JP5639675B2 - 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、軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、前記軸孔に挿設された中心電極と、前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、前記主体金具に固定された棒状の接地電極とを備えている。また、接地電極の先端部と中心電極の先端部との間には間隙が形成され、当該間隙に電圧を印加することで、火花放電を生じさせるようになっている。また近年では、火花放電に対する耐消耗性の向上を図るべく、接地電極の先端部に、貴金属合金などの耐久性に優れる金属からなるチップを接合し、当該チップと中心電極との間に前記間隙を形成する手法が提案されている。一般にチップは、レーザー溶接や抵抗溶接等により形成された、接地電極とチップとが溶け合ってなる溶融部により接地電極に対して接合されている。

ところで、接地電極における耐久性（耐酸化性）を向上させるために、その表面に亜鉛やニッケル等を主成分とする金属からなるメッキ層を設けることがある。このようなメッキ層が表面に形成された接地電極に対して前記チップを接合するにあたっては、接地電極に対するチップの接合強度を向上させるために、接地電極の先端部をメッキ層で覆うことなく構成し、メッキ層で覆われていない接地電極の先端部に前記チップを接合する手法が知られている。ここで、接地電極の先端部がメッキ層で覆われないようにする手法としては、接地電極の先端部にマスキングを施した上で、接地電極にメッキ処理を施す手法や、接地電極の表面全域にメッキ層を一旦設けた上で、接地電極の先端部を酸性の剥離液に浸漬すること等により、接地電極の先端部を覆うメッキ層を除去する手法などがある（例えば、特許文献１等参照）。

特開２００１−６８２５０号公報

しかしながら、上述の手法では、接地電極におけるチップの接合予定部位だけでなく、接地電極の比較的広範囲がメッキ層で覆われず、外部に露出することとなる。従って、メッキ層を設けることによる接地電極における耐久性の向上効果が十分に奏されないおそれがある。

これに対して、接地電極の表面全域にメッキ層を設けたまま、接地電極及びチップ間にメッキ層を介在させた状態で、レーザー溶接等により、接地電極に対してチップを溶接する手法が考えられる。当該手法によれば、接地電極における良好な耐久性と、メッキ層の除去等が不要となることによる製造コストの削減とを図ることができると考えられる。

ところが、この場合には、チップや、チップ及び接地電極が溶け合ってなる溶融部（つまり、チップの構成材料を含む部分）に対してメッキ層が接触することとなる。そして、この状態では、チップ等とメッキ層との間における熱膨張係数の相違から、加熱に伴う熱膨張により、チップ等のうち前記間隙側に位置する面（放電面）に対して、メッキ層が接触して（乗り上げて）しまいやすくなる。さらに、冷熱サイクルの繰り返しに伴い、チップ等の放電面に対するメッキ層の接触が繰り返し発生してしまうと、メッキ層のうち前記放電面に接触し得る部位において剥離が生じてしまうおそれがある。ここで、メッキ層が剥離してしまうと、剥離したメッキ層が前記間隙に入り込んでしまい、前記間隙において火花放電を発生させることができなくなってしまう（すなわち、失火が生じてしまう）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、接地電極の耐久性を良好なものとすることができ、さらには、チップ等の放電面への接触に伴うメッキ層の剥離をより確実に防止することができるスパークプラグを提供することにある。

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、軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、
前記軸孔の先端側に挿設された中心電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端部に配置された接地電極と、
自身の一端面が前記接地電極に溶接され、自身の他端面が前記中心電極の先端部との間で間隙を形成する柱体のチップとを備えるスパークプラグであって、
前記接地電極の表面には、前記チップが接合される面において前記チップの構成材料を含む部分との間で全周にわたって隙間を形成するとともに、前記接地電極の表面のうち前記隙間の形成部位を除いた面を覆うメッキ層が設けられ、
前記隙間の大きさＡが０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることを特徴とする。

尚、「接地電極の表面のうち隙間の形成部位を除いた面を覆う」とあるのは、メッキ層が接地電極の表面のうち隙間の形成部位以外の全域を覆う場合でなく、隙間の形成部位以外のほぼ全域を覆う場合も含む。つまり、接地電極の表面のうち隙間の形成部位以外の一部がメッキ層で覆われていない場合も含む。

また、「チップの構成材料を含む部分」とあるのは、チップ自体や、チップ及び接地電極が溶け合ってなる溶融部をいう。例えば、チップの側面の外周全域に溶融部が形成されている場合、隙間は、溶融部とメッキ層との間に形成され、チップの側面の外周の一部に溶融部が形成されている場合、隙間は、溶融部とメッキ層との間、及び、チップ側面のうち外周に溶融部が形成されていない面とメッキ層との間に形成される。また、抵抗溶接により接地電極に対してチップを接合する場合など、溶融部がほとんど形成されない場合、隙間は、チップの側面とメッキ層との間に形成される。

上記構成１によれば、チップの構成材料を含む部分（チップや溶融部）とメッキ層との間に隙間が形成されており、当該隙間の大きさＡが０．０１ｍｍ以上とされている。従って、加熱に伴う熱膨張により、チップや溶融部のうち中心電極側に位置する面に対して、メッキ層が接触して（乗り上げて）しまうことを効果的に抑制できる。その結果、チップの他端面等への接触に伴うメッキ層の剥離をより確実に防止することができ、ひいてはメッキ層の剥離に伴う失火等を抑制することができる。

さらに、上記構成１によれば、接地電極の表面は隙間の形成部位を除いてメッキ層で覆われ、かつ、前記隙間の大きさＡが０．５ｍｍ以下とされている。従って、メッキ層及び接地電極間に対する酸素等の侵入を抑制することができ、接地電極に対する酸素等の接触をより確実に防止することができる。その結果、接地電極において優れた耐久性を実現することができる。

構成２．本構成のスパークプラグは、上記構成１において、前記メッキ層のうち前記チップに最も接近する部位の表面から前記チップの他端面までの前記チップの中心軸に沿った距離Ｂが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする。

上記構成２によれば、距離Ｂが０．２ｍｍ以下とされており、チップの他端面（放電面）とメッキ層の表面とがほぼ面一となるように構成されている。従って、チップの他端面だけでなく、メッキ層の表面においても中心電極との間でも火花放電が生じやすくなり、チップのみが局所的に消耗してしまうことをより確実に防止できる。また、接地電極からのチップの突出が抑制されることとなり、チップの過熱をより確実に防止することができる。これらの結果、火花放電に対する耐消耗性を顕著に向上させることができる。

尚、距離Ｂが小さい場合には、チップの他端面に対してメッキ層が接近するため、加熱に伴う熱膨張による、チップや溶融部のうち中心電極側に位置する面に対するメッキ層の接触（乗り上げ）がより一層生じやすくなり、チップの他端面等への接触に伴うメッキ層の剥離がより懸念される。しかしながら、上記構成１を採用することで、上記構成２のように距離Ｂが０．２ｍｍ以下とされた場合であっても、チップの他端面等に対するメッキ層の接触、ひいては接触に伴うメッキ層の剥離をより確実に防止することができる。換言すれば、上記構成１は、距離Ｂが０．２ｍｍ以下とされ、チップの他端面等に対するメッキ層の接触が特に生じやすいスパークプラグにおいて、非常に有効である。

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、前記隙間の大きさＡが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする。

上記構成３によれば、前記隙間の大きさＡが０．２ｍｍ以下とされている。従って、接地電極に対する酸素等の接触を一層確実に防止することができ、接地電極の耐久性をさらに向上させることができる。

構成４．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、前記隙間の大きさＡが０．１ｍｍ以下であることを特徴とする。

上記構成４によれば、前記隙間の大きさＡが０．１ｍｍ以下とされている。従って、接地電極に対する酸素等の接触をより一層確実に防止することができ、接地電極の耐久性を一段と向上させることができる。

構成５．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記メッキ層のうち前記チップの構成材料を含む部分との間で前記隙間を形成する内周端から、前記チップの中心軸と直交する方向に沿って前記チップから離間する方向に０．４ｍｍまでの範囲内において、前記メッキ層に溝部が形成されていることを特徴とする。

上記構成５によれば、メッキ層の内周端からチップより離間する方向に０．４ｍｍまでの範囲内において、メッキ層に溝部が形成されている。すなわち、メッキ層のうち、加熱に伴う熱膨張によりチップの他端面等に接触して（乗り上げて）しまいやすい部位に溝部が形成されている。従って、加熱時において溝部側へとメッキ層を熱膨張させることができ、チップ側に対するメッキ層の熱膨張を抑制することができる。これにより、熱膨張に伴う、チップの他端面等に対するメッキ層の接触を極めて効果的に抑制することができ、ひいてはメッキ層の剥離防止効果を格段に高めることができる。

構成６．本構成のスパークプラグは、上記構成１乃至５のいずれかにおいて、前記メッキ層のうち前記隙間側に位置する部位は、自身の表面から前記チップの他端面までの前記チップの中心軸に沿った距離が、前記チップ側に近づくにつれて徐々に大きくなることを特徴とする。

上記構成６によれば、接地電極が高温となり熱膨張したときに、チップの他端面等にメッキ層がより接触しにくく（乗り上げにくく）なる。従って、メッキ層の剥離をより一層確実に防止することができる。

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。 メッキ層及び接地電極側チップ間に形成された隙間等を示す断面図である。 接地電極及び接地電極側チップ等を示す拡大平面図である。 溝部等を示す拡大平面図である。 接地電極側チップの外周に形成された溶融部等を示す断面図である。 溶融部とメッキ層との間に形成された隙間等を示す拡大平面図である。 別の実施形態における、溶融部の構成を示す拡大平面図である。 別の実施形態における、接地電極に接合された接地電極側チップを示す断面図である。 別の実施形態におけるメッキ層を示す断面図である。

以下に、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。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、筒状をなす絶縁体としての絶縁碍子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、当該軸孔４の先端側には中心電極５が挿設されている。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）〕等からなる内層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、その先端面が平坦に形成されるとともに、絶縁碍子２の先端から突出している。また、中心電極５の先端部には、所定の金属〔例えば、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、又は、これらの少なくとも一種を主成分とする合金など〕からなる円柱状の中心電極側チップ３１が設けられている。

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、前記主体金具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よりも後端側には鍔状の座部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の後端側の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、両段部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、ほぼ中間にて曲げ返されて、その先端部が中心電極５の先端部（中心電極側チップ３１）と対向する棒状の接地電極２７が接合されている。当該接地電極２７は、Ｎｉを主成分とする合金（例えば、Ｎｉを主成分とし、ケイ素、アルミニウム、及び、希土類元素の少なくとも一種を含有する合金）により構成されている。

また、接地電極２７のうち中心電極５（中心電極側チップ３１）の先端面と対向する部位には、円板状をなす接地電極側チップ３２（本発明の「チップ」に相当する）の一端面が接合されている。当該接地電極側チップ３２は、所定の金属（例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｗ、Ｐｄ、又は、これらの少なくとも一種を主成分とする合金など）によって構成されている。尚、本実施形態において、前記貴金属チップ３２は、製造コストの抑制を図るべく、比較的薄肉（例えば、０．４ｍｍ以下）とされている一方で、耐消耗性の向上を図るべく、その他端面（放電面）３２Ｆの面積が比較的大きなもの（例えば、０．３ｍｍ²以上）とされている。

加えて、接地電極側チップ３２の他端面３２Ｆと中心電極５（中心電極側チップ３１）の先端面との間には、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。

また、図３及び図４（尚、図３では、図示の便宜上、メッキ層３５を実際よりも厚く示している）に示すように、接地電極２７は、その表面に、接地電極２７の母材が露出する母材露出部２７Ｅを有し、当該母材露出部２７Ｅを除いた部分が、Ｎｉを主成分とする金属からなる薄肉（例えば、厚さが１０μｍ以下）のメッキ層３５で覆われている。そして、前記母材露出部２７Ｅに対して接地電極側チップ３２の一端面が接合されている。

尚、母材露出部２７Ｅは、接地電極２７の表面全域にメッキ層を設けた上で、メッキ層の一部を剥離させる手法や、接地電極２７の一部をマスキングした上でメッキ層を設ける手法などにより形成することができる。

また、本実施形態では、母材露出部２７Ｅに対して接地電極側チップ３２を載置した上で、接地電極２７の先端面側から、母材露出部２７Ｅ及び接地電極側チップ３２の接触面に対してレーザービーム（例えば、ファイバーレーザー）を照射し、接地電極２７及び接地電極側チップ３２の双方が溶融してなる溶融部３６を形成することで、接地電極側チップ３２が接地電極２７に溶接されている。

さらに、本実施形態では、接地電極２７のうち接地電極側チップ３２が接合される面において、接地電極側チップ３２の側面３２Ｓとメッキ層３５との間には、隙間３７が形成されており、当該隙間３７の大きさＡが０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下（より好ましくは、０．２ｍｍ以下。より一層好ましくは、０．１ｍｍ以下）とされている。すなわち、接地電極側チップ３２に対してメッキ層３５が接触しないように構成される一方で、接地電極２７の表面のうちメッキ層３５で覆われていない部位の面積が非常に小さくなるように構成されている。

加えて、メッキ層３５のうち、接地電極側チップ３２に最も接近する部位の表面から接地電極側チップ３２の他端面３２Ｆまでの接地電極側チップ３２の中心軸ＣＬ２に沿った距離Ｂが０．２ｍｍ以下とされている。すなわち、メッキ層３５に対して、接地電極側チップ３２の他端面３２Ｆが過度に突出したり、没入したりすることなく、メッキ層３５の表面と前記他端面３２Ｆとがほぼ面一となるように構成されている。

また、本実施形態では、メッキ層３５のうち接地電極側チップ３２の側面３２Ｓとの間で前記隙間３７を形成する内周端３５Ｅから、前記接地電極側チップ３２の中心軸ＣＬ２と直交する方向に沿って接地電極側チップ３２から離間する方向に０．４ｍｍまでの範囲内ＲＡ（図４中、散点模様を付した部位）において、メッキ層３５には、図５に示すように、接地電極側チップ３２の周方向に沿って延びる筋状の溝部３８が複数形成されている。本実施形態において、溝部３８は、その幅が０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下とされている。

尚、溝部３８は、溶融部３６を形成する際において、メッキ層３５を急速に加熱・冷却し、メッキ層３５を急激に膨張・収縮させることで形成することができる。また、メッキ層３５は、上述の通り比較的薄肉であるため、溝部３８は、メッキ層３５の表面から接地電極２７の表面にかけて貫通した状態となっている。

尚、上記においては、接地電極側チップ３２の側面とメッキ層３５との間に隙間３７が形成されているが、隙間３７は、接地電極側チップ３２の構成材料を含む部分とメッキ層３５との間に形成される。従って、例えば、図６及び図７（尚、図６では、図示の便宜上、メッキ層３５を実際よりも厚く示している）に示すように、接地電極側チップ３２の外周の周方向全域に亘って、接地電極側チップ３２と接地電極２７とが溶け合ってなる溶融部３９を形成することにより、接地電極２７に対して接地電極側チップ３２を接合する場合には、溶融部３９とメッキ層３５との間に隙間４０が形成されることとなる。そして、隙間４０の大きさＡが０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下（より好ましくは、０．２ｍｍ以下。より一層好ましくは、０．１ｍｍ以下）とされる。

以上詳述したように、本実施形態によれば、接地電極側チップ３２の側面３２Ｓ又は溶融部３９とメッキ層３５との間には隙間３７又は隙間４０が形成されており、隙間３７，４０の大きさＡが０．０１ｍｍ以上とされている。従って、加熱に伴う熱膨張により、接地電極側チップ３２や溶融部３９のうち中心電極５側に位置する面（他端面３２Ｆ等）に対して、メッキ層３５が接触して（乗り上げて）しまうことを効果的に抑制できる。その結果、接地電極側チップ３２の他端面３２Ｆ等への接触に伴うメッキ層３５の剥離をより確実に防止することができ、ひいてはメッキ層３５の剥離に伴う失火等を抑制することができる。

さらに、接地電極２７の表面は隙間３７，４０の形成部位（つまり、母材露出部２７Ｅ）を除いてメッキ層３５で覆われ、かつ、前記隙間３７，４０の大きさＡが０．５ｍｍ以下とされている。従って、メッキ層３５及び接地電極２７間に対する酸素等の侵入を抑制することができ、接地電極２７に対する酸素等の接触をより確実に防止することができる。その結果、接地電極２７において優れた耐久性を実現することができる。

尚、本実施形態のように、隙間３７，４０の大きさＡを０．２ｍｍ以下とすることで、接地電極２７の耐久性を一段と向上させることができ、隙間３７，４０の大きさＡを０．１ｍｍ以下とすることで、接地電極２７の耐久性を顕著に向上させることができる。

加えて、本実施形態では、前記範囲ＲＡ内において、メッキ層３５に複数の溝部３８が形成されている。すなわち、メッキ層３５のうち、加熱に伴う熱膨張により接地電極側チップ３２の他端面３２Ｆ等に接触して（乗り上げて）しまいやすい部位に溝部３８が形成されている。従って、加熱時において、溝部３８側へとメッキ層３５を熱膨張させることができ、接地電極側チップ３２側に対するメッキ層３５の熱膨張を抑制することができる。これにより、熱膨張に伴う、前記他端面３２Ｆ等に対するメッキ層３５の接触を極めて効果的に抑制することができ、ひいてはメッキ層３５の剥離防止効果を格段に高めることができる。

また、本実施形態では、距離Ｂが０．２ｍｍ以下とされており、接地電極側チップ３２の他端面３２Ｆとメッキ層３５の表面とがほぼ面一となるように構成されている。従って、接地電極側チップ３２の他端面３２Ｆだけでなく、メッキ層３５の表面においても中心電極５（中心電極側チップ３１）との間で火花放電が生じやすくなり、接地電極側チップ３２のみが局所的に消耗してしまうことをより確実に防止できる。また、接地電極２７からの接地電極側チップ３２の突出が抑制されることとなり、接地電極側チップ３２の過熱をより確実に防止することができる。これらの結果、火花放電に対する耐消耗性を顕著に向上させることができる。

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、接地電極の表面にメッキ層を設けるとともに、前記隙間の大きさＡ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、各サンプルについて机上冷熱試験を行った。机上冷熱試験の概要は、次の通りである。すなわち、サンプルに対して、大気雰囲気下にて接地電極側チップの周囲の温度が８００℃となるようバーナーで２分間加熱後、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、メッキ層のうち接地電極側チップの近傍部分における剥離の生じにくさ（耐剥離性）を確認すべく、接地電極側チップの他端面（放電面）に、メッキ層が接触している（乗り上げている）か否かを確認した。ここで、接地電極側チップの他端面にメッキ層が接触していたサンプルは、冷熱サイクルの繰り返しによるメッキ層の剥離が生じてしまいやすいとして「×」の評価を下すこととした。一方で、接地電極側チップの他端面に対してメッキ層が接触していなかったサンプルは、冷熱サイクルの繰り返しによるメッキ層の剥離が生じにくく、耐剥離性に優れるとして「○」の評価を下すこととした。

また、接地電極における耐久性（耐酸化性）を評価すべく、１０００サイクル終了後に、倍率を５０倍とした金属顕微鏡を用い、接地電極側チップの中心軸を含む断面を撮像した。そして、得られた画像に基づいて、接地電極の側面のうち接地電極側チップが接合された面に形成された酸化膜（酸化スケール）を特定するとともに、当該酸化膜の厚さの最大値を計測した。ここで、前記最大値が０．２ｍｍ以上となったサンプルは、接地電極の耐久性が不十分であるとして「×」の評価を下し、一方で、前記最大値が０．２ｍｍ未満となったサンプルは、優れた耐久性を有するとして「○」の評価を下すこととした。

表１に、上記試験の結果を示す。尚、表１において、隙間の大きさＡが０．００ｍｍとあるのは、メッキ層が接地電極側チップの側面に接触していたことを意味する。また、各サンプルともに、Ｎｉを主成分とする金属によりメッキ層を形成し、メッキ層の厚さを約１０μｍとした（以下の試験においても同様）。さらに、各サンプルともに、前記距離Ｂを０．０５ｍｍとした。加えて、各サンプルは、接地電極側チップの側面の外周に溶融部が形成されないように構成し、隙間の大きさＡを０．００ｍｍ超としたサンプルにおいては、接地電極側チップの側面とメッキ層との間に隙間を形成した。

表１に示すように、隙間の大きさＡを０．００ｍｍとしたサンプルは、接地電極側チップの他端面にメッキ層が接触してしまい、メッキ層の剥離が生じやすくなってしまうことが確認された。

さらに、隙間の大きさＡを０．５ｍｍよりも大きくしたサンプルは、接地電極の耐久性に劣ることが分かった。これは、隙間の大きさＡを０．５ｍｍ超としたことで、メッキ層と接地電極側チップとの間に形成された隙間から、接地電極及びメッキ層間に対して酸素等が侵入しやすくなってしまったことによると考えられる。

これに対して、隙間の大きさＡを０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下としたサンプルは、メッキ層の耐剥離性、及び、接地電極の耐久性の双方に優れることが明らかとなった。

上記試験の結果より、メッキ層の剥離を防止しつつ、接地電極において優れた耐久性を実現するという観点から、接地電極のうち接地電極側チップが接合される面において、接地電極側チップの構成材料を含む部分とメッキ層との間に隙間を設けるとともに、当該隙間の大きさＡを０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下とすることが好ましいといえる。

次に、隙間の大きさＡを０．２ｍｍとしたスパークプラグのサンプルと、隙間の大きさＡを０．３ｍｍとしたサンプルとについて、加熱温度を９００℃に変更し、酸化膜がより形成されやすい条件にて上述の机上冷熱試験を行った。そして、１０００サイクル終了後に、上記同様の手法により、メッキ層の耐剥離性、及び、接地電極の耐久性を評価した。

表２に、当該試験の試験結果を示す。尚、各サンプルともに、距離Ｂを０．０５ｍｍとし、接地電極側チップの側面とメッキ層との間に隙間を形成した。

表２に示すように、隙間の大きさＡを０．２ｍｍ以下としたサンプルは、酸化膜がより形成されやすい厳しい条件にも関わらず、接地電極において優れた耐久性を確保できることが分かった。これは、隙間の大きさＡを０．２ｍｍ以下としたことで、メッキ層及び接地電極間に対する酸素等の侵入がより効果的に抑制されたためであると考えられる。

上記試験の結果より、接地電極の耐久性を一層向上させるべく、隙間の大きさＡを０．２ｍｍ以下とすることがより好ましいといえる。

次いで、隙間の大きさＡを０．１ｍｍとしたスパークプラグのサンプルと、隙間の大きさＡを０．２ｍｍとしたサンプルとについて、加熱温度を９５０℃に変更し、酸化膜がより一層形成されやすい条件にて上述の机上冷熱試験を行った。そして、１０００サイクル終了後に、上記同様の手法により、メッキ層の耐剥離性、及び、接地電極の耐久性を評価した。

表３に、当該試験の試験結果を示す。尚、各サンプルともに、距離Ｂを０．０５ｍｍとし、接地電極側チップの側面とメッキ層との間に隙間を形成した。

表３に示すように、隙間の大きさＡを０．１ｍｍ以下としたサンプルは、酸化膜がより一層形成されやすい非常に厳しい条件にも関わらず、接地電極において優れた耐久性を確保できることが確認された。これは、メッキ層及び接地電極間に対する酸素等の侵入が極めて効果的に抑制されたことによると考えられる。

上記試験の結果より、接地電極における耐久性の更なる向上を図るべく、隙間の大きさＡを０．１ｍｍ以下とすることが一層好ましいといえる。

次に、メッキ層の内周端から接地電極側チップより離間する側へ０．４ｍｍまでの範囲（範囲ＲＡ）内に位置する部位において、幅を０．０１ｍｍ又は０．０５ｍｍとした溝部を設けたスパークプラグのサンプルと、前記範囲内において、メッキ層に溝部を設けなかったスパークプラグのサンプルとを作製し、各サンプルについて、加熱温度を１０００℃に変更した上で、上述の机上冷熱試験を行った。そして、１０００サイクル終了後に、上記同様の手法により、メッキ層の耐剥離性、及び、接地電極の耐久性を評価した。尚、加熱温度を１０００℃に変更することで、メッキ層がより大きく熱膨張しやすく、接地電極側チップの他端面に対するメッキ層の接触が極めて生じやすい条件とした。

表４に、当該試験の試験結果を示す。尚、各サンプルともに、隙間の大きさＡを０．１ｍｍとし、距離Ｂを０．０５ｍｍとし、接地電極側チップの側面とメッキ層との間に隙間を形成した。また、溝部の幅は、接地電極に対して接地電極側チップを溶接する際のレーザービームの出力を調節することで変更した。

表４に示すように、メッキ層の所定範囲に溝部を設けたサンプルは、極めて過酷な条件にも関わらず、メッキ層において優れた耐剥離性を実現できることが明らかとなった。これは、加熱時において、溝部側へとメッキ層が熱膨張することで、接地電極側チップ側へのメッキ層の熱膨張が抑制されたためであると考えられる。

上記試験の結果より、メッキ層の剥離をより一層確実に防止するという点から、メッキ層のうち接地電極側チップの構成材料を含む部分との間で前記隙間を形成する内周端から、接地電極側チップの中心軸と直交する方向に沿って接地電極側チップから離間する方向に０．４ｍｍまでの範囲内において、メッキ層に溝部を設けることがより好ましいといえる。

尚、溝部の幅を０．０５ｍｍ超としてしまうと、溝部を通ってメッキ層及び接地電極間に酸素等が侵入しやすくなってしまい、接地電極の耐久性が低下してしまうおそれがある。従って、溝部を設ける場合においては、その幅を０．０５ｍｍ以下とすることが好ましいといえる。また、上述したメッキ層の剥離抑制効果を十分に発揮させるためには、溝部の幅を０．０１ｍｍ以上とすることが好ましいといえる。

次いで、前記距離Ｂを種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、各サンプルについて机上火花耐久試験を行った。机上火花耐久試験の概要は、次の通りである。すなわち、各サンプルを所定のチャンバーに取付けた上で、チャンバー内を窒素雰囲気とするとともに、中心電極を負極とし、かつ、印加電圧の周波数を１００Ｈｚとして（すなわち、毎分６０００回の割合で）火花放電を発生させた。そして、１００時間経過後に、試験後における火花放電間隙の大きさを測定し、試験前における火花放電間隙の大きさに対する増加量（間隙増加量）を算出した。ここで、間隙増加量が０．２ｍｍ以上となったサンプルは、耐消耗性に劣るとして「×」の評価を下すこととし、一方で、間隙増加量が０．２ｍｍ未満となったサンプルは、優れた耐消耗性を有するとして「○」の評価を下すこととした。

表５に、当該試験の試験結果を示す。尚、各サンプルともに、試験前における火花放電間隙の大きさを０．８ｍｍとした。

表５に示すように、距離Ｂを０．２ｍｍ以下としたサンプルは、耐消耗性に優れることが明らかとなった。これは、距離Ｂを０．２ｍｍ以下とし、接地電極側チップの他端面とメッキ層の表面とがほぼ面一となるように構成したことで、接地電極側チップの他端面だけでなく、メッキ層の表面においても中心電極との間で火花放電が生じることとなった点、及び、接地電極側チップの突出が抑制されたことで、接地電極側チップの過熱が防止された点に起因すると考えられる。

上記試験の結果より、火花放電に対する耐消耗性の向上を図るべく、前記距離Ｂを０．２ｍｍ以下とすることが好ましいといえる。

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）上記実施形態において、溶融部３９は、接地電極側チップ３２の外周の周方向全域に亘って形成されているが、図８に示すように、接地電極側チップ３２の外周の周方向の一部に溶融部４１を形成し、当該溶融部４１により、接地電極２７に対して接地電極側チップ３２を接合することとしてもよい。尚、この場合、隙間４２は、接地電極側チップ３２の側面とメッキ層３５との間、及び、溶融部４１とメッキ層３５との間に形成されることとなる。

（ｂ）上記実施形態において、接地電極側チップ３２は、レーザー溶接により接地電極２７に接合されているが、抵抗溶接により、接地電極側チップ３２を接地電極２７に接合することとしてもよい。尚、この場合には、図９（尚、図９では、図示の便宜上、メッキ層３５を実際よりも厚く示している）に示すように、溶融部はほとんど存在しない状態となる。そのため、隙間４３は、接地電極側チップ３２の側面とメッキ層３５との間に形成されることとなる。

（ｃ）上記実施形態において、メッキ層３５のうち前記隙間３７側に位置する部位は、その全域において、自身の表面から接地電極側チップ３２の他端面までの前記中心軸ＣＬ２に沿った距離がほぼ一定となるように構成されている。これに対して、図１０（尚、図１０では、図示の便宜上、メッキ層３５を実際よりも厚く示している）に示すように、メッキ層３５のうち前記隙間３７側に位置する部位を、自身の表面から接地電極側チップ３２の他端面３２Ｆまでの前記中心軸ＣＬ２に沿った距離が、接地電極側チップ３２側に近づくにつれて徐々に大きくなるように構成してもよい。すなわち、接地電極側チップ３２に接近するにつれて、メッキ層３５の表面が接地電極側チップ３２の他端面３２Ｆから遠ざかるように構成してもよい。この場合には、加熱時（熱膨張時）において、接地電極側チップ３２の他端面３２Ｆにメッキ層３５が乗り上げてしまうことを一層確実に防止でき、メッキ層３５の剥離をより一層確実に防止することができる。

尚、切削加工等により、接地電極２７のうち接地電極側チップ３２が接合される面を接地電極側チップ３２側に向けて傾斜させた上で、接地電極２７の表面にメッキ層３５を形成したり、接地電極２７の表面にメッキ層３５を形成した上で、形成されたメッキ層３５をプレスしたりすること等により、接地電極側チップ３２に接近するにつれて、メッキ層３５の表面が前記他端面３２Ｆから遠ざかるように構成することができる。

（ｄ）上記実施形態において、メッキ層３５はＮｉを主成分とする金属により構成されているが、メッキ層３５をその他の金属を主成分とする金属により形成してもよい。従って、例えば、亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする金属によりメッキ層を形成してもよい。

（ｅ）上記実施形態において、接地電極側チップ３２は円板状をなしているが、接地電極側チップ３２の形状はこれに限定されるものではない。従って、例えば、接地電極側チップを角柱状（例えば、直方体状）に形成することとしてもよい。

（ｆ）上記実施形態において、溝部３８は、接地電極側チップ３２の周方向に沿って延びる形状とされているが、溝部の形状は特に限定されるものではない。従って、例えば、溝部が、接地電極側チップ３２の径方向に沿って延びる形状であってもよい。

（ｇ）上記実施形態では、接地電極２７の中心電極５側の側面に接地電極側チップ３２が接合されているが、接地電極２７の先端面に接地電極チップを接合し、接地電極側チップ３２の他端面３２Ｆと、中心電極５（中心電極側チップ３１）の側面との間で、軸線ＣＬ１と直交する方向にほぼ沿って火花放電が行われるように構成してもよい。

（ｈ）上記実施形態において、接地電極２７は単一の金属により構成されているが、接地電極２７の内部に良熱伝導性に優れる銅や銅合金等からなる内層を設け、接地電極２７を外層及び内層からなる多層構造としてもよい。

（ｉ）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）。

（ｊ）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
２…絶縁碍子（絶縁体）
３…主体金具
４…軸孔
５…中心電極
２７…接地電極
３２…接地電極側チップ（チップ）
３２Ｆ…（チップの）他端面
３３…火花放電間隙（間隙）
３５…メッキ層
３７…隙間
３８…溝部
ＣＬ１…軸線
ＣＬ２…（チップの）中心軸

Claims (6)

1. 軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、
   前記軸孔の先端側に挿設された中心電極と、
   前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
   前記主体金具の先端部に配置された接地電極と、
   自身の一端面が前記接地電極に溶接され、自身の他端面が前記中心電極の先端部との間で間隙を形成する柱体のチップとを備えるスパークプラグであって、
   前記接地電極の表面には、前記チップが接合される面において前記チップの構成材料を含む部分との間で全周にわたって隙間を形成するとともに、前記接地電極の表面のうち前記隙間の形成部位を除いた面を覆うメッキ層が設けられ、
   前記隙間の大きさＡが０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記メッキ層のうち前記チップに最も接近する部位の表面から前記チップの他端面までの前記チップの中心軸に沿った距離Ｂが０．２ｍｍ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. 前記隙間の大きさＡが０．２ｍｍ以下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。
4. 前記隙間の大きさＡが０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
5. 前記メッキ層のうち前記チップの構成材料を含む部分との間で前記隙間を形成する内周端から、前記チップの中心軸と直交する方向に沿って前記チップから離間する方向に０．４ｍｍまでの範囲内において、前記メッキ層に溝部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
6. 前記メッキ層のうち前記隙間側に位置する部位は、自身の表面から前記チップの他端面までの前記チップの中心軸に沿った距離が、前記チップ側に近づくにつれて徐々に大きくなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスパークプラグ。

Images