JP2009521778A - 多層点火先端部を有するスパークプラグ - Google Patents

Abstract

使用される貴金属の量を最小限に抑える多層点火先端部を有するスパークプラグ、および多層点火先端部を有するスパークプラグの組立て方法を提供する。点火先端部は放電端部と溶接端部とを含み、溶接端部は、中心電極、より具体的には中心電極上のベース電極に接続される。溶接端部の熱膨張係数は、放電端部の熱膨張係数の値とベース電極の熱膨張係数の値との間にはない。より具体的には、溶接端部の熱膨張係数は、放電端部およびベース電極の熱膨張係数よりも大きい。溶接端部は、限られた量の追加の要素を有するニッケルおよびクロミウムから形成される。スパークプラグは、放電端部のために使用される材料から形成された第１の細長い材料と、溶接端部のために使用される材料から形成された第２の細長い材料とを提供することによって組立てられる。次いで２つの材料を接合して単一の接合された材料を形成し、切取って点火先端部を作製する。点火先端部は、スパークプラグの中心電極、より具体的にはベース電極に溶接される。

Description

関連出願との相互参照
この出願は、２００６年２月１０日に出願された米国仮出願連続番号第６０／７７２，２７８号および２００５年１１月１８日に出願された米国仮出願連続番号第６０／７３７，９６３号に対する優先権を主張し、これらは両方とも引用によって本明細書に援用される。

発明の背景
１．技術分野
この発明は、内燃機関において用いられるスパークプラグおよび他のイグニッション装置に向けられており、より特定的には、高性能の金属点火先端部を有するイグニッション装置に向けられている。

２．関連技術
スパークプラグは、業界で周知であり、内燃機関において燃焼を開始させるために長い間用いられてきた。一般に、スパークプラグは、内燃機関の燃焼室の中に延び、スパークが燃焼室内の空気および燃料の可燃性混合物に点火できるようにする装置である。具体的には、スパークプラグは典型的に、エンジンの一部に捩じ込む雄ねじを有し、さらに、スパークプラグの点火端部において雄ねじに取付けられたフックの形状の接地電極を有する円筒形の金属シェルを含む。円筒形の絶縁体は、一部分が金属シェル内に配置され、点火端部に向かって、および終端にも向かって金属シェルを越えて軸方向に延びている。点火端部の反対側のスパークプラグの終端には、導電性端子が円筒形の絶縁体内に配置される。点火端部には、中心電極が絶縁体内に配置され、接地電極に向かって絶縁体から軸方向に突出しており、それによって、中心電極と接地電極との間にスパークプラグギャップが規定される。

内燃機関の性質そのもののために、スパークプラグは、高温および種々の腐食性燃焼ガスを含む、エンジンシリンダ内で発生する多くの極端な状態に晒され、これは伝統的にスパークプラグの寿命を縮めてきた。スパーク浸食もスパークプラグの寿命を縮める。スパーク浸食とは、電極、特に点火先端部または点火先端部のすぐそばのまたは点火先端部に隣接する材料が、アーク温度に起因する局所的な蒸発のために、動作中に浸食されてなくなる場合のことである。スパークプラグは伝統的に、スパーク浸食を受けやすい、ニッケルまたはニッケル合金から形成された電極を有する。最近では、製造業者は、スパーク浸食を最小限に抑えるために、プラチナ、イリジウムまたはそれらの合金などの貴金属から中心電極の点火端部を形成している。プラチナ、イリジウムおよびそれらの合金は典型的に、スパーク浸食に対して非常に耐性がある。しかしながら、プラチナ、イリジウムおよびそれらの合金は概して非常に高価であり、スパーク部分を提供するために使用される材料の量を最小限に抑えることが望ましい。

動作中、４０，０００ボルトまでの点火電圧パルスがスパークプラグを介して中心電極にかけられ、それによって、スパークは中心電極と接地電極との間のギャップを飛び越える。スパークは、燃焼室またはシリンダ内の空気および燃料の混合物に点火し、高温燃焼を作り出し、エンジンに動力を供給する。残念ながら、燃焼室内の高電圧および高温環境は、スパーク浸食などを通じてスパークプラグの部品を劣化させる可能性がある。スパー
クプラグが劣化するにつれて、スパークの特徴が変わる場合があり、それによって、スパークおよび結果として生じる燃焼の質が劣化する。プラチナ、イリジウムまたは他の貴金属、およびそれらの合金はスパーク浸食を受けにくいが、貴金属点火先端部のために用いられる部品の長さ、幅または大きさのいずれかが小さすぎると、スパークは貴金属先端部の周りを飛び越え、中心電極のベース材料と接地電極との間でアークをなす場合がある。ベース材料は、典型的にはニッケル合金であるので、スパーク浸食を受けやすく、これによって、貴金属先端部が脱落するまでベース材料または中心電極が浸食されてなくなる可能性がある。プラグのいずれの劣化もスパークの質に影響を及ぼす。スパーク部分上のスパーク面から生じるのではなくその代わりに中心電極上で生じ、貴金属点火先端部の周りを通過するいずれのスパークもスパークの質を劣化させることになる。スパークの質は空気および燃料の混合物の点火（すなわち、燃焼効率、燃焼温度および燃焼生成物）を引起し、したがって、エンジンの出力、燃費、性能、ならびに空気および燃料の混合物の燃焼によって生成される排出物質に悪影響を及ぼし得る。自動車では排出物質の規制にますます重点が置かれるようになっていること、燃料価格の上昇、および現在の性能要求に起因して、エンジン性能および排出物質の質の安定のために高品質のスパークを維持することが望ましい。

スパークプラグの寿命およびそれによるスパークプラグの、スパーク浸食に対する耐性も製造業者にとって重要である。製造業者はますます、１００，０００マイル、１５０，０００マイルおよび１７５，０００マイルの耐用寿命など、より長い耐用寿命をスパークプラグから要求するようになっている。多くの伝統的なニッケルスパークプラグの耐用寿命は、スパーク浸食および腐食のために、２０，０００〜４０，０００マイルに過ぎない。さらに、多くの製造業者は、燃費がより優れたエンジンを提供するためにエンジンシリンダ内の圧縮を上げている。スパークが中心電極と接地電極との間のスパークギャップを十分に飛び越えることができるようにするために、圧縮の如何なる増大にもスパークプラグの動作電圧の増大が必要である。スパークプラグの動作電圧の如何なる増大によっても、スパーク浸食の可能性が高まり、したがって、スパークプラグの寿命が縮む。スパーク浸食に対処するための１つの方法は、先端スパーク部分を形成する、イリジウム、プラチナまたはそれらの合金などの貴金属材料の量、または点火先端部の大きさを大幅に増大させるという方法である。しかしながら、イリジウム、プラチナおよびそれらの合金は極めて高価であり、製造業者は絶えずコスト削減を要求するので、スパークプラグにおいて使用されるイリジウム、プラチナまたはそれらの合金の量を最小限に抑えることが重要になる。

さらに、イリジウム、プラチナまたはそれらの合金から形成されたスパーク部分を有するスパークプラグを製造する際に、スパーク部分を中心電極のベース材料に取付けることは困難であり得る。イリジウムおよびプラチナ合金は、特性が似ていない傾向があり、時には中心電極のベース材料に確実に溶接することが困難である。加えて、イリジウムおよびその合金は非常に脆いことが多く、加工およびベース材料への取付けが困難である。

発明の概要
上記に鑑みて、この発明は、スパーク浸食および腐食に対する十分な耐性を提供しながら使用される貴金属の量を最小限に抑えるスパークプラグ用の多層点火先端部、スパーキングに対して耐性がある中間材料、および多層点火先端部を有するスパークプラグの組立て方法に向けられている。

スパークプラグは、放電端部と溶接端部とを有する点火先端部を含む。溶接端部は、中心電極、より具体的には中心電極上のベース電極に接続される。溶接端部の熱膨張係数は、放電端部の熱膨張係数の値とベース電極の熱膨張係数の値との間にはない。より具体的
には、溶接端部は、放電端部およびベース電極の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する。

スパークプラグは、放電端部と溶接端部とを有する点火先端部を含む。溶接端部は、限られた量の追加の要素を有するニッケルおよびクロミウムから形成される材料を含む。溶接端部は、イリジウムまたはプラチナを２０％未満、およびロジウムを３％未満含む。溶接端部は、実施例によっては、鉄、炭素、マンガン、シリコン、銅、アルミニウムおよびレニウムも含んでいてもよい。

放電端部のために使用される材料から形成された第１の細長い材料と、溶接端部のために使用される材料から形成された第２の細長い材料とを提供することによってスパークプラグを組立て得る。次いで２つの材料を接合して単一の接合された材料を形成し、次いで切取って点火先端部を作製する。点火先端部は、スパークプラグの中心電極、より具体的にはベース電極に溶接される。

この発明の利用可能性のさらなる範囲は、以下の詳細な説明、特許請求の範囲および図面から明らかになる。しかしながら、この発明の精神および範囲内の種々の変更および修正が当業者に明らかになるので、詳細な説明および具体的な例は、この発明の好ましい実施例を示すが、単に例示として示されていることを理解すべきである。

この発明は、ここで以下に示される詳細な説明、添付の特許請求の範囲および添付の図面からさらに十分に理解される。

好ましい実施例の詳細な説明
この発明は概して、スパークプラグイグナイタおよび他のスパーク発生装置などのイグニッション装置に関する。スパークプラグ１０を図１に正面図で示す。スパークプラグ１０は、絶縁体１４に固定された外側金属製シェル１２を含む。外側金属製シェル１２は接地電極２０に取付けられている。絶縁体１４は中央ボア（図示せず）を有し、中央ボアには中心電極アセンブリ４０が位置している。中心電極４０は、点火端部４４において、絶縁体１４を越えて、より具体的には絶縁体コア突出部１８を越えて延びている。ベース電極４２が位置する中心電極アセンブリ４０の点火端部４４には、点火先端部５０が接地電極２０に面して取付けられている。

図に示すベース電極４２は、一部分が燃焼室の中に延びており、したがって、腐食および酸化に対して実質的に耐性がある合金から形成される。ベース電極は通常ニッケルを含む合金から形成される。クロミウム、シリコン、マンガン、チタン、ジルコニウム、炭素、鉄、イットリウム、アルミニウム、マンガン、カルシウム、銅、硫黄、バナジウム、ニオブ、モリブデン、タングステン、コバルト、リンおよび鉛などの追加の要素をベース電極に加えてもよい。１つのこのようなニッケル合金は、シリコンおよびアルミニウムを２％未満、ならびにイットリウム、鉄、クロミウム、炭素、チタン、マンガン、カルシウム、銅、硫黄、リン、バナジウム、ニオブ、モリブデン、タングステン、およびコバルトを０．５％未満含む。別の許容できるニッケル合金は、クロミウムおよびマンガンを３％未満、ならびにシリコン、チタン、ジルコニウム、炭素および鉄を１％未満含む。別の許容できるニッケル合金は、クロミウムを２０％未満、鉄を１０％未満、ならびにマンガン、シリコン、マグネシウム、アルミニウム、コバルト、ニオブ、炭素、銅、モリブデン、リン、チタン、硫黄および鉛を１％未満含む。

点火先端部５０はベース電極４２に取付けられている。点火先端部５０は接地電極２０に面しており、動作中、点火先端部５０と接地電極２０との間のスパークギャップ２２に
スパークが作り出される。点火先端部５０は２つの別個の材料から形成される。より具体的には、点火先端部５０は放電端部５２と溶接端部５４とを含む。放電端部５２は、溶接部５６において溶接端部５４に溶接される。点火先端部５０はまた、図７および図８に示すように、溶接溜まり５８でベース電極４２に溶接されてもよい。

放電端部５２は、スパーク浸食に対して耐性があり、典型的には腐食に対しても耐性がある材料から形成される。スパーク浸食に対して耐性がある材料は概して、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、またはそれらの合金を含む。プラチナおよびイリジウムまたはそれらの合金は、一般的入手可能性および製造の容易さ、ならびにスパーク浸食および腐食に対する耐性のために、現在のところ望ましい特徴の最高のバランスを提供することに発明者らは気付いた。イリジウム合金で形成された放電端部５２は典型的には、プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、銅（Ｃｕ）、クロミウム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎ）、およびタングステン（Ｗ）からなる群から選択される要素などの他の要素を含む。

放電端部５２として使用するのに適した例示的なイリジウム合金は概して、ロジウムを５％未満、タングステンを３％未満、ジルコニウムを３％未満、および他の材料を１０％未満有するイリジウム、プラチナまたはそれらの組合せを少なくとも９０％含む。放電端部５２に適した別の例示的なイリジウム合金は、イリジウムを９０％よりも多く含み、ロジウムを３％未満、タングステンを１％未満、およびジルコニウムを１％未満含む。上述のイリジウム合金の熱膨張係数は概して、２０℃で約７ ｌ／℃ｘ１０^-6未満である。

放電端部５２は溶接端部５４に取付けられて、点火先端部５０を形成する。放電端部５２および溶接端部５４は概して、溶接部５６または他の手段によって取付けられる。溶接端部５４は、ニッケル合金から概して形成され、熱膨張係数は放電端部５２およびベース電極４２の熱膨張係数よりも大きい。溶接端部５４などの中間部材の熱膨張係数が放電端部５２およびベース電極４２などの周囲の端部の熱膨張係数ぐらいである必要がある先行技術とは異なって、熱膨張係数を周囲の部材よりも高くすることによって、中間部材によく適した材料および燃焼室での使用によく適したスパークプラグ材料が提供されることに発明者らは驚いたことに気付いた。熱膨張係数の所与の関係を有する材料は、許容できる寿命を有し、中間部材の所望の特徴ならびに腐食およびスパーク浸食に耐えるための望ましい特徴を有する溶接部を形成する。この発明によって、ベース部材および放電端部の熱膨張係数よりも少なくとも５％大きい熱膨張係数を有するある特定の合金が中間部材として望ましい特徴を提供することがわかった。溶接端部５４の熱膨張係数は、１３．５よりも大きく、具体的には１４よりも大きく、より具体的には１４．５よりも大きい。熱膨張係数が約１４．５〜１５であるニッケルおよびクロミウムの合金が、スパークプラグにおける中間部材、具体的にはスパークプラグ１０の点火先端部５０の一部を形成する中間部材に望ましい特徴を提供することに発明者らは気付いた。

溶接端部５４用の合金は、銅、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）およびアルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択される少なくとも１つの要素を有するニッケルならびにクロミウムを含む。上記の要素のいくつかの組合せの試験に基づいて、上記の起こり得る組合せがすべて十分な耐食性、寿命を提供し、かつ上記の起こり得る組合せによってスパークプラグの耐用期間にわたってベース電極および放電端部５２に確実に溶接できることが期待される。さらに、プラチナ、イリジウム、ルテニウム、レニウムおよびロジウムを２０重量％未満有する溶接端部５４が、使用される貴金属の量を低減しながら中間部材の望ましい特徴を提供することが驚いたことにわかった。さらに、プラチナ、イリジウム、ルテニウム、レニウムおよびロジウムを１０％未満有する合金は、許容できる特徴を有することがわかった
。プラチナ、イリジウム、ルテニウム、レニウムおよびロジウムからなる群から選択される任意の要素を５％未満、より具体的には３％未満、ならびにそれらの任意の組合せを５％未満有する合金でさえ、使用される貴金属の量を最小限に低減しながら中間部材に望ましい特徴を提供する。溶接端部５４用の合金は概して、鉄、プラチナ、イリジウム、ルテニウム、レニウム、ロジウム、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム、シリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、オスミウム、金、銅およびコバルトからなる群から選択される任意の要素を約２％未満有するニッケルおよびクロミウムを両方とも含む。さらに、クロミウムを１５％〜４５％、他の要素を２０％未満、プラチナ、イリジウム、ルテニウム、レニウムおよびロジウムなどの任意の貴金属を１０％未満有し、残部がニッケルである合金が、優れた中間部材を提供することがわかった。より具体的には、好ましい実施例における溶接端部５４は、クロミウムを１５％〜４５％の間、鉄を１％未満、炭素を０．１％未満、マンガンを１％未満、シリコンを０．５％〜２％の間、銅を０．５％未満、アルミニウムを０．２％未満、およびレニウムを０．１％未満有し、残部がニッケルである合金で形成される。溶接部材５４はさらに、熱膨張係数が２０℃で約１４．５〜１５ ｌ／℃ｘ１０^-6である優れた中間合金材料のために、クロミウムを１９％〜２１％の間、鉄を１％未満、炭素を０．０８％未満、マンガンを１％未満、シリコンを１．０％〜１．５％の間、銅を０．５％未満、アルミニウムを０．２％未満、およびレニウムを０．０４％有し、残部がニッケルである合金で形成されてもよい。

以下は、取付けられた点火先端部５０を有するスパークプラグ１０の例示的な組立て方法である。当業者であれば、接地電極２０を有する絶縁体１４および絶縁体１４内の中心電極アセンブリ４０に金属製シェル１２を組立てる一般的な方法を理解しているであろう。スパークプラグの基本部品を組立てるために任意の公知の方法を用いることができ、以下の方法は、点火先端部５０を形成し、その後点火先端部５０を中心電極４０のベース電極４４に取付けることのみを扱う。

放電端部５２を形成するための第１の細長い材料８０が提供される。溶接端部５４を形成するための第２の細長い材料８２が提供される。細長い材料８０および８２は、ワイヤまたはロッドなどの形態で提供される。第１の細長い材料８０は、提供され、上述のように放電端部５２を形成するのに好適な合金または特定の材料から形成される。第２の細長い材料８２も提供され、上述のように溶接端部５４を設けるために好適な材料または合金で形成される。第１の細長い材料８０は第１の端部８１を有し、第２の細長い材料８２は第２の端部８３を有する。

第１の端部８１および第２の端部８３同士は突合わせられ、次いでレーザなどで仮付け溶接される。次いで、突合わせられた端部８１および８３は、突合わせ部の周の周りをさらに溶接され、その結果、十分な溶接部を設けて、スパークプラグ１０の稼働年数の間中、放電端部５２が溶接端部５４に取付けられた状態を保つ。好ましい実施例では、突合わせられた端部８１および８３の全周は、レーザ溶接、抵抗溶接、ＥＢ溶接、ろう付け、摩擦溶接、攪拌溶接、または２つの材料同士を取付ける他の方法などによって溶接される。実施例によっては、仮付け溶接ステップを無くしてもよく、周方向の溶接をすぐに行なってもよい。実施例によっては、第１および第２の材料８０または８２のうちの一方を第１および第２の材料８０または８２のうちの他方に対して回転させることなどによって２つの端部同士を摩擦溶接してもよく、その結果、突合わせられた端部８１および８３が溶接接合部５６において溶接される。

図９Ｂ、図１２Ｂおよび図１３Ｂに示すように、突合わせられた端部８１および８３を溶接接合部５６において溶接した後、点火先端部５０を形成するように、溶接部５６を含む結合された材料の一部を切取る。切取りプロセスは、図９Ｃおよび図９Ｄに示すような
孔開け機９０およびダイ９２、図１２Ｃに示すような切断動作およびその後の図１２Ｄおよび図１２Ｅに示すような孔開け機、または図１３Ｃに示すような２つの部分の切断動作によってなされ得る。切断動作は鋸歯９８によって行なわれるように示しているが、結合された材料８４は、レーザ、摩耗、ダイヤモンド鋸、金属バンド鋸などの任意の手段、またはスパークプラグにおいてスパーク面として用いるのに許容できる放電端部５２とベース電極４２への溶接のために許容できる面を有する溶接端部５４とを形成するように２つの金属製部材を互いに切取る他の方法によって切取られてもよい。各図は、個々に切取られる単一の接合されたワイヤ８４などの単一の接合された細長い材料８４を示す。図示しないが、多数の細長い材料を接合して多数の接合された材料８４の束を形成することが好ましいことに発明者らは気付いた。この束は次いで、この束を切断して、接合された材料８４から第１および第２の材料８０または８２の一方を切取るダイヤモンド鋸などによって、まとめて切取られてもよい。次いで、孔開け機または鋸などによって他方の材料８０または８２から点火先端部を切取ってもよい。スパークプラグ上に点火先端部５０を組立てるおよび製造する最も効率的な方法は、接合して、次いで接合された材料８４を５０本から１００本の間の個々の接合されたワイヤ８４の束に束ねて、次いで接合された材料８４から点火先端部をダイヤモンド鋸９８で切取るという方法であることに発明者らは現在のところ気付いているが、非常に小さな点火先端部５０を取扱うために特別に設計されたさらなる製造機器の場合には孔開けがより効率的な組立方法であり得ると考えられている。たとえば、図９Ｃおよび図９Ｄならびに図１２Ｄおよび図１２Ｅに示すように孔開けを行ない、次いで孔を開けられた後に点火先端部５０を掴んで、点火先端部５０をスパークプラグ１０または中心電極アセンブリ４０上の所定の位置に自動的に溶接する単一の機械がより効率的な組立方法であり得る。

点火先端部５０が、間に溶接部５６がある状態で放電端部５２および溶接端部５４をそれぞれに形成する第１の材料８０および第２の材料８２の一部を含むように個々の点火先端部５０を切取った後、次いで溶接された部品（点火先端部５０）を掴んでベース電極４２に組立てる。図は溶接部５６が点火先端部５０のほぼ中心にあることを示しているが、材料コストを低減するために、放電端部５２を溶接端部５４よりも大幅に小さくしてもよいことを認識すべきである。これによって、やはり、腐食に対してより耐性がある溶接端部５４を設けながら、スパーク浸食に対して十分に堅固な放電端部５２を設けることができるであろう。

放電端部５２の大きさを最小限にすることによって、材料コストが低減されるだけでなく、放電端部５２に対する腐食の影響も最小限に抑えられる。たとえば、イリジウム合金放電端部５２は、内燃機関の燃焼室での特定のタイプの腐食を受けやすいかもしれない。イリジウムの融点は高いので、酸化および腐食に対する耐性も高い。しかしながら、自動車製造業者が燃費を改善するためにエンジンの圧縮および動作温度を上げるにつれて、イリジウムはスパークプラグの動作範囲の上端などの高温で非常に揮発性の酸化状態を有することがわかった。エンジンの圧縮が高まると、中心電極４０と接地電極２０との間のギャップをスパークが強制的に飛び越えるようにするためにより多くのパワーをプラグを介して供給する必要があるので、スパークプラグ１０の動作温度は上昇している。高温では、スパークプラグ１０のイリジウム放電部分５２は深刻な腐食を経る可能性がある。この腐食は、高温でカルシウムおよび／またはリンがイリジウムと反応して放電端部５２の腐食および浸食を引起すときに生じると考えられている。燃焼材料の中にカルシウムおよびリンが存在することは、比較的最近の開発の所産である。なぜなら、多くの製造業者は、摩擦を低減するために燃焼室により多くのオイルを染み込ませることができるようにすることによって燃費を上げようとしているためである。カルシウムおよびリンは主に、エンジンオイル、特にオイル添加物に存在する。カルシウムおよびリンは、エンジンシリンダ内での燃焼中に酸素が存在する状態でイリジウムと反応して、気化する揮発性化合物を形成し、その結果、放電端部５２上のイリジウムが失われると考えられている。より具体的
には、気体カルシウムは燃焼および排気サイクル中にスパークプラグのイリジウム放電部分上、より詳細には点火先端部５０の放電部分の側で凝縮すると考えられている。溶融カルシウムがイリジウムを溶解すること、およびリンが存在する状態ではイリジウムが酸化に弱いことは公知である。したがって、リンおよび酸素が溶解カルシウムイリジウム混合物と反応した後に形成される化合物は非常に揮発性であり、気化を受けやすく、その結果、放電部分上のイリジウムが失われる。典型的には、この浸食はスパーク面ではなく放電部分の側で起こり、その結果、放電端部５２において使用される材料の量を最小限に抑えることにより、腐食を受けやすい表面積が最小限でありながらスパーク浸食に対する耐性が高い放電端部５２が提供される。より具体的には、スパーク面上でのスパーキングがイリジウムを腐食のない状態に保つことがわかる。類似の問題はプラチナで起こり、プラチナは、最終的にスパークギャップを妨げる可能性があり、これによりスパークプラグの性能を低減する種々の成長部を有し得る。

その結果、接合された材料８４から点火先端部５０を切取るとき、切取り方法によって、溶接端部５４の上に溶接されるイリジウム放電部分の、使用すべき量を非常に微小にすることができるであろう。これによって、イリジウムなどの貴金属の小さな部品を直接に点火先端部に溶接するときの製造状況において典型的には容易に加工できるであろう量よりも高さおよび長さの点ではるかに少量にすることが可能である。この発明の方法はまた、放電端部の小さな部品が溶接端部、特にイリジウムなどの溶接材料に固く溶接される場合に典型的に達成され得る溶接部よりも確実な溶接部を提供する。より具体的には、非常に微小な部分が放電端部になり、点火先端部５０の大部分が溶接端部５４から形成されている状態で、点火先端部５０を切取ることができる。この発明のプロセスを用いることによって、放電端部５２を形成するために使用されるイリジウムの量は、まるで点火先端部５０が個々に別個の部品として溶接されるような場合よりもはるかに少ない。これによっても、イリジウムの腐食の影響を最小限に抑えることができる。

点火先端部５０は、接合された材料８４から切取られると、拾い上げられて、次いでスパークプラグの上に組立てられる。もちろん、スパークプラグ１０の上に組立てる前に、特定の任意の組立ステップを行なってもよい。ベース電極４２と溶接材料５４との間の接着をよりよくするために、図１０Ａに示すようにリベットヘッド６０を溶接端部５４に追加するなど、特定の加工動作を点火先端部５０に対して行なってもよい。リベットヘッド５０を点火先端部５０に追加する１つの方法は、点火先端部５０を頭部ダイ（heading die）９６と整列させて、点火先端部５０を頭部ダイ９６に押込むという方法である。点火先端部５０は孔開け機９４によって支持されており、孔開け機９４は次いで点火ピン５０を頭部ダイ９６に押込んで、リベットヘッド６０を形成する。孔開け機９４はまた、イリジウム端部に押込まれて溶接端部５４を変形させ、リベット６０に向かわせるキックアウトピン（図示せず）を用いて、中空の態様で形成されてもよい。イリジウムおよび他の貴金属合金は概して非常に脆いので、イリジウム部分を孔開け機９４で支持することによって放電端部５２が砕けるのを防止する。次いで、リベットヘッド６０をベース電極４２上の空洞の中に配置し、次いでレーザ１００などによって溶接することによって、図１０Ｂおよび図１１に示すように点火先端部５０を取付け得る。ベース電極４２、より具体的には中心電極アセンブリ４０の点火端部４４をさらに形成するために他の加工ステップも行なってもよい。

点火先端部５０がリベットヘッド６０を有する状態で形成されない場合には、図９Ｅに示すように、点火先端部５０は直接にベース電極４２に取付けられ、抵抗溶接などによってベース電極４２に溶接されてもよい。もちろん、レーザ溶接および他の溶接方法を用いてもよい。

図１１に示すように、接地電極２０に貴金属チップ７０も追加してもよい。図７にも示
すように、点火先端部５０を接地電極２０に取付けてもよい。より具体的には、図７は、リベットヘッド６０を有する第２の点火先端部５０′が、中心電極に取付けられた点火先端部５０に直接に対向していることを示す。放電端部が互いに向かい合う状態で中心電極上に１つの点火先端部を置き、接地電極上に１つの点火先端部を置くことによって、スパークプラグの性能を改善できる。

上述の説明はこの発明の例示的な実施例を開示および記載する。当業者は、このような説明から、ならびに添付の図面および特許請求の範囲から、以下の特許請求の範囲によって規定されるこの発明の真の精神および公平な範囲から逸脱することなく種々の変更、修正および変形をなし得ることを容易に認識する。

典型的なスパークプラグの正面図である。 点火先端部の正面図である。 点火先端部を含む中心電極アセンブリの正面図である。 中心電極アセンブリの点火端部の拡大部分正面図である。 リベットヘッドを有する点火先端部の正面図である。 リベットヘッド点火先端部を有する中心電極アセンブリの部分正面図である。 中心電極および接地電極の両方に取付けられた点火先端部を有するスパークプラグの部分断面図である。 代替的なスパークプラグの部分断面図である。 図９Ａ〜図９Ｅは、多層点火先端部を有するスパークプラグ中心電極の製造方法を、簡略化した形で示す。 図９Ａ〜図９Ｅにおける製造方法のための追加のステップを表わす。 図９Ａ〜図９Ｅにおける製造方法のための追加のステップを表わす。 組立プロセスの経過を表わす。 図１２Ａ〜図１２Ｆは、この発明に従う製造方法を、簡略化した形で表わす。 図１３Ａ〜図１３Ｅは、この発明の製造方法を、簡略化した形で表わす。

Claims (31)

1. ベース電極と、溶接端部および放電端部を含む点火先端部とを含む中心電極アセンブリを備えるスパークプラグであって、前記ベース電極はニッケルを含み、前記溶接端部は、ニッケルと、クロミウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、オスミウム、金、鉄、コバルトおよびアルミニウムからなる群から選択される少なくとも１つの要素とを含み、前記放電端部は、イリジウム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウムおよびレニウムからなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む、スパークプラグ。
2. 前記溶接端部は、ルテニウム、レニウムおよびロジウムからなる群から選択される任意の要素を３％未満含む、請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記溶接端部は、ニッケルと、クロミウムと、鉄、プラチナ、イリジウム、プラチナ、ルテニウム、レニウム、マンガン、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、オスミウム、銅および金からなる群から選択される、約２．０％未満の任意の要素と、２．７％未満のロジウムと、約１０％未満のコバルトと、からなる、請求項１に記載のスパークプラグ。
4. 前記溶接端部は、クロミウムを４５％未満含む、請求項３に記載のスパークプラグ。
5. 前記溶接端部は、本質的に、ニッケル、クロミウム、ロジウム、タングステン、ジルコニウム、コバルト、銅、炭素、鉄、マンガン、シリコン、アルミニウムおよびレニウムからなる、請求項４に記載のスパークプラグ。
6. 前記溶接端部は、鉄を約１．０％未満、マンガンを約０．０８％未満、シリコンを約１．５％未満、アルミニウムを約０．２％未満、およびレニウムを約０．０４％未満含む、請求項４に記載のスパークプラグ。
7. 前記溶接端部は、クロミウムを１９％〜２１％含む、請求項４に記載のスパークプラグ。
8. 前記溶接端部の熱膨張係数は、前記放電端部および前記ベース電極の熱膨張係数よりも大きい、請求項１に記載のスパークプラグ。
9. 前記溶接端部は、クロミウムを１５重量％〜４５重量％含む、請求項１に記載のスパークプラグ。
10. 前記溶接端部は、プラチナおよびイリジウムからなる群から選択される任意の要素を３０％未満含む、請求項１に記載のスパークプラグ。
11. 前記溶接端部は、プラチナおよびイリジウムからなる群から選択される任意の要素を２０％未満含む、請求項１０に記載のスパークプラグ。
12. 前記溶接端部は、プラチナおよびイリジウムからなる群から選択される任意の要素を１０％未満含む、請求項１０に記載のスパークプラグ。
13. ベース電極と、溶接端部および放電端部を含む点火先端部とを含む中心電極アセンブリを備えるスパークプラグであって、前記溶接端部は、前記ベース電極と前記放電端部との間に、前記ベース電極および前記放電端部と接触して位置しており、前記溶接端部は、ニッケル、クロミウムを含み、前記溶接端部は、ルテニウム、レニウムおよびロジウムから
    なる群から選択される任意の要素を３％未満含む、スパークプラグ。
14. 前記溶接端部は、プラチナおよびイリジウムからなる群から選択される任意の要素またはそれらの組合せを９０％未満含む、請求項１３に記載のスパークプラグ。
15. 前記溶接端部は、プラチナおよびイリジウムからなる群から選択される任意の要素を１０％未満含む、請求項１４に記載のスパークプラグ。
16. 前記溶接端部は、プラチナおよびイリジウムからなる群から選択される任意の要素を５％未満含む、請求項１５に記載のスパークプラグ。
17. 前記溶接端部は、ロジウムを２．５％未満、およびレニウム、ルテニウム、パラジウム、タングステン、ジルコニウム、バナジウム、オスミウムからなる群から選択される任意の要素を２％未満含む、請求項１３に記載のスパークプラグ。
18. 前記溶接端部は、銅、鉄、コバルトおよびアルミニウムからなる群から選択される任意の要素を２％未満含む、請求項１３に記載のスパークプラグ。
19. 前記溶接端部は、銅、鉄およびアルミニウムからなる群から選択される任意の要素を１．５％未満含む、請求項１８に記載のスパークプラグ。
20. 前記溶接端部は、鉄を１．０％未満、マンガンを０．０８％未満、シリコンを１．５％未満、アルミニウムを０．２％未満、レニウムを０．０４％未満含む、請求項１３に記載のスパークプラグ。
21. 前記溶接端部は、クロミウムを５％〜４５％、およびニッケルを少なくとも２０％含む、請求項１３に記載のスパークプラグ。
22. 前記溶接端部は、クロミウムを１５％〜４０％含む、請求項１３に記載のスパークプラグ。
23. 前記溶接端部は、クロミウムを１５％〜３０％、ニッケルを５０％よりも多く含み、イリジウムおよびプラチナを１０％未満、シリコンおよび鉄からなる群から選択される任意の要素を２％未満、ならびにマンガン、アルミニウム、レニウム、ロジウムおよびルテニウムからなる群から選択される任意の要素を１％未満含む、請求項２２に記載のスパークプラグ。
24. 前記放電端部は、イリジウム、プラチナ、またはイリジウムおよびプラチナの組合せを少なくとも９０％含む、請求項１３に記載のスパークプラグ。
25. 前記放電端部は、ロジウム、タングステンおよびジルコニウムをさらに含む、請求項２４に記載のスパークプラグ。
26. 前記溶接端部には実質的にイリジウムおよびプラチナがない、請求項１３に記載のスパークプラグ。
27. 前記溶接端部は、プラチナおよびイリジウムを１０重量％未満、クロミウムを１５重量％〜２５重量％含む、請求項１３に記載のスパークプラグ。
28. 中心電極アセンブリを有するスパークプラグであって、前記スパークプラグは、
    放電端部が溶接端部に固定された点火先端部を備え、前記溶接端部は、中心電極アセンブリに取付けられ、前記放電端部と中心電極アセンブリとの間に位置しており、前記放電端部は、イリジウム、プラチナ、ロジウム、ルテニウム、レニウム、タングステンおよびジルコニウムからなる群から選択される少なくとも１つの要素を含み、前記溶接端部は、ニッケルと、イリジウム、プラチナ、ロジウム、ルテニウム、レニウム、タングステンおよびジルコニウムからなる群から選択される、１０％未満の任意の要素とを含む、スパークプラグ。
29. 前記溶接端部は、クロミウムを１５％〜４５％含む、請求項２８に記載のスパークプラグ。
30. 前記溶接端部は、鉄、ルテニウム、レニウム、マンガン、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、ジルコニウム、タングステン、バナジウム、オスミウム、金、銅およびコバルトからなる群から選択される任意の要素を２％未満含む、請求項２８に記載のスパークプラグ。
31. 前記溶接端部は、銅を０．５％未満含む、請求項２８に記載のスパークプラグ。

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