JP6920907B2

JP6920907B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP6920907B2
Application number: JP2017135905A
Authority: JP
Inventors: 昌幸瀬川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-07-12
Also published as: JP2019021398A

Description

本発明はスパークプラグに関し、特にＩｒを主成分とするチップを電極に設けたスパークプラグに関するものである。

放電や酸化に抗する耐消耗性を確保するため、Ｉｒを主成分とするチップを電極に設けたスパークプラグが知られている。特許文献１に開示される技術では、Ｉｒを主成分とするチップを備えるスパークプラグにおいて、ＳｒＺｒＯ_３等のペロブスカイト型酸化物をチップの体積に対して１〜１３ｖｏｌ％含有する。

特開２０１５−１５９００３号公報

しかしながら上記従来の技術において、チップに含まれる酸化物を特殊なペロブスカイト型酸化物ではなく一般化する要求がある。

本発明は、上述した要求に応えるためになされたものであり、チップに含まれる酸化物を一般化しつつ耐消耗性を確保できるスパークプラグを提供することを目的としている。

この目的を達成するために本発明のスパークプラグは、Ｉｒを主成分とするチップが接合された電極母材を備える第１電極と、第１電極のチップと火花ギャップを介して対向する第２電極と、を備えている。チップはＡｌ_２Ｏ_３を含む酸化物を含有し、酸化物の含有率はチップの体積に対して０．５〜９．５ｖｏｌ％である。

請求項１記載のスパークプラグによれば、チップはＡｌ_２Ｏ_３を含む酸化物を含有するので、チップに含まれる酸化物を一般化できる。酸化物の含有率はチップの体積に対して０．５〜９．５ｖｏｌ％なので、耐消耗性を確保できる。

請求項２記載のスパークプラグによれば、酸化物の含有率は、チップの体積に対して３．５〜８．５ｖｏｌ％なので、請求項１の効果に加え、耐消耗性をより向上できる。

請求項３記載のスパークプラグによれば、酸化物はメジアン径が０．３〜２０μｍなので、請求項１又は２の効果に加え、耐消耗性をより向上できる。

本発明の一実施の形態におけるスパークプラグの片側断面図である。各サンプルと第２電極との間に印加した電圧波形および電流波形の模式図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は軸線Ｏを境にした本発明の一実施の形態におけるスパークプラグ１０の片側断面図である。図１では、紙面下側をスパークプラグ１０の先端側、紙面上側をスパークプラグ１０の後端側という。スパークプラグ１０は、絶縁体１１、中心電極１３（第２電極）及び接地電極１８（第１電極）を備えている。

絶縁体１１は、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等により形成された円筒状の部材であり、軸線Ｏに沿って貫通する軸孔１２が形成されている。軸孔１２の先端側に中心電極１３が配置されている。

中心電極１３は、軸線Ｏに沿って延びる棒状の部材であり、銅または銅を主成分とする芯材がニッケル又はニッケル基合金で覆われた電極母材１４と、電極母材１４の先端に接合されたチップ１５と、を備えている。電極母材１４は絶縁体１１に保持され、先端が軸孔１２から露出する。チップ１５はＰｔ等の貴金属を含有する金属製の部材である。

端子金具１６は、高圧ケーブル（図示せず）が接続される棒状の部材であり、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成されている。端子金具１６は、先端側が軸孔１２に挿入された状態で、絶縁体１１の後端に固定されている。絶縁体１１の外周に主体金具１７が固定されている。

主体金具１７は、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成された略円筒状の部材である。主体金具１７の先端に接地電極１８が接合されている。接地電極１８は、主体金具１７に接合された棒状の金属製（例えばニッケル基合金製）の電極母材１９と、電極母材１９の先端部に接合されたチップ２０と、を備えている。チップ２０は、中心電極１３（チップ１５）との間に火花ギャップを形成する。

スパークプラグ１０は、例えば、以下のような方法によって製造される。まず、予めチップ１５が先端に接合された中心電極１３を絶縁体１１の軸孔１２に挿入し、中心電極１３の先端が軸孔１２から外部に露出するように配置する。軸孔１２に端子金具１６を挿入し、端子金具１６と中心電極１３との導通を確保した後、予め電極母材１９が接合された主体金具１７を絶縁体１１の外周に組み付ける。電極母材１９にチップ２０を接合した後、チップ２０が中心電極１３と対向するように電極母材１９を屈曲して、スパークプラグ１０を得る。

チップ２０は、Ｉｒからなる第１相と、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）及びＺｒＯ_２（ジルコニア）のうちの少なくとも一方の酸化物と、を含有する。チップ２０は、第１相および酸化物以外に、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の金属からなる第２相、及び、不可避不純物を含有できる。チップ２０が第２相を含有する場合、第１相および第２相の合計の金属成分に対する第１相（Ｉｒ）の含有率は８０ｗｔ％以上である。

酸化物の含有率は、チップ２０の体積に対して０．５〜９．５ｖｏｌ％、好ましくは３．５〜８．５ｖｏｌ％である。チップ２０の火花消耗性を確保するためである。酸化物の含有率（ｖｏｌ％）は、チップ２０の断面の面積とその断面に現出する酸化物の面積との比率である。

酸化物の含有率は、例えば以下の方法により測定され算出される。まず、チップ２０の任意の断面を鏡面研磨し、その断面を電子顕微鏡で観察する。次いで、４０μｍ×６０μｍの大きさの矩形状の視野の範囲内に存在する全ての酸化物の面積を合計した総面積（Ｓ）を求める。酸化物の含有率（ｖｏｌ％）＝Ｓ（μｍ^２）／２４００（μｍ^２）×１００の計算式に総面積Ｓを代入して、酸化物の含有率が求められる。

なお、視野の範囲内の酸化物の存在は、ＥＰＭＡを用いたＷＤＳ分析により検出できる。画像解析ソフト（例えばSoft Imaging System GmbH社製Analysis Five）を用い、視野内の画像を２値化処理して、視野内の酸化物の面積を測定できる。酸化物の面積は視野ごとに多少の差が発生するので、３つの視野の平均をとる。

チップ２０は、例えば、以下のような方法によって製造される。まず、第１相および酸化物（必要に応じて第２相）の原料粉末を混合した後、成形して成形体を得る。成形体を焼成して焼結体を得た後、必要に応じて焼結体を切断してチップ２０を得る。鍛造、圧延、押出し、線引き等の塑性加工や熱処理などを、必要に応じて、焼結体に施すことができる。

焼結体の中の酸化物の粒子のメジアン径は０．３〜２０μｍである。酸化物の粒子のメジアン径を０．３〜２０μｍとすることにより、スパークプラグ１０の放電時の熱衝撃で酸化物を欠け難くすることができ、酸化物の欠損に起因するチップ２０の消耗を抑制できる。また、焼成時の第１相の粒成長を酸化物が妨げ難くできるので、チップ２０の単位体積あたりの第１相の粒界の面積が過大にならないようにできる。その結果、第１相の粒界の酸化に起因するチップ２０の消耗を抑制できる。

メジアン径は、酸化物の粒子の累積分布５０ｖｏｌ％のときの粒子径である。メジアン径は、鏡面研磨されたチップ２０の任意の断面の電子顕微鏡による画像から、以下の方法によって測定され算出される。

まず、電子顕微鏡による画像のうち、４０μｍ×６０μｍの大きさの矩形状の視野の範囲内に存在する全ての酸化物（粒子）について、粒子の像を２本の平行線で挟んだときの平行線の間隔（フェレー径）を測定する。２本の平行線の向きは、作為をなくすため、粒子ごとに変えないで、常に同じ方向とする。粒子径分布は視野ごとに多少の差が発生するので、３つの視野に現出する全ての酸化物の粒子のフェレー径を測定する。

次に、測定されたフェレー径の最小値から最大値までの範囲を分割し、分割した各々の粒子径区間に存在する粒子の個数（ｎ_ｉ）を集計する。次いで、各々の粒子径区間の中央値を直径とする球の体積（ｖ_ｉ）に、その粒子径区間に存在する粒子の個数（ｎ_ｉ）を乗じて、各々の粒子径区間に存在する粒子の総体積（Ｖ_ｉ＝ｖ_ｉ・ｎ_ｉ）を算出する。各々の粒子径区間に存在する粒子の総体積（Ｖ_ｉ）の総和を１００ｖｏｌ％として、各々の粒子径区間に存在する粒子量の比率（ｖｏｌ％、頻度分布）や、特定の粒子径以下の粒子量の比率（ｖｏｌ％、累積分布）を求めることができる。酸化物は、累積分布５０ｖｏｌ％のときの粒子径が０．３〜２０μｍに設定される。

本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
Ｉｒを第１相、Ｐｔを第２相とする金属成分に対しＰｔ（第２相）の含有率が５ｗｔ％となるように調製された原料粉末を準備した。この原料粉末とメジアン径１．０μｍのアルミナ粉末とを種々の比率で混合した後、プレス成形によって成形体を得た。この成形体を１軸加圧しながらＡｒ雰囲気中１４００〜１６００℃で焼成して、焼結体を得た。焼結体を切断して、アルミナ（酸化物）の含有率（ｖｏｌ％）が異なる、直径１．６ｍｍ長さ２０ｍｍの円柱状のサンプル１〜８を得た。サンプル中のアルミナ（酸化物）のメジアン径も１．０μｍであった。

ニッケル基合金製の電極母材に、直径１．６ｍｍ長さ０．４ｍｍのチップが接合された第２電極を準備した。第２電極のチップは、Ｐｔを第１相、Ｎｉを第２相とする金属成分に対しＮｉ（第２相）を１０ｗｔ％含有する合金とした。第２電極のチップと各サンプルとを０．８ｍｍの間隔をあけて対向させた後、窒素雰囲気中、各サンプルと第２電極との間に電圧を印加し、第２電極と各サンプルとの間に放電を繰り返し生じさせた。

図２は各サンプルと第２電極との間に印加した電圧波形および電流波形の模式図である。実施例１では、各サンプルと第２電極との間に放電を生じさせる主電圧２１の周波数を３０Ｈｚ、主電圧２１に重畳したパルス２２（高周波電流）の周波数を２ＭＨｚ、主電圧２１の印加からパルス２２を印加し始めるまでの待ち時間Ｗを１００μｓ、パルス２２の電流を３Ａ、パルス２２の持続時間Ｄを５００μｓとした。パルス２２が重畳した主電圧２１を繰り返し１０時間印加した。

試験後、各サンプルの消耗量（ｍｍ^３）を測定した。消耗量が０．１５ｍｍ^３未満のサンプルは「特に優れている（Ａ）」、消耗量が０．１５ｍｍ^３以上０．１６ｍｍ^３未満のサンプルは「優れている（Ｂ）」、消耗量が０．１６ｍｍ^３以上０．１７５ｍｍ^３未満のサンプルは「良い（Ｃ）」、消耗量が０．１７５ｍｍ^３以上のサンプルは「劣る（Ｄ）」と判定した。結果を表１に示した。なお、この判定の基礎となる消耗量は、放電が生じ難くなり、内燃機関（図示せず）の始動が困難になったり作動が不安定になったりするチップ２０の消耗量から推定して定めた。

表１に示すように、チップ（サンプル）の体積に対してアルミナ（酸化物）の含有率が０．５〜９．５ｖｏｌ％のサンプル２〜７は、判定をＣ以上にできることが確認された。サンプル８は、チップ（サンプル）の体積に対してアルミナ（酸化物）の含有率が１０．０ｖｏｌ％なので、Ｉｒ等の金属に比べて熱伝導性が低いアルミナを多く含むことになり、チップの熱引き特性（熱伝導性）が低くなり、チップの消耗量が増えたと推察される。サンプル１は、チップ（サンプル）の体積に対してアルミナ（酸化物）の含有率が０．３ｖｏｌ％なので、酸化物による消耗の抑制効果が乏しくなったと推察される。

特に、チップ（サンプル）の体積に対してアルミナ（酸化物）の含有率が３．５〜８．５ｖｏｌ％のサンプル４〜６は、判定をＡにできることが確認された。チップの熱引き特性と酸化物による消耗の抑制効果とを両立できたと推察される。

（実施例２）
Ｉｒを第１相とする金属成分に対し酸化物（アルミナ又はジルコニア）の含有率が７ｖｏｌ％となるように調製された原料粉末を準備した。プレス成形によって成形体を得た後、この成形体を１軸加圧しながらＡｒ雰囲気中１４００〜１６００℃で焼成して、焼結体を得た。焼結体を切断して、第２相の種類や比率（ｗｔ％）及び酸化物の種類が異なる、直径１．６ｍｍ長さ２０ｍｍの円柱状のサンプル９〜２８を得た。なお、サンプル中の酸化物のメジアン径は１．０μｍであった。

実施例１と同様にして、各サンプルと第２電極との間に、パルス（高周波電流）を重畳させた電圧（図２参照）を印加した。試験後、各サンプルの消耗量（ｍｍ^３）を測定した。判定基準は、実施例１の判定基準と同じにした。結果を表２に示した。

表２に示すように、第１相（Ｉｒ）及び第２相からなる金属成分に対し第１相（Ｉｒ）の含有率が８０ｗｔ％以上のサンプル９〜１２，１４〜１６，１８，１９，２１，２３〜２５，２７は、判定をＣ以上にできることが確認された。

（実施例３）
Ｉｒを第１相、Ｐｔを第２相とする金属成分に対し第２相の含有率が５ｗｔ％となるように調製された原料粉末を準備した。この原料粉末と種々のアルミナ粉末とを、アルミナの含有率が７ｖｏｌ％となるように混合した後、プレス成形によって成形体を得た。この成形体を１軸加圧しながらＡｒ雰囲気中１４００〜１６００℃で焼成して、焼結体を得た。焼結体を切断して、アルミナ（酸化物）のメジアン径が異なる、直径１．６ｍｍ長さ２０ｍｍの円柱状のサンプル２９〜３７を得た。

実施例１と同じ第２電極のチップと各サンプルとを０．８ｍｍの間隔をあけて対向させた後、窒素雰囲気中、高周波電流を重畳させた電圧を各サンプルと第２電極との間に１０時間印加し、第２電極と各サンプルとの間に放電を繰り返し生じさせた。実施例３では、各サンプルと第２電極との間に放電を生じさせる主電圧２１（図２参照）の周波数を３０Ｈｚ、主電圧２１に重畳したパルス２２（高周波電流）の周波数を１３ＭＨｚ、主電圧２１の印加からパルス２２を印加し始めるまでの待ち時間Ｗを１００μｓ、パルス２２の電流を８Ａ、パルス２２の持続時間Ｄを１０００μｓとした。

試験後、各サンプルの消耗量（ｍｍ^３）を測定した。消耗量が０．１２ｍｍ^３未満のサンプルは「特に優れている（Ａ）」、消耗量が０．１２ｍｍ^３以上０．１５ｍｍ^３未満のサンプルは「優れている（Ｂ）」、消耗量が０．１５ｍｍ^３以上０．１６ｍｍ^３未満のサンプルは「良い（Ｃ）」、消耗量が０．１６ｍｍ^３以上のサンプルは「劣る（Ｄ）」と判定した。結果を表３に示した。なお、この判定の基礎となる消耗量も、第１実施の形態と同様に、内燃機関（図示せず）の始動が困難になったり作動が不安定になったりするチップ２０の消耗量から推定して定めた。

表３に示すように、アルミナ（酸化物）のメジアン径が０．３〜２０μｍのサンプル３０〜３６は、判定をＣ以上にできることが確認された。サンプル２９は、アルミナのメジアン径が０．２μｍなので、第１相の粒界に存在する多くのアルミナの粒子が、焼成時の第１相の粒成長を妨げ、サンプルの単位体積あたりの第１相の粒界の面積が過大になったものと推察される。その結果、第１相（Ｉｒ）の粒界の酸化消耗に起因するサンプルの消耗量が増加したと考えられる。サンプル３７は、アルミナのメジアン径が５０μｍなので、放電時の熱衝撃でアルミナの粒子の一部が欠け、消耗が促進されたと推察される。

なお、アルミナ（酸化物）のメジアン径が０．５〜５μｍのサンプル３１〜３５は、判定をＢ以上にできることが確認された。放電時の熱衝撃によるアルミナの欠損に起因するサンプルの消耗を抑制し、また、サンプルの単位体積あたりの第１相の粒界の面積が過大になることを防ぎ、第１相（Ｉｒ）の粒界からの酸化消耗に起因するサンプルの消耗を抑制できたと推察される。さらに、アルミナ（酸化物）のメジアン径が０．５〜５μｍと小さいので、放電時に生じる熱でアルミナの粒子が溶融し、サンプルの表面を覆い、消耗の抑制に寄与したと推察される。特に、アルミナ（酸化物）のメジアン径が０．７〜２μｍのサンプル３２〜３４は、この効果を向上させることができ、判定をＡにできることが確認された。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

実施の形態では、接地電極１８のチップ２０が、Ｉｒを主成分としアルミナやジルコニアを含有するものとしたが、必ずしもこれに限られるものではない。中心電極１３のチップ１５を、チップ２０と同様の組成にすることは当然可能である。チップ１５，２０の両方を、Ｉｒを主成分としアルミナやジルコニアを含有することは当然可能である。しかし、これに限られるものではなく、チップ１５，２０のいずれか一方が、Ｉｒを主成分としアルミナやジルコニアを含有するものであれば良い。

実施の形態では、アルミナ又はジルコニア（いずれか一方）が含まれるチップ２０について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。アルミナ及びジルコニアの両方をチップ２０が含有することは当然可能である。アルミナとジルコニアとの比率は適宜設定できる。この場合、アルミナ及びジルコニアを合わせた酸化物の含有率が、チップ２０の体積に対して０．５〜９．５ｖｏｌ％とされる。

実施の形態では説明を省略したが、チップ２０の形状は適宜設定できる。チップ２０の形状は、例えば、円柱状、円錐台状、楕円柱状、三角柱や四角柱等の多角柱状などが挙げられる。

実施の形態では、チップ２０が電極母材１９に接合される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。チップ２０と電極母材１９との間に中間材を設けることは当然可能である。チップ２０と電極母材１９との間に中間材を介在させることにより、電極が火炎核のエネルギーを奪う消炎作用を抑制できる。

実施の形態では、主体金具１７に接合された電極母材１９を屈曲させる場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限られるものではない。屈曲した電極母材１９を用いる代わりに、直線状の電極母材を用いることは当然可能である。この場合には、主体金具１７の先端側を軸線Ｏ方向に延ばし、直線状の電極母材を主体金具１７に接合して、電極母材を中心電極１３と対向させる。

実施の形態では、中心電極１３の軸線Ｏとチップ２０の中心軸とを一致させ、チップ２０が中心電極１３と軸線Ｏ方向に対向するように接地電極１８を配置する場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限られるものではなく、接地電極１８と中心電極１３との位置関係は適宜設定できる。接地電極１８と中心電極１３との他の位置関係としては、例えば、中心電極１３の側面と接地電極１８とが火花ギャップを介して対向するように、接地電極１８を配置すること等が挙げられる。この場合、火花ギャップを臨む位置にチップ２０が接合される。

１０スパークプラグ
１３中心電極（第２電極）
１８接地電極（第１電極）
１９電極母材
２０チップ

Claims

Ｉｒを主成分とするチップが接合された電極母材を備える第１電極と、
前記チップと火花ギャップを介して対向する第２電極と、を備えるスパークプラグであって、
前記チップは、Ａｌ_２Ｏ_３を含む酸化物を含有し、
前記酸化物の含有率は、前記チップの体積に対して０．５〜９．５ｖｏｌ％であるスパークプラグ。
前記酸化物の含有率は、前記チップの体積に対して３．５〜８．５ｖｏｌ％である請求項１記載のスパークプラグ。
前記酸化物は、メジアン径が０．３〜２０μｍである請求項１又は２に記載のスパークプラグ。