(57)【要約】【課題】  耐汚損性に優れてチャンネリングが生じにくく、耐久性に極めて優れたスパークプラグを提供する。【解決手段】  沿面放電型スパークプラグにおいて、中心電極２と接地電極４との発火面形成部分２ｂ，４ａを少なくとも、Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕの少なくとも１以上を絶縁体侵食抑制成分として含有する金属材料にて構成する内燃機関に取り付け、一定以上の高速あるいは高負荷の条件にて運転したときに、火花放電ギャップｇ１，ｇ２における火花放電に伴い絶縁体２の先端部表面に、絶縁体侵食抑制成分を含有した侵食抑制層３０が形成される。この侵食抑制層３０が形成されることにより、絶縁体２は沿面放電火花のアタックから保護され、チャンネリングを極めて効果的に防止ないし抑制することができる。【選択図】        図４
2010212245.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心電極と、
前記中心電極の先端部を自身の先端面に露出させる形にて、該中心電極の外側に配置される絶縁体と、
前記中心電極の先端部との間に火花放電ギャップを形成するとともに、当該火花放電ギャップにて前記絶縁体の先端部表面に沿う沿面火花放電が可能となるように、前記絶縁体先端部及び中心電極先端部との間の位置関係が定められた接地電極とを備え、
前記絶縁体先端部表面に侵食抑制層を形成することにより、前記沿面火花放電に伴う前記絶縁体先端部表面の侵食を抑制するようにしたことを特徴とするスパークプラグ。
【請求項２】
中心電極及び／又は前記接地電極が前記侵食抑制層の形成成分を含んだものとして構成され、前記火花放電ギャップにおける火花放電に伴い前記絶縁体先端部表面に、前記電極に含有される前記侵食抑制層の形成成分に由来した侵食抑制層が形成されるようになっている請求項１記載のスパークプラグ。
【請求項３】
前記侵食抑制層は絶縁体侵食抑制成分として、Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕの少なくとも１以上を含有する請求項２記載のスパークプラグ。
【請求項４】
前記侵食抑制層は、スパークプラグの使用に先立って前記絶縁体先端部表面に予め形成されたものである請求項１ないし３のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項５】
前記侵食抑制層は絶縁体侵食抑制成分として、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＳｎの少なくとも１種を含有する請求項４記載のスパークプラグ。
【請求項６】
前記侵食抑制層は、前記絶縁体侵食抑制成分をカチオン成分とする酸化物系化合物を主体に構成される請求項３ないし５のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項７】
前記中心電極の外径Ｄと、該中心電極が挿通される前記貫通孔の内径ｄとの差ｄ−Ｄが、前記絶縁体の先端位置から軸線方向に５ｍｍ離間した位置において０．０７ｍｍ以上確保されている請求項１ないし６のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項８】
中心電極と、
自身に形成された貫通孔内に前記中心電極が軸線方向に挿入され、該中心電極の先端部を自身の先端面に露出させる絶縁体と、
前記中心電極の先端部との間に火花放電ギャップを形成するとともに、当該火花放電ギャップにて前記絶縁体の先端部表面に沿う沿面火花放電が可能となるように、前記絶縁体先端部及び中心電極先端部との間の位置関係が定められた接地電極とを備え、
前記中心電極及び／又は前記接地電極は、前記火花放電ギャップに面する発火面形成部分が少なくとも、Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕの少なくとも１以上からなる成分を絶縁体侵食抑制成分として含有する金属材料にて構成され、前記火花放電ギャップにおける火花放電に伴い前記絶縁体先端部表面に前記絶縁体侵食抑制成分を含有した侵食抑制層が形成されるようになっており、かつ、
前記中心電極の外径Ｄと、該中心電極が挿通される前記貫通孔の内径ｄとの差ｄ−Ｄが、前記絶縁体の先端位置から軸線方向に５ｍｍ離間した位置において０．０７ｍｍ以上確保されていることを特徴とするスパークプラグ。
【請求項９】
中心電極側が正となる極性にて電圧印加されるようになっており、かつ、前記中心電極の外径Ｄと、該中心電極が挿通される前記貫通孔の内径ｄとの差ｄ−Ｄが、前記絶縁体の先端位置から軸線方向に５ｍｍ離間した位置において０．０３ｍｍ以上確保されている請求項１ないし８のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項１０】
前記中心電極及び／又は前記接地電極の、前記火花放電ギャップに面する発火面形成部分が少なくとも、前記Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕの少なくとも１を合計で１０質量％以上含有する金属材料にて構成されている請求項１ないし９のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項１１】
前記金属材料は、Ｎｉ又はＦｅを主成分とするものである請求項１０記載のスパークプラグ。
【請求項１２】
前記中心電極は、先端部が基端部よりも小径となるように縮径されており、前記絶縁体の先端位置から軸線方向に５ｍｍ離間した位置において、その基端部の外径Ｄ１と前記貫通孔の内径ｄとの差ｄ−Ｄ１が、０．０７ｍｍ以上確保されている請求項１ないし１１のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項１３】
前記絶縁体の軸方向に形成された貫通孔に対し、その一方の端部側に端子金具が固定され、同じく他方の端部側に前記中心電極が固定されるとともに、該貫通孔内において前記端子金具と前記中心電極との間に抵抗体が配置されており、該抵抗体を介した前記端子金具と前記中心電極との間の電気抵抗値が２ｋΩ以上確保されている請求項１ないし１２のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項１４】
前記接地電極及び／又は前記中心電極の、前記火花放電ギャップに面する発火面の一部を含む部分が、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｗ、Ｒｅ及びＲｕの少なくともいずれかを主成分とする金属又は該金属を主体とする複合材料で構成された耐消耗部とされている請求項１ないし１３のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項１５】
前記中心電極の外周面には、該中心電極の軸線方向において、前記絶縁体の先端位置に関してその両側に位置する領域にまたがらないように、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｗ、Ｒｅ及びＲｕの少なくともいずれかを主成分とする金属又は該金属を主体とする複合材料で構成された耐消耗部が形成されている請求項１ないし１４のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項１６】
前記中心電極の軸線方向において該中心電極の先端に向かう側を前方側として、前記耐消耗部の前方側の縁が、前記絶縁体の先端縁から前記軸線方向において後方側へ０．５ｍｍまでの区間内に位置している請求項１５記載のスパークプラグ。
【請求項１７】
前記耐消耗部の周辺において、Ｆｅ及びＣｒの合計含有量が７質量％以上となる領域が、前記絶縁体の先端縁から前記軸線方向において前方側へ０．５ｍｍ、後方側へ０．３ｍｍまでの区間内に位置している請求項１５又は１６記載のスパークプラグ。
【請求項１８】
前記中心電極を取り囲む形態で、前記接地電極が３つ以上配置されている請求項１ないし１７のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項１９】
前記中心電極の先端部が、前記絶縁体から突出して配置されるとともに、その絶縁体の外側を覆う筒状の主体金具が設けられ、
前記接地電極は、基端側が前記主体金具の端部に接合され、先端側は前記中心電極側に曲げ返されて、その端面が、突出する前記中心電極の先端部側面と対向するように配置されて第一ギャップを形成する一方、前記接地電極の先端部内側面が、前記絶縁体の先端面と対向して前記第一ギャップよりも小さい第二ギャップを形成し、
前記中心電極の軸線方向において該中心電極の先端面側を前方側、これと反対側を後方側として、前記軸線方向において、前記接地電極の端面の後方側の縁と前記絶縁体の先端面との間の距離ｈが０．３ｍｍ以上に調整されている請求項１ないし１８のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項２０】
前記絶縁体の外側を覆う筒状の主体金具が設けられ、
前記接地電極の基端側が前記主体金具の端部に接合される一方、先端側は前記中心電極側に曲げ返されて、その端面が前記絶縁体先端部を間に挟んで前記中心電極の側面と対向するように配置されており、
前記中心電極の軸線方向において、前記接地電極の端面の後方側の縁から前方側の縁までの距離をＨ、同じく前記絶縁体の先端面から前記接地電極の端面の前方側の縁までの距離をｈとして、ｈ／Ｈが０．５以下に設定されている請求項１ないし１９のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項２１】
前記中心電極の先端部の軸断面径が２．０ｍｍ以上である請求項１ないし２０のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項２２】
前記絶縁体の外側を覆う筒状の主体金具が設けられ、
前記接地電極として、基端側が前記主体金具の端部に接合される一方、先端側は前記中心電極側に曲げ返される形態のものが複数設けられるとともに、それら接地電極の１つは、側面が前記中心電極の先端面と対向するように配置される一方、残余の接地電極の少なくとも１つのものが、端面が前記中心電極の側面と対向するように配置され、
かつ前記中心電極の外径Ｄと、該中心電極が挿通される前記貫通孔の内径ｄとの差ｄ−Ｄが、前記絶縁体の先端位置から軸線方向に５ｍｍ離間した位置において０．０７ｍｍ以上確保されている請求項１ないし２１のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項２３】
側面が前記中心電極の先端面と対向するように配置される接地電極は、その端面が前記絶縁体先端部を間に挟んで前記中心電極の側面と対向するように配置されている請求項２２記載のスパークプラグ。
【請求項２４】
前記絶縁体先端面に対応する位置における、前記中心電極の先端部の軸断面径が２．０ｍｍ以上である請求項２２又は２３に記載のスパークプラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関用のスパークプラグに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、耐汚損性を改善した内燃機関用のスパークプラグとして沿面放電型スパークプラグと呼ばれるものが知られている。これは、火花放電ギャップにて発生する火花が、常時あるいは条件により、絶縁体表面を経由した沿面放電形態にて伝播するように構成したものである。例えばセミ沿面放電型スパークプラグと称されるものは、中心電極と、その周りを覆う絶縁体と、先端の発火面が中心電極の側面と対向するように配置された接地電極とを備えるが、絶縁体の先端部は中心電極と接地電極の発火面との間（すなわち、火花放電ギャップ）に入り込む位置関係で配置されている。そして、沿面放電時には、接地電極発火面と絶縁体表面との間が気中放電となる以外は、絶縁体先端面の表面に沿う形態にて飛火する形となる。スパークプラグは、例えばプレデリバリ時のように電極温度が４５０℃以下の低温環境で長時間使用されると、いわゆる「燻り」や「かぶり」の状態となり、絶縁体表面がカーボンなどの導電性汚損物質で覆われて作動不良が生じやすくなる。しかしながら、上記沿面放電型のスパークプラグによれば、絶縁体表面を這う形で火花放電が生ずるため、汚損物質が絶えず焼き切られる形となり、気中放電型のスパークプラグと比べて耐汚損性が向上する。なお、スパークプラグの技術として、例えば特許文献１に開示されるものがある。
【０００３】
しかしながら、沿面放電型のスパークプラグでは、絶縁体の表面を這う火花が頻繁に発生するため、絶縁体の表面が溝状に削られる、いわゆるチャンネリングが生じやすくなることが知られている。チャンネリングが進行すると、スパークプラグの耐熱性が損なわれたり、あるいは信頼性が低下するなどの不具合が生じたりしやすくなる。このようなチャンネリングは、高速あるいは高負荷運転時に特に生じやすい。近年はエンジンの高出力化に伴い、さらに耐久性に優れたスパークプラグが求められており、チャンネリングの防止ないし抑制に対する要求も厳しくなってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２１９７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、耐汚損性に優れてしかもチャンネリングが生じにくく、良好な耐久性を有するスパークプラグを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明のスパークプラグの第一の構成は、
中心電極と、
中心電極の先端部を自身の先端面に露出させる形にて、該中心電極の外側に配置される絶縁体と、
中心電極の先端部との間に火花放電ギャップを形成するとともに、当該火花放電ギャップにて絶縁体の先端部表面に沿う沿面火花放電が可能となるように、絶縁体先端部及び中心電極先端部との間の位置関係が定められた接地電極とを備え、
絶縁体先端部表面に、侵食抑制層を形成することにより、沿面火花放電に伴う絶縁体先端部表面の侵食を抑制するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
絶縁体の表面に侵食抑制層を形成することにより、絶縁体は沿面放電火花のアタックから保護され、チャンネリングを極めて効果的に防止ないし抑制することができる。
【０００８】
侵食抑制層は、スパークプラグの使用に先立って絶縁体先端部表面に予め形成しておくこともできるし、中心電極及び／又は接地電極が侵食抑制層の形成成分を含んだものとして構成しておき、火花放電ギャップにおける火花放電に伴い絶縁体先端部表面に、電極に含有される侵食抑制層の形成成分に由来した侵食抑制層が自然形成されるようにしてもよい。もちろん、この両者を併用した構成も可能である。特に後者の方式では、侵食抑制層が火花のアタックにより徐々に消耗することがあっても、スパークプラグの使用継続に伴い電極を成分供給源として新たな侵食抑制層が形成されるので、効果の持続時間に優れる。
【０００９】
侵食抑制層は絶縁体侵食抑制成分として、Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕの少なくとも１以上を含有するものとして構成できる。これにより、絶縁体を沿面放電火花のアタックから保護し、チャンネリングを防止ないし抑制する効果が一層高められる。
【００１０】
本発明のスパークプラグは、
中心電極と、
中心電極の先端部を自身の先端面に露出させる形にて、該中心電極の外側に配置される絶縁体と、
中心電極の先端部との間に火花放電ギャップを形成するとともに、当該火花放電ギャップにて絶縁体の先端部表面に沿う沿面火花放電が可能となるように、絶縁体先端部及び中心電極先端部との間の位置関係が定められた接地電極とを備え、
中心電極及び／又は接地電極は、火花放電ギャップに面する発火面の形成部分が少なくとも、Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕの少なくとも１以上を絶縁体侵食抑制成分として含有する金属材料にて構成され、火花放電ギャップにおける火花放電に伴い絶縁体先端部表面に、絶縁体侵食抑制成分を含有した侵食抑制層を形成することにより、沿面火花放電に伴う絶縁体先端部表面の侵食を抑制するように構成することができる。
【００１１】
このスパークプラグは、いわゆる沿面放電型スパークプラグとして構成されており、その中心電極と接地電極とのいずれか一方又は双方において、火花放電ギャップに面する発火面の形成部分を少なくとも、Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕの少なくとも１以上を絶縁体侵食抑制成分として含有する金属材料にて構成している。本発明者らが鋭意検討したところによると、このようなスパークプラグを内燃機関に取り付け、一定以上の高速あるいは高負荷の条件にて運転したときに、火花放電ギャップにおける火花放電に伴い絶縁体先端部表面に、絶縁体侵食抑制成分を含有した侵食抑制層が形成されることがわかった。そして、この侵食抑制層が形成されることにより、絶縁体は沿面放電火花のアタックから保護され、チャンネリングを極めて効果的に防止ないし抑制することができる。
【００１２】
次に、中心電極の外径Ｄと、該中心電極が挿通される貫通孔の内径ｄとの差ｄ−Ｄが、絶縁体の先端位置から軸線方向に５ｍｍ離間した位置において０．０７ｍｍ以上確保されていることが望ましい。また、本発明のスパークプラグの第二の構成は、
中心電極と、
自身に形成された貫通孔内に中心電極が軸線方向に挿入され、該中心電極の先端部を自身の先端面に露出させる絶縁体と、
中心電極の先端部との間に火花放電ギャップを形成するとともに、当該火花放電ギャップにて絶縁体の先端部表面に沿う沿面火花放電が可能となるように、絶縁体先端部及び中心電極先端部との間の位置関係が定められた接地電極とを備え、
中心電極及び／又は接地電極は、火花放電ギャップに面する発火面形成部分が少なくとも、Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕの少なくとも１以上からなる成分を絶縁体侵食抑制成分として含有する金属材料にて構成され、火花放電ギャップにおける火花放電に伴い絶縁体先端部表面に絶縁体侵食抑制成分を含有した侵食抑制層が形成されるようになっており、かつ、
中心電極の外径Ｄと、該中心電極が挿通される貫通孔の内径ｄとの差ｄ−Ｄが、絶縁体の先端位置から軸線方向に５ｍｍ離間した位置において０．０７ｍｍ以上確保されていることを特徴とする。
【００１３】
上記の構成によれば、一定以上の高速あるいは高負荷の条件にて運転したときに、火花放電ギャップにおける火花放電に伴い絶縁体先端部表面に、絶縁体侵食抑制成分を含有した侵食抑制層が形成されて絶縁体が沿面放電火花のアタックから保護され、チャンネリングを極めて効果的に防止ないし抑制することができる。この侵食抑制層の形成の要因については、以下のように推測している。すなわち、火花放電の発生により火花放電ギャップ近傍の気体分子がイオン化されるとともに、そのイオンがギャップ間の電界勾配により加速されて電極の発火面に衝突し、その金属成分をスパッタリングする。スパッタリングされた金属成分は直ちに酸化物となって絶縁体の表面に堆積し、侵食抑制層となるものと考えられる。
【００１４】
ここで、スパッタリング蒸発した金属成分の酸化により生ずる反応生成物は、必ずしも全てが侵食抑制層形成に寄与するのではなく、一部はダストとなって、これが中心電極と絶縁体貫通孔との隙間に堆積することがある。なお、侵食抑制層が沿面放電火花により部分的に削られて、チャンネリングと同様の現象が生ずることもある。これに対し、上記本発明のスパークプラグでは、削られた侵食抑制層は、放電面材料の蒸発酸化してできる反応生成物が新たに堆積して回復するので、絶縁体部分にまでチャンネリングが進行することは生じにくい。しかし、削られた侵食抑制層のダストが上記の隙間に入り込んで堆積することは、同様に生じうる。いずれにしろ、隙間量が小さいと、発生したダストが堆積して隙間に高密度に詰まり、例えば冷熱サイクルが繰り返されたときに、金属製の中心電極とセラミック製の絶縁体との膨張差によって、絶縁体に割れが生じたりする不具合を生じることもありうる。
【００１５】
しかしながら、本発明者等が鋭意検討した結果、中心電極の外径と絶縁体貫通孔の内径との径差にて表した隙間量を０．０７ｍｍ以上に確保することで、隙間にダストが高密度に詰まることが抑制されることが判明したのである。その結果、侵食抑制層形成により絶縁体へのチャンネリングが抑制され、しかも、その侵食抑制層形成に伴い発生するダストが、中心電極と絶縁体との隙間に詰まりにくくなるから、冷熱サイクルが繰り返された場合でも絶縁体に割れが生じたりする不具合も同時に防止できる。なお、絶縁体の先端位置から軸線方向に５ｍｍ離間した位置にて隙間量を規定している理由は、以下の通りである。すなわち、スパークプラグは通常、火花放電ギャップ、すなわち絶縁体の先端が下向きとなるようにシリンダヘッドに取り付けられ、ダストの隙間への侵入も、燃焼圧力を受けて下側から上向きに押し込まれる形で進行する。その結果、絶縁体の先端位置からの距離にして５ｍｍ程度の位置にダストが最も溜まりやすくなるためである。
【００１６】
なお、絶縁体への沿面放電火花のアタックの強さ、ひいてはチャンネリングの生じやすさの傾向は、電極への火花放電の電圧印加極性の相違によっても影響を受ける。特に、中心電極側が正となるように火花放電の電圧を印加する方が、負となるように電圧印加する場合よりもチャンネリングをより生じにくいので有利である。この場合、絶縁体の先端位置から軸線方向に５ｍｍ離間した位置における中心電極の外径Ｄと、該中心電極が挿通される貫通孔の内径ｄとの差ｄ−Ｄは、中心電極側が負となる極性にて電圧印加する場合は、上記の通り０．０７ｍｍ以上とすることが望ましいが、正となる極性にて電圧印加する場合は、そのチャンネリング抑制効果により発生するダスト量も少ないので、それよりも径差ｄ−Ｄを縮小すること、例えば０．０３ｍｍ以上（望ましくは０．０４ｍｍ以上）とすることも可能である。
【００１７】
次に、侵食抑制層は、前述の通り、スパークプラグの使用に先立って、予め絶縁体表面に形成しておくことができる。また、本発明のスパークプラグは、
中心電極と、
中心電極の先端部を自身の先端面に露出させる形にて、該中心電極の外側に配置される絶縁体と、
中心電極の先端部との間に火花放電ギャップを形成するとともに、当該火花放電ギャップにて絶縁体の先端部表面に沿う沿面火花放電が可能となるように、絶縁体先端部及び中心電極先端部との間の位置関係が定められた接地電極とを備え、
沿面火花放電の経路となる絶縁体先端部表面に、無機系化合物を主体とする侵食抑制層が形成され、その侵食抑制層により沿面火花放電に伴う絶縁体先端部表面の侵食抑制を図るように構成することができる。
【００１８】
この場合、侵食抑制層は、前記の絶縁体侵食抑制成分（例えば、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＳｎの少なくとも１種）をカチオン成分とする酸化物系化合物（例えば半導体性のもの）を主体に構成することができる。侵食抑制層は、スパークプラグの使用に先立って絶縁体表面に形成しておくわけであるから、放電面部の金属材料に由来する成分を含有していることの必然性はなく、例えば電極材料としては不適な低融点のＳｎ等を元素成分として含有していてもさしつかえない。
【００１９】
この構成においても、中心電極の外径Ｄと、該中心電極が挿通される貫通孔の内径ｄとの差ｄ−Ｄが、絶縁体の先端位置から軸線方向に５ｍｍ離間した位置において０．０７ｍｍ以上確保されていることが望ましい。さらに、中心電極及び／又は接地電極は、火花放電ギャップに面する発火面形成部分が少なくとも、Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕの少なくとも１以上からなる成分を絶縁体侵食抑制成分として含有する金属材料にて構成することができる。これによれば、火花放電ギャップにおける火花放電に伴い絶縁体先端部表面に、絶縁体侵食抑制成分を含有した反応生成物を、既に形成されている侵食抑制層上に堆積させることで、侵食抑制層の沿面放電による目減りが補われ、チャンネリング防止効果の持続性が高められる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例を示すスパークプラグの全体図。
【図２】同じくその要部縦断面図。
【図３】図２の各部寸法関係を表す断面図。
【図４】図１のスパークプラグの作用説明図。
【図５】同じく別の作用説明図。
【図６】絶縁体表面に侵食抑制層を予め形成する例を示す要部縦断面図。
【図７】中心電極に耐消耗部を設けた例を示す要部縦断面図。
【図８】中心電極の外周面に耐消耗部を形成する方法の一例を示す工程説明図。
【図９】接地電極の端面に耐消耗部を形成する例をその製造方法とともに示す説明図。
【図１０】本発明をフル沿面放電型スパークプラグに適用した例を示す要部縦断面図。
【図１１】本発明を間欠沿面放電型スパークプラグに適用した例を示す要部縦断面図。
【図１２】図１１において、中心電極の外周面に耐消耗部を形成する例をいくつか示す要部縦断面図。
【図１３】複数の接地電極を有するスパークプラグのいくつかの実施例を示す平面図。
【図１４】中心電極外周面に設けた帯状の耐消耗部の望ましい形成位置を示す拡大断面図。
【図１５】中心電極外周面に帯状の耐消耗部を設けたセミ沿面放電型スパークプラグの例を示す要部縦断面図。
【図１６】中心電極先端面に対向する接地電極と、同じく側面に対向する接地電極とを両方設けたスパークプラグの例を示す要部正面断面図及び要部側面断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明のいくつかの実施の形態を図面に示す実施例により説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１に示す本発明の一例たるスパークプラグ１は、いわゆるセミ沿面放電型スパークプラグとして構成され、筒状の主体金具５、先端部が突出するようにその主体金具５に嵌め込まれた絶縁体３、その絶縁体３の内側に設けられた中心電極２、及び主体金具５に基端側が結合され、絶縁体３の先端部を間に挟んで中心電極２の側面と先端側が対向するように配置された接地電極４等を備えている。絶縁体３は、例えばアルミナあるいは窒化アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、図２に示すように、その内部には自身の軸方向に沿って中心電極２を嵌め込むための孔部（貫通孔）３ｄを有している。また、主体金具５は、低炭素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパークプラグ１のハウジングを構成するとともに、その外周面には、図１に示すように、スパークプラグ１を図示しないシリンダヘッドに取り付けるためのねじ部６が形成されている。なお、図２に示すように、接地電極４は中心電極２の両側に各１ずつの計２つ設けられており、それぞれ端面（発火面）４ａが、円柱状の中心電極２の先端部２ａの側面２ｂ（発火面）とほぼ平行に対向するように湾曲させて形成される一方、他端側は主体金具５に対して溶接等により固着・一体化されている。
【００２３】
絶縁体３は先端部３ａが中心電極２の側面２ｂと接地電極４の発火面４ａとの間に入り込む位置関係で配置されている。図２においては、中心電極２の軸線方向において該中心電極２の先端面側を前方側、これと反対側を後方側として、絶縁体３の先端面３ｅは、接地電極４の端面４ａの、後方側の縁４ｆよりも前方側に位置している。一方、中心電極２の先端面は、絶縁体３の先端面３ｅよりも所定高さだけ突出して配置されている。
【００２４】
図１に戻り、絶縁体３の孔部３ｄには、その一方の端部側に端子金具１３が挿入・固定され、同じく他方の端部側に中心電極２が挿入・固定されている。また、該貫通孔３ｄ内において端子金具１３と中心電極２との間に抵抗体１５が配置されている。この抵抗体１５の両端部は、導電性ガラスシール層１６，１７を介して中心電極２と端子金具１３とにそれぞれ電気的に接続されている。また、端子金具１３は低炭素鋼等で構成され、表面には防食のためのＮｉメッキ層（層厚：例えば５μｍ）が形成されている。抵抗体１５は、ガラス粉末、セラミック粉末、金属粉末（例えば、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ａｇ及びＮｉの１種又は２種以上を主体とするもの）、非金属導電物質粉末（例えば無定形カーボンないしグラファイト）及び有機バインダ等を所定量配合し、ホットプレス等の公知の手法により焼結して製造されるものである。
【００２５】
次に、中心電極２及び接地電極４は、火花放電ギャップに面する発火面形成部分、この実施例では各々全体が、Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕの少なくとも１以上からなる成分を絶縁体侵食抑制成分として含有する金属材料にて構成されている。具体的な材質については、後に詳述する。なお、中心電極２及び接地電極４には、熱引きを改善するために必要に応じて内部に熱伝導性の良好なＣｕ（あるいはその合金）等の芯材が埋設されていてもよい。
【００２６】
以下、スパークプラグ１の作動について説明する。
【００２７】
スパークプラグ１はそのねじ部６（図１）においてガソリンエンジン等の内燃機関に取り付けられ、燃焼室に供給される混合気への着火源として使用される。該スパークプラグ１は、例えば、中心電極２側が負、接地電極４側が正となるように放電用高電圧が印加される。これにより、図４（ａ）に示すように、接地電極４の発火面４ａと中心電極２の先端部２ａの側面（発火面）２ｂとの間で放電により火花Ｓが発生し、混合気に着火を行う。ここで、絶縁体３の先端部３ａは発火面４ａと中心電極２の側面２ｂとの間に入り込む形で配置されており、火花Ｓ’が絶縁体３の先端部３ａの表面に沿う経路で伝播するセミ沿面放電型スパークプラグとして機能する。
【００２８】
図２に示すように、本実施例のスパークプラグ１では、中心電極２の先端部２ａが絶縁体３の先端面３ａから突出していることで、その突出部の外周面と接地電極４の発火面４ａとの間には第一ギャップｇ１が、また、絶縁体３の外周面と発火面４ａとの間には第二ギャップｇ２が形成されている。これにより、該スパークプラグ１は、汚損がそれほど進行しない場合には第一ギャップｇ１で火花放電する頻度が高く、汚損が進行すると第二ギャップｇ２で火花放電する頻度が高くなることで、絶縁体３の表面の汚損の進行を自動検出してこれを焼き切る汚損検出・浄化機能を備えていると見ることもできる。
【００２９】
そして、本実施例のスパークプラグ１においては、中心電極２及び接地電極４の、少なくとも発火面（２ｂ，４ａ）に、Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕの少なくとも１以上が絶縁体侵食抑制成分として含有されている。このようなスパークプラグを内燃機関に取り付け、一定以上の高速あるいは高負荷の条件にて運転すると、図４（ａ）に示すように、火花放電に伴い絶縁体３の先端部３ａの表面に、上記の絶縁体侵食抑制成分を含有した侵食抑制層３０が形成される。その結果、例えば図４（ｂ）に示すように、第二ギャップｇ２で飛火する沿面放電時においても、侵食抑制層３０により絶縁体３の先端部３ａの表面が保護され、チャンネリングの進行が効果的に防止ないし抑制される。
【００３０】
形成される侵食抑制層３０は、Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕの少なくとも１種をカチオン成分として含有する酸化物系半導体化合物を主体に構成されたものとすることができる。Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕのいずれかの元素を含有した酸化物系化合物（例えば、半導体性化合物）を主体とする侵食抑制層３０を形成することで、チャンネリング防止効果は一層顕著なものとなる。
【００３１】
上記のような侵食抑制層３０が形成される理由については、本発明者らは以下のように推測している。すなわち、火花放電ＳあるいはＳ'の発生により、火花放電ギャップｇ１，ｇ２近傍の気体分子がイオン化され、電極２，４間に形成される電界勾配によりそのイオンが発火面に衝突して、これを形成している金属成分をはじきとばす。火花放電ギャップｇ１，ｇ２が配置される燃焼室内は通常、燃焼ガスにより高温の酸化雰囲気になっているので、はじきとばされた金属成分は直ちに酸化物となって絶縁体３の先端部３ａの表面に堆積し、侵食抑制層３０となる。これは、発火面を形成する金属材料をターゲットとした、反応性スパッタリングと類似の機構であるといえる。なお、この実施例では、中心電極側を負としており、正イオンの発生時には中心電極２側の発火面が主に侵食抑制層３０の成分源として機能すると考えられる。しかしながら、電極２，４が高温となる高速あるいは高負荷運転時においては、発火面（２ｂ，４ａ）の金属材料の部分的な溶融・飛散が起こることも考えられ、これが酸化されて絶縁体表面に堆積する、という可能性もありうる。この場合は、図４（ａ）において破線で示すように、接地電極４側の発火面４ａも、侵食抑制層３０の成分源として機能しうる。
【００３２】
なお、発火面４ａ，２ｂの金属材料にＦｅ、Ｃｒ及びＣｕが含有されている場合、上記のような侵食抑制層３０が顕著に形成されるか否かはスパークプラグの使用条件、具体的には、発火面４ａ，２ｂの温度（例えば中心電極先端部あるいはその付近の温度）等によって定まる。いずれにしろ、高速あるいは高負荷運転時のように、発火面４ａ、２ｂの温度が上昇しやすい環境下では、例えば発火面部２ｂのスパッタリング的な蒸発が起こりやすくなり、侵食抑制層３０の形成も促進される。つまり、チャンネリングの起こりやすい条件となるほど、それを防止ないし抑制する侵食抑制層３０の形成も進むので、結果として非常に優れたチャンネリング防止効果が達成されるわけである。なお、侵食抑制層３０の形成が促進される発火面４ａ，２ｂの温度条件は、燃焼ガスの組成や空燃比等の影響も受けるので一概にはいえないが、概ね６００℃以上と考えられる。
【００３３】
ここで、図３に示すように、中心電極２の外径Ｄと、該中心電極２が挿通される貫通孔３ｄの内径ｄとの差ｄ−Ｄは、絶縁体の先端位置から軸線方向に測定した距離Ｑが５ｍｍの位置において０．０７ｍｍ以上確保されていることが望ましい。なお、中心電極２の先端部２ａが基端部２ｃよりも小径となるように縮径されている場合、その基端部２ｃの外径Ｄ１と貫通孔３ｄの内径ｄとの差ｄ−Ｄ１が、０．０７ｍｍ以上確保されていればよい。
【００３４】
図５に示すように、蒸発した電極金属成分の酸化により生ずる反応生成物は、必ずしも全てが侵食抑制層形成に寄与するのではなく、一部はダストＪとなって、これが中心電極２と貫通孔３ｄとの隙間Ｋに堆積することがある。他方、既に形成されている侵食抑制層３０が沿面放電火花により部分的に削られて同様のダストＪを生ずることもありうる。この場合、隙間量が小さいと、図５（ｂ）に示すように、発生したダストＪが堆積して隙間Ｋに高密度に詰まり、例えば冷熱サイクルが繰り返されたときに、中心電極２と絶縁体３との膨張差によって絶縁体３に割れＣが生じたりする不具合を生じることもありうる。しかしながら、ｄ−Ｄ１が０．０７ｍｍ以上に確保されていることで、隙間ＫにダストＪが高密度に詰まることが抑制され、冷熱サイクルが繰り返された場合でも絶縁体３に割れ等が生じにくくなる。ただし、ｄ−Ｄ１が０．３ｍｍよりも大きくなると、耐熱性が低下したり、中心電極２の偏心組付けが発生しやすくなったりすることがあるので、ｄ−Ｄ１は０．３ｍｍ以下とするのがよい。なお、ｄ−Ｄ１は、より望ましくは０．０７〜０．１５ｍｍとなっているのがよい。
【００３５】
なお、ｄ−Ｄ１は、中心電極２側が負となる極性にて電圧印加する場合は、上記の通り０．０７ｍｍ以上とすることが望ましいが、正となる極性にて電圧印加する場合は、０．０３ｍｍ以上（望ましくは０．０４ｍｍ以上）とすることも可能である。
【００３６】
次に、チャンネリング抑制効果の高い侵食抑制層３０（図４）を形成するためには、中心電極２及び／又は接地電極４は、火花放電ギャップｇ１あるいはｇ２に面する発火面２ｂ，４ａの形成部分が少なくとも、Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕの少なくとも１を合計で１０質量％以上含有する金属材料にて構成されていることが望ましい。また、電極２，４の耐熱性を考慮すれば、発火面２ｂ，４ａの形成部分が少なくとも、Ｎｉ又はＦｅを主成分とするもので構成されていることが望ましい（なお、本明細書において「主成分」とは、最も質量含有率の高い成分を意味し、必ずしも「５０質量％以上を占める成分」を意味するものではない）。例えば、Ｎｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金としては、次のようものが使用可能である。
（１）Ｎｉ基耐熱合金：本明細書では、Ｎｉを４０〜８５質量％含有し、残部の主体が、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ及びＦｅの１種又は２種以上からなる耐熱合金を総称する。具体的には、次のようなものが使用できる（いずれも商品名；なお、合金組成については、文献（改訂３版金属データブック（丸善）；ｐ１３８）に記載されているので、詳細な説明は行わない）：
ASTROLOY、CABOT 214、D-979、HASTELLOY C22、HASTELLOY C276、HASTELLOY G30、HASTELLOY S、HASTELLOY X、HAYNES 230、INCONEL 587、INCONEL 597、INCONEL 600、INCONEL 601、INCONEL 617、INCONEL 625、INCONEL 706、INCONEL 718、INCONEL X750、KSN、M-252、NIMONIC 75、NIMONIC 80A、NIMONIC 90、NIMONIC 105、NIMONIC 115、NIMONIC 263、NIMONIC 942、NIMONIC PE11、NIMONIC PE16、NIMONIC PK33、PYROMET 860、RENE 41、RENE 95、SSS 113MA、UDIMET 400、UDIMET 500、UDIMET 520、UDIMET 630、UDIMET 700、UDIMET 710、UDIMET 720、UNITEP AF2-1
DA6、WASPALOY。
【００３７】
（２）Ｆｅ基耐熱合金：本明細書では、Ｆｅを２０〜６０質量％含有し、残部の主体が、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ及びＮｉの１種又は２種以上からなる耐熱合金を総称する。具体的には、次のようなものが使用できる（いずれも商品名；なお、合金組成については、文献（改訂３版金属データブック（丸善）、ｐ１３８）に記載されているので、詳細な説明は行わない）；
A-286、ALLOY 901、DISCALOY、HAYNES 556、INCOLOY 800、INCOLOY 801、INCOLOY 802、INCOLOY 807、INCOLOY 825、INCOLOY 903、INCOLOY 907、INCOLOY 909、N-155、PYROMET CTX-1、PYROMET CTX-3、S-590、V-57、PYROMET CTX-1、16-25-6、17-14CuMo、19-9DL、20-Cb3。
【００３８】
なお、スパークプラグの耐チャンネリング特性を高めるためには、絶縁体３に対する沿面放電火花のアタックが過剰とならない作動環境を形成すること、例えば電極に瞬間的に過剰な放電電圧が作用したり、あるいは１ケ所に電圧が集中したりする傾向をなるべく抑制し、これを分散させることが有効である。前者に属する方策としては、例えば、図１の抵抗体１５の電気抵抗値を、端子金具１３と中心電極２との間で測定した電気抵抗値が２ｋΩ以上（望ましくは５ｋΩ以上）となるように調整するのがよい。抵抗体１５の電気抵抗値は、例えばその組成や寸法の変更により調整が可能である。
【００３９】
他方、後者に属する方式としては、接地電極４の数を１つとするのではなく、また図１３（ａ）〜（ｃ）に示すように、接地電極４を複数設けることが有効である。例えば図１３（ｂ）においては３つの接地電極４が、また同図（ｃ）においては４つの接地電極４が、それぞれ中心電極２の軸線周りにおいてほぼ等角度間隔で配置されている。特に、接地電極４の数を３以上とすることで、耐チャンネリング性能の向上が顕著となる。
【００４０】
また、図２において、中心電極２の先端部の軸断面径Ｄ２（特に、絶縁体３の先端面位置に対応する中心電極２の軸断面径）は、これを大きくする方が、放電路が分散しやすいので有利といえる。この場合、Ｄ２は２．０ｍｍ以上確保されていることが望ましい。一方、中心電極２の先端部の軸断面径Ｄ２は、これを小さくするほど中心電極２の先端部２ａの体積が減少して、着火により生じた炎の熱を奪いにくくなり、プラグの着火性が向上する場合がある。また、火花発生により清浄化すべき中心電極２の先端部２ａあるいは絶縁体３の先端部の表面積も減少することから、プラグの耐汚損性を向上させることができる。そして、両者のバランスを考慮すれば、上記中心電極の先端部の軸断面径を０．６〜２．２ｍｍの範囲で調整するのがよい。軸断面径が０．６ｍｍ未満になると、チャンネリング抑制効果が不十分となる場合がある。一方、先端部の軸断面径が２．２ｍｍを超えると、耐汚損性が十分に確保できなくなる場合がある。
【００４１】
また、上記のスパークプラグ１は、中心電極２の軸線方向Ｏにおいて該中心電極２の先端面側を前方側、これと反対側を後方側として、絶縁体３の先端面が、接地電極４の端面（発火面）４ａの後方側の縁４ｆよりも前方側に位置するように構成されている。これにより、スパークプラグの耐チャンネリング性がさらに向上する。理由としては、図４（ａ）に示すように接地電極４の端面の、後方側の縁４ｆを端とする放電路は、絶縁体３によってブロックされる形となるので、気中型放電が主体となる前方側の縁４ｅからの放電が起こりやすくなることが考えられる。
【００４２】
ここで、図３に示すように、中心電極２の軸線方向Ｏにおいて接地電極４の、端面４ａの後方側の縁４ｆから前方側の縁４ｅまでの距離をＨ、同じく絶縁体３の先端面３ｅから、接地電極４の、端面４ａの前方側の縁４ｅまでの距離をｈとして、ｈ／Ｈを０．５以下とするのがよい。ｈ／Ｈをこのように設定することで、接地電極４の端面４ａの、後方側の縁４ｆを放電路の端とする火花（すなわち、絶縁体の表面を這いやすい火花）の発生頻度が減少し、耐チャンネリング性をより良好なものとすることができる。また、Ｈ−ｈ、すなわち、絶縁体３の先端面の接地電極４の端面４ａの、後方側縁４ｆからの突出量は１．２ｍｍ以下とするのがよい。これにより、接地電極の端面の後方側縁が放電路の端となっても、火花は絶縁体の表面を強くアタックしにくくなるので、スパークプラグの耐チャンネリング性を向上させることができる。
【００４３】
次に、スパークプラグ１においては、図７に示すように、接地電極４及び／又は中心電極２の、発火面４ａ，２ｂの一部を含む部分が、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｗ、Ｒｅ及びＲｕの少なくともいずれかを主成分とする金属又は該金属を主体とする複合材料で構成された耐消耗部とすることができる。例えば図７に示す例では、スパークプラグ１は、中心電極２の先端部２ａにおいて、外周面（発火面）２ｂの軸線方向の中間位置に、帯状の耐消耗部４０が形成されている。耐消耗部４０の具体的な材質としては、Ｐｔ−Ｎｉ合金、例えばＰｔを主体としてＮｉを６質量％以上含有する合金を使用することができる。
【００４４】
耐消耗部４０は、例えば上記金属ないし複合材料で構成されたチップを溶接により固着して形成することができる。耐消耗部４０を構成する上記材料は耐熱性と耐腐食性とに優れ、ひいては耐消耗部４０の消耗を抑制してスパークプラグ１の耐久性を向上させることができる。なお、耐消耗部４０は、中心電極２の先端面の縁部を含むように形成してもよい。
【００４５】
耐消耗部４０は、例えば次のようにして形成することができる。すなわち、図８（ａ）に示すように、中心電極２となるべきＮｉ製の電極素材３３０の先端部に、溝（例えば台形状断面を有するもの）３３１を周方向に沿って形成し、その溝３３１に環状のＰｔ部材３４０（例えばＰｔ線を環状に丸めたもの）を嵌め込んでかしめる。そして、同図（ｂ）に示すように、電極素材３３０を所定速度で回転させながら、レーザービーム３３７をＰｔ部材３４０に照射する。これにより、同図（ｃ）に示すようにＰｔ部材３４０と電極素材３３０とが溶融してＰｔ−Ｎｉ合金部３３４（これが耐消耗部４０となる）が形成される。なお、レーザービームの照射条件及びＰｔ部材３４０の寸法は、形成される上記Ｐｔ−Ｎｉ合金部３３４中のＮｉ含有量が１５質量％以上となるように調整する。なお、耐消耗部４０は、中心電極２の先端面の縁部を含むように形成する場合は、同図（ｄ）に示すように、先端面３０２ｆの周縁に、上記Ｐｔ−Ｎｉ合金部３３４に基づく発火面２ｃが露出するように、電極素材３３０の先端部を切断、研磨あるいは切削等により除去するようにする。
【００４６】
なお、図６に示すように、耐消耗部４０を中心電極２の外周面に形成する場合、該中心電極２の軸線方向Ｏにおいて、絶縁体３の先端位置に関してその両側に位置する領域にまたがらないように耐消耗部４０に形成すること、すなわち、絶縁体３の貫通孔３ｄの開口縁に対し、絶縁体侵食抑制成分であるＦｅ、Ｃｒ及びＣｕを含有した、中心電極２の本体部の金属材料面が臨む形となるように、耐消耗部４０を形成することが望ましい。これにより、沿面放電火花が発生したときに、これが上記金属材料面に当り、絶縁体侵食抑制成分の供給、ひいては侵食抑制層３０の形成が促進され、耐チャンネリング防止効果が向上する。
【００４７】
一方、図９（ａ）に示すように、スパークプラグ１は、接地電極４の先端部の端面４ａの少なくとも一部を、耐消耗部４ｇとすることができる。上記耐消耗部４ｇの具体的な材質としては、前記した耐消耗部４０と同様に、Ｐｔ−Ｎｉ合金、例えばＰｔを主体としてＮｉを１５質量％以上含有する合金を使用することができる。ここでは、図９（ｂ）に示すように、接地電極４の端面４ａの、後方側の縁から前方側の縁までの距離をＨとし、該端面４ａの後方側の縁からＨ／２よりも先端側に位置する領域の一部を含む形で、耐消耗部４０を形成している。耐消耗部４ｇを構成する上記材料は耐熱性と耐腐蝕性とに優れるため、接地電極４の、先端部の端面４ａの消耗を抑制してスパークプラグ１の耐久性を向上させることができる。
【００４８】
図９（ｃ）に示すように、耐消耗部４ｇは、例えば上記金属ないし複合材料で構成されたチップ４ｇ’を、端面４ａにレーザ溶接又は抵抗溶接により固着して形成することができる。ここでは、端面４ａに凹部４ｄを作り、ここにチップ４ｇ'を嵌め込んで境界部分に溶接部Ｗを形成することにより、耐消耗部４ｇを設けている。
【００４９】
なお、中心電極２側の耐消耗部４０（図７）と、接地電極４側の耐消耗部４ｇとは、これらを双方ともに形成してもよいが、接地電極４側の消耗がそれほど問題にならない場合には、該接地電極４側の耐消耗部４ｇは特に設けず、中心電極２側の耐消耗部４０のみを形成するようにしてもよい。他方、上記のスパークプラグ１は、上記と逆極性、すなわち中心電極２側が正となるように電圧印加を行ってもよい。この場合は、逆に接地電極４側の耐消耗部４ｇのみを設けるようにしてもよい。
【００５０】
次に、上記スパークプラグ１では、図４に示すように、スパークプラグ１の使用時において、発火面２ｂあるいは４ａを形成する金属材料に由来した侵食抑制層３０を絶縁体表面に形成するようになっていた。他方、図６に示すように、侵食抑制層３１を、予め絶縁体３の表面に形成したスパークプラグ１００の構成によっても、上記したスパークプラグ１と実質的に同じ効果が達成できる。この場合、侵食抑制層３１は、カチオン成分がＦｅ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＳｎの少なくとも１種を含有する酸化物系半導体化合物を主体に構成することができる。上記のような酸化物系半導体化合物からなる侵食抑制層３１は、例えば高周波スパッタリング、反応性スパッタリング、イオンプレーティング等の各種気相成膜法の他、金属アルコキシドの加水分解等により酸化物ゾルを調製し、これと絶縁体３に塗布・乾燥して焼成することにより酸化物被膜を得るゾル−ゲル法の適用も可能である。
【００５１】
この場合、中心電極２及び／又は接地電極４の材質は特に限定されないが、例えば上記と同様に、Ｆｅ、Ｃｒ及びＣｕの少なくとも１以上からなる成分を絶縁体侵食抑制成分として含有する金属材料にて構成することができる。火花放電に伴い、絶縁体３の先端部３ａの表面には、絶縁体侵食抑制成分を含有した反応生成物３２が、既に形成されている侵食抑制層３１上に堆積する。これにより、侵食抑制層３１の沿面放電による目減りが補われ、チャンネリング防止効果の持続性が高められる。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態を、セミ沿面放電型スパークプラグを例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。以下に、いくつかの別の例を示す（スパークプラグ１との構成要件上の共通部分には同一の符号を付与して、詳細な説明は省略している）。例えば、図１０は、絶縁体３の表面に接地電極１０４の内面側を接触させることにより、中心電極２との間の放電経路のほぼ全長にわたって沿面放電を生じさせるようにした、フル沿面放電型スパークプラグ２００として構成した例である。
【００５３】
また、図１１のスパークプラグ３００では、絶縁体３の先端部が、中心電極２の先端部２ａの側面２ｂと、接地電極４の先端面４ａとの間（第一ギャップｇ１）に入り込まない形となっている。そして、中心電極２の先端部２ａの側面２ｂと接地電極４の先端面４ａとの距離に対し、絶縁体３の先端面３ｅと、接地電極４の端面４ａの、後方側の縁４ｆとの距離が小さく設定されている（第二ギャップｇ２）。すなわち、中心電極２の先端部２ａが、絶縁体３から突出して配置されるとともに、その絶縁体３の外側を覆う形で筒状の主体金具７が設けられている。接地電極４は、基端側が主体金具１の端部に接合される一方、先端側は中心電極２側に曲げ返され、その端面４ａが、突出する中心電極２の先端部２ａの側面２ｂと対向するように配置されて第一ギャップｇ１を形成する一方、接地電極４の先端部の内側面が、絶縁体３の先端面３ｅと対向して第一ギャップｇ１よりも小さい第二ギャップｇ２を形成している。これは、絶縁体３の汚損が進行した場合に限って第二ギャップｇ２で火花放電するようにした、いわゆる間欠沿面放電型スパークプラグとよばれるタイプのものである。
【００５４】
この構成では、中心電極３の軸線方向において該中心電極３の先端面側を前方側、これと反対側を後方側として、該軸線方向において、接地電極４の端面４ａの、後方側の縁４ｆと絶縁体３の先端面３ｅとの間の距離をｈとしたときに、該ｈが０．３ｍｍ以上、より望ましくは０．４ｍｍ以上の範囲で調整するのがよい。このように、沿面放電形態となる第二ギャップｇ２をある程度大きく設定することで、耐チャンネリング性をより良好なものとすることができる。ただし、ｈが０．７ｍｍを超えると、第二ギャップｇ２における放電電圧が高くなり過ぎて、間欠沿面放電型スパークプラグとしての機能が不十分となる場合があるので、ｈは０．７ｍｍ以下とするのがよい。
【００５５】
この場合も、図１２に示すように、前記した耐消耗部４０と同様に、中心電極２に耐消耗部４１あるいは４２を設けることができる。図１２（ａ）では、耐消耗部４１は、中心電極２の先端縁を含む形で形成されている。他方、図１２（ｂ）では、耐消耗部４２が、絶縁体３の貫通孔３ｄ内に収まるように（すなわち、該中心電極２の軸線方向Ｏにおいて、絶縁体３の先端位置に関してその両側に位置する領域にまたがらないように）形成されている。特に、図１４に示すように、中心電極２の軸線方向Ｏにおいて該中心電極２の先端に向かう側を前方側として、耐消耗部４２の前方側の縁（以下、前端縁という）が、絶縁体の先端縁から軸線方向において後方側へ０．５ｍｍまでの区間Ｙ内に位置させると、沿面放電火花が中心電極２の本体部の金属材料面に一層効率的に当たり、上記の効果がさらに高められる。後方側へ０．５ｍｍを超えて耐消耗部４０の前端縁が引っ込むと、耐消耗部４０の位置が火花を受ける位置から大きく外れ、電極消耗抑制に寄与しにくくなる。
【００５６】
また、中心電極２の本体部の金属材料がＦｅとＣｒとを含有している場合、耐消耗部４２の周囲には、耐消耗部の構成金属と中心電極の構成金属とが溶融混合した溶融部４２ａが形成され、その溶融部４２ａには中心電極の構成金属よりも少ない量のＦｅとＣｒとが含有される形となる。この溶融部４２ａは、中心電極の構成金属ほどではないが、ＦｅとＣｒとが含有されているため侵食抑制層の形成に寄与することができる。このことを考慮に入れた場合、耐消耗部４０の周辺において、Ｆｅ及びＣｒの合計含有量が７質量％以上となる領域（上記の溶融部４２ａである）が、絶縁体の先端縁から軸線方向において前方側へ０．５ｍｍ、後方側へ０．３ｍｍまでの区間Ｚ内に位置していることが望ましい。前方側へ０．５ｍｍを超えて領域４２ａの前端縁が侵入すると、侵食抑制層の形成が妨げられやすくなり、逆に後方側へ０．３ｍｍを超えて領域４２ａの前端縁が引っ込むと、耐消耗部４０の位置が火花を受ける位置から大きく外れ、電極消耗抑制に寄与しにくくなる。
【００５７】
なお、図１２は、間欠沿面放電型スパークプラグの中心電極２に耐消耗部４２ａを形成した例であるが、図１５に示すように、セミ沿面放電型スパークプラグ３５０においても、耐消耗部４２を全く同様に形成できる。なお、図１５の例では、中心電極２の内部にＣｕあるいはＣｕ合金にて構成された放熱促進用金属部２ａが形成されている。
【００５８】
また、以上の実施例のスパークプラグは、いずれも全ての接地電極の先端面が中心電極の側面に対向するタイプのものであったが、本発明は、複数ある接地電極の一部が、必ずしも中心電極の側面に先端面が対向していない態様も包含する。その一例を図１６（ａ）（正面図）及び（ｂ）（側面図）に示している。このスパークプラグ４００では、図１２のスパークプラグ３００等と同様に、絶縁体３の外側を覆う形で筒状の主体金具５が設けられる。また、基端側が主体金具５の端部に接合される一方、先端側は中心電極２側に曲げ返される形態の接地電極４，１０４が複数設けられる。そして、それら接地電極の１つ、すなわち接地電極１０４は、側面が中心電極２の先端面と対向するように配置される一方、残余の接地電極４の少なくとも１つ（ここでは２つ）のものが、端面が中心電極２の側面と対向するように配置される。
【００５９】
上記の構成では、いわゆる平行対向型スパークプラグと同様の火花放電ギャップｇαが接地電極１０４の側面と中心電極２の先端面との間に形成され、多極スパークプラグと同様の火花放電ギャップｇβが、接地電極４の先端面と中心電極２の側面との間に形成される。ギャップｇαの大きさをギャップｇβよりも大きくおくと、通常はギャップｇαにて飛火しやすく、絶縁体３の先端面が汚損した場合にはギャップｇβで飛火しやすくなる。平行対向型スパークプラグに形態の近いギャップｇαは火花の集中度が高く（特に中心電極２側を負として電圧印加する場合）、着火性を高めることができる。この場合も、中心電極の外径Ｄと、該中心電極が挿通される貫通孔の内径ｄとの差ｄ−Ｄが、絶縁体の先端位置から軸線方向に５ｍｍ離間した位置において０．０７ｍｍ以上確保されていることが望ましい。なお、この実施例では、側面が中心電極２の先端面と対向するように配置される接地電極４は、その端面が絶縁体３の先端部を間に挟んで中心電極の側面と対向するように配置されている。すなわち、ギャップｇβでの飛火形態は、図２等のスパークプラグ１と同様のセミ沿面飛火形態となる。
【００６０】
なお、ギャップｇβでは、通常時でも全く飛火を起こさないというわけではなく、特に汚損を生じていない状況下でも少なからぬ飛火を生ずることがある。この場合、ギャップｇβでの飛火は、絶縁体３の先端面におけるセミ沿面放電形態となるから、絶縁体先端面に対応する位置における、中心電極の、先端部側面における消耗を考慮しなければならない。そこで、該先端面に対応する位置における中心電極２の軸断面径Ｄ２’は、２．０ｍｍ以上確保されていることが望ましい。当該位置における軸断面径Ｄ２’は、これを大きくする方が、放電路が分散しやすいので、消耗抑制上有利だからである。
【００６１】
なお、中心電極２の先端部には、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｗ、Ｒｅ及びＲｕの少なくともいずれかを主成分とする金属又は該金属を主体とする複合材料で構成された耐消耗部１０５が、環状の溶接部１０６にて接合されている。なお、中心電極２の外周面には、図１２（ｂ）に示すのと同様の耐消耗部４２を形成してもよい。さらに、中心電極２の内部には、ＣｕあるいはＣｕ合金にて構成された放熱促進用金属部２ａが形成されている。
【００６２】
図１及び図２に示すスパークプラグについて、本発明の効果を確認するために以下の実験を行った。まず、図２において、第一ギャップｇ１の大きさを１．６ｍｍ、ギャップｇ２の大きさを０．６ｍｍに設定した。また、図３において、Ｈを１．５ｍｍ、ｈを１．０ｍｍ（ｈ／Ｈは０．６７）、ｔを１．２ｍｍとした。また、中心電極２の先端部２ａの外径Ｄ２は２．０ｍｍであり、基端部２ｃの外径Ｄ１は２．１ｍｍとした。さらに、絶縁体３の貫通孔３ｄの内径ｄを２．１５〜２．３ｍｍの各種値に設定することにより、絶縁体３の先端位置から軸線方向に５ｍｍ離間した位置においてｄ−Ｄ１が、０．０５〜０．２ｍｍの各種値となるように調整している。また、中心電極２と接地電極４の材質は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金（Ｃｒ：１５質量％、Ｆｅ：８質量％、残：Ｎｉ）であり、絶縁体３はアルミナ焼結体である。また、比較のため、中心電極２と接地電極４の全体を、Ｎｉ−Ｗ合金（Ｗ：４質量％、残Ｎｉ）にて作成したスパークプラグも用意した。
【００６３】
これらのスパークプラグの耐チャンネリング性を調べるために、６気筒ガソリンエンジン（排気量２０００cc）に取り付け、スロットル全開状態、エンジン回転数５０００ｒｐｍにて２００時間運転を行ない、絶縁体３の表面に生じたチャンネリング溝の深さを走査型電子顕微鏡観察により測定した（なお、電圧印加は、中心電極側が負となる極性にて、周波数６０Ｈｚにて間欠的に行っている）。判定条件は、溝深さが０．２ｍｍ未満を軽度（◎）、０．２〜０．４mmを中度（○）、０．４ｍｍを超えるものを重度（×）とした。
【００６４】
また、上記各スパークプラグの冷熱サイクル試験を、スロットル全開状態、エンジン回転数５０００ｒｐｍでの運転を１分、アイドリングを１分行う運転サイクルを返すことにより行ない、１５０時間未満に絶縁体に割れが発生したものを×、１５０時間以上２５０時間未満にて割れが発生したものを△、２５０時間までに割れが発生しなかったものを○として評価した。なお、スパークプラグへの電圧印加は、中心電極側が負となる極性と、同じく正となる極性との２通り行なっている。なお、試験終了後のスパークプラグ試験品は縦に切断して、中心電極２と絶縁体貫通孔３ｄ内面との隙間のダスト堆積状況を目視確認した。以上の結果を表１に示す。
【００６５】
【表１】
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【００６６】
これを見てもわかるとおり、中心電極２及び接地電極４の材質をＮｉ−Ｗ合金とした比較例のスパークプラグでは、チャンネリングの発生が顕著であるのに対し、中心電極２及び接地電極４の材質をＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金とした実施例のスパークプラグでは、チャンネリングが顕著に抑制されていることがわかる。また、実施例のスパークプラグでは、絶縁体３の表面に、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系の複合酸化物を主体とする侵食抑制層が形成されていたのに対し、比較例のスパークプラグでは、そのような侵食抑制層の形成は確認されなかった。
【００６７】
他方、冷熱サイクル試験の結果によれば、中心電極の極性を負とした場合は、ｄ−Ｄ１を０．０７ｍｍ以上とすることにより、絶縁体３の割れ発生が極めて効果的に抑制されていることがわかる。また、中心電極の極性を正とした場合は、ｄ−Ｄ１を０．０３ｍｍ以上とすることにより、絶縁体３の割れ発生が抑制されていることがわかる（ｄ−Ｄ１を０．０３ｍｍ未満とすることは、製造上困難であり、また、絶縁体と中心電極との熱膨張率の差によって割れ等が極めて発生しやすいことから、事実上採用不能であった）。なお、中心電極の極性を負とした場合、ｄ−Ｄ１を０．０５ｍｍとした番号１の試験品では、絶縁体３にクラックが認められたが、その断面を観察したところ、中心電極２と絶縁体貫通孔３ｄ内面との隙間にダストが高密度に堆積していたことがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
この発明は、例えば車両用のスパークプラグに適用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１，１００，２００，３００，３５０，４００  スパークプラグ
２  中心電極
２ａ  先端部
２ｂ  外周面（発火面）
２ｃ  基端部
３  絶縁体
３ｄ  貫通孔
４，１０４  接地電極
４ａ  端面（発火面）
１３  端子金具
１５  抵抗体
３０，３１  侵食抑制層
４０〜４２，４ｇ，１０５  耐消耗部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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