相关申请的相互参照
本申请基于2017年10月19日提出申请的专利申请2017－202589号、2018年10月4日提出申请的专利申请2018－189149号，在此援引其记载内容。
本公开涉及内燃机用的火花塞。
背景技术：
在汽车发动机等的内燃机中具备点火装置，该点火装置具有产生火花放电而对燃料气体与空气的混合气体点火的火花塞。近年来，正在发展通过稀薄燃烧来提高内燃机的燃料消耗性能，出于提高稀薄燃烧中的点火性的目的，存在将形成放电间隙的电极的前端形状形成为端头(chip)状的情况。例如，专利文献1所公开的火花塞在中心电极与接地电极的至少一方形成针状的端头，并且作为由母材接合部与放电部形成的复合端头，实现了点火性提高与成本抑制。放电部为贵金属等高密度材料，覆盖母材接合部的侧面的至少一部分，使其厚度朝向电极母材侧薄壁化，抑制贵金属的使用量。
另外，在专利文献2中公开有一种中心电极与接地电极的至少一方由轴部与接合于轴部的一面的电极端头形成的火花塞。轴部的由含有铜的材料构成的第一芯部被耐腐蚀性比其优异的第一外层覆盖，电极端头的由含有贵金属的材料构成并形成外表面的第二外层覆盖热传导率比其高的第二芯部。而且，第一芯部与第二芯部通过扩散接合部接合，第一外层与第二外层通过激光熔融部接合。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5545166号公报
专利文献2：日本专利第6017027号公报
技术实现要素：
发明要解决的课题
然而，在稀薄燃烧发动机中，由于提高气缸内的流速来促进燃烧，在放电间隙产生的火花放电容易被气流冲击。在该情况下，因高速的气流而放电路径发生变化，火花放电向端头的基端侧移动，因此端头侧面的消耗成为问题。另外，为了抑制由放电路径的变化引起的吹灭，与以往相比点火能量变高，呈现加剧电极消耗的趋势，端头侧面的消耗也增加。
专利文献1公开的构成中，覆盖母材接合部的侧面的放电部越靠侧面的基端侧越薄，若薄壁部提前消耗，则耐消耗性差的母材接合部露出。或者，若因与母材接合部的线膨胀系数之差所引起的热应力而在薄壁部产生龟裂，则母材接合部露出而容易增加消耗。因此，期望端头侧面的耐消耗性的进一步提高。
在专利文献2公开的构成中，电极端头的第二外层覆盖第二芯部的整体而形成，贵金属的使用量增加。因此，不仅成本高，第二外层直接与轴部的第一外层接合而被约束，当第二外层变薄时，容易产生由线膨胀系数之差引起的龟裂。另外，发现了如下课题：由于是不同种类金属接合，因此难以提高接合强度。
本公开的目的在于欲提供一种抑制复合端头的侧面的消耗、抑制贵金属材料的使用量、寿命长且点火性优异的内燃机用的火花塞。
本公开的一方式为内燃机用的火花塞，具有：
中心电极，保持于筒状的绝缘子的内侧，比上述绝缘子的前端向前端侧突出；
接地电极，设于保持上述绝缘子的壳体的前端，并与上述中心电极在轴向上对置配置；以及
复合端头，形成于上述中心电极以及上述接地电极的至少一方，并在上述轴向上突出，其中，
上述复合端头具备：芯部，具有与电极母材一体地形成的基座部；以及杯状的表层部，具有覆盖上述芯部的突出端面的放电部和覆盖与上述突出端面连续的侧面的侧面覆盖部，
上述芯部由ni合金材料构成，上述表层部由pt合金材料构成，并且
在上述表层部中，径向上的上述侧面覆盖部的覆盖厚度s、上述放电部的外径d1、以及上述轴向上的上述侧面覆盖部的覆盖长度l1满足式1的关系。
式1：s≥d1/20 l1/10－0.005mm
在上述内燃机用的火花塞中，由于以放电部的外径d1与侧面覆盖部的覆盖厚度s以及覆盖长度l1满足式1的关系的方式构成覆盖复合端头的芯部的杯状的表层部，因此能够抑制侧面覆盖部中的龟裂的产生。即，成为龟裂重要因素的热应力因构成芯部的ni合金材料与构成表层部的pt合金材料的线膨胀系数之差而产生。另外，认为因放电部的外径d1而在径向上产生的热应力和因侧面覆盖部的覆盖长度l1而在轴向上产生的热应力这两方成为龟裂重要因素。因此，通过根据考虑了这两方的式1适当地设定侧面覆盖部的覆盖厚度s，能够在减少pt合金材料的使用量的同时抑制龟裂的产生。因而，可抑制由龟裂引起的芯部的露出，能够提高复合端头的耐消耗性。
如以上那样，根据上述方式，能够提供一种抑制复合端头的侧面的消耗、抑制贵金属材料的使用量、寿命长且点火性优异的内燃机用的火花塞。
附图说明
关于本公开的上述目的以及其他目的、特征、优点，通过参照添附的附图和下述的详细记述而更加明确。其附图为，
图1是表示实施方式1中的火花塞的主要部分构成的放大剖面图，
图2是表示实施方式1中的火花塞的复合端头附近的构成的主要部分放大剖面图，
图3是表示实施方式1中的火花塞的整体构成的局部剖面主视图，
图4是用于说明实施方式1中的火花塞的放电间隙中的火花放电的主要部分放大剖面图，
图5是用于说明实施方式1中的复合端头的构造的主要部分放大剖面图，
图6是表示评价试验1中的实验例1、2(即，覆盖长度l1为0.2mm)的放电部的外径d1与侧面覆盖部的覆盖厚度s的关系的图，
图7是表示评价试验1中的实验例3、4(即，覆盖长度l1为0.3mm)的放电部的外径d1与侧面覆盖部的覆盖厚度s的关系的图，
图8是表示评价试验1中的实验例5、6(即，覆盖长度l1为0.4mm)的放电部的外径d1与侧面覆盖部的覆盖厚度s的关系的图，
图9是表示评价试验1中的实验例7、8(即，覆盖长度l1为0.5mm)的放电部的外径d1与侧面覆盖部的覆盖厚度s的关系的图，
图10是表示评价试验1中的侧面覆盖部的覆盖长度l1为0.2mm～0.5mm时的放电部的外径d1与侧面覆盖部的覆盖厚度s的关系的图，
图11是针对评价试验2中的变更了基座部的最小径部的直径d2的实验例9～13示出和放电部的外径d1之间的比率d2/d1与消耗比率的关系的图，
图12是表示评价试验2中的比率d2/d1与消耗比率的关系的图，
图13是表示评价试验3中的实验例14的冷热循环试验前后的金属表面变化的状态的附图代用照片，
图14是表示评价试验3中的实验例15的冷热循环试验前后的金属表面变化的状态的附图代用照片，
图15是实施方式2中的构成火花塞的主要部分的复合端头的放大剖面图，
图16是用于说明实施方式2中的复合端头的角部构造的主要部分放大剖面图，
图17是示意地表示评价试验3中的复合端头的表层部所产生的龟裂的一个例子的放大剖面图，
图18是实施方式2的变形例中的构成火花塞的主要部分的复合端头的放大剖面图，
图19是表示评价试验4中的实验例16、17(即，覆盖长度l1为0.2mm，最大壁厚差q为0mm或0.05mm)的放电部的外径d1与侧面覆盖部的覆盖厚度s的关系的图，
图20是表示评价试验4中的实验例18、19(即，覆盖长度l1为0.3mm，最大壁厚差q为0mm或0.05mm)的放电部的外径d1与侧面覆盖部的覆盖厚度s的关系的图，
图21是表示评价试验4中的实验例20、21(即，覆盖长度l1为0.5mm，最大壁厚差q为0mm或0.05mm)的放电部的外径d1与侧面覆盖部的覆盖厚度s的关系的图，
图22是表示评价试验4中的实验例22、23(即，覆盖长度l1为0.2mm，最大壁厚差q为0.1mm或0.25mm)的放电部的外径d1与侧面覆盖部的覆盖厚度s的关系的图，
图23是表示评价试验4中的实验例24、25(即，覆盖长度l1为0.3mm，最大壁厚差q为0.1mm或0.25mm)的放电部的外径d1与侧面覆盖部的覆盖厚度s的关系的图，
图24是表示评价试验4中的实验例26、27(即，覆盖长度l1为0.5mm，最大壁厚差q为0.1mm或0.25mm)的放电部的外径d1与侧面覆盖部的覆盖厚度s的关系的图。
具体实施方式
(实施方式1)
参照图1～图5对内燃机用的火花塞的实施方式1进行说明。
如图1所示，火花塞1具有：保持于筒状的绝缘子2的内侧的中心电极3；设于壳体h的前端，且与中心电极3在轴向x上对置配置的接地电极4；以及形成于中心电极3和接地电极4的至少一方的复合端头5。中心电极3比绝缘子2的前端向前端侧突出，壳体h在其内侧保持有绝缘子2。
在本方式中，复合端头5设于中心电极3以及接地电极4这两方，分别沿轴向x(即，图的上下方向)突出，并相互对置。复合端头5在中心电极3的一侧与接地电极4的一侧具有相同的构成，分别具备芯部51、以及覆盖芯部51的杯状的表层部52。应用火花塞1的内燃机例如为汽车用的稀薄燃烧发动机等。
在图2中，如作为一个例子而示出的设于接地电极4的复合端头5那样，芯部51具有与接地电极4的电极母材4a一体地接合的基座部511。表层部52具有覆盖芯部51的突出端面512的放电部521、以及覆盖与突出端面512连续的侧面513的侧面覆盖部522。芯部51由ni合金材料构成，表层部52由pt合金材料构成。
而且，放电部521的外径d1、径向y(即，图的左右方向)上的侧面覆盖部522的覆盖厚度s以及轴向x上的侧面覆盖部522的覆盖长度l1形成为满足式1的关系。
式1：s≥d1/20 l1/10－0.005mm
以下，对本方式的火花塞1进行详细说明。
如图3所示，火花塞1具有沿轴向x延伸的筒状的壳体h，在壳体h的前端侧(即，图的下端侧)的外周面形成有安装用的螺纹部h1。壳体h的基端侧(即，图的上端侧)的内周面形成为向基端侧扩径的台阶，在该台阶部支承有绝缘子2的形成为大径的中间部21外周。绝缘子2的前端部22朝向前端侧呈锥状缩径，从壳体h的前端向前端侧突出，并且在与壳体h的内周面之间具有间隙。
在筒状的绝缘子2的内侧，在前端侧同轴地配备有长轴状的中心电极3，在基端侧同轴地配备有长轴状的端子配件11。中心电极3经由电阻体12与端子配件11电连接，端子配件11的基端部从绝缘子2的基端突出并与未图示的外部电源连接，能够供给点火用的高电压。电阻体12在包含玻璃材料与骨料的基材中分散有碳材料等导电性材料，在与中心电极3以及端子配件11之间分别填充导电性的玻璃密封层13、14。壳体h例如由铁系合金等金属材料构成，绝缘子2由氧化铝等绝缘性陶瓷材料构成。
这种火花塞1安装于未图示的内燃机的气缸，且前端侧在气缸内露出。在中心电极3的前端的复合端头6与所对置的接地电极4的复合端头5之间形成放电间隙g。若以规定的定时从外部电源向中心电极3供给规定的高电压，则在放电间隙g产生火花放电，供给到气缸内的混合气体点火燃烧。
在图1中，接地电极4一体地设于壳体h的前端面，向前端侧延伸突出并且以呈大致l字形的方式弯曲，作为延伸突出端的前端部41在轴向x上与中心电极3的前端部31对置。中心电极3的前端部31朝向前端侧呈锥状缩径，在比绝缘子2的前端更向前端侧突出的前端面接合有复合端头5。在接地电极4的前端部41，在朝向中心电极3一侧的表面接合有复合端头5。中心电极3的复合端头5与接地电极4的复合端头5在塞中心轴15上隔开规定的距离而同轴地配置，在两者之间形成有放电间隙g。
在图2中，复合端头5整体为大致圆柱状，构成为从接地电极4的前端部41沿轴向x突出的针状端头。复合端头5在形成外表面的杯状的表层部52的内侧紧密地保持芯部51，从表层部52露出的芯部51的基座部511与接地电极4的前端部41一体地接合。表层部52呈具有大致恒定直径的外径且突出侧被封闭的圆筒杯状，具有在轴向x上位于比芯部51的突出端面512靠突出侧的放电部521、以及在径向y上位于与突出端面512连续的侧面513的侧方的侧面覆盖部522。
表层部52由含有作为高密度材料的pt的合金材料构成。pt合金材料是高熔点且耐氧化性优异的材料，能够提高表层部52的耐消耗性。另外，pt合金材料为延展性材料，具有表层部52的杯形状的成型变得容易的优点。具体而言，除了含有在pt中添加了其他贵金属的、pt－rh合金、pt－ir合金、pt－pd合金等材料之外，还能够使用在pt中添加了非贵金属、例如ni的pt－ni合金等。作为pt合金材料，优选使用pt－rh合金或pt－ni合金。
在作为pt合金材料而使用pt－rh合金的情况下，pt－rh合金中的rh的含量在10质量％～30质量％的范围内较好。此时，线膨胀系数例如在9.5×10-6/℃～12.0×10-6/℃(即，基准温度50℃时的900℃下的线膨胀系数)的范围内。pt与rh均为具有耐氧化性的材料，但由于pt在贵金属中熔点相对较低(即，熔点：1770℃)，因此通过采用添加了熔点更高的rh(即，熔点：1960℃)的pt－rh合金，能够确保耐火花消耗性与耐氧化性。若rh的含量小于10质量％，则无法获得提高熔点并提高耐消耗性的充分的效果，另外，若超过30质量％，则存在硬度变高而杯形状的成型性下降的隐患。
在作为pt合金材料而使用pt－ni合金的情况下，pt－ni合金中的ni的含量在5质量％～20质量％的范围内较好。此时，线膨胀系数例如在10.5×10-6/℃～13.0×10-6/℃(即，基准温度50℃时的900℃下的线膨胀系数)的范围内。由于pt为贵金属，因此价格高，价格变动对成本的影响也大，因而通过添加作为非贵金属的ni，能够实现低成本化。若ni的含量小于5质量％，则无法获得低成本化的充分的效果，另外，若超过20质量％，则存在硬度变高而杯形状的成型性下降的隐患。
芯部51由含有作为低密度材料的ni的合金材料构成。ni合金材料为非贵金属材料，比构成表层部52的pt合金材料低廉，因此有助于低成本化。另外，能够减少高密度的pt合金材料的使用量，抑制因自重导致的复合端头5的脱落等不良情况。具体而言，作为ni合金材料，优选使用ni－cr系合金、ni－cr－fe系合金等，ni的含量例如能够设为50质量％～90质量％的范围。也可以在ni中添加cr、fe以外的其他元素，例如mo、al、co、mn、si、c、s等。这样的ni合金材料通常比pt合金材料的线膨胀系数高，例如在14.0×10-6/℃～17.0×10-6/℃(即，基准温度50℃时的900℃下的线膨胀系数)的范围内。另外，作为非贵金属，可广泛使用铁系材料，但由于在发动机燃烧室中露出的火花塞1的复合端头5暴露于高温且氧化性大的环境中，因此优选使用具有耐氧化性的ni系材料。
芯部51与表层部52通过压入或电阻焊接等，以相互紧贴的方式固定。也能够在紧贴固定的状态下进行热处理等，通过扩散接合来提高接合性。另外，也可以一边插入芯部51一边在同一工序中将表层部52成型为杯状。之后，能够将从表层部52露出的基座部511配置于接地电极4的前端部41上并通过电阻焊接或激光焊接等进行接合。接地电极4(即电极母材4a)例如能够由ni合金材料构成，通过使用与芯部51相同种类的材料，能够减小热应力。
图2所示的基座部511例如在轴向的端面通过电阻焊接与接地电极4的表面接合之后，通过激光焊接将外周表面与接地电极4的表面接合，外周表面呈末端稍稍扩大的曲面状。通过利用激光焊接将基座部511的接合界面熔融固化，能够形成熔融部而确保接合性。另外，也可以通过表层部52的构成材料的一部分熔融而熔入芯部51，从而使熔融部合金化。在该情况下，基座部511的至少一部分的材料组成为含有构成表层部52的pt等的ni合金。
如此，组合芯部51与表层部52而成的复合端头5通过在表层部52的内侧具有芯部51，能够在保持耐消耗性的同时减少高价的pt合金材料的使用量，并且能够利用基座部511来确保与接地电极4的接合性。
设于中心电极3的复合端头5也能够采用相同的构成。在中心电极3的前端部31中，芯部51的基座部511与中心电极3的电极母材3a(例如参照图1)一体地形成，并设置覆盖芯部51的突出侧的表层部52。
接下来，对复合端头5的形状的效果、特别是上述式1所示的表层部52的外径d1与侧面覆盖部522的覆盖长度l1以及覆盖厚度s的关系进行说明。
如图4所示，在缸内气流快的稀薄燃烧发动机中，形成火花塞1的放电间隙g的复合端头5处于暴露于高速的气流f的环境中。因此，若在隔着放电间隙g而对置的两个复合端头5间产生火花放电p，则例如图中箭头所示那样，容易被来自侧方的气流f冲击。由此，当火花放电p向侧方(即，气流f的流动方向)延伸时，则火花放电p的两端从中心电极3侧的复合端头5的外周部向靠侧面、或从接地电极4侧的复合端头6的外周部向靠侧面移动。
明确了此时火花放电p集中在图5所示的复合端头5的外周部、即从表层部52的放电部521的外周缘部向侧面覆盖部522连续的角部53的附近，消耗变大。特别是，当火花放电p被气流f冲击而向侧面移动时，消耗相对较薄的侧面覆盖部522，容易产生由热应力引起的龟裂。即，由于反复进行基于火花放电p的热量的加热和基于气流f的冷却，在由ni合金材料构成的芯部51与由比其线膨胀系数低的pt合金材料构成的表层部52的接合界面产生由线膨胀系数之差引起的热应力。于是，在薄壁的侧面覆盖部522产生拉伸而容易产生龟裂，另外，由于气缸内的高温腐蚀环境，龟裂部分发生高温氧化，存在导致表层部52的剥离等的隐患。由此，若更容易消耗的芯部51露出，则进一步加剧消耗而缩短火花塞1的寿命。
因此，基于从后述的评价试验1导出的下述式1，设定侧面覆盖部522的覆盖厚度s与覆盖长度l1。
式1：s≥d1/20 l1/10－0.005mm
根据试验结果，发现了在侧面覆盖部522产生的龟裂中，其覆盖厚度s以及覆盖长度l1与放电部521的外径d1的关系是重要的。即，涉及基于侧面覆盖部522的覆盖长度l1的轴向x的热应力与基于放电部521的外径d1的径向y的热应力这两方，若某一个变大，则热应力也变大，容易产生龟裂。对于由它们引起的热应力，通过以满足式1的关系的方式适当地设定覆盖厚度s，能够提高耐消耗性。
优选的是，侧面覆盖部522的覆盖厚度s被设定为轴向x上的放电部521的覆盖厚度t以下(即，t≥s)。更优选的是，比放电部521的覆盖厚度t薄(即，t＞s)，通过在满足式1的范围内设定为不增厚至必要以上，能够抑制用于表层部52的高价的贵金属材料的使用量。放电部521的覆盖厚度t例如在0.15mm≤t≤0.25mm的范围较好，在该范围内，对于由经年使用带来的消耗、以及伴随着由消耗导致的放电间隙g的放大的放电维持电压的上升，能够确保所需的耐消耗性。
认为由于复合端头5为由高线膨胀系数的低密度材料即ni合金材料构成的芯部51与由低线膨胀系数的高密度材料即pt合金材料构成的表层部52的不同种类材料接合，因此线膨胀系数差所引起的热应力会导致在侧面覆盖部522产生龟裂。产生龟裂的重要因素之一为因放电部521的外径d1而在径向y上产生的热应力，外径d1越大，热应力越大。另外，重要因素的另一个为因侧面覆盖部522的覆盖长度l1而在轴向x上产生的热应力，热应力与覆盖长度l1成比例地增加。
通过考虑由这些重要因素引起的热应力而将抑制龟裂所需的覆盖厚度s设为适当的厚度，能够提高相对于热应力的强度，抑制龟裂。这些重要因素分别反映在式1的第一项(即，d1/20)以及第二项(即，l1/10)中。
优选的是，放电部521的外径d1被设定为0.5mm≤d1≤1.1mm的范围。虽然放电部521的外径d1越大，耐消耗性越高，但由火花放电p产生的热能向放电部521被夺走而熄火作用变大。另一方面，外径d1越小，熄火作用越被抑制而点火性提高，但耐消耗性降低。因而，为了兼顾这些点火性与耐消耗性，优选在上述范围内适当选择外径d1。
另外，侧面覆盖部522的覆盖长度l1被设定为0.2mm≤l1≤0.5mm的范围。由于覆盖长度l1变长，覆盖向侧面覆盖部522侧移动的火花放电p的位置而抑制侧面的消耗的效果提高，但越变长，轴向x上的热应力越容易变大。因而，在通常的内燃机中，为了充分地覆盖因气缸内的气流f等而变化的火花放电p的位置，并且抑制热应力的产生，优选在上述范围内适当选择覆盖长度l1。
此时，轴向x上的基座部511的露出长度l2以轴向x上的复合端头5的全长(即，端头长＝t l1 l2)成为规定长度的方式适当设定。优选的是，露出长度l2在0.2mm≤l2≤0.5mm的范围内。通过不由表层部52覆盖基座部511的表面而使外周面在气缸内的气氛中露出，散热性变得良好，芯部51的热膨胀被抑制。但是，当露出长度l2变大时，从芯部51的散热被促进，存在熄火作用变得过大的隐患。因而，为了在抑制由热应力引起的龟裂的同时获得良好的点火性，优选在上述范围内适当设定露出长度l2。
而且，从侧面覆盖部522露出的基座部511的最小径部的直径d2与放电部521的外径d1的比率：d2/d1优选满足由后述的评价试验2导出的式2的关系。
式2：d2/d1≥0.8
若点火能量变大，则放电部521容易因火花放电p的热量而消耗，因此优选从放电部521经由芯部51向电极母材4a适度地释放。此时，若基座部511的直径相对于放电部521的外径d1较小，则难以释放火花放电p的热能。因此，优选的是，以d2/d1成为式2的范围的方式适当设定基座部511的最小径部的直径d2与放电部521的外径d1，从而能够进一步提高耐消耗性。
(评价试验1)
针对上述实施方式1的构成的火花塞1，使复合端头5的放电部521的外径d1与侧面覆盖部522的覆盖厚度s以及覆盖长度l1变化，对侧面覆盖部522中的龟裂的产生的有无进行了评价。
如图6～图9所示，针对实验例1～8，分别准备了尺寸不同的多个样品。在实验例1～8的各样品中，作为构成复合端头5的合金材料，在芯部51中均使用了ni－cr－fe系合金(即，72质量％ni－17质量％cr－10质量％fe；线膨胀系数：16.4×10-6/℃)，在表层部52中均使用了pt－rh合金(即，80质量％pt20质量％rh；线膨胀系数：9.9×10-6/℃)。另外，线膨胀系数的值为900℃下的线膨胀系数(基准温度：50℃)，以下设为相同。
评价试验1为，将设有各实验例所示的尺寸的复合端头5的火花塞1设置在能够进行温度控制的冷热台而进行，在以下的条件下反复进行了冷热循环。即，插入加热炉并升温，在950℃下保持1分钟之后冷却，并在150°下保持1分钟，以此为1次循环，对其进行了200次循环。之后，在室内取出进行空冷，通过实施200次循环的耐久试验，将在侧面覆盖部522未产生龟裂的情况设为良好(○)，将在侧面覆盖部522产生了龟裂的情况设为不良(×)，并将结果在图6～图9中示出。
在图6所示的实验例1、2中，使覆盖长度l1恒定为0.2mm，使覆盖厚度s在0.04mm～0.09mm的范围内以0.01mm间隔变化，使放电部521的外径d1在0.5mm～1.1mm的范围内以0.2mm间隔变化。另外，在实验例1中，使芯部51的基座部511的露出长度l2恒定为0.5mm、并使表层部52的放电部521的覆盖厚度t恒定为0.15mm，在实验例2中，使露出长度l2恒定为0.2mm、并使放电部521的覆盖厚度t恒定为0.25mm，对覆盖厚度s和外径d1的组合与龟裂的产生的关系进行了调查。
如图6的上图以及下图所示，在不产生龟裂的覆盖厚度s与外径d1之间存在相关，在实验例1、2中获得了同等的结果。即，由图中所示的分界线的式子明确了在覆盖长度l1恒定为0.2mm的情况下，与放电部521的覆盖厚度t、基座部511的露出长度l2无关，在成为s≥d1/20 0.015mm的组合中，不产生龟裂。在成为s＜d1/20 0.015mm的组合中，均产生了由芯部51的热膨胀引起的龟裂。
在实验例3、4中，除了使覆盖长度l1恒定为0.3mm以外，与实验例1同样地进行了评价。即，使覆盖厚度s在0.04mm～0.09mm的范围内变化、并使放电部521的外径d1在0.5mm～1.1mm的范围内变化，另外，在实验例3中，使基座部511的露出长度l2恒定为0.5mm、并使放电部521的覆盖厚度t恒定为0.15mm，在实验例4中，使露出长度l2恒定为0.2mm、并使放电部521的覆盖厚度t恒定为0.25mm，对覆盖厚度s和外径d1的组合与龟裂的产生的关系进行了调查。
如图7的上图以及下图所示，在覆盖长度l1恒定为0.3mm的情况下，在实验例3、4中也获得了同等的结果。即，由图中所示的分界线的式子明确了，与放电部521的覆盖厚度t、基座部511的露出长度l2无关，在成为s≥d1/20 0.025mm的组合中，不产生龟裂。在成为s＜d1/20 0.025mm的组合中，产生了由芯部51的热膨胀引起的龟裂。
在实验例5、6中，除了使覆盖长度l1恒定为0.4mm以外，与实验例1同样地进行了评价。即，使覆盖厚度s在0.04mm～0.09mm的范围内变化、并使放电部521的外径d1在0.5mm～1.1mm的范围内变化，另外，在实验例5中，使基座部511的露出长度l2恒定为0.5mm、并使放电部521的覆盖厚度t恒定为0.15mm，在实验例6中，使露出长度l2恒定为0.2mm、并使放电部521的覆盖厚度t恒定为0.25mm，对覆盖厚度s和外径d1的组合与龟裂的产生的关系进行了调查。
如图8的上图以及下图所示，在覆盖长度l1恒定为0.4mm的情况下，在实验例5、6中也获得了同等的结果。即，由图中所示的分界线的式子明确了，与放电部521的覆盖厚度t、基座部511的露出长度l2无关，在成为s≥d1/20 0.035mm的组合中，不产生龟裂。在成为s＜d1/20 0.035mm的组合中，产生了芯部51的热膨胀龟裂。
在实验例7、8中，除了使覆盖长度l1恒定为0.5mm以外，与实验例1同样地进行了评价。即，使覆盖厚度s在0.04mm～0.09mm的范围内变化、并使放电部521的外径d1在0.5mm～1.1mm的范围内变化，另外，在实验例7中，使基座部511的露出长度l2恒定为0.5mm、并使放电部521的覆盖厚度t恒定为0.15mm，在实验例8中，使露出长度l2恒定为0.2mm、并使放电部521的覆盖厚度t恒定为0.25mm，对覆盖厚度s和外径d1的组合与龟裂的产生的关系进行了调查。
如图9的上图以及下图所示，在覆盖长度l1恒定为0.5mm的情况下，在实验例7、8中也获得了同等的结果。即，由图中所示的分界线的式子明确了，与放电部521的覆盖厚度t、基座部511的露出长度l2无关，在成为s≥d1/20 0.045mm的组合中，不产生龟裂。在成为s＜d1/20 0.045mm的组合中，产生了由芯部51的热膨胀引起的龟裂。
如在图10中汇总示出这些实验例1～8的结果那样，可抑制龟裂的覆盖厚度s根据放电部521的外径d1与覆盖长度l1而变化。即，在覆盖长度l1为恒定时，所需的覆盖厚度s由以1/20为系数的d1的一次函数：s≥d1/20 α来表示。其常数项的值α根据l1而确定，l1越大(例如，0.2mm～0.5mm的范围)，α也越大(例如，0.005mm～0.045mm的范围)，所需的覆盖厚度s变厚。
这表示，龟裂产生的重要因素之一是外径d1，是在芯部51与侧面覆盖部522的界面产生并作用于径向y的热应力，并且龟裂产生的重要因素的另一个是覆盖长度l1，是在轴向x上在芯部51与侧面覆盖部522的界面产生的热应力。即，由于构成芯部51的ni－cr－fe系合金的线膨胀系数比构成表层部52的pt－rh合金的线膨胀系数高，因此由这些线膨胀系数之差引起的热应力作用于径向y以及轴向x这两方。对此，若覆盖厚度s不充分，则因芯部51的热膨胀，在侧面覆盖部522产生龟裂。
因而，优选考虑因放电部521的外径d1而在径向y上产生的热应力与因覆盖长度l1而在轴向x上产生的热应力这两方，将覆盖厚度s设定为足够的厚度。具体而言，根据图10中所示的关系，能够使用外径d1以及覆盖长度l1如式1那样表示所需的覆盖厚度s。
式1：s≥d1/20 l1/10－0.005mm
而且，通过以满足该式1的方式使覆盖厚度s为足够的厚度，对于径向y以及轴向x这两方，能够实现对于所产生的热应力所需的强度的提高，并抑制在侧面覆盖部522产生龟裂。
(评价试验2)
接下来，针对上述实施方式1的构成的火花塞1，使复合端头5的基座部511的最小径部的直径d2变化，评价了对放电部521的消耗量的影响。在构成芯部51以及表层部52的合金材料中，使用了与上述评价试验1中的各样品相同的ni－cr－fe系合金以及pt－rh合金。
如图11所示，实验例9～13的各样品是除了基座部511的最小径部的直径d2以外具有相同的尺寸的芯部51以及表层部52的复合端头5，以d2/d1成为0.6～1.0的范围的方式，使最小径部的直径d2相对于放电部521的外径d1变化。各部的尺寸如下。
放电部521的外径d1：0.7mm
放电部521的覆盖厚度t：0.25mm
侧面覆盖部522的覆盖长度l1：0.4mm
侧面覆盖部522的覆盖厚度s：0.08mm
基座部511的露出长度l2：0.2mm
基座部511的最小径部的直径d2：0.42mm～0.7mm
评价试验2为，将设有各实验例所示的尺寸的复合端头5的火花塞1安装于发动机的气缸而进行，在以下的条件下进行发动机的运转，计算了耐久试验后的消耗比率q0。
发动机：直列四缸、2000cc
·运转条件：5600wot
·运转时间：100h
此时，相对于图11的上段所示的耐久试验前的新品状态，将图11的下段所示的耐久试验后的消耗形态中的放电部521的消耗量设为δg。另外，将d2/d1＝1.0的实验例4中的消耗量设为δg0，将各实验例的样品中的消耗量δg的比率设为消耗比率q0＝δg/δg0。针对各实验例的样品，分别在图中示出了新品状态下的d2/d1的值、计算出的消耗比率q0。另外，将它们的关系在图12中示出。
如图11的结果所示，在d2/d1为0.6的实验例9中，消耗比率q0为1.4，与此相对，随着d2/d1变大，消耗比率q0急剧减少，在d2/d1为0.8以上的实验例11～13中，消耗比率q0均为1.0。如此，在复合端头5的表层部52为相同的形状、基座部511的露出长度l2为恒定的情况下，放电部521的消耗量δg根据基座部511的最小径部的大小而增减。推测这是因为，当最小径部的直径d2较小时，无法将火花放电p的热能从基座部511向电极母材充分地释放，加剧了放电部521的消耗。如在图12中汇总示出这些结果那样，最小径部的直径d2越大，放电部521的消耗越被抑制，该效果在d2/d1为0.8以上的范围内成为大致恒定。
因而，为了抑制表层部52的放电部521的消耗，优选以d2/d1成为0.8以上的方式构成复合端头5。由此，能够抑制由热应力引起的侧面覆盖部522的龟裂，并且能够抑制由高温引起的放电部52的消耗，进一步提高复合端头5的耐消耗性，使火花塞1寿命延长。
(评价试验3)
针对上述实施方式1的构成的火花塞1，变更构成复合端头5的表层部52的合金材料，与上述评价试验1同样地进行冷热循环试验，对耐消耗性进行了评价。冷热循环试验的条件为，将1次循环设为，升温至1050℃，在保持了6分钟之后冷却，并在150℃下保持6分钟，观察200次循环后的外观，对消耗形态进行了评价。
如图13所示，在实验例14的样品中，作为表层部52的构成材料，使用了pt－ni合金(即，90质量％pt－10质量％ni；线膨胀系数：11.4×10-6/℃)。
在芯部51的构成材料中，使用了与上述评价试验1中的各样品相同的ni－cr－fe系合金(即，72质量％ni－17质量％cr－10质量％fe)。
另外，为了进行比较，在图14所示的实验例15的样品中，针对将芯部51的构成材料变更为fe系合金(即，85fe－11cr－3si－0.5c；线膨胀系数：13.2×10-6/℃)的情况，进行了相同的冷热循环试验。表层部52的构成材料与实施例14相同，使用了pt－ni合金。
关于各部的尺寸，实施例14、15均与上述评价试验2的样品相同，如下所示。
放电部521的外径d1：0.7mm
放电部521的覆盖厚度t：0.25mm
侧面覆盖部522的覆盖长度l1：0.4mm
侧面覆盖部522的覆盖厚度s：0.08mm
基座部511的露出长度l2：0.2mm
基座部511的最小径部的直径d2：0.6mm
对于实验例14，对图12的左图所示的冷热循环前的样品与图12的右图所示的冷热循环后的样品的外观进行比较，在冷热循环后的样品中，虽然在成为复合端头5的外表面的表层部52以及基座部511观察到消耗，但外观几乎没有变化，耐消耗性良好。
与此相对，在实验例15的样品中，与图13的左图所示的冷热循环前的外观相比，在图13的右图所示的冷热循环后的外观观察到大幅变化，在与表层部52的边界部附近，基座部511因高温氧化而膨胀，并且从表层部52露出的基座部511的消耗变大。
根据这些结果，通过使芯部51的构成材料为耐氧化性优异的ni合金材料，能够抑制高温氧化而提高耐消耗性，使火花塞1寿命延长。
(实施方式2)
参照图15～图16对内燃机用的火花塞的实施方式2进行说明。
在本方式中，火花塞1和形成于中心电极3以及接地电极4的复合端头5的基本构成也与上述实施方式1相同，省略说明。在本方式中，如图15所示，复合端头5的角部53中的芯部51的外周形状、以及覆盖其的表层部52的内周形状不同，以下，以不同点为中心进行说明。
另外，实施方式2以后所使用的附图标记中的与已出现的实施方式中所使用的附图标记相同的构成要素，只要没有特别说明，则表示与已出现的实施方式中的构成要素相同的构成要素等。
在图15中，芯部51为大致圆柱状，在圆形平面状的突出端面512与圆筒面状的侧面513的连接部具有倒圆角形状的倒角部514。覆盖芯部51的除去基座部511的表面的表层部52具有大致一定直径的杯状的外形，成为具有覆盖芯部51的突出端面512的放电部521、覆盖侧面513的侧面覆盖部522、以及与倒角部514邻接而将其覆盖的厚壁部523的构成。
此时，径向y上的表层部52的覆盖厚度在覆盖倒角部514的厚壁部523中，与覆盖侧面513的侧面覆盖部522的覆盖厚度s相等或为其以上。厚壁部523越为靠近芯部51的侧面513的一侧，壁厚(即，径向y上的覆盖厚度)越薄，越为靠近芯部51的突出端面512的一侧，壁厚越厚，其覆盖厚度的最大差q根据倒角部513的倒角形状而决定。
具体而言，如图16所示，在芯部51中，突出端面512的外周缘部与侧面513的连接部被进行倒圆角加工，形成具有大致1/4圆弧状的外周表面并向外侧突出的倒角部514。表层部52成为覆盖倒角部514的厚壁部523的内周表面与倒角部514对应地凹陷成大致1/4圆弧状的形状。厚壁部523在与放电部521的连接部中成为最大覆盖厚度s1，比侧面覆盖部522的覆盖厚度s厚。厚壁部523的壁厚在与侧面覆盖部522连接的连接部中成为最小，与侧面覆盖部522的覆盖厚度s相同。
因而，径向y上的覆盖厚度的最大差(以下，适当称作最大壁厚差)q为厚壁部523的最大覆盖厚度s1与侧面覆盖部的覆盖厚度s的差，由下述式3表示。
式3：q＝s1－s
在该构成中，也能够将放电部521的外径d1与侧面覆盖部522的覆盖厚度s以及覆盖长度l1的关系设定为满足上述式1。优选的是，满足在上述式1中追加了最大壁厚差q的项的下述式1a的关系。该式1a由后述的评价试验4导出。
式1a：s≥d1/20 l1/10－q/10－0.005mm
此时，最大壁厚差q例如能够在0mm＜q≤0.25mm的范围内适当设定。
如图17所示，根据上述实施方式1的构成中的耐久试验结果，明确了在芯部51不形成倒角部514的情况下，图中作为a部示出的角部53的内周侧成为龟裂的起点，在表层部52容易产生龟裂。因此，为了提高与a部对应的位置的强度，在放电部521与侧面覆盖部522的连接部设置厚壁部523。具体而言，在与厚壁部523对应的芯部51的突出端面512与侧面513的连接部设置倒角部514，并用杯状的表层部52覆盖。由此，形成与倒角部514邻接的厚壁部523，能够实现应力集中的抑制与强度提高。
如在图18中作为变形例而示出的那样，芯部51的倒角部514并不局限于倒圆角形状，也能够为直线倒角形状。在这种情况下，成为倒角部514的外周表面被进行直线倒角加工，成为从突出端面512的外周缘部朝向侧面513向下倾斜的平面状。覆盖倒角部514的厚壁部523的内周表面也成为与倒角部514对应的倾斜平面状。
在该构成中，径向y上的表层部52的覆盖厚度在厚壁部523与放电部521的连接部中成为最大覆盖厚度s1，通过以满足使用了最大壁厚差q(＝s1－s)的上述式3的方式设定各部，同样能够实现应力集中的抑制与强度提高。
另外，最大壁厚差q相当于径向y上的倒角部514的倒角长度。
另外，倒角部514的倾斜角度任意地设定，例如在45°时，轴向x上的厚壁部523的长度q1与最大壁厚差q相同。若倾斜角度比其大，则轴向x上的厚壁部523的长度q1最大壁厚差q变短。
(评价试验4)
接下来，针对上述实施方式2的构成的火花塞1，使复合端头5的放电部521的外径d1、侧面覆盖部522的覆盖厚度s与覆盖长度l1、以及厚壁部523中的最大壁厚差q变化，对侧面覆盖部522中的龟裂的产生的有无进行了评价。
如图19～图24所示，针对实验例16～27，分别准备尺寸不同的多个样品，与上述评价试验1同样地进行冷热循环试验，对结果进行了比较。另外，实验例16、18、20相当于最大壁厚差q＝0mm的情况、即上述实施方式1的构成。
在实验例16～27中，使芯部51的基座部511的露出长度l2恒定为0.2mm、并使表层部52的放电部521的覆盖厚度t恒定为0.15mm。另外，在构成芯部51以及表层部52合金材料中使用了与上述评价试验1中的各样品相同的ni－cr－fe系合金以及pt－rh合金。
在图19所示的实验例16、17中，使覆盖长度l1恒定为0.2mm，使覆盖厚度s在0.03mm～0.09mm的范围内以0.01mm间隔变化，使放电部521的外径d1在0.5mm～1.3mm的范围内以0.2mm间隔变化。另外，在实验例16中，设最大壁厚差q＝0mm，在实验例17中，设最大壁厚差q＝0.05mm，对厚壁部523与龟裂的产生的关系进行了调查。
如图19的上图以及下图所示，明确了相对于不具有厚壁部523的实验例16，在具有厚壁部523的实验例17中，对于相同的外径d1，不产生龟裂而成为良好(〇)的结果的覆盖厚度s的下限值更小。
具体而言，根据图中所示的分界线的式子，在实验例16中，在成为s≥d1/20 0.2/10－0.005mm的组合中，不产生龟裂，与此相对，在实验例17中，在成为s≥d1/20 0.2/10－0.05/10－0.005mm的组合中，不产生龟裂。在不满足这些式的组合中，均产生了由芯部51的热膨胀引起的龟裂。
在图20所示的实验例18、19中，除了使覆盖长度l1恒定为0.3mm以外，与实验例16、17同样地进行了冷热循环试验。另外，在图21所示的实验例20、21中，除了使覆盖长度l1恒定为0.5mm以外，与实验例16、17同样地进行了冷热循环试验。将这些结果分别在图中示出。
如图20、图21的上图以及下图所示，相对于不具有厚壁部523的实验例18、20，在具有厚壁部523的实验例19、21中，分别获得了相同的结果。
具体而言，根据图中所示的分界线的式子，在实验例18中，在成为s≥d1/20 0.3/10－0.005mm的组合中，不产生龟裂，与此相对，在实验例19中，在成为s≥d1/20 0.3/10－0.05/10－0.005mm的组合中，不产生龟裂。另外，在实验例20中，在成为s≥d1/20 0.5/10－0.005mm的组合中，不产生龟裂，与此相对，在实验例21中，在成为s≥d1/20 0.5/10－0.05/10－0.005mm的组合中，不产生龟裂。在不满足这些式子的组合中，均产生了由芯部51的热膨胀引起的龟裂。
根据这些结果可知，在覆盖长度l1一定的情况下，外径d1越大，抑制龟裂所需的覆盖厚度s越厚，但通过减少最大壁厚差q的项，上述分界线的式子向覆盖厚度s的值变小的方向转移。即，通过采用设置厚壁部523的构成，能够减薄抑制龟裂所需的覆盖厚度s。
而且，在实验例22～27中，使最大壁厚差q变化，对厚壁部523与龟裂的产生的关系进行了调查。
在图22所示的实验例22、23中，使覆盖长度l1恒定为0.2mm，在实验例22中，设最大壁厚差q＝0.1mm，在实验例23中，设最大壁厚差q＝0.25mm，进行了相同的冷热循环试验。另外，在图23所示的实验例24、25中，使覆盖长度l1恒定为0.3mm，在实验例24中，设最大壁厚差q＝0.1mm，在实验例24中，设最大壁厚差q＝0.25mm，进行了相同的冷热循环试验。而且，在图24所示的实验例26、27中，使覆盖长度l1恒定为0.5mm，在实验例26中，设最大壁厚差q＝0.1mm，在实验例27中，设最大壁厚差q＝0.25mm，进行了相同的冷热循环试验。将这些结果分别在图中示出。
如图22～图24的上图以及下图所示，相对于厚壁部523的最大壁厚差q＝0.1mm的实验例22、24、26，在厚壁部523的最大壁厚差q＝0.25mm的实验例23、25、27中，图中所示的分界线的式子向覆盖厚度s的值变小的方向转移。
具体而言，根据图中所示的分界线的式子，不产生龟裂组合分别如下。
实验例22：s≥d1/20 0.2/10－0.1/10－0.005mm
实验例23：s≥d1/20 0.2/10－0.25/10－0.005mm
实验例24：s≥d1/20 0.3/10－0.1/10－0.005mm
实验例25：s≥d1/20 0.3/10－0.25/10－0.005mm
实验例26：s≥d1/20 0.5/10－0.1/10－0.005mm
实验例27：s≥d1/20 0.5/10－0.25/10－0.005mm
根据这些式子的关系，能够使用覆盖长度l1和最大壁厚差q如式1a那样进行表示。
式1a：s≥d1/20 l1/10－q/10－0.005mm
而且，通过以满足该式1a的方式，根据最大壁厚差q设定覆盖厚度s，对于径向y以及轴向x这两方，能够实现对于所产生的热应力所需的强度的提高，并抑制在侧面覆盖部522产生龟裂。
在上述实施方式中，采用了将复合端头5安装于火花塞1的中心电极3与接地电极4这两方的构成，但复合端头5只要安装于中心电极3以及接地电极4中的至少一方即可。
本公开并不限定于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内应用于各种实施方式。例如，在上述实施方式中，对火花塞1安装于稀薄燃烧发动机的情况进行了说明，但并不局限于稀薄燃烧发动机，而是能够应用于任意的内燃机。另外，火花塞1的各部构成并不局限于上述图3所示的构成，能够适当变更。
1.一种内燃机用的火花塞(1)，具有：
中心电极(3)，保持于筒状的绝缘子(2)的内侧，比上述绝缘子的前端向前端侧突出；
接地电极(4)，设于保持上述绝缘子的壳体(h)的前端，并与上述中心电极在轴向(x)上对置配置；以及
复合端头(5)，形成于上述中心电极以及上述接地电极的至少一方，并在上述轴向上突出，其中，
上述复合端头具备：芯部(51)，具有与电极母材(3a、4a)一体地形成的基座部(511)；以及杯状的表层部(52)，具有覆盖上述芯部的突出端面(512)的放电部(521)和覆盖与上述突出端面连续的侧面(513)的侧面覆盖部(522)，
上述芯部由ni合金材料构成，上述表层部由pt合金材料构成，并且，
在上述表层部中，径向(y)上的上述侧面覆盖部的覆盖厚度s、上述放电部的外径d1、以及上述轴向上的上述侧面覆盖部的覆盖长度l1满足式1的关系，
式1：s≥d1/20 l1/10－0.005mm。
2.如权利要求1所述的内燃机用的火花塞，其中，
上述表层部在上述放电部与上述侧面覆盖部的连接部具有厚壁部(523)，该厚壁部(523)在上述径向上的最大覆盖厚度s1比上述侧面覆盖部的覆盖厚度s厚，
上述侧面覆盖部的覆盖厚度s、上述放电部的外径d1、上述轴向上的上述侧面覆盖部的覆盖长度l1、以及上述最大覆盖厚度s1与上述侧面覆盖部的覆盖厚度s之差即覆盖厚度的最大差q满足式1a的关系，
式1a：s≥d1/20 l1/10－q/10－0.005mm。
3.如权利要求2所述的内燃机用的火花塞，其中，
上述芯部在上述突出端面与上述侧面的连接部具有倒角部(514)，上述厚壁部在上述径向上与上述倒角部邻接地设置，并且上述覆盖厚度的最大差q在0mm＜q≤0.25mm的范围内。
4.如权利要求1～3中任一项所述的内燃机用的火花塞，其中，
构成上述表层部的pt合金材料为pt－rh合金、pt－ni合金、pt－ir合金或pt－pd合金。
5.如权利要求1～4中任一项所述的内燃机用的火花塞，其中，
构成上述芯部的ni合金材料为ni－cr系合金或ni－cr－fe系合金。
6.如权利要求1～5中任一项所述的内燃机用的火花塞，其中，
从上述侧面覆盖部露出的上述基座部的最小径部的直径d2与上述放电部的外径d1满足式2的关系，
式2：d2/d1≥0.8。
7.如权利要求1～6中任一项所述的内燃机用的火花塞，其中，
在上述轴向上，上述侧面覆盖部的覆盖长度l1在0.2mm≤l1≤0.5mm的范围内，从上述侧面覆盖部露出的上述基座部的露出长度l2在0.2mm≤l2≤0.5mm的范围内。
8.如权利要求1～7中任一项所述的内燃机用的火花塞，其中，
上述放电部的外径d1在0.5mm≤d1≤1.1mm的范围内，上述轴向上的上述放电部的覆盖厚度t在0.15mm≤t≤0.25mm的范围内。
9.如权利要求1～8中任一项所述的内燃机用的火花塞，其中，
上述侧面覆盖部的覆盖厚度s与上述放电部的覆盖厚度t处于s≤t的关系。
10.如权利要求1～9中任一项所述的内燃机用的火花塞，其中，
上述基座部与上述电极母材接合，并由ni合金或含贵金属的ni合金构成。
技术总结