JP5154552B2 - スパークプラグ電極用プラチナ合金及びプラチナ合金電極を有しているスパークプラグ - Google Patents

Description

本出願は、スパークプラグ電極用の合金、及びプラチナ合金電極を有しているスパークプラグに関する。

本特許出願は、２００６年７月２４日出願の、米国仮特許出願第６０／８３２，８３９号の優先権を請求し、同仮出願の開示内容を参考文献としてここに援用する。
内燃機関におけるスパークプラグに関する主たる摩耗のメカニズムは、高火花電圧による高温において酸化し易い状態で使用することに起因する電極の不具合である。通常はプラチナの含有率が高い合金である貴金属合金が、先に述べたメカニズムによって生じる浸食に耐えるために使用されている。熱応力がより厳しい側電極で使用する場合は、プラチナ合金は、貴金属とニッケル合金ベース電極の間の溶接接合部に掛かる熱応力を下げるのに役立つ金属を含んでいなければならない。現下のプラチナ合金は、プラチナ強化部が上面に溶着されているニッケルベース電極の熱膨張（ＣＴＥ）係数に、良好に適合させるため、１０％のニッケルを有している。近年、プラチナの価格は、１００％も上昇してきている。

このような次第で、スパークプラグ電極用の、より低コストで、更に耐久性を有するプラチナ合金を提供することが所望されている。

米国仮特許出願第６０／８３２，８３９号 米国特許第５，４５６，６２４号 米国特許第４，８４０，５９４号 米国特許第４，７０５，４８６号 米国特許第４，７２５，２５４号 米国特許第４，８１０，２２０号 米国特許第５，０９１，６７２号 米国特許第５，６９７，３３４号 米国特許第５，９１８，５７１号 米国特許第５，９８０，３４５号 米国特許第５，９７３，４４３号 米国特許第６，０４５，４２４号 米国特許第６，０７１，１６３号 米国特許第６，１０４，１３０号

ここに開示しているのは、スパークプラグ電極用のプラチナ合金である。或る非限定的且つ例示的な実施形態では、合金は、２３−２５重量パーセントのパラジウム、１０重量パーセントのイリジウムを含んでおり、残りがプラチナである。別の非限定的且つ例示的な実施形態では、合金は、２３−３５重量パーセントのパラジウム、０−１０重量パーセントのイリジウム、０−５重量パーセントのニッケルを含んでおり、残りがプラチナである。

１つの例示的な実施形態では、スパークプラグの側接地電極又は中央電極の何れかの電極先端として使用するためのプラチナ合金が提供されており、プラチナベース合金は、合金の総重量を基準に、少なくとも２０重量％のパラジウムと、０から３０重量％の添加金属と、残りのプラチナ合金とを含んでいる。別の例示的な実施形態では、或るスパークプラグが提供されており、このスパークプラグは、絶縁シェルと、絶縁シェルの内側の、一方の端部が絶縁シェルから突出している中央電極と、絶縁シェルの外側の金属シェルと、一端が金属シェルと連結されており、他端が中央電極の突出している端部と面していて中央電極との間にスパーク放電間隙を形成している、側接地電極と、側接地電極又は中央電極の少なくとも一方に固定されており、スパーク放電間隙に配置されている電極先端部であって、合金の総重量を基準に、少なくとも２０重量パーセントのパラジウムと、０から３０重量％の添加金属と、残りのプラチナとを含んでいるプラチナベース合金を備えている、電極先端部と、を備えている。

更に別の例示的な実施形態では、或るスパークプラグが提供されている。このスパークプラグは、絶縁シェルと、絶縁シェルの内側の、一方の端部が絶縁シェルから突出している中央電極と、絶縁シェルの外側の金属シェルと、一端が金属シェルと連結されており、他端が中央電極の突出している端部と面していて中央電極との間にスパーク放電間隙を形成している、側接地電極と、側接地電極又は中央電極の少なくとも一方の上に在り、スパーク放電間隙に配置されている電極先端部であって、２３−３５重量パーセントのパラジウムと、０から１０重量％までのイリジウムと、残りのプラチナとを含んでいるプラチナベース合金である、電極先端部と、を備えている。

本出願に関する上記及びその他の特徴及び利点は、当業者には、以下の詳細な説明、図面、及び特許請求の範囲から認識及び理解頂けるであろう。

本発明の例示的な実施形態によって構築されたプラチナベース電極先端部を有しているスパークプラグの断面図である。 本発明の１つの例示的な実施形態によって形成された中央電極の断面図である。 本発明の１つの例示的な実施形態によって形成された電極先端部の側面図である。

本発明の例示的な実施形態によれば、プラチナ合金のプラチナの量は、削減され、パラジウムに、そして随意的には、イリジウム、ニッケル、ルテニウム、タングステン、又はそれらの組み合わせの様な１つ又はそれ以上の添加金属に置き換えられている。１つの例示的な実施形態では、添加金属は、イリジウムである。而して、熱膨張係数（ＣＴＥ）を、電極先端部が固定されている基材（例えば、中央電極又は１つ又は複数の側電極の電極のニッケル）の膨張係数近くに保ちながら、合金内のプラチナの量を削減している。別の実施形態では、電極先端部の製造に用いられる従来技術のプラチナベース合金の熱膨張係数と同等又はそれに近い熱膨張係数を維持しながら、合金内のプラチナの量を削減しており好都合である。いくつかの事例では、その様な従来技術のプラチナベース合金は、合金の総重量を基準に、重量８０％以上のプラチナを有しており、いくつかの事例では、合金の総重量を基準にして、９０重量％以上のプラチナを有しており、合金の総重量を基準にして、９０重量％より多いことが望ましい。

より低コストのプラチナ族金属、即ちイリジウム及びルテニウムを使用して希釈されたプラチナ合金を作ろうとする以前の試みから、ニッケルは、ＣＴＥを適合させる目的で容易には合金化できないことが分かった。更に、イリジウム及びルテニウムの様な基本的により低コストのプラチナ族金属を使用して希釈されたプラチナ合金を作ろうとする以前の試みでは、結果的に、特に基礎となるニッケルの中央又は側電極に関して、所望のＣＴＥを有していない合金になった。

本発明の例示的な実施形態によれば、パラジウム（別のプラチナ族金属）が、ニッケルに非常に近いＣＴＥを有しているので、主要な希釈物質として用いられている。このやり方は、プラチナ合金強化部とそれが固定されているベースニッケル合金との間の熱膨張比応力を最小化している。更に、パラジウムとイリジウムは、良好な耐酸化性と高い融解温度を有する低コストの金属であり、これは、スパークプラグの用途では特に有益である。

本発明の例示的な実施形態によれば、本発明の例示的な実施形態のプラチナ合金類の何れかで形成されている球、カットワイヤ／円筒又はリベットが、電極先端部として形成されており、ニッケルベース合金電極に抵抗溶接されている。ここで言うニッケルベース電極は、ニッケルベースの電極を含んでいるので、電極のニッケル合金のＣＴＥに近いＣＴＥを有する電極先端部を有しているのが望ましい。或いは、電極先端部、特に全てが又は実質的に全てがプラチナの電極先端部に従来用いられていた先行技術によるプラチナ合金のＣＴＥに近いＣＴＥを有する電極先端部を有していることが望ましい。当然のことながら、プラチナ合金電極先端部を電極へ固定するための他の同等の方法も、本発明の例示的な実施形態の範囲の中に含まれると考えている。

１つの例示的実施形態では、プラチナ合金は、開示している低コストのプラチナ合金の総重量を基準にして、２５−３５重量パーセントのパラジウムと、０から１０重量パーセントより多いイリジウムと、残りのプラチナでできている。更に別の代替的な例示的実施形態では、プラチナ合金は、１５−３５重量パーセントのパラジウムと、０から１０重量パーセントより多いイリジウムと、残りのプラチナでできている。更に別の代替的な例示的実施形態では、開示している低コストプラチナ合金は、１５−３９重量パーセントのパラジウムと、０から１０重量パーセントより多いイリジウムと、残りのプラチナでできている。また、更に別の代替的な例示的実施形態では、プラチナ合金は、０−３９重量パーセントのパラジウムと、０から１０重量パーセントより多いイリジウムと、残りのプラチナでできている。

１つの実施形態では、電極先端部用の開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、少なくとも１０重量％のパラジウムと、少なくとも５０重量％のプラチナを含んでいる。１つの実施形態では、合金の残りはプラチナである。別の実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、少なくとも１５重量％のパラジウムと、少なくとも５０重量％のプラチナを含んでいる。更に別の実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、少なくとも２０重量％のパラジウムと、少なくとも５０重量％のプラチナを含んでいる。

１つの実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、４５重量％以下のパラジウムと、少なくとも５０重量％のプラチナを含んでいる。別の実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、４０重量％以下のパラジウムと、少なくとも５０重量％のプラチナを含んでいる。別の実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、３５重量％以下のパラジウムと、少なくとも５０重量％のプラチナを含んでいる。

別の実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、０％から３９重量％より多くのパラジウムと、少なくとも５０重量％のプラチナを含んでいる。別の実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、１５％から３９重量％のパラジウムと、少なくとも５０重量％のプラチナを含んでいる。更に別の実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、１５から３５重量％のパラジウムと、少なくとも５０重量％のプラチナを含んでいる。電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金の別の実施形態では、開示する合金は、上記範囲のパラジウムとプラチナに加え、1つ又はそれ以上の添加金属を更に含んでいる。

1つの例示的な実施形態では、その様な１つ又はそれ以上の添加金属は、ニッケル、イリジウム、ルテニウム、又はタングステンで構成されている群から選択される。１つの実施形態では、開示している合金は、上記範囲のパラジウムとプラチナに加え、1つ又はそれ以上の添加金属の１つ又はそれ以上の組み合わせを、更に含んでいる。別の例示的な実施形態では、添加金属は、ニッケル又はイリジウムの何れかである。１つの特定の例示的な実施形態では、添加金属は、イリジウムである。

例えば、１つの実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、その様な添加金属を０％から４０％更に含んでいる。別の実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、添加金属を１％から３０％更に含んでいる。更に別の実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、添加金属を５％から１５％含んでいる。

而して、理解頂ける様に、別の例示的な実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、０から３９重量％より多いパラジウムと、少なくとも５０重量％のプラチナと、０から４０重量％の添加金属を含んでおり、合金の残りはプラチナである。別の例示的な実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、１５から３９重量％のパラジウムと、１から３０重量％の添加金属と、少なくとも５０重量％のプラチナを含んでおり、合金の残りはプラチナである。更に別の実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、１５から３５重量％のパラジウムと、５から１５重量％の添加金属と、少なくとも５０重量％のプラチナを含んでおり、合金の残りはプラチナである。１つの特に好適な実施形態では、電極先端部用に開示している低コストのプラチナ合金は、合金の総重量を基準にして、２５から３５重量％のパラジウムと、５から１０重量％の添加金属と、少なくとも５重量％のプラチナを含んでおり、合金の残りはプラチナである。

電極先端部用のプラチナ合金の他の例示的な実施形態を、以下の例に示す。

ここで説明する様に、電極先端部は、米国特許第５，４５６，６２４号及び第４，８４０，５９４号の教示に従って形成し、取り付けられたリベット、球、カットワイヤ／円筒であってもよく、両特許の内容をここに参考文献として援用する。限定するわけではないが、電極先端部を取り付けるための方法には、レーザー溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接、ろう付け、変形抵抗溶接、機械的固定、上記何れかの組み合わせ、及びそれと等価な方法が含まれ、電極先端部の一部分は、電極に融合、溶接、及び固定される。

次に、図１に示すように、全体を数表示１０で示すスパークプラグは、内燃機関（図示せず）に取り付けるために１４にねじの切られた環状金属ハウジング１２を含んでいる。接地電極又は側接地電極１６は、ハウジング１２から伸長して、中央電極２２との間に点火ギャップを画定している。或いは、一対又は複数の側接地電極が、在ってもよい。１つの実施形態の中央電極は、金属のリベット１８又は球（図示せず）を備えている電極先端部を含んでおり、１つの例示的な実施形態では、電極先端部は、ここに開示するプラチナ合金の何れかで形成されており、ハウジング１２の中に取り付けられている絶縁体２５から突出している外鞘２４の端面２０に固定されている。加えて、接地電極１６は、パッドとして構成され、接地電極に固定されている電極先端部２７を、更に含んでおり、１つの例示的な実施形態では、電極先端部は、ここに開示するプラチナ合金の何れかで形成されている。理解頂ける様に、１つの実施形態では、電極先端部２７は、ここに開示する低コストのプラチナ合金を備えていてもよい。別の実施形態では、電極先端部２７は、ここに開示する低コストのプラチナ合金で構成されることになる。本発明の例示的な実施形態によれば、中央電極及び／又は側電極の両方の電極先端部は、パッド、球、リベット、ワイヤ、円筒、又は他の適した形状であってもよい。

或る例示的な実施形態によれば、リベット、カットワイヤ／円筒、パッド、又は球で構成される電極先端部は、ここに開示するプラチナ合金の何れかで構成されている。
次に、図２は、本発明の非限定的な例示的な実施形態を示しており、ここでは、中央電極２２は、銅芯２６を収容する外鞘２４を含んでいる。外鞘２４は、端面２０で終端するネックダウン部２８を有する端部まで続いている。或る例示的な実施形態によれば、外鞘２２、ネックダウン部２８、及び端面２０は、ニッケルベース合金を含んでおり、このため、電極先端部が固定されている電極の部分のＣＴＥに近いＣＴＥを持っている電極を有しているのが望ましい。

次に、図３に示す非限定的且つ例示的な実施形態では、電極先端部は、軸部３０と頭部３２を含むリベット１８を備えている。軸部３０は、頭部３２の実質的に平坦な側３４から伸長している。頭部３２の他方の側は、連続する曲線状の球面３６になっている。この様に、頭部３２は実質的に半球形であり、球面３６は、面３４と円周で交差しており、円周の半径は、球面３６の半径と実質的に等しい。上で述べた様に、リベット１８は、ここに開示するプラチナ合金の何れかの様な金属で作られている。或いは、電極先端部は、１つのパッドが接地電極又は各接地電極に固定され、別のパッドが中央電極に固定されている、複数のパッドで構成されている。

電極２２の構成は、米国特許第４，７０５，４８６号で説明するように形成されていてもよく、その内容を参考文献としてここに援用する。
更に、以下の特許、第４，７２５，２５４号、第４，８１０，２２０号、第４，８４０，５９４号、第５，０９１，６７２号、第５，６９７，３３４号、第５，９１８，５７１号、第５，９８０，３４５号、第５，４５６，６２４号、第５，９７３，４４３号、第６，０４５，４２４号、第６，０７１，１６３号、及び第６，１０４，１３０号も参照頂きたく、各特許の内容を参考文献としてここに援用する。

以上、本発明について例示的な実施形態を参考にしながら説明してきたが、当業者には理解頂けるように、本発明の範囲を逸脱すること無く、様々な変更を加えることができ、等価物によってその要素を置き換えることができる。加えて、基本的な範囲を逸脱すること無く或る特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実行するのに最良の方法と考え開示しているこれら特定の実施形態に制限されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲に入る全ての実施形態及びその法的等価物を含むように意図されている。

Claims (3)

1. スパークプラグにおいて、
   絶縁シェルと、
   前記絶縁シェルの内側の、一方の端部が前記絶縁シェルから突出している中央電極と、
   前記絶縁シェルの外側の金属シェルと、
   一端が前記金属シェルと連結されており、他端が前記中央電極の前記突出している端部と面していて前記中央電極との間にスパーク放電間隙を形成している、側接地電極と、
   前記側接地電極又は前記中央電極の少なくとも一方に固定されており、前記スパーク放電間隙に配置されている電極先端部であって、前記合金の総重量を基準に、３３から３５重量％のパラジウムと、９から１０重量％のイリジウムと、残りのプラチナとを含んでいるプラチナベース合金を備えている、電極先端部と、を備えているスパークプラグ。
2. 前記中央電極と前記側接地電極は、ニッケルベースの合金を含んでいる、請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記電極先端部は、抵抗溶接で、前記中央電極又は前記側接地電極と接合されている、請求項１に記載のスパークプラグ。

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