伝導元素を存在させることは当然可能である。

　１０　スパークプラグ
　１３　中心電極
　１６　接地電極
　１７　母材
　１８　チップ
　１９　溶接部
　２３　放電面
　２４　底部
　２５　側部
　３０　界面部
　３１　第１部（元素の含有率が大きい部分）

Claims (4)

1. 　母材と、溶接部を介して前記母材に接合されるチップと、を含む接地電極と、
   　前記接地電極と電気的に絶縁された中心電極と、を備えるスパークプラグであって、
   　前記溶接部と前記チップとの間の界面部に、前記母材の熱伝導率よりも熱伝導率が高い元素が存在し、
   　前記界面部における前記元素の含有率は、前記母材における前記元素の含有率よりも大きいスパークプラグ。
2. 　前記元素は、Ｚｎ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｕ及びＡｇの少なくとも１種である請求項１記載のスパークプラグ。
3. 　前記チップは、前記中心電極に面する放電面と、前記母材に面する底部と、前記底部と前記放電面とをつなぐ側部と、を含み、
   　前記元素が存在する前記界面部は、少なくとも前記側部と前記溶接部との間に存在する請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
4. 　前記界面部のうち、前記母材における前記元素の含有率よりも含有率が大きい前記元素が存在する部分の長さは、前記界面部の長さに対して６％以上である請求項３記載のスパークプラグ。