JP4426614B2 - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に使用されるスパークプラグに関する。

内燃機関用スパークプラグは、内燃機関（エンジン）に取付けられ、燃焼室内の混合気への着火のために用いられるものである。一般に、スパークプラグは、軸孔を有する絶縁体と、当該軸孔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、主体金具の先端面に設けられ、中心電極との間に火花放電間隙を形成する接地電極とを備える。

また、耐火花消耗性及び着火性の向上を目的として、ニッケル合金など耐熱耐腐食性金属からなる接地電極の先端部分に、白金等の貴金属合金からなる貴金属チップが接合されることもある。貴金属チップを接地電極に接合するにあたっては、接地電極と貴金属チップとの接合面外縁部に沿ってレーザービーム等で溶接を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１，２等参照）。
特開２００２−３１３５２４号公報 特許第３４６００８７号公報

ところで、近年、エンジンの高出力化を図るために、高圧縮比のエンジンが開発される傾向にあり、このようなエンジンの燃焼室内において、貴金属チップや接地電極等は、より高温条件下に晒される。加えて、接地電極はその先端側ほど熱引きが悪く、接地電極の先端側により近い部位ほど高温となりやすい。このため、貴金属チップと接地電極との接合部分の界面において、冷熱サイクルの繰り返しに起因する歪みが生じてしまうおそれがある。ひいては、貴金属チップと接地電極との境界部分等で酸化スケールやクラック等が発生してしまい、貴金属チップが接地電極から脱落してしまうことが懸念される。

また昨今では、エンジンの小型化の要請からスパークプラグの小型化が図られており、主体金具自体が小径薄肉化する傾向にあり、当該主体金具の先端に設けられる接地電極についても、主体金具との接合面積を小さくせざるを得ないことから、サイズをより小さいものとせざるを得ない。その結果、接地電極の熱引き性能がより一層低下してしまい、前述の不具合が一層顕著なものとなっ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、冷熱サイクルの繰り返しに起因する貴金属チップの脱落を抑制し、ひいては長寿命化の実現を図ることができる内燃機関用スパークプラグを提供することにある。

以下、上記課題等を解決するのに適した各構成を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、
自身の先端側の一側面に貴金属を主成分とする貴金属チップの基端がレーザー溶接又は電子ビーム溶接により接合され、当該貴金属チップの先端面が前記中心電極の先端部と対向するよう前記主体金具の先端面に設けられる接地電極とを備え、
前記接地電極の一側面からの前記貴金属チップの軸線方向における突出長が０．３ｍｍ以上である内燃機関用スパークプラグであって、
前記貴金属チップは、自身と前記接地電極とが溶け込みあうことで形成された溶融部が自身の周囲に形成されることにより接合され、
前記接地電極の長手方向に沿うとともに前記貴金属チップの中心軸を含む断面において、
前記溶融部及び前記貴金属チップの外表面間の境界点を第１境界点とし、
前記中心軸方向における前記接地電極の外形延長線及び前記第１境界点間の中点を通り、前記中心軸に直交する直線を第１仮想線とし、
前記第１仮想線と前記溶融部の外形線との交点を第１交点とし、
前記第１仮想線と前記溶融部及び前記貴金属チップ間の境界線との交点を第２交点とし、
前記第１境界点と前記第１交点とを通る直線を第１直線とし、
前記第１境界点と前記第２交点とを通る直線を第２直線とし、
前記第１直線と前記第２直線とのなす角（以下、「第１溶け込み角」という）をＳ１（゜）とするとともに、
前記溶融部及び前記接地電極の外表面間の境界点を第２境界点とし、
前記中心軸と直交する方向における前記貴金属チップの外形延長線及び前記第２境界点間の中点を通り、前記中心軸に平行な直線を第２仮想線とし、
前記第２仮想線と前記溶融部の外形線との交点を第３交点とし、
前記第２仮想線と前記溶融部及び前記接地電極間の境界線との交点を第４交点とし、
前記第２境界点と前記第３交点とを通る直線を第３直線とし、
前記第２境界点と前記第４交点とを通る直線を第４直線とし、
前記第３直線と前記第４直線とのなす角（以下、「第２溶け込み角」という）をＳ２（゜）とし、
さらに、
前記第１直線と前記貴金属チップの外形延長線とのなす角（以下、「第１接触角」という）をθ１（゜）とするとともに、
前記第３直線と前記接地電極の外形延長線とのなす角（以下、「第２接触角」という）をθ２（゜）としたとき、
５０≦Ｓ１＋Ｓ２≦１２０を満たすとともに、
θ１＞θ２を満たすことを特徴とする。

尚、上記構成１において、接地電極の長手方向に沿うとともに貴金属チップの中心軸を含む断面を見たとき、貴金属チップの左右両側に２つの溶融部が存在している。ここで、各溶融部が、左右両側で対称形状であり、かつ、均等サイズであれば、いずれか一方の溶融部に関して、Ｓ１，Ｓ２，θ１，θ２を考慮すればよい。また、各溶融部が、左右両側で非対称形状である場合、或いは、均等サイズでないような場合には、左右各溶融部についてそれぞれ第１溶け込み角、第２溶け込み角、第１接触角、第２接触角が計測され、それら左右の角度の平均値が、本発明にいうところのＳ１，Ｓ２，θ１，θ２とされる。

上記構成１によれば、接地電極の先端部分に貴金属チップが接合されているため、耐火花消耗性及び着火性の向上を図ることができる。特に、接地電極の一側面からの貴金属チップの軸線方向における突出長が０．３ｍｍ以上であるため、上記作用効果がより一層確実に奏される。

また、貴金属チップは、その基端がレーザー溶接又は電子ビーム溶接により接合され、自身と前記接地電極とが溶け込みあうことで形成された溶融部が自身の周囲に形成されることにより接合されている。そのため、抵抗溶接等で接合される場合に比べて、接合強度の著しい向上を図ることができる。

一方で、上述の通り、接地電極の先端側ほど熱引きが悪くなる傾向にある。このため、冷熱サイクルの繰り返しにより、貴金属チップと溶融部との界面、或いは、溶融部と接地電極との界面に歪み応力がかかってしまうことが懸念される。この点、構成１によれば、溶融部に関し、貴金属チップ側の第１溶け込み角をＳ１（゜）とするとともに、接地電極側の第２溶け込み角をＳ２（゜）としたとき、５０≦Ｓ１＋Ｓ２≦１２０を満たしている。従って、冷熱サイクルが繰り返された場合であっても、界面に酸化スケール等が形成されてしまうといった事態が起こりにくく、貴金属チップの脱落を抑制することができる。その結果、スパークプラグの長寿命化の実現を図ることができる。

尚、Ｓ１＋Ｓ２の値が５０（゜）未満の場合には、溶融部の量が十分とはいえず、冷熱サイクルの繰り返しにより酸化スケールが形成されやすくなってしまう。一方で、Ｓ１＋Ｓ２の値が１２０（゜）を超える場合には、溶融部が大きすぎて、当該溶融部が腐食等によりえぐれるという不具合が起こってしまうおそれがある。

また、一般にレーザー溶接又は電子ビーム溶接を行うに際しては、ニッケル等を主成分とする接地電極の方が、貴金属チップよりも溶けやすい。つまり、溶融部を構成する金属成分としては、接地電極の成分比率の方が貴金属チップの成分比率よりも多くなるのが一般的である。ここで、接地電極の金属成分よりも貴金属チップの金属成分の方が、耐腐食性が強いという傾向にあるため、溶融部の耐腐食性という観点からは、できるだけ多くの貴金属チップの金属成分が含まれていることが望ましいといえる。この点、構成１では、貴金属チップ側の第１接触角をθ１（゜）とするとともに、接地電極側の第２接触角をθ２（゜）としたとき、θ１＞θ２を満たしている。従って、溶融部中の貴金属チップの溶け込み量が比較的多いものとなり、耐腐食性の著しい向上を図ることができる。その結果、貴金属チップの脱落をより確実に抑制することができ、スパークプラグのより一層の長寿命化の実現を図ることができる。

尚、第１接触角であるθ１が、第２接触角であるθ２以下の場合には、溶融部中の貴金属チップの溶け込み量が十分とはいえず、耐腐食性の低下を招いてしまうおそれがある。

さらに、上記構成１をより奏功させるためには、以下に述べる構成２，３を採用するのがより望ましい。

構成２．本構成のスパークプラグは、構成１に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、１．１＜θ１／θ２≦２．０を満たすことを特徴とする。

上記構成２によれば、１．１＜θ１／θ２≦２．０を満たしているため、溶融部中の貴金属チップの溶け込み量が十分確保されたものとなり、耐腐食性の向上を実現できる。一方、θ１／θ２が１．１を下回る場合には、溶融部中の貴金属チップの溶け込み量が不足することが懸念される。また、θ１／θ２が２．０を超える場合には、溶融部中の貴金属チップの溶け込み量が多くなりすぎて、接地電極と溶融部との間で応力歪みが生じやすくなるおそれが増し、接地電極と溶融部との界面での剥離が生じてしまうことが懸念される。

構成３．本構成のスパークプラグは、構成１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、２０≦Ｓ２＜Ｓ１≦７０を満たすことを特徴とする。

上記構成３によれば、２０≦Ｓ２＜Ｓ１≦７０を満たしているため、溶融部のうち、貴金属チップ側の領域と、接地電極側の領域とで、良好なボリュームバランスが確保される。結果として、貴金属チップの接合状態がより一層安定したものとなり、貴金属チップの脱落をより確実に抑制することができる。

以下に、一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、スパークプラグ１を示す一部破断正面図である。なお、図１では、スパークプラグ１の軸線Ｘ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には、軸線Ｘに沿って軸孔４が貫通形成されている。そして、軸孔４の先端部側には中心電極５が挿入、固定され、後端部側には端子電極６が挿入、固定されている。軸孔４内における中心電極５と端子電極６との間には、抵抗体７が配置されており、この抵抗体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。

中心電極５は、絶縁碍子２の先端から突出し、端子電極６は絶縁碍子２の後端から突出した状態でそれぞれ固定されている。また、中心電極５には、その先端に貴金属チップ３１が溶接により接合されている（これについては後述する）。

一方、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細径に形成された脚長部１３とを備えている。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、脚長部１３と中胴部１２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。

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をエンジンヘッド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の後端側の外周面には座部１６が形成され、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をエンジンヘッド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が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子２を保持するための加締め部２０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固定される。尚、絶縁碍子２及び主体金具３双方の段部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空気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間にはタルク（滑石）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及びタルク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、主体金具３の先端面２６には、略Ｌ字状をなす接地電極２７が接合されている。すなわち、接地電極２７は、前記主体金具３の先端面２６に対しその後端部が溶接されるとともに、先端側が曲げ返されて、その側面が中心電極５の先端部（貴金属チップ３１）と対向するように配置されている。当該接地電極２７には、前記貴金属チップ３１に対向するようにして貴金属チップ３２が接合されている（これについては後述する）。そして、これら貴金属チップ３１，３２間の隙間が火花放電間隙３３となっている。尚、本実施形態において、前記貴金属チップ３１，３２は、公知の貴金属材料（例えば、Ｐｔ−Ｉｒ合金、Ｐｔ−Ｒｈ合金等）により構成されている。

中心電極５は、銅又は銅合金からなる内層５Ａと、ニッケル（Ｎｉ）合金からなる外層５Ｂとにより構成されている。また、接地電極２７は、Ｎｉ合金で構成されている。

中心電極５は、その先端側が縮径されるとともに、全体として棒状（円柱状）をなし、その先端面が平坦に形成されている。ここに円柱状をなす上記貴金属チップ３１を重ね合わせ、さらにその接合面外縁部に沿ってレーザー溶接、電子ビーム溶接、或いは抵抗溶接等を施すことにより、貴金属チップ３１と中心電極５とが接合されている。

一方、貴金属チップ３１に対向する貴金属チップ３２は、接地電極２７の所定位置上に位置合わせされた上で、その接合面外縁部に沿ってレーザービーム或いは電子ビーム（本実施形態ではレーザービーム）で溶接されている。これにより、貴金属材料とＮｉ合金とが相互に溶融した溶融部３４が形成され、当該溶融部３４を介して接地電極２７と貴金属チップ３２とが接合された状態となっている。但し、本実施形態では、貴金属チップ３２の軸線Ｘ方向における突出長が０．３ｍｍ以上となるよう設定されている。

尚、前記レーザービームによる溶接に先だって、貴金属チップ３２の基端側の一部を、抵抗溶接等によって接地電極２７に埋設させることとしてもよい。また、中心電極５側の貴金属チップ３１を省略する構成としてもよい。この場合には、貴金属チップ３２と中心電極５の先端部との間で火花放電間隙３３が形成される。

さて、図３に示すように、接地電極２７の長手方向に沿うとともに貴金属チップ３２の中心軸Ｙを含む断面において、溶融部３４及び貴金属チップ３２の外表面間の境界点を第１境界点Ｋ１とし、中心軸Ｙ方向における前記接地電極２７の外形延長線Ｌ６及び前記第１境界点Ｋ１間の中点Ｃ１を通り、前記中心軸Ｙに直交する直線を第１仮想線Ｌ７とし、当該第１仮想線Ｌ７と溶融部３４の外形線との交点を第１交点Ｐ１とし、第１仮想線Ｌ７と前記溶融部３４及び貴金属チップ３２間の境界線との交点を第２交点Ｐ２とし、第１境界点Ｋ１と第１交点Ｐ１とを通る直線を第１直線Ｌ１とし、第１境界点Ｋ１と第２交点Ｐ２とを通る直線を第２直線Ｌ２とする。

そして、この場合において、前記第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２とのなす角（以下、「第１溶け込み角」という）をＳ１（゜）とする（図４参照）。

また、溶融部３４及び接地電極２７の外表面間の境界点を第２境界点Ｋ２とし、中心軸Ｙと直交する方向における前記貴金属チップ３２の外形延長線Ｌ５及び前記第２境界点Ｋ２間の中点Ｃ２を通り、前記中心軸Ｙに平行な直線を第２仮想線Ｌ８とし、当該第２仮想線Ｌ８と溶融部３４の外形線との交点を第３交点Ｐ３とし、第２仮想線Ｌ８と前記溶融部３４及び接地電極２７間の境界線との交点を第４交点Ｐ４とし、第２境界点Ｋ２と第３交点Ｐ３とを通る直線を第３直線Ｌ３とし、第２境界点Ｋ２と第４交点Ｐ４とを通る直線を第４直線Ｌ４とする。

そして、この場合において、前記第３直線Ｌ３と第４直線Ｌ４とのなす角（以下、「第２溶け込み角」という）をＳ２（゜）とする（図５参照）。

さらに、第１直線Ｌ１と貴金属チップ３２の外形延長線Ｌ５とのなす角（以下、「第１接触角」という）をθ１（゜）とする（図６参照）。これとともに、前記第３直線Ｌ３と接地電極２７の外形延長線Ｌ６とのなす角（以下、「第２接触角」という）をθ２（゜）とする（図７参照）。そして、本実施形態では、この場合において、５０≦Ｓ１＋Ｓ２≦１２０を満たすとともに、θ１＞θ２を満たすように、レーザー溶接が行われている。

但し、図３〜図７においては、第１溶け込み角たるＳ１，第２溶け込み角たるＳ２，第１接触角たるθ１，第２接触角たるθ２として、本来意図する角の対頂角がそれぞれ表記されている。また、図３〜図７においては、図面が煩雑に成るのを回避するべくハッチングを付すのを省略するとともに、溶融部３４については散点模様を付すこととしている。

併せて、本実施形態では、１．１＜θ１／θ２≦２．０を満たしている。さらに、本実施形態では、２０≦Ｓ２＜Ｓ１≦７０をも満たしている。

尚、接地電極２７の長手方向に沿うとともに貴金属チップ３２の中心軸Ｙを含む断面を見たとき、貴金属チップ３２の左右両側に２つの溶融部３４が存在することとなる。ここで、各溶融部３４が、図３〜図７に示すように、左右両側で対称形状であり、かつ、均等サイズであれば、いずれか一方の溶融部３４に関して、Ｓ１，Ｓ２，θ１，θ２を考慮すればよい。また、各溶融部３４が、左右両側で非対称形状である場合、或いは、均等サイズでないような場合には、左右各溶融部３４についてそれぞれ第１溶け込み角、第２溶け込み角、第１接触角、第２接触角が計測され、それら左右の角度の平均値が、本実施形態にいうところのＳ１，Ｓ２，θ１，θ２とされる。

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Ｓ１７ＣやＳ２５Ｃといった鉄系素材やステンレス素材）を冷間鍛造加工により貫通孔を形成し、概形を製造する。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。

続いて、主体金具中間体の先端面に、Ｎｉ合金［例えばインコネル（但し、商標名）系合金等］からなる接地電極２７が抵抗溶接される。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。尚、後述する貴金属チップ３２を接地電極２７に設けた後に、接地電極２７を主体金具中間体に溶接することとしてもよい。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、耐食性向上を図るべく、その表面に、さらにクロメート処理が施されることとしてもよい。

さらに、接地電極２７の先端部には、上述した貴金属チップ３２が接合される。より詳しくは、接地電極２７の所定部位に貴金属チップ３２を位置決め（或いは仮止め）する。そして、レーザー照射手段に対して、貴金属チップ３２の中心軸Ｙを回転軸として貴金属チップ３２を相対回転させつつ、接地電極２７と貴金属チップ３２との接合面外縁部に対してレーザービームが間欠的に照射される。これにより、貴金属チップ３２の先端側から見て環状に連なる多数の溶融スポット（溶融部３４）が形成され、接地電極２７と貴金属チップ３２とが接合される。尚、レーザービームの照射に際しては、上述のように、Ｓ１，Ｓ２，θ１，θ２が上記範囲内となるよう、レーザーの照射角度、照射位置、照射エネルギー、パルス幅を適宜調整しつつ照射が実行される。

また、溶接をより確実なものとするべく、当該溶接に先だって溶接部位のメッキ除去が行われたり、或いは、メッキ工程に際し溶接予定部位にマスキングが施されたりする。また、当該貴金属チップ３２の溶接を、後述する組合せの後に行うこととしてもよい。

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、成形用素地造粒物を調製し、これ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。得られた成形体に対し、研削加工が施され整形される。そして、整形されたものが焼成炉へ投入され焼成されることで、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、Ｎｉ合金が鍛造加工され、その中央部に放熱性向上を図るべく銅合金からなる内層５Ａが設けられる。そして、その先端部には、上述した貴金属チップ３１が抵抗溶接やレーザー溶接等により接合される。

そして、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としては、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ており、当該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が押圧された状態とした上で、焼成炉内にて焼き固められる。尚、このとき、絶縁碍子２の後端側胴部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とが組付けられる。より詳しくは、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固定される。

そして、最後に、接地電極２７を屈曲させることで、中心電極５の先端に設けられた貴金属チップ３１及び接地電極２７に設けられた貴金属チップ３２間の前記火花放電間隙３３を調整する加工が実施される。

このように一連の工程を経ることで、上述した構成を有するスパークプラグ１が製造される。

次に、本実施形態によって奏される作用効果を確認するべく、次のような試験を行った。すなわち、貴金属チップ３２のサンプルとして、白金を主成分とし、ロジウムを含んでなる合金（Ｐｔ−２０Ｒｈ）よりなり、直径０．７ｍｍ、高さ０．８ｍｍの円柱状のものを用意し、また、接地電極２７のサンプル（ニッケル系合金）として、インコネル６０１（但し、商標名）を用意した。そして、Ｓ１，Ｓ２，θ１，θ２が所定の値となるよう、レーザーの照射角度、照射位置、照射エネルギー、パルス幅を適宜調整しつつ照射を行い、レーザー溶接を施し、評価サンプルを作製した。但し、このときの溶融部の溶け込み深さ（図３の符号Ｄに相当）が、各評価サンプルに関しいずれも０．２５ｍｍとなるようにした。

そして、上記各評価サンプルについて、『バーナー冷熱試験』、『第１の実機冷熱耐久試験』、及び『第２の実機冷熱耐久試験』を実施した。より詳しくは、『バーナー冷熱試験』として、加熱時に貴金属チップ温度が１１００℃になるようにバーナーをセットした上で、直棒状の評価サンプルを２分間加熱し、その後１分間徐冷する処理を１サイクルとし、これを１０００サイクル実施した。その結果、クラックが一切発生しなかった場合には、○の評価を、貴金属チップの剥離に大きく影響しない程度の小さいクラックが発生した場合には、△の評価を、大きなクラックが発生した場合或いは貴金属チップの剥離が発生した場合には、×の評価をそれぞれ下すこととした。

また、『第１の実機冷熱耐久試験』及び『第２の実機冷熱耐久試験』は、上記『バーナー冷熱試験』よりも過酷な条件下での試験であって、上記各評価サンプルを用いてスパークプラグサンプルを作製した上での試験である。すなわち、『第１の実機冷熱耐久試験』においては、直列６気筒排気量２０００ｃｃのエンジンにスパークプラグサンプルを装着し、全開エンジン回転数５０００ｒｐｍ（このときの接地電極温度が約１０００℃）となるように設定し、１分間全開での運転を行った後、１分間アイドリング回転数（約７００ｒｐｍ）での運転を行う処理を１サイクルとし、これを１０００サイクル実施した。その結果、クラックが一切発生しなかった場合には、○の評価を、貴金属チップの剥離に大きく影響しない程度の小さいクラックが発生した場合には、△の評価を、大きなクラックが発生した場合或いは貴金属チップの剥離が発生した場合には、×の評価をそれぞれ下すこととした。また、これとともに、その他、「えぐれ」等の重大な欠陥が無いかについても確認を行った。

さらに、『第２の実機冷熱耐久試験』は、上記『第１の実機冷熱耐久試験』よりも過酷な条件下での試験である。すなわち、『第２の実機冷熱耐久試験』においては、直列４気筒排気量２０００ｃｃのエンジンにスパークプラグサンプルを装着し、全開エンジン回転数６５００ｒｐｍ（このときの接地電極温度が約１０５０℃）となるように設定し、１分間全開での運転を行った後、１分間のエンジン停止を行う処理を１サイクルとし、これを１０００サイクル実施した。その結果、クラックが一切発生しなかった場合には、○の評価を、貴金属チップの剥離に大きく影響しない程度の小さいクラックが発生した場合には、△の評価を、大きなクラックが発生した場合或いは貴金属チップの剥離が発生した場合には、×の評価をそれぞれ下すこととした。また、これとともに、その他重大な欠陥が無いかについても確認を行った。但し、上記各試験に関し、『バーナー冷熱試験』で×の評価が下されたサンプルについては、原則として『第１の実機冷熱耐久試験』を行わないこととし、『第１の実機冷熱耐久試験』で×の評価が下されたサンプル、或いは重大な欠陥が確認されたサンプルについては、原則として『第２の実機冷熱耐久試験』を行わないこととした（一部例外あり）。

上記各試験結果を表１に示す。

上記表１に示すように、５０≦Ｓ１＋Ｓ２≦１２０を満たし、θ１＞θ２を満たし、１．１＜θ１／θ２≦２．０を満たし、かつ、２０≦Ｓ２＜Ｓ１≦７０をも満たしているサンプル１，３，４については、『バーナー冷熱試験』、『第１の実機冷熱耐久試験』、及び『第２の実機冷熱耐久試験』のいずれの試験においても、クラックが発生せず、優れた耐剥離性を具備することが明らかとなった。

これに対し、Ｓ１＋Ｓ２が５０未満のサンプル２（Ｓ１＋Ｓ２＝４６）については、３つの試験中最も試験条件のゆるい『バーナー冷熱試験』において大きなクラックが発生してしまい、また、『第１の実機冷熱耐久試験』において、貴金属チップの脱落が起こってしまった。さらに、サンプル６（Ｓ１＋Ｓ２＝３８、かつ、Ｓ２＝１６）についても、『バーナー冷熱試験』において大きなクラックが発生し貴金属チップの剥離が起こってしまった。
これらのことから、Ｓ１＋Ｓ２が５０未満の場合には、溶融部の量が十分とはいえず、冷熱サイクルの繰り返しにより酸化スケールが形成されてしまい、貴金属チップの剥離等が起こってしまったものと考えられる。

逆に、Ｓ１＋Ｓ２が１２０を超える（＝１４２）のサンプル９については、『バーナー冷熱試験』において小さなクラックが発生してしまい、また、『第１の実機冷熱耐久試験』において、溶融部のえぐれが起こってしまった。これは、溶融部が大きすぎて、当該溶融部が腐食等によりえぐられてしまったものと考えられる。

また、θ１≦θ２のサンプル１２，１３，１４についても、『バーナー冷熱試験』において大きなクラックが発生してしまった。これは、溶融部中の貴金属チップの溶け込み量が十分とはいえず、耐腐食性の低下を招いてしまったことが原因であると考えられる。

次に、５０≦Ｓ１＋Ｓ２≦１２０を満たし、θ１＞θ２を満たすサンプルについて言及する。５０≦Ｓ１＋Ｓ２≦１２０を満たし、θ１＞θ２を満たすサンプルについては、『バーナー冷熱試験』において、いずれも○の評価が下されており、少なくともかかる条件を満たすことで、耐剥離性の向上が図られるといえる。しかし、上記条件を満たす場合であっても、θ１／θ２の値が２．０を超えてしまうサンプル５（θ１／θ２＝２．３６）については、『第１の実機冷熱耐久試験』において、小さなクラックが発生してしまった。また、逆にθ１／θ２の値が１．１を下回るサンプル１０についても、『第１の実機冷熱耐久試験』において、小さなクラックが発生してしまった。前者（サンプル５）の場合には、溶融部中の貴金属チップの溶け込み量が却って多くなりすぎて、接地電極と溶融部との間で応力歪みが生じやすくなってしまい、接地電極と溶融部との界面でのクラックが発生したものと考えられる。一方、後者（サンプル１０）の場合には、溶融部中の貴金属チップの溶け込み量が幾分不足していることが原因であると考えられる。

さらに、２０≦Ｓ２＜Ｓ１≦７０を満たさないサンプル７，８，１１（サンプル７は、Ｓ２＞Ｓ１であり、サンプル８は、Ｓ１＞７０であり、サンプル１１は、Ｓ２＜２０）について、いずれも『第１の実機冷熱耐久試験』ではクラックが発生しなかったものの、『第２の実機冷熱耐久試験』において、小さなクラックが発生してしまった。これらの場合には、使用の上では問題がないものの、溶融部のうち、貴金属チップ側の領域と接地電極側の領域とで、ボリュームバランスが幾分崩れたものとなり、結果として、『第２の実機冷熱耐久試験』において、小さなクラックが発生してしまったものと考えられる。

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は、溶融部３４は、貴金属チップ３２の中心軸Ｙを超えることなく形成されているが、断面視における左右の溶融部３４のうち少なくとも一方が前記中心軸Ｙを超えて形成されることとしてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、接地電極２７がＮｉ合金で構成されている場合について具体化されているが、接地電極２７が内層及び外層からなる２層構造を具備していても何ら差し支えない。この場合、少なくとも外層がＮｉ合金で構成されているのが望ましい。

（ｃ）貴金属チップ３１，３２を構成する素材についても、特段限定されるものではない。従って、上記実施形態で例示したＰｔ−Ｉｒ合金、Ｐｔ−Ｒｈ合金以外にも、例えばイリジウムを主成分とする貴金属を用いてもよい。

（ｄ）上記実施形態では、特に言及していないが、昨今のスパークプラグの小型化の要請を鑑みるに、接地電極２７として、その先端部分の断面積が比較的小さい（例えば、２．０ｍｍ²以上３．５ｍｍ²以下）ものを用いることとしてもよい。このように断面積が比較的小さい場合には、接地電極２７の熱引き性能が低下してしまうため、接地電極２７がより高温となってしまいやすく、ひいては貴金属チップ３２に加えられる熱応力のバランスが一層崩れやすくなってしまうことが懸念される。この点、上記構成を採用することで、熱応力のバランスの崩れを安定的に抑制することができる。すなわち、接地電極２７がより高温となりやすい条件下において、上記構成とすることによる作用効果が一層効果的に奏される。

（ｅ）上記実施形態では、主体金具３の先端に、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。

一実施形態におけるスパークプラグを示す一部破断正面図である。 スパークプラグの先端部分を示す一部破断正面図である。 Ｓ１等を特定するための各種境界点、交点、直線、仮想線等を説明する図であって、貴金属チップ、溶融部及び接地電極等を示す模式図である。 Ｓ１の概念を説明する図であって、貴金属チップ、溶融部及び接地電極等を示す模式図である。 Ｓ２の概念を説明する図であって、貴金属チップ、溶融部及び接地電極等を示す模式図である。 θ１の概念を説明する図であって、貴金属チップ、溶融部及び接地電極等を示す模式図である。 θ２の概念を説明する図であって、貴金属チップ、溶融部及び接地電極等を示す模式図である。

符号の説明

１…内燃機関用スパークプラグ、２…絶縁碍子、３…主体金具、４…軸孔、５…中心電極、２６…主体金具の先端面、２７…接地電極、３２…貴金属チップ、３３…火花放電間隙、３４…溶融部、Ｘ…軸線、Ｙ…中心軸。

Claims (3)

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、
   自身の先端側の一側面に貴金属を主成分とする貴金属チップの基端がレーザー溶接又は電子ビーム溶接により接合され、当該貴金属チップの先端面が前記中心電極の先端部と対向するよう前記主体金具の先端面に設けられる接地電極とを備え、
   前記接地電極の一側面からの前記貴金属チップの軸線方向における突出長が０．３ｍｍ以上である内燃機関用スパークプラグであって、
   前記貴金属チップは、自身と前記接地電極とが溶け込みあうことで形成された溶融部が自身の周囲に形成されることにより接合され、
   前記接地電極の長手方向に沿うとともに前記貴金属チップの中心軸を含む断面において、
   前記溶融部及び前記貴金属チップの外表面間の境界点を第１境界点とし、
   前記中心軸方向における前記接地電極の外形延長線及び前記第１境界点間の中点を通り、前記中心軸に直交する直線を第１仮想線とし、
   前記第１仮想線と前記溶融部の外形線との交点を第１交点とし、
   前記第１仮想線と前記溶融部及び前記貴金属チップ間の境界線との交点を第２交点とし、
   前記第１境界点と前記第１交点とを通る直線を第１直線とし、
   前記第１境界点と前記第２交点とを通る直線を第２直線とし、
   前記第１直線と前記第２直線とのなす角（以下、「第１溶け込み角」という）をＳ１（゜）とするとともに、
   前記溶融部及び前記接地電極の外表面間の境界点を第２境界点とし、
   前記中心軸と直交する方向における前記貴金属チップの外形延長線及び前記第２境界点間の中点を通り、前記中心軸に平行な直線を第２仮想線とし、
   前記第２仮想線と前記溶融部の外形線との交点を第３交点とし、
   前記第２仮想線と前記溶融部及び前記接地電極間の境界線との交点を第４交点とし、
   前記第２境界点と前記第３交点とを通る直線を第３直線とし、
   前記第２境界点と前記第４交点とを通る直線を第４直線とし、
   前記第３直線と前記第４直線とのなす角（以下、「第２溶け込み角」という）をＳ２（゜）とし、
   さらに、
   前記第１直線と前記貴金属チップの外形延長線とのなす角（以下、「第１接触角」という）をθ１（゜）とするとともに、
   前記第３直線と前記接地電極の外形延長線とのなす角（以下、「第２接触角」という）をθ２（゜）としたとき、
   ５０≦Ｓ１＋Ｓ２≦１２０を満たすとともに、
   θ１＞θ２を満たすことを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
2. １．１＜θ１／θ２≦２．０を満たすことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用スパークプラグ。
3. ２０≦Ｓ２＜Ｓ１≦７０を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグ。