JP5750490B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

この発明は、スパークプラグに関する。この発明は、特に、中心電極及び接地電極の少なくとも一方にチップが設けられたスパークプラグに関する。

スパークプラグは、自動車エンジン等の内燃機関の点火用に使用される。一般に、筒状の主体金具と、この主体金具の内孔に配置される筒状の絶縁体と、この絶縁体の先端側内孔に配置される中心電極と、一端が主体金具の先端側に接合され、他端が中心電極との間に火花放電間隙を有する接地電極とを備える。そして、スパークプラグは、内燃機関の燃焼室内で、中心電極の先端部と接地電極の先端部との間に形成される火花放電間隙に火花放電され、燃焼室内に充填された燃料を燃焼させる。

中心電極及び接地電極を形成する材料としては、Ｎｉ合金等が一般に使用される。Ｎｉ合金は、耐酸化性及び耐消耗性に関してＰｔ及びＩｒ等の貴金属を主成分とした貴金属合金に比べると多少劣る。しかし、貴金属に比べて安価であるため接地電極及び中心電極を形成する材料として好適に使用される。

近年、燃焼室内の温度が高温化する傾向にある。そのため、Ｎｉ合金等で形成された、接地電極の先端部と中心電極の先端部との間で火花放電が生じると、接地電極及び中心電極との対向するそれぞれの先端部が火花消耗を生じ易くなることがある。そこで、接地電極と中心電極との対向するそれぞれの先端部にチップを設け、このチップで火花放電が生じるようにすることで接地電極及び中心電極の耐消耗性を向上させる方法が開発されている。

このチップを形成する材料としては、耐酸化性及び耐火花消耗性に優れる貴金属を主成分とする材料が使用されることが多い。そのような材料として、Ｉｒ、Ｉｒ合金、Ｐｔ合金等がある。

例えば、特許文献１には、発火部の材料としてＩＲ−Ｒｈ系合金を使用したスパークプラグが開示されている。具体的には、「Ｉｒを主体としてＲｈを０．１〜３５重量％の範囲で含有し、さらにＲｕ及びＲｅの少なくともいずれかを合計で０．１〜１７重量％の範囲で含有する合金により構成される」貴金属チップを備えたスパークプラグが開示されている。この発明の目的は、次の２つである。１つは、従来のＩｒ−Ｒｈ系合金と比して、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による発火部の消耗が格段に起こりにくく、ひいては市街地走行や高速走行においても優れた耐久性を確保することができるスパークプラグを提供することである。もう１つは、高価なＲｈの含有量を従来よりも抑さえることができ、より安価で耐久性を確保できるスパークプラグを提供することである（特許文献１の請求項１及び段落番号０００６）。

特許文献２には、放電部の火花消耗や酸化消耗、異常消耗を抑制しつつ、放電部表面における貴金属の発汗、剥離を抑制することができるスパークプラグを提供することを目的として、「主成分をＩｒとし、Ｒｈを０．５〜４０質量％、Ｎｉを０．５〜１質量％含有し、さらにＰｔ及びＰｄの少なくともいずれか一方を４〜８質量％含有する」貴金属チップを備えたスパークプラグが開示されている（特許文献２の請求項１及び段落番号０００６）。

特許第３６７２７１８号公報 特許第４６７２５５１号公報

ところで、近年、多様な運転スタイルに対応できるスパークプラグが要求されている。すなわち、空気に対する燃料の混合比を大きくして低酸素濃度雰囲気で出力を重視した条件や、空気に対する燃料の混合比を小さくして高酸素濃度雰囲気で燃費を重視した条件等、どのような条件でも優れた耐久性を有するスパークプラグが要求されている。

このような視点で従来のチップを評価したところ、次の課題が判明した。発明者らが酸化消耗を抑制することのできるチップの組成について検討したところ、Ｉｒを主成分として、Ｒｈ及びＲｕを含有するＩｒ−Ｒｈ−Ｒｕ合金からなるチップは、空燃比が１２程度で燃焼室内が低酸素濃度雰囲気では酸化消耗を抑制することができるが、従来から重視されてきた空燃比が１４程度で燃焼室内が高酸素濃度雰囲気では、酸化消耗が進み、十分な耐久性が得られないことが分った。

この発明は、中心電極及び接地電極の少なくとも一方にチップが設けられたスパークプラグにおいて、このチップが曝された環境における酸素濃度に影響されることなく酸化消耗を抑制することで、耐久性の良好なスパークプラグを提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段は、
（１） 中心電極と、前記中心電極との間に間隙を設けて配置された接地電極と、を備えるスパークプラグであって、前記中心電極と前記接地電極との少なくとも一方は前記間隙を形成するチップを有し、前記チップは、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを７質量％以上３１質量％以下、Ｒｕを５質量％以上２０質量％以下、及びＰｔをＲｕの含有量の２０分の１以上２分の１以下含有することを特徴とするスパークプラグである。

前記（１）の好ましい態様は、
（２）前記チップにおける、Ｒｈの含有量は７質量％以上２７質量％以下、Ｒｕの含有量は５質量％以上１７質量％以下であり、
（３）前記チップにおける、Ｒｈの含有量は７質量％以上２４質量％以下、Ｒｕの含有量は６質量％以上１５質量％以下であり、
（４）前記チップにおける、Ｒｈの含有量は７質量％以上２１質量％以下、Ｒｕの含有量は６質量％以上１３質量％以下である。
（５）前記（１）〜前記（４）のいずれか一つのスパークプラグにおいて、前記チップは、さらに、Ｎｉを０．１質量％以上４．５質量％以下含有し、
（６）前記（１）〜前記（５）のいずれか一つのスパークプラグにおいて、前記チップを、前記中心電極又は前記接地電極と前記チップとの接合面に平行な仮想平面に投影したときの面積Ｓが、０．０７ｍｍ^２以上であり、
（７）前記面積Ｓが、０．１０ｍｍ^２以上であり、
（８）前記面積Ｓが、０．１５ｍｍ^２以上である。

この発明によると、中心電極と接地電極との少なくとも一方に設けられたチップが、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを７質量％以上３１質量％以下、Ｒｕを５質量％以上２０質量％以下、及びＰｔをＲｕの含有量の２０分の１以上２分の１以下含有するので、チップが曝された環境における酸素濃度に影響されることなく酸化消耗を抑制することができ、耐久性の良好なスパークプラグを提供することができる。

図１は、この発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグの一部断面全体説明図である。 図２は、この発明に係るスパークプラグにおけるチップと中心電極との接合部分の一例である要部説明図である。 図３は、この発明に係るスパークプラグにおけるチップと接地電極との接合部分の一例である要部説明図である。図３（ａ）は、チップと接地電極との接合部分にこれらの境界面が残っているときの要部説明図である。図３（ｂ）は、チップと接地電極との接合部分全体に溶融部が形成されているときの要部説明図である。

この発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグを図１に示す。図１はこの発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグ１の一部断面全体説明図である。なお、図１では紙面下方すなわち後述する接地電極が配置されている側を軸線Ｏの先端方向、紙面上方を軸線Ｏの後端方向として説明する。

このスパークプラグ１は、図１に示されるように、軸線Ｏ方向に延びる軸孔２を有する略円筒形状の絶縁体３と、前記軸孔２内の先端側に配置された略棒状の中心電極４と、前記軸孔２内の後端側に配置された端子金具５と、前記中心電極４と前記端子金具５とを前記軸孔２内で電気的に接続する接続部６と、前記絶縁体３を保持する略円筒形状の主体金具７と、一端部が前記主体金具７の先端部に接合されると共に他端部が前記中心電極４と間隙Ｇを介して対向するように配置された接地電極８とを備え、前記中心電極４にはその先端面にチップ９が設けられている。

前記絶縁体３は、軸線Ｏ方向に延びる軸孔２を有し、略円筒形状を有している。また、絶縁体３は、後端側胴部１１と、大径部１２と、先端側胴部１３と、脚長部１４とを備えている。後端側胴部１１は、端子金具５を収容し、端子金具５と主体金具７とを絶縁する。大径部１２は、該後端側胴部よりも先端側において径方向外向きに突出する。先端側胴部１３は、該大径部１２の先端側において接続部６を収容し、大径部１２よりも小さい外径を有する。脚長部１４は、この先端側胴部１３の先端側において中心電極４を収容し、先端側胴部１３より小さい外径及び内径を有する。先端側胴部１３と脚長部１４との内周面は棚部１５を介して接続されている。この棚部１５に後述する中心電極４の鍔部１６が当接するように配置され、中心電極４が軸孔２内に固定されている。先端側胴部１３と脚長部１４との外周面は段部１７を介して接続されている。この段部１７に後述する主体金具７のテーパ部１８が板パッキン１９を介して当接し、絶縁体３が主体金具７に対して固定されている。絶縁体３は、絶縁体３における先端方向の端部が主体金具７の先端面から突出した状態で、主体金具７に固定されている。絶縁体３は、機械的強度、熱的強度、電気的強度を有する材料で形成されることが望ましい。このような材料として、例えば、アルミナを主体とするセラミック焼結体が挙げられる。

前記絶縁体３の軸孔２内には、その先端側に中心電極４、後端側に端子金具５、中心電極４と端子金具５との間には中心電極４及び端子金具５を軸孔２内に固定すると共にこれらを電気的に接続する接続部６が設けられている。前記接続部６は、伝播雑音を低減するための抵抗体２１と、該抵抗体２１と中心電極４との間に設けられた第１シール体２２と、該抵抗体２１と端子金具５との間に設けられた第２シール体２３とにより形成されている。抵抗体２１は、ガラス粉末、非金属導電性粉末及び金属粉末等を含有する組成物を焼結して形成され、その抵抗値は通常１００Ω以上である。第１シール体２２及び第２シール体２３は、ガラス粉末及び金属粉末等を含有する組成物を焼結して形成され、これらの抵抗値は通常１００ｍΩ以下である。この実施態様における接続部６は、抵抗体２１と第１シール体２２と第２シール体２３とにより形成されているが、抵抗体２１と第１シール体２２と第２シール体２３の少なくとも１つにより形成されていてもよい。

前記主体金具７は、略円筒形状を有しており、絶縁体３を内装することにより絶縁体３を保持するように形成されている。主体金具７における先端方向の外周面にはネジ部２４が形成されており、このネジ部２４を利用して図示しない内燃機関のシリンダヘッドにスパークプラグ１が装着される。前記主体金具７は、ネジ部２４の後端側にフランジ状のガスシール部２５を有し、ガスシール部２５の後端側にスパナやレンチ等の工具を係合させるための工具係合部２６、工具係合部２６の後端側に加締め部２７を有する。加締め部２７及び工具係合部２６の内周面と絶縁体３の外周面との間に形成される環状の空間にはリング状のパッキン２８，２９及び滑石３０が配置され、絶縁体３が主体金具７に対して固定されている。ネジ部２４の内周面における先端側は、脚長部１４に対して空間を有するように配置され、径方向内向きに突出する突起部３２における後端側のテーパ状に拡径するテーパ部１８と絶縁体３の段部１７とが環状の板パッキン１９を介して当接している。主体金具７は、導電性の鉄鋼材料、例えば、低炭素鋼により形成されることができる。

端子金具５は、中心電極４と接地電極８との間で火花放電を行うための電圧を外部から中心電極４に印加するための端子であり、絶縁体３の後端側からその一部が露出した状態で軸孔２内に挿入されて第２シール体２３により固定されている。端子金具５は、低炭素鋼等の金属材料により形成されることができる。

前記中心電極４は、前記接続部６に接する後端部３４と、前記後端部３４から先端側に延びる棒状部３５とを有する。後端部３４は、径方向外向きに突出する鍔部１６を有する。該鍔部１６が絶縁体３の棚部１５に当接するように配置され、軸孔２内周面と後端部３４の外周面との間に第１シール体２２が充填されていることで、中心電極４は、その先端が絶縁体３の先端面から突出した状態で絶縁体３の軸孔２内に固定され、主体金具７に対して絶縁保持されている。中心電極４における後端部３４と棒状部３５とは、Ｎｉ又はＮｉを主成分とするＮｉ合金等の中心電極４に使用される公知の材料で形成されることができる。中心電極４は、Ｎｉ合金等により形成される外層と、Ｎｉ合金よりも熱伝導率の高い材料により形成され、該外層の内部の軸心部に同心に埋め込まれるように形成されてなる芯部とにより形成されてもよい。芯部を形成する材料としては、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ、Ａｇ合金、純Ｎｉ等を挙げることができる。

前記接地電極８は、例えば、略角柱形状に形成されてなり、一端部が主体金具７の先端部に接合され、途中で略Ｌ字状に屈曲され、他端部が中心電極４の先端部との間に間隙Ｇを介して対向するように形成されている。前記接地電極８は、Ｎｉ又はＮｉ合金等の接地電極８に使用される公知の材料で形成されることができる。また、中心電極４と同様に接地電極の軸芯部にＮｉ合金よりも熱伝導率の高い材料により形成される芯部が設けられていてもよい。

前記チップ９は、この実施形態においては円柱状であり、中心電極４のみに設けられている。前記チップ９は、その形状は特に限定されず、円柱状以外の形状として楕円柱状、角柱状、及び板状等の適宜の形状を採用することができる。また、前記チップ９は、接地電極８のみに設けられていてもよいし、接地電極８と中心電極４との両方に設けられていてもよい。また、接地電極８及び中心電極４に設けられたチップのうち少なくとも一方のチップが、後述する特性を有する材料により形成されたチップにより形成されていればよく、他方のチップはチップとして用いられる公知の材料で形成されてもよい。前記チップ９は、レーザ溶接及び抵抗溶接等の適宜の方法により中心電極４に接合されている。

前記間隙Ｇは、この実施形態においては、中心電極４に設けられたチップ９の先端面とこの先端面に対向する接地電極８の側面との間の最短距離であり、この間隙Ｇは、通常、０．３〜１．５ｍｍに設定される。中心電極に設けられたチップの側面と接地電極に設けられたチップとが対向するように設けられている横放電型のスパークプラグの場合には、中心電極に設けられたチップの側面と接地電極の先端部に設けられたチップとの対向するそれぞれの対向面の間の最短距離が間隙Ｇとなり、この間隙Ｇで火花放電が生じる。

この発明の特徴部分であるチップについて、以下に詳細に説明する。

前記チップ９は、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを７質量％以上３１質量％以下、Ｒｕを５質量％以上２０質量％以下、及びＰｔをＲｕの含有量の２０分の１以上２分の１以下含有する。前記チップ９は、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを７質量％以上２７質量％以下、Ｒｕを５質量％以上１７質量％以下、及びＰｔをＲｕの含有量の２０分の１以上２分の１以下含有するのが好ましい。前記チップ９は、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを７質量％以上２４質量％以下、Ｒｕを６質量％以上１５質量％以下、及びＰｔをＲｕの含有量の２０分の１以上２分の１以下含有するのがより好ましい。前記チップ９は、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを７質量％以上２１質量％以下、Ｒｕを６質量％以上１３質量％以下、及びＰｔをＲｕの含有量の２０分の１以上２分の１以下含有するのが特に好ましい。

前記チップ９が前記組成を有すると、チップの曝された環境における酸素濃度に影響されることなく酸化消耗を抑制することができ、耐久性の良好なスパークプラグを提供することができる。

前記チップ９は、Ｉｒを主成分として含むＩｒ合金である。ここで、主成分とはチップ９に含有される成分の中で最も含有量の多い成分のことをいう。Ｉｒの含有量は、チップ全質量に対して３９質量％以上８７．７５質量％以下であるのが好ましい。また、ＩｒとＲｈとＲｕとＰｔと必要に応じて含有される成分との合計質量が１００質量％となるように適宜設定される。Ｉｒは、融点が２４５４℃という高融点の材料であるので、前記チップ９の耐熱性を向上させる。

前記チップ９は、Ｒｈを前記範囲の割合で含有する。前記チップ９がＲｈを前記範囲の割合で含有すると、チップ９の表面からＩｒが酸化揮発し難くなるので、酸素濃度によらず純Ｉｒにより形成されるチップよりも耐酸化性が向上する。Ｒｈの含有量が前記範囲内にある場合に、低酸素濃度雰囲気では、Ｒｈの含有量が高い方が粒界のＲｈ濃度が高くなり、Ｉｒの酸化揮発を抑える傾向にある。一方、高酸素濃度雰囲気では、Ｒｈの含有量が低い方がチップ９の表面に針状のＲｈ酸化物を生成し難いので、耐酸化性が向上する。Ｒｈの含有量が７質量％未満であると、Ｉｒの酸化揮発を抑制する効果が得られず酸化消耗を抑制することができない。Ｒｈの含有量が３１質量％を超えると、相対的にＩｒの含有量が減る。そのため、高融点であるＩｒの特性が生かされず、前記チップ９の耐熱性が低下する。

前記チップ９は、Ｒｕを前記範囲の割合で含有する。前記チップ９がＲｕを前記範囲の割合で含有すると、Ｉｒ及びＲｈのみを含有するＩｒ合金により形成されたチップよりもさらにチップ９の表面からＩｒが酸化揮発し難くなり、低酸素濃度雰囲気での耐酸化性が向上する。Ｒｕの含有量が５質量％未満であると、Ｉｒの酸化揮発を抑制する効果が得られず酸化消耗を抑制することができない。Ｒｕの含有量が２０質量％を超えると、相対的にＩｒの含有量が減るので、高融点であるＩｒの特性が生かされず、前記チップ９の耐熱性が低下する。

前記チップ９は、ＰｔをＲｕの含有量の２０分の１以上２分の１以下含有する。前記チップ９がＰｔを前記範囲の割合で含有すると、低酸素濃度雰囲気におけるチップの酸化消耗の抑制効果を維持したまま、高酸素濃度雰囲気におけるチップ９の酸化消耗性を抑制することができる。Ｐｔの含有量がＲｕの含有量の２０分の１未満であると、Ｐｔを含有することによる効果が発揮されず、高酸素濃度雰囲気におけるチップの酸化消耗を抑制することができない。Ｐｔの含有量がＲｕの含有量の２分の１を超えると、Ｒｕによる低酸素濃度雰囲気におけるチップの酸化消耗の抑制効果が低下する。

この発明に係るチップが酸化消耗を抑制することができるのは、次のような理由によると考えられる。発明者らの検討によると、ＩｒとＲｈとＲｕとを含有するＩｒ合金からなるチップは、混合気の空燃比が１２程度で燃焼室内が低酸素濃度雰囲気のときはチップの酸化消耗を十分に抑えられるが、空燃比が１４程度で燃焼室内が高酸素濃度雰囲気では、チップの酸化消耗を十分に抑制することができないことがある。

高酸素濃度雰囲気に曝された、ＩｒとＲｈとＲｕとを含有するＩｒ合金からなるチップ９の表層には、Ｒｈが酸化して針状のＲｈ酸化物が形成されている。このような針状のＲｈ酸化物は緻密な酸化物被膜と異なり、チップ９の表層の組織を粗くする。そのため、チップの内部に酸素が侵入し易くなる。その結果、Ｉｒが酸化して揮発し易くなり、チップ９の酸化消耗を抑制することができない。一方、ＩｒとＲｈとＲｕにさらにＰｔを含有させたＩｒ合金からなるチップでは、高酸素濃度雰囲気に曝されたチップ９の表層には、針状のＲｈ酸化物が形成されず、かわりに耐酸化性に優れるＲｈが金属として表面に濃化する。このため、チップの内部に酸素が侵入し難くなる。その結果、Ｉｒが酸化揮発し難くなり、チップ９の酸化消耗を抑制することができる。針状のＲｈ酸化物を形成させないようにするＰｔの含有量は、Ｒｕの含有量と関係がある。すなわち、高酸素濃度雰囲気において、ＩｒとＲｈとを含有するＩｒ合金では針状のＲｈ酸化物は形成されず、これにＲｕを含有させて、ＩｒとＲｈとＲｕとを含有するＩｒ合金にすると針状のＲｈ酸化物が形成される。したがって、針状のＲｈ酸化物の形成に影響を与えるＲｕの含有量の２０分の１以上のＰｔを含有させることで、針状のＲｈ酸化物の形成を抑制することができる。

低酸素濃度雰囲気では、高酸素濃度雰囲気のときと異なり、ＩｒとＲｈとＲｕとを含有するＩｒ合金からなるチップ９は、その表層に針状のＲｈ酸化物が形成されておらず、チップの酸化消耗を抑制することができる。低酸素濃度雰囲気ではＩｒとＲｈとＲｕにＰｔを含有させることにより、逆にＩｒの拡散速度を増加させて、チップ９の酸化消耗が進み易くなる。したがって、Ｐｔの含有量を、Ｉｒの拡散速度を低減させる作用のあるＲｕの含有量の２分の１以下とすることでチップの酸化消耗を抑制する効果を維持することができる。

前記チップ９は、Ｎｉを０．１質量％以上４．５質量％以下含有するのが好ましい。Ｉｒを主成分としてＲｈを含有するＩｒ−Ｒｈ合金ではチップの側部が一方向から選択的に抉れるように消耗するおそれがある。前記チップ９がＮｉを０．１質量％以上含有すると、そのような側部消耗を抑制することができる。前記チップがＮｉを４．５質量％以下含有することにより、側部消耗を抑制しつつ、融点の比較的低いＮｉを含有することによるチップの消耗を抑制することができる。

この発明におけるチップ９は、ＩｒとＲｈとＲｕとＰｔとを前述した範囲で含有していればよい。チップ９は、必要に応じてＮｉを含有し、５質量％より小さい含有量で、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ等と不可避不純物とを含有していてもよい。これらの各成分は、前述した各成分の含有量の範囲内で各成分の合計が１００質量％となるように含有される。不可避不純物としては、例えば、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｆｅ等を挙げることができる。これらの不可避不純物の含有量は少ない方が好ましいが、この発明の課題を達成することができる範囲内で含有していてもよい。不可避不純物は、前述した成分の合計質量を１００質量部としたときに、前述した１種類の不可避不純物の割合は０．１質量部以下、含有される全種類の不可避不純物の合計割合は０．２質量部以下であるのがよい。

前記チップ９に含まれる各成分の含有量は、次のようにして測定することができる。すなわち、まずチップ９をその中心軸線を含む平面で切断して切断面を露出させる。このチップ９の切断面において任意の複数箇所を選択し、ＥＰＭＡを利用して、ＷＤＳ（Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer）分析を行うことにより、各々の箇所の質量組成を測定する。次に、測定した複数箇所の測定値の算術平均値を算出して、この平均値をチップ９の組成とする。なお、測定箇所としては、チップ９と中心電極４とを溶接する際に形成される溶融部を除く。

前記チップ９は、チップ９を中心電極４とチップ９との接合面に平行な仮想平面に投影したときの面積Ｓが、０．０７ｍｍ^２以上であるのが好ましい。前記面積Ｓが、０．１０ｍｍ^２以上であるのがより好ましい。前記面積Ｓが、０．１５ｍｍ^２以上であるのがさらに好ましい。前記面積Ｓが前記範囲内にあると、細いチップに比べて温度が上がり難くなり、チップ９の酸化消耗をより一層抑制することができる。前記面積Ｓは経済性等の観点から３．５ｍｍ^２以下であるのが好ましい。

前記面積Ｓは、次のように測定される。図２に示すように、チップ９が中心電極４に接合されている場合には、チップ９と中心電極４との接合面は軸線Ｏに直交すると推定して、軸線Ｏの先端方向から前記接合面に平行な断層画像を投影機で撮影し、チップ９の先端からチップ９と溶融部３６との境界までの間で複数枚の断層画像を得る。得られたチップの断層画像のうちで最も面積の大きいチップ９の断層画像の面積を前記面積Ｓとする。
チップが接地電極４に接合されている場合であって、図３（ａ）に示すように、溶接前のチップと接地電極８の表面との境界面３７が残っている場合には、この境界面３７が前記接合面であるので、この境界面３７に直交する方向すなわちチップ９における間隙Ｇの位置する方向から境界面３７に平行なチップ９の断層画像を投影機で撮影し、前述したように前記面積Ｓを測定する。図３（ｂ）に示すように、チップ９と接地電極８との溶接により形成された溶融部３６が径方向に連続的に形成され、溶接前のチップと接地電極８の表面との境界面が残っていない場合には、次のように前記接合面を推定する。チップ９が接地電極８に接合されている場合には、チップ９の接合された接地電極８の表面３８がチップ９の周りに残っているので、この表面３８と前記接合面とは平行であると推定して、この表面３８に直交する方向から表面３８に平行なチップ９の断層画像を投影機で撮影し、前述したように前記面積Ｓを測定する。

前記スパークプラグ１は、例えば次のようにして製造される。まず、中心電極４に接合されるチップ９は、各成分の含有量が前述した範囲となる金属成分を配合し、原料粉末を用意する。これをアーク溶解してインゴットを形成し、このインゴットを熱間鍛造して、棒材とする。次に、この棒材を複数回溝ロール圧延して、必要に応じてスエージングを行い、ダイス引きにて伸線加工を施すことによって、断面円形状の棒材とする。この棒材を所定の長さに切断することによって、円柱状のチップ９を形成する。なお、チップ９の形状は円柱状に限定されず、例えば前記インゴットを四角形ダイスを用いて伸線加工を行い、角材に加工し、その角材を所定の長さに切断することによって例えば角柱状に形成することもできる。

接地電極８にチップが接合される場合には、中心電極４に接合されるチップ９と同様の方法によりチップを製造してもよいし、従来公知の方法によりチップを製造してもよい。

中心電極４及び接地電極８は、例えば、真空溶解炉を用いて、所望の組成を有する合金の溶湯を調製し、線引き加工等して、所定の形状及び所定の寸法に適宜調整される。中心電極４が、外層とこの外層の軸心部に埋め込まれるように設けられた芯部とにより形成されている場合には、中心電極４はカップ状に形成したＮｉ合金等からなる外材に、外材より熱伝導率の高いＣｕ合金等からなる内材を挿入し、押し出し加工等の塑性加工にて、外層の内部に芯部を有する中心電極４を形成する。接地電極８もまた中心電極４と同様に外層と芯部とにより形成されてもよい。この場合には中心電極４と同様にしてカップ状に形成した外材に内材を挿入し、押し出し加工等の塑性加工した後、略角柱状に塑性加工したものを、接地電極８にすることができる。

次いで、所定の形状に塑性加工等によって形成した主体金具７の端面に、接地電極８の一端部を電気抵抗溶接又はレーザ溶接等によって接合する。次いで、接地電極８が接合された主体金具７にＺｎめっき又はＮｉめっきを施す。Ｚｎめっき又はＮｉめっきの後に３価クロメート処理を行ってもよい。また、接地電極に施されためっきは剥離してもよい。

次いで、上述のように作製したチップ９を中心電極４に抵抗溶接及び／又はレーザ溶接等により溶融固着する。抵抗溶接でチップ９を中心電極４に接合する場合には、例えば、チップ９を中心電極４の所定位置に設置して押し当てながら抵抗溶接を施す。レーザ溶接でチップ９を中心電極４に接合する場合には、例えば、チップ９を中心電極４の所定位置に設置し、チップ９と中心電極４との接触面に平行な方向からチップ９と中心電極４との接触部分を部分的に又は全周に渡ってレーザビームを照射する。また、抵抗溶接をした後にレーザ溶接を施してもよい。接地電極８にチップを接合する場合には、中心電極４にチップ９を接合する方法と同様にして接合することができる。

一方、絶縁体３は、セラミック等を所定の形状に焼成することによって作製される。この絶縁体３の軸孔２内に中心電極４を挿設し、第１シール体２２を形成する組成物、抵抗体２１を形成する組成物、第２シール体２３を形成する組成物をこの順に前記軸孔２内に予備圧縮しつつ充填する。次いで前記軸孔２内の端部から端子金具５を圧入しつつ前記組成物を圧縮加熱する。こうして前記組成物が焼結して抵抗体２１、第１シール体２２及び第２シール体２３が形成される。次いで接地電極８が接合された主体金具７にこの中心電極４等が固定された絶縁体３を組み付ける。最後に接地電極８の先端部を中心電極４側に折り曲げて、接地電極８の一端が中心電極４の先端部と対向するようにして、スパークプラグ１が製造される。

本発明に係るスパークプラグ１は、自動車用の内燃機関例えばガソリンエンジン等の点火栓として使用される。スパークプラグ１は、内燃機関の燃焼室を区画形成するヘッド（図示せず）に設けられたネジ穴に前記ネジ部２４が螺合されて、所定の位置に固定される。この発明に係るスパークプラグ１は、如何なる内燃機関にも使用することができるが、チップが曝された環境における酸素濃度に影響されることなく、優れた耐酸化性を有するので、例えば、リーンバーンエンジン等の内燃機関に特に好適である。

この発明に係るスパークプラグ１は、前述した実施例に限定されることはなく、本発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。例えば、前記スパークプラグ１は、中心電極４に設けられたチップ９の先端面と接地電極８の側面とが、軸線Ｏ方向で、間隙Ｇを介して対向するように配置されているが、この発明において、中心電極に設けられたチップの側面と接地電極に設けられたチップの先端面とが、中心電極の半径方向で、間隙を介して対向するように配置されていてもよい。この場合に、中心電極に設けられたチップの側面に対向する接地電極は、単数が設けられても、複数が設けられてもよい。

＜スパークプラグ試験体の作製＞
中心電極に接合されるチップは、所定の組成を有する原料粉末を配合し、アーク溶解してインゴットを形成し、このインゴットを熱間鍛造、熱間圧延及び熱間スエージングし、さらに、伸線加工を施すことによって、断面円形状の棒材とし、この棒材を所定の長さに切断することによって、直径０．５ｍｍ、高さ０．７ｍｍの円柱状のチップを得た。

接地電極に接合されるチップは、Ｐｔを主成分とし、Ｎｉが第二成分となる組成を有する原料粉末を配合し、中心電極に接合されるチップと同様にして製造し、直径０．９、高さ０．４ｍｍの円柱状のチップを得た。

得られたチップを中心電極及び接地電極にそれぞれレーザ溶接により接合し、図１に示す構造を有するスパークプラグ試験体を製造した。

＜チップの組成の測定方法＞
表１〜３に示される中心電極に接合されるチップの組成は、ＥＰＭＡ（日本電子株式会社製JXA-8500F）のＷＤＳ分析を行うことにより、質量組成を測定した。まず、チップをその中心軸線を含む平面で切断し、この切断面において前述したように複数の測定点を選択し、質量組成を測定した。次に、測定した複数の測定値の算術平均値を算出して、この平均値を中心電極用のチップの組成とした。なお、スポット径を考慮した測定領域がチップと中心電極との溶融により形成されて成る溶融部上にある場合は、その測定点の結果を除いた。

＜チップの面積Ｓの測定方法＞
表３に示されるチップの面積Ｓは、前述したように、チップと中心電極との接合面に直交する方向すなわちチップにおける間隙の位置する方向から前記接合面に平行なチップの断層画像を投影機で撮影し、チップの先端からチップと溶融部との境界までの間で複数枚の断層画像を得て、得られたチップの断層画像のうちで最も面積の大きいチップの断層画像の面積を前記面積Ｓとした。

＜耐久試験方法＞
製造したスパークプラグ試験体を、試験用の過給器付エンジンに取付け、混合気の空燃比（空気／燃料）は１４又は１２、スロットル全開で、エンジン回転数６０００ｒｐｍの状態を維持し、２００時間運転を行う耐久試験を行った。なお、空燃比が１４のときの点火タイミングは、ＢＴＤＣ３５°で、吸気圧は−３０ＫＰａ、空燃比が１２のときの点火タイミングは、ＢＴＤＣ３０°で、吸気圧は−２０ＫＰａである。

＜耐酸化性の評価＞
前記耐久試験を行い、耐久試験前後の中心電極に接合されたチップの体積をＣＴスキャン（東芝株式会社製TOSCANER-32250μhd）で測定し、耐久試験前のチップの体積Ｖ_１に対する耐久試験後のチップの体積Ｖ_２の減少量［｛（Ｖ_１−Ｖ_２）／Ｖ_１｝×１００］を算出し、これを消耗体積として、以下の基準にしたがって耐酸化性の評価を行った。結果を表１及び表２に示す。

空燃比が１４のとき
×：消耗体積が２０％以上 （０ポイント）
△：消耗体積が１８％以上２０％未満（１ポイント）
○：消耗体積が１６％以上１８％未満（３ポイント）
◎：消耗体積が１４％以上１６％未満（５ポイント）
☆：消耗体積が１２％以上１４％未満（７ポイント）
★：消耗体積が１０％以上１２％未満（８ポイント）
★★：消耗体積が１０％未満 （９ポイント）

空燃比が１２のとき
×：消耗体積が３０％以上 （０ポイント）
△：消耗体積が２６％以上３０％未満（１ポイント）
○：消耗体積が２２％以上２６％未満（２ポイント）
◎：消耗体積が１８％以上２２％未満（３ポイント）
☆：消耗体積が１５％以上１８％未満（４ポイント）
★：消耗体積が１２％以上１５％未満（５ポイント）
★★：消耗体積が１２％未満 （６ポイント）

総合判定
空燃比が１４及び１２のときの評価結果を上記のようにポイントで示し、これらの合計ポイントで判定した。
×：空燃比１４及び空燃比１２の評価結果の少なくとも一方のポイントが０ポイントのとき、又は合計ポイントが６ポイント以下のとき
△：空燃比１４及び空燃比１２の評価結果の合計ポイントが７ポイント以上９ポイント以下のとき
○：空燃比１４及び空燃比１２の評価結果の合計ポイントが１０ポイント以上１１ポイント以下のとき
◎：空燃比１４及び空燃比１２の評価結果の合計ポイントが１２ポイント以上１３ポイント以下のとき
☆：空燃比１４及び空燃比１２の評価結果の合計ポイントが１４ポイント以上のとき

＜側部消耗の評価＞
前記耐久試験を行い、耐久試験前後の中心電極に接合されたチップの体積をＣＴスキャン（東芝株式会社製TOSCANER-32250μhd）で測定し、耐久試験前のチップの直径の最大値Ｒ_１に対する耐久試験後のチップの直径の最小値Ｒ_２の減少量［｛（Ｒ_１−Ｒ_２）／Ｒ_１｝×１００］を算出し、これをチップの側部消耗量として、以下の基準にしたがって側部消耗の評価を行った。結果を表１及び表２に示す。

０：側部消耗量が１０％以上
１：側部消耗量が１０％未満

＜チップの太さの違いによる耐酸化性の評価＞
円柱状のチップの太さを変化させ、空燃比を１２にしたこと以外は試験番号１〜５４と同様にして耐酸化性の評価を行った。なお、チップを中心電極とチップとの接合面に平行な仮想平面に投影したときの面積Ｓを前述したように測定し、これをチップの太さの目安として表３に示した。

表１及び表２に示されるように、この発明の範囲に含まれる組成を有するチップは、混合気の空燃比によらず、すなわちチップの曝された環境における酸素濃度に影響されることなく、酸化消耗を抑制することができた。一方、この発明の範囲外にある組成を有するチップは、少なくとも空燃比が１４のときの酸化消耗体積が多く、耐酸化性に劣っていた。

表２に示されるように、Ｎｉを所定量含有するチップは、Ｎｉを含有しないチップに比べてチップの側部の消耗量が小さかった。

表３に示されるように、チップが太いほど、酸化消耗体積が小さく、耐酸化性が良好だった。

１ スパークプラグ
２ 軸孔
３ 絶縁体
４ 中心電極
５ 端子金具
６ 接続部
７ 主体金具
８ 接地電極
９ チップ
１１ 後端側胴部
１２ 大径部
１３ 先端側胴部
１４ 脚長部
１５ 棚部
１６ 鍔部
１７ 段部
１８ テーパ部
１９ 板パッキン
２１ 抵抗体
２２ 第１シール体
２３ 第２シール体
２４ ネジ部
２５ ガスシール部
２６ 工具係合部
２７ 加締め部
２８，２９ パッキン
３０ 滑石
３２ 突起部
３４ 後端部
３５ 棒状部
３６ 溶融部
３７ 境界面
３８ 表面
Ｇ 間隙

Claims (8)

1. 中心電極と、前記中心電極との間に間隙を設けて配置された接地電極と、を備えるスパークプラグであって、
   前記中心電極と前記接地電極との少なくとも一方は前記間隙を形成するチップを有し、
   前記チップは、Ｉｒを主成分とし、Ｒｈを７質量％以上３１質量％以下、Ｒｕを５質量％以上２０質量％以下、及びＰｔをＲｕの含有量の２０分の１以上２分の１以下含有することを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記チップにおける、Ｒｈの含有量は７質量％以上２７質量％以下、Ｒｕの含有量は５質量％以上１７質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記チップにおける、Ｒｈの含有量は７質量％以上２４質量％以下、Ｒｕの含有量は６質量％以上１５質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
4. 前記チップにおける、Ｒｈの含有量は７質量％以上２１質量％以下、Ｒｕの含有量は６質量％以上１３質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
5. 前記チップは、さらに、Ｎｉを０．１質量％以上４．５質量％以下含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
6. 前記チップを、前記中心電極又は前記接地電極と前記チップとの接合面に平行な仮想平面に投影したときの面積Ｓが、０．０７ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
7. 前記面積Ｓが、０．１０ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項６に記載のスパークプラグ。
8. 前記面積Ｓが、０．１５ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項６に記載のスパークプラグ。

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