JP5613221B2 - スパークプラグ - 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に関する。

内燃機関等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、絶縁体の外周に設けられる筒状の主体金具と、主体金具の先端部に接合される接地電極とを備える。また、接地電極は、その先端部が中心電極の先端部と対向するように曲げ返され、中心電極の先端部と接地電極との先端部の間には間隙が形成される。

さらに近年では、接地電極や中心電極のうち、前記間隙を形成する部位に耐消耗性に優れる金属（例えば、イリジウム合金や白金合金等）からなるチップを溶接し、着火性や耐消耗性を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１等参照）。

特開２００３−２２９２３０号公報

ところで、チップが溶接される電極は、例えば、ニッケルを主成分とする金属により形成され、一般にチップの熱膨張係数は、チップが溶接される電極の熱膨張係数よりも小さなものとされる。従って、高温下において、チップ及び電極間で生じる熱応力差が比較的大きなものとなる。その結果、冷熱サイクルの繰り返しに伴い、チップ及び電極間において酸化スケールが急速に形成されてしまい、電極からチップが早期に剥離（脱落）してしまうおそれがある。

そこで、チップの剥離（脱落）を防止すべく、電極に対してチップを極めて強固に溶接することで、チップ及び電極間における酸化スケールの形成を抑制することが考えられる。しかしながら、この場合には、チップのうち電極側に位置する部位が、電極の熱膨張に引っ張られる形でより大きく熱膨張（変形）してしまう。これにより、チップのうち電極側に位置する部位と、チップのうち電極とは反対側に位置する部位との間における熱膨張差が大きくなってしまう。その結果、チップのうち電極とは反対側に位置する部位が変形してしまったり（例えば、反り返ってしまったり）、当該部位に割れが発生してしまったりするおそれがある。

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、チップの熱膨張係数がチップの溶接される電極の熱膨張係数よりも小さいスパークプラグにおいて、電極に対するチップの溶接性を向上させ、チップの剥離（脱落）をより確実に防止しつつ、チップの変形や割れを効果的に防止することを特徴とする。

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、中心電極と、前記中心電極との間に間隙を形成する接地電極とを備え、前記両電極の少なくとも一方にチップが溶接されたスパークプラグであって、
前記チップは、前記チップが溶接された前記電極より熱膨張係数が小さく、前記チップの貴金属成分の含有率Ａ（質量％）と前記電極の貴金属成分の含有率Ｂ（質量％）との差（Ａ−Ｂ）が５０％以上であり、
前記チップと前記電極との間の中間層に空孔が存在し、前記チップの中心軸を含む断面において、前記チップと前記中間層との境界の長さをＬ（ｍｍ）、前記チップと前記中間層との境界に沿う方向の前記空孔の長さをＮ（ｍｍ）とすると、０．１≦Ｎ／Ｌ≦０．４であることを特徴とする。

上記構成１によれば、Ａ−Ｂが５０質量％以上とされているため、使用時（高温下）においてチップや電極に含有される貴金属成分を十分に拡散させることができる。この拡散に伴い、中間層に存在する空孔をチップの内部（特に中間層側）へと入り込ませることができ、チップの内部に空孔を形成することができる。そして、このチップ内部に形成された空孔により、電極の熱膨張に伴い電極からチップに加わる応力を緩和することができ、チップのうち電極側に位置する部位とチップのうち電極とは反対側に位置する部位との間における熱膨張差を低減させることができる。その結果、チップにおける変形や割れの発生をより確実に防止することができる。

また、チップの内部に形成された空孔の存在により、電極及びチップ間における熱応力差を低減させることができる。従って、チップ及び電極間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、電極に対するチップの溶接性を高めることができる。その結果、電極からのチップの剥離（脱落）をより確実に防止することができる。

尚、０．１＞Ｎ／Ｌとした場合には、チップの内部に空孔を十分に形成することができず、上述の作用効果が発揮されないおそれがある。また、Ｎ／Ｌ＞０．４とした場合には、チップ内部に対して空孔が入り込みにくくなり、上述の作用効果が発揮されないおそれがある。

構成２．本構成のスパークプラグは、上記構成１において、前記断面において、前記チップの一方の側面から他方の側面までの範囲を４等分する前記中心軸に平行な直線を端から順にＰ１，Ｐ２，Ｐ３とし、
Ｐ１からＰ３までの範囲における前記境界に沿う方向の前記空孔の長さをＱ（ｍｍ）とすると、０．６≦Ｑ／Ｎであることを特徴とする。

上記構成２によれば、チップ及び電極間で生じる熱応力差が特に大きなものとなりやすいチップの中心側に空孔の大部分が形成されている。従って、使用時（高温下）において、チップの中心側内部に空孔をより多く形成することができ、電極及びチップ間における熱応力差をより効果的に低減させることができる。その結果、チップの溶接性を一層高めることができ、チップの剥離（脱落）をより一層確実に防止することができる。

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、前記チップの中心軸と直交する平面に、前記チップが溶接された前記電極と当該電極側に位置する前記チップの端面とを前記中心軸に沿って投影したとき、前記電極の投影面と前記端面の投影面とが重なる領域は、矩形状又は円形状をなし、
Ｋ（ｍｍ）を、前記領域が矩形状の場合に前記領域の長辺とし、前記領域が円形状の場合に前記領域の直径とし、
Ｔ（ｍｍ）を、前記中心軸に沿った前記チップの最大厚さとしたとき、
Ｋ／Ｔ≧１．２であることを特徴とする。

尚、チップの一部が電極に埋没している場合など、電極側に位置するチップの面が複数存在する場合において、「電極側に位置するチップの端面」とあるは、チップの外表面のうち最も広範囲に亘って中間層に隣接している面（すなわち、電極に対するチップの溶接性を確保するという点で、最も重要な面）をいう。

上記構成３のように、Ｋ／Ｔ≧１．２を満たす比較的薄肉のチップは、高温下において電極が熱膨張した際に、チップのうち電極側に位置する部位が、電極の熱膨張に合わせて変形しやすい。そのため、電極及びチップ間における熱応力差をより小さくすることができ、溶接性の更なる向上を図ることができる。

一方で、チップのうち電極側に位置する部位がより変形しやすいため、チップのうち電極側に位置する部位とチップのうち電極とは反対側に位置する部位との間における熱膨張差は増大する。そのため、チップにおける変形や割れがより懸念される。

この点、上記構成１等によれば、Ｋ／Ｔ≧１．２とされ、チップの変形や割れがより懸念される場合においても、チップの変形等をより確実に防止することができる。その結果、Ｋ／Ｔ≧１．２とすることにより奏されるメリット（極めて優れた溶接性）を十分に維持しつつ、Ｋ／Ｔ≧１．２とすることに伴うデメリット（耐変形性の低下）を解消することができる。すなわち、上記構成３によれば、極めて優れた溶接性と、良好な耐変形性との双方を同時に得ることができる。

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。 接地電極側チップ及び接地電極間に位置する中間層の構成を示す拡大断面図である。 中心電極側チップ及び中心電極間に位置する中間層の構成を示す拡大断面図である。 長さＫａを説明するための接地電極側チップ等の投影図である。 接地電極側チップの最大厚さＴａを示す拡大断面図である。 長さＫｂを説明するための中心電極側チップ等の投影図である。 中心電極側チップの最大厚さＴｂを示す拡大断面図である。 第２実施形態における、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。 接地電極側チップ及び接地電極間に位置する中間層の構成を示す拡大断面図である。 中心電極側チップ及び中心電極間に位置する中間層の構成を示す拡大断面図である。 長さＫｃを説明するための接地電極側チップ等の投影図である。 接地電極側チップの最大厚さＴｃを示す拡大断面図である。 第３実施形態における、接地電極側チップ及び接地電極の相対位置関係等を示す拡大断面図である。 長さＫｅを説明するための接地電極側チップ等の投影図である。

以下に、実施形態について図面を参照しつつ説明する。
〔第１実施形態〕
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に沿って軸孔４が貫通形成されており、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、熱伝導性に優れる金属〔例えば、銅や銅合金、純ニッケル（Ｎｉ）など〕からなる内層５Ａ、及び、Ｎｉを主成分とする合金からなる外層５Ｂにより構成されている。さらに、中心電極５は、全体として棒状（円柱状）をなし、その先端部が絶縁碍子２の先端から突出している。

また、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、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を燃焼装置（例えば、内燃機関や燃料電池改質器等）の取付孔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よりも後端側の外周面には径方向外側に突出する座部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を前記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ている。尚、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の先端部２６には、Ｎｉを主成分とする合金からなる棒状の接地電極２７が接合されている。接地電極２７は、自身の中間部分にて曲げ返されており、その先端部側面が中心電極５の先端部と対向している。また、中心電極５の先端部と接地電極２７の先端部との間には、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に沿った方向で火花放電が行われるようになっている。

加えて、接地電極２７のうち中心電極５との間で火花放電間隙３３を形成する部位には、抵抗溶接により、所定の貴金属〔例えば、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及び、パラジウム（Ｐｄ）〕を主成分とする金属からなる円柱状の接地電極側チップ（本発明の「チップ」に相当する）３１が接合されている。また、中心電極５のうち接地電極２７との間で火花放電間隙３３を形成する部位には、レーザー溶接により、所定の貴金属（例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、及び、Ｐｄ）を主成分とする金属からなる円柱状の中心電極側チップ（本発明の「チップ」に相当する）３２が接合されている。

さらに、本実施形態において、チップ３１，３２が溶接される接地電極２７及び中心電極５（特に外層５Ｂ）は、上述の通り、Ｎｉを主成分とする合金により形成されている。そのため、接地電極側チップ３１の熱膨張係数は、これが溶接される接地電極２７の熱膨張係数よりも小さなものとなっている。また、中心電極側チップ３２の熱膨張係数は、これが溶接される中心電極５（外層５Ｂ）の熱膨張係数よりも小さなものとなっている。

加えて、本実施形態では、接地電極側チップ３１の貴金属成分の含有率をＡ１（質量％）とし、接地電極２７の貴金属成分の含有率をＢ１（質量％）としたとき、Ａ１−Ｂ１が５０質量％以上とされている。また、中心電極側チップ３２の貴金属成分の含有率をＡ２（質量％）とし、中心電極５（外層５Ｂ）の貴金属成分の含有率をＢ２（質量％）としたとき、Ａ２−Ｂ２が５０質量％以上とされている。

併せて、本実施形態において、接地電極２７及び中心電極５（外層５Ｂ）には、クロムが１０質量％以上３５質量％以下含有されており、良好な加工性を確保しつつ、優れた耐酸化性を実現できるように構成されている。尚、耐酸化性を一層向上させるべく、接地電極２７及び中心電極５（外層５Ｂ）に、所定量（例えば、合計含有量が１質量％以上３質量％以下）のアルミニウム（Ａｌ）及びケイ素（Ｓｉ）を含有させてもよい。また、耐酸化性の更なる向上等を図るべく、接地電極２７や中心電極５（外層５Ｂ）に、所定量（例えば、合計含有量が０．０１質量％以上１質量％以下）のイットリウム（Ｙ）や希土類元素〔ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、エルビウム（Ｅｒ）、及び、イッテルビウム（Ｙｂ）〕を含有させてもよい。

さらに、接地電極側チップ３１及び接地電極２７の間には、中間層３４が形成されている。中間層３４は、図３に示すように、接地電極側チップ３１及び接地電極２７が溶け合ってなる溶融部３６と、当該溶融部３６及び接地電極側チップ３１の境界部分に形成された複数の空孔３８とを備えている（尚、図３においては、図示の便宜上、溶融部３６や空孔３８を実際よりも厚く示しており、また、空孔３８を実際よりも長く、かつ、その数を減じて示している。抵抗溶接により接地電極２７に対して接地電極側チップ３１を接合する場合などにおいては、溶融部３６が非常に薄く、ほとんど確認できない場合もある）。溶融部３６により、接地電極側チップ３１が接地電極２７に対して接合されており、本実施形態では、接地電極側チップ３１及び接地電極２７との間の全域に亘って溶融部３６が形成されている。

加えて、接地電極側チップ３１の中心軸ＣＬ２を含む断面において、接地電極側チップ３１と中間層３４との境界の長さをＬａ〔＝Ｌａ１＋Ｌａ２＋Ｌａ３（ｍｍ）〕とし、前記境界に沿う方向の前記空孔３８の長さをＮａ〔＝Ｎａ１＋Ｎａ２＋Ｎａ３＋Ｎａ４＋Ｎａ５＋Ｎａ６（ｍｍ）〕としたとき、０．１≦Ｎａ／Ｌａ≦０．４を満たすように構成されている。

さらに、前記中心軸ＣＬ２を含む断面において、接地電極側チップ３１の一方の側面から他方の側面までの範囲を４等分する前記中心軸ＣＬ２に平行な直線を端から順に直線Ｐａ１、直線Ｐａ２（本実施形態では、中心軸ＣＬ２と一致する）、直線Ｐａ３とする。このとき、直線Ｐａ１から直線Ｐａ３までの範囲における接地電極側チップ３１と中間層３４との境界に沿う方向の空孔３８の長さをＱａ〔＝Ｎａ２＋Ｎａ３＋Ｎａ４＋Ｎａ５（ｍｍ）〕とすると、０．６≦Ｑａ／Ｎａを満たすように構成されている。すなわち、空孔３８の大部分が、接地電極側チップ３１の中心側に位置するように構成されている。

また、図２に示すように、中心電極側チップ３２及び中心電極５（外層５Ｂ）との間には、中間層３５が形成されている。中間層３５は、図４に示すように、中心電極側チップ３２及び中心電極５（外層５Ｂ）が溶け合ってなる溶融部３７と、当該溶融部３７及び中心電極側チップ３２の境界部分に形成された複数の空孔３９とを備えている（尚、図４においては、図示の便宜上、空孔３９を実際よりも厚く、かつ、長く示すとともに、その数を実際の数よりも減じて示している）。溶融部３７により、中心電極側チップ３２は中心電極５（外層５Ｂ）に接合されており、本実施形態では、中心電極側チップ３２及び中心電極５との間の全域に亘って溶融部３７が形成されている。

さらに、中心電極側チップ３２の中心軸ＣＬ３を含む断面において、中心電極側チップ３２と中間層３５との境界の長さをＬｂ〔＝Ｌｂ１＋Ｌｂ２（ｍｍ）〕とし、前記境界に沿う方向の前記空孔３９の長さをＮｂ〔＝Ｎｂ１＋Ｎｂ２＋Ｎｂ３＋Ｎｂ４＋Ｎｂ５＋Ｎｂ６（ｍｍ）〕としたとき、０．１≦Ｎｂ／Ｌｂ≦０．４を満たすように構成されている。

また、前記中心軸ＣＬ３を含む断面において、中心電極側チップ３２の一方の側面から他方の側面までの範囲を４等分する前記中心軸ＣＬ３に平行な直線を端から順に直線Ｐｂ１、直線Ｐｂ２（本実施形態では、中心軸ＣＬ３と一致する）、直線Ｐｂ３とする。このとき、直線Ｐｂ１から直線Ｐｂ３までの範囲における中心電極側チップ３２と中間層３５との境界に沿う方向の空孔３９の長さをＱｂ〔＝Ｎｂ２＋Ｎｂ３＋Ｎｂ４＋Ｎｂ５（ｍｍ）〕とすると、０．６≦Ｑｂ／Ｎｂを満たすように構成されている。すなわち、空孔３９の大部分が、中心電極側チップ３２の中心側に位置するように構成されている。

尚、境界に沿う空孔３８，３９の長さは、次のようにして調節することができる。すなわち、抵抗溶接によりチップ３１，３２を溶接する場合には、抵抗溶接時における、電極５，２７に対するチップ３１，３２の押圧荷重や、通電電流を変更することで、空孔３８，３９の長さを調節することができる。例えば、押圧荷重を増大させ、チップ３１，３２及び電極５，２７の接触面積を増大させることで、抵抗溶接時における発熱量を減少させることができ、より多くの空孔３８，３９を形成する（空孔３８，３９をより長くする）ことができる。また、レーザー溶接によりチップ３１，３２を溶接する場合には、レーザー溶接時における、電極５，２７に対するチップ３１，３２の押圧荷重や、レーザービームのエネルギーを変更することで、空孔３８，３９の長さを調節することができる。例えば、レーザービームのエネルギーを増大させることで、発熱量を増大させることができ、形成される空孔３８，３９を比較的少なくする（空孔３８，３９をより短くする）ことができる。尚、溶接条件の変更によることなく、例えば、チップ３１，３２や電極５，２７に含有されるガスの量を調節することで、空孔３８，３９の長さを調節することも可能である。

また、空孔３８，３９の長さは、次の手法により計測することができる。すなわち、中心軸ＣＬ２，ＣＬ３を含む断面を得るとともに、当該断面に対してクロスポリッシャー加工を施すことや、ＦＩＢ（集束イオンビーム装置）を用いてイオンビームを照射することで、断面を研磨する。その後、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）等により研磨された断面を観察することで、空孔３８，３９の長さを計測することができる。

加えて、本実施形態では、図５に示すように、接地電極側チップ３１の中心軸ＣＬ２と直交する平面Ｓａに、接地電極２７と、接地電極２７側に位置する接地電極側チップ３１の端面とを投影したとき、接地電極２７の投影面２７Ｐと前記端面の投影面３１Ｐとが重なる領域Ｒａ（図５中、散点模様を付した部位）は、円形状をなしている。そして、前記領域Ｒａの直径をＫａ（ｍｍ）とし、図６に示すように、前記中心軸ＣＬ２に沿った接地電極側チップ３１の最大厚さをＴａ（ｍｍ）としたとき、Ｋａ／Ｔａ≧１．２を満たすように構成されている。すなわち、放電面積の増大（耐消耗性の向上）を図るべく、Ｋａが比較的大きなものとされる一方で、製造コスト等の面から、Ｔａが比較的小さなものとされており、接地電極側チップ３１は比較的薄肉となっている。

また、本実施形態では、図７に示すように、中心電極側チップ３２の中心軸ＣＬ３と直交する平面Ｓｂに、中心電極５と、中心電極５側に位置する中心電極側チップ３２の端面とを投影したとき、中心電極５の投影面５Ｐと前記端面の投影面３２Ｐとが重なる領域Ｒｂ（図７中、散点模様を付した部位）は、円形状をなしている。そして、前記領域Ｒｂの直径をＫｂ（ｍｍ）とし、図８（尚、図８では、空孔３９を不図示）に示すように、前記中心軸ＣＬ３に沿った中心電極側チップ３２の最大厚さをＴｂ（ｍｍ）としたとき、Ｋｂ／Ｔｂ≧１．２を満たすように構成されている。すなわち、接地電極側チップ３１と同様に、中心電極側チップ３２も比較的薄肉とされている。

以上詳述したように、本実施形態によれば、Ａ１−Ｂ１（Ａ２−Ｂ２）が５０質量％以上とされているため、使用時（高温下）においてチップ３１，３２に含有される貴金属成分を十分に拡散させることができる。この拡散に伴い、中間層３４，３５に存在する空孔３８，３８をチップ３１，３２の内部（特に中間層３４，３５側）へと入り込ませることができ、チップ３１，３２の内部に空孔を形成することができる。そして、このチップ３１，３２の内部に形成された空孔により、電極５，２７の熱膨張に伴い電極５，２７からチップ３１，３２に加わる応力を緩和することができ、チップ３１，３２のうち電極５，２７側に位置する部位とチップ３１，３２のうち電極５，２７とは反対側に位置する部位との間における熱膨張差を低減させることができる。その結果、チップ３１，３２における変形や割れの発生をより確実に防止することができる。

また、チップ３１，３２の内部に形成された空孔の存在により、電極５，２７及びチップ３１，３２間における熱応力差を低減させることができる。従って、チップ３１，３２及び電極５，２７間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、電極５，２７に対するチップ３１，３２の溶接性を高めることができる。その結果、チップ３１，３２の剥離（脱落）をより確実に防止することができる。

さらに、本実施形態では、０．６≦Ｑａ／Ｎａ、及び、０．６≦Ｑｂ／Ｎｂとされており、チップ３１，３２及び電極５，２７間で生じる熱応力差が特に大きなものとなりやすいチップ３１，３２の中心側に空孔３８，３９の大部分が形成されている。従って、使用時（高温下）において、チップ３１，３２の中心側内部により多くの空孔を形成することができ、電極５，２７及びチップ３１，３２間における熱応力差をより効果的に低減させることができる。その結果、チップ３１，３２の溶接性を一層高めることができ、チップ３１，３２の剥離（脱落）をより一層確実に防止することができる。

加えて、Ｋａ／Ｔａ≧１．２、及び、Ｋｂ／Ｔｂ≧１．２を満たすため、電極５，２７及びチップ３１，３２間における熱応力差をより小さくすることができ、溶接性の更なる向上を図ることができる。

一方で、Ｋａ／Ｔａ≧１．２、及び、Ｋｂ／Ｔｂ≧１．２を満たす場合には、チップ３１，３２における変形や割れがより懸念されるが、上述の構成を満たすことで、チップ３１，３２の変形等をより確実に防止することができる。その結果、Ｋａ／Ｔａ≧１．２（Ｋｂ／Ｔｂ≧１．２）とすることにより奏されるメリット（極めて優れた溶接性）を十分に維持しつつ、Ｋａ／Ｔａ≧１．２（Ｋｂ／Ｔｂ≧１．２）とすることに伴うデメリット（耐変形性の低下）を解消することができる。

また、両電極５，２７に、Ｙや希土類元素を含有させた場合、これら元素は原子半径が比較的大きいため、電極５，２７の結晶格子に歪みを生じさせることができる。従って、チップ３１，３２に含有される貴金属成分がより拡散しやすくなり、ひいてはチップ３１，３２の内部に空孔をより確実に入り込ませることができる。その結果、上述の作用効果をより一層確実に発揮させることができる。
〔第２実施形態〕
次いで、第２実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に説明する。上記第１実施形態では、接地電極側チップ３１及び接地電極２７間の全域に亘って中間層３４が形成され、中心電極側チップ３２及び中心電極５（外層５Ｂ）間の全域に亘って中間層３５が形成されている。これに対して、本第２実施形態では、溶接条件を変更することによって、図９に示すように、接地電極側チップ４１及び接地電極２７間の一部に中間層４４が形成され、中心電極側チップ４２及び中心電極５（外層５Ｂ）間の一部に中間層４５が形成されている。尚、本実施形態では、接地電極２７に対する接地電極側チップ４１の溶接性を十分に確保すべく、図１０に示すように、接地電極側チップ４１の中心軸ＣＬ４を含む断面において、接地電極側チップ４１及び中間層４４の境界の長さが、接地電極側チップ４１のうち中間層４４を介することなく接地電極２７に隣接する部位の長さよりも大きなものとされている。また、中心電極５に対する中心電極側チップ４２の溶接性を十分に確保すべく、図１１に示すように、中心電極側チップ４２及び中間層４５の境界の長さが、中心電極側チップ４２のうち中間層４５を介することなく中心電極５に隣接する部位の長さよりも大きなものとされている。

加えて、図１０に示すように、中間層４４は、溶融部４６と、当該溶融部４６及び接地電極側チップ４１の境界部分に位置する複数の空孔４８とを備えている。そして、接地電極側チップ４１の中心軸ＣＬ４を含む断面において、接地電極側チップ４１と中間層４４との境界の長さをＬｃ（ｍｍ）とし、前記境界に沿う方向の前記空孔４８の長さをＮｃ〔＝Ｎｃ１＋Ｎｃ２＋Ｎｃ３＋Ｎｃ４＋Ｎｃ５（ｍｍ）〕としたとき、０．１≦Ｎｃ／Ｌｃ≦０．４を満たすように構成されている。尚、抵抗溶接により、接地電極２７に対して接地電極側チップ４１を接合する場合などにおいては、溶融部４６が非常に薄く、ほとんど確認できない場合もある。

さらに、前記中心軸ＣＬ４を含む断面において、接地電極側チップ４１の一方の側面から他方の側面までの範囲を４等分する前記中心軸ＣＬ４に平行な直線を端から順に直線Ｐｃ１、直線Ｐｃ２（本実施形態では、中心軸ＣＬ４と一致する）、直線Ｐｃ３とする。このとき、直線Ｐｃ１から直線Ｐｃ３までの範囲における前記境界に沿う方向の空孔４８の長さをＱｃ〔＝Ｎｃ２＋Ｎｃ３＋Ｎｃ４（ｍｍ）〕とすると、０．６≦Ｑｃ／Ｎｃを満たすように構成されている。

また、図１１に示すように、中間層４５は、溶融部４７と、当該溶融部４７及び中心電極側チップ４２の境界部分に位置する複数の空孔４９とを備えている。そして、中心電極側チップ４２の中心軸ＣＬ５を含む断面において、中心電極側チップ４２と中間層４５との境界の長さをＬｄ〔＝Ｌｄ１＋Ｌｄ２（ｍｍ）〕とし、前記境界に沿う方向の前記空孔４９の長さをＮｄ〔＝Ｎｄ１＋Ｎｄ２＋Ｎｄ３＋Ｎｄ４＋Ｎｄ５（ｍｍ）〕としたとき、０．１≦Ｎｄ／Ｌｄ≦０．４を満たすように構成されている。

加えて、前記中心軸ＣＬ５を含む断面において、中心電極側チップ４２の一方の側面から他方の側面までの範囲を４等分する前記中心軸ＣＬ５に平行な直線を端から順に直線Ｐｄ１、直線Ｐｄ２（本実施形態では、中心軸ＣＬ５と一致する）、直線Ｐｄ３とする。このとき、直線Ｐｄ１から直線Ｐｄ３までの範囲における前記境界に沿う方向の空孔４９の長さをＱｄ〔＝Ｎｄ２＋Ｎｄ３＋Ｎｄ４＋Ｎｄ５（ｍｍ）〕とすると、０．６≦Ｑｄ／Ｎｄを満たすように構成されている。

さらに、上記第１実施形態において、接地電極側チップ３１は円柱状をなしているが、本第２実施形態において、接地電極側チップ４１は直方体状をなしている。そのため、図１２に示すように、接地電極側チップ４１の中心軸ＣＬ４と直交する平面Ｓｃに、接地電極２７と、接地電極２７側に位置する接地電極側チップ４１の端面とを前記中心軸ＣＬ４に沿って投影したとき、接地電極２７の投影面２７Ｐと前記端面の投影面４１Ｐとが重なる領域Ｒｃは、矩形状となっている。

また、前記領域Ｒｃの長辺をＫｃ（ｍｍ）とし、図１３に示すように、前記中心軸ＣＬ４に沿った接地電極側チップ４１の最大厚さをＴｃ（ｍｍ）としたとき、Ｋｃ／Ｔｃ≧１．２を満たすように構成されている。

以上、本第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の作用効果が奏されることとなる。すなわち、電極５，２７に対するチップ４１，４２の溶接性を格段に高めつつ、チップ４１，４２における変形や割れを非常に効果的に防止することができる。
〔第３実施形態〕
次いで、第３実施形態について、上記第１、第２実施形態との相違点を中心に説明する。上記第１、第２実施形態において、接地電極側チップ３１，４１は、その全体が接地電極２７の先端よりも基端側に位置している。これに対して、本第３実施形態では、図１４に示すように、接地電極側チップ５１は、その一部が接地電極２７の先端よりも突出するようにして接地電極２７に溶接されている。尚、接地電極２７に対する接地電極側チップ５１の溶接性を十分に確保すべく、接地電極側チップ５１及び中間層５４の境界の長さが、接地電極側チップ５１のうち中間層５４を介することなく接地電極２７に隣接する部位の長さよりも大きなものとされている。

加えて、接地電極側チップ５１は、上記第２実施形態と同様に、直方体状とされている。そのため、図１５に示すように、接地電極側チップ５１の中心軸ＣＬ６と直交する平面Ｓｅに、接地電極２７と、接地電極２７側に位置する接地電極側チップ５１の端面（接地電極側チップ５１の外表面のうち中間層５４に対して最も広範囲に亘って隣接し、溶接性を確保する点で特に重要な面）とを前記中心軸ＣＬ６に沿って投影したとき、接地電極２７の投影面２７Ｐと前記端面の投影面５１Ｐとが重なる領域Ｒｅは、矩形状となっている。そして、前記領域Ｒｅの長辺をＫｅ（ｍｍ）とし、図１４に示すように、前記中心軸ＣＬ６に沿った接地電極側チップ５１の最大厚さをＴｅ（ｍｍ）としたとき、Ｋｅ／Ｔｅ≧１．２を満たすように構成されている。

以上、本第３実施形態によれば、基本的には上記第１、第２実施形態と同様の作用効果が奏されることとなる。

加えて、接地電極側チップ５１が接地電極２７の先端よりも突出しているため、接地電極２７による火炎核の成長阻害を抑制することができる。その結果、着火性の向上を図ることができる。

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、組成がそれぞれ異なるチップを有し、当該チップの貴金属成分の含有率Ａ（質量％）とチップが溶接される接地電極における貴金属成分の含有率Ｂ（質量％）との差（Ａ−Ｂ）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た。尚、各サンプルは、溶接時の押圧荷重や通電電流等を調節することで、チップと中間層との境界の長さをＬ（ｍｍ）に対する、前記境界に沿う方向の空孔の長さをＮ（ｍｍ）の割合（Ｎ／Ｌ）と、長さＮに対する、チップの中心側に位置する（直線Ｐ１から直線Ｐ３までの範囲に位置する）空孔の前記境界に沿う方向の長さをＱ（ｍｍ）の割合（Ｑ／Ｎ）とをそれぞれ異なるものとした。そして、各サンプルについて、机上バーナー試験を行った。すなわち、大気雰囲気下にて接地電極の温度が１０００℃となるようバーナーで２分間加熱した後、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、チップの表面（中間層とは反対側に位置し、火花放電間隙を形成する面）、及び、接地電極の断面を観察し、耐変形性、及び、溶接性の面で各サンプルの優劣を評価した。

具体的には、チップの表面に変形や割れが生じていたサンプルは、耐変形性に劣るとして「×」の評価を下し、一方で、チップの表面に変形や割れが生じていなかったサンプルは、良好な耐変形性を有するとして「○」の評価を下すこととした。

また、チップ及び中間層の境界部分の長さに対する、当該境界部分において形成された酸化スケールの長さを計測するとともに、前記境界部分の長さに対する酸化スケールの長さの割合（酸化スケール割合）を算出し、酸化スケール割合が５０％以上となったサンプルは、溶接性に劣るとして「×」の評価を下すこととした。一方で、酸化スケール割合が２５％以上５０％未満となったサンプルは、良好な溶接性を有するとして「○」の評価を下し、酸化スケール割合が２５％未満となったサンプルは、極めて優れた溶接性を有するとして「◎」の評価を下すこととした。

さらに、耐変形性、及び、溶接性の面からサンプルを総合的に判定し、耐変形性及び溶接性の少なくとも一方で評価が「×」となったサンプルは、総合判定を「×」とした。これに対して、耐変形性及び溶接性の双方において評価が「○」となったサンプルは、総合判定を「○」とし、耐変形性における評価が「○」で、かつ、溶接性における評価が「◎」となったサンプルは、総合判定を「◎」とした。

表１に、当該試験の結果を示す。尚、各サンプルともに、接地電極をＩＮＣ６００（登録商標）（Ｎｉ−１６Ｃｒ−７Ｆｅ）により形成した。また、チップの熱膨張係数を、接地電極の熱膨張係数よりも小さなものとした。

表１に示すように、Ａ−Ｂを５０質量％未満としたサンプル（サンプル１，２）は、チップに変形や割れが生じやすいことが分かった。これは、貴金属成分の濃度差が小さかったため、高温下においてチップの貴金属成分が接地電極側に拡散しにくくなり、ひいては空孔がチップの内部に入り込みにくかったことによると考えられる。

また、Ｎ／Ｌを０．１未満としたサンプル（サンプル３）や、Ｎ／Ｌを０．４よりも大きくしたサンプル（サンプル４）は、耐変形性や溶接性に劣ることが確認された。

これに対して、Ａ−Ｂを５０質量％以上とするとともに、０．１≦Ｎ／Ｌ≦０．４を満たすサンプル（サンプル５〜１１）は、耐変形性及び溶接性の双方において良好な性能を有することが明らかとなった。これは、次の理由によると考えられる。すなわち、Ａ−Ｂが５０質量％以上とされたことで、高温下においてチップの貴金属成分が接地電極側に十分に拡散した。そして、この拡散に伴い、境界部分の比較的広範囲に亘って形成された空孔がチップの内部（中間層側）に入り込み、チップの内部に比較的容積の大きな空孔が形成された。この空孔により、接地電極の熱膨張に伴い接地電極からチップに加わる応力が緩和されることとなり、チップのうち接地電極側に位置する部位とチップのうち表面側に位置する部位との間における熱膨張差が減少した。その結果、チップの表面における変形や割れの発生が抑制された。また、チップ内部に形成された空孔の存在により、接地電極及びチップ間における熱応力差が低減し、その結果、境界部分における酸化スケールの形成が抑制された。

さらに、０．６≦Ｑ／Ｎを満たすサンプル（サンプル１０，１１）は、極めて優れた溶接性を有することが分かった。これは、接地電極との間における熱応力差が特に大きなものとなりやすいチップ中心側の内部に多くの空孔が形成されたため、熱応力差をより効果的に低減できたためであると考えられる。

上記試験の結果より、溶接性及び耐変形性の双方を良好なものとすべく、チップの貴金属成分の含有率Ａ（質量％）と電極の貴金属成分の含有率Ｂ（質量％）との差（Ａ−Ｂ）を５０質量％以上とするとともに、０．１≦Ｎ／Ｌ≦０．４を満たすように構成することが好ましいといえる。

また、溶接性の更なる向上を図るべく、０．６≦Ａ／Ｎを満たすことがより好ましいといえる。

次に、外径〔チップの投影面及び接地電極の投影面が重なる領域の直径Ｋ（ｍｍ）と等しい〕と、中心軸に沿った最大厚さＴ（ｍｍ）とが種々異なる円柱状のチップが接地電極に溶接されてなるスパークプラグのサンプルを複数作製した。そして、得られたサンプルについて、上述の机上バーナー試験を行い、耐変形性及び溶接性を評価した。

表２に、当該試験の結果を示す。尚、各サンプルともに、チップをＰｔ−２０Ｎｉにより形成するとともに、接地電極をＮｉ−１．５Ｓｉ−１．５Ｃｒ−２Ｍｎにより形成し、チップの熱膨張係数を、接地電極の熱膨張係数よりも小さなものとした。

表２に示すように、Ｋ／Ｔ≧１．２を満たすサンプル（サンプル２１〜２３）は、溶接性を極めて優れるとともに、良好な耐変形性を有することが分かった。これは、次の理由によると考えられる。

すなわち、Ｋ／Ｔ≧１．２とされた比較的薄肉のチップは、高温下において接地電極が熱膨張した際に、チップのうち接地電極側に位置する部位が、接地電極の熱膨張に合わせて変形しやすい。そのため、接地電極及びチップ間における熱応力差が小さくなり、優れた溶接性を実現することができる。

一方で、チップのうち接地電極側に位置する部位がより変形することで、チップのうち接地電極側に位置する部位とチップのうち表面側（中間層とは反対側）に位置する部位における熱膨張差は増大する。そのため、Ｋ／Ｔ≧１．２とされたチップは、変形や割れが生じやすく、耐変形性には劣る。

しかしながら、中間層に前記空孔を設けたことで、上述の通り、チップのうち接地電極側に位置する部位とチップのうち表面側（中間層とは反対側）に位置する部位における熱膨張差は低減させることができ、ひいてはチップの変形や割れをより確実に防止することができた。すなわち、溶接性の面で優れるものの、耐変形性が不十分となりやすいＫ／Ｔ≧１．２とされたチップを用いた場合において、上述のように中間層に空孔を設けることにより、耐変形性を十分に向上させることができ、その結果、極めて優れた溶接性と、良好な耐変形性とを実現できたと考えられる。

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）上記実施形態では、中心電極５及び接地電極２７の双方にチップ３１，３２が溶接されているが、両電極の一方のみにチップを設けることとしてもよい。この場合、一方の電極に設けられたチップと、他方の電極との間に火花放電間隙が形成されることとなる。

（ｂ）上記実施形態では、チップが貴金属を主成分とする金属により形成されており、チップにおける貴金属成分の含有率が、チップが溶接される電極における貴金属成分の含有率よりも大きなものとされている。これに対して、例えば、貴金属を主成分とする金属により電極を形成することで、電極における貴金属成分の含有率がチップにおける貴金属成分の含有率よりも大きく、かつ、含有率の差が５０質量％以上となるように構成してもよい。この場合においても、高温下における貴金属成分の拡散に伴い、空孔がチップの内部に入り込むこととなる。その結果、上記実施形態と同様の作用効果が奏されることとなる。

（ｃ）上記実施形態では、主体金具３の先端部２６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）。

（ｄ）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、５…中心電極、２７…接地電極、３１…接地電極側チップ、３２…中心電極側チップ、３３…火花放電間隙（間隙）、３４，３５…中間層、３８，３９…空孔、ＣＬ２，ＣＬ３…（チップの）中心軸。

Claims (3)

1. 中心電極と、前記中心電極との間に間隙を形成する接地電極とを備え、前記両電極の少なくとも一方にチップが溶接されたスパークプラグであって、
   前記チップは、前記チップが溶接された前記電極より熱膨張係数が小さく、前記チップの貴金属成分の含有率Ａ（質量％）と前記電極の貴金属成分の含有率Ｂ（質量％）との差（Ａ−Ｂ）が５０質量％以上であり、
   前記チップと前記電極との間の中間層に空孔が存在し、前記チップの中心軸を含む断面において、前記チップと前記中間層との境界の長さをＬ（ｍｍ）、前記チップと前記中間層との境界に沿う方向の前記空孔の長さをＮ（ｍｍ）とすると、０．１≦Ｎ／Ｌ≦０．４であることを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記断面において、前記チップの一方の側面から他方の側面までの範囲を４等分する前記中心軸に平行な直線を端から順にＰ１，Ｐ２，Ｐ３とし、
   Ｐ１からＰ３までの範囲における前記境界に沿う方向の前記空孔の長さをＱ（ｍｍ）とすると、０．６≦Ｑ／Ｎであ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. 前記チップの中心軸と直交する平面に、前記チップが溶接された前記電極と当該電極側に位置する前記チップの端面とを前記中心軸に沿って投影したとき、前記電極の投影面と前記端面の投影面とが重なる領域は、矩形状又は円形状をなし、
   Ｋ（ｍｍ）を、前記領域が矩形状の場合に前記領域の長辺とし、前記領域が円形状の場合に前記領域の直径とし、
   Ｔ（ｍｍ）を、前記中心軸に沿った前記チップの最大厚さとしたとき、
   Ｋ／Ｔ≧１．２であ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。

Images