特開 2024-154000 スパークプラグ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024154000

(43)【公開日】2024-10-30

(54)【発明の名称】スパークプラグ

(51)【国際特許分類】

   H01T 13/39 20060101AFI20241023BHJP

【ＦＩ】

H01T13/39

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023067565

(22)【出願日】2023-04-18

(71)【出願人】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000534

【氏名又は名称】弁理士法人真明センチュリー

(72)【発明者】

【氏名】中村 海透

(72)【発明者】

【氏名】服部 健吾

(72)【発明者】

【氏名】井澤 宏昭

(72)【発明者】

【氏名】鹿島 智克

(72)【発明者】

【氏名】宮田 大輔

【テーマコード（参考）】

5G059

【Ｆターム（参考）】

5G059AA04

5G059CC02

5G059DD02

5G059DD11

5G059EE02

5G059EE11

(57)【要約】

【課題】放電部材の割れを低減できるスパークプラグを提供する。
【解決手段】スパークプラグは、Ｎｉを主成分とする母材に溶融部を介して接合された放電部材を備える第１電極と、放電部材と火花ギャップを介して対向する第２電極と、を備え、放電部材はＲｕを主成分とし、溶融部のビッカース硬度を放電部材のビッカース硬度で除した値は０．２５以上２．８以下である。放電部材はＩｒ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｐｄ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｕ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｉからなる群から選択される１種以上の元素を含むことができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｎｉを主成分とする母材に溶融部を介して接合された放電部材を備える第１電極と、
前記放電部材と火花ギャップを介して対向する第２電極と、を備え、
前記放電部材はＲｕを主成分とするスパークプラグであって、
前記溶融部のビッカース硬度を前記放電部材のビッカース硬度で除した値は０．２５以上２．８以下であるスパークプラグ。

【請求項2】

前記放電部材はＩｒ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｐｄ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｕ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｉからなる群から選択される１種以上の元素を含む請求項１記載のスパークプラグ。

【請求項3】

前記値は１．０５以上２．８以下である請求項１記載のスパークプラグ。

【請求項4】

前記放電部材はＩｒ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｐｄ，Ｍｏ，Ｗからなる群から選択される１種以上の元素を含む請求項３記載のスパークプラグ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はＲｕを含む放電部材を備えるスパークプラグに関する。

【背景技術】

【0002】

放電部材を含む第１電極と、放電部材と火花ギャップを介して対向する第２電極と、を備えるスパークプラグにおいて、放電部材の材料がＲｕを主成分とする金属である先行技術が特許文献１に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１３－５１２５５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

Ｒｕの結晶構造は六方最密格子であり外力に対するずれの抵抗が大きく変形しにくいため、先行技術は、Ｒｕを主成分とする放電部材が割れやすいという問題点がある。

【0005】

本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、放電部材の割れを低減できるスパークプラグの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この目的を達成するために本発明の第１の態様は、Ｎｉを主成分とする母材に溶融部を介して接合された放電部材を備える第１電極と、放電部材と火花ギャップを介して対向する第２電極と、を備え、放電部材はＲｕを主成分とし、溶融部のビッカース硬度を放電部材のビッカース硬度で除した値は０．２５以上２．８以下である。

【0007】

第２の態様は、第１の態様において、放電部材はＩｒ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｐｄ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｕ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｉからなる群から選択される１種以上の元素を含む。

【0008】

第３の態様は、第１の態様において、溶融部のビッカース硬度を放電部材のビッカース硬度で除した値は１．０５以上２．８以下である。

【0009】

第４の態様は、第３の態様において、放電部材はＩｒ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｐｄ，Ｍｏ，Ｗからなる群から選択される１種以上の元素を含む。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、Ｒｕを主成分とする放電部材とＮｉを主成分とする母材とを接合する溶融部のビッカース硬度を、放電部材のビッカース硬度で除した値が０．２５以上２．８以下であるため、溶融部の変形が放電部材の変形を補助し、放電部材の割れを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】一実施の形態におけるスパークプラグの片側断面図である。

【図2】図１のＩＩで示す部分を拡大したスパークプラグの片側断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は一実施の形態におけるスパークプラグ１０の軸線Ｏを境にした片側断面図である。図１では、紙面下側をスパークプラグ１０の先端側、紙面上側をスパークプラグ１０の後端側という。

【0013】

図１に示すようにスパークプラグ１０は、中心電極１３（第１電極）及び接地電極１９（第２電極）を備えている。絶縁体１１は中心電極１３と接地電極１９とを絶縁する。接地電極１９は主体金具１８に接続されている。絶縁体１１は、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等のセラミック製の略円筒状の部材である。絶縁体１１は軸線Ｏに沿って貫通する軸孔１２が設けられている。中心電極１３（第１電極）は、軸線Ｏに沿って軸孔１２に配置された棒状の導体である。

【0014】

図２は図１のＩＩで示す部分を拡大したスパークプラグ１０の片側断面図である。中心電極１３は母材１４と、母材１４の先端に設けられた放電部材１５と、母材１４と放電部材１５とが溶けてなる溶融部１６と、を含む。母材１４は熱伝導性に優れる芯材が埋設されている。母材１４の材料はＮｉを主成分とする金属であり、芯材の材料は例えばＣｕ又はＣｕを主成分とする合金である。芯材は省略できる。母材１４の材料がＮｉを主成分とする金属とは、金属の質量のうち５０質量％以上をＮｉが占めていることをいう。

【0015】

放電部材１５の材料はＲｕを主成分とする金属である。Ｒｕが主成分というのは、放電部材１５の質量に対してＲｕの質量の割合が５０％以上であることをいう。本実施形態では放電部材１５の形は円板状である。放電部材１５は、レーザ溶接や抵抗溶接等によってできた溶融部１６を介して母材１４に固着されている。

【0016】

図１に戻って説明する。端子金具１７は、点火装置（図示せず）が接続される棒状の導体であり、先端側が絶縁体１１の軸孔１２の中に配置される。端子金具１７は、軸孔１２の中で中心電極１３と電気的に接続されている。

【0017】

主体金具１８は、内燃機関（図示せず）のプラグホールのねじ穴に固定される略円筒状の部材である。主体金具１８の材料は導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）である。主体金具１８は絶縁体１１の外周に固定されている。棒状の導体である接地電極１９（第２電極）が主体金具１８に接続されている。接地電極１９は主体金具１８から軸線Ｏに向かって屈曲している。

【0018】

図２に示すように接地電極１９は、主体金具１８に接続される母材２０と、母材２０に設けられた放電部材２１と、母材２０と放電部材２１とが溶けてなる溶融部２２と、を含む。母材２０は熱伝導性に優れる芯材が埋設されている。母材２０の材料は例えばＮｉを主成分とする合金であり、芯材の材料はＣｕ又はＣｕを主成分とする合金である。芯材は省略できる。

【0019】

放電部材２１の材料は母材２０よりも耐火花消耗性の高いＰｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｈ等の貴金属やＷ、又は、貴金属やＷを主成分とする合金が例示される。放電部材２１は、レーザ溶接や抵抗溶接等によって作られた溶融部２２を介して母材２０に固着されている。中心電極１３の放電部材１５は、先端側を向く放電面２３が、火花ギャップ２４を介して接地電極１９と対向している。

【0020】

スパークプラグ１０は、例えば以下のような方法によって製造される。まず、中心電極１３を絶縁体１１の軸孔１２に挿入する。次に軸孔１２に端子金具１７を挿入し、端子金具１７と中心電極１３との導通を確保した後、予め接地電極１９が接続された主体金具１８を絶縁体１１の外周に組み付ける。接地電極１９を屈曲して中心電極１３と接地電極１９の放電部材２１との間に火花ギャップ２４を作り、スパークプラグ１０を得る。

【0021】

中心電極１３は、溶融部１６のビッカース硬度Ｍを放電部材１５のビッカース硬度Ｄで除した値Ｍ／Ｄが０．２５以上２．８以下である。ビッカース硬度Ｍ，Ｄを測定する試験面は、放電部材１５の放電面２３の重心２５を通る直線２６（放電面２３に垂直な直線２６）を含む断面を研磨した面である。放電面２３の重心２５は、放電面２３を平面図形としたときの、公知の手段で算出される幾何中心である。

【0022】

ビッカース硬度はＪＩＳ Ｚ２２４４－１：２０２０に基づき、試験面に圧子を押し込んだ試験力を、試験面にできた圧子のくぼみの表面積で除して得られる。ばらつきを考慮して、溶融部１６の試験面の中の任意の３０点のビッカース硬度の平均を溶融部１６のビッカース硬度とし、放電部材１５の試験面の中の任意の３０点のビッカース硬度の平均を放電部材１５のビッカース硬度とする。

【0023】

放電部材１５は、Ｒｕを含む粉末を圧縮して成形し高温で焼結する方法（焼結法）によって作製される。焼結法によれば焼結のときの温度や圧力などによって放電部材１５のビッカース硬度を高くしたり低くしたりできる。焼結法によれば円板、円錐台、楕円柱、三角柱や四角柱等の多角柱など放電部材１５を任意の形状にできる。

【0024】

放電部材１５はＲｕを含む金属材料のインゴットの熱間または冷間による鍛造、圧延、スウェージャ、打ち抜き、伸線等の塑性加工により作製することもできる。塑性加工によれば加工歪（加工硬化）や結晶粒の微細化などによって放電部材１５のビッカース硬度を調整できる。

【0025】

溶融部１６はレーザ溶接により作製される。レーザ溶接によればレーザ出力、レーザビームの照射位置によって溶融部１６に占める母材１４と放電部材１５の割合を変えることにより溶融部１６のビッカース硬度を高くしたり低くしたりできる。溶融部１６は抵抗溶接によって作製することもできる。抵抗溶接によれば溶接電流、通電時間、加圧力などによって溶融部１６のビッカース硬度を調整できる。

【0026】

Ｒｕの結晶構造は六方最密格子であり、外力に対するずれの抵抗が大きく変形しにくいため、Ｒｕを主成分とする放電部材１５は割れやすいという問題点がある。溶融部１６のビッカース硬度Ｍを放電部材１５のビッカース硬度Ｄで除した値Ｍ／Ｄを０．２５以上２．８以下にすると、溶融部１６の変形が放電部材１５の変形を補助するため、溶融部１６を介して母材１４に接合された放電部材１５の割れを低減できる。

【0027】

溶融部１６のビッカース硬度は１００ＨＶ以上６５０ＨＶ以下が好ましく、１２０ＨＶ以上６３０ＨＶ以下がより好ましい。放電部材１５の割れを低減するために、溶融部１６２２の引張強度と靭性とを確保するためである。

【0028】

放電部材１５のビッカース硬度は１８０ＨＶ以上５５０ＨＶ以下が好ましく、２００ＨＶ以上５３０ＨＶ以下がより好ましい。放電部材１５の引張強度と靭性とを確保するためである。

【0029】

放電部材１５は、Ｒｕの他にＩｒ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｐｄ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｕ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｉからなる群から選択される１種以上の元素が含まれると好ましい。これらの元素の原子半径は１１１－１４４ｐｍの範囲にあり、Ｒｕの原子半径１３４ｐｍに近いため、固溶強化により母材１４と放電部材１５とが溶けてなる溶融部１６の機械的強度を高くできるからである。

【0030】

放電部材１５は、Ｒｕの他にＩｒ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｐｄ，Ｍｏ，Ｗからなる群から選択される１種以上の元素が含まれるとさらに好ましい。これらの元素の原子半径は１３０－１３９ｐｍの範囲にあり、Ｒｕの原子半径１３４ｐｍにさらに近いため、固溶強化により溶融部１６の機械的強度をさらに高くできるからである。

【0031】

放電部材２１は、Ｒｕの他にＹ_２Ｏ_３やＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物が含まれていても良い。酸化物の含有量は例えば８質量％以下である。放電部材２１に占めるＲｕ以外の元素（不純物は除く）や酸化物の割合は、合計して４０質量％以下が好ましい。放電部材２１の融点の低下を防ぐためである。不純物は、Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｓｎ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｔｈ等が挙げられる。放電部材２１に占める不純物の割合は例えば１質量％未満である。

【実施例0032】

本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

【0033】

（放電部材の作製）
試験者は、Ｒｕ，Ｉｒ，Ｒｈ等の金属やＹ_２Ｏ_３を種々の割合で混ぜた混合物を真空溶解し、不活性ガスアトマイズ法によってＲｕの割合が異なる種々の粉末を得た。粉末を金型に入れ、圧縮して円柱状の成形体を得た後、還元雰囲気において約２０００℃で成形体を焼結し、焼結の温度や時間を異ならせることにより、ビッカース硬度が異なる種々の放電部材を得た。放電部材は底面の直径が０．６ｍｍ、高さが０．５５ｍｍの円柱状とした。放電部材の密度（アルキメデス法による）は９５％以上であった。放電部材の化学成分は波長分散型Ｘ線分光器（ＷＤＳ）を使って測定した。測定の条件は、加速電圧：２０ｋＶ、ビーム径：２０μｍ、測定時間：ピークトップ１０秒とした。

【0034】

（試験片の作製）
試験者は、底面の幅２．７ｍｍ、高さ１．３ｍｍの直方体からなる母材の底面の端部に、放電部材の底面が接した状態でレーザ溶接を行い、溶融部を介して母材に放電部材が接合されたサンプルＮｏ．１－６８における試験片を得た。母材の材料はニッケル基合金ＮＣＦ６０１であった。例えばサンプルＮｏ．６１のレーザ溶接の条件はレーザ出力１０－５０Ｗの範囲内であった。レーザ出力やレーザビームの照射位置を異ならせることにより、試験片の溶融部のビッカース硬度を異ならせた。これによりビッカース硬度が異なる放電部材および溶融部を含むサンプルＮｏ．１－６８の試験片を２本ずつ得た。

【0035】

サンプルＮｏ．１－６８の試験片を１本ずつエポキシ系樹脂に埋め込み固めた後、放電部材の底面の重心を通る直線（底面に垂直な直線）を含む断面を研磨して試験面を作製した。試験面における放電部材および溶融部のクラックの有無を金属顕微鏡で確認した。

【0036】

（ビッカース硬度の測定）
クラックの有無を確認した試験片について、ＪＩＳ Ｚ２２４４－１：２０２０に基づき、溶融部および放電部材の試験面に圧子を５００Ｎの試験力で１０秒間押し込み、ビッカース硬度を求めた。溶融部の試験面の任意の３０点のビッカース硬度の平均を溶融部のビッカース硬度Ｍとし、放電部材の試験面の任意の３０点のビッカース硬度の平均を放電部材のビッカース硬度Ｄとし、溶融部のビッカース硬度Ｍを放電部材のビッカース硬度Ｄで除した値Ｍ／Ｄを求めた。

【0037】

（冷熱サイクル試験）
サンプルＮｏ．１－６８の試験片が１本ずつ接続された中心電極および端子金具を配置した絶縁体の外周に、接地電極が接続された主体金具を組み付けた後、接地電極を屈曲して、接地電極と中心電極の放電部材との間に火花ギャップを設けたスパークプラグのサンプルを得た。スパークプラグのサンプルは、試験片以外の部分の材料や寸法は同一にした。

【0038】

試験者は、過給機付き排気量２リットルの４気筒直噴エンジンにサンプルを取り付け、エンジンを５０００ｒｐｍの回転数で１分間運転した後、８００ｒｐｍの回転数で１分間運転するという動作を繰り返し、合計して１００時間運転する冷熱サイクル試験を行った。

【0039】

冷熱サイクル試験後、サンプルの試験片をエポキシ系樹脂に埋め込み固めた後、放電部材の底面の重心を通る直線（底面に垂直な直線）を含む断面を研磨して、放電部材および溶融部のクラックの有無を金属顕微鏡で確認した。

【0040】

レーザ溶接後の試験片にクラックが見つかったサンプルはＣと判定した。レーザ溶接後の試験片にクラックは無かったが、冷熱サイクル試験後にクラックが見つかったサンプルはＢと判定した。レーザ溶接後も冷熱サイクル試験後もクラックが無かったサンプルはＡと判定した。

【0041】

サンプルＮｏ．１－６８の放電部材の化学成分、ビッカース硬度Ｍ，Ｄ、値Ｍ／Ｄ、判定を表１及び表２に記した。各サンプルの化学成分はＲｕをＢａｌ．（残り）とし、Ｒｕ以外の不純物を除く添加元素の割合（質量％）を表１及び表２に記した。

【0042】

【表1】

【0043】

【表2】

【0044】

表１及び表２に示すように値Ｍ／Ｄが０．２４のサンプルＮｏ．１、及び、値Ｍ／Ｄが２．９０のサンプルＮｏ．６８は判定がＣであった。溶融部の変形が放電部材の変形を補助することができず、溶接時の急熱や急冷、溶融部の収縮による放電部材の引張応力により放電部材が割れたものと推定している。

【0045】

これに対し値Ｍ／Ｄが０．２５以上２．８０以下のサンプルＮｏ．２－６７は判定がＡ又はＢであった。溶接時の急熱や急冷、溶融部の収縮による放電部材の引張応力が溶融部により低減したため、溶接時に放電部材や溶融部が割れなかったものと推定している。

【0046】

特に値Ｍ／Ｄが１．０５以上２．８０以下のサンプルＮｏ．３４－６７は判定がＡであった。値Ｍ／Ｄがこの範囲にあると、冷熱サイクル試験のときの熱衝撃によっても放電部材や溶融部に割れが生じないことが明らかになった。

【0047】

判定がＡであったサンプルＮｏ．３４－６７は、Ｒｕの他にＩｒ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｐｄからなる群から選択される元素が含まれていた。判定がＡであったのは、これらの元素による固溶強化により溶融部の強度が向上したためであると推定している。

【0048】

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

【0049】

実施形態では第１電極として中心電極１３を例示し、第２電極として接地電極１９を例示したが、必ずしもこれに限られるものではない。接地電極１９を第１電極とし、中心電極１３を第２電極とすることは当然可能である。この場合、Ｒｕを主成分とする放電部材２１が、溶融部２２を介して接地電極１９のＮｉを主成分とする母材２０に固着され、溶融部２２のビッカース硬度を放電部材２１のビッカース硬度で除した値が０．２５以上２．８以下に設定される。

【0050】

実施形態では接地電極１９の母材２０が屈曲している場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。屈曲した母材２０を用いる代わりに、直線状の母材を用いることは当然可能である。この場合には主体金具１８の先端部を軸線方向に延ばし、直線状の母材を主体金具１８に接続して、接地電極１９を中心電極１３と対向させる。接地電極１９の数も適宜設定される。

【0051】

実施形態では放電部材１５が接地電極１９と軸線方向に対向するように接地電極１９を配置する場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限られるものではなく、接地電極１９と中心電極１３との位置関係は適宜設定できる。接地電極１９と中心電極１３との他の位置関係としては、例えば中心電極１３の放電部材１５の側面と接地電極１９とが対向するように接地電極１９を配置すること等が挙げられる。

【0052】

実施形態では接地電極１９の母材２０のうち後端側を向く面に放電部材２１が固着される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。放電部材２１と中心電極１３との間に火花ギャップ２４が設けられるのであれば、母材２０のどの面に放電部材２１を固着しても構わない。接地電極１９の放電部材２１を省くことは当然可能である。

【符号の説明】

【0053】

１０ スパークプラグ
１３ 中心電極（第１電極）
１４ 母材
１５ 放電部材
１６ 溶融部
１９ 接地電極（第２電極）
２４ 火花ギャップ

【図1】

【図2】