JP4223298B2 - スパークプラグ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の着火に使用するスパークプラグ、特に、電極チップの消耗を抑制でき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及び外側電極の火花放電による消耗を抑制するため、これらの一方あるいは両方にＰｔなどの貴金属チップを設けたスパークプラグが開発されている。
例えば、特許文献１においては、中心電極用及び外側電極用チップにＩｒ又はＩｒを主成分とする合金を用いたスパークプラグが示されている。Ｉｒは融点が極めて高い（２４００℃）ため、耐火花消耗性に優れる利点がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２７３９６５号公報（第２頁、図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｉｒ自身は耐熱性が高いが、約９５０℃以上の温度に曝されると酸化して揮発するため、急速に消耗する問題があった。
これに対し、上記特許文献１では、Ｉｒ又はＩｒ合金チップにＲｈなどを添加して耐酸化性を向上させることが行われている。
【０００５】
しかしながら、さらに消耗の少ないスパークプラグが求められている。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、消耗が少なく、耐久性の高いスパークプラグを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
その解決手段は、中心電極本体と外側電極本体とを有するスパークプラグであって、上記中心電極本体と外側電極本体のうち、相対的に負極性とされる負電極本体には、Ｉｒ及びＩｒを主成分とするＩｒ合金のいずれかからなる負電極チップを備え、相対的に正極性とされる正電極本体は、正電極チップを備えることなく、Ｒｈ及びＲｈを含むＲｈ合金のいずれかからなり、上記負電極チップとの間で火花放電ギャップを構成し、または、相対的に正極性とされる正電極本体には、Ｒｈ及びＲｈを含むＲｈ合金のいずれかからなり、上記負電極チップとの間で火花放電ギャップを構成する正電極チップを備え、前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量が４０重量％以上であるスパークプラグである。
【０００７】
本発明では、中心電極本体と外側電極本体のうち、相対的に負極性とされる電極本体には、ＩｒまたはＩｒを主成分とするＩｒ合金からなる負電極チップを備える。一方、正極性とされる正電極本体は、正電極チップを備えずにそれ自身がＲｈまたはＲｈを含むＲｈ合金からなる。あるいは、正電極とされる電極本体にＲｈまたはＲｈ合金からなる正電極チップを備える。なお、正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量は、４０重量％以上である。
このように本発明のスパークプラグでは、正極性とされる正電極本体または正電極チップにＲｈまたはＲｈ合金を用いたので、火花放電が生じると、正電極本体または正電極チップへの電子等の衝突によって飛び出したＲｈイオンが電界で加速され、負電位の負電極チップ（ＩｒまたはＩｒ合金のチップ）の表面（頭部表面及び側部）に衝突し堆積する。これにより、負電極チップの頭部表面（火花放電面）は、Ｒｈが供給されてＩｒとＲｈの合金となり、Ｉｒの酸化揮発が抑制される。かくして、負電極チップの頭部表面について、火花消耗のみならず揮発消耗をも抑制し、火花放電ギャップの増加を抑制することができる。かくして、耐久性の高いスパークプラグとすることができる。
【０００８】
なお、Ｉｒ合金としては、Ｉｒを主成分、即ち５０重量％以上含有し、耐熱性や火花放電に対する耐久性を備えているものであればいずれの組成でも良いが、例えばさらに、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｅなどの貴金属、あるいはＮｉを含むものが挙げられる。さらには、Ｓｒ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆから選ばれた元素の酸化物を含むものも挙げられる。
また、Ｒｈ合金としては、４０重量％以上のＲｈを含み、耐熱性や火花放電に対する耐久性を備えているものであればいずれの組成でも良いが、例えばさらに、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｅ，Ｉｒなどの貴金属、あるいはＮｉを含むものが挙げられる。
【０００９】
さらに、上記スパークプラグであって、前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量が５０重量％以上であるスパークプラグとするのが好ましい。
【００１０】
本発明のスパークプラグでは、正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量を５０重量％以上、つまりＲｈを主成分としている。このようにＲｈを多量に含む正電極本体または正電極チップを用いることで、負電極チップにより多くのＲｈが堆積するため、Ｉｒの酸化揮発を効果的に抑制することができる。かくして、耐久性の高いスパークプラグとすることができる。
【００１１】
さらに、上記スパークプラグであって、前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量が８０重両％以上であるスパークプラグとするのと良い。
【００１２】
本発明のスパークプラグでは、正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量を８０重量％以上としている。このようにＲｈをさらに多量に含む正電極本体または正電極チップを用いることで、負電極チップにより多くのＲｈが堆積するため、Ｉｒの酸化揮発を効果的に抑制することができる。かくして、耐久性の高いスパークプラグとすることができる。
【００１３】
さらに、上記いずれかに記載のスパークプラグであって、前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップは、Ｉｒの含有量が０．０１重量％以下であるスパークプラグとすると良い。
【００１４】
正電極チップ、あるいは負電極チップとして、耐酸化性を向上させるためＲｈを添加したＩｒ合金チップを用いることが考えられる。このようにすると、正電極チップや負電極チップの耐酸化性を向上させることができる。
しかしながら、Ｉｒ合金チップの頭部表面からの消耗（火花消耗及び揮発消耗）は抑制されるものの、エンジンの運転条件によっては、無鉛ガソリンを使用する場合において、Ｉｒ合金チップの側部が一方向からえぐり取られたように選択的に消耗してしまう異常腐食現象が発見された（図６参照）。
このような現象が生じる原因が明確ではないが、火花消耗や揮発消耗では説明することができない。おそらく、Ｉｒ合金チップの温度の影響ばかりでなく、エンジン室内に噴射供給される燃料のスワールがスパークプラグに当たるときの向き、その他の原因が複合的に作用して、側部の一方が選択的に腐食されて異常消耗を来したものと考えられる。
ところで、この異常腐食は、Ｒｈを添加したＩｒ合金を用いた正電極本体や正電極チップ、負電極チップに顕著に生じることが判ってきた。
【００１５】
これに対し、本発明のスパークプラグでは、正電極本体または正電極チップのＩｒの含有量が０．０１重量％以下である。即ち、正電極本体または正電極チップにはＩｒを実質的に含まない組成のＲｈまたはＲｈ合金を用いている。
このためこのスパークプラグでは、少なくとも正電極本体あるいは正電極チップについて異常腐食を生じることがなくなる。従って、異常腐食が生じやすい条件下でも、正電極本体や正電極チップについて異常腐食が生じず、耐久性の高いスパークプラグとすることができる。
なお、実質的にＩｒを含まないとは、正電極本体や正電極チップに、Ｉｒを全く含まない場合のほか、僅かにＩｒを含んでいるが正電極チップ等に異常腐食を引き起こさない程度である場合を含む。具体的には、例えばＩｒの含有量が０．０１重量％以下の微量である場合を指す。
【００１６】
さらに、上記いずれか１項に記載のスパークプラグであって、前記正電極チップが固着されてなる中心電極本体または外側電極本体が、ＮｉまたはＮｉ合金からなるスパークプラグとすると良い。
【００１７】
上述の異常腐食の発生原因は明確ではない。しかし、発明者らは、分析をすると、異常腐食を生じた負電極の頭部表面からはＮｉが検出される一方、異常腐食部からはほとんど検出されないことを発見した。なお、Ｎｉは、正電極チップが固着され正電位とされた外側電極本体と負電位とされた中心電極チップとの間で火花放電が起こった際に、Ｎｉ合金からなる外側電極本体から飛び出したＮｉイオンが負電極のＩｒ合金チップの頭部表面に付着したもの考えられた。というのも、スパークプラグにおいて火花放電は、正電極チップと負電極チップとの間でのみ生じるとは限らない。一般に、火花放電の一部は、正電極チップが固着している中心電極本体あるいは外側電極本体と負電極チップとの間で生じる。従って、このような火花放電によって、中心電極本体あるいは外側電極本体を構成するＮｉまたはＮｉ合金に電子が衝突するので、Ｎｉイオンが飛び出し、電界に加速されて負電極チップに衝突・堆積したと考えられた。そしてこのことから、ＩｒとＲｈが存在し異常腐食の生じる条件において、Ｎｉは異常腐食の発生や進行を妨げる作用を有しているものと考えられた。
【００１８】
そこで、本発明のスパークプラグでは、正電極チップが固着されてなる中心電極本体または外側電極本体をＮｉまたはＮｉ合金とした。これにより、上述のような火花放電によって、負電極チップの表面にＮｉが供給される。このため、たとえ異常腐食の生じる条件でエンジンが駆動されても、このＮｉの堆積により、負電極チップの異常腐食が抑制される。
なお、上述の分析結果からも判るように、負電極チップの頭部表面（火花放電面）には多くのＮｉが堆積する。しかし、スワール等の影響で、負電極チップの側部あるいはえぐれ状に欠損した部分にも、Ｎｉは若干は供給される。このため、外側電極本体等からＮｉが供給されない場合に比較すると、負電極の側部に生じる異常腐食についても、その発生及び進行程度を抑制することができるものと考えられる。
【００１９】
さらに、上記いずれか１項に記載のスパークプラグであって、前記負電極チップは、ＲｈおよびＮｉを含有するスパークプラグとすると良い。
【００２０】
本発明のスパークプラグでは、負電極チップにＲｈおよびＮｉを含むＩｒ合金を用いている。このため、負電極チップにおいて、正電極チップから供給されるＲｈのみならず負電極チップに含有しているＲｈによっても、Ｉｒの揮発消耗を抑制することができる。
さらに、負電極チップにＩｒとＲｈが存在してるが、正電極チップから供給されるＮｉのみならず負電極チップにもＮｉを含有しているので、たとえ異常腐食の生じる条件でエンジンが駆動されても、負電極チップの異常腐食を抑制することができる。
なお、本発明の場合にも、スワール等の影響で、負電極チップの側部あるいはえぐれ状に欠損した部分にも、Ｎｉが若干は供給されるため、Ｎｉが外部から供給されない場合に比較すると、その分負電極の側部に生じる異常腐食についても、その発生及び進行程度を抑制することができるものと考えられる。
【００２１】
さらに、上記いずれか１項に記載のスパークプラグであって、前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップは、Ｎｉを含有するスパークプラグとすると良い。
【００２２】
本発明のスパークプラグでは、Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップにＮｉを含有している。従って、負電極チップにＩｒとＲｈとが同時に存在していても、Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体あるいは正電極チップからＮｉが供給されるので、正電極チップにＮｉが含まれていない場合に比して、異常腐食を抑制することができる。
また、正電極チップにＩｒをも含有している場合、正電極チップにはＲｈとＩｒが同時に存在することになるが、さらにＮｉを含有しているので、この正電極チップについても、Ｎｉを含有していない場合に比して異常腐食を抑制することができる。
【００２３】
あるいは、前記したスパークプラグであって、前記負電極チップは、Ｒｈの含有量が０．０１重量％以下であるスパークプラグとすると良い。
【００２４】
本発明のスパークプラグでは、負電極チップのＲｈの含有量が０．０１重量％以下である。即ち、負電極チップにＲｈを実質的に含まない。従って、この負電極チップの側部にはＩｒとＲｈとが同時に存在しないため、異常腐食が生じ難い。一方、正電極チップには、Ｒｈが含まれているので、負電極チップの頭部表面（火花放電面）にはＲｈが供給される。このため、負電極チップの頭部表面における揮発消耗を抑制することができる。
一方、スワール等の影響で、負電極チップの側部にもＲｈが供給されるが、異常腐食は生じない。頭部表面に比して側部に供給されるＲｈの量は微量であるため、異常腐食を生じる条件しを満たさないためであると考えられる。
なお、実質的にＲｈを含まないとは、負電極チップに、Ｒｈを全く含まない場合のほか、僅かにＲｈを含んでいるが負電極チップに異常腐食を引き起こさない程度である場合を含む。具体的には、例えばＲｈの含有量が０．０１重量％以下の微量である場合を指す。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次いで、本発明の実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。本実施形態のスパークプラグ１００は、アルミナセラミックからなる絶縁体１と、その脚部１１の先端がネジ部２１の先端から突出するようにして、その周囲を取り囲む筒状の主体金具２とを有する。
【００２６】
さらに、絶縁体１は筒状にされており、その中心軸に沿って、中心電極３がはめ込まれている。この中心電極３は中心電極本体３１を有する。この中心電極本体３１は、絶縁体１の脚部１１の先端面１１Ｐから突出する先端部３１Ｐを有する。この中心電極本体３１は、インコネル等のＮｉ系耐熱合金からなる。またこの先端部３１Ｐには、後述するように主として各種の貴金属からなる中心電極チップ３２が固着されている。具体的には、レーザ溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接等によって接合部３３を介して中心電極チップ３２が先端部３１Ｐに固着されている。また、この中心電極本体３１のうち基端側（図２中、下方）には、その中心にＣｕ等の良熱伝導体３４が挿入されており、効率よく熱を基端側に排出することによって、中心電極チップ３２及び先端部３１Ｐの温度を低下させるようにしてある。
【００２７】
また、主体金具２においては、ネジ部２１の先端面２１Ｐに外側電極４が固着されており、スパークプラグ１００の中心軸側に向けて略Ｌ字状に屈曲させられている。この外側電極４は外側電極本体４１を有し、この外側電極本体４１はインコネル等のＮｉ系耐熱合金からなる。さらに、この外側電極本体４１のうち、中心電極チップ３２と対向する位置にも、後述するように主として各種の貴金属からなる外側電極チップ４２が固着されている。具体的には、抵抗溶接、レーザ溶接等によって接合部４３を介して外側電極チップ４２が外側電極本体４１に固着されている。そしれこれにより、中心電極チップ３２と外側電極チップ４２との間に火花放電ギャップＧが形成されている。
【００２８】
なお、スパークプラグ１００は、公知の手法で形成すれば良い。このうち、負電極チップ及び正電極チップを合金で構成する場合、例えば、以下のようにして形成すると良い。即ち、原料となる貴金属等の粉末を所期の重量比率で配合し、これを溶解して合金インゴッドとする。具体的な溶解方法としては、アーク溶解やプラズマビーム溶解、高周波誘導溶解等を採用することができる。また、合金組成内の偏析を低減させるため、合金溶液を水冷鋳型等に鋳込んで急冷インゴッドを形成すると良い。また、貴金属等の粉末を圧粉し焼結しても良い。その後、熱間鍛造、熱間圧延、熱間伸線などにより合金インゴッドを線状に加工し、切断して形成する。
【００２９】
ところで、前述したように、火花放電による中心電極チップ３２及び外側電極チップ４２（以下、これらをまとめて、単にチップともいう）の消耗を防ぐため、これらのチップの耐熱性を向上させるべく、これらのチップにＩｒあるいはＩｒ合金を用いることが提案されている。Ｉｒは高い融点を有するこので、火花放電によるチップの消耗（火花消耗）を抑制できる利点がある。しかしながら、Ｉｒは約９５０℃以上の高温に曝されると、酸化し揮発する性質を有している。ところで、エンジン室内が高温になる条件（例えば、高回転、高出力の状態を長時間続けた場合など）では、中心電極チップ３２や外側電極チップ４２の温度が１０００℃近くにまで達する場合がある。従って、このような条件下では、ＩｒまたはＩｒ合金を用いたチップが揮発消耗する恐れがある。
【００３０】
これに対し、Ｒｈを添加したＩｒ合金を用いると、耐熱性を有しながら、しかもチップにおけるＩｒの揮発消耗を抑制できることが判ってきた。
【００３１】
ところで、スパークプラグ１００において、火花放電が生じると、正極性とされる側のチップ（多くは頭部表面）には、電子が衝突するため、その衝撃でチップを構成する原子が正イオンとなって飛び出す。この正イオンは、火花放電における電界に加速され、負極性とされる側のチップ（多くはその頭部表面）に衝突し堆積する。つまり、正極性とされる側のチップから、負極性とされる側のチップの表面に向かって原子が移動する。
【００３２】
従って、正極性とされる側のチップにＲｈまたはＲｈを含むＲｈ合金からなるチップを用いれば、少なくとも負極性とされる側をＩｒまたはＩｒ合金からなるチップとしても、Ｉｒの酸化揮発を抑制することができる。
これを確認するため、図３においてＮｏ．１〜５（実施例１〜３及び比較例１，２）で示すように、中心電極チップ３２の材質をＩｒ−５Ｐｔとすると共に、外側電極チップ４２の材質を選択し、中心電極チップ３２を負極性、外側電極チップ４２を正極性として耐久試験を行い、当初の火花放電ギャップの大きさ対する、耐久試験後のギャップの増加量を計測した。
なお、ギャップは、両者間の最短距離を測定した。
また、「Ｉｒ−５Ｐｔ」は、Ｐｔを５重量％、残部をＩｒとしたＩｒ合金を示す。以下の表示についても、同様の意味である。
さらに、耐久試験条件は、スパークプラグ１００をエンジンに取り付け、実走模擬モードで２００時間運転を維持したするものである。
中心電極チップ３２は直径０．６ｍｍ、厚さ０．８ｍｍとし、外側電極チップ４２は直径１．０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍとした。
【００３３】
比較例１，２では、いずれもギャップ増加量が０．２４ｍｍであった。これに対し、正極性とされる外側電極チップ（正電極チップ）に、Ｒｈ合金を用いた実施例１，２，３では、０．０９ｍｍ，０．１４ｍｍ．０．２２ｍｍとなり、いずれもギャップ増加量が減少した（図３、図４参照）。このことから、負極性とされる側のチップ（負電極チップ）にＩｒまたはＩｒ合金チップを用いた場合に、正電極チップにＲｈまたはＲｈ合金を用いることで、ＩｒまたはＩｒ合金チップ（負電極チップ）の消耗を抑制できることが判る。つまりこれらから、負電極チップの材料組成を変更することなく、正電極チップにＲｈを添加した材質を用いることにより、負電極チップの揮発消耗を抑制できることが判る。
【００３４】
また、実施例１，２，３を比較すると、外側電極チップ４２におけるＲｈ含有量が多いほど、ギャップ増加量を抑制できることが判る。これは、Ｒｈ含有量が多いほど、火花放電によって中心電極チップ３２（負電極チップ）の頭部表面に多くのＲｈが堆積するため、Ｉｒの揮発消耗を抑制できたためと考えられる。特に、実施例２，３を比較すると、正電極チップ（外側電極チップ）のＲｈ含有量を４０重量％（実施例３）から５０重量％（実施例２）に変えるだけで、ギャップ増加量が０．２２ｍｍ（実施例３）から０．１４ｍｍ（実施例２）に大幅減少（３６％減少）している。このことから、Ｒｈを５０重量％以上含有する正電極チップを用いるのがさらに好ましいことが判る。
【００３５】
さらに実施例１，２を比較すると、正電極チップ（外側電極チップ）４２のＲｈ含有量を５０重量％（実施例２）から８０重量％（実施例１）に変えることによって、ギャップ増加量が０．１４ｍｍ（実施例２）から０．０９ｍｍ（実施例１）に減少していることが判る。さらに、図４を参照すると、正電極チップ（外側電極チップ）４２におけるＲｈ含有量を８０重量％とした実施例１，４，５のいずれについても、ギャップ増加量が他よりも良好となっていることが判る。これらより、正電極チップ４２のＲｈ含有量を８０重量％以上とするのがさらに好ましいことが判る。
【００３６】
さらに、負電極チップに正電極チップからＲｈを供給するだけでなく、負電極チップに予めＲｈを含有させておけば、より確実に負電極チップ（Ｉｒ合金チップ）の揮発消耗を抑制できると考えられる。
そこで、これを確認するため、図３においてＮｏ．６〜８（実施例４，５及び比較例３）で示すように、中心電極チップ３２にＲｈを添加した材質（Ｉｒ−１Ｒｈ、またはＩｒ−１Ｒｈ−０．５Ｎｉ）とすると共に、外側電極チップ４２の材質を選択し、中心電極チップ３２を負極性、外側電極チップ４２を正極性として耐久試験を行い、ギャップ増加量を計測した。
【００３７】
比較例３（Ｉｒ−１Ｒｈ／Ｐｔ−２０Ｎｉ）では、ギャップ増加量は０．１３ｍｍであった。これは、上述した比較例１，２さらには実施例１〜３と比較しても良好な値である。このことから、負電極チップにＲｈを添加したＩｒ合金を用いることが有効であることが判る。
【００３８】
これに対し、実施例４，５では、ギャップ増加量がさらに良好な０．１２ｍｍ（実施例４）、及び０．０８ｍｍ（実施例５）であった。このことから、予め負電極チップ（中心電極チップ３２）にＲｈを含有するＩｒ合金を用いている場合でも、正電極チップ（外側電極チップ４２）からＲｈを供給することで、さらに負電極チップの揮発消耗を抑制できることが判る（図３、図４参照）。
【００３９】
ところで、前述したように、チップとしてＲｈを添加したＩｒ合金を用いると、エンジンの型式、駆動条件などによっては、Ｉｒ合金チップの側部が一方向からえぐり取られたように選択的に消耗してしまう異常腐食が生じる場合がある（図６参照）。そこで、このような現象が生じる可能性のあるエンジンに用いるスパークプラグについて、チップの材質をどのようにすべきかを検討するため、以下の試験を行った。
チップの材質を各種変更したスパークプラグ１００を用意し、異常腐食が発生することが判っている条件に、これらを適用する。異常腐食発生の条件は、具体的にはエンジンのスロットルを全開として５０時間維持するものである。
【００４０】
なお、中心電極チップ３２を直径０．６ｍｍ、厚さ０．９ｍｍの寸法に、外側電極チップ４２を直径１．０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの寸法とした。
また、えぐれ量Ｓは、図６に示すように、試験前の中心電極チップの外形（仮想線）に対して、最も深くえぐれた位置における深さを測定した。また、えぐれ量Ｓついて、「０（なし）」で示した例は、えぐれ状の異常腐食は生じなかったことを示す。
また、実施例７，９については、外側電極チップを固着することなく、外側電極本体自身（正電極本体）４１にＲｈの金属棒材（Ｒｈムク材）を使用した。
また、実施例１０については、Ｒｈムク材の外側電極本体４１を使用すると共に、これにＲｈ−２０Ｎｉからなる外側電極チップ４２を固着したものを使用した。
【００４１】
図５のうち、左側５ヶ（実施例６，比較例３，実施例５，７，４）は、その値の大小はあるが、いずれのえぐれ状の異常腐食が生じている。これらは、いずれも中心電極チップ３２にＲｈを含有するＩｒ合金を用いている。これに対し、右側５ヶ（実施例８，１，２，９，１０）は、いずれも異常腐食を生じていない。これらは、中心電極チップ３２にＲｈを含まないＩｒ合金（Ｉｒ−５Ｐｔ）を用いている。これらを比較すると容易に理解できるように、Ｒｈを含有するＩｒ合金をチップとして用いると、えぐれ状の異常腐食が生じることが判る。これに対し、Ｒｈを含まないＩｒ合金をチップとして用いると、異常腐食は生じないことが判る。また、図５に示す実施例及び比較例のいずれにおいても、外側電極チップ４２について異常腐食は認められなかった。このことからも、上記内容が裏付けられる。 従って、異常腐食を防止するには、チップの材質として、ＩｒとＲｈの両者が同時に含有されないものであること、つまり、ＩｒとＲｈの少なくともいずれかを含有しないものを用いるのが良いことが判る。
【００４２】
なお、上記では中心電極チップ３２を負極性とし、外側電極チップ４２（外側電極本体４１）を正極性とした場合について実験を行い、中心電極チップ３２について生じたえぐれ状の異常腐食に関して計測を行った。これに対し、外側電極チップ４２を負極性とし、中心電極チップ３２を正極性とする場合については示さなかったが、異常腐食の発生はチップの極性には関係ないことが判っている。また、外側電極チップ４２についても条件が合致すれば同様に生じることが判っている。
但し、外側電極チップ４２については、その厚さが薄い（上述の例では厚さ０．２ｍｍ）場合が有る。その場合には、スワールの影響を受けにくいため異常消耗を生じ難く、異常腐食が生じてもその厚さ全体に消耗する形態になりやすい。外側電極チップ４２の厚さが厚くなるにつれて、異常消耗が生じた場合には中心電極チップ３２の場合と同様にえぐれ状に消耗する（図６参照）。
従って、以下では、中心電極チップ３２と外側電極チップ４２とで区別せず、正電極チップと負電極チップについて考察することとする。
【００４３】
以上の実験結果等から、以下のことが判る。（１）Ｉｒを用いることでチップの耐熱性を向上させることができる。（２）ＩｒまたはＩｒ合金チップを負電極チップに用いた場合には、正電極チップからＲｈを供給することで、Ｉｒの揮発消耗を抑制できる。（３）チップの材質として、ＩｒとＲｈの少なくともいずれかを含有しないものを用いると異常腐食を防止することができる。
これらから、負電極チップについては、耐熱性を向上させるためＩｒを含有させる一方、異常腐食を防止するためＲｈを含有させないのが好ましいことが判る。つまり、負電極チップは、Ｒｈを含まない、ＩｒまたはＩｒ合金チップとするのが好ましいことが判る。
また、負電極チップにＩｒ及びＩｒ合金を用いることを前提とすると、正電極チップについては、負電極チップへのＲｈの供給のためＲｈを含有させる一方、異常腐食を防止するためＩｒを含有させないのが好ましいことが判る。つまり、正電極チップは、Ｉｒを含まない、ＲｈまたはＲｈ合金チップとするのが好ましいことが判る。
なお、正電極チップを正電極本体に固着しない場合には、実施例７，９のように、Ｒｈの供給源として正電極本体を用いることもできる。この場合には、正電極本体をＩｒを含まないＲｈまたはＲｈ合金から構成すると良いことになる。
【００４４】
次いで、さらに図５に示す実施例及び比較例のうち、図５の左半分に示す実施例６，比較例３，実施例５，７，４の試験結果について検討する。
まず、正電極チップ（外側電極チップ４２）にＲｈムク材を用いた実施例７では、えぐれ量Ｓが最も大きい（Ｓ＝０．４３ｍｍ）ことが判る。これに対し、実施例６では、これよりもえぐれ量Ｓが若干小さい（Ｓ＝０．４０ｍｍ）。
これは、外側電極本体４１に用いたＮｉ系耐熱合金から、Ｎｉが負電極チップ（中心電極チップ３２）の表面に供給されたため、このＮｉによって異常腐食が抑制されたものと考えられる。一般に、スパークプラグ１００における火花放電は、中心電極チップ３２と外側電極チップ４２との間で生じる。しかし、これらの間のみで生じるとは限らず、むしろ、スワールの影響等で、中心電極チップ３２と外側電極本体４１との間で火花放電が起こることもある。すると、Ｒｈの場合と同じく、外側電極本体４１に電子が衝突することによって、Ｎｉイオンが外側電極本体４１から飛び出し、電界に加速されて、負電極チップ（中心電極チップ３２）の表面に堆積すると考えられる。
なお、Ｎｉも多くは負電極チップ（中心電極チップ３２）の頭部表面３２Ｐに堆積するが、スワール等の影響により、その一部は中心電極チップ３２の側部あるいはえぐれた部分にの僅かに回り込んで付着すると考えられる。
【００４５】
このため、中心電極チップ３２のうち、頭部表面３２ＰはＮｉにより異常腐食を免れる一方、側部からは腐食が進行するため、えぐれ状の異常腐食となると考えられる（図６参照）。但し、実施例６では、若干でも側部にＮｉが回り込んで付着するため、実施例７に比較して、えぐれ量Ｓが小さくなったものと考えられる。
【００４６】
なお付言するに、実施例７では、外側電極本体４１にＲｈムク材を使用しているため、この実施例７では、Ｎｉが中心電極チップ３２に供給されることはない。しかし、本例においても、えぐれ状の異常腐食を生じた。これは、ＩｒとＲｈの存在下における腐食の程度が、Ｒｈの含有率の違いよって異なるため、さらに具体的には、Ｒｈの含有率が１重量％程度のときに異常腐食が最も進行しやすく、Ｒｈの含有量がこれより多くても少なくとも異常腐食は遅くなるためであると考えられる。即ち、中心電極チップ３２の頭部表面３２Ｐには、多くのＲｈが供給されるため、Ｒｈの含有率が高くなり腐食が抑制されたと考えられる。一方、中心電極チップ３２の側部及びえぐれ部分にはＲｈはあまり堆積しないので、Ｒｈの含有率は低いまま（１重量％よりも若干高い程度）となるため、腐食が抑制されにくい。このような違いにより、中心電極チップ３２にえぐれ状の異常腐食が生じたものと考えられる。
【００４７】
かくして、実施例６，７の比較により、負電極チップにおける異常腐食を抑制するため、外側電極本体４１には、Ｎｉを含有する金属、つまりＮｉまたはＮｉ合金を用いると良いことが判る。
【００４８】
さらに敷衍すると、正極性とされる側から負電極チップ（中心電極チップ３２）にＮｉを供給するようにするのが好ましく、これを実現する他の手段としては、正電極チップ（外側電極チップ４２）にＮｉを含有させることが挙げられる。図５においてこの例に該当するものはとしては、比較例３，実施例５，４が挙げられる。比較例３，実施例５と実施例６，７とを比較すれば判るように、比較例３，実施例５の方がえぐれ量Ｓが小さい。外側電極チップ４２にＮｉを含有させたため、中心電極チップ３２の表面により多くのＮｉが確実に堆積するため、中心電極チップ３２の側部等に回り込むＮｉの量も増え、側部からの腐食を抑制したものと考えられる。
【００４９】
次いで、比較例３と実施例５とを比較すると、実施例５の方がえぐれ量Ｓが小さいことが判る。実施例５では、正電極チップ（外側電極チップ４２）の材質をＲｈ−２０Ｎｉとしているので、Ｎｉと共にＲｈも供給される。このＲｈの供給により、負電極チップ（中心電極チップ３２）の表面において、Ｒｈの組成比が高くなり腐食が抑制されたため、相対的にえぐれ量Ｓが小さくなったと考えられる。また、ギャップ増加量（図３、図４参照）を比較しても、実施例５の方が小さく、正電極チップ（外側電極チップ４２）の材質として、Ｒｈ及びＮｉを含有させるのが有効であることが判る。
【００５０】
その他、Ｎｉを予め負電極チップ（中心電極チップ３２）に含有させておくことが挙げられる。図５においてこの例に該当するものはとしては、実施例４が挙げられる。この実施例４と実施例６，比較例３，実施例５，７とを比較すれば判るように、負電極チップ（中心電極チップ３２）に予めＮｉを含有させておくことにより、大幅にえぐれ量Ｓを減少させることができる。正電極チップからのＮｉの供給に頼らずに、含有されているＮｉによって、腐食を抑制できるからであると考えられる。
【００５１】
以上において、本発明を実施形態（実施例）に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上述の実施形態（実施例７を除く）では、外側電極本体４１にＮｉ系耐熱合金を用いた例を示したが、Ｆｅ系耐熱合金など他の材質を用いることもできる。但し、外側電極本体を正極性とし正電極チップ（外側電極チップ）を固着する場合、負電極チップ（中心電極チップ）へのＮｉの供給を考慮すると、Ｎｉ系耐熱合金を採用するのが好ましい。
一方、外側電極本体を正極性（正電極本体）とするが正電極チップを備えない場合には、負電極チップへのＲｈの供給を考慮し、正電極本体をＲｈまたはＲｈ合金とするのが好ましい。
また、中心電極本体についても、Ｆｅ系耐熱合金など他の材質を用いることもできる。但し、中心電極本体を正極性とする場合、負電極チップ（外側電極チップ）へのＮｉの供給を考慮すると、Ｎｉ系耐熱合金を採用するのが好ましい。
また、外側電極チップ４２が高温になることを防止するため、外側電極本体内にＣｕ等の良熱伝導体を配置することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態にかかるスパークプラグの正面図である。
【図２】 上記スパークプラグのうち、外側電極本体に固着した外側電極チップと中心電極本体に設けた中心電極チップの近傍について拡大して示した部分拡大断面図である。
【図３】 実施例及び比較例にかかるスパークプラグついて、耐久試験後の火花ギャップ増加量及び異常腐食発生条件下における異常腐食量（えぐれ量）の調査結果である。
【図４】 実施例及び比較例にかかるスパークプラグについて、耐久試験後の火花ギャップ増加量を示すグラフである。
【図５】 実施例及び比較例にかかるスパークプラグについて、異常腐食発生条件下における異常腐食量（えぐれ量）を示すグラフである。
【図６】 中心電極本体に固着したＩｒ合金チップが異常腐食した場合の形態例を示す説明図である。
【符号の説明】
１００ スパークプラグ
１ 絶縁体
１１ 脚部
１１Ｐ 先端面
２ 主体金具
２１ ネジ部
２１Ｐ 先端面
３ 中心電極
３１ 中心電極本体
３１Ｐ 先端部
３２ 中心電極チップ
３２Ｐ （中心電極チップの）頭部表面
３３ 接合部
３４ 良熱伝導体
４ 外側電極
４１ 外側電極本体
４２ 外側電極チップ
４３ 接合部
５ 接続端子
Ｇ 火花放電ギャップ
Ｓ えぐれ量
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の着火に使用するスパークプラグ、特に、電極チップの消耗を抑制でき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及び外側電極の火花放電による消耗を抑制するため、これらの一方あるいは両方にＰｔなどの貴金属チップを設けたスパークプラグが開発されている。
例えば、特許文献１においては、中心電極用及び外側電極用チップにＩｒ又はＩｒを主成分とする合金を用いたスパークプラグが示されている。Ｉｒは融点が極めて高い（２４００℃）ため、耐火花消耗性に優れる利点がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２７３９６５号公報（第２頁、図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｉｒ自身は耐熱性が高いが、約９５０℃以上の温度に曝されると酸化して揮発するため、急速に消耗する問題があった。
これに対し、上記特許文献１では、Ｉｒ又はＩｒ合金チップにＲｈなどを添加して耐酸化性を向上させることが行われている。
【０００５】
しかしながら、さらに消耗の少ないスパークプラグが求められている。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、消耗が少なく、耐久性の高いスパークプラグを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
その解決手段は、中心電極本体と外側電極本体とを有するスパークプラグであって、上記中心電極本体と外側電極本体のうち、相対的に負極性とされる負電極本体には、Ｉｒ及びＩｒを主成分とするＩｒ合金のいずれかからなる負電極チップを備え、相対的に正極性とされる正電極本体は、正電極チップを備えることなく、Ｒｈ及びＲｈを含むＲｈ合金のいずれかからなり、上記負電極チップとの間で火花放電ギャップを構成し、または、相対的に正極性とされる正電極本体には、Ｒｈ及びＲｈを含むＲｈ合金のいずれかからなり、上記負電極チップとの間で火花放電ギャップを構成する正電極チップを備え、前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量が４０重量％以上であるスパークプラグである。
【０００７】
本発明では、中心電極本体と外側電極本体のうち、相対的に負極性とされる電極本体には、ＩｒまたはＩｒを主成分とするＩｒ合金からなる負電極チップを備える。一方、正極性とされる正電極本体は、正電極チップを備えずにそれ自身がＲｈまたはＲｈを含むＲｈ合金からなる。あるいは、正電極とされる電極本体にＲｈまたはＲｈ合金からなる正電極チップを備える。なお、正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量は、４０重量％以上である。
このように本発明のスパークプラグでは、正極性とされる正電極本体または正電極チップにＲｈまたはＲｈ合金を用いたので、火花放電が生じると、正電極本体または正電極チップへの電子等の衝突によって飛び出したＲｈイオンが電界で加速され、負電位の負電極チップ（ＩｒまたはＩｒ合金のチップ）の表面（頭部表面及び側部）に衝突し堆積する。これにより、負電極チップの頭部表面（火花放電面）は、Ｒｈが供給されてＩｒとＲｈの合金となり、Ｉｒの酸化揮発が抑制される。かくして、負電極チップの頭部表面について、火花消耗のみならず揮発消耗をも抑制し、火花放電ギャップの増加を抑制することができる。かくして、耐久性の高いスパークプラグとすることができる。
【０００８】
なお、Ｉｒ合金としては、Ｉｒを主成分、即ち５０重量％以上含有し、耐熱性や火花放電に対する耐久性を備えているものであればいずれの組成でも良いが、例えばさらに、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｅなどの貴金属、あるいはＮｉを含むものが挙げられる。さらには、Ｓｒ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆから選ばれた元素の酸化物を含むものも挙げられる。
また、Ｒｈ合金としては、４０重量％以上のＲｈを含み、耐熱性や火花放電に対する耐久性を備えているものであればいずれの組成でも良いが、例えばさらに、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｅ，Ｉｒなどの貴金属、あるいはＮｉを含むものが挙げられる。
【０００９】
さらに、上記スパークプラグであって、前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量が５０重量％以上であるスパークプラグとするのが好ましい。
【００１０】
本発明のスパークプラグでは、正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量を５０重量％以上、つまりＲｈを主成分としている。このようにＲｈを多量に含む正電極本体または正電極チップを用いることで、負電極チップにより多くのＲｈが堆積するため、Ｉｒの酸化揮発を効果的に抑制することができる。かくして、耐久性の高いスパークプラグとすることができる。
【００１１】
さらに、上記スパークプラグであって、前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量が８０重両％以上であるスパークプラグとするのと良い。
【００１２】
本発明のスパークプラグでは、正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量を８０重量％以上としている。このようにＲｈをさらに多量に含む正電極本体または正電極チップを用いることで、負電極チップにより多くのＲｈが堆積するため、Ｉｒの酸化揮発を効果的に抑制することができる。かくして、耐久性の高いスパークプラグとすることができる。
【００１３】
さらに、上記いずれかに記載のスパークプラグであって、前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップは、Ｉｒの含有量が０．０１重量％以下であるスパークプラグとすると良い。
【００１４】
正電極チップ、あるいは負電極チップとして、耐酸化性を向上させるためＲｈを添加したＩｒ合金チップを用いることが考えられる。このようにすると、正電極チップや負電極チップの耐酸化性を向上させることができる。
しかしながら、Ｉｒ合金チップの頭部表面からの消耗（火花消耗及び揮発消耗）は抑制されるものの、エンジンの運転条件によっては、無鉛ガソリンを使用する場合において、Ｉｒ合金チップの側部が一方向からえぐり取られたように選択的に消耗してしまう異常腐食現象が発見された（図６参照）。
このような現象が生じる原因が明確ではないが、火花消耗や揮発消耗では説明することができない。おそらく、Ｉｒ合金チップの温度の影響ばかりでなく、エンジン室内に噴射供給される燃料のスワールがスパークプラグに当たるときの向き、その他の原因が複合的に作用して、側部の一方が選択的に腐食されて異常消耗を来したものと考えられる。
ところで、この異常腐食は、Ｒｈを添加したＩｒ合金を用いた正電極本体や正電極チップ、負電極チップに顕著に生じることが判ってきた。
【００１５】
これに対し、本発明のスパークプラグでは、正電極本体または正電極チップのＩｒの含有量が０．０１重量％以下である。即ち、正電極本体または正電極チップにはＩｒを実質的に含まない組成のＲｈまたはＲｈ合金を用いている。
このためこのスパークプラグでは、少なくとも正電極本体あるいは正電極チップについて異常腐食を生じることがなくなる。従って、異常腐食が生じやすい条件下でも、正電極本体や正電極チップについて異常腐食が生じず、耐久性の高いスパークプラグとすることができる。
なお、実質的にＩｒを含まないとは、正電極本体や正電極チップに、Ｉｒを全く含まない場合のほか、僅かにＩｒを含んでいるが正電極チップ等に異常腐食を引き起こさない程度である場合を含む。具体的には、例えばＩｒの含有量が０．０１重量％以下の微量である場合を指す。
【００１６】
さらに、上記いずれか１項に記載のスパークプラグであって、前記正電極チップが固着されてなる中心電極本体または外側電極本体が、ＮｉまたはＮｉ合金からなるスパークプラグとすると良い。
【００１７】
上述の異常腐食の発生原因は明確ではない。しかし、発明者らは、分析をすると、異常腐食を生じた負電極の頭部表面からはＮｉが検出される一方、異常腐食部からはほとんど検出されないことを発見した。なお、Ｎｉは、正電極チップが固着され正電位とされた外側電極本体と負電位とされた中心電極チップとの間で火花放電が起こった際に、Ｎｉ合金からなる外側電極本体から飛び出したＮｉイオンが負電極のＩｒ合金チップの頭部表面に付着したもの考えられた。というのも、スパークプラグにおいて火花放電は、正電極チップと負電極チップとの間でのみ生じるとは限らない。一般に、火花放電の一部は、正電極チップが固着している中心電極本体あるいは外側電極本体と負電極チップとの間で生じる。従って、このような火花放電によって、中心電極本体あるいは外側電極本体を構成するＮｉまたはＮｉ合金に電子が衝突するので、Ｎｉイオンが飛び出し、電界に加速されて負電極チップに衝突・堆積したと考えられた。そしてこのことから、ＩｒとＲｈが存在し異常腐食の生じる条件において、Ｎｉは異常腐食の発生や進行を妨げる作用を有しているものと考えられた。
【００１８】
そこで、本発明のスパークプラグでは、正電極チップが固着されてなる中心電極本体または外側電極本体をＮｉまたはＮｉ合金とした。これにより、上述のような火花放電によって、負電極チップの表面にＮｉが供給される。このため、たとえ異常腐食の生じる条件でエンジンが駆動されても、このＮｉの堆積により、負電極チップの異常腐食が抑制される。
なお、上述の分析結果からも判るように、負電極チップの頭部表面（火花放電面）には多くのＮｉが堆積する。しかし、スワール等の影響で、負電極チップの側部あるいはえぐれ状に欠損した部分にも、Ｎｉは若干は供給される。このため、外側電極本体等からＮｉが供給されない場合に比較すると、負電極の側部に生じる異常腐食についても、その発生及び進行程度を抑制することができるものと考えられる。
【００１９】
さらに、上記いずれか１項に記載のスパークプラグであって、前記負電極チップは、ＲｈおよびＮｉを含有するスパークプラグとすると良い。
【００２０】
本発明のスパークプラグでは、負電極チップにＲｈおよびＮｉを含むＩｒ合金を用いている。このため、負電極チップにおいて、正電極チップから供給されるＲｈのみならず負電極チップに含有しているＲｈによっても、Ｉｒの揮発消耗を抑制することができる。
さらに、負電極チップにＩｒとＲｈが存在してるが、正電極チップから供給されるＮｉのみならず負電極チップにもＮｉを含有しているので、たとえ異常腐食の生じる条件でエンジンが駆動されても、負電極チップの異常腐食を抑制することができる。
なお、本発明の場合にも、スワール等の影響で、負電極チップの側部あるいはえぐれ状に欠損した部分にも、Ｎｉが若干は供給されるため、Ｎｉが外部から供給されない場合に比較すると、その分負電極の側部に生じる異常腐食についても、その発生及び進行程度を抑制することができるものと考えられる。
【００２１】
さらに、上記いずれか１項に記載のスパークプラグであって、前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップは、Ｎｉを含有するスパークプラグとすると良い。
【００２２】
本発明のスパークプラグでは、Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップにＮｉを含有している。従って、負電極チップにＩｒとＲｈとが同時に存在していても、Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体あるいは正電極チップからＮｉが供給されるので、正電極チップにＮｉが含まれていない場合に比して、異常腐食を抑制することができる。
また、正電極チップにＩｒをも含有している場合、正電極チップにはＲｈとＩｒが同時に存在することになるが、さらにＮｉを含有しているので、この正電極チップについても、Ｎｉを含有していない場合に比して異常腐食を抑制することができる。
【００２３】
あるいは、前記したスパークプラグであって、前記負電極チップは、Ｒｈの含有量が０．０１重量％以下であるスパークプラグとすると良い。
【００２４】
本発明のスパークプラグでは、負電極チップのＲｈの含有量が０．０１重量％以下である。即ち、負電極チップにＲｈを実質的に含まない。従って、この負電極チップの側部にはＩｒとＲｈとが同時に存在しないため、異常腐食が生じ難い。一方、正電極チップには、Ｒｈが含まれているので、負電極チップの頭部表面（火花放電面）にはＲｈが供給される。このため、負電極チップの頭部表面における揮発消耗を抑制することができる。
一方、スワール等の影響で、負電極チップの側部にもＲｈが供給されるが、異常腐食は生じない。頭部表面に比して側部に供給されるＲｈの量は微量であるため、異常腐食を生じる条件しを満たさないためであると考えられる。
なお、実質的にＲｈを含まないとは、負電極チップに、Ｒｈを全く含まない場合のほか、僅かにＲｈを含んでいるが負電極チップに異常腐食を引き起こさない程度である場合を含む。具体的には、例えばＲｈの含有量が０．０１重量％以下の微量である場合を指す。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次いで、本発明の実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。本実施形態のスパークプラグ１００は、アルミナセラミックからなる絶縁体１と、その脚部１１の先端がネジ部２１の先端から突出するようにして、その周囲を取り囲む筒状の主体金具２とを有する。
【００２６】
さらに、絶縁体１は筒状にされており、その中心軸に沿って、中心電極３がはめ込まれている。この中心電極３は中心電極本体３１を有する。この中心電極本体３１は、絶縁体１の脚部１１の先端面１１Ｐから突出する先端部３１Ｐを有する。この中心電極本体３１は、インコネル等のＮｉ系耐熱合金からなる。またこの先端部３１Ｐには、後述するように主として各種の貴金属からなる中心電極チップ３２が固着されている。具体的には、レーザ溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接等によって接合部３３を介して中心電極チップ３２が先端部３１Ｐに固着されている。また、この中心電極本体３１のうち基端側（図２中、下方）には、その中心にＣｕ等の良熱伝導体３４が挿入されており、効率よく熱を基端側に排出することによって、中心電極チップ３２及び先端部３１Ｐの温度を低下させるようにしてある。
【００２７】
また、主体金具２においては、ネジ部２１の先端面２１Ｐに外側電極４が固着されており、スパークプラグ１００の中心軸側に向けて略Ｌ字状に屈曲させられている。この外側電極４は外側電極本体４１を有し、この外側電極本体４１はインコネル等のＮｉ系耐熱合金からなる。さらに、この外側電極本体４１のうち、中心電極チップ３２と対向する位置にも、後述するように主として各種の貴金属からなる外側電極チップ４２が固着されている。具体的には、抵抗溶接、レーザ溶接等によって接合部４３を介して外側電極チップ４２が外側電極本体４１に固着されている。そしれこれにより、中心電極チップ３２と外側電極チップ４２との間に火花放電ギャップＧが形成されている。
【００２８】
なお、スパークプラグ１００は、公知の手法で形成すれば良い。このうち、負電極チップ及び正電極チップを合金で構成する場合、例えば、以下のようにして形成すると良い。即ち、原料となる貴金属等の粉末を所期の重量比率で配合し、これを溶解して合金インゴッドとする。具体的な溶解方法としては、アーク溶解やプラズマビーム溶解、高周波誘導溶解等を採用することができる。また、合金組成内の偏析を低減させるため、合金溶液を水冷鋳型等に鋳込んで急冷インゴッドを形成すると良い。また、貴金属等の粉末を圧粉し焼結しても良い。その後、熱間鍛造、熱間圧延、熱間伸線などにより合金インゴッドを線状に加工し、切断して形成する。
【００２９】
ところで、前述したように、火花放電による中心電極チップ３２及び外側電極チップ４２（以下、これらをまとめて、単にチップともいう）の消耗を防ぐため、これらのチップの耐熱性を向上させるべく、これらのチップにＩｒあるいはＩｒ合金を用いることが提案されている。Ｉｒは高い融点を有するこので、火花放電によるチップの消耗（火花消耗）を抑制できる利点がある。しかしながら、Ｉｒは約９５０℃以上の高温に曝されると、酸化し揮発する性質を有している。ところで、エンジン室内が高温になる条件（例えば、高回転、高出力の状態を長時間続けた場合など）では、中心電極チップ３２や外側電極チップ４２の温度が１０００℃近くにまで達する場合がある。従って、このような条件下では、ＩｒまたはＩｒ合金を用いたチップが揮発消耗する恐れがある。
【００３０】
これに対し、Ｒｈを添加したＩｒ合金を用いると、耐熱性を有しながら、しかもチップにおけるＩｒの揮発消耗を抑制できることが判ってきた。
【００３１】
ところで、スパークプラグ１００において、火花放電が生じると、正極性とされる側のチップ（多くは頭部表面）には、電子が衝突するため、その衝撃でチップを構成する原子が正イオンとなって飛び出す。この正イオンは、火花放電における電界に加速され、負極性とされる側のチップ（多くはその頭部表面）に衝突し堆積する。つまり、正極性とされる側のチップから、負極性とされる側のチップの表面に向かって原子が移動する。
【００３２】
従って、正極性とされる側のチップにＲｈまたはＲｈを含むＲｈ合金からなるチップを用いれば、少なくとも負極性とされる側をＩｒまたはＩｒ合金からなるチップとしても、Ｉｒの酸化揮発を抑制することができる。
これを確認するため、図３においてＮｏ．１〜５（実施例１〜３及び比較例１，２）で示すように、中心電極チップ３２の材質をＩｒ−５Ｐｔとすると共に、外側電極チップ４２の材質を選択し、中心電極チップ３２を負極性、外側電極チップ４２を正極性として耐久試験を行い、当初の火花放電ギャップの大きさ対する、耐久試験後のギャップの増加量を計測した。
なお、ギャップは、両者間の最短距離を測定した。
また、「Ｉｒ−５Ｐｔ」は、Ｐｔを５重量％、残部をＩｒとしたＩｒ合金を示す。以下の表示についても、同様の意味である。
さらに、耐久試験条件は、スパークプラグ１００をエンジンに取り付け、実走模擬モードで２００時間運転を維持したするものである。
中心電極チップ３２は直径０．６ｍｍ、厚さ０．８ｍｍとし、外側電極チップ４２は直径１．０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍとした。
【００３３】
比較例１，２では、いずれもギャップ増加量が０．２４ｍｍであった。これに対し、正極性とされる外側電極チップ（正電極チップ）に、Ｒｈ合金を用いた実施例１，２，３では、０．０９ｍｍ，０．１４ｍｍ．０．２２ｍｍとなり、いずれもギャップ増加量が減少した（図３、図４参照）。このことから、負極性とされる側のチップ（負電極チップ）にＩｒまたはＩｒ合金チップを用いた場合に、正電極チップにＲｈまたはＲｈ合金を用いることで、ＩｒまたはＩｒ合金チップ（負電極チップ）の消耗を抑制できることが判る。つまりこれらから、負電極チップの材料組成を変更することなく、正電極チップにＲｈを添加した材質を用いることにより、負電極チップの揮発消耗を抑制できることが判る。
【００３４】
また、実施例１，２，３を比較すると、外側電極チップ４２におけるＲｈ含有量が多いほど、ギャップ増加量を抑制できることが判る。これは、Ｒｈ含有量が多いほど、火花放電によって中心電極チップ３２（負電極チップ）の頭部表面に多くのＲｈが堆積するため、Ｉｒの揮発消耗を抑制できたためと考えられる。特に、実施例２，３を比較すると、正電極チップ（外側電極チップ）のＲｈ含有量を４０重量％（実施例３）から５０重量％（実施例２）に変えるだけで、ギャップ増加量が０．２２ｍｍ（実施例３）から０．１４ｍｍ（実施例２）に大幅減少（３６％減少）している。このことから、Ｒｈを５０重量％以上含有する正電極チップを用いるのがさらに好ましいことが判る。
【００３５】
さらに実施例１，２を比較すると、正電極チップ（外側電極チップ）４２のＲｈ含有量を５０重量％（実施例２）から８０重量％（実施例１）に変えることによって、ギャップ増加量が０．１４ｍｍ（実施例２）から０．０９ｍｍ（実施例１）に減少していることが判る。さらに、図４を参照すると、正電極チップ（外側電極チップ）４２におけるＲｈ含有量を８０重量％とした実施例１，４，５のいずれについても、ギャップ増加量が他よりも良好となっていることが判る。これらより、正電極チップ４２のＲｈ含有量を８０重量％以上とするのがさらに好ましいことが判る。
【００３６】
さらに、負電極チップに正電極チップからＲｈを供給するだけでなく、負電極チップに予めＲｈを含有させておけば、より確実に負電極チップ（Ｉｒ合金チップ）の揮発消耗を抑制できると考えられる。
そこで、これを確認するため、図３においてＮｏ．６〜８（実施例４，５及び比較例３）で示すように、中心電極チップ３２にＲｈを添加した材質（Ｉｒ−１Ｒｈ、またはＩｒ−１Ｒｈ−０．５Ｎｉ）とすると共に、外側電極チップ４２の材質を選択し、中心電極チップ３２を負極性、外側電極チップ４２を正極性として耐久試験を行い、ギャップ増加量を計測した。
【００３７】
比較例３（Ｉｒ−１Ｒｈ／Ｐｔ−２０Ｎｉ）では、ギャップ増加量は０．１３ｍｍであった。これは、上述した比較例１，２さらには実施例１〜３と比較しても良好な値である。このことから、負電極チップにＲｈを添加したＩｒ合金を用いることが有効であることが判る。
【００３８】
これに対し、実施例４，５では、ギャップ増加量がさらに良好な０．１２ｍｍ（実施例４）、及び０．０８ｍｍ（実施例５）であった。このことから、予め負電極チップ（中心電極チップ３２）にＲｈを含有するＩｒ合金を用いている場合でも、正電極チップ（外側電極チップ４２）からＲｈを供給することで、さらに負電極チップの揮発消耗を抑制できることが判る（図３、図４参照）。
【００３９】
ところで、前述したように、チップとしてＲｈを添加したＩｒ合金を用いると、エンジンの型式、駆動条件などによっては、Ｉｒ合金チップの側部が一方向からえぐり取られたように選択的に消耗してしまう異常腐食が生じる場合がある（図６参照）。そこで、このような現象が生じる可能性のあるエンジンに用いるスパークプラグについて、チップの材質をどのようにすべきかを検討するため、以下の試験を行った。
チップの材質を各種変更したスパークプラグ１００を用意し、異常腐食が発生することが判っている条件に、これらを適用する。異常腐食発生の条件は、具体的にはエンジンのスロットルを全開として５０時間維持するものである。
【００４０】
なお、中心電極チップ３２を直径０．６ｍｍ、厚さ０．９ｍｍの寸法に、外側電極チップ４２を直径１．０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの寸法とした。
また、えぐれ量Ｓは、図６に示すように、試験前の中心電極チップの外形（仮想線）に対して、最も深くえぐれた位置における深さを測定した。また、えぐれ量Ｓついて、「０（なし）」で示した例は、えぐれ状の異常腐食は生じなかったことを示す。
また、実施例７，９については、外側電極チップを固着することなく、外側電極本体自身（正電極本体）４１にＲｈの金属棒材（Ｒｈムク材）を使用した。
また、実施例１０については、Ｒｈムク材の外側電極本体４１を使用すると共に、これにＲｈ−２０Ｎｉからなる外側電極チップ４２を固着したものを使用した。
【００４１】
図５のうち、左側５ヶ（実施例６，比較例３，実施例５，７，４）は、その値の大小はあるが、いずれのえぐれ状の異常腐食が生じている。これらは、いずれも中心電極チップ３２にＲｈを含有するＩｒ合金を用いている。これに対し、右側５ヶ（実施例８，１，２，９，１０）は、いずれも異常腐食を生じていない。これらは、中心電極チップ３２にＲｈを含まないＩｒ合金（Ｉｒ−５Ｐｔ）を用いている。これらを比較すると容易に理解できるように、Ｒｈを含有するＩｒ合金をチップとして用いると、えぐれ状の異常腐食が生じることが判る。これに対し、Ｒｈを含まないＩｒ合金をチップとして用いると、異常腐食は生じないことが判る。また、図５に示す実施例及び比較例のいずれにおいても、外側電極チップ４２について異常腐食は認められなかった。このことからも、上記内容が裏付けられる。 従って、異常腐食を防止するには、チップの材質として、ＩｒとＲｈの両者が同時に含有されないものであること、つまり、ＩｒとＲｈの少なくともいずれかを含有しないものを用いるのが良いことが判る。
【００４２】
なお、上記では中心電極チップ３２を負極性とし、外側電極チップ４２（外側電極本体４１）を正極性とした場合について実験を行い、中心電極チップ３２について生じたえぐれ状の異常腐食に関して計測を行った。これに対し、外側電極チップ４２を負極性とし、中心電極チップ３２を正極性とする場合については示さなかったが、異常腐食の発生はチップの極性には関係ないことが判っている。また、外側電極チップ４２についても条件が合致すれば同様に生じることが判っている。
但し、外側電極チップ４２については、その厚さが薄い（上述の例では厚さ０．２ｍｍ）場合が有る。その場合には、スワールの影響を受けにくいため異常消耗を生じ難く、異常腐食が生じてもその厚さ全体に消耗する形態になりやすい。外側電極チップ４２の厚さが厚くなるにつれて、異常消耗が生じた場合には中心電極チップ３２の場合と同様にえぐれ状に消耗する（図６参照）。
従って、以下では、中心電極チップ３２と外側電極チップ４２とで区別せず、正電極チップと負電極チップについて考察することとする。
【００４３】
以上の実験結果等から、以下のことが判る。（１）Ｉｒを用いることでチップの耐熱性を向上させることができる。（２）ＩｒまたはＩｒ合金チップを負電極チップに用いた場合には、正電極チップからＲｈを供給することで、Ｉｒの揮発消耗を抑制できる。（３）チップの材質として、ＩｒとＲｈの少なくともいずれかを含有しないものを用いると異常腐食を防止することができる。
これらから、負電極チップについては、耐熱性を向上させるためＩｒを含有させる一方、異常腐食を防止するためＲｈを含有させないのが好ましいことが判る。つまり、負電極チップは、Ｒｈを含まない、ＩｒまたはＩｒ合金チップとするのが好ましいことが判る。
また、負電極チップにＩｒ及びＩｒ合金を用いることを前提とすると、正電極チップについては、負電極チップへのＲｈの供給のためＲｈを含有させる一方、異常腐食を防止するためＩｒを含有させないのが好ましいことが判る。つまり、正電極チップは、Ｉｒを含まない、ＲｈまたはＲｈ合金チップとするのが好ましいことが判る。
なお、正電極チップを正電極本体に固着しない場合には、実施例７，９のように、Ｒｈの供給源として正電極本体を用いることもできる。この場合には、正電極本体をＩｒを含まないＲｈまたはＲｈ合金から構成すると良いことになる。
【００４４】
次いで、さらに図５に示す実施例及び比較例のうち、図５の左半分に示す実施例６，比較例３，実施例５，７，４の試験結果について検討する。
まず、正電極チップ（外側電極チップ４２）にＲｈムク材を用いた実施例７では、えぐれ量Ｓが最も大きい（Ｓ＝０．４３ｍｍ）ことが判る。これに対し、実施例６では、これよりもえぐれ量Ｓが若干小さい（Ｓ＝０．４０ｍｍ）。
これは、外側電極本体４１に用いたＮｉ系耐熱合金から、Ｎｉが負電極チップ（中心電極チップ３２）の表面に供給されたため、このＮｉによって異常腐食が抑制されたものと考えられる。一般に、スパークプラグ１００における火花放電は、中心電極チップ３２と外側電極チップ４２との間で生じる。しかし、これらの間のみで生じるとは限らず、むしろ、スワールの影響等で、中心電極チップ３２と外側電極本体４１との間で火花放電が起こることもある。すると、Ｒｈの場合と同じく、外側電極本体４１に電子が衝突することによって、Ｎｉイオンが外側電極本体４１から飛び出し、電界に加速されて、負電極チップ（中心電極チップ３２）の表面に堆積すると考えられる。
なお、Ｎｉも多くは負電極チップ（中心電極チップ３２）の頭部表面３２Ｐに堆積するが、スワール等の影響により、その一部は中心電極チップ３２の側部あるいはえぐれた部分にの僅かに回り込んで付着すると考えられる。
【００４５】
このため、中心電極チップ３２のうち、頭部表面３２ＰはＮｉにより異常腐食を免れる一方、側部からは腐食が進行するため、えぐれ状の異常腐食となると考えられる（図６参照）。但し、実施例６では、若干でも側部にＮｉが回り込んで付着するため、実施例７に比較して、えぐれ量Ｓが小さくなったものと考えられる。
【００４６】
なお付言するに、実施例７では、外側電極本体４１にＲｈムク材を使用しているため、この実施例７では、Ｎｉが中心電極チップ３２に供給されることはない。しかし、本例においても、えぐれ状の異常腐食を生じた。これは、ＩｒとＲｈの存在下における腐食の程度が、Ｒｈの含有率の違いよって異なるため、さらに具体的には、Ｒｈの含有率が１重量％程度のときに異常腐食が最も進行しやすく、Ｒｈの含有量がこれより多くても少なくとも異常腐食は遅くなるためであると考えられる。即ち、中心電極チップ３２の頭部表面３２Ｐには、多くのＲｈが供給されるため、Ｒｈの含有率が高くなり腐食が抑制されたと考えられる。一方、中心電極チップ３２の側部及びえぐれ部分にはＲｈはあまり堆積しないので、Ｒｈの含有率は低いまま（１重量％よりも若干高い程度）となるため、腐食が抑制されにくい。このような違いにより、中心電極チップ３２にえぐれ状の異常腐食が生じたものと考えられる。
【００４７】
かくして、実施例６，７の比較により、負電極チップにおける異常腐食を抑制するため、外側電極本体４１には、Ｎｉを含有する金属、つまりＮｉまたはＮｉ合金を用いると良いことが判る。
【００４８】
さらに敷衍すると、正極性とされる側から負電極チップ（中心電極チップ３２）にＮｉを供給するようにするのが好ましく、これを実現する他の手段としては、正電極チップ（外側電極チップ４２）にＮｉを含有させることが挙げられる。図５においてこの例に該当するものはとしては、比較例３，実施例５，４が挙げられる。比較例３，実施例５と実施例６，７とを比較すれば判るように、比較例３，実施例５の方がえぐれ量Ｓが小さい。外側電極チップ４２にＮｉを含有させたため、中心電極チップ３２の表面により多くのＮｉが確実に堆積するため、中心電極チップ３２の側部等に回り込むＮｉの量も増え、側部からの腐食を抑制したものと考えられる。
【００４９】
次いで、比較例３と実施例５とを比較すると、実施例５の方がえぐれ量Ｓが小さいことが判る。実施例５では、正電極チップ（外側電極チップ４２）の材質をＲｈ−２０Ｎｉとしているので、Ｎｉと共にＲｈも供給される。このＲｈの供給により、負電極チップ（中心電極チップ３２）の表面において、Ｒｈの組成比が高くなり腐食が抑制されたため、相対的にえぐれ量Ｓが小さくなったと考えられる。また、ギャップ増加量（図３、図４参照）を比較しても、実施例５の方が小さく、正電極チップ（外側電極チップ４２）の材質として、Ｒｈ及びＮｉを含有させるのが有効であることが判る。
【００５０】
その他、Ｎｉを予め負電極チップ（中心電極チップ３２）に含有させておくことが挙げられる。図５においてこの例に該当するものはとしては、実施例４が挙げられる。この実施例４と実施例６，比較例３，実施例５，７とを比較すれば判るように、負電極チップ（中心電極チップ３２）に予めＮｉを含有させておくことにより、大幅にえぐれ量Ｓを減少させることができる。正電極チップからのＮｉの供給に頼らずに、含有されているＮｉによって、腐食を抑制できるからであると考えられる。
【００５１】
以上において、本発明を実施形態（実施例）に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上述の実施形態（実施例７を除く）では、外側電極本体４１にＮｉ系耐熱合金を用いた例を示したが、Ｆｅ系耐熱合金など他の材質を用いることもできる。但し、外側電極本体を正極性とし正電極チップ（外側電極チップ）を固着する場合、負電極チップ（中心電極チップ）へのＮｉの供給を考慮すると、Ｎｉ系耐熱合金を採用するのが好ましい。
一方、外側電極本体を正極性（正電極本体）とするが正電極チップを備えない場合には、負電極チップへのＲｈの供給を考慮し、正電極本体をＲｈまたはＲｈ合金とするのが好ましい。
また、中心電極本体についても、Ｆｅ系耐熱合金など他の材質を用いることもできる。但し、中心電極本体を正極性とする場合、負電極チップ（外側電極チップ）へのＮｉの供給を考慮すると、Ｎｉ系耐熱合金を採用するのが好ましい。
また、外側電極チップ４２が高温になることを防止するため、外側電極本体内にＣｕ等の良熱伝導体を配置することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態にかかるスパークプラグの正面図である。
【図２】 上記スパークプラグのうち、外側電極本体に固着した外側電極チップと中心電極本体に設けた中心電極チップの近傍について拡大して示した部分拡大断面図である。
【図３】 実施例及び比較例にかかるスパークプラグついて、耐久試験後の火花ギャップ増加量及び異常腐食発生条件下における異常腐食量（えぐれ量）の調査結果である。
【図４】 実施例及び比較例にかかるスパークプラグについて、耐久試験後の火花ギャップ増加量を示すグラフである。
【図５】 実施例及び比較例にかかるスパークプラグについて、異常腐食発生条件下における異常腐食量（えぐれ量）を示すグラフである。
【図６】 中心電極本体に固着したＩｒ合金チップが異常腐食した場合の形態例を示す説明図である。
【符号の説明】
１００ スパークプラグ
１ 絶縁体
１１ 脚部
１１Ｐ 先端面
２ 主体金具
２１ ネジ部
２１Ｐ 先端面
３ 中心電極
３１ 中心電極本体
３１Ｐ 先端部
３２ 中心電極チップ
３２Ｐ （中心電極チップの）頭部表面
３３ 接合部
３４ 良熱伝導体
４ 外側電極
４１ 外側電極本体
４２ 外側電極チップ
４３ 接合部
５ 接続端子
Ｇ 火花放電ギャップ
Ｓ えぐれ量
Claims (8)
- 中心電極本体と外側電極本体とを有するスパークプラグであって、
上記中心電極本体と外側電極本体のうち、
相対的に負極性とされる負電極本体には、Ｉｒ及びＩｒを主成分とするＩｒ合金のいずれかからなる負電極チップを備え、
相対的に正極性とされる正電極本体は、正電極チップを備えることなく、Ｒｈ及びＲｈを含むＲｈ合金のいずれかからなり、上記負電極チップとの間で火花放電ギャップを構成し、または、
相対的に正極性とされる正電極本体には、Ｒｈ及びＲｈを含むＲｈ合金のいずれかからなり、上記負電極チップとの間で火花放電ギャップを構成する正電極チップを備え、
前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量が４０重量％以上である
スパークプラグ。 - 請求項１に記載のスパークプラグであって、
前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量が５０重量％以上である
スパークプラグ。 - 請求項２に記載のスパークプラグであって、
前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップにおけるＲｈ含有量が８０重量％以上である
スパークプラグ。 - 請求項１または請求項２に記載のスパークプラグであって、
前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップは、Ｉｒの含有量が０．０１重量％以下である
スパークプラグ。 - 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のスパークプラグであって、
前記正電極チップが固着されてなる中心電極本体または外側電極本体が、ＮｉまたはＮｉ合金からなる
スパークプラグ。 - 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のスパークプラグであって、
前記負電極チップは、ＲｈおよびＮｉを含有する
スパークプラグ。 - 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のスパークプラグであって、
前記Ｒｈ及びＲｈ合金のいずれかからなる正電極本体または正電極チップは、Ｎｉを含有する
スパークプラグ。 - 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のスパークプラグであって、
前記負電極チップは、Ｒｈの含有量が０．０１重量％以下である
スパークプラグ。
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