JP5341752B2 - 内燃機関用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。一般的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、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を接合することで、スパークプラグの耐久性の向上を図る技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３２３９６２号公報

ところが、白金は、高温条件下において、結晶粒が粗大化（粒成長）しやすいという性質を有している。粒成長すると、粒界強度の低下を招いてしまう。このため、エンジンの作動に伴う振動やエンジン内部の冷熱サイクルの影響によって、貴金属チップにクラックが発生してしまい、ひいては貴金属チップの欠落を招いてしまうおそれがある。

さらに近年では、着火性及び火炎伝播性の向上を図るために、貴金属チップを接地電極から突出した状態で設けることがあるが、当該構成を採用した場合、貴金属チップの熱引き性能が低下してしまい、貴金属チップはより高温になりやすい。このため、粒成長が一層進行しやすくなり、貴金属チップの欠落が一層懸念される。

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、貴金属チップの欠落を防止し、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．本構成の内燃機関用スパークプラグは、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、自身の先端部分が前記中心電極の先端面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、前記接地電極に接合されるとともに、自身の先端部と前記中心電極の先端部との間に火花放電間隙を形成し、白金を主成分とする白金合金からなる貴金属チップとを備える内燃機関用スパークプラグであって、
前記接地電極の本体部から前記貴金属チップの先端面までの突出長が０．４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であるとともに、
前記白金合金は、１１００℃の大気雰囲気下で５０時間加熱した後の平均粒径が６８μｍ以下となる構成であり、
前記貴金属チップの先端部に残留する応力が、前記貴金属チップの側部に残留する応力よりも小さいことを特徴とする。

ここで、「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。加えて、「突出長」とは、貴金属チップの中心軸方向に沿った接地電極の本体部から貴金属チップの先端面までの距離をいい、また、「接地電極の本体部」とは、接地電極から、その表面に形成された凸部等を除外した平坦部分をいう。従って、接地電極の平坦部分に凸部等が形成（或いは凸形状の金属部材が溶接）され、当該凸部等に貴金属チップが設けられた場合、接地電極の本体部たる接地電極の平坦部分から貴金属チップの先端面までの距離が前記突出長となる。加えて、「平均粒径」とは、貴金属チップの断面組織を観察して得られた粒径の平均値を意味する（以下、同様）。また、別途、中心電極の先端部に貴金属チップを設けることとしてもよい。この場合には、当該中心電極側に設けられた貴金属チップと、接地電極側に設けられた貴金属チップとの間で火花放電間隙が形成されることとなる。

上記構成１によれば、接地電極の本体部から貴金属チップの先端面までの突出長が０．４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下とされる。このため、着火性及び火炎伝播性の向上を図ることができる。

一方で、貴金属チップが接地電極の本体部から突出した形状とされるため、貴金属チップの熱引き性能が低下してしまい、貴金属チップがより高温となってしまいやすい。これにより、貴金属チップの粒成長がより進行しやすくなってしまうため、粒界強度の低下を招いてしまい、ひいては貴金属チップが欠落してしまうことが懸念される。

この点、上記構成１によれば、前記白金合金は、１１００℃の大気雰囲気下で５０時間加熱した後の平均粒径が６８μｍ以下となる構成とされている。これにより、高温環境下における粒界強度の低下を防止することができ、ひいては貴金属チップの欠落を防止することができる。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、前記突出長を０．４ｍｍ未満とした場合には、着火性等の向上を十分に図ることができないおそれがあるとともに、前記粒成長による貴金属チップの欠落が懸念されるほどの高温とはなりにくい。つまり、貴金属チップが接地電極の本体部から突出した形状とされたときに本発明はその効果を発揮するのである。但し、前記突出長が１．６ｍｍを超える場合には、貴金属チップに溶損が生じてしまうおそれが高く、前記粒成長が抑制された貴金属チップを用いたとしても長寿命化を十分に達成できないことがある。また、貴金属チップが前記突出長に対して直径の小さい構成であると、本発明の効果がより一層効果的に発揮されるものとなる。このような構成の貴金属チップは、このような構成ではない貴金属チップと比較してより高温になりやすいためである。

本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成において、前記貴金属チップの先端部に残留する応力が、前記貴金属チップの側部に残留する応力よりも小さいことを特徴とする。

上記構成によれば、貴金属チップに残留する応力（以降、残留応力ともいう）について、貴金属チップの先端部の残留応力が、貴金属チップの側部の残留応力よりも小さなものとされている。金属部材においては、残留応力が大きくなるにつれて金属組織の再結晶温度が低くなる。逆説的には、残留応力が小さいほど再結晶温度は高くなり、粒成長が生じ難い。すなわち、貴金属チップの先端部と側部とを比較すると、先端部では粒成長が生じにくくなっている。これにより、貴金属チップの先端部では前述した粒成長による粒界強度の低下が生じにくくなり、貴金属チップの一部が粒界に沿って欠けるような消耗を生じにくくすることができる。ひいては火花放電間隙の早期拡大を防止し、スパークプラグの長寿命化を図ることができる。

尚、前記残留応力は、スパークプラグが使用されることで、使用し始めて間もなく（使用初期ともいう）除去され得るが、先端部の残留応力が使用初期において側部の残留応力よりも小さくされることで、使用初期の段階における火花放電間隙の急激な拡大を抑制することができるため、本構成は有効なのである。

また、貴金属チップ表面の残留応力の大小を判定するにあたっては、例えば、ビッカース硬度計を用いて判定することができる。すなわち、貴金属チップ先端面のビッカース硬度が、貴金属チップ側面のビッカース硬度よりも小さい場合には、貴金属チップ先端面の残留応力が、貴金属チップ側面の残留応力よりも小さいといえる。

構成２．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１において、前記白金合金は、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び、ルテニウム（Ｒｕ）のうち少なくとも１種類を含有することを特徴とする。

上記構成１の白金合金を構成するにあたっては、種々の組成を採用することが可能である。特に、粒成長を抑制するという観点からは、白金合金が比較的融点の高い材料を含有することが有効であり、例えば、タングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）等を含有することも考えられる。ところが、ＷやＴａ等は非常に酸化しやすい元素であり、チップの欠落を防止することはできるものの、耐火花消耗性の低下を招いてしまうおそれがある。

この点、上記構成２によれば、前記白金合金は、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、及び、Ｒｕのうち少なくとも１種類を含有して構成される。これらの金属が含有されることにより、上記構成１の白金合金を構成することで、耐火花消耗性の低下を防止することができる。その結果、スパークプラグの一層の長寿命化を実現することができる。

尚、上述した観点から、ＷやＴａ等が白金合金には含まれていないのが望ましい。一方で、ＷやＴａ等が含まれていたとしても、これらの含有量を２質量％未満に抑えることが望ましい。

構成３．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１又は２において、前記白金合金は、金属酸化物及び希土類酸化物のうち少なくとも一方を含み、当該金属酸化物、及び／又は、希土類酸化物の総含有量を０．０５質量％以上２質量％以下としたことを特徴とする。

上記構成３によれば、白金合金には、金属酸化物及び希土類酸化物の少なくとも一方が含有される。これにより、粒成長を一層抑制することができ、上記構成の作用効果がより効果的に奏されることとなる。

尚、前記金属酸化物、及び／又は、希土類酸化物の総含有量が０．０５質量％未満である場合には、上述の作用効果が十分に奏されないおそれがある。一方で、総含有量が２質量％より大きい場合には、加工性の低下を招いてしまい、貴金属チップの成形が困難となってしまうおそれがある。

構成４．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、前記主体金具は、その外周に、内燃機関のエンジンヘッドの取付孔に螺合するためのねじ部を備え、 前記ねじ部の外径をＭ、前記軸線方向に沿った前記主体金具の先端面から、前記貴金属チップと、前記接地電極の本体部或いは前記接地電極の本体部から突出する凸部とが相互に溶け合って形成された溶融部までの距離をＨとしたとき、 Ｈ≧０．５Ｍを満たすことを特徴とする。

尚、「溶融部」とは、貴金属チップを接地電極本体部に直接的に接合する場合には、両者を構成する各金属材料が溶融されることで形成されたものを意味し、接地電極本体部に設けられた凸部を介して貴金属チップを接地電極に間接的に接合する場合には、貴金属チップ及び前記凸部を構成する各金属材料が溶融されることで形成されたものを意味する。また、前記距離Ｈの計測に際しては、接地電極（凸部）及び貴金属チップの接合面（境界）を特定できる場合には、溶融部のうち、当該接合面に対応するポイントを、前記距離Ｈの計測ポイントとすることもできる。

上記構成４によれば、主体金具のねじ部の外径をＭ、軸線方向に沿った主体金具の先端面から溶融部までの距離をＨとしたとき、Ｈ≧０．５Ｍを満たすように、ねじ部の外径Ｍ及び距離Ｈがそれぞれ設定されている。これにより、溶融部が燃焼室の中心位置により近づけられるため、火花放電間隙は燃焼室の中心位置により近づいて形成されることとなる。その結果、火花放電を燃焼室の中心位置により近づいた位置で発生させることができるため、火炎伝播性の向上を図ることができる。一方で、燃焼時の貴金属チップの温度は主体金具のねじ部の外径と接地電極の断面積とによって決定される。ねじ径を小さくしたスパークプラグ、すなわち小径のスパークプラグでは接地電極の断面積を小さくせざるを得ず、貴金属チップはより高温になりやすくなる。つまり、主体金具の先端面から溶融部までの距離Ｈが０．５Ｍ未満であれば、貴金属チップが高温になりすぎてしまうことは回避でき、上述した貴金属チップを採用する効果は比較的小さいのであるが、Ｈ≧０．５Ｍを満たすスパークプラグにおいては貴金属チップは高温になりやすく、上記貴金属チップを採用したときに得られる粒成長抑制効果の恩恵が大きいのである。

尚、前記距離Ｈをより大きくしていくと、接地電極の先端部において溶損が生じてしまうおそれがある。従って、Ｈ≦０．８Ｍを満たすようにねじ部の外径Ｍ及び距離Ｈをそれぞれ設定することが望ましい。

構成５．本構成のスパークプラグの製造方法は、上記構成１乃至４のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法であって、 白金を主成分とする白金合金からなる棒材から前記貴金属チップとほぼ同径の線材を形成する伸線工程と、 表面に研磨剤が付着されたワイヤーにより前記線材を研磨することで、前記線材を切断し、前記貴金属チップを得る切断工程とを含むことを特徴とする。

貴金属チップの粒成長を抑制するという観点からは、貴金属チップ中における応力の残留を抑制することが効果的である。

この点、上記構成５によれば、貴金属チップは、伸線工程と切断工程とを経ることによって形成される。ここで、伸線工程では、棒材に対して伸線を施すことにより線材を形成するため、その線材の側面表層（後の切断後には貴金属チップの側部となる部分）には内部に比較して大きめの応力が残留することとなる。そして線材を切断するのであるが、線材をシェア切断する場合には、切断面（すなわち、貴金属チップの端面）に応力が残留してしまうことが懸念されるが、本構成５では、ワイヤーにより研磨することで線材を切断するため、切断面に応力が残留してしまうことを防止できる。これにより、線材の側面に比較して残留応力の小さい線材の内部（切断面）が貴金属チップの端面として形成され、接地電極側に接合される端面とは反対側の端面が貴金属チップの先端部を構成することとなる、従って、本構成５によって形成された貴金属チップは、特に使用初期において先端部での粒成長が生じにくくなり、火花放電間隙の拡大を効果的に防止することができる。また、貴金属チップの内部における応力の残留を極力抑制することができるため、優れた粒成長の抑制効果が発揮されることとなる。そのため、高温環境下における粒界強度の低下を一層防止することができ、貴金属チップの欠落をより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の製造方法は、上記構成５に記載のスパークプラグの製造方法であって、 前記伸線工程は、熱間伸線であることを特徴とする。

前記伸線工程が熱間伸線、すなわち、棒材等を加熱しながら伸線を施すことにより線材を形成するため、線材の内部に残留する応力はより小さくなり、上記効果をより一層効果的に得ることができる。

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Ｃ１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Ｃ１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。

中心電極５は、銅又は銅合金からなる内層５Ａと、Ｎｉ系合金からなる外層５Ｂとにより構成されている。また、当該中心電極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。当該先端面には円柱状をなす貴金属チップ３１が、レーザ溶接、電子ビーム溶接、或いは抵抗溶接等を施すことによって接合されている。尚、本実施形態において、前記貴金属チップ３１は、白金（Ｐｔ）を主成分とし、イリジウム（Ｉｒ）が含有された貴金属材料（例えば、Ｐｔ−５Ｉｒ）により構成されている。

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、主体金具３の先端面２６には、ニッケル（Ｎｉ）系合金で構成された接地電極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は、図２に示すように、Ｌ字状をなす接地電極本体部３８と、当該接地電極本体部３８の先端側側面から突出する凸部３４とを備えている。本実施形態において、前記凸部３４は、Ｎｉ系合金からなる円柱状のチップが抵抗溶接されることで設けられている。

また、接地電極２７の凸部３４の先端面（接合面）３６には、円柱状の貴金属チップ３２が接合されている。より詳しくは、凸部３４の接合面３６に対し、貴金属チップ３２が当接させられた状態で、凸部３４及び貴金属チップ３２の境界部分たる接合面３６の外縁部に沿ってレーザ溶接等によって溶融部３５が形成されることで、貴金属チップ３２が接合されている。本実施形態では、当該貴金属チップ３２及び前記貴金属チップ３１間の隙間が火花放電間隙３３となっている。尚、中心電極５に設けられた貴金属チップ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の本体部との間で火花放電間隙３３が形成される。

さて、本実施形態では、接地電極本体部３８から前記貴金属チップ３２の先端面３７までの突出長Ｌが０．４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下（例えば、１ｍｍ）となるよう設定されている。さらに、ねじ部１５の外径Ｍ、及び、軸線Ｃ１方向に沿った主体金具５の先端面２６から前記溶融部３５（接合面３６）までの距離Ｈが、Ｈ≧０．５Ｍを満たすようにそれぞれ設定されている。

また、貴金属チップ３２は、Ｐｔを主成分とし、１１００℃の大気雰囲気下で５０時間加熱した後の平均粒径が６８μｍ以下となるＰｔ合金（例えば、Ｐｔ−３０Ｉｒ等）から構成されている。加えて、当該Ｐｔ合金は、ロジウム（Ｒｈ）、Ｉｒ、Ｎｉ、及び、ルテニウム（Ｒｕ）のうち少なくとも１種類が含有されている。尚、当該Ｐｔ合金に、金属酸化物及び希土類酸化物のうち少なくとも一方が含有されることとしてもよい。但し、当該金属酸化物、及び／又は、希土類酸化物の総含有量を０．０５質量％以上２質量％以下とすることが好ましい。

また、貴金属チップ３２は、次述する製造方法によって、その内部に成形に伴う応力がほとんど残留しないようにして形成されている。そこで次に、貴金属チップ３２の製造方法、及び、当該貴金属チップ３２を備えてなる上述のスパークプラグ１の製造方法について説明する。

初めに、図３に基づいて、貴金属チップ３２の製造方法を説明する。まず、所定量のＰｔ粉末とＩｒ粉末とを混合し、混合して得られた混合粉末を加圧して成型する。そして、当該成型体をアーク溶解することで（同図中Ｓ１）、インゴットを形成する（同図中Ｓ２）。次いで、インゴットに対して熱間鍛造を行うことで、当該インゴットを約１０ｍｍ角の角材とし（同図中Ｓ３）、得られた角材を切断する。そして、切断した角材に対して断面減少率９５％程度の圧延加工を施すことで、約１ｍｍ角の角材（本発明の棒材に相当する）とする（同図中Ｓ４）。

次いで、当該角材に対して、複数の円形ダイスにより断面減少率９５％程度の伸線加工を繰り返し施し、直径０．７ｍｍの線材を形成する（同図中Ｓ５）。尚、伸線加工は、角材の移動経路に沿って配設された複数のバーナーにより、各円形ダイスや角材をそれぞれ所定温度（例えば、円形ダイスは約７００℃、角材は約１０００℃）に加熱した上で行われる。

その後、表面に研磨材（例えば、微小なダイヤモンド材）が付着されたワイヤーを押し当てることで、形成された線材を所定長さ（例えば、０．５ｍｍ程度）に切断し（同図中Ｓ６）、貴金属チップ３２を得る。より詳しくは、前記ワイヤーは複数のプーリに架けわたされることで輪状とされており（ワイヤーソー）、当該輪状のワイヤーが一方向に回転しながら、線材に押し当てられることにより、線材が研磨・切断される。尚、線材の移動経路に沿って前記ワイヤーソーを複数配置し、線材の複数箇所を同時に切断することで、複数の貴金属チップ３２が得られるように構成してもよい。

次に、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系合金（例えばインコネル系合金等）からなる長棒状の接地電極本体部３８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、接地電極本体部３８の溶接された主体金具３が得られる。接地電極本体部３８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、凸部３４を構成する円柱状のＮｉ合金チップが、接地電極本体部３８の先端側側面に接合されるとともに、上述した貴金属チップ３２が前記凸部３４に接合される。より詳しくは、貴金属チップ３２を前記Ｎｉ合金チップの一端面（接合面３６）に位置合わせした上で、当該一端面外縁部に沿ってレーザ溶接を行うことで、貴金属チップ３２の先端からみて環状の溶融部３５が形成され、貴金属チップ３２と前記Ｎｉ合金チップとが接合される。次いで、抵抗溶接によって、当該Ｎｉ合金チップの他端面が接地電極本体部３８の先端部側面に接合される。これにより、貴金属チップ３２が凸部３４（Ｎｉ合金チップ）に接合された接地電極２７が構成されることとなる。尚、溶接をより確実なものとするべく、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、接地電極本体部３８にＮｉ合金チップを接合した後（凸部３４を形成した後）、貴金属チップ３２を凸部３４に接合することとしてもよい。加えて、当該貴金属チップ３２の溶接等を、後述する組付け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、成型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。焼成後、種々の研磨加工を施すことで、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系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成された中心電極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。

以上詳述したように、本実施形態によれば、接地電極本体部３８から貴金属チップ３２の先端面３７までの突出長Ｌが０．４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下とされている。このため、着火性及び火炎伝播性の向上を図ることができる。

また、貴金属チップ３２を構成するＰｔ合金は、１１００℃の大気雰囲気下で５０時間加熱した後の平均粒径が６８μｍ以下となる構成とされている。これにより、高温環境下における粒界強度の低下を防止することができ、ひいては貴金属チップ３２の欠落を防止することができる。その結果、スパークプラグ１の長寿命化の実現を図ることができる。

さらに、粒成長の抑制を図るにあたっては、内部の残留応力の低減が有効であるところ、本実施形態において貴金属チップ３２は、熱間伸線、及び、ワイヤーによる研磨・切断を経ることで形成されている。すなわち、熱間伸線を施すことにより、貴金属チップ３２内部の残留応力を除去することができる。また、ワイヤーにより研磨・切断されるため、切断面（すなわち、貴金属チップ３２の端面）に応力が残留してしまうことを防止できる。従って、当該手法により形成される貴金属チップ３２は、その内部における応力の残留が極力抑制されるため、優れた粒成長の抑制効果を有する。その結果、高温環境下における粒界強度の低下を一層防止することができ、貴金属チップ３２の欠落をより確実に防止することができる。

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、Ｐｔを主成分とするとともに、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｒｕ、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、及び、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）等の他の成分の含有量がそれぞれ異なり、１１００℃の大気雰囲気下で５０時間加熱した後の平均粒径（「加熱後平均粒径」という）がそれぞれ異なる種々の貴金属チップのサンプルを作製した。そして、各貴金属チップのサンプルを接地電極に接合した種々のスパークプラグのサンプルを作製し、作製された各スパークプラグのサンプルについて、耐欠落評価試験を行った。耐欠落評価試験の概要は次の通りである。まず、各スパークプラグのサンプルを１６００ｃｃ４気筒ＤＯＨＣエンジンに組み付け、１分間の全負荷状態（エンジン回転数＝６０００ｒｐｍ）とした後、１分間アイドリング状態とすることを１サイクルとして、５０００サイクルに亘ってエンジンを作動させた。そして、５０００サイクル終了時に、貴金属チップが欠落しているか否かを観察した。当該試験の結果を表１に示す。尚、貴金属チップの欠落が認められなかったサンプルについては、基本的に「○」の評価を下す一方で、貴金属チップの欠落が認められたサンプルについては、「×」の評価を下すこととした。但し、貴金属チップの欠落が認められなかった場合であっても、貴金属チップに異常酸化が生じてしまった場合、或いは、貴金属チップの成形が困難であった場合には、「△」の評価を下すこととした。

尚、各貴金属チップのサンプルは、長さ（高さ）が０．５ｍｍで、直径が０．７ｍｍの円柱状とした。また、各貴金属チップのサンプルの接地電極への接合は、長さ（高さ）が０．４ｍｍ、直径が０．７ｍｍであって、Ｎｉ−２３Ｃｒ−１４．４Ｆｅ−１．４Ａｌ〔インコネル６０１（登録商標）〕により形成された円柱状のＮｉ合金チップに前記貴金属チップのサンプルをレーザ溶接し、次いで、接地電極本体部に前記Ｎｉ合金チップを抵抗溶接することで行った。尚、接地電極本体部は、前記Ｎｉ合金チップと同様の合金（インコネル６０１）によって形成した。

加えて、加熱後平均粒径は、次のように測定した。すなわち、各合金成分を溶解した後、伸線工程を経ることで、或いは、各合金成分を粉末焼結することで、各サンプルと同様の組成からなる、長さが１．０ｍｍで、直径が０．７ｍｍの円柱状のチップ部材を作製した。そして、各チップ部材を、１１００℃の電気炉内に投入し、大気雰囲気下で５０時間加熱し、加熱後のチップ部材に対して研磨処理及びエッチング処理を行った後、チップ部材の中心軸を通る断面全域を金属顕微鏡で撮像し、画像処理を行うことで金属結晶の数及び各金属結晶の断面面積をそれぞれ測定した。その後、各金属結晶の断面面積の平均値を算出するとともに、当該平均値と等しい面積を持つ円の直径を算出し、当該直径を加熱後平均粒径とした。

【００６５】
【表１】
表１に示すように、加熱後平均粒径が６８μｍを超えるサンプル（サンプル１，２，３，５，７，８，９，１１，１２，１４，２０，２６）については、貴金属チップが欠落してしまうことがわかった。このように加熱後平均粒径が６８μｍを超えてしまうと、高温環境下で粒界強度が低くなってしまうため、耐久性が不十分となってしまい、欠落が起こってしまうと考えられる。

一方で、加熱後平均粒径が６８μｍ以下のサンプル（サンプル４，６，１０，１３，１５，１６，１７，１８，１９，２１，２２，２３，２４，２５，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３）に関しては、貴金属チップの欠落が認められなかった。このように加熱後平均粒径が６８μｍ以下とされることで、高温環境下であっても粒界強度が比較的高く、十分な耐久性を有するため、欠落の発生を防止できると考えられる。

また、ＺｒＯ₂やＹ₂Ｏ₃を０．０５質量％以上２．０質量％以下含有してなるサンプル（サンプル２１，２２，２３，２４，２７，２８，２９，３０，３２，３３）については、加熱後の平均粒径の増大がより抑制され、チップの欠落防止の効果がより顕著であることがわかった。但し、ＺｒＯ₂やＹ₂Ｏ₃の総含有量が０．０５質量％未満である場合（サンプル２０，２６）には、加熱後平均粒径が６８μｍを超えてしまい、貴金属チップが欠落してしまった。また、総含有量が２．０質量％を超えた場合（サンプル２５，３１）には、チップの欠落を防止することができたものの、加工性が低下してしまい、上述の形状に成形することが困難となってしまった。

さらに、加熱後平均粒径が６８μｍ以下であっても、タングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）が２質量％以上含有されて構成された場合（サンプル１７，１８）には、貴金属チップの欠落は生じなかったものの、異常酸化が生じてしまうことが明らかとなった。換言すれば、Ｐｔを主成分とし、加熱後平均粒径が６８μｍ以下とすることができる組成は種々存在するものの、特に、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｒｕ、ＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃などが適宜含有されて構成されたサンプルについては、耐酸化性の低下を招くことなく、粒界強度の低下を防止することができるといえる。

次いで、接地電極本体部から前記貴金属チップの先端面までの突出長Ｌを種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、着火性評価試験を行った。当該着火性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、１６００ｃｃ４気筒ＤＯＨＣエンジンに各スパークプラグのサンプルを組み付け、回転変動±１０％のアイドリング状態（例えば、８００ｒｐｍ±８０ｒｐｍ）でエンジンを動作させ、進角限界を測定した。試験結果を図４のグラフに示す。尚、接地電極側の貴金属チップは、直径０．７ｍｍの円柱状をなし、Ｐｔ−３０Ｉｒから構成されるもの（加熱後平均粒径４５μｍのもの）を用いることとした。また、中心電極の先端部には、直径が０．６ｍｍであるとともに、Ｉｒを主成分とし、Ｐｔを５質量％含有して構成される円柱状の貴金属チップを設けることとした。また、接地電極はＮｉ−３２Ｃｒ−１４．４Ｆｅ−１．４Ａｌ合金で形成し、火花放電間隙は、各サンプルともに１．１ｍｍとなるように設定した。

図４に示すように、突出長Ｌが０．４ｍｍ以上とされることで、突出長Ｌが０．４ｍｍ未満の場合と比べて、進角限界が格段に増大し、着火性が十分に向上していることが明らかとなった。但し、突出長Ｌが１．６ｍｍを超えた場合には、貴金属チップに溶損が生じてしまう場合があった。従って、突出長Ｌは、０．４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下とすることがより好ましいといえる。

次に、表１のサンプル３（Ｐｔ−２０Ｉｒ）及びサンプル４（Ｐｔ−３０Ｉｒ）と同様の組成を有する貴金属チップのサンプルが溶融部を形成することで接合されるとともに、ねじ部の外径Ｍ（ｍｍ）、軸線方向に沿った主体金具先端面から溶融部までの距離Ｈ（ｍｍ）、及び、前記ねじ部の外径Ｍ及び距離Ｈの比率「Ｈ／Ｍ」を種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、各スパークプラグのサンプルについて上述と同様の耐欠落評価試験を行った。当該試験の結果を表２に示す。尚、貴金属チップの欠落が認められなかった場合には、基本的に「○」と評価を下す一方で、貴金属チップの欠落が認められた場合には、「×」と評価を下すこととした。但し、貴金属チップの欠落が認められなかった場合であっても、接地電極に溶損が生じてしまった場合には、「△」の評価を下すこととした。

【００７２】
【表２】
表２に示すように、加熱後平均粒径が６８μｍを超える（表では平均粒径＝１００μｍ）組成（Ｐｔ−２０Ｉｒ）については、Ｈ／Ｍを０．５以上とした場合に、貴金属チップが欠落してしまうことがわかった。これは、Ｈ／Ｍが大きくなるにつれて、貴金属チップが燃焼室の中心部分により近づくこととなるため、貴金属チップがより高温に晒され、粒成長の進行及び粒界強度の低下が生じてしまったことによると考えられる。

これに対して、加熱後平均粒径が６８μｍ以下（表では平均粒径＝４５μｍ）となる組成（Ｐｔ−３０Ｉｒ）については、Ｈ／Ｍを０．５以上とした場合、換言すれば、火花放電間隙を燃焼室の中心部分により近づけて形成した場合であっても、貴金属チップの欠落が認められなかった。これは、高温条件下に置かれた場合であっても粒成長が抑制される構成となっているため、粒界強度の低下を防止できたことによるものと考えられる。すなわち、加熱後平均粒径が６８μｍ以下のＰｔ合金を用いつつ、Ｈ／Ｍを０．５以上とすることで、貴金属チップの欠落の防止、及び、火炎伝播性の向上を一挙に図ることができるといえる。但し、Ｈ／Ｍが０．８を超えると接地電極の溶損が認められたため、Ｈ／Ｍを０．８以下とすることが望ましいといえる。

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、接地電極本体部３８に対して凸部３４を介して貴金属チップ３２を接合することとしているが、図５に示すように、凸部３４を設けることなく、接地電極２７Ａ（接地電極本体部）の平坦面に対し、貴金属チップ３２Ａを直接接合する構成を採用してもよい。また、上記実施形態のごとく貴金属チップ３２の軸線方向に異種の金属部材（上記実施形態では凸部３４）を接合することは許されるが、貴金属チップ３２の径方向に異種の金属部材を接合する構成は許容されない。すなわち、貴金属チップは、実質的に１つの貴金属合金からなるものである。尚、溶接において異種合金部が形成されることは妨げられるものではない。また、貴金属チップの少なくとも一部が異種金属のメッキ等により金属薄膜で覆われる構成としても、当該構成を径方向に異種の金属部材を接合した構成とはみなさない。

（ｂ）上記実施形態では、貴金属チップ３２を円柱状としてその寸法について直径を示しているが、完全な円柱（つまり断面が真円）である必要はなく、やや楕円状であったり、多角形状であったりしても差し支えはない。尚、このような形状においては、貴金属チップの断面積をＳとして、２（Ｓ／π）^1/2により算出された値が、上述した貴金属チップの直径に相当する。

（ｃ）上記実施形態では、図２に示すように、接地電極２７は、接地電極本体部３８に対し別体とし構成した凸部３４を接合することで構成されているが、接地電極本体部３８の一部を変形させ、凸部３４を一体として設けることで構成することとしてもよい。

（ｄ）上記実施形態では、中心電極５（貴金属チップ３１）の先端面に対して貴金属チップ３２の先端面３７が対向するよう構成されているが、図６，図７，図８に示すように、中心電極５５Ｂ，５５Ｃ，５５Ｄの側面に対して貴金属チップ３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄの先端面３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｄが対向するよう構成されていてもよい。さらに、図９に示すように、中心電極５５Ｅの先端エッジ部分に対して貴金属チップ３２Ｅの先端面３７Ｅが対向するよう構成されていてもよい。また、上記実施形態では、接地電極２７の先端側側面に貴金属チップ３２が設けられているが、図６，８，１０に示すように、接地電極２７Ｂ，２７Ｄ，２７Ｆの先端面に貴金属チップ３２Ｂ，３２Ｄ，３２Ｆを設けることとしてもよい。但し、この場合であっても、ねじ部１５の外径Ｍ及び主体金具３の先端面２６から溶融部３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ，３５Ｅ，３５Ｆ（接合面３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄ，３６Ｅ，３６Ｆ）までの距離Ｈが、Ｈ≧０．５Ｍを満たすよう外径Ｍ及び距離Ｈをそれぞれ設定することが望ましい。

（ｅ）上記実施形態において、貴金属チップ３２は、その内部に応力がほとんど残留しないようにして形成されているが、貴金属チップ３２の内部に応力が残留することとしてもよい。従って、例えば、貴金属チップ３２の先端部に残留する応力を、貴金属チップ３２の側部に残留する応力よりも小さくすることとしてもよい〔すなわち、貴金属チップ３２の側面３９のビッカース硬度（例えば、２５０Ｈｖ）に対して、貴金属チップ３２の先端面３７のビッカース硬度（例えば、２００Ｈｖ）をより小さなものとしてもよい〕。この場合には、加熱後平均粒径を６８μｍ以下とすることにより、粒界における割れ等の発生を抑制できることと相俟って、貴金属チップ３２の欠落（剥離）をより確実に防止することができる。その結果、スパークプラグ１のより一層の長寿命化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）。また、主体金具３の先端部の側面に接地電極２７を接合することとしてもよい。

（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、Ｂｉ−ＨＥＸ（変形１２角）形状〔ＩＳＯ２２９７７：２００５（Ｅ）〕等とされていてもよい。

（ｈ）上記実施形態では、貴金属チップ３２の製造方法に関し、上記構成７による製造方法、すなわち最も理想的な製造方法を説明しているが、本発明のスパークプラグを得るに際してはその製造方法に限定されるものではない。したがって、伸線工程では、冷間にてその加工を行ってもよいし、また、伸線工程を採用しなくてもよい。例えば、インゴットを板状に圧延した後、抜き打ち加工を施すことによって貴金属チップを形成し、貴金属チップの先端部を構成する部分を局部的に加熱して残留応力を除去することで貴金属チップを得ることとしてもよい。

本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。 本実施形態におけるスパークプラグの先端部を示す一部破断正面図である。 本実施形態における貴金属チップの製造方法を説明するためのフローチャートである。 着火性評価試験における、突出長と進角限界との関係を示す折れ線グラフである。 別の実施形態におけるスパークプラグの先端部を示す一部破断正面図である。 別の実施形態におけるスパークプラグの先端部を示す一部破断正面図である。 別の実施形態におけるスパークプラグの先端部を示す一部破断正面図である。 別の実施形態におけるスパークプラグの先端部を示す一部破断正面図である。 別の実施形態におけるスパークプラグの先端部を示す一部破断正面図である。 別の実施形態におけるスパークプラグの先端部を示す一部破断正面図である。

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、５，５５Ｂ，５５Ｃ，５５Ｄ…中心電極、１５…ねじ部、２６…主体金具の先端面、２７，２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｄ，２７Ｆ…接地電極、３２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ，３２Ｅ，３２Ｆ…貴金属チップ、３３…火花放電間隙、３４…凸部、３５，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ，３５Ｅ，３５Ｆ…溶融部、３７，３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｄ，３７Ｅ…貴金属チップの先端面、３８…接地電極本体部、３９…貴金属チップの側面、Ｃ１…軸線。

Claims (6)

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、
   自身の先端部分が前記中心電極の先端面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、
   前記接地電極に接合されるとともに、自身の先端部と前記中心電極の先端部との間に火花放電間隙を形成し、白金を主成分とする白金合金からなる貴金属チップとを備える内燃機関用スパークプラグであって、
   前記接地電極の本体部から前記貴金属チップの先端面までの突出長が０．４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であるとともに、
   前記白金合金は、１１００℃の大気雰囲気下で５０時間加熱した後の平均粒径が６８μｍ以下となる構成であり、
   前記貴金属チップの先端部に残留する応力が、前記貴金属チップの側部に残留する応力よりも小さいことを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
2. 前記白金合金は、ロジウム、イリジウム、ニッケル、及び、ルテニウムのうち少なくとも１種類を含有する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. 前記白金合金は、金属酸化物及び希土類酸化物のうち少なくとも一方を含み、当該金属酸化物、及び／又は、希土類酸化物の総含有量を０．０５質量％以上２質量％以下とした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。
4. 前記主体金具は、その外周に、内燃機関のエンジンヘッドの取付孔に螺合するためのねじ部を備え、 前記ねじ部の外径をＭ、前記軸線方向に沿った前記主体金具の先端面から、前記貴金属チップと、前記接地電極の本体部或いは前記接地電極の本体部から突出する凸部とが相互に溶け合って形成された溶融部までの距離をＨとしたとき、 Ｈ≧０．５Ｍを満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法であって、 白金を主成分とする白金合金からなる棒材から前記貴金属チップとほぼ同径の線材を形成する伸線工程と、 表面に研磨剤が付着されたワイヤーにより前記線材を研磨することで、前記線材を切断し、前記貴金属チップを得る切断工程とを含むことを特徴とするスパークプラグの製造方法。
6. 請求項５に記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法であって、 前記伸線工程は、熱間伸線であることを特徴とするスパークプラグの製造方法。

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