JP5986265B1 - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】多層構造の接地電極において、外層と内層とが剥離することを抑制可能な技術を提供する。【解決手段】スパークプラグは、筒状の主体金具と、自身の外周の少なくとも一部が主体金具によって保持され、軸線に沿った軸孔を有する絶縁体と、軸孔に設けられた中心電極と、主体金具に固定された接地電極と、を備える。接地電極は、外層と、外層により覆われ、外層よりも熱伝導性の高い内層とを有し、接地電極の幅方向における内層の幅をＬ１、外層と内層との層間に存在する酸化物の幅方向に沿った寸法をＬ２としたときに、Ｌ１に対するＬ２の比Ｌ（＝Ｌ２／Ｌ１）が、５％以上５０％以下である。【選択図】図２

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

従来、熱伝導性に優れる芯材（内層）と、芯材を覆う表面層（外層）とを有する多層構造の接地電極を備えるスパークプラグが知られている（特許文献１参照）。

特開２０１２−９９４０３号公報

しかし、多層構造の接地電極は、スパークプラグの製造工程や検査工程等において接地電極に外力を加えた場合に、外層と内層とが剥離し、接地電極が損傷する場合がある。そのため、多層構造の接地電極において、外層と内層とが剥離することを抑制可能な技術が求められている。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、スパークプラグが提供される。このスパークプラグは、筒状の主体金具と；自身の外周の少なくとも一部が前記主体金具によって保持され、軸線に沿った軸孔を有する絶縁体と；前記軸孔に設けられた中心電極と；前記主体金具に固定された接地電極と；を備え、前記接地電極は、外層と、前記外層により覆われ、前記外層よりも熱伝導性の高い内層とを有し、前記接地電極の幅方向における前記内層の幅をＬ１、前記外層と前記内層との層間に存在する酸化物の前記幅方向に沿った寸法をＬ２としたときに、Ｌ１に対するＬ２の比Ｌ（＝Ｌ２／Ｌ１）が、５％以上５０％以下であることを特徴とする。このような形態のスパークプラグであれば、内層と外層との層間に存在する酸化物の量が抑制されているので、酸化物を起点として内層と外層とが剥離することを抑制することができる。

（２）上記形態のスパークプラグにおいて、前記層間において、前記外層と前記内層とが拡散することによって形成された拡散層の厚みＤが、６μｍ以上１５μｍ以下でもよい。このような形態のスパークプラグによっても、内層と外層とが剥離することを抑制することができる。

（３）上記形態のスパークプラグにおいて、前記外層は、ニッケルを主成分とし、アルミニウムを含む合金によって構成されており、前記外層における前記アルミニウムの含有量が、０質量％よりも多く、２．５質量％以下でもよい。このような形態のスパークプラグであれば、接地電極の耐熱性および耐酸化性を向上させることができる。

（４）上記形態のスパークプラグにおいて、前記比Ｌが１８％以下でもよい。このような形態のスパークプラグであれば、内層と外層とが剥離することをより効果的に抑制することができる。

本発明は、上述したスパークプラグとしての形態以外にも、例えば、スパークプラグあるいはスパークプラグ用電極の製造方法など、種々の形態で実現することが可能である。

スパークプラグの部分断面図である。 接地電極の横断面図である。 接地電極の製造方法を示す工程図である。 接地電極に対する剥離試験および強度試験の試験結果を示す図である。 酸化物比の測定方法を示す図である。 酸化物比の測定方法を説明するための図である。 拡散層の厚みの測定方法を説明するための図である。 第１変形例における接地電極の横断面図である。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態におけるスパークプラグ１００の部分断面図である。スパークプラグ１００は、軸線Ｏに沿った細長形状を有している。図１において、一点破線で示す軸線Ｏの右側は、外観正面図を示し、軸線Ｏの左側は、軸線Ｏを通る断面図を示している。以下の説明では、図１の下側をスパークプラグ１００の先端側と呼び、図１の上側を後端側と呼ぶ。

スパークプラグ１００は、絶縁体１０と、中心電極２０と、接地電極３０と、主体金具５０とを備える。絶縁体１０は、自身の外周の少なくとも一部が筒状の主体金具５０によって保持され、軸線Ｏに沿った軸孔１２を有する。この軸孔１２には、中心電極２０が設けられている。接地電極３０は、主体金具５０の先端面５７に固定され、中心電極２０との間に放電ギャップを形成する。

絶縁体１０は、アルミナを始めとするセラミックス材料を焼成して形成された絶縁碍子である。絶縁体１０は、先端側に中心電極２０の一部を収容し、後端側に端子金具４０の一部を収容する軸孔１２が中心に形成された筒状の部材である。絶縁体１０の軸方向中央には外径を大きくした中央胴部１９が形成されている。中央胴部１９よりも端子金具４０側には、端子金具４０と主体金具５０との間を絶縁する後端側胴部１８が形成されている。中央胴部１９よりも中心電極２０側には、後端側胴部１８よりも外径が小さい先端側胴部１７が形成され、先端側胴部１７の更に先には、先端側胴部１７よりも小さい外径であって中心電極２０側へ向かうほど外径が小さくなる脚長部１３が形成されている。

主体金具５０は、絶縁体１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３に亘る部位を包囲して保持する円筒状の金具である。主体金具５０は、例えば、低炭素鋼により形成され、全体にニッケルめっきや亜鉛めっき等のめっき処理が施されている。主体金具５０は、後端側から順に、工具係合部５１と、シール部５４と、取付ネジ部５２とを備える。工具係合部５１は、スパークプラグ１００をエンジンヘッドに取り付けるための工具が嵌合する。取付ネジ部５２は、エンジンヘッドの取付ネジ孔に螺合するネジ山を有する。シール部５４は、取付ネジ部５２の根元に鍔状に形成されている。シール部５４とエンジンヘッドとの間には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿される。主体金具５０の先端面５７は、中空の円状であり、その中央からは、絶縁体１０の脚長部１３と中心電極２０とが突出する。

主体金具５０の工具係合部５１より後端側には厚みの薄い加締部５３が設けられている。また、シール部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に厚みの薄い圧縮変形部５８が設けられている。工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０の内周面と絶縁体１０の後端側胴部１８の外周面との間には、円環状のリング部材６，７が介在されており、さらに両リング部材６，７間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。スパークプラグ１００の製造時には、加締部５３を内側に折り曲げるようにして先端側に押圧することにより圧縮変形部５８が圧縮変形し、この圧縮変形部５８の圧縮変形により、リング部材６，７およびタルク９を介し、絶縁体１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。この押圧により、タルク９が軸線Ｏ方向に圧縮されて主体金具５０内の気密性が高められる。

主体金具５０の内周においては、取付ネジ部５２の位置に形成された金具内段部５６に、環状の板パッキン８を介し、絶縁体１０の脚長部１３の基端に位置する碍子段部１５が押圧されている。この板パッキン８は、主体金具５０と絶縁体１０との間の気密性を保持する部材であり、燃焼ガスの流出を防止する。

中心電極２０は、電極母材２１の内部に、電極母材２１よりも熱伝導性に優れる芯部材２２が埋設された棒状の部材である。電極母材２１は、ニッケルを主成分とするニッケル合金からなり、芯部材２２は、銅または銅を主成分とする合金からなる。なお、主成分とは、その物体の成分中、最も質量％が多いことを意味しており、その比率が、５０質量％を超えるとは限らない。

中心電極２０の後端部近傍には、外周側に張り出した形状の鍔部２３が形成されている。鍔部２３は、軸孔１２に形成された軸孔内段部１４に後端側から当接して、中心電極２０を絶縁体１０内で位置決めする。中心電極２０の後端部は、セラミック抵抗３およびシール体４を介して端子金具４０に電気的に接続される。

接地電極３０は、その基端が、主体金具５０の先端面５７に溶接されている。本実施形態では、接地電極３０は、接地電極３０の先端部分の一側面が中心電極２０と対向するように、中間部分が屈曲されている。

図２は、接地電極３０の横断面図である。図２には、図１におけるＡ−Ａ断面を示している。接地電極３０は、外層３１と、外層３１により覆われ外層３１よりも熱伝導性の高い内層３２とを有している。より具体的には、本実施形態では、接地電極３０は、ニッケルを主成分とし、アルミニウムを含むニッケル合金を外層３１として、その内部に、銅や銅合金など、外層よりも熱伝導性の高い内層３２を埋め込んだ多層構造を有している。外層３１と内層３２との層間には、接地電極３０の製造時に外層３１と内層３２とが拡散することによって形成された拡散層３３が存在している。図２には、接地電極３０の厚み方向ＴＤと幅方向ＷＤとを示している。厚み方向ＴＤとは、接地電極３０の中心軸Ｃに垂直な方向であって、中心電極２０に近づく方向に沿った方向である。また、幅方向ＷＤは、厚み方向ＴＤおよび中心軸Ｃに垂直な方向である。

本実施形態では、接地電極３０の幅方向ＷＤにおける内層３２の幅をＬ１、外層３１と内層３２との層間に存在する酸化物３４（Ａｌ酸化物）の幅方向ＷＤに沿った寸法をＬ２としたときに、Ｌ１に対するＬ２の比Ｌ（＝Ｌ２／Ｌ１）が、以下の式（１）に示すように、５％以上５０％以下であることが好ましい。また、この比Ｌは、１８％以下であることがより好ましい。以下では、「比Ｌ」のことを「酸化物比Ｌ」ともいう。酸化物比Ｌの測定方法は後述する。

５％≦Ｌ≦５０％以下 ・・・（１）

また、本実施形態では、拡散層３３の厚み方向ＴＤに沿った厚みＤが、以下の式（２）に示すように、６μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。拡散層３３の厚みＤの測定方法は後述する。

６μｍ≦Ｄ≦１５μｍ ・・・（２）

また、本実施形態では、外層３１におけるアルミニウム（Ａｌ）の含有量が、以下の式（３）に示すように、０質量％よりも多く、２．５質量％以下であることが好ましい。

０質量％＜Ａｌ≦２．５質量％ ・・・（３）

Ｂ．製造方法：
図３は、接地電極３０の製造方法を示す工程図である。本実施形態では、まず、内層３２の材料として、一端側が凸状に形成された芯材３２ａを銅または銅合金によって形成し（工程Ｐ１０）、更に、外層３１の材料として、有底筒状のカップ材３１ａをニッケル合金によって形成する（工程Ｐ２０）。カップ材３１ａのＡｌ含有量は、上記式（３）に示すように、０質量％よりも多く、２．５質量％以下である。

続いて、芯材３２ａとカップ材３１ａに対して焼き鈍しを行う（工程Ｐ３０）。本実施形態では、芯材３２ａについては真空炉を用いて７００℃以上で焼き鈍しを行い、カップ材３１ａについては真空炉を用いて９００℃以上で焼き鈍しを行う。

芯材３２ａおよびカップ材３１ａに対して焼き鈍しを行った後、カップ材３１ａ内に芯材３２ａを挿入してこれらを組み合わせ、ワーク３０ａを生成する（工程Ｐ４０）。ワーク３０ａの生成後、真空炉を用いて９００℃以上で所定時間、ワーク３０ａに焼き鈍しを行う（工程Ｐ５０）。この工程Ｐ５０における焼き鈍しによって、ワーク３０ａ内において芯材３２ａの銅とカップ材３１ａのニッケルとが拡散し、拡散層３３の厚みＤが、上記条件（２）を満たすように形成される。なお、拡散層３３の厚みＤは、焼き鈍しの温度や時間を適宜変更することで調整することが可能である。

工程Ｐ５０における焼き鈍し後、ワーク３０ａを押し出し成形することによって、ワーク３０ａの寸法を、接地電極３０の寸法となるように成形する（工程Ｐ６０）。そして、再度、真空炉を用いて９００℃以上で焼き鈍しを行う（工程Ｐ７０）。以上の工程によって、接地電極３０は製造される。

本実施形態では、上記工程Ｐ３０、Ｐ５０、Ｐ７０におけるカップ材３１ａまたはワーク３０ａに対する焼き鈍し処理を、高真空域で行った。高真空域で焼き鈍しを行うことにより、外層３１と内層３２との層間に存在する酸化物の量を、上記式（１）に示した量に抑制することができる。

以上で説明した本実施形態のスパークプラグ１００によれば、接地電極３０を構成する内層３２と外層３１との層間に存在する酸化物の量が抑制されているので、酸化物を起点として内層３２と外層３１とが剥離することを抑制することができる。そのため、スパークプラグ１００の製造工程や検査工程等において、接地電極３０に外力を加えた場合に、外層３１と内層３２とが剥離し、接地電極３０が損傷することを抑制することができる。また、外層３１には、Ａｌが０質量％よりも多く、２．５質量％以下含まれているので、接地電極３０の耐熱性および耐酸化性を向上させることができる。

Ｃ．試験結果：
図４は、接地電極３０に対する剥離試験および強度試験の試験結果を示す図である。これらの試験では、接地電極３０を製造する際に、カップ材３１ａのＡｌ含有量や焼き鈍しに用いる炉の真空度等の製造条件を変化させることによって酸化物比Ｌを様々に変化させた接地電極３０のサンプルを複数準備した。以下では、同一の製造条件、つまり、同一のロットによって製造した複数のサンプルの酸化物比Ｌおよび拡散層の厚みＤはそれぞれ同一であるものと見なしている。

剥離試験では、棒状の接地電極３０のサンプルの中央部分を９０°屈曲させた後、そのサンプルの形状を直線状に戻し、その後、外観を目視で観察して、各サンプルに剥離が生じたか否かを確認した。外観の観察の結果、外層に亀裂が生じ、亀裂から内層が観察できる場合に、剥離が生じたと判断した。図４には、剥離が生じたサンプルに対して「×」を付し、剥離が生じなかったサンプルに対して「○」を付した。この結果、図７に示すように、酸化物比が６０％以上のサンプルについては剥離が生じ、酸化物比が５０％以下のサンプルについては剥離が生じなかった。なお、この剥離試験では、同一の酸化物比Ｌの５本のサンプルに対して剥離試験を行い、そのうちの１本でも、剥離が生じた場合に、試験結果として「×」を付した。

強度試験では、棒状のサンプルを主体金具５０に溶接した状態で、引張試験機（株式会社島津製作所 ＡＧ−５０００Ｂ）により各サンプルの引張強度を測定した。その結果、酸化物比が０％、すなわち、酸化物が含まれていないサンプルと、酸化物比が７７％のサンプルは、引張強度が４００Ｎ／ｍｍ^２以下となり、最も強度が低かった。これに対して、酸化物比Ｌが２０〜６０％では、引張強度は、４００〜５００Ｎ／ｍｍ^２以下となり、酸化物比Ｌが５〜１８％では、引張強度は最も高い５００Ｎ／ｍｍ^２以上となった。従って、この強度試験によれば、酸化物比Ｌは、５％以上６０％以下が好ましく、５％〜１８％がより好ましいことが理解できる。なお、この強度試験で求めた引張強度は、同一の酸化物比Ｌの５本のサンプルの平均値である。

以上で説明した剥離試験および強度試験の結果、剥離の有無、および、強度の観点から、酸化物比Ｌは、上記式（１）に示したように、５％以上５０％以下が好ましく、また、１８％以下がより好ましいことが確認された。

図４には、各サンプルについて、拡散層の厚みＤを測定した結果も示している。図４によれば、酸化物比Ｌが大きいほど、拡散層の厚みＤが小さくなることが理解できる。これは、内層３２と外層３１との層間に酸化物が多く存在すると、内層３２と外層３１の接合時において両者の拡散が妨げられるためである。図４によれば、剥離の有無、および、強度の観点から、拡散層の厚みＤは、上記式（２）に示したように、６μｍ以上１５μｍ以下が好ましいことが理解できる。

Ｄ．測定方法：
図５および図６は、酸化物比Ｌの測定方法を説明するための図である。上記試験では、酸化物比Ｌを次のように測定した。まず、接地電極３０の任意の横断面（上記試験では、接地電極３０の基端から５ｍｍの部分の横断面）の内層３２と外層３１との境界付近の領域ＡＲ（図２）をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡：日本電子株式会社製 ＪＳＭ−６４９０ＬＡ）によって観察し、接地電極３０内における内層３２の幅Ｌ１を画像解析によって求める。領域ＡＲは、接地電極３０の内側面側（軸線Ｏに近い側）、および、外側面側（軸線Ｏから遠い側）のどちらでもよい。

続いて、領域ＡＲのＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）およびＳＥＭの観察画面において、Ａｌ酸化物が存在する部分、すなわち、ＡｌとＯとが両方存在する部分を抽出し、抽出された部分の幅方向ＷＤに沿った寸法Ｌ２を算出する。このとき、Ａｌ酸化物が図５に示すように層状に連続していれば、その距離を測定し、図６に示すように点在していれば、各点の幅方向ＷＤに沿った寸法を合計する。また、層状の部分と点在している部分とが存在する場合には、両方の合計を求める。こうして求めた値が、幅方向ＷＤに沿った酸化物の寸法Ｌ２となる。以上の方法により、Ｌ１とＬ２とが算出されるので、Ｌ２／Ｌ１を求めることにより、酸化物比Ｌが算出される。なお、酸化物は、層状に連続して存在するよりも、点在している方が、剥離および強度の点において有利である。

図７は、拡散層の厚みＤの測定方法を説明するための図である。上記試験では、領域ＡＲをＳＥＭおよびＥＰＭＡによって観察し、銅（Ｃｕ）の存在する領域とニッケル（Ｎｉ）の存在する領域とを判別する。そして、ＣｕとＮｉとが両方とも存在する領域を拡散層として特定し、その領域の厚み方向ＴＤに沿った距離を、複数箇所（上記試験では、幅Ｌ１を４等分する５つの位置のうちの内側の３つの位置）で測定し、その平均を算出することによって、拡散層の厚みＤとする。

Ｅ．変形例：
＜第１変形例＞
図８は、第１変形例における接地電極３０ｂの横断面図である。本変形例では、接地電極３０ｂは、内層３２ｂの内部に、更にニッケルまたはニッケル合金によって構成された最内層３５ｂを有する。この場合、最も外側の外層３１ｂと、外層３１ｂよりも１つ内側の内層３２ｂとの層間における酸化物比Ｌと拡散層の厚みＤとが、上記式（１）、（２）を満たしていればよい。

＜第２変形例＞
上記実施形態において、拡散層３３の厚みＤは、上記式（２）を必ずしも満たしていなくてもよい。また、外層３１のＡｌ含有量も、上記式（３）を必ずしも満たしていなくてもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態や変形例の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

３…セラミック抵抗
４…シール体
５…ガスケット
６、７…リング部材
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁体
１２…軸孔
１３…脚長部
１４…軸孔内段部
１５…碍子段部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…中央胴部
２０…中心電極
２１…電極母材
２２…芯部材
２３…鍔部
３０…接地電極
３０ａ…ワーク
３０ｂ…接地電極
３１…外層
３１ａ…カップ材
３１ｂ…外層
３２…内層
３２ａ…芯材
３２ｂ…内層
３３…拡散層
３５ｂ…最内層
３４…酸化物
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…取付ネジ部
５３…加締部
５４…シール部
５６…金具内段部
５７…先端面
５８…圧縮変形部
１００…スパークプラグ

Claims (4)

1. 筒状の主体金具と、
   自身の外周の少なくとも一部が前記主体金具によって保持され、軸線に沿った軸孔を有する絶縁体と、
   前記軸孔に設けられた中心電極と、
   前記主体金具に固定された接地電極と、を備え、
   前記接地電極は、外層と、前記外層により覆われ、前記外層よりも熱伝導性の高い内層とを有し、
   前記接地電極の幅方向における前記内層の幅をＬ１、前記外層と前記内層との層間に存在する酸化物の前記幅方向に沿った寸法をＬ２としたときに、Ｌ１に対するＬ２の比Ｌ（＝Ｌ２／Ｌ１）が、５％以上５０％以下であることを特徴とするスパークプラグ。
2. 請求項１に記載のスパークプラグであって、
   前記層間において、前記外層と前記内層とが拡散した拡散層の厚みＤが、６μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とするスパークプラグ。
3. 請求項１または請求項２に記載のスパークプラグであって、
   前記外層は、ニッケルを主成分とし、アルミニウムを含む合金によって構成されており、
   前記外層における前記アルミニウムの含有量が、０質量％よりも多く、２．５質量％以下であることを特徴とするスパークプラグ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
   前記比Ｌが１８％以下であることを特徴とするスパークプラグ。