JP5216133B2 - スパークプラグ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関等に使用されるスパークプラグ、及び、その製造方法に関する。

内燃機関等の燃焼装置に使用されるスパークプラグは、例えば、軸線方向に延びる中心電極と、中心電極の外周に設けられる絶縁体と、絶縁体の外側に組付けられる円筒状の主体金具と、基端部が主体金具の先端部に接合される接地電極とを備える。接地電極は、その先端部が前記中心電極の先端部と対向するように、自身の略中間部分が曲げ返して配置され、これにより中心電極の先端部と接地電極との先端部の間に火花放電間隙が形成される。

また近年では、接地電極の先端部のうち、前記火花放電間隙を形成する部位に貴金属合金からなるチップを設け、着火性の向上を図る技術が知られている（例えば、特許文献１等参照）。

特開２００９−３７７５０号公報

しかしながら、貴金属合金は高価であり、製造コストの増大を招いてしまうおそれがある。そこで、製造コストの抑制を図るべく、前記チップを、比較的安価なニッケル（Ｎｉ）を主成分とするＮｉ合金により形成することが考えられる。

ところが、一般にＮｉ合金は、貴金属合金と比較して耐消耗性に劣るため、チップをＮｉ合金により形成した場合には、チップが急速に消耗してしまうおそれがある。チップが消耗して放電ギャップが大きくなってしまうと、正規放電ギャップ以外で放電してしまうおそれがある。そのため、チップを設けたことによる着火性の向上効果が十分に奏されないことが懸念される。

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、チップをＮｉ主成分の金属により形成することで製造コストの抑制を図りつつ、優れた耐消耗性を実現することができるスパークプラグ、及び、その製造方法を提供することになる。

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、自身の基端部が固定された接地電極と、
前記接地電極の先端部に接合され、前記中心電極の先端部との間に間隙を形成するチップとを備えるスパークプラグであって、
前記チップは、ニッケルを９３質量％以上含有する金属により形成されるとともに、
前記チップの硬度が、ビッカース硬度で８５Ｈｖ以上１６３Ｈｖ以下とされることを特徴とする。

上記構成１によれば、チップがＮｉを主成分とする金属により形成されているため、チップを貴金属合金により形成する場合と比較して、製造コストを抑制することができる。

一方で、Ｎｉを主成分とする金属によりチップを形成した場合には、チップの耐消耗性が不十分となってしまうことが懸念されるが、上記構成１によれば、チップの硬度が１６３Ｈｖ以下とされており、チップを構成する金属の結晶粒の歪みが抑制されるように構成されている。従って、チップの内部において熱がスムーズに伝導されることとなり、チップの熱伝導性を向上させることができる。また、チップは、熱伝導性に優れるＮｉを９３質量％以上含む金属により形成されているため、チップの熱伝導性を一層向上させることができる。すなわち、チップの硬度を１６３Ｈｖ以下としつつ、Ｎｉ含有量が９３質量％以上の金属によりチップを形成することで、チップの熱伝導性を飛躍的に向上させることができる。その結果、チップの耐消耗性を飛躍的に向上させることができ、ひいてはチップを設けることによる着火性の向上効果を長期間に亘って維持することができる。

構成２．本構成のスパークプラグは、上記構成１において、前記チップのうち前記間隙を形成する面に、圧縮残留応力が加わっていることを特徴とする。

上記構成２によれば、チップのうち前記間隙を形成する面（放電面）に、圧縮残留応力が加わるように構成されている。従って、内燃機関等の動作に伴いチップに振動が加わった場合であっても、前記放電面において欠け等の破損が生じにくくなる。これにより、前記放電面における破損による間隙の急激な拡大をより確実に防止することができる。その結果、放電電圧の増大を抑制することができ、火花放電に伴う中心電極やチップの急激な消耗を抑制することができる。また、前記間隙以外での火花放電を抑制することができ、チップを設けることによる着火性の向上効果をより確実に発揮させることができる。

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、前記接地電極の中心軸に沿った、前記接地電極の先端から前記チップまでの距離が１．５ｍｍ以下とされており、
前記接地電極の硬度が、ビッカース硬度で９０Ｈｖ以上２００Ｈｖ以下とされることを特徴とする。

接地電極の存在による火炎核の成長阻害を抑制し、着火性の更なる向上を図るという点では、接地電極の先端近傍にチップを接合し、接地電極の中心軸に沿った、チップに対する接地電極の先端の突き出し量を極力小さくすることが好ましい。しかしながら、一般に接地電極は、所定の金属からなる線材を切断することで得られるところ、切断に伴い接地電極の端部に反りが生じてしまうと、接地電極の先端近傍にチップを接合した場合に、接地電極に対するチップの接合強度が低下してしまうおそれがある。接合強度が低下してしまうと、接地電極とチップとの接合境界に酸化スケールが形成されやすくなってしまい、酸化スケールの存在により、チップの熱が接地電極へと伝導されにくくなってしまうおそれがある。

この点、上記構成３によれば、接地電極の硬度が９０Ｈｖ以上とされているため、切断に伴う接地電極の反りをより確実に防止することができる。従って、着火性の向上を図るべく、接地電極の先端までの距離が１．５ｍｍ以下となる位置にチップを接合した場合であっても、接地電極とチップとを強固に接合することができ、ひいては両者の接合境界における酸化スケールの形成を効果的に抑制することができる。その結果、チップから接地電極への熱伝導性を向上させることができ、チップの耐消耗性をより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、前記接地電極は、Ｎｉを主成分とする金属により形成されるとともに、
前記チップ、及び、前記接地電極のうち少なくとも一方には、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、及び、アルミニウム（Ａｌ）のうち少なくとも一種が含有されることを特徴とする。

尚、「主成分」とあるのは、材料中、最も質量比の高い成分を指すものである（以下、同様）。

上記構成４によれば、接地電極がＮｉを主成分とする金属により形成されているため、接地電極の熱伝導性をより高めることができ、ひいてはチップの耐消耗性を一層向上させることができる。

さらに、上記構成４によれば、チップや接地電極に、ＳｉやＭｎ、Ａｌが含有されているため、チップや接地電極の耐酸化性を向上させることができる。従って、チップや接地電極において、酸化に伴う熱伝導性の低下を抑制することができ、その結果、チップの耐消耗性をさら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、前記接地電極は、ニッケルを主成分とする金属により形成されるとともに、
前記チップ、及び、前記接地電極のうち少なくとも一方には、Ｓｉが０．５質量％以上１．３質量％以下、Ｍｎが０．１質量％以上１．１質量％以下、Ａｌが０．０１質量％以上１．００質量％以下含有されることを特徴とすることを特徴とする。

上記構成５によれば、上記構成４による作用効果がより確実に発揮されることとなる。

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、前記チップ、及び、前記接地電極のうち少なくとも一方には、希土類元素が一種以上含有されることを特徴とする。

上記構成６によれば、チップや接地電極には、希土類元素が一種以上含有されているため、チップや接地電極を構成する金属の粒成長を抑制することができる。その結果、チップや接地電極における、割れや欠け等の発生を効果的に防止することができる。

構成７．本構成のスパークプラグは、上記構成６において、希土類元素の総含有量が０．０５質量％以上０．２５質量％以下とされることを特徴とする。

上記構成７によれば、上記構成６による作用効果がより確実に発揮されることとなる。

構成８．本構成のスパークプラグの製造方法は、上記構成１乃至７のいずれかに記載のスパークプラグの製造方法であって、
抵抗溶接により、前記接地電極に前記チップを接合する接合工程を含み、
前記接合工程においては、
前記チップの一端面を前記接地電極に接触させた上で、前記チップをその他端面側から前記接地電極側に向けて加圧しつつ前記チップに通電することにより、前記接地電極に前記チップを接合し、
少なくとも前記チップへの通電時において、前記チップの一端面と他端面との間に位置する側面が大気に接していることを特徴とする。

上記構成８によれば、チップの側面を大気に接触させた状態で、チップが接地電極に溶接されるため、チップを十分に加熱することができる。従って、焼鈍が施された場合と同様に、チップの硬度を低減させることができる。すなわち、上記構成８によれば、チップの硬度を低減させるための工程を別段設けることなく、接合工程を経ることで硬度が１６３Ｈｖ以下のチップを容易に得ることができる。その結果、生産性の向上を図ることができる。

構成９．本構成のスパークプラグの製造方法は、上記構成８において、前記接合工程後における前記チップの硬度が、ビッカース硬度で１００Ｈｖ以上とされることを特徴とする。

上記構成９によれば、接合工程後におけるチップの硬度が１００Ｈｖ以上とされるため、スパークプラグを運搬する際などにおいて、チップに疵が付いてしまうことをより確実に防止することができる。

構成１０．本構成のスパークプラグの製造方法は、上記構成８又は９において、前記接地電極のうち前記中心電極側に位置する面を棒状の支持治具により支持した上で、前記中心電極側の面の反対側の面から前記接地電極を押圧することにより、前記接地電極を屈曲させる屈曲工程を含み、
前記接地電極の硬度が、ビッカース硬度で１５０Ｈｖ以下とされることを特徴とする。

上記構成１０によれば、接地電極の硬度が１５０Ｈｖ以下とされているため、屈曲工程における支持治具の折損をより確実に防止することができる。その結果、生産性の更なる向上を図ることができる。

スパークプラグの構成を示す一部破断正面図である。 スパークプラグの先端部の構成を示す一部破断拡大正面図である。 接合工程における、接地電極やチップ等を示す拡大断面模式図である。 （ａ），（ｂ）は、屈曲工程における接地電極等を示す拡大模式図である。 距離Ｌを種々変更したサンプルにおける、着火性評価試験の試験結果を示すグラフである。 溶接法Ａを説明するための治具等の拡大断面模式図である。

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。当該中心電極５は、銅又は銅合金からなる内層５Ａと、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするＮｉ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。

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、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、主体金具３の先端部２６には、略中間部分にて曲げ返された棒状の接地電極２７が接合されている。さらに、接地電極２７の中心電極５側に位置する側面２７Ｓに、円柱状をなすチップ３２の一端面３２Ｂが接合されている。本実施形態において、チップ３２は、接地電極２７の先端近傍に位置するようにその接合位置が設定されており、具体的には、接地電極２７の中心軸ＣＬ２に沿った、接地電極２７の先端からチップ３２までの距離Ｌが１．５ｍｍ以下とされている。また、中心電極５の先端部とチップ３２の他端面３２Ｆとの間には、間隙としての火花放電間隙３３が形成されており、当該火花放電間隙３３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、チップ３２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、チップ３２には、ケイ素（Ｓｉ）が０．５質量％以上１．３質量％以下、マンガン（Ｍｎ）が０．１質量％以上１．１質量％以下、アルミニウム（Ａｌ）が０．０１質量％以上１．００質量％以下含有されている。併せて、チップ３２には、希土類元素が一種以上含有されており、希土類元素の総含有量が０．０５質量％以上０．２５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、本実施形態では、チップ３２の硬度が、ビッカース硬度で１００Ｈｖ以上１６３Ｈｖ以下とされている。尚、チップ３２の硬度を測定する部位としては、例えば、チップ３２の中心軸を含む断面における、チップ３２の断面中心を挙げることができる。

併せて、接地電極２７は、Ｎｉを主成分とし、Ｓｉが０．５質量％以上１．３質量％以下、Ｍｎが０．１質量％以上１．１質量％以下、Ａｌが０．０１質量％以上１．００質量％以下含有された合金により形成されている。さらに、接地電極２７には、希土類元素が一種以上含有されており、希土類元素の総含有量が０．０５質量％以上０．２５質量％以下とされている。

さらに、本実施形態では、チップ３２の前記他端面３２Ｆ（火花放電間隙３３を形成する面）に、圧縮残留応力が加わるように構成されている。

加えて、接地電極２７の硬度は、ビッカース硬度で９０Ｈｖ以上１５０Ｈｖ以下とされている。尚、接地電極２７の硬度を測定する部位として、接地電極２７のうち、主体金具３への接合後に加工が施された部位（つまり、加工に伴う硬度変化が生じ得る部位）や、接合に伴う硬度変化が生じ得る部位は除かれる。従って、接地電極２７は、後述するように主体金具３に接合した後に、屈曲加工が施されて中心電極５側へと曲げ返されるため、接地電極２７の硬度を測定する部位として、接地電極２７の屈曲部分は除かれる。また、例えば、接地電極２７のうち、チップ３２の接合に伴う硬度変化が生じ得る部位（例えば、チップ３２から１．０ｍｍ以内に位置する部位）も硬度を測定する部位から除かれる。

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、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の接地電極２７を製造しておく。すなわち、Ｎｉ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９０Ｈｖ以上とされる。そして、十分に細くされた段階で合金を所定長さに切断することにより、硬度が９０Ｈｖ以上の直棒状の接地電極２７が得られる。尚、接地電極２７の硬度を低減させるために、接地電極２７に対して熱処理（アニール処理）を行うこととしてもよい。但し、接地電極２７の硬度が９０Ｈｖを下回らないように、熱処理の時間や加熱温度を調節することが必要である。

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。

次いで、接地電極２７の溶接された主体金具３に、亜鉛メッキ或いはＮｉ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。

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。

さらに、チップ３２を予め製造しておく。すなわち、Ｎｉを９３質量％以上含み、ＳｉやＭｎ、希土類元素をそれぞれ所定量含有する合金を用意し、当該合金に対して熱間鍛造、熱間圧延（溝ロール圧延）を施す。その後、線引き加工を施すことで、棒状素材を得た後、それを所定長に切断し、チップ３２を得る。本実施形態では以上のようにしてチップ３２を得たが、予め細く線引き加工した合金を所定長よりも長めに切断した後、型に押し込んで成形することでチップ３２を得てもよい。尚、この時点におけるチップ３２の硬度は比較的大きなもの（例えば、２００Ｈｖ以上）となっている。また、線引き加工に伴い、チップ３２には、その中心軸方向に沿って比較的大きな（例えば、２００ＭＰａ程度の）引張応力が残留している。

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、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。

次いで、接合工程において、接地電極２７の先端部にチップ３２を接合する。すなわち、図３に示すように、チップ３２の一端面３２Ｂを接地電極２７の中心電極５側の側面２７Ｓに接触させるとともに、所定の溶接電極棒ＷＳをチップ３２の他端面３２Ｆに接触させる。このとき、チップ３２は、接地電極２７の先端から１．５ｍｍ以内の範囲に配置される。次に、溶接電極棒ＷＳを接地電極２７側へと移動させ、溶接電極棒ＷＳによりチップ３２を所定圧力で押圧しつつ、溶接電極棒ＷＳからチップ３２へと所定の電流値で通電する。これにより、接地電極２７に対してチップ３２が接合される。

尚、少なくともチップ３２へと通電する際に、チップ３２の一端面３２Ｂと他端面３２Ｆとの間に位置する側面３２Ｓが、治具等によって支持されることなく、大気に接するようになっている。側面３２Ｓを支持することなく、側面３２Ｓを大気に接触させた状態で、チップ３２を溶接することにより、チップ３２は十分に加熱されることとなる。その結果、チップ３２の硬度は、焼鈍が施された場合と同様に低減し、その硬度が１６０Ｈｖ以下とされる。但し、接合工程後において、チップ３２の硬度は１００Ｈｖ以上とされる。

また、溶接電極棒ＷＳによるチップ３２の押圧荷重やチップ３２に対する通電電流を調節することで、チップ３２に残留していた引張応力が除去されるとともに、チップ３２の他端面３２Ｆに圧縮残留応力が加わった状態とされる。

続いて、屈曲工程において、接地電極２７が中心電極５側に屈曲させられる。すなわち、図４（ａ）に示すように、中心電極５と接地電極２７との間に、棒状の支持治具ＪＧ１を配置する。そして、支持治具ＪＧ１により接地電極２７の前記側面２７Ｓを支持した上で、接地電極２７のうち前記側面２７Ｓの背面に位置する面を所定の押圧治具ＪＧ２により押圧し、接地電極２７を鈍角状に屈曲させる。次いで、図４（ｂ）に示すように、所定の押圧治具ＪＧ３により、接地電極２７の先端部を軸線ＣＬ１に沿って押圧することで、接地電極２７を略直角状に屈曲させるとともに、中心電極５及びチップ３２間に火花放電間隙３３を形成する。そして最後に、火花放電間隙３３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、チップ３２がＮｉを主成分とする金属により形成されているため、貴金属合金を用いる場合と比較して、製造コストの抑制を図ることができる。

また、本実施形態においては、チップ３２の硬度が１６３Ｈｖ以下とされており、チップ３２を構成する金属の結晶粒の歪みが抑制されるように構成されている。従って、チップ３２の内部において熱がスムーズに伝導されることとなり、チップ３２の熱伝導性を向上させることができる。また、チップ３２は、熱伝導性に優れるＮｉを９３質量％以上含む金属により形成されているため、チップ３２の熱伝導性を一層向上させることができる。すなわち、チップ３２の硬度を１６３Ｈｖ以下としつつ、Ｎｉ含有量が９３質量％以上の金属によりチップ３２を形成することで、チップ３２の熱伝導性を飛躍的に向上させることができる。その結果、チップ３２の耐消耗性を飛躍的に向上させることができ、ひいてはチップ３２を設けることによる着火性の向上効果を長期間に亘って維持することができる。

加えて、本実施形態では、チップ３２の他端面３２Ｆに、圧縮残留応力が加わるように構成されている。従って、内燃機関等の動作に伴いチップ３２に振動が加わった場合であっても、前記他端面３２Ｆにおいて欠け等の破損が生じにくくなる。これにより、前記他端面３２Ｆにおける破損による火花放電間隙３３の急激な拡大をより確実に防止することができる。その結果、放電電圧の増大を抑制することができ、火花放電に伴う中心電極５やチップ３２の急激な消耗を抑制することができる。また、火花放電間隙３３以外での火花放電を抑制することができ、チップ３２を設けることによる着火性の向上効果をより確実に発揮させることができる。

さらに、チップ３２の硬度が１００Ｈｖ以上とされているため、スパークプラグ１を運搬する際などにおいて、チップ３２に疵が付いてしまうことをより確実に防止することができる。

加えて、接地電極２７の硬度が９０Ｈｖ以上とされているため、接地電極２７を製造する際の切断に伴って、接地電極２７に反りが生じてしまうことをより確実に防止できる。従って、着火性の向上を図るべく、本実施形態のように、接地電極２７の先端までの距離が１．５ｍｍ以下となる位置にチップ３２を接合した場合であっても、接地電極２７とチップ３２とを強固に接合することができ、ひいては両者の接合境界における酸化スケールの形成を効果的に抑制することができる。その結果、チップ３２から接地電極２７に対する熱伝導性を向上させることができ、チップ３２の耐消耗性をより一層向上させることができる。

併せて、接地電極２７の硬度が１５０Ｈｖ以下とされているため、屈曲工程における支持治具ＪＧ１の折損をより確実に防止することができる。その結果、生産性の更なる向上を図ることができる。

また、チップ３２及び接地電極２７には、ＳｉやＭｎ、Ａｌがそれぞれ所定量ずつ含有されているため、チップ３２及び接地電極２７の耐酸化性を向上させることができる。従って、チップ３２及び接地電極２７において、酸化に伴う熱伝導性の低下を抑制することができ、その結果、チップ３２の耐消耗性をさらに向上させることができる。

さらに、チップ３２及び接地電極２７には、希土類元素が一種以上含有されるとともに、希土類元素の総含有量が０．０５質量％以上０．２５質量％以下とされている。従って、チップ３２や接地電極２７を構成する金属の粒成長を抑制することができる。チップ３２や接地電極２７における、割れや欠け等の発生を効果的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、チップの硬度を種々変更したスパークプラグのサンプルを複数作製し、各サンプルについて耐消耗性評価試験、及び、耐疵付き性評価試験を行った。

耐消耗性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、サンプルを所定のチャンバーに取付けた上で、チャンバー内を大気雰囲気とするとともに、チャンバー内の圧力を０．４ＭＰａに設定して、印加電圧の周波数を１００Ｈｚとして（すなわち、毎分６０００回の割合で）各サンプルを２０時間に亘って放電させた。そして、２０時間経過後に、火花放電間隙の大きさの拡大量（ギャップ増加量）を測定した。ここで、ギャップ増加量が０．１０ｍｍ未満となったサンプルは、耐消耗性に優れるとして「○」の評価を下すこととし、一方で、ギャップ増加量が０．１０ｍｍ以上となったサンプルは、耐消耗性に劣るとして「×」の評価を下すこととした。

また、耐疵付き性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、所定のオートグラフを用い、５０Ｎ又は７０Ｎの荷重にて、所定の超鋼により形成された四角柱状の金属片をチップの他端面に押し当てた。そして、荷重を加えた後に、チップの他端面を観察し、他端面に疵があるか否かを確認した。ここで、７０Ｎの荷重を加えたときであっても、チップに疵が生じなかったサンプルは、耐疵付き性に極めて優れるとして「◎」の評価を下し、７０Ｎの荷重を加えた際にチップに疵が生じたものの、５０Ｎの荷重を加えた際にチップに疵が生じなかったものは、耐疵付き性に優れるとして「○」の評価を下すこととした。一方で、５０Ｎの荷重を加えた際にチップに疵が生じたサンプルは、耐疵付き性に劣るとして「×」の評価を下すこととした。

表１に、耐消耗性評価試験の試験結果、及び、耐疵付き性評価試験の試験結果をそれぞれ示す。尚、表１には、ギャップ増加量に加えて、耐消耗性評価試験を行った際のチップの消耗体積を併せて示す。また、各サンプルともに、チップを、Ｎｉを９３質量％以上含有する合金により形成した。さらに、チップの外径を１．５ｍｍとし、接地電極の厚さを１．５ｍｍとし、接地電極の幅を２．８ｍｍとし、接地電極の先端から１．５ｍｍ離間した位置にチップを接合した（以下の試験において、チップや接地電極のサイズは、上記同様とした）。加えて、チップの硬度は、溶接時におけるチップの加熱条件を調節することで変更した。例えば、チップの硬度を比較的高くする場合には、チップの側面を金属製の治具により支持し、前記治具を伝わってチップの熱が逃げやすい状態で溶接を行った。

表１に示すように、チップの硬度を１６３Ｈｖ以下としたサンプルは、ギャップ増加量が０．１０ｍｍ未満となり、優れた耐消耗性を有することが確認された。これは、熱伝導性に優れるＮｉを多量に含む金属によりチップを形成した点、及び、チップの硬度を比較的低くしたことで、チップを構成する金属の結晶粒の歪みが抑制された点が相乗的に作用し、チップの熱伝導性が飛躍的に向上したことによると考えられる。

さらに、チップの硬度を１００Ｈｖ以上としたサンプルは、７０Ｎという非常に大きな荷重を加えた場合であっても、チップに疵が生じることなく、耐疵付き性に優れることが明らかとなった。

以上の試験結果より、耐消耗性の向上を図るべく、Ｎｉを９３質量％以上含有する金属によりチップを形成するとともに、チップの硬度を１６３Ｈｖ以下とすることが好ましいといえる。

また、チップの耐疵付き性を向上させるためには、チップの硬度を１００Ｈｖ以上とすることが好ましいといえる。

次に、他端面（火花放電間隙を形成する面）の残留応力を種々変更したチップが溶接されてなる接地電極のサンプルを作製し、各サンプルについて耐振動性評価試験を行った。耐振動性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、所定の超音波ホーンにより、サンプルのうちチップが溶接された部位の背面に対して、周波数２７．３ｋＨｚの振動を１０時間に亘って加えた。そして、１０時間経過後に、チップを観察し、チップの他端面における欠けの有無を確認した。ここで、チップに欠けが生じていなかった場合には、チップが優れた耐振動性を有するとして「○」の評価を下すこととし、一方で、チップに欠けが生じていた場合には、チップの耐振動性が劣るとして「×」の評価を下すこととした。表２に、各サンプルにおける、チップ他端面の残留応力と、試験結果とをそれぞれ示す。

尚、表２において、残留応力がマイナスとあるのは、チップの他端面に圧縮応力が残留していたことを示し、残留応力がプラスとあるのは、チップの他端面に引張応力が残留していたことを示す。また、他端面に引張応力が残留したチップを用意し、当該チップと接地電極とを溶接する際に、チップに加える荷重や電流を調節することによって、チップの他端面における残留応力を変更した。また、残留応力は、Ｘ線回折法を用いたＸ線残留応力測定装置により計測した。

表２に示すように、チップの他端面に圧縮残留応力が加わっているサンプル（サンプル１〜４）は、チップに欠けが生じることなく、優れた耐振動性を有することが分かった。

上記試験の結果より、振動が加わった際において、チップの他端面の破損をより確実に防止するという観点から、チップの他端面（火花放電間隙を形成する面）に圧縮残留応力が加わっていることが好ましいといえる。

次に、接地電極の硬度を種々変更したスパークプラグのサンプルを複数作製し、各サンプルについて机上冷熱試験を行った。机上冷熱試験の概要は次の通りである。すなわち、サンプルに対して、大気雰囲気下にてチップの温度が９８０℃となるようバーナーで２分間加熱後、１分間徐冷することを１サイクルとして１０００サイクル実施した。そして、１０００サイクル終了後にサンプル断面を観察することで、接地電極とチップとの接合境界の長さに対する、当該接合境界において形成された酸化スケールの長さの割合（酸化スケール割合）を計測した。尚、各サンプルともに、接地電極の先端から１．５ｍｍ離間した部位に、チップを接合した。

さらに、机上冷熱試験を行った後のサンプルについて、上述の耐消耗性評価試験を行った。

表３に、両試験の試験結果をそれぞれ示す。尚、接地電極の硬度は、熱処理の条件を調節することで変更した。

表３に示すように、接地電極の硬度を９０Ｈｖ未満としたサンプルは、接地電極とチップとの接合境界に酸化スケールが生じやすくなってしまうことが確認された。これは、接地電極の硬度が比較的低かったために、切断に伴い接地電極の端部に微小ながらも反りが生じてしまい、ひいては接地電極に対するチップの接合強度が不十分となってしまったことに起因すると考えられる。また、接地電極とチップとの接合境界に酸化スケールが形成されたサンプルは、耐消耗性評価試験において、ギャップ増加量が比較的大きくなってしまうことが明らかとなった。これは、酸化スケールの存在により、チップから接地電極に対して熱が伝導されにくくなり、ひいてはチップが過熱されてしまったことによると考えられる。

これに対して、接地電極の硬度を９０Ｈｖ以上としたサンプルは、接合境界に酸化スケールが形成されることなく、また、耐消耗性に極めて優れることが分かった。

次いで、接地電極の中心軸に沿った、接地電極の先端からのチップまでの距離Ｌを種々変更したスパークプラグのサンプルを複数作製し、各サンプルについて着火性評価試験を行った。着火性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、各サンプルを排気量１．５Ｌのエンジンに取付けた上で、点火タイミングをＭＢＴ（最適点火位置）として火花放電をさせ、回転数１６００ｒｐｍでエンジンを動作させた。そして、空燃比を徐々に増大（燃料を薄く）させつつ、各空燃比ごとにエンジントルクの変動率を測定し、エンジントルクの変動率が５％を上回ったときの空燃比を限界空燃比として特定した。尚、限界空燃比が大きいほど、着火性に優れることを意味する。図５に、当該試験の試験結果を示す。

図５に示すように、距離Ｌを１．５ｍｍ以下としたサンプルは、距離Ｌを１．５ｍｍよりも大きくしたサンプルと比較して、限界空燃比がより増大し、着火性に優れることが確認された。これは、距離Ｌを小さくしたことで、接地電極の存在による火炎核の成長阻害が抑制されたためであると考えられる。

上記試験の試験結果より、着火性の向上を図るべく、接地電極の先端からチップまでの距離を１．５ｍｍ以下とする場合において、接地電極とチップとの接合境界における酸化スケールの形成を抑制し、チップの耐消耗性をより一層向上させるために、接地電極の硬度を９０Ｈｖ以上とすることがより好ましいといえる。

次に、接地電極の硬度を種々変更したスパークプラグのサンプルを多数用意した上で、接地電極の硬度を同一としたサンプルについて上述した屈曲工程をそれぞれ行い、各接地電極の硬度ごとに、接地電極を支持する支持治具に折損が生じるまでの屈曲工程の回数（折損時回数）を計測した。ここで、折損時回数は２０万回を限度に計測し、折損時回数が２０万回を超えた場合には、生産性に極めて優れるとして「◎」の評価を下し、折損時回数が１５万回以上２０万回未満となった場合には、生産性に優れるとして「○」の評価を下すこととした。一方で、折損時回数が１５万回未満となった場合には、生産性に劣るとして「×」の評価を下すこととした。表４に、当該試験の試験結果を示す。

表４に示すように、接地電極の硬度を１５０Ｈｖ以下とした場合には、折損時回数が２０万回を上回り、生産性に極めて優れることが確認された。

上記試験の結果より、生産性の向上を図るべく、接地電極の硬度を１５０Ｈｖ以下とすることが好ましいといえる。

次いで、抵抗溶接により接地電極にチップを接合するにあたって、図６に示すように、チップの側面を金属製の治具ＪＧ４により支持した上で、チップに通電を行った場合（溶接法Ａ；比較例に相当する）と、チップの側面を支持することなく、大気に接触させた状態で、チップに通電を行った場合（溶接法Ｂ；実施例に相当する）とで、接地電極に接合した後のチップの硬度をそれぞれ５回ずつ測定した。表５に、各溶接法で接合したチップの硬度をそれぞれ示す。尚、接合前におけるチップの硬度は、２００Ｈｖ〜２６０Ｈｖとした。また、チップの硬度を測定する部位は、チップの中心軸を含む断面における、チップの断面中心とした。

表５に示すように、溶接法Ｂによりチップを接合した場合には、チップの硬度が十分に低減することが明らかとなった。これは、チップの側面が支持されず、大気に接触していたため、溶接時においてチップの熱が逃げにくくなり、チップが十分に加熱されたことによると考えられる。

上記試験の結果より、特段の加工工程を設けることなく、チップの硬度をより確実に低減させるためには、抵抗溶接に際して、チップの側面を支持することなく、大気に接触させた状態で、チップに通電を行うことが好ましいといえる。

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）上記実施形態では、チップ３２及び接地電極２７は、Ｓｉ、Ｍｎ、及び、Ａｌを含む金属により形成されているが、チップ３２及び接地電極２７を、Ｓｉ、Ｍｎ、及び、Ａｌのうち少なくとも一種を含む金属により形成することとしてもよい。また、チップ３２や接地電極２７を、ＳｉやＭｎ等を含有しない金属により形成することとしてもよい。さらに、ＳｉやＭｎ等を含有させる場合において、これらの含有量を適宜変更することとしてもよい。

（ｂ）上記実施形態において、チップ３２及び接地電極２７の双方には、希土類元素が含有されているが、チップ３２及び接地電極２７の少なくとも一方に、希土類元素を含有させないこととしてもよい。

（ｃ）上記実施形態では、接地電極２７に対するチップ３２の接合時に、チップ３２の硬度が調節されるように構成されているが、接地電極２７に対するチップ３２の接合前、又は、接合後に、チップ３２に熱処理を施すことで、チップ３２の硬度を調節することとしてもよい。

（ｄ）上記実施形態では、中心電極５とチップ３２との間に火花放電間隙３３が形成されているが、中心電極５の先端部に貴金属合金（例えば、白金合金やイリジウム合金等）からなる貴金属チップを設け、当該貴金属チップとチップ３２との間に火花放電間隙３３を形成することとしてもよい。

（ｅ）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
３２…チップ
３２Ｆ…他端面
３３…火花放電間隙（間隙）
ＣＬ１…軸線
ＪＧ１…支持治具

Claims (10)

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、自身の基端部が固定された接地電極と、
   前記接地電極の先端部に接合され、前記中心電極の先端部との間に間隙を形成するチップとを備えるスパークプラグであって、
   前記チップは、ニッケルを９３質量％以上含有する金属により形成されるとともに、
   前記チップの硬度が、ビッカース硬度で８５Ｈｖ以上１６３Ｈｖ以下とされることを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記チップのうち前記間隙を形成する面に、圧縮残留応力が加わっ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. 前記接地電極の中心軸に沿った、前記接地電極の先端から前記チップまでの距離が１．５ｍｍ以下とされており、
   前記接地電極の硬度が、ビッカース硬度で９０Ｈｖ以上２００Ｈｖ以下とされ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. 前記接地電極は、ニッケルを主成分とする金属により形成されるとともに、
   前記チップ、及び、前記接地電極のうち少なくとも一方には、ケイ素、マンガン、及び、アルミニウムのうち少なくとも一種が含有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. 前記接地電極は、ニッケルを主成分とする金属により形成されるとともに、
   前記チップ、及び、前記接地電極のうち少なくとも一方には、ケイ素が０．５質量％以上１．３質量％以下、マンガンが０．１質量％以上１．１質量％以下、アルミニウムが０．０１質量％以上１．００質量％以下含有されることを特徴とす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. 前記チップ、及び、前記接地電極のうち少なくとも一方には、希土類元素が一種以上含有される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. 希土類元素の総含有量が０．０５質量％以上０．２５質量％以下とされることを特徴とする請求項６に記載のスパークプラグ。
8. 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の製造方法であって、
   抵抗溶接により、前記接地電極に前記チップを接合する接合工程を含み、
   前記接合工程においては、
   前記チップの一端面を前記接地電極に接触させた上で、前記チップをその他端面側から前記接地電極側に向けて加圧しつつ前記チップに通電することにより、前記接地電極に前記チップを接合し、
   少なくとも前記チップへの通電時において、前記チップの一端面と他端面との間に位置する側面が大気に接していることを特徴とするスパークプラグの製造方法。
9. 前記接合工程後における前記チップの硬度が、ビッカース硬度で１００Ｈｖ以上とされることを特徴とする請求項８に記載のスパークプラグの製造方法。
10. 前記接地電極のうち前記中心電極側に位置する面を棒状の支持治具により支持した上で、前記中心電極側の面の反対側の面から前記接地電極を押圧することにより、前記接地電極を屈曲させる屈曲工程を含み、
    前記接地電極の硬度が、ビッカース硬度で１５０Ｈｖ以下とされることを特徴とする請求項８又は９に記載のスパークプラグの製造方法。

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