JP5325947B2

JP5325947B2 - スパークプラグ

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Publication number: JP5325947B2
Application number: JP2011166387A
Authority: JP
Inventors: 大典角力山; 修吉本
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: CN103688429B; JP2013030388A; US8810120B2; EP2738892B1; EP2738892A1; US20140159564A1; CN103688429A; WO2013018252A1; EP2738892A4

Description

この発明は、スパークプラグに関し、特に、接地電極及び中心電極の少なくとも一方にチップが設けられたスパークプラグに関する。

自動車エンジン等の内燃機関の点火用に使用されるスパークプラグは、一般に、筒状の主体金具と、この主体金具の内孔に配置される筒状の絶縁体と、この絶縁体の先端側内孔に配置される中心電極と、一端が主体金具の先端側に接合され、他端が中心電極との間に火花放電間隙を有する接地電極とを備える。そして、スパークプラグは、内燃機関の燃焼室内で、中心電極の先端部と接地電極の先端部との間に形成される火花放電間隙に火花放電され、燃焼室内に充填された燃料を燃焼させる。

ところで、接地電極及び中心電極を形成する材料としては、Ｎｉ合金等が一般に使用される。Ｎｉ合金は、耐酸化性及び耐消耗性に関してＰｔ及びＩｒ等の貴金属を主成分とした貴金属合金に比べると多少劣るものの、貴金属に比べて安価であるため接地電極及び中心電極を形成する材料として好適に使用される。しかし、近年、燃焼室内の温度が高温化する傾向にあり、Ｎｉ合金等で形成された、接地電極の先端部と中心電極の先端部との間で火花放電が生じると、接地電極及び中心電極との対向するそれぞれの先端部が火花消耗を生じ易くなることがあった。そこで、接地電極と中心電極との対向するそれぞれの先端部にチップを設け、このチップで火花放電が生じるようにすることで接地電極及び中心電極の耐消耗性を向上させる方法が開発された。チップを形成する材料としては、耐酸化性及び耐消耗性に優れる貴金属を主成分とする材料が使用されることが多かった。

例えば、特許文献１には、「中心電極及び外側電極の火花放電面に貴金属チップを備えて成るスパークプラグの更に高温耐久性を向上させることを目的としたスパークプラグ」（特許文献１の１頁右欄１３〜１６行目参照。）を提供することを課題とし、この課題を解決するための手段として「前記Ｐｔ−Ｎｉ合金材チップが５〜２３重量％Ｎｉと残部Ｐｔから成る」（特許文献１の特許請求の範囲第２項参照。）スパークプラグが記載されている。

特許文献２には、「耐久性に優れてプラグの長寿命化をなしたスパークプラグを提供」（特許文献２の２頁左上欄１１〜１３行目参照。）することを目的として、「・・・火花放電部としてＰｔ−Ｎｉ系合金を固着したスパークプラグ又は前記火花放電部として耐消耗性に優れたＰｔ合金を使用すると共にこのＰｔ合金と母材金属との間にＰｔ−Ｎｉ系合金から成る中間層を配設したスパークプラグにおいて、前記Ｐｔ−Ｎｉ合金が５〜４０重量％Ｎｉと９５〜６０重量％Ｐｔの合金中にＲｅ，Ｙ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｌａの金属酸化物の１種又は２種を０．０２〜１重量部を分散させた合金材を使用することを特徴とするスパークプラグ」（特許文献２の特許請求の範囲の第１項参照。）が記載されている。

特開昭５９−１６０９８８号公報特開昭６１−１３５０８３号公報

近年、資源の節約及びスパークプラグの原価低減が一層求められるようになってきた。このような要望に対して、前述したように貴金属を主成分とする貴金属合金で形成されるチップにおいて、希少で高価な資源である貴金属の含有量を削減することが考えられる。しかし、貴金属の含有量を低減させると、後述するように、様々な要因によってチップに突出物が形成され、この突出物により耐消耗性及び火花放電間隙を維持し難くなることがあった。

この発明は、中心電極及び接地電極の少なくとも一方にチップを備えたスパークプラグにおいて、従来より前記チップの貴金属含有量を低減させても、耐消耗性を有し、中心電極と接地電極との間の火花放電間隙を維持することにより、耐久性を有するスパークプラグを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段は、
（１）中心電極、前記中心電極との間に間隙を設けて配置された接地電極、及び前記接地電極と前記中心電極との対向するそれぞれの先端部の少なくとも一方に設けられたチップを備えるスパークプラグであって、
前記チップは、元素群Ｍ（ＭはＰｔ及びＲｈの少なくとも一種）を３質量％以上３５質量％以下、元素群Ｌ（ＬはＩｒ、Ｒｕ、及びＰｄの少なくとも一種）を０質量％以上１５質量％以下含有し、前記元素群Ｍ及び前記元素群Ｌの含有量の合計が多くとも３５質量％であり、Ｎｉ、前記元素群Ｍ、及び前記元素群Ｌの含有量の合計が少なくとも９４質量％であることを特徴とするスパークプラグである。

前記（１）の好ましい態様は、
（２）前記チップは、元素群Ｓ（ＳはＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎの少なくとも一種）を０．２質量％以上６質量％以下含有し、
（３）前記元素群Ｍを５質量％以上３０質量％以下含有し、前記元素群Ｍ及び前記元素群Ｌの含有量の合計が多くとも３０質量％であり、
（４）前記元素群Ｌを１質量％以上１０質量％以下含有し、
（５）前記元素群Ｓの含有量が０．５質量％以上３質量％以下であり、
（６）前記チップが前記接地電極及び／又は前記中心電極（以下において電極と称する。）の表面に、前記チップと前記電極との溶融により形成されてなる溶融部を介さずに、もしくは前記チップの少なくとも一部が前記溶融部を介して接合されており、前記チップが接合された電極を前記表面と面一な面で切断したときに現れる切断面において、前記チップ及び／又は前記溶融部と前記電極との境界線で囲まれた部分の面積Ｓが少なくとも０．７ｍｍ^２であり、
（７）前記面積Ｓが少なくとも１．２ｍｍ^２である。

この発明によると、従来よりもチップの貴金属含有量を低減させても、前述したように、前記チップが所定量の、Ｎｉ、元素群Ｍ及び所望により元素群Ｌを含有するので、耐消耗性を有し、突出物の形成を抑制することができる。突出物の形成が抑制されると、突出物によるチップの過熱が抑制されることにより消耗が加速されるのを抑制することができ、また、突出物による火花放電間隙の縮小を抑制することができる。したがって、耐消耗性を有し、火花放電間隙を維持することができ、耐久性を有するスパークプラグを提供することができる。

この発明によると、前記チップが所定量の元素群Ｓを含有するので、突出物の形成をより一層抑制できる。したがって、耐消耗性に優れ、火花放電間隙を維持することができ、より一層耐久性に優れたスパークプラグを提供することができる。

この発明によると、前記面積Ｓが少なくとも０．７ｍｍ^２、特に１．２ｍｍ^２であるので、火花放電により受熱した熱を接地電極及び／又は中心電極に移動し易くなり、チップの過熱を抑制することができる。その結果、チップの過熱により形成され易くなる傾向にある突出物の形成が抑制される。したがって、耐消耗性に優れ、火花放電間隙を維持することができ、より一層耐久性に優れたスパークプラグを提供することができる。

図１は、この発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグの一部断面全体説明図である。図２は、従来のスパークプラグに形成された突出物の写真である。図３（ａ）は、チップが接合された接地電極の要部断面説明図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すチップが接合された接地電極の表面と面一な面で切断したときのチップの切断面である。図４は、実機耐久試験前後における、突出物の突出高さを説明する説明図である。

この発明に係るスパークプラグは、中心電極、前記中心電極との間に間隙を設けて配置された接地電極、及び前記接地電極と前記中心電極との少なくとも一方に設けられたチップを備える。この発明に係るスパークプラグは、このような構成を有するスパークプラグであれば、その他の構成は特に限定されず、公知の種々の構成を採ることができる。

この発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグを図１に示す。図１はこの発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグ１の一部断面全体説明図である。なお、図１では紙面下方を軸線Ｏの先端方向、紙面上方を軸線Ｏの後端方向として説明する。

このスパークプラグ１は、図１に示されるように、軸線Ｏ方向に延在する軸孔２を有する略円筒状の絶縁体３と、前記軸孔２内の先端側に設けられた略棒状の中心電極４と、前記軸孔２内の後端側に設けられた端子金具５と、前記絶縁体３を保持する略円筒状の主体金具６と、一端が中心電極４の先端面と火花放電間隙Ｇを介して対向するように配置されると共に他端が主体金具６の端面に接合された接地電極７と、前記中心電極４と前記接地電極７との少なくとも一方に設けられたチップ８，９とを備えている。

前記絶縁体３は、該軸孔２内の先端側に中心電極４、後端側に端子金具５、中心電極４と端子金具５との間には中心電極４及び端子金具５を軸孔２内に固定するためのシール体１０，１１及び伝播雑音を低減するための抵抗体１２が設けられている。絶縁体３の軸線Ｏ方向の中央付近には径方向に突出した鍔部１３が形成され、該鍔部１３の後端側には端子金具５を収容し、端子金具５と主体金具６とを絶縁する後端側胴部１４が形成されている。該鍔部１３の先端側には抵抗体１２を収容する先端側胴部１５、この先端側胴部１５の先端側には中心電極４を収容し、先端側胴部１５より外径の小さい脚長部１６が形成されている。絶縁体３は、絶縁体３における先端方向の端部が主体金具６の先端面から突出した状態で、主体金具６に固着されている。絶縁体３は、機械的強度、熱的強度、電気的強度を有する材料で形成されることが望ましく、このような材料として、例えば、アルミナを主体とするセラミック焼結体が挙げられる。

前記主体金具６は、円筒形状を有しており、絶縁体３を内装することにより絶縁体３を保持するように形成されている。主体金具６における先端方向の外周面にはネジ部１７が形成されており、このネジ部１７を利用して図示しない内燃機関のシリンダヘッドにスパークプラグ１が装着される。ネジ部１７の後端側にはフランジ状のガスシール部１８が形成され、このガスシール部１８とネジ部１７との間にはガスケット１９がはめ込まれている。ガスシール部１８の後端側にはスパナやレンチ等の工具を係合させるための工具係合部２０、工具係合部２０の後端側には加締め部２１が形成されている。加締め部２１及び工具係合部２０の内周面と絶縁体３の外周面との間に形成される環状の空間にはリング状のパッキン２２，２３及び滑石２４が配置され、絶縁体３が主体金具６に対して固定されている。主体金具６は、導電性の鉄鋼材料、例えば、低炭素鋼により形成されることができる。

端子金具５は、中心電極４と接地電極７との間で火花放電を行うための電圧を外部から中心電極４に印加するための端子である。端子金具５は、軸孔２の内径よりも外径が大きく、軸孔２から露出して、軸線Ｏ方向の後端側端面にその鍔型部の一部が当接する露出部２５と、該露出部２５の軸線Ｏ方向の先端側から先端方向に延在し、軸孔２内に収容される略円柱状の柱状部２６とを有する。端子金具５は、低炭素鋼等の金属材料により形成されることができる。

前記中心電極４は、略棒状であり、外層２７と該外層２７の内部の軸心部に同心に埋め込まれるように形成されてなる芯部２８とにより形成されている。中心電極４は、その先端が絶縁体３の先端面から突出した状態で絶縁体３の軸孔２内に固定されており、主体金具６に対して絶縁保持されている。芯部２８は外層２７よりも熱伝導率の高い材料により形成され、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ、Ａｇ合金、純Ｎｉ等を挙げることができる。外層１５は、Ｎｉ合金等の中心電極４に使用される公知の材料で形成されることができる。

前記接地電極７は、例えば、略角柱体に形成されてなり、一端部が主体金具６の先端面に接合され、途中で略Ｌ字状に屈曲され、他端部が中心電極４の先端部との間に火花放電間隙Ｇを介して対向するように形成されている。前記接地電極７は、Ｎｉ合金等の接地電極７に使用される公知の材料で形成されることができる。この実施形態のスパークプラグ１における火花放電間隙Ｇは、中心電極４の先端部に設けられたチップ８と接地電極７の先端部に設けられたチップ９との間の最短距離であり、この火花放電間隙Ｇは、通常、０．３〜１．５ｍｍに設定される。前記チップ８，９は、接地電極７と中心電極４との対向するそれぞれの先端部の少なくとも一方に設けられればよく、例えば、より高温になり易い接地電極７の先端部にチップ９が設けられ、中心電極４の先端部にチップ８が設けられていない場合には、接地電極７に設けられたチップ９と中心電極４との対向するそれぞれの対向面の間の最短距離が火花放電間隙Ｇとなる。

この発明のスパークプラグ１におけるチップ８，９は、元素群Ｍ（ＭはＰｔ及びＲｈの少なくとも一種）を３質量％以上３５質量％以下、元素群Ｌ（ＬはＩｒ、Ｒｕ、及びＰｄの少なくとも一種）を０質量％以上１５質量％以下含有し、前記元素群Ｍ及び前記元素群Ｌの含有量の合計が３質量％以上３５質量％以下であり、Ｎｉ、前記元素群Ｍ、及び前記元素群Ｌの含有量の合計が少なくとも９４質量％である。これらの条件を満たすＮｉの含有量は５９質量％以上９７質量％以下である。

前記チップ８，９は、一般に主成分として使用されている貴金属の代わりにＮｉの含有量を多くすることで、高価な貴金属の含有量を低減させることができる。

元素群Ｍは、高温環境下において耐酸化性及び耐火花消耗性に優れる材料である。したがって、元素群Ｍの含有量が多くなるほど、スパークプラグ１を実機で使用することによりチップ８，９が冷熱サイクル環境下に置かれたときにチップ８，９の体積の減少のし難さとして評価される耐消耗性が向上することが推測される。しかし、この推測に反して、チップ８，９の主成分が元素群Ｍでない場合には、元素群Ｍの含有量が多くなるほど、耐消耗性が向上するとは限らないことが明らかとなった。チップ８，９の主成分が元素群Ｍでない場合には、チップに突出物が形成されることがあり、この突出物の形成により、チップの消耗が進み易くなり、また火花放電間隙Ｇを維持し難くなることがあった。そこで、発明者らが鋭意検討した結果、前述したように、元素群Ｍ及び元素群Ｌの含有量、元素群Ｍと元素群Ｌとの合計含有量、Ｎｉと元素群Ｍと元素群Ｌとの合計含有量が特定の範囲内にあるときに、突出物の形成が抑制されることで、耐消耗性を有し、かつ火花放電間隙Ｇを維持でき、耐久性を有するスパークプラグ１を提供することができることを見出した。

元素群Ｍの含有量が３質量％未満であると、耐酸化性及び耐火花消耗性に優れた元素群Ｍの効果が発揮されず、チップ８，９の耐消耗性が劣ってしまう。さらに、元素群Ｍの含有量が３質量％未満であると、例えば、図２に示す突出物がチップ８，９に形成し易くなり、火花放電間隙Ｇが縮小してしまう。火花放電間隙Ｇが縮小すると、短絡するおそれがあり、短絡した場合には失火に到ってしまう。また、突出物が形成されると、高温の空気層に接する面積が増大し、チップ８，９が受熱した熱が接地電極７及び／又は中心電極４の方へ移動し難くなり、チップ８，９が過熱し易くなる。チップ８，９が過熱するとチップ８，９の消耗が激しくなるので、耐消耗性に劣ってしまう。

前記突出物は、次のように形成されると考えられる。実機における燃焼室内では温度の上昇及び下降が繰り返されるので、チップ８，９は冷熱サイクル環境下に置かれることになる。このような冷熱サイクル環境下にチップ８，９が置かれると、チップ８，９の主成分であるＮｉが粒界で酸化及び腐食し易くなり、前記粒界に酸化物及び腐食生成物が生じて内部応力が生じ易くなる。燃焼室内が高温になり、チップ８，９が高温下に置かれると、応力を緩和するように塑性変形及びクリープ変形が生じると考えられ、これらの変形によってチップ８，９の表面の隆起又はチップ８，９表面からの結晶粒の突き出しが発生し、これが図２に示す突出物であると考えられる。

元素群Ｍの含有量が３質量％以上３５質量％以下、好ましくは５質量％以上３０質量％以下であると、元素群Ｍは酸化及び腐食し難い元素であるので、Ｎｉの粒界での酸化及び腐食が抑制される。その結果、チップ８，９の表面における突出物の形成が抑制される。突出物の形成が抑制されると、突出物によるチップ８，９の過熱が抑制されることによりチップの消耗を抑制することができる。よって元素群Ｍの含有量が３質量％以上３５質量％以下、特に５質量％以上３０質量％以下であると、耐消耗性に優れ、かつ火花放電間隙を維持することができ、耐久性を有するスパークプラグ１を提供することができる。

元素群Ｍの含有量が３５質量％を超えると、例えば、図２に示す突出物がチップ８，９に形成し易くなる。突出物が形成されると、前述したように、耐消耗性に劣り、火花放電間隙Ｇが縮小する。前記突出物は元素群Ｍの含有量が少ないときとは別の原因により形成されると考えられる。元素群Ｍの含有量が増加するほどＮｉの酸化及び腐食の絶対量を抑制することができる。一方で、チップ８，９の表面から深さ方向にＮｉの酸化及び腐食が進行していく。Ｎｉは元素群Ｍより酸化及び腐食し易いので、Ｎｉが選択的に消耗することで、元素群Ｍが濃化した層がチップ８，９の内部にまで形成される。元素群Ｍが濃化した層は酸化及び腐食の生じ易いＮｉの粒界付近で形成され易く、また、元素群Ｍが濃化した層とチップ８，９を形成する母材すなわちＮｉの含有量の多い層とでは、熱膨張率が異なることから、元素群Ｍが濃化した層が多量に形成されると、冷熱サイクル環境下に置かれたチップ８，９の内部に応力が生じる。この応力によってチップ８，９の表面の隆起又はチップ８，９表面からの結晶粒の突き出しが発生し、これが図２に示す突出物であると考えられる。また、元素群Ｍの含有量が多いと、チップ８，９の延性が低下して脆くなるので、元素群Ｍか濃化した層によってチップ８，９に割れなどが生じて、その割れを起点にチップ８，９が過熱して、さらに突出物が形成し易くなる。

元素群Ｌの含有量は、多くとも１５質量％であるのが好ましく、１質量％以上１０質量％以下であるのが特に好ましい。元素群ＬはＮｉより融点が高いので、元素群Ｌを適量含有することにより耐消耗性が向上する。元素群Ｌが１５質量％を超えて含有されると、チップ８，９の延性が低下して脆くなるので、チップ８，９に割れが発生し易くなり、この割れを起点にしてチップ８，９が過熱し易くなり、突出物が形成し易くなる。突出物が形成されると、前述したようにチップ８，９の消耗が進み易くなり、火花放電間隙Ｇを維持し難くなる。

元素群Ｍの含有量が３質量％以上３５質量％以下であり、元素群Ｌの含有量が０質量％以上１５質量％以下、特に１質量％以上１０質量％以下であるとき、元素群Ｍと元素群Ｌとの合計含有量が３質量％以上３５質量％以下、特に４質量％以上３５質量％以下であると、耐消耗性が向上し、火花放電間隙を維持することができる。元素群Ｍの含有量が５質量％以上３０質量％以下であり、元素群Ｌの含有量が０質量％以上１５質量％以下、特に１質量％以上１０質量％以下であるとき、元素群Ｍと元素群Ｌとの合計含有量が５質量％以上３０質量％以下、特に６質量％以上３０質量％以下であると、より一層チップ８，９の耐消耗性が向上し、火花放電間隙を維持することができる。元素群Ｍと元素群Ｌとの合計含有量が３質量％未満であると、元素群Ｍの含有量が３質量％未満のときと同様の理由により、チップ８，９に突出物が形成され易くなり、耐消耗性に劣り、火花放電間隙Ｇを維持し難くなる。元素群Ｍと元素群Ｌとの合計含有量が３５質量％を超えると、元素群Ｍの含有量が３５質量％を超えたときと同様の理由により、突出物が形成され易くなる。したがって、耐消耗性に劣り、火花放電間隙Ｇを維持し難くなる。

元素群Ｓは０．２質量％以上６質量％以下、特に０．５質量％以上３質量％以下含有されるのが好ましい。元素群Ｓが適量含有されると突出物の形成が抑制される。元素群Ｓが適量含有されると突出物の形成が抑制される理由は、以下のように考えられる。元素群Ｓは、酸素と反応し易いので、粒界で優先的に酸化して酸化物を形成する。酸化物が粒界に適量存在することで、オイルや未燃焼燃料等のデポジットに含まれる腐食性元素及び酸素がチップ８，９の内部へ拡散するのを抑制することができる。その結果、Ｎｉの酸化及び腐食を抑制することができ、これによって突出物の形成を抑制することができる。

元素群Ｓの含有量が０．５質量％以上３質量％以下であると、突出物の形成をより一層抑制することができるので好ましい。元素群Ｓの含有量が６質量％を超えると、チップ８，９の熱伝導率が低下するので、突出物の形成を抑制できたとしても耐消耗性に劣ってしまうおそれがある。

元素群Ｍの含有量が５質量％以上３０質量％以下、かつ、元素群Ｓの含有量が０．５質量％以上３質量％以下であると、突出物の形成をより一層抑制することができ、その結果、チップ８，９の過熱を抑制することによりチップ８，９の消耗を抑制し、火花放電間隙Ｇを維持することができるので、特に好ましい。

前記チップ８，９は、接地電極７と中心電極４との火花放電が発生する面に設けられる。この実施の形態のチップ８，９の形状は円柱状であるが、チップ８，９の形状は特に限定されず、円柱状、角柱状、及び板状等適宜の形状を採用することができる。また、前記チップ８，９は、前記接地電極７及び／又は中心電極４の表面に適宜の手法で溶接されることにより接合されても良いし、また接地電極７及び／又は中心電極４に設けられた穴又は切欠きに一部が埋設されるように接合されてもよい。

図３（ａ）は、チップが接合された接地電極の要部断面説明図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すチップが接合された接地電極の表面と面一な面で切断したときのチップの切断面である。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、前記チップ９が前記接地電極７の表面３１に前記チップ９と前記接地電極７との溶融により形成されてなる溶融部３２を介して接合されてなり、前記チップ９が接合された接地電極７を前記表面３１と面一な面で切断したときに現れる切断面において、前記溶融部３２と前記接地電極７との境界線３３で囲まれた部分の面積Ｓが少なくとも０．７ｍｍ^２であるのが好ましく、少なくとも１．２ｍｍ^２であるのが特に好ましい。前記面積Ｓが少なくとも０．７ｍｍ^２、さらに少なくとも１．２ｍｍ^２であると、火花放電によりチップ９が受熱した熱が接地電極７へ移動し易くなり、チップ９が過熱されるのを抑制することができるので、耐消耗性をより向上させることができると共に、チップ９に突出物が形成されるのを抑制することができる。図３（ａ）では、チップ９が接地電極７に溶融部３２を介して接合されている場合を示したが、チップ９と接地電極７とが溶融部３２を介さずに直接に接合されていてもよく、このときの面積Ｓはチップ９と接地電極７との境界線で囲まれた部分である。また、チップ９と接地電極７とが一部は溶融部３２を介し、その他の部分は溶融部３２を介さずに直接に接合されていてもよく、このときの面積Ｓはチップ９と接地電極７との境界線及び溶融部３２と接地電極７との境界線で囲まれた部分である。また、図３（ａ）では、接地電極７に接合されたチップ９を示したが、中心電極４に接合されるチップ８に関しても、接地電極の場合と同様に、前記面積Ｓが少なくとも０．７ｍｍ^２であるのが好ましく、少なくとも１．２ｍｍ^２であるのが特に好ましい。

前記溶融部３２においてもまた、チップ８，９の表面に形成される突出物より少ないものの、突出物が形成されることがある。溶融部３２に突出物が形成されると、チップ８，９が受熱した熱が接地電極７及び／又は中心電極４（以下において電極と称することがある。）へ移動し難くなるので、チップ８，９が過熱されることにより、チップ８，９に突出物が形成され易くなり、耐消耗性及び火花放電間隙Ｇを維持し難くなる。ところで、チップ８，９が元素群Ｓを適量含有すると、前述したように、突出物の形成が抑制される。一方、チップ８，９が元素群Ｓを含有すると、酸化物が形成され、この酸化物はチップ８，９内部の応力を増大させるので、チップ８，９が電極４，７から剥離し易くなる。チップ８，９の電極４，７からの剥離が進むと、チップ８，９の先端が過熱されて突出物が形成され易くなるので、元素群Ｓによる突出物の形成の抑制効果を発揮できなくなってしまう。元素群Ｓは、表面及び表面近傍のチップ内部のみで酸化物を形成してさえいればＮｉの酸化、腐食抑制の効果をもたらすことができるため、チップ内部深くまで酸化しないように酸化量を出来る限り抑えられる設計が最適である。そこで、前記面積Ｓを少なくとも０．７ｍｍ^２、さらに少なくとも１．２ｍｍ^２にすると、受熱した熱が接地電極７及び／又は中心電極４へ移動しやすくなるため、チップの表面温度が下がり、元素群Ｓのチップ８，９内部における酸化がチップ８，９のごく表面に抑制されて、内部応力の増大を防ぐことで剥離を防ぐことができ、Ｎｉの酸化、腐食についても抑制することができる。よって、前記面積Ｓが所望の面積を有していると、突出物の形成を抑制し、またチップ８，９の剥離を防ぎ、チップ８，９の過熱を抑制することで、耐消耗性を向上させ、火花放電間隙を維持することができる。

前記面積Ｓは、次のように測定することができる。チップ８，９が接合された電極４，７の表面３１（以下において接合面と称することがある。）に面一な面で、チップ８，９が接合された電極４，７を切断し、得られた切断面をＳＥＭ（本体：日本電子株式会社製JSM-6490LA、検出器：日本電子株式会社製EX-94300S4L1Q）を用いて、組成像を撮影する、もしくはマッピング分析を行う。次いで、撮影された組成像もしくはマッピング写真を用いて、Adobe Photoshop CSなどの画像処理ソフトでチップ８，９及び／又は溶融部３２と電極４，７との境界線３３で囲まれた部分の面積を測定する。なお、チップ８，９の形状が前記接合面３１から直交する方向に延在する柱状または前記接合面３１に底面を有する錘状である場合には、上述したようにチップ８，９が接合された電極４，７を切断せずに、電極４，７の上方すなわち前記接合面３１に直交する方向からチップ８，９をデジタルマイクロスコープ（キーエンス製VHX-2000）で撮影し、上記同様、Photoshopなどを用いて、溶融部３２と電極４，７との境界線３３により囲まれた部分の面積を測定することもできる。

前記チップ８，９は、Ｎｉ、元素群Ｍ、及び所望により含有される元素群Ｌを合計で９４質量％以上と、所望により元素群Ｓを実質的に含有する。これらの各成分は、前述した各成分の含有率の範囲内で、これら各成分と前記成分以外の成分、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ｍｏ、及びＴａと不可避不純物との合計が１００質量％になるように含有される。Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ｍｏ、及びＴａと不可避不純物とは、本願発明の目的を達成することができる範囲内で含有されてもよく、元素群Ｓと合わせて多くとも６質量％含有されてもよい。

前記チップ８，９に含まれる各成分の含有率は、次のようにして測定することができる。すなわち、まずチップ８，９を切断して断面を露出させ、このチップ８，９の断面において任意の複数箇所（たとえば、５箇所）を選択し、ＥＰＭＡを利用して、ＷＤＳ（Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer）分析を行うことにより、各々の箇所の質量組成を測定する。次に、測定した複数箇所の値の平均値を算出して、この平均値をチップ８，９の組成とする。なお、測定場所としては、チップ８，９と電極との溶融により形成されてなる溶接部３２を除く。

前記スパークプラグ１は、例えば次のようにして製造される。まず、チップ８，９は、各成分の含有率が前述した範囲となるチップ材料を配合及び溶解して得られる溶解材を、例えば圧延により板材に加工し、その板材を打ち抜き加工により所定のチップ形状に打ち抜いて形成する方法、合金を圧延、鍛造又は伸線により線状又はロッド状の素材に加工した後に、これを長さ方向に所定長に切断して形成する方法等を採用することができる。また、材料の加工性によって、加工工程は熱間、もしくは冷間どちらかを適宜選定できる。

中心電極４及び／又は接地電極７は、例えば、真空溶解炉を用いて、所望の組成を有する合金の溶湯を調製し、線引き加工等して、所定の形状及び所定の寸法に適宜調整して、中心電極４及び／又は接地電極７を作製することができる。中心電極４はカップ状に形成したＮｉ合金等からなる外材に、外材より熱伝導率の高いＣｕ合金等からなる内材を挿入し、押し出し加工等の塑性加工にて、外層の内部に芯部を有する中心電極４を形成する。なお、この実施形態のスパークプラグ１の接地電極７は一種類の材料により形成されて成るが、接地電極７が中心電極４と同様に外層とこの外層の軸心部に埋め込まれるように設けられた芯部とにより形成されてもよく、この場合には中心電極４と同様にしてカップ状に形成した外材に内材を挿入し、押し出し加工等の塑性加工した後、略角柱状に塑性加工したものを、接地電極７にすることができる。

次いで、所定の形状に塑性加工等によって形成した主体金具６の端面に、接地電極７の一端部を電気抵抗溶接又はレーザ溶接等によって接合する。次いで、接地電極７が接合された主体金具６にＺｎめっき又はＮｉめっきを施す。Ｚｎめっき又はＮｉめっきの後に３価クロメート処理を行ってもよい。また、接地電極に施されためっきは剥離してもよい。

次いで、上述のように作製したチップ８，９を接地電極７及び中心電極４に抵抗溶接及び／又はレーザ溶接等により溶融固着する。抵抗溶接でチップ８，９を接地電極７及び／又は中心電極４に接合する場合には、例えば、チップ８，９を接地電極７及び／又は中心電極４の所定位置に設置して押し当てながら抵抗溶接を施す。レーザ溶接でチップ８，９を接地電極７及び／又は中心電極４に接合する場合には、例えば、チップ８，９を接地電極７及び／又は中心電極４の所定位置に設置し、チップ８，９の斜め上方からチップ８，９と接地電極７及び／又は中心電極４との接触部分を部分的に又は全周に渡ってレーザビームを照射する。なお、抵抗溶接をした後にレーザ溶接を施してもよい。

一方、セラミック等を所定の形状に焼成することによって絶縁体３を作製し、この絶縁体３の軸孔２内にチップ８が接合された中心電極４を挿設し、シール体１０，１１を形成するガラス粉末、抵抗体１２を形成する抵抗体組成物、前記ガラス粉末をこの順に前記軸孔２内に予備圧縮しつつ充填する。次いで前記軸孔２内の端部から端子金具５を圧入しつつ抵抗体組成物及びガラス粉末を圧縮加熱する。こうして抵抗体組成物及びガラス粉末が焼結して抵抗体１２及びシール体１０，１１が形成される。次いで接地電極７が接合された主体金具６にこの中心電極４等が固定された絶縁体３を組み付ける。最後に接地電極７の先端部を中心電極４側に折り曲げて、接地電極７の一端が中心電極４の先端部と対向するようにして、スパークプラグ１が製造される。

本発明に係るスパークプラグ１は、自動車用の内燃機関例えばガソリンエンジン等の点火栓として使用され、内燃機関の燃焼室を区画形成するヘッド（図示せず）に設けられたネジ穴に前記ネジ部１７が螺合されて、所定の位置に固定される。この発明に係るスパークプラグ１は、如何なる内燃機関にも使用することができるが、希少で高価な貴金属の含有量を低減させても、冷熱サイクル環境下におけるチップ８，９の耐消耗性及び火花放電間隙を維持することができる。

この発明に係るスパークプラグ１は、前述した実施例に限定されることはなく、本願発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。例えば、前記スパークプラグ１は、中心電極４の先端面と接地電極７の先端部における外周面とが、軸線Ｏ方向で、火花放電間隙Ｇを介して対向するように配置されているが、この発明において、中心電極の側面と接地電極の先端面とが、中心電極の半径方向で、火花放電間隙を介して対向するように配置されていてもよい。この場合に、中心電極の側面に対向する接地電極は、単数が設けられても、複数が設けられてもよい。

＜スパークプラグ試験体の作製＞
チップは、所定の組成を有するチップ材料を配合及び溶解して得られる溶解材を、鍛造により角柱状に加工し、その角柱を圧延、伸線加工などによって丸線として、所定の長さに切断することで円柱状のチップ形状に形成した。中心電極及び接地電極は、前述したように、所定の組成を有する合金の溶湯を調製し、線引き加工等して、所定の形状及び所定の寸法に適宜調整して作製し、Ｎｉ合金からなる外層とＣｕ合金からなる芯部とにより形成される中心電極と、Ｎｉ合金からなる接地電極とした。

次いで、主体金具の一端面に接地電極を接合し、作製したチップを接地電極の主体金具が接合されていない接地電極の端部に抵抗溶接により接合した。一方、作製したチップを中心電極の先端部にレーザ溶接により接合した。一方、セラミックスを所定の形状に焼成することによって絶縁体を作製し、この絶縁体の軸孔内にチップが接合された中心電極を挿入し、ガラス粉末、抵抗体組成物、ガラス粉末の順に軸孔内に充填し、最後に端子金具を挿入して封着固定した。

次いで、接地電極が接合された主体金具に、中心電極が固定された絶縁体を組み付けて、最後に接地電極の先端部を中心電極側に折り曲げて、接地電極に接合されたチップと中心電極の先端面に接合されたチップとが対向するようにして、スパークプラグ試験体を製造した。

なお、製造されたスパークプラグ試験体のネジ径はＭ１２であり、チップ間の最短距離を示す火花放電間隙Ｇは１．１ｍｍ、チップの直径は０．７ｍｍ、チップの高さは１．２ｍｍ、以下のようにして測定された面積Ｓは０．４３ｍｍ^２であった。

面積Ｓは、電極のチップが接合されている接合面に直交する方向からチップをデジタルマイクロスコープ（キーエンス製VHX-2000）で撮影し、撮影された画像から、レーザ溶接する際に電極とチップとが溶融することにより形成された溶融部と電極との境界線により囲まれた部分の面積を測定した。

表１〜３に示されるチップの組成は、ＥＰＭＡ（日本電子株式会社製JXA-8500F）のＷＤＳ分析（加速電圧：２０ｋＶ、スポット径：１００μｍ）を行うことにより、質量組成を測定した。まず、チップを切断して断面を露出させ、このチップの断面において任意の５箇所を選択して測定した。次に、測定した５箇所の値の平均値を算出して、この平均値をチップの組成とした。

＜机上火花消耗試験＞
製造したスパークプラグ試験体を加圧条件０．６ＭＰａ、窒素流量０．５ｌ／分の高圧チャンバに取り付け、周波数１００Ｈｚで２５０時間放電を行った。この試験前後の接地電極に接合されたチップの体積を投影機（東芝株式会社製 TOSCANER-32250μhd、１７０ｋＶ、１００μＡで測定。）で測定し、試験前の各種チップの体積から試験後の各種チップの体積を引いた値を消耗体積として、純Ｎｉの消耗体積を１とした場合の各種チップの消耗体積比（各種チップの消耗体積／Ｎｉの消耗体積）を用いて評価した。結果を表１〜表３に示す。

０：消耗体積比が０．９５以上のとき
１：消耗体積比が０．８５以上０．９５未満のとき
２：消耗体積比が０．７５以上０．８５未満のとき
３：消耗体積比が０．７５未満のとき

＜実機耐久試験＞
製造したスパークプラグ試験体を、試験用のエンジン（排気量２０００ｃｃ、６気筒）に取り付け、スロットル全開で１分間、アイドリング状態で１分間というサイクルの運転を１００時間繰り返す耐久試験を行った。

（突出物の評価）
実機耐久試験前の接地電極に接合されたチップの輪郭を前述の投影機でトレースし、運転時間が２５時間経過する毎にチップの輪郭をトレースし、それぞれのトレース図面を得た。図４は実機耐久試験前後における、突出物の突出高さを説明する説明図である。図４に示すように、まず、実機耐久試験前の接地電極の接合面から先端面（点線）までの接合面に直交するＸ方向の距離ｈをトレース図面を用いて測定した。次いで、実機耐久試験２５時間経過毎に接地電極の接合面から突出物の先端までのＸ方向の距離ｆをトレース図面を用いて測定し、２５時間経過毎に測定した測定値のうち最も値の大きい測定値を採用した。突出長さｄは、採用した前記距離ｆと前記距離ｈとの差を算出することにより求め、以下の基準にしたがって評価した。結果を表１〜表３に示す。

０：突出長さが０．５０ｍｍ以上のとき
１：突出長さが０．４５ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満のとき
２：突出長さが０．４０ｍｍ以上０．４５ｍｍ未満のとき
３：突出長さが０．３５ｍｍ以上０．４０ｍｍ未満のとき
４：突出長さが０．２０ｍｍ以上０．３５ｍｍ未満のとき
５：突出長さが０．１０ｍｍ以上０．２０ｍｍ未満のとき
６：突出長さが０．０５ｍｍ以上０．１０ｍｍ未満のとき
７：突出長さが０．０５ｍｍ未満のとき

（耐消耗性の評価）
実機耐久試験前後の接地電極に接合されたチップの体積を、前述した投影機で測定し、試験前のチップの体積に対する試験後のチップの体積の比を算出して、この算出値を消耗体積比として以下の基準にしたがって評価した。結果を表１〜表３に示す。

０：消耗体積比が０．９５以上のとき
１：消耗体積比が０．８５以上０．９５未満のとき
２：消耗体積比が０．７５以上０．８５未満のとき
３：消耗体積比が０．７０以上０．７５未満のとき
４：消耗体積比が０．７０未満のとき

＜面積Ｓの違いによる評価＞
円柱状のチップの直径及び高さを変化させたこと以外は、前述したスパークプラグ試験体の製造方法と同様にしてスパークプラグ試験体を作製し、実機耐久試験を行い、突出物の評価及び耐消耗性の評価を同様にして行った。結果を表４に示す。

表１〜表４における判定は、「突出物の評価」と「耐消耗性の評価」とのそれぞれの評価数値を加算することにより、行った。「突出物の評価」と「耐消耗性の評価」とのいずれかの評価数値が「０」である場合には、判定を「０」とした。

本願発明の範囲に含まれるチップを備えたスパークプラグは、表１〜表３に示されるように、耐消耗性評価及び突出物の評価のいずれもが良好だった。したがって、実機耐久試験前後において火花放電間隙Ｇをほぼ維持することができた。

一方、本願発明の範囲外にあるチップを備えたスパークプラグは、表１〜表３に示されるように、耐消耗性評価及び突出物の評価の少なくとも一方が劣っていた。

表４に示されるように、面積Ｓが０．７ｍｍ^２以上であると、突出物の形成がより一層抑制され、面積Ｓが１．２ｍｍ^２以上であると、耐消耗性がより一層向上した。

１スパークプラグ
２軸孔
３絶縁体
４中心電極
５端子金具
６主体金具
７接地電極
８，９チップ
１０，１１シール体
１２抵抗体
１３鍔部
１４後端側胴部
１５先端側胴部
１６脚長部
１７ネジ部
１８ガスシール部
１９ガスケット
２０工具係合部
２１加締め部
２２，２３パッキン
２４滑石
２５露出部
２６柱状部
２７外層
２８芯部
３１表面、接合面
３２溶融部
３３境界線
３４突出物
Ｇ火花放電間隙

Claims

中心電極、前記中心電極との間に間隙を設けて配置された接地電極、及び前記接地電極と前記中心電極との対向するそれぞれの先端部の少なくとも一方に設けられたチップ、を備えるスパークプラグであって、
前記チップは、元素群Ｍ（ＭはＰｔ及びＲｈの少なくとも一種）を３質量％以上３５質量％以下、元素群Ｌ（ＬはＩｒ、Ｒｕ、及びＰｄの少なくとも一種）を０質量％以上１５質量％以下含有し、前記元素群Ｍ及び前記元素群Ｌの含有量の合計が多くとも３５質量％であり、Ｎｉ、前記元素群Ｍ、及び前記元素群Ｌの含有量の合計が少なくとも９４質量％であることを特徴とするスパークプラグ。
前記チップは、元素群Ｓ（ＳはＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎの少なくとも一種）を０．２質量％以上６質量％以下含有することを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
前記元素群Ｍを５質量％以上３０質量％以下含有し、前記元素群Ｍ及び前記元素群Ｌの含有量の合計が多くとも３０質量％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。
前記元素群Ｌを１質量％以上１０質量％以下含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
前記元素群Ｓの含有量が０．５質量％以上３質量％以下であることを特徴とする請求項２に記載のスパークプラグ。
前記チップが前記接地電極及び／又は前記中心電極（以下において電極と称する。）の表面に、前記チップと前記電極との溶融により形成されてなる溶融部を介さずに、もしくは前記チップの少なくとも一部が前記溶融部を介して接合されており、前記チップが接合された電極を前記表面と面一な面で切断したときに現れる切断面において、前記チップ及び／又は前記溶融部と前記電極との境界線で囲まれた部分の面積Ｓが少なくとも０．７ｍｍ^２であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
前記面積Ｓが少なくとも１．２ｍｍ^２であることを特徴とする請求項６に記載のスパークプラグ。