JP6403643B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

この発明は、接地電極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において、中心電極及び接地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。しかし、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。

昨今の排出ガス規制に対して、ガソリンエンジンのダウンサイジングが進められており、それにより犠牲となる出力については過給機の搭載で賄うことが行われている。また、産業用ガスエンジンについても効率向上を目的として高圧縮化が進行している。これらのエンジンに搭載されるスパークプラグに求められる性能としては、耐熱性及び着火性をはじめ、放電電圧上昇に伴う火花放電部の耐火花消耗性の向上が挙げられる。

ところで、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る。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貴金属製のチップを設け、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火花消耗性を向上させる方法が採用されることがある。また、耐火花消耗性をより向上させる方法の一つとして、従来よりも大きなチップを電極に設ける方法が挙げられ、特にチップが消耗され易い接地電極に従来よりも大きなチップを設けると効果的である。

従来からチップを電極に溶接する場合には、抵抗溶接が用いられている。しかしながら、大きなチップを溶接する場合には、接合強度が不足して運転中にチップが剥離して脱落するおそれがある。また、Ｉｒ合金製のチップは耐火花消耗性に優れる一方で、接地電極を形成するＮｉ合金に比べて融点が高いため、抵抗溶接で接地電極に接合しようとすると接地電極が溶けてしまい、所望の形状を維持しつつＩｒ合金からなるチップを接地電極に接合することができない。このような問題に対して、接地電極の側面からチップに対してレーザを照射することにより、抵抗溶接よりも強固に接合する技術が報告されている。

例えば、特許文献１には、「・・・前記貴金属部材（４０ａ）は、この凹部（４１ａ）に埋設され、前記溶融部（４０ｂ）は、前記接地電極（４０）の外周面を起点として先端部が前記凹部（４１ａ）内に位置する前記貴金属部材（４０ａ）の内部に位置するようなくさび形状を有する」（特許文献１の請求項３）スパークプラグが記載されている。

特許文献２には、「・・・前記溶融部（４５）は、前記接地電極（４０）の外周側面（４６）から前記Ｉｒ合金チップの側面端部（４７）を通り前記Ｉｒ合金チップの内部まで連続して形成されている」（特許文献２の請求項６）スパークプラグが記載されている。

特許文献３には、「接地電極母材７の側周面の複数箇所にて、内方側に向かってレーザ溶接して、前記各箇所において接地電極母材７から接地電極２にわたって溶融部８を形成して、接地電極母材７と接地電極２とを接合」（特許文献３の００３０欄）したガスエンジン用点火プラグが開示されている（特許文献３の図３及び図４）。

特開２００５−１８３１６７号公報 特開２００２−９３５４７号公報 特開２００５−１００７４７号公報

ところで、特許文献１〜３に示されているように、発明者らがＩｒ合金製のチップを接地電極に埋設し、接地電極の側面からチップの内部に向かってレーザ溶接をすることによりチップを接地電極に接合したスパークプラグを準備し、エンジン耐久試験を行ったところ、チップが脱落し、エンジンが失火する場合があった。よって、Ｉｒ合金製のチップをより強固に接地電極に接合させることが望まれる。

この発明は、Ｉｒを主成分とするチップの接地電極からの耐剥離性に優れたスパークプラグを提供することを目的とする。

Ｉｒを主成分とするチップを接地電極に接合した場合に、エンジン耐久試験においてチップが接地電極から脱落し、エンジンが失火してしまうという前述の問題を解決すべく発明者らが検討したところ、チップの剥離開始部位はチップにおける接地電極の先端側とは反対側の部位であることが分かった。発明者らは、この部位の接合強度を向上させることによりチップの剥離を抑制できると考えた。

前記課題を解決するための手段は、
（１） 中心電極に間隙を有して配置された先端部と、主体金具に接合された基端部とを有する接地電極と、
前記接地電極における前記中心電極に対向する対向面に埋設された、Ｉｒを主成分とするチップとを有し、
前記チップと前記接地電極とは、両者の溶融により形成された溶融部により接合されてなるスパークプラグであって、
前記接地電極は、前記チップの前記基端部側の端面が配置された位置において、前記幅方向に縮径する縮径部を有し、
前記溶融部は、前記チップの前記基端部側の端面を通ると共に、前記接地電極の前記対向面に隣接する側面のうちの一方の側面から前記接地電極の幅方向に対向する他方の側面まで貫通する貫通溶融部を少なくとも有することを特徴とするスパークプラグである。

前記（１）の好ましい態様として、次の態様を挙げることができる。
（２） 前記（１）のスパークプラグにおいて、前記貫通溶融部は、Ｉｒの含有率が４０質量％以下である。
（３）前記（１）又は（２）に記載のスパークプラグにおいて、前記チップは、前記中心電極に対向する放電面の面積が４．５ｍｍ ^２ 以上である。

この発明によると、Ｉｒを主成分とするチップと接地電極とは溶融部により接合され、溶融部は、チップにおける接地電極の基端部側の端面を通ると共に、接地電極の前記対向面に隣接する側面のうちの一方の面から接地電極の幅方向に対向する他方の側面まで貫通する貫通溶融部を少なくとも有するので、チップが接地電極の基端部側の端面から剥離することが抑制される。したがって、この発明によると、Ｉｒを主成分とするチップの接地電極からの耐剥離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説明図である。 図２は、図１に示すスパークプラグの接地電極を拡大して示す概略斜視図である。 図３は、図２に示すチップと接地電極との接合構造を示す説明図である。図３（ａ）は、接地電極を中心電極側から見たときのチップと接地電極との接合構造を示す平面説明図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すチップと接地電極とをＢ方向から見たときのチップと接地電極との接合構造を示す端面説明図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）のＣ−Ｃ断面を示す断面説明図である。 図４は、他の実施形態のチップと接地電極との接合構造を示す平面説明図である。 図５は、他の実施形態のチップと接地電極との接合構造を示す断面説明図である。 図６は、他の実施形態のチップと接地電極との接合構造を示す平面説明図である。 図７は、他の実施形態のチップと接地電極との接合構造を示す平面説明図である。 図８は、他の実施形態のチップと接地電極との接合構造を示す平面説明図である。 図９は、他の実施形態のチップと接地電極との接合構造を示す平面説明図である。 図１０は、他の実施形態のチップと接地電極との接合構造を示す平面説明図である。 図１１は、他の実施形態のチップと接地電極との接合構造を示す平面説明図である。

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では紙面下方すなわち後述する接地電極が配置されている側を軸線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に示すように、軸線Ｏ方向に延びる軸孔２を有する略円筒形状の絶縁体３と、前記軸孔２内の先端側に配置された略棒状の中心電極４と、前記軸孔２内の後端側に配置された端子金具５と、前記軸孔２内の前記中心電極４と前記端子金具５との間に配置された接続部６と、前記絶縁体３を保持する略円筒形状の主体金具７と、基端部１６が前記主体金具７の先端に接合されると共に先端部１５が前記中心電極４と間隙Ｇを介して対向するように配置された接地電極８と、前記接地電極８の先端部１５に設けられたチップ９とを備える。

絶縁体３は、軸線Ｏ方向に延びる軸孔２を有し、略円筒形状を有している。絶縁体３は、後端側胴部１１と、大径部１２と、先端側胴部１３、脚長部１４とを備えている。後端側胴部１１は、端子金具５を収容し、端子金具５と主体金具７とを絶縁する。大径部１２は、該後端側胴部１１よりも先端側に配置され、径方向外向きに突出している。先端側胴部１３は、該大径部１２の先端側に配置され、大径部１２より小さい外径を有し、接続部６を収容する。脚長部１４は、該先端側胴部１３の先端側に配置され、先端側胴部１３より小さい外径及び内径を有し、中心電極４を収容する。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７の先端面から突出した状態で、主体金具７に固定されている。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い。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。

接続部６は、軸孔２内の中心電極４と端子金具５との間に配置され、中心電極４及び端子金具５を軸孔２内に固定すると共にこれらを電気的に接続する。

主体金具７は、略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７における先端方向の外周面にはネジ部２４が形成されている。このネジ部２４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。主体金具７は、ネジ部２４の後端側にフランジ状のガスシール部２５を有し、ガスシール部２５の後端側に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２６、工具係合部２６の後端側に加締め部２７を有する。ネジ部２４の内周面における先端側は、脚長部１４に対して空間を有するように配置されている。主体金具７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８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、絶縁体３の後端側からその一部が露出した状態で軸孔２内に挿入されて接続部６により固定されている。端子金具５は、低炭素鋼やクロムモリブデン鋼等の金属材料により形成されることができる。

中心電極４は、接続部６に接する後端部２８と、前記後端部２８から先端側に延びる棒状部２９とを有する。中心電極４は、その先端が絶縁体３の先端から突出した状態で絶縁体３の軸孔２内に固定され、主体金具７に対して絶縁保持されている。中心電極４における後端部２８と棒状部２９とは、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。中心電極４は、Ｎｉ合金等により形成される外層と、Ｎｉ合金よりも熱伝導率の高い材料により形成され、該外層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とにより形成されてもよい。芯部を形成する材料としては、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ、Ａｇ合金、純Ｎｉ等を挙げることができる。

接地電極８は、Ｎｉ合金等の接地電極８に使用される公知の材料で形成されることができる。また、中心電極４と同様にＮｉ合金等により形成される外層と、Ｎｉ合金よりも熱伝導率の高い材料により形成され、該外層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とにより形成されてもよい。

図１に示すように、接地電極８は、中心電極４に間隙Ｇを有して配置された先端部１５と、主体金具７に接合された基端部１６とを有する。接地電極８は、例えば、略角柱形状に形成されてなり、基端部１６から軸線Ｏに沿った方向に延びた後、軸線Ｏに交差する方向に略Ｌ字状に屈曲している。図２に示すように、接地電極８における先端部１５は、中心電極４に対向する対向面３１と、対向面３１に隣接すると共に接地電極８の幅方向に対向する２つの側面３２，３３と、対向面３１とは反対側に配置される裏面３４と、対向面３１、側面３２，３３、及び裏面３４に隣接する先端面３５とを有する。以下において、接地電極８の先端部１５における長手方向をＸ、幅方向をＹ、軸線Ｏに平行な方向をＺとして説明する。この実施形態の接地電極８の先端部１５は、円柱状のチップ９の形状に沿う相似形状を有する。したがって、側面３２，３３と先端面３５とは円柱状のチップ９の径よりも大きな径を有する円柱の曲面の一部を形成する。先端面３５は、チップ９における接地電極８の先端部１５側の端面４４を通り、かつ接地電極８のＸ方向に直交する面で切断したときの切断面よりも先端部１５側の面である。側面３２，３３は、先端面３５よりも接地電極８の基端部１６側に延びる面である。側面３２，３３は、チップ９における基端部１６側の端面４５が配置された位置において、接地電極８の幅方向Ｙに縮径する縮径部３６を有する。縮径部３６は、チップ９における基端部１６側の端面４５が配置されたＸ方向の位置付近において側面３２，３３間の距離が他の部位に比べて小さい部位である。この実施形態の縮径部３６は、接地電極８の側面３２，３３に形成された角柱状の凹部であり、対向面３１から裏面３４まで切削等により切欠かれている。この実施形態では、縮径部３６は、縮径部３６のＸ方向の幅の中心がチップ９の端面４５とＸ方向に略一致するように配置されている。

チップ９は、Ｉｒを主成分とする金属材料で形成される。具体的には、チップ９は、Ｉｒを５０質量％以上含有し、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｗ、Ｏｓ、Ａｌ、及びＹ等から選択される少なくとも１種の元素を含有する金属材料により形成される。Ｉｒを主成分とする金属材料は融点が高いので、チップ９がＩｒを主成分とする金属材料により形成されていると、耐火花消耗性に優れる。一方で、Ｉｒを主成分とする金属材料からなるチップ９を抵抗溶接により接地電極８に接合しようとすると、接地電極８を形成するＮｉ合金はチップ９を形成するＩｒを主成分とする金属材料に比べて融点が低いので、接地電極８が溶融してしまい、所望の形状を維持しつつチップ９を接地電極８に接合することができない。チップ９が、後述するように、レーザ溶接等により形成された溶融部５０を介して接地電極８に接合されると、チップ９が接地電極８に強固に固定され、耐剥離性に優れる。

なお、この実施形態では、中心電極４にチップ９が設けられていない。中心電極４にチップが設けられている場合には、中心電極に設けられるチップは、チップとして用いられる公知の材料で形成され、公知の接合方法で中心電極に接合されればよい。この実施形態のスパークプラグ１における間隙Ｇは、中心地電極４の先端とチップ９の中心電極４に対向する放電面４１との間の最短距離である。この間隙Ｇは、通常、０．３〜１．５ｍｍに設定され、この間隙Ｇで火花放電が生じる。

チップ９は、この実施形態においては円柱状であり、接地電極８のみに設けられている。チップ９は、その形状は特に限定されず、例えば、楕円柱状、角柱状、円錐台形状、及び角錐台形状等であってもよい。チップ９の軸線Ａは、軸線Ｏと一致している。チップ９は、放電面４１と底面４２と外周面４３とを有する。放電面４１は中心電極４に対向する面であり、底面４２は放電面４１とは反対側に配置され、接地電極８に接触している面である。放電面４１と底面４２とは軸線Ａに直交する。外周面４３はチップ９の径方向外周に配置され、軸線Ａに平行な面であり、その少なくとも一部は接地電極８に接触している。

チップ９は、接地電極８の対向面３１に埋設されている。接地電極８は、有底の凹部３７を有し、この凹部３７にチップ９が嵌め込まれている。凹部３７は、接地電極８の対向面３１から裏面３４に向かって切削等により形成され、チップ９の形状と相補的な形状を有する。チップ９は、後述するように、側面３２，３３及び先端面３５からチップ９の内部に至る溶融部５０を形成可能な深さで埋設されていればよい。チップ９の埋設深さすなわち凹部３７のＺ方向の距離が大きくなるほど、チップ９の体積量が増大し、高価なＩｒを必要とするのでコストが高くなる傾向にある。したがって、溶融部５０を形成可能な最小限の深さでチップ９が接地電極８に埋設されているのが好ましい。凹部３７が形成された接地電極８にチップ９を嵌め込む態様とは別の態様として、電流を流しつつチップを接地電極に押し付けることにより、チップが接地電極に埋設されるようにしてもよい。また、この実施形態のチップ９は、対向面３１から突出するように接地電極８に埋設されている。その他の態様として、チップが対向面から突出せずに、チップの放電面が接地電極の対向面と同一平面上又は対向面よりも低い位置になるように、接地電極に埋設されてもよい。

チップ９は、大きい方が好ましく、具体的には、チップ９の放電面４１の面積が４．５ｍｍ^２以上であることが好ましい。チップ９の放電面４１の面積が４．５ｍｍ^２以上であると、耐火花消耗性を向上させることができる。一方で、チップ９が大きいほど、チップ９が接地電極８から剥離し易くなる。特に、チップ９における接地電極８の基端部１６側からチップ９が剥離し易い。しかしながら、後述するように、チップ９と接地電極８とが特定の接合構造で接合されているので、大きなチップ９であってもチップ９の接地電極８からの剥離を抑制することができる。

図３は、図２に示すチップと接地電との接合構造を示す説明図である。図３（ａ）は、接地電極を中心電極側から見たときのチップと接地電極との接合構造を示す説明図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すチップと接地電極とをＢ方向から見たときのチップと接地電極との接合構造を示す説明図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）のＣ−Ｃ断面を示す断面説明図である。

図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、チップ９と接地電極８とは、両者の溶融により形成された溶融部５０により接合される。チップ９と接地電極８とは、例えば、レーザ溶接により複数の溶融部５０が形成されて接合される。この実施形態によると、レーザ溶接のみによりチップ９と接地電極８とが接合されているが、抵抗溶接とレーザ溶接とにより接合されてもよい。もっとも、この実施形態におけるチップ９の接地電極８への接合構造によると、レーザ溶接により形成される溶融部５０のみでチップ９を接地電極８に強固に接合できる。

溶融部５０は、チップ９を接地電極８に埋設した状態で、接地電極８の側面３２，３３又は先端面３５からチップ９に向かってレーザ照射することにより形成される。溶融部５０は、複数のくさび形溶融部５２と貫通溶融部５１とを有する。

くさび形溶融部５２は、接地電極８の側面３２，３３又は先端面３５からチップ８の内部に至るくさび形状を有する溶融部である。くさび形溶融部５２は、チップ９に対して対向するように複数配置されている。くさび形溶融部５２は、接地電極８の側面３２，３３又は先端面３５からチップ８に向かってレーザ照射することにより形成される。くさび形溶融部５２の一部は、接地電極８の表面を起点としてその先端がチップ９の外周面４３に接触する位置に存在してもよいが、すべてのくさび形溶融部５２の先端がチップ９の内部に存在するのが好ましい。くさび形溶融部５２の先端がチップ９の内部に存在すると、くさび形溶融部５２によりチップ９を接地電極８に固定することができるので、くさび形溶融部５２の先端がチップ９の内部に存在する数が多いほどチップ９が接地電極８から剥離するのを抑制することができる。また、くさび形溶融部５２の先端は対向して配置される別のくさび形溶融部５２の先端と連続しないように形成されるのが好ましい。くさび形溶融部５２は、接地電極８を形成するＮｉ合金とチップ９を形成するＩｒを主成分とする金属材料とを含むので、チップ９に比べて耐酸化性及び耐消耗性に劣る。したがって、くさび形溶融部５２の体積は小さい方が好ましく、また、接地電極８の表面に露出するくさび形溶融部５２の面積が小さい方が好ましい。対向して配置されるくさび形溶融部５２の先端同士が連続するようにレーザ溶接すると、くさび形溶融部５２の体積が大きくなり易く、また、接地電極８の表面に露出するくさび形溶融部５２の面積が大きくなり易い。したがって、くさび形溶融部５２は、対向して配置されるくさび形溶融部５２の先端同士が連続しない程度の大きさを有するのが好ましい。また、この実施形態の接地電極８の先端部１５は、円柱状のチップ９の形状に沿う相似形状を有するので、接地電極８の先端面３５及び側面３２，３３とチップ９の外周面４３との間の距離が略等しい。したがって、レーザ溶接をする際に、その設定条件を変えずにチップ９の径方向に複数の同一形状のくさび形溶融部５２を形成することができる。この実施形態では、軸線Ａを含むＸ方向に直交する平面より接地電極８の先端部１５側に設けられたくさび形溶融部５２は、側面３２，３３又は先端面３５から軸線Ａに向かって延びる形状を有し、前記平面より接地電極８の基端部１６側に設けられたくさび形溶融部５２は、接地電極８の幅方向Ｙに延びる形状を有する。

貫通溶融部５１は、チップ９における接地電極８の基端部１６側の端面４５を通ると共に接地電極８の側面３２，３３のうちの一方の側面３２から接地電極８の幅方向に対向する他方の側面３３まで貫通する。貫通溶融部５１は、接地電極８の側面３２，３３それぞれからチップ９の端面４５に向かってレーザ照射することにより形成される。チップ９は、少なくとも貫通溶融部５１を有する溶融部５０により接地電極８に接合されているので、最も剥離し易いチップ９における基端部１６側の部位が強固に接合され、その結果、チップ９の接地電極８からの耐剥離性に優れる。貫通溶融部５１は、側面３２，３３のうちの縮径部３６に露出している。また、図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すように、貫通溶融部５１は接地電極８のＹ方向に延びる形状を有し、貫通溶融部５１の軸線ＤがＹ方向に平行に形成されている。この実施形態の接地電極８は縮径部３６を有しているので、縮径部３６を有していない場合に比べて、貫通溶融部５１における側面３２，３３から端面４５までの距離が小さくなる。したがって、レーザ溶接により貫通溶融部５１を形成する場合に、縮径部３６を有していない場合に比べてレーザ出力を小さくすることができる。レーザ出力が大きくなるほど、側面３２，３３に露出する貫通溶融部５１の径が大きくなり、その結果、貫通溶融部５１が対向面３１及び裏面３４の少なくとも一方に露出する場合がある。貫通溶融部５１は、側面３２，３３のみに露出し、対向面３１及び裏面３４のいずれにも露出していないのが好ましい。貫通溶融部５１はチップ８を形成するＩｒを主成分とする金属材料と接地電極８を形成するＮｉ合金とを含むので、チップ９に比べて耐酸化性及び耐消耗性に劣る。貫通溶融部５１が対向面３１に露出していると火花放電が行われる近傍に耐消耗性に劣る貫通溶融部が配置され、火花放電が貫通溶融部で起こるおそれがあり、それによって耐久性が低下するおそれがある。貫通溶融部５１が裏面３４に露出していると、燃焼室内の最も内部に位置する裏面３４が最も高温になり易いので、耐酸化性に劣る貫通溶融部がより酸化消耗し易くなり、耐久性が低下するおそれがある。一方、この実施形態の接地電極８は縮径部３６を有するので、貫通溶融部５１における縮径部３６からチップ９の端面４５までの距離を小さくしてレーザ出力を小さくすることができるので、貫通溶融部５１を対向面３１及び裏面３４に露出させずに、レーザ溶接により貫通溶融部５１を形成することができる。

貫通溶融部５１は、チップ９を形成するＩｒを主成分とする金属材料と接地電極８を形成するＮｉ合金等とが所定の割合で溶融することにより形成される。貫通溶融部５１は、Ｉｒの含有率が４０質量％以下であることが好ましく、２０質量％以下であることがより好ましい。貫通溶融部５１におけるＩｒの含有率が４０質量％以下、特に２０質量％以下であると、貫通溶融部５１の酸化が抑制され、それによって、貫通溶融部５１にクラックが発生するのを抑制することができる。その結果、チップ９の接地電極８からの耐剥離性がより一層向上する。

貫通溶融部５１におけるＩｒの含有率は、走査型電子顕微鏡等に付属されているエネルギー分散型Ｘ線分析器（ＥＤＳ）を用いて測定することができる。Ｉｒの含有率は、チップ９の軸線Ａを通り、かつ接地電極８の長手方向Ｘに平行な面でチップ９が接合された接地電極８を切断して切断面を得て、この切断面における貫通溶融部５１の中心付近においてＥＤＳ分析をし、ＥＤＳ分析により検出された全元素の含有量に対するＩｒの含有量を算出することにより求める。

このスパークプラグ１は、接地電極８の中心電極４に対向する対向面３１に、Ｉｒを主成分とするチップ９が設けられているので、耐火花消耗性に優れる。また、このスパークプラグ１は、チップ９と接地電極８とが溶融部５０により接合され、溶融部５０が、前述したように、チップ９における接地電極８の基端部１６側の端面４５を通る貫通溶融部５１を有するので、最も剥離し易い部位が強固に接合され、その結果、チップ９の接地電極８からの耐剥離性に優れる。また、側面３２，３３は縮径部３６を有するので、レーザ出力を上げずに貫通溶融部５１を形成することができるため貫通溶融部５１は対向面３１及び裏面３４に露出しない。よって、このスパークプラグは、耐火花消耗性及び耐酸化消耗性を有し、耐久性に優れる。

スパークプラグ１は、例えば次のようにして製造される。

チップ９は、Ｉｒを主成分とする断面円形状の丸棒材を準備し、これを所定の長さに切断して形成する。

中心電極４及び接地電極８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作製する。図２に示すように、接地電極８の先端部１５におけるチップ９と相似形状の曲面は、打ち抜き加工等により形成する。また、接地電極８の先端部１５側における凹部３７は、切削等により形成する。なお、抵抗溶接等によりチップ９を接地電極８に埋設する場合には、凹部３７を形成しなくてもよい。中心電極４を、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する場合には、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。接地電極８もまた中心電極４と同様に外層と芯部とにより形成してもよく、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８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７の端面に、接地電極８の基端部１６を電気抵抗溶接及び／又はレーザ溶接等によって接合する。

次いで、チップ９を接地電極８の凹部３７に嵌め込み、レーザ溶接等により溶融部５０を形成してチップ９を接地電極８に固定する。具体的には、貫通溶融部５１を形成する場合には、一方の縮径部３６からチップ９の端面４５に向かってＹ方向に平行にレーザ照射して縮径部３６から端面４５に至る溶融部５０を形成する。同様にして、他方の縮径部３６からチップ９の端面４５に向かってＹ方向に平行にレーザ照射して、先に形成した溶融部５０に達する溶融部５０を形成することにより、一方の縮径部３６から他方の縮径部３６まで貫通する貫通溶融部５１を形成する。チップ９の軸線Ａを含むＸ方向に直交する平面より先端部１５側にくさび形溶融部５２を形成する場合には、先端面３５又は側面３２，３３から軸線Ａに向かってＺ方向に直交する方向にレーザ照射して、くさび形溶融部５２を形成する。前記平面より基端部１６側にくさび形溶融部５２を形成する場合には、側面３２，３３からＹ方向に平行にレーザ照射して、くさび形溶融部５２を形成する。くさび形溶融部５２は、先端面３５又は側面３２，３３からチップ９の外周面４３を通ってチップ９の内部に至り、かつチップ９に対して対向する位置に配置されるくさび形溶融部５２と連続しないようにレーザ出力を調整するのが好ましい。また、溶融部５０は、先端面３５及び側面３２，３３のみに露出して、対向面３１及び裏面３４に露出しないようにレーザ出力を調整するのが好ましい。

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内に中心電極４を挿設し、接続部６を形成する組成物を前記軸孔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を圧入しつつ前記組成物を圧縮加熱する。こうして前記組成物が焼結して接続部６が形成される。次いで接地電極８が接合された主体金具７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８の先端部１５を中心電極４側に折り曲げて、接地電極８に接合されたチップ９の放電面４１が中心電極４の先端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２４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。この発明に係るスパークプラグ１は、過給機が搭載されることによりスパークプラグが厳しい環境に曝されるような内燃機関に特に好適である。

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。

図４に示す実施形態のチップと接地電極との接合構造は、貫通溶融部４５１がＸＹ平面においてＹ方向に対して傾斜する方向に延びる形状を有していること以外は、図３に示すチップ９と接地電極８との接合構造と同様の接合構造を有する。図４に示す貫通溶融部４５１は、チップ４０９の端面４４５を通る部位を頂点として側面４３２，４３３の基端部４１６側に向かって斜めに延びるＶ字形状を有する。

図５に示す実施形態のチップと接地電極との接合構造は、貫通溶融部５５１がＹＺ平面においてＹ方向に対して傾斜する方向に延びる形状を有していること以外は、図３に示すチップ９と接地電極８との接合構造と同様の接合構造を有する。図５に示す貫通溶融部５５１は、チップ５０９の端面５４５を通る部位を頂点として側面５３２，５３３の裏面５３４側に向かって斜めに延びる逆Ｖ字形状を有する。また、図示はしていないが、貫通溶融部は、チップの端面を通る部位を頂点として側面の対向面側に向かって斜めに伸びるＶ字形状を有していてもよい。貫通溶融部５５１は、側面５３２，５３３のみに露出し、対向面５３１及び裏面５３４に露出していない。

図６に示す実施形態のチップと接地電極との接合構造は、図３に示すように縮径部３６が角柱状ではなく、縮径部６３６がチップ６０９の端面６４５付近から基端部６１６側において対向する縮径部６３６間の距離が一定であること以外は、図３に示すチップ９と接地電極８との接合構造と同様の接合構造を有する。図６に示す実施形態のチップ６０９と接地電極６０８との接合構造では、接地電極６０８の側面６３２，６３３は、接地電極６０８の先端からＸ方向にチップ６０９の端面６４５の手前の位置までチップ６０９の外周面６４３と相似形状を有する。接地電極６０８の側面６３２，６３３は、チップ６０９の軸線Ａ_６の位置からＸ方向にチップ６０９の端面６４５の手前の位置まで曲面を形成しつつ側面６３２，６３３間の距離が小さくなり、チップ６０９の端面６４５の手前位置から基端部６１６側において側面６３２，６３３間の距離は一定であり、平面を形成する。貫通溶融部６５１は、チップ６０９の端面６４５が配置された位置にＹ方向に平行に形成されている。

図７に示す実施形態のチップと接地電極との接合構造は、図３に示すように縮径部３６が角柱状ではなく、縮径部７３６が略三角柱状であること以外は、図３に示すチップ９と接地電極８との接合構造と同様の接合構造を有する。図７に示す実施形態のチップ７０９と接地電極７０８との接合構造では、接地電極７０８の側面７３２，７３３は、接地電極７０８の先端からＸ方向にチップ７０９の端面７４５の位置までチップ７０９の外周面７４３と相似形状を有する。接地電極７０８の側面７３２，７３３は、チップ７０９の軸線Ａ_７の位置からＸ方向にチップ７０９の端面７４５の位置まで曲面を形成しつつ側面６３２，６３３間の距離が小さくなり、チップ７０９の端面７４５の位置から基端部７１６に向かってテーパ状に拡径して側面７３２，７３３間の距離が大きくなり、所定の位置で側面７３２，７３３間の距離が一定となり、側面７３２，７３３は平面になる。貫通溶融部７５１は、側面７３２，７３３間の距離が最も小さい部位とチップ７０９の端面７４５を通り、かつＹ方向に平行に形成されている。

図８に示す実施形態のチップと接地電極との接合構造は、接地電極８０８の先端部８１５が角柱状に形成されていること以外は、図３に示すチップ９と接地電極８との接合構造と同様の接合構造を有する。図８に示す実施形態のチップ８０９と接地電極８０８との接合構造では、チップ８０９が埋設されている付近の接地電極の先端面８３５及び側面８３２，８３３が平面であり、先端面８３５と側面８３２，８３３とが互いに直交している。縮径部８３６は、角柱状の縮径部８３６のＸ方向の幅の中心がチップ８０９の端面８４５とＸ方向に略一致するように配置されている。貫通溶融部８５１は、チップ８０９の端面８４５が配置された位置にＹ方向に平行に形成されている。

図９に示す実施形態のチップと接地電極との接合構造は、縮径部９３６が三角柱状に形成されていること以外は、図８に示すチップ８０９と接地電極８０８との接合構造と同様の接合構造を有する。図９に示す実施形態のチップ９０９と接地電極９０８との接合構造では、チップ９０９が埋設されている付近の接地電極９０８の先端面９３５及び側面９３２，９３３が平面であり、この側面９３２，９３３の基端部９１６側の端部から基端部９１６側に向かってテーパ状に縮径し、チップ９０９の端面９４５の位置で最も側面９３２，９３３間の距離が小さくなり、ここから基端部９１６に向かってテーパ状に拡径し、所定の位置で側面９３２，９３３間の距離が一定となり、側面９３２，９３３は平面になる。貫通溶融部９５１は、側面９３２，９３３間の距離が最も小さい部位とチップ９０９の端面９４５とを通り、かつＹ方向に平行に形成されている。

図１０に示す実施形態のチップと接地電極との接合構造は、図８に示すように縮径部８３６が角柱状ではなく、縮径部１０３６がチップ１００９の端面１０４５より基端部１０１６側において対向する縮径部１０３６間の距離が一定であること以外は、図８に示すチップ８０９と接地電極８０８との接合構造と同様の接合構造を有する。図１０に示す実施形態のチップ１００９と接地電極１００８との接合構造では、接地電極１００８の側面１０３２，１０３３は、接地電極１００８の先端からＸ方向にチップ１００９の端面１０４５の位置まで平面であり、かつ側面１０３２，１０３３間の距離が一定であり、Ｘ方向におけるチップ１００９の端面１０４５の位置で側面１０３２，１０３３間の距離が小さくなり、端面１０４５から基端部６１６側において平面であり、かつ側面１０３２，１０３３間の距離が一定である。貫通溶融部１０５１は、チップ１００９の端面１０４５を通る位置を頂点として縮径部１０３６に向かって斜めに延びるＶ字形状を有する。

図１１に示す実施形態のチップと接地電極との接合構造は、チップ１１０９が角柱状であり、くさび形溶融部１１５２がチップ１１０９の外周面１１４３に直交する方向に延びた形状を有すること以外は、図８に示すチップ８０９と接地電極８０８との接合構造と同様の接合構造を有する。図１１に示す実施形態のチップ１１０９と接地電極１１０８との接合構造では、角柱状のチップ１１０９の外周面１１４３と接地電極１１０８の先端面１１３５及び側面１１３２，１１３３とが相似形状を有し、互いに平行に配置されている。くさび形溶融部１１５２はチップ１１０９の外周面１１４３及び接地電極１１０８の先端面１１３５及び側面１１３２，１１３３に直交する方向に延びた形状を有する。貫通溶融部１１５１は、チップ１１０９の端面１１４５が配置された位置にＹ方向に平行に形成されている。

１．チップの耐久性評価
図１〜図３に示すスパークプラグと同様の形状を有するスパークプラグ試験体を作製した。直径２．４ｍｍ、高さ０．９ｍｍの円柱状のチップを準備し、厚み１．６ｍｍ、幅４．２ｍｍの接地電極の先端部に、直径２．５ｍｍ、深さ０．７５ｍｍの円柱状の凹部を形成し、この凹部にチップを嵌め込み、レーザ溶接により溶融部を形成してチップと接地電極とを接合した。なお、チップはＩｒを５０質量％以上含有し、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｙ、Ｗ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ａｌ、及びＮｉから選択される少なくとも１種の元素を含有する金属材料により形成した。また、接地電極は、インコネル６００により形成した。表１に示す「Ｉｒ含有率」は、チップの組成及びレーザ溶接条件等を変更することにより調整した。

「Ｉｒ含有率」は、次のようにして求めた。まず、チップの軸線を通り、かつ接地電極の長手方向に平行な面でチップが接合された接地電極を切断し、切断面を得た。切断面における貫通溶融部の中心付近をエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ分析）し、ＥＤＳ分析により検出された全元素の含有質量に対するＩｒの含有質量を「Ｉｒ含有率」として求めた。

スパークプラグ試験体を、試験用の６気筒コージェネレーションエンジンに取付け、定格出力で５００時間の運転を行う耐久試験を行った。チップの耐久性は、耐久試験を行った後にチップは脱落しないが貫通溶融部内の一部又は全てに酸化亀裂が生じた場合を「△」、チップは脱落しないが貫通溶融部の一部が酸化していた場合を「○」、チップが脱落せず、貫通溶融部が酸化していない場合を「◎」として評価し、表１に示した。

表１に示されるように、貫通溶融部におけるＩｒの含有率が４０質量％以下の試験番号１〜５のスパークプラグ試験体は、耐久試験後にチップが脱落せず、チップの耐剥離性に優れていた。また、貫通溶融部におけるＩｒの含有率が２０質量％以下の試験番号１〜３のスパークプラグ試験体は、耐久試験後にチップが脱落しないだけでなく、貫通溶融部に酸化も観察されず、試験番号４及び５のスパークプラグ試験体に比べてより厳しい条件においてもチップが脱落しないことが強く推定され、チップの耐剥離性により優れていた。一方、貫通溶融部におけるＩｒの含有率が４０質量％よりも大きい試験番号６のスパークプラグ試験体は、耐久試験後のチップの接合強度が貫通溶融部内の酸化亀裂の発生によって、試験番号１〜５のスパークプラグ試験体に比べて耐剥離性に劣っていた。
以上から、貫通溶融部におけるＩｒの含有率が４０質量％以下、特に２０質量以下であると、チップの耐剥離性により一層優れることが分かる。

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 接続部
７ 主体金具
８，４０８，５０８，６０８，７０８，８０８，９０８，１００８，１１０８ 接地電極
９，４０９，５０９，６０９，７０９，８０９，９０９，１００９，１１０９ チップ
１１ 後端側胴部
１２ 大径部
１３ 先端側胴部
１４ 脚長部
１５，４１５，５１５，６１５，７１５，８１５，９１５，１０１５，１１１５ 先端部
１６，４１６，５１６，６１６，７１６，８１６，９１６，１０１６，１１１６ 基端部
２４ ネジ部
２５ ガスシール部
２６ 工具係合部
２７ 加締め部
２８ 後端部
２９ 棒状部
３１，５３１ 対向面
３２，３３，４３２，４３３，５３２，５３３，６３２，６３３，７３２，７３３，８３２，８３３，９３２，９３３，１０３２，１０３３，１１３２，１１３３ 側面
３４，５３４ 裏面
３５，４３５，５３５，６３５，７３５，８３５，９３５，１０３５，１１３５ 先端面
３６，４３６，５３６，６３６，７３６，８３６，９３６，１０３６，１１３６ 縮径部
３７ 凹部
４１ 放電面
４２ 底面
４３，４４３，５４３，６４３，７４３，８４３，９４３，１０４３，１１４３ 外周面
４４，４５，４４４，４４５，５４４，５４５，６４４，６４５，７４４，７４５，８４４，８４５，９４４，９４５，１０４４，１０４５，１１４４，１１４５ 端面
５０，４５０，５５０，６５０，７５０，８５０，９５０，１０５０，１１５０ 溶融部
５１，４５１，５５１，６５１，７５１，８５１，９５１，１０５１，１１５１ 貫通溶融部
５２，４５２，５５２，６５２，７５２，８５２，９５２，１０５２，１１５２ くさび形溶融部

Claims (3)

1. 中心電極に間隙を有して配置された先端部と、主体金具に接合された基端部とを有する接地電極と、
   前記接地電極における前記中心電極に対向する対向面に埋設された、Ｉｒを主成分とするチップとを有し、
   前記チップと前記接地電極とは、両者の溶融により形成された溶融部により接合されてなるスパークプラグであって、
   前記接地電極は、前記チップの前記基端部側の端面が配置された位置において、前記幅方向に縮径する縮径部を有し、
   前記溶融部は、前記チップの前記基端部側の端面を通ると共に、前記接地電極の前記対向面に隣接する側面のうちの一方の側面から前記接地電極の幅方向に対向する他方の側面まで貫通する貫通溶融部を少なくとも有することを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記貫通溶融部は、Ｉｒの含有率が４０質量％以下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. 前記チップは、前記中心電極に対向する放電面の面積が４．５ｍｍ ^２ 以上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。

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