JPH0239073B2 - Nainenkikanyotenkapuragu - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は自動車などの内燃機関に用いて好都合
な点火プラグに関するものである。

従来この種の点火プラグとして、中心電極の火
花放電端に、耐熱、耐消耗性の白金より成る放電
部層を抵抗溶接法等で接合し、中心電極の火花放
電端の消耗を防ぐようになして長寿命化を図つた
ものがある。

しかしながら、従来の上記点火プラグによれ
ば、放電部層が脱落することが往々にして現われ
るという問題を有している。

そこで、本発明者はその放電部層の脱落の傾向
を調査したところ、放電部層と中心電極との接合
部に亀裂を生じており、この亀裂を部位で放電部
層が脱落していた。

このことは、放電部層の白金と中心電極の母材
金属であるニツケルとの間の線膨張率の相違によ
る熱応力が大きく起因していると思われる。

本発明は上記の点に鑑み、火花放電間隙を形成
する電極の母材金属と放電部層との間に、該母材
金属のニツケルを少なくとも含む白金合金より成
る熱応力緩和層を配置したことにより、放電部層
の脱落を熱応力緩和層にて抑止できる内燃機関用
点火プラグを提供することを目的とするものであ
る。

以下本発明を具体的実施例により詳細に説明す
る。第１図、第２図において１はアルミナ磁器よ
りなる絶縁碍子で、中心に軸穴１ａが設けてあ
る。２は炭素鋼よりなる中軸で、絶縁碍子１の軸
穴１ａのうち上部に挿通してある。３は円筒状の
ハウジングで、耐熱、耐蝕性の金属で構成してあ
り、このハウジング３の内側にリング状機密パツ
キン４およびかしめリング５を介して上記絶縁碍
子１が固定してある。なおハウジング３には内燃
機関のシリンダブロツクに固定するためのネジ部
３ａが設けてある。６は中心電極であり、母材金
属としてニツケル−クロム（Ni−Cr）合金もし
くはインコネル600（商品名）から構成してある。
７は本発明の要部である２重白金層であり、中心
電極６の先端に抵抗溶接法により接合してある。
この２重白金層７は放電部７ａと熱応力の緩和層
７ｂとから成つている。放電部層７ａは白金合
金、例えば、白金（Pt）70重量％乃至90重量％、
イリジウム（Ir）30重量％乃至10重量％から成
り、熱応力緩和層７ｂは白金と卑金属の合金、例
えばPt70重量％乃至90重量％、ニクケル30重量
％乃至10重量％から成つている。８は耐熱、耐蝕
性金属からなる接地電極で、中心電極６と同様の
母材金属で構成してある。９は白金チツプ層で、
接地電極８に抵抗溶接法により接合されている。
この白金チツプ層９は上記放電部層７ａと同様の
Pt合金で構成してある。１０は絶縁碍子１の軸
穴１ａ内に封着した導電性ガラスシール層であ
り、銅粉末を低融点ガラスとから構成されてお
り、このシール層１０で中軸２と中心電極６とを
電気的に接続すると共に、両者を絶縁碍子１の軸
穴１ａに移動しないよう固定してある。図中、Ｇ
は火花放電間隙を示している。

なお、上記２重層７は、放電部層７ａの素材と
緩和層７ｂの素材とを重ねて圧延し、熱処理後に
プレスにて打抜いて製造する。

従来例では、白金製放電部層を中心電極およ
び／または接地電極の放電面に使用することによ
り、該電極の耐消耗性の大幅な向上を図つてい
る。しかし、放電部層は白金とイリジウムの合
金、もしくは白金とタングステンの合金、もしく
は白金とイリジウムに若干のNiを点火した合金
から成つていて単一のチツプで構成してあり、そ
の線膨張係数は約８〜９×10^-6／℃であり、上記
放電部層とは約５×10^-6／℃の差がある。ところ
が、点火プラグは高負荷、低負荷と種々の運転条
件で使用され、即ち高温、低温が繰返され、この
冷熱繰返しと線膨張差により放電部層と両電極と
の間でそれぞれ繰返し熱応力を受け、一般的には
第３図Ａ，Ｂのa.bに示すように横亀裂および接
合面に選択的に酸化が発生し、最後は放電部層７
が脱落する。なお、接地電極８側の白金チツプ９
は横亀裂および酸化が生じるが、接地電極８は中
心電極６より高温となるため、この電極自体の消
耗により白金チツプ９自体は脱落する。この横亀
裂および酸化に対する対策には種々の方法が考え
られるが、非常に温度が高くなるエンジンや、プ
ラグの電極温度が高くなる例えば第４図に示すよ
うな電極構成（従来より３〜７mmほど突出したプ
ラグ）には必ずしも有効といえない。

そこで、本発明は電極温度が上昇した場合にも
上記横亀裂の発生がなく、かつ酸化をも軽減する
ものである。（以下、不具合とする）そのために
は、熱王力を減ずる必要がある。この熱応力を減
ずるため、上記放電部層７の部分を線膨張が母材
６ａのNi合金とできるだけ合うようPtとNiとの
合金から構成した熱応力緩和装置７ｂと白金合金
製の放電部層７ａとに分けた。ここで、熱応力緩
和層７ｂはPt90重量％乃至70重量％とNi10重量
％乃至30重量％との合金組成から構成してある。
一方、放電部層７ａはPt90重量％乃至70重量％
としてIr10重量％乃至30重量％の合金組成、もし
くはこの合金組成に２重量％乃至５重量％のNi
が添加された合金組成から構成してある。かかる
合金組成により、母材６ａと放電部層７ａとの間
の線膨張は徐々に変化している。即ち、母材６ａ
と放電部層７ａとの間にこれらと中間の線膨張係
数を有する熱応力緩和層７ｂを設けることによ
り、熱応力を大幅に減少し、前記横亀裂および接
合面の酸化を抑制することができた。

以下、この緩和層７ｂの作用を説明する。緩和
層７ｂは、母材６と放電部層７ａとの間に存在す
るため、緩和層７ｂ自体の線膨張係数と前記両材
料（母材６、放電部層７ａ）の線膨張係数との差
から生じる熱応力を両側より受ける。従つて、こ
の熱応力は、緩和層材料で変化しうるし、また緩
和層７ｂの厚さｔにより、母材６、放電部層７ａ
の両材料から受ける熱応力分布を変化せしめうる
ことができるのである。この一例を第５図にて示
す。第５図Ａの横軸のプラグ中心の電極温度は、
内燃機関の運転条件を変化させた時の指示値であ
る。また、同図の縦軸は第５図Ｂに示した接合面
のＡ，Ｂの不具合深さ（Ａ＋Ｂ）を放電部層７ａ
（組成：78Pt−20Ir−2Ni）の側面より測定した
値である。なお、高温域では、横亀裂と酸化が同
時に進行し、第５図ＢのＡ，Ｂのごとき侵食を生
じる。これを上記不具合深さとしてある。緩和層
７ｂ材質は、90重量％Pt−10重量％のNiを用い、
緩和層厚さｔを0.05mm、0.10mm、0.15mmの３水準
とした。なお、母材６の組織はインコネル600（商
品名）相当15.5重量％Cr−8Fe−0.5Mn−残りNi
である。評価は2600c.c.、４サイクルの水冷式内燃
機関を用い、アイドル１分→W.O.T1分のサイク
ルで100H実施した結果である。この第５図Ａか
ら明らかなように、プラグ中心電極が高温度にな
るにつれて上記不具合深さは著しく進み、かつ緩
和層７ｂの厚さによつてもその不具合深さは変化
するこがわかる。

ところで、本実験を踏まえ、緩和層７ｂの材
料、すなわち線膨張係数を変化させるとともに、
緩和層７ｂの厚さｔも変化させ、前述した第５図
と同様の試験を実施した結果が第６図である。緩
和層材料は、95Pt−5Ni、85Pt−15Ni、80Pt−
20Ni、75Pt−25Ni、70Pt−30Ni、65Pt−35Ni、
60Pt−40Niを用いた。なお、この材料の各数値
はPt、Niの重量％を示している。評価は、前述
した第５図と同様のエンジン強制冷熱試験であ
る。評価結果は、上記緩和材料とその厚さを変化
させ、上記不具合深さが著しく進行し始める点を
求め、必要緩和層厚さとした。

なお、上述の緩和層材料におて、95Pt−5Ni、
60Pt−40Ni、65Pt−35Niのものは不具合深さが
著しく、従つて、第６図には示していない。

この第６図において、例えば70Pt−30Niを例
にとると、プラグ中心電極温度が900℃の場合は
その材料曲線と900℃の線上の交点を横軸に求め
れば緩和層厚さは0.05mmとなる。つまり、緩和層
の材料を70Pt、30Niの合金組成で構成した場合
には、プラグの中心電極温度が900℃の条件にお
いて、その緩和層厚さは少なくとも0.05mm必要で
あり、この厚さを下回ると上記不具合深さが著し
く発生するのである。なお、内燃機関における一
般実用領域でのプラグの中心電極の最高指示温度
はほぼ900℃であり、この900℃において上記不具
合深さが発生しなければ実用時は問題はないので
ある。

次に、上述した第６図から、緩和層材料の線膨
張係数と緩和層厚さとによつて、前述の横亀裂と
酸化が生じる不具合域、これが生じない良好域の
関係を示したのが第７図である。

この第７図は第６図におけるプラグ中心電極温
度900℃におけるデータであり、第７図中のａ〜
ｄは第６図中のａ〜ｄの緩和層材料に対応する。
この第７図において、前記放電部層７ａの線膨張
係数は９×10^-6／℃の近傍であり、一方前記母材
６の線膨張係数は13.5×10^-6／℃の近傍である。
従つて、これらの線膨張係数に近い線膨張係数を
もつた材で前記緩和層を構成すると、不具合域に
入ることがわかる。

一方、緩和層の線膨張係数が10×10^-6／℃であ
れば、その厚さは少なくとも0.15mm必要であり、
かかる組合せ条件に設定することにより、良好域
に入ることがわかる。

また、緩和層の線膨張膨張係数を13×10^-6／℃
にすれば、良好域に入るためにはその厚さは少な
くとも0.05mm必要であることがわかる。

従つて、緩和層の線膨張係数10×10^-6／℃〜13
×10^-6／℃の範囲内において、線膨張係数が小さ
くなるに従つて緩和層の厚さを厚くし、反対に線
膨張係数が大きくなるに従つて緩和層の厚さを薄
くすればよい。勿論、この厚さは少なくとも0.05
mm〜少なくとも0.15mmである。

次に放電部層７ａの組成について説明する。放
電部層７ａは火花放電による消耗だけを考えれ
ば、Ptのみでよい。しかし、Ptのみであると、
第８図ａに示すごとく、放電部層７ａに縦亀裂ｂ
を生じる。この亀裂を抑えるためにはIrを添加す
るのがよく、この亀裂発生率とIrの添加量との関
係を第８図ｂに示す。同図より明らかなごとく、
Irの添加量は10重量％乃至30重量％がよく、より
好ましい範囲は15重量％乃至30重量％がよい。30
重量％を越えると、放電部層７ａを構成する材料
自体の硬度が上昇し、所望形状に加工できない。
なお、上記Irの量はPtと合計して100重量％の値
である。

次に、接地電極８に設ける白金チツプ層９は、
該電極８の母材であるNi合金の線膨張率に近似
させるとともに耐消耗製の両面を狙つて、Niの
含有量を５重量％乃至60重量％にするのがよく、
より好ましくは５重量％乃至20重量％がよい。こ
の白金チツプ層９において、Niの含有量が増す
と、却つて酸化による消耗が進行する。ちなみ
に、接地電極８は中心電極６に比較して約100℃
程度温度が高く、白金チツプ層９中のNiの酸化
の進行度合が中心電極６側より速いため、白金チ
ツプ層９におけるNiの含有量は少なめがよい。

本発明は上述の実施例に限定されず、以下のご
とく種々の変形が可能である。

(1) 緩和層材質はPt−Ni合金とともに、10〜
13.0×10^-6／℃間の線膨張係数の材料組合せ、
例えばAu−Pd、Pt−Pd、Pt−Rh、Pt−Au、
Pt−Agで構成してもよい。

(2) 接地電極９が正極性となる点火回路を用いた
場合には、この接地電極９の方に中心電極６で
用いた、放電部層７ａと熱応力緩和層７ｂとの
組合せを採用すればよい。

(3) 中心電極６と接地電極９との両方に、放電部
層７ａ、熱応力緩和層７ｂの２重白金層を設け
てもよい。

(4) 中心電極６を単品の状態で例えば1000℃、３
時間という熱処理を施すことにより、熱応力緩
和層７ｂと中心電極６の母材との接合部に合金
層部を形成してもよい。これにより、熱応力の
緩和を一層図ることができる。なお、上記合金
層の厚さは少なくともに10μが望ましい。

(5) 中心電極６の先端の径を例えば0.7mm乃至1.2
mmとして先細形状にしてもよい。かかる形状に
より、着火性の向上を図ることができる。

(6) 中心電極６側の２重白金層７の大きさは直径
0.9mm、肉厚0.4mm（約5.5mg±２mgの重畳）がよ
く、接地電極８側の白金チツプ層９の大きさは
直径0.7mm、肉厚0.3mm（約2.5mg±１mgの重畳）
がよい。この程度の寸法、重畳であれば、価格
的に満足できるとともに寿命的にも満足でき
る。

(7) 中心電極６の母材は93重量％Ni、２重量％
Cr、３重量％Mn、２重量％Siで構成してもよ
い。

(8) 各層７ａ，７ｂ，９には不可避的不純物が入
つていてもよい。

以上述べたごとく本発明によれば、電極に設け
た白金製放電部層と上記電極の母材との間に、該
母材に含まれるニツケルを含有した白金製熱応力
緩和層を介在せしめたから、放電部層と電極の母
材との間に熱応力を緩和層で緩和することがで
き、従つて放電部層の脱落を抑止できるという優
れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明点火プラグの一実施例を示す半
断面図、第２図は第１図の要部を拡大して示す断
面図、第３図Ａ，Ｂは従来の説明に供する部分断
面図、第４図は本発明の説明に供する半断面図、
第５図Ａは本発明の説明に供する特性図、第５図
Ｂは第５図Ａの説明に供する模式図、第６図およ
び第７図は本発明の説明に供する特性図、第８図
ａは本発明の説明に供する中心電極部分を示す正
面図、第８図ｂは本発明の説明に供する特性図で
ある。 ６……中心電極、７……２重白金層、７ａ……
放電部層、７ｂ……熱応力緩和層、８……接地電
極、９……白金チツプ層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも２つの対向した電極間に火花放電
   間隙を形成し、前記一方の電極に白金を含む耐消
   耗性の放電部層を設けた内燃機関用点火プラグで
   あつて、前記放電部層と前記一方の電極の母材と
   の間に、該母材を構成するニツケルを含有した白
   金合金より成る熱応力緩和層を配置し、該緩和層
   の線膨張係数を10×10^-6／℃乃至13×10^-6／℃と
   し、かつ、この線膨張係数が10×10^-6／℃のとき
   は前記緩和層の厚さを少なくとも0.15mm、線膨張
   係数が13×10^-6／℃のときは前記緩和層の厚さを
   少なくとも0.05mmとし、前記線膨張係数の範囲内
   において、その線膨張係数が小さくなるに従つて
   前記緩和層の厚さを厚くし、線膨張係数が大きく
   なるに従つて前記緩和層の厚さを薄くした内燃機
   関用点火プラグ。 ２ 前記放電部層は、70重量％乃至90重量％の白
   金、および30重量％乃至10重量％のイリジウムを
   含んでいることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の内燃機関用点火プラグ。 ３ 前記緩和層は、70重量％乃至90重量％の白金
   および30重量％乃至10重量％のニツケルを含んで
   いることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   の内燃機関用点火プラグ。 ４ 少なくとも２つの対向した電極間に火花放電
   間隙を形成し、前記一方の電極に、白金を含む耐
   消耗性の放電部層を設けた内燃機関用点火プラグ
   であつて、前記放電部層と前記一方の電極の母材
   との間に該母材を構成するニツケルを含有した白
   金合金により成る熱応力緩和層を配置し、前記他
   方の電極に、白金を含む耐消耗性の層を設け、該
   緩和層の線膨張係数を10×10^-6／℃乃至13×
   10^-6／℃とし、かつ、この線膨張係数が10×
   10^-6／℃のときは前記緩和層の厚さを少なくとも
   0.15mm、線膨張係数が13×10^-6／℃のときは前記
   緩和層の厚さを少なくとも0.05mmとし、前記線膨
   張係数の範囲内において、その線膨張係数が小さ
   くなるに従つて前記緩和層の厚さを厚くし、線膨
   張係数が大きくなるに従つて前記緩和層の厚さを
   薄くした内燃機関用点火プラグ。 ５ 前記放電部層は、70重量％乃至90重量％の白
   金、および30重量％乃至10重量％のイリジウムを
   含んでいることを特徴とする特許請求の範囲第４
   項記載の内燃機関用点火プラグ。 ６ 前記緩和層は、70重量％乃至90重量％の白金
   および30重量％乃至10重量％のニツケルを含んで
   いることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載
   の内燃機関用点火プラグ。 ７ 前記他方の電極に設けられた耐消耗性の層
   は、５重量％乃至60重量％のニツケル、および95
   重量％乃至40重量％の白金を含んでいることを特
   徴とする特許請求の範囲第６項記載の内燃機関用
   点火プラグ。