スパークプラグおよびスパークプラグの製造方法
【課題】スパークプラグの絶縁体及び中心電極の熱引き性能を向上させることのできる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】中心電極の中心を通る軸線と、絶縁体の軸孔の先端における内周面と中心電極の外周面との隙間が最小になる位置と、を通る断面に現れた中心電極の結晶粒のうち、線分ＬＳ上に位置する結晶粒を金属顕微鏡で観察し、得られた画像から前記結晶粒の平均粒子径を測定した場合において、平均粒子径は、０．０１０ｍｍ以上である。
【解決手段】中心電極の中心を通る軸線と、絶縁体の軸孔の先端における内周面と中心電極の外周面との隙間が最小になる位置と、を通る断面に現れた中心電極の結晶粒のうち、線分ＬＳ上に位置する結晶粒を金属顕微鏡で観察し、得られた画像から前記結晶粒の平均粒子径を測定した場合において、平均粒子径は、０．０１０ｍｍ以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパークプラグおよびスパークプラグの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スパークプラグに求められる性能としては、例えば、耐プレイグニッション性を挙げることができる。プレイグニッション（過早着火）とは、スパークプラグの先端（例えば絶縁体）の温度が過剰に上昇し、正常な点火のタイミングの前に、その先端を熱源として燃焼が始まってしまうことをいう。
【０００３】
プレイグニッションが発生すると、エンジンの出力が低下したり、ノッキングが起きやすくなる等の問題が生じる。したがって、絶縁体や中心電極の先端近傍が高温になることを抑制し、耐プレイグニッション性を向上させたいといった要望があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５５８３８号公報
【特許文献２】特開２００５−１８３１７７号公報
【特許文献３】特許第４３７５１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、スパークプラグの耐プレイグニッション性を向上させることのできる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。
【０００７】
[適用例１]
軸線方向に延びる中心電極と、
前記軸線方向に延びる軸孔を有し、当該軸孔の先端側で前記中心電極を保持する絶縁体と、
を備えるスパークプラグであって、
前記中心電極の中心を通る前記軸線と、前記絶縁体の前記軸孔の先端における内周面と前記中心電極の外周面との隙間が最小になる位置と、を通る断面において、
前記軸線に対して垂直であり、前記軸孔の先端を通る直線を直線Ｌ１とし、
前記直線Ｌ１に対して平行であり、前記軸孔の先端から１ｍｍ後端側に位置する直線を直線Ｌ２とし、
前記軸線に対して平行であり、前記中心電極の外周面のうち前記隙間が最小となっている側から０．５ｍｍ内周側に位置する直線を直線Ｌ３とし、
前記直線Ｌ２と、前記中心電極の前記外周面のうち前記隙間が最小となっている側との交点を点Ｐ１とし、
前記直線Ｌ２と前記直線Ｌ３との交点を点Ｐ２とし、
点Ｐ１から点Ｐ２までの線分を線分ＬＳとし、
前記断面に現れた前記中心電極の結晶粒のうち、前記線分ＬＳ上に位置する前記結晶粒を金属顕微鏡で観察し、得られた画像から前記結晶粒の平均粒子径を測定した場合において、
前記平均粒子径は、０．０１０ｍｍ以上であることを特徴とする、スパークプラグ。
中心電極における線分ＬＳ近傍は、絶縁体の軸孔の先端付近からの熱流速が最も大きくなる箇所であり、この線分ＬＳ近傍における熱伝導率が大きいほど、絶縁体及び中心電極の熱引き性能が向上する。そして、中心電極における結晶粒の平均粒子径が大きいほど、熱伝導率は大きくなり、熱引き性能が向上する。したがって、この構成によれば、絶縁体及び中心電極の熱引き性能を向上させることができるので、スパークプラグの絶縁体及び中心電極の先端近傍が高温になることを抑制し、耐プレイグニッション性を向上させることができる。
【０００８】
[適用例２]
適用例１に記載のスパークプラグであって、
前記隙間が最小になる位置において、前記最小の隙間は、０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする、スパークプラグ。
この構成によれば、中心電極と絶縁体との隙間を小さくしているため、絶縁体から中心電極へ熱が伝わりやすくなり、絶縁体の熱引き性能を向上させることができる。さらに、中心電極と絶縁体との隙間は所定値以上確保されているため、中心電極の膨張による絶縁体の破壊を抑制することができる。
【０００９】
[適用例３]
適用例１または適用例２に記載のスパークプラグであって、
前記平均粒子径は、０．０２５ｍｍ以上であることを特徴とする、スパークプラグ。
この構成によれば、中心電極における熱伝導率をさらに高めることができ、絶縁体及び中心電極の熱引き性能をさらに向上させることができる。
【００１０】
[適用例４]
適用例１から適用例３のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
前記中心電極は、ニッケルを７０重量％以上含むことを特徴とする、スパークプラグ。
この構成によれば、中心電極の結晶粒が成長しやすくなるとともに、中心電極における熱伝導率を高めることができる。
【００１１】
[適用例５]
適用例４に記載のスパークプラグであって、
前記中心電極は、ニッケルを８０重量％以上含むことを特徴とする、スパークプラグ。
この構成によれば、中心電極の結晶粒がさらに成長しやすくなるとともに、中心電極における熱伝導率をさらに高めることができる。
【００１２】
[適用例６]
軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔の先端側に設けられた中心電極と、を備えたスパークプラグの製造方法であって、
成形された前記中心電極を準備する工程と、
準備された前記中心電極に対して、５００℃以上９５０℃以下の温度範囲で、２５時間以上の加熱処理を行なう行程と、
前記中心電極を前記絶縁体の軸孔の先端側に組付ける工程と
を備えることを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
この製造方法によれば、中心電極の結晶粒を成長させることができるため、熱引き性能のよいスパークプラグを製造することができる。
【００１３】
[適用例７]
軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔の先端側に設けられた中心電極と、を備えたスパークプラグの製造方法であって、
成形された前記中心電極を準備する工程と、
準備された前記中心電極に対して、イリジウムを含有する貴金属チップを接合する工程と、
前記貴金属チップが接合された中心電極に対して、５００℃以上７５０℃以下の温度範囲で、２５時間以上の加熱処理を行なう行程と、
前記中心電極を前記絶縁体の軸孔の先端側に組付ける工程と
を備えることを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
この製造方法によれば、イリジウムを含有する貴金属チップを酸化させることなく、中心電極の結晶粒を成長させることができる。したがって、貴金属チップを備えた、熱引き性能のよいスパークプラグを製造することができる。
【００１４】
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、スパークプラグの製造方法および製造装置等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態としてのスパークプラグを示す部分断面図である。
【図２】中心電極の先端付近を拡大して示す説明図である。
【図３】スパークプラグの製造工程の一部を示す工程図である。
【図４】イリジウムを含有する貴金属チップを中心電極の先端に接合する場合における製造工程の一部を示す工程図である。
【図５】平均粒子径と耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。
【図６】最小隙間ＭＧと絶縁碍子の状態との関係及び最小隙間ＭＧと耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。
【図７】平均粒子径と耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。
【図８】中心電極におけるＮｉの含有量と耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施形態：
Ａ１．スパークプラグの全体構造：
Ａ２．中心電極の先端部の詳細：
Ａ３．製造方法：
Ｂ．実験例：
Ｂ１．平均粒子径に関する実験例１：
Ｂ２．最小隙間ＭＧに関する実験例：
Ｂ３．平均粒子径に関する実験例２：
Ｂ４．中心電極におけるＮｉの含有量に関する実験例：
Ｃ．変形例：
【００１７】
Ａ．実施形態：
Ａ１．スパークプラグの全体構造：
図１は、本発明の一実施形態としてのスパークプラグ１００を示す部分断面図である。以下では、図１においてスパークプラグ１００の軸線方向ＯＤを図面における上下方向とし、下側をスパークプラグの先端側、上側を後端側として説明する。なお、図１では、軸線Ｏの右側にスパークプラグ１００の外観を示し、軸線Ｏの左側にスパークプラグ１００を軸線Ｏ（以下では、中心軸Ｏともいう。）を通る面で切断した断面を示している。
【００１８】
スパークプラグ１００は、絶縁碍子１０と、主体金具５０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０とを備えている。中心電極２０は、絶縁碍子１０に設けられた軸孔１２内に、軸線方向ＯＤに延びた状態で保持されている。絶縁碍子１０は、絶縁体として機能しており、主体金具５０は、この絶縁碍子１０を取り囲んだ状態で内挿している。端子金具４０は、電力の供給を受けるための端子であり、絶縁碍子１０の後端部に設けられている。
【００１９】
絶縁碍子１０は、アルミナ等を焼成することにより形成された絶縁体である。絶縁碍子１０は、軸線方向ＯＤへ延びる軸孔１２が中心軸に沿って形成された筒状の絶縁体である。絶縁碍子１０には、軸線方向ＯＤの略中央に外径が最も大きな鍔部１９が形成されており、それより後端側には後端側胴部１８が形成されている。後端側胴部１８には、表面長さを長くして絶縁性を高めるための襞部１１が形成されている。鍔部１９より先端側には、後端側胴部１８よりも外径の小さな先端側胴部１７が形成されている。先端側胴部１７よりもさらに先端側には、先端側胴部１７よりも外径の小さな脚長部１３が形成されている。脚長部１３は、先端側ほど外径が小さくなっている。この脚長部１３は、スパークプラグ１００が内燃機関のエンジンヘッド２００に取り付けられた際には、内燃機関の燃焼室内に曝される。脚長部１３と先端側胴部１７との間には段部１５が形成されている。
【００２０】
中心電極２０は、絶縁碍子１０の先端側から後端側に向かって中心軸Ｏに沿って延びており、絶縁碍子１０の先端側において露出している。中心電極２０は、電極母材２１の内部に芯材２５を埋設した構造を有する棒状の電極である。電極母材２１は、インコネル６００またはインコネル６０１等（「インコネル」は商標名）のニッケルまたはニッケルを主成分とする合金から形成されている。芯材２５は、電極母材２１よりも熱伝導性に優れる銅または銅を主成分とする合金から形成されている。通常、中心電極２０は、有底筒状に形成された電極母材２１の内部に芯材２５を詰め、底側から押出成形を行って引き延ばすことで作製される。芯材２５は、胴部分においては略一定の外径をなすものの、先端側においては先細り形状に形成される。軸孔１２内において、中心電極２０は、シール体４およびセラミック抵抗３を介して、絶縁碍子１０の後端側に設けられた端子金具４０に電気的に接続されている。
【００２１】
主体金具５０は、低炭素鋼材より形成された筒状の金具であり、絶縁碍子１０を内部に保持している。絶縁碍子１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３にかけての部位は、主体金具５０によって取り囲まれている。
【００２２】
主体金具５０は、工具係合部５１と、取付ネジ部５２とを備えている。工具係合部５１は、スパークプラグレンチ（図示せず）が嵌合する部位である。主体金具５０の取付ネジ部５２は、ネジ山が形成された部位であり、内燃機関の上部に設けられたエンジンヘッド２００の取付ネジ孔２０１に螺合する。このように、主体金具５０の取付ネジ部５２をエンジンヘッド２００の取付ネジ孔２０１に螺合させて締め付けることより、スパークプラグ１００は、内燃機関のエンジンヘッド２００に固定される。
【００２３】
主体金具５０の工具係合部５１と取付ネジ部５２との間には、径方向外側に膨出するフランジ状の鍔部５４が形成されている。取付ネジ部５２と鍔部５４との間のネジ首５９には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、スパークプラグ１００をエンジンヘッド２００に取り付けた際に、鍔部５４の座面５５と取付ネジ孔２０１の開口周縁部２０５との間で押し潰されて変形する。このガスケット５の変形により、スパークプラグ１００とエンジンヘッド２００間が封止され、取付ネジ孔２０１を介した燃焼ガスの漏出が抑制される。
【００２４】
主体金具５０の工具係合部５１より後端側には、薄肉の加締部５３が設けられている。また、鍔部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に、薄肉の座屈部５８が設けられている。主体金具５０の工具係合部５１から加締部５３にかけての内周面と、絶縁碍子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が挿入されている。さらに両リング部材６，７間には、タルク（滑石）９の粉末が充填されている。加締部５３を内側に折り曲げるようにして加締めることにより、主体金具５０と絶縁碍子１０とが固定される。主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は、主体金具５０の内周面に形成された段部５６と、絶縁碍子１０の段部１５との間に介在する環状の板パッキン８によって保持され、燃焼ガスの漏出が防止される。座屈部５８は、加締めの際に、圧縮力の付加に伴い外向きに撓み変形するように構成されており、タルク９の圧縮長さを確保して主体金具５０内の気密性を高めている。
【００２５】
主体金具５０の先端部には、主体金具５０の先端部から中心軸Ｏに向かって屈曲した接地電極３０が接合されている。接地電極３０は、インコネル６００等（「インコネル」は商標名）の耐腐食性が高いニッケル合金で形成することが可能である。この接地電極３０と主体金具５０との接合は、溶接により行うことができる。接地電極３０の先端部３３は、中心電極２０と対向している。
【００２６】
スパークプラグ１００の端子金具４０には、図示しない高圧ケーブルがプラグキャップ（図示しない）を介して接続されている。そして、この端子金具４０とエンジンヘッド２００との間に高電圧を印加することにより、接地電極３０と中心電極２０との間に火花放電が生じる。
【００２７】
なお、中心電極２０と接地電極３０とのそれぞれには、耐火花消耗性を向上するために、高融点の貴金属を主成分として形成された電極チップ９０，９５が取り付けられる。具体的には、中心電極２０の先端側の面には、例えば、イリジウム（Ｉｒ）や、イリジウムを主成分として、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）のうち、１種類あるいは２種類以上を添加したＩｒ合金によって形成された電極チップ９０が取り付けられる。また、接地電極３０の先端部３３の中心電極２０と対向する面には、白金または白金を主成分とした電極チップ９５が取り付けられる。なお、以下では電極チップを貴金属チップともいう。
【００２８】
Ａ２．中心電極の先端部の詳細：
図２は、中心電極２０の先端付近を拡大して示す説明図である。図２（Ａ）は、中心電極２０を先端側から示した図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ断面を示した図である。図２（Ａ）に示す矢印ＭＧは、絶縁碍子１０の軸孔１２の先端における内周面と、中心電極２０の外周面との隙間が最小になる位置（以下では、この位置における隙間を「最小隙間ＭＧ」とも呼ぶ。）を示している。Ｂ−Ｂ断面線は、この最小隙間ＭＧと、中心電極２０の中心を通る軸線Ｏとを結んでいる。なお、この図２では、図示の便宜上、電極チップ９０，９５を省略して描いている。また、中心電極２０の外径は、絶縁碍子１０の軸孔１２の先端から１ｍｍ後端側の位置よりも先端側の部分で縮径している場合がある。
【００２９】
絶縁碍子１０の軸孔１２の先端近傍における熱引き性能は、絶縁碍子１０と中心電極２０との隙間の大きさの影響を受ける。すなわち、絶縁碍子１０と中心電極２０との隙間が小さいほど、絶縁碍子１０の熱が中心電極２０に伝わりやすくなり、熱引き性能が向上する。一方、中心電極２０の熱引き性能は、中心電極２０の断面における結晶粒の平均粒子径の大きさの影響を受ける。すなわち、結晶粒の平均粒子径が大きいほど、結晶粒間における界面の存在割合が小さくなるので、界面による熱抵抗が減少して熱伝導率が向上し、中心電極２０の熱引き性能が向上する。したがって、本実施形態では、絶縁碍子１０及び中心電極２０の熱引き性能の向上を目的として、絶縁碍子１０の軸孔１２の先端における内周面と、中心電極２０の外周面との隙間が最小になる位置（最小隙間ＭＧ）における断面において、絶縁碍子１０から中心電極２０への熱流速の大きい箇所（最小隙間ＭＧ）の近傍における中心電極２０の結晶粒の平均粒子径を規定する。
【００３０】
本実施形態では、絶縁碍子１０から中心電極２０への熱流速の大きい箇所（最小隙間ＭＧ）の近傍として線分ＬＳを定義し、線分ＬＳ上における結晶粒の平均粒子径を規定する。線分ＬＳの定義を図２（Ｂ）を参照して以下に説明する。
【００３１】
［線分ＬＳの定義］
・図２（Ｂ）に示された断面において、軸線Ｏに対して垂直であり、軸孔１２の先端を通る直線を直線Ｌ１とする。
・直線Ｌ１に対して平行であり、軸孔１２の先端から１ｍｍ後端側に位置する直線を直線Ｌ２とする。
・軸線Ｏに対して平行であり、中心電極２０の外周面のうち隙間が最小となっている側から０．５ｍｍ内周側に位置する直線を直線Ｌ３とする。
・直線Ｌ２と、中心電極２０の外周面のうち隙間が最小となっている側との交点を点Ｐ１とする。
・直線Ｌ２と直線Ｌ３との交点を点Ｐ２とする。
・点Ｐ１から点Ｐ２までの線分を線分ＬＳとする。
【００３２】
本実施形態では、図２（Ｂ）に示された断面に現れた中心電極２０（電極母材２１）の結晶粒のうち、線分ＬＳ上に位置する結晶粒の平均粒子径は、０．０１ｍｍ以上である。平均粒子径を０．０１ｍｍ以上とすれば、線分ＬＳ近傍における熱伝導率が大きくなるため、絶縁碍子１０及び中心電極２０の熱引き性能を向上させることができ、スパークプラグの耐プレイグニッション性を向上させることができる。さらに、線分ＬＳ上に位置する結晶粒の平均粒子径を０．０２５ｍｍ以上とすれば、絶縁碍子１０及び中心電極２０の熱引き性能をさらに向上させることができる。
【００３３】
なお、本実施形態では、線分ＬＳ上に位置する結晶粒を金属顕微鏡によって観察することによって、平均粒子径を規定する。具体的には、線分ＬＳ上に位置する結晶粒を金属顕微鏡（倍率１００倍）によって観察し、当該結晶粒の画像を取得する。取得した画像から、線分ＬＳ上に位置する結晶粒のそれぞれの面積を画像処理によって算出する。算出した結晶粒の面積と同じ面積を有する円の直径（面積円相当径）をそれぞれの結晶粒ごとに算出する。そして、算出した円の直径を線分ＬＳ上に位置する結晶粒で平均化したものを平均粒子径として規定する。
【００３４】
また、本明細書において「線分ＬＳ上に位置する結晶粒」とは、線分ＬＳが通過している結晶粒を意味し、具体的には、図２（Ｂ）の円Ｃ内に示すように、斜線のハッチングが施された結晶粒である。
【００３５】
さらに、最小隙間ＭＧは、０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることが好ましい。この理由について説明する。最小隙間ＭＧを０．１５ｍｍ以下とすれば、絶縁碍子１０の熱が中心電極２０へ伝わりやすくなるため、絶縁碍子１０の熱引き性能が向上し、耐プレイグニッション性を向上させることができる。一方、最小隙間ＭＧを０．０５ｍｍ以上とすれば、スパークプラグが高温になった場合に、中心電極２０が径方向に膨張することによる絶縁碍子１０の破損を抑制することができる。すなわち、最小隙間ＭＧを０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下とすれば、絶縁碍子１０の破損を抑制しつつ、絶縁碍子１０の耐プレイグニッション性を向上させることができる。最小隙間ＭＧをこのような数値に規定する根拠については、後述する。
【００３６】
さらに、中心電極２０（電極母材２１）は、ニッケルを７０重量％以上含むことが好ましく、８０重量％以上含むことが特に好ましい。この理由について説明する。中心電極２０におけるニッケルの含有量が多いと、中心電極２０の熱伝導率が大きくなり、熱引き性能が向上する。また、中心電極２０が加熱処理された場合に、結晶粒の成長が促進され、中心電極２０の結晶粒の平均粒子径が大きくなりやすいといった効果もある。したがって、中心電極２０におけるニッケルの含有量を７０重量％以上、特に８０重量％以上とすれば、中心電極２０の熱引き性能を向上させることができ、耐プレイグニッション性を向上させることができる。ニッケルの含有量をこのような数値に規定する根拠については、後述する。
【００３７】
Ａ３．製造方法：
図３は、スパークプラグ１００の製造工程の一部を示す工程図である。工程Ｓ１０では、電極母材２１の内部に芯材２５が埋設された状態で押出成形された中心電極２０を準備する。工程Ｓ１２では、準備された中心電極２０に対して、５００℃以上９５０℃以下の温度範囲で、２５時間以上の加熱処理を行なう。工程Ｓ１４では、中心電極２０を絶縁碍子１０の軸孔１２の先端側に組付ける。
【００３８】
このような製造方法によれば、中心電極２０に対する加熱処理によって電極母材２１における結晶粒が成長するため、線分ＬＳ上における結晶粒の平均粒子径を０．０１ｍｍ以上とすることができる。また、中心電極２０に対する加熱処理を絶縁碍子１０への組付け前に行なうため、加熱処理によって絶縁碍子１０の機械的強度や耐電圧性能が低下してしまうことを回避することができる。
【００３９】
なお、この図３に示す製造工程では、中心電極２０に対する加熱処理の後に、中心電極２０の先端に貴金属チップを取り付けるが、中心電極２０の先端に貴金属チップを取り付けないこととしてもよい。また、５００℃以上９５０℃以下の温度範囲での加熱処理に耐えうる貴金属チップを用いる場合には、中心電極２０に対する加熱処理の前に、中心電極２０の先端に貴金属チップを取り付けることとしてもよい。
【００４０】
図４は、イリジウムを含有する貴金属チップを中心電極２０の先端に接合する場合における製造工程の一部を示す工程図である。工程Ｓ２０では、電極母材２１の内部に芯材２５が埋設された状態で押出成形された中心電極２０を準備する。工程Ｓ２２では、準備された中心電極２０に対して、イリジウムを含有する貴金属チップを接合する。工程Ｓ２４では、貴金属チップが接合された中心電極２０に対して、５００℃以上７５０℃以下の温度範囲で、２５時間以上の加熱処理を行なう。工程Ｓ２６では、中心電極２０を絶縁碍子１０の軸孔１２の先端側に組付ける。
【００４１】
イリジウムを含有する貴金属チップは、約８５０℃以上の高温な環境に晒されると、酸化してしまうおそれがある。しかし、この製造方法によれば、イリジウムを含有する貴金属チップが接合された中心電極２０に対して加熱処理を行なっても、イリジウムが酸化してしまうことを抑制することができるとともに、線分ＬＳ上における結晶粒の平均粒子径を０．０１ｍｍ以上とすることができる。
【００４２】
なお、本明細書及び図面において示された平均粒子径の有効数字は、小数点以下３桁である。
【００４３】
Ｂ．実験例：
Ｂ１．平均粒子径に関する実験例１：
線分ＬＳ上に位置する結晶粒の平均粒子径と、耐プレイグニッション性との関係を調べるため、平均粒子径の異なるサンプルを用いて実験を行なった。本実験例では、各サンプルを４気筒エンジンに取り付けて、点火時期を徐々に進角させ、プレイグニッションが発生した点火時期（進角）を１０回ずつ測定し、その平均値を算出した。そして、中心電極２０の組織がファイバー状（すなわち、結晶粒ができていない状態）になっている比較サンプルに対してどの程度進角できたかに基づいて、耐プレイグニッション性を評価した。なお、本実験例における各サンプルの最小隙間ＭＧは、０．２ｍｍである。
【００４４】
図５は、平均粒子径と耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。図５（Ａ）は、実験結果を表形式で示す図であり、図５（Ｂ）は、実験結果をグラフ形式で示す図である。耐プレイグニッション性についての評価基準は、以下のとおりである。
Ｆ：＋０．１度未満の進角によりプレイグニッションが発生した場合。（最も低い評価）
Ｅ：＋０．１度以上＋０．４度未満の進角によりプレイグニッションが発生した場合。
Ｄ：＋０．４度以上＋１．０度未満の進角によりプレイグニッションが発生した場合。
Ｃ：＋１．０度以上＋１．３度未満の進角によりプレイグニッションが発生した場合。
Ｂ：＋１．３度以上＋２．０度未満の進角によりプレイグニッションが発生した場合。
Ａ：＋２．０度以上の進角によりプレイグニッションが発生した場合。（最も高い評価）
【００４５】
この図５によれば、平均粒子径が大きくなるほど、耐プレイグニッション性が向上することが理解できる。具体的には、平均粒子径が０．０１０ｍｍ以上であれば、耐プレイグニッション性についての評価が「Ｅ」になり、平均粒子径が０．０１５ｍｍ以上であれば、耐プレイグニッション性についての評価が「Ｄ」になることが理解できる。以上より、平均粒子径は、０．０１０ｍｍ以上であることが好ましく、０．０１５ｍｍ以上であることがさらに好ましい。
【００４６】
Ｂ２．最小隙間ＭＧに関する実験例：
最小隙間ＭＧと絶縁碍子１０における割れの発生との関係、及び、最小隙間ＭＧと耐プレイグニッション性との関係を調べるため、最小隙間ＭＧの異なるサンプルを用いて実験を行なった。本実験例の実験方法及び評価基準は、上述した「平均粒子径に関する実験例１」と同じである。ただし、絶縁碍子１０に割れが発生した場合は、耐プレイグニッション性の評価を、最も低い評価である「Ｆ」とした。
【００４７】
図６は、最小隙間ＭＧと絶縁碍子１０の状態との関係、及び、最小隙間ＭＧと耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。図６（Ａ）は、実験結果を表形式で示す図であり、図６（Ｂ）は、実験結果をグラフ形式で示す図である。
【００４８】
この図６によれば、最小隙間ＭＧが小さくなるほど、耐プレイグニッション性が向上することが理解できる。具体的には、最小隙間ＭＧが０．１５ｍｍ以下であれば、耐プレイグニッション性の評価が「Ｄ」以上となり、最小隙間ＭＧが０．０５ｍｍであれば、耐プレイグニッション性の評価が「Ｃ」となることが理解できる。
【００４９】
一方、最小隙間ＭＧが所定値以上であれば、絶縁碍子１０の割れの発生を抑制可能であることが理解できる。具体的には、最小隙間ＭＧが０．０５ｍｍ以上であれば、絶縁碍子１０に割れが発生しないことが理解できる。以上より、最小隙間ＭＧは、０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５０】
Ｂ３．平均粒子径に関する実験例２：
本実験例では、最小隙間ＭＧが０．１５ｍｍである各サンプルに対して、上述した「平均粒子径に関する実験例１」と同様の実験を行なった。
【００５１】
図７は、平均粒子径と耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。図７（Ａ）は、実験結果を表形式で示す図であり、図７（Ｂ）は、実験結果をグラフ形式で示す図である。この図７によれば、平均粒子径が大きくなるほど、耐プレイグニッション性が向上することが理解できる。具体的には、最小隙間ＭＧが０．１５ｍｍであり、かつ、平均粒子径が０．０２５ｍｍ以上であれば、耐プレイグニッション性についての評価が「Ｃ」になることが理解できる。以上より、平均粒子径は、０．０２５ｍｍ以上であることが特に好ましい。
【００５２】
Ｂ４．中心電極におけるＮｉの含有量に関する実験例：
中心電極２０におけるＮｉの含有量と、耐プレイグニッション性との関係を調べるため、Ｎｉの含有量の異なるサンプルを用いて実験を行なった。本実験例の実験方法及び評価基準は、上述した「平均粒子径に関する実験例１」と同じである。なお、本実験例における各サンプルの最小隙間ＭＧは、０．１５ｍｍであり、線分ＬＳ上に位置する結晶粒の平均粒子径は、０．０４５ｍｍである。
【００５３】
図８は、中心電極におけるＮｉの含有量と耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。図８（Ａ）は、表形式で示す図であり、図８（Ｂ）は、グラフ形式で示す図である。図８によれば、中心電極２０におけるＮｉの含有量が多くなるほど、耐プレイグニッション性が向上することが理解できる。具体的には、中心電極２０におけるＮｉの含有量が７０％以上であれば、耐プレイグニッション性の評価が「Ｂ」以上になり、中心電極２０におけるＮｉの含有量が８０％以上であれば、耐プレイグニッション性の評価が「Ａ」になることが理解できる。以上より、中心電極２０におけるＮｉの含有量は、７０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがさらに好ましい。
【００５４】
Ｃ．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り、例えば次のような変形も可能である。
【００５５】
Ｃ１．変形例１：
上記実施形態におけるスパークプラグの放電方向は、軸線方向ＯＤに一致しているが、本発明は、放電方向が軸線方向ＯＤに垂直な方向である、いわゆる横放電型のスパークプラグに対しても、適用することができる。
【００５６】
Ｃ２．変形例２：
上記実施形態におけるスパークプラグには、電極チップ９０，９５が設けられているが、これらの一方又は両方を設けないこととしてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
３…セラミック抵抗
４…シール体
５…ガスケット
６…リング部材
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁碍子
１１…襞部
１２…軸孔
１３…脚長部
１５…段部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…鍔部
２０…中心電極
２１…電極母材
２５…芯材
３０…接地電極
３３…先端部
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…鍔部
５５…座面
５６…段部
５８…座屈部
５９…ネジ首
９０…電極チップ
９５…電極チップ
１００…スパークプラグ
２００…エンジンヘッド
２０１…取付ネジ孔
２０５…開口周縁部
ＭＧ…最小隙間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパークプラグおよびスパークプラグの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スパークプラグに求められる性能としては、例えば、耐プレイグニッション性を挙げることができる。プレイグニッション（過早着火）とは、スパークプラグの先端（例えば絶縁体）の温度が過剰に上昇し、正常な点火のタイミングの前に、その先端を熱源として燃焼が始まってしまうことをいう。
【０００３】
プレイグニッションが発生すると、エンジンの出力が低下したり、ノッキングが起きやすくなる等の問題が生じる。したがって、絶縁体や中心電極の先端近傍が高温になることを抑制し、耐プレイグニッション性を向上させたいといった要望があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５５８３８号公報
【特許文献２】特開２００５−１８３１７７号公報
【特許文献３】特許第４３７５１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、スパークプラグの耐プレイグニッション性を向上させることのできる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。
【０００７】
[適用例１]
軸線方向に延びる中心電極と、
前記軸線方向に延びる軸孔を有し、当該軸孔の先端側で前記中心電極を保持する絶縁体と、
を備えるスパークプラグであって、
前記中心電極の中心を通る前記軸線と、前記絶縁体の前記軸孔の先端における内周面と前記中心電極の外周面との隙間が最小になる位置と、を通る断面において、
前記軸線に対して垂直であり、前記軸孔の先端を通る直線を直線Ｌ１とし、
前記直線Ｌ１に対して平行であり、前記軸孔の先端から１ｍｍ後端側に位置する直線を直線Ｌ２とし、
前記軸線に対して平行であり、前記中心電極の外周面のうち前記隙間が最小となっている側から０．５ｍｍ内周側に位置する直線を直線Ｌ３とし、
前記直線Ｌ２と、前記中心電極の前記外周面のうち前記隙間が最小となっている側との交点を点Ｐ１とし、
前記直線Ｌ２と前記直線Ｌ３との交点を点Ｐ２とし、
点Ｐ１から点Ｐ２までの線分を線分ＬＳとし、
前記断面に現れた前記中心電極の結晶粒のうち、前記線分ＬＳ上に位置する前記結晶粒を金属顕微鏡で観察し、得られた画像から前記結晶粒の平均粒子径を測定した場合において、
前記平均粒子径は、０．０１０ｍｍ以上であることを特徴とする、スパークプラグ。
中心電極における線分ＬＳ近傍は、絶縁体の軸孔の先端付近からの熱流速が最も大きくなる箇所であり、この線分ＬＳ近傍における熱伝導率が大きいほど、絶縁体及び中心電極の熱引き性能が向上する。そして、中心電極における結晶粒の平均粒子径が大きいほど、熱伝導率は大きくなり、熱引き性能が向上する。したがって、この構成によれば、絶縁体及び中心電極の熱引き性能を向上させることができるので、スパークプラグの絶縁体及び中心電極の先端近傍が高温になることを抑制し、耐プレイグニッション性を向上させることができる。
【０００８】
[適用例２]
適用例１に記載のスパークプラグであって、
前記隙間が最小になる位置において、前記最小の隙間は、０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする、スパークプラグ。
この構成によれば、中心電極と絶縁体との隙間を小さくしているため、絶縁体から中心電極へ熱が伝わりやすくなり、絶縁体の熱引き性能を向上させることができる。さらに、中心電極と絶縁体との隙間は所定値以上確保されているため、中心電極の膨張による絶縁体の破壊を抑制することができる。
【０００９】
[適用例３]
適用例１または適用例２に記載のスパークプラグであって、
前記平均粒子径は、０．０２５ｍｍ以上であることを特徴とする、スパークプラグ。
この構成によれば、中心電極における熱伝導率をさらに高めることができ、絶縁体及び中心電極の熱引き性能をさらに向上させることができる。
【００１０】
[適用例４]
適用例１から適用例３のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
前記中心電極は、ニッケルを７０重量％以上含むことを特徴とする、スパークプラグ。
この構成によれば、中心電極の結晶粒が成長しやすくなるとともに、中心電極における熱伝導率を高めることができる。
【００１１】
[適用例５]
適用例４に記載のスパークプラグであって、
前記中心電極は、ニッケルを８０重量％以上含むことを特徴とする、スパークプラグ。
この構成によれば、中心電極の結晶粒がさらに成長しやすくなるとともに、中心電極における熱伝導率をさらに高めることができる。
【００１２】
[適用例６]
軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔の先端側に設けられた中心電極と、を備えたスパークプラグの製造方法であって、
成形された前記中心電極を準備する工程と、
準備された前記中心電極に対して、５００℃以上９５０℃以下の温度範囲で、２５時間以上の加熱処理を行なう行程と、
前記中心電極を前記絶縁体の軸孔の先端側に組付ける工程と
を備えることを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
この製造方法によれば、中心電極の結晶粒を成長させることができるため、熱引き性能のよいスパークプラグを製造することができる。
【００１３】
[適用例７]
軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔の先端側に設けられた中心電極と、を備えたスパークプラグの製造方法であって、
成形された前記中心電極を準備する工程と、
準備された前記中心電極に対して、イリジウムを含有する貴金属チップを接合する工程と、
前記貴金属チップが接合された中心電極に対して、５００℃以上７５０℃以下の温度範囲で、２５時間以上の加熱処理を行なう行程と、
前記中心電極を前記絶縁体の軸孔の先端側に組付ける工程と
を備えることを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
この製造方法によれば、イリジウムを含有する貴金属チップを酸化させることなく、中心電極の結晶粒を成長させることができる。したがって、貴金属チップを備えた、熱引き性能のよいスパークプラグを製造することができる。
【００１４】
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、スパークプラグの製造方法および製造装置等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態としてのスパークプラグを示す部分断面図である。
【図２】中心電極の先端付近を拡大して示す説明図である。
【図３】スパークプラグの製造工程の一部を示す工程図である。
【図４】イリジウムを含有する貴金属チップを中心電極の先端に接合する場合における製造工程の一部を示す工程図である。
【図５】平均粒子径と耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。
【図６】最小隙間ＭＧと絶縁碍子の状態との関係及び最小隙間ＭＧと耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。
【図７】平均粒子径と耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。
【図８】中心電極におけるＮｉの含有量と耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施形態：
Ａ１．スパークプラグの全体構造：
Ａ２．中心電極の先端部の詳細：
Ａ３．製造方法：
Ｂ．実験例：
Ｂ１．平均粒子径に関する実験例１：
Ｂ２．最小隙間ＭＧに関する実験例：
Ｂ３．平均粒子径に関する実験例２：
Ｂ４．中心電極におけるＮｉの含有量に関する実験例：
Ｃ．変形例：
【００１７】
Ａ．実施形態：
Ａ１．スパークプラグの全体構造：
図１は、本発明の一実施形態としてのスパークプラグ１００を示す部分断面図である。以下では、図１においてスパークプラグ１００の軸線方向ＯＤを図面における上下方向とし、下側をスパークプラグの先端側、上側を後端側として説明する。なお、図１では、軸線Ｏの右側にスパークプラグ１００の外観を示し、軸線Ｏの左側にスパークプラグ１００を軸線Ｏ（以下では、中心軸Ｏともいう。）を通る面で切断した断面を示している。
【００１８】
スパークプラグ１００は、絶縁碍子１０と、主体金具５０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０とを備えている。中心電極２０は、絶縁碍子１０に設けられた軸孔１２内に、軸線方向ＯＤに延びた状態で保持されている。絶縁碍子１０は、絶縁体として機能しており、主体金具５０は、この絶縁碍子１０を取り囲んだ状態で内挿している。端子金具４０は、電力の供給を受けるための端子であり、絶縁碍子１０の後端部に設けられている。
【００１９】
絶縁碍子１０は、アルミナ等を焼成することにより形成された絶縁体である。絶縁碍子１０は、軸線方向ＯＤへ延びる軸孔１２が中心軸に沿って形成された筒状の絶縁体である。絶縁碍子１０には、軸線方向ＯＤの略中央に外径が最も大きな鍔部１９が形成されており、それより後端側には後端側胴部１８が形成されている。後端側胴部１８には、表面長さを長くして絶縁性を高めるための襞部１１が形成されている。鍔部１９より先端側には、後端側胴部１８よりも外径の小さな先端側胴部１７が形成されている。先端側胴部１７よりもさらに先端側には、先端側胴部１７よりも外径の小さな脚長部１３が形成されている。脚長部１３は、先端側ほど外径が小さくなっている。この脚長部１３は、スパークプラグ１００が内燃機関のエンジンヘッド２００に取り付けられた際には、内燃機関の燃焼室内に曝される。脚長部１３と先端側胴部１７との間には段部１５が形成されている。
【００２０】
中心電極２０は、絶縁碍子１０の先端側から後端側に向かって中心軸Ｏに沿って延びており、絶縁碍子１０の先端側において露出している。中心電極２０は、電極母材２１の内部に芯材２５を埋設した構造を有する棒状の電極である。電極母材２１は、インコネル６００またはインコネル６０１等（「インコネル」は商標名）のニッケルまたはニッケルを主成分とする合金から形成されている。芯材２５は、電極母材２１よりも熱伝導性に優れる銅または銅を主成分とする合金から形成されている。通常、中心電極２０は、有底筒状に形成された電極母材２１の内部に芯材２５を詰め、底側から押出成形を行って引き延ばすことで作製される。芯材２５は、胴部分においては略一定の外径をなすものの、先端側においては先細り形状に形成される。軸孔１２内において、中心電極２０は、シール体４およびセラミック抵抗３を介して、絶縁碍子１０の後端側に設けられた端子金具４０に電気的に接続されている。
【００２１】
主体金具５０は、低炭素鋼材より形成された筒状の金具であり、絶縁碍子１０を内部に保持している。絶縁碍子１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３にかけての部位は、主体金具５０によって取り囲まれている。
【００２２】
主体金具５０は、工具係合部５１と、取付ネジ部５２とを備えている。工具係合部５１は、スパークプラグレンチ（図示せず）が嵌合する部位である。主体金具５０の取付ネジ部５２は、ネジ山が形成された部位であり、内燃機関の上部に設けられたエンジンヘッド２００の取付ネジ孔２０１に螺合する。このように、主体金具５０の取付ネジ部５２をエンジンヘッド２００の取付ネジ孔２０１に螺合させて締め付けることより、スパークプラグ１００は、内燃機関のエンジンヘッド２００に固定される。
【００２３】
主体金具５０の工具係合部５１と取付ネジ部５２との間には、径方向外側に膨出するフランジ状の鍔部５４が形成されている。取付ネジ部５２と鍔部５４との間のネジ首５９には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、スパークプラグ１００をエンジンヘッド２００に取り付けた際に、鍔部５４の座面５５と取付ネジ孔２０１の開口周縁部２０５との間で押し潰されて変形する。このガスケット５の変形により、スパークプラグ１００とエンジンヘッド２００間が封止され、取付ネジ孔２０１を介した燃焼ガスの漏出が抑制される。
【００２４】
主体金具５０の工具係合部５１より後端側には、薄肉の加締部５３が設けられている。また、鍔部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に、薄肉の座屈部５８が設けられている。主体金具５０の工具係合部５１から加締部５３にかけての内周面と、絶縁碍子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が挿入されている。さらに両リング部材６，７間には、タルク（滑石）９の粉末が充填されている。加締部５３を内側に折り曲げるようにして加締めることにより、主体金具５０と絶縁碍子１０とが固定される。主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は、主体金具５０の内周面に形成された段部５６と、絶縁碍子１０の段部１５との間に介在する環状の板パッキン８によって保持され、燃焼ガスの漏出が防止される。座屈部５８は、加締めの際に、圧縮力の付加に伴い外向きに撓み変形するように構成されており、タルク９の圧縮長さを確保して主体金具５０内の気密性を高めている。
【００２５】
主体金具５０の先端部には、主体金具５０の先端部から中心軸Ｏに向かって屈曲した接地電極３０が接合されている。接地電極３０は、インコネル６００等（「インコネル」は商標名）の耐腐食性が高いニッケル合金で形成することが可能である。この接地電極３０と主体金具５０との接合は、溶接により行うことができる。接地電極３０の先端部３３は、中心電極２０と対向している。
【００２６】
スパークプラグ１００の端子金具４０には、図示しない高圧ケーブルがプラグキャップ（図示しない）を介して接続されている。そして、この端子金具４０とエンジンヘッド２００との間に高電圧を印加することにより、接地電極３０と中心電極２０との間に火花放電が生じる。
【００２７】
なお、中心電極２０と接地電極３０とのそれぞれには、耐火花消耗性を向上するために、高融点の貴金属を主成分として形成された電極チップ９０，９５が取り付けられる。具体的には、中心電極２０の先端側の面には、例えば、イリジウム（Ｉｒ）や、イリジウムを主成分として、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）のうち、１種類あるいは２種類以上を添加したＩｒ合金によって形成された電極チップ９０が取り付けられる。また、接地電極３０の先端部３３の中心電極２０と対向する面には、白金または白金を主成分とした電極チップ９５が取り付けられる。なお、以下では電極チップを貴金属チップともいう。
【００２８】
Ａ２．中心電極の先端部の詳細：
図２は、中心電極２０の先端付近を拡大して示す説明図である。図２（Ａ）は、中心電極２０を先端側から示した図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ断面を示した図である。図２（Ａ）に示す矢印ＭＧは、絶縁碍子１０の軸孔１２の先端における内周面と、中心電極２０の外周面との隙間が最小になる位置（以下では、この位置における隙間を「最小隙間ＭＧ」とも呼ぶ。）を示している。Ｂ−Ｂ断面線は、この最小隙間ＭＧと、中心電極２０の中心を通る軸線Ｏとを結んでいる。なお、この図２では、図示の便宜上、電極チップ９０，９５を省略して描いている。また、中心電極２０の外径は、絶縁碍子１０の軸孔１２の先端から１ｍｍ後端側の位置よりも先端側の部分で縮径している場合がある。
【００２９】
絶縁碍子１０の軸孔１２の先端近傍における熱引き性能は、絶縁碍子１０と中心電極２０との隙間の大きさの影響を受ける。すなわち、絶縁碍子１０と中心電極２０との隙間が小さいほど、絶縁碍子１０の熱が中心電極２０に伝わりやすくなり、熱引き性能が向上する。一方、中心電極２０の熱引き性能は、中心電極２０の断面における結晶粒の平均粒子径の大きさの影響を受ける。すなわち、結晶粒の平均粒子径が大きいほど、結晶粒間における界面の存在割合が小さくなるので、界面による熱抵抗が減少して熱伝導率が向上し、中心電極２０の熱引き性能が向上する。したがって、本実施形態では、絶縁碍子１０及び中心電極２０の熱引き性能の向上を目的として、絶縁碍子１０の軸孔１２の先端における内周面と、中心電極２０の外周面との隙間が最小になる位置（最小隙間ＭＧ）における断面において、絶縁碍子１０から中心電極２０への熱流速の大きい箇所（最小隙間ＭＧ）の近傍における中心電極２０の結晶粒の平均粒子径を規定する。
【００３０】
本実施形態では、絶縁碍子１０から中心電極２０への熱流速の大きい箇所（最小隙間ＭＧ）の近傍として線分ＬＳを定義し、線分ＬＳ上における結晶粒の平均粒子径を規定する。線分ＬＳの定義を図２（Ｂ）を参照して以下に説明する。
【００３１】
［線分ＬＳの定義］
・図２（Ｂ）に示された断面において、軸線Ｏに対して垂直であり、軸孔１２の先端を通る直線を直線Ｌ１とする。
・直線Ｌ１に対して平行であり、軸孔１２の先端から１ｍｍ後端側に位置する直線を直線Ｌ２とする。
・軸線Ｏに対して平行であり、中心電極２０の外周面のうち隙間が最小となっている側から０．５ｍｍ内周側に位置する直線を直線Ｌ３とする。
・直線Ｌ２と、中心電極２０の外周面のうち隙間が最小となっている側との交点を点Ｐ１とする。
・直線Ｌ２と直線Ｌ３との交点を点Ｐ２とする。
・点Ｐ１から点Ｐ２までの線分を線分ＬＳとする。
【００３２】
本実施形態では、図２（Ｂ）に示された断面に現れた中心電極２０（電極母材２１）の結晶粒のうち、線分ＬＳ上に位置する結晶粒の平均粒子径は、０．０１ｍｍ以上である。平均粒子径を０．０１ｍｍ以上とすれば、線分ＬＳ近傍における熱伝導率が大きくなるため、絶縁碍子１０及び中心電極２０の熱引き性能を向上させることができ、スパークプラグの耐プレイグニッション性を向上させることができる。さらに、線分ＬＳ上に位置する結晶粒の平均粒子径を０．０２５ｍｍ以上とすれば、絶縁碍子１０及び中心電極２０の熱引き性能をさらに向上させることができる。
【００３３】
なお、本実施形態では、線分ＬＳ上に位置する結晶粒を金属顕微鏡によって観察することによって、平均粒子径を規定する。具体的には、線分ＬＳ上に位置する結晶粒を金属顕微鏡（倍率１００倍）によって観察し、当該結晶粒の画像を取得する。取得した画像から、線分ＬＳ上に位置する結晶粒のそれぞれの面積を画像処理によって算出する。算出した結晶粒の面積と同じ面積を有する円の直径（面積円相当径）をそれぞれの結晶粒ごとに算出する。そして、算出した円の直径を線分ＬＳ上に位置する結晶粒で平均化したものを平均粒子径として規定する。
【００３４】
また、本明細書において「線分ＬＳ上に位置する結晶粒」とは、線分ＬＳが通過している結晶粒を意味し、具体的には、図２（Ｂ）の円Ｃ内に示すように、斜線のハッチングが施された結晶粒である。
【００３５】
さらに、最小隙間ＭＧは、０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることが好ましい。この理由について説明する。最小隙間ＭＧを０．１５ｍｍ以下とすれば、絶縁碍子１０の熱が中心電極２０へ伝わりやすくなるため、絶縁碍子１０の熱引き性能が向上し、耐プレイグニッション性を向上させることができる。一方、最小隙間ＭＧを０．０５ｍｍ以上とすれば、スパークプラグが高温になった場合に、中心電極２０が径方向に膨張することによる絶縁碍子１０の破損を抑制することができる。すなわち、最小隙間ＭＧを０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下とすれば、絶縁碍子１０の破損を抑制しつつ、絶縁碍子１０の耐プレイグニッション性を向上させることができる。最小隙間ＭＧをこのような数値に規定する根拠については、後述する。
【００３６】
さらに、中心電極２０（電極母材２１）は、ニッケルを７０重量％以上含むことが好ましく、８０重量％以上含むことが特に好ましい。この理由について説明する。中心電極２０におけるニッケルの含有量が多いと、中心電極２０の熱伝導率が大きくなり、熱引き性能が向上する。また、中心電極２０が加熱処理された場合に、結晶粒の成長が促進され、中心電極２０の結晶粒の平均粒子径が大きくなりやすいといった効果もある。したがって、中心電極２０におけるニッケルの含有量を７０重量％以上、特に８０重量％以上とすれば、中心電極２０の熱引き性能を向上させることができ、耐プレイグニッション性を向上させることができる。ニッケルの含有量をこのような数値に規定する根拠については、後述する。
【００３７】
Ａ３．製造方法：
図３は、スパークプラグ１００の製造工程の一部を示す工程図である。工程Ｓ１０では、電極母材２１の内部に芯材２５が埋設された状態で押出成形された中心電極２０を準備する。工程Ｓ１２では、準備された中心電極２０に対して、５００℃以上９５０℃以下の温度範囲で、２５時間以上の加熱処理を行なう。工程Ｓ１４では、中心電極２０を絶縁碍子１０の軸孔１２の先端側に組付ける。
【００３８】
このような製造方法によれば、中心電極２０に対する加熱処理によって電極母材２１における結晶粒が成長するため、線分ＬＳ上における結晶粒の平均粒子径を０．０１ｍｍ以上とすることができる。また、中心電極２０に対する加熱処理を絶縁碍子１０への組付け前に行なうため、加熱処理によって絶縁碍子１０の機械的強度や耐電圧性能が低下してしまうことを回避することができる。
【００３９】
なお、この図３に示す製造工程では、中心電極２０に対する加熱処理の後に、中心電極２０の先端に貴金属チップを取り付けるが、中心電極２０の先端に貴金属チップを取り付けないこととしてもよい。また、５００℃以上９５０℃以下の温度範囲での加熱処理に耐えうる貴金属チップを用いる場合には、中心電極２０に対する加熱処理の前に、中心電極２０の先端に貴金属チップを取り付けることとしてもよい。
【００４０】
図４は、イリジウムを含有する貴金属チップを中心電極２０の先端に接合する場合における製造工程の一部を示す工程図である。工程Ｓ２０では、電極母材２１の内部に芯材２５が埋設された状態で押出成形された中心電極２０を準備する。工程Ｓ２２では、準備された中心電極２０に対して、イリジウムを含有する貴金属チップを接合する。工程Ｓ２４では、貴金属チップが接合された中心電極２０に対して、５００℃以上７５０℃以下の温度範囲で、２５時間以上の加熱処理を行なう。工程Ｓ２６では、中心電極２０を絶縁碍子１０の軸孔１２の先端側に組付ける。
【００４１】
イリジウムを含有する貴金属チップは、約８５０℃以上の高温な環境に晒されると、酸化してしまうおそれがある。しかし、この製造方法によれば、イリジウムを含有する貴金属チップが接合された中心電極２０に対して加熱処理を行なっても、イリジウムが酸化してしまうことを抑制することができるとともに、線分ＬＳ上における結晶粒の平均粒子径を０．０１ｍｍ以上とすることができる。
【００４２】
なお、本明細書及び図面において示された平均粒子径の有効数字は、小数点以下３桁である。
【００４３】
Ｂ．実験例：
Ｂ１．平均粒子径に関する実験例１：
線分ＬＳ上に位置する結晶粒の平均粒子径と、耐プレイグニッション性との関係を調べるため、平均粒子径の異なるサンプルを用いて実験を行なった。本実験例では、各サンプルを４気筒エンジンに取り付けて、点火時期を徐々に進角させ、プレイグニッションが発生した点火時期（進角）を１０回ずつ測定し、その平均値を算出した。そして、中心電極２０の組織がファイバー状（すなわち、結晶粒ができていない状態）になっている比較サンプルに対してどの程度進角できたかに基づいて、耐プレイグニッション性を評価した。なお、本実験例における各サンプルの最小隙間ＭＧは、０．２ｍｍである。
【００４４】
図５は、平均粒子径と耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。図５（Ａ）は、実験結果を表形式で示す図であり、図５（Ｂ）は、実験結果をグラフ形式で示す図である。耐プレイグニッション性についての評価基準は、以下のとおりである。
Ｆ：＋０．１度未満の進角によりプレイグニッションが発生した場合。（最も低い評価）
Ｅ：＋０．１度以上＋０．４度未満の進角によりプレイグニッションが発生した場合。
Ｄ：＋０．４度以上＋１．０度未満の進角によりプレイグニッションが発生した場合。
Ｃ：＋１．０度以上＋１．３度未満の進角によりプレイグニッションが発生した場合。
Ｂ：＋１．３度以上＋２．０度未満の進角によりプレイグニッションが発生した場合。
Ａ：＋２．０度以上の進角によりプレイグニッションが発生した場合。（最も高い評価）
【００４５】
この図５によれば、平均粒子径が大きくなるほど、耐プレイグニッション性が向上することが理解できる。具体的には、平均粒子径が０．０１０ｍｍ以上であれば、耐プレイグニッション性についての評価が「Ｅ」になり、平均粒子径が０．０１５ｍｍ以上であれば、耐プレイグニッション性についての評価が「Ｄ」になることが理解できる。以上より、平均粒子径は、０．０１０ｍｍ以上であることが好ましく、０．０１５ｍｍ以上であることがさらに好ましい。
【００４６】
Ｂ２．最小隙間ＭＧに関する実験例：
最小隙間ＭＧと絶縁碍子１０における割れの発生との関係、及び、最小隙間ＭＧと耐プレイグニッション性との関係を調べるため、最小隙間ＭＧの異なるサンプルを用いて実験を行なった。本実験例の実験方法及び評価基準は、上述した「平均粒子径に関する実験例１」と同じである。ただし、絶縁碍子１０に割れが発生した場合は、耐プレイグニッション性の評価を、最も低い評価である「Ｆ」とした。
【００４７】
図６は、最小隙間ＭＧと絶縁碍子１０の状態との関係、及び、最小隙間ＭＧと耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。図６（Ａ）は、実験結果を表形式で示す図であり、図６（Ｂ）は、実験結果をグラフ形式で示す図である。
【００４８】
この図６によれば、最小隙間ＭＧが小さくなるほど、耐プレイグニッション性が向上することが理解できる。具体的には、最小隙間ＭＧが０．１５ｍｍ以下であれば、耐プレイグニッション性の評価が「Ｄ」以上となり、最小隙間ＭＧが０．０５ｍｍであれば、耐プレイグニッション性の評価が「Ｃ」となることが理解できる。
【００４９】
一方、最小隙間ＭＧが所定値以上であれば、絶縁碍子１０の割れの発生を抑制可能であることが理解できる。具体的には、最小隙間ＭＧが０．０５ｍｍ以上であれば、絶縁碍子１０に割れが発生しないことが理解できる。以上より、最小隙間ＭＧは、０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５０】
Ｂ３．平均粒子径に関する実験例２：
本実験例では、最小隙間ＭＧが０．１５ｍｍである各サンプルに対して、上述した「平均粒子径に関する実験例１」と同様の実験を行なった。
【００５１】
図７は、平均粒子径と耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。図７（Ａ）は、実験結果を表形式で示す図であり、図７（Ｂ）は、実験結果をグラフ形式で示す図である。この図７によれば、平均粒子径が大きくなるほど、耐プレイグニッション性が向上することが理解できる。具体的には、最小隙間ＭＧが０．１５ｍｍであり、かつ、平均粒子径が０．０２５ｍｍ以上であれば、耐プレイグニッション性についての評価が「Ｃ」になることが理解できる。以上より、平均粒子径は、０．０２５ｍｍ以上であることが特に好ましい。
【００５２】
Ｂ４．中心電極におけるＮｉの含有量に関する実験例：
中心電極２０におけるＮｉの含有量と、耐プレイグニッション性との関係を調べるため、Ｎｉの含有量の異なるサンプルを用いて実験を行なった。本実験例の実験方法及び評価基準は、上述した「平均粒子径に関する実験例１」と同じである。なお、本実験例における各サンプルの最小隙間ＭＧは、０．１５ｍｍであり、線分ＬＳ上に位置する結晶粒の平均粒子径は、０．０４５ｍｍである。
【００５３】
図８は、中心電極におけるＮｉの含有量と耐プレイグニッション性との関係についての実験結果を示す説明図である。図８（Ａ）は、表形式で示す図であり、図８（Ｂ）は、グラフ形式で示す図である。図８によれば、中心電極２０におけるＮｉの含有量が多くなるほど、耐プレイグニッション性が向上することが理解できる。具体的には、中心電極２０におけるＮｉの含有量が７０％以上であれば、耐プレイグニッション性の評価が「Ｂ」以上になり、中心電極２０におけるＮｉの含有量が８０％以上であれば、耐プレイグニッション性の評価が「Ａ」になることが理解できる。以上より、中心電極２０におけるＮｉの含有量は、７０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがさらに好ましい。
【００５４】
Ｃ．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り、例えば次のような変形も可能である。
【００５５】
Ｃ１．変形例１：
上記実施形態におけるスパークプラグの放電方向は、軸線方向ＯＤに一致しているが、本発明は、放電方向が軸線方向ＯＤに垂直な方向である、いわゆる横放電型のスパークプラグに対しても、適用することができる。
【００５６】
Ｃ２．変形例２：
上記実施形態におけるスパークプラグには、電極チップ９０，９５が設けられているが、これらの一方又は両方を設けないこととしてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
３…セラミック抵抗
４…シール体
５…ガスケット
６…リング部材
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁碍子
１１…襞部
１２…軸孔
１３…脚長部
１５…段部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…鍔部
２０…中心電極
２１…電極母材
２５…芯材
３０…接地電極
３３…先端部
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…鍔部
５５…座面
５６…段部
５８…座屈部
５９…ネジ首
９０…電極チップ
９５…電極チップ
１００…スパークプラグ
２００…エンジンヘッド
２０１…取付ネジ孔
２０５…開口周縁部
ＭＧ…最小隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に延びる中心電極と、
前記軸線方向に延びる軸孔を有し、当該軸孔の先端側で前記中心電極を保持する絶縁体と、
を備えるスパークプラグであって、
前記中心電極の中心を通る前記軸線と、前記絶縁体の前記軸孔の先端における内周面と前記中心電極の外周面との隙間が最小になる位置と、を通る断面において、
前記軸線に対して垂直であり、前記軸孔の先端を通る直線を直線Ｌ１とし、
前記直線Ｌ１に対して平行であり、前記軸孔の先端から１ｍｍ後端側に位置する直線を直線Ｌ２とし、
前記軸線に対して平行であり、前記中心電極の外周面のうち前記隙間が最小となっている側から０．５ｍｍ内周側に位置する直線を直線Ｌ３とし、
前記直線Ｌ２と、前記中心電極の前記外周面のうち前記隙間が最小となっている側との交点を点Ｐ１とし、
前記直線Ｌ２と前記直線Ｌ３との交点を点Ｐ２とし、
点Ｐ１から点Ｐ２までの線分を線分ＬＳとし、
前記断面に現れた前記中心電極の結晶粒のうち、前記線分ＬＳ上に位置する前記結晶粒を金属顕微鏡で観察し、得られた画像から前記結晶粒の平均粒子径を測定した場合において、
前記平均粒子径は、０．０１０ｍｍ以上であることを特徴とする、スパークプラグ。
【請求項２】
請求項１に記載のスパークプラグであって、
前記隙間が最小になる位置において、前記最小の隙間は、０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする、スパークプラグ。
【請求項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、
前記平均粒子径は、０．０２５ｍｍ以上であることを特徴とする、スパークプラグ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
前記中心電極は、ニッケルを７０重量％以上含むことを特徴とする、スパークプラグ。
【請求項５】
請求項４に記載のスパークプラグであって、
前記中心電極は、ニッケルを８０重量％以上含むことを特徴とする、スパークプラグ。
【請求項６】
軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔の先端側に設けられた中心電極と、を備えたスパークプラグの製造方法であって、
成形された前記中心電極を準備する工程と、
準備された前記中心電極に対して、５００℃以上９５０℃以下の温度範囲で、２５時間以上の加熱処理を行なう行程と、
前記中心電極を前記絶縁体の軸孔の先端側に組付ける工程と
を備えることを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
【請求項７】
軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔の先端側に設けられた中心電極と、を備えたスパークプラグの製造方法であって、
成形された前記中心電極を準備する工程と、
準備された前記中心電極に対して、イリジウムを含有する貴金属チップを接合する工程と、
前記貴金属チップが接合された中心電極に対して、５００℃以上７５０℃以下の温度範囲で、２５時間以上の加熱処理を行なう行程と、
前記中心電極を前記絶縁体の軸孔の先端側に組付ける工程と
を備えることを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
【請求項１】
軸線方向に延びる中心電極と、
前記軸線方向に延びる軸孔を有し、当該軸孔の先端側で前記中心電極を保持する絶縁体と、
を備えるスパークプラグであって、
前記中心電極の中心を通る前記軸線と、前記絶縁体の前記軸孔の先端における内周面と前記中心電極の外周面との隙間が最小になる位置と、を通る断面において、
前記軸線に対して垂直であり、前記軸孔の先端を通る直線を直線Ｌ１とし、
前記直線Ｌ１に対して平行であり、前記軸孔の先端から１ｍｍ後端側に位置する直線を直線Ｌ２とし、
前記軸線に対して平行であり、前記中心電極の外周面のうち前記隙間が最小となっている側から０．５ｍｍ内周側に位置する直線を直線Ｌ３とし、
前記直線Ｌ２と、前記中心電極の前記外周面のうち前記隙間が最小となっている側との交点を点Ｐ１とし、
前記直線Ｌ２と前記直線Ｌ３との交点を点Ｐ２とし、
点Ｐ１から点Ｐ２までの線分を線分ＬＳとし、
前記断面に現れた前記中心電極の結晶粒のうち、前記線分ＬＳ上に位置する前記結晶粒を金属顕微鏡で観察し、得られた画像から前記結晶粒の平均粒子径を測定した場合において、
前記平均粒子径は、０．０１０ｍｍ以上であることを特徴とする、スパークプラグ。
【請求項２】
請求項１に記載のスパークプラグであって、
前記隙間が最小になる位置において、前記最小の隙間は、０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする、スパークプラグ。
【請求項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、
前記平均粒子径は、０．０２５ｍｍ以上であることを特徴とする、スパークプラグ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
前記中心電極は、ニッケルを７０重量％以上含むことを特徴とする、スパークプラグ。
【請求項５】
請求項４に記載のスパークプラグであって、
前記中心電極は、ニッケルを８０重量％以上含むことを特徴とする、スパークプラグ。
【請求項６】
軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔の先端側に設けられた中心電極と、を備えたスパークプラグの製造方法であって、
成形された前記中心電極を準備する工程と、
準備された前記中心電極に対して、５００℃以上９５０℃以下の温度範囲で、２５時間以上の加熱処理を行なう行程と、
前記中心電極を前記絶縁体の軸孔の先端側に組付ける工程と
を備えることを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
【請求項７】
軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔の先端側に設けられた中心電極と、を備えたスパークプラグの製造方法であって、
成形された前記中心電極を準備する工程と、
準備された前記中心電極に対して、イリジウムを含有する貴金属チップを接合する工程と、
前記貴金属チップが接合された中心電極に対して、５００℃以上７５０℃以下の温度範囲で、２５時間以上の加熱処理を行なう行程と、
前記中心電極を前記絶縁体の軸孔の先端側に組付ける工程と
を備えることを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−３７９６１（Ｐ２０１３−３７９６１Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７４４４４（Ｐ２０１１−１７４４４４）
【出願日】平成２３年８月１０日（２０１１．８．１０）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１０日（２０１１．８．１０）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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