(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、電極チップと、該基体の端面と該電極チップの一端側とを接合する接合部とからなる軸線方向に延びる中心電極を備えた内燃機関用スパークプラグであって、
上記電極チップの上記一端側には、他端側よりも径が大きい鍔部が形成されており、該鍔部と上記基体の端面とがレーザ溶接により形成された上記接合部によって接合されており、
該接合部は、該基体の成分と該電極チップの成分とを含有する合金から形成され、
該電極チップと該接合部との界面のうち該他端側に最も近い位置と、該電極チップの他端側の端面との上記軸線方向の距離が少なくとも０．１５ｍｍであって、上記電極チップと上記接合部との界面のうち上記他端側に最も近い位置における上記電極チップの径方向の寸法が、上記他端側における上記電極チップの径方向の寸法と比較して少なくとも０．２ｍｍ大きいことを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
【請求項２】
上記電極チップと上記接合部との界面のうち上記他端側に最も近い位置からの、上記軸線に対して垂直方向の上記接合部の深さが０．１ｍｍ以上である請求項１記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項３】
上記接合部の深さが０．１４〜０．３ｍｍである請求項２記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項４】
上記電極チップの上記他端側の径方向の寸法が０．４〜１．２ｍｍである請求項１乃至３のうちのいずれか1項に記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項５】
上記電極チップは、（１）３〜５０質量％のＲｈ、（２）１〜１０質量％のＰｔ、又は（３）ＲｈとＲｕ若しくはＰｔとの合計が５０質量％以下であり且つそれぞれ１質量％以上の該Ｒｈ、該Ｒｕ、該Ｐｔを含有するＩｒを主成分とする合金よりなる請求項３又は４記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項６】
上記電極チップは、Ｒｈを２０〜３２質量％含有するＩｒ合金からなる請求項３又は４記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項７】
上記電極チップは、Ｐｔを２〜７質量％含有するＩｒ合金からなる請求項３又は４記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項８】
上記電極チップは、Ｒｈ及びＲｕの合計量で２〜１０質量％含有するＩｒ合金からなる請求項３又は４記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項９】
上記電極チップは、Ｒｈ及びＰｔの合計量で２〜１０質量％含有するＩｒ合金からなる請求項３又は４記載の内燃機関用スパークプラグ。
【請求項１０】
一端側における径が他端側よりも大きい鍔部付きの電極チップを粉末焼結法又は熱間ヘッダー加工法により作製し、
その後、上記電極チップの鍔部を基体にレーザ溶接により接合して接合部を形成することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用スパークプラグ及びその製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は、特に、溶接による接合部の近縁における電極チップの異常消耗が抑えられ、長期に渡って優れた性能が維持されるスパークプラグ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパークプラグの中心電極を形成する電極チップは、中心電極の基体の端面にレーザ溶接により接合される。基体は、通常、ニッケル又はニッケル合金により形成され、イリジウム等の貴金属からなる電極チップを用いた場合は、イリジウム等を含み、且つニッケル含量の多い合金からなる接合部が形成される。この合金はイリジウム等の貴金属に比べて熱電子放出が良好であり、放電部と接合部とが近接していると、火花が接合部の方向へと流れ易くなる。そのため、接合部近縁における電極チップの異常消耗を生じ易くなり、電極チップが脱落することもある。
【０００３】
特開平１１−３７６５号公報には、電極チップの径方向の１／２の位置における溶融部（接合部）の厚さが０．２ｍｍ以上であれば、十分な耐久性を有するスパークプラグが得られると説明されている。しかし、径が１ｍｍ以下、特に０．６ｍｍ以下の電極チップをレーザ溶接した場合は、放電部と溶融部とを、特に、径方向において十分に離間させることができず、溶融部近縁における電極チップの異常消耗が避けられない。そのため、実際にエンジンに取り付けて使用した場合に、電極チップが脱落することもあり、初期設定より寿命が短くなることがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来の問題点を解決するものであり、内燃機関用スパークプラグの中心電極を形成する電極チップの径方向と長さ方向において、放電部と接合部とをできる限り離間させることにより、特に、接合部の近縁における電極チップの異常消耗が抑えられ、長期に渡って優れた性能が維持されるスパークプラグ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１発明の内燃機関用スパークプラグは、基体と、電極チップと、該基体の端面と該電極チップの一端側とを接合する接合部とからなる軸線方向に延びる中心電極を備えた内燃機関用スパークプラグであって、上記電極チップの上記一端側には、他端側よりも径が大きい鍔部が形成されており、該鍔部と上記基体の端面とがレーザ溶接により形成された上記接合部によって接合されており、該接合部は、該基体の成分と該電極チップの成分とを含有する合金から形成され、該電極チップと該接合部との界面のうち該他端側に最も近い位置と、該電極チップの他端側の端面との上記軸線方向の距離が少なくとも０．１５ｍｍであって、上記電極チップと上記接合部との界面のうち上記他端側に最も近い位置における上記電極チップの径方向の寸法が、上記他端側における上記電極チップの径方向の寸法と比較して少なくとも０．２ｍｍ大きいことを特徴とする。
また、内燃機関用スパークプラグの製造方法は、一端側における径が他端側よりも大きい鍔部付きの電極チップを粉末焼結法又は熱間ヘッダー加工法により作製し、その後、上記電極チップの鍔部を基体にレーザ溶接により接合して接合部を形成することを特徴とする。
【０００６】
上記「基体」は、通常、ニッケル又はニッケル合金により形成される。また、上記「電極チップ」の材質は特に限定されないが、白金又はＰｔ−Ｉｒ合金、Ｐｔ−Ｎｉ合金等の白金合金、或いはイリジウム又はＩｒ−Ｒｈ合金、Ｉｒ−Ｐｔ合金、Ｉｒ−Ｎｉ合金、Ｉｒ−Ｒｈ−Ｒｕ合金、Ｉｒ−Ｒｈ−Ｐｔ合金等のイリジウム合金により形成することができる。
また、スパークプラグのその他の部分を構成する部材、即ち、基体の周面に接して配設される絶縁体、この絶縁体に外接して設けられる主体金具、一端が主体金具に連接され、他端が中心電極と対向するように配置される外側電極、及び中心電極に連接され、絶縁体の他端側に設けられる端子金具等の材質、構造等は一般的なものであればよく、特に限定はされない。
【０００７】
電極チップは、基体にレーザ溶接により接合される。この際、基体の端面の周縁と電極チップの一端側の周縁とが溶融し、基体の成分と電極チップの成分とを含有する合金からなる上記「接合部」が形成される。尚、電極チップが接合される基体の端面とは、平坦面ばかりでなく、電極チップを嵌装して接合するための凹部を有する場合は、この凹部の底面をも意味するものとする。
【０００８】
接合部と電極チップの他端側の端面との距離（図２において符号「Ｌ」で表される。）は「少なくとも０．１５ｍｍ」であり、特に０．２０ｍｍ以上、更には０．２５ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、放電部と接合部とを電極チップの長さ方向において離間させることができる。この距離が０．１５ｍｍ未満である場合は、放電部の火花が接合部の方向へ流れ易く、接合部の近縁において電極チップが異常消耗する。この距離は０．５ｍｍ、特に０．７ｍｍであれば、実質的に異常消耗のないスパークプラグとすることができ、それ以上に長くする必要はない。
【０００９】
また、電極チップと接合部との界面のうち、電極チップの他端側に最も近い位置における電極チップの径方向の寸法（図２において「Ｄ」で表される寸法である。）は、他端側における径方向の寸法（図２において「ｄ」で表される寸法である。）より「少なくとも０．２ｍｍ」大きく、特に少なくとも０．２５ｍｍ大きいことが好ましい。このように径方向の寸法が基体に接合される一端側において他端側より大きい電極チップとすることにより、放電部と接合部とを電極チップの径方向において離間させることができる。これにより、放電部の火花が接合部の方向へ流れることによる接合部の近縁における電極チップの異常消耗をより確実に抑えることができる。
【００１０】
径方向の寸法が基体に接合される一端側において他端側より大きい電極チップは、他端側から一端側へと階段状に径を大きくすることにより形成することができる。例えば、径の大きい円筒体と径の小さい円筒体とが軸を一にして一体となった形状とすることができ、この形状では図２のように階段部の上面が外方、且つ下方へ向かって傾斜している電極チップとすることもできる。また、電極チップの周面が他端側から一端側へとテーパー状になった電極チップとすることもできる。この場合に、他端側端面から一端側端面へと連続的に径が変化したものであってもよいし、途中で傾斜角が変化したものであってもよい。
【００１１】
第１発明のスパークプラグでは、第２発明のように、電極チップと接合部との界面のうち、電極チップの他端側に最も近い位置からの、電極チップの軸線に対して垂直方向の接合部の深さ（図２において符号ｓで表される。）が０．１ｍｍ以上であることが好ましい。接合部の深さが０．１ｍｍ未満であると、電極チップと基体との接合強度が不十分になることがある。また、接合部の深さが十分でない場合は、電極チップの異常消耗により、接合強度が低下し易く、電極チップが脱落することもある。この接合部の深さが０．１４ｍｍ以上、特に０．１８ｍｍ以上であれば、電極チップと基体とがより強固に接合されるため特に好ましい。接合部の深さは０．３ｍｍであれば十分であり、０．３ｍｍを越えて深くする必要はない。
【００１２】
電極チップの一端側及び他端側の径方向の寸法は特に限定されないが、第４発明のように、他端側の径方向の寸法が０．４〜１．２ｍｍであることが好ましい。この寸法が０．４ｍｍ未満であると、元々の径が小さいため、異常消耗しなくても、スパークプラグの寿命が短くなる傾向にある。一方、他端側の径方向の寸法が１．２ｍｍを越える場合は、元々の径が大きいため、たとえ異常消耗してもその影響は小さい。
【００１３】
即ち、径方向における消耗量が同じである場合は、元々の径が大きいほうが消耗後の径も大きく、強度も大きい。また、径方向において同程度に消耗する場合、体積としての消耗量は径が大きいほど多く、１スパーク当たりの消耗量はほぼ同じであるため、元々の径が大きいほうが径方向において同程度に消耗するまでに長時間を要する。従って、元々の径が大きければ、特に、第１発明のような特定の形状、寸法にしなくても、十分に寿命の長いスパークプラグとすることができる。このように、第１発明の作用、効果は、径方向の寸法が１．２ｍｍ以下である場合により顕著である。
【００１４】
第１乃至第４発明において、電極チップは、耐火花消耗性に優れ、ガソリンに鉛が含まれている場合にも腐食し難いイリジウム又はイリジウム合金により形成することが好ましい。また、高温における耐酸化性を向上させるため、Ｉｒ−Ｒｈ合金、Ｉｒ−Ｐｔ合金、Ｉｒ−Ｒｈ−Ｒｕ合金及びＩｒ−Ｒｈ−Ｐｔ合金を用いることがより好ましい。
【００１５】
電極チップは、特に、第５発明のように、（１）３〜５０質量％のＲｈ、（２）１〜１０質量％のＰｔ、又は（３）ＲｈとＲｕ若しくはＰｔとの合計が５０質量％以下であり且つそれぞれ１質量％以上の該Ｒｈ、該Ｒｕ、該Ｐｔを含有するＩｒを主成分とする合金により形成することが好ましい。このＩｒ合金には他の白金族元素等が含まれていてもよいが、通常、上記組成の合金が使用される。Ｒｈが３質量％未満、或いはＰｔが１質量％未満であると、耐酸化性が十分に向上しない。一方、Ｒｈが５０質量％を越える場合は、耐火花消耗性がやや低下する傾向にある。しかし、このＲｈにより電極チップの加工が容易となるため、Ｒｈの量比は１０〜４０質量％、特に２０〜３２質量％とすることがより好ましく、必要であればＲｈが５０質量％を越える合金を用いることもできる。また、Ｐｔが１０質量％を越える場合は、電極チップの融点が低下するとともにＩｒのみである場合より更に加工し難くなるため、Ｐｔの量比は２〜７質量％とすることがより好ましい。
【００１６】
ＲｈとＲｕ若しくはＰｔとを併用すると、耐酸化性を維持しつつ高価なＲｈを１質量％にまで低減させることができ、好ましい。この場合に、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｔの各々が１質量％未満であると、耐酸化性が十分に向上しない。一方、ＲｈとＲｕ若しくはＰｔとの合計が５０質量％を越える場合は、融点の低下により耐火花消耗性がやや低下する傾向にある。耐酸化性を向上させつつ融点の低下を最小限に抑えるためには、ＲｈとＲｕ若しくはＰｔとの合計量は２〜１０質量％とすることがより好ましい。
尚、Ｒｈ、Ｒｕ及びＰｔを含有するＩｒを主成分とする電極チップであってもよく、Ｒｈ、Ｒｕ及びＰｔの合計が５０質量％以下であり、且つそれぞれが１質量％以上であれば、同様に十分な耐酸化性と耐火花消耗性とを有する電極チップとすることができる。
【００１７】
一端側と他端側における径方向の寸法が異なる電極チップの作製方法は特に限定されないが、第１０発明のように、粉末焼結法又は熱間ヘッダー加工法により作製することが好ましい。粉末焼結法では、金属粉末とショウノウ等のバインダなどとを混合し、型成形した後、所定の温度で焼成することにより、容易に所要形状の電極チップを作製することができる。また、ヘッダー加工の加工温度は９００〜１３００℃程度とし、必要であれば加工時に熱処理を施すことにより、歪みを除去することが好ましい。このヘッダー加工においてアトマイズ球等を使用することによって、より安価な電極チップとすることもできる。
【００１８】
第１乃至第９発明の内燃機関用スパークプラグでは、前記ｄと、後記の実施例における条件により行われる耐久試験後の電極チップの消耗した部分の径方向の寸法（図３においてｄ’で表される寸法である。）との差により表される異常消耗量ｄ−ｄ’が０．１８ｍｍ以下、特に０．１ｍｍ以下であることが好ましい。このようにｄ−ｄ’が特定値以下のスパークプラグであれば、電極チップの径によらず、異常消耗による更なる電極チップの加速的な消耗が十分に抑えられ、長期に渡って優れた性能が維持される。
【００１９】
また、前記Ｄと、前記ｄとの差Ｄ−ｄが０．２ｍｍであれば、前記Ｌが０．１５ｍｍの場合に、上記ｄ−ｄ’を０．８〜１．２ｍｍとすることができ、Ｌが０．２ｍｍではｄ−ｄ’を０．０７〜０．１ｍｍ、Ｌが０．３ｍｍの場合はｄ−ｄ’を０．０４〜０．０８ｍｍと小さくすることができる。また、Ｄ−ｄが０．３ｍｍであれば、Ｌが０．１５ｍｍではｄ−ｄ’を０．０５〜０．０８ｍｍ、Ｌが０．２ｍｍではｄ−ｄ’を０．０４〜０．０８ｍｍ、Ｌが０．３ｍｍではｄ−ｄ’を０．０２〜０．０５ｍｍと更に小さくすることができる。尚、Ｄ−ｄが０．２ｍｍ及び０．３ｍｍのいずれの場合も、Ｌが０．５ｍｍ以上であれば実質的に異常消耗を生ずることがない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。
（１）スパークプラグの製造
Ｒｈを４０質量％含有するＩｒ合金からなり、他端側の径が０．６ｍｍであり、一端側の径が０．６ｍｍ（図２におけるＤ−ｄ＝０）である円柱状の電極チップ、並びに一端側の径が０．７ｍｍ（図２におけるＤ−ｄ＝０．１ｍｍ）、０．８ｍｍ（図２におけるＤ−ｄ＝０．２ｍｍ）及び０．９ｍｍ（図２におけるＤ−ｄ＝０．３ｍｍ）であって、一端側における径が大きい鍔付き電極チップ（図２に示す断面形状を有する。）を熱間ヘッダー加工法により作製した。
【００２１】
これらの電極チップをＮｉ合金からなる中心電極の基体にレーザ溶接により接合し、図２におけるＬが０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．３５ｍｍ、０．４ｍｍ、０．４５ｍｍ、０．５ｍｍ、０．５５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．６５ｍｍ及び０．７ｍｍであるスパークプラグを製造した。
【００２２】
これらのスパークプラグは、図１に示すように、基体１１と電極チップ１２とからなる中心電極１、中心電極１の周面に接して配設される絶縁体４、絶縁体４に外接して設けられる主体金具５、主体金具５の端面の一部に連接され、他端が中心電極１に対向するように配置される外側電極３、及びその他の部材（図示せず）により構成される。また、電極チップ１２の一端側１２１の周縁は基体１１にレーザ溶接により接合され、接合部２が形成される。
尚、外側電極、絶縁体及び主体金具等、スパークプラグの他の部分の材質は、従来の一般的なスパークプラグと同様にした。
【００２３】
（２）耐久性の評価
排気量３０００ｃｃ、６気筒のガソリンエンジンを使用し、５０００ｒｐｍ、ＷＯＴ（ｗｉｄｅ  ｏｐｅｎ  ｔｈｒｏｔｔｌｅ）の条件で４００時間の耐久試験を行い、電極チップの異常消耗量を、投影機により測定したｄ及びｄ’の値から算出した。結果を図４のグラフに示す。
尚、基体の最高温度はいずれの場合も８５０〜９００℃であった。
【００２４】
図４の結果によれば、Ｄ−ｄが０である場合と、Ｄ−ｄが０．１ｍｍである場合は、Ｌとｄ−ｄ’との相関は近似しており、Ｌが０．１５ｍｍではｄ−ｄ’が０．２３ｍｍであり、Ｌが０．２ｍｍでもｄ−ｄ’が０．２２ｍｍと異常消耗量が多いことが分かる。一方、Ｄ−ｄが０．２ｍｍである場合は、Ｌが０．１５ｍｍではｄ−ｄ’が０．１ｍｍであり、Ｌが０．２ｍｍであればｄ−ｄ’は０．０８ｍｍと小さくなる。また、Ｄ−ｄが０．３ｍｍである場合は、Ｌが０．１ｍｍではｄ−ｄ’が０．１７ｍｍ、Ｌが０．１５ｍｍではｄ−ｄ’が０．０７ｍｍであり、Ｌが０．２ｍｍであればｄ−ｄ’は０．０６ｍｍと非常に小さくなる。このように、Ｄ−ｄが０．２ｍｍ以上であれば、Ｌが０．２ｍｍ、特に０．１５ｍｍであっても異常消耗を十分に抑え得ることが分かる。
【００２５】
尚、本発明においては、上記の実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、Ｒｈを４０質量％含有するＩｒ合金を、Ｒｈを３２質量％含有するＩｒ合金、Ｒｈを２０質量％含有するＩｒ合金及びＰｔを５質量％含有するＩｒ合金とした他は、同様にしてスパークプラグを製造し、同様にして耐久性を評価したところ（但し、組成によって消耗量がやや異なるため、耐久試験時間を、Ｒｈを３２質量％含有するＩｒ合金の場合は４５０時間、Ｒｈを２０質量％含有するＩｒ合金及びＰｔを５質量％含有するＩｒ合金の場合は５００時間とした。）、同様にＬが０．１５ｍｍ以上であり、Ｄ−ｄが０．２ｍｍ以上であれば異常消耗量の少ない耐久性に優れたスパークプラグとすることができた。
【００２６】
【発明の効果】
第１発明によれば、中心電極の電極チップが異常消耗することがなく、耐久性に優れ、寿命の長いスパークプラグとすることができる。また、第２乃至第４発明の特定の構成とすることによって、及び第５乃至第９発明の特定の組成の合金を用いることによって、より耐久性に優れたスパークプラグとすることができる。更に、第１０発明によれば、第１乃至第９発明のスパークプラグを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スパークプラグの中心電極及び外側電極を含む先端部分の構造を示す縦断面図である。
【図２】基体に電極チップがレーザ溶接された中心電極の先端部分を拡大して示す縦断面図である。
【図３】耐久試験により基体と電極チップとの接合部の近縁において異常消耗した様子を示す縦断面図である。
【図４】接合部と電極チップの他端側の端面との距離（Ｌ）と、電極チップの一端側と他端側の径方向の寸法の差（Ｄ−ｄ）により変化する異常消耗量（ｄ−ｄ’）との相関を示すグラフである。
【符号の説明】
１；中心電極、１１；中心電極の基体、１２；中心電極の電極チップ、１２１；電極チップの一端側、１２２；電極チップの他端側、１２３；電極チップの異常消耗した部分、２；基体と電極チップとの接合部、３；外側電極、３１；外側電極の基部、３２；外側電極の電極チップ、４；絶縁体、５；主体金具、Ｌ；接合部と電極チップの他端側の端面との距離、Ｄ；電極チップの接合部に最も近い位置における径方向の寸法、ｄ；電極チップの他端側における径方向の寸法、ｓ；電極チップの接合部に最も近い位置における接合部の深さ、ｄ’；電極チップの消耗した部分の径方向の寸法。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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