JP4402046B2 - スパークプラグ - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関に使用されるスパークプラグに関する。
自動車エンジン等の内燃機関では、近年、その高出力化や燃費向上を図るため、燃焼室内の温度が高くされる傾向にある。また、着火性向上のために、スパークプラグ（以下、単にプラグともいう）のうち、火花放電ギャップを構成する放電部を燃焼室内部に突き出させるようにしてプラグを配置する形式のエンジンも多く使用されるようになってきている。このような状況では、スパークプラグの放電部が高温にさらされるので、放電部を構成する側方電極や中心電極の火花消耗が進み易くなる。そこで、火花放電ギャップを構成する放電部の耐火花消耗性向上のために、側方電極や中心電極の先端にＰｔやＩｒ等を主体とする貴金属チップを溶接したタイプのスパークプラグが多数提案されている。
例えば、特許文献１には、Ｉｒ及びＲｈを主体として構成した貴金属チップを有するスパークプラグが開示されている。このプラグにおける貴金属チップでは、高融点であるＩｒのメリットを生かして火花消耗を抑制し、Ｒｈを添加することによって、Ｉｒの高温（約９００℃以上）での酸化揮発を防止し、貴金属チップの酸化消耗を抑制し、より高温における耐消耗性を向上させることができる。
さらに、特許文献２には、所定のチップ径Ｄ及び放電部厚さＨを有し、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈ及びＮｉを添加した貴金属チップを有するプラグが開示されている。このプラグの貴金属チップにおいては、特許文献１と同じく、高融点であるＩｒのメリットを生かしつつ、Ｒｈを添加することによってＩｒの酸化揮発を防止する。さらに、使用条件によって、ＩｒにＲｈを添加した貴金属チップに発生することがある異常消耗、具体的には、貴金属チップの側部が一方向から選択的にえぐれるように消耗する異常消耗現象を抑制すべく、さらにＮｉを添加した貴金属チップを用いるプラグが開示されている。
しかしながら、特許文献２に記載のように、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈ及びＮｉを添加した貴金属チップを用いたスパークプラグであっても、その使用条件によっては、以下の現象が生じることが判ってきた。即ち、図９の写真及び図１０の説明図に示すように、貴金属チップ２００が汗を掻いたかのように、貴金属チップ２００の表面に粒状物２０１が付着すると共に、貴金属チップ２００の側面２００Ｓ部分が消耗する（以下では、このような現象を発汗現象と呼ぶ）。なお、図９に示すように、粒状物２０１が多く付着するのは、他方の電極と対向して火花放電ギャップを形成する放電面２００Ｔ（図中上面）付近、特に側面２００Ｓの放電面側端部２００ＳＴである。また、図９においては、（ｂ）に破線で示す側面１００Ｓのうち中央より左部分ＥＡが特に消耗している。
貴金属チップでの、このような発汗現象の発生メカニズムの詳細は不明であるが、消耗部分に含まれていたＩｒが揮発した後に、凝固して付着し成長して粒状となったと考えられる。なお、側面２００Ｓでは、貴金属チップの結晶粒界部分から優先的にして消耗しているように観察される（特に中央左部分ＥＡ参照）。
そして、この貴金属チップ２００を有するプラグの運転を継続すると、貴金属チップ２００がさらに大きく消耗する一方、粒状物２０１は互いに一体となって成長し、キノコのカサ部分のように垂れ下がるため、貴金属チップ２００の一部が剥離しかかっているかのような形状を呈する。このような形態となると、貴金属チップ２００の放熱性が低下し、さらに耐久性が低下する。さらに、この成長部分が欠損する場合もある。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明は、中心電極と、この中心電極との間で火花放電ギャップを構成する側方電極との少なくともいずれかは火花放電ギャップを臨む貴金属部材を含むスパークプラグについて、貴金属部材の火花消耗や酸化消耗、さらには異常消耗を抑制すると共に、貴金属部材の発汗現象をも抑制した、さらに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。
そしてその解決手段は、中心電極と、この中心電極の少なくとも側方に位置し、上記中心電極との間で火花放電ギャップを構成する側方電極と、を備えるスパークプラグであって、上記中心電極及び側方電極のうち少なくともいずれかは、上記火花放電ギャップを臨む貴金属部材を含み、上記貴金属部材は、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを６．５質量％以上４３質量％以下と、Ｒｕを５．２質量％以上４１質量％以下と、Ｎｉを０．４質量％以上１９質量％以下と、を含むスパークプラグである。
本発明のスパークプラグにおいて、中心電極及び側方電極のうち少なくともいずれかに含まれる貴金属部材は、高融点のＩｒを主成分としているために耐熱性が良好である。さらに、この貴金属部材には、Ｒｈが所定量添加されているので、高温時でもＩｒの揮発消耗を抑制することができる。また、この貴金属部材には、Ｎｉも所定量添加されているため、従来のスパークプラグでは貴金属部材にえぐれ状の異常消耗を生じる使用条件においても、異常消耗を生じることが抑制されている。
その上、この貴金属部材には、Ｒｕを所定量添加することによって、貴金属部材の消耗や粒状物の付着を生じる発汗現象の発生、及び、さらにこれが進行した剥離現象の発生を抑制し、これによる貴金属部材の消耗や変形を抑制している。
かくして、このスパークプラグでは、後述する耐久試験において、酸化消耗も異常消耗も発汗現象も抑制され、その消耗量が０．３ｍｍ以下となるほどに、耐久性良好とすることができる。
なお、本発明において、貴金属部材がＩｒを主成分とするとは、貴金属部材におけるＩｒの含有量が、５０質量％以上であることをいう。
また、貴金属部材には、Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉ以外の物質を含んでいても良い。
例えば、貴金属部材には、原材料としてＩｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉを用いるに当たって、不可避的に含まれる不可避不純物（例えば、Ｓｉ，Ｗなど）を僅かに含むことがある。
例えば、貴金属部材には、原材料としてＩｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉを用いるに当たって、不可避的に含まれる不可避不純物（例えば、Ｓｉ，Ｗなど）を僅かに含むことがある。
また、他の使用条件における優位性を確保する、例えば高温（９００℃以上）での耐酸化消耗性をさらに向上させるために、貴金属部材に、例えば、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｅ，Ｏｓを含めることができる。
あるいは、他の使用条件における優位性を確保する、例えばプラグ（貴金属部材）が比較的低温（６００℃程度）である場合において、耐酸化消耗性及び耐火花消耗性をさらに向上させるために、貴金属部材に、Ｓｒ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＨｆから選ばれる元素の酸化物（複合酸化物を含む）を含めることができる。特に、Ｙ２Ｏ３，Ｌａ２Ｏ３，ＴｈＯ２，ＺｒＯ２を用いるのが好ましい。
さらに、請求項１に記載のスパークプラグであって、前記貴金属部材が、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを６．５質量％以上３６質量％以下と、Ｒｕを５．２質量％以上３６質量％以下と、Ｎｉを０．４質量％以上１１質量％以下と、を含むスパークプラグとすると良い。
本発明では、スパークプラグにおける貴金属部材の組成を上記の範囲とすることによって、高い耐熱性を維持しつつ、酸化消耗、異常消耗を抑制し、さらに、発汗現象を抑制することができ、後述する耐久試験において、その消耗量が０．１５ｍｍ以下となるほどに、耐久性良好とすることができる。
さらに、請求項１に記載のスパークプラグであって、前記貴金属部材が、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを６．５質量％以上３１質量％以下と、Ｒｕを５．２質量％以上３１質量％以下と、Ｎｉを０．４質量％以上７質量％以下と、を含むスパークプラグとすると良い。
本発明では、スパークプラグにおける貴金属部材の組成を上記の範囲とすることによって、高い耐熱性を維持しつつ、酸化消耗、異常消耗を抑制し、さらに、発汗現象を抑制することができ、後述する耐久試験において、その消耗量が０．１０ｍｍ以下となるほどに、耐久性良好とすることができる。
さらに、請求項１に記載のスパークプラグであって、前記貴金属部材が、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを６．５質量％以上２２質量％以下と、Ｒｕを５．２質量％以上２４質量％以下と、Ｎｉを０．４質量％以上３．５質量％以下と、を含むスパークプラグとすると良い。
本発明では、スパークプラグにおける貴金属部材の組成を上記の範囲とすることによって、高い耐熱性を維持しつつ、酸化消耗、異常消耗を抑制し、さらに、発汗現象を抑制することができ、後述する耐久試験において、その消耗量が０．０５ｍｍ以下となるほどに、耐久性良好とすることができる。
さらに、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、前記貴金属部材が、Ｒｕを８質量％以上２０質量％以下含むスパークプラグとすると良い。
本発明では、高い耐熱性を維持し、酸化消耗、異常消耗を抑制し、後述する耐久試験において、その消耗量が０．３ｍｍ以下になるほどに、耐久性良好とすることができる。その上、スパークプラグにおける貴金属部材のうちＲｕの組成を上記の範囲とすることによって、貴金属部材の消耗や粒状物の付着を生じる発汗現象の発生、及び、さらにこれが進行した剥離現象の発生を効果的に抑制し、これによる貴金属部材の消耗や変形を効果的に抑制している。
さらに、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、前記貴金属部材が、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｅ，Ｏｓの少なくともいずれかを含むスパークプラグとすると良い。
本発明では、スパークプラグにおける貴金属部材に、さらに、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｅ，Ｏｓの少なくともいずれかを含ませることによって、さらに、貴金属部材の高温（９００℃以上）での酸化消耗を抑制することができる。
さらに、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、
前記貴金属部材が、Ｓｒ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＨｆから選ばれる元素の酸化物（複合酸化物を含む）を含むスパークプラグとすると良い。
前記貴金属部材が、Ｓｒ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＨｆから選ばれる元素の酸化物（複合酸化物を含む）を含むスパークプラグとすると良い。
本発明では、スパークプラグにおける貴金属部材に、さらに、Ｓｒ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＨｆから選ばれる元素の酸化物（複合酸化物を含む）を含ませる、これによって、さらに、貴金属部材の温度が比較的低温時（例えば６００℃程度）における貴金属部材の酸化消耗や火花消耗を効果的に抑制することができる。
なお、上述した元素の酸化物の含有量は０．５〜３質量％の範囲とするのが好ましい。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。一方、酸化物の含有量が３質量％を超えると、貴金属チップの耐熱性が却って損なわれてしまうことがある。
さらに、請求項７に記載のスパークプラグであって、前記貴金属部材が、Ｙ２Ｏ３，Ｌａ２Ｏ３，ＴｈＯ２，ＺｒＯ２の少なくともいずれかを含むスパークプラグとすると良い。
本発明では、スパークプラグにおける貴金属部材に、さらに、Ｙ２Ｏ３，Ｌａ２Ｏ３，ＴｈＯ２，ＺｒＯ２の少なくともいずれかを含ませる。これによって、貴金属部材の温度が比較的低温時（例えば６００℃程度）における貴金属部材の酸化消耗を、特に効果的に抑制することができる。
さらに、その他の解決手段としては、中心電極と、この中心電極の少なくとも側方に位置し、上記中心電極との間で火花放電ギャップを構成する側方電極と、を備えるスパークプラグであって、上記中心電極及び側方電極のうち少なくともいずれかは、上記火花放電ギャップを臨む貴金属部材を含み、上記貴金属部材は、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈと、Ｎｉと、Ｒｕを８質量％以上２０質量％以下含み、Ｒｕの含有量はＩｒに次いで多いスパークプラグである。
本発明のスパークプラグにおいて、中心電極及び側方電極（接地電極）のうち少なくともいずれかに固着される貴金属部材は、高融点のＩｒを主成分としているために耐熱性が良好である。さらに、この貴金属部材には、Ｒｈが添加されているので、高温時でもＩｒの揮発消耗を抑制することができる。また、この貴金属部材には、Ｎｉも添加されているため、従来のスパークプラグでは貴金属部材にえぐれ状の異常消耗を生じる使用条件においても、異常消耗を生じることが抑制されている。
その上、この貴金属部材には、Ｒｕを上記の範囲で添加することによって、貴金属部材の消耗や粒状物の付着を生じる発汗現象の発生、及び、さらにこれが進行した剥離現象の発生を効果的に抑制し、これによる貴金属部材の消耗や変形を効果的に抑制している。かくして、このスパークプラグでは、後述する耐久試験において、発汗現象の粒状物の付着している領域が５０％以下となり、かつ粒状物の大きさも抑制することができる。なお、本発明において、貴金属部材がＩｒを主成分とするとは、貴金属部材におけるＩｒの含有量が、５０質量％以上であることをいう。
さらに、請求項９に記載のスパークプラグであって、前記貴金属部材は、Ｎｉを０．４質量％以上Ｒｕの含有量未満含むスパークプラグとすると良い。
本発明では、貴金属部材に、Ｎｉが０．４質量％以上添加することにより、異常消耗を十分に抑制することができる。一方、Ｎｉの含有量がＲｕの含有量未満となることで、消耗量を十分に抑制することができる。
さらに、請求項９または請求項１０に記載のスパークプラグであって、前記貴金属部材は、Ｒｈを６．５質量％以上Ｒｕの含有量以下含むスパークプラグとすると良い。
本発明では、貴金属部材に、Ｒｈが６．５質量％以上添加することにより、酸化消耗を十分に抑制することができる。一方、Ｒｈの含有量がＲｕの含有量以下となることで、消耗量を十分に抑制することができる。
本発明の実施の形態にかかるスパークプラグを、図１，図２を参照して説明する。図１は本実施形態にかかるスパークプラグ１００の縦断面図であり、図２（ａ）はスパークプラグ１００のうち、火花放電ギャップＧ近傍部分の拡大半断面図、（ｂ）はさらにその要部の拡大断面図である。
本実施形態のスパークプラグ１００は、いわゆる抵抗体入りスパークプラグである。スパークプラグ１００は、筒状の主体金具１と、この主体金具１から先端部２１が突出するようにして、主体金具１の内側に嵌め込まれた絶縁体２とを有する。また、このプラグ１００は、絶縁体２内に挿通され、先端（図中下方）の第１放電部３１を絶縁体２の先端部２１から突出させた状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３を有している。
この中心電極３は、スパークプラグ１００の中心軸１００Ｘに沿って延び、ＣｕまたはＣｕ合金など熱伝導率の良好な金属からなる芯体３５と、これを包囲する中心電極本体３２と、及びこの中心電極本体３２の本体先端面（図中下端面）３２Ｔに、第１溶接部３４によって溶接された第１貴金属チップ３３とを有している。この第１貴金属チップ３３は、０．６ｍｍφ×０．８ｍｍｔの円柱形状であり、中心電極３において、主として火花放電が生じる第１放電部３１をなす。また、この第１貴金属チップ３３の第１チップ先端面（図中下端面）３３Ｔは、次述する側方電極４と対向して、第１放電部３１の第１放電面３１Ｔをなす。
また、プラグ１００は、主体金具１の先端面（図中下面）１Ｔに接続されて、中心電極３の側方（図中左側）に位置する側方電極（接地電極）４を有している。この側方電極４は、基端側の接続部４２Ｒで主体金具１の先端面１Ｔに溶接され、先端側が中心軸１００Ｘ（中心電極３）側に略Ｌ字状となるように屈曲された側方電極本体４２を備える。さらに、側方電極本体４２のうち、中心電極３側の内側面４２Ｓには、第２溶接部４４を介して側方電極本体４２に溶接された第２貴金属チップ４３を有している。この第２貴金属チップ４３は、０．７ｍｍφ×０．３ｍｍｔの円板形状であり、図２（ｂ）に示すように、プラグ１００の中心軸１００Ｘ上に配置されており、側方電極４において、主として火花放電が生じる第２放電部４１をなす。また、その第２チップ先端面４３Ｔ（図中上端面）は、中心電極３の第１放電面３１Ｔ（第１貴金属チップ３３の第１チップ先端面３３Ｔ）と対向しており、第２放電部４１の第２放電面４１Ｔをなす。
かくして、中心電極３の第１放電部３１と側方電極４の第２放電部４１（第１放電面３１Ｔと第２放電面４１Ｔ）との間で火花放電ギャップＧが形成される。従って、中心電極３の第１放電部３１（第１貴金属チップ３３）、及び側方電極４の第２放電部４１（第２貴金属チップ４３）は、いずれも、火花放電ギャップＧを臨み、このギャップＧを構成している。
また、側方電極４は、主体金具１を通じて図示しないエンジンブロックに導通されることから、接地電位とされる。
主体金具１は、低炭素鋼等の金属からなり、円筒状に形成されて、スパークプラグ１００のハウジングを構成する。主体金具１の外周面には、スパークプラグ１００を図示しないエンジンブロックに取付けるための雄ネジ部１１が形成されている。
絶縁体２は、例えばアルミナあるいは窒化アルミニウム等のセラミック焼結体からなり、その内部に自身の軸線方向（図中上下方向）に沿って貫通する貫通孔２Ｈを有する筒状体である。貫通孔２Ｈ内のうち、一方端側（図中上方）には、略棒状の端子金具５が挿入、固定されている。また、同じく他方端側（図中下方）には、前述したように、中心電極３が挿入・固定されている。また、この貫通孔２Ｈ内において、端子金具５と中心電極３との間には抵抗体６が配置されている。この抵抗体６の両端部は、導電性ガラスシール層７，８を介して中心電極３と端子金具５とにそれぞれ電気的に接続されている。かくして、端子金属５と中心電極３とが抵抗体６を介して電気的に接続されている。
中心電極３のうち、中心電極本体３２は、例えばＩＮＣＯＮＥＬ６００（英国ＩＮＣＯ社の商標）等のＮｉ系耐熱合金、又はＦｅ系耐熱合金からなる。また、側方電極４のうち、側方電極本体４２は、例えばＩＮＣＯＮＥＬ６００、ＩＮＣＯＮＥＬ６０１等のＮｉ系耐熱合金からなる。
本実施形態のプラグ１００は、図１，図２に示すように、絶縁体の先端部２１から中心電極本体３２の一部が突出し、さらにその先端に第１貴金属チップ３３が溶接されている構造となっている。このため、第１貴金属チップ３３から熱引きのための芯体３５までの距離が大きくなりがちである。このため、このプラグ１００を使用すると、この第１貴金属チップ３３（第１放電部３１）に流入した熱が放熱されにくく、第１貴金属チップ３３の温度が高くなりやすい。
また、第２貴金属チップ４３（第２放熱部４１）は、Ｃｕ等に比して熱伝導率の低いＮｉ合金系耐熱合金からなる側方電極本体４２に固着されているので、この第２貴金属チップ４３も、放熱されにくく、使用時に温度が高くなりやすい。
なお、第２貴金属チップ４３の放熱性を改善するため、側方電極本体４２として、内部にＣｕやＣｕ合金からなる芯体を有するものを用いることもできる。
いずれにしても、第１貴金属チップ３３，第２貴金属チップ４３が高温になりやすいため、プラグ１００では、火花放電による消耗の他、高温下におけるＩｒの酸化揮発による酸化消耗や異常消耗等を考慮した組成の貴金属チップを用いることが求められる。
そこで、本実施形態では、図３の表に示すように、第１，第２放電部３１，４１をなす第１，第２貴金属チップ３３，４３に、主成分としてＩｒを含有するほか、Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉを各種の組成比で含有するＩｒ基合金を合計２５種製作し、同数種類の供試プラグ１００を製作した。なお、各供試プラグとも、第１貴金属チップ３３と第２貴金属チップ４３とには、同じ組成の貴金属を用いている。
第１，第２貴金属チップ３３，４３は、その組成に応じて、溶解法あるいは焼結法によって形成した。このうち、溶解法は、原料となる貴金属粉末を所期の比率で配合し、これを一旦溶解した後に冷却して合金インゴットを形成する。具体的な溶解方法としては、アーク溶解によった。なお、その他の溶解手法としては、例えば、プラズマビーム溶解、高周波誘導溶解等が挙げられる。また、水冷鋳型等を用いて貴金属合金の液体（湯）を鋳造し、急冷インゴットとすれば、合金の偏析を低減することができるため、この方法を採用することもできる。
その後、得られた貴金属合金のインゴッドを、熱間鍛造によりロッド状に加工した後、溝付圧延ロールによる熱間圧延と、熱間スエージングによりさらに縮径して、最終的に熱間伸線により所望の線径の貴金属線材に加工する。その後、この貴金属線材を所望の厚さとなるように切断し、第１，第２貴金属チップ３３，４３を得た。
なお、貴金属合金のインゴットから、第１，第２貴金属チップ３３，４３を得るには、上記のほか、熱間鍛造、熱間圧延及び熱間伸線の１種又は２種以上の組合せにより線状あるいはロッド状の素材に加工した後、これを長手方向に所定長さに切断して形成すればよい。
あるいは、貴金属合金のインゴッドを、熱間圧延により板状に加工し、その板材を熱間打抜加工により所定のチップ形状に打ち抜いて形成することもできる。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、これをプレスあるいは平ダイスで圧縮して、扁平状あるいは円柱状の第１，第２貴金属チップ３３，４３とすることもできる。
一方、焼結法は、所望の組成に配合しＰＶＡ（バインダ）を添加した貴金属粉末を金型プレス成形によって圧縮成形したあと、水素雰囲気下、約１０００℃で仮焼してバインダを除去する。その後、同じく水素雰囲気下、約２１００℃で本焼成して、合金インゴッドを製作する。なお、仮焼、本焼成とも水素雰囲気下で行ったが、アルゴン雰囲気や真空中で行うこともできる。また、貴金属粉末をＣＩＰ成型によって圧縮成型することもできる。また、ＨＩＰ成形によって圧力を掛けつつ焼結することもできる。図３に示す表には、貴金属合金を溶解法及び焼結法のいずれによって得たかを記載してある。具体的には、番号１〜２２のプラグに用いた貴金属チップは、溶解法によって製造し、番号２３〜２５のプラグに用いた貴金属チップは、焼結法によって製造した。
また、供試プラグ１００は、公知の手法によって製作した。具体的には、まず、中心電極本体３２に第１貴金属チップ３３を溶接する。さらに詳細には、中心電極本体３２の先端面３２Ｔに、円板状の第１貴金属チップ３３を重ね合わせる。次いで、その第１チップ側面３３Ｓのうち中心電極本体３２との接触部分の近傍を、一周に亘りレーザ光線を照射して溶接し、リング状に第１溶接部３４を形成する。かくして、中心電極本体３２の先端面３２Ｔに、第１貴金属チップ３３が溶接される（図２（ｂ）参照）。
なお、中心電極本体３２及び第１貴金属チップ３３の材質、寸法等を考慮し、レーザ溶接以外のエネルギー線溶接、例えば電子ビーム溶接によることもできる。また、電気抵抗溶接によって、第１貴金属チップ３３の端面全面を溶解して、中心電極本体３２に溶接することもできる。
その後、第１貴金属チップ３３及び中心電極本体３２の一部が絶縁体２の先端部２１から突出するようにして、中心電極３を絶縁体２の貫通孔２Ｈ内に挿入する。さらに、中心電極３の後端側にシール用ガラス、抵抗体６，シール用ガラス、端子金具５をこの順に挿入した後に加熱する。これにより、シール用ガラスが溶融して導電性ガラスシール層７，８となり、中心電極３，抵抗体６及び端子金具５が貫通孔２Ｈ内に固着される。
次いで、絶縁体２に、屈曲されていない側方電極４が溶接された主体金具１を組み付け、さらに側方電極４に第２貴金属チップ４３を溶接する。具体的には、まっすぐに延びた側方電極本体４２の内側面４２Ｓの所定位置に、抵抗溶接によって、第２溶接部４４を形成する。その後、側方電極４を屈曲させる。さらに、第２チップ先端面４３Ｔが第１チップ先端面３３Ｔに対向し、かつ、所定の大きさの火花放電ギャップＧされるように、側方電極本体４２の屈曲状態を調整してプラグ１００を完成した。
なお、第２貴金属チップ４３は、上述したように抵抗溶接によって側方電極本体４２に接続するほか、レーザ溶接で溶接したり、抵抗溶接の後にさらにレーザ溶接を行って側方電極本体４２に接続することもできる。
上述の供試プラグ１００を、以下の実験に供した。実験の具体的内容は、以下である、即ち、排気量２０００ｃｃのガソリンエンジン（６気筒）にそれぞれスパークプラグ１００を取り付け、スロットル全開状態、エンジン回転数５０００ｒｐｍの状態を維持し、累積３００時間の運転を行った。なお、燃料は無鉛ガソリンを使用し、中心電極の先端温度は９００℃であった。また、各スパークプラグの火花放電ギャップＧについては試験当初に１．１ｍｍに設定してある。
試験後、火花放電ギャップＧを測定し、第１，第２貴金属チップ３３，４３（以下単に、貴金属チップ３３等ともいう）の消耗量を算出すると共に、貴金属チップ３３等における異常消耗（エグレ）の有無、発汗現象の有無について、光学顕微鏡により目視検査し、図３の表に示す結果を得た（図４参照）。
また、上記貴金属チップ３３と同じ組成の貴金属試料を用いて、以下の試験によって酸化消耗の有無を調査した。すなわち、第１，第２貴金属チップ３３、４３と同じ組成の貴金属試料を、大気中において１１００℃に加熱し、２０時間放置する。そして、この試験前後の貴金属試料の重量を計測し、その重量残存率を計測した。
図３の表において、「組成」欄は、供試プラグ１００に使用した第１，第２貴金属チップの組成を示す。各元素及び酸化物に付された数字は、当該元素（又は酸化物）の組成比（質量％）を示す。例えば、番号１の貴金属チップの組成（Ｉｒ−０．２Ｒｈ−６Ｒｕ−１Ｎｉ）は、Ｒｈを０．２質量％、Ｒｕを６．０質量％、Ｎｉを１．０質量％含有し、残部がＩｒであることを示している。
また、「消耗量」欄は、スパークプラグについて試験当初からの火花放電ギャップＧの増加量を示す。なお火花放電ギャップＧは、第１放電面３１Ｔと第２放電面４１Ｔとの間の最小距離である。また、図３の表では、消耗量を、以下のようにして、○，●，□，△，×の５区分に分けて示した。ここで、「○」は、消耗量が０．０５ｍｍ以下の場合を、「●」は消耗量が０．０５ｍｍを越え０．１０ｍｍ以下の場合を、「□」は消耗量が０．１０ｍｍを越え０．１５ｍｍ以下の場合を、「△」は消耗量が０．１５ｍｍを越え０．３０ｍｍ以下の場合を、「×」は消耗量が０．３０ｍｍを越えたことを示している。
また、表における「酸化」欄は、酸化消耗に関する評価を示し、上述の重量残存率が９０％以上のときは「○」とし、重量残存率が９０％未満のときは「×」とした。また、「エグレ」欄は、貴金属チップ側面３３Ｓ，４３Ｓの一部が選択的に消耗してえぐれ状となる異常消耗の評価を示し、異常消粍の発生していないときには「○」、異常消耗が発生している場合には「×」とした。さらに、「発汗」欄は、貴金属チップの一部に粒状物が生じる一方、他の部分が消耗する発汗現象の有無を示し、貴金属チップ側面３３Ｓ，４３Ｓの面積のうち、粒状物の付着している領域が５０％以下のときは「○」（さらに、「○」のうち粒状物の大きさが小さいものが「◎」）、粒状物の付着領域が５０％を越える場合には「×」とした。
この図３の表によれば、酸化消耗（「酸化」欄）については、番号１のプラグのみ「×」と評価され、酸化消耗が発生したことが判る。その理由は、番号１のプラグに用いた貴金属チップ３３等の組成が、Ｉｒ−０．２Ｒｈ−６Ｒｕ−１Ｎｉであり、Ｒｈ含有量が少ないために、Ｉｒの酸化揮発を十分抑制することができず、貴金属チップに酸化消耗が生じたものと解される。つまり、この結果は、Ｒｈ含有量が０．２質量％では、酸化消耗抑制には足りないことを示している。
なお、この酸化消耗が生じると、貴金属チップ３３等が第１，第２放電面３１Ｔ，４１Ｔ側から消耗するため、番号１のプラグは消耗量も０．３２ｍｍと大きな値となり、消耗量の評価でも「×」と評価されている。
また、異常消耗（「エグレ」欄）については、番号２０のプラグのみ「×」と評価され、異常消耗が生じたことが判る。その理由は、番号２０のプラグに用いた貴金属チップ３３等の組成が、Ｉｒ−８Ｒｈ−１１Ｒｕ−０．２Ｎｉであり、Ｎｉ含有量が少ないために、貴金属チップの異常消耗を十分抑制することができず、貴金属チップにエグレ状の異常消耗が生じたものと解される。つまり、この結果は、Ｎｉ含有量が０．２質量％では、異常消耗抑制には足りないことを示している。
但し、この異常消耗を発生しても、貴金属チップ３３等の第１，第２放電面３１Ｔ，４１Ｔ側はさほど消耗しないため、番号２０のプラグの消耗量は０．０８ｍｍと小さな値となり、消耗量の評価では「○」の評価がなされている。
また、発汗現象（「発汗」欄）については、番号１０のプラグのみ「×」と評価され、発汗現象が大きく生じたことが判る。その理由は、番号１０のプラグに用いた貴金属チップ３３等の組成が、Ｉｒ−８Ｒｈ−３Ｒｕ−１Ｎｉであり、Ｒｕ含有量が少ないために、貴金属チップの発汗現象を十分抑制することができず、貴金属チップに大きな発汗現象が生じたものと解される。つまり、この結果は、Ｒｕ含有量が３．０質量％では、発汗現象抑制には足りないことを示している。
但し、この発汗現象を生じても、貴金属チップ３３等の第１，第２放電面３１Ｔ，４１Ｔ側はさほど消耗しないため、番号１０のプラグの消耗量は０．１３ｍｍの比較的小さな値となり、消耗量の評価では「△」の評価がなされている。
一方、番号１２〜１５、２０〜２５のプラグは「◎」と評価され、発汗が抑制されたことが分かる。これにより、Ｒｕの含有量が８〜２０質量％であって、Ｒｕの含有量がＮｉよりも多く、Ｒｕの含有量がＲｈよりも多い、つまり、Ｒｕの含有量が上記範囲で、且つ、Ｉｒに続いて多いことで、有効に発汗現象を抑制していることが分かる。
さらに、消耗量に関する結果をグラフ１〜３（図４〜図６）に示す。
図４に示すグラフ１は、図３の表に示す実施例及び比較例のうち、Ｉｒ−αＲｈ−６Ｒｕ−１Ｎｉで表される組成を持つ貴金属チップ３３等を用いた供試プラグ１００（番号１〜９）について、Ｒｈの含有量αと消耗量との関係を示すグラフである。
このグラフ１を参照すると、消耗量を０．３０ｍｍ以下（「△」以上の評価）とするには、貴金属チップ３３等におけるＲｈの含有量αを、６．５質量％以上、４３質量％以下とすると良いことが判る。
一方、図５に示すグラフ２は、図３の表に示す実施例及び比較例のうち、Ｉｒ−８Ｒｈ−βＲｕ−１Ｎｉで表される組成を持つ貴金属チップ３３等を用いたプラグ１００（番号１０〜１９）について、Ｒｕの含有量βと消耗量との関係を示すグラフである。
このグラフ２を参照すると、消耗量を０．３０ｍｍ以下（「△」以上の評価）とするには、貴金属チップ３３等におけるＲｕの含有量βを、４３質量％以下とすると良いことが判る。一方、上述したように、発汗現象を考慮すると、Ｒｕ含有量が３．０質量％（番号１０参照）では足りない。しかし、５．２質量％とした場合（番号１１参照）には、発汗現象が生じなかったことから、Ｒｕの含有量βを５．２質量％以上とすると良いことが判る。
さらに、図６に示すグラフ３は、図３の表に示す実施例及び比較例のうち、Ｉｒ−８Ｒｈ−１１Ｒｕ−γＮｉで表される組成を持つ貴金属チップ３３等を用いたプラグ１００（番号１２，２０〜２５）について、Ｎｉの含有量γと消耗量との関係を示すグラフである。
このグラフ３を参照すると、消耗量を０．３０ｍｍ以下（「△」以上の評価）とするには、貴金属チップ３３等におけるＮｉの含有量γを、１９質量％以上とすると良いことが判る。一方、上述したように、異常消耗を考慮すると、Ｎｉ含有量が０．２質量％（番号２０参照）では足りない。しかし、０．４質量％とした場合（番号２１参照）には、異常消耗が生じなかったことから、０．４重量％以上とすると良いことが判る。
従って、これらから、前述の耐久試験における貴金属チップ３３等の消耗量を０．３０ｍｍ以下に抑制できるほど、耐久性が高く、酸化消耗、異常消耗、発汗現象を抑制することができるようにするには、貴金属チップ３３等の組成として、Ｉｒを主成分とし、６．５質量％以上４３質量％以下のＲｈと、５．２質量％以上４１質量％以下のＲｕと、０．４質量％以上１９質量％以下のＮｉと、を含有するものが適切であることがわかる。
同様に、図４〜図６に示すグラフ１〜３によれば、貴金属チップ３３等の消耗量を０．１５ｍｍ以下（「□」以上の評価）とするには、貴金属チップ３３等におけるＲｈ含有量αを６．５質量％以上３６質量％以下とすると良いことが判る。また、Ｒｕ含有量βを３６質量％以下とすることがよいことが判る。ここで、上述のように発汗現象をも考慮すれば、Ｒｕ含有量βを５．２質量％以上３６質量％以下とすることがよいことが判る。また、Ｎｉ含有量γを１１質量％以下とすることがよいことが判る。ここで、上述のように異常消耗をも考慮すれば、Ｎｉ含有量γを０．４重量％以上１１質量％以下とすることがよいことが判る。
かくして、これらから、前述の耐久試験における貴金属チップ３３等の消耗量を０．１５ｍｍ以下に抑制できるほど、耐久性が高く、酸化消耗、異常消耗、発汗現象を抑制することができるようにするには、貴金属チップ３３等の組成として、Ｉｒを主成分とし、６．５質量％以上３６質量％以下のＲｈと、５．２質量％以上３６質量％以下のＲｕと、０．４質量％以上１１質量％以下のＮｉと、を含有するものが適切であることがわかる。
さらに、図４〜図６に示すグラフ１〜３によれば、貴金属チップ３３等の消耗量を０．１０ｍｍ以下（「●」以上の評価）とするには、貴金属チップ３３等におけるＲｈ含有量αを６．５質量％以上３１質量％以下とすると良いことが判る。また、Ｒｕ含有量βを３１質量％以下とすることがよいことが判る。ここで、上述のように発汗現象をも考慮すれば、Ｒｕ含有量βを５．２質量％以上３１質量％以下とすることがよいことが判る。また、Ｎｉ含有量γを７質量％以下とすることがよいことが判る。ここで、上述のように異常消耗をも考慮すれば、Ｎｉ含有量γを０．４重量％以上７質量％以下とすることがよいことが判る。
かくして、これらから、前述の耐久試験における貴金属チップ３３等の消耗量を０．１０ｍｍ以下に抑制できるほど、耐久性が高く、酸化消耗、異常消耗、発汗現象を抑制することができるようにするには、貴金属チップ３３等の組成として、Ｉｒを主成分とし、６．５質量％以上３１質量％以下のＲｈと、５．２質量％以上３１質量％以下のＲｕと、０．４質量％以上７質量％以下のＮｉと、を含有するものが適切であることがわかる。
さらに、図４〜図６に示すグラフ１〜３によれば、貴金属チップ３３等の消耗量を０．０５ｍｍ以下（「○」の評価）とするには、貴金属チップ３３等におけるＲｈ含有量αを６．５質量％以上２２質量％以下とすると良いことが判る。また、Ｒｕ含有量βを２４質量％以下とすることがよいことが判る。ここで、上述のように発汗現象をも考慮すれば、Ｒｕ含有量βを５．２質量％以上２４質量％以下とすることがよいことが判る。また、Ｎｉ含有量γを３．５質量％以下とすることがよいことが判る。ここで、上述のように異常消耗をも考慮すれば、Ｎｉ含有量γを０．４重量％以上３．５質量％以下とすることがよいことが判る。
かくして、これらから、前述の耐久試験における貴金属チップ３３等の消耗量を０．０５ｍｍ以下に抑制できるほど、耐久性が高く、酸化消耗、異常消耗、発汗現象を抑制することができるようにするには、貴金属チップ３３等の組成として、Ｉｒを主成分とし、６．５質量％以上２２質量％以下のＲｈと、５．２質量％以上２４質量％以下のＲｕと、０．４質量％以上３．５質量％以下のＮｉと、を含有するものが適切であることがわかる。
なお、耐久試験後の第１貴金属チップ３３の形態例として、番号１２にかかるプラグの第１貴金属チップ３３の写真及び説明図を、図７，図８に示す。
図９、図１０に示す写真及び説明図と対比すれば容易に理解できるように、この番号１２のプラグの第１貴金属チップ３３は、その第１チップ先端面３３Ｔ（図中上面）と、第１チップ側面３３Ｓとの角部も丸くなっておらず、耐久試験による火花消耗や酸化消耗が極めて少ないことが判る。また、第１チップ側面３３Ｓは、ほぼ円柱形状を保っており、この第１チップ側面３３Ｓにはエグレ状に生じる異常消耗の発生も認められない。さらに、粒状物の付着もごく僅かであり、発汗現象もほとんど生じていないことが判る。かくして、Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉをそれぞれ上述の含有量とすることで、消耗量を抑制し、酸化消耗や異常消耗、さらには発汗現象の抑制をも可能となることが判る。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２００３年５月２８日出願の日本特許出願（特願２００３−１５１１０２）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は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、上述の実施形態では、中心電極本体３２に第１貴金属チップ３３を溶接し、側方電極本体４２に第２貴金属チップ４３を溶接したプラグ１００を用いた。しかし、貴金属チップを用いず、例えば、側方電極４全体を所定の組成を有する貴金属で構成することもできる。
また、上述の実施形態では、中心電極本体３２と側方電極本体４２の両者にそれぞれ貴金属チップ３３等を設けたプラグ１００を用いた。しかし、両者のいずれかにのみ貴金属チップを設けたプラグについても、適用することができる。
あるいは、上述の実施形態では、第１貴金属チップ３３と第２貴金属チップ４３とに、同一組成の貴金属を用いた。しかし、中心電極３と側方電極４との違いを考慮して、これらの接続する貴金属チップの組成を異ならせてもよい。さらに、第１貴金属チップ３３と第２貴金属チップ４３とに、異なる組成を用いた場合において、両者を本発明の範囲内とするのが好ましいが、一方のみを本発明の範囲内の組成とすることもできる。
さらに、上述の実施形態では、プラグ１００として、中心電極３よりも側方電極４の方が前方（図１，図２において下方）に位置する形態のプラグを用いた。しかし、中心電極や側方電極の形態が異なる他の形式のプラグに適用することもできる。例えば、いわゆる沿面放電タイプや、セミ沿面放電タイプと呼ばれ、中心電極の側面と側方電極の先端面とが対向するタイプのプラグにも、具体的には火花放電ギャップを臨む貴金属部材の組成にも、本発明を適用することができる。
１００はスパークプラグ、１００Ｘは（スパークプラグの）中心軸、１は主体金具、１Ｔは先端面、１１は雄ネジ部、２は絶縁体、２１は先端部、２Ｈは貫通孔、３は中心電極、３１は第１放電部、３１Ｔは第１放電面、３２は中心電極本体、３２Ｔは本体先端面、３３は第１貴金属チップ、３３Ｔは第１チップ先端面、３３Ｓは第１チップ側面、３４は第１溶接部、３５は芯体、４は側方電極、４１は第２放電部、４１Ｔは第２放電面、４２は側方電極本体、４２Ｒは接続部、４２Ｓは内側面、４３は第２貴金属チップ、４３Ｔは第２チップ先端面、４３Ｓは第２チップ側面、４４は第２溶接部、Ｇは火花放電ギャップ、５は端子金具、６は抵抗体、７，８は導線性ガラスシール層である。
Claims (11)
- 中心電極と、
この中心電極の少なくとも側方に位置し、上記中心電極との間で火花放電ギャップを構成する側方電極と、を備えるスパークプラグであって、
上記中心電極及び側方電極のうち少なくともいずれかは、上記火花放電ギャップを臨む貴金属部材を含み、
上記貴金属部材は、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを６．５質量％以上４３質量％以下と、Ｒｕを５．２質量％以上４１質量％以下と、Ｎｉを０．４質量％以上１９質量％以下と、を含む
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、
前記貴金属部材が、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを６．５質量％以上３６質量％以下と、Ｒｕを５．２質量％以上３６質量％以下と、Ｎｉを０．４質量％以上１１質量％以下と、を含む
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、
前記貴金属部材が、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを６．５質量％以上３１質量％以下と、Ｒｕを５．２質量％以上３１質量％以下と、Ｎｉを０．４質量％以上７質量％以下と、を含む
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、
前記貴金属部材が、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを６．５質量％以上２２質量％以下と、Ｒｕを５．２質量％以上２４質量％以下と、Ｎｉを０．４質量％以上３．５質量％以下と、を含む
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、
前記貴金属部材が、Ｒｕを８質量％以上２０質量％以下含む
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、
前記貴金属部材が、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｅ，Ｏｓの少なくともいずれかを含む
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、
前記貴金属部材が、Ｓｒ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔｉ，Ｚｒ及びＨｆから選ばれる元素の酸化物（複合酸化物を含む）を含む
スパークプラグ。 - 請求項７に記載のスパークプラグであって、
前記貴金属部材が、Ｙ２Ｏ３，Ｌａ２Ｏ３，ＴｈＯ２，ＺｒＯ２の少なくともいずれかを含む
スパークプラグ。 - 中心電極と、
この中心電極の少なくとも側方に位置し、上記中心電極との間で火花放電ギャップを構成する側方電極と、を備えるスパークプラグであって、
上記中心電極及び側方電極のうち少なくともいずれかは、上記火花放電ギャップを臨む貴金属部材を含み、
上記貴金属部材は、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈと、Ｎｉと、Ｒｕを８質量％以上２０質量％以下含み、Ｒｕの含有量はＩｒに次いで多い
スパークプラグ。 - 請求項９に記載のスパークプラグであって、
前記貴金属部材は、Ｎｉを０．４質量％以上Ｒｕの含有量未満含む
スパークプラグ。 - 請求項９または請求項１０に記載のスパークプラグであって、
前記貴金属部材は、Ｒｈを６．５質量％以上Ｒｕの含有量以下含む
スパークプラグ。
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