特許 7503202 スパークプラグ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-11

(45)【発行日】2024-06-19

(54)【発明の名称】スパークプラグ

(51)【国際特許分類】

   H01T 13/39 20060101AFI20240612BHJP

【ＦＩ】

H01T13/39

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2023506570

(86)(22)【出願日】2022-07-12

(86)【国際出願番号】 JP2022027443

(87)【国際公開番号】W WO2023013371

(87)【国際公開日】2023-02-09

【審査請求日】2023-01-31

(31)【優先権主張番号】P 2021126835

(32)【優先日】2021-08-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【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】角力山 大典

(72)【発明者】

【氏名】鬼海 高明

(72)【発明者】

【氏名】服部 健吾

【審査官】関 信之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１４０８００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｔ １３／３９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

放電部材を備える中心電極と、
前記放電部材と火花ギャップを介して対向する接地電極と、を備えるスパークプラグであって、
前記放電部材は、Ｒｕを主成分とし、Ｎｉ又はＣｏを０．５質量％以上３０質量％以下含むスパークプラグ。

【請求項2】

放電部材を備える接地電極と、
前記放電部材と火花ギャップを介して対向する中心電極と、を備えるスパークプラグであって、
前記放電部材は、Ｒｕを主成分とし、Ｎｉ又はＣｏを０．５質量％以上３０質量％以下含むスパークプラグ。

【請求項3】

前記放電部材は、Ｎｉ又はＣｏを５質量％以上２５質量％以下含む請求項１又は２に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ものである。

【背景技術】

【0002】

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、を備えるスパークプラグにおいて、Ｒｕの単体もしくはＲｕ合金からなる放電部材を備え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】

【文献】特開平５－５４９５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

Ｒｕは高温下において酸化揮発が顕著なため、先行技術は放電部材が消耗し易く、早期にスパークプラグの寿命が尽きるおそれがある。

【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、放電部材の消耗を低減し寿命を長くできるスパークプラグを提供することを目的としている。

【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スパークプラグは、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、Ｎｉ又はＣｏを０．５質量％以上３０質量％以下含む。

【発明の効果】

【0007】

本発明のスパークプラグによれば、放電部材の消耗を低減できるので、寿命を長くできる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【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。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。

【0010】

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１８（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１８とを絶縁する。接地電極１８は主体金具１７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により形成された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。

【0011】

中心電極１３は、軸線Ｏに沿って軸孔１２に配置された棒状の電極である。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、を備えている。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の材料は例えばＮｉ又はＮｉを主成分とする合金であり、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。放電部材１５の材料は、Ｒｕを主成分とする金属である。放電部材１５は、レーザ溶接や抵抗溶接、拡散接合等によって母材１４に固着されている。

【0012】

端子金具１６は、高圧ケーブル（図示せず）が接続される棒状の部材であり、先端側が絶縁体１１の軸孔１２の中に配置される。端子金具１６は、軸孔１２の中で中心電極１３と電気的に接続されている。

【0013】

主体金具１７は、内燃機関のねじ穴（図示せず）に固定される略円筒状の金属製の部材である。主体金具１７は導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成される。主体金具１７は絶縁体１１の外周に固定されている。主体金具１７には、接地電極１８が接続されている。

【0014】

接地電極１８は、主体金具１７に接続される母材１９と、母材１９に設けられた放電部材２０と、を備えている。母材１９は熱伝導性に優れる芯材が埋設されている。母材１９の材料は、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。放電部材２０は、母材１９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によって形成されている。放電部材２０は、レーザ溶接や抵抗溶接、拡散接合等によって母材１９に固着されている。接地電極１８は、火花ギャップ２１を介して中心電極１３の放電部材１５と対向する。

【0015】

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１６を挿入し、端子金具１６と中心電極１３との導通を確保した後、予め接地電極１８が接続された主体金具１７を絶縁体１１の外周に組み付ける。接地電極１８を屈曲して中心電極１３と接地電極１８との間に火花ギャップ２１を作り、スパークプラグ１０を得る。

【0016】

放電部材１５は、Ｒｕを主成分とし、Ｎｉ又はＣｏを０．５質量％以上３０質量％以下含む。好ましくは放電部材１５は、Ｒｕを主成分とし、Ｎｉ又はＣｏを５質量％以上２５質量％以下含む。Ｒｕは高融点金属なので、放電部材１５の主成分となる。主成分とは、放電部材１５を構成する元素のうち含有量が最も多い元素のことである。Ｒｕの含有量は、放電部材１５を構成する全成分の合計量に対して５０質量％以上が好ましく、より好ましくは６０質量％以上または７０質量％以上である。

【0017】

放電部材１５は、Ｒｕ，Ｎｉ，Ｃｏ以外に他の金属元素を含んでいても良い。他の金属元素は、例えば白金族元素（Ｒｈ，Ｐｄ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ）やＣｒが挙げられる。他の金属の含有量は例えば３質量％以下である。

【0018】

放電部材１５は、Ｒｕ，Ｎｉ，Ｃｏや他の金属元素以外に、Ｙ_２Ｏ_３やＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物を含んでいても良い。酸化物の含有量は例えば８質量％以下である。

【0019】

ＮｉやＣｏは、Ｒｕの酸化消耗を低減するための元素である。ＮｉやＣｏはＲｕよりも酸化し難い性質がある。Ｎｉの含有量は、放電部材１５の質量に対して０．５質量％以上３０質量％以下、好ましくは５質量％以上３０質量％以下、又は、０．５質量％以上２５質量％以下、より好ましくは５質量％以上２５質量％以下である。Ｎｉの含有量が０．５質量％未満であると、Ｒｕの酸化消耗がほとんど低減しない。Ｎｉの含有量が３０質量％を超えると、放電部材１５の融点が大きく低下し、放電部材１５の耐火花消耗性が低下する傾向がみられる。

【0020】

Ｃｏの含有量は、放電部材１５の質量に対して０．５質量％以上３０質量％以下、好ましくは５質量％以上３０質量％以下、又は、０．５質量％以上２５質量％以下、より好ましくは５質量％以上２５質量％以下である。Ｃｏの含有量が０．５質量％未満であると、Ｒｕの酸化消耗がほとんど低減しない。Ｃｏの含有量が３０質量％を超えると、放電部材１５の融点が大きく低下し、放電部材１５の耐火花消耗性が低下する傾向がみられる。

【0021】

放電部材１５にＮｉとＣｏが両方含まれていても良い。放電部材１５にＮｉとＣｏが両方含まれる場合、ＮｉとＣｏを合わせた含有量は、放電部材１５の質量に対して０．５質量％以上３０質量％以下、好ましくは５質量％以上３０質量％以下、又は、０．５質量％以上２５質量％以下、より好ましくは５質量％以上２５質量％以下である。ＮｉとＣｏを合わせた含有量が０．５質量％未満であると、Ｒｕの酸化消耗がほとんど低減しない。ＮｉとＣｏを合わせた含有量が３０質量％を超えると、放電部材１５の融点が大きく低下し、放電部材１５の耐火花消耗性が低下する傾向がみられる。

【0022】

放電部材１５は、Ｒｕ及びＮｉ（又はＣｏ）を含む金属粉末を成形し、得られた成形体を焼結する粉末冶金によって得られる。粉末冶金によって放電部材１５が作られると、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。

【0023】

金属粉末の成形体は、焼結によって緻密化と粒成長とが生じる。焼結温度と放電部材１５の密度との間には相関がある。耐火花消耗性を向上するため、放電部材１５の密度は９５％以上が好ましい。放電部材１５の密度はアルキメデス法で測定される。

【0024】

放電部材１５の酸化消耗を低減するために、放電部材１５は溶存酸素量が少ないのが好ましい。放電部材１５の溶存酸素量を少なくするには、原料の金属粉末に含まれる酸素量は少ないのが好ましい。原料の金属を真空溶解し、不活性ガスアトマイズ法によって金属粉末を作ることで、金属粉末の酸素量を低減できる。

【実施例】

【0025】

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。

【0026】

（サンプルの作製）
試験者は、Ｒｕ，Ｎｉの金属を種々の割合で混合した混合物、及び、Ｒｕ，Ｃｏの金属を種々の割合で混合し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種々の金属粉末を得た。得られた金属粉末を金型に入れ、圧縮して円柱状の成形体を得た後、成形体を還元雰囲気において約２０００℃で焼結して、ＲｕとＮｉの割合やＲｕとＣｏの割合が異なる３５種の放電部材を得た。

【0027】

また試験者は、Ｙ_２Ｏ_３の粉末と金属粉末とを混合したものを金型に入れ、圧縮して円柱状の成形体を得た後、成形体を還元雰囲気において約２０００℃で焼結して、Ｙ_２Ｏ_３を含む２種の放電部材を得た。

【0028】

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。得られた放電部材は、直径０．８ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの円柱状であった。得られた放電部材の密度（アルキメデス法による）は９５％以上であった。

【0029】

試験者は、放電部材をそれぞれ母材に接合した中心電極を作製し、上記実施形態と同様に、中心電極の放電部材と接地電極との間に火花ギャップを設けたＮｏ．１－３７のスパークプラグのサンプルを得た。サンプルの火花ギャップの大きさは０．７５ｍｍとした。

【0030】

（試験）
試験者は各サンプルをエンジンに取り付け、中心電極と接地電極との間に火花放電を生じさせ、エンジンを５０００ｒｐｍの回転数で１２０時間作動する試験を行った。１回の火花放電において点火コイルから各サンプルへ供給されるエネルギーは３００ｍＪとした。試験時の空燃比は１０．５、エンジンの燃焼室の圧力は６２ｋＰａ、放電部材の温度は７００℃であった。放電部材の温度は、試験を始める前に、放電部材の近くに到達する穴をあけたスパークプラグを用いて、放電部材の近くの母材の先端付近に熱電対の測温接点を配置して測定した。

【0031】

試験後、３次元形状測定機を用いて各サンプルの放電部材の消耗量（ｍｍ^３）を測定し、消耗量に基づいてＮｏ．１－３７のサンプルをＡからＣの３つのランクに分けた。Ａは消耗量が０．２９７ｍｍ^３未満、Ｂは消耗量が０．２９７ｍｍ^３以上０．５１１ｍｍ^３未満、Ｃは消耗量が０．５１１ｍｍ^３以上とした。Ａの基準値の０．２９７ｍｍ^３は、Ｐｔを５質量％含み残部がＩｒからなる放電部材を使って同じ試験をしたときの消耗量である。Ｃの基準値の０．５１１ｍｍ^３は、Ｉｒを３２質量％含み残部がＰｔからなる放電部材を使って同じ試験をしたときの消耗量である。Ｎｏ．１－３７のサンプルの放電部材の化学成分、放電部材の消耗量、消耗量に基づく判定を表１及び表２に記した。

【0032】

【表1】

【0033】

【表2】

【0034】

表１に示すようにＮｏ．６－１４，２３－３１はＡ、Ｎｏ．３－５，１５－１７，２０－２２，３２－３４はＢ、Ｎｏ．１，２，１８，１９，３５はＣの判定であった。判定がＡ又はＢのＮｏ．３－１７，２０－３４の消耗量は、Ｉｒを３２質量％含み残部がＰｔからなる放電部材の消耗量よりも少なかった。判定がＡのＮｏ．６－１４，２３－３１の消耗量は、Ｐｔを５質量％含み残部がＩｒからなる放電部材の消耗量よりも少なかった。Ｎｏ．３－１７，２０－３４は、ＩｒやＰｔよりも推定埋蔵量が多いＲｕを主成分とするので、ＩｒやＰｔを主成分とする放電部材に比べ、原料費を低減できることが明らかである。さらにＩｒやＰｔを主成分とする放電部材に比べ、原料の供給安定性を向上できることも明らかである。

【0035】

判定がＡ又はＢのＮｏ．３－１７と、判定がＣのＮｏ．１，２，１８と、を比較すると、Ｎｏ．３－１７はＮｉの含有量が０．５－３０質量％であり、Ｎｏ．１，２，１８はＮｉの含有量が０．５質量％未満または３０質量％を超えていた。Ｒｕを主体とし０．５－３０質量％の範囲でＮｉが含まれる放電部材は、それ以外の割合でＲｕにＮｉが含まれる放電部材に比べ、消耗量を少なくできることがわかった。

【0036】

判定がＡのＮｏ．６－１４と、判定がＢのＮｏ．３－５，１５－１７と、を比較すると、Ｎｏ．６－１４はＮｉの含有量が５－２５質量％であり、Ｎｏ．３－５，１５－１７はＮｉの含有量が５質量％未満または２５質量％を超えていた。Ｒｕを主体とし５－２５質量％の範囲でＮｉが含まれる放電部材は、消耗量をさらに少なくできることがわかった。

【0037】

判定がＡ又はＢのＮｏ．２０－３４と、判定がＣのＮｏ．１９，３５と、を比較すると、Ｎｏ．２０－３４はＣｏの含有量が０．５－３０質量％であり、Ｎｏ．１９，３５はＣｏの含有量が０．５質量％未満または３０質量％を超えていた。Ｒｕを主体とし０．５－３０質量％の範囲でＣｏが含まれる放電部材は、それ以外の割合でＲｕにＣｏが含まれる放電部材に比べ、消耗量を少なくできることがわかった。

【0038】

判定がＡのＮｏ．２３－３１と、判定がＢのＮｏ．２０－２２，３２－３４と、を比較すると、Ｎｏ．２３－３１はＣｏの含有量が５－２５質量％であり、Ｎｏ．２０－２２，３２－３４はＣｏの含有量が５質量％未満または２５質量％を超えていた。Ｒｕを主体とし５－２５質量％の範囲でＣｏが含まれる放電部材は、消耗量をさらに少なくできることがわかった。

【0039】

表２に示すようにＮｏ．３６は、Ｎｏ．９の放電部材のＲｕの６質量％をＹ_２Ｏ_３に置き換えたものであり、Ｎｏ．３７は、Ｎｏ．２４の放電部材のＲｕの６質量％をＹ_２Ｏ_３に置き換えたものである。Ｎｏ．３６，３７もＮｏ．９，２４と同様に判定はＡであった。Ｙ_２Ｏ_３を含む放電部材も消耗量を少なくできることが明らかになった。

【0040】

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。

【0041】

実施形態では、母材１４に放電部材１５が接合され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。母材１４と放電部材１５との間に中間材を介在させることは当然可能である。

【0042】

実施形態では、接地電極１８に設けられた放電部材２０に、中心電極１３に設けられた放電部材１５が対向す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。接地電極１８の放電部材２０を省略することは当然可能である。

【0043】

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１８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１８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を主成分とし０．５－３０質量％の割合でＮｉを含む放電部材２０が、接地電極１８の母材１９に固着される。母材１９と放電部材２０との間に中間材が介在しても良い。

【0044】

接地電極１８を第１電極とする場合には、接地電極１８の母材１９のうち中心電極１３の側を向く面に放電部材２０が固着されるものに限られない。放電部材２０と中心電極１３との間に火花ギャップ２１が形成されるのであれば、母材１９のどの面に放電部材２０を固着しても構わない。中心電極１３の放電部材１５を省略することは当然可能である。

【0045】

実施形態では、主体金具１７に接合された接地電極１８の母材１９を屈曲させ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い。屈曲した母材１９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１７の先端側を軸線方向に延ばし、直線状の母材を主体金具１７に接合して、母材を中心電極１３と対向させる。接地電極１８の数も適宜設定される。

【0046】

実施形態では、放電部材２０が中心電極１３と軸線方向に対向するように接地電極１８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１８と中心電極１３との位置関係は適宜設定できる。接地電極１８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の側面と接地電極１８の放電部材２０とが対向するように接地電極１８を配置すること等が挙げられる。

【符号の説明】

【0047】

１０ スパークプラグ
１３ 中心電極（第１電極）
１５ 放電部材
１８ 接地電極（第２電極）
２１ 火花ギャップ

【図1】