(57)【要約】  取付けられたスパーク部を備える中心電極および／または接地電極を有するスパークプラグを提供する。スパーク部はベース材料と保護材料とを有し、ベース材料はスパーク浸食に対して非常に耐性があり、保護材料は腐食に対して非常に耐性がある。
2009533802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心電極と接地電極とを有するスパークプラグであって、前記中心電極および前記接地電極のうちの少なくとも１つはスパーク部を備え、前記スパーク部は、ベース材料と、ニッケルを備える保護材料とを含み、前記保護層の厚みは０．０９ｍｍ未満である、スパークプラグ。
【請求項２】
前記ベース材料は、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、およびレニウムからなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項３】
前記ベース材料は、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、およびレニウムからなる群から選択される要素のうちの１つの合金から選択される、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項４】
前記保護材料は、銅、クロミウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、オスミウム、金、鉄、およびアルミニウムからなる群から選択される少なくとも１つの要素をさらに含み、前記少なくとも１つの要素は、前記保護材料の１５％未満をなす、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項５】
前記保護材料は、およそ８５％のニッケルおよびおよそ１５％のクロミウムを備える、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項６】
保護材料は、本質的にニッケルからなる、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項７】
前記スパーク部は、第１の端部と外周とを有する細長い形状であり、前記ベース材料および前記保護材料は前記第１の端部を規定し、前記保護材料は前記外周の実質的にすべてを規定する、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項８】
前記保護材料は、前記ベース材料の上にめっきされる、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項９】
前記保護材料は、スパッタリング、電着、押出成形、またはフレーム溶射される、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項１０】
前記ベース材料はベース外周面を含み、保護材料は前記ベース材料の中に少なくとも部分的に拡散する、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項１１】
前記ベース材料はベース外周面を含み、前記スパーク部が５３０℃を超える温度に加熱されると、前記ベース材料と前記保護材料との間の境界が拡散合金になる、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項１２】
前記ベース材料はベース外周面を含み、前記スパーク部がおよそ７６０℃〜８２０℃の間の温度に加熱されると、前記ベース材料と前記保護材料との間の境界が拡散して、ベース材料および保護材料からなる拡散合金を形成する、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項１３】
スパーク部の外面に近接して拡散エリアをさらに含む、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項１４】
ベース材料および保護材料からなる合金を形成するエリアをさらに含む、請求項１に記
載のスパークプラグ。
【請求項１５】
前記保護材料は、０．００５ｍｍ〜０．０９ｍｍの厚みで塗布される、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項１６】
前記保護材料は、０．００５ｍｍ〜０．０２５ｍｍの厚みで塗布される、請求項１５に記載のスパークプラグ。
【請求項１７】
前記保護材料は、０．００７ｍｍ〜０．０２ｍｍの厚みで塗布される、請求項１５に記載のスパークプラグ。
【請求項１８】
前記スパーク部は、厚みが前記塗布された保護材料の厚み未満である拡散エリアを含む、請求項１５に記載のスパークプラグ。
【請求項１９】
前記スパーク部は、厚みが０．００５ｍｍ〜０．０９ｍｍである拡散エリアを含む、請求項１５に記載のスパークプラグ。
【請求項２０】
前記スパーク部は、スパーク部の外周から中心に向かって延びる拡散エリアを含み、前記拡散エリアの厚みは０．０２５ｍｍ未満である、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項２１】
前記スパーク部は、スパーク部の外周から中心に向かって延びる拡散エリアを含み、前記拡散エリアの厚みは０．０１２ｍｍ未満である、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項２２】
中心電極と接地電極とを有するスパークプラグであって、前記中心電極および前記接地電極のうちの少なくとも１つはスパーク部を備え、前記スパーク部は、ベース材料と、ニッケルを備える保護材料とを含み、保護材料はベース材料の中に少なくとも部分的に拡散する、スパークプラグ。
【請求項２３】
前記ベース材料は、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、およびレニウムからなる群から選択される要素を含む、請求項２２に記載のスパークプラグ。
【請求項２４】
前記ベース材料は、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、およびレニウムからなる群のうちの少なくとも１つの要素を含む合金から選択される、請求項２２に記載のスパークプラグ。
【請求項２５】
前記保護材料は、銅、クロミウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、オスミウム、金、鉄、およびアルミニウムからなる群から選択される少なくとも１つの要素をさらに含み、前記少なくとも１つの要素は、前記保護材料の１５％未満をなす、請求項２２に記載のスパークプラグ。
【請求項２６】
前記保護材料は、およそ８５％のニッケルおよびおよそ１５％のクロミウムを備える、請求項２２に記載のスパークプラグ。
【請求項２７】
前記スパーク部は、第１の端部と外面とを有する細長い形状であり、前記ベース材料および前記保護材料は前記第１の端部を規定し、前記保護材料は前記外面の実質的にすべてを規定する、請求項２２に記載のスパークプラグ。
【請求項２８】
前記保護材料の厚みは０．０９ｍｍ未満である、請求項２２に記載のスパークプラグ。
【請求項２９】
前記保護材料は前記ベース材料の上にめっきされる、請求項２２に記載のスパークプラ
グ。
【請求項３０】
保護材料は、前記ベース材料の中に少なくとも部分的に拡散する、請求項２２に記載のスパークプラグ。
【請求項３１】
前記ベース材料と前記保護材料との間の境界は、前記スパーク部が５３０℃を超える温度に加熱されると拡散合金になる、請求項３０に記載のスパークプラグ。
【請求項３２】
前記保護層および前記ベース材料は拡散エリアで合流する、請求項１９に記載のスパークプラグ。
【請求項３３】
前記拡散エリアは概して、ニッケルと、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、およびレニウムからなる群から選択される材料との合金から形成される、請求項３２に記載のスパークプラグ。
【請求項３４】
前記拡散エリアは、間にセクションがある第１の側と第２の側とを含み、前記第１の側は主にベース材料から形成され、前記第２の側は主に保護材料から形成される、請求項３２に記載のスパークプラグ。
【請求項３５】
前記拡散エリアの前記セクションは、およそ等しい割合の前記ベース材料および保護材料から形成される、請求項３４に記載のスパークプラグ。
【請求項３６】
前記保護材料が前記ベース材料とともに拡散した後、スパーク部の外周上には少量のベース材料が見られ得る、請求項３２に記載のスパークプラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
この出願は、２００６年４月７日に出願された米国仮出願番号第６０／７９０，２１５号の利益を主張し、その出願の全開示は、この出願の開示の一部であると考えられ、ここに引用により援用されている。
【０００２】
発明の背景
この発明は、中心電極と接地電極とを有するスパークプラグに向けられている。中心電極および接地電極のうちの少なくとも１つの一部は、ベース材料と、ベース材料の腐食を防ぐための保護材料とを有するスパーク部を含む。
【背景技術】
【０００３】
スパークプラグは、業界で周知であり、内燃機関において燃焼を開始させるために長い間用いられてきた。スパークプラグはエンジンシリンダ内のガスに火を付けるという基本的機能を行ない、その着火は動力行程を作り出す。内燃機関の性質そのもののために、スパークプラグは、高温およびさまざまな腐食性燃焼ガスを含む、エンジンシリンダ内で発生する多くの極端な状態に晒され、これは伝統的にスパークプラグの寿命を縮めてきた。スパーク浸食もスパークプラグの寿命を縮め得る。
【０００４】
電気スパーク浸食とは、電極、特にスパークプラグの点火先端部が、電極材料を蒸発させるスパークアークの周期的なエネルギのために、動作中に浸食されてなくなる場合のことである。スパークプラグは伝統的に、スパーク浸食を受けやすい、ニッケルまたはニッケル合金から形成された電極を有する。燃費を改善するためにエンジンにおいて新たな技術を用いることにより、スパークプラグを通って中心電極と接地電極との間のギャップをスパークが強制的に飛び越えるようにするエネルギが増大し、場合によってはアーク継続時間がより長くなるという結果になった。このエネルギの増大により、スパーク浸食を受けやすい材料におけるスパーク浸食の速度が増し、より多くのスパークプラグ製造業者は、プラチナ、イリジウム、またはそれらの合金などの、スパーク浸食に対して非常に耐性がある材料を求めて、一般的に用いられているニッケルまたはニッケル合金材料から転換を図っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ニッケルおよびニッケル合金は伝統的に腐食に対して非常に耐性があるが、多くの代替金属または金属合金も、ニッケルまたはニッケル合金よりもスパーク浸食に対して耐性があるが、腐食を受けやすい可能性がある。ニッケルまたはニッケル合金の最も一般的な代替材料は、プラチナ、イリジウム、またはそれらの合金であった。プラチナおよびイリジウムは概して高価であるので、スパーク部を設けるために使用される材料の量を最小限に抑えることが望ましい。したがって、プラチナまたはイリジウムまたはそれらの合金から形成されたスパーク部は典型的にニッケルまたはニッケル合金中心電極に取付けられ、大きさが最小限に抑えられる。
【０００６】
プラチナおよびプラチナ合金は、スパーク浸食の低減に非常に優れているが、腐食を受けやすい可能性もある。さらに、プラチナおよびプラチナ合金は、スパーク部として用いられる場合、燃焼成分と合金になる可能性があり、スパーク部上に塊または成長部を形成し得る。時間が経つにつれて、これらの成長部は最終的にスパークを妨げるかまたはスパークギャップもしくはスパークプロファイルを変化させる可能性があり、それによってス
パークプラグの性能を低減させる。さらに、燃焼ガスの中にはプラチナスパーク部の腐食を引起こし得るものもあるので、このような腐食はスパークプラグギャップを変化させ、それによってスパークプラグの性能を低減させる可能性がある。スパークプラグの性能の低減により、エンジンの不点火、燃費の低下、および劣ったエンジン性能が引起こされる可能性がある。
【０００７】
スパークプラグの性能を改善し、スパークプラグのスパーク部上でのさまざまな材料の成長を防ぐために、多くのスパークプラグ製造業者は最近、放電またはスパーク部としてイリジウムに切換えている。イリジウムの融点は非常に高いので、イリジウムもまたスパーク浸食に対して非常に耐性があるが、より高い動作温度で酸化および他の腐食を受けやすい。しかしながら、エンジン製造業者が燃費を改善するためにエンジン変更によってスパークプラグに対する電気応力および熱応力を増大させるにつれて、イリジウムがスパークプラグの動作範囲の上端（８００〜１１００℃）などの高温では非常に揮発性の酸化状態を有することがわかった。伝統的なエンジンと比較して、これらのより新しい技術のエンジンでは、スパークが中心電極と接地電極との間のギャップを強制的に飛び越えるようにするためにより多くのエネルギをスパークプラグを通して供給する必要があり、スパークプラグの動作温度が上昇していた。高温では、スパークプラグのイリジウムスパーク部が激しい腐食を被る可能性がある。
【０００８】
１つの特定の形態では、イリジウムの腐食は、カルシウムおよび／またはリンがイリジウムと反応してスパーク部の腐食および浸食を引起すときに生じると考えられている。燃焼材料の中にカルシウムおよびリンが存在することは、比較的最近の開発の所産である。なぜなら、エンジン製造業者は、摩擦を低減し、したがって時には燃焼室により多くのオイルを染み込ませることができるようにすることによって、燃費を上げようとしているためである。カルシウムおよびリンは主に、エンジンオイル、特にオイル添加物に存在する。カルシウムおよびリンは、エンジンシリンダ内での燃焼中に酸素の存在下でイリジウムと反応して、気化する揮発性化合物を形成し、その結果、スパーク部におけるイリジウムが失われると考えられている。より具体的には、気体カルシウムは燃焼および排気サイクル中にスパークプラグのイリジウムスパーク部上、特にスパーク部の側面で凝縮すると考えられている。溶融カルシウムがイリジウムを溶解すること、およびリンの存在下ではイリジウムが酸化に弱いことは公知である。したがって、リンおよび酸素が溶解カルシウムイリジウム混合物と反応した後に形成される化合物は非常に揮発性であり、気化または蒸発を受けた結果、イリジウムスパーク部が失われる。より具体的には、リンおよびカルシウムでの腐食のこのメカニズムは典型的に、対向電極に面したスパーク面ではなく電極の側を腐食させ、これは、スパーク面上でのスパークの活動のために、腐食性堆積物の蓄積を防ぐと考えられている。スパーク部の一部が失われていることを示すスパークプラグの図が図１に示される。イリジウムも、約８００〜１１００℃の温度範囲でカルシウムおよびリンが存在しない状態で多少の酸化を被る可能性があり、カルシウムおよびリンが存在する状態では、スパークプラグの典型的な動作範囲内である６００℃で上述の腐食プロセスが発生し得ることにも注目すべきである。もちろん、エンジンの圧縮が増大すると、スパークプラグの温度動作範囲は増大することになり、カルシウムおよびリンが存在しない状態であってもイリジウムの酸化はますます問題になる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の概要
上述の点を鑑みて、この発明はスパークプラグに向けられており、中心電極および接地電極のうちの少なくとも１つは、スパーク浸食に対して非常に耐性があるベース材料と、スパークプラグが被る可能性のあるさまざまな腐食のメカニズムに対して非常に耐性がある保護材料とを有するスパーク部を含む。保護材料は、ベース材料に塗布されるかもしくはベース材料で形成された材料の薄層である。保護材料または層は、ニッケルまたはニッ
ケル合金から形成され、厚みは０．０９ｍｍ未満である。さらに、保護材料は概してベース材料の中に拡散して、スパークプラグの製造中、ベース材料の外面に近接して薄い合金層を形成する。ベース材料は、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、レニウム、またはそれらの合金を含む、スパークプラグにおいて一般的に用いられているさまざまな要素から形成されてもよい。
【００１０】
この発明の利用可能性のさらなる範囲は、以下の詳細な説明、特許請求の範囲および図面から明らかになる。しかしながら、この発明の精神および範囲内のさまざまな変更および修正が当業者に明らかになるので、詳細な説明および具体例は、この発明の好ましい実施例を示しているが、単に例示として示されていることを理解すべきである。
【００１１】
この発明は、下記の詳細な説明、添えられる特許請求の範囲および添付の図面からさらに十分に理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
好ましい実施例の詳細な説明
図に示されるこの発明は、接地電極１２と中心電極２０とを有するスパークプラグ１０（図２）に向けられている。中心電極２０および／または接地電極１２は、スパーク部３０を含む。スパーク部３０は、中心電極２０（図２）および／または接地電極１２（図９）に接着されるか、溶接される３８か、または他の方法で取付けられてもよい。
【００１３】
スパーク部３０は、ベース材料３６と、外側層または保護層を概して形成する保護材料３４とを含む（図３〜図９）。図１０に示されるように、保護材料３４は、ベース材料とともに拡散してもよく、保護材料３４とベース材料３６との間に明確な層がないスパーク部３０を形成する。より詳細には、ベース材料３６は主に、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、またはそれらの合金などの、スパーク浸食に対して耐性がある材料から形成される。上述の群の最も一般的に用いられている要素は、プラチナおよびイリジウムを含む。上述のベース材料の合金を形成するための例示的な添加物は、イリジウム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、およびタングステン（Ｗ）からなる群から選択される１つ以上の要素を含む。合金から形成された別の例示的なベース材料３６は、２００７年３月２６日に出願された、「スパークプラグ（Spark Plug）」と題される米国特許出願番号第１１／６９１，２８８号により詳細に記載されている。この発明はベース材料としてイリジウムもしくはプラチナ、またはイリジウム合金もしくはプラチナ合金を企図しているが、この発明はベース材料としてイリジウムもしくはプラチナ、またはイリジウムもしくはプラチナの合金を用いることのみに制約されるものではない。ベース材料として用いるのに適したさらに別の例示的なイリジウム合金は、イリジウムを９４重量％〜９９重量％、ロジウムを１重量％〜３重量％、タングステンを０．１重量％〜１．５重量％、およびジルコニウムを０．０１重量％〜０．１重量％含む。大型の産業用スパークプラグでは、ベース材料の直径は典型的におよそ１．８ｍｍ〜４ｍｍであり、自動車用スパークプラグでは０．４ｍｍ〜２．１ｍｍであり、趣味用スパークプラグでは０．２５ｍｍ〜２．１ｍｍである。
【００１４】
保護材料３４は、ベース材料と組合わせられると、カルシウムおよびリンの存在下でのベース材料の腐食または酸化を防ぐ。保護材料３４は、腐食および酸化耐性要素から形成される。この発明では、保護材料３４は、ニッケルまたはニッケル合金から形成される。例示的なニッケル合金は、８５重量％のニッケルおよび１５重量％のクロムを含む。
【００１５】
保護材料３４は上述のように単一の合金から形成されてもよいが、要素のうちの各々はまた、ベース材料上に別個の層の状態で配置されてもよい。合金の代わりに各々の個々の
要素の別個の連続する層を配置することにより、所望の如く十分な保護が与えられ、材料コストが下がることがわかった。たとえば、ベース材料がイリジウムまたはイリジウム合金である場合、銅がめっきによって第１の層として塗布されてもよく、次いでニッケルが連続するめっきのオプションによって外側層として塗布されてもよい。もちろん、類似の耐腐食性結果を達成するために銅の代わりにクロミウムを用いることができるであろう。もちろん、ニッケルが内層上にありベース材料と直接接触しているさまざまな配置順序も用いてもよい。発明者らは、銅、ニッケルおよびクロミウムを含む保護材料のための層の如何なる配置も用いてもよいが、１つの特に有用な保護層材料は、図１１における誇張された断面図に示されるように、銅の第１の層３４ａをベース材料３６にめっきし、クロミウムからなる第２の層３４ｂをめっき動作によって銅に付着させ、次いでニッケルからなる第３の層３４ｃをめっき動作によってクロミウムに付着させることによって形成されることにも気づいた。しかしながら、個々の層は後にベース材料とともに拡散し得ることに注目すべきである。
【００１６】
スパークは典型的にスパーク部３０の端縁４４で生じ、ニッケルがスパーク浸食を受けるので、スパークプラグの動作が継続している間、スパークギャップ１４を横切るスパークが主に保護材料３４ではなくベース材料３６で生じるように保護材料を十分に薄く形成しなければならない。実施例によっては、製造を容易にするために、犠牲保護材料３６で放電面４０をコーティングすることもしてもよい。犠牲保護材料３６は、動作中に放電面４０からは浸食されてなくなるが、スパーク部３０の側面に残って、カルシウムおよびリンの存在下での腐食から保護する。したがって、厚みが０．０９ｍｍ未満である保護材料３４が概して形成される。厚みが０．００２ｍｍ〜０．０１８ｍｍである層を加えることにより、さらにスパーク浸食を回避しながら、ベース材料に十分な腐食保護が与えられる。保護材料３４が材料の非常に薄い層で形成されるので、スパーク浸食に起因する如何なるギャップの変化もスパークプラグの性能に影響を及ぼすような実質的なものではない。また、側面などの腐食を受けやすいエリアは概してスパーク浸食を受けにくいが、保護材料は側面を腐食から保護する。スパークの活動がリンおよびカルシウムの存在下でのこの腐食のメカニズムを防ぐので、スパーク部３０の端縁４４および放電面４０は典型的にはリンおよびカルシウムの存在下での腐食を受けにくい。
【００１７】
示される実施例におけるスパーク部３０は、外周４２および第１の端部もしくは放電面４０を有する円筒形または多角形の形状をしている。放電面４０に対向する端部は中心電極２０に取付けられている。中心電極２０は概してニッケルまたはニッケル合金などの耐腐食性要素または合金から作られるが、鉄ベースの中心電極などの他の要素および合金を用いてもよい。図に示されるように、保護材料３４は第１の端部または放電面４０に及んでいない。放電面４０が動作中に絶えずそこからスパークを発散させているので、放電面４０に対する腐食は最小限であるかまたは存在しない。なぜなら、スパーキングは大部分が放電面４０に腐食性要素がないように保つためである。
【００１８】
上述のように、スパーク浸食を防ぐために、スパーク部３０は、０．０９ｍｍ未満の厚みで、めっき、スパッタリング、フレーム溶射、またはプラズマコーティングされた保護材料を有する。したがって、ベース材料３６に追加または堆積される保護材料３４の量は最小限である。したがって、十分な保護材料がベース材料の外周に堆積されて、スパーク浸食を通じた過度のギャップの成長を防ぐためにスパーク面上に堆積される材料の量をさらに最小限に抑えながら、腐食に対して非常に耐性があるスパーク部３０を形成する。
【００１９】
上述のように薄層を用いることによって、製造プロセスおよび場合によってはエンジンにおけるスパークプラグのその後の動作中の炉でのスパークプラグまたはスパークプラグの部品の点火中に、保護材料３４はベース材料３６の中に拡散し、その結果、保護材料およびベース材料がともに拡散し、その結果、図１０に示されるように、保護材料３４とベ
ース材料３６との間の明確な境界を判断することは困難であり得る。より具体的には、ベース材料３６が外周の周りで保護材料３４とともに拡散するので、断面図において、スパーク部３０は、外周４２付近の大部分がニッケルである状態から拡散エリア９０を通じて変化し、拡散エリア９０では外周から遠ざかると保護材料の量が連続的に減少する（図１０）。図３〜図１０は、拡散前の厚みに関して誇張された態様で保護材料３４を示している。図１０に示されるように、示される層は、外周では保護材料がおよそ１００％の間である状態にあり、一旦拡散が発生すると明確な境界は存在しなくなるとしても内部境界９１が示されている場所では少なくとも１０％に減少する。より具体的には、保護材料の拡散エリアは、保護材料３４が材料のほとんど１００％をなす外周４２から、スパーク部３０の中心３２に向かって、内部境界９１を形成するその所与のエリアにおいて９０重量％以上であるなどベース材料３６が実質的に優位を占めるまで、延びている。図１０に示されるように、エリア６４では、等しい量のベース材料および保護材料を見ることができる。図３〜図９では、視覚的に明確にするために、保護材料の層または拡散エリアが、明細書に記載されているまたは特許請求の範囲に記載されている厚みよりもベース材料に対してはるかに厚いように示されていることを当業者は認識するであろう。
【００２０】
スパークプラグは動作中にベース材料３６を保護材料の中に拡散させ、保護材料３４をベース材料３６の中に拡散させるので、より厚い被覆された材料で起こり得るように、動作中に保護材料３４をベース材料３６から切離すことが非常に困難である。たとえば、外側層の厚みが０．０９ｍｍよりも大きな被覆されたベースは、非類似の材料に起因して非類似の熱プロファイルを有していてもよく、これは、スパークプラグが絶えず高温熱サイクルと低温熱サイクルとの間で絶えず変動するので、時間が経つにつれて切離されたかもしれない。したがって、明確な個々の層を有する代わりにベース材料の中に拡散する薄層を設けることにより、スパークプラグは耐スパーク浸食性の増大、耐腐食性の増大、および耐久性の増大を通じて動作寿命を延ばすことができる。
【００２１】
スパーク部３０を含むスパークプラグ１０は、任意の公知の方法によって作られてもよい。スパークプラグの製造は周知であり、中心電極２０および／または接地電極１２の上にスパーク部３０を追加することを含む。この発明では、スパーク部３０は、任意の公知の方法によって、中心電極２０および／または接地電極１２に接着されてもよく、抵抗溶接されてもよく、レーザ溶接されてもよく、または取付けられてもよい。スパークプラグ１０は概して、金属シェルと、絶縁体と、中心電極２０上のスパーク部３０が放電面４０を伴って接地電極１２の方に突出するように絶縁体に配置された中心電極２０とを含む（図２）。
【００２２】
絶縁体は、典型的にはアルミナから形成され、中心電極２０が延びる通路を有する。金属シェルは、エンジンブロックに通されるねじが切られた部分を含む、円筒形の金属スリーブから形成される。金属シェルは典型的には普通炭素鋼またはステンレス鋼または他の材料から形成される。
【００２３】
スパーク部３０は概して、まず、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、レニウム、またはそれらの合金からベース材料３６を形成することによって形成される。スパーク部３０のベース材料３６は、任意の公知の方法によって形成されてもよい。ベース材料３６は、熱間形成、熱間圧延、または熱間線引きによって、金属シート、ディスク、ワイヤまたはロッドの状態で形成されてもよい。ベース材料３６を形成する別の方法は、金属粉末を取得し、その粉末を溶融して、ベース材料３６を形成するというものである。溶融プロセスは、アーク溶融、ビーム溶融、レーザ溶融、高周波誘導溶融、プラズマ溶融、または他の公知の方法によってなされてもよい。
【００２４】
およそ所望の形状、典型的には細長いロッドまたはワイヤの形態で形成されたベース材
料３６では、ロッドまたはワイヤを形成するベース材料３６に保護材料３４が次いで加えられる。保護材料３４は、電解もしくは非電解めっき、電着、スパッタリング、フレーム溶射、またはさらに共有押出成形などのプロセスによって加えられてもよい。保護材料の厚みはベース層に加えられるときには０．０９ｍｍ以下であることが重要である。もちろん、０．０９ｍｍ未満の薄層をベース材料の外面上に設ける他の手段を用いて、保護材料３４をベース材料３６に塗布してもよい。一旦スパーク部３０がベース材料３６の外側に保護材料３４を有する状態で形成されると、細長い部分が適切な長さに切断、スタンピングまたはプレス加工され、個々の部品が準備されて中心電極２０または接地電極１２のいずれかに取付けられる。
【００２５】
スパーク部を接地電極１２および／または中心電極２０に取付ける方法は、抵抗、レーザまたは他の手段などによって中心電極２０または接地電極１２に溶接することを含む。別の方法は、スパーク部３０の外面上に窪みまたは凹部を形成して機械的ロッキング機構（図示せず）を作製するというものである。スパーク部３０と同じ直径になるように中心電極２０に穴を開け、スパーク部３０をその穴に挿入する（図７）。次いで、レーザなどで中心電極２０を加熱し、その結果、挿入されたスパーク部３０の周りで金属が溶融し、外面上の凹部の形になる。もちろん、当該技術分野において公知であるように、ヘッド付き（headed）リベットを作るなどのスパーク部３０に対する他の形成動作が行なわれてもよく、次いでスパーク部を中心電極２０に取付けてもよい。さらに、スパーク部３０は、別のワイヤまたはディスクに取付けられてもよく、別のワイヤまたはディスクに溶接されてもよく、次いで、さらには中心電極２０に溶接されて、中心電極２０とスパーク部３０との間の接着を高める。
【００２６】
中心電極２０に直接溶接された中心電極２０が図３に示され、中心電極２０は、中心電極のニッケル先端部２１の直径を低減し、かつ、スパーク部３０を受けるための空洞２２を設けるように加工されてもよい。スパーク部３０は、２つ以上の材料から形成され、次いで保護材料が塗布された、組立てられたスパーク部３０などのさまざまな構成を含んでいてもよい。より具体的には、一例として、スパーク部はニッケル部およびイリジウム部から形成されてもよく、中心電極の上に組立てられる（図６）。保護材料３６が、両方の部分を覆って、中心電極に組立てられる前または後に塗布されてもよい。図３および図４に示されるように、スパーク部３０はまず、ベース部３６を保護材料３４でコーティングするように加工されてもよい。保護材料３４でコーティングされたスパーク部３０は、次いで、中心電極２０に溶接される。溶接池３８は、中心電極２０へのスパーク部３０の溶接から生じる。図５および図６におけるスパーク部３０は、ベース材料３６が中心電極２０に取付けられた後に塗布される。より具体的には、ベース材料３６が中心電極２０に取付けられ、次いで保護材料３４が中心電極２０およびベース材料３６に塗布される。これにより、製造プロセス中に保護材料を容易に塗布することができる。図６では、ベース材料が別の材料３３、典型的にはニッケル合金に取付けられたスパーク部として多層リベットが形成される。組立てられたスパーク部３０の一例は、２００６年１１月２０日に出願された、「多層点火先端部を有するスパークプラグの形成方法（Method Of Forming A Spark Plug With Multi-Layer Firing Tip）」と題される米国特許出願連続番号第１１／６０２，０２８号、２００６年１１月２０日に出願された、「多層点火先端部を有するスパークプラグ（Spark Plug With Multi-Layer Firing Tip）」と題される米国特許出願連続番号第１１／６０２，１４６号、および２００６年１１月２０日に出願された、「多層点火先端部を有するスパークプラグ（Spark Plug With Multi-Layer Firing Tip）」と題される米国特許出願連続番号第１１／６０２，１６９号に見られることができ、これらはここに引用により援用されている。上述のように、スパーク部３０だけが保護材料の層を含んでいる場合もあれば、中心電極およびベース部が保護材料の層を含んでいる場合もある。保護材料３４は多層リベットに塗布されて、スパーク部３０を形成する。次いで、多層リベットスパーク部３０は溶接などによって中心電極に取付けられる。図６における多層
リベットは、中心電極に取付けられ、次いで保護材料でコーティングされるように示されているが、まず保護材料でコーティングされ、次いで取付けられることができるであろう。図９は、接地電極１２に施されているスパーク部３０を示す。
【００２７】
保護材料は、化学処理または熱処理によってさらに強化されてもよい。熱処理または化学処理は、スパーク部３０が中心電極２０に取付けられる前または後に行なわれてもよい。たとえば、スパーク部３０の熱処理は、スパークプラグ１０の最終的な点火などのスパークプラグの製造中に行なわれてもよく、その結果、ベース材料３６と保護材料３４との間の接続が、ベース材料３６の中に拡散する保護材料３４によって強化される。材料の拡散は、２つの層の間の界面が明確な境界の代わりに拡散境界層を作製するように起こり得る。さらに、２つの層の間の界面の拡散により、２つの材料が類似するようになるので分子レベルでの接続をより密にすることができ、放電面上に所望の耐スパーク浸食性を提供し、外周上に所望の耐腐食性を提供しながら、各々は他方の一部を中で拡散させる。したがって、十分な保護材料がベース材料の外周に堆積されて、端縁４４付近での過度のスパーク浸食を防ぐために堆積される材料の量を最小限に抑えながら、腐食に対して非常に耐性があるスパーク部３０を形成する。
【００２８】
製造プロセス中、保護材料は少なくとも部分的にベース材料の中に拡散し、これは腐食からの保護を高める。より具体的には、５３０℃を超える温度などでのガラスシールの点火中に、保護材料はベース材料の中に拡散し始める。たとえば、ニッケル保護材料３４が、イリジウムからなるベース材料３６の中に拡散すると、イリジウムニッケル合金はニッケルまたはイリジウムのいずれかの単独の性能にまさる強化された保護を与える。したがって、図１３に示されるように、保護材料は拡散エリア３９を形成する。たとえ拡散しない保護材料３４が浸食されてなくなったとしても、拡散エリア３９は保護を与える。さらに、ベース材料の保護材料との組合せにより保護が強化されることがわかった。より具体的には、典型的に約７５０℃〜１０００℃の温度でスパークプラグに点火してガラスシールを形成すると、保護材料はベース材料の中に拡散して、拡散エリア３９を形成する。拡散エリアは、ベース材料および保護材料がおよそ等しい量存在するセクション７９に到達するまで、主にベース材料であるスパーク部の中心から、スパーク部３０の外縁に近接した主に保護材料である状態に変化する。拡散エリア３９はまた、スパーク部３０の外側部分に近接している。塗布された保護材料の厚み次第で、拡散エリアを製造プロセス中露出させなくてもよく、外面には保護材料しかない。しかしながら、エンジンの動作中は、保護材料がスパーク部の外面を形成し得る。拡散エリアの厚みは概して、塗布された保護材料の層の厚み未満であり、厚みは典型的には０．００７ｍｍ未満、より詳細には０．００５ｍｍである。
【００２９】
上述の説明はこの発明の例示的な実施例を開示および記載する。当業者は、このような説明から、ならびに添付の図面および特許請求の範囲から、以下の特許請求の範囲によって規定されるこの発明の真の精神および公平な範囲から逸脱することなくさまざまな変更、修正および変形をなし得ることを容易に認識する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】激しく腐食されたイリジウムスパーク部の例示的な図である。
【図２】スパークプラグの部分断面図である。
【図３】スパークプラグのスパーク部を含む中心電極の拡大断面図である。
【図４】スパークプラグのスパーク部を含む中心電極の拡大断面図である。
【図５】スパークプラグのスパーク部を含む中心電極の拡大断面図である。
【図６】スパークプラグのスパーク部を含む中心電極の拡大断面図である。
【図７】スパークプラグのスパーク部を含む中心電極の拡大断面図である。
【図８】スパークプラグのスパーク部を含む中心電極の拡大断面図である。
【図９】スパーク部を含む接地電極の拡大断面図である。
【図１０】拡散境界を示すスパーク部の拡大断面図である。
【図１１】ベース材料とともに保護材料が拡散する前の、保護材料の多数の層を有するスパークプラグのスパーク部を含む中心電極の拡大断面図である。
【図１２】スパーク部を含む接地電極の拡大断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年12月9日(2008.12.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心電極と接地電極とを有するスパークプラグであって、前記中心電極および前記接地電極のうちの少なくとも１つはスパーク部を備え、前記スパーク部は、ベース材料と、ニッケルを備える保護材料とを含み、前記保護層の厚みは０．０９ｍｍ未満である、スパークプラグ。
【請求項２】
前記ベース材料は、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、およびレニウムからなる群から選択される少なくとも１つの要素を含む、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項３】
前記ベース材料は、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、およびレニウムからなる群から選択される要素のうちの１つの合金から選択される、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項４】
前記保護材料は、銅、クロミウム、バナジウム、ジルコニウム、タングステン、オスミウム、金、鉄、およびアルミニウムからなる群から選択される少なくとも１つの要素をさらに含み、前記少なくとも１つの要素は、前記保護材料の１５％未満をなす、請求項１から３のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項５】
前記保護材料は、およそ８５％のニッケルおよびおよそ１５％のクロミウムを備える、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項６】
保護材料は、本質的にニッケルからなる、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項７】
前記スパーク部は、第１の端部と外周とを有する細長い形状であり、前記ベース材料および前記保護材料は前記第１の端部を規定し、前記保護材料は前記外周の実質的にすべてを規定する、請求項１から４のいずれかに記載のスパークプラグ。
【請求項８】
前記ベース材料はベース外周面を含み、前記スパーク部が５３０℃を超える温度に加熱
されると、保護材料は前記ベース材料の中に少なくとも部分的に拡散する、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項９】
前記ベース材料はベース外周面を含み、前記スパーク部がおよそ７６０℃〜８２０℃の間の温度に加熱されると、前記ベース材料と前記保護材料との間の境界が拡散して、ベース材料および保護材料からなる拡散合金を形成する、請求項８に記載のスパークプラグ。
【請求項１０】
前記保護材料は、０．００５ｍｍ〜０．０９ｍｍの厚みで、より好ましくは０．００５ｍｍ〜０．０２５ｍｍの厚みで、さらにより好ましくは０．００７ｍｍ〜０．０２ｍｍの厚みで塗布される、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項１１】
前記スパーク部は、厚みが前記塗布された保護材料の厚み未満である拡散エリアを含む、請求項１０に記載のスパークプラグ。
【請求項１２】
前記スパーク部は、厚みが０．００５ｍｍ〜０．０９ｍｍである拡散エリアを含む、請求項１０に記載のスパークプラグ。
【請求項１３】
前記スパーク部は、スパーク部の外周から中心に向かって延びる拡散エリアを含み、前記拡散エリアの厚みは０．０２５ｍｍ未満である、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項１４】
前記スパーク部は、スパーク部の外周から中心に向かって延びる拡散エリアを含み、前記拡散エリアの厚みは０．０１２ｍｍ未満である、請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項１５】
中心電極と接地電極とを有するスパークプラグであって、前記中心電極および前記接地電極のうちの少なくとも１つはスパーク部を備え、前記スパーク部は、ベース材料と、ニッケルを備える保護材料とを含み、保護材料はベース材料の中に少なくとも部分的に拡散する、スパークプラグ。
【国際調査報告】
2009533802.tif 000015