JP2001244042A - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

内燃機関用スパークプラグ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接による接合部の近縁における電極チップ
の異常消耗が抑えられ、長期に渡って優れた性能が維持
される内燃機関用スパークプラグを提供する。 【解決手段】 基体と、一端側が基体の端面に接合され
た電極チップとからなる軸線方向に延びる中心電極を備
え、基体と電極チップとの接合部と、電極チップの他端
側の端面との距離が少なくとも0.15mm、特に少な
くとも0.2mmであって、電極チップと接合部との界
面のうち他端側に最も近い位置における電極チップの径
方向の寸法が、他端側と比較して少なくとも0.2m
m、特に少なくとも0.25mm大きい内燃機関用スパ
ークプラグを得る。接合部の深さは0.1mm以上、特
に0.18mm以上であることが好ましい。また、電極
チップは、それぞれ所定量の(1)Rh、(2)Pt、
(3)RhとRu若しくはPtを含有するIrを主成分
とする合金よりなることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用スパー
クプラグに関する。更に詳しくは、本発明は、特に、溶
接による接合部の近縁における電極チップの異常消耗が
抑えられ、長期に渡って優れた性能が維持されるスパー
クプラグに関する。
【0002】
【従来の技術】スパークプラグの中心電極を形成する電
極チップは、中心電極の基体の端面にレーザ溶接により
接合される。基体は、通常、ニッケル又はニッケル合金
により形成され、イリジウム等の貴金属からなる電極チ
ップを用いた場合は、イリジウム等を含み、且つニッケ
ル含量の多い合金からなる接合部が形成される。この合
金はイリジウム等の貴金属に比べて熱電子放出が良好で
あり、放電部と接合部とが近接していると、火花が接合
部の方向へと流れ易くなる。そのため、接合部近縁にお
ける電極チップの異常消耗を生じ易くなり、電極チップ
が脱落することもある。
【0003】特開平11−3765号公報には、電極チ
ップの径方向の1/2の位置における溶融部(接合部)
の厚さが0.2mm以上であれば、十分な耐久性を有す
るスパークプラグが得られると説明されている。しか
し、径が1mm以下、特に0.6mm以下の電極チップ
をレーザ溶接した場合は、放電部と溶融部とを、特に、
径方向において十分に離間させることができず、溶融部
近縁における電極チップの異常消耗が避けられない。そ
のため、実際にエンジンに取り付けて使用した場合に、
電極チップが脱落することもあり、初期設定より寿命が
短くなることがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の従来
の問題点を解決するものであり、内燃機関用スパークプ
ラグの中心電極を形成する電極チップの径方向と長さ方
向において、放電部と接合部とをできる限り離間させる
ことにより、特に、接合部の近縁における電極チップの
異常消耗が抑えられ、長期に渡って優れた性能が維持さ
れるスパークプラグを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】第1発明の内燃機関用ス
パークプラグは、基体と、一端側が該基体の端面に接合
された電極チップと、該基体の成分と該電極チップの成
分とを含有する合金から形成され、該基体と該電極チッ
プとを接合する接合部とからなる軸線方向に延びる中心
電極を備え、該接合部と、該電極チップの他端側の端面
との距離が少なくとも0.15mmであって、上記電極
チップと上記接合部との界面のうち上記他端側に最も近
い位置における上記電極チップの径方向の寸法が、上記
他端側における上記電極チップの径方向の寸法と比較し
て少なくとも0.2mm大きいことを特徴とする。
【0006】上記「基体」は、通常、ニッケル又はニッ
ケル合金により形成される。また、上記「電極チップ」
の材質は特に限定されないが、白金又はPt−Ir合
金、Pt−Ni合金等の白金合金、或いはイリジウム又
はIr−Rh合金、Ir−Pt合金、Ir−Ni合金、
Ir−Rh−Ru合金、Ir−Rh−Pt合金等のイリ
ジウム合金により形成することができる。また、スパー
クプラグのその他の部分を構成する部材、即ち、基体の
周面に接して配設される絶縁体、この絶縁体に外接して
設けられる主体金具、一端が主体金具に連接され、他端
が中心電極と対向するように配置される外側電極、及び
中心電極に連接され、絶縁体の他端側に設けられる端子
金具等の材質、構造等は一般的なものであればよく、特
に限定はされない。
【0007】電極チップは、通常、基体にレーザ溶接に
より接合される。この際、基体の端面の周縁と電極チッ
プの一端側の周縁とが溶融し、基体の成分と電極チップ
の成分とを含有する合金からなる上記「接合部」が形成
される。尚、電極チップが接合される基体の端面とは、
平坦面ばかりでなく、電極チップを嵌装して接合するた
めの凹部を有する場合は、この凹部の底面をも意味する
ものとする。
【0008】接合部と電極チップの他端側の端面との距
離(図2において符号「L」で表される。)は「少なく
とも0.15mm」であり、特に0.20mm以上、更
には0.25mm以上であることが好ましい。これによ
り、放電部と接合部とを電極チップの長さ方向において
離間させることができる。この距離が0.15mm未満
である場合は、放電部の火花が接合部の方向へ流れ易
く、接合部の近縁において電極チップが異常消耗する。
この距離は0.5mm、特に0.7mmであれば、実質
的に異常消耗のないスパークプラグとすることができ、
それ以上に長くする必要はない。
【0009】また、電極チップと接合部との界面のう
ち、電極チップの他端側に最も近い位置における電極チ
ップの径方向の寸法(図2において「D」で表される寸
法である。)は、他端側における径方向の寸法(図2に
おいて「d」で表される寸法である。)より「少なくと
も0.2mm」大きく、特に少なくとも0.25mm大
きいことが好ましい。このように径方向の寸法が基体に
接合される一端側において他端側より大きい電極チップ
とすることにより、放電部と接合部とを電極チップの径
方向において離間させることができる。これにより、放
電部の火花が接合部の方向へ流れることによる接合部の
近縁における電極チップの異常消耗をより確実に抑える
ことができる。
【0010】径方向の寸法が基体に接合される一端側に
おいて他端側より大きい電極チップは、他端側から一端
側へと階段状に径を大きくすることにより形成すること
ができる。例えば、径の大きい円筒体と径の小さい円筒
体とが軸を一にして一体となった形状とすることがで
き、この形状では図2のように階段部の上面が外方、且
つ下方へ向かって傾斜している電極チップとすることも
できる。また、電極チップの周面が他端側から一端側へ
とテーパー状になった電極チップとすることもできる。
この場合に、他端側端面から一端側端面へと連続的に径
が変化したものであってもよいし、途中で傾斜角が変化
したものであってもよい。
【0011】第1発明のスパークプラグでは、第2発明
のように、電極チップと接合部との界面のうち、電極チ
ップの他端側に最も近い位置からの、電極チップの軸線
に対して垂直方向の接合部の深さ(図2において符号s
で表される。)が0.1mm以上であることが好まし
い。接合部の深さが0.1mm未満であると、電極チッ
プと基体との接合強度が不十分になることがある。ま
た、接合部の深さが十分でない場合は、電極チップの異
常消耗により、接合強度が低下し易く、電極チップが脱
落することもある。この接合部の深さが0.14mm以
上、特に0.18mm以上であれば、電極チップと基体
とがより強固に接合されるため特に好ましい。接合部の
深さは0.3mmであれば十分であり、0.3mmを越
えて深くする必要はない。
【0012】電極チップの一端側及び他端側の径方向の
寸法は特に限定されないが、第3発明のように、他端側
の径方向の寸法が0.4〜1.2mmであることが好ま
しい。この寸法が0.4mm未満であると、元々の径が
小さいため、異常消耗しなくても、スパークプラグの寿
命が短くなる傾向にある。一方、他端側の径方向の寸法
が1.2mmを越える場合は、元々の径が大きいため、
たとえ異常消耗してもその影響は小さい。
【0013】即ち、径方向における消耗量が同じである
場合は、元々の径が大きいほうが消耗後の径も大きく、
強度も大きい。また、径方向において同程度に消耗する
場合、体積としての消耗量は径が大きいほど多く、1ス
パーク当たりの消耗量はほぼ同じであるため、元々の径
が大きいほうが径方向において同程度に消耗するまでに
長時間を要する。従って、元々の径が大きければ、特
に、第1発明のような特定の形状、寸法にしなくても、
十分に寿命の長いスパークプラグとすることができる。
このように、第1発明の作用、効果は、径方向の寸法が
1.2mm以下である場合により顕著である。
【0014】第1乃至第3発明において、電極チップ
は、耐火花消耗性に優れ、ガソリンに鉛が含まれている
場合にも腐食し難いイリジウム又はイリジウム合金によ
り形成することが好ましい。また、高温における耐酸化
性を向上させるため、Ir−Rh合金、Ir−Pt合
金、Ir−Rh−Ru合金及びIr−Rh−Pt合金を
用いることがより好ましい。
【0015】電極チップは、特に、第4発明のように、
(1)3〜50質量%のRh、(2)1〜10質量%の
Pt、又は(3)RhとRu若しくはPtとの合計が5
0質量%以下であり且つそれぞれ1質量%以上の該R
h、該Ru、該Ptを含有するIrを主成分とする合金
により形成することが好ましい。このIr合金には他の
白金族元素等が含まれていてもよいが、通常、上記組成
の合金が使用される。Rhが3質量%未満、或いはPt
が1質量%未満であると、耐酸化性が十分に向上しな
い。一方、Rhが50質量%を越える場合は、耐火花消
耗性がやや低下する傾向にある。しかし、このRhによ
り電極チップの加工が容易となるため、Rhの量比は1
0〜40質量%、特に20〜32質量%とすることがよ
り好ましく、必要であればRhが50質量%を越える合
金を用いることもできる。また、Ptが10質量%を越
える場合は、電極チップの融点が低下するとともにIr
のみである場合より更に加工し難くなるため、Ptの量
比は2〜7質量%とすることがより好ましい。
【0016】RhとRu若しくはPtとを併用すると、
耐酸化性を維持しつつ高価なRhを1質量%にまで低減
させることができ、好ましい。この場合に、Rh、R
u、Ptの各々が1質量%未満であると、耐酸化性が十
分に向上しない。一方、RhとRu若しくはPtとの合
計が50質量%を越える場合は、融点の低下により耐火
花消耗性がやや低下する傾向にある。耐酸化性を向上さ
せつつ融点の低下を最小限に抑えるためには、RhとR
u若しくはPtとの合計量は2〜10質量%とすること
がより好ましい。尚、Rh、Ru及びPtを含有するI
rを主成分とする電極チップであってもよく、Rh、R
u及びPtの合計が50質量%以下であり、且つそれぞ
れが1質量%以上であれば、同様に十分な耐酸化性と耐
火花消耗性とを有する電極チップとすることができる。
【0017】一端側と他端側における径方向の寸法が異
なる電極チップの作製方法は特に限定されないが、第5
発明のように、粉末焼結法又は熱間ヘッダー加工法によ
り作製することが好ましい。粉末焼結法では、金属粉末
とショウノウ等のバインダなどとを混合し、型成形した
後、所定の温度で焼成することにより、容易に所要形状
の電極チップを作製することができる。また、ヘッダー
加工の加工温度は900〜1300℃程度とし、必要で
あれば加工時に熱処理を施すことにより、歪みを除去す
ることが好ましい。このヘッダー加工においてアトマイ
ズ球等を使用することによって、より安価な電極チップ
とすることもできる。
【0018】第1乃至第5発明の内燃機関用スパークプ
ラグでは、前記dと、後記の実施例における条件により
行われる耐久試験後の電極チップの消耗した部分の径方
向の寸法(図3においてd’で表される寸法である。)
との差により表される異常消耗量d−d’が0.18m
m以下、特に0.1mm以下であることが好ましい。こ
のようにd−d’が特定値以下のスパークプラグであれ
ば、電極チップの径によらず、異常消耗による更なる電
極チップの加速的な消耗が十分に抑えられ、長期に渡っ
て優れた性能が維持される。
【0019】また、前記Dと、前記dとの差D−dが
0.2mmであれば、前記Lが0.15mmの場合に、
上記d−d’を0.8〜1.2mmとすることができ、
Lが0.2mmではd−d’を0.07〜0.1mm、
Lが0.3mmの場合はd−d’を0.04〜0.08
mmと小さくすることができる。また、D−dが0.3
mmであれば、Lが0.15mmではd−d’を0.0
5〜0.08mm、Lが0.2mmではd−d’を0.
04〜0.08mm、Lが0.3mmではd−d’を
0.02〜0.05mmと更に小さくすることができ
る。尚、D−dが0.2mm及び0.3mmのいずれの
場合も、Lが0.5mm以上であれば実質的に異常消耗
を生ずることがない。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、実施例により本発明を更に
詳しく説明する。 (1)スパークプラグの製造 Rhを40質量%含有するIr合金からなり、他端側の
径が0.6mmであり、一端側の径が0.6mm(図2
におけるD−d=0)である円柱状の電極チップ、並び
に一端側の径が0.7mm(図2におけるD−d=0.
1mm)、0.8mm(図2におけるD−d=0.2m
m)及び0.9mm(図2におけるD−d=0.3m
m)であって、一端側における径が大きい鍔付き電極チ
ップ(図2に示す断面形状を有する。)を熱間ヘッダー
加工法により作製した。
【0021】これらの電極チップをNi合金からなる中
心電極の基体にレーザ溶接により接合し、図2における
Lが0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2
mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.
4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、
0.6mm、0.65mm及び0.7mmであるスパー
クプラグを製造した。
【0022】これらのスパークプラグは、図1に示すよ
うに、基体11と電極チップ12とからなる中心電極
1、中心電極1の周面に接して配設される絶縁体4、絶
縁体4に外接して設けられる主体金具5、主体金具5の
端面の一部に連接され、他端が中心電極1に対向するよ
うに配置される外側電極3、及びその他の部材(図示せ
ず)により構成される。また、電極チップ12の一端側
121の周縁は基体11にレーザ溶接により接合され、
接合部2が形成される。尚、外側電極、絶縁体及び主体
金具等、スパークプラグの他の部分の材質は、従来の一
般的なスパークプラグと同様にした。
【0023】(2)耐久性の評価 排気量3000cc、6気筒のガソリンエンジンを使用
し、5000rpm、WOT(wide open t
hrottle)の条件で400時間の耐久試験を行
い、電極チップの異常消耗量を、投影機により測定した
d及びd’の値から算出した。結果を図4のグラフに示
す。尚、基体の最高温度はいずれの場合も850〜90
0℃であった。
【0024】図4の結果によれば、D−dが0である場
合と、D−dが0.1mmである場合は、Lとd−d’
との相関は近似しており、Lが0.15mmではd−
d’が0.23mmであり、Lが0.2mmでもd−
d’が0.22mmと異常消耗量が多いことが分かる。
一方、D−dが0.2mmである場合は、Lが0.15
mmではd−d’が0.1mmであり、Lが0.2mm
であればd−d’は0.08mmと小さくなる。また、
D−dが0.3mmである場合は、Lが0.1mmでは
d−d’が0.17mm、Lが0.15mmではd−
d’が0.07mmであり、Lが0.2mmであればd
−d’は0.06mmと非常に小さくなる。このよう
に、D−dが0.2mm以上であれば、Lが0.2m
m、特に0.15mmであっても異常消耗を十分に抑え
得ることが分かる。
【0025】尚、本発明においては、上記の実施例に限
られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更
した実施例とすることができる。即ち、Rhを40質量
%含有するIr合金を、Rhを32質量%含有するIr
合金、Rhを20質量%含有するIr合金及びPtを5
質量%含有するIr合金とした他は、同様にしてスパー
クプラグを製造し、同様にして耐久性を評価したところ
(但し、組成によって消耗量がやや異なるため、耐久試
験時間を、Rhを32質量%含有するIr合金の場合は
450時間、Rhを20質量%含有するIr合金及びP
tを5質量%含有するIr合金の場合は500時間とし
た。)、同様にLが0.15mm以上であり、D−dが
0.2mm以上であれば異常消耗量の少ない耐久性に優
れたスパークプラグとすることができた。
【0026】
【発明の効果】第1発明によれば、中心電極の電極チッ
プが異常消耗することがなく、耐久性に優れ、寿命の長
いスパークプラグとすることができる。また、第2乃至
第3発明の特定の構成とすることによって、及び第4発
明の特定の組成の合金を用いることによって、より耐久
性に優れたスパークプラグとすることができる。更に、
第5発明によれば、第1乃至第4発明のスパークプラグ
において用いられる特定の電極チップを容易に作製する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】スパークプラグの中心電極及び外側電極を含む
先端部分の構造を示す縦断面図である。
【図2】基体に電極チップがレーザ溶接された中心電極
の先端部分を拡大して示す縦断面図である。
【図3】耐久試験により基体と電極チップとの接合部の
近縁において異常消耗した様子を示す縦断面図である。
【図4】接合部と電極チップの他端側の端面との距離
(L)と、電極チップの一端側と他端側の径方向の寸法
の差(D−d)により変化する異常消耗量(d−d’)
との相関を示すグラフである。
【符号の説明】
1;中心電極、11;中心電極の基体、12;中心電極
の電極チップ、121;電極チップの一端側、122;
電極チップの他端側、123;電極チップの異常消耗し
た部分、2;基体と電極チップとの接合部、3;外側電
極、31;外側電極の基部、32;外側電極の電極チッ
プ、4;絶縁体、5;主体金具、L;接合部と電極チッ
プの他端側の端面との距離、D;電極チップの接合部に
最も近い位置における径方向の寸法、d;電極チップの
他端側における径方向の寸法、s;電極チップの接合部
に最も近い位置における接合部の深さ、d’;電極チッ
プの消耗した部分の径方向の寸法。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基体と、一端側が該基体の端面に接合さ
    れた電極チップと、該基体の成分と該電極チップの成分
    とを含有する合金から形成され、該基体と該電極チップ
    とを接合する接合部とからなる軸線方向に延びる中心電
    極を備え、該接合部と、該電極チップの他端側の端面と
    の距離が少なくとも0.15mmであって、上記電極チ
    ップと上記接合部との界面のうち上記他端側に最も近い
    位置における上記電極チップの径方向の寸法が、上記他
    端側における上記電極チップの径方向の寸法と比較して
    少なくとも0.2mm大きいことを特徴とする内燃機関
    用スパークプラグ。
  2. 【請求項2】 上記電極チップと上記接合部との界面の
    うち上記他端側に最も近い位置からの、上記軸線に対し
    て垂直方向の上記接合部の深さが0.1mm以上である
    請求項1記載の内燃機関用スパークプラグ。
  3. 【請求項3】 上記電極チップの上記他端側の径方向の
    寸法が0.4〜1.2mmである請求項1又は2記載の
    内燃機関用スパークプラグ。
  4. 【請求項4】 上記電極チップは、(1)3〜50質量
    %のRh、(2)1〜10質量%のPt、又は(3)R
    hとRu若しくはPtとの合計が50質量%以下であり
    且つそれぞれ1質量%以上の該Rh、該Ru、該Ptを
    含有するIrを主成分とする合金よりなる請求項1乃至
    3のうちのいずれか1項に記載の内燃機関用スパークプ
    ラグ。
  5. 【請求項5】 上記電極チップは、粉末焼結法又は熱間
    ヘッダー加工法により作製される請求項1乃至4のうち
    のいずれか1項に記載の内燃機関用スパークプラグ。
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