JP2004152682A

JP2004152682A - スパークプラグ

Info

Publication number: JP2004152682A
Application number: JP2002318559A
Authority: JP
Inventors: Wataru Matsutani; 渉松谷; Osamu Yoshimoto; 修吉本; Yoshihiro Matsubara; 佳弘松原
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP3902756B2

Abstract

【課題】本発明は、スパークプラグのチップ側面にできる抉れを低減する。
【解決手段】内燃機関用スパークプラグの接地電極１４上に貴金属チップ１７が溶接される。そして、この貴金属チップ１７及び接地電極１４の溶接部分である溶接部２０の表面と、貴金属チップ１７の表面と、接地電極１４の表面とに、同一材質（Ｎｉ−０．５Ｂ−１Ｗのニッケル合金又はＮｉ−０．５Ｂのニッケル合金）の保護膜層１９をメッキなどの方法で形成する。この保護膜層１９の膜厚３０は、約１０μｍ前後とする。保護膜層１９形成後、接地電極１４全体を熱処理する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガソリンエンジンなどの内燃機関に使用されるスパークプラグに関し、特に、外側電極若しくは中心電極の腐食などによる抉れを回避させたスパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車エンジン等の内燃機関から排出される排気ガスによる環境破壊が重大な社会問題化されている。そこで、この環境破壊を回避すべく、排気ガス若しくは有害ガスの排出がより少ない、クリーンなエンジンが社会的に求められている。これに併せて、より少ないガソリンでより遠くに走れる低燃費の車も求められている。このようなクリーンかつ低燃費のエンジンを実現する一つの手段として、空気に対するガソリンの混合比をより少なくした希薄燃焼エンジン（リーンバーンエンジン）が知られている。
【０００３】
この希薄燃焼とは、理想の混合比率（ガソリン１に対して空気１４．７の割合）か、又はそれにより近い混合比率でガソリンを燃焼させようとするものである。従来、この様な希薄なガソリンの混合気は、着火しにくく、不完全燃焼若しくはノッキングなどの様々な問題が発生している。そこで、より薄い混合ガスでも、確実に着火させることができるスパークプラグが求められている。
【０００４】
スパークプラグは、中心軸線を縦方向に貫く中心電極と、その中心電極を保持する中空状の主体金具と、その主体金具と中心電極との絶縁を行うアルミナ質絶縁体とで主に構成されている。主体金具は、エンジンのシリンダーヘッドへのプラグを固定させるのに使用されるが、その先端部分には、上記中心電極の先端と間隙を持って対向する、Ｌ字型に湾曲された外側電極（接地電極）が設けられている。
【０００５】
この中心電極の先端と、外側電極の間に形成される隙間が火花ギャップであり、この火花ギャップで火花放電が生成される。また、プラグ上端には、中心電極と繋がる端子が形成されており、ハイテンションコードを介してイグニッションコイルが接続されている。そして、このイグニッションコイルで発生された高電圧が、中心電極の先端に印加される。この印加された高電圧により、火花ギャップに火花放電が生成される。
【０００６】
このスパークプラグの性能を表す指標として、飛火性と着火性とが知られている。飛火性とは、上記中心電極先端と、外側電極との間に、火花放電が発生しやすいか否かを表すものである。着火性とは、発生された火花放電により、シリンダー内のガソリン混合気が良好に爆発燃焼されるか否かの目安を表す。
【０００７】
ところで、シリンダー内の爆発的な燃焼は以下の様にして生じている。初めに、電極間に生じる火花放電によって、その火花周囲のガソリン混合気中のガソリン分子が酸素と結合（活性化）して小さな火炎核が生成される。その小さな火炎核で生じる熱により、その火炎核の周囲にあるガソリン分子が順次活性化されることで、火炎核が成長し、シリンダー内の爆発的な燃焼が生成される。
【０００８】
しかし、電極近傍で発生した最初の火炎核により、周囲のガソリン分子が順次、活性化される燃焼（爆発）が発生しない場合がある。それは、最初に発生した小さな火炎核の熱量が、火花放電を発生させる電極に吸収され、ガソリン分子の活性化を伝搬させるのに十分なエネルギーが最初の火炎核から奪われることによる。このような現象は消炎作用と呼ばれている。この消炎作用は電極表面で生じているので、火花ギャップを大きくすれば、この消炎作用による燃焼継続妨害をより少なくできる。しかし、火花ギャップが大きくなると、電極間の浮遊容量が大きくなり、火花放電継続時間の短小化など、飛火性が悪くなる。つまり、火花ギャップの大きさは、消炎作用の影響をより少なくさせると共に、良好な飛火性を発生させるように、二つの相反する因子の釣り合いで定まる間隔となっている。
【０００９】
また、火花ギャップが同じスパークプラグでも、飛火性を改善させるには、電極形状が細く、かつ電極の先端が尖っているほどよい。それは、その先鋭化された電極に電荷が集中（電界密度の上昇）することで、空気の絶縁破壊能力が向上し、より低い電圧で火花放電を電極間に発生させることができるためである。しかも、電極が先鋭化されることで、最初に発生した火炎核から電極が熱を奪う、消炎作用もより小さくできるので、着火性能も向上することになる。
【００１０】
しかし、電極が細くかつ先鋭化されると、別の問題が発生している。それは、電極が細くなることで電極全体の体積が減少し、熱伝導率が悪くなる。その結果、電極自体の温度が非常に高くなる。電極が熱くなると、溶融や、酸化が進み、電極自体が消耗（電極自体が抉れて消失すること）しやすくなる。
【００１１】
さらにまた、中心電極のプラグから突出する量（長さ）が多くされると、火花の飛ぶ位置がエンジン燃焼室の壁面から遠ざかり、より燃焼室の中心部に近づくため、混合気の流速の早い場所で火花が飛ぶことになる。このため、薄い混合気でも火花の飛んでいる間（約１ｍｓ間）に火花と触れ合うガソリン分子が多くなるので、より薄い混合気に着火させる能力が高くなり、着火性が向上する。しかし、この場合にも、燃焼ガスに、より多く電極が触れることとなるため、電極の温度上昇が高くなる傾向がある。
【００１２】
高温状態になると、金属は急に酸化（空気中の酸素と化合する現象）が増大し消耗していく。そこで、スパークプラグには長期間にわたっても電極がなくならないような、耐腐食性に強く、しかも高融点の金属が使われている。一般のプラグには、ニッケル・クロム合金が使われているが、より高価な金＋パラジウムや白金、イリジウム（Ｉｒ）などの貴金属が電極に使用されている。（特許文献１参考）。
【００１３】
このような貴金属は、原材料単価が比較的高価であるし、また、火花放電が生成される電極部分にのみ使用されれば良いので、従来、貴金属で形成された電極チップが、Ｎｉ合金の基台上にレーザ溶接、抵抗溶接などの手段で取り付けられている。（特許文献２参考）。〔特許文献１〕特開平１１−４０３１４公報。〔特許文献２〕特開２００１−１５２４５号公報。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、貴金属で作られた電極チップの基台への固定には、二つの異なる材質の部材が印加される熱によって溶けて接合させる溶接手段が用いられている。図９には、外側電極５００に溶接された貴金属チップ５０１の側面の様子が示されている。なお、図９には、プラグの中心電極等の他の部材部分は省略されているが、貴金属チップ５０１の上面５０２の上方にプラグの中心電極が配置される。
【００１５】
図９に示されるように、貴金属チップ５０１が外側電極５００にレーザ溶接で接合されると、貴金属チップ５０１と外側電極５００との接合部分５０３は、貴金属チップ５０１の材質と、外側電極５００の材質の合金となる。このような、貴金属チップ５０１が外側電極５００上に溶接されたプラグが内燃機関に使用されると、貴金属チップ５０１及び接合部分５０３の側面部分に異常腐食（消耗）、所謂、抉れ５０４が発生していた。この抉れ５０４の主な原因は、局部電池作用と、燃料又は潤滑オイル等に含まれる硫黄（Ｓ）、鉛（Ｐｂ）その他の成分が互いに関係し会う複合的な要因によると考えられている。
【００１６】
混合気内に硫黄や鉛が含まれていると、燃焼室内で生成される混合気のスワールによって強くチップ側面に吹き付けられ、これら硫黄や鉛による腐食が進行する原因となっていた。チップ側面の抉れ５０４が大きくなると、チップがプラグから脱落し、プラグ寿命が短くなることもある。なお、局部電池作用とは、異種金属が隣り合うと、その異種金属間で微弱電流（腐食電流）が発生し、金属がイオン化されて酸化し易くなる現象のことである。
【００１７】
これら複数の要因が関係して発生する抉れをより少なくすることが、プラグの寿命を延ばすことに繋がり、プラグ製造上、特に重大な関心事となっている。しかし、燃料や、燃焼室内で燃焼してしまう潤滑オイルに含まれる物質に関しては、その内燃機関が使用される経過年数、使用燃料、使用オイル等、その内燃機関の置かれた環境によって多種多様に変化し、それら全てに対処可能なプラグを製造することは事実上、極めて困難である。しかも最近では、リーンバン化などの環境対策で求められるプラグの高性能化がより一層、異常腐食に対処することを困難にしている。
【００１８】
しかし、上記局部電池作用を防ぐことは、プラグ製造段階で可能である。そこで、本発明は、その局部電池作用の発生を極力抑えることで、異常腐食を極力抑えた内燃機関用スパークプラグを提供することを目的とする。なお、本願において、腐食とは、金属体が置かれた環境において、科学的若しくは電気的に消耗（消失）する現象を意味する。
【００１９】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、抉れの発生のより少なく、寿命のより長いスパークプラグを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、貴金属を主原料とするチップが、安価な金属を原料とする電極上に溶接された後、そのチップ表面から、溶接部の表面及び電極の表面までを貴金属チップ又は電極母材と同じ成分の保護膜層を形成した。この結果、溶接部分とチップとの境界部分に生じるであろう局部電池作用その他の原因によるチップの消耗を低減させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（１）第１実施例の構成。
図１には、本発明にかかる内燃機関用スパークプラグ１の垂直断面の様子が示されている。図２には、内燃機関用スパークプラグ１の先端部分を拡大した様子が示されている。内燃機関用スパークプラグ１は、円筒状の絶縁体２と、その絶縁体２の内筒内に挿入された中心電極３と中軸４と、絶縁体２の周囲を取り巻く主体金具５とから主に作られている。絶縁体２は、高温下においても高い絶縁性と熱伝導性を保持させるべく、高純度のアルミナ磁器又は窒化アルミニウム等のセラミック焼結体などの材料で作られている。例えば、アルミナ粉末が、上下に貫通された貫通孔６を軸中心に備える円筒状の形に押し固められた後、焼成などの手段で焼き固められて、絶縁体２が作られる。
【００２２】
主体金具５は、低炭素鋼等の材料で作られている。この主体金具５も中空の円筒形に作られており、その主体金具５の内筒７内に上方より絶縁体２が填め込まれた後、リング１０（及びパッキングワッシャ）と共に、主体金具５の上部８がカシメられて、絶縁体２と主体金具５とが固定される。なお、主体金具５の外周面には、雄ねじ９のネジ山が作られている。この主体金具５の雄ねじ９により、内燃機関用スパークプラグ１がシリンダーヘッドにねじ込まれて固定される。
【００２３】
中心電極３は、シリンダー内で高温にさらされるため、ニッケル・クロム・シリコン合金やニッケル・クロム・鉄合金などのニッケル合金で作られており、さらに、熱伝導性を高めるため、内部に銅１１が埋め込まれている場合もある。絶縁体２の貫通孔６内には、最初に中心電極３が挿入された後、中心電極３の上部に粉末状のガラス・シール１２（グラス・シール）が充填される。そして、中軸４がねじ込み若しくはプレスで押し込まれると共に、加熱及び冷却により、ガラス・シール１２を溶融及び固化させて、中心電極３と中軸４とが絶縁体２内にシールされる。
【００２４】
なお、このガラス・シール１２は、特殊なガラス粉末に銅粉が混合されて作られたもので、高い導電性がある。また、このガラス・シール１２内に、抵抗体１３が封入される場合もある。主体金具５の下端部分には、棒状の接地電極１４（外側電極）が形成されている。この接地電極１４の先端部分が、中心電極３の先端と、間隙１５を持って対向している。
【００２５】
中心電極３及び接地電極１４の主要材料は、上述されたように、耐熱性のある合金その他の金属が好ましく、ニッケル合金の他にＦｅ系耐熱合金などがあり、ニッケル合金の一例として、ＩＮＣＯＮＥＬ６００、ＩＮＣＯＮＥＬ６０１（英国ＩＮＣＯ社の商標）が用いられても良い。
【００２６】
図２には、内燃機関用スパークプラグ１の先端部分の一部断面の様子が示されている。内燃機関用スパークプラグ１の先端は、主体金具５から中心電極３が若干突出するように作られており、この中心電極３と対向するように、主体金具５から延びる接地電極１４が湾曲している。そして、中心電極３の先端には、貴金属チップ１６が溶接されている。この貴金属チップ１６は、イリジウム（Ｉｒ）単体若しくは、イリジウムを主成分とし且つ白金その他の金属が含まれる合金で作られており、しかもその形状は、水平断面が真円でかつ高さの低い柱形、すなわち円柱状に形成されている。なお、本願において、「主成分」とは、貴金属チップ（の合金原料）中に、着目する金属が５０質量％以上含有されていることを意味する。
【００２７】
この貴金属チップ１６が、中心電極３の先端に付けられ、中心電極３と貴金属チップ１６とが接する面の周りが溶接されて、固定される。なお、溶接には、レーザ溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接などが用いられる。貴金属チップ１６に対向する接地電極１４先端には、中心電極３側に向いた接地電極１４の面に、貴金属チップ１７が溶接されている。この貴金属チップ１７も、貴金属チップ１６と同様、イリジウム単体若しくはイリジウムを主成分とする合金が円柱状に形作られている。これら貴金属チップ１６、１７は、所定の間隙１５を備えつつ配置されることで、内燃機関用スパークプラグ１の火花放電部１８を構成する。
【００２８】
（２）第１実施例の接地電極１４の構造。
図３には、貴金属チップ１７が溶接された接地電極１４部分の垂直断面の様子が示されている。貴金属チップ１７は、上述されたように、イリジウムの単体金属か又はイリジウムを主成分とする合金で作られており、内燃機関用スパークプラグ１の水平方向の断面が真円（楕円その他の多角形でもよい）の円柱状に作られている。そして、溶接により接地電極１４の上に固定されている。つまり、円柱状の貴金属チップ１７が、溶接部２０によって接地電極１４における中心電極３側の面に固着されている。
【００２９】
そして、貴金属チップ１７及び接地電極１４全体の表面に、接地電極１４を構成する材料金属と同じ成分である保護膜層１９が一様に形成されている。保護膜層１９の形成方法としては、メッキ、真空蒸着法、スパッタリング法（マグネトロンスパッタリング蒸発）、イオンビーム法、アークイオンプレーティングその他の方法があるが、本発明では、その方法を特に限定しない。なお、保護膜層１９は、貴金属チップ１７及び溶接部２０と、貴金属チップ１７周囲の接地電極１４表面全体が完全に覆われるように形成される。保護膜層１９を構成する材料は、接地電極１４に用いられる材料と同じ成分である。なお、上述された文言「同じ成分」とは、接地電極１４に用いられる金属材料の成分と同一の成分であることが最適だが、９０％以上含有させた材料も十分に本効果を得ることができる。また、接地電極１４に用いられる金属材料の主成分を９０％以上含有されても十分に効果を得ることができる。
【００３０】
例えば、接地電極１４の材料であるニッケル合金（ＩＮＣＯＮＥＬ６００、ＩＮＣＯＮＥＬ６０１他）、Ｆｅ系耐熱合金等がある。特に、Ｎｉ（ニッケル）を主成分とし、０．５質量％のホウ素（Ｂ）が添加された、Ｎｉ−０．５Ｂの合金や、又は、ホウ素の他に１．０質量％のタングステン（Ｗ）が添加された、Ｎｉ−０．５Ｂ−１Ｗの合金が用いられる。
【００３１】
また、貴金属チップ１７のチップ直径２１の寸法は、貴金属チップ１６と同じか、又は、やや大きいか又は、やや小さいサイズに作られている。貴金属チップ１７の高さ（厚さ）２２は、貴金属チップ１６と貴金属チップ１７との間隙で形成される火花放電部１８の間隔が所定値となるように設計されている。なお、火花放電部１８における間隙１５は、接地電極１４の曲げ度合いを変えることで調整できるので、貴金属チップ１７の高さ２２が、貴金属チップ１６の高さとほぼ同じか、又は低く作られていてもよい。逆に、貴金属チップ１６の高さが低く、貴金属チップ１７の高さ２２が高く作られていてもよい。
【００３２】
（３）中心電極３先端の構造。
図４には、中心電極３先端部分の垂直断面の様子が示されている。この中心電極３に接合される貴金属チップ１６も、上記貴金属チップ１７と同じように、水平方向の断面が真円の円柱形に作られている。そして、この貴金属チップ１６と、中心電極３とが重ねられた後、溶接などの手段で貴金属チップ１６が中心電極３先端に固定される。溶接部２７が、貴金属チップ１６と中心電極３の先端とが溶融して接合した部分である。
【００３３】
この後、貴金属チップ１６及び中心電極３の先端部分全体に、保護膜層２６が形成される。この保護膜層２６は、上記保護膜層１９と同様、電気メッキその他の手段で形成される。保護膜層２６を構成する材料は、中心電極３に用いられる材料と同じ成分である。例えば、上記されたＮｉ−０．５Ｂの合金や、Ｎｉ−０．５Ｂ−１Ｗなどの合金が用いられる。
【００３４】
また、貴金属チップ１６の大きさは、チップ直径２３が０．４〜０．８ｍｍ、部分高２５がＯ．３５〜１．１５ｍｍであり、チップ全体の全体高２４は、０．４〜１．２ｍｍとされている（図４参照）。なお、部分高２５は、貴金属チップ１６の頭頂面２８から、貴金属チップ１６側面に形成された溶接部２７の端までの長さである（図４参照）。なお、チップ１６、１７の高さ２２、２４は、形成される火花放電部１８の間隙１５の大小や、内燃機関用スパークプラグ１が取り付けられるエンジン内のピストンヘッドの上死点位置までの距離などで定められるもので、本発明では特に限定しない。加えて、チップ直径２１、２３についても、径がより細いことにより、電荷の集中によるプラグの飛火性能が改善されるが、高温化に伴うチップの揮発消耗が激しくなり、プラグ寿命を短くするので、本発明では特に限定しない。
【００３５】
（４）チップ１６、１７に使用される材質の応用例。
また、貴金属チップ１６及び貴金属チップ１７の成分はＩｒ（イリジウム）を主成分とし、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）及びＲｅ（レニウム）から選ばれる１種又は２種以上の元素が含有されていてもよい。このような元素を含有させることにより、高温におけるＩｒの酸化揮発を抑制することが可能となる。特に、Ｒｈを含有させるのが好ましく、その含有量は、０．５〜４０質量％とされてもよい。なお、Ｒｈの含有量がＯ．５質量％未満であると、Ｒｈを含有させることの酸化揮発抑制に対する効果が十分に得られない。他方、４０質量％を超えると、チップ１６、１７の融点が低下して、火花放電による消耗を効果的に抑制することができなくなる。したがって、上記範囲のＲｈを含有させることにより、火花放電による消耗とＩｒの酸化揮発による消耗等を効果的に抑制することが可能となる。
【００３６】
さらに、チップ１６、１７の成分中に、添加される上記Ｒｈと共にか又はＲｈに代えて、ＲｕあるいはＲｅの少なくとも一方が１〜５質量％含有されてもよい。これらの元素は、Ｉｒよりは劣るもののＲｈよりも融点が高いために、火花放電に対する耐久性を向上させるのに有効であると共に、Ｉｒよりも高温で酸化揮発しにくいため、耐高温酸化性を向上させる観点からも有効である。なお、これらの元素の含有量が１質量％未満では十分な上記効果が得られず、５質量％を超えると逆に耐火花消耗性及び耐高温酸化性が劣化する。このため、上記範囲内に設定するのがよい。
【００３７】
また、チップ１６、１７は、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｅｕ（ユウロビウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｌｕ（ルテチウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）及びＨｆ（ハフニウム）から選ばれる元素の酸化物（複合酸化物を含む）が含有されていてもよい。これにより、Ｉｒの高温での酸化揮発による消耗がさらに効果的に抑制される。上記酸化物の含有量はＯ．５〜３質量％の範囲に設定されるのがよい。
【００３８】
なお、含有量が０．５質量％未満になると、当該酸化物添加による酸化揮発防止効果が十分に得られなくなる。他方、酸化物の含有量が３質量％を超えると、チップ１６、１７の耐熱性が却って損なわれてしまうことがある。なお、上記酸化物としては、Ｌａ２Ｏ３及びＹ２Ｏ３などの希土類元素の少なくとも一方が含有されているのがよいし、このほかに、ＴｈＯ２、ＺｒＯ２等が好ましい。その他には、チップ１６、１７の材質中に、保護膜層１９、２６の素材が混合されていてもよい。以上のように、本発明にかかるチップ１６、１７は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、チップ１６、１７の特性を向上させるために、その他の物質が混合されたものでもよい。
【００３９】
（５）チップ１６、１７の製造方法。
上記チップ１６、１７の製造方法について説明する。まず、原料となる貴金属粉末と添加する各金属とが所定の比率で混合され、これを溶解して合金インゴットが形成される。溶解方法としては、例えば、アーク溶解や、プラズマビーム溶解等の方法が採用される。なお、合金溶液を水冷鋳型等により鋳造、急冷インゴットとされれば、合金の偏析が低減されるので、該方法が採用されてもよい。また、上記合金インゴットは所望の組成に配合された貴金属粉末が圧縮成形されたあと、焼結することによって作製されてもよい。
【００４０】
その後、合金を熱間鍛造、熱間圧延及び熱間伸練の１種又は２種以上の方法の組合せにより線状あるいはロッド状の素材に加工された後、これを長手方向に所定長に切断されてチップ１６、１７が製造される。例えば、熱間鍛造によりロッド状に加工された後、熱間スエージングを行い、さらに溝付圧延ロールによる熱間圧延によりさらに縮径し、最終的に熱間伸線により、所望の径長の線材に加工される（例えば、０．８ｍｍ以下の線径）。その後、該線材が所望の長さ（チップの高さ）となるように切断されてチップ１６、１７が形成される。
【００４１】
また、チップ１６、１７は以下の方法で製造されてもよい。各原料が所定比率に混合されて溶解された溶解合金が熱間圧延により板状に加工される。そして、その板材が微小円形に熱間打抜加工されて所望のチップ形状に形成されてもよい。さらに、公知のアトマイズ法により球状の貴金属合金を作製し、該球状の貴金属合金がそのままチップ１６、１７として使用されてもよい（この場合も、球状の貴金属合金が貴金属チップの概念に入るものとする）。また、上記アトマイズ法により作成された球状の貴金属合金がプレスあるいは平ダイスで圧縮され、扁平状あるいは円柱状のチップ１６、１７とされてもよい。
【００４２】
（６）保護膜層１９、保護膜層２６の製造方法。
上記のように製造された貴金属チップ１６、１７それぞれに保護膜層２６、１９が形成される。保護膜層１９、２６は、例えば、電気メッキ処理により作成される。なお、保護膜層１９は、貴金属チップ１７が取り付けられた接地電極１４部分全体に施される。したがって、貴金属チップ１７と溶接部２０とを含む接地電極１４部分がメッキ溶液中に浸される（図３参照）。同じように、保護膜層２６も、貴金属チップ１６が溶接された中心電極３の先端部分全体に形成される。貴金属チップ１６と溶接部２７とを含む中心電極３先端部分がメッキ溶液に浸されて保護膜層２６が形成される。保護膜層１９、２６の膜厚３０、３１としては、例えば、約１〜１０μｍ前後に作成される。なお、１０μｍを越えて形成しても同じ効果が得られるが、作業性（生産効率）が悪い。また、１μｍ未満だと、所望の効果を得ることができない。
【００４３】
また、保護膜層１９、２６が形成された接地電極１４及び中心電極３先端に熱処理が加えられても良い。すなわち、電気メッキ処理などにより保護膜層１９、２６が形成された接地電極１４又は中心電極３の先端部分に対して、例えば７００〜９００℃の温度で１〜１Ｏ時間熱処理が施される。これにより、保護膜層１９、２６と各チップ１７、１６とが接する境界部分に、保護膜層１９、２６を構成する素材と、チップ１７、１６の素材とが混ざり合った拡散層（混合層）が形成される。
【００４４】
この拡散層により、保護膜層１９、２６とチップ１７、１６との結びつきが強固になると共に、保護膜層１９、２６の剥離を可能な限り防止できる。保護膜層１９、２６は、電気メッキにより形成する以外に、化学蒸着（ＣＶＤ）や、イオンプレーティング等の物理蒸着（ＰＶＤ）や、無電解メッキ処理等により形成されてもよい。
【００４５】
図５は、貴金属チップ１７に保護膜層１９を形成した場合と形成しない場合の異常消耗の度合いを示す図である。なお、図５は、接地電極１４に取り付けられた貴金属チップ１７の側面の異常消耗量を測定したものであり、その試験条件は、作成された内燃機関用スパークプラグ１をエンジンに取り付け、加鉛ガソリン（Ｐｂ：３ｇ／ｇａｌ）を用いて、平均車速１１０キロで８０時間の実走模擬耐久試験とした。なお、接地電極１４はＩＮＮＣＯＮＥＬ６００で形成されている。図５中の試料４０は、Ｉｒに２０質量％のＲｈを混合した貴金属チップ１７を接地電極１４に取り付けた場合で、保護膜層１９は形成しなかった。試料４１は、Ｉｒに１．０質量％のＲｈを混合した貴金属チップ１７を接地電極１４に溶接した場合で、保護膜層１９は形成しなかったものである。
【００４６】
試料４２は、Ｉｒに１．０質量％のＲｈを混合した貴金属チップ１７を接地電極１４に溶接し、Ｎｉ−１Ｗ−０．５Ｂ組成の保護膜層１９を接地電極１４の表面の一部からチップ１７の表面の一部までを覆い、しかも溶接部２０の表面全体を覆うように形成させたものである（後述する図８参照）。試料４３は、Ｉｒに１．０質量％のＲｈを混合した貴金属チップ１７を接地電極１４に溶接した後、組成がＮｉ−１Ｗ−０．５Ｂの保護膜層１９をチップ１７の表面全体と、溶接部２０の表面全体と、接地電極１４の一部分とを覆うように形成したものである（後述する図７参照）。つまり、試料４３は、接地電極１４表面全体に保護膜層１９が形成されていない試料である。試料４４は、Ｉｒに１．０質量％のＲｈを混合した貴金属チップ１７を接地電極１４に溶接し、Ｎｉ−１Ｗ−０．５Ｂ組成の保護膜層１９を溶接部２０の表面を含む貴金属チップ１７及び接地電極１４の表面全体に形成したものである（図３参照）。なお、図５の消耗量とは、貴金属チップ１７側面に「抉れ」でできる凹みの深さを表している。
【００４７】
上記実走模擬耐久試験後、試料４０の消耗量は、約０．１８ｍｍとなった。つまり、貴金属チップ１７の側面に深さ０．１８ｍｍの凹みができた。同じように、試料４１による試験では、消耗量が、約０．２ｍｍであった。これに対し、試料４２では、消耗量が約０．０６ｍｍであり、試料４３では、約０．０４ｍｍであり、試料４４では、さらに少なく、およそ０．０１ｍｍであった。このように、貴金属チップ１７及び接地電極１４の表面に保護膜層１９があるか否かで、異常消耗量に大きな差が発生した。しかも、貴金属チップ１７と接地電極１４との接合部分である溶接部２０の表面を含む貴金属チップ１７の表面から接地電極１４の表面にかけて、同一成分の保護膜層１９が形成されていると、異常消耗量がより良く低減されるのが解る。つまり、保護膜層１９が、溶接部２０の表面全体を覆うだけでなく、貴金属チップ１７の表面から溶接部２０及び接地電極１４の表面全体に渡って連なる保護膜とされていれば、異常消耗がより少なく、プラグの寿命をより長くすることができることが解る。
【００４８】
（７）応用例。
本発明は上記実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、貴金属チップ１６、１７の水平断面の形状が、楕円、四角形、三角形等、円以外の形状でもよい。さらに、貴金属チップ１６、１７全体が、底面から頂点部分へ、徐々に水平断面が小さくなる錐形であってもよい。さらに、チップ１６、１７それぞれの直径２３、２１が異なっていても良い。例えば、中心電極３に取り付けられる貴金属チップ１６が、接地電極１４に取り付けられる貴金属チップ１７より径が小さくてもよい。逆に、貴金属チップ１７のチップ直径２１が、貴金属チップ１６のチップ直径２３より小さくてもよく、本発明では特にその径のサイズを限定しない。
【００４９】
また、別の実施例としては、保護膜層１９、２６を構成する材質が、チップ１６、１７の成分と同じ成分であっても良い。これによっても、局部電池作用その他の原因によるチップの消耗を低減させることができる。具体的には、上記チップ１６、１７の成分であるＩｒを主成分とした合金からなる。
【００５０】
（８）第２実施例（図６）。
また、保護膜層２６、１９それぞれが、貴金属チップ１６、１７それぞれと同じ成分の場合、チップ１６、１７の頭頂面２８、２９部分の保護膜層２６、１９のみが除去されていてもよい。つまり、貴金属チップ１６、１７の側面と溶接部２０、２７と接地電極１４及び中心電極３先端の表面とに保護膜層２６、１９が形成されていてもよい。
【００５１】
この場合、保護膜層１９、２６が形成された後、チップ１７、１６の頭頂面２９、２８部分のみの保護膜層１９、２６が研磨、薬液による剥離などの手段で除去されてもよいし、初めから頭頂面２９、２８部分に保護膜層１９、２６が形成されないように内燃機関用スパークプラグ１が作られても良い。
【００５２】
図６には、第２実施例の接地電極１４先端部分の断面の様子が示されている。この第２実施例では、貴金属チップ１７の頭頂面２９近傍の表面に保護膜層１９が形成されていない。この場合、貴金属チップ１７が接地電極１４の先端に溶接された後、貴金属チップ１７及び接地電極１４の表面全体に保護膜層１９がメッキなどの方法で形成される。そして、貴金属チップ１７の頭頂面２９部分が薬液にひたされるなどして、頭頂面２９表面部分の保護膜層１９が除去されて所望の保護膜層１９が形成される。
【００５３】
（９）第３実施例（図７）。
また、保護膜層１９、２６それぞれが、接地電極１４、中心電極３それぞれの成分と同じ成分の場合、チップ１６、１７の表面全体から、溶接部２０、２７部分の表面全体及び、接地電極１４及び中心電極３の表面の一部に繋がるように保護膜層１９、２６が形成されていてもよい。図７には、この第３実施例による接地電極１４先端部分の断面が示されている。図７に示された接地電極１４先端部分では、溶接部２０周囲の接地電極１４表面部分にのみ保護膜層１９が形成されている。つまり、第３実施例では、接地電極１４及び中心電極３表面全てに、保護膜層１９、２６が形成されていなくてもよい。
【００５４】
（１０）第４実施例（図８）。
さらに、チップ１６、１７の側面の一部と、溶接部２０、２７の表面全体と、接地電極１４及び中心電極３の先端表面の一部とに繋がるように保護膜層１９、２６が形成されてもよい。つまり、チップ１７、１６の表面全体、接地電極１４の表面全体及び中心電極３の表面全体に保護膜層１９、２６が形成されない部分があってもよい。図８には、第４実施例の接地電極１４先端部分の断面の様子が示されている。この第４実施例では、溶接部２０の表面を中心に、保護膜層１９が貴金属チップ１７及び接地電極１４の表面の一部に形成されている。
【００５５】
（１１）請求項の説明。
本発明は、中心電極（中心電極３）と、この中心電極の先端と放電ギャップ（間隙１５）を隔てて配置された接地電極（接地電極１４）とを備えたスパークプラグにおいて、上記中心電極及び上記接地電極の少なくともいずれか一方に、上記放電ギャップを形成する位置に設けられたイリジウムを主成分とした電極チップ（貴金属チップ）と、この電極チップと中心電極の母材（中心電極３の先端部分）または接地電極の母材（接地電極１４）とを接合する溶接部（溶接部２０又は溶接部２７）と、この電極チップの表面から上記母材の表面まで上記溶接部の表面全体を覆うように繋がって形成され、上記母材の成分と同じ成分によって形成された保護膜層（保護膜層１９又は保護膜層２６）とを備えたことを特徴とするスパークプラグ。これにより、電極チップ若しくは溶接部の表面にできる抉れを極力少なくすることができる。
【００５６】
また、上記保護膜層は、上記電極チップの表面の一部または全体に形成されていることを特徴とする。例えば、頭頂面２８等に被覆があることにより、電極チップにおける異常消耗をより少なくできる。
【００５７】
また、上記特徴に加え、上記中心電極の母材または接地電極の母材の主成分はニッケルであり、上記保護膜層の主成分はニッケルであることを特徴とする。被覆に母材の成分と同じものを用いるので、チップと母材との間に生じる局部電池作用を打ち消すことができる。
【００５８】
また、本発明は、中心電極と、この中心電極の先端と放電ギャップを隔てて配置された接地電極とを備えたスパークプラグにおいて、上記中心電極及び上記接地電極の少なくともいずれか一方に、上記放電ギャップを形成する位置に設けられたイリジウムを主成分とした電極チップと、この電極チップと中心電極の母材または接地電極の母材とを接合する溶接部と、この電極チップの表面から上記母材の表面まで上記溶接部の表面全体を覆うように繋がって形成され、上記電極チップの成分と同じ成分によって形成された保護膜層とを備えたことを特徴とする。
【００５９】
また、上記保護膜層は、上記中心電極の母材または接地電極の母材の表面の一部または全体に形成されていることを特徴とする。
【００６０】
また、上記電極チップには、ロジウムＲｈ、パラジウムＰｄ、白全Ｐｔ、酸化イットリウムＹ２Ｏ３等の希土類酸化物のうちから少なくとも１つの成分が０．５％乃至３０％含有されていることを特徴とする。これにより、電極チップの酸化揮発をより良く低減できる。
【００６１】
また、上記溶接部の主成分は上記電極の母材の主成分と電極チップの主成分との合金であり、イリジウムとニッケルとの合金であることを特徴とする。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、イリジウムなどの貴金属を主原料とするチップが、安価な金属を原料とする電極上に溶接された後、そのチップ表面から、溶接部の表面及び電極の表面までを同じ成分の保護膜層を形成した。この結果、溶接部分とチップとの境界部分に生じるであろう局部電池作用によるチップの消耗を低減させることができる。しかも、保護膜が、チップ及び溶接部分を含む電極全体に形成されたことにより、燃料内に含まれる有害物質による異常消耗が溶接部分などに部分発生することを防止できる。この結果、プラグ寿命を長くできることで、内燃機関のランニングコストの低減をより図ることができる。さらに、異常消耗を抑制できることで、チップの細径化と、プラグからの電極の突出量の増大を図ることができ、内燃機関の燃焼効率の改善をより良く図ることができ、内燃機関の低燃費化と低公害化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関用スパークプラグ１の垂直断面の様子を示す図である。
【図２】内燃機関用スパークプラグ１の先端部分の一部断面の様子を示す図である。
【図３】貴金属チップ１７が溶接された接地電極１４部分の垂直断面の様子を示す図である。
【図４】中心電極３先端部分の垂直断面の様子を示す図である。
【図５】試料４０、４１、４２、４３、４４の試験結果を比較した図である。
【図６】第２実施例の接地電極１４先端部分の垂直断面の様子を示す図である。
【図７】第３実施例の接地電極１４先端部分の垂直断面の様子を示す図である。
【図８】第４実施例の接地電極１４先端部分の垂直断面の様子を示す図である。
【図９】抉れ５０４の発生を説明する図である。
【符号の説明】
１…内燃機関用スパークプラグ、２…絶縁体、３…中心電極、４…中軸、５…主体金具、６…貫通孔、７…内筒、８…上部、９…雄ねじ、１０…リング、１１…銅、１２…ガラス・シール、１３…抵抗体、１４…接地電極、１５…間隙、１６、１７…貴金属チップ、１８…火花放電部、１９…保護膜層、２０…溶接部、２１…チップ直径、２２…高さ、２３…チップ直径、２４…全体高、２５…部分高、２６…保護膜層、２７…溶接部、２８、２９…頭頂面、３０、３１…膜厚、４０、４１、４２、４３、４４…試料、５００…外側電極、５０１…貴金属チップ、５０２…上面、５０３…接合部分、５０４…抉れ。

Claims

中心電極と、この中心電極の先端と放電ギャップを隔てて配置された接地電極とを備えたスパークプラグにおいて、
上記中心電極及び上記接地電極の少なくともいずれか一方に、上記放電ギャップを形成する位置に設けられたイリジウムを主成分とした電極チップと、
この電極チップと中心電極の母材または接地電極の母材とを接合する溶接部と、
この電極チップの表面から上記母材の表面まで上記溶接部の表面全体を覆うように繋がって形成され、上記母材の成分と同じ成分によって形成された保護膜層とを備えたことを特徴とするスパークプラグ。
上記保護膜層は、上記電極チップの表面の一部または全体に形成されていることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
上記中心電極の母材または接地電極の母材の主成分はニッケルであり、上記保護膜層の主成分はニッケルであることを特徴とする請求項１または２記載のスパークプラグ。
中心電極と、この中心電極の先端と放電ギャップを隔てて配置された接地電極とを備えたスパークプラグにおいて、
上記中心電極及び上記接地電極の少なくともいずれか一方に、上記放電ギャップを形成する位置に設けられたイリジウムを主成分とした電極チップと、
この電極チップと中心電極の母材または接地電極の母材とを接合する溶接部と、
この電極チップの表面から上記母材の表面まで上記溶接部の表面全体を覆うように繋がって形成され、上記電極チップの成分と同じ成分によって形成された保護膜層とを備えたことを特徴とするスパークプラグ。
上記保護膜層は、上記中心電極の母材または接地電極の母材の表面の一部または全体に形成されていることを特徴とする請求項４記載のスパークプラグ。
上記電極チップには、ロジウムＲｈ、パラジウムＰｄ、白全Ｐｔ、酸化イットリウムＹ２Ｏ３等の希土類酸化物のうちから少なくとも１つの成分が０．５％乃至３０％含有されていることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のスパークプラグ。
上記溶接部の主成分は上記電極の母材の主成分と電極チップの主成分との合金であり、イリジウムとニッケルとの合金であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載のスパークプラグ。