JP3265067B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、イリジウムまたはル
テニウム等の高融点金属中にイットリウムを含む希土類
酸化物を添加した耐火花消耗金属よりなる発火部電極
を、中心電極あるいは接地電極を有するスパークプラグ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば特開昭５２−１１８１
３７号公報においては、イリジウムやルテニウム等の高
融点金属にイットリア等の希土類酸化物を添加すること
によってスパークプラグ用電極の火花消耗性を改善した
技術が記載されている。

【０００３】また、例えば特開平２−４９３８８号公報
においては、ニッケル合金よりなる中心電極の先端に、
５０重量％以下の白金を添加したイリジウム合金よりな
る発火部電極をレーザー溶接あるいは電子ビーム溶接を
用いて接合する技術が記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、中心電極等
の電極母材の先端と、高融点金属中に希土類酸化物が分
散して存在する発火部電極とを、レーザー溶接または電
子ビーム溶接による局所的な熱エネルギーで溶融凝固さ
せて合金化することによって電極母材と発火部電極の接
合部分に溶融凝固合金部を形成した場合には、希土類酸
化物が溶融凝固合金部に凝集、偏析してブローホールが
発生する。これは、高融点金属中への希土類酸化物の添
加量が多くなればなる程顕著である。

【０００５】このようなスパークプラグを内燃機関に取
り付けて使用すると、冷熱サイクルの繰り返しにより発
生する熱応力によってブローホールが成長して溶融凝固
合金合内にクラックが発生する。そして、このクラック
の進展が多くのブローホール間を伝わると、最悪の場合
には発火部電極が電極母材より剥離したり脱落したりす
ることによって、スパークプラグの寿命が短くなったり
するという問題点があった。

【０００６】これを防ぐために、高融点金属への希土類
酸化物の添加量を減らすことが考えられるが、このよう
にすると、本来火花消耗性を抑制するために添加した希
土類酸化物の効果が低減し、発火部電極の耐火花消耗性
が低下してしまうという不具合が生じてしまう。

【０００７】この発明は、火花消耗の抑制効果を低下さ
せることなく、溶融凝固合金部のブローホールやクラッ
クの発生を防止し、且つプラグの放電電圧を低減するこ
とが可能なスパークプラグの提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願発明は、上記目的を
達成するために鋭意実験した結果、溶融凝固合金部に発
生するイットリウムを含む希土類酸化物の凝集、偏析に
よるブローホールやクラックは高融点金属中の希土類酸
化物の添加量が多ければ多い程発生し易くなるが、とく
に高融点金属中の希土類酸化物の添加量が１５体積％を
越えるとその傾向がより顕著となることを見出した。

【０００９】また、イリジウムまたはルテニウム等の高
融点金属中に分散して存在するイットリウムを含む希土
類酸化物の粒径が大きければ大きい程ブローホールやク
ラックが発生し易くなるが、希土類酸化物の平均粒径が
０．０５μｍ以上３μｍ以下の範囲であればブローホー
ルの抑制効果があることを見出した。そして、プラグの
放電電圧の低減効果を持たせるには、高融点金属中の希
土類酸化物の添加量を５体積％以上にする必要があり、
また火花消耗の抑制効果を持たせるには、高融点金属中
の希土類酸化物の添加量を５体積％以上２０体積％以下
の範囲にする必要があることを見出した。

【００１０】したがって、溶融凝固合金部のブローホー
ルの抑制効果、放電電圧の低減効果および発火部電極の
火花消耗の抑制効果を合わせ持たせるスパークプラグと
して次の構造を採用した。その構造は、ニッケル合金よ
りなる電極母材と、この電極母材の発火部側に設けら
れ、イリジウムまたはルテニウムにイットリウムを含む
希土類酸化物が分散して存在する発火部電極とを備えて
なるスパークプラグにおいて、前記電極母材および前記
発火部電極の接合部分に、前記電極母材の成分と前記発
火部電極の成分とが合金化した溶融凝固合金部をもって
接合され、前記発火部電極への前記希土類酸化物の添加
量を５体積％以上１４．８５体積％以下の範囲とし、前
記希土類酸化物の平均粒径を０．０５μｍ以上３μｍ以
下の範囲とすると共に、前記希土類酸化物の添加量をＶ
体積％とし、前記希土類酸化物の平均粒径をＤμｍとし
たとき、Ｄ≦−０．３４×Ｖ＋５．１の関係を満足する
ことを特徴としたものである。

【００１１】

【作用】この発明によれば、溶融凝固合金部内のブロー
ホールの発生が抑えられるので、スパークプラグの使用
時の冷熱サイクルの繰り返しにより発生する熱応力によ
るクラックの発生や進展が抑えられる。また、放電電圧
の上昇が抑えられ、且つ発火部電極の耐火花消耗性の低
下が抑えられる。

【００１２】

【実施例】

〔実施例の構成〕この発明のスパークプラグを図に示す
実施例に基づき説明する。図１は内燃機関用のスパーク
プラグを示した図である。このスパークプラグ１は、筒
状絶縁碍子２、この絶縁碍子２の外周に嵌め合わされた
主体金具３、この主体金具３の先端面に電気溶接等の溶
接手段を用いて接合された接地電極４、およびこの接地
電極４との間に火花放電ギャップＧを形成する中心電極
５等から構成されている。

【００１３】絶縁碍子２は、例えば酸化アルミニウム焼
結体または窒化アルミニウム焼結体等のセラミックス焼
結体よりなり、内部に中心電極５が嵌め込まれる軸方向
の内孔６を形成している。

【００１４】主体金具３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１のハウジング
を構成する。そして、主体金具３の外周には内燃機関の
シリンダーヘッド（図示せず）に螺合させるためのおね
じ部７が形成されている。

【００１５】接地電極４は、内燃機関の燃焼室内に突出
しており、先端の放電端面が中心電極５の先端面と対向
配置するようにＬ字形状に形成されている。また、接地
電極４の放電端面には、白金−イリジウム合金、白金−
ニッケル合金などよりなる貴金属チップ８がレーザー溶
接や電子ビーム溶接、抵抗溶接等の溶接手段を用いて接
合されている。

【００１６】次に、この実施例の中心電極５の構造を図
１および図２に基づいて詳細に説明する。ここで、図２
は中心電極５の発火部付近を示した図である。この中心
電極５は、円柱状の複合電極母材９、この複合電極母材
９の先端部に設けられた円板状の電極材１０、および複
合電極母材９と電極材１０との接合部分に円環状に設け
られた溶融凝固合金部１１等から構成されている。

【００１７】複合電極母材９は、先端部が内孔６より突
出した状態で内孔６内に嵌め込まれて公知のガラスシー
ル手段によって絶縁碍子２内に保持されている。この複
合電極母材９は、耐熱性、耐食性に優れたＳｉ−Ｍｎ−
Ｃｒ−Ｎｉ合金あるいはＣｒ−Ｆｅ−Ｎｉ合金（インコ
ネル６００）等のニッケル合金よりなる被覆材１２と、
熱伝導性に優れる銅または銀、あるいはこれらを主体と
する合金よりなる芯材１３とからなる。なお、芯材１３
は被覆材１２と同心的に封入されている。

【００１８】電極材１０は、本発明の発火部電極であっ
て、イリジウム（Ｉｒ）またはルテニウム（Ｒｕ）等の
高融点金属中にイットリア（Ｙ₂ Ｏ₃ ）またはランタナ
（Ｌａ₂ Ｏ₃ ）等の希土類酸化物が分散して存在する複
合焼結体である。この電極材１０は、複合電極母材９に
おいて接地電極４の放電端面との間で火花放電が発生す
る発火部（先端部）１４にレーザー溶接や電子ビーム溶
接等の溶接手段を用いて接合されている。

【００１９】溶融凝固合金部１１は、複合電極母材９の
被覆材１２の成分と電極材１０の成分とが加熱溶融され
た後に凝固しており、ニッケル合金等の耐食性金属−高
融点金属−希土類酸化物よりなる合金である。

【００２０】次に、この実施例の溶融凝固合金部１１の
形成方法を図２および図３に基づき説明する。中心電極
５は、図３（ａ）に示したように、ニッケル合金等の耐
熱金属よりなる円柱状の被覆材１２と、この円柱状被覆
材１２に埋め込まれた銅または銀を主体とする良熱伝導
金属よりなる芯材１３とからなる複合電極母材９により
構成されている。

【００２１】そして、複合電極母材９において絶縁碍子
２より突出している部分には、内孔６内に嵌め込まれた
円柱状の胴部１５より径の小さい円柱状の径小部１６
（例えば直径０．８５mm×高さ０．２５mm）と、この径
小部１６と胴部１５を連結する略円錐部１７とが切削加
工または塑性加工等の加工手段により形成されている。

【００２２】そして、図３（ｂ）に示したように、イリ
ジウム（Ｉｒ）またはルテニウム（Ｒｕ）等の高融点金
属中にイットリア（Ｙ₂ Ｏ₃ ）またはランタナ（Ｌａ₂
Ｏ₃）等の希土類酸化物が分散して存在する複合焼結体
である円板状の電極材１０を、複合電極母材９の径小部
１６の先端面（発火部１４側）に載置する。

【００２３】そして、図３（ｃ）に示したように、一発
の熱量が２．０ＪのＹＡＧ（イットリウム、アルミニウ
ム、ガーネット）レーザービームＬＢを間欠的に複合電
極母材９の径小部１６の先端面（発火部１４側）と電極
材１０の後端面との境界部分に対し平行方向から照射す
ることによってレーザー溶接を行う。このとき、複合電
極母材９を回転させて両者の境界面の全周に渡って、そ
の照射面１８が互いに重なる間隔で複数回照射するよう
にしている。図３（Ｃ）中の１９は電極材１０を複合電
極母材９側へ押圧するための治具である。

【００２４】これによって、図２に示したように、複合
電極母材９の成分と電極材１０の成分とが加熱溶融され
た後の徐冷により凝固した、つまり複合電極母材９の成
分と電極材１０の成分とが合金化した溶融凝固合金部１
１が形成される。なお、溶融凝固合金部１１は、イリジ
ウム（Ｉｒ）またはルテニウム（Ｒｕ）等の高融点金
属、イットリア（Ｙ₂ Ｏ₃ ）またはランタナ（Ｌａ₂ Ｏ
₃ ）等の希土類酸化物およびニッケルよりなる合金で、
略全周または全周に渡って形成される。

【００２５】なお、レーザー溶接時に複合電極母材９の
成分と電極材１０の成分とが加熱溶融された溶融金属の
温度がかなり高温のために極めて短時間内に酸素、窒素
等を吸収したり、希土類酸化物中の酸素が分解したりし
て溶融金属内にガスが生じる。そして、そのガスは温度
降下に伴って溶融金属へのガス固溶量が減少し、溶融時
に抜け切れなかったガスが凝固時に凝集、偏析して溶融
凝固合金部１１内に多くのブローホールが生成されてし
まうと推測される（図４参照）。

【００２６】次に、上記の不具合を解消するために、希
土類酸化物の添加量や平均粒径を種々変化させて、溶融
凝固合金部１１内のブローホール発生頻度、放電電圧お
よび火花消耗特性について調査した実験について説明す
る。

【００２７】〔希土類酸化物の添加量とブローホール発
生頻度について〕この実験に用いたサンプルは、５μ
ｍ、３μｍ、１μｍ、０．５μｍの粒径の希土類酸化物
（イットリア：Ｙ₂ Ｏ₃ ）を、高融点金属（イリジウ
ム：Ｉｒ）の粉末に０体積％〜２０体積％添加し、混
合、プレス成形した後に所定の焼結条件で焼結する粉末
冶金法により製作し、レーザー溶接を行った後のブロー
ホールの発生状態（図４参照）を半断面の組織観察によ
り各２０本ずつ調査し、ブローホール発生頻度（％）と
して整理した。その実験結果を図５のグラフに示した。

【００２８】この図５のグラフから明らかなように、希
土類酸化物の粒径が５μｍ、３μｍ、１μｍ、０．５μ
ｍのいずれのものも、希土類酸化物の添加量が増加する
にしたがってブローホール発生頻度が増加している。と
くに希土類酸化物の添加量が１５体積％を越えるとその
傾向がより顕著となっている。また、希土類酸化物の粒
径が大きい順にブローホール発生頻度が増加している。

【００２９】しかし、図５のグラフから、希土類酸化物
の添加量が１５体積％以下で、且つ希土類酸化物の粒径
が０．５μｍ以上３μｍ以下の範囲であればブローホー
ル発生頻度はブローホールの抑制効果があることが分か
る。そして、希土類酸化物の添加量が７体積％以下で、
且つ希土類酸化物の粒径が１μｍ以下であればブローホ
ールは発生しないと言える。

【００３０】次に、溶融凝固合金部１１内のブローホー
ル発生頻度が１０％以下であることをレーザー溶接良好
条件としてデータをまとめると、図６のグラフのように
なり、希土類酸化物の添加量Ｖ体積％と平均粒径Ｄμｍ
との間には、Ｄ≦−０．３４×Ｖ＋５．１の関係式が成
り立つことが分かる。

【００３１】すなわち、イットリア等の希土類酸化物が
イリジウム等の高融点金属中に添加されるとブローホー
ル発生頻度は増加するが、そのブローホールの発生は希
土類酸化物の平均粒径にも依存し、希土類酸化物の粒径
が大きいとレーザー溶接により加熱溶融された後に凝固
した溶融凝固合金部１１において希土類酸化物同士が凝
集する傾向にあり、ブローホールの生成を助長する。こ
れに対し、希土類酸化物の粒径が小さいと添加量が比較
的に多くても希土類酸化物同士の凝集が抑制され、結果
としてブローホールが少ない良好な溶融凝固合金部１１
を得ることができる。

【００３２】したがって、この実施例の中心電極５にお
いては、溶融凝固合金部１１内のブローホールの発生を
少なくすることができるので、スパークプラグ１の使用
時の冷熱サイクルの繰り返しにより発生する熱応力によ
って生ずるクラックの発生やクラックの進展を抑えるこ
とができる。この結果、スパークプラグ１を長期間使用
した場合でも、電極材１０が複合電極母材９より剥離し
たり脱落したりすることがなくなるので、スパークプラ
グ１の耐久性を向上することができる。

【００３３】なお、図７（ａ）は、平均粒径が１μｍ、
添加量が５体積％のイットリアを含有したイリジウム合
金の半断面の金属組織を示した電子顕微鏡写真である。
また、図７（ｂ）は、平均粒径が１μｍ、添加量が７．
５体積％のイットリアを含有したイリジウム合金の半断
面の金属組織を示した電子顕微鏡写真である。さらに、
図７（ｃ）は、平均粒径が３μｍ、添加量が１０体積％
のイットリアを含有したイリジウム合金の半断面の金属
組織を示した電子顕微鏡写真である。但し、電子顕微鏡
写真は半断面の金属組織を１０００倍にした拡大写真
で、黒点はイットリアの存在を示す。

【００３４】〔希土類酸化物の添加量とプラグ放電電圧
について〕この実験に用いたサンプルは、高融点金属
（イリジウム：Ｉｒ）中に希土類酸化物（イットリア：
Ｙ₂ Ｏ₃ ）を０体積％〜５０体積％添加して製作した電
極材１０を複合電極母材９の先端面にレーザー溶接によ
り接合した中心電極５を備えたスパークプラグ１を、燃
料として天然ガスを用いたガスエンジンに組付けてプラ
グ放電電圧を調査した。その実験結果を図８のグラフに
示した。

【００３５】なお、図８のグラフは２２００ｒｐｍ×所
定の負荷でガスエンジンを運転した際の所定の点火進角
（ＢＴＤＣ１５°ＣＡ）のときのプラグ放電電圧を調査
したものである。この図８のグラフから明らかなよう
に、天然ガスを燃料に用いるガスエンジンでサンプルの
プラグ放電電圧を測定すると、高融点金属への添加量が
５体積％以上の希土類酸化物の添加でプラグ放電電圧が
１９．５ｋＶ以下に低減される。これは希土類酸化物の
添加量の増加に伴い極部的な電界強度の強い部分が発生
するため、放電電圧が低減されるものと推測される。

【００３６】したがって、高融点金属への希土類酸化物
の添加量を５体積％以上にすることによって、プラグ放
電電圧を著しく低減することができる。

【００３７】〔希土類酸化物の添加量と火花消耗特性に
ついて〕この実験はイリジウム等の高融点金属中に、イ
ットリア（Ｙ₂ Ｏ₃ ）またはランタナ（Ｌａ₂ Ｏ₃ ）を
各々５体積％〜５０体積％添加し、誘導エネルギー６０
ｍＪの点火電源を用いて火花消耗特性について調査し
た。その実験結果を図９に示した。なお、図９において
黒△はＹ₂ Ｏ₃ を示し、○はＬａ₂ Ｏ₃ を示す。

【００３８】この図９のグラフから明らかなように、両
希土類酸化物とも１０体積％程度の添加量で優れた火花
消耗の抑制効果があることが認められる。但し、希土類
酸化物の添加量が５体積％より少なくなると効果が低減
されるが、これは希土類酸化物の添加量の減少に伴い複
合焼結体がイリジウムのみの特性が支配的になり、高温
時の酸化揮発が進行するためと推測される。また、２０
体積％より多くなると効果が低減されるが、これは希土
類酸化物の添加量の増加に伴い複合焼結体がイリジウム
を主体とする構造から、希土類酸化物を主体とする構造
に変わるため、希土類酸化物の火花消耗性が支配的にな
るためと推測される。

【００３９】〔変形例〕本実施例では、本発明を中心電
極に用いたが、本発明を接地電極のみに用いても良い。
また、本発明を中心電極と接地電極の双方に用いても良
い。本実施例では、発火部１４側に胴部１５より径の小
さい径小部１６を有する複合電極母材９を用いたが、発
火部１４と胴部１５とが同一の径の電極母材を用いても
良い。なお、芯材１３はなくても良い。

【００４０】本実施例では、複合電極母材９の先端面に
電極材１０をレーザー溶接または電子ビーム溶接を用い
て接合したが、電極母材の放電端面が電極母材の側面に
形成されて接地電極との間に火花放電ギャップを形成す
る多極型スパークプラグにおいては、電極母材の側面に
電極材をレーザー溶接または電子ビーム溶接を用いて接
合しても良い。なお、電極材全体と電極母材の発火部側
とを加熱溶触させるようにレーザー溶接または電子ビー
ム溶接を行っても良い。また、電極母材の表面に形成さ
れた凹所内に棒状の電極材の一端を埋設し、他端を凹所
から突出するようにして接合しても良い。さらに、電極
母材や電極材の形状、電極径等は本実施例に限定され
ず、自由に変更しても良い。

【００４１】

【発明の効果】この発明は、希土類酸化物の添加量と粒
径を特定することにより、溶融凝固合金部のブローホー
ルの発生を抑制することができるので、スパークプラグ
の使用時の冷熱サイクルの繰り返しにより発生する熱応
力によって生ずるクラックの発生やクラックの進展を抑
制することができる。この結果、発火部電極が電極母材
より剥離したり脱落したりすることがなくなるので、内
燃機関の損傷を防止することができると共に、スパーク
プラグの寿命の長寿命化を達成することができる。ま
た、高融点金属への希土類酸化物の添加量を適正な値に
することによって、プラグの放電電圧の上昇を抑制する
ことができ、且つ発火部電極の耐火花消耗性の低下を防
止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を用いたスパークプラグの主要部を示し
た断面図である。

【図２】図１のスパークプラグの中心電極の発火部を示
した断面図である。

【図３】図１のスパークプラグの中心電極の製造方法を
示した工程図である。

【図４】中心電極の溶融凝固合金部内のブローホールの
発生状態を示した模式図である。

【図５】中心電極の溶融凝固合金部内のブローホール発
生頻度と希土類酸化物の添加量との関係を示したグラフ
である。

【図６】希土類酸化物の粒径と添加量との関係を示した
グラフである。

【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施例の金属組織の
電子顕微鏡写真である。

【図８】プラグ放電電圧と希土類酸化物の添加量との関
係を示したグラフである。

【図９】１スパーク当たりの消耗体積と希土類酸化物の
添加量との関係を示したグラフである。

【符号の説明】

１ スパークプラグ ４ 接地電極 ５ 中心電極 ９ 複合電極母材 １０ 電極材（発火部電極） １１ 溶融凝固合金部 １４ 発火部

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ニッケル合金よりなる電極母材と、この
   電極母材の発火部側に設けられ、イリジウムまたはルテ
   ニウムにイットリウムを含む希土類酸化物が分散して存
   在する発火部電極とを備えてなるスパークプラグにおい
   て、 前記電極母材および前記発火部電極の接合部分に、前記
   電極母材の成分と前記発火部電極の成分とが合金化した
   溶融凝固合金部をもって接合され、前記発火部電極への 前記希土類酸化物の添加量を５体積
   ％以上１４．８５体積％以下の範囲とし、前記希土類酸
   化物の平均粒径を０．０５μｍ以上３μｍ以下の範囲と
   すると共に、 前記希土類酸化物の添加量をＶ体積％とし、 前記希土類酸化物の平均粒径をＤμｍとしたとき、 Ｄ≦−０．３４×Ｖ＋５．１の関係を満足することを特
   徴とするスパークプラグ。