JP2016012502A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】電極チップと溶融部との間におけるクラックや酸化スケールの発生および進展を抑制する。
【解決手段】Ｐａ１：軸線ＣＡに対して一方の側にある溶融部４５５のうち、軸線方向について端面４５３から最も遠い点。Ｐａ２：他方の側にある同様の点。Ｐａ３：軸線ＣＡに対して一方の側にある溶融部４５５のうち軸線ＣＡから最も遠い点。Ｐａ４：他方の側にある同様の点。Ｐａ５：軸線ＣＡに対して一方の側にある溶融部４５５のうち、軸線方向について端面４５３に最も近い点。Ｐａ６：他方の側にある同様の点。ＲＬ：点Ｐａ３と点Ｐａ４とを通る直線である基準線。Ｃ１：基準線ＲＬと点Ｐａ５との距離。Ｄ１：基準線ＲＬと点Ｐａ１との距離。Ｃ２：基準線ＲＬと点Ｐａ６との距離。Ｄ２：基準線ＲＬと点Ｐａ２との距離。スパークプラグ（１０）は、Ｃ１≧Ｄ１、かつ、Ｃ２≧Ｄ２を満たす。
【選択図】図２

Description

本発明は、スパークプラグの電極に関するものである。

従来、スパークプラグの接地電極に貴金属製の電極チップを設ける技術が存在する（特許文献１）。この従来技術において、電極チップは、接地電極を構成する電極母材に溶接されている。すなわち、溶接の際に電極チップの一部と電極母材の一部とが溶融してできた溶融部を介して、電極チップは、電極母材に接合されている。

国際公開第２０１２／１６７９７２号パンフレット

近年、内燃機関の高圧縮化および高過給化により、スパークプラグの接地電極は、従来よりも高い温度に曝される。このため、燃料が燃焼しているときの接地電極の温度と、燃焼と燃焼の間の接地電極の温度と、の差が、従来よりも大きくなっている。その結果、電極チップの熱膨張率と、溶融部の熱膨張率との差によって、電極チップと溶融部との間において、クラックが生じやすくなり、そのクラックに起因して、酸化スケールが進展しやすくなっている。このため、スパークプラグの高寿命を確保することが難しい。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、スパークプラグが提供される。このスパークプラグは、一端側が柱状であって貴金属を主成分とするチップと、電極母材とを有し、前記チップと前記電極母材とが溶け合った溶融部を介して、前記チップの他端側の少なくとも一部が前記電極母材に接合された接地電極を備える。そして、このスパークプラグにおいては、前記柱状部分の中心軸を通る断面において、前記溶融部のうち前記中心軸に対して一方の側にあり前記中心軸の方向について最も前記チップの一端側の面から遠い第１の点と、前記溶融部のうち前記中心軸に対して他方の側にあり前記中心軸の方向について最も前記チップの一端側の面から遠い第２の点とが、前記中心軸に垂直な方向について、それぞれ前記中心軸から前記柱状部分の外側面までの長さの２／３よりも前記中心軸に近い位置にある。前記断面において、前記溶融部のうち前記中心軸に対して前記一方の側にあり前記中心軸から最も遠い第３の点と、前記溶融部のうち前記中心軸に対して前記他方の側にあり前記中心軸から最も遠い第４の点と、を結んだ線を、基準線とする。前記溶融部のうち前記中心軸に対して前記一方の側にあり前記中心軸の方向について前記チップの前記一端側の面に最も近い第５の点と、前記基準線との距離をＣ１とする。前記溶融部のうち前記中心軸に対して前記他方の側にあり前記中心軸の方向について前記チップの前記一端側の面に最も近い第６の点と、前記基準線との距離をＣ２とする。前記第１の点と前記基準線との距離をＤ１とする。前記第２の点と前記基準線との距離をＤ２とする。このとき、
Ｃ１≧Ｄ１、かつ、Ｃ２≧Ｄ２
の関係を満たす。
このような態様とすれば、Ｃ１＜Ｄ１、または、Ｃ２＜Ｄ２となる態様に比べて、溶融部におけるチップの成分を多くすることができる。その結果、溶融部とチップとの界面における熱膨張の差を小さくすることができ、溶融部とチップとの界面におけるクラックの発生および酸化スケールの進展を、抑制することができる。

なお、「第１の点と、第２の点とが、前記中心軸に垂直な方向について、それぞれ前記中心軸から前記柱状部分の外側面までの長さの２／３よりも前記中心軸に近い位置にある」とは、（ｉ）中心軸から第１の点までの長さ（距離）が、二つある先端部分の外側面のうち第１の点と同じ側にある外側面までの中心軸からの長さ（距離）の２／３よりも、小さく、かつ、（ｉｉ）中心軸から第２の点までの長さ（距離）が、二つある先端部分の外側面のうち第２の点と同じ側にある外側面までの中心軸からの長さ（距離）の２／３よりも、小さいことを意味する。

（２）上記形態のスパークプラグにおいて、
Ｃ１／Ｄ１≧１．２、かつ、Ｃ２／Ｄ２≧１．２
の関係を満たす態様とすることができる。
このような態様とすれば、Ｃ１／Ｄ１＜１．２、または、Ｃ２／Ｄ２＜１．２となる態様に比べて、溶融部におけるチップの成分を多くすることができる。その結果、溶融部とチップとの界面における熱膨張の差を小さくすることができ、溶融部とチップとの界面におけるクラックの発生および酸化スケールの進展を、抑制することができる。

（３）上記形態のスパークプラグにおいて、前記チップの他端側は、前記電極母材と直接接触せず、前記溶融部を介して前記電極母材に接合されている態様とすることができる。
このような態様においては、熱膨張係数が異なるチップと母材とは、それらの中間の熱膨張係数を有する溶融部を挟んで配される。このため、チップと接地電極との接合部分において、クラックの発生を抑制することができる。

本発明は、スパークプラグ以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、接地電極、接地電極の溶接方法、接地電極の製造方法、スパークプラグの製造方法、等の形態で実現することができる。

スパークプラグ１０の部分断面を示す説明図である。 スパークプラグ１０の接地電極４００に設けられた電極チップ４５０の近傍の構成を示す断面図および平面図である。 スパークプラグ１０の接地電極４００に設けられた電極チップ４５０の近傍の他の構成を示す断面図である。 スパークプラグ１０の接地電極４００に設けられた電極チップ４５０の近傍の他の構成を示す断面図である。 スパークプラグ１０の接地電極４００に設けられた電極チップ４５０の近傍の他の構成を示す断面図である。 スパークプラグ１０の接地電極４００に設けられた電極チップ４５０の近傍の他の構成を示す断面図である。 耐剥離性試験の結果を示す表である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．スパークプラグの全体構成：
図１は、スパークプラグ１０の部分断面を示す説明図である。図１には、スパークプラグ１０の軸心である軸線ＣＡを境界として、軸線ＣＡより紙面左側にスパークプラグ１０の外観形状が図示され、軸線ＣＡより紙面右側にスパークプラグ１０の断面形状が図示されている。本実施形態の説明では、スパークプラグ１０における図１の紙面下側を「先端側」といい、図１の紙面上側を「後端側」という。

スパークプラグ１０は、中心電極１００と、絶縁体２００と、主体金具３００と、接地電極４００とを備える。本実施形態では、スパークプラグ１０の軸線ＣＡは、中心電極１００、絶縁体２００および主体金具３００の各部材における軸心でもある。

スパークプラグ１０は、中心電極１００と接地電極４００との間に形成された間隙ＳＧを先端側に有する。スパークプラグ１０の間隙ＳＧは、「火花ギャップ」とも呼ばれる。スパークプラグ１０は、間隙ＳＧが形成された先端側を燃焼室９２０の内壁９１０から突出させた状態で内燃機関９０に取り付け可能に構成されている。スパークプラグ１０を内燃機関９０に取り付けた状態で高電圧（例えば、１万〜３万ボルト）を中心電極１００に印加した場合、間隙ＳＧに火花放電が発生する。間隙ＳＧに発生した火花放電は、燃焼室９２０における混合気に対する着火を実現する。

図１には、相互に直交するＸＹＺ軸を図示した。図１のＸＹＺ軸は、後述する他の図におけるＸＹＺ軸に対応する。

図１のＸＹＺ軸のうち、Ｘ軸は、Ｙ軸およびＺ軸に直交する軸である。Ｘ軸に沿ったＸ軸方向のうち、＋Ｘ軸方向は、図１の紙面奥から紙面手前に向かう方向であり、−Ｘ軸方向は、＋Ｘ軸方向の逆方向である。

図１のＸＹＺ軸のうち、Ｙ軸は、Ｘ軸およびＺ軸に直交する軸である。Ｙ軸に沿ったＹ軸方向のうち、＋Ｙ軸方向は、図１の紙面右から紙面左に向かう方向であり、−Ｙ軸方向は、＋Ｙ軸方向の逆方向である。

図１のＸＹＺ軸のうち、Ｚ軸は、軸線ＣＡに沿った軸である。Ｚ軸に沿ったＺ軸方向（軸線方向）のうち、＋Ｚ軸方向は、スパークプラグ１０の後端側から先端側に向かう方向であり、−Ｚ軸方向は、＋Ｚ軸方向の逆方向である。

スパークプラグ１０の中心電極１００は、導電性を有する電極である。中心電極１００は、軸線ＣＡを中心に延びた棒状の形状を有する。本実施形態では、中心電極１００は、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル合金（例えば、インコネル６０１（「ＩＮＣＯＮＥＬ」は登録商標））からなる。本明細書の説明において、「主成分」とは、当該構成に含まれる各成分を質量％で比較した場合に、最も多く含まれている成分を意味する。中心電極１００の先端側は、絶縁体２００の先端側から突出している。中心電極１００は、端子金具１９０と電気的に接続される。

スパークプラグ１０の絶縁体２００は、電気絶縁性を有する碍子である。絶縁体２００は、軸線ＣＡを中心に延びた筒状の形状を有する。本実施形態では、絶縁体２００は、絶縁性セラミックス材料（例えば、アルミナ）を焼成することによって作製される。絶縁体２００は、軸線ＣＡを中心に延びた貫通孔である軸孔２９０を有する。絶縁体２００の軸孔２９０には、中心電極１００を絶縁体２００の先端側から突出させた状態で、中心電極１００が軸線ＣＡ上に保持されている。

スパークプラグ１０の主体金具３００は、導電性を有する金属体である。主体金具３００は、軸線ＣＡを中心に延びた筒状の形状を有する。本実施形態では、主体金具３００は、筒状に成形された低炭素鋼にニッケルめっきを施した部材である。他の実施形態では、主体金具３００は、亜鉛めっきを施した部材であっても良いし、めっきを施していない部材（無めっき）であっても良い。主体金具３００は、中心電極１００から電気的に絶縁された状態で絶縁体２００の外側面にカシメによって固定されている。主体金具３００の先端側には、端面３１０が形成されている。端面３１０の中央からは、中心電極１００と共に絶縁体２００が＋Ｚ軸方向に向けて突出している。端面３１０には、接地電極４００が接合されている。

スパークプラグ１０の接地電極４００は、導電性を有する電極である。接地電極４００は、電極母材４１０と、電極チップ４５０とを有する。電極母材４１０は、主体金具３００の端面３１０から＋Ｚ軸方向に延びた後に軸線ＣＡに向けて屈曲した形状を有する。電極母材４１０の後端側は、主体金具３００に接合されている。電極母材４１０の先端側には、電極チップ４５０が接合されている。電極チップ４５０は、中心電極１００との間に間隙ＳＧを形成する。

本実施形態では、電極母材４１０の材質は、中心電極１００と同様に、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル合金である。本実施形態では、電極チップ４５０の材質は、白金（Ｐｔ）を主成分とし１０質量％のニッケル（Ｎｉ）を含有する合金である。他の実施形態では、電極チップ４５０の材質は、電極母材４１０より耐久性に優れた材質であればよく、純粋な貴金属（例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）など）であってもよいし、これらの貴金属を主成分とする他の合金であってもよい。

Ａ２．接地電極の電極チップ近傍の構成：
図２は、スパークプラグ１０の接地電極４００に設けられた電極チップ４５０の近傍の構成を示す断面図および平面図である。電極チップ４５０は、略円柱状の形状を有する。電極チップ４５０は、スパークプラグ１０の軸線ＣＡと電極チップ４５０の円柱の中心軸が一致するように、接地電極４００に配される。

電極チップ４５０を接地電極４００に設ける際には、以下のような処理が行われる。まず、電極チップ４５０が、電極母材４１０上の所定位置に配される。そして、電極チップ４５０と電極母材４１０とが抵抗溶接される。その結果、電極チップ４５０と電極母材４１０とが仮止めされる。その後、電極チップ４５０と電極母材４１０とが接触している部位に対して、電極チップ４５０の周りからレーザ光が照射され、電極チップ４５０と電極母材４１０とがレーザ溶接される。なお、レーザ溶接には、気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザなど、任意のレーザを使用することができる。

レーザ溶接の際には、レーザ光は、電極チップ４５０の外周から電極チップ４５０の軸線ＣＡに向かう向きであって、電極チップ４５０側から電極母材４１０側に向かう向きに、照射される。レーザ光の照射は、電極チップ４５０の周りから、電極チップ４５０および電極母材４１０に向かって、軸線ＣＡを中心として互いに略均等な角度位置にある１０〜２０箇所について、行われる。

その結果、電極チップ４５０の一部と電極母材４１０の一部とが溶融され、それらが溶け合って、溶融部４５５が形成される。溶融部４５５が冷却され固化されると、電極チップ４５０のうち、軸線方向について、露出している側の端面４５３とは逆の側の端部４５４と、電極母材４１０とが、溶融部４５５を介して接合される。溶融しなかった電極チップ４５０のうち、電極母材４１０とは逆の側にある端部４５０ｐは円柱状の形状を有する。したがって、端面４５３は、円形である。なお、図２上段の断面図は、軸線ＣＡを通り、接地電極４００が軸線ＣＡに向かって伸びる方向を含むＡ−Ａ断面ＲＰにおける断面図である（図２下段参照）。本実施形態において、断面ＲＰは、溶融部４５５のうち最後に照射されたレーザ光によって溶融した部分ＷＰＬを含まない面である。

なお、本明細書においては、溶融部４５５が形成された後の状態を記述する場合は、最初に電極母材４１０とともに用意された電極チップ４５０のうち、溶融しなかった部分を「電極チップ４５０」と呼ぶ。また、溶融部４５５が形成された後の状態を記述する場合は、最初に電極チップ４５０とともに用意された電極母材４１０のうち、溶融しなかった部分を「電極母材４１０」と呼ぶ。

レーザ溶接の結果、形成された溶融部４５５は、軸線ＣＡを通る断面において、以下で説明するような形状を有する。電極チップ４５０の各部位を表す符号を以下のように定める。
４５１：軸線ＣＡに対して一方の側（図２において右側）にある電極チップ４５０の円柱状部分４５０ｐの外側面。
４５２：軸線ＣＡに対して他方の側（図２において左側）にある電極チップ４５０の円柱状部分４５０ｐの外側面。
４５３：軸線方向について電極母材４１０が位置する側とは逆の側の電極チップ４５０の端面。

溶融部４５５の各部位を表す符号を以下のように定める。
Ｐａ１：軸線ＣＡに対して一方の側（図２において右側）にある溶融部４５５のうち、軸線方向について端面４５３から最も遠い点。
Ｐａ２：軸線ＣＡに対して他方の側（図２において左側）にある溶融部４５５のうち、軸線方向について端面４５３から最も遠い点。
Ｐａ３：軸線ＣＡに対して一方の側にある溶融部４５５のうち軸線ＣＡから最も遠い点。
Ｐａ４：軸線ＣＡに対して他方の側にある溶融部４５５のうち軸線ＣＡから最も遠い点。
Ｐａ５：軸線ＣＡに対して一方の側にある溶融部４５５のうち、軸線方向について端面４５３に最も近い点。
Ｐａ６：軸線ＣＡに対して他方の側にある溶融部４５５のうち、軸線方向について端面４５３に最も近い点。
Ｐａ７：電極チップ４５０と電極母材４１０との界面ＩＳ０の端点であって、軸線ＣＡに対して一方の側にある端点。
Ｐａ８：電極チップ４５０と電極母材４１０との界面ＩＳ０の端点であって、軸線ＣＡに対して他方の側にある端点。
ＲＬ：点Ｐａ３と点Ｐａ４とを通る直線である基準線。

電極チップ４５０の寸法を表す符号を以下のように定める。
Ｗ：軸線方向について電極母材４１０が位置する側とは逆の側の端における電極チップ４５０の幅（本実施形態において、円柱状部分４５０ｐの円柱の直径）。

軸線ＣＡに対して一方の側にある電極チップ４５０および溶融部４５５の各部の寸法を表す符号を以下のように定める。
Ａ１：電極チップ４５０の円柱状部分４５０ｐの外側面４５１と点Ｐａ７との距離。
Ｂ１：電極チップ４５０の円柱状部分４５０ｐの外側面４５１と点Ｐａ３との距離。
Ｃ１：基準線ＲＬと点Ｐａ５との距離。
Ｄ１：基準線ＲＬと点Ｐａ１との距離。
Ｅ１：軸線ＣＡと点Ｐａ１との距離。
なお、本明細書において、直線と点の距離は、点から直線に向かって下ろした垂線の長さとする。

軸線ＣＡに対して他方の側にある電極チップ４５０および溶融部４５５の各部の寸法を表す符号を以下のように定める。
Ａ２：電極チップ４５０の円柱状部分４５０ｐの外側面４５２と点Ｐａ８との距離。
Ｂ２：電極チップ４５０の円柱状部分４５０ｐの外側面４５２と点Ｐａ４との距離。
Ｃ２：基準線ＲＬと点Ｐａ６との距離。
Ｄ２：基準線ＲＬと点Ｐａ２との距離。
Ｅ２：軸線ＣＡと点Ｐａ２との距離。

本実施形態において、溶融部４５５は、軸線ＣＡを通る断面において、以下の条件を満たす形状を有する。
Ｃ１≧Ｄ１ ・・・ （１）
かつ、
Ｃ２≧Ｄ２ ・・・ （２）

上記式（１）、（２）を満たすということは、上記式（１）、（２）を満たさない態様に比べて、より多く電極チップ４５０が溶けて溶融部４５５を構成しているということである。すなわち、このような態様とすることにより、上記式（１）、（２）を満たさない態様に比べて、溶融部４５５の素材中に占める電極チップ４５０の素材の割合を多くすることができる。その結果、溶融部４５５の熱膨張率（線膨張率）を電極チップ４５０の熱膨張率に近い値とすることができる。よって、スパークプラグ１０がエンジンに取りつけられ、エンジンが運転されて燃焼サイクルが実行される際に、溶融部４５５と電極チップ４５０との熱膨張率の差に起因して、溶融部４５５と電極チップ４５０との界面ＩＳ１，ＩＳ２にクラックが発生し進展する可能性を低減することができる。また、その結果、クラック部分において、酸化スケールが進展する可能性も低減することができる。

なお、電極チップ４５０をより多く溶かして、溶融部４５５の素材中に占める電極チップ４５０の素材の割合を多くするということは、相対的に、溶融部４５５の素材中に占める電極母材４１０の素材の割合を少なくするということである。その結果、溶融部４５５の熱膨張率と電極母材４１０の熱膨張率の差は大きくなる。よって、溶融部４５５と電極母材４１０との界面ＩＳ３，ＩＳ４における歪みも相対的に増大する。

しかし、溶融部４５５と電極母材４１０の界面ＩＳ３，ＩＳ４は、溶融部４５５と電極チップ４５０の界面ＩＳ１，ＩＳ２よりも、火花ギャップＳＧから遠い位置にある（図１参照）。このため、溶融部４５５と電極母材４１０の界面ＩＳ３，ＩＳ４は、溶融部４５５と電極チップ４５０の界面ＩＳ１，ＩＳ２に比べて高温にならない。すなわち、溶融部４５５と電極チップ４５０の界面ＩＳ１，ＩＳ２に比べれば、高温時と低温時の寸法の変動量も小さい。このため、上記態様が効果を奏する程度に溶融部４５５の素材中に占める電極チップ４５０の素材の割合を多くしても、溶融部４５５と電極母材４１０の界面ＩＳ３，ＩＳ４においてクラックが生じる可能性は、相対的に低い。

なお、上記式（１）、（２）は、軸線ＣＡをとおる任意の断面において満たされることが好ましい。しかし、通常、スパークプラグにおける接地電極のチップは、理想的には、回転対称に設けられる。このため、所定の断面において、上記式（１）、（２）が満たされれば、本実施形態の上述の効果は奏されると考えてよい。このため、上記式（１）、（２）が満たされるか否かは、電極チップ４５０の軸線を通り、かつ、接地電極４００が伸びる方向を含む平面ＲＰ（図２の下段参照）において判断される。以下、溶融部４５５の断面形状について判断する際には、この断面ＲＰを基準とする。なお、本実施形態において、断面ＲＰは、レーザ溶接の際に最後に照射されたレーザ光によって溶融した部分ＷＰＬ（図２の下段参照）を含まない面である。

一方、本実施形態において、軸線ＣＡ対して一方の側（図２において右側）において、溶融部４５５のうち端面４５３から最も遠い点Ｐａ１は、軸線ＣＡに垂直な方向について、軸線ＣＡから円柱状部分４５０ｐの外側面４５１までの長さ（Ｗ／２）の２／３よりも軸線ＣＡに近い位置にある。また、軸線ＣＡ対して一方の側（図２において左側）において、溶融部４５５のうち端面４５３から最も遠い点Ｐａ２は、軸線ＣＡに垂直な方向について、軸線ＣＡから円柱状部分４５０ｐの外側面４５１までの長さ（Ｗ／２）の２／３よりも軸線ＣＡに近い位置にある。すなわち、溶融部４５５は、軸線ＣＡを通る断面において、以下の条件を満たす形状を有する。
Ｅ１ ＜ Ｗ／３ ・・・ （３）
かつ、
Ｅ２ ＜ Ｗ／３ ・・・ （４）

このような態様とすることにより、上記式（３）、（４）を満たさない態様に比べて、溶融部４５５と電極チップ４５０とは、より広い界面ＩＳ１，ＩＳ２で接する。また、溶融部４５５と電極母材４１０も、上記式（３）、（４）を満たさない態様に比べて、より広い界面ＩＳ３，ＩＳ４で接する。このため、電極チップ４５０が溶融部４５５を介して電極母材４１０に強固に接合される。

なお、本実施形態の溶融部４５５は、以下の条件も満たしている。
Ａ１＋Ａ２ ＞ Ｂ１＋Ｂ２

上記の式を満たすということは、溶融部４５５の外側面４５１，４５２からの外部への広がり量（Ｂ１＋Ｂ２）に対して、外側面４５１，４５２からの内部（軸線ＣＡ側）への広がり量（Ａ１＋Ａ２）が大きいということである。そのような態様においては、溶融部４５５の外側面４５１，４５２の外に流出する溶融部４５５が少なく、溶融部４５５の外側面４５１，４５２の内部において、より多く電極チップ４５０が溶けて、溶融部４５５との界面を形成している。その結果、溶融部４５５の電極母材４１０側の端部４５４を、溶融部４５５とより広い面積で強固に接合することができる。

Ａ３．接地電極の電極チップ近傍の他の構成：
図３は、スパークプラグ１０の接地電極４００に設けられた電極チップ４５０の近傍の他の構成を示す断面図である。図２の態様においては、断面ＲＰ内において、溶融部４５５の形状は軸線ＣＡに対して非対称である。これに対して、図３に示す態様においては、断面ＲＰ内において、溶融部４５５の形状は軸線ＣＡに対して略対称である。他の点は、図３の溶融部４５５の形状は図２の溶融部４５５の形状と同じである。なお、本明細書において、「ある線に対して略対称」とは、二つの図形のうちの一方を、その線を軸に反転した際に、９０％以上の面積を有する部分が他方の図形と重なることをいう。

図３の態様の溶融部４５５は、たとえば、図２の態様の溶融部４５５の生成に比べて、電極チップ４５０および電極母材４１０の軸心ＣＡを中心とした各方向についての品質を、より均質に近づける、レーザ溶接の際のレーザ光の出力を安定させる、などの方法により、生成することができる。図３の態様においても、上記式（１）〜（４）の条件を満たしうる。

前述のように、レーザ溶接の際、レーザ光の照射は、電極チップ４５０の周りから、電極チップ４５０および電極母材４１０に向かって、軸線ＣＡを中心として互いに略均等な角度位置にある１０〜２０箇所について、行われる。そして、形成される溶融部４５５の３次元形状は、軸線ＣＡを中心として、回転対称であることが望ましい（図３参照）。そのような態様においては、溶融部４５５の一部に、応力が集中しにくく、その結果、クラックが発生しにくい。このため、溶融部４５５と電極チップ４５０との界面ＩＳ１，ＩＳ２にクラックが発生し、進展する可能性を、より低減することができる。

なお、電極チップ４５０の素材（例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）など）の融点は、電極チップ４５０の素材であるニッケル合金の融点よりも高い。このため、電極チップ４５０と電極母材４１０との界面ＩＳ０近傍の所定の範囲の温度が、レーザ光の照射により、電極チップ４５０の融点と電極母材４１０の融点との間の温度になった場合は、その部位の電極母材４１０が溶融するのに対して、電極チップ４５０は溶融しない。その結果、図２における点Ｐａ７近傍のように、溶融していない電極チップ４５０の端面に溶融部４５５が接することとなる。

図４は、スパークプラグ１０の接地電極４００に設けられた電極チップ４５０の近傍の他の構成を示す断面図である。図２の態様においては、断面ＲＰ内において、溶融部４５５は、軸線ＣＡ近傍には分布していない。そして、電極チップ４５０と電極母材４１０とが接している界面ＩＳ０が存在する。これに対して、図４に示す態様においては、溶融部４５５は、軸線ＣＡに対して一方の側にある電極チップ４５０の外側面４５１から、軸線ＣＡ近傍を経て、軸線ＣＡに対して他方の側にある電極チップ４５０の外側面４５２に至っている。そして、軸線ＣＡに対して他方の側にある溶融部４５５のうち端面４５３から最も遠い点Ｐａ２は、軸線ＣＡ上にある。他の点は、図４の溶融部４５５の形状は図２の溶融部４５５の形状と同じである。

図４の態様の溶融部４５５は、たとえば、図２の態様の溶融部４５５の生成に比べて、レーザ光の出力を高くする、レーザ光の照射対象位置を軸線方向についてより電極チップ４５０の端面４５３に近い位置にする、などの方法により、生成することができる。図４の態様においても、上記式（１）〜（４）の条件を満たしうる。

電極チップ４５０の素材（例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）など）の熱膨張係数は、電極チップ４５０の素材であるニッケル合金の熱膨張係数よりも、２〜３割小さい。このため、電極チップ４５０と電極母材４１０との界面ＩＳ０が存在する態様（図２および図３参照）においては、エンジンの熱サイクルの温度変化のために、界面ＩＳ０において他の界面ＩＳ１〜ＩＳ４に比べて大きい歪みが生じる。そして、界面ＩＳ０の端（図２および図３における点Ｐａ７，Ｐａ８参照）において歪みが最大となり、そこからクラックが生じる可能性がある。そして、そのクラックは、界面ＩＳ０だけでなく、溶融部４５５と電極チップ４５０との界面ＩＳ１，ＩＳ２にも進展し、やがて電極チップ４５０の電極母材４１０からの脱落に至る可能性がある。

これに対して、図４に示す態様においては、電極チップ４５０の電極母材４１０側の端部４５４のすべてが、溶融部４５５を介して、電極母材４１０に接合されている。そして、電極チップ４５０と電極母材４１０との間には、溶融部４５５が存在し、電極チップ４５０と電極母材４１０との界面ＩＳ０（図２および図３参照）が存在しない。このため、接地電極４００内部（界面ＩＳ０）から、溶融部４５５と電極チップ４５０との界面ＩＳ１，ＩＳ２にクラックが進展する可能性を、低減することができる。

図５は、スパークプラグ１０の接地電極４００に設けられた電極チップ４５０の近傍の他の構成を示す断面図である。図２の態様においては、断面ＲＰ内において、電極チップ４５０の外側面４５１に照射されたレーザ光によって形成される溶融部４５５は、軸線ＣＡに達していない。また、電極チップ４５０の外側面４５２に照射されたレーザ光によって形成される溶融部４５５も、軸線ＣＡに達していない。これに対して、図５の態様においては、電極チップ４５０の外側面４５１に照射されたレーザ光によって形成される溶融部４５５は、軸線ＣＡを挟んで逆の側にまで達している。電極チップ４５０の外側面４５２に照射されたレーザ光によって形成される溶融部４５５も、軸線ＣＡを挟んで逆の側にまで達している。その結果、溶融部４５５と電極母材４１０との界面ＩＳ３，ＩＳ４は、図２の態様に比べて複雑な曲面を有している。他の点は、図５の溶融部４５５の形状は図２の溶融部４５５の形状と同じである。

図５の態様の溶融部４５５は、たとえば、図２の態様の溶融部４５５の生成に比べて、レーザ光の径を細くする、レーザ光の出力を高くする、などの方法により、生成することができる。図５の態様においても、上記式（１）〜（４）の条件を満たしうる。

図５の態様においては、溶融部４５５と電極母材４１０との界面ＩＳ３，ＩＳ４を表す境界は、急な角度で折れ曲がる複雑な曲線を描いている。このため、溶融部４５５と電極母材４１０との界面ＩＳ３，ＩＳ４においてクラックが生じても、そのクラックが界面ＩＳ３，ＩＳ４に沿って進展しにくい。

また、溶融部４５５と電極母材４１０とは、互いに噛み合ったような態様で配されている。言い換えれば、溶融部４５５の凹部に電極母材４１０の凸部が勘合し、電極母材４１０の凹部に溶融部４５５の凸部が勘合したような態様で、溶融部４５５と電極母材４１０とが配されている。このため、溶融部４５５と電極母材４１０との界面ＩＳ３，ＩＳ４においてクラックが生じても、溶融部４５５が電極母材４１０から脱落しにくい。

図６は、スパークプラグ１０の接地電極４００に設けられた電極チップ４５０の近傍の他の構成を示す断面図である。図４の態様においては、断面ＲＰ内において、溶融部４５５の形状は軸線ＣＡに対して非対称である。これに対して、図６に示す態様においては、断面ＲＰ内において、溶融部４５５の形状は軸線ＣＡに対して略対称である。そして、溶融部４５５のうち端面４５３から最も遠い点Ｐａ１，Ｐａ２は、同一の点である。また、図６に示す態様においては、溶融部４５５と電極チップ４５０との界面ＩＳ１，ＩＳ２のうち、電極チップ４５０の端面４５３から最も遠い点Ｐａ９は、図４の態様よりも電極チップ４５０の端面４５３に近い位置（図４および図６の上方）にある。他の点は、図６の溶融部４５５の形状は図４の溶融部４５５の形状と同じである。

図６の態様の溶融部４５５は、たとえば、図４の態様の溶融部４５５の生成に比べて、レーザ光の径を太くする、レーザ光の照射対象位置を、軸線方向についてより電極チップ４５０の端面４５３に近い位置にする、などの方法により、形成することができる。図６の態様においても、上記式（１）〜（４）の条件を満たしうる。

前述のように、溶融部４５５の３次元形状は、軸線ＣＡを中心として、回転対称であることが望ましい（図６参照）。そのような態様においては、溶融部４５５の一部にクラックが発生しやすい部位ができにくい。このため、溶融部４５５と電極チップ４５０との界面ＩＳ１，ＩＳ２にクラックが発生および進展する可能性を、より低減することができる。

また、軸線方向について、電極チップ４５０の端部４５４全体にわたって、電極チップ４５０と電極母材４１０の間に溶融部４５５が厚く存在する。このため、電極チップ４５０の熱膨張率と電極母材４１０の熱膨張率との差異を溶融部４５５で吸収しやすい。よって、溶融部４５５と電極チップ４５０との界面ＩＳ１，ＩＳ２、ならびに溶融部４５５と電極母材４１０との界面ＩＳ３，ＩＳ４にクラックが発生および進展する可能性を、より低減することができる。

なお、本実施形態における電極チップ４５０が「課題を解決するための手段」における「チップ」に相当する。軸心ＣＡが「中心軸」に相当する。断面ＲＰが「中心軸を通る断面」に相当する。点Ｐａ１〜Ｐａ６が、それぞれ「第１の点」〜「第６の点」に相当する。

Ａ４．実施例：
上記の各寸法を様々な値に設定して生成したサンプルを使用して、電極チップ４５０の耐剥離性を評価する試験を行った。なお、試験にあたっては、電極チップ４５０と電極母材４１０との界面ＩＳ０が存在する試料、すなわち電極チップ４５０の底面の溶け残りがある試料（図２、図３および図５参照）と、界面ＩＳ０すなわち溶け残りがない試料（図４および図６参照）とを用意した。試験に用いたスパークプラグの接地電極は、以下の構成を有する。
電極母材の材質：インコネル６０１
接地電極の幅：２．５ｍｍ
電極チップの材質：白金（Ｐｔ）を主成分としロジウム（Ｒｈ）２０質量％を含有する合金。

なお、「接地電極の幅」とは、接地電極が伸びる方向および軸線方向に垂直な方向（Ｘ軸方向）についての電極チップが取りつけられる面の寸法である。なお、電極チップが取りつけられる部分は、接地電極が伸びる方向（Ｙ軸方向）については、幅以上の十分な寸法を有する。

排気量１．５Ｌの４気筒エンジンの一つのシリンダに試験品のスパークプラグを取りつけ、他のシリンダについては、全実験について同じプラグを取りつけて、試験を行った。試験は、スロットル全開（エンジン回転数：５０００ｒｐｍ）で１分間運転し、その後１分間、運転を停止する処理を、１００時間繰り返すことにより行った。

評価は、スパークプラグの軸線ＣＡを通り、接地電極４００が軸線ＣＡに向かって伸びる方向を含む断面ＲＰ（図２の下段参照）において、電極チップと溶融部との界面における酸化スケールの大きさを測定することにより行った。より具体的には、軸線方向に酸化スケールを投影したときの軸線ＣＡに垂直な方向（図２においてＹ軸方向）についての酸化スケールの長さの合計値のＷに対する割合Ｒａに基づいて、耐剥離性を評価した。なお、本実施形態において、断面ＲＰは、レーザ溶接の際に最後に照射されたレーザ光によって溶融した部分ＷＰＬ（図２の下段参照）を含まない面である。

図７は、以上のような条件の下で行った耐剥離性試験の結果を示す表である。図７の表において、各寸法の単位はすべて「ｍｍ」である。酸化スケールの長さの合計値のＷに対する割合Ｒａが５０％以下のものには、図７の表において、「優」を表す二重丸を付した。Ｒａが５０％より大きく９０％以下のものには、「良」を表す丸を付した。Ｒａが９０％以上のものには、「劣」を表すＸを付した。なお、表には示していないが、試料１〜１５のスパークプラグは、いずれも上記式（３）および（４）の条件を満たす。

図７の表において、試料３〜５、試料７〜１０、ならびに試料１２〜１５は、Ｃ１／Ｄ１，Ｃ２／Ｄ２がともに１．０以上であり、上記式（１）、（２）をともに満たす。これらの試料については、耐剥離性は、「優」（二重丸）または「良」（丸）であった。このことから、上記式（１）、（２）をともに満たすスパークプラグにおいては、耐剥離性が良好であることが分かる。

さらに、図７の表において、試料３〜５、試料８〜１０、ならびに試料１３〜１５は、以下の式（５）、（６）をともに満たす。これらの試料については、耐剥離性は、「優」（二重丸）であった。このことから、下記式（５）、（６）をともに満たすスパークプラグにおいては、耐剥離性がさらに良好であることが分かる。
Ｃ１／Ｄ１ ≧ １．２ ・・・ （５）
Ｃ２／Ｄ２ ≧ １．２ ・・・ （６）

式（５）および（６）を満たす形状を有する溶融部４５５を備えたスパークプラグは、上記式（５）、（６）を満たさない態様に比べて、溶融部４５５の素材中に占める電極チップ４５０の素材の割合をさらに多くすることができる。その結果、溶融部４５５の熱膨張率（線膨張率）を電極チップ４５０の熱膨張率に近い値とすることができる。よって、エンジンが運転されて燃焼サイクルが実行される際に、溶融部４５５と電極チップ４５０との界面にクラックが発生し進展する可能性をさらに低減することができる。また、その結果、クラック部分において、酸化スケールが進展する可能性もさらに低減することができる。

また、図７の表において、試料３〜５、試料９〜１０、ならびに試料１５は、上記式（１）、（２）をともに満たし、さらに、チップ底面の溶け残りがない試料である（図４および図６参照）。これらの試料については、耐剥離性は、「優」（二重丸）であった。このことから、上記式（１）、（２）をともに満たし、さらに、チップ底面の溶け残りがないスパークプラグ（図４参照）においては、耐剥離性がさらに良好であることが分かる。

Ｂ．変形例：
Ｂ１．変形例１：
上記実施形態においては、電極母材４１０に接合される前の電極チップ４５０は円柱であり、電極母材４１０に接合された後の電極チップ４５０の端部４５０ｐは円柱状の形状を有する。しかし、電極母材に接合される前の電極チップは、四角柱や六角柱など、他の形状を有していてもよい。そして、電極母材に接合された後の電極チップの端部も、四角柱や六角柱など、他の形状を有していてもよい。ただし、電極チップおよび電極チップの端部は、柱状の形状を有することが好ましく、軸を中心とした回転対称の形状を有することがさらに好ましい。

なお、本明細書において、「柱状」とは、所定の方向に沿って、その方向に垂直な任意の断面における断面形状が一定である３次元形状をいう。そして、「柱状の形状の中心軸」とは、柱状部分が伸びる方向に平行な軸であって、柱状部分が伸びる方向に垂直な面における柱状部分の断面の図心を通る軸である。

Ｂ２．変形例２：
図２の実施形態においては、溶融部４５５の形状は、Ａ１＋Ａ２ ＞ Ｂ１＋Ｂ２の条件を満たす。しかし、溶融部４５５の形状は、Ａ１＋Ａ２ ≦ Ｂ１＋Ｂ２となるようなものであってもよい。

Ｂ３．変形例３：
図２〜図６に示した実施形態においては、溶融部４５５のうち軸線ＣＡから最も遠い点Ｐａ３，Ｐａ４は、電極母材４１０の表面上にある。このため、点Ｐａ３と点Ｐａ４とを通る直線である基準線ＲＬは、電極母材４１０の表面を表す線と一致している。しかし、点Ｐａ３と点Ｐａ４は、必ずしも電極母材４１０の表面上にある必要はない。

また、上記実施形態においては、電極母材４１０の表面は平面であったため、点Ｐａ３，Ｐａ４が電極母材４１０の表面上にある上記実施形態では、断面ＲＰにおける電極母材４１０の表面と基準線ＲＬは一致した。しかし、電極母材４１０の表面は平面でなくともよい。

点Ｐａ３，Ｐａ４が電極母材４１０の表面上になく、または、電極チップが接合される電極母材の表面が平面でない態様においても、基準線ＲＬに基づいて定められる上記式（１）、（２）を満たす限り、上記式（１）、（２）を満たさない態様に比べて、溶融部４５５の熱膨張率（線膨張率）を電極チップ４５０の熱膨張率に近い値とすることができる。このため、電極チップと溶融部の界面におけるクラックおよび酸化スケールの発生および進展を抑制することができる。

Ｂ４．変形例４：
図２、図３および図５に示す実施形態においては、電極チップ４５０と電極母材４１０との界面ＩＳ０が存在する。そして、図４および図６に示す実施形態においては、界面ＩＳ０は存在せず、電極チップ４５０の端部４５４のすべてが、溶融部４５５に接合されている。しかし、電極チップ４５０の溶融部４５５への接合態様は、他の態様であってもよい。たとえば、電極チップ４５０の端部４５４は、溶融部４５５および電極母材４１０以外の構成との界面を有していてもよい。

Ｂ５．変形例５：
上記実施例においては、電極チップの直径Ｗが０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍのものについて、試験を行った。しかし、電極チップの直径Ｗが他の大きさであっても、上記式（１）、（２）を満たす限り、上記式（１）、（２）を満たさない態様に比べて、溶融部の熱膨張率を電極チップの熱膨張率に近い値とすることができる。このため、電極チップと溶融部の界面におけるクラックおよび酸化スケールの発生および進展を抑制することができる。

Ｂ６．変形例６：
上記実施形態においては、溶融部の断面形状について判断する際の基準となる断面ＲＰは、溶融部４５５のうち最後に照射されたレーザ光によって溶融した部分ＷＰＬを含まない面である。しかし、溶融部の断面形状について判断する際の基準となる断面は、溶融部４５５のうち最後に照射されたレーザ光によって溶融した部分ＷＰＬを含んでいてもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…スパークプラグ
９０…内燃機関
１００…中心電極
１９０…端子金具
２００…絶縁体
２９０…軸孔
３００…主体金具
３１０…端面
４００…接地電極
４１０…電極母材
４５０…電極チップ
４５０ｐ…電極チップの端部
４５１，４５２…電極チップの外側面
４５３…電極チップの端面
４５５…溶融部
９１０…内壁
９２０…燃焼室
ＣＡ…軸線
ＩＳ０…電極チップ４５０と電極母材４１０との界面
ＩＳ１，ＩＳ２…溶融部４５５と電極チップ４５０との界面
ＩＳ３，ＩＳ４…溶融部４５５と電極母材４１０との界面
ＲＬ…基準線
ＳＧ…間隙（火花ギャップ）
Ｐａ１…軸線ＣＡに対し一方の側にある溶融部４５５のうち端面４５３から最も遠い点
Ｐａ２…軸線ＣＡに対し他方の側にある溶融部４５５のうち端面４５３から最も遠い点
Ｐａ３…軸線ＣＡに対して一方の側にある溶融部４５５のうち軸線ＣＡから最も遠い点
Ｐａ４…軸線ＣＡに対して他方の側にある溶融部４５５のうち軸線ＣＡから最も遠い点
Ｐａ５…軸線ＣＡに対して一方の側にある溶融部４５５のうち端面４５３に最も近い点
Ｐａ６…軸線ＣＡに対して他方の側にある溶融部４５５のうち端面４５３に最も近い点
Ｐａ７…界面ＩＳ０の軸線ＣＡに対して一方の側にある端点
Ｐａ８…界面ＩＳ０の軸線ＣＡに対して他方の側にある端点
Ｐａ９…界面ＩＳ１，ＩＳ２のうち、電極チップ４５０の端面４５３から最も遠い点
ＷＰＬ…電極チップと電極母材の溶接の際に最後に溶接された部分

Claims (3)

1. 一端側が柱状であって貴金属を主成分とするチップと、電極母材とを有し、前記チップと前記電極母材とが溶け合った溶融部を介して、前記チップの他端側の少なくとも一部が前記電極母材に接合された接地電極を備え、
   前記柱状部分の中心軸を通る断面において、前記溶融部のうち前記中心軸に対して一方の側にあり前記中心軸の方向について最も前記チップの一端側の面から遠い第１の点と、前記溶融部のうち前記中心軸に対して他方の側にあり前記中心軸の方向について最も前記チップの一端側の面から遠い第２の点とが、前記中心軸に垂直な方向について、それぞれ前記中心軸から前記柱状部分の外側面までの長さの２／３よりも前記中心軸に近い位置にあるスパークプラグであって、
   前記断面において、前記溶融部のうち前記中心軸に対して前記一方の側にあり前記中心軸から最も遠い第３の点と、前記溶融部のうち前記中心軸に対して前記他方の側にあり前記中心軸から最も遠い第４の点と、を結んだ線を、基準線とし、
   前記溶融部のうち前記中心軸に対して前記一方の側にあり前記中心軸の方向について前記チップの前記一端側の面に最も近い第５の点と、前記基準線との距離をＣ１とし、
   前記溶融部のうち前記中心軸に対して前記他方の側にあり前記中心軸の方向について前記チップの前記一端側の面に最も近い第６の点と、前記基準線との距離をＣ２とし、
   前記第１の点と前記基準線との距離をＤ１とし、
   前記第２の点と前記基準線との距離をＤ２としたとき、
   Ｃ１≧Ｄ１、かつ、Ｃ２≧Ｄ２
   の関係を満たす、スパークプラグ。
2. 請求項１記載のスパークプラグであって、
   Ｃ１／Ｄ１≧１．２、かつ、Ｃ２／Ｄ２≧１．２
   の関係を満たす、スパークプラグ。
3. 請求項１または２記載のスパークプラグであって、
   前記チップの他端側は、前記電極母材と直接接触せず、前記溶融部を介して前記電極母材に接合されている、スパークプラグ。

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