JPH1116657A

JPH1116657A - スパークプラグ

Info

Publication number: JPH1116657A
Application number: JP18456897A
Authority: JP
Inventors: Tomosato Katou; 友聡加藤; Katsu Oshima; 克大嶋
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1997-06-24
Publication date: 1999-01-22

Abstract

(57)【要約】【課題】電極形状やギャップ幅によらず火花放電電圧
を本質的に低くすることが可能であり、電極の耐消耗性
や着火性を損なうことなく、比較的低電圧でエネルギー
密度の高い火花を発生させることができるスパークプラ
グを提供する。【解決手段】スパークプラグ１００は、中心電極３
と、その中心電極３の外側に設けられた絶縁体２と、絶
縁体２の外側に設けられた主体金具１と、中心電極３と
対向するように配置された接地電極４とを備える。中心
電極３と接地電極４との少なくとも一方に発火部３１な
いし３２が設けられ、火花放電ギャップｇが形成され
る。そして、該発火部３１ないし３２は、母材金属に対
し、その母材金属よりも熱電子放出性の優れた無機化合
物を混在させた金属−無機化合物複合材料により構成さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガソリンエンジンや
ガスヒートポンプ等の内燃機関に使用されるスパークプ
ラグに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、自動車用その他のガソリンエン
ジンあるいはＬＰガスエンジン、さらにはガスヒートポ
ンプ等の内燃機関には、その着火源としてスパークプラ
グが使用されている。例えば自動車用ガソリンエンジン
の場合、主として燃費向上のため近年は混合気の圧縮比
が高く設定されることが多くなってきている。この場
合、混合気の圧縮比が高くなると、シリンダ内空間の単
位体積当りの燃料混合気の量が増大するので、スパーク
プラグに印加される放電電圧も高くなることが多くなっ
てきている。また、ＬＰガスエンジンやガスヒートポン
プの場合は、火花放電のためのブレークダウン電圧が本
質的に高いＬＰガスや都市ガス（例えば天然ガス等）を
使用するため、スパークプラグの放電電圧も必然的に高
くなる。

【０００３】ここで、スパークプラグの放電電圧を低減
する手法としては、例えば電極間の対向面積を小さくし
て電界を集中させることが考えられる。具体的には、電
極の径を小さくしたり、あるいは電極の先端部を縮径す
る、ないしは凹凸や溝を形成する等の方法が講じられて
いる。また、電極間の対向面積を小さくする代わりに、
電極間のギャップを狭くする方法もある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、放電電
圧を高めるための上記従来の方法のうち、電極径を小さ
くする方法の場合は、繰返し放電に対する電極の耐消耗
性が悪化し、スパークプラグの寿命が短くなってしまう
欠点がある。また、電極の先端部を縮径したり、あるい
は凹凸や溝を形成する方法では、電極の先端形状が複雑
化して製造が困難となり、スパークプラグのコストアッ
プを招いてしまう問題がある。一方、電極間のギャップ
を狭くする方法では、スパークプラグの着火性が低下し
やすい欠点がある。

【０００５】本発明の課題は、電極形状やギャップ幅に
よらず火花放電電圧を本質的に低くすることが可能であ
り、ひいては電極の耐消耗性や着火性を損なうことな
く、比較的低電圧でエネルギー密度の高い火花を発生さ
せることができるスパークプラグを提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明
は、中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁
体と、絶縁体の外側に設けられた主体金具と、中心電極
と対向するように配置された接地電極と、それら中心電
極と接地電極との間で火花放電ギャップを形成する発火
部とを備えたスパークプラグに係るものである。そし
て、上述の課題を解決するためにその第一の構成は、母
材金属に対し、該母材金属よりも仕事関数の値が２．２
ｅＶ以上小さい無機化合物を混在させた金属−無機化合
物複合材料により、上記発火部の少なくとも一方が構成
されることを特徴とする。すなわち、母材金属の仕事関
数をφA、無機化合物の仕事関数をφBとしたときに、φ
A−φBが２．２ｅＶ以上とされる。

【０００７】なお、上記金属−無機化合物複合材料で構
成される発火部を接地電極及び／又は中心電極に形成す
る方法としては、該金属−無機化合物複合材料からなる
チップを接地電極及び／又は中心電極に対し溶接により
接合する方法を例示できる。この場合、発火部は、接合
されたチップのうち、溶接による組成変動の影響を受け
ていない部分（例えば、溶接により接地電極ないし中心
電極の材料と合金化した部分を除く残余の部分）を指す
ものとする。一方、接地電極及び／又は中心電極の全体
を上記金属−無機化合物複合材料により構成することも
可能であり、この場合は、その接地電極ないし中心電極
のうち、火花放電ギャップを構成する部分が発火部とし
て機能することとなる。

【０００８】上記構成のスパークプラグにおいては、そ
の発火部が、母材金属と、母材金属よりも熱電子放出性
の優れた無機化合物を混在させた金属−無機化合物複合
材料で構成されていることから、電極形状やギャップ幅
によらずスパークプラグの火花放電電圧を本質的に低く
することが可能となる。これにより、電極の耐消耗性や
着火性を損なうことなく、比較的低電圧でエネルギー密
度の高い火花を発生させることができるスパークプラグ
が実現される。

【０００９】本発明の構成により、スパークプラグの火
花放電電圧を本質的に低くできる理由は以下のように推
考される。すなわち、混合気中での火花放電は、一般に
は、電極への印加電圧が該電極からの電子放出密度が一
定以上となる値に到達したときに、その電子放出をトリ
ガとして混合気中の特定分子（例えば燃料分子）が連鎖
的にイオン化する、いわゆる電子なだれの機構に基づい
て生ずると考えられる。そして、母材金属に対してそれ
よりも熱電子放出性の優れた無機化合物を混在させれば
発火部全体の熱電子放出性が高められ、上記電子なだれ
を生ずるために必要な電子放出密度も比較的低い印加電
圧レベルで確保できるようになり、結果としてスパーク
プラグの火花放電電圧を低くすることが可能になるもの
と考えられる。

【００１０】ところで、物質の熱電子放出性を反映した
一つの指標として仕事関数がある。仕事関数は、物質の
結晶表面から１個の電子を表面のすぐ外側に取り出すの
に必要な最小のエネルギーとして定義され、電子放出が
熱励起過程で起こると考えた場合、仕事関数の小さい物
質ほど電子１個を放出するために必要な熱エネルギーは
少なくて済み、結果として同一温度でより多くの熱電子
を放出できるということになる。従って、母材金属に対
し混在させる無機化合物は、熱電子放出性を向上させる
観点においては、該母材金属よりも仕事関数の値が小さ
い物質を採用することが望ましいといえる。

【００１１】ここで、φA−φBが２．２ｅＶ未満になる
と、無機化合物混合による熱電子放出特性向上の効果が
十分に達成されなくなり、ひいてはスパークプラグの放
電電圧を下げる効果を十分に期待できなくなる場合があ
る。なお、発火部を構成する金属−無機化合物複合材料
は、母材金属に対し、仕事関数の値（φB）が３．０ｅ
Ｖ以下である無機化合物を混在させたものとすればさら
によい。すなわち、仕事関数が上記値以下の無機化合物
を使用することにより、得られる金属−無機化合物複合
材料の熱電子放出性をさらに顕著に高めることができ、
ひいてはスパークプラグの放電電圧をより効果的に下げ
ることが可能となる。

【００１２】上記スパークプラグの構成においては、金
属−無機化合物複合材料中の無機化合物として、融点が
１９００℃以上のものを使用することが望ましい。融点
が１９００℃以上の無機化合物を使用することで、少な
くとも無機化合物配合による発火部の耐熱性低下といっ
た問題が生ずる恐れがなく、母材金属の材質によっては
発火部の耐熱性向上の効果が期待できる場合もある。な
お、使用する無機化合物は、その融点がより望ましくは
２０００℃以上のものを使用するのがよい。

【００１３】なお、本発明のスパークプラグの第二の構
成は、前述の発火部の少なくとも一方が、仕事関数の値
（φB）が３．０ｅＶ以下であり、かつ融点が２０００
℃以上の無機化合物を母材金属に対し混在させた金属−
無機化合物複合材料で構成されていることを特徴とす
る。また、第三の構成は、母材金属に対し、該母材金属
よりも仕事関数の値が２．２ｅＶ以上小さく（すなわ
ち、前述のφA−φBの値が２．２ｅＶ以上である）、か
つ融点が２０００℃以上である無機化合物を混在させた
金属−無機化合物複合材料で発火部が構成されているこ
とを特徴とする。なお、上記第二の構成においては、φ
Bが３．０ｅＶ以下であって、かつφA−φBの値が２．
２ｅＶ以上となっていれば、スパークプラグの放電電圧
を下げる上でさらによい。

【００１４】また、金属−無機化合物複合材料は、母材
金属の原料粉末に対し無機化合物の原料粉末を混合し
て、これを成形・焼結する粉末冶金法により製造でき
る。また、母材金属の原料を溶解させつつ無機化合物の
原料粉末をこれに分散させる溶解法により製造すること
もできる。なお、金属−無機化合物複合材料中の無機化
合物粒子の平均粒径は０．１〜２０μmの範囲で調整す
るのがよい。平均粒径が０．１μm未満になると無機化
合物粒子を母材金属中に均一分散させることが困難にな
り、複合材料が脆弱化してその加工性が悪化する場合が
ある。一方、平均粒径が２０μmを超えると、粗大な無
機化合物粒子の影響により、同様に複合材料が脆弱化し
て加工が困難になる場合がある。

【００１５】次に、上記金属−無機化合物複合材料に使
用される無機化合物としては、例えばＬａＢ₆を主体と
するものを好適に使用することができる。これら各物質
は、いずれも仕事関数の値が３．１ｅＶ以下で熱電子放
出性に優れており、スパークプラグの放電電圧を下げる
効果がとりわけ顕著である。また、ＬａＢ₆は融点が約
２７２０℃と高く、発火部の耐熱性も十分に確保でき
る。なお、本発明のスパークプラグの第三の構成は、母
材金属に対し、ＬａＢ₆を主体とする無機化合物を混在
させた金属−無機化合物複合材料で発火部が構成される
ことを特徴とする。

【００１６】以上、本発明のスパークプラグの第一〜第
三の構成において、金属−無機化合物複合材料を構成す
る母材金属は、Ｉｒ、Ｐｔ及びＷの少なくともいずれか
を主体に構成することができる。これらの材質からなる
母材金属は耐熱性と耐腐食性に優れるので、発火部の主
要成分として本発明に好適に使用できる。

【００１７】また、本発明のスパークプラグの第四の構
成は、Ｉｒを主体とする母材金属に対しＢａＯを主体と
する無機化合物を混在させた金属−無機化合物複合材料
により、発火部の少なくとも一方が構成されていること
を特徴とする。ＢａＯは、融点が１９２０℃とＬａＢ₆
と比較すれば低いが、Ｉｒを主体とする母材金属は高融
点であり、発火部の耐熱性を十分に確保できる。

【００１８】なお、本発明において使用可能な各種物質
の仕事関数の値は、下記表１に示すものを採用するもの
とする。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１の仕事関数のデータの出典は、次の文
献である。 D. A. Wright, Proc. I.E.E., Part II, 100 (1953),
p.125-139.

【００２１】なお、本発明のスパークプラグに使用され
る金属−無機化合物複合材料は、その無機化合物の材質
として２種以上の無機化合物を混合ないし複合させた無
機化合物混合物あるいは複合物とすることができる。本
発明においては、その混合物あるいは複合物の仕事関数
の値は、個々の無機化合物の仕事関数の値を、そのモル
配合比を用いて平均化した値を採用するものとする。例
えばｎ種類の無機化合物を混合ないし複合させる場合、
配合する無機化合物の各仕事関数値をφk（ｋ＝１，‥
‥，ｎ）、各配合モル分率をＮk（ｋ＝１，‥‥，ｎ、
Ｎ1＋‥‥＋Ｎｎ＝１）として、その平均化された仕事
関数値φcは、下記数１に基づいて計算されたものを採
用するものとする。

【００２２】

【数１】

【００２３】次に、上記本発明のスパークプラグの第一
〜第四の構成において、金属−無機化合物複合材料は、
その無機化合物の一部を、元素周期律表の３Ａ族（いわ
ゆる希土類元素）及び４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）に属
する金属元素の酸化物で構成することができる。これに
より、Ｉｒ成分の酸化・揮発による消耗がさらに効果的
に抑制される。この場合、上記金属元素酸化物の配合量
は、無機化合物の全体の含有量に対する重量比率が０．
１〜５０重量％となるように調整するのがよい。該金属
元素酸化物の重量比率が０．１重量％未満になると、該
酸化物添加によるＩｒ成分の酸化・揮発抑制効果が顕著
でなくなる。一方、重量比率が５０重量％を超えると、
放電電圧低下の効果が十分に達成されなくなる場合があ
る。上記重量比率はより望ましくは０．５〜３０重量％
の範囲で調整するのがよい。なお、上記金属元素酸化物
としては、Ｙ₂Ｏ₃が好適に使用されるが、このほかにも
ＬａＯ₃、ＴｈＯ₂、ＺｒＯ₂等を好ましく使用すること
ができる。

【００２４】例えば、ＬａＢ₆を７０重量％に対しＹ₂Ｏ
₃を３０重量％混在させたものを無機化合物として使用
する場合の、上記仕事関数φcの計算例は以下の通りで
ある。ＬａＢ₆：式量２０３．８、仕事関数φ＝２．
６６ｅＶ（表１より）Ｙ₂Ｏ₃：式量２２５．８、仕事関数φ＝３．１６ｅＶ
（表１より） φc＝（０．７×２０３．８×２．６６＋０．３×２２
５．８×３．１６）÷（０．７×２０３．８＋０．３×
２２５．８）＝２．８２ｅＶ

【００２５】また、金属−無機化合物複合材料は、無機
化合物の混合比率が１〜２０体積％の範囲で調整されて
いることが望ましい。無機化合物の混合比率が１体積％
未満になると、無機化合物混合による放電電圧低下の効
果が不十分となる場合がある。一方、無機化合物の混合
比率が２０体積％を超えると、発火部を形成するための
前述のチップが脆弱化して加工が困難となり、ひいては
スパークプラグの製造に支障を来たすこともありうる。
なお、上記無機化合物の混合比率は、より望ましくは１
〜１０体積％の範囲で調整するのがよい。

【００２６】次に、母材金属は単体金属の他に、合金を
使用することが可能である。本発明においては、その合
金の仕事関数の値は、個々の合金構成成分の個別の仕事
関数の値を、そのモル配合比を用いて平均化した値を採
用するものとする。例えばｍ種類の合金成分からなる合
金の場合、配合する合金成分の各仕事関数値をφj（ｊ
＝１，‥‥，ｍ）、各配合モル分率をＮj（ｊ＝１，‥
‥，ｎ、Ｎ1＋‥‥＋Ｎｍ＝１）として、その平均化さ
れた仕事関数値φmは、下記数２に基づいて計算された
ものを採用するものとする。

【００２７】

【数２】

【００２８】例えば、Ｉｒに対しＲｈを２０重量％含有
させた合金を母材金属として使用する場合の、上記仕事
関数φmの計算例は以下の通りである。Ｉｒ：原子量１９２．２、仕事関数φ＝５．３ｅＶ（表
１より）Ｒｈ：原子量１０２．９、仕事関数φ＝４．８ｅＶ（表
１より） φm＝（０．８×１９２．２×５．３＋０．２×１０
２．９×４．８）÷（０．８×１９２．２＋０．２×１
０２．９）＝５．２４ｅＶ

【００２９】例えば、従来スパークプラグとして、耐火
花消耗性向上のために電極の先端にＰｔ（白金）合金の
チップを溶接して発火部を形成したものが使用されてい
るが、白金は高価であるためチップ材料として安価なＩ
ｒ（イリジウム）を使用する提案がなされている。しか
しながら、母材金属をＩｒで構成した場合、Ｉｒは９０
０〜１０００℃の高温域において酸化・揮発しやすい性
質を有しているため、そのまま発火部に使用すると、火
花消耗よりも酸化・揮発による消耗が問題となる欠点が
ある。従って、市街地走行のような温度の低い条件であ
れば耐久性はよいが、高速連続運転の場合には、耐久性
が極端に低下してしまう問題がある。そこで、Ｉｒを主
体とする母材金属を使用する場合、下記のようなＩｒ合
金を使用することが望ましい。

【００３０】（１）Ｉｒを主体としてＲｈを１〜５０重
量％（ただし５０重量％は含まない）の範囲で含有する
合金を使用する。該合金の使用により、高温でのＩｒ成
分の酸化・揮発による発火部の消耗が効果的に抑制さ
れ、ひいては耐久性に優れたスパークプラグが実現され
る。

【００３１】上記合金中のＲｈの含有量が３重量％未満
になるとＩｒの酸化・揮発の抑制効果が不十分となり、
発火部が消耗しやすくなるためプラグの耐久性が低下す
る。一方、Ｒｈの含有量が５０重量％以上になると合金
の融点が著しく低下し、プラグの耐久性が同様に低下す
る。以上のことから、Ｒｈの含有量は前述の範囲で調整
するのがよく、望ましくは７〜３０重量％、より望まし
くは１５〜２５重量％、最も望ましくは１８〜２２重量
％の範囲で調整するのがよい。

【００３２】（２）Ｉｒを主体としてＲｈを１〜４９．
５重量％の範囲で含有し、さらにＷを０．５〜１２重量
％の範囲で含有した合金を使用する。該合金を使用する
ことで、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による発火部の
消耗が効果的に抑制されるとともに、合金がさらに上記
範囲のＷを含有することにより、その加工性が劇的に改
善される。これにより、耐久性（特に高速走行時の耐久
性）と量産性の双方に優れたスパークプラグを実現する
ことができる。

【００３３】合金中のＷの含有量が０．５重量％未満に
なると、合金の加工性改善効果が十分に達成できなくな
り、例えば加工中に割れやクラックなどが生じやすくな
って、発火部となるべきチップを製造する際の材料歩留
まりの低下につながる。また、熱間打抜き加工等により
チップを製造する場合は、打抜き刃等の工具の消耗ある
いは損傷が生じやすくなり、製造効率が低下する。一
方、１２重量％を越えると加工性は却って悪化し、同様
に材料歩留まりの低下や製造効率の悪化につながる。そ
れ故、Ｒｈの含有量は前述の範囲で調整するのがよく、
望ましくは２〜９重量％の範囲で調整するのがよい。な
お、最適のＷ含有量はＲｈの含有量によって変化し、Ｒ
ｈ含有量が１８重量％未満ではＷ含有量は１．５〜９．
５重量％とするのがよく、また、Ｒｈ含有量が１８〜２
３重量％ではＷ含有量は０．５〜９．５重量％とするの
がよく、さらにＲｈ含有量が２３重量％以上の場合はＷ
含有量は０．５〜１２重量％とするのがよい。

【００３４】（３）Ｉｒを主体としてＰｄを１〜３０重
量％の範囲で含有する合金を使用する。該合金の使用に
より、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による発火部の消
耗が効果的に抑制され、ひいては耐久性に優れたスパー
クプラグが実現される。合金中のＰｄの含有量が１重量
％未満になるとＩｒの酸化・揮発の抑制効果が不十分と
なり、発火部が消耗しやすくなるためプラグの耐久性が
低下する。一方、Ｐｄの含有量が３０重量％以上になる
と合金の融点が低下し、プラグの耐久性が同様に低下す
る。以上のことから、Ｐｄの含有量は前述の範囲で調整
するのがよく、望ましくは１．５〜１８重量％、より望
ましくは２〜１５重量％の範囲で調整するのがよい。な
お、合金中のＰｄの含有量が５重量％を超えると、材料
が脆くなって加工性が悪くなり、材料歩留まりと製造能
率が低下することにつながるので、Ｐｄの含有量を５重
量％以下、望ましくは３重量％以下の範囲で調整するの
がよい。

【００３５】（４）Ｉｒを主体としてＰｔ、Ｒｅ及びＰ
ｄの少なくともいずれかを合計で１〜３０重量％の範囲
で含有し、さらにＲｈを１〜４９重量％の範囲で含有し
た合金を使用する。該合金の使用により、高温でのＩｒ
成分の酸化・揮発による消耗が効果的に抑制されるとと
もに、合金がさらに上記範囲のＲｈを含有することによ
り、その加工性が劇的に改善される。これにより、耐久
性（特に高速走行時の耐久性）と量産性の双方に優れた
スパークプラグを実現することができる。

【００３６】Ｒｈの含有量が１重量％未満になると、合
金の加工性改善効果が十分に達成できなくなり、例えば
加工中に割れやクラックなどが生じやすくなって、発火
部となるべきチップを製造する際の材料歩留まりの低下
につながる。また、熱間打抜き加工等によりチップを製
造する場合は、打抜き刃等の工具の消耗あるいは損傷が
生じやすくなり、製造効率が低下する。一方、４９重量
％を越えると合金の融点が低下し、プラグの耐久性低下
を招く。それ故、Ｒｈの含有量は前述の範囲で調整する
のがよく、望ましくは２〜２０重量％の範囲で調整する
のがよい。特に、ＰｄないしＰｔの合計含有量が５重量
％以上である場合には合金がさらに脆くなり、所定量以
上のＲｈを添加しないと、加工によるチップ製造が極め
て困難となる。この場合、Ｒｈは２重量％以上、望まし
くは５重量％以上、さらに望ましくは１０重量％以上添
加するのがよい。なお、Ｒｈの含有量が３重量％以上で
ある場合には、Ｒｈは加工性の改善だけでなく、高温で
のＩｒ成分の酸化・揮発の抑制に対しても効果を生ずる
場合がある。

【００３７】ＰｔないしＰｄの合計含有量が１重量％未
満になるとＩｒの酸化・揮発の抑制効果が不十分とな
り、発火部が消耗しやすくなるためプラグの耐久性が低
下する。一方、含有量が３０重量％以上になると合金の
融点が低下し、プラグの耐久性が同様に低下したり（例
えばＰｄ単独添加の場合）、あるいは高価なＰｔないし
Ｐｄの含有量が増大して、チップの材料コストが増大す
る割には、発火部の消耗抑制効果がそれほど期待できな
くなる問題が生ずる。以上のことから、ＰｔないしＰｄ
の合計含有量は前述の範囲で調整するのがよく、望まし
くは３〜２０重量％の範囲で調整するのがよい。

【００３８】なお、Ｐｔ、ＲｅないしＰｄはそれぞれ単
独で合金に含有させることができ、この場合は、その含
有量を下記のように調整することが望ましい。Ｐｔを使用する場合は、その含有量を１〜２０重量％
の範囲で設定するのがよい。合金中のＰｔの含有量が１
重量％未満になるとＩｒの酸化・揮発の抑制効果が不十
分となり、発火部が消耗しやすくなるためプラグの耐久
性が低下する。一方、Ｐｔの含有量が２０重量％を超え
ると、高価なＰｔの含有量が増大して発火部の材料コス
トが増大する割には、発火部の消耗抑制効果がそれほど
期待できなくなる。

【００３９】Ｐｄを使用する場合は、その含有量を１
〜３０重量％の範囲で設定するのがよい。合金中のＰｄ
の含有量が１重量％未満になるとＩｒの酸化・揮発の抑
制効果が不十分となり、発火部が消耗しやすくなるため
プラグの耐久性が低下する。一方、Ｐｄの含有量が３０
重量％以上になると合金の融点が低下し、プラグの耐久
性が同様に低下する。以上のことから、Ｐｄの含有量は
前述の範囲で調整するのがよく、望ましくは１．５〜１
８重量％、より望ましくは２〜１５重量％の範囲で調整
するのがよい。

【００４０】また、Ｐｔ、Ｒｅ及びＰｄは、２種以上の
ものを組み合わせて含有させることもできる。

【００４１】（５）Ｉｒを主成分とし、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒ
ｕ及びＲｅの１種又は２種以上を合計で０．５重量％以
上含有する合金を使用する。該合金を使用することによ
り、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による消耗が効果的
に抑制され、ひいては耐久性に優れたスパークプラグが
実現される。合金中のＭｏ、Ｎｂ、Ｒｕ及びＲｅの合計
含有量が０．５重量％未満になるとＩｒの酸化・揮発の
抑制効果が不十分となり、プラグの耐久性が低下する。
なお、該合計含有量は、望ましくは１重量％以上、さら
に望ましくは５重量％以上とするのがよい。

【００４２】ＭｏないしＮｂを使用する場合、さらに望
ましくは、ＭｏないしＮｂをＩｒに対する固溶限以下の
範囲で含有する合金を使用するのがよい。ＭｏないしＮ
ｂがＩｒに対する固溶限を超えて含有された場合、Ｉｒ
₃ＭｏやＩｒ₃Ｎｂ等の脆弱な金属間化合物が形成され、
発火部の耐久性や耐衝撃性に問題を生ずる場合がある。
例えば、室温におけるＭｏのＩｒに対する固溶限は約１
２重量％であり、同じくＮｂのＩｒに対する固溶限は約
６重量％であることから、ＮｂないしＭｏを単独含有さ
せる場合には、それぞれ上記値よりも小さい含有量に設
定することが望ましいといえる。ただし、上記金属間化
合物の形成量が一定以下で、発火部の耐久性等に及ぼす
影響が小さい場合には、ＭｏないしＮｂの含有量が上記
固溶限を多少超えた値となっていても差しつかえない。
以上から、例えばＭｏを単独で含有させる場合、その含
有量は１３重量％以下、望ましくは１２重量％以下とす
るのがよい。同様にＮｂについては、その含有量を７重
量％以下、望ましくは６重量％以下とするのがよい。

【００４３】なお、上記合金中には、Ｍｏ及びＮｂの双
方を含有させることも可能である。この場合、その含有
量は、Ｉｒ−Ｍｏ−Ｎｂ３元系におけるＩｒへのＭｏ及
びＮｂの固溶限以下の範囲で設定することが望ましい。

【００４４】（６）Ｉｒを主体としてＲｈを０．１〜３
０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
する合金を使用する。これにより、高温でのＩｒ成分の
酸化・揮発による発火部の消耗がさらに効果的に抑制さ
れ、ひいてはより耐久性に優れたスパークプラグが実現
される。Ｒｈの含有量が０．１重量％未満になるとＩｒ
の酸化・揮発の抑制効果が不十分となり、発火部が消耗
しやすくなるためプラグの耐消耗性が確保できなくな
る。一方、Ｒｈの含有量が３０重量％を超えると、Ｒｅ
ないしＲｕを含有する合金の融点が低下して耐火花消耗
性が損なわれ、プラグの耐久性が同様に確保できなくな
る。それ故、Ｒｈの含有量は上記範囲で調整される。

【００４５】一方、ＲｕないしＲｅの合計含有量が０．
１重量％未満になると、これら元素の添加によるＩｒの
酸化・揮発による消耗を抑制する効果が不十分となる。
また、ＲｕないしＲｅの合計含有量が１７重量％を超え
ると、発火部が却って火花消耗しやすくなり、プラグの
十分な耐久性が確保できなくなる。それ故、Ｒｕ及びＲ
ｅの合計含有量は上記範囲で調整され、望ましくは０．
１〜１３重量％、さらに望ましくは０．５〜１０重量％
の範囲で調整するのがよい。なお、Ｒｕ及びＲｅはいず
れか一方のみを単独で添加しても、両者を複合して添加
してもいずれでもよい。

【００４６】ＲｕないしＲｅが合金中に含有されること
により発火部の耐消耗性が改善される原因の一つとし
て、例えばこれら成分の添加により、合金表面に高温で
安定かつ緻密な酸化物皮膜が形成され、単体の酸化物で
は揮発性が非常に高かったＩｒが、該酸化物皮膜中に固
定されることが推測される。そして、この酸化物皮膜が
一種の不動態皮膜として作用し、Ｉｒ成分の酸化進行を
抑制するものと考えられる。また、Ｒｈを添加しない状
態では、ＲｕないしＲｅを添加しても合金の高温での耐
酸化揮発性はそれほど改善されないことから、上記酸化
物皮膜はＩｒ−（Ｒｕ，Ｒｅ）−Ｒｈ系等の複合酸化物
であり、これが緻密性ないし合金表面に対する密着性に
おいてＩｒ−（Ｒｕ，Ｒｅ）系の酸化物皮膜より優れた
ものとなっていることも考えられる。

【００４７】なお、ＲｕないしＲｅの合計含有量が増え
過ぎると、Ｉｒ酸化物の揮発よりはむしろ下記のような
機構により火花消耗が進行するようになるものと推測さ
れる。すなわち、形成される酸化物皮膜の緻密性あるい
は合金表面に対する密着力が低下し、該合計含有量が１
７重量％を超えると特にその影響が顕著となる。そし
て、スパークプラグの火花放電の衝撃が繰返し加わる
と、形成されている酸化物皮膜が剥がれ落ちやすくな
り、それによって新たな金属面が露出して火花消耗が進
行しやすくなるものと考えられる。

【００４８】また、Ｒｕ及び／又はＲｅの添加により、
さらに次のような重要な効果を達成することができる。
すなわち、Ｒｕ及び／又はＲｅを合金中に含有させるこ
とにより、Ｉｒ−Ｒｈ二元合金を使用する場合と比較し
て、Ｒｈ含有量を大幅に削減しても耐消耗性を十分に確
保でき、ひいては高性能のスパークプラグをより安価に
構成できるようになる。この場合、Ｒｈの含有量は０．
１〜３重量％、より望ましくは０．１〜１重量％となっ
ているのがよい。

【００４９】

【発明の実施の形態】以下、本発明のいくつかの実施の
形態を図面を用いて説明する。図１に示す本発明の一例
たるスパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端
部２１が突出するようにその主体金具１の内側に嵌め込
まれた絶縁体２、先端に形成された発火部３１を突出さ
せた状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３、及
び主体金具１に一端が溶接等により結合されるとともに
他端側が側方に曲げ返されて、その側面が中心電極３の
先端部と対向するように配置された接地電極４等を備え
ている。また、接地電極４には上記発火部３１に対向す
る発火部３２が形成されており、それら発火部３１と、
対向する発火部３２との間の隙間が火花放電ギャップｇ
とされている。

【００５０】絶縁体２は、例えばアルミナあるいは窒化
アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、そ
の内部には自身の軸方向に沿って中心電極３を嵌め込む
ための孔部６を有している。また、主体金具１は、低炭
素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパーク
プラグ１００のハウジングを構成するとともに、その外
周面には、プラグ１００を図示しないエンジンブロック
に取り付けるためのねじ部７が形成されている。

【００５１】次に、中心電極３及び接地電極４の本体部
３ａ及び４ａはＮｉ合金等で構成されている。一方、上
記発火部３１及び対向する発火部３２は、母材金属に対
しそれよりも熱電子放出性に優れた無機化合物を混在さ
せた金属−無機化合物複合材料で構成されている。具体
的には、Ｉｒ、ＰｔあるいはＷのいずれかを主体とする
金属母材に対し、例えばＬａＢ₆、ＴｈＯ₂、ＴｈＳ₂及
びＢａＯの少なくともいずれかを主体とする無機化合物
粒子を１〜２０体積％の範囲で分散させた、金属−無機
化合物複合材料で構成することができる。この場合、母
材金属の仕事関数をφA、無機化合物の仕事関数をφBと
すれば、φA−φBが２．２ｅＶ以上とされる。また、無
機化合物は、望ましくはφBの値が３．１ｅＶ以下のも
のが採用される。

【００５２】例えば、母材金属がＩｒに対しＲｈを２０
重量％含有させた合金で構成されている場合、表１及び
数２に基づき計算されるその仕事関数φAは５．２４ｅ
Ｖである。一方、無機化合物としてＬａＢ₆とＹ₂Ｏ₃と
を用いた場合（ただし、ＬａＢ₆：Ｙ₂Ｏ₃＝７０重量
％：３０重量％）は、その仕事関数φBは、表１及び数
１より２．８２ｅＶである。従って、この場合の金属−
無機化合物複合材料は、φA−φBが２．４２ｅＶと２．
２ｅＶより大きく、またφBは２．８２ｅＶと３．１ｅ
Ｖよりも小さい値を有したものとなる。

【００５３】図２に示すように、中心電極３の本体部３
ａは先端側が縮径されるとともにその先端面が平坦に構
成され、ここに上記発火部を構成する合金組成からなる
円板状のチップを重ね合わせ、さらにその接合面外縁部
に沿ってレーザー溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接等に
より溶接部Ｗを形成してこれを固着することにより発火
部３１が形成される。また、対向する発火部３２は、発
火部３１に対応する位置において接地電極４にチップを
位置合わせし、その接合面外縁部に沿って同様に溶接部
Ｗを形成してこれを固着することにより形成される。な
お、これらチップは、例えば表記組成となるように各合
金成分を配合・溶解することにより得られる溶解材、又
は所定比率で配合された原料粉末を成形・焼結すること
により得られる焼結材により構成することができる。

【００５４】ここで、発火部３１及び対向する発火部３
２のいずれか一方を省略する構成としてもよい。この場
合には、発火部３１又は対向する発火部３２及び接地電
極４又は中心電極３との間で火花放電ギャップｇが形成
される。

【００５５】以下、スパークプラグ１００の作用につい
て説明する。すなわち、スパークプラグ１００は、その
ねじ部７においてエンジンブロックに取り付けられ、燃
焼室に供給される混合気への着火源として使用される。
ここで、その火花放電ギャップｇを形成する発火部３１
及び対向する発火部３２を前述の金属−無機化合物複合
材料で構成することで、電極形状やギャップ幅によらず
スパークプラグの火花放電電圧を本質的に低くすること
が可能となり、ひいては電極の耐消耗性や着火性を損な
うことなく、比較的低電圧でエネルギー密度の高い火花
を発生させることができるようになる。

【００５６】

【実施例】

（実施例１）所定量のＩｒ及びＲｈを配合・溶解するこ
とによりＩｒを主体としてＲｈを２０重量％含有する母
材金属合金を作製し、これをボールミル粉砕により粉末
化した。これに、表２に示す各種無機材料粉末（平均粒
径１〜２μm）を混合した後、所定形状に成形して焼結
することにより、各種組成を有する金属−酸化物複合材
料のチップを作成した。

【００５７】

【表２】

【００５８】そして、このチップを用いて、図１に示す
スパークプラグ１００の発火部３１及び対向する発火部
３２を形成した。なお、火花放電ギャップｇの幅は０．
４mmに設定した。そして、これらプラグの性能試験を以
下の条件にて行った。すなわち、ガスエンジン（排気量
７８０ｃｃ）にそれらプラグを取り付け、エンジン回転
数１０００ｒｐｍ、４．７ｋｇｆ・ｍにて連続運転した
ときのプラグの放電電圧を測定した。具体的には、中心
電極側にディストリビュータを接続し、昇圧しながら通
電したときの電圧−時間曲線をデジタルオシロスコープ
により記録して、その曲線に現われるブレークダウン電
圧を放電電圧として読み取った。なお、測定値は１００
０回繰返し測定を行った場合の最大値で示している。結
果を表１にまとめて示す。

【００５９】すなわち、金属−無機化合物複合材料を使
用した本発明の実施例のスパークプラグ（試料番号１〜
３）は、その母材金属のみで発火部を構成した比較例の
スパークプラグ（試料番号４）よりも放電電圧が低くな
っていることがわかる。

【００６０】（実施例２）所定量のＩｒとＲｈを配合・
溶解することにより、Ｒｈを０〜６０重量％の各種比率
で含有し残部が実質的にＩｒで構成された合金（ただ
し、Ｒｈ＝０及び６０重量％は比較例）を用意し、これ
をボールミル粉砕により粉末化した。次に、これを母材
金属粉末として、無機材料粉末としてのＬａＢ₆粉末
（平均粒径１〜２μm）を混合した後、所定形状に成形
して焼結することにより各種組成を有する金属−無機化
合物複合材料のチップを作成した。なお、ＬａＢ₆粉末
の混合量は、得られる焼結体中のＬａＢ₆の体積含有率
が１０ｖｏｌ％となるように調整した。

【００６１】そして、このチップを用いて図１に示すス
パークプラグ１００の発火部３１及び対向する発火部３
２を形成し（火花放電ギャップｇの幅：１．１mm）、プ
ラグの性能試験を以下の条件にて行った。条件Ａ（連続高速運転を想定）：６気筒ガソリンエンジ
ン（排気量３０００cc）にそれらプラグを取り付け、ス
ロットル全開状態、エンジン回転数６０００ｒｐｍにて
３００時間連続運転し（中心電極温度約９００℃）、運
転終了後のプラグの火花放電ギャップｇの拡大量を測定
した。図３は、その結果を、合金中のＲｈの含有量と火
花放電ギャップ増加量との関係で示したものである。条件Ｂ（市街地運転を想定）：４気筒ガソリンエンジン
（排気量２０００cc）にそれらプラグを取り付け、アイ
ドリング１分→エンジン回転数３５００ｒｐｍ、全開状
態で３０分→エンジン回転数２０００ｒｐｍ、半開状態
で２０分を１サイクルとして、１０００時間運転し（中
心電極温度約７８０℃）、運転終了後のプラグの火花放
電ギャップｇの拡大量を測定した。図４は、その結果
を、合金中のＲｈの含有量と火花放電ギャップ増加量と
の関係で示したものである。

【００６２】条件Ｂにおいては、チップの合金組成が１
〜５０重量％の範囲に属するプラグ（実施例）について
は、火花放電ギャップｇの増加が小さいのに対し、比較
例（Ｒｈ６０重量％）のプラグは火花放電ギャップが著
しく拡大していることがわかる。また、それよりも高負
荷の条件Ａにおいては、実施例と比較例（Ｒｈ６０重量
％、及びＰｔ−Ｉｒ合金）との間における火花放電ギャ
ップ増加量の差がさらに顕著となっている。また、合金
のＲｈの含有量範囲が３〜５０重量％から７〜３０重量
％へ、さらには１５〜２５重量％へと変化するに伴い、
ギャップ増加量が段階的に減少しており、特に合金のＲ
ｈ含有量が１５〜２５重量％であるチップを使用したプ
ラグにおいては、厳しい運転条件にも拘わらず、非常に
良好な耐久性を示していることがわかる。

【００６３】（実施例３）所定量のＩｒとＲｈを配合・
溶解することにより、Ｒｈを１５、１８、２０、２２及
び２５重量％の各比率で含有し残部が実質的にＩｒで構
成された合金を作製し、これをボールミル粉砕により粉
末化した。次に、これを母材金属粉末として、無機材料
粉末としてのＬａＢ₆粉末（平均粒径１〜２μm）を混合
した後、所定形状に成形して焼結することにより各種組
成を有する金属−無機化合物複合材料のチップを作成し
た。なお、ＬａＢ₆粉末の混合量は、得られる焼結体中
のＬａＢ₆の体積含有率が１０ｖｏｌ％となるように調
整した。そして、このチップを用いて実施例２と同様の
プラグを作製し、実施例２の条件Ａよりもさらに厳しい
下記条件Ｃにて性能試験を行った。条件Ｃ：４気筒ガソリンエンジン（排気量１６００cc）
にそれらプラグを取り付け、スロットル全開状態、エン
ジン回転数６２５０ｒｐｍにて３００時間連続運転し
（中心電極温度約９５０℃）、運転終了後のプラグの火
花放電ギャップｇの拡大量を測定した。図５は、その結
果を、合金中のＲｈの含有量と火花放電ギャップ増加量
との関係で示したものである。

【００６４】該結果によれば、合金中のＲｈの含有量範
囲が１８〜２２重量％であるチップを使用したプラグに
おいては、合金中のＲｈ含有量が該範囲外にあるチップ
を使用したものに比べて、条件Ｂよりも厳しい条件Ｃに
おいてもギャップ増加量が小さく、より良好な耐久性を
示していることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパークプラグを示す正面部分断面
図。

【図２】その要部を示す拡大断面図。

【図３】発火部を構成する合金中のＲｈ含有量と、火花
放電ギャップの拡大量との関係を示すグラフ（実施例
２：条件Ａ）。

【図４】発火部を構成する合金中のＲｈ含有量と、火花
放電ギャップの拡大量との関係を示すグラフ（実施例
２：条件Ｂ）。

【図５】発火部を構成する合金中のＲｈ含有量と、火花
放電ギャップの拡大量との関係を示すグラフ（実施例
３：条件Ｃ）。

【符号の説明】

１主体金具２絶縁体３中心電極４接地電極３１発火部（チップ）３２対向する発火部（チップ）ｇ火花放電ギャップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心電極と、その中心電極の外側に設け
られた絶縁体と、その絶縁体の外側に設けられた主体金
具と、前記中心電極と対向するように配置された接地電
極と、それら中心電極と接地電極との間で火花放電ギャ
ップを形成する発火部とを備え、その発火部の少なくとも一方が、母材金属に対し該母材
金属よりも仕事関数の値が２．２ｅＶ以上小さい無機化
合物を混在させた金属−無機化合物複合材料で構成され
ていることを特徴とするスパークプラグ。
【請求項２】前記金属−無機化合物複合材料は、前記
母材金属に対し、仕事関数の値が３．０ｅＶ以下である
無機化合物を混在させたものである請求項１記載のスパ
ークプラグ。
【請求項３】中心電極と、その中心電極の外側に設け
られた絶縁体と、前記絶縁体の外側に設けられた主体金
具と、前記中心電極と対向するように配置された接地電
極と、それら中心電極と接地電極との間で火花放電ギャ
ップを形成する発火部とを備え、その発火部の少なくとも一方が、仕事関数の値が３．１
ｅＶ以下であり、かつ融点が２０００℃以上の無機化合
物を母材金属に対し混在させた金属−無機化合物複合材
料で構成されていることを特徴とするスパークプラグ。
【請求項４】前記金属−無機化合物複合材料は、前記
母材金属に対し、該母材金属よりも仕事関数の値が２．
２ｅＶ以上小さく、かつ融点が２０００℃以上の無機化
合物を混在させたものである請求項３記載のスパークプ
ラグ。
【請求項５】前記無機化合物はＬａＢ₆を主体とする
ものである請求項１ないし４のいずれかに記載のスパー
クプラグ。
【請求項６】中心電極と、その中心電極の外側に設け
られた絶縁体と、前記絶縁体の外側に設けられた主体金
具と、前記中心電極と対向するように配置された接地電
極と、それら中心電極と接地電極との間で火花放電ギャ
ップを形成する発火部とを備え、その発火部の少なくとも一方が、母材金属に対しＬａＢ
₆を主体とする無機化合物を混在させた金属−無機化合
物複合材料で構成されていることを特徴とするスパーク
プラグ。
【請求項７】中心電極と、その中心電極の外側に設け
られた絶縁体と、前記絶縁体の外側に設けられた主体金
具と、前記中心電極と対向するように配置された接地電
極と、それら中心電極と接地電極との間で火花放電ギャ
ップを形成する発火部とを備え、その発火部の少なくとも一方が、Ｉｒを主体とする母材
金属に対しＢａＯを主体とする無機化合物を混在させた
金属−無機化合物複合材料で構成されていることを特徴
とするスパークプラグ。
【請求項８】前記母材金属は、Ｉｒ、Ｐｔ及びＷの少
なくともいずれかを主体に構成されている請求項１ない
し７のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項９】前記金属−無機化合物複合材料は、含有
される前記無機化合物の一部が、元素周期律表の３Ａ族
及び４Ａ族に属する金属元素の酸化物で構成されている
請求項１ないし８のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項１０】前記金属−無機化合物複合材料は、前
記無機化合物の混合比率が１〜２０体積％の範囲で調整
されている請求項１ないし９のいずれかに記載のスパー
クプラグ。