JP2017191655A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】貴金属チップの耐剥離性を向上させる。【解決手段】スパークプラグは、中心電極と、接地電極と、接地電極の一端部の近傍に溶融部を介して接合された貴金属チップと、を備える。溶融部は、接地電極の幅方向において接地電極の両方の側端部よりも内側の側端部から離れた位置にそれぞれ存在するように、貴金属チップの外形よりも外側にまで広がって形成されている。また、溶融部は、接地電極の幅方向における貴金属チップの２つの側端部のうち少なくとも一方の側端部の近傍において、接地電極の一端部から離れる方向へ突出する溶融突出部を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

一般に、スパークプラグは、その先端側に中心電極と接地電極とを有している。また、従来から、スパークプラグに対する着火性の向上や耐消耗性の向上の要求に応えるために、接地電極の一端部の近傍に貴金属チップを接合したスパークプラグが用いられている。

一般に、貴金属チップと接地電極は熱膨張率が異なるため、スパークプラグの使用により冷熱サイクルを受けると、貴金属チップが接地電極から剥離してしまう可能性がある。そこで、従来から、貴金属チップの剥離を防止するためにその接合方法にさまざまな工夫がなされている（特許文献１，２）。

特開２００５−１２３１８２号公報 特開２０１２−０７４２７１号公報

しかしながら、近年では、より過酷な使用環境でスパークプラグが使用される可能性が高まっており、貴金属チップの耐剥離性の更なる向上が要求されている。

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、中心電極と、接地電極と、前記中心電極と放電ギャップを介して対向する放電面を有し前記接地電極の一端部の近傍に溶融部を介して接合された貴金属チップと、を備えたスパークプラグが提供される。このスパークプラグは、前記放電面に垂直な方向に前記接地電極と前記貴金属チップと前記溶融部を投影したときに、前記接地電極の幅方向において前記接地電極の両方の側端部よりも内側の前記側端部から離れた位置に前記溶融部がそれぞれ存在するように、前記溶融部が前記貴金属チップの外形よりも外側にまで広がって形成されているとともに、前記接地電極の幅方向における前記貴金属チップの２つの側端部のうち少なくとも一方の側端部の近傍において前記接地電極の前記一端部から離れる方向へ突出する溶融突出部を有することを特徴とする。
このスパークプラグによれば、溶融突出部の存在によって、接地電極と貴金属チップの境界近傍における酸化スケールの発生を抑制することができ、貴金属チップの対剥離性が向上する。

（２）上記スパークプラグにおいて、前記放電面に垂直な方向に前記接地電極と前記貴金属チップと前記溶融部を投影したときに、
前記接地電極の幅方向における前記貴金属チップの最大チップ幅をＷ、
前記貴金属チップの中央を通り、前記幅方向と垂直な長手方向に延びる直線をＬａ、
前記貴金属チップの前記一方の側端部に接し、前記長手方向に伸びる接線をＬｂ、
前記直線Ｌａからの前記幅方向の距離が±Ｗ／４以内である範囲内において、前記溶融部のうち前記接地電極の前記一端部から最も遠い第１位置をＰ１、
前記接線Ｌｂからの前記幅方向の距離が±０．２ｍｍ以内である範囲内において、前記溶融突出部のうち前記接地電極の前記一端部から最も遠い第２位置をＰ２、
前記長手方向における前記第２位置Ｐ２と前記第１位置Ｐ１との間の長さをΔｙとしたとき、
Δｙ≧０．１ｍｍ、
であるものとしてもよい。
この構成によれば、貴金属チップの対剥離性が更に向上する。

（３）上記スパークプラグにおいて、前記放電面に垂直な方向に前記接地電極と前記貴金属チップと前記溶融部を投影したときに、前記溶融突出部は、前記接地電極の幅方向における前記貴金属チップの前記２つの側端部の近傍にそれぞれ存在するものとしてもよい。
この構成によれば、２つの溶融突出部を有するので、貴金属チップの対剥離性が更に向上する。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、スパークプラグの製造方法、スパークプラグ用の接地電極の製造方法等の形態で実現することができる。

一実施形態としてのスパークプラグを示す正面図。 接地電極の先端部を貴金属チップの放電面に垂直な方向に投影した平面図。 接地電極の形状的特徴の説明図。 貴金属チップの接合工程を示す説明図。 貴金属チップの接合工程を示す説明図。 他の実施形態における貴金属チップの接合工程を示す説明図。 更に他の実施形態における貴金属チップの接合工程を示す説明図。 図７の整合工程によって得られた接地電極を示す説明図。 他の実施形態における接地電極を示す説明図。 更に他の実施形態における接地電極を示す説明図。 更に他の実施形態における接地電極を示す説明図。 溶融突出部による酸化スケールの進展への影響の実験結果を示す図。 溶融突出部による酸化スケールの進展への影響の実験結果を示す図。 溶融突出部による酸化スケールの進展への影響の実験結果を示す図。 溶融突出部による酸化スケールの進展への影響の実験結果を示す図。

図１は、本発明の一実施形態としてのスパークプラグ１００を示す正面図である。図１において、スパークプラグ１００の火花放電ギャップＳＧが存在する下側をスパークプラグ１００の先端側と定義し、上側を後端側と定義して説明する。このスパークプラグ１００は、絶縁体１０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０と、主体金具５０とを備えている。絶縁体１０は、軸線Ｏに沿って延びる軸孔を有している。なお、軸線Ｏを「中心軸」とも呼ぶ。中心電極２０は、軸線Ｏに沿って延びる棒状の電極であり、絶縁体１０の軸孔内に挿入された状態で保持されている。接地電極３０は、その基端部が主体金具５０の主体金具先端部５１の先端面５２に固定され、先端部が中心電極２０と対向する電極である。端子金具４０は、電力の供給を受けるための端子であり、中心電極２０に電気的に接続されている。中心電極２０の先端には、貴金属チップ２２が溶接されており、接地電極３０の一端部の近傍の内面にも貴金属チップ３２が溶接されている。接地電極３０の貴金属チップ３２の表面は、接地電極３０の放電面としての機能を有する。これらの貴金属チップ２２，３２は、Ｐｔ（白金）やＩｒ（イリジウム）などの貴金属、又は、貴金属を含む合金で形成されている。中心電極２０の貴金属チップ２２は省略してもよい。なお、図１では、図示の便宜上、これらの貴金属チップ２２，３２が実際よりも大きなサイズで描かれている。２つのチップ２２，３２の間には、火花放電ギャップＳＧが形成されている。主体金具５０は、絶縁体１０の周囲を覆う筒状の部材であり、絶縁体１０を内部に固定している。主体金具５０の外周には、ねじ部５４が形成されている。ねじ部５４は、ねじ山が形成された部位であり、スパークプラグ１００をエンジンヘッドに取付ける際にエンジンヘッドのねじ孔に螺合する。ねじ部５４の先端側には、ねじ山が形成されていない主体金具先端部５１がある。

図２（Ａ）は、実施形態のスパークプラグの接地電極３０の先端部を、貴金属チップ３２の表面（放電面）に垂直な方向に投影した平面図である。ここでは、接地電極３０の幅方向Ｘと、それに垂直な長手方向Ｙとが示されている。貴金属チップ３２は、接地電極３０の長手方向の端部３０ｅｄの近傍に溶融部３４を介して接合されている。この溶融部３４は、例えば、レーザー溶接で貴金属チップ３２を接地電極３０に接合する際に形成される部分であり、貴金属チップ３２の外形よりも外側にまで広がって形成されている。また、溶融部３４は、貴金属チップ３２の裏面側の全体にわたって形成されている。溶融部３４は、長手方向Ｙにおいて接地電極３０の端部３０ｅｄに達していることが好ましい。幅方向Ｘにおける溶融部３４の左右には、接地電極３０の母材部分（溶融部となっていない部分）が存在する。換言すれば、この平面図において、溶融部３４は、接地電極３０の幅方向Ｘにおいて、接地電極３０の両方の側端部３０ｓよりも内側の位置であって、かつ、両方の側端部３０ｓから離れた位置に、溶融部３４がそれぞれ存在するように形成されている。この溶融部３４は、更に、接地電極３０の幅方向Ｘにおける貴金属チップ３２の一方の側端部３２ｓの近傍において、長手方向Ｙにおける接地電極３０の端部３０ｅｄから離れる方向へ突出する溶融突出部３４ｐを有する。この溶融突出部３４ｐは、後述するように、溶融部３４と接地電極３０との間の境界近傍における酸化スケールの発生を抑制する効果を有する。なお、以下の説明では、貴金属チップ３２や溶融部３４と区別するために、これらを含まない接地電極３０の部分を「接地電極母材３０」とも呼ぶ。

図２（Ｂ）は、比較例としての接地電極１３０の平面図を示している。この比較例は、溶融部３４が溶融突出部３４ｐを有していない点を除いて、図２（Ａ）に示した実施形態と同じ構成を有する。ここでは、溶融部３４の中心Ｃを始点として、接地電極母材３０の熱膨張の大きさを示す熱膨張ベクトルＥ３０と、溶融部３４の熱膨張の大きさを示す熱膨張ベクトルＥ３４とを示している。また、図２（Ｂ）の右側には、これらの熱膨張ベクトルＥ３０，Ｅ３４のＸ方向成分Ｅ３０ｘ，Ｅ３４ｘとＹ方向成分Ｅ３０ｙ，Ｅ３４ｙも示している。一般に、接地電極母材３０の熱膨張ベクトルＥ３０は、溶融部３４の熱膨張ベクトルＥ３４よりも大きい。溶融部３４の中心Ｃから遠い位置では、溶融部３４と接地電極母材３０の熱膨張量の差が大きいので、接地電極母材３０が高温になると、溶融部３４と接地電極母材３０の界面に大きな応力が発生する。高温時にこのような大きな応力が発生すると、溶融部３４と接地電極母材３０の界面に酸化物（酸化スケール）が形成されて進展し易くなる傾向にある。このような酸化スケールは、貴金属チップ３２の対剥離性を低下させる要因となる。

一方、図２（Ａ）に示す実施形態では、金属チップ３２の一方の側端部３２ｓの近傍に溶融突出部３４ｐが形成されているので、この溶融突出部３４ｐが、接地電極母材３０のＸ方向に沿った熱膨張を妨害する障害物として機能する。この結果、接地電極母材３０の熱膨張ベクトルＥ３０のＸ方向成分Ｅ３０ｘが図２（Ｂ）に示す比較例に比べて小さくなり、溶融部３４と接地電極母材３０の熱膨張量の差（特にＸ方向成分Ｅ３０ｘ，Ｅ３４ｘの差）も小さくなる。従って、この実施形態では、溶融部３４と接地電極母材３０の界面に発生する応力が比較例よりも小さくなり、酸化スケールの形成も抑制されるので、貴金属チップ３２の対剥離性が向上する。

図３は、図２（Ａ）に示した接地電極３０の形状的特徴の説明図である。ここでは、以下のような符号が使用されている。
（１）最大チップ幅Ｗ：接地電極３０の幅方向Ｘにおける貴金属チップ３２の最大幅
（２）直線Ｌａ：貴金属チップ３２の中央を通り接地電極３０の長手方向Ｙに延びる直線
（３）接線Ｌｂ：貴金属チップ３２の側端部３２ｓに接し、長手方向Ｙに伸びる接線
（４）第１位置Ｐ１：溶融部３４のうち、直線Ｌａからの幅方向Ｘの距離が±Ｗ／４以内である範囲内において接地電極３０の一端部３０ｅｄから最も遠い部分の位置
（５）第２位置Ｐ２：溶融突出部３４ｐのうち、接線Ｌｂからの幅方向Ｘの距離が±０．２ｍｍ以内である範囲内において接地電極３０の一端部３０ｅｄから最も遠い部分の位置
（６）長さΔｙ：長手方向Ｙにおける第２位置Ｐ２と第１位置Ｐ１との間の長さ

第２位置Ｐ２と第１位置Ｐ１との間の長さΔｙは、以下を満足することが好ましい。
Δｙ≧０．１ｍｍ …（１）
この（１）式を満足すれば、溶融突出部３４ｐが長手方向Ｙに沿って十分に長く突出しているので、貴金属チップ３２の対剥離性が更に向上する。なお、この長さΔｙは、図３の平面図において接地電極３０の内面３０ｉｎで観察される寸法であり、接地電極３０の内部（内面３０ｉｎよりも深い部分）では、溶融突出部３４ｐがより奥の方向（図３の−Ｙ方向）に伸びていてもよい。

図４，図５は、接地電極３０に貴金属チップ３２を接合する工程を示す説明図である。図４（Ｂ）は貴金属チップ３２を載置するための接地電極３０の平面図であり、図４（Ａ）はそのＡ−Ａ断面図であって、貴金属チップ３２を載置する様子を示している。接地電極３０の端部３０ｅｄの近傍には、貴金属チップ３２を載置するための載置部３０ｒが形成される。この載置部３０ｒは、接地電極３０の内面３０ｉｎよりも窪んだ凹状部分である。

図５は、接地電極３０に貴金属チップ３２を載置した後に、照射部２００を用いてレーザー光ＬＢを照射する様子を示している。レーザー光ＬＢは、接地電極３０の端部３０ｅｄの側から接地電極３０と貴金属チップ３２の境界を照射しており、接地電極３０と貴金属チップ３２の境界を溶融させて溶融部３４（図２，図３）を形成することによって両者を接合する。このとき、照射部２００を、接地電極３０の幅方向Ｘに沿って往復で走査させることによって、レーザー光ＬＢを接地電極３０の幅方向Ｘに走査させることが好ましい。例えば、往路（＋Ｘ方向の走査）では、接地電極３０と貴金属チップ３２の境界よりも貴金属チップ３２にやや寄った位置で走査が行われ、復路（−Ｘ方向の走査）では、接地電極３０と貴金属チップ３２の境界よりも接地電極３０にやや寄った位置で走査が行われる。この接合方法では、レーザー光ＬＢの照射を制御することによって溶融突出部３４ｐを形成することができ、貴金属チップの対剥離性を向上させることが可能である。特に、接地電極３０と貴金属チップ３２の境界よりも接地電極３０にやや寄った位置で走査を行う場合に、貴金属チップ３２の両方の側端部３２ｓの近傍においてレーザー光ＬＢの出力を十分な大きさに維持することにより、貴金属チップ３２の側端部３２ｓの近傍に形成される溶融突出部３４ｐを大きくすることが可能である。

なお、通常は貴金属チップ３２よりも接地電極母材３０の方が溶融し易いので、図５のようにレーザー光ＬＢを照射して接合を行うと、貴金属チップ３２の裏面側に、貴金属チップ３２の外形よりも広い範囲にわたって溶融部３４が形成される。また、接地電極３０の内部における溶融部３４の範囲は、接地電極３０の内面３０ｉｎで観察される範囲よりも、より長手方向Ｙの奥側（図３の−Ｙ側）の範囲にわたって広がる。

図６は、他の実施形態における貴金属チップ３２の接合工程を示す説明図である。この例では、接地電極３０に凹状の載置部３０ｒ（図４）が形成されておらず、接地電極３０の内面３０ｉｎ上に貴金属チップ３２が載置される。この場合にも、図５と同様に、接地電極３０と貴金属チップ３２の境界にレーザー光ＬＢを照射することにより、接地電極３０と貴金属チップ３２の境界を溶融させて溶融部３４（図２，図３）を形成することが可能である。

図７は、他の実施形態における貴金属チップ３２の接合工程を示す説明図である。この例では、貴金属チップ３２の端部３２ｅｄが、接地電極３０の端部３０ｅｄよりも長手方向Ｙの外側に突出した状態で貴金属チップ３２が接地電極３０に載置され、レーザー光ＬＢが照射される。この場合には、照射部２００を斜めに傾けて、接地電極３０と貴金属チップ３２の境界にレーザー光ＬＢを照射するようにしてもよい。

図８は、図７の接合工程によって貴金属チップ３２が接合された接地電極３０を示している。この例では、貴金属チップ３２の長手方向の端部３２ｅｄが、接地電極３０の端部３０ｅｄよりも長手方向Ｙに突出した状態で、貴金属チップ３２が接地電極３０に接合されている。この場合にも、図３と同様に、溶融部３４に溶融突出部３４ｐが形成されているので、図３と同様な効果を奏する。

図９は、他の実施形態における接地電極３０を示す説明図である。この接地電極３０は、接地電極３０の幅方向Ｘにおける貴金属チップ３２の２つの側端部３２ｓの両方の近傍に、溶融突出部３４ｐがそれぞれ形成されている点が図３と異なっており、他の構成は図３と同じである。この場合にも、２つの溶融突出部３４ｐのそれぞれが、上述した（１）式を満足することが好ましい。溶融部３４に２つの溶融突出部３４ｐを設けるようにすれば、貴金属チップ３２の対剥離性を更に向上させることが可能である。

図１０，図１１は、更に他の実施形態における接地電極３０を示す説明図である。図１０の接地電極３０は、貴金属チップ３２の平面形状が台形である点が図９と異なっており、他の構成は図９と同じである。また、図１１の接地電極３０は、貴金属チップ３２の平面形状が円形である点が図９と異なっており、他の構成は図９と同じである。これらの接地電極３０も、図９に示した接地電極とほぼ同様の効果を奏する。なお、これらの場合にも、２つの溶融突出部３４ｐの一方は省略可能である。

図１２は、溶融突出部３４ｐによる酸化スケールの進展への影響に関する実験結果を示す図である。使用したサンプルの形状は図３と同様であり、その仕様は以下の通りである。
・接地電極３０：Ｎｉ系合金、１．３ｍｍ×２．７ｍｍ
・貴金属チップ３２：Ｐｔ−Ｎｉ合金、１．３ｍｍ×１．３ｍｍ
・溶融突出部３４ｐの個数：１カ所
・２つの位置Ｐ１，Ｐ２の間の長さΔｙ：０．０５ｍｍ〜０．２０ｍｍ
・溶融突出部３４ｐの位置Δ：−０．４ｍｍ〜＋０．４ｍｍ
なお、溶融突出部３４ｐの位置Δは、溶融突出部３４ｐのうちの最も突出した部分が、貴金属チップ３２の側端部３２ｓの接線Ｌｂ上にあるときを±０とし、接線Ｌｂよりも貴金属チップ３２の外側にずれた位置をプラスとし、接線Ｌｂよりも貴金属チップ３２の内部にずれた位置をマイナスとした。

図１２の試験条件は、以下の通りである。
・温度条件：接地電極３０の先端の最高温度１１００℃
・冷熱サイクル：２分加熱１分徐冷で３０００サイクル

各サンプルについて、冷熱サイクルの後に、接地電極３０の中心を通る直線Ｌａにおいて接地電極３０と貴金属チップ３２を切断して金属顕微鏡で観察し、両者の界面で進展する酸化スケールの長さを測定した。また、酸化スケールの進展長さを界面の長さで除算した値を、酸化スケール進展率として算出した。図１２において、白の二重丸が付されているサンプルは、酸化スケール進展率が５０％未満であったことを示し、白丸が付されているサンプルは、酸化スケール進展率が５０％以上であったことを示している。但し、白丸が付されているサンプルも、溶融突出部３４ｐの無いサンプル（図示省略）に比べると、酸化スケール進展率は小さくなっている。一般に、接地電極３０と貴金属チップ３２の界面における酸化スケールの進展率が小さいほど、貴金属チップ３２の対剥離性が高い傾向にある。

図１２の実験結果から理解できるように、溶融突出部３４ｐの位置Δは、貴金属チップ３２の側端部３２ｓの接線Ｌｂからの幅方向Ｘの距離が±０．２ｍｍ以内の範囲内にあることが好ましい。また、第２位置Ｐ２と第１位置Ｐ１との間の長さをΔｙは、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。これらのパラメータの範囲を満足すれば、酸化スケール進展率が小さいので、貴金属チップ３２の対剥離性がより向上する。

図１３は、溶融突出部３４ｐによる酸化スケールの進展への影響に関する他の実験結果を示す図である。図１２との実験条件の違いは、平面形状が正方形状の貴金属チップ３２を使用する代わりに、直径１．５ｍｍの円形の貴金属チップ３２を使用した点だけであり、他の実験条件は図１２と同じである。図１３においても、図１２とほぼ同じ結果が得られたことが理解できる。

図１４は、溶融突出部３４ｐによる酸化スケールの進展への影響に関する更に他の実験結果を示す図である。図１２との実験条件の違いは、冷熱サイクル数を５０００サイクルとした点、および、長さΔｙと溶融突出部３４ｐの位置Δのパラメータをより狭い範囲とした点だけであり、他の実験条件は図１２と同じである。図１４の実験結果から、溶融突出部３４ｐの位置Δが貴金属チップ３２の側端部３２ｓの接線Ｌｂ上にあることが最も好ましいことが理解できる。

図１５は、溶融突出部３４ｐによる酸化スケールの進展への影響に関する更に他の実験結果を示す図である。図１４との実験条件の違いは、溶融突出部３４ｐの数を２個とした点だけであり、他の実験条件は図１４と同じである。図１４と図１５の実験結果から、溶融突出部３４ｐを２個設ける方が好ましいことが理解できる。

・変形例
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

・変形例１：
スパークプラグとしては、図１に示したもの以外の種々の構成を有するスパークプラグを本発明に適用することが可能である。特に、端子金具や絶縁体の具体的な形状については、様々な変形が可能である。

１０…絶縁体
２０…中心電極
２２…貴金属チップ
３０…接地電極（接地電極母材）
３０ｅｄ…接地電極の端部
３０ｉｎ…接地電極の内面
３０ｒ…接地電極に形成された貴金属チップの載置部
３０ｓ…接地電極の側端部
３２…貴金属チップ
３２ｅｄ…貴金属チップの端部
３２ｓ…貴金属チップの側端部
３４…溶融部
３４ｐ…溶融突出部
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…主体金具先端部
５２…先端面
５４…ねじ部
１００…スパークプラグ
１３０…接地電極
２００…照射部

Claims (3)

1. 中心電極と、接地電極と、前記中心電極と放電ギャップを介して対向する放電面を有し前記接地電極の一端部の近傍に溶融部を介して接合された貴金属チップと、を備えたスパークプラグであって、
   前記放電面に垂直な方向に前記接地電極と前記貴金属チップと前記溶融部を投影したときに、前記接地電極の幅方向において前記接地電極の両方の側端部よりも内側の前記側端部から離れた位置に前記溶融部がそれぞれ存在するように、前記溶融部が前記貴金属チップの外形よりも外側にまで広がって形成されているとともに、前記接地電極の幅方向における前記貴金属チップの２つの側端部のうち少なくとも一方の側端部の近傍において前記接地電極の前記一端部から離れる方向へ突出する溶融突出部を有す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、
   前記放電面に垂直な方向に前記接地電極と前記貴金属チップと前記溶融部を投影したときに、
   前記接地電極の幅方向における前記貴金属チップの最大チップ幅をＷ、
   前記貴金属チップの中央を通り、前記幅方向と垂直な長手方向に延びる直線をＬａ、
   前記貴金属チップの前記一方の側端部に接し、前記長手方向に伸びる接線をＬｂ、
   前記直線Ｌａからの前記幅方向の距離が±Ｗ／４以内である範囲内において、前記溶融部のうち前記接地電極の前記一端部から最も遠い第１位置をＰ１、
   前記接線Ｌｂからの前記幅方向の距離が±０．２ｍｍ以内である範囲内において、前記溶融突出部のうち前記接地電極の前記一端部から最も遠い第２位置をＰ２、
   前記長手方向における前記第２位置Ｐ２と前記第１位置Ｐ１との間の長さをΔｙとしたとき、
   Δｙ≧０．１ｍｍ、
   であることを特徴とするスパークプラグ。
3. 請求項１に記載のスパークプラグであって、
   前記放電面に垂直な方向に前記接地電極と前記貴金属チップと前記溶融部を投影したときに、前記溶融突出部は、前記接地電極の幅方向における前記貴金属チップの前記２つの側端部の近傍にそれぞれ存在することを特徴とするスパークプラグ。

Images