JPH0845643A - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 貴金属部材の疲労破壊を防止できると共に貴
金属部材の耐消耗性を向上させることができる，耐久性
に優れた内燃機関用スパークプラグを提供すること。 【構成】 接地電極３を設けた金属ハウジングと，該金
属ハウジング内に挿入固定した絶縁碍子４４と，該絶縁
碍子４４にその基部が埋め込まれて先端部１１が突出し
ている中心電極１とを有する。内燃機関用スパークプラ
グにおいて，上記中心電極１の上記先端部１１にはその
外周に環状の貴金属部材２を嵌合すると共に，両者間を
局部的に固定する溶接固定部５を設け，上記貴金属部材
１の結晶組織は，接地電極３の放電面３１と対峙する方
向に積層された偏平な偏平結晶粒よりなり，かつ該偏平
結晶粒の長径をｄ，偏平結晶粒の厚さをｔとしたとき，
ｔ／ｄ≦０．３の関係にあること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，内燃機関用スパークプ
ラグ，特にその中心電極に設ける貴金属部材に関する。

【０００２】

【従来技術】現在自動車等に使用される内燃機関におい
ては，環境問題，地球資源の観点より一層の省エネルギ
ーが叫ばれており，燃費の低減が進められている。その
手段として高圧縮化，希薄混合気によるリーンバーン化
等が行われている。しかし，これにより，スパークプラ
グの火花ギャップにおける飛火電圧が上昇する。そのた
め電極の消耗を極力抑制すべく，耐消耗性に優れた白金
等の貴金属部材を配置したスパークプラグが多数提案さ
れている。

【０００３】その中にあって，着火性向上の観点より内
燃機関の燃焼室内へ中心電極の先端部を長く突出するよ
う設定されたスパークプラグがある（後述する図３参
照）。このスパークプラグの中心電極は，加熱されやす
く放熱作用も悪化するため，その電極温度が高くなり電
極消耗が多くなる。そのため，中心電極の先端部の側面
の外周に耐消耗性に優れた貴金属部材を設け，該貴金属
部材に複数の接地電極を対峙させたスパークプラグが提
案されている（特公昭６２−３１７９７号）。

【０００４】このスパークプラグは，中心電極の先端部
に穴付き円板の貴金属部材を乗せると共にこれらを全面
的に電気溶接し，その後その外径を径小となるように絞
り加工することにより，貴金属部材を中心電極の先端部
に固定させたものである。このスパークプラグにおいて
は，貴金属部材と中心電極とを電気溶接して，絞り加工
しているので，貴金属部材を中心電極に対して全面にわ
たり接合固定できる。

【０００５】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記従来のス
パークプラグにおいては，上記中心電極と貴金属部材と
は異なる線膨張係数を有するため，内燃機関の燃焼時の
温度変化により，両者の接合界面に繰り返し熱応力が生
ずる。特に，貴金属部材は高価なため，その厚みを薄く
している。そのため，貴金属部材が繰り返し熱応力によ
って疲労破壊を引き起こし，スパークプラグの耐久寿命
を著しく低下させる。

【０００６】そこで，この不具合を回避するため，貴金
属部材にニッケル（Ｎｉ）を添加して中心電極と貴金属
部材との線膨張係数の差を小さくする手段も取られてい
る。しかし，このＮｉ添加量を多くすると貴金属部材の
耐消耗性が悪化するため，Ｎｉはせいぜい２５重量％程
度しか添加できない。

【０００７】本発明はかかる従来の問題点に鑑み，貴金
属部材の疲労破壊を防止できると共に，貴金属部材の耐
消耗性を向上させることができる，耐久性に優れた内燃
機関用スパークプラグを提供しようとするものである。

【０００８】

【課題の解決手段】本発明は，接地電極を設けた金属ハ
ウジングと，該金属ハウジング内に挿入固定した絶縁碍
子と，該絶縁碍子にその基部が埋め込まれて先端部が突
出している中心電極とを有し，上記中心電極の先端部と
上記接地電極との間には火花ギャップを形成してなる内
燃機関用スパークプラグにおいて，上記中心電極の上記
先端部にはその外周に環状の貴金属部材を嵌合すると共
に，両者間を局部的に固定する溶接固定部を設け，上記
貴金属部材の結晶組織は，接地電極の放電面と対峙する
方向に積層された偏平な偏平結晶粒よりなり，かつ該偏
平結晶粒の長径をｄ，偏平結晶粒の厚さをｔとしたと
き，ｔ／ｄ≦０．３の関係にあることを特徴とする内燃
機関用スパークプラグにある。

【０００９】本発明において最も注目すべきことは，中
心電極の先端部の外周に環状に貴金属部材を嵌合すると
共に両者を局部的に溶接固定部したこと，及び上記貴金
属部材の偏平結晶粒における長径ｄと厚みｔとの関係
を，ｔ／ｄ≦０．３としたことである。

【００１０】上記貴金属部材は，円環状，円筒状，或い
は多角環状，多角筒状等の環状形を有する。中心電極の
先端部の形状は，この貴金属部材を嵌合できる形状，大
きさを有する。そして，先端部と貴金属部材とは，その
接触部分の全面でなく，局部的に溶接固定部されてい
る。また，局部的な溶接固定部の形成は，接地電極の放
電面と直接対峙しない部分に設けることが好ましい（図
１，図６〜図８）。これにより，溶接固定部分の火花消
耗，酸化腐食を防止することができる。

【００１１】上記貴金属部材としては，Ｐｔ（白金）−
Ｎｉ（ニッケル），Ｐｔ−Ｉｒ（イリジウム）−Ｎｉ，
Ｐｔ−Ｉｒなどがある。また，この貴金属部材の結晶組
織は，接地電極の放電面と対峙する方向に積層された，
偏平な偏平結晶粒よりなる。かかる偏平結晶粒は，上記
貴金属部材を圧延することにより得られる。

【００１２】また，上記偏平結晶粒はその長径ｄ（μ
ｍ）と厚さｔ（μｍ）との間に，ｔ／ｄ≦０．３の関係
を有することが必要である。ｔ／ｄが０．３よりも大き
くなると，放電時に生ずる粒界の酸化腐食が早く進行
し，更に偏平結晶粒の溶解，消失，脱落を生ずるおそれ
がある。上記偏平結晶粒は，実施例に示すごとく，略楕
円形状の薄板であり，その楕円形状の長い方の直径を上
記長径ｄとする。

【００１３】また，中心電極の先端部と貴金属部材との
間に局部的な溶接固定部を形成する方法としては，レー
ザー，電子ビームなど局部的に狭い範囲を溶接すること
ができる手段を用いる。特に，レーザー，電子ビームに
よる溶接は所望する小さい局部的部分に，溶接固定部を
形成でき，かつエネルギー投入時間も制御できるため，
溶接固定部に近接する貴金属部材の組織の粗大化を防止
できる。

【００１４】また，上記中心電極は，ニッケル基合金を
用いることが好ましい。これにより，中心電極自体の耐
消耗性も向上できる。かかるニッケル基合金としては，
例えばＣｒ１５％，Ｆｅ８％を含むニッケル高クロム合
金（インコネル系），Ｃｒ１〜６％を含むニッケル低ク
ロム合金などがある。

【００１５】

【作用及び効果】本発明のスパークプラグにおいては，
中心電極の先端部の外周に上記貴金属部材を嵌め込む構
成とし，かつ両者間には局部的に溶接固定部を有してい
るのみである。そして，溶接固定部は中心電極と貴金属
部材とが溶け合った合金状態にあり，両者の線膨張係数
に近似した線膨張係数を有すると共に局部的接合であ
る。そのため，内燃機関の燃焼時の温度変化により，中
心電極及び貴金属部材が膨張，収縮を繰り返しても，両
者はそれぞれ自由に膨張，収縮し，両者間に生ずる熱応
力は極く少ない。それ故，貴金属部材の疲労破壊を回避
することができる。

【００１６】また，上記貴金属部材は，その結晶組織
が，接地電極の放電面と対峙する方向に積層された偏平
な偏平結晶粒であり，かつその長径ｄと厚さｔとの関係
はｔ／ｄ≦０．３の関係にある。そのため，結晶組織に
おける粒界腐食経路を長くすることができ，中心電極と
貴金属部材との接合面に至る酸化腐食の進行を抑制する
ことができる。

【００１７】また，そのため，粒界腐食に伴う結晶間の
結合力の低下と，熱伝導の悪化より生ずる個々の偏平結
晶粒の溶解，消失，脱落を防止することができる。それ
故，貴金属部材の耐消耗性を向上させることができる。

【００１８】したがって，本発明によれば，貴金属部材
の疲労破壊を防止できると共に，貴金属部材の耐消耗性
を向上させることができる，耐久性に優れた内燃機関用
スパークプラグを提供することができる。

【００１９】

【実施例】

実施例１ 本発明の実施例にかかる内燃機関用スパークプラグにつ
き，図１〜図５を用いて説明する。本例のスパークプラ
グは，図１〜図３に示すごとく，接地電極３を設けた金
属ハウジング４と，該金属ハウジング４内に挿入固定さ
れた絶縁碍子４４と，該絶縁碍子４４にその基部が埋め
込まれて先端部１１が突出している中心電極１とを有
し，上記中心電極１の先端部１１と接地電極３との間に
は火花ギャップ３５を形成している。

【００２０】また，上記先端部１１の外周には，環状の
貴金属部材２を嵌合すると共に両者を局部的に固定する
溶接固定部５を有する。また，上記貴金属部材２の結晶
組織は，接地電極３の放電面３１と対峙する方向に積層
された偏平な偏平結晶粒よりなる。また，図１，図４，
図５に示すごとく，偏平結晶粒の長径ｄとその厚みｔと
の間にはｔ／ｄ≦０．３の関係がある。

【００２１】上記中心電極１は，芯材１５を内蔵してい
る。中心電極１は，インコネル６００よりなるニッケル
基合金であり，芯材１５は銅である。また，貴金属部材
２は，本例においては，Ｐｔ−Ｎｉ合金を用い，厚み
０．５ｍｍ，外径２．５ｍｍ，長手寸法１．５ｍｍの円
筒形状である。また，貴金属部材２は，中心電極１の先
端部１１に嵌合してあり，両者の先端面は一致させてあ
る（図１，図３）。

【００２２】また，中心電極の先端部１１と貴金属部材
２との間には，図１〜図３に示すごとく，上記先端面の
円状の接触部分２２において，断面Ｖ字状で環状の溶接
固定部５を有している。この溶接固定部５は，レーザー
光を上記先端面における先端部１１と貴金属部材２との
接触部分２２に環状に照射することにより形成してあ
る。また，先端部１１と貴金属部材２とのその他の接触
部分は溶接固定部を形成していない。また，金属ハウジ
ング４の外周には，スパークプラグを内燃機関へ螺着す
るためのネジ部４１が形成されている。

【００２３】次に，上記貴金属部材の結晶組織につき説
明する。図１，図４，図５に示すごとく，貴金属部材の
結晶組織は，接地電極３の放電面３１と対峙する方向
（図１，図４）に積層された，偏平な偏平結晶粒２０よ
りなる。即ち，各偏平結晶粒２０は，放電面側から見た
平面は楕円形（図５）であり，その断面は薄板状（図
４）である。

【００２４】かかる結晶組織を有する貴金属部材は，上
記貴金属部材を圧延することにより形成される。本例に
おいては，上記偏平結晶粒２０は，その長径ｄが７〜２
５μｍ，厚みｔが２〜７μｍであり，ｔ／ｄは０．３以
下である。

【００２５】本例のスパークプラグにおいては，中心電
極１の先端部１１に貴金属部材２を嵌合すると共に，局
部的に溶接固定部を形成している。そのため，前記のご
とく，貴金属部材の疲労破壊を回避することができる。
また，貴金属部材の結晶組織は，偏平結晶粒であり，上
記ｔ／ｄは０．３以下である。そのため，上記のごと
く，粒界腐食経路が長く，耐消耗性を向上させることが
できる。それ故，耐久性に優れたスパークプラグを得る
ことができる。また，本例では，溶接固定部５は接地電
極の放電面３１と直接対峙していない。そのため，溶接
固定部５の火花消耗，酸化腐食を防止できる。

【００２６】実施例２ 本例は，図６〜図８に示すごとく，中心電極１の先端部
１１と貴金属部材２との間に設ける，溶接固定部５の位
置に関して種々の例を示すものである。図６に示すスパ
ークプラグは，実施例１に示した環状の溶接固定部５
（図１，図２）に代えて，中心電極の先端部１１と貴金
属部材２との先端面の円状の接触部分２２において，４
ヶ所にスポット的に溶接固定部５１を形成したものであ
り，他の部分は溶接していない。

【００２７】図７に示すスパークプラグは，貴金属部材
２の下端と中心電極の先端部１１の段部１１１との接触
部分２３において，その全周に溶接固定部５２を形成し
たもので，他の部分は溶接していない。なお，上記溶接
固定部５２は，接地電極３の放電面３１と直接対峙しな
いように，接地電極３の下端面３３よりも０．４ｍｍ以
上離れた部分に設けてある。

【００２８】図８に示すスパークプラグは，溶接固定部
５３を，中心電極の先端部１１に対して，貴金属部材２
の長さ方向中央部の２ヶ所で形成したものである。そし
て，２つの溶接固定部５３は，いずれも，接地電極３の
放電面３１と対峙しないように，これと９０度直交する
方向に設けてある。

【００２９】上記いずれの場合も，溶接固定部５１〜５
３が，接地電極３の放電面３１と直接対峙していないの
で，これらが火花消耗，酸化腐食されることがなく，耐
久性に優れている。また，いずれのスパークプラグの場
合も，その他は実施例１と同様であり，実施例１と同様
の効果を得ることができる。

【００３０】実施例３ 本例においては，貴金属部材の結晶組織の状態と，貴金
属部材の耐消耗性につき説明する。即ち，上記実施例１
に示したスパークプラグにおいて，偏平結晶粒の長径ｄ
と厚みｔとの関係を種々に変えて，これらをエンジンに
組付け，放電試験を行ない，貴金属部材の耐消耗性をテ
ストした。その結果を，図９に，横軸にｔ／ｄ比を，縦
軸に消耗比をとって示した。ここに，消耗比は，同図に
示すごとく，ｔ／ｄを１．０としたときの消耗量に対す
る割合である。

【００３１】上記の放電試験は，６気筒，２０００ｃｃ
のガソリンエンジンを用い，ＷＯＴ（スロットル全
開），５０００ｒｐｍ，２００時間の条件で行った。な
お，図９において，曲線Ａ，Ｂは貴金属部材の材質を示
し，曲線Ａは，７８％Ｐｔ−２０％Ｉｒ−２％Ｎｉ合金
を，一方曲線Ｂは８０％Ｐｔ−２０％Ｎｉを示してい
る。図９より知られるごとく，いずれの貴金属部材の場
合も，ｔ／ｄが０．３以上の場合には，消耗比が非常に
少ないことが分かる。

【００３２】これは，ｔ／ｄ≦０．３の場合には，貴金
属部材の表面からの粒界腐食の進行経路が長くなり，貴
金属部材と中心電極との接触部分への腐食進行が容易に
進まないためと考えられる。また，微細な偏平結晶粒が
維持されるために，材料強度の低下もなく，繰り返し熱
応力に対して疲労強度が向上するためと考えられる。ま
た，そのため，応力集中も発生し難く，粒界ワレ，結晶
脱落も生じ難い。

【００３３】比較例 本例は，図１０に示すごとく，貴金属部材の結晶組織
が，本発明のごとく放電面に対峙する方向に偏平な偏平
結晶粒でなく，かつ上記ｔ／ｄ≦０．３でない場合にお
ける，結晶組織の疲労破壊の経時変化を示す。図１０ａ
〜ｄは，中心電極の先端部１１の発火部に設けた貴金属
部材２を拡大して示すもので，その消耗形態，結晶組
織，疲労破壊の経時変化を示している。

【００３４】即ち，図１０（ａ）は中心電極に接合され
た初期の貴金属部材の断面を示し，接合後の熱処理によ
り結晶は約２０μｍ程度に粗大化し，偏平ではない。図
１０（ｂ）においては，火花ギャップ間での放電にて貴
金属部材の表面部が溶融，蒸発される現象と燃焼室の高
温腐食雰囲気により，結晶の腐食２０２並びに結晶粒界
への選択的腐食２０３が複合的に生じる。

【００３５】図１０（ｃ）においては，長時間の使用時
の状況を示す。粒界腐食の進行は，貴金属部材への繰り
返し熱応力に対して切り欠きの役割を果たし，著しい場
合には応力集中にて粒界ワレ２０４に至る。粒界ワレ２
０４を生じた部分は互いの結晶間の熱伝導が悪化し，一
層の腐食，溶融が起こり，耐消耗性を悪化させる。最終
的には，図１０（ｄ）に示すごとく，粒界ワレにより貴
金属部材２と中心電極先端部１１との接触部分に酸化腐
食２０５が達して貴金属部材の一部が脱落し，貴金属量
は著しく減少してしまい耐消耗性を低下させてしまう。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１にかかるスパークプラグの要部説明
図。

【図２】実施例１にかかるスパークプラグの先端部の平
面図。

【図３】実施例１にかかるスパークプラグの要部断面
図。

【図４】実施例１における貴金属部材の，接地電極に対
峙する方向の偏平結晶粒の断面図。

【図５】実施例１における貴金属部材の偏平結晶粒の平
面図。

【図６】実施例２におけるスパークプラグの溶接固定部
形成部分の説明図。

【図７】実施例２におけるスパークプラグの他の溶接固
定部形成部分の説明図。

【図８】実施例２におけるスパークプラグの他の溶接固
定部形成部分の説明図。

【図９】実施例３における放電テストの結果を示す線
図。

【図１０】比較例における，貴金属部材の消耗状況を示
す説明図。

【符号の説明】

１．．．中心電極， １１．．．先端部， ２．．．貴金属部材， ２０．．．偏平結晶粒， ２２，２３．．．接触部分， ３．．．接地電極， ３１．．．放電面， ４．．．金属ハウジング， ５，５１，５２，５３．．．溶接固定部，

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 接地電極を設けた金属ハウジングと，該
   金属ハウジング内に挿入固定した絶縁碍子と，該絶縁碍
   子にその基部が埋め込まれて先端部が突出している中心
   電極とを有し，上記中心電極の先端部と上記接地電極と
   の間には火花ギャップを形成してなる内燃機関用スパー
   クプラグにおいて，上記中心電極の上記先端部にはその
   外周に環状の貴金属部材を嵌合すると共に，両者間を局
   部的に固定する溶接固定部を設け，上記貴金属部材の結
   晶組織は，接地電極の放電面と対峙する方向に積層され
   た偏平な偏平結晶粒よりなり，かつ該偏平結晶粒の長径
   をｄ，偏平結晶粒の厚さをｔとしたとき，ｔ／ｄ≦０．
   ３の関係にあることを特徴とする内燃機関用スパークプ
   ラグ。
2. 【請求項２】 請求項１において，上記中心電極と貴金
   属部材との接合はレーザ又は電子ビームにより局所的に
   行われていることを特徴とする内燃機関用スパークプラ
   グ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において，上記中心電極
   はニッケル基合金であることを特徴とする内燃機関用ス
   パークプラグ。